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ELECTRODO
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HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 30
TEMA 2
ELECTRODOS Y TENSIONES RESIDUALES
Elaborado por:
Víctor Bolívar
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 31
TEMA 2
ELECTRODOS Y TENSION RESIDUAL
Contenido 2.1.- ELECTRODOS. ......................................................................................................... 33
2.1.1.-Descripción del proceso ......................................................................................... 34 2.2.-ELECTRODOS PARA SOLDADURA ARCO MANUAL ..................................... 34
2.2.1.-Fabricación de electrodos ....................................................................................... 35 2.2.2.-Envasado. ............................................................................................................... 35 2.2.3.-Control de calidad. ................................................................................................. 35
2.2.4.-Propiedades mecánicas de los electrodos. .............................................................. 36 2.2.5.-Certificación de electrodos. .................................................................................... 36 2.2.6.-Clasificación de Electrodos según Normas AWS .................................................. 36
2.2.6.1.-Clasificación de los electrodos según AWS D.1.1 ......................................... 42 2.2.6.2.-Electrodos especiales: ..................................................................................... 43
2.2.7.-ELECTRODOS PARA SOLDAR ACERO AL CARBONO ................................ 44
2.2.7.1.-Procedimiento para soldar Acero al Carbono ................................................. 44 2.2.8.-CLASIFICACION AWS: E-6010 .......................................................................... 45
2.2.8.1.-Descripción. .................................................................................................... 45 2.2.8.2.-Usos. ................................................................................................................ 46 2.2.8.3.-Aplicaciones típicas. ....................................................................................... 46
2.2.8.4.-Procedimiento para soldar ............................................................................... 46
2.2.8.5.-Composición química (típica) del metal depositado ....................................... 46 2.2.9.-CLASIFICACION AWS: E-6013 .......................................................................... 47
2.2.9.1.-Descripción ..................................................................................................... 47
2.2.9.2.-Usos ................................................................................................................. 47 2.2.9.3.-Aplicaciones típicas. ....................................................................................... 47
2.2.9.4.-Procedimiento para soldar. .............................................................................. 48 2.2.9.5.-Composición química (típica) del metal depositado ....................................... 48
2.10.-ELECTRODOS PARA ACEROS DE BAJA Y MEDIANA ALEACION (BAJO
HIDROGENO) ................................................................................................................... 48
2.10.1.-Procedimiento para soldar .................................................................................... 48 2.10.2.-Soldadura en plano. .............................................................................................. 49
2.10.3.-Soldadura vertical. ................................................................................................ 49 2.10.4.-Soldadura sobre-cabeza ........................................................................................ 49
2.11.-CLASIFICACION AWS: E-7018 ............................................................................ 49 2.11.1.-Descripción .......................................................................................................... 50 2.11.2.-Usos ...................................................................................................................... 50
2.11.3.-Composición química (típica) del metal depositado: ........................................... 50 2.12.- DEFORMACIONES, TENSIONES Y AGRIETAMIENTOS ............................ 51
2.12.1.-Importancia de estos fenómenos .......................................................................... 51 2.13.-TENSIONES RESIDUALES Y DISTORSIÓN ..................................................... 52
2.13.2.-Control de las tensiones residuales ...................................................................... 56 Secuencia a seguir cuando se aplica la técnica del paso del peregrino ........................ 60
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 32
2.13.2.1.-Precalentamiento. .......................................................................................... 60
2.13.2.2.-Martillado. ..................................................................................................... 60
2.13.2.2.1 Atenuación de tensiones .............................................................................. 61 2.13.2.3.-Soportes y montajes ...................................................................................... 61 2.13.2.4.-Número de pasadas. ...................................................................................... 62 2.13.2.5.-Predeformación. Cuando ............................................................................... 63
2.14.-COMO EVITAR O REDUCIR LAS DEFORMACIONES O TENSIONES ..... 64
2.14.1 Distorsión y deformación en juntas. ...................................................................... 65 2.15.-CAUSAS DE LOS ESFUERZOS RESIDUALES. ................................................. 69 2.16.- ESFUERZOS RESIDUALES MACROSCÓPICOS Y MICROSCÓPICOS. .... 69 2.17.-ESFUERZOS RESIDUALES EN PERFILES (TENSION Y COMPRESION) . 70 2.18.-DESGARRAMIENTO LAMINAR ......................................................................... 73
2.18.1.-Desgarramiento laminar. ...................................................................................... 74
2.19.-EMPALMES SOLDADOS EN SECCION PESADAS .......................................... 74 2.20.-VARIACIONES DE LAS PROPIEDADES MECANICAS .................................. 75
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 33
2.1.- ELECTRODOS.
En electricidad un electrodo: Son los terminales de un circuito eléctrico que puestos en
contacto con un material conductor de electricidad cierra el circuito, estableciéndose así el
paso de la corriente.
En soldadura eléctrica un electrodo es la varilla de metal que conectada a uno de los polos
del circuito eléctrico de soldadura, va fundiéndose con el calor producido por el arco
eléctrico, depositándose sobre la pieza a soldar. Existen electrodos de carbón o tungsteno
que no se funden, sino que solamente provocan la formación del arco.
Los materiales de aporte son propiamente los electrodos, varillas, alambres, flujo, etc. Que
constituyen el metal de aportación en la soldadura.
Técnicamente sería muy confuso y muchas veces imposible seleccionar el material de
aporte entre la gran variedad de marcas y tipos adecuados para cada trabajo, proceso de
soldadura y metal base, si no existieran adecuados sistemas de normalización para estos
materiales.
EE.UU. tiene las normas AWS (American Welding Society), ASTM (American Society for
Testing and Materials), Alemania las Normas DIN (Deutsche Industrie Normen), Japón
las Normas JIS; Inglaterra la Norma BSI (British Standard Institution, Rusia la Norma
GOST; Europa las Normas EN.
La Norma Técnica de mayor difusión y de empleo más generalizado es la establecida por la
American Welding Society – AWS (Sociedad Americana de Soldadura), con la que
normalmente una marca en cada país establece las respectivas equivalencias de sus
productos. Esta Norma nos servirá de guía para un estudio esquemático de los materiales de
aporte en los procesos de soldadura de mayor empleo en el país. Una información detallada
puede obtenerse por la AWS, A5.X, que hasta 1993 contaba con 22 especificaciones de
materiales de aporte para soldadura.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 34
2.1.1.-Descripción del proceso
El sistema de soldadura Arco Manual, se define como el proceso en que unen dos metales
mediante una fusión localizada, producida por un arco eléctrico entre un electrodo metálico
y el metal base que se desea unir.
La soldadura al arco se conoce desde fines del siglo pasado. En esa época se utiliza una
varilla metálica descubierta (sin recubrimiento) que servía de metal de aporte.
Pronto se descubrió que el oxigeno y el nitrógeno de atmósfera eran causantes de fragilidad
y poros en el metal soldado, por lo que al núcleo metálico se le agrego un revestimiento que
al quemarse se gasificaba, actuando como atmósfera protectora, a la vez que contribuía a
mejorar notablemente otros aspectos del proceso.
El electrodo consiste en un núcleo o varilla metálica, rodeado por una capa de
revestimiento, donde el núcleo es transferido hacia el metal base a través de una zona
eléctrica generada por la corriente de soldadura.
El revestimiento del electrodo, que determina las características mecánicas y químicas de la
unión, esta constituidas por un conjunto de componentes minerales y orgánicos que
cumplen las siguientes funciones:
Producir gases protectores para evitar la contaminación atmosférica y gases ionizantes para
dirigir y mantener el arco.
Producir escoria para proteger el metal ya depositado hasta su solidificación.
Suministrar materiales desoxidantes, elementos de aleación y hierro en polvo.
2.2.-ELECTRODOS PARA SOLDADURA ARCO MANUAL
La industria de producción de electrodos para soldadura al Arco Manual, utilizando los más
modernos y eficientes sistemas de producción, lo que unido a una constante investigación y
a la experiencia de su personal, le ha permitido poder entregar al mercado productos de la
más alta calidad a nivel internacional.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 35
2.2.1.-Fabricación de electrodos La industria en la actualidad utiliza en sus Plantas de Electrodos el moderno sistema de
Extrusión, en que a un núcleo o varilla de acero se le aplica un revestimiento o material
mineral orgánico, que da al electrodo sus características específicas.
Este sistema posee la gran ventaja de entregar un electrodo con un revestimiento totalmente
uniforme y concéntrico con el núcleo, lo que significara excelente soldabilidad y
eliminación de arco erráticos en su aplicación.
El proceso de secado es primordial para obtener un producto de alta calidad, es por ello que
las plantas cuenten con modernos hornos de secado continuo, en el cual el electrodo
alcanza gradualmente la temperatura máxima especifica, obteniendo de esta forma un
secado uniforme y total.
2.2.2.-Envasado. Electrodos para aceros al carbono y baja aleación.
Son envasados en bolsas de polietileno (5 Kg.), posteriormente en cajas de cartón (25 Kg.)
Electrodos para Aceros al carbón, baja aleación con bajo contenido de hidrogeno, Aceros
Inoxidables, Níquel y Bronce.
Son envasados en bolsas de polietileno (5Kg), posteriormente en cajas de cartón (25 Kg.).
Para dar una mayor protección contra la humedad y los golpes.
2.2.3.-Control de calidad. Tanto para el control de materias primas como de productos elaborados, y para su
constante investigación, la Industria posee modernos Laboratorios Químicos, dotado de
instrumental especializado.
Estos laboratorios no solo realizan controles físicos (tamaño, uniformidad, concentricidad,
consistencia del revestimiento) y químicos (de humedad, composición, etc.), sino que
también realiza un constante control de soldabilidad y características mecánicas del metal
depositado, con muestras de electrodos de producción, siendo esta la única manera de
comprobar la calidad final y eficiencia del producto terminado.
Los numerosos controles que se efectúan durante el proceso de fabricación y las pruebas
efectuadas al producto terminado, son anotados en una tarjeta de producción. Un número de
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 36
serie anotado en cada envase, permite individualizar el día y hora de fabricación de cada
electrodo, indicando el resultado de los controles a que fue sometido.
2.2.4.-Propiedades mecánicas de los electrodos. Al someter a prueba un metal depositado mediante arco eléctrico, es importante eliminar
algunas variables, tales como diseño de juntas, análisis del metal base, etc, por lo que se ha
universalizado la confección de una probeta longitudinal de metal depositado, para luego
maquinarla y someterla a prueba de tracción para conocer su punto de fluencia, resistencia
a la tracción, porcentaje de alargamiento y de reducción de área.
Antes de traccionar la probeta, si se trata de electrodos que no sean bajo Hidrogeno, se le
somete a un envejecimiento a 95-105 ºC durante 48 horas, con el fin de liberarlos de este
gas.
2.2.5.-Certificación de electrodos. Certificado de Calidad Lloyd’s Register of Shipping, American Bureau of Shipping,
(Agencia de Embarque Americana) Bureau Veritas, Germanischer Lloyd’s y Det Norske
Veritas.
Estas casas clasificadoras exigen su aprobación a los electrodos que se usan en la
construcción o reparación de buques que van a ser certificados en sus Registros.
Es por eso que ellos especifican las pruebas a que se deben someter y verifican que los
métodos y controles usados. En Fabricación estén de acuerdo con sus especificaciones.
Algunos electrodos están homologados por estas casas clasificadoras, por lo que pueden ser
usados en buques y equipos certificados por estas instituciones.
Ellas realizan un control anual para verificar la alta calidad que deben mantener los
electrodos.
2.2.6.-Clasificación de Electrodos según Normas AWS Las especificaciones más comunes para la clasificación de electrodos según la AWS son las
siguientes:
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 37
Especificación para electrodos revestidos de acero al carbono, designación AWS:
A5.1-91.
Especificación para electrodos revestidos de aceros de baja aleación, designación
AWS: A5.5-96.
Especificación para electrodos revestidos de aceros al cromo, y cromo-níquel
resistentes a la corrosión designación AWS: A5.4-92.
Especificación para varillas de aporte en uso oxiacetilénico y/o TIG, designación
AWS: A5.2-92.
Especificación para electrodos revestidos para soldaduras de Fe fundido,
designación AWS: A5.15-90.
Especificaciones para electrodos continuos y fundentes para Arco Sumergido,
designación AWS: A5.17-97.
Especificaciones para electrodos de aceros dulces, para soldadura con electrodos
continuos protegidos por gas (MIG/MAG), designación AWS: A5.18-93.
En la especificación para aceros al carbono de electrodos revestidos, el sistema de
clasificación está basado en la resistencia a la tracción del depósito.
Para las posiciones vertical y sobre-cabeza existe una limitación de diámetro hasta 3/16˝
comúnmente y de 5/32˝ para electrodos de B.H. (Bajo Hidrogeno)
Los sistemas de clasificación para los electrodos revestidos de acero de baja aleación son
similares a la de los aceros al carbón, pero a continuación del cuarto digito existe una letra
y un digito que indican la composición química del metal depositado. Así la A significa un
electrodo de acero al Carbón-Molibdeno; la B un electrodo al Cromo- Molibdeno, la C un
electrodo al Níquel y la letra D un electrodo al Manganeso- Molibdeno.
La identificación de clasificación, está compuesta de la letra E y cuatro dígitos. Esta letra
significa electrodo. Los primeros dos dígitos indican la resistencia mínima a la tracción del
metal depositado en miles de libras por pulgada cuadrada. Es así como E60XX indica un
electrodo revestido cuyo deposito posee como mínimo 60.000 lbs. Por pulgada cuadrada.
Esta es la resistencia mínima que debe cumplir el depósito.
Aunque los dos últimos dígitos señalan las características del electrodo, es necesario
considerarlos separadamente, ya que el tercer dígito indica la posición para soldar del
electrodo.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 38
EXX1X- toda posición
EXX2X- posición plana y horizontal
EXX4X- toda posición, vertical descendente
El último dígito indica el tipo de revestimiento del electrodo. Sin embargo para una
identificación completa es necesario leer los dos dígitos en conjunto.
El dígito final indica la composición química, según esta clasificación.
En las especificaciones para aceros inoxidables AWS: A5.4-92, la. American Iron and Steel
Institute, Wáshington (AISI) clasifico estos aceros por números, y estos mismos se usan
para la designación de los electrodos. Por lo tanto, la clasificación para los electrodos de
acero inoxidables, como 308, 347, etc. Es su número y luego dos dígitos más que indican
sus características de empleo (fuente de poder, tipo de revestimiento, etc.). La letra L a
continuación de los tres primeros dígitos indica que el acero inoxidable es de bajo
contenido en carbono.
Fig. 2.1
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 39
Fig. 2.2
Tabla de electrodos
CLASIFICACION
AWS
TIPO DE
REVESTIMIENTO
CORRIENTE Y
POLARIDAD
POSICION A
SOLDAR
E-6010 CELULÓSICO SODICO CC.EP P.V.SC.H
E-6011 CELULÒSICO
POTASICO
CA.CC.EP. P.V.SC.H
E-6012 RUTÍLICO SÓDICO CA.CC.EN. P.V.SC.H
E-6013 RUTILICO POTÁSICO CA.CC.AP. P.V.SC.H
E-7014 RUTILICO H.P. CA.CC.AP. P.V.SC.H
E-7015 RUTILICO SODICO B.H CC.EP. P.V.SC.H
E-7016 RUTILICO POTASICO
B.H
CA.CC.EP P.V.SC.H
E-7018 RUTILICO POTASICO
B.H-HP.
CA.CC.EP. P.V.SC.H
E-6020 OXIDO DE HIERRO CA.CC.AP P.H.FILETE
E-7024 RUTILICO H.P CA.CC.AP P.H.FILETE
E-7027 OXIDO DE HIERRO H.P CA.CC.AP P.H.FILETE
Nomenclatura
HP: Hierro en polvo CC: Corriente Continua EP: Electrodo Positivo P: Plana
BH: Bajo Hidrogeno CA: Corriente Alterna EN: Electrodo Negativo V: Vertical
AP: Ambas Polaridades SC: Sobre-cabeza H: Horizontal
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 40
Fig. 2.3 a) proceso de soldadura
Fig. 2.3 b) Electrodos de corte.
Fig. 2.3 c) Electrodos 6010.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 41
Fig. 2.3 d) Electrodos 7018.
Fig. 2.3 e) Electrodos 6013.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 42
2.2.6.1.-Clasificación de los electrodos según AWS D.1.1
El sistema de numeración de electrodos, los clasifica así:
E - X - X X X - X X
Electrodo
Resistencia mínima a la
tracción
60------------60.000 psi
70------------70.000 psi
80------------80.000 psi
110---------110.000 psi
Posición
1 ------------ todas
2 ------------ plana y horizontal
4 ------------ plana horizontal, sobre
cabeza y vertical
bajando.
Tipo de revestimiento y corriente de
soldadura
Revestimiento Corriente
0 Celulósico cc+
1 Celulósico ca, cc+, cc
-
2 Rutílico ca, cc-
3 Rutílico ca, cc+, cc
-
4 Rutílico-polvo de hierro ca, cc+, cc
-
5 Bajo hidrógeno ca, cc+
6 Bajo hidrógeno
7 Polvo de hierro-
óxido de hierro ca, cc+, cc
-
8 Bajo hidrógeno-
polvo de hierro ca, cc+
cc+: Corriente continua electrodo positivo
cc-: Corriente continúa electrodo negativo
Ca: Corriente alterna
Identificación de electrodos de acuerdo a la AWS (A5.1 y A5.5). Los electrodos de aceros aleados,
como los aceros inoxidables y de materiales no-ferrosos se identifican generalmente de acuerdo a su
composición química.
Composición Química:
A1: 0,5 % Mo
B1: 0,5 % Cr, 0,5 % Mo
B3: 2,25 % Cr, 1 % Mo
B4: 2 % Cr, 1 % Mo
B5: 0,5 % Cr, 1 % Mo
C1: 2,5 % Ni
C2: 3,25 % Ni
C3: 1 % Ni, 0,35 % Mo, 0,15 % Cr
D1 y D2: 0,25-0,45 % Mo, 0,15 % Cr
G: Se requiere un porcentaje especifico de
algunos de los siguientes elementos: Ni, Cr,
Mo, V, Mn.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 43
Los electrodos estructurales incluyen aquellos cuyo metal aportado puede ser forjado,
siendo su empleo en estructuras metálicas, astilleros etc.
La carga de rotura mínima en estos electrodos es de 44 Kg /mm2
Los electrodos resistentes se caracterizan por su gran resistencia a la tracción siendo su
carga de rotura de 55 Kg / mm2 y su resistencia de 12 Kilográmetro por cm
2
Se emplea para soldar aceros de alto contenido de carbono y aceros aleados.
2.2.6.2.-Electrodos especiales:
Estos existen para trabajos especiales como son:
Electrodos para soldadura de la fundición. Si la soldadura es en frío los electrodos
empleados son de aceros especiales y existen dos clases:
Clase FNL = fundición no limable. El cordón depositado no puede
limarse y son de acero con alto contenido de carbono y silicio.
Clase FL = fundición limable. El metal aportado puede limarse y están
compuestos de una aleación de níquel, cobre y hierro.
Para soldar en caliente los electrodos especiales empleados son también de
fundición:
Electrodos de corte: Son especialmente aptos para soportar las grandes
intensidades necesarias para el corte por arco eléctrico.
De gran penetración: Son capaces de soportar intensidades mayores que las
normales, consiguiéndose con ellos penetraciones hasta de 8 mm. Pudiéndose
soldar chapas hasta de 16 mm. Con un cordón sencillo a cada lado. Trabajan con
tensiones de arco superior a los 50 voltios.
Automáticos: Es fabricada especialmente para soldadura a máquina.
Semiautomáticos: Son electrodos generalmente oxidantes de la clase extra
suave.
Es excelente en la soldadura en ángulo interior y su manejo es sumamente fácil, pues
basta apoyar la punta del electrodo en cada una de las chapas que forman el ángulo y el
arco salta entre el rincón de las chapas y la copa formada en el extremo del electrodo.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 44
Fig. 2.4
De contacto: Su manejo es igual que los anteriores.
Pueden depositarse cordones sobre una chapa plana apoyando sencillamente la punta
sobre ella como si fuera un lapicero.
TABLA
Fig 2.5
2.2.7.-ELECTRODOS PARA SOLDAR ACERO AL CARBONO
2.2.7.1.-Procedimiento para soldar Acero al Carbono
Los mejores resultados se obtienen manteniendo un arco mediano, con lo que se logra
una fusión adecuada, permitiendo el escape de gases además de controlar la forma y
apariencia del cordón.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 45
Para filetes planos y horizontales, conviene mantener el electrodo en un Angulo de 45º
respecto a las planchas, efectuar un pequeño avance y retroceso del electrodo en el
sentido de avance. Con ello se logra una buena fusión al avanzar, se controla la
socavación y la forma del cordón al retroceder al cráter.
Para filetes verticales ascendentes, se mantiene el electrodo perpendicular a la plancha
moviéndolo en el sentido de avance. El movimiento debe ser lo suficientemente rápido
y la corriente adecuada para permitir alargar el arco y no depositar cuando se va hacia
arriba, para luego bajar al cráter y depositar el metal fundido, controlando la socavación
y ancho del cordón.
La soldadura sobre-cabeza se ejecuta en forma similar a la horizontal, pero la oscilación
en el sentido de avance debe ser mayor para permitir que el metal depositado en el
cráter se solidifique.
Cuando se suelda vertical descendente, el cordón de raíz se hace con un avance
continuo, sin oscilar, y la fuerza del arco se dirige de tal manera que sujete el baño de
fusión. Para los pases sucesivos se puede usar una oscilación lateral.
2.2.8.-CLASIFICACION AWS: E-6010
Electrodo para acero al carbón
Con hierro en polvo
Toda posición
Corriente continúa. Electrodo positivo
2.2.8.1.-Descripción.
Electrodo con polvo de hierro en el revestimiento, que permite una velocidad de depósito
mayor y una aplicación más fácil, junto con propiedades mecánicas sobresalientes. La
estabilidad del arco y el escudo protector que da el revestimiento ayudan a dirigir el
depósito reduciendo la tendencia a socavar. Esta diseñado según los últimos adelantos
técnicos para óptimos resultados prácticos.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 46
2.2.8.2.-Usos.
Este electrodo tiene un campo de aplicación muy amplio, en especial cuando es necesario
soldar en toda posición.
2.2.8.3.-Aplicaciones típicas.
Estanques
Estructuras
Planchas corrientes y galvanizadas
Tuberías de presión
Cañerías (canales)
Barcos
2.2.8.4.-Procedimiento para soldar
Para obtener los mejores resultados, se recomienda un arco de longitud mediana que
permita controlar mejor la forma y aspecto del cordón.
Para soldadura de filetes planos y horizontales, se recomienda mantener el electrodo a 45º
con cada plancha, oscilándolo en el sentido del avance. El movimiento adelante tiene por
objeto obtener buena penetración y el movimiento hacia atrás controla la socavación y la
forma del cordón.
En la soldadura vertical se recomienda llevar el electrodo en un ángulo de casi 90º,
inclinándolo ligeramente en el sentido de avance. Se debe llevar un movimiento de vaivén,
alargando el arco para no depositar metal en el movimiento hacia arriba y luego
acortándolo para depositar en el cráter y así controlar las dimensiones del depósito y la
socavación.
2.2.8.5.-Composición química (típica) del metal depositado
C = 0,12%; Mn = 0,60%; P = 0,020%; S = 0,020%; S i = 0,24%
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 47
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DEL METAL DEPOSITADO
Resultados de pruebas de tracción con probeta de
metal de aporte (según norma AWS:A5.1-91)
Requerimientos según norma AWS: A5.1-91
Resistencia a la tracción: 72.500lb/pulg2 (500MPa) 60.000lb/pulg
2 (414 MPa)
Limite de fluencia: 64.000lb/pulg2 (441 MPa) 48.000lb/pulg
2 (331 MPa)
Alargamiento en 50 mm: 26% 22%
Nota: 1 Mega Pascal = 10,197 Kgf/cm2 = 1N/mm2
1 kg/cm2 = 14,22 psi
2.2.9.-CLASIFICACION AWS: E-6013
Electrodo para acero al carbono
Toda posición
Corriente continúa. Ambas polaridades
Corriente alterna
2.2.9.1.-Descripción
El electrodo E-6013 tiene un revestimiento que produce escoria abundante y un depósito
muy parejo. Su arco es muy suave y estable aunque de baja penetración. Tiene muy buenas
características de trabajo, aún con máquinas soldadoras de corriente alterna con bajo voltaje
en vació. Aunque especialmente formulado para corriente alterna, se puede usar también
con corriente continua.
2.2.9.2.-Usos
Este electrodo es especialmente recomendado para trabajos en láminas metálicas delgadas y
en toda clase de acero dulce, en los cuales se tenga como requisito principal la facilidad de
aplicación, siempre que no se exijan características mecánicas elevadas en las uniones.
Debido a su baja penetración, se recomienda para soldar planchas de espesores menores de
1/4˝ (6,35 mm).
2.2.9.3.-Aplicaciones típicas.
Cerrajería.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 48
Muebles metálicos
Estructuras livianas.
2.2.9.4.-Procedimiento para soldar.
Puede utilizarse corriente alterna o continua, ambas polaridades.
Los electrodos E-6013 producen depósitos uniformes y lisos con poca perdida por
salpicaduras, y la escoria puede eliminarse fácilmente.
En soldaduras verticales de tope o filetes se recomienda soldar de abajo hacia arriba. No es
necesario realizar movimientos de vaivén hacia delante con tanta frecuencia como en los
tipos E-6010.
2.2.9.5.-Composición química (típica) del metal depositado
C = 0,10%; Mn = 0,60%; P = 0,02%; S = 0,02%; Si = 0,25%
CARACATERISTICAS TIPICAS DEL METAL DEPOSITADO
Resultados de pruebas de tracción con probetas de
metal de aporte (según norma AWS: A5.1-91)
Requerimientos según norma AWS: A5.1-91
Resistencia a la tracción: 73.000 lb/pulg2 (503 MPa)
Limite de fluencia: 68.000lb/pulg2 (472 MPa)
Alargamiento en 50 mm: 24%
60.000lb/pulg2
(414 MPa)
48.000lb/pulg2 (331 MPa)
17%
2.10.-ELECTRODOS PARA ACEROS DE BAJA Y MEDIANA ALEACION
(BAJO HIDROGENO)
2.10.1.-Procedimiento para soldar
El procedimiento para soldar todos los electrodos de bajo Hidrogeno es básicamente el
mismo. Las aleaciones incorporadas a sus revestimientos no afectan las características
de operatividad de los electrodos. Para los que poseen hierro en polvo se debe usar una
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 49
corriente ligeramente mayor (EXX18), que para aquellos que no lo contengan
(EXX16).
El arco debe mantenerse lo más corto posible en todo momento, pudiéndose usar una
oscilación muy suave para controlar la forma y ancho del cordón. En soldaduras de
varios pases, toda la escoria debe ser removida y la limpieza del cordón debe ser
efectuada a conciencia.
2.10.2.-Soldadura en plano. Esta soldadura debe ser hecha con el mayor amperaje permitido por diámetro, para
asegurar una buena fusión en los costados. Se puede usar una oscilación de 21/2 veces
el diámetro del electrodo, aunque se recomienda, para soldaduras anchas, varios
cordones angostos.
2.10.3.-Soldadura vertical. El cordón de raíz debe hacerse ascendente, con un arco corto y muy poco movimiento
en sentido de avance. El electrodo no debe ser movido bruscamente hacia arriba y por
ningún motivo alargar el arco. Es preferible para este cordón usar un movimiento en
forma de "V". El electrodo se mantiene un instante en el vértice de la "V" para lograr
penetración y remoción de escoria. El largo de la "V" no debe ser mayor de 1/8" (3,175
mm). El segundo cordón y los sucesivos pueden hacerse con un movimiento oscilatorio
de lado, deteniéndose en los costados para permitir que la escoria atrapada en el primer
cordón pueda salir a la superficie.
2.10.4.-Soldadura sobre-cabeza Se recomienda hacerlo con cordones angostos y mantener el electrodo en un ángulo de
30º respecto a la cara vertical.
Soldadura horizontal.
Los filetes horizontales deben hacerse con un cordón angosto, con el electrodo dirigido
dentro de la unión en un ángulo de 45º. El cordón angosto debe hacerse también en los
pases subsiguientes.
2.11.-CLASIFICACION AWS: E-7018
Electrodo para acero al carbono
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 50
Con hierro en polvo.
Toda posición.
Corriente continúa. Electrodo positivo
2.11.1.-Descripción El electrodo 7018 es de bajo contenido de hidrogeno y resistente a la humedad. Este
especialmente diseñado para soldaduras que requieren severos controles radiográficos
en toda posición. Su arco es suave y la perdida por salpicadura es baja.
2.11.2.-Usos El 7018 es recomendado para trabajos donde se requiere alta calidad radiográfica,
particularmente en calderas y tuberías. Sus buenas propiedades físicas son ideales para
ser usado en Astilleros.
Aplicaciones típicas
Aceros Cor-Ten, Mayari-R
Lukens 45 y50
Yoloy y otros aceros estructurales de baja aleación
Procedimiento para soldar
Para soldaduras de filetes horizontales y trabajo de soldadura en sentido vertical
descendente, debe usarse un arco corto. No se recomienda la técnica de arrastre.
En la soldadura en posición de sobre-cabeza debe usarse un arco corto con
ligero movimiento oscilatorio en la dirección de avance. Debe evitarse la
oscilación brusca del electrodo.
2.11.3.-Composición química (típica) del metal depositado: C = 0,06%; Mn = 1,00%; P = 0,012%; S = 0,015%; Si = 0,48
CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DEL METAL DEPOSITADO
Resultados de pruebas de tracción con probetas de
metal de aporte (según norma AWS: A5.1-91)
Requerimientos según norma AWS: A5.1-91
Resistencia a la tracción: 73.000lb/pulg2 (505MPa)
Limite de fluencia: 63.300lb/pulg2
(437 MPa)
Alargamiento en 50 mm: 30%
70.000lb/pulg2 (480 MPa)
58.0000lb/pulg2(390 MPa)
22%
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 51
2.12.- DEFORMACIONES, TENSIONES Y AGRIETAMIENTOS
Todo trabajo de soldadura requiere una fuerte aportación de calor en una zona reducida.
Sabemos que todo cuerpo al calentarse se dilata y al enfriarse se contrae pero que al
enfriarse queda el material más contraído que antes de calentarlo. Estos fenómenos
En soldadura tienen enorme importancia, obligando a tomar una serie de precauciones.
Que si no se toman nos conducirán al fracaso en la mayor parte del trabajo.
El resultado del esfuerzo final de tracción de las partes fuertemente calentadas sobre las
Partes próximas pueden ser de 3 maneras.
Si las piezas que se sueldan, debido a su poca resistencia o que no estaban
debidamente sujetas, no resisten dichos esfuerzos y se deforman.
Si por resistencia de las piezas, resisten los esfuerzos y no se deforman pero queda
en ellas una tensión interna. Esto es una deformación contenida
Si el material es frágil, estos esfuerzos le producirán un agrietamiento Ejemplo: En
la soldadura de la fundición o en los aceros con un contenido de carbono
relativamente alto.
2.12.1.-Importancia de estos fenómenos -. Cuando mayor sea la cantidad de calor aportado en el trabajo de soldadura. Ejemplo:
Al soldar con electrodos gruesos y grandes intensidades.
-. Cuando mayor es la duración del trabajo (Ventaja de la soldadura eléctrica sobre la
oxiacetilénica; es más rápida).
-. Cuanto menor sea la conductibilidad térmica del material que se suelda. A menor
conductibilidad térmica. Mayor será la diferencia entre las temperaturas de las partes
que se sueldan y las partes próximas.
Los esfuerzos de tracción que da lugar un cordón de soldadura, según su dirección son:
Longitudinales.
Transversales.
Radiales.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 52
Fig. 2.6
2.13.-TENSIONES RESIDUALES Y DISTORSIÓN
2.13.1.-Tensiones residuales
La resistencia de una junta soldada depende en gran medida de lo bien que se
controle la expansión y contracción del metal durante la operación de soldadura.
Cuando se aplica calor a una pieza metálica se originan fuerzas de expansión que
tienden aumentar las dimensiones de la misma. En el enfriamiento se invierte este
fenómeno y la pieza intenta recuperar su forma y dimensiones iniciales.
Estas dilataciones y contracciones no tienen consecuencias dignas de consideración
cuando se producen sobre piezas libres, es decir, cuando no hay fuerzas que restringen estos
movimientos. Tampoco suelen tener consecuencias graves cuando se sueldan materiales
dúctiles, pues éstos ceden y se alivian las tensiones.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 53
Por el contrario, cuando dilataciones y contracciones no pueden producirse
libremente, las piezas se deforman si el material es dúctil y maleable, o se rompen si el
material es frágil.
Para entender los efectos de las dilataciones y contracciones de origen térmico
vamos a estudiar algunos casos sencillos.
Supongamos, en primer lugar, que la barra de la figura Fig.10 se calienta
uniformemente. Puesto que la pieza no encuentra ninguna oposición a la dilatación, ésta se
producirá libremente, aumentando todas las dimensiones de la pieza. Si a continuación se
deja enfriar, la barra recuperará su estado inicial.
Supongamos ahora que la barra se sitúa entre las mordazas de un tornillo, como
indica la Fig.2.8, y se calienta en estas condiciones.
Como los extremos de la barra no pueden desplazarse, la dilatación se producirá en
otra dirección. En este caso, se produce en sentido lateral.
Al calentar la barra se dilata Barra con dilatación impedida
Fig.2.7 Fig.2.8
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 54
Si el calor se aplica sólo a una zona de la barra, la dilatación no será uniforme. Las zonas
contiguas de metal frío se oponen a la libre dilatación y ésta se producirá solamente en la
zona calentada. Cuando esta zona empiece a enfriar, la contracción tampoco será uniforme
y la pieza quedará con una cierta deformación permanente como lo indica la Fig.2.9
Para mostrar los efectos de las fuerzas de dilatación y contracción sobre la
soldadura, vamos a analizar lo que ocurre en dos operaciones determinadas de soldadura.
En primer lugar, se trata de reparar por soldadura la rotura producida en el centro de la
barra libre que se muestra en la Fig.1.10. Durante el calentamiento aplicado para soldar, la
barra intentará dilatarse y como sus extremos están libres, éstos se desplazarán sin ninguna
dificultad. Posteriormente, cuando la barra se empiece a enfriar, Tampoco habrá fuerzas
que se opongan a la contracción, y ésta se verificará libremente hasta que la pieza recupere
su forma inicial.
Fig. 2.9. Esta pieza se ha deformado al no poder dilatarse libremente
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 55
Vamos a estudiar ahora lo que ocurre al tratar de reparar por soldadura la rotura que
presenta la barra central de la Fig.2.11. Hay que notar aquí que la barra a reparar no está
libre, sino que sus extremos están sujetos a una estructura rígida. Ya podemos adelantar
que si soldamos como en el caso anterior, sin tomar ninguna medida para evitar los efectos
de la dilatación y contracción, éstos se manifestarán negativamente sobre la pieza.
Puesto que las barras exteriores de la estructura se oponen al desplazamiento de los
extremos de la barra central, cuando ésta se calienta durante la soldadura, su dilatación sólo
puede producirse en un sentido, es decir, hacia la zona de la rotura donde se está
produciendo la fusión. De esta forma, justo al finalizar la operación de soldadura, las
barras exteriores estarán frías y con las dimensiones iniciales y la barra central caliente y
Fig.2.10. En la reparación de esta rotura, la dilatación y
contracción pueden producirse libremente al calentar y enfriar la
pieza.
Fig.2.11. La soldadura de la barra central de esta estructura puede originar
fisura si no se toman las medidas adecuadas
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 56
con la longitud inicial. Vamos a considerar ahora lo que sucede cuando se produce el
enfriamiento de esta barra central. Durante el enfriamiento, la única barra que intenta
acortarse es la del centro, pero, las exteriores se oponen a este acortamiento. Esto originará
un esfuerzo de tracción en la barra central que producirá una deformación en la misma si es
de material dúctil o incluso una rotura si el material de la estructura es frágil.
2.13.2.-Control de las tensiones residuales A continuación se citan algunas recomendaciones sencillas que pueden ayudar a
controlar las fuerzas originadas por las dilataciones y contracciones:
Preparación adecuada de pieza y bordes, Asegurarse que los bordes están correctamente
achaflanados. Una correcta preparación de los bordes no solo disminuye los efectos de la
distorsión sino que asegura una buena penetración de la soldadura. Aunque en algunos
casos el ángulo entre bordes puede reducirse (lo que disminuye la deformación) hay que
asegurarse de que queda suficiente espacio entre las piezas para permitir el manejo
adecuado del electrodo durante la operación de la soldadura (Fig.2.12).
Fig.2.12. Una preparación adecuada de los bordes disminuye la deformación
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 57
Fig.2.13. Deformación se aminora si las soldaduras se realizan cerca del eje neutro
En cordones largos, principalmente sobre espesores finos, es recomendable dejar en el
extremo una separación de 1 cm por cada metro de cordón (1/8”por pie) (Fig.2.14).
Fig 2.14. Preparación adecuada para cordones de gran longitud y pequeño espesor
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 58
Para controlar la expansión en cordones largos, también se puede recurrir al punteado.
Los puntos, de una longitud aproximada al doble del espesor a soldar, se disponen a
una distancia de unos 305 mm (12”). En este caso las piezas se dispondrán con una
separación de bordes constante en toda su longitud (Fig.2.15).
Cuando haya largos cordones longitudinales y pequeños transversales, es
recomendable depositar en primer lugar los cordones longitudinales (Fig.19).
Fig.2.16. Depositar primero el largo cordón longitudinal
Fig.2.15. El punteado de la pieza ayuda a mantenerlas en la posición adecuada
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 59
Reducir al mínimo la aportación de calor. El control de la cantidad de calor aportado
suele ser difícil para el aprendiz. Por el contrario, un soldador experimentado será capaz de
realizar un cordón con la mínima aportación de calor compatible con una buena velocidad
de soldadura.
Una técnica utilizada con cierta frecuencia para minimizar la aportación de calor es
la soldadura a saltos o por intermitencia. En vez de realizar una soldadura continua, se
realiza primeramente un pequeño cordón en el comienzo de la junta, se saltan luego unos
centímetros y se realiza un segundo cordón próximo al centro de la junta. Por último, se
realiza otro cordón al final de la junta. A continuación se vuelve al final del primer cordón
y se repite el ciclo hasta completar la soldadura (Fig.2.17).
El empleo de la técnica llamada de paso del peregrino, también reduce la
deformación. En esta técnica, en vez de depositar un cordón continuo, de un extremo a otro
de la junta, se van depositando pequeños cordones en el sentido y orden indicado en la Fig.
2.18.
Fig.2.17
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 60
Fig.21
Fig. 2.18. Secuencia a seguir cuando se aplica la técnica del paso del peregrino
2.13.2.1.-Precalentamiento. En muchas piezas, principalmente de aceros aleados o
fundición, las fuerzas de expansión y contracción pueden reducirse al mínimo si se calienta toda
la pieza antes de la operación de soldadura. Para que el precalentamiento sea efectivo, la
temperatura debe mantenerse uniforme durante toda la operación de soldadura y una vez
finalizada esta, la pieza debe enfriarse lentamente. El precalentamiento puede realizarse con
carbón, llama oxiacetilénica u otras llamas. Normalmente, cuando se trabaja de este modo, un
ayudante maneja el soplete de precalentamiento.
2.13.2.2.-Martillado. Para ayudar al cordón a ceder durante el enfriamiento, una práctica
común es la de golpearlo ligeramente con el extremo redondo de un martillo de bola. No
obstante, esta técnica debe aplicarse con mucho cuidado, pues un martilleado excesivo puede
añadir tensiones a la soldadura o producir una acritud del material, lo que lo haría más frágil (Fig.
2.19).
. Fig. 2.19
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 61
2.13.2.2.1 Atenuación de tensiones. Un método común para la eliminación de
tensiones es el Tratamiento térmico. El conjunto soldado se introduce en un horno capaz de
realizar un calentamiento uniforme y que permita un control de temperaturas. Una vez
calentada la pieza a la temperatura deseada, debe mantenerse a esta temperatura hasta que
se uniformice en toda la pieza.
Para evitar modificaciones en el metal a tratar, es muy importante calentar a la
temperatura adecuada. Por ejemplo, los aceros de contenido medio en carbono, requieren
temperaturas entre 595 y 650 o C, mientras que algunos aceros aleados exigen temperaturas
de 870 o C o incluso mucho más.
Después de mantener la pieza durante un cierto tiempo a la temperatura adecuada,
debe restarse calor gradualmente hasta una temperatura próxima a la temperatura
ambiente.
2.13.2.3.-Soportes y montajes. El empleo de estos dispositivos de amarre, ayuda a
reducir la deformación puesto que mantienen la pieza en una posición fija evitando
movimientos excesivos. Por soporte o montaje de soldadura se entiende todo dispositivo
que sujeta las piezas rígidamente en posición, durante la operación de soldeo, Fig. 2.20.
Fig. 2.20. Empleo de soportes rígidos aminora la deformación de las piezas
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 62
La Fig.2.21, nos muestra un dispositivo simple para mantener piezas planas. Las pesadas
placas de amarre no solo se oponen a la deformación, sino que además sirven de
refrigeración e impiden calentamientos excesivos de las piezas. Las placas de refrigeración
convienen que sean de cobre o de otros metales de alta conductividad térmica.
En las soldaduras en serie se emplean ampliamente diversos tipos de soportes y montajes.
Su empleo se debe a que permiten una mayor velocidad de soldadura y reducen al mínimo
cualquier tipo de deformación. Para este tipo de fabricaciones, el diseño de estos
dispositivos se acomoda al trabajo específico de producción que se va a realizar.
2.13.2.4.-Número de pasadas. La deformación puede reducirse aplicando el menor
número de pasadas posible. Un cordón depositado en dos pasadas mediante la aplicación de
grandes electrodos es normalmente mejor que si se realiza en tres o más pasadas con
electrodos más pequeños (Fig. 2.22).
Fig. 2.21. Las placas de refrigeración ayudan a reducir el calentamiento y la deformación en
la zona de soldadura
Fig.2.22. Utilizar pocas pasadas para reducir la deformación
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 63
2.13.2.5.-Predeformación. Cuando se suelda una unión a tope en V, dado que hay
una mayor cantidad de metal caliente en la parte superior que en la raíz de la V, se produce
una mayor contracción transversal en la parte superior. El resultado es la deformación que
se muestra en la Fig.2.23.
Fig. 2.23. Mayor contracción transversal
En las uniones T en ángulo inferior, la contracción transversal del cordón da lugar a
que las piezas se cierren como indica la Fig.2.24.
Fig. 2.24. Deformación típica en las uniones en filete
La solución más sencilla para evitar estas deformaciones es la de preparar las piezas con
una pequeña deformación en sentido contrario a la que se espera va a producirse durante el
soldeo. Posteriormente, durante el enfriamiento, las fuerzas de contracción llevarán las
piezas a la posición correcta. De acuerdo con este principio, las deformaciones mostradas
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 64
en las figuras. Pueden evitarse preparando las piezas como se indica en la Fig.2.23 y
Fig.2.24.
2.14.-COMO EVITAR O REDUCIR LAS DEFORMACIONES O TENSIONES
Primero, debe planificarse la soldadura de acuerdo a ciertas normas; además es de
suma importancia; la perfecta preparación de los bordes a unir, limpieza de los mismos etc.
Los sistemas más empleados para evitar deformaciones son:
a) Sujeción de las piezas a soldar por medio de puntos de soldadura, grupos,
tornillos etc.
b) Ejecutado el trabajo de soldadura en caliente con lo que la diferencia de
calor entre las partes que se sueldan y las partes próximas será menos
acusada; después hay que procurar que el enfriamiento sea lo mas lento
posible; Este procedimiento se emplea cuando las tensiones puedan dar
lugar a grietas.
c) Efectuando las soldaduras lo más rápidamente posible; para eso se
emplearán electrodos de fusión rápida, evitando el exceso de material de
aportación.
d) Martillando cada cordón (excepto los de raíz y los de superficie) al
terminar su ejecución, con lo cual se extenderán y al enfriarse se quedarán
como estaban. Se emplea principalmente en la soldadura en frió de la
fundición.
e) Produciendo deformaciones previas inversas a las que se han de producir
durante la soldadura; al final quedará en la forma deseada. Para esto es
necesario estudiar detenidamente las deformaciones que se ocasionarán al
soldar.
f) Realizando los cordones en un orden perfectamente estudiado
Se evitará el realizar más cordones que los necesarios o más
gruesos de lo que sea preciso.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 65
Cuando se va a soldar estructuras metálicas, se procura siempre
soldar del centro hacia fuera y dejar para último los cordones que
inmovilicen la construcción.
No comenzar nunca un cordón sobre partes calientes al rojo.
2.14.1 Distorsión y deformación en juntas. Una estructura soldada es calentada localmente por los fenómenos de transferencia de
calor, motivado a una distribución de temperaturas no uniforme; los cuales conducen a
variaciones estructurales y metalúrgicas. Típicamente, el metal de aporte y la zona afectada
por el calor adyacente a la soldadura están a temperaturas que no afectan substancialmente
al metal base. Como el baño de fusión se solidifica y se contrae, se generan esfuerzos en los
alrededores del metal de aporte y en la zona afectada por el calor. Cuando se solidifica el
metal de aporte este se enfría a medida que se calienta el metal base, donde se ejercen
pequeños esfuerzos. Como es menor la temperatura del ambiente, los esfuerzos se
incrementan en el área de soldadura y eventualmente se alarga el límite de fluencia del
metal base y la zona afectada por el calor.
Cuando una soldadura se hace de manera progresiva, alrededor de las porciones ya
solidificadas ocurre la contracción. Como resultado, las porciones soldadas primero son
plásticamente deformadas con un estado de tensión en la dirección longitudinal, es decir, en
la dirección de la longitud del cordón mostrada en la figura 2.1. En el caso de juntas a tope
es normal que la soldadura permita un movimiento pequeño en la dirección transversal
debido a la preparación de la junta o el efecto de endurecimiento de los pases subsiguientes
de las capas. Como resultado de la deformación, se producen también esfuerzos residuales
transversales, mostrados en la figura 2.1. Para soldaduras de filete, los esfuerzos de
deformación pueden ser de tracción longitudinal y transversal a la cara de la soldadura
mostradas en la figuras 2.25 y 2.26
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 66
Fig. 2.25. y Fig. 2.26. Esfuerzos de deformación longitudinal y transversal en una junta a filete
Los esfuerzos residuales en estructuras soldadas pueden generar grandes efectos: distorsión,
causar fallas prematuras, o ambas. La distorsión es causada por contracciones cuando no se
calienta uniformemente la región soldada causando deformaciones en una parte de la
soldadura ejercida por fuerzas excéntricas en la sección transversal de la soldadura. Las
deformaciones elásticas de la estructura soldada son la respuesta de estos esfuerzos y
distorsiones como resultado de estados de tensiones no uniformes. La distorsión puede
aparecer en juntas planas como contracciones longitudinales o transversales y un cambio
angular (rotación) cuando la cara de la soldadura se reduce más que la raíz de la soldadura.
Luego se producen cambios de flexión transversal en las láminas a lo largo de la soldadura.
Estos se ilustran en la figura 2.27.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 67
Fig. 2.27. Distorsión en una junta a tope
La distorsión en soldadura de filete es similar a la soldadura a tope, a saber, las
contracciones transversales y longitudinales así como la distorsión angular resultan del
desbalance natural de los esfuerzos en estas soldaduras. Estos se muestran en la figura 2.28.
Se usan a menudo soldaduras en filete en combinación con otras soldaduras en estructuras
soldadas. Por consiguiente, la distorsión resultante puede ser compleja. La distorsión en
estructuras soldadas es un factor importante, y el procedimiento usado para predecir la
distorsión en estructuras soldadas se discute a continuación.
Fig. 2.28. Distorsión de una junta a T (junta a filete)
El control de distorsión puede llevarse a cabo a través de varias técnicas. Las técnicas
normalmente usadas son el control, la geometría de la junta soldada, antes o durante la
soldadura. Los ejemplos de estas técnicas incluyen preposicionamiento de las piezas de
trabajos antes de ser soldadas, la distorsión en la soldadura permite que estas piezas
obtengan la geometría final deseada o sujetando firmemente las piezas de trabajo así ellas
no puedan torcerse durante el proceso de la soldadura. Diseñar y soldar las juntas de modo
que para la soldadura depositada sea balanceada en cada lado de la línea central, es otra
técnica útil. La selección y secuencia del proceso de soldadura puede permitir o no
distorsiones y esfuerzos residuales. Algunas de las distorsiones en las estructuras soldadas
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 68
pueden ser inmediatamente después del proceso de soldadura, es necesario, por medios
mecánicos o térmicos (calentando el material con un soplete) enderezarlas.
La fractura de los materiales es afectada por los esfuerzos residuales y distorsión, estos dos
fenómenos contribuyen al pandeo y a la fractura por fragilidad cuando la falla ocurre
aplicando niveles de tensión bajas. Cuando los esfuerzos residuales y las distorsiones están
presentes, puede ocurrir pandeo a cargas bajas comprensibles más que las predichas. En
tracción, el esfuerzo residual puede inducir esfuerzos locales altos, en la región soldada de
baja resistencia, y como un resultado puede iniciar grietas que puede propagarse a bajos
esfuerzos globales. Además, los esfuerzos residuales pueden contribuir a la falla por fatiga
o falla por corrosión.
El esfuerzo residual puede ser reducido o eliminado por medios térmicos o mecánicos.
Durante el alivio del esfuerzo térmico, la estructura soldada es calentada a una temperatura
a la cual el límite de fluencia del metal es bastante bajo como para producir fluencia
plástica y así permite el alivio de los esfuerzos. Como resultado del alivio del esfuerzo
térmico, las propiedades mecánicas de la estructura soldada son normalmente afectadas.
Por ejemplo, la resistencia a fractura de muchas estructuras de acero soldadas es mejorada a
través de alivio de esfuerzos térmicos. La dureza en la zona afectada por el calor disminuye
en este procedimiento. Los tratamientos de alivio de tensión también pueden reducir los
esfuerzos residuales, pero ellos no cambian significativamente la microestructura o dureza
de la soldadura o la zona afectada por calor.
Se deben considerar durante la fase de diseño:
Los efectos de esfuerzos residuales y distorsión.
La presencia de discontinuidades.
Las propiedades mecánicas de la estructura soldada.
Los requisitos para pruebas no destructivas.
La fabricación total y costos.
Los esfuerzos residuales y las distorsiones pueden reducirse a través de varias maneras:
1. Seleccionando procesos apropiados, procedimientos, secuencia de soldadura y
montaje.
2. Seleccionando los mejores métodos para aliviar esfuerzos y eliminar las
distorsiones.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 69
3. Seleccionando un diseño detallado y materiales para minimizar los efectos de
esfuerzos residuales y las distorsiones.
2.15.-CAUSAS DE LOS ESFUERZOS RESIDUALES.
Los esfuerzos residuales son los que podrían existir en una estructura soldada después de
ser removidas las cargas externas. Se han aplicado varios términos técnicos a estos
esfuerzos interiores, iniciales inherentes y de reacción. Los esfuerzos residuales que
ocurren cuando una estructura está sujeta al cambio de temperaturas no uniformes, son
normalmente llamados esfuerzos térmicos.
Los esfuerzos residuales se desarrollan en estructuras de metal por muchas razones durante
varias etapas en su manufactura. Tales esfuerzos pueden ser producidos en muchos
componentes estructurales incluso láminas, barras y secciones durante la fusión o trabajo
mecánico (rolando, forjando, y doblando). Estos también pueden ocurrir durante la
fabricación por soldaduras y cortes térmicos.
Los tratamientos térmicos en las varias fases de manufactura también pueden influir en los
esfuerzos residuales. Por ejemplo, el enfriamiento rápido desde elevadas temperaturas,
mientras que el alivio de estos esfuerzos reduce la influencia de los tratamientos térmicos.
2.16.- ESFUERZOS RESIDUALES MACROSCÓPICOS Y
MICROSCÓPICOS.
Las áreas en las cuales existen los esfuerzos residuales varían enormemente desde una larga
porción de una estructura de metal a áreas en escala atómica. Ejemplos de estos esfuerzos
macroscópicos se muestran en la figura 2.29 (A, B, C) Cuando una estructura es calentada
por radiación solar desde un lado, se producen distorsiones y esfuerzos térmicos en la
estructura, como se muestra en la figura 2.29 (A). Los esfuerzos producidos por la
soldadura se muestran en la figura 2.29 (B). Los esfuerzos se confinan en las áreas cercanas
a la soldadura. En la figura 2.29 (C) se muestran esfuerzos producidos por el rectificado
realizado con alguna herramienta; estos se localizan en una capa delgada cerca de la
superficie.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 70
Los esfuerzos residuales también ocurren en una escala microscópicas. Por Ejemplo, se
producen en aceros durante la transformación martensítica, porque tienen lugar a una baja
temperatura y resultan de la expansión del metal
Fig. 2.29. Esfuerzos residuales macroscópicos en varias escalas.
2.17.-ESFUERZOS RESIDUALES EN PERFILES (TENSION Y
COMPRESION)
Los esfuerzos que quedan en los miembros estructurales después del laminado o la
fabricación, se conocen como esfuerzos residuales. La magnitud de estos esfuerzos se
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 71
determina usualmente mediante la remoción de secciones longitudinales y la medición de la
deformación resultante. Por lo general, solo se miden los esfuerzos longitudinales. Para
cumplir con las condiciones de equilibrio, la fuerza axial y el momento obtenido por
integración de estos esfuerzos residuales sobre cualquier sección transversal del miembro,
deben ser iguales a 0.
En un perfil estructural laminado en caliente, los esfuerzos residuales provienen de tasas de
enfriamiento desiguales después del laminado. Por ejemplo, en una viga de aleta ancha el
centro de la aleta se enfría más lentamente y desarrolla esfuerzos residuales de tensión que
se equilibran con esfuerzos de compresión en otras partes de la sección transversal (figura
12.30a): En un miembro soldado, se desarrollan esfuerzos residuales de tensión cerca de la
soldadura y esfuerzos de compresión en otra parte proporcional el equilibrio, tal como se ve
para la sección de caja soldada de la figura 2.30b.
Para placas con bordes laminados (placa UM), los bordes de la placa tienen esfuerzos
residuales de compresión (figura 2.30c). Sin embargo, los bordes de placa cortados con
soplete tienen esfuerzos residuales de tensión (figura 2.30d). En un miembro soldado en
forma de I, la condición de esfuerzo en los bordes de las aletas antes de la soldadura se
refleja en los esfuerzos residuales finales (figura 2.30e). Aunque no se muestran en la figura
2.30, los esfuerzos residuales en los bordes de las placas obtenidos por cizallamiento,
varían a través del grosor de la placa. Esfuerzos de tensión están presentes en una
superficie, y esfuerzos de compresión en la superficie opuesta.
Las distribuciones de esfuerzos residuales antes mencionadas, son por lo general
relativamente constantes a lo largo de la longitud del miembro. Sin embargo, también
pueden ocurrir esfuerzos residuales en determinados sitios de un miembro, en razón del
flujo plástico localizado proveniente de operaciones de fabricación, tales como el
enderezamiento en frió o en caliente.
Cuando se aplican cargas a los miembros estructurales, la presencia de esfuerzos residuales
generalmente ocasiona alguna acción inelástica prematura; es decir, ocurre carencia en
porciones localizadas antes de que el esfuerzo nominal alcance el punto de cedencia.
En razón de la ductilidad del acero, el efecto sobre la resistencia de los miembros en
tensión no es usualmente significativo, pero los esfuerzos residuales excesivos de tensión,
en combinación con otras condiciones, pueden ocasionar fractura. En miembros en
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 72
compresión, los esfuerzos residuales disminuyen la carga de pandeo con respecto a la de un
miembro perfecto o ideal. Sin embargo, los criterios de diseño corrientes de uso general
para miembros en compresión tienen en cuenta la influencia del esfuerzo residual.
En miembros solicitados por flexión que tienen esfuerzos residuales, una pequeña deflexión
inelástica de magnitud insignificante puede ocurrir con la primera aplicación de carga. No
obstante, bajo cargas posteriores de la misma magnitud, el comportamiento es elástico.
Además, en miembros a flexión “compactos” la presencia de esfuerzos residuales no tiene
efecto sobre el momento último (momento plástico). En consecuencia, en el diseño de
miembros cargados estáticamente, por lo general no es necesario considerar los esfuerzos
residuales.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 73
Fig. 2.30
2.18.-DESGARRAMIENTO LAMINAR
En un miembro de acero estructural sometido a tensión, la elongación y la reducción de
área en secciones normales al esfuerzo son por lo general mucho menor en la dirección a
través del grosor que en la dirección plana. Esta direccionalidad inherente es de escasa
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 74
consecuencia en muchas aplicaciones, pero se vuelve importante en el diseño y fabricación
de estructuras con uniones altamente restringidas, por la posibilidad de que se presente.
2.18.1.-Desgarramiento laminar. Este es un fenómeno de agrietamiento que comienza por debajo de la superficie de las
placas de acero como resultado de excesiva deformación a través del grosor, y por lo
común se asocia con la contracción de metal soldado en uniones altamente restringidas. El
desgarre tiene una apariencia escalonada que consta de una serie de terraplenes paralelos a
la superficie. El agrietamiento puede quedar completamente por debajo de la superficie o
emerger en los bordes de las placas o de los perfiles o en los bordes de las soldaduras.
La selección cuidadosa de los detalles de soldadura, metal de relleno y procedimiento de
soldadura, puede restringir el desgarramiento laminar en construcciones soldadas pesadas,
en particular en uniones con placas gruesas y perfiles estructurales pesado. Además, cuando
se requiere, los aceros estructurales pueden producirse mediante procesos especiales,
generalmente con bajo contenido de azufre y con control de inclusión, para mejorar la
ductilidad a través del grosor. El método más aceptado para medir la susceptibilidad de un
material al desgarramiento laminar es la prueba de tensión en una probeta redonda, en la
cual se observa la reducción del área de una sección orientada perpendicularmente a la
superficie laminar. La reducción necesaria para una aplicación dada depende de los detalles
específicos involucrados. Las especificaciones a las cuales un determinado acero puede
producirse están sujetas a negociaciones con los productores de este. ( r.l.Brockenbrough,
Chap. 1.2 in Constructional Steel Design—An Internacional GUIDE, r. Bjorhovde et., eds.,
Eisevier S cience Publishers, Ltd., New York).
2.19.-EMPALMES SOLDADOS EN SECCION PESADAS
La contracción durante la solidificación de grandes soldaduras en miembros estructurales
de acero ocasiona, en el metal restringido adyacente, deformaciones que pueden sobrepasar
la correspondiente al punto de cedencia. En material grueso, pueden desarrollarse esfuerzos
triaxiales porque hay restricción en la dirección del espesor así como en las direcciones
planares. Este tipo de condiciones inhibe la capacidad del acero para actuar de manera
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 75
dúctil y aumenta la posibilidad de una fractura frágil. En consecuencia, para miembros
sometidos a esfuerzos de tensión primarios debidos a tensión axial a flexión en
construcciones, las especificaciones del American Institute of Steel Construction (AISC)
para edificios de acero estructural, imponen exigencias especiales para los empalmes
soldados de los perfiles laminados ya sea del grupo 4 o del grupo 5 o de perfiles armados
soldando placas de más de 2 pulgadas de grosor. Las especificaciones incluyen exigencias
en cuanto a tenacidad de muesca, retiro de lengüetas y barras de respaldo de soldadura
(soldaduras pulidas), agujeros holgados de acceso a la soldadura, precalentamiento para
cortado térmico, y pulimento e inspección de los bordes de corte, Incluso para los
miembros de compresión primarios, deben tomarse las mismas precauciones para
determinar el tamaño de los agujeros de acceso a la soldadura, precalentamiento,
pulimento e inspección.
La mayor parte de los perfiles de aleta ancha pesados y de las Tés obtenidas a partir de
estos perfiles tienen regiones en las que el acero tiene una tenacidad baja, particularmente
en las intersecciones entre las aletas y el alma. Estas regiones de baja tenacidad se
presentan debido al enfriamiento más lento que hay allí y, debido a la geometría, la menor
presión de laminado aplicada allí durante la producción. En consecuencia, para asegurar la
ductilidad y evitar una falla frágil, debe considerarse el uso de empalmes empernados como
una alternativa a la soldadura.
(AISC Specification For Structural Steel Built Buildings-Allowable Stress and Plastic
Design and Load and Resistance Factor Design Specification For Structural Steel
Buildings, American Institute of Steel Construction; R. L Brockenbrough, Sec. 9, in
Standard Handbook For Civil Engineers, 4 th ed., McGraw-Hill, Inc., New York.
2.20.-VARIACIONES DE LAS PROPIEDADES MECANICAS
Las propiedades a tensión de los aceros estructurales pueden variar con respecto a los
valores mínimos especificados. Las especificaciones del producto generalmente exigen que
las propiedades del material como está representado por la probeta de prueba cumplan
ciertos valores. Con algunas excepciones, las especificaciones de la ASTM determinan una
frecuencia de prueba para los aceros de grado estructural de solamente 2 pruebas por colada
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 76
(en cada nivel de resistencia producido, si es aplicable) y pruebas más frecuentes para
grados de recipientes a presión. Si las coladas son muy altas, las probetas califican una
considerable cantidad de producto. Como resultado, hay una posibilidad de que las
propiedades en sitio diferentes de aquellos donde se tomaron las muestras sean diferentes
de las especificadas.
Para las placas, la ASTM A6 exige que se tome una probeta de prueba de una esquina. Si el
ancho de las placas es mayor de 24 pulgadas, el eje longitudinal de la probeta debe
orientarse transversalmente a la dirección final en la cual fueron laminadas las placas. Sin
embargo, para otros productos el eje longitudinal de la probeta debe ser paralelo a la
dirección final del laminado.
Para los perfiles estructurales, la probeta de prueba debe tomarse del alma. La aleta, que es
más gruesa, usualmente tendrá propiedades anteriores.
Un extenso estudio encargado por el American Iron and Steel Institute (AISI9 comparo los
puntos de cedencia de probetas tomadas de varios sitios con la prueba oficial del producto.
Los estudios indicaron que la diferencia promedio en los sitios de verificación era de -0.7
klb/pulg2
.
Para las aletas superior e inferior, en cualquier extremo de las vigas, la diferencia promedio
en los sitios de verificación fue de -2.6 klb/pulg2.
Aunque el valor de prueba en un determinado sitio puede ser menor que el obtenido en la
prueba inicial, la diferencia pierde importancia en la medida en que el valor obtenido de la
prueba oficial sobrepase el valor mínimo especifico. Por ejemplo, un estudio estadístico
hecho para desarrollar criterios para el diseño con coeficientes de carga y de resistencia,
mostró que los puntos de cedencia medios sobrepasaban el mínimo punto de cedencia
especificado Fy como se indica a continuación y con los coeficientes de variación
indicados (CDV).
Aletas de perfil laminados 1.05 Fy CDV = 0.10
Almas de perfiles laminados 1.10 Fy CDV = 0.11
Placas 1.10 Fy CDV = 0.11
Además, estos valores incorporan un ajuste a los puntos de cedencia estáticos inferiores.
HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 77
Por razones similares, puede esperarse que la tenacidad de muesca varié a través de un
producto. (R. L. Brockenbrough, Chap. 1.2, in Constructional Steel Design- an
International Guide, R. Bjorhovde, ed Elsevier Science Publishers, Ltd., New York.