Guía esencial para la instalación de elementos de fijación: Por qué la carga de apriete es siempre mejor que el par de apriete

El verdadero secreto de unos tornillos fuertes: Por qué la carga de apriete es más importante que el par de apriete

Lo más importante de una unión atornillada no es cuánto se gira la llave, sino lo fuerte que el tornillo sujeta las piezas entre sí. Esta idea va en contra de lo que mucha gente ha aprendido a lo largo de los años, en los que las llaves dinamométricas y las pistolas de impacto son las principales herramientas que todo el mundo utiliza. Sin embargo, no entender la ciencia básica que hay detrás del funcionamiento de los tornillos es una de las principales razones por las que fallan las uniones, desde tornillos que se aflojan debido a la vibración hasta la rotura completa. Para que una unión sea segura, no basta con aplicar una fuerza de giro, sino que hay que controlar cuánto se estira el tornillo.

Esta guía va más allá de las simples instrucciones de "cómo hacerlo" para explicar los principios de ingeniería que hacen que la instalación de elementos de fijación funcione correctamente. El par de apriete es sólo una forma indirecta y a menudo poco fiable de alcanzar el verdadero objetivo: la carga de la fijación. La tensión creada en el elemento de fijación es la fuerza que mantiene unidas las piezas, resiste las fuerzas externas y mantiene fuerte la estructura.

Exploraremos la física básica de la carga de apriete, desmenuzaremos la compleja relación entre el par de apriete y la tensión, y examinaremos los factores críticos que a menudo se pasan por alto pero que pueden arruinar la fiabilidad de una unión. A continuación, compararemos diferentes métodos de instalación desde el punto de vista de la ingeniería y examinaremos patrones de fallo comunes a través de la lente de la ciencia de la instalación. Esta guía le proporcionará los conocimientos necesarios para diagnosticar problemas, diseñar juntas más resistentes y prevenir fallos antes de que se produzcan.

El principio básico: Carga de pinza

Para dominar la instalación de tornillos, debemos dejar de centrarnos en el método (par de apriete) y centrarnos en el objetivo final (carga de apriete). Este concepto básico, también denominado precarga, es el factor más importante en el rendimiento, la fiabilidad y la duración de una unión atornillada. Es la base sobre la que se construyen todos los demás principios.

¿Qué es la carga de pinza?

La carga de apriete es la tensión que se crea en un tornillo al apretarlo. Piense en el perno o tornillo como un muelle de precisión muy rígido. Al girar la tuerca, se está estirando este muelle. La fuerza aplicada por el tornillo estirado, que intenta volver a su longitud original, es lo que sujeta las piezas de la unión. Esta fuerza de tracción interna es la carga de apriete. Es esta fuerza, y no la capacidad del tornillo para resistir fuerzas laterales, la que principalmente mantiene rígida una unión y evita su movimiento.

Los principales trabajos de carga de la abrazadera son fundamentales para el buen funcionamiento de la junta:

• Resistencia a las cargas laterales exteriores gracias a la fricción creada entre las superficies sujetas.
• Prevención de la separación de las juntas cuando se someten a cargas de tracción exteriores.
• Mejorar la vida a fatiga reduciendo los cambios de tensión que experimenta el perno bajo cargas repetidas.
• Garantizar un sellado fiable en juntas de estanqueidad manteniendo una presión constante.

Peligros de una carga de pinza incorrecta

Conseguir la carga de apriete *correcta* es un acto de equilibrio. El objetivo suele ser un alto porcentaje de la resistencia a prueba de la fijación, el punto justo antes de que empiece a estirarse permanentemente. Alejarse de este objetivo en cualquier dirección invita al fallo.

Si la carga de apriete es demasiado baja, la unión es débil. Puede provocar el aflojamiento por vibración, ya que los pequeños movimientos superan el agarre por fricción y permiten que la tuerca retroceda. Puede provocar el deslizamiento en uniones sometidas a fuerzas laterales, lo que conduce al desgaste y a la fatiga final. En una unión sometida a fuerzas de tracción repetidas, una precarga baja significa que el tornillo experimenta cambios de tensión mucho mayores, lo que acorta enormemente su vida a fatiga. Una señal clara de que una junta no está bien apretada es la presencia de corrosión por frotamiento, que aparece como un polvo marrón rojizo o negro que sale de entre las superficies de contacto.

Por otro lado, si la carga de apriete es demasiado elevada, el propio tornillo corre peligro. Demasiada tensión puede estirar el tornillo más allá de su límite elástico, causando daños permanentes y una pérdida de fuerza de sujeción. En un caso más extremo, puede provocar la rotura inmediata durante la instalación. Este apriete excesivo también puede provocar el desprendimiento de la rosca en la tuerca o el orificio roscado, o incluso aplastar o dañar las piezas sujetas, sobre todo si son de materiales más blandos. Desde el punto de vista del instalador, una clara señal de advertencia de un apriete excesivo es una repentina sensación de "esponjosidad" o "facilidad" al seguir girando la llave sin un aumento correspondiente de la resistencia. Esto indica que las roscas están cediendo y pelándose.

La relación par-tensión

Dado que la carga de apriete es una fuerza de tracción directa y el par de torsión es una fuerza de giro, ¿cómo se traduce una en la otra? Esta conversión es la fuente de mayor incertidumbre en la instalación de elementos de fijación. El método más común para controlar la precarga es aplicar una cantidad específica de par, pero se trata de una ciencia indirecta e imprecisa que se rige por un factor principal y muy variable: la fricción.

Fórmula de cálculo del par

La relación entre el par y la tensión resultante suele estimarse mediante la ecuación abreviada:

T = K x D x F

Comprender cada variable es esencial para apreciar las limitaciones de la fórmula:

• T = Par objetivo: La fuerza de giro aplicada a la tuerca o a la cabeza del tornillo, medida normalmente en Newton-metros (Nm) o pies-libra (ft-lbs).
• K = Factor de Tuerca / Coeficiente de Fricción: Un número sin unidades que tiene en cuenta todos los efectos de fricción y geométricos en la junta. Es el componente más crítico y variable.
• D = Diámetro nominal del tornillo: El diámetro mayor del tornillo, medido en milímetros (mm) o pulgadas (in).
• F = Carga objetivo de la abrazadera / Precarga: La tensión de tracción deseada en la fijación, medida en Newtons (N) o libras-fuerza (lbs).

El problema del "factor K

Aunque la fórmula parece sencilla, su precisión depende totalmente del factor K. Este único número intenta combinar todas las complejas fuerzas de fricción que interactúan dentro de la unión. Cuando se aplica un par de apriete a un elemento de fijación, la energía no se convierte eficientemente en carga útil de apriete. Un desglose típico de la energía del par de apriete revela una escandalosa ineficacia:

• Aproximadamente 50% del par aplicado se utiliza simplemente para superar la fricción entre la tuerca o la cabeza del tornillo que gira y la superficie que sujeta.
• Aproximadamente 40% se utiliza para superar la fricción entre las roscas macho y hembra.
• Sólo los 10% restantes del par aplicado realizan realmente el trabajo útil de estirar el tornillo para generar la carga de apriete.

Esta 90% pérdida de energía por rozamiento no sólo es ineficaz, sino que el propio rozamiento es altamente impredecible. El factor K no es una constante universal; es una variable que cambia drásticamente en función de una amplia gama de condiciones. Esta es la razón principal por la que el control de la carga de la abrazadera sólo mediante el par puede tener una variación de ±25% o incluso más, incluso en entornos aparentemente controlados.

Cuadro 1: Factores típicos de las nueces

Para mostrar esta variabilidad, la siguiente tabla proporciona rangos aproximados del factor K para condiciones comunes de fijación. Estos valores son ejemplos y pueden estar influidos por muchos factores. Para obtener datos definitivos, se recomienda consultar un recurso como el manual del Industrial Fasteners Institute (IFI).

Como muestra la tabla, el simple cambio del revestimiento de la fijación o la adición de un lubricante puede modificar el factor K en 100% o más. Si el valor del par de apriete no se ajusta en consecuencia, la carga de apriete resultante será peligrosamente errónea.

Variables críticas de la instalación

El factor K proporciona una visión de las complejidades de la fricción, pero una instalación de fijaciones verdaderamente fiable requiere un conocimiento más profundo de todas las variables del mundo real que influyen en la relación par-tensión. Estos factores no son académicos; están presentes en todas las uniones y deben tenerse en cuenta para conseguir una carga de apriete predecible y segura.

El papel de la lubricación

La lubricación es la variable más importante que afecta al factor K y, en consecuencia, a la carga de apriete alcanzada para un par determinado. La función del lubricante es reducir la fricción. Como hemos visto, con 90% de energía de par perdida por la fricción, incluso un pequeño cambio en la fricción tiene un efecto masivo en los 10% que generan precarga.

La situación más peligrosa en la instalación de elementos de fijación es la aplicación no especificada de un lubricante. Si un ingeniero especifica un valor de par de apriete basado en un estado seco, tal cual (por ejemplo, K = 0,20), y un técnico aplica un compuesto antiagarrotamiento o aceite (por ejemplo, nuevo K = 0,12), el resultado es catastrófico. La misma cantidad de par de apriete producirá ahora una carga de apriete mucho mayor, que probablemente superará el límite elástico del tornillo y provocará daños permanentes o el fallo inmediato. Las especificaciones de par de apriete deben ir siempre acompañadas de un estado de lubricación claro: en seco o con un lubricante específico.

Tabla 2: Impacto de la lubricación

Esta tabla muestra el espectacular efecto de la lubricación. Suponemos que se aplica un par constante de 100 lb-pie a un perno hipotético y que sólo cambia el estado de lubricación.

Como se muestra, la aplicación de una pasta común a base de molibdeno puede duplicar la carga de apriete resultante para el mismo par de entrada, convirtiendo un par de apriete correctamente especificado en una sobrecarga causante de fallos.

Otras variables clave

Además de la lubricación, otros factores contribuyen a la variabilidad del factor K.

• Acabado superficial y chapado: La diminuta textura superficial de las superficies de apoyo y las roscas desempeña un papel fundamental. Las superficies más rugosas, como las de los elementos de fijación galvanizados en caliente, generan más fricción y un factor K más elevado y variable. Las superficies más suaves y lisas, como las que tienen un recubrimiento de cadmio o de escamas de zinc, reducen la fricción y dan lugar a un factor K más bajo.
• Tolerancias de tornillería y taladros: El ajuste entre componentes es importante. Un tornillo en un orificio con holgura experimentará más fricción bajo la cabeza que uno en un orificio con holgura. Y lo que es más grave, las roscas dañadas, sucias o mal formadas mostrarán una fricción extremadamente alta y errática, utilizando casi toda la energía del par de apriete y dando lugar a una carga de apriete prácticamente nula.
• Velocidad de instalación: La velocidad de apriete afecta a la fricción. Las herramientas de alta velocidad, como las llaves de impacto neumáticas, generan mucho calor. Este calor puede modificar las propiedades del lubricante (si lo hay) y las superficies metálicas durante el apriete, lo que puede provocar resultados desiguales de un tornillo a otro. Un apriete más lento, continuo y controlado, como el que se realiza con una llave hidráulica o una llave manual calibrada, produce resultados mucho más precisos y repetibles.
• Reutilización de elementos de fijación: En general, no se recomienda volver a apretar un tornillo usado en aplicaciones críticas. El primer ciclo de apriete bruñe, o pule, la rosca y las superficies de apoyo bajo la cabeza. Este proceso alisa permanentemente las superficies, reduciendo la fricción en instalaciones posteriores. Si se utiliza el par de apriete original del "tornillo nuevo" en un tornillo reutilizado, se obtendrá un factor K más bajo y una carga de apriete más alta y potencialmente peligrosa.
• Tipo de material: El coeficiente de fricción es una propiedad de un par de materiales. Un tornillo de acero apretado contra una superficie de acero tendrá un factor K diferente que el mismo tornillo de acero apretado contra una superficie de aluminio o hierro fundido. Esto debe tenerse en cuenta en el diseño de la unión y en la especificación del par de apriete.

Comparación de los métodos de tensado

Dada la imprecisión inherente al método de control del par de apriete, los ingenieros han desarrollado varias técnicas alternativas de instalación de elementos de fijación. La elección del método depende de lo crítica que sea la unión, la precisión requerida de la carga de apriete, el coste y la accesibilidad. Cada método tiene un enfoque diferente para gestionar o evitar el problema de la fricción.

Método 1: Control del par

Es el método más extendido por su sencillez y bajo coste. Se basa totalmente en la fórmula T=KDF y en una llave dinamométrica calibrada. El principio es que si se conocen K, D y la F deseada, se puede calcular y aplicar un par objetivo T.

Su principal debilidad es su total dependencia del factor K, muy variable. Tal y como se ha establecido, los cambios no contabilizados en la lubricación, el acabado superficial u otros factores pueden provocar desviaciones masivas de la carga de apriete objetivo. La precisión típica, o dispersión de la carga de apriete, de este método suele ser de ±25% a ±35%, lo que lo hace inadecuado para muchas aplicaciones críticas en las que la precarga es primordial.

Método 2: Vuelta de tuerca

También conocido como control de ángulo, este método es significativamente más preciso porque elimina en gran medida la fricción de la ecuación final de apriete. El proceso consta de dos etapas. En primer lugar, se aprieta el tornillo hasta que esté "bien apretado", es decir, hasta que se haya eliminado toda la holgura de la junta y las superficies de apoyo estén en contacto firme. Esto requiere un par de apriete inicial relativamente bajo y uniforme. En segundo lugar, a partir de este punto de apriete, la tuerca se gira un ángulo específico predeterminado (por ejemplo, 1/2 vuelta, 2/3 de vuelta).

Una vez que la junta está ajustada, cualquier rotación adicional estira directamente el tornillo a lo largo de su curva elástica. Esta relación entre rotación y alargamiento es una propiedad geométrica e independiente de la fricción. La precisión del método, normalmente en el rango de ±15%, lo ha convertido en la norma para el montaje de acero estructural en edificios y puentes, tal y como especifican organizaciones como el Instituto Americano de Construcción en Acero (AISC).

Método 3: Indicación directa de la tensión

Los métodos más precisos son los que intentan medir la carga de la pinza directamente, o a través de un sustituto muy cercano, en lugar de deducirla de una entrada como el par.

• Estiramiento de pernos: Es el método más preciso que existe. Trata el tornillo como un muelle y mide su cambio de longitud. La longitud inicial del tornillo se mide con precisión con un micrómetro. Después de apretarlo, se vuelve a medir. Utilizando las propiedades del material y la geometría conocidas del tornillo, este alargamiento puede convertirse directamente y con gran precisión en carga de apriete. Su precisión puede oscilar entre ±3% y ±5%.
• Arandelas indicadoras de tensión directa (DTI): Son arandelas especializadas con pequeñas protuberancias en una cara. La DTI se coloca bajo la cabeza del tornillo o la tuerca. Al apretar el tornillo, la fuerza de apriete aplana las protuberancias. La precarga correcta se confirma cuando ya no se puede introducir una galga de espesores en el hueco creado por las protuberancias. Esto proporciona una confirmación visual y táctil directa de que se ha alcanzado la tensión mínima requerida, con una precisión que suele rondar los ±10%.

Cuadro 3: Comparación de los métodos de apriete

Esta tabla resume las características clave de cada método de instalación, proporcionando un marco para la selección basada en los requisitos de la aplicación.

Análisis de los modos de fallo

La falta de comprensión y aplicación de los principios de instalación de elementos de fijación conduce directamente a modos de fallo previsibles y a menudo graves. Al examinar estos fallos, podemos ver las consecuencias reales de equivocarse en la ciencia y reforzar la importancia de un enfoque centrado en la carga de la abrazadera.

Fallo por aflojamiento vibracional

Es el modo de fallo más común en las juntas sometidas a vibraciones o a cargas laterales repetidas. La causa técnica es una carga de apriete insuficiente. La carga de apriete genera una fuerza de fricción entre las superficies de la junta que resiste cualquier movimiento de deslizamiento. Si una fuerza lateral exterior es lo suficientemente grande como para superar este agarre por fricción, se produce un pequeño deslizamiento. Este deslizamiento descarga momentáneamente las roscas, permitiendo que la tuerca gire una cantidad muy pequeña. A lo largo de miles o millones de ciclos, estas pequeñas rotaciones se acumulan, provocando una pérdida total de precarga y la separación de la junta. Esto es consecuencia directa de especificar una carga de apriete demasiado baja o, lo que es más común, de no alcanzar la carga de apriete especificada debido a una subestimación de la fricción (sobreestimación del factor K).

Fallo por sobrecarga

Esta categoría incluye el desgarro de la rosca y la rotura de la fijación durante o después de la instalación. La causa técnica es una carga de apriete excesiva. Esto ocurre cuando la tensión de tracción inducida en el tornillo supera los límites de su material. Si la tensión supera el límite elástico del tornillo, éste se estirará permanentemente (cederá), perdiendo sus propiedades elásticas y su capacidad para mantener la carga de apriete. Si el esfuerzo supera la resistencia a la tracción, el tornillo se romperá.

Este es el resultado clásico de subestimar el factor K. La causa más frecuente, como ya se ha comentado, es la aplicación de un lubricante a una junta con una especificación de par de apriete "en seco". Un instalador que utilice una llave dinamométrica notará la resistencia esperada, pero la reducción de la fricción significa que una proporción mucho mayor de ese par se convierte en estiramiento del tornillo. El instalador puede notar una pérdida repentina de resistencia -una sensación "blanda" o "pastosa"- a medida que la llave dinamométrica sigue girando. Esta es una advertencia crítica de que las roscas del tornillo o las roscas del material base se están cortando y desprendiendo.

Fallo por fatiga

El fallo por fatiga es un modo más sutil y peligroso que se produce en uniones sometidas a cargas de tracción repetidas. La vida a fatiga de un tornillo depende en gran medida de que se consiga una carga de apriete inicial elevada. Cuando una unión está correctamente precargada, los componentes sujetos están comprimidos. Cuando se aplica una carga de tracción exterior, primero debe superar esta compresión antes de que pueda empezar a añadir una carga adicional significativa al perno. Por lo tanto, un perno altamente precargado sólo experimenta una pequeña fracción de los cambios de carga exterior.

Si la carga de apriete inicial es baja, el tornillo se ve sometido a un rango de tensiones mucho mayor en cada ciclo de carga. Esta carga y descarga repetida, incluso si el pico de tensión está muy por debajo de la resistencia última del perno, inicia y hace crecer una grieta microscópica, normalmente en un punto de concentración de tensión como el primer enganche de la rosca. Con el tiempo, esta grieta crece hasta que la sección transversal restante del tornillo ya no puede soportar la carga, y falla repentinamente y sin previo aviso. Se trata de un fallo directo de la carga de la abrazadera. Una unión que parece segura en el momento de la instalación puede convertirse en una bomba de relojería si la precarga es insuficiente.

Conclusiones: Adoptar primero una mentalidad de carga de pinza

El viaje a través de la ciencia de la instalación de elementos de fijación revela una verdad clara e innegable: las uniones atornilladas satisfactorias y fiables se diseñan centrándose en la carga de apriete, no aplicando ciegamente un valor de par de apriete de una tabla. Hemos visto que el par de apriete no es más que un medio indirecto, ineficaz y muy variable para conseguir un fin. El verdadero trabajo de asegurar una unión lo realiza la tensión, o precarga, generada en el interior del tornillo.

La fiabilidad del método de instalación más común, el control de par, está totalmente a merced de la fricción. Comprender y controlar cuidadosamente las variables que influyen en esta fricción -lubricación, acabado superficial, velocidad de instalación y estado del material- no es un extra opcional; es un requisito no negociable para cualquier aplicación crítica. Cuando las consecuencias de un fallo son importantes, debemos pasar a métodos más fiables, como el giro de tuerca o la indicación directa de la tensión.

Los principios que aquí se exponen son la base para prevenir el aflojamiento por vibración, los fallos por sobrecarga y la fatiga catastrófica. Al comprender estos conocimientos, los ingenieros, técnicos y diseñadores pueden ir más allá de las prácticas anticuadas y garantizar la seguridad e integridad de sus conjuntos mecánicos. Para cada unión crítica, deje de preguntarse "¿Cuál es el par de apriete?" y empiece a preguntarse "¿Cuál es la carga de apriete necesaria y cuál es el método más fiable para conseguirla?".

• https://www.engineeringtoolbox.com/ Engineering ToolBox - Calculadoras de par de apriete y carga de apriete
• https://www.sae.org/ SAE International - Normas de torsión y tensión para elementos de fijación
• https://www.portlandbolt.com/ Portland Bolt - Tablas técnicas de pares de apriete de tornillos
• https://www.engineersedge.com/ Engineers Edge - Tablas y cálculos del par de apriete de tornillos
• https://www.nord-lock.com/ Nord-Lock Group - Recursos técnicos sobre precarga y fuerza de sujeción
• https://webstore.ansi.org/ ANSI - Normas nacionales americanas para el par de apriete de tornillos
• https://www.iso.org/ ISO - Normas internacionales para elementos de fijación roscados
• https://mechanicalc.com/ MechaniCalc - Referencia para el análisis de uniones atornilladas
• https://engineering.stackexchange.com/ Engineering Stack Exchange - Preguntas y respuestas sobre ingeniería de tornillería
• https://www.aftfasteners.com/ AFT Fasteners - Tabla de pares de apriete de tornillos Guías de referencia