Diseño de piezas soldadas.pdf

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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL GRAL. PACHECO

Departamento de Ingeniería Mecánica. Cátedra: Diseño Mecánico. Profesor Titular: Ing. Juan A. Fructuoso. Jefe T. P.: Ing. Alfredo Ramos. Curso: 3° año de Ingeniería Mecánica.

TEMA:

DISEÑO DE PIEZAS SOLDADAS

Bibliografía consultada: 1) Manual de soldadura - L. Koellhoffer, A. Manz, E. Hornberger - Limusa 2) Catálogo General de consumibles para soldadura - Conarco S.A. 3) Dibujo de Ingeniería y Tecnología Gráfica - T. French, C. J. Vieerck - Mc. Graw Hill 4) Estudio de las formas constr. p/la fabric. de máq. y aparatos - H. Rognitz, G. Kohler 5) Drawing Requierements Manual - J. Lieblich - Bishop Graphics 6) Ingeniería de Diseño - P. Orlov - Mir 7) Tratado teórico práctico de elementos de máquinas - Dr. Ing. G. Niemann - Labor 8) Proyecto de elementos de máquinas - M. F. Spotts - Reverté 9) Tratado general de soldadura - P. Schimpke, H. A. Horn, J. Ruge - Gustavi Gili 10) Manual de la tec. de la soldadura eléctr. por arco - Dr. Ing. H. Helmut Koch - Reverté 11) Metal Handbook Welding and Brazing - American Society for Metals

Las notas presentes fueron elaboradas por el Ing. Juan A. Fructuoso, junto con la colaboración del Ing. Alfredo Ramos durante el año 2006, las mismas son publicadas para servir de guía de estudio a los alumnos. Ing. Juan A. Fructuoso, Noviembre de 2006.


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7 Recomendaciones de diseño para piezas soldadas DISEÑO Pobre / malo

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REGLAS DE DISEÑO

SOLDADURAS POR ARCO

1 - DESCARGAR COSTURAS Trasladar las cargas al material macizo, dejando a la costura, la función de unión. Cambiando la disposición, las soldaduras sometidas a tracción (1) y corte (3), quedan descargadas (2,4). 2 - AUMENTAR LA RESISTENCIA AL CORTE (cizallamiento) Para una brida soldada a un eje y sometida a un momento torsor, soldar todo alrededor sobre el mayor diámetro posible (8 y 9). Para soldaduras bien hechas, no son necesarios los ajustes precisos (7) o roscados (6). 3- EVITAR CARGAS DE FLEXION (Transformarlas en compresión o corte). En el sistema de cierre del recipiente a presión (interior), las soldaduras cargadas a flexión y corte, se pueden llegar a descargar (10, 11). Para el vástago solicitado a flexión (11),se mejora la unión, encajándolo en la chapa, pero se debilita la sección mas cargada. Soldándolo por la otra cara (14) se descarga el cordón. La costura del tabique (15) flexiona, en (16) se carga el nervio a la tracción; en (17) se mejora cargándolo a compresión. El tubo sometido a flexión (18) descarga la costura si se lo introduce en la placa (19). 4 - EVITAR CARGAS NO CENTRADAS En costuras oblicuas sometidas a tracción, aparece una carga complementaria de corte (20). La unión simétrica y en doble bisel, no descompone en corte (21). Las cargas descentradas, provocan flexión. Las costuras ribeteadas, sometidas a tracción (22) o presión interior (24), dan flexión. Es preferible soldar a tope (23, 25).

5 - EVITAR SOLDAR EN ZONAS CRITICAS Soldar en la zona de transición de secciones (26), concentra tensiones, potenciado por la heterogeneidad de su estructura. En (27) se mejoró la propuesta original.

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REGLAS DE DISEÑO

SOLDADURAS POR ARCO

6 - EXTREMAR LA CALIDAD DE LAS SOLDADURAS Cuando no se puedan evitar algunos defectos, usar recursos para disminuir los efectos indeseables.

En costuras de filete (28), usar electrodos de gran penetración y hacer cordones cóncavos (29). Estos deben empalmar suavemente con las paredes, lo que generalmente se logra mecanizando (prever el sobrematerial) (30). Las juntas a solape (31) reemplazarlas por otras a tope (32), y éstos conviene hacerlos con biselado doble y simétrico (34), de lo contrario se interfiere en la normal distribución de los esfuerzos y hay concentración de tensiones. Por la misma razón, las juntas en T, sometidas a tracción (35) se hacen simétricas (36). Las uniones a tope (37), deben mecanizarse (prever sobrematerial) (38). La resistencia se mejora por tratamiento mecánico de deformación plástica en frío, (por ej: chorro de perdigones, martillado con haces de acero, etc.).

7 - EMPLEAR EL PROCESO MAS SENCILLO Para unir una palanca con un eje, cambiar la soldadura circunferencial en ángulo (39), por otra de tapón (40). Para empalmar dos piezas tubulares, cambiar costura circunferencial (41) por una de contacto a tope (42). Usar soldaduras en reemplazo de procesos más costosos. Es más sencillo fijar un perno de soldar (44) que un espárrago roscado (43).

8 - PREPARAR LOS BORDES CONVENIENTEMENTE

Evitar el desbaste laborioso de los bordes (45, 47, 49, 50). El charco por la fusión de la soldadura, hay que formarlo mediante el posicionamiento relativo de las partes (46, 48, 51 a 54).

Cuando sea necesario preparar los bordes, hacerlo sobre la pieza que resulte más cómodo (por peso o dimensión). Normalmente se debe rebajar el tapón (56) y no el tubo (55).

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REGLAS DE DISEÑO

SOLDADURAS POR ARCO

Para aplicar soldadura por recargue, es preferible hacer el rebaje redondeado (58), como para alojar el material.

Para soldar a tope, cubiertas de chapa fina (59), puede ser necesario hacer un soporte para contener el material del cordón (60).

9 - FACILITAR EL ACCESO DEL ELECTRODO Evitar soldar en espacios estrechos (67), o de difícil accesibilidad (63, 65). Hacerlo por “afuera” o por el lado externo.

Evitar soldar redondos sobre planos (67), o a l o largo de una generatriz.

Reubicar las piezas que dificulten el acceso del electrodo (70).

10 - EVITAR SIMULTANEIDAD DE COSTURAS Reducir al mínimo el material de aporte en un punto (Mayor acumulación e material fundido, mayores tensiones.

Loa tabiques o nervios coincidentes (71, 73) deben separarse (72, 74), los cordones coincidentes (75) deben interrumpirse (76)

Alternar las costuras longitudinales (78)

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REGLAS DE DISEÑO

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SOLDADURAS POR ARCO

11 - EVITAR LA SOLDADURA DE DISTINTOS ESPESORES Si la relación de espesores, es menor a tres, puede soldarse sin problemas (78, 81). Si es mayor, hacer transición en cuña (80, 82) de una longitud tal que: L > 5 ( S– s ) Para soldar tubos de pared delgada, usar bridas con cuello (84) Para soldar un tetón a una chapa fina, el tetón debe tener un cuello delgado (88, o hacerle una perforación en el rebajo (86).

12

- PREVEER LA FIJACIÓN RECÍPROCA

Hacer rebajos en una pieza (89, 91, 93), para posicionar inequívocamente la otra, ahorra costosos dispositivos de sujeción.

Centrar la esfera con el vástago (89) alinear r adialmente la brida con el tubo (91) o posicionar un buje a determinada altura (93), implica pérdidas de tiempo y no garantiza los resultados.

13 - SIMPLIFICAR EL AJUSTE MANUAL DE LAS PIZAS En construcciones con chapas plegadas y perfiles normales, cortar los nervios o refuerzos a guillotina (96), no por oxicorte con ajuste por amolado (95). Usar a misma técnica para placas e nudo, sobre juntas, etc. (98) 14 - AUMENTAR LA RIGIDEZ Especialmente en construcciones de chapa fina (hasta 6mm), emplear partes dobladas o estampadas que aumentan la rigidez. El soporte compuesto (99) , es reemplazado por una sola pieza plegada (100). Las sobre juntas planas (101) se sustituyen por una plegada (102). El nervio (103), se reemplazo por un cajón en “U” (104). La llanta con cubo y paredes delgadas (105) puede reemplazarse por dos piezas iguales estampadas (106).

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REGLAS DE DISEÑO

SOLDADURAS POR ARCO

15 - PROTEGER LAS ZONAS MECANIZADAS O TRATADAS Alejar de la zona mecanizada de la soldaduran para evitar daños por salpicaduras (108).

La superficie mecanizada (109) se protege soldando por debajo (110). Alejar la superficie tratada para evitar la influencia del calor. La cabeza dura sobre el vástago (111) puede soldarse por junta en tapón (112), montarse engrafada o por interferencia (113) o hacerse por soldadora de recargue (114).

16 - PREVENIR EL QUEMADO DE BORDES Evitar que las aristas vivas lleguen a la zona de soldadura (115, 117) de lo contrario se quemaran. Alejar las soldaduras de los bordes, aumentando el material (116). Alejar agujeros de la zona a soldar (118) o mecanizar después 17 - PREVER SOBREMATERIAL PARA MECANIZAR A causa de las distorsiones producidas al soldar, es necesario prever sobre materiales mayores para compensarlas. El buje (119), si fuera de pared fina, podría sufrir contracciones en la zona del agujero (soldar pieza desbastada y luego hacer el mecanizado de terminación). El perno (120) puede perder la perpendicularidad (prever mecanizado posterior). 18 - PREVEER DILATACIONES O CONTRACCIONES Al soldar piezas de distinta sección, prever compensadores de los esfuerzos térmicos, debido al enfriamiento irregular. Para soldar el cuerpo la camisa (121), a ésta última, se le agregó un fuelle (122) que le otorga elasticidad.

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REGLAS DE DISEÑO

SOLDADURAS POR ARCO

19 - CONSTRUCCIONES CON PERFILES Para soportar la flexión producida por una carga sobre una pieza en voladizo, la resistencia de las alas (123) es menor que la del alma(124). Se mejora un poco más, con el montaje de caja y espiga 125). Más resistente aún, es la construcción que incluye placas de nudos (126). Para la construcción de bastidores con perfiles, se deben combinar factores de costo, resistencia, practicidad y hasta estética. Las juntas (131, 132, 135) pueden hacerse con un simple corte a 45°. Los cortes rectos son los más sencillos (136, 138). Las esquinas redondeadas (129, 130) tienen el mejor aspecto, pero obligan a laboriosos ajustes. Los arriostramientos diagonales con perfiles, pueden ejecutarse de múltiples maneras, según se trate de perfiles simétricos (U) ó asimétricos (L). Así podrán soldarse por las alas (139, 140), por el lomo (142) o con placas de nudo (141, 144). Para soldar armaduras no se aconsejan las juntas a tope (145). La unión de solapa, soldada todo alrededor (146), resulta más rígida. La junta (147) es la más empleada en la práctica, por dar la mayor rigidez y ser la más fácil de aplicar. En nudos con rayos múltiples, conviene emplear la placa de ángulo para descargar mejor desde todas direcciones 150).

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REGLAS DE DISEÑO


SOLDADURAS POR ARCO

20 - CONSTRUCCIONES CON TUBOS La soldadura en tubos de igual diámetro, se suele hacer con costura de cordón a tope, sin preparación de bordes, para pequeños espesores (151) o con preparación para espesores de más de 12 mm (152). La soldadura de contacto a tope da alta resistencia mecánica, pero es imposible de hacer en obra. Para elevar la resistencia a la flexión del tubo en la zona del empalme, se abocardan ambos, en forma de cono (154), en reborde (155), cinglado (156), o abocardado (157). Esta última forma, es una de las más fáciles de hacer. También pueden realizarse manguitos interiores (159), pero dificultan la circulación de fluidos (se usan en uniones de fuerza). Para bastidores tubulares, se emplea la unión a tope con el biselado de los extremos a 45° (160). Mayor resistencia se logra aplastando los extremos (161), soldando plancha de ángulo a tope (162) o ranura (163), plancha doble (164) o plegadas en “U” (165). Las restantes barras diagonales, se sueldan a tope (166) con aplastamiento (167) o curvados y aplastados o cortados (168), es decir con preparación más o menos laboriosa. En armaduras tubulares, la unión más sencilla y confiable es la soldadura a tope (169, 170). Tiene la limitación de no permitir la unión espacial de muchos tubos, a menos que el central, sea de mucho mayor diámetro que los demás (174).

Para aumentar la cantidad de tubos a soldar, se pueden aplastar (175) con lo que se aumenta la rigidez de la unión en el plano del aplastamiento (176).

También se usan para reforzar la unión de tubos, las placas de ángulo soldadas a tope (177, 178), en ranura por uno de los tubos (179), o en todos (180, 181).

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REGLAS DE DISEÑO 1


SOLDADURAS POR RESISTENCIA

- RESISTENCIA DE LAS SOLDADURAS POR PUNTOS :

Los puntos de soldadura solicitados al corte (2), resisten cargas tres o cuatro veces mayores que los puntos solicitados a tracción (1). Los puntos solo pueden transmitir reducidos momentos de torsión (3). Se debe tratar de evitársete tipo de solicitación (4). En lugar de muchos puntos pequeños (5) que no sueldan bien por el efecto de la derivación de la corriente, es preferible menos puntos de mayor tamaño y mejor calidad (6). Una recomendación práctica dada por las normas DIN, era la de hacer mínimo dos puntos y máximo cinco, en la dirección de la carga.

2

- FORMA DE LAS PIEZAS A SOLDAR POR PUNTOS :

Para conseguir una buena unión, los electrodos necesitan apoyarse sobre una superficie grande (8), plana y paralela (10). Las piezas con formas que dificultan el acceso de los electrodos (11, 13, 15, 17) rara ves dan buena soldadura, y además exigen electrodos especiales.

En soldaduras sobre bordes, si la distancia a la pared, es muy pequeña, el electrodo quedará mal colocado.

Si la distancia al borde fuera pequeña, existe el peligro que el material quede aplastado y pueda ser expulsado hacia fuera de la junta (7, 20).

Al proyectar piezas grandes, tener en cuenta las dimensiones de las pinzas para soldar (21). Es decir, que los brazos sean lo más corto posible y estén separados un valor mínimo (22). De lo contrario aumentan las pérdidas por inducción, y la energía gastada en la soldadura.

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Para unir piezas de materiales condicionalmente soldables, (por ejemplo, acero para resortes), (23) se mejora en algo la situación, agregando una pieza de recubrimiento, para que el punto de máxima solicitación no coincida con el punto de soldadura (24). En general es preferible evitar la soldadura “doble”, es decir en dos superficies al mismo tiempo (25), ya que si bien se logra una mayor sujeción mecánica, la calidad de los puntos, no siempre es la mejor (26). Al soldar cavidades cerradas, prever el torcimiento de las paredes (alabeos), como resultado del vacío producido al enfriarse. Para prevenir esto, el perfil omega (27) a soldarse sobre la envuelta cilíndrica, está perforado (28). El mismo recurso se usa al unir las partes de un flotante (29). Luego del enfriamiento, se obturará con soldadura blanda (30).

3

- FORMA DE LAS UNIONES POR CONTACTO

Las piezas a soldar por contacto, dceben ser de dimensiones similares, como para alcanzar la temperatura de ablandamiento al mismo tiempo. De lo contrario una disiparía más calor, sin alcanzar la plasticidad suficiente para dar una unión segura. La diferencia máxima que suele admitirse, entre secciones, es del orden del 5%.

Las piezas deben tener el mismo diámetro en la zona de la unión, lo que se lograeligiendo materiales similares (32) o mecanizando una de ellas (34, 36, 38, 42), en una longitud del orden del diámetro de la sección a unir.

Cuando no se pueda mecanizar (39), será necesario cambiar de diseño (40).

Para posicionar las piezas a soldar (31), es preferible usar aquellas con guía (32), mientras que los resaltos más pequeños que las guías, localizan el paso de la corriente.

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En algunos casos, puede lograrse una buena unión, aún cuando no halla posibilidad de mecanizar una longitud igual al diámetro de la unión (47, 49).

Cuando existan esfuerzos de flexión, es preferible un montaje en encastre cónico (51).

La preparación más conveniente del material para tallar una corona dentada, implica cilindrar un barrote y soldarla de cabeza por contacto (53). Con ello se mantiene la homogeneidad de las líneas de laminación, cosa que no ocurre si se obtuviera por oxicorte (52).

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SOLDADURAS DE ALEACIÓN

1 - SOLDADURAS BLANDAS Las soldaduras a tope (1, 3, 5, 7) prácticamente quedan descartadas. Siempre será conveniente aumentar la superficie de contacto (hacer solapas), al usar aleaciones de bajo punto de fusión (2, 4, 6, 8).

El área solapada (10, 13, 16), puede disminuirse, si se ayuda a la sujeción mediante trabas mecánicas (11, 14, 17).

Un ejemplo típico es la colocación de un terminal en el extremo de un cable eléctrico (18, 19, 20), donde primero se lo sujeta mecánicamente por pliegues del terminal y luego se lo fija (al mismo tiempo que se mejora la conductividad eléctrica), por soldadura blanda.

2 - SOLDADURAS FUERTES Si se pueden aplicar las temperaturas necesarias, las soldaduras duras permiten las juntas a tope sin el uso de trabas (1, 3, 5, 7, 9, 12, 15).

3 - SOLDADURAS AL HORNO Prever alojamientos para colocar el material de aporte (21), el que al fundirse llenará la junta. En ciertos casos puede usarse Cu en láminas (22). Las juntas a tope (23) deben adecuarse para mantener el material de aporte en su lugar (24, 25, 26). El buje (27) se fija a una chapa por repujado mecánico, y luego se suelda (28). El cuello (29) se fija con más seguridad si se solapan un par de superficies (30).

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