Elementos Construcción

Uniones por soldadura

Tema 2UNIONES POR SOLDADURA1. GENERALIDADESLas estructuras se forman mediante conjuntos de chapas o perfiles unidos entre s con enlaces capaces de soportar los esfuerzos que se transmiten entre las piezas.El objeto principal de la unin es el de asegurar la mejor continuidad de las piezas, continuidad que ser ms perfecta cuanto ms uniforme sea la transmisin del esfuerzo.La transmisin de esfuerzos en las uniones se hace en muchas ocasiones de modo indirecto, ya que para pasar el esfuerzo de una pieza a otra se la obliga previamente a desviarse de su trayectoria normal. En el caso de soldadura a tope, la transmisin es directa.

2. DIFERENTES TIPOS DE UNIONES POR SOLDADURASe llama soldadura a la unin de dos piezas metlicas de igual o parecida composicin, de forma que la unin quede rgida y estanca.Esto se consigue bien por el efecto de fusin que proporciona la aportacin de calor, bien por la aportacin de otro metal de enlace o por la combinacin de ambos efectos.

Existen cerca de cuarenta sistemas de soldar, pero el ms importante para las estrucuras metlicas es el sistema de soldadura por fusin.En las soldaduras por fusin el calor proporcionado funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unin.Existen diferentes tipos de soldadura por fusin, pero los ms utilizados son dos: Soldadura autgena

Soldadura por arco elctrico, que es la que se utiliza en estructuras metlicas.29


2.1. SOLDADURA AUTOGENAEn la soldadura autgena el calor lo proporciona una llama producida por la combustin de una mezcla de acetileno y oxgeno, en la proporcin 1:1, que se hace arder a la salida de una boquilla. La temperatura alcanzada en la llama es de unos 1300

C. El calor producido funde los extremos a unir, con lo que se obtiene, despus de la solidificacin, un enlace homogneo.Aunque este tipo de soldadura todava se utiliza en los talleres mecnicos, no es correcta su utilizacin en uniones sometidas a esfuerzos, ya que por efecto de la temperatura se provocan unas tensiones residuales muy elevadas, siendo en general ms lenta y cara que la soldadura por arco.De todas formas, cuando el soplete oxiacetilnico se utiliza en la soldadura de piezas, se le suele completar con un alambre de material de aportacin que se funde al mismo tiempo que los bordes de las piezas, formando en conjunto el cordn de soldadura.

El tamao de la boquilla del soplete es aproximadamente igual que el espesor de las chapas a unir.2.2. SOLDADURA POR ARCO ELECTRICOLa soldadura por arco se basa en que si a dos conductores en contacto se les somete a una diferencia de potencial, establecemos entre ambos una corriente.Si posteriormente se les separa, provocamos una chispa, cuyo efecto es ionizar el gas o el aire que la rodea, permitiendo as el paso de la corriente, a pesar de no estar los conductores en contacto.Con esto lo que hacemos es crear entre ellos un arco elctrico por transformacin de la energa elctrica en energa luminosa y calorfica.El calor provocado por el arco no slo es intenso, sino que adems est muy localizado, lo que resulta ideal para la operacin de soldar. Las temperaturas alcanzadas son del orden de 3500C.

En el circuito elctrico formado por los electrodos y el arco, la intensidad de corriente depende de la tensin y de la resistencia del circuito. Si los electrodos se acercan o se separan variar la resistencia y la intensidad y, por lo tanto, la energa se transformar en calor, con lo que la soldadura no ser uniforme.30


Desde el punto de vista prctico quiere decir que para obtener soldadurasuniformes es imprescindible mantener constante la separacin de los electrodos duranteel proceso del soldeo.Los procedimientos de soldadura en arco pueden agruparse en tres: Con electrodos de carbono.

Con electrodos de tungsteno en atmsfera de hidrgeno (soldadura al hidrgeno atmico). Soldadura con electrodo metlico.a). Soldadura con electrodo de carbono.No se utiliza en la estructura metlica. El arco salta entre un electrodo de carbn yla pieza a soldar.Se complementa con metal de aportacin.

b). Soldadura con electrodo de tungsteno.El arco salta entre dos electrodos de tungsteno en atmsfera de hidrgeno. El calor del arco disocia las molculas de hidrgeno, que vuelven a soldarse al contacto con las piezas a soldar, desprendiendo una gran cantidad de calor.Este calor funde las piezas y permite que se efecte la soldadura en ausencia del oxgeno y el nitrgeno del aire.c). Soldadura con electrodo metlico revestido.Es el procedimiento de unin normalmente utilizado en la construccin metlica, pudiendo afirmarse sin titubeos que el gran desarrollo de la construccin metlica actualse debe en gran parte a este sistema.La unin se consigue al provocar un arco elctrico entre las piezas a unir y un electrodo que sirve de material de aportacin.El operario establece un contacto inicial entre el electrodo y la pieza a soldar(llamada trabajo), con lo que se inicia un flujo de corriente.A continuacin se retira ligeramente el electrodo y se establece un arco, que fundeel electrodo y los bordes de la pieza a unir, formndose el cordn de soldadura.31


Figura1: Soldadura con electrodo metlico revestido.La soldadura en arco, tal como hoy se entiende, se inici en Suecia a principios de siglo, cuando Kjellber invent el electrodo revestido.

Hasta entonces los electrodos se fabricaban con varillas de acero extrasuave simplemente. En estas condiciones, el metal fundido, sin proteccin alguna, reacciona libremente con el oxgeno y el nitrgeno del aire, convirtindose al enfriar en un metal frgil.La idea de Kjellber consisti en recubrir los electrodos con una pasta de polvo y aglomerante, de forma que al fundir se forme una escoria protectora, que impida el acceso del aire al bao de metal fundido.El recubrimiento de los electrodos est constitudo generalmente por xidos minerales, carbonatos, silicatos o diversos compuestos orgnicos.Adems del efecto protector del material fundido, el revestimiento proporciona las siguientes ventajas:

* Al ser menos fusible que el metal del electrodo, forma una especie de vaina alrededor del arco, que facilita su direccin y evita la formacin de arcos secundarios. Tambin se ioniza mejor el aire que rodea la zona a soldar.* Permite realizar las llamadas soldaduras de gran penetracin gracias a que se puede utilizar ms intensidad de corriente con ciertos tipos de electrodos, llamados electrodos de gran penetracin, aumentando la zona fundida y evitando con esto el que tengamos que preparar los bordes de algunas piezas.* Gracias a la proteccin de la escoria fundida, el enfriamiento de la soldadura se hace con mayor lentitud, evitando tensiones internas.Los principales tipos de revestimiento de los electrodos son los siguientes:32


TABLA 1Principales tipos de revestimiento de los electrodos

Tipo de revestimientoPocentaje de nitrgenoVolumen de Hpor 100 g/cm3

Acido0.0349.0

Bsico0.0152.5

Celulsico0.02815.0

Oxidante0.0351.5

Rutilo0.02512.0

En la Tabla 1 se puede observar el efecto protector de cada tipo de electrodo. Enella se indica el porcentaje aproximado de nitrgeno absorbido por la soldadura y el volumen de hidrgeno absorbido por 100 gramos de metal depositado.As mismo, puede observarse que el revestimiento bsico es el que proporciona la mejor proteccin y, por tanto, dar soldaduras de mayor calidad. En contraposicin, el electrodo bsico es el ms difcil de fundir.Los dimetros ms normales de electrodos son, en milmetros: 2, 2.5, 3.25, 4, 5,6.3, 8, 10 y 12.

La eleccin del dimetro del electrodo depende del espesor del cordn de soldadura que requiere depositar, siendo la intensidad de corriente necesaria funcin de este dimetro.

3. MANANTIALES DE CORRIENTELa corriente a utilizar puede ser continua o alterna. La capacidad de corriente necesaria en la salida para realizar un trabajo depende del espesor del metal que se vaya a soldar y del dimetro del electrodo.La corriente continua permite una seleccin ms amplia de electrodos y escalas de corriente con arco ms estable, por lo que suele preferirse para trabajos en posiciones difciles y chapas finas.Con corriente continua, los dos tercios del calor los proporciona el polo positivo yel tercio restante el polo negativo. Los electrodos de fusin difcil, como los electrodos bsicos, se funden mejor conectndolos al polo positivo.La corriente alterna consume menos energa y produce menos salpicaduras. Tambin los transformadores requieren menos mantenimiento que las dinamos. La33


corriente alterna se usa donde hay problemas de soplo del arco y en trabajos desoldadura en posicin plana con chapas gruesas.4. EL CORDON DE SOLDADURAEl cordn de soldadura tiene tres partes bien diferenciadas (figura 2).Figura 2: Partes del cordn de soldadura.a). Zona de soldadura: Es la zona central, que est formada fundamentalmente por el metal de aportacin.b). Zona de penetracin. Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos.

La mayor o menor profundidad de esta zona define la pentracin de la soldadura. Una soldadura de poca penetracin es una soldadura generalmente defectuosa.c). Zona de transicin. Es la ms prxima a la zona de penetracin.Esta zona, aunque no ha sufrido la fusin, s ha soportado altas temperaturas, quela han proporcionado un tratamiento trmico con posibles consecuencias desfavorables, provocando tensiones internas.Las dimensiones fundamentales que sirven para determinar un cordn de soldadura son la garganta y la longitud.La garganta (a) es la altura del mximo tringulo issceles cuyos lados iguales estn contenidos en las caras de las dos piezas a unir y es inscribible en la seccin transversal de la soldadura.34


Se llama longitud eficaz (l) a la longitud real de la soldadura menos los crteresextremos. Se admite que la longitud de cada crter es igual a la garganta.l eficaz l geomtrica 2 aFigura 3: Dimensiones fundamentales de una soldadura.5. CLASIFICACION DE LOS CORDONES DE SOLDADURALos cordones de soldadura se pueden clasificar: Por la posicin geomtrica de las piezas a unir.* Soldaduras a tope (figura 4)

* Soldaduras en ngulo (figura 5) Por la posicin del cordn de soldadura respecto al esfuerzo (figura 6)* Cordn frontal

* Cordn lateral* Cordn oblicuo Por la posicin del cordn de soldadura durante la operacin de soldar (figura 7)* Cordn plano (se designa con H)* Cordn horizontal u horizontal en ngulo (se designa por C).* Cordn vertical (se designa con V)

* Cordn en techo o en techo y en ngulo (se designa con T)35


Figura 4: Soldaduras a tope.Figura 5: Soldaduras en ngulo.36


Figura 6: Clasificacin de los cordones de soldadura respecto al esfuerzo.Figura 7: Clasificacin de los cordones de soldadura segnsu posicin durante la posicin de soldar.6. PRESCRIPCIONES DE NBE EA-95 PARA UNIONES DE FUERZA SOLDADURAS A TOPE- Deben ser continuas en toda la longitud y de penetracin completa.- Debe sanearse la raz antes de depositar el primer cordn de la cara posterior o el cordn de cierre.

- Cuando no sea posible el acceso por la cara posterior debe conseguirse penetracin completa.- Cuando se unan piezas de distinta seccin debe adelgazarse la mayor con pendientes inferiores al 25%.37


Figura 8. Soldaduras a tope. SOLDADURAS EN ANGULO- La garganta de una soldadura en ngulo que une dos perfiles de espesores e1e2no debe sobrepasar el valor mximo de la Tabla 2, que corresponde al valor e1 y no debeser menor que el mnimo correspondiente al espesor e2 , y siempre que este valor mnimono sea mayor que el valor mximo para e1.Figura 9: Soldaduras en ngulo.- La longitud eficaz l de una soldadura lateral en ngulo con esfuerzo axial debe estar comprendida entre los siguientes valores:Valor mnimo: l 15al bValor mximo:l 60al 12bFigura 10: Longitud eficaz de una soldadura lateral.38


TABLA 2Valores lmite de la garganta de una soldadura en ngulo en una unin de fuerza

Espesorde la pieza (mm)Garganta a

Valor mximo(mm)Valor mnimo (mm)

4.0- 4.24.3- 4.95.0- 5.65.7- 6.36.4- 7.02.53

3.54

4.52.52.52.52.52.5

7.1- 7.77.8- 8.48.5- 9.19.2- 9.910.0-10.65

5.56

6.573

3

3.53.54

10.7-11.311.4-12.012.1-12.712.8-13.413.5-14.17.58

8.59

9.54

4

4.54.55

14.2-15.515.6-16.917.0-18.318.4-19.719.8-21.210

11

12

13

145

5.55.56

6

21.3-22.622.7-24.024.1-25.425.5-26.826.9-28.215

16

17

18

196.56.57

7

7.5

28.3-31.131.2-33.934.0-36.020

22

247.58

8

Exceptuando los casos de uniones sometidas a cargas dinmicas, o estructurasexpuestas a la intemperie o ambientes agresivos, o temperaturas inferiores a 0C, o bienen uniones estancas, las uniones longitudinales de dos piezas podrn realizarse mediante soldaduras discontinuas.Las uniones discontinuas pueden ser correspondientes o alternadas.En estos casos, los valores lmites recomendados por la NBE EA-95 para l y s son los siguientes:39


Figura 11: Uniones longitudinales discontinuas.Valor mnimo: l 15al 40 mmValor mximo:s 15e. Para barras comprimidas.s 25e. Para barras a traccin. s 300 mm. En todo caso.

siendo e el espesor mnimo de los perfiles unidos.7. RECOMENDACIONES PARA LA EJECUCION DE CORDONES.Durante el soldeo proporcionamos calor que se propaga a lo largo y ancho de las piezas, producindose:a). Un enfriamiento ms o menos rpido de las partes de las piezas en las que la temperatura ha superado la del punto crtico del acero.b). Contracciones de las zonas calentadas al enfriarse posteriormente.La velocidad de enfriamiento de la pieza tiene un efecto importante sobre la modificacin de la estructura cristalina del metal, lo cual se traduce en una modificacinde sus caractersticas mecnicas y, en especial, en un aumento de su fragilidad.Las contracciones, si operasen sobre piezas con libertad de movimiento, slo proporcionaran deformaciones, pero como las piezas tendrn ligaduras, nos aparecern, adems, tensiones internas, que sern mayores a medida que la produccin de calor sea mayor o, lo que es equivalente, a medida que las piezas sean ms gruesas.40


Las deformaciones que nos aparecen pueden dividirse en deformaciones lineales ydeformaciones angulares.Podemos eliminar estas deformaciones y tensiones internas si seguimos las siguientes indicaciones:Soldaduras de cordones mltiplesSe recomienda en NBE EA-95 que una soldadura de varios cordones se realice depositando stos en el orden de la figura 12. El ltimo cordn conviene que sea ancho para que la superficie de la soldadura sea lisa.Figura 12: Recomendaciones para la ejecucin de soldaduras de cordones mltiples.Soldaduras continuasCuando la longitud de la soldadura no sea superior a 500 mm se recomienda que cada cordn se empiece por un extremo y se siga hasta el otro sin interrupcin en la misma direccin.Cuando la longitud est comprendida entre 500 y 1000 mm se recomienda empezar por el centro de cada direccin.Figura 13: Soluciones para un slo soldador.Figura 14: Soluciones para dos soldadores trabajando al tiempo.41


Los cordones de soldadura de longitud superior a 1000 mm es convenientehacerlos en paso de peregrino, sistema del cual se dan diversas soluciones en las figuras 13 y 14.Uniones planas con soldaduras cruzadasSe recomienda ejecutar en primer lugar las soldaduras transversales (figura 15).

Figura 15: Uniones planas con soldaduras cruzadas.Uniones en ngulo con soldaduras cruzadasCuando slo son dos los cordones que se cruzan (figura 16) debe seguirse la disposicin a), ya que aunque parece que la disposicin b) evita las tracciones biaxiales,el efecto de entalla es ms desfavorable que la propia biaxialidad de tracciones.Figura 16: Uniones en ngulo con soldaduras cruzadas (dos cordones).Cuando se trata de tres cordones (figura 17), el efecto de traccin triaxial y su consecuente peligro de rotura frgil recomienda que se utilice la configuracin a), en lugar de la b), a pesar del efecto de entalla, aunque la mejor solucin es evitar la concurrencia de tres cordones en un punto.

42


Figura 17: Uniones en ngulo con soldaduras cruzadas (tres cordones).8. CALCULO DE LOS CORDONES DE SOLDADURANormativa:NBE EA-95. Soldaduras a topeLa norma NBE EA-95 especifica que las soldaduras a tope realizadascorrectamente no requieren clculo alguno. Soldaduras en nguloSe asimila el cordn de soldadura a un tringulo issceles (figura 18) y se tomacomo seccin de clculo la definida por la altura a del tringulo issceles, por ser la seccin menor.Figura 18: Tringulo issceles que define el cordn de soldadura.Tambin se acepta que las tensiones son constantes a lo largo del plano definido por la altura a (figura 19) y cuya superficie es al, siendo l la longitud del cordn de soldadura.

43


Figura 19: Plano definido por la altura a.Sobre este plano las componentes de las tensiones sern: una tensin normal y dos componentes sobre el plano de referencia, que llamamos a y n.Con una base experimental, la norma NBE EA-95 define como condicin de seguridad de una soldadura de ngulo la que la tensin de comparacin obtenida de las acciones ponderadas sea inferior a la resistencia de clculo del acero.*2 1.8 2

2

usiendo la resistencia de clculo del acero u Eu

en donde = 1

para aceros garantizados

= 1.1 para aceros no garantizados ( laminados en fro)Aunque la tensin de comparacin est referida al plano de garganta de lasoldadura, en general resulta ms sencillo para el clculo abatir la seccin de garganta sobre una de las caras del cordn (figura 20). La relacin entre las tensiones unitarias esla siguiente: 1 n t 21n n t n 2a t a44


Figura 20: Abatimiento de la seccin de garganta.8.1. SOLICITACIONES A TRACCIONA. UNION CON SOLO CORDONES FRONTALES.Figura 21: Unin con slo cordones frontales.La seccin de garganta se considera abatida sobre el plano de uno cualquiera de los lados del cordn. En este plano abatido:n F2 l a

tn = 0ta = 0

45


Las relaciones entre las tensiones del plano abatido y el de la garganta son: n cos 45 1 F2 2 l a n sen 45 1 Fn a t a 0

2 2 l a2221.82

1F

1F1.8 c

n F

2 2 l aF

2 2 l a c

1.4 1.18 2 l a2 l auo bienF 0.85 2 l aB. UNION CON SOLO CORDONES LATERALES.Figura 22: Unin con slo cordones laterales.La seccin de garganta se considerar abatida sobre el plano de la superficie de contacto entre las dos piezas. Las dos secciones quedarn as contenidas en el mismo plano y sometidas a la tensin ta. Esta tensin puede considerarse como uniforme a lo largo del cordn, siempre que la longitud de sta no exceda de cincuenta veces el espesor de garganta, ni de doce veces el ancho del perfil unido.46


n 0

n 02

t a a

F2 l a1.8 F

1.34 F c 2 l a

2 l auo bienF 0.75 2 l aC. UNION CON SOLO CORDONES OBLICUOS.Figura 23: Unin con slo cordones oblicuos.La seccin de garganta se abatir sobre el lado del cordn normal a la superficie de contacto entre las dos piezas:

F sen

F sen 2 n

t n 02 l a

2 h aF cos F cos sen ta2 l a

2 h a n cos 45

n n sen 45

a t a 2 1.8 2 2 cna47


2

22 F sen

1.8 F sen

F cos

c 2

2 l a 2

2

2 l a 2

2 l a

F

sen sen F 1.8 cos 2 c2 l a2F

2 a lu u2 l aLos valores de estn definidos en la Tabla 3:TABLA 3Valores de

0

30

60

900.750.770.810.85

D. UNIONES CON CORDONES FRONTALES Y LATERALESCOMBINADOSEn estas uniones existe una interaccin entre los cordones frontales y laterales, de forma que la resistencia total de la costura no es igual a la suma de las resistencias de los dos tipos de cordones.

Deacuerdoconlaexperimentacindisponible,sepuedenrecomendar provisionalmente las siguientes reglas de clculo:a). Si la longitud de los cordones laterales es mucho mayor que la longitud de los cordones frontales (l2>1.5h) la deformacin que admiten aqullos es tal que no puede aceptarse ninguna carga para los frontales.En este caso, el clculo se efectuar como se indica en el epgrafe 8.2 (Unin con slo cordones laterales) y se debe seguir la regla de buena prctica de no emplear uniones como las de las figuras 24 c y d, ya que el cordn C3 se fisurar antes de que los cordones C2 hayan llegado a su capacidad total de resistencia.b). Si los cordones laterales y frontales son aproximadamente igual en longitud (0.5hL, es decir, si el momento flector es grande comparado con el esfuerzocortante, puede utilizarse la frmula simplificada: 3.55 F e a L51


B. UNION CON SOLO CORDONES FRONTALES TRANSVERSALESFigura 26: Unin con slo cordones frontales transversales.Considerando primero slo el momento flector, la tensin mxima puede calcularse abatiendo la seccin de garganta sobre el plano de unin de las piezas.n F eWEn la mayor parte de los casos prcticos, h ser grande con respecto a a, y sepuede tomar:

Ia L h2W a L hhhn F ea L h

t Fn2 L a

ta 0 n t

1 F e h n2n2 a L h 2 n t

1 F e h n2a 0

n2 a L h 2 c

1.8 n a u22252


C. UNION CON CORDONES FRONTALES LONGITUDINALES YTRANSVERSALES

Figura 27: Unin con cordones frontales longitudinales y transversales.Se considera que el esfuerzo cortante acta nicamente sobre los cordones que unen el alma y que puede considerarse como distribudo uniformemente en su seccin de garganta:

t Faa2 a L

u33Las tensiones debidas al momento flector se calculan teniendo en cuenta el rea total de la seccin de garganta del cordn, abatida sobre el plano de la junta, y por tanto:n MW

n n

1 n2Para los cordones exteriores slo se considera el momento flector:c

2 1. 8 2

2.8 n22

1.18 n 1.18 M WuW a1 L1 h1 2 L2 a2 h253


8.3. SOLICITACIONES DE TORSION Y ESFUERZO CORTANTECOMBINADOSA. UNION CON SOLO CORDONES LATERALESFigura 28: Unin con slo cordones laterales.El momento torsor MT=Fe se descompone en un par de fuerzas T que actan sobre los cordones:

M F e T h 2 a T h a2 Estas fuerzas producen en los dos cordones la tensin tangencial longitudinal:tTMTa a

a La h a LFt n

2 L a

= n

1 t n2que se puede considerar como uniforme distribuida a lo largo de los cordones.Resulta:

c

2 1.8 2

2

u54


B. UNION CON DOS CORDONES LATERALES Y UNO FRONTALFigura 29: Unin con dos cordones laterales y uno frontal.El momento torsor que agotara el cordn a2 sera:ML 0.75 u L 2 a 2 h a 2 El momento torsor que agotara el cordn a1 sera:Mn e

M 6Wa1

L22 n

2 n c

1.8

1.4 n u2

2 n u

u 6 Mc21.41. 42

a1 L1M u a1 L1 0.14

a L2e6

1. 4

u11El momento torsor se descompone proporcionalmente a estos dos, para saber

cuanto soporta cada cordn:MT F eM1 M2 MT55


MT M2ML MeML MT M1ML MeMeEl esfuerzo cortante se considera absorbido por el cordn 2.La soldadura 1 se calcula a flexin, tal y como se describe en el apartado 8.2 AUnin con slo cordones frontales longitudinales, pero con un nico cordn.

La soldadura 2 se calcula como se describe en el apartado 8.3 A Unin con slo cordones laterales.8.4. UNION DEL ALMA CON LAS PLATABANDASFigura 30: Unin del alma con platabandas.Debe cumplirse:

F S 0.75 u2 a IxSiendo:F Esfuerzo cortante en la seccin.S Momento esttico de la platabanda respecto al eje XIx Momento de inercia de la seccin completa respecto al eje XPuede, del lado de la seguridad, utilizarse la frmula simplificada siguiente:F 0.75 u2 a ha56

c

n

a

n

u

u

2

2

2

2

c2u

1

1

nn

T

n

a

1

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