Soldadura Por Arco Con Aporte

Soldadura -- Pág. 1 de 21

República Argentina Universidad de Buenos Aires Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica

67.12 - MECANISMOS “B”

SOLDADURA por ARCO con APORTE de MATERIAL

JTP. Ing. SCHIAZANO Rafael A.

[email protected]

Febrero 2 007

Soldadura -- Pág. 2 de 21

I) SOLDADURA: GENERALIDADES Y VENTAJAS DEL PROCESO II) PROCESO DE SOLDADURA POR ARCO CON APORTE III)PROYECTO DE SOLDADURAS DE ARCO CON APORTE - CARGAS ESTATICAS I a) GENERALIDADES: Soldadura es el procedimiento de unión de piezas metálicas, sin la utilización de elementos mecánicos de unión (roblones, pernos roscados, etc.) mediante el aporte de energía a las superficies a unir en forma de calor, pudiendo o no aportarse trabajo mecánico adicional (batido, compresión, fricción) y/o un metal intermedio fundido entre las piezas a unir. La unión se basa en la afinidad electroquímica de los materiales en contacto. La soldadura forma una “liga” o enlace metalúrgico entre los átomos de las superficies en contacto. La liga es óptima entre piezas de igual material. Entre materiales diferentes la calidad (homogeneidad y capacidad resistencial) de la “liga” depende del grado de afinidad metalográfica entre los materiales. Una dificultad fundamental para materializar una soldadura ideal por simple contacto entre dos superficies es la presencia entre ellas de: suciedad, rugosidad, oxido fijado y humedad adsorbida. Figura 1.

Soldadura -- Pág. 3 de 21

El aporte de calor y trabajo mecánico tiene por objeto aportar energía para permitir enlaces entre los átomos de las superficies a unir y eliminar la rugosidad, oxido y humedad. En el estudio del proceso de soldadura las piezas a unir se denominan “piezas o material de base” y el metal intermedio agregado (puede o ni existir) “material de aporte”. Existe un tercer componente de la soldadura, el “fundente” o “recubrimiento”, que es un compuesto químico que se agrega en la zona de soldadura con diferentes funciones en distintos procesos de soldadura. I b) VENTAJAS TECNICO – ECONOMICAS Características sobresalientes de los procesos de soldadura en general: 1) No requieren componentes mecánicos intermedios de fijación. Sean estos componentes de unión propiamente dichos (bulones, remaches, grampas, etc.), o piezas estructurales auxiliares (placas o ángulos superpuestos, arandelas, bloqueos). 2) No requiere mecanizados exactos previos en las piezas base. Fig.2. 3) Provee continuidad eléctrica. 4) Adecuadamente diseñada, provee condiciones de estanquidad. 5) Permite la creación de piezas de diseño intrincado sin recurrir a técnica de fundición o moldeado. Fig.3 6) La unión soldada es una “línea continua” que resiste las solicitaciones, con menor presencia (con determinadas previsiones de diseño) de concentración de esfuerzos. Estas concentraciones son inevitable cuando se utilizan elementos intermedios de unión. 7) Se puede aplicar mediante equipos móviles o portátiles aptos para utilizarse en la unión de grandes piezas o trabajar en lugares y posiciones desfavorables. 8) Se reduce el peso del “dispositivo” de unión entre las piezas base. Distintos procesos industriales de fabricación que aprovechan estas características, por ejemplo. a) El estañado automatizado de componentes electrónicos a circuitos impresos, aprovecha las características 1) y 3). b) La soldadura por resistencia por puntos o costura en las líneas de montaje automotrices aprovecha las características 1), 2), 4) y 6). c) El estañado en las uniones de los envases de hojalata para productos líquidos la 4) (en general la resistencia mecánica en este caso se provee por pestañado de la chapa). d) La construcción de partes estructurales de máquinas aprovecha las 1), 2), 5), 6) y 7). En particular sobresale la característica 5) (formas intricadas) que permite la fabricación de piezas únicas o pequeñas series con importantes beneficios económicos respecto de técnicas de fundición o moldeo. La inversa se presenta en fabricaciones en gran serie. Fig. 4. e) La construcción de grandes estructuras (navales, civiles) se benefician de las características 1), 2), 4), 6) y 7). Fig. 5. f) Las aplicaciones a industrias aeronáuticas y espaciales (entre otras), entre otras, de las características 1), 2), 4), 6), 7) y 8). Se observa que aunque en distintas aplicaciones hay características útiles particulares, la

Soldadura -- Pág. 4 de 21

mayoría tienen en común las 1) y 2). Esto se debe a que la reducción de componentes y mecanizados requeridos afecta favorablemente el proceso de proyecto (no aparecen tensiones localizadas), la fabricación de componentes, el armado, los stocks de partes y el manteniendo de cualquier producto industrial.

Figura 2 – Placas a tope con solapa de refuerzo superpuesta. Medidas a fabricar con tolerancia d, t, e, e2 y t/2,

Figura 3.a)Apoyo de base de columna de grúa giratoria. b)Vista parcial de bancada de una prensa.

Figura 5. Unión de tramos de cañería de un gasoducto.

Soldadura -- Pág. 5 de 21

Figura 4. Carcaza de reductor

-Fabricada de fundición para fabricación en serie.

-Fabricada de chapa soldada para fabricación de pieza única. ----------------------------------------------------------------------II) PROCESO DE SOLDADURA POR ARCO CON APORTE: Bajo esta denominación común se agrupa un conjunto de métodos de soldadura que han sufrido el mayor avance en el último siglo, a partir de sus primeras aplicaciones prácticas a fines del siglo 19. Estas técnicas se aplican con éxito técnico y alta productividad económica en un amplio rango de procesos industriales. Se basa en la generación de intenso calor que funde localmente el material de base y el de aporte a partir de un arco voltaico entre dos electrodos. Uno de los electrodos siempre es la o las piezas base a soldar y el otro es el material de aporte que se funde controladamente o un electrodo inerte e indestructible, en este caso el material de aporte se agrega independientemente en la zona del arco entre los electrodos. El material de aporte fundido en el arco (sea un electrodo o sea aportado independientemente), esta formando por pequeñas partículas que son impulsadas a depositarse (por acción del arco electromagnético) sobre el metal de base, que también se funde superficialmente. Ambos metales fundidos forman al solidificar un depósito de material (cordón) que es aleación de los materiales de base y de aporte y que tiene una composición variable que en los bordes de la soldadura se confunde con el material de base. (Obvio es el caso de electrodo de igual material que

Soldadura -- Pág. 6 de 21

el de base). Se forma así una unión de alta calidad y resistencia en comparación con otros métodos de soldadura o de unión en general. Un componente fundamental de este tipo de soldadura es el “recubrimiento” que en los distintos procesos se aporta a la soldadura de distintas maneras y que tiene por funciones generales 1) Generar una atmósfera inerte, mediante su vaporización parcial en el arco, para evitar el contacto: con el oxigeno eliminando la oxidación, con el nitrógeno evitando fragilidad del cordón y con los demás compuestos del aire ambiente. Además tiene compuestos que vaporizados tienden a estabilizar y concentrar el arco por ionización y reducen el chispeo. 2) Mejorar la estructura metalográfica del cordón de soldadura por el agregado de sustancias desoxidantes contenidas en su composición. 3) Aportar componentes de aleación al cordón de soldadura, particularmente útil es la reposición de aleantes del metal base que se pierden por vaporización en la fusión. 4) Formar una escoria sólida recubriendo el cordón solidificado que lo aísla sin mezclarse en el. Se evita así la oxidación y se retrasa el enfriamiento para homogeneizar la composición y evitar fisuras por contracciones bruscas. Además debe poder separarse fácilmente del cordón para limpieza. Para esto se requiere que el punto de fusión de la escoria sea ligeramente inferior al del metal del cordón y que en estado sólido sea rígida y tenga un coeficiente de contracción mayor que el metal de la unión Existen distintos recubrimientos según las necesidades particulares de la aplicación (con otras funciones complementarias) y su correcta elección es parte esencial del proceso. De entre los distintos procesos de Soldadura por Arco con Aporte solo mencionaremos el más habitual según su denominación por la AWS (American Welding Society) que es historicamente (junto a la AISC (American Institute of Steel Construction)) la entidad líder en normalización del proceso de soldadura. Soldadura con electrodo revestido manual - SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Es la que primero cobro auge desde la invención del electrodo recubierto por el O. Kjelberg (Suecia). Este electrodo montado en el “mango” o “pinza” portátil es operado manualmente. Fig.6a y 6b

Figura 6a. Operación manual SMAW

Figura 6b. Detalle de proceso SMAW

Soldadura -- Pág. 7 de 21

El electrodo consta de un alambre de acero de composición especificada, envuelto por una capa sólida de “recubrimiento”. El alambre de acero central del electrodo provee el material de aporte y conduce la corriente eléctrica que se establece en el arco. III) PROYECTO DE SOLDADURAS DE ARCO CON APORTE - CARGAS ESTATICAS Bajo este titulo se desarrolla el dimensionamiento de los cordones de soldadura formados por el material de aporte. Se trata de determinar la sección (garganta t o cateto h) y/o la longitud (l) de los mismos, calculando uno de ellas una vez determinada la otra en una etapa previa del proyecto (en general se define previamente la longitud y se verifica una sección posible). Se compara el ESTADO TENSIONAL a que esta sometida la sección de soldadura por las cargas externas, expresado en función de las incógnitas (t y l); con la RESISTENCIA LIMITE ADMISIBLE del material de soladura y se obtiene el valor de la o las incógnitas que verifican la relación. (Tensión admisible> Tensión resultante en la sección para el t y l calculados). Para interpretar t y h ver figuras en “Soldadura a Tope” en esta pagina y en “Análisis Teórico de Estado Tensional de Soldadura de Filete”, pagina 7. III a) ESTADOS TENSIONALES (subindicados “et”) Se analizan distintas geometrías de soldadura, resultantes de las posiciones relativas de las piezas de material de base entre sí y de los distintos estados de carga. Las geometrías que se presentan primero (soldadura a Tope, Lateral de Carga Paralela y Lateral de Carga Transversal) se denominan Normalizadas por ser las que primero trataron las Normas y dieron origen al procedimiento general de tratamiento del cálculo. A continuación se presentan las geometrías bajo Carga Combinada (Torsión, Flexión y Corte). SOLDADURA A TOPE Se presenta cuando hay que unir los extremos enfrentados de las piezas de material base bajo cargas de dirección normal a la línea de unión en el plano de las piezas. Resulta un espesor mayor al menor de las piezas de base. Hay una línea de discontinuidad apreciable en el encuentro entre la superficie de la pieza base y la del cordón de soldadura, que puede operar como concentrador de tensiones ante solicitaciones de fatiga. En general, se procura un espesor levemente superior al de las placas que aseguren tecnológicamente el espesor mínimo (t) y al mismo tiempo no agudicen la concentración de esfuerzos. En el caso de solicitaciones por fatiga es habitual amolar la unión eliminando la discontinuidad superficial. Los distintos tipos de biselados (a,b,c,d) que se hacen en los bordes no afectan el cálculo de proyecto. Para soldaduras con material de aporte igual al de base y confeccionada correctamente, es práctica común no calcular sino asumir una capacidad resistente reducida (respecto a la sección del material de base) en un porcentual que tiene en cuenta falta de homogeneidad o defectos presumibles de la soldadura. (PEJ:80%) En el caso general (aporte distinto a base) se calcula σ et = F / (t * L)

Soldadura -- Pág. 8 de 21

Debe resultar

σ adm ≥ σ et

σ adm = Tensión normal admisible de material de aporte (ver RESISTENCIA LIMITE ADMISIBLE) SOLDADURA DE FILETE O LATERAL Se presenta cuando la posición de las piezas base determina que el cordón de soldadura haga junta en las superficies laterales de, al menos, una de ellas. Ejemplo típico: piezas de chapa superpuestas de distinto tamaño. Las gráficas siguientes presentan soldaduras de filete en dos piezas con los dos estados de carga llamados Normales: Carga Paralela (al cordón de soldadura) y Carga Transversal (al cordón….).

ANALISIS TEORICO DE ESTADO TENSIONAL DE SOLADADURA DE FILETE Las figuras siguientes representan: una soldadura de filete típica con carga transversal y el diagrama de cuerpo libre de una de sus partes. Se asume que las secciones de soldaduras tienen catetos iguales (no mayores que el espesor de la chapa) y que no se produce penetración que aumente la dimensión de la garganta.

Garganta = t

Las ecuaciones de proyección sobre los ejes x e y de las fuerzas normal y tangencial actuantes sobre el plano de la sección definido por θ son: Σ Fx = 0 = - Fs * cos θ + Fn * sen θ Σ Fy = 0 = 2F - 2Fs * sen θ - 2Fn * cos θ

Soldadura -- Pág. 9 de 21

Operando algebraicamente se obtiene Fn = Fs * (cos θ / sen θ) = F * cos θ El ancho de garganta t y la sección de soldadura se expresan t = h / (cos θ / sen θ)

A=t*l

A = area de sección de soldadura l = longitud del cordón

Operando con las anteriores resultan las tensiones para el plano dado por θ (a) τ = Fs / A = [F * sen θ * (cos θ + sen θ)] / (h * l) = [F / (h * l)] *(cos θ * sen θ + sen2 θ) σ = Fn / A = [F * cos θ * (cos θ + sen θ)] / (h * l) = [F / (h * l)] *(cos θ * sen θ + cos2 θ) Aplicando el criterio de máxima energía de distorsión, el esfuerzo de Von Mises es σ´ = (σ2 + 3 * τ2)1/2 y tiene su valor máximo para

θ = 62,5º

σ´ = 2,16 [F/(h * l)], determinando los siguientes valores de las tensiones σet = 0,623 * [F/(h * l)]

y

τet = 1,196 * [F/(h * l)]

con lo que resulta (composición vectorial de σ y τ ) en ese plano una tensión s de modulo | s | = 1,348 * [F/(h * l)]

(b)

Aplicando el criterio de máximo esfuerzo cortante, diferenciando la (a) e igualando a cero Resulta un máximo en el plano para con valores

θ = 67,5º

τet = 1,207 * [F/(h * l)] (c)

y

σet = 0,5 * [F/(h * l)]

con lo que resulta (composición vectorial de σ y τ ) en ese plano una tensión s de modulo | s | = 1,306 * [F/(h * l)]

(d) ---------------------------------------

Un análisis similar para un caso de soldadura de filete típica con carga paralela permite deducir que Fn = 0 y Fs = F para todo θ y que la sección longitudinal resistente mínima se presenta para θ = 45º en la que resulta τ = F/[(h/cos θ) * l] = F/[(h/0,707) * l] es decir

σ= 0

y

τet = 1,414 * F/(h* l)

Soldadura -- Pág. 10 de 21

La experiencia ha demostrado que la gran mayoría de las fallas en la sección del material de aporte se presentan en planos longitudinales (a lo largo del cordón) para θ = 45º, tal como se presenta en la siguiente figura para una soldadura a tope

A las observaciones experimentales se sumaron ensayos tales como los modelos de secciones de soldadura ensayados por procedimientos fotoelásticos, especialmente favorecidos por la condición de estado plano de cargas que se presenta el caso de estas soldaduras. ( despreciando tensiones residuales por contracción). Las siguientes son las distribuciones de esfuerzos en los catetos (Fig. a) y en la garganta (Fig.b) de un filete de soldadura sometido a fuerza transversal, el mismo caso que en el análisis matemático inicial.

Figura a

Figura b

Tanto en el análisis de catetos como en el de garganta a 45º se observa que el valor promedio calculado analíticamente es una simplificación grosera, ya que se presentan fuertes aumentos de tensión en el punto B, vértice de la sección del cordón y en A extremo de los catetos que actúa sobre la superficie continua del material de base.

Soldadura -- Pág. 11 de 21

Otros ensayos han demostrado, en caso de cargas paralelas, que las tensiones medias de las distintas secciones a lo largo de un cordón, pueden llegar a variar en una relación de 2 a 1 entre los extremos, Los procedimientos analítico-racionales no generan modelos de cálculo con razonable coincidencia con la realidad. Analizando las diferencias entre el estudio analítico y los ensayos de modelos fotoelásticos, se observa que las secciones de soldadura presentan características geométricas con cambios de secciones bruscos. Cuando se fijaron los procedimientos estandarizados de cálculo no se disponía de las herramientas para mediciones de variables ni para cálculos numéricos con que actualmente se cuentan. En relación con las fallas reales observadas, a las diferencias geométricas deben agregarse distintos factores propios del proceso de soldadura, entre los que son inevitables a) las tensiones residuales de contracción por enfriamiento y b) el material del cordón no es ni homogéneo ni isótropo, por el contrario como se menciono en GENERALIDADES es un material química y metalograficamente variable entre puntos de una misma sección. El procedimiento de cálculo de soldaduras de filete recomendado inicialmente por AWS luego de verificar experimentalmente su confiabilidad, es el siguiente: 1) Se admite que las fracturas se producen en el plano θ = 45º para todos los estados de carga (paralelo y transversal) 2) Se adopta como estado tensional máximo el correspondiente a estado de carga paralela, es decir σ et = 0 y τet = 1,414 * F/(h* l) 3) El estado tensional es el mismo en todas las secciones a lo largo del cordón de soldadura 4) Las hipótesis anteriores resultan confiables respetando las RESISTENCIAS LIMITES definidas por la Norma. (Ver IIIb) RESISTENCIA LIMITE…) Una aproximación intuitiva a la confiabilidad de esta solución para el caso de cargas transversales (el mas diverso respecto del modelo adoptado) se tiene observando que la tensión τet adoptada es mayor que cualquiera de las τ determinadas por “máxima energía de distorsión” o “máxima tensión tangencial” teóricamente. Mas aún la τet adoptada es mayor que el valor absoluto | s | de la máxima tensión calculada teóricamente por cualquiera de los dos métodos (formulas a),b),c) y d)). Este procedimiento se ha extendido al caso de CARGAS COMBINADAS que se analizan a continuación. ---------------------------------------------------------------------SOLDADURAS BAJO CARGAS COMBINADAS En adelante se denominara “perfil” al conjunto de cordones de soldadura que resisten el estado de carga y que se caracterizan por la longitud y posición de los distintos cordones

Soldadura -- Pág. 12 de 21

individuales que lo forman, en el plano de la soldadura. (No es la sección transversal de un cordón cuya dimensión característica (t ) se debe proyectar). -EN LO QUE SIGUE SE UTILIZARA LA PALABRA “perfil” ENTRE COMILLAS PARA REFERIR AL PERFIL FORMADO POR LOS CORDONES DE SOLDADURA SOBRE LA SUPERFICIE EN QUE SE SUELDA. Longitud l y “perfil” a proyectar. -SE UTILIZARA LA PALABRA SECCION PARA REFERIRSE AL AREA DE UN CORTE TRANSVERSAL DE UN CORDON (garganta t y cateto h a proyectar) Se llaman SOLDADURAS BAJO CARGAS COMBINADAS a los casos de soldaduras de filete bajo cargas externas excéntricas respecto del “perfil” de soldadura. Cargas coplanares con el “perfil”, excéntricas respecto al centro de momento polar de 2do.orden o cargas no coplanares con el “perfil”, excéntricas respecto a un eje de momentos de 2do. orden Estas cargas generan los esfuerzos “primarios” correspondientes a alguno de los casos “normalizados” y además crean cuplas de torsión y/o flexión que generan esfuerzos denominados “secundarios”, distintos en distintos puntos del “perfil”. El procedimiento general consiste en: a) Reducir al centro (o eje) de momentos de 2do.orden de la sección la (o las) cargas que la solicitan. Esta reducción determina una fuerza “transversal” y/o “paralela” al “perfil” y una cupla coplanar (cupla de torsión) y/o transversal (cupla de flexión) respecto del “perfil”. b) Determinar el punto mas comprometido por esfuerzo “secundario” del “perfil” que es el punto mas alejado del centro (o el eje) de momentos de 2do.orden. NOTAR QUE ESTA DISTANCIA DIFIERE SEGÚN LA CUPLA APLICADA SEA DE FLEXION O TORSION. b1) Determinar los esfuerzos “primarios” (τ´et) causados por las fuerzas transversales o paralelas de acuerdo con el método AWS para cargas “normalizadas”. (Se asume igual para cualquier punto del “perfil”). b2) Determinar los esfuerzos “secundarios” causados por las cuplas (torsión y/o flexión) resultantes de la reducción de las fuerzas excéntricas al centro (o eje) de m. 2do. orden de la sección. Variables en distintos puntos del “perfil”, se analiza el punto de máxima solicitación. Para momento torsor τ´´et = Mt * r / Jp en que : r = distancia del punto mas alejado del centro de momentos de 2do. orden (de rotación) del “perfil “ y Jp = momento de inercia polar del “perfil” Para momento flexor (1) σ = Mf * c / Jf

en que: c = distancia al punto mas alejado del eje de momentos de 2do. orden y Jf = momento de inercia de 2do.orden respecto al mismo eje.

Soldadura -- Pág. 13 de 21

Siguiendo convencionalmente el modelo propuesto por AWS, la sección del cordón reacciona solamente con una tensión tangencial τ para θ = 45º (σ = 0). Razón por la que el esfuerzo normal (plano θ = 0) resulta (2) σ = 0,707 * τ Componiendo las ecuaciones (1) y (2) se obtiene τ´´et = Mf * c / (0,707 * Jf) = 1,414 * Mf * c / Jf = 1,414 * Mf / Zf b3) Determinar el valor total del “Estado Tensional” bajo Cargas Combinadas, mediante la determinación del valor absoluto (modulo) del vector resultante de la composición de las tensiones τ´et y τ´´et . -Este valor absoluto puede ser una simple suma escalar en caso que tengan igual dirección. -En el caso habitual de “perfiles” de cordones simétricos y tensiones de direcciones normales, resulta: τet = [(τ´et)2 + (τ´´et)2]1/2

.

-En el caso mas general de “perfiles” de soldadura asimétricos el valor absoluto de τet resulta τet = [(τ´et)2 + (τ´´et)2 + 2 * τ´´et * τ´´et * cos α]1/2 En la siguiente figura se presenta el caso general de sección asimétrica solicitada por una carga combinada de corte y torsión (Caso de una placa (ménsula) soldada sobre otra placa de base y cargada con una fuerza F coplanar excéntrica). En ella el punto que mayor solicitación sufre es el punto H.

-----------------------------------------

Soldadura -- Pág. 14 de 21

SE OBSERVA QUE PARA LOS CALCULOS ANTERIORES DE Jf y Jp SE REQUIERE CONOCER LAS DIMENSIONES DE LOS CORDONES DE SOLDADURA, (t y l) QUE SON LAS INCOGNITAS A DETERMINAR. En este estado del estudio sería necesario estimar (suponer) la sección (t) necesaria de los cordones de soldadura y después verificar las tensiones, para eventualmente iterar el calculo modificando secciones y largos hasta llegar a una verificación satisfactoria. Para evitar esta iteración se aplica la siguiente observación correspondiente al caso de “perfiles” en que las longitudes (l) de sus cordones y las distancias que los separan (b) son mucho mayores que las dimensiones (t) de las secciones de los mismos: La diferencia entre el momento de 2do. orden real y el obtenido multiplicando un “momento de 2do. orden unitario” por el ancho de garganta real (t), es despreciable. “Momento de 2do. orden unitario” es el obtenido suponiendo unitaria la garganta (t) de la sección de cada cordón. Matemáticamente b y l > > h >t es decir

Æ

Jr - (t * Ju) ≈ 0 Jr ≈ t * Ju,

también Zr ≈ t * Zu

en las que: b es el largo de un tramo de cordón de soldadura d es la separación entre los tramos extremos de soldadura. Ver Tabla I, página 14. Jr es el momento de 2do. orden real del “perfil” Ju es el momento de 2do. orden del “perfil” considerando unitaria la garganta de la sección del cordón. Zr es el módulo de resistencia a la flexión real (Zr = Jr / d/2) Zu es el módulo de resistencia a la flexión para garganta unitaria (Zu = Ju / d/2) Los valores de Ju polares para torsión y Zu para flexión se encuentran calculados y tabulados para facilitar los cálculos. La tabla I “Propiedades de un “perfil” de soldadura tratado como una línea” contiene las formulas de cálculo de Ju y Zu. (Jw y Zw por “weld” = soldadura, en la bibliografía original en ingles). Las Normas AWS y en general la técnica de soldadura predominante caracteriza la sección de un cordón por la medida de su cateto (h) y así se expresa en los planos de conjuntos de piezas soldadas bajo esas Normas. Dado que los cálculos sirven para determinar en forma directa la medida de la garganta (t) de la sección, se debe recordar que la medida del cateto (h) de una sección de soldadura se debe determinar por la relación h = t / cos 45º = t / 0,707 NOTA: Puede surgir alguna confusión ante la co-existencia de algunos planos en que aparece como dato la garganta (t) del cordón y otros en que aparece el cateto (h). Se debe prestar atención al respecto. ----------------------------------------------------------

Soldadura -- Pág. 15 de 21

|

Sección

| Modulo Resistente Flexión |

Momento de Inercia Polar |

Tabla I – Propiedades de un “perfil” de soldadura tratado como una línea

Soldadura -- Pág. 16 de 21

III b) RESISTENCIA LIMITE ADMISIBLE del material de aporte: las normas de asociaciones dedicadas al estudio de soldaduras informan tanto los valores mínimos garantizados de las propiedades de los materiales de aporte como los coeficientes de seguridad recomendados para proyectos, con la mejor confiabilidad disponible según el actual “estado del arte” del tema. La Tabla II detalla las propiedades mínimas de los materiales de aporte según el Código de la AISC (American Institute of Steel Constructions). En su parte inferior hay una descripción del método de nomenclatura de los electrodos, dependiente basicamente del material de aporte, según AWS (American Welding Society).

Tabla II : Propiedades mínimas del material de aporte

La Tabla III establece las tensiones máximas admisibles de proyecto (Esfuerzos permisibles), en función de la Resistencia a la tensión (resistencia a la rotura por tracción Su) o del Limite elástico (Sy) obtenidos de la Tabla II para distintas situaciones de carga y tipo de soldadura. La última columna (n*) expresa el factor de seguridad aplicado. La fuente de información es la misma.

Tabla III : Tensiones máximas de proyecto.

-------------------------------------------------------------

Soldadura -- Pág. 17 de 21

III c) OTRAS CONSIDERACIONES DE PROYECTO -La soldadura de aceros se lleva a cabo con la mayor efectividad para aceros de construcción de bajo carbono no aleados entre SAE 1010 y SAE 1020 (UNS G10140 y G10230 aprox.). Esto se debe que con proporciones mayores de carbono o en presencia de aleantes tiende a producirse endurecimiento por enfriamiento brusco. Para aceros de mayor porcentaje de carbono y/o con aleantes se requiere un tratamiento de precalentamiento para evitar el enfriamiento rápido y mantener la estructura metalográfica original en las proximidades de la soldadura. Resulta particularmente útil en piezas de gran volumen en las que el calor se transmite por el cuerpo de las piezas con demasiada velocidad generando un enfriamiento demasiado brusco en las inmediaciones de la soldadura. -En caso de utilizarse electrodos con material de aporte de características mecánicas superiores al del material de base se deben verificar las secciones de las piezas de base inmediatas a la soldadura. Importante si se trata de piezas de pequeña sección, como chapas. -Se deben utilizar las características del material laminado en caliente y no en ningún otro estado ya que una vez soldado si se enfría apropiadamente (lentamente) ese es el estado resultante. -En todas las soldaduras quedan tensiones residuales de contracción/compresión debido al proceso de dilatación del metal del cordón en estado líquido y su posterior contracción al solidificar en relación con la matriz sólida circundante formada por las piezas a unir. Esta situación requiere en muchos casos un tratamiento térmico posterior a la soldadura calentando por debajo del punto de transformación y enfriando lentamente para distensionar la zona de soldadura. -Por último hay que tener en cuenta que una soldadura depende tanto de múltiples factores tecnológicos como de las características determinadas por los cálculos. Depende : de la tensión e intensidad (amperaje) del arco eléctrico que afectan la penetración y el volumen de material depositado. de la velocidad de soldadura y de la continuidad del arco que afecta los mismos parámetros anteriores y la magnitud del calentamiento local. de la calidad de la superficie del depósito, que puede actuar como concentrador de tensiones particularmente en caso de solicitaciones por fatiga. Todas estas y otras características de la soldadura dependen de la habilidad y el conocimiento del operario técnico soldador. En la siguiente figura se observa y compara una soldadura correcta con soldaduras con distintas anomalías, en la parte superior se observa un corte de los cordones. A- Cordón con voltaje, amperaje y velocidad normales B- Aceptable con bajo amperaje C- Cordón con amperaje demasiado alto. D- Aceptable con bajo amperaje que aumento el depósito de aporte. E- Cordón deficiente por polaridad incorrecta F- Velocidad demasiado baja produce un cordón con demasiado ancho y espesor. Voltaje y amperaje correctos. G- Cordón deficiente por excesiva velocidad de avance aún con voltaje y amperaje correctos.

Soldadura -- Pág. 18 de 21

------------------------------------EJEMPLO DE CALCULO : Dimensionar la sección del cordón de la soldadura de perfil circular indicada en la estructura de la siguiente figura, la estructura esta sometida a carga estática. Las piezas son de acero de construcción de bajo carbono y el electrodo de soldadura es de tipo normal EE 60XX. La sección del cordón es triangular de catetos iguales y no se considera para el cálculo la eventual penetración que pueda producirse. No se analiza el dimensionamiento de las piezas. 1) Determinación de la resistencia límite admisible de la soldadura Para electrodos de tipo EE 60XX el Código AISC (Tabla II, pag.15) establece que la tensión de rotura es : Su = 427 MPa = 427000000 N/mt2 El mismo Código (Tabla III, pag.15) define para el estado de carga correspondiente al caso (esfuerzo cortante) la siguiente tensión tangencial límite de proyecto Sse = 0,3 Su Sse = 128100000 N/mt2 2) Determinación del Estado Tensional: En el perfil circular el punto mas comprometido es el A. En el se suman la solicitación “normalizada” de corte, la tensión de corte producidas por el par torsor y la tensión de corte producida por el par flexor generados por la excentricidad de la carga. En el punto A la flexión produce tracción, con mayor compromiso que la compresión que aparece en el punto opuesto diametral. El corte y la torsión generan iguales tensiones en todos los puntos del cordón circular, de acuerdo a la hipótesis establecida para soldadura. 2 a) Características geométricas del perfil supuesto de garganta unitaria Area de la sección Au = π * d = Au = π * 0,1 (mt) = 0,314 mt Momento de Inercia Polar unitario Jpu = (π * d3) / 4 = (π * 0,13) / 4 = Jpu = 7,854 E-4 mt3. Modulo Resistente a Flexión unitario Zu = (π * d2) / 4 = (π * 0,12) / 4 = Zu = 7,854 E-3 mt2

Soldadura -- Pág. 19 de 21

2 b) Cargas que actúan sobre el perfil Corte, Q = 13000 N Momento Torsor,

Mt = Q (N) * 0,9 (mt) = 13000 * 0,9 = 11700 Nmt

Momento Flexor,

Mf = Q (N) * 0,4 (mt) = 13000 * 0,4 = 5200 Nmt

2c) Tensiones actuantes Por: Corte τ´Q = Q / (Au * t) = 13000 (N) / (0,314 (mt) * t (mt)) = 41401,27 (N/mt) * 1/t (1/mt) Torsión τ´´Mt = [Mt * (d/2)] / (Jpu * t) = [11700 (Nmt) * 0,05 (mt)] / (7,854 E-4 (mt3)* t (mt)) = τ´´Mt = 744852,79 (N/mt) * 1/t (1/mt) Flexión τ´´´Mf = Mf / (Zu * t) = 5200 (Nmt) / (7,854 E-3 (mt2)* t (mt)) = 662091 (Nmt) * 1 / t τ´´´Mf = 662091 (N/mt) * 1 / t (1/mt) Estado tensional compuesto total τ et = (1/t) * [ (τ´Q)2 + (τ´´Mt )2 + (τ´´´Mf )2]1/2 = τ et = (1/t) (1/mt) * [ (41401,27)2 + (744852,79)2 + (662091)2]1/2 (Nmt) = τ et = 1/t (1/mt) * 996580,4 (N/mt) 3) Dimensionamiento de la sección Debe cumplirse la siguiente relación Sse = τ et Æ 128100000 (N/mt2) = 1 / t (1/mt) * 996580,4 (N/mt) t (mt) = [996580,4 (N/mt) / 128100000 (N/mt2)] = 7,78 E-3 mt = 7,78 mm Siendo el cateto h = t / 0,707 = 7,78 (mm) / 0,707 = 11,04 mm Æ se adopta sección triangular equilátera con cateto normalizado h = ½ “ ----------------------------------------------------------------REPRESENTACION SIMBOLICA DE SOLDADURAS: La representación de las soldaduras en planos se hace por medio de un sistema simbólico específico normalizado por AWS.

Soldadura -- Pág. 20 de 21

El siguiente es un esquema genérico del símbolo típico en que la flecha señala la arista sobre la que se suelda, en este esquema se indican todas las especificaciones que pueden incluirse. En cada aplicación particular solo se incluyen las indicaciones necesarias según los casos.

Algunos ejemplos elementales

Símbolos de soldaduras a tope. Detalla la ranura entre las piezas a soldar.

Soldadura lateral en todo el contorno indicado con h = ½”

Soldadura -- Pág. 21 de 21

Soldaduras laterales, cordones de h = ½” de longitud 2” y 4” respectivamente.

Soldadura lateral de h = 3/8” a lo largo de la aristas A y B (se indican solo para explicar el ejemplo), se utiliza electrodo E6010. Soldaduras laterales de cateto h = 3/8” 1)la 1ra indica un cordón de longitud 6” de ambos lados de la placa A 2)la 2da indica cordones de longitud 2” espaciados cada 4” (centro a centro) y alternadas en ambos lados de la chapa vertical en la arista indicada.

-------------------------------------------------------Bibliografía: Soldadura - J. A. Pender Diseño en Ingeniería Mecánica – A. Shigley Diseño de Elementos de Máquinas – V. M. Faires Diseño de Maquinas – A. S. Hall, A. R. Holowenco, H. G. Laughlin Lincoln Arc Welding, Products and services – Lincoln Electric Company