TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR de los Ríos
Ingeniería Electromecánica Grupo: “A”
5to Semestre
Diseño de Elementos de Maquinas Unidad 7. Análisis de soldaduras
Profesor: M.C. Irineo Ramírez Mosqueda
Equipo 2: Gabriel de la Cruz Montiel Manuel Méndez Gutiérrez Luis Fredy Sánchez Díaz Marcial Ricardez Hernández Isaías Hernández Martínez Armando Hernández Miranda Toñoalexis Durán Méndez Pérez
Balancán, Tabasco, Noviembre del 2016.
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 3 UNIDAD 7. ANÁLISIS DE SOLDADURAS ...................................................................................... 4 7.1 7.2
TIPOS DE SOLDADURAS, SIMBOLOGÍA Y APLICACIONES ....................................... 5 JUNTAS SOLDADAS BAJO CARGA ESTÁTICA ....................................................... 10
CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 15 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................... 16 CUESTIONARIO ................................................................................................................................. 17 MAPA CONCEPTUAL ....................................................................................................................... 19
INTRODUCCIÓN
En el diseño de uniones soldadas es necesario considerar la forma de aplicar la carga sobre la junta, los materiales en la soldadura y en los elementos que se van a unir, y la geometría de la junta misma. La carga puede estar uniformemente distribuida sobre la soldadura, de tal modo que todas sus partes tengan el mismo esfuerzo, o bien se puede aplicar excéntricamente. Se describen ambas formas en esta sección.
La soldadura es un proceso importante en la industria por diferentes motivos: Proporciona una unión permanente y las partes soldadas se vuelven una sola unidad. La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales si se usa un material de relleno que tenga propiedades de resistencia superiores a la de los metales originales y se aplican las técnicas correctas de soldar. La soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (Ej. Taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura.
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UNIDAD 7. ANÁLISIS DE SOLDADURAS
La forma puede adaptarse con mayor facilidad a la función mediante procesos de unión como soldadura, engargolado, soldadura suave, cementación y pegado, procesos que en la actualidad se emplean de manera extensa en la manufactura. Ya sea que las partes deban ensamblarse o fabricarse, por lo general existe una buena razón para considerar alguno de estos procesos en el trabajo de diseño preliminar. En particular, cuando las secciones que se unirán son delgadas, uno de estos métodos puede propiciar ahorros significativos. La eliminación de sujetadores individuales, con sus respectivos agujeros, y los costos de ensamble representan un factor importante. Asimismo, algunos de los métodos permiten el ensamble rápido de la máquina, lo que incrementa su atractivo.
Las uniones permanentes con remaches fueron populares como medio para sujetar perfiles de acero laminado entre sí a fin de formar una unión permanente. La fascinación que produce en los niños ver cómo un remache de color rojo cereza se lanza con tenazas a lo largo del esqueleto de un edificio, para ser atrapado sin error alguno por una persona que carga una canastilla cónica, para después martillarlo con un dispositivo neumático en su destino final, ya no existe. Dos avances técnicos relegaron el remachado a un lugar secundario. El primero fue el desarrollo de pernos de acero de alta resistencia, cuya precarga se podía controlar. El segundo consistió en el mejoramiento de la soldadura, lo cual la hizo competitiva tanto en costo como en libertad de la posible forma.
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7.1
TIPOS DE SOLDADURAS, SIMBOLOGÍA Y APLICACIONES
TIPOS DE SOLDADURAS La figura 20-7 muestra varios tipos de soldaduras, cuyos nombres provienen de la geometría de las orillas de las partes que se van a unir. Observe la preparación especial que requiere las orillas, en especial cuando las placas son gruesas, para permitir que la varilla de soldadura entre a la junta y forme un cordón continuo de soldadura.
SÍMBOLOS DE SOLDADURA Una estructura soldada se fabrica soldando en conjunto un grupo de formas de metal, cortadas con configuraciones particulares. Durante la soldadura, las diversas partes se mantienen en contacto con firmeza, a menudo mediante abrazaderas o sujetadores. Las soldaduras deben especificarse con precisión en los dibujos de trabajo, lo cual se hace mediante los símbolos de soldadura, como los de la figura 9-1, los cuales han sido estandarizados por la American Welding Society (AWS). La flecha de este símbolo
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apunta hacia la unión que se va a soldar. El cuerpo del símbolo contiene todos los elementos que se consideran necesarios: • Línea de referencia • Flecha
• Símbolos básicos de soldadura, como los de la figura 9-2 • Dimensiones y otros datos • Símbolos complementarios • Símbolos de acabado • Cola de la flecha • Especificación o proceso
El lado de la flecha de una unión es la línea, lado, área o elemento próximo al cual apunta la flecha. El lado opuesto de la flecha es el otro lado. En las figuras de la 9-3 a la 9-6 se ilustran los tipos de soldaduras que los diseñadores emplean con más frecuencia. En el caso de elementos generales de máquinas, la mayoría de las soldaduras son de filete, aunque las soldaduras a tope se emplean mucho en el diseño de recipientes a presión. Por supuesto, las partes por unir deben colocarse de manera que haya un espacio libre suficiente para la operación de soldadura. Si se requieren uniones inusuales debido a un espacio libre insuficiente, o por la forma de la sección,
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el diseño quizá sea deficiente y el diseñador deberá comenzar de nuevo y tratar de establecer otra solución más adecuada. Como en la operación de soldadura se emplea calor, se experimentan cambios metalúrgicos en el metal de base, cerca de la soldadura. Asimismo, se introducen esfuerzos residuales a causa de la sujeción o unión de las piezas o, algunas veces, debido al orden de la soldadura. Por lo general, estos esfuerzos residuales no son tan severos como para causar problemas; en algunos casos se ha determinado que un tratamiento térmico ligero, después de la soldadura, es útil para liberarlos. Cuando las partes que se van a soldar son gruesas, resulta beneficioso someterlas a un precalentamiento. Si la confiabilidad del componente debe ser muy alta, es necesario establecer un programa de pruebas para identificar qué cambios o adiciones son necesarias con el objeto de asegurar la mejor calidad.
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APLICACIONES DE LA SOLDADURA
a) Construcción de puentes, edificios b) Producción de tuberías, recipientes, calderas, tanques c) Construcción naval d) Industria aeronáutica y espacial e) Automóviles, ferrocarriles, etc. 8
La Unión por Soldadura La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes llamadas unión por soldadura. Hay cinco tipos básicos de uniones: Unión Empalmada En este tipo de unión las partes se encuentran en el mismo plano y se unen sus bordes Unión de Esquina Las partes en este tipo de unión forman un ángulo recto y se unen en la esquina del ángulo. Unión Superpuesta Esta unión consiste en dos partes que se sobreponen. Unión en “T” Una parte es perpendicular a la otra forma de la letra “T” Unión de Bordes La unión se hace en el borde común
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7.2
JUNTAS SOLDADAS BAJO CARGA ESTÁTICA
En el diseño de uniones soldadas es necesario considerar la forma de aplicar la carga sobre la junta, los materiales en la soldadura y en los elementos que se van a unir, y la geometría de la junta misma. La carga puede estar uniformemente distribuida sobre la soldadura, de tal modo que todas sus partes tengan el mismo esfuerzo, o bien se puede aplicar excéntricamente. El termino tipo de junta se refiere a la relación entre las partes unidas, como se ilustra en la figura 20-6. La soldadura a tope permite que una unión tenga el mismo espesor nominal que las partes unidas, y en general se carga en tensión. Si la unión se hace correctamente y con el metal de aporte adecuado, será más resistente que el metal original. Así, no se necesita un análisis especial de la unión, si se ha determinado que los elementos mismos que se unen son seguros. Sin embargo, se aconseja tener cuidado cuando los materiales que se van a unir se afecten por el calor del proceso de soldadura. Como ejemplos, se tienen los aceros con tratamiento térmico, y muchas aleaciones de aluminio. Se supone que los demás tipos de uniones de la figura 20-6 someten a la soldadura en cortante.
MÉTODO PARA CONSIDERAR LA SOLDADURA COMO UNA LÍNEA Aquí se examinarán cuatro formas de aplicar la carga: 1) tensión o compresión directa, 2) corte vertical directo, 3) flexión y 4) torsión. El método permite que el diseñador realice los cálculos en una forma muy parecida a la que se empleó para diseñar los elementos portantes mismos. En general, se analiza la soldadura por separado, cada tipo de carga, y se determina la fuerza por pulgada de lado de soldadura, debido a 10
cada carga. Entonces, se combinan las cargas vectorialmente para calcular la fuerza máxima.
En estas fórmulas, se maneja la geometría del cordón para evaluar los términos A w, Sw y Jw con las relaciones de la figura 20-8. Observe la semejanza entre estas fórmulas y las que se emplearon para hacer el análisis de esfuerzos. También, observe la similitud entre los factores geométricos de los cordones y las propiedades de las áreas que se emplean en el análisis de esfuerzos. Ya que se considera la soldadura como una línea sin espesor, las unidades de los factores geométricos son distintas que las de áreas, como se indica en la figura 20-8. El empleo de este método para analizar soldaduras se demuestra en los problemas modelo. En general, en dicho método se requieren los siguientes pasos:
PROCEDIMIENTO GENERAL PARA DISEÑAR UNIONES SOLDADAS 1. Proponga la geometría de la unión y el diseño de los elementos que se van unir. 2. Identifique los esfuerzos que se desarrollan en la unión (flexión, torsión, cortante vertical, tensión o compresión directa). 3. Analice la junta para determinar la magnitud y la dirección de la fuerza sobre la soldadura, debido a cada tipo de carga. 4. Combine vectorialmente las fuerzas en la unión, o en los puntos del cordón donde las fuerzas parezcan máximas. 5. Divida la fuerza máxima sobre la soldadura entre la fuerza admisible, de la tabla 20-3, para calcular el lado requerido para el cordón. Observe que cuando se sueldan placas gruesas, los tamaños mínimos aceptables de los cordones son los que muestra la tabla 20-4. 11
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CARGA ESTÁTICA Algunos ejemplos de uniones sometidas a carga estática resultan útiles para comparar y contrastar el método de análisis convencional y la metodología del código de soldadura.
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CONCLUSIÓN
La forma puede adaptarse con mayor facilidad a la función mediante procesos de unión como soldadura, engargolado, soldadura suave, cementación y pegado, procesos que en la actualidad se emplean de manera extensa en la manufactura. Ya sea que las partes deban ensamblarse o fabricarse, por lo general existe una buena razón para considerar alguno de estos procesos en el trabajo de diseño preliminar. En particular, cuando las secciones que se unirán son delgadas, uno de estos métodos puede propiciar ahorros significativos. La eliminación de sujetadores individuales, con sus respectivos agujeros, y los costos de ensamble representan un factor importante, resultando así algunas veces, la soldadura ahorros significativos ya que la soldadura es la forma más económica de unir componentes. Los métodos alternativos requieren las alteraciones más complejas de las formas (como el taladrado de orificios y adición de sujetadores: remaches y tuercas). El ensamble mecánico es más pesado que la soldadura.
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BIBLIOGRAFÍA
1. Richard G. Budynas & J. Keith Nisbett. (2008). Diseño en Ingeniería Mecánica de Shigley. México: Mcgraw-Hill.
2. Robert L. Mott & Virgilio González y Pozo, Diseño de Elementos de Máquinas, Cuarta Edición, Editorial: Pearson Educación, 2006.
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CUESTIONARIO 1. ¿Qué es la soldadura? La soldadura es un proceso de fijación en donde se realiza la unión de dos o más piezas de un material. 2. ¿Cómo se fabrica una estructura soldada? Una estructura soldada se fabrica soldando en conjunto un grupo de formas de metal, cortadas con configuraciones particulares. 3. ¿Cómo se mantienen las partes durante la soldadura? Las diversas partes se mantienen en contacto con firmeza, a menudo mediante abrazaderas o sujetadores. 4. ¿Cuál es el tipo de soldadura de arco más común? Uno de los tipos más comunes de soldadura de arco es la soldadura manual con electrodo revestido, que también es conocida como soldadura manual de arco metálico (MMA) o soldadura de electrodo. 5. ¿Cuáles son los tipos comunes de juntas de soldadura? La junta de extremo cuadrado, Junta de preparación solo-V, Junta de regazo o traslape y Junta-T. 6. ¿Cuáles son los tipos de soldadura? Cordón, filete, tapón o muesca y ranura: cuadrada, V, Bisel, U y J. 7. ¿Qué soldadura se utiliza en la mayoría de las soldaduras? La mayoría de las soldaduras son de filete, aunque las soldaduras a tope se emplean mucho en el diseño de recipientes a presión. 8. ¿Qué se recomienda al diseñar componentes soldadas? Al diseñar componentes soldadas es preferible seleccionar un acero que proporcione una soldadura rápida y económica, aunque quizá requiera un sacrificio de otras cualidades, como la maquinabilidad. 17
9. ¿A qué se le llama soldadura por resistencia? Al proceso del calentamiento, y la soldadura subsiguiente que ocurre cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de varias partes que están prensadas entre sí. 10. ¿Qué es la soldadura de puntos y la de costura? Son las formas de soldadura por resistencia empleadas con más frecuencia 11. ¿Cuáles son las ventajas de la soldadura de puntos y la de costura? Las ventajas de esta clase de soldadura sobre las otras son: la velocidad, la regulación precisa del tiempo y del calor, la uniformidad de la soldadura y las propiedades mecánicas que se obtienen. 12. ¿Cómo ocurre la falla de una soldadura por resistencia? La falla de una soldadura por resistencia ocurre por cortante de la soldadura o por desgarramiento del metal alrededor de ésta. Debido a la posibilidad de desgarramiento, es una buena práctica no cargar una unión soldada por resistencia a tensión. 13. ¿Qué se debe hacer cuando las partes se sujetan mediante soldadura de puntos? Cuando las partes se sujetan mediante soldadura de puntos, deben usarse factores de seguridad un poco mayores, que en uniones de pernos o remaches, para tomar en cuenta los cambios metalúrgicos en los materiales debido a la soldadura. 14. ¿Qué es la soldadura en frio? La soldadura en frío es un tipo de soldadura donde la unión entre los metales se produce sin aportación de calor. Puede resultar muy útil en aplicaciones en las que sea fundamental no alterar la estructura o las propiedades de los materiales que se unen. 15. ¿Qué son las soldaduras blanda y fuerte? La soldadura blanda y la soldadura fuerte son procesos en los cuales no se produce la fusión de los metales base, sino únicamente del metal de aportación. 18
MAPA CONCEPTUAL
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