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INFORME DE EXPOSICIÓN “CALCULO DE UNIONES DE SOLDADAS”

JUAN JOSÉ ORTIZ RODRÍGUEZ CÓD. 20142130598 LUCAS FERNANDO PRADO TOVAR CÓD. 20142130524

INFORME PRESENTADO EN LA ASIGNATURA DE: ELEMENTOS DE MÁQUINAS

ANÍBAL ROJAS MUNAR INGENIERO DOCENTE

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA AGRÍCOLA OCTUBRE, NEIVA – HUILA 2017

INTRODUCCIÓN En la actualidad, en las operaciones de manufactura se utilizan mucho los procesos de unión de piezas denominadas soldadura, y pegadura. Probablemente, siempre que deban montarse o ensamblarse las partes de un dispositivo se tendrá que considerar de estos procesos en el trabajo de diseño preliminar (Shigley & Mitchell, 1985). La soldadura no es un elemento de máquina, sino un proceso de fabricación que nos recuerda que un proyecto tiene muchas facetas además del análisis de esfuerzos (Faires, 1988). Hay muchos aspectos importantes de la soldadura que se deben considerar en el diseño de máquinas. El problema inmediato del diseñador es determinar la dimensión adecuada de la soldadura de una parte específica, lo cual implica un análisis de las diferentes partes, en los puntos sometidos a cargar estáticas o fluctuantes (Hall, Holowenko, & Laughlin, 1971). Debido al menor costo inicial, muchas partes estructurales de maquinarias antes hechas por fundición, ahora se fabrican soldándolas (Ringegni, 2013). Generalmente, para fabricar piezas soldadas se sujeta en determinada posición un conjunto de elementos de acero laminado en caliente, de contenido mediano o bajo de carbono, y cortados, según configuraciones particulares antes de proceder a soldar (Shigley & Mitchell, 1985). UNIONES SOLDADAS ¿QUÉ ES UNA SOLDADURA? La soldadura constituye una unión fija entre dos o más piezas metálicas, por lo general de igual material, las cuales, por medio de calor entregado a las mismas, y casi siempre a un material adicional de aporte, se funden y se combinan resultando una unión por cohesión en las denominadas soldaduras fuertes y por adhesión en las denominadas soldaduras blandas. PROCESOS DE SOLDADURA: 1. Soldadura por fusión: 1.1.

Soldadura al arco sumergido: El acero está cubierto con un fundente de soldadura (material granular fusible) y se alimenta automáticamente un alambre – electrodo del metal desnudo. Este proceso es excelente para la soldadura automática de uniones planas, sencillas (y también costura circular) y se utiliza extensamente en recipientes de precisión. Su alta velocidad la hace recomendable para procesos de producción.

1.2.

Proceso con hidrógeno atómico: la energía del ardo se utiliza para dividir la molécula de hidrogeno en átomos, en lugar de fundir el metal. Luego, se recombina el hidrogeno para formar nuevamente moléculas, desprendiendo energía a alta temperatura siendo esta energía la que funde el metal.

1.3.

Soldadura por gas: se emplea una llama caliente y una varilla metálica. En el proceso oxiacetilénico se utiliza acetileno quemado en oxígeno. La llama calienta las partes a unir, manteniendo una nasa de metal fundido en la unión de las piezas, añadiéndose metal de aporte para formar las juntas. La soldadura a gas es particularmente adecuada para soldar metal delgado y se aplica en metales diferentes.

2. Soldadura por resistencia: 2.1.

Soldadura por puntos: Dos electrodos aprietan las chapas metálicas una contra otros, y en el punto en el que se ejerce la presión la resistencia a la corriente eléctrica produce un calentamiento que conjuntamente con la presión, produce la soldadura.

2.2.

Soldadura por costura: A partir de dos rodillos de cobre que hacen la función como electrodos, se hace pasar a las dos chapas metálicas entre dichos rodillos, queda soldada una costura en los puntos donde los rodillos aprietan a la chapa entre sí.

POSICIONES DE SOLDADURA: 1. Soldadura plana: El metal de aporte se deposita sobre el metal base y este a su vez sirve como soporte (figura 1):

Figura 1. Soldadura plana 2. Soldadura horizontal: El metal base actúa como soporte parcial que se ha depositado se debe utilizar como ayuda (figura 2):

Figura 2. Soldadura horizontal 3. Soldadura vertical: El metal que se va a soldar actúa solo como soporte parcial y el metal de soladura que ya sea depositado se debe utilizar como ayuda (figura 3):

Figura 3. Soldadura vertical 4. Soldadura de techo: De todas las posiciones de soldadura es la que más práctica y cuidados requiere. Con esta soldadura se logra cordones y uniformes desplazándolos en sentido vertical y perpendicular respecto a las piezas que se van a saldar (figura 4):

Figura 4. Soldadura de techo APLICACIONES DE LA SOLDADURA: 1. 2. 3. 4.

Edificios, puentes y embarcaciones Para minimizar ruidos de construcción Fabricación de electrodomésticos Maquinaria y equipos agrícolas, minas, explotaciones petrolíferas, maquinasherramientas, muebles, calderas, hornos y material ferroviario

5. Construcción naval 6. Fabricación de calderas y recipientes a presión 7. Material de transporte. Oleoductos, etc. NOMENCLATURA La especificación AWS A5.1. la cual se refiere a los electrodos para soldadura de aceros al carbono, trabaja con la siguiente designación para electrodos revestidos como se muestra en la tabla 1:

Fuente: Tomado del siguiente enlace https://es.slideshare.net/patriciaular/preentacin-desoldadura?next_slideshow=1 CALCULO DE UNIONES SOLDADAS SEGÚN EL TIPO DE SOLDADURA: 1. SOLDADURA A TOPE: En la figura 5 se presenta una junta a tope típica con ranura en V cargada longitudinalmente con la fuerza F:

Figura 5. Representación de una soldadura a tope 1.1.

Resistencia de la soldadura a tracción o compresión: Para resistir este tipo de carga la tensión normal media vale: 𝜎𝑎𝑑𝑚 =

𝑃 ℎ𝑙

Y cumplir con el siguiente criterio: 𝜎𝑎𝑑𝑚 ≤ 0.6 𝜎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 1.2.

Resistencia de la soldadura a corte: existen dos casos: Caso 1: Perímetro soldado.

Figura 6. Soldadura con perímetro soldado sometido a corte 𝑇 𝜏𝑎𝑑𝑚 = ≤ 0.4𝜎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 ℎ ∗ 𝑙𝑝 Caso 2: planchuelas unidas por un extremo con toda la sección soldada:

Figura 7. Planchuelas unidas con toda la sección soldada. 𝜏𝑎𝑑𝑚 = 1.3.

𝑇 ≤ 0.4𝜎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 ℎ∗𝑙

Resistencia de soldadura a flexión:

Figura 8. Viga con soldadura sometida a flexión Sea el caso de un perfil que soporta cargas normales a su eje longitudinal. Para el caso que la soldadura coincida con el momento flector máximo, se aplica la siguiente ecuación, de tal suerte que cumpla con el criterio de esfuerzo admisible del material: 𝜎𝑎𝑑𝑚 =

𝑀𝑓 ≤ 0.6 𝜎𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑊

W = módulo resistente de la sección soldada que en las soldaduras a tope es la sección de la planchuela Mf = momento flector máximo 1.4.

Resistencia de la soldadura a esfuerzos compuestos de flexión y corte: En este caso la soldadura no coincide con la zona de máximo momento flector, por lo tanto, se debe calcular y verificar de acuerdo al siguiente criterio para ambos casos de soldadura:

Caso 1: 2

𝜎𝑎𝑑𝑚

𝑀𝑓 2 𝑇 = √( ) + ( ) ≤ 0.8 ∗ 𝜎𝑑𝑚 𝑊 ℎ ∗ 𝑙𝑝

Caso 2: 𝜎𝑎𝑑𝑚

𝑀𝑓 2 𝑇 2 √ = ( ) +( ) ≤ 0.8 ∗ 𝜎𝑑𝑚 𝑊 ℎ∗𝑙

2. JUNTAS DE FILETE La práctica común en el diseño de la soldadura es despreciar el esfuerzo normal y basar el tamaño de la junta en la intensidad del esfuerzo cortante medio. En el área de la garganta de la soldadura a 45° de los catetos. Esta es la mínima área del cordón por donde tiene que fallar a corte.

Figura 9. Planos de corte de la soldadura en la garganta En la figura 9 se observa que, en la soldadura a filete con cordones alineados paralelos a la carga, el esfuerzo cortante ocurre a lo largo de la garganta, paralelo a la dirección de la carga. En cambio, en la soldadura alineada en forma transversal de la carga, el esfuerzo cortante ocurre a 45°, actuando en perpendicular al eje del filete.

Figura 10. Descripción del área de la garganta Si hacemos el análisis de las tensiones sobre la garganta tenemos:

𝜎𝑥 =

𝐹 𝐹 = 𝐴 0.707 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙

Al dividir estos esfuerzos en dos componentes: un esfuerzo normal y un cortante que valen: 𝜏 = 𝜎 = 𝜎𝑥 𝐶𝑜𝑠(45) =

𝐹 ℎ𝑐 ∗ 𝑙

Graficando estos valores en el círculo de Morh, el esfuerzo principal es, por lo tanto: 2 𝐹 𝐹 𝐹 2 𝐹 √ 𝜎=( )+ ( ) +( ) = 1.618 ∗ ( ) 2 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙 2 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙 ℎ𝑐 ∗ 𝑙 ℎ𝑐 ∗ 𝑙

Y el esfuerzo de corte máximo se basa en el esfuerzo cortante en el área de la garganta y desprender el esfuerzo normal, en consecuencia, del esfuerzo medio es: 𝐹 𝐹 𝜏𝑚𝑎𝑥 = ( ) = 1.414 ( ) 0.707 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑙 ℎ𝑐 ∗ 𝑙 2.1.

Carga paralela y transversal:

Figura 11. Descripción de la carga paralela y transversal 𝑇=

𝑃 𝑃 = ℎ ∗ 𝐿𝑤 ℎ𝑐 𝑆𝑒𝑛(45°) ∗ 𝐿𝑤

Donde: hc = longitud del cateto de la soldadura Lw = longitud del cordón de la soldadura

2.2.

Carga de torsión 𝜏 = √(𝜏𝑑 )2 + (𝜏𝑡 )2 ≤ 𝑐 ∗ 𝜎𝑎𝑑𝑚(𝑠𝑜𝑙𝑑𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎) C = constante < 1 El esfuerzo cortante directo es: 𝜏𝑑 =

𝑃 𝐴

P = Fuerza cortante A = Área de garganta en todas las soldaduras

El esfuerzo de corte por torsión es: 𝜏𝑡 =

𝑀∗𝑟 𝐽

M = Momento torsor aplicado a la soldadura. r = Distancia desde el baricentro del grupo de soldadura hasta el punto más apartado J = Momento de inercia polar del grupo de juntas respecto al centroide G. 2.3.

Cálculos utilizando tablas

Ahora, a los fines prácticos y para sistematizar el cálculo de la junta, conviene considerar a cada cordón o filete como una simple recta, es decir considerar el ancho de la junta igual a la unidad. De esta manera se obtendrá un momento de inercia polar unitario del grupo de juntas 𝐽𝑈 , el cual es independiente del tamaño de la junta ℎ𝐶 . Así la relación queda: 𝐽 = 0,707 ∗ ℎ𝐶 ∗ 𝐽𝑈 Donde 𝐽𝑈 , se determina como se vio anteriormente, pero para un área de ancho igual a la unidad. Entonces para los cálculos se utilizan la siguiente tabla 1 y tabla 2:

Tabla 1. Propiedades de una soldadura considerada como una línea

Tabla 2. Soldadura primaría 2.4 Carga de flexión Sea la siguiente figura donde las juntas están sometidas a una fuerza de corte V y a un momento M, ambos generados por la fuerza F.

Figura 12. Descripción de una soldadura sometida a carga de flexión

La fuerza de corte V debida a F produce esfuerzo de corte puro y vale: 𝜏´ =

𝑉 𝐴

Donde A es el área total de las gargantas. El momento M produce un esfuerzo normal () por flexión en las juntas, que es perpendicular al área de la garganta, y como ya vimos en la práctica se lo suele suponer de igual magnitud que el esfuerzo cortante . 𝜏=

𝑀∗𝑐 𝑀 = 𝐽 𝐼

Donde C=es la distancia desde el eje neutro hasta la fibra exterior. J =es el momento de inercia de la garganta de la junta [m4]. I= es el momento resistente de la garganta de la junta [m3] El valor de I se calcula como: 𝐼 = 0,707 ∗ ℎ𝐶 ∗ 𝐼𝑈 𝐼𝑈 es el momento resistente unitario [m2]. 𝐼𝑈 = 𝑏 ∗ 𝑑 Por lo tanto, tenemos 𝜏≅𝜎=

𝑀 0,707 ∗ ℎ𝑐 ∗ 𝑏 ∗ 𝑑

Finalmente, una vez conocidos 𝜎 y 𝜏 se pueden determinar los esfuerzos cortantes máximos o los esfuerzos principales. Una vez que se obtienen esos esfuerzos principales se aplica una teoría de falla apropiada para determinar la probabilidad de falla o la seguridad (estas teorías son las del esfuerzo cortante máximo o la teoría de la energía de distorsión).

EJERCICIO Determinar la dimensión de la soldadura de filete que se debe emplear para unir las placas que se encuentran en la figura 25-19, para una carga permisible de 9600 Lb/pul.

Datos: Nx= 5” Ny=1,25” d=10” b=5” 1. Hacemos momento torsión: 𝑀𝑡 = 18000𝑙𝑏 ∗ 10𝑖𝑛 𝑀𝑡 = 180000 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛 2. Suponemos que la carga vertical está distribuida uniformemente sobre la soldadura y produce una carga. 18000𝑙𝑏 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 = (10𝑖𝑛 + 5𝑖𝑛 + 5𝑖𝑛) 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 = 900

𝑙𝑏 𝑖𝑛

3. Hallamos el momento polar de inercia de la soldadura (que se considera como una línea) es (2𝑏 + 𝑑)2 𝑏 2 (𝑏 + 𝑑)2 𝐽𝑤 = + (2𝑏 + 𝑑)2 12 2 (2(5) + (10)) (52 )((5) + (10))2 𝐽𝑤 = + (2(5) + (10)) 12 𝐽𝑤 = 385,4 4. Hallar la máxima carga de torsión en los puntos A y B. Donde C: distancia desde el centro de gravedad hasta el punto que se está analizando. 𝑓=

𝑓=

𝑇𝐶 𝐽𝑤

(180000)√52 + 3,752 385,4

𝑓 = 2919,045 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛 Hacemos las componentes tanto como vertical como horizontal. 𝑓𝑣

=

3,75 (2919,045) √52 +3,752

𝑓𝑣 = 1751,427 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛 𝑓ℎ

=

5 (2919,045) √52 +3,752

𝑓ℎ = 2335,236 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛 Obsérvese que 𝑓𝑣 y 𝑓ℎ se pueden obtener directamente, utilizando la distancia horizontal 𝐶ℎ = 3,75" y la distancia vertical 𝐶𝑢 = 5": 5", en la fórmula 𝑓𝑣 = 𝑇𝐶⁄𝑇 . 𝑤

5. Combinando las componentes horizontal y vertical en el punto A, la carga por pulgada es. 𝑓 = √2335,2362 + (900 + 1751,427)2

𝑓 = 3533,184 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛 6. Para cargas constantes la longitud de la soldadura es 𝑓𝑅𝑒𝑎𝑙 𝑤= 𝑓𝑃𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑤=

3533,184 9600

𝑤 = 0,368 𝑖𝑛 Respuesta: Usar una soldadura de 3⁄8 𝑖𝑛 Obsérvese que la carga permisible es 9600 lb por cada pulgada de soldadura, o sea que se utiliza la carga permisible para carga paralela cuando hay una combinación de cargas trasversal y paralela.

7. Un análisis diferente, que se justifica con base en la distribución de fuerza de corte trasversal que se hace en el análisis de vigas, consiste en considerar que las soldaduras superior e inferior no soportan fuerza de corte trasversal. El máximo esfuerzo de corte trasversal en una sección rectangular es 3V/2A en el eje neutro. Así, el esfuerzo de corte directo en el punto A es cero y en el punto E la máxima fuerza de corte por pulgada. 𝑓𝑠 =

3 (18000) 2(10)

𝑓𝑠 = 2700 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛 En el punto A la fuerza resultante por pulgada de soldadura, debida únicamente a la torsión, es 3080 lb*in, como se determinó anteriormente. La dimensión de la soldadura es crítica en el punto A (y en el punto B) y es: 𝑤= 𝑤=

𝑓𝑅𝑒𝑎𝑙 𝑓𝑃𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 2919,045 9600

𝑤 = 0,304 𝑖𝑛 Respuesta: Usar una soldadura de 3⁄8 𝑖𝑛

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Faires, V. (1988). Diseño de elementos de máquinas. Barcelona: Montaner y Simon S.A. Hall, A., Holowenko, A., & Laughlin, H. (1971). Teoria y problemas de Diseño de Máquinas. México: McGraw-Hill. Ringegni, P. (2013). Cálculo de Uniones Soldadas. Buenos aires: Departamento de Aeronautica - Facultad de ingeniería - U.N.L.P. Shigley, J., & Mitchell, L. (1985). Diseño de ingeniería mecánica. México: Impresiones y Editorial S.A. Aular, P.L, 2009. Soldadura. Universidad Nacional Experimental "Franciso de Miranda". Consultado el día 1 de noviembre de 2017 del siguiente enlace: https://es.slideshare.net/patriciaular/preentacin-de-soldadura?next_slideshow=1