calculos de soldadura
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Elementos De Maquinas II
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Indice
1. Introducción
2. Planteamiento Del Problema
3. Suposiciones
4. Metodo de calculo y variables utilizadas.
5. Cálculos
6. Referencias Bibliográficas
1. Introducción
Las soldaduras como procedimiento de construcción de estructuras
y piezas de maquina tiene especial importancia dado que permiteobtener elementos livianos resistentes, económicos y seguros. Pero
ello es solamente posible si los diseños y construcciones son
realizados de acuerdo con los procedimientos propios de la
soldadura y se aplican criterios técnicos de ingeniería. Para lograrlo
el ingeniero debe conocer los procesos y procedimientos requeridos
para lograr una adecuada calidad de los cordones así como las bases
de la concepción de piezas y estructuras soldadas.
En el presente trabajo se analizan dos soldaduras en filete que hacenparte de la unión de la estructura de una maquina (grúa), se calcula
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la altura del filete según la resistencia del material.
Se parte de dimensiones tomadas en el taller y de las propiedades
del material base ASTM A36 y el metal de aporte E60XX.
2. Planteamiento Del Problema
Se pretende establecer la altura del filete adecuada, para las platinas
que sostienen el brazo y el brazo con pivote de la grúa POL-A-
CRANE del taller de maquinaria, ver Fig.1 y Fig. 2, de manera que
responda en cuanto a diseño en general a las condiciones de servicio
y condiciones criticas a las cuales puede estar sometida la maquina.
Fig. 1. Esquema general de la grúa modelado tridimensionalmente.
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Fig. 2. Esquema general del brazo. Juntas 1 y 2 en estudio
3. Suposiciones
• La capacidad máxima de la grúa es de 4000 Lb = 17.8 KN
• El cable de la polea es inextensible y se desprecia las fuerzas de
fricción, por lo tanto, la tensión en las poleas es W/2.
•
En ambas soldaduras se supone que ambas platinas trabajanigual, aunque en realidad una de las dos puede estar mas
esforzada que otra, en un momento critico, ambas trabajaran.
• La soldadura de la junta 2 se supone en el mismo plano,
formando un rectángulo.
• El peso del brazo, Wbarra , se obtiene a partir de la densidad del
acero ASTM A36 (Tabla 1) y del volumen del mismo, este
volumen se extrae del paquete grafico en el cual se modela la grúa
tridimensionalmente [1]:
• Las juntas son en filete, cuya altura h se determinara.
• El material base es ASTM A36.
• Todas las dimensiones mostradas, fueron tomadas en el taller
con la ayuda de un flexometro y un calibrador.
• material homogéneo, elástico con un comportamiento plástico .
• La soldadura se considera ideal libre de esfuerzos residuales de
origen térmico.
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4. Método de calculo y variables utilizadas.
Para lograr el objetivo, se pueden aplicar tres procedimientos de
cálculo. El primero basado en las ecuaciones teóricas de resistencia
de materiales, el segundo en los procedimientos LRFD del Instituto Americano de Construcciones en Acero y el tercero aplicando el
método de Elementos Finitos.
El método empleado, es el tratado en la referencia [3], que consiste
básicamente en resistencia de materiales con algunas suposiciones
como por ejemplo la geometría de la soldadura
Las unidades en el presente trabajo son las del sistema internacional
SI a menos que se especifique lo contrario.
LONGITUD: mTIEMPO: seg
ESFUERZO: Pa
ANGULOS: en grados
Materiales:
Material Base
El material que se emplea para la construcción de la estructura de la
grúa es un acero estructural, el cual presenta propiedades optimas
para las condiciones de servicio a las que esta sometida la grúa, es un
material bastante resistente, no es frágil, presenta buena ductilidad a
la vez que su resistencia es aceptable.
Por estas razones y por ser un material de fácil adquisición y costos
relativamente bajos en el mercado se fabrica en acero estructural
ASTM A36, el cual presenta la composición química y propiedades
mecánicas registradas en la Tabla 1[2]:
COMPONENT C Cu Fe Mn P S
Wt. % 0.26 0.2 99 0.75 Max 0.04 Max 0.05
PHYSICAL
PROPERTIESMetric English Comments
Density 0.284 lb/in³
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MECHANICAL PROPERTIES
Tensile Strength,
Ultimate
400 -
550 MPa
58000 -
79800 psi
Tensile Strength, Yield 250 MPa 36300 psi
Elongation @ break 20 % 20 % in 200 mm
Elongation @ break 23 % 23 % In 50 mm.
Modulus of Elasticity 200 GPa 29000 ksi
Compressive Yield
Strength
152 MPa 22000 psi Allowable compressive
strength
Bulk Modulus 140 GPa 20300 ksi Typical for steel
Poisson's Ratio 0.26 0.26
Shear Modulus 79.3 GPa 11500 ksi
Tabla 1. Composición química y propiedades mecánicas del acero
estructural A36 [1].
Material de aporte.
El material de aporte, es el material del cual esta echo el electrodo de
soldadura, de acuerdo a este material, se evalúan parámetros deresistencia en la unión.
Las platinas para la grúa son soldadas con un electrodo E60XX, ya
que estos electrodos son de fácil consecución en el medio, su costo es
bajo, su resistencia ultima y limite de fluencia, ver Tabla 2, son los
adecuados para un acero estructural A36, además este electrodo es
de alta penetración, lo que garantiza fusión y por consiguiente una
buena unión en la mezcla.
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Estos electrodos contienen altos contenidos de hidrógeno, por lo que
es conveniente realizar un adecuado procedimiento de soldadura en
el cual se garantice que no se presentara agrietamiento inducido por
hidrógeno. (debido a la complejidad de estos temas, se deja para unestudio a fondo de problemas de ingeniería de soldadura
propiamente dicha.).
Tabla 2. Propiedades mínimas del metal de soldadura.
5. Cálculos
Estática
Fig. 3. diagrama de cuerpo libre de polea y brazo superior.
resolviendo:
Junta 1
Fig. 4. Detalle junta 1 (solo 1 platina).
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Obtención del centroide de la soldadura y área de la garganta.
Para obtener los valores del centroide se utiliza la Tabla 3.
Tabla 3. Propiedades a la torsión de soldaduras de filete.
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De donde:
las componentes de la fuerza F se trasladan a este centro de
gravedad (C.G), ver Fig 4, lo que genera un momento que será igual
a:
el área de la garganta, ver Tabla 3, es:
Esfuerzo cortante primario, debido a la fuerza cortante transversal.
Esfuerzo cortante secundario, debido al momento torsor Tz
(1)
• Momento generado por la componente horizontal de
la fuerza.
•
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Distancias donde el esfuerzo se hace mas grande.
• Para la obtención del momento polar de inercia J, se tiene:
en donde Ju (momento polar de inercia unitario) se calcula a partir
de la Tabla 3 :
reemplazando en (1):
Esfuerzo máximo:
Obtención de la altura del filete de soldadura h:
Para obtener h, se halla el esfuerzo permisible en la soldadura según
American Institute Of Steel Construction AISC, Tabla 4.
En donde Sy es la resistencia a la fluencia del metal de soldadura
para el metal de aporte seleccionado en el numeral 4.2 (electrodo
E60XX) obtenida en la Tabla 2.
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Como Sy = 50Ksi = 344737.86 KPa
este esfuerzo permisible debe ser igual o menor al esfuerzo halladoen el numeral 4.2.4, entonces:
la soldadura debe tener una altura de filete mínima de 3 mm con unfactor de seguridad, según la Tabla 4 de:
Este factor de seguridad, es calculado de acuerdo al criterio de falla
energía de distorsión.
Tabla 4. Esfuerzos permitidos por el reglamento AISC para metal de
soldadura.
Junta 2
Fig. 5. Detalle junta 2 (solo 1 platina).
Obtención del centroide de la soldadura y área de la garganta.
Para obtener los valores del centroide se utiliza la Tabla 3.
De donde:
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las componentes de la fuerza F se trasladan a este centro de
gravedad (C.G), ver Fig. 5 , lo que genera fuerzas y un momento, de
acuerdo a los resultados estáticos del numeral 5.1, igual a:
el área de la garganta, ver Tabla 3, es:
Esfuerzo cortante primario, debido a la fuerza cortante transversal.
Esfuerzo cortante secundario, debido al momento torsor Tz
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(2)
•
momento generado.
•
Distancias donde el esfuerzo se hace mas grande.
• Para la obtención del momento polar de inercia J, se tiene:
en donde Ju (momento polar de inercia unitario) se calcula a partir
de la Tabla 3 :
reemplazando en (2)
Esfuerzo máximo:
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Obtención de la altura del filete de soldadura h:
Para obtener h, se halla el esfuerzo permisible en la soldadura según
American Institute Of Steel Construction AISC, Tabla 4.
En donde Sy es la resistencia a la fluencia del metal de soldadura
para el metal de aporte seleccionado en el numeral 4.2 (electrodo
E60XX) obtenida en la Tabla 2.
Como Sy = 50Ksi = 344737.86 KPa
este esfuerzo permisible debe ser igual o menor al esfuerzo hallado
en el numeral 4.2.4, entonces:
la soldadura debe tener una altura de filete mínima de 1.8 mm con
un factor de seguridad, según la Tabla 4 de:
Este factor de seguridad, es calculado de acuerdo al criterio de falla
energía de distorsión.
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Resumen
Para las soldaduras en estudio se tienen filetes de mínimo 1.8 y 3
mm, estos valores son un poco bajos, la soldadura en si se hace un
poco mas grande.
Se puede elegir entonces el electrodo comercialmente:
Debe ser un E6010, ya que la resistencia es apropiada, el digito 1 se
refiere a las posiciones a soldar, este es para todas; el digito 0, se
refiere a condiciones eléctricas, se debe tener una maquina de
corriente directa en donde el electrodo este conectado en el lado
positivo.
El diámetro del electrodo debe ser de1/8" o mayor, ya que esta
medida es la referencia mas pequeña que cumpla con la altura de
filete calculada,
6. Referencias Bibliográficas
[1] Paquete grafico AUTOCAD 2000
[2] www.matweb.com
[3] SHIGLEY Y MITCHELL. Diseño en ingeniería mecánica. Cuarta
edición.
Autor:
Santiago Cardona Munera
Universidad Nacional De Colombia
Sede medellin Agosto 11 2002
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