Diseño de elementos y maquinas
Análisis de Soldaduras
Erving Fernando Rodriguez Gradilla 5° B TECNOLOGICO SUPERIOR DE JALISCO
CONTENIDO
La soldadura es un proceso de fijación en donde se realiza la unión de dos o más piezas de un material, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo, se puede agregar un material de aporte (metal o plástico), que, al al fundirse, forma un charco de material fundido entre las piezas a soldar (el baño de soldadura) y, al enfriarse, se convierte en una unión fija a la que se le denomina cordón.
A
veces
se
utiliza
conjuntamente presión y calor, o solo presión por sí misma, para producir la soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda (en inglés soldaron) y la soldadura fuerte (en inglés brazing), que implican el derretimiento de un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezas de trabajo.
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INDICE
1. INTRODUCCION. -------------------------------------------------------------------------3
2. TIPOS DE SOLDADURA, SIMBOLOGIA. ------------------------------------------4-9 3.1 SIMBOLOS DE LA SOLDADURA. -------------------------------------4-5 3.2 TIPOS DE SOLDADURA. ------------------------------------------------5-9 4 JUNTAS SOLDADAS BAJO CARGAS ESTATICAS. ---------------------------16-18 4.1 TIPOS DE CARGAS. -------------------------------------------------------17 4.2 PARAMETROS DE CARGA. ---------------------------------------------18 5 JUNTAS SOLDADAS BAJO CARGAS DINAMICAS. ----------------------------19
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INTRODUCCION La soldadura es un proceso de unión entre metales por la acción del calor, con o sin aportación de material metálico nuevo, dando continuidad a los elementos unidos. Es necesario suministrar calor hasta que el material de aportación funda y unas ambas superficies, o bien lo haga el propio metal de las piezas. Para que el metal de aportación pueda realizar correctamente la soldadura es necesario que «moje» a los metales que se van a unir, lo cual se verificará siempre que las fuerzas de adherencia entre el metal de aportación y las piezas que se van a soldar sean mayores que las fuerzas de cohesión entre los átomos del material añadido. Los efectos de la soldadura resultan determinantes para la utilidad del material soldado. El metal de aportación y las consecuencias derivadas del suministro de calor pueden afectar a las propiedades de la pieza soldada. Deben evitarse porosidades y grietas añadiendo elementos de aleación al metal de aportación, y sujetando firmemente las piezas que se quieren soldar para evitar deformaciones. También puede suceder que la zona afectada por el calor quede dura y quebradiza. Para evitar estos efectos indeseables, a veces se realizan precalentamientos o tratamientos térmicos posteriores. Por otra parte, el calor de la soldadura causa distorsiones que pueden reducirse al mínimo eligiendo de modo adecuado los elementos de sujeción y estudiando previamente la secuencia de la soldadura. Se dice que la soldadura es un sistema porque intervienen los elementos propios de este, es decir, las 5 M: mano de obra, materiales, máquinas, medio ambiente y medios escritos (procedimientos). La unión satisfactoria implica que debe pasar las pruebas mecánicas (tensión y doblez). Las técnicas son los diferentes procesos (SMAW, SAW, GTAW, etc.) utilizados para la situación más conveniente y favorable, lo que hace que sea lo más económico, sin dejar de lado la seguridad.
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TIPOS DE SOLDADURAS Y SIMBOLOGIA Clasificación de los tipos de soldadura Se pueden distinguir primeramente los siguientes tipos de soldadura: Soldadura heterogénea. Se efectúa entre materiales de distinta naturaleza, con o sin metal de aportación: o entre metales iguales, pero con distinto metal de aportación. Puede ser blanda o fuerte. Soldadura homogénea. Los materiales que se sueldan y el metal de aportación, si lo hay, son de la misma naturaleza. Puede ser oxiacetilénica, eléctrica (por arco voltaico o por resistencia), etc. Si no hay metal de aportación, las soldaduras homogéneas se denominan autógenas.
Simbología de las soldaduras Los símbolos, como en cualquier otro caso, son utilizados para precisar y entender mejor la información que deseamos. La simbología de la soldadura es utilizada para graficar diseños sobre un plano. Utilizado en la ingeniería (industrias). Ayuda al ingeniero a hacer trabajos de forma práctica y precisa, obedeciendo ciertas reglas. American Welding Society (AWS) estableció un conjunto de símbolos básicos
para soldadura y su aplicación en la industria. Los símbolos de soldadura se utilizan para informar gráficamente una serie de instrucciones. No se necesitan largas explicaciones para entenderlas. Necesariamente, para poder entender y graficar los diseños sobre el plano, necesitamos saber qué tipos de símbolos se utilizan básicamente. Aplicación de la Simbología de la Soldadura: La Línea de Referencia. En todo diseño de soldadura, se empieza trazando una línea horizontal llamada Línea de Referencia. Desde dicha línea se irán agregan do los demás símbolos para complementar el diseño. Cuando procedemos a hacer la soldadura, los procedimientos irán colocados por debajo o junto a la línea de
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referencia. A la vez, una flecha señalará el lugar o “junta”, donde se procederá a soldar.
La junta es el lugar donde se procede a soldar. Tabla 1
Tipos de soldadura 1.
Soldadura por arco Este tipo de soldadura, popular por su bajo costo, recibe este nombre debido a
que se crea un arco voltaico entre el metal que se está soldando con autógena durante
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El proceso y el electrodo del soldador, creado por una fuente de alimentación para soldadura. Este arco voltaico va a calentar el metal hasta que llegue a su punto de fusión, El arco voltaico calienta el metal hasta su punto de fusión. La soldadura de arco es muy popular por su bajo costo. Entre los tipos de soldadura de arco que podemos encontrar, están:
2.
Tipos de soldadura por arco eléctrico Arco blindado del metal
Soldadura MIG
Flujo tubular
Gas inerte de Tungsteno
Soldadura de arco sumergida Soldadura con energía Este tipo de soldadura moderno también es conocido como soldadura de
electrones o haz láser. Se trata de un proceso de soldadura fácil de automatizar, además de rápido, permitiendo que sea idóneo para fabricar a alta velocidad. Las soldaduras de haz de electrones o rayo láser utilizan láser o haz electrónico altamente enfocados. Además, este tipo de soldadura es propenso al agrietamiento térmico, algo que ocurre cuando exponemos el metal a cambios de temperatura muy extremos.
3.
Soldadura con gas También es llamada soldadura oxiacetilénica, y es uno de los tipos de soldadura
más comunes y más viejos.
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Este tipo de soldadura es utilizado para múltiples usos industriales, y además tiene la ventaja que es bastante barata, aunque ha sido algo relegado para la soldadura de arco, anteriormente mencionada, especialmente en procesos industriales y de fabricación, debido a una de sus grandes desventajas, que no es otra que la soldadura de gas tarda bastante más en enfriarse.
4.
Soldadura eléctrica También conocida como soldadura de punto, este tipo de soldadura se basa en
una corriente eléctrica entre dos pedazos distintos de metal. La corriente producida va a derretir una sección muy pequeña o un punto de ambos metales al punto de fusión, consiguiendo sellarlos juntos. La ventaja que tiene este tipo de soldadura, frente a otros como la soldadura de arco o de gas, es que es mucho más fácil d automatizar y utilizar en procesos de fabricación simples. Mientras sus grandes desventajas están en que únicamente puede utilizarse para unir dos pedazos superpuestos de metal, lo que la hace bastante limitada, y además cuenta con unos costos iniciales bastante altos.
5.
Soldadura de estado sólido La soldadura en estado sólido consigue ensamblar dos pedazos de metal
mediante vibración y presión, algo que resulta bastante interesante, al no utilizar ningún tipo de calor para conseguir derretir los metales utilizados. Una alta presión y vibración consigue que los metales intercambien átomos entre ellos mediante el método de difusión, enlazando los dos pedazos en uno solo.
Los tipos de soldadura de estado sólido que encontramos son los siguientes:
La soldadura ultrasónica
Soldadura de la explosión 7
Soldadura de la de fricción
Soldadura del rodillo
Soldadura de pulso electromagnético
Soldadura de con-extrusión
Soldadura en frío
Soldadura de difusión
Soldadura exotérmica
Soldadura de alta frecuencia
Soldadura de presión caliente
Soldadura de inducción
En cuanto a los posibles inconvenientes que encontramos en este tipo de soldadura, está que requiere una gran preparación de la superficie del metal, para conseguir poder comenzar la soldadura de estado sólido, con lo que representará esto en los costes.
6.
Soldadura de forja En este caso la soldadura de forja se trata del tipo de soldadura más antiguo,
ya que ha sido el tipo de soldadura utilizado por los herreros. Este tipo de soldadura se realiza calentando dos pedazos de acero con poco carbono, calentándolos a 1.800 grados Fahrenheit (982,22 ºC) y martillándolos juntos. La ventaja que podemos encontrar en este tipo de soldadur a es su versatilidad, ya que puede ser utilizada para fabricar una alta gama de productos. Pero lamentablemente, también cuenta con numerosas desventajas, ya que soldar e l metal así lleva bastante más tiempo que los tipos de soldadura modernos, únicamente el acero con poco carbono puede ser soldado así, y además la soldadura puede ser 8
afectada por el carbón que es utilizado para calentar el horno, además no debemos olvidar la dificultad que requiere, ya que los herreros requieren bastante destreza para soldar en forja.
Soldadura blanda Esta soldadura de tipo heterogéneo se realiza a temperaturas por debajo de los 400 °C. El material metálico de aportación más empleado es una aleación de estaño y plomo, que funde a 230 °C aproximadamente. Soldadura fuerte También se llama dura o amarilla. Es similar a la blanda, pero se alcanzan temperaturas de hasta 800 °C. Como metal de aportación se suelen usar aleaciones de plata, y estaño (conocida como soldadura de plata); o de cobre y cinc. Como material fundente para cubrir las superficies, desoxidándolas, se emplea el bórax. Un soplete de gas aporta el calor necesario para la unión. La soldadura se efectúa generalmente a tope, pero también se suelda a solape y en ángulo. Este tipo de soldadura se lleva a cabo cuando se exige una resistencia considerable e n la unión de dos piezas metálicas, o bien se trata de obtener uniones que hayan de resistir esfuerzos muy elevados o temperaturas excesivas.
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UNIONES SOLDADAS Las uniones soldadas se pueden clasificar según la posición relativa de las chapas soldadas:
uniones a tope (en prolongación)
uniones a tope en T
uniones por solape
fig. 1 tipos de uniones soldadas.
Dentro de cada tipo, en función de la penetración de la soldadura con respecto al espesor de las chapas unidas, se distinguen en el caso más usual (cordones alargados):
soldaduras en ángulo; en ellas no se realiza ningún tipo de preparación en los bordes de la pieza a unir antes de soldar y la penetración del cordón se debe exclusivamente a la fusión que se genera durante el proceso.
en uniones a tope antes de soldar se realiza preparación de bordes en las piezas para favorecer la penetración del cordón (en las de poco espesor no es necesaria) y podemos distinguir: o de penetración completa, cuando la fusión y mezcla entre el material base y el de aportación alcanza a todo el espesor de la unión o de penetración parcial, si esta fusión y mezcla no alcanza a todo el espesor estos tipos definidos por la geometría se pueden combinar de la forma indicada
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En la tabla siguiente. Tanto las disposiciones constructivas como los criterios de cálculo se establecen de forma diferente para los distintos cordones de esta clasificación. Tabla 2
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Resistencia de un cordón de soldadura Todas las normas de cálculo suponen implícita o explícitamente que: Se observan las reglas de buena práctica.
Las características mecánico-resistentes del metal de aportación son, como mínimo, iguales a las del metal de base.
Se ha evitado, mediante la oportuna elección del material y de los detalles constructivos adecuados, el peligro de rotura frágil.
De acuerdo con la segunda de estas hipótesis, las uniones a tope con penetración completa no necesitan ser calculadas, ya que al tener el metal de aportación una sección igual o mayor que la del metal de base y mayor, o al menos, igual límite elástico y carga de rotura, es evidente que su capacidad portante será superior (en uniones sometidas a cargas dinámicas sí que es preciso comprobarlas). En los cordones en ángulo se define como plano de garganta A, figura 6, el determinado por la línea intersección de los dos planos a unir y por la altura del mayor triángulo isósceles inscriptilla en la sección del cordón; a esta altura se le denomina ancho de garganta o espesor de garganta, o simplemente garganta, a, del cordón. En dicha figura también se representan las tensiones que pueden solicitar un cordón de soldadura en ángulo.
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fig. 2 tensiones en plano de garganta
RESOLUCIÓN DE UNIONES TÍPICAS De la misma forma que en el apartado 3.3. de uniones atornilladas, se han resuelto cuatro problemas de uniones soldadas, a modo de ejemplo y para hacer evidentes las similitudes y diferencias de cada una de las normativas. Se ha intentado que las uniones calculadas fueran representativas de las uniones comúnmente utilizadas en estructura metálica y también añadir algún tipo de unión no tratada en el capítulo anterior. En estos ejemplos se resuelven, por las tres normativas tratadas, la unión de una viga a soporte, unión a tracción de un angular a una cartela, unión de ménsula a soporte y por último una unión de angular a soporte.
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Fig. 3 – ejercicio de diseño de uniones
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JUNTAS SOLDADAS BAJO CARGA ESTÁTICA.
La soldadura es el proceso mediante el cual se unen dos piezas del mismo material (que generalmente son metales), esto se logra agitando las moléculas de ambos aplicando calor (incluso a veces hasta presión solamente o en conjunto con el calor dependiendo del método) hasta terminar por quedar unidos. Existen varios métodos de soldadura (por inducción, por forja, con resistencia, por arco eléctrico, etc.), pero en esta ocasión el enfoque será dirigido única y exclusivamente a la soldadura por arco eléctrico, ya que es la más común. En este método de soldadura los dos metales que se van a unir se colocan muy cerca unos con respecto del otro y estos a la vez entran en contacto con un conductor eléctrico. En este método se utiliza una varilla llamada electrodo, este proceso consiste básicamente en crear un arco eléctrico entre el electrodo y las piezas a soldar, esto se logra aplicando una diferencia de potencial entre el electrodo y las piezas y esto produce que el aire (considerado un material dieléctrico) se ionice y se convierta en conductor y a la vez cerrándose el circuito. El calor producido por el arco eléctrico funde el electrodo y así se logra la unión.
Además, las juntas soldadas presentan algunas ventajas y desventajas con respecto a los sujetadores roscados (tornillos); las ventajas son: las juntas soldadas son relativamente económicas y además no hay peligro de que se aflojen con el paso del tiempo debido al desgaste. Las desventajas son: En las juntas soldadas se producen esfuerzos residuales debido a la aplicación de calor (debido al calor como ya se mencionó las moléculas del material se agitan y esto produce esfuerzos internos, aunque esto se puede corregir mediante algún tratamiento térmico como el templado, por ejemplo), distorsionan la forma del miembro y son difíciles de separar o mejor dicho de desensamblar.
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En este tipo de soldadura es el cortante que se encuentra sobre la garganta de la soldadura, como se puede apreciar en el esfuerzo cortante en el filete que es paralelo a la carga ocurre a lo largo de la garganta de ese filete mientras que el esfuerzo en la soldadura que es transversal o perpendicular al eje de la carga ocurre a 45° de esta.
Fig. 4 Sección transversal de la soldadura de filete donde se pueden apreciar tanto los catetos como la garganta.
Tipos de cargas Carga paralela y transversal. Las soldaduras de filete fallan en la sección mínima que es la garganta como se puede apreciar en la figura, esto se da si existe una carga paralela o en un lado; entonces el esfuerzo cortante para estos tipos de cargas es:
Además, para evitar la falla se debe cumplir la siguiente condición:
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Parámetro de carga Carga de torsión. El esfuerzo cortante en la soldadura debido a carga de tipo torsión esta dado por la Suma vectorial de los esfuerzos cortantes directos y de torsión, el esfuerzo cortante Directo en la soldadura esta dado por:
Y el esfuerzo de torsión es:
Donde: r: Distancia desde el centroide del grupo de soldadura hasta el punto más apartado en la soldadura (m). T: Par de torsión aplicado a la soldadura (N*m). J: Momento de inercia del área polar (m4). La sección crítica de la junta es la sección de la garganta tanto para torsión como cargas paralelas y transversales, ahora bien, la relación entre el momento polar de inercia unitario y el momento polar de la soldadura de filete está dada por:
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JUNTAS SOLDADAS BAJO CARGAS DINAMICAS Desde principios del siglo xx, se comenzó a tener conciencia de que las estructuras realizadas con el metal y sujetas a cargas dinámicas o variables, podían podrían fallar en servicio aun estando diseñada para soportar niveles superiores de carga estática. Dicho en otras palaras puede originar la rotura de elementos estructurales sometidos a cargas que generan estados tensionados elásticos, siempre y cuando la naturaleza de las cargas actuales sea variable este tipo de fallo esta originado por la formación y propagación de una grieta.
Conclusión Después de realizar la investigación de soldaduras descubrí otros tipos de soldadura que desconocía y que sirven para cosas especificas lo cual me ayudara en un futuro para seleccionar bien el tipo de soldadura que necesitare para una determinada tarea, así como parámetros como por ejemplo su simbología y resistencia, los cuales harán que se me facilite compartirlo con otras personas debido a que ahora podre basarme sobre símbolos estandarizados. Creo que es importante conocer las soldaduras porque son una parte muy importante en el diseño de elementos y maquinas ya que hay ocasiones que necesitamos uniones permanentes entre metales que a veces no comparten los mismos elementos y es en estos casos que necesitaremos tener este conocimiento que nos facilitara las cosas.
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BIBLIOGRAFIA https://www.scribd.com/document/302025520/Juntas-Soldadas-Bajo-Carga-Estatica https://knowledge.autodesk.com/es/support/inventor-products/learnexplore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2018/ESP/Inventor-Help/files/GUID-1AAC3F085633-4913-B667-3811C5C79616-htm.html http://www.demaquinasyherramientas.com/soldadura/simbologia-soldadura https://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura
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