MEC 225 Elementos de Máquinas UNIONES NO DESMONTABLES SOLDADURA

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1 CAPITULO 3 UNIONES NO DESMONTABLES SOLDADURA DEFINICIÓN El concepto de soldadura se puede definir como la unión mecánicamente resistente de dos o más piezas metálicas diferentes por medio de un proceso de fusión. Esta unión se realiza siempre elevando la temperatura de las superficies a soldar puestas en contacto sin aportación de sustancias o con aportación de una sustancia igual o semejante al material de las piezas soldadas. La soldadura no es sólo un proceso de fabricación sino también es un proceso de mantenimiento y reparación. Los componentes de un proceso de soldado se mencionan de acuerdo al siguiente detalle: a) El material a soldar debe estar bien identificado, vale decir conocer sus propiedades mecánicas, trabajos de preparación del material realizados en ellos, que tipo de solicitaciones estos van a soportar. b) El calor necesario para unir dos piezas metálicas puede obtenerse a través de distintos medios, podemos definir dos grandes grupos. Los sistemas de calentamiento por combustión con oxígeno de diversos gases (denominados soldadura por gas), y los de calentamiento mediante energía eléctrica (por inducción, arco, punto, etc.). c) El material de aporte, conocido como 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, está constituido por un conjunto de componentes minerales y orgánicos que cumplen las siguientes funciones: 1. Producir gases protectores para evitar la contaminación atmosférica y gases ionizantes para dirigir y mantener el arco. 2. Producir escoria para proteger el metal ya depositado hasta su solidificación. 3. Suministrar materiales desoxidantes, elementos de aleación e hierro en polvo. Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 1

2 El tipo de fuente de calor es básicamente lo que describe el tipo de proceso, reconociendo así: soldadura autógena (gas), soldadura de arco (eléctrica). Dentro la soldadura de arco eléctrico se tiene tres tipos de soldados: a. Soldadura a arco eléctrico con electrodo recubierto, en el cual el revestimiento del electrodo al fundirse produce gases de protección contra la oxidación en el proceso. b. Soldadura por arco de gas metal inerte, conocido como soldadura (MIG Metal Inert Gas), en esta el electrodo de aporte es un alambre continuo el cual está protegido por un gas inerte. c. La soldadura TIG (Tungsteno y Gas Inerte), normalmente utilizada para soldadura de aluminio, tiene un electrodo de tungsteno no consumible, es decir no se emplea como material de aporte, solo como punto de calentamiento, pudiéndose incorporar al trabajo un electrodo además del de tungsteno. En la figura siguiente se puede apreciar toda la gama de soldaduras existentes, de las cuales se va a revisar el cálculo tipo de ellas: Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 2

3 De alguna manera relacionando con su aplicación: CLASES DE SOLADADURA Clases de soldadura Sub Clases de soldadura Aplicación Oxiacetilénica G.L.P. Soldadura con Gas combustible Soldadura con arco eléctrico Soldadura Térmica G.N. Arco Revestido M.I.G. T.I.G. Termo fusión Aire Caliente Otros Soldaduras: blanda, semidura y dura. En el campo de Instalaciones domiciliarias (calefacción, gas, etc.) Soldaduras de aceros y metales en gral. Para construcciones metálicas y maquinaria. Soldaduras de plásticos y metales blandos. Instalaciones de gas, etc. Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 3

4 CLASIFICACION DE LOS ELECTRODOS Los electrodos de acuerdo a la Norma de la Sociedad Americana de Soldadura A.W.S. se clasifican como sigue: 1. Especificación para electrodos revestidos de acero al carbono, designación AWS: A Especificación para electrodos revestidos de aceros de baja aleación, designación AWS: A Especificación para electrodos revestidos de aceros al cromo, y cromoniquel resistentes a la corrosión, designación AWS: A Especificación para varillas de aporte en uso oxiacetilénico y/o TIG, designación AWS: A Especificación para electrodos revestidos para soldaduras de Fe fundido, designación AWS: A Especificaciones para electrodos continuos y fundentes para Arco Sumergido, designación AWS: A Especificaciones para electrodos de aceros dulces, para soldadura con electrodos continuos protegidos por gas (MIG/MAG), designación AWS: A En la especificación para aceros al carbono de electrodos revestidos, el sistema de clasificación está basado en la resistencia a la tracción del depósito. 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 E 60 XX indica un electrodo revestido cuyo depósito posee como mínimo 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. EXX1X toda posición EXX2X posición plana y horizontal EXX4X toda posición, vertical descendente Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 4

5 El último dígito indica el tipo de revestimiento del electrodo. identificación completa es necesario leer los dos dígitos en conjunto. Sin embargo para una Clasificación AWS Tipo de Revestimiento Corriente y Polaridad Posición a soldar E 6010 Celulósico Sódico CC.EP. P.V.SC.H. E 6011 Celulósico Potásico CA.CC.EP. P.V.SC.H. E 6012 Rutílico Sódico CA.CC.EN. P.V.SC.H. E 6013 Rutílico Potásico CA.CC.AP. P.V.SC.H. E 7014 Rutílico H.P. CA.CC.AP. P.V.SC.H E 7015 Rutílico Sódico B.H. CC.EP. P.V.SC.H E 7016 Rutílico Potásico B.H. CA.CC.EP. P.V.SC.H. E 7018 Nomenclatura R tíli P tá i B H H P CC: Corriente Continua CA CC EP EP: Electrodo Positivo PV SC H P: Plana HP: Hierro en Polvo CA: Corriente Alterna EN: Electrodo Negativo V: Vertical BH: Bajo Hidrógeno AP: Ambas Polaridades SC: Sobrecabeza H: Horizontal DISEÑO DE SOLDADURAS SOLDADURAS CARGADAS SIMETRICAMENTE Existen varios tipos de juntas soldadas, dependiendo de la posición u acomodación de los elementos a soldar; sin embargo se reconocen dos clases, las más comunes y agrupan al resto de acomodaciones, estas son las soldaduras a tope y las soldaduras de filete. SOLDADURAS A TOPE Estas se realizan juntando a tope las dos piezas a unir, depositando en medio de ambas el material de aporte cuando estas están fundidas por el calor, llegando a fundirse las dos piezas y el material de aporte en un solo sólido al enfriar la unión. Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 5

6 La aplicación más corriente de estas se da en soldaduras de tuberías y perfiles metálicos. Si se revisa la resistencia a fluencia del acero y de un electrodo E60 (el de más baja resistencia), se podrá evidenciar que el material de aporte tiene una resistencia mayor, por cuanto se afirma σ ya36 := 36ksi σ ye60 := 50ksi si la unión soldada está bien realizada, esta resistirá más que el material base, lo cual define que si existiera un fallo, este sería en el material antes que en el cordón de soldadura. Por la misma hipótesis se tiene que la fuerza solicitante máxima para la soldadura será: σ y Long t P = N s SOLDADURA A ESFUERZO CORTANTE σ. adm Esfuerzo admisible del material base o del material de aporte. L sol Longitud del cordón de la soldadura. t Espesor de la placa o de la soldadura. P Fuerza permisible para la soldadura. Ns Factor de seguridad En muchos de los casos y dependiendo de la dirección de la fuerza aplicada, la soldadura puede estar sometida a esfuerzos cortantes, por mucho que la disposición de esta parezca o sea idéntica a una soldadura a tracción: La relación de fuerzas y esfuerzo se da de acuerdo a: P = τ s Long t N s τ. adm Esfuerzo cortante admisible de la soldadura. L sol Longitud del cordón de la soldadura. t Espesor de la placa o de la soldadura. P Fuerza permisible para la soldadura. Ns Factor de seguridad Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 6

7 MEC 225 Elementos de Máquinas En este caso los valores permisibles de propia de los fabricantes será: la soldadura, de forma general, salvo especificación El área de la soldadura estará dada por la longitud del cordón y el espesor de la soldadura representada como a, sin embargo, el sector más crítico de la soldadura se da en la garganta de la misma (sector más angosto), es decir en t. t= h*seno45º Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 7

8 SOLDADURA CARGADA EXCENTRICAMENTE Cuando la soldadura está cargada excéntricamente, se presenta el fenómeno de un esfuerzo compuesto doblemente, así: 1. Existirá un esfuerzo a cortante directa, y otro por el momento torsor generado. 2. Dependiendo del punto de análisis, existirá un radio vertical y otro horizontal que multiplicarán al esfuerzo por torsión, estos deben sumarse vectorialmente. τ s = P A + Tr J τ. adm Esfuerzo cortante admisible de la soldadura. r Radio al punto de análisis desde el centro de gravedad de la soldadura. A Area a cortante de la soldadura. P Fuerza cortante. T Momento torsor. J Momento polar de Inercia de la soldadura Finalmente el esfuerzo compuesto: P H Tr V P V Tr H τ sh = + τ A J sv = + τ A J s = τ sh ( ) 2 + ( τ sv ) 2 Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 8

9 MEC 225 Elementos de Máquinas SOLDADURA SOMETIDA A ESFUERZOS DE FLEXIÓN POR CARGAS QUE NO ESTAN EN EL PLANO DE LA SOLDADURA De forma muy semejante al anterior caso, en este se tendrá un esfuerzo por cortante directa, y otro por un momento de flexión, para la cual las propiedades del radio serán las propias de la geometría de la soldadura, y la inercia no será polar sino aquella transversal a la carga: τ. adm Esfuerzo cortante admisible de la soldadura. c Radio al punto de análisiss desde el centro 2 2 τ P s = M f c de gravedad de la soldadura. + A Área a cortante de la soldadura. A J xx P Fuerza cortante. Mf Momento flector. Jxx Momento de Inercia geométrico de la soldadura A continuación se presentan tablas útiles para encontrar los momentos de inercia de las secciones usualess en soldadura. Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 9

10 MEC 225 Elementos de Máquinas BIBLIOGRAFIAA Shigley, J. Diseño en Ingeniería Mecánica. Ed. McGraw Hill Bresler, Lin. Diseño de Estructuras de Acero. Ed. Limusa Elaborado por: Ing. Miguel A. Ruiz Orellana Página 10