2/19/15

El diseo de la unin o junta soldada debe realizarse principalmente con base en los requisitos de carga. Sin embargo, las variables en el diseo y en los planos, pueden afectar en forma importante los costos de una estructura de acero.

El propsito de esta charla, es repasar ciertos lineamientos y factores que se deben considerar al disear las uniones soldadas, ya que afectan directa o indirectamente los costos. Estos factores son conocidos, pero en algunos proyectos, por diferentes razones, no se toman en cuenta.

SOLDADURA

Es la fusin localizada de metales o no metales, producida por calentamiento de los materiales a la temperatura de soldadura, con o sin la aplicacin de presin o por la aplicacin de presin por s sola y con o sin el uso de material de aporte.

UNIN SOLDADA

La unin o junta soldada es la unidad bsica funcional de una estructura de acero soldada.

Es la parte de la estructura de acero a travs de la cual se transfieren de un elemento a otro, cargas de diferentes tipos.

Los trminos unin o junta soldada y soldadura, no tienen el mismo significado.

SOLDABILIDAD

Es la capacidad del material de ser soldado bajo las condiciones de fabricacin impuestas en una estructura especfica, diseada adecuadamente para comportarse satisfactoriamente en el servicio previsto.

Es la propiedad fundamental del metal base para obtener uniones soldadas sanas.

FACTORES MS IMPORTANTES QUE AFECTAN LA SOLDABILIDAD

SOLDABILIDAD

La especificacin del procedimiento de soldadura (WPS), conforme a la Clusula 3 Prequalification of WPSs del cdigo de soldadura en vigor, Structural Welding Code-Steel: AWS D1.1/D1.1M:2010, considera los factores antes mencionados, para el tipo de unin soldada que determina el diseador o calculista. El fabricante y el montador son responsables del cumplimiento de la especificacin del procedimiento de soldadura (WPS).

El diseador o calculista determina que cargas se van a transferir, la geometra o configuracin de la junta que considera prctica para la transferencia de dichas cargas, y el tipo y tamao de las soldaduras que se utilizarn en esa unin.

El cdigo de soldadura estructural en vigor no exime al diseador o calculista de usar los criterios de ingeniera para determinar la conveniencia de la aplicacin de las uniones o juntas precalificadas en una conexin o estructura soldada.

El diseador o calculista debe considerar:

1- Si la unin es accesible para los soldadores e inspectores. 2- Si el diseo considera los factores econmicos de la soldadura.

3- Si la unin se puede tratar termicamente despus de soldar (postcalentamiento), en caso de que la unin produzca excesivos esfuerzos residuales.

SIMBOLOGA

Es imprescindible conocer perfectamente bien el smbolo de soldar y los smbolos de soldadura, para indicarle al soldador a travs de los planos, como debe soldarse determinada unin o junta.

El fabricante y el montador de la estructura de acero deben asegurarse de que los soldadores asignados al proyecto, estn capacitados, calificados y que tengan la experiencia necesaria para desarrollar su trabajo, cumpliendo al pie de la letra las instrucciones recibidas del diseador o calculista, mediante la simbologa que se presenta en los dibujos o planos del proyecto.

FINALIDAD DE LA UNIN SOLDADA

Las uniones soldadas estn diseadas ante todo para cumplir con los requerimientos de resistencia y seguridad para las condiciones de servicio que van a desempear.

Consideraciones para el diseo:

Unin soldada

Si en servicio, las cargas se aplican al cortante, flexin o

torsin.

Relacin entre la resistencia de la

unin y la resistencia del

metal base.

Corrosin

Evitar concentraciones de esfuerzos y obtener

un diseo ptimo para minimizar los

esfuerzos residuales.

Para el diseo de la unin soldada, adems del tipo de unin, el ngulo incluido, la abertura de raz y el hombro, as como el tipo y tamao de la soldadura, tambin es necesario considerar otros factores que afectan el costo de sta, tales como: el tipo y tamao del electrodo, el tipo de corriente, la polaridad, el amperaje que se utilizar y la posicin de soldar.

ngulo del bisel y abertura de raz pequeos

Preparacin correcta de la unin Abertura de raz excedida

Preparacin de la unin soldada

En espacios confinados, el ngulo del electrodo determina el ngulo del bisel.

No se recomienda hacer preparaciones con hombro cuando se utiliza placa de respaldo, porque pueden producirse mpulas de gas y normalmente se requiere trabajo de raz cuando se utiliza

hombro en uniones soldadas con penetracin completa.

SOLDADURAS DE RANURA

Para seleccionarlas, tener en cuenta:

! accesibilidad ! economa ! adaptacin a determinado diseo ! distorsin esperada ! proceso de soldadura

SOLDADURA DE RANURA

CON PENETRACIN COMPLETA

Apropiadas para todo tipo de cargas Soldaduras de ranura sencilla (sin respaldo = trabajo de raz) Soldaduras de ranura doble (trabajo de raz)

CON PENETRACIN PARCIAL

" Seccin sin soldar = concentracin de esfuerzos " Excentricidad de las fuerzas de contraccin: tiende a causar rotacin de cargas axiales

CON PENETRACIN PARCIAL

" En cargas estticas, los esfuerzos permisibles dependen del tipo y direccin de la carga y los requisitos del cdigo aplicable. " Las uniones soldadas solamente por un lado, no deben utilizarse en flexin con la raz en tensin, ni deben someterse a cargas transversales de fatiga, ni a cargas de impacto. " No deben estar expuestas a condiciones de corrosin " Para fines de diseo, la garganta efectiva nunca es mayor que la profundidad de la preparacin de la unin.

SOLDADURA DE RANURA EN DOBLE V

# Su resistencia depende de la penetracin completa de la junta # Pueden ser costosas cuando el espesor de la unin excede los 38 mm (1 ).

SOLDADURA DE RANURA EN DOBLE V

# Es econmica cuando la profundidad de la ranura no excede los 19 mm (3/4)

# En sus propiedades y aplicaciones tiene caractersticas similares a las soldaduras de ranura en V sencilla.

SOLDADURA DE RANURA CON BISEL SENCILLO

# Se requiere un procedimiento apropiado de soldadura para obtener una fusin completa sobre la cara perpendicular de la unin (sin biselar).

# En posicin horizontal, la cara perpendicular se debe colocar en el lado inferior para obtener buena fusin.

# Tiene las mismas caractersticas que las soldaduras de ranura en doble V .

# Es ms difcil obtener fusin completa sobre la cara

SOLDADURA DE RANURA CON DOBLE BISEL

perpendicular de la unin (sin biselar). # Se dificulta realizar un correcto trabajo de raz en la primera soldadura. # Es econmica cuando la profundidad de la ranura no excede aproximadamente los 19 mm (3/4) y el espesor de la unin es de 38 mm (1 ) o menor.

# Tienen las mismas caractersticas que sus similares soldaduras de ranura biselada.

# Son ms econmicas para secciones gruesas, siempre y cuando el ahorro en el metal de soldadura exceda el costo del maquinado o de la preparacin del borde. En algunas aplicaciones su uso es ms adecuado en posicin horizontal.

SOLDADURA DE RANURA EN J SENCILLA Y DOBLE

# Las soldaduras de ranura en U y las soldaduras de ranura en J se utilizan para aplicaciones similares.

# Se obtiene con facilidad la fusin completa.

# El trabajo de raz se logra ms facilmente en las ranuras en U.

SOLDADURA DE RANURA EN U SENCILLA Y DOBLE

SOLDADURA DE FILETE

# Cuando el diseo lo permite, por economa, se utilizan en vez de las soldaduras de ranura. # Desde el punto de vista de la preparacin de los bordes y el ajuste de la unin, son muy fciles de preparar, aunque a veces las uniones de ranura soldadas requieren menos soldadura.

# Cuando la ms pequea soldadura de filete continuo que es posible aplicar en una unin, resulta de una resistencia mayor que la requerida, se pueden usar soldaduras de filete intermitentes, para evitar sobresoldar, a menos que se requiera soldadura continua por las condiciones de servicio.

# Se miden por la longitud de las piernas del tringulo rectngulo ms grande que se puede inscribir dentro de la seccin transversal de la soldadura de filete.

# La garganta efectiva es su mejor indicador de la resistencia al cortante de la soldadura.

# Su resistencia se basa en la garganta efectiva y la longitud de la soldadura (rea efectiva).

# Su garganta real puede ser mayor que su garganta terica debido a la penetracin ms all de la raz de la soldadura (SAW y FCAW).

APLICACIONES DE LA SOLDADURA DE FILETE

# Por ser econmicas, se aplican en uniones en esquina, en T y traslapadas. # No se necesita preparacin, pero se requiere limpieza de las superficies. # Cuando su tamao es menor de 16 mm (5/8), generalmente se aplican para transferir esfuerzos al cortante transversales al eje de la soldadura. # Si la carga requiere una soldadura de filete de 16 mm (5/8) o mayor, una soldadura de ranura debe utilizarse posiblemente en combinacin con una soldadura de filete, para proporcionar la garganta efectiva requerida.

# Pueden utilizarse en uniones sesgadas en T o uniones de esquina que tengan un ngulo diedro de entre 60 y 135. Fuera de estos lmites, se consideran soldaduras de ranura con penetracin parcial.

# Se disean en base a la fuerza cortante en la garganta, independientemente de la direccin de la fuerza aplicada con respecto al eje de la soldadura.

# El esfuerzo cortante mximo se calcula en base a la superficie o rea efectiva de la soldadura.

# En el caso del acero, el esfuerzo cortante mximo se limita normalmente a aproximadamente el 30% de la resistencia a la tensin (traccin) nominal del metal de soldadura.

TAMAO DE LA SOLDADURA DE FILETE

# Deben ser lo suficientemente grandes para resistir la carga aplicada y para acomodar la contraccin del metal de soldadura durante el enfriamiento y evitar el agrietamiento, especialmente en secciones gruesas altamente restringidas. # Para minimizar la distorsin y el costo de la soldadura, el tamao de la soldadura de filete no debe ser excesivo. # En uniones traslapadas, no pueden exceder el espesor del borde expuesto.

# Para minimizar la distorsin y el costo de la soldadura, el tamao de la soldadura de filete no debe ser excesivo.

SOLDADURA DE FILETE SOBRE SOLDADA

SOLDADURAS DE FILETE EN LADOS OPUESTOS DE UN PLANO DE CONTACTO COMN

SOLDADURAS DE FILETE EN CONEXIONES DE DIAGONALES Y MONTANTES CON CUERDAS

INFERIOR Y SUPERIOR DE ARMADURA

! Su uso se limita a cargas ligeras. ! Debido al efecto de muesca, no se

debe permitir momentos flexionantes que puedan producir esfuerzos de tensin en la raz una soldadura de filete.

! Por esta razn, no se deben utilizar soldaduras de filete en uniones traslapadas que puedan rotar bajo carga.

SOLDADURAS DE FILETE SENCILLO

! No deben estar sujetas a cargas de impacto. ! Cuando se usen con cargas de fatiga, el rango de esfuerzo

permisible debe estar sujeto a limitaciones estrictas.

! Es preferible utilizar pequeas soldaduras de filete doble, que una soldadura de filete sencillo grande.

! Bajo cargas estticas, con soldaduras de filete dobles se puede obtener la resistencia completa de una placa de acero.

SOLDADURAS DE FILETE DOBLE

! En uniones de esquina y en T, limitan la rotacin de los elementos sobre el eje longitudinal de la unin y minimizan los esfuerzos de tensin en la raz de las soldaduras.

! Estos tipos de uniones pueden cargarse ciclicamente paralelamente a los ejes de las soldaduras.

! Se pueden combinar con uniones de ranura con penetracin completa y parcial.

SOLDADURAS DE FILETE DOBLE

! En uniones traslapadas con doble soldadura, el traslape mnimo debe ser debe ser de 5 veces el espesor del metal base, para evitar la rotacin de la unin bajo carga.

# Fcil de aplicar # No requiere preparacin especial # Electrodos gruesos # Mayor intensidad de corriente

SELECCIN DEL TIPO DE SOLDADURA

Mayor cantidad y velocidad de depsito de soldadura

# Tiene la mitad de la seccin transversal que (A)

# Requiere preparacin # Electrodos delgados para el

fondeo

(B)

(A)

# Requiere la misma cantidad de soldadura que (A) # Requiere preparacin # Menor velocidad de depsito en el fondeo

(C)

COSTO DE SOLDADURAS DE FILETE Y DE RANURA

En placas gruesas, el costo del filete doble puede exceder el de una soldadura de ranura con bisel sencillo, aunque la unin se posicione de tal forma que se pueda soldar en posicin plana.

Si se combina una soldadura de ranura con bisel sencillo con un filete de soldadura a 45 (C), el rea de seccin transversal es aproximadamente el 50% del rea del filete (A). La profundidad del bisel en (C) es menor que en (B).

Una soldadura similar a (C) con 60 de ngulo de la ranura y un

Un filete (A) con garganta efectiva igual a la de una unin de penetracin parcial con soldadura de ranura de bisel sencillo a 45 (B), requiere el doble de soldadura que sta, sin embargo puede no ser tan econmica que una soldadura de filete, debido al costo de la preparacin de la unin.

filete con piernas desiguales y la misma garganta efectiva (D), tambin requiere menos soldadura que (A). (D) permite el uso de mayor corriente de soldadura.

SOLDADURAS DE FILETE Y RANURA (C) y (D) COMBINADAS

" La garganta efectiva deseada se puede obtener ajustando las dimensiones de la ranura y la longitud de la pierna del filete. " Se debe considerar la accesibilidad de la raz para soldar y la concentracin de esfuerzos en los pies de la soldadura de filete. " Para propsitos del diseo, se utiliza la garganta efectiva mnima. " La garganta efectiva de soldaduras combinadas no es la suma de las gargantas efectivas de cada soldadura. " Para determinar la garganta efectiva, la combinacin de las soldaduras se trata como una sola soldadura.

UNIONES DE ESQUINA Se utilizan ms en el diseo de equipos y maquinaria. (A) -Es difcil posicionar la esquina

con esquina y requiere ajustes. -Se utilizan electrodos delgados y poca corriente en el fondeo.

(B) -Fcil de armar -No requiere respaldo

-Se requiere aproximadamente la mitad de soldadura que (A) -Menor resistencia que (A) por su garganta efectiva ms pequea

(C) -los filetes exterior e interior dan la misma garganta efectiva total que (A) con la mitad de soldadura

(D) Generalmente se utiliza en secciones gruesas -Requiere preparacin de la unin

(E) -Se utilizan para obtener mayor penetracin, al igual que la soldadura de ranura en U, en lugar de la soldadura de ranura biselada

(F) -Un filete interno en la esquina, la hace limpia y econmica -El filete interior se puede utilizar solo o combinado con cualquiera de las otras uniones de esquina

! Siempre se debe disear el tamao de la soldadura con referencia en el espesor del elemento ms delgado, ya que la unin no puede ser ms resistente que el elemento ms delgado y de esta forma se minimizan los requerimientos del metal de soldadura para reducir el costo.

! Durante la fase de diseo, siempre se debe considerar el desgarre lamelar al que estn expuestos los bordes de las uniones de esquina en placas de acero gruesas.

! Las uniones de esquina con penetracin parcial con soldaduras de ranura en V sencilla (D) y en J sencilla (E) o de ranura en U, reducen considerablemente las fuerzas de contraccin a travs del espesor y tienen menor tendencia a producir desgarres lamelares, que las uniones soldadas de esquina similares a (F).

Bibliografa

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