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TECSUP - PFR Tecnología de Materiales

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UNIDAD X

UNIONES Unir es juntar dos o más piezas fijándolas. Con la unión se consigue que varias piezas actúen acopladas como un solo cuerpo rígido. Las uniones son necesarias en los procesos de fabricación siendo el elemento principal para el trabajo de ensamble.

1. CLASIFICACIÓN DE LAS UNIONES

Las uniones DESMONTABLES se hacen en tornillos, chavetas, cuñas y por ajuste de apriete. Las uniones INDESMONTABLES sólo pueden separarse al destruir el medio de unión. Ejemplos: remachado, soldado, pegado.

Figura 1

La unión se puede clasificar también según el tipo de cierre, En las uniones con cierre POR FRICCION es la fuerza de rozamiento entre superficies la que soporta las fuerzas externas, como en uniones por apriete, remachado en caliente, uniones atornilladas. En las uniones con cierre POR FORMA es la geometría de las piezas la que mantiene la unión fija, como en: remachado en frío, pasadores, chavetas paralelas, ejes estriados. En las uniones POR MATERIA, las que mantienen la unión son las fuerzas intermoleculares como en: soldadura y pegado.

Figura 2

Tecnología de Materiales TECSUP - PFR

142

2. UNIONES PEGADAS

Pegar es unir materiales iguales o distintos ya sea con otro material llamado pegamento o por disolución de los materiales a unir. La unión obtenida es del tipo indesmontable con cierre por materia. El pegado se realiza a temperatura ambiente o algo superior, pero nunca a temperaturas que provoquen cambios del estado de los materiales a unir. Fuerzas de la unión Pegada La unión se mantiene rígida por la acción de fuerzas interiores que resisten las fuerzas externas. Las fuerzas internas son de origen molecular y son:

a. La fuerza de ADHESION: Actúa entre las moléculas del pegamento y las de la

superficie de las piezas. b. La fuerza de COHESION: Actúa internamente en el pegamento para mantener

sus moléculas unidas.

Figura 3

Ventajas y Desventajas

a) Ventajas

En las uniones remachadas son esfuerzos localizados los que actúan alrededor de los remaches.

En las uniones soldadas debido a la dilatación y contracción los esfuerzos son irregulares.

En las uniones pegadas se producen esfuerzos uniformes a lo largo de la unión.

Figura 4


143

Al pegar 2 piezas no es necesario calentarlas tanto como para afectar su resistencia y propiedades, como sucede al soldar.

Las uniones pegadas son más ligeras que otras uniones que requieren elementos metálicos adicionales.

Debido a que los metales a pegar quedan separados por el pegamento, se evita o disminuye la corrosión de contacto.

Se pueden unir dos materiales de características totalmente diferentes. Ejemplo: un metal con un no metal.

b) Desventajas

Las uniones pegadas son estables sólo a temperaturas bajas. Algunos pegamentos se vuelven inestables a partir de los 100°C.

La mayor parte de los pegamentos no son conductores ni de electricidad ni de calor.

Debido a la baja resistencia de la unión es necesario una gran superficie de contacto.

Aunque unos más que otros, los pegamentos demoran en endurecer y por tanto no se puede aplicar carga a la unión sino hasta después de un tiempo.

Su resistencia a la fatiga o sea a fuerzas variables, es mucho menor que su resistencia normal de rotura.

c) Aplicaciones

Los principales campos de aplicación de las uniones pegadas son en: Aviación, tecnología aerospacial, industria automotriz, unión de plásticos o materiales de características muy distintas.

Tipos de carga En las uniones pegadas se reconocen tres tipos diferentes de solicitudes o tipos de carga:

Esfuerzo de corte

Esfuerzo de tracción

Esfuerzo de arrancado

Figura 5

Las cargas de tracción pura no son muy convenientes, ya que la unión se carga desfavorablemente ante la baja resistencia a la tracción de los pegamentos.


144

Debe evitarse que la unión pegada esté sometida a una carga de arrancado porque provocan concentración de esfuerzos de tracción en un área muy pequeña. El tipo de carga más conveniente -pues la resisten mejor los pegamentos- es la carga de corte.

Tipos de pegamentos Los pegamentos son resinas sintéticas susceptibles de endurecimiento como por ejemplo: las fenólicas, poliamídicas o epóxicas, cuya dureza y viscosidad pueden modificarse por la adición de plastificantes.

a) Clasificación

Por la temperatura de aplicación hay que distinguir entre:

Pegamentos en frío: endurecen por reacción química a temperatura, ambiente entre minutos y días.

Pegamentos en caliente: endurecen entre minutos y días calentando entre 150° y 250°C. Algunos requieren presión de hasta 300 N/mm2 para endurecer.

b) Por su composición se distinguen

Pegamentos de un solo componente con las siguientes características:

Son químicamente completos: llevan disolvente. Endurecimiento al aire al evaporar el disolvente. Las piezas no deben unirse hasta que el pegamento aplicado

pierda algo de humedad.

Pegamentos de dos componentes, cuyas características son las siguientes:

No actúan hasta mezclar los dos componentes. Un componente es endurecedor y el otro aglutinante. El proceso de unión debe realizarse dentro del tiempo llamado

periodo de goteo. 3. UNIONES SOLDADAS

Las uniones soldadas son uniones del tipo indesmontable y cierre por materia. Las uniones soldadas se clasifican según la temperatura que alcanzan en la zona de soldadura:

Soldaduras Blanda y Fuerte

Soldadura Blanda: Cuando la temperatura en la zona de soldadura es menor

de 450°C y las piezas a soldar no se funden.

Soldarura Fuerte : Cuando la temperatura en la zona de soldadura es mayor de 450°C y las piezas a soldar no se funden.


145

En ambos casos es necesario aplicar un aditivo de soldadura, llamado material de aporte, y que es de metal no ferroso.

Soldadura por fusión

Cuando la temperatura en la zona de soldadura es lo suficientemente elevada para producir la fusión de las piezas a soldar. No es necesario aplicar un material de aporte, que normalmente sería -en caso de usarse- de la misma composición que el material base.

Soldaduras Blanda y Fuerte

Fundamentos Las soldaduras blanda y fuerte son procedimientos térmicos para unir piezas metálicas de materiales iguales o diferentes mediante un material de aporte en estado fundido, cuya temperatura de fusión es bastante menor a la de los metales que se unen. Se distinguen entre soldadura que utiliza metales de aporte cuya temperatura de fusión es inferior a 450°C, llamada soldadura blanda y soldadura cuyos metales de aporte funden a más de 450°C, llamada soldadura fuerte. Aplicación Estos procesos se utilizan para la soldadura de:

Plaquitas de metal duro en los mangos para cuchillas de torno. Conexiones eléctricas de elementos pequeños. Unión de tubos de pared delgada. Unión de planchas de poco espesor.

La unión se realiza sin que se funda ninguno de los metales base


146

Figura 6

Soldadura por Fusión Es un proceso por el cual se unen materiales utilizando como fuente de energía el calor.

1. Clasificación

Se clasifican según: a) El tipo de material base :

metales plásticos otros

b) La finalidad de la soldadura

de unión de relleno


147

c) La forma de hacer la soldadura

manual mecánica automática

d) El procedimiento de soldadura

Figura 7

Figura 8

PO

R

FU

SIÓ

N

-ELECTROMANUAL

-ARCO SUMERGIDO

-ARCO ABIERTO

-MIG

-MAG

-TIG

-HIDROGENO ATÓMICO

-PLASMA

AR

CO

ELÉ

CT

RIC

O

RE

SIS

TE

NC

IA CONTINUA

PUNTO A TOPE

ELECTROESCORIA

LASER

HAZ ELECTRÓNICO

ALUMINOTÉRMICA OXI-ACETILÉNICA


148

Figura 9. Partes del circuito de soldadura por Arco eléctrico

Figura 10

Soldadura a gas En este proceso de soldadura, el calor necesario para calentar la pieza y el metal de aporte y luego fundirlos procede de una llama de alta temperatura obtenida por la mezcla o combinación del acetileno con el oxígeno alcanzando temperaturas de 3100°C.


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Ambos gases se mezclan en proporciones adecuadas en un soplete proyectado y construido en forma tal que el soldador tiene la posibilidad de regular por completo la llama, ajustándola a las necesidades del trabajo. La reacción química de soldadura oxiacetilénica es:

Figura 11

Los tipos de llama son:

a) Neutra: Para soldar aceros. b) Oxidante: Con exceso de O2 para soldar no ferrosos. c) Carburante: Para soldar fundición gris. a. Neutra b. Oxidante c. Carburante

Figura 12


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Los gases de soldar

a) El Oxígeno : Sus principales características son :

Facilita la combustión. Acelera la combustión. Es inofensivo, pero altamente inflamable.

El cilindro de Oxígeno Características:

Se fabrica de una sola pieza color verde Posee una válvula de seguridad de alta presión. La conexión de la botella con la manguera es con rosca derecha El contenido es O2 gaseoso, a dos volúmenes:

De 40 lts. cuya presión es 150 bar, y se designa con la letra N. De 50 lts. cuya presión es 200 bar, y se le designa con la letra L.

Precauciones que se deben tomar:

No calentar el cilindro: Explosión ! No aceitar las válvulas: Explosión ! O2 + aceite

No debe colocarse en posición horizontal.

b) El Acetileno : Sus principales características son:

Es inflamable y tóxico Es incoloro Es explosivo a 2 bar : se produce la reacción C2 H2 2C + H 2

(descomposición)

Presión de trabajo : 0,3 - 0,6 bar (1,5 bar como máximo) Gran velocidad de combustión.

El Cilindro de Acetileno Características

Se construye de varias piezas: Tubos de aceros estirado sin costura. Posee un interior recubierto con un material llamado amianto = carbón

vegetal + acetona.

El color del cilindro es rojo. Posee una válvula reductora de presión. La conexión a la manguera es mediante rosca izquierda. Contiene acetona líquida, que diluye al acetileno en proporción 25:1 por

cada atmósfera de presión.

La presión es 18 bar.


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Precauciones que se deben tomar NO calentar NO colocarlo en posición horizontal.

Consumo de Oxígeno (O2) FÓRMULAS:

1 10000 = 200 x 50 L Tipo

1 6000 =150 x 40 N Tipo V

(h)soldar para Tiempo = T

(1/h) gas de Consumo = V

(1) consumido gas deVolumen = V

1) 1/50 (40 gas de botella la deVolumen = V

bar) (1 aire del normalPresion P

(bar/PSI)presion de Diferencia = P

(bar/PSI)soldar de despues botellas la dePresion = P2

(bar/PSI)soldar de antes botella la dePresion = 1

)(0 oxigeno el Para

tV =v P2 - 1

P

P2) - (P1 V =

MAX

C

amb

2

c

amb

P

PP

V

Consumo de Acetileno (C2 H2) FÓRMULAS:

FMAX

C

F

F

22

C

V = 1 5850=) (18) (25) (13) = V

(h)soldar para Tiempo =t

(l/h) gas de Consumo = V

(1) consumido gas deVolumen = V

(1) gas de botella la de llenado de Volumenes = V

bar) (18 llenado dePresion = P

(bar/PSI)presion de Diferencia = P

(bar/PSI)soldar de despues botella la dePresion = P2

(bar/PSI)soldar de antes botella la dePresion = 1

)H (C acetileno el Para

V =V P2 - P1

21

P

tP

P

PPVV

F

F


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Determinación de Cantidades en la Mezcla

Relación = a : b de una mezcla significa que la proporción :

Se debe cumplir. Ejemplo: En la relación de mezcla 1 : 1,05 tenemos que : 1lt. de O2 se mezcla con 1,05 lt de C2H2. Entonces primero se halla el consumo de uno de los gases y luego se halla con la proporción el consumo del otro gas. Conversiones: 1 PSI = 0.07 bar 1bar = 14.7 PSI 1m3 = 1000 lt. PROBLEMAS Proporciones de Mezcla

1. La proporción de mezcla más apropiada para una flama de soldar es: 02 : C2

H2 = 1,15:1

¿Cuántos litros de acetileno ( V) se usaron para una caída de presión en la

botella de oxígeno de p = 8.5 bar? Botellas L y N.

2. Se usa una flama para soldar latón en la proporción 02:C2 H2 = 1,65:1. La

botella de acetileno muestra luego de soldar una caída de presión de p= 0.8 bar. ¿Cuánto fue el volumen de oxígeno consumido? ¿Cuál es la diferencia de presión en la botella de oxígeno (L y N)?

a

b

V

H

O

V C

2

2 2


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4. UNIONES ROSCADAS

Definición Son uniones desmontables de cierre por fricción; ésta se presenta en la unión entre la cabeza del tornillo, la tuerca, la arandela y las piezas a unir. Geometría de la rosca

Figura 13

Autobloqueo:

Cuando el tornillo y la tuerca están apretados, denomina autobloqueo al grado de oposición al desajuste

El autobloqueo se obtiene gracias a la fuerza de rozamiento y es inversamente proporcional a la inclinación de la rosca.

Por lo tanto, cuanto menor sea el ángulo de inclinación, el autobloqueo será mayor.

Figura 14


154

Figura 15

Roscas Autobloqueo Fina Pequeño Grande

Corriente Mediano Regular

De 3 pasos Grande Pequeño

Tabla N° 1

Cuando se desee buen autobloqueo se debe utilizar una rosca fina, además tiene las siguientes ventajas:

Con una fuerza de torsión relativamente pequeña se puede obtener una fuerza de apriete relativamente elevada.

Puesto que presentan una pequeña profundidad de rosca, pueden entallarse en tubos de pared delgada.


155

5. TIPOS DE TORNILLOS

Se pueden clasificar:

1. Según su rosca

Rosca Métrica (ISO): Los diámetros y pasos están dados en milímetros y el perfil triangular tienen un ángulo de flancos de 60°.

Rosca Unificada (UN): Tiene el mismo perfil y el mismo ángulo de

flancos que la rosca métrica, pero el diámetro nominal se da en pulgadas e indirectamente se trabaja con el paso indicando el número de hilos por pulgada.

Rosca Whitworth: Rosca con ángulo de flancos de 55°. Se designa la manera similar a la rosca unificada.

Rosca Whitworth para tubos: Se emplea en las uniones de tubos, el

perfil del filete es triangular con un ángulo de flancos de 55°, su número de hilos por pulgada es alto y el diámetro nominal no coincide con el diámetro exterior de la rosca.

Rosca con Chapa: Se usan para la unión de chapas de acero dulce de hasta 2 mm de espesor; se fabrican de acero templado, y por sí, solos roscan el agujero se está atornillado.

Roscas para madera: Aunque el perfil es diferente, en principio, trabajan igual que la rosca para chapas.

Según la forma de la cabeza

De cabeza hexagonal. De cabeza cilíndrica con hexágono interior (Allen). Tornillos de cabeza cuadrada. Tornillo redondo – plano usado generalmente en cerrajería y carpintería.

Tiene un cuello cuadrado que evita el giro del tornillo.


156

Figura 16

Tornillos con cabeza ranurada La cabeza puede ser: semiesférica, cilíndrica, avellanada, bombeada, etc. Se aplica mucho mejor torque que en un tornillo hexagonal. Se emplea desarmador plano o estrella (phillips) para accionarlos.

Figura 17


157

Según el extremo del tornillo

a) En espiga b) Achaflanado o biselado c) Plano d) Con bisel afilado e) Bombeado f) En punta

Figura 18

Designación de tornillos Rosca Métrica (ISO - DIN) Ejemplo: TORNILLO HEXAGONAL M12 x 1,25 x 50 x 5.6 a) b) c) d) e)

a) Forma de la cabeza b) Rosca Métrica de 12 mm de

diámetro nominal. c) 1,25 mm de paso (sólo

cuando es rosca fina). d) 50 mm de longitud del

vástago. e) Resistencia del tornillo :

Figura 19

Resistencia 5. 6

= 5 x 100 = 500 N/mm2 (resistencia a la tracción)

= 5 x 6 x 10 = 300 N/mm2 (límite de fluencia)

Rosca Unificada (ANSI B18. 2.1 - 1972) Ejemplo:

a ) b ) c )

d ) e ) f )


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¾ - 10 x l ½ tornillo hexagonal, SAE grado 8

a) b) c) d) e)

a) Diámetro nominal el pulg. (en expresión fracción o decimal). b) No. de hilos/pulg 10 = 10 hilos/pulg., es decir paso = 1/10”

Este dato es omitido en los tirafondos. c) Longitud (en expresión fraccional o el equivalente con dos decimales). d) Denominación del elemento. e) Material, incluyendo especificaciones, y el acabado de protección, si se

requiere.

6. TIPOS DE UNIONES ATORNILLADOS

1. Con Tornillo Pasante

Compuesto por un tornillo y una tuerca Es el mejor sistema de tornillo de unión Se usa cuando se puede taladrar un agujero a través de las dos piezas a ensamblar.

Figura 20

2. Con Espárrago Se usa cuando no es posible o cuando no es conveniente taladrar un agujero a través de las dos piezas a unir. Debe roscarse la pieza que lleva el agujero ciego para colocar en él el espárrago, debiendo ajustarlo fuertemente y después de lo cual no debe desmontarse en especial si la pieza es de hierro fundido.

Figura 21


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3. Tornillo de Presión Se usan en las mismas circunstancias que los espárragos, pero no son tan buenos como éstos. Esta unión se debe evitar cuando hay que desmontar frecuentemente de un agujero roscado. Pueden ser:

Con Tornillo Hexagonal: Cuando se requiere un buen apriete hay espacio suficiente para una llave de boca o no interesa que la cabeza sobresalga.

Figura 22

Con tornillo de cabeza cilíndrica con hexágono interno (Allen): Cuando se requiere que la cabeza quede escondida o cuando no hay espacio suficiente para una llave de boca.

Figura 23

4. Tornillos se Sujeción o Prisioneros Se usa para impedir el desplazamiento relativo entre dos piezas de máquina. Pueden atornillarse completamente hasta quedar al ras de la superficie, lo cual evita posibles accidentes. Su extremo varía según la forma de los elementos a unir

Figura 25


160

Otras Aplicaciones

Figura 26

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