INTRODUCCIÓN A LA SOLDADURA DE ESTRUCTURAS EN ACERO
UTN-FRHMaestría/Posgrado Ingeniería Estructural Mecánica
Ing. Eduardo Asta
Ing. E. Asta Soldadura de Estructuras en Acero
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DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS
ASPECTOS BÁSICOS
MECÁNICOS CONDICIONES DE OPERACIÓN METALÚRGICOS
TIPOS DE ESFUERZOS
CÁLCULO ESTRUCTURAL
TEMPERATURA CORROSIÓN
DESGASTE
SOLDABILIDAD
RIESGO A FISURACIÓN
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MECANICOS
ACCIONES
CARGAS ESTÁTICAS CARGAS DINÁMICAS
TRACCIÓNCOMPRESIÓN
FLEXIÓN
CORTE TORSIÓN
COMBINADOS
IMPACTO FATIGA
ALTO N|°DE CICLOSHCF
BAJO N°DE CICLOSLCF
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Tensión Admisible
σa = σY / n
Tensiones Admisibles para el Diseño Convencional (DTA o ASD)
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Diseño por Factor de Carga y Resistencia (DFR o LRFD)
FR = φφφφ Fwsiendo:
FR = resistencia de diseño (MPa)φφφφ= factor de resistencia
Fw= resistencia nominal (MPa) metal base o metal de aporte
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Soldaduras de Fileteejem.:
Juntas longitudinales de elementos estructurales
Corte sobre el área efectiva
DTA o ASD FR = 0,30 FEXX
DFR o LRFD FR = 0,75* 0,6 FEXX
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CONDICIONES DE OPERACION
fluencia a temp.
Alta Temperatura(No permanente)
Creep
(cargas estáticas)
Creep- Fatiga(LCF)
(cargas cíclicas
Alta Temperatura(Permanente)
Tenacidad
(tenacidad a la fractura)
Cv(Charpy), KIc,J
CTOD
Baja Temperatura
TEMPERATURA
Corrosión Generalizada Corrosión Intergranular
Corrosión por Picado yen Rendijas
Corrosión Bajo Tensiones
Oxidacidación Resistencia a la Intemperie
MEDIO CORROSIVO
RozamientoAbrasiónErosión
Cavitación
DESGASTE
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ASPECTOS METALÚRGICOS
Carbono equivalente Hidrógeno difusible
Tensiones residuales
Microestructura
ZAC
Metal de Soldadura
Riesgo a la Fisuarción en Frio
Asistida por Hidrógeno
Contenido
de Impurezas
Aporte Térmico
Geometria de junta Composición química
Modo de solidificación
Metal de Soldadura
Riesgo a la Fisuración en
Caliente
Impurezas
(metal base)
Geometría de junta
Aporte térmico
H
ZAC
Fisura por Desgarre
Laminar
Comp. química impurezas
Metal base y soldadura
Factor J y X
Step cooling
Tenacidad
Temperatura de transición
Riesgo de Fisuras
de Fragilización por Revenido
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Procesos de Soldadura por Arco
• (a) soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW)
• (b) soldadura por arco sumergido (SAW)• (c) soldadura por arco eléctrico con protección
gaseosa o semiautomática alambre macizo (GMAW o MIG-MAG)
• (d) soldadura por arco con alambre tubular (semiautomática alambre tubular), con o sin protección gaseosa. (FCAW)
• (e) Soldadura por arco con electrodo de tungsteno y protección gaseosa (GTAW o TIG)
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Tipos de juntas para soldadura de
estructuras en acero
• Juntas con bisel de penetración completa (JPC)
• Juntas con bisel de penetración parcial (JPP)
• Juntas de filete • Soldaduras en botón (tapón) y ranura
(ojal)
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JPC
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JPP
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SOLDADURA DE FILETE
Garganta Teórica
a
Cateto teóricoc
lw
a
Sección Resistente
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Mínimo tamaño de cateto en soldadura de filete compatible con los espesores de partes a ser
soldadas.
_________________________________________________________________________
Espesor de material base (T) (1) Cateto mínimo(2)
mm mm
____________________________________________________
T< 6 3 (3)
6 < T< 12 5
12 < T< 20 6
20< T 8
____________________________________________________
(1) Para procesos de no bajo hidrógeno sin precalentamiento calculado
T es el espesor de la parte más gruesa a ser soldada. Soldadura de una sola
pasada debe ser utilizada.
Para procesos de no bajo hidrógeno pero con cálculo de precalentamiento o
procesos de bajo hidrógeno, T es igual ala parte más fina a ser soldada.
(2) No debe exceder el espesor de la parte más delgada a ser soldada.
(3) Cateto mínimo para estructuras cargadas cíclicamente, 5 mm.
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Aceros Estructurales
• Aceros al carbono: es la aleación hierro-carbono conteniendo generalmente 0,008 % hasta aproximadamente 2 % de carbono, además de ciertos elementos residuales resultantes de los procesos de fabricación.
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Aceros Estructurales
• Aceros aleados: es el acero al carbono que contiene otros elementos de aleación o presenta los elementos residuales en contenidos por encima de los que son considerado normales.
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Clasificación de aceros
• Aceros al carbono (bajo y alto contenido de carbono.
• Aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA).
• Aceros templados y revenidos (HSQT)
• Aceros de baja aleación tratables térmicamente (HTLA).
• Aceros de procesos termo mecánicamente controlados (TMCP).
• Aceros al cromo-molibdeno.
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Propiedades de aceros HSLA
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Aceros estructurales
415-586290ASTM A529
380-550205Grado II
415-586240Grado IASTM A524
415-550220Grado 60
380-515205Grado 55ASTM A516
400 min250ASTM A501
400 min290Grado B
310 min228Grado AASTM A500
415 min240Grado Y35ASTM A381
414 min241Grado BASTM A139
400-490235Grado A, B, CS, D, DS, EASTM A131
415 min240Grado BASTM A106
SMAW AWS A5.1E60XXE70XX
AWS A5.5E70XX-X
SAW AWS A5.17F6XX-EXXX, F6XX-ECXXXF7XX-EXXX, F7XX-ECXXX
AWS-A5.23F7XX-EXX-XX, F7XX-ECXXX-XX
415 min250Grado BASTM A53
400-550250ASTM A36
Especificación de proceso y material de aporte según AWS
Resist. a la
TracciónMPa
Límite de Fluenciamínimo
MPa
Acero
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Aceros estructurales
E7XTX-X, E7XTX-XM400-490Grado EABS
AWS A5.29400-490Grado A, B, CS, D, DS
415290Grado X42
E7XT-X, E7XT-XM415240Grado BAPI 5L
E6XT-X, E6XT-XM400-550250Grado 36ASTM A709
AWS A5.20400-490220Grado 58
FCAW450-530240Grado 65ASTM A573
450 min345Grado 50
ER70S-XXX, E70C-XXX415 min310Grado 45
AWS A5.28380 min275Grado 40
ER70S-X365 min250Grado 36
AWS A5.18360 min230Grado 33
GMAW y GTAW 340 min205Grado 30ASTM A570
Continuación tabla anterior
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Aceros estructurales
ER70S-X, E70C-XC480 min380Grado 55
AWS A5.18450 min345Grado 50
GMAW y GTAW 410 min310Grado 45ASTM A607
F7XX-EXX-XX, F7XX-ECXXX-XX450 min310-340ASTM A6065
AWS-A5.23480 min415Grados B y C
F7XX-EXXX, F7XX-ECXXX450 min380Grado AASTM A595
AWS A5.17485 min345(< 100 mm)ASTM A588
SAW 450 min345Grado 50ASTM A572
E7018-X415 min290Grado 42ASTM A572
E7015-X, E7016-X450-620310-345Clase 1ASTM A537
AWS A5.5485-620260Grado 70
E7018, E7028450-585240Grado 65ASTM A516
E7015, E7016415-485275-345ASTM A441
AWS A5.1490-620350Grado AH36, DH36, EH36
SMAW470-585315Grado AH32, DH32, EH32ASTM A131
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Aceros estructurales
490-620350Grado AH36, DH36, EH36
490-620315Grado AH32, DH32, EH32ABS
455-495360Grado X52API 5L
450 min345Grado 50ASTM A913
415 min290(2-1/2 in y por debajo)ASTM A808
E7XTX-X, E7XTX-XM450 min380Grado A, Clase 2 .ASTM A710
AWS A5.29485 min345Grado 50W
E7XT-X, E7XT-XM450 min345Grado 50ASTM A709
AWS A5.20(< 65 mm)
FCAW485-620345Grados C, D
ER70S-XXX, E70C-XXX430-570290Grado AASTM A633
AWS A5.28450 min315-345Grado Ib, II, IIIASTM A618
Continuación tabla anterior
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Selección de materiales de aporte
La selección del material de aporte para una determinada unión soldada se basa fundamentalmente en dos criterios:
• la igualación de la resistencia con material base
• igualación de resistencia y similitud de composición química.
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Soldabilidad de los aceros
• Regiones de la unión soldada:
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REGIONES DE LA ZAC EN SOLDADURA MULTIPASADA
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Regiones de la unión soldada
ZAC
MS
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Carbono Equivalente
• Fórmula IIW: en % de peso
15
)(
5
)(
6
)( CuNiVMoCrSiMnCCE
++
+++
++=
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Carbono Equivalente
• Fórmula de Ito y Bessyo : en % de peso
V510
V
15
Mo
20
Cr
60
Ni
20
Cu
20
Mn
30
SiCcmP +++++++=
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30
Soldabilidad de los aceros
DIAGRAMA DE ENFRIAMIENTO CONTINUO, Curva CCT
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Soldabilidad de los acerosTípico diagrama CCT Acero Cr-Mo
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Productos de transformación en función de velocidades de enfriamiento para soldaduras
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Mediciones de durezas (a) línea superior (b)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Dure
za H
V
T0=150ºC-HV5
T0=20ºC-HV1
0
100
200
300
400
500
600
700
Dur
eza
HV
T0=150ºC-HV5
T0=20ºC-HV1
(b)
(a)ZAC
Aporte
ZAC
(b)
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Soldabilidad, diagrama de Graville
Zona I: Baja tendencia a la fisuración
Zona II: Moderada tendencia a la fisuración
Zona III: Alta tendencia a la fisuración
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INTEGRIDAD ESTRUCTURAL
Integridad Estructural
Riesgo de fisuración
TenacidadSoldabilidad
--
+
-
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Riesgo a la aparición de fisuras en frío en la soldadura de aceros estructurales
• Este es uno de los mayores problemas de integridad estructural en las soldaduras de aceros.
• Puede aparecer tanto en MS como en ZAC
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Riesgo a la aparición de fisuras en frío
• Factores de riesgo:
- Hidrógeno difusible
- Microestructura
- Tensiones
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Formas de control del riesgo a la aparición de fisuras en frío en la soldadura de aceros
• Utilizar procesos y consumibles de bajo nivel de hidrógeno( ej.: electrodos básicos)
• Control del aporte térmico y/o aplicación de precalentamiento
• Control de la temperatura entre pasadas
• Aplicación de poscalentamiento y/o enfriamiento en material termoaislante
• Tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT)
• Aplicación de martillado; shot peening
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Hidrógeno difusible
Los procesos y consumibles de soldadura pueden
ser clasificados en relación con su contenido de
hidrógeno en: de muy bajo, bajo, medio y alto
nivel.
• Muy bajo, menor que 5 ml /100 g.
• Bajo, entre 5 y 10 ml /100 g.
• Medio, entre 10 y 15 ml /100 g.
• Alto, mayor que 15 ml /100 g.
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Distribución de hidrógeno en metal de soldadura por proceso y tipo de consumible
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Clasificación Opcional AWS
• R- Electrodo resistente a la humedada 26,7°C y 80% rh 9 h < 0,4% humedad
• HZ- Z = nivel de hidrógeno (16, 8, 4 ml(H2) / 100 g ; EXX18HZR
Ej.: E7018R E8018-B2RE7018H4, E8018-B2H8
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Métodos predictivos para establecer la
temperatura de precalentamiento
• Norma British Standard BS 5135
• Nomograma de Coe
• Criterio de Duren
• Criterio de Ito y Bessyo
• Criterio de Suzuki y Yurioka
• Método de Seferian
• Método del Instituto Internacional de Soldadura
• ANSI/AWS D1.1, Código de Estructuras Soldadas en Acero
• Método de la Carta
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CÁLCULO DE PRECALENTAMIENTO AWS D1.1/CIRSOC 304
Método de control de la DurezaMétodo de control del Hidrógeno
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CONTROL DEL NIVEL DE H
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Tabla -1
Agrupamiento del Indice de Suceptibilidad como Función del Nivel de Hidrógeno “H”
y Parámetro de Composición(Carbono Equivalente) PcmAgrupamiento por Indice
2 de Susceptibilidad
Carbono Equivalente = Pcm1
Nivel de
Hidrógeno, H<0.18 <0.23 <0.28 <0.33 <0.38
H1 A B C D E
H2 B C D E F
H3 C D E F G
Notas
1. B5
10
V
15
Mo
20
Cr
62
Ni
20
Cu
20
Mn
30
SiCcmP ++++++++=
2. Indice de susceptibilidad – 12Pcm +log10 H.
3. Las Agrupaciones de Indice de Susceptibilidad, desde A hasta G, abarcan el efecto combinado del parámetro de
composición, Pcm , y nivel de hidrógeno, H, de acuerdo con las fórmulas mostradas en Nota 2.
Las cantidades numéricas exactas se obtienen de la Nota 2 usando los valores de Pcm establecidos y los siguientes valores de H,
dado en ml/100g de metal de soldadura:
H1 – 5; H2 – 10; H3 – 30.
Por una conveniencia mayor, Los Agrupamientos de Indice de Susceptibilidad fueron expresados en la tabla por medio de letras,
desde la A hasta G, para cubrir los siguientes rangos estrechos:
A = 3.0; B = 3.1-3.5; C = 3.6-4.0; D = 4.1-4.5; E = 4.6-5.0; F = 5.1-5.5; G = 5.6-7.0
Estos agrupamientos son usados en la Tabla -2 en conjunto con la restricción y el espesor para determinar la temperatura de
precalentamiento y entre pasada.
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Tabla -2Temperaturas Mínimas de Precalentamiento y Entre Pasadas para Tres Niveles de Restricción
Temperatura Mínima de Precalentamiento y Entre Pasada (°C)
Agrupamiento del Indice de SusceptibilidadNivel de
Restricción
Espesor *
mm A B C D E F G
<10 <20 <20 <20 <20 60 140 159
10-20 <20 <20 20 60 100 140 150
20-38 <20 <20 20 80 110 140 150
38-75 20 20 40 95 120 140 150
Bajo
>75 20 20 40 95 120 140 150
<10 <20 <20 <20 <20 70 140 160
10-20 <20 <20 20 80 115 140 160
20-38 20 20 75 110 140 150 160
38-75 20 80 110 130 150 150 160
Medio
>75 95 120 140 150 160 160 160
<10 <20 <20 20 40 110 159 160
10-20 <20 20 65 105 140 160 160
20-38 20 85 115 140 150 160 160
38-75 115 130 150 150 160 160 160
Alto
>75 115 130 150 150 160 160 160
*El espesor es aquel de la parte más gruesa a ser soldada.
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Ensayos de soldabilidad
• Lehigh• Tekken o JIS• Slot• WIC• CTS• TWI• G-BOP• Cruciforme• Ranura circular
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Ensayo Tekken
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Probeta CT
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ESPECIFICACION DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA(EPS)
WPS n°: TP Fecha: xxxxx Cliente: Código Aplicable: Proceso(s) de soldadura: FCAW Tipo: Semiautomática(SA)
Esquema de Junta:
α
R
T
Dimensiones en mm
R= 6 +2; -0
α= 45° + 5°; -0
T= 25
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Respaldo: Si ( x ) No ( )
Material del Respaldo: mismo material base o ASTM A36
Espesor: mín.6,25mm Ancho: mín.20mm
Repelado: Si ( ) No ( x )
Método:
MATERIAL BASE METAL DE APORTEEspecificación tipo y grado: ASTM A 516 Gr. 70
a Especificación tipo y grado: ASTM A 516 Gr. 70
Diámetro (Caño): 2000 mm
Rango de espesores: 25 mm
A tope: si Filete:
Proceso: FCAW
Especificación AWS: 5.20
Clasificación AWS: E 70T-5
POSICION PROTECCIÓNPosición (es) de la junta: Horizontal 2G Gas: CO2
Progresión de soldadura: Circunferencial Composición: 100% CO2
Posición (es) del filete: Caudal: 15-20 l/min
PRECALENTAMIENTO Flux: N/A
Temperatura de Precalentamiento (mínima): 10 °C Clasif.Alambre-Flux: N/A
Temperatura Entre Pasadas (máxima): 280 °C CARACTERÍSTICAS ELECTRICASTRATAMIENTO TERMICOPOSTSOLDADURA(PWHT)
Tipo de corriente: C.C Modo de
Transferencia(GMAW):
Temperatura:
No
Polaridad: +
Tiempo: No Rango de Intensidad:
220-370 A
Electrodo de
Tungsteno(GTAW):
TECNICA Cordón recto u oscilado: Recto
Pasada multiple o Unica (por lado): Multiple
Rango de Tensión:
23-30V∅(mm): Tipo:
N° de Pasada Proceso Metal de Aporte Corriente Tensión Veloc.Sold. Veloc. Alambre
Clase ∅ mm Polaridad A V mm/min m/min
Raiz (1) FCAW E70T-5 1,6 + 250-300 28 150-170 ----
Relleno (2 a n) FCAW E70T-5 1,6 + 280-350 28-30 250-300 ----
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Probetas de calificación
Soldadura a Tope
Soldadura de Filete
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Probetas de Calificación para Elementos Estructurales Tubulares
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Calificación de Procedimientos de Soldadura y de Soldadores
• Procedimientos (EPS o WPS):
- Inspección Visual
- Inspección END : US o RI
- Ensayo Tracción (unión soldada, MS)
- Ensayos de Plegado (Raíz, Cara, Lateral)
- Suplementarios: Tenacidad( Charpy-V); otros
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Calificación de Procedimientos de Soldadura y de Soldadores
• Soldadores (RCHP):
- Inspección Visual
- Inspección END : RX
- Ensayos de Plegado (Raíz, Cara, Lateral)
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Extracción típica de probetas para calificación
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Tipos de Inspección
• Visual: ocular directa y/o con ayuda de Tintas Penetrantes o Partículas Magnetizables
• Volumétrica o discontinuidades planas: Ultrasonido (US) o Radiografía (RI)
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Criterios de aceptación típicos para la Inspección Visual en juntas a tope( calificación
y programas de inspección)
• La soldadura deberá estar libre de fisuras.• La socavación deberá ser menor o igual que 1 mm. • El refuerzo o convexidad de la cara de la soldadura
deberá ser menor o igual que 3 mm.• La raíz de la soldadura deberá ser inspeccionada y
no deberán verificarse evidencias de fisuras, fusión incompleta o penetración inadecuada de la junta. La máxima concavidad de la raíz deberá ser 2 mm y el máximo sobre espesor de raíz por penetración deberá ser 3 mm.
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Criterios de aceptación típicos para la Inspección END (US o RI) en juntas a tope( calificación y programas de inspección)
Discontinuidades típicas observables por RI (Inspección Radiográfica)
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Criterios de aceptación típicos para la Inspección END (US o RI) en juntas a tope(
calificación y programas de inspección)
Ejemplo de Requerimientos Típicos de Calidad para Soldadura con Discontinuidades Alargadas Determinadas por RI para Estructuras No Tubulares Cargadas Estáticamente.
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Criterios de aceptación típicos para el ensayo de tracción en juntas a tope
(calificación EPS)
• La resistencia a la tracción deberá ser mayor o igual al valor mínimo especificado correspondiente al metal base.
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Criterios de aceptación típicos para el ensayo de plegado en juntas a tope
• Los ensayos para la evaluación de habilidad del soldador y para la calificación de procedimientos de soldadura, serán sometidos a los criterios de aceptación de especificaciones o códigos ( ASME, API, AWS D1.1, CIRSOC, DIN, BS, Eurocodes, etc.).
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Criterios de aceptación típicos para el ensayo de plegado en juntas a tope
En la inspección de la superficie convexa de la probeta ensayada no debe tener discontinuidades que excedan las siguientes dimensiones:
• 3 mm, medidos en cualquier dirección sobre la superficie
• 10 mm, como la suma de las mayores dimensiones de todas las discontinuidades mayores que 1 mm, pero menores o iguales que 3 mm.
• 6 mm, la máxima fisura en las esquinas de la probeta plegada, excepto cuando dicha fisura resulte de una inclusión de escoria visible u otro tipo de discontinuidad relacionada con la fusión.
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Criterio de Aceptación Típico del Ensayo Macrográfico en Filete y JPP(calificación y
programas de inspección o QA)
• En soldaduras con JPP, el tamaño real de la soldadura debe ser igual o mayor que el tamaño de soldadura especificado, (E)
• Las soldaduras de filete deben tener fusión completa de la raíz de la junta, pero no necesariamente más allá de esta.
• El tamaño mínimo del cateto debe alcanzar el tamaño de filete especificado.
• Las soldaduras con JPP y soldaduras con filete deben verificar lo siguiente:
� Sin fisuras� Fusión completa de las pasadas o capas adyacentes al metal
de soldadura y entre el metal de soldadura y el metal base.� Perfiles de soldadura adecuados� Ninguna socavadura mayor o igual que 1 mm.
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Calificación de filete (EPS)
Ing. E. Asta Soldadura de Estructuras en Acero
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Calificación para filete (Soldador)
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Reglamento CIRSOC 304
“REGLAMENTO ARGENTINO PARA LA SOLDADURA DE ESTRUCTURAS EN ACERO”
• Basado en Código AWS D1.1 y Eurocode 3
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Capítulos Reglamento CIRSOC 304
1. REQUERIMIENTOS GENERALES2. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS3. ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE
SOLDADURA4. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS (EPS),
SOLDADORES Y OPERADORES DE SOLDADURA5. FABRICACIÓN Y MONTAJE6. INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD7. REFUERZO, RESTAURACIÓN Y REPARACIÓN DE
ESTRUCTURAS EXISTENTES
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Reglamento CIRSOC 304Anexos (incluidos)
ANEXOS: • Anexo I. Gargantas Efectivas de Soldaduras de Filete en
Juntas T Oblicuas• Anexo IIa. Planitud de las Vigas Armadas – Estructuras
Cargadas Estáticamente• Anexo IIb. Planitud de las Vigas Armadas – Estructuras Bajo
Carga Cíclica• Anexo III. Requerimientos para los Ensayos de Impacto• Anexo IV. Guía de Métodos Alternativos para Determinar el
Precalentamiento en la Soldadura de Aceros Estructurales• Anexo V. Requerimientos de Calidad de Soldadura para
Juntas a la Tracción en Estructuras Cargadas Cíclicamente• Anexo VI. Formularios para EPS, RCP e Informes de Ensayos
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Reglamento CIRSOC 304
• ANEXO A :“Soldadura de Espesores Delgados en Chapa de Acero”
• ANEXO B: “Soldadura de Barras de Acero para Estructuras Livianas”
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PROYECTO REGLAMENTO CIRSOC 704
“REGLAMENTO ARGENTINO PARA LA SOLDADURA DE
ESTRUCTURAS EN ALUMINIO”
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CIRSOC 704
1. REQUERIMIENTOS GENERALES
2. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS3. ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE
SOLDADURA4. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS
(EPS), SOLDADORES Y OPERADORES DE SOLDADURA
5. FABRICACIÓN y MONTAJE6. INSPECCIÓN Y CONTROL DE CALIDAD
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Ing. E. Asta Soldadura de Estructuras en Acero
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ATENCIÓN: Los contenidos de esta presentación están basados en diferentes fuentes, algunas
propias otras de la bibliografía. UTN-FRH- GIMF y el autor no se responsabilizan por la
precisión de la información o por cualquier daño, imprevisto o indirecto, perjuicio comercial o
incidentes similares que pudieran ser causados por la implementación de medidas o acciones
descriptas en esta presentación.
SEGURIDAD EN SOLDADURA: La aplicación de una técnica industrial como la soldadura por arco
eléctrico, el corte de metales y los procesos de proyección térmica obliga a la aplicación de prácticas
de protección adecuadas.
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