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Diseño de Unión

Dos Tipos de Uniones de Soldadura Fuerte: Unión a Tope y Unión de Traslape

¿Qué tipo de unión con soldadura fuerte debiera diseñar? Hay muchos tipos de uniones. Pero nuestro problema se simplifica por el hecho de que hay sólo dos tipos básicos - a tope y de traslape. El resto son básicamente modificaciones de estos dos. Veamos primero la unión a tope, tanto para piezas planas como tubulares.

Ventajas y Desventajas de Uniones a Tope

Como puede ver, la unión a tope le otorga la ventaja de un solo espesor en la unión. La preparación de este tipo de unión generalmente es sencilla, y la unión tiene una resistencia de tensión suficiente para muchas buenas aplicaciones. Sin embargo, la resistencia de la unión a tope sí tiene limitaciones. Depende, en parte, de la cantidad de superficie de enlace y en una unión a tope la zona de enlace no puede ser más grande que la sección transversal del miembro más delgado.

Diseños de Uniones a Tope de Soldadura Fuerte

Ahora comparemos esto con la unión de traslape, tanto para piezas planas como tubulares.

Lo primero que notará es que, para un espesor determinado de metales base, el área de enlace de la unión a tope puede ser superior a la de la unión a tope, y generalmente lo es. Con áreas de enlace superiores, las uniones de traslape pueden generalmente portar cargas mayores.

Ventajas y Desventajas de las Uniones de Traslape

La unión de traslape le otorga un doble espesor en la unión, pero en muchas aplicaciones (por ejemplo, conexiones de plomería) el doble espesor no es objetable. Y la unión de traslape generalmente se sostiene sola durante el proceso de soldadura fuerte. Apoyándose en un miembro plano en el otro generalmente basta para mantener una abertura de unión uniforme. Y en las uniones tubulares, anidar un tubo dentro del otro los mantiene en una alineación correcta para la soldadura fuerte. Sin embargo, supongamos que usted desee que una unión tenga las ventajas de ambos tipos; un espesor individual en la unión combinado con una máxima resistencia de tensión. Se puede lograr esta combinación diseñando la unión como unión a tope y de traslape.

Obtenga las Mejores Ventajas de Ambos Tipos de Uniones con la Unión a Tope-de Traslape

En verdad, la unión de tope-traslape generalmente demanda un poco más de trabajo de preparación que la unión a tope recta o de traslape, pero tal trabajo adicional se compensa con creces. Finalmente obtendrá una unión de espesor individual con una máxima resistencia. Y la unión generalmente se sostiene por sí sola cuando se ensambla para la soldadura fuerte.

Determinación de la Longitud Correcta del Traslape

Evidentemente, no tendrá que calcular el área de enlace de una unión a tope. Será la sección transversal del miembro más delgado y eso es todo. Pero las uniones de traslape suelen ser variables. Su longitud puede aumentar o disminuir. ¿Qué tan larga debiera ser una unión de traslape? La regla general es diseñar la unión de traslape para que tenga un largo equivalente a tres veces el espesor del miembro de unión más delgado.

Obtener la Mejor Resistencia de la Unión a Tope-de Traslape con la "Regla de Tres"

Un traslape más largo puede ser una pérdida de metal de aporte de soldadura fuerte y usar más material de metal base del que es realmente necesario, sin un aumento correspondiente en la resistencia de la unión. Un traslape más corto reducirá la resistencia de la unión. Para la mayoría de las aplicaciones, la manera más segura es seguir la "regla de tres". Más específicamente, si conoce las resistencias de tensión aproximadas de los miembros base, la longitud del traslape requerido para una resistencia óptica de la unión en una unión de placa con soldadura fuerte será la siguiente:

Resistencia de tensión del miembro más débil
Longitud del traslaple = 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 - 1,206.6 MPa
8 x W
Nota: ksi x 6.8948 = 1 MPa

Si tiene una muchos ensambles idénticos que soldar con soldadura fuerte, o si la resistencia de la unión es crítica, ayudará a dilucidar la longitud del traslape con mayor exactitud, para obtener la máxima resistencia con el mínimo uso de materiales de soldadura fuerte. Las fórmulas indicadas a continuación ayudarán a calcular la longitud óptima del traslape para uniones planas y tubulares.

Cálculo de la Longitud del Traslape para Uniones Planas

  • X = Longitud del traslape
  • T = Resistencia de tensión del miembro más débil
  • W = Espesor del miembro más débil
  • C = Factor de integridad de la unión de 0.8
  • L = Resistencia de cizalladura del metal de aporte de soldadura fuerte

Veamos Cómo Funciona la Fórmula

Problema: ¿Qué longitud de traslape se necesita para unir una lámina Monel de 0.050" endurecida a un metal de resistencia igual o superior?

Solución:

C = .8

T = 70,000 psi (lamina de Monel endurecida)

W = 0.050"

L = 25,000 psi (Resistencia típica de cizalladura para metales de aporte de soldadura fuerte de plata)

X = (70,000 x 0.050) /(0.8 x 25,000) = longitud de traslape de 0.18"

Problema en sistema métrico: ¿Qué longitud de traslape se necesita para unir una lámina de Monel de 1.27 mm a un metal de resistencia igual o superior?

Solución:

C = .8

T = 482.63 MPa (lámina de Monel endurecido)

W = 1.27 mm

L = 172.37 MPa (Resistencia de cizalladura típica para metales de aporte de soldadura fuerte de plata)

X = (482.63 x 1.27) /(0.8 x 172.37)

X = 4.5 mm (longitud del traslape)

Cálculo de la longitud del traslape para uniones tubulares

  • X = Longitud del área de traslape
  • W = Espesor de la pared del miembro más débil
  • D = Diámetro del área de traslape
  • T = Resistencia de tensión el miembro más débil
  • C = Factor de integridad de la unión de 0.8
  • L = Resistencia de cizalladura de metal de aporte soldado con soldadura fuerte

Nuevamente, un ejemplo servirá para ilustrar el uso de esta fórmula.

Problema: ¿Qué longitud de traslape se necesita para unir una tubería de cobre con D.E. de 3/4" (espesor de pared de 0.064") a una tubería de acero con D.I. de 3/4"?

Solución:

W = 0.064"

D = 0.750"

C= .8

T = 33,000 psi (cobre endurecido)

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 traslape)

Problema en sistema métrico: ¿Qué longitud de traslape se necesita para unir una tubería de cobre con D.E. de 19.05 mm (espesor de pared de 1.626 mm] a una tubería de acero con D.I. de 19.05 mm?

Solución:

W = 1.626 mm

D = 19.05 mm

C = 0.8

T = 227.53 MPa (cobre endurecido)

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 traslape)

Diseño de distribución de tensión

Cuando diseñe una unión soldada con soldadura fuerte, obviamente se intenta obtener por lo menos una resistencia adecuada mínima para la aplicación deseada. Pero en algunas uniones, la resistencia mecánica máxima puede ser una inquietud preponderante. Usted puede ayudar a asegurar este grado de resistencia diseñando la unión a fin de evitar que la concentración de tensión debilite la unión. La idea es diseminar la tensión. Calcule dónde recae la mayor tensión. Luego imparta flexibilidad al miembro más pesado en ese punto, o bien agregue tensión al miembro más débil. Las ilustraciones siguientes sugieren diversas formas de esparcir la unión de tensión.

En resumidas cuentas, cuando esté diseñando una unión para lograr la máxima resistencia, use un diseño de traslape o biselado (para aumentar el área de unión) en vez de uno a tope, y diseñe las piezas para evitar que la tensión se concentre en un solo punto. Hay otra técnica para evitar la resistencia de una unión con soldadura fuerte, que suele ser eficaz en la soldadura fuerte de conjuntos de piezas pequeñas. Puede crear un filete para la distribución de la tensión, simplemente usando un poco más de metal de aporte de soldadura fuerte que el que usaría normalmente, o bien usando una aleación más "suelta". Generalmente no es necesario un filete en una unión con soldadura fuerte, pues no hace un aporte significativo a la resistencia de dicha unión. Pero donde contribuye a diseminar las tensiones de la unión, conviene crear el filete.

Diseño para las condiciones de servicio

En muchas uniones con soldadura fuerte, el requerimiento principal es la resistencia. Y hemos discutido diversas formas para lograr la resistencia en la unión. Pero con frecuencia hay otros requerimientos de servicio que pueden influir en el diseño de la unión o en la selección del metal de aporte. Por ejemplo, puede diseñar un conjunto soldado con soldadura fuerte que deba tener conducción eléctrica. Un metal de aporte de soldadura fuerte de plata, por virtud de su contenido de dicho metal, tiene una muy baja tendencia a aumentar la resistencia eléctrica en la unión con la soldadura fuerte apropiada. Pero se puede garantizar una resistencia mínima usando una abertura de unión estrecha, para mantener la capa de metal de aporte lo más delgada posible. Además, si la resistencia no es una consideración principal, puede reducir la longitud del traslape. En vez de la "regla de tres" normal, puede reducir la longitud del traslape a aproximadamente a 1-1/2 veces la sección transversal del miembro más delgado. Si el conjunto unido con soldadura fuerte debe ser hermético a la presión contra gas o líquido, una unión de traslape es casi una obligación, ya que soporta mayor presión que una unión a tope. Y su área de enlace más amplia reduce toda posibilidad de fugas.

Otra consideración al diseñar una unión que sea a prueba de fugas es ventilar el conjunto. Dejar un orificio durante el proceso de soldadura fuerte permite expandir el aire o que escapen los gases a medida que el metal de aporte fundido fluye hacia la unión. Ventilar el conjunto también evita el atrapamiento de fundente en la unión. Evitar el atrapamiento de gases o fundente reduce la posibilidad de rutas para las fugas. Si es posible, el ensamble debe contar con autoventilación. Debido a que el fundente está diseñado para ser desplazado por el metal de aporte fundido que entra en una unión, no debiera haber esquinas agudas ni orificios ciegos que causen el atrapamiento del fundente. La unión se debe diseñar de modo que el fundente sea empujado completamente fuera de ella por el metal de aporte. Cuando ello no sea posible, se pueden perforar orificios pequeños en puntos ciegos para permitir que escape el fundente. La unión se habrá completado cuando el metal de aporte fundido aparezca en la superficie exterior de estos orificios perforados.

Para maximizar la resistencia a la corrosión de una unión, seleccione el metal de aporte de soldadura fuerte que contenga elementos tales como plata, oro o paladio, que son inherentemente resistentes a la corrosión. Mantenga cerradas las aberturas y use una cantidad mínima de metal de aporte, de modo que la unión terminada exponga sólo una línea fina de metal de aporte de soldadura fuerte a la atmósfera. Estos son sólo algunos ejemplos de los requerimientos de servicio que se pueden solicitar al conjunto soldado con soldadura fuerte. Tal como puede ver, se deben tomar en cuenta tanto el diseño de la unión como la selección del metal de aporte. Afortunadamente, hay muchos metales de aporte y fundentes disponibles, en una amplia gama de composiciones, propiedades y temperaturas de fundición. Los cuadros del selector que aparecen más adelante en este libro pueden ayudarle a escoger los metales de aporte y fundentes que mejor satisfagan los requerimientos de servicio de las uniones que diseñe. El Departamento de Servicios Técnicos en Handy & Harman/Lucas-Milhaupt está disponible para ayudarle a responder las consultas que pueda tener con respecto a su aplicación específica de soldadura fuerte, el diseño de la unión y/o selección del metal de aporte.