DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA ...

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EVALUACIÓN DE JUNTAS SOLDADAS POR MEDIO DEL ENSAYO DE

DOBLADO GUIADO SEGÚN AWS D1.1 2015

JONATHAN MARIO BOLÍVAR ALDANA LUZ ANGÉLICA DÍAZ FLOREZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2016

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EVALUACIÓN DE JUNTAS SOLDADAS POR MEDIO DEL ENSAYO DE

DOBLADO GUIADO SEGÚN AWS D1.1 2015

JONATHAN MARIO BOLÍVAR ALDANA 20121375068

LUZ ANGÉLICA DÍAZ FLÓREZ 20112375067

TRABAJO DE GRADO PARA ASPIRAR AL TÍTULO DE INGENIEROS MECÁNICOS

DIRECTOR INGENIERO MECÁNICO MAURICIO GONZÁLEZ COLMENARES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ D.C.

2016

Nota de aceptación:

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______________________________________

______________________________________

______________________________________ Firma del Presidente del Jurado

______________________________________ Firma del Jurado

______________________________________

Firma del Jurado

Bogotá, 18 de abril del 2016

DEDICATORIA

Dedicado a aquellas personas que a pesar de las diferencias dejan en ti lecciones

que solo comprendes después de su partida, y para aquellos que llegan o están

presentes para hacer de tu vida algo mejor, regalándote muchas sonrisas y

buenos momentos.

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, nuestra alma mater con la

que tenemos una deuda infinita por la formación académica , profesional y

personal que recibimos en cada uno de sus espacios, que nos permitió

mejorar nuestra calidad de vida

AGRADECIMIENTOS

Gracias, a todos aquellos involucrados en este logro, en primera instancia a nuestros

padres ya que sin su guía y ejemplo no hubiéramos tenido lo básico para ser las personas

que somos hoy en día, en segundo lugar agradecemos a nuestros profesores, aquellos

que nos recordaron que el conocimiento es más importante que obtener unas buenas

notas, llevándonos a comprender y entender aún mejor los conceptos enseñados, a

nuestros compañeros de carrera, socios activistas de esos grupos de trabajo cuya

ganancia era la aprobación de las materias, a ellos que hombro a hombro estuvieron

trasnochando, corriendo y estudiando con nosotros muchas gracias.

En último lugar y no menos importante agradecemos a aquellas personas que llegaron a

nuestra vida para quedarse convirtiéndose en nuestras parejas, dándonos el regalo más

preciado de un hogar y la bendición de hijos de 2 y 4 patas, a ellos muchas gracias por

aguantar las noches de ausencia mientras estábamos en clases, por sobre esforzarse en

las tareas del hogar supliéndonos mientras nos encontrábamos estudiando, por

abrigarnos mientras nos quedábamos dormidos frente a un pc en la ejecución de un

trabajo interminable, por lo que hemos recorrido al momento y lo que nos queda por vivir,

muchas gracias.

CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN

1. OBJETIVOS………………………………………………………………………….17

1.1 OBJETIVO GENERAL………………………………………………………………17

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS……………………………………………………….17 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………………………………..18

3. JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………….20

4. MARCO TEÓRICO………………………………………………………………….22 4.1 MATERIALES METÁLICOS Y SUS PROPIEDADES MECANICAS…………..22 4.2 PROPIEDADES DE PROCESADO……………………………………………….24 4.2.1 SOLDABILIDAD…………………………………………………………………...25 4.2.2 CLASIFICACION DE LOS TIPOS DE SOLDADURA…………………………26 4.3 PROCESOS DE SOLDADURA……………………………………………………27 4.4 ENSAYOS DE SOLDADURA………………………………………………………30 4.4.1 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS……………………………………………….30 4.4.2 ENSAYOS DESTRUCTIVOS……………………………………………………32 4.4.2.1 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TRACCION.…………………………….32 4.4.2.2 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA CORTADURA………………………….33

4.4.2.3 ENSAYO DE ROTURA SOBRE LA PIEZA ENTALLADA………………….35 4.5 ENSAYO DE DOBLADO ………………………………………………………......36 4.6 CALIFICACION DEL PROCEDIMIENTO Y SOLDADORES…………………...39

Pág. 5 METODOLOGIA……………………………………………………………………….40 5.1 Fase de documentación…………………………………………………………….40 5.2 Fase de diseño……………………………………………………………………....42 5.2.1 Diseño teórico…………………………………………………………………......42 5.2.2 Diseño detallado…………………………………………………………………..43 5.3 Fase de desarrollo…………………………………………………………………..59 5.4 Fase de montaje……………………………………………………………………..61 5.5 Fase de verificación…………………………………………………………………63 6. DESARROLLO DEL PROYECTO…………………………………………………..67 6.1 ANÁLISIS DEL DESARROLLO DEL PROYECTO…………………….…….…67

7. CONCLUSIONES……………………………………………………………………..69 8. RECOMENDACIONES………………………………………………………………70 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………….71

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Diagrama típico de esfuerzo – deformación unitaria 24

Figura 2. Ecuación de carbono equivalente 25

Figura 3. Procesos de soldadura y unión 29

Figura 4. Disposición del cupón de soldadura para ensayos destructivos 32

Figura 5. Dimensiones de la probeta para el ensayo de tracción 33

Figura 6. Dimensiones de la probeta para ensayo de cortadura transversal 34

Figura 7. Dimensiones de la probeta para ensayo de cortadura longitudinal 35

Figura 8. Dimensiones de la probeta para ensayo de rotura 36

Figura 9. Esquema típico de la matriz de doblado 37

Figura 10. Esquema de probetas de ensayo de dobles 38

Figura 11. Simulación Ensayo de Doblez 45

Figura 12. Simulación Ensayo de Doblez (Resultado Von Mises) 46

Figura 13. Simulación Ensayo de Doblez (Resultado tensión principal) 46

Figura 14. Simulación Ensayo de Doblez (Resultado coeficiente seguridad) 47

Figura 15. Simulación Probeta (Resultado Von Mises) 47

Figura 16. Simulación Probeta (Resultado tensión principal) 48

Figura 17. Simulación Probeta (Resultado deformación principal) 48

Figura 18. Simulación Punzón (Presentación de Elementos) 49

Figura 19. Simulación Punzón (Resultado tensión Von Mises) 49

Figura 20. Simulación Punzón (Resultado tensión principal) 50

Figura 21. Simulación Punzón (Resultado coeficiente seguridad) 50

Figura 22. Simulación Matriz (Presentación de elementos) 51

Figura 23. Simulación Matriz (Resultado Von Mises) 51

Figura 24. Simulación Matriz (Resultado tensión principal) 52

Figura 25. Simulación Matriz (Resultado coeficiente seguridad) 52

Figura 26. Simulación Banco 100x100x3 (Presentación de elementos) 53

Figura 27. Simulación Banco 100x100x3 (Resultado tensión Von Mises) 54

Pág.

Figura 28. Simulación Banco 100x100x3 (Resultado tensión Principal) 54

Figura 29. Simulación Banco 100x100x3 (Resultado coeficiente seguridad) 55

Figura 30. Simulación Banco 70x70x5 (Presentación de elementos) 56

Figura 31. Simulación Banco 70x70x5 (Resultado tensión Von Mises) 56

Figura 32. Simulación Banco 70x70x5 (Resultado tensión principal) 57

Figura 33. Simulación Banco 70x70x5 (Resultado coeficiente seguridad) 57

Figura 34. Banco de Prueba 59

Figura 35. Mecanizado de las láminas de soporte de la Matriz 60

Figura 36. Mecanizado de Matriz 60

Figura 37. Mecanizado de Matriz (Producto final) 60

Figura 38. Mecanizado del punzón 61

Figura 39. Fabricación del mecanismo de apoyo de la matriz 61

Figura 40. Montaje del mecanismo de apoyo de la matriz 62

Figura 41. Instalación Gato Hidráulico 62

Figura 42. Ejecución del Cupón de soldadura 63

Figura 43. Cupón de soldadura 64

Figura 44. Trazado de probetas de doblez en cupón de soldadura 64

Figura 45. Corte de probetas de doblez 64

Figura 46. Pulido de probetas de doblez 65

Figura 47. Lijado de Probetas de doblez 65

Figura 48. Ejecución de la prueba de doblez 65

Figura 49. Testigo de evaluación de la prueba de doblez 66

Figura 50. Superficie de evaluación de la prueba de doblez 66

LISTA DE ANEXOS

Pág

Anexo A. Simulación Matriz de Doblado 73

Anexo B. Simulación de Probeta 81

Anexo C. Simulación de Punzón 88

Anexo D. Simulación de Matriz 96

Anexo E. Simulación de Banco 100x100x3 104

Anexo F. Simulación de Banco 70x70x5 130

Anexo G. Planos de Fabricación 141

Anexo H. WPS B-U2-GF 1G-2G 142

Anexo I. WPQ 143

Anexo H. Guía Académica 144

GLOSARIO

API: American Petroleum Institute, asociación Internacional que representa a todos los aspectos de la industria del petróleo y gas natural de Estados Unidos ASME: Es la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos

ASTM: American Society for Testing and Materials. Es la mayor organización científica y técnica para el establecimiento y la difusión de normas relativas a las características y prestaciones de materiales, productos, sistemas y servicios. AWS: La Sociedad Americana de Soldadura ofrece más de 200 normas de soldadura que se utilizan en todo el mundo en incontables industrias BANCO DE PRUEBAS: es una plataforma para experimentación de proyectos de gran desarrollo. CAD: Computer-aided design (CAD) es el uso de programas computacionales para crear representaciones gráficas de objetos físicos ya sea en segunda o tercera dimensión CLAUSULA: Disposición de un contrato, tratado, testamento o cualquier otro documento similar, público o privado, que expresa alguna condición CÓDIGO: Conjunto de normas y reglas sobre cualquier materia. CONFORMIDAD: Adecuación o correspondencia de unas cosas con otras, respecto a su fin, su forma o su función. DEFORMACIÓN: Acción de deformar o deformarse DISCONTINUIDAD: Falta de continuidad DUCTILIDAD: Capacidad de cambiar y transformar su forma por presión. DURABILIDAD: Cualidad de durable o duradero. DUREZA: Grado de resistencia que opone un mineral a ser rayado por otro. ELASTICIDAD: Propiedad de un cuerpo sólido para recuperar su forma cuando cesa la fuerza que la altere. END: Son herramientas fundamentales en el Control de Calidad o Garantía de Calidad de materiales, soldaduras, equipos, piezas o partes, verificación de montajes, desarrollo de procesos y para la investigación

ERGONOMÍA: Estudio de las condiciones de adaptación de un lugar de trabajo, una máquina, un vehículo, etc., a las características físicas y psicológicas del trabajador o el usuario. ESTÁNDAR DE CALIDAD: Es la máxima certificación de un producto o servicio que determina su máxima calidad FLUJO PLÁSTICO: Es la propiedad de muchos materiales mediante la cual ellos continúan deformándose a través de lapsos considerables bajo un estado constante de esfuerzo o carga FRACTURA: Lugar por donde se rompe una cosa sólida y señal que deja. GUÍA ACADÉMICA: Documento que tiene como fin conducir y mostrar al ejecutor ciertos pasos o cosas a realizar durante su ejecución. HAZ: La zona afectada por el calor (también llamada ZAC) es el volumen de material en o cerca de la soldadura, cuyas propiedades han sido alteradas debido al calor de la soldadura. JUNTA SOLDADA: Se le conoce con el nombre de junta al cordón de soldadura que une a los dos materiales. LAMINADO: Conformación de una estructura por láminas superpuestas y paralelas LÍMITE DE FLUENCIA: es el punto a partir del cual el material se deforma plásticamente. MECANIZADO: Proceso de elaboración mecánica a través del arranque de viruta. METAL BASE: También llamado metal de origen. Es el metal de las piezas que se van a unir. METAL DE APORTE: Son metales que se funden, suelen venir en alambre sólido o con núcleo con una resina o fundente ácido. NASTRAN: Es un programa de cálculo estructural que aplica el método de los elementos finitos (MEF). PARAMETRIZACIÓN: Fabricar un producto en serie con arreglo a un estándar o patrón determinado PARÁMETRO: Elemento o dato importante desde el que se examina un tema, cuestión o asunto. RESISTENCIA: Acción de resistir o resistirse SOLDABILIDAD: Cualidad de los materiales que se pueden soldar. SOLDADURA: Lugar de unión de dos cosas soldadas o unidas.

TEMPLADO: Punto de dureza o elasticidad que se da a un metal, cristal, etc., enfriándolos bruscamente. TENACIDAD: Es la resistencia que opone un sólido a ser roto, molido, doblado, etc. TRACCIÓN: Acción de tender a mover una cosa hacia el punto de donde procede el esfuerzo.

RESUMEN

TITULO: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA EVALUACIÓN DE JUNTAS SOLDADAS POR MEDIO DEL ENSAYO DE DOBLADO GUIADO SEGÚN AWS D1.1 2015* AUTORES: BOLIVAR ALDANA Jonathan Mario, DIAZ FLOREZ Luz Angélica Díaz** PALABRAS CLAVES: Soldadura, Ensayo destructivo, calificación, banco, matriz de doblado Los proceso de soldadura son de suma importancia dentro del desarrollo de la construcción de estructuras metálicas, por eso en la formación profesional de los tecnólogos e ingenieros mecánicos se debe contar con las herramientas adecuadas para poder tener conocimientos claros y específicos de este proceso. Este proyecto fue desarrollado para poder entregar al taller de soldadura de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, un banco de pruebas para realizar ensayos destructivos para la calificación de soldaduras por el método de “Ensayo de Doblado Guiado con Matriz”1, así mismo se entrega al taller la guía académica que le permita a los estudiantes del respectivo proyecto curricular realizar de forma adecuada dicho ensayo bajo los parámetros establecidos y avalados por el código de soldadura estructural ASW D1.1 documento aprobado por el AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE. Para el desarrollo del diseño del banco se utilizó el software CAD Autodesk inventor y se simulo mediante la herramienta Nastran, la matriz de doblado se realizó bajo los parámetros establecidos en la AWS D1.1 en su cláusula IV, y la guía de laboratorio para el ensayo se realizó bajo la revisión de la NTC 523-1997-11-26, “ensayo guiado de doblamiento para determinar la ductilidad de las soldaduras”

* Trabajo de grado

** Facultad tecnológica, Universidad Distrital Francisco José de caldas. Director, ingeniero Mauricio González

Colmenares 1 AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Steel. 23

rd Ed. AWS, 2015. 191

ABSTRACT TITLE: DESIGN AND CONSTRUCTION OF A TEST BENCH FOR ASSESSMENT OF WELD JOINTS THROUGH GUIDED BY BENDING TEST AWS D1.1 2015 * AUTHORS: BOLIVAR ALDAN Jonathan Mario Díaz DIAZ FLOREZ Luz Angélica** KEYWORDS: welding, nondestructive testing, qualification, bank, bending die The welding process are paramount in the development of the construction of metal structures, so in the training of technologists and mechanical engineers should have the right to have clear and specific knowledge of this procedure tools This project was developed to deliver the welding shop of technological faculty of the University Francisco José de Caldas, a tested for destructive testing for qualification of welding by the method of “Guided Bend Test Jig”2, so it is delivery to the workshop academic guide that will allow students of the respective curriculum project adequately perform this test under the established parameters and endorsed by the code structure welding ASW D1.1 document approved by the American National Standards Institute. For design development bank CAD software was used Autodesk inventor and was simulated by Nastran tool, the bending die is under the parameters established in the AWS D1.1 in clause IV, and guidance for laboratory trial was conducted under review by the NTC 523-1997-11-26, "guided bending to determine the ductility of the welds essay"

* Trabajo de grado ** Facultad tecnológica, Universidad Distrital Francisco José de caldas. Director, ingeniero Mauricio González

Colmenares 2 AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Steel. 23

rd Ed. AWS, 2015. 191

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INTRODUCCIÓN

La soldadura es uno de los procesos de fabricación más empleado e importantes para la unión de piezas y conjuntos metálicos en la industria nacional, se ha convirtiendo en los últimos años en un componente importante en el auge de las construcciones metálicas (edificios, puentes, centros comerciales, etc.), por eso su correcta aplicación y verificación son de suma importancia porque afectan la seguridad e integridad de un proyecto, por esta razón se han desarrollado una serie de parámetros y normativas de cobertura nacional e internacional encaminadas a realizar un control de calidad que tiene como objetivo principal prevenir una eventual falla, mediante la aplicación de ensayos que sirven para la calificación de procedimientos, la idoneidad y habilidad de los soldadores. Esta evaluación de los soldadores es muy importante para la empresas, porque les que permite garantizar que la calidad de las juntas soldadas sea la adecuada esto avalara la calificación de los procedimientos, los cuales darán soporte a los procedimientos de fabricación, ensamble y soldadura. Sin embargo a pesar de la importancia de los proceso de calidad al interior de las empresas, en el sector metalmecánico existe un desconocimiento y poca evaluación e implementación de los mismo, porque se sacrifica la calidad por el volumen de fabricación, convirtiendo a los supervisores de producción en los encargados de revisar sus mismos procesos lo que no permite mucha veces contar con una gestión de calidad adecuada En términos generales todos los profesionales relacionados con el campo de las estructuras metálicas como arquitectos, ingenieros, y diseñadores deben estas familiarizados con los diferentes ensayos destructivos y no destructivos que se deben realizar en cuanto a temas de soldaduras se refiere. Es por eso que el presente trabajo de grado busca integrar los conceptos teóricos establecidos en la AWS D1.1 sobre el ensayo guiado de doblamiento para determinar la ductilidad de las soldaduras, con la práctica del mismo, por medio de un banco de pruebas y guía académica que le permitirá a los estudiantes elevar sus competencias técnicas para tener un mejor desempeño en la industria actual que busca profesionales polifacéticos que les ayuden a cumplir y comprobar que la calidad de sus productos soldados este de conformidad con los requerimientos del cliente y lo establecido en códigos y especificaciones de soldadura.

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1. OBJETIVOS

1.1. GENERAL

Diseñar y construir un banco de pruebas para la evaluación de soldaduras en juntas a tope mediante el ensayo de doblez guiado según la norma AWS D1.1 2010, para el laboratorio de soldadura de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica.

1.2. ESPECÍFICOS

Diseñar un banco de pruebas para realizar el ensayo de doblado guiado

Construir una estructura de soporte y una matriz de doblez guiado para la evolución de junta soldadas por arco eléctrico, según AWS D1.1 2015.

Validar el banco de tal manera que cumpla con los parámetros requeridos para el ensayo, como la NTC 593 Ensayo guiado de doblamiento para determinar la ductilidad de las soldaduras y el AWS D1.1 2015 (clausula 4).

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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La Universidad Distrital Francisco José de Caldas, es la institución oficial de educación superior de la ciudad de Bogotá cuya misión principal es ayudar en la formación de la juventud de escasos recursos de la capital colombiana. Esta alma mater ofrece diferentes programas de pregrado que le permiten a sus estudiante aportar al desarrollo industrial de la nación, sin embargo la formación de sus futuros egresado no solo debe ser a nivel teórico sino además debe complementarse con la parte práctica vinculada a cada una de las diferentes ramas del saber, es por este motivo que el fortalecimiento de los equipos de laboratorio y de los bancos de ensayo deben ser una prioridad para todos los miembros de esta institución de educación superior, desafortunadamente la realidad es que a pesar de los esfuerzos realizados por los diferentes miembros de este ente educativo, los equipos con los que cuentan la universidad son escasos en comparación con el alto volumen de estudiantes que albergan sus muros. Un claro ejemplo de esta situación es lo que ocurre en el programa de pregrado de tecnología e ingeniería mecánica, donde a pesar de contar con diferentes laboratorios, una de las áreas de importante trascendencia a nivel industrial que es la relacionada con las juntas soldadas cuenta con un laboratorio con déficit de equipos que involucren al estudiantes con la inspección de calidad de este tipo de uniones. Este campo de la metalmecánica a aquedado un poco relegado en el plan de estudio de la carrera, actualmente se estudian las soldaduras desde dos frentes, su diseño (de una forma muy superficial como parte de otras materias) y su aplicación como parte de una electiva profesional, dejando de lado el sistema de gestión de calidad que garantice el proceso de manufacturas de este tipo conexión solida entre dos materiales base, esta carencia ha dejado en jaque a los egresados de la universidad en el área de la mecánica cuando se enfrenta a un mundo laboral que busca profesionales polifacéticos que estén en la capacidad de atender las diferentes necesidades de la industria Y es que en Colombia la industria metalmecánica representa el 24.6% del PIB, por tal motivo es de suma importancia contar con una política de “compre nacional en condiciones de competitividad” que le permita a las empresas que operan en Colombia, acceder a los grandes proyectos de infraestructura que se están realizando en el país y que actualmente se asignan en una alta proporción a empresas extranjeras, esta asignación ocurre porque la industria colombiana en su gran mayoría no cumple con la normatividad exigida a nivel mundial para procesos industriales que involucra la construcción y montaje de elementos estructurales, la normativa es muy clara y especifica en los temas relacionados con la calidad, la preservación, trazabilidad del producto final, que

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desafortunadamente en la cultura de la industria nacional son temas de muy poca relevancia en la cadena de producción, incluso se ha incursionado en la moda, que una sola persona sea la encargada de dirigir la producción y la calidad, lo cual es uno de los errores más frecuentes que sacrifican la calidad por el costo de producción, y que exigen de los nuevos ingenieros mayores conocimiento con los que muchas veces no cuentan porque dentro de la formación y desarrollo académico no se les brindan las herramientas para verificar la veracidad de procesos específicos, para ser más puntuales hablemos de la aplicación de soldadura para procesos metalúrgicos. Si aterrizamos el tema y las demandas de la industria metalmecánica a la oferta de profesionales que da la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, vemos que aunque el profesional en Ingeniería Mecánica de la Universidad Distrital es apetecido por la industria, este no cuenta con fuertes conocimientos sobre este tema; esta carencia de conocimiento hace que sea necesario reevaluar las metodologías de formación actuales buscando la implementación de lo que se encontrara el profesional cuando incursione en el ámbito laboral .

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3. JUSTIFICACIÓN

Este proyecto de grado busca mejorar el aprendizaje sobre la soldadura por arco eléctrico que hoy en día se lleva a cabo en la materia electiva del proyecto curricular, reforzando los actuales conceptos teóricos de la aplicación y ejecución del cordón de soldadura, debido a que estos están más ligados a la parte técnica que a la de ingeniería, con los conceptos de evaluación de la calidad y aceptación de las juntas soldadas se lleva a cabo, entre otros, conforme a el ensayo de doblado guiado y busca la conformidad a lo preestablecido según las normas internacionales AWS, API , ASME, etc. La interacción del estudiante con los estándares de calidad exigidos internacionalmente en los procesos metalmecánicos y los ensayos establecidos para asegurar su cumplimiento, le permiten al estudiante evaluar y analizar la calidad de la soldadura, lo cual concuerda más con el perfil de un ingeniero, por eso es responsabilidad de la instituciones de educación superior en las áreas de ingeniería mecánica, enfocar la enseñanza de forma tal que se facilite la integración de la teoría y la práctica, de esta forma se incorpora la universidad con la exigencias industriales y potencializa al estudiante en autonomía, interpretación y construcción de su propio conocimiento en esta área. En la industria, el ingeniero debe estar en la capacidad de evaluar las uniones soldadas desde un punto de vista de calidad y ductilidad sin embargo, existen antecedentes (Niebles, 2007; SENA, 2006) que demuestran que en las empresas del sector metalmecánico afines con la soldadura existe desconocimiento y poca evaluación e investigación en esta tecnología, los ingenieros que con muy poco conocimiento en el área de la soldadura ocupan los cargos de supervisor e inspectores de control de calidad, comprometen el aseguramiento de las uniones soldadas de las empresas; es importante recordar que en la industria metalmecánica, el proceso de soldadura es uno de los pilares y representa el 80% de los procesos de manufactureros, haciéndolo uno de los métodos más importantes para la unión de piezas y conjuntos metálicos, teniendo esto presente, las empresas están en la responsabilidad de fabricar y asegurar sus productos soldados conforme a los estándares y códigos internacionales que garantizan la calidad del producto final. Para el ingeniero, uno de los primeros pasos para poder garantizar el cumplimiento de lo establecido en códigos y especificaciones de soldadura, es contar con los conocimientos y habilidades de evaluación de los procedimientos, que garanticen la compatibilidad del metal de soldadura depositado con el metal base utilizado, evaluando la idoneidad del soldador que realiza el procedimiento

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y el resultado final del proceso. Este tipo de profesionales polifacéticos son un requerimiento constante de las empresas metalmecánicas, por eso la universidad Distrital Francisco José de Caldas, debe buscar que el perfil de sus futuros egresados satisfaga las necesidades de la industria nacional, que busca hoy por hoy, profesionales con conocimiento en diferentes áreas de la ingeniería mecánica. Este proyecto busca diseñar y fabricar un banco de pruebas para el laboratorio de soldadura que consta de una matriz de doblado guiado (conforme a la AWS D1.1 2010 en su cláusula 4), para ensayos de soldadura, además de una guía de laboratorio donde se especifique el procedimiento del ensayo de doblez guiado (según NTC – 593) y los parámetros de aceptación para la junta soldada conforme la normativa internacional AWS D1.1 2010 en su cláusula 4.

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4. MARCO TEÓRICO Para entrar a hablar del ensayo de doblez guiado para evaluación de juntas soldadas hay ciertos conceptos que se deben conocer y comprender de una manera práctica y precisa. A continuación se dará una breve reseña de todos estos conceptos y se desarrollara de una forma más específica y detallada aquellos cuya relevancia sea significativa para la ejecución del proyecto. 4.1. MATERIALES METÁLICOS Y SUS PROPIEDADES MECÁNICAS.

En la ingeniería mecánica encontramos una área específica relacionada con los materiales denomina mecánica de los materiales, la cual se define como “la rama de la mecánica que estudia las relaciones entre cargas externas aplicadas a un cuerpo deformable y la intensidad de las fuerzas internas que actúan dentro del cuerpo”3, Esta disciplina ayuda a calcular las deformaciones del cuerpo y analizar la estabilidad del mismo cuando está sometido a fuerzas externas. Los materiales dependiendo de su resistencia pueden ser dúctiles o frágiles, los primeros son aquellos que pueden someter deformaciones unitarias mayores antes de su rotura, generalmente este tipo de materiales tiene un bajo contenido de carbono lo que los hacen muy llamativos al momento del diseño de elementos estructurales porque absorben impactos altos y cuando sufren una sobrecarga exhiben una deformación grande antes de su falla. Los materiales frágiles son aquellos que exhiben poca o ninguna fluencia antes de su rotura, es el caso por ejemplo del hierro colado o hierro gris, este tipo de materiales no tienen un esfuerzo de rotura bajo tensión bien definido. Uno de los materiales más usados en la industria es el acero, Según la norma UNE EN 10020:2001 define al acero como aquel material en el que el hierro es el elemento predominante y el contenido en carbono es generalmente inferior al 2% y contiene además a otros elementos. En general, un aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción, pero como contrapartida incrementa su fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. Por eso podemos decir que los acero se dividen en

Aceros dulce: En este tipo de aceros el porcentaje máximo de carbono es del 0,25%, tienen una resistencia última de rotura en el rango de 48-55 kg/mm2 y una dureza Brinell, entre los 135-160 HB. Son aceros que presentan una

3 RUSSELL, hibbeler. Mecánica de materiales. Mexico: PEARSON EDUCACIÓN, 2006, p.17.

buena soldabilidad aplicando la técnica adecuada, se emplea para el diseño y la fabricación de piezas por deformación en frío, embutición, plegado, herrajes, etc.

Aceros semidulces: En este tipo de aceros el porcentaje máximo de carbono es del 0,35%. Tiene una resistencia última a la rotura de 55-62 kg/mm2 y una dureza Brinell de 150-170 HB. Este tipo de aceros bajo un tratamiento térmico por templado pueden alcanzar una resistencia mecánica de hasta 80 kg/mm2 y una dureza de 215-245 HB. Se emplean principalmente para la fabricación de ejes, elementos de maquinaria, pernos, tornillos, herrajes.

Aceros semiduro: En este tipo de aceros el porcentaje máximo de carbono es del 0,45%. Tienen una resistencia a la rotura de 62-70 kg/mm2 y una dureza de 280 HB. Después de someterlos a un tratamiento de templado su resistencia mecánica puede aumentar hasta alcanzar los 90 kg/mm2. Se emplea principalmente para la elaboración de los ejes en motores y elementos de máquinas, cilindros de motores de explosión, transmisiones, etc.

Aceros duro: El porcentaje de carbono es del 0,55%. Tienen una resistencia mecánica de 70-75 kg/mm2, y una dureza Brinell de 200-220 HB. Bajo un tratamiento de templado estos aceros pueden alcanzar un valor de resistencia de 100 kg/mm2 y una dureza de 275-300 HB. Se emplea para transmisiones, tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy elevados.

La selección de materiales metálicos dentro de los procesos industriales en la etapa de diseño es una fase muy importante y es necesario tener presente que se deben contar con unas excelentes propiedades de dureza, resistencia, tenacidad, y durabilidad. Estas propiedades mecánicas se estudian por medio de ensayos que brinda la información técnica mínima que se requiere para la ejecución de proyectos de ingeniería. Las propiedades de resistencia, elasticidad y ductilidad en los materiales se pueden estudiar por medio del diagrama de tensión-deformación que se obtiene del ensayo de tensión, durante el cual se registran y monitorean la magnitud de la fuerza ejercida por el cambio de longitud (deformación). A es aquí cuando hacemos referencia a la resistencia a la Tensión que se considera “como el punto máximo de la curva esfuerzo-deformación unitaria"4

4 MOTT, Robert. Diseño de elementos de máquina IV. PEARSON EDUCACIÓN. 2006. p.17.

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Figura 1. Diagrama típico de esfuerzo-deformación unitaria

Fuente: DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS. MOTT P.E . Robert L, Ed Person Educación.

Cuando un material tiene que soportar una carga por un periodo muy largo, puede continuar deformándose hasta que ocurre una fractura súbita. Esta deformación permanente dependiente del tiempo se llama flujo plástico. Normalmente el flujo plástico es tomado en cuenta cuando se usan metales o cerámicos como miembros estructurales o partes mecánicas sometidas a temperaturas elevadas. En sentido general, tanto el esfuerzo y/o la temperatura juegan un papel importante en la velocidad del flujo plástico.”5 Otra condición especial que se debe tener presente en la elección de materiales es la resistencia a la fatiga, cuando hablamos de esta propiedad mecánica nos referimos a la capacidad que tiene un material de soportar ciclos de esfuerzo o de deformación repetidos antes de colapsarse y finalmente fracturarse. Estos esfuerzos son la causa de un gran porcentaje de fallas en biela y cigüeñales de máquinas, alabes de turbinas de gas o vapor, conexiones o soportes de puentes, ruedas y ejes de ferrocarril, así como otras partes sometidas a cargas cíclicas. En todos estos casos ocurrirá una fractura bajo un esfuerzo menor que el esfuerzo de fluencia del material. 4.2. PROPIEDADES DE PROCESADO No solo el conocimiento de las propiedades inherentes a los materiales es importante en el diseño de los elementos estructurales, las operaciones de manufactura afectan las propiedades de los materiales si no se tiene

5 RUSSELL, Hibbeler. Mecánica de materiales. México: PEARSON EDUCACIÓN. 2006. p 122.

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presente a qué tipo de proceso se pueden someter, Estas propiedades están ligadas a la capacidad que tiene un material para dejarse transformar mediante procesos metalúrgicos como la soldadura, mecanizado, troquelado etc 4.2.1. SOLDABILIDAD Cuando se habla de soldabilidad se refiere a la propiedad que tiene algunos materiales para unirse por medio de un material de aporte, Según la ISO 581/80 “Un acero se considera soldable en un grado prefijado, por un procedimiento determinado y para una aplicación específica, cuando mediante una técnica adecuada pueda conseguirse la continuidad metálica de la unión, de tal manera que ésta cumpla con las exigencias prescritas con respecto a sus propiedades locales y a su influencia en la construcción de la que forma parte integrante”.6. Generalmente esta propiedad se puede analizar desde tres puntos de vista diferentes

Soldabilidad estructural

Soldabilidad operativa

Soldabilidad metalúrgica Desdés cualquiera de estos tres puntos de vista la soldabilidad también se ve afectada por los cambios estructurales originados por las modificaciones de composición durante el proceso de soldadura, esta operación genera altos rangos de calor en los materiales base que pueden producir cambios metalúrgicos, en especial en las zonas aledañas a la junta. Estos cambios generalmente se relacionan con el temple o el crecimiento de grano que produce endurecimientos. Para determinar el efecto combinado que los elementos de aleación tienen en el endurecimiento del acero, es decir como la aplicación de la soldadura afectara las zonas adyacentes a la junta, se emplea una expresión empírica conocida como el contenido de carbono equivalente:

Figura 2. Ecuación del carbono equivalente

Fuente: SOLDADURA DE METALES, GÓMEZ MORENO, O J. Bucaramanga, Colombia, Publicaciones UIS (1993).

6 ESTADOS UNIDOS. ISO/TR 581.2005. WELDABILITY METALLIC MATERIALS – GENERAL PRINCIPLES.

27

También se pueden ocasionar esfuerzos residuales al sujetar las piezas e incluso algunas veces se producen por el orden en que se sueldan. Por lo general estos esfuerzos residuales carecen de importancia y en algunos casos basta con un ligero tratamiento térmico, después de la soldadura, para eliminarlos, cuando las partes que se han de soldar son demasiado gruesas se debe someter a un precalentamiento lo que evitara que se formen anomalías en el material base, si la confiabilidad de la pieza ha de ser muy alta conviene establecer un programa de ensayos para saber qué cambios o adiciones deben hacerse a los procedimientos para asegurar la mejor calidad.7 Un diseñador ingenioso, familiarizado con los distintos materiales de laminación en caliente y con los métodos para cortarlos, debe ser capaz de diseñar piezas soldadas fuertes, resistentes y de poco peso que se puedan fabricar rápida y fácilmente empleando dispositivos sencillos de sujeción. Este profesional puede elegir factores de seguridad o esfuerzos de trabajo permisibles con más confianza cuando sabe que valores se han utilizado. Uno de los mejores estándares en uso es el código o reglamento para construcción de edificios del American Institute of Steel Construction (AISC). Ahora los esfuerzos permisibles se basan en la resistencia última y el reglamento permite usar diversos aceros estructurales ASTM, con resistencias de fluencia que varían desde 33 hasta 50 Ksi. 4.2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE SOLDADURA Ya analizado el concepto de soldabilidad, se entiende que la soldadura es un proceso de unión entre metales por acción del calor combinado con la fundición de un material de aporte, Se pueden distinguir los siguientes tipos de soldadura:

Soldadura heterogénea: Se efectúa entre materiales de distinta naturaleza, con o sin metal de aportación: o entre metales iguales, pero con distinto metal de aportación. Puede ser blanda o fuerte

Soldadura homogénea: Los materiales que se sueldan y el metal de aportación, si lo hay, son de la misma naturaleza. Puede ser oxiacetilénica, eléctrica (por arco voltaico o por resistencia), etc.

Soldadura autógena se entiende aquélla que se realiza sin metal de aportación, de manera que se unen cuerpos de igual naturaleza por medio de la fusión de los mismos; así, al enfriarse, forman un todo único.

7 Shigley J. Diseño en Ingeniería Mecánica. México. Libros Mc GRAW - HILL DE MEXICO. 1983. 439.

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4.3. PROCESOS DE SOLDADURAS Debido al amplio uso de la soldadura en la industria existe una gama muy numerosa de procesos, Que básicamente se diferencia por el modo en que se aplican si son por calor, presión, o ambas además también influye el tipo de equipo que se emplea para el procedimiento. Por eso la American Welding Society (AWS) ha definido dentro de su código las designaciones oficiales para cada proceso en el cuadro maestro de procesos (ver figura 3) Los procesos de soldadura más populares o de mayor uso a nivel industrial son:

la soldadura con oxiacetilénico (OAW): El soldeo oxiacetilénico es un proceso de soldeo por fusión que utiliza el calor producido por una llama, obtenida por la combustión del gas acetileno con el oxígeno, para fundir bien sea el metal base y el de aportación si se emplea. Para conseguir la combustión es necesario el empleo de dos gases. Uno de ellos tiene la calidad de consumirse durante la combustión. Gases combustibles son el propano, metano, butano… aunque en el proceso del que estamos tratando empleamos el acetileno. El otro es un gas comburente, que es un gas que aviva o acelera la combustión. Uno de los principales comburentes es el aire formado por una mezcla de gases (Nitrógeno 78%, Oxigeno 21% y el restante 1% de gases nobles). El gas comburente que se emplea en este procedimiento de soldeo es el oxígeno puro.8

la soldadura por arco metálico protegido (SMAW), popularmente se conoce como soldadura por electrodo, La soldadura por arco de metal protegido (Shielded Metal Arc Welding SMAW) es un proceso de soldadura por arco en el que se produce coalescencia de metales por medio del calor de un arco eléctrico que se mantiene entre la punta de un electrodo cubierto y la superficie del metal base en la unión que se está soldando9.

El núcleo del electrodo consiste en una varilla de metal sólida de material o colado, o bien una varilla fabricada encerrando metal en polvo en una funda metálica. La varilla del núcleo conduce la corriente eléctrica al arco y suministra metal de aporte a la unión. Las funciones principales de la cobertura del electrodo son estabilizar el arco y proteger el metal derretido de la atmósfera por medio de los gases que se crean cuando el recubrimiento se descompone por el calor del arco.

8 HOULDCROFT, Peter. Tecnología de los procesos de soldadura, Peru. 1998, Vol 1, pag 227

9 PAZOS, Norma, Tecnología de los metales y procesos de manufactura, Universidad Católica

Andrés bello, Venezuela. 2006. Pag 216.

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la soldadura por arco bajo gas protector metálico (GMAW): El proceso GMAW se basa en la alimentación automática de un electrodo continuo consumible que se protege mediante un gas de procedencia externa. El proceso se ilustra a continuación. Una vez que el operador ha hecho los ajustes iniciales, el equipo puede regular automáticamente las características eléctricas del arco. Por todo esto, en efecto, los únicos controles manuales que el soldador requiere para la operación semiautomática son los de velocidad y dirección del desplazamiento, así como también el posicionamiento de la pistola. Cuando se cuenta con equipo y ajustes apropiados, la longitud del arco y la corriente (es decir, la velocidad de alimentación del alambre) se mantienen automáticamente. Los componentes básicos del equipo son la unidad de pistola soldadora y cables, la unidad de alimentación del electrodo, la fuente de potencia y la fuente de gas protector.

la soldadura por arco bajo gas protector con electrodo de tungsteno (GTAW): Proceso que produce coalescencia de metales calentándolos con un arco entre un electrodo de tungsteno protegido por gas (no consumible) y la pieza de trabajo. La protección se obtiene de un gas ó una mezcla de gases.

Puede usarse ó no usarse presión y metal de aporte. Algunas veces este proceso se denomina soldadura TIG. Este método de soldadura es muy utilizado para soldar aluminio, magnesio y acero inoxidable. Desde entonces, las aplicaciones del proceso se han extendido para incluir operaciones de soldadura y recubrimiento en prácticamente todos los metales comerciales.

la soldadura por arco con núcleo de fundente (FCAW): es un proceso de soldadura por arco que aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Este proceso se emplea con protección de un fundente contenido dentro del electrodo tubular, con o sin un escudo adicional de gas de procedencia externa, y sin aplicación de presión. El electrodo con núcleo de fundente es un electrodo tubular de metal de aporte compuesto que consiste en una funda metálica y un núcleo con diversos materiales pulverizados. Durante la soldadura, se produce un manto de escoria abundante sobre la superficie de la franja de soldadura.El aspecto que distingue al proceso FCAW de otros procesos de soldadura por arco es la inclusión de ingredientes fundentes dentro de un electrodo de alimentación continua. Las notables características de operación del proceso y las propiedades de la soldadura resultante se pueden atribuir al empleo de este tipo de electrodo.

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Figura 3. Procesos de soldadura y union

Fuente: Manual de soldadura (weldiding Handbook), Vol2 , Novena edición

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4.4. ENSAYOS DE SOLDADURA Las propiedades mecánicas se pueden definir por medio de ensayos, y el resultado de estos son los que se emplean directamente en las etapas de diseño de los diferentes proyectos, los ensayos muestran los comportamiento de los materiales respecto a las fuerzas externas a los que son sometidos, sin embargo en los procesos metalúrgicos estas propiedades inherentes a los materiales se pueden ver afectadas e incluso comprometidas, por eso es importante realizar ensayos específicos como en el caso de la soldadura para verificar que los materiales bases que se someten a cambios térmicos, el material de aporte externo y la técnica de soldadura cumpla con la expectativas de diseño. Existen varios ensayos para la verificar y evaluar las juntas soldadas, tenemos los ensayos no destructivos y los destructivos. A continuación se presentara una breve reseña de cada uno, centrándonos en los destructivos específicamente en el ensayo de doblez guiado que es el fundamento del proyecto 4.4.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS Existen unos ensayos que se le realizan a las soldaduras con el fin de evaluar su calidad sin comprometer su integridad, estos ensayos se denominan como los END (ensayos no destructivos) o NDT (Non Destructive Testing) por sus siglas en inglés. Este tipo de ensayos, se realizan por medio de una serie de técnicas no invasivas que permite caracterizar e identificar una soldadura, entre las más frecuentes se encuentran

Ensayo Visual (VT): Es una inspección visual que brinda información inmediata sobre la junta soldada, mediante este tipo de ensayo se busca determinar que las dimensiones del cordón se han las adecuadas y que no existan imperfecciones superficiales que puedan causar fallas de resistencia y fatiga del material o de las uniones soldadas, debido a su naturaleza este tipo de ensayo solo permiten reconocer discontinuidades superficiales por eso siempre deben ir acompañados de otros ensayos más especializados. Aunque su práctica es sencilla, requiere de personal calificado, por esta razón, algunos organismos que vigilan y regulan las buenas prácticas de soldeo como la American Welding Society (Sociedad Americana de Soldadura), recomiendan que este tipo de ensayo sea practicado por inspectores capacitados y certificados que se ciñan a la normatividad preestablecida10

10

ROSERO, Andrés y PEÑAFIEL, Mauricio. Ensayos No Destructivos Para Soldadura. Trabajo de grado ingenieros metalúrgicos. Pereira. Universidad de Pereira. Facultad de ingeniería. 2010. p 25

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Líquidos Penetrantes (PT): Este ensayo se basa en el principio físico conocido como capilaridad 1, y se realiza, básicamente, mediante la aplicación sobre la superficie a inspeccionar por inmersión, brocha, pincel o pulverización, de líquidos de baja tensión superficial que penetran los poros y son retenidos en las discontinuidades y fisuras.11 Es un ensayo que permite inspeccionar la totalidad de la junta de una forma económica, fácil, y sin equipos complejos o costosos, aunque tiene la limitación de no poder emplearse en materiales porosos o piezas pintadas

Partículas Magnéticas (MT): Es una prueba que se puede llevar a cabo en cualquier tipo de pieza, sin importar que sea porosa o que cuente con pintura, en este ensayo se somete el cordón de soldadura a una magnetización y después se espolvorear sobre él partículas finas de material ferro magnético o polvo de hierro, estas partículas se dirigen y se acumulan donde estén las discontinuidades en la junta soldada

Radiografía o Rayos X (RT): los rayos Gamma, conocidos también como rayos “X”, tienen la propiedad de atravesar los materiales opacos sin reflejarse ni refractarse, para producir una impresión fotográfica. Esta cualidad de los rayos gamma, permite inspeccionar internamente los cordones de soldadura y detectar defectos como grietas, bolsas e inclusiones, entre otros, ya que dichas discontinuidades absorben las radiaciones en diferente proporción del material base y generan un tipo de contrastes “claro– oscuro”, que permite identificarlas fácilmente en las radiografías. 12

Ultrasonido (UT): Este ensayo utiliza ondas acústicas de alta frecuencia no perceptibles por el oído humano, para detectar imperfecciones en los cordones de soldadura. Es una prueba altamente efectiva, ya que posibilita la detección de discontinuidades superficiales y aquellas que se encuentran ubicadas a gran profundidad. Se lleva a cabo mediante la utilización de un cristal piezoeléctrico inserto dentro de un palpador, y con el cual se transmite una onda ultrasónica que viaja a través de toda la pieza inspeccionada, cuando dicha onda incide con una superficie límite –llámese borde o discontinuidad– se refleja y es detectada por el cristal piezoeléctrico que, a su vez, emite una señal eléctrica que es amplificada en forma de eco y que se registra en el equipo de medición, eco que debe ser regulado tanto en amplitud como en posición, para que pueda ser interpretado como registro de alguna discontinuidad.13

11

RUIZ, Paola. Metal Actual. En procesos de soldadura. Junio, 2013. vol 23 p 4. 12

RUIZ, Paola. Metal Actual. En procesos de soldadura. Junio, 2013. vol 23 p 5. 13

ROSERO, Andrés y PEÑAFIEL, Mauricio. Ensayos No Destructivos Para Soldadura. Trabajo de grado ingenieros metalúrgicos. Pereira. Universidad de Pereira. Facultad de ingeniería. 2010. p 35

33

Los END pueden aplicarse en cualquier etapa del proceso de fabricación o montaje para controlar la calidad de las juntas soldadas del producto final. Este tipo de ensayos, pueden aplicarse en cualquier tipo de industria metalmecánica como la petrolera, naval, automotriz, aeronáutica, construcción, etc., porque permite detectar a tiempo las discontinuidades, defectos e imperfecciones de los cordones de soldadura que puede marcar la diferencia entre uniones seguras y aquellas que representan un potencial riesgos que comprometa la integrada de un proyecto. 4.4.2. ENSAYOS DESTRUCTIVOS Como su nombre lo indica este tipo de ensayos busca determinas la calidad y evaluar las características de una junta soldada por medio de la destrucción física de una probeta, este tipo de ensayos se realizan para la calificación del procedimiento de soldadura y la calificación del soldador por medio de la inspección de muestreo. Por lo general es necesaria en estos ensayos la obtención de un cupón de soldadura de donde se extraen las diferentes probetas encaminadas a determinar una propiedad en específico:

Figura 4. Disposición del cupón de soldadura para realizar ensayos destructivos

Fuente: AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Steel. 23rd

Ed. AWS, 2015. Pag 173

34

A continuación se relaciona brevemente algunos de los métodos más comunes de este tipo de inspección de soldadura.

4.4.2.1. ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

Este ensayo se realiza en una maquina universal que somete una probeta a un esfuerzo axial de tensión creciente hasta su falla o rompimiento, este ensayo se realiza con el objetivo de determinar la resistencia a la tensión máxima, esfuerzo máximo, porcentaje de elongación, y porcentaje de reducción en área. Como este ensayo permite evaluar el material base y la junta soldada, se debe realizar la preparación de la probeta conforme a las especificaciones del código de soldadura AWS en su sección 4.9.3.4

Figura 5. Dimensiones de la probeta para el ensayo de tracción


Ed. AWS, 2015. Pag 176

Este ensayo sirve para la calificación de procedimientos de soldadura y su objetivo principal es la de verificar el comportamiento de la unión soldadura con respecto al metal base Los códigos más usuales bajo los cuales se realiza y evalúa este ensayo son: AWSD1.1 “STRUCTURAL WELDING CODE STEEL” ASME SECC IX “BOILER PRESSURE VESSEL CODE AND BRAZING QUALIFICATIONS” API 1104 “STANDARD FOR WELDING PIPELINES AND RELATED FACILITIE

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4.4.2.2. ENSAYO DE RESISTENCIA A LA CORTADURA Este ensayo se realiza para poder determinar el estado de cortadura entre las piezas soldadas, el cual se produce cuando las distintas secciones de una pieza tienden a deslizarse una respecto a la otra por la acción de las fuerzas exteriores aplicadas14. Este tipo de ensayo de puede aplicar a soldaduras longitudinales o transversales.

Ensayo a cortadura sobre cordones transversales de soldadura: Para este ensayo se requiere una probeta como la mostrada en la figura 6, al igual que el ensayo de tracción se debe realizar en una maquina universal hasta su rotura. Dividiendo la carga de la rotura (Kg) entre el doble de anchura de la probeta (cm), se obtiene la resistencia a la cortadura (Kg/cm2)

Figura 6. Dimensiones de la probeta para el ensayo cortadura sobre cordones transversales de soldadura

Fuente: TECNICAS Y PRACTICAS DE LA SOLDADURA, Joseph w, control de soldadur

Ensayo a cortadura sobre cordones longitudinales: Para este ensayo se requiere una probeta como la mostrada en la figura 7, al igual que el

14

WHITE, Tomas Pérez; MATEOS, Juan Manuel; GOMEZ, Pedro. Resistencia de materiales.

Ediciones Universidad de salamanca. 1992, p 41

36

ensayo de tracción se debe realizar en una maquina universal hasta su rotura. Dividiendo la carga de rotura (Kg) entre la longitud de los cordones rotos(cm), se obtiene la resistencia a la cortadura longitudinal en (Kg/cm)

Figura 7. Dimensiones de la probeta para el ensayo de cortadura sobre cordones longitudinales

Fuente: TECNICAS Y PRACTICAS DE LA SOLDADURA, Joseph w, control de soldaduras

4.4.2.3. ENSAYO DE ROTURA SOBRE PIEZA ENTALLADA

Este ensayo tiene como objetivo determinado la sanidad de la soldadura, es decir su uniformidad examinando la superficie de la rotura, se emplea una probeta que se pone sobre unos soportes, y se somete a una carga creciente hasta romperla. El examen de la superficie de rotura permite detectar defectos tales como sopladuras, inclusiones de escoria, faltas de fusión, faltas de penetración o aumentos en el tamaño del grano.15 Se puede realizar un examen metalográfico de las superficies de rotura, previendo ataque con un reactivo adecuado

15

GIACHINO, Joseph; WEEKS, William. Técnicas y prácticas de la soldadura. Barcelona. Editorial

Reverte. 1994, p 420

37

Figura 8. Dimensiones de la probeta para el ensayo de rotura sobre pieza entallada

Fuente: TECNICAS Y PRACTICAS DE LA SOLDADURA, Joseph w, control de soldaduras

4.5. ENSAYO DE DOBLADO Este ensayo se utiliza principalmente para el estudio de vigas o elementos estructurales que van a trabajar a flexión, también se puede emplear para evaluar el comportamiento de tubos, laminas y perfiles que se van a someter a fuerzas de torsión o de tensión, porque cuanto más fuerte sea la deformación de la pieza de trabajo, mayores serán también las tensiones interiores en el material. 16 Es decir que este tipo de ensayo sirve para determinar la ductilidad de una soldadadura y la eficacia del proseso de soldadura cuando se somete a un

esfuerxo de flexion, permitiendo de manera simple evaluar la calidadde la misma

al observar su capacidadpararesisitir el agrietamiento u otrasirregularidades

superficialesdurante eldoblado. Por eso es uno de los ensayos utilizados para la

calificacion de los WPS (Welding Procedure Specification) o por su traduccion al español (procedimientos de soldadura), esto en conformidad con el numeral 4.5 del codido de soldadura estructural AWS D.1.1 Existen dos tipo de ensayo de doblez y reciben su nombre por el tipo de mecanismo empleado para realizarlo, se tiene el ensayo de doblez libre y el ensayo de doble guiado. Para los fines de este proyecto se estudiara el segundo. 4.5.1. ENSAYO DE DOBLEZ GUIADO

También conocido como el ensayo de doblado por matriz por utilizar un punzón y una matriz en forma de U como mecanismo de doblez.

16

GIACHINO, Joseph; WEEKS, William. Técnicas y prácticas de la soldadura. Barcelona. Editorial

Reverte. 1994, p 423

38

Figura 9. Esquema típico de la Matriz de doblado

Fuente: AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Steel. 23

rd Ed. AWS, 2015.

Pag 177

Este ensayo consiste en someter a una deformación plástica una probeta recta de sección plana preparada de acuerdo a las especificaciones del código de soldadura AWS D1.1 (ver figura 10). Para este ensayo la probeta se coloca sobre los hombros del dado o matriz con el lado que se va a ponerse en tensión hacia la parte interior del dado. El punzón se coloca sobre el área de interés y se aplica la fuerza para doblar la probeta hasta llegar aproximadamente a los 180º donde adquiere la forma de “u” de la matriz, posteriormente se retira la probeta y se evalúa. Existen tres tipos de ensayo de doblez guiado y se nombran de acuerdo al lado de la soldadura el cual es puesto en tensión durante el ensayo.

Doblez Transversal Lateral: El cordón de soldadura debe ser transversal al eje longitudinal de la probeta la cual se debe doblar de forma tal que una de las superficies laterales se vuelva una superficie convexa

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Doblez Transversal de Cara: El cordón de soldadura debe ser transversal al eje longitudinal de la probeta la cual debe ser doblada de modo que la superficie de cara de la soldadura se vuelva la superficie convexa de la probeta doblada

Doblez Transversal de Raíz: El cordón de soldadura debe ser transversal al eje longitudinal de la probeta, la cual se debe doblar de modo que la superficie de raíz de la soldadura se vuelva la superficie convexa De la probeta doblada.

Pruebas Longitudinales de Doblez: Las pruebas longitudinales de doblez se pueden usar en vez de las pruebas transversales de doblez laterales, de cara, y de raíz para probar combinaciones de metal de soldadura o de metal base que difieren marcadamente en propiedades de doblez entre los dos metales base o el metal de soldadura y el metal base.

Figura 10. Esquema típico para las probetas del ensayo de doblez guiado


Ed. AWS, 2015. Pag 177

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4.5.1.1. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

El criterio de aceptación para el ensayo de doblado debe realizarse sobre los siguientes parámetros que se deben observar sobre la superficie convexa de las probetas dobladas

a) ninguna discontinuidad deberá exceder de 3mm (1/8) medido en cualquier dirección de superficie.

b) la suma de las dimensiones más grandes de todas las discontinuidades que exceden de 1mm (1/32) y sean menores a 3mm (1/8) no deberán ser mayor a 10mm

c) la longitud máxima de la grieta de borde debe ser de 6mm excepto cuando es una grieta de borde debida a una inclusión de escora visible u otro tipo de discontinuidad de fusión , en cuyo caso debe considerarse un tamaño máximo de 3mm

d) las probetas que contengan grieta de borde que excedan los 6 mm de largo y no tengan evidencia de inclusiones de escoria o cualquier otro tipo de discontinuidad de fusión deberán ser ignoradas y tendrán que remplazarse por probetas del mismo tipo obtenidas de la soldadura origina

4.6. CALIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO Y SOLDADORES Se entiende por procedimiento de soldadura, los métodos y prácticas detallados implícitos en la producción de una soldadura, Se usa un procedimiento de soldadura para hacer un registro de todos los elementos, variables y factores involucrados en la producción de una soldadura especifica.17Según lo anterior se puede decir entonces que los procedimientos de soldadura buscan a través de registros escritos, mantener las dimensiones controlando la distorsión, reducir las tensiones residuales y localizadas, minimizar los cambios metalúrgicos dañinos y construir un ensamble de soldadura uniforme, por eso estos procedimientos Según lo estipulado en el código de soldadura AWS D1.1, tenemos dos tipos de registros, El WPS o especificación del procedimiento de soldadura por sus siglas en ingles (Welding Procedure Specification), que es un documento que relaciona las variables bajo las cuales el soldador, apuntador u operario de soldadura (equipos automáticos) debe trabajar, este documento entre otros relaciona el tipo de proceso, tipo de junta en el caso de precalificados, el tipo de mecanismo con el

17

AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Steel. 23rd

Ed. AWS, 2015. 130

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que trabaja el equipo, describe el diseño de la junta a utilizar, la posición a trabajar, características eléctricas, da una descripción del metal base, el material de aporte y su gas de protección, relaciona la técnica a realizar por el soldador, apuntador u operador, describe si se necesitan pre calentamientos o tratamientos térmicos post soldadura, por ultimo especifica número de pases, rangos de corriente, voltaje, velocidades de avance y brinda un detalle de la junta a trabajar; como se puede evidenciar son bastantes las variables a manejar durante la elaboración de un procedimiento de soldadura, es por eso que este a excepción de las juntas pre-calificadas siempre debe ir acompañado de un PQR (Procedure Qualification Record) o registro de calificación de procedimiento, documento el cual relaciona los resultados obtenidos de todos los ensayos destructivos y no destructivos realizados a la unión soldada, los cuales certifican que esta cumple con los parámetros establecidos por la norma. También se tiene el WPQ (Welder Qualification Test Record) o calificación del soldador es un documento que relaciona el nombre de la persona que realiza la calificación, su estampe o identificación, el procedimiento bajo el cual califica y acorde a las variables ya calificadas anteriormente descritas, expide un rango de calificación, además este documento describe los ensayos realizados a su probeta con la información de quien los interpreto y dio su aval para emitir la calificación referenciada.

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5. METODOLOGÍA Para el desarrollo de este proyecto se siguieron las siguientes fases 5.1. FASE DE DOCUMENTACIÓN

Este proyecto está encaminado al diseño, fabricación y validación de un banco de pruebas para realizar el ensayo de doblez guiado para la evaluación de la ductilidad en soldaduras, por ello se buscó información relacionada con las normativas que rige este tipo de ensayo destructivo y además se tuvo en cuenta que su destino final son prácticas de laboratorio, por eso las últimas pautas se realizaron acorde a las recomendaciones de ergonomía postural en máquinas y herramientas. La Norma NTC 523-1997-11-26, “ENSAYO GUIADO DE DOBLAMIENTO PARA DETERMINAR LA DUCTILIDAD DE LAS SOLDADURAS”, como su nombre lo indica está dirigida exclusivamente a la parametrizacion de la matriz, punzón y probetas necesarias para el ensayo, por eso era parte vital dentro de la documentación requerida para la ejecución del proyecto, para su obtención fue necesario ir hasta las oficinas de INCONTEC en la ciudad; Otro código de gran importancia es el AWS D1.1 debido a que en su desarrollo comprende además de parametrizacion, los criterios de aceptación bajo los cuales se evaluaran los resultados conseguidos luego de generar el doblez, para la obtención de esta norma fue necesario acudir a la biblioteca de normas de la compañía en la cual laboran los integrantes de este proyecto, tomar los aspectos más relevantes del código ya que fue actualizado a su versión 2015, entrando al mercado con un costo que sobrepasaba lo presupuestado para su obtención, a nivel nacional la NTC 2057-1990-09-05 “METALURGIA. CÓDIGO PARA CALIFICAR EL PROCEDIMIENTO PARA SOLDAR Y LA HABILIDAD DEL SOLDADOR” adaptación de la cláusula 4 del código AWS, en su desarrollo expone los mismos parámetros que la norma internacional, con la diferencia que esta NTC no ha sido actualizada desde 1990. A nivel de ergonomía, las normas de estandarización ANSI y OSHAS sugieren que a nivel de postura, lo más recomendado para estas actividades de carácter ligero, la mesa de trabajo se ubique cerca a las cintura, 800 mm aproximadamente entre la superficie de trabajo y el suelo. También se tiene como consulta aquellos proyectos descritos anteriormente en el estado del arte, haciendo un filtro de aquellos netamente relacionados con el ensayo de doblez guiado.

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5.2. FASE DE DISEÑO

5.2.1. DISEÑO TEÓRICO

En esta fase del proyecto luego de realizar una lectura y análisis al material consultado en la fase de documentación, se define que acorde a la NTC 523-1997-11-26, “ENSAYO GUIADO DE DOBLAMIENTO PARA DETERMINAR LA DUCTILIDAD DE LAS SOLDADURAS”, se debe tener presente los siguientes parámetros para el diseño del banco de pruebas:

El movimiento de la matriz o del punzón se puede realizar mediante el uso de cualquier mecanismo, pero este debe ser estable y no presentar movimientos laterales.

Se deben usar bordes redondeados en la matriz, los cuales deben estar endurecidos y/o engrasados

El ancho mínimo necesario para la ubicación de la probeta sobre la matriz será de 2”.

La longitud de las probetas no debe interferir con el asentamiento de las placas.

El punzón no debe deformarse o desalinearse durante el ensayo.

Posteriormente en la revisión del CÓDIGO DE SOLDADURA ESTRUCTURAL AWS D1.1, específicamente la cláusula 4 en sus parágrafos de la sección 4.9.3.1 se establece que para el ensayo de doblado de raíz y cara, se extrae lo siguiente

La norma sugiere 3 tipos de dispositivos para llevar a cabo el ensayo, estos están descritos de las figuras 4.11 a la 4.13 del código.

La selección del mecanismo para el movimiento de las partes de la matriz debe realizarse de la forma más conveniente y segura

De acuerdo al tipo de ensayo de doblez que se decida realizar (de cara o raíz), se debe ubicar la probeta

Se debe realizar un pre ajuste antes de iniciar el ensayo para evitar resbalones y garantizar que tanto la soldadura como la HAZ (Heat Affected Zone o Zona Afectada por el Calor (ZAC)) estén dentro de la porción doblada.

Por ultimo establece los criterios de aceptación del ensayo.

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En cuanto a la ergonomía postural, se estableció una altura de mesa de trabajo, adecuada para que el estudiante o practicante tenga una superficie cómoda sobre la cual pueda tener un apoyo para herramientas y accesorios necesarios para la ejecución del ensayo o la evaluación de resultados. Una vez se establecieron los parámetros mínimos a tener en cuenta para el diseño del banco de pruebas, se procede a establecer los objetivos de la guía académica que servirá para dirigir al estudiante durante la ejecución practica del ensayo.

Determinar la sanidad y ductilidad de las soldaduras de una probeta en lámina

Realizar una probeta conforme al código de soldadura estructural AWS D1.1, que sea apta para el desarrollo del ensayo de doblez guiado

Reconocer y determinar mediante una inspección visual la calidad de una junta soldada

Familiarizar al estudiante con las definiciones básicas del ensayo destructivo de doblado guiado para la calificación de procedimientos de soldadura y soldadores.

El primer y segundo objetivo están encaminados a que el estudiante basado en sus conocimientos previos en el código de soldadura estructural AWS D1.1 determine las características principales que debe evaluar durante la ejecución del ensayo, además que se relacione con las especificaciones técnicas mínimas necesarias para la ejecución del cupón de soldadura y la extracción de las probetas, el tercer objetivo, hace referencia a la aplicación de los parámetros de aceptación establecidos ya por el código de referencia, lo cual pone al ejecutor de la guía a realizar una evaluación estricta relacionando conceptos adquiridos aplicados a la práctica y último objetivo busca que luego de ubicar al ejecutor de la guía en un escenario real en donde será el juez que dará el criterio de aceptación, este se base en la teoría aplicable al ensayo, la cual le dará las bases para realizar un buen juicio, así se finaliza la fase de diseño teórico, dando continuación a las siguientes fases de diseño

5.2.2. DISEÑO DETALLADO

Mecanismo de fuerza: Para el mecanismo encargado de ejercer la fuerza para la deformación de las probetas y en conformidad con el presupuesto presentado en el anteproyecto, y luego de evaluar las diferentes opciones, se

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llegó a la conclusión que lo mejor era usar un sistema de elevación tornillo tuerca o un gato hidráulico de botella, estos dispositivos son usados en la industria para el desplazamiento vertical de cargas. Sin embargo por practicidad, comodidad y seguridad de los estudiantes que en teoría deben desarrollar el ensayo de doblez, se selecciona el gato de botella.

Diseño del banco: Luego de establecer el mecanismo que aplicara la fuerza, pasamos al diseño del banco, ya que el banco estará destinado para prácticas de laboratorio, se requiere de una estructura resistente, se piensa en primera instancia en perfiles I o H elaborados en acero estructural ASTM A572 Gr. 50 para garantizar una buena estabilidad, lastimosamente su selección culminaría en un banco de pruebas muy pesado y difícil de manipular o transportar, por eso se revisan otras alternativas, los perfiles tubulares estructurales elaborados en acero ASTM A500 Gr. C, constituyen en la industria metalmecánica una solución viable en cuanto a seguridad, presentación y peso debido a que poseen un área transversal que les permite responder satisfactoriamente a cargas externas, su precio en el mercado es más accesible por tener un menor peso y generar un costo más bajo.

Se selecciona entonces el perfil tubular ASTM A500 Gr. C como el material en el que se fabricaran los elementos principales del banco de pruebas, también por temas de tiempo y empleando los conocimientos adquiridos durante la carrera, se llevara a cabo el diseño y cálculo del banco a través de simulaciones en software NASTRAN donde se buscara la mejor opción, a través de la optimización, asegurando que el resultado final satisfaga las necesidades y requisitos del proyecto. Previo a la ejecución del diseño del banco, es necesario seleccionar el material con el cual se va a fabricar la matriz de doblado, para posteriormente verificar su cumplimiento bajo los parámetros dimensionales suministrados por el código, garantizando a través de la simulación que este no falle y soporte a cabalidad los esfuerzos relacionados con el ensayo, para esta selección y con el apoyo del estado del arte se tiene como primera opción el acero AISI O1, al cual luego de mecanizarlo será necesario realizarle un temple para endurecer la superficie de las caras encargadas de dar la curvatura, sin embargo, este material a nivel comercial no es muy fácil de encontrar, además lo evidenciado en la investigación de su uso, de ser susceptible a que se generen grietas durante la ejecución del temple, se decide indagar y consultar en varios centros de mecanizado de máquinas herramientas la mejor alternativa de material para fabricar la matriz, al encontrar un centro de mecanizado con experiencia en fabricación de estas matrices de doblez para empresas de la industria

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metalmecánica, sugieren el acero bonificado AISI T1, ya que este acero presenta unas propiedades intermedias en comparación al AISI O1 antes y después del temple, propiedades según su experiencia idóneas para los requisitos de la matriz de doblez. Entonces, al momento se tiene seleccionado el material que conformara los elementos principales del banco el acero estructural ASTM A500 Gr. C, los elementos secundarios del banco estarán fabricados en láminas de acero estructural ASTM A36 y el material a emplear en la fabricación de la matriz será el acero bonificado de especificación AISI T1; ahora el paso a seguir es verificar si el acero bonificado mecanizado a las dimensiones establecidas por el código AWS D1.1 soporta las cargas generadas durante la ejecución del ensayo de doblez, para esto se debe tener en cuenta el material a analizar, para ello de la figura 4.11 del código en donde se muestra la matriz, se seleccionan las dimensiones para evaluar todo metal base con resistencia a la fluencia entre 50 Ksi (345 MPa) y 90 Ksi (620 MPa), seguido a esto entre los electrodos estructurales se seleccionan aquellos con mayores propiedades mecánicas teniendo al E7018 y el ER70-S6 con límites de fluencia de 55 ksi y 58 ksi respectivamente, para el modelamiento utilizaremos entonces un metal base A572 gr 50 (con límite de fluencia de 50 Ksi) y el electrodo ER70 S6 (con límite de fluencia de 58 Ksi), del modelamiento se obtiene:

Figura 11. Simulación Ensayo doblez (punzón-probeta-matriz)

Fuente: programa de simulación NASTRAN

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Figura 12. Simulación Ensayo doblez, resultado tensión von mises


Figura 13. Simulación Ensayo doblez (resultados Tensión Principal)


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Figura 14. Simulación Ensayo doblez (resultado coeficiente de seguridad)


Como se puede evidenciar de la figura 11 a la figura 14 el material de la matriz de doblez se comporta de manera óptima (resultados del análisis completos en el Anexo A de este documento), la reacción máxima se presentó en la superficie de contacto entre el punzón y la probeta con un valor de 400,4 MPa, magnitud bajo la cual la probeta se deformo, otro dato relevante se puede evidenciar en el coeficiente de seguridad, en donde la matriz siempre estuvo en valores cercanos a un coeficiente de 15 a comparación de la probeta que falla con un coeficiente de 1.06, culminando así la simulación con la falla de la probeta la cual comienza a tomar la forma de “U” requerida para el ensayo, se presentara una vista rápida de la simulación en los elementos analizados por separado manteniendo los mismos parámetros para una interpretación individual, se dará inicio con la probeta.

Figura 15. Simulación Probeta (resultado tensión Von Mises)


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Figura 16. Simulación Probeta (resultado tensión principal)


Figura 17. Simulación Probeta (resultado deformación principal)


Tal como se puede notar en las imágenes de la figura 6 a la figura 8, la probeta con la unión soldada es aquella que presenta una deformación considerable con reacciones entre 400,4 y 467.7 MPa, se genera la deformación deseada para los fines prácticos del ensayo y del desarrollo del proyecto, a continuación se mostrara la simulación del punzón.

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Figura 18. Simulación Punzón (presentación del elemento)


Figura 19. Simulación Punzón (resultados de tensión de Von Mises)


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Figura 20. Simulación Punzón (resultados de tensión principal)


Figura 21. . Simulación Punzón (resultados coeficiente de seguridad)


De la figura 18 a la figura 21 se presenta la simulación del punzón, en resumen, el elemento muestra una tensión en su superficie de contacto máxima de 219,5 MPa., presentando en esta área un coeficiente de seguridad de 5,47, es decir, que aunque esta zona de contacto muestra la reacción más alta, no es la suficiente para generar una deformación considerable sobre el elemento; para finalizar los análisis individuales a continuación se presenta la simulación de la matriz.

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Figura 22. Simulación Matriz (Presentación del elemento)


Figura 23. Simulación Matriz (Resultados Von Mises)


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Figura 24. Simulación Matriz (Resultados tensión principal)


Figura 25. Simulación Matriz (Resultado coeficiente seguridad)


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Resultados óptimos son los evidenciados entre la figura 22 y la figura 25, el incremento de la tensión en la superficie de la matriz o sufridera llega hasta los 168,6 Mpa en el área de contacto con la probeta, aun así su coeficiente de seguridad en esta área es del orden de 10,31 garantizando el buen desempeño del elemento, haciendo un resumen hasta el momento, la selección del material fue idónea, tal como se puede apreciar en los resultados de la simulación (simulación completa de la probeta, el punzón y la matriz disponible en los Anexos B, C y D respectivamente) para los parámetros dimensionales establecidos por las normas y códigos de referencia son satisfactorios y permiten dar avance al desarrollo del proyecto, pues una vez realizada esta verificación, se procede a modelar el banco de pruebas, para ello seleccionamos un perfil estructural cuadrado de 100mm x100mm con un espesor de pared de 3mm obteniendo lo siguiente:

Figura 26. Simulación Banco 100x100x3 (presentación de todos los elementos)


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Figura 27. Simulación Banco 100x100x3 (resultados de tensión Von Mises)


Figura 28. Simulación Banco 100x100x3 (primera tensión principal)


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Figura 29. Simulación Banco 100x100x3 (Coeficiente de seguridad)


Entre la figura 26 y la figura 29 se puede ver como el banco al simularse bajo los mismos parámetros de la matriz (ver informe completo en el Anexo E) muestra un buen desempeño, las reacciones con un valor máximo de 348,5 MPa no generan deformaciones relevantes, mostrando un factor de seguridad que tiende a mantener un valor de 15 en el desarrollo del banco a excepción de un punto con un coeficiente de 1,54, ahora el paso a seguir es buscar optimizar el banco, para ello se cambia el tamaño del tubo a uno menor diámetro cuadrado, el cual según catalogo comercial, arroja un tubo de 70 mm x 70 mm, sin embargo por temas comerciales se requiere subir en 2 mm el espesor de la pared del tubo ya que el de 5 mm a nivel comercial tiene más salida que el de 3 mm, lo cual incurre en temas de costos a que el tubo de 3 mm sea más costoso que el de 5 mm, el nuevo perfil a usar durante la simulación obtiene el siguiente comportamiento.

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Figura 30. Simulación Banco 70x70x5 (presentación de todos los elementos)


Figura 31. Simulación Banco 70x70x5 (resultados de tensión Von Mises)


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Figura 32. Simulación Banco 70x70x5 (primera tensión principal)


Figura 33. Simulación Banco 70x70x5 (coeficiente de seguridad)


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La figura 30 a la figura 33 exponen los resultados de la nueva simulación (simulación completa en el Anexo F), estos resultados son mejores que los anteriores, el coeficiente de seguridad mínimo corresponde a un valor de 4,7, es decir, supera en más de 3 veces al valor mínimo del coeficiente de seguridad de la simulación del banco anterior, lo cual brinda una mayor seguridad y confianza del diseño, se selecciona entonces las dimensiones de la tubería con la cual se realizara la fabricación del banco, terminando las fases de diseño concernientes a la selección de material y parámetros dimensionales del banco y el conjunto de la matriz. Una vez culminada la fase de diseño se procede a realizar los correspondientes planos de fabricación y montaje del banco de pruebas y la matriz de doblado, estos planos están dispuestos para el lector en el Anexo G del presente documento. Para finalizar la etapa de diseño detallado restan las actividades de las fases del laboratorio y los parámetros de aceptación del ensayo, dentro de las fases del laboratorio, el ejecutor de la guía deberá recibir el cupón de soldadura (probeta principal de 9 pulgadas de longitud por 8 pulgadas de ancho, en un espesor de ½ pulgada) con el aval de la inspección visual de la ejecución de las pruebas, seguido a esto deberá trazar las probetas de doblez de cara y raíz en la probeta para su posterior corte, luego mediante un proceso de pulido o mecanizado (opcional para el ejecutor de la guía) dará el espesor final a las probetas, para posteriormente doblarlas en el banco y analizar los resultados obtenidos durante la prueba; los resultados de la prueba serán analizados bajo los parámetros de aceptación descritos en el inciso 4.9.3.3 del código AWS D1.1 edición 2015, el cual establece: “El criterio de aceptación del ensayo de doblado es que la superficie convexa de los especímenes doblados deberá analizarse buscando discontinuidades que no podrán exceder las siguientes dimensiones:

Ninguna discontinuidad deberá exceder de 3mm (1/8”) medido en cualquier dirección de superficie.

La suma de las dimensiones más grandes de todas las discontinuidades que exceden de 1mm (1/32”) y sean menores a 3mm (1/8”) no deberán ser mayor a 10mm (3/8”).

La longitud máxima de la grieta de borde debe ser de 6mm excepto cuando es una grieta de borde debida a una inclusión de escoria visible u otro tipo de discontinuidad de fusión , en cuyo caso debe considerarse un tamaño máximo de 3mm.

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Los especímenes que contengan grieta de borde que excedan los 6 mm de largo y no tengan evidencia de inclusiones de escoria o cualquier otro tipo de discontinuidad de fusión deberán ser ignoradas y tendrán que remplazarse por probetas del mismo tipo obtenidas de la soldadura original.”18 5.3. FASE DE DESARROLLO La compra del material se llevó a cabo de la siguiente manera, materiales de calidades ASTM A500 Gr. C, A36 y SAE 1020 fueron obtenidos en ferreterías locales, el AISI T1 fue adquirido a través del centro de mecanizado el cual también iba a procesarlo para entregarnos como producto final el punzón y la matriz. La fabricación del banco se lleva a cabo acorde a los planos de fabricación relacionados en el Anexo G, se cortan, arman, sueldan y pintan los elementos hasta tener un producto final mostrado en la figura 25.

Figura 34. Banco de Pruebas

Fuente: Imagen propia tomada durante la fabricación

Luego de la fabricación del banco, se procede a dar relación al mecanizado del banco, del desarrollo de esta actividad se obtiene. 18

AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Steel. 23rd

Ed. AWS, 2015. 153

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Figura 35. Mecanizado de las láminas de soporte de la matriz


Figura 36. Mecanizado de la matriz


Figura 37. Mecanizado de la matriz producto final


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Figura 38. Mecanizado del punzo


De la figura 35 a la Figura 38 se muestran algunas fases por las que atravesó el material para llegar a su producto final, el punzón y la matriz están listos ya para sumarse al conjunto final del banco de pruebas, seguido a esta actividad se procede con la redacción de la guía académica, esta puede ser ubicada en el Anexo H de este documento, con esto se finaliza la fase de desarrollo. 5.4. FASE DE MONTAJE Luego de tener el banco fabricado y mecanizada la matriz, se procede a realizar su ensamble, a continuación se dará al lector un seguimiento a esta actividad

Figura 39 fabricacion del mecanismo de apoyo de la matriz

Fuente: Imagen propia tomada durante el montaje

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Figura 40 Montaje del mecanismo de apoyo de la matriz


Una vez ensamblados todos los elementos como se puede ver entre la figura 29 y la figura 30, se procede a instalar el gato hidráulico de botella encargado de ejercer la fuerza requerida para el ensayo.

Figura 41. Montaje del gato hidráulico


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La Figura 41 muestra el ensamble completo del banco de pruebas para la evaluación de juntas soldadas por medio del ensayo guiado por matriz, solo resta llevar a cabo la primer evaluación de una soldadura, para ello es requerido un cupón de soldadura acorde a todos los parámetros de aceptación exigidos por la norma, bajo un WPS (procedimiento de soldadura por sus siglas en inglés Welding Procedure Specification) establecido acorde con la norma en cuanto a dimensionamiento y los parámetros de trabajo de un electrodo ER70-S6, se realiza con un soldador calificado por la norma el cupón de soldadura. 5.5. FASE DE VERIFICACIÓN El paso a seguir es trazar y cortar las probetas de doblez a extraer del cupón con un ancho de 45 mm y 203 mm de largo, ya cortadas las probetas de doblez se pulen para darles su dimensión final, con esta actividad también se eliminan los endurecimientos laterales no requeridos producto del proceso de corte llevando a la probeta de doblez a unas dimensiones finales de 40mm de ancho y 203 mm de largo Como paso final se procede a lijar las probetas para eliminar todo concentrador de esfuerzo presente en su superficie producido por el procedimiento de lijado, es de resaltar que el ejecutor del ensayo decide si quiere dar las dimensiones finales a la probeta a través de un pulido o un mecanizado, siempre y cuando asegure que su acabado final en la superficie será casi espejo; una vez tenidas las probetas de doblez, se ubican sobre el banco de pruebas y se lleva a cabo el ensayo.

Figura 42. Ejecución del Cupón de soldadura

Fuente: Imagen propia tomada durante el proceso

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Figura 43. Cupón de soldadura


Figura 44. Trazado de las probetas de doblado en el cupón de soldadura


Figura 45. Corte de las probetas de doblado


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Figura 46. Pulido de las probetas de doblado






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Figura 49. Testigo de evaluación de la prueba de doblez


Figura 50. Testigo de evaluación de la prueba de doblez


La figura 42 a la figura 50 relacionan las fases del ensayo y la ejecución de este con el fin de probar el banco, durante la ejecución de todos los pasos se siguen las pautas establecidas por la guía (Anexo H), obteniendo que la información antes relacionada es verídica, las deformaciones presentes en la probeta coinciden con las estimadas en la simulación, el gato hidráulico cumplió su labor

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sin ningún sobre esfuerzo y tanto el punzón como la matriz recibieron bien las tensiones generadas en sus superficies; por temas de horarios de consulta y atención en los próximos días se hará la entrega del banco de pruebas al laboratorio de la universidad, con esto se finaliza las fases de la metodología.

6. DESARROLLO DEL PROYECTO 6.1. ANÁLISIS DEL DESARROLLO DEL PROYECTO Los resultados obtenidos a través del desarrollo del presente proyecto fueron los siguientes:

interpretación de los parámetros establecidos por el código AWS D1.1 2015, con el fin de ayudar a definir parámetros dimensionales que ayudaron a la correcta conformación de las piezas claves del banco, además de definir los parámetros de aceptación con el cual se evaluaran los resultados del ensayo.

Selección de los materiales de construcción con base en las alternativas comerciales existentes, buscando optimizar y maximizar el desempeño del producto final.

De las simulaciones con el software Nastran se verifica el comportamiento de la matriz de doblez guiado en funcionamiento, obteniendo tensiones entre 400,4 – 467,7 MPa, y coeficientes de seguridad entre 5.47 y 15, demostrando un comportamiento optimo del punzón y de la matriz o sufridera.

La probeta falla con una tensión entre 219,5 y 400,4 MPa, generando un coeficiente de seguridad de 1,06 el cual fue insuficiente para soportar la carga.

El banco de pruebas se diseña en primera instancia con un perfil tubular de diámetro cuadrado en 100mm con un espesor de pared de 3mm, al someterlo a los parámetros de cargas establecidos para la matriz se tienen tensiones de 348.5 MPa, las cuales generan coeficientes de seguridad entre 1.54 y 15.

Los coeficientes “bajos” obtenidos para el banco en perfil tubular cuadrado de 100x3, llevan a buscar una nueva alternativa más segura y confiable, razón por la cual se decide realizar una nueva simulación con un perfil de tamaño diferente.

A través de la optimización del banco con la ayuda de la herramienta Nastran, el grupo de trabajo de manera eficaz lleva a cabo la simulación con un perfil tubular cuadrado de 70mm con una pared de 5, obteniendo valores de tensión de 171.6

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MPa, es decir una mejor distribución de cargas logrando incrementar el valor mínimo del coeficiente de seguridad subiéndolo de 1,54 a 4, 7.

Análisis del mercado de materiales, debido al incremento del dólar y al cumplimiento del presupuesto establecido para el proyecto, fue necesario analizar con calma la variación del dólar para adquirir el material en el momento oportuno a un costo acorde con lo ya estimado.

El banco y la matriz se desarrollan acorde a los planos de fabricación, lo cual permite que en el momento de su ensamble no se presenten des alineamientos ni errores constructivos.

El gato hidráulico cumple a cabalidad su labor de ejercer la fuerza de desplazamiento de los dispositivos.

El banco tiene la capacidad de llevar a cabo las labores para las cuales fue diseñado, el resultado principal generado de la primera prueba de doblez, es que el banco responde satisfactoriamente al ensayo.

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7. CONCLUSIONES

El uso de herramientas CAD en el desarrollo de un proyecto de diseño optimiza no solo los tiempos en cuanto a dimensionamiento y generación de planos, sino que son un buen soporte en la parte de cálculos y perfeccionamiento del producto final que se requiere diseñar.

Una buena elaboración de planos teniendo cuidado al detalle ayuda al proceso de fabricación ya que permite el correcto ensamble de sus elementos, lo cual genera un montaje idóneo de lo que se tenía estimado en la fase de diseño.

El proceso de soldadura por tener tantas variables implícitas como voltajes, amperajes, impurezas de materiales, dimensionamiento, tipos de materiales base, de aporte, gases de protección, métodos de aplicación, entre otros, requiere de ensayos fundamentales para su aprobación, al no ser solo un tipo de unión sino también un tratamiento térmico es necesario realizar todos los ensayos pertinentes para asegurar su correcto funcionamiento en la práctica, para ello se requiere de personal calificado y con experiencia en interpretación de resultados como los de doblez guiado.

Aunque muchas soldaduras puedan pasar los demás ensayos es de carácter decisivo la prueba de doblez guiado, ya que se centra en concentrar la mayor cantidad de esfuerzos en la parte de la unión soldada y la afectada por el calor.

Las aplicaciones del presente proyecto serán enormes, los ejecutores de la guía podrán no solo basarse en las múltiples juntas que compone el código de referencia sino que podrán evaluar compatibilidades y realizar nuevos estudios en cuanto a evaluación de uniones soldadas

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8. RECOMENDACIONES

La matriz fue dimensionada y diseñada para materiales con límites de fluencia entre 50 Ksi y 90 Ksi por ende no se debe utilizar para evaluar soldaduras en materiales bases por encima de estos rangos.

Antes de realizar el proceso de doblado es necesario realizar un pre-ajuste, esto con el fin de evitar desubicaciones y movimientos no deseados durante el ensayo.

Las Áreas de contacto en el punzón y la matriz, así como las guías del banco deben ser engrasadas con frecuencia para garantizar un deslizamiento óptimo de los elementos preservando los elementos.

Se debe tener precaución en el momento de liberar la carga ejercida en el gato hidráulico de botella, el mecanismo de liberación es propenso a soltarse, esto incurriría en una pérdida de fluido hidráulico que llevaría a una falla del elemento que culmina con el impedimento de poder ejecutar el ensayo.

El control dimensional de las probetas de tensión es crucial ya que de quedar un espesor por encima de lo estipulado por la guía, culminaría en un atascamiento de la matriz, trabando la liberación de sus elementos y abre la posibilidad al daño prematuro de los mismos.

BIBLIOGRAFÍA INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Ensayo guiado de doblamiento para determinar la ductilidad de las soldaduras. 2 ed. Bogotá: INCONTEC, 1997. AMERICAN WELDING SOCIETY. Structural Welding Code – Steel. 23rd Ed. AWS, 2015.

RUSSELL, hibbeler. Mecánica de materiales. México: pearson educación, 2006. MOTT, Robert. Diseño de elementos de máquina IV. pearson educación. 2006. Shigley J. Diseño en Ingeniería Mecánica. México. Libros Mc graw - hill de mexico. 1983. HOULDCROFT, Peter. Tecnología de los procesos de soldadura, Peru. 1998, Vol 1, pag 227 PAZOS, Norma, Tecnología de los metales y procesos de manufactura, Universidad Católica Andrés bello, Venezuela. 2006. Pag 216. ROSERO, Andrés y PEÑAFIEL, Mauricio. Ensayos No Destructivos Para Soldadura. Trabajo de grado ingenieros metalúrgicos. Pereira. Universidad de Pereira. Facultad de ingeniería. 2010. p 25 RUIZ, Paola. Metal Actual. En procesos de soldadura. Junio, 2013. vol 23 ROSERO, Andrés y PEÑAFIEL, Mauricio. Ensayos No Destructivos Para Soldadura. Trabajo de grado ingenieros metalúrgicos. Pereira. Universidad de Pereira. Facultad de ingeniería. 2010. p 35 WHITE, Tomas Pérez; MATEOS, Juan Manuel; GOMEZ, Pedro. Resistencia de materiales. Ediciones Universidad de salamanca. 1992, p 41

GIACHINO, Joseph; WEEKS, William. Técnicas y prácticas de la soldadura. Barcelona. Editorial Reverte. 1994, p 420

DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA ...

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