TP6 SOLDADURA

7/26/2019 TP6 SOLDADURA

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES

FACULTAD DE INGENIERIA

TRABAJO PRACTICO N 6

TEMA:SOLDADURA

Alumnos: Correa, Roberto

Del Puerto, Oscar

Schowierski, Diego

Yanke, Omar

MECANISMOS Y ELEMENTOS DE MAQUINAS. VB:

Introduccin:

Algunas de las ventajas de las uniones por soldadura son la eliminacin de sujetadores mltiples y la

adaptabilidad para el ensamble rpido con mquina.

La soldadura es un proceso de unin (directa o con metal de aporte). Generalmente es utilizada cuando

las piezas a unir son de seccin delgada.

Tipos de soldaduras:

- Combustin (gas + oxigeno)

- Elctrica Arco

InduccinResistencia

Durante el soldado las diversas partes se mantienen firmemente en contacto.El proceso de soldadura es especificado con precisin utilizando smbolos normales de soldadura, tal

como se muestra en la figura N 1:

Figura N 1: tipos de soldadura

Fuente: Norton 4 Edicin

Figura N 2: smbolos de soldadura

Fuente: Shigley 8 edicin

La flecha del extremo del smbolo seala la junta de las piezas por soldar. El cuerpo del smbolocontiene tantos elementos como se juzgue necesario, se puede poner: lnea base, cabeza de flecha, tipo

de soldaduras (smbolos bsicos), dimensiones, smbolos complementarios, acabados, proceso.

Para elementos de mquinas, la mayora de las uniones soldadas son del tipo de traslape o de filete, las

juntas a tope se usan mucho en el diseo de recipientes sometidos a presin.


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Como se emplea calor en el proceso de soldadura, existe una posibilidad de cambios metalrgicos en

el metal de las piezas a soldar en la cercana de la junta. Tambin pueden introducirse esfuerzos

remanentes o residuales debido a la sujecin, pero generalmente estas carecen de importancia y se los

eliminan con un tratamiento trmico posterior. En piezas gruesas es conveniente un calentamientoprevio antes de soldar.

Figura N 3: Smbolos bsicos de soldadura

Fuente: Norton 4 edicin

Juntas a tope y a traslape o de filete

Figura N 4: Unin a tope

Fuente: Norte 4 edicin

En la figura N 4 se muestra una junta con ranura en v sometida a una carga de tensin F. Para

cargas de tensin o de compresin el esfuerzo medio es: El refuerzo sirve para compensar grietas o huecos en las juntas, pero este origina concentracin deesfuerzos en A. Si existen cargas de fatiga una buena prctica es esmerilar o eliminar a mquina 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 Edicin

La figura N 5 corresponde a una junta de traslape doble con dos listones o filetes transversales. Para

determinar la distribucin de esfuerzos en la junta, se basa el tamao de la junta en el rea de la

garganta DB.

El rea de la garganta es: El esfuerzo es:

Este esfuerzo puede dividirse en un esfuerzo cortante y en unonormal. Ambas son iguales por ser calculadas en la garganta.


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Mediante el Crculo de Mohr se determinan los esfuerzos mximos.

Generalmente en el diseo se acostumbra basar el esfuerzo cortante en el rea de la garganta. Entoncesel esfuerzo medio es: que es 1,26 veces mayor.Torsin en uniones soldadas:

Figura N 6: torsin en unin soldada

Fuente: Shigley 10 Edicin

La figura N 6 muestra un voladizo unido a una columna por traslape con dos soldaduras paralelas de

filete. La reaccin en el soporte constituye en una fuerza cortante F y un momento M.

La fuerza F produce un cortante primario en las juntas:

Dnde:

F: fuerza cortanteA: rea de garganta de todas las soldaduras

El momento produce un cortante secundario o torsin en las juntas: Dnde:

r: distancia entre el centroide de juntas y un punto de inters.

J: es el segundo momento polar de rea del grupo de juntas con respecto al centroide.Los resultados han de combinarse para evaluar el esfuerzo cortante mximo. Si se considera que el

ancho de la soldadura es igual a la unidad, esto conduce a considerar como una simple recta a cadafilete. Por lo que entonces el segundo momento de rea resultante es un segundo momento polar de

rea unitario. La ventaja de considerarlo como una recta, es que el valor de Ju es el mismo,

independientemente del tamao de la junta.

La relacin entre J y el valor unitario Ju es Cuando las juntas se tienen en grupos deber emplearse la frmula de trasferencia para J usi la carga

est en el plano de las juntas, la conexin soldada est sujeta a torsin

Flexin en uniones soldadas:

Figura N 7: flexin unin soldada

Fuente: Shigley 10 edicin


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En el voladizo de la figura N 7 se tiene como reaccin una fuerza F y un momento M. la fuerza

cortante F produce un esfuerzo cortante primario: El momento produce un esfuerzo normal por flexin en las juntas. Suponiendo que el esfuerzo acta

en forma perpendicular al rea de la garganta se tiene:

Siendo el segundo momento de rea:

Donde: Entonces: Mediante el crculo de Mohr se podr evaluar los esfuerzos principales y el cortante mximo.

Considerar las juntas de soldaduras como lneas produce resultados ms conservadores. si la carga

esta fuera del plano de las juntas, se producir flexin en las juntas

Resistencia de las uniones soldadas:

Las propiedades mecnicas de los electrodos no son tomadas tan en cuenta como lo son la rapidez y el

aspecto de la unin terminada. Generalmente el material del electrodo es a menudo el ms resistente.

Para la unin de materiales distintos se elige el electrodo en funcin de la menor resistencia. El sistemade designacin numrica de los electrodos segn el cdigo de especificaciones de la AWS, utiliza un

prefijo literal E con un grupo de cuatro o cinco dgitos E120XX, los dos o tres primeros indican laresistencia aproximada a la tensin, el ltimo indica variantes en la tcnica de soldadura, como la

corriente elctrica. El penltimo seala la posicin de la junta o de soldado (horizontal/vertical o sobrecabeza).

Fatiga en uniones soldadas: los factores que afectan desfavorablemente a la resistencia a la fatiga de

una soldadura puede ser: la falta de penetracin del metal de la soldadura, grietas por contraccin,

escoria y otras inclusiones, porosidad y bolsas de gas.

Generalmente para considerar la fatiga se sugiere usar los factores de reduccin de la resistencia a la

fatiga Kf 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 cordn de soldadura, para cargasestticas esto puede ser bueno pero para cargas variables no, por lo que es bueno esmerilar el cordn.Soladura elctrica de resistencia: se llama as al efecto de calentamiento, fusin y unin que resultan

cuando pasa una corriente elctrica por varias partes que se mantienen sujetas a presin entre s. Lasoldadura de puntas y la de tramos o costura son los dos tipos de esta clase de unin. Las ventajas de

esta son la rapidez, la regulacin exacta del tiempo y del grado de calor, la uniformidad de junta y de

las propiedades mecnicas resultantes, la eliminacin del uso de varillas del metal de aporte y de

fundentes, y es ms fcil de automatizar.

Figura N 8: soldadura de punto y costura

Fuente: Shigley 10 edicinLas 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 unin adherente. Estos procedimientos de unin pueden ser:

- Soldadura de aporte fuerte: los elementos a unir se calienta a ms de 425C con el objeto de

que el material de aporte fluya hacia el espacio libre por efecto de accin 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 mecnicas de los materiales base, permite unir

materiales de distintas naturaleza.

-


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- 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 unin se utiliza para

adherir lminas metlicas.

- 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 habr mayor economa cuando se utiliza la soldadura en fabricaciones individualesde piezas, para fabricaciones en serie resulta ms econmica la construccin por fundicin.

Algunos de las desventajas en uniones soldadas es la imposibilidad de desarme, una calidad difcil

de comprobar, y se deber tener habilidad en su ejecucin.

Las aplicaciones de soldadura pueden ser: uniones de piezas, reparacin de fisuras y fracturas,

restitucin de dimensiones con rellenos, refuerzos aporte de aleaciones especiales.

PROBLEMA N1

La estructura soldada de la figura est sometida a una fuerza alternante F. La barra de acero AISI 1010

laminado en caliente es de 10 mm de espesor. El soporte vertical tambin es de acero 1010. Elelectrodo es E6010. Estime la carga de fatiga F que la barra soportar si se emplean t res soldaduras de

filete de 6 mm.

Consideraciones a tener en cuenta.

Los materiales son homogneos y cumplen con la ley de Hooke.

La Fuerza produce una carga de alternante pura. m= 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. Pg. 1020. Shigley.

Sut= 320 MPa.Sy= 180 MPa.

Para el electrodo E6010. De tabla 9-3. Pg. 472. Shigley.

Sy= 345 MPaSut= 427 MPa

Para calcular el rea de garganta debemos tener en cuenta el tipo de soldadura.

El rea de garganta ser para nuestro caso:

= 0,707 (2 + ) = 0,707 (6) (2 60+ 50) = 721 2


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Para el clculo del lmite de resistencia a la fatiga del elemento mecnico se utiliza la Formula

de Marn que est dada de la siguiente manera:

= Dado que el material de aporte es ms resistente que el material base, analizamos la frmula de Marn

para el material ms comprometido, que ser el material base.

Factor de superficie Ka. De la tabla 6-2. Pg. 280. Shigley 8 Edicin. Para el acero laminado en caliente tenemos que:

Factor de tamao Kb.

En nuestro caso de aplicamos una carga axial de traccin, por lo tanto se utiliza un de factor de tamao

de:

Factor de carga Kc.

El factor de carga para corte promedio:

= 0,59

Tabla 6-26. Pg. 282. Shigley.

Factor de temperatura Kd.

Como no conocemos las condiciones de temperatura de operacin, tomamos como referencia la

temperatura ambiente, dando un valor de factor de temperatura de:

= 1 Factor de efectos diversos Ke.

donde kfes un factor de concentracin de esfuerzos, segn el tipo de soldadura, cuyo valor se

obtiene de la Tabla 9-5. Pg. 472. Shigley 8 edicin:

Por lo tanto: Lmite de resistencia a fatiga de la probeta con Sut< 1400 MPa.

Reemplazando los valores obtenidos en la ecuacin de Marn tenemos que el lmite deresistencia a la fatiga ser


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La carga de fatiga que la barra soportar utilizando el criterio de Goodman es:

donde Pero:

Por tratarse de una carga alternante pura.n = factor de seguridad adoptado = 3Por lo tanto: Teniendo en cuenta que , la carga de fatiga que soporta la barra ser de:

PROBLEMA N2

Un voladizo soldado esta hecho de una barra de acero 1015CD, soldado con electrodo E6010. El factor

de diseo empleado es de 1.75. Verificar si es adecuado el voladiza cuando se la carga con 800lb.

Consideraciones a tener en cuenta


Primeramente obtuvimos las propiedades del material de la barra y del electrodo.

Para las barras de acero de material AISI 1015 CD. De tabla A-20. Pg. 1020. Shigley.

Sut= 390 MPa.Sy= 320 MPa.

Para el electrodo E6010. De tabla 9-3. Pg. 472. Shigley.

Sy= 345 MPa


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Sut= 427 MPa


De tabla 9-2, Pg. 470. Shigley. Obtuvimos para nuestro caso el rea de garganta como el de la

siguiente figura:

Dnde:d = 2 pulg = 50,8 mm.

b = pulg = 12,7 mm.h = 3/8 pulg = 9,52 mm.

El rea de garganta ser:

La fuerza actuante de 800 Lb produce en la soldadura un esfuerzo cortante primario debido al corte, yotro 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 ser de:

La carga cortante secundaria en la soldadura ser de:

Dnde:

r = distancia al punto ms 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 ser:

El esfuerzo cortante total sobre la soldadura ser:


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Para hallar un factor de seguridad debemos transformar la tensin de fluencia para carga de

tensin 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 diseo, por lo tanto concluimos

que la soldadura resiste la carga aplicada.

PROBLEMA N3

Una barra de acero de 3/4 pulg de espesor, usada como viga, est soldada a un soporte verticalmediante dos soladuras de filete, como se ilustra en la figura.

a) Calcule la fuerza de flexin segura F si el esfuerzo cortante permisible en las soldaduras es de20 kpsi.

b) En el inciso a) se determin una expresin simple de F, en trminos 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.



La fuerza actuante es una carga esttica.

a)

La fuerza actuante Fproduce en la soldadura un esfuerzo de torsin. A su vez tambin 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 baricentro de la

soldadura.


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De tabla 9-2, Pg. 470. Shigley. Obtuvimos para nuestro caso el rea de garganta como el de la

siguiente figura:

Dnde:

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


La carga cortante primaria en la soldadura ser de:


Dnde:

r = distancia al punto ms alejado de la soldadura.

Mo= momento aplicado en el centroide de la soldadura debido a F.

I = momento de inercia en la garganta.


Momento de Inercia unitario Iu. Tabla 9-1. Pg. 466. Shigley

Por lo tanto:

La distancia al punto ms alejado de la soldadura, r ser:


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El momento debido a F aplicado en el centroide es:

El esfuerzo total aplicado a la soldadura, en modulo ser:

||

( )

Dnde:

Reemplazando los valores anteriores tenemos que:

[ ]

Concluimos que la fuerza de flexin segura que hace que la soldadura soporte los esfuerzos 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. Pg. 473. ShigleySut= 482 MPa. Sy= 393 MPa Tabla 9 5. Pg. 472. Shigley

Para la barra de acero 1020 HR.

Sut= 380 MPa. Sy= 210 MPa. Tabla A-20. Pg. 1020. Shigley.

Para la barra de acero 1015 HR.Sut= 340 MPa. Sy = 190 MPa Tabla A-20. Pg. 1020. Shigley

De lo anterior vemos que el material ms frgil de la estructura corresponde a la barra de acero 1015

HR, por lo tanto ser la que menos resista el esfuerzo cortante.

El esfuerzo cortante permisible sobre la barra 1015 ser.

Como , seleccionamos el de menor valor, por lo tanto la fuerza admisible ser de:


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PROBLEMA N4La fuerza aplicada F = 300kg, el material con el que est construido la pieza es acero AISI 1010. El

cordn de la soldadura es de 5mm, seleccione el electrodo y determine el esfuerzo producido.

Consideraciones a tener en cuenta.

La fuerza aplicada sobre la biela produce solo un esfuerzo secundario debido al momentoflector.

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 homogneos y cumplen con la ley de Hooke.

La fuerza aplicada a cada junta ser la mitad de la fuerza total, debido a que tenemos doscordones de soldadura.


Dnde:

r = distancia al punto ms alejado de la soldadura.

M = momento aplicado en la soldadura debido a la fuerza.

J = momento de inercia en la garganta.


Momento de Inercia unitario Ju. Tabla 9-1. Pg. 466. Shigley

Entonces: El momento debido a F aplicado en el centroide es:


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El esfuerzo cortante sobre el metal 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. Pg. 473. Shigley, tenemos que el electrodo seleccionado ser el: PROBLEMA N5

Una barra de acero cuyas dimensiones son 40mm x 40mm x 8mm soporta una carga P = 250kg,

especificar las dimensiones del cordn de soldadura. El electrodo utilizado es E70XX.



La fuerza F acta en la direccin vertical y produce sobre la soldadura un esfuerzo de

tensin.

Consideramos que la barra es de acero 1010 HR

De tabla 93. Pg. 472. Shigley. obtenemos las propiedades del electrodo E70xx.

Sut= 482 MPa

Sy= 393 MPa


Donde.

b = d = 40 mm = 0,04 m.


el esfuerzo sobre la soldadura ser:


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De tabla 9-4. Pg. 472. Shigley, tenemos para un tipo de soldadura a tope y carga de tensin:

Sy= Acero 1010 = 180 MPa.

Por lo tanto tenemos que:

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