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ESTUDIO DE LOS PARMETROS QUE AFECTAN LA INTEGRIDAD DE LA

RESISTENCIA A LA TRACCIN Y FLEXIN DE UNA JUNTA SOLDADA

POR FUSIN

ALVEAR TORRES LISMAR DE JESS

MRQUEZ ALARCN JOAN CARLOS

ING. CRISTIAN PEDRAZA YEPEZ

DIRECTOR

ING. LISANDRO VARGAS HENRQUEZ

CODIRECTOR

UNIVERSIDAD DEL ATLNTICO

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE MECNICA

BARRANQUILLA

2011

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TABLA DE CONTENIDO

1. FICHA TCNICA

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

3. JUSTIFICACIN

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

5. MARCO TERICO

6. PRESUPUESTO

7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

8. DESARROLLO METODOLGICO

9. BIBLIOGRAFA

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Titulo: ESTUDIO DE LOS PARMETROS QUE AFECTAN LA INTEGRIDAD DE LA

RESISTENCIA A LA TRACCIN Y FLEXIN DE UNA JUNTA SOLDADA POR FUSIN

Director del Proyecto: Ing. Cristian Pedraza Yepez

Estudiantes Investigadores:

Nombre: Lismar de Jess Alvear Torres

Correo Electrnico: ing.alvear.lismar@gmail.com

Celular: 3002018564

Estudiante del Programa de Ingeniera Mecnica

Nombre: Joan Carlos Mrquez Alarcn

Correo Electrnico: joan11235@gmail.com

Celular: 3135350013

Estudiante del Programa de Ingeniera Mecnica

Nmero Total de Investigadores: Dos (2)

Lnea de Investigacin:

Procesos de manufactura y Resistencia de materiales .

Lugar de Ejecucin del proyecto:

Universidad Del Atlntico.

Ciudad: Barranquilla Departamento: Atlntico.

Duracin del Proyecto (en Meses): 4 meses

Nombre de la Instancia a la cual se presenta el Proyecto:

Comit de Proyecto de Grado del Programa de Ingeniera Mecnica de la Universidad del Atlntico.

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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el programa de ingeniera mecnica de la universidad del atlntico es dictado el

curso procesos de manufactura en el cual se estudian los principal procesos de

fabricacin, conformado y unin de los materiales. Uno de estos importantes procesos

es el llamado proceso de soldadura. De igual manera, aunque existe la ctedra de

resistencia de materiales, no existen experiencias de laboratorio que permitan validar

muchos de los fenmenos de la mecnica como la traccin y la flexin, que son vitales

para el entendimiento del comportamiento mecnico de una junta soldada. Podemos

percibir la falta de conocimiento y poco dominio por parte de los estudiantes en

formacin en dicho proceso.

La situacin se origina a partir de que la facultad de ingeniera no posee un laboratorio

adecuado para la prctica y experimentacin de los distintos tipos de procesos de

soldadura y las pruebas a las cuales esta se somete. Causando as, un vacio al no existir

datos suficientes que ayuden al estudiante a establecer una relacin entre el proceso de

soldadura y las pruebas mecnicas de traccin y flexin.

El proyecto plantea la aplicacin de los conocimientos tericos del proceso de soldadura

y la resistencia mecnica, al grupo de datos generados por la experiencia en el

laboratorio, con el propsito de establecer una conexin entre la emprica y la teora. Al

intentar tender este puente entre ambas, pretendemos establecer relaciones medibles y

perdurables que nos ayuden a comprender de manera cientfica los efectos de los

parmetros de la soldadura sobre su comportamiento.

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3. JUSTIFICACIN

Con el nimo de mejorar cada vez ms las condiciones educativas de la facultad de

ingeniera se ha propuesto esta iniciativa para brindar a los estudiantes de este

prestigioso claustro universitario un estudio sobre los efectos que producen la variacin

de los parmetros de la soldadura en los resultados del ensayo de traccin y flexin,

contribuyendo as con la base de datos tcnica de la facultad, cuya consulta se convierta

en una referencia valiosa para futuras investigaciones.

Adems la experimentacin y la bsqueda de respuestas mediante la combinacin de

datos empricos y tericos es la manera idnea de determinar que variables o parmetros

son los ms relevantes a la hora de establecer causas y efectos de un problema,

abarcando una mayor cantidad de conocimientos llevados a la prctica y de esta forma

garantizar el aproximamiento de stos por parte de los futuros ingenieros.

La ausencia de un mbito propicio para la investigacin ha creado un abismo entre la

enseanza de la tcnica de la soldadura y los principios mecnicos implcitos en sta,

especficamente sobre la traccin y la flexin, ambos fenmenos muy importantes pero

que se estudian de manera separada de la soldadura. Un estudio conjunto del proceso de

soldadura y los ensayos de traccin y flexin traer como frutos un caudal de datos de

inestimable valor para los estudiantes.

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4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Estudiar los parmetros que afectan la integridad de la resistencia a la traccin y flexin

de una junta soldada por fusin.

4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Identificar parmetros que intervienen en la resistencia de una junta soldada.

Seleccionar el experimento adecuado que refleje de manera clara la relacin

entre los parmetros que intervienen en la resistencia de una junta soldada.

Validar diseo-experimento segn normas internacionales de soldadura.

Obtener y validar un modelo matemtico que muestre una conclusin de los

ensayos y experimentos realizados a una junta soldada.

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5. MARCO TERICO

Antecedentes histricos

El proceso de soldadura por arco elctrico con electrodo revestido que tambin se

conoce como soldadura con electrodo revestido, es uno de los mtodos de soldadura

ms importantes y comunes, ya que con l se pueden soldar metales de distintos tipos y

espesores, en todas las posiciones y con una inversin mnima 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 est muy extendido y a que su costo es muy bajo, el proceso de

arco elctrico con electrodo revestido se ensea en la mayora de las escuelas tcnicas, y

se utiliza ampliamente en la construccin, manufactura, mantenimiento, en talleres,

refineras y en la industria qumica, farmacutica y elctrica.

Este mtodo de soldadura evoluciono a partir de las tcnicas 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 carbn. Entre 1880 y 1900, muchos

inventores realizaron experimentos en relacin con los arcos y la soldadura. Entre ellos

estaban los rusos Nikolai Bernardos y Stanislaus Olszewski, quienes recibieron una de

las primeras patentes britnicas de soldadura, y N. Slavinoff, quien empez a utilizar

electrodos de metal sin recubrimiento en lugar de los electrodos de carbn. Otro

inventor mas fue Charles Lewis Coffin, de Wayne County (Detroit), Michigan, quien

recibi muchas patentes de EE.UU. En una de ellas, Coffin propona la utilizacin de

electrodos sin recubrimiento. En ese entonces, los inventores solan trabajar sin saber lo

que hacan los dems. Sin embargo todos saban que las soldaduras quedaban muy

porosas, no eran de muy buena calidad y, adems, los arcos eran inestables. Las

salpicaduras constituan un problema grave y se requera gran habilidad por parte de los

operarios nicamente para mantener el arco.

Posteriormente se produjo un importante salto tecnolgico. Oscar Kjellberg, un

experimentador sueco, empez 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 comprob que estas capas eran muy

tiles para reducir las salpicaduras, estabilizar el arco, disminuir la porosidad y facilitar

el proceso de soldadura.

Fundamentos del proceso de soldadura por fusin

El sistema de soldadura elctrica con electrodo recubierto se caracteriza, por la creacin

y mantenimiento de un arco elctrico entre una varilla metlica llamada electrodo, y la

pieza a soldar. El electrodo recubierto est constituido por una varilla metlica a la que

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se le da el nombre de alma o ncleo, generalmente de forma cilndrica, recubierta de un

revestimiento de sustancias no metlicas, cuya composicin qumica puede ser muy

variada, segn las caractersticas que se requieran en el uso. El revestimiento puede ser

bsico, rutlico y celulsico. Para realizar una soldadura por arco elctrico 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 cordn de soldadura.

La caracterstica ms importante de la soldadura con electrodos revestidos, en ingls

Shield Metal Arc Welding (SMAW) o Manual Metal Arc Welding (MMAW), es que el

arco elctrico se produce entre la pieza y un electrodo metlico recubierto. El

recubrimiento protege el interior del electrodo hasta el momento de la fusin. Con el

calor del arco, el extremo del electrodo funde y se quema el recubrimiento, de modo que

se obtiene la atmsfera adecuada para que se produzca la transferencia de metal fundido

desde el ncleo del electrodo hasta el bao de fusin en el material base. Adems 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 fusin

del recubrimiento del arco. La escoria flota en la superficie y forma, por encima del

cordn de soldadura, una capa protectora del metal fundido.

Los elementos del proceso son los siguientes:

Plasma: Est compuesto por electrones que transportan la corriente y que van

del polo negativo al positivo, de iones metlicos que van del polo positivo al

negativo, de tomos gaseosos que se van ionizando y estabilizndose conforme

pierden o ganan electrones, y de productos de la fusin tales como vapores que

ayudarn a la formacin de una atmsfera protectora. Esta zona alcanza la

mayor temperatura del proceso.

Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor temperatura que

ste, formada por tomos que se disocian y recombinan desprendiendo calor por

la combustin del revestimiento del electrodo. Otorga al arco elctrico su forma

cnica.

Bao de fusin: La accin calorfica del arco provoca la fusin del material,

donde parte de ste se mezcla con el material de aportacin del electrodo,

provocando la soldadura de las piezas una vez solidificado.

Crter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y

profundidad vendrn dadas por el poder de penetracin del electrodo.

Cordn de soldadura: Est constituido por el metal base y el material de

aportacin del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la escoria,

compuesta por impurezas que son segregadas durante la solidificacin y que

posteriormente son eliminadas, y el sobre espesor, formado por la parte til del

material de aportacin y parte del metal base, que es lo que compone la

soldadura en s.

Electrodo: Son varillas metlicas preparadas para servir como polo del circuito;

en su extremo se genera el arco elctrico. En algunos casos, sirven tambin

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como material fundente. La varilla metlica a menudo va recubierta por una

combinacin de materiales que varan de un electrodo a otro. El recubrimiento

en los electrodos tiene diversa funciones, stas pueden resumirse en las

siguientes:

Funcin elctrica del recubrimiento

Funcin fsica de la escoria

Funcin metalrgica del recubrimiento

Fig. 1 Esquema proceso de soldadura por arco y electrodo revestido.

Funcin elctrica del recubrimiento

La estabilidad del arco para la soldadura depende de una amplia serie de factores como

es la ionizacin del aire para que fluya adecuadamente la electricidad. Para lograr una

buena ionizacin se aaden al revestimiento del electrodo productos qumicos

denominados sales de sodio, potasio y bario los cuales tienen una tensin de ionizacin

baja y un poder termoinico elevado. El recubrimiento, tambin contiene en su

composicin productos como los silicatos, los carbonatos, los xidos de hierro y xidos

de titanio que favorecen la funcin fsica de los electrodos, que facilitan la soldadura en

las diversas posiciones de ejecucin del soldeo.

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Funcin metalrgica de los recubrimientos

Adems de las funciones de estabilizar y facilitar el funcionamiento elctrico del arco y

de contribuir fsicamente a la mejor formacin del cordn, el recubrimiento tiene una

importancia decisiva en la calidad de la soldadura. Una de las principales funciones

metalrgicas de los recubrimientos de los electrodos es proteger el metal de la

oxidacin, primero aislndolo de la atmsfera oxidante que rodea al arco y despus

recubrindolo con una capa de escoria mientras se enfra y solidifica.

Como son los propios electrodos los que aportan el flujo de metal fundido, ser

necesario reponerlos cuando se desgasten. Los electrodos estn compuestos de dos

piezas: el alma y el revestimiento.

El alma o varilla es alambre (de dimetro original 5.5 mm) que se comercializa en rollos

continuos. Tras obtener el material, el fabricante lo decapa mecnicamente (a fin de

eliminar el xido y aumentar la pureza) y posteriormente lo trefila para reducir su

dimetro.

El revestimiento se produce mediante la combinacin de una gran variedad de

elementos (minerales varios, celulosa, mrmol, aleaciones, etc.) convenientemente

seleccionados y probados por los fabricantes, que mantienen el proceso, cantidades y

dosificaciones en riguroso secreto.

La composicin y clasificacin de cada tipo de electrodo est regulada por AWS

(American Welding Society), organismo de referencia mundial en el mbito de la

soldadura.

Este tipo de soldaduras pueden ser efectuados bajo corriente tanto continua como

alterna. En corriente continua el arco es ms estable y fcil de encender y las

salpicaduras son poco frecuentes; en cambio, el mtodo es poco eficaz con soldaduras

de piezas gruesas. La corriente alterna posibilita el uso de electrodos de mayor

dimetro, con lo que el rendimiento a mayor escala tambin 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 mtodo tan til 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 prctico; todo lo que necesita un

soldador para trabajar es una fuente de alimentacin, 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 proteccin. El procedimiento es excelente para trabajos,

reparacin, fabricacin y construccin. Adems, la soldadura SMAW es muy verstil.

Su campo de aplicaciones es enorme: casi todos los trabajos de pequea y mediana

soldadura de taller se efectan 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

automatizacin o semiautomatizacin; su aplicacin 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 pequea 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 preparacin, un soldador eficiente puede ser muy productivo.

Propiedades mecnicas de la unin por soldadura por arco

Las propiedades mecnicas de los metales son las cualidades que determinan su

comportamiento cuando se aplica una carga.

Entre las propiedades mecnicas de los metales se incluye la resistencia a la traccin,

elasticidad, ductilidad, dureza, tenacidad y resistencia a la fatiga.

Resistencia a la traccin

La resistencia a la traccin es la propiedad que tiene un metal para soportar las cargas de

traccin o estiramiento. Se mide con una maquina de traccin 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 traccin de dicho metal. Esta es una prueba destructiva y se

usa normalmente para precisar la resistencia la traccin de las uniones soldadas.

Limite de cedencia

En el transcurso de una prueba de traccin, el metal se empieza a estrechar en algn

lugar. El lmite de cedencia es el esfuerzo requerido para que el material se deforme

permanentemente. La American Welding Society tiene especificaciones en el rengln

de los electrodos de acero al carbono revestidos para soldadura con arco e indica la

resistencia a la traccin y el lmite de resistencia en miles de PSI y la elongacin y la

reduccin del rea 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 caracterstica 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 ms dctiles son tambin los mas maleables.

La dureza

La dureza es la capacidad que tiene un metal de oponerse a la penetracin de un

material ms duro. Para medir la dureza se presiona la muestra metlica con una punta

de diamante o un pequeo baln de acero duro.

La tenacidad

Es la capacidad que tiene un metal para soportar una carga sbita 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

energa que se necesita para romper la probeta es un indicador de la tenacidad del metal.

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6. PRESUPUESTO

cantidad unidad concepto descripcin 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 mquina 100.000 100.000

2 resma papelera 8.000 16.000

2 recarga de tinta 8.000 16.000

transcripcin 70.000 70.000

1 galn pintura anticorrosivo 60.000 60.000

1 galn pintura acabado 50.000 50.000

1 alquiler compresor 70.000 70.000

4 galn disolvente 12.000 48.000

5 pliego lija 800 4.000

2 hoja segueta 2.700 5.400

6 ngulo 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 LOGSTICOS

2.1. EQUIPOS

2.2. MATERIALES E INSUMOS

2.3. FOTOCOPIAS

2.4. SOFTWARE

2.5. PLANOS Y DIBUJOS

2.6. SERVICIOS TCNICOS

2.7. COMPUTACIN

2.8. FOTOGRAFAS

2.9. MANTENIMIENTO

2.10. CONSTRUCCIONES

2.11. MONTAJES

2.12. IMPRESIONES

2.13. EMPASTES

2.14. PUBLICACIONES

2.15. ADMINISTRACIN

2.16. VIAJES

3. RECURSOS

BIBLIOGRFICOS

(DISCRIMINAR)

4. OTROS (DISCRIMINAR)

TOTAL

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7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

Actividades Semana 1 Semana 2 Semana 3 Semana 4 Semana 5

Das 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

Revisin Bibliogrfica

Consulta de normas existentes

Estudio de los procesos de ensayos mecnicos: traccin y flexin

Evaluacin de costos

Presentacin de anteproyecto

Fabricacin de probetas

Ensayos de traccin

Ensayos de flexin

Tabulacin y anlisis de datos experimentales

Modelo matemtico

Conclusiones

Presentacin y sustentacin de informe final

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8. DESARROLLO METODOLGICO

Para dominar los temas relacionados con el proceso de soldadura y los ensayos

mecnicos de traccin y flexin. Se realizarn las siguientes actividades:

Llevar a cabo una revisin bibliogrfica de las actuales metodologas para la

aplicacin de ensayos de traccin y flexin, manufactura de materiales

mediante la unin de soldadura por fusin , as como los diferentes tipos de

componentes e instrumentos de medicin a utilizar y elegir, consultando en

los recursos dispuestos como libros, revistas tcnicas y medios virtuales.

Para disear los modelos matemticos en el rea de resistencia de materiales

aplicada a la soldadura por fusin, los clculos y procesos para ser

implementados en el desarrollo del estudio. Se realizarn las siguientes

actividades:

Aplicar y utilizar los conocimientos obtenidos durante la investigacin.

Desarrollar ecuaciones aplicables en cada una de las reas.

Se consultara con docentes y especialistas capacitados en el rea de resistencia

de materiales, materiales de ingeniera, procesos de manufactura, y tcnicos con

extensa experiencia en soldadura.

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9. BIBLIOGRAFA

GROOVER, Mikell. Fundamentos de manufactura moderna: materiales,

procesos y sistemas, McGraw Hill Hispanoamericana, 3 ed., Mxico 1997.

KOELLHOFFER, Leonard. Manual de soldadura. Limusa Noriega Editores, 1

ed., Mxico 2007.

KALPAKJIAN, Serope; SCHMID, Steven R. Manufactura, ingeniera y

tecnologa. Pearson Prentice Hall, 5 ed., Mxico 2008.

http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura

http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura_por_arco