Principios del diseño de uniones

Diseños de uniones comunes

¿Qué tipo de unión soldada debe diseñar? Las dos uniones más comunes son a tope y a solape. El resto, básicamente, son modificaciones de estas dos. Analicemos primero la unión a tope, tanto para piezas planas como tubulares. Como se puede ver, la unión a tope le ofrece la ventaja de tener un espesor único en la unión. La preparación de ese tipo de uniones suele ser simple y la unión tendrá suficiente resistencia a la tracción para muchas de las aplicaciones. No obstante, la resistencia de la unión a tope tiene limitaciones. Depende en parte de la cantidad de superficie de la unión. Y en una unión a tope, el área de adherencia no puede ser más grande que la sección transversal del miembro más delgado.

Ahora comparemos con la unión a solape, tanto para piezas planas como tubulares. Lo primero que notará es que, para un espesor dado de metales base, el área de adherencia de la unión a solape puede ser mayor que la de la unión a tope y de hecho es común que lo sea. Con áreas de adherencia más grandes, las uniones a solape suelen llevar cargas más grandes.

La unión a solape aporta un doble grosor, pero en muchas aplicaciones (p. ej., conexiones de plomería) no es objetable. Además, la unión a solape suele sostenerse sola durante el proceso de soldadura fuerte. Hacer reposar el miembro plano sobre el otro suele ser suficiente para mantener una holgura uniforme de la unión. Y en uniones tubulares, acoplar un tubo dentro de otro los mantiene correctamente alineados para la soldadura fuerte. No obstante, imagine que desea una unión que tenga las ventajas de ambos tipos: espesor único en la unión combinado con la máxima resistencia a la tracción. Puede obtener esta combinación diseñando la unión de modo que sea a tope-a solape. 

Es cierto, la preparación de la unión a tope-a solape suele dar un poco más de trabajo que la unión solo a tope o solo a solape, pero ese trabajo adicional tiene su recompensa. Usted obtiene una unión de espesor único de máxima resistencia. Y la unión suele sostenerse sola cuando se ensambla para la soldadura fuerte.

Determinación de la longitud adecuada del solape

Obviamente, no necesita calcular el área de adherencia de una unión a tope. Será la sección transversal del miembro más delgado y eso es todo. Pero las uniones a solape suelen ser variables. La longitud se puede aumentar o disminuir. ¿Qué longitud debe tener una unión a solape? La regla general es diseñar la unión a solape de modo que la longitud sea tres veces el espesor del miembro más delgado.

Con un solape más largo puede desperdiciar metal de aportación y usar más metal base de lo realmente necesario, sin un correspondiente aumento de la resistencia de la unión. Y con un solape más corto disminuiría la resistencia de la unión. En el caso de la mayoría de las aplicaciones, usted está en terreno seguro si sigue la "regla de tres". Específicamente, si conoce las resistencias la tracción aproximadas de los miembros base, la longitud del solape requerido para lograr una resistencia óptima en una unión soldada con plata será la siguiente:
 

Nota: ksi x 6.8948 = 1 MPa
Resistencia a la tracción del miembro más débil

Longitud del solape = factor x W

(W = Espesor del miembro más débil)

35 000 psi - 241.3 MPa

2 x W

60 000 psi - 413.7 MPa 3 x W
100 000 psi - 689.5 MPa 5 x W
130 000 psi - 896.3 MPa 6 x W
175 000 psi - 1206.6 MPa 8 x W

 

Si debe realizar soldaduras fuertes sobre una gran cantidad de ensamblajes idénticos o si la resistencia de la unión es crítica, será conveniente determinar con mayor exactitud la longitud del solape con el fin de lograr la máxima resistencia con el mínimo uso de materiales de soldadura. Las siguientes fórmulas lo ayudarán a calcular la longitud óptima del solape para uniones planas y tubulares.

Determinación de la longitud del solape para uniones planas

X = Longitud del solape
T = Resistencia a la tracción del miembro más débil
W = Espesor del miembro más débil
C = Factor de integridad de la unión de 0.8
L = Resistencia al cizallamiento del metal de aportación soldado

Problema:

¿Qué longitud de solape necesita para unir 0.050 pulgadas de lámina de Monel recocida a un metal de igual o mayor resistencia?

Solución:

C = 0.8
T = 70 000 psi (lámina de Monel recocida)
W = 0.050"
L = 25 000 psi (resistencia al cizallamiento típica para metales de aportación para soldaduras de plata)
X = (70 000 x 0.050) /(0.8 x 25 000) = 0.18" de longitud del solape

Problema en sistema métrico:

¿Qué longitud de solape necesita para unir 1.27 mm de lámina de Monel recocida a un metal de igual o mayor resistencia?
 

Solución:

C = 0.8
T = 482.63 MPa (lámina de Monel recocida)
W = 1.27 mm
L = 172.37 MPa (resistencia al cizallamiento típica para metales de aportación para soldaduras de plata)
X = (482.63 x 1.27) /(0.8 x 172.37)
X = 4.5 mm (longitud del solape)

Determinación de la longitud del solape para uniones tubulares

X = Longitud del área del solape
W = Espesor de la pared del miembro más débil
D = Diámetro del área del solape
T = Resistencia a la tracción del miembro más débil
C = Factor de integridad de la unión de 0.8
L = Resistencia al cizallamiento del metal de aportación soldado

Problema:

¿Qué longitud de solape necesita para unir 3/4 pulgadas de diámetro externo de tubería de cobre (espesor de pared de 0.064 pulgadas) a 3/4 pulgadas de diámetro interno de tubería de acero?

Solución:

W = 0.064"
D = 0.750"
C= 0.8
T = 33 000 psi (cobre recocido)
L = 25 000 psi (un valor típico)
X = (0.064 x (0.75 - 0.064) x 33 000)/(0.8 x 0.75 x 25 000)
X = 0.097" (longitud del solape)

Problema en sistema métrico:

¿Qué longitud de solape necesita para unir 19.05 mm de diámetro externo de tubería de cobre (espesor de pared de 1.626 mm) a 19.05 mm de diámetro interno de tubería de acero?

Solución:

W = 1.626 mm
D = 19.05 mm
C = 0.8
T = 227.53 MPa (cobre recocido)
L = 172.37 MPa (un valor típico)
X = (1.626 x (19.05 - 1.626) x 227.53)/(0.8 x 19.05 x 172.37)
X = 2.45 mm (longitud del solape)

Diseño para distribuir la tensión

Cuando se diseña una unión soldada, es obvio que el objetivo es proporcionar al menos una resistencia mínima adecuada para la aplicación en cuestión. Pero en algunas uniones, la máxima resistencia mecánica puede ser su principal preocupación. Puede ayudar a garantizar este grado de resistencia diseñando la unión de modo tal que evite que la concentración de tensión la debilite. Lema: distribuya la tensión. Descubra dónde se aplica mayor tensión. Luego, otorgue flexibilidad al miembro más pesado en ese punto o agregue resistencia al miembro más débil. Las siguientes ilustraciones sugieren una cantidad de maneras para distribuir la tensión en una unión soldada.

En resumen: cuando diseña una unión para que tenga la máxima resistencia, use un solape o un diseño de chalina (para aumentar el área de la unión) en lugar de una unión a tope y diseñe las piezas para evitar que la tensión se concentre en un punto único. Existe otra técnica para aumentar la resistencia de una unión con soldadura fuerte, la cual a menudo resulta muy eficaz en la soldadura para ensamblajes de piezas pequeñas. Puede crear un filete para la distribución de la tensión simplemente usando un poco más metal de aportación para soldadura que lo que normalmente usaría o una aleación más "floja". Por lo general, no necesitará un filete en una unión con soldadura fuerte ya que no aporta nada significativo a la resistencia. Pero donde contribuya a distribuir la tensión de la unión, es útil crear un filete.

Diseño de las condiciones de servicio

En muchas uniones soldadas, el principal requisito es la resistencia. Y ya hemos analizado varias maneras de lograr resistencia en la unión. Frecuentemente, existen otros requisitos de servicio que pueden influir en el diseño de la unión o en la selección del metal de aportación. Por ejemplo, puede diseñar un ensamblaje soldado que deba ser conductor de electricidad. Un metal de aportación para soldadura fuerte de plata, en tanto su contenido de plata, tiene muy poca tendencia a aumentar la resistencia eléctrica en una unión debidamente soldada. Pero puede asegurar una resistencia mínima utilizando una holgura estrecha en la unión para que la capa de metal de aportación sea lo más delgada posible. Además, si la resistencia no es la principal consideración, puede reducir la longitud del solape. En lugar de la habitual "regla de tres", se puede reducir la longitud del solape aproximadamente 1.5 veces la sección transversal del miembro más delgado. 

Si el ensamblaje soldado tiene que ser hermético para soportar la tensión de gas o de líquido, la unión a solape es casi imprescindible ya que soporta más presión que una unión a tope. Además, su área de adherencia más ancha reduce las posibilidades de que se produzcan fugas. Otra consideración al diseñar una unión para que sea a prueba de fugas es la ventilación del ensamblaje. Proporcionar una ventilación durante el proceso de soldadura fuerte permite que los aires o gases en expansión se escapen a medida que el metal de aportación fundido fluye en la unión. Ventilar el ensamblaje también previene que el fundente quede atrapado en la unión. Evitar que los gases o el fundente queden atrapados reduce el potencial de fugas. Si es posible, el ensamblaje debe tener autoventilación. Dado que el fundente está diseñado para ser desplazado por el metal de aportación fundido que entra en una unión, no debe haber bordes filosos ni orificios ciegos que provoquen que el fundente quede atrapado. La unión se debe diseñar de modo que el fundente empuje completamente el fluido fuera de la unión. Cuando esto no sea posible, se pueden perforar orificios pequeños en los puntos ciegos para permitir que el fundente escape. La unión se completa cuando el metal de aportación fundido aparece en la superficie externa de estos orificios.

Para maximizar la resistencia a la corrosión de una unión, seleccione un metal de aportación para soldadura fuerte que contenga elementos como plata, oro o paladio, que son inherentemente resistentes a la corrosión. Mantenga las holguras de las uniones cerca y use una cantidad mínima de metal de aportación para que la unión terminada exponga solo una línea fina de metal de aportación para soldadura a la atmósfera. Estos son algunos ejemplos de requisitos de servicio que se pueden exigir de su ensamblaje soldado. Como puede ver, se deben considerar tanto el diseño de la unión como la selección del material de aportación. 

Afortunadamente, hay muchos metales de aportación y fundentes disponibles a su disposición, en una amplia gama de composiciones, propiedades y temperaturas de fusión. Lucas Milhaupt está disponible para responder cualquier pregunta que pueda tener respecto de la aplicación de soldadura fuerte específica, el diseño de la unión o la selección el metal de aportación. Revise nuestra Biblioteca de recursos o la sección de Preguntas frecuentes para obtener más información. 
 

top