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IINNSSTTIITTUUTTOO PPOOLLIITTÉÉCCNNIICCOO NNAACCIIOONNAALL EESSCCUUEELLAA SSUUPPEERRIIOORR DDEE IINNGGEENNIIEERRÍÍAA MMEECCÁÁNNIICCAA YY EELLÉÉCCTTRRIICCAA SSEECCCCIIÓÓNN DDEE EESSTTUUDDIIOOSS DDEE PPOOSSGGRRAADDOO EE IINNVVEESSTTIIGGAACCIIÓÓNN UNIDAD ZACATENCO “ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE NiTiNOL COMO MATERIAL DE APORTE EN EL PROCESO DE SOLDADURA TIG DEL ACERO 304 POR TRANSFERENCIA DE CALOR APLICÁNDOLE MÉTODO DE ELEMENTO FINITO” TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA OPCIÓN DISEÑO PRESENTA: ING. JESÚS ANDRÉS ROMERO GARCÍA DIRECTORA: M. EN C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA MÉXICO, D.F. JUNIO DE 2008 - 1 - AGRADECIMIENTOS En mención especial a la Sección de Estudios de Posgrado del Instituto Politécnico Nacional, por haberme aceptado en el plan de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Opción Diseño y, a cada uno de mis Profesores, por haber compartido parte de sus conocimientos y experiencias. Y muy en especial a mis asesores, que sin su valiosa ayuda no podría presentar este trabajo de investigación y sobre todo por la confianza que depositaron en mí, aun en los momentos más difíciles. Con cariño y respeto a: M. en C. Alla Kabatskaia, por haberme conducido a lo largo de mi formación académica y dirigir este trabajo con paciencia y dedicación. Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón, por su trato y atención para conmigo. Dr. Luis Héctor Hernández Gómez, por entregarme su valioso tiempo en la revisión de mi trabajo. Dr. Guillermo Urriolagoitia Sosa, porque antes que nada significo un amigo, con el que podía contar en cualquier momento y nunca olvidare lo que hizo por mí. DEDICATORIAS El presente trabajo está dedicado a todos y cada una de las personas, que de alguna manera influyeron de manera directa para poder alcanzar mis objetivos y lograr mis metas. A mi Madre, por permanecer conmigo durante mi vida personal y profesional, apoyándome en todo momento y brindándome consejos en cada situación adversa, con la sabiduría que solo ella puede dar. A mi Padre, por darme la libertad de elegir mi proyecto de vida, aplicando sus propios valores e influyendo en mí: trabajo, respeto y dedicación. A mis Hermanos, Betty, Eva, Martha†, Conchis, Ana, Miguel y Susana, por ser los hermanos más nobles y buenos del mundo, pero sobre todo por ser mis hermanos. A mis Sobrinos, Toño, Tita, Marcos, Emmanuel y Eimy, por tenerlos cerca de mí y ser parte de su formación para su vida futura. A mis amigos, por motivarme día con día con sus palabras y actitudes, que fueron importantes para no desistir en el aspecto familiar, laboral y académico. A las Instituciones en las que laboré y actualmente me encuentro: Colegio Anáhuac, Cutec, Conalep Plantel Atizapán II e Instituto Acatitlan, por la ayuda brindada, a lo largo de mi estancia académica; Directivos, Profesores y alumnos. Para todos ellos, con respeto, cariño, amor y admiración. Junio de 2008 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL SECRETARIA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO CARTA DE CESIÓN DE DERECHOS En la ciudad de México, D. F., el día 14 del mes de Mayo del año 2008 el (la) que suscribe JESÙS ANDRÈS ROMERO GARCÌA alumno(a) del Programa de MAESTRIA EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA con número de registro A060383 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la E. S. I. M. E. Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual del presente trabajo de tesis bajo la dirección del: M. en C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA y cede los derechos del trabajo intitulado: “ANALISIS DEL COMPORTAMIENTO DE NiTiNOL COMO MATERIAL DE APORTE EN EÑ PROCESO DE SOLDADURA TIG DEL ACERO 304 POR TRANSFERENCIA DE CALOR APLICANDOLE METODO DE ELEMENTO FINITO” , al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines Académicos y de Investigación. Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido a la siguiente dirección: INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS, EDIF. 5 2do. PISO COL LINDAVISTA, 07738 MEXICO D F. TEL 5729 6000 EXT. 54740 Sin el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo. Nombre y Firma Jesús Andrés Romero García Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica ÍNDICE Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. i Índice I Índice de Figuras iv Índice de Tablas vii Resumen viii Abstract x Justificación xii Objetivo xiii Objetivos particulares xiii Introducción xiv Capítulo I Estado del Arte 1 I.1.- Aspectos generales 2 I.2.- Principios del Proceso de Soldadura 3 I.2.1.- Descripción del proceso de soldadura TIG 4 I.2.2.- Corriente continua (polaridad directa) 5 I.2.3.- Corriente continua (polaridad inversa) 8 I.2.4.- Corriente alterna 8 I.3.- Curva característica de un equipo de soldadura TIG 9 I.3.1.- Características generales 10 I.4.- Tipos de gas o mezcla de gases 11 I.4.1.- Características generales 11 1.5.- Electrodos de tungsteno 12 I.5.1.-Codificación de los electrodos 14 I.5.2.-Condiciones de utilización 15 I.5.3.- Forma de los electrodos 16 I.6.- Secuencia de un equipo de soldadura TIG 18 I.6.1-Secuencia 2tiempos 19 I.6.2.-Secuencia 4tiempos 21 I.7.- Modo operativo de la soldadura TIG 21 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica ÍNDICE Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. ii I.7.1.- Disipación térmica 23 I.7.2.- Método de soldadura 23 I.7.3.- Modo operativo 23 I.7.4.- Soldadura de metales diferentes 26 1.8.- Planteamiento del problema 27 1.9.- Sumario 27 Capítulo II Generalidades de los materiales a unir 29 II.1.- Aspectos generales 30 II.2.- Materiales con memoria de forma 30 II.2.1.- Origen de los materiales de Memoria de forma 32 II.2.2.- Origen del NiTiNOL 33 II.3.- Características del NiTiNOL 34 II.3.1.- Propiedades mecánicas del NiTiNOL 34 II.3.2.- Propiedades fisicoquímicas del NiTiNOL 35 II.3.3.- Comportamiento superelástico-memoria de forma 36 II.4.- Aplicación del NiTiNOL en la soldadura 39 II.4.1.- Ventajas del NiTiNOL en la soldadura 40 II.4.2.- Características de los aceros inoxidables 40 II.4.3.- Clasificación de los aceros inoxidables según AISI 41 II.4.4.- Soldadura bajo gas protector con electrodo no consumible Tungsteno. 42 II.5.- Unión de Metales 43 II.5.1.-Transformaciones sin difusión 44 II.6.- Sumario 45 Capítulo III Modelo matemático de ZAC de la soldadura TIG 46 III.1.- Aspectos generales 47 III.2.- Análisis termodinámico del problema 47 III.3.- Condiciones de trabajo para inicio del proceso 48 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica ÍNDICE Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. iii III.4.- Influencia térmica en el proceso de soldadura 49 III.5.- Transferencia de calor durante el proceso de soldadura 50 III.5.1.- Elaboración del modelo en la transferencia de calor 50 III.6.- Modelado matemático para el desarrollo del proceso 52 III.6.1.- Cálculo matemático del proceso TIG 53 III.6.2.- Cálculo de los parámetros de transferencia de calor en el cordón de soldadura del NiTiNOL 60 III.6.3.- Cálculo de los parámetros de transferencia de calor en el material base acero 304 60 III.7.- Sumario 62 Capítulo IV Modelado del material 64 IV.1.- Aspectos generales 65 IV.2.- Aspectos fundamentales del método del elemento finito MEF 65 IV.3.- Transferencia de calor estacionaria en comparación con la transferencia transitoria67 IV.3.1.- Ecuación Unidimensional de la conducción de calor 67 IV.3.2.- Ecuación general de conducción de calor 71 IV.4.- Condiciones de frontera iniciales 71 IV.5.- Programa computacional ANSYS 74 IV.5.1.- Características del programa computacional ANSYS 75 IV.5.2.- Ventajas del programa ANSYS 75 IV.5.3.- Desventajas de programa ANSYS 76 IV.5.4.- Elementos a considerar para el análisis numérico 77 IV.5.5.-Tipos de elementos 80 IV.5.6.- Descripción del elemento PLANE35 y PLANE 77 81 IV.6.- Mecanismos de transferencia de calor 82 IV.6.1.- Análisis por Conducción 83 IV.7.- Geometría de la pieza 84 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica ÍNDICE Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. iv IV.8.- Sumario 89 Capitulo V Resultados y discusiones 92 V.1.- Aspectos generales 93 V.2.- Conducción de calor en régimen transitorio 93 V.3.- Interpretación de resultados 96 V.4.- Recristalización en la zona afectada por el calor 96 V.4.1.- Ciclo térmico 97 V.5.- Comparación de resultados 98 V.6.- Discusiones 101 V.7.- Error de discretización 110 Conclusiones generales y recomendaciones 111 Referencias 113 Anexos A 117 Anexos B 126 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Contenido de figuras Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. iv Índice de figuras Figura I.1.- Descripción del proceso TIG 4 Figura I.2.- Longitud media del arco 6 Figura I.3.- Curva característica del arco 7 Figura I.4.- Etapas en el aumento de la intensidad 7 Figura I.5.- Soldadura en corriente continua 8 Figura I.6.- Curva característica del proceso TIG voltaje-intensidad 9 Figura I.7.- Curva característica del proceso TIG (con variación voltaje- intensidad) 10 Figura I.8.- Tipos de punta de los electrodos 17 Figura I.9.- Diagrama SECUENCIA 2tiempo. 20 Figura I.10.- Diagrama SECUENCIA 4tiempo. 21 Figura I.11.- Proceso de soldadura TIG 22 Figura I.12.- Muestra del proceso 24 Figura II.1.- Efecto de memoria de forma de un “sentido” 32 Figura II.2.- Titanio con un metal α-estabilizante 36 Figura II.2a.- Titanio con un metal neutro 37 Figura II.2b.- Titanio con un metal β-estabilizante 37 Figura II.2c.- Titanio con un metal β-estabilizante eutéctico 38 Figura II.3.- Clasificación de los aceros inoxidables según AISI 41 Figura III.1.- Influencia mutua entre los campos involucrados en el proceso de soldadura 49 Figura III.2.- Modelado matemático del problema físico 51 Figura III.3.- Proceso de soldadura TIG Manual 52 Figura IV.1:- Mallado de la pieza 66 Figura IV.2. Conducción unidimensional de calor a través del un elemento plano 68 Figura IV.3.- La solución general de una ecuación típica comprende constantes 72 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Contenido de figuras Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. v arbitrarias y, por tanto, un número infinito de soluciones. Figura IV.4. Ejemplos de elementos finitos unidimensionales a) Lineales b) Parabólico c) Cúbico. 79 Figura IV.5.- Ejemplos de elementos finitos bidimensionales. a) Lineal triangular. b) Lineal Cuadrilátero. c) Parabólico triangular. d) Parabólico Cuadrilátero. 79 Figura IV.6.- Ejemplos de elementos finitos tridimensionales. a) Lineal. b) Parabólico. c) Superior cilíndrico 80 Figura IV.7.- Diagrama de elementos seleccionados para el análisis numérico 81 Figura IV.8.- PLANE35 y PLANE 77 82 Figura IV.9.- Ranura “V” para unión por soldadura manual de arco protegido. (Acot:mm) 84 Figura IV.10.- Arranque del proceso TIG, en la unión soldada 85 Figura IV.11.- Distribución de temperaturas en diferentes puntos. 86 Figura IV.12.- Gráfica de temperatura de enfriamiento del NiTiNOL 87 Figura IV.13.- - Gráfica de temperatura de enfriamiento del Acero inoxidable 304 88 Figura V.1.- Puntos nodales y elementos de volumen para la formulación en diferencias en régimen transitorio de la conducción unidimensional de calor sobre la superficie plana. 94 Figura V.2.- Variación de la conductividad térmica del acero inoxidable 95 Figura V.3.- Distribución de temperaturas entre la unión soldada 97 Figura V.4- Curva de enfriamiento para un material puro 98 Figura V.5.- Distribución de calor en la unión soldada 99 Figura V.6.- Muestra de Temperaturas en tres diferentes puntos de la unión soldada 100 Figura V.7.- Puntos nodales y elementos de volumen para la formulación en diferentes en diferencias finitas de la conducción unidimensional (balance de energía) 102 Figura V.8.-Distribución de calor sentido en X 103 Figura V.9.- Distribución de calor sentido en Y 103 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Contenido de figuras Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. vi Figura V.10.- Volumen del Elemento 104 Figura V.11.- Flujo térmico sumatoria 105 Figura V.12.- Flujo térmico sumatoria detalle, Macrografía para la TIG 106 Figura V.13.- Gradiente térmico sumatoria. 107 Figura V.14.- Evolución de ciclos térmicos en el punto del cordón 108 Figura V.15.- Comportamiento del metal de aporte (NiTiNOL) con cambios estructurales típicos de la unión soldada 109 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Contenido de tablas Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. vii Índice de tablas Tabla I.1.- Tipos de electrodos 15 Tabla I.2.- Unión de distintos metales. 26 Tabla II.1.- Propiedades mecánicas del NiTiNOL 35 Tabla II.2.- Características de metales aleados 31 Tabla III.1.- Datos de referencia del acero inoxidable austenítico (AISI 304) y NiTiNOL 53 Tabla IV.1.- Datos de referencia para la gráfica del NiTiNOL. 88 Tabla IV.2.- Datos de referencia para la gráfica del Acero 304 89 Tabla V.1.- Propiedad 83 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Resumen Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. viii Resumen El presente proyecto de investigación está enfocado a la aplicación de nuevos materiales en la industria nacional y, en particular, utilización de material de memoria de forma NITINOL (Ni Ti) en la soldadura. Para este efecto, se realizo el análisis numérico por transferencia de calor de la unión de materiales acero inoxidable 304 como base y material de aporte de memoria de forma NiTiNOL, del proceso de soldadura TIG. Este proceso se seleccionó el proceso de soldadura TIG, debido a que es un método de soldadura por fusión, en donde existe una mejor adherencia entre materiales. Además se puede observar y definir las temperaturas para realizar un análisis de transferencia de calor que permita definir el modo de transferencia y analizar la zona afectada por el calor. El acero inoxidable sirvió como material base y como material de aporte se utilizó NITINOL, se escogió el proceso GTAW (TIG), como un proceso con más amplia utilización sobre todo en el área de la construcción y la industria aeronáutica. Para esta investigación se tomaron las temperaturas de fusión de cada uno de los materiales a unir, mismas que fueron obtenidas, de sus respectivos diagramas de equilibrio, debido a que en la literatura, no existe un dato que nos indique las temperaturas de fusión de cada material. Posteriormente para corroborar los datos obtenidos, se tomaron medidas en diferentes puntos, con un calorímetro. Se procedió a analizar un punto central de la unión soldada. Para este caso, fue el registrado conla temperatura de 1470 °C, para la realización del análisis. Estas temperaturas son indispensables para alimentar la corrida en ANSYS, mismo que nos proporcionará datos precisos de cómo se propaga el calor de un elemento a otro. Después se determinaron los parámetros y variables del proceso, con la finalidad de realizar un modelo geométrico, mismo que da la pauta para el desarrollo de un análisis numérico, a partir de la unión soldada. En la simulación se emplean por simplicidad fuentes puntuales de temperatura a lo largo del cordón de soldadura. Como consecuencia de ésta y de las demás consideraciones, se obtiene un modelo simple y suficientemente aproximado para el propósito definido. Se logra obtener Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Resumen Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. ix en el campo mecánico resultados comparables a los que se obtienen mediante modelos más complejos, y que se aproximan a los que ocurren en un proceso real. En la tabulación de las temperaturas, se observa como enfría cada material, en un determinado tiempo, lo que indica que la temperatura varia a lo largo del proceso, entonces se analizará un elemento no lineal, de acuerdo con las gráficas registradas, para cada material (aporte y Base). Finalmente los resultados fueron satisfactorios, ya que los cálculos hechos para definir las variables del proceso, resultaron los correctos para poner en marcha el programa sin ninguna dificultad. También éste análisis permite observar la propagación de calor, entre materiales y los más importe, cómo influye el tiempo con la temperatura del material base y el material de aporte, en este caso el comportamiento de NiTiNOL, dentro el proceso de soldadura TIG, y que tratamiento debe aplicarse para disminuir la zona de recristalización, producida en la zona afectada por el calor, a través del flujo térmico mostrado en la simulación del programa. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. x Abstract This research project is focused on the application of new materials in the domestic industry and in particular use of material shape memory nitinol (Ni Ti) in welding. To this end, the numerical analysis was performed by heat transfer from the union of 304 stainless steel materials as the basis and material contribution of shape memory nitinol, TIG welding process. This process was selected TIG welding process, because it is a method of welding fusion, where there is a better bond between materials. You can also observe and define temperatures to conduct an analysis of heat transfer to define the mode of transfer and analyze the area affected by the heat. The stainless steel served as a base material and material input was used nitinol, was chosen the process GTAW (TIG), as a process with wider use especially in the area of construction and aviation industry. For this investigation were taken melting temperatures of each of the materials to be joined, same as those obtained from their respective diagrams of balance, because in the literature, there is no data to track the melting temperature of each material. Subsequently to corroborate data, measures were taken at different points, with a calorimeter. We proceeded to discuss a central point of union welded. To this case was registered with the temperature of 1470 ° C to perform the analysis. These temperatures are essential to feed the corrida in ANSYS, which will give us accurate data on how heat spreads from one element to another. After identified the parameters and variables in the process, with the aim of carrying out a geometric model, which gives the same pattern for the development of a numerical analysis, from the union welded. In the simulation used by simplicity point sources of temperature along the cord welding. As a result of this and other considerations, yields a simple model and approximate sufficiently defined for the purpose. It succeeds in obtaining the field mechanic results comparable to those obtained by more complex models, which are close to occurring in a real process. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. xi In the tabulation of temperatures, is observed as each material cools, in a given time, indicating that the temperature varies along the process, then analyse a non-linear, according to figures recorded for each material (input and Base). Finally the results were satisfactory, since the calculations to define the process variables, were correct to launch the program without any difficulty. Also this analysis allows us to observe the propagation of heat, between material and the most amount, how much influence time with the temperature of the material basis and material input, in this case the behaviour of nitinol, within the process of TIG welding, and that Treatment should be applied to reduce the area recristalización produced in the area affected by heat, heat flow through the simulation shown in the program. Maestría en Ingeniería Mecánica Justificación Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. . xii Justificación En la actualidad, el proceso de soldadura TIG es uno de los más empleados, debido a la versatilidad, la resistencia a respuestas mecánicas y su sencillez de ejecución. Permite a la soldadura imponerse a otro tipo de uniones. La tecnología moderna utiliza nuevos materiales, entre los que se encuentran los materiales con memoria de forma. El sector productivo está entusiasmado con estos materiales, pero la tecnología está importada y en realidad, no tienen suficiente conocimiento como se comporta y que propiedades tienen estos materiales. Cabe señalar, que en Japón se utiliza este tipo de material en la industria de la construcción de edificios los cuales pueden soportar terremotos y maremotos. Asimismo, los italianos utilizan Materiales de Forma en la industria Textil. Existen muchos ejemplos de aplicación en este tipo de materiales en otros países, pero ellos están trabajando en esta dirección mucho más tiempo que en México. Este trabajo de investigación, parte de trabajos anteriores, donde se llevó a cabo el experimento físico de la unión del acero inoxidable 304 de base y aporte NiTiNOL, en el proceso TIG, y donde los resultados de las microestructuras se grabaron y se estudiaron para ver los cambios que ocurren en la unión soldada (zona afectada por el calor) entre el material base y de aporte. Ahora corresponde analizar la transferencia de temperaturas por en método de elemento finito, a través del programa de ANSYS y establecer el modo de transmisión de calor, para analizar la propagación de calor del metal de aporte, en la unión soldad de la zona afectada por el calor base en los parámetros del proceso de soldadura TIG. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica OBJETIVO Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole método elemento finito. . xiii Objetivo Determinar la propagación de calor del metal de aporte NiTiNOL, al unirse con el metal base acero inoxidable, a partir de los datos de las curvas de enfriamiento, relación temperatura vs tiempo, así como los de conductividad térmica, calor específico, densidad, velocidad de soldadura etc. Establecer el modelo analítico y numérico en el proceso de soldadura TIG, de la unión de un acero inoxidable 304 de base y uno de memoriade forma NiTiNOL, para analizar el comportamiento de éste último, a partir de la distribución de temperaturas. Objetivos particulares Observar el comportamiento del NiTiNOL en unión con el acero 304. Determinar por medio de elemento finito, la transferencia de calor que existe entre dichos materiales. De a cuerdo a las propiedades de los materiales a unir, establecer el cambio de temperaturas en una zona específica del elemento al ser soldado, modelado el elemento, con las variables del proceso de temperatura TIG, con el programa de ANSYS. Aportar la mayor cantidad de datos posibles, para que en trabajos futuros, se pueda dar una mejor aplicación de éstos materiales y se pueda analizar los esfuerzos y deformaciones en uniones. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. . xiv Introducción Para el constante avance tecnológico en el mundo, se requiere la utilización de nuevos materiales y México no es la excepción. Para esto es necesaria una investigación sobre aplicaciones de nuevos materiales, en la industria nacional. Por esta razón se inició el análisis sobre la aplicación de materiales con memoria de forma, llamados también “Inteligentes”. Se pretende ofrecer tecnología a las empresas nacionales, lo que permite al país estar al mismo nivel industrial con los tecnológicamente avanzados. El material de Memoria de Forma, hoy en día, es de gran importancia, y tiene una amplia aplicación en diferentes ramas de la industria. Las compañías transnacionales utilizan este material bajo su propia tecnología y utilizan a los especialistas nacionales como ejecutores, sin permitir entrar a profundidad en el tema. Para la fabricación de diferentes componentes industriales que con frecuencia se complementan de algún proceso de soldadura. En la actualidad el proceso de soldadura TIG (tungsteno gas inerte), resulta uno de los más eficientes y económicos. Para incorporar las propiedades mecánicas del material de memoria de forma en la soldadura, se ha realizado un estudio donde se utiliza NITINOL como material de aporte en la unión soldada del acero inoxidable 304. Las propiedades mecánicas del NiTiNOL son comparables a las de los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300[3]. El propósito de la investigación es realizar un cálculo número a través del Método de Elemento Finito y simulado en el programa ANSYS® versión 11.0, para conocer la transferencia de temperaturas por medio de los procesos de transmisión de calor, convección, para posteriormente determinar, la propagación de calor a partir de la unión soldada y establecer el flujo térmico en los puntos de enfriamiento, de la llamada Zona afectada por el calor (ZAC). Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. . xv Existen multitud de problemas físicos cuya formulación desde un punto de vista matemático responde a una ecuación diferencial en derivadas parciales. Tal es el caso de la transmisión del calor, del electromagnetismo, de la mecánica de fluidos o del análisis estructural. La solución de dichos problemas tiene un interés elevado en ingeniería, ya que dichas soluciones son el punto de partida para el diseño y modelado de los sistemas físicos que representan aquellas ecuaciones. En general, la resolución de las ecuaciones diferenciales que formulan un problema físico es de gran complejidad. Solamente en los casos en que se hacen simplificaciones sobre las dimensiones en que se estudia el problema para las distribuciones de campo, y sobre las geometrías en que se resuelven estas ecuaciones, es posible obtener una solución analítica del problema. En dichos casos, tales simplificaciones conducen a ecuaciones diferenciales de menor complejidad. El método de separación de variables también proporciona solución a multitud de problemas físicos. Por otro lado la semejanza y la analogía permiten la obtención de la solución de un problema físico cuando se conoce la técnica a otro problema físico (análogo) que tiene la misma forma desde un punto de vista matemático. Tal es el caso de la analogía entre la transmisión de calor en régimen permanente y la electrostática, y el caso de la analogía entre la transmisión de calor unidimensional transitoria y las ecuaciones de las líneas de transmisión. Para todos los casos en los que las técnicas analíticas o bien porque pierden exactitud (debido a que la distribución de campo empieza a dejar de ser unidimensional), o bien porque no es posible aplicarlas, debido a que estos casos se salen del alcance de las mismas (como consecuencia de que la distribución térmica sea 2D o 3D), es donde los métodos numéricos tienen mucha utilidad. Dentro de estas técnicas destaca la técnica de análisis por elementos finitos. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. . xvi Considerando lo anterior, el presente trabajo tiene, cinco capítulos: En el primer capítulo, se hace una descripción del proceso de soldadura TIG, sindicando las principales variables del proceso y como ha ido evolucionando al paso del tiempo. En el segundo capítulo, se mencionan las propiedades y características de los materiales a unir, así como la ventaja que tiene unir éstos materiales, por medio del proceso de soldadura TIG. En el tercer capítulo, se establece un modelo matemático para el cálculo de las variables que intervienen dentro del proceso de soldadura, fundamentales para el análisis numérico. En el cuarto capítulo, se define la geometría del elemento para la realización del análisis por el Método del Elemento Finito. En el quinto capítulo, se interpretan los resultados de cada una de las corridas, realizadas en el programa de ANSYS, y se hacen algunas recomendaciones para trabajos futuros. Este trabajo esta ligado a otros trabajos de investigación, con los siguientes Títulos: “Análisis estructural de la unión soldada con el proceso de soldadura GTAW sometido a tratamiento térmico, donde el material de base es acero inoxidable austenítico y de aporte NiTiNOL” y “Efecto del tratamiento térmico en la microestructura de la unión soldada con el proceso de soldadura fuerte (Brazing), donde el material de base es titanio grado uno y de aporte NiTiNOL”, mismos que sirvieron de referencia, para continuar con el análisis numérico, correspondiente a este trabajo. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 1 Capítulo I Estado del Arte En este capítulo se hace una descripción del proceso de soldadura TIG, mencionando sus características principales así como su metodología para la unión de materiales. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 2 I.1.- Aspectos generales En nuestros días, las exigencias tecnológicas en cuanto a calidad y confianza de uniones soldadas, obligan a adoptar nuevos sistemas, destacando entre ellos la soldadura de tungsteno con protección gaseosa (TIG). Este es un sistema de soldadura al arco eléctrico con protección gaseosa de calor del arco eléctrico, generado entre un electrodo de tungsteno no consumible, donde puede utilizarse o no metal de aporte. Se utiliza un gas de protección cuyo objetivo es desplazar el aire, para evitar la contaminación dela soldadura por el oxígeno y nitrógeno presentes en la atmósfera. Desde sus comienzos, allá por 1940, se han experimentado constantes avances hasta convertirse en una técnica que puede aplicarse a la unión de todos los metales y aleaciones con distintos espesores[1]. La secuencia para soldar metales uniformes definen a estas uniones en las que se consiguen juntas con las mismas características que el metal base, siendo algunas aplicaciones las más típicas las siguientes: Soldar de la primera pasada de tuberías de aceros aleados, aceros inoxidables y aleaciones de níquel. Soldar equipos de aluminio, titanio y aleaciones de níquel. Soldar en tubos de la placa de los intercambiadores de calor. Soldar el interior de reactores de uranio en acero inoxidable y titanio. La calidad y facilidad de adaptación a trabajos delicados y de precisión hacen que el proceso TIG tenga cada día mayor aplicación en metales, aunque su complejidad técnica requiera de profesionales especializados. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 3 I.2.- principios del proceso En el año de 1900, se otorgó una patente relacionada con electrodos rodeado por un gas inerte. Los experimentos con este tipo de soldadura continuaron durante las décadas de 1920 y 1930. Sin embargo, hasta 1940 se dio gran atención al proceso GTAW. Hasta antes de comenzar la segunda guerra mundial se habían hecho pocos experimentos, en donde los gases inertes eran muy costosos, pero durante la guerra, la industria de la aviación necesita con urgencia un método más rápido y fácil para soldar aluminio y magnesio para acelerar la producción [2]. Debido a los beneficios logrados en la producción, se justificó el costo adicional del empleo del gas inerte en gran escala. Aunque la producción de este gas es mucho más rápida y económica, todavía representa un gasto adicional pero justificable. En la década de 1940 se otorgó una patente de un proceso para eliminar un electrodo de alambre en forma continua a través de un arco protegido con gas. Este fue un principio del proceso MIG (metal y gas inerte), que ahora tiene la denominación oficial de AWS y de CSA como soldadura con gas y arco de metal (GMAW). Este tipo de soldadura se ha perfeccionado y agilizado desde sus primeros días, además se han creado procesos relacionados. En alguno de ellos se utiliza un electrodo, de alambre desnudo, protegido con gas inerte, en otro se emplea un electrodo recubierto con fundente similar a los convencionales para soldadura con arco. En algunos otros se utiliza también un electrodo hueco o tubular que tiene núcleo o fundente. En determinados procesos se hace uso de una combinación de electrodo con núcleo fundente y un gas de protector [3]. También para transferir el metal fundido a través del arco, se utilizan diferentes métodos que pueden ser manuales semiautomáticos ó automáticos. La GMAW es ahora uno de los procesos más importantes en la industria de la soldadura. Inicialmente la soldadura con protección gaseosa se utiliza únicamente en aceros inoxidables y otros metales de difíciles de soldar. En la actualidad, las distintas variantes del procedimiento Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 4 se aplican a la unión de todo tipo de metales. Por razones de calidad, velocidad de soldadura y facilidad operatoria, la soldadura por arco con protección gaseosa sustituye a la soldadura oxiacetilénica y la soldadura con arco con electrodos revestidos. El procedimiento puede aplicarse, tanto manual, como automático, y en cualquier caso, su campo de aplicación alcanza desde los espesores más finos, hasta los más gruesos, tanto en metales ferrosos como no férreos. I.2.1.-Descripción del proceso de soldadura tig El procedimiento de soldadura por arco bajo gas protector con electrodo no consumible, también llamado TIG (Tungsten Inert Gas), utiliza como fuente de energía el arco eléctrico que salta entre un electrodo no consumible y la pieza a soldar, mientras un gas inerte protege el baño de fusión. El material de aportación, cuando es necesario, se aplica a través de varillas como en la soldadura oxiacetilénica. En la siguiente figura I.1 se muestran los elementos más importantes que intervienen en el proceso: Figura I.1.- Descripción del proceso TIG [4]. Algunas de sus principales características son: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 5 Se puede automatizar el proceso para algunas fabricaciones en serie. Su aplicación manual exige una gran habilidad por parte del soldador. Puede emplearse en todo tipo de uniones o posiciones y en los materiales más diversos: aceros al carbono, inoxidables, metales no férreos. Las soldaduras por sistema TIG son más resistentes, dúctiles y seguras contra la corrosión que las realizadas por los sistemas usuales. Al no ser necesario utilizar decapantes para ningún tipo de material, se evitan las inclusiones de estos y el consecuente peligro de corrosiones en esta zona, así como el trabajo de eliminarlos. Todo el proceso se realiza sin proyecciones, chispas, escoria o humos. Puede emplearse para soldar prácticamente todos los metales que se utilizan en la industria, esto es: Todos los metales ligeros: aluminio, magnesio y sus aleaciones. Todos los aceros inoxidables (cromo, níquel y sus aleaciones). Cobre y sus aleaciones. Plata y oro. Fundiciones. Aceros al carbono. Metales diferentes entre si. I.2.2. - Corriente continua (polaridad directa) Cuando el electrodo de tungsteno tiene polaridad negativa y la pieza positiva (polaridad directa), los electrones dejan el electrodo y chocan contra el metal base, proporcionando con ello dos terceras partes de la energía total en forma de calor en el metal base. El arco formado Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 6 bajo el gas protector tiene forma de campana, proporcionando una penetración estrecha y profunda: A continuación se representa la característica de arco cuando se utiliza tensión continua para el proceso de soldadura TIG: Con intensidades bajas (hasta unos 25 A), la tensión cae rápidamente al aumentar la intensidad. A partir de este valor, la tensión crece paulatinamente con la intensidad, ya que, al aumentar ésta, el punto de ignición del extremo del electrodo se desplaza hacia arriba, con lo que incrementa la longitud media del arco, o, lo que es lo mismo, eleva la tensión: Figura I.2.- Longitud media del arco [5]. Además, como puede observarse en el dibujo precedente, el arco no solo aumenta su longitud, sino que aumenta la base del arco en la pieza, con lo que varía algo la distribución de la energía en la pieza (disminución de la energía por unidad de superficie). figura I.2 A continuación se representa la característica de arco cuando se utiliza tensión continua para el proceso de soldadura TIG: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 7 Figura I.3.- Curva característica del arco [6]. Con intensidades bajas (hasta unos 25 A), la tensión cae rápidamente al aumentar la intensidad. A partir de este valor, la tensión crece paulatinamentecon la intensidad, ya que, el punto de ignición del extremo del electrodo se desplaza hacia arriba, con lo que aumenta la longitud media del arco, o, lo que es lo mismo, aumenta la tensión: Figura I.4.- Etapas en el aumento de la intensidad [7]. En soldadura TIG manual, normalmente se amuela la punta del electrodo un ángulo de aproximadamente 40°; sin embargo, en soldadura automática es recomendable un ángulo de 90°. Volts Amperes Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 8 I.2.3.- Corriente continua (polaridad inversa) En la polaridad inversa, el electrodo se encuentra con potencial positivo respecto a la pieza, conectada ésta al polo negativo. En este caso, y puesto que la energía en forma de calor se distribuye en 2/3 en el polo positivo y 1/3 en el negativo, se necesita un electrodo mucho mayor que una soldadura a igual intensidad en polaridad directa: por ejemplo, si a 150 A se puede soldar con un electrodo de 1,6 mm en polaridad directa, a igual intensidad, es preciso utilizar un electrodo de 4,8 mm en polaridad inversa. En este método, deben destacarse dos consecuencias importantes: - La penetración es poca y ancha: Figura I.5.- Soldadura en corriente continua Se produce un efecto de descontaminación, ya que los electrones que salen de la pieza rompen la película de óxidos y arrinconan las impurezas a un lado. En la práctica, el método de la polaridad inversa no tiene apenas aplicación; solo en casos excepcionales como chapas muy finas de magnesio, es donde el proceso adquiere una cierta utilización. I.2.4.- Corriente alterna La corriente alterna tiene como ventaja las dos las dos polaridades: El buen comportamiento durante el semiciclo de polaridad directa (gran penetración). Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 9 El efecto decapante del baño durante el semiciclo de polaridad inversa. El sistema de corriente alterna se utiliza principalmente para la soldadura de metales ligeros. Sus principales inconvenientes, son: dificultades de formación y estabilidad del arco, que obliga a incorporar al equipo un generador de alta frecuencia. I.3.- Curva característica de un equipo de soldadura TIG Considérese una fuente de corriente con característica descendente 1 y un arco eléctrico 11 tal y como se muestra la figura I.6 a continuación: Figura I.6.- Curva característica del proceso TIG voltaje-intensidad [8]. Se establece un punto de trabajo M en la intersección de la característica de arco y la característica del generador. En este punto, existen unos valores definidos de tensión U1 e intensidad II. Volts Amperes Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 10 I.3.1.- Características generales Se representa en la misma gráfica otro generador en el que su característica 2 tiene menor pendiente pero que en un determinado momento está trabajando en el mismo punto M. Si, en estas condiciones el soldador se aleja de la pieza, aumenta la longitud de arco, por lo que la tensión aumenta, y la intensidad tiende a disminuir, tal y como puede apreciarse en la siguiente figura I.7 Figura I.7.- Curva característica del proceso TIG (con variación voltaje-intensidad) Sin embargo, la variación de intensidad que se produce en el caso del generador 1, es menor que en el generador 2. Dicho de otro modo, cuanto mayor pendiente tiene la característica del generador, menor variación de intensidad frente a movimientos de la antorcha de soldadura, esto es, mayor estabilidad del arco. En el límite, puede decirse que para la soldadura TIG, la característica óptima seria completamente vertical. En equipos de regulación por shunt magnético, esta última condición no se podrá cumplir con total exactitud; solo los equipos con regulación electrónica serán capaces de ofrecer una característica absolutamente vertical. Volts Amperes Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 11 I.4.- Tipos de gas o mezcla de gases Los gases protectores en soldadura TIG son inertes. En un principio se empleó helio como gas de protección, ya que Estados Unidos tiene yacimientos naturales de este gas. Pronto se observó que el argón ofrece mayores ventajas. En efecto, la densidad del helio es diez veces inferior que la del argón, por lo que, asegura una protección inferior, ya que el argón tendrá tendencia a descender sobre el baño de fusión. Para obtener una misma protección hace falta doblar o triplicar el caudal de helio respecto el de argón. Esto supone un inconveniente de tipo económico, habida cuenta de que el helio es algo más caro que el argón. De todas maneras, esta diferencia puede ser anulada, teniendo en cuenta que la velocidad de soldadura varía sensiblemente en función del gas. I.4.1.-Características generales El poder ionizante del helio es menor que el del argón, por lo que la tensión de arco es cerca del 75% más grande con helio que con argón. Por contra, el helio proporciona un mejor rendimiento calorífico, y este aporte de calor más intenso genera una penetración muy fuerte, lo que es idóneo para procesos de fabricación en automático. Además, la utilización del helio se hace interesante en particular para la soldadura de metales que son buenos conductores del calor, como el cobre o el aluminio. En contrapartida, el helio está caracterizado por un arco menos estable y un cebado (etapa de limpieza) más difícil, debido precisamente a su poder ionizante bajo. Mezclas de argón y helio aseguran un compromiso entre las ventajas e inconvenientes. Igualmente, para conseguir mayores rendimientos en soldaduras manuales o automáticas, Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 12 existen en el mercado mezclas a base de argón con un 10% de hidrógeno, que le confieren dos efectos favorables: Aumenta la temperatura, por lo que permite mayor penetración o mayor velocidad. Sucede un efecto de limpieza, ya que el hidrógeno es reductor y por tanto, tiene la capacidad de eliminar óxidos. El nitrógeno no puede emplearse como gas inerte, ya que, aunque lo es a temperatura normal, a la del arco eléctrico se disocia y se combina con el metal de soldadura. Como salvedad está el cobre, donde el nitrógeno no forma nitruros. En este tipo de soldadura, se utiliza nitrógeno solo o combinado con argón al 50%. Sobre aceros inoxidables, aceros aleados y metales nobles como por ejemplo el titanio, es muy aconsejable asegurar una protección por debajo de la zona de soldadura a través de un gas, generalmente de la misma naturaleza que el de protección. Su caudal será función del recinto que deba protegerse. El aluminio no necesita protección por debajo de la zona de soldadura. Para los aceros no aleados tampoco, esto no es necesario, pero su presencia mejora el estado de la superficie y alrededores de la penetración. I.5.- Electrodos de tungsteno Por definición, los electrodos utilizados en soldadura al arco con electrodo refractario son infusibles. Se impone pues, la utilización de un metal con un punto de fusión muy elevado, capaz de soportar temperaturas del orden de los 4000° Celsius, son las que aparecen en el arco. Por otra parte,la naturaleza, el diámetro y la limpieza del electrodo así como la naturaleza de Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 13 la corriente utilizada, tienen una gran influencia sobre la calidad del trabajo y la estabilidad del arco. El tungsteno responde perfectamente a la exigencia de soportar temperaturas elevadas, a la vez que tiene la ventaja de poseer una emisión termoiónica importante. Por este motivo, todos los electrodos que se utilizan son de tungsteno. Se puede incluso reforzar la emisión electrónica de los electrodos, añadiendo al tungsteno óxidos de torio, de circonio, de lantano, en cantidades que van del 0,15 al 4,2%, según los electrodos y el elemento a adicionar. Estos activantes de emisión facilitan el cebado del arco, mejoran la estabilidad, aumentan la duración de vida de los electrodos y reducen los riesgos de contaminación de la soldadura, por inclusiones de tungsteno. Por otra parte, a diámetro igual, los electrodos contienen óxidos que permiten soportar una intensidad de corriente más elevada que la del tungsteno puro. La adición de óxidos es generalmente dispersada finamente en la matriz de tungsteno. Del mismo modo, existen electrodos refractarios en tungsteno, denominados "compuestos", que están constituidos por un núcleo de tungsteno puro y con un revestimiento exterior de óxido. Este tipo de electrodos combina las calidades de los de tungsteno puro y de los de tungsteno con óxidos, pero tienen el inconveniente de no poder ser afilados en punta. Las varillas de tungsteno puro funden a 3400° C, y es necesario que el extremo del electrodo sea redondeado. Se utilizan fundamentalmente con corriente alterna en la soldadura del aluminio y sus aleaciones. En cambio el tungsteno aleado con torio tiene un punto de fusión de 4000°C, y es necesario que el extremo de la varilla esté afilado. Se utiliza en la soldadura con corriente continua de aceros al carbono, baja aleación, inoxidables, cobre, titanio. Su precio es un 15% superior a los de tungsteno puro. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 14 El tungsteno aleado con circonio funde a 3800 °C, y es válido para la soldadura tanto en corriente continua como alterna. Se utiliza para soldar metales ligeros como aluminio y magnesio, en donde es necesario evitar la contaminación del metal de aporte. I.5.1.- Codificación de los electrodos La norma internacional ISO 6848 dispone una codificación alfanumérica en la que: - La primera letra caracteriza el componente principal. - La segunda letra caracteriza la adición del óxido: * P —> Tungsteno puro * Z —> Circonio * L —> Lantano * C —> Cerio * W —> wolfragnio Después sigue un número que corresponde al porcentaje de adición multiplicado por diez. Así, por ejemplo, WP caracteriza a un electrodo de tungsteno puro, mientras que WT 20 corresponde a un electrodo de tungsteno. Cada tipo de electrodo definido por la norma, viene indicado por un anillo de color según se indica a continuación: CÓDIGO COLOR WP VERDE WT4 AZUL WT10 AMARILLO WT20 ROJO WT30 VIOLETA WT40 NARANJA Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 15 WZ3 MARRON WZ8 BLANCO WL10 NEGRO WC20 GRIS Tabla I.1.- Tipos de electrodos[9]. NOTA: Los electrodos compuestos tienen indicado un segundo anillo de color rosa. I.5.2.- Condiciones de utilización Si la intensidad de corriente es demasiado baja, el arco es errático e inestable y existe el riesgo de tener proyecciones de tungsteno. El empleo de una intensidad elevada permite obtener un arco perfectamente estable y una mejor concentración del calor, pero este valor está limitado. En efecto, si la intensidad es demasiado elevada, se produce un calentamiento excesivo y una fusión de la extremidad del electrodo: partes de tungsteno caen sobre el baño de fusión y el arco se convierte en errático e inestable. El valor de la intensidad de corriente de soldadura está limitado por las condiciones de utilización y el ángulo de afilado del electrodo, a una influencia sobre la corriente límite. Para un diámetro dado, un ángulo de afilado más obtuso es recomendado para fuertes intensidades. El tungsteno es un material caro. Un prematuro desgaste del electrodo no es solamente costoso, sino que además afecta la calidad del cordón. Aunque parezca que no se produce ninguna combinación electroquímica entre electrodo y baño, puede ocurrir que se produzcan inclusiones de tungsteno en el baño, lo que sería causa de múltiples problemas. Por supuesto, debe tenerse en cuenta que el electrodo nunca debe tocar el baño, sobretodo en materiales que se combinan fácilmente con el tungsteno, como es el caso de todos los metales ligeros. El Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 16 cobre y el acero son, en este sentido, menos sensibles, y puede cebarse el arco tocando con el electrodo a la pieza, teniendo siempre presente que tampoco aquí el electrodo puede tocar el baño. I.5.3.- Forma de los electrodos La punta del electrodo juega un papel importante sobre la estabilidad del arco y la penetración de la soldadura. En corriente alterna, el extremo de un electrodo debe ser hemisférico; en el caso de que se forme una gota, es porque la densidad de corriente límite ha sido sobrepasada. Empleando tungsteno, raramente se llega a obtener una forma hemisférica, y si la densidad de corriente es excesiva, el extremo se convierte en irregular. En corriente continua, los electrodos deben ser puntiagudos, sobre todo si la densidad de corriente es débil; cuanto más agudo es el ángulo, más grande es la penetración. La altura de la punta debe ser en principio 1,5 veces el diámetro del electrodo. Esta forma cónica se obtiene por amoladura, pero la forma de la punta se hace libremente bajo la acción del arco. Puede darse el caso de que la superficie del cono de un electrodo en tungsteno esté insuficientemente pulida, lo que provoca inestabilidad de arco; en ese caso, basta con aumentar la intensidad de la corriente durante un corto instante, para obtener una superficie perfectamente lisa. Se indican a continuación diversos casos de funcionamiento. Las flechas continuas indican la dirección general de la corriente y las flechas discontinuas indican la tendencia a arcos parásitos: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 17 Figura I.8.-Tipos de punta de los electrodos [10]. En el caso de la figura A, el electrodo está bien afilado y sano, ha sido utilizado en corriente continua, en condiciones de intensidad normales. El afilado en cono sin punta, permite tener un arco puntual estable, bien centrado. En la figura B, la punta del electrodo se ha fundido bajo la acción de una intensidad demasiado elevada. La punta se ha deformado y el arco está vagabundo y mal dirigido, ya que la bola de metal oscila durante la soldadura, que se convierte en difícil o imposible. En la figura C, el electrodo se ha utilizado sin protección gaseosa, pudiera ser por corte del caudal demasiado pronto. El electrodo se ha contaminado, por lo que se impone restablecer su estado o cambiarlo. Maestría en Ciencias en IngenieríaMecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 18 En la figura D, se han soldado aleaciones ligeras con un electrodo y una intensidad demasiado baja, de manera que la bola en el extremo del electrodo no se ha formado. Es preciso aumentar la intensidad, o el arco será errático. En la figura E, el electrodo se ha afilado con demasiada punta; sucederá un desgaste rápido, puesto que la punta debe soportar intensidades de corriente demasiado elevadas, con lo que se fundirá y habrá inclusiones de tungsteno en la soldadura. I.6.- Secuencia de un equipo de soldadura TIG La secuencia de un equipo de soldadura TIG es controlada por un circuito electrónico que activa secuencialmente los elementos de la máquina salida de gas, corriente de soldadura y velocidad de hilo. La secuencia se puede distinguir con los siguientes tiempos: a) TIEMPO DE PRE-GAS: es el tiempo que transcurre desde que se da la orden de inicio de soldadura y el inicio propiamente dicho. Durante estos instantes, fluye gas hacia la zona a soldar, con el fin de crear la atmósfera protectora necesaria para el inicio del arco. b) TIEMPO DE DESCENSO DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (SLOPE UP): una vez iniciado el arco, durante este tiempo, la intensidad crece paulatinamente hasta alcanzar el nivel final de intensidad soldadura predefinido. c) TIEMPO DE LA INTENSIDAD (SLOPE DOWN): para evitar la formación de porosidades al final del cordón de soldadura, en el caso de materiales de baja ductilidad, por lo que es necesario evitar la ruptura precipitada del arco y reducir progresivamente la intensidad de corriente de soldadura durante un tiempo determinado. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 19 d) TIEMPO DE POST-GAS: es el tiempo que transcurre desde que se ha extinguido el arco hasta que deja de fluir gas, esto es recomendable para proteger la zona de soldadura hasta que su temperatura descienda por debajo de valores peligrosos. NOTA: No todos los equipos disponen de estos ajustes; además, muchos de ellos, aunque se hallen disponibles en el equipo, no son regulables por el usuario, sino que vienen preprogramados por el fabricante. En equipos algo más sofisticados, se ha ido incorporando últimamente, un mando que permite seleccionar al usuario, lo que se conoce con el nombre de "DOS TIEMPOS/CUATRO TIEMPOS", es decir, 2t/4t. En los apartados siguientes, se muestra el diagrama de secuencia de cada uno de los modos indicados. I.6.1- Secuencia 2tiempos En este modo de secuencia, se da la orden de inicio de soldadura y el equipo comienza conforme a los tiempos que se han seleccionado en el equipo. El diagrama de secuencia se indica en la siguiente figura: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 20 Figura I.9.- Diagrama secuencia 2tiempos. t1: Pre-gas t2: Tiempo desde que entra en funcionamiento el sistema de cebado y se produce realmente éste. t3: Tiempo de SLOPE UP t4: Tiempo de SLOPE DOWN t5: Tiempo de post-gas INTENSIDAD t2 t3t1 A.F. GAS ORDEN DE MARCHA t4 t5 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 21 I.6.2- Secuencia 4tiempos En modo de secuencia 4t, el soldador controla en todo momento los tiempos de pre-gas y post- gas. El diagrama se representa en la siguiente figura: Figura I.10.- Diagrama SECUENCIA 4tiempos. I.7.- Método operativo de la soldadura TIG Para que una soldadura TIG sea regular y compacta, es necesario que los bordes hayan sido preparados con estricto apego. Si por ejemplo, están oxidados, es preciso mediante algún método mecánico eliminar este óxido. Las piezas deben estar perfectamente exentas de INTENSIDAD t3t1 t4 t5 GAS SEÑAL DE ALARMA t2 Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 22 partículas grasas: para ello, será preciso proceder a un desengrasado y posteriormente a un decapado mecánico. En este caso, los bordes se presentan en la posición que deben ocupar en soldadura debiendo ser inmovilizados bien por puenteo o por otros métodos. El puenteo se efectúa bajo argón a una intensidad relativamente baja, teniendo la precaución de dejar siempre enfriar el punto de soldadura con flujo de gas protector después de la extinción del arco y poniendo en acción la protección. Asimismo, la separación entre piezas debe ser muy regular, lo que se obtiene utilizando dispositivos de posicionamiento. La forma de los chaflanes y la separación entre piezas varía según la naturaleza del metal a ensamblar y de su espesor. Debe indicarse que el empleo de soldadura TIG ha sido limitado frecuentemente al espesor de 6 mm en dos o tres pasadas. Lo más corriente es que, si el espesor es superior a 4 mm, el proceso TIG se emplee para la primera pasada y el relleno de la junta se realice enseguida mediante proceso MIG o electrodo revestido. Figura I.11.- Muestra del proceso de soldadura TIG [11]. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 23 I.7.1.- Disipación térmica La energía calorífica se distribuye por la antorcha de manera uniforme a lo largo de toda la junta y por tanto, es necesario que se disipe de manera no menos uniforme; es indispensable antes de empezar a soldar, preocuparse de cómo se hará esta distribución de calor. En general es preferible canalizar el calor en direcciones perpendiculares a la junta soldada. Para realizar prácticamente esta distribución de calor, se considerará la colocación de unos soportes al revés con un material poco conductor de la temperatura, mientras que los órganos de ajuste superiores serán, por el contrario, buenos conductores. Estas precauciones son sobretodo necesarias para espesores bajos. I.7.2.- Método de soldadura Las soldaduras deben realizarse al abrigo del viento. Debe ser un trabajo preciso y la longitud del arco debe mantenerse constante. Es muy importante que el extremo de la varilla de aporte no se salga en ningún momento de la protección del flujo de gas; en caso contrario, este extremo se oxidaría y se producirían inevitablemente inclusiones de óxido en el baño. Después de la ejecución de la soldadura, la junta debe limpiarse. Un martilleo en caliente es susceptible de mejorar ligeramente la resistencia mecánica de la junta. I.7.3.- Modo operativo El arco después del cebado, se mantiene sobre la junta hasta la aparición de un punto brillante, lo cual indica que el metal de la pieza ha llegado a su punto de fusión. El soldador aumenta de tamaño este punto brillante, describiendo pequeños círculos con la antorcha. Entonces empieza el desplazamiento de derecha a izquierda a la velocidad de avance conveniente: Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 24 Figura I.12.- Secuencia del proceso[12]. Si por causa de una longitud de arco demasiado grande o por una corriente de aire, el oxígeno del aire llega a tener contacto con el electrodo,éste se llena de una capa blanquecina de óxido de tungsteno. En este caso, es imprescindible interrumpir la soldadura (con post-gas) y reponer el electrodo. Varios factores esenciales en la soldadura TIG, dependen de la apreciación del soldador: 1) El ajuste de la intensidad de la corriente de soldadura: este parámetro, para un espesor y un diámetro de electrodo determinados, está estrechamente ligado a la velocidad de avance. Un compromiso entre estos dos parámetros depende de la habilidad del soldador. Soldando en canal, no hay inconveniente en que el baño de soldadura sea relativamente abundante, mientras que, en otras posiciones, es preferible que no haya una gran masa fluida difícil de controlar. Del mismo modo, la reducción de la intensidad, según la posición de soldadura, es función del espesor de la pieza: para una soldadura montante, será de un 5 a 10 %, sobre chapa de 3 a 4mm, pero de un 20 % con piezas de hasta 8mm. De todas las maneras, en ningún caso, Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 25 la corriente de soldadura debe pasar del valor máximo admisible por el electrodo, valor que dependerá del diámetro y su composición. 2) La longitud del arco: debe ser pequeña y constante. Se trata de una de las dificultades del proceso y sin duda, la que exige más entrenamiento. 3) La velocidad de avance: en soldadura manual, se escogerá de manera que se halle entre un máximo, que dará un cordón no-penetrado y un mínimo, que proporcionará un gran cordón y una gran cantidad de calor a la pieza (deformaciones más elevadas). 4) El volumen de metal de aporte por unidad de longitud de soldadura: soldando hacia la izquierda, el soldador conserva una buena visibilidad del baño, lo que le permite, bien actuando sobre el movimiento de la varilla o bien actuando sobre la velocidad de avance de la antorcha, regular a voluntad el volumen del baño. Debe esforzarse en mantener una soldadura brillante y regular, sin sobre-espesor notable. Para dosificar la cantidad de metal de aporte, el soldador se guía del aspecto del cordón, que debe tener un volumen suficiente y presentar una superficie regular sin regueros, y sin sobre-espesor excesivo. En la soldadura con ángulo interior en posición cornisa, la antorcha se dirigirá un poco más hacia la pieza superior que hacia la inferior, con el fin de facilitar el mantenimiento del baño de fusión. Las soldaduras de puenteo, ejecutadas sobre metal frío, quedan exentas de defectos, de ahí la necesidad de refundirlas por entero. En este caso, el soldador reducirá ligeramente la velocidad de avance y espaciará, en consecuencia, los aportes de metal. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 26 I.7.4.- Soldadura de metales diferentes A menudo, en una construcción, se da el caso de tener que soldar dos metales o aleaciones de naturaleza diferente. Esto no es siempre posible, ya que pueden formarse, en la zona de unión, compuestos intermedios frágiles. A continuación se muestra una tabla donde aparecen las diferentes posibilidades existentes para unir metales distintos. Tómese como orientación, aunque cabe decir que cada caso deberá ser examinado exhaustivamente: Tabla I.2.- Unión de distintos metales[13] Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 27 Los diversos metales diferentes tienen conductibilidades caloríficas diferentes. El soldador deberá en todo momento, dirigir el arco con preferencia hacia el metal más conductor y, según el caso, hasta pre-calentarlo. 1.8.- Planteamiento del problema El propósito de esta investigación, es analizar el comportamiento del NiTiNOL, al fundirse con el acero inoxidable, por medio del proceso de soldadura TIG, el cual fue elegido debido a las condiciones requeridas para unir dichos materiales. Se seleccionaron éstos materiales por sus características de compatibilidad y temperaturas de fundición, ya que él NiTiNOL es un material inteligente y es parte de las nuevas tecnologías para la unión de recipientes y estructuras, en donde la principal falla ocurre en la unión soldada, también llamada ZAC (Zona afectada por el calor). Este análisis se realizará por el método de transferencia de calor, para posteriormente realizar un modelo matemático, para definir las variables del proceso, para comenzar con análisis numérico, por medio del Método de Elemento Finito, a través del programa de ANSYS. Con la finalidad reobtener resultados que avalen las secuelas obtenidos por otros trabajos, que realizaron la prueba física de la unión e hicieron pruebas metalográficas para explicar dicho comportamiento y determinar un tratamiento térmico que nulifique o disminuya las fallas en la unión soldada. 1.9.- Sumario Después de conocer a detalle el origen y desarrollo del proceso de soldadura TIG, se puede decir ampliamente, que este método para unir metales, resulta práctico y sencillo, no solo para la industria, sino para realizar investigaciones que conlleven a determinar los diferentes fenómenos físicos y químicos que ocurren en la unión de materiales con características similares. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo I Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 28 Para el análisis que se llevará a cabo en el presente trabajo, es importante conocer como opera este proceso y como influye la selección del mismo, para el análisis de transferencia de calor cuando se realiza la unión de materiales, de ahí la importancia de especificar a detalle el modo operativo del proceso. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 29 Capítulo II Generalidades de los materiales a unir En este capítulo se hace mencionan las propiedades del NiTiNOL y del acero inoxidable 304, indispensables para el desarrollo de la investigación. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo II Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 30 II.1.- Aspectos generales El origen de los materiales con memoria de forma y la aplicación de ellos en forma general dentro de las nuevas tecnologías, resulta de gran importancia, no obstante describir sus características, así como su comportamiento al momento de ser empleados, particularmente indicando el porque, de la necesidad de unir un material inteligente como el NiTiNOL con un material común y como el acero inoxidable 304, y analizar la unión de dichos materiales por medio del proceso de soldadura TIG. En esta parte analizaremos cada una de las características de los materiales a unir y como se lleva a cabo la unión de éstos materiales, indicando cada parte del desarrollo del proceso en la realidad. La aleación NiTi (46 % níquel y 45 % titanio) es un metal con memoria que no se deforma al doblarse sino que recupera su forma recta original. II.2.- Materiales con memoria de forma A inicios del siglo XX, el desarrollo de materiales con nuevas y mejores propiedades, dio origen a nuevas aleaciones, de entre las cuales hay una que sobresale a las propiedades comunes, la llamada “memoria de forma” [14]. Los materiales con memoria de forma, presentan uncomportamiento mecánico distinto a los metales convencionales utilizados en la industria y corresponden a una clase de aleaciones metálicas que, ante la acción de cambios de temperatura o cargas aplicadas, pueden experimentar deformaciones más allá del rango lineal y después recuperar su forma original. • Definición: “Un material inteligente es aquel que cambia sus propiedades ante un cambio en el medio ambiente”. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo II Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 31 • El nuevo paradigma en la ingeniería: los materiales estructurales serán reemplazados por materiales funcionales. Un material puede ser inteligente en el sentido de que puede dar la misma respuesta ante un cambio particular; sin embargo, hay otros con capacidad de aprendizaje. A nivel simple, un material inteligente es aquel que responde a su medio. Se desea que un material inteligente tenga respuestas abruptas y pronunciadas. La inteligencia tiende a ser una cuestión de grados. Estos materiales son generalmente deformados a temperaturas bajas, retomando su forma original de manera espontánea una vez que son calentados. Estas aleaciones presentan el efecto de memoria de forma debido a la transición entre fases “padre” y “producto”. Este fenómeno presenta dos casos bien definidos, memoria en un “sentido” o en dos “sentidos”, siendo el primer caso el más utilizado. Una forma simple de visualizar este fenómeno, se muestra en la siguiente figura II.1 GRADOS DE INTELIGENCIA Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo II Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 32 Figura II.1.- Efecto de memoria de forma de un “sentido” En esta figura se muestra el efecto de memoria de forma en un sentido, de cómo parte el material de su carácter original y al aplicarle una fuerza para deformarlo, éste cambia su perfil pero conserva sus propiedades y al dedicarle calor por cualquier medio, se observa como el material regresa a su posición original, sin que rebase su zona plástica. II.2.1.- Origen de los materiales con memoria de forma La primera observación de la que se tenga conocimiento, fue la de Chang y Read en 1932[15]. Estos investigadores notaron cierta reversibilidad de la aleación de Au-Cd. En 1938 la transformación Cu-Zn, fue observada por los mismos investigadores, notando el mismo efecto que la aleación anterior. Forma original Deformación en frió Remover Fuerzas Aplicar Calor Deformación Plástica F F Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo II Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 33 En el año de 1964, en la aleación Cu-Al-Ni, se encontró la relación entre el fenómeno de memoria de forma y la transformación martensítica, lo cual es la base para comprender el fenómeno al momento de realizar un estudio metalográfico. De 1969 a 1973, diversos investigadores en todo el mundo, descubren los efectos en las aleaciones: Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Au-Zn, Cu-Zn-Al, Ni-Al y Mn-Cu. A partir de 1975 se encontró un grupo importante de aleaciones de memoria de forma, las ferrosas, como la de Fe-Mn (Fierro-Magnesio) y Fe-Mn-Si (Fierro-Magnesio-Silicio). Estas aleaciones presentan una mejor maquinado y menores costos de manufactura que las anteriores, aunque la capacidad de deformación en frío es menor [16]. II.2.2.-Origen del NiTiNOL. En 1962, mientras buscaban una aleación no corrosiva en el Naval Odinance Laboratory (NOL) en Estados Unidos, un equipo encabezado por el científico norteamericano Buehler, observó los efectos en el NiTi y lo llamo NiTiNOL [17]. El estudio de las aleaciones de NiTiNOL, tiene su apego hasta principios de los años 80´s, ya que es entonces cuando los procesos de manufactura de éstas aleaciones se perfecciona y se logran mono cristales (es decir, se presentan los primeros estudios sobre los diagramas de fase y mecanismos de deformación se presentan), con lo cual, las propiedades mecánicas son comparables a las de la serie 300 de acero inoxidable. Además de una alta bio-compatibilidad y la resistencia a la corrosión, han hecho a este material es más comercial de las aleaciones con memoria de forma. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo II Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 34 Los grandes avances en este campo, se han dado básicamente en el Japón, Rusia, Reino Unido y los Estados Unidos. Rusia es el gran productor de aleaciones de NiTi, como materia prima procesada. II.3.- Características del NiTiNOL. Las aleaciones con memoria de forma más conocidas son las aleaciones de niquel-titanio, cuyo nombre comercial es NITINOL, y que responden ante campos térmicos. Si a un alambre de SMA (Shape Memory Alloy), se hace pasar una corriente eléctrica hasta calentarlo a una temperatura determinada, se encogerá hasta un 6% de su longitud. Si se enfría por debajo de la temperatura de transición recupera su longitud inicial. Sus aplicaciones están extendidas en medicina como cánulas intravenosas, sistemas de unión y separadores, alambres dentales en ortodoncia, etc. En robótica, se emplean los alambres de Nitinol como músculos artificiales, resortes, tiradores y como válvulas de control de temperatura son aplicables en duchas, cafeteras, sistemas de unión y separación controlados, etc. II.3.1- Propiedades mecánicas del NiTiNOL. El NiTiNOL tiene propiedades mecánicas poco convencionales, ya que es una aleación biocompatible con su comportamiento mecánico, por lo que presenta, superelásticidad, es decir, menor esfuerzo es necesario para inducir tensión y deformar el material cuando esta presenta una estructura martensítica, para deformar austenita, por mecanismos convencionales. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo II Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 35 Propiedad NiTiNOL Recuperación de la elongación 8% Biocompatibilidad Excelente Módulo efectivo Aproximadamente 48 GPa Torqueabilidad Excelente Densidad 6.45 g/cm3 Magnetismo No Esfuerzo último a la tracción Aproximadamente 1240 MPa Coeficiente de dilatación térmica 6,6 a 11,0 cm/cm/°C Resistividad 80 a 100 micro-Ohm cm TABLA II.1.- Propiedades mecánicas del NiTiNOL [18]. II.3.2-Propiedades fisicoquímicas del NiTiNOL El NiTiNOL es un material intermetálico de color blanco brillante, ligero de alta resistencia mecánica, el cual esta constituido en peso por 55% de Níquel y 45% de Titanio, y en ocasiones se le agregan otros elementos que modifiquen las propiedades del material. Es considerado también como una aleación con mayor aplicación de todos los que poseen la característica del efecto de memoria de forma, lo cual se debe a que tienen una mayor capacidad de memoria (hasta un 8%), son más estables térmicamente, excelente resistencia a la corrosión, buena resistividad eléctrica, y se pueden alear y extruir con facilidad y además tienen un rango mayor de posibles temperaturas de transformación. Las propiedades termo-mecánicas de éste material, pueden ser aprovechadas en la ingeniería, por ejemplo en la soldadura, donde puede proveer mejoras en las uniones soldadas. Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica Capítulo II Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método Elemento Finito. 36 II.3.3- Comportamiento superelástico-memoria
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