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ESTUDIO DE LOS PARÁMETROS QUE AFECTAN LA INTEGRIDAD DE LA
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y FLEXIÓN DE UNA JUNTA SOLDADA
POR FUSIÓN
ALVEAR TORRES LISMAR DE JESÚS
MÁRQUEZ ALARCÓN JOAN CARLOS
ING. CRISTIAN PEDRAZA YEPEZ
DIRECTOR
ING. LISANDRO VARGAS HENRÍQUEZ
CODIRECTOR
UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA
BARRANQUILLA
2011
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TABLA DE CONTENIDO
1. FICHA TÉCNICA
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3. JUSTIFICACIÓN
4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
5. MARCO TEÓRICO
6. PRESUPUESTO
7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
8. DESARROLLO METODOLÓGICO
9. BIBLIOGRAFÍA
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Titulo: ESTUDIO DE LOS PARÁMETROS QUE AFECTAN LA INTEGRIDAD DE LA
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Y FLEXIÓN DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIÓN
Director del Proyecto: Ing. Cristian Pedraza Yepez
Estudiantes Investigadores:
Nombre: Lismar de Jesús Alvear Torres
Correo Electrónico: [email protected]
Celular: 3002018564
Estudiante del Programa de Ingeniería Mecánica
Nombre: Joan Carlos Márquez Alarcón
Correo Electrónico: [email protected]
Celular: 3135350013
Estudiante del Programa de Ingeniería Mecánica
Número Total de Investigadores: Dos (2)
Línea de Investigación:
Procesos de manufactura y Resistencia de materiales .
Lugar de Ejecución del proyecto:
Universidad Del Atlántico.
Ciudad: Barranquilla Departamento: Atlántico.
Duración del Proyecto (en Meses): 4 meses
Nombre de la Instancia a la cual se presenta el Proyecto:
Comité de Proyecto de Grado del Programa de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Atlántico.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el programa de ingeniería mecánica de la universidad del atlántico es dictado el
curso procesos de manufactura en el cual se estudian los principal procesos de
fabricación, conformado y unión de los materiales. Uno de estos importantes procesos
es el llamado proceso de soldadura. De igual manera, aunque existe la cátedra de
resistencia de materiales, no existen experiencias de laboratorio que permitan validar
muchos de los fenómenos de la mecánica como la tracción y la flexión, que son vitales
para el entendimiento del comportamiento mecánico de una junta soldada. Podemos
percibir la falta de conocimiento y poco dominio por parte de los estudiantes en
formación en dicho proceso.
La situación se origina a partir de que la facultad de ingeniería no posee un laboratorio
adecuado para la práctica y experimentación de los distintos tipos de procesos de
soldadura y las pruebas a las cuales esta se somete. Causando así, un vacio al no existir
datos suficientes que ayuden al estudiante a establecer una relación entre el proceso de
soldadura y las pruebas mecánicas de tracción y flexión.
El proyecto plantea la aplicación de los conocimientos teóricos del proceso de soldadura
y la resistencia mecánica, al grupo de datos generados por la experiencia en el
laboratorio, con el propósito de establecer una conexión entre la empírica y la teoría. Al
intentar tender este puente entre ambas, pretendemos establecer relaciones medibles y
perdurables que nos ayuden a comprender de manera científica los efectos de los
parámetros de la soldadura sobre su comportamiento.
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3. JUSTIFICACIÓN
Con el ánimo de mejorar cada vez más las condiciones educativas de la facultad de
ingeniería se ha propuesto esta iniciativa para brindar a los estudiantes de este
prestigioso claustro universitario un estudio sobre los efectos que producen la variación
de los parámetros de la soldadura en los resultados del ensayo de tracción y flexión,
contribuyendo así con la base de datos técnica de la facultad, cuya consulta se convierta
en una referencia valiosa para futuras investigaciones.
Además la experimentación y la búsqueda de respuestas mediante la combinación de
datos empíricos y teóricos es la manera idónea de determinar que variables o parámetros
son los más relevantes a la hora de establecer causas y efectos de un problema,
abarcando una mayor cantidad de conocimientos llevados a la práctica y de esta forma
garantizar el aproximamiento de éstos por parte de los futuros ingenieros.
La ausencia de un ámbito propicio para la investigación ha creado un abismo entre la
enseñanza de la técnica de la soldadura y los principios mecánicos implícitos en ésta,
específicamente sobre la tracción y la flexión, ambos fenómenos muy importantes pero
que se estudian de manera separada de la soldadura. Un estudio conjunto del proceso de
soldadura y los ensayos de tracción y flexión traerá como frutos un caudal de datos de
inestimable valor para los estudiantes.
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4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar los parámetros que afectan la integridad de la resistencia a la tracción y flexión
de una junta soldada por fusión.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar parámetros que intervienen en la resistencia de una junta soldada.
Seleccionar el experimento adecuado que refleje de manera clara la relación
entre los parámetros que intervienen en la resistencia de una junta soldada.
Validar diseño-experimento según normas internacionales de soldadura.
Obtener y validar un modelo matemático que muestre una conclusión de los
ensayos y experimentos realizados a una junta soldada.
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5. MARCO TEÓRICO
Antecedentes históricos
El proceso de soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido que también se
conoce como soldadura con electrodo revestido, es uno de los métodos de soldadura
más importantes y comunes, ya que con él se pueden soldar metales de distintos tipos y
espesores, en todas las posiciones y con una inversión mínima 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 está muy extendido y a que su costo es muy bajo, el proceso de
arco eléctrico con electrodo revestido se enseña en la mayoría de las escuelas técnicas, y
se utiliza ampliamente en la construcción, manufactura, mantenimiento, en talleres,
refinerías y en la industria química, farmacéutica y eléctrica.
Este método de soldadura evoluciono a partir de las técnicas 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 carbón. Entre 1880 y 1900, muchos
inventores realizaron experimentos en relación con los arcos y la soldadura. Entre ellos
estaban los rusos Nikolai Bernardos y Stanislaus Olszewski, quienes recibieron una de
las primeras patentes británicas de soldadura, y N. Slavinoff, quien empezó a utilizar
electrodos de metal sin recubrimiento en lugar de los electrodos de carbón. Otro
inventor mas fue Charles Lewis Coffin, de Wayne County (Detroit), Michigan, quien
recibió muchas patentes de EE.UU. En una de ellas, Coffin proponía la utilización de
electrodos sin recubrimiento. En ese entonces, los inventores solían trabajar sin saber lo
que hacían los demás. Sin embargo todos sabían que las soldaduras quedaban muy
porosas, no eran de muy buena calidad y, además, los arcos eran inestables. Las
salpicaduras constituían un problema grave y se requería gran habilidad por parte de los
operarios únicamente para mantener el arco.
Posteriormente se produjo un importante salto tecnológico. Oscar Kjellberg, un
experimentador sueco, empezó 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 comprobó que estas capas eran muy
útiles para reducir las salpicaduras, estabilizar el arco, disminuir la porosidad y facilitar
el proceso de soldadura.
Fundamentos del proceso de soldadura por fusión
El sistema de soldadura eléctrica con electrodo recubierto se caracteriza, por la creación
y mantenimiento de un arco eléctrico entre una varilla metálica llamada electrodo, y la
pieza a soldar. El electrodo recubierto está constituido por una varilla metálica a la que
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se le da el nombre de alma o núcleo, generalmente de forma cilíndrica, recubierta de un
revestimiento de sustancias no metálicas, cuya composición química puede ser muy
variada, según las características que se requieran en el uso. El revestimiento puede ser
básico, rutílico y celulósico. Para realizar una soldadura por arco eléctrico 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 cordón de soldadura.
La característica más importante de la soldadura con electrodos revestidos, en inglés
Shield Metal Arc Welding (SMAW) o Manual Metal Arc Welding (MMAW), es que el
arco eléctrico se produce entre la pieza y un electrodo metálico recubierto. El
recubrimiento protege el interior del electrodo hasta el momento de la fusión. Con el
calor del arco, el extremo del electrodo funde y se quema el recubrimiento, de modo que
se obtiene la atmósfera adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido
desde el núcleo del electrodo hasta el baño de fusión en el material base. Además 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 fusión
del recubrimiento del arco. La escoria flota en la superficie y forma, por encima del
cordón de soldadura, una capa protectora del metal fundido.
Los elementos del proceso son los siguientes:
Plasma: Está compuesto por electrones que transportan la corriente y que van
del polo negativo al positivo, de iones metálicos que van del polo positivo al
negativo, de átomos gaseosos que se van ionizando y estabilizándose conforme
pierden o ganan electrones, y de productos de la fusión tales como vapores que
ayudarán a la formación de una atmósfera protectora. Esta zona alcanza la
mayor temperatura del proceso.
Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que
éste, formada por átomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por
la combustión del revestimiento del electrodo. Otorga al arco eléctrico su forma
cónica.
Baño de fusión: La acción calorífica del arco provoca la fusión del material,
donde parte de éste se mezcla con el material de aportación del electrodo,
provocando la soldadura de las piezas una vez solidificado.
Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y
profundidad vendrán dadas por el poder de penetración del electrodo.
Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material de
aportación del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria,
compuesta por impurezas que son segregadas durante la solidificación y que
posteriormente son eliminadas, y el sobre espesor, formado por la parte útil del
material de aportación y parte del metal base, que es lo que compone la
soldadura en sí.
Electrodo: Son varillas metálicas preparadas para servir como polo del circuito;
en su extremo se genera el arco eléctrico. En algunos casos, sirven también
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como material fundente. La varilla metálica a menudo va recubierta por una
combinación de materiales que varían de un electrodo a otro. El recubrimiento
en los electrodos tiene diversa funciones, éstas pueden resumirse en las
siguientes:
Función eléctrica del recubrimiento
Función física de la escoria
Función metalúrgica del recubrimiento
Fig. 1 Esquema proceso de soldadura por arco y electrodo revestido.
Función eléctrica del recubrimiento
La estabilidad del arco para la soldadura depende de una amplia serie de factores como
es la ionización del aire para que fluya adecuadamente la electricidad. Para lograr una
buena ionización se añaden al revestimiento del electrodo productos químicos
denominados sales de sodio, potasio y bario los cuales tienen una tensión de ionización
baja y un poder termoiónico elevado. El recubrimiento, también contiene en su
composición productos como los silicatos, los carbonatos, los óxidos de hierro y óxidos
de titanio que favorecen la función física de los electrodos, que facilitan la soldadura en
las diversas posiciones de ejecución del soldeo.
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Función metalúrgica de los recubrimientos
Además de las funciones de estabilizar y facilitar el funcionamiento eléctrico del arco y
de contribuir físicamente a la mejor formación del cordón, el recubrimiento tiene una
importancia decisiva en la calidad de la soldadura. Una de las principales funciones
metalúrgicas de los recubrimientos de los electrodos es proteger el metal de la
oxidación, primero aislándolo de la atmósfera oxidante que rodea al arco y después
recubriéndolo con una capa de escoria mientras se enfría y solidifica.
Como son los propios electrodos los que aportan el flujo de metal fundido, será
necesario reponerlos cuando se desgasten. Los electrodos están compuestos de dos
piezas: el alma y el revestimiento.
El alma o varilla es alambre (de diámetro original 5.5 mm) que se comercializa en rollos
continuos. Tras obtener el material, el fabricante lo decapa mecánicamente (a fin de
eliminar el óxido y aumentar la pureza) y posteriormente lo trefila para reducir su
diámetro.
El revestimiento se produce mediante la combinación de una gran variedad de
elementos (minerales varios, celulosa, mármol, aleaciones, etc.) convenientemente
seleccionados y probados por los fabricantes, que mantienen el proceso, cantidades y
dosificaciones en riguroso secreto.
La composición y clasificación de cada tipo de electrodo está regulada por AWS
(American Welding Society), organismo de referencia mundial en el ámbito de la
soldadura.
Este tipo de soldaduras pueden ser efectuados bajo corriente tanto continua como
alterna. En corriente continua el arco es más estable y fácil de encender y las
salpicaduras son poco frecuentes; en cambio, el método es poco eficaz con soldaduras
de piezas gruesas. La corriente alterna posibilita el uso de electrodos de mayor
diámetro, con lo que el rendimiento a mayor escala también 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 método tan útil 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 práctico; todo lo que necesita un
soldador para trabajar es una fuente de alimentación, 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 protección. El procedimiento es excelente para trabajos,
reparación, fabricación y construcción. Además, la soldadura SMAW es muy versátil.
Su campo de aplicaciones es enorme: casi todos los trabajos de pequeña y mediana
soldadura de taller se efectúan 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
automatización o semiautomatización; su aplicación 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 pequeña 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 preparación, un soldador eficiente puede ser muy productivo.
Propiedades mecánicas de la unión por soldadura por arco
Las propiedades mecánicas de los metales son las cualidades que determinan su
comportamiento cuando se aplica una carga.
Entre las propiedades mecánicas de los metales se incluye la resistencia a la tracción,
elasticidad, ductilidad, dureza, tenacidad y resistencia a la fatiga.
Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción es la propiedad que tiene un metal para soportar las cargas de
tracción o estiramiento. Se mide con una maquina de tracción 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 tracción de dicho metal. Esta es una prueba destructiva y se
usa normalmente para precisar la resistencia la tracción de las uniones soldadas.
Limite de cedencia
En el transcurso de una prueba de tracción, el metal se empieza a estrechar en algún
lugar. El límite de cedencia es el esfuerzo requerido para que el material se deforme
permanentemente. La American Welding Society tiene especificaciones en el renglón
de los electrodos de acero al carbono revestidos para soldadura con arco e indica la
resistencia a la tracción y el límite de resistencia en miles de PSI y la elongación y la
reducción del área 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 característica 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 más dúctiles son también los mas maleables.
La dureza
La dureza es la capacidad que tiene un metal de oponerse a la penetración de un
material más duro. Para medir la dureza se presiona la muestra metálica con una punta
de diamante o un pequeño balín de acero duro.
La tenacidad
Es la capacidad que tiene un metal para soportar una carga súbita 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
energía que se necesita para romper la probeta es un indicador de la tenacidad del metal.
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6. PRESUPUESTO
cantidad unidad concepto descripción 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 máquina 100.000 100.000
2 resma papelería 8.000 16.000
2 recarga de tinta 8.000 16.000
transcripción 70.000 70.000
1 galón pintura anticorrosivo 60.000 60.000
1 galón pintura acabado 50.000 50.000
1 alquiler compresor 70.000 70.000
4 galón disolvente 12.000 48.000
5 pliego lija 800 4.000
2 hoja segueta 2.700 5.400
6 ángulo 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 LOGÍSTICOS
2.1. EQUIPOS
2.2. MATERIALES E INSUMOS
2.3. FOTOCOPIAS
2.4. SOFTWARE
2.5. PLANOS Y DIBUJOS
2.6. SERVICIOS TÉCNICOS
2.7. COMPUTACIÓN
2.8. FOTOGRAFÍAS
2.9. MANTENIMIENTO
2.10. CONSTRUCCIONES
2.11. MONTAJES
2.12. IMPRESIONES
2.13. EMPASTES
2.14. PUBLICACIONES
2.15. ADMINISTRACIÓN
2.16. VIAJES
3. RECURSOS
BIBLIOGRÁFICOS
(DISCRIMINAR)
4. OTROS (DISCRIMINAR)
TOTAL
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7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Actividades Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5
Días 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
Revisión Bibliográfica
Consulta de normas existentes
Estudio de los procesos de ensayos mecánicos: tracción y flexión
Evaluación de costos
Presentación de anteproyecto
Fabricación de probetas
Ensayos de tracción
Ensayos de flexión
Tabulación y análisis de datos experimentales
Modelo matemático
Conclusiones
Presentación y sustentación de informe final
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8. DESARROLLO METODOLÓGICO
Para dominar los temas relacionados con el proceso de soldadura y los ensayos
mecánicos de tracción y flexión. Se realizarán las siguientes actividades:
Llevar a cabo una revisión bibliográfica de las actuales metodologías para la
aplicación de ensayos de tracción y flexión, manufactura de materiales
mediante la unión de soldadura por fusión , así como los diferentes tipos de
componentes e instrumentos de medición a utilizar y elegir, consultando en
los recursos dispuestos como libros, revistas técnicas y medios virtuales.
Para diseñar los modelos matemáticos en el área de resistencia de materiales
aplicada a la soldadura por fusión, los cálculos y procesos para ser
implementados en el desarrollo del estudio. Se realizarán las siguientes
actividades:
Aplicar y utilizar los conocimientos obtenidos durante la investigación.
Desarrollar ecuaciones aplicables en cada una de las áreas.
Se consultara con docentes y especialistas capacitados en el área de resistencia
de materiales, materiales de ingeniería, procesos de manufactura, y técnicos con
extensa experiencia en soldadura.
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9. BIBLIOGRAFÍA
GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna: materiales,
procesos y sistemas, McGraw Hill Hispanoamericana, 3ª ed., México 1997.
KOELLHOFFER, Leonard. Manual de soldadura. Limusa Noriega Editores, 1°
ed., México 2007.
KALPAKJIAN, Serope; SCHMID, Steven R. Manufactura, ingeniería y
tecnología. Pearson Prentice Hall, 5° ed., México 2008.
http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura
http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura_por_arco