Proyecto Hasta Cap 3.docx

CAPITULO I PROBLEMA DE INVESTIGACION 1.1 Descripción de la realidad del problema En el ensamblaje de vehículos, es necesario transportar las partes como el motor con mucho cuidado para que no se dañe, antiguamente se utilizaban brazos mecánicos, palancas, trípodes, pero estos ocupan mucho espacio de trabajo, entonces se optó por crear el puente grúa, el cual facilita el transporte de piezas o partes de vehículos con mayor eficiencia, dicho puente grúa está sujeto a un esfuerzo constante mientras trabaja por lo que la soldadura tiene que ser muy eficiente ya que de no serlo el puente grúa sufriría una fractura la cual aria que la pieza que este transportando se dañe y que se detenga el proceso de ensamblaje y por ende retrase la producción debido a que no se podría transportar las partes de los vehículos eficientemente, y se demorarían casi el doble en ensamblar un vehículo. Las partes del puente grúa tienen que soportar la carga con la que se está trabajando (parte del vehículo que se está transportando en el taller) dicha carga puede producir deflexión, pandeo, etc. nos centraremos en el cordón de soldadura de los rieles del puente grúa, los culés van a estar sujetos a esfuerzos cortantes, dicho cordón de soldadura tiene que ser lo suficientemente resistente para que soporte la carga con la que se está trabajando, se tiene que calcular el espesor, seleccionar el electrodo y el tipo de soldadura para que no falle el cordón de soldadura, una parte importante

también será las pruebas para determinar si la soldadura fue realizada correctamente, dicha pruebas pueden ser realizadas por líquidos penetrantes, ultrasonido, etc. 1.2 Definición del problema 1.2.1. Problema general El esfuerzo cortante que soporta el cordón de soldadura en el puente grúa, el cual estará sujeto a cargas verticales, transversales y longitudinales. 1.2.2. Problemas específicos a) La longitud de soldadura que debe de tener para soportar una carga máxima de 50 toneladas. b) Si se ha realizado correctamente el proceso de soldadura. c) Burbujas en el cordón de soldadura las cuales pueden provocar una rotura al estar sometido a una carga. 1.3. Objetivos de la investigación 1.3.1. Objetivo general. a) Analizar el cordón de soldadura el cual estará sometido a una carga máxima de 50 toneladas el cual estará sujeto a cargas verticales, cargas transversales y longitudinales. 1.3.2. Objetivos específicos a) Calcular la longitud del cordón de soldadura para una carga máxima. b) Determinar si el electrodo E-60XX cumple para los estándares de trabajo.

c) Evaluar si el proceso GMAW es factible para el cordon de soldadura. 1.4. Justificación La soldadura es muy importante en todo tipo de estructuras ya que es la que mantiene unida dos placas o piezas metálicas mediante la fundición de un electrodo, dicho electrodo tiene que ser seleccionado cuidadosamente, ya que el electrodo dependerá de que tipo de acero se quiere soldar. La soldadura se ha convertido en un elemento esencial para la construcción de las más sofisticadas maquinas tales como el puente grúa, ya que si se usara remaches estos con la vibración del motor se dañarían, por lo que la soldadura en este caso tendría más vida útil que la de los remaches y pernos. la soldadura es de suma importancia en la industria en general, ya que, es el proceso más económico, rápido y factible para generar uniones entre piezas de forma permanente y que a pesar de ser más económico, ofrece una gran calidad, aunque esta depende del personal que la realiza. 1.5. Alcances y limitaciones 1.5.1. Alcances a) Este proyecto analiza el cordón de soldadura en un puente grúa, el cual está sujeto a fuerzas cortantes, comprende el cálculo de la longitud de soldadura necesaria para que soporte una carga máxima, así también la elección del electrodo para la soldadura de acero A-36, el análisis se dará para una caso crítico, es decir, que se analizara con la con la carga limite que puede soportar, aparte de la carga muerta (su peso del puente grúa).

b) La investigación busca evaluar la unión soldada de las placas que mantienen al riel en donde se movilizara el brazo de la grúa, dicho cordón de soldadura puede ser afectado por el clima, mala soldadura, mala elección del electrodo, etc. 1.5.2. Limitaciones a) Este proyecto dará solamente solución a problemas puntuales, en donde la grúa trabajara con una carga estándar, la elección del electrodo según el tipo de material que se desea soldar, la longitud de la soldadura y el espesor que debe tener, por lo general el espesor de la soldadura tiene que ser un tercio del espesor de la placa. 1.6. Variables 1.6.1. Carga Es aquella cosa que genera peso o presión respecto a la estructura que la transporta en este caso sería el puente grúa, también puede ser el peso que consigue soportar una determinada base o estructura, dicha carga se divide en carga viva (el peso adicional que se quiere transportar) y la carga muerta (carga del equipo que transporta la carga viva). 1.6.2. Longitud de soldadura Es la longitud necesaria del cordón de soldadura, para que soporte un peso o una carga, en este caso el transporte de motores, carrocería, etc. la longitud

de soldadura tendrá que ser uniforme para que el esfuerzo se distribuya uniformemente. Tabla 1 Operación de las variables Variable

Definición conceptual

Unidad medida

Es aquella cosa que genera peso kilogramos respecto a la estructura Longitud Longitud de necesaria para el milímetros soldadura soporte de una carga. Fuente: elaboración propia Carga

de Escala

kilogramos

milímetros

1.7. Hipótesis 1.7.1. Hipótesis general La capacidad de carga que soportara influye mucho tanto para la elección del electrodo y la longitud de cordón que se usara. 1.7.2. Hipótesis especificas a) Al realizar los cálculos la longitud del cordón debe ser menor que el espesor de la plancha más delgada. b) El electrodo que se puede usar sería un E-60XX. c) El proceso de soldadura GMAW seria eficiente para el cordón de soldadura.

CAPITULO II MARCO TEORICO

2.1 Antecedentes

Por otro lado debemos tomar en cuenta la información que se nos proporciona en la tesis “Optimización del diseño a fatiga de uniones soldadas a tope y su aplicación al dimensionamiento de soldadura transversales de torres eólicas” por David Fernández señala que: el medio es un factor importante al momento de la elección del proceso de soldadura ya que este tiene una influencia en la fatiga de las uniones soldadas en componentes inicialmente no fisurados así como la posible relación con su microestructura .La resistencia a la fatiga de una unión soldada puede determinarse de forma más precisa haciendo uso de valores de tensiones que representen con mayor exactitud que las tensiones nominales el estado tensional en el entorno de la unión soldada, puesto que dichas tensiones nominales no tienen en cuenta de forma precisa la geometría de la soldadura y por lo tanto el factor de concentración de tensiones.(pag123)

La tesis “Diseño, Calculo y comprobación de unión soldada en viga tipo puente grúa de alma doble” por Franciso J.Fraile nos dice que las velocidades de soldeo van acorde con el tipo de aplicación así como también el espesor de las alas es el mínimo permitido ya que si se toma un espesor menor la viga fallaría por tensiones remanentes durante el proceso de soldeo y la intensidad de corriente en el proceso

de soldeo manual debe estar dentro de los límites permitidos que están entre 86A y 164A.Tambien nos dice que las fuerzas actuantes en este tipo de estructuras se pueden catalogar como características, ya que las cargas horizontales y longitudinales, pueden llegar a ser entre 10% y 20% la capacidad total de carga vertical del conjunto. Por esta razón, y para evitar que dicho puente se dimensione por torsión, se trata suplantar las vigas alma llena por otro tipo de estructuras, tales como vigas en celosía, perfiles aligerado o alveolados, vigas de alma doble o de cajón rectangular, dos vigas con el carro en el centro.(pag. 3)

De igual manera en la tesis “Comportamiento de la soldadura en estructuras de acero” proporcionada por Edmundo Alfredo Jimenez Perez nos dice que se debe tener en cuenta los tipos de fractura que sufre la soldadura por ellos se debe realizar una inspección por pruebas no destructivas ya sean inspección visual, líquidos penetrantes y partículas magnéticas, así como también la aplicación del código AWS en la elaboración de procedimientos de soldadura para la fabricación y montaje. La finalidad de la inspección de soldadura es determinar si los ensamblajes soldados cumplen con los requisitos especificados, se pueden señalar diferentes enfoques cometidos, alcances y limitaciones en la participación del inspector y que a fin de tener soldadura con las propiedades deseadas de resistencia a la tensión, tenacidad, ductilidad, dureza o resistencia a la corrosión y libres de condiciones indeseables como puede ser la distorsión, los esfuerzos residuales excesivos, o discontinuidades tales como grietas, es necesario controlar la velocidad de enfriamiento.(pag. 22)

También es de suma importación mencionar a Omar Eduardo Cruz con su tesis “Análisis, diseño y selección de una grúa viajera tipo mono puente” para el montaje de la estructura se puede tomar en cuenta las normas de diseño como son CMAA Y AISC.Procurar también que los esfuerzos que se aplicaran en el diseño no excedieran con las estandarizas por las normas, de manera que la elección del electrodo y proceso de soldadura sea más fácil de identificar y poder realizar los calculas para esta de manera segura.(pag.33)

De la misma forma en la tesis “Diseño y simulación de un puente grua de 15 toneladas de capacidad para los talleres de arcoland división oriente” por Diego Fernando Vasco Veral nos brinda la siguiente información: todos los elementos deben cumplir con el requerimiento de seguridad con un factor de seguridad amplio. La distribución de tensiones transversales en el alma bajo cargas localizadas, definida en este apartado, puede ser necesario para el control de estado límite de fatiga de elementos sometidos a acciones dinámicas(vigas carril de puentes-grúa por ejemplo),así como para el control de los estados límites de servicio, por deformaciones del alma o por planificaciones locales, y de los estados limites últimos de elementos con almas esbeltas, susceptibles de inestabilidad por acción conjunta de estos efectos con las tensiones normales y tangenciales derivadas de la flexión longitudinal del elemento.(pag. 19)

2.2 Bases Teoricas Elementos del puente grúa Se consideran elementos del puente grúa, a los elementos necesarios para que funcione adecuadamente. Viga principal Se considera a la Viga principal como la parte principal del puente grúa. Su función es la de soportar los movimientos del carro móvil o trolley y a su vez la carga de servicio, por ende la viga principal es la parte crítica de la estructura. Puede estar conformado por: Cerchas: Se le da el nombre de cercha, a la viga armada por lo general triangulada, destinada a soportar las cargas de las correas de una cubierta en este caso del puente grúa, transmitiendo a su vez éstas cargas, a las cargas que reciben los apoyos. Estos elementos metálicos pueden realizarse por medio de uniones roblonadas, soldadas o empernadas.

Tipos de cerchas o armaduras metálicas Perfiles laminados o Vigas: Como su nombre lo indica, es un tipo de producto laminado cuya sección tiene forma de doble T también llamado I y con el espesor denominado normal. Las caras exteriores de las alas son perpendiculares al alma y dependiendo de la inclinación de éstas, pudiendo ser de tipo IPN (Perfil Normalizado con sección transversal en forma de "I" y alas inclinadas) y IPE (Perfil Normalizado con sección transversal en forma de "I" y a las rectas), Las alas interiores presentan una inclinación del 14% respecto a las exteriores, por lo que éstas tienen un espesor decreciente hacia los bordes. Las uniones entre las caras del alma y las caras interiores de las alas son redondeadas. Además, las alas tienen el borde con arista exterior viva e interior redondeada. Perfil IPE3

PERFIL IPN4

Vigas testeras Los testeros o vigas testeras, son las vigas laterales sobre las que descansa la viga principal. Se deslizan sobre una superficie, o ruedan sobre un carril, por lo general

estos carriles o rieles se encuentra sobre las vigas laterales del puente grúa, en algunos casos sobre las alas de las vigas laterales y sus funciones son las de transportar la carga a través de la luz del puente grúa y la de derivar los esfuerzos provenientes de la viga principal a los apoyos. Dentro de ellas se alojan las ruedas que sirve de apoyo a la estructura, estáticamente estos apoyos serán considerados como articulaciones y dividen a las fuerzas generadas por la viga principal en tres. Vigas laterales Son los elementos estructurales por donde se moviliza la viga testera y dependiendo del diseño puede circular por encima de ésta viga por las alas del mismo, o en su defecto por un riel colocado entre los rodillos de la viga testera y la viga lateral Apoyos Se denominan apoyos a las columnas sobre las cuales descansan las vigas laterales del puente grúa, estos apoyos pueden estar constituidos por: 

Hormigón Armado: La cual es un compuesto entre material férreo en este caso varillas y mezcla de cemento arena y piedra.



Vigas IPN.



Cerchas metálicas.

Luz del puente grúa Se refiere a la distancia entre los apoyos y de ésta depende si el tipo de puente grúa es, monorriel o bi – riel (ver tipos de puentes grúa como se observa en la figura N°2.5.)

Partes y movimientos del puente grúa Tipos de Puentes Grúas De lo descrito hasta este punto se entiende al puente grúa como una Máquina de funcionamiento discontinuo, la cual eleva y distribuye las cargas suspendidas de un gancho o de cualquier otro accesorio de prensión, y dependiendo de su forma y conformación se clasifican en: Puente Grúa de doble apoyo Puente grúa que consta de un elemento portador (viga principal) - formado por una o dos vigas móviles sobre rieles, apoyados en columnas, ménsulas o apoyos a lo largo de dos paredes opuestas de su lugar de trabajo sobre el que se desplaza el polipasto con los mecanismos elevadores. Figura No. 2.5

Puente grúa doble apoyo Puente Grúa pórtico Grúa cuyo elemento portador se apoya sobre un camino de rodadura (normalmente apoyados en el suelo) por intermedio de patas de apoyo y garruchas (sistema de rodadura por ruedas metálicas). Como se observa en la Fig. 2.6, Se diferencia del puente grúa en que los raíles de desplazamiento están en un plano horizontal muy inferior al polipasto y las dimensiones de la máquina y la altura de la pata de apoyo, determinan la altura máxima operativa del equipo. Figura No. 2.6

Puente grúa pórtico1 Puente Grúa semi – pórtico Grúa cuyo elemento portador se apoya sobre un camino de rodadura, directamente de un lado y por intermedio de patas de apoyo en el otro. Se diferencia del puente grúa y grúa pórtico en que uno de los raíles de desplazamiento está aproximadamente en el mismo plano horizontal que el polipasto, y el otro raíl de desplazamiento está en otro plano horizontal muy inferior al del polipasto (normalmente apoyado en el suelo). Las dimensiones de la máquina y la altura de las patas de apoyo, determinan la altura máxima operativa del equipo. Figura No. 2.7

Puente grúa semipórtico Grúa pluma Grúa palomilla capaz de girar sobre una columna fijada por su base a la fundación, o

fijada

a

una

Figura No. 2.9.1

Grúa pluma mural Figura No. 2.9.2

columna

giratoria

sobre

un

soporte

empotrado.

Grúa pluma columna Puente grúa monorraíl Se encuentra conformado por una sola viga o cercha, en la viga principal. Es una versión más económica y óptima para pequeñas cargas y luces grandes o grandes cargas y pequeñas luces, en este caso el trolley suele encontrarse suspendido en las alas de la viga IPN o IPE o sobre la viga tipo cercha. Figura No. 2.10

Puente Grúa monorriel Puente grúa Birraíl Son modelos que disponen de 2 vigas principales, se utilizan mayoritariamente en estructuras que deben cubrir grandes luces, donde una única viga es insuficiente debido a los grandes esfuerzos que deben soportar, o para grandes cargas en las

que es necesario dividir los esfuerzos en más de una viga y el carro debe desplazarse por encima de la estructura. Figura No. 2.11

Puente Grúa Birriel DIFERENTES TIPOS DE UNIONES POR SOLDADURA Se llama soldadura a la unión de dos piezas metálicas de igual o pa recida composición, de forma que la unión quede rígida y estanca. Esto se consigue bien por el efecto de fusión que proporciona la aportación de calor, bien por la aportación de otro metal de enlace o por la combinación de ambos efectos. Existen cerca de cuarenta sistemas de soldar, pero el más importante para las estrucuras metálicas es el sistema de soldadura por fusión. En las soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unión. Existen diferentes tipos de soldadura por fusión, pero los más utilizados son dos:

·

Soldadura autógena

·

Soldadura por arco eléctrico, que es la que se utiliza en estructuras

metálicas. · SOLDADURA AUTOGENA En la soldadura autógena el calor lo proporciona una llama producida por la combustión de una mezcla de acetileno y oxígeno, en la proporción 1:1, que se hace arder a la salida de una boquilla. La temperatura alcanzada en la llama es de unos 1300° C. El calor producido funde los extremos a unir, con lo que se obtiene, después de la solidificación, un enlace homogéneo. Aunque este tipo de soldadura todavía se utiliza en los talleres mecánicos, no es correcta su utilización en uniones sometidas a esfuerzos, ya que por efecto de la temperatura se provocan unas tensiones residuales muy elevadas, siendo en general más lenta y cara que la soldadura por arco. De todas formas, cuando el soplete oxiacetilénico se utiliza en la soldadura de piezas, se le suele completar con un alambre de material de aportación que se funde al mismo tiempo que los bordes de las piezas, formando en conjunto el cordón de soldadura. El tamaño de la boquilla del soplete es aproximadamente igual que e l espesor de las chapas a unir. SOLDADURA POR ARCO ELECTRICO

La soldadura por arco se basa en que si a dos conductores en contacto se les somete a una diferencia de potencial, establecemos entre ambos una corriente. Si posteriormente se les separa, provocamos una chispa, cuyo efecto es ionizar el gas o el aire que la rodea, permitiendo así el paso de la corriente, a pesar de no estar los conductores en contacto. Con esto lo que hacemos es crear entre ellos un arco eléctrico por transformación de la energía eléctrica en energía luminosa y calorífica. El calor provocado por el arco no sólo es intenso, sino que además está muy localizado, lo que resulta ideal para la operación de soldar. Las temperaturas alcanzadas son del orden de 3500°C. En el circuito eléctrico formado por los electrodos y el arco, la intensidad de corriente depende de la tensión y de la resistencia del circuito. Si los electrodos se acercan o se separan variará la resistencia y la intensidad y,por lo tanto, la energía se transformará en calor, con lo que la soldadura no será uniforme. Desde el punto de vista práctico quiere decir que para obtener soldaduras uniformes es imprescindible mantener constante la separación de los electrodos durante el proceso del soldeo. Los procedimientos de soldadura en arco pueden agruparse en tres: Con electrodos de carbono. 

Con electrodos de tungsteno en atmósfera de hidrógeno (soldadura al hidrógeno ató mico).



Soldadura con electrodo metálico.

a). Soldadura con electrodo de carbono. 

No se utiliza en la estructura metálica. El arco salta entre un electrodo de carbón y la pieza a soldar.



Se complementa con metal de aportación.

b). Soldadura con electrodo de tungsteno. El arco salta entre dos electrodos de tungsteno en atmósfera de hidrógeno. El calor del arco disocia las moléculas de hidrógeno, que vuelven a soldarse al contacto con las piezas a soldar, desprendiendo una gran cantidad de calor. Este calor funde las piezas y permite que se efectúe la soldadura en ausencia del oxígeno y el nitrógeno del aire. c). Soldadura con electrodo metálico revestido . Es el procedimiento de unión normalmente utilizado en la constr ucción metálica, pudiendo afirmarse sin titubeos que el gran desarrollo de la construcción metálica actual se debe en gran parte a este sistema. La unión se consigue al provocar un arco eléctrico entre las piezas a unir y un electrodo que sirve de material de aportación. El operario establece un contacto inicial entre el electrodo y la pieza a soldar (llamada trabajo), con lo que se inicia un flujo de corriente. La soldadura en arco, tal como hoy se entiende, se inició en Suecia a principios de siglo, cuando Kjellber inventó el electrodo revestido.

Hasta entonces los electrodos se fabricaban con varillas de acero extrasuave simplemente. En estas condiciones, el metal fundido, sin protección alguna, reacciona libremente con el oxígeno y el nitrógeno del aire, convirtiéndose al enfriar en un metal frágil. El recubrimiento de los electrodos está constituído generalmente por óxidos minerales, carbonatos, silicatos o diversos compuestos orgánicos. Además del efecto protector del material fundido, el revestimiento proporciona las siguientes ventajas: *

Al ser menos fusible que el metal del electrodo, forma una especie de

vaina alrededor del arco, que facilita su dirección y evita la formación de arcos secundarios. También se ioniza mejor el aire que rodea la zona a soldar. *

Permite realizar las llamadas soldaduras de gran penetración gra cias

a que se puede utilizar más intensidad de corriente con ciertos tipos de electrodos, llamados electrodos de gran penetración, aumentando la zona fundida y evitando con esto el que tengamos que preparar los bordes de algunas piezas. *

Gracias a la protección de la escoria fundida, el enfriamiento de la

soldadura se hace con mayor lentitud, evitando tensiones internas. TABLA 1 Principales tipos de revestimiento de los electrodos Tipo de revestimiento Pocentaje de

Volumen de H

por 100 g/cm3

nitrógeno Acido

0.034

9.0

Básico

0.015

2.5

Celulósico

0.028

15.0

Oxidante

0.035

1.5

Rutilo

0.025

12.0

En la Tabla 1 se puede observar el efecto protector de cada tipo de electrodo. En ella se indica el porcentaje aproximado de nitrógeno absorbido por la soldadura y el volumen de hidrógeno absorbido por 100 gramos de metal depositado. Así mismo, puede observarse que el revestimiento básico es el que proporciona la mejor protección y, por tanto, dará soldaduras de mayor calidad. En contraposición, el electrodo básico es el más difícil de fundir. Los diámetros más normales de electrodos son, en milímetros: 2, 2.5, 3.25, 4, 5, 6.3, 8, 10 y 12.

La elección del diámetro del electrodo dep ende del espesor del cordón de soldadura que requiere depositar, siendo la intensidad de corriente necesaria función de este diámetro.

Definición de términos

CAPITULO III METODO 3.1 Tipo de investigación a) Investigación analítica, se realizara el cálculo para la correcta selección del electrodo así como el proceso a usar mediante el uso de ecuaciones y conceptos aprendidos en el tema de uniones soldadas así como también calcular la longitud del cordón de soldadura. b) Para agilizar los cálculos se creó un programa en Matlab. c) Utilizando las tablas de Uniones Soldadas, Tabla de cargas, para que con el resultado seleccionar el electrodo correcto para su aplicación en el soporte. 3.2 Diseño de investigación El diseño que optaremos es “no experimental”. 3.3 Población y muestra Este plan de tesis no cuenta con población.