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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.
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Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el
proceso de soldadura TIG del acero 304 por transferencia de calor aplicándole Método
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.
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Capítulo I
Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el
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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.
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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
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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:
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 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
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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:
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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
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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).
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 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
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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
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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,
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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
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la corriente utilizada, tienen una gran influencia sobre la calidad del trabajo y la estabilidad del
arco.
El tungsteno responde perfectamente a la exigencia de soportar temperaturas elevadas, a la vez
que tiene la ventaja de poseer una emisión termoiónica importante. Por este motivo, todos los
electrodos que se utilizan son de tungsteno. Se puede incluso reforzar la emisión electrónica
de los electrodos, añadiendo al tungsteno óxidos de torio, de circonio, de lantano, en
cantidades que van del 0,15 al 4,2%, según los electrodos y el elemento a adicionar. Estos
activantes de emisión facilitan el cebado del arco, mejoran la estabilidad, aumentan la
duración de vida de los electrodos y reducen los riesgos de contaminación de la soldadura, por
inclusiones de tungsteno.
Por otra parte, a diámetro igual, los electrodos contienen óxidos que permiten soportar una
intensidad de corriente más elevada que la del tungsteno puro. La adición de óxidos es
generalmente dispersada finamente en la matriz de tungsteno. Del mismo modo, existen
electrodos refractarios en tungsteno, denominados "compuestos", que están constituidos por
un núcleo de tungsteno puro y con un revestimiento exterior de óxido. Este tipo de electrodos
combina las calidades de los de tungsteno puro y de los de tungsteno con óxidos, pero tienen
el inconveniente de no poder ser afilados en punta.
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.
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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
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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
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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:
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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.
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En la figura D, se han soldado aleaciones ligeras con un electrodo y una intensidad demasiado
baja, de manera que la bola en el extremo del electrodo no se ha formado. Es preciso aumentar
la intensidad, o el arco será errático.
En la figura E, el electrodo se ha afilado con demasiada punta; sucederá un desgaste rápido,
puesto que la punta debe soportar intensidades de corriente demasiado elevadas, con lo que se
fundirá y habrá inclusiones de tungsteno en la soldadura.
I.6.- Secuencia de un equipo de soldadura TIG
La secuencia de un equipo de soldadura TIG es controlada por un circuito electrónico que
activa secuencialmente los elementos de la máquina salida de gas, corriente de soldadura y
velocidad de hilo.
La secuencia se puede distinguir con los siguientes tiempos:
a) TIEMPO DE PRE-GAS: es el tiempo que transcurre desde que se da la orden de inicio de
soldadura y el inicio propiamente dicho. Durante estos instantes, fluye gas hacia la zona a
soldar, con el fin de crear la atmósfera protectora necesaria para el inicio del arco.
b) TIEMPO DE DESCENSO DE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE (SLOPE UP): una vez
iniciado el arco, durante este tiempo, la intensidad crece paulatinamente hasta alcanzar el nivel
final de intensidad soldadura predefinido.
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.
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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:
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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
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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
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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].
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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:
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Análisis del comportamiento de NiTiNOL como material de aporte en el
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Figura I.12.- Secuencia del proceso[12].
Si por causa de una longitud de arco demasiado grande o por una corriente de aire, el oxígeno
del aire llega a tener contacto con el electrodo,éste se llena de una capa blanquecina de óxido
de tungsteno. En este caso, es imprescindible interrumpir la soldadura (con post-gas) y reponer
el electrodo.
Varios factores esenciales en la soldadura TIG, dependen de la apreciación del soldador:
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,
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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.
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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]
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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.
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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.
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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.
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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”.
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• 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
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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
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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.
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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.
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Propiedad NiTiNOL
Recuperación de la elongación 8%
Biocompatibilidad Excelente
Módulo efectivo Aproximadamente 48 GPa
Torqueabilidad Excelente
Densidad 6.45 g/cm3
Magnetismo No
Esfuerzo último a la tracción Aproximadamente 1240 MPa
Coeficiente de dilatación térmica 6,6 a 11,0 cm/cm/°C
Resistividad 80 a 100 micro-Ohm cm
TABLA II.1.- Propiedades mecánicas del NiTiNOL [18].
II.3.2-Propiedades fisicoquímicas del NiTiNOL
El NiTiNOL es un material intermetálico de color blanco brillante, ligero de alta resistencia
mecánica, el cual esta constituido en peso por 55% de Níquel y 45% de Titanio, y en
ocasiones se le agregan otros elementos que modifiquen las propiedades del material.
Es considerado también como una aleación con mayor aplicación de todos los que poseen la
característica del efecto de memoria de forma, lo cual se debe a que tienen una mayor
capacidad de memoria (hasta un 8%), son más estables térmicamente, excelente resistencia a
la corrosión, buena resistividad eléctrica, y se pueden alear y extruir con facilidad y además
tienen un rango mayor de posibles temperaturas de transformación.
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.
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II.3.3- Comportamiento superelástico-memoria

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