8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 EXPERIENCIA DOCENTE EN LA APLICACIÓN DE LA NORMA AWS EN LA UNIÓN DE PARTES MECÁNICAS MEDIANTE AMBIENTES DE CAD Juan Manuel Díaz Salcedo 1 [email protected] IPN, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán; Departamento de Ingeniería Aeronáutica. D. F., MEXICO Resumen Este trabajo presenta la experiencia docente adquirida en la aplicación de las diferentes condiciones de unión por soldadura de partes mecánicas, utilizando el software Mechanical Desktop, mediante el uso de la norma AWS. Se presentan también las condiciones de representación en dibujos mecánicos de esta normatividad, las cuales son de gran interés en ambientes industriales durante el proceso de diseño, manufactura y control de sistemas mecánicos. El objetivo de este trabajo es presentar la relevancia de que este conocimiento sea impartido y fortalecido en los alumnos de nivel superior, previo a los estudios de postgrado, a fin de que estos puedan contar con mejores criterios de diseño. PALABRAS CLAVE: AWS (American Welding Society), CAD (Computer Aided Design), CAE (Computer Aided Engineering), SMAW (Shield Metal Arc Welding) ó MMAW (Manual Metal Arc Welding) , MIG (Metal Inert Gas), MAG (Metal Active Gas) , TIG (Tungsten Inert Gas), SAW (Sumerged Arc Welding). 1 Profesor de la carrera de Ingeniería Aeronáutica, Academia de Tecnología, Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán; Av. Ticomán 600, San José Ticomán, Delegación Gustavo A. Madero, 07340, México D. F., MÉXICO; [email protected]. Profesor Titular, Presidente de la Academia de Tecnología. Introducción La AWS (American Welding Society) y su relación de normas Series A Y B [1] [2], utilizan un lenguaje internacional de símbolos y códigos de identificación para expresar las especificaciones y requisitos en la unión de piezas soldadas y su representación en dibujos técnicos e información para la inspección de la misma. Este lenguaje de representación ha evolucionado significativamente en los últimos 15 años, de unas reglas normalizadas a un lenguaje comprensivo de símbolos para la especificación de la unión de dos piezas. Estas normas no contienen suficiente información sobre como debe aplicarse la simbología propuesta, para poder lograr esto es necesario formar diseñadores en el procedimiento adecuado para aplicar estas especificaciones en los dibujos, tal que expresen los requisitos de unión de las piezas. Antes de aplicarse estas normas sobre los dibujos, se imponían especificaciones no necesarias y en algunos casos permitían que piezas que no cumplían con condiciones de montaje adecuadas fueran aceptadas y pasaran al ensamble, la aplicación de las normas AWS beneficia la reducción de los costos de fabricación al eliminar este tipo de pérdidas. La función primaria de los dibujos técnicos de un producto, es llevar el diseño y sus requisitos a los responsables de fabricar el producto, en el caso de la unión de las piezas esto se hace enfocándose principalmente en la simbología propuesta por la AWS en el dibujo, por lo que solo aquellos requisitos que se indiquen en el dibujo pueden esperarse que sean cumplidos. Este tipo de conocimientos se enseñan actualmente en algunas escuelas de ingeniería a nivel licenciatura en México, pero no se formaliza el aspecto normativo con el manejo de las normas AWS, esto ha ocasionado que la gran mayoría de los dibujos empleados en la industria propuestos por este grupo de profesionistas sin experiencia, no expresen los requisitos funcionales de las piezas y por otro lado el egresado de licenciatura no pueda interpretar correctamente los dibujos que le son proporcionados en áreas de manufactura, proceso e inspección y mucho menos tener la información necesaria para poder proponer uno de ellos con la calidad y funcionalidad necesarias. Al integrar estas especificaciones en los dibujos técnicos, se obtienen importantes reducciones en los costos de fabricación y en las interrupciones de trabajo por piezas que detienen las líneas de ensamble. Se podría decir que algunas compañías piensan que tienen otro tipo de problemas cuando en realidad es la documentación del producto y las especificaciones de los dibujos lo que es insuficiente. La reducción de costos es mayor especialmente en aquellas empresas que subcontratan la fabricación de piezas, ya que tienen necesidad de que sus dibujos sean capaces de comunicar requisitos funcionales sin ningún tipo de explicaciones posteriores. La incertidumbre de especificación crea problemas tanto técnicos como económicos especialmente cuando los departamentos de diseño y desarrollo y el taller que fabrica las piezas están muy separados especialmente si ellos no hablan un lenguaje común. El lenguaje de símbolos que se emplea en los dibujos se ha extendido, modernizado e internacionalizado en los últimos 15 años. Esto ha dado lugar a nuevos requisitos basados en nuevos desarrollos tecnológicos y de las necesidades que han surgido en la globalización y en la fabricación externa de piezas. Por esto es que es necesario que los estudiantes de licenciatura formalicen desde los inicios de la carrera el uso de esta normatividad. AWS, es un lenguaje de comunicación más detallado y preciso que comunica más ampliamente al personal de diseño, fabricación y metrología, mediante sus normas, el lenguaje se símbolos se ha vuelto mucho mas detallado y especifico, lo cual da al diseñador mayor flexibilidad para modificar las indicaciones y expresar lo que son los requisitos funcionales. La mayoría de las instituciones educativas en México, dedicadas a la enseñanza de la ingeniería, no han incluido todavía la simbología AWS en sus programas de estudio y dedican muy pocas horas a fortalecer la calidad de los dibujos que regularmente requiere el alumno durante su carrera de ingeniería, lo cual continúa ocasionando grandes pérdidas en el sector industrial. Cuando las soldaduras son especificadas en planos y dibujos isométricos de ingeniería de fabricación, se utiliza un conjunto de símbolos para identificar el tipo de soldadura, las dimensiones e información referente al proceso y acabado de la unión de piezas propuesta. La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) ha desarrollado un sistema estándar de simbología en soldadura el cual es reconocido y ampliamente usado a nivel mundial. Este estándar tiene por objetivo mostrar mediante una representación gráfica la ejecución y tipo de unión de soldadura en forma más sencilla que la representación escrita de la misma. Aspectos Metodológicos Los temas tratados sobre diseño mecánico en la carrera de Ingeniería Aeronáutica son los mismos que los propuestos en la carrera de Ingeniería Mecánica, por lo que la información proporcionada es valida para ambas especialidades. La carrera de Ingeniería Aeronáutica en México esta formado por ocho semestres, los primeros cuatro son comunes para todos los alumnos, a partir del quinto semestre el alumno decide entre dos opciones ò especialidades Operaciones-Aeropuertos y Diseño. En el tronco común todos los alumnos se capacitan en el manejo de alguna herramienta de CAD en la escuela se ofrecen a ese nivel dos posibilidades AutoCAD y Unigraphics este ultimo con su modulo de modelado para dibujo (NX4). Apartir del quinto semestre a los alumnos de la especialidad de Diseño se les capacita para el uso más formal de las herramientas de CAD [3] [4] [5] [6], a través del modelado paramétrico mediante Mechanical Desktop y NX4. En el sexto semestre se inicia trabajo con ensambles mecánicos en el cual se capacita al alumno en el manejo del ambiente normalizado con que cuenta el software de CAD antes mencionado. En este nivel se inicia la capacitación del alumno en lo referente al uso de las normas AWS para la sujeción de piezas por soldadura. A partir de este momento se inicia un manejo continuo de las normas AWS, Serie A y Serie B. Así como los requerimientos que el mismo ambiente de diseño va estableciendo para la correcta definición de la soldadura y los diferentes elementos que la forman. Se solicita a los alumnos un informe técnico presentando dibujos, normas, cálculos de un ensamble mecánico simple. Alcances del Trabajo Solo se presentan los casos básicos más comunes en la unión de piezas mecánicas. Se utiliza el software Mechanical Desktop como herramienta de Diseño Asistido por Computadora, para la selección de la simbología de soldadura correspondiente, se limita a considerar los aspectos básicos más comunes de la normatividad AWS respecto a lo siguiente: Posiciones típicas de aplicación de la soldadura, tipos de materiales donde se puede aplicar soldadura, electrodos (y las diferentes aleaciones en que se presenta en función de la aplicación de soldadura a realizar (1), diseño de uniones, tipos de soldaduras (SMAW, TIG, MIG, MAG, SAW), juntas, geometría de la junta, tipos de uniones: 1. Uniones a tope, 2. Uniones con ángulo interior en T, 3. A solape, 4. Uniones en Angulo Exterior, 5. Unión sobre cantos. Posiciones de soldadura, electrodos, metal base, cordón de soldadura, procedimientos de soldadura. El trabajo desarrollado sirve de base para aplicaciones posteriores con ambientes CAE (Computer Aided Engineering) como COSMOS y su aplicación FEweld para análisis de uniones por soldadura. Desarrollo Primeramente se capacito al alumno en el modelado geométrico de piezas mecánicas mediante Software de Diseño, en este caso se utilizo Mechanical Desktop, en esta etapa se formalizo el conocimiento del alumno respecto a la normatividad para representar correctamente las diferentes vistas ortogonales, cortes, cuadros de referencia y aspectos normativos de dimensionamiento. Con este conocimiento y el curso previo sobre procesos de manufactura, se le presento al alumno en el sexto semestre durante la explicación de la unión de piezas mediante soldadura, el uso de las Normas AWS y su representación en dibujos, haciendo especial insistencia en la representación de ensambles mecánicos y la normatividad mediante el software de CAD arriba mencionado. En la siguiente figura 1 se muestra la simbología típica AWS y los diferentes elementos que lo forman Fig. 1 Simbología AWS y elementos que los forman Mediante el software Mechanical Desktop, al aplicar el comando welding symbol (símbolo de soldadura), se despliega la Fig. 2, bajo normatividad ISO la cual es equivalente a la norma AWS. Fig. 2 Ventana de dialogo en ambiente CAD del símbolo AWS, bajo la norma ISO Para la interpretación de esta simbología es importante que el alumno considere lo siguientes aspectos normativos fig. 3 Fig. 3 Normatividad respecto a la posición de la soldadura De la imagen anterior al oprimir el botón Arrow Side (lado de la flecha), se despliega la fig. 4, los valores especificados, se proporcionan son como ejemplo Fig. 4 Ejemplo de asignación de valores arrow side (lado de la flecha) Al oprimir el botón sobre el tipo de soldadura a aplicar se despliega un cuadro mostrando las diferentes posibilidades en la tabla 1 se muestran cada uno de estos símbolos y su descripción Tabla 1 Se muestran los diferentes tipos de soldadura Símbolo Tipo de soldadura Símbolo Tipo de soldadura Símbolo Tipo de soldadura En V con raíz angular En V cuadrada angular En V Por puntos o de proyección En J En ranura costura En U revestimiento Respaldo o soporte En V ensanchada Tapón o ranura removible permanente charpeada Angular con raíz Junta o empalme De arista De respaldo El resultado de aplicar los datos del ejemplo de la fig. 4 se muestran en la fig. 5, mostrada a continuación. Fig. 5 Símbolo AWS mostrando información propuesta mediante el ambiente de CAD Esta aplicación indica soldadura de campo, todo alrededor, soldadura de bisel con contorno liso, altura 3/8, ancho 3/8 por ambos lados de la flecha, aplicar dos cordones de soldadura de longitud 2 y espaciamiento de 1 entre ambos cordones, en la zona de especificaciones el numero Uno, de acuerdo a la norma utilizada en el software (ISO), indica soldadura SMAW (de arco eléctrico). En la fig. 7 se muestra un ensamble simple, se puede observar los aspectos de normatividad para la presentación de la información necesaria en el ensamble, para facilitar la interpretación se evito el cuadro de referencia y acotamientos así como la información correspondiente al control geométrico del ensamble (GD&T). El resultado presentado fue propuesto por un grupo de alumnos del sexto semestre, este informe pertenece al primer examen departamental de tres posibles, para acreditar el curso correspondiente, lo cual hace un total de 40 horas de presentación del tema frente al grupo. El informe completo presenta los anexos para la definición de electrodos, tipo de proceso propuesto y su justificación, tipo de inspección y su justificación, pruebas de soldadura a efectuar, todo soportado bajo la normatividad AWS. Fig. 7 Resultados finales de un ensamble y la simbología AWS utilizada En la fig 6 a continuación se muestran tres ejemplos de la simbología propuesta y el resultado deseado. Fig. 6 Conclusiones Generales Este trabajo presenta los avances obtenidos por un estudiante de sexto semestre capacitado en el manejo del software apropiado para la aplicación de los elementos básicos de las norma AWS. Al término el alumno empieza a entender y formalizar su conocimiento de la normatividad y de la gran cantidad de términos y tablas que son necesarias consultar, para la correcta definición de la simbología de soldadura. Sin este conocimiento previo el alumno no cuenta con la información básica necesaria para de inicio poder interpretar los diferentes dibujos industriales que en el sector manufacturero tendrá que analizar. Durante el proceso de capacitación del alumno en el uso de esta normatividad y su aplicación mediante software de Diseño Asistido por Computadora, empieza a considerar y a familiarizarse con los siguientes aspectos de la normatividad AWS [7]: Posiciones típicas de aplicación de la soldadura, tipos de materiales donde se puede aplicar soldadura, electrodos (materiales de aporte) y las diferentes aleaciones en que se presenta en función de la aplicación de soldadura a realizar (1), diseño de uniones, tipos de soldaduras (SMAW, TIG, MIG, MAG, SAW), selección del tipo de junta, geometría de la junta, tipos de uniones: 1. Uniones a tope (con bordes rectos, con bordes en V, con bordes en U, con bordes en doble U, tipos de uniones en ángulo, tipos de uniones a solape, tipos de uniones en esquina, con doble chaflán), 2. Uniones con ángulo interior en T (con borde recto, con doble chaflán, simple J, doble J) 3. A solape (con un solo cordón, mediante dos cordones), 4. Uniones en Angulo Exterior (en esquina, cerradas; en esquina, semiabiertas; en esquina, abiertas), 5. Unión sobre cantos . De igual manera se familiariza con la terminología básica en soldadura: Posiciones de soldadura (horizontal, vertical, cornisa, techo), electrodos, metal base, cordón de soldadura (aguas del cordón, pasada estrecha, pasada ancha, pasada, cráter, penetración, sobreespesor, remates, cara del cordón, raíz, talón, garganta o cuello, anchura del cordón), procedimientos de soldadura, equipos para la aplicación de soldadura, equipos accesorios seguridad, defectos de soldadura, inspección de soldadura, pruebas mecánicas en soldadura, homologación de soldadores y certificación. Referencias 1. Normas AWS Series A A1.1 Metric Practice Guide for the Welding Industry. A2.1-DC & WC Welding Symbols Chart (Desk & Wall Chart). A2.4 Standard Symbols for Welding, Brazing, and Nondestructive Examination A3.0 Standard Welding Terms and Definitions. A5.1M/A5.1 Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.10/A5.10M Specification for Bare Aluminum and Aluminum Alloy Welding Electrodes and Rods. A5.11/A5.11M Specification for Nickel and Nickel Alloy Welding Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.12/A5.12M Specification for Tungsten and Tungsten Alloy Electrodes for Arc Welding and Cutting. A5.13-00R Specification for Solid Surfacing Welding Rods and Electrodes. A5.14/A5.14M Specification for Nickel and Nickel Alloy Bare Welding Electrodes and Rods. A5.15-90 Specification for Welding Electrodes and Rods for Cast Iron. A5.16-90R Specification for Titanium and Titanium Alloy Welding Electrodes and Rods. A5.17/A5.17M Specification for Carbon Steel Electrodes and Fluxes for Submerged Arc Welding. A5.18/A5.18M Specification for Carbon Steel Filler Metals for Gas Shielded Arc Welding. A5.19-92R Specification for Magnesium Alloy Welding Electrodes and Rods. A5.2-92R Specification for Carbon and Low Alloy Steel Rods for Oxyfuel Gas Welding. A5.20 Specification for Carbon Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding. A5.21-01R Specification for Composite Surfacing Welding Rods and Electrodes. A5.22 Specification for Stainless Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding and Stainless Steel Flux Cored Rods for Gas Tungsten Arc Welding. A5.24-90R Specification for Zirconium and Zirconium Alloy Welding Electrodes and Rods. Specification for Low Alloy Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding. A5.29 A5.3/A5.3M Specification for Aluminum and Aluminum Alloy Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.4 Specification for Stainless Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. A5.5 Specification for Low Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal ArcWelding. A5.6-84R Specification for Covered Copper and Copper Alloy Arc Welding Electrodes A5.7-84R Specification for Copper and Copper Alloy Bare Welding Rods and Electrodes A5.9 Specification for Bare Stainless Steel Welding Electrodes and Rods. ARE-5 ARE-6 ARE-7 ARE-8 ARE-11 AWS WI:2000 Design for Welding. Test Methods for Evaluating Welded Joints. Residual Stress and Distortion. Symbols for Joining and Inspection. Mechanized, Automated, and Robotic Welding. Welding Inspection Handbook, 3rd Ed. 2. Normas AWS Series B B1.10 Guide for the Nondestructive Examination of Welds B1.11 Guide for the Visual Examination of Welds B2.1 Specification for Welding Procedure and Performance Qualification B2.2 Standard for Brazing Procedure and Performance Qualification B4.0 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds, U.S. Customary-Only B4.0M Standard Methods for Mechanical Testing of Welds, Metric-Only B5.1 Specification for the Qualification of Welding Inspectors B5.2 Specification for the Qualification of Welding Inspector Specialists and Welding Inspector Assistants B5.5 Specification for the Qualification of Welding Educators B5.9 Specification for the Qualification of Welding Supervisors B5.14 Specification for the Qualification of Welding Sales Representatives B5.15 Specification for the Qualification of Radiographic Interpreters B5.16 Specification for the Qualification of Welding Engineers B5.17 Specification for the Qualification of Welding Fabricators 3. Juan Manuel Díaz Salcedo, AutoCAD Intermedio en Dos Dimensiones, Editorial IPN, México D. F., México, 2005 4. Juan Manuel Díaz Salcedo, AutoCAD Avanzado en Tres Dimensiones, Editorial IPN, México D. F., México, 2006 5. Juan Manuel Díaz Salcedo, Mechanical Desktop, Modelado Paramétrico de Partes Mecánicas. Propuesta de investigación IPN México 2006, en tramite de publicación Editorial IPN México 2007 6. Juan Manuel Díaz Salcedo, Mechanical Desktop Modelado Paramétrico de Ensambles Mecánicos. Propuesta de Investigación IPN México 2007, en proceso. 7. Joseph W. Giachino, Welding Skills and practices, fifth edition, American Techical Society, Chicago Western Michigan University, Kalamazoo Michigan. 2001