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ISBN: 978-84-9198-605-8

Nota de la editorial: IC Editorial pertenece a Innovación y Cualificación S. L.

Presentación del manual

El Certificado de Profesionalidad es el instrumento de acreditación, en el ámbito de la Administración laboral, de las cualificaciones profesionales del Catálogo Nacional de Cualificaciones Profesionales adquiridas a través de procesos formativos o del proceso de reconocimiento de la experiencia laboral y de vías no formales de formación.

El elemento mínimo acreditable es la Unidad de Competencia. La suma de las acreditaciones de las unidades de competencia conforma la acreditación de la competencia general.

Una Unidad de Competencia se define como una agrupación de tareas productivas específica que realiza el profesional. Las diferentes unidades de competencia de un certificado de profesionalidad conforman la Competencia General, definiendo el conjunto de conocimientos y capacidades que permiten el ejercicio de una actividad profesional determinada.

Cada Unidad de Competencia lleva asociado un Módulo Formativo, donde se describe la formación necesaria para adquirir esa Unidad de Competencia, pudiendo dividirse en Unidades Formativas.

El presente manual desarrolla la Unidad Formativa UF0464: Operaciones de unión,

perteneciente al Módulo Formativo MF 1265_2: Técnicas de fabricación mecánica,

asociado a la unidad de competencia UC1265_2: Realizar operaciones de mecanizado y unión en procesos de montaje de bienes de equipo y maquinaria industrial,

del Certificado de Profesionalidad Montaje y puesta en marcha de bienes de equipo y maquinaria industrial

Índice

Portada

Título

Presentación del manual

Índice

Capítulo 1 Tecnología de uniones no soldadas

1. Introducción

2. Clasificación y carácter de los procesos de unión

3. Características de los procesos de unión

4. Uniones atornilladas

5. Clasificación de los tornillos y componentes de unión

6. Tecnología de las uniones atornilladas

7. Uniones remachadas

8. Clasificación de los remaches y componentes de unión

9. Tecnología de las uniones remachadas

10. Normas y simbología

11. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 2 Uniones pegadas

1. Introducción

2. Clasificación de los materiales de pegado

3. Tecnología de los materiales

4. Materiales epoxídicos, composites y monocomponentes

5. Aplicaciones y resistencia

6. Riesgos en las personas y el medioambiente

7. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 3 Tecnología del soldeo

1. Introducción

2. Clasificación de los procesos de soldeo

3. Normas y simbología

4. Soldeo por oxigás

5. Soldeo por arco con electrodos revestidos

6. Soldeo por arco protegido

7. Soldeo TIG

8. Soldeo MIG/MAG

9. Medidas de prevención de riesgos laborales en las operaciones de distintos tipos de uniones soldadas y no soldadas

10. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Bibliografía

Capítulo 1

Tecnología de uniones no soldadas

1. Introducción

En este capítulo, tras una breve introducción a las características y clasificación de los procesos de unión, se comenzará por el estudio de las uniones técnicamente más sencillas: las no soldadas. Estas son las uniones atornilladas y remachadas. Estas uniones son ampliamente utilizadas por las propias características del tipo de unión, por la idoneidad para los materiales a unir o bien por los medios y herramientas de los que se disponga.

2. Clasificación y carácter de los procesos de unión

Las uniones mecánicas llevan utilizándose desde hace siglos en diferentes entornos; hoy en día son necesarias en todos aquellos conjuntos en los que por proceso de fabricación sea necesaria la realización por separado de los componentes que lo integran.

Los tipos de uniones mecánicas pueden clasificarse en función del elemento que produce la unión, clasificándose en soldadas, adhesivas, remachadas y atornilladas. Uniones remachadas y atornilladas suelen agruparse como uniones no soldadas.

A su vez, las uniones pueden caracterizarse también en función de que la unión pueda volver a separarse o no sin destruir el elemento que produjo la unión, clasificándose entonces entre uniones no permanentes o desmontables y uniones permanentes o no desmontables, respectivamente. Tanto las uniones soldadas, adhesivas como remachadas se consideran permanentes, mientras que las uniones atornilladas son las únicas consideradas desmontables.

Otra característica de las uniones es si su finalidad es la estructural (resistencia mecánica a separar los elementos unidos) o si es la estanqueidad (resistencia al traspaso de un fluido a través de la unión). Ambas finalidades pueden combinarse y dentro de cada proceso de unión existen materiales específicos para dichos fines.

3. Características de los procesos de unión

A continuación, se describen las características de los procesos de unión:

1 Uniones soldadas: la unión se produce mediante un proceso de fusión de las partes en contacto a unir, para el cual puede aportarse o no un material adicional también fundido que rellene y facilite la unión. Normalmente, la fusión se realiza con calor, que funda y mezcle parte de las piezas en contacto y del material de aportación, si existe, y solidificán-dose la parte fundida al enfriarse, quedándose las piezas y el material de aportación (si se incluye) unidas como un solo componente. El proceso de soldadura no origina uniones desmontables y está limitado a materiales que puedan fundirse y reconstituirse con facilidad. Es muy usada en metales, por la aptitud de estos para la fusión y por la gran resistencia de las uniones que origina, aunque también se usa en polímeros termoplásticos por tener también buenas características al respecto.

1 Uniones adhesivas: en este grupo entran las uniones de carácter químico. Se producen gracias a la fuerza de atracción que ejerce un material llamado adhesivo (fuerzas de adhesión), que realiza sobre los materiales a unir (sustratos), y a la fuerza de cohesión que a su vez mantiene unido al adhesivo entre sí, produciéndose de esta manera la unión. Este tipo de unión se considera permanente. Estas uniones son muy empleadas por su gran versatilidad, dada la gran variedad de adhesivos existentes y su evolución tecnológica. Su limitación es la resistencia de los adhesivos que, aunque tecnológicamente cada vez existan adhesivos más resistentes, no son tan resistentes como algunos de los sustratos a unir. Es el caso de los metales, donde están más extendidas las uniones soldadas por su mayor resistencia. En ocasiones las uniones adhesivas cumplen otras funciones, tales como el dar estanqueidad o incluso aislamiento eléctrico.

1 Uniones remachadas: el elemento que produce la unión es el “remache”, que es una pieza cilíndrica que atraviesa las piezas a unir a través de un taladro común y cuyos extremos se deforman, expandiéndose por encima del tamaño del taladro que atraviesan, impidiendo que el cilindro pueda salir y manteniendo las piezas unidas. Para separar las piezas unidas es necesario remover los extremos deformados del remache, por lo que la unión no es desmontable. Los remaches se mantienen en muchos tipos de uniones, por su facilidad de ejecución, aunque la evolución de los procesos de soldadura y adhesivos los han sustituido en muchos casos, sobre todo cuando se precisa resistencia y estanqueidad.

1 Uniones roscadas: aunque existen otras uniones desmontables de tipo mecánico (por ejemplo pasadores, chavetas, grapas), las uniones roscadas son las uniones desmontables características y más utilizadas. Se basan en las fuerzas de rozamiento existentes entre dos filos helicoidales que se deslizan entre sí. La unión se produce entre un elemento donde el filo o rosca se sitúa en la cara exterior de un cilindro (rosca macho), llamado tornillo o espárrago, y otro elemento donde el filo o rosca se sitúa en la cara interior de un taladro (rosca hembra), llamado tuerca o taladro roscado. Si no existe presión (apriete) entre las roscas la unión se desliza con facilidad, permitiendo el fácil montaje/desmontaje, mientras que cuando se impide el desplazamiento de una de las piezas, se produce presión en la rosca y el rozamiento aumenta, impidiendo el deslizamiento. Para desmontar la unión bastaría con liberar la presión tratando de girar las roscas en sentido contrario al apriete. Los elementos de unión pueden no pertenecer a las piezas a unir (tornillos, tuercas) o pertenecer a estos total o parcialmente (espárragos y taladros roscados). Las uniones roscadas se emplean no solo por su carácter desmontable, sino también porque con ellas se puede conseguir resistencia homologable a la soldadura y no requieren calentamiento ni procesos químicos, rebajando los costes de operación, tanto por rapidez como por las herramientas a utilizar.

En este capítulo, dedicado a las uniones no soldadas, compararemos las uniones atornilladas y remachadas frente a sus alternativas más usuales, que serían las soldadas y atornilladas, respectivamente.

Las ventajas y desventajas de uniones atornilladas frente a las soldadas son:

1 Ventajas:Se pueden desmontar fácilmente para inspección o embalaje.Se pueden unir distintos materiales, con distintos tipos de fabricación.Los costos operativos son muy bajos, tanto en herramientas como en operarios.No se presentan tensiones residuales ni alabeos de los elementos a unir.No cambia el tratamiento térmico de las piezas a unir.
2 Desventajas:La junta es débil en las partes que se van a unir.Acarrea concentraciones tensionales en los agujeros.Las uniones no son herméticas a los fluidos.Pueden tener pobre conductividad eléctrica.Las uniones se pueden aflojar o debilitar ante solicitaciones dinámicas y también ante cambios de temperatura.Se puede presentar corrosión en la tuerca o cabeza del perno.

Sabía que...

El alabeo de una superficie plana de un material cualquiera es una deformación que provoca que el material no coincida con un plano determinado.

Las solicitaciones dinámicas son esfuerzos a los que están sometidos los materiales cuando se ven afectados por cargas que varían con el tiempo (vibraciones), como puede ser la de una máquina rotativa mal equilibrada. Las tensiones residuales son esfuerzos que aparecen en las piezas tras someterlas a tratamientos térmicos o a deformaciones plásticas.

Los dos tipos característicos de uniones mecánicas, por remaches y por tornillos, además de gozar de ventajas y sufrir las desventajas enumeradas anteriormente frente a las uniones soldadas, poseen entre sí estas diferencias.

Las ventajas de los tornillos sobre los remaches son:

1 Permiten uniones más fuertes que sus contrapartes remachadas y con posibilidad de graduar el apriete.
2 Permiten con mayor facilidad el desensamblado.

Las ventajas de los remaches sobre los tornillos son:

1 No se aflojan por acción de solicitaciones dinámicas.
2 Son baratos principalmente con relación al proceso de ensamblado.
3 Se pueden ensamblar desde los dos extremos.

4. Uniones atornilladas

Las uniones atornilladas, gracias a su sencillez y facilidad de ejecución, son las uniones mecánicas más utilizadas.

El elemento principal de una unión atornillada es el tornillo. Sus partes son las que aparecen en la siguiente imagen.

La cabeza permite sujetar el tornillo o con la ayuda de herramientas adecuadas darle un movimiento giratorio; el cuello es la parte que ha quedado sin roscar; y la rosca es la parte que tiene tallada el surco.

Asociada al tornillo trabaja la tuerca, de 4 o 6 caras; se pueden encontrar variaciones que dan a la tuerca características especiales. La tuerca queda definida por un grosor, un diámetro y un tipo de rosca (normalizada).

4.1. Tipos de uniones atornilladas

Los tipos de uniones atornilladas son:

1 Unión por tornillo-tuerca. Las características de la unión son:Unión más económica y segura.Puede unir piezas de poco grosor.

1 Unión por tornillo-taladro roscado. Las características de la unión son:Más cara que la unión por tornillo-tuerca, ya que hay que roscar la pieza inferior.Más delicada, ya que si se hace mal la rosca, se inutiliza la pieza.Necesaria cuando la pieza inferior es muy gruesa.

1 Unión por espárrago. Las características de la unión son:Se utiliza para unir piezas gruesas y delicadas que no admiten desmontaje frecuente.

Nota

El acero es el metal más empleado en la fabricación de tornillos. Satisface la mayor parte de las demandas de las principales industrias en términos de calidad técnica y económica para determinados usos.

5. Clasificación de los tornillos y componentes de unión

En las uniones atornilladas, todos los elementos están normalizados, existiendo varios estándares o normas que definen tanto las dimensiones de los elementos como los materiales de los que están hechos, sus propiedades mecánicas y su resistencia a la corrosión.

En Europa, las normas más generalizadas son las ISO (International Organization for Standardization, Organización Internacional de Normalización) o sus equivalentes en normas DIN (Deutsches Institut für Normung, Instituto Alemán de Normalización), aunque también se utilizan normas de origen americano, sobre todo para ciertos sectores industriales, que son las normas ASME (American Society of Mechanical Engineers, Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). Otro organismo de normalización importante es ASTM (American Society for Testing and Materials, Sociedad Americana de Ensayos y Materiales), que siendo de origen americano edita normas técnicas sobre materiales y contribuye tanto a ASME como a ISO. Las normas ISO, cuando son transpuestas a la normativa europea, se les añaden las siglas “EN” (European Norma) y, si son españolas, UNE (Una Norma Española).

El factor determinante de la calidad de un elemento de tornillería es su material, que define además de su composición su resistencia nominal u homologada para dicho material. Así, tenemos los estándares más frecuentes para tornillería que son:

1 ISO:UNE-EN ISO 898-1 (tornillería paso normal y fino) o también, ISO 898-2 (tuercas) o DIN ISO 267-4 (tuercas) de acero al carbono y aleadas.UNE-EN ISO 3506: para tornillería de materiales inoxidables.
2 ASME/ASTM:ASTM A-307 / ASME SA-307: Tornillos y tuercas acero al carbono.ASTM A-320 / ASME SA-307: Tornillos y tuercas aceros aleados e inoxidables para baja temperatura.

La Norma (EN ISO 898-1) establece el siguiente código de calidades, con sus resistencias nominales*:

Tornillos	Clase de resistencia	Ahora	3,6	4,6	4,8	5,6	5,8	6,6	6,8	6,9	8,8	10,9	12,9	14,9
	Clase de resistencia	Antes	4A	4D	4S	5D	5S	6D	6S	6G	8G	10K	12K	-
	Resistencia a la tracción	R_m N/mm²	300	400	400	500	500	600	600	600	800	1.000	1.200	1.400
	Límite elástico	R_e N/mm²	180	240	320	300	400	360	480	540	640	900	1.080	1.260
Tuercas	Clase de resistencia		4			5		6			8	10	12	14
Tuercas	Tensión de prueba	N/mm²	400			500		600			800	1.000	1.200	1.400

(*) Nota: en algunos casos la resistencia “real” puede ser ligeramente superior a la nominal.

Se puede observar que, conociendo la calidad del tornillo, se conoce la resistencia nominal del material. Así, el código de la calidad está compuesto por dos cifras separadas por un punto, pudiéndose obtener la resistencia a tracción en N/mm² “Rm”, multiplicando la cifra antes del punto por 100, y el límite elástico “Re”, multiplicando “Rm” por la cifra después del punto y dividiendo entre 10.

Para aumentar la resistencia a la corrosión de estos materiales, los fabricantes les dan un tratamiento superficial anticorrosivo, siendo el más frecuente por relación calidad-precio el recubrimiento de Zinc, que se llama “zincado” si es por baño electrolítico, o “galvanizado” si es por inmersión en Zinc fundido. Este tratamiento le da a la tornillería su color “plata-blanco” característico. Otros tratamientos son el “bicromatado” (color cobre), “pavonado” y “fosfatado” (sin tratar, preparado para otros tratamientos); estos últimos habitualmente son de color negro, por lo que se suele denominar también como “negro” al tornillo sin tratar.

Otra alternativa a la protección a la corrosión es usar materiales inoxidables, como los que recoge la norma ISO 3506. Los más usados son el A2 (inoxidable estándar) y el A4, con mayor resistencia a ambientes salinos y clorados; este último es bastante menos empleado por su mayor coste. Las resistencias de dichos materiales según ISO 3506 son:

Material	Clase de resistencia	Gama de diámetros	Tornillos
Material	Clase de resistencia	Gama de diámetros	Resistencia a la tracción Rm N/mm² mín. (1+)	Límite de alargamiento del 0,2 % Rpo, 2 N/mm² mín. (1+)
A2	50	≤ M39	500	210
A4	70	≤ M20	700	450

Si hacemos referencia al elemento principal de la unión, el tornillo, estos también se pueden clasificar en:

1 Tornillos ordinarios (T): se utilizan aceros con una resistencia a la tracción entre 340 y 550 N/mm2.
2 Tornillos calibrados (TC): se utilizan aceros con una resistencia a la tracción entre 340 y 800 N/mm2.
3 Tornillos de alta resistencia (TR): se utilizan aceros con una resistencia a la tracción entre 80 y 140 kg/mm2.

Los tornillos ordinarios y los tornillos calibrados se diferencian en las holguras de los agujeros donde se colocan, siendo la holgura de los tornillos calibrados menor (del orden de 0,3 mm) que la de los tornillos ordinarios (depende del diámetro nominal del tornillo).

En los tornillos de alta resistencia se emplean aceros al carbono templados y revenidos, también aceros aleados que dé la resistencia mecánica que tienen.

Los fabricantes están obligados a estampar en la cabeza de los tornillos la calidad a la que pertenecen.

Ejemplo para tornillería de acero al carbono
	8.8	10.9
	9.8	12.9

Otra diferencia entre los tornillos de alta resistencia y los demás es la posibilidad del diseño y montaje de la unión, siendo estos los únicos válidos para uniones pretensadas.

Nota

Las uniones pretensadas son aquellas en las que se asegura que el “par de apriete” esté dentro de unos valores controlados, tales que permitan que el tornillo mantenga una tensión llamada “fuerza de pretensado”. Esta fuerza de pretensado permite que este tipo de uniones puedan evitar el “deslizamiento” de la unión aun sin que el tornillo se aplaste contra las paredes del taladro.

Las roscas están normalizadas y clasificadas, definiéndose a partir del tipo de rosca, diámetro nominal y paso. Según la norma de referencia, el paso puede medirse como la separación entre dos hilos de rosca consecutivos (normalmente para roscas medidas en mm, roscas ISO o métricas) o el número de hilos de roscas que atraviesan una longitud determinada, normalmente hilos por pulgada (roscas británicas, de tubería industrial y roscas ASME, medidas en pulgadas).

Conviene definir también el avance de la rosca (L), que es la distancia que la tuerca acoplada al tornillo avanzará axialmente con una revolución de la tuerca.

Sabía que...

Para un tornillo de rosca sencilla el avance es igual al paso, para uno de rosca doble, el avance es el doble del paso, y así sucesivamente.

Las roscas hoy en día están normalizadas y clasificadas; según la forma del filete las principales son:

1 Rosca redonda: se utiliza en husillos que tengan que soportar esfuerzos grandes y bruscos. Es la rosca de mejores condiciones mecánicas pero de difícil elaboración.
2 Rosca en diente de sierra: es una rosca de difícil elaboración, pero muy resistente a esfuerzos axiales en un solo sentido. Muy utilizada en artillería y prensas.
3 Rosca trapecial: se emplea mucho en husillos de máquinas herramientas, para conseguir movimientos de traslación.
4 Rosca cuadrada: no está normalizada, por lo que tiende a desaparecer.
5 Rosca triangular: es la más utilizada en la industria. Para la unión de piezas metálicas se utilizan tornillos con rosca triangular que pueden ir atornillados en un agujero ciego o en una tuerca con arandela en un agujero pasante.

La rosca triangular está engendrada por un triángulo, y según sea dicho triángulo, nos encontramos con:

1 Rosca Métrica ISO: el triángulo base del perfil de la rosca es un triángulo equilátero y sus medidas se expresan en milímetros.

1 Rosca Whitworth: el triángulo que genera la rosca es isósceles, con un ángulo en el vértice de 55º, y sus medidas se expresan en pulgadas. Utilizada en países anglosajones, por ejemplo, en los estándares ASME.

Identificar una rosca es averiguar sus características principales, es decir, tipo de perfil, diámetros, pasos, etc.

Para empezar hay que medir el diámetro exterior del tornillo con un pie de rey; si la medida resultase en milímetros exactos o faltasen solo algunas décimas para la exactitud (deficiencia producida por el uso), se podría casi asegurar que es un tornillo de rosca Métrica. Si, por el contrario, la coincidencia o aproximación se da en el sistema de medidas inglesas (pulgadas), entonces la rosca es casi seguro que será Whitworth. Para la completa seguridad hay que comprobar el paso de rosca y mirar en la tabla que se muestra a continuación si dicho paso se corresponde con el diámetro ya medido.

Rosca Métrica			Rosca Whitworth
Diámetro nominal en min	Normal	Fina	Diámetro nominal en pulgadas	Normal	Fina
Diámetro nominal en min	Paso en mm	Paso en mm	Diámetro nominal en pulgadas	Hilos por pulgada (h”)	Hilos por pulgada (h”)
4	0,7	0,5	1/4	20	26
5	0,8	0,5	5/16	18	22
6	1	0,75	3/8	16	20
8	1,25	1	7/16	14	18
10	1,5	1	1/2	12	16
12	1,75	1,5	5/8	11	14
14	2	1,5	3/4	10	12
16	2	1,5	7/8	9	11
18	2,5	1,5	1	8	10
20	2,5	1,5	1 1/18	7	9
22	2,5	1,5	1 1/4	7	9
24	3	2	1 3/8	6	8
27	3	2	1 1/2	6	8
30	3,5	2	1 5/8	5	8

La rosca fina que aparece en la tabla tiene el mismo perfil que la normal, pero un paso más pequeño; como puede apreciarse, la rosca anglosajona se define por el número de crestas por pulgada en vez de dar la amplitud del paso.

Sabía que...

Prácticamente casi toda la tornillería tiene rosca a derechas, pero algunos ejes de máquinas tienen alguna vez rosca a izquierdas. Los tornillos de las ruedas de los vehículos industriales tienen roscas de diferente sentido en los tornillos de las ruedas de la derecha (a derechas) que en los de la izquierda (a izquierdas). Esto se debe a que de esta forma los tornillos tienden a apretarse cuando las ruedas giran en el sentido de la marcha.

El método más sencillo de medir el paso es utilizar un juego de “peines”, que son plantillas que corresponden al perfil de las diferentes roscas. En la siguiente figura se muestra un peine para roscas exteriores.

Peines para medidas exteriores del paso de rosca

Se pueden ver a continuación unos peines para roscas interiores.

Peines para medidas interiores del paso de rosca

Aplicación práctica

Se tiene un tornillo micrométrico (palmer) que se utiliza en medidas de precisión. El husillo de dicho palmer tiene una rosca sencilla de 3 mm de paso. Al dar a la palanca 2 vueltas, la mordaza avanzará:

1 1,5 mm
2 6 mm
3 3 mm
4 4 mm

SOLUCIÓN

La respuesta correcta es la b.

Aplicación práctica

En un taller de mecanizado se tiene un torno; el husillo que genera el movimiento de avance tiene una rosca tal que para desplazarse 12 mm da 3 giros completos. ¿Cuánto vale el paso de rosca de dicho husillo?