análisis técnico económico proceso de soldadura en ecotacho

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO – FICM.

ANÁLISIS TÉCNICO Y ECONÓMICO DE PROCESO DE SOLDADURA PARA MATERIAL AISI 316-L CON UN ESPESOR DE 3.42mm UTILIZADO

PARA ECOTACHOS DE BASURA.

Jaime Andrés Beltrán [email protected]

Christian Danilo Coba Gavilá[email protected]

Paúl Sebastián Escobar Peñ[email protected]

RESUMEN:

El grupo de investigación ha desarrollado un paper acerca de todo lo relacionado a los temas y conocimientos adquiridos en el transcurso y desarrollo de la materia procesos de fabricación II, abordando principalmente el tema de soldadura:En el documento se encuentra la aplicación de diferentes normas y consideraciones que son necesarias para la correcta aplicación y desarrollo de un proceso de soldadura considerando todos los aspectos tanto técnicos como económicos. Aplicados a cordones de soldadura en ecotachos contenedores de basura que necesitan tener un análisis correcto ya que necesita un control de calidad por su uso en ambiente agresivo y materiales depositados en su interior. Las normas y guías especializadas las cuales se ha tomado en cuenta son los catálogos tanto AGA, BOHLER, INDURA, normas como AWS D1-1, diagramas y demás consideraciones detalladas en cada paso del proyecto.

1 INTRODUCCIÓN

El diseño de soldadura implica como tal el seguimiento de normas, consideraciones y diagramas los cuales al fusionarse nos permiten hacer una correcta selección de equipos, proceso de soldadura a usar, material para soldar, costos de la soldadura entre otra.

Los ecotachos contenedores de basura en la ciudad son indispensables en la sociedad ya que brindan de un servicio importante de recolectar los desperdicios de las personas, además de utilizar una nueva tecnología de recolección en un vehículo especializado para transporte por lo tanto necesitan de una construcción y desarrollo de este contenedor con base a normas y con sistema de gestión de calidad.

Se realiza este estudio ya que la soldadura es una parte esencial en la ingeniería mecánica, ya que se utiliza este tipo de proceso en casi todos los ámbitos al que se aplica la ingeniería mecánica, y debe ser aplicada correctamente para obtener los mejores rendimientos de maquinas y/o elementos mecánicos.

2 OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar un informe en el cual se detalle de forma clara y explicativa el proceso de soldadura de forma técnica y económica de planchas de acero AISI 316-L para un ecotacho contenedor de basura.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Especificar los métodos que se van a utilizar para la aplicación de la teoría de soldadura.

- Desarrollar un gráfico que aplique la norma ASW D1-1 para la junta soldad a utilizar en el desarrollo del proyecto.

- Seleccionar la maquina adecuada para realizar el proceso de soldadura.

- Determinar el electrodo adecuado para el cordón de soldadura a realizar.

- Realizar un análisis económico del costo que representaría realizar el proceso de soldadura en un ecotacho.

- Elaborar un documento PQR para el desarrollo de la junta soldada.

3 MARCO TEÓRICO

3.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES.

Procesos de soldadura.Soldadura con arco.Como su nombre lo señala, es un proceso en donde empleamos una arco eléctrico que está constituido entre los elementos a suelda uy el electrodo metálico. Al convertirse la energía eléctrica en calor, esta genera una temperatura mayor a los 5600°C provocando el proceso de derretir los metales y luego unirlos.Un significativo inconveniente en la soldadura, es cómo se comportan los metales ante la mezcla de agentes presentes en la atmosfera y el incremento de la temperatura. Se ha desarrollado varias técnicas para proteger el metal caliente contra la atmosfera.El proceso realizado por arco eléctrico mantenido en el espacio de la punta del electrodo y el metal base, las

1


gotas derretidas de metal forman un cordón de soldadura mientras el fundente ayuda a proteger este cordón. La escoria también ayuda a dale forma al cordón, además que flota sobre el mismo especialmente cuando el cordón de soldadura es realizado en forma vertical y sobre cabeza. [1]

Figura 1. Arco Eléctrico “70-90 A”Tomado de: Morral F. Metalurgia general

Material de aporte.La unión de piezas metálicas ferrosas o no ferrosas puede estar dada con o sin material de aporte, ya que en algunos casos de soldadura se necesita un material de aporte que debes cumplir alguna de las características físicas y químicas requeridas.La soldadura de arco y MIG ocupan este material de aporte, en el caso de MIG este material de aporte es un alambre desnudo continuo mientras que el arco eléctrico son electrodos; los cuales se pueden clasificar en 5 grupos: de acero suave, polvo de silicio, dióxido de titanio, carbonato de calcio, y celulosa. Todos estos elementos ayudan a la estabilidad del arco, mejoran la apariencia del cordón de soldadura, ayudan a la penetración y protegen el metal fundido de la oxidación y atmosfera.Biseles.Son cortes inclinados en el borde de las láminas o tubos a soldar con el propósito de realizar procesos de soldadura más eficientes. Ayuda a la penetración del material de aporten la zona de la raíz de la soldadura. Se lo realiza con la ayuda de una amoladora o esmeriles, ya sea en las dos placas o solo una, los biseles pueden venir con ángulos determinados pero comúnmente se los realiza a 60° entre las juntas y su separación viene establecida en la norma a utilizar.

Figura 2. Tipos de bisel para placas de mayor espesor.

Juntas.Las áreas de las partes a soldar juegan un papel muy importante ya que de ellas depende una buena ejecución del proceso de soldadura para ello hay que

tomar en cuenta la limpieza de las superficies, el proceso a realizar será una reacción química-física y cualquier contaminante presente en el instante de soldar contaminaría indeseablemente la composición de la soldadura.Estas áreas deben estar limpias y se las limpia con una acción mecánica empleando un disco de pulir o gratas metálicas, hay que ser precavidos porque las partículas que se producen por la limpieza pueden introducirse en las parten internas del trabajo. Algunos tipos de juntas son las queso presentan en el siguiente gráfico. [2]

Figura 3. Tipos de juntasTomado de: Flores Carlos. Soldadura al arco eléctrico

SMAW

REQUERIMIENTO DE PENETRACIÓN PARCIALES DE JUNTAS:Según la norma AWS D11 nos indica los requerimientos de los tipos de juntas que se deben utilizar dependiendo el espesor de la placa. [3]

Figura 4. Consideraciones para soldadura a tope.

Tomado de: ANSI/AWS D1.1-9 Structural Welding code-steel 16th edition.

Donde:La designación de junta nos indica.

- B: junta a tope.- P: junta de penetración parcial.- 1: ranura cuadrada- a, c: diferencia entre juntas.

2


4. DESARROLLO

Para realizar el cordón de soldadura en un ecotacho se necesita de varios aspectos técnicos y tecnológicos que se detallan a continuación.

Figura 5. Ecotacho en la ciudad de Ambato.

4.1 TIPO DE JUNTALa junta soldada a realizarse es:

Figura 6. Especificaciones junta soldada.

Figura. Especificaciones tipo de junta.Según la norma AWS D1.1 se debe utilizar soldadura a tope para espesores de máximo 6.4mm, junto con un proceso de soldadura SMAW.

4.2 SELECCIÓN MAQUINA SOLDADORA.

Los requerimientos necesarios son:Electrodo AWS E 316L- 16 Diámetro: 2.50mm Ciclo de trabajo de 90%

Solución:

Figura 7. Corriente y polaridad electrodo E316L-16Tomado de: Manual AGA. Versión 2.

Se trabajara con el amperaje mayor de 90 Amp, para prevenir fallas.

MAQUINA:

Figura 8. Soldadora indura SMAW.Tomado de: catálogo INDURA

Datos maquina CT: ciclo de trabajo:

AMP

CT

190

20

85

100

60 80 100 120 140 160 180 2000

20406080

100120

f(x) = − 0.761904761904762 x + 164.761904761905

Amp vs CT

Si amperaje=90=xy=96.189 [ciclo de trabajo]

Conclusión: La máquina soldadora es adecuada para el trabajo a ser realizado: 90 Amp a 90% ciclo de trabajo.

4.3 POSICIÓN DE SOLDADURA

Para realizar el cordón de soldadura analizado se utiliza la posición 1G (soldadura plana o sobre mesa)

3


Figura 9. Posición de soldadura a ser realizada.Tomado de: Catálogo INDURA

4.5 MICROESTRUCTURA DE LA SOLDADURA- Diagrama de SHAEFFLER

Material base: AISI 316L

Figura 10. Características material base.Tomado de: Catálogo Bohler

% de Cromo Equivalente:Cr= Cr + % Mo + 1,5%Si + 2% Nb + 3% TiCr= 17 + 2,2 + 1,5%(0,5) + 0 + 0Cr= 19,95

% de Níquel Equivalente:Ni= Ni + 30%C + 0,5%Mn + 1,5%NNi= 11,5 + 30% (0,03) + 0,5% (1,4) + 0Ni= 13,1

Electrodo:

Figura 11. Característica material de aporte.Tomado de: Manual AGA

% de Níquel Equivalente:Ni= Ni + 30%C + 0,5%Mn + 1,5%NNi= 11,5 + 30% (0,03) + 0,5% (0,8) + 0Ni= 13,1

% de Cromo Equivalente:Cr= Cr + % Mo + 1,5%Si + 2% Nb + 3% TiCr= 19 + 2,5 + 1,5%(0,8) + 0 + 0Cr= 22,7

Figura 12. Diagrama de SHAEFFLER

(El electrodo cumple con el porcentaje necesario para aprobar el electrodo con un 7% de ferrita)

4.6 CURVAS DE CICLO TÉRMICO DE LA JUNTA SOLDADA. Consideraciones:Acero AISI 316L (Austenítico)E 316L-16 3/32pulge=1/8pulgTo=25ºC (Ambiente)v=5 mm/seg.

qv=n∗V∗I

v

qv=0,8∗28∗80

0,005

qv=358400 [ Js ]

d '=[ qv∗ρ cp∗2

∗( 1773−¿

+ 11073−¿

)]12

d '=[ 358400

2 (4,7∗106 )∗( 1773−298

+ 11073−298 )]

12

d '=0,011m=11mm

d '>e=Concideració nde placa finaPor lo tanto:

T=¿+

qv

d (4 πkρCP t )12

exp(−r2

4 αt )Tabla 1. Datos determinación ciclo térmico

DA

4


To

298

q/

358400

d

0,003175

k

24,9

ρ c p

4700000

t

variable ind

r

variable ind

α

0,0000053

π

3,141592654

T1= 1350ºC=1623KT2=1425ºC=1698K

t(s)

Temperatura °Kr1 r

20,00411 0

,0,0001

298,00 2

90,0003

298,00 2

90,0005

298,00 2

9

0,007

298,00 2

90,00

298,

29

5


100

0,003

298,00 2

9

0,007

298,00 2

9

0,01

298,00 2

9

0,03

298,00 2

9

0,05

298,00 2

9

0,07

298,13 2

9

0,1

301,22 3

0

0,3

675,42 7

4

0,5

1143,86 1

2

0,7

1425,13 1

5

1

1624,86 1

6

3

1601,05 1

6

5

1420,48 1

4

7

1290,86 1

2

10

1157,54 1

1

30

821,33 8

2

50

707,70 7

0

70

645,84 6

4

100

590,02 5

9

300

467,49 4

6

500

429,43 4

2

700

409,13 4

01 3 39

6


000

91,01

MAXIMOS

1624,863119 1

6

Figura 14. Ciclo térmico acero AISI 316L

RESULTADOS CURVAS DE CICLO TÉRMICOEl enfriamiento pasa por zona Austenita + Ferrita.

Figura 15. Distancias de cambio de fase ZAT

4.7 PRECALENTAMIENTO DE LA SOLDADURA.

Temperatura de Pre-calentamiento según Método SEFERIAN.

Figura16. Junta para soldadura, soldadura tipo plano.)

C E=[CE ]q∗(1+0.005∗e)

CE=[0.03+(1.4+17)9

+ 11.518

+ 2.213 ]∗(1+0.005∗3.2)

C E=2.88∗1.016=2.93

T p=350√CE−0.25

T p=350√2.93−0.25

T p=572.55 ºC

4.8 CÁLCULO COSTOS DE SOLDADURA

Consideraciones:

Longitud a soldar = 11,15mProceso = SMAWSoldador rápidoGastos generales = 2,5 $/hElectrodo = AWS E 316L- 16 diámetro 2.50mm. Costo=

Cálculo realizado en programa especializado elaborado por los autores.

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Cálculos a base de fórmulas:

Pmd= 0.098 kg/mL

Costo electrodo:

pmd∗valor electreficiencia dep

=0.098∗5.580.65

=0.84

pmd∗VMO+¿Vel∗Foper

=0.098∗(5.32+2.5 )

0.8∗0.3

¿3.19 $mL

Mano de obra:

Sueldo= 600IESS (11.15%)= 66.9XIII= 50XIV 29.5Vacaciones 25TOTAL 1= 771.4EPP= 80TOTAL 2 = 851.4/160 = 5.32

Costo energéticop=0.098∗11.15=1.09

4kwhkg

∗(1.09 )=4.36∗0.15ctv=$0.6

Ctotal=Cmat aporte+CMOYGG+Cenergía

¿0.84∗11.15+3.19∗11.15+0.6

Ctotal=$ 45.53

Por motivos de trabajar con todos los decimales en el programa se tiene una pequeña variación, pero en si el costo en realizar los cordones de soldadura para un ecotacho es de $45

5 CONCLUSIONES

Se ha utilizado consideraciones como Norma AWS D1-1, catálogos para material base (Bolher), como también para material de aporte (Aga) y también consideraciones del manual de Indura para costo de soldadura.

La junta a realizarse en este metal es a tope ya que en la norma nos indica esta forma por su espesor.

La máquina seleccionada es INDURA 195 CV Para un ciclo de trabajo de 90% a 80 amperios.

Se debe realizar un precalentamiento de 572ºC para realizar la soldadura de este metal

Mediante el diagrama de shaeffler se determinó que: el electrodo seleccionado (AWS E 316L- 16 diámetro de 2.50mm), si es el adecuado ya que aporta con el porcentaje de 7% de ferrita en micro-estructura de la soldadura que es el requerimiento más importante para la aprobación del uso del electrodo.

El costo de soldadura se encuentra en $45 por 11.15m de soldadura.

El enfriamiento del acero en el análisis térmico pasa por zona austenita y ferrita.

4 BIBLIOGRAFÍA:

1. Morral F. Metalurgia general 2da edición. Editorial Mc Graw Hill. Mexico p16

2. Flores Carlos. Soldadura al arco eléctrico SMAW

http://www.tec.url.edu.gt/boletin/URL_08_MEC01.pdf

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3. ANSI/AWS D1.1-9 Structural Welding code-steel 16th edition.

4. Catalogo INDURA

5. Manual AGA 2da versión.

6. Catálogo BOHLER

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