Development of Robotized Laser Welding Applications for Joining Thin Sheets

Laser Welding (LW) is more often used in manufacturing due to its advantages, such as accurate control, good repeatability, less heat input, opportunities for joining of special materials, high speed, capability to join small dimension parts etc. LW is dedicated to robotized manufacturing, and the fabrication cells are using various level of flexibility, from specialized robots to very flexible setups. This paper features several LW applications using two industrially-scaled manufacturing cells at UPM Laser Centre (CLUPM) of Polytechnical University of Madrid (Universidad Politécnica de Madrid). The one dedicated to Remote Laser Welding (RLW) of thin sheets for automotive and other sectors uses a CO2 laser of 3500 W. The second has a high flexibility, is based on a 6-axis ABB robot and a Nd:YAG laser of 3300 W, and is meant for various laser processing methods, including welding. After a short description of each cell, several LW applications experimented at CLUPM and recently implemented in industry are briefly presented: RLW of automotive coated sheets, LW of high strength automotive sheets, LW vs. laser hybrid welding (LHW) of Double Phase steel thin sheets, and LHW of thin sheets of stainless steel and carbon steel (dissimilar joints). The main technological issues overcame and the critical process parameters are pointed out. Conclusions about achievements and trends are provided.

Residual stress distribution in ferritic-austenitic steel joints made by laser welding

The present investigation addresse the influence of laser welding process-ing parameters used for joining dis-similar metals (ferritic to austenitic steel), on the induced residual stress field. Welding was performed on a Nd:YAG laser DY033 (3300 W) in a continuous wave (CW), keyhole mode. The base metals (BM) employed in this study are AISI 1010 carbon steel (CS) and AISI 304L austenitic stainless steel (SS). Pairs of dissimilar plates of 200 mm x 45 mm x 3 mm were butt joined by laser welding. Different sets of parameters were used to engineer the base metals apportionment at joint formation, namely distinct dilution rates. Residual strain scanning, carried out by neutron diffraction was used to assess the joints. Through-thickness residual stress maps were determined for the laser welded samples of dis-similar steels using high spatial reso-lution. As a result, an appropriate set of processing parameters, able to mi-nimize the local tensile residual stress associated to the welding process, was found.

Residual stress distribution in ferritic to austenitic steel joints made by laser welding,

In this study, autogenous laser welding was used to join thin plates of low carbon ferritic and austenitic stainless steel. Due to the differences in the thermo-physical properties of base metals, this kind of weld exhibits a complex microstructure, which frequently leads to an overall loss of joint quality. Four welded samples were prepared by using different sets of processing parameters, with the aim of minimizing the induced residual stress field. The dissimilar austenitic-ferritic joints obtained under all welding conditions were uniform and free of defects. Variations in beam position did not influence the weld geometiy, which is a typical keyhole welding. Microstructural characterization and residual strain scanning (by neutron diffraction) were used to assess the features of the joints. By varying laser beam power density and by displacing the laser beam towards the carbon steel side, an optimum combination of processing parameters was found.

Overall vs. local mechanical behaviour of ferritic austenitic steel joints made by laser welding

The present investigation addresses the overall and local mechanical performance of dissimilar joints of low carbon steel (CS) and stainless Steel (SS) thin sheets achieved by laser welding in case of heat source displacement from the weld gap centreline towards CS. Welding was performed on a Nd:YAG laser DY033 (3300 W) in a continuos wave (CW), keyhole mode. The tensile behavior of the joint different zones assessed by using a video-image based system (VIC-2D) reveals that the residual stress field, together with the positive difference in yield between the weld metal and the base materials protects the joint from being plastically deformed. The tensile loadings of flat transverse specimens generate the strain localization and failure in CS, far away from the weld.

Ensayo no destructivo de soldaduras en pernos conectores mediante inspección acústica = Non-destructive test of welding headed studs through acoustic emission

Los pernos conectores aportan múltiples ventajas de uso, entre las que se encuentra el elevado margen de seguridad que ofrecen sus soldaduras ejecutadas mediante arco eléctrico. Estas soldaduras, aunque ampliamente fiables, son difícilmente comprobadas mediante ensayos no destructivos. Aparte de la inspección visual, que aporta gran información sobre la calidad de ejecución de la soldadura, el resto de ensayos no destructivos (líquidos penetrantes, partículas magnéticas, ultrasonidos, radiografías, etc.) resultan inviables en estos elementos. Por otro lado, los ensayos acústicos de piezas metálicas han existido siempre. Su comprobación se basaba en el análisis por medio de ¿un oído fino¿ del sonido resultante tras ser golpeado el elemento a evaluar. Con estas premisas se plantea el presente estudio de inspección de las soldaduras en pernos conectores mediante su espectro acústico. Analíticamente, la investigación se ha centrado en el cálculo informático de los primeros modos propios de vibración mediante elementos finitos. Se han modelizado diferentes grados de penetración de la soldadura mediante la modificación de las condiciones de contorno. Se ha observado que variando el número de movimientos coaccionados en los nodos pertenecientes a la soldadura se produce una reducción en su frecuencia de vibración.

Desarrollo, análisis y caracterización de procesos de soldeo térmico de espumas de aluminio

Uno de los retos actuales aún pendiente de lograr trabajando con espumas de aluminio, es el desarrollo de métodos de unión fácilmente reproducibles a nivel industrial que permitan la unión de espumas de aluminio entre sí o con otros componentes tipo pletinas, para así poder fabricar piezas de mayor tamaño o con formas complejas, a la vez que se conserven las propiedades y características principales de las espumas de aluminio, tanto en la zona principal de unión o cordón, como en la interfase y zona afectada térmicamente, que se encuentran anexa. Los actuales procesos de unión más utilizados con espumas de aluminio, se basan principalmente en adhesivos y uniones mecánicas. Estas soluciones a priori válidas, añaden problemas técnicos a determinadas aplicaciones de las espumas que frenan la completa integración de estos materiales en un entorno de fabricación flexible y global. Por esta razón, los actuales procesos de producción de las espumas de aluminio se restringen a determinadas ofertas hechas a la medida del cliente, no pudiendo atender por falta de soluciones, a una gran parte del potencial mercado de estos materiales. En el presente trabajo de investigación se han desarrollado y caracterizado diferentes métodos de unión de espumas de aluminio, en configuración a tope y de espumas de aluminio con pletinas en configuración a solape, basados en procesos por soldeo térmico. One of the current challenges even pending of being achieved working with aluminium foams, is the development of easily reproducible methods at industrial level that allow the joint of aluminium foams between them or with other elements as for example aluminium plates for making bigger pieces or with more complex forms, remaining simultaneously in the weld bead the properties and main characteristics of aluminium foam, so much in the joint area or interface, since in the affected closer thermal zone. Currently, the most used joint processes for applying to aluminium foams are based mainly on adhesives and mechanical joins. These solutions initially valid, add technical problems to certain aluminium foams applications, which stop the complete integration of these materials in a more flexible and global manufacture environment. For this reason, current aluminium foam manufacturing processes are restricted to certain offers done to a specific customer requirement, not being able to attend for lack of available solutions, to a great potential market of these materials. In the present work, different joint methods between aluminium foams and between aluminium foams and plates for butt and lap configurations have been developed and characterized based on thermal welding processes.

Optimum adhesive thickness in structural adhesives joints using statistical techniques base on Weibull distribution

The geometrical factors defining an adhesive joint are of great importance as its design greatly conditions the performance of the bonding. One of the most relevant geometrical factors is the thickness of the adhesive as it decisively influences the mechanical properties of the bonding and has a clear economic impact on the manufacturing processes or long runs. The traditional mechanical joints (riveting, welding, etc.) are characterised by a predictable performance, and are very reliable in service conditions. Thus, structural adhesive joints will only be selected in industrial applications demanding mechanical requirements and adverse environmental conditions if the suitable reliability (the same or higher than the mechanical joints) is guaranteed. For this purpose, the objective of this paper is to analyse the influence of the adhesive thickness on the mechanical behaviour of the joint and, by means of a statistical analysis based on Weibull distribution, propose the optimum thickness for the adhesive combining the best mechanical performance and high reliability. This procedure, which is applicable without a great deal of difficulty to other joints and adhesives, provides a general use for a more reliable use of adhesive bondings and, therefore, for a better and wider use in the industrial manufacturing processes.

Overall and local mechanical behaviour of dissimilar laser welded joints

The present investigation addresses the overall and local mechanical performance of dissimilar joints of low carbon steel (CS) and stainless steel (SS) thin sheets achieved by laser welding in case of heat source displacement from the weld gap centreline towards CS. Microstructure characterization and residua! strain scanning, carried out by neutron diffraction, were used to assess the joints features. It was found that the heat source position influences the base metals dilution and the residua! stress field associated to the welding process; the transverse residual stress is smaller than for the longitudinal component, of magnitudes close to the parent CS yield strength. Furthermore, compressive transverse residual stresses were encountered at the SS-weld interface. The tensile behavior of the joint different zones assessed by using a video-image based system (VIC-2D) reveals that the residual stress field, together with the positive difference in yield between the weld metal and the base materials protects the joint from being piastically deformed. The tensile loadings of flat transverse specimens generate the strain localization and failure in CS, far away from the weld.En este trabajo se exponen los resultados de una investigacion sobre el comportamiento mecanico de soldaduras disimiles acero inoxidable-acero al carbono, realizadas para unir chapas delgadas, desplazando la fuente de calor del eje longitudinal de la union soldada por laser sobre el acero al carbono. Se han determinado las caracteristicas microestructurales de la union soldada, las tensiones residuales generadas (mediante difraccion de neutrones) y las curvas tension-deformacion locales y globales, mediante medidas locales de deformacion empleando el sistema VIC-2D "video image correlation". El desplazamiento de la fuente de calor infiuye en la dilution de los metales base y el campo de tensiones residuales asociado al proceso de soldeo; las tensiones residuales medidas en direction longitudinal se aproximan al limite elastico del acero al carbono, mientras que las tensiones residuales transversales son menores, e incluso de compresion. El ensayo a traccion de la union soldada revela que las tensiones residuales y la diferencia de limite elastico entre los metales base y la soldadura propician que la rotura se produzca por inestabilidad plastica del acero al carbono, lejos de la soldadura, sin que la union plastifique.

Análisis de la aplicación de Soldadura de acero de calidad "A" mediante láser de Neodimio-YAG en construcción naval

El proceso de soldadura por láser desarrollado en los últimos años ha puesto de manifiesto las posibilidades de aplicación de esta tecnología en diferentes sectores productivos, principalmente en la industria automovilística, en la cual se han demostrado sus ventajas en términos de productividad, eficiencia y calidad. El uso de la tecnología láser, ya sea híbrida o pura, reduce el input térmico al limitar la zona afectada por el calor, sin crear deformaciones y, por tanto, disminuye los re-trabajos post-soldadura necesarios para eliminarlas. Asimismo, se aumenta la velocidad de soldadura, incrementando la productividad y calidad de las uniones. En la última década, el uso de láseres híbridos, (láser + arco) de gran potencia de Neodimio YAG, (Nd: YAG) ha sido cada vez más importante. La instalación de este tipo de fuentes de láser sólido de gran potencia ha sido posible en construcción naval debido a sus ventajas con respecto a las instalaciones de láser de C02 existentes en los astilleros que actualmente utilizan esta tecnología. Los láseres de C02 están caracterizados por su gran potencia y la transmisión del haz a través de espejos. En el caso de las fuentes de Nd:YAG, debido a la longitud de onda a la cual se genera el haz láser, su transmisión pueden ser realizada a través de fibra óptica , haciendo posible la utilización del cabezal láser a gran distancia de la fuente, aparte de la alternativa de integrar el cabezal en unidades robotizadas. El proceso láser distribuye el calor aportado de manera uniforme. Las características mecánicas de dichas uniones ponen de manifiesto la adecuación de la soldadura por láser para su uso en construcción naval, cumpliendo los requerimientos exigidos por las Sociedades de Clasificación. La eficiencia energética de los láseres de C02, con porcentajes superiores al 20%, aparte de las ya estudiadas técnicas de su instalación constituyen las razones por las cuales este tipo de láser es el más usado en el ámbito industrial. El láser de gran potencia de Nd: YAG está presente en el mercado desde hace poco tiempo, y por tanto, su precio es relativamente mayor que el de C02, siendo sus costes de mantenimiento, tanto de lámparas como de diodos necesarios para el bombeo del sólido, igualmente mayores que en el caso del C02. En cambio, el efecto de absorción de parte de la energía en el plasma generado durante el proceso no se produce en el caso del láser de Nd: YAG, utilizando parte de esa energía en estabilizar el arco, siendo necesaria menos potencia de la fuente, reduciendo el coste de la inversión. En función de la aplicación industrial, se deberá realizar el análisis de viabilidad económica correspondiente. Dependiendo de la potencia de la fuente y del tipo de láser utilizado, y por tanto de la longitud de onda a la que se propaga la radiación electromagnética, pueden existen riesgos para la salud. El láser de neodimio se propaga en una longitud de onda, relativamente cercana al rango visible, en la cual se pueden producir daños en los ojos de los operadores. Se deberán establecer las medidas preventivas para evitar los riesgos a los que están expuestos dichos operadores en la utilización de este tipo de energía. La utilización del láser de neodimio: YAG ofrece posibilidades de utilización en construcción naval económicamente rentables, debido su productividad y las buenas características mecánicas de las uniones. Abstract The laser welding process development of the last years shows broad application possibilities in many sectors of industry, mostly in automobile production. The advantages of the laser beam process produce higher productivity, increasing the quality and thermal efficiency. Laser technology, arc-hybrid or pure laser welding, reduces thermal input and thus a smaller heat-affected zone at the work piece. This means less weldment distortion which reduces the amount of subsequent post-weld straightening work that needs to be done. A higher welding speed is achieved by use of the arc and the laser beam, increasing productivity and quality of the joining process. In the last decade use of hybrid technology (laser-GMA hybrid method) with high power sources Nd:YAG lasers, gained in importance. The installation of this type of higher power solid state laser is possible in shipbuilding industrial applications due to its advantages compare with the C02 laser sources installed in the shipyards which use this technology. C02 lasers are characterised by high power output and its beam guidance is via inelastic system of mirrors. In the case of Nd:YAG laser, due to its wavelength, the laser beam can be led by means of a flexible optical fibre even across large distances, which allows three dimensional welding jobs by using of robots. Laser beam welding is a process during which the heat is transferred to the welded material uniformly and the features of the process fulfilled the requirements by Classification Societies. So that, its application to the shipbuilding industry should be possible. The high quantum efficiency of C02 laser, which enabled efficiency factors up to 20%, and relative simple technical possibilities of implementation are the reasons for the fact that it is the most important laser in industrial material machining. High power Nd: YAG laser is established on the market since short time, so that its price is relatively high compared with the C02 laser source and its maintenance cost, lamp or diode pumped solid state laser, is also higher than in the case of C02 lasers. Nevertheless effect of plasma shielding does not exist with Nd:YAG lasers, so that for the gas-shielding welding process the optimal gases can be used regarding arc stability, thus power source are saved and the costs can be optimised. Each industrial application carried out needs its cost efficiency analysis. Depending on the power output and laser type, the dangerousness of reflected irradiation, which even in some meters distance, affects for the healthy operators. For the YAG laser process safety arrangements must be set up in order to avoid the laser radiation being absorbed by the human eye. Due to its wavelength of radiation, being relatively close to the visible range, severe damage to the retina of the eye is possible if sufficient precautions are not taken. Safety aspects are of vital importance to be able to shield the operator as well as other personal. The use of Nd:YAG lasers offers interesting and economically attractive applications in shipbuilding industry. Higher joining rates are possible, and very good mechanical/technological parameters can be achieved.

Comportamiento estructural de tuberías forzadas y blindajes en saltos hidroeléctricos : propuestas de diseño y cálculo

En los últimos años ha aumentado el interés en el desarrollo de proyectos en el ámbito de las centrales hidroeléctricas y en concreto en las centrales reversibles. Estas centrales están diseñadas para grandes caudales y saltos, lo cual conlleva túneles de gran diámetro y alta presión y a menudo son esquemas subterráneos. Por ello, los estudios relativos a revestimientos de túneles en presión y los referentes a los blindajes de acero han cobrado una mayor relevancia. En las décadas de los 60 y 70 se realizó una importante labor de investigación coincidiendo con el desarrollo hidroeléctrico en Europa y Norteamérica, que sin embargo ha quedado sin continuidad hasta esta década, en la que se ha experimentado un impulso debido al desarrollo de nuevos proyectos hidroeléctricos de gran magnitud. La adecuación de los métodos de cálculo de blindajes supone una herramienta imprescindible en el correcto desarrollo técnico de los nuevos proyectos hidroeléctricos, así como para la evaluación de la seguridad de los saltos hidroeléctricos existentes en operación. En la presente Tesis se realiza un análisis del comportamiento estructural de las galerías en presión de saltos hidroeléctricos, así como una discusión y revisión de los métodos de cálculo existentes. En concreto se analizan los siguientes aspectos: •Descripción y comparación de las formulaciones existentes para el cálculo de blindajes tanto a presión exterior como interior. •Aplicación del Método de Elementos Finitos para la modelización y cálculo resistente y frente a inestabilidad de blindajes sometidos a presión exterior. •Análisis de un caso real, en el que se ha producido un fallo estructural en un blindaje sometido a presión exterior. Discusión sobre el comportamiento de blindajes con rigidizadores. Estudio paramétrico de la capacidad resistente y de la estabilidad de los blindajes con rigidizadores. •Estudio del comportamiento diferenciado entre un rigidizador y un conector. •Detalles constructivos y de durabilidad de las galerías en presión. •Desarrollo de una metodología para el cálculo de blindajes y tuberías forzadas a fatiga derivada de las variaciones de presión de la conducción. •Análisis de un caso real de una tubería forzada sometida a procesos de variación de carga, evaluando su seguridad frente a la fatiga. El cálculo de blindajes en galerías forzadas presenta una serie de aspectos complejos, y que no permiten la definición del problema con exactitud, tales como las características del macizo rocoso y su permeabilidad, la determinación del nivel freático, la holgura existente entre el blindaje y el revestimiento del trasdós y sus posibles defectos geométricos. Por estas incertidumbres, el cálculo de blindajes supone una materia compleja y que debe ser abordada desde la cautela y el análisis de otros trabajos y/o análisis realizados con anterioridad. En cualquier caso, debe realizarse un análisis de sensibilidad de los diversos parámetros que intervienen en el cálculo. En esta tesis se han descrito las principales formulaciones de cálculo de blindajes de galerías forzadas sometidas a presión interior y exterior; se ha constatado que existe una gran diversidad y que de su aplicación no se llega a resultados concluyentes. Las formulaciones clásicas utilizadas en el cálculo de blindajes lisos y con rigidizadores sometidos a presión exterior (Amstutz y Jacobsen) no resultan del todo adecuadas ni son de aplicación general. Además, pueden arrojar resultados no conservadores o conducir a un sobredimensionamiento del blindaje en otros casos. En las formulaciones tradicionales de diseño se han tenido en cuenta como imperfecciones la holgura del blindaje y la ovalidad del mismo. En la presente tesis, se han analizado imperfecciones de tipo ondulatorio derivadas de los procesos de soldadura y la existencia de espesores reducidos en zonas de corrosión. En el caso práctico analizado sometido a presión exterior, se ha comprobado el funcionamiento real del blindaje mediante los modelos realizados con elementos finitos. Se desprende que los rigidizadores no han funcionado como tales, puesto que para blindajes lisos se obtienen presiones más bajas de pandeo y para el caso de funcionamiento correcto de los rigidizadores se habría obtenido un coeficiente de seguridad suficiente. Por este motivo, se ha analizado el posible funcionamiento de los rigidizadores, que en determinados casos pueden actuar como conectores. En estos casos deben dimensionarse de forma adecuada las soldaduras para soportar las tensiones entre chapa y conector. Por otra parte, tradicionalmente no se han tenido en cuenta los efectos de fatiga que pueden ocasionar los golpes de ariete y las pulsaciones de presión debidas a la regulación secundaria de la red. En esta tesis se ha establecido un procedimiento de comprobación de tuberías forzadas y blindajes sometidos a procesos de fatiga. Adicionalmente, se ha estudiado el caso real de las tuberías forzadas de una central reversible real (Bolarque II) en funcionamiento de regulación secundaria. Se ha concluido, como en otros casos analizados en la bibliografía, que las pulsaciones derivadas de la regulación secundaria no son significativas como para tener en cuenta la fatiga del acero. Por otra parte, las maniobras de arranque y parada (golpe de ariete) suponen una variación importante de la presión en la conducción. Sin embargo, el moderado número de ciclos permite asegurar la integridad de la tubería frente a fenómenos de fatiga. Nowadays, there is a significant concern in the development of projects in the field of hydroelectric power plants, particularly in the pump-storage projects. These plants are designed for high flow rates and heads, which entails large-diameter tunnels and high pressure ratios), and often as underground schemes. Therefore, this concern has reactivated studies about penstocks and in particular those related to steel liners. During the 1960s and 1970s due to hydropower-engineering development in Europe and North America, a major research effort was done. However, the increasing development of new large-scale hydropower projects has involved a renewed research effort during this decade. The adequacy of steel liner calculation methods is a very important issue in the proper technical development of new hydroelectric projects, and for the safety assessment of existing hydroelectric power plants in operation. In this work, an analysis of the structural behavior of pressure galleries in hydroelectric schemes was carried out. Also, a discussion and a review of existing calculation methods are included. In particular, the following issues have been considered: •Description and comparison of existing formulations for calculating the liner response to both external and internal pressure. •Analysis of an actual case study of a steel liner which failed due to external pressure. •Application of the Finite Element Method to liner modeling and analysis subjected to external pressure. •A parametric study of the shielding with stiffeners and discussion about the behavior of liner with stiffeners. •Constructive aspects and durability of pressure galleries. •Development of a methodology for estimating fatigue effects on penstocks and liners sue to pressure changes. •Analysis of an actual case study of a penstock under varying load and assessment of its safety against fatigue. The project of a hydropower penstock is a complex issue, due to the uncertainties in the definition of the problem data, such as the characteristics of the rock mass and its permeability, the determination of the water table, the existing gap between the steel liner and the concrete of the backfill, the geometric imperfections... Hence, the design and analysis of a steel liner must be addressed cautiously and take into account a review of previous studies performed. Ever, a sensitivity analysis of the various parameters involved in the calculation should be performed. In this work, some of the most relevant formulations for liner design subjected to inside and outside pressure have been studied. As a whole, there is a wide variety and its application does not lead to conclusive results. The classical formulations used in the steel liner calculation either with or without stiffeners under external pressure (Amstutz and Jacobsen) are not entirely adequate Also, those can yield both conservative and non-conservative results in large ranges of application. Traditionally design approaches only considered initial gap and ovality as the most relevant geometric imperfections. Thus, little attention was paid to those caused either by welding or by thickness loss in corroded areas. In the case study analyzed in this thesis, the actual working of the liner under external pressure has been simulated by the Finite Element Method. Results show that the stiffeners have not performed as such, since for unstiffened liner lower buckling pressures are obtained and for proper performance of the stiffeners would give a sufficient safety factor. Hence, it must be pointed out that stiffeners may perform either as such or as connectors. For the latter, welding must be designed to properly withstand stresses between the shell and the stiffener. Likewise, the potential fatigue effects due to both water hammer and pressure pulsations due to secondary regulation of the network have not been considered in many studies. It has been included in this work a procedure for checking penstocks and liners under fatigue processes. Additionally, the penstock fatigue response of an actual pump storage project (Bolarque II, Spain) subjected to secondary control operation has been assessed. As in other cases discussed in the literature, pulsations derived from the secondary control are not significant to account for fatigue of steel. Moreover, the start and stop manoeuvres (water hammer) cause a significant change in penstock pressure. However, the moderate number of cycles ensures the integrity of the penstock against fatigue phenomena.

Characterisation of laser hybrid welded dissimilar joints

The investigation addresses the over-all performance of dissimilar joints of low carbon steel and stainless steel thin sheets achieved by laser hybrid welding. First, the technological de-velopment of dissimilar laser hybrid welding of thin sheets is briefly pre-sented. Joint characterisation by means of macro and microstructural examination and hardness tests is fur-ther described. Microhardness testing was used as an alternative and effi-cient mean of assessing the changes in mechanical properties of difficult to characterize areas, like HAZ and fu-sion zone of these thin sheets Laser-GMA dissimilar welded joints. The overall tensile performance of the joint is discussed together with the weld metal strength overmatching. The ten-sile tests results indicate that in case of transversally loaded joints, the po-sitive difference in yield strength between the weld metal and the base materials (overmatching welds) may reduce the weight of the structure, without diminishing its strength.

Mechanical behavior and residual stress field of dissimilar laser welded joints

The present investigation addresses the mechanical behavior and residual stress field of dissimilar joints produced by laser welding. Microstructure characterization and residual strain scanning, carried out by neutron diffraction, were used to assess the joints features. It was found that the heat source position influences the base metals dilution and the residual stress field associated to the welding process. The tensile behavior of the joint, different zones achieved by using a video-image based system (VIC-2D) reveals that the residual stress field, together with the positive difference in yield between the weld metal and the base materials protects the joint from being plastically deformed.

Influencia de las condiciones de ejecución en la resistencia de anclajes en convencional y autocompactante

A través de los años las estructuras de hormigón armado han ido aumentando su cuota de mercado, sustituyendo a las estructuras de fábrica de piedra o ladrillo y restándole participación a las estructuras metálicas. Uno de los primeros problemas que surgieron al ejecutar las estructuras de hormigón armado, era cómo conectar una fase de una estructura de este tipo a una fase posterior o a una modificación posterior. Hasta los años 80-90 las conexiones de una fase de una estructura de hormigón armado, con otra posterior se hacían dejando en la primera fase placas de acero con garrotas embebidas en el hormigón fresco o barras grifadas recubiertas de poliestireno expandido. Una vez endurecido el hormigón se podían conectar nuevas barras, para la siguiente fase mediante soldadura a la placa de la superficie o enderezando las barras grifadas, para embeberlas en el hormigón fresco de la fase siguiente. Estos sistemas requerían conocer la existencia y alcance de la fase posterior antes de hormigonar la fase previa. Además requerían un replanteo muy exacto y complejo de los elementos de conexión. Otro problema existente en las estructuras de hormigón era la adherencia de un hormigón fresco a un hormigón endurecido previamente, ya que la superficie de contacto de ambos hormigones suponía un punto débil, con una adherencia baja. A partir de los años 80, la industria química de la construcción experimentó un gran avance en el desarrollo de productos capaces de generar una buena adherencia sobre el hormigón endurecido. Este avance tecnológico tenía aplicación tanto en la adherencia del hormigón fresco sobre el hormigón endurecido, como en la adherencia de barras post-instaladas en agujeros de hormigón endurecido. Este sistema se denominó “anclajes adherentes de barras de acero en hormigón endurecido”. La forma genérica de ejecutarlos es hacer una perforación cilíndrica en el soporte de hormigón, con una herramienta especifica como un taladro, limpiar la perforación, llenarla del material adherente y finalmente introducir la barra de acero. Los anclajes adherentes se dividen en anclajes cementosos y anclajes químicos, siendo estos últimos los más habituales, fiables, resistentes y fáciles de ejecutar. El uso del anclaje adherente de barras de acero en hormigón endurecido se ha extendido por todo el espectro productivo, siendo muy habitual tanto en construcción de obras de hormigón armado de obra civil y edificación, como en obras industriales, instalaciones o fijación de elementos. La ejecución de un anclaje de una barra de acero en hormigón endurecido depende de numerosas variables, que en su conjunto, o de forma aislada pueden afectar de forma notable a la resistencia del anclaje. Nos referimos a variables de los anclajes, que a menudo no se consideran tales como la dirección de la perforación, la máquina de perforación y el útil de perforación utilizado, la diferencia de diámetros entre el diámetro del taladro y la barra, el tipo de material de anclaje, la limpieza del taladro, la humedad del soporte, la altura del taladro, etc. La utilización en los últimos años de los hormigones Autocompactables, añade una variable adicional, que hasta ahora apenas ha sido estudiada. En línea con lo apuntado, la presente tesis doctoral tiene como objetivo principal el estudio de las condiciones de ejecución en la resistencia de los anclajes en hormigón convencional y autocompactable. Esta investigación se centra principalmente en la evaluación de la influencia de una serie de variables sobre la resistencia de los anclajes, tanto en hormigón convencional como en un hormigón autocompactable. Para este estudio ha sido necesaria la fabricación de dos soportes de hormigón sobre los cuales desarrollar los ensayos. Uno de los bloques se ha fabricado con hormigón convencional y el otro con hormigón autocompactable. En cada pieza de hormigón se han realizado 174 anclajes con barras de acero, variando los parámetros a estudiar, para obtener resultados de todas las variables consideradas. Los ensayos a realizar en ambos bloques son exactamente iguales, para poder comparar la diferencia entre un anclaje en un soporte de hormigón con vibrado convencional (HVC) y un hormigón autocompactante (HAC). De cada tipo de ensayo deseado se harán dos repeticiones en la misma pieza. El ensayo de arrancamiento de las barras se realizara con un gato hidráulico hueco, con un sistema de instrumentación de lectura y registro de datos en tiempo real. El análisis de los resultados, realizado con una potente herramienta estadística, ha permitido determinar y evaluar numéricamente la influencia de los variables consideradas en la resistencia de los anclajes realizados. Así mismo ha permitido diferenciar los resultados obtenidos en los hormigones convencionales y autocompactantes, tanto desde el punto de vista de la resistencia mecánica, como de las deformaciones sufridas en el arrancamiento. Se define la resistencia mecánica de un anclaje, como la fuerza desarrollada en la dirección de la barra, para hacer su arrancamiento del soporte. De la misma forma se considera desplazamiento, a la separación entre un punto fijo de la barra y otro del soporte, en la dirección de la barra. Dichos puntos se determinan cuando se ha terminado el anclaje, en la intersección de la superficie plana del soporte, con la barra. Las conclusiones obtenidas han permitido establecer qué variables afectan a la ejecución de los anclajes y en qué cuantía lo hacen, así como determinar la diferencia entre los anclajes en hormigón vibrado convencional y hormigón autocompactante, con resultados muy interesantes, que permiten valorar la influencia de dichas variables. Dentro de las conclusiones podemos destacar tres grupos, que denominaremos como de alta influencia, baja influencia y sin influencia. En todos los casos hay que hacer el estudio en términos de carga y de desplazamiento. Podemos considerar como de alta influencia, en términos de carga las variables de máquina de perforación y el material de anclaje. En términos de desplazamiento podemos considerar de alta influencia además de la máquina de perforación y el material de anclaje, el diámetro del taladro, así como la limpieza y humedad del soporte. Podemos considerar de baja influencia, en términos de carga las variables de tipo de hormigón, dirección de perforación, limpieza y humedad del soporte. En términos de desplazamiento podemos considerar de baja influencia el tipo de hormigón y la dirección de perforación. Podemos considerar en el apartado de “sin influencia”, en términos de carga las variables de diámetro de perforación y altura del taladro. En términos de desplazamiento podemos considerar como “sin influencia” la variable de altura del taladro. Podemos afirmar que las diferencias entre los valores de carga aumentan de forma muy importante en términos de desplazamiento. ABSTRACT Over the years the concrete structures have been increasing their market share, replacing the masonry structures of stone or brick and subtracting as well the participation of the metallic structures. One of the first problems encountered in the implementing of the reinforced concrete structures was connecting a phase structure of this type at a later stage or a subsequent amendment. Until the 80s and 90s the connections of one phase of a reinforced concrete structure with a subsequent first phase were done by leaving the steel plates embedded in the fresh concrete using hooks or bent bars coated with expanded polystyrene. Once the concrete had hardened new bars could be connected to the next stage by welding them to the surface plate or by straightening the bent bars to embed them in the fresh concrete of the next phase. These systems required a previous knowledge of the existence and scope of the subsequent phase before concreting the previous one. They also required a very precise and complex rethinking of the connecting elements. Another existing problem in the concrete structures was the adhesion of a fresh concrete to a previously hardened concrete, since the contact surface of both concretes leaded to a weak point with low adherence. Since the 80s, the chemicals construction industry experienced a breakthrough in the development of products that generate a good grip on the concrete. This technological advance had its application both in the grip on one hardened fresh concrete and in the adhesion of bar post-installed in holes of hardened concrete. This system was termed as adherent anchors of steel bars in hardened concrete. The generic way of executing this system is by firstly drilling a cylindrical hole in the concrete support using a specific tool such as a drill. Then, cleaning the bore and filling it with bonding material to lastly, introduce the steel bar. These adherent anchors are divided into cement and chemical anchors, the latter being the most common, reliable, durable and easy to run. The use of adhesive anchor of steel bars in hardened concrete has spread across the production spectrum turning itself into a very common solution in both construction of reinforced concrete civil engineering and construction, and industrial works, installations and fixing elements as well. The execution of an anchor of a steel bar in hardened concrete depends on numerous variables which together or as a single solution may significantly affect the strength of the anchor. We are referring to variables of anchors which are often not considered, such as the diameter difference between the rod and the bore, the drilling system, cleansing of the drill, type of anchor material, the moisture of the substrate, the direction of the drill, the drill’s height, etc. During recent years, the emergence of self-compacting concrete adds an additional variable which has hardly been studied so far. According to mentioned this thesis aims to study the main performance conditions in the resistance of conventional and self-compacting concrete anchors. This research is primarily focused on the evaluation of the influence of several variables on the strength of the anchoring, both in conventional concrete and self-compacting concrete. In order to complete this study it has been required the manufacture of two concrete supports on which to develop the tests. One of the blocks has been manufactured with conventional concrete and the other with self-compacting concrete. A total of 174 steel bar anchors have been made in each one of the concrete pieces varying the studied parameters in order to obtain results for all variables considered. The tests to be performed on both blocks are exactly the same in order to compare the difference between an anchor on a stand with vibrated concrete (HVC) and a self-compacting concrete (SCC). Each type of test required two repetitions in the same piece. The pulling test of the bars was made with a hollow jack and with an instrumentation system for reading and recording data in real time. The use of a powerful statistical tool in the analysis of the results allowed to numerically determine and evaluate the influence of the variables considered in the resistance of the anchors made. It has likewise enabled to differentiate the results obtained in the self-compacting and conventional concretes, from both the outlook of the mechanical strength and the deformations undergone by uprooting. The mechanical strength of an anchor is defined as the strength undergone in a direction of the bar to uproot it from the support. Likewise, the movement is defined as the separation between a fixed point of the bar and a fixed point from the support considering the direction of the bar. These points are only determined once the anchor is finished, with the bar, at the intersection in the flat surface of the support. The conclusions obtained have established which variables affect the execution of the anchors and in what quantity. They have also permitted to determine the difference between the anchors in vibrated concrete and selfcompacting concrete with very interesting results that also allow to assess the influence of these mentioned variables. Three groups are highlighted among the conclusions called high influence, low influence and no influence. In every case is necessary to perform the study in terms of loading and movement. In terms of loading, there are considered as high influence two variables: drilling machinery and anchorage material. In terms of movement, there are considered as high influence the drilling diameter and the cleaning and moisture of the support, besides the drilling machinery and the anchorage material. Variables such as type of concrete, drilling direction and cleaning and moisture of the support are considered of low influence in terms of load. In terms of movement, the type of concrete and the direction of the drilling are considered variables of low influence. Within the no influence section in terms of loading, there are included the diameter of the drilling and the height of the drill. In terms of loading, the height of the drill is considered as a no influence variable. We can affirm that the differences among the loading values increase significantly in terms of movement.

Análisis del comportamiento de uniones metálicas viga-soporte mediante modelo de elementos finitos y comparación de resultados con el modelo de nudos y barras

Para el proyecto y cálculo de estructuras metálicas, fundamentalmente pórticos y celosías de cubierta, la herramienta más comúnmente utilizada son los programas informáticos de nudos y barras. En estos programas se define la geometría y sección de las barras, cuyas características mecánicas son perfectamente conocidas, y sobre las cuales obtenemos unos resultados de cálculo concretos en cuanto a estados tensionales y de deformación. Sin embargo el otro componente del modelo, los nudos, presenta mucha mayor complejidad a la hora de establecer sus propiedades mecánicas, fundamentalmente su rigidez al giro, así como de obtener unos resultados de estados tensionales y de deformación en los mismos. Esta “ignorancia” sobre el comportamiento real de los nudos, se salva generalmente asimilando a los nudos del modelo la condición de rígidos o articulados. Si bien los programas de cálculo ofrecen la posibilidad de introducir nudos con una rigidez intermedia (nudos semirrígidos), la rigidez de cada nudo dependerá de la geometría real de la unión, lo cual, dada la gran variedad de geometrías de uniones que en cualquier proyecto se nos presentan, hace prácticamente inviable introducir los coeficientes correspondientes a cada nudo en los modelos de nudos y barras. Tanto el Eurocódigo como el CTE, establecen que cada unión tendrá asociada una curva momento-rotación característica, que deberá ser determinada por los proyectistas mediante herramientas de cálculo o procedimientos experimentales. No obstante, este es un planteamiento difícil de llevar a cabo para cada proyecto. La consecuencia de esto es, que en la práctica, se realizan extensas comprobaciones y justificaciones de cálculo para las barras de las estructuras, dejando en manos de la práctica común la solución y puesta en obra de las uniones, quedando sin justificar ni comprobar la seguridad y el comportamiento real de estas. Otro aspecto que conlleva la falta de caracterización de las uniones, es que desconocemos como afecta el comportamiento real de éstas en los estados tensionales y de deformación de las barras que acometen a ellas, dudas que con frecuencia nos asaltan, no sólo en la fase de proyecto, sino también a la hora de resolver los problemas de ejecución que inevitablemente se nos presentan en el desarrollo de las obras. El cálculo mediante el método de los elementos finitos, es una herramienta que nos permite introducir la geometría real de perfiles y uniones, y nos permite por tanto abordar el comportamiento real de las uniones, y que está condicionado por su geometría. Por ejemplo, un caso típico es el de la unión de una viga a una placa o a un soporte soldando sólo el alma. Es habitual asimilar esta unión a una articulación. Sin embargo, el modelo por elementos finitos nos ofrece su comportamiento real, que es intermedio entre articulado y empotrado, ya que se transmite un momento y el giro es menor que el del apoyo simple. No obstante, la aplicación del modelo de elementos finitos, introduciendo la geometría de todos los elementos estructurales de un entramado metálico, tampoco resulta en general viable desde un punto de vista práctico, dado que requiere invertir mucho tiempo en comparación con el aumento de precisión que obtenemos respecto a los programas de nudos y barras, mucho más rápidos en la fase de modelización de la estructura. En esta tesis se ha abordado, mediante la modelización por elementos finitos, la resolución de una serie de casos tipo representativos de las uniones más comúnmente ejecutadas en obras de edificación, como son las uniones viga-pilar, estableciendo el comportamiento de estas uniones en función de las variables que comúnmente se presentan, y que son: •Ejecución de uniones viga-pilar soldando solo por el alma (unión por el alma), o bien soldando la viga al pilar por todo su perímetro (unión total). •Disposición o no de rigidizadores en los pilares •Uso de pilares de sección 2UPN en cajón o de tipo HEB, que son los tipos de soporte utilizados en casi el 100% de los casos en edificación. Para establecer la influencia de estas variables en el comportamiento de las uniones, y su repercusión en las vigas, se ha realizado un análisis comparativo entre las variables de resultado de los casos estudiados:•Estados tensionales en vigas y uniones. •Momentos en extremo de vigas •Giros totales y relativos en nudos. •Flechas. Otro de los aspectos que nos permite analizar la casuística planteada, es la valoración, desde un punto de vista de costos de ejecución, de la realización de uniones por todo el perímetro frente a las uniones por el alma, o de la disposición o no de rigidizadores en las uniones por todo el perímetro. Los resultados a este respecto, son estrictamente desde un punto de vista económico, sin perjuicio de que la seguridad o las preferencias de los proyectistas aconsejen una solución determinada. Finalmente, un tercer aspecto que nos ha permitido abordar el estudio planteado, es la comparación de resultados que se obtienen por el método de los elementos finitos, más próximos a la realidad, ya que se tiene en cuenta los giros relativos en las uniones, frente a los resultados obtenidos con programas de nudos y barras. De esta forma, podemos seguir usando el modelo de nudos y barras, más versátil y rápido, pero conociendo cuáles son sus limitaciones, y en qué aspectos y en qué medida, debemos ponderar sus resultados. En el último apartado de la tesis se apuntan una serie de temas sobre los que sería interesante profundizar en posteriores estudios, mediante modelos de elementos finitos, con el objeto de conocer mejor el comportamiento de las uniones estructurales metálicas, en aspectos que no se pueden abordar con los programas de nudos y barras. For the project and calculation of steel structures, mainly building frames and cover lattices, the tool more commonly used are the node and bars model computer programs. In these programs we define the geometry and section of the bars, whose mechanical characteristics are perfectly known, and from which we obtain the all calculation results of stresses and displacements. Nevertheless, the other component of the model, the nodes, are much more difficulty for establishing their mechanical properties, mainly the rotation fixity coefficients, as well as the stresses and displacements. This "ignorance" about the real performance of the nodes, is commonly saved by assimilating to them the condition of fixed or articulated. Though the calculation programs offer the possibility to introducing nodes with an intermediate fixity (half-fixed nodes), the fixity of every node will depend on the real connection’s geometry, which, given the great variety of connections geometries that in a project exist, makes practically unviable to introduce the coefficients corresponding to every node in the models of nodes and bars. Both Eurocode and the CTE, establish that every connection will have a typical moment-rotation associated curve, which will have to be determined for the designers by calculation tools or experimental procedures. Nevertheless, this one is an exposition difficult to carry out for each project. The consequence of this, is that in the practice, in projects are extensive checking and calculation reports about the bars of the structures, trusting in hands of the common practice the solution and execution of the connections, resulting without justification and verification their safety and their real behaviour. Another aspect that carries the lack of the connections characterization, is that we don´t know how affects the connections real behaviour in the stresses and displacements of the bars that attack them, doubts that often assault us, not only in the project phase, but also at the moment of solving the execution problems that inevitably happen in the development of the construction works. The calculation by finite element model is a tool that allows us to introduce the real profiles and connections geometry, and allows us to know about the real behaviour of the connections, which is determined by their geometry. Typical example is a beam-plate or beam-support connection welding only by the web. It is usual to assimilate this connection to an articulation or simple support. Nevertheless, the finite element model determines its real performance, which is between articulated and fixed, since a moment is transmitted and the relative rotation is less than the articulation’s rotation. Nevertheless, the application of the finite element model, introducing the geometry of all the structural elements of a metallic structure, does not also turn out to be viable from a practical point of view, provided that it needs to invest a lot of time in comparison with the precision increase that we obtain opposite the node and bars programs, which are much more faster in the structure modelling phase. In this thesis it has been approached, by finite element modelling, the resolution of a representative type cases of the connections commonly used in works of building, since are the beam-support connections, establishing the performance of these connections depending on the variables that commonly are present, which are: •Execution of beam-support connections welding only the web, or welding the beam to the support for the whole perimeter. •Disposition of stiffeners in the supports •Use 2UPN in box section or HEB section, which are the support types used in almost 100% building cases. To establish the influence of these variables in the connections performance, and the repercussion in the beams, a comparative analyse has been made with the resulting variables of the studied cases: •Stresses states in beams and connections. •Bending moments in beam ends. •Total and relative rotations in nodes. •Deflections in beams. Another aspect that the study allows us to analyze, is the valuation, from a costs point of view, of the execution of connections for the whole perimeter opposite to the web connections, or the execution of stiffeners. The results of this analyse, are strictly from an economic point of view, without prejudice that the safety or the preferences of the designers advise a certain solution. Finally, the third aspect that the study has allowed us to approach, is the comparison of the results that are obtained by the finite element model, nearer to the real behaviour, since the relative rotations in the connections are known, opposite to the results obtained with nodes and bars programs. So that, we can use the nodes and bars models, more versatile and quick, but knowing which are its limitations, and in which aspects and measures, we must weight the results. In the last part of the tesis, are relationated some of the topics on which it would be interesting to approach in later studies, with finite elements models, in order to know better the behaviour of the structural steel connections, in aspects that cannot be approached by the nodes and bars programs.