8 CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

EXPERIENCIA DOCENTE EN LA APLICACIN DE LA NORMA AWS EN LA UNIN DE PARTES MECNICAS MEDIANTE AMBIENTES DE

CAD

Juan Manuel Daz Salcedo1 manueldiaz_s@yahoo.com.mx

IPN, Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica Unidad Ticomn;

Departamento de Ingeniera Aeronutica. D. F., MEXICO

Resumen

Este trabajo presenta la experiencia docente adquirida en la aplicacin de las diferentes condiciones de unin por soldadura de partes mecnicas, utilizando el software Mechanical Desktop, mediante el uso de la norma AWS. Se presentan tambin las condiciones de representacin en dibujos mecnicos de esta normatividad, las cuales son de gran inters en ambientes industriales durante el proceso de diseo, manufactura y control de sistemas mecnicos. El objetivo de este trabajo es presentar la relevancia de que este conocimiento sea impartido y fortalecido en los alumnos de nivel superior, previo a los estudios de postgrado, a fin de que estos puedan contar con mejores criterios de diseo. PALABRAS CLAVE: AWS (American Welding Society), CAD (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided Engineering), SMAW (Shield Metal Arc Welding) MMAW (Manual Metal Arc Welding) , MIG (Metal Inert Gas), MAG (Metal Active Gas) , TIG (Tungsten Inert Gas), SAW (Sumerged Arc Welding).

1Profesor de la carrera de Ingeniera Aeronutica, Academia de Tecnologa, Instituto Politcnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniera Mecnica y Elctrica Unidad Ticomn; Av. Ticomn 600, San Jos Ticomn, Delegacin Gustavo A. Madero, 07340, Mxico D. F., MXICO; manueldiaz_s@yahoo.com.mx. Profesor Titular, Presidente de la Academia de Tecnologa.

Introduccin La AWS (American Welding Society) y su relacin de normas Series A Y B [1] [2], utilizan un lenguaje internacional de smbolos y cdigos de identificacin para expresar las especificaciones y requisitos en la unin de piezas soldadas y su representacin en dibujos tcnicos e informacin para la inspeccin de la misma. Este lenguaje de representacin ha evolucionado significativamente en los ltimos 15 aos, de unas reglas normalizadas a un lenguaje comprensivo de smbolos para la especificacin de la unin de dos piezas. Estas normas no contienen suficiente informacin sobre como debe aplicarse la simbologa propuesta, para poder lograr esto es necesario formar diseadores en el procedimiento adecuado para aplicar estas especificaciones en los dibujos, tal que expresen los requisitos de unin de las piezas. Antes de aplicarse estas normas sobre los dibujos, se imponan especificaciones no necesarias y en algunos casos permitan que piezas que no cumplan con condiciones de montaje adecuadas fueran aceptadas y pasaran al ensamble, la aplicacin de las normas AWS beneficia la reduccin de los costos de fabricacin al eliminar este tipo de prdidas. La funcin primaria de los dibujos tcnicos de un producto, es llevar el diseo y sus requisitos a los responsables de fabricar el producto, en el caso de la unin de las piezas esto se hace enfocndose principalmente en la simbologa propuesta por la AWS en el dibujo, por lo que solo aquellos requisitos que se indiquen en el dibujo pueden esperarse que sean cumplidos. Este tipo de conocimientos se ensean actualmente en algunas escuelas de ingeniera a nivel licenciatura en Mxico, pero no se formaliza el aspecto normativo con el manejo de las normas AWS, esto ha ocasionado que la gran mayora de los dibujos empleados en la industria propuestos por este grupo de profesionistas sin experiencia, no expresen los requisitos funcionales de las piezas y por otro lado el egresado de licenciatura no pueda interpretar correctamente los dibujos que le son proporcionados en reas de manufactura, proceso e inspeccin y mucho menos tener la informacin necesaria para poder proponer uno de ellos con la calidad y funcionalidad necesarias. Al integrar estas especificaciones en los dibujos tcnicos, se obtienen importantes reducciones en los costos de fabricacin y en las interrupciones de trabajo por piezas que detienen las lneas de ensamble. Se podra decir que algunas compaas piensan que tienen otro tipo de problemas cuando en realidad es la documentacin del producto y las especificaciones de los dibujos lo que es insuficiente. La reduccin de costos es mayor especialmente en aquellas empresas que subcontratan la fabricacin de piezas, ya que tienen necesidad de que sus dibujos sean capaces de comunicar requisitos funcionales sin ningn tipo de explicaciones posteriores. La incertidumbre de especificacin crea problemas tanto tcnicos como econmicos especialmente cuando los departamentos de diseo y desarrollo y el taller que fabrica las piezas estn muy separados especialmente si ellos no hablan un lenguaje comn. El lenguaje de smbolos que se emplea en los dibujos se ha extendido, modernizado e internacionalizado en los ltimos 15 aos. Esto ha dado lugar a nuevos requisitos basados en nuevos desarrollos tecnolgicos y de las necesidades que han surgido en la globalizacin y en la fabricacin externa de piezas. Por esto es que es necesario que los estudiantes de licenciatura formalicen desde los inicios de la carrera el uso de esta normatividad. AWS, es un lenguaje de comunicacin ms detallado y preciso que comunica ms ampliamente al personal de diseo, fabricacin y metrologa, mediante sus normas, el lenguaje se smbolos se ha vuelto mucho mas detallado y especifico, lo cual da al diseador mayor flexibilidad para modificar las indicaciones y expresar lo que son los requisitos funcionales. La mayora de las instituciones educativas en Mxico, dedicadas a la enseanza de la ingeniera, no han incluido todava la simbologa AWS en sus programas de estudio y dedican muy pocas horas a fortalecer la calidad de los dibujos que regularmente requiere el alumno durante su carrera de ingeniera, lo cual contina ocasionando grandes prdidas en el sector industrial. Cuando las soldaduras son especificadas en planos y dibujos isomtricos de ingeniera de fabricacin, se utiliza un conjunto de smbolos para identificar el tipo de soldadura, las dimensiones e informacin referente al proceso y acabado de la unin de piezas propuesta. La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) ha desarrollado un sistema estndar de simbologa en soldadura el cual es reconocido y ampliamente usado a nivel mundial. Este estndar tiene por objetivo mostrar mediante una representacin grfica la ejecucin y tipo de unin de soldadura en forma ms sencilla que la representacin escrita de la misma. Aspectos Metodolgicos Los temas tratados sobre diseo mecnico en la carrera de Ingeniera Aeronutica son los mismos que los propuestos en la carrera de Ingeniera Mecnica, por lo que la informacin proporcionada es valida para ambas especialidades. La carrera de Ingeniera Aeronutica en Mxico esta formado por ocho semestres, los primeros cuatro son comunes para todos los alumnos, a partir del quinto semestre el alumno decide entre dos opciones especialidades Operaciones-Aeropuertos y Diseo. En el tronco comn todos los alumnos se capacitan en el manejo de alguna

herramienta de CAD en la escuela se ofrecen a ese nivel dos posibilidades AutoCAD y Unigraphics este ultimo con su modulo de modelado para dibujo (NX4). Apartir del quinto semestre a los alumnos de la especialidad de Diseo se les capacita para el uso ms formal de las herramientas de CAD [3] [4] [5] [6], a travs del modelado paramtrico mediante Mechanical Desktop y NX4. En el sexto semestre se inicia trabajo con ensambles mecnicos en el cual se capacita al alumno en el manejo del ambiente normalizado con que cuenta el software de CAD antes mencionado. En este nivel se inicia la capacitacin del alumno en lo referente al uso de las normas AWS para la sujecin de piezas por soldadura. A partir de este momento se inicia un manejo continuo de las normas AWS, Serie A y Serie B. As como los requerimientos que el mismo ambiente de diseo va estableciendo para la correcta definicin de la soldadura y los diferentes elementos que la forman. Se solicita a los alumnos un informe tcnico presentando dibujos, normas, clculos de un ensamble mecnico simple. Alcances del Trabajo Solo se presentan los casos bsicos ms comunes en la unin de piezas mecnicas. Se utiliza el software Mechanical Desktop como herramienta de Diseo Asistido por Computadora, para la seleccin de la simbologa de soldadura correspondiente, se limita a considerar los aspectos bsicos ms comunes de la normatividad AWS respecto a lo siguiente: Posiciones tpicas de aplicacin de la soldadura, tipos de materiales donde se puede aplicar soldadura, electrodos (y las diferentes aleaciones en que se presenta en funcin de la aplicacin de soldadura a realizar (1), diseo de uniones, tipos de soldaduras (SMAW, TIG, MIG, MAG, SAW), juntas, geometra de la junta, tipos de uniones: 1. Uniones a tope, 2. Uniones con ngulo interior en T, 3. A solape, 4. Uniones en Angulo Exterior, 5. Unin sobre cantos. Posiciones de soldadura, electrodos, metal base, cordn de soldadura, procedimientos de soldadura. El trabajo desarrollado sirve de base para aplicaciones posteriores con ambientes CAE (Computer Aided Engineering) como COSMOS y su aplicacin FEweld para anlisis de uniones por soldadura. Desarrollo Primeramente se capacito al alumno en el modelado geomtrico de piezas mecnicas mediante Software de Diseo, en este caso se utilizo Mechanical Desktop, en esta etapa se formalizo el conocimiento del alumno respecto a la normatividad para representar correctamente las diferentes vistas ortogonales, cortes, cuadros de referencia y aspectos normativos de dimensionamiento. Con este conocimiento y el curso previo sobre procesos de manufactura, se le presento al alumno en el sexto semestre durante la explicacin de la unin de piezas mediante soldadura, el uso de las Normas AWS y su representacin en dibujos, haciendo especial insistencia en la representacin de ensambles mecnicos y la normatividad mediante el software de CAD arriba mencionado. En la siguiente figura 1 se muestra la simbologa tpica AWS y los diferentes elementos que lo forman

Fig. 1 Simbologa AWS y elementos que los forman Mediante el software Mechanical Desktop, al aplicar el comando welding symbol (smbolo de soldadura), se despliega la Fig. 2, bajo normatividad ISO la cual es equivalente a la norma AWS.

Fig. 2 Ventana de dialogo en ambiente CAD del smbolo AWS, bajo la norma ISO Para la interpretacin de esta simbologa es importante que el alumno considere lo siguientes aspectos normativos fig. 3

Fig. 3 Normatividad respecto a la posicin de la soldadura

De la imagen anterior al oprimir el botn Arrow Side (lado de la flecha), se despliega la fig. 4, los valores especificados, se proporcionan son como ejemplo

Fig. 4 Ejemplo de asignacin de valores arrow side (lado de la flecha)

Al oprimir el botn sobre el tipo de soldadura a aplicar se despliega un cuadro mostrando las diferentes posibilidades en la tabla 1 se muestran cada uno de estos smbolos y su descripcin

Tabla 1 Se muestran los diferentes tipos de soldadura

Smbolo Tipo de soldadura Smbolo Tipo de

soldadura Smbolo Tipo de

soldadura

angular En V En V con

raz

cuadrada angular En V

Por puntos o de

proyeccin En J En ranura

costura En U En V

ensanchada

revestimiento Respaldo o

soporte Tapn o ranura

removible permanente charpeada

Angular con

raz Junta o

empalme

De arista De respaldo El resultado de aplicar los datos del ejemplo de la fig. 4 se muestran en la fig. 5, mostrada a continuacin.

Fig. 5 Smbolo AWS mostrando informacin propuesta mediante el ambiente de CAD

Esta aplicacin indica soldadura de campo, todo alrededor, soldadura de bisel con contorno liso, altura 3/8, ancho 3/8 por ambos lados de la flecha, aplicar dos cordones de soldadura de longitud 2 y espaciamiento de 1 entre ambos cordones, en la zona de especificaciones el numero Uno, de acuerdo a la norma utilizada en el software (ISO), indica soldadura SMAW (de arco elctrico). En la fig. 7 se muestra un ensamble simple, se puede observar los aspectos de normatividad para la presentacin de la informacin necesaria en el ensamble, para facilitar la interpretacin se evito el cuadro de referencia y acotamientos as como la informacin correspondiente al control geomtrico del ensamble (GD&T). El resultado presentado fue propuesto por un grupo de alumnos del sexto semestre, este informe pertenece al primer examen departamental de tres posibles, para acreditar el curso correspondiente, lo cual hace un total de 40 horas de presentacin del tema frente al grupo. El informe completo presenta los anexos para la definicin de electrodos, tipo de proceso propuesto y su justificacin, tipo de inspeccin y su justificacin, pruebas de soldadura a efectuar, todo soportado bajo la normatividad AWS.

Fig. 7 Resultados finales de un ensamble y la simbologa AWS utilizada

En la fig 6 a continuacin se muestran tres ejemplos de la simbologa propuesta y el resultado deseado.

Fig. 6

Conclusiones Generales Este trabajo presenta los avances obtenidos por un estudiante de sexto semestre capacitado en el manejo del software apropiado para la aplicacin de los elementos bsicos de las norma AWS. Al trmino el alumno empieza a entender y formalizar su conocimiento de la normatividad y de la gran cantidad de trminos y tablas que son necesarias consultar, para la correcta definicin de la simbologa de soldadura. Sin este conocimiento previo el alumno no cuenta con la informacin bsica necesaria para de inicio poder interpretar los diferentes dibujos industriales que en el sector manufacturero tendr que analizar. Durante el proceso de capacitacin del alumno en el uso de esta normatividad y su aplicacin mediante software de Diseo Asistido por Computadora, empieza a considerar y a familiarizarse con los siguientes aspectos de la normatividad AWS [7]: Posiciones tpicas de aplicacin de la soldadura, tipos de materiales donde se puede aplicar soldadura, electrodos (materiales de aporte) y las diferentes aleaciones en que se presenta en funcin de la aplicacin de soldadura a realizar (1), diseo de uniones, tipos de soldaduras (SMAW, TIG, MIG, MAG, SAW), seleccin del tipo de junta, geometra de la junta, tipos de uniones: 1. Uniones a tope (con bordes rectos, con bordes en V, con bordes en U, con bordes en doble U, tipos de uniones en ngulo, tipos de uniones a solape, tipos de uniones en esquina, con doble chafln), 2. Uniones con ngulo interior en T (con borde recto, con doble chafln, simple J, doble J) 3. A solape (con un solo cordn, mediante dos cordones), 4. Uniones en Angulo Exterior (en esquina, cerradas; en esquina, semiabiertas; en esquina, abiertas), 5. Unin sobre cantos . De igual manera se familiariza con la terminologa bsica en soldadura: Posiciones de soldadura (horizontal, vertical, cornisa, techo), electrodos, metal base, cordn de soldadura (aguas del cordn, pasada estrecha, pasada ancha, pasada, crter, penetracin, sobreespesor, remates, cara del cordn, raz, taln, garganta o cuello, anchura del cordn), procedimientos de soldadura, equipos para la aplicacin de soldadura, equipos accesorios seguridad, defectos de soldadura, inspeccin de soldadura, pruebas mecnicas en soldadura, homologacin de soldadores y certificacin. Referencias 1. Normas AWS Series A A1.1 Metric Practice Guide for the Welding Industry. A2.1-DC & WC Welding Symbols Chart (Desk & Wall Chart). A2.4 Standard Symbols for Welding, Brazing, and Nondestructive Examination A3.0 Standard Welding Terms and Definitions. A5.1M/A5.1 Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.10/A5.10M Specification for Bare Aluminum and Aluminum Alloy Welding Electrodes and Rods. A5.11/A5.11M Specification for Nickel and Nickel Alloy Welding Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.12/A5.12M Specification for Tungsten and Tungsten Alloy Electrodes for Arc Welding and Cutting. A5.13-00R Specification for Solid Surfacing Welding Rods and Electrodes. A5.14/A5.14M Specification for Nickel and Nickel Alloy Bare Welding Electrodes and Rods. A5.15-90 Specification for Welding Electrodes and Rods for Cast Iron. A5.16-90R Specification for Titanium and Titanium Alloy Welding Electrodes and Rods. A5.17/A5.17M Specification for Carbon Steel Electrodes and Fluxes for Submerged Arc Welding. A5.18/A5.18M Specification for Carbon Steel Filler Metals for Gas Shielded Arc Welding. A5.19-92R Specification for Magnesium Alloy Welding Electrodes and Rods. A5.2-92R Specification for Carbon and Low Alloy Steel Rods for Oxyfuel Gas Welding. A5.20 Specification for Carbon Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding. A5.21-01R Specification for Composite Surfacing Welding Rods and Electrodes. A5.22 Specification for Stainless Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding and Stainless Steel Flux

Cored Rods for Gas Tungsten Arc Welding. A5.24-90R Specification for Zirconium and Zirconium Alloy Welding Electrodes and Rods. A5.29 Specification for Low Alloy Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding. A5.3/A5.3M Specification for Aluminum and Aluminum Alloy Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.4 Specification for Stainless Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.5 Specification for Low Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal ArcWelding. A5.6-84R Specification for Covered Copper and Copper Alloy Arc Welding Electrodes A5.7-84R Specification for Copper and Copper Alloy Bare Welding Rods and Electrodes A5.9 Specification for Bare Stainless Steel Welding Electrodes and Rods.

ARE-5 Design for Welding. ARE-6 Test Methods for Evaluating Welded Joints. ARE-7 Residual Stress and Distortion. ARE-8 Symbols for Joining and Inspection. ARE-11 Mechanized, Automated, and Robotic Welding. AWS WI:2000 Welding Inspection Handbook, 3rd Ed. 2. Normas AWS Series B B1.10 Guide for the Nondestructive Examination of Welds B1.11 Guide for the Visual Examination of Welds B2.1 Specification for Welding Procedure and Performance Qualification B2.2 Standard for Brazing Procedure and Performance Qualification B4.0 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds, U.S. Customary-Only B4.0M Standard Methods for Mechanical Testing of Welds, Metric-Only B5.1 Specification for the Qualification of Welding Inspectors B5.2 Specification for the Qualification of Welding Inspector Specialists and Welding Inspector

Assistants B5.5 Specification for the Qualification of Welding Educators B5.9 Specification for the Qualification of Welding Supervisors B5.14 Specification for the Qualification of Welding Sales Representatives B5.15 Specification for the Qualification of Radiographic Interpreters B5.16 Specification for the Qualification of Welding Engineers B5.17 Specification for the Qualification of Welding Fabricators 3. Juan Manuel Daz Salcedo, AutoCAD Intermedio en Dos Dimensiones, Editorial IPN, Mxico D. F., Mxico, 2005 4. Juan Manuel Daz Salcedo, AutoCAD Avanzado en Tres Dimensiones, Editorial IPN, Mxico D. F., Mxico, 2006 5. Juan Manuel Daz Salcedo, Mechanical Desktop, Modelado Paramtrico de Partes Mecnicas. Propuesta de investigacin IPN Mxico 2006, en tramite de publicacin Editorial IPN Mxico 2007 6. Juan Manuel Daz Salcedo, Mechanical Desktop Modelado Paramtrico de Ensambles Mecnicos. Propuesta de Investigacin IPN Mxico 2007, en proceso. 7. Joseph W. Giachino, Welding Skills and practices, fifth edition, American Techical Society, Chicago Western Michigan University, Kalamazoo Michigan. 2001