pernos y soldadura

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETAFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

ESTRUCTURAS DE ACEROPERNOS Y SOLDADURAS

INTEGRANTE(S):

C.I.:Valbuena, Ayeisha

C.I.: 18.428.303

MARACAIBO, AGOSTO DE 2012

Pernos

Definición

Pieza metálica, normalmente de acero o hierro, larga, cilíndrica, semejante a un tornillo pero de

mayores dimensiones, con un extremo de cabeza redonda y otro extremo que suele ser roscado.

En este extremo se enrosca una chaveta, tuerca, o remache, y permite sujetar una o más piezas

en una estructura, por lo general de gran volumen.

Partes

Cabeza: es la forma limitada dimensionalmente, llevada a efecto en uno de los extremos

del perno, que cumple la función de proveer una superficie de apoyo.

Núcleo: es la porción no roscada de la longitud del perno situada debajo de la cabeza,

cumple la función de evitar el movimiento circular del perno y facilitar el acoplamiento de

éste durante su instalación.

Caña: es la elaboración de forma helicoidal, ejecutada en el exterior o interior de una

superficie de revolución generalmente cilíndrica o cónica

Especificaciones

Los pernos para máquina, se fabrican de acero al bajo carbón y son el tipo más barato de que se

dispone para hacer conexiones. Sus esfuerzos permisibles son apreciablemente menores que los

de los remaches o los tornillos maquinados.

los pernos maquinados se preparan de hierro hexagonal y sus cuerdas se cortan con un dado.

Son maquinados con tolerancias reducidas para obtener ajustes casi exactos en los agujeros. A

pesar de ser mucho más satisfactorios que los tornillos para máquina para resistir el corte, son

utilizados en la actualidad con muy poca frecuencia.

Los pernos con estrías son aquellos que tienen cabezas de remache estándar y tienen realzadas

aletas o nervaduras espaciadas uniformemente alrededor de las espigas. Estos tornillos son

usualmente considerados con resistencia igual a la de los remaches estándar de la misma medida.

Los pernos de alta resistencia se fabrican de acero al medio carbón tratado térmicamente, de

aleaciones especiales de acero y su resistencia a la tensión es varias veces la de los tornillos

ordinarios. Los tornillos de alta resistencia son los más utilizados actualmente.

Los dos tipos básicos de pernos de alta resistencia son designados por astm como a325 y a490.

Estos pernos tienen cabeza hexagonal y se usan con tuercas hexagonales no terminadas. Pernos

a325 son de acero con mediano contenido de carbono, tratados al calor, su esfuerzo a la fluencia

varía aproximadamente entre 5700 a 6470 kgf/cm2, dependiendo del diámetro.

Los pernos a490 son también tratados al calor, pero son de acero aleado con un esfuerzo de

fluencia de 8085 a 9140 kgf/cm2, dependiendo del diámetro. Los pernos a449 son usados

ocasionalmente cuando se necesitan diámetros mayores de 1½" hasta 3".

Descripción

Tensión permisible

Ft (psi)

Cortante permisible fv (psi)

Conexión tipo fricción

Conexión tipo aplastamiento

Tornillos a325 y a449 cuando la cuerda se incluye de los planos

de corte.40.000 15.000 15.000

Tornillos a325 y a449 cuando la cuerda se excluye de los planos

de corte.40.000 15.000 22.000

Tornillos a490 cuando la cuerda se incluye de los planos de corte.

54.000 20.000 22.500

Tornillos a490 cuando la cuerda se excluye de los planos de corte.

54.000 20.000 32.000

Numero de grado

sae

Rango del diámetro

(inch)

Carga de prueba (kpsi)

Esfuerzo de ruptura (kpsi)

MaterialMarcado de

la cabeza

12¼ - 1½ ¼ - ¾

7/8 - 1½ 55 33 74 60

Acero de bajo carbono ó

acero al carbono

5¼ - 1 11/8 -

1½ 85 74 120 105

Acero al carbono, templado y

revenido

5.2 ¼ - 1 85 120

Acero de bajo carbono

martensítico, templado y

revenido

7 ¼ - 1½ 105 133

Acero al carbono aleado,

templado y revenido

8 ¼ - 1½ 120 150

Acero al carbono aleado,

templado y revenido

8.2 ¼ - 1 120 150



revenido

Designación Rango del Carga de Esfuerzo Material Marcado de

astmdiámetro

(inch)prueba (kpsi)

de ruptura (kpsi)

la cabeza

A307 ¼ a 4- -


A325 tipo 1½ a 1 11/8 a

1½85 74 120 105

Acero al carbono, templado y revenido

A325 tipo 2½ a 1 11/8 a

1½85 74 120 105


martensítico, templado y revenido

A325 tipo 3½ a 1 11/8 a

1½85 74 120 105

Acero recubierto, templado y revenido

A354 grado bc

- - -Acero aleado,

templado y revenido

A354 grado bd

¼ a 4 120 150Acero aleado,

templado y revenido

A449¼ a 1 11/8 a 1½ 1¾ a 3

85 74 55 120 105 90Acero al carbono,

templado y revenido

A490 tipo 1 ½ a 1½ 120 150Acero aleado,

templado y revenido

A490 tipo 3 - - -Acero recubierto,

templado y revenido

Clase Rango del diámetro

Carga de prueba

Esfuerzo de ruptura

Material Marcado de la cabeza

(inch) (kpsi) (kpsi)

4.6 M5 - m36 225 400


acero al carbono

4.8 M1.6 - m16 310 420


acero al carbono

5.8 M5 - m24 380 520


acero al carbono

8.8 M16 - m36 600 830


revenido

9.8 M1.6 - m16 650 900


revenido

10.9 M5 - m36 830 1040



revenido

12.9 M1.6 - m36 970 1220

Acero aleado, templado y

revenido

Marca a.s. grado

Especificación Algunos usos recomendados

Resistencia a la tracción

Límite de fluencia

DurezaSae Iso Astm

resistenciagrado clase

mínima [kg/mm2]

mínima [kg/mm2]

3,6

Para requerimientos menores de resistencia, metalmecánica, motores eléctricos, línea blanca. Electrónica, usos generales.

34 20 53 - 70 rb

J429 grado 1 ¼ " a 1

½ "

4,6A307

grado a y b

Para requerimientos de resistencia media, construcción de máquinas livianas, automotriz (piezas no afectas a fuertes tensiones), máquinas agrícolas, estructuras livianas.

42 23 70 - 95 rb

8,8 A449

Para requerimientos de alta resistencia a la tracción, ruedas de vehículos, partes de motores de tracción, cajas de cambio, máquinas herramientas, matrices

80 64 22 - 32 rc

tipo 1

A325

Para requerimientos de alta resistencia a la tracción y otros, especialmente para juntas estructurales exigidas mecánicamente. Debe trabajar con tu y golilla de la misma calidad

Hasta 1 85 de 1 1/8 a 1 ½

74

Hasta 1 65 de 1 1/8 a 1 ½ 57

Hasta 1 23 - 35 rc

de 1 1/8 a 1 ½ 19 -

31 rc

A490

Para requerimientos de alta resistencia a la tracción y alta temperatura. Debe trabajar con tu y golilla de la misma calidad

105 81 32 - 38 rc

grado 8

8 10,9

Para requerimientos de alta resistencia a la tracción, flexión, cizalle, etc. Culata de motores, paquete de resortes, pernos para ruedas vehículos pesados, bielas, etc.

105 88 31 - 38 rc

Soldadura

Se denomina así a todos los procesos de unión de metales que se realizan por fusión localizada de las partes a unir, mediante la aplicación conveniente de calor o presión. Puede ser con y sin aporte de material a las piezas unidas, donde este material de aporte es de igual o de diferente tipo a las partes que se unirán. Es importante tener en cuenta que la soldadura cambia la estructura física de los materiales que se suelden, debido a que cambia alguna de las propiedades de los materiales que se están uniendo.

La soldadura se logra a través de la fusión que simplemente es un proceso físico en donde se realiza un cambio de estado de la materia de sólido a líquido, mediante la acción del calor. Cuando se calienta un sólido, se transfiere calor a los átomos que vibran con más rapidez a medida que gana energía.

La mayoría de los procesos de soldadura requieren la generación de altas temperaturas para hacer posible la unión de los metales envueltos. El tipo de fuente de calor, o en otros términos, la forma de producir la fusión, es básicamente lo que describe el tipo de proceso los cuales se agrupan en tres categorías: welding o soldadura fuerte, soldering y brazing, soldaduras débiles.

Elementos de aporte

La unión de metales de la soldadura se puede realizar con o sin elementos de aporte, este elemento consiste en un material con propiedades físicas o químicas similares a las del material base (metales a unir).

Existen varios tipos de elementos de aporte para cada proceso de soldadura. Para el proceso de soldadura mig el material de aporte corresponde a un alambre desnudo continuo (acero) el cual es suministrado por la boquilla de la pistola de soldadura.

Por otro lado, el material de aporte para la soldadura de arco eléctrico corresponde a electrodos, los cuales están clasificados en cinco grupos principales: de acero suave, de acero de alto carbono, de acero de aleación especial, de hierro fundido y los no ferrosos. La mayor parte de soldadura por arco es hecha con electrodos en el grupo de acero suave.

El electrodo revestido tiene una capa gruesa de varios elementos químicos tales como celulosa, dióxido de titanio, polvo de sílice, carbonato de calcio, y otros. Estos ingredientes son ligados con silicato de sodio. Cada una de las substancias en el revestimiento es ideado para servir una función específica en el proceso de soldadura. En general, sus objetivos primarios son los de facilitar el establecimiento del arco, estabilizar el arco, mejorar la apariencia y penetración de la soldadura, reducir salpicadura, y proteger el metal fundido contra oxidación o contaminación por la atmósfera circundante.

Para la identificación de estos electrodos, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos como: la calidad de soldadura requerida, la posición de la soldadura, el diseño de la junta, la velocidad de soldadura, la composición del metal por soldar.

También estos elementos de aportes pueden ser en forma de láminas, arandelas o polvo, las láminas se aplican y se pre sitúan antes de comenzar a soldar, de manera que cuando está fundido se aplica presión y se elimina el exceso de material aportado. Las arandelas, se aplican en los metales con anterioridad, si es necesario, de manera que cuando comenzamos a soldar, se funda a lo largo de toda la superficie de los metales. El polvo también se aplica en la unión mecanizada con anterioridad, de manera que cuando comenzamos a soldar, se funda a lo largo de toda la unión.

Tipos de Soldadura

Según las características de las soldaduras su forma de ejecución, la posición de las piezas a unir,

entre otras, se pueden clasificar en:

Según los tipos de juntas.

Depende de la posición de las piezas a unir. Según el tipo de juntas, las soldaduras son:

A tope: es la usada comúnmente para la unión de hilos o alambres. Los extremos a soldar

se colocan a tope y cuando se aplica presión sobre dichos extremos, se hace pasar la corriente, se

ensanchan las zonas soldadas, fluyendo los materiales base hacia el exterior.

De solape: es descrita como la protrusión del metal de la soldadura por delante del talón o

de la raíz de la soldadura. Aparece cuando el metal soldado inunda la junta y yace en la superficie

del metal adyacente.

De esquina:

En t: esta unión se usa extensamente en la industria y se le llama unión t por que se

asemeja a la letra (t). Esta unión se puedes definir como: la unión entre miembros que se

encuentran formando ángulos rectos.

Según los tipos de soldaduras.

Soldadura de ranura: se usan cuando las piezas a unir están alineadas en un mismo

plano o en, y tienen sus bordes previamente preparados. Esta preparación puede ser en paralelo

(recta), en bisel sencillo o doble, en v, en u o en j. La ranura puede ser de penetración completa o

parcial y las piezas pueden tener espesores iguales o diferentes

Soldadura de entalladura o de penetración: en que el metal de aporte es colocado entre

los elementos. Es el mejor método en cuanto a estética, pues la soldadura reconstituye la sección

de la pieza conectada y además aminora los esfuerzos de efectos alternados, que pueden causar

fatiga del material; sin embargo, tiene una baja tolerancia de ajuste de elementos y un costo

elevado de preparación de la superficie

Soldadura de filete: en que el metal de aporte es colocado externamente a los elementos

a ser conectados. Es el tipo de soldadura más simple y por tanto el mas empleado.

Soldadura de tapón o canal: se usan ocasionalmente en juntas de solape, como

resistencia adicional, y van totalmente rellenas de material de aporte. Se les emplea usualmente

para conectar planchas, disminuyendo la luz individual de los miembros o bien para eliminar los

huecos dejados por los pernos que se utilizan para sujetar las planchas durante la ejecución de las

soldaduras, manteniéndolas firmemente en su posición hasta finalizar la conexión.

Soldadura de muesca: se aplica sobre la cara interna de las hendiduras en una de las

planchas de la conexión, asegurando una mejor transferencia de esfuerzos cortantes

Según las posiciones para soldar.

Las soldaduras de ranura o las de filete toman diferentes denominaciones según la posición que

ocupa el operario con respecto a la junta durante la ejecución de la soldadura, se encuentran:

Soldadura plana: cuando el cordón es horizontal y el metal de aporte se vierte desde

encima. Es la posición ideal para soldar.

Soldadura horizontal: el cordón es depositado sobre la intersección de un plano vertical

con otro horizontal, pero depositando el metal de aporte sobre la cara superior del miembro

horizontal.

Soldaduras sobre la cabeza: el material de aporte no se deposita por la gravedad, por

tanto, el operario tiene dificultad para realizar un buen trabajo.

Soldadura vertical:

Bisel

El bisel es un corte inclinado en el borde de una lámina o tubo con el fin de realizar un buen proceso de soldadura; cumple una función importante en este proceso, debido a que en ocasiones el soldador no posee el nivel de penetración suficiente por parte del material de porte en la zona de la soldadura, que conlleva a una mala unión soldada. Este biselado se hace normalmente con la ayuda de la pulidora o del esmeril, ya sea en las dos láminas a unir o en solo una de ellas.

Electrodos

En la soldadura, el electrodo es un dispositivo que conduce electricidad y puede actuar también como metal de aporte. Un electrodo es usado para conducir corriente a través de la pieza de trabajo y fusionar dos piezas. Dependiendo del proceso, el electrodo puede ser consumible, en el caso de la soldadura con gas metal o la soldadura blindada, o no consumible, como la soldadura con gas tungsteno

Los tipos más utilizados para soldadura son los siguientes:

Electrodos desnudos

En estos electrodos el material fundido no está protegido contra la acción de los gases de la atmósfera tales como el oxígeno y nitrógeno; por ello la soldadura resulta de calidad inferior. Solamente se utilizan en los cordones secundarios y para las cargas estáticas.

Electrodos revestidos

Éstos son los que se emplean generalmente en las estructuras metálicas. El electrodo se encuentra protegido mediante un revestimiento compuesto de varias sustancias distintas según las características que se desee dar al material de la soldadura.

Electrodo con alma: se aplican a la soldadura en cualquier posición y se caracteriza por un arco permanente.

Identificación de los Electrodos

Para los electrodos de acero dulce y los aceros de baja aleación: las dos primeras cifras de un número de cuatro cifras, o las tres primeras cifras de un número de cinco cifras designan resistencia a la tracción:

E-60xx Significa una resistencia a la tracción de 60,000 libras por pulgada cuadrada.

(42,2 kg./mm2).

E-70xx Significa una resistencia a la tracción de 70,000 libras por pulgada cuadrada. (49,2kg./mm2).

E-100xx Significa una resistencia a la tracción de 100,000 libras por pulgada cuadrada.

(70,3kg./mm2).

Lenguaje de la soldadura

Simbología básica

Leyenda

Contorno Trasero o de

respaldo

Soldadura de

inserción

Canal de fusión

Soldadura completa

Soldadura de campo

Plano Convexo Cóncavo

De flanja Soldadura de ranura

De borde Esquinada

Cuadrada

Sesgada V De bisel U J De llama en v

FileteClavija o ranura

De perno De punto De costuraDe

respaldoDe

superficie

Controles de calidad de la soldadura

Ensayos no destructivos

Ensayos visuales

Se pueden hacer a simple vista o con el uso de aparatos como una lupa, calibrador, etc., para inspeccionar si la soldadura tiene defectos.

Ensayos con rayos x o rayos gamma

Se toman fotografías radiográficas de la soldadura. Los defectos se ven en una forma muy similar a la cual se aprecian los huesos rotos en una radiografía de una ser humano. Este método se suele utilizar en tubos y calderas grandes. Se utiliza equipo de rayos X y máquina de revelado de placas radiográficas.

Ensayos magnéticos

Las pruebas magnéticas son de dos tipos: se espolvorea hierro pulverizado en la soldadura. Después, se establece una carga magnética a través de la soldadura; las partículas de hierro se acumulan en las grietas o fallas. Se mezclan limaduras de hierro con petróleo; se limpia y pule la superficie de la soldadura y se aplica esta mezcla con una brocha. Se magnetiza la soldadura con una fuerte corriente eléctrica. Si hay una grieta o falla en la soldadura, las partículas de hierro se adherirán en los bordes de la grieta y producirá una línea oscura como del diámetro de un cabello.

Pruebas con colorantes penetrantes

Estos colorantes o tintes vienen en botes pequeños en aerosol, con su estuche y se pueden llevar a cualquier parte. El colorante es un excelente método para detectar grietas superficiales que no se aprecian a simple vista.

Pruebas con estetoscopio o de sonido

El inspector golpea la soldadura con un martillo pequeño y escucha con el estetoscopio. El sonido le indica si la soldadura tiene defectos. Se necesitan muchos años de experiencia para

hacer esta prueba con exactitud. En la actualidad, se emplea el equipo para pruebas sónicas.

Ejercicio de pernos

En la figura mostrada, la fuerza neta dirigida hacia abajo “p” es de 26,4 kn en cada placa lateral de la ménsula. La distancia “a” es de 0,75 m. Determine el tamaño requerido de los pernos astm a325 (alta resistencia) para afianzar la ménsula. Considere que la conexión es tipo apoyo sin roscas en el plano cortante.

Solución:

Objetivo: especificar el tamaño de los pernos en la junta.

Datos:

P= 26,4 kn

P

TENSION EN LABANDA

MOTOR

75mm75mm

100mm 100mm

COLUMNA

A= 0,75 m.Perno astm a325Conexión tipo apoyo.

Análisis: Para determinar la fuerza cortante en cada perno producida por la fuerza cortante vertical

directa p= 26,4 kn, se supondrá que cada uno de los pernos soporta una parte igual de la carga. Entonces se utilizarán las ecuaciones siguientes:

Estas para calcular las fuerzas que actúan en el perno sometido a mayor esfuerzo para resistir la carga del momento, donde:

Las fuerzas resultantes se combinarán vectorialmente para determinar la carga resultante en el perno sometido a mayor esfuerzo. Entonces se calculará el tamaño del perno basado en la fuerza cortante permisible para los pernos astm a325.

Resultados:

Fuerza cortante directa:La fuerza total dirigida hacia abajo se reparte entre los seis pernos. Por consiguiente, la carga en cada uno llamada rp, es:

Fuerzas que resiste el momento:

P

El momento en la junta es:

Calculo de pernos:

Perno 1:

Investigando los otros cinco pernos de la misma manera, se ve que el perno 1 es el que soporta el esfuerzo máximo. Entonces se determinará su diámetro para limitar el esfuerzo cortante a 207 mpa para los pernos astm a325 (tabulado)

El tamaño métrico más aproximado es el de 16mm, siendo su tamaño estándar más aproximado es el de 5/8”

PM

R1R2

R3R4 R5

R6

Ejercicio de soldaduraSe forma una junta traslapada aplicando dos soldaduras de filete de 3/8 “ a todo lo ancho de dos placas de acero astm a36 de ½” como se muestra en la figura. Se utiliza el método de arco de metal protegido, con un electrodo e60. Calcule la carga permisible “p” que se puede aplicar a la junta.

Solución:

Objetivo: calcular la carga permisible p en la junta.

Datos:Placas de acero astm a36Electrodo e60Método de arco de metal protegido

Análisis:

Se supone que la carga se distribuye por igual en todas las partes de la soldadura, de modo que se

puede utilizar la ecuación con

Sea τ igual al esfuerzo permisible de 18ksi (tabulado), el espesor t es

Ahora se puede resolver para p.

PP

⅜ in

½in⅜ in

½in

PP4in

pernos y soldadura

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