Preparacin de Informes en formato IEE

Anlisis de Soldadura para le estructura de una cepilladora de madera

Santiago Cabrera A.e-mail: santyc10@gmail.comSebastin Castro D.e-mail: sebascastrod@gmail.comUniversidad Tcnica de Ambato (UTA)Campus Huachi, Cdla. Universitaria / Telf: 03-2841-062Casilla 334 / E-mail: ficm@uta.edu.ec

UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO. Cabrera, Castro. Anlisis de soldadura (estructura mquina cepilladora).

1RESUMEN: En el presente proyecto se realizara el diseo y anlisis de soldadura a continuacin se presentaran, conceptos, descripciones, caractersticas, propiedades, fundamentos, clculos y aplicaciones de normas, los mismos conocimientos que luego nos servirn de gran utilidad para un mejor Proceso de Soldadura y finalmente para poder detallar cul sera su costo real en la industria ecuatoriana. .PALABRAS CLAVE: SMAW, fundente, arco .NDT.

ABSTRACT: In this project the design and analysis of welding then be presented, concepts, descriptions, characteristics, properties, fundamentals, calculations and application of standards, the same knowledge that we will later serve useful for better welding process and conduct finally to detail what their actual cost in the Ecuadorian industry.

1 INTRODUCCIN

El proceso de soldadura en la ingeniera mecnica es fundamental, ya que esta tecnologa de las uniones ha sido un factor vital en el desarrollo de la humanidad. La soldadura es el mtodo de unir menos complicado y pocas son las cosas que se utilizan actualmente que no dependan de una unin soldada en alguna fase antes de llegar a nuestras manos. Por su amplio uso en muchas industrias el conocimiento de los procesos de soldar es esencial no solo en los ingenieros mecnicos especializados en soldadura y metalrgicos, sino tambin para diseadores, fabricantes y usuarios de productos soldados.

Podemos definir como una soldadura ideal en la cual exista una continuidad total sobre las piezas unidas y en la que ninguna parte de la unin pueda distinguirse del metal en que est hecha, pero en la prctica casi nunca se cumple con estas condiciones, se puede mejorar mediante diferentes operaciones de soldadura los mismos que prestan un servicio satisfactorio. No todos los procesos de soldadura son adecuados para un metal, tipo de junta y aplicaciones determinadas. Por esta razn se han desarrollado tcnicas como mtodo de proteger el metal caliente del ataque de la atmsfera es el segundo de los mayores problemas a resolver. Las tcnicas desarrolladas desde "Proteccin por fundente", hasta la de Proteccin por gas Inerte, son ms que escudos protectores en muchos casos pero eso es bsicamente para lo que fueron creados. En algunas instancias la atmsfera es removida toda usando sistemas de vaco. Algunos de estos procesos han sido desarrollados para algunas aplicaciones especficas mientras otros se mantienen muy flexibles cubriendo un amplio rango de actividades en la soldadura. Aunque la soldadura es usada principalmente para unir metales similares y hasta partes metlicas no similares es tambin muy usada, de manera muy notable, para reparar y reconstruir partes y componentes averiados o gastados.

El anlisis de soldadura se realizar para la construccin de maquinaria en la Empresa TECNI CASTRO, ubicada en el parque industrial, Panamericana norte KM. 7 , en el sector norte de la ciudad de Ambato.

2 OBJETIVO

2.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar el estudio para el adecuado diseo y proceso para una soldadura estructural de maquinaria.

2.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Realizar una visita a la empresa en donde elaboran la maquinaria.

Investigar como es el procedimiento para la soldadura de las estructuras de la maquinaria en la empresa.

Tomar datos de las juntas soldadas en el lugar donde se est elaborando los calderos.

Tabular los datos obtenidos.

Proceder a aplicar los conocimientos adquiridos en clase y comprobar con los datos que la empresa utiliza para su trabajo3 FUNDAMENTO TERICO3.1 NORMA AWS D1.1/D1.1M:2010Cdigo de soldadura estructural del acero-Requerimientos generalesEsta norma contiene los requerimientos para fabricar y armar estructuras soldadas de acero. En la medida en que este cdigo se estipula en los documentos del contrato, se debe requerir el cumplimiento con todas sus provisiones, a excepcin de aqullas que el Ingeniero o los documentos del contrato modifiquen o excusen de manera especfica. [1]-Diseo de conexiones soldadasEsta seccin contiene los requerimientos para el diseo de conexiones soldadas compuestas de miembros con forma de producto tubular o no tubular. [1]- PrecalificacinEsta parte de la norma contiene los requerimientos para eximir una WPS (Especificacin para el Procedimiento de Soldadura) de los requerimientos de calificacin de WPS de este cdigo. [1]- CalificacinEsta seccin contiene los requerimientos para la calificacin de la WPS y los ensayos de calificacin que todo el personal de soldadura (soldadores, operadores de soldadura) deben aprobar para llevar a cabo soldaduras de acuerdo con este cdigo. [1]- FabricacinEsta seccin contiene los requerimientos generales de fabricacin y montaje que se aplican a las estructuras soldadas de acero que se rigen por este cdigo, incluyendo los requerimientos para los metales base, consumibles de soldadura, tcnica de soldadura, detalles soldados, preparacin y ensamble de material, mano de obra, reparacin de soldadura, etc. [1]- InspeccinEsta seccin contiene los parmetros para la calificacin y responsabilidades de los inspectores, los criterios de aceptacin para las soldaduras de produccin y los procedimientos estndar para llevar a cabo una inspeccin visual y un NDT (ensayo no destructivo). [1]3.2 ACERO ASTM A36Es un acero de la ms avanzada ingeniera, es fabricado con un punto mnimo de cedencia de 36,000PSI. Ms resistente que la placa A-283, la placa de acero - calidad estructural A-36 es ampliamente recomendable para disear y construir estructuras y equipo menos pesado. [2]Elacero A36es una aleacin deaceroal carbono de propsito general muy comnmente usado en los Estados Unidos, aunque existen muchos otros aceros, superiores en resistencia, cuya demanda est creciendo rpidamente. [2]

La denominacin A36 fue establecida por laASTM(American Society for Testing and Materials).El acero estructural A36 o acero estructural con carbono, es hasta hace poco tiempo, el acero estructural bsico utilizado ms comnmente en construcciones. [2]

El acero A36 es el ms generalizado de los aceros laminados en caliente. Por lo general, est disponible en barra redonda, barra cuadrada, barra rectangular, as como perfiles de acero tales como vigas I, vigas H, ngulos, y canales. El proceso de laminado en caliente significa que la el procesamiento de superficie de este acero ser algo difcil. Teniendo en cuenta que su resistencia a la fluencia es tambin significativamente inferior a 1018 lo que significa que se dobla mucho ms rpidamente de lo que ser 1018. Por ltimo, este material mecanizado es notablemente ms difcil que el acero 1018, perosu costo es generalmente mucho menor. [2]-Propiedades Fsicas El acero A36 tiene una densidad o masa por unidad de volumen de 7,85 gramos (0,017 lb) por centmetro cbico o 0,284 libras (0,13 kg) por pulgada cbica en medidas inglesas. Tiene un mdulo de elasticidad de 200 GPa o 29.000 ksi (199.948,01 MPa). Tambin tiene un mdulo de cizallamiento de 79,3 GPa o 11.500 ksi (79.289,73 MPa). [2]-Propiedades MecnicasEn trminos de propiedades mecnicas, el acero A36 tiene una resistencia a la tensin o la cantidad de presin necesaria para separar una barra de espesor establecido de 58.000 a 79.800 libras (26.308,35 a 36.196,67 kg) por pulgada cuadrada. Tiene una resistencia de rendimiento de 36.300 psi y un alargamiento del 20 por ciento. [2]-AplicacionesDebido a que el A36 tiene una composicin qumica simple, es muy fcil de soldar, lo que lo convierte en un material estructural atractivo en los oficios de construir donde puede ser encontrado como un soporte temporal o permanente de material de revestimiento. [2]

Figura 1: Placas de acero ASTM A36 [2]

Figura 2: Composicin qumica del acero ASTM A36 [2]

3.3 ELECTRODO E-6011 (AWS)El electrodo 6011 posee un revestimiento de tipo celulsico diseado para ser usado con corriente alterna, pero tambin se le puede usar con corriente continua, electrodo positivo. La rpida solidificacin del metal depositado facilita la soldadura en posicin vertical y sobrecabeza. El arco puede ser dirigido fcilmente en cualquier posicin, permitiendo altas velocidades de deposicin (soldadura). [3]-UsosEste electrodo es apto para ser utilizado en todas las aplicaciones de soldadura en acero dulce, especialmente en trabajos donde se requiera alta penetracin. [3]-Aplicaciones ms comunes Planchas galvanizadas Estructuras Reparaciones generales Tuberas de oleoductos Cordn de raz en caeras

Figura 3: Electrodo E-6011 [3]

3.4 PROCESO SMAW (Arc metal welding) Soldadura por arco metlico protegidoLa idea de la soldadura por arco elctrico, a veces llamada soladura electrgena, fue propuesta a principios del siglo XIX por el cientfico ingls Humphrey Davy pero ya en 1885 dos investigadores rusos consiguieron soldar con electrodos de carbono. [4]

Cuatro aos ms tarde fue patentado un proceso de soldadura con varilla metlica. Sin embargo, este procedimiento no tom importancia en el mbito industrial hasta que el sueco Oscar Kjellberg descubri, en 1904, el electrodo recubierto. Su uso masivo comenz alrededor de los aos 1950. [4]Es el ms comn de los procesos de soldadura utilizada en estos tiempos. Este se genera con un electrodo en forma de varilla, consumible y revestido, est compuesto de dos partes: el ncleo metlico y el revestimiento cermico obtenido por extrusin. Es necesario acercar el electrodo a la pieza para mantener una distancia para conservar una longitud del arco constante ya que en el momento de la operacin el electrodo se funde. [4]El aporte se realiza por la fusin del ncleo, la cermica cuando se combustiona forma una atmosfera que protege la zona de soldadura del posible ingreso de oxgeno y nitrgeno, lo cual da como resultado una soldadura ms limpia y resistente, adems la misma crea una demora en el enfriamiento de la soldadura, lo cual produce una unin con mejores propiedades. [4]

Figura 4: Soldadura de arco metlico protegido. [4]-ElementosPlasma:Est compuesto por electrones que transportan la corriente y que van del polo negativo al positivo, de iones metlicos que van del polo positivo al negativo, de tomos gaseosos que se van ionizando y estabilizndose conforme pierden o ganan electrones, y de productos de la fusin tales como vapores que ayudarn a la formacin de una atmsfera protectora. Esta misma alcanza la mayor temperatura del proceso. [4]Llama:Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que ste, formada por tomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por la combustin del revestimiento del electrodo. Otorga al arco elctrico su forma cnica. [4]Bao de fusin:La accin calorfica del arco provoca la fusin del material, donde parte de ste se mezcla con el material de aportacin del electrodo, provocando la soldadura de las piezas una vez solidificado. [4]Crter:Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y profundidad vendrn dadas por el poder de penetracin del electrodo. [4]Cordn de soldadura:Est constituido por el metal base y el material de aportacin del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria, compuesta por impurezas que son segregadas durante la solidificacin y que posteriormente son eliminadas, y sobre el espesor, formado por la parte til del material de aportacin y parte del metal base, la soldadura en s. [4]Electrodo:Son varillas metlicas preparadas para servir como polo del circuito; en su extremo se genera el arco elctrico. En algunos casos, sirven tambin como material fundente. La varilla metlica a menudo va recubierta por una combinacin de materiales que varan de un electrodo a otro. El recubrimiento en los electrodos tiene diversa funciones, stas pueden resumirse en las siguientes:[4]- Funcin elctrica del recubrimiento.- Funcin fsica de la escoria.- Funcin metalrgica del recubrimiento.

Figura 5: Soldadura de arco metlico protegido. [4]

4 CALCULOS Y RESULTADOS

4.1 Seleccin de soldadora.

Figura 6: Amperaje del electrodo. [5]

A = 90 a 120Ap = (90+120)/2Ap= 210/2Ap=105 Amp.

Figura 7: Seleccin de Soldadora. [3]

4.2 Ciclo trmico de la ZATDATOS

Amperaje (A)105

Voltaje (v)18

N0,66

To(K)291(18 C)

Velocidad(m/s)5E-03

espesor "e"(mm)6

K (J/m.s.k)41

(m/s)9,1E-06

cp (J/m.K)4,5E+06

Como e < d entonces usamos la ecuacin para placa fina

Diagrama TTT

Figura 8: Diagrama TTT. [3]

Figura 9: Tabla de Clculos (ZAT).

Figura 10: Diagrama Hierro-carbono. [6]

4.3 Diseo de juntas

Figura 11: Junta a tope. [1]

Figura 12: Diseo de Junta. 4.4 Determinar la Temperatura de precalentamiento de la siguiente junta soldada para los siguientes mtodos: BWRA, SEFERIAN Y ASM.

Figura 13: Tipo de Junta. MATERIAL ACERO A36, ELECTRDO 6011-Datos Material A36:C: 0.26Si: 0.3Mn: 0.75P: 0.04S: 0.05Cu: 0.1

-Mtodo BWRA (A36)[CE] = %C + Mn/20 + Ni/15 + (Cr + Mo +V )/20[CE] = 0.26 + 0.75/20 + 0/15 + 0/20 [CE] = 0.3-Electrodo 6011 (1/8):

Figura 14: Tabla ndices de soldabilidad. [7]

ndice de SoldabilidadBsico: IS= B

-Nmero de Severidad Trmica

NST= 6/6 + 6/6 + 6/6NST= 1 + 1 + 1NST= 3

Figura 15: Tabla de temperaturas: precalentamiento. [7] Tp= N.A.

-Mtodo Seferian (A36)

[CE]q = %C + (Mn + Cr)/9 + Ni/18 + Mo/13[CE]q = 0.26 + (0.75 + 0)/9 + 0/18 + 0/13[CE]q =0.3433

-Placa de 6mm. [CE] = [CE]q(1 + 0.005e)[CE] = 0.3433(1 + 0.005x6 )[CE] = 0.3433(1.03)[CE] = 0.3536

Tp = 350((CE) - 0.25) Tp = 350(0.3536-0.25)Tp = 112.653 C.

-Mtodo ASM[CE] = %C + Mn/6 + Ni/15 + Mo/4 + Cr/4 + Cu /13[CE] = 0.26 + 0.75/6 + 0/15 + 0/4 + 0.1/4 [CE] = 0.41

Figura 16: Mtodo ASM. [7] [CE] menor que o.45

Tp = Opcional.

4.5 Costo de soldadura

Datos:

Figura 17: Tabla de valor de Pmd. [3]

Figura 18: Tabla de valor de eficiencia de deposicin [3]

-Clculo del costo del material de aporte

-Velocidad de deposicin

Figura 19: Amperaje del electrodo. [5]

Figura 20: Tabla de valor de eficiencia de deposicin. [3]

-Factor de operacin

Figura 21: Tabla de factor de operacin. [3]

-Clculo del costo de la mano de obra

COSTOS

SUELDO400$/160h

DCIMO TERCERO(400$/12mes)/160h

DCIMO CUARTO(354$/12mes)/160h

VACACIONES(400$/24mes)/160h

IESS(400$*11,15%)/160h

E.P.P.(50$/160h)

Figura 22: Tabla de sueldo y beneficios.

- Calculo del costo de mano de obra y gastos generales (M.O. y G.G.)

-Costo energtico

-Costo total de soldadura

4.5 Modelado de la junta 3D en SOLIDWORKS 2012:

Figura 23: Junta tipo L en SolidWorks 2012.

Figura 24: Junta tipo L en SolidWorks 2012.

Figura 25: Cordn de Soldadura en SolidWorks 2012.

Figura 26: Junta tipo L en SolidWorks 2012. 4.6 Anlisis de Fuerzas y esfuerzos por elemento finito en la junta soldada SOLIDWORKS 2012:

Figura 27: Fuerzas en la junta SolidWorks 2012.

Figura 28: Mallado de la junta SolidWorks 2012

Figura 28: Anlisis de esfuerzos SolidWorks 20125 CONCLUSIONES El proceso SMAW, es el ms utilizado en la pequea industria de la ciudad de Ambato.

El proceso no necesita temperatura de precalentamiento.

El costo de la soldadura SMAW conviene ms a producciones en mrgenes pequeos.

Existen herramientas informticas tiles para el diseo de elementos mecnicos.

No se necesita temperatura de precalentamiento porque es un acero fcil de soldar.

Las personas que elaboran los calderos estn supervisadas por un ingeniero mecnico as que el trabajo cumple normas y estndares de calidad.

6 RECOMENDACIONES

Utilizar una soldadora adecuada.

Revisar los elementos de EPP antes del proceso.

Otorgar el puesto de trabajo a un soldador calificado o con vasta experiencia 3 aos como mnimo.

Recurrir a varios proveedores para la compra del material para soldadura, as se podran disminuir costos.

Tener todas las herramientas necesarias para el proceso

Hacer una revisin minuciosa del WPS.

Lo ideal sera que el soldador tenga una velocidad muy rpida de los cordondes de soldadura.

7 BIBLIOGRAFA

[1] NORMA AWS D1.1/D1.1M:2010.

[2] http://www.ferrocortes.com.co/laminas/lamin-calidad-estructural-astm-a36

[3] INDURA S.A. Industria y comercio 2007. Catlogo

[4] Pazos N. (2005), TECNOLOGIA DE LOS METALES Y PROCESOS DE MANUFACTURA. Caracas: Universidad Catlica Andrs Bello.

[5] AGA Manual.2009

[6]https://www.google.com.ec/search?q=diagrama+ttt+acero+1020&espv=2&biw=1366&bih=667&tbm=isch&imgil

[7] Curso de Soldadura, Procesos de fabricacin II. ING. Henry Vaca.

8 ANEXOS