TEMA 6. SOLDADURA Y TÉCNICAS DE

UNIÓN.

Curso de Resistencia de Materiales y cálculo de estructuras.

Félix C. Gómez de LeónAntonio González Carpena

Índice.

� Uniones Soldadas.� Introducción.� Soldadura al arco.� El cordón de soldadura.� Dimensiones fundamentales del cordón de soldadura.� Clasificación de los cordones de soldadura.� Otras clasificaciones.� Prescripciones normativas.� Recomendaciones para la ejecución.� Cálculo.� Problema 5.1.

� Uniones atornilladas.

Introducción.� Se llama soldadura a la unión de dos piezas metálicas de igual o

parecida composición, de forma que la unión quede rígida y estanca. Esto se consigue por fusión o por la aportación de otro metal de enlace.

� En las soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unión. Existen diferentes tipos de soldadura por fusión, pero los más utilizados son dos:� Soldadura autógena.� Soldadura por arco eléctrico, que es la

que se utiliza en estructuras metálicas.

Fuente: AWS

Soldadura al arco.� Los procedimientos de

soldadura en arco pueden agruparse en cuatro:� Soldadura por arco

manual con electrodos revestidos.

� Soldadura por electrodo no consumible protegido.

� Soldadura por electrodo consumible protegido.

� Soldadura por arco sumergido.

El cordón de soldadura.� El cordón de soldadura

tiene tres partes bien diferenciadas:a. Zona de soldadura : Es la

zona central, que está formada fundamentalmente por el metal de aportación.

b. Zona de penetración . Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos. La mayor o menor profundidad de esta zona define la penetración de la soldadura. Una soldadura de poca penetración es una soldadura generalmente defectuosa.

c. Zona de transición . Es la más próxima a la zona de penetración.

Fuente: Urbipedia.org

Dimensiones fundamentales del cordón de soldadura.

� La garganta (a) es la altura del máximo triángulo isósceles cuyos lados iguales están contenidos en las caras de las dos piezas a unir y es inscribible en la sección transversal de la soldadura.

� Se llama longitud eficaz ( l) a la longitud real de la soldadura menos los cráteres extremos. Se admite que la longitud de cada cráter es igual a la garganta.

Clasificación de los cordones de soldadura.

� Por la posición geométrica de las piezas a unir.� Soldaduras a tope.� Soldaduras en ángulo.

Fuente: construpedia.com

Otras Clasificaciones.� Por la posición del cordón de soldadura respecto al esfuerzo.

� Cordón frontal� Cordón lateral� Cordón oblicuo

� Por la posición del cordón de soldadura durante la operación de soldar.� Cordón plano (se

designa con H)� Cordón horizontal

u horizontal en ángulo (se designa por C).

� Cordón vertical (se designa con V)

� Cordón en techo o en techo y en ángulo (se designa con T)

Prescripciones normativas.� Soldaduras a tope.

� Continuas en toda la longitud y penetración completa.

� Antes de depositar el cordón de cierre → Sanear raíz.

� Si no hay acceso a la cara posterior → penetración completa.

� Piezas de distinta sección debe adelgazarse la mayor con pendientes inferiores al 25%.

� Soldaduras en ángulo.� La garganta cuando e1<e2; valor máximo para

e1 y valor mínimo para e2.� La longitud eficaz l de una soldadura lateral en

ángulo con esfuerzo axial debe estar comprendida entre los siguientes valores:

� Valor mínimo: l ≥ 15a ; l ≥ b� Valor máximo: l ≤ 60a ; l ≤ 12b

Recomendaciones para la ejecución.� Soldaduras de cordones múltiples.

� Soldaduras continuas.� Uniones planas con

soldaduras cruzadas

� Uniones en ángulo con soldaduras cruzadas

Cálculo.� Soldaduras a tope

� La norma especifica que las soldaduras a tope realizadas correctamente no requieren cálculo alguno.

� Soldaduras en ángulo� Se asimila el cordón de soldadura a un triángulo isósceles

y se toma como sección de cálculo la definida por la altura a del triángulo isósceles, por ser la sección menor.

� También se acepta que las tensiones son constantes a lo largo del plano definido por la altura a y cuya superficie es a l, siendo l la longitud del cordón de soldadura.

� Sobre este plano las componentes de las tensiones serán: una tensión normal σ y dos componentes sobre el plano de referencia, que llamamos τa y τn. Entonces:

� Si abatimos la sección sobre una de las caras:

( )25.1

32

222 u

M

unaco

ff =≤++=γ

ττσσ

( )

( )

aa

nn

n

t

tn

tn

=

−=

+=

τ

τ

σ

2

1

2

1

Problema 5.1.

� Sean 2 angulares de 80 x 80 x 8 soldados a una cartela por 2 cordones de soldadura de espesor a = 4 mm.

� El esfuerzo de cálculo del axil a tracción N es 40 kN, siendo las distancias d’ y d’’ 23 y 57 mm respectivamente.

� El acero empleado es un S 235.

� Se pide: Determinar la longitud de los cordones de soldadura.

Introducción.� Existen algunas estructuras o piezas de determinadas

máquinas que están compuestas de partes que hay que unir de forma adecuada para que cumplan la función para la que han sido diseñadas.

� Si se trata de materiales metálicos, los medios de unión comúnmente empleados son tornillos y soldadura.

� Las uniones con bulones tienen poca aplicación, y las uniones por medios adhesivos se encuentran aún en fase experimental.

� El calculo de uniones atornilladas que hemos seleccionado para su estudio, se basa en la teoría elemental de la cortadura expuesta, cuyos resultados están avalados por la experiencia.

Generalidades.

� Las uniones atornilladas se llevan a cabo mediante piezas denominadas tornillos.

� Un tornillo es un elemento de unión formado por una espiga cilíndrica llamada caña, uno de cuyos extremos tiene una cabeza de forma determinada, estando el otro extremo roscado.

� La unión se forma introduciendo el tornillo en un agujero efectuado en las piezas a unir y colocando en el extremo roscado una tuerca con su arandela correspondiente

Tornillos.� Tornillos ordinarios.

� l: longitud del vástago.� b: longitud roscada.� d: diámetro de la espiga.

� Tornillos calibrados.� Son tornillos mecanizados que se introducen

ajustados en los agujeros.� Poco usados, son difíciles de colocar.

� Tornillos alta resistencia.� Se emplean para cualquier tipo de acero.� Se pretensan al objeto de transmitir los

esfuerzos por rozamiento.

Tuercas y Arandelas.� Las tuercas se emplean indistintamente para tornillos ordinarios y

tornillos calibrados.� Las arandelas negras se emplean en tornillos ordinarios.� Las arandelas pulidas se recomiendan para tornillos calibrados.

Arandela negra Arandela pulida Arandela IPN Arandela U PN

Parámetros de diseño.� La elección del diámetro d de los elementos de unión es función del

espesor mínimo de las chapas a unir. � Como orientación se recomienda tanto para roblones como para

tornillos que:

expresando d y e en cm.

2,0e5d −≈

Disposiciones constructivas.

Tipos de uniones atornilladas.

� Las uniones atornilladas se dice que trabajan a cortadura cuando las fuerzas se transmiten por contacto entre las chapas a unir y la caña de los tornillos. Es el caso más normal. Distinguiremos dos tipos:� Cargas centradas respecto al

elemento de unión.� Cortadura simple (si los

tornillos trabajan por una sección).

� Cortadura doble (si los tornillos trabajan por dos secciones).

Paso

Cálculo a cortadura.� Fallo por cortadura. Si la tensión de cortadura en los remaches o

tornillos es superior a la tensión admisible τadm del material de los remaches, la unión se rompería por la sección del remache sometida a cortadura.

� Si τadm es la tensión admisible a cortadura, el número mínimo nτ de tornillos que se precisarían para no sobrepasarla verificaría la condición de equilibrio

adm

2

4

dnP τπ= τ

Cálculo por aplastamiento.� Fallo por aplastamiento. La unión podría fallar si un remache

aplastara el material de la placa en la zona de contacto común, o bien, si el propio remache fuera aplastado por la acción de la placa.

� Se puede aumentar la resistencia a la compresión de la unión aumentando el área de compresión, o sea, aumentando el diámetro del remache o el espesor de la placa o ambos.

� Si σc,adm es la tensión admisible a compresión en la chapa, el mínimo número nc de tornillos que se precisarán verificará:

admcc ednP ,σ=

Cálculo a tracción.� Fallo por rotura de la placa a tracción. En una pieza sometida a

tracción, de una unión mediante remaches, se puede producir el fallo por rotura de la sección debilitada por los agujeros para los remaches

� Se puede elevar la resistencia de la unión aumentando el espesor o el ancho de la placa o ambos.

� Las roturas por fallo de la chapa a tracción o cortante no se suelen considerar en el cálculo de la unión, ya que se evitan al tener en cuenta las recomendaciones de las normas en cuanto a distancias mínimas entre agujeros y entre éstos y los bordes de las chapas.

Doble cortadura.� Una unión mediante costura simple tiene el inconveniente de que al

efecto del esfuerzo cortante en la sección recta se añade un momento debido a no tener las fuerzas iguales y opuestas aplicadas a las chapas en la misma línea de acción.

� La existencia de este momento tenderá a provocar una deformación de la costura del tipo indicado en las figuras (a) y (b), según se trate de unión con una o dos filas de tornillos.

� Este efecto se puede evitar colocando las placas en alguna de las posiciones indicadas a continuación

Doble cortadura.

� En este caso los elementos de unión trabajan a doble cortadura.

� Para el cálculo a cortadura del número menor nτ de tornillos o remaches se tendría:

adm2adm

2

d

P2n

4

d2nP

τπ=⇒τπ⋅⋅= ττ

� Para el cálculo por aplastamiento:

adm,ccadm,cc

de

PndenP

σ=⇒σ=

Carga descentrada.� Se presentan con frecuencia casos de

uniones en los que la carga es excéntrica, como ocurre en la unión indicada en la Figura, y cuyo cálculo simplificado se basa en la teoría elemental de la cortadura

� La carga P se reparte entre los tornillos de forma uniforme, es decir, sobre cada tornillo actuará en sentido vertical un esfuerzo cortante P/n, si n es el número de ellos.

� Admitiremos que el momento es absorbido por fuerzas cortantes Fi de dirección perpendicular a la recta que une el centro del taladro A i con el centro de gravedad G y de módulo directamente proporcional a la distancia r i entre ambos puntos, siendo la constante de proporcionalidad la misma para todos los tornillos, es decir, Fi = k r i.

Carga descentrada.

∑∑ ∑ ===n

1

2i

n

1

n

1

2iii rkrkrFeP

in

1

2i

ii r

r

ePrkF

∑

==

in

1

2i

2i

iin

1

2i

iiix y

)yx(

ePsenr

r

ePsenFF

∑∑ +−=α−=α−=

� Por tanto, se tendrá que verificar:

� Despejando el valor de k de esta expresión y sustituyendo en ,Fi = k r iobtenemos el esfuerzo cortante Fi sobre cada remache debido al momento Pe.

� Respecto de un sistema de referencia Gxy este esfuerzo cortante tiene las componentes:

in

1

2i

2i

iin

1

2i

iiiy x

)yx(

ePcosr

r

ePcosFF

∑∑ +−=α−=α=

Carga descentrada.� Para calcular el

esfuerzo cortante total sobre cada remache habrá que componer vectorialmente P/n en la dirección de la carga P y Fi, cuyo módulo acabamos de calcular, en dirección perpendicular a la recta que une el centro del taladro con el centro de gravedad G, tal como se indica en la figura.

Problema 4.1.� Determinar el numero de tornillos necesarios (Φ16, clase 8.8) para

realizar la unión planteada en la figura. La fuerza F vale 440 KN, el espesor de la chapa es de 8 mm y se trata de acero S-235.

Problema 4.2.� El perfil UPN 300 de la figura esta soldado a tope todo alrededor en

una placa dorsal rigidizada. Comprobar los esfuerzos en los tornillos 10.9 y de diametro 20 mm.