PROYECTO DE SOLDADURAS ELECTRICAS POR ARCO VOLTAICO BAJO CARGAS ESTATICAS.

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1 PROYECTO DE SOLDADURAS ELECTRICAS POR ARCO VOLTAICO BAJO CARGAS ESTATICAS

2 GENERALIDADES – VENTAJAS Y DEFECTOS - ¿Por qué no hay unión espontánea? - Arco Voltaico Formación Electrodo recubierto – Función de sus partes Electrodo recubierto – Función de sus partes - Ventajas del método - Desventajas del método

3 SOLDADURAS DE FILETE TIPIFICADAS Se detalla la dirección tipificada de las tensiones tangenciales medias resistentes en cada caso. ----------------------------------------- SOLDADURAS A TOPE Distintas preparaciones (perfiles) PROYECTO 1) Se aplica el límite de tensión normal que fija la norma σ = F / (h l) σ = F / (h l) 2) Ignorar sobreespesor de aporte Algunas empresas no consideran necesario calcular siempre que el electrodo sea del mismo material que la base. Muy optimista.

4 SOLDADURAS DE FILETE : HIPOTESIS DE ESTADO TENSIONAL Para una de las Σ Fx = 0 = -Fn*sen θ + Fs*cos θ  Fs = Fn*sen θ / cos θ placas laterales Σ Fy = 0 = F – Fn*cos θ – Fs*sen θ Fn = F*cos θ Fn = F*cos θ Fs = F*sen θ Fs = F*sen θ La garganta t del cordón para ángulo θ es  t = h / (sen θ + cos θ) Area resistente de cordón para áng θ  A = t*long = h*long/(sen θ + cos θ)

5 Resulta τ = Fs/A = F *sen θ*(sen θ+cos θ)/ h*long = [F/(h*long)]*( sen θ*cos θ)+ sen 2 θ) σ= Fn/A = F *cos θ*(sen θ+cos θ)/ h*long = [F/(h*long)]*( sen θ*cos θ)+ cos 2 θ) Aplicando Von Mises (en adelante l = long) (haciendo d σ´ /dθ = 0) Aplicando Von Mises (en adelante l = long) (haciendo d σ´ /dθ = 0) σ´ = (σ 2 + 3 τ 2 ) 1/2 = σ´ = (σ 2 + 3 τ 2 ) 1/2 = = (F/ (h l) *[(cos 2 θ + cos θ sen θ) 2 +3(sen θ cos θ + sen 2 θ)2 ] 1/2 Esfuerzos máximos en el plano θ = 62,5º Esfuerzos máximos en el plano θ = 62,5º σ´ = 2,16 F/ (h l), τ = 1,196 F/ (h l), σ = 0,623 F/ (h l) σ´ = 2,16 F/ (h l), τ = 1,196 F/ (h l), σ = 0,623 F/ (h l) Aplicando esfuerzo cortante máximo ( haciendo dτ/dθ = 0) Aplicando esfuerzo cortante máximo ( haciendo dτ/dθ = 0) Esfuerzos máximos en el plano θ = 67,5º Esfuerzos máximos en el plano θ = 67,5º τ = 1,207 F/ (h l), σ = 0,5 F/ (h l) τ = 1,207 F/ (h l), σ = 0,5 F/ (h l) La realidad experimental no coincide con las aplicaciones teóricas

6 REALIDAD EXPERIMENTAL 1) Ensayos fotoelásticos de borde (Norris) y de garganta (Salakian) de la sección ABC 2) La resistencia es fuertemente dependiente de, las irregularidades superficiales de la costura, la homogeneidad en el material de aporte, (inclusiones poros), el anclaje en la interfase entre materiales de aporte y base (capa de aleación entre ellos), el estado de las superficies de base. 3) Los ensayos de soldaduras de filete con carga paralela presentan rotura en un plano irregular de θ ≈ 45º CONCLUSION : LOS ANALISIS TEORICOS NO CONCLUSION : LOS ANALISIS TEORICOS NO APORTAN SOLUCIONES AJUSTADAS A LA REALIDAD

7 SOLUCION DE PROYECTO ( AWS – AISC) Se adopta un modelo acorde con los ensayos realizados y se “ajustan” las simplificaciones mediante coeficientes explícitos o incluidos en las características de resistencia máxima de los materiales de aporte. Se asume 1) que la rotura siempre se produce en un plano θ = 45º 1) que la rotura siempre se produce en un plano θ = 45º 2) En el plano de rotura no hay fuerzas normales resistentes (σ =0) y la rotura se produce al superarse una resistencia al corte constante en el plano. 2) En el plano de rotura no hay fuerzas normales resistentes (σ =0) y la rotura se produce al superarse una resistencia al corte constante en el plano. 3) El modelo 1) y 2) se aplica a los dos modelos de carga de filete tipificadas por Norma. 3) El modelo 1) y 2) se aplica a los dos modelos de carga de filete tipificadas por Norma. τ = F / A = F / (0,707 h l) = 1,414 F / (h l) τ = F / A = F / (0,707 h l) = 1,414 F / (h l) EL LIMITE PROPUESTO SUPERA EN MODULO A LAS TENSIONES TANGENCIALES SEGÚN VON MISES Y EL ESFUERZO CORTANTE MAXIMO.

8 COMPARACION DE PROCEDIMIENTOS PROCEDIMIENTO NORMALIZADO τ = 1,414 F / (h l), σ = 0 TEORIA VON MISSES τ = 1,196 F/ (h l), σ = 0,623 F/ (h l) s = ( τ 2 + σ 2 ) 1/2 = 1,348 F / (h l) s = ( τ 2 + σ 2 ) 1/2 = 1,348 F / (h l) T. ESFUERZO CONSTANTE MAXIMO τ = 1,207 F/ (h l), σ = 0,5 F/ (h l) s = ( τ 2 + σ 2 ) 1/2 = 1,306 s = ( τ 2 + σ 2 ) 1/2 = 1,306 (SUPERA EN MODULO INCLUSO A LAS TENSIONES TOTALES (s) EN LOS PLANOS CORRESPONDIENTES) ---------------------------------- ---------------------------------- EN LOS CASOS DE CARGA NO TIPIFICADOS POR NORMA Se calculan las tensiones generadas por todas las solicitaciones externas. Se verifican las tensiones en metal base y en metal de aporte

9 PROYECTO DE UNIONES SOLDADAS BAJO CARGAS EXCENTRICAS (CARGAS NO TIPIFICADAS) 1)TORSION Y CORTE La solicitación se calcula por superposición de efectos. La sección resistente por Norma es la garganta de la soldadura. Efecto de Carga de Corte (F) τ´ = F / A τ´ = F / A Efecto Carga de Torsión (M) τ´´= M * r / J p τ´´= M * r / J p

10 En las que O es el centroide del perfil formado por el conjunto tramos rectos de soldaduras que forman la unión soldada total (centro de rectos de soldaduras que forman la unión soldada total (centro de momentos de segundo orden), r es la distancia máxima entre el momentos de segundo orden), r es la distancia máxima entre el centroide y una sección de la soldadura. centroide y una sección de la soldadura. A es el área de la sección de garganta total de la unión A = Long. Total Unión x (cateto x cos 45º) J p es el momento de Inercia Polar de la totalidad de las secciones de garganta de la unión soldada respecto del centroide garganta de la unión soldada respecto del centroide J p =Σ J Gi + A i * r i 2 ; J p =Σ J Gi + A i * r i 2 ; en la que J Gi es el momento polar de 2do. orden de cada tramo recto i en la que J Gi es el momento polar de 2do. orden de cada tramo recto i de soldadura; A i es la sección de garganta del tramo recto i y r i es la de soldadura; A i es la sección de garganta del tramo recto i y r i es la distancia desde el centroide O de la unión total hasta el centro de distancia desde el centroide O de la unión total hasta el centro de momentos de 2do. orden del tramo i. momentos de 2do. orden del tramo i.

11 Finalmente la solicitación total en la sección mas comprometida de la unión soldada es la suma vectorial de las componentes calculadas τ = τ´ + τ´´ τ = τ´ + τ´´ El modulo de τ es el valor de la solicitación a comparar con la resistencia máxima de la soldadura fijada por la Norma. Se ha verificado, para este tipo de uniones soladas (en que el largo de los cordones resulta mucho mayor que la sección), que: El error que se comete al calcular los Momentos de Inercia suponiendo una garganta de ancho unitario (Jpu) y multiplicado luego por el ancho Real (t) (respecto del cálculo del J p con el ancho de garganta exacto), es sensiblemente menor que las incertidumbres tecnológicas inherentes del proceso y por lo tanto despreciable. inherentes del proceso y por lo tanto despreciable. En base a lo anterior se han tabulado las áreas resistentes y los Momentos de Inercia Polares para todos los perfiles típicos de uniones soldadas para garganta de ancho unitario lo que simplifica el cálculo.  τ´ = F/A = F/ (Au * t) y τ´´= M * r/Jp = M * r / (Jpu * t)  τ´ = F/A = F/ (Au * t) y τ´´= M * r/Jp = M * r / (Jpu * t)

12 Tabla tipica de Momentos de Inercia Jw respecto al eje neutro y Modulo resistente a flexión Zw para sección de longitud de garganta unitaria

13 2)FLEXION Y CORTE La solicitación se calcula por superposición de efectos. La sección resistente por Norma es la garganta de la soldadura. Efecto de Carga de Corte (F) τ´ = F / A τ´ = F / A Efecto Carga de Flexión (M f = F * a) σ = M f * r / J f σ = M f * r / J f El cálculo del J f por el producto de un Jtu tabulado por el ancho resistente t, también se aplica en este caso.  τ´ = (F / Au * t) y τ´´= σ/2 = M f * r / 2*(J fu * t) Aplicando max τmax  τ = (τ´ 2 + τ´´ 2 ) 1/2 =

14 CARACTERISTICAS MECANICAS DE LAS UNIONES SOLDADAS A - Cordón normal B - Bajo amperaje (aceptable) C y E - Alto amperaje (deficiente) D - Acumulación excesiva de aporte por bajo amperaje (acp) F - Velocidad de avance lenta (ancho y alto) (aceptable) G - Velocidad de avance rápida (deficiente) (deficiente) ------------------------------------- ------------------------------------- PROPIEDADES MECANICAS PROPIEDADES MECANICAS MINIMAS DE MATERIAL MINIMAS DE MATERIAL DE APORTE : DE APORTE : Según Código AWS Según Código AWS

15 RESUMEN RESISTENCIA DE LA UNION SOLDADA -En la resistencia de la soldadura preponderan factores tecnológicos (voltaje, intensidad y polaridad de corriente, pericia del operario, estado de superficies de metal base, características del metal base estado de superficies de metal base, características del metal base respecto de calentamiento y enfriamiento) sobre los valores respecto de calentamiento y enfriamiento) sobre los valores resistenciales específicos del material del aporte. resistenciales específicos del material del aporte. -El electrodo se identifica mediante el código E AA XX E indica electrodo E indica electrodo AA número de dos cifras que indica la resistencia AA número de dos cifras que indica la resistencia última del material de aporte en kpsi última del material de aporte en kpsi XX es un código numérico que indica la posición XX es un código numérico que indica la posición de soldadura y la polaridad de conexión en ese de soldadura y la polaridad de conexión en ese orden. orden. -Los aceros como material base que mejores resultados permiten son los de bajo y medio-bajo carbono (SAE 1015 a 1025), aunque pueden los de bajo y medio-bajo carbono (SAE 1015 a 1025), aunque pueden soldarse muchos otros. - La diferencia entre metal base y de electrodo en una soldadura hace que las normas indiquen verificación resistencial para base y soldadura. que las normas indiquen verificación resistencial para base y soldadura.

16 - Los códigos establecen las cargas máximas admisibles en función de la fluencia (pese a ser especificados los electrodos por la resistencia la fluencia (pese a ser especificados los electrodos por la resistencia última) y en función de la teoría de rotura de máxima energía de última) y en función de la teoría de rotura de máxima energía de distorsión. distorsión. ------------------------------------ ------------------------------------ Cargas Admisibles de metal de aporte según AISC (American Institute of Steel construcción)

17 EJEMPLO: UNION SOLDADA BAJO CARGA DE TORSION Y CORTE La ménsula de la figura, de planchuela de ½ “ de acero SAE1015 La ménsula de la figura, de planchuela de ½ “ de acero SAE1015 soporta una carga 8000 lb, ha sido fijada con una soldadura de filete soporta una carga 8000 lb, ha sido fijada con una soldadura de filete con electrodo E60XX. Dimensionar la soldadura. Carga estática con electrodo E60XX. Dimensionar la soldadura. Carga estática - Posición del Centroide del perfil de soldadura (c.g.) Nx = 5”, Ny = b 2 / (2b + d) = 1,25” Nx = 5”, Ny = b 2 / (2b + d) = 1,25”

18 Se aplica superposición de efectos. Se aplica superposición de efectos. Se hacen los cálculos para sección unitaria por ser la dimensión de la Se hacen los cálculos para sección unitaria por ser la dimensión de la soldadura la incógnita a determinar. soldadura la incógnita a determinar. Efecto por Corte: Area unitaria = Au = 5 +10+ 5 = 20” Efecto por Corte: Area unitaria = Au = 5 +10+ 5 = 20” τ´ = F / (Au * t) = 8000 / (20 * t)= 400/t lb X pulg.(sección) τ´ = F / (Au * t) = 8000 / (20 * t)= 400/t lb X pulg.(sección) - Efecto por Torsión: Par Torsor = 8000 * (20 + 3,75) = 190000 lbxpulg.

19 Momento de Polar de 2do. Orden unitario de tabla Momento de Polar de 2do. Orden unitario de tabla Ju = (8b 3 + 6bd 2 + d 3 ) / 12 – b 4 / (2b +d) = 385,4 pulg 3 Ju = (8b 3 + 6bd 2 + d 3 ) / 12 – b 4 / (2b +d) = 385,4 pulg 3 - La solicitación en el punto mas comprometido del perfil de soldadura (punto A o B los mas lejanos de c.g.) (punto A o B los mas lejanos de c.g.) τ´´= M * r / (Ju * t) = 190.000 * (5 2 + 3,75 2 ) 1/2 / (385,4*t) = 3080 / t lbxpulg Que se descompone en direcciones vertical y horizontal para Que se descompone en direcciones vertical y horizontal para componerlo vectorialmente con el corte componerlo vectorialmente con el corte τ´´v = (1/t) * (3,75 / (5 2 + 3,75 2 ) 1/2 ) * 3080 / t = 1850/t lbxpulg. τ´´v = (1/t) * (3,75 / (5 2 + 3,75 2 ) 1/2 ) * 3080 / t = 1850/t lbxpulg. τ´´h = (1/t) * (5 / (5 2 + 3,75 2 ) 1/2 ) * 3080 / t = 2460/t lbXpulg. τ´´h = (1/t) * (5 / (5 2 + 3,75 2 ) 1/2 ) * 3080 / t = 2460/t lbXpulg.

20 - Modulo del vector τ total sumando las componentes según las direcciones coordenadas - |τ| = (1/t) * [2460 2 + (400 + 1850) 2 ] 1/2 = (1/t) * 3330 lbxpulg (sección) |τ| = (1/t) * [2460 2 + (400 + 1850) 2 ] 1/2 = (1/t) * 3330 lbxpulg (sección) - El valor de la tensión permisible (tabla) es de 18000 psi es de 18000 psi - Resulta como límite τproyecto = τpermisible = 3330 / t = 18000 psi - Por lo tanto la sección resistente de la garganta del cordón de soldadura es soldadura es t = 3330 / 18000 = 0,185 pulg. t = 3330 / 18000 = 0,185 pulg. - La dimensión característica del cordón es el cateto, que de acuerdo al método de cálculo adoptado es h = t / cos 45 = 0,185 / 0,707 = 0,261 pulg h = t / cos 45 = 0,185 / 0,707 = 0,261 pulg

21 Se debe optar entre cordones standard ¼” = 0,25 < 0,261 < 0,375 = 3/8” ¼” = 0,25 < 0,261 < 0,375 = 3/8” La decisión final se toma teniendo en cuenta aspectos tecnológicos, posición de la soldadura, capacitación del personal, etc, etc. Genericamente, supuestos los demas factores óptimos se podría considerar la soldadura de ¼”, teniendo en cuenta que la excesiva “carga” de soldadura aumenta la probabilidad de deformaciones. “carga” de soldadura aumenta la probabilidad de deformaciones. Sin embargo dado el bajo costo propio de la soldadura (respecto a otros medios de union, roblonado, abulanado,etc) en las soldaduras de poca “carga en kilos de soldadura” se tiende a asegurar sobredimensionando. sobredimensionando. Respecto al cálculo sobre el metal de base, teniendo en cuenta que el material del metal base y del electrodo son de similar resistencia y que el espesor de metal base es mayor que el del cordón de soldadura se puede obviar la verificación. --------------------------------------------------- ---------------------------------------------------