Uniones soldadas y roblonadas. Parte 1

Se llama soldadura a una unión entre superficies metálicas lograda por la aplicación localizada de calor. Lasoldadura ha desempeñado un importante papel en el aumento de la velocidad de fabricación de piezas y delmontaje de estas piezas formando estructuras. La soldadura por forjado o presión del hierro forjado se ha practicado durante siglos; otros métodos como la soldadura autógena por arco y por resistencia, se handesarrollado en época reciente. El campo de utilidad de estos últimos métodos está extendiéndoserápidamente.

Los roblones también pueden emplearse para formar las juntas y uniones entre las diversas partes de laestructura. Aunque la soldadura ha sustituido al roblonado en proporciones considerables, este último procedimiento se utiliza habitualmente para ciertos tipos de juntas. La larga experiencia existente en estemétodo de fijación ha dado lugar a una gran confianza en la seguridad de las juntas roblonadas.

A, área de garganta
M, momento
CS, coeficiente de seguridad
p, presión
h, altura del cordón de soldadura
P, carga
I, momento de inercia
r, radio
J , momento polar de inercia
r1, distancia del centro de gravedad de la junta al centro de la soldadura o roblóns
K, coeficiente de concentración de tensiones
l, longitud del cordón de soldadura
s, tensión, tracción o compresión
sm, tensión media
syp, tensión de fluencia
se, tensión límite de resistencia a la fatiga
ssyp, tensión de fluencia encortadura
sr, campo de variación de la tensión
sult, tensión de rotura
ss, tensión cortante
T, momento

1. Fabricación por soldadura

Para conseguir un menor costo inicial, muchos elementos de maquinaria que antes se fabricaban de fundiciónse fabrican hoy por soldadura. Los elementos componentes pueden aserrarse o cortarse al soplete a partir dechapas de acero laminado en caliente soldándolos después. La figura 7-1 indica cierto número de piezassoldadas características.

A veces, la parte más complicada de la pieza puede fabricarse por fusión o estampado uniéndole después lassuperficies planas compuestas de chapas unidas por soldadura.

Fig. 7-1. Piezas de máquinas fabricadas por soldadura

Las piezas soldadas son generalmente más resistentes y más ligeras importante ventaja en las partes móvilesde máquinas y maquinaria de transporte. En una pieza soldada usualmente es necesaria menor mecanizaciónque en la pieza fundida equivalente. En el proyecto debe preverse la accesibilidad de la soldadura de tal formaque puedan hacerse e inspeccionarse fácilmente.

2. Soldadura por fusión

En el proceso de fusión, se obtiene calor de una llama oxiacetilénica o de un arco eléctrico que pasa entre unelectrodo. Y la pieza que se trabaja. Los bordes de las piezas se calientan hasta la temperatura de fusión juntándose con la adición de un material fundido de relleno obtenido de un electrodo.

Fig. 7-2. Soldadura al arco con electrodo revestido.

En el procedimiento al arco, con algunos metales se utiliza un revestimiento que envuelve el material desoldadura fundido en una atmósfera incontaminante protegiéndolo del oxígeno y nitrógeno del aire. Lasimpurezas son rechazadas por la soldadura y se forma un recubrimiento de escoria que reduce la velocidad deenfriamiento.

En la soldadura al arco metálico, el electrodo se compone de un material de relleno adecuado que se funde yse incorpora a la unión a medida que se forma la soldadura. En la soldadura al arco protegica se utiliza unelectrodo con un revestimiento grueso de materiales protectores que se consumen al fundirse el electrodo ydesempeñan las usuales funciones de protección como se indica en la figura 7-2. Cuando se emplea el sopleteoxiacetilénico el metal fundido es protegido de la atmósfera por la envolvente exterior de la llama quegeneralmente se regula hasta que es neutra o ligeramente reductora. En la soldadura al gas de algunos metalesse utiliza un revestimiento para eliminar por flotación las impurezas que puedan existir ayudando a formar una soldadura perfecta.

En el proceso por arco pueden utilizarse corriente continua o alterna. Cuando el cordón de soldadura seamayor que 1 cm. aproximadamente del espesor menor, se suele hacer por capas sucesivas. Frecuentemente, elmetal de soldadura depositado, tiene la estructura de grano grueso característica de los metales fundidos.

3. Resistencia de las soldaduras por fusión

En la figura 7-3 se indican varios tipos diferentes de soldadura con las ecuaciones que dan las tensiones producidas por las cargas dadas. El espesor h de una soldadura a tope no incluye el colmo a. Las planchas quetengan un espesor de 6 mm o más, deben biselarse antes de soldarlas en la forma que se indica.

Fig. 7-3. Distintos tipos de soldaduras y de solicitaciones

En la figura 7- 3(a) se muestra una soldadura en ángulo sometida a una carga paralela a su longitud. Lasección de garganta es de 0,707 hl, donde h es la longitud del cateto. El esfuerzo cortante en la sección degarganta es

Puede utilizarse la ecuación habitual para el coeficiente de seguridad con cargas estáticas

Ejemplo 1: Un cordón de soldadura en ángulo de 0,635 cm. y 5 cm. de longitud, soporta una carga uniforme paralela al cordón de soldadura y de valor 1500 kg. El metal de la soldadura tiene un punto defluencia de 3500 kg./cm². Determinar el coeficiente de seguridad.

El cordón de soldadura en ángulo cargado en una dirección perpendicular a su longitud, figura 7-3(d), tiene laventaja de que no es necesaria una colocación exacta de las placas. En el esquema (e) se representa eldiagrama de equilibrio de la placa superior. Se ha dado un corte al cordón de soldadura por su garganta y sehan aplicado la fuerza P y el momento M, necesarios para el equilibrio. Se ha descompuesto la fuerza P en suscomponentes normal, N, y constante V.

Cuando sólo haya dos placas, la unión estará cargada excéntricamente y estará sometida a un momentoadicional algo así como el representado en la figura 7-14 para una junta simple roblonada. Debido a la formade la soldadura, el estado de tensiones de la garganta como consecuencia de las acciones N, V y M, es muycomplejo, y no pueden obtenerse las ecuaciones adecuadas para los cálculos del proyecto. En la práctica, y atítulo informativo, se considera corrientemente el esfuerzo cortante en la garganta de una soldadura en ángulotransversal, como la carga dividida por la sección de la garganta, resultando de nuevo la ecuación (1).

Fig. 7-4. Tensiones en un elemento de una unión soldada, cargado excéntricamente ricamente.

4. Soldaduras cargadas excéntricamente

Cargas estáticasCuando se aplica la carga a una junta soldada excéntricamente, debe tenerse en cuenta, además de la cargadirecta, el par o momento. El estado de tensión en tales juntas es complicado y es necesario hacer hipótesissimplificativas.

Cuando una unión se compone de cierto número de soldaduras, es usual suponer que la tensión debida a losmomentos en cualquier punto es proporcional a la distancia al centro de gravedad del grupo de soldaduras.Supóngase que la soldadura indicada en la figura 7-4 es una de un grupo que forma una junta con el centro degravedad de todas las superficies soldadas en O. La tensión debida al momento, s, actúa perpendicularmenteal radio r sobre el elementod A de la soldadura. El momento exterior o par T es igual al momento de latensión s integrado para todas las soldaduras de la unión

La relación s/r es constante, ya que se supone que la tensión varía de forma directamente proporcional a r. Enla ecuación (3) se ha sustituido la integral por J , momento polar de inercia respecto a O del grupode soldaduras. Para la máxima tensión de torsión debe utilizarse el valor de r correspondiente al punto másalejado del centro de gravedad O. La tensión debida a la carga directa debe sumarse vectorialmente a latensión debida al momento flector para obtener la tensión resultante. Para cargas estáticas es práctica usualsuponer que la tensión directa se distribuye uniformemente en toda la superficie de la soldadura.

Puede utilizarse la ecuación que da el momento de inercia respecto a un eje paralelo para encontrar el valor de J de una soldadura respecto al centro O. Para la soldadura de la figura 7-4, esta ecuación puede escribirse enla forma,

La superficie A de esta ecuación corresponde a la superficie de garganta de la soldadura. Se prescinde delhecho de que la garganta de un cordón de soldadura forma un ángulo de 45º con el plano de la junta. El radior, mide la distancia desde el centro O, de la soldadura al centro de gravedad O del grupo. El símbolo J representa el momento de inercia del área de cada soldadura simple respecto a su centro O₁. Este valor puede encontrarse mediante la ecuación siguiente:

donde A es de nuevo el área de garganta y l la longitud de la soldadura.Sustituyendo la ecuación (5) en la (4) se obtiene,

El valor deJ para cada soldadura respecto a O debe calcularse mediante la ecuación (6); los resultados sesuman para obtener el momento de inercia del conjunto de la unión.

Ejemplo 2. Una ménsula cargada excéntricamente, se suelda a su soporte tal como se indica en la figura 7-5.
Encontrar el valor de la tensión máxima en la soldadura si la carga es fija. Hallar el coeficientede seguridad si el límite de fluencia del metal de la soldadura es 3500 kg./cm².

Solución

Por simetría, el centro de gravedad de los cordones de soldadura en la dirección del eje x es equidistante delas soldaduras verticales. La coordenada vertical del mismo se obtiene tomando momentos respecto delextremo superior de la soldadura.

Esta tensión es perpendicular a OA. Ahora se descompone en las componentes representadas en la figura. Lacomponente vertical total es: 258 + 137, o sea, 395 kg/cm².

Ejemplo 3. Hallar el valor-de la fuerza estática P en la figura 7-6 si se utiliza el electrodo E6010 para uncoeficiente de seguridad igual a 2.

Fig. 7-7. Concentraciones de tensiones en las soldaduras.

Debe observarse que aunque las soldaduras de la parte (b) son mucho mayores, acausa de la excentricidad, la capacidad de carga de la junta, en realidad ha disminuido.Generalmente es ventajoso mantener simetría en el proyecto de uniones soldadas.

El método explicado en esta sección no puede considerarse un estudio exacto de las tensiones en lassoldaduras, sino simplemente como un esfuerzo razonable para tomar en cuenta el hecho de que la capacidadde una junta para resistir momentos aumenta al alejar las soldaduras del centro. También supone esta teoría que las tensiones de la soldadura están dentro del límite elástico del material de la soldadura, y que puededespreciarse cualquier efecto que se derive de la deformación de las piezas soldadas.

5. Concentraciones de tensiones en las soldaduras

Como en las soldaduras se producen cambios bruscos de forma, aparecen concentraciones de tensiones al pasar la fuerza de una parte del montaje a la otra. Los efectos de concentración de tensiones se ignoranusualmente cuando se trata de cargas estáticas o fijas, aplicándose solamente a la componente variable uoscilatoria de acuerdo con la práctica general de proyecto para cargas variables.

Debe tenerse cuidado de que el material de aportación y el de las piezas unir en la base de una soldadura atope se fundan uniéndose entre sí perfectamente. Si la fusión es insuficiente se producen unas muescasentrantes de bordes afilados como en A en la figura 7-7(a) dando lugar a peligrosas concentraciones detensiones. La concentración de tensiones también se produce en los puntos B en que la fuerza se difunde en elrefuerzo. Un cordón de ángulo presenta concentraciones de tensiones en los bordes superior e inferior, A y B,de la figura 7-7(b) en que la fuerza pasa de una placa a otra a través de la soldadura. En la tabla 7-1 se dan losvalores de los coeficientes de concentración de tensiones.

Un cordón de ángulo sometido a fuerzas paralelas como se indica en la figura 7-3(c) presenta en ambosextremos concentraciones de tensiones producidas por el desigual alargamiento de las placas.

La placa superior presenta un alargamiento máximo en el punto B porque en él soporta la totalidad de la cargaP. La placa inferior tiene en A un pequeño alargamiento porque soporta en ese punto solamente una pequeña proporción de la carga. Como la soldaduraune entre sí ambas placas, está sometida a tina deformación mayor que la que le corresponde en promedio alconjunto y se produce un incremento o concentración de tensión en el borde de la soldadura.

Se aplica un razonamiento similar al otro extremo, en el que la placa inferior C sufre un alargamiento mayor yla placa superior D un alargamiento menor. Se presentan efectos similares de concentración de tensiones enlos extremos de la soldadura a tope sometida a cortadura que se representa en la figura 7-3 (b)

Fuente: es.scribd.com