Diseño de Piezas Soldadas

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL GRAL. PACHECO

Departamento de Ingeniera Mecnica. Ctedra: Diseo Mecnico. Profesor Titular: Ing. Juan A. Fructuoso. Jefe T. P.: Ing. Alfredo Ramos.

Curso: 3 ao de Ingeniera Mecnica.

TEMA: DISEO DE PIEZAS SOLDADAS

Bibliografa consultada: 1) Manual de soldadura - L. Koellhoffer, A. Manz, E. Hornberger - Limusa 2) Catlogo General de consumibles para soldadura - Conarco S.A. 3) Dibujo de Ingeniera y Tecnologa Grfica - T. French, C. J. Vieerck - Mc. Graw Hill 4) Estudio de las formas constr. p/la fabric. de mq. y aparatos - H. Rognitz, G. Kohler 5) Drawing Requierements Manual - J. Lieblich - Bishop Graphics 6) Ingeniera de Diseo - P. Orlov - Mir 7) Tratado terico prctico de elementos de mquinas - Dr. Ing. G. Niemann - Labor 8) Proyecto de elementos de mquinas - M. F. Spotts - Revert 9) Tratado general de soldadura - P. Schimpke, H. A. Horn, J. Ruge - Gustavi Gili 10) Manual de la tec. de la soldadura elctr. por arco - Dr. Ing. H. Helmut Koch - Revert 11) Metal Handbook Welding and Brazing - American Society for Metals

Las notas presentes fueron elaboradas por el Ing. Juan A. Fructuoso, junto con la colaboracin del Ing. Alfredo Ramos durante el ao 2006, las mismas son publicadas para servir de gua de estudio a los alumnos. Ing. Juan A. Fructuoso, Noviembre de 2006.

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U.T.N. F.R.G.P. DISEO DE PIEZAS SOLDADAS Ing. Juan A. Fructuoso

DISEO MECANICO 2006 2 de 124

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7 Recomendaciones de diseo para piezas soldadas DISEO Pobre / malo Mejorado / bien REGLAS DE DISEO

SOLDADURAS POR ARCO

1 - DESCARGAR COSTURAS Trasladar las cargas al material macizo, dejando a la costura, la funcin de unin. Cambiando la disposicin, las soldaduras sometidas a traccin (1) y corte (3), quedan descargadas (2,4). 2 - AUMENTAR LA RESISTENCIA AL CORTE (cizallamiento)

Para una brida soldada a un eje y sometida a un momento torsor, soldar todo alrededor sobre el mayor dimetro posible (8 y 9). Para soldaduras bien hechas, no son necesarios los ajustes precisos (7) o roscados (6). 3- EVITAR CARGAS DE FLEXION (Transformarlas en compresin o corte).

En el sistema de cierre del recipiente a presin (interior), las soldaduras cargadas a flexin y corte, se pueden llegar a descargar (10, 11).

Para el vstago solicitado a flexin (11),se mejora la unin, encajndolo en la chapa, pero se debilita la seccin mas cargada. Soldndolo por la otra cara (14) se descarga el cordn. La costura del tabique (15) flexiona, en (16) se carga el nervio a la traccin; en (17) se mejora cargndolo a compresin. El tubo sometido a flexin (18) descarga la costura si se lo introduce en la placa (19). 4 - EVITAR CARGAS NO CENTRADAS En costuras oblicuas sometidas a traccin, aparece una carga complementaria de corte (20). La unin simtrica y en doble bisel, no descompone en corte (21). Las cargas descentradas, provocan flexin. Las costuras ribeteadas, sometidas a traccin (22) o presin interior (24), dan flexin. Es preferible soldar a tope (23, 25). 5 - EVITAR SOLDAR EN ZONAS CRITICAS Soldar en la zona de transicin de secciones (26), concentra tensiones, potenciado por la heterogeneidad de su estructura. En (27) se mejor la propuesta original.

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DISEO Pobre / malo Mejorado / bien REGLAS DE DISEO

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6 - EXTREMAR LA CALIDAD DE LAS SOLDADURAS

Cuando no se puedan evitar algunos defectos, usar recursos para disminuir los efectos indeseables. En costuras de filete (28), usar electrodos de gran penetracin y hacer cordones cncavos (29). Estos deben empalmar suavemente con las paredes, lo que generalmente se logra mecanizando (prever el sobrematerial) (30). Las juntas a solape (31) reemplazarlas por otras a tope (32), y stos conviene hacerlos con biselado doble y simtrico (34), de lo contrario se interfiere en la normal distribucin de los esfuerzos y hay concentracin de tensiones. Por la misma razn, las juntas en T, sometidas a traccin (35) se hacen simtricas (36). Las uniones a tope (37), deben mecanizarse (prever sobrematerial) (38). La resistencia se mejora por tratamiento mecnico de deformacin plstica en fro, (por ej: chorro de perdigones, martillado con haces de acero, etc.). 7 - EMPLEAR EL PROCESO MAS SENCILLO

Para unir una palanca con un eje, cambiar la soldadura circunferencial en ngulo (39), por otra de tapn (40). Para empalmar dos piezas tubulares, cambiar costura circunferencial (41) por una de contacto a tope (42). Usar soldaduras en reemplazo de procesos ms costosos. Es ms sencillo fijar un perno de soldar (44) que un esprrago roscado (43).

8 - PREPARAR LOS BORDES CONVENIENTEMENTE

Evitar el desbaste laborioso de los bordes (45, 47, 49, 50).

El charco por la fusin de la soldadura, hay que formarlo mediante el posicionamiento relativo de las partes (46, 48, 51 a 54).

Cuando sea necesario preparar los bordes, hacerlo sobre la pieza que resulte ms cmodo (por peso o dimensin). Normalmente se debe rebajar el tapn (56) y no el tubo (55).

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Para aplicar soldadura por recargue, es preferible hacer el rebaje redondeado (58), como para alojar el material. Para soldar a tope, cubiertas de chapa fina (59), puede ser necesario hacer un soporte para contener el material del cordn (60).

9 - FACILITAR EL ACCESO DEL ELECTRODO Evitar soldar en espacios estrechos (67), o de difcil accesibilidad (63, 65). Hacerlo por afuera o por el lado externo. Evitar soldar redondos sobre planos (67), o a lo largo de una generatriz.

Reubicar las piezas que dificulten el acceso del electrodo (70).

10 - EVITAR SIMULTANEIDAD DE COSTURAS Reducir al mnimo el material de aporte en un punto (Mayor

acumulacin e material fundido, mayores tensiones. Loa tabiques o nervios coincidentes (71, 73) deben separarse (72,

74), los cordones coincidentes (75) deben interrumpirse (76) Alternar las costuras longitudinales (78)

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11 - EVITAR LA SOLDADURA DE DISTINTOS ESPESORES

Si la relacin de espesores, es menor a tres, puede soldarse sin problemas (78, 81). Si es mayor, hacer transicin en cua (80, 82) de una longitud tal que:

L > 5 ( S s )

Para soldar tubos de pared delgada, usar bridas con cuello (84)

Para soldar un tetn a una chapa fina, el tetn debe tener un cuello delgado (88, o hacerle una perforacin en el rebajo (86).

12 - PREVEER LA FIJACIN RECPROCA

Hacer rebajos en una pieza (89, 91, 93), para posicionar inequvocamente la otra, ahorra costosos dispositivos de sujecin.

Centrar la esfera con el vstago (89) alinear radialmente la brida con el tubo (91) o posicionar un buje a determinada altura (93), implica prdidas de tiempo y no garantiza los resultados.

13 - SIMPLIFICAR EL AJUSTE MANUAL DE LAS PIZAS

En construcciones con chapas plegadas y perfiles normales, cortar los nervios o refuerzos a guillotina (96), no por oxicorte con ajuste por amolado (95).

Usar a misma tcnica para placas e nudo, sobre juntas, etc. (98) 14 - AUMENTAR LA RIGIDEZ

Especialmente en construcciones de chapa fina (hasta 6mm), emplear partes dobladas o estampadas que aumentan la rigidez. El soporte compuesto (99) , es reemplazado por una sola pieza plegada (100). Las sobre juntas planas (101) se sustituyen por una plegada (102). El nervio (103), se reemplazo por un cajn en U (104). La llanta con cubo y paredes delgadas (105) puede reemplazarse por dos piezas iguales estampadas (106).

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15 - PROTEGER LAS ZONAS MECANIZADAS O TRATADAS

Alejar de la zona mecanizada de la soldaduran para evitar daos por salpicaduras (108). La superficie mecanizada (109) se protege soldando por debajo (110). Alejar la superficie tratada para evitar la influencia del calor. La cabeza dura sobre el vstago (111) puede soldarse por junta en tapn (112), montarse engrafada o por interferencia (113) o hacerse por soldadora de recargue (114). 16 - PREVENIR EL QUEMADO DE BORDES

Evitar que las aristas vivas lleguen a la zona de soldadura (115, 117) de lo contrario se quemaran. Alejar las soldaduras de los bordes, aumentando el material (116). Alejar agujeros de la zona a soldar (118) o mecanizar despus 17 - PREVER SOBREMATERIAL PARA MECANIZAR A causa de las distorsiones producidas al soldar, es necesario prever

sobre materiales mayores para compensarlas.

El buje (119), si fuera de pared fina, podra sufrir contracciones en la zona del agujero (soldar pieza desbastada y luego hacer el mecanizado de terminacin). El perno (120) puede perder la perpendicularidad (prever mecanizado posterior). 18 - PREVEER DILATACIONES O CONTRACCIONES Al soldar piezas de distinta seccin, prever compensadores de los

esfuerzos trmicos, debido al enfriamiento irregular. Para soldar el cuerpo la camisa (121), a sta ltima, se le agreg un

fuelle (122) que le otorga elasticidad.

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19 - CONSTRUCCIONES CON PERFILES

Para soportar la flexin producida por una carga sobre una pieza en voladizo, la resistencia de las alas (123) es menor que la del alma(124). Se mejora un poco ms, con el montaje de caja y espiga 125). Ms resistente an, es la construccin que incluye placas de nudos (126). Para la construccin de bastidores con perfiles, se deben combinar factores de costo, resistencia, practicidad y hasta esttica. Las juntas (131, 132, 135) pueden hacerse con un simple corte a 45. Los cortes rectos son los ms sencillos (136, 138). Las esquinas redondeadas (129, 130) tienen el mejor aspecto, pero obligan a laboriosos ajustes. Los arriostramientos diagonales con perfiles, pueden ejecutarse de mltiples maneras, segn se trate de perfiles simtricos (U) asimtricos (L). As podrn soldarse por las alas (139, 140), por el lomo (142) o con placas de nudo (141, 144). Para soldar armaduras no se aconsejan las juntas a tope (145). La unin de solapa, soldada todo alrededor (146), resulta ms rgida. La junta (147) es la ms empleada en la prctica, por dar la mayor rigidez y ser la ms fcil de aplicar. En nudos con rayos mltiples, conviene emplear la placa de ngulo para descargar mejor desde todas direcciones 150).

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20 - CONSTRUCCIONES CON TUBOS

La soldadura en tubos de igual dimetro, se suele hacer con costura de cordn a tope, sin preparacin de bordes, para pequeos espesores (151) o con preparacin para espesores de ms de 12 mm (152). La soldadura de contacto a tope da alta resistencia mecnica, pero es imposible de hacer en obra. Para elevar la resistencia a la flexin del tubo en la zona del empalme, se abocardan ambos, en forma de cono (154), en reborde (155), cinglado (156), o abocardado (157). Esta ltima forma, es una de las ms fciles de hacer. Tambin pueden realizarse manguitos interiores (159), pero dificultan la circulacin de fluidos (se usan en uniones de fuerza). Para bastidores tubulares, se emplea la unin a tope con el biselado de los extremos a 45 (160). Mayor resistencia se logra aplastando los extremos (161), soldando plancha de ngulo a tope (162) o ranura (163), plancha doble (164) o plegadas en U (165). Las restantes barras diagonales, se sueldan a tope (166) con aplastamiento (167) o curvados y aplastados o cortados (168), es decir con preparacin ms o menos laboriosa. En armaduras tubulares, la unin ms sencilla y confiable es la soldadura a tope (169, 170). Tiene la limitacin de no permitir la unin espacial de muchos tubos, a menos que el central, sea de mucho mayor dimetro que los dems (174). Para aumentar la cantidad de tubos a soldar, se pueden aplastar (175) con lo que se aumenta la rigidez de la unin en el plano del aplastamiento (176). Tambin se usan para reforzar la unin de tubos, las placas de ngulo soldadas a tope (177, 178), en ranura por uno de los tubos (179), o en todos (180, 181).

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SOLDADURAS POR

RESISTENCIA

1 - RESISTENCIA DE LAS SOLDADURAS POR PUNTOS : Los puntos de soldadura solicitados al corte (2), resisten cargas tres o cuatro veces mayores que los puntos solicitados a traccin (1). Los puntos solo pueden transmitir reducidos momentos de torsin (3). Se debe tratar de evitrsete tipo de solicitacin (4). En lugar de muchos puntos pequeos (5) que no sueldan bien por el efecto de la derivacin de la corriente, es preferible menos puntos de mayor tamao y mejor calidad (6). Una recomendacin prctica dada por las normas DIN, era la de hacer mnimo dos puntos y mximo cinco, en la direccin de la carga. 2 - FORMA DE LAS PIEZAS A SOLDAR POR PUNTOS : Para conseguir una buena unin, los electrodos necesitan apoyarse sobre una superficie grande (8), plana y paralela (10). Las piezas con formas que dificultan el acceso de los electrodos (11, 13, 15, 17) rara ves dan buena soldadura, y adems exigen electrodos especiales. En soldaduras sobre bordes, si la distancia a la pared, es muy pequea, el electrodo quedar mal colocado. Si la distancia al borde fuera pequea, existe el peligro que el material quede aplastado y pueda ser expulsado hacia fuera de la junta (7, 20). Al proyectar piezas grandes, tener en cuenta las dimensiones de las pinzas para soldar (21). Es decir, que los brazos sean lo ms corto posible y estn separados un valor mnimo (22). De lo contrario aumentan las prdidas por induccin, y la energa gastada en la soldadura.

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SOLDADURAS POR

RESISTENCIA

Para unir piezas de materiales condicionalmente soldables, (por ejemplo, acero para resortes), (23) se mejora en algo la situacin, agregando una pieza de recubrimiento, para que el punto de mxima solicitacin no coincida con el punto de soldadura (24). En general es preferible evitar la soldadura doble, es decir en dos superficies al mismo tiempo (25), ya que si bien se logra una mayor sujecin mecnica, la calidad de los puntos, no siempre es la mejor (26). Al soldar cavidades cerradas, prever el torcimiento de las paredes (alabeos), como resultado del vaco producido al enfriarse. Para prevenir esto, el perfil omega (27) a soldarse sobre la envuelta cilndrica, est perforado (28). El mismo recurso se usa al unir las partes de un flotante (29). Luego del enfriamiento, se obturar con soldadura blanda (30). 3 - FORMA DE LAS UNIONES POR CONTACTO Las piezas a soldar por contacto, dceben ser de dimensiones similares, como para alcanzar la temperatura de ablandamiento al mismo tiempo. De lo contrario una disipara ms calor, sin alcanzar la plasticidad suficiente para dar una unin segura. La diferencia mxima que suele admitirse, entre secciones, es del orden del 5%.

Las piezas deben tener el mismo dimetro en la zona de la unin, lo que se lograeligiendo materiales similares (32) o mecanizando una de ellas (34, 36, 38, 42), en una longitud del orden del dimetro de la seccin a unir. Cuando no se pueda mecanizar (39), ser necesario cambiar de diseo (40). Para posicionar las piezas a soldar (31), es preferible usar aquellas con gua (32), mientras que los resaltos ms pequeos que las guas, localizan el paso de la corriente.

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SOLDADURAS POR

RESISTENCIA

En algunos casos, puede lograrse una buena unin, an cuando no halla posibilidad de mecanizar una longitud igual al dimetro de la unin (47, 49). Cuando existan esfuerzos de flexin, es preferible un montaje en encastre cnico (51). La preparacin ms conveniente del material para tallar una corona dentada, implica cilindrar un barrote y soldarla de cabeza por contacto (53). Con ello se mantiene la homogeneidad de las lneas de laminacin, cosa que no ocurre si se obtuviera por oxicorte (52).

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SOLDADURAS DE ALEACIN

1 - SOLDADURAS BLANDAS Las soldaduras a tope (1, 3, 5, 7) prcticamente quedan descartadas. Siempre ser conveniente aumentar la superficie de contacto (hacer solapas), al usar aleaciones de bajo punto de fusin (2, 4, 6, 8). El rea solapada (10, 13, 16), puede disminuirse, si se ayuda a la sujecin mediante trabas mecnicas (11, 14, 17). Un ejemplo tpico es la colocacin de un terminal en el extremo de un cable elctrico (18, 19, 20), donde primero se lo sujeta mecnicamente por pliegues del terminal y luego se lo fija (al mismo tiempo que se mejora la conductividad elctrica), por soldadura blanda. 2 - SOLDADURAS FUERTES Si se pueden aplicar las temperaturas necesarias, las soldaduras duras permiten las juntas a tope sin el uso de trabas (1, 3, 5, 7, 9, 12, 15). 3 - SOLDADURAS AL HORNO Prever alojamientos para colocar el material de aporte (21), el que al fundirse llenar la junta. En ciertos casos puede usarse Cu en lminas (22). Las juntas a tope (23) deben adecuarse para mantener el material de aporte en su lugar (24, 25, 26). El buje (27) se fija a una chapa por repujado mecnico, y luego se suelda (28). El cuello (29) se fija con ms seguridad si se solapan un par de superficies (30).

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