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Soldadura - resolucion de ejercicios planteados por la catedra mecanismo y elementos de Cienciadelos Materiales (Universidad Nacional de Misiones)

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Algunas de las ventajas de las uniones por soldadura son la eliminación de sujetadores múltiples y la adaptabilidad para el ensamble rápido con máquina. La soldadura es un proceso de unión (directa o con metal de aporte). Generalmente es utilizada cuando las piezas a unir son de sección delgada. Tipos de soldaduras: -

Combustión (gas + oxigeno) Eléctrica Arco Inducción Resistencia

Durante el soldado las diversas partes se mantienen firmemente en contacto. El proceso de soldadura es especificado con precisión utilizando símbolos normales de soldadura, tal como se muestra en la figura N° 1:

Figura N° 1: tipos de soldadura Fuente: Norton 4 Edición

Figura N° 2: símbolos de soldadura Fuente: Shigley 8° edición

La flecha del extremo del símbolo señala la junta de las piezas por soldar. El cuerpo del símbolo contiene tantos elementos como se juzgue necesario, se puede poner: línea base,

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cabeza de flecha, tipo de soldaduras (símbolos básicos), dimensiones, símbolos complementarios, acabados, proceso. Para elementos de máquinas, la mayoría de las uniones soldadas son del tipo de traslape o de filete, las juntas a tope se usan mucho en el diseño de recipientes sometidos a presión. Como se emplea calor en el proceso de soldadura, existe una posibilidad de cambios metalúrgicos en el metal de las piezas a soldar en la cercanía de la junta. También pueden introducirse esfuerzos remanentes o residuales debido a la sujeción, pero generalmente estas carecen de importancia y se los eliminan con un tratamiento térmico posterior. En piezas gruesas es conveniente un calentamiento previo antes de soldar.

Figura N° 3: Símbolos básicos de soldadura Fuente: Norton 4 edición

Juntas a tope y a traslape o de filete

Figura N° 4: Unión a tope Fuente: Norte 4 edición

En la figura N° 4 se muestra una junta con ranura en v sometida a una carga de tensión “F”. F Para cargas de tensión o de compresión el esfuerzo medio es: σ = h .l El refuerzo sirve para compensar grietas o huecos en las juntas, pero este origina concentración de esfuerzos en “A”. Si existen cargas de fatiga una buena práctica es esmerilar o eliminar a máquina el refuerzo. F El esfuerzo medio en una junta a tope debido a carga cortante es: τ = h .l

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Figura N° 5: soldadura con filetes transversales Fuente: Norton 4° Edición

La figura N° 5 corresponde a una junta de traslape doble con dos listones o filetes transversales. Para determinar la distribución de esfuerzos en la junta, se basa el tamaño de la junta en el área de la garganta DB. El área de la garganta es: A=h .l . cos 45 °=0,707.h . l F F El esfuerzo es: σ x = = A 0,707.h . l Este esfuerzo puede dividirse en un esfuerzo cortante y en uno normal. F F τ =σ x . cos 45 °= σ =σ x . cos 45 °=¿ ¿ h. l h .l Ambas son iguales por ser calculadas en la garganta.

Mediante el Círculo de Mohr se determinan los esfuerzos máximos.

√(

) ( ) F F F = ( +( =1,118. ) ) √ 2. h . l h .l h . l

σ 1=

F + 2. h . l

F 2 F 2 F + =1,618 2. h .l h .l h.l 2

2

τ max

Generalmente en el diseño se acostumbra basar el esfuerzo cortante en el área de la F 1,41. F = garganta. Entonces el esfuerzo medio es: τ = que es 1,26 veces mayor. 0,707.h . l h. l Torsión en uniones soldadas:

Figura N° 6: torsión en unión soldada Fuente: Shigley 10 Edición

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La figura N° 6 muestra un voladizo unido a una columna por traslape con dos soldaduras paralelas de filete. La reacción en el soporte constituye en una fuerza cortante F y un momento M. La fuerza F produce un cortante primario en las juntas: F τ´ = A Donde: F: fuerza cortante A: área de garganta de todas las soldaduras El momento produce un cortante secundario o torsión en las juntas: τ } = {M.r} over {J ¿ Donde: r: distancia entre el centroide de juntas y un punto de interés. J: es el segundo momento polar de área del grupo de juntas con respecto al centroide. Los resultados han de combinarse para evaluar el esfuerzo cortante máximo. Si se considera que el ancho de la soldadura es igual a la unidad, esto conduce a considerar como una simple recta a cada filete. Por lo que entonces el segundo momento de área resultante es un segundo momento polar de área unitario. La ventaja de considerarlo como una recta, es que el valor de “Ju” es el mismo, independientemente del tamaño de la junta. La relación entre “J” y el valor unitario “Ju” es J=0,707.h . J u Cuando las juntas se tienen en grupos deberá emplearse la fórmula de trasferencia para Ju “si la carga está en el plano de las juntas, la conexión soldada está sujeta a torsión” Flexión en uniones soldadas:

Figura N° 7: flexión unión soldada Fuente: Shigley 10 edición

En el voladizo de la figura N° 7 se tiene como reacción una fuerza F y un momento M. la fuerza cortante F produce un esfuerzo cortante primario: F τ´ = A El momento produce un esfuerzo normal por flexión en las juntas. Suponiendo que el esfuerzo actúa en forma perpendicular al área de la garganta se tiene: d 2 M. 2 Siendo el segundo momento de área: J=0,707.h . b . d τ =σ = 2 J b . d2 Donde: =J u 2

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M.

d 2

1,414. M = b.d.h h 0,707.b . d 2 . 2 Mediante el círculo de Mohr se podrá evaluar los esfuerzos principales y el cortante máximo. Considerar las juntas de soldaduras como líneas produce resultados más conservadores. “si la carga esta fuera del plano de las juntas, se producirá flexión en las juntas” Entonces: τ =σ =

Resistencia de las uniones soldadas: Las propiedades mecánicas de los electrodos no son tomadas tan en cuenta como lo son la rapidez y el aspecto de la unión terminada. Generalmente el material del electrodo es a menudo el más resistente. Para la unión de materiales distintos se elige el electrodo en función de la menor resistencia. El sistema de designación numérica de los electrodos según el código de especificaciones de la AWS, utiliza un prefijo literal E con un grupo de cuatro o cinco dígitos E120XX, los dos o tres primeros indican la resistencia aproximada a la tensión, el último indica variantes en la técnica de soldadura, como la corriente eléctrica. El penúltimo señala la posición de la junta o de soldado (horizontal/vertical o sobre cabeza). Fatiga en uniones soldadas: los factores que afectan desfavorablemente a la resistencia a la fatiga de una soldadura puede ser: la falta de penetración del metal de la soldadura, grietas por contracción, escoria y otras inclusiones, porosidad y bolsas de gas. Generalmente para considerar la fatiga se sugiere usar los factores de reducción de la resistencia a la fatiga “Kf” que se obtiene de tabla, estos deben emplearse para el metal base y para el soldante. El refuerzo ocasiona concentraciones de esfuerzos en las orillas del cordón de soldadura, para cargas estáticas esto puede ser bueno pero para cargas variables no, por lo que es bueno esmerilar el cordón. Soladura eléctrica de resistencia: se llama así al efecto de calentamiento, fusión y unión que resultan cuando pasa una corriente eléctrica por varias partes que se mantienen sujetas a presión entre sí. La soldadura de puntas y la de tramos o costura son los dos tipos de esta clase de unión. Las ventajas de esta son la rapidez, la regulación exacta del tiempo y del grado de calor, la uniformidad de junta y de las propiedades mecánicas resultantes, la eliminación del uso de varillas del metal de aporte y de fundentes, y es más fácil de automatizar.

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Figura N° 8: soldadura de punto y costura Fuente: Shigley 10 edición

Las fallas que se pueden producir son por corte en la junta o por desgarre. Uniones adherentes: cuando las piezas se unen por medio de un material ligante distinto, el proceso se denomina unión adherente. Estos procedimientos de unión pueden ser: - Soldadura de aporte fuerte: los elementos a unir se calienta a más de 425°C con el objeto de que el material de aporte fluya hacia el espacio libre por efecto de acción capilar. Se calienta mediante hornos o por medio de sopletes. Algunas de las ventajas es que permite unir metales de diferente espesor, no afecta las propiedades mecánicas de los materiales base, permite unir materiales de distintas naturaleza. - Soldadura de aporte suave: el proceso es similar al anterior, excepto que el metal de aporte es menos duro y el proceso se realiza a temperaturas menores. Este tipo de unión se utiliza para adherir láminas metálicas. - Pegadura: en este las piezas se unen por medio de adhesivos. Sus ventajas son bajo costo, unir materiales disimiles, las juntas quedan selladas contra humedad, absorben golpes y vibraciones, llenan huecos. Generalmente habrá mayor economía cuando se utiliza la soldadura en fabricaciones individuales de piezas, para fabricaciones en serie resulta más económica la construcción por fundición. Algunos de las desventajas en uniones soldadas es la imposibilidad de desarme, una calidad difícil de comprobar, y se deberá tener habilidad en su ejecución. Las aplicaciones de soldadura pueden ser: uniones de piezas, reparación de fisuras y fracturas, restitución de dimensiones con rellenos, refuerzos aporte de aleaciones especiales.

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