2.3.1.- Generalidades. Procedimientos de soldado.
En forma general la soldadura es un proceso por el cual se unen partes metálicas mediante la aplicación de calor combinada o no con una presión entre las superficies en contacto. Puede o no adicionarse material de aporte al material base que se quiere unir.
En estructuras metálicas se usan actualmente dos procedimientos para las uniones soldadas: (a) Soldadura por contacto o por puntos.
(b) Soldadura por arco eléctrico con aporte de material.
(a) Soldadura por puntos. (esquema según Figura 2-18).
Se utiliza sólo para unir chapas de pequeño espesor (hasta 4,5 mm.) en estructuras con elementos de chapa delgada doblada en frío. Se ponen en contacto las chapas a unir y se hace pasar una corriente eléctrica que funde el material base. Al mismo tiempo se aplica una presión de manera que en el punto de aplicación de la misma se une el material fundido de ambas chapas en contacto. Al enfriarse queda un punto de unión entre las chapas. El punto trasmite esfuerzos de corte y eventualmente de tracción como si fuera un bulón o remache.
Figura 2-18 (b) Soldadura por arco eléctrico con aporte de material.
En este proceso se forma un arco eléctrico entre las piezas a soldar y una varilla con material de aporte (electrodo). El arco eléctrico genera calor que funde un área limitada del material base de las piezas a unir y el extremo del electrodo. Las gotas de material fundido del electrodo son impulsadas por el arco eléctrico dentro de la masa fundida del material base . Al enfriarse la masa se solidifica y queda la unión realizada. El electrodo puede ser sostenido manualmente o por una máquina automática o semi- automática. El esquema para la soldadura por arco manual se indica en la Figura 2-19 (a).
Los electrodos tienen un alma de acero y un revestimiento formado por una mezcla de elementos pulverulentos compactados. Las funciones del revestimiento son múltiples siendo las más importantes: x provee una atmósfera gaseosa (Figura 2-19 (b)) que impide el contacto del aire con el metal fundido evitando la combinación química del nitrógeno y oxígeno de aquél.
x deposita escoria en el metal fundido que absorbe ciertas impurezas del metal base y demora el enfriamiento de la soldadura. La escoria tiene menor densidad que el metal base y sale a la superficie cuando la masa se enfría. Debe ser retirada con martillo o cepillo antes de realizar otro cordón o pintar. x aporta elementos de aleación que mejoran el metal de la soldadura.
x dirige el arco eléctrico y facilita la penetración de las gotas de electrodo fundido, regulando su direccionalidad para distintas posiciones del cordón de soldadura.
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Figura 2-19
Los electrodos deben ser compatibles con el metal base y tener en general una tensión de fluencia y rotura a tracción mayor o igual a las de aquél. Según el tipo de revestimiento pueden ser celulósicos, básicos, metálicos, ácidos, etc. De acuerdo al tipo de acero y a las condiciones en que se realizará la soldadura se debe elegir el tipo apropiado de electrodo. En la clasificación de la AWS (American Welding Society) se designan como Exxxx. Los dos primeros dígitos indican la tensión mínima de rotura a tracción en kilolibras por pulgada cuadrada. El tercer dígito la posición para soldar en que es apropiado su uso. El dígito siguiente se relaciona con intensidades de corriente, polaridad etc. Por ejemplo E7010 es un electrodo de 70 ksi ( 480 MPa ) de tensión de rotura a tracción, apto para soldar en todas las posiciones (clave 1). La designación mencionada será adoptada por los Reglamentos nacionales. (Regl. CIRSOC 304, Reglamento Argentino para la soldadura de Estructuras en Acero)
Además del proceso por arco manual (o arco protegido) existen procedimientos automáticos y semi- automáticos. El proceso automático por arco sumergido consiste en la fusión de un electrodo desnudo dentro de una masa de polvo fusible que protege el arco. El electrodo se va desenrollando automáticamente. Se utiliza en taller y permite soldaduras de gran calidad. Un proceso semiautomático es el llamado de arco metálico bajo protección gaseosa en el que un electrodo desnudo alimentado en forma continua se funde bajo una atmósfera de gas protector aportado desde un depósito, que protege al arco eléctrico y al metal fundido. Otro proceso semiautomático es el arco con núcleo fundente. Se utiliza un alambre tubular con un núcleo revestido. El revestimiento provee la atmósfera gaseosa de protección.
2.3.2.- Ventajas y desventajas de las uniones soldadas.
x Las estructuras soldadas resultan en general mas livianas que las abulonadas por la eliminación de los medios de unión y de chapas auxiliares muchas veces necesarias en ellas. Esto también simplifica el detallado de las estructuras.
x No hay disminución de sección resistente a tracción y corte como en las uniones abulonadas por la presencia de agujeros.
x En muchas situaciones las uniones y empalmes pueden ser realizadas en forma mas simple. x En estructuras continuas es mucho mas sencillo lograr la continuidad que con uniones abulonadas.
x Cuando la posición de soldado es cómoda se pueden ejecutar uniones en obra permitiendo mayor tolerancia en el montaje que con uniones abulonadas.
x Como inconveniente, en uniones que no deben trasmitir momento (articulaciones) resulta más difícil evitar los momentos secundarios, debiendo para ello proyectar cuidadosamente la unión. x Es necesaria mano de obra especialmente capacitada.
x Las uniones soldadas generan tensiones residuales al enfriarse, por lo que deben ser cuida- dosamente proyectadas y ejecutadas para reducir dichas tensiones.
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2.3.3.- Tipos de uniones soldadas.
Tenemos básicamente tres tipos de uniones soldadas. (Figura 2-20)
(a) a tope. (b) de filete. (c) de tapón o de muesca.
Figura 2-20
.En lo referente a la posición en que se ejecuta la soldadura podemos establecer una clasificación según se indica en la Figura 2-21.
Figura 2-21
Las soldaduras sobre cabeza son las más difíciles de ejecutar correctamente y deben ser evitadas en lo posible.
Se puede establecer una clasificación según el tipo de junta de acuerdo a la Figura 2-22.
a tope traslapada de borde ( a ) ( b ) ( c )
te (filete) te (tope) de esquina ( d ) ( e ) ( f )
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2.3.4.- Calidad de las soldaduras.
Para obtener buenas uniones soldadas se debe considerar:
(1) Proyectar uniones con posiciones que permitan una fácil ejecución y no generen estados ten- sionales complejos. Se deben evitar en lo posible los cruces de cordones. (Figura 2-23).
Figura 2-23
Al enfriarse se generan estados biaxiales (Caso a) y triaxiales (Caso b) de tensión que pueden producir una rotura frágil. Los últimos son los más peligrosos y no son aceptables. Una solución al problema en un cruce de cordones de filete es la indicada en (c). Cuando se cruzan dos cordones se debe estudiar la secuencia de soldado. Por ejemplo (d).
Lo mismo cuando existen soldaduras en dos caras para evitar la distorsión (e).
(2) Elegir correctamente electrodo, intensidades de corriente y técnica de soldado a utilizar. En secciones de mayor espesor se inducen tensiones residuales mayores por la necesidad de aplicar mayor cantidad de calor. En secciones muy gruesas en necesario un precalentamiento de las piezas a unir.
(3) El operario soldador debe ser calificado para el tipo de soldadura a ejecutar.
(4) Las soldaduras no deben presentar grietas, poros, escoria incluida, falta de fusión, socavación etc. (ver Figura 2-24)
Estos defectos tienen fundamental importancia en uniones soldadas sometidas a cargas pulsatorias
Figura 2-24
(5) Se debe realizar un adecuado control de calidad. La inspección puede ser : (a) visual. Se detectan defectos visibles como grietas, sopladuras, color etc.; (b) Con tinturas penetrantes. Se extienden
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tinturas líquidas que penetran en las grietas; se limpia el excedente y se aplica polvo absorbente que lleva la tintura a la superficie mostrando la grieta. La cantidad brotada indica la profundidad de la misma. También se pueden usar líquidos fluorescentes que marcan la grieta al ser iluminados por luz negra. (c) Partículas magnéticas. Se magnetiza eléctricamente la soldadura y se coloca polvo de hierro que al distribuirse según la polarización marca la grieta. Solo se detectan grietas superficiales. (d) Con ultrasonido. Se envían ondas a través del material las que modifican su imagen al atravesar grietas, sopladuras, etc. Los equipos son costosos pero el método ubica muy bien las fallas. (e) Por métodos ra-diográficos. Son costosos y sirven fundamentalmente para soldaduras a tope. Su uso se justifica sólo en zonas críticas de grandes estructuras.
2.3.5.- Soldaduras a tope.
Se utilizan fundamentalmente para unir miembros estructurales que están ubicados en el mismo plano (Figura 2-22 (a)); también para juntas en te (Figura 2-22 (e)) o para juntas acampanadas (Figura J.2- 2, Página 62) . Pueden ser de penetración total (Figura 2-25 (a)) o parcial (Figura 2-25 (b)) según la unión se extienda o no en todo el espesor de la junta. En general es conveniente ejecutarlas con sobremonta (Figura 2-25 (c)) para contrarrestar la disminución de sección por poros u otros defectos y para facilitar
Figura 2-25
el trabajo del soldador. La sobremonta varía entre 0,8 mm y 3 mm. Sin embargo en estructuras sometidas a esfuerzos de fatiga es necesario eliminar la sobremonta por pulido posterior para evitar la concentración de tensiones.
Las superficies pueden tener o no preparación en función de sus espesores y de que la soldadura se ejecute desde uno o desde ambos lados. (Figura 2-26). En general es conveniente que el extremo no sea biselado sino que tenga un tramo recto para evitar socavaciones. En soldaduras de penetración total para asegurar una buena raíz es conveniente utilizar una chapa de respaldo.
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Especificaciones reglamentarias.
Según el CIRSOC 301-EL (Sección J.2.1.) y el CIRSOC 304 se define y especifica:
x área efectiva de la soldadura a tope ( Aw ): es el producto de la longitud efectiva por el espesor efectivo de garganta.
x longitud efectiva ( Le ) : ancho de la parte unida. x espesor efectivo de garganta ( te ):
- en penetración completa o total : espesor de la parte unida mas delgada. (Figura 2-25 (a)) - en penetración parcial: según Tabla J.2-1 y Figura J.2-1 . La altura del chaflán es el valor D indicado en la Figura 2-25 (b)
Figura J.2-1 (nomenclatura de soldaduras a tope) Tabla J.2-1
Proceso de Soldadura Posición de soldado Preparación dela Junta Garganta EfectivoEspesor de Arco c/Electrodo Metálico
Protegido o Arco Sumergido
Juntas en U o J Arco c/Electrodo Metálico
bajo Protección Gaseosa
Bisel o Junta
en V t 600
Altura del chaflán
Arco con Núcleo Fundente
Todas
Bisel o Junta en V
< 600 pero t450
Altura del chaflán menos 3 mm
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El espesor mínimo en juntas a tope de penetración parcial debe cumplir:
te ≤≤ espesor de la parte unida más delgada, aún cuando fuera necesario un tamaño mayor por la
resistencia requerida,
y además y en función del espesor mas grueso de las partes unidas
te ≥ que los valores indicados en la Tabla J.2-3.
Tabla J.2-3 Espesor del Material
Unido más Grueso (mm)
Espesor de Garganta Efectiva Mínima (a)
(mm) hasta 6 3 Más de 6 hasta 13 5 Más de 13 hasta 19.0 6 Más de 19.0 hasta 38 8 Más de 38 hasta 57 10 Más de 57 hasta 150 13 Más de 150 16
(a) Ver Sección J.2.
- en juntas acampanadas. Según Tabla J.2-2 y Figura J.2-2
Figura J.2-2 Tabla J.2-2 Tipo de Soldadura Radio de la Barra o de Plegado, R. Espesor Efectivo de Garganta
Tope acampanada Todos 5/16 R
Tope acampanada Todos 1/2 R
(a)
(a) Usar 3/8 R para Soldadura de Arco Metálico Protegido a Gas (excepto en procesos de transferencia de corto circuito) cuando R t 25 mm.
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2.3.6.- Soldaduras de filete.
Al ser sometidas a fuerzas hasta su rotura las soldaduras de filete fallan por corte según un plano apro- ximadamente a 45º a través de la garganta. Es por ello que se toma el área de ese plano como área efectiva. (Figura 2-27).
Las soldaduras de filete resisten mejor las fuerzas de tracción y compresión que las de corte, cuando ellas no coexisten. Cuando se disponen los cordones es preferible que los mismos queden sujetos a corte solamente y no a una combinación de corte y axil.
cara teórica cara teórica cara teórica
lado plano de (cateto) garganta
raíz garganta
teórica ( e g ) garganta efectiva garganta efectiva
cara cóncava cara convexa ( no conveniente ) ( conveniente )
Figura 2-27
La superficie debe ser plana o convexa puesto que si es cóncava tienden a producirse grietas al enfriarse la soldadura.
Conviene que el plano medio tenga una inclinación de 45º para que resulten filetes de lados (catetos) iguales.
Si se utiliza el proceso automático de arco sumergido se logra mayor penetración y la resistencia de la soldadura aumenta, lo que es contemplado por el Reglamento CIRSOC 301-EL aumentando el espesor efectivo de garganta a considerar. (Sección J.2.2(a)).
En la Figura 2-28 se indican distintos casos en que se utilizan soldaduras de filete.
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Especificaciones del Reglamento CIRSOC 301-EL (Sección J.2.2) : La nomenclatura para las soldaduras de filete se indica en la Figura J.2-3
Figura J.2-3 Las especificaciones más importantes son:
x el Area efectiva ( Aw ) de la soldadura es el producto del espesor efectivo de garganta ( eg ) por la longitud efectiva del filete ( Le ) . Aw = eg. Le
x el espesor efectivo de garganta es el la distancia más corta entre la raíz y la cara teórica del filete en una representación esquemática de la sección transversal de la soldadura. (en el caso de sol- daduras ejecutadas por el proceso de arco sumergido se toma un valor mayor)
x la longitud efectiva es la longitud total del eje del filete de dimensiones uniformes incluidos los retornos. Para filetes curvos se medirá a lo largo de la línea central de la garganta efectiva.
x El lado (cateto) mínimo (d) del filete será: ≥≥ al necesario según cálculo.
≥ a los valores indicados en la Tabla J.2-4 en función del espesor más grueso de las chapas unidas.
Los valores indicados han sido obtenidos experimentalmente y proveen un cierto margen para las tensiones no calculadas que se originan durante la fabricación, manipuleo, transporte y montaje
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Tabla J.2-4
Tamaño Mínimo de Soldaduras de Filete (b)
Espesor del Material Unido más Grueso
(mm)
Tamaño Mínimo de la Soldadura de Filete (a)
(mm) Hasta 6 Más de 6 hasta 13 Más de 13 hasta 19 Más de 19 3 5 6 8
(a) Lado del filete. Debe hacerse de una sola pasada. (b) Ver la Sección J.2.2(b) para el lado máximo del
cordón de filete.
- El tamaño máximo que puede tener el filete ejecutado en una sola pasada es 8 mm.
- Para la unión de alas con almas el lado del filete sólo debe ser el necesario para desarrollar la capacidad resistente del alma (o sea trasmitir tensión rasante y cargas aplicadas) y no es necesario que cumpla los valores mínimos indicados.
x El lado (cateto) máximo (d) del filete para cordones a lo largo de bordes será:
(a) ≤≤ (espesor del material) si el espesor es ≤ 6 mm. 2 mm (b) ≤ (espesor del material menos 2mm) si el espesor > 6mm t≤ 6mm d t > 6mm d Esta especificación busca permitir el
control de la dimensión del filete por lo que es aplicable en los casos como los de la figura.
x La longitud efectiva ( Le ) mínima será:
Le mín ≥ 4 x lado nominal (d) Deberá ser Lmín = 4 cm
- Si no pudiera cumplirse lo anterior se deberá tomar como lado efectivo = (1/4 ) longitud efectiva - En la unión extrema de chapas
planas traccionadas unidas só- b
lo con filetes longitudinales la longitud de cada filete se-
rá mayor o igual a la distancia Le Le> b
transversal entre ellos.
x La longitud efectiva máxima para soldaduras de filete paralelas a la dirección de la fuerza ubicas en el extremo de barras cargadas será: Le = β . L con:
β = 1 si L ≤ 100 d
β = 1,2 – 0,002 (L/d) ≤ 1 si 100 d < L ≤ 300 d d
β = 0,6 si L > 300 d
L = longitud real del filete L≥ Le
Se puede considerar una distribución uniforma de tensiones en dicha longitud efectiva máxima.
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x Se pueden utilizar filetes intermitentes Le
(discontinuos) cuando la resistencia requerida sea menor que la resistencia de diseño de un filete continuo con el lado mínimo especificado.
La longitud efectiva de cada segmento de la Cadena d
soldadura intermitente será:
Le≥≥ 4 x lado nominal (d)
y Le≥ 40 mm Le
Alternada La separación máxima entre filetes intermitentes será :
(a) para barras pintadas o no pintadas sin peligro de corrosión: menor o igual a 20 veces el espesor de la chapa mas fina o a 250 mm
(b) para barras no pintadas de acero resistente a la corrosión sometidas a la corrosión atmosférica: menor o igual a 12 veces el espesor de la chapa mas fina o a 150 mm .
x En juntas traslapadas se debe cumplir:
solape mínimo ≥ 5 x menor espesor de chapas
≥ 25 mm. t1 t2
Cuando las chapas o barras unidas en una
junta traslapada estén sometidas a esfuerzos ≥ 5 t1 t 1 < t2
axiles y se unen sólo con filetes transversales serán soldadas en los extremos de ambas partes solapadas, a fin de evitar la separación de las chapas
por efecto del momento resultante de la excen- filete
tricidad. Puede no ejecutarse el filete transver- transversal
sal si se dispone de otro medio para evitar dicha separación. (Por ejemplo bulones).
x El ángulo entre chapas entre las que se realice una soldadura de
filete no podrá ser menor a 60º. ≥ 60º
Esto es para garantizar una buena ejecución del cordón.
x Cuando se realicen agujeros o muescas y no se rellenen totalmente, las soldaduras serán consideradas como de filete a los efectos de la trasmisión de esfuerzos de corte o de los generados por el pandeo de chapas o barras compuestas.
x Terminaciones y Retornos. ( CIRSOC, Figuras J.2-4, J.2-5, J.2-6)
Los filetes pueden ser extendidos hasta los extremos o los bordes laterales de las barras unidas o terminados antes de ellos excepto en los casos que se indican a continuación:
(1) En juntas traslapadas en las cuales una parte se extiende mas allá de un borde sometido a tensiones de tracción, las soldaduras de filete serán terminadas a una distancia de dicho borde mayor o igual que el lado del filete. (ver Figura J.2-4)
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(2) Para uniones y elementos estructurales tales como ménsulas, apoyos de vigas, o chapas extremas en uniones simples que están solicitados a fuerzas cíclicas (fatiga) normales al plano y/o momentos de frecuencia e intensidad que puedan tender a iniciar una falla progresiva desde el punto de máxima tensión en el extremo de la soldadura, los filetes serán retornados alrededor de la esquina en una distancia mayor o igual a dos veces el lado nominal del filete o el ancho del elemento, lo que sea menor. (ver Figura J.2-5)
(3) Para ángulos y chapas extremas en uniones simplemente apoyadas en las cuales su flexibilidad determina la flexibilidad de la unión, si son usados retornos éstos no deberán tener una longitud mayor que cuatro veces el lado nominal del filete. (Figura J.2-5)
(4) Las soldaduras de filete que unan rigidizadores transversales al alma de vigas armadas deberán terminar a no menos de 4 veces y no mas de 6 veces el espesor del alma del pie de la soldadura de unión de ala y alma, excepto cuando el rigidizador esté soldado al ala. (ver Capítulo 7, Figura 7-15)
(5) Las soldaduras de filete que estén ubicadas en los lados opuestos de un plano común deberán ser interrumpidas a una distancia de dos veces el lado del filete, en el ángulo común de ambas soldaduras.(Figura J.2-6)
tw
tw
Figura J.2-4
Soldaduras de filete cercanas a bordes traccionados
Aún cuando el Reglamento establece tomar como longitud efectiva el total de la longitud incluidos los retornos, es conveniente para computar la longitud efectiva descontar de la longitud total que incluya el retorno, dos veces el lado del filete. Esto porque no siempre se puede garantizar la buena calidad de la soldadura en los extremos del cordón.
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Figura J.2-5 Retornos
Figura J.2-6
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2.3.7.- Soldaduras de tapón y de muesca.
Se consideran como tales para el cálculo cuando el agujero o la muesca están totalmente rellenos de material de aporte. En ese caso el área efectiva es el área total del agujero o muesca en el plano de la superficie de unión entre ambas chapas. En el Reglamento CIRSOC 301-EL (Sección J.2.3.) se indican dimensiones máximas, redondeo de esquinas, separaciones máximas y mínimas, espesores, etc.
2.3.8.- Símbolos para uniones soldadas.
En la Figura 2-29 se muestran en forma simplificada los símbolos para representar las características de las uniones soldadas utilizados por la AWS . En la Figura 2-30 se indican algunos ejemplos de aplicación de esa simbología.