Las variables que determinan la penetración de soldadura GTAW son:

Transcripción

1 Resumen En el presente trabajo de investigación se analizaron los modelos matemáticos existentes para la optimización de procesos de soldadura GTAW (TIG) y Brazing (fuerte) [1] se establecieron, otra variable de importancia que es viscosidad. Se realizó cálculo matemático para el proceso GTAW (TIG), donde el material de aporte era NItinol y de base de Acero Inoxidable Austenitico. También se hizo los mismos cálculos para el proceso Brazing (fuerte) en material de Base Titanio Grado Uno y de Aporte Nitinol. En ambos casos se hizo atención en la viscosidad del material de aporte. Esta variable es de gran importancia porque permite definir la máxima temperatura para fluidez del material, con el propósito de evitar poros y grietas en la unión soldada. Además de fluidez de material de aporte, sabiendo la temperatura máxima y permisible para los diferentes procesos de soldadura, da pauta, que el material base no se funde. Las variables que determinan la penetración de soldadura GTAW son: - Polaridad del aveo - Corriente eléctrica - El gas protector - Temperatura - Tamaño de pieza a soldar - Conductividad térmica del material - El punto de fusión del material de la pieza - Velocidad de avance de soldadura - Viscosidad del material de aporte [3] para optimizar el proceso de Soldadura TIG con el modelo matemático, se realizo calculo de las siguientes variables. - La energía Calórica por unidad de longitud. - La energía Específica Entrante - Longitud de charco de soldadura - Difusividad Térmica - Viscosidad del material de aporte Tomando en cuenta los resultados del calculo de los procesos GTAW (TIG) y Brazing (fuerte). La diferencia existía que para el proceso GTAW (TIG) se utilizo el material Base de Acero Austenitico y para el proceso Brazing (fuerte) Titanio Grado Uno, pero de aporte en ambos casos fue tomado (material con memoria de forma que es nitinol) I Se debe mencionar, que dichos materiales fueron escogidos por las siguientes razones: Acero inoxidable austenitico, se utilizan en la industria medica, química, alimenticia. Se aplica la soldadura para obtener recipientes de transportación entre otros fines. El titanio Grado Uno, cada día tiene mas aplicación, sustituyendo los materiales tradicionales entre estos se en cuenta, la industria marítima, de aviación, medina, alimenticia, petroquímica, entre otros, y también se requiere en los procesos de soldadura. III Posterior de los procesos de soldadura se realizo tratamiento térmico de las probetas obtenidas.

2 Con apoyo de diagramas de equilibrio de los materiales utilizados se definieron los regímenes de tratamiento térmico, por cada proceso se realizaron los experimentos en 15 probetas en promedio, en unos aspectos fueron mas probetas. Se realizo estudio metalográfico y análisis mecánico. [2] Los resultados de los experimentos se informan en las tesis de estudiantes de postrado. El proyecto se reporta concluido, porque los objetivos y las metas propuestas se lograron. Los resultados de los experimentos fueron satisfactorios, aunque dejaron nuevas incógnitas para resolver en los siguientes trabajos [2] [3] Introducción El propósito de la presente investigación es desarrollar la tecnología de aplicación de los materiales de memoria de forma para ofrecer a la industria nacional. Los primeros materiales de memoria de forma fueron descubiertos en los años 60`y entre ellos se encuentra NiTi, que se llama Nitinol. Ahora existe muchos nuevos materiales de memoria de forma, como no ferrosos y también los no ferrosos. La aplicación de dichos materiales encontró muy amplia gama en varias industrias así como: Automotriz, petroquímica, medicina, aeronáutica, naval entre otras. Los materiales se llaman inteligentes o con memoria de forma porque tienen su principal característica mecánica que es súper-elasticidad El fenómeno de súper elasticidad se explica que la red cristalográfica de fase martensita se encuentra en estado maclado. Esto significa, que el elemento mecánico, manufacturado del material de memoria de forma, bajo cargas mecánicas se deforma y la red cristalográfica de la fase maternita maclada se transforma a la clase austinítica no maclada, con la red cúbica centrada en las caras, pero si se aplica la energía externa, que puede ser cambio de temperatura, aplicación energía eléctrica o carga mecánica la fase austenítica se transforma otra vez a la fase martensítica con red cristalográfica maclada. Este fenómeno explica la súper-elasticidad del materia [4]. En pocas palabras, el elemento mecánico manufacturado del material de memoria de forma, a pesar de las deformaciones producidas bajo cargas mecánicas, se recupera su forma inicial con aplicación de energía externa y sigue trabando igual, como antes de la deformación. Las empresas transnacionales, que están ubicadas en el directorio nacional, utilizan los elementos mecánicos manufacturados del material de memoria de forma, pero hechos con la tecnología del país de origen. Aplicación de dichos elementos se puede encontrar en la industria, naval, aeronáutica, automotriz, entre otras. En el Japón se desarrollaron los edificios inteligentes [5]. Son aquellos que se deforman en el momento de temblor, pero se logran recuperar su estado inicial. Es claro, que un edificio se construye con aplicación de soldadura, y por eso los japoneses se desarrollaron aplicación de material de memoria de forma para utilizar en la soldadura. El sector industrial en México no cuenta con la tecnología necesaria para aplicación de los materiales de memoria de forma[6].

3 El presente trabajo de investigación, pretende desarrollar la tecnología de aplicación de dichos materiales en la industria para ofrecer al sector empresarial. Para desarrollo de la presente investigación sobre soldadura, se seleccionaron los materiales de base, el titanio grado uno y acero inoxidable austenítico. Estos materiales fueron seleccionados por ser comúnmente utilizados en las industrias, aeronáutica, naval, petroquímica, alimenticia entre otras. Como material de aporte fue seleccionado Nitinol[7]. Esta aleación fue seleccionada, por tener la composición química y propiedad mecánica más cercana a los materiales seleccionados como base. En la bibliografía que llega a manos de los investigadores incluyendo Internet no se logra obtener suficiente información. Falta conocer comportamiento de material de memoria de forma en la soldadura, su cambio estructural, cuales son efectos y como se puede cambiar posterior de la soldadura. Todas estas incógnitas, no tienen respuesta. Por esta razón es necesario continuar para ofrecer a la industria mexicana aplicación de nuevos materiales, aprovechando sus excelentes propiedades mecánicas[8]. BIBLIOGRAFIA 1.- XXXIII Simposio Nacional de Siderurgía. Cede; Instituto Tecnologico de Morelia Rogríguez Miramontes Jorge 2.-1er. Congreso de Ingenierías Mecânica, Eléctrica, Electronica y Mecátronica (CIMEEM) Universidad Autonoma Metropolitana 2006 Analisís de Transformación de fase de la Unión Soldada con Proceso Brazing 4º Congreso Internacional de Ingeniería Electromecanica y de Sistemas Instituto Politecnico Nacional 2005 Efecto del tratamiento Térmico en la Estructura y Dureza del Proceso Soldadura Brazing (fuerte) donde el Material Base es Titanio Grado Uno y de Aporte Nitinol Benitez Barrera Juan José 3.- XI Congreso Latinoamericano de Transferencia de Calor y Materia 2006 Analisis Matemático del proceso GTAW con Material de Base AISI 304 y Aporte Nitinol Instituto Tecnologico y de Estudios Superiores de Monterrey 2006 Elias Espinosa Milton Carlos 4.- C. M. Wayman and, T.W. Duering. An Introducción To Mertensite An Shape Memory Ed. Departamient de Ciencia de Materiales Universidad de Illinois y Ray Chem Corporation, Estados Unidos de America año M. Fremond and S. Miyazaki. Shape Memory Alloys

4 Ed. Springer Wien New York International Centre For Mechanical Sciences (29 de junio de 2006) (29 de junio de 2006) 8.- C. V. Goncalves. Estimation of heat source and thermal efficiency in GTAW Process by using inverse techniques. Journal of Materials Processing Technology 172 (2006) Métodos y materiales Seleccionaron los materiales para el trabajo de investigación Titanio grado uno y acero inoxidable como materiales de base. Estos materiales tienen gran utilidad en la industria naval, aeronáutica, petroquímica, entre otros. En todas estas industrias la manufacturación de los elementos mecánicos se lleva a cabo con aplicación de los procesos de soldadura como material de aporte se selecciona Nitinol (NiTi). Porque esta aleación por sus características y propiedades mecánicas es más cercana a los materiales seleccionados como de base posterior de la selección de los materiales, se analizo las bibliografías existentes sobre sus propiedades mecánicas metalúrgicas y se elaboraron las probetas, los cuales fueron soldados. Las probetas, para soldadura fuerte fueron sometidas en un crisol moldeado con material refractario del tipo Plastilex. El experimento se llevo a cabo en un horno, el cual se le adapto una bomba de vacío, debido a la afinidad del titanio con la atmósfera (oxigeno e hidrogeno) [1 (70)]. El horno es de la marca Undberg/blue, modelo: CC59256P COMC-1, alimentación eléctrica de 208/240V, frecuencia 50/60 Hz, corriente 30 A. a una fase, temperatura máxima de 1700ºC. Para la aplicación de la soldadura fuerte (brazing) se utilizaron: el titanio grado uno como material base y Nitinol aporte. Las temperaturas seleccionadas fueron: 1360, 1380 y 1440ºc Método de aplicación El tipo de soldadura a realizar es el denominado a tope, la metodología se presenta a continuación:

5 1. Se colocaron las piezas, consecutivamente, dentro de la cavidad del molde. La separación de la raíz seleccionada es de 2.5 mm, con esta, se asegura un ángulo de contacto de 36.39º, y por lo tanto, un excelente mojado. 2. Este molde se introduce dentro del tubo del horno. 3. Se acciona la bomba de vacío hasta 0.13 MPa. 4. Se calienta el horno hasta alcanzar una temperatura seleccionada. Las temperaturas seleccionadas son T 1 =1360ºc, T 2 =1380ºc y T 3 =1410ºc. 5. Alcanzada la temperatura se deja transcurrir el tiempo o ciclo térmico calculado. El ciclo térmico para una temperatura de 1360ºc es de 0.257s, para 1380ºc es de 0.249s. Como el ciclo térmico es muy pequeño se dejó el tiempo de permanencia en el horno para los tres casos de 1 segundo. 6. Se apaga el horno y se deja enfriar. 7. Posterior, al enfriamiento se retira el molde del horno y se extrae la unión soldada Estudio metalográfico. Posteriormente a la soldadura, se prepararon las probetas para su observación en el microscopio, para ello se tomaron en cuenta los siguientes pasos: 1. Pulir la superficie a espejo, es decir, libre de rayas, con ayuda de papeles abrasivos de diferentes grados, agua, paño, alúmina y químicos para la limpieza del paño. 2. Aplicación del ataque químico de la superficie para revelar la microestructura. 3. Observación de la microestructura en el microscopio de campo claro y de barrido. 4. Captura y análisis de las fotografías en el ordenador. [71] Preparación de Probetas Se requiere pulir la superficie por medio de abrasivos en papel denominados lijas, por lo que, se utilizaron distintos grados. La secuencia de pulido de acuerdo al grado de cada lija fue la siguiente: 100, 120, 180, 320, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500 y Las lijas fueron montadas en desbastadores de tres tipos: 1. Desbastadora de banda plana automática. 2. Desbastadora de disco automática. 3. Desbastadora manual. Análisis mecánico Se procedió a realizar un análisis mecánico, el cual consistió en tomar la microdureza sobre la superficie de la probeta. Las variables tomadas en cuenta fueron: 1. El identador o penetrador. 2. La carga. 3. El tiempo de aplicación.

6 Preparación de probetas. Se realizo un desbaste fino superficial con lijas de grado 1000 y 1200, con la finalidad, de retirar los agentes químicos que revelaron la microestructura en la etapa anterior (observación anterior). El retiro del agente químico evita el daño del equipo para la medición de dureza, en especial, el identador. Es preciso, tomar en cuenta las mediadas de limpieza para lograr una excelente observación de la huella. El manejo de las probetas se efectuó con guantes de algodón. Tratamiento térmico Se aplicaron tres tratamientos térmicos con el fin de modificar la microestructura de las probetas. A continuación se describen los métodos de aplicación de los distintos tratamientos térmicos: Primer tratamiento Térmico: Temple 1. Calentamiento de la mufla para tratamientos térmicos a 1100 ºC 2. Introducción de la probeta al interior de la mufla. 3. Aplicación de la temperatura durante una hora. 4. Enfriamiento rápido en agua fría a 3 ºC. Segundo tratamiento Térmico: Temple 1. Calentamiento de la mufla para tratamientos térmicos a 1100 ºC 2. Introducción de la probeta al interior de la mufla con pinzas. 3. Aplicación de la temperatura durante dos horas. 4. Enfriamiento rápido en agua fría a 3 ºC. Tercer tratamiento Térmico: Recocido 1. Precalentamiento de la mufla para tratamientos térmicos a 200 ºC. 2. Introducir la probeta al interior de la mufla con pinzas. 3. Incrementar la temperatura 300 ºC cada hora y media, hasta llegar a 1100 ºC 4. Mantener la temperatura durante una hora. 5. Enfriamiento lento gradual dentro del horno, aproximadamente, 20 horas hasta llegar a 200 ºC. 6. Retiro de la probeta y enfriamiento a la atmósfera. Estructural Se prepararon nuevamente las probetas para su análisis metalográfico; se desbastaron, pulieron, atacaron químicamente, observaron y se tomaron las fotografías correspondientes. (con el procedimiento especificado anteriormente) Con el proceso GTAW (TIG) se realizaron los mismos procedimientos, la diferencia fue que en este caso material de base fue acero inoxidable y tratamiento térmico se prolongo hasta 30 horas. Se realizaron estudios de dureza y pruebas de tensión, posterior de soldadura y posterior de tratamiento térmico.

7 RESULTADOS de Trabajos realizados que son fotografías de estructuras, medición de dureza y pruebas de tensión están incluidos en las tesis de los alumnos que presentaron su examen de grado. CONCLUSIONES Los modelos matemáticos determinaron las principales variables de los procesos de soldadura BRAZING (FUERTE) Y GTAW (TIG). Además validar los resultados experimentales. El análisis metalográfico posterior de la soldadura demostró la presencia dendrítica en la unión soldada. El tratamiento térmico realizado demostró la transformación de las fases. En caso de soldadura brazing se precipitaron en la unión soldada la fase NiTi eutéctica y NiTi 2. Esas transformaciones indican la deformación de la red cristalográfica del metal de aporte lo cual modifica sus propiedades mecánicas. Debido a la deformación de red cristalográfica causada por dislocaciones atómicas de la formación entre compuestos entre metálicos material de memoria de forma, pierde sus principales características que superelasticidad. El cálculo de la longitud de charco de la soldadura, como mostró el radio efectivo de la distribución del calor con la energía específica entrante, con esta se puede obtener la eficiencia del proceso. El cálculo de la viscosidad permitió obtener una buena fluidez del material y así lograr una buena soldadura En caso de proceso GTAW (TIG) el tratamiento térmico a 40 y 80 hrs. el material de aporte recupero su dureza original en el centro del cordón de soldadura pero en la zona afectada por el calor la dureza alcanza 386 H.V. En los trabajos realizados no se logro que el material de aporte Nitinol, posterior de soldadura regresara su propiedad mecánica que es superelasticidad. Es decir, que a pesar que posterior de tratamiento térmico se obtuvo la fase martensita, pero no se logro que la red cristalográfica se presentara en su estado maclado. Por esta razón se requieren profundizar más investigación para lograr obtener que Nitinol se conserve sus propiedades mecánicas originales