Unioines Soldadas, Arturo Gamarra

Uniones Soldadas

¿Qué es la soldadura? La soldadura es en realidad un proceso metalúrgico, por eso entender como los metales se comportan durante su producción y fundición es conocer los fundamentos de la soldadura.

La mayoría de los procesos de soldadura, al igual que en la fundición de los metales, requieren la generación de altas temperaturas para hacer posible la unión de los metales envueltos El término soldadura lo podemos definir como unión mecánicamente resistente de dos o más piezas metálicas diferentes Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Procesos de Soldadura MMA. Soldadura manual con electrodos revestidos Este proceso de soldadura, se caracteriza porque se produce un arco eléctrico entre la pieza a soldar y un electrodo metálico recubierto. Con el calor producido por el arco, se funde el extremo del electrodo y se quema el revestimiento, produciéndose la atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de las gotas del metal fundido desde el alma del electrodo hasta el baño de fusión en el material base.

La Soldadura Manual o MMA es también conocida como Soldadura de Varilla o Soldadura de Arco Eléctrico, es la más antigua y más versátil de todos los diferentes procesos de soldadura de arco

La escoria derretida se escurre sobre el cordón de soldadura donde protege el metal soldado, aislándolo de la atmósfera durante la solidificación; la escoria también ayuda a darle forma al cordón Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Procesos de Soldadura GMAW. Soldadura

semiautomática con hilo sólido.

En la soldadura por Arco Metálico con Gas (GMAW), conocida como proceso MAG-MIG, la fusión es producida por un arco que se establece entre el extremo del alambre aportado continuamente y la pieza a soldar. La protección se obtiene íntegramente de los gases suministrados simultáneamente con el metal de aporte. Existen dos clasificaciones en este proceso, en función del tipo de gas protector: MIG- El cual emplea protección de un gas inerte o mezcla de gases inertes (Helio, Argón, etc). MAG- El cual emplea dióxido de carbono o mezcla de CO2 con gases inertes Ing. Arturo Gamarra Chinchay

La soldadura GMAW (gas metal arc welding) o Soldadura MIG (metal inert gas) es inherentemente más productiva que la MMA (Soldadura de arco manual), donde las perdidas de productividad ocurren cada vez que el soldador se detiene para reemplazar el electrodo consumido

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Procesos de Soldadura GTAW. Soldadura Tig.. Es un proceso en el que se usa un electrodo no consumible de tungsteno sólido, el electrodo, el arco y el área al rededor de la soldadura fundida son protegidas de la atmósfera por un escudo de gas inerte, si algún metal de aporte es necesario es agregado a la soldadura desde el frente del borde de la soldadura que se va formando

La soldadura GTAW (gas tugsten arc welding) o

Soldadura TIG (tungsten inert gas) es también conocida como soldadura Heliarc

La Soldadura TIG fue desarrollada inicialmente con el propósito de soldar metales anticorrosivos y otros metales difíciles de soldar, no obstante al pasar del tiempo, su aplicación se ha expandido incluyendo tanto soldaduras como revestimientos endurecedores (hardfacing) en prácticamente todos los metales usados comercialmente. Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Procesos de Soldadura PAW. Soldadura Plasma.

Soldadura por Arco de Plasma "PAW" (Plasma Arc Welding) es un proceso muy similar al proceso de soldadura TIG "GTAW", de hecho es una evolución de este método, el cual esta diseñado para incrementar la productividad.

El término plasma designa una atmósfera gaseosa a alta temperatura ionizada, constituida por iones positivos y por electrones. Es una atmósfera globalmente neutra, que forma la parte más grande de la columna de arco y a través de ella se efectúa el paso de la corriente. Debido a las grandes temperaturas del arco plasma, éste tiene numerosas aplicaciones Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Procesos de Soldadura Soldadura de Arco Sumergido"SAW En el proceso de Arco Sumergido "SAW", el arco es iniciado entre el material base a ser soldado y la punta de un electrodo consumible, los cuales son cubiertos por una capa de un fundente granulado. El arco es, por consiguiente, escondido en esta capa densa de fundente granulado el cual parte se funde para formar una cubierta protectora sobre el cordón de soldadura fundido, en donde sus remanentes pueden ser recuperados para ser usado nuevamente

El lado malo del proceso es que los equipos son muy costosos, así como la instalación que se puede convertir en algo compleja, en donde grandes estructuras metálicas son fabricadas para poder instalar las cabezas de soldadura que tendrán que moverse transversal, horizontal, vertical, orbital, y a veces hasta diagonalmente. Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Circuito Básico de soldadura

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Elementos del proceso de soldadura de arco eléctrico

Fusion line Weld preparation

Base metal

Weld metal

HAZ

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HAZ

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Representación simbólica para soldadura estándar AWS con la ubicación de los elementos del símbolo

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Tipos de Juntas Soldadas Los siguientes dos tipos de juntas de soldadura son importantes desde el punto material de las vistas

1.-Junta de filete o de traslape La junta de filete o de traslape es obtenida por superposición de las placas y luego son soldadas los bordes de las placas. La seccion transversal de un filete es aproximadamente un triangulo. Soldadura de filete transversal

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Soldadura de doble filete transversal

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Soldadura de filete paralela

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Tipos de Juntas Soldadas 2.-Junta a tope La junta a tope es obtenida colocando borde a borde a las placas a unir. En las juntas a tope los bordes no requieren biselado si el espesor de la placa es menor que 5mm.Por otro lado si los espesores de las placas están entre 5mm. a 12.5mm. , los bordes si tienen que estar biselados en ranuras en V o U sobre ambos lados. Junta a tope Junta a tope Junta a tope U Junta a tope V Junta a tope U cuadrada V simple simple Doble Doble

3.-Otros tipos de juntas soldadas Junta soldada por la esquina

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Junta soldada por el borde

Junta soldada en T

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Símbolos Básicos de soldadura

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Símbolos Básicos de soldadura

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Símbolos Básicos de soldadura

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Símbolos Suplementarios de soldadura

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Esfuerzo residual en una soldadura a tope

s sy s sx

X

X

sx s Compression sy

X

0

Tension

Tension

X Compression

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Soldadura de filete Sección transversal de la soldadura que muestra la garganta y los catetos

Configuración real de la soldadura Configuración supuesta de la soldadura

Plano de cortante de la soldadura en la garganta

Donde: he = longitud del cateto de la soldadura, m

Una soldadura de filete esta hecha con catetos iguales. La sección mas delgada es entonces en la garganta de la soldadura, a 45º de los catetos

te = longitud de la garganta de la soldadura, m Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Soldadura de filete

El esfuerzo que rige en las soldaduras de filete es el cortante sobre la garganta de la soldadura

Planos de cortante Carga Libre para las placas

Esfuerzo cortante

espesor

Esfuerzo cortante

Planos de cortante En la soldadura de filete alineada paralela a la carga, el esfuerzo cortante ocurre a lo largo de la garganta del filete paralelo a la carga. Ing. Arturo Gamarra Chinchay

En la soldadura de filete alineada en forma transversal a la carga, el esfuerzo cortante ocurre a 45º de la carga, actuando de forma transversal al eje del filete

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Esfuerzos en el Plano de cortante Los esfuerzos que se producen en el plano de cortante se descomponen en esfuerzos normal y cortante (mostramos el plano de cortante en el filete de soldadura

Donde: P = carga, N σ = esfuerzo normal al plano de cortante, MPa ĩ1 = esfuerzo cortante actuando paralela al eje del filete , MPa ĩ2 = esfuerzo cortante actuando perpendicular al eje del filete , MPa Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Carga Paralela y Transversal Las soldaduras de filete fallan por cortante en la sección mínima, la cual se encuentra en la garganta de la soldadura. Esto es cierto si la soldadura tiene carga paralela o transversal El esfuerzo cortante para estos tipos de carga es:

donde

P P 1.414 P    te Lw 0.707he Lw he Lw

te = longitud de la garganta de la soldadura, he sen 45º = 0.707 he, m

he = longitud del cateto de la soldadura, m Lw = longitud de la soldadura, m Así, para evitar la falla, se debe cumplir lo siguiente: Ing. Arturo Gamarra Chinchay

P   S xy soldadura te Lw

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Esfuerzos en Juntas Soldadas con filetes transversal ¿Calculo de P?

P  (te x2LW )( )  (1.414he xLW )

P  (te xLW )( )  (0.707he xLW ) Nota: Desde que la soldadura es mas débil que la placa debido a la escoria y sopladuras, por tanto se le da un refuerzo a la soldadura el cual puede ser tomado como un 10% del espesor de la placa Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Esfuerzos en Juntas Soldadas con filetes Paralelos

P  (te x2LW )( )  (1.414he xLW )

P  (te x2LW 2 )( )  (te xLW1)( )  (1.414he xLW 2 )  (0.707he xLW1)( ) Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Factor de Concentración de Esfuerzos para Uniones Soldadas (Kt) En la junta de la soldadura y el metal base se produce una concentración de esfuerzos por lo que hay que proveer un reforzamiento. Cuando las partes están sujetas a cargas de fatiga, el factor de concentración de esfuerzos esta dada por la siguiente tabla

Tipo de Junta

Factor de Concentración de esfuerzos (Kt)

Soldadura a tope con reforzamiento

1.2

Soldadura de filete transversal

1.5

Soldadura de filete paralela

2.7

Soldadura a tope en T con borde biselado

2.0

Nota: Para cargas estáticas en los diferentes tipos de juntas el factor de concentración de esfuerzos es 1.0 Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Tamaño de la soldadura

El tamaño de la soldadura es especificado de la siguiente manera: Para soldadura a tope: espesor de la garganta Para soldadura de filete: espesor de la garganta. Para propósito de diseño es necesario referirse al tamaño efectivo de la soldadura

Soldadura a tope

El tamaño efectivo en diseño es el espesor de la garganta t1 . Notamos en las ilustraciones que t1 < t2 , donde t2 es el espesor actual de la garganta. En cada caso el espesor de la sobre película de soldadura es deducido. Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Penetración parcial de la soldadura a tope

El termino penetración parcial implica estrictamente en una soldadura a tope que estas son diseñadas para tener menos que la penetración completa.

El espesor de la garganta de una pentración parcial de (source: J.G. Hicks, ref. 41) soldadura es t2 + t2´. Notamos que el grado de penetración será conocido correctamente

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Definición del espesor de la garganta de la soldadura para varias configuraciones geométricas de soldadura

Welds with equal legs

Welds with unequal legs

(source: J.G. Hicks, ref. 41)

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Ejemplo: Filete de soldadura transversal bajo carga axial P 1  s x  2lt P  2lh cos  P  2lh cos 45 P  1.414lh s eq  3 1  3P P  1.225 1.414lh lh Ing. Arturo Gamarra Chinchay

t sx

P/2 sx τ1 design_machine_gama2006@yah oo.es



P/2 28

Diseño de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria № 1 1.-Mostramos que el plano máximo de corte ocurre a 45° para una carga paralela al filete de soldadura de lados iguales, despreciar la flexión. Determine la fuerza permisible total Ftotal por pulgada de filete de , si el esfuerzo permisible de corte es de 13,600 psi de acuerdo a AWS

2.-Mostramos que el plano máximo de corte ocurre a 67½° para una carga transversal al filete de soldadura de lados iguales, despreciar la flexión. Determine la fuerza permisible F por pulgada de filete de , si el esfuerzo permisible de corte es de 13,600 psi de acuerdo a AWS

3.-a).-Una placa de 100mm. de ancho y 10mm. de espesor es soldada con otra placa por medio de soldadura de filete transversal en los extremos. Si las placas están sujetas a una carga de 10 KN, encontrar la longitud de filete de soldadura para carga estática asi como para carga de fatiga. El esfuerzo de tensión permisible no podrá exceder 70 MPa. b).-Si las placas del inciso a están unidas por doble filetes paralelos y su esfuerzo de corte no debe exceder los 56 MPa. Encontrar la longitud de la soldadura para carga estática y carga dinámica. Ing. Arturo Gamarra design_machine_gama2006@yah 29 Chinchay oo.es

Diseño de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria № 1 4.-Un ángulo L de 200x150x10mm esta soldado a una placa de acero por dos filetes de soldadura paralelas a lo largo de los bordes Si el ángulo esta sujeto a una carga estática de 200 KN. Encontrar la longitudes de filetes de soldadura en la parte superior e inferior. El esfuerzo cortante permisible para carga estática será tomado como 75 MPa. 5.-Los filetes de soldadura de igual lado son usados para fabricar una T como se muestra donde he es la longitud del cateto de la soldadura, y L es la longitud del filete de la soldadura. Localizar el plano del esfuerzo cortante máximo en cada uno de las siguientes configuraciones de carga: 1).-Carga paralela a la soldadura (despreciar la excentricidad) y 2).-Carga transversal a la soldadura. Encontrar la Gamarra relación de estas cargas Ing. Arturo design_machine_gama2006@yah limitantes. Chinchay oo.es

30

Torsión y Flexión en Uniones Soldadas

E6013 Número de electrodo AWS

Resistencia a la soldadura Resistencia a la rotura a la tensión Sut

Resistencia a la fluencia Sy

Elongación (%)

E60xx

427 (60)

345(50)

17- 25

E70xx

482 (70)

393(57)

22

E80xx

551 (80)

462(67)

19

E90xx

620 (90)

531(77)

14 – 17

E100xx

689 (100)

600(87)

13 – 16

E110xx

760 (110)

670(97)

MPa (kpsi)

MPa (kpsi)

Los electrodos que se usan en la soldadura de arco se identifican por la letra E

Los diámetros varían entre 1/16 y 5/16 in o 2 a 8 mm

AWS: American Welding Society.

2 o 3 primeros dígitos: Resistencia a la tensión (kpsi – ksi) Penúltimo dígito: Posición del soldado: 1. Plana, horizontal, vertical y elevada 2. Filetes planos y horizontales 3. Solo en posición plana Último dígito: Variables de la técnica de soldado como fuente de corriente.

Usamos el esfuerzo cortante permisible Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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2

E6013

Propiedades de aplicación de varios electrodos

Clasificación

Penetración

Aplicación Básica

E6010

Profunda

Buenas propiedades mecánicas, Especialmente en pases múltiples, como en edificios, puentes, recipientes a presión y tuberías

E6011 E6012

E6013

Media Media

E6020

Profunda media

E6027

Media

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

Bueno para filetes horizontales de alta velocidad y un solo pase. Fácil de manejar. Especialmente para casos de pobre ajuste. Para obtener soldaduras de buena calidad dentro del metal Para soldaduras de filete horizontal en secciones pesadas. Electrodo de polvo de hierro. Rápido y fácil de manejar.

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3

Uniones soldadas cargadas asimetricamente Algunas secciones asimétricas tales como ángulos, canales o secciones en T, soldadas sobre uno de los lados son cargados axialmente, como se muestra , en tales casos las longitudes delos filetes de soldadura serán proporcionales a a y b de tal manera que la sumatoria de momentos de los filetes de soldadura con respecto al eje de gravedad es cero L1 y L2 = Son las longitudes requeridas de los filetes de soldadura sobre las dos caras. P1 y P2 = Son las fuerzas externas de reacción en ambos filetes de soldadura. Tomando momento alrededor de la línea de acción de P2 , obtenemos

(a  b) P1  Pa

P1 

Pa ab

Si s es la resistencia del filete de soldadura por unidad de longitud

Similarmente tomando momento alrededor de la línea de acción de P1 , obtenemos

(a  b) P2  Pb Ing. Arturo Gamarra Chinchay

P2 

L1 

P1 s

L2 

Pb s = 0.707 he ĩpermisible adesign_machine_gama2006@yah b oo.es

P2 s  permisible  0,40S y 4

Uniones soldadas cargadas excéntricamente Los esfuerzos inducidos sobre juntas pueden ser de la misma naturaleza o diferente Caso 1: Cuando los esfuerzos cortantes y flexionantes están presentes simultáneamente en la junta Considerando una junta T fijada en uno de sus extremos y sujeta a una carga excéntrica P a una distancia e como se muestra.

Donde:

he = longitud del cateto de la soldadura, m Lw = longitud de la soldadura, m te = longitud de la garganta de la soldadura, = he sen 45º = 0.707 he, m

La junta estará sujeta a los siguientes dos tipos de esfuerzos: 1.-Esfuerzo cortante directo debido a la fuerza cortante directa actuando en la soldadura y 2.-Esfuerzo flexionante debido al momento flector P x e Conociendo el área total de la garganta :

A = Longitud de la garganta de la soldadura x Longitud de la soldadura Donde: Ing. Arturo Gamarra Chinchay

A = te x Lw x 2 ( por doble filete de soldadura) A = 0.707 he x Lw x 2 ( ∵ te = he sen 45º = 0.707 he) design_machine_gama2006@yah oo.es

5

Uniones soldadas cargadas excéntricamente ∵ Esfuerzo cortante en la soldadura (asumiendo uniformemente distribuida)



P P  A 1.414 h e x L w

Modulo de seccion del área total de la garganta (para ambos lados)

t e xL w  0.707 h e xL w  h e xL w  Z x2   6 6 4.242 2

Momento Flector ∵ Esfuerzo Flexionante

2

M  Pxe M Pxe x 4.242 4.242 xPxe  b    2 2 Z h e x L w  h e x L w 

Conociendo el esfuerzo normal máximo

1 1  t (max)   b  Ing. Arturo Gamarra 2 2 Chinchay

2

Y el esfuerzo cortante máximo

1  b   4  b 2  4 2  (max)  design_machine_gama2006@yah 2 2

2

oo.es

6

Uniones soldadas cargadas excéntricamente Donde Շ2 es el esfuerzo cortante a una distancia (r2) y Շ es el esfuerzo cortante a una distancia r.

Considerando una pequeña seccion de la soldadura que tiene un area dA a una distancia r de G ∵ la fuerza cortante en esta pequeña seccion

  xdA

Y el momento torsor de esta fuerza de corte alrededor de G es:

dT   xdAxr   T  P xe    Ing. Arturo Gamarra Chinchay

2 r2

2 r2

 

xdAx r 2

 

xdAx r  2

2 r2

∵ el momento torsor total sobre el area entera de soldadura es:

2

 dAxr   r 2

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J

2

7

Uniones soldadas cargadas excéntricamente Caso 2: Cuando en una junta soldada es cargada excéntricamente como se muestra , los siguientes dos tipos de esfuerzos son inducidos 1.-Esfuerzo cortante directo o primario y 2.-Esfuerzo cortante debido a un momento torsor. Donde: P = Carga excéntrica e = Excentricidad, distancia perpendicular entre la línea de acción de la carga y el centro de gravedad (G) de la seccion de garganta de los filetes

Lw = longitud de la soldadura

he = longitud del cateto de la soldadura

te = longitud de la garganta de la soldadura, he sen 45º = 0.707 he Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Uniones soldadas cargadas excéntricamente Considerando dos cargas P1 y P2 (cada una igual a P) son colocadas en el centro de gravedad G del sistema de soldaduras: El efecto de la carga P1 = P produce un esfuerzo cortante directo el cual es asumido uniformemente sobre la longitud entera del filete de soldadura. El efecto de la carga P 2 = P produce un momento torsor de magnitud P x e el cual tiende a rotar la junta alrededor del centro de gravedad G del sistema de soldadura. Debido al momento torsor, un esfuerzo cortante Donde: secundario es inducido. Conociendo el esfuerzo cortante directo o primario

P P P 1    A 2t e x L w 20.707 h e x L w El esfuerzo cortante producido por el momento torsor (T= P x e) en una seccion es proporcional a la distancia radial desde G, por lo tanto el esfuerzo cortante debido a P x e en el punto A es proporcional a AG (r2) y es en una dirección en ángulo recto a AG. En otras palabras. Ing. Arturo Gamarra Chinchay

∵ Area de la garganta de un simple filete de soldadura = te x Lw= 0.707 he x Lw

2 r2



 r

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 cons tan te

o



2 r2

9

r

Uniones soldadas cargadas excéntricamente J = Momento Polar de inercia del area de la garganta alrededor de G

J   dAxr 

2

∵ El esfuerzo cortante debido al momento torsor, es decir esfuerzo cortante secundario 2 2   T xr  P xe xr  2  

J

Encontramos el esfuerzo resultante combinando vectorialmente los esfuerzos primarios y secundarios

J

∵ El esfuerzo cortante resultante en A

A 

1 2   2 2  21 2 xcos  

Θ = angulo entre Շ1 y Շ2 y cosθ = r1/r2

El momento polar de inercia del area de la garganta (A) alrededor del centro de grfavedad (G) es obtenida por el teorema de ejes paralelos



J  2 I xx   Axx 

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2



∵ de doble filete de soldadura

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10

Uniones soldadas cargadas excéntricamente J = Momento Polar de inercia del area de la garganta alrededor de G



J  2 I xx   Axx 

2



  ALW 2  LW 2 2 2 J  2   Axx    2 A  x   12   12  Donde:

A = Area de la garganta = te x Lw = 0.707 he x Lw Lw = longitud de la soldadura

x = distancia perpendicular entre los dos ejes paralelos Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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Carga de torsión Esfuerzo cortante directo (o transversal) en la soldadura P= 20 KN

d 

V Fuerza cor tan te  A Area total de la g arg anta

Esfuerzo cortante de torsión en la soldadura

Donde:

Tr t  J

r = distancia desde el centroide del grupo de soldadura hasta el punto mas apartado en la soldadura, m T = par de torsión aplicado a la soldadura, N-m

J = momento de inercia del área polar, m4 La sección critica para carga de torsión es la sección de la garganta, como lo es para carga paralela y transversal Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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12

Carga de torsión La relación entre el momento polar de inercia unitario y el momento polar de la soldadura de filete es

J  te J u  0.707he J u Donde:

Ju = momento polar de inercia del área unitaria, m3 De esta forma, para evitar la falla debida a carga de torsión, se debe cumplir lo siguiente:

   d   t  S sy soldadura A continuación damos los valores del momento polar de inercia del área polar unitaria para nueve grupo de soldadura. Usando esta tabla se simplifica la obtención de la carga de torsión

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13

Geometría y Parámetros de soldadura(1) Dimensiones de la soldadura

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

Flexión

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Torsión

14

Geometría y Parámetros de soldadura(2) Dimensiones de la soldadura

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

Flexión

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Torsión

15

Geometría y Parámetros de soldadura(3) Dimensiones de la soldadura

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

Flexión

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Torsión

16

Geometría y Parámetros de soldadura(4) Dimensiones de la soldadura

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

Flexión

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Torsión

17

Geometría y Parámetros de soldadura(5) Dimensiones de la soldadura

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

Flexión

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Torsión

18

Flexión En flexión la junta soldada experimenta un esfuerzo cortante transversal, así como un esfuerzo normal El esfuerzo cortante directo (o transversal) es el mismo que se dio para carga paralela y transversal

P P 1.414 P    te Lw 0.707he Lw he Lw

El momento M produce un esfuerzo flexionante normal s en las soldaduras. Comúnmente se supone que el esfuerzo actúa como una normal sobre el área de la garganta

I  te I u Lw  0.707he I u Lw Donde: Iu = momento de inercia del área unitaria ,m2 Lw = longitud de la soldadura ,m Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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19

Flexión A continuación damos los valores del momento de inercia del área unitaria para nueve grupos de soldadura Iu La fuerza por unidad de longitud de la soldadura es

Pa W  Iu ´

Donde:

a = distancia desde la pared hasta la carga aplicada, m El esfuerzo normal debido a la flexión es

Donde:

Mc  I

c = distancia desde el eje neutral hasta la fibra exterior, m

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20

Flexión Una vez que se conocen el esfuerzo cortante y el normal, se pueden determinar los esfuerzo cortantes principales por medio de la ecuación O los esfuerzos normales principales por medio de la ecuación

  x  y     xy2   1 , 2     4  2

 max , min

1, 2 

Una vez que se obtienen tales esfuerzos principales se puede determinar la teoría del esfuerzo cortante máximo (MSST)

Donde:

 x  y 2

  x  y     xy2    4  2

1   2 

Sy ns

Sy = esfuerzo de fluencia del material ns = fator de seguridad

Una vez que se obtienen tales esfuerzos principales también se puede determinar la teoría de la energía de distorsión (DET) Ing. Arturo Gamarra Chinchay

 octoedro 

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2 1 3 21

Ejemplo 1 Una ménsula se suelda a una viga. Suponga una carga constante de 20 KN y longitudes de soldadura l1 = 150 mm y l2 = 100 mm . Asimismo suponga el número de electrodo como E60XX y una soldadura de filete. Determine la longitud del cateto de soldadura para la carga excéntrica que se muestra. Considerando la torsión pero no la flexión, para un factor de seguridad de 2.5 < Solución > La suma de las áreas soldadas es

 A  t l i

e

1

 l2   0.707he 150  100  176.8he  250te

El centroide del grupo de soldaduras de las ecuaciones es

El par de torsión que se aplica es

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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22

Ejemplo 1 De la tabla considerando la torsión y la soldadura que se presenta

El momento polar de inercia del área unitaria es:

Las fórmulas que se proporcionan en la tabla de Geometría y Parámetros de soldadura se pueden derivar usando el teorema de los ejes paralelos

I x'  I x  Ad Ing. Arturo Gamarra Chinchay

2 y

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I y '  I y  Ad x2

23

Ejemplo 1

Coordenadas del centroide del filete de soldadura

Para la soldadura 1 De la ecuación

I x'  I x  Ld y2

Y

150  150105  752  416,250mm3 l13 l   I x'   l1  y  1   12 2 12  2

3

De la ecuación



2

I y '  I y  Ld x2 1

I y '  l1 x  15020  60,000mm 2

2

3

x

El momento polar de área unitaria para la soldadura 1 es:

J u 1  I x

'

 I y '  476,250mm3

Para la soldadura 2 De la ecuación De la ecuación

I x'  l2 45  202,500mm3 2

I x'  I x  Ld y2 I y '  I y  Ld

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

2 100  10050  202  173,333mm3 l23  l2  I  x     '  x y 2

12



2

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3

12

24

Ejemplo 1 El momento polar de área unitaria para la soldadura 2 es:

J u 2  I x

'

 I y '  375,833mm3

De esta forma, el momento polar de inercia del área unitaria para la soldadura 1 y 2 es

J u  J u 1  J u 2  852,083mm3

Este es el mismo resultado que el que se obtuvo usando la fórmula de la tabla El momento polar de inercia del área es

J  te J u  0.707he J u  602,514he P= 20 KN

J se expresa en milímetros a la cuarta potencia

Esfuerzo cortante por carga transversal, en los puntos A y B son iguales

 dA   dB 

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

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P 20,000 113.1   MPa A 176.8he he

25

Ejemplo 1 Esfuerzo cortante de torsión

Los componentes del esfuerzo cortante de torsión en el punto A son:

 tAx

ttAx ttAy

 

T 45 5.6 106 45 418.3   MPa  MPa 602,514he J he

 tAy

T 80 80  418.3  743.7  MPa     MPa J 45  he  he

 Ax   tAx 

418.3 MPa he  113.1 743.7 

856.8

 MPa   Ay   dA   tAy    MPa he  he  he

ttBx ttBy

2 2  A   Ax   Ay 

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

1 he

418.32  856.82 MPa  953.5 MPa

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he

26

Ejemplo 1 Los componentes del esfuerzo cortante de torsión en el punto B son:

 tBx

 

T 105 5.6 106 105 976.1   MPa  MPa 602,514he J he

 tBy  B  A

Esfuerzo cortante de torsión

ttAx ttAy

T 20  20  976.1  185.9    MPa  MPa   J he  105  he 

 Bx   tBx 

976.1 MPa he

 185.9 113.1 

106 Pa   By   dB   tBy    he  he  he 2

2 2  B   Bx   By

72.82

2

 976.1   72.82  978.8     MPa    MPa h h h e  e   e 

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

ttBx

MPa

Como

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B  A

ttBy

Este se selecciona para el diseño

27

Ejemplo 1 La resistencia a la fluencia para el electrodo E60XX es de 50 Ksi

 permisible  0,40S y

La resistencia de un elemento de máquina es:

 permisible  0,40S y  0,4050103   20Ksi  138.0MPa El factor de seguridad es:

ns 

 permisible  0,40S y

 permisible 138.0  978.8 B he

Puesto que el factor de seguridad es 2.5, se tiene:

he

Ing. Arturo Gamarra Chinchay

 978.82.5   17.73mm 138.0

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Tipos de Uniones Soldadas

Tipos de Juntas Soldadas 1.-Junta a tope Junta a tope cuadrada

Junta a tope simple a 45°

La junta a tope es obtenida colocando borde a borde a las placas a unir..

Junta a tope abierta cuadrada

Junta a tope V simple a 60°

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2

Junta a tope Doble a 45°

Junta a tope J Doble

Junta a tope J Simple

Junta a tope U Simple

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Junta a tope U Doble

3

Tipos de Uniones Soldadas 2.-Junta de filete o de traslape

La junta de filete o de traslape es obtenida por superposición de las placas y luego son soldadas los bordes de las placas. La seccion transversal de un filete es aproximadamente un triangulo.

Soldadura de filete

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4

Tipos de Juntas Soldadas 3.-Otros tipos de juntas soldadas Por la esquina Por el borde

Simple Filete

En T Simple Filete

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Doble Filete

5

JUNTA A TOPE Junta en Y

Junta en U

Junta en X

Junta en I

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6

JUNTA A TOPE Junta en B

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7

JUNTA PARALELA

JUNTA EN T

JUNTA A TRASLAPE

JUNTA EN FORMA DE CRUZ

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8

JUNTA EN ANGULO

JUNTA EN ESQUINA

JUNTA EN BORDE

JUNTA MULTIPLE

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9

JUNTA EN CRUZ

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Diseño de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria № 2

1.-Visitar la pagina Web

http://www.engineersedge.com/weld/weld_butt_joint_shear_normal.htm Hacer click en : Weld Design Menu Utilizando dicha pagina Web preparar unas diapositiva donde explique los esfuerzos que actúan en los filetes de acuerdo a la carga mostrada

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Diseño de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria № 2

1.-Visitar la pagina Web

http://www.engineersedge.com/weld/weld_butt_joint_shear_normal.htm Hacer click en : Weld Design Menu Utilizando dicha pagina Web preparar unas diapositiva donde explique los esfuerzos que actúan en los filetes de acuerdo a la carga mostrada

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Diseño de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria № 2

2.-Visitar la pagina Web

http://www.mitcalc.com/doc/welding/help/en/weldingtxt.htm Utilizando dicha pagina Web preparar unas diapositiva donde explique los esfuerzos que actúan en los filetes de acuerdo a la carga mostrada

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CONEXIONES SOLDADAS

SOLDADAURA A TOPE GARHGANTA DE SOLDADURA • SE CONSIDERA COMO ESPESOR DE GARGANTA A LA PARTE MAS FINA DE LAS PARTES SOLDADS.

LONGITUD EFECTIVA DE SOLDADURA LA LONGITUD EFECTIVA ES MENOR QUE LA LONGITUD REAL (POR DEBILITAMIENTO EN LOS EXTREMOS). AL MENOS QUE A LOS EXTREMOS SE COLOQUE UNAS PLACHAS PARA QUE AL SOLDAR EL DEBILITAMIENTO SEA AL PRINCIPIO Y FINAL DONDE SE COLOCARON LAS PLANCHAS.

FUERZA EN LA SOLDADURA DEPENDIENDO DE LA CARGA RESPECTIVAM LAS COMPONENTES ESTAN EN LA DIRECCION NORMAL A LA SOLDADURA Y EN LA DIRECCION PARALELA A LA SOLDADURA.

LOS ESFUERZOS NORMALES PARALELOS SON CERO.

•

PARTES DE LAS CONEXIONES SOLDADAS

• •

•

CONEXIONES CON SOLDADURA COMBINA

CONEXIONES CON SOLDADURA INTERMITENTE

SOLDADURA DE GARGANTA GRUESA:

DONDE:

•

SE UTILIZA CUANDO EL CORDON DE SOLDADURA ES MUY CORTO PERO NO ES RECOMENDABLE PARA SOLDADURA A TOPE.

FILETE DE SOLDADURA GARGANTA DE SOLDADURA •

•

SE ENCUENTRA A LO LARGO DEL BORDE EN FORMA DE CUÑA DE TRIANGULO RECTANGULO QUE MAYORMENTE SE CONSIDERA ISOSCELES. SE UTILIZA EN FORMA DE “T”, CONEXIONE SEN ANGULO Y JUNTAS DE VUELTA.

GARGANTA TEORICA.- DISTANCIA DE LA RAIZ DE LA JUNTA MEDIDA PERPENDICULARMENTE A LA HIPOTENUSA DEL MAYOR TRIANGULO RECTO QUE PUEDE SER INSCRITO DENTRO DE LA SOLDADURA. GARGANTA EFECTIVO.- DISTANCIA MINIMA MENOS CUALQUIER PENTRACION DE LA JUNTA PRESENTE HASTA LA CARA DE LA SOLDADURA. GARGANTA REAL.- DISTANCIA ENTRE LA RAIZ Y CARA DEL FILETE DE SOLDADURA SE TOMO EN CUENTA LA CONVEXIDAD Y CONCAVIDAD EN LA SOLDADURA.

LOGITUD EFECTIVA DE SOLDADURA • POR LA MISMA FALLA EN LOS EXTREMOS DE TOPE TAMBIEN SE PUEDE USAR PLANCHITAS O SINO BORDEAN TODO LOS EXTREMOS DE SOLDADURA.

FUERZA EN LA SOLDADURA •

CARGA CON LA FUERZA NORMAL

•

CARGA CON EL MOMENTO FLECTOR

•

CARGA CON LA FUERZA DE CORTE EN X

•

CARGA CON LA FUERZA DE CORTE EN Y

•

CARGA CON TORSION

• DONDE EL ESFUERZO RESULTANTE SE DA :

EL ESFUERZO NORMAL PARALELO ES CERO.

ENCHUFE Y SOLDADURA DE RANURA

RECOMENDACIONES DE LAS DIMENCIONES DE SOLDADURA: • • •

DIAMETRO DE AGUJERO d ≥ 2s ANCHURA DE LA RANURA d ≥ 2s RANURA DE LONGITUD L ≥ 2d

FUERZA EN LA SOLDADURA •

ESFUERZO CORTANTE EN LA SUPERFICIE DE LA BASE DE LA SOLDADURA:

•

ESFUERZO CORTANTE EN LA SUPERFICIE DE LA SOLDADURA CIRCUFERENCIAL:

PUNTOS DE SOLDADURA •

•

•

UTILIZADO PARA CONECTAR PLACAS FINAS Y PIEZAS DE PAREDES DELGADAS. NO SON MUY APROPIADAS PARA LA TRANSFERENCIA DE GRANDES FUERZAS. RECOMENDACIONES PARA LA DIMENSIONES DE SOLDADURA:

DIAMETRO DE PUNTA DE SOLDADURA d ≈ 5s PASO ENTRE LAS SOLDADURA t1 ≈ (2 A 3) d DISTANCIA DEL BORDE HASTA LA SOLDADURA t2 ≥ 2d

FUERZA EN LA SOLDADURA •

ESFUERZO CORTANTE EN LA ZONO CILINDRICA:

•

ESFUERZO CORTANTE EN EL AREA DE LA GARGANTA DE SOLDADURA:

•

ESFUERZO NORMAL EN LA GARGANTA DE SOLDADURA:

SEGURIDAD EN LAS UNIONES SOLDADAS SE UTILIZA TRES METODOS : 1. METODO DE CALCULO BASICO 2. METODO DE COEFICIENTE DE CONVERSION 3. METODO DE ESFUERZO PERMISIBLE

METODO DE CALCULO BASICO •

•

REPRESENTA UN METODO GENERAL SE BASA EN METODOS DE CALCULOS FRECUENTES DE UNIONES SOLDADAS. CON RESPECTO AL TIPO DE ESFUERZO CALCULADO LAS CONDICIONES DE CARGAS SE DAN ASI:

• DONDE “FSY” EN UN FATOR DE SEGURIDAD QUEES IGUAL A FSY = FS1 . FS2 COEFICIENTE DE SEGURIDAD FS1: DEPENDE DE LA CARACTERISTICA DEL MATERIAL, EL TIPO DE MANO DE OBRA Y LA FORMADE CONEXIÓN DE CARGA. COEFICIENTE DE SEGURIDAD FS2: DEPENDE DE LA EXANTITUD, CALIDAD DE PRODUCCION,FUNCIONAMIENTO Y PRECISION DE CALCULO.

TABLA FS1 Soldaduras a tope - Reservado el derecho a la compresión - Reservado el derecho a la tensión de flexión - Sujetos a corte

1 1 ... 1.2 1,4 ... 1.5

* Los valores más altos - soldaduras soldados de un solo lado, las soldaduras en bruto, de arco de soldadura manual o llama * Valores más bajos - cara soldados soldaduras-doble, trabajó soldaduras y soldaduras de raíz rewelded, la soldadura automática de las emisiones de CO 2 o bajo flujo de soldadura, soldadura por electroescoria

Filete de soldaduras 1.2 ... 1.5 - Final soldaduras 1,3 ... 1.6 - Soldaduras laterales * Los valores más altos - soldaduras planas, las soldaduras sin terminar, las soldaduras sin penetración, más grueso soldaduras, soldadura manual * Los valores más bajos - soldaduras cóncava, soldaduras penetrado, de espesor inferior soldaduras, soldadura automática de las emisiones de CO 2 o bajo flujo de soldadura Enchufe y soldaduras de ranura - Sujetos a corte

1,5 ... 2

* Los valores más altos - soldaduras con paredes verticales, soldadura manual de arco * Valores más bajos - las soldaduras con paredes inclinadas, soldadura de CO 2 o de bajo flujo de soldadura resistencia a la soldadura por puntos - Sujetos a corte - A reserva de lágrima

1.5 2

TABLA FS2 - Una información muy precisa de entrada - Perfecto conocimiento de las características del material - De alta calidad y la observancia exacta de la tecnología de producción - Soldaduras de alta calidad sin tensiones internas 1.1 ... 1.3 - Soldadura se realiza sólo por muy experimentado, soldadores certificados - Calidad de la soldadura garantizada por un control de la salida detallada (radioscopia, pruebas magnética, ultrasonidos, ..) - Conexiones insignificante sin consecuencias graves en caso de daños

- Cálculo menos preciso, sin verificación experimental - Menor precisión en la tecnología de producción - Las soldaduras de la calidad tipo 1,3 ... 1.6 - Soldadura realizadas por soldadores - Las soldaduras con un control de salida estándar - Conexiones de menor importancia

- Reducir la precisión de los cálculos - Especificación aproximada de las características del material - Conocimiento inexacto de la acción real de carga externa 1,6 ... 2.0 - Las soldaduras con un mayor riesgo de la existencia de tensiones internas - Las soldaduras de calidad garantizado - Muy importantes conexiones con el peligro para la vida o las elevadas pérdidas materiales en caso de daños

METODO DE COEFICIENTE DE CONVERSION • • •

AL IGUAL QUE EN EL METODO ANTERIOR SE CONSIDERA UN METODO GENERAL DE CALCULO, SE DIFERENCIA EN PREDEFINIR UN COEFICIENTE DE CONVERSION. EL COEFICIENTE DE CONVERSION DEPENDE DEL MATERIAL QUE SE A UTILIZAR. LOS ESFUERZOS SE DAN CON LAS RELACIONES SIGUIENTE:

EN LA TENSION MULTIAXIAL DE SOLDADURA A TOPE:

EN LA TENSION MULTIAXIAL DE SOLDADURA DE FILETE:

FACTOR DE LOS α tipo de soldadura, el modo de carga Nalgas las soldaduras sometidas a la compresión Nalgas las soldaduras sometidas a la tensión - Manual de soldadura de arco o la llama - En contacto con la soldadura por resistencia - Manual de soldadura, conexiones después de asignación de fechas con la raíz rewelded - Soldadura automática bajo flujo de soldadura o las emisiones de CO 2 , las dos caras conexiones soldadas - Electroescoria de soldadura

Coeficiente 1.00 0,85 ... 1.00

Nalgas las soldaduras sometidas a corte Fin de las soldaduras de filete - Soldadura manual, soldadura sin penetración - Soldadura por arco manual, electrodos con mayor fuerza (min. 20% más) - Soldadura automática bajo flujo de soldadura o las emisiones de CO 2 , soldadura> 8 mm de espesor, la profundidad de penetración 0.2a - Soldadura automática bajo flujo de soldadura, las soldaduras de una capa inferior a 8 mm de espesor 0,4, profundidad de penetración filete de soldadura lateral - Soldadura manual, soldadura sin penetración - Soldadura por arco manual, electrodos con mayor fuerza (min. 20% más) - Soldadura automática bajo flujo de soldadura o las emisiones de CO 2 , soldadura> 8 mm de espesor, la profundidad de penetración 0.2a - Soldadura automática bajo flujo de soldadura, las soldaduras de una capa inferior a 8 mm de espesor 0,4, profundidad de penetración Enchufe y soldaduras de ranura - Soldadura por arco manual, soldaduras con paredes verticales - Soldadura con flujo de soldadura o las emisiones de CO 2 , las soldaduras con paredes inclinadas

0.70 0.75 ... 1.00

resistencia al contado las soldaduras sometidas a corte resistencia al contado las soldaduras sometidas a la tensión

    

   

0.65 ... 0.90

   

0.50 ... 0.65

  0.65 0.50

METODO DE ESFUERZO PERMISIBLE •

•

•

•

ESTE METODO UTILIZA LA COMPARACION DE LOS ESFUERZOS CALCULADOS AL VALOR DE LA TENSION ADMISIBLE Swa DEFINIDOS DIRECTAMENTE POR EL CALCULO HECHO. LA CONDICION DE CAPACIDAD DE CARGA DE LA UNION SOLDADA SE DESCRIBE ASI:

EL NIVEL DE SEGURIDAD REQUERIDAD ESTA INCLUIDO EN EL VALOR DE LA TENSION ADMISIBLE ESTABLECIDO, EL “FS” SE UITILIZA COMO UNA CANTIDAD AUXILIAR Y SOLO DESCRIBE UN CIERTO DE GRADO DE SOBREDIMENSIONAMIETNO DELAS CONSEXIONES DISEÑADAS. LAS TABLAS SE DAN SEGÚN NORMA, Y DEPENDE DE LA CARACTERISTICA DEL MATERIAL.

TIPOS DE UNIONES SOLDADAS CALCULO DE DISEÑO DE JUNTA DE SOLDADURA

ESFUERZO NORMAL

σ1 =

𝐹𝑛 (MPa, psi) 𝐴

σ1 : Esfuerzo Normal MPa, psi 𝐹𝑛 : Fuerza Normal (N, lb) A : Área de la garganta de la soldadura (𝑚𝑚2 , 𝑖𝑛2 )

ESFUERZO DE REFERENCIA

σ𝑠 =

σ1 (MPa, psi) α1

σ𝑠 : Esfuerzo de referencia MPa, psi σ1 : Esfuerzo Normal MPa, psi α1 : Coeficiente de junta de soldadura

ESFUERZO CORTANTE

τ=

𝐹𝑡 (MPa, psi) 𝐴

τ ∶ Esfuerzo cortante MPa, psi 𝐹𝑛 : Fuerza de Corte (N, lb) A : Área de la garganta de la soldadura (𝑚𝑚2 , 𝑖𝑛2 )

ESFUERZO DE REFERENCIA

σ𝑠 =

τ (MPa, psi) α2

σ𝑠 : Esfuerzo de referencia MPa, psi τ ∶ Esfuerzo cortante MPa, psi α2 : Coeficiente de junta de soldadura

ESFUERZO NORMAL

σ=

𝐹.𝑐𝑜𝑠δ (MPa, psi) 𝐴

RESULTANTE DE LA REDUCCIÓN DE ESFUERZOS

σ𝑅 = σ2 + 3τ2

(MPa, psi)

σ ∶ Esfuerzo Normal MPa, psi σ𝑅 : 𝑅esultante de la reduccion de esfuerzos MPa, psi F : Fuerza Interna (N, lb) τ: Esfuerzo cortante MPa, psi 2 2 A : Área de la garganta de la soldadura (𝑚𝑚 ,𝑖𝑛 ) σ: Esfuerzo normal (MPa, psi) ESFUERZO DE REFERENCIA δ : Angulo de soldadura

ESFUERZO CORTANTE

τ=

𝐹.𝑠𝑒𝑛δ (MPa, psi) 𝐴

σ𝑠 =

σ 2 α1

+3

τ 2 (MPa, psi) α2

σ : Esfuerzo de referencia MPa, psi

𝑠 τ ∶ Esfuerzo cortante MPa, psi τ : Esfuerzo Cortante MPa, psi F : Fuerza Interna (N, lb) σ : Esfuerzo normal (MPa, psi) 2 2 A : Área de la garganta de la soldadura (𝑚𝑚 ,𝑖𝑛 ) α1 , α2 : Coeficientes de junta de soldadura δ : Angulo de soldadura

ESFUERZO NORMAL

σ=

𝑢.𝑀 𝑊

(MPa, psi)

σ: Esfuerzo Normal MPa, psi M: Momento Flector (N-m, lb-pie) W: modulo de sección de área de la garganta de la soldadura (𝑚𝑚2 , 𝑖𝑛2 ) u : Constante Para : El cálculo en unidades métricas u=1000 El cálculo en unidades inglesas u=12

ESFUERZO DE REFERENCIA

σ𝑠 =

σ α

(MPa, psi)

σ𝑠 : Esfuerzo de referencia MPa, psi σ: Esfuerzo Normal MPa, psi α: Coeficiente de junta de soldadura

ESFUERZO CORTANTE

τ𝑚𝑎𝑥 =

𝑢.𝑇 𝑊

(MPa, psi)

τ𝑚𝑎𝑥 : Esfuerzo cortante MPa, psi T: Torsión (N-m, lb-pie) W: modulo de sección de área de la garganta de la soldadura (𝑚𝑚2 , 𝑖𝑛2 ) u : Constante Para : El cálculo en unidades métricas u=1000 El cálculo en unidades inglesas u=12

ESFUERZO DE REFERENCIA

σ𝑠 =

τ (MPa, psi) α2

σ𝑠 : Esfuerzo de referencia MPa, psi τ ∶ Esfuerzo cortante MPa, psi α2 : Coeficiente de junta de soldadura

ESFUERZO NORMAL

σ=

𝑢.𝑀 𝑊

ESFUERZO DE REFERENCIA (MPa, psi)

σ: Esfuerzo Normal MPa, psi M: Momento Flector (N-m, lb-pie) W: modulo de sección de área de la garganta de la soldadura (𝑚𝑚2 , 𝑖𝑛2 ) u : Constante Para : El cálculo en unidades métricas u=1000 El cálculo en unidades inglesas u=12

σ𝑠 =

σ α

(MPa, psi)

σ𝑠 : Esfuerzo de referencia MPa, psi σ: Esfuerzo Normal MPa, psi α: Coeficiente de junta de soldadura

CALCULO DEL MODULO DE SECCION DE LA GARGANTA DE SOLDADURA A TOPE