8º congreso iberoamericano de ingenieria mecanica

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