Apuntes y Calculo de Soldaduras

5/27/2018 Apuntes y Calculo de Soldaduras

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Mecanismos y elementos de mquina

Soldadura tipos y formasde clculo

Tercera edicin - 2010

Prof. Pablo Ringegni


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Clculo de uniones soldadas con electrodos de arco sumergido

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INTRODUCCIN ......................................................................................................................... 4

TIPOS DE SOLDADURA (DIFERENTES MTODOS) ............................................................... 4Soldadura oxiacetilnica.................................................................................................................... .................................... 4Soldadura elctrica por arco voltaico.................................................................................................................... ............... 5Soldadura por arco protegido por (MIG-MAG)............................................................................... .................................... 7Soldadura por arco protegido por gas inerte y electrodo de Wolframio (TIG)............................................................... 7Soldadura Aluminotrmica........................................................... ............................................................... .......................... 8Soldadura por resistencia elctrica y presin...................................................................................................... ............... 8

Comparacin de los distintos mtodos ................................................ ............................................................... ............. 12Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW).......................... ............................................................... ............. 12Soldadura semiautomtica MIG-MAG (GMAW).................................. ............................................................... ............. 12Soldadura 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

SIMBOLOGA DE LA SOLDADURA, NORMAS. ..................................................................... 16Simbologa de las soldaduras segn norma AWS.............................. ............................................................... ............. 16Ejemplos de simbolizacin de soldaduras........................................................................... ............................................. 17

SOLDADURA DE METALES DIVERSOS ................................................................................. 19

Soldadura de aceros inoxidables............................................................ ............................................................... ............. 19

Soldadura de Alumin io........................................................ ................................................................ .................................. 19

Soldadura de aceros de alto carbono.............................................................................................. .................................. 19

Soldadura de piezas de Hierro fundido................................................................................ ............................................. 20

Soldadura de piezas de acero fund ido ....................................................................... ....................................................... 20

Soldabilidad (Carbono equivalente)...................................................................................... ............................................. 20

CLCULO DE LAS JUNTAS SOLDADAS A TOPE Y DE FILETE. ......................................... 21

1. JUNTAS SOLDADAS A TOPE................................................................................... ....................................................... 211.1. Resistencia de la Soldadura a traccin o compresin................ ............................................................... ............. 211.2. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos de corte................................................................................................... 221.3. Resistencia de la Soldadura a flexin........................................................................................................... ............. 221.4. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos compuestos de flexin y corte............... ............................................. 23

2. JUNTAS DE FILETE..................................................................................................... ....................................................... 232.1. Carga paralela y transversal............................................................ ............................................................... ............. 24


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2.2. Carga de torsin.......................................................... ................................................................ .................................. 252.3. Carga de flexin............................................................................... ................................................................ ............. 30

RESISTENCIA DE LAS UNIONES SOLDADAS ...................................................................... 32

RESISTENCIA A LA FATIGA DE LAS SOLDADURAS ........................................................... 33

EJERCICIOS: ............................................................................................................................ 37

Ejemplo N 1............................................................................................................................................................................. 37

Ejemplo N 2............................................................................................................................................................................. 38

Ejemplo N 3............................................................................................................................................................................. 42

Ejemplo N 4............................................................................................................................................................................. 43

Ejemplo N 5............................................................................................................................................................................. 46

BIBLIOGRAFA ......................................................................................................................... 48


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INTRODUCCIN

La soldadura constituye una unin fija entre dos o ms piezas metlicas, por lo general de igualmaterial, las cuales por medio de calor entregado a las mismas, y casi siempre a un material adicional deaporte, se funden y se combinan resultando una unin por cohesin en las denominadas soldaduras fuertesy por adhesin en las denominadas soldaduras blandas. Por lo tanto se tienen soldaduras con aporte y sinaporte de material, siendo las primeras las que se unen por simple fusin de cada uno de los materiales, odel material de aporte, y las segundas las que adems de la fusin necesitan que se ejerza presin entreellas para que se realice la unin. Las soldaduras fuertes se realizan mediante soldadura oxiacetilnica(soldadura autgena), soldadura elctrica por arco voltaico, soldadura aluminotrmica y por resistenciaelctrica y presin. Las soldaduras blandas son las estaadas, donde el material aportado es de menorresistencia y dureza que los que se unen.

Tipos de soldadura (Diferentes mtodos)

Soldadura oxiacetilnica

Esta soldadura se realiza utilizando el calor producido por la llama que se produce al entrar encombustin el acetileno (C2H2) cuando reacciona con el oxgeno que se le proporciona especficamentecon esta finalidad. Para ello se utiliza un soplete soldador (Fig 1), al cual llegan acetileno y oxgeno pordistintos conductos, existiendo vlvulas en el soldador para dejar fluir ambos gases hacia una boquilla ytubo mezclador donde se combinan los mismos.

Figura 1

Figura 2


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El acetileno se puede almacenar en tubos de acero (Fig.2) a una presin que vara entre 15 a 20kg/cm2, y el oxgeno que encuentra almacenado en tubos separados (Fig.2) a una presin que varaaproximadamente entre 125 kg/cm2y 200 kg/cm2.

A la salida de los tubos, tanto del acetileno como del oxgeno, se deben utilizar reductores depresin, denominados por lo general reguladores, ya que la presin dentro de stos es muy superior a la

de trabajo. En la figura (Fig 2) se puede observar un regulador instalado en un tubo de oxgeno adems deun corte del mismo mostrando como est compuesto para lograr la reduccin de la presin.Segn la regulacin que se realice en las vlvulas del soplete se obtendr una combustin neutra

sin exceso en la llama de combustible o comburente, una llama con exceso de oxgeno o una llama conexceso de acetileno. La llama neutra, donde la proporcin de combinacin del oxgeno con el acetileno esde 1:1,1, se utiliza para soldar acero, presentndose el caso que con exceso de oxgeno el ncleo se hacems pequeo y quema el material en tanto que, con exceso de acetileno el ncleo se agranda, el materialse carburay se producen sopladuras, siendo la soldadura defectuosa. Para soldar aleaciones de CuZn(Latn) se utiliza generalmente un exceso de oxgeno y para soldar fundicin gris se utiliza un exceso deacetileno.

El material de aporte utilizado depende del tipo de material a soldar, utilizndose varillas de hierro

dulce para soldar acero y de bronce para soldar fundicin.Segn 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 seutilizan diferentes tamaos de boquillas, las que por lo general son intercambiables en el soldador a losefectos 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 cuidadode no engrasar ni aceitar las roscas u otras partes del equipo ya que stos arden muy fcilmente con eloxgeno. Adems el soldador debe utilizar los elementos de proteccin, como ser antiparras, guantes decuero y delantal, todos ellos confeccionados especialmente para esta operacin.

Soldadura elctrica por arco voltaico

Se realiza por la fusin de las piezas a soldar y el material de aporte utilizando el calor quedesarrolla el arco voltaico que se produce al circular una corriente elctrica, a travs del aire, entre loselectrodos positivo y negativo, constituidos por la pieza a soldar que acta de nodo y la pinza con lavarilla del material de aporte que es el ctodo, elevndose la temperatura hasta aproximadamente3600C. Para simplificar se denomina electrodoa la pinza con la varilla de aporte de material y piezaalmaterial a soldar. Por lo general se utiliza corriente continua, con tensiones entre 50 V y 70 V paraencender el arco siendo necesario para mantenerlo durante el trabajo tensiones de 20 V y 30 V, circulandocorrientes entre 50 a 500 amperes. La corriente elctrica se produce, ya sea en un transformador-

rectificador conectado a la red elctrica industrial o en un generador de corriente continua movido por unmotor elctrico o motor de combustin interna.El electrodo, en la soldadura manual por arco elctrico, est constituido por una varilla de acero o

aleacin, las que actualmente vienen todas revestidaso recubiertas con un material especial, como puedenser el xido de titanio (revestimiento de rutilo), el ferromanganeso (revestimiento cido), el carbonatoclcico (revestimiento bsico) o la celulosa (revestimiento orgnico). Al producirse la elevacin de latemperatura, el revestimiento se funde y forma una envoltura gaseosa que impide la penetracin delnitrgeno y del oxgeno del aire, que causaran, el primero la fragilidad del material y, el segundo,inclusiones de xidos, que debilitan la soldadura. Adems el revestimiento contiene elementos que suplenlas materias eliminadas por la combustin, como por ejemplo el manganeso y el carbono. Tambin, alionizar el aire, estabiliza el arco elctrico. Forma escorias que cubren el cordn de soldadura,

disminuyendo la velocidad de enfriamiento con lo que se reducen las tensiones en el material adems deabsorber las impurezas del bao de fusin.


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Figura 3

Los electrodos estn normalizados segn Normas IRAM, DIN, SAE, etc., las que dan susdimensiones y caractersticas (Fig.3), como ser el dimetro de las varillas, tanto del alma como delrevestimiento, su longitud total ly su longitud lcorrespondiente a la zona donde es sujetada por la pinzay la cual no tiene revestimiento para permitir el contacto directo y con ello la circulacin de la corrienteelctrica.

Se utilizan distintos dimetros de electrodos para cada espesor de pieza a soldar, con una tensin yuna intensidad de corriente adecuadas a los efectos de generar el calor necesario y suficiente que permitanla correcta fusin del electrodo y de la pieza. En la tabla 2 se dan distintos espesores de chapas con sus

correspondientes dimetros de electrodos con revestimiento y las intensidades de corrientes.

Espesor de

la Chapa[mm]

Dimetro del

electrodo[mm]

Intensidad de

la corrienteen [A]

EnergaAbsorbida

[kwh]

Consumo de

electrodos[kg]

2 2 40 60 0,8 0,1004 3 a 4 80 120 1,2 0,2006 3 a 5 130 180 2 0,4008 3 a 5 130 200 3 0,600

10 4 a 6 140 210 4 0,80012 4 a 6 150 220 5 1,00014 4 a 6 160 230 6 1,20016 4 a 6 170 240 7 1,40018 4 a 6 175 250 8 1,60020 4 a 6 175 260 9 1,80022 4 a 6 180 260 10 2,10024 4 a 6 185 260 11 2,40026 4 a 8 190 260 12 2,70030 4 a 8 200 260 14 3,300

Tabla 1

Proceso de soldadura

En el proceso de soldadura, al fundirse el metal por la elevada temperatura, el arco elctricoproduce en la pieza una pequea depresin, llamada crter.Al mismo tiempo, la extremidad del electrodose funde por el calor del arco elctrico y se desprende en forma de gotas, depositndose el metal en elcrter e incorporndose al metal base de la pieza. Para que se produzca una correcta soldadura el metaldel electrodo y de la pieza deben mezclarse ntimamente, debiendo existir, como ya se dijeraanteriormente, una unin por cohesin. Es de fundamental importancia la penetracin, o sea la

profundidad o espesor del metal base que se funde por la accin del arco, ya que cuanto mayor sea sta,mejor resultado se obtiene en la unin soldada. La penetracin depende del tipo de electrodo y de laintensidad de la corriente empleada. Es necesario que el arco est continuamente en contacto a lo largo de


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la lnea de soldadura desplazndose en forma regular y en forma no muy rpida a los efectos de evitarpartes porosas y de poca penetracin.

Figura 4

Es importante que el operario utilice los elementos de proteccin para la vista como para el restodel cuerpo, a los efectos de protegerlo de la intensa luz y de los rayos ultravioletas que se producen y

pueden afectar el organismo, respetndose las reglas de seguridad existentes al respecto.La soldadura elctrica por arco voltaico para casos que exigen mucha pureza tambin se puede

realizar en: a) atmsfera protectora de gases inertes, (gases nobles como el helio y el argn) y dixido decarbono especial, b) bajo capa protectora de polvo, donde se utiliza un polvo especial para soldar, congases protectores y c) por escoria electroltica, donde la escoria se calienta por resistencia elevando sutemperatura por encima del punto de fusin del acero fundiendo ste; se utiliza para soldar piezas degrandes 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 giraa una velocidad preestablecida, segn el ancho del cordn. La proteccin del arco la proporciona un gasque 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 extensin o de

caractersticas repetidas.En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no participa en modo alguno en la

reaccin de soldadura. Su funcin es proteger la zona crtica de la soldadura de oxidaciones e impurezasexteriores. Se emplean usualmente los mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argn,menos frecuentemente helio, y mezcla de ambos.

En la soldadura MAG, en cambio, el gas utilizado participa de forma activa en la soldadura. Suzona de influencia puede ser oxidante o reductora, ya se utilicen gases como el dixido de carbono o elargn mezclado con oxigeno. El problema de usar CO2en la soldadura es que la unin resultante, debido

al oxgeno liberado, resulta muy porosa. Adems, slo se puede usar para soldar acero, por lo que su usoqueda restringido a las ocasiones en las que es necesario soldar grandes cantidades de material y en lasque 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 elctrico 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 fusin y su propiedad de ser unfuerte emisor de electrones.

En el proceso descrito anteriormente, el electrodo (varilla o alambre) era consumible, es decir quecumpla una doble funcin: establecer el arco y aportar material.


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En el proceso TIG el metal de aporte se adiciona independientemente, manualmente con unavarilla o mediante un devanador de alambre. La proteccin del arco es proporcionada por el gas inerte,argn o mezcla que se provee por la boquilla.

Soldadura Aluminotrmica

Consiste en la fusin del metal de aporte el cual por su alta temperatura, al caer sobre las piezasdel mismo metal las funde soldndolas. Se colocan las piezas a soldar, por ejemplo un riel que se quiereunir, dentro del molde de arena (Fig.5) y dentro del crisol de magnesita una mezcla finamente pulverizadade oxido de hierro y aluminio. Se agrega carbono en forma de polvo, y se enciende la mezcla con unfsforo especial llevndose la misma a unos 1000C inicindose una reaccin exotrmica, fundindose lamisma llegando aproximadamente a 3000C; el carbono se combina con el hierro del xido de hierro alcual el aluminio le sustrajo el oxgeno obtenindose, como metal de aporte, acero colado que por sumayor densidad va a la parte inferior del crisol cayendo dentro del molde a travs del conducto o

bebedero y funde las piezas que se desean soldar produciendo la unin de stas.

Figura 5

La escoria lquida de Al2O3que se forma al combinarse el oxgeno del xido de hierro con el aluminiosobrenada por encima del acero en el crisol.Las piezas a soldar se calientan previamente en el molde hasta unos 900C. Unavez que se produce la soldadura de los rieles, el metal sobrante o hongo quesobresale de los rieles, segn se indica en la figura, se quita mediante el uso deuna trancha o cortafro.

Soldadura por resistencia elctrica y presin

Al hacer circular una corriente elctrica a travs de dos piezas, la zona de contacto entre ambas, al

presentar mayor resistencia hmica que el resto de las mismas, experimenta una elevacin de temperaturadebido al calor generado por el paso de la corriente. Esto hace que las partes en contacto se fundan, y al

presionarlas una contra otra se unan, soldndose al enfriarse y solidificarse nuevamente.La soldadura se realiza utilizando dos electrodos con los cuales se aplica una tensin elctrica a las

piezas haciendo circular una corriente la que produce el calentamiento de las partes en contacto y sufusin. Luego, con los mismos electrodos, se aplica una presin a ambas piezas con lo cual se logra quese suelden en las partes en contacto. Segn sea el tipo de unin que se desee realizar, el contacto donde se

produce la soldadura de las piezas puede ser puntual, lineal o con caractersticas especiales, utilizndosedistintos tipos de electrodos para lograrlo y segn como sea la soldadura que se realiza por este mtodo sela clasifica como soldadurapor puntos, soldadura de costura, soldadura al tope, soldadura con resaltosysoldadura con arco de chisporroteo o centelleo.


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Figura 6

Soldadura por puntos:

Consiste en la aplicacin de una tensin a las piezas a soldar mediante dos electrodos (Fig. 6 -a),que por lo general son cilndricos y enfriados interiormente por agua, con un dimetro Den el cuerpo delelectrodo y un dimetro den la punta de contacto del electrodo con las piezas (Fig.6-b), siendo ste, paraacero dulce:

Para materiales delgados: d = 0,25 + 2t

Y para materiales gruesos: td .54,2= Para la ejecucin de la soldadura de dos piezas, las mismas se solapan una longitudL (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 laaplicacin de fuerzas desde los 90 daN a los 900 daN.

Soldadura por costura:

Est compuesta por una serie de soldaduras por puntos realizadas en forma continua por unelectrodo circular que rueda sobre las piezas a unir al mismo tiempo que se aplica una tensin elctrica y

una fuerza mecnica (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 piezasdesde el extremo de la soldadura, son las mismas que para la soldadura por puntos.

Los electrodos estn constituidos por dos ruedas o rodillos de cobre de dimetros que varan,segn el espesor del material a soldar, de 5 cm a 60 cm y an ms.

Soldadura con resaltos

Cuando se deben soldar una cantidad de piezas fabricadas en serie, a los efectos de facilitar yhacer ms veloz la ejecucin del trabajo, se utilizan matrices con formas especiales, las que constituyenlos electrodos, tomando formas especiales con resaltos, segn sea la forma de las piezas a soldar. Una deestas formas se puede observar en la figura (Fig.7 a).


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Figura 8

Soldadura al tope:

Figura 9

Se denomina as a la soldadura por resistencia de dos barras que se unen enfrentadas por susextremos (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, calentndose por la mayorresistencia de las dos superficies en contacto, fundindose stas y luego, desconectando la corriente, conuna presin mecnica se unen ambas. Se usa en aceros con bajo contenido de carbono, para metales noferrosos 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 encontacto ligero y se hace circular la corriente (Fig.10); luego se separan levemente una pequea distancia

para producir el chisporroteo del arco elctrico que forma la corriente al seguir circulando a travs delespacio entre ambas superficies con lo que aumenta la temperatura fundindose el metal de las superficies


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en contacto. Luego de obtenido el estado casi lquido del metal, se desconecta la corriente, se aplica unapresin con lo que se obliga a despedir el mismo y se realiza la soldadura en el metal en estado pastosoque est detrs del fundido. Con esto se logra que la soldadura quede libre de impurezas, siendoapropiado para aceros con alto contenido de carbono.

Figura 10

Comparacin de los distintos mtodos

Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW)

Ventajas

1) Amplia gama de aplicaciones;2) Bajo costo de equipos y consumibles;

3) No requiere de gas de proteccin fundente;4) Puede ser usada en reas de acceso limitado.

Desventajas

1) No pueden soldarse metales de bajo, puntode fusin;

2) Alta dependencia del soldador;3) Alto nivel de desperdicios;4) No pueden usarse equipos de altos

amperajes.

Soldadura semiautomtica MIG-MAG (GMAW)

Soldaduras MIG

Ventajas

1) Altas intensidades de soldadura sinchisporroteo;

2) Altas velocidades de deposicin;3) Escoria de fcil remocin;4) Mayor penetracin.

Desventajas

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 proteccin

ARGN:Suavidad de arco


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Reducida penetracinSoldadura de lminas delgadasAccin limpiadoraBajo costo y gran disponibilidad.

HELIO:Ventajoso para metales de alta conductividad trmicaAplicaciones mecanizadas de alta velocidadSoldadura de lminas pesadas

MEZCLA:Se usa cuando se desea un balance de las caractersticas de ambos gases Ar-He.

Ventajas

1) Soldaduras de alta calidad, libre de defectos;2) Control preciso de las variables de soldadura:3) Pueden soldarse casi todos los metales;4) Fuente de poder y metal de aporte

controlados independientemente;5) Excelente control de la penetracin.

Desventajas

1) Menores velocidades de deposicin que enSMAW;

2) Mayor destreza del soldador que ensoldadura SMAW MIG (GMAW);

3) Difcil proteccin de la zona soldada de lascorrientes de aire;

4) Puede ocurrir inclusiones de Wolframio;5) Soplo magntico, como en otros procesos.

Metalurgia de la soldaduraLos aspectos metalrgicos 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 metalfundido se solidifica en cuestin de segundos, la cantidad de metal rara vez excede de una pulgada cbica,la fuente de calor y el pocillo de metal fundido tienen una temperatura considerablemente ms elevadaque en los hornos de fusin. Como resultado del enfriamiento rpido del pocillo de soldadura, lasreacciones qumicas que se inician en el metal fundido y en la escoria no tienen tiempo para completarse.

La solidificacin del metal fundido en el pocillo de soldadura se ilustra en forma de diagrama enla figura 11. En la parte (a) de la figura 11 se puede apreciar como vara el tamao de los granos de la

ZAC (zona de alta temperatura) en especial como la estructura cristalina de los granos cambia en funcinde su proximidad al cordn de la soldadura, debido a que al alejarse de la soldadura disminuyen latemperatura y la magnitud del sobrecalentamiento; de hecho el tamao de los granos disminuir a medidaque nos alejamos de la proximidad del cordn, donde los granos son gruesos y de martensita (rea desobrecalentamiento), hasta llegar a la parte en donde el material recupera sus propiedades originales,

pasando por el rea de normalizacin donde los granos son de austenita y luego de perlita.En el rea de sobrecalentamiento el metal pierde algo de su ductilidad, y especialmente resistencia

al impacto. Los cambios de dureza se evidencian ms an en los aceros sensibles al tratamiento trmico.Un aumento de la dureza generalmente va acompaado de un aumento en la fragilidad y la consiguientedisminucin de la ductilidad.

Debe sealarse 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 expresin de las diferentes estructuras; (b) vista superior del pocillo de

soldadura (W) y lneas isotermas en torno al pocillo. Las isotermas estn numeradas acordes con la

curva en (a).

Los granos crecen a partir de la lnea de fusin, pero no todos lo hacen a la misma velocidad,porque al aumentar de tamao y al hacer presin unos contra otros, cada uno acta acorde al estado de sucrecimiento. Sin embargo, los granos en crecimiento pueden empujar hacia afuera las inclusiones nometlicas, hasta la superficie de la soldadura. Esta es la razn por la que la escoria aparece en la superficiede la soldadura y no flotando en la raz del cordn.

La solidificacin uniforme del pocillo de metal se altera por refusin cuando se aplican pasadassubsecuentes. Esto puede resultar en bolsas de metal fundido en la que se retarda el crecimiento de losgranos. Estas regiones tienen, por lo tanto, probabilidades de contener inclusiones de escoria figura 12. Laestructura del metal de la soldadura y la apropiada solidificacin del pocillo de metal dependen en ciertogrado de la relacin de aspectode la soldadura, es decir, de la relacin entre el ancho de la soldadura y su

profundidad de penetracin. En la figura 13 aparecen dos ejemplos de relacin de aspecto, el cordn de la

izquierda tiene una relacin menor a la unidad lo que causa que parte de la escoria quede atrapada; elcordn de la derecha posee una relacin mayor a uno, ntese que no existen inclusiones de escoria.

Figura 12


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Figura 13

Un mtodo utilizado para liberar parte de las tensiones originadas por la soldadura es elrecalentamiento de la unin (revenido), aunque no siempre alcanza resultados aceptables, ya que tieneaparejadas varias complicaciones, entre las cuales se destaca que el grado al cual se puede elevar latemperatura est regido por la deformacin permitida de la masa soportada, adems raras veces es

aconsejable elevar la temperatura por sobre el punto de transformacin ms bajo. Cuando este mtodo seaplica en forma correcta la unin gana ductilidad pero disminuye su resistencia a la tensin.

Otro mtodo empleado para disminuir las tensiones es precalentar las piezas a unir, debido a quedisminuye la velocidad de enfriamiento, debido a la gran masa que debe enfriarse. Este mtodo esefectivo 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 ms comunes y sus causas presuntas que sufren

cada una de las uniones soldadas, los cuales a modo de resumir se enumeran a continuacin:

Fisuracin del cordn;Porosidad del cordn;Socavacin de la junta;Falta de penetracin;Falta de fusin;Inclusiones de escoria en el cordn;Excesiva fragilidad del metal base;Excesiva fragilidad del cordn;Excesiva ductilidad del cordn;

Las fisuraciones de la soldadura pueden clasificarse en dos categoras:

Fisuracin en caliente: Se produce por encima de los 400 C, durante el enfriamiento de la soldadura. Esposible detectarla al terminar de soldar el cordn.

En general aparecen en el centro del cordn (en el metal de aporte) y se atribuye su origen a lapresencia de impurezas (ej. Azufre). Estas forman pelculas de bajo punto de fusin que solidificancuando el resto del metal ya lo ha hecho. Las mismas son detectables a simple vista o con ayuda de unensayo de lquidos penetrantes, inmediatamente concluida la soldadura.

Fisuracin en fro: Se produce a temperatura ambiente. Es una microfisuracin inducida por hidrgenoque, en un acero de microestructura frgil y en presencia de un campo de tensiones, puede originarmacrofisuras que comprometan la integridad del componente soldado.


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Para reducir el riesgo de fisuracin en fro o por hidrgeno, se deben tomar las siguientesprecauciones:

-Precalentar la zona a soldar, a fin de reducir la velocidad de enfriamiento y evitarestructuras frgiles de temple.

-Eliminar cualquier factor generador de hidrgeno en la zona a soldar.

-Utilizar electrodos bsicos de bajo hidrgeno.-Efectuar, de ser posible, un tratamiento trmico de distensionado para reducir lastensiones 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 puedenser simples, escuadradas, biseladas, en V, de ranuras de una sola J de una sola U, o dobles (Ver figura15).

Las soldaduras a tope son las que poseen mejor resistencia a la fatiga, puesto que en ella el flujode fuerzas para la traccin y para la traccin compresin, direccin rectilnea. Para obtener una buenasoldadura es esencial una buena penetracin de la fusin.

Para que una soldadura en V tenga buena resistencia a la fatiga debe ser soldada tambin en suparte inferior.

Son las utilizadas para los recipientes a presin.

JUNTAS DE FILETE.

Son las ms utilizadas para los elementos de mquina de tipo general a pesar de poseer menorresistencia a la fatiga, debido a que no necesitan una preparacin previa de los cantos a soldar.

A diferencia de los cordones a tope en estos las tensiones se trasmiten por corte.

SIMBOLOGA DE LA SOLDADURA, NORMAS.

Simbologa de las soldaduras segn norma AWS

Esta simbologa incluye los siguientes datos:

Lnea base (o de referencia) Cabeza de flecha Smbolos bsicos Fig 14

Dimensiones


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Smbolos complementarios Smbolos de acabado Cola adicional Especificacin o proceso

Figura 14

Nota:

El lado de la flecha o lado cercanode una junta es la lnea, parte, rea o elemento al actual apuntala citada flecha desde el quiebre del smbolo. El contrario es el lado opuesto a la flecha o lado lejano.

Figura 15

Ejemplos de simbolizacin de soldaduras

Soldadura de filete


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Figura 16

Nota:

En la caso de la derecha el smbolo indica que las soldaduras son intermitentes y estn desplazadas50 mm, con una distancia de 200 mm entre centros.

En el caso de la izquierda el 5 indica el tamao de la base del filete.

Figura 17

Soldadura a tope

Figura 18

Soldaduras especiales de filete y a tope


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19

Figura 19

Soldadura de metales diversos

Soldadura de aceros inoxidables

Los electrodos para soldar aceros inoxidables poseen el prefijo E. En el recubrimiento delelectrodo se incluyen manganeso y silicio para reducir la oxidacin, titanio para mejorar la estabilidad delarco, mejorar el desprendimiento de la escoria e impedir la precipitacin de carburos, cal para eliminar el

hidrgeno, que origina gritas bajo el cordn.Los aceros inoxidables que se sueldan ms comnmente por los procedimientos normales desoldadura son los de cromo nquel y los de cromo solamente.

Los aceros inoxidables austenticos son ms soldables que los ferrticos martensticos, debido a sumayor coeficiente de dilatacin trmica y su menor conductividad trmica. Debido a que posee estascaractersticas frecuentemente presenta problemas de deformacin.

Soldadura de Aluminio

Se utilizan los mtodos de arco protegido por gas, soldaduras tipo tic mic. Prcticamente no seutilizan varillas de aporte recubiertas para soldar aluminio debido a la mala operabilidad, y a la necesidadde la completa eliminacin del fundente despus de aplicada la soldadura.

Soldadura de aceros de alto carbono

Los aceros de alto contenido de carbono generalmente se emplean templados. Las piezasfabricadas con este tipo de aceros incluyen las brocas puntas de brocas, cuchillos rejas de arado ruedas deferrocarril, rodillos de laminacin y otros artculos que o requieren soldadura para su manufactura, peroque 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 cordn;


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20

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 preparacin previa de los cantos de la junta,

adems se debe evitar una penetracin excesiva del cordn, tambin hay que soldar a una velocidadreducida o hacerlo en zig zag.

Soldadura de piezas de Hierro fundido

Los hierros vaciados se sueldan con facilidad mediante procedimientos normales de soldadura, enlos cuales hay que poner especial atencin en la penetracin del cordn, para evitar la fragilizacin delmetal base. El procedimiento utilizado es precalentar la zona adyacente a la soldadura pero a unatemperatura relativamente baja y cuidar que est no se enfre antes de terminado el proceso de soldadura.Otra pauta sobre la que hay que poner atencin es el preparado de los cantos de la junta, para permitir unacorrecta manipulacin del electrodo y la fusin de las caras de la raz.

Soldadura de piezas de acero fundido

Los aceros vaciados tienen la misma soldabilidad que los laminados o estirados de la mismacomposicin.

Soldabilidad (Carbono equivalente)

Este concepto se utiliza habitualmente para indicar si un acero es o no soldable sin tomarprecauciones especiales.

La propiedad ms importante vinculada a la soldabilidad es la ductilidad, dado que los metales asoldar deben tener la capacidad de adaptarse por deformacin pltica al campo de tensiones de origentrmico generado durante el proceso de soldadura.

El parmetro ms utilizado para medir la soldabilidad es el carbono equivalente. El mismoproporciona una medicin indirecta de la ductilidad.

Segn la frmula simplificada de Dearden y ONeil que se recomienda en la Norma IRAM 503, sedefine al carbono equivalente como:

( ) ( ) ( )

15

%%

5

%%%

6

%%%

CuNiVMoCrMnCCeq

++

++++=

Para el caso del acero al carbono se reduce a:

( )6

%%%

MnCCeq +=

Si el Ceq es inferior a 0,56% el acero tiene una microestructura dctil y es soldable sin tomarprecauciones especiales. Caso contrario, el acero debe ser soldado con procedimientos especiales paraaceros de alto carbono.


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21

CLCULO DE LAS JUNTAS SOLDADAS A TOPE Y DEFILETE.

1. JUNTAS SOLDADAS A TOPEEn la figura siguiente se presenta una junta a tope tpica con ranura en V cargada

longitudinalmente con la fuerza F.

Figura 20

l= Long. del cordnh = altura de la garganta

1.1. Resistencia de la Soldadura a traccin o compresinPara resistir este tipo de carga la tensin normal media vale:

lh

P

=

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 prctica lo que se hace es esmerilar (amolar) elrefuerzo pues en el punto A se origina concentracin de tensiones.

La tensin de trabajo () deber ser menor que la tensin del material(mat) de la soldadurams solicitada, multiplicada por 0,6

matlh

P

6,0

Por ejemplo la tensin a traccin del acero dulce acero dulce= 1260 kg/cm2(AWS)


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22

1.2. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos de corte

Caso 1

Permetro soldado:

Figura 21

mat

plh

T

4,0

Figura 22

h= altura del cordn

lp= longitud del permetro soldado

Caso 2

Planchuelas unidas por un extremo con toda la seccin soldada:

Figura 23

mat

lh

T

4,0

1.3. Resistencia de la Soldadura a flexin

Sea el caso de un perfil que soporta cargas normales a su eje longitudinal


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23

Figura 24

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

debe verificar matf

W

M 6,0

W = mdulo resistente de la seccin soldada que en las soldaduras a tope es la seccin de la planchuela.

1.4. Resistencia de la Soldadura a esfuerzos compuestos deflexin y corte.

En este caso la soldadura no coincide con la zona de mximo momento flector, por lo tanto sedebe verificar:

Para el caso 1

mat

p

fa

lhT

WM

+

9,0____8,0

22

para el caso 2

mat

fa

lh

T

W

M

+

9,0______8,0

22

2. JUNTAS DE FILETE

La prctica comn en el diseo de la soldadura es despreciar el esfuerzo normal y basar el tamaode la junta, en la intensidad del esfuerzo cortante medio. En el rea de la garganta de la soldadura a 45 delos catetos. Esta es la mnima rea del cordn por donde tiene que fallar a corte (Planos de corte de lasoldadura en la garganta).


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24

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 direccin de la carga. En cambio en lasoldadura alineada en forma transversal a la carga, el esfuerzo cortante ocurre a 45, actuando en forma

perpendicular al eje del filete.

2.1. Carga paralela y transversal

Figura 26

h = Longitud de la garganta de la soldadura = hcsen(45)hc= Longitud del cateto de la soldaduraLw= Longitud del cordn de la soldadura


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25

2.2. Carga de torsin

Ejemplo:Sea la figura 27 que presenta un

voladizo, unido a una columna por doscordones de soldadura.

Para este grupo de soldaduras (eneste caso 2) el esfuerzo de corteresultante que acta es la sumavectorial de los esfuerzos de cortedirecto y de corte por torsin.

Figura 27

El esfuerzo de corte directo es:

A

V

d =

V = Fuerza cortante = P

A = rea de garganta en todas las soldaduras

El esfuerzo de corte por torsin es:

J

rM

t

=

M = Momento torsor aplicado a la soldadura.

r = Distancia desde el centroide del grupo desoldadura hasta el punto ms apartado

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

As, en el diseo, cuando se conoce el tamao de las juntas, estas ecuaciones pueden resolverse, y losresultados se pueden combinar para hallar el esfuerzo cortante mximo y compararlo con el admisible dela soldadura (SSy).

( ) ( )ytd

SS+=22

(Soldadura)

Otro problema que puede presentarse es determinar el tamao de la junta, conociendo el esfuerzocortante permisible. Estos dos problemas se aplican ms adelante con ejemplos.

Veamos ahora como se calculan los parmetros A, J y r mencionados anteriormente, para un grupo dejuntas. Los rectngulos representan las reas de la garganta de las juntas.


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26

Cordones de la figura inferior derecha

Figura 28 Cordones de soldadura

2.2.1. Clculo del rea 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 rea de garganta en las 2 juntas es:

21 AAA +=

2211 dbdbA +=


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27

2.2.2. Clculo de la distancia r y ubicacin del baricentro G:

x es la posicin en x del centroide del grupo de juntas G

AxAxAx 2211

+=

y es la posicin en y del centroide del grupo de juntas G

A

yAyAy 2211

+=

r1 es la distancia de G1a G

( ) ( )2/1

2211 +=

yxxr

r2 es la distancia de G2a G

( ) ( )2/12

2

2

22

+= yyxxr

2.2.3. Clculo del momento de inercia polar del grupo de juntas (J) respecto albaricentro (G)

Para la junta 1:

Momento de inercia polar de rea respecto a un eje x que pasa por G1.

12

311 C

X

dbJ

=

Momento de inercia polar de rea respecto a un eje y que pasa por G1.

12

311 C

Y

bdJ

=

El momento de inercia polar del rea de la junta respecto a su propio centroide es:

1212

3

11

3

111CC

G bddbJ +=


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28

Para la junta 2:

12

322 C

X

dbJ

=

12

322 C

Y

bdJ

=

1212

322

322

2CC

G

bddbJ

+

=

Finalmente utilizando el teorema de ejes paralelos, se halla Jcomo:

2222

2111 rAJrAJJ GG +++=

2.2.4. Momento actuante

Este momento debe calcularse respecto de G y vale:

)))12 xxblPM +=

Ahora, a los fines prcticos y para sistematizar el clculo de la junta, conviene considerar a cadacordn o filete como una simple recta, es decir considerar el ancho de la junta igual a la unidad.

De esta manera se obtendr un momento de inercia polar unitario del grupo de juntas (Ju), el cuales independiente del tamao de la junta (hC).

As la relacin queda:

uC JhJ = 707,0

Donde Juse determina como se vio anteriormente, pero para un rea de ancho igual a la unidad.

Entonces para los clculos se utilizan unas tablas que contienen las reas de garganta unitarias (A),los momentos de inercia de rea polares unitarios (Ju) y los momentos resistentes unitarios (Iu) para lasuniones de filete ms comunes.


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29

Tabla 2


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30

Tabla 3

2.3. Carga de flexin

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

Figura 29


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31

La fuerza de corte V debida a F produce esfuerzo de corte puro y vale:

A

V=

Donde A es el rea total de las gargantas.

El momento M produce un esfuerzo normal () por flexin en las juntas, que es perpendicular alrea de la garganta, y en la prctica se lo suele suponer de igual magnitud que el esfuerzo cortante .

Figura 30

El valor de estos esfuerzos es:

I

M

J

cM=

=

Donde Ces la distancia desde el eje neutro hasta la fibra exterior.

Jes 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:

uC IhI = 707,0

Iues el momento resistente unitario [m2].

Este momento figura en la tabla 2:

dbIu =

Con lo cual tenemos:

dbh

M

C =

707,0

Finalmente una vez conocidos y se pueden determinar los esfuerzos cortantes mximos o losesfuerzos principales. Una vez que se obtienen esos esfuerzos principales se aplica una teora de falla

apropiada para determinar la probabilidad de falla o la seguridad (estas teoras son las del esfuerzocortante mximo o la teora de la energa de distorsin).


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32

RESISTENCIA DE LAS UNIONES SOLDADAS

Los electrodos que se utilizan en las soldaduras varan en forma considerable. Estos se identificancon el siguiente cdigo:

Exxxx

Contando desde la izquierda:

Primera y segunda X: Resistencia ltima en kPsi

Segunda X: Posicin de la soldadura: 1 toda posicin, 2 horizontal plana, 4 toda posicin y verticaldescendente.

Tercer X: otras variables tcnicas, por ejemplo la corriente a utilizar, penetracin, escoria, contenido depolvo de Fe.

En la tabla siguiente se presentan las propiedades de resistencia mnima de varias clases deelectrodos. En las publicaciones de la AWS (American Welding Society) y de AISC (American Instituteof Steel Construction) y en la AA ( Aluminium Association) se puede encontrar ms informacin alrespecto.

NMERO DEELECTRODO

RESISTENCIALTIMA kpsi (MPA)

RESISTENCIA DEFLUENCIA kpsi (MPA)

ELONGACIN %

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 disear componentes unidos por soldadura es preferible seleccionar aceros que permitanrealizar una unin rpida y econmica. En condiciones apropiadas todos los aceros se pueden soldar, perose obtendrn mejores resultados cuando se elijan materiales que tengan especificaiones UNS entre

G10140 y G10230 (AISI 1014 y 1023 respectivamente) (entre 60 y 70 kpsi (414 - 483 MPa)).En cuanto a los factores de seguridad o esfuerzos de trabajo permisibles, el diseador se puede

basar en factores ya utilizados con anterioridad, o sino utilizar el cdigo (AISC). En este cdigo los

esfuerzos de trabajo permisibles estn basados en la resistencia a la fluencia del material, en vez de laresistencia ltima.


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33

Siempre que la carga sea la misma, el cdigo AISC admite que se considere el mismo esfuerzo enel metal de aporte que en el metal base.

Este cdigo permite el uso de aceros ASTM que tienen una tensin de fluencia entre 30 y 50 kpsi(206,8 344,7 MPa) y una relacin:

y= 0,5 u

y = Tensin de fluenciau = Tensin ltima

La tabla siguiente (tabla 5) expone las expresiones de la tensin admisible segn diversascondiciones de carga.

Los factores de seguridad (N*) de la tabla 5 se calculan como:

En el caso de tensin, por ejemplo n = 1 / 0,6 = 1,67En el caso de corte por ejemplo n = 0,577 / 0,4 = 1,44Aceptando en este caso como criterio de falla la teora de la energa de distorsin que da:

sy= 0,577 y

y= Tensin de fluenciasy= Tensin de corte a fluencia

TIPO DE CARGA TIPO DE JUNTAESFUERZO

PERMISIBLEN*

Tensin A tope 0,60 y 1,67

Flexin A tope 0,60-0,66 y 1,52-1,67

Compresin simple A tope 0,60 y 1,67

Cortante A tope o de filete 0,40 y 1,44

Tabla 5

Generalmente el material de aporte del electrodo es el ms resistente y por lo tanto hay que

verificar los esfuerzos en los metales a unir, en caso contrario se puede hacer una probeta del materialsoldado segn 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 losmotivos siguientes, o por combinacin de dos o ms de ellas:

a) Falla en metal depositado: La resistencia a la fatiga depende del proceso y procedimiento utilizadospara soldar, del metal base y de la calidad de la soldadura. Los poros, inclusiones de escoria y zonasde fusin incompleta, reducen el lmite de fatiga porque ocasionan concentraciones de tensiones.

b) Falla en la lnea de fusin: Causada generalmente por una fusin deficiente, falta de penetracin ogrietas microscpicas.


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34

c) Falla en la zona afectada por el calor (ZAC): Los cambios cristalogrficos producidos por el ciclotrmico que acompaa a la soldadura son una funcin del proceso y procedimiento de soldadura, ascomo tambin de la composicin del metal base; consecuentemente, el lmite de fatiga puede sermayor 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 diseo de la junta, el contorno de la soldadura y la socavacin,frecuentemente originan fallas por fatiga, que se presentan a travs del metal base: Estas fallasgeneralmente resultan de la combinacin de los efectos producidos por las concentraciones detensiones y por el rea afectada por el calor.

Las grietas rara vez se propagan por el material de la soldadura, sino que generalmente la falla porfatiga origina la propagacin de grietas en la zona afectada por el calentamiento (ZAC) del materialsoldado. La ZAC es el rea alrededor de la soldadura que se funde y se recristaliza como una estructuraforjada. El material de la ZAC es ms dbil que el sustrato trabajado en fro y tiene microporoscaractersticos de las fundiciones.

Una recomendacin que se hace en forma reiterada y que el diseador tendra que tener en cuenta,

es no utilizar uniones soldadas en estructuras que sern sometidas a fatiga, pero debido a la relativasimplicidad de este mtodo de unin es que se lo utiliza en forma asidua. Debido a este hecho estudiosrealizados por Shigley y Mischke (1989) recomiendan los factores de reduccin de tensiones de trabajoindicados en la tabla 6. Estos se deben aplicar a la resistencia del material (sin considerar la historia de sumanufactura anterior a la soldadura), as como a la resistencia del material soldado.

Tipo de soldadura Factor de concentracin del esfuerzo a la fatiga (Kf)

Soldadura a tope reforzada 1,2Borde de soldadura de filete transversal 1,5

Extremo de soldadura de filete paralela 2,7Junta a tope T con esquinas agudas 2

Tabla 6

La utilizacin de estas tablas es un mtodo sencillo y rpido para realizar un prediseo de laestructura soldada, pero no es la forma ms recomendada. Si se va a disear una estructura o mquina con

partes soldadas, lo correcto sera realizar ensayos se fatiga de las juntas para obtener sus curvas S-N y enfuncin de stas establecer la configuracin ms apropiada.

Otros investigadores analizaron la resistencia a la fatiga de especmenes de prueba y de estructurasreales y llegaron a la conclusin que puede esperarse que la soldadura comercial realizada de acuerdo con

las especificaciones de la Sociedad Americana de Soldadura (American Welding Society) en acero degrado estructural con menos de 0,25 % de carbono y menos de 0,7 % de manganeso, alcance lasresistencias a la fatiga mostradas en la Figura 31.

El factor ms importante para mejorar la resistencia a la fatiga es la eliminacin de lasconcentraciones de tensiones, por ejemplo, la figura 32 muestra el efecto de algunos tratamientos en laresistencia a la fatiga de placas de 7/8 de pulg. soldadas a tope. Resulta evidente de esta figura que laeliminacin del esfuerzo de la soldadura por medio de un esmerilado beneficia a la resistencia a la fatigams eficientemente que la reduccin de esfuerzos por medio de tratamientos trmicos.


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35

Figura 31

Figura 32

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

de pulg.


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36

Las concentraciones de esfuerzo tienen une efecto relativamente reducido sobre la resistenciaesttica de una estructura, si el material de que esta hecha es suficientemente dctil. Por otro lado, cuandouna concentracin de esfuerzos se combina con esfuerzos repetidos, la resistencia de la estructura en el

punto de la concentracin de esfuerzos se ve materialmente reducida. Por este motivo las soldaduras sonpuntos intrnsecamente dbiles cuando se someten a esfuerzos repetidos, puesto que en algunas ocasiones

resulta difcil evitar efectos de concentracin de esfuerzos en las conexiones soldadas. Si las soldaduras sehan enfriado rpidamente, desarrollando una estructura martenstica, se vuelven ms frgiles que elmaterial base y consecuentemente los efectos de la fatiga se tornan ms severos. Por ejemplo, los

pequeos puntos de soldadura (punteado inicial), que se enfran muy rpidamente, son muy frgiles ypueden ocasionar la aparicin 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 sedesprendan con cincel antes de realizar est ltima.

La resistencia al impacto de las estructuras es a menudo relacionada con la resistencia a la fatiga, yambas se consideran relacionadas con la fragilidad, aunque en realidad no existen datos concluyentes queafirmen la validez de esta interrelacin. En general, las estructuras soldadas en servicio tienen una buenaresistencia al impacto, pero esta resistencia es probablemente inferior a la de las estructuras remachadas,

debido a que en las estructuras soldadas una porcin considerable de la energa de impacto debe serabsorbida por la deformacin elstica o plstica de las partes cercanas a las soldaduras, mientras que enlas remachadas el deslizamiento de los remaches absorbe parte de esa energa con un mnimo de daoestructural. Se sugiere que cuando una estructura est sujeta a cargas de impacto repetidas, los esfuerzosde diseo se reduzcan a los valores que se usan para condiciones de fatiga.


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EJERCICIOS:

Ejemplo N 1(Mott pag 774)

Disear la correa y su soldadura correspondiente a la figura. La correa se debe fabricar con aceroestructural ASTM 441 y de pulgada de espesor. Esta trabajar soportando una carga P de 55600 N. Seutilizar un factor de diseo de 2. Se usarn electrodos E70XX y el tamao mnimo del cordn desoldadura ser hC= 3/16 de pulgada (4,7625 mm).

Figura 33Diseamos la correa:Para una anlisis completo habra que definir la ubicacin del orificio, pero no es la intensin de esteapunte ahondar en este tema, por lo tanto slo calculamos la seccin de la correa. Entonces, de tabla, parael acero ASTM 441 (Apndice A-7 del Mott) tenemos:

Sy= 290 Mpa

Entonces la tensin de diseo es:

[ ]MPaS

s

S YYP 2

==

La tensin de trabajo para la correa es:

PaWW

N

tW

P

A

PP

6101455,8755905

00635,0

55600==

=

==

Igualando las anteriores:

mmmW 6006,0 ==


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38

Ahora calculamos la soldadura, en este caso aparece corte puro:

[ ]MPaNLh

P

WC =

707,0

N: nmero de cordones de soldadura.

Como la tensin de fluencia para el electrodo E70XX la Sy = 393 Mpa es mayor que la del acero de lacorrea (290 Mpa) adoptaremos este valor para el clculo del filete soldado, ya que la rotura se iniciar enla ZAC (ver Resistencia a la fatiga de las soldaduras). Considerando este hecho, calcularemos lasoldadura basndonos en la altura de los catetos del cordn.Acorde a la tabla 5 la tensin de diseo para este caso es:

[ ]MPaNLh

PS

W

=

Donde S es el factor de seguridad, para el cual nosotros adoptamos el valor 2:

[ ] MpaMPaL

N

W

290200476,0

556002=

=

mmLW 3,40=

Ejemplo N 2(15.11 Hamrock pag 706)

Sea una mnsula que se suelda a una columna. La mnsula debe soportar P = 20 kN y laslongitudes de los cordones de soldadura son: d= 150 mm y b =100 mm. Se utilizar un electrodo E60XXy soldadura de filete.

Calcular la longitud del cateto de la soldadura para un factor de seguridad de 2,5 (considerar solotorsin y corte puro).

Figura 34


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39

Los 20 kN generan corte puro en los cordones y este vale:

A

PC=

De la tabla 2 para esta configuracin de soldadura hallamos el rea unitaria Au= b+d, y la total es:

( ) ( ) CCC hhdbhA =+=+= 87,176150100707,0707,0 [mm2] con hcen milmetros

2001768,0 mhA C= con hcen milmetros

[ ]MPahhc CC

1,113

108,176

200006 =

=

con hcen milmetros

Este corte acta sobre los dos cordones en toda su longitud, pero en nuestro caso analizaremossolamente los puntos A y B, que son los ms alejados del centroide del grupo y por lo tanto los ms

crticos (CA y CB).La direccin de los esfuerzos est dada por la reaccin que origina la columna sobre la mnsula.

Analizando al grupo de juntas como libre.

Figura 35

Los 20 kN tambin generan torsin cuyo esfuerzo de corte vale:

J

rMt

=

De tabla la rigidez torsional es:

( )( )

( )( )15010012

1501006150100

12

6 224224

+

+=

+

+=

db

dbdbUJ

mmmm

UJ

4852083=

[ ]4602514707,0 mmhh CUC JJ == con hcen milmetros


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40

El momento se toma respecto del centroide del grupo (ver figura 35). Este se calcula de acuerdo a la tabla2 y esta ubicado en:

( )mm

db

bX 20

2

2

=+

=

( )mm

db

dY 45

2

2

=+

=

Expresando las distancias en metros:

( )02,03,020000 =M

NmM 5600=

Ahora, como metodologa, calculamos la tensin de corte producto de la torsin en componentes X eY en los puntos A y B.

En el punto A:

[ ]MPa

hm

N

hh CCCtAX

3,418418247543

10602514

045,05600212

=

=

=

con hcen milmetros

( )[ ] [ ]MPa

hPa

hh CCCtAY

7,743743651183

10602514

02,01,0560012

==

=

con hcen milmetros

En el punto B:

( )[ ]MPa

hh CCtBX

1,976

10602514

045,015,0560012

=

=

con hcen milmetros

( )

[ ]MPahh CCtBY9,185

10602514

02,0560012 =

=

con hcen milmetros

Las tensiones totales de corte en el punto A son:

[ ]MPahC

tAXAX

3,418==

[ ]MPahhh CCC

tAYCAAY

8,8567,7431,113=+=+=

22 AYAXA +=

[ ]MPahC

A

5,953= con hcen milmetros

Y para el punto B son:

[ ]MPahC

tBXBX

1,976==

[ ]MPahhh CCC

tBYCBBY

8,729,1851,113==+=

22 BYBXB +=

[ ]MPahC

B



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41

Figura 36

Finalmente como la tensin de corte es mayor en B, se toma este punto como referencia para el diseo

[ ]MPahC

B


Luego, de la tabla 4 de electrodos, para el E60XX la tensin de fluencia que le corresponde es:Sy = 345 MpaDe la tabla 5 la tensin admisible (para corte de filete):

admisible= 0,4 Sy = 138 Mpa

Si tomo un factor de seguridad 2,5

[ ] [ ]MPah

MPah CC

Diseo

24478,9785,2=

= con hcen milmetros

y como

MPaadmisible 138=

Despejando obtenemos el valor de hC:

MPa

mm

MPa

hC = 138

2447

mmhC

7,17=

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Apuntes y Calculo de Soldaduras