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Análisis del comportamiento de nitinol como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método de elemento finito

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S

SEECCCCIIÓÓNNDDEEEESSTTUUDDIIOOSSDDEEPPOOSSGGRRAADDOOEEIINNVVEESSTTIIGGAACCIIÓÓNN

UNIDAD ZACATENCO

“ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE

NiTiNOL COMO MATERIAL DE APORTE EN EL

PROCESO DE SOLDADURA TIG DEL ACERO

304 POR TRANSFERENCIA DE CALOR

APLICÁNDOLE MÉTODO DE ELEMENTO

FINITO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN

CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA OPCIÓN DISEÑO

PRESENTA:

ING. JESÚS ANDRÉS ROMERO GARCÍA

(2)
(3)

En mención especial a la Sección de Estudios de Posgrado del Instituto Politécnico

Nacional, por haberme aceptado en el plan de Maestría en Ciencias en Ingeniería

Mecánica Opción Diseño y, a cada uno de mis Profesores, por haber compartido

parte de sus conocimientos y experiencias.

Y muy en especial a mis asesores, que sin su valiosa ayuda no podría presentar este

trabajo de investigación y sobre todo por la confianza que depositaron en mí, aun

en los momentos más difíciles.

Con cariño y respeto a:

M. en C. Alla Kabatskaia, por haberme conducido a lo largo de mi formación

académica y dirigir este trabajo con paciencia y dedicación.

Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón, por su trato y atención para conmigo.

Dr. Luis Héctor Hernández Gómez, por entregarme su valioso tiempo en la revisión

de mi trabajo.

Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa, porque antes que nada significo un amigo, con el

(4)

El presente trabajo está dedicado a todos y cada una de las personas, que de

alguna manera influyeron de manera directa para poder alcanzar mis objetivos y

lograr mis metas.

A mi Madre, por permanecer conmigo durante mi vida personal y profesional,

apoyándome en todo momento y brindándome consejos en cada situación

adversa, con la sabiduría que solo ella puede dar.

A mi Padre, por darme la libertad de elegir mi proyecto de vida, aplicando sus

propios valores e influyendo en mí: trabajo, respeto y dedicación.

A mis Hermanos, Betty, Eva, Martha†, Conchis, Ana, Miguel y Susana, por ser los hermanos más nobles y buenos del mundo, pero sobre todo por ser mis

hermanos.

A mis Sobrinos, Toño, Tita, Marcos, Emmanuel y Eimy, por tenerlos cerca de mí y

ser parte de su formación para su vida futura.

A mis amigos, por motivarme día con día con sus palabras y actitudes, que fueron

importantes para no desistir en el aspecto familiar, laboral y académico.

A las Instituciones en las que laboré y actualmente me encuentro:

Colegio Anáhuac, Cutec, Conalep Plantel Atizapán II e Instituto Acatitlan, por la

ayuda brindada, a lo largo de mi estancia académica; Directivos, Profesores y

alumnos.

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(6)
(7)

CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS

En la ciudad de México, D. F., el día 14 del mes de Mayo del año 2008 el (la) que suscribe JESÙS ANDRÈS ROMERO GARCÌA alumno(a) del Programa de MAESTRIA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA con número de registro A060383 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la E. S. I. M. E. Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual del presente trabajo de tesis bajo la dirección del: M. en C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA y cede los derechos del trabajo intitulado: “ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DE NiTiNOL COMO MATERIAL DE APORTE EN EÑ PROCESO DE SOLDADURA TIG DEL ACERO 304 POR TRANSFERENCIA DE CALOR APLICANDOLE METODO DE ELEMENTO FINITO” , al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines Académicos y de Investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido a la siguiente dirección:

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS, EDIF. 5 2do. PISO COL LINDAVISTA, 07738 MEXICO D F. TEL 5729 6000 EXT. 54740

Sin el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

(8)

Índice I

Índice de Figuras iv

Índice de Tablas vii

Resumen viii

Abstract x

Justificación xii

Objetivo xiii

Objetivos particulares xiii

Introducción xiv

Capítulo I

Estado del Arte 1

I.1.- Aspectos generales 2

I.2.- Principios del Proceso de Soldadura 3

I.2.1.- Descripción del proceso de soldadura TIG 4

I.2.2.- Corriente continua (polaridad directa) 5

I.2.3.- Corriente continua (polaridad inversa) 8

I.2.4.- Corriente alterna 8

I.3.- Curva característica de un equipo de soldadura TIG 9

I.3.1.- Características generales 10

I.4.- Tipos de gas o mezcla de gases 11

I.4.1.- Características generales 11

1.5.- Electrodos de tungsteno 12

I.5.1.-Codificación de los electrodos 14

I.5.2.-Condiciones de utilización 15

I.5.3.- Forma de los electrodos 16

I.6.- Secuencia de un equipo de soldadura TIG 18

I.6.1-Secuencia 2tiempos 19

I.6.2.-Secuencia 4tiempos 21

(9)

I.7.1.- Disipación térmica 23

I.7.2.- Método de soldadura 23

I.7.3.- Modo operativo 23

I.7.4.- Soldadura de metales diferentes 26

1.8.- Planteamiento del problema 27

1.9.- Sumario 27

Capítulo II

Generalidades de los materiales a unir 29

II.1.- Aspectos generales 30

II.2.- Materiales con memoria de forma 30

II.2.1.- Origen de los materiales de Memoria de forma 32

II.2.2.- Origen del NiTiNOL 33

II.3.- Características del NiTiNOL 34

II.3.1.- Propiedades mecánicas del NiTiNOL 34

II.3.2.- Propiedades fisicoquímicas del NiTiNOL 35

II.3.3.- Comportamiento superelástico-memoria de forma 36

II.4.- Aplicación del NiTiNOL en la soldadura 39

II.4.1.- Ventajas del NiTiNOL en la soldadura 40

II.4.2.- Características de los aceros inoxidables 40 II.4.3.- Clasificación de los aceros inoxidables según AISI 41 II.4.4.- Soldadura bajo gas protector con electrodo no consumible Tungsteno. 42

II.5.- Unión de Metales 43

II.5.1.-Transformaciones sin difusión 44

II.6.- Sumario 45

Capítulo III

Modelo matemático de ZAC de la soldadura TIG 46

III.1.- Aspectos generales 47

III.2.- Análisis termodinámico del problema 47

(10)

III.4.- Influencia térmica en el proceso de soldadura 49 III.5.- Transferencia de calor durante el proceso de soldadura 50 III.5.1.- Elaboración del modelo en la transferencia de calor 50 III.6.- Modelado matemático para el desarrollo del proceso 52

III.6.1.- Cálculo matemático del proceso TIG 53

III.6.2.- Cálculo de los parámetros de transferencia de calor en el cordón de

soldadura del NiTiNOL 60

III.6.3.- Cálculo de los parámetros de transferencia de calor en el material

base acero 304 60

III.7.- Sumario 62

Capítulo IV

Modelado del material 64

IV.1.- Aspectos generales 65

IV.2.- Aspectos fundamentales del método del elemento finito MEF 65 IV.3.- Transferencia de calor estacionaria en comparación con la transferencia

transitoria 67

IV.3.1.- Ecuación Unidimensional de la conducción de calor 67

IV.3.2.- Ecuación general de conducción de calor 71

IV.4.- Condiciones de frontera iniciales 71

IV.5.- Programa computacional ANSYS 74

IV.5.1.- Características del programa computacional ANSYS 75

IV.5.2.- Ventajas del programa ANSYS 75

IV.5.3.- Desventajas de programa ANSYS 76

IV.5.4.- Elementos a considerar para el análisis numérico 77

IV.5.5.-Tipos de elementos 80

IV.5.6.- Descripción del elemento PLANE35 y PLANE 77 81

IV.6.- Mecanismos de transferencia de calor 82

IV.6.1.- Análisis por Conducción 83

(11)

IV.8.- Sumario 89

Capitulo V

Resultados y discusiones 92

V.1.- Aspectos generales 93

V.2.- Conducción de calor en régimen transitorio 93

V.3.- Interpretación de resultados 96

V.4.- Recristalización en la zona afectada por el calor 96

V.4.1.- Ciclo térmico 97

V.5.- Comparación de resultados 98

V.6.- Discusiones 101

V.7.- Error de discretización 110

Conclusiones generales y recomendaciones 111

Referencias 113

Anexos A 117

(12)

Índice de figuras

Figura I.1.-Descripción del proceso TIG 4

Figura I.2.-Longitud media del arco 6

Figura I.3.-Curva característica del arco 7

Figura I.4.-Etapas en el aumento de la intensidad 7

Figura I.5.-Soldadura en corriente continua 8

Figura I.6.-Curva característica del proceso TIG voltaje-intensidad 9

Figura I.7.- Curva característica del proceso TIG (con variación

voltaje-intensidad) 10

Figura I.8.-Tipos de punta de los electrodos 17

Figura I.9.-Diagrama SECUENCIA 2tiempo. 20

Figura I.10.-Diagrama SECUENCIA 4tiempo. 21

Figura I.11.-Proceso de soldadura TIG 22

Figura I.12.-Muestra del proceso 24

Figura II.1.-Efecto de memoria de forma de un “sentido” 32

Figura II.2.-Titanio con un metalα-estabilizante 36

Figura II.2a.-Titanio con un metal neutro 37

Figura II.2b.-Titanio con un metalβ-estabilizante 37

Figura II.2c.-Titanio con un metalβ-estabilizante eutéctico 38

Figura II.3.-Clasificación de los aceros inoxidables según AISI 41

Figura III.1.- Influencia mutua entre los campos involucrados en el proceso de

soldadura 49

Figura III.2.-Modelado matemático del problema físico 51

Figura III.3.-Proceso de soldadura TIG Manual 52

Figura IV.1:-Mallado de la pieza 66

(13)

arbitrarias y, por tanto, un número infinito de soluciones. Figura IV.4. Ejemplos de elementos finitos unidimensionales

a) Lineales b) Parabólico c) Cúbico. 79 Figura IV.5.-Ejemplos de elementos finitos bidimensionales.

a) Lineal triangular. b) Lineal Cuadrilátero. c) Parabólico triangular. d)

Parabólico Cuadrilátero. 79

Figura IV.6.-Ejemplos de elementos finitos tridimensionales.

a) Lineal. b) Parabólico. c) Superior cilíndrico 80

Figura IV.7.- Diagrama de elementos seleccionados para el análisis numérico 81

Figura IV.8.- PLANE35 y PLANE 77 82

Figura IV.9.- Ranura “V” para unión por soldadura manual de arco protegido.

(Acot:mm) 84

Figura IV.10.- Arranque del proceso TIG, en la unión soldada 85 Figura IV.11.- Distribución de temperaturas en diferentes puntos. 86 Figura IV.12.- Gráfica de temperatura de enfriamiento del NiTiNOL 87 Figura IV.13.- - Gráfica de temperatura de enfriamiento del Acero inoxidable 304 88 Figura V.1.- Puntos nodales y elementos de volumen para la formulación en

diferencias en régimen transitorio de la conducción unidimensional de calor sobre la

superficie plana. 94

Figura V.2.- Variación de la conductividad térmica del acero inoxidable 95 Figura V.3.- Distribución de temperaturas entre la unión soldada 97 Figura V.4- Curva de enfriamiento para un material puro 98

Figura V.5.- Distribución de calor en la unión soldada 99 Figura V.6.- Muestra de Temperaturas en tres diferentes puntos de la unión soldada 100 Figura V.7.- Puntos nodales y elementos de volumen para la formulación en

diferentes en diferencias finitas de la conducción unidimensional (balance de energía) 102

Figura V.8.-Distribución de calor sentido en X 103

(14)

Figura V.10.- Volumen del Elemento 104

Figura V.11.- Flujo térmico sumatoria 105

Figura V.12.- Flujo térmico sumatoria detalle, Macrografía para la TIG 106

Figura V.13.- Gradiente térmico sumatoria. 107

Figura V.14.- Evolución de ciclos térmicos en el punto del cordón 108 Figura V.15.- Comportamiento del metal de aporte (NiTiNOL) con cambios

(15)

Índice de tablas

Tabla I.1.-Tipos de electrodos 15

Tabla I.2.-Unión de distintos metales. 26

Tabla II.1.-Propiedades mecánicas del NiTiNOL 35

Tabla II.2.-Características de metales aleados 31

Tabla III.1.- Datos de referencia del acero inoxidable austenítico (AISI 304) y

NiTiNOL 53

Tabla IV.1.- Datos de referencia para la gráfica del NiTiNOL. 88 Tabla IV.2.- Datos de referencia para la gráfica del Acero 304 89

(16)

Resumen

El presente proyecto de investigación está enfocado a la aplicación de nuevos materiales en la industria nacional y, en particular, utilización de material de memoria de forma NITINOL (Ni Ti) en la soldadura. Para este efecto, se realizo el análisis numérico por transferencia de calor de la unión de materiales acero inoxidable 304 como base y material de aporte de memoria de forma NiTiNOL, del proceso de soldadura TIG. Este proceso se seleccionó el proceso de soldadura TIG, debido a que es un método de soldadura por fusión, en donde existe una mejor adherencia entre materiales. Además se puede observar y definir las temperaturas para realizar un análisis de transferencia de calor que permita definir el modo de transferencia y analizar la zona afectada por el calor. El acero inoxidable sirvió como material base y como material de aporte se utilizó NITINOL, se escogió el proceso GTAW (TIG), como un proceso con más amplia utilización sobre todo en el área de la construcción y la industria aeronáutica.

Para esta investigación se tomaron las temperaturas de fusión de cada uno de los materiales a unir, mismas que fueron obtenidas, de sus respectivos diagramas de equilibrio, debido a que en la literatura, no existe un dato que nos indique las temperaturas de fusión de cada material. Posteriormente para corroborar los datos obtenidos, se tomaron medidas en diferentes puntos, con un calorímetro. Se procedió a analizar un punto central de la unión soldada. Para este caso, fue el registrado con la temperatura de 1470 °C, para la realización del análisis. Estas temperaturas son indispensables para alimentar la corrida en ANSYS, mismo que nos proporcionará datos precisos de cómo se propaga el calor de un elemento a otro. Después se determinaron los parámetros y variables del proceso, con la finalidad de realizar un modelo geométrico, mismo que da la pauta para el desarrollo de un análisis numérico, a partir de la unión soldada.

(17)

en el campo mecánico resultados comparables a los que se obtienen mediante modelos más complejos, y que se aproximan a los que ocurren en un proceso real.

En la tabulación de las temperaturas, se observa como enfría cada material, en un determinado tiempo, lo que indica que la temperatura varia a lo largo del proceso, entonces se analizará un elementono lineal, de acuerdo con las gráficas registradas, para cada material (aporte y Base).

(18)

Abstract

This research project is focused on the application of new materials in the domestic industry and in particular use of material shape memory nitinol (Ni Ti) in welding. To this end, the numerical analysis was performed by heat transfer from the union of 304 stainless steel materials as the basis and material contribution of shape memory nitinol, TIG welding process. This process was selected TIG welding process, because it is a method of welding fusion, where there is a better bond between materials. You can also observe and define temperatures to conduct an analysis of heat transfer to define the mode of transfer and analyze the area affected by the heat. The stainless steel served as a base material and material input was used nitinol, was chosen the process GTAW (TIG), as a process with wider use especially in the area of construction and aviation industry.

For this investigation were taken melting temperatures of each of the materials to be joined, same as those obtained from their respective diagrams of balance, because in the literature, there is no data to track the melting temperature of each material. Subsequently to corroborate data, measures were taken at different points, with a calorimeter. We proceeded to discuss a central point of union welded. To this case was registered with the temperature of 1470 ° C to perform the analysis. These temperatures are essential to feed the corrida in ANSYS, which will give us accurate data on how heat spreads from one element to another. After identified the parameters and variables in the process, with the aim of carrying out a geometric model, which gives the same pattern for the development of a numerical analysis, from the union welded.

(19)

In the tabulation of temperatures, is observed as each material cools, in a given time, indicating that the temperature varies along the process, then analyse a non-linear, according to figures recorded for each material (input and Base).

(20)

Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el xii

Justificación

En la actualidad, el proceso de soldadura TIG es uno de los más empleados, debido a la versatilidad, la resistencia a respuestas mecánicas y su sencillez de ejecución. Permite a la soldadura imponerse a otro tipo de uniones.

La tecnología moderna utiliza nuevos materiales, entre los que se encuentran los materiales con memoria de forma. El sector productivo está entusiasmado con estos materiales, pero la tecnología está importada y en realidad, no tienen suficiente conocimiento como se comporta y que propiedades tienen estos materiales. Cabe señalar, que en Japón se utiliza este tipo de material en la industria de la construcción de edificios los cuales pueden soportar terremotos y maremotos. Asimismo, los italianos utilizan Materiales de Forma en la industria Textil. Existen muchos ejemplos de aplicación en este tipo de materiales en otros países, pero ellos están trabajando en esta dirección mucho más tiempo que en México.

Este trabajo de investigación, parte de trabajos anteriores, donde se llevó a cabo el experimento físico de la unión del acero inoxidable 304 de base y aporte NiTiNOL, en el proceso TIG, y donde los resultados de las microestructuras se grabaron y se estudiaron para ver los cambios que ocurren en la unión soldada (zona afectada por el calor) entre el material base y de aporte.

(21)

Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el xiii

Objetivo

Determinar la propagación de calor del metal de aporte NiTiNOL, al unirse con el metal base acero inoxidable, a partir de los datos de las curvas de enfriamiento, relación temperatura vs tiempo, así como los de conductividad térmica, calor específico, densidad, velocidad de soldadura etc. Establecer el modelo analítico y numérico en el proceso de soldadura TIG, de la unión de un acero inoxidable 304 de base y uno de memoria de forma NiTiNOL, para analizar el comportamiento de éste último, a partir de la distribución de temperaturas.

Objetivos particulares

 Observar el comportamiento del NiTiNOL en unión con el acero 304.

 Determinar por medio de elemento finito, la transferencia de calor que existe entre dichos materiales.

 De a cuerdo a las propiedades de los materiales a unir, establecer el cambio de temperaturas en una zona específica del elemento al ser soldado, modelado el elemento, con las variables del proceso de temperatura TIG, con el programa de ANSYS.

(22)

Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el xiv

Introducción

Para el constante avance tecnológico en el mundo, se requiere la utilización de nuevos materiales y México no es la excepción. Para esto es necesaria una investigación sobre aplicaciones de nuevos materiales, en la industria nacional. Por esta razón se inició el análisis sobre la aplicación de materiales con memoria de forma, llamados también “Inteligentes”. Se pretende ofrecer tecnología a las empresas nacionales, lo que permite al país estar al mismo nivel industrial con los tecnológicamente avanzados.

El material de Memoria de Forma, hoy en día, es de gran importancia, y tiene una amplia aplicación en diferentes ramas de la industria. Las compañías transnacionales utilizan este material bajo su propia tecnología y utilizan a los especialistas nacionales como ejecutores, sin permitir entrar a profundidad en el tema.

Para la fabricación de diferentes componentes industriales que con frecuencia se complementan de algún proceso de soldadura. En la actualidad el proceso de soldadura TIG (tungsteno gas inerte), resulta uno de los más eficientes y económicos. Para incorporar las propiedades mecánicas del material de memoria de forma en la soldadura, se ha realizado un estudio donde se utiliza NITINOL como material de aporte en la unión soldada del acero inoxidable 304. Las propiedades mecánicas del NiTiNOL son comparables a las de los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300[3].

(23)

Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el xv Existen multitud de problemas físicos cuya formulación desde un punto de vista matemático responde a una ecuación diferencial en derivadas parciales. Tal es el caso de la transmisión del calor, del electromagnetismo, de la mecánica de fluidos o del análisis estructural. La solución de dichos problemas tiene un interés elevado en ingeniería, ya que dichas soluciones son el punto de partida para el diseño y modelado de los sistemas físicos que representan aquellas ecuaciones.

En general, la resolución de las ecuaciones diferenciales que formulan un problema físico es de gran complejidad. Solamente en los casos en que se hacen simplificaciones sobre las dimensiones en que se estudia el problema para las distribuciones de campo, y sobre las geometrías en que se resuelven estas ecuaciones, es posible obtener una solución analítica del problema. En dichos casos, tales simplificaciones conducen a ecuaciones diferenciales de menor complejidad. El método de separación de variables también proporciona solución a multitud de problemas físicos. Por otro lado la semejanza y la analogía permiten la obtención de la solución de un problema físico cuando se conoce la técnica a otro problema físico (análogo) que tiene la misma forma desde un punto de vista matemático. Tal es el caso de la analogía entre la transmisión de calor en régimen permanente y la electrostática, y el caso de la analogía entre la transmisión de calor unidimensional transitoria y las ecuaciones de las líneas de transmisión.

(24)

Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el xvi Considerando lo anterior, el presente trabajo tiene, cinco capítulos:

 En el primer capítulo, se hace una descripción del proceso de soldadura TIG, sindicando las principales variables del proceso y como ha ido evolucionando al paso del tiempo.

 En el segundo capítulo, se mencionan las propiedades y características de los materiales a unir, así como la ventaja que tiene unir éstos materiales, por medio del proceso de soldadura TIG.

 En el tercer capítulo, se establece un modelo matemático para el cálculo de las variables que intervienen dentro del proceso de soldadura, fundamentales para el análisis numérico.

 En el cuarto capítulo, se define la geometría del elemento para la realización del análisis por el Método del Elemento Finito.

 En el quinto capítulo, se interpretan los resultados de cada una de las corridas, realizadas en el programa de ANSYS, y se hacen algunas recomendaciones para trabajos futuros.

(25)

Capítulo I

Estado del Arte

(26)

I.1.- Aspectos generales

En nuestros días, las exigencias tecnológicas en cuanto a calidad y confianza de uniones soldadas, obligan a adoptar nuevos sistemas, destacando entre ellos la soldadura de tungsteno con protección gaseosa (TIG). Este es un sistema de soldadura al arco eléctrico con protección gaseosa de calor del arco eléctrico, generado entre un electrodo de tungsteno no consumible, donde puede utilizarse o no metal de aporte. Se utiliza un gas de protección cuyo objetivo es desplazar el aire, para evitar la contaminación de la soldadura por el oxígeno y nitrógeno presentes en la atmósfera.

Desde sus comienzos, allá por 1940, se han experimentado constantes avances hasta convertirse en una técnica que puede aplicarse a la unión de todos los metales y aleaciones con distintos espesores[1]. La secuencia para soldar metales uniformes definen a estas uniones en las que se consiguen juntas con las mismas características que el metal base, siendo algunas aplicaciones las más típicas las siguientes:

 Soldar de la primera pasada de tuberías de aceros aleados, aceros inoxidables y aleaciones de níquel.

 Soldar equipos de aluminio, titanio y aleaciones de níquel.

 Soldar en tubos de la placa de los intercambiadores de calor.

 Soldar el interior de reactores de uranio en acero inoxidable y titanio.

(27)

I.2.- principios del proceso

En el año de 1900, se otorgó una patente relacionada con electrodos rodeado por un gas inerte. Los experimentos con este tipo de soldadura continuaron durante las décadas de 1920 y 1930. Sin embargo, hasta 1940 se dio gran atención al proceso GTAW. Hasta antes de comenzar la segunda guerra mundial se habían hecho pocos experimentos, en donde los gases inertes eran muy costosos, pero durante la guerra, la industria de la aviación necesita con urgencia un método más rápido y fácil para soldar aluminio y magnesio para acelerar la producción [2].

Debido a los beneficios logrados en la producción, se justificó el costo adicional del empleo del gas inerte en gran escala. Aunque la producción de este gas es mucho más rápida y económica, todavía representa un gasto adicional pero justificable.

En la década de 1940 se otorgó una patente de un proceso para eliminar un electrodo de alambre en forma continua a través de un arco protegido con gas. Este fue un principio del proceso MIG (metal y gas inerte), que ahora tiene la denominación oficial de AWS y de CSA como soldadura con gas y arco de metal (GMAW). Este tipo de soldadura se ha perfeccionado y agilizado desde sus primeros días, además se han creado procesos relacionados. En alguno de ellos se utiliza un electrodo, de alambre desnudo, protegido con gas inerte, en otro se emplea un electrodo recubierto con fundente similar a los convencionales para soldadura con arco. En algunos otros se utiliza también un electrodo hueco o tubular que tiene núcleo o fundente. En determinados procesos se hace uso de una combinación de electrodo con núcleo fundente y un gas de protector [3].

También para transferir el metal fundido a través del arco, se utilizan diferentes métodos que pueden ser manuales semiautomáticos ó automáticos. La GMAW es ahora uno de los procesos más importantes en la industria de la soldadura.

(28)

se aplican a la unión de todo tipo de metales. Por razones de calidad, velocidad de soldadura y facilidad operatoria, la soldadura por arco con protección gaseosa sustituye a la soldadura oxiacetilénica y la soldadura con arco con electrodos revestidos. El procedimiento puede aplicarse, tanto manual, como automático, y en cualquier caso, su campo de aplicación alcanza desde los espesores más finos, hasta los más gruesos, tanto en metales ferrosos como no férreos.

I.2.1.-Descripción del proceso de soldadura tig

El procedimiento de soldadura por arco bajo gas protector con electrodo no consumible, también llamado TIG (Tungsten Inert Gas), utiliza como fuente de energía el arco eléctrico que salta entre un electrodo no consumible y la pieza a soldar, mientras un gas inerte protege el baño de fusión. El material de aportación, cuando es necesario, se aplica a través de varillas como en la soldadura oxiacetilénica. En la siguiente figura I.1 se muestran los elementos más importantes que intervienen en el proceso:

Figura I.1.-Descripción del proceso TIG [4].

(29)

 Se puede automatizar el proceso para algunas fabricaciones en serie.

 Su aplicación manual exige una gran habilidad por parte del soldador.

 Puede emplearse en todo tipo de uniones o posiciones y en los materiales más diversos: aceros al carbono, inoxidables, metales no férreos.

Las soldaduras por sistema TIG son más resistentes, dúctiles y seguras contra la corrosión que las realizadas por los sistemas usuales. Al no ser necesario utilizar decapantes para ningún tipo de material, se evitan las inclusiones de estos y el consecuente peligro de corrosiones en esta zona, así como el trabajo de eliminarlos. Todo el proceso se realiza sin proyecciones, chispas, escoria o humos. Puede emplearse para soldar prácticamente todos los metales que se utilizan en la industria, esto es:

 Todos los metales ligeros: aluminio, magnesio y sus aleaciones.

 Todos los aceros inoxidables (cromo, níquel y sus aleaciones).

 Cobre y sus aleaciones.

 Plata y oro.

 Fundiciones.

 Aceros al carbono.

 Metales diferentes entre si.

I.2.2. - Corriente continua (polaridad directa)

(30)

bajo el gas protector tiene forma de campana, proporcionando una penetración estrecha y profunda:

A continuación se representa la característica de arco cuando se utiliza tensión continua para el proceso de soldadura TIG:

Con intensidades bajas (hasta unos 25 A), la tensión cae rápidamente al aumentar la intensidad. A partir de este valor, la tensión crece paulatinamente con la intensidad, ya que, al aumentar ésta, el punto de ignición del extremo del electrodo se desplaza hacia arriba, con lo que incrementa la longitud media del arco, o, lo que es lo mismo, eleva la tensión:

Figura I.2.-Longitud media del arco [5].

Además, como puede observarse en el dibujo precedente, el arco no solo aumenta su longitud, sino que aumenta la base del arco en la pieza, con lo que varía algo la distribución de la energía en la pieza (disminución de la energía por unidad de superficie). figura I.2

(31)

Figura I.3.-Curva característica del arco [6].

Con intensidades bajas (hasta unos 25 A), la tensión cae rápidamente al aumentar la intensidad. A partir de este valor, la tensión crece paulatinamente con la intensidad, ya que, el punto de ignición del extremo del electrodo se desplaza hacia arriba, con lo que aumenta la longitud media del arco, o, lo que es lo mismo, aumenta la tensión:

Figura I.4.-Etapas en el aumento de la intensidad [7].

En soldadura TIG manual, normalmente se amuela la punta del electrodo un ángulo de aproximadamente 40°; sin embargo, en soldadura automática es recomendable un ángulo de 90°.

Volts

(32)

I.2.3.- Corriente continua (polaridad inversa)

En la polaridad inversa, el electrodo se encuentra con potencial positivo respecto a la pieza, conectada ésta al polo negativo. En este caso, y puesto que la energía en forma de calor se distribuye en 2/3 en el polo positivo y 1/3 en el negativo, se necesita un electrodo mucho mayor que una soldadura a igual intensidad en polaridad directa: por ejemplo, si a 150 A se puede soldar con un electrodo de 1,6 mm en polaridad directa, a igual intensidad, es preciso utilizar un electrodo de 4,8 mm en polaridad inversa.

En este método, deben destacarse dos consecuencias importantes: - La penetración es poca y ancha:

Figura I.5.-Soldadura en corriente continua

Se produce un efecto de descontaminación, ya que los electrones que salen de la pieza rompen la película de óxidos y arrinconan las impurezas a un lado. En la práctica, el método de la polaridad inversa no tiene apenas aplicación; solo en casos excepcionales como chapas muy finas de magnesio, es donde el proceso adquiere una cierta utilización.

I.2.4.- Corriente alterna

La corriente alterna tiene como ventaja las dos las dos polaridades:

(33)

 El efecto decapante del baño durante el semiciclo de polaridad inversa.

El sistema de corriente alterna se utiliza principalmente para la soldadura de metales ligeros. Sus principales inconvenientes, son: dificultades de formación y estabilidad del arco, que obliga a incorporar al equipo un generador de alta frecuencia.

I.3.- Curva característica de un equipo de soldadura TIG

Considérese una fuente de corriente con característica descendente 1 y un arco eléctrico 11 tal y como se muestra la figura I.6 a continuación:

Figura I.6.-Curva característica del proceso TIG voltaje-intensidad [8].

Se establece un punto de trabajo M en la intersección de la característica de arco y la característica del generador. En este punto, existen unos valores definidos de tensión U1 e

intensidad II.

Volts

(34)

I.3.1.- Características generales

Se representa en la misma gráfica otro generador en el que su característica 2 tiene menor pendiente pero que en un determinado momento está trabajando en el mismo punto M. Si, en estas condiciones el soldador se aleja de la pieza, aumenta la longitud de arco, por lo que la tensión aumenta, y la intensidad tiende a disminuir, tal y como puede apreciarse en la siguiente figura I.7

Figura I.7.-Curva característica del proceso TIG (con variación voltaje-intensidad)

Sin embargo, la variación de intensidad que se produce en el caso del generador 1, es menor que en el generador 2. Dicho de otro modo, cuanto mayor pendiente tiene la característica del generador, menor variación de intensidad frente a movimientos de la antorcha de soldadura, esto es, mayor estabilidad del arco. En el límite, puede decirse que para la soldadura TIG, la característica óptima seria completamente vertical. En equipos de regulación por shunt magnético, esta última condición no se podrá cumplir con total exactitud; solo los equipos con regulación electrónica serán capaces de ofrecer una característica absolutamente vertical.

Volts

(35)

I.4.- Tipos de gas o mezcla de gases

Los gases protectores en soldadura TIG son inertes. En un principio se empleó helio como gas de protección, ya que Estados Unidos tiene yacimientos naturales de este gas. Pronto se observó que el argón ofrece mayores ventajas. En efecto, la densidad del helio es diez veces inferior que la del argón, por lo que, asegura una protección inferior, ya que el argón tendrá tendencia a descender sobre el baño de fusión.

Para obtener una misma protección hace falta doblar o triplicar el caudal de helio respecto el de argón. Esto supone un inconveniente de tipo económico, habida cuenta de que el helio es algo más caro que el argón. De todas maneras, esta diferencia puede ser anulada, teniendo en cuenta que la velocidad de soldadura varía sensiblemente en función del gas.

I.4.1.-Características generales

El poder ionizante del helio es menor que el del argón, por lo que la tensión de arco es cerca del 75% más grande con helio que con argón. Por contra, el helio proporciona un mejor rendimiento calorífico, y este aporte de calor más intenso genera una penetración muy fuerte, lo que es idóneo para procesos de fabricación en automático. Además, la utilización del helio se hace interesante en particular para la soldadura de metales que son buenos conductores del calor, como el cobre o el aluminio.

En contrapartida, el helio está caracterizado por un arco menos estable y un cebado (etapa de limpieza) más difícil, debido precisamente a su poder ionizante bajo.

(36)

existen en el mercado mezclas a base de argón con un 10% de hidrógeno, que le confieren dos efectos favorables:

 Aumenta la temperatura, por lo que permite mayor penetración o mayor velocidad.

 Sucede un efecto de limpieza, ya que el hidrógeno es reductor y por tanto, tiene la capacidad de eliminar óxidos.

El nitrógeno no puede emplearse como gas inerte, ya que, aunque lo es a temperatura normal, a la del arco eléctrico se disocia y se combina con el metal de soldadura. Como salvedad está el cobre, donde el nitrógeno no forma nitruros. En este tipo de soldadura, se utiliza nitrógeno solo o combinado con argón al 50%.

Sobre aceros inoxidables, aceros aleados y metales nobles como por ejemplo el titanio, es muy aconsejable asegurar una protección por debajo de la zona de soldadura a través de un gas, generalmente de la misma naturaleza que el de protección. Su caudal será función del recinto que deba protegerse.

El aluminio no necesita protección por debajo de la zona de soldadura. Para los aceros no aleados tampoco, esto no es necesario, pero su presencia mejora el estado de la superficie y alrededores de la penetración.

I.5.- Electrodos de tungsteno

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la corriente utilizada, tienen una gran influencia sobre la calidad del trabajo y la estabilidad del arco.

El tungsteno responde perfectamente a la exigencia de soportar temperaturas elevadas, a la vez que tiene la ventaja de poseer una emisión termoiónica importante. Por este motivo, todos los electrodos que se utilizan son de tungsteno. Se puede incluso reforzar la emisión electrónica de los electrodos, añadiendo al tungsteno óxidos de torio, de circonio, de lantano, en cantidades que van del 0,15 al 4,2%, según los electrodos y el elemento a adicionar. Estos activantes de emisión facilitan el cebado del arco, mejoran la estabilidad, aumentan la duración de vida de los electrodos y reducen los riesgos de contaminación de la soldadura, por inclusiones de tungsteno.

Por otra parte, a diámetro igual, los electrodos contienen óxidos que permiten soportar una intensidad de corriente más elevada que la del tungsteno puro. La adición de óxidos es generalmente dispersada finamente en la matriz de tungsteno. Del mismo modo, existen electrodos refractarios en tungsteno, denominados "compuestos", que están constituidos por un núcleo de tungsteno puro y con un revestimiento exterior de óxido. Este tipo de electrodos combina las calidades de los de tungsteno puro y de los de tungsteno con óxidos, pero tienen el inconveniente de no poder ser afilados en punta.

(38)

El tungsteno aleado con circonio funde a 3800 °C, y es válido para la soldadura tanto en corriente continua como alterna. Se utiliza para soldar metales ligeros como aluminio y magnesio, en donde es necesario evitar la contaminación del metal de aporte.

I.5.1.- Codificación de los electrodos

La norma internacional ISO 6848 dispone una codificación alfanumérica en la que: - La primera letra caracteriza el componente principal.

- La segunda letra caracteriza la adición del óxido: * P —> Tungsteno puro

* Z —> Circonio * L —> Lantano * C —> Cerio * W —> wolfragnio

Después sigue un número que corresponde al porcentaje de adición multiplicado por diez. Así, por ejemplo, WP caracteriza a un electrodo de tungsteno puro, mientras que WT 20 corresponde a un electrodo de tungsteno.

Cada tipo de electrodo definido por la norma, viene indicado por un anillo de color según se indica a continuación:

CÓDIGO COLOR

WP VERDE

WT4 AZUL

WT10 AMARILLO

WT20 ROJO

WT30 VIOLETA

(39)

WZ3 MARRON

WZ8 BLANCO

WL10 NEGRO

WC20 GRIS

Tabla I.1.-Tipos de electrodos[9].

NOTA: Los electrodos compuestos tienen indicado un segundo anillo de color rosa.

I.5.2.- Condiciones de utilización

Si la intensidad de corriente es demasiado baja, el arco es errático e inestable y existe el riesgo de tener proyecciones de tungsteno. El empleo de una intensidad elevada permite obtener un arco perfectamente estable y una mejor concentración del calor, pero este valor está limitado. En efecto, si la intensidad es demasiado elevada, se produce un calentamiento excesivo y una fusión de la extremidad del electrodo: partes de tungsteno caen sobre el baño de fusión y el arco se convierte en errático e inestable.

El valor de la intensidad de corriente de soldadura está limitado por las condiciones de utilización y el ángulo de afilado del electrodo, a una influencia sobre la corriente límite. Para un diámetro dado, un ángulo de afilado más obtuso es recomendado para fuertes intensidades.

(40)

cobre y el acero son, en este sentido, menos sensibles, y puede cebarse el arco tocando con el electrodo a la pieza, teniendo siempre presente que tampoco aquí el electrodo puede tocar el baño.

I.5.3.- Forma de los electrodos

La punta del electrodo juega un papel importante sobre la estabilidad del arco y la penetración de la soldadura. En corriente alterna, el extremo de un electrodo debe ser hemisférico; en el caso de que se forme una gota, es porque la densidad de corriente límite ha sido sobrepasada. Empleando tungsteno, raramente se llega a obtener una forma hemisférica, y si la densidad de corriente es excesiva, el extremo se convierte en irregular.

En corriente continua, los electrodos deben ser puntiagudos, sobre todo si la densidad de corriente es débil; cuanto más agudo es el ángulo, más grande es la penetración. La altura de la punta debe ser en principio 1,5 veces el diámetro del electrodo. Esta forma cónica se obtiene por amoladura, pero la forma de la punta se hace libremente bajo la acción del arco. Puede darse el caso de que la superficie del cono de un electrodo en tungsteno esté insuficientemente pulida, lo que provoca inestabilidad de arco; en ese caso, basta con aumentar la intensidad de la corriente durante un corto instante, para obtener una superficie perfectamente lisa.

(41)

Figura I.8.-Tipos de punta de los electrodos [10].

En el caso de la figura A, el electrodo está bien afilado y sano, ha sido utilizado en corriente continua, en condiciones de intensidad normales. El afilado en cono sin punta, permite tener un arco puntual estable, bien centrado.

En la figura B, la punta del electrodo se ha fundido bajo la acción de una intensidad demasiado elevada. La punta se ha deformado y el arco está vagabundo y mal dirigido, ya que la bola de metal oscila durante la soldadura, que se convierte en difícil o imposible.

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En la figura D, se han soldado aleaciones ligeras con un electrodo y una intensidad demasiado baja, de manera que la bola en el extremo del electrodo no se ha formado. Es preciso aumentar la intensidad, o el arco será errático.

En la figura E, el electrodo se ha afilado con demasiada punta; sucederá un desgaste rápido, puesto que la punta debe soportar intensidades de corriente demasiado elevadas, con lo que se fundirá y habrá inclusiones de tungsteno en la soldadura.

I.6.- Secuencia de un equipo de soldadura TIG

La secuencia de un equipo de soldadura TIG es controlada por un circuito electrónico que activa secuencialmente los elementos de la máquina salida de gas, corriente de soldadura y velocidad de hilo.

La secuencia se puede distinguir con los siguientes tiempos:

a) TIEMPO DE PRE-GAS: es el tiempo que transcurre desde que se da la orden de inicio de soldadura y el inicio propiamente dicho. Durante estos instantes, fluye gas hacia la zona a soldar, con el fin de crear la atmósfera protectora necesaria para el inicio del arco.

b) TIEMPO DE DESCENSO DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (SLOPE UP): una vez iniciado el arco, durante este tiempo, la intensidad crece paulatinamente hasta alcanzar el nivel final de intensidad soldadura predefinido.

(43)

d) TIEMPO DE POST-GAS: es el tiempo que transcurre desde que se ha extinguido el arco hasta que deja de fluir gas, esto es recomendable para proteger la zona de soldadura hasta que su temperatura descienda por debajo de valores peligrosos.

NOTA: No todos los equipos disponen de estos ajustes; además, muchos de ellos, aunque se hallen disponibles en el equipo, no son regulables por el usuario, sino que vienen preprogramados por el fabricante.

En equipos algo más sofisticados, se ha ido incorporando últimamente, un mando que permite seleccionar al usuario, lo que se conoce con el nombre de "DOS TIEMPOS/CUATRO TIEMPOS", es decir, 2t/4t. En los apartados siguientes, se muestra el diagrama de secuencia de cada uno de los modos indicados.

I.6.1- Secuencia 2tiempos

(44)

Figura I.9.-Diagrama secuencia 2tiempos.

t1: Pre-gas

t2: Tiempo desde que entra en funcionamiento el sistema de cebado y se produce

realmente éste.

t3: Tiempo de SLOPE UP

t4: Tiempo de SLOPE DOWN

t5: Tiempo de post-gas

INTENSIDAD t2

t3

t1

A.F.

GAS

ORDEN DE MARCHA

(45)

I.6.2- Secuencia 4tiempos

En modo de secuencia 4t, el soldador controla en todo momento los tiempos de pre-gas y post-gas. El diagrama se representa en la siguiente figura:

Figura I.10.-Diagrama SECUENCIA 4tiempos.

I.7.- Método operativo de la soldadura TIG

Para que una soldadura TIG sea regular y compacta, es necesario que los bordes hayan sido preparados con estricto apego. Si por ejemplo, están oxidados, es preciso mediante algún método mecánico eliminar este óxido. Las piezas deben estar perfectamente exentas de

INTENSIDAD

t3

t1 t4 t5

GAS SEÑAL DE ALARMA

(46)

partículas grasas: para ello, será preciso proceder a un desengrasado y posteriormente a un decapado mecánico. En este caso, los bordes se presentan en la posición que deben ocupar en soldadura debiendo ser inmovilizados bien por puenteo o por otros métodos. El puenteo se efectúa bajo argón a una intensidad relativamente baja, teniendo la precaución de dejar siempre enfriar el punto de soldadura con flujo de gas protector después de la extinción del arco y poniendo en acción la protección. Asimismo, la separación entre piezas debe ser muy regular, lo que se obtiene utilizando dispositivos de posicionamiento.

La forma de los chaflanes y la separación entre piezas varía según la naturaleza del metal a ensamblar y de su espesor.

Debe indicarse que el empleo de soldadura TIG ha sido limitado frecuentemente al espesor de 6 mm en dos o tres pasadas. Lo más corriente es que, si el espesor es superior a 4 mm, el proceso TIG se emplee para la primera pasada y el relleno de la junta se realice enseguida mediante proceso MIG o electrodo revestido.

(47)

I.7.1.- Disipación térmica

La energía calorífica se distribuye por la antorcha de manera uniforme a lo largo de toda la junta y por tanto, es necesario que se disipe de manera no menos uniforme; es indispensable antes de empezar a soldar, preocuparse de cómo se hará esta distribución de calor. En general es preferible canalizar el calor en direcciones perpendiculares a la junta soldada.

Para realizar prácticamente esta distribución de calor, se considerará la colocación de unos soportes al revés con un material poco conductor de la temperatura, mientras que los órganos de ajuste superiores serán, por el contrario, buenos conductores. Estas precauciones son sobretodo necesarias para espesores bajos.

I.7.2.- Método de soldadura

Las soldaduras deben realizarse al abrigo del viento. Debe ser un trabajo preciso y la longitud del arco debe mantenerse constante. Es muy importante que el extremo de la varilla de aporte no se salga en ningún momento de la protección del flujo de gas; en caso contrario, este extremo se oxidaría y se producirían inevitablemente inclusiones de óxido en el baño. Después de la ejecución de la soldadura, la junta debe limpiarse. Un martilleo en caliente es susceptible de mejorar ligeramente la resistencia mecánica de la junta.

I.7.3.- Modo operativo

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Figura I.12.-Secuencia del proceso[12].

Si por causa de una longitud de arco demasiado grande o por una corriente de aire, el oxígeno del aire llega a tener contacto con el electrodo, éste se llena de una capa blanquecina de óxido de tungsteno. En este caso, es imprescindible interrumpir la soldadura (con post-gas) y reponer el electrodo.

Varios factores esenciales en la soldadura TIG, dependen de la apreciación del soldador:

(49)

la corriente de soldadura debe pasar del valor máximo admisible por el electrodo, valor que dependerá del diámetro y su composición.

2) La longitud del arco: debe ser pequeña y constante. Se trata de una de las dificultades del proceso y sin duda, la que exige más entrenamiento.

3) La velocidad de avance: en soldadura manual, se escogerá de manera que se halle entre un máximo, que dará un cordón no-penetrado y un mínimo, que proporcionará un gran cordón y una gran cantidad de calor a la pieza (deformaciones más elevadas).

4) El volumen de metal de aporte por unidad de longitud de soldadura: soldando hacia la izquierda, el soldador conserva una buena visibilidad del baño, lo que le permite, bien actuando sobre el movimiento de la varilla o bien actuando sobre la velocidad de avance de la antorcha, regular a voluntad el volumen del baño. Debe esforzarse en mantener una soldadura brillante y regular, sin sobre-espesor notable. Para dosificar la cantidad de metal de aporte, el soldador se guía del aspecto del cordón, que debe tener un volumen suficiente y presentar una superficie regular sin regueros, y sin sobre-espesor excesivo.

En la soldadura con ángulo interior en posición cornisa, la antorcha se dirigirá un poco más hacia la pieza superior que hacia la inferior, con el fin de facilitar el mantenimiento del baño de fusión.

(50)

I.7.4.- Soldadura de metales diferentes

A menudo, en una construcción, se da el caso de tener que soldar dos metales o aleaciones de naturaleza diferente. Esto no es siempre posible, ya que pueden formarse, en la zona de unión, compuestos intermedios frágiles. A continuación se muestra una tabla donde aparecen las diferentes posibilidades existentes para unir metales distintos. Tómese como orientación, aunque cabe decir que cada caso deberá ser examinado exhaustivamente:

(51)

Los diversos metales diferentes tienen conductibilidades caloríficas diferentes. El soldador deberá en todo momento, dirigir el arco con preferencia hacia el metal más conductor y, según el caso, hasta pre-calentarlo.

1.8.- Planteamiento del problema

El propósito de esta investigación, es analizar el comportamiento del NiTiNOL, al fundirse con el acero inoxidable, por medio del proceso de soldadura TIG, el cual fue elegido debido a las condiciones requeridas para unir dichos materiales. Se seleccionaron éstos materiales por sus características de compatibilidad y temperaturas de fundición, ya que él NiTiNOL es un material inteligente y es parte de las nuevas tecnologías para la unión de recipientes y estructuras, en donde la principal falla ocurre en la unión soldada, también llamada ZAC (Zona afectada por el calor). Este análisis se realizará por el método de transferencia de calor, para posteriormente realizar un modelo matemático, para definir las variables del proceso, para comenzar con análisis numérico, por medio del Método de Elemento Finito, a través del programa de ANSYS. Con la finalidad reobtener resultados que avalen las secuelas obtenidos por otros trabajos, que realizaron la prueba física de la unión e hicieron pruebas metalográficas para explicar dicho comportamiento y determinar un tratamiento térmico que nulifique o disminuya las fallas en la unión soldada.

1.9.- Sumario

(52)
(53)

Capítulo II

Generalidades de los

materiales a unir

(54)

II.1.- Aspectos generales

El origen de los materiales con memoria de forma y la aplicación de ellos en forma general dentro de las nuevas tecnologías, resulta de gran importancia, no obstante describir sus características, así como su comportamiento al momento de ser empleados, particularmente indicando el porque, de la necesidad de unir un material inteligente como el NiTiNOL con un material común y como el acero inoxidable 304, y analizar la unión de dichos materiales por medio del proceso de soldadura TIG.

En esta parte analizaremos cada una de las características de los materiales a unir y como se lleva a cabo la unión de éstos materiales, indicando cada parte del desarrollo del proceso en la realidad. La aleación NiTi (46 % níquel y 45 % titanio) es un metal con memoria que no se deforma al doblarse sino que recupera su forma recta original.

II.2.- Materiales con memoria de forma

A inicios del siglo XX, el desarrollo de materiales con nuevas y mejores propiedades, dio origen a nuevas aleaciones, de entre las cuales hay una que sobresale a las propiedades comunes, la llamada “memoria de forma” [14].

Los materiales con memoria de forma, presentan un comportamiento mecánico distinto a los metales convencionales utilizados en la industria y corresponden a una clase de aleaciones metálicas que, ante la acción de cambios de temperatura o cargas aplicadas, pueden experimentar deformaciones más allá del rango lineal y después recuperar su forma original.

(55)

• El nuevo paradigma en la ingeniería: los materiales estructurales serán reemplazados por materiales funcionales.

 Un material puede ser inteligente en el sentido de que puede dar la misma respuesta ante un cambio particular; sin embargo, hay otros con capacidad de aprendizaje.

 A nivel simple, un material inteligente es aquel que responde a su medio.

 Se desea que un material inteligente tenga respuestas abruptas y pronunciadas.

 La inteligencia tiende a ser una cuestión de grados.

Estos materiales son generalmente deformados a temperaturas bajas, retomando su forma original de manera espontánea una vez que son calentados. Estas aleaciones presentan el efecto de memoria de forma debido a la transición entre fases “padre” y “producto”.

Este fenómeno presenta dos casos bien definidos, memoria en un “sentido” o en dos “sentidos”, siendo el primer caso el más utilizado. Una forma simple de visualizar este fenómeno, se muestra en la siguiente figura II.1

(56)

Figura II.1.-Efecto de memoria de forma de un “sentido”

En esta figura se muestra el efecto de memoria de forma en un sentido, de cómo parte el material de su carácter original y al aplicarle una fuerza para deformarlo, éste cambia su perfil pero conserva sus propiedades y al dedicarle calor por cualquier medio, se observa como el material regresa a su posición original, sin que rebase su zona plástica.

II.2.1.- Origen de los materiales con memoria de forma

La primera observación de la que se tenga conocimiento, fue la de Chang y Read en 1932[15]. Estos investigadores notaron cierta reversibilidad de la aleación de Au-Cd. En 1938 la transformación Cu-Zn, fue observada por los mismos investigadores, notando el mismo efecto que la aleación anterior.

Forma original

Deformación

en frió Remover Fuerzas Aplicar Calor

Deformación Plástica

(57)

En el año de 1964, en la aleación Cu-Al-Ni, se encontró la relación entre el fenómeno de memoria de forma y la transformación martensítica, lo cual es la base para comprender el fenómeno al momento de realizar un estudio metalográfico.

De 1969 a 1973, diversos investigadores en todo el mundo, descubren los efectos en las aleaciones: Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Au-Zn, Cu-Zn-Al, Ni-Al y Mn-Cu.

A partir de 1975 se encontró un grupo importante de aleaciones de memoria de forma, las ferrosas, como la de Fe-Mn (Fierro-Magnesio) y Fe-Mn-Si (Fierro-Magnesio-Silicio). Estas aleaciones presentan una mejor maquinado y menores costos de manufactura que las anteriores, aunque la capacidad de deformación en frío es menor [16].

II.2.2.-Origen del NiTiNOL.

En 1962, mientras buscaban una aleación no corrosiva en el Naval Odinance Laboratory (NOL) en Estados Unidos, un equipo encabezado por el científico norteamericano Buehler, observó los efectos en el NiTi y lo llamo NiTiNOL [17].

(58)

Los grandes avances en este campo, se han dado básicamente en el Japón, Rusia, Reino Unido y los Estados Unidos. Rusia es el gran productor de aleaciones de NiTi, como materia prima procesada.

II.3.- Características del NiTiNOL.

Las aleaciones con memoria de forma más conocidas son las aleaciones de niquel-titanio, cuyo nombre comercial es NITINOL, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA (Shape Memory Alloy), se hace pasar una corriente eléctrica hasta calentarlo a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su longitud. Si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus aplicaciones están extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia, etc. En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos artificiales, resortes, tiradores y como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras, sistemas de unión y separación controlados, etc.

II.3.1- Propiedades mecánicas del NiTiNOL.

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Propiedad NiTiNOL

Recuperación de la elongación 8%

Biocompatibilidad Excelente

Módulo efectivo Aproximadamente 48 GPa

Torqueabilidad Excelente

Densidad 6.45 g/cm3

Magnetismo No

Esfuerzo último a la tracción Aproximadamente 1240 MPa Coeficiente de dilatación térmica 6,6 a 11,0 cm/cm/°C

Resistividad 80 a 100 micro-Ohm cm

TABLA II.1.-Propiedades mecánicas del NiTiNOL [18].

II.3.2-Propiedades fisicoquímicas del NiTiNOL

El NiTiNOL es un material intermetálico de color blanco brillante, ligero de alta resistencia mecánica, el cual esta constituido en peso por 55% de Níquel y 45% de Titanio, y en ocasiones se le agregan otros elementos que modifiquen las propiedades del material.

Es considerado también como una aleación con mayor aplicación de todos los que poseen la característica del efecto de memoria de forma, lo cual se debe a que tienen una mayor capacidad de memoria (hasta un 8%), son más estables térmicamente, excelente resistencia a la corrosión, buena resistividad eléctrica, y se pueden alear y extruir con facilidad y además tienen un rango mayor de posibles temperaturas de transformación.

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II.3.3- Comportamiento superelástico-memoria de forma

Las SMA tienen dos tipos de comportamientos especiales, que en realidad son dos expresiones del mismo fenómeno. La memoria de forma y la súper elasticidad. En ambos casos, el comportamiento es el producto de una transformación de fases sin difusión, de tipo martensítica, en el que el orden a primeros vecinos no se pierde. Estrictamente hablando, el orden sí se derrocha, lo que no se pierden son los átomos vecinos. Si en un estado, un átomo tiene un grupo de primeros vecinos, su posición en el segundo estado es diferente, pero los vecinos no cambian[19].

Una forma de ver este efecto de memoria de forma es: el material en principio se encuentra en su fase de alta temperatura. Al descender la temperatura, se produce la transformación a martensita. Si el material ahora es deformado, dicha distorsión se produce por maclado, es decir, nuevamente el orden a corto alcance no se pierde y los primeros vecinos siguen siendo los mismos como se observa en las siguientes figuras,[II.2,II.2a,II.2b,II.2c,]

Efecto de los elementos de aleación sobre el diagrama de equilibrio del titanio.

(61)

Figura II.2.a.-Titanio con un metal neutro[20].

(62)

Figura II.2c.-Titanio con un metalβ-estabilizante eutéctico[20].

Cuando la temperatura del material aumenta nuevamente, el material retoma la fase de alta temperatura con la forma que tenía antes de la deformación. Si este mismo proceso se mira en un gráfico de tensión contra deformación, luego del enfriamiento, en una primera etapa, el comportamiento es lineal que da cuenta de un comportamiento elástico. Alcanzada una tensión crítica, la deformación continúa sin aumento de tensión o con una ampliación de tensión muy suave.

En una tercera etapa, luego de alcanzada una deformación crítica, la tensión comienza nuevamente a aumentar de forma lineal con una pendiente similar a la que mostraba en un principio.

(63)

depende de la aleación y los tratamientos térmicos, encontramos que ya no queda deformación y la probeta se encuentra en sus dimensiones originales. A este comportamiento se lo conoce como “Memoria de Forma”.

En el mismo tipo de aleación pero con tratamientos termo mecánicos diferentes o, con el agregado de muy pequeñas cantidades de aleantes, puede suceder que en el ensayo de tracción, a temperatura ambiente. Al igual que en el caso del comportamiento de memoria de forma, también aquí vemos como a partir de alcanzado una cierta tensión, la deformación continua sin aumento significativo de la tensión. Solo que en este caso, al relajar la tensión, vemos un lazo de histéresis que concluye con una deformación permanente casi nula. A este comportamiento de deformación aparentemente plástica que luego se recupera por completo se la llama “Súper Elasticidad” o “Pseudo plasticidad”[21].

II.4- Aplicación del NiTiNOL en la soldadura.

El soldar puede ser una técnica eficaz para ensamblar NiTi, al acero inoxidable y a otros materiales. Sin embargo, un flujo apropiado debe ser seleccionado, para que inhiba la formación de los óxidos superficiales durante el proceso de la unión.

Con el procedimiento adecuado y materiales de alta calidad, la soldadura con NiTiNOL ha llegado a ser un proceso de rutina, sin embargo la unión soldada entre NiTiNOL y otros metales, incluyendo el acero inoxidable, presentan mayor dificultad. Esto es consecuencia del Titanio, el cual forma fases intermetálicas frágiles con la mayoría de los metales. En el caso de los metales férreos, se forman fases intermetálicas Tt-Fe y TiFe2.La unión entre NiTiNOL y

(64)

II.4.1- Ventajas del NiTiNOL en la soldadura

La versatilidad, la resistencia a pruebas mecánicas y su sencillez de ejecución, permite a la soldadura imponerse a otro tipo de uniones. Sólo cuando se hay necesidad de desmontaje o ligereza, son preferibles por este orden las uniones atornilladas y adhesivas.

Las técnicas comúnmente conocidas deSoldadura mediante Gas CombustibleoArco eléctrico

han sido desplazadas en algunas aplicaciones en detrimento de otras técnicas más avanzadas.

Ventajas dentro de la soldadura  Flexibilidad

 Súper-elasticidad

 Capaz de absorber hasta un 8% de la tensión recuperable.  Fuerte: 35.000 a 100.000 psi. de fuerza ejercida.

 Dúctiles: alargamiento hasta ruptura arriba del 25%.  Biocompatibles y extremada resistencia a la elongación.

II.4.2-Características de los aceros inoxidables

(65)

II.4.3- Clasificación de los aceros inoxidables según AISI

Los aceros inoxidables son designados por el sistema de clasificación de 3 números, establecidos por la “American Iron and Steel Institute” (AISI)

Figura II.3.-Clasificación de los aceros inoxidables según AISI

SERIES MAYORES ELEMENTOS ALEADOS CARACTERÍSTICAS

2XX Cr, Ni, Mn Austenítico. No endurece

3XX Cr,Ni Austenítico. No endurece

4XX Cr Martensítico. Sí se endurece

Ferretítico. No se endurece

5XX Cr (4 a 6 %) Martensítico. Se endurece

Tabla II.2.-Características de metales aleados[23]

Aceros

Inoxidables

Aceros Inoxidables

Martensíticos

Aceros Inoxidables

Ferríticos

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II.4.4-Soldadura bajo gas protector con electrodo no consumible de tungsteno. TIG

El método denominado TIG, (descrito en el capítulo anterior) es conocido en inglés como

GTAW (Gas Tugsten Arc Welding). Este procedimiento utiliza como fuente de calor un arco

eléctrico que salta entre el electrodo de tungsteno y la pieza a soldar, mientras una atmósfera protectora de gas inerte protege al baño de fusión. La alta densidad de corriente eléctrica producida por este proceso hace posible soldar a mayores velocidades que con otros métodos. El resultado final es excepcional con este método pero la calidad de la soldadura depende del control de diferentesparámetros yajuste del equipo:

1. Intensidad de corriente.

2. Elección del tipo de tensión: alterna o continúa. 3. Control de la temperatura.

4. Aportación del metal base apropiado. 5. Punta del electrodo en perfecto estado. 6. Limpieza absoluta.

Comparando diferentes procesos de soldadura TIG con atmósfera de argón o de helio podemos establecer diferencias, que citaremos a continuación:

 El uso de fundentes en combinación con argón o H2 mejora la penetración del cordón

de soldadura.

 La aportación de helio en combinación con argón o H2 mejora la penetración del

cordón de soldadura.

(67)

estas apreciaciones hay que evitar el uso de fundentes con una atmósfera en la que existe una proporción de H2, la combinación de fundentes y H2provoca porosidades en

el cordón de soldadura.

Se utiliza con metales activos, aleaciones ligeras y ultraligeras, además para unir aceros inoxidables y materiales no-ferrosos, y fue desarrollado inicialmente con el propósito de soldar metales anticorrosivos y difíciles de soldar.

Es de gran importancia conocer la intensidad de calor entrante y la temperatura de gradientes en la pieza de trabajo, para optimizar el proceso “GTW”. Además, el cociente entre calor eficaz al objeto y la energía eléctrica consumida, siendo de gran utilidad el dato, para aportar los parámetros suficientes de la corrida del programa.

II.5.-Unión de Materiales.

Con frecuencia, para armar o construir máquinas-herramienta, edificios u otras piezas metálicas, se requiere unir elementos individuales que conforman un total, para ello se emplean dos tipos de unión: una temporal, donde se utilizan se utilizan tornillos, pernos y pijas principalmente y la otra es permanente, como lo es la soldadora, la unión por productos adhesivos y remachados [24].

El desarrollo tecnológico ofrece mayor números de procesos a unión. La soldadura es la forma más eficaz y la única posible de unir dos o más piezas de metal para hacerlas actuar como una sola, por tal motivo el proceso de unión de metales por soldadura es de los más requeridos.

(68)

acción o serie de acciones progresivas e individuales, implícitas en el curso de producir un tipo básico de resultado”.

Ésta sociedad, ha agrupado a los procesos de acuerdo al “modo de transferencia de energía”, como primera consideración. Un segundo factor es la “influencia de distribución de calor, al efectuarse sobre el material de aporte”[25].

La influencia de distribución de calor, distingue a los procesos de soldadura, agrupándolos bajo soldadura blanda, soldadura fuerte, soldadura por arco, soldadura con gas, soldadura por resistencia, soldadura en estado sólido y otros procesos de soldadura.

II.5.1.- Transformaciones sin difusión.

(69)

(ya no en el caso del acero, sino en general), cuando calentamos la aleación, y se supera una temperatura As (austenite start) la aleación comienza a transformar a la fase primaria, o de alta temperatura y termina de transformar cuando se supera una temperatura Af (austenite finish) o lo que es lo mismo, cuando la temperatura es mayor que Af toda la aleación se encuentra en la fase primera de alta temperatura [26].

11.6.- Sumario

Para analizar el comportamiento del material con memoria de forma NiTiNOL, dentro del proceso de soldadura, es importante conocer sus características de dicho material y la importancia que resulta unir este material inteligente con el acero 304 y a su vez para determinar la cantidad de calor que fluye en la unión de entre materiales, y posteriormente analizar su comportamiento.

(70)

Capítulo III

Modelo matemático de ZAC

de la soldadura TIG

(71)

III.1.- Aspectos generalidades.

La termodinámica trata de la cantidad de transferencia de calor a medida que un sistema pasa por un proceso de un estado de equilibrio a otro, no hace referencia a cuánto durará este proceso.

En este capítulo se mencionan los métodos básicos para la transferencia de calor fundamental de la termodinámica, y se plantea un modelo matemático, mismo que forman el armazón para entender el problema. A continuación, se presentan los tres mecanismos básicos de la transferencia de calor: la conducción, la convección y la radiación, y se discute la conductividad térmica. La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de la interacción entre ellas. La convección, es el modo de transferencia de calor entre una superficie sólida y el líquido o gas adyacentes que están en movimiento y comprende los efectos combinados de la conducción y del movimiento del fluido. La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas (o fotones), como resultado de los cambios de las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas.

III.2.- Análisis termodinámico del problema

Un análisis termodinámico se interesa en la cantidad de transferencia de calor conforme un

sistema pasa por un proceso, de un estado de equilibrio a otro. La ciencia que trata la determinación de las razones de esas transferencias de energía es la transferencia de calor[24]. La transferencia de energía como calor siempre se produce del medio que tiene la

Figure

Figura I.1.- Descripción del proceso TIG [4].
Figura I.3.- Curva característica del arco [6].
Figura I.8.- Tipos de punta de los electrodos [10].
Figura I.9.- Diagrama secuencia 2tiempos.
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Referencias

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