1. Instituto Tecnológico de Mérida
Unidad 1: uniones soldadas y atornilladas
Departamento Metal-mecánica
Alumno: Pérez Puc Héctor Hugo
Maestro: Ing. Zumbardo Aranda Mario Armin
7M1
20/09/2023
2. Índice
1.1 Uniones soldadas a tope y de filete 3
1.2 Esfuerzos y resistencias en uniones soldadas 7
1.3 Carga estática y a la fatiga en uniones soldadas 10
1.4 Uniones Remachadas 14
1.5 Esfuerzos y resistencias en uniones remachadas 19
1.6 Cargas estáticas y a la fatiga en uniones remachadas 22
1.7 Uniones Remachadas con axial y carga excéntrica 27
1.8 Uniones soldadas con axial y carga excéntrica 30
1.9 Carga axial en uniones remachadas y soldadas 35
1.10 Carga excéntrica para uniones Remachadas y excéntricas 39
Ejercicio 1
Ejercicio 2
Ejercicio 3
42
45
47
Videos 49
Imágenes 50
Conclusión 51
Bibliografía 52
4. ■ La Soldadura a tope también conocida como Soldadura de filete (fillet brazing) o Butt Weld, es
un tipo de forma de unión de metales cuyo objetivo es fijar las piezas sin sobreponer alguna
de ellas, uniéndolas por sus extremos (canto contra canto) a través de la circulación de una
corriente eléctrica, sin empalmarlas. Así mismo, es necesario mencionar que se considera
como uno de los tipos de Soldadura más complicados, pero sus resultados son piezas
estilizadas y limpias, teniendo una alta calidad de Soldadura.
■ En general, la Soldadura a tope se puede realizar por medio de 3 procedimientos principales:
1: Por resistencia:
■ Si se usa este método, usted verá (en esencia) los siguientes 3 pasos:
• Las piezas se fijan en los sujetadores y se oprimen estrechamente una contra otra.
• Se conecta la corriente y las piezas se calientan hasta un estado plástico debido a la
resistencia del metal.
• Se interrumpe la corriente y se hace un recalcado.
Por lo que este tipo de Soldadura a tope se emplea para unir piezas de metales y aceros con poca
presencia de carbono y en aleaciones no ferrosas, considerando una superficie a unir de hasta
1000 mm².
5. 2: Por fusión:
■ Por otro lado, en el segundo método, usted también podrá observar 3 pasos principales:
• A diferencia del anterior, la corriente se conecta antes de unir las piezas.
• Se decide la distancia o el espacio que hay que dejar entre ambas piezas y una vez
conseguida la holgura requerida, se provoca un chisporroteo y se funden los bordes.
• Se corta la corriente y se efectúa el recalcado a una presión de entre 250 a 500 kg/m2, para
obtener un empalme soldado.
De esta forma, este tipo de Soldadura a tope se utiliza en las grandes industrias para soldar
metales pesados y cobres, unificar tuberías, cadenas y carriles, así como para producir piezas
estampadas de chapas y de materiales de distinta naturaleza.
3: Por fusión intermitente
■ Finalmente, en el tercer y último método usted verá los siguientes pasos:
• Se calientan las caras de las piezas hasta la temperatura predeterminada.
• El paso de la corriente provoca la fusión de los bordes.
• Una vez conseguida la fusión de la zona requerida, se aprietan enérgicamente las caras a
soldar, considerando que se debe alternar la presión durante el contacto de las caras.
Siendo muy importante subrayar que este tipo de Soldadura a tope se recomienda sólo en los
casos en que la potencia de la máquina no sea suficiente para soldar por fusión continua.
8. ■ Una de las funciones básicas de la soldadura es transferir cargas entre los miembros o piezas
unidas en el producto soldado, y cuando esto sucede el producto se ve sometido a esfuerzos,
los cuales se deben cuantificar, para así poder calcular el tamaño de la soldadura capaz de
resistir todos los esfuerzos bajo un margen de seguridad recomendado, de tal manera que la
estructura, y todas las entidades relacionadas con ésta, satisfagan las condiciones de servicio
y ambientales para lo que fue concebida.
■ El cálculo de esfuerzos y tamaños de soldadura en uniones soldadas genera la solución
necesaria y suficiente para especificar la construcción de los componentes soldados que se
requieren.
9. ■ El cálculo de la resistencia de un cordón de soldadura tiene una base experimental y basada
en la experiencia obtenida. Es por ello que no existe un criterio único y universal, sino que
cada norma o país tiene su propio criterio. No obstante, se puede tomar como referencia
cualquiera de las normas de cálculo existentes, que éstas suponen implícita o explícitamente
las siguientes bases comunes sobre los que se levantan sus respectivos criterios de cálculo:
■ 1º.- que durante la ejecución de la soldadura que se pretende calcular su resistencia, se han
seguido en todo momento las reglas de buena práctica; 2º.- que las características mecánico-
resistentes del metal de aportación son, como mínimo, iguales a las del metal de base; 3º.-
que en el diseño del cordón, se ha evitado, mediante la oportuna elección del material y de los
detalles constructivos adecuados, el peligro de una rotura frágil.
■ De acuerdo con la segunda de estas hipótesis, las uniones a tope con penetración completa,
no necesitan ser calculadas, y es evidente que su capacidad portante saldrá superior o al
menos igual que las de las piezas que une (no obstante, en uniones sometidas a cargas
dinámicas sí que es preciso comprobarlas).
11. ■ El calculo estático se producirá tan pronto se alcance la tensión de fluencia, pues ello supine
la aparición de deformaciones permanentes, no admisibles en este tipo de uniones. Para el
cálculo estático, y salvo que se indique expresamente lo contrario, se empleará siempre el
criterio de Von Mises, según el cual:
■ De manera que el factor de seguridad estático se podrá calcular como:
■ Para el cálculo a la fatiga se seguirá el mismo criterio: se calcularán las tensiones de
cortadura media y alternante, se calcularán las tensiones equivalentes mediante el criterio de
Von Mises y calculará el factor de seguridad a fatiga mediante la ecuación de Joerres, que se
aplica el caso de cortadura pura, como se considera éste, y que se expresa como:
■ Esta expresión es valida para el caso en que todas las tensiones varíen proporcionalmente.
De no ser así se usaría la siguiente ecuación.
12. ■ El limite de fatiga se calculara a partir de la Sut del material de las piezas unidas, de la
siguiente manera:
■ El acabado superficial de los cordones es muy basto, por lo que el factor de acabado
superficial se calculará con el peor acabado superficial – forjado - , de manera que:
■ El factor de tamaño, para carga de flexión o torsión, se calculará a partir del diámetro efectivo
de la sección de garganta de cordón donde se presenta la tensión al ternante máxima; para
carga axial o cortante se tomará igual a 1:
13. ■ El factor de carga se tomará igual a 1 siempre, pues la tensión sobre la sección de garganta
se considera que esta sometida a cortadura pura:
KC = 1
15. ■ Un remache consiste en un vástago de diámetro d, provisto de una cabeza esférica, que se
introduce a través de los agujeros de las chapas a enlazar calentando al “rojo cereza”,
estampándose otra cabeza en el extremo saliente. Al enfriarse se contrae, comprimiendo las
chapas. Se los utilizan generalmente para unir chapas, planchuelas, perfiles, etc.
■ El cuerpo o vástago de longitud (l) y el diámetro (d) el cual se expande hasta un
diámetro (d1). La cabeza la cabeza propia de diámetro (D) y la altura (K), generada con un
radio (R) en los de la cabeza esférica, presentando un la unión con el vástago un radio (r)
para evitar la concentración de tensiones en las aristas agudas, y la cabeza estampada o de
cierre.
■ En los remaches denominados de cabeza perdida y gota de sebo la cabeza corresponde a un
tronco de cono de ángulos. La cabeza propia está hecha de antemano en uno de los
extremos del vástago, y la estampada se la realiza luego de introducirlo este último en el
agujero correspondiente practicado previamente en las piezas a unir, construyendo así la
unión.
■ El material utilizado en la construcción de los roblones y remaches es generalmente hierro
dulce, acero, cobre, aluminio, etc., según el tipo de material a unir y la resistencia deseada.
16. ■ La forma y el
tamaño del
remache
dependen de las
características de
la unión,
recibiendo
distintas
denominaciones
según el tipo de
cabeza propia que
posea.
17. ■ Tipos de uniones remachadas:
Por remachado se obtienen uniones del tipo permanente, estas uniones pueden ser a través del
remachado en frio o a través del remachado en caliente.
■ Técnica de remachado. Las uniones remachadas se pueden clasificar en sueltas y fijas.
En las uniones remachadas SUELTAS las piezas unidas se pueden mover, unas con respecto a las
otras.
En las uniones remachadas FIJAS las piezas unidas NO se pueden mover, unas con respecto a las
otras.
Las Uniones remachadas se pueden clasificar en:
■ Uniones Remachadas Resistentes: Son uniones capaces de soportar grandes esfuerzos.
■ Uniones Remachadas Estancas: Que deben ser estancas pero que no deben soportar grandes
esfuerzos.
18. ■ Uniones Remachadas Estancas y Resistentes: Que deben ser estancas y al mismo
tiempo soportar grandes esfuerzos.
■ Remachado en frio.
Mediante el remachado en frio se obtienen uniones permanentes, con enlace de forma.
20. ■ Las uniones o uniones atornilladas o remachadas suelen tener diferentes patrones y riesgos
de fractura bajo el mismo estado de tensión, por ejemplo en la Figura 4.3 se pueden
observar tres tipos diferentes de falla en una unión atornillada (remachada o atornillada).
21. ■ Las uniones por remaches o tornillos suelen ser mayormente solicitadas por una de las
siguientes situaciones:
■ I1) Falla por flexión del perno (tornillo o remache)
■ I2) Falla por corte puro de los pernos (tornillo o remache)
■ I3) Falla por tracción de las partes a unir
■ I4) Falla por aplastamiento a compresión del perno
■ I5) Falla por desgarramiento de la parte a unir
■ I6) Falla por efectos combinados: corte puro y corte torsional
23. ESTÁTICAS: son las que no cambian nunca su estado de reposo o lo hacen lentamente en el
tiempo. En todos los casos son las que durante el tiempo que
actúan están en estado de reposo, y por extensión también aquellas que tienen estado
inercial despreciable, es decir que si bien varían en el tiempo lo hacen en forma muy lenta.
Ejemplos: peso propio de cerramientos, solados, instalaciones, estructuras.
DINÁMICAS: son las que varían rápidamente en el tiempo. En todos los casos son las que
durante el tiempo que actúan están en estado de movimiento (inercial) considerable.
Según como sea la dirección del movimiento podemos clasificarlas en.
MOVILES: Son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es perpendicular a la
dirección en que se produce la carga. Ejemplos: desplazamiento de un vehículo;
desplazamiento de una grúa móvil sobre sus rieles; desplazamiento de un tren sobre sus
rieles.
DE IMPACTO: Son aquellas en las cuales la dirección del movimiento es coincidente con la
dirección en que se produce la carga. Se caracterizan por un tiempo de aplicación muy
breve (instantánea). Ejemplos: choque de un vehículo; movimiento sísmico; publico
saltando sobre gradas en estadios deportivos; acción de frenado (sobre paragolpes en
estación terminal de trenes); etc. Todas las cargas dinámicas (móviles o de impacto) tienen
un efecto posible que es la resonancia. Todas las estructuras son en cierta medida
elásticas, en el sentido que poseen la propiedad de deformarse bajo la acción de las cargas
y de volver a su posición normal luego de desaparecer dicha acción. Como consecuencia,
las estructuras tienden a oscilar. El tiempo en que tarda una estructura en describir una
oscilación completa se llama período fundamental. Clasificación según su ubicación en el
espacio.
24. Cortante sencillo o doble
El parámetro que gobierna el comportamiento a fatiga de una unión remachada es el factor de
concentración de tensiones Kc. Dentro de una unión remachada hay un remache crítico para el
comportamiento a fatiga de la unión, que será aquel con Kc más elevado.
En este remache se iniciará la primera grieta. El lugar de inicio de la grieta dentro de este
remache crítico dependerá de la dirección de aplicación de los ciclos de carga y del nivel de
carga alcanzado.
Cortante sencillo o doble
El parámetro que gobierna el comportamiento a fatiga de una unión remachada es el factor de
concentración de tensiones Kc. Dentro de una unión remachada hay un remache crítico para el
comportamiento a fatiga de la unión, que será aquel con Kc más elevado.
En este remache se iniciará la primera grieta. El lugar de inicio de la grieta dentro de este
remache crítico dependerá de la dirección de aplicación de los ciclos de carga y del nivel de
carga alcanzado.
28. Se llama remache a una pieza de sección transversal circular de acero dúctil forjado en el
sitio para unir entre sí varias piezas de acero. El remache se fabrica con una cabeza especial,
que se denomina cabeza manufacturada, instalada mediante una pistola remachadora la cual
forma otra cabeza, durante la instalación. El proceso completo se llama remachado.
Tipos de remaches
Se puede clasificar los remaches por dos categorías:
■ Por el tipo de carga que resisten.
■ Por la forma del remache.
Por el tipo de carga se tienen remaches a carga axial, a carga cortante, y remaches a carga
excéntrica; siendo que por la forma se encuentra remaches de cabeza semiesférica, cabeza
avellanada, remaches huecos y remaches de cabeza de hongo. Siendo que en el diseño
mecánico se encuentran más los de cabeza semiesférica se prestara especial atención en
ellos. Los remaches de cabeza de hongo se utilizan para unir chapas muy delgadas, mientras
que los remaches huecos además de unir chapas delgadas pueden ser utilizados para cuero,
cartón u otros. En las figuras siguientes se muestran las formas típicas de los remaches.
29. Cálculo de remaches a carga excéntrica
Sobre todo, en diseño de estructuras para
equipos y procesos, se encuentra
remaches en perfiles estructurales, los
cuales tienen las cargas excéntricas a los
ejes y centros de los arreglos de los
remaches, en ese caso el cálculo de las
juntas se hace un poco más largo,
teniendo que considerar el momento
generado por la excentricidad. Para
detallar el procedimiento se seguirá una
memoria de cálculo.
31. El tamaño del filete de soldadura es asumido el mismo en cada uno de los tres lados de A la
placa soporte. El valor de la fuerza en la soldadura debido a la aplicación de la carga P es
máxima en el punto A, el cual representa el punto más alejado del centroide en la longitud total
de soldadura. Las componentes de la fuerza cortante en X y Y por unidad de longitud de
soldadura en el punto A debido directamente al cortante son:
32. Donde L representa la longitud total del filete de soldadura y O es el ángulo de inclinación de la
carga en el eje X.
Xa y Ya indican la localización del punto A con respecto al centroide de soldadura; M y Jw son los
momentos de torsión y momento de inercia en la soldadura tratada como una línea. Estos
valores son determinados de la siguiente manera:
33. El esfuerzo de soldadura en el punto A puede ser obtenido dividiendo Qr para la
garganta efectiva de soldadura. Nótese que la convención de signos que se muestra en
la figura 10 indica valores positivos cuando la componente de fuerzas es dirigida en el
eje X positivo y Y positivo, y el momento actúa en la dirección de las agujas del reloj.
El punto crítico de la soldadura (es decir el punto máximo de esfuerzo) puede estar en
cualquier lugar, si la carga inclinada es mayor de 90" y si la soldadura longitudinal es de
la misma longitud. Sin embargo, el punto máximo de esfuerzos resultante es crítico
para el diseño. Los esfuerzos resultan de cuatro tipos Básicos de cargas: tensión axial o
carga de compresión, carga cortante, carga de momento y carga torsional. El método
normal usado en el cálculo de esfuerzos es dividir la carga en áreas efectivas de
soldadura para la carga y carga cortante. Para carga torsional y flexionante. El
momento y el torque son divididos por módulos de secciones del área efectiva.
34. Donde Qa y Qb son los esfuerzos axiales y de flexión (o torsión)
respectivamente. P representa tanto la carga axial como la carga
cortante. M y T son el momento flexionante y momento de torsión
respectivamente S es el módulo de sección con respecto a la
flexión producida sobre el eje neutral del total efectivo de área
soldada. El valor de S será obtenido del producto del momento de
inercia 1 para C.
36. ■ Considerar la unión por solapo de doble fila de remaches de la figura adjunta. El tramo tipo
es de 7.5 cm, el espesor de la placa 15 mm y los orificios para los 45 remaches tienen 20 mm
de diámetro. De acuerdo con A.S.M.E. Boiler Code, las tensiones de rotura recomendadas
son: tracción 3850 kg/cm^2, cortante 3100 kg/cm², compresión 6650 kg/cm². Determinar el
rendimiento de esta unión.
37. ■ En el módulo representado entre líneas de trazos en el esquema, hay dos remaches enteros.
La resistencia a cortante será, pues…
■ La resistencia al aplastamiento del módulo es
38. ■ La carga por rotura mínima es pues 19, 480 kg que corresponde al tipo de rotura por
cortante.
■ La resistencia a la tracción de una chapa maciza de 7.5 cm de anchura por 1.5 cm de
espesor es
(7.5)(15)(3850) = 43, 310 kg
■ Por lo tanto el rendimiento de la unión será
(19489/43310)(100) = 45 %
40. ■ Una barra de acero 1015 de sección rectangular 1/2×2 pulg soporta una carga estática de
16.5 kip. Está soldada a una escuadra de ensamble con una soldadura de filete de 3/8 pulg y
con 2 pulg de longitud a ambos lados, con un electrodo E70XX, como se muestra en la figura.
Utilice el método del código de soldadura.
■ ¿Es satisfactoria la resistencia del metal de aporte?
■ ¿Es satisfactoria la resistencia de la unión?
■ Sabiendo que la fuerza permisible por longitud unitaria de un electrodo de metal E70 de 3/8
pulg es 5.57 kip/pulg de soldadura; así
■ Como 22.28 > 16.5 kip, la resistencia del metal de aporte es satisfactoria. b) Verifique el
cortante en la unión adyacente a las soldaduras. Sabiendo que Sy = 27.5 kpsi, el esfuerzo
cortante permisible de la unión es:
41. ■ El esfuerzo cortante τ en el metal base adyacente a la soldadura es:
■ Como tperm ≥ t la unión resulta satisfactoria cerca de los cordones de soldadura. El esfuerzo
de tensión en el cuerpo de la unión σ es
■ El esfuerzo de tensión permisible σperm es 0.6Sy y conserva el nivel de seguridad del código
de soldadura.
■ Como σperm ≥ σ , el esfuerzo de tensión en el cuerpo es satisfactorio.
42. EJERCICIO 1
Una placa de 150mm de ancho x 14mm de
espesor se coloca sobre una placa fija y se
suelda mediante filetes laterales. Determinar
la mínima longitud de una soldadura de filete
de 8mm si la placa ha de soportar una fuerza
de tracción axial que le produce un esfuerzo
de 140 Mpa; el esfuerzo cortante admisible
en la garganta de la soldadura es de 145
Mpa.
150mm
P
L1
L2
42
45. EJERCICIO 2
La tira de acero 1018 de la figura 9-21 se somete a una carga completamente reversible de
1 000 lb. Determine el factor de seguridad de la soldadura para una vida infinita.
46. De la tabla A-20 para el metal de la unión, hecho con acero 1018, las resistencias son Sut =58 kpsi y Sy = 32 kpsi. En el
caso del electrodo E6010, Sut = 62 kpsi y Sy = 50 kpsi. A partir de la tabla 9-5, el factor de concentración del esfuerzo
de fatiga es Kfs = 2.7. De la tabla 6-2, p. 280, ka = 39.9(58)−0.995 = 0.702. El área cortante es:
𝐴 = 2 0.707 0.375 2 = 1.061 𝑖𝑛2
En caso de un esfuerzo cortante uniforme en la garganta, consideramos 𝑘𝑏 = 1, con la torsión: 𝑘𝑐 = 0.59
𝑆𝑠𝑒 = 0.702 0.59 0.5 58 = 12 𝑘𝑝𝑠𝑖
𝐾𝑓𝑠 = 2.7 𝐹𝑎 = 1000 𝑙𝑏𝑓 𝐹𝑚 = 0
Solo está presente el cortante primario.
𝜏𝑎
′ =
𝐾𝑓𝑠 𝐹𝑎
𝐴
=
2.7 1000
1.061
= 2545 𝑝𝑠𝑖
El factor de seguridad a la fatiga será:
𝑛𝑓 =
𝑆𝑠𝑒
𝜏𝑎
′ =
1200
2545
= 4.72
47. EJERCICIO 3
La unión longitudinal de una caldera cilíndrica,
de una placa de 14mm, tiene una resistencia de
350kN en la longitud de 400mm. La eficacia de
las uniones circunferenciales es del 45% y el
esfuerzo admisible a tensión es de 80MPa.
Determinar el máximo diámetro de la caldera si
la presión interior de trabajo es de 1.4MPa.
51. Conclusión
Los temas que más en esta unidad me resultan bastante interesantes y útiles, jamás pensé
que uniones ya sea por remaches o por soldadura tuvieran tantos puntos importantes a
estudiar y tener en cuenta. Obviamente estos temas son de suma importancia para un
ingeniero mecánico dependiendo el campo en que se desarrollara a lo largo de su vida
profesional.
El hacer una investigación tan extensa también nos permite conocer aún más a fondo de
cada uno, lo cual nos da mucha más información que tal vez en el salón de clase no se pudo
observar de la manera correcta.
Debido a que a lo largo de la historia de la industria siempre se ha buscado una manera de
unir distintos materiales de una forma que estás uniones sean aún más fuertes es que es
necesario el estudiar está unidad, ya que la soldadura y el remachado han sido una de las
más grandes ventajas ingenieriles que se hayan inventado para hacer la unión desde un par
de placas hasta todo un edificio entero.
52. Bibliografía
• Maury H., N. E. (2009). Diseño para la fabricación y ensamble de productos soldados.
• Un enfoque metodológico y tecnológico. México, México: EDICIONES UNINORTE.
• unionesremachadas. (22 de Septiembre de 2008). Tecnología Técnica. Obtenido de Tecnología
Técnica: https://www.tecnologia-tecnica.com.ar/unionesremachadas/unionesremachadas.htm
• Ortiz Berrocal, L, “Resistencia de Materiales”, Ed. McGraw-Hill. 2ª Edición. México, 2002
• Robert L. Mott, “Resistencia de Materiales”, D.F. Ed. Pearson Educación. 5ª Edición. México, 2009
• James Gere - Stephen Timoshenko, “Resistencia de Materiales”, Editorial Thompson Paraninfo,
2004