tema 2 electrodos v3

HIDROCAPITAL Curso de Soldadura 30

TEMA 2

ELECTRODOS Y TENSIONES RESIDUALES

Elaborado por:

Víctor Bolívar


TEMA 2

ELECTRODOS Y TENSION RESIDUAL

Contenido 2.1.- ELECTRODOS. ......................................................................................................... 33

2.1.1.-Descripción del proceso ......................................................................................... 34 2.2.-ELECTRODOS PARA SOLDADURA ARCO MANUAL ..................................... 34

2.2.1.-Fabricación de electrodos ....................................................................................... 35 2.2.2.-Envasado. ............................................................................................................... 35 2.2.3.-Control de calidad. ................................................................................................. 35

2.2.4.-Propiedades mecánicas de los electrodos. .............................................................. 36 2.2.5.-Certificación de electrodos. .................................................................................... 36 2.2.6.-Clasificación de Electrodos según Normas AWS .................................................. 36

2.2.6.1.-Clasificación de los electrodos según AWS D.1.1 ......................................... 42 2.2.6.2.-Electrodos especiales: ..................................................................................... 43

2.2.7.-ELECTRODOS PARA SOLDAR ACERO AL CARBONO ................................ 44

2.2.7.1.-Procedimiento para soldar Acero al Carbono ................................................. 44 2.2.8.-CLASIFICACION AWS: E-6010 .......................................................................... 45

2.2.8.1.-Descripción. .................................................................................................... 45 2.2.8.2.-Usos. ................................................................................................................ 46 2.2.8.3.-Aplicaciones típicas. ....................................................................................... 46

2.2.8.4.-Procedimiento para soldar ............................................................................... 46

2.2.8.5.-Composición química (típica) del metal depositado ....................................... 46 2.2.9.-CLASIFICACION AWS: E-6013 .......................................................................... 47

2.2.9.1.-Descripción ..................................................................................................... 47

2.2.9.2.-Usos ................................................................................................................. 47 2.2.9.3.-Aplicaciones típicas. ....................................................................................... 47

2.2.9.4.-Procedimiento para soldar. .............................................................................. 48 2.2.9.5.-Composición química (típica) del metal depositado ....................................... 48

2.10.-ELECTRODOS PARA ACEROS DE BAJA Y MEDIANA ALEACION (BAJO

HIDROGENO) ................................................................................................................... 48

2.10.1.-Procedimiento para soldar .................................................................................... 48 2.10.2.-Soldadura en plano. .............................................................................................. 49

2.10.3.-Soldadura vertical. ................................................................................................ 49 2.10.4.-Soldadura sobre-cabeza ........................................................................................ 49

2.11.-CLASIFICACION AWS: E-7018 ............................................................................ 49 2.11.1.-Descripción .......................................................................................................... 50 2.11.2.-Usos ...................................................................................................................... 50

2.11.3.-Composición química (típica) del metal depositado: ........................................... 50 2.12.- DEFORMACIONES, TENSIONES Y AGRIETAMIENTOS ............................ 51

2.12.1.-Importancia de estos fenómenos .......................................................................... 51 2.13.-TENSIONES RESIDUALES Y DISTORSIÓN ..................................................... 52

2.13.2.-Control de las tensiones residuales ...................................................................... 56 Secuencia a seguir cuando se aplica la técnica del paso del peregrino ........................ 60


2.13.2.1.-Precalentamiento. .......................................................................................... 60

2.13.2.2.-Martillado. ..................................................................................................... 60

2.13.2.2.1 Atenuación de tensiones .............................................................................. 61 2.13.2.3.-Soportes y montajes ...................................................................................... 61 2.13.2.4.-Número de pasadas. ...................................................................................... 62 2.13.2.5.-Predeformación. Cuando ............................................................................... 63

2.14.-COMO EVITAR O REDUCIR LAS DEFORMACIONES O TENSIONES ..... 64

2.14.1 Distorsión y deformación en juntas. ...................................................................... 65 2.15.-CAUSAS DE LOS ESFUERZOS RESIDUALES. ................................................. 69 2.16.- ESFUERZOS RESIDUALES MACROSCÓPICOS Y MICROSCÓPICOS. .... 69 2.17.-ESFUERZOS RESIDUALES EN PERFILES (TENSION Y COMPRESION) . 70 2.18.-DESGARRAMIENTO LAMINAR ......................................................................... 73

2.18.1.-Desgarramiento laminar. ...................................................................................... 74

2.19.-EMPALMES SOLDADOS EN SECCION PESADAS .......................................... 74 2.20.-VARIACIONES DE LAS PROPIEDADES MECANICAS .................................. 75


2.1.- ELECTRODOS.

En electricidad un electrodo: Son los terminales de un circuito eléctrico que puestos en

contacto con un material conductor de electricidad cierra el circuito, estableciéndose así el

paso de la corriente.

En soldadura eléctrica un electrodo es la varilla de metal que conectada a uno de los polos

del circuito eléctrico de soldadura, va fundiéndose con el calor producido por el arco

eléctrico, depositándose sobre la pieza a soldar. Existen electrodos de carbón o tungsteno

que no se funden, sino que solamente provocan la formación del arco.

Los materiales de aporte son propiamente los electrodos, varillas, alambres, flujo, etc. Que

constituyen el metal de aportación en la soldadura.

Técnicamente sería muy confuso y muchas veces imposible seleccionar el material de

aporte entre la gran variedad de marcas y tipos adecuados para cada trabajo, proceso de

soldadura y metal base, si no existieran adecuados sistemas de normalización para estos

materiales.

EE.UU. tiene las normas AWS (American Welding Society), ASTM (American Society for

Testing and Materials), Alemania las Normas DIN (Deutsche Industrie Normen), Japón

las Normas JIS; Inglaterra la Norma BSI (British Standard Institution, Rusia la Norma

GOST; Europa las Normas EN.

La Norma Técnica de mayor difusión y de empleo más generalizado es la establecida por la

American Welding Society – AWS (Sociedad Americana de Soldadura), con la que

normalmente una marca en cada país establece las respectivas equivalencias de sus

productos. Esta Norma nos servirá de guía para un estudio esquemático de los materiales de

aporte en los procesos de soldadura de mayor empleo en el país. Una información detallada

puede obtenerse por la AWS, A5.X, que hasta 1993 contaba con 22 especificaciones de

materiales de aporte para soldadura.


2.1.1.-Descripción del proceso

El sistema de soldadura Arco Manual, se define como el proceso en que unen dos metales

mediante una fusión localizada, producida por un arco eléctrico entre un electrodo metálico

y el metal base que se desea unir.

La soldadura al arco se conoce desde fines del siglo pasado. En esa época se utiliza una

varilla metálica descubierta (sin recubrimiento) que servía de metal de aporte.

Pronto se descubrió que el oxigeno y el nitrógeno de atmósfera eran causantes de fragilidad

y poros en el metal soldado, por lo que al núcleo metálico se le agrego un revestimiento que

al quemarse se gasificaba, actuando como atmósfera protectora, a la vez que contribuía a

mejorar notablemente otros aspectos del proceso.

El 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, esta constituidas por un conjunto de componentes minerales y orgánicos que

cumplen las siguientes funciones:

Producir gases protectores para evitar la contaminación atmosférica y gases ionizantes para

dirigir y mantener el arco.

Producir escoria para proteger el metal ya depositado hasta su solidificación.

Suministrar materiales desoxidantes, elementos de aleación y hierro en polvo.

2.2.-ELECTRODOS PARA SOLDADURA ARCO MANUAL

La industria de producción de electrodos para soldadura al Arco Manual, utilizando los más

modernos y eficientes sistemas de producción, lo que unido a una constante investigación y

a la experiencia de su personal, le ha permitido poder entregar al mercado productos de la

más alta calidad a nivel internacional.


2.2.1.-Fabricación de electrodos La industria en la actualidad utiliza en sus Plantas de Electrodos el moderno sistema de

Extrusión, en que a un núcleo o varilla de acero se le aplica un revestimiento o material

mineral orgánico, que da al electrodo sus características específicas.

Este sistema posee la gran ventaja de entregar un electrodo con un revestimiento totalmente

uniforme y concéntrico con el núcleo, lo que significara excelente soldabilidad y

eliminación de arco erráticos en su aplicación.

El proceso de secado es primordial para obtener un producto de alta calidad, es por ello que

las plantas cuenten con modernos hornos de secado continuo, en el cual el electrodo

alcanza gradualmente la temperatura máxima especifica, obteniendo de esta forma un

secado uniforme y total.

2.2.2.-Envasado. Electrodos para aceros al carbono y baja aleación.

Son envasados en bolsas de polietileno (5 Kg.), posteriormente en cajas de cartón (25 Kg.)

Electrodos para Aceros al carbón, baja aleación con bajo contenido de hidrogeno, Aceros

Inoxidables, Níquel y Bronce.

Son envasados en bolsas de polietileno (5Kg), posteriormente en cajas de cartón (25 Kg.).

Para dar una mayor protección contra la humedad y los golpes.

2.2.3.-Control de calidad. Tanto para el control de materias primas como de productos elaborados, y para su

constante investigación, la Industria posee modernos Laboratorios Químicos, dotado de

instrumental especializado.

Estos laboratorios no solo realizan controles físicos (tamaño, uniformidad, concentricidad,

consistencia del revestimiento) y químicos (de humedad, composición, etc.), sino que

también realiza un constante control de soldabilidad y características mecánicas del metal

depositado, con muestras de electrodos de producción, siendo esta la única manera de

comprobar la calidad final y eficiencia del producto terminado.

Los numerosos controles que se efectúan durante el proceso de fabricación y las pruebas

efectuadas al producto terminado, son anotados en una tarjeta de producción. Un número de


serie anotado en cada envase, permite individualizar el día y hora de fabricación de cada

electrodo, indicando el resultado de los controles a que fue sometido.

2.2.4.-Propiedades mecánicas de los electrodos. Al someter a prueba un metal depositado mediante arco eléctrico, es importante eliminar

algunas variables, tales como diseño de juntas, análisis del metal base, etc, por lo que se ha

universalizado la confección de una probeta longitudinal de metal depositado, para luego

maquinarla y someterla a prueba de tracción para conocer su punto de fluencia, resistencia

a la tracción, porcentaje de alargamiento y de reducción de área.

Antes de traccionar la probeta, si se trata de electrodos que no sean bajo Hidrogeno, se le

somete a un envejecimiento a 95-105 ºC durante 48 horas, con el fin de liberarlos de este

gas.

2.2.5.-Certificación de electrodos. Certificado de Calidad Lloyd’s Register of Shipping, American Bureau of Shipping,

(Agencia de Embarque Americana) Bureau Veritas, Germanischer Lloyd’s y Det Norske

Veritas.

Estas casas clasificadoras exigen su aprobación a los electrodos que se usan en la

construcción o reparación de buques que van a ser certificados en sus Registros.

Es por eso que ellos especifican las pruebas a que se deben someter y verifican que los

métodos y controles usados. En Fabricación estén de acuerdo con sus especificaciones.

Algunos electrodos están homologados por estas casas clasificadoras, por lo que pueden ser

usados en buques y equipos certificados por estas instituciones.

Ellas realizan un control anual para verificar la alta calidad que deben mantener los

electrodos.

2.2.6.-Clasificación de Electrodos según Normas AWS Las especificaciones más comunes para la clasificación de electrodos según la AWS son las

siguientes:


Especificación para electrodos revestidos de acero al carbono, designación AWS:

A5.1-91.

Especificación para electrodos revestidos de aceros de baja aleación, designación

AWS: A5.5-96.

Especificación para electrodos revestidos de aceros al cromo, y cromo-níquel

resistentes a la corrosión designación AWS: A5.4-92.

Especificación para varillas de aporte en uso oxiacetilénico y/o TIG, designación

AWS: A5.2-92.

Especificación para electrodos revestidos para soldaduras de Fe fundido,

designación AWS: A5.15-90.

Especificaciones para electrodos continuos y fundentes para Arco Sumergido,

designación AWS: A5.17-97.

Especificaciones para electrodos de aceros dulces, para soldadura con electrodos

continuos protegidos por gas (MIG/MAG), designación AWS: A5.18-93.

En la especificación para aceros al carbono de electrodos revestidos, el sistema de

clasificación está basado en la resistencia a la tracción del depósito.

Para las posiciones vertical y sobre-cabeza existe una limitación de diámetro hasta 3/16˝

comúnmente y de 5/32˝ para electrodos de B.H. (Bajo Hidrogeno)

Los sistemas de clasificación para los electrodos revestidos de acero de baja aleación son

similares a la de los aceros al carbón, pero a continuación del cuarto digito existe una letra

y un digito que indican la composición química del metal depositado. Así la A significa un

electrodo de acero al Carbón-Molibdeno; la B un electrodo al Cromo- Molibdeno, la C un

electrodo al Níquel y la letra D un electrodo al Manganeso- Molibdeno.

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 E60XX indica un

electrodo revestido cuyo deposito posee como mínimo 60.000 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

El último dígito indica el tipo de revestimiento del electrodo. Sin embargo para una

identificación completa es necesario leer los dos dígitos en conjunto.

El dígito final indica la composición química, según esta clasificación.

En las especificaciones para aceros inoxidables AWS: A5.4-92, la. American Iron and Steel

Institute, Wáshington (AISI) clasifico estos aceros por números, y estos mismos se usan

para la designación de los electrodos. Por lo tanto, la clasificación para los electrodos de

acero inoxidables, como 308, 347, etc. Es su número y luego dos dígitos más que indican

sus características de empleo (fuente de poder, tipo de revestimiento, etc.). La letra L a

continuación de los tres primeros dígitos indica que el acero inoxidable es de bajo

contenido en carbono.

Fig. 2.1


Fig. 2.2

Tabla de electrodos

CLASIFICACION

AWS

TIPO DE

REVESTIMIENTO

CORRIENTE Y

POLARIDAD

POSICION A

SOLDAR

E-6010 CELULÓSICO SODICO CC.EP P.V.SC.H

E-6011 CELULÒSICO

POTASICO

CA.CC.EP. P.V.SC.H

E-6012 RUTÍLICO SÓDICO CA.CC.EN. P.V.SC.H

E-6013 RUTILICO POTÁSICO CA.CC.AP. P.V.SC.H

E-7014 RUTILICO H.P. CA.CC.AP. P.V.SC.H

E-7015 RUTILICO SODICO B.H CC.EP. P.V.SC.H

E-7016 RUTILICO POTASICO

B.H

CA.CC.EP P.V.SC.H

E-7018 RUTILICO POTASICO

B.H-HP.

CA.CC.EP. P.V.SC.H

E-6020 OXIDO DE HIERRO CA.CC.AP P.H.FILETE

E-7024 RUTILICO H.P CA.CC.AP P.H.FILETE

E-7027 OXIDO DE HIERRO H.P CA.CC.AP P.H.FILETE

Nomenclatura

HP: Hierro en polvo CC: Corriente Continua EP: Electrodo Positivo P: Plana

BH: Bajo Hidrogeno CA: Corriente Alterna EN: Electrodo Negativo V: Vertical

AP: Ambas Polaridades SC: Sobre-cabeza H: Horizontal


Fig. 2.3 a) proceso de soldadura

Fig. 2.3 b) Electrodos de corte.

Fig. 2.3 c) Electrodos 6010.


Fig. 2.3 d) Electrodos 7018.

Fig. 2.3 e) Electrodos 6013.


2.2.6.1.-Clasificación de los electrodos según AWS D.1.1

El sistema de numeración de electrodos, los clasifica así:

E - X - X X X - X X

Electrodo

Resistencia mínima a la

tracción

60------------60.000 psi

70------------70.000 psi

80------------80.000 psi

110---------110.000 psi

Posición

1 ------------ todas

2 ------------ plana y horizontal

4 ------------ plana horizontal, sobre

cabeza y vertical

bajando.

Tipo de revestimiento y corriente de

soldadura

Revestimiento Corriente

0 Celulósico cc+

1 Celulósico ca, cc+, cc

-

2 Rutílico ca, cc-

3 Rutílico ca, cc+, cc

-

4 Rutílico-polvo de hierro ca, cc+, cc

-

5 Bajo hidrógeno ca, cc+

6 Bajo hidrógeno

7 Polvo de hierro-

óxido de hierro ca, cc+, cc

-

8 Bajo hidrógeno-

polvo de hierro ca, cc+

cc+: Corriente continua electrodo positivo

cc-: Corriente continúa electrodo negativo

Ca: Corriente alterna

Identificación de electrodos de acuerdo a la AWS (A5.1 y A5.5). Los electrodos de aceros aleados,

como los aceros inoxidables y de materiales no-ferrosos se identifican generalmente de acuerdo a su

composición química.

Composición Química:

A1: 0,5 % Mo

B1: 0,5 % Cr, 0,5 % Mo

B3: 2,25 % Cr, 1 % Mo

B4: 2 % Cr, 1 % Mo

B5: 0,5 % Cr, 1 % Mo

C1: 2,5 % Ni

C2: 3,25 % Ni

C3: 1 % Ni, 0,35 % Mo, 0,15 % Cr

D1 y D2: 0,25-0,45 % Mo, 0,15 % Cr

G: Se requiere un porcentaje especifico de

algunos de los siguientes elementos: Ni, Cr,

Mo, V, Mn.


Los electrodos estructurales incluyen aquellos cuyo metal aportado puede ser forjado,

siendo su empleo en estructuras metálicas, astilleros etc.

La carga de rotura mínima en estos electrodos es de 44 Kg /mm2

Los electrodos resistentes se caracterizan por su gran resistencia a la tracción siendo su

carga de rotura de 55 Kg / mm2 y su resistencia de 12 Kilográmetro por cm

2

Se emplea para soldar aceros de alto contenido de carbono y aceros aleados.

2.2.6.2.-Electrodos especiales:

Estos existen para trabajos especiales como son:

Electrodos para soldadura de la fundición. Si la soldadura es en frío los electrodos

empleados son de aceros especiales y existen dos clases:

Clase FNL = fundición no limable. El cordón depositado no puede

limarse y son de acero con alto contenido de carbono y silicio.

Clase FL = fundición limable. El metal aportado puede limarse y están

compuestos de una aleación de níquel, cobre y hierro.

Para soldar en caliente los electrodos especiales empleados son también de

fundición:

Electrodos de corte: Son especialmente aptos para soportar las grandes

intensidades necesarias para el corte por arco eléctrico.

De gran penetración: Son capaces de soportar intensidades mayores que las

normales, consiguiéndose con ellos penetraciones hasta de 8 mm. Pudiéndose

soldar chapas hasta de 16 mm. Con un cordón sencillo a cada lado. Trabajan con

tensiones de arco superior a los 50 voltios.

Automáticos: Es fabricada especialmente para soldadura a máquina.

Semiautomáticos: Son electrodos generalmente oxidantes de la clase extra

suave.

Es excelente en la soldadura en ángulo interior y su manejo es sumamente fácil, pues

basta apoyar la punta del electrodo en cada una de las chapas que forman el ángulo y el

arco salta entre el rincón de las chapas y la copa formada en el extremo del electrodo.


Fig. 2.4

De contacto: Su manejo es igual que los anteriores.

Pueden depositarse cordones sobre una chapa plana apoyando sencillamente la punta

sobre ella como si fuera un lapicero.

TABLA

Fig 2.5

2.2.7.-ELECTRODOS PARA SOLDAR ACERO AL CARBONO

2.2.7.1.-Procedimiento para soldar Acero al Carbono

Los mejores resultados se obtienen manteniendo un arco mediano, con lo que se logra

una fusión adecuada, permitiendo el escape de gases además de controlar la forma y

apariencia del cordón.


Para filetes planos y horizontales, conviene mantener el electrodo en un Angulo de 45º

respecto a las planchas, efectuar un pequeño avance y retroceso del electrodo en el

sentido de avance. Con ello se logra una buena fusión al avanzar, se controla la

socavación y la forma del cordón al retroceder al cráter.

Para filetes verticales ascendentes, se mantiene el electrodo perpendicular a la plancha

moviéndolo en el sentido de avance. El movimiento debe ser lo suficientemente rápido

y la corriente adecuada para permitir alargar el arco y no depositar cuando se va hacia

arriba, para luego bajar al cráter y depositar el metal fundido, controlando la socavación

y ancho del cordón.

La soldadura sobre-cabeza se ejecuta en forma similar a la horizontal, pero la oscilación

en el sentido de avance debe ser mayor para permitir que el metal depositado en el

cráter se solidifique.

Cuando se suelda vertical descendente, el cordón de raíz se hace con un avance

continuo, sin oscilar, y la fuerza del arco se dirige de tal manera que sujete el baño de

fusión. Para los pases sucesivos se puede usar una oscilación lateral.

2.2.8.-CLASIFICACION AWS: E-6010

Electrodo para acero al carbón

Con hierro en polvo

Toda posición

Corriente continúa. Electrodo positivo

2.2.8.1.-Descripción.

Electrodo con polvo de hierro en el revestimiento, que permite una velocidad de depósito

mayor y una aplicación más fácil, junto con propiedades mecánicas sobresalientes. La

estabilidad del arco y el escudo protector que da el revestimiento ayudan a dirigir el

depósito reduciendo la tendencia a socavar. Esta diseñado según los últimos adelantos

técnicos para óptimos resultados prácticos.


2.2.8.2.-Usos.

Este electrodo tiene un campo de aplicación muy amplio, en especial cuando es necesario

soldar en toda posición.

2.2.8.3.-Aplicaciones típicas.

Estanques

Estructuras

Planchas corrientes y galvanizadas

Tuberías de presión

Cañerías (canales)

Barcos

2.2.8.4.-Procedimiento para soldar

Para obtener los mejores resultados, se recomienda un arco de longitud mediana que

permita controlar mejor la forma y aspecto del cordón.

Para soldadura de filetes planos y horizontales, se recomienda mantener el electrodo a 45º

con cada plancha, oscilándolo en el sentido del avance. El movimiento adelante tiene por

objeto obtener buena penetración y el movimiento hacia atrás controla la socavación y la

forma del cordón.

En la soldadura vertical se recomienda llevar el electrodo en un ángulo de casi 90º,

inclinándolo ligeramente en el sentido de avance. Se debe llevar un movimiento de vaivén,

alargando el arco para no depositar metal en el movimiento hacia arriba y luego

acortándolo para depositar en el cráter y así controlar las dimensiones del depósito y la

socavación.

2.2.8.5.-Composición química (típica) del metal depositado

C = 0,12%; Mn = 0,60%; P = 0,020%; S = 0,020%; S i = 0,24%


CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DEL METAL DEPOSITADO

Resultados de pruebas de tracción con probeta de

metal de aporte (según norma AWS:A5.1-91)

Requerimientos según norma AWS: A5.1-91

Resistencia a la tracción: 72.500lb/pulg2 (500MPa) 60.000lb/pulg

2 (414 MPa)

Limite de fluencia: 64.000lb/pulg2 (441 MPa) 48.000lb/pulg

2 (331 MPa)

Alargamiento en 50 mm: 26% 22%

Nota: 1 Mega Pascal = 10,197 Kgf/cm2 = 1N/mm2

1 kg/cm2 = 14,22 psi

2.2.9.-CLASIFICACION AWS: E-6013

Electrodo para acero al carbono

Toda posición

Corriente continúa. Ambas polaridades

Corriente alterna

2.2.9.1.-Descripción

El electrodo E-6013 tiene un revestimiento que produce escoria abundante y un depósito

muy parejo. Su arco es muy suave y estable aunque de baja penetración. Tiene muy buenas

características de trabajo, aún con máquinas soldadoras de corriente alterna con bajo voltaje

en vació. Aunque especialmente formulado para corriente alterna, se puede usar también

con corriente continua.

2.2.9.2.-Usos

Este electrodo es especialmente recomendado para trabajos en láminas metálicas delgadas y

en toda clase de acero dulce, en los cuales se tenga como requisito principal la facilidad de

aplicación, siempre que no se exijan características mecánicas elevadas en las uniones.

Debido a su baja penetración, se recomienda para soldar planchas de espesores menores de

1/4˝ (6,35 mm).

2.2.9.3.-Aplicaciones típicas.

Cerrajería.


Muebles metálicos

Estructuras livianas.

2.2.9.4.-Procedimiento para soldar.

Puede utilizarse corriente alterna o continua, ambas polaridades.

Los electrodos E-6013 producen depósitos uniformes y lisos con poca perdida por

salpicaduras, y la escoria puede eliminarse fácilmente.

En soldaduras verticales de tope o filetes se recomienda soldar de abajo hacia arriba. No es

necesario realizar movimientos de vaivén hacia delante con tanta frecuencia como en los

tipos E-6010.

2.2.9.5.-Composición química (típica) del metal depositado

C = 0,10%; Mn = 0,60%; P = 0,02%; S = 0,02%; Si = 0,25%

CARACATERISTICAS TIPICAS DEL METAL DEPOSITADO

Resultados de pruebas de tracción con probetas de

metal de aporte (según norma AWS: A5.1-91)


Resistencia a la tracción: 73.000 lb/pulg2 (503 MPa)

Limite de fluencia: 68.000lb/pulg2 (472 MPa)

Alargamiento en 50 mm: 24%

60.000lb/pulg2

(414 MPa)

48.000lb/pulg2 (331 MPa)

17%

2.10.-ELECTRODOS PARA ACEROS DE BAJA Y MEDIANA ALEACION

(BAJO HIDROGENO)

2.10.1.-Procedimiento para soldar

El procedimiento para soldar todos los electrodos de bajo Hidrogeno es básicamente el

mismo. Las aleaciones incorporadas a sus revestimientos no afectan las características

de operatividad de los electrodos. Para los que poseen hierro en polvo se debe usar una


corriente ligeramente mayor (EXX18), que para aquellos que no lo contengan

(EXX16).

El arco debe mantenerse lo más corto posible en todo momento, pudiéndose usar una

oscilación muy suave para controlar la forma y ancho del cordón. En soldaduras de

varios pases, toda la escoria debe ser removida y la limpieza del cordón debe ser

efectuada a conciencia.

2.10.2.-Soldadura en plano. Esta soldadura debe ser hecha con el mayor amperaje permitido por diámetro, para

asegurar una buena fusión en los costados. Se puede usar una oscilación de 21/2 veces

el diámetro del electrodo, aunque se recomienda, para soldaduras anchas, varios

cordones angostos.

2.10.3.-Soldadura vertical. El cordón de raíz debe hacerse ascendente, con un arco corto y muy poco movimiento

en sentido de avance. El electrodo no debe ser movido bruscamente hacia arriba y por

ningún motivo alargar el arco. Es preferible para este cordón usar un movimiento en

forma de "V". El electrodo se mantiene un instante en el vértice de la "V" para lograr

penetración y remoción de escoria. El largo de la "V" no debe ser mayor de 1/8" (3,175

mm). El segundo cordón y los sucesivos pueden hacerse con un movimiento oscilatorio

de lado, deteniéndose en los costados para permitir que la escoria atrapada en el primer

cordón pueda salir a la superficie.

2.10.4.-Soldadura sobre-cabeza Se recomienda hacerlo con cordones angostos y mantener el electrodo en un ángulo de

30º respecto a la cara vertical.

Soldadura horizontal.

Los filetes horizontales deben hacerse con un cordón angosto, con el electrodo dirigido

dentro de la unión en un ángulo de 45º. El cordón angosto debe hacerse también en los

pases subsiguientes.

2.11.-CLASIFICACION AWS: E-7018

Electrodo para acero al carbono


Con hierro en polvo.

Toda posición.

Corriente continúa. Electrodo positivo

2.11.1.-Descripción El electrodo 7018 es de bajo contenido de hidrogeno y resistente a la humedad. Este

especialmente diseñado para soldaduras que requieren severos controles radiográficos

en toda posición. Su arco es suave y la perdida por salpicadura es baja.

2.11.2.-Usos El 7018 es recomendado para trabajos donde se requiere alta calidad radiográfica,

particularmente en calderas y tuberías. Sus buenas propiedades físicas son ideales para

ser usado en Astilleros.

Aplicaciones típicas

Aceros Cor-Ten, Mayari-R

Lukens 45 y50

Yoloy y otros aceros estructurales de baja aleación

Procedimiento para soldar

Para soldaduras de filetes horizontales y trabajo de soldadura en sentido vertical

descendente, debe usarse un arco corto. No se recomienda la técnica de arrastre.

En la soldadura en posición de sobre-cabeza debe usarse un arco corto con

ligero movimiento oscilatorio en la dirección de avance. Debe evitarse la

oscilación brusca del electrodo.

2.11.3.-Composición química (típica) del metal depositado: C = 0,06%; Mn = 1,00%; P = 0,012%; S = 0,015%; Si = 0,48

CARACTERÍSTICAS TÍPICAS DEL METAL DEPOSITADO

Resultados de pruebas de tracción con probetas de

metal de aporte (según norma AWS: A5.1-91)


Resistencia a la tracción: 73.000lb/pulg2 (505MPa)

Limite de fluencia: 63.300lb/pulg2

(437 MPa)

Alargamiento en 50 mm: 30%

70.000lb/pulg2 (480 MPa)

58.0000lb/pulg2(390 MPa)

22%


2.12.- DEFORMACIONES, TENSIONES Y AGRIETAMIENTOS

Todo trabajo de soldadura requiere una fuerte aportación de calor en una zona reducida.

Sabemos que todo cuerpo al calentarse se dilata y al enfriarse se contrae pero que al

enfriarse queda el material más contraído que antes de calentarlo. Estos fenómenos

En soldadura tienen enorme importancia, obligando a tomar una serie de precauciones.

Que si no se toman nos conducirán al fracaso en la mayor parte del trabajo.

El resultado del esfuerzo final de tracción de las partes fuertemente calentadas sobre las

Partes próximas pueden ser de 3 maneras.

Si las piezas que se sueldan, debido a su poca resistencia o que no estaban

debidamente sujetas, no resisten dichos esfuerzos y se deforman.

Si por resistencia de las piezas, resisten los esfuerzos y no se deforman pero queda

en ellas una tensión interna. Esto es una deformación contenida

Si el material es frágil, estos esfuerzos le producirán un agrietamiento Ejemplo: En

la soldadura de la fundición o en los aceros con un contenido de carbono

relativamente alto.

2.12.1.-Importancia de estos fenómenos -. Cuando mayor sea la cantidad de calor aportado en el trabajo de soldadura. Ejemplo:

Al soldar con electrodos gruesos y grandes intensidades.

-. Cuando mayor es la duración del trabajo (Ventaja de la soldadura eléctrica sobre la

oxiacetilénica; es más rápida).

-. Cuanto menor sea la conductibilidad térmica del material que se suelda. A menor

conductibilidad térmica. Mayor será la diferencia entre las temperaturas de las partes

que se sueldan y las partes próximas.

Los esfuerzos de tracción que da lugar un cordón de soldadura, según su dirección son:

Longitudinales.

Transversales.

Radiales.


Fig. 2.6

2.13.-TENSIONES RESIDUALES Y DISTORSIÓN

2.13.1.-Tensiones residuales

La resistencia de una junta soldada depende en gran medida de lo bien que se

controle la expansión y contracción del metal durante la operación de soldadura.

Cuando se aplica calor a una pieza metálica se originan fuerzas de expansión que

tienden aumentar las dimensiones de la misma. En el enfriamiento se invierte este

fenómeno y la pieza intenta recuperar su forma y dimensiones iniciales.

Estas dilataciones y contracciones no tienen consecuencias dignas de consideración

cuando se producen sobre piezas libres, es decir, cuando no hay fuerzas que restringen estos

movimientos. Tampoco suelen tener consecuencias graves cuando se sueldan materiales

dúctiles, pues éstos ceden y se alivian las tensiones.


Por el contrario, cuando dilataciones y contracciones no pueden producirse

libremente, las piezas se deforman si el material es dúctil y maleable, o se rompen si el

material es frágil.

Para entender los efectos de las dilataciones y contracciones de origen térmico

vamos a estudiar algunos casos sencillos.

Supongamos, en primer lugar, que la barra de la figura Fig.10 se calienta

uniformemente. Puesto que la pieza no encuentra ninguna oposición a la dilatación, ésta se

producirá libremente, aumentando todas las dimensiones de la pieza. Si a continuación se

deja enfriar, la barra recuperará su estado inicial.

Supongamos ahora que la barra se sitúa entre las mordazas de un tornillo, como

indica la Fig.2.8, y se calienta en estas condiciones.

Como los extremos de la barra no pueden desplazarse, la dilatación se producirá en

otra dirección. En este caso, se produce en sentido lateral.

Al calentar la barra se dilata Barra con dilatación impedida

Fig.2.7 Fig.2.8


Si el calor se aplica sólo a una zona de la barra, la dilatación no será uniforme. Las zonas

contiguas de metal frío se oponen a la libre dilatación y ésta se producirá solamente en la

zona calentada. Cuando esta zona empiece a enfriar, la contracción tampoco será uniforme

y la pieza quedará con una cierta deformación permanente como lo indica la Fig.2.9

Para mostrar los efectos de las fuerzas de dilatación y contracción sobre la

soldadura, vamos a analizar lo que ocurre en dos operaciones determinadas de soldadura.

En primer lugar, se trata de reparar por soldadura la rotura producida en el centro de la

barra libre que se muestra en la Fig.1.10. Durante el calentamiento aplicado para soldar, la

barra intentará dilatarse y como sus extremos están libres, éstos se desplazarán sin ninguna

dificultad. Posteriormente, cuando la barra se empiece a enfriar, Tampoco habrá fuerzas

que se opongan a la contracción, y ésta se verificará libremente hasta que la pieza recupere

su forma inicial.

Fig. 2.9. Esta pieza se ha deformado al no poder dilatarse libremente


Vamos a estudiar ahora lo que ocurre al tratar de reparar por soldadura la rotura que

presenta la barra central de la Fig.2.11. Hay que notar aquí que la barra a reparar no está

libre, sino que sus extremos están sujetos a una estructura rígida. Ya podemos adelantar

que si soldamos como en el caso anterior, sin tomar ninguna medida para evitar los efectos

de la dilatación y contracción, éstos se manifestarán negativamente sobre la pieza.

Puesto que las barras exteriores de la estructura se oponen al desplazamiento de los

extremos de la barra central, cuando ésta se calienta durante la soldadura, su dilatación sólo

puede producirse en un sentido, es decir, hacia la zona de la rotura donde se está

produciendo la fusión. De esta forma, justo al finalizar la operación de soldadura, las

barras exteriores estarán frías y con las dimensiones iniciales y la barra central caliente y

Fig.2.10. En la reparación de esta rotura, la dilatación y

contracción pueden producirse libremente al calentar y enfriar la

pieza.

Fig.2.11. La soldadura de la barra central de esta estructura puede originar

fisura si no se toman las medidas adecuadas


con la longitud inicial. Vamos a considerar ahora lo que sucede cuando se produce el

enfriamiento de esta barra central. Durante el enfriamiento, la única barra que intenta

acortarse es la del centro, pero, las exteriores se oponen a este acortamiento. Esto originará

un esfuerzo de tracción en la barra central que producirá una deformación en la misma si es

de material dúctil o incluso una rotura si el material de la estructura es frágil.

2.13.2.-Control de las tensiones residuales A continuación se citan algunas recomendaciones sencillas que pueden ayudar a

controlar las fuerzas originadas por las dilataciones y contracciones:

Preparación adecuada de pieza y bordes, Asegurarse que los bordes están correctamente

achaflanados. Una correcta preparación de los bordes no solo disminuye los efectos de la

distorsión sino que asegura una buena penetración de la soldadura. Aunque en algunos

casos el ángulo entre bordes puede reducirse (lo que disminuye la deformación) hay que

asegurarse de que queda suficiente espacio entre las piezas para permitir el manejo

adecuado del electrodo durante la operación de la soldadura (Fig.2.12).

Fig.2.12. Una preparación adecuada de los bordes disminuye la deformación


Fig.2.13. Deformación se aminora si las soldaduras se realizan cerca del eje neutro

En cordones largos, principalmente sobre espesores finos, es recomendable dejar en el

extremo una separación de 1 cm por cada metro de cordón (1/8”por pie) (Fig.2.14).

Fig 2.14. Preparación adecuada para cordones de gran longitud y pequeño espesor


Para controlar la expansión en cordones largos, también se puede recurrir al punteado.

Los puntos, de una longitud aproximada al doble del espesor a soldar, se disponen a

una distancia de unos 305 mm (12”). En este caso las piezas se dispondrán con una

separación de bordes constante en toda su longitud (Fig.2.15).

Cuando haya largos cordones longitudinales y pequeños transversales, es

recomendable depositar en primer lugar los cordones longitudinales (Fig.19).

Fig.2.16. Depositar primero el largo cordón longitudinal

Fig.2.15. El punteado de la pieza ayuda a mantenerlas en la posición adecuada


Reducir al mínimo la aportación de calor. El control de la cantidad de calor aportado

suele ser difícil para el aprendiz. Por el contrario, un soldador experimentado será capaz de

realizar un cordón con la mínima aportación de calor compatible con una buena velocidad

de soldadura.

Una técnica utilizada con cierta frecuencia para minimizar la aportación de calor es

la soldadura a saltos o por intermitencia. En vez de realizar una soldadura continua, se

realiza primeramente un pequeño cordón en el comienzo de la junta, se saltan luego unos

centímetros y se realiza un segundo cordón próximo al centro de la junta. Por último, se

realiza otro cordón al final de la junta. A continuación se vuelve al final del primer cordón

y se repite el ciclo hasta completar la soldadura (Fig.2.17).

El empleo de la técnica llamada de paso del peregrino, también reduce la

deformación. En esta técnica, en vez de depositar un cordón continuo, de un extremo a otro

de la junta, se van depositando pequeños cordones en el sentido y orden indicado en la Fig.

2.18.

Fig.2.17


Fig.21

Fig. 2.18. Secuencia a seguir cuando se aplica la técnica del paso del peregrino

2.13.2.1.-Precalentamiento. En muchas piezas, principalmente de aceros aleados o

fundición, las fuerzas de expansión y contracción pueden reducirse al mínimo si se calienta toda

la pieza antes de la operación de soldadura. Para que el precalentamiento sea efectivo, la

temperatura debe mantenerse uniforme durante toda la operación de soldadura y una vez

finalizada esta, la pieza debe enfriarse lentamente. El precalentamiento puede realizarse con

carbón, llama oxiacetilénica u otras llamas. Normalmente, cuando se trabaja de este modo, un

ayudante maneja el soplete de precalentamiento.

2.13.2.2.-Martillado. Para ayudar al cordón a ceder durante el enfriamiento, una práctica

común es la de golpearlo ligeramente con el extremo redondo de un martillo de bola. No

obstante, esta técnica debe aplicarse con mucho cuidado, pues un martilleado excesivo puede

añadir tensiones a la soldadura o producir una acritud del material, lo que lo haría más frágil (Fig.

2.19).

. Fig. 2.19


2.13.2.2.1 Atenuación de tensiones. Un método común para la eliminación de

tensiones es el Tratamiento térmico. El conjunto soldado se introduce en un horno capaz de

realizar un calentamiento uniforme y que permita un control de temperaturas. Una vez

calentada la pieza a la temperatura deseada, debe mantenerse a esta temperatura hasta que

se uniformice en toda la pieza.

Para evitar modificaciones en el metal a tratar, es muy importante calentar a la

temperatura adecuada. Por ejemplo, los aceros de contenido medio en carbono, requieren

temperaturas entre 595 y 650 o C, mientras que algunos aceros aleados exigen temperaturas

de 870 o C o incluso mucho más.

Después de mantener la pieza durante un cierto tiempo a la temperatura adecuada,

debe restarse calor gradualmente hasta una temperatura próxima a la temperatura

ambiente.

2.13.2.3.-Soportes y montajes. El empleo de estos dispositivos de amarre, ayuda a

reducir la deformación puesto que mantienen la pieza en una posición fija evitando

movimientos excesivos. Por soporte o montaje de soldadura se entiende todo dispositivo

que sujeta las piezas rígidamente en posición, durante la operación de soldeo, Fig. 2.20.

Fig. 2.20. Empleo de soportes rígidos aminora la deformación de las piezas


La Fig.2.21, nos muestra un dispositivo simple para mantener piezas planas. Las pesadas

placas de amarre no solo se oponen a la deformación, sino que además sirven de

refrigeración e impiden calentamientos excesivos de las piezas. Las placas de refrigeración

convienen que sean de cobre o de otros metales de alta conductividad térmica.

En las soldaduras en serie se emplean ampliamente diversos tipos de soportes y montajes.

Su empleo se debe a que permiten una mayor velocidad de soldadura y reducen al mínimo

cualquier tipo de deformación. Para este tipo de fabricaciones, el diseño de estos

dispositivos se acomoda al trabajo específico de producción que se va a realizar.

2.13.2.4.-Número de pasadas. La deformación puede reducirse aplicando el menor

número de pasadas posible. Un cordón depositado en dos pasadas mediante la aplicación de

grandes electrodos es normalmente mejor que si se realiza en tres o más pasadas con

electrodos más pequeños (Fig. 2.22).

Fig. 2.21. Las placas de refrigeración ayudan a reducir el calentamiento y la deformación en

la zona de soldadura

Fig.2.22. Utilizar pocas pasadas para reducir la deformación


2.13.2.5.-Predeformación. Cuando se suelda una unión a tope en V, dado que hay

una mayor cantidad de metal caliente en la parte superior que en la raíz de la V, se produce

una mayor contracción transversal en la parte superior. El resultado es la deformación que

se muestra en la Fig.2.23.

Fig. 2.23. Mayor contracción transversal

En las uniones T en ángulo inferior, la contracción transversal del cordón da lugar a

que las piezas se cierren como indica la Fig.2.24.

Fig. 2.24. Deformación típica en las uniones en filete

La solución más sencilla para evitar estas deformaciones es la de preparar las piezas con

una pequeña deformación en sentido contrario a la que se espera va a producirse durante el

soldeo. Posteriormente, durante el enfriamiento, las fuerzas de contracción llevarán las

piezas a la posición correcta. De acuerdo con este principio, las deformaciones mostradas


en las figuras. Pueden evitarse preparando las piezas como se indica en la Fig.2.23 y

Fig.2.24.

2.14.-COMO EVITAR O REDUCIR LAS DEFORMACIONES O TENSIONES

Primero, debe planificarse la soldadura de acuerdo a ciertas normas; además es de

suma importancia; la perfecta preparación de los bordes a unir, limpieza de los mismos etc.

Los sistemas más empleados para evitar deformaciones son:

a) Sujeción de las piezas a soldar por medio de puntos de soldadura, grupos,

tornillos etc.

b) Ejecutado el trabajo de soldadura en caliente con lo que la diferencia de

calor entre las partes que se sueldan y las partes próximas será menos

acusada; después hay que procurar que el enfriamiento sea lo mas lento

posible; Este procedimiento se emplea cuando las tensiones puedan dar

lugar a grietas.

c) Efectuando las soldaduras lo más rápidamente posible; para eso se

emplearán electrodos de fusión rápida, evitando el exceso de material de

aportación.

d) Martillando cada cordón (excepto los de raíz y los de superficie) al

terminar su ejecución, con lo cual se extenderán y al enfriarse se quedarán

como estaban. Se emplea principalmente en la soldadura en frió de la

fundición.

e) Produciendo deformaciones previas inversas a las que se han de producir

durante la soldadura; al final quedará en la forma deseada. Para esto es

necesario estudiar detenidamente las deformaciones que se ocasionarán al

soldar.

f) Realizando los cordones en un orden perfectamente estudiado

Se evitará el realizar más cordones que los necesarios o más

gruesos de lo que sea preciso.


Cuando se va a soldar estructuras metálicas, se procura siempre

soldar del centro hacia fuera y dejar para último los cordones que

inmovilicen la construcción.

No comenzar nunca un cordón sobre partes calientes al rojo.

2.14.1 Distorsión y deformación en juntas. Una estructura soldada es calentada localmente por los fenómenos de transferencia de

calor, motivado a una distribución de temperaturas no uniforme; los cuales conducen a

variaciones estructurales y metalúrgicas. Típicamente, el metal de aporte y la zona afectada

por el calor adyacente a la soldadura están a temperaturas que no afectan substancialmente

al metal base. Como el baño de fusión se solidifica y se contrae, se generan esfuerzos en los

alrededores del metal de aporte y en la zona afectada por el calor. Cuando se solidifica el

metal de aporte este se enfría a medida que se calienta el metal base, donde se ejercen

pequeños esfuerzos. Como es menor la temperatura del ambiente, los esfuerzos se

incrementan en el área de soldadura y eventualmente se alarga el límite de fluencia del

metal base y la zona afectada por el calor.

Cuando una soldadura se hace de manera progresiva, alrededor de las porciones ya

solidificadas ocurre la contracción. Como resultado, las porciones soldadas primero son

plásticamente deformadas con un estado de tensión en la dirección longitudinal, es decir, en

la dirección de la longitud del cordón mostrada en la figura 2.1. En el caso de juntas a tope

es normal que la soldadura permita un movimiento pequeño en la dirección transversal

debido a la preparación de la junta o el efecto de endurecimiento de los pases subsiguientes

de las capas. Como resultado de la deformación, se producen también esfuerzos residuales

transversales, mostrados en la figura 2.1. Para soldaduras de filete, los esfuerzos de

deformación pueden ser de tracción longitudinal y transversal a la cara de la soldadura

mostradas en la figuras 2.25 y 2.26


Fig. 2.25. y Fig. 2.26. Esfuerzos de deformación longitudinal y transversal en una junta a filete

Los esfuerzos residuales en estructuras soldadas pueden generar grandes efectos: distorsión,

causar fallas prematuras, o ambas. La distorsión es causada por contracciones cuando no se

calienta uniformemente la región soldada causando deformaciones en una parte de la

soldadura ejercida por fuerzas excéntricas en la sección transversal de la soldadura. Las

deformaciones elásticas de la estructura soldada son la respuesta de estos esfuerzos y

distorsiones como resultado de estados de tensiones no uniformes. La distorsión puede

aparecer en juntas planas como contracciones longitudinales o transversales y un cambio

angular (rotación) cuando la cara de la soldadura se reduce más que la raíz de la soldadura.

Luego se producen cambios de flexión transversal en las láminas a lo largo de la soldadura.

Estos se ilustran en la figura 2.27.


Fig. 2.27. Distorsión en una junta a tope

La distorsión en soldadura de filete es similar a la soldadura a tope, a saber, las

contracciones transversales y longitudinales así como la distorsión angular resultan del

desbalance natural de los esfuerzos en estas soldaduras. Estos se muestran en la figura 2.28.

Se usan a menudo soldaduras en filete en combinación con otras soldaduras en estructuras

soldadas. Por consiguiente, la distorsión resultante puede ser compleja. La distorsión en

estructuras soldadas es un factor importante, y el procedimiento usado para predecir la

distorsión en estructuras soldadas se discute a continuación.

Fig. 2.28. Distorsión de una junta a T (junta a filete)

El control de distorsión puede llevarse a cabo a través de varias técnicas. Las técnicas

normalmente usadas son el control, la geometría de la junta soldada, antes o durante la

soldadura. Los ejemplos de estas técnicas incluyen preposicionamiento de las piezas de

trabajos antes de ser soldadas, la distorsión en la soldadura permite que estas piezas

obtengan la geometría final deseada o sujetando firmemente las piezas de trabajo así ellas

no puedan torcerse durante el proceso de la soldadura. Diseñar y soldar las juntas de modo

que para la soldadura depositada sea balanceada en cada lado de la línea central, es otra

técnica útil. La selección y secuencia del proceso de soldadura puede permitir o no

distorsiones y esfuerzos residuales. Algunas de las distorsiones en las estructuras soldadas


pueden ser inmediatamente después del proceso de soldadura, es necesario, por medios

mecánicos o térmicos (calentando el material con un soplete) enderezarlas.

La fractura de los materiales es afectada por los esfuerzos residuales y distorsión, estos dos

fenómenos contribuyen al pandeo y a la fractura por fragilidad cuando la falla ocurre

aplicando niveles de tensión bajas. Cuando los esfuerzos residuales y las distorsiones están

presentes, puede ocurrir pandeo a cargas bajas comprensibles más que las predichas. En

tracción, el esfuerzo residual puede inducir esfuerzos locales altos, en la región soldada de

baja resistencia, y como un resultado puede iniciar grietas que puede propagarse a bajos

esfuerzos globales. Además, los esfuerzos residuales pueden contribuir a la falla por fatiga

o falla por corrosión.

El esfuerzo residual puede ser reducido o eliminado por medios térmicos o mecánicos.

Durante el alivio del esfuerzo térmico, la estructura soldada es calentada a una temperatura

a la cual el límite de fluencia del metal es bastante bajo como para producir fluencia

plástica y así permite el alivio de los esfuerzos. Como resultado del alivio del esfuerzo

térmico, las propiedades mecánicas de la estructura soldada son normalmente afectadas.

Por ejemplo, la resistencia a fractura de muchas estructuras de acero soldadas es mejorada a

través de alivio de esfuerzos térmicos. La dureza en la zona afectada por el calor disminuye

en este procedimiento. Los tratamientos de alivio de tensión también pueden reducir los

esfuerzos residuales, pero ellos no cambian significativamente la microestructura o dureza

de la soldadura o la zona afectada por calor.

Se deben considerar durante la fase de diseño:

Los efectos de esfuerzos residuales y distorsión.

La presencia de discontinuidades.

Las propiedades mecánicas de la estructura soldada.

Los requisitos para pruebas no destructivas.

La fabricación total y costos.

Los esfuerzos residuales y las distorsiones pueden reducirse a través de varias maneras:

1. Seleccionando procesos apropiados, procedimientos, secuencia de soldadura y

montaje.

2. Seleccionando los mejores métodos para aliviar esfuerzos y eliminar las

distorsiones.


3. Seleccionando un diseño detallado y materiales para minimizar los efectos de

esfuerzos residuales y las distorsiones.

2.15.-CAUSAS DE LOS ESFUERZOS RESIDUALES.

Los esfuerzos residuales son los que podrían existir en una estructura soldada después de

ser removidas las cargas externas. Se han aplicado varios términos técnicos a estos

esfuerzos interiores, iniciales inherentes y de reacción. Los esfuerzos residuales que

ocurren cuando una estructura está sujeta al cambio de temperaturas no uniformes, son

normalmente llamados esfuerzos térmicos.

Los esfuerzos residuales se desarrollan en estructuras de metal por muchas razones durante

varias etapas en su manufactura. Tales esfuerzos pueden ser producidos en muchos

componentes estructurales incluso láminas, barras y secciones durante la fusión o trabajo

mecánico (rolando, forjando, y doblando). Estos también pueden ocurrir durante la

fabricación por soldaduras y cortes térmicos.

Los tratamientos térmicos en las varias fases de manufactura también pueden influir en los

esfuerzos residuales. Por ejemplo, el enfriamiento rápido desde elevadas temperaturas,

mientras que el alivio de estos esfuerzos reduce la influencia de los tratamientos térmicos.

2.16.- ESFUERZOS RESIDUALES MACROSCÓPICOS Y

MICROSCÓPICOS.

Las áreas en las cuales existen los esfuerzos residuales varían enormemente desde una larga

porción de una estructura de metal a áreas en escala atómica. Ejemplos de estos esfuerzos

macroscópicos se muestran en la figura 2.29 (A, B, C) Cuando una estructura es calentada

por radiación solar desde un lado, se producen distorsiones y esfuerzos térmicos en la

estructura, como se muestra en la figura 2.29 (A). Los esfuerzos producidos por la

soldadura se muestran en la figura 2.29 (B). Los esfuerzos se confinan en las áreas cercanas

a la soldadura. En la figura 2.29 (C) se muestran esfuerzos producidos por el rectificado

realizado con alguna herramienta; estos se localizan en una capa delgada cerca de la

superficie.


Los esfuerzos residuales también ocurren en una escala microscópicas. Por Ejemplo, se

producen en aceros durante la transformación martensítica, porque tienen lugar a una baja

temperatura y resultan de la expansión del metal

Fig. 2.29. Esfuerzos residuales macroscópicos en varias escalas.

2.17.-ESFUERZOS RESIDUALES EN PERFILES (TENSION Y

COMPRESION)

Los esfuerzos que quedan en los miembros estructurales después del laminado o la

fabricación, se conocen como esfuerzos residuales. La magnitud de estos esfuerzos se


determina usualmente mediante la remoción de secciones longitudinales y la medición de la

deformación resultante. Por lo general, solo se miden los esfuerzos longitudinales. Para

cumplir con las condiciones de equilibrio, la fuerza axial y el momento obtenido por

integración de estos esfuerzos residuales sobre cualquier sección transversal del miembro,

deben ser iguales a 0.

En un perfil estructural laminado en caliente, los esfuerzos residuales provienen de tasas de

enfriamiento desiguales después del laminado. Por ejemplo, en una viga de aleta ancha el

centro de la aleta se enfría más lentamente y desarrolla esfuerzos residuales de tensión que

se equilibran con esfuerzos de compresión en otras partes de la sección transversal (figura

12.30a): En un miembro soldado, se desarrollan esfuerzos residuales de tensión cerca de la

soldadura y esfuerzos de compresión en otra parte proporcional el equilibrio, tal como se ve

para la sección de caja soldada de la figura 2.30b.

Para placas con bordes laminados (placa UM), los bordes de la placa tienen esfuerzos

residuales de compresión (figura 2.30c). Sin embargo, los bordes de placa cortados con

soplete tienen esfuerzos residuales de tensión (figura 2.30d). En un miembro soldado en

forma de I, la condición de esfuerzo en los bordes de las aletas antes de la soldadura se

refleja en los esfuerzos residuales finales (figura 2.30e). Aunque no se muestran en la figura

2.30, los esfuerzos residuales en los bordes de las placas obtenidos por cizallamiento,

varían a través del grosor de la placa. Esfuerzos de tensión están presentes en una

superficie, y esfuerzos de compresión en la superficie opuesta.

Las distribuciones de esfuerzos residuales antes mencionadas, son por lo general

relativamente constantes a lo largo de la longitud del miembro. Sin embargo, también

pueden ocurrir esfuerzos residuales en determinados sitios de un miembro, en razón del

flujo plástico localizado proveniente de operaciones de fabricación, tales como el

enderezamiento en frió o en caliente.

Cuando se aplican cargas a los miembros estructurales, la presencia de esfuerzos residuales

generalmente ocasiona alguna acción inelástica prematura; es decir, ocurre carencia en

porciones localizadas antes de que el esfuerzo nominal alcance el punto de cedencia.

En razón de la ductilidad del acero, el efecto sobre la resistencia de los miembros en

tensión no es usualmente significativo, pero los esfuerzos residuales excesivos de tensión,

en combinación con otras condiciones, pueden ocasionar fractura. En miembros en


compresión, los esfuerzos residuales disminuyen la carga de pandeo con respecto a la de un

miembro perfecto o ideal. Sin embargo, los criterios de diseño corrientes de uso general

para miembros en compresión tienen en cuenta la influencia del esfuerzo residual.

En miembros solicitados por flexión que tienen esfuerzos residuales, una pequeña deflexión

inelástica de magnitud insignificante puede ocurrir con la primera aplicación de carga. No

obstante, bajo cargas posteriores de la misma magnitud, el comportamiento es elástico.

Además, en miembros a flexión “compactos” la presencia de esfuerzos residuales no tiene

efecto sobre el momento último (momento plástico). En consecuencia, en el diseño de

miembros cargados estáticamente, por lo general no es necesario considerar los esfuerzos

residuales.


Fig. 2.30

2.18.-DESGARRAMIENTO LAMINAR

En un miembro de acero estructural sometido a tensión, la elongación y la reducción de

área en secciones normales al esfuerzo son por lo general mucho menor en la dirección a

través del grosor que en la dirección plana. Esta direccionalidad inherente es de escasa


consecuencia en muchas aplicaciones, pero se vuelve importante en el diseño y fabricación

de estructuras con uniones altamente restringidas, por la posibilidad de que se presente.

2.18.1.-Desgarramiento laminar. Este es un fenómeno de agrietamiento que comienza por debajo de la superficie de las

placas de acero como resultado de excesiva deformación a través del grosor, y por lo

común se asocia con la contracción de metal soldado en uniones altamente restringidas. El

desgarre tiene una apariencia escalonada que consta de una serie de terraplenes paralelos a

la superficie. El agrietamiento puede quedar completamente por debajo de la superficie o

emerger en los bordes de las placas o de los perfiles o en los bordes de las soldaduras.

La selección cuidadosa de los detalles de soldadura, metal de relleno y procedimiento de

soldadura, puede restringir el desgarramiento laminar en construcciones soldadas pesadas,

en particular en uniones con placas gruesas y perfiles estructurales pesado. Además, cuando

se requiere, los aceros estructurales pueden producirse mediante procesos especiales,

generalmente con bajo contenido de azufre y con control de inclusión, para mejorar la

ductilidad a través del grosor. El método más aceptado para medir la susceptibilidad de un

material al desgarramiento laminar es la prueba de tensión en una probeta redonda, en la

cual se observa la reducción del área de una sección orientada perpendicularmente a la

superficie laminar. La reducción necesaria para una aplicación dada depende de los detalles

específicos involucrados. Las especificaciones a las cuales un determinado acero puede

producirse están sujetas a negociaciones con los productores de este. ( r.l.Brockenbrough,

Chap. 1.2 in Constructional Steel Design—An Internacional GUIDE, r. Bjorhovde et., eds.,

Eisevier S cience Publishers, Ltd., New York).

2.19.-EMPALMES SOLDADOS EN SECCION PESADAS

La contracción durante la solidificación de grandes soldaduras en miembros estructurales

de acero ocasiona, en el metal restringido adyacente, deformaciones que pueden sobrepasar

la correspondiente al punto de cedencia. En material grueso, pueden desarrollarse esfuerzos

triaxiales porque hay restricción en la dirección del espesor así como en las direcciones

planares. Este tipo de condiciones inhibe la capacidad del acero para actuar de manera


dúctil y aumenta la posibilidad de una fractura frágil. En consecuencia, para miembros

sometidos a esfuerzos de tensión primarios debidos a tensión axial a flexión en

construcciones, las especificaciones del American Institute of Steel Construction (AISC)

para edificios de acero estructural, imponen exigencias especiales para los empalmes

soldados de los perfiles laminados ya sea del grupo 4 o del grupo 5 o de perfiles armados

soldando placas de más de 2 pulgadas de grosor. Las especificaciones incluyen exigencias

en cuanto a tenacidad de muesca, retiro de lengüetas y barras de respaldo de soldadura

(soldaduras pulidas), agujeros holgados de acceso a la soldadura, precalentamiento para

cortado térmico, y pulimento e inspección de los bordes de corte, Incluso para los

miembros de compresión primarios, deben tomarse las mismas precauciones para

determinar el tamaño de los agujeros de acceso a la soldadura, precalentamiento,

pulimento e inspección.

La mayor parte de los perfiles de aleta ancha pesados y de las Tés obtenidas a partir de

estos perfiles tienen regiones en las que el acero tiene una tenacidad baja, particularmente

en las intersecciones entre las aletas y el alma. Estas regiones de baja tenacidad se

presentan debido al enfriamiento más lento que hay allí y, debido a la geometría, la menor

presión de laminado aplicada allí durante la producción. En consecuencia, para asegurar la

ductilidad y evitar una falla frágil, debe considerarse el uso de empalmes empernados como

una alternativa a la soldadura.

(AISC Specification For Structural Steel Built Buildings-Allowable Stress and Plastic

Design and Load and Resistance Factor Design Specification For Structural Steel

Buildings, American Institute of Steel Construction; R. L Brockenbrough, Sec. 9, in

Standard Handbook For Civil Engineers, 4 th ed., McGraw-Hill, Inc., New York.

2.20.-VARIACIONES DE LAS PROPIEDADES MECANICAS

Las propiedades a tensión de los aceros estructurales pueden variar con respecto a los

valores mínimos especificados. Las especificaciones del producto generalmente exigen que

las propiedades del material como está representado por la probeta de prueba cumplan

ciertos valores. Con algunas excepciones, las especificaciones de la ASTM determinan una

frecuencia de prueba para los aceros de grado estructural de solamente 2 pruebas por colada


(en cada nivel de resistencia producido, si es aplicable) y pruebas más frecuentes para

grados de recipientes a presión. Si las coladas son muy altas, las probetas califican una

considerable cantidad de producto. Como resultado, hay una posibilidad de que las

propiedades en sitio diferentes de aquellos donde se tomaron las muestras sean diferentes

de las especificadas.

Para las placas, la ASTM A6 exige que se tome una probeta de prueba de una esquina. Si el

ancho de las placas es mayor de 24 pulgadas, el eje longitudinal de la probeta debe

orientarse transversalmente a la dirección final en la cual fueron laminadas las placas. Sin

embargo, para otros productos el eje longitudinal de la probeta debe ser paralelo a la

dirección final del laminado.

Para los perfiles estructurales, la probeta de prueba debe tomarse del alma. La aleta, que es

más gruesa, usualmente tendrá propiedades anteriores.

Un extenso estudio encargado por el American Iron and Steel Institute (AISI9 comparo los

puntos de cedencia de probetas tomadas de varios sitios con la prueba oficial del producto.

Los estudios indicaron que la diferencia promedio en los sitios de verificación era de -0.7

klb/pulg2

.

Para las aletas superior e inferior, en cualquier extremo de las vigas, la diferencia promedio

en los sitios de verificación fue de -2.6 klb/pulg2.

Aunque el valor de prueba en un determinado sitio puede ser menor que el obtenido en la

prueba inicial, la diferencia pierde importancia en la medida en que el valor obtenido de la

prueba oficial sobrepase el valor mínimo especifico. Por ejemplo, un estudio estadístico

hecho para desarrollar criterios para el diseño con coeficientes de carga y de resistencia,

mostró que los puntos de cedencia medios sobrepasaban el mínimo punto de cedencia

especificado Fy como se indica a continuación y con los coeficientes de variación

indicados (CDV).

Aletas de perfil laminados 1.05 Fy CDV = 0.10

Almas de perfiles laminados 1.10 Fy CDV = 0.11

Placas 1.10 Fy CDV = 0.11

Además, estos valores incorporan un ajuste a los puntos de cedencia estáticos inferiores.


Por razones similares, puede esperarse que la tenacidad de muesca varié a través de un

producto. (R. L. Brockenbrough, Chap. 1.2, in Constructional Steel Design- an

International Guide, R. Bjorhovde, ed Elsevier Science Publishers, Ltd., New York.

tema 2 electrodos v3

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