Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

Soldadura. Defectos. Ensayos no destructivos. Tensiones en ángulo. Uniones planas. Unión simple. Flexión y esfuerzo. Seguridad. Materiales de aportación. Procedimientos

  • Enviado por: José Vázquez
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 24 páginas

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CAPÍTULO II. MEDIOS DE UNIÓN.

UNIONES SOLDADAS.

Soldadura: Es unir dos metales de idéntica o parecida composición por la acción del calor, directamente o mediante la aportación de otro metal también de idéntica o parecida composición. Durante el proceso hay que proteger al material fundido contra los gases nocivos de la atmósfera, principalmente contra el oxígeno y el nitrógeno.

PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA.

La norma EA-95 autoriza para uniones de fuerza en estructuras de edificación los siguientes procedimientos:

1.-Soldeo eléctrico manual; por arco descubierto con electrodo fusible revestido.

2.-Soldeo eléctrico semiautomático o automático; por arco en atmósfera gaseosa con alambre electrodo fusible.

3.-Soldeo eléctrico automático; por arco sumergido con alambre electrodo fusible desnudo.

4.-Soldeo eléctrico por resistencia.

Otros procedimientos no mencionados requerirán norma especial.

Soldadura por fusión: La acción del calor origina la fusión localizada de las piezas y estas se unen sin o con la aportación de otro material.

Soldadura por presión: Las piezas se calientan hasta hacerse plásticas y luego se unen mediante una presión mecánica.

Soldadura por arco: Es el procedimiento más importante y casi exclusivamente utilizado para las estructuras metálicas. Las piezas se unen al provocarse un arco eléctrico entre ellas y un electrodo revestido que constituye el metal de aportación. El electrodo está sujeto a una pinza que sujeta al soldador, es el polo negativo, y el positivo son las piezas que se quieren unir; una buena soldadura depende de los siguientes factores:

1.-Diámetro del electrodo.

2.-Distancia del electrodo a las piezas para unir (tamaño del arco)

3.-Velocidad de avance del electrodo (habilidad del soldador)

4.-Temperatura en el proceso; de 3000 a 4000 ºC.

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

El gas producido por el revestimiento; protege al material en la parte exterior del cordón queda una capa externa de escoria; el gas hace que la escoria se pueda retirar fácilmente.

Se crea un arco eléctrico; que hace que el material vaya saltando y se crea el cordón de soldadura.

Soldadura automática: El electrodo es continuo y desnudo; avanzando sumergido, de manera automática, en un polvo de protección; su principal cualidad es su uniformidad para cordones largos.

Soldadura semiautomática:

MATERIALES DE APORTACIÓN.

Electrodo desnudo: Está constituido simplemente por una varilla metálica. El material fundido no se encuentra defendido contra los gases nocivos de la atmósfera interrumpiendo el arco con frecuencia. Se emplea para soldaduras de baja calidad.

Electrodos revestidos: Están constituidos por una varilla metálica recubierta por un fundente adecuado. El revestimiento se funde con el arco dando origen a gases que protegen, de los gases de la atmósfera, al metal de aportación. También permite que las escorias se puedan separar fácilmente después de la soldadura. Los principales revestimientos son de tipo básico, celulósico, oxidante y ácido.

Electrodos con alma: Están constituidos por una varilla metálica hueca rellena por un fundente adecuado. El revestimiento se funde con el arco dando origen a gases que protegen de los gases de la atmósfera al metal de aportación.

RELACIÓN ESPESOR-DIÁMETRO-INTENSIDAD.

Espesor chapas (mm)

Diámetro electrodos (mm)

Intensidad corriente (A)

2-4

2.5-3

60-100

4-6

3-4

100-150

6-10

4-5

150-200

>10

6-8

200-400

DISPOSICIONES DE LA SOLDADURA.

Según la EA-95; para los procedimientos 1, 2 y 3 las dos disposiciones fundamentales son:

1.-Soldaduras a tope con elementos en prolongación, en T o en L.

2.-Soldaduras de ángulo, en rincón, en solape, en esquina o en ranura.

En el procedimiento 4 las disposiciones fundamentales son:

1.-Soldadura a tope con elementos en prolongación en T o en L.

2.-Soldadura por punto.

SOLDADURA A TOPE.

Consiste en unir las chapas situadas en el mismo plano para chapas superiores a 6 mm o para soldar por ambos lados, hay que preparar los bordes. El objetivo de esta soldadura es conseguir una penetración completa y que constituya una transición lo más perfecta posible entre los elementos soldados.

SOLDADURA EN ÁNGULO.

Consiste en unir dos chapas situadas en distinto plano bien ortogonales o superpuestas; los tipos de cordones con relación a su posición respecto a la fuerza que van a soportar es la siguiente:

1.-Cordón de ángulo; chapas ortogonales.

2.-Cordón frontal, su dirección es normal a la fuerza.

3.-Cordón lateral; su dirección es paralela a la fuerza.

4.-Cordón oblicuo; su dirección en oblicua a la fuerza

La soldadura de ángulo nos la podemos encontrar en rincón, en solape, en esquina y por puntos.

CLASIFICACIÓN DEL CORDÓN DE SOLDADURA SEGÚN LA POSICIÓN.

(1)Cordón plano: Su superficie es horizontal y el material de aportación se vierte desde arriba.

(2)Cordón en ángulo horizontal: Une un plano horizontal con otro vertical y su dirección es horizontal.

(3)Cordón horizontal: Se sitúa en un plano vertical y su dirección es horizontal.

(4)Cordón vertical: Su dirección es vertical.

(5)Cordón de techo en ángulo: En un plano horizontal pero por su cara inferior.

(6)Cordón de techo a tope: Se sitúa en un plano horizontal; pero por su cara inferior igualmente.

DEFORMACIONES Y TENSIONES INTERNAS.

Durante los procesos de soldadura, existen grandes desprendimientos de calor, que dan lugar a dilataciones de la pieza y a las posteriores contracciones durante el período de enfriamiento, impedida por el resto del material base, lo cual origina la aparición de tensiones internas y deformaciones en las piezas, estas tensiones de tracción son proporcionales a la longitud de soldadura. El estado de tensiones es triaxial; pero lo más importante son las tensiones longitudinales.

Las tensiones triaxiales pueden originar roturas sin deformación, por ello se deben evitar los cruces de tres cordones.

DEFECTOS DE LA SOLDADURA.

Debido a múltiples causas pueden aparecer defectos en la soldadura, que si son importantes pueden comprometer seriamente la estabilidad de la estructura de la que forman parte, por ello es necesario someter a las soldaduras a una inspección tanto más intensa cuanto más importante es la estructura, que garantice la bondad y correcta ejecución de las mismas. Esta inspección forma parte del control general de la obra y tanto el proyectista, como el director de obra deben prestar la máxima atención.

CAUSAS DE LOS DEFECTOS.

1.-Del proyecto:

-Posición inadecuada.

-Mala accesibilidad. No se considerarán las de rincón con un ángulo menor de 60º. A efectos de cálculo no vale.

-Concentración de cordones.

-Dimensionamiento incorrecto.

2.-De los materiales.

-Mala soldabilidad (exceso de C, Mn, Ph, S)

-Defectos.

-Humedad en electrodos básicos.

3.-Efectos del proceso de soldeo.

-Voltaje.

-Intensidad.

-también puede ser de proceso no adecuado; electrodo sin recubrimiento.

-Preparación de bordes incorrectamente ejecutada.

4.-Efectos de la ejecución.

-Soldadores no homologados.

-Malas condiciones climáticas (lluvia, viento, frío)

-Falta de limpieza en la zona a soldar.

-Exceso de prisa (muy habitual)

-Falta de control.

TIPOS DE DEFECTOS EN LA SOLDADURA.

Los clasificamos en dos grupos:

DEFECTOS INTERNOS.

-Falta de penetración: Esto ocurre cuando el chaflán de la soldadura no está totalmente lleno o cuando la unión entre el metal base y el metal de aportación no es perfecta en algún punto.

En la radiografía se acusa como una línea negra y continua.

-Grietas: Consisten en fracturas en el material de aportación; o en el metal base; pueden ser transversales o longitudinales; es un defecto muy grave. En las radiografías se acusan como líneas finas oscuras de forma variada.

-Inclusiones, escoria y otros cuerpos englobados en la soldadura: Estas inclusiones suelen ser aisladas o alineadas y quedan por falta de limpieza al terminar la pasada. En las radiografías se acusan como sombras oscuras de contornos irregulares y poco claros.

-Poros u oclusiones gaseosas: Son cavidades debidas a inclusiones gaseosas procedentes, generalmente de humedad en el material base o electrodo. En las radiografías se acusan como sombras negras de contorno circular.

-Falta de fusión: Es la falta de unión entre el metal de aportación y el metal base. No hay cristales comunes. Un caso particular es el desbordamiento; es un defecto bastante grave. En las radiografías se acusan como líneas oscuras y delgadas.

Son los internos, los mas peligrosos, porque son los más difíciles de ver.

DEFECTOS SUPERFICIALES.

-Mordeduras: Es un rebaje o canal en el metal base que está contiguo al cordón de soldadura. Este defecto es muy habitual y es producido por un incorrecto manejo del electrodo. En la radiografía se acusa como una sombra oscura de contorno difuso en los bordes de la soldadura.

-Picaduras: Es un rebaje o canal en el cordón de la soldadura, se produce por un incorrecto manejo del electrodo. En las radiografías se acusa como una sombra oscura de contorno difuso.

-Desbordamientos: Parte del material de aportación desborda el cordón, quedando fuera y sin fusionar con el material base.

Son defectos longitudinales, no puntuales.

MÉTODOS PARA EL CONTROL DE LA SOLDADURA.

Tenemos un primer grupo de ensayos destructivos. Los ensayos destructivos sólo se utilizan para probar procesos de soldadura; para homologar soldadores o para el ensayo de soldaduras. Se realizan sobre placas de prueba cortadas, de uniones realizadas, para proporcionar probetas de ensayo.

Consisten básicamente en ensayos de tracción, plegado y resiliencia. Los más habituales son los de tracción; aplicamos la probeta en la máquina y vemos cuanto resiste.

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS.

1.-Inspección visual: Sirven, mediante una lupa, para detectar defectos superficiales.

2.-Partículas magnéticas: Consiste en recubrir la zona de soldadura a inspeccionar con una suspensión de polvo fino, de partículas sensibles al magnetismo y se somete al influjo de un campo magnético. Cualquier impureza o defecto superficial o próximo a la superficie interrumpe las líneas de fuerza magnética, forzando a las partículas a agruparse en la zona defectuosa.

3.-Líquidos penetrantes: Es un sistema para determinar defectos superficiales y es de bastante aplicación, por su economía. Es muy importante que lo haga un operario experimentado.

Sobre la superficie de la soldadura bien limpia y seca, se aplica una capa de líquido de muy baja viscosidad; la cual se introduce en todos los defectos superficiales, se vuelve a limpiar la soldadura eliminando el líquido sobrante y se aplica a la superficie un líquido absorbente o revelador, acusándose de esta manera el fallo.

4.-Radiografías: Se utilizan radiografías de pequeña longitud de onda rayos x o , que después de atravesar una soldadura impresiona una película fotográfica; los defectos se acusan mediante manchas oscuras, es un método muy utilizado, aunque de más elevado costo que el anterior. Este sistema detecta defectos superficiales e internos.

5.-Ultrasonidos: Se utilizan las vibraciones de alta frecuencia de 0.5 a 5 Megaciclos, que mediante un palpador son forzadas a atravesar la zona a examinar; la señal puede ser recogida por otro palpador en la cara opuesta o bien por el primer palpador que recoge el eco, producido por la cara opuesta y por los posibles defectos. La señal recogida es convertida electrónicamente en ondas.

CÁLCULO EN LAS UNIONES SOLDADAS.

1.-Uniones con soldadura a tope: La soldadura a tope no debe producir discontinuidad en la sección y su sobre-espesor no será mayor que el 10% del espesor de la chapa más delgada; si las chapas son de distinta sección, la de mayor sección se adelgazará en la zona de contacto con pendientes no mayores que el 25% para obtener una transición suave de sección.

La norma EA-95 dice que una soldadura a tope que una totalmente dos piezas realizadas con las condiciones recogidas en la norma y cuyo espesor no sea menor que el espesor de la pieza mas delgada, no requiere cálculo.

2.-Uniones con soldadura de ángulo:

Definiciones.

Garganta de un cordón en ángulo (a): Es la altura del triángulo isósceles que puede inscribirse dentro de la sección recta del cordón de la soldadura.

Longitud eficaz de un cordón en ángulo (L): Es la longitud total del cordón descontados los cráteres de los extremos. Se toma convencionalmente la longitud de esos cráteres igual a a; por lo tanto la longitud sería .

Si se adoptan precauciones para impedir la formación de cráteres, no se efectúa esta deducción.

Sección de garganta: Es la sección del cordón determinada por el plano bisector del ángulo diedro que lo contiene.

Área de sección de garganta: Es la obtenida multiplicando la garganta del cordón por su longitud eficaz

En cuanto a las fuerzas de solicitación, la fuerza que debe resistir cada cordón se supone uniformemente repartida sobre la sección

TIPOLOGÍA DE LAS UNIONES SOLDADAS EN ÁNGULO.

1.-Uniones soldadas planas: Son aquellas en la que los diferentes cordones están contenidos en el mismo plano o las que permite abatir todas las secciones de garganta sobre un mismo plano.

2.-Uniones soldadas espaciales: Aquellas en la que no es posible abatir sobre un mismo plano todas las secciones de garganta de los distintos cordones que las componen.

3.-Uniones mixtas: Aquellas uniones constituidas por soldaduras de ángulo y soldaduras a tope.

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

TENSIONES A CONSIDERAR EN UNA SOLDADURA DE ÁNGULO.

Tenemos el cordón de soldadura y dijimos que el plano de garganta era el que definía el bisector del triángulo isósceles.

Dentro de ese plano definimos ; y

= Tensión normal al plano de garganta.

= Tensión tangencial normal a la arista.

= Tensión tangencial paralela a la arista.

Si nos referimos a los planos que componen la soldadura.

n: Es la tensión normal que actúa en el plano de cada una de las caras de soldadura.

tn: Tensión tangencial normal a la arista y contenida en el plano de cada una de las caras de la soldadura.

ta: Tensión tangencial paralela a la arista; contenida en el plano de una de las rectas de soldadura.

De esta manera definimos las tensiones que mas nos interesan.

Nos dice la norma que la CONDICIÓN DE SEGURIDAD es:

Establecemos (tensión normal de comparación) que ha de ser igual a (resistencia de cálculo del acero); si queremos seguir la norma.

CÁLCULO DE LAS UNIONES PLANAS.

1.-UNIÓN SÓLO CON CORDONES LATERALES.

; ;

Hemos descubierto las tensiones en el plano, en función de las fuerzas que haya en el plano.

Recordando que:

Sustituyendo:

Por lo tanto tenemos que:

Los productos de , de todas las soldaduras que existan en la unión.

2.-UNIÓN SÓLO CON CORDONES FRONTALES.

En este caso, tendremos que su valor ha de ser:

3.-UNIÓN SÓLO CON CORDONES OBLICUOS.

Cuando son fuerzas de tracción, siempre hay que colocar dos chapas para evitar el momento, es decir:

En esta unión:

;

4.-UNIÓN CON CORDONES FRONTALES Y LATERALES COMBINADOS.

A)

B)

a)No existe el cordón TIPO 3.

b)Existe el cordón TIPO 3.

c)

Se calcula como en el caso B)b), ( y existe el cordón TIPO 3;se aplican las mismas fórmulas que en b))

SOLICITACIONES A FLEXIÓN SIMPLE.

CASOS EN LA FLEXIÓN SIMPLE.

1.-SÓLO SOLDADURAS FRONTALES LONGITUDINALES.

a)Caso general.

;

b) e>>L

2.-SÓLO SOLDADURAS FRONTALES TRANSVERSALES.

a)Caso general.

;

Módulo resistente de las soldaduras.

b) t>>a

3.-SOLDADURAS FRONTALES LONGITUDINALES Y TRANSVERSALES.

-TIPO 1:

-TIPO 2:

-TIPO 3:

FLEXIÓN Y ESFUERZO CORTANTE COMBINADO.

inciso

A)FLEXIÓN Y ESFUERZO CORTANTE COMBINADO.

B)UNIÓN CON SÓLO CORDONES FRONTALES.

C)UNIÓN CON 2 CORDONES LATERALES Y UN CORDÓN FRONTAL

M* se descompone proporcionalmente a M1 y M2.

Soldadura 1: Se calcula sólo a flexión.

Soldadura 2: Se calcula a flexión y cortante combinado (sólo soldaduras laterales)

PRESCRIPCIONES DE LA EA-95 PARA LA EJECUCIÓN DE SOLDADURA.

UNIONES CON SOLDADURA A TOPE.

En una soldadura a tope de chapas de distinta sección, la de mayo sección se adelgazará en la zona de contacto, con pendientes no mayores que el 25 por 100, para obtener una transición suave de sección.

La soldadura a tope no debe producir discontinuidad en la sección, y su sobreespesor s no será mayor que el 10 por 100 del espesor e de la chapa más delgada.

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

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UNIONES CON SOLDADURA DE ÁNGULO.

Las prescripciones dimensionales para las soldaduras de ángulo se recogen en la Parte 5 de la EA-95.

Se recomienda que la garganta de la soldadura no se mayor que la exigida por el cálculo, respetando el mínimo establecido. En general, se preferirían las soldaduras planas o cóncavas a las convexas.

Cuando se empleen procedimientos de soldadura para los que resulte garantizada una penetración e, que rebase el punto de la raíz teórica, por ejemplo, mediante procedimientos automáticos o semiautomáticos de soldeo bajo polvo o en atmósfera inerte, puede tomarse para la garganta de soldadura el valor:

determinándose emín mediante ensayos para cada procedimiento de soldeo (figura 3.7.3.A).

En un perfil o chapa traccionados no es recomendable disponer una soldadura de ángulo perpendicular a la dirección del esfuerzo.

Si se dispone una soldadura frontal en el extremo de una plata banda traccionada (figura 3.7.3.B), se biselará este extremo cuando la platabanda esté sometida a variaciones de tensión importantes (vigas de rodadura de puentes grúa, por ejemplo). La soldadura frontal debe ser triangular de lados desiguales asegurando una transición suave de la sección.

Se recomienda que las chapas que vayan a unirse mediante soldaduras de ángulo en sus bordes longitudinales, a otra chapa, o a un perfil, para construir una barra compuesta, no tengan un ancho mayor que treinta veces su espesor (figura 3.7.3.C).

Cuando por alguna circunstancia especial no pueda cumplirse la condición anterior, pueden utilizarse soldaduras de ranura en las chapas que forman parte de una pieza comprimida, para asegurar la pieza contra el pandeo local.

Las soldaduras de ranura se utilizarán sólo en las condiciones previstas en la Parte 5.

Las uniones que tienen soldaduras de ángulo se clasifican, para su comprobación, en tres clases:

-Uniones planas, constituidas únicamente por soldaduras de ángulo cuyas aristas están en un solo plano (figura 3.7.3.D).

-Uniones espaciales, constituidas únicamente por soldaduras de ángulo cuyas aristas no están en un solo plano (figura 3.7.3.E).

-Uniones mixtas, constituidas por soldaduras de ángulo y soldaduras a tope (figura 3.7.3.F).

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

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Las tensiones que deben considerarse en una soldadura en ángulo; hay que tener en cuente dos tipos de tensiones:

a)Referidas al plano de la garganta (figura 3.7.3.1.a) donde

 es la tensión normal, perpendicular al plano de la garganta;

n es la tensión tangencial normal a la arista;

a es la tensión tangencial paralela a la arista.

b)Referidas al plano de una de las caras de la soldadura en la que ha sido abatida la sección de garganta (figura 3.7.3.1.b).

n es la tensión normal que actúa en el plano de una de las tres caras de la soldadura;

tn es la tensión tangencial normal a la arista contenida en el plano de una de las caras de la soldadura;

ta es la tensión tangencial paralela a la arista, contenida en el plano de una de las caras de la soldadura.

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

CONDICIÓN DE SEGURIDAD

La condición de seguridad, de base experimental, de una soldadura en ángulo es:

donde:

co es la tensión de comparación;

* es la tensión normal ponderada, referida al plano de garganta;

n* es la tensión tangencial ponderada, normal a la arista, referida al plano de garganta.

a* es la tensión tangencial ponderada, paralela a la arista, referida al plano de garganta;

u es la resistencia de cálculo del acero.

CÁLCULO DE LAS SOLDADURAS DE ÁNGULO QUE CONSTITUYEN UNA UNIÓN PLANA.

Se hará de acuerdo con los procedimientos de la norma UNE 14 035, teniendo en cuenta que los esfuerzos que deben considerarse son los ponderados y que la condición de seguridad se refiere a la resistencia del acero y no a la tensión admisible.

En el Anejo 3.A6 se resumen los casos más usuales de uniones planas y las fórmulas prácticas para el cálculo.

CÁLCULO DE LAS SOLDADURAS DE ÁNGULO QUE CONSTITUYEN UNA UNIÓN ESPACIAL.

En el Anejo 3.A6 se resumen los casos más frecuentes en la práctica estudiados en la norma UNE 14 035.

En las soldaduras de ángulo habrán de tenerse en cuenta los siguientes valores umbrales

a)Valor mínimo

b)Valor máximo

UNIONES CON SOLDADURA DE RANURA.

1

CAPÍTULO II. MEDIOS DE UNIÓN. UNIONES SOLDADAS



a



n

a

L

a

En doble U

En U

diam.2 ó 3

A tope en prolongación

En prolongación

Soldaduras a tope en L

En T

Por puntos

En esquina

En solape

En rincón

(6)

(5)

(4)

(3)

(2)

(1)

(3)

(2)

(1)

Desbordamiento

Picadura

Mordedura

>25% (pte. rebaje)

e

Sobre elevación<10% e

a

plano

n

n

tn

ta

N*

N*

N*

N*

N*

N*



CORDONES OBLICUOS

CORDONES LATERALES

CORDONES FRONTALES

(sale del plano)

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

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0

n



Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

n



N*

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

Por el momento no se va a caer, pero hay que evitarlo.

h

L2

L2

L1

TIPO 3

Se calcula como unión, sólo con cordones laterales.

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

L1

h



e

e

a

L

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

P*

e

L

L1

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

P*

e

L

L1

L1

Estructuras metálicas. Medios de unión. Uniones soldadas

P*

e

L2