TESIS-SOLDADURA
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ESTUDIO DE LOS PARMETROS QUE AFECTAN LA INTEGRIDAD DE LA
RESISTENCIA A LA TRACCIN Y FLEXIN DE UNA JUNTA SOLDADA
POR FUSIN
ALVEAR TORRES LISMAR DE JESS
MRQUEZ ALARCN JOAN CARLOS
ING. CRISTIAN PEDRAZA YEPEZ
DIRECTOR
ING. LISANDRO VARGAS HENRQUEZ
CODIRECTOR
UNIVERSIDAD DEL ATLNTICO
FACULTAD DE INGENIERA
DEPARTAMENTO DE MECNICA
BARRANQUILLA
2011
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TABLA DE CONTENIDO
1. FICHA TCNICA
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3. JUSTIFICACIN
4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
5. MARCO TERICO
6. PRESUPUESTO
7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
8. DESARROLLO METODOLGICO
9. BIBLIOGRAFA
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Titulo: ESTUDIO DE LOS PARMETROS QUE AFECTAN LA INTEGRIDAD DE LA
RESISTENCIA A LA TRACCIN Y FLEXIN DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIN
Director del Proyecto: Ing. Cristian Pedraza Yepez
Estudiantes Investigadores:
Nombre: Lismar de Jess Alvear Torres
Correo Electrnico: [email protected]
Celular: 3002018564
Estudiante del Programa de Ingeniera Mecnica
Nombre: Joan Carlos Mrquez Alarcn
Correo Electrnico: [email protected]
Celular: 3135350013
Estudiante del Programa de Ingeniera Mecnica
Nmero Total de Investigadores: Dos (2)
Lnea de Investigacin:
Procesos de manufactura y Resistencia de materiales .
Lugar de Ejecucin del proyecto:
Universidad Del Atlntico.
Ciudad: Barranquilla Departamento: Atlntico.
Duracin del Proyecto (en Meses): 4 meses
Nombre de la Instancia a la cual se presenta el Proyecto:
Comit de Proyecto de Grado del Programa de Ingeniera Mecnica de la Universidad del Atlntico.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el programa de ingeniera mecnica de la universidad del atlntico es dictado el
curso procesos de manufactura en el cual se estudian los principal procesos de
fabricacin, conformado y unin de los materiales. Uno de estos importantes procesos
es el llamado proceso de soldadura. De igual manera, aunque existe la ctedra de
resistencia de materiales, no existen experiencias de laboratorio que permitan validar
muchos de los fenmenos de la mecnica como la traccin y la flexin, que son vitales
para el entendimiento del comportamiento mecnico de una junta soldada. Podemos
percibir la falta de conocimiento y poco dominio por parte de los estudiantes en
formacin en dicho proceso.
La situacin se origina a partir de que la facultad de ingeniera no posee un laboratorio
adecuado para la prctica y experimentacin de los distintos tipos de procesos de
soldadura y las pruebas a las cuales esta se somete. Causando as, un vacio al no existir
datos suficientes que ayuden al estudiante a establecer una relacin entre el proceso de
soldadura y las pruebas mecnicas de traccin y flexin.
El proyecto plantea la aplicacin de los conocimientos tericos del proceso de soldadura
y la resistencia mecnica, al grupo de datos generados por la experiencia en el
laboratorio, con el propsito de establecer una conexin entre la emprica y la teora. Al
intentar tender este puente entre ambas, pretendemos establecer relaciones medibles y
perdurables que nos ayuden a comprender de manera cientfica los efectos de los
parmetros de la soldadura sobre su comportamiento.
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3. JUSTIFICACIN
Con el nimo de mejorar cada vez ms las condiciones educativas de la facultad de
ingeniera se ha propuesto esta iniciativa para brindar a los estudiantes de este
prestigioso claustro universitario un estudio sobre los efectos que producen la variacin
de los parmetros de la soldadura en los resultados del ensayo de traccin y flexin,
contribuyendo as con la base de datos tcnica de la facultad, cuya consulta se convierta
en una referencia valiosa para futuras investigaciones.
Adems la experimentacin y la bsqueda de respuestas mediante la combinacin de
datos empricos y tericos es la manera idnea de determinar que variables o parmetros
son los ms relevantes a la hora de establecer causas y efectos de un problema,
abarcando una mayor cantidad de conocimientos llevados a la prctica y de esta forma
garantizar el aproximamiento de stos por parte de los futuros ingenieros.
La ausencia de un mbito propicio para la investigacin ha creado un abismo entre la
enseanza de la tcnica de la soldadura y los principios mecnicos implcitos en sta,
especficamente sobre la traccin y la flexin, ambos fenmenos muy importantes pero
que se estudian de manera separada de la soldadura. Un estudio conjunto del proceso de
soldadura y los ensayos de traccin y flexin traer como frutos un caudal de datos de
inestimable valor para los estudiantes.
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4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar los parmetros que afectan la integridad de la resistencia a la traccin y flexin
de una junta soldada por fusin.
4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS
Identificar parmetros que intervienen en la resistencia de una junta soldada.
Seleccionar el experimento adecuado que refleje de manera clara la relacin
entre los parmetros que intervienen en la resistencia de una junta soldada.
Validar diseo-experimento segn normas internacionales de soldadura.
Obtener y validar un modelo matemtico que muestre una conclusin de los
ensayos y experimentos realizados a una junta soldada.
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5. MARCO TERICO
Antecedentes histricos
El proceso de soldadura por arco elctrico con electrodo revestido que tambin se
conoce como soldadura con electrodo revestido, es uno de los mtodos de soldadura
ms importantes y comunes, ya que con l se pueden soldar metales de distintos tipos y
espesores, en todas las posiciones y con una inversin mnima en equipo. En soldadura
por arco con electrodo revestido, los metales del electrodo recubierto y de la pieza que
se desea soldar quedan unidos al fundirse ambos debido al calor del arco que se forma
entre ellos.
Debido a que su uso est muy extendido y a que su costo es muy bajo, el proceso de
arco elctrico con electrodo revestido se ensea en la mayora de las escuelas tcnicas, y
se utiliza ampliamente en la construccin, manufactura, mantenimiento, en talleres,
refineras y en la industria qumica, farmacutica y elctrica.
Este mtodo de soldadura evoluciono a partir de las tcnicas con electrodo sin
recubrimiento que se utilizaron a fines del siglo XIX y principios del XX. La primera
soldadura por arco se realizo con electrodos de carbn. Entre 1880 y 1900, muchos
inventores realizaron experimentos en relacin con los arcos y la soldadura. Entre ellos
estaban los rusos Nikolai Bernardos y Stanislaus Olszewski, quienes recibieron una de
las primeras patentes britnicas de soldadura, y N. Slavinoff, quien empez a utilizar
electrodos de metal sin recubrimiento en lugar de los electrodos de carbn. Otro
inventor mas fue Charles Lewis Coffin, de Wayne County (Detroit), Michigan, quien
recibi muchas patentes de EE.UU. En una de ellas, Coffin propona la utilizacin de
electrodos sin recubrimiento. En ese entonces, los inventores solan trabajar sin saber lo
que hacan los dems. Sin embargo todos saban que las soldaduras quedaban muy
porosas, no eran de muy buena calidad y, adems, los arcos eran inestables. Las
salpicaduras constituan un problema grave y se requera gran habilidad por parte de los
operarios nicamente para mantener el arco.
Posteriormente se produjo un importante salto tecnolgico. Oscar Kjellberg, un
experimentador sueco, empez a utilizar electrodos con revestimiento. Los primeros
revestimientos, llamados estabilizadores, se usaban para mantener el arco en
funcionamiento. Pronto experimentadores en todo el mundo, comprobaron la utilidad de
trabajar con revestimientos para electrodos. Se comprob que estas capas eran muy
tiles para reducir las salpicaduras, estabilizar el arco, disminuir la porosidad y facilitar
el proceso de soldadura.
Fundamentos del proceso de soldadura por fusin
El sistema de soldadura elctrica con electrodo recubierto se caracteriza, por la creacin
y mantenimiento de un arco elctrico entre una varilla metlica llamada electrodo, y la
pieza a soldar. El electrodo recubierto est constituido por una varilla metlica a la que
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se le da el nombre de alma o ncleo, generalmente de forma cilndrica, recubierta de un
revestimiento de sustancias no metlicas, cuya composicin qumica puede ser muy
variada, segn las caractersticas que se requieran en el uso. El revestimiento puede ser
bsico, rutlico y celulsico. Para realizar una soldadura por arco elctrico se induce una
diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire
entre ellos y pasa a ser conductor, de modo que se cierra el circuito. El calor del arco
funde parcialmente el material de base y funde el material de aporte, el cual se deposita
y crea el cordn de soldadura.
La caracterstica ms importante de la soldadura con electrodos revestidos, en ingls
Shield Metal Arc Welding (SMAW) o Manual Metal Arc Welding (MMAW), es que el
arco elctrico se produce entre la pieza y un electrodo metlico recubierto. El
recubrimiento protege el interior del electrodo hasta el momento de la fusin. Con el
calor del arco, el extremo del electrodo funde y se quema el recubrimiento, de modo que
se obtiene la atmsfera adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido
desde el ncleo del electrodo hasta el bao de fusin en el material base. Adems los
aceros AWS en soldadura sirven para soldaduras de baja resistencia y muy fuertes.
Estas gotas de metal fundido caen recubiertas de escoria fundida procedente de la fusin
del recubrimiento del arco. La escoria flota en la superficie y forma, por encima del
cordn de soldadura, una capa protectora del metal fundido.
Los elementos del proceso son los siguientes:
Plasma: 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 zona alcanza la
mayor temperatura del proceso.
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.
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.
Crter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y
profundidad vendrn dadas por el poder de penetracin del electrodo.
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 el sobre espesor, formado por la parte til del
material de aportacin y parte del metal base, que es lo que compone la
soldadura en s.
Electrodo: Son varillas metlicas preparadas para servir como polo del circuito;
en su extremo se genera el arco elctrico. En algunos casos, sirven tambin
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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:
Funcin elctrica del recubrimiento
Funcin fsica de la escoria
Funcin metalrgica del recubrimiento
Fig. 1 Esquema proceso de soldadura por arco y electrodo revestido.
Funcin elctrica del recubrimiento
La estabilidad del arco para la soldadura depende de una amplia serie de factores como
es la ionizacin del aire para que fluya adecuadamente la electricidad. Para lograr una
buena ionizacin se aaden al revestimiento del electrodo productos qumicos
denominados sales de sodio, potasio y bario los cuales tienen una tensin de ionizacin
baja y un poder termoinico elevado. El recubrimiento, tambin contiene en su
composicin productos como los silicatos, los carbonatos, los xidos de hierro y xidos
de titanio que favorecen la funcin fsica de los electrodos, que facilitan la soldadura en
las diversas posiciones de ejecucin del soldeo.
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Funcin metalrgica de los recubrimientos
Adems de las funciones de estabilizar y facilitar el funcionamiento elctrico del arco y
de contribuir fsicamente a la mejor formacin del cordn, el recubrimiento tiene una
importancia decisiva en la calidad de la soldadura. Una de las principales funciones
metalrgicas de los recubrimientos de los electrodos es proteger el metal de la
oxidacin, primero aislndolo de la atmsfera oxidante que rodea al arco y despus
recubrindolo con una capa de escoria mientras se enfra y solidifica.
Como son los propios electrodos los que aportan el flujo de metal fundido, ser
necesario reponerlos cuando se desgasten. Los electrodos estn compuestos de dos
piezas: el alma y el revestimiento.
El alma o varilla es alambre (de dimetro original 5.5 mm) que se comercializa en rollos
continuos. Tras obtener el material, el fabricante lo decapa mecnicamente (a fin de
eliminar el xido y aumentar la pureza) y posteriormente lo trefila para reducir su
dimetro.
El revestimiento se produce mediante la combinacin de una gran variedad de
elementos (minerales varios, celulosa, mrmol, aleaciones, etc.) convenientemente
seleccionados y probados por los fabricantes, que mantienen el proceso, cantidades y
dosificaciones en riguroso secreto.
La composicin y clasificacin de cada tipo de electrodo est regulada por AWS
(American Welding Society), organismo de referencia mundial en el mbito de la
soldadura.
Este tipo de soldaduras pueden ser efectuados bajo corriente tanto continua como
alterna. En corriente continua el arco es ms estable y fcil de encender y las
salpicaduras son poco frecuentes; en cambio, el mtodo es poco eficaz con soldaduras
de piezas gruesas. La corriente alterna posibilita el uso de electrodos de mayor
dimetro, con lo que el rendimiento a mayor escala tambin aumenta. En cualquier caso,
las intensidades de corriente oscilan entre 10 y 500 amperios.
El factor principal que hace de este proceso de soldadura un mtodo tan til es su
simplicidad y, por tanto, su bajo precio. A pesar de la gran variedad de procesos de
soldadura disponibles, la soldadura con electrodo revestido no ha sido desplazada del
mercado. La sencillez hace de ella un procedimiento prctico; todo lo que necesita un
soldador para trabajar es una fuente de alimentacin, cables, un porta electrodo y
electrodos. El soldador no tiene que estar junto a la fuente y no hay necesidad de utilizar
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gases comprimidos como proteccin. El procedimiento es excelente para trabajos,
reparacin, fabricacin y construccin. Adems, la soldadura SMAW es muy verstil.
Su campo de aplicaciones es enorme: casi todos los trabajos de pequea y mediana
soldadura de taller se efectan con electrodo revestido; se puede soldar metal de casi
cualquier espesor y se pueden hacer uniones de cualquier tipo.
Sin embargo, el procedimiento de soldadura con electrodo revestido no se presta para su
automatizacin o semiautomatizacin; su aplicacin es esencialmente manual. La
longitud de los electrodos es relativamente corta: de 230 a 700 mm. Por tanto, es un
proceso principalmente para soldadura a pequea escala. El soldador tiene que
interrumpir el trabajo a intervalos regulares para cambiar el electrodo y debe limpiar el
punto de inicio antes de empezar a usar electrodo nuevo. Sin embargo, aun con todo
este tiempo muerto y de preparacin, un soldador eficiente puede ser muy productivo.
Propiedades mecnicas de la unin por soldadura por arco
Las propiedades mecnicas de los metales son las cualidades que determinan su
comportamiento cuando se aplica una carga.
Entre las propiedades mecnicas de los metales se incluye la resistencia a la traccin,
elasticidad, ductilidad, dureza, tenacidad y resistencia a la fatiga.
Resistencia a la traccin
La resistencia a la traccin es la propiedad que tiene un metal para soportar las cargas de
traccin o estiramiento. Se mide con una maquina de traccin como se muestra en la
figura.
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El esfuerzo que se necesita para alcanzar el punto de ruptura de un metal (PSI) es una
medida de la resistencia a la traccin de dicho metal. Esta es una prueba destructiva y se
usa normalmente para precisar la resistencia la traccin de las uniones soldadas.
Limite de cedencia
En el transcurso de una prueba de traccin, el metal se empieza a estrechar en algn
lugar. El lmite de cedencia es el esfuerzo requerido para que el material se deforme
permanentemente. La American Welding Society tiene especificaciones en el rengln
de los electrodos de acero al carbono revestidos para soldadura con arco e indica la
resistencia a la traccin y el lmite de resistencia en miles de PSI y la elongacin y la
reduccin del rea en tanto por ciento.
La ductilidad
Esta es la propiedad que hace que un metal pueda estirarse, doblarse o torcerse sin que
se rompa o agriete. Para medir esta caracterstica la muestra se dobla de una manera
controlada y se examina para ver si se forman grietas o roturas.
La maleabilidad
Es una propiedad que tienen los metales de deformarse permanentemente cuando se les
comprime, forja o lamina. Los metales ms dctiles son tambin los mas maleables.
La dureza
La dureza es la capacidad que tiene un metal de oponerse a la penetracin de un
material ms duro. Para medir la dureza se presiona la muestra metlica con una punta
de diamante o un pequeo baln de acero duro.
La tenacidad
Es la capacidad que tiene un metal para soportar una carga sbita sin romperse. Para
medir la tenacidad, se somete la muestra o la probeta a una fuerza repentina.
Previamente se hace una muesca en la muestra para hacer que se parta en ese punto. La
energa que se necesita para romper la probeta es un indicador de la tenacidad del metal.
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6. PRESUPUESTO
cantidad unidad concepto descripcin valor unitario valor total
16 probetas Barras de
acero A36
15.000 240.000
1 reductor 230.000 230.000
4 termocupla 75.000 300.000
4 resistencia 25.000 100.000
1 cono extrusor 350.000 350.000
1 tornillo extrusor 650.000 650.000
transporte de mquina 100.000 100.000
2 resma papelera 8.000 16.000
2 recarga de tinta 8.000 16.000
transcripcin 70.000 70.000
1 galn pintura anticorrosivo 60.000 60.000
1 galn pintura acabado 50.000 50.000
1 alquiler compresor 70.000 70.000
4 galn disolvente 12.000 48.000
5 pliego lija 800 4.000
2 hoja segueta 2.700 5.400
6 ngulo 25.000 150.000
1 kilogramo soldadura 200.000 200.000
E6011 electrodos 4.500 4.500
1 sensor 100.000 100.000
3 kilogramo P.V.C. 66.500 200.000
1 carcasa 250.000 250.000
1 tolva 100.000 100.000
Honorarios
asesores 350.000 350.000
subtotal 3.823.900
imprevistos 150.000
TOTAL 3.973.900
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RUBROS UNIDAD DE
MEDIDA
CANTIDAD A
UTILIZAR
COSTO
UNITARIO
COSTO
TOTAL 1. PRESUPUESTO DE
PERSONAL
1.1. DIRECTOR
1.2. CODIRECTOR
1.3. PERSONAL DE APOYO
1.4. ESTUDIANTES
2. RECURSOS MATERIALES Y LOGSTICOS
2.1. EQUIPOS
2.2. MATERIALES E INSUMOS
2.3. FOTOCOPIAS
2.4. SOFTWARE
2.5. PLANOS Y DIBUJOS
2.6. SERVICIOS TCNICOS
2.7. COMPUTACIN
2.8. FOTOGRAFAS
2.9. MANTENIMIENTO
2.10. CONSTRUCCIONES
2.11. MONTAJES
2.12. IMPRESIONES
2.13. EMPASTES
2.14. PUBLICACIONES
2.15. ADMINISTRACIN
2.16. VIAJES
3. RECURSOS
BIBLIOGRFICOS
(DISCRIMINAR)
4. OTROS (DISCRIMINAR)
TOTAL
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7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Actividades Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5
Das 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7
Revisin Bibliogrfica
Consulta de normas existentes
Estudio de los procesos de ensayos mecnicos: traccin y flexin
Evaluacin de costos
Presentacin de anteproyecto
Fabricacin de probetas
Ensayos de traccin
Ensayos de flexin
Tabulacin y anlisis de datos experimentales
Modelo matemtico
Conclusiones
Presentacin y sustentacin de informe final
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8. DESARROLLO METODOLGICO
Para dominar los temas relacionados con el proceso de soldadura y los ensayos
mecnicos de traccin y flexin. Se realizarn las siguientes actividades:
Llevar a cabo una revisin bibliogrfica de las actuales metodologas para la
aplicacin de ensayos de traccin y flexin, manufactura de materiales
mediante la unin de soldadura por fusin , as como los diferentes tipos de
componentes e instrumentos de medicin a utilizar y elegir, consultando en
los recursos dispuestos como libros, revistas tcnicas y medios virtuales.
Para disear los modelos matemticos en el rea de resistencia de materiales
aplicada a la soldadura por fusin, los clculos y procesos para ser
implementados en el desarrollo del estudio. Se realizarn las siguientes
actividades:
Aplicar y utilizar los conocimientos obtenidos durante la investigacin.
Desarrollar ecuaciones aplicables en cada una de las reas.
Se consultara con docentes y especialistas capacitados en el rea de resistencia
de materiales, materiales de ingeniera, procesos de manufactura, y tcnicos con
extensa experiencia en soldadura.
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9. BIBLIOGRAFA
GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna: materiales,
procesos y sistemas, McGraw Hill Hispanoamericana, 3 ed., Mxico 1997.
KOELLHOFFER, Leonard. Manual de soldadura. Limusa Noriega Editores, 1
ed., Mxico 2007.
KALPAKJIAN, Serope; SCHMID, Steven R. Manufactura, ingeniera y
tecnologa. Pearson Prentice Hall, 5 ed., Mxico 2008.
http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura
http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura_por_arco