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Diseño y cálculo del bastidor de un vehículo cosechador de fresas 167 Fabricación 3. Soldadura La soldadura de nudos de perfiles tubulares se realiza principalmente con soldadura por fusión, aunque si el número de unidades es elevado, también es aplicable la soldadura por fricción, que pertenece al grupo de la soldadura por presión, Entre los cinco subgrupos de la soldadura por fusión, denominados autógena, por arco metálico, por resistencia eléctrica, por haz de electrones y por plasma, cada uno de los cuales producen el calor para la fusión de una forma específica, la soldadura por arco se utiliza de manera predominante, en las tres versiones siguientes, para la unión de los perfiles tubulares: Soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW). Soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW). Soldadura por arco metálico y gas (GMAW). En cuanto a los equipos y máquinas para soldar, hay que diferenciar tres métodos, la soldadura manual, con máquina semiautomática o totalmente automática. Los dos primeros se emplean normalmente en el caso de perfiles tubulares. La soldadura totalmente automática no es habitual, pero se puede utilizar cuando sea aplicable. La soldadura manual por arco con electrodos revestidos con una capa de productos químicos fundentes se utiliza en los talleres y en el soldeo a pie de obra. Concretamente, se puede aplicar cuando predominan las posiciones de soldar desfavorables, incluida la posición de soldar en techo y/o el acceso restringido a la soldadura. El revestimiento del electrodo tiene la función de proteger el baño de acero líquido en la soldadura frente a los efectos perjudiciales de las escorias o del gas. Es importante elegir adecuadamente los electrodos, y hay que tomar una decisión para cada caso. Así pues, todos los puntos críticos, como por ejemplo el tipo de nudo, las posiciones de soldar y los métodos de controlar las soldaduras, determinan el tipo de electrodo utilizado. En general, las propiedades mecánicas del material de aportación son superiores a las de los materiales de base. Para soldar las estructuras de perfiles tubulares, se aplican los electrodos del tipo estructural rutilo, ácido y básico. Dependiendo del tipo de acero, del espesor de la pared y de las formas de la soldadura, se recomiendan los siguientes tipos de electrodos:

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  • Diseo y clculo del bastidor de un vehculo cosechador de fresas

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    3. Soldadura

    La soldadura de nudos de perfiles tubulares se realiza principalmente con soldadura por fusin, aunque si el nmero de unidades es elevado, tambin es aplicable la soldadura por friccin, que pertenece al grupo de la soldadura por presin, Entre los cinco subgrupos de la soldadura por fusin, denominados autgena, por arco metlico, por resistencia elctrica, por haz de electrones y por plasma, cada uno de los cuales producen el calor para la fusin de una forma especfica, la soldadura por arco se utiliza de manera predominante, en las tres versiones siguientes, para la unin de los perfiles tubulares:

    Soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW).

    Soldadura por arco con ncleo de fundente (FCAW).

    Soldadura por arco metlico y gas (GMAW).

    En cuanto a los equipos y mquinas para soldar, hay que diferenciar tres mtodos, la soldadura manual, con mquina semiautomtica o totalmente automtica. Los dos primeros se emplean normalmente en el caso de perfiles tubulares. La soldadura totalmente automtica no es habitual, pero se puede utilizar cuando sea aplicable.

    La soldadura manual por arco con electrodos revestidos con una capa de productos qumicos fundentes se utiliza en los talleres y en el soldeo a pie de obra. Concretamente, se puede aplicar cuando predominan las posiciones de soldar desfavorables, incluida la posicin de soldar en techo y/o el acceso restringido a la soldadura.

    El revestimiento del electrodo tiene la funcin de proteger el bao de acero lquido en la soldadura frente a los efectos perjudiciales de las escorias o del gas. Es importante elegir adecuadamente los electrodos, y hay que tomar una decisin para cada caso. As pues, todos los puntos crticos, como por ejemplo el tipo de nudo, las posiciones de soldar y los mtodos de controlar las soldaduras, determinan el tipo de electrodo utilizado. En general, las propiedades mecnicas del material de aportacin son superiores a las de los materiales de base.

    Para soldar las estructuras de perfiles tubulares, se aplican los electrodos del tipo estructural rutilo, cido y bsico.

    Dependiendo del tipo de acero, del espesor de la pared y de las formas de la soldadura, se recomiendan los siguientes tipos de electrodos:

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    Acero Espesor de pared Tipo de electrodo

    S235 S275

    16 mm Estructural de rutilo o estructural bsico, con bajos contenidos en hidrogeno

    30 mm

    > 16 mm Estructural bsico, con bajos contenidos en hidrogeno

    S355 Cualquiera Estructural bsico, con bajos contenidos en hidrogeno

    En general, se deben seguir las recomendaciones sobre proteccin y almacenamiento de los electrodos indicadas por los fabricantes.

    Se deben guardar secos y sin dao alguno. Para los electrodos bsicos de bajo contenido de hidrgeno se deben emplear hornos de secado. Una alternativa es el utilizar electrodos envasados al vaco.

    La soldadura manual requiere adecuados conocimientos tcnicos y experiencia por parte del soldador, aunque ste cuenta con un mayor grado de libertad.

    La soldadura por arco con ncleo de fundente es un proceso semiautomtico que utiliza los electrodos como alambres continuos tubulares introducidos desde un carrete en la mquina de soldar. El cable contiene fundentes qumicos que protegen el arco y el metal fundido contra los efectos negativos del oxgeno y el nitrgeno. Adems, los gases protectores tambin se envan a la "pistola" del operador. Este sistema, aplicado principalmente en los talleres, requiere equipamiento caro, lo que supone una gran inversin.

    Sin embargo, sta se compensa con una mayor velocidad de funcionamiento, es decir, una cantidad de metal depositada dos o tres veces mayor que con la SMAW y un ahorro de tiempo, puesto que el soldador no necesita moverse mucho.

    La soldadura por arco metlico y gas es tambin un proceso semiautomtico similar al anterior. Sin embargo, en este caso, el alambre continuo que se va a introducir es un alambre slido y la soldadura est sumergida en un gas inerte, argn o helio (MIG soldadura de arco metlico con gas inerte), un gas ms barato CO2, o en una mezcla de gases (80% Ar + 15% CO2 + 5% O2) (MAG soldadura metlica con gas activo).

    Las ventajas de soldar por arco metlico y gas son:

    Proceso de soldar rpido; reduce los costes de fabricacin.

    La zona de soldadura afectada por el calor (ZAT) es estrecha.

    Ausencia de escorias, lo cual evita soldar en posiciones difciles. Como no es necesario eliminar la escoria para las soldaduras posteriores, el tiempo de soldar es menor, as como el coste de fabricacin.

    Se utiliza principalmente en aceros sin alear y de baja aleacin (MAG) y en aceros de alta aleacin (MIG).

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    Las desventajas son:

    No es adecuado para soldar a pie de obra debido a la gran cantidad de equipamiento necesario, como por ejemplo el control elctrico, el electrodo de alambre slido devanado, el alimentador de alambre y el suministrador del gas protector.

    Acceso a la soldadura muy restringido por el espacio necesario para la boquilla de la pantalla de gas, a pesar de que existen varias formas de boquilla.

    Fig. 3.1 Soldadura MIG/MAG

    En principio parece que el mtodo ms adecuado para soldar las barras del bastidor, dadas sus dimensiones, es la soldadura por arco metlico y gas. En concreto y para abaratar costes se utilizar la soldadura MAG.

    3.1. Posiciones y secuencias de soldadura

    Para comenzar se mencionan tres puntos principales:

    1. Las soldaduras no deben empezar o terminar en una esquina del perfil RHS.

    2. Para los espesores ms pequeos, se deben evitar, en lo posible, las soldaduras con varias pasadas.

    3. Hay que seguir las secuencias de soldadura apropiadas, ya que afectan en gran medida a la contraccin, a las tensiones residuales y a la deformacin de una estructura soldada.

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    Dependiendo de la posicin y de la movilidad de los elementos estructurales, se muestran a continuacin tres posiciones para soldar en nudos de perfiles tubulares estructurales, junto con las secuencias de soldadura.

    1) Soldadura vertical ascendente de 180

    Todas las soldaduras se hacen en la parte superior y despus el panel gira sobre si mismo 180 para completar la operacin

    Fig. 3.2 Soldadura vertical ascendente de 180

    2) Soldadura vertical ascendente

    Esta posicin slo es vlida cuando los perfiles tubulares no se pueden mover.

    Fig. 3.3 Soldadura vertical ascendente

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    3) Soldadura horizontal

    Esta posicin es necesaria cuando las barras estn en posicin vertical y no se pueden mover. Si las barras se encuentran en posicin horizontal, las soldaduras se hacen en posicin vertical.

    Fig. 3.4 Soldadura horizontal 3.2. Punteado de la soldadura

    El punteado de la soldadura es una soldadura corta hecha para la unin preliminar de las barras de perfil tubular de una estructura, obteniendo una sujecin temporal previa a la soldadura definitiva del montaje. El espesor de la garganta del punteado de soldadura tiene que estar de acuerdo con la posicin de la raz.

    Este debe garantizar una unin limpia en la raz de la soldadura. Los extremos de los puntos de soldadura deben estar correctamente ejecutados para obtener una buena fusin en el cordn de la raz.

    Los puntos de soldadura tienen que estar en posiciones adecuadas respecto a las posiciones de parada/comienzo. Se tienen que llevar a cabo con mucho cuidado, puesto que los puntos de soldadura se convierten en parte de la soldadura definitiva. Por eso los soldadores precisan de una cualificacin especial para hacer trabajos de punteado de la soldadura.

    En perfiles RHS, el punteado de la soldadura se debe hacer en la zona correspondiente a la lnea recta (no en las esquinas).

    3.3. Tratamiento trmico previo y posterior de las construcciones soldadas de perfiles tubulares

    En general, la baja temperatura ambiente y una atmsfera hmeda, as como el uso de perfiles tubulares de pared gruesa pueden dar lugar a un estado crtico adems de provocar fisuras por enfriado. Esto se puede prevenir de forma efectiva precalentando la pieza entre 50C y 200C, dependiendo del tipo de acero.

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    Sin embargo, esta cara operacin se puede evitar procurando que las partes que haya que soldar no tengan condensacin y utilizando electrodos con bajo contenido de hidrgeno.

    La temperatura de precalentamiento se determina basndose en el contenido de carbono equivalente CEV, la intensidad de corriente de soldadura, el voltaje y la velocidad, el espesor de la pieza, el tipo de soldadura y el contenido de hidrgeno en los electrodos.

    Para los aceros estructurales sin alear S235, S275 y S355, generalmente no se necesita precalentamiento. Sin embargo, se recomienda para una temperatura ambiente inferior a + 5C y para espesores de pared 30 mm.

    3.4. Tensiones residuales y deformaciones producidas por la soldadura

    Con la soldadura se calienta una zona determinada de la pieza. La dilatacin trmica del material no es uniforme y se ve coartada por el material fro que la rodea.

    Se producen esfuerzos de contraccin debido al acortamiento de la pieza al enfriarse. Estos se transforman en deformaciones o en momentos torsores, o permanecen en la parte soldada como tensiones residuales.

    Las deformaciones y las tensiones residuales en una estructura soldada de perfiles tubulares dependen de los siguientes parmetros:

    - Espesor de la soldadura

    - Nmero de pasadas de soldadura

    - Distancia entre la soldadura y el eje neutro del elemento estructural

    - Coaccin del elemento estructural soldado por las barras de unin

    - Rigidez del elemento estructural en una estructura soldada

    - Angulo de inclinacin entre los ejes de las barras a unir

    - Secuencia de soldadura

    - Mtodo de soldar

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    En una construccin rgida, las deformaciones provocadas por las contracciones se previenen, en gran medida, durante la soldadura. Por otra parte, las tensiones residuales debidas a la soldadura aumentan considerablemente durante este proceso.

    Con el n de reducir los trabajos de enderezado y alineacin posteriores a la soldadura, las distorsiones pueden ser compensadas por las correspondientes predeformaciones.

    Las tensiones residuales y las contracciones se determinan proporcionalmente por las disposiciones y secuencias de soldadura. El punteado de las soldaduras previo a la soldadura final debe serlo bastante numeroso y fuerte como para absorber los esfuerzos de contraccin transversales durante la soldadura.

    3.5. Defectos de soldadura y reparaciones

    La figura 3.5 muestra una visin de los posibles defectos de soldadura en las soldaduras en ngulo y a tope.

    Fig. 3.5 Defectos en soldaduras

    E = Fisura Df = Penetracin incompleta de la raz en una soldadura en ngulo

    C =Ausencia de fusin D = Penetracin incompleta de la raz en una soldadura con bordes curvados

    A = Inclusiones de gas F = Mordedura

    Ab = Grieta longitudinal dn = Garganta insuficiente

    B = Inclusiones de escorias dp = Excesiva convexidad ov = Recubrimiento

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    Las caras de las soldaduras en ngulo pueden ser ligeramente convexas, planas o ligeramente cncavas. Sin embargo, existe un lmite de convexidad dependiendo del tamao de la superficie de fusin o del ancho del reborde de la superficie individual L.

    Las soldaduras a tope se harn, preferentemente, con un ligero refuerzo de las caras. Este refuerzo tendr una transicin gradual hacia el plano de la superficie del metal de base, por lo que las soldaduras no presentarn discontinuidades, excesiva convexidad, garganta insuciente, excesiva mordedura ni recubrimiento.

    Los defectos de soldadura se pueden reparar eliminando metal de aportacin o trozos del metal de base mediante mecanizado, rectificado, cincelado o escopleado.

    Hay que eliminar los defectos de soldadura, como por ejemplo el recubrimiento, la convexidad excesiva o la sobrecarga, sin quitar gran cantidad de metal de base. Antes de soldar es obligatorio efectuar una limpieza a fondo de la supercie.

    Fig. 3.6 Perles de soldaduras en ngulo y a tope aceptables e inaceptables

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    Cualquier deficiencia en el tamao de la soldadura producida por concavidad excesiva, soldadura de tamao insuficiente y mordedura tiene que ser compensada depositando metal de aportacin. Hay que eliminar y volver a soldar las fusiones incompletas, la porosidad excesiva de la soldadura o las inclusiones de escorias. Las grietas de la soldadura o del metal de base se reparan eliminando de la grieta metal sano (dependiendo del espesor) ms all de cada extremo de la grieta y soldando de nuevo.

    3.6. Inspeccin de las soldaduras

    Las soldaduras de las estructuras de acero se pueden comprobar mediante ensayos destructivos (slo en laboratorio) o no destructivos. Cada uno de los dos grupos contiene varios mtodos de ensayo y todos tienen ventajas y desventajas y, por consiguiente, sus campos especficos de aplicacin. Desde el punto de vista econmico, la extensin de las inspecciones debera ser mnima. As pues, las soldaduras en ngulo son preferibles a las soldaduras a tope.

    Los ensayos destructivos, que son los ensayos de traccin, de plegado, de resistencia frente al impacto, de dureza y de fatiga, se suelen hacer antes de empezar la soldadura final de una estructura. Tambin sin/en para investigar acerca de nuevos materiales, tipos de construccin y mtodos de soldar, indicando cuales son los parmetros de soldadura. Estos ensayos tambin se llevan a cabo para comprobar la capacidad profesional de los soldadores.

    Al contrario de los ensayos destructivos, los siguientes cinco mtodos no destructivos pueden facilitar informacin concluyente con respecto a la calidad efectiva de la soldadura:

    - Inspeccin visual

    - Ensayo con partculas magnticas

    - Ensayo con lquidos penetrantes

    - Inspeccin ultrasnica

    - Inspeccin radiogrfica mediante rayos X o (gamma)

    Es de importancia fundamental efectuar una detenida inspeccin visual de la costura de la soldadura, as como de la zona prxima a la soldadura, tanto antes como despus de soldar.

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    Despus de soldar, hay que examinar visualmente los defectos superficiales tales como las mordeduras, el recubrimiento y las fisuras, as como la apariencia de la soldadura (la rugosidad de la superficie del reborde, el ancho del reborde, etc.). La medicin del espesor de garganta de la soldadura y la transicin entre la costura de la soldadura y el metal de base (de especial importancia para construcciones sometidas a cargas de fatiga) se hace con medidores diseados para este fin. 3.7. Recomendaciones generales para operaciones de soldadura

    A menudo los fabricantes tienden a especificar y llevar a cabo soldaduras mayores, con espesores de garganta de soldadura ms grandes que los que se necesitan tcnicamente. Esto no slo resulta ms caro sino tambin ms daino debido al peligro que existe de contracciones y distorsiones excesivas, y al cambio de la microestructura del metal de base en la zona afectada trmicamente (ZAT) debido a la entrada de calor adicional.

    Las soldaduras en ngulo son preferibles a las soldaduras a tope. Se tienen que aplicar siempre que sus tamaos no sean excesivos.

    Si una soldadura en ngulo no es viable, se puede aplicar soldaduras a tope con penetracin parcial, ya que son menos caras que las soldaduras a tope con penetracin completa sin anillo interno. Sin embargo, estas ltimas pueden ser ejecutadas con anillos internos.

    Como la inspeccin visual es el mtodo de inspeccin de soldadura ms barato, ms cmodo y ms aplicado, es imprescindible que el inspector tenga la cualificacin requerida adems de la experiencia necesaria para llevar a cabo este trabajo. En los nudos crticos se aplican otros mtodos, pero slo cuando resultan viables.

    3.8. Uniones en prolongacin (empalmes)

    Para los perles tubulares, las uniones en prolongacin se hacen principalmente mediante soldadura a tope. El mtodo es sencillo y lo componen tres casos:

    Caso 1: Ninguna preparacin de soldadura en los extremos de la barra (perfiles tubulares de pared delgada).

    Caso 2: Los extremos de la barra se biselan para la soldadura (perles tubulares de pared gruesa).

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    Caso 3: Los biseles de los extremos estn apoyados por un anillo de apoyo interno que soporta la soldadura lquida y facilita la alineacin de las barras.

    Fig. 3.7 Uniones en prolongacin soldadas

    El objetivo es alcanzar, bien la carga mayorada aplicada, bien la resistencia total de la barra ms dbil obteniendo la penetracin adecuada de la soldadura.

    3.9. Uniones soldadas en ngulo recto

    La figura 8.11 muestra el diseo de los dos tipos fundamentales de nudos soldados en ngulo recto (90 de inclinacin) junto con detalles de las soldaduras:

    1. Nudo en ngulo recto simple

    2. Nudo en ngulo recto con una placa rigidizadora transversal

    El nudo plano en ngulo recto simple que consta de poste y dintel de secciones transversales idnticas es sencillo y barato, aunque est diseado para cargas pequeas. Estos nudos tienden a fallar por deformacin excesiva de la cara transversal por compresin.

    El nudo soldado en ngulo recto con placa rigidizadora intermedia se aplica para adaptar diferentes tamaos de barra o cuando el nudo necesita una mayor resistencia.

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    En este caso, una deformacin excesiva slo se produce en los perfiles tubulares muy delgados. El espesor de a placa insertada no debe ser menor de 1,5 veces el del perfil tubular ms grueso y, en todo caso, 10 mm por lo menos.

    Fig. 3.8 Nudos en ngulo recto a) sin rigidizadores b) con placa rigidizadora

    Un diseo alternativo para incrementar la resistencia del nudo es reforzar el nudo soldando acartelamientos (recortados de RHS con el mismo ancho que el de las dos barras principales) o placas laterales para evitar el pandeo local.

    El ngulo de inclinacin entre los ejes de las barras de perfiles tubulares puede ser mayor de 90 (ngulo obtuso 90 < 0 < 180). En cualquier caso, estos nudos se pueden calcular de la misma forma que los nudos de 90, puesto que poseen un comportamiento mejor que los nudos de 90.

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    Fig. 3.9 Soldaduras en ngulo en el bastidor V3

    3.10. Nudos con barras soldadas directamente

    La figura 3.8 muestra las condiciones bsicas para aplicar soldaduras en ngulo y a tope (con abertura de penetracin total o parcial). Los detalles muestran el cambio del bisel de la soldadura al variar el ngulo de abertura punto a punto a lo largo del permetro de la interseccin.

    Con respecto a la punta de cumbre (punto X), el valle (punto Y) y el taln de cumbre (punto Z) de las figuras antes mencionadas, predominan las siguientes condiciones:

    Cumbre

    60, todos los espesores: soldadura a tope (detalle X1)

    > 60, t1 < 8 mm: soldadura en ngulo (detalle X2)

    , t1 8 mm: soldadura a tope (detalle X3)

    Valle

    t1 < 8 mm, b1/b0 0,85: soldadura en ngulo (detalle Y1)

    t1 < 8 mm, b1/b0 = 1,0: soldadura a tope (detalle Y2)

    t1 8 mm: soldadura a tope (detalle Y3)

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    Taln

    t1 < 8 mm: soldadura en ngulo (detalle Z1)

    t1 8 mm: soldadura a tope (detalle Z2)

    o soldadura en ngulo

    Se recomienda que 30 para garantizar la adecuada penetracin de la soldadura en la zona del taln. En una combinacin de soldadura en ngulo y a tope, la transicin debe ser continua y sin brusquedad.

    La soldadura ms frecuente es la soldadura en ngulo, cuya configuracin puede ser convexa, plana o cncava. El espesor de garganta "a" se describe mediante un tringulo issceles (fig. 8.12).

    El IIW (Instituto Internacional de Soldadura) propone a 1,1 t1 para S355 y a t1 para S235/275. El Eurocdigo 3 recomienda una serie de espesores de garganta para las soldaduras en ngulo segn los tipos de acero (tabla 8.1). Hay que mencionar aqu que una soldadura de tipo cncavo (fig. 8.12 c) produce un mejor comportamiento a fatiga debido a tener una transicin ms gradual de la soldadura al metal de base.

    Fig. 3.10 Formas de soldadura en ngulo: a) convexa, b) plana, c) cncava

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    Fig. 3.11 Soldaduras en ngulo y a tope entre perfiles tubulares rectangulares en nudos de celosas

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    Fig. 3.12 Soldaduras en ngulo entre las barras verticales y las del piso transitable

    Tipo de acero de acuerdo con la figura 8.1 S235 S275 S355

    a / t1 0,84 * a / t1 0,87 * a / t1 1,1 *

    Tabla 3.1 Espesores de garganta de soldaduras en ngulo de acuerdo con el EC3

    * = 1,1

    1,25

    = Coeficiente parcial de seguridad de seguridad para la resistencia de los nudos = Coeficiente parcial de seguridad para las soldaduras

    La figura 3.11 identifica la secuencia de soldadura tal y como se recomienda en el EC3 basndose en la siguiente directriz:

    Las posiciones de parada /comienzo no deben estar en las zonas de esquina en un nudo entre una barra de relleno de perl tubular cuadrado o rectangular y un cordn de perfil tubular cuadrado o rectangular, o cerca de ellas.

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    183 Fabricacin

    Fig. 3.11 Secuencia de soldadura recomendada para nudos de perfiles tubulares rectangulares

    3.11. Cualificacin de los talleres y soldadores

    Los talleres de fabricacin deben estar adecuadamente equipados para fabricar estructuras de perfiles tubulares. Es posible que haya que adaptar el equipamiento al diseo requerido.

    Las personas encargadas de la fabricacin deben poseer conocimientos adecuados sobre fabricacin de estructuras de perfiles tubulares, as como la capacidad tcnica y la experiencia necesarias para realizar el trabajo demandado.

    Los soldadores deben el ttulo de soldadores cualificados de estructuras de perfiles tubulares.