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  1. 1. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Julio Vergara Aimone ICM 2312
  2. 2. INTRODUCCIÓN Revisamos medios básicos, aunque relevantes, para integrar componentes mecánicos. Asignamos a los remaches alta relevancia en la ingeniería mecánica como elementos simples de unión. Vimos también su rol en accidentes, i.e. Aloha 243 y Titanic, causado por varios factores. A partir del 2o ejemplo, comprobamos que la utili- zación de remaches en la unión de planchas en el casco de buques ha sido casi totalmente reempla- zada por la soldadura, como forma de unión per- manente, aunque tampoco liberada de problemas. J.Vergara ICM2312
  3. 3. INTRODUCCIÓN La soldadura es un método de fabricación y de unión, en que dos ó más componentes se unen por coalescencia o fusión de las superficies de unión. La tarea la realiza un baño de un material de aporte compatible, que se funde a una menor temperatura que la de los componentes a unir. Históricamente la unión se hacía en una fragua. Su uso moderno se establece con la aparición del arco eléctrico, aunque hay otras formas de elevar la temperatura (reacción exotérmica, fo- tones, electrones y roce, entre otras). El Surgi- miento de la corriente AC facilita su uso. J.Vergara ICM2312
  4. 4. INTRODUCCIÓN Los procesos se prueban a partir de fines del si- glo XIX, pero se consolida y perfecciona a partir de la Segunda Guerra Mundial, en que se desa- rrollan métodos manuales y automáticos. Los problemas que retrasaron su adopción fue- ron la aparición de poros, grietas y otros defec- tos por acción del oxígeno y nitrógeno y que ha- cía que las estructuras soldadas fueran frágiles. La solución a lo anterior sobrevino con el uso de gases inertes y otros medios de protección del material en su fase de enfriamiento. Del acero se pasó a otros metales más reactivos al aire. J.Vergara ICM2312
  5. 5. INTRODUCCIÓN Las uniones soldadas, por la manera en que se aplica, tienen propiedades diferentes a las del metal base. El calor altera la estructura cristali- na y no es extraña la creación de algunos preci- pitados indeseables por la difusión de los ele- mentos químicos de aleación  fragilización. La soldadura suele cambiar la geometría, indu- ciendo esfuerzos residuales y concentradores, para facilitar fallas por tensión, corte y efectos combinados en la zona de unión. Debe evitarse la fractura y la acción del medio ambiente, más aún cuando los metales son disímiles. J.Vergara ICM2312
  6. 6. INTRODUCCIÓN Podemos caracterizar tipos de unión genéricos: Uniones fijas o Uniones desmontables Permanentes: o Semipermanentes: Soldaduras Pernos y tornillos Remaches (roblón) Chavetas Adhesivos Pasadores Interferencias Seguros Esto no es una regla intocable, pues las uniones fijas se pueden rehacer y las desmontables pue- den ser permanentes. J.Vergara ICM2312
  7. 7. GENERALIDADES Objeto de la soldadura. Constituir una unión permanente de una o más partes metálicas, con notable amplitud de posi- bilidades y flexibilidad de formas, de diferentes espesores. Sustituyó dispositivos de unión co- mo remaches, más rápido y a un menor costo. La soldadura funde las partes a unir, agrega un material de aporte que se suma al fundido. Los procesos comunes usan como fuente de calor un arco eléctrico, una flama, haz de electrones, fricción, láser, corriente, plasma o ultrasonido. J.Vergara ICM2312
  8. 8. GENERALIDADES Objeto de la soldadura. Otras formas complejas, por infraestructura y automatización, son la soldadura GMAW, arco sumergido, núcleo fundido y electroescoria, y su objeto usualmente es unir grandes piezas. Con calor intenso, es la versión mo- derna de la unión por fragua, con la que se unían metales en el pasado. Se puede hacer con o sin atmósfera, incluso bajo el agua, uniendo o re- parando estructuras marítimas. J.Vergara ICM2312
  9. 9. GENERALIDADES Objeto de la soldadura. La deseada unión permanente también se pue- de lograr con procesos de menor temperatura como la soldadura blanda (soldering) y solda- dura fuerte (brazing). Estas son formas de unión por soldadura más simples y caseras utilizando un cautín y mate- rial de aporte de una baja temperatura de fusión (i.e. Sn). En estos casos, se funde el material de aporte, el que se une a las partes a soldar y no el grueso de las zonas soldadas. J.Vergara ICM2312
  10. 10. GENERALIDADES Aplicación de soldadura. Esta sesión supone la aplicación de un diseño adecuado para satisfacer ciertas cargas estáti- cas y dinámicas. No persigue conocer en deta- lle los métodos, técnicas o procedimientos de soldadura, ni los requisitos de seguridad. La buena práctica sugiere que si no se sabe sol- dar y se quiere evitar accidentes y lesiones (que (incluyen la visión), mejor no intentarlo. El solda- dor debe estar capacitado y calificado para cada trabajo y técnica, velando por la seguridad. J.Vergara ICM2312
  11. 11. GENERALIDADES Tipos de soldadura. Principales métodos de soldadura (metales):  Al arco metálico (SMAW) (*) El más común  Al arco protegido por gas (MIG-TIG)  Al arco sumergido (SAW)  Al arco con escoria conductora (electroslag).  Al oxi-acetileno (autógena, oxy-fuel/C2H2) (*)  De plasma (PAW) (*)  De resistencia eléctrica  De forja  De termita (*) también sirven para cortar J.Vergara ICM2312
  12. 12. UNIONES SOLDADAS Símbolos de la soldadura (código estándar AWS). Las uniones soldadas utilizan el siguiente código, estandarizado por la AWS: F Acabado A Angulo F: finish A: angle R R: root (plug) Tamaño Profundidad Largo - Paso L: length Lado Lados Soldadura P: pitch lejano S: size Datos S(E) L-P Circular útiles T Referencia E: garganta N: number Ambos Cola Lado Pieza Soldadura T: tips cercano de Campo N N° de puntos de soldadura J.Vergara ICM2312
  13. 13. UNIONES SOLDADAS Tipos básicos de Diseño para Soldadura. De Tope De Filete Traslapada En Ángulo De Borde En Tee J.Vergara ICM2312
  14. 14. UNIONES SOLDADAS Tipos básicos de Diseño para Soldadura. Cordon Filete Tapón De Tope Simple Cuadrado En V Recto V En U En J J.Vergara ICM2312
  15. 15. UNIONES SOLDADAS Tipos básicos de Diseño para Soldadura. 5 0.2 De Tope 2 60° De Filete 5 2-5 5 Traslapada En Ángulo De Borde En Tee J.Vergara ICM2312
  16. 16. UNIONES SOLDADAS Efectos de la soldadura. El calor aplicado al sector de la soldadura modifi- ca la composición (difusión) y estructura (grano) del material adyacente (i.e. HAZ). El proceso de soldadura usualmente convive con esfuerzos residuales, por la sujeción y orden de aplicación, que se relajan con un leve tratamiento térmico. Cuando las partes son más gruesas con- vendrá un precalentamiento. En general, se trata de unir materiales similares, si no, se debe interponer juntas bimetálicas. J.Vergara ICM2312
  17. 17. UNIONES SOLDADAS Soldadura de Tope y Filete. Una unión en V puede ser sometida a una fuerza axial en compresión o tracción (s) o cortante (t): A s= F t= F hl hl F R F h F F h Ref: Shigley La garganta h no considera el refuerzo R, el cual puede apoyar la resistencia. En otros casos pue- de crear concentración de esfuerzo en A (sacar). J.Vergara ICM2312
  18. 18. UNIONES SOLDADAS Soldadura de Tope y Filete. Los esfuerzos axial (s) y cortante (t) también se encuentran en una unión traslapada o de filete: garganta Fs = F senq Fn = F cosq En un ángulo q, cada cordón tendrá una fuerza normal y otra cortante a este plano. J.Vergara ICM2312
  19. 19. UNIONES SOLDADAS Soldadura de Tope y Filete. Por otro lado, por ley de senos, se obtiene: t h = sen45° sen(90°-q+45°) Fs = F senq h 2h = = sen(135°-q) cosq + senq h Fn = F cosq t = cosq + senq En un ángulo q, cada cordón tendrá una fuerza normal y otra cortante a este plano. J.Vergara ICM2312
  20. 20. UNIONES SOLDADAS Soldadura de Tope y Filete. Los esfuerzos nominales, s y t del cordón, en q, serán: Fn s= = F cosq cosq + senq = F senqcosq + cos2q A hl hl Fs t= = F senq cosq + senq = F senqcosq + sen2q A hl hl Aplicando von Mises: s´ = (s2 + 3t2)½ F (senqcosq+cos2q)2 + 3(senqcosq+sen2q)2 ½ s´= hl J.Vergara ICM2312
  21. 21. UNIONES SOLDADAS Soldadura de Tope y Filete. El máximo esfuerzo de von Mises ocurre a un ángulo q= 62.5°, con s´= 2.16 F / hl y con: Fn F Fs F s= = 0.623 t= = 1.196 A hl A hl El máximo esfuerzo cortante se encuentra con dt/dq = 0, que ocurre a q= 67.5°, con: F F F F s = n = 0.500 tMAX = s = 1.207 A hl A hl J.Vergara ICM2312
  22. 22. UNIONES SOLDADAS Soldadura de Tope y Filete. Experimentalmente se encontró la siguiente dis- tribución en el filete y cordón: s y t según Norris (modelo fotoelástico): Existe Kt en B Existe Kt en A y B s1 y s2 en BD, según Salakian: Ref: Shigley J.Vergara ICM2312
  23. 23. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Aproximación de diseño de unión En la práctica, tanto la geometría como el modelo son representaciones crudas, por lo cual se usa un método conservativo junto con ensayos:  Se basa primariamente en esfuerzos de corte.  Uso de criterios de energía de distorsión.  Uso de códigos, en que AMIN asume la carga. F 1.414·F t = = 0.707hl hl Sobreestima en 1.414/1.207 J.Vergara ICM2312
  24. 24. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Aproximación de diseño de unión En la práctica, tanto la geometría como el modelo son representaciones crudas, por lo cual se usa un método conservativo junto con ensayos (cont):  Se examina el esfuerzo de corte primario.  Se revisan esfuerzos secundarios (F y T ).  Se estima la resistencia en las placas.  Se estima la resistencia en el metal de aporte.  Se estima sADM en el metal base.  Se estima sADM en el metal de aporte. J.Vergara ICM2312
  25. 25. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Torsión A = garganta de Asumimos este esquema: todo el cordón  Esfuerzo primario t´ (V). V t’ = A  Esfuerzo secund. t” (M). M·r t” = J  Esfuerzo total t (comb). J.Vergara ICM2312
  26. 26. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Torsión Con dos cordones (fig): F  Esfuerzo primario t´ (V). 0 V V t’ = = A (b1d1)+(b2d2) b1= 0.707·h1 A1= b1·d1  Esfuerzo secund. t” (M). d2= 0.707·h2 A2= b2·d2 r1= [(x - x1)2 + y2]½ M·r M·r r2= [(y2 - y)2 + (x2 - x)2]½ t” = = J (JG1+A1·r12) + (JG2+A2·r22) x = (A1x1 + A2x2) / A ~0 ~0 y = (A1y1 + A2y2) / A b1d13 b13d1 b2d23 b23d2 JG1 = + JG2 = + JG1 = I1x+I1y 12 12 12 12 JG2 = I2x+I2y J.Vergara ICM2312
  27. 27. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Torsión Los momentos polares se tratan como “líneas”: Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. polar de área (unitario) J.Vergara ICM2312
  28. 28. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Torsión Los momentos polares se tratan como “líneas”: Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. polar de área (unitario) J.Vergara ICM2312
  29. 29. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Flexión A = garganta de Asumimos este esquema: todo el cordón:  Esfuerzo primario t´ (V). V t’ = A  Esfuerzo secund. t” (M). M·c M·d/2 I = 0.707 h·Iu t” = = I I = 0.707 h·bd2/2  Esfuerzo total t (comb). J.Vergara ICM2312
  30. 30. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Flexión Los momentos se tratan como “líneas”: Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. de área (unitario) J.Vergara ICM2312
  31. 31. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Flexión Los momentos se tratan como “líneas”: Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. de área (unitario) J.Vergara ICM2312
  32. 32. DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS Diseño de unión en Flexión Los momentos se tratan como “líneas”: Soldadura Área de Garganta Posición de G 2° mom. de área (unitario) J.Vergara ICM2312
  33. 33. OTRAS FORMAS DE UNIÓN Otras uniones En ciertas circunstancias, y con el desarrollo de nuevos materiales livianos, se hace necesario disponer de otras formas de unión. Una de ellas es el uso de adhesivos poliméricos, que se utilizan crecientemente en las industrias, i.e., un automovil utiliza adhesivos, a veces en partes críticas (i.e. pastillas de freno, parabrisas, molduras, parachoques, radiador, silvines, etc.) que tambien reducen vibraciones y ruido. Los aviones también utilizan adhesivos críticos. J.Vergara ICM2312
  34. 34. OTRAS FORMAS DE UNIÓN Otras uniones Los adhesivos poliméricos suelen usarse con éxi- to cuando soportan cargas cortantes. Biselado Traslape simple Tope Escalón Traslape doble Tope doble Escalón doble Empalme Tubular J.Vergara ICM2312
  35. 35. OTRAS FORMAS DE UNIÓN Otras uniones El diseño de la junta adherida sugiere:  Evitar que se despegue, con cargas en corte.  Incrementar la superficie de la unión.  Uso de adhesivos de ductilidad adecuada.  Considerar efectos ambientales (agua, T°, UV).  Permitir la inspección de la junta adherida.  Unir a varias superficies para mejor adherencia.  Usar remaches o soldadura spot durante el curado, siempre que no se pele el adhesivo. J.Vergara ICM2312
  36. 36. OTRAS FORMAS DE UNIÓN Otras uniones Una posibilidad reciente de unión de materiales lo constituye la soldadura por explosión. De utilidad particular para unir materiales disímiles sin riesgo a sufrir corrosión galvánica, con dos o tres capas (intercapa de titanio o tantalio). Aluminio 6061-T6 Tantalio Ref: High Energy Metals Acero SS-304L J.Vergara ICM2312
  37. 37. CONCLUSIONES Los elementos mecánicos son parte de sistemas mayores que deben operar integrada y confiable- mente, por un tiempo predeterminado por el dise- ñador siguiendo normas y buenas prácticas. Como vimos, los dispositivos asociados a estos sistemas se integran de varios modos. La mejor forma será una fundición y mecanizado configu- rando una pieza única (caro). Los más simples se unen provisoriamente, mediante pernos, re- maches y chavetas, hasta otros más permanen- tes mediante interferencia y soldadura. J.Vergara ICM2312
  38. 38. CONCLUSIONES Si ser una clase de ciencia de la soldadura, revi- samos algo de la teoría, vimos los códigos estan- darizados que se usan para comunicar la forma de unión y la posición de superficies a soldar. Al igual que en el caso del diseño de remaches y pernos en corte, por acción de cargas torsio- nales, aplicamos métodos para dimensionar el o los cordones de soldadura, sujetos a fuerzas de torsión o flexión. El uso adecuado de tablas simplifica la estimación del tamaño y geometría de los cordones. J.Vergara ICM2312

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