soldadura apuntes

ELEMENTOS DE MAQUINAS TEC. SUP. MANTENIMIENTO INDUSTRIAL II

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SOLDADURA.

Es la unin entre dos piezas metlicas lograda por la aplicacin de calor, hasta lograr la fusin

del metal en las zonas de contacto. Ordinariamente se aade metal fundido.

Se caracteriza este tipo de unin por no debilitar las piezas al no agujerearlas como en el

remachado. Adems propicia un aumento de velocidad en la fabricacin de piezas. Sustituye a

la fundicin con coste menor. Son piezas con mayor resistencia que las fundidas. Y por otra parte

la mecanizacin es ms fcil en las piezas soldadas. Sin embargo este tipo de unin se considera

destructiva dado que una vez realizada es muy difcil recuperar las piezas como eran

originariamente, por no decir imposible.

Los efectos de la soldadura resultan determinantes para la utilidad del material soldado. El metal

de aportacin y las consecuencias derivadas del suministro de calor pueden afectar a las

propiedades de la pieza soldada. Deben evitarse porosidades y grietas aadiendo elementos de

aleacin al metal de aportacin, y sujetando firmemente las piezas que se quieren soldar para

evitar deformaciones. Tambin puede suceder que la zona afectada por el calor quede dura y

quebradiza. Para evitar estos efectos indeseables, a veces se realizan precalentamientos o

tratamientos trmicos posteriores. Por otra parte, el calor de la soldadura causa distorsiones

que pueden reducirse al mnimo eligiendo de modo adecuado los elementos de sujecin y

estudiando previamente la secuencia de la soldadura.

TIPOS DE SOLDADURA.

Se pueden distinguir primeramente los siguientes tipos de soldadura:

Soldadura heterognea. Se efecta entre materiales de distinta naturaleza, con o sin

metal de aportacin. O bien entre metales iguales, pero con distinto metal de

aportacin. Puede ser blanda o fuerte.

Soldadura homognea. Los materiales que se sueldan y el metal de aportacin, si lo

hay, son de la misma naturaleza. Puede ser oxiacetilnica, elctrica (por arco voltaico o

por resistencia), etc. Si no hay metal de aportacin, las soldaduras homogneas se

denominan autgenas.

Por soldadura autgena se entiende aqulla que se realiza sin metal de aportacin, de manera

que se unen cuerpos de igual naturaleza por medio de la fusin de los mismos; as, al enfriarse,

forman un todo nico.


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Clasificacin de los diferentes tipos de soldadura existentes.

HETEROGENEAS

Soldadura blanda

Esta soldadura de tipo heterogneo se realiza a temperaturas por debajo de los 400 C. El

material metlico de aportacin ms empleado es una aleacin de estao y plomo, que funde a

230 C aproximadamente. En muchas ocasiones, el material de aportacin se presenta en forma

de hilo enrollado en un carrete.


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Tiene multitud de aplicaciones, entre las que destacan:

- Electrnica. Para soldar componentes en placas de circuitos impresos.

- Soldaduras de plomo. Se usan en fontanera para unir tuberas de plomo, o tapar grietas

existentes en ellas.

- Soldadura de cables elctricos.

- Soldadura de chapas de hojalata.

Aunque la soldadura blanda es muy fcil de realizar, presenta el inconveniente de que su

resistencia mecnica es menor que la de los metales soldados; adems, da lugar a fenmenos

de corrosin.

Soldadura fuerte

Tambin se llama dura o amarilla. Es similar a la blanda, pero se alcanzan temperaturas de hasta

800 C. Como metal de aportacin se suelen usar aleaciones de plata, y estao (conocida como

soldadura de plata); o de cobre y cinc. Como material fundente para cubrir las superficies,

desoxidndolas, se emplea el brax. Un soplete de gas aporta el calor necesario para la unin.

La soldadura se efecta generalmente a tope, pero tambin se suelda a solape y en ngulo.

Este tipo de soldadura se lleva a cabo cuando se exige una resistencia considerable en la unin

de dos piezas metlicas, o bien se trata de obtener uniones que hayan de resistir esfuerzos muy

elevados o temperaturas excesivas. Se admite que, por lo general, una soldadura fuerte es ms

resistente que el mismo metal que une.

HOMOGENEAS.

Por presin.

La soldadura en fro es un tipo de soldadura donde la unin entre los metales se produce sin

aportacin de calor. Puede resultar muy til en aplicaciones en las que sea fundamental no

alterar la estructura o las propiedades de los materiales que se unen. Se puede realizar de las

siguientes maneras, por presin en frio o en caliente, y por friccin.


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Por fusin.

- Soldadura oxiacetilnica (con gases al soplete). El calor aportado en este tipo de soldadura se debe a la reaccin de combustin del acetileno (C2H2): que resulta ser fuertemente exotrmica, pues se alcanzan temperaturas del orden de los 3500 C.

En la llama se distinguen diferentes zonas, claramente diferenciadas: Una zona fra a la

salida de la boquilla del soplete sonde se mezclan los gases, a continuacin el dardo que

es la zona ms brillante de la llama y tiene forma de tronco de cono, posteriormente se

encuentra la zona reductora que es la parte ms importante de la llama, donde se

encuentra la mayor temperatura (puede llegar a alcanzar los 3150 C) y por ltimo el

penacho o envoltura exterior de la llama.

Segn la relacin oxgeno/acetileno la llama puede ser oxidante si tiene exceso de O2,

es una llama corta, azulada y ruidosa. Alcanza las mximas temperaturas. Reductora si

tiene falta de O2, es una llama larga, amarillenta y alcanza menos temperatura. Neutra

o normal que es aquella ideal para soldar acero O2/C2H2 = 1 a 114.

Sus aplicaciones varan desde lminas de acero o hierro, hasta utilizarse en construccin,

en la industria naval y en la automovilstica.

- Soldadura por arco elctrico. En la actualidad, la soldadura elctrica resulta

indispensable para un gran nmero de industrias. Es un sistema de reducido

coste, de fcil y rpida utilizacin, resultados perfectos y aplicable a toda clase

de metales. Puede ser muy variado el proceso.


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El procedimiento de soldadura por arco consiste en provocar la fusin de los bordes que

se desea soldar mediante el calor intenso desarrollado por un arco elctrico. Los bordes

en fusin de las piezas y el material fundido que se separa del electrodo se mezclan

ntimamente, formando, al enfriarse, una pieza nica, resistente y homognea.

Este tipo de soldadura puede realizarse con electrodos metlicos o de carbn. Esto ha

dado lugar, a lo largo de la historia de la soldadura por arco, a varios procedimientos

distintos como Bernardos, Slavianoff o Kjellberg.

La soldadura por arco es apropiada para soldadura vertical, tiene alta penetracin en

todas posiciones y otorga propiedades mecnicas razonables. Genera gran cantidad de

hidrgeno con el riesgo de fracturas en la zona afectada por el calor. La soldadura por

arco tiene ciertas ventajas con respecto a otros mtodos. Es ms rpida debido a la alta

concentracin de calor que se genera y por lo tanto produce menos distorsin en la

unin. En algunos casos se utilizan electrodos fusibles, que son los metales de

aportacin, en forma de varillas recubiertas de fundente o desnudas; en otros casos se

utiliza un electrodo refractario de volframio y el metal de aportacin se aade aparte.

Dentro de la soldadura por arco existen varios tipos adems del comn, como la soldadura por arco sumergible; por arco en atmosfera inerte que incluye el famoso mtodo TIG, el MIG y el MAG

Destacaremos los mtodos realizados en atmosfera inerte por su empleo en la industria

aunque debemos resaltar que cada procedimiento posee sus ventajas e inconvenientes.

- Soldadura por arco en atmsfera inerte. Este procedimiento se basa en aislar

el arco y el me tal fundido de la atmsfera, mediante un gas inerte (helio, argn,

hidrgeno, anhdrido carbnico, etc.). Existen varios procedimientos.


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Con electrodo refractario (mtodo TIG). El arco salta entre el electrodo de

Wolframio o tungsteno (que no se consume) y la pieza, el metal de aportacin

es una varilla sin revestimiento de composicin similar a la del metal base. Su

aplicacin industrial es extensa aplicndose a todos los metales ligeros tales

como aluminio, magnesio y aleaciones, aceros inoxidables (Cromo, Nquel, y

aleaciones), cobre y sus aleaciones, plomo, plata, oro, aceros al carbono,

metales diferentes entre s, etc.

Con electrodo consumible (mtodo MIG y MAG).Aqu se sustituye el electrodo

refractario de wolframio por un hilo de alambre continuo y sin revestimiento

que se hace llegar a la pistola junto con el gas. Segn sea el gas as recibe el

nombre, (MIG = Metal Inert Gas) o MAG si utiliza anhdrido carbnico que es

ms barato.

El proceso de soldado MIG se puede emplear para soldar diversos materiales:

aceros al carbono, metales inoxidables, aluminio, etc. La productividad por este

tipo de soldadura es eficiente. Dado la capacidad de rendimiento por

un electrodo continuo, que no necesita ser cambiado y con una tasa de

deposicin mayor las dems, se pueden realizar soldaduras de manera continua,

sin necesidad de que se hagan empalmes entre cordn y cordn.


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La soldadura por arco elctrico puede realizarse empleando corriente continua o

alterna. La tensin ms ventajosa en corriente continua es de 25 a 30 voltios, pero para

cebar el arco al comenzar la tensin ha de ser de 70 a 100 voltios; por este motivo, es

necesario intercalar una resistencia en serie que haga de regulador. La intensidad de

corriente est comprendida entre 30 y 300 amperios, segn la amplitud y la profundidad

de la soldadura que se vaya a realizar. Las mquinas de corriente alterna para soldadura

llevan un transformador que reduce la tensin de la red, generalmente de 220 voltios,

a la de soldadura (inferior a 70 voltios). Estos equipos son ms sencillos y econmicos;

por eso son los ms empleados, sobre todo para algunos trabajos que se realizan en

pequeos talleres.

La soldadura por arco elctrica posee mejores propiedades mecnicas y resistencia

frente a los mtodos MAG y MIG. Estos son ms precisos y sin prdidas de material.

Por presin y fusin.

- Soldadura por Puntos. Las piezas, generalmente chapas, quedan soldadas por

pequeas zonas circulares aisladas y regularmente espaciadas que, debido a su

relativa pequeez, se denominan puntos. Las chapas objeto de unin se sujetan

por medio de los electrodos y, a travs de ellos, se hace pasar la corriente

elctrica para que funda los puntos.

- Soldadura por Costura. La soldadura elctrica por costura se basa en el mismo

principio que la soldadura por puntos, pero en este caso las puntas de los

electrodos se sustituyen por rodillos, entre los cuales y, presionadas por el

borde de stos, pasan las piezas a soldar.


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MAQUINAS PARA SOLDAR.

MAQUINAS CON TRANSFORMADOR.

Son aquellas mquinas de soldar que usan transformador, conocidas tambin como mquinas

estticas. En este tipo de mquinas se transforma la corriente alterna (220 volts) bajando la

tensin de la red de alimentacin a una tensin e intensidad adecuada para soldar. Dicha

corriente alterna, de baja tensin (65 a 75 Voltios en vaco) y de intensidad regular (10

400Amp), permite obtener la fuente de calor necesaria para la soldadura.

Existen del tipo bobina desplazable y de regulacin por clavijas. No poseen piezas mviles. Se

han fabricado incluso para intensidades altas, incorporando un ventilador cuya funcin exclusiva

es refrigerar el sistema.

A continuacin se muestran algunas mquinas de soldar estticas de corriente alterna de 150 y

180 Amp de corriente alterna para trabajo liviano:

Sus ventajas principales son:

- Bajo costo de adquisicin.

- Mayor duracin y menor gasto de mantenimiento.

- Mayor rendimiento y menor consumo en vaco.

- Regulacin de corriente por shunt mvil.

- Menor influencia del soplo magntico.

Desventajas:

- Limitacin en el uso de algunos electrodos.

- Dificultad para establecer y mantener el arco (se pega el electrodo).

- Debe conservarse libre de polvo.

MAQUINAS CON GENERADOR.

Las mquinas de este tipo producen corriente continua de baja tensin, la cual es utilizada para

soldar. Se denominan igualmente como mquinas de soldar rotativas. Su caracterstica principal

es que el tipo de corriente de salida es apta para todo tipo de electrodos.


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Estn compuestas por un motor, con el cual es posible la obtencin de energa mecnica bajo la

forma de movimiento giratorio. Este movimiento es transmitido, mediante un eje comn, al

generador, el cual permite obtener en ste la corriente adecuada para la soldadura.

Existen dos tipos conocidos de mquinas de soldar rotativas y estn caracterizadas por su

sistema de propulsin, a saber: las accionadas por motor elctrico y las accionadas por motor a

combustin.

A continuacin se muestran algunas mquinas de soldar Rotativas por ejemplo la Blue Star Miller

3500 de 140 Amps. DC y la BOBCAT 225 D Miller de 210 Amps DC y 225 Amps AC, ambas para

uso industrial:

Ventajas:

- Poseen ms de un proceso.

- Poseen estabilidad en el arco.

- Disponen de la polaridad que el electrodo requiera.

- Son aptas para todo tipo de electrodo.

- Poseen ajuste gradual de la intensidad.

- En algunos tipos de mquinas se puede seleccionar el voltaje de salida.

- En el caso de las mquinas con motor a combustin se tiene la posibilidad de soldar en

lugares en donde no hay energa elctrica.

Desventajas:

- Producen contaminacin en el ambiente de trabajo, si este no se encuentra

adecuadamente ventilado.

- Las mquinas accionadas a motor de combustin involucran un alto costo de adquisicin

y mantenimiento.

En ambos casos se tiene mquinas estticas y rotativas sofisticadas de alta produccin en

variadas marcas en el mercado. En general la mayora segn su requerimiento se caracterizan

por:

- Varios procesos de soldadura.

- Excelentes ciclos de trabajo entre 60 % y 100%.

- Buen control de la fuerza de arco.


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- Amplio rango de amperaje.

- Medidores digitales de amperaje y voltaje.

- Proteccin contra descargas.

- Ventilacin controlada por termostato.

CORDON DE SOLDADURA.

El cordn de soldadura tiene tres partes bien diferenciadas:

Zona de soldadura. Es la zona central, que est formada fundamentalmente por el metal

de aportacin.

Zona de penetracin. Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos. La

mayor o menor profundidad de esta zona define la penetracin de la soldadura. Una

soldadura de poca penetracin es una soldadura generalmente defectuosa.

Zona de transicin. Es la ms prxima a la zona de penetracin.

La garganta (a) es la altura del mximo tringulo issceles cuyos lados iguales estn contenidos

en las caras de las dos piezas a unir y es inscribible en la seccin transversal de la soldadura. Se

llama longitud eficaz a la longitud real de la soldadura menos los crteres extremos. Se admite

que la longitud de cada crter es igual a la garganta a.

= 2


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Los cordones de soldadura se pueden clasificar:

Por la posicin geomtrica de las piezas a unir: soldaduras a tope, soldaduras en ngulo.

Por la posicin del cordn de soldadura respecto al esfuerzo: cordn frontal, cordn

lateral, cordn oblicuo.

Por la posicin del cordn de soldadura durante la operacin de soldar: Cordn plano

(se designa con H), cordn horizontal u horizontal en ngulo (se designa por C), cordn

vertical (se designa con V), cordn en techo o en techo y en ngulo (se designa con T).

CALCULO DE LAS UNIONES SOLDADAS

SOLDADURAS A SOLAPE

Calculo de los cordones.

Si se tratan de cordones laterales, trabajan a cortadura:

=

Si se tratan de cordones frontales, trabajan a traccin:

=


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La seccin resistente del cordn se calcula segn la frmula:

=

= 2

= 0,7

Donde es el espesor de la chapa ms esbelta. Existen para ello tambin tablas normalizadas

donde se pueden obtener los valores.


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Calculo de las piezas.

Las piezas siempre se simula que trabajan a traccin. A se toma de la pieza ms dbil siempre

para los clculos. Si la pieza menor soporta el esfuerzo, la mayor tambin obviamente.

=

SOLDADURAS A TOPE.

La norma especifica que las soldaduras a tope realizadas correctamente no requieren clculo

alguno. Se realizan continuas en toda la longitud y penetracin completa. Antes de depositar el

cordn de cierre se debe sanear la raz. Si no hay acceso a la cara posterior, la penetracin ser

completa. En piezas de distinta seccin, debe adelgazarse la mayor con pendientes inferiores al

25%.

Esfuerzos de traccin o compresin.

=

Donde h es la altura de la garganta y l la longitud del cordn. Asi calculamos la tensin que

soporta el cordn realizado.

La tensin de trabajo deber ser menor que la tensin del material (mat) de la soldadura ms

solicitada, multiplicada por 0,6.

0,6 mat

Esfuerzos de corte.

SI se trata de esfuerzo de corte la relacin que debe cumplirse entre la tensin que soporta el

cordn realizado y la tensin del material es la siguiente.

0,4 mat


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Existen dos casos, que se trate de una unin de piezas macizas como planchuelas o buen de

caos estructurales, huecos en su interior. En ambos casos lo que cambia es h y l, a la hora de

su apreciacin.

Si es maciza la unin, h es la altura del cordn y l la longitud de la soldadura.

En caso de tratarse de una unin soldada de caos estructurales, h equivale a la altura del cordn

segn la imagen y l a la longitud del permetro soldado.

Esfuerzos de flexin.

Sea el caso de un perfil que soporta cargas normales a su eje longitudinal.

Para el caso que la soldadura coincida con el momento flector mximo (esfuerzo cortante nulo,

F=0) se debe verificar la relacin:

0,6 mat

Donde W es el mdulo resistente (cm3) de la seccin soldada que en las soldaduras a tope es

la seccin de la planchuela. Segn la seccin se calcula W.

o Seccin cuadrada o rectangular

a) Seccin rectangular maciza (base b altura h):


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b) Seccin cuadrada maciza (es un caso particular de la anterior haciendo b = h)

c) Seccin rectangular hueca (base b altura h y espesor e):

o Secciones circulares y elpticas

a) Seccin circular maciza de radio R:

b) Seccin circular hueca de radio R y espesor e:

c) Seccin elptica maciza con semiejes a y b (a > b)

Soldadura a esfuerzos compuestos de flexin y corte.

En este caso la soldadura no coincide con la zona de mximo momento flector, por lo tanto se

debe verificar

(

)2

+ (

)2 0,8 0,9 mat

A tener en cuenta h y l segn sea una unin de piezas solidas macizas o estructurales.


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CLASIFICACION DE LOS CORDONES DE SOLDADURA

Los cordones de soldadura se pueden clasificar:

Por la posicin geomtrica de las piezas a unir.

o Soldaduras a tope.

o Soldaduras en ngulo

Por la posicin del cordn de soldadura respecto al esfuerzo:

o Cordn frontal. El eje del cordn es perpendicular a la direccin del esfuerzo.

Soporta esfuerzos de traccin y compresin.

o Cordn lateral. El eje del cordn es paralelo a la direccin del esfuerzo. Soporta

esfuerzos de cortadura.

o Cordn oblicuo. El eje del cordn forma un ngulo con la direccin del

esfuerzo. Si < 45, se calcula el cordon como si fuera lateral. Si > 45, como

si fuera frontal.

Por la posicin del cordn de soldadura durante la operacin de soldar:

o Cordn plano (se designa con H)

o Cordn horizontal u horizontal en ngulo (se designa por C).

o Cordn vertical (se designa con V)

o Cordn en techo o en techo y en ngulo (se designa con T)


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PREPARACION DE LOS BORDES.

En planchuelas de espesor entre 1 a 5 mm se recomienda soldar a tope, previa limpieza de los

bordes, eliminando el xido, etc.

En planchuelas de 5 a 12 mm se suelda a tope con un chafln en ngulo de 60 la mitad del

espesor.

Si supera el espesor de 12 hasta los 20mm se realiza a tope por ambos lados con 1/3 del espesor

s. Es decir se achaflanan ambos lados a 60.


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En caso de ser mayor a 20mm el espesor, se realiza a 60 pero con una variacin del espesor a

soldar.

Si se suelda en ngulo una chapa con otra se realiza con un ngulo a 60 realizando la comida

en uno de los dos elementos.

En el caso de que exista la necesidad de realizar un nico chafln para realizar la soldadura, el

mismo debe hacerse del lado que posea espacio fsico. Es decir, estamos limitados solamente

por la disposicin de la pieza a soldar.


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Ejercicio 1. Calcular la longitud del cordn de soldadura.

Se desea soldar en taller dos planchuelas de hierro dulce de baja aleacin en una pieza que est

sometida a esfuerzo de traccin de mediana responsabilidad como se indica en la figura. El

espesor de la planchuela es de 6mm y puede soportar una tensin admisible de trabajo

de 600kg/cm2. Se sugiere adoptar en funcin del material de la planchuela de

450kg/cm2. Las dimensiones de la planchuela se pueden ver en la figura. Se pide:

1. Realizar un cordn frontal de soldadura, calcular su longitud para que resista el esfuerzo

de traccin.

2. Adoptar el electrodo a utilizar del catlogo en funcin de la soldadura.

1. Calculamos el esfuerzo que soporta el cordon en primer lugar.

En primer lugar calculamos la superficie a soldar.

= 0,7 = 0,7 6 = 4,2

= 2 = 100 2 4,2 = 91,6

= = 91,6 4,2 1 = 384,72 2 = 3,85 2

Una vez calculada el rea, pasamos a calcular el esfuerzo que aguantara mximo dicho cordn

=

= =

450

2 3,852 = 1732,5

Calculamos el esfuerzo que soporta la pieza por el esfuerzo de traccin.

=

= =

600

2 62 = 3600

Por tanto se comprueba que el cordn no soportara el esfuerzo. Tampoco en caso de realizar

dos cordones, uno superior y otro inferior. Debera realizarse el clculo para verificar que

pudiera soportarlo de manera lateral mediante esfuerzo de cortadura.

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