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Debido a la importancia de la asignatura de Tecnología Mecánica en nuestra formación académica, por sus grandes aplicaciones en el campo de la industria, realizamos este trabajo con el fin de aplicar los conocimientos obtenidos en la asignatura hasta la fecha pero en un ámbito más realista; ya que es muy importante utilizar las herramientas de formación con problemas de la vida real. Hasta la fecha los conocimientos de la asignatura que pudimos adquirir,
fueron sobre
soldadura, y estudiamos todo lo referente con este procedimiento tan usual en el campo industrial que abarca nuestra carrera y nuestro futuro profesional. En este caso el trabajo consiste en el diseño, construcción y costeo de una tolva, para lo cual aplicaremos todos los conocimientos necesarios del capítulo referente a soldadura además de algunos manuales de soldadura muy conocidos, así pondremos en práctica los conocimientos teóricos y los cálculos numéricos del capítulo y poder aplicarlos con los factores que influyen en la vida real. Estos factores muchas veces no son tomados en cuenta académicamente, pero dentro del proceso real son muy relevantes. A continuación continuación definiremos definiremos algunos conceptos conceptos:: Soldadura
La soldadura es uno de los procedimientos de unión de piezas metálicas más utilizados por todas las ventajas que ofrece. La importancia de la soldadura alcanza todas las ramas de la industria, desde puertas, balcones, pupitres hasta la construcción de puentes, torres, barcos, aviones, etc.
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El objetivo de soldar es unir dos o más piezas metálicas de igual o de distinta naturaleza de una manera perfecta, por medio de la aplicación, por lo general, calor de tal manera Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
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que los metales soldados conservan las propiedades mecánicas (resistencia, resiliencia, dureza, etc.) y las propiedades químicas del metal base (resistencia a la corrosión, etc.)
Tolva
Se denomina tolva a un dispositivo similar a un embudo de gran tamaño destinado al depósito y canalización de materiales granulares o pulverizados, entre otros. En ocasiones, se monta sobre un chasis que permite el transporte. Generalmente es de forma cónica y siempre es de paredes inclinadas como las de un gran cono, de tal forma que la carga se efectúa por la parte superior y forma un cono la descarga se realiza por una compuerta inferior. Son muy utilizadas en agricultura, en construcción de vías de vías férreas y en instalaciones industriales. instalaciones industriales.
I.
Objetivo General.
Aplicar los los conocimientos conocimientos del del capítulo capítulo de soldadura soldadura para la construcción construcción y costeo costeo de una tolva. II.
Objetivos Específicos.
Calcular el costo real para la construcción de una tolva. Definir correctamente los materiales de aplicación en el trabajo. Obtener los resultados reales, basándonos en la teoría del capítulo de soldadura
La s ol dad ur a elé ct ri ca p or arc o Es un proceso de soldadura, donde la unión es producida por el calor generado por un arco eléctrico, con o sin aplicación de presión y con o sin metal de aporte.
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La energía eléctrica se transforma en energía térmica, pudiendo llegar esta energía hasta una temperatura de aprox. 4 000°C. La energía eléctrica es el flujo de electrones a través de un circuito cerrado. Cuando ocurre una pequeña ruptura dentro de cualquier parte, o apertura del circuito, los electrones se mueven a gran velocidad y saltan a través del espacio libre entre los dos terminales, 1,5 - 3 mm produciendo una chispa eléctrica, con la suficiente presión o voltaje para hacer fluir los electrones continuamente. A través de esta apertura, se forma el arco eléctrico, fundiéndose el metal a medida que se avanza. El arco eléctrico es, por lo tanto, un flujo continuo de electrones a través de un medio gaseoso, que genera luz y calor.
Sold adu ra po r arco elé ctr ic o m anu al co n electr od o m etálico rev estid o Idea del proc eso La soldadura por arco eléctrico manual con electrodo revestido o simplemente “Soldadura Eléctrica”, como la conocemos en nuestro medio, es un proceso de unión por fusión de
piezas metálicas. Para lograr la unión, se concentra el calor de un arco eléctrico establecido entre los bordes de las piezas a soldar y una varilla metálica, llamada electrodo, produciéndose una zona de fusión que, al solidificarse, forma la unión permanente.
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Fig. 1: Principio del arco eléctrico
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Princ ipio de fun cion amiento de la so ldadu ra po r arco elé ctric o
Fig. 2: Partes del Circuito de Soldadura por Arco Eléctrico El equipo consta de: 1.-Generador de corriente (Fuente de poder) 2.-Cables de soldadura 3.-Porta-Electrodo 4.-Masa o tierra 5.-Electrodo 6.-Pieza de trabajo El circuito se cierra momentáneamente, tocando con la punta del electrodo a la pieza de trabajo, y retirándola inmediatamente a una altura preestablecida, 1,5 - 3 mm formándose de esta manera un arco. El calor funde un área restringida del material base y la punta del electrodo, formando pequeños glóbulos metálicos, cubiertos de escoria líquida, los cuales son transferidos al metal base por fuerzas electromagnéticas, con el resultado de la fusión de dos metales y su solidificación a medida que el arco avanza, según puede verse en la Fig. 3.
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Fig. 3: Fusión del electrodo 1.- Núcleo metálico 2.- Revestimiento 3.- Gota en formación 4.- Escoria 5.- Arco eléctrico 6.- Metal base 7.- Baño de fusión y cráter del metal base en fusión 8.- Protección gaseosa 9.- Cordón depositado 10.- Penetración El arco eléctrico es muy brillante y emite rayos visibles e invisibles, algunos de los cuales causan quemaduras, ligeras lesiones a la piel y dolores temporales a los ojos, si es que no se les protege debidamente.
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Fun ci ón d el ar co elé ct ric o El arco es el principio físico de transformar la energía eléctrica en calor. Normalmente cumple la ley de Ohm. U = RxI Donde R es la resistencia del arco, I es la intensidad de corriente y U es la tensión o voltaje. La potencia del arco es P= UxI expresada en Watt. Esta energía concentrada en una pequeña área es la que se usa en todos los procesos por arco eléctrico, para fundir tanto al metal base como a los materiales de aporte. Noc ion es de electr icid ad co n relac ión al arc o elé ctr ico Para comprender mejor la aplicación del arco eléctrico a la soldadura, es necesario conocer ciertos principios fundamentales relacionados con la electricidad. a) El circuito eléctrico: La corriente eléctrica es un flujo de electrones que circula por un conductor en un circuito cerrado, denominado circuito eléctrico. b) El circuito de soldadura por arco eléctrico: La corriente fluye a partir del borne de la máquina de soldar, donde se fija el cable del electrodo (1), y termina en el borne de la máquina, donde se fija el cable de tierra o de trabajo (2). Como puede observarse en la Fig. 4, a partir del punto (1) la corriente fluye al portaelectrodo y por éste al electrodo; por el extremo del electrodo salta la electricidad a la pieza formando el arco eléctrico; sigue fluyendo la electricidad por el metal base al cable de tierra (2) y vuelve a la máquina.
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Fig. 4: Flujo eléctrico Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
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El circuito está establecido sólo cuando el arco se encuentra encendido. c) Voltaje y amperaje: El agua circula a lo largo de un tubo, si existe una presión que lo impulse; en la misma forma, la corriente eléctrica fluye o circula a través de un circuito, si existe una «presión», que impulse el flujo de electrones dentro de un conductor (máquina en funcionamiento). Esta “presión”, que induce una corriente
eléctrica, se llama diferencia de potencial, tensión o voltaje. El voltaje se expresa en voltios y se mide con el voltímetro; algunas máquinas de soldar poseen voltímetro y un regulador de voltaje. La cantidad de agua, que pasa por un tubo, se mide por una magnitud en una unidad de tiempo (metros cúbicos por segundo). En igual forma se utiliza, para expresar la magnitud de corriente eléctrica, la cantidad de electricidad por segundo. La unidad utilizada es el Columbio por Segundo, lo que se expresa en Amperios, y se mide con un instrumento llamado amperímetro. Todas las máquinas de soldar cuentan con reguladores, que permiten variar el amperaje o intensidad de corriente eléctrica necesaria para soldar. d) Clases de corriente eléctrica Corriente alterna (AC).- El flujo de corriente varía de una dirección a la opuesta. Este cambio de dirección se efectúa 100 a 120 veces por segundo. El tiempo comprendido entre los cambios de dirección positiva o negativa se conoce con los nombres de ciclo o período (50 a 60 ciclos). En nuestro país utilizamos, por lo general, la corriente alterna de 220 voltios y 60 ciclos. Esta corriente es transportada por redes eléctricas monofásicas que utilizan 2 cables, o bien es conducida por redes eléctricas trifásicas, que utilizan 3 cables de transportación. Las máquinas de soldar pueden utilizar tanto la corriente monofásica como la trifásica. Corriente continua (CC).- El flujo de corriente conserva siempre una misma dirección: del polo negativo al positivo. En la corriente continua es importante saber la dirección del flujo de corriente. La dirección del flujo de corriente en el circuito de soldadura es expresada en término 7
de
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e) Polaridad: Si el cable del porta-electrodo es conectado al polo negativo (-) de la fuente de poder y el cable de tierra al polo positivo (+), el circuito es denominado POLARIDAD DIRECTA o NORMAL.
Fig. 5: Polaridad directa Cuando el cable del porta-electrodo es conectado al polo positivo (+) de la fuente de poder y el cable de tierra al polo negativo, el circuito es denominado POLARIDAD INVERTIDA o INDIRECTA.
Fig. 6: Polaridad invertida En algunas máquinas no es necesario cambiar los cables en los bornes, porque poseen una manija o llave de conmutación que permite cambiar de polaridad con facilidad. En una máquina de corriente alterna no es posible diferenciar los cables por sus conexiones de grapa y porta electrodo porque la electricidad fluye por ellos alternando su sentido o dirección. Un soldador debe estar familiarizado con los efectos de la polaridad en el proceso de soldadura. Generalmente, el electrodo conectado al polo positivo (polaridad invertida) permite una mayor penetración y el electrodo conectado al negativo (polaridad directa) da una mayor velocidad de fusión. Sin embargo, los componentes químicos del revestimiento del electrodo pueden hacer variar los efectos de la polaridad y, por Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
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ello, es conveniente seguir las instrucciones del fabricante para conectar el electrodo correctamente, ya sea al polo positivo o negativo. Cuando se suelda con un electrodo, debe usarse siempre la polaridad correcta para obtener los resultados satisfactorios que se esperan: buena penetración, aspecto uniforme del cordón, excelente resistencia de la junta soldada.
Fig. 7: Efecto de la polaridad y del tipo de corriente f) Fenómenos del arco eléctrico para soldar: En los polos del arco, el voltaje varía según la longitud de éste. Al rozar el electrodo con la pieza, el voltaje es cero y va aumentando a medida que la longitud del arco se hace mayor, hasta que por alejarse demasiado el electrodo el arco se interrumpe y la máquina vuelve a su “voltaje en vacío”, que es siempre más elevado que el voltaje de trabajo.
La intensidad de corriente o amperaje necesario para fundir el electrodo y, por lo tanto, la pieza a soldar debe elevarse a medida que aumenta el diámetro del electrodo utilizado. La regulación o aumento del amperaje la hace el soldador. Máqu in as d e so ld ar p or arc o el é ct ric o
Una vez iniciado el arco, debe permitir una conversión automática e instantánea del voltaje en vacío a un voltaje de trabajo, que permita mantener el arco (voltaje de trabajo es el que proporciona la máquina cuando el arco está encendido; varía de 17 a 45 voltios).
Permitir la regulación de la intensidad de corriente o amperaje necesario para soldar; ese amperaje varía según el diámetro, espesor de la pieza, posición del trabajo, diámetro del electrodo, etc. Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
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Asegurar una alimentación constante de corriente, que permita mantener el arco estable.
Además de las características señaladas, una fuente de poder o máquina de soldar debe reunir las condiciones de resistencia y solidez, que le permita trabajar aún estando sometida a las más duras exigencias y según las condiciones en que se desenvuelve la labor del soldador. Clases de máquinas de soldar por arco eléctrico Las máquinas de soldar son clasificadas con diferentes criterios. Adoptaremos la siguiente clasificación: Maquinas estáticas
Transformadores.
Rectificadores.
Transformadores-Rectificadores.
Maquinas rotativas (convertidores)
De Motor eléctrico.
De Motor a combustión interna, pudiendo ser: 1. a gasolina. 2. a petróleo (Diesel).
Las máquinas estáticas son las que no poseen elementos en movimiento continuo; excepcionalmente algunas poseen un ventilador. Las máquinas rotativas son las que sí poseen elementos en rotación constante. Las máquinas estáticas a su vez se clasifican en los siguientes tipos: 1) Máquinas tipo transformador.- Proporcionan corriente alterna para soldar. 2) Máquinas tipo
rectificador.- Son máquinas transformadoras que, mediante
rectificadores, transforman la corriente alterna a corriente continua para soldar.
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3) Equipos transformador-rectificador.- Estas máquinas proporcionan tanto corriente continua como corriente alterna para soldar. Su construcción eléctrica especial permite cambiar de una corriente a otra con sólo mover una llave de conmutación. Las máquinas rotativas o convertidores están compuestas básicamente de un motor, que proporciona una determinada velocidad de rotación a un dínamo, el cual produce la corriente eléctrica apropiada para soldar. El motor puede ser:
Eléctrico, funcionando con la corriente eléctrica proveniente de una red general de electricidad.
De combustión, sea gasolina o petróleo.
Las motosoldadoras son máquinas utilizadas preferentemente en los lugares que carecen de una red general de electricidad.
L o s e le c t ro d o s Son fabricados de una variedad de aleaciones de metales y tienen diferentes tipos de revestimiento. •
FUNCIONES PRINCIPALES DE LOS ELECTRODOS REVESTIDOS Formar un arco estable Reemplazar los elementos del metal perdidos por fusión. Proveer de gas para proteger el baño de metal fundido Formar la escoria para proteger el metal mientras se enfría
CLASES
•
Según su núcleo en:
Electrodos para aceros al carbono (bajo y alto carbono)
Electrodos para aceros inoxidables o de aleación especial
Electrodos para hierro fundido
Electrodos para metales no ferrosos (aluminio, bronce, etc)
Según su revestimiento en:
Celulósico: Son de alta penetración. Los electrodos que pertenecen a este grupo son los que terminan en los números 10 y 11. Ejemplo: E6011. Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
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Rutílicos: De mediana penetración, buen acabado. Los electrodos que pertenecen a este grupo son los que terminan en los números 12 y 13. Ejemplo: E-6013
Básicos: De mediana penetración: Los electrodos que pertenecen a este grupo son los que terminan en los números 5, 6 y 8. Ejemplo: E7018
Hierro en polvo: De alta penetración y de relleno rápido. Los electrodos que terminan en los números 4 y 7. Ejemplo: E-6027.
Selección del electrodo adecuado Escoger el electrodo adecuado es materia de analizar las condiciones del trabajo en particular, y luego determinar el tipo y diámetro del electrodo que más se adapte a estas condiciones. Este análisis es relativamente simple si el operador se habitúa a considerar primero los siguientes factores: A. Naturaleza del metal base
La mayor parte de los metales base pueden identificarse por medio de pruebas basadas en apariencia, reacción al magnetismo, rotura, cincel, llama, prueba de la chispa, etc. B. Dimensiones de la sección a soldar C. Tipo de corriente que entrega su máquina soldadora AC (Corriente Alterna) o (Corriente
Directa) D. Posición a soldar. E. Tipo de unión y fijación de la pieza. Cuando los bordes no estén biselados y se
encuentren muy juntos, es necesario utilizar electrodos de mucha penetración (6010) de raíz y electrodo (7018) para los pases posteriores. Cuando la distancia entre los bordes sea amplia utilice electrodos de mediana penetración. F. Características especiales que requiere la soldadura como: Resistencia a la corrosión,
resistencia a la tracción, etc. G. Especificación de algunas normas que se debe cumplir la soldadura: el organismo que
dicta las especificaciones o requerimientos que debe cumplir las uniones soldadas, por lo general se usan las normas de A.W.S. (American Welding Society), Sociedad Americana de Soldadura. Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
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Después de considerar cuidadosamente los factores antes indicados, el operador no debe tener dificultad en elegir el electrodo adecuado que le proporcione un arco estable, depósitos parejos, escoria fácil de secar y un mínimo de salpicaduras, condiciones esenciales para obtener un trabajo óptimo.
Elección del d iámetro del electro do de acu erdo al trabajo a r ealizar Medidas y amperaje de un electrodo La medida de un electrodo que va a usarse dependerá de varios factores A. Espesor del metal a soldar B. Que tan separados queden los filos de la unión C. Posición de la unión D. Destreza para el soldador La siguiente tabla puede usarse como una guía, cuando se seleccione la medida y amperaje para un trabajo particular y será necesario subirlo o bajarlo según la posición de la obra, su espesor y la medida de cómo trabaja cada operario.
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Para este estudio, la estructura propuesta fue la de una tolva (termino definido anteriormente), en este caso es una tolva cuadrada la cual debe pasar por el proceso de diseño y costeo, para su construcción. Bosquejo y dimensión de la figura en el plano (en decímetros)
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Calculo de la pendiente en perspectiva real
Para el cálculo de la diagonal de la tolva, aplicamos Pitágoras en el espacio:
√ √
Para el cálculo y construcción de los ángulos, aplicamos el teorema de los cosenos directores en el espacio
√ √ √ Material utilizado para la tolva
Para construir la tolva decidimos utilizar acero ASTM A- 36 SAE 1010 y 1020 también conocido como acero común, con un espesor de 3 milímetros . La plancha de acero común de 3 milímetros viene en dimensiones de 2x1 m 2 y su costo es de 250 Bs. El área de la tolva equivale a A tolva= 2.68 m 2, suponiendo que podemos comprar una plancha de 2x1m 2 y otra de 1x1 m 2 el costo de las planchas para cubrir el área total de la tolva seria de 375 Bs. 15
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Este acero es el tipo más común de acero utilizado en la construcción, la manufactura y muchas otras industrias. De los aceros al carbono, el acero ASTM A36 es una de las variedades más comunes en parte debido a su bajo costo. Ofrece una excelente resistencia y fuerza para un acero bajo en carbono y aleación. Aunque es propenso al óxido. Propiedades mecánicas:
Dureza: 111 HB Esfuerzo de fluencia: 205 MPa (29700 PSI) Esfuerzo máximo: 380 MPa (55100 PSI) Elongación: 25% Reducción de área: 50% Módulo de elasticidad: 205 GPa (29700 KSI) Propiedades físicas:
Densidad 7.87 g/cm 3 (0.284 lb/in 3) Propiedades químicas:
0.18 – 0.23 % C 0.30 – 0.60 % Mn 0.04 % P máx. 0.05 % S máx.
Aplicaciones
Debido a que el A36 tiene una composición química simple, es muy fácil de soldar, lo que lo convierte en un material estructural atractivo en los oficios de construir donde puede ser encontrado como un soporte temporal o permanente de material de revestimiento.
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Soldadura
El tipo de soldadura elegido para este proceso es el de soldadura por arco eléctrico manual con electrodo revestido por su bajo costo, las características de este tipo de soldadura y el tipo de estructura a soldar. Electrodo
El electrodo que utilizaremos para la soldadura por arco es el E6013 AWS ya que es aplicable en casi todos procesos de soldadura por arco eléctrico y se caracteriza por ser de buen encendido, arco suave, excelente desprendimiento de escoria y terminación. Especial para estructuras livianas, muebles metálicos y carrocerías. Además de ser el más utilizado en la soldadura del acero común. Con un diámetro de 2,5 milímetros, esto por el espesor del metal a soldar, ya que este debe ser mayor al diámetro del electrodo. El costo de los electrodos E6013 de 2,5 milímetros de diámetro s de 25 Bs.
Con las definiciones y especificaciones anteriores, además de basarnos en el marco teórico, estamos preparados para hacer los respectivos cálculos del trabajo. •
Longitud real total de la tolva
•
Peso del metal de aporte
•
Corriente para la soldadura
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de metal de aporte
•
Tiempo para aportar un
•
Tiempo para depositar 1g de metal de aporte
•
Para la velocidad de recorrido
•
Factor de operador (ver PAG. 13 el catálogo de INDURA)
CALCULO PARA LOS COSTOS •
El costo de trabajo por cada hora trabajada (en Bolivia) según lo averiguado.
•
Conociendo la longitud total y el tiempo total:
•
Costo laboral variable
() ) (
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Gastos generales variables
() ( ) •
Para el costo variable de energía
A ( ) •
Costo variable de producción
) ( Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
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•
Con un tiempo de deposición: 20 min
( ) [] •
Para el tiempo total
Costo total de producción Costo total =
= 140.13 + (375 + 25) = 540.13 Bs
De acuerdo a los cálculos realizados nuestro costo total de soldadura es de 140.13 Bs en un tiempo de 27.1 horas, utilizando acero común A36 de espesor 3mm y electrodos E6013 sumando nuestro costo de material obtenemos un costo total de producción de la tolva de 540.13 Bs. Gracias a este trabajo logramos aplicar nuestros conocimientos adquiridos en clases en el tema de soldadura recalcando la importancia que tiene este procedimiento en nuestra carrera y en procesos industriales.
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Manuales de soldadura anexados en cd. Diapositivas Ing. Alejandro Romero Tecnología Mecánica | Diseño y construcción de una tolva
