Tornillo, remache, soldadura o adhesivo: para qué sirve una unión roscada

Lo que realmente cuesta la rosca

Conviene enumerarlo sin rodeos, porque cada punto es en otra parte de este sitio un tema de ingeniería completo, y es fácil encontrarlos de uno en uno sin notar que comparten una causa.

• Un agujero, y un agujero abierto concentra tensiones. La solución de Kirsch de 1898 da un factor de 3 en el borde de un agujero circular en una placa infinita sometida a tracción uniaxial, respecto de la tensión lejana. Cuidado con ese número: referido a la sección neta, tiende a 2 a medida que el agujero crece respecto del ancho, de modo que citar «3» sin decir respecto de qué tensión significa muy poco. Lo que se mantiene es la forma del problema: un agujero abierto es un lugar donde la tensión supera la media, y una unión que no necesitaba agujero nunca lo creó
• La precarga es energía almacenada, y se escapa. El asentamiento de las superficies de contacto y el movimiento transversal la reducen, y la rapidez depende de factores que quizá no controle; por eso la longitud apretada resulta ser una variable de diseño y no un sobrante
• El montaje se convierte en un proceso controlado. Un par de apriete, a veces una secuencia, a veces un reapriete, y el par es un mal sustituto de la fuerza de apriete que en realidad se quería
• El costo por unión es piezas más instalación más inspección, repetido en cada unidad que se fabrique

Lo que aporta cada alternativa y lo que cobra

La fila del remache es donde una comparación ordenada suele torcerse. Un remache también necesita un agujero, pero lo rellena, y al colocarlo se generan a la vez una fuerza de apriete y tensiones residuales alrededor del agujero; no es, por tanto, un agujero libre ni una unión sin precarga. Lo que le falta es una rosca que pueda desenroscarse y un número que se pueda poner en un plano.

La pregunta que decide

La resistencia acota la lista antes que cualquier otra cosa: un adhesivo cargado a pelado, una soldadura en un material que no se suelda, un encaje a presión a una temperatura en la que el polímero se relaja quedan descartados por capacidad, no por preferencia. Pero cuando más de un método supera ese filtro, la resistencia suele dejar de decidir, y la pregunta pasa a ser:

• ¿Cuántas veces se abrirá esta unión a lo largo de la vida del producto?
• ¿La fuerza de apriete cumple una función? Sellar una junta, transmitir una carga lateral por fricción, mantener un contacto eléctrico, sostener una unión frente a una carga fluctuante. No tiene que figurar en el plano para estar trabajando, pero si nadie sabe decir qué hace, conviene saberlo antes de discutir valores de par
• ¿Quién la abre y con qué herramientas? Una unión abierta una vez en fábrica con una prensa es un problema distinto de una que abre un técnico subido a una escalera
• ¿Qué ocurre al final de la vida útil? Si la respuesta es un reciclador que separa materiales, eso es una apertura real, y quizá la única

Y luego las dos razones por las que lo eligió empiezan a contradecirse

Se elige un tornillo por su desmontabilidad, luego la unión se afloja y la respuesta es un fijador de roscas. Merece la pena detenerse aquí, porque un adhesivo de grado permanente en un tornillo devuelve parte de la propiedad por la que se pagó.

A veces es exactamente lo correcto: un grado desmontable aguanta la vibración y aun así se desmonta con herramientas manuales. Un grado permanente tampoco es el fin del mundo; los fabricantes indican calor localizado y herramientas manuales para retirarlo. Pero conviene notar lo que ha pasado: la unión se vuelve más difícil de abrir, que era justo aquello por lo que se compró la rosca, y en cualquier caso el fijador de roscas solo ataca una de las dos formas en que un tornillo se afloja. Si la respuesta sigue derivando hacia la permanencia, la pregunta que hay que volver a hacerse es si de verdad necesitaba abrirse.

Donde el tornillo gana de verdad

• Acceso para servicio: todo lo que abre un técnico, todo lo que se repara en garantía
• Ajuste: una alineación que hay que fijar después del montaje o reajustar más tarde
• Materiales distintos que no se pueden soldar, cuando un adhesivo necesitaría un curado para el que la línea no tiene tiempo
• Desmontaje reglamentado: baterías y otros componentes que deben poder separarse al final de su vida útil
• Volúmenes bajos, donde el utillaje para encajes o los útiles para soldar no se amortizan

En todos esos casos la rosca compra algo concreto. Esa es la prueba: diga para qué sirve la desmontabilidad antes de recorrer la especificación (en inglés), porque el resto de ese orden de decisión da por respondida esta pregunta.

Este artículo trata el paso 1: sustrato. El orden completo es sustrato, rosca, cabeza, accionamiento, acabado y documentación. El artículo inglés Specifying a screw explica por qué alterarlo genera retrabajo.

Preguntas frecuentes

¿Cuándo no se debe usar un tornillo?

Cuando no se está usando ninguna de las dos cosas en las que la rosca es buena. La rosca permite desmontar y volver a montar una unión con herramientas comunes, y fijar la fuerza de apriete en un valor que alguien eligió. La mayor parte del costo se paga en cualquier caso: un agujero, una precarga que hay que establecer y luego mantener frente al asentamiento y al movimiento, y un proceso de apriete que hay que controlar. Si la unión se monta una vez y nunca se repara, y nadie sabe decir qué hace su fuerza de apriete, se está pagando la rosca sin usarla.

¿Un remache evita la concentración de tensiones que crea un tornillo?

No la misma. Un remache necesita un agujero, pero lo rellena, y al colocarlo se generan una fuerza de apriete y tensiones residuales alrededor del agujero, de modo que el resultado del agujero libre no se traslada directamente. La solución de Kirsch de 1898 da un factor de 3 en el borde de un agujero circular abierto en una placa infinita sometida a tracción uniaxial, respecto de la tensión lejana; referido a la sección neta, tiende a 2 a medida que el agujero crece respecto del ancho. Una unión remachada sí soporta fuerza de apriete. Lo que no tiene es una rosca que pueda desenroscarse, ni un valor de precarga que se pueda especificar y verificar.

¿Por qué la soldadura o el pegado evitan el problema del agujero?

Evitan el agujero de fijación, que no es lo mismo que evitar la concentración de tensiones. Una soldadura tiene la suya, en el pie y en la raíz, y las grietas de fatiga en uniones soldadas casi siempre empiezan ahí, además de una zona afectada por el calor, distorsión y límites sobre qué materiales y geometrías se pueden unir. Un adhesivo reparte la carga en un área en lugar de en el borde de un agujero, y lo cobra en preparación de superficie, tiempo de curado, límites de temperatura, humedad y fluencia, debilidad al pelado y al desgarro, y una unión difícil de inspeccionar una vez hecha.

¿Usar fijador de roscas indica que la unión no debió atornillarse?

A veces, y es una pregunta más que un veredicto. Un grado desmontable que sostiene una unión frente a la vibración es un diseño razonable, e incluso los grados permanentes se pueden retirar: los fabricantes indican calor localizado con herramientas manuales. Pero añadirlo hace la unión más difícil de abrir, que es una de las dos cosas por las que se compró la rosca, así que si la especificación sigue derivando hacia la permanencia, vale la pena preguntarse si de verdad necesitaba abrirse.

¿Qué decide entre los métodos?

La resistencia acota primero la lista: un adhesivo cargado a pelado, una soldadura en un material no soldable, un encaje a presión a una temperatura en la que el polímero se relaja quedan descartados por capacidad. Cuando más de un método supera ese filtro, todo depende de cuántas veces se abre la unión durante la vida del producto, quién la abre y con qué herramientas, y si la fuerza de apriete cumple una función como sellar o transmitir carga por fricción. Una unión abierta una vez en fábrica con una prensa es un problema distinto de una que abre un técnico subido a una escalera, y la separación para reciclaje al final de la vida útil cuenta como apertura aunque sea la única.

Referencias

• Concentración de tensiones en agujeros — la solución de Kirsch (1898)
• TWI — las grietas de fatiga en uniones soldadas se inician en el pie o en la raíz del cordón
• VDI 2230 Blatt 1 — cálculo sistemático de uniones atornilladas muy solicitadas