PROYECTO DE
SOLDADURAS ELECTRICAS
POR ARCO VOLTAICO BAJO
CARGAS ESTATICAS
GENERALIDADES – VENTAJAS Y DEFECTOS
- ¿Por qué no hay unión espontánea?
- Arco Voltaico Formación
Electrodo recubierto – Función de sus partes
- Ventajas del método
- Desventajas del método
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)
2) Ignorar sobreespesor de
aporte
Algunas empresas no consideran
necesario calcular siempre que el
electrodo sea del mismo material
que la base. Muy optimista.
SOLDADURAS DE FILETE :
HIPOTESIS DE ESTADO TENSIONAL
Para una de las
placas laterales
Σ Fx = 0 = -Fn*sen θ + Fs*cos θ  Fs = Fn*sen θ / cos θ
Σ Fy = 0 = F – Fn*cos θ – Fs*sen θ
Fn = F*cos 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)
Resulta
τ = Fs/A = F*sen θ*(sen θ+cos θ)/ h*long = [F/(h*long)]*(sen θ*cos θ)+ sen2 θ)
σ= Fn/A = F*cos θ*(sen θ+cos θ)/ h*long = [F/(h*long)]*(sen θ*cos θ)+ cos2 θ)

Aplicando Von Mises (en adelante l = long) (haciendo d σ´ /dθ = 0)
σ´ = (σ2 + 3 τ2)1/2 =
= (F/ (h l) *[(cos2 θ + cos θ sen θ)2+3(sen θ cos θ + sen2 θ)2 ]1/2

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)
Aplicando esfuerzo cortante máximo ( haciendo dτ/dθ = 0)
Esfuerzos máximos en el plano
θ = 67,5º
τ = 1,207 F/ (h l),
σ = 0,5 F/ (h l)
La realidad experimental no coincide con las aplicaciones teóricas
REALIDAD EXPERIMENTAL
1)
2)
3)
Ensayos fotoelásticos de borde (Norris) y de garganta
(Salakian) de la sección ABC
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.
Los ensayos de soldaduras de filete con carga paralela
presentan rotura en un plano irregular de θ ≈ 45º
CONCLUSION : LOS ANALISIS TEORICOS NO
APORTAN SOLUCIONES AJUSTADAS A LA REALIDAD
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
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.
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.
COMPARACION DE PROCEDIMIENTOS
PROCEDIMIENTO NORMALIZADO
TEORIA VON MISSES
τ = 1,414 F / (h l),
τ = 1,196 F/ (h l),
σ=0
σ = 0,623 F/ (h l)
s = ( τ2 + σ2 )1/2 = 1,348 F / (h l)
T. ESFUERZO CONSTANTE MAXIMO τ = 1,207 F/ (h l), σ = 0,5 F/ (h l)
s = ( τ2 + σ2 )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
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
Efecto Carga de Torsión (M)
τ´´= M * r / Jp
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
momentos de segundo orden), r es la distancia máxima entre el
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)
Jp es el momento de Inercia Polar de la totalidad de las secciones de
garganta de la unión soldada respecto del centroide
Jp =Σ JGi + Ai * ri2 ;
en la que JGi es el momento polar de 2do. orden de cada tramo recto i
de soldadura; Ai es la sección de garganta del tramo recto i y ri es la
distancia desde el centroide O de la unión total hasta el centro de
momentos de 2do. orden del tramo i.
Finalmente la solicitación total en la sección mas comprometida de la
unión soldada es la suma vectorial de las componentes calculadas
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 Jp con el ancho de garganta exacto),
es sensiblemente menor que las incertidumbres tecnológicas
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)
Tabla tipica de
Momentos de
Inercia Jw
respecto al eje
neutro y
Modulo
resistente a
flexión Zw para
sección de
longitud de
garganta
unitaria
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
Efecto Carga de Flexión (Mf = F * a)
σ = Mf * r / J f
El cálculo del Jf 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 = Mf * r / 2*(Jfu* t)
Aplicando max τmax  τ = (τ´2 + τ´´2)1/2 =
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)
------------------------------------PROPIEDADES MECANICAS
MINIMAS DE MATERIAL
DE APORTE :
Según Código AWS
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
respecto de calentamiento y enfriamiento) sobre los valores
resistenciales específicos del material del aporte.
-El electrodo se identifica mediante el código E AA XX
E indica electrodo
AA número de dos cifras que indica la resistencia
última del material de aporte en kpsi
XX es un código numérico que indica la posición
de soldadura y la polaridad de conexión en ese
orden.
-Los aceros como material base que mejores resultados permiten son
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.
- Los códigos establecen las cargas máximas admisibles en función de
la fluencia (pese a ser especificados los electrodos por la resistencia
última) y en función de la teoría de rotura de máxima energía de
distorsión.
-----------------------------------Cargas Admisibles de metal de aporte según AISC (American Institute
of Steel construcción)
EJEMPLO: UNION SOLDADA BAJO CARGA DE TORSION Y CORTE
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
con electrodo E60XX. Dimensionar la soldadura. Carga estática
- Posición del Centroide del perfil de soldadura (c.g.)
Nx = 5” ,
Ny = b2 / (2b + d) = 1,25”
Se aplica superposición de efectos.
Se hacen los cálculos para sección unitaria por ser la dimensión de la
soldadura la incógnita a determinar.
Efecto por Corte: Area unitaria = Au = 5 +10+ 5 = 20”
τ´ = F / (Au * t) = 8000 / (20 * t)= 400/t lb X
pulg.(sección)
- Efecto por Torsión: Par Torsor = 8000 * (20 + 3,75) = 190000 lbxpulg.
Momento de Polar de 2do. Orden unitario de tabla
Ju = (8b3 + 6bd2 + d3) / 12 – b4 / (2b +d) = 385,4 pulg3
- La solicitación en el punto mas comprometido del perfil de soldadura
(punto A o B los mas lejanos de c.g.)
τ´´= M * r / (Ju * t) = 190.000 * (52 + 3,752)1/2 / (385,4*t) = 3080 / t lbxpulg
Que se descompone en direcciones vertical y horizontal para
componerlo vectorialmente con el corte
τ´´v = (1/t) * (3,75 / (52 + 3,752)1/2) * 3080 / t = 1850/t lbxpulg.
τ´´h = (1/t) * (5 / (52 + 3,752)1/2) * 3080 / t = 2460/t lbXpulg.
-
Modulo del vector τ total sumando las componentes según las
direcciones coordenadas
-
|τ| = (1/t) * [24602 + (400 + 1850)2]1/2 = (1/t) * 3330 lbxpulg
(sección)
-
El valor de la tensión permisible (tabla)
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
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
Se debe optar entre cordones standard
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.
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.
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.
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SOLDADURA: HIPOTESIS DE ESTADO TENSIONAL