Uniones Soldadas y Pegadas

12071Campus de Riu Sec. 12071-Castelln. Spain.Autor/es: Ximo Sancho i Bru ([email protected]) Cdigo: ADM-SOLD1 Categora: Diseo de Mquinas Tema: Uniones soldadas y pegadas Creacin:20-Dic-1997 Ultima revisin: 17-oct-02- Ximo Sancho

Area de Ingeniera Mecnica. Departamento de Tecnologa.

TEMA 4. UNIONES SOLDADAS Y PEGADAS 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.2. Dimensionado de uniones soldadas 4.3. Uniones pegadas

4.1. Uniones soldadas. Tipos La soldadura es un proceso de unin permanente entre metales. La adherencia de las piezas se produce por aporte de calor, pudindose producir con aplicacin de presin o sin ella, y con adicin de metal o sin ella. Este tipo de unin se utiliza a menudo en la fabricacin de elementos de mquinas, sobre todo cuando se trata de elementos de seccin delgada, ya que supone un ahorro por la eliminacin de sujetadores mltiples y la automatizacin de la fabricacin. Otras ventajas que posee son la estanqueidad que se puede conseguir, y la buena relacin resistencia/peso. Es uno de los mtodos ms empleados para la unin de elementos en estructuras como puentes o naves, y para el caso de mquinas se utiliza para los bastidores como alternativa a la fundicin. Las piezas soldadas no resultan siempre ms baratas, pero s, adecuadamente diseadas para la soldadura, considerablemente ms ligeras que las fundidas para la misma rigidez y resistencia. Por el contrario, la calidad de la unin soldada es de difcil comprobacin, y la fabricacin exige especial experiencia (deformaciones de soldadura y tensiones de contraccin). Hay que tener en cuenta la posibilidad de cambios metalrgicos en las zonas cercanas a la junta durante el proceso de soldadura debido al calor, as como las tensiones residuales a causa de la sujecin y el proceso de enfriamiento, las cuales pueden ser reducidas con un tratamiento trmico posterior. Existen multitud de posibles configuraciones a la hora de posicionar las piezas a unir y de colocar el cordn de soldadura. Las disposiciones fundamentales vienen reflejadas en la siguiente tabla:

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Tema 4: Uniones soldadas y pegadas

Tipos de uniones segn DIN 1912Unin solapadaLas piezas se solapan entre s

Unin a topeLas piezas se sitan en un plano comn

Unin paralelaLas piezas se superponen en una superficie amplia

Unin sesgadaUna pieza topa con uno de sus extremos sobre la superficie de otra, con la que forma un ngulo distinto de 90

Unin en TDe las dos piezas una hace tope con su extremo sobre la superficie de la otra, con la que forma un ngulo recto

Unin de esquinaDos piezas se une por uno de sus extremos respectivos, formando un ngulo cualquiera

Unin en cruz cruzDos piezas situadas en un mismo plano, topan con uno de sus extremos respectivos en una tercera pieza intermedia con la que forman ngulos rectos

Unin mltipleTres o ms piezas se unen entre s por uno de sus extremos respectivos, formando ngulos de cualquier valor

Segn la forma de colocar el cordn podemos diferenciar: Longitudinal Transversal En ngulo

Segn la forma de la seccin recta del cordn de soldadura, se pueden distinguir: Aligerada o hueca Plana Abombada

Y por ltimo, segn el tipo de ranura practicado para la soldadura:


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a)

b)

60

2

2 60

c)

60

d)

45

a) Con extremos planos; b) Ranura en V; c) Ranura en doble V; d) Ranura en media V a) Se deja un espacio para albergar el material de relleno. Es aplicable a placas de espesor delgado, no permitiendo esta configuracin transmitir grandes esfuerzos. b) Se emplea para unir placas moderadamente gruesas, permitiendo una buena transmisin del esfuerzo. El ngulo es inferior a 90, y se deja una separacin para que rebose el material. c) Se utiliza para placas muy gruesas. El ngulo es inferior a 90. d) Es similar a la configuracin en V, siendo interesante cuando una de las partes es de difcil accesibilidad. El ngulo es inferior a 45

a) Juntas en T; b) Ranuras en U y en J; c) Juntas en L; d) De bordes paralelos

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4.2 Dimensionado de uniones soldadas El cordn de soldadura es el encargado de mantener unidas las piezas, transmitiendo los esfuerzos entre ellas. Como se ha visto en el apartado anterior, existen numerosas configuraciones posibles a la hora de realizar una soldadura, aunque podemos hablar de dos configuraciones bsicas elementales, en las que se basan todas las dems: juntas a tope y a solape. Habr por tanto que buscar la mejor configuracin para que el cordn cumpla con su cometido. Se ver en este apartado el anlisis de ambas configuraciones. 4.2.1. Definiciones Garganta (a) del cordn: altura del mayor tringulo issceles que puede inscribirse en la seccin del cordn. Longitud eficaz (l) del cordn: longitud total menos los crteres en los extremos. Seccin resistente (S) o de garganta: al . Todos las comprobaciones resistentes en el caso de soldaduras se realizan sobre la seccin de garganta.


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a a l

4.2.2. Uniones con soldadura a tope Se trata de soldaduras en donde se unen tope con tope las piezas, quedando el material de adicin entre ellas, normalmente en ranuras practicadas para conseguir mayor superficie de contacto y habilitar hueco para el material de adicin. El material de adicin se aplica en exceso (rebosando), formando el espesor de refuerzo que luego se puede eliminar en caso de que sea necesario, mediante mecanizado. Si la junta va a estar sometida a cargas variables (de fatiga), conviene eliminar el espesor de refuerzo para eliminar posibles concentraciones de tensiones:Espesor de refuerzo

Concentracin de tensiones

a = espesor de garganta

Tambin para evitar concentraciones de tensiones, cabe tener en cuenta durante la realizacin de este tipo de soldaduras: En una soldadura a tope de chapas de distinta seccin, la de mayor seccin se ha de adelgazar en la zona de contacto, con pendiente no superior al 25%, para obtener una transicin suave de la seccin (MV-103).25% e2 e1

-

La soldadura a tope no debe producir discontinuidad en la seccin, y su sobreespesor s no ser mayor del 10% del espesor e de la chapa ms delgada (MV103).

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S Se/10 e

El anlisis de tensiones en juntas de este tipo es sencillo: A traccin:

=

N N = adm S a.l

-

A cizallamiento:

=-

T T = adm = adm S a.l 2A flexin:

max =

Mz Mz = adm Wz l a2 6

4.2.3. Uniones con soldadura a traslape Estas uniones consisten en solapar ambas partes a unir, existiendo multitud de configuraciones posibles, como se ha visto antes.solape

F F

espesor de garganta

En este caso, el anlisis de tensiones es ms complejo. La distribucin real de las tensiones en el cordn de soldadura es compleja:


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La aproximacin que se realiza es considerar que la distribucin de tensiones sobre la garganta es uniforme, y se basa el nalisis en dicha rea de garganta. Se tendrn en cuenta dos tipos de tensiones (ver figura): a) Referidas al plano de garganta, siendo: La tensin normal, perpendicular al plano de garganta n La tensin tangencial normal a la arista a La tensin tangencial paralela a la arista b) Referidas al plano de una de las caras de la soldadura en la que ha sido abatida la seccin de garganta, siendo: n La tensin normal, perpendicular al plano de una de las caras tn La tensin tangencial normal a la arista ta La tensin tangencial paralela a la arista

Analicemos qu ocurre en el siguiente ejemplo:

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rea de garganta = al

F F

Aproximacin: distribucin uniforme Estado tensional = tncos(45) n = tnsin(45) 45 tn 45 n n

Descomposicin: x = F/(al) 45 tn = x Plano de garganta abatido 45

n

n

Observar que sobre si sobre la cara del cordn de soldadura se considera un rea igual al rea de garganta (plano de garganta abatido), las tensiones en dicha rea (n, ta, tn) permiten calcular las tensiones sobre el rea de garganta (, ta, tn) por simple proyeccin sobre un plano a 45. Este es el procedimiento usual a la hora de determinar las tensiones sobre el rea de garganta: 1) Clculo de tensiones en plano de garganta abatido; 2) Proyeccin de las tensiones sobre la garganta, que se encuentra a 45. Sobre estado tensional (, n) se aplicara ya el criterio de resistencia de materiales para analizar su resistencia. As por ejemplo, si se aplica el criterio de la tensin tangencial mxima quedara:

2 + 4 n2 adm tn cos(45 ) 5 adm

F cos(45 ) 5 adm al

Si el cordn de soldadura est dispuesto en el sentido de la carga, el anlisis es ms simple:


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F

F

ta

rea de garganta

ta = F/(2al) a a = ta

En cuyo caso, la condicin de resistencia si aplicamos el criterio de la tensin tangencial mxima sera:

ta =

F adm 2al 2

MVNOTA: La norma para construcciones metlicas MV-103 propone la utilizacin de una condicin de seguridad, de base experimental, en lugar de los criterios de resistencia usuales:

comparacin = 2 + 1.8 ( n2 + a2 ) admSe trata en realidad de un criterio menos conservador. Para el clculo de elementos estructurales se utilizar dicha condicin. Para diseo de otro tipo de elementos, queda a eleccin del diseador utilizar uno u otro criterio.4.2.4. Resistencia de uniones soldadas

La resistencia de las uniones soldadas depende de las caractersticas resistentes del material de aporte y de la forma de junta. La resistencia del material depende del tipo de electrodo utilizado. Segn la norma americana AWS, la denominacin de los electrodos es EXXYY, donde XX hace referencia a la tensin ltima en kpsi. Existen electrodos E60, E70, E80, E90, E100 y E120, de forma que las tensiones ltimas oscilan entre 400 y 800 MPa. La siguiente tabla muestra las caractersticas resistentes en funcin del electrodo empleado:

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electrodo Nmero de electrodo AWS E60xx E70xx E80xx E90xx E100xx E120xx

Resistencia Resistencia de Elongacin (%) ltima fluencia kpsi (MPa) kpsi (MPa) 62 (427) 50 (345) 17-25 70 (482) 57 (393) 22 80 (551) 67 (462) 19 90 (620) 77 (531) 14-17 100 (689) 87 (600) 13-16 120 (827) 107 (737) 14

El reglamento AISC para metal soldante propone los siguientes coeficientes de seguridad en funcin del tipo de trabajo de la soldadura: Tipo de carga Traccin Aplastamiento Flexin Compresin Cortante Tipo de junta A tope A tope A tope A tope A tope o de filete Esfuerzo permisible 0.6 Sy 0.9 Sy 0.6-0.66 Sy 0.6 Sy 0.4 Sy

Para el clculo a fatiga, se podrn emplear los siguientes factores de reduccin de la resistencia a la fatiga: Tipo de junta A tope con refuerzo De filete transversal, en la punta De filetes paralelos, en el extremo A tope en T, con esquinas agudas Kf 1,2 1,5 2,7 2,0


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4.2.5. Clculo de algunos ejemplos CORDN LONGITUDINAL A TRACCIN

F

F

ta

a

ta =

F 2al

; = n = 0

; a = t a

Con lo cual:

comparacin = 1.8 a2 = 1.34

F 2al

CORDN TRANSVERSAL A TRACCIN

F

F

n

n

n=

F al

; = n = n cos(45 ) ; a = 0

Con lo cual:

comparacin = 2 + 1.8 n2 = n cos(45) 1+ 1.8 = 1.18CORDN INCLINADO A TRACCINF F

F al

n

n a

ta

n=

F sin( ) al

; ta =

F cos( ) al

; = n = n cos(45 ) ; a = t a

Con lo cual:

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comparacin = 2 + 1.8 ( n2 + a2 ) ==FLEXINF

sin( )2 F sin( )2 2 + 1.8 2 + cos( ) = al 2

F 1.8 0.4 sin( )2 al

L n ta F e

n a

d

Debido al momento M = F d tenemos tensiones normales: n =

y adems el cortante proporciona tensiones tangenciales: ta = Con lo que las tensiones en la garganta valen:

F 2al

F d a l2 3

= n = n cos(45 ) ; a = t ay la tensin de comparacin:

comparacin = 2 + 1.8 ( n2 + a 2 ) =

F d2 12.6 2 + 0.45 al l


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TORSIN

c G h

F

b

n

atn

t G V r

ta

v

M

En primer lugar se calcula el cdg correspondiente a las caras de los cordones de soldadura en contacto con el pilar, considerando un rea igual a la de garganta. Dicho cdg se considera como idealizacin de la unin. En ese caso, sobre la unin acta un esfuerzo cortante y un momento torsor de valores: V=F M = Fh Para el esfuerzo cortante se considera una distribucin de tensiones uniforme:

v =

F ac + ab

Mientras que para el torsor se considera una distribucin de tensiones similar a la de torsin en perfiles circulares:

t (r ) =

Fh M r = r IG IG

Ambas tensiones han de sumarse vectorialmente para obtener la tensin total en cada punto. El punto ms desfavorable en este caso corresponde con el sealado en la figura. El ngulo puede calcularse a partir de los datos geomtricos. De esta manera, las tensiones sobre la cara del cordn de soldadura en dicho punto valen:

tn = v + t (r )sin( ) t a = t (r )cos( )Con lo que las tensiones en la garganta valen: = n = t n cos(45 ) y la tensin de comparacin:

; a = t a

comparacin = 2 + 1.8 ( n 2 + a 2 )

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TORSIN. Caso particular

F

b hta

n

atn

F M V F

Como aproximacin, la norma MV-103 nos dice que podemos suponer un par de fuerzas sobre los cordones que proporcione el par de torsin:

M = F h F' =

F h . b+ a

De esta manera tenemos las siguientes tensiones:

tn =

F 2al

; ta =

F' al

Con lo que las tensiones en la garganta valen:

= n = t n cos(45 ) ; a = t ay la tensin de comparacin:

comparacin = 2 + 1.8 ( n2 + a 2 ) =

F h2 0.35 + 1.8 al (b + a)2


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4.3 Uniones pegadas .34.3.1. Generalidades

Desde hace mucho tiempo se utiliza el pegado para madera, goma, tejido y plsticos. La aparicin de modernos adhesivos de resinas sintticas ha permitido aplicar esta tcnica tambin para metales ligeros y aceros. Las principales caractersticas son el peso reducido, costes y tiempos de fabricacin menores, estanqueidad de la unin y una elevada resistencia. Tambin es una ventaja el que permite realizar uniones entre materiales muy diferentes. Al contrario que con la soldadura, la distribucin de tensiones que se consigue es uniforme, y no se producen deformaciones inadmisiblemente elevadas por calentamiento ni se modifica la estructura del material. Adems, los adhesivos absorben golpes y vibraciones. Como desventaja se puede citar que este tipo de unin es inadecuada para temperaturas elevadas, estando el lmite de temperatura para la mayora de adhesivos entre 80 y 120C, si bien algunos adhesivos especiales llegan a soportar 450C. Hay que tener en cuenta adems que las piezas a unir mediante pegado requieren de una cuidadosa limpieza y preparacin previa. Este tipo de uniones no tiene buen comportamiento ante solicitaciones de flexin, traccin y despellejado, por lo que hay que evitar dichas situaciones. En las uniones pegadas aparecen prdidas de resistencia por envejecimiento. Desfavorable Favorable

Despellejado (pelado)

Traccin

Cortadura

En cuanto al campo de aplicacin de las uniones pegadas, se utilizan en aquellos casos en donde se persigue una construccin ligera: uniones en alas, fuselaje y hlices en aviacin; material compuesto con ncleo ligero (material tipo sandwich) muy utilizado en el campo aerospacial. En la fabricacin de vehculos se pegan cuadros de bicicleta y de ciclomotores, zapatas de frenos... En la industria elctrica el pegado de paquetes de chapas favorece tanto el aislamiento como la eliminacin de tensiones de induccin internas; en la medicin con bandas extensomtricas el pegado juega un papel importante. Adems se pegan a menudo tuberas, recipientes de transporte de metales ligeros, equipos de refrigeracin, etc. Para uniones pegadas se utilizan adhesivos de elevada calidad como resinas epoxi o fenlicas. Se distinguen, segn el nmero de componentes: 1. Adhesivos de un solo componente, en los cuales el adhesivo contiene todos los ingredientes necesarios para el endurecimiento 2. Adhesivos de dos componentes, los cuales (resina y endurecedor) han de mezclarse antes de su manipulacin o aplicacin y segn la temperatura de fraguado: 1. Adhesivos que fraguan a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas 2. Adhesivos que slo fraguan a temperaturas elevadas Adems, los adhesivos pueden presentarse en forma fluida, pastosa, slida o como pelcula adhesiva.

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4.3.2. Dimensionamiento de uniones pegadas

Consideraremos uniones como las de la siguiente figura, que transmiten fuerza de cortadura y momento de giro, respectivamente: a)

F

b l

F

b)

b

M

d

Suponiendo una unin pegada realizada impecablemente las tensiones tangenciales que aparecen por cortadura en (a) valen:

=

F F = A bl

con lo que la mxima fuerza cortante transmisible es:

F = b l maxY las tensiones tangenciales que aparecen por el torsor en (b) valen:

2 M 2 M 2 M d , = d = = d b d2 A b 2 2con lo que el par mximo transmisible ser:

M=

b d 2 max 2

Para el clculo de max se suele utilizar un coeficiente de seguridad entre 2 y 3.

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