Lo que realmente hace la soldadura de acero estructural
La soldadura permite que un edificio de acero soporte cargas como una estructura única, en lugar de como un conjunto de piezas separadas. Un arco eléctrico funde una pequeña zona del metal base y añade material de aportación procedente de un electrodo o de un alambre; una vez enfriado, el metal de la soldadura se solidifica como una pieza continua junto con las piezas que une. Como una soldadura de plena resistencia no requiere orificios para pernos, la unión no reduce la sección transversal de las piezas, razón por la cual una soldadura bien realizada puede ser tan resistente como la viga o columna que conecta.
El proceso cumple dos funciones en una estructura de acero. Por un lado, fabrica los propios elementos, ya que las secciones H y las secciones en caja soldadas se conforman uniendo chapas de acero; por otro, fija las piezas de conexión, como placas base, placas de extremo, escuadras y refuerzos. Así, la soldadura es el medio mediante el cual
los componentes de una estructura se convierten en un conjunto rígido en lugar de en piezas sueltas. La forma de unir esos elementos se decide desde el principio, junto con el dimensionamiento y el arriostramiento de las piezas, como parte de un planteamiento más amplio componentes metálicos para edificios de un marco se convierten en un conjunto rígido en lugar de piezas sueltas. Cómo se unen esos miembros se decide temprano, junto con el dimensionamiento de los miembros y el arriostramiento, como parte del marco más amplio diseños de edificios de acero para el proyecto.
Existe una compensación inherente en cada soldadura. Una mayor penetración y una mayor cantidad de metal de aporte aumentan la resistencia, pero también generan calor, y el calor provoca deformaciones y tensiones residuales en el acero circundante. Los fabricantes gestionan esto mediante el diseño de las juntas, la secuencia de soldadura y el control del calor, en lugar de simplemente añadir más soldadura. Un fabricante que opera líneas dedicadas a la soldadura de vigas H y secciones tipo caja, como hace KAFA en su planta de Qingdao, establece esas secuencias una vez y las repite miembro a miembro.
Procesos de soldadura utilizados en acero estructural
Cuatro procesos de soldadura por arco cubren casi todo el trabajo con acero estructural, y la elección entre ellos depende principalmente de si la soldadura se realiza en taller o en obra. El taller ofrece protección, dispositivos de fijación y automatización; en cambio, la obra exige portabilidad y tolerancia a las condiciones climáticas y al viento.
- Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW), o soldadura con varilla: portátil, tolerante al viento y a la contaminación superficial, y se realiza con electrodos de bajo contenido de hidrógeno, como el E7018. Sigue siendo la opción de reserva para trabajos en campo.
- Soldadura autogas con núcleo fundente (FCAW-S): genera su propia protección a partir del hilo, por lo que funciona en exteriores donde un gas protector se dispersaría. Es la solución principal para la soldadura de producción en obra.
- Soldadura con núcleo fundente protegida por gas (FCAW-G) y soldadura por arco metálico con gas (GMAW/MIG): ofrecen una mayor deposición y soldaduras más limpias, pero el gas de protección externo es sensible al viento, por lo que deben realizarse en interiores.
- Soldadura por arco sumergido (SAW): deposita una tasa de aporte muy alta bajo una capa de fundente granular y se automatiza fácilmente, lo que la hace ideal para las soldaduras largas y pesadas en secciones ensambladas en taller.
En la práctica, los equipos de campo recurren a la soldadura con electrodo revestido y FCAW-S, mientras que los talleres prefieren FCAW-G, GMAW y SAW. El viento es un factor importante porque elimina el gas protector y deja la piscina de metal fundido expuesta al aire. Por ello, las conexiones en sitios abiertos se realizan con procesos auto‑protegidos o se trasladan al interior. Mantener el hidrógeno fuera de la soldadura mediante consumibles de bajo contenido de hidrógeno y almacenamiento en condiciones secas es fundamental en todos los procesos, ya que el hidrógeno es la causa principal de las fisuras mencionadas más adelante. Estas decisiones sobre el proceso influyen directamente en la forma en que el fabricante planifica Construcción con estructura de acero, pues determinan qué puede prefabricarse y qué debe terminarse en obra.
Tipos de soldaduras y juntas en los planos
Las soldaduras de filete y las soldaduras de ranura realizan la mayor parte del trabajo en la estructura de acero, y cada una se adapta a una geometría de junta diferente. Una soldadura de filete presenta una sección transversal aproximadamente triangular, colocada a lo largo de la esquina donde se encuentran dos superficies; no requiere preparación de bordes y su tamaño se determina por la longitud de su pierna. Es la soldadura más común en la fabricación estructural debido a su rapidez y economía. Una soldadura de ranura llena un espacio previamente preparado entre elementos, cuyos bordes se cortan en ángulo recto o se perfilan en forma de V simple o doble, chaflán, U o J para lograr una fusión más profunda.
Las soldaduras de ranura presentan dos niveles de resistencia que son importantes en los planos. Una soldadura de ranura de penetración completa (CJP) fusiona toda el espesor y alcanza la resistencia total del elemento unido, mientras que una soldadura de penetración parcial (PJP) solo se fusiona parcialmente y se especifica cuando no se requiere resistencia plena. Las soldaduras de enchufe y ranura se emplean en los casos ocasionales en los que llenar un orificio es la única manera de realizar la conexión.
| Tipo de soldadura | Preparación de bordes | Uso típico | Strength |
|---|---|---|---|
| Fillet | None | Juntas en T, de solape y de esquina | Dimensionadas por la longitud de las patas |
| Ranura (CJP) | Yes | Conexiones a tope y en T de resistencia total | Desarrolla la resistencia completa del miembro |
| Ranura (PJP) | Yes | Conexiones que no requieren resistencia completa | Parcial, por diseño |
Esas soldaduras se aplican a cinco uniones estándar mencionadas en AWS D1.1 y AISC 360, capítulo J: a tope, en T, solapada, de esquina y de borde. El símbolo de soldadura en un plano indica al fabricante el tipo, tamaño, longitud y ubicación de la soldadura; por lo tanto, saber interpretarlo es un requisito previo en el taller. Si usted es nuevo en esta notación, comience con la lectura de los planos estructurales de acero, ya que el conjunto de símbolos rige todas las soldaduras posteriores. Elegir entre filete y ranura, así como entre CJP y PJP, es una de las decisiones fundamentales en la elaboración de detalles conexiones de estructuras de acero.
Códigos y calificación de soldadores
AWS D1.1, el Código de Soldadura Estructural para acero, es el documento regulador de la soldadura de acero estructural en los Estados Unidos, y rige mucho más que el propio cordón de soldadura. Establece normas para el diseño de conexiones soldadas, la precalificación de uniones comunes, las pruebas de calificación, la fabricación y la inspección. El diseño de conexiones también se basa en el Capítulo J de AISC 360, que aborda cómo se dimensionan las soldaduras y los pernos para resistir las fuerzas a las que están sometidos.
El rastro documental de una soldadura de calidad comienza con una Especificación del Procedimiento de Soldadura (WPS). Una WPS es la receta escrita para una soldadura: el proceso, el metal de aporte, el detalle de la unión, las temperaturas de precalentamiento e interpaso, y los parámetros eléctricos. Esta está respaldada por un Registro de Calificación del Procedimiento (PQR) que demuestra que la receta produce un metal de calidad, salvo que la unión pertenezca a uno de los detalles precalificados que el código ya acepta. Los propios soldadores son calificados por separado mediante pruebas de desempeño para las posiciones y procesos que ejecutan.
Dicha documentación distingue entre una soldadura que simplemente está fundida y otra que es verificadamente sólida. Un fabricante que opera bajo un sistema de calidad ISO 9001:2015 asocia una WPS calificada y soldadores certificados a cada elemento fabricado. El código, el procedimiento y la calificación del soldador deben coincidir antes de que se realice la primera arco de soldadura.
Calidad de la soldadura, inspección y defectos comunes
Toda soldadura estructural se inspecciona visualmente, y las más críticas se someten a ensayos no destructivos adicionales antes de cargar la estructura. La inspección visual (VT) es obligatoria según AWS D1.1 y detecta problemas superficiales como soldaduras de tamaño insuficiente, socavaciones y grietas visibles. Más allá de lo visible, cuatro métodos no destructivos asumen esta tarea:
- La inspección ultrasónica (UT), incluido el array faseado, es la opción habitual para las soldaduras de ranura en chapas más gruesas, pues detecta defectos internos al analizar el sonido reflejado.
- Radiographic testing (RT) images internal discontinuities on film or a detector.
- La inspección por partículas magnéticas (MT) revela grietas superficiales y cercanas a la superficie del acero.
- La inspección por penetrante líquido (PT) pone de manifiesto finos defectos superficiales que el ojo humano podría pasar por alto.
El defecto que más preocupa a los ingenieros es la fisuración inducida por hidrógeno, también llamada fisuración en frío. Puede aparecer horas o incluso días después de que la soldadura se enfríe, cuando se combinan tres condiciones: una microestructura dura y susceptible, hidrógeno disuelto y tensiones residuales de tracción. Las medidas preventivas consisten en precalentar el acero para reducir su velocidad de enfriamiento y utilizar consumibles de bajo contenido de hidrógeno mantenidos en condiciones secas. El precalentamiento del acero al carbono suele situarse entre 200 y 400 °F, según el espesor y el contenido de carbono. La norma AWS D1.1 toma en serio el riesgo de fisuración tardía, hasta el punto de retrasar la inspección final de ciertos aceros de alta resistencia templados y revenidos hasta al menos 48 horas después de la soldadura.
El acero más grueso o con mayor contenido de carbono se enfría más rápidamente y aumenta el riesgo de fisuración; por ello, es necesario aplicar precalentamiento y mantener la temperatura interpasos dentro del rango adecuado mientras se va construyendo la unión. Otros defectos dependen más de la técnica: porosidad causada por gases atrapados cuando se pierde la protección gaseosa, socavación que escarifica el metal base en el pie de la soldadura y reduce la vida útil frente a la fatiga, inclusiones de escoria e incompleta fusión. Cada uno de estos aspectos se detecta mediante los métodos de inspección mencionados anteriormente, razón por la cual el orden siempre es soldar, inspeccionar y luego cargar.
Soldadura frente a tornillería en edificios de acero
La soldadura y la tornillería se eligen según el lugar donde se realiza el trabajo y la forma en que se inspeccionará la unión, no por una simple clasificación de una como mejor que la otra. Una unión soldada es continua, no elimina sección transversal, ofrece buen comportamiento ante cargas cíclicas, dinámicas y sísmicas, presenta una apariencia lisa y resulta adecuada para la prefabricación. Sus costos incluyen soldadores calificados, trabajos en obra más lentos y sensibles a las condiciones climáticas, inspecciones más costosas y la permanencia de la unión. En cambio, una unión atornillada se monta rápidamente con herramientas sencillas, no se ve afectada por el clima, puede desmontarse o modificarse y es fácil de inspeccionar; sin embargo, los orificios eliminan material y la precarga puede requerir verificaciones periódicas.
| Factor | Soldado | Atornillado |
|---|---|---|
| Resistencia de la conexión | Máxima; continuidad total, sin orificios | Reducida por los orificios de los tornillos |
| Velocidad en obra | Más lento, sensible a las condiciones climáticas | Rápido, independiente de las condiciones climáticas |
| Costo en el campo | Mayor, mano de obra calificada | Menor |
| Inspection | UT/RT, more involved | Verificaciones visuales y de par |
| Reversibilidad | Permanent | Extraíble, modificable |
| Mejor para | Conexiones por momento, cargas dinámicas, prefabricadas | Montaje, cambios futuros |
La respuesta en la industria rara vez es una u otra. Los elementos ensamblados y las conexiones permanentes, como las uniones entre columna y placa base y las juntas de momento entre viga y columna, se realizan mediante soldadura en taller, mientras que las conexiones en obra que mantienen el armazón unido durante el montaje son atornilladas con tornillos de alta resistencia. La economía impulsa esta división. Las soldaduras en obra suelen costar significativamente más que las mismas soldaduras realizadas en taller, y además la productividad de la soldadura en obra suele ser menor; por ello, los fabricantes concentran la soldadura bajo techo y dejan que los tornillos realicen el trabajo rápido en el sitio. Para una visión más completa de esa decisión a nivel de edificio, consulte edificios de acero soldados o atornillados.
Conclusión
En un edificio de acero, el orden de ejecución es más importante que cualquier soldadura individual: primero se establece el entorno y las cargas, luego se determina el tipo de soldadura y, por último, se realiza la documentación correspondiente. Es preciso decidir qué conexiones se realizarán mediante soldadura en taller y cuáles mediante tornillos en obra, pues esta división depende directamente del lugar donde se lleva a cabo el trabajo y de cómo se carga la unión. Se deben especificar soldaduras de filete para las conexiones rutinarias y soldaduras de ranura con penetración total de la junta cuando la unión debe desarrollar la resistencia completa del elemento. A continuación, respalde todo el conjunto con un procedimiento de soldadura (WPS) calificado, soldadores certificados, precalentamiento cuando el acero lo requiera y el nivel de inspección exigido por el código para cada soldadura. Si se sigue este orden correctamente, las soldaduras individuales quedarán integradas en un armazón que se comporta como una sola estructura bajo carga.
Preguntas frecuentes
¿Es la soldadura más resistente que el atornillado en las conexiones de acero?
A correctly designed weld can be as strong as or stronger than the member it joins, because it adds no bolt holes that remove cross-section. That continuity is why moment connections and members under dynamic or seismic load are often welded rather than bolted. Bolting can still be the better engineering choice when speed, reversibility, or field conditions matter more than peak joint strength.
¿Qué proceso de soldadura se utiliza para el acero estructural?
La soldadura manual con electrodo revestido (SMAW) y la soldadura con núcleo de fundente auto‑protegido (FCAW‑S) predominan en obra porque toleran el viento, mientras que la soldadura con núcleo de fundente protegida por gas (FCAW‑G), la MIG (GMAW) y la soldadura por arco sumergido (SAW) se emplean en taller. El factor decisivo suele ser el sistema de protección: al aire libre, un proceso que genera su propia protección resiste mejor el viento, mientras que en interiores pueden utilizarse procesos de mayor deposición, protegidos por gas y automatizados.
¿Qué código regula la soldadura del acero estructural?
AWS D1.1, el Código de Soldadura Estructural para acero, rige el diseño, la cualificación, la fabricación y la inspección de la soldadura en acero estructural en Estados Unidos. El diseño de las conexiones también se basa en AISC 360, Capítulo J. En conjunto, estos documentos determinan cómo se dimensionan las soldaduras, cómo se cualifican los procedimientos y los soldadores, y cómo se aceptan las soldaduras terminadas.
¿Cómo se inspeccionan las soldaduras estructurales?
Todas las soldaduras estructurales se inspeccionan visualmente, y las soldaduras de ranura críticas suelen someterse a ensayos ultrasónicos para detectar defectos internos. Los ensayos radiográficos, por partículas magnéticas y por penetración líquida abarcan otros casos, desde discontinuidades enterradas hasta finas grietas superficiales. El método se selecciona según el tipo de soldadura y su importancia, y la inspección se realiza antes de que la estructura sea sometida a carga.
¿Por qué los soldadores precalientan el acero estructural?
El precalentamiento reduce la velocidad de enfriamiento, de modo que la zona de la soldadura no forme una microestructura dura y frágil que, combinada con el hidrógeno y las tensiones residuales, provoca fisuración en frío. Esto es especialmente importante en piezas de gran espesor y en aceros con mayor contenido de carbono, que se enfrían más rápidamente. El precalentamiento se combina con consumibles de bajo contenido de hidrógeno y con el control de la temperatura entre pasadas como parte de una estrategia integral para prevenir la fisuración.
Lecturas adicionales
- AWS D1.1, Código de Soldadura Estructural para Acero (Sociedad Estadounidense de Soldadura) — el código estadounidense vigente para la soldadura de acero estructural, que respalda los requisitos de calificación e inspección descritos anteriormente.
- Welding in structural steelwork (SteelConstruction.info, SCI/BCSA) — guía técnica del sector sobre procesos de soldadura, tipos de soldaduras, calificación de soldadores y prevención de defectos en la fabricación.
- Soldadura, Corte y Soldadura Fuerte (OSHA) — normas estadounidenses de seguridad en el trabajo relativas a los riesgos asociados con las operaciones de soldadura en acero.
