Apunte Uniones Soldadas Tercera Edicion 2010 66623f

Mecanismos y elementos de máquina

Soldadura tipos y formas de cálculo Tercera edición - 2010 Prof. Pablo Ringegni

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 4 TIPOS DE SOLDADURA (DIFERENTES MÉTODOS) ............................................................... 4 Soldadura oxiacetilénica ........................................................................................................................................................ 4 Soldadura eléctrica por arco voltaico ................................................................................................................................... 5 Soldadura por arco protegido por (MIG-MAG) ................................................................................................................... 7 Soldadura por arco protegido por gas inerte y electrodo de Wolframio (TIG) ............................................................... 7 Soldadura Aluminotérmica .................................................................................................................................................... 8 Soldadura por resistencia eléctrica y presión ..................................................................................................................... 8 Comparación de los distintos métodos ............................................................................................................................ 12 Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW) ...................................................................................................... 12 Soldadura semiautomática MIG-MAG (GMAW) .............................................................................................................. 12 Soldadura TIG (GTAW) ....................................................................................................................................................... 12

METALURGIA DE LA SOLDADURA........................................................................................ 13 DEFECTOS DE LAS UNIONES SOLDADAS ........................................................................... 15 TIPOS DE JUNTAS SOLDADAS .............................................................................................. 16 JUNTAS A TOPE. ..................................................................................................................................................................... 16 JUNTAS DE FILETE. ............................................................................................................................................................... 16

SIMBOLOGÍA DE LA SOLDADURA, NORMAS. ..................................................................... 16 Simbología de las soldaduras según norma AWS .......................................................................................................... 16 Ejemplos de simbolización de soldaduras ........................................................................................................................ 17

SOLDADURA DE METALES DIVERSOS................................................................................. 19 Soldadura de aceros inoxidables ........................................................................................................................................ 19 Soldadura de Aluminio .......................................................................................................................................................... 19 Soldadura de aceros de alto carbono ................................................................................................................................ 19 Soldadura de piezas de Hierro fundido ............................................................................................................................. 20 Soldadura de piezas de acero fundido .............................................................................................................................. 20 Soldabilidad (Carbono equivalente) ................................................................................................................................... 20

CÁLCULO DE LAS JUNTAS SOLDADAS A TOPE Y DE FILETE. ......................................... 21 1. JUNTAS SOLDADAS A TOPE .......................................................................................................................................... 21 1.1. Resistencia de la Soldadura a tracción o compresión ............................................................................................ 21 1.2. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos de corte ................................................................................................... 22 1.3. Resistencia de la Soldadura a flexión ........................................................................................................................ 22 1.4. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos compuestos de flexión y corte. ........................................................... 23 2. JUNTAS DE FILETE ............................................................................................................................................................ 23 2.1. Carga paralela y transversal........................................................................................................................................ 24

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Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido 2.2. Carga de torsión ............................................................................................................................................................ 25 2.3. Carga de flexión ............................................................................................................................................................ 30

RESISTENCIA DE LAS UNIONES SOLDADAS ...................................................................... 32 RESISTENCIA A LA FATIGA DE LAS SOLDADURAS ........................................................... 33 EJERCICIOS: ............................................................................................................................ 37 Ejemplo Nº 1 ............................................................................................................................................................................. 37 Ejemplo Nº 2 ............................................................................................................................................................................. 38 Ejemplo Nº 3 ............................................................................................................................................................................. 42 Ejemplo Nº 4 ............................................................................................................................................................................. 43 Ejemplo Nº 5 ............................................................................................................................................................................. 46

BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................... 48

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INTRODUCCIÓN La soldadura constituye una unión fija entre dos o más piezas metálicas, por lo general de igual material, las cuales por medio de calor entregado a las mismas, y casi siempre a un material adicional de aporte, se funden y se combinan resultando una unión por cohesión en las denominadas soldaduras fuertes y por adhesión en las denominadas soldaduras blandas. Por lo tanto se tienen soldaduras con aporte y sin aporte de material, siendo las primeras las que se unen por simple fusión de cada uno de los materiales, o del material de aporte, y las segundas las que además de la fusión necesitan que se ejerza presión entre ellas para que se realice la unión. Las soldaduras fuertes se realizan mediante soldadura oxiacetilénica (soldadura autógena), soldadura eléctrica por arco voltaico, soldadura aluminotérmica y por resistencia eléctrica y presión. Las soldaduras blandas son las estañadas, donde el material aportado es de menor resistencia y dureza que los que se unen.

Tipos de soldadura (Diferentes métodos) Soldadura oxiacetilénica Esta soldadura se realiza utilizando el calor producido por la llama que se produce al entrar en combustión el acetileno (C2H2) cuando reacciona con el oxígeno que se le proporciona específicamente con esta finalidad. Para ello se utiliza un soplete soldador (Fig 1), al cual llegan acetileno y oxígeno por distintos conductos, existiendo válvulas en el soldador para dejar fluir ambos gases hacia una boquilla y tubo mezclador donde se combinan los mismos.

Figura 1

Figura 2

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Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido El acetileno se puede almacenar en tubos de acero (Fig.2) a una presión que varía entre 15 a 20 kg/cm2, y el oxígeno que encuentra almacenado en tubos separados (Fig.2) a una presión que varía aproximadamente entre 125 kg/cm2 y 200 kg/cm2. A la salida de los tubos, tanto del acetileno como del oxígeno, se deben utilizar reductores de presión, denominados por lo general reguladores, ya que la presión dentro de éstos es muy superior a la de trabajo. En la figura (Fig 2) se puede observar un regulador instalado en un tubo de oxígeno además de un corte del mismo mostrando como está compuesto para lograr la reducción de la presión. Según la regulación que se realice en las válvulas del soplete se obtendrá una combustión neutra sin exceso en la llama de combustible o comburente, una llama con exceso de oxígeno o una llama con exceso de acetileno. La llama neutra, donde la proporción de combinación del oxígeno con el acetileno es de 1:1,1, se utiliza para soldar acero, presentándose el caso que con exceso de oxígeno el núcleo se hace más pequeño y quema el material en tanto que, con exceso de acetileno el núcleo se agranda, el material se carbura y se producen sopladuras, siendo la soldadura defectuosa. Para soldar aleaciones de CuZn (Latón) se utiliza generalmente un exceso de oxígeno y para soldar fundición gris se utiliza un exceso de acetileno. El material de aporte utilizado depende del tipo de material a soldar, utilizándose varillas de hierro dulce para soldar acero y de bronce para soldar fundición. Según el espesor de las piezas a soldar y de acuerdo a la temperatura que se quiere alcanzar, la boquilla debe suministrar un determinado caudal de acetileno en la unidad de tiempo, para lo que se utilizan diferentes tamaños de boquillas, las que por lo general son intercambiables en el soldador a los efectos de permitir con un mismo equipo realizar distintos tipos de soldaduras. Las piezas a soldar deben estar limpias y previamente calentadas. Se debe tener especial cuidado de no engrasar ni aceitar las roscas u otras partes del equipo ya que éstos arden muy fácilmente con el oxígeno. Además el soldador debe utilizar los elementos de protección, como ser antiparras, guantes de cuero y delantal, todos ellos confeccionados especialmente para esta operación.

Soldadura eléctrica por arco voltaico Se realiza por la fusión de las piezas a soldar y el material de aporte utilizando el calor que desarrolla el arco voltaico que se produce al circular una corriente eléctrica, a través del aire, entre los electrodos positivo y negativo, constituidos por la pieza a soldar que actúa de ánodo y la pinza con la varilla del material de aporte que es el cátodo, elevándose la temperatura hasta aproximadamente 3600°C. Para simplificar se denomina electrodo a la pinza con la varilla de aporte de material y pieza al material a soldar. Por lo general se utiliza corriente continua, con tensiones entre 50 V y 70 V para encender el arco siendo necesario para mantenerlo durante el trabajo tensiones de 20 V y 30 V, circulando corrientes entre 50 a 500 amperes. La corriente eléctrica se produce, ya sea en un transformadorrectificador conectado a la red eléctrica industrial o en un generador de corriente continua movido por un motor eléctrico o motor de combustión interna. El electrodo, en la soldadura manual por arco eléctrico, está constituido por una varilla de acero o aleación, las que actualmente vienen todas revestidas o recubiertas con un material especial, como pueden ser el óxido de titanio (revestimiento de rutilo), el ferromanganeso (revestimiento ácido), el carbonato cálcico (revestimiento básico) o la celulosa (revestimiento orgánico). Al producirse la elevación de la temperatura, el revestimiento se funde y forma una envoltura gaseosa que impide la penetración del nitrógeno y del oxígeno del aire, que causarían, el primero la fragilidad del material y, el segundo, inclusiones de óxidos, que debilitan la soldadura. Además el revestimiento contiene elementos que suplen las materias eliminadas por la combustión, como por ejemplo el manganeso y el carbono. También, al ionizar el aire, estabiliza el arco eléctrico. Forma escorias que cubren el cordón de soldadura, disminuyendo la velocidad de enfriamiento con lo que se reducen las tensiones en el material además de absorber las impurezas del baño de fusión. 5


Figura 3 Los electrodos están normalizados según Normas IRAM, DIN, SAE, etc., las que dan sus dimensiones y características (Fig.3), como ser el diámetro de las varillas, tanto del alma como del revestimiento, su longitud total l y su longitud l’ correspondiente a la zona donde es sujetada por la pinza y la cual no tiene revestimiento para permitir el o directo y con ello la circulación de la corriente eléctrica. Se utilizan distintos diámetros de electrodos para cada espesor de pieza a soldar, con una tensión y una intensidad de corriente adecuadas a los efectos de generar el calor necesario y suficiente que permitan la correcta fusión del electrodo y de la pieza. En la tabla 2 se dan distintos espesores de chapas con sus correspondientes diámetros de electrodos con revestimiento y las intensidades de corrientes. Espesor de la Chapa [mm] 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 30

Diámetro del Intensidad de la corriente electrodo [mm] en [A] 2 3a4 3a5 3a5 4a6 4a6 4a6 4a6 4a6 4a6 4a6 4a6 4a8 4a8

40 – 60 80 – 120 130 – 180 130 – 200 140 –210 150 – 220 160 – 230 170 – 240 175 – 250 175 – 260 180 – 260 185 – 260 190 – 260 200 – 260

Energía Absorbida [kwh] 0,8 1,2 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14

Consumo de electrodos [kg] 0,100 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,100 2,400 2,700 3,300

Tabla 1

Proceso de soldadura En el proceso de soldadura, al fundirse el metal por la elevada temperatura, el arco eléctrico produce en la pieza una pequeña depresión, llamada cráter. Al mismo tiempo, la extremidad del electrodo se funde por el calor del arco eléctrico y se desprende en forma de gotas, depositándose el metal en el cráter e incorporándose al metal base de la pieza. Para que se produzca una correcta soldadura el metal del electrodo y de la pieza deben mezclarse íntimamente, debiendo existir, como ya se dijera anteriormente, una unión por cohesión. Es de fundamental importancia la penetración, o sea la profundidad o espesor del metal base que se funde por la acción del arco, ya que cuanto mayor sea ésta, mejor resultado se obtiene en la unión soldada. La penetración depende del tipo de electrodo y de la intensidad de la corriente empleada. Es necesario que el arco esté continuamente en o a lo largo de 6

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido la línea de soldadura desplazándose en forma regular y en forma no muy rápida a los efectos de evitar partes porosas y de poca penetración.

Figura 4 Es importante que el operario utilice los elementos de protección para la vista como para el resto del cuerpo, a los efectos de protegerlo de la intensa luz y de los rayos ultravioletas que se producen y pueden afectar el organismo, respetándose las reglas de seguridad existentes al respecto. La soldadura eléctrica por arco voltaico para casos que exigen mucha pureza también se puede realizar en: a) atmósfera protectora de gases inertes, (gases nobles como el helio y el argón) y dióxido de carbono especial, b) bajo capa protectora de polvo, donde se utiliza un polvo especial para soldar, con gases protectores y c) por escoria electrolítica, donde la escoria se calienta por resistencia elevando su temperatura por encima del punto de fusión del acero fundiendo éste; se utiliza para soldar piezas de grandes secciones como por ejemplo planchas de hasta 450 mm.

Soldadura por arco protegido por (MIG-MAG) En este caso el aporte esta constituido por un rollo de alambre arrollado en un devanador que gira a una velocidad preestablecida, según el ancho del cordón. La protección del arco la proporciona un gas que fluye de una boquilla ubicada a la salida del devanador. De acuerdo ala naturaleza del gas, este proceso se denomina M.I.G. (metal gas inerte) o M.A.G. (metal gas activo). Se trata de un proceso de alta eficiencia, muy utilizado para soldadura de mucha extensión o de características repetidas. En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no participa en modo alguno en la reacción de soldadura. Su función es proteger la zona crítica de la soldadura de oxidaciones e impurezas exteriores. Se emplean usualmente los mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argón, menos frecuentemente helio, y mezcla de ambos. En la soldadura MAG, en cambio, el gas utilizado participa de forma activa en la soldadura. Su zona de influencia puede ser oxidante o reductora, ya se utilicen gases como el dióxido de carbono o el argón mezclado con oxigeno. El problema de usar CO2 en la soldadura es que la unión resultante, debido al oxígeno liberado, resulta muy porosa. Además, sólo se puede usar para soldar acero, por lo que su uso queda restringido a las ocasiones en las que es necesario soldar grandes cantidades de material y en las que la porosidad resultante no es un problema a tener en cuenta.

Soldadura por arco protegido por gas inerte y electrodo de Wolframio (tungsteno) (TIG) El arco eléctrico se establece entre el electrodo de wolframio (no consumible) y la pieza a soldar. Los motivos por los que se utiliza el wolframio son dos: su alto punto de fusión y su propiedad de ser un fuerte emisor de electrones. En el proceso descrito anteriormente, el electrodo (varilla o alambre) era consumible, es decir que cumplía una doble función: establecer el arco y aportar material.

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Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido En el proceso TIG el metal de aporte se adiciona independientemente, manualmente con una varilla o mediante un devanador de alambre. La protección del arco es proporcionada por el gas inerte, argón o mezcla que se provee por la boquilla.

Soldadura Aluminotérmica Consiste en la fusión del metal de aporte el cual por su alta temperatura, al caer sobre las piezas del mismo metal las funde soldándolas. Se colocan las piezas a soldar, por ejemplo un riel que se quiere unir, dentro del molde de arena (Fig.5) y dentro del crisol de magnesita una mezcla finamente pulverizada de oxido de hierro y aluminio. Se agrega carbono en forma de polvo, y se enciende la mezcla con un fósforo especial llevándose la misma a unos 1000ºC iniciándose una reacción exotérmica, fundiéndose la misma llegando aproximadamente a 3000°C; el carbono se combina con el hierro del óxido de hierro al cual el aluminio le sustrajo el oxígeno obteniéndose, como metal de aporte, acero colado que por su mayor densidad va a la parte inferior del crisol cayendo dentro del molde a través del conducto o bebedero y funde las piezas que se desean soldar produciendo la unión de éstas.

Figura 5 La escoria líquida de Al2O3 que se forma al combinarse el oxígeno del óxido de hierro con el aluminio sobrenada por encima del acero en el crisol. Las piezas a soldar se calientan previamente en el molde hasta unos 900°C. Una vez que se produce la soldadura de los rieles, el metal sobrante o “hongo” que sobresale de los rieles, según se indica en la figura, se quita mediante el uso de una “trancha” o cortafrío.

Soldadura por resistencia eléctrica y presión Al hacer circular una corriente eléctrica a través de dos piezas, la zona de o entre ambas, al presentar mayor resistencia óhmica que el resto de las mismas, experimenta una elevación de temperatura debido al calor generado por el paso de la corriente. Esto hace que las partes en o se fundan, y al presionarlas una contra otra se unan, soldándose al enfriarse y solidificarse nuevamente. La soldadura se realiza utilizando dos electrodos con los cuales se aplica una tensión eléctrica a las piezas haciendo circular una corriente la que produce el calentamiento de las partes en o y su fusión. Luego, con los mismos electrodos, se aplica una presión a ambas piezas con lo cual se logra que se suelden en las partes en o. Según sea el tipo de unión que se desee realizar, el o donde se produce la soldadura de las piezas puede ser puntual, lineal o con características especiales, utilizándose distintos tipos de electrodos para lograrlo y según como sea la soldadura que se realiza por este método se la clasifica como soldadura por puntos, soldadura de costura, soldadura al tope, soldadura con resaltos y soldadura con arco de chisporroteo o centelleo.

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Figura 6

Soldadura por puntos: Consiste en la aplicación de una tensión a las piezas a soldar mediante dos electrodos (Fig. 6 -a), que por lo general son cilíndricos y enfriados interiormente por agua, con un diámetro D en el cuerpo del electrodo y un diámetro d en la punta de o del electrodo con las piezas (Fig.6-b), siendo éste, para acero dulce: Para materiales delgados:

d = 0,25 + 2t

d = 2,54.t Y para materiales gruesos: Para la ejecución de la soldadura de dos piezas, las mismas se solapan una longitud L (Fig.6-c) Se utilizan tensiones del orden de los 2V a los 10V e intensidades de 3.000 A a 50.000 A, con la aplicación de fuerzas desde los 90 daN a los 900 daN.

Soldadura por costura: Está compuesta por una serie de soldaduras por puntos realizadas en forma continua por un electrodo circular que rueda sobre las piezas a unir al mismo tiempo que se aplica una tensión eléctrica y una fuerza mecánica (Fig.7 b).

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Figura 7 Las dimensiones que se deben aplicar para el solape y la distancia a los extremos de las piezas desde el extremo de la soldadura, son las mismas que para la soldadura por puntos. Los electrodos están constituidos por dos ruedas o rodillos de cobre de diámetros que varían, según el espesor del material a soldar, de 5 cm a 60 cm y aún más.

Soldadura con resaltos Cuando se deben soldar una cantidad de piezas fabricadas en serie, a los efectos de facilitar y hacer más veloz la ejecución del trabajo, se utilizan matrices con formas especiales, las que constituyen los electrodos, tomando formas especiales con resaltos, según sea la forma de las piezas a soldar. Una de estas formas se puede observar en la figura (Fig.7 a).

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Figura 8

Soldadura al tope:

Figura 9 Se denomina así a la soldadura por resistencia de dos barras que se unen enfrentadas por sus extremos (Fig.9), las cuales son sujetadas por los electrodos, los que son al mismo tiempo mordazas, y por las cuales circula una corriente debido a la diferencia de potencial V, calentándose por la mayor resistencia de las dos superficies en o, fundiéndose éstas y luego, desconectando la corriente, con una presión mecánica se unen ambas. Se usa en aceros con bajo contenido de carbono, para metales no ferrosos como el cobre, aluminio y aleaciones de cobre y zinc.

Soldadura por arco de chisporroteo: Es similar a la soldadura al tope, con la diferencia que en este caso se colocan las piezas en o ligero y se hace circular la corriente (Fig.10); luego se separan levemente una pequeña distancia para producir el chisporroteo del arco eléctrico que forma la corriente al seguir circulando a través del espacio entre ambas superficies con lo que aumenta la temperatura fundiéndose el metal de las superficies 11

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido en o. Luego de obtenido el estado casi líquido del metal, se desconecta la corriente, se aplica una presión con lo que se obliga a despedir el mismo y se realiza la soldadura en el metal en estado pastoso que está detrás del fundido. Con esto se logra que la soldadura quede libre de impurezas, siendo apropiado para aceros con alto contenido de carbono.

Figura 10

Comparación de los distintos métodos Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW) Ventajas

Desventajas

1) 2) 3) 4)

1) No pueden soldarse metales de bajo, punto de fusión; 2) Alta dependencia del soldador; 3) Alto nivel de desperdicios; 4) No pueden usarse equipos de altos amperajes.

Amplia gama de aplicaciones; Bajo costo de equipos y consumibles; No requiere de gas de protección ó fundente; Puede ser usada en áreas de limitado.

Soldadura semiautomática MIG-MAG (GMAW) Soldaduras MIG Ventajas

Desventajas

1) Altas intensidades de soldadura sin chisporroteo; 2) Altas velocidades de deposición; 3) Escoria de fácil remoción; 4) Mayor penetración.

1) Soldadura en espacios cerrados; 2) Equipo costoso; 3) Soldaduras no aptas para rayos X, cuando se emplea corto circuito.

Soldadura TIG (GTAW) Gas de protección ARGÓN: Suavidad de arco 12

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido Reducida penetración Soldadura de láminas delgadas Acción limpiadora Bajo costo y gran disponibilidad. HELIO: Ventajoso para metales de alta conductividad térmica Aplicaciones mecanizadas de alta velocidad Soldadura de láminas pesadas MEZCLA: Se usa cuando se desea un balance de las características de ambos gases Ar-He.

Ventajas

Desventajas

1) 2) 3) 4)

1) Menores velocidades de deposición que en SMAW; 2) Mayor destreza del soldador que en soldadura SMAW ó MIG (GMAW); 3) Difícil protección de la zona soldada de las corrientes de aire; 4) Puede ocurrir inclusiones de Wolframio; 5) Soplo magnético, como en otros procesos.

Soldaduras de alta calidad, libre de defectos; Control preciso de las variables de soldadura: Pueden soldarse casi todos los metales; Fuente de poder y metal de aporte controlados independientemente; 5) Excelente control de la penetración.

Metalurgia de la soldadura Los aspectos metalúrgicos de lo que tiene lugar en la soldadura durante el enfriamiento difieren algo de los que se observan durante el enfriamiento de una pieza fundida. En la soldadura, el metal fundido se solidifica en cuestión de segundos, la cantidad de metal rara vez excede de una pulgada cúbica, la fuente de calor y el pocillo de metal fundido tienen una temperatura considerablemente más elevada que en los hornos de fusión. Como resultado del enfriamiento rápido del pocillo de soldadura, las reacciones químicas que se inician en el metal fundido y en la escoria no tienen tiempo para completarse. La solidificación del metal fundido en el pocillo de soldadura se ilustra en forma de diagrama en la figura 11. En la parte (a) de la figura 11 se puede apreciar como varía el tamaño de los granos de la ZAC (zona de alta temperatura) en especial como la estructura cristalina de los granos cambia en función de su proximidad al cordón de la soldadura, debido a que al alejarse de la soldadura disminuyen la temperatura y la magnitud del sobrecalentamiento; de hecho el tamaño de los granos disminuirá a medida que nos alejamos de la proximidad del cordón, donde los granos son gruesos y de martensita (área de sobrecalentamiento), hasta llegar a la parte en donde el material recupera sus propiedades originales, pasando por el área de normalización donde los granos son de austenita y luego de perlita. En el área de sobrecalentamiento el metal pierde algo de su ductilidad, y especialmente resistencia al impacto. Los cambios de dureza se evidencian más aún en los aceros sensibles al tratamiento térmico. Un aumento de la dureza generalmente va acompañado de un aumento en la fragilidad y la consiguiente disminución de la ductilidad. Debe señalarse que al soldar aceros simples con bajo contenido de carbono, los cambios estructurales que ocurren en la ZAC no afectan apreciablemente la resistencia de las piezas soldadas.

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Figura 11 (a) curva de enfriamiento, con expresión de las diferentes estructuras; (b) vista superior del pocillo de soldadura (W) y líneas isotermas en torno al pocillo. Las isotermas están numeradas acordes con la curva en (a). Los granos crecen a partir de la línea de fusión, pero no todos lo hacen a la misma velocidad, porque al aumentar de tamaño y al hacer presión unos contra otros, cada uno actúa acorde al estado de su crecimiento. Sin embargo, los granos en crecimiento pueden empujar hacia afuera las inclusiones no metálicas, hasta la superficie de la soldadura. Esta es la razón por la que la escoria aparece en la superficie de la soldadura y no flotando en la raíz del cordón. La solidificación uniforme del pocillo de metal se altera por refusión cuando se aplican pasadas subsecuentes. Esto puede resultar en bolsas de metal fundido en la que se retarda el crecimiento de los granos. Estas regiones tienen, por lo tanto, probabilidades de contener inclusiones de escoria figura 12. La estructura del metal de la soldadura y la apropiada solidificación del pocillo de metal dependen en cierto grado de la relación de aspecto de la soldadura, es decir, de la relación entre el ancho de la soldadura y su profundidad de penetración. En la figura 13 aparecen dos ejemplos de relación de aspecto, el cordón de la izquierda tiene una relación menor a la unidad lo que causa que parte de la escoria quede atrapada; el cordón de la derecha posee una relación mayor a uno, nótese que no existen inclusiones de escoria.

Figura 12 14


Figura 13 Un método utilizado para liberar parte de las tensiones originadas por la soldadura es el recalentamiento de la unión (revenido), aunque no siempre alcanza resultados aceptables, ya que tiene aparejadas varias complicaciones, entre las cuales se destaca que el grado al cual se puede elevar la temperatura está regido por la deformación permitida de la masa soportada, además raras veces es aconsejable elevar la temperatura por sobre el punto de transformación más bajo. Cuando este método se aplica en forma correcta la unión gana ductilidad pero disminuye su resistencia a la tensión. Otro método empleado para disminuir las tensiones es precalentar las piezas a unir, debido a que disminuye la velocidad de enfriamiento, debido a la gran masa que debe enfriarse. Este método es efectivo siempre y cuando la temperatura que alcance la junta sea la adecuada.

DEFECTOS DE LAS UNIONES SOLDADAS A lo largo del apunte se describen los defectos más comunes y sus causas presuntas que sufren cada una de las uniones soldadas, los cuales a modo de resumir se enumeran a continuación: Fisuración del cordón; Porosidad del cordón; Socavación de la junta; Falta de penetración; Falta de fusión; Inclusiones de escoria en el cordón; Excesiva fragilidad del metal base; Excesiva fragilidad del cordón; Excesiva ductilidad del cordón; Las fisuraciones de la soldadura pueden clasificarse en dos categorías: Fisuración en caliente: Se produce por encima de los 400 ºC, durante el enfriamiento de la soldadura. Es posible detectarla al terminar de soldar el cordón. En general aparecen en el centro del cordón (en el metal de aporte) y se atribuye su origen a la presencia de impurezas (ej. Azufre). Estas forman películas de bajo punto de fusión que solidifican cuando el resto del metal ya lo ha hecho. Las mismas son detectables a simple vista o con ayuda de un ensayo de líquidos penetrantes, inmediatamente concluida la soldadura. Fisuración en frío: Se produce a temperatura ambiente. Es una microfisuración inducida por hidrógeno que, en un acero de microestructura frágil y en presencia de un campo de tensiones, puede originar macrofisuras que comprometan la integridad del componente soldado. 15

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido Para reducir el riesgo de fisuración en frío o por hidrógeno, se deben tomar las siguientes precauciones: -Precalentar la zona a soldar, a fin de reducir la velocidad de enfriamiento y evitar estructuras frágiles de temple. -Eliminar cualquier factor generador de hidrógeno en la zona a soldar. -Utilizar electrodos básicos de bajo hidrógeno. -Efectuar, de ser posible, un tratamiento térmico de distensionado para reducir las tensiones residuales.

TIPOS DE JUNTAS SOLDADAS JUNTAS A TOPE. La junta a tope esta comprendida entre los planos de las superficies de las dos partes. Estas pueden ser simples, escuadradas, biseladas, en V, de ranuras de una sola J de una sola U, o dobles (Ver figura 15). Las soldaduras a tope son las que poseen mejor resistencia a la fatiga, puesto que en ella el flujo de fuerzas para la tracción y para la tracción – compresión, dirección rectilínea. Para obtener una buena soldadura es esencial una buena penetración de la fusión. Para que una soldadura en V tenga buena resistencia a la fatiga debe ser soldada también en su parte inferior. Son las utilizadas para los recipientes a presión.

JUNTAS DE FILETE. Son las más utilizadas para los elementos de máquina de tipo general a pesar de poseer menor resistencia a la fatiga, debido a que no necesitan una preparación previa de los cantos a soldar. A diferencia de los cordones a tope en estos las tensiones se trasmiten por corte.

SIMBOLOGÍA DE LA SOLDADURA, NORMAS. Simbología de las soldaduras según norma AWS Esta simbología incluye los siguientes datos: • • • •

Línea base (o de referencia) Cabeza de flecha Símbolos básicos Fig 14 Dimensiones 16

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido • • • •

Símbolos complementarios Símbolos de acabado Cola adicional Especificación o proceso

Figura 14

Nota: El lado de la flecha o lado cercano de una junta es la línea, parte, área o elemento al actual apunta la citada flecha desde el quiebre del símbolo. El contrario es el lado opuesto a la flecha o lado lejano.

Figura 15

Ejemplos de simbolización de soldaduras Soldadura de filete

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Figura 16

Nota: En la caso de la derecha el símbolo indica que las soldaduras son intermitentes y están desplazadas 50 mm, con una distancia de 200 mm entre centros. En el caso de la izquierda el 5 indica el tamaño de la base del filete.

Figura 17

Soldadura a tope

Figura 18

Soldaduras especiales de filete y a tope

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Figura 19

Soldadura de metales diversos Soldadura de aceros inoxidables Los electrodos para soldar aceros inoxidables poseen el prefijo E. En el recubrimiento del electrodo se incluyen manganeso y silicio para reducir la oxidación, titanio para mejorar la estabilidad del arco, mejorar el desprendimiento de la escoria e impedir la precipitación de carburos, cal para eliminar el hidrógeno, que origina gritas bajo el cordón. Los aceros inoxidables que se sueldan más comúnmente por los procedimientos normales de soldadura son los de cromo níquel y los de cromo solamente. Los aceros inoxidables austeníticos son más soldables que los ferríticos martensíticos, debido a su mayor coeficiente de dilatación térmica y su menor conductividad térmica. Debido a que posee estas características frecuentemente presenta problemas de deformación.

Soldadura de Aluminio Se utilizan los métodos de arco protegido por gas, soldaduras tipo tic mic. Prácticamente no se utilizan varillas de aporte recubiertas para soldar aluminio debido a la mala operabilidad, y a la necesidad de la completa eliminación del fundente después de aplicada la soldadura.

Soldadura de aceros de alto carbono Los aceros de alto contenido de carbono generalmente se emplean templados. Las piezas fabricadas con este tipo de aceros incluyen las brocas puntas de brocas, cuchillos rejas de arado ruedas de ferrocarril, rodillos de laminación y otros artículos que o requieren soldadura para su manufactura, pero que sin embargo frecuentemente se reparan con soldadura. Este tipo de piezas se suelda mediante procedimientos especiales para prevenir problemas tales como: 1) El agrietamiento del metal de la soldadura; 2) La porosidad del cordón; 19

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido 3) El endurecimiento excesivo del metal base; 4) El agrietamiento del metal base; 5) El ablandamiento excesivo del metal base. Estos problemas se previenen mediante una cuidada preparación previa de los cantos de la junta, además se debe evitar una penetración excesiva del cordón, también hay que soldar a una velocidad reducida o hacerlo en zig zag.

Soldadura de piezas de Hierro fundido Los hierros vaciados se sueldan con facilidad mediante procedimientos normales de soldadura, en los cuales hay que poner especial atención en la penetración del cordón, para evitar la fragilización del metal base. El procedimiento utilizado es precalentar la zona adyacente a la soldadura pero a una temperatura relativamente baja y cuidar que está no se enfríe antes de terminado el proceso de soldadura. Otra pauta sobre la que hay que poner atención es el preparado de los cantos de la junta, para permitir una correcta manipulación del electrodo y la fusión de las caras de la raíz.

Soldadura de piezas de acero fundido Los aceros vaciados tienen la misma soldabilidad que los laminados o estirados de la misma composición.

Soldabilidad (Carbono equivalente) Este concepto se utiliza habitualmente para indicar si un acero es o no soldable sin tomar precauciones especiales. La propiedad más importante vinculada a la soldabilidad es la ductilidad, dado que los metales a soldar deben tener la capacidad de adaptarse por deformación plática al campo de tensiones de origen térmico generado durante el proceso de soldadura. El parámetro más utilizado para medir la soldabilidad es el “carbono equivalente”. El mismo proporciona una medición indirecta de la ductilidad. Según la fórmula simplificada de Dearden y O´Neil que se recomienda en la Norma IRAM 503, se define al carbono equivalente como:

Ceq (% ) = C % +

Mn% (Cr % + Mo% + V % ) ( Ni % + Cu % ) + + 6 5 15

Para el caso del acero al carbono se reduce a: Ceq (% ) = C % +

Mn% 6

Si el Ceq es inferior a 0,56% el acero tiene una microestructura dúctil y es soldable sin tomar precauciones especiales. Caso contrario, el acero debe ser soldado con procedimientos especiales para aceros de alto carbono.

20


CÁLCULO DE LAS JUNTAS SOLDADAS A TOPE Y DE FILETE. 1. JUNTAS SOLDADAS A TOPE En la figura siguiente se presenta una junta a tope típica con ranura en V cargada longitudinalmente con la fuerza F.

Figura 20

l = Long. del cordón

h = altura de la garganta

1.1. Resistencia de la Soldadura a tracción o compresión Para resistir este tipo de carga la tensión normal media vale:

σ =

P h⋅l

Nota: - h no incluye el espesor del refuerzo. Este refuerzo sirve para compensar las grietas o huecos de la junta. - Para que la soldadura resista mejor a la fatiga, en la práctica lo que se hace es esmerilar (amolar) el refuerzo pues en el punto A se origina concentración de tensiones. La tensión de trabajo (σ) deberá ser menor que la tensión del material (σmat) de la soldadura más solicitada, multiplicada por 0,6

P ≤ 0,6 ⋅ σ mat h ⋅l Por ejemplo la tensión a tracción del acero dulce σacero dulce= 1260 kg/cm2 (AWS)

21


1.2. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos de corte Caso 1 Perímetro soldado:

Figura 22 Figura 21

T ≤ 0,4 ⋅ σ mat h ⋅lp

h = altura del cordón lp= longitud del perímetro soldado

Caso 2 Planchuelas unidas por un extremo con toda la sección soldada:

Figura 23

T ≤ 0,4 ⋅ σ mat h ⋅l 1.3. Resistencia de la Soldadura a flexión Sea el caso de un perfil que soporta cargas normales a su eje longitudinal

22


Figura 24 Para el caso que la soldadura coincida con el momento flector máximo (esfuerzo cortante nulo, T=0) se

Mf debe verificar

W

≤ 0,6 ⋅ σ mat

W = módulo resistente de la sección soldada que en las soldaduras a tope es la sección de la planchuela.

1.4. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos compuestos de flexión y corte. En este caso la soldadura no coincide con la zona de máximo momento flector, por lo tanto se debe verificar: Para el caso 1

⎛Mf ⎜⎜ ⎝ W

2

⎞ ⎛ T ⎟⎟ + ⎜ ⎜ ⎠ ⎝ h⋅lp

2

⎞ ⎟ ≤ 0,8 __ a __ 0,9 ⋅ σ mat ⎟ ⎠

Ó para el caso 2

⎛Mf ⎜⎜ ⎝ W

2

2

⎞ ⎛ T ⎞ ⎟⎟ + ⎜ ⎟ ≤ 0,8 ___ a ___ 0,9 ⋅ σ mat ⋅ h l ⎠ ⎠ ⎝

2. JUNTAS DE FILETE La práctica común en el diseño de la soldadura es despreciar el esfuerzo normal y basar el tamaño de la junta, en la intensidad del esfuerzo cortante medio. En el área de la garganta de la soldadura a 45º de los catetos. Esta es la mínima área del cordón por donde tiene que fallar a corte (Planos de corte de la soldadura en la garganta).

23


Figura 25 En la figura 25 se observa que en la soldadura a filete con cordones alineados paralelos a la carga, el esfuerzo cortante ocurre a lo largo de la garganta, paralelo a la dirección de la carga. En cambio en la soldadura alineada en forma transversal a la carga, el esfuerzo cortante ocurre a 45º, actuando en forma perpendicular al eje del filete.

2.1. Carga paralela y transversal

Figura 26 h = Longitud de la garganta de la soldadura = hc sen(45º) hc = Longitud del cateto de la soldadura Lw = Longitud del cordón de la soldadura

24


2.2. Carga de torsión Ejemplo: Sea la figura 27 que presenta un voladizo, unido a una columna por dos cordones de soldadura. Para este grupo de soldaduras (en este caso 2) el esfuerzo de corte resultante que actúa es la suma vectorial de los esfuerzos de corte directo y de corte por torsión.

Figura 27 El esfuerzo de corte directo es:

V = Fuerza cortante = P

τ d = VA

A = Área de garganta en todas las soldaduras

El esfuerzo de corte por torsión es:

τ t = MJ⋅ r

r = Distancia desde el centroide del grupo de soldadura hasta el punto más apartado

M = Momento torsor aplicado a la soldadura.

J = Momento de inercia polar del grupo de juntas respecto al centroide G.

Así, en el diseño, cuando se conoce el tamaño de las juntas, estas ecuaciones pueden resolverse, y los resultados se pueden combinar para hallar el esfuerzo cortante máximo y compararlo con el isible de la soldadura (SSy).

τ = (τ d )2 + (τ t )2 ≤ SS y (Soldadura) Otro problema que puede presentarse es determinar el tamaño de la junta, conociendo el esfuerzo cortante permisible. Estos dos problemas se aplican más adelante con ejemplos. Veamos ahora como se calculan los parámetros A, J y r mencionados anteriormente, para un grupo de juntas. Los rectángulos representan las áreas de la garganta de las juntas.

25

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido Cordones de la figura inferior derecha

Figura 28 Cordones de soldadura

2.2.1. Cálculo del área A: b1 = Longitud de la garganta de la soldadura = 0,707 hc1 d1 = Longitud del cateto de la soldadura. d2 = Longitud de la garganta de la soldadura = 0,707 hc2 b2 = Longitud del cateto de la soldadura.

∴El área de garganta en las 2 juntas es: A = A1 + A2 A = b1 ⋅ d1 + b2 ⋅ d 2

26


2.2.2. Cálculo de la distancia r y ubicación del baricentro G: x es la posición en “x” del centroide del grupo de juntas G

x=

A1 x1 + A2 x2 A

y es la posición en “y” del centroide del grupo de juntas G y=

A1 y1 + A2 y2 A

r1 es la distancia de G1 a G

(

) ()

2 2 r1 = ⎡ x − x1 + y ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦

1/ 2

r2 es la distancia de G2 a G

(

) (

)

2 2 r2 = ⎡ x2 − x + y2 − y ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦

1/ 2

2.2.3. Cálculo del momento de inercia polar del grupo de juntas (J) respecto al baricentro (G) Para la junta 1: Momento de inercia polar de área respecto a un eje “x” que pasa por G1. JX =

b1 ⋅ dC31 12

Momento de inercia polar de área respecto a un eje “y” que pasa por G1. d1 ⋅ bC31 JY = 12

∴El momento de inercia polar del área de la junta respecto a su propio centroide es: J G1 =

b1 ⋅ dC31 d1 ⋅ bC31 + 12 12

27


Para la junta 2: JX =

b2 ⋅ dC3 2 12

d 2 ⋅ bC3 2 JY = 12

∴

JG2 =

b2 ⋅ dC3 2 d 2 ⋅ bC3 2 + 12 12

Finalmente utilizando el teorema de ejes paralelos, se halla J como:

(

2

) (

J = J G1 + A1 ⋅ r1 + J G2 + A2 ⋅ r2

2

)

2.2.4. Momento actuante Este momento debe calcularse respecto de G y vale:

( (

(

M = P ⋅ l + b2 − x − x1

)))

Ahora, a los fines prácticos y para sistematizar el cálculo de la junta, conviene considerar a cada cordón o filete como una simple recta, es decir considerar el ancho de la junta igual a la unidad. De esta manera se obtendrá un momento de inercia polar unitario del grupo de juntas (Ju), el cual es independiente del tamaño de la junta (hC). Así la relación queda:

J = 0,707 ⋅ hC ⋅ J u Donde Ju se determina como se vio anteriormente, pero para un área de ancho igual a la unidad. Entonces para los cálculos se utilizan unas tablas que contienen las áreas de garganta unitarias (A), los momentos de inercia de área polares unitarios (Ju) y los momentos resistentes unitarios (Iu) para las uniones de filete más comunes.

28


Tabla 2

29


Tabla 3

2.3. Carga de flexión Sea la siguiente figura 29 donde las juntas están sometidas a una fuerza de corte V y a un momento M, ambos generados por la fuerza F.

Figura 29 30

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido La fuerza de corte V debida a F produce esfuerzo de corte puro y vale:

τ ´= VA Donde A es el área total de las gargantas. El momento M produce un esfuerzo normal (σ) por flexión en las juntas, que es perpendicular al área de la garganta, y en la práctica se lo suele suponer de igual magnitud que el esfuerzo cortante τ.

Figura 30 El valor de estos esfuerzos es:

τ ≅ σ = MJ⋅ c = MI Donde C es la distancia desde el eje neutro hasta la fibra exterior. J es el momento de inercia de la garganta de la junta [m4]. I es el momento resistente de la garganta de la junta [m3] El valor de I se calcula como:

I = 0,707 ⋅ hC ⋅ I u Iu es el momento resistente unitario [m2]. Este momento figura en la tabla 2:

Iu = b ⋅ d Con lo cual tenemos:

τ ≅ σ = 0,707 ⋅Mh

C

⋅b⋅d

Finalmente una vez conocidos σ y τ se pueden determinar los esfuerzos cortantes máximos o los esfuerzos principales. Una vez que se obtienen esos esfuerzos principales se aplica una teoría de falla apropiada para determinar la probabilidad de falla o la seguridad (estas teorías son las del esfuerzo cortante máximo o la teoría de la energía de distorsión).

31


RESISTENCIA DE LAS UNIONES SOLDADAS Los electrodos que se utilizan en las soldaduras varían en forma considerable. Estos se identifican con el siguiente código:

Exxxx Contando desde la izquierda: Primera y segunda X: Resistencia última en kPsi Segunda X: Posición de la soldadura: 1 toda posición, 2 horizontal plana, 4 toda posición y vertical descendente. Tercer X: otras variables técnicas, por ejemplo la corriente a utilizar, penetración, escoria, contenido de polvo de Fe. En la tabla siguiente se presentan las propiedades de resistencia mínima de varias clases de electrodos. En las publicaciones de la AWS (American Welding Society) y de AISC (American Institute of Steel Construction) y en la AA ( Aluminium Association) se puede encontrar más información al respecto. NÚMERO DE ELECTRODO

RESISTENCIA ÚLTIMA kpsi (MPA)

RESISTENCIA DE FLUENCIA kpsi (MPA)

ELONGACIÓN %

E60xx

62 (427)

50 (345)

17-25

E70xx

70 (482)

57 (393)

22

E80xx

80 (551)

67 (462)

19

E90xx

90 (620)

77 (531)

14-17

E100xx

100 (689)

87 (600)

13-16

E120xx

120 (827)

107 (737)

14

Tabla 4 Al diseñar componentes unidos por soldadura es preferible seleccionar aceros que permitan realizar una unión rápida y económica. En condiciones apropiadas todos los aceros se pueden soldar, pero se obtendrán mejores resultados cuando se elijan materiales que tengan especificaiones UNS entre G10140 y G10230 (AISI 1014 y 1023 respectivamente) (σ entre 60 y 70 kpsi (414 - 483 MPa)). En cuanto a los factores de seguridad o esfuerzos de trabajo permisibles, el diseñador se puede basar en factores ya utilizados con anterioridad, o sino utilizar el código (AISC). En este código los esfuerzos de trabajo permisibles están basados en la resistencia a la fluencia del material, en vez de la resistencia última.

32

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido Siempre que la carga sea la misma, el código AISC ite que se considere el mismo esfuerzo en el metal de aporte que en el metal base. Este código permite el uso de aceros ASTM que tienen una tensión de fluencia entre 30 y 50 kpsi (206,8 – 344,7 MPa) y una relación: σy = 0,5 σu σy = Tensión de fluencia σu = Tensión última La tabla siguiente (tabla 5) expone las expresiones de la tensión isible según diversas condiciones de carga. Los factores de seguridad (N*) de la tabla 5 se calculan como: En el caso de tensión, por ejemplo n = 1 / 0,6 = 1,67 En el caso de corte por ejemplo n = 0,577 / 0,4 = 1,44 Aceptando en este caso como criterio de falla la teoría de la energía de distorsión que da: τsy = 0,577 σy σy = Tensión de fluencia τsy = Tensión de corte a fluencia

TIPO DE CARGA

TIPO DE JUNTA

ESFUERZO PERMISIBLE

N*

Tensión

A tope

0,60 σy

1,67

Flexión

A tope

0,60-0,66 σy

1,52-1,67

Compresión simple

A tope

0,60 σy

1,67

Cortante

A tope o de filete

0,40 σy

1,44

Tabla 5 Generalmente el material de aporte del electrodo es el más resistente y por lo tanto hay que verificar los esfuerzos en los metales a unir, en caso contrario se puede hacer una probeta del material soldado según la norma correspondiente para luego ensayarlo.

RESISTENCIA A LA FATIGA DE LAS SOLDADURAS Las pruebas indican que las fallas por fatiga en una junta soldada pueden ocurrir por alguno de los motivos siguientes, o por combinación de dos o más de ellas: a) Falla en metal depositado: La resistencia a la fatiga depende del proceso y procedimiento utilizados para soldar, del metal base y de la calidad de la soldadura. Los poros, inclusiones de escoria y zonas de fusión incompleta, reducen el límite de fatiga porque ocasionan concentraciones de tensiones. b) Falla en la línea de fusión: Causada generalmente por una fusión deficiente, falta de penetración o grietas microscópicas. 33

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido c) Falla en la zona afectada por el calor (ZAC): Los cambios cristalográficos producidos por el ciclo térmico que acompaña a la soldadura son una función del proceso y procedimiento de soldadura, así como también de la composición del metal base; consecuentemente, el límite de fatiga puede ser mayor o menor que el del metal original. d) Falla en el borde de la soldadura: Las concentraciones de tensiones que se presentan en los bordes de la soldadura, originados por el diseño de la junta, el contorno de la soldadura y la socavación, frecuentemente originan fallas por fatiga, que se presentan a través del metal base: Estas fallas generalmente resultan de la combinación de los efectos producidos por las concentraciones de tensiones y por el área afectada por el calor. Las grietas rara vez se propagan por el material de la soldadura, sino que generalmente la falla por fatiga origina la propagación de grietas en la zona afectada por el calentamiento (ZAC) del material soldado. La ZAC es el área alrededor de la soldadura que se funde y se recristaliza como una estructura forjada. El material de la ZAC es más débil que el sustrato trabajado en frío y tiene microporos característicos de las fundiciones. Una recomendación que se hace en forma reiterada y que el diseñador tendría que tener en cuenta, es no utilizar uniones soldadas en estructuras que serán sometidas a fatiga, pero debido a la relativa simplicidad de este método de unión es que se lo utiliza en forma asidua. Debido a este hecho estudios realizados por Shigley y Mischke (1989) recomiendan los factores de reducción de tensiones de trabajo indicados en la tabla 6. Estos se deben aplicar a la resistencia del material (sin considerar la historia de su manufactura anterior a la soldadura), así como a la resistencia del material soldado. Tipo de soldadura

Factor de concentración del esfuerzo a la fatiga (Kf)

Soldadura a tope reforzada Borde de soldadura de filete transversal Extremo de soldadura de filete paralela Junta a tope T con esquinas agudas

1,2 1,5 2,7 2 Tabla 6

La utilización de estas tablas es un método sencillo y rápido para realizar un prediseño de la estructura soldada, pero no es la forma más recomendada. Si se va a diseñar una estructura o máquina con partes soldadas, lo correcto sería realizar ensayos se fatiga de las juntas para obtener sus curvas S-N y en función de éstas establecer la configuración más apropiada. Otros investigadores analizaron la resistencia a la fatiga de especímenes de prueba y de estructuras reales y llegaron a la conclusión que puede esperarse que la soldadura comercial realizada de acuerdo con las especificaciones de la Sociedad Americana de Soldadura (American Welding Society) en acero de grado estructural con menos de 0,25 % de carbono y menos de 0,7 % de manganeso, alcance las resistencias a la fatiga mostradas en la Figura 31. El factor más importante para mejorar la resistencia a la fatiga es la eliminación de las concentraciones de tensiones, por ejemplo, la figura 32 muestra el efecto de algunos tratamientos en la resistencia a la fatiga de placas de 7/8 de pulg. soldadas a tope. Resulta evidente de esta figura que la eliminación del esfuerzo de la soldadura por medio de un esmerilado beneficia a la resistencia a la fatiga más eficientemente que la reducción de esfuerzos por medio de tratamientos térmicos.

34


Figura 31

Figura 32 Resistencia a la fatiga de soldaduras a tope. (a) Placa sin soldadura. (b) Soldadura con el refuerzo suprimido por medio de amolado. (c) Soldadura recocida. N = 2.000.000 ciclos placas de acero de 7/8 de pulg. 35

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido Las concentraciones de esfuerzo tienen une efecto relativamente reducido sobre la resistencia estática de una estructura, si el material de que esta hecha es suficientemente dúctil. Por otro lado, cuando una concentración de esfuerzos se combina con esfuerzos repetidos, la resistencia de la estructura en el punto de la concentración de esfuerzos se ve materialmente reducida. Por este motivo las soldaduras son puntos intrínsecamente débiles cuando se someten a esfuerzos repetidos, puesto que en algunas ocasiones resulta difícil evitar efectos de concentración de esfuerzos en las conexiones soldadas. Si las soldaduras se han enfriado rápidamente, desarrollando una estructura martensítica, se vuelven más frágiles que el material base y consecuentemente los efectos de la fatiga se tornan más severos. Por ejemplo, los pequeños puntos de soldadura (punteado inicial), que se enfrían muy rápidamente, son muy frágiles y pueden ocasionar la aparición de grietas locales; dichos puntos se tornan fuentes potenciales de falla, especialmente debido a fatiga, a menos que se fundan completamente al hacer la soldadura final, o que se desprendan con cincel antes de realizar está última. La resistencia al impacto de las estructuras es a menudo relacionada con la resistencia a la fatiga, y ambas se consideran relacionadas con la fragilidad, aunque en realidad no existen datos concluyentes que afirmen la validez de esta interrelación. En general, las estructuras soldadas en servicio tienen una buena resistencia al impacto, pero esta resistencia es probablemente inferior a la de las estructuras remachadas, debido a que en las estructuras soldadas una porción considerable de la energía de impacto debe ser absorbida por la deformación elástica o plástica de las partes cercanas a las soldaduras, mientras que en las remachadas el deslizamiento de los remaches absorbe parte de esa energía con un mínimo de daño estructural. Se sugiere que cuando una estructura esté sujeta a cargas de impacto repetidas, los esfuerzos de diseño se reduzcan a los valores que se usan para condiciones de fatiga.

36


EJERCICIOS: Ejemplo Nº 1 (Mott pag 774) Diseñar la correa y su soldadura correspondiente a la figura. La correa se debe fabricar con acero estructural ASTM 441 y ¼ de pulgada de espesor. Esta trabajará soportando una carga P de 55600 N. Se utilizará un factor de diseño de 2. Se usarán electrodos E70XX y el tamaño mínimo del cordón de soldadura será hC = 3/16 de pulgada (4,7625 mm).

Figura 33 Diseñamos la correa: Para una análisis completo habría que definir la ubicación del orificio, pero no es la intensión de este apunte ahondar en este tema, por lo tanto sólo calculamos la sección de la correa. Entonces, de tabla, para el acero ASTM 441 (Apéndice A-7 del Mott) tenemos: Sy = 290 Mpa Entonces la tensión de diseño es:

σ

P

=

SY SY [MPa] = 2 s

La tensión de trabajo para la correa es:

σ

P

=

P P 55600 N 8755905,5 = = = = 145 ⋅ 106 Pa A W ⋅ t W ⋅ 0,00635 W

Igualando las anteriores:

∴W = 0,06m = 60mm 37

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido Ahora calculamos la soldadura, en este caso aparece corte puro:

τ=

P [MPa] 0,707 ⋅ hC ⋅ LW ⋅ N

N: número de cordones de soldadura. Como la tensión de fluencia para el electrodo E70XX la Sy = 393 Mpa es mayor que la del acero de la correa (290 Mpa) adoptaremos este valor para el cálculo del filete soldado, ya que la rotura se iniciará en la ZAC (ver Resistencia a la fatiga de las soldaduras). Considerando este hecho, calcularemos la soldadura basándonos en la altura de los catetos del cordón. Acorde a la tabla 5 la tensión de diseño para este caso es:

τ = h ⋅SL⋅ P⋅ N [MPa] W

Donde S es el factor de seguridad, para el cual nosotros adoptamos el valor 2: 2 ⋅ 55600 N [MPa] = 290Mpa τ = 0,00476 ⋅L ⋅2 W

∴ LW = 40,3mm Ejemplo Nº 2 (15.11 Hamrock pag 706) Sea una ménsula que se suelda a una columna. La ménsula debe soportar P = 20 kN y las longitudes de los cordones de soldadura son: d= 150 mm y b =100 mm. Se utilizará un electrodo E60XX y soldadura de filete. Calcular la longitud del cateto de la soldadura para un factor de seguridad de 2,5 (considerar solo torsión y corte puro).

Figura 34

38

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido • Los 20 kN generan corte puro en los cordones y este vale:

τ

C

=

P A

De la tabla 2 para esta configuración de soldadura hallamos el área unitaria Au = b+d, y la total es: A = 0,707 ⋅ hC ⋅ (b + d ) = 0,707 ⋅ hC ⋅ (100 + 150) = 176,87 ⋅ hC [mm2]

[ ]

A = 0,001768 ⋅ hC m 2

con hc en milímetros


20000 113,1 ∴τ = = [MPa] c 176,8 ⋅ hC ⋅ 10− 6 hC


Este corte actúa sobre los dos cordones en toda su longitud, pero en nuestro caso analizaremos solamente los puntos A y B, que son los más alejados del centroide del grupo y por lo tanto los más críticos (τCA y τCB). La dirección de los esfuerzos está dada por la reacción que origina la columna sobre la ménsula. Analizando al grupo de juntas como libre.

Figura 35 • Los 20 kN también generan torsión cuyo esfuerzo de corte vale:

τ

t

=

M ⋅r J

De tabla la rigidez torsional es: 4 ( b + d ) − 6 ⋅ b2 ⋅ d 2 JU = 12 ⋅ (b + d )

J

U

= 852083 mm

4

mm

∴ J = 0,707 ⋅ h ⋅ J C

4 ( 100 + 150) − 6 ⋅ 1002 ⋅ 1502 = 12 ⋅ (100 + 150)

U

[

= 602514 ⋅ hC mm 4

]

con hc en milímetros 39

Cálculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido El momento se toma respecto del centroide del grupo (ver figura 35). Este se calcula de acuerdo a la tabla 2 y esta ubicado en: Expresando las distancias en metros: 2 b = 20mm X = ∴ M = 20000 ⋅ (0,3 − 0,02 ) 2 ⋅ (b + d ) d2 M = 5600 Nm = 45mm Y= 2 ⋅ (b + d ) Ahora, como metodología, calculamos la tensión de corte producto de la torsión en componentes X e Y en los puntos A y B. En el punto A:

τ

tAX

τ

tAY

5600 ⋅ 0,045 418247543 ⎡ N ⎤ 418,3 = −12 ⎢⎣ m 2 ⎥⎦ = h [MPa ] hC 602514 ⋅ hC ⋅ 10 C 5600 ⋅ (0,1 − 0,02) 743651183 743,7 = = [Pa] = [MPa] hC hC 602514 ⋅ hC ⋅ 10 −12 =

con hc en milímetros con hc en milímetros

En el punto B:

τ

tBX

=

5600 ⋅ (0,15 − 0,045) 976,1 [MPa] con hc en milímetros = hC 602514 ⋅ hC ⋅ 10 −12

τ

tBY

=

5600 ⋅ (0,02) 185,9 [MPa] = −12 hC 602514 ⋅ hC ⋅ 10


Las tensiones totales de corte en el punto A son:

Y para el punto B son:

τ

AX

= τ tAX =

τ

BX

= τ tBX =

τ

AY

= τ CA

τ

BY

= τ CB

∴τ

τ

A

A

=

=

418,3 [MPa] hC 113,1 743,7 856,8 [MPa] + τ tAY = + = hC hC hC

2 +τ 2 τ AX AY

953,5 [MPa] hC


∴τ

τ

B

B

=

=

976,1 [MPa] hC 113,1 185,9 72,8 [MPa] + τ tBY = − =− hC hC hC

2 +τ 2 τ BX BY

978,8 [MPa] hC


40


Figura 36

Finalmente como la tensión de corte es mayor en B, se toma este punto como referencia para el diseño ,8 [MPa] con hc en milímetros τ B = 978 hC Luego, de la tabla 4 de electrodos, para el E60XX la tensión de fluencia que le corresponde es: Sy = 345 Mpa De la tabla 5 la tensión isible (para corte de filete):

τisible= 0,4 Sy = 138 Mpa Si tomo un factor de seguridad 2,5

τ

Diseño

=

2,5 ⋅ 978,8 [MPa] = 2447 [MPa] hC hC


y como

∴τ

isible

= 138MPa

Despejando obtenemos el valor de hC: MPa 2447 mm hC = ⋅ 138 MPa

hC = 17,7mm

41

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