RESISTENCIA DE DISEÑO DE LAS SOLDADURAS DE FILETES
INTRODUCCION En la fabricación de acero estructural se utiliza de una manera extensa la soldadura de arco, fusión conjunta de metales al utilizar el calor generado por un arco eléctrico. Se muestra esquemáticamente el circuito eléctrico básico para casi todos los procesos de soldadura de arco. Por medio de un cable de tierra, se conecta una fuente de potencia eléctrica a la pieza de trabajo a soldar. Un segundo cable de la fuente de potencia, denominada cable del electrodo, se conecta al porta electrodo y después al electrodo (alambre soldante).
El electrodo arco se inicia en la punta del electrodo cuando este toca la pieza de trabajo, se cierra así el circuito, elevándolo después ligeramente sobre la pieza. El arco genera un intenso calor, suficiente para reducir el acero a su estado fundido.
INTRODUCCION En la fabricación de acero estructural se utiliza de una manera extensa la soldadura de arco, fusión conjunta de metales al utilizar el calor generado por un arco eléctrico. Se muestra esquemáticamente el circuito eléctrico básico para casi todos los procesos de soldadura de arco. Por medio de un cable de tierra, se conecta una fuente de potencia eléctrica a la pieza de trabajo a soldar. Un segundo cable de la fuente de potencia, denominada cable del electrodo, se conecta al porta electrodo y después al electrodo (alambre soldante).
El electrodo arco se inicia en la punta del electrodo cuando este toca la pieza de trabajo, se cierra así el circuito, elevándolo después ligeramente sobre la pieza. El arco genera un intenso calor, suficiente para reducir el acero a su estado fundido.
PROCESO DE En el proceso de soldadura de arco SOLDADURA DE ARCO metálico protegido, se utiliza un electrodo METALICO PROTEGIDO metálico (varilla) recubierto especialmente, que se consume durante el proceso. (SMAW) La cubierta consiste en una mezcla arcillosa de aglutinantes de silicato y
materiales en polvo, como carbonatos, fluoruros, óxidos, aleaciones metálicas y celulosa. Al paso de la corriente la resistencia del aire o de los gases dentro de la separación transforma transfo rma la energía eléctrica en calor. La cubierta se funde en el arco, y libera así gases inertes. En este proceso el arco eléctrico se protege por medio de gases, y de ahí su nombre. El arco funde el metal
del electrodo y el material base, y los
disuelve en un deposito común de metal fundido denominado cráter. Conforme se mueve el arco a lo largo de su trayectoria, el deposito se solidifica detrás de el para formar una soldadura
El proceso de soldadura de arco sumergido, utiliza un electrodo de alambre desnudo continuo y un material granular denominado fundente distribuido sobre la costura, en lugar de una varilla de electrodo cubierta. El electrodo de alambre desnudo se alimenta en forma automática desde un carrete a través del cabezal de soldado a una velocidad suficiente para mantener constante la longitud del arco. El fundente se deposita en forma automática por gravedad desde una tolva sobre el área de trabajo, adelante del electrodo en movimiento, en una cantidad suficiente para sumergir por completo el arco. Los constituyentes de los fundentes del arco sumergido son similares a las cubiertas de los electrodos del arco metálico protegido y por lo tanto, tienen propiedades eléctricas, metalúrgicas y físicas
PROCESO DE SOLDADURA DE ARCO SUMERGIDO (SAW)
SOLDADURA POR RESISTENCIA La soldadura por resistencia es un
proceso de calentamiento y presión, en el que las partes a soldar se calientan a la temperatura de fusión por medio de la resistencia eléctrica generada por el paso de una corriente muy elevada (hasta de 100,000A). Una vez que se alcanza la temperatura de fusión, se aplica presión mecánica para llevar a cabo la union La soldadura por resistencia comprende varios procesos, los mas importantes de los cuales son la soldadura por puntos y la soldadura de costura. La soldadura por puntos se realiza al traslapar las partes y apretar las piezas entre dos electrodos opuestos, a través de los cuales se hace pasar corriente y se aplica presión para llevar a cabo la soldadura en un solo punto. La soldadura de costura es similar a la de puntos, salvo que se utilizan electrodos rodantes para producir el efecto
ELECTRODOS Y FUNDENTES DE SOLDADURA
Los electrodos de soldadura son las varillas o alambres utilizados para realizar la soldadura. El tipo de electrodo usado afecta las propiedades de la soldadura, como la resistencia, ductilidad y resistencia a la corrosión. Los electrodos para soldadura deben cumplir con las especificaciones de la American Welding Society (AWS). Los electrodos usados en la soldadura de arco metálico protegido se clasifican como E60XX, E70XX, E80XX, E90XX, E100XX y E110XX. La "E" denota electrodo. Los primeros dos dígitos (o los primeros tres dígitos si el primero es 1) que siguen a la letra "E " indican el esfuerzo de tensión ultimo del metal de soldadura en Ksi. Los fundentes son constituyentes fundidos o aglomerados (pulverizados finamente) aglutinados mediante silicatos. Se clasifican en las especificaciones AWS de acuerdo con las propiedades del metal de aporte producidas en las pruebas de soldadura de especificación estándar. Las combinaciones de fundentes y electrodos para la soldadura de arco sumergido (SAW), que también sirven como material de relleno, se especifican por separado. Las características del material base y las propiedades deseadas en la propia soldadura, determinan la varilla de soldadura (para SMAW) o la combinación fundenteelectrodo (para SAW) elegidos.
Si las propiedades del material del electrodo son equivalentes a las propiedades del material base se dice que se trata de un electrodo
igualado
En la tabla se indican que electrodos deben igualarse con cada acero estructural en particular. El igualado que se utiliza aquí es la asignación de ciertos materiales de electrodos a metales base de acuerdo con el código AWS y con base en el esfuerzo de tensión ultimo del metal base y del metal de aporte
Se permite el uso de electrodos de un nivel mayor de resistencia que el de igualado. Normalmente, los grados de acero estructural característicos con Fy igual a 36 y a 50 Ksi, se sueldan con electrodos de material con 70 Ksi de resistencia nominal señalados como E70XX para SMAW o F7XEXXX para
TIPOS DE SOLDADURA
Las soldaduras utilizadas para el acero estructural se clasifican de acuerdo con la forma de su sección transversal, como filete, ranura, tapón
y muesca.
En el caso de las conexiones soldadas de acero para estructuras, las soldaduras de filete se utilizan en aproximadamen te el 80% de las veces; las de ranura el 15% y las de
muesca y de tapón el 5%.
Las soldaduras de filete en teoría tienen una sección transversal triangular y unen dos superficies aproximadamente en ángulos rectos, formados por el traslape o intersección de partes de miembros estructurales. Por ello, se pueden encontrar en uniones traslapadas, en Te y de esquina. Las soldaduras de ranura o de penetración son soldaduras que se depositan en una ranura o separación entre extremos, bordes o superficies adyacentes de dos partes a unir. Las soldaduras de ranura requieren de una preparación especial del borde, esto es, el maquinado o corte con flama de las partes a unir, con formas apropiadas para facilitar el soldado..
La posición del electrodo con relación a la conexión el soldado afecta la facilidad para su ejecución, el POSICIONES durante tamaño del electrodo elegido, la corriente requerida y el DE SOLDADO espesor de cada capa de soldadura, depositadas en soldaduras de pasadas múltiples Soldadura de filete
Soldadura de ranura
En el caso de soldaduras planas, la cara de la soldadura es casi horizontal y la soldadura se realiza desde arriba de la conexión.
Soldadura de filete
Soldadura de ranura
En el caso de soldaduras verticales, el eje longitudinal de la soldadura es casi vertical y la soldadura se realiza al mover el electrodo hacia arriba
Soldadura de filete
Soldadura de ranura
En el caso de soldaduras horizontales, el eje de la soldadura es horizontal. En el caso de las soldaduras de ranura, la cara de la soldadura es aproximadamente vertical; en el caso de las soldaduras de filete, la cara se encuentra, por lo general, a 45° de las superficies horizontal y vertical
Soldadura de ranura
Soldadura de ranura
En el caso de soldaduras sobre cabeza, el eje longitudinal de la soldadura es horizontal, el electrodo es casi vertical y la soldadura se realiza desde debajo de la conexión.
En las conexiones soldadas, la union es la parte de una superficie, común a los elementos a conectar. Existen cinco tipos básicos de conexiones soldadas, con base en la posición relativa de las placas a unir:
TIPOS DE UNIONES Conexiones traslapadas.-En una
conexión traslapada, las placas a conectar se traslapan una sobre la otra y se sueldan juntas. Los bordes de las piezas que se traslapan no traslapadas, a tope, en te, de requieren de ninguna preparación esquina y uniones de canto o especial. borde. Uniones a tope.-Se utilizan para conectar miembros de estructuras que se alinean en el mismo plano y se unen a tope Uniones en Te.-Se utilizan para unir el extremo de una placa a la superficie de otra
Uniones de esquina.-Se utilizan para fabricar
secciones de caja rectangular, armadas a partir de placas. Por lo general se utilizan soldaduras de ranura. Uniones de a borde.-Observe que ni la geometría de la propia soldadura ni el método de preparación del borde tiene alguna influencia en
SOLDADURAS DE FILETE En el caso de una soldadura de filete cóncava o convexa, el tamaño del lado se
La sección transversal de una soldadura de filete típica es un triangulo recto con lados iguales, y se mide mediante el triangulo recto mas grande que se puede inscribir dentro de la soldadura. define como tamaño de la soldadura de filete al A este triangulo se le llama soldadura de tamaño del lado, w. filete esquemática soldaduras de filete Terminología de la soldadura de filete Las mas utilizadas aumentan de tamaño en dieciseisavos de pulg, de 1/8 hasta ½ pulg, y en octavos de pulg. para tamaños mayores a ½ pulg. La soldadura de 5/16 de pulg. es de manera aprox. El tamaño mas grande que se puede depositar en una sola pasada con el proceso SMAW.
TAMAÑO MINIMO DE LA SOLDADURA DE FILETE El metal de relleno aunque solidificado, pero aun caliente, se contrae de manera significativa conforme se enfría a la temperatura ambiente. La restricción que el material grueso representa para la contracción de dicho metal de aporte, puede generar un agrietamiento de la soldadura. Para evitar la formación de grietas y minimizar la distorsión, las especificaciones establecen un tamaño mínimo de soldadura, wmin . En la tabla J2.4 del LRFD se dan los tamaños mínimos de las soldaduras de filete, como función del espesor de la parte mas gruesa a unir. Los tamaños recomendados se basan en la experiencia y también proveen algún margen de seguridad para esfuerzos no calculados, que se encuentran durante la fabricación y montaje. El LRFD prescribe el tamaño mínimo de 5/16 de pulg. para todas las placas cuyo espesor sea ¾ de pulg. o mas, pero con requisitos adicionales de
TAMAÑO MAXIMO DE LA SOLDADURA DE FILETE La disposición de los materiales de la union limita el tamaño máximo de la soldadura que se puede depositar en forma apropiada, y medida a lo largo del borde de una placa. Por ello, en dichas uniones, el tamaño máximo de una soldadura de filete, wmax ,esta determinado por el espesor del borde del miembro a lo largo del cual se deposita la soldadura. Cuando el borde del material tiene un espesor de menos de ¼ de pulg. el tamaño máximo del lado de una soldadura de filete debe ser igual al espesor de la placa.
1 pu lg . wmax t p 4 Cuando el borde del material tiene un espesor de ¼ de pulg o mas. el tamaño máximo del lado de una soldadura de filete debe ser igual al espesor de la placa. tp menos 1/16 de pulg.
para
t p
para t p 1 pu lg . 4
wmax
t p
1 16
TAMAÑO DE LA GARGANTA DE LA SOLDADURA DE FILETE La raíz de una soldadura de filete es el punto en el cual las caras originales de las piezas metálicas se intersecan. A la parte de la soldadura que se supone es la que efectivamente transfiere el esfuerzo se le denomina garganta
Terminología de la soldadura de filete
Las soldaduras de filete realizadas mediante proceso SAW tienen mayor penetración en el material base que las soldaduras realizada mediante el proceso SMAW. Por lo tanto, para SAW, la garganta se extiende mas halla de la raíz, dentro del material base y define la garganta de
penetración profunda
Soldadura de filete realizadas mediante el proceso SMAW Shielded Metal Arc Welding
t e Donde:
wsen45 0.707w
w = tamaño del lado de una soldadura de filete, pulg.
te = espesor efectivo de la garganta, pulg.= garganta normal de una soldadura de filete realizada mediante el proceso SMAW Soldadura de filete realizadas mediante el proceso SAW, Submerged Arc Welding
para w 3 pu lg . 8 para w 3 pu lg . 8 Donde:
w t e 0.707w 0.11
t e
w = tamaño del lado de una soldadura de filete, pulg. te = espesor efectivo de la garganta, pulg . = garganta de penetración profunda para una soldadura de filete realizada mediante el proceso SAW
Cuando se inicia y termina una soldadura de filete, pequeñas secciones cercana a los extremos no son totalmente efectivas debido a los cráteres y concentraciones de esfuerzos La longitud total de una soldadura de filete es la distancia desde el cráter, que se encuentra en el borde de inicio, hasta el cráter que se encuentra en el borde de terminación La longitud efectiva de una soldadura de filete, ,es la distancia extremo a extremo de todo el filete, medido de forma paralela a su línea de raíz. Por lo tanto la longitud efectiva se considera como la longitud total menos dos veces el tamaño nominal de la soldadura, para considerar los cráteres. Lw L g 2w Donde: Lg = longitud total de una soldadura de filete, pulg. w = tamaño del lado de la soldadura de filete
LONGITUD EFECTIVA DE LAS SOLDADURAS DE FILETE
AREA EFECTIVA DE LAS SOLDADURAS DE FILETE El área
efectiva de una
soldadura de filete, Aw ,es el producto de la longitud efectiva de la soldadura por el espesor efectivo de la garganta de la soldadura de filete
Aw
Lwt e
Donde: Aw = área efectiva de la soldadura de filete, pulg2. te = espesor efectivo de la garganta de la soldadura de filete, pulg.
Una soldadura intermitente es aquella en la que, longitudes uniformes relativamente cortas de soldadura de filete, se separan a espacios regulares La longitud efectiva, Liw de cualquier segmento de soldadura intermitente de filete diseñada para transferir una fuerza no debe ser menor a cuatro veces el tamaño del lado del filete, con un mínimo de 1½ pulg. Esto es:
SOLDADURAS DE FILETE INTERMITENTE
Liw
max 4w;1 12 pu lg .
La soldadura
intermitente solo se realiza mediante el procedimiento manual (SMAW), ya que con la soldadura automática no es posible debido al continuo arranque y apagado del arco.
SOLDADURA TRANSVERSAL
Las soldaduras transversales tienen
fuerzas aplicadas de manera transversal o en ángulos rectos a sus ejes de soldadura
Las soldaduras de filete transversales la garganta se ve sujeta a esfuerzos tanto cortantes como de tensión (o de compresión). Cuando los lados del filete son iguales, se podría mostrar que el esfuerzo cortante máximo ocurre en la garganta a 67.5° y el esfuerzo normal máximo ocurre en la garganta a 22.5°
Algunas pruebas han demostrado que una soldadura de filete transversal es mucho mas fuerte que una soldadura de filete longitudinal del mismo tamaño
SOLDADURA LONGITUDINAL Las soldaduras longitudinales o paralelas
tienen fuerzas aplicadas de forma paralela a su eje de soldadura.
Las soldaduras de filetes longitudinales o paralelas la garganta se ve sujeta solo a esfuerzo cortante. Si el filete tiene lados iguales, el esfuerzo cortante máximo ocurre en la garganta a 45°.
SOLDADURA INCLINADA
A todas las otras soldaduras que no son longitudinales o transversales se les llama
soldaduras inclinadas u oblicuas
SOLDADURA DE TAPON Y DE MUESCA El uso de las soldaduras de tapón y de muesca esta limitado a la transferencia de cargas de cortante en planos de union paralelos a las superficies de contacto, Las soldaduras de tapón y de muesca no deben sujetarse a esfuerzos de tensión ni a esfuerzos alternados.
Espesor de las soldaduras de tapón o de muesca w t p
para t p 5 pu lg . 8
t p 2
w max
para t p 5 pu lg . 8
,5 / 8 pu lg
Donde: tp = espesor del material de la placa, pulg. w = espesor de la soldadura de tapón o muesca, pulg
Diámetro de los agujeros para las soldaduras de tapón
d pw,min d pw d pw,max d pw,min t p 5 16 d pw, max
min d pw, min 18 pu lg; 2 14 w
El diámetro utilizado se redondea a 1/16 de pulg, para permitir el uso de troqueles estructurales estándar en los talleres de fabricación.
Espaciamiento mínimo centro a centro de las soldaduras de tapón Donde: dpw = diámetro de la soldadura de tapón, pulg. Stpw = espaciamiento transversal de las soldaduras de tapón, pulg Slpw = espaciamiento longitudinal de las soldaduras de tapón, pulg
S tpw S lpw 4d pw
Ancho de una ranura para la soldadura de muesca
d sw,min d sw d sw,max d sw,min t p 5 16 d sw, max
min d sw, min 116 pu lg; 2 14 w
El valor seleccionado se convierte en un múltiplo de 1/16 de pulg.. Espaciamiento (centro a centro) para una soldadura de muesca
S tsw 4d sw S lsw 2L sw L sw 10w Donde:
r h t p
dsw = ancho de la muesca de una soldadura de muesca, pulg. Lsw = longitud de la muesca de una soldadura de muesca, pulg. Stsw = espaciamiento transversal de las soldaduras de muesca, pulg Slsw = espaciamiento longitudinal de las soldaduras de muesca, pulg
SIMBOLOS DE LA SOLDADURA La Sociedad Americana de soldadura (American Welding Society) ha estandarizado un sistema de símbolos para soldadura. El uso de este sistema en los planos de diseño y de taller asegura que se transmitan las instrucciones correctas para realizar la soldadura, del diseñador al fabricante y al soldador, sin ambigüedad y de manera concisa.
EJEMPLOS DE ACLARACION DE ESTOS SIMBOLOS
EJEMPLOS DE ACLARACION DE ESTOS SIMBOLOS
RESISTENCIA DE DISEÑO DE SOLDADURAS Deben de verificarse dos estados limite, a saber, el estado limite de resistencia del metal de aportación y el estado limite de resistencia del metal base.
Resistencia de diseño del metal de aportación (soldadura)
Rdw F w Aw Donde: Rdw = resistencia de diseño de la soldadura que corresponde al estado limite de falla del metal de aportación, Kips Aw = área efectiva de la sección transversal de la soldadura, pulg2. Fw = resistencia nominal del material del electrodo, Ksi
Resistencia de diseño del material base:
RdBM F BM A BM Donde: RdBM = resistencia de diseño de la soldadura que corresponde al estado limite de falla del material base, Kips ABM = área de la sección transversal del material base, pulg2. FBM = resistencia nominal del material base, Ksi
Resistencia de diseño de la soldadura esta dada por:
Rd min Rdw, RdBM
RESISTENCIA DE DISEÑO DE LAS SOLDADURAS DE FILETE
Es practica común considerar siempre, que la fuerza sobre un filete de soldadura, es una
Por lo tanto, el estado limite del metal de aportación para una soldadura de filete, siempre corresponde a la fractura en cortante a través de la garganta del filete, con un factor de resistencia de 0.75. Por lo tanto, la resistencia de diseño del metal de aportación para una soldadura de filete esta dada por:
cortante sobre la garganta, sin
tomar en cuenta la dirección de la carga aplicada con relación a esta ultima.
Donde:
Rdw
0.75 0.60 F EXX t e Lw
Rdw = resistencia de diseño del metal de aportación para una
Cuando la carga se encuentra en la misma dirección que el eje de soldadura La resistencia de diseño a la ruptura por cortante del material base adyacente esta dada por:
RdBM 1
0.75 0.60 F uBM t p Lw
0.45 F uBM t p Lw
Donde: tp = espesor del material base a lo largo del cual se coloca la soldadura, pulg. FuBM = esfuerzo de tensión ultimo del material base, Ksi La resistencia de diseño a la fluencia en cortante del metal base adyacente esta dada por:
RdBM 2
0.90 0.60 F yBM t p Lw
Donde: FyBM = esfuerzo de fluencia del material base, Ksi
0.54 F yBM t p Lw
La resistencia de diseño a cortante del metal base se puede escribir como:
RdBM
Por lo tanto, la resistencia
de diseño a cortante de una soldadura de filete esta dada por:
Rdw = resistencia de diseño de la soldadura que corresponde al estado limite de falla del metal de aportación. RdBM = resistencia de diseño de la soldadura que corresponde al estado limite de falla del material base.
Rd
min RdBM 1 , RdBM 2
min Rdw , RdBM
RESISTENCIA DE DISEÑO A CORTANTE DE LA SOLDADURA DE FILETE CON LONGITUD UNITARIA En la mayoría de los problemas de uniones soldadas con filetes, tiene ventaja trabajar con la resistencia por unidad de longitud de la soldadura Rdw
Con:
W d
Donde:
t 0.750.60 F
0.75 0.60 F EXX t e Lw EXX
e
W d LW
0.45 F EXX t e
Wd = resistencia de diseño al cortante por unidad de longitud de la soldadura de filete de tamaño w, Kli te = espesor efectivo de la garganta de la soldadura de filete, pulg.
Ejemplo Calcular, la resistencia de diseño a cortante de una soldadura de filete E70 de 3/8 pulg. W d
0.45 F EXX t e
0.45 70 0.707w
22.27w
22.27 3 / 8
8.35Kli
Por ejemplo, la resistencia de diseño a cortante de una soldadura de filete E70 de 3/8 pulg. puede determinarse de manera conveniente como 1.392(6)=8.35 Kli
RESISTENCIA DE DISEÑO ALTERNATIVA Para una soldadura de filete lineal con carga en el plano a través de su centro de gravedad, la resistencia de diseño es: Resistencia de diseño del metal de soldadura 1.5 R 0.75 0.60F t L 1.00.50senθ EXX e w dw
Donde: Rdw = resistencia de diseño de la soldadura de filete, como función de la inclinación de la carga, Kips Lw = distancia efectiva del elemento soldadura, pulg. Fw = resistencia nominal del material del electrodo, Ksi te = espesor efectivo de la garganta, pulg. θ = ángulo de la carga medido desde el eje longitudinal de la soldadura
RESISTENCIA DE DISEÑO DE SOLDADURAS DE MUESCA Y TAPON Las soldaduras de tapón y muesca esta restringido a la transferencia de fuerzas cortantes en los planos de la union, paralelos a la superficies de contacto. La resistencia de diseño a cortante de estas soldaduras esta dada por::
Rdw
0.6 F EXX Aw
Donde: Rdw = resistencia de diseño a cortante de una soldadura de tapón o muesca, Kips FEXX = resistencia mínima a tensión especificada para el metal de aportación, Ksi Aw = área efectiva en cortante de la soldadura de tapón o de muesca, pulg2
Calculo de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria №
4
1).-Determine la resistencia de diseño de la conexión soldada como se muestra. Se utiliza acero A572 Grado 65 para el miembro en tensión y para la placa de union. Las soldaduras son de filete de 3/8 de pulg. usando electrodo E80.
41
Ing. Arturo Gamarra Chinchay
[email protected]
Calculo de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria №
2.-Determine la resistencia de diseño de la union traslapada. Cada componente es una placa de 12 x 5/8 pulg. de acero A514. La soldadura es de filete de 1/2 de pulg. con electrodos E110. Utilice: a).-La sección J2.4 del LRFD. b).-El apendice J2.4 del LRFD Ing. Arturo Gamarra Chincha
4
42
[email protected]
Calculo de Elementos de Maquinas I Practica Domiciliaria №
4
3.-Las soldaduras que conectan la placa de ¾ x 8 pulg. debe conectar a una placa de nudo con filetes de 5/16 pulg. usando el método de arco metálico protegido, SMAW. Determine la longitud L necesaria para que soporte la resistencia total de la placa usando electrodos E90.
43
Ing. Arturo Gamarra Chincha
[email protected]
