¿Se ha preguntado alguna vez cómo la soldadura transforma piezas metálicas separadas en un todo unificado? Este artículo explora el fascinante mundo de las uniones soldadas, examinando sus tipos, características mecánicas y los factores críticos de su diseño. Descubra cómo influyen estas uniones en la resistencia y durabilidad de las estructuras metálicas.
Las juntas de soldadura por arco son estructuras complejas compuestas por cuatro regiones distintas, cada una con características y propiedades únicas:
1 - Soldar metal
2 - Alambre fundido
3 - Zona afectada por el calor
4 - Material de base
Proceso de soldadura confiere a la junta las siguientes características mecánicas:
1) Rendimiento mecánico heterogéneo de las juntas de soldadura
Debido a los diversos procesos metalúrgicos que tienen lugar durante la soldadura y a los diferentes ciclos térmicos y ciclos de deformación que afectan a las distintas zonas, se producen disparidades significativas en la estructura y las propiedades de estas zonas. El resultado es un rendimiento mecánico heterogéneo de toda la unión.
2) Distribución y concentración desiguales de la tensión en las juntas de soldadura
Las discontinuidades geométricas inherentes a las juntas de soldadura provocan una distribución desigual de la tensión de trabajo y la consiguiente concentración de tensiones. Cuando hay defectos de soldadura, o cuando la forma del cordón de soldadura o de la unión no es práctica, la concentración de esfuerzos se intensifica, afectando a la resistencia de la unión, en particular a su resistencia a la fatiga.
3) Tensión residual y deformaciones debidas a un calentamiento desigual durante la soldadura
La soldadura es un proceso de calentamiento localizado. Durante soldadura por arcoLa temperatura en el cordón de soldadura puede alcanzar el punto de ebullición del material, pero disminuye rápidamente lejos del cordón hasta la temperatura ambiente. Este campo de temperatura desigual provoca tensiones residuales y deformaciones en la soldadura.
4) Alta rigidez de las juntas de soldadura
Mediante la soldadura, la costura y los componentes se unifican, lo que proporciona un mayor grado de rigidez en comparación con las uniones remachadas o por contracción.
Unión soldada (también denominada junta): Una unión conectada mediante soldadura.
Uniones soldadas de uso común:
Junta a tope, junta en T, junta en cruz, junta solapada, junta de esquina, junta de borde, junta de manguito, junta a tope en bisel, junta embridada y junta a tope en doble V, entre otras.
Los tipos básicos de uniones soldadas.
Nombre | Formación del cordón de soldadura | Nombre | Formación del cordón de soldadura |
Junta a tope | Conector de terminal | ||
Junta en T | Conector oblicuo a tope | ||
Junta de esquina | Conector de brida | ||
Junta solapada | Conector a tope sellado |
1. Junta a tope
Una unión a tope se forma soldando los bordes de dos piezas colocadas en el mismo plano. Esta configuración de junta se adopta ampliamente en diversas estructuras soldadas debido a su diseño refinado, su capacidad de carga superior, su elevada relación resistencia-peso y la utilización eficiente de los materiales.
La popularidad de la unión a tope se debe a su capacidad para transmitir fuerzas directamente a través de la soldadura, lo que da lugar a una distribución más uniforme de la tensión en comparación con otros tipos de unión. Esta característica la hace especialmente adecuada para aplicaciones con cargas cíclicas o entornos propensos a la fatiga, como recipientes a presión, tuberías y estructuras de acero.
Sin embargo, la naturaleza de borde a borde de la conexión impone requisitos estrictos en la preparación y alineación de las superficies de contacto. La preparación precisa de los bordes, incluido el biselado en el caso de materiales más gruesos, y el mantenimiento de tolerancias de ajuste estrictas son cruciales para garantizar una penetración completa y minimizar el riesgo de defectos de soldadura.
En la producción de soldadura, el cordón de soldadura de una junta a tope suele presentar un ligero perfil convexo, que sobresale por encima de la superficie del material base. Aunque este refuerzo puede proporcionar resistencia adicional, también crea una discontinuidad geométrica. Esta superficie no uniforme puede provocar una concentración de tensiones en el cordón de soldadura, la zona de transición entre el metal de soldadura y el material base. Para mitigar este problema, se pueden emplear tratamientos posteriores a la soldadura, como el esmerilado o el mecanizado, para conseguir una superficie uniforme, sobre todo en aplicaciones en las que la resistencia a la fatiga o las propiedades aerodinámicas son críticas.
Las técnicas de soldadura modernas, como la soldadura láser automatizada o la soldadura por haz de electrones, pueden producir uniones a tope de alta calidad con una distorsión mínima y zonas afectadas por el calor estrechas, lo que mejora aún más las propiedades mecánicas de la unión y la integridad estructural general.
2. Junta en T
Una junta en T (o junta en cruz) se forma conectando miembros perpendiculares mediante una soldadura en ángulo, creando una configuración parecida a la letra "T". Esta versátil unión puede soportar fuerzas y pares multidireccionales, por lo que resulta esencial en diversas aplicaciones estructurales. Las uniones en T se encuentran sobre todo en estructuras de cajones, fabricación de recipientes a presión (como conexiones de tubo a carcasa) y fijación de anillos de refuerzo de pozos al cuerpo de los recipientes.
La geometría de las uniones en T presenta retos únicos en la distribución de esfuerzos. La transición abrupta del cordón de soldadura al material base provoca una distorsión significativa del flujo de fuerzas bajo cargas externas, lo que da lugar a un campo de tensiones altamente no uniforme y complejo. Este fenómeno da lugar a importantes concentraciones de tensiones tanto en la raíz como en la punta de la soldadura en ángulo, que son zonas críticas propensas al fallo por fatiga.
Para mitigar estas concentraciones de tensión y mejorar el rendimiento de las juntas, se pueden emplear varias estrategias:
Al diseñar y fabricar juntas en T, los ingenieros deben tener muy en cuenta factores como la selección de materiales, los parámetros de soldadura y las posibles situaciones de carga para garantizar un rendimiento óptimo de la junta y su longevidad en servicio.
3. Junta solapada
Una junta solapada se crea solapando dos chapas y realizando a continuación una soldadura de filete en el extremo o en el lateral, o añadiendo una soldadura de tapón o de ranura. Debido a la desalineación de las líneas centrales de las dos placas en la junta solapada, se genera un momento de flexión adicional bajo carga, que puede afectar a resistencia de la soldadura.
Por lo tanto, las juntas solapadas no suelen utilizarse para los principales elementos que soportan presión en calderas y recipientes a presión.
La importante alteración de la forma de los componentes debida a las uniones solapadas da lugar a una concentración de tensiones más compleja en comparación con las uniones a tope, lo que se traduce en una distribución extremadamente desigual de las tensiones a lo largo de la unión.
En las uniones solapadas, estas soldaduras pueden clasificarse como frontales, laterales o diagonales en función de las diferentes direcciones de la tensión que actúa sobre la soldadura de filete solapada. soldaduras en ángulo.
Además de soldar dos chapas de acero apiladas por los extremos o los lados, las uniones solapadas también implican la soldadura de ranuras y la soldadura de tapones (agujeros redondos y agujeros alargados). En la figura se muestra la estructura de una junta solapada soldada en ranura.
En primer lugar, la pieza que se va a unir se perfora en una ranura y, a continuación, la ranura se rellena con metal de soldadura. La sección transversal de la soldadura de ranura es rectangular, y su anchura es el doble del grosor de la pieza conectada. La longitud de la ranura debe ser ligeramente inferior a la longitud de la solapa.
La soldadura de tapones implica perforación La soldadura de tapón puede dividirse en dos tipos: soldadura de tapón con orificios circulares y soldadura de tapón con orificios alargados. La soldadura de tapón puede dividirse en dos tipos: soldadura de tapón de orificio circular y soldadura de tapón de orificio alargado, como se muestra en la figura.
4. Junta de esquina
Una junta de esquina se forma cuando dos chapas se sueldan por sus bordes en un ángulo determinado. Las uniones en ángulo se suelen utilizar en estructuras de cajón, uniones de tubos y conexiones con cuerpos cilíndricos. La unión entre los tubos de fuego y las tapas de los extremos en calderas pequeñas también adopta esta forma.
Al igual que las uniones en T, las uniones angulares de una sola cara tienen una resistencia extremadamente baja a los momentos de flexión inversa. A menos que las chapas sean muy finas o que la estructura no sea crítica, por lo general deben hacerse chaflanes para soldar por las dos caras; de lo contrario, no puede garantizarse la calidad.
A la hora de elegir el tipo de junta, hay que tener en cuenta sobre todo la estructura del producto, así como factores como las condiciones de tensión y los costes de transformación.
Por ejemplo:
Las uniones a tope se utilizan mucho porque distribuyen la tensión uniformemente y ahorran metal. Sin embargo, las uniones a tope requieren dimensiones de corte y montaje precisas.
Las uniones en T suelen soportar pequeños esfuerzos de cizallamiento o sirven simplemente como soldaduras de conexión.
Las juntas solapadas no exigen una gran precisión de montaje y son fáciles de ensamblar, pero su capacidad de carga es baja, por lo que suelen utilizarse en estructuras no críticas.
Los requisitos de calidad de la soldadura, tamaño de la soldadura, posición de la soldadura, espesor de la pieza, dimensiones geométricas y condiciones de trabajo en el diseño de uniones soldadas determinan la diversidad en la selección de métodos de soldadura y los procesos de formulación. El diseño y la selección razonables de las uniones soldadas no sólo garantizan la resistencia de las soldaduras y de la estructura general de acero, sino que también simplifican el proceso de producción y reducen los costes de fabricación.
Principales factores en el diseño y la selección de uniones soldadas:
Tabla 1-2: Diseño comparativo de formas de uniones soldadas
Principios de diseño de juntas | Diseño propenso a fallos | Diseño mejorado |
Aumentar la parte delantera soldadura en ángulo | ||
La posición diseñada del cordón de soldadura debe facilitar la soldadura y la inspección | ||
Para reducir la concentración de tensiones en el cordón de soldadura solapada, debe diseñarse como una unión con cierta descarga de tensiones | ||
Cortar las esquinas afiladas de los nervios de refuerzo. | ||
Los cordones de soldadura deben estar distribuidos | ||
Evitar soldaduras cruzadas | ||
Los cordones de soldadura deben diseñarse en el eje neutro o cerca de él, en posición simétrica. | ||
Los cordones de soldadura sometidos a flexión deben diseñarse en el lado de tracción, no en el lado de compresión no soldado. | ||
Evite colocar los cordones de soldadura en lugares donde se concentren las tensiones. | ||
Los cordones de soldadura deben mantenerse alejados de las zonas de máxima tensión. | ||
La superficie de procesamiento debe estar libre de costuras de soldadura. | ||
La posición de los cordones de soldadura automática debe diseñarse de forma que se reduzcan al mínimo el ajuste del equipo de soldadura y el número de volteos de la pieza. |
Un cordón de soldadura es la unión que se forma tras soldar unas piezas con otras.
Categorías:
1. Basándose en el posicionamiento espacial, puede dividirse en: cordones de soldadura planos, cordones de soldadura horizontales, cordones de soldadura verticales y cordones de soldadura por encima de la cabeza.
2. En función del método de unión, puede clasificarse en: cordones de soldadura a tope, cordones de soldadura de esquina y cordones de soldadura de tapón.
3. En función de la continuidad, puede clasificarse en: cordones de soldadura continuos y cordones de soldadura intermitentes.
4. En función de la capacidad de carga, puede dividirse en: cordones de soldadura de trabajo y cordones de soldadura de contacto.
El cordón de soldadura es un componente crucial de la unión soldada. Las formas básicas del cordón de soldadura son el cordón de soldadura a tope y el cordón de soldadura de esquina.
1. Costuras soldadas a tope:
Los cordones de soldadura a tope se forman a lo largo de la unión entre dos piezas. Pueden tener una configuración sin ranura (o ranura en forma de I) o con ranura. La forma de la superficie del cordón de soldadura puede ser convexa o enrasada con la superficie.
2. Soldaduras de esquina:
Cordones de soldadura de trabajo (también conocidos como cordones de soldadura de carga)
Se trata de cordones de soldadura que, en serie con las piezas soldadas, soportan principalmente las cargas. Si estas costuras se rompieran, la estructura de acero sufriría inmediatamente graves daños.
Cordones de soldadura de contacto (también conocidos como cordones de soldadura no portantes)
Se trata de cordones de soldadura que unen paralelamente dos o más piezas soldadas (es decir, que proporcionan conectividad). Estas costuras no soportan cargas directas y están sometidas a una fuerza mínima durante su funcionamiento. Si una costura de este tipo se rompiera, la estructura no fallaría inmediatamente.
Una ranura es una zanja formada por el mecanizado de determinadas formas geométricas en las partes a soldar de una pieza de acuerdo con los requisitos del diseño o del proceso.
Preparación de la ranura:
Proceso de mecanizado de la ranura mediante métodos mecánicos, llama o arco eléctrico.
Finalidad de la preparación del surco:
(1) Garantizar que el arco penetre profundamente en la raíz del cordón de soldadura para lograr una fusión completa, conseguir una formación óptima del cordón de soldadura y facilitar la eliminación de la escoria.
(2) Para aceros aleadosLa ranura también ajusta la relación entre el metal base y el metal de aportación (es decir, la relación de fusión).
En función del espesor de la chapa, los bordes de soldadura de los cordones de soldadura a tope pueden ser laminados, escuadrados o mecanizados en forma de V, X, K y U.
(2) En función del grosor de la pieza, la estructura y las condiciones de carga, las formas de las ranuras para juntas angulares y juntas en T pueden dividirse en forma de I, forma de V de un solo lado con borde romo y forma de K.
a) Forma de I
b) En forma de V de un solo lado (con borde romo)
c) En forma de K (con borde romo)
2. Principios para el diseño de ranuras
La forma y las dimensiones de la ranura se eligen y diseñan principalmente en función del grosor de la estructura de acero, el método de soldadura seleccionado, la posición de soldadura y el proceso de soldadura. El diseño debe:
1) Minimizar la cantidad de material de aportación en el cordón de soldadura;
2) Exponer bien soldabilidad;
3) Garantizar que la forma de la ranura sea fácil de mecanizar;
4) Facilitar el ajuste de la deformación de la soldadura;
En general, para la soldadura de piezas de hasta 6 mm de espesor mediante soldadura por arco con electrodo, o para la soldadura automática de piezas de hasta 14 mm de espesor, es posible obtener un cordón de soldadura cualificado sin preparación de la ranura.
Sin embargo, debe mantenerse una separación entre las chapas para garantizar que el metal de aportación llene el baño de soldadura, asegurando una fusión completa. Si el chapa de acero supera el espesor mencionado, el arco no puede penetrar a través de la placa, y debe considerarse la preparación de la ranura.
Para garantizar una fabricación precisa y exacta de sus diseños, los ingenieros deben comunicar exhaustivamente las especificaciones técnicas de estructuras y productos mediante planos de diseño detallados y documentos de especificaciones completos.
Para las uniones soldadas, los diseñadores utilizan principalmente símbolos de soldadura normalizados y códigos de procesos de soldadura. Aunque pueden emplearse métodos tradicionales de dibujo técnico, detallar gráfica o textualmente los intrincados requisitos y consideraciones del proceso de soldadura para uniones complejas puede resultar excesivamente engorroso y propenso a interpretaciones erróneas.
Por consiguiente, la aplicación de símbolos y códigos normalizados es crucial para especificar sin ambigüedades los siguientes aspectos críticos de las uniones soldadas:
Estas representaciones estandarizadas no sólo agilizan el flujo de trabajo desde el diseño hasta la fabricación, sino que también minimizan los errores de comunicación, mejoran la productividad y garantizan una calidad uniforme en distintos entornos de fabricación. Además, facilitan el cumplimiento de normas internacionales de soldadura como AWS A2.4 o ISO 2553, que son esenciales para las operaciones de fabricación global y la garantía de calidad.
Símbolos de soldadura: Símbolos marcados en los planos para representar la forma, el tamaño y el método del cordón de soldadura.
Están regulados por GB/T324-1998 "Representación simbólica de los cordones de soldadura" (aplicable a la soldadura por fusión de metales y a la soldadura por resistencia) y GB/T5185-1999 "Códigos de representación para soldadura de metales y Soldadura Métodos sobre dibujos.
Un símbolo de cordón de soldadura consta de:
Símbolos básicos: Estos símbolos representan la forma transversal del cordón de soldadura, aproximándose a la forma de la sección transversal del cordón de soldadura.
Nombres de los cordones de soldadura | Forma transversal del cordón de soldadura. | Símbolo |
Soldadura en I | ||
Soldadura en V | ||
Costura de soldadura en V con borde romo | ||
Soldadura en V por un solo lado | ||
Costura de soldadura en V de un solo lado con filo romo | ||
Costura de soldadura en forma de U con borde romo | ||
Sellado del cordón de soldadura | ||
Soldadura en ángulo | ||
Soldadura de tapón o soldadura de ranura | ||
Soldadura en V abocardada | ||
Soldadura por puntos | ||
Soldadura por costura |
Símbolos suplementarios: Estos símbolos representan requisitos adicionales para las características de la forma superficial del cordón de soldadura. Los símbolos suplementarios se utilizan generalmente junto con los símbolos básicos del cordón de soldadura cuando existen requisitos especiales para la forma superficial del cordón de soldadura.
Nombre | Asistencia Técnica de soldadura | Símbolo | Instrucciones |
Símbolo plano | Indica una superficie de soldadura enrasada. | ||
Símbolo cóncavo | Indica una superficie de soldadura cóncava. | ||
Símbolo convexo | Indica una superficie de soldadura convexa. |
Símbolos de refuerzo de soldadura: Se trata de símbolos utilizados para ilustrar mejor determinadas características de un cordón de soldadura.
Nombre | Formulario | Símbolo | Indicación |
Símbolo con almohadilla | Indica la presencia de una banda de respaldo en la parte inferior del cordón de soldadura. | ||
Símbolo de soldadura de tres lados | Sugiere costuras de soldadura de tres lados y la dirección de la abertura. | ||
Símbolo de soldadura perimetral | Simboliza un cordón de soldadura que rodea la pieza. | ||
Símbolo de campo | Indica la soldadura realizada in situ o en una obra. | ||
Símbolo de la cola | Se puede hacer referencia a la cola del símbolo de la línea de plomo en GB5185-1999 para los métodos de soldadura y anotaciones similares". |
Símbolos de las dimensiones del cordón de soldadura: Se trata de símbolos utilizados para representar las dimensiones de las características de las ranuras y los cordones de soldadura.
Símbolo | Nombre | Diagrama esquemático |
σ | Grosor de la chapa | |
c | Anchura del cordón de soldadura | |
b | Brecha radicular | |
K | Altura de la puntera soldada | |
p | Altura del borde romo | |
d | Diámetro del punto de soldadura | |
a | Ángulo de ranura | |
h | Refuerzo de soldadura | |
s | Espesor efectivo de soldaduraMisma unión soldada | |
N | Cantidad Símbolo | |
e | Espacio entre soldaduras | |
l | Longitud de soldadura | |
R | Radio de la raíz | |
H | Altura de la ranura |
Línea líder: Compuesto por una línea de cabeza en forma de flecha, dos líneas de referencia (líneas horizontales) -una línea continua y otra discontinua- y una sección de cola.
Para simplificar la anotación y la explicación textual de los métodos de soldadura, pueden utilizarse los códigos que representan diversos métodos de soldadura, como la soldadura metálica y la soldadura fuerte, denotados por números arábigos según la norma nacional GB/T 5185-1999.
Las anotaciones del método de soldadura se encuentran al final de la línea guía.
Nombre | Método de soldadura |
Soldadura por arco | 1 |
Blindado Arco metálico Soldadura | 111 |
Soldadura por arco sumergido | 12 |
Metal Inerte Soldadura con gas (MIG) | 131 |
Soldadura con gas inerte de tungsteno (TIG) | 141 |
Soldadura a presión | 4 |
Soldadura por ultrasonidos | 41 |
Soldadura por fricción | 42 |
Soldadura por difusión | 45 |
Soldadura por explosión | 441 |
Soldadura por resistencia | 2 |
Soldadura por puntos | 21 |
Soldadura por costura | 22 |
Soldadura Flash | 24 |
Soldadura con gas | 3 |
Soldadura oxiacetilénica | 311 |
Soldadura oxi-propano | 312 |
Otros métodos de soldadura | 7 |
Soldadura láser | 751 |
Haz de electrones | 76 |
Representación esquemática de las soldaduras
Según la norma nacional GB/Tl2212-1990 "Dibujo técnico - Dimensiones, proporciones y representación simplificada de Símbolos de soldadura", cuando es necesario representar las soldaduras de forma simplificada en los dibujos, pueden representarse mediante vistas, vistas en sección o vistas transversales, o incluso vistas axonométricas con fines ilustrativos.
En general, sólo se permite un tipo de representación por dibujo.
(a) Método de dibujo de la vista frontal del extremo de la soldadura
(b) Método de dibujo de la vista en sección del cordón de soldadura
(c) Método de trazado del perfil de soldadura
Las normas nacionales GB/T324-1988, GB/T5185-1999 y GB/T12212-1990 establecen los métodos de anotación de los símbolos de soldadura y los códigos de los métodos de soldadura.
(1) Los símbolos de soldadura y los códigos de métodos de soldadura pueden representarse de forma precisa e inequívoca mediante líneas guía y reglamentos pertinentes.
(2) Al anotar las soldaduras, primero se anotan los símbolos básicos de soldadura encima o debajo de las líneas de referencia, y los demás símbolos se anotan en sus posiciones respectivas según lo prescrito.
(3) Generalmente no hay requisitos específicos para la posición de la línea de la flecha en relación con la soldadura, pero cuando se anotan soldaduras en forma de V, en forma de V de un solo lado, en forma de J, etc., la flecha debe apuntar a la pieza con la ranura.
(4) Cuando sea necesario, la línea de flecha puede doblarse una vez.
(5) La línea de referencia imaginaria puede trazarse por encima o por debajo de la línea de referencia real.
(6) En general, la línea de referencia debe ser paralela al borde inferior del dibujo, pero en condiciones especiales también puede ser perpendicular al borde inferior.
(7) Si la soldadura y la línea de flecha están en el mismo lado de la junta, el símbolo básico de soldadura se anota en el lado de la línea de referencia real; por el contrario, si la soldadura y la línea de flecha no están en el mismo lado de la junta, el símbolo básico de soldadura se anota en el lado de la línea de referencia imaginaria.
En caso necesario, el símbolo básico de soldadura puede ir acompañado de símbolos de tamaño y datos.
Principios de anotación:
1) Las dimensiones de la sección transversal del cordón de soldadura se marcan en el lado izquierdo del símbolo básico, tales como: altura del borde romo p, altura de la ranura H, tamaño del ángulo de soldadura K, altura residual del cordón de soldadura h, espesor efectivo del cordón de soldadura S, radio de la raíz R, anchura del cordón de soldadura C y diámetro de la pepita de soldadura d.
2) Las dimensiones en la dirección de la longitud del cordón de soldadura están marcadas en el lado derecho del símbolo básico, tales como: longitud del cordón de soldadura L, separación del cordón de soldadura e, y número de cordones de soldadura idénticos n.
3) El ángulo de la ranura α, el ángulo de la cara de la ranura β, la separación de la raíz b y otras dimensiones se marcan en la parte superior o inferior del símbolo básico.
4) El símbolo del número de cordones de soldadura idénticos está marcado en el extremo de la cola.
5) Cuando hay muchas dimensiones que marcar y no son fáciles de distinguir, se puede añadir el símbolo de dimensión correspondiente delante de los datos.
Nombre | Diagrama esquemático | Etiquetado |
Soldadura a tope | ||
Soldadura de filete intermitente | ||
Soldadura de filete intermitente escalonada | ||
Soldadura por puntos | ||
Costura Soldadura Costura | ||
Cordón de soldadura de tapón o cordón de soldadura de ranura |
En GB/T12212-1990 también se estipulan métodos de anotación simplificados para las juntas de soldadura en determinadas circunstancias.