Ensayo de uniones soldadas

Estudiantes:Miguel Ángel Merchán G.Jhoan Esteban Oliveros M.

Directores:

Ing. Nelson Arzola

Ing. Edwin Cárdenas

Bogotá D.C., Junio de 2009

Departamento de Ingeniería Mecánica y MecatrónicaLínea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico

XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOSEnsayo de laboratorio para prueba de uniones

soldadas

FUNDAMENTACIÓN

• En la fabricación decualquier productosoldado es necesarioutilizar procedimientosde control paradeterminar la calidadde la soldadura.

• Para atender lasdiferentes exigenciasen el control de calidadse han desarrolladodistintos tipos deensayos.

FUNDAMENTACIÓN

• En principio pueden clasificarse en tres

grandes tipos:

• Control Visual

• Ensayos No Destructivos

• Ensayos Destructivos

• Examen Visual

• Consiste en examinar lasoldadura directamente o con laayuda de una lupa realizando unexamen cuidadoso del cordón enbúsqueda de defectossuperficiales como:

• Grietas

• Faltas de penetración

• Faltas de fusión

• Desbordamiento de metal fundido

FUNDAMENTACIÓN

• Ensayos No Destructivos

• Permiten controlar la calidad de las estructuras soldadassin destruirlas ni alterar su capacidad de servicio, sonpreferibles sobre los ensayos destructivos en piezas degran tamaño y costo elevado.

• Entre los ensayos no destructivos se tienen:

• Inspección mediante partículas magnéticas

• Inspección mediante tintas penetrantes

• Corrientes Inducidas

• Inspección Radiográfica

• Control por Ultrasonido

FUNDAMENTACIÓN

• Ensayos Destructivos

• En los ensayos destructivos se usan pequeñas muestrasde la estructura soldada (probetas), que se someten acargas crecientes o constantes repetitivas hastaprovocar falla.

• Entre los ensayos mas frecuentes esta:

• Tracción

• Cortadura

• Resiliencia

• Uniformidad de Soldadura

FUNDAMENTACIÓN

FUNDAMENTACIÓN

•En el mundo se encuentran equipos para realizarpruebas de uniones soldadas con diferentesconfiguraciones y especificaciones que permitentener una orientación sobre el comportamiento deun componente que tenga este elemento en suconstrucción o ensamble.

El Cliente• La Universidad Nacional de Colombia,

bajo la orientación de la sección dediseño es la responsable del desarrollodel proyecto para lo cual ha destinadorecursos económicos, personalcalificado e infraestructura.

• El uso de los elementos concebidos eneste proyecto y desarrollos de tipotecnológico serán usados con finesacadémicos e investigativos enIngeniería.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Dada la necesidad por parte de la Universidadde tener entre sus equipos uno donde setenga la posibilidad de realizar el ensayo afatiga de uniones soldadas, y partiendo delhecho que se tiene en proceso deconstrucción una maquina que realiza este tipode ensayos, tenemos el siguienteplanteamiento:

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

• Se necesita un protocolo de ensayo parallevar a cabo las pruebas de diferentesconfiguraciones de uniones soldadas.

• Se deben diseñar y construir los dispositivosde sujeción para llevar a cabo el ensayo en losdiferentes tipos de probetas.

• Se debe verificar el diseño de las probetasque serán sometidas a ensayo, modificarlo (deser necesario) y construirlas.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

El equipo tiene la capacidad de realizar el ensayo en 5 tipos o configuraciones de probetas, luego el cliente

requiere:

•Facilidad de montaje.

•Seguridad del usuario.

•Repetitividad del ensayo.

•Durabilidad de los dispositivos de fijación.

•Confiabilidad de los resultados.

•Cumplimiento de normatividad.

•Uniformidad de las probetas.

•Costos razonables.

•Material de probetas: Acero estructural A-36.

•Electrodo para soldadura E6013

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA

• Normatividad

• UNE – ISO 14324:2004 Soldadura por resistenciapor puntos. Ensayos destructivos de soldaduras.Método para el ensayo de fatiga sobreconstrucciones soldadas por puntos.

• UNE 7118:1958 Clases y ejecución de los ensayosde fatiga de los materiales metálicos.

• UNE – ISO 9664:1996. Adhesivos. Métodos deensayo para la resistencia a fatiga por esfuerzo decizalla de adhesivos estructurales.

• Maquinaria y dispositivos.

Este ensayo no tiene mucha competencia comotampoco productos similares, la mayoría deensayos de fatiga son por revolución (viga rotatoria)y se realizan en máquinas universales MTS; pararealizar este ensayo se aplicarán cargas cíclicas alas probetas en dirección axial, éste tipo dedisposición para el ensayo de fatiga no es común yen el comercio no se encontraron máquinas queaplicaran este tipo de carga con los finesmencionados.

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA

QFD

DESCOMPOSICION FUNCIONAL

Combinación de conceptos

Generación de conceptos

La presentación de los conceptos no incluye

bocetos puesto que es muy difícil

diferenciar en un dibujo un proceso de

fundición y uno de maquinado. Los

métodos de sujeción son claramente

diferenciables eliminando con ello la

necesidad de presentarlos en dibujos.

Generación de conceptos

• CONCEPTO 1:

Seguir la secuencia de pasos tomados de

un ensayo similar, fabricar las probetas

por el proceso de fundición y soldadura,

sujetarlas soldándolas a las bancadas de

la máquina y accionar una carga

alternante sobre ellas, medir el número de

ciclos hasta ruptura con un contador

manual.

Generación de conceptos

• CONCEPTO 2:

A partir del estudio del manual de

funcionamiento de la máquina, seguir los

pasos indicados en el protocolo; fabricar las

probetas por metalurgia de polvos y

soldadura, sujetarlas por medio de

elementos mecánicos a las bancadas de la

máquina y accionar una carga alternante

sobre ellas, medir el número de ciclos hasta

ruptura con un contador electrónico.

Generación de conceptos

• CONCEPTO 3:

Conociendo el manual de funcionamiento de la

máquina y la guía de un ensayo similar se crea

el protocolo el cual se debe seguir para realizar

el ensayo, las probetas se fabrican por

mecanizado y soldadura, se sujetan a la

bancada de la máquina por medio de elementos

mecánicos, se acciona una carga alternante

sobre estas y se mide el número de ciclos hasta

ruptura con un contador electrónico.

Generación de conceptos

• CONCEPTO 4:

A partir del estudio del manual de

funcionamiento de la máquina, seguir los

pasos indicados en el protocolo; fabricar las

probetas por forjado y soldadura,

sujetándolas por medio de elementos

mecánicos a las bancadas de la máquina; se

acciona una carga alternante sobre las

probetas y se mide el número de ciclos hasta

ruptura con un contador manual.

Matriz pasa – no pasa

• Al revisar la matriz pasa – no pasa, se puede

observar que el concepto que mejor satisface los

requerimientos del cliente es el número 3, adicional

a esto los laboratorios de la Universidad cuentan

con la maquinaria necesaria para llevar a cabo los

procesos de mecanizado previstos para la

manufactura de las probetas y los dispositivos de

sujeción, es por estas razones por las cuales se

desarrollará el concepto número 3.

PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE

DISEÑO DOMINANTE Y JUSTIFICACIÓN

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

• Selección de materiales:

Las probetas se fabricarán en acero estructural A-36

debido a requerimientos del cliente.

Los elementos de sujeción se fabricarán en acero

1045 por su resistencia última a ténsión; acero

inoxidable 304 (sólo para la celda de carga) por

requerimientos de resistencia en el diseño y acero

estructural A-36 en los elementos de mayor tamaño

y sometidos a menor esfuerzo, para reducir costos.

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO• Componentes estandarizados:

Los componentes estandarizados seleccionados son:

tornillos:

½”-16UNC-2A

3/8”- 16UNC-2A

Tuercas:

½”-16UNC-2B

Arandelas:

d= ½” x 1/16”

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO• Mejora de detalles.

La generación de los dispositivos de sujeción fue un

proceso de constantes mejoras durante

aproximadamente 1 mes; tan así que se obtuvieron

cerca de 7 iteraciones en los diseños hasta llegar al

producto final. En cuanto al diseño de las probetas

se tuvo que hacer modificaciones pero sólo en

cuanto a las formas de sujeción, el tamaño de los

cordones de soldadura no fue modificado.

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO• Herramientas de ingeniería.

Para el diseño de los elementos de sujeción y

verificación del diseño de las probetas se recurrió al

cálculo convencional que se encuentra en los libros;

para el dibujo se utilizó un software CAD.

Para la evaluación del producto se utilizó el cálculo

por elementos finitos tanto en los dispositivos de

sujeción como en las probetas.

Probetas:

Modelo 1: Modelo 2:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Probetas:

Modelo 3:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Probetas:

Modelo 4: Modelo 5:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Dispositivos de sujeción:

Sujeción n-patín: Patín:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Dispositivos de sujeción:

Celda de carga (inox 304):

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Dispositivos de sujeción:

Aro de carga: Sujeción probetas 1 y 2:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Dispositivos de sujeción:

Sujeción probetas 4 y 5: Acople patín-celda modelo 3:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Dispositivos de sujeción:

Soporte cilindro interior

tubo modelo 3:

Cilindro interior tubo

modelo3:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Dispositivos de sujeción:

Soporte fijo modelo 3: Pasador:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Ensambles:

Modelo 1 y 2:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Ensambles:

Modelo 3:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Ensambles:

Modelo 4:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

Ensambles:

Modelo 5:

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL

PRODUCTO

• Fotografías:

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

• Modo de funcionamiento:

Por medio de los dispositivos de sujeción se transmite

la carga alternante que genera la máquina hacia las

probetas, se cuenta el número de ciclos a los cuales

falla la soldadura y de esta manera se puede hacer

el estudio de los diferentes factores que inciden en

la resistencia a fatiga del material de aporte.

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

• Aspectos de seguridad:

• Biseles en todas las aristas de los dispositivos de

sujeción para evitar cortes y/o lesiones a las personas

que interactúen con dichos elementos.

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

Con las probetas y los dispositivos de sujeción

elaborados se puede llevar a cabo el ensayo a

fatiga de uniones soldadas para los diferentes

modelos planteados, satisfaciendo así la necesidad

del cliente.

De esta forma se abre un campo bastante amplio de

investigación en cuanto al comportamiento a fatiga

de las uniones soldadas, aportando así a la

evolución de la línea de investigación, innovación y

desarrollo del departamento de Ingeniería de la

Universidad Nacional de Colombia.

APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO

ANÁLISIS ECONÓMICO

El costo total del desarrollo del proyecto se divide entre los siguientes items:

•Materiales Sujeciones y probetas

•Personal capacitado y calificado (Soldadura)

•Mecanizado de Sujeciones y Probetas

•Compra de Elementos estandarizados, soldadura.

•Costos de mano de obra, horas operario, horas maquina.

•Costos asociados al proyecto (transporte, desplazamientos)

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y

HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA EMPLEADAS

Software:

•Solid Works ®.

•ANSYS ®.

Bibliografía:

•NORTON, Robert. “Diseño de Máquinas”. Prentice Hall. 1999.

•SHIGLEY, Edward. “Diseño en Ingeniería Mecánica”. Sexta

edición. McGraw Hill. 2002.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y

HERRAMIENTAS DE INGENIERÍA EMPLEADAS

Bibliografía:•ULRICH KARL y EPPINGER STEVEN. “Diseño y desarrollo de

productos, Enfoque multidisciplinario”, McGraw Hill

Interamericana, 2004.

•NTC 1958 (SIMBOLOS NORMALIZADOS PARA SOLDEO,

SOLDEO FUERTE Y ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS). 1997.

•NTC 2191 (SOLDADURA. ELECTRODOS DE ACERO AL

CARBONO REVESTIDOS PARA SOLDADURA POR ARCO).

1998.

MUCHAS GRACIAS

– Miguel Angel Merchan – [email protected]

– Jhoan Esteban Oliveros M. – [email protected]