1. DISEÑO DE UNIONES
SOLDADAS
Julio Vergara Aimone
ICM 2312

2. INTRODUCCIÓN
Revisamos medios básicos, aunque relevantes,
para integrar componentes mecánicos.
Asignamos a los remaches alta relevancia en la
ingeniería mecánica como elementos simples de
unión. Vimos también su rol en accidentes, i.e.
Aloha 243 y Titanic, causado por varios factores.
A partir del 2o ejemplo, comprobamos que la utili-
zación de remaches en la unión de planchas en el
casco de buques ha sido casi totalmente reempla-
zada por la soldadura, como forma de unión per-
manente, aunque tampoco liberada de problemas.
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3. INTRODUCCIÓN
La soldadura es un método de fabricación y de
unión, en que dos ó más componentes se unen
por coalescencia o fusión de las superficies de
unión. La tarea la realiza un baño de un material
de aporte compatible, que se funde a una menor
temperatura que la de los componentes a unir.
Históricamente la unión se hacía en una fragua.
Su uso moderno se establece con la aparición
del arco eléctrico, aunque hay otras formas de
elevar la temperatura (reacción exotérmica, fo-
tones, electrones y roce, entre otras). El Surgi-
miento de la corriente AC facilita su uso.
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4. INTRODUCCIÓN
Los procesos se prueban a partir de fines del si-
glo XIX, pero se consolida y perfecciona a partir
de la Segunda Guerra Mundial, en que se desa-
rrollan métodos manuales y automáticos.
Los problemas que retrasaron su adopción fue-
ron la aparición de poros, grietas y otros defec-
tos por acción del oxígeno y nitrógeno y que ha-
cía que las estructuras soldadas fueran frágiles.
La solución a lo anterior sobrevino con el uso de
gases inertes y otros medios de protección del
material en su fase de enfriamiento. Del acero se
pasó a otros metales más reactivos al aire.
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5. INTRODUCCIÓN
Las uniones soldadas, por la manera en que se
aplica, tienen propiedades diferentes a las del
metal base. El calor altera la estructura cristali-
na y no es extraña la creación de algunos preci-
pitados indeseables por la difusión de los ele-
mentos químicos de aleación  fragilización.
La soldadura suele cambiar la geometría, indu-
ciendo esfuerzos residuales y concentradores,
para facilitar fallas por tensión, corte y efectos
combinados en la zona de unión. Debe evitarse
la fractura y la acción del medio ambiente, más
aún cuando los metales son disímiles.
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6. INTRODUCCIÓN
Podemos caracterizar tipos de unión genéricos:
Uniones fijas o Uniones desmontables
Permanentes: o Semipermanentes:
Soldaduras Pernos y tornillos
Remaches (roblón) Chavetas
Adhesivos Pasadores
Interferencias Seguros
Esto no es una regla intocable, pues las uniones
fijas se pueden rehacer y las desmontables pue-
den ser permanentes.
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7. GENERALIDADES
Objeto de la soldadura.
Constituir una unión permanente de una o más
partes metálicas, con notable amplitud de posi-
bilidades y flexibilidad de formas, de diferentes
espesores. Sustituyó dispositivos de unión co-
mo remaches, más rápido y a un menor costo.
La soldadura funde las partes a unir, agrega un
material de aporte que se suma al fundido. Los
procesos comunes usan como fuente de calor
un arco eléctrico, una flama, haz de electrones,
fricción, láser, corriente, plasma o ultrasonido.
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8. GENERALIDADES
Objeto de la soldadura.
Otras formas complejas, por infraestructura y
automatización, son la soldadura GMAW, arco
sumergido, núcleo fundido y electroescoria, y
su objeto usualmente es unir grandes piezas.
Con calor intenso, es la versión mo-
derna de la unión por fragua, con la
que se unían metales en el pasado.
Se puede hacer con o sin atmósfera,
incluso bajo el agua, uniendo o re-
parando estructuras marítimas.
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9. GENERALIDADES
Objeto de la soldadura.
La deseada unión permanente también se pue-
de lograr con procesos de menor temperatura
como la soldadura blanda (soldering) y solda-
dura fuerte (brazing).
Estas son formas de unión por soldadura más
simples y caseras utilizando un cautín y mate-
rial de aporte de una baja temperatura de fusión
(i.e. Sn). En estos casos, se funde el material de
aporte, el que se une a las partes a soldar y no
el grueso de las zonas soldadas.
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10. GENERALIDADES
Aplicación de soldadura.
Esta sesión supone la aplicación de un diseño
adecuado para satisfacer ciertas cargas estáti-
cas y dinámicas. No persigue conocer en deta-
lle los métodos, técnicas o procedimientos de
soldadura, ni los requisitos de seguridad.
La buena práctica sugiere que si no se sabe sol-
dar y se quiere evitar accidentes y lesiones (que
(incluyen la visión), mejor no intentarlo. El solda-
dor debe estar capacitado y calificado para cada
trabajo y técnica, velando por la seguridad.
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11. GENERALIDADES
Tipos de soldadura.
Principales métodos de soldadura (metales):
 Al arco metálico (SMAW) (*) El más común
 Al arco protegido por gas (MIG-TIG)
 Al arco sumergido (SAW)
 Al arco con escoria conductora (electroslag).
 Al oxi-acetileno (autógena, oxy-fuel/C2H2) (*)
 De plasma (PAW) (*)
 De resistencia eléctrica
 De forja
 De termita (*) también sirven para cortar
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12. UNIONES SOLDADAS
Símbolos de la soldadura (código estándar AWS).
Las uniones soldadas utilizan el siguiente código,
estandarizado por la AWS:
F Acabado
A Angulo F: finish
A: angle
R R: root (plug)
Tamaño Profundidad Largo - Paso
L: length
Lado
Lados
Soldadura P: pitch
lejano S: size
Datos S(E) L-P Circular
útiles T Referencia E: garganta
N: number
Ambos
Cola Lado Pieza
Soldadura T: tips
cercano
de Campo
N
N° de puntos
de soldadura
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13. UNIONES SOLDADAS
Tipos básicos de Diseño para Soldadura.
De Tope
De Filete
Traslapada
En Ángulo
De Borde
En Tee
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14. UNIONES SOLDADAS
Tipos básicos de Diseño para Soldadura.
Cordon Filete Tapón De Tope
Simple
Cuadrado En V Recto V En U En J
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15. UNIONES SOLDADAS
Tipos básicos de Diseño para Soldadura.
5 0.2
De Tope 2
60°
De Filete 5 2-5 5
Traslapada
En Ángulo
De Borde
En Tee
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16. UNIONES SOLDADAS
Efectos de la soldadura.
El calor aplicado al sector de la soldadura modifi-
ca la composición (difusión) y estructura (grano)
del material adyacente (i.e. HAZ).
El proceso de soldadura usualmente convive con
esfuerzos residuales, por la sujeción y orden de
aplicación, que se relajan con un leve tratamiento
térmico. Cuando las partes son más gruesas con-
vendrá un precalentamiento.
En general, se trata de unir materiales similares,
si no, se debe interponer juntas bimetálicas.
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17. UNIONES SOLDADAS
Soldadura de Tope y Filete.
Una unión en V puede ser sometida a una fuerza
axial en compresión o tracción (s) o cortante (t):
A
s= F t= F
hl hl F
R
F h F F h
Ref: Shigley
La garganta h no considera el refuerzo R, el cual
puede apoyar la resistencia. En otros casos pue-
de crear concentración de esfuerzo en A (sacar).
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18. UNIONES SOLDADAS
Soldadura de Tope y Filete.
Los esfuerzos axial (s) y cortante (t) también se
encuentran en una unión traslapada o de filete:
garganta
Fs = F senq
Fn = F cosq
En un ángulo q, cada cordón tendrá una fuerza
normal y otra cortante a este plano.
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19. UNIONES SOLDADAS
Soldadura de Tope y Filete.
Por otro lado, por ley de senos, se obtiene:
t h
=
sen45° sen(90°-q+45°)
Fs = F senq
h 2h
= =
sen(135°-q) cosq + senq
h
Fn = F cosq t =
cosq + senq
En un ángulo q, cada cordón tendrá una fuerza
normal y otra cortante a este plano.
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20. UNIONES SOLDADAS
Soldadura de Tope y Filete.
Los esfuerzos nominales, s y t del cordón, en q,
serán:
Fn
s= = F cosq cosq + senq = F senqcosq + cos2q
A hl hl
Fs
t= = F senq cosq + senq = F senqcosq + sen2q
A hl hl
Aplicando von Mises: s´ = (s2 + 3t2)½
F (senqcosq+cos2q)2 + 3(senqcosq+sen2q)2 ½
s´=
hl
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21. UNIONES SOLDADAS
Soldadura de Tope y Filete.
El máximo esfuerzo de von Mises ocurre a un
ángulo q= 62.5°, con s´= 2.16 F / hl y con:
Fn F Fs F
s= = 0.623 t= = 1.196
A hl A hl
El máximo esfuerzo cortante se encuentra con
dt/dq = 0, que ocurre a q= 67.5°, con:
F F F F
s = n = 0.500 tMAX = s = 1.207
A hl A hl
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22. UNIONES SOLDADAS
Soldadura de Tope y Filete.
Experimentalmente se encontró la siguiente dis-
tribución en el filete y cordón:
s y t según Norris
(modelo fotoelástico):
Existe Kt en B
Existe Kt en A y B s1 y s2 en BD,
según Salakian:
Ref: Shigley
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23. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Aproximación de diseño de unión
En la práctica, tanto la geometría como el modelo
son representaciones crudas, por lo cual se usa
un método conservativo junto con ensayos:
 Se basa primariamente en esfuerzos de corte.
 Uso de criterios de energía de distorsión.
 Uso de códigos, en que AMIN asume la carga.
F 1.414·F
t = =
0.707hl hl
Sobreestima en 1.414/1.207
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24. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Aproximación de diseño de unión
En la práctica, tanto la geometría como el modelo
son representaciones crudas, por lo cual se usa
un método conservativo junto con ensayos (cont):
 Se examina el esfuerzo de corte primario.
 Se revisan esfuerzos secundarios (F y T ).
 Se estima la resistencia en las placas.
 Se estima la resistencia en el metal de aporte.
 Se estima sADM en el metal base.
 Se estima sADM en el metal de aporte.
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25. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Torsión
A = garganta de
Asumimos este esquema:
todo el cordón
 Esfuerzo primario t´ (V).
V
t’ =
A
 Esfuerzo secund. t” (M).
M·r
t” =
J
 Esfuerzo total t (comb).
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26. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Torsión
Con dos cordones (fig):
F
 Esfuerzo primario t´ (V).
0
V V
t’ = =
A (b1d1)+(b2d2) b1= 0.707·h1 A1= b1·d1
 Esfuerzo secund. t” (M). d2= 0.707·h2 A2= b2·d2
r1= [(x - x1)2 + y2]½
M·r M·r r2= [(y2 - y)2 + (x2 - x)2]½
t” = =
J (JG1+A1·r12) + (JG2+A2·r22) x = (A1x1 + A2x2) / A
~0 ~0
y = (A1y1 + A2y2) / A
b1d13 b13d1 b2d23 b23d2
JG1 = + JG2 = + JG1 = I1x+I1y
12 12 12 12 JG2 = I2x+I2y
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27. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Torsión
Los momentos polares se tratan como “líneas”:
Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. polar de área (unitario)
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28. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Torsión
Los momentos polares se tratan como “líneas”:
Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. polar de área (unitario)
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29. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Flexión
A = garganta de
Asumimos este esquema:
todo el cordón:
 Esfuerzo primario t´ (V).
V
t’ =
A
 Esfuerzo secund. t” (M).
M·c M·d/2 I = 0.707 h·Iu
t” = =
I I = 0.707 h·bd2/2
 Esfuerzo total t (comb).
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30. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Flexión
Los momentos se tratan como “líneas”:
Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. de área (unitario)
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31. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Flexión
Los momentos se tratan como “líneas”:
Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. de área (unitario)
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32. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
Diseño de unión en Flexión
Los momentos se tratan como “líneas”:
Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. de área (unitario)
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33. OTRAS FORMAS DE UNIÓN
Otras uniones
En ciertas circunstancias, y con el desarrollo de
nuevos materiales livianos, se hace necesario
disponer de otras formas de unión.
Una de ellas es el uso de adhesivos poliméricos,
que se utilizan crecientemente en las industrias,
i.e., un automovil utiliza adhesivos, a veces en
partes críticas (i.e. pastillas de freno, parabrisas,
molduras, parachoques, radiador, silvines, etc.)
que tambien reducen vibraciones y ruido. Los
aviones también utilizan adhesivos críticos.
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34. OTRAS FORMAS DE UNIÓN
Otras uniones
Los adhesivos poliméricos suelen usarse con éxi-
to cuando soportan cargas cortantes.
Biselado
Traslape simple Tope
Escalón
Traslape doble Tope doble
Escalón doble
Empalme Tubular
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35. OTRAS FORMAS DE UNIÓN
Otras uniones
El diseño de la junta adherida sugiere:
 Evitar que se despegue, con cargas en corte.
 Incrementar la superficie de la unión.
 Uso de adhesivos de ductilidad adecuada.
 Considerar efectos ambientales (agua, T°, UV).
 Permitir la inspección de la junta adherida.
 Unir a varias superficies para mejor adherencia.
 Usar remaches o soldadura spot durante el
curado, siempre que no se pele el adhesivo.
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36. OTRAS FORMAS DE UNIÓN
Otras uniones
Una posibilidad reciente de unión de materiales lo
constituye la soldadura por explosión. De utilidad
particular para unir materiales disímiles sin riesgo
a sufrir corrosión galvánica, con dos o tres capas
(intercapa de titanio o tantalio).
Aluminio 6061-T6
Tantalio
Ref: High Energy Metals Acero SS-304L
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37. CONCLUSIONES
Los elementos mecánicos son parte de sistemas
mayores que deben operar integrada y confiable-
mente, por un tiempo predeterminado por el dise-
ñador siguiendo normas y buenas prácticas.
Como vimos, los dispositivos asociados a estos
sistemas se integran de varios modos. La mejor
forma será una fundición y mecanizado configu-
rando una pieza única (caro). Los más simples
se unen provisoriamente, mediante pernos, re-
maches y chavetas, hasta otros más permanen-
tes mediante interferencia y soldadura.
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38. CONCLUSIONES
Si ser una clase de ciencia de la soldadura, revi-
samos algo de la teoría, vimos los códigos estan-
darizados que se usan para comunicar la forma
de unión y la posición de superficies a soldar.
Al igual que en el caso del diseño de remaches
y pernos en corte, por acción de cargas torsio-
nales, aplicamos métodos para dimensionar el
o los cordones de soldadura, sujetos a fuerzas
de torsión o flexión. El uso adecuado de tablas
simplifica la estimación del tamaño y geometría
de los cordones.
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