UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES FACULTAD DE INGENIERIA
TRABAJO PRACTICO Nº 6
Alumnos:
TEMA: SOLDADURA MECANISMOS Y ELEMENTOS DE MAQUINAS.
Correa, Roberto Del Puerto, Oscar Schowierski, Diego Yanke, Omar
VºBº:
Introducción:
Algunas de las ventajas de las uniones por soldadura son la eliminación de sujetadores sujet adores múltiples y la adaptabilidad para el ensamble rápido con máquina. La soldadura es un proceso de unión (directa o con meta l de aporte). Generalmente es utilizada cuando las piezas a unir son de sección delgada. Tipos de soldaduras: - Combustión (gas + oxigeno) - Eléctrica Arco Inducción Resistencia Durante el soldado las diversas partes se mantienen firmemente en contacto. El proceso de soldadura es especificado con precisión utilizando s ímbolos ímbolos normales de soldadura, tal como se muestra en la figura N° 1:
Figura N° 1: tipos de soldadura Fuente: Norton 4 Edición
Figura N° 2: símbolos de soldadura Fuente: Shigley 8° edición
La flecha del extremo del símbolo señala la junta de las piezas por soldar. El cuerpo del símbolo contiene tantos elementos como se juzgue necesario, se puede poner: línea base, cabeza de flecha, t ipo de soldaduras (símbolos básicos), dimensiones, símbolos complementarios, acabados, proceso. Para elementos de máquinas, la mayoría de las uniones soldadas son del tipo de traslape o de filete, las juntas a tope se usan mucho en el diseño diseño de recipientes sometidos a presión.
Como se emplea calor en el proceso de soldadura, existe una posibilidad de cambios metalúrgicos en el metal de las piezas a soldar en la cercanía de la junta. También pueden introducirse esfuerzos remanentes o residuales debido a la sujeción, pero generalmente estas carecen de importancia y se los eliminan con un tratamiento térmico posterior. En piezas gruesas es co nveniente un calentamiento previo antes de soldar.
Figura N° 3: Símbolos básicos de soldadura Fuente: Norton 4 edición
Juntas a tope y a traslape o de filete
Figura N° 4: Unión a tope Fuente: Norte 4 edición
En la figura N° 4 se muestra una junta con ranura en v sometida a una carga de tensión “F”. Para cargas de tensión o de compresión el esfuerzo medio es:
El refuerzo sirve para compensar grietas o huecos en las juntas, pero este origina concentración de esfuerzos en “A”. Si existen cargas de fatiga una buena práctica es esmerilar o eliminar a máquina el refuerzo. El esfuerzo medio en una junta a tope debido a carga cortante es:
Figura N° 5: soldadura con filetes transversales Fuente: Norton 4° Edición
La figura N° 5 corresponde a una junta de tr aslape doble con dos listones o filetes transversales. Par a determinar la distribución de esfuerzos en la junta, se basa el tamaño de la junta en el área de la garganta DB. El área de la garganta es:
El esfuerzo es:
Este esfuerzo puede dividirse en un esfuerzo co rtante y en uno normal. Ambas son iguales por ser calculadas en la garganta.
Mediante el Círculo de Mohr se det erminan los esfuerzos máximos.
Generalmente en el diseño se acostumbra basar el esfuerzo cortante en el área de la garganta. Entonces el esfuerzo medio es:
que es 1,26 veces mayor.
Torsión en uniones soldadas:
Figura N° 6: torsión en unión soldada Fuente: Shigley 10 Edición
La figura N° 6 muestra un voladizo unido a una columna por traslape con dos soldaduras paralelas de filete. La reacción en el soporte constituye en una fuerza cortante F y un momento M. La fuerza F produce un cortante primario en las juntas:
Dónde: F: fuerza cortante A: área de garganta de todas las soldaduras El momento produce un cortante secundario o torsión en las juntas:
Dónde: r: distancia entre el centroide de juntas y un punto de interés. J: es el segundo momento polar de área del grupo de juntas con respecto al centroide. Los resultados han de combinarse para evaluar el esfuerzo cortante máximo. Si se considera que el ancho de la soldadura es igual a la unidad, esto conduce a considerar como una simple recta a cada filete. Por lo que entonces el segundo momento de área resultante es un segundo momento polar de área unitario. La ventaja de considerarlo como una recta, es que el valor de “J u” es el mismo, independientemente del tamaño de la junta. La relación entre “J” y el valor unitario “Ju” es Cuando las juntas se tienen en grupos deberá emplearse la fórmula de trasferencia para J u “si la carga está en el plano de las juntas, la conexión soldada está sujeta a torsión”
Flexión en uniones soldadas:
Figura N° 7: flexión unión soldada Fuente: Shigley 10 edición
En el voladizo de la figura N° 7 se tiene como reacción una fuerza F y un momento M. la fuerza cortante F produce un esfuerzo cortante primario:
El momento produce un esfuerzo normal por flexión en las juntas. Suponiendo que el esfuerzo actúa en forma perpendicular al área de la garganta se tiene:
⁄ ⁄ ⁄
Siendo el segundo momento de área:
Donde:
Entonces:
Mediante el círculo de Mohr se podrá evaluar los esfuerzos principales y el cortante máximo. Considerar las juntas de soldaduras como líneas produce resultados más conservadores. “si la carga esta fuera del plano de las juntas, se producirá flexión en las juntas” Resistencia de las uniones soldadas: Las propiedades mecánicas de los electrodos no son tomadas tan en cuenta como lo son la rapidez y el aspecto de la unión terminada. Generalmente el material del electrodo es a menudo el más resistente. Para la unión de materiales distintos se elige el electrodo en función de la menor resistencia. El sistema de designación numérica de los electrodos según el código de especificaciones de la AWS, utiliza un prefijo literal E con un grupo de cuatro o cinco dígitos E120XX, los dos o tres primeros indican la resistencia aproximada a la tensión, el último indica variantes en la técnica de soldadura, como la corriente eléctrica. El penúltimo señala la posición de la junta o de soldado (horizontal/vertical o sobre cabeza). Fatiga en uniones soldadas: los factores que afectan desfavorablemente a la resistencia a la fatiga de una soldadura puede ser: la falta de penetración del metal de la soldadura, grietas por contracc ión, escoria y otras inclusiones, porosidad y bolsas de gas. Generalmente para considerar la fatiga se sugiere usar los factores de reducción de la resistencia a la fatiga “K f” que se obtiene de tabla, estos deben emplearse para el metal base y para el soldante. El refuerzo ocasiona concentraciones de esfuerzos en las orillas del cordón de soldadura, para cargas estáticas esto puede ser bueno pero para cargas variables no, por lo que es bueno esmerilar el cordón. Soladura eléctrica de resistencia: se llama así al efecto de calentamiento, fusión y unión que resultan cuando pasa una corriente eléctrica por varias partes que se mantienen sujetas a presión entre sí. La soldadura de puntas y la de tramos o costura son los dos tipos de esta clase de unión. Las ventajas de esta son la rapidez, la regulación exacta del tiempo y del grado de calor, la uniformidad de junta y de las propiedades mecánicas resultantes, la eliminación del uso de varillas del metal de aporte y de fundentes, y es más fácil de automatizar.
Figura N° 8: soldadura de punto y costura Fuente: Shigley 10 edición
Las fallas que se pueden producir son por corte en la junta o por desgarre. Uniones adherentes: cuando las piezas se unen por medio de un material ligante distinto, el proceso se denomina unión adherente. Estos procedimientos de unión pueden ser: - Soldadura de aporte fuerte: los elementos a unir se calienta a más de 425°C con el objeto de que el material de aporte fluya hacia el espacio libre por efecto de acción capilar. Se calienta mediante hornos o por medio de sopletes. Algunas de las ventajas es que permite unir metales de diferente espesor, no afecta las propiedades mecánicas de los materiales base, permite unir materiales de distintas naturaleza.
-
Soldadura de aporte suave: el proceso es similar al anterior, excepto que el metal de aporte es menos duro y el proceso se realiza a temperaturas menores. Este tipo de unión se utiliza para adherir láminas metálicas. - Pegadura: en este las piezas se unen por medio de adhesivos. Sus ventajas son bajo costo, unir materiales disimiles, las juntas quedan selladas contra humedad, absorben golpes y vibraciones, llenan huecos. Generalmente habrá mayor economía cuando se utiliza la soldadura en fabricaciones individuales de piezas, para fabricaciones en serie resulta más económica la construcción por fundición. Algunos de las desventajas en uniones soldadas es la imposibilidad de desarme, una calidad difícil de comprobar, y se deberá tener habilidad en su e jecución. Las aplicaciones de soldadura pueden ser: uniones de piezas, reparación de fisuras y fracturas, restitución de dimensiones con rellenos, refuerzos aporte de aleaciones especiales.
-
PROBLEMA N°1 La estructura soldada de la figura está sometida a una fuerza alternante F. La barra de acero AISI 1010 laminado en caliente es de 10 mm de espesor. El soporte vertical también es de acero 1010. El electrodo es E6010. Estime la carga de fatiga F que la barra soportará si se emplean t res soldaduras de filete de 6 mm.
Consideraciones a tener en cuenta. Los materiales son homogéneos y cumplen con la ley de Hooke. La Fuerza produce una carga de alternante pura. σm = 0.
Primeramente obtuvimos las propiedades del material de la barra y del electrodo.
Para las barras de acero de material AISI 1010 HR. De tabla A-20. Pág. 1020. Shigley. Sut = 320 MPa. Sy = 180 MPa. Para el electrodo E6010. De tabla 9-3. Pág. 472. Shigley.
Sy = 345 MPa Sut = 427 MPa Para calcular el área de garganta debemos tener en cuenta e l tipo de soldadura. El área de garganta será para nuestro caso:
∗∗ ∗ ∗ ∗ ∗ = 0,707
(2
+ ) = 0,707 (6
) (2 60
+ 50
) = 721
2
Para el cálculo del límite de resistencia a la fatiga del elemento mecánico se utiliza la Formula
de Marín que está dada de la siguiente manera:
∗∗∗∗∗′ =
Dado que el material de aporte es más resistente que el material base, analizamos la fórmula de Marín para el material más comprometido, que será el material base.
∗ ∗
Factor de superficie K a .
De la tabla 6-2. Pág. 280. Shigley 8ª Edición. Para el acero laminado en caliente tenemos que:
Factor de tamaño K b.
En nuestro caso de aplicamos una carga axial de tracción, por lo tanto se utiliza un de factor de tamaño de:
Factor de carga K c.
El factor de carga para corte promedio:
→ = 0,59
Tabla 6-26. Pág. 282. Shigley.
Factor de temperatura K d.
Como no conocemos las condiciones de temperatura de operación, tomamos como referencia la temperatura ambiente, dando un valor de factor de temperatura de:
→ ∗ ∗ = 1
Factor de efectos diversos K e.
donde “k f “es un factor de concentración de esfuerzos, según el tipo de soldadura, cu yo valor se obtiene de la Tabla 9-5. Pág. 472. Shigley 8ª edición:
Por lo tanto:
Límite de resistencia a fatiga de la probeta con Sut < 1400 MPa.
Reemplazando los valores obtenidos en la ecuación de Marín t enemos que el límite de
resistencia a la fatiga será
∗∗∗∗∗ → → ∗ ∗ →
La carga de fatiga que la barra soportará utilizando el criterio de Goodman es:
donde
Pero:
Por tratarse de una carga alternante pura. n = factor de seguridad adoptado = 3 Por lo tanto:
Teniendo en cuenta que
, la carga de fatiga que soporta la barra será de:
PROBLEMA N°2 Un voladizo soldado esta hecho de una barra de acero 1015CD, soldado con electrodo E6010. El factor de diseño empleado es de 1.75. Verificar si es adecuado el voladiza cuando se la carga con 800lb.
Consideraciones a tener en cuenta Los materiales son homogéneos y cumplen con la ley de Hooke.
Primeramente obtuvimos las propiedades del material de la barra y del electrodo.
Para las barras de acero de material AISI 1015 CD. De t abla A-20. Pág. 1020. Shigley. Sut = 390 MPa. Sy = 320 MPa. Para el electrodo E6010. De tabla 9-3. Pág. 472. Shigley. S = 345 MPa
Sut = 427 MPa Para calcular el área de garganta debemos tener en cuenta el tipo de soldadura.
De tabla 9-2, Pág. 470. Shigley. Obtuvimos para nuestro caso el área de garganta como el de la siguiente figura:
Dónde: d = 2 pulg = 50,8 mm. b = ½ pulg = 12,7 mm. h = 3/8 pulg = 9,52 mm.
∗ ∗
El área de garganta será:
La fuerza actuante de 800 Lb produce en la soldadura un esfuerzo cortante primario debido al corte, y otro esfuerzo cortante secundario debido al momento flector. En este caso debemos hallar un centro de esfuerzos y el mismo se debe ubicar en el baricentro de la soldadura. La carga cortante primaria en la soldadura será de:
′ ∗
La carga cortante secundaria en la soldadura será de:
Dónde:
r = distancia al punto más alejado de la soldadura = 1/2 pulg = 12,7 mm. M = momento aplicado en la soldadura debido a la fuerza = F * x. I = momento de inercia en la garganta.
El momento de inercia en la garganta es:
∗∗ → → ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ Remplazando tenemos que la carga cortante secundaria será:
El esfuerzo cortante total sobre la soldadura será:
√ √ → ∗ ∗ →
Para hallar un factor de seguridad debemos transformar la tensión de fluencia para carga de
tensión a carga de corte puro por medio del factor de Von Mises (0,577).
Como vemos el factor de seguridad obtenido es mayor que el factor de diseño, por lo tanto concluimos que la soldadura resiste la carga aplicada. PROBLEMA Nº3 Una barra de acero de 3/4 pulg de espesor, usada como viga, está soldada a un soporte vertical mediante dos soladuras de filete, como se ilustra en la figura. a) Calcule la fuerza de flexión segura F si el esfuerzo cortante permisible en las soldaduras es de 20 kpsi. b) En el inciso a) se determinó una expresión simple de F, en términos del esfuerzo cortante permisible. Estime la carga permisible si el electrodo es E7010, la barra es de acero 1020 laminado en caliente y el soporte es de acero 1015 laminado en caliente.
Consideraciones a tener en cuenta Los materiales son homogéneos y cumplen con la ley de Hooke. La fuerza actuante es una carga estática.
a) La fuerza actuante “F” produce en la soldadura un esfuerzo de torsión. A su vez también la fuerza “F” produce un esfuerzo cortante primario, y otro esfuerzo cortante secundario debido al momento flector. Por ello debemos hallar un centro de esfuerzos y el mismo se debe ubicar en el bar icentro de la soldadura.
Para calcular el área de garganta debemos tener en cuenta e l tipo de soldadura.
De tabla 9-2, Pág. 470. Shigley. Obtuvimos para nuestro caso el área de garganta como el de la siguiente figura:
Dónde: d = 2 pulg = 50,8 mm. b = 2 pulg = 50,8 mm. h = 5/16 pulg = 7,93 mm X = d/2 = 1 pulg = 25,4 mm Y = b/2 = 1 pulg. = 25,4 mm. X0 = 7 pulg. = 0,1778 m El área de garganta será:
∗∗ ∗ ∗ ′ ∗
La carga cortante primaria en la soldadura será de:
La carga cortante secundaria en la soldadura será de:
Dónde:
r = distancia al punto más alejado de la soldadura. Mo = momento aplicado en el centro ide de la soldadura debido a F. I = momento de inercia en la garganta.
El momento de inercia en la garganta es:
Momento de Inercia unitario I u. Tabla 9-1. Pág. 466. Shigley
Por lo tanto:
∗∗ → ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ √
La distancia al punto más alejado de la soldadura, “r” será:
El momento debido a “F” aplicado en el centroide es:
∗ ∗ || ′ ′ (′ ′)
El esfuerzo total aplicado a la so ldadura, en modulo será:
′ ′′ ′′ ∗ ∗∗ ∗ ′ ∗∗ ∗ [ ∗ ] ∗ → ∗ → √ Dónde:
Reemplazando los valores anteriores tenemos que:
Concluimos que la fuerza de flexión segura que hace que la soldadura soporte los esf uerzos debe ser menor que 10,47 KN
b) Primeramente debemos obtener los datos de los materiales de la estructura y la soldadura.
Para el electrodo E7010.
→ Tabla 9 – 6. Pág. 473. Shigley Sut = 482 MPa. Sy = 393 MPa → Tabla 9 – 5. Pág. 472. Shigley
Para la barra de acero 1020 HR. Sut = 380 MPa. S y = 210 MPa. → Tabla A-20. Pág. 1020. Shigley. Para la barra de acero 1015 HR. Sut = 340 MPa. S y = 190 MPa → Tabla A-20. Pág. 1020. Shigley
De lo anterior vemos que el material más frágil de la estructura corresponde a la barra de acero 1015 HR, por lo tanto será la que menos resista el esfuerzo cortante.
∗ ∗ ∗ ∗
El esfuerzo cortante permisible sobre la barra 1015 será.
Como
, seleccionamos el
de menor valor, por lo tanto la fuerza admisible será de:
∗
PROBLEMA Nº4 La fuerza aplicada F = 300kg, el material con el que está construido la pieza es acero AISI 1010. El cordón de la soldadura es de 5mm, seleccione el elect rodo y determine el esfuerzo producido.
Consideraciones a tener en cuenta. La fuerza aplicada sobre la biela produce solo un esfuerzo secundario debido al momento flector. El esfuerzo primario debido a la fuerza se considera igual a cero, ya que la barra circular se encuentra dentro de la biela, impidiendo que la misma se desplace. Los materiales de la pieza son homogéneos y cumplen con la ley de Hooke. La fuerza aplicada a cada junta será la mitad de la fuerza total, debido a que tenemos dos cordones de soldadura.
La carga cortante secundaria en la soldadura será de:
∗∗
Dónde:
r = distancia al punto más alejado de la soldadura. M = momento aplicado en la soldadura debido a la fuerza. J = momento de inercia en la garganta.
El momento de inercia en la garganta es:
Momento de Inercia unitario J u. Tabla 9-1. Pág. 466. Shigley
Entonces:
∗∗ → ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗
El momento debido a “F” aplicado en el centroide es:
La carga cortante secundaria en la soldadura será de:
∗∗
El esfuerzo cortante sobre el meta l base obtenido anteriormente debe ser menor o igual al esfuerzo cortante admisible. En base a este criterio seleccionamos el material del electrodo.
De tabla 9-6. Pág. 473. Shigley, tenemos que el electrodo seleccionado será e l:
→
PROBLEMA N°5
Una barra de acero cuyas dimensiones son 40mm x 40mm x 8mm soporta una carga P = 250kg, especificar las dimensiones del cordón de soldadura. El electrodo utilizado es E70XX.
Consideraciones a tener en cuenta
Los materiales son homogéneos y cumplen con la ley de Hooke. La fuerza “F” actúa en la dirección vertical y produce sobre la soldadura un esfuerzo de tensión. Consideramos que la barra es de acero 1010 HR
De tabla 9 – 3. Pág. 472. Shigley. obtenemos las propiedades del electrodo E70xx.
Sut = 482 MPa Sy = 393 MPa Para calcular el área de garganta debemos tener en cuenta el tipo de soldadura.
Donde. b = d = 40 mm = 0,04 m. El área de garganta será:
∗∗ ∗∗ ∗ →
el esfuerzo sobre la soldadura será:
De tabla 9-4. Pág. 472. Shigley, tenemos para un tipo de soldadura a tope y carga de tensión:
∗ ∗
Sy = Acero 1010 = 180 MPa. Por lo tanto tenemos que:
