301-2005-ESIME-ZAC-MAESTRIA-rodriguez-figueroa-ricardo

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. 
 
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA 
MECÁNICA Y ELÉCTRICA 
 
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE 
POSGRADO E INVESTIGACIÓN. 
 
 
 
 
TESIS 
 
ANÁLISIS MECÁNICO - METALÚRGICO 
DEL MATERIAL CON MEMORIA DE FORMA Ni-Ti (NITINOL) 
APLICADO EN LA SOLDADURA GTAW.” 
 
 
 
PARA OBTENER EL GRADO DE: 
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECÁNICA 
OPCIÓN DISEÑO. 
 
 
 
PRESENTA: 
ING. RICARDO RODRÍGUEZ FIGUEROA. 
 
DIRECTORA: 
M. EN C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA 
 
MÉXICO D.F. 2005 
 
 
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL 
COORDINACION GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACION 
 
 
CARTA SESION DE DERECHOS 
 
 
En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 14 del mes Octubre del año 2005 , el 
(la) que suscribe Ricardo Rodríguez Figueroa , alumno(a) del Programa de Maestría en 
Ciencias de Ingeniería Mecánica, opción Diseño, con número de registro B991177 adscrito a 
la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta 
que es autor(a) intelectual del presente Trabajo de Tesis bajo la dirección de la M. en C. Alla 
Kabatskaia Ivanovna, y cede los derechos del trabajo intitulado: “Análisis mecánico – 
metalúrgico del material con memoria de forma Ni-Ti (NITINOL) aplicado en la soldadura GTAW” 
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 
escribiendo a la siguiente dirección: ricardorf74@hotmail.com . 
Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente 
del mismo. 
 
 
 
 
 
 
 
 Ing. Ricardo Rodríguez Figueroa.. 
 Nombre y firma 
 
 
INDICE 
 
 
INDICE I 
INDICE DE FIGURAS V 
INDICE DE TABLAS VII 
RESUMEN VIII 
ABSTRACT IX 
INTRODUCCION X 
OBJETIVO XI 
JUSTIFICACIÓN XII 
 
 
CAPITULO I. ESTADO DEL ARTE. 1 
 
1.1 Materiales en el desarrollo tecnológico. 2 
1.1.1 Diversidad de materiales. 3 
1.1.2 Unión de los metales. 3 
 
 
1.2 Procesos de soldadura. 4 
1.2.1 Proceso de soldadura “Gas Tungsten Arc Welding” (GTAW). 4 
 
1.3 Fenómenos de la unión soldada con proceso GTAW. 6 
1.3.1 Estructura de la unión soldada. 6 
1.3.1.1 Proceso de solidificación de la soldadura. 6 
1.3.1.2 Comportamiento del metal base. 7 
1.3.1.3 Fenómenos químicos que ocurren en la zona de fusión. 8 
1.3.2 Fallas de soldadura. 8 
1.3.3 Tratamiento térmico posterior en las uniones soldadas. 8 
 
1.4 Materiales que se sueldan con proceso GTAW. 9 
1.4.1 Características de los materiales de aporte. 10 
1.4.2 Aplicación del titanio en la industria contemporánea. 10 
1.4.3 Aplicación de los nuevos materiales. 11 
 
 
CAPITULO II. GENERALIDADES SOBRE MATERIAL DE MEMORIA 12 
 DE FORMA. 
 
2.1 Materiales con memoria de forma. 13 
2.1.1 Principio de memoria de forma. 13 
2.1.2 Propiedades mecánicas de los materiales con memoria de forma 14 
 
2.2 Tipos de materiales de memoria de forma. 15 
2.2.1 Materiales metálicos. 16 
 
2.2.2 Materiales plásticos. 16 
2.2.3 Materiales cerámicos. 16 
2.2.4 Materiales ferromagnéticos. 17 
 
2.3 Aplicación de los materiales con memoria de forma. 17 
 
2.4 Características del NITINOL. 18 
2.4.1 Propiedades mecánicas. 18 
2.4.2 Propiedades fisicoquímicas. 19 
2.4.3 Aplicación del nitinol en la soldadura. 20 
 
 
CAPITULO III. METODOLOGIA DEL EXPERIMENTO 21 
 
3.1 Aplicación de la soldadura con proceso GTAW. 22 
3.1.1 Preparación de los materiales para realizar la soldadura GTAW. 22 
3.1.2 Definición del régimen de la corriente. 23 
3.1.3 Aplicación de la soldadura. 23 
3.2 Análisis metalúrgico de las probetas soldadas. 24 
 
3.3 Análisis de microdureza a las probetas soldadas. 26 
 
3.4 Aplicación del tratamiento térmico. 27 
3.4.1 Definición del régimen de temperatura. 27 
3.4.2 Determinación del enfriamiento. 28 
 
3.5 Análisis metalográfico posterior a cada tratamiento térmico. 29 
3.5.1 Preparación de la probeta. 29 
3.6 Análisis cuantitativo de fases. 29 
 
3.7 Análisis de microdureza posterior a cada tratamiento térmico. 29 
 
 
CAPITULO IV. DETERMINACIÓN Y CÁLCULO DE LAS VARIABLES 30 
 DEL PROCESO GTAW. 
 
4.1 Variables del proceso de soldadura GTAW. 31 
 
4.2 Definición del régimen de la corriente. 31 
 
4.3 Modelado matemático del proceso. 32 
4.3.1 Parámetros utilizados para la aplicación de la soldadura GTAW. 33 
4.3.2 Resultados del cálculo de energía producida en la soldadura. 34 
 
 
 
CAPITULO V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 35 
 
5.1 Aplicación de la soldadura con el proceso GTAW. 36 
5.1.1 Preparación de las probetas. 36 
5.1.2 Soldadura. 37 
5.1.3 Preparación de las probetas. 38 
5.1.4 Análisis microestructural de la soldadura. 42 
 
5.2 Tratamiento térmico para las probetas soldadas. 43 
5.2.1 Descripción del horno. 43 
5.2.2 Definición de la temperatura. 44 
5.2.3 Determinación del enfriamiento. 45 
 
5.3 Estudio metalográfico. 45 
 
5.4 Análisis de microdureza. 45 
5.4.1 Preparación de las probetas. 45 
 
5.5 Análisis cuantitativo de fases. 46 
 
5.6 Análisis de microdureza. 46 
5.6.1 Medición de la dureza. 46 
 
 
CAPITULO VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 48 
 
6.1 Resultados del cálculo. 49 
 
6.2 Análisis metalográfico. 50 
 
6.3 Análisis metalográfico de las probetas soldadas por proceso GTAW. 51 
6.3.1 Probeta GTAW a 75 A. 51 
6.3.2 Probeta GTAW a 125 A. 52 
6.3.3 Probeta GTAW a 175 A. 53 
 
6.4 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 640º C. 54 
6.4.1 Probeta GTAW 75 A. 54 
6.4.2 Probeta GTAW 125 A. 56 
6.4.3 Probeta GTAW 175 A. 57 
 
6.5 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 1100º C. 58 
6.5.1 Probeta GTAW 75 A. 58 
6.5.2 Probeta GTAW 125 A. 59 
6.5.3 Probeta GTAW 175 A. 60 
 
6.6 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 1250º C. 61 
 
 
6.7 Análisis cuantitativo de las fases. 62 
 
6.8 Dureza. 64 
6.8.1 Medición de dureza Vickers por barrido. 64 
 
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 70 
 
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 72 
 
ANEXOS 74 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INDICE DE FIGURAS. 
 
 
Número Descripción Página 
 
 
 
 
Figura 1. Soldadura de arco eléctrico de tungsteno y gas 5 
Figura 2. Esquema de un tratamiento térmico típico. 9 
Figura 3. El titanio y el proceso GTAW se aplica en la industria aérea y 
aeroespacial. 11 
Figura 4. Mecanismo de la recuperación de forma. 14 
Figura 5. Diagramas de la Súperelasticidad y relación temperatura- 
carga-deformación. 15 
Figura 6. Clasificación de los materiales con memoria de forma. 15 
Figura 7. La soldadura con rayo láser en las uniones de nitinol. 20 
Figura 8. Zonas para observación microscópica vertical. 25 
Figura 9. Zonas para observación microscópica horizontal. 26 
Figura 10. Diagrama metaestable del Nitinol. 28 
Figura 11. Esquema del número de pasadas en el proceso GTAW. 38 
Figura 12. Esquema del corte que se realizó a las probetas. 38 
Figura 13. El desbaste se realizó con lijas en un banco de desbaste. 39 
Figura 14. Máquina pulidora Labopol-5 STRUERS 39 
Figura 15. Probetas GTAW pulidas; (a) 75 A, (b) 125 A, (c) 175 A.40 
Figura 16. Campana de extracción para ataque químico. 42 
Figura 17 Microscopio de campo claro. 42 
Figura 18. Microscopio con programa de cómputo para fotografiar 
microestructuras. 43 
Figura 19. Horno eléctrico THERMOLYNE. 44 
Figura 20. Máquina de prueba de dureza Vickers (Rockwell). 47 
Figura 21. Material de aporte, Nitinol. (a) 100 x, (b) 200 x. 50 
Figura 22. Material base, Titanio grado uno (a) 100 x (b) 200 x. 50 
Figura 23. Zonas de análisis en probeta obtenida por proceso GTAW 
con 75 A. (a)Cordón de soldadura, (b) material base. 51 
(c) Zona Afectada por el Calor. 52 
Figura 24. Zonas analizadas en la probeta obtenida por GTAW con 125 A 
(a) Cordón de soldadura, (b) material base. 52 
Micrografía tomada a la interfase y (c) zona afectada por el calor. 53 
Figura 25. Micrografías del (a) cordón de soldadura, (b) material base, 
GTAW 175 A. 53 
Micrografía de la zona afectada por el calor (c), probeta GTAW 175 A. 54 
Figura 26. Estructura del la soldadura a 75 A después de tratamiento térmico 
a 640ºC. (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la unión 
soldada, (c) Material base. 55 
 
 
 
Número Descripción Página 
 
 
Figura 27. Estructuras de la probeta GTAW a 125 A, después de tratamiento 
térmico a 640º C. (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la 
unión soldada, (c) Material base. 56 
Figura 28. Estructura del la soldadura a 175A después de tratamiento 
térmico a 640ºC (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la 
unión soldada, (c) Material base. 57 
Figura 29. Estructuras de la unión soldada a 75 A, después del tratamiento 
térmico 1100º C por 30 minutos; (a) Cordón de soldadura, 
(b), Zona Afectada por el Calor y (c) el metal base. 58 
Figura 30. Probeta GTAW 125 A, cordón de soldadura (a), Zona Afectada por 
el Calor (b) y el metal base (c) después de TT 1100º C/ 30 minutos. 59 
Figura 31. Probeta GTAW 175 A, cordón de soldadura (a), Zona Afectada por 
el Calor (b) y el metal base (c) después de TT 1100º C / 30 minutos. 60 
Figura 32. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), 
probeta GTAW 75 A con 1250ºC por 90 min. 61 
Figura 33. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), 
probeta GTAW 125 A con 1250ºC por 90 min. 62 
Figura 34. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), 
probeta GTAW 175 A con 1250ºC por 90 min. 62 
Figura 35. Cuantificación de fases presentes en el material de aporte, 
probeta sin tratamiento térmico. 63 
Figura 36. Microestructura formada en las probetas después del tratamiento 
a 1250º C. 64 
Figura 37. Gráfica de dureza Vickers de las probetas después del 
proceso GTAW. 65 
Figura 38. Gráfica de dureza de las probetas tratadas térmico a 640º C 
por 20 minutos. 66 
Figura 39. Gráfica de dureza Vickers en las probetas con tratamiento térmico de 
1100º C por 30 minutos. 67 
Figura 40. Curvas de dureza Vickers de probetas hechas a 75, 125 y 175 A con 
tratamiento térmico de 1250º C durante 90 minutos. 68 
 
 
 
 
 1
INDICE DE TABLAS 
 
 
Número. Descripción. Página. 
 
 
 
Tabla 1. Propiedades mecánicas del nitinol. 19 
 
 
Tabla 2. Parámetros para la aplicación de la soldadura con proceso GTAW. 33 
 
 
Tabla 3. La energía presente en cada proceso de soldadura. 34 
 
 
Tabla 4. Ajuste de parámetros en la consola de la máquina. 36 
 
 
Tabla 5. Tabla de reactivos LECO corporation. 41 
 
 
Tabla 6. Resultados de la en los procesos GTAW con diferente 
corriente eléctrica. 49 
 
 
Tabla. 7 Composición de fases en el cordón de soldadura para 
cada experimento. 63 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2
RESUMEN 
 
En el presente trabajo se analizaron propiedades mecánicas-metalúrgicas del Nitinol 
(NiTi), el cual fue aplicado como material de aporte en la unión soldad de piezas de 
titanio grado uno, mediante el proceso de soldadura de arco de tungsteno y gas 
(GTAW), conocido en México como TIG. El proceso se realizó considerando variaciones 
de la corriente eléctrica, específicamente se aplicaron: 75, 125 y 175 Amperes. 
Posterior a la soldadura, en el material de aporte la estructura inicial de grano ferrítico, 
cambio a una estructura dendrítica, como resultado de los fenómenos térmicos 
involucrados en el proceso. 
Con el propósito de modificar la microestructura y mejorar las propiedades mecánicas 
de la unión soldada, las probetas fueron sometidas a tratamientos térmicos bajo tres 
distintas condiciones: a 640º C durante 20 minutos, con posterior enfriamiento al aire a 
20º C; a 1100º C por 30 minutos con posterior enfriamiento en agua a 15º C y a 
1250º C por 90 minutos con posterior enfriamiento en agua a 1º C. 
El análisis metalográfico mostró cambios estructurales en la unión soldada, esto es, 
metal base, metal de aporte y zona afectada por el calor, lo que generó aumento de 
dureza en las tres zonas. 
Los ensayos de tratamiento térmico y análisis mecánico-metalúrgico mostraron los 
aspectos del comportamiento del nitinol y del titanio, uno positivo que consiste en la 
homogenización de estructura y de dureza, pero por otro lado, uno negativo que 
consiste en el aumentó de la dureza, que es un resultado no deseable. 
Es necesario realizar más ensayos dirigidos a disminuir cambios en las propiedades 
mecánicas-metalúrgicas en los materiales base y de aporte. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 3
ABSTRACT 
 
 
In the present work mechanical-metallurgical properties of the Nitinol were analyzed 
(NiTi), which was applied as material of contribution in the union weld of degree one 
Titanium pieces, by means of the gas tungsten arc welding (GTAW), known in Mexico 
like TIG. The process was made considering variations of the electrical current, 
specifically were applied: 75, 125 and 175 Amperes. 
Later to the weld, in the contribution material the initial ferrítico grain structure, change to 
one dendritic structure, like result of the involved thermal phenomena in the process. 
In order to modify the microstructure and to improve the mechanical properties of the 
welded union, the pieces were put under heat treatments under three different 
conditions: to 640º C during 20 minutes, with later cooling to the air to 20º C; to 1100º C 
by 30 minutes with later water cooling to 15º C and 1250º C by 90 minutes with later 
water cooling to 1º C. The metallographic analysis showed structural changes in the 
welded union, that is to say, metal bases, metal of contribution and zone affected by the 
heat, which generated increase of hardness in the three zones. 
The tests of heat treatment and mechanical-metallurgical analysis showed the aspects 
of the behavior of nitinol and titanium, one positive that consists of the homogenization 
of structure and hardness, but, other one negative that consists of increased of the 
hardness, that is not desirable result. 
More tests are required to enrich the results obtained until this point, with the purpose to 
reduce changes in the mechanical-metallurgical properties in the material ones it bases 
and of contribution. Therefore, the work in this direction should be continued. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 4
INTRODUCCIÓN 
 
La industria mundial se beneficia con desarrollo de materiales con mejores propiedades 
que se obtienen en los laboratorios. Entre los materiales revolucionarios se encuentran 
los de “memoria de forma”, los cuales tienen cada día aumenta en uso en los países 
tecnológicamente avanzados. 
Las aleaciones con memoria de forma, pueden ser deformadas cerca del 10 % y 
recuperar su forma original cuando cesa el esfuerzo y reciben unaenergía externa, 
como puede ser, calor, corriente eléctrica, eliminación de esfuerzo y otras. Estas 
propiedades son llamadas “Efecto de memoria de forma” y “Súperelasticidad”, que son 
posibles por el cambio de fase “Transformación martensítica termoleástica”. 
Dado que las aleaciones con memoria de forma responden peculiarmente a los 
cambios de temperatura y tensión, son clasificados como “materiales inteligentes”. 
Las aplicaciones potenciales de estos dos principales comportamientos son enormes, 
pueden ser usados para generar fuerza o movimientos o almacenar energía. Como la 
superelasticidad puede almacenar energía de deformación, actualmente, la mayoría de 
las aplicaciones se centran en el campo superelástico, donde no se requiere tanta 
precisión en las temperaturas de transformación como en el efecto de memoria de 
forma. 
Pese a que originalmente se supuso la aplicación más importante de las aleaciones con 
memoria de forma, no ha sido la más exitosa desde el punto de vista técnico ni 
económico, debido a las insuficiencias técnicas y al costo, aún cuando se han realizado 
avances en el descubrimiento de nuevas aleaciones metálicas con las propiedades 
mencionadas arriba, en este momento el nitinol es la aleación comercial, debido a su 
buena estabilidad al ciclado, biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y capacidad 
de recuperar grandes deformaciones. De ahí la necesidad de seguir investigando las 
propiedades de los materiales con memoria de forma cuando se emplean en los 
procesos industriales. 
 
 
 
 
 5
OBJETIVO 
 
 
Realizar análisis mecánico-metalúrgico del material de memoria de forma en la unión 
soldada, donde en este caso, NITINOL es material de aporte y de base es Titanio 
grado uno con aplicación del proceso GTAW. 
Esta investigación pretende desarrollar la tecnología de aplicación del material de 
memoria de forma Nitinol en los procesos de soldadura con el propósito de mejorar las 
propiedades mecánicas-metalúrgicas de la unión soldada. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 6
JUSTIFICACIÓN 
 
 
En la tecnología moderna se utilizan nuevos materiales, entre estos se encuentran los 
materiales con memoria de forma. 
Los países tecnológicamente avanzados aplican dichos metales en las industrias que 
están a la vanguardia. Por esta razón, México requiere renovar y modificar sus 
tecnologías incluyendo la aplicación de éstos aleaciones. 
Éste trabajo se enfoca en analizar las características mecánicas-metalúrgicas del 
material con memoria de forma Nitinol aplicado como material de aporte en la soldadura 
GTAW y base Titanio grado uno. 
Esta investigación es el inicio para el desarrollo tecnológico de aplicación de nuevos 
aleaciones en la soldadura y, particularmente, en el proceso GTAW. 
 
 
 
. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 7
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO I 
Estado del arte 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 8
I. ESTADO DEL ARTE 
 
1.1 Materiales en el desarrollo tecnológico. 
 
A través de la historia es posible observar la importancia que los materiales han tenido 
en la vida del hombre. Si bien los primeros materiales que utilizó fueron aquellos que 
estaban a su alcance, materiales naturales, éstos fueron rápidamente modificados y 
adaptados a sus necesidades. 
Tal ha sido el impacto de los materiales que algunas etapas de la civilización han sido 
denominadas por el tipo de materiales que el hombre utilizó, así recordamos la edad de 
piedra (hasta 2000 AC), la edad de bronce (2000-700 AC) y la edad del hierro (700 AC-
100 DC). 
 
Durante algunos siglos, el desarrollo de la Ciencia de Materiales fue muy lento. No fue 
sino hasta finales del Siglo XIX, gracias al descubrimiento de los rayos-X por Wilhelm 
Roentgen en 1895 y a las aplicaciones realizadas por Von Laue, en 1912, y por Bragg, 
en 1915, sobre la estructura cristalina, que la ciencia de materiales logró un avance 
impresionante. 
 
En base a su arreglo atómico, la materia podía ser clasificada por su estructura 
cristalina en dos grandes grupos; los materiales amorfos, que presentan un orden 
atómico a muy corto alcance y los materiales cristalinos que poseen un orden atómico a 
largo alcance. Un cristal está constituido por átomos dispuestos según un modelo que 
se repite periódicamente en tres dimensiones y que forman una red, la característica 
importante de una red, es que cada punto de la red tiene alrededores idénticos, existen 
14 tipos de redes que proveen ciertas propiedades a un material. Esencialmente, es 
materia y uso, los criterios para designar adecuadamente un material. 
Los metales son de los materiales con mayor utilización en el desarrollo industrial. 
Por ello, se requieren conocer las propiedades físicas, químicas, mecánicas y 
tecnológicas que determinan el comportamiento de un material [1]. 
 
 9
1.1.1 Diversidad de materiales. 
 
Los principales metales utilizados en la fabricación de productos son: aluminio, acero 
inoxidable, hierro colado, hierro fundido, plomo, magnesio, aceros débilmente aleados, 
aceros al carbono, cobre, níquel, monel, iconel, titanio y aleaciones entre éstos. 
Pero, las tecnologías modernas asociadas a la producción industrial contemporánea, 
demandan un desarrollo de productos cuya realización está vinculada al uso de 
materiales con propiedades muy bien determinadas y a la selección de procedimientos 
mejor adaptados al éxito económico. Las nuevas líneas generales de producción, 
tienden a conformar materiales más fiables ligeros y resistentes con una economía de 
recursos óptima. Entre éstas líneas está el desarrollo de: 
• Aleaciones metálicas resistentes a altas temperaturas. 
• Metales amorfos. 
• Cerámicas técnicas. 
• Polímeros especiales. 
• Materiales compuestos 
Todos estos constituyen los llamados Nuevos Materiales, los cuales resultan de un 
control óptimo de su microestructura o de la combinación de diversos materiales [2]. 
 
1.1.2 Unión de los metales. 
 
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 es temporal, donde se utilizan tornillos, pernos, y pijas 
principalmente y la otra es la unión permanente, como la soldadura, la unión por 
productos adhesivos y el remachado [3]. 
El desarrollo tecnológico ofrece mayor número de procesos de unión, pero la correcta 
elección de éstos se refleja en el resultado final del trabajo 
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 esto, el proceso de la unión de metales 
por soldadura es de los más requeridos. La soldadura es un proceso para la unión de 
 10
dos metales por medio de calor y/o presión y se puede definir como la liga metalúrgica 
entre átomos de dos metales y éste es el principio básico de los más modernos y 
sofisticados métodos de soldar [4]. 
La Sociedad Americana de Soldadura, “American Welding Society”, (AWS), define al 
proceso de soldadura como “un proceso de unión que produce coalescencia de los 
materiales calentándolos a temperatura de soldado con o sin la aplicación de presión, 
con la aplicación de presión solamente y con o sin la aplicación de metal de aporte [5]. 
 
1.2 Procesos de soldadura. 
 
Cada uno de los diferentes procesos de soldadura tiene características particulares, la 
AWS, define un proceso como “una acción o serie de acciones progresivas y distintivas, 
implícitas en el curso de producir un tipo básico de resultado”. 
Ésta sociedad, ha agrupado a los proceso de acuerdo con el “modo de transferencia de 
energía”, como consideración primaria. Un segundo factor es la “influencia de la 
atracción capilar al efectuar la distribución del metal de aporte” [5]. 
La atracción capilar distingue losprocesos de soldadura agrupándolos bajo soldadura 
fuerte, soldadura blanda, soldadura por arco, soldadura con gas, soldadura por 
resistencia, soldadura en estado sólido, y otros procesos de soldadura [6]. 
 
1.2.1 Proceso de soldadura “Gas Tungsten Arc Welding” (GTAW). 
 
El proceso “Gas Tungsten Arc Welding” (GTAW), que es la soldadura por arco de 
tungsteno y gas, con frecuencia, se denomina soldadura “Tungsten Inert Gas” (TIG) y 
en Europa se le denomina “Wolframio Inert Gas” (WIG). 
 
La soldadura se aplica por medio de un arco eléctrico generado entre el metal a soldar 
y el electrodo de tungsteno no consumible que transmite la energía de fusión y para 
evitar contaminación en la zona de trabajo se protege por medio de un flujo de gas 
inerte, puede realizarse sin o con metal de aporte. 
 11
Cuando se aporta material al pozo de soldadura, se hace por medio de una varilla 
separada, la cual se funde mediante el calor del arco eléctrico, figura 1. 
Los gases protectores que se usan normalmente son: argón, helio o una mezcla de 
ambos [7]. 
 
 
 
Figura 1. Soldadura de arco eléctrico de tungsteno y gas 
 
 
La principal ventaja de este proceso, es la protección del arco y del metal por medio de 
gas, que separa el nitrógeno y el oxígeno del aire, lo cual evita la formación de nitruros 
y óxidos con el propósito de mejorar la unión soldada. Éste proceso utiliza corriente 
alterna y alta frecuencia. La corriente alterna, combina las ventajas de la polaridad 
directa e inversa; ofrece la limpieza del semiciclo de polaridad inversa y aporta mayor 
calor de la polaridad directa, y de esta manera, se logran cordones anchos con buena 
penetración. La mayoría de los metales industriales como el aluminio, magnesio, aceros 
débilmente aleados, aceros al carbono, aceros inoxidables, cobre, níquel, monel, iconel, 
titanio y otros, pueden ser soldados por medio de éste proceso [7]. 
 
 
 
 
 12
1.3 Fenómenos de la unión soldada con proceso GTAW. 
 
Si bien, el proceso GTAW ofrece protección a la unión soldada, el calentamiento propio 
de los procesos de soldadura afecta las condiciones de los materiales que se unen. 
El estudio metalúrgico en los procesos de soldadura requiere la consideración de 
cambios estructurales en la zona de fusión del material y de cambios en las 
propiedades mecánicas y estructurales en la región adyacente a ésta [7]. 
 
1.3.1 Estructura de las uniones soldadas. 
 
Existen un gran número de procesos de unión de materiales que utilizan fuentes de 
calor. La aplicación de estas fuentes de calor concentradas, origina en la zona de unión 
de las piezas calentamientos y enfriamientos, lo cual ocasiona que las uniones 
soldadas están sometidas a variaciones o ciclos térmicos. Esto ocasiona la fusión o el 
calentamiento de una zona localizada, lo cual conlleva a cambios estructurales en la 
zona de unión. Estos cambios estructurales están determinados en general por el ciclo 
térmico a que ésta sometida la zona de unión de las piezas, el cual depende de muchos 
factores, como son: naturaleza de la fuente utilizada, parámetros energéticos 
empleados en la fuente de calor (tipo e intensidad de corriente y voltaje) velocidad de 
desplazamiento de la fuente de calor, distancia de la fuente de calor a la pieza, tipos de 
gases que rodean la zona de unión, principalmente. 
 
Los fenómenos que ocurren en la unión soldada, se deben analizar integrando tres 
consideraciones fundamentales [8]. 
 
1.3.1.1 Proceso de solidificación de la soldadura. 
 
En los procesos de soldadura por arco, se funden cantidades pequeñas de metal, por 
tanto, se enfría rápidamente, ya que el metal base actúa como un absorbedor de calor, 
que enfría rápidamente el cordón de soldadura. Conforme ocurre el enfriamiento o 
 13
calentamiento, se forman diversas estructuras metalúrgicas en la soldadura. La zona 
fundida la constituye el metal líquido que se ha solidificado y en el cual ocurre toda una 
serie de transformaciones físico-químicas y estructurales. 
El aspecto metalúrgico que tiene lugar en la zona de la soldadura durante el 
enfriamiento es distinto de lo que se observa durante el enfriamiento de una pieza 
fundida, esto es, porque el metal fundido de la soldadura se solidifica en segundos, 
además de que la fuente de calor y el baño de fusión de la soldadura exceden la 
temperatura que se tiene en los hornos de fundición. Estas condiciones dan como 
consecuencia, que las reacciones químicas que se inician en el metal fundido y en la 
escoria no tienen tiempo para completarse, generando cambio de propiedades. 
Como resultado, la zona fundida del metal base se diferencia del metal de aporte y del 
metal base por su composición química, estructura y propiedades [8]. 
 
1.3.1.2 Comportamiento del metal base. 
 
El metal adyacente a la zona de fusión no se funde, generándose una zona afectada 
por el calor (ZAC). Es la parte del metal base, la cual no ha sido fundida, pero es 
producto del calentamiento o aplicación de otras formas de energía, propias de los 
procesos de soldadura. En esta zona se producen cambios macroestructurales, que 
pueden dañar las propiedades mecánicas de los metales. 
El calor se distribuye en el material desde la zona de trabajo hacia los extremos del 
metal base, que hace variar la estructura interna de un punto a otro. 
Las transformaciones que ocurren en esta zona están definidas cada uno de ellos por la 
máxima temperatura alcanzada y la velocidad de enfriamiento. Esta zona está 
compuesta, algunas veces, del metal base fundido, pero la mayoría de las ocasiones 
está compuesta por la fusión del metal base con el de aporte, dependiendo la relación 
de estos, en la costura, de factores tales como: tipo de proceso utilizado, parámetros 
energéticos, diámetro del metal de aporte [8]. 
 
 
 14
1.3.1.3 Fenómenos químicos que ocurren en la zona de fusión. 
 
Al realizar la soldadura, la zona fundida se encuentra rodeada de gases atmosféricos: 
oxígeno, nitrógeno o hidrógeno. La absorción de estos gases por el metal de la costura 
aumenta, ocasionando modificaciones químicas y por tanto, disminuyen o cambian las 
propiedades mecánicas de la unión soldada. 
La fusión puede provocar la precipitación de compuestos desde la solución sólida, de 
un compuesto. La soldabilidad de un metal o aleación puede estar condicionada a las 
transformaciones eutécticas, lo cual conduce a la fragilidad de la unión soldada. 
En la zona fundida ocurren modificaciones estructurales en la forma, el tamaño y la 
orientación de grano, también se generan modificaciones del estado físico – químico 
del metal en cuanto a su composición de elementos [8]. 
 
1.3.2 Fallas de soldadura. 
 
Los proceso de fabricación o reparación de piezas en la industria mecánica tienen como 
objetivo obtener piezas o productos con determinada calidad, sin embargo, esto no es 
posible siempre, es decir, como resultado de dichos procesos se obtienen piezas con 
defectos por determinadas causas específicas, estos pueden ser eliminados total o 
parcialmente. Las más comunes en una unión soldada son: cuarteaduras, cavidades, 
inclusiones sólidas, fusión incompleta, defectos dimensionales, discontinuidades en la 
estructura; grietas; distorsiones en soldaduras y tensión residual; poros. Para evitarlas 
se debe realizar el proceso como se ordena en el manual de soldadura [9]. 
 
1.3.3 Tratamiento térmico posterior en las uniones soldadas. 
 
El tratamiento térmico posterior en las uniones soldadas consiste en calentar la pieza 
con determinada velocidad de calentamiento hasta una temperatura adecuada, luego 
mantener esta temperatura durante un tiempo y luego enfriarla con una velocidad de 
enfriamiento requerida, como se muestra en la figura 2 [10]. 
 15
Los objetivos del tratamiento térmico posterior al proceso de soldeo, consiste en reducir 
al máximo las tensiones residuales existentes en la unión soldadao también producir 
cambios en la estructura metalúrgica, entre algunos de ellos tenemos: mejorar la 
resistencia a la fatiga, a la fractura frágil, solución de fases específicas, entre otros [11]. 
 
 
Figura 2. Esquema de un tratamiento térmico típico. 
 
El tratamiento térmico posterior aplicado al proceso de soldadura es tan importante 
como lo son: el proyecto de unión soldada y el proceso de soldadura determinado. Para 
eliminar tensiones internas producidas por trabajos a altas temperaturas, como 
soldadura, las aleaciones se someten a recocido. En la determinación del tratamiento 
se precisa: temperatura, tiempo de permanencia, velocidad de enfriamiento [11]. 
 
1.4 Materiales que se sueldan con proceso GTAW. 
 
Los principales materiales que se unen con éste proceso de soldadura son los llamados 
“difíciles de soldar”, como: aluminio, acero inoxidable, hierro colado, hierro fundido y 
plomo, los metales con alto punto de fusión, además de los que poseen propiedades 
especiales que se desean conservar después de la unión, pero también se aplica con 
excelentes resultados en metales tales como: magnesio, aceros débilmente aleados, 
aceros al carbono, cobre, níquel, monel, iconel, titanio entre otros [12]. 
 
 16
1.4.1 Características de los materiales de aporte. 
 
En la soldadura GTAW, el electrodo es de un material refractario, como el tungsteno, 
por lo que el metal de aporte se debe añadir por separado. Para éste proceso, el 
material de aporte tiene la presentación de alambre sin fundente. Dicho metal depende 
del tipo de metal base que se requiere soldar. Si es acero se usará acero, si es aluminio 
se usará aluminio y si es titanio será titanio. Esto es lo que proporciona una unión 
homogénea en propiedades físicas y mecánicas, en ocasiones cuando se requiere 
mejorar la unión, se emplean materiales con propiedades capaces de reforzarla [12]. 
 
1.4.2 Aplicación del titanio en la industria contemporánea. 
 
La soldadura por arco de tungsteno y gas es comúnmente usada para soldar titanio y 
sus aleaciones, particularmente para hojas de espesor menor a 3 mm. 
El Titanio, posee las siguientes características: coeficiente de expansión térmica 
relativamente bajo comparado con otros metales, es más rígido y fuerte que el aluminio, 
buena resistencia a temperaturas elevadas, es reactivo en estado puro, lo cual presenta 
problemas para su procesamiento especialmente en estado fundido, sin embargo, 
forma a temperatura ambiente un recubrimiento de óxido que suministra excelente 
resistencia a la corrosión. Se utiliza en los aviones para fabricar las puertas de 
incendios, la capa exterior, los componentes del tren de aterrizaje, el entubado 
hidráulico y las protecciones del motor, los alabes del compresor, los discos y los 
revestimientos de los motores a reacción también están hechos de titanio, un avión de 
transporte utiliza entre 318 y 1.134 kg del metal, figura 3. El titanio se usa ampliamente 
en mísiles y cápsulas espaciales; las cápsulas Mercurio, Géminis y Apolo fueron 
construidas casi totalmente con titanio [12]. 
 
 17
 
Figura 3.El titanio y proceso GTAW se aplica en la industria aérea y aeroespacial. 
 
 
1.4.3 Aplicación de los nuevos materiales. 
 
Por ser resistente y ligero, el titanio se usa en aleaciones metálicas y como sustituto del 
aluminio, aleado con aluminio y vanadio, además se emplea en nuevas aleaciones. 
El desarrollo de Materiales con mejores propiedades surgen como resultado del avance 
de proyectos cada vez más exigentes y ambiciosos de las principales ramas de la 
industria, como son: la industria aeroespacial, electrónica, mecánica, militar entre otras. 
Los Nuevos Materiales, resultan de un control óptimo de su microestructura o de la 
combinación de diversos materiales. Éstos, exigen un intenso desarrollo de los métodos 
de análisis tanto macroscópicos como microscópicos de las propiedades mecánicas, 
físicas, químicas y tecnológicas; así como de los procedimientos para alterar o 
modificar dichas propiedades. Actualmente, estos materiales, comienzan a ocupar un 
sector importante del mercado y se proyectan a cobrar mayor preponderancia al 
diversificar sus aplicaciones y ofrecer precios cada vez más competitivos frente a los 
materiales tradicionales [12]. 
 
 
 
 
 
 18
 
 
 
 
 
 
CAPITULO II 
Generalidades sobre 
material de memoria 
de forma 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 19
II. GENERALIDADES SOBRE MATERIAL DE MEMORIA DE FORMA. 
 
2.1 Materiales con memoria de forma. 
 
A principios del siglo XX, el desarrollo de materiales con nuevas y mejores propiedades 
se alcanzó por medio de aleaciones, entre éstas, hay una que es sobresaliente a las 
propiedades comunes, la llamada “memoria de forma”. 
Los materiales con memoria de forma, presentan un comportamiento mecánico distinto 
a los materiales convencionales utilizados en la industria, 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. El efecto de “memoria de forma” puede describirse como la capacidad 
de un material para cambiar la forma debido a la aplicación de un estímulo externo. 
Clasificados como materiales de nueva generación, se les considera estratégicos para 
el desarrollo industrial, por ello, la información sobre estos materiales es controlada y 
restringida por los países que la poseen [13]. 
 
2.1.1 Principio de la memoria de forma. 
 
El fenómeno de memoria de forma se basa en el principio de reversibilidad de la red 
cristalográfica. Esto es resultado de un cambio de fase cristalina, conocido como 
“transformación martensítica termoelástica”. 
Abajo de la temperatura de transformación, el material es martensitico, la 
microestructura suave martensitica se caracteriza por un mismo acomodo gemelo, un 
arreglo tipo zigzag [13], la martensita es fácilmente deformable por su arreglo, el 
calentamiento produce fuerzas internas elevadas que llevan el material a una condición 
austenitica, al disminuir la temperatura recupera su forma inicial. La transformación de 
austenita a martensita por medio de enfriamiento y al contrario de martensita a 
austenita con calentamiento, no ocurren a la misma temperatura. En la figura 4, se 
muestra esquemáticamente la transformación de fase y los cambios estructurales de la 
red cristalográfica. 
 20
 
Figura 4. Mecanismo de la recuperación de forma. 
 
Hay una curva de histéresis para cada aleación del material, que define el ciclo de 
transformación completo. El efecto de memoria de forma es repetible, hasta cierto 
rango de deformación [13]. 
 
 
2.1.2 Propiedades mecánicas de los materiales con memoria de forma. 
 
Súperelasticidad. 
 
Menos esfuerzo es necesario para inducir tensión y deformar el material cuando esta 
presente la estructura martensitica que para deformar austenita, por mecanismos 
convencionales. Cuando la austenita esta en condiciones de fase estable, a 
temperatura Af y cuando la tensión se retira, el material recupera su forma original, 
figura 5. Esta extraordinaria elasticidad es llamada “pseudoelasticidad” o transformación 
“Superelástica” [14]. 
 
 
 21
 
Figura 5. Diagramas de la Súperelasticidad y relación temperatura-carga-deformación. 
 
2.2 Tipos de Materiales de Memoria de Forma. 
 
Se han desarrollado materiales con memoria de forma no solamente metálicos, figura 6, 
según la naturaleza o del material en sí, o del estímulo externo al que responden. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Clasificación de los materiales con memoria de forma. 
Materiales con memoria de forma. 
Aleaciones con memoria de forma 
Polímeros con memoria de forma 
Cerámicas con memoria de forma 
Aleaciones con memoria de forma, ferromagnéticas 
Materiales electro y magnetoreológicos. 
Materiales electro y magnetoreológicos.Materiales piezoeléctricos. 
Materiales electro y magnetorestrictivos.
Materiales foto y cromoactivos. 
Fotoactivos: 
Electroluminiscentes 
Fluorescentes 
Fosforescentes 
Cromoactivos: 
Fotocrómicos 
Termocrómicos 
Electrocrómicos
 22
2.2.1 Materiales Metálicos. 
Si bien los materiales metálicos no son los únicos, si son los más comunes. En el caso 
de las Aleaciones con memoria de forma (Shape Memory Alloys, SMAs) el efecto 
de memoria de forma se basa en la transición que se produce entre dos fases sólidas, 
una de baja temperatura o martensítica y otra de alta temperatura o austenítica. El 
material se deforma en la fase martensítica y recupera de forma reversible sus 
dimensiones originales mediante el calentamiento por encima de una temperatura 
crítica de transición [15]. 
2.2.2 Materiales Plásticos. 
Los Polímeros con memoria de forma (Shape Memory Polymers, SMPs) son 
materiales poliméricos con la capacidad de recordar su forma original. Este efecto está 
relacionado con la combinación de la estructura y la morfología del polímero junto con 
el proceso y tecnología de programación de inclusión de la forma empleado. Es decir es 
necesario un entrenamiento del material para que recuerde una forma determinada. 
El primer paso es procesar el polímero para grabar su forma permanente y 
seguidamente el polímero es deformado fijándose, de ese modo, la forma temporal. El 
mecanismo del efecto de memoria de forma en los polímeros puede producirse, no sólo 
por temperatura, sino también por luz o por reacciones químicas [15]. 
2.2.3 Materiales Cerámicos. 
Además de los metales y los polímeros, las Cerámicas con memoria de forma (Shape 
Memory Ceramics, SMCs) completan las tres grandes familias de materiales sólidos. 
Una definición general de cerámica podría ser la siguiente: materiales inorgánicos, no 
metálicos, que se producen habitualmente empleando arcillas y otros minerales 
naturales o procesados químicamente. Estas cerámicas inteligentes, normalmente, son 
cerámicas basadas en ZrO2, pero existen otros ejemplos basados en niobato de 
magnesio o cerámicas perovskitas [15]. 
 
 23
2.2.4 Materiales ferromagnéticos. 
Se debe mencionar la aparición de una nueva clase de materiales que sufren el efecto 
de memoria de forma bajo la aplicación de diferentes campos magnéticos y que 
presentan grandes elongaciones (aproximadamente de un 6 %). En este caso el 
comportamiento es similar al de las aleaciones con memoria de forma (SMAs) pero el 
estímulo al que responden, en vez de ser la temperatura, es el campo magnético 
aplicado. Estos materiales son conocidos como Aleaciones ferromagnéticas con 
memoria de forma (Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMAs) o metales 
magnetoelásticos [15]. 
 
2.3 Aplicación de los Materiales con Memoria de forma. 
 
De estos materiales se pueden aprovechar sus propiedades, como la de memoria de 
forma para generar movimiento o fuerza y la súperelasticidad para almacenar energía 
de deformación, respectivamente. Deformar elementos y calentarlos después para 
recuperar la forma se aprovecha en acoplamientos de tubos para aplicaciones aéreas y 
marinas, muchas uniones son criogénicas, permaneciendo inalterables a temperaturas 
bajo cero. 
 
En aplicaciones como actuadores o sensores, su función consiste en un cambio de 
forma al variar la temperatura por condiciones ambientales o influidas. 
En el sector automovilístico, en válvulas que controlan la presión durante el 
calentamiento del motor. Como microactuadores térmicos en mecanismos de actuación 
donde no requieren otro elemento más que el propio material de memoria. 
En el campo de la biomedicina, en la fabricación de prótesis humanas, realmente están 
resultando revolucionarios los materiales con memoria de forma. 
A pesar de lo antes mencionado, la aplicación de estas aleaciones no es tan extensa, 
debido a las limitaciones en cuanto a su conocimiento que hacen necesario profundizar 
en el diseño y aplicación de éstos materiales [15]. 
 24
La mayoría de las aplicaciones se han desarrollado por métodos experimentales 
(prueba y error). En caso de los actuadores, el principio de funcionamiento es el mismo, 
sin renovación en lo referente al diseño de la pieza con el material de memoria de 
forma. Otras muchas aplicaciones no están extendidas debido al alto costo del material. 
Pese a todas las investigaciones en busca de nuevas aleaciones con memoria de 
forma, las aleaciones comerciales actualmente son las de Níquel–Titanio [15]. 
 
 
2.4 Características del NITINOL. 
 
La investigación de los materiales con memoria de forma inició desde 1932, cuando se 
realizaron las primeras aleaciones que presentaban esta característica, pero, fue en 
1962, que investigadores del Naval Ordinance Laboratory (NOL) en los Estados Unidos 
de Norteamérica observaron que la aleación Níquel-Titanio (Ni-Ti) presentaba esta 
propiedad. A partir de entonces se le llamó a esta aleación “NITINOL” (combinación de 
los símbolos Ni, Ti y las siglas del laboratorio NOL). 
 
El estudio del Nitinol hizo posible que a principio de la década de 1980, la manufactura 
de estas aleaciones se perfeccionará, por esto, y por las propiedades mecánicas 
comparables a las de algunos aceros inoxidables y resistencia a la corrosión han hecho 
esta aleación muy comercial [13, 14]. 
 
 
2.4.1 Propiedades mecánicas. 
 
El nitinol tiene características mecánicas poco convencionales, tabla 1. Es una aleación 
biocompatible con comportamiento mecánico complejo, presenta, Superelasticidad y 
memoria de forma [14]. 
 
 
 
 25
Tabla 1. Propiedades mecánicas del nitinol. 
 
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/ ºC 
Resistividad 80 a 100 micro - ohm cm 
 
 
2.4.2 Propiedades fisicoquímicas. 
 
El Nitinol es un material intermetálico, de color blanco brillante, ligero y de alta 
resistencia mecánica, el cual esta constituido en peso por 55% de Níquel y 45% de 
Titanio, en ocasiones se le agregan otros elementos que modifiquen las propiedades 
del material. 
Es la aleación con mayor aplicación de todos los que poseen la característica de 
memoria de forma, esto es así, porque tienen una mayor capacidad de memoria (hasta 
un 8 %), son más estables térmicamente, excelente resistencia a la corrosión, buena 
resistividad eléctrica, se pueden alear y extruir con facilidad y tienen un rango mayor de 
posibles temperaturas de transformación. 
 
Las propiedades termo-mecánicas de éste material pueden ser aprovechadas en 
ingeniería, en la soldadura donde puede proveer mejoras en las uniones soldadas 
[13,14]. 
 
 
 26
2.4.3 Aplicación del Nitinol en la soldadura. 
 
El proceso de soldadura por rayo láser, es donde mayor éxito se ha tenido en uniones 
soldadas con aplicación del Nitinol, figura 7. Se tiene un especial interés por la 
soldadura con rayo láser en la aleación nitinol, en el área médica por la flexibilidad y 
recuperación de las deformaciones y por propiedad “súperelasticidad” del material. 
 
 
Figura 7. La soldadura con rayo láser para uniones de nitinol. 
 
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 comportamiento 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 TiFe y TiFe2. La unión entre Nitinol y acero inoxidable es solicitada para 
muchas aplicaciones médicas [15]. 
 
 
 
 
 
 
 27
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULOIII 
Metodología del 
experimento 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 28
III. METODOLOGIA DEL EXPERIMENTO. 
 
3.1 Aplicación de la soldadura con proceso GTAW. 
 
La correcta aplicación de la soldadura es de vital importancia para el éxito de la 
experimentación. 
 
3.1.1 Preparación de los materiales para realizar la soldadura GTAW. 
 
Tres, son los aspectos principales que se deben realizar para una buena preparación 
de los materiales. 
 
La primera, es la preparación física de los materiales, la cual, consiste en el adecuado 
arreglo del material base y de aporte, esto en referencia a las dimensiones de la pieza, 
bordes, biseles y tipo de unión a soldar. Para éste experimento el titanio se cortará en 
piezas con medidas adecuadas para su manejo pero que se encuentren en las 
dimensiones de diseño normalizadas, que le brindarán al experimento reconocimiento 
científico. 
La limpieza que se hace a las piezas, es un aspecto importante para una adecuada 
unión soldada. El titanio una vez preparado físicamente se debe limpiar con agentes 
químicos para eliminar por completo los contaminantes como aceite, grasa, polvo y 
pintura entre otros, y terminada esta operación no se deberá volver a tomar las piezas 
con las manos. 
El acomodo de las piezas a soldar es el otro punto determinante del éxito del 
experimento. El arreglo a los bordes de las piezas a unir debe ser como lo recomienda 
el manual de procedimientos de soldadura [8, 16]. 
 
 
 29
3.1.2 Definición del régimen de la corriente. 
 
El experimento para la unión soldada será con los valores de 75, 125 y 175 Amperes. 
Aplicar la corriente eléctrica al proceso GTAW, con el objetivo de analizar las 
condiciones finales de la unión, afectadas por los diferentes tiempos y temperaturas de 
aplicación de la soldadura [16]. 
 
3.1.3 Aplicación de la soldadura. 
 
En la soldadura con arco con protección gaseosa, se utiliza como medio protector un 
chorro de gas que rodea el arco y al baño de fusión, impidiendo la contaminación de la 
soldadura. La metodología del proceso se menciona a continuación [17]. 
a). Comprobar que todas las conexiones del circuito de soldadura estén correctas. 
b). Seleccionar el diámetro y composición del electrodo así como la boquilla correctos. 
c). Ajustar el electrodo de modo que sobresalga de la boquilla la longitud correcta al tipo 
de junta a realizar, en este caso 5 mm y sujetarlo firmemente a la pinza. 
d). Ajustar el generador a la intensidad de corriente adecuada para este experimento. 
e). Abrir el paso de gas inerte y se regular el caudal adecuado. 
f). Cebar el arco aproximando el electrodo hasta unos 3 mm de la pieza y realizar la 
soldadura. La corriente alterna con alta frecuencia permite lograr cordones de soldadura 
anchos y con mediana penetración. 
g). Aplicar la soldadura. Sostener el portaelectrodo, de forma que el electrodo quede a 
unos 75º con respecto a la pieza, precalentar con un movimiento circular de pequeña 
amplitud al electrodo. 
h). Para aportar el material de relleno, se sostiene la varilla aproximada a 15º de la 
horizontal, adelante del arco, en cuanto se observa la fusión de los bordes. 
i). A continuación, retirar la varilla y avanzar con el arco hasta completar el cordón. 
 30
3.2 Análisis metalúrgico de las probetas soldadas. 
 
Una vez realizadas las probetas, preparar sus superficies para un análisis metalúrgico 
para evaluar las condiciones de los materiales [18]. 
Con el análisis de los materiales después del proceso de soldadura, se deberá 
relacionar los cambios estructurales con los cambios en las propiedades mecánicas 
metalúrgicas. Para la metalografía, realizar los siguientes pasos: 
 
Corte y desbaste de las probetas. 
Para el estudio de las piezas se requiere que sean de tamaño adecuado para su 
manejo y observación en las máquinas e instrumentos, que se utilizarán para su 
análisis. 
El desbaste de la superficie de la muestra se realiza por medio de lijas gruesas, para 
eliminar el metal deformado, hasta el punto de que los últimos vestigios de deformación 
sean removidos por el pulido. 
 
Pulido y limpieza. 
Utilizar lijas finas y paño con alúmina hasta lograr una superficie plana, sin rayas y con 
acabado a espejo. Este tipo de superficie es necesaria para la adecuada interpretación 
metalográfica. 
Por medio de un equipo de ultrasonido se realiza una adecuada limpieza de las 
probetas para eliminar el exceso de alúmina, magnesia o el elemento usado para pulir. 
 
Ataque químico. 
Se atacarán químicamente las probetas con el reactivo para revelar la estructura que 
poseen. El examen de una muestra pulida revela, además, detalles en la estructura 
como porosidades, grietas, fracturas o inclusiones no metálicas. 
 31
Microataque. 
 
Este tipo de ataque revela: tamaño de grano, segregación, forma, tamaño y distribución 
de fases e inclusiones presentes y tratamiento térmico recibido. 
Para la mayoría de las aplicaciones se deben observar las siguientes reglas: 
• Atacar el tiempo suficiente para exponer detalles microestructurales significantes. 
Sí la muestra se encuentra falta de ataque debe ser repulida y vuelta a atacar. 
• Después del ataque, la superficie de la muestra no debe ser tocada. Será 
observada y examinada inmediatamente, antes de que ocurra oxidación o 
contaminación superficial. 
• Si se requiere contraste adicional, debe obtenerse por técnicas fotográficas y no 
por atacar con mayor tiempo (sobreataque). 
 
 
Observación microscópica. 
 
Una vez preparadas las probetas, realizar el análisis metalúrgico, en las zonas; material 
base, material de aporte, y zona afectada por el calor, figura 8, que serán referencias en 
la observación. 
 
Figura 8. Zonas para observación microscópica vertical. 
 
 
Se observarán tres secciones en cada probeta, como se muestra en la figura 9 para 
conocer las propiedades que presenta el material de manera más específica. Cada 
sección contendrá material base, cordón de soldadura y zona afectada por calor. 
 32
 
 
Figura 9. Zonas para observación microscópica horizontal. 
 
 
3.3 Análisis de microdureza a las probetas soldadas. 
 
Comúnmente se puede definir la dureza como: la resistencia a la penetración. 
Las pruebas de dureza pueden proporcionar datos de los que se pueden derivar otras 
propiedades mecánicas importantes. Y como las pruebas de dureza se pueden llevar a 
cabo rápidamente, se usan para control e inspección de materiales [18, 19]. 
 
Preparación de la probeta. 
 
Evitar en lo posible calentamiento en las probetas al momento de prepararse para 
ensayo de dureza, con el propósito de evitar endurecimiento superficial que influya en el 
valor de dureza de las muestras. 
 
La superficie de las muestras se debe preparar con cierto esmero, para la prueba 
Vickers la superficie debe estar pulida y atacada químicamente, ésta debe ser paralela 
a la superficie de apoyo la cual deben tener un acabado fino, sin rebordes y limpia. 
Colocar las probetas en el banco de la máquina de ensayo de dureza y sujetarla 
firmemente de modo que no se mueva y cause con esto error en la medición [19]. 
 
 
 33
Medición de microdureza. 
 
Realizar ensayos de dureza. Los resultados son parámetros para conocer las 
propiedades que presenta el material después de algún proceso experimental [19]. 
La prueba de microdureza es básicamente una prueba de laboratorio y los factores que 
se deben considerar para la exactitud del ensayo de dureza son: 
• Condiciones físicas adecuadas del marcador de muesca. 
• Exactitud de la carga aplicada. 
• Condiciones de la superficie de la muestra. 
• Espesor de la muestra. 
• Forma de la muestra. 
• Localización y distancia de las impresiones. 
 
 
3.4 Aplicación del tratamiento térmico. 
 
Determinar el Tratamiento Térmico que se va a aplicar para modificar la 
microestructura, y por tanto, las propiedades de los materiales. 
 
 
3.4.1 Definicióndel régimen de temperatura. 
 
Las probetas soldadas por proceso GTAW a 75, 125 y 175 Amperes, serán sometidas 
a tratamiento térmico y la temperatura fue seleccionada en base al diagrama 
metaestable del Nitinol (Ti –Ni), figura 10, el cual presenta la siguiente información: 
 
• Aproximadamente a 600 º C se presenta la recristalización del Nitinol. 
• Aproximadamente a 984 º C se presenta NiTi + NiTi2 
• Aproximadamente a 1300 º C Se presenta NiTi + L 
 34
 
 
Figura 10. Diagrama metaestable del Nitinol. 
 
 
3.4.2 Determinación del enfriamiento. 
 
Seleccionar el medio de enfriamiento para las probetas, entre los cuales se tienen: al 
medio ambiente, aceite ó agua fría. El objetivo, es atrapar la microestructura formada 
en los materiales a las temperaturas y tiempos establecidos [20]. 
 
 
 
 35
3.5 Análisis metalográfico posterior a cada tratamiento térmico. 
 
Se hará análisis metalográfico a las probetas, cada vez que se aplique un trabajo o un 
tratamiento térmico, el cual pueda generar cambios en las propiedades de los 
materiales, cada ocasión se preparará la probeta para su caracterización [20]. 
 
 
3.5.1 Preparación de la probeta. 
Para que una muestra metalográfica sea adecuada, realizar los siguientes pasos: 
a). Corte y desbaste de la probeta. 
b). Pulido y limpieza. 
c). Ataque químico. 
d). Observación microscópica. 
Realizar el análisis metalúrgico, en las zonas; material base, material de aporte, y zona 
afectada por el calor, que serán referencias en la observación. Se observará la 
microestructura en tres secciones de cada probeta, para conocer las propiedades que 
presenta el material de manera más específica [20]. 
Cada sección contendrá material base, cordón de soldadura y zona afectada por calor. 
 
3.6 Análisis cuantitativo de fases. 
 
Observar y medir las fases presentes durante los cambios estructurales. 
 
3.7 Análisis de microdureza posterior a cada tratamiento térmico. 
 
Analizar los resultados obtenidos de los ensayos de dureza Vickers al metal base y la 
soldadura después de cada tratamiento térmico. 
 
 36
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO IV 
Determinación y cálculo 
de las variables del 
proceso GTAW 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 37
IV. DETERMINACIÓN Y CÁLCULO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO GTAW. 
 
4.1 Variables del proceso de soldadura GTAW. 
 
El proceso de soldadura GTAW tiene como principales variables: 
• Voltaje de arco, es decir, el voltaje medido entre el electrodo de tungsteno y la 
pieza de trabajo. 
• Corriente de soldadura, que es el régimen con el que trabaja la máquina de 
soldar, ésta corriente tiene la función de lograr el baño de soldadura. 
• Velocidad de recorrido, es la velocidad con la que el electrodo junto con el metal 
de aporte se desplazan a lo largo de la unión, creando el cordón de soldadura. 
La velocidad de recorrido afecta tanto la anchura como la penetración. 
La combinación de estos factores da como resultado una energía calorífica entrante en 
el material, dicha energía, produce la coalescencia de los materiales. Sin embargo, 
como todas las variables tienen fuertes interacciones, es posible tratarlas como 
variables independientes al establecer los procedimientos de soldadura en uniones 
específicas [8,21]. 
 
4.2 Definición del régimen de la corriente. 
 
Para soldar titanio se emplean procedimientos especiales que incluyen el uso de 
grandes toberas de gas de pantallas de salida para proteger la cara de soldadura. La 
selección de la corriente eléctrica varía con respecto al espesor del material [16 ]. 
• La cédula del procedimiento para el proceso GTAW indica, para espesor del 
material a soldar de 9.5 mm: en éste experimento el espesor es constante pero 
el amperaje se elige con tres valores diferentes, 75, 125 y 175 amperes, para 
comparar los efectos que se presentan en la unión soldada. El experimento para 
la unión soldada será con los valores de 75, 125 y 175 Amperes. 
 38
• Los valores de 75 y 125 Amperes, son valores normales, en diseño mecánico, 
sin embargo, a pesar de que 175 A no es normal se tomó como tercer parámetro 
de corriente de arco eléctrico para éste experimento. 
 
4.3 Modelado matemático del proceso. 
 
El calor y el tiempo son factores determinantes en la formación de la microestructura de 
los materiales, dichos parámetros están presentes durante el proceso de soldadura, la 
relación matemática con otros parámetros, permiten conocer sus valores [22]. 
La ecuación (1) se usa para calcular el calor que se genera en un arco movible. 
 
 
 
q (J/m) = Energía por calor en joules por medida lineal de soldadura. 
I (A) = Corriente eléctrica. 
V (V) = Voltaje de arco. 
v (m/s) = Velocidad de desplazamiento. 
η = Eficiencia del proceso. 
 
Para el cálculo de energía entrante, se emplea la siguiente expresión matemática (2): 
 
 
 
Q (W) = Energía entrante. 
q (J/m) = Energía por calor en joules por medida lineal de soldadura. 
l (m) = Longitud total de la unión. 
 39
Otra variable muy importante para el diseño de la unión soldada es la longitud del 
charco de soldadura, ecuación (3), que está en función de la energía entrante, 
 
 
 
 
L (m) = Longitud del charco de soldadura. 
λ (W / m ºK) = Constante de conductividad térmica. 
Ts (ºK) = Temperatura de fusión del material 
To (ºK) = Temperatura inicial. 
 
 
4.3.1 Parámetros utilizados para la aplicación de la soldadura. 
 
Se calculan parámetros y se establecen los valores, tabla 2, para aplicar la soldadura 
con diferentes rangos de Amperaje. 
 
Tabla 2. Parámetros para la aplicación de la soldadura con proceso GTAW. 
 
 
 40
4.3.2 Resultados del cálculo de energía producida en la soldadura. 
 
Teóricamente, los valores obtenidos, tabla 3, indican las condiciones para cada proceso 
de soldadura, se conoce la energía entrante para cada uno. 
 
Tabla 3. La energía presente en cada proceso de soldadura. 
 
 
La energía entrante es calor y éste es el principal factor que modifica la microestructura 
de los materiales. Dicho calor es distinto para cada proceso, lo que supone diferencias 
entre las microestructuras formadas [20]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 41
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO V 
Procedimiento 
experimental 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 42
V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 
 
5.1 Aplicación de la soldadura con el proceso GTAW. 
 
Para aplicar la soldadura, primero se ajustó la consola de la máquina de soldadura 
GTAW a los valores determinados para el experimento, tabla 4, quedando: 
 
Tabla 4. Ajuste de parámetros en la consola de la máquina. 
 
 
 
5.1.1 Preparación de las probetas. 
 
Las piezas de titanio a unir se cortaron a las siguientes dimensiones: 22 x 8 x 20 mm, y 
se prepararon en uno de los extremos, con doble bisel en “V”, con un ángulo de 72º. 
Para limpiarlas se sumergieron en una solución acuosa llamada “Pickling”, la cual 
consiste en una mezcla de agua (H2O), ácido nítrico (HNO3,) y ácido fluorhídrico (HF). 
Proceso de soldadura GTAW. 
Variable Probeta I Probeta II Probeta III 
Corriente 75 A. 125 A. 175 A. 
Tiempo de 
Postflujo 
Para 1/8 Para 1/8 Para 1/8 
Polaridad Positiva Positiva Positiva 
Alta Frecuencia Continua Continua Continua 
Gas Argón Argón Argón 
Flujo del gas 1 m3/hr 1 m3/hr 1 m3/hr 
Electrodo EWTh-2,1/8 EWTh-2,1/8 EWTh-2,1/8 
 43
Limpieza de los materiales. 
 
Para efectos de limpieza se utilizó la solución llamada “pickling”: El procedimiento es el 
siguiente: En un lugar ventilado y con la ropa y equipo de seguridad adecuados se 
preparó la solución acuosa con la siguiente cantidad en porcentaje: 80 mL de HNO3, 8 
mL de HF y 112 mL de H2O [23]. 
Se sumergieron las piezas de titanio y el material de memoria de forma con tenazas en 
la solución acuosa con el debido cuidado, por 3 minutos, hasta que la solución se hizo 
amarilla oscura. 
Se extrajeron losmateriales con cuidado, se enjuagaron a la corriente de agua y se 
secaron rápidamente con aire. Así se realizó el ciclo de limpieza y ya limpias se 
procedió a colocarlas en unión a tope con una separación de 2 mm, entonces se aplicó 
la soldadura. 
 
 
5.1.2 Soldadura. 
 
Se conectó el circuito de soldadura que utiliza un sistema de alta frecuencia, éste se 
controla desde el maneral portaelectrodo y está sincronizado con el flujo de gas 
protector. 
Se acomodaron las piezas de titanio, para éste espesor emplear una preparación de 
bordes “B” (bisel en V y chaflán) y se depositó el material de aporte manualmente en el 
baño de soladura. 
Se utilizó un electrodo de tungsteno (EWTh2 con torio al 2%) de 3.2 mm (1/8”), la varilla 
del material de aporte tiene diámetro de 3.2 mm (1/8”), el flujo de gas fue de 1m3/h 
(35ft3/h), se aplicaron 2 pasadas con el electrodo a 75 º con respecto a la horizontal, 
debido a la preparación en doble V, con una separación de 2 mm entre biseles. Al 
término del primer cordón, se dejo enfriar la pieza y se le realizó limpieza. Después se 
aplicó el segundo cordón, se dejo enfriar y finalmente se limpió, la probeta quedó con 
las dimensiones de 22 x 9 x 47 mm, figura 11, éste procedimiento se repite para todas 
las probetas. Se prepararon 9 probetas con GTAW a 75 A, 9 con 125 A y 9 con 175 A. 
 44
 
 
Figura 11. Esquema del número de pasadas en el proceso GTAW. 
 
 
5.1.3 Preparación de las probetas. 
 
Corte. 
Terminada la soldadura, se cortaron las probetas longitudinalmente a la mitad, figura 
12, en la cortadora ISOMET a baja velocidad con enfriamiento continúo. Se maquinaron 
todas las probetas en una rectificadora, con el mayor cuidado posible para evitar 
calentamiento y se escuadraron quedando con dimensiones de 9 x 9 x 47 mm. 
 
 
 
Figura 12. Esquema del corte que se realizó a las probetas. 
 45
Desbaste. 
Para desbastar, se uso lija, agua y un banco de desbaste, figura 13. Para afinar la 
superficie de las probetas se utilizó la secuencia de lijas: grado 220, 320, 500, 600, 800, 
1000, 1200, 1500 y 2000, logrando rugosidad de 0.1 µm Ra (acabado a espejo). 
 
 
Figura 13. El desbaste se realizó con lijas en un banco de desbaste. 
 
Pulido. 
El pulido final se realizó en una máquina pulidora Labopol-5 STRUERS, figura 14. 
Girando en un rango de 450 a 500 rpm con un paño de cerda corta, alúmina de 0.3 µm 
y agua utilizada como lubricante se obtienen un preacabado a espejo. 
 
 
Figura 14. Máquina pulidora Labopol-5 STRUERS 
 46
Posteriormente, se emplea un paño limpio, agua y alúmina de 0.05 µm, para lograr el 
pulido fino final, con acabado a espejo, sin rayas, figura 15. 
 
 
 
 
 
Figura 15. Probetas GTAW pulidas; (a) 75 A, (b) 125 A, (c) 175 A. 
 
 
 
 
 
 
 47
Ataque químico. 
 
El macroataque es aquel que muestra los límites de grano de un metal, diferenciándose 
del microataque, principalmente por el tiempo en se sumerge la probeta en el reactivo. 
Se seleccionó la solución numero 151 de las tablas de LECO corporation, tabla 5, para 
la observación macroscópica [23]. 
 
Tabla 5.Tabla de reactivos LECO corporation. 
Ataques químicos para aleaciones NiTi. 
ATAQUE 
MICROSCÓPICO
REACTIVO OBSERVACIONES 
133 50ml HNO3 
50ml. ÁCIDO ACÉTICO 
Mezcla fresca 
Sumergir de 5 a 30 s. 
143 0.01-1g CrO3 
100ml HCl 
Sumergir pocos segundos. 
150 60ml HCl 
20ml HNO3 
40ml GLISERINA 
Sumergir de seg. a min. 
Sacar después de que la solución 
se torne amarillo oscuro 
151 10ml HF 
25ml HNO3 
150ml AGUA 
Sumergir de 5-30 segundos 
 
 
 
Una vez que las probetas estaban pulidas a espejo son sometidas a un ataque químico, 
el cual, es necesario para revelar las estructuras de los metales. 
Dentro de la campana de extracción, figura 16, se realizó el ataque químico a las 
probetas a 75, 125 y 175 A con el reactivo para atacar titanio y sus aleaciones. 
En un recipiente se depositó una cantidad de reactivo, suficiente para sumergir las 
probetas durante 5 segundos, con el propósito de revelar la estructura. 
El ataque es notorio porque la probeta pierde su brillo, y al observarse bajo el 
microscopio se revelan las estructuras de las probetas. 
 48
 
Figura 16. Campana de extracción para ataque químico 
 
5.1.4 Análisis microestructural de la soldadura. 
 
Para iniciar el análisis metalográfico, se tomó como referencia de observación la 
microestructura que presenta el Nitinol y el Titanio en condiciones iniciales. 
En el caso de la observación macroscópica se realizó con una cámara CANON 6523 
con acercamiento, en una mesa fotográfica. Para el caso del estudio microscópico, las 
probetas se observaron en el microscopio óptico marca NIKON EPIPHOT, figura 17, 
con aumentos 50, 100, 200, 400. 
 
 
Figura 17. Microscopio de campo claro. 
 49
Con el equipo de observación microscópica complementado por un programa de 
computación, figura 18, se tomaron micrografías de las estructuras presentes en el 
material, mostrando los cambios que ocurrieron después de cada tratamiento térmico. 
 
Figura 18. Microscopio con programa de cómputo para fotografiar microestructuras. 
 
5.2 Tratamiento térmico para las probetas soldadas. 
 
Para realizar los Tratamientos térmicos, se utilizó un horno eléctrico y el tiempo 
depende del tamaño de la pieza. 
 
5.2.1 Descripción del horno. 
 
El horno utilizado, figura 19, para éste experimento tiene las siguientes características: 
THERMOLYNE, Sybron Corporation, Dubuque IWOA, U.S.A. 
Modelo F – A1730, Series / Serial number: 85/5044 
Volts: 240 
Amperes: 24 
Watts: 5800 
Hertz: 50 / 60 
Phase: 1 
Rango de temperatura: 1400 º C 
 50
 
Figura 19. Horno eléctrico THERMOLYNE. 
 
5.2.2 Definición de la temperatura. 
 
La aleación NiTi, según el diagrama de equilibrio Ti – Ni, se recristaliza a 630º C. 
Éste régimen fue aplicado a tres probetas; probeta I “GTAW 75 A”, probeta II "GTAW 
125 A”, probeta III “GTAW 175 A.” 
Una vez que el horno alcanzó la temperatura de 640º C, fueron introducidas las 
probetas y permanecieron a esa temperatura por 30 minutos, pasado dicho tiempo se 
extrajeron y se dejaron enfriar al medio ambiente con temperatura de 20º C. 
Al final del tratamiento, las probetas formaron una capa de oxido gris, al retirar dicha 
capa las piezas presentan un color gris obscuro, aparentemente sin deformación. 
Pero la observación microscópica mostró que éste tratamiento térmico no eliminó todas 
las dendritas y por esta razón se realizó otro. 
 
Posteriormente se eligió otro tratamiento térmico a la temperatura de 1100º C, para 
lograr la transformación de la fase dendrítica. 
El tratamiento se realizó en el horno a 1100º C de temperatura, dentro del cual las 
probetas estuvieron durante 30 minutos y se templaron en agua a 15º C. Con éste 
tratamiento tampoco se alcanzó a eliminar las dendritas, así que se realizo otro 
tratamiento 
 51
Se aplicó un tercer tratamiento térmico con la temperatura 1250º C. durante 90 minutos 
y se templo al agua enfriada con hielo a 1º C. 
Para el final de éste tratamiento, las probetas presentaron una deformación física muy 
clara en la soldadura, con una tendencia a fundirse. 
Éste tratamiento se basa en que la aleación a 1300º C presenta dos fases, por ello, la 
temperatura del tratamiento fue ligeramente menor. 
 
5.2.3 Determinación del enfriamiento. 
 
El medio de enfriamiento en el primer tratamiento fue el medio ambiente, recomendado 
por el proceso de recocido para las aleaciones de Titanio. 
Sin embargo, no fue el mismo medio para los siguientes tratamientos donde se requería 
un enfriamiento brusco para retener las estructuras formadas a ciertas temperaturas, 
para los siguientes tratamientos fue agua fría el medio de enfriamiento. 
 
5.3 Estudio metalográfico. 
Las probetas se prepararon nuevamente para su caracterización, por tanto, se repiten 
los pasos de la preparación para metalografía, lo cuales son,desbaste, pulido, ataque 
químico y su observación con el microscopio. 
 
5.4 Análisis de microdureza. 
 
A las probetas listas para el análisis de microdureza, se les consideró: verticalmente, 
secciones superior, media y baja; longitudinalmente, material base, material de aporte, 
y zona afectada por el calor. 
 
5.4.1 Preparación de las probetas. 
Para dicho ensayo, se seccionaron las probetas a modo de llevar un orden y también 
para apreciar cambios en el material que hayan tenido influencia de la distancia del 
calor de la soldadura a un punto determinado del material. 
 52
Se tomaron tres secciones para cada probeta, y se realizó el barrido de información 
sobre la mayor cantidad de material, lo cual, permitió conocer las propiedades del 
material de manera más específica de cada división conformada de material base, 
cordón de soldadura y la zona afectada por calor. 
 
5.5 Análisis cuantitativo de fases. 
 
Éste análisis tiene como objetivo dar a conocer una aproximación del porcentaje de 
fases existentes en el material. 
Se realizó midiendo en las micrografías tomadas a las probetas, las partes obscuras o 
claras, por medio de un arreglo de puntos sobrepuestos en las imágenes de las 
superficies de las muestras. 
Una cantidad de puntos se establecieron en forma ordenada y se miden los puntos que 
coincidieron con las partículas claras u obscuras. De éste modo, se obtuvo un 
porcentaje de la cantidad de cada fase presente en la zona analizada. 
 
5.6 Análisis de microdureza. 
 
Se midió la dureza sobre el material base, la zona afectada por el calor y el cordón de 
soldadura, sobre diferentes líneas de barrido. Con los valores de dureza obtenidos, se 
hicieron las gráficas, donde se puede analizar y apreciar el comportamiento de las 
probetas [19]. 
 
5.6.1 Medición de la dureza. 
 
En éste análisis, la principal prueba para conocer las condiciones del material fue el 
ensayo de dureza, para dicho ensayo, se utilizó una máquina para prueba de dureza 
Vickers y Rockwell, figura 20. 
Ensayo de dureza Vickers. En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de 
lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial, el valor lo 
 53
proporciona automáticamente la máquina de microdureza Vickers electrónica, al medir 
por el ocular las diagonales de la impresión [19]. 
El metal base y la soldadura se sometieron a ensayo de dureza después del proceso de 
soldadura, así también, después de cada tratamiento térmico realizado. 
Las cargas de prueba están entre 1 y 1000 g. Hay dos tipos de marcadores empleados 
para la prueba de microdureza: 
• La pirámide de diamante Vickers de base cuadrada de 136º. 
• Marcador Knoop de diamante alargado. 
 
 
 
Figura 20. Máquina de prueba de dureza Vickers (Rockwell). 
 
74
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITULO VI 
Resultados 
y discusión 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 
 
75
6.1 Resultados del cálculo. 
 
En el desarrollo del trabajo, fue de gran importancia realizar el cálculo de las 
variables del proceso de soldadura, principalmente, la energía entrante, parámetro 
que se presenta en el charco de soldadura, y es importante éste dato para conocer 
el alcance de la influencia del calor generado en el baño de soldadura, tabla 6. 
 
Conocer la longitud del charco de soldadura es indispensable como un valor 
requerido para el diseño de la pieza a soldar, con el propósito de obtener la unión de 
mayor calidad. 
 
Otra variable es la corriente eléctrica de soldadura, la cual está en función del 
espesor de la pieza de trabajo. 
 
Tabla 6. Resultados de la en los procesos GTAW con diferente corriente eléctrica. 
 
 
 
 
 
 
 
En la guía de recomendaciones de prácticas para soldadura con arco de tungsteno y 
gas de la AWS, para titanio y sus aleaciones, tomando en cuenta el espesor de las 
piezas a unir de hasta 9.5 mm, esta establecido un rango de amperaje, en el cual, se 
encuentran los valores seleccionados para este experimento, que son de 75 A, 125 
A y 175 A y que como ya se mencionó son valores “normales” de diseño. 
Estos valores se utilizaron para realizar la unión soldada, la cual, fue satisfactoria. 
 
6.2 Análisis Metalográfico. 
 
Al analizar la microestructura del Nitinol y del Titanio grado uno, desde su estado 
inicial, se observó que, el Nitinol posee una estructura monofásica y un grano tipo 
GTAW 75 A 
GTAW 125 A 
GTAW 175 A 
Probeta 
4500 J (1080 cal) 
7500 J (1800 cal) 
8193.12 J (1966 cal) 
Energía entrante 
Joules (calorías)
0.027 m 
0.045 m 
0.049 m 
Longitud del charco de 
soldadura (m) 
 
76
ferritico fino, figura 21, la estructura de apariencia ferrifica monofásica, de grano fino 
y una fase α’ de titanio puro [Las referencias 24, 25 y 26 ayudaron a la descripción 
de las micrografías]. 
 
 
Figura 21. Material de aporte, Nitinol. (a) 100 x, (b) 200 x. 
 
 
Por medio del microscopio, se observó la microestructura del titanio, la cuál 
presentaba deformación en sus granos, causada por el proceso de laminación al 
cual se somete para su venta comercial, figura 22, se observa, grano fino 
homogéneo alfa [25]. 
 
a b
 
77
 
 
Figura 22. Material base, Titanio grado uno (a) 100 x (b) 200 x. 
6.3 Análisis metalográfico de las probetas soldadas por proceso GTAW. 
 
Se analizaron las probetas hechas con proceso GTAW a diferentes valores de 
corriente eléctrica, 75, 125 y 175 Amperes. 
 
6.3.1 Probeta GTAW a 75 A. 
 
Esta probeta, presenta una estructura dendrítica en el cordón de soldadura, con la 
misma orientación, figura 23 (a), típica de la solidificación de una fundición, mientras 
que en el metal base, titanio, figura 23 (b), se genera una recristalización que 
presenta un grano equiaxial y titanio en fase α' (puntos finos), causados por la 
temperatura que alcanza el proceso. 
 
a b
 
78
 
Figura 23. Micrografías del (a) cordón de soldadura y (b) material base, probeta 75 
A. 
. 
La figura 23 (c) muestra la interfase de la soldadura, formada por el área de material 
que comprende desde el cordón de soldadura, la zona de transición y finalizando en 
el límite del metal base. Se observa en la zona de transición una estructura llamada 
“eutéctica”, qué es la reacción isotérmica en que la solución líquida se convierte en 
dos o más sólidos íntimamente mezclados al enfriarse, cuyo número de sólidos 
formados es el mismo que el de los componentes que integran el sistema. Dicha 
estructura se ve en la micrografía en color obscuro en la zona de transición y 
dendrita atrapada. 
 
 
Figura 23 (c). Zona afectada por el calor. 
 
6.3.2 Probeta GTAW a 125 A. 
 
 
79
En la probeta realizada de titanio y nitinol a 125 A, se observa en la unión soldada: 
En el cordón de soldadura, figura 24 (a), se formó una estructura dendritica, sin 
embargo, comparada esta probeta con la de 75 A tiene menor densidad de 
dendritas, existiendo también una estructura monofásica y presencia de titanio puro 
en fase α'. 
El material base, figura 24 (b), al ser sometido a la alta temperatura del proceso de 
soldadura GTAW, recristaliza ligeramente pero los cambios microestructurales que 
se advierten no son drásticos. 
 
 
Figura 24. Zonas analizadas de la probeta GTAW con 125 A. (a) Cordón de 
soldadura y (b) material base. 
Correspondiente a las observaciones de la Zona Afectada por el Calor, figura 24 (c), 
el material afectado presenta grano fino mientras que en la zona de transición se 
formó la estructura llamada “eutéctica”, combinado con dendritas y formaciones tipo 
aguja. 
 
Figura 24. Micrografía tomada a la interfase y (c) zona afectada por el calor. 
 
80
 
6.3.3 Probeta GTAW a 175 A. 
 
La probeta realizada con corriente eléctrica de 175 A mostró que: el cordón de 
soldadura, figura 25 (a), presenta estructura dendrítica, la cual se encuentra en una 
matriz de fase clara, y puntos negros,