INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE

POSGRADO E INVESTIGACIÓN.

TESIS

ANÁLISIS MECÁNICO - METALÚRGICO DEL MATERIAL CON MEMORIA DE FORMA Ni-Ti (NITINOL)

APLICADO EN LA SOLDADURA GTAW.”

PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECÁNICA

OPCIÓN DISEÑO.

PRESENTA: ING. RICARDO RODRÍGUEZ FIGUEROA.

DIRECTORA:

M. EN C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA

MÉXICO D.F. 2005

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL COORDINACION GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACION

CARTA SESION DE DERECHOS En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 14 del mes Octubre del año 2005 , el (la) que suscribe Ricardo Rodríguez Figueroa , alumno(a) del Programa de Maestría en Ciencias de Ingeniería Mecánica, opción Diseño, con número de registro B991177 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual del presente Trabajo de Tesis bajo la dirección de la M. en C. Alla Kabatskaia Ivanovna, y cede los derechos del trabajo intitulado: “Análisis mecánico – metalúrgico del material con memoria de forma Ni-Ti (NITINOL) aplicado en la soldadura GTAW” al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación. Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección: ricardorf74@hotmail.com . Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo. Ing. Ricardo Rodríguez Figueroa..

Nombre y firma

INDICE INDICE I INDICE DE FIGURAS V INDICE DE TABLAS VII RESUMEN VIII ABSTRACT IX INTRODUCCION X OBJETIVO XI JUSTIFICACIÓN XII

CAPITULO I. ESTADO DEL ARTE. 1 1.1 Materiales en el desarrollo tecnológico. 2 1.1.1 Diversidad de materiales. 3 1.1.2 Unión de los metales. 3

1.2 Procesos de soldadura. 4 1.2.1 Proceso de soldadura “Gas Tungsten Arc Welding” (GTAW). 4 1.3 Fenómenos de la unión soldada con proceso GTAW. 6 1.3.1 Estructura de la unión soldada. 6 1.3.1.1 Proceso de solidificación de la soldadura. 6 1.3.1.2 Comportamiento del metal base. 7 1.3.1.3 Fenómenos químicos que ocurren en la zona de fusión. 8 1.3.2 Fallas de soldadura. 8 1.3.3 Tratamiento térmico posterior en las uniones soldadas. 8 1.4 Materiales que se sueldan con proceso GTAW. 9 1.4.1 Características de los materiales de aporte. 10 1.4.2 Aplicación del titanio en la industria contemporánea. 10 1.4.3 Aplicación de los nuevos materiales. 11 CAPITULO II. GENERALIDADES SOBRE MATERIAL DE MEMORIA 12

DE FORMA. 2.1 Materiales con memoria de forma. 13 2.1.1 Principio de memoria de forma. 13 2.1.2 Propiedades mecánicas de los materiales con memoria de forma 14 2.2 Tipos de materiales de memoria de forma. 15 2.2.1 Materiales metálicos. 16

2.2.2 Materiales plásticos. 16 2.2.3 Materiales cerámicos. 16 2.2.4 Materiales ferromagnéticos. 17 2.3 Aplicación de los materiales con memoria de forma. 17 2.4 Características del NITINOL. 18 2.4.1 Propiedades mecánicas. 18 2.4.2 Propiedades fisicoquímicas. 19 2.4.3 Aplicación del nitinol en la soldadura. 20 CAPITULO III. METODOLOGIA DEL EXPERIMENTO 21 3.1 Aplicación de la soldadura con proceso GTAW. 22 3.1.1 Preparación de los materiales para realizar la soldadura GTAW. 22 3.1.2 Definición del régimen de la corriente. 23 3.1.3 Aplicación de la soldadura. 23 3.2 Análisis metalúrgico de las probetas soldadas. 24 3.3 Análisis de microdureza a las probetas soldadas. 26 3.4 Aplicación del tratamiento térmico. 27 3.4.1 Definición del régimen de temperatura. 27 3.4.2 Determinación del enfriamiento. 28 3.5 Análisis metalográfico posterior a cada tratamiento térmico. 29 3.5.1 Preparación de la probeta. 29 3.6 Análisis cuantitativo de fases. 29 3.7 Análisis de microdureza posterior a cada tratamiento térmico. 29 CAPITULO IV. DETERMINACIÓN Y CÁLCULO DE LAS VARIABLES 30 DEL PROCESO GTAW. 4.1 Variables del proceso de soldadura GTAW. 31 4.2 Definición del régimen de la corriente. 31 4.3 Modelado matemático del proceso. 32 4.3.1 Parámetros utilizados para la aplicación de la soldadura GTAW. 33 4.3.2 Resultados del cálculo de energía producida en la soldadura. 34

CAPITULO V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 35 5.1 Aplicación de la soldadura con el proceso GTAW. 36 5.1.1 Preparación de las probetas. 36 5.1.2 Soldadura. 37 5.1.3 Preparación de las probetas. 38 5.1.4 Análisis microestructural de la soldadura. 42 5.2 Tratamiento térmico para las probetas soldadas. 43 5.2.1 Descripción del horno. 43 5.2.2 Definición de la temperatura. 44 5.2.3 Determinación del enfriamiento. 45 5.3 Estudio metalográfico. 45 5.4 Análisis de microdureza. 45 5.4.1 Preparación de las probetas. 45 5.5 Análisis cuantitativo de fases. 46 5.6 Análisis de microdureza. 46 5.6.1 Medición de la dureza. 46 CAPITULO VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 48 6.1 Resultados del cálculo. 49 6.2 Análisis metalográfico. 50 6.3 Análisis metalográfico de las probetas soldadas por proceso GTAW. 51 6.3.1 Probeta GTAW a 75 A. 51 6.3.2 Probeta GTAW a 125 A. 52 6.3.3 Probeta GTAW a 175 A. 53 6.4 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 640º C. 54 6.4.1 Probeta GTAW 75 A. 54 6.4.2 Probeta GTAW 125 A. 56 6.4.3 Probeta GTAW 175 A. 57 6.5 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 1100º C. 58 6.5.1 Probeta GTAW 75 A. 58 6.5.2 Probeta GTAW 125 A. 59 6.5.3 Probeta GTAW 175 A. 60 6.6 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 1250º C. 61

6.7 Análisis cuantitativo de las fases. 62 6.8 Dureza. 64 6.8.1 Medición de dureza Vickers por barrido. 64 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 70 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. 72 ANEXOS 74

INDICE DE FIGURAS.

Número Descripción Página

Figura 1. Soldadura de arco eléctrico de tungsteno y gas 5 Figura 2. Esquema de un tratamiento térmico típico. 9 Figura 3. El titanio y el proceso GTAW se aplica en la industria aérea y

aeroespacial. 11 Figura 4. Mecanismo de la recuperación de forma. 14 Figura 5. Diagramas de la Súperelasticidad y relación temperatura-

carga-deformación. 15 Figura 6. Clasificación de los materiales con memoria de forma. 15 Figura 7. La soldadura con rayo láser en las uniones de nitinol. 20 Figura 8. Zonas para observación microscópica vertical. 25 Figura 9. Zonas para observación microscópica horizontal. 26 Figura 10. Diagrama metaestable del Nitinol. 28 Figura 11. Esquema del número de pasadas en el proceso GTAW. 38 Figura 12. Esquema del corte que se realizó a las probetas. 38 Figura 13. El desbaste se realizó con lijas en un banco de desbaste. 39 Figura 14. Máquina pulidora Labopol-5 STRUERS 39 Figura 15. Probetas GTAW pulidas; (a) 75 A, (b) 125 A, (c) 175 A. 40 Figura 16. Campana de extracción para ataque químico. 42 Figura 17 Microscopio de campo claro. 42 Figura 18. Microscopio con programa de cómputo para fotografiar

microestructuras. 43 Figura 19. Horno eléctrico THERMOLYNE. 44 Figura 20. Máquina de prueba de dureza Vickers (Rockwell). 47 Figura 21. Material de aporte, Nitinol. (a) 100 x, (b) 200 x. 50 Figura 22. Material base, Titanio grado uno (a) 100 x (b) 200 x. 50 Figura 23. Zonas de análisis en probeta obtenida por proceso GTAW

con 75 A. (a)Cordón de soldadura, (b) material base. 51 (c) Zona Afectada por el Calor. 52

Figura 24. Zonas analizadas en la probeta obtenida por GTAW con 125 A (a) Cordón de soldadura, (b) material base. 52 Micrografía tomada a la interfase y (c) zona afectada por el calor. 53

Figura 25. Micrografías del (a) cordón de soldadura, (b) material base, GTAW 175 A. 53 Micrografía de la zona afectada por el calor (c), probeta GTAW 175 A. 54

Figura 26. Estructura del la soldadura a 75 A después de tratamiento térmico a 640ºC. (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la unión soldada, (c) Material base. 55

Número Descripción Página Figura 27. Estructuras de la probeta GTAW a 125 A, después de tratamiento

térmico a 640º C. (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la unión soldada, (c) Material base. 56

Figura 28. Estructura del la soldadura a 175A después de tratamiento térmico a 640ºC (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la unión soldada, (c) Material base. 57

Figura 29. Estructuras de la unión soldada a 75 A, después del tratamiento térmico 1100º C por 30 minutos; (a) Cordón de soldadura, (b), Zona Afectada por el Calor y (c) el metal base. 58

Figura 30. Probeta GTAW 125 A, cordón de soldadura (a), Zona Afectada por el Calor (b) y el metal base (c) después de TT 1100º C/ 30 minutos. 59

Figura 31. Probeta GTAW 175 A, cordón de soldadura (a), Zona Afectada por el Calor (b) y el metal base (c) después de TT 1100º C / 30 minutos. 60

Figura 32. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), probeta GTAW 75 A con 1250ºC por 90 min. 61

Figura 33. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), probeta GTAW 125 A con 1250ºC por 90 min. 62

Figura 34. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), probeta GTAW 175 A con 1250ºC por 90 min. 62

Figura 35. Cuantificación de fases presentes en el material de aporte, probeta sin tratamiento térmico. 63

Figura 36. Microestructura formada en las probetas después del tratamiento a 1250º C. 64

Figura 37. Gráfica de dureza Vickers de las probetas después del proceso GTAW. 65

Figura 38. Gráfica de dureza de las probetas tratadas térmico a 640º C por 20 minutos. 66

Figura 39. Gráfica de dureza Vickers en las probetas con tratamiento térmico de 1100º C por 30 minutos. 67

Figura 40. Curvas de dureza Vickers de probetas hechas a 75, 125 y 175 A con tratamiento térmico de 1250º C durante 90 minutos. 68

1

INDICE DE TABLAS

Número. Descripción. Página. Tabla 1. Propiedades mecánicas del nitinol. 19 Tabla 2. Parámetros para la aplicación de la soldadura con proceso GTAW. 33 Tabla 3. La energía presente en cada proceso de soldadura. 34 Tabla 4. Ajuste de parámetros en la consola de la máquina. 36 Tabla 5. Tabla de reactivos LECO corporation. 41 Tabla 6. Resultados de la en los procesos GTAW con diferente

corriente eléctrica. 49 Tabla. 7 Composición de fases en el cordón de soldadura para

cada experimento. 63

2

RESUMEN

En el presente trabajo se analizaron propiedades mecánicas-metalúrgicas del Nitinol

(NiTi), el cual fue aplicado como material de aporte en la unión soldad de piezas de

titanio grado uno, mediante el proceso de soldadura de arco de tungsteno y gas

(GTAW), conocido en México como TIG. El proceso se realizó considerando variaciones

de la corriente eléctrica, específicamente se aplicaron: 75, 125 y 175 Amperes.

Posterior a la soldadura, en el material de aporte la estructura inicial de grano ferrítico,

cambio a una estructura dendrítica, como resultado de los fenómenos térmicos

involucrados en el proceso.

Con el propósito de modificar la microestructura y mejorar las propiedades mecánicas

de la unión soldada, las probetas fueron sometidas a tratamientos térmicos bajo tres

distintas condiciones: a 640º C durante 20 minutos, con posterior enfriamiento al aire a

20º C; a 1100º C por 30 minutos con posterior enfriamiento en agua a 15º C y a

1250º C por 90 minutos con posterior enfriamiento en agua a 1º C.

El análisis metalográfico mostró cambios estructurales en la unión soldada, esto es,

metal base, metal de aporte y zona afectada por el calor, lo que generó aumento de

dureza en las tres zonas.

Los ensayos de tratamiento térmico y análisis mecánico-metalúrgico mostraron los

aspectos del comportamiento del nitinol y del titanio, uno positivo que consiste en la

homogenización de estructura y de dureza, pero por otro lado, uno negativo que

consiste en el aumentó de la dureza, que es un resultado no deseable.

Es necesario realizar más ensayos dirigidos a disminuir cambios en las propiedades

mecánicas-metalúrgicas en los materiales base y de aporte.

3

ABSTRACT In the present work mechanical-metallurgical properties of the Nitinol were analyzed

(NiTi), which was applied as material of contribution in the union weld of degree one

Titanium pieces, by means of the gas tungsten arc welding (GTAW), known in Mexico

like TIG. The process was made considering variations of the electrical current,

specifically were applied: 75, 125 and 175 Amperes.

Later to the weld, in the contribution material the initial ferrítico grain structure, change to

one dendritic structure, like result of the involved thermal phenomena in the process.

In order to modify the microstructure and to improve the mechanical properties of the

welded union, the pieces were put under heat treatments under three different

conditions: to 640º C during 20 minutes, with later cooling to the air to 20º C; to 1100º C

by 30 minutes with later water cooling to 15º C and 1250º C by 90 minutes with later

water cooling to 1º C. The metallographic analysis showed structural changes in the

welded union, that is to say, metal bases, metal of contribution and zone affected by the

heat, which generated increase of hardness in the three zones.

The tests of heat treatment and mechanical-metallurgical analysis showed the aspects

of the behavior of nitinol and titanium, one positive that consists of the homogenization

of structure and hardness, but, other one negative that consists of increased of the

hardness, that is not desirable result.

More tests are required to enrich the results obtained until this point, with the purpose to

reduce changes in the mechanical-metallurgical properties in the material ones it bases

and of contribution. Therefore, the work in this direction should be continued.

4

INTRODUCCIÓN

La industria mundial se beneficia con desarrollo de materiales con mejores propiedades

que se obtienen en los laboratorios. Entre los materiales revolucionarios se encuentran

los de “memoria de forma”, los cuales tienen cada día aumenta en uso en los países

tecnológicamente avanzados.

Las aleaciones con memoria de forma, pueden ser deformadas cerca del 10 % y

recuperar su forma original cuando cesa el esfuerzo y reciben una energía externa,

como puede ser, calor, corriente eléctrica, eliminación de esfuerzo y otras. Estas

propiedades son llamadas “Efecto de memoria de forma” y “Súperelasticidad”, que son

posibles por el cambio de fase “Transformación martensítica termoleástica”.

Dado que las aleaciones con memoria de forma responden peculiarmente a los

cambios de temperatura y tensión, son clasificados como “materiales inteligentes”.

Las aplicaciones potenciales de estos dos principales comportamientos son enormes,

pueden ser usados para generar fuerza o movimientos o almacenar energía. Como la

superelasticidad puede almacenar energía de deformación, actualmente, la mayoría de

las aplicaciones se centran en el campo superelástico, donde no se requiere tanta

precisión en las temperaturas de transformación como en el efecto de memoria de

forma.

Pese a que originalmente se supuso la aplicación más importante de las aleaciones con

memoria de forma, no ha sido la más exitosa desde el punto de vista técnico ni

económico, debido a las insuficiencias técnicas y al costo, aún cuando se han realizado

avances en el descubrimiento de nuevas aleaciones metálicas con las propiedades

mencionadas arriba, en este momento el nitinol es la aleación comercial, debido a su

buena estabilidad al ciclado, biocompatibilidad, resistencia a la corrosión y capacidad

de recuperar grandes deformaciones. De ahí la necesidad de seguir investigando las

propiedades de los materiales con memoria de forma cuando se emplean en los

procesos industriales.

5

OBJETIVO

Realizar análisis mecánico-metalúrgico del material de memoria de forma en la unión

soldada, donde en este caso, NITINOL es material de aporte y de base es Titanio

grado uno con aplicación del proceso GTAW.

Esta investigación pretende desarrollar la tecnología de aplicación del material de

memoria de forma Nitinol en los procesos de soldadura con el propósito de mejorar las

propiedades mecánicas-metalúrgicas de la unión soldada.

6

JUSTIFICACIÓN

En la tecnología moderna se utilizan nuevos materiales, entre estos se encuentran los

materiales con memoria de forma.

Los países tecnológicamente avanzados aplican dichos metales en las industrias que

están a la vanguardia. Por esta razón, México requiere renovar y modificar sus

tecnologías incluyendo la aplicación de éstos aleaciones.

Éste trabajo se enfoca en analizar las características mecánicas-metalúrgicas del

material con memoria de forma Nitinol aplicado como material de aporte en la soldadura

GTAW y base Titanio grado uno.

Esta investigación es el inicio para el desarrollo tecnológico de aplicación de nuevos

aleaciones en la soldadura y, particularmente, en el proceso GTAW.

.

7

CAPITULO I Estado del arte

8

I. ESTADO DEL ARTE

1.1 Materiales en el desarrollo tecnológico.

A través de la historia es posible observar la importancia que los materiales han tenido

en la vida del hombre. Si bien los primeros materiales que utilizó fueron aquellos que

estaban a su alcance, materiales naturales, éstos fueron rápidamente modificados y

adaptados a sus necesidades.

Tal ha sido el impacto de los materiales que algunas etapas de la civilización han sido

denominadas por el tipo de materiales que el hombre utilizó, así recordamos la edad de

piedra (hasta 2000 AC), la edad de bronce (2000-700 AC) y la edad del hierro (700 AC-

100 DC).

Durante algunos siglos, el desarrollo de la Ciencia de Materiales fue muy lento. No fue

sino hasta finales del Siglo XIX, gracias al descubrimiento de los rayos-X por Wilhelm

Roentgen en 1895 y a las aplicaciones realizadas por Von Laue, en 1912, y por Bragg,

en 1915, sobre la estructura cristalina, que la ciencia de materiales logró un avance

impresionante.

En base a su arreglo atómico, la materia podía ser clasificada por su estructura

cristalina en dos grandes grupos; los materiales amorfos, que presentan un orden

atómico a muy corto alcance y los materiales cristalinos que poseen un orden atómico a

largo alcance. Un cristal está constituido por átomos dispuestos según un modelo que

se repite periódicamente en tres dimensiones y que forman una red, la característica

importante de una red, es que cada punto de la red tiene alrededores idénticos, existen

14 tipos de redes que proveen ciertas propiedades a un material. Esencialmente, es

materia y uso, los criterios para designar adecuadamente un material.

Los metales son de los materiales con mayor utilización en el desarrollo industrial.

Por ello, se requieren conocer las propiedades físicas, químicas, mecánicas y

tecnológicas que determinan el comportamiento de un material [1].

9

1.1.1 Diversidad de materiales.

Los principales metales utilizados en la fabricación de productos son: aluminio, acero

inoxidable, hierro colado, hierro fundido, plomo, magnesio, aceros débilmente aleados,

aceros al carbono, cobre, níquel, monel, iconel, titanio y aleaciones entre éstos.

Pero, las tecnologías modernas asociadas a la producción industrial contemporánea,

demandan un desarrollo de productos cuya realización está vinculada al uso de

materiales con propiedades muy bien determinadas y a la selección de procedimientos

mejor adaptados al éxito económico. Las nuevas líneas generales de producción,

tienden a conformar materiales más fiables ligeros y resistentes con una economía de

recursos óptima. Entre éstas líneas está el desarrollo de:

• Aleaciones metálicas resistentes a altas temperaturas.

• Metales amorfos.

• Cerámicas técnicas.

• Polímeros especiales.

• Materiales compuestos

Todos estos constituyen los llamados Nuevos Materiales, los cuales resultan de un

control óptimo de su microestructura o de la combinación de diversos materiales [2].

1.1.2 Unión de los metales.

Con frecuencia, para armar o construir máquinas-herramienta, edificios, u otras piezas

metálicas, se requiere unir elementos individuales que conforman un total, para ello, se

emplean dos tipos de unión: una es temporal, donde se utilizan tornillos, pernos, y pijas

principalmente y la otra es la unión permanente, como la soldadura, la unión por

productos adhesivos y el remachado [3].

El desarrollo tecnológico ofrece mayor número de procesos de unión, pero la correcta

elección de éstos se refleja en el resultado final del trabajo

La soldadura es la forma más eficaz y la única posible de unir dos o más piezas de

metal para hacerlas actuar como una sola, por esto, el proceso de la unión de metales

por soldadura es de los más requeridos. La soldadura es un proceso para la unión de

10

dos metales por medio de calor y/o presión y se puede definir como la liga metalúrgica

entre átomos de dos metales y éste es el principio básico de los más modernos y

sofisticados métodos de soldar [4].

La Sociedad Americana de Soldadura, “American Welding Society”, (AWS), define al

proceso de soldadura como “un proceso de unión que produce coalescencia de los

materiales calentándolos a temperatura de soldado con o sin la aplicación de presión,

con la aplicación de presión solamente y con o sin la aplicación de metal de aporte [5].

1.2 Procesos de soldadura.

Cada uno de los diferentes procesos de soldadura tiene características particulares, la

AWS, define un proceso como “una acción o serie de acciones progresivas y distintivas,

implícitas en el curso de producir un tipo básico de resultado”.

Ésta sociedad, ha agrupado a los proceso de acuerdo con el “modo de transferencia de

energía”, como consideración primaria. Un segundo factor es la “influencia de la

atracción capilar al efectuar la distribución del metal de aporte” [5].

La atracción capilar distingue los procesos de soldadura agrupándolos bajo soldadura

fuerte, soldadura blanda, soldadura por arco, soldadura con gas, soldadura por

resistencia, soldadura en estado sólido, y otros procesos de soldadura [6].

1.2.1 Proceso de soldadura “Gas Tungsten Arc Welding” (GTAW).

El proceso “Gas Tungsten Arc Welding” (GTAW), que es la soldadura por arco de

tungsteno y gas, con frecuencia, se denomina soldadura “Tungsten Inert Gas” (TIG) y

en Europa se le denomina “Wolframio Inert Gas” (WIG).

La soldadura se aplica por medio de un arco eléctrico generado entre el metal a soldar

y el electrodo de tungsteno no consumible que transmite la energía de fusión y para

evitar contaminación en la zona de trabajo se protege por medio de un flujo de gas

inerte, puede realizarse sin o con metal de aporte.

11

Cuando se aporta material al pozo de soldadura, se hace por medio de una varilla

separada, la cual se funde mediante el calor del arco eléctrico, figura 1.

Los gases protectores que se usan normalmente son: argón, helio o una mezcla de

ambos [7].

Figura 1. Soldadura de arco eléctrico de tungsteno y gas

La principal ventaja de este proceso, es la protección del arco y del metal por medio de

gas, que separa el nitrógeno y el oxígeno del aire, lo cual evita la formación de nitruros

y óxidos con el propósito de mejorar la unión soldada. Éste proceso utiliza corriente

alterna y alta frecuencia. La corriente alterna, combina las ventajas de la polaridad

directa e inversa; ofrece la limpieza del semiciclo de polaridad inversa y aporta mayor

calor de la polaridad directa, y de esta manera, se logran cordones anchos con buena

penetración. La mayoría de los metales industriales como el aluminio, magnesio, aceros

débilmente aleados, aceros al carbono, aceros inoxidables, cobre, níquel, monel, iconel,

titanio y otros, pueden ser soldados por medio de éste proceso [7].

12

1.3 Fenómenos de la unión soldada con proceso GTAW. Si bien, el proceso GTAW ofrece protección a la unión soldada, el calentamiento propio

de los procesos de soldadura afecta las condiciones de los materiales que se unen.

El estudio metalúrgico en los procesos de soldadura requiere la consideración de

cambios estructurales en la zona de fusión del material y de cambios en las

propiedades mecánicas y estructurales en la región adyacente a ésta [7].

1.3.1 Estructura de las uniones soldadas.

Existen un gran número de procesos de unión de materiales que utilizan fuentes de

calor. La aplicación de estas fuentes de calor concentradas, origina en la zona de unión

de las piezas calentamientos y enfriamientos, lo cual ocasiona que las uniones

soldadas están sometidas a variaciones o ciclos térmicos. Esto ocasiona la fusión o el

calentamiento de una zona localizada, lo cual conlleva a cambios estructurales en la

zona de unión. Estos cambios estructurales están determinados en general por el ciclo

térmico a que ésta sometida la zona de unión de las piezas, el cual depende de muchos

factores, como son: naturaleza de la fuente utilizada, parámetros energéticos

empleados en la fuente de calor (tipo e intensidad de corriente y voltaje) velocidad de

desplazamiento de la fuente de calor, distancia de la fuente de calor a la pieza, tipos de

gases que rodean la zona de unión, principalmente.

Los fenómenos que ocurren en la unión soldada, se deben analizar integrando tres

consideraciones fundamentales [8].

1.3.1.1 Proceso de solidificación de la soldadura.

En los procesos de soldadura por arco, se funden cantidades pequeñas de metal, por

tanto, se enfría rápidamente, ya que el metal base actúa como un absorbedor de calor,

que enfría rápidamente el cordón de soldadura. Conforme ocurre el enfriamiento o

13

calentamiento, se forman diversas estructuras metalúrgicas en la soldadura. La zona

fundida la constituye el metal líquido que se ha solidificado y en el cual ocurre toda una

serie de transformaciones físico-químicas y estructurales.

El aspecto metalúrgico que tiene lugar en la zona de la soldadura durante el

enfriamiento es distinto de lo que se observa durante el enfriamiento de una pieza

fundida, esto es, porque el metal fundido de la soldadura se solidifica en segundos,

además de que la fuente de calor y el baño de fusión de la soldadura exceden la

temperatura que se tiene en los hornos de fundición. Estas condiciones dan como

consecuencia, que las reacciones químicas que se inician en el metal fundido y en la

escoria no tienen tiempo para completarse, generando cambio de propiedades.

Como resultado, la zona fundida del metal base se diferencia del metal de aporte y del

metal base por su composición química, estructura y propiedades [8].

1.3.1.2 Comportamiento del metal base.

El metal adyacente a la zona de fusión no se funde, generándose una zona afectada

por el calor (ZAC). Es la parte del metal base, la cual no ha sido fundida, pero es

producto del calentamiento o aplicación de otras formas de energía, propias de los

procesos de soldadura. En esta zona se producen cambios macroestructurales, que

pueden dañar las propiedades mecánicas de los metales.

El calor se distribuye en el material desde la zona de trabajo hacia los extremos del

metal base, que hace variar la estructura interna de un punto a otro.

Las transformaciones que ocurren en esta zona están definidas cada uno de ellos por la

máxima temperatura alcanzada y la velocidad de enfriamiento. Esta zona está

compuesta, algunas veces, del metal base fundido, pero la mayoría de las ocasiones

está compuesta por la fusión del metal base con el de aporte, dependiendo la relación

de estos, en la costura, de factores tales como: tipo de proceso utilizado, parámetros

energéticos, diámetro del metal de aporte [8].

14

1.3.1.3 Fenómenos químicos que ocurren en la zona de fusión.

Al realizar la soldadura, la zona fundida se encuentra rodeada de gases atmosféricos:

oxígeno, nitrógeno o hidrógeno. La absorción de estos gases por el metal de la costura

aumenta, ocasionando modificaciones químicas y por tanto, disminuyen o cambian las

propiedades mecánicas de la unión soldada.

La fusión puede provocar la precipitación de compuestos desde la solución sólida, de

un compuesto. La soldabilidad de un metal o aleación puede estar condicionada a las

transformaciones eutécticas, lo cual conduce a la fragilidad de la unión soldada.

En la zona fundida ocurren modificaciones estructurales en la forma, el tamaño y la

orientación de grano, también se generan modificaciones del estado físico – químico

del metal en cuanto a su composición de elementos [8].

1.3.2 Fallas de soldadura.

Los proceso de fabricación o reparación de piezas en la industria mecánica tienen como

objetivo obtener piezas o productos con determinada calidad, sin embargo, esto no es

posible siempre, es decir, como resultado de dichos procesos se obtienen piezas con

defectos por determinadas causas específicas, estos pueden ser eliminados total o

parcialmente. Las más comunes en una unión soldada son: cuarteaduras, cavidades,

inclusiones sólidas, fusión incompleta, defectos dimensionales, discontinuidades en la

estructura; grietas; distorsiones en soldaduras y tensión residual; poros. Para evitarlas

se debe realizar el proceso como se ordena en el manual de soldadura [9].

1.3.3 Tratamiento térmico posterior en las uniones soldadas.

El tratamiento térmico posterior en las uniones soldadas consiste en calentar la pieza

con determinada velocidad de calentamiento hasta una temperatura adecuada, luego

mantener esta temperatura durante un tiempo y luego enfriarla con una velocidad de

enfriamiento requerida, como se muestra en la figura 2 [10].

15

Los objetivos del tratamiento térmico posterior al proceso de soldeo, consiste en reducir

al máximo las tensiones residuales existentes en la unión soldada o también producir

cambios en la estructura metalúrgica, entre algunos de ellos tenemos: mejorar la

resistencia a la fatiga, a la fractura frágil, solución de fases específicas, entre otros [11].

Figura 2. Esquema de un tratamiento térmico típico.

El tratamiento térmico posterior aplicado al proceso de soldadura es tan importante

como lo son: el proyecto de unión soldada y el proceso de soldadura determinado. Para

eliminar tensiones internas producidas por trabajos a altas temperaturas, como

soldadura, las aleaciones se someten a recocido. En la determinación del tratamiento

se precisa: temperatura, tiempo de permanencia, velocidad de enfriamiento [11].

1.4 Materiales que se sueldan con proceso GTAW.

Los principales materiales que se unen con éste proceso de soldadura son los llamados

“difíciles de soldar”, como: aluminio, acero inoxidable, hierro colado, hierro fundido y

plomo, los metales con alto punto de fusión, además de los que poseen propiedades

especiales que se desean conservar después de la unión, pero también se aplica con

excelentes resultados en metales tales como: magnesio, aceros débilmente aleados,

aceros al carbono, cobre, níquel, monel, iconel, titanio entre otros [12].

16

1.4.1 Características de los materiales de aporte.

En la soldadura GTAW, el electrodo es de un material refractario, como el tungsteno,

por lo que el metal de aporte se debe añadir por separado. Para éste proceso, el

material de aporte tiene la presentación de alambre sin fundente. Dicho metal depende

del tipo de metal base que se requiere soldar. Si es acero se usará acero, si es aluminio

se usará aluminio y si es titanio será titanio. Esto es lo que proporciona una unión

homogénea en propiedades físicas y mecánicas, en ocasiones cuando se requiere

mejorar la unión, se emplean materiales con propiedades capaces de reforzarla [12].

1.4.2 Aplicación del titanio en la industria contemporánea.

La soldadura por arco de tungsteno y gas es comúnmente usada para soldar titanio y

sus aleaciones, particularmente para hojas de espesor menor a 3 mm.

El Titanio, posee las siguientes características: coeficiente de expansión térmica

relativamente bajo comparado con otros metales, es más rígido y fuerte que el aluminio,

buena resistencia a temperaturas elevadas, es reactivo en estado puro, lo cual presenta

problemas para su procesamiento especialmente en estado fundido, sin embargo,

forma a temperatura ambiente un recubrimiento de óxido que suministra excelente

resistencia a la corrosión. Se utiliza en los aviones para fabricar las puertas de

incendios, la capa exterior, los componentes del tren de aterrizaje, el entubado

hidráulico y las protecciones del motor, los alabes del compresor, los discos y los

revestimientos de los motores a reacción también están hechos de titanio, un avión de

transporte utiliza entre 318 y 1.134 kg del metal, figura 3. El titanio se usa ampliamente

en mísiles y cápsulas espaciales; las cápsulas Mercurio, Géminis y Apolo fueron

construidas casi totalmente con titanio [12].

17

Figura 3.El titanio y proceso GTAW se aplica en la industria aérea y aeroespacial.

1.4.3 Aplicación de los nuevos materiales.

Por ser resistente y ligero, el titanio se usa en aleaciones metálicas y como sustituto del

aluminio, aleado con aluminio y vanadio, además se emplea en nuevas aleaciones.

El desarrollo de Materiales con mejores propiedades surgen como resultado del avance

de proyectos cada vez más exigentes y ambiciosos de las principales ramas de la

industria, como son: la industria aeroespacial, electrónica, mecánica, militar entre otras.

Los Nuevos Materiales, resultan de un control óptimo de su microestructura o de la

combinación de diversos materiales. Éstos, exigen un intenso desarrollo de los métodos

de análisis tanto macroscópicos como microscópicos de las propiedades mecánicas,

físicas, químicas y tecnológicas; así como de los procedimientos para alterar o

modificar dichas propiedades. Actualmente, estos materiales, comienzan a ocupar un

sector importante del mercado y se proyectan a cobrar mayor preponderancia al

diversificar sus aplicaciones y ofrecer precios cada vez más competitivos frente a los

materiales tradicionales [12].

18

CAPITULO II Generalidades sobre material de memoria

de forma

19

II. GENERALIDADES SOBRE MATERIAL DE MEMORIA DE FORMA.

2.1 Materiales con memoria de forma.

A principios del siglo XX, el desarrollo de materiales con nuevas y mejores propiedades

se alcanzó por medio de aleaciones, entre éstas, hay una que es sobresaliente a las

propiedades comunes, la llamada “memoria de forma”.

Los materiales con memoria de forma, presentan un comportamiento mecánico distinto

a los materiales convencionales utilizados en la industria, corresponden a una clase de

aleaciones metálicas que ante la acción de cambios de temperatura o cargas aplicadas

pueden experimentar deformaciones más allá del rango lineal y después recuperar su

forma original. El efecto de “memoria de forma” puede describirse como la capacidad

de un material para cambiar la forma debido a la aplicación de un estímulo externo.

Clasificados como materiales de nueva generación, se les considera estratégicos para

el desarrollo industrial, por ello, la información sobre estos materiales es controlada y

restringida por los países que la poseen [13].

2.1.1 Principio de la memoria de forma.

El fenómeno de memoria de forma se basa en el principio de reversibilidad de la red

cristalográfica. Esto es resultado de un cambio de fase cristalina, conocido como

“transformación martensítica termoelástica”.

Abajo de la temperatura de transformación, el material es martensitico, la

microestructura suave martensitica se caracteriza por un mismo acomodo gemelo, un

arreglo tipo zigzag [13], la martensita es fácilmente deformable por su arreglo, el

calentamiento produce fuerzas internas elevadas que llevan el material a una condición

austenitica, al disminuir la temperatura recupera su forma inicial. La transformación de

austenita a martensita por medio de enfriamiento y al contrario de martensita a

austenita con calentamiento, no ocurren a la misma temperatura. En la figura 4, se

muestra esquemáticamente la transformación de fase y los cambios estructurales de la

red cristalográfica.

20

Figura 4. Mecanismo de la recuperación de forma.

Hay una curva de histéresis para cada aleación del material, que define el ciclo de

transformación completo. El efecto de memoria de forma es repetible, hasta cierto

rango de deformación [13].

2.1.2 Propiedades mecánicas de los materiales con memoria de forma.

Súperelasticidad.

Menos esfuerzo es necesario para inducir tensión y deformar el material cuando esta

presente la estructura martensitica que para deformar austenita, por mecanismos

convencionales. Cuando la austenita esta en condiciones de fase estable, a

temperatura Af y cuando la tensión se retira, el material recupera su forma original,

figura 5. Esta extraordinaria elasticidad es llamada “pseudoelasticidad” o transformación

“Superelástica” [14].

21

Figura 5. Diagramas de la Súperelasticidad y relación temperatura-carga-deformación.

2.2 Tipos de Materiales de Memoria de Forma. Se han desarrollado materiales con memoria de forma no solamente metálicos, figura 6,

según la naturaleza o del material en sí, o del estímulo externo al que responden.

Figura 6. Clasificación de los materiales con memoria de forma.

Materiales con memoria de forma. Aleaciones con memoria de forma Polímeros con memoria de forma Cerámicas con memoria de forma

Aleaciones con memoria de forma, ferromagnéticas

Materiales electro y magnetoreológicos. Materiales electro y magnetoreológicos.

Materiales piezoeléctricos. Materiales electro y magnetorestrictivos.

Materiales foto y cromoactivos. Fotoactivos:

Electroluminiscentes Fluorescentes Fosforescentes Cromoactivos: Fotocrómicos

Termocrómicos Electrocrómicos

22

2.2.1 Materiales Metálicos.

Si bien los materiales metálicos no son los únicos, si son los más comunes. En el caso

de las Aleaciones con memoria de forma (Shape Memory Alloys, SMAs) el efecto

de memoria de forma se basa en la transición que se produce entre dos fases sólidas,

una de baja temperatura o martensítica y otra de alta temperatura o austenítica. El

material se deforma en la fase martensítica y recupera de forma reversible sus

dimensiones originales mediante el calentamiento por encima de una temperatura

crítica de transición [15].

2.2.2 Materiales Plásticos.

Los Polímeros con memoria de forma (Shape Memory Polymers, SMPs) son

materiales poliméricos con la capacidad de recordar su forma original. Este efecto está

relacionado con la combinación de la estructura y la morfología del polímero junto con

el proceso y tecnología de programación de inclusión de la forma empleado. Es decir es

necesario un entrenamiento del material para que recuerde una forma determinada.

El primer paso es procesar el polímero para grabar su forma permanente y

seguidamente el polímero es deformado fijándose, de ese modo, la forma temporal. El

mecanismo del efecto de memoria de forma en los polímeros puede producirse, no sólo

por temperatura, sino también por luz o por reacciones químicas [15].

2.2.3 Materiales Cerámicos.

Además de los metales y los polímeros, las Cerámicas con memoria de forma (Shape

Memory Ceramics, SMCs) completan las tres grandes familias de materiales sólidos.

Una definición general de cerámica podría ser la siguiente: materiales inorgánicos, no

metálicos, que se producen habitualmente empleando arcillas y otros minerales

naturales o procesados químicamente. Estas cerámicas inteligentes, normalmente, son

cerámicas basadas en ZrO2, pero existen otros ejemplos basados en niobato de

magnesio o cerámicas perovskitas [15].

23

2.2.4 Materiales ferromagnéticos.

Se debe mencionar la aparición de una nueva clase de materiales que sufren el efecto

de memoria de forma bajo la aplicación de diferentes campos magnéticos y que

presentan grandes elongaciones (aproximadamente de un 6 %). En este caso el

comportamiento es similar al de las aleaciones con memoria de forma (SMAs) pero el

estímulo al que responden, en vez de ser la temperatura, es el campo magnético

aplicado. Estos materiales son conocidos como Aleaciones ferromagnéticas con memoria de forma (Ferromagnetic Shape Memory Alloys, FSMAs) o metales

magnetoelásticos [15].

2.3 Aplicación de los Materiales con Memoria de forma. De estos materiales se pueden aprovechar sus propiedades, como la de memoria de

forma para generar movimiento o fuerza y la súperelasticidad para almacenar energía

de deformación, respectivamente. Deformar elementos y calentarlos después para

recuperar la forma se aprovecha en acoplamientos de tubos para aplicaciones aéreas y

marinas, muchas uniones son criogénicas, permaneciendo inalterables a temperaturas

bajo cero.

En aplicaciones como actuadores o sensores, su función consiste en un cambio de

forma al variar la temperatura por condiciones ambientales o influidas.

En el sector automovilístico, en válvulas que controlan la presión durante el

calentamiento del motor. Como microactuadores térmicos en mecanismos de actuación

donde no requieren otro elemento más que el propio material de memoria.

En el campo de la biomedicina, en la fabricación de prótesis humanas, realmente están

resultando revolucionarios los materiales con memoria de forma.

A pesar de lo antes mencionado, la aplicación de estas aleaciones no es tan extensa,

debido a las limitaciones en cuanto a su conocimiento que hacen necesario profundizar

en el diseño y aplicación de éstos materiales [15].

24

La mayoría de las aplicaciones se han desarrollado por métodos experimentales

(prueba y error). En caso de los actuadores, el principio de funcionamiento es el mismo,

sin renovación en lo referente al diseño de la pieza con el material de memoria de

forma. Otras muchas aplicaciones no están extendidas debido al alto costo del material.

Pese a todas las investigaciones en busca de nuevas aleaciones con memoria de

forma, las aleaciones comerciales actualmente son las de Níquel–Titanio [15].

2.4 Características del NITINOL.

La investigación de los materiales con memoria de forma inició desde 1932, cuando se

realizaron las primeras aleaciones que presentaban esta característica, pero, fue en

1962, que investigadores del Naval Ordinance Laboratory (NOL) en los Estados Unidos

de Norteamérica observaron que la aleación Níquel-Titanio (Ni-Ti) presentaba esta

propiedad. A partir de entonces se le llamó a esta aleación “NITINOL” (combinación de

los símbolos Ni, Ti y las siglas del laboratorio NOL).

El estudio del Nitinol hizo posible que a principio de la década de 1980, la manufactura

de estas aleaciones se perfeccionará, por esto, y por las propiedades mecánicas

comparables a las de algunos aceros inoxidables y resistencia a la corrosión han hecho

esta aleación muy comercial [13, 14].

2.4.1 Propiedades mecánicas.

El nitinol tiene características mecánicas poco convencionales, tabla 1. Es una aleación

biocompatible con comportamiento mecánico complejo, presenta, Superelasticidad y

memoria de forma [14].

25

Tabla 1. Propiedades mecánicas del nitinol.

PROPIEDAD Nitinol

Recuperación de la elongación 8%

Biocompatibilidad Excelente

Módulo efectivo Aproximadamente 48 Gpa

Torqueabilidad Excelente

Densidad 6.45 g/cm3

Magnetismo No

Esfuerzo último a la tracción Aproximadamente 1240 Mpa

Coeficiente de dilatación térmica 6,6 a 11,0 cm/ cm/ ºC

Resistividad 80 a 100 micro - ohm cm

2.4.2 Propiedades fisicoquímicas.

El Nitinol es un material intermetálico, de color blanco brillante, ligero y de alta

resistencia mecánica, el cual esta constituido en peso por 55% de Níquel y 45% de

Titanio, en ocasiones se le agregan otros elementos que modifiquen las propiedades

del material.

Es la aleación con mayor aplicación de todos los que poseen la característica de

memoria de forma, esto es así, porque tienen una mayor capacidad de memoria (hasta

un 8 %), son más estables térmicamente, excelente resistencia a la corrosión, buena

resistividad eléctrica, se pueden alear y extruir con facilidad y tienen un rango mayor de

posibles temperaturas de transformación.

Las propiedades termo-mecánicas de éste material pueden ser aprovechadas en

ingeniería, en la soldadura donde puede proveer mejoras en las uniones soldadas

[13,14].

26

2.4.3 Aplicación del Nitinol en la soldadura.

El proceso de soldadura por rayo láser, es donde mayor éxito se ha tenido en uniones

soldadas con aplicación del Nitinol, figura 7. Se tiene un especial interés por la

soldadura con rayo láser en la aleación nitinol, en el área médica por la flexibilidad y

recuperación de las deformaciones y por propiedad “súperelasticidad” del material.

Figura 7. La soldadura con rayo láser para uniones de nitinol.

Con el procedimiento adecuado y materiales de alta calidad, la soldadura con Nitinol ha

llegado a ser un proceso de rutina. Sin embargo, la unión soldada entre Nitinol y otros

metales, incluyendo el acero inoxidable, presentan mayor dificultad. Esto es

consecuencia del comportamiento del Titanio el cual forma fases intermetálicas frágiles

con la mayoría de los metales. En el caso de los metales férreos, se forman fases

intermetálicas TiFe y TiFe2. La unión entre Nitinol y acero inoxidable es solicitada para

muchas aplicaciones médicas [15].

27

CAPITULO III Metodología del

experimento

28

III. METODOLOGIA DEL EXPERIMENTO.

3.1 Aplicación de la soldadura con proceso GTAW.

La correcta aplicación de la soldadura es de vital importancia para el éxito de la

experimentación.

3.1.1 Preparación de los materiales para realizar la soldadura GTAW.

Tres, son los aspectos principales que se deben realizar para una buena preparación

de los materiales.

La primera, es la preparación física de los materiales, la cual, consiste en el adecuado

arreglo del material base y de aporte, esto en referencia a las dimensiones de la pieza,

bordes, biseles y tipo de unión a soldar. Para éste experimento el titanio se cortará en

piezas con medidas adecuadas para su manejo pero que se encuentren en las

dimensiones de diseño normalizadas, que le brindarán al experimento reconocimiento

científico.

La limpieza que se hace a las piezas, es un aspecto importante para una adecuada

unión soldada. El titanio una vez preparado físicamente se debe limpiar con agentes

químicos para eliminar por completo los contaminantes como aceite, grasa, polvo y

pintura entre otros, y terminada esta operación no se deberá volver a tomar las piezas

con las manos.

El acomodo de las piezas a soldar es el otro punto determinante del éxito del

experimento. El arreglo a los bordes de las piezas a unir debe ser como lo recomienda

el manual de procedimientos de soldadura [8, 16].

29

3.1.2 Definición del régimen de la corriente.

El experimento para la unión soldada será con los valores de 75, 125 y 175 Amperes.

Aplicar la corriente eléctrica al proceso GTAW, con el objetivo de analizar las

condiciones finales de la unión, afectadas por los diferentes tiempos y temperaturas de

aplicación de la soldadura [16].

3.1.3 Aplicación de la soldadura.

En la soldadura con arco con protección gaseosa, se utiliza como medio protector un

chorro de gas que rodea el arco y al baño de fusión, impidiendo la contaminación de la

soldadura. La metodología del proceso se menciona a continuación [17].

a). Comprobar que todas las conexiones del circuito de soldadura estén correctas.

b). Seleccionar el diámetro y composición del electrodo así como la boquilla correctos.

c). Ajustar el electrodo de modo que sobresalga de la boquilla la longitud correcta al tipo

de junta a realizar, en este caso 5 mm y sujetarlo firmemente a la pinza.

d). Ajustar el generador a la intensidad de corriente adecuada para este experimento.

e). Abrir el paso de gas inerte y se regular el caudal adecuado.

f). Cebar el arco aproximando el electrodo hasta unos 3 mm de la pieza y realizar la

soldadura. La corriente alterna con alta frecuencia permite lograr cordones de soldadura

anchos y con mediana penetración.

g). Aplicar la soldadura. Sostener el portaelectrodo, de forma que el electrodo quede a

unos 75º con respecto a la pieza, precalentar con un movimiento circular de pequeña

amplitud al electrodo.

h). Para aportar el material de relleno, se sostiene la varilla aproximada a 15º de la

horizontal, adelante del arco, en cuanto se observa la fusión de los bordes.

i). A continuación, retirar la varilla y avanzar con el arco hasta completar el cordón.

30

3.2 Análisis metalúrgico de las probetas soldadas.

Una vez realizadas las probetas, preparar sus superficies para un análisis metalúrgico

para evaluar las condiciones de los materiales [18].

Con el análisis de los materiales después del proceso de soldadura, se deberá

relacionar los cambios estructurales con los cambios en las propiedades mecánicas

metalúrgicas. Para la metalografía, realizar los siguientes pasos:

Corte y desbaste de las probetas.

Para el estudio de las piezas se requiere que sean de tamaño adecuado para su

manejo y observación en las máquinas e instrumentos, que se utilizarán para su

análisis.

El desbaste de la superficie de la muestra se realiza por medio de lijas gruesas, para

eliminar el metal deformado, hasta el punto de que los últimos vestigios de deformación

sean removidos por el pulido.

Pulido y limpieza.

Utilizar lijas finas y paño con alúmina hasta lograr una superficie plana, sin rayas y con

acabado a espejo. Este tipo de superficie es necesaria para la adecuada interpretación

metalográfica.

Por medio de un equipo de ultrasonido se realiza una adecuada limpieza de las

probetas para eliminar el exceso de alúmina, magnesia o el elemento usado para pulir.

Ataque químico.

Se atacarán químicamente las probetas con el reactivo para revelar la estructura que

poseen. El examen de una muestra pulida revela, además, detalles en la estructura

como porosidades, grietas, fracturas o inclusiones no metálicas.

31

Microataque.

Este tipo de ataque revela: tamaño de grano, segregación, forma, tamaño y distribución

de fases e inclusiones presentes y tratamiento térmico recibido.

Para la mayoría de las aplicaciones se deben observar las siguientes reglas:

• Atacar el tiempo suficiente para exponer detalles microestructurales significantes.

Sí la muestra se encuentra falta de ataque debe ser repulida y vuelta a atacar.

• Después del ataque, la superficie de la muestra no debe ser tocada. Será

observada y examinada inmediatamente, antes de que ocurra oxidación o

contaminación superficial.

• Si se requiere contraste adicional, debe obtenerse por técnicas fotográficas y no

por atacar con mayor tiempo (sobreataque).

Observación microscópica.

Una vez preparadas las probetas, realizar el análisis metalúrgico, en las zonas; material

base, material de aporte, y zona afectada por el calor, figura 8, que serán referencias en

la observación.

Figura 8. Zonas para observación microscópica vertical.

Se observarán tres secciones en cada probeta, como se muestra en la figura 9 para

conocer las propiedades que presenta el material de manera más específica. Cada

sección contendrá material base, cordón de soldadura y zona afectada por calor.

32

Figura 9. Zonas para observación microscópica horizontal.

3.3 Análisis de microdureza a las probetas soldadas.

Comúnmente se puede definir la dureza como: la resistencia a la penetración.

Las pruebas de dureza pueden proporcionar datos de los que se pueden derivar otras

propiedades mecánicas importantes. Y como las pruebas de dureza se pueden llevar a

cabo rápidamente, se usan para control e inspección de materiales [18, 19].

Preparación de la probeta.

Evitar en lo posible calentamiento en las probetas al momento de prepararse para

ensayo de dureza, con el propósito de evitar endurecimiento superficial que influya en el

valor de dureza de las muestras.

La superficie de las muestras se debe preparar con cierto esmero, para la prueba

Vickers la superficie debe estar pulida y atacada químicamente, ésta debe ser paralela

a la superficie de apoyo la cual deben tener un acabado fino, sin rebordes y limpia.

Colocar las probetas en el banco de la máquina de ensayo de dureza y sujetarla

firmemente de modo que no se mueva y cause con esto error en la medición [19].

33

Medición de microdureza.

Realizar ensayos de dureza. Los resultados son parámetros para conocer las

propiedades que presenta el material después de algún proceso experimental [19].

La prueba de microdureza es básicamente una prueba de laboratorio y los factores que

se deben considerar para la exactitud del ensayo de dureza son:

• Condiciones físicas adecuadas del marcador de muesca.

• Exactitud de la carga aplicada.

• Condiciones de la superficie de la muestra.

• Espesor de la muestra.

• Forma de la muestra.

• Localización y distancia de las impresiones. 3.4 Aplicación del tratamiento térmico.

Determinar el Tratamiento Térmico que se va a aplicar para modificar la

microestructura, y por tanto, las propiedades de los materiales.

3.4.1 Definición del régimen de temperatura.

Las probetas soldadas por proceso GTAW a 75, 125 y 175 Amperes, serán sometidas

a tratamiento térmico y la temperatura fue seleccionada en base al diagrama

metaestable del Nitinol (Ti –Ni), figura 10, el cual presenta la siguiente información:

• Aproximadamente a 600 º C se presenta la recristalización del Nitinol.

• Aproximadamente a 984 º C se presenta NiTi + NiTi2

• Aproximadamente a 1300 º C Se presenta NiTi + L

34

Figura 10. Diagrama metaestable del Nitinol.

3.4.2 Determinación del enfriamiento.

Seleccionar el medio de enfriamiento para las probetas, entre los cuales se tienen: al

medio ambiente, aceite ó agua fría. El objetivo, es atrapar la microestructura formada

en los materiales a las temperaturas y tiempos establecidos [20].

35

3.5 Análisis metalográfico posterior a cada tratamiento térmico.

Se hará análisis metalográfico a las probetas, cada vez que se aplique un trabajo o un

tratamiento térmico, el cual pueda generar cambios en las propiedades de los

materiales, cada ocasión se preparará la probeta para su caracterización [20].

3.5.1 Preparación de la probeta.

Para que una muestra metalográfica sea adecuada, realizar los siguientes pasos:

a). Corte y desbaste de la probeta.

b). Pulido y limpieza.

c). Ataque químico.

d). Observación microscópica.

Realizar el análisis metalúrgico, en las zonas; material base, material de aporte, y zona

afectada por el calor, que serán referencias en la observación. Se observará la

microestructura en tres secciones de cada probeta, para conocer las propiedades que

presenta el material de manera más específica [20].

Cada sección contendrá material base, cordón de soldadura y zona afectada por calor.

3.6 Análisis cuantitativo de fases.

Observar y medir las fases presentes durante los cambios estructurales.

3.7 Análisis de microdureza posterior a cada tratamiento térmico.

Analizar los resultados obtenidos de los ensayos de dureza Vickers al metal base y la

soldadura después de cada tratamiento térmico.

36

CAPITULO IV Determinación y cálculo

de las variables del proceso GTAW

37

IV. DETERMINACIÓN Y CÁLCULO DE LAS VARIABLES DEL PROCESO GTAW. 4.1 Variables del proceso de soldadura GTAW.

El proceso de soldadura GTAW tiene como principales variables:

• Voltaje de arco, es decir, el voltaje medido entre el electrodo de tungsteno y la

pieza de trabajo.

• Corriente de soldadura, que es el régimen con el que trabaja la máquina de

soldar, ésta corriente tiene la función de lograr el baño de soldadura.

• Velocidad de recorrido, es la velocidad con la que el electrodo junto con el metal

de aporte se desplazan a lo largo de la unión, creando el cordón de soldadura.

La velocidad de recorrido afecta tanto la anchura como la penetración.

La combinación de estos factores da como resultado una energía calorífica entrante en

el material, dicha energía, produce la coalescencia de los materiales. Sin embargo,

como todas las variables tienen fuertes interacciones, es posible tratarlas como

variables independientes al establecer los procedimientos de soldadura en uniones

específicas [8,21].

4.2 Definición del régimen de la corriente.

Para soldar titanio se emplean procedimientos especiales que incluyen el uso de

grandes toberas de gas de pantallas de salida para proteger la cara de soldadura. La

selección de la corriente eléctrica varía con respecto al espesor del material [16 ].

• La cédula del procedimiento para el proceso GTAW indica, para espesor del

material a soldar de 9.5 mm: en éste experimento el espesor es constante pero

el amperaje se elige con tres valores diferentes, 75, 125 y 175 amperes, para

comparar los efectos que se presentan en la unión soldada. El experimento para

la unión soldada será con los valores de 75, 125 y 175 Amperes.

38

• Los valores de 75 y 125 Amperes, son valores normales, en diseño mecánico,

sin embargo, a pesar de que 175 A no es normal se tomó como tercer parámetro

de corriente de arco eléctrico para éste experimento.

4.3 Modelado matemático del proceso.

El calor y el tiempo son factores determinantes en la formación de la microestructura de

los materiales, dichos parámetros están presentes durante el proceso de soldadura, la

relación matemática con otros parámetros, permiten conocer sus valores [22].

La ecuación (1) se usa para calcular el calor que se genera en un arco movible.

q (J/m) = Energía por calor en joules por medida lineal de soldadura.

I (A) = Corriente eléctrica.

V (V) = Voltaje de arco.

v (m/s) = Velocidad de desplazamiento.

η = Eficiencia del proceso.

Para el cálculo de energía entrante, se emplea la siguiente expresión matemática (2):

Q (W) = Energía entrante.

q (J/m) = Energía por calor en joules por medida lineal de soldadura.

l (m) = Longitud total de la unión.

39

Otra variable muy importante para el diseño de la unión soldada es la longitud del

charco de soldadura, ecuación (3), que está en función de la energía entrante,

L (m) = Longitud del charco de soldadura.

λ (W / m ºK) = Constante de conductividad térmica.

Ts (ºK) = Temperatura de fusión del material

To (ºK) = Temperatura inicial.

4.3.1 Parámetros utilizados para la aplicación de la soldadura.

Se calculan parámetros y se establecen los valores, tabla 2, para aplicar la soldadura

con diferentes rangos de Amperaje.

Tabla 2. Parámetros para la aplicación de la soldadura con proceso GTAW.

40

4.3.2 Resultados del cálculo de energía producida en la soldadura.

Teóricamente, los valores obtenidos, tabla 3, indican las condiciones para cada proceso

de soldadura, se conoce la energía entrante para cada uno.

Tabla 3. La energía presente en cada proceso de soldadura.

La energía entrante es calor y éste es el principal factor que modifica la microestructura

de los materiales. Dicho calor es distinto para cada proceso, lo que supone diferencias

entre las microestructuras formadas [20].

41

CAPITULO V Procedimiento experimental

42

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

5.1 Aplicación de la soldadura con el proceso GTAW.

Para aplicar la soldadura, primero se ajustó la consola de la máquina de soldadura

GTAW a los valores determinados para el experimento, tabla 4, quedando:

Tabla 4. Ajuste de parámetros en la consola de la máquina.

5.1.1 Preparación de las probetas.

Las piezas de titanio a unir se cortaron a las siguientes dimensiones: 22 x 8 x 20 mm, y

se prepararon en uno de los extremos, con doble bisel en “V”, con un ángulo de 72º.

Para limpiarlas se sumergieron en una solución acuosa llamada “Pickling”, la cual

consiste en una mezcla de agua (H2O), ácido nítrico (HNO3,) y ácido fluorhídrico (HF).

Proceso de soldadura GTAW.

Variable Probeta I Probeta II Probeta III

Corriente 75 A. 125 A. 175 A.

Tiempo de Postflujo

Para 1/8 Para 1/8 Para 1/8

Polaridad Positiva Positiva Positiva

Alta Frecuencia Continua Continua Continua

Gas Argón Argón Argón

Flujo del gas 1 m3/hr 1 m3/hr 1 m3/hr

Electrodo EWTh-2,1/8 EWTh-2,1/8 EWTh-2,1/8

43

Limpieza de los materiales.

Para efectos de limpieza se utilizó la solución llamada “pickling”: El procedimiento es el

siguiente: En un lugar ventilado y con la ropa y equipo de seguridad adecuados se

preparó la solución acuosa con la siguiente cantidad en porcentaje: 80 mL de HNO3, 8

mL de HF y 112 mL de H2O [23].

Se sumergieron las piezas de titanio y el material de memoria de forma con tenazas en

la solución acuosa con el debido cuidado, por 3 minutos, hasta que la solución se hizo

amarilla oscura.

Se extrajeron los materiales con cuidado, se enjuagaron a la corriente de agua y se

secaron rápidamente con aire. Así se realizó el ciclo de limpieza y ya limpias se

procedió a colocarlas en unión a tope con una separación de 2 mm, entonces se aplicó

la soldadura.

5.1.2 Soldadura.

Se conectó el circuito de soldadura que utiliza un sistema de alta frecuencia, éste se

controla desde el maneral portaelectrodo y está sincronizado con el flujo de gas

protector.

Se acomodaron las piezas de titanio, para éste espesor emplear una preparación de

bordes “B” (bisel en V y chaflán) y se depositó el material de aporte manualmente en el

baño de soladura.

Se utilizó un electrodo de tungsteno (EWTh2 con torio al 2%) de 3.2 mm (1/8”), la varilla

del material de aporte tiene diámetro de 3.2 mm (1/8”), el flujo de gas fue de 1m3/h

(35ft3/h), se aplicaron 2 pasadas con el electrodo a 75 º con respecto a la horizontal,

debido a la preparación en doble V, con una separación de 2 mm entre biseles. Al

término del primer cordón, se dejo enfriar la pieza y se le realizó limpieza. Después se

aplicó el segundo cordón, se dejo enfriar y finalmente se limpió, la probeta quedó con

las dimensiones de 22 x 9 x 47 mm, figura 11, éste procedimiento se repite para todas

las probetas. Se prepararon 9 probetas con GTAW a 75 A, 9 con 125 A y 9 con 175 A.

44

Figura 11. Esquema del número de pasadas en el proceso GTAW.

5.1.3 Preparación de las probetas.

Corte. Terminada la soldadura, se cortaron las probetas longitudinalmente a la mitad, figura

12, en la cortadora ISOMET a baja velocidad con enfriamiento continúo. Se maquinaron

todas las probetas en una rectificadora, con el mayor cuidado posible para evitar

calentamiento y se escuadraron quedando con dimensiones de 9 x 9 x 47 mm.

Figura 12. Esquema del corte que se realizó a las probetas.

45

Desbaste. Para desbastar, se uso lija, agua y un banco de desbaste, figura 13. Para afinar la

superficie de las probetas se utilizó la secuencia de lijas: grado 220, 320, 500, 600, 800,

1000, 1200, 1500 y 2000, logrando rugosidad de 0.1 µm Ra (acabado a espejo).

Figura 13. El desbaste se realizó con lijas en un banco de desbaste.

Pulido. El pulido final se realizó en una máquina pulidora Labopol-5 STRUERS, figura 14.

Girando en un rango de 450 a 500 rpm con un paño de cerda corta, alúmina de 0.3 µm

y agua utilizada como lubricante se obtienen un preacabado a espejo.

Figura 14. Máquina pulidora Labopol-5 STRUERS

46

Posteriormente, se emplea un paño limpio, agua y alúmina de 0.05 µm, para lograr el

pulido fino final, con acabado a espejo, sin rayas, figura 15.

Figura 15. Probetas GTAW pulidas; (a) 75 A, (b) 125 A, (c) 175 A.

47

Ataque químico.

El macroataque es aquel que muestra los límites de grano de un metal, diferenciándose

del microataque, principalmente por el tiempo en se sumerge la probeta en el reactivo.

Se seleccionó la solución numero 151 de las tablas de LECO corporation, tabla 5, para

la observación macroscópica [23].

Tabla 5.Tabla de reactivos LECO corporation.

Ataques químicos para aleaciones NiTi.

ATAQUE

MICROSCÓPICO

REACTIVO OBSERVACIONES

133 50ml HNO3

50ml. ÁCIDO ACÉTICO

Mezcla fresca

Sumergir de 5 a 30 s.

143 0.01-1g CrO3

100ml HCl

Sumergir pocos segundos.

150 60ml HCl

20ml HNO3

40ml GLISERINA

Sumergir de seg. a min.

Sacar después de que la solución

se torne amarillo oscuro

151 10ml HF

25ml HNO3

150ml AGUA

Sumergir de 5-30 segundos

Una vez que las probetas estaban pulidas a espejo son sometidas a un ataque químico,

el cual, es necesario para revelar las estructuras de los metales.

Dentro de la campana de extracción, figura 16, se realizó el ataque químico a las

probetas a 75, 125 y 175 A con el reactivo para atacar titanio y sus aleaciones.

En un recipiente se depositó una cantidad de reactivo, suficiente para sumergir las

probetas durante 5 segundos, con el propósito de revelar la estructura.

El ataque es notorio porque la probeta pierde su brillo, y al observarse bajo el

microscopio se revelan las estructuras de las probetas.

48

Figura 16. Campana de extracción para ataque químico

5.1.4 Análisis microestructural de la soldadura.

Para iniciar el análisis metalográfico, se tomó como referencia de observación la

microestructura que presenta el Nitinol y el Titanio en condiciones iniciales.

En el caso de la observación macroscópica se realizó con una cámara CANON 6523

con acercamiento, en una mesa fotográfica. Para el caso del estudio microscópico, las

probetas se observaron en el microscopio óptico marca NIKON EPIPHOT, figura 17,

con aumentos 50, 100, 200, 400.

Figura 17. Microscopio de campo claro.

49

Con el equipo de observación microscópica complementado por un programa de

computación, figura 18, se tomaron micrografías de las estructuras presentes en el

material, mostrando los cambios que ocurrieron después de cada tratamiento térmico.

Figura 18. Microscopio con programa de cómputo para fotografiar microestructuras.

5.2 Tratamiento térmico para las probetas soldadas.

Para realizar los Tratamientos térmicos, se utilizó un horno eléctrico y el tiempo

depende del tamaño de la pieza.

5.2.1 Descripción del horno.

El horno utilizado, figura 19, para éste experimento tiene las siguientes características:

THERMOLYNE, Sybron Corporation, Dubuque IWOA, U.S.A.

Modelo F – A1730, Series / Serial number: 85/5044

Volts: 240

Amperes: 24

Watts: 5800

Hertz: 50 / 60

Phase: 1

Rango de temperatura: 1400 º C

50

Figura 19. Horno eléctrico THERMOLYNE.

5.2.2 Definición de la temperatura.

La aleación NiTi, según el diagrama de equilibrio Ti – Ni, se recristaliza a 630º C.

Éste régimen fue aplicado a tres probetas; probeta I “GTAW 75 A”, probeta II "GTAW

125 A”, probeta III “GTAW 175 A.” Una vez que el horno alcanzó la temperatura de 640º C, fueron introducidas las

probetas y permanecieron a esa temperatura por 30 minutos, pasado dicho tiempo se

extrajeron y se dejaron enfriar al medio ambiente con temperatura de 20º C.

Al final del tratamiento, las probetas formaron una capa de oxido gris, al retirar dicha

capa las piezas presentan un color gris obscuro, aparentemente sin deformación.

Pero la observación microscópica mostró que éste tratamiento térmico no eliminó todas

las dendritas y por esta razón se realizó otro.

Posteriormente se eligió otro tratamiento térmico a la temperatura de 1100º C, para

lograr la transformación de la fase dendrítica.

El tratamiento se realizó en el horno a 1100º C de temperatura, dentro del cual las

probetas estuvieron durante 30 minutos y se templaron en agua a 15º C. Con éste

tratamiento tampoco se alcanzó a eliminar las dendritas, así que se realizo otro

tratamiento

51

Se aplicó un tercer tratamiento térmico con la temperatura 1250º C. durante 90 minutos

y se templo al agua enfriada con hielo a 1º C.

Para el final de éste tratamiento, las probetas presentaron una deformación física muy

clara en la soldadura, con una tendencia a fundirse.

Éste tratamiento se basa en que la aleación a 1300º C presenta dos fases, por ello, la

temperatura del tratamiento fue ligeramente menor.

5.2.3 Determinación del enfriamiento.

El medio de enfriamiento en el primer tratamiento fue el medio ambiente, recomendado

por el proceso de recocido para las aleaciones de Titanio.

Sin embargo, no fue el mismo medio para los siguientes tratamientos donde se requería

un enfriamiento brusco para retener las estructuras formadas a ciertas temperaturas,

para los siguientes tratamientos fue agua fría el medio de enfriamiento.

5.3 Estudio metalográfico. Las probetas se prepararon nuevamente para su caracterización, por tanto, se repiten

los pasos de la preparación para metalografía, lo cuales son, desbaste, pulido, ataque

químico y su observación con el microscopio.

5.4 Análisis de microdureza.

A las probetas listas para el análisis de microdureza, se les consideró: verticalmente,

secciones superior, media y baja; longitudinalmente, material base, material de aporte,

y zona afectada por el calor.

5.4.1 Preparación de las probetas. Para dicho ensayo, se seccionaron las probetas a modo de llevar un orden y también

para apreciar cambios en el material que hayan tenido influencia de la distancia del

calor de la soldadura a un punto determinado del material.

52

Se tomaron tres secciones para cada probeta, y se realizó el barrido de información

sobre la mayor cantidad de material, lo cual, permitió conocer las propiedades del

material de manera más específica de cada división conformada de material base,

cordón de soldadura y la zona afectada por calor.

5.5 Análisis cuantitativo de fases.

Éste análisis tiene como objetivo dar a conocer una aproximación del porcentaje de

fases existentes en el material.

Se realizó midiendo en las micrografías tomadas a las probetas, las partes obscuras o

claras, por medio de un arreglo de puntos sobrepuestos en las imágenes de las

superficies de las muestras.

Una cantidad de puntos se establecieron en forma ordenada y se miden los puntos que

coincidieron con las partículas claras u obscuras. De éste modo, se obtuvo un

porcentaje de la cantidad de cada fase presente en la zona analizada.

5.6 Análisis de microdureza.

Se midió la dureza sobre el material base, la zona afectada por el calor y el cordón de

soldadura, sobre diferentes líneas de barrido. Con los valores de dureza obtenidos, se

hicieron las gráficas, donde se puede analizar y apreciar el comportamiento de las

probetas [19].

5.6.1 Medición de la dureza.

En éste análisis, la principal prueba para conocer las condiciones del material fue el

ensayo de dureza, para dicho ensayo, se utilizó una máquina para prueba de dureza

Vickers y Rockwell, figura 20.

Ensayo de dureza Vickers. En esta prueba de dureza se utiliza un instrumento de

lectura directa basado en el principio de medición de profundidad diferencial, el valor lo

53

proporciona automáticamente la máquina de microdureza Vickers electrónica, al medir

por el ocular las diagonales de la impresión [19].

El metal base y la soldadura se sometieron a ensayo de dureza después del proceso de

soldadura, así también, después de cada tratamiento térmico realizado.

Las cargas de prueba están entre 1 y 1000 g. Hay dos tipos de marcadores empleados

para la prueba de microdureza:

• La pirámide de diamante Vickers de base cuadrada de 136º.

• Marcador Knoop de diamante alargado.

Figura 20. Máquina de prueba de dureza Vickers (Rockwell).

74

CAPITULO VI Resultados y discusión

VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

75

6.1 Resultados del cálculo.

En el desarrollo del trabajo, fue de gran importancia realizar el cálculo de las

variables del proceso de soldadura, principalmente, la energía entrante, parámetro

que se presenta en el charco de soldadura, y es importante éste dato para conocer

el alcance de la influencia del calor generado en el baño de soldadura, tabla 6.

Conocer la longitud del charco de soldadura es indispensable como un valor

requerido para el diseño de la pieza a soldar, con el propósito de obtener la unión de

mayor calidad.

Otra variable es la corriente eléctrica de soldadura, la cual está en función del

espesor de la pieza de trabajo.

Tabla 6. Resultados de la en los procesos GTAW con diferente corriente eléctrica.

En la guía de recomendaciones de prácticas para soldadura con arco de tungsteno y

gas de la AWS, para titanio y sus aleaciones, tomando en cuenta el espesor de las

piezas a unir de hasta 9.5 mm, esta establecido un rango de amperaje, en el cual, se

encuentran los valores seleccionados para este experimento, que son de 75 A, 125

A y 175 A y que como ya se mencionó son valores “normales” de diseño.

Estos valores se utilizaron para realizar la unión soldada, la cual, fue satisfactoria.

6.2 Análisis Metalográfico.

Al analizar la microestructura del Nitinol y del Titanio grado uno, desde su estado

inicial, se observó que, el Nitinol posee una estructura monofásica y un grano tipo

GTAW 75 A

GTAW 125 A

GTAW 175 A

Probeta

4500 J (1080 cal)

7500 J (1800 cal)

8193.12 J (1966 cal)

Energía entrante Joules (calorías)

0.027 m

0.045 m

0.049 m

Longitud del charco de soldadura (m)

76

ferritico fino, figura 21, la estructura de apariencia ferrifica monofásica, de grano fino

y una fase α’ de titanio puro [Las referencias 24, 25 y 26 ayudaron a la descripción

de las micrografías].

Figura 21. Material de aporte, Nitinol. (a) 100 x, (b) 200 x.

Por medio del microscopio, se observó la microestructura del titanio, la cuál

presentaba deformación en sus granos, causada por el proceso de laminación al

cual se somete para su venta comercial, figura 22, se observa, grano fino

homogéneo alfa [25].

a b

77

Figura 22. Material base, Titanio grado uno (a) 100 x (b) 200 x.

6.3 Análisis metalográfico de las probetas soldadas por proceso GTAW.

Se analizaron las probetas hechas con proceso GTAW a diferentes valores de

corriente eléctrica, 75, 125 y 175 Amperes.

6.3.1 Probeta GTAW a 75 A.

Esta probeta, presenta una estructura dendrítica en el cordón de soldadura, con la

misma orientación, figura 23 (a), típica de la solidificación de una fundición, mientras

que en el metal base, titanio, figura 23 (b), se genera una recristalización que

presenta un grano equiaxial y titanio en fase α' (puntos finos), causados por la

temperatura que alcanza el proceso.

a b

78

Figura 23. Micrografías del (a) cordón de soldadura y (b) material base, probeta 75

A.

.

La figura 23 (c) muestra la interfase de la soldadura, formada por el área de material

que comprende desde el cordón de soldadura, la zona de transición y finalizando en

el límite del metal base. Se observa en la zona de transición una estructura llamada

“eutéctica”, qué es la reacción isotérmica en que la solución líquida se convierte en

dos o más sólidos íntimamente mezclados al enfriarse, cuyo número de sólidos

formados es el mismo que el de los componentes que integran el sistema. Dicha

estructura se ve en la micrografía en color obscuro en la zona de transición y

dendrita atrapada.

Figura 23 (c). Zona afectada por el calor.

6.3.2 Probeta GTAW a 125 A.

79

En la probeta realizada de titanio y nitinol a 125 A, se observa en la unión soldada:

En el cordón de soldadura, figura 24 (a), se formó una estructura dendritica, sin

embargo, comparada esta probeta con la de 75 A tiene menor densidad de

dendritas, existiendo también una estructura monofásica y presencia de titanio puro

en fase α'.

El material base, figura 24 (b), al ser sometido a la alta temperatura del proceso de

soldadura GTAW, recristaliza ligeramente pero los cambios microestructurales que

se advierten no son drásticos.

Figura 24. Zonas analizadas de la probeta GTAW con 125 A. (a) Cordón de

soldadura y (b) material base.

Correspondiente a las observaciones de la Zona Afectada por el Calor, figura 24 (c),

el material afectado presenta grano fino mientras que en la zona de transición se

formó la estructura llamada “eutéctica”, combinado con dendritas y formaciones tipo

aguja.

Figura 24. Micrografía tomada a la interfase y (c) zona afectada por el calor.

80

6.3.3 Probeta GTAW a 175 A.

La probeta realizada con corriente eléctrica de 175 A mostró que: el cordón de

soldadura, figura 25 (a), presenta estructura dendrítica, la cual se encuentra en una

matriz de fase clara, y puntos negros, los cuales se han identificado cómo fase α´.

De la observación del material base, figura 25 (b), se aprecia la microestructura del

titanio, en donde es notoria la modificación del grano a forma equiaxial.

Figura 25. Micrografías del (a) cordón de soldadura, (b) material base, GTAW 175 A.

En la zona afectada por el calor, figura 25 (c), se observó mayor tamaño del

“eutéctico” que se encuentra como matriz de la zona de transición donde hay

dendrita atrapada y en el metal base un grano fino ocasionado por la alta

temperatura del proceso de soldadura. Se observa que la zona de transición esta

menos definida.

81

Figura 25. Micrografía de la zona afectada por el calor (c), probeta GTAW 175 A.

6.4 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 640º C.

Después de ser sometidas las probetas realizadas a 75, 125 y 175 A con proceso

GTAW, a tratamiento térmico de 640º C por 20 minutos, se realizó análisis

metalográfico y los resultados se mencionan a continuación.

6.4.1. Probeta GTAW 75 A.

Se tomaron micrografías de toda la superficie de la probeta y se muestran a

continuación en la figura 26 (a) (b) (c).

La estructura dendrítica presente en el cordón de soldadura no tuvo cambios

importantes, tan solo, creció ligeramente la dendrita, en algunas zonas la dendrita

tiene una presencia muy clara, figura 26 (a). Además, se nota presencia del titanio

en la fase α, la zona oscura. En algunas zonas la dendrita tiene una apariencia muy

clara.

En la figura 26 (b), que es la zona afectada por el calor, se observa; en la unión con

el material base, el grano creció pero sin ser homogéneo a lo largo de ésta.

También, hay zonas que presentan grano fino con apariencia de una sola fase en la

frontera con el material de aporte. Además, en la interfaz se ve la presencia del

eutéctico.

En el metal base, la figura 26 (c) se generó una recristalización, crecimiento del

grano ligeramente de manera homogénea. Se ve la estructura martensítica del

titanio, fase β clara y puntos negros fase α´. Además, se puede observar la

desorientación en la formación de los granos. La parte clara, que se ubica en la

frontera con el cordón de la zona afectada por el calor no esta tan definida como el

área oscura, la cual presenta estructura eutéctica, muy notoria su presencia en el

limite del metal base.

A pesar de que la temperatura de recristalización de la aleación titanio – níquel es de

630º C, el tratamiento térmico aplicado no presenta cambios importantes en el

82

cordón de soldadura y ligero aumento del grano del material base.

Figura 26. Estructura de la soldadura a 75 A después de tratamiento térmico a 640º

C.

(a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la unión soldada, (c) Material base.

6.4.2 Probeta GTAW 125 A.

Se fotografió toda la superficie de estudio de la probeta GTAW a 125 A, y el análisis

de las fotografías de las tres zonas principales, figura 27, de la unión soldada se

resume a continuación.

Los cambios que ocurrieron después del revenido a 640º C por 20 min en la

estructura dendrítica del cordón de soldadura de la probeta, figura 27 (a), no son

significativos, incluso, se puede considerar que a éste Tratamiento Térmico, la

estructura permanece sin cambio. Se ven claramente las dendritas en la fotografía.

La zona afectada por el calor, figura 27 (b), presenta una recristalización, donde el

grano creció. La fotografía muestra parte del cordón de soldadura, una franja de

interfase de la unión. Aquí existe una estructura llamada eutéctica, estructura

parecida a una huella digital humana pero mucho más fina. En el material base una

zona que fue afectada por el calor del proceso de soldadura, la cual al recibir éste

83

Tratamiento Térmico tiene una estructura de grano muy fino.

En el metal base, se generó una recristalización, donde el grano se afino y se hizo

homogéneo figura 27 (c). Al comparar las estructuras presentes antes y después del

tratamiento térmico se observan los cambios que ocurren por éste tratamiento

térmico.

Sin embargo, dichos cambios son ligeros, la estructura dendrítica permanece, el

metal base recristaliza con ligero aumento del tamaño de grano.

Figura 27. Estructuras de la probeta GTAW a 125 A, después de tratamiento térmico

a 640º C. (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la unión soldada, (c) Material

base.

6.4.3 Probeta GTAW 175 A.

Del análisis de la probeta realizada por GTAW con 175 A, micrografías mostradas en

la figura 29, se observa lo siguiente.

En el cordón de soldadura, figura 28 (a), no ocurrieron cambios importantes en la

estructura dendrítica después del tratamiento térmico, permaneció la estructura con

un ligero crecimiento de la dendrita. Se observó una estructura dendrítica menos

densa.

La Zona Afectada por el Calor muestra una recristalización con crecimiento de grano

figura 28 (b), mantiene la estructura llamada “euctéctica” con dendrita atrapada. La

fotografía muestra el cordón de soldadura y la zona de transición, es decir la unión

de los materiales y la zona que fue afectada por el calor.

84

El metal base después del Revenido a 640º C por 20 min, recristalizó en un grano

más grande, figura 28 (c).

Para la probeta GTAW a 175 A sometida a este tratamiento térmico, no se observan

cambios importantes.

Figura 28. Estructura del la soldadura a 175A después de tratamiento térmico a

640ºC (a) Cordón de soldadura, (b) Interfase de la unión soldada, (c) Material base.

6.5 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 1100º C.

Se aplicó a las probetas un tratamiento térmico a 1100º C por 30 minutos y fueron

templadas en agua a 15º C, después de esta operación, se prepararon para análisis

metalográfico y se obtuvo lo siguiente.

6.5.1. Probeta GTAW 75 A.

Se analizó la probeta realizada con proceso GTAW a 75 A con micrografías

mostradas en la figura 29.

La formación dendrítica del cordón de soldadura figura 29 (a), se afinó, pero no

desapareció, teniendo una apariencia que se logra ver en la fotografía, se afino el

grano dando la impresión de estar en una fase una ya fina formación con tendencia

a desaparecer las dendritas. Crecimiento de grano material base, después del

Tratamiento Térmico a 1100º C por 30 minutos.

85

En el cordón de soldadura, la estructura dendrítica cambio de manera importante, es

decir, al afinarse el grano la dendrita se afino, pero sigue presente. Mientras que la

zona afectada por el calor, figura 29 (b), disminuyó la estructura “eutéctica”, afino el

grano y aparenta ser de una sola fase y el metal base recristalizó, con un

crecimiento del grano, figura 29 (c).

Figura 29. Estructuras de la unión soldada a 75 A, después del tratamiento térmico

1100º C por 30 minutos; (a) Cordón de soldadura, (b), Zona Afectada por el Calor y

(c) el metal base.

6.5.2 Probeta GTAW 125 A.

Se analizó ésta probeta, figura 30, después de ser sometida a 1100º C por 30

minutos, obteniendo los siguientes resultados.

En el cordón de soldadura no se logró romper completamente la estructura

dendrítica, pero si hay un importante cambio de la dendrita, figura 30 (a), En la figura

2(a) se ve, que la formación dendrítica se afinó y aparece dendrita retenida dando

la impresión de estar en solo una fase. Puntos negros finos indican a la presencia de

fase α´ de titanio.

La Zona Afectada por el Calor se refino, figura 30 (b). También se generaron otros

cambios importantes como: la zona de transición adelgazo, el “eutéctico”

desapareció, y el material afectado por el calor de la soldadura incremento su área

con un grano fino. Pero empieza desintegración de la fase β, zona clara en los

límites de interfaz con el material de aporte, y formación de la fase α.

En el metal base se genera una recristalización del grano, haciéndose más grande,

con formación de una estructura alargada alpha, figura 30 (c). En el metal base,

86

después de recristalización, se nota más el crecimiento del grano, aparentemente

equiaxial, con límites de grano irregular. También, Titanio esta formado con fase α,

color oscuro, fase β, color claro y fase α´, puntos negros finos.

Figura 30. Probeta GTAW 125 A, cordón de soldadura (a), Zona Afectada por el

Calor (b) y el metal base (c) después de TT 1100º C/ 30 minutos.

6.5.3. Probeta GTAW 175 A.

Del análisis de la probeta obtenida por proceso GTAW a 175 A, figura 31, se puede

resumir lo siguiente:

En el cordón de soldadura, la estructura dendrítica no desapareció completamente,

sin embargo, la estructura predominante es tipo martensítica NiTi, pero si hay un

importante cambio en el cambio del tamaño de la dendrita, figura 31 (a), incremento

de tamaño y la densidad de la estructura disminuyó.

En la zona afectada por el calor se refinó y homogenizó el grano, también aumento

en área, figura 31 (b), la zona de transición adelgazo, el “eutéctico” casi desapareció,

esta presente una fase α, zona obscura, y puntos finos obscuros que identifican una

fase α'.

El metal base recristalizó su grano, creciendo y formando una estructura de grano

ferritico alargado α' y en forma de agujas, donde se distingue una fase alfa, fase

obscura y beta (β), fase clara, figura 31 (c). En la imagen se puede apreciar una fase

obscura α, una fase clara β y puntos finos como una fase α'.

Con éste tratamiento térmico se lograron cambios significativos en cuanto a las

87

estructuras del material en todas las áreas de estudio.

Figura 31. Probeta GTAW 175 A, cordón de soldadura (a), Zona Afectada por el

Calor (b) y el metal base (c) después de TT 1100º C por 30 minutos.

6.6 Análisis metalográfico después del tratamiento térmico a 1250º C.

A la temperatura de 1250º C durante 90 minutos, figura 32, se observó que la

formación dendrítica del cordón de soldadura se refino, y se observa una estructura

muy fina y homogénea, sin embargo, no es una estructura de una sola fase, figura

33 (a). En la interfase Zona Afectada por el Calor figura 32 (b), se afino el grano

dando la impresión de estar en una fase. En el metal base, figura 32 (c) se generó

una recristalización, el grano creció homogéneo. Estas condiciones resultaron ser

las mismas para las probetas soldadas a 125 y 175 A, figuras 33 y 34

respectivamente, debido a que el Tratamiento Térmico a 1250º C durante 90 minutos

homogenizo las microestructuras.

En la figura 34 se presentan las estructuras a la temperatura de 1250º C. La

figura 34 (a) muestra la estructura del cordón, la cual presenta formación

martensítica de grano refinado y homogéneo, sin embargo, no muestra una sola

fase. Además, los puntos negros finos indican en la formación de la fase α' del

titanio. La zona afectada por el calor, figura 34 (b), formo la solución sólida con

cristales columnares, relativamente largos, formados de la fase inestable β, dando

la impresión de estar en dos fases, α oscura y β clara y la presencia del titanio en

fase α´. En el metal base, que se presenta en la figura 34 (c) se generó una

recristalización. El grano creció homogéneo con la apariencia equiaxial, con límites

de grano irregulares y gruesos. Se puede apreciar la presencia de tres fases de

88

titanio que son: la fase β clara y α oscura disueltas homogéneamente, pero se nota,

también, una de tercera fase, que es α', en forma puntos negros finos distribuidos

homogéneamente.

Figura 32. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), probeta GTAW 75 A.

Figura 33. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), probeta GTAW 125

A.

Figura 34. Cordón de soldadura (a), ZAC (b) y metal base (c), probeta GTAW 175 A.

6.7 Análisis cuantitativo de fases.

89

El análisis cuantitativo de fases en el material de aporte de las probetas después de

aplicarlo como material de aporte en la soldadura y después de cada tratamiento, se

obtuvo de las micrografías tomadas en la experimentación.

Metalografía cuantitativa.

Con el apoyo de una retícula formada por 100 nodos (100 puntos), colocada sobre

cada micrografía se indican se miden las fases presentes en el material. Se utilizó la

siguiente ecuación:

% Fase clara = ( NP / NT ) x 100

NP = Número de puntos de la retícula que caen en fase clara

NT = Número total de nodos de la retícula.

% Fase obscura = 100 - % fase clara

Los resultados se presentan en la tabla 7, y el procedimiento de cómo se realizó la

cuantificación se ejemplifica en la figura 35.

Figura 35. Cuantificación de fases presentes en el material de aporte, probeta sin

tratamiento térmico.

Tabla. 7 Composición de fases en el cordón de soldadura para cada experimento.

Probeta GTAW a 75 A. % FC = ( NP / NT ) x 100 NP = 60 NT = 100 % FC = ( 60 / 100 ) * 100 % FC = 60 % % FO = 100 - % FC % FO = 100 – 60 % % FO = 40 %

90

Se tomaron micrografías del cordón de soldadura después del tratamiento a 1250º

C, figura 36, con el microscopio electrónico de barrido (MEB), con el cual se pudo

observar a 2000 aumentos el detalle de la estructura de grano fino formada.

En las probetas 75 A, 125 A y 175 A, desapareció completamente la estructura

dendrítica y se formó una estructura homogénea de grano muy fino de dos fases.

Figura 36. Microestructura formada en las probetas después del tratamiento a 1250º

C.

6.8 Dureza. Se determinó a dureza en todas las probetas, y se grafican los resultados.

6.8.1 Medición de dureza Vickers por barrido.

91

Con los valores de dureza que se obtuvieron, se construyeron gráficas donde se

pueden analizar los resultados y apreciar el comportamiento de las probetas. Cada

curva de las gráficas promedio de dureza resume los valores obtenidos en el barrido

de medición de dureza, representando cada curva, un amperaje y un tratamiento

térmico.

El material base Titanio, fue sometido a prueba de microdureza, obteniéndose el

siguiente valor promedio: HV = 268 (HRc = 25), del material de aporte, sometido a

prueba de microdureza, se obtuvo el siguiente valor promedio: HV = 445 (HRc = 44)

En la figura 37, se muestra en una gráfica, la dureza Vickers del material base y la

soldadura después del proceso GTAW, donde se observa que la dureza no es

homogénea en las tres curvas, referente al cordón, la variación obedece al

calentamiento del material alcanzado durante el proceso de soldadura. Los valores

pico de las curvas se encuentran en la zona de influencia térmica del material base,

en tanto que, en el material base no afectado mantiene homogeneidad de la dureza.

El material base se encuentra dentro de un rango de dureza de 180 a 220 HV. El

rango de dureza del cordón de soldadura de las tres curvas, se encuentra entre 320

y 550 HV.

92

Figura 37. Gráfica de dureza Vickers de las probetas después del proceso GTAW.

La figura 38, muestran los resultados de dureza Vickers, después del tratamiento

térmico a 640º C por 20 minutos, aplicado a probetas 75, 125 y 175 A, a ésta

temperatura recristalizan el material de aporte y base. Las curvas indican una ligera

homogenización de dureza en el cordón de soldadura para cada proceso, sin

embargo, para la probeta de 75 A la dureza disminuyó, la probeta hecha a 125 A, no

tuvo mucho cambio en cuanto a valores de dureza, mientras que para 175 A

incremento.

En las tres probetas, el material base presenta cambios de dureza, estableciéndose

el rango entre 180 HV y 250 HV. En cuanto al rango de las curvas que representan

el cordón de soldadura se encuentra entre 320 HV y 640 HV.

93

Figura 38. Gráfica de dureza de las probetas tratadas térmico a 640º C por 20

minutos.

En la figura 39, se presenta el comportamiento de la dureza de las probetas al ser

sometidas a un tratamiento térmico de 1100º C durante 30 minutos.

El comportamiento de las probetas después de someterse a 1100º C por 30 minutos

lo muestran las curvas de dureza, donde se observa que en el material base se

homogenizó, pero con distinto rango en cada proceso.

La dureza del cordón de soldadura en las tres curvas se homogenizó, sin embargo,

el rango donde fluctúa la dureza aumento, para este proceso se encuentra entre 520

HV y 670 HV, donde, la curva del proceso con 125 A se mantiene cercana a 600 HV.

94

Figura 39. Gráfica de dureza Vickers de probetas tratadas térmico a 1100º C por 30 minutos. Los resultados de dureza indicados en la figura 40, son los que se obtuvieron de

medir las probetas con los tres procesos después de someterlas a un tratamiento

térmico a 1250º C por noventa minutos.

En ésta gráfica se observa que la dureza se homogenizó.

El material base presenta valores de dureza entre 500 y 600 HV.

El rango de dureza donde oscilan las tres curvas en cuanto al cordón de soldadura

esta entre 620 y 680 HV.

95

Figura 40. Curvas de dureza Vickers de probetas hechas a 75, 125 y 175 A con

tratamiento térmico de 1250º C durante 90 minutos.

96

CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

El presente trabajo arrojó las siguientes conclusiones:

El estudio, evaluación y análisis mecánico metalúrgico de las propiedades del Nitinol

al ser utilizado en soldadura GTAW con titanio grado uno, permitió conocer los

cambios estructurales y de propiedades mecánicas en ambos dos materiales.

Se aplicaron tres regimenes de tratamiento térmico, los cuales permitieron observar

lo siguiente:

Con el régimen de 640º C el cordón de soldadura no cambio la estructura dendrítica

formada por la solidificación del metal y en el metal base todas las probetas

recristalizaron y mecánicamente no hubo cambios importantes, la dureza del

material de aporte se muestra muy alta en comparación del metal base,.

97

Con el segundo tratamiento, a 1100º C hubo cambios en la microestructura del

cordón, a pesar de que se modificó la estructura se encontró la dendrita atrapada,

que significa que falto tiempo o temperatura para lograr la desaparición de la

dendrita por completa.

En cuanto a su dureza, aumento en material base y de aporte, así disminuyó la

diferencia de la dureza entre ambas zonas.

El tratamiento térmico realizado a 1250º C mostró homogeneidad en la

microestructura del cordón formándose una estructura de grano muy fino, en cuanto

al metal base aumento de dureza homogéneamente y se formó una estructura tipo

equiaxial. La zona afectada por el calor dejó de ser clara en sus límites. De las

condiciones de tratamiento térmico, se concluyó, que en cuanto a homogenización,

el mejor régimen se presenta a 1250º C con enfriamiento en agua con temperatura

de 1º C, pero, el aumento de la dureza no es deseable.

El material del cordón de soldadura presentó aumento de dureza en un rango menor

en comparación con el metal base, por lo tanto se concluye que, los tratamientos

afectaron en mayor proporción al material base, titanio, porque al observarse las

gráficas los grandes cambios fueron sobre éste material.

Con la información obtenida del análisis se observa que el material al ser aplicado

como aporte en soldadura GTAW, con las condiciones establecidas en los

experimentos aquí descritos, guarda una baja proporción de las propiedades

iniciales.

Para trabajos a futuro se recomienda:

• Hacer cálculo de la temperatura real que alcanza el arco de soldadura, para

conocer con más detalle las modificaciones de la estructura del nitinol.

• Hacer estudios con un solo amperaje calculado previamente, porque la

variación de amperaje no influye sobre cambios metalúrgicos-mecánicos.

• Para realizar tratamientos térmicos se recomienda utilizar hornos al vacío, con

el propósito de evitar reacciones del titanio con el oxígeno e hidrogeno del

aire.

98

• Se recomienda utilizar otras aleaciones níquel – titanio, diferentes del nitinol.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] Barret Ch. S., “Estructura de los metales”, editorial Aguilar, Madrid, España. [2] W. Hayden, WG Moffatt And J. Wulff, "Ciencia de los Materiales"

(Vol III: Propiedades Mecánicas), Limusa-Wiley, México. D.F., 1995. [3] Callister W. D., “Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales”, Ed.

Reverté S.A. [4] Malishev A., Nicolaiev G. Shuvalov, “Tecnología de los metales”, Ed. Limusa,

Ed. Mir, Rusia. [5] Mangonon P.L., “Ciencia de materiales, selección y diseño”, Ed. Prentice Hall,

México. [6] Boyko V. S., Garber R.I., “Plasticidad de los cristales.” Nauka Fismatlit,

Moscu. Rusia. 1991 Cuarta edición.

99

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[8] American welding society. L. O’Brien. “Manual de soldadura”, tomo II, Ed.

Prentice Hall, octava edición. [9] Villa y Rabasa G, Kabatskaia A, Hernández G. L.H., “Metalurgia de la

soldadura”, SEPI – ESIME – IPN. [10] American welding society. “Recommended practices for gas tungsten arc

welding”. American welding society. 1995. [11] Pere Molera Sola, “Tratamientos térmicos de los metales”, Ed. Marcombo,

serie productica, México, 1991. [12] Groover Mikell P., “Fundamentos de manufactura moderna”, Editorial Prentice

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Reverté. [18] Avner S. H. “Introducción a la metalurgia física”. Ed. Mc Graw Hill. Segunda

edición. 1979. [19] Carl A. Keyser, “Técnicas de laboratorio para pruebas de materiales”, Ed.

Limusa wiley S.A., México D.F. [20] Lajtin Yu. M., “Metalografía y tratamiento térmico de los metales”, Editorial Mir,

Moscú. [21] Zochowski A., “Mathematical problems in shape optimization and shape

memory materials”, Peter Lang, Frankfurtam Main, Berlin, Bern, New York, París, Wien, Printed in Germain.

[22] Cerjak H., Mathematical (1998), “Modelling of weld phenomena 4”, Material

modelling series, first edition. [23] Petzow G., “Metallographic etching”, 2nd edition, ASM Internacional, U.S.A. [24] Taylor L., “Metals handbook”, vol. 8, Metallography, structures and phase

diagrams, 8th edition, ASM Internacional, U.S.A.

100

[25] Uchil J, Mohanchandra KP, Kumara KG, Mahes KK, “Materials science and

engineering a-structural materials properties microstructure and processing” [26] Paula AD, Canejo JPHG, Silva RJC, Fernandes FMB, “ADVANCED

MATERIAL FORUM II MATERIALS SCIENCE FORUM”, 2004. [27] SAE Handbook, volumen 1, “Materials”, USA, 1990.

101

ANEXO A

102

ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

|Nombre de la compañía: SEPI-ESIME ZACATENCO Por: ING. JORGE RODRÍGUEZ MIRAMONTES Especificación de procedimiento de soldadura No. 01 Fecha: 18/11/02 PQR de soporte No(s) . Revisión No. Fecha: 18/08/02. Proceso de soldadura: SOLDADURA POR ARCO DE TUNGSTENO Y GAS .Tipo: MANUAL . (Automática, manual, semiautomática) UNIONES (QW-402) Diseño de la unión: TOPE A BISEL EN DOBLE V. Respaldo (sí) SI (no) . Material de respaldo (tipo) ACERO . (Refierese al material de respaldo y retenes) Metal. Metal no fundente. No metálico Otros Los esquemas, dibujos de producción,

símbolos de soldadura o descripción

escrita deben mostrar el arreglo general

de las partes por soldar. Si es necesario

hay que especificar la abertura de raíz y

los detalles del surco de soldadura. (Si el fabricante lo juzga necesario, se puede adjuntar esquemas que ilustren el diseño de la unión, capas de soldadura secuencias de

DETALLES

103

(WPS 01)

WPS No. 01 . Rev. . Hoja 2/2 TRAT. TERM. POSTSOLDADURA (QW-407) Grado de temperatura . Tiempo necesario .

POSICIONES (QW-405) Posición (es) del bisel 1G . Avance de la soldadura.: Hacia arriba . Hacia abajo . Posición (es) del chaflán .

PRECALENTAMIENTO (QW-406) Temp. precalen. min. .

GAS (QW-408) Composición porcentual

Gases. Mezcla. Flujo

ensayo, por ej., para procedimientos de tenacidad a la muesca, para procedimientos de procesos múltiples, etc.)

METAL BASE (QW-403). No. P. . No. de grupo Hasta No. P. . No. de grupo. . O BIEN Tipo y grado de especificación. TITANIO GRADO UNO . Hasta tipo y grado de especificación. GRADO UNO . O BIEN Análisis químico y prop. mec. VER TABLAS 5.1 Y 5.2 . Hasta análisis químico y prop. mec. . Espesores: Metal base: 5/16 . Bisel DOBLE V 72°+/- 2° . Chaflán . Tamaño del diámetro del tubo: . Bisel . Chaflán . Otros . METALES DE APORTE (QW-404) No. Espec. (SFA) NITINOL . No. AWS (clase) . No. F NiTi MATERIAL DE MEMORIA DE . FORMA . Tamaño de electrodos 1/8 (0.125) . Metal de soldadura depositado: NITINOL . Clasificación de espesores: . Bisel: . Chaflán: . Fundente de electrodo (clase) . Marca del fundente . Inserto consumible . Otros VACIÓ-ARGON .

. . . . . . . . . . . . .

104

Temp.. entre pasos máx. . Mantener precalent. . (se debe anotar calentamiento continuo o especial, cuando sea el caso)

Pantalla ARGON. Estela . Respaldo .

100% . . .

35 ft3/hr . . .

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS (QW-409) Corriente ca o cd CD . Polaridad POSITIVA . Amperes (rango) 75 . Volts (rango) 9-11V . (se debe registrar el límite de amperes y volts para cada tamaño de electrodo, posición, espesor, etc. Esta información se debe tabular en una forma semejante a la que se muestra abajo.) Tamaño y tipo de electrodo de tungsteno DIÁMETRO DE 1/8 AL 2% TORIO (EWTh-2) . ( Tungsteno puro, 2% torio etc.) Forma de transferir el metal para soldadura por arco metálico con gas . (Arco disperso, arco de cortocircuito, etc.) Velocidad de alimentación del electrodo 0.0066 m/s . TÉCNICA (QW-410) Cordón recto u oscilante RECTO . Tamaño de orificio o copa de gas # 6 . Limpieza inicial y entre pasos (cepillado esmerilado etc.) . ATAQUE QUÍMICO CON PICKLING . Método de vaciado . Oscilación . Distancia del tubo de contacto a la pieza 2 mm . Un paso o paso múltiple (por lado) PASO MÚLTIPLE . Electrodo sencillo o múltiple SENCILLO . Velocidad de recorrido (límite) 0.0066 m/s . Martillado . Otros . . .

Metal de aporte Corriente Capa (s) de soldadura

Proceso

Clase

Diámetro

C.D. Tipo Polar o C.A.

Rango de Amps.

Rango de Volts.

Rango de velocidad del avance

Otros. (observaciones, notas etc.)

1 1

GTAW GTAW

NiTi NiTi

1/8 1/8

C.D. + C.D. +

75 75

9-11 9-11

0.0066m/s 0.0066m/s

ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

|Nombre de la compañía: SEPI-ESIME ZACATENCO Por: ING. JORGE RODRÍGUEZ MIRAMONTES Especificación de procedimiento de soldadura No. 02 Fecha: 18/11/02 PQR de soporte No(s) . Revisión No. Fecha: 18/08/02. Proceso de soldadura: SOLDADURA POR ARCO DE TUNGSTENO Y GAS .Tipo: MANUAL . (Automática, manual, semiautomática)

105

(WPS 02)

UNIONES (QW-402) Diseño de la unión: TOPE A BISEL EN DOBLE V. Respaldo (sí) SI (no) . Material de respaldo (tipo) ACERO . (Refierese al material de respaldo y retenes) Metal. Metal no fundente. No metálico Otros Los esquemas, dibujos de producción,

símbolos de soldadura o descripción

escrita deben mostrar el arreglo general

de las partes por soldar. Si es necesario

hay que especificar la abertura de raíz y

los detalles del surco de soldadura. (Si el fabricante lo juzga necesario, se puede adjuntar esquemas que ilustren el diseño de la unión, capas de soldadura secuencias de ensayo, por ej., para procedimientos de tenacidad a la muesca, para procedimientos de procesos múltiples, etc.)

DETALLES

METAL BASE (QW-403). No. P. . No. de grupo Hasta No. P. . No. de grupo. . O BIEN Tipo y grado de especificación. TITANIO GRADO UNO . Hasta tipo y grado de especificación. GRADO UNO . O BIEN Análisis químico y prop. mec. VER TABLAS 5.1 Y 5.2 . Hasta análisis químico y prop. mec. . Espesores: Metal base: 5/16 . Bisel DOBLE V 72°+/- 2° . Chaflán . Tamaño del diámetro del tubo: . Bisel . Chaflán . Otros . METALES DE APORTE (QW-404) No. Espec. (SFA) NITINOL . No. AWS (clase) . No. F NiTi MATERIAL DE MEMORIA DE . FORMA . Tamaño de electrodos 1/8 (0.125) . Metal de soldadura depositado: NITINOL . Clasificación de espesores: . Bisel: . Chaflán: . Fundente de electrodo (clase) . Marca del fundente . Inserto consumible . Otros VACIÓ-ARGON .

. . . . . . . . . . . . .

106

WPS No. 02 . Rev. . Hoja 2/2 TRAT. TERM. POSTSOLDADURA (QW-407) Grado de temperatura . Tiempo necesario .

POSICIONES (QW-405) Posición (es) del bisel 1G . Avance de la soldadura.: Hacia arriba . Hacia abajo . Posición (es) del chaflán .

GAS (QW-408) Composición porcentual

Gases. Mezcla. Flujo PRECALENTAMIENTO (QW-406) Temp. precalen. min. . Temp.. entre pasos máx. . Mantener precalent. . (se debe anotar calentamiento continuo o especial, cuando sea el caso)

Pantalla ARGON. Estela . Respaldo .

100% . . .

35 ft3/hr . . .

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS (QW-409) Corriente ca o cd CD . Polaridad POSITIVA . Amperes (rango) 125 . Volts (rango) 10-12V . (se debe registrar el límite de amperes y volts para cada tamaño de electrodo, posición, espesor, etc. Esta información se debe tabular en una forma semejante a la que se muestra abajo.) Tamaño y tipo de electrodo de tungsteno DIÁMETRO DE 1/8 AL 2% TORIO (EWTh-2) . ( Tungsteno puro, 2% torio etc.) Forma de transferir el metal para soldadura por arco metálico con gas . (Arco disperso, arco de cortocircuito, etc.) Velocidad de alimentación del electrodo 0.008 m/s . TÉCNICA (QW-410) Cordón recto u oscilante RECTO . Tamaño de orificio o copa de gas # 6 . Limpieza inicial y entre pasos (cepillado esmerilado etc.) . ATAQUE QUÍMICO CON PICKLING . Método de vaciado . Oscilación . Distancia del tubo de contacto a la pieza 2 mm . Un paso o paso múltiple (por lado) PASO MÚLTIPLE . Electrodo sencillo o múltiple SENCILLO . Velocidad de recorrido (límite) 0.08 m/s . Martillado . Otros . . .

Metal de aporte Corriente Capa (s) de soldadura

Proceso

Clase

Diámetro

C.D. Tipo Polar o C.A.

Rango de Amps.

Rango de Volts.

Rango de velocidad del avance

Otros. (observaciones, notas etc.)

1 1

GTAW GTAW

NiTi NiTi

1/8 1/8

C.D. + C.D. +

125 125

10-12 10-12

0.008m/s 0.008m/s

107

ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

|Nombre de la compañía: SEPI-ESIME ZACATENCO Por: ING. JORGE RODRÍGUEZ MIRAMONTES Especificación de procedimiento de soldadura No. 03 Fecha: 18/11/02 PQR de soporte No(s) . Revisión No. Fecha: 18/08/02. Proceso de soldadura: SOLDADURA POR ARCO DE TUNGSTENO Y GAS .Tipo: MANUAL . (Automática, manual, semiautomática) UNIONES (QW-402) Diseño de la unión: TOPE A BISEL EN DOBLE V. Respaldo (sí) SI (no) . Material de respaldo (tipo) ACERO . (Refierese al material de respaldo y retenes) Metal. Metal no fundente. No metálico Otros Los esquemas, dibujos de producción,

símbolos de soldadura o descripción

escrita deben mostrar el arreglo general

de las partes por soldar. Si es necesario

hay que especificar la abertura de raíz y

los detalles del surco de soldadura. (Si el fabricante lo juzga necesario, se puede adjuntar esquemas que ilustren el diseño de la unión, capas de soldadura secuencias de ensayo, por ej., para procedimientos de tenacidad a la muesca, para procedimientos de procesos múltiples, etc.)

DETALLES

METAL BASE (QW-403). No. P. . No. de grupo Hasta No. P. . No. de grupo. . O BIEN Tipo y grado de especificación. TITANIO GRADO UNO . Hasta tipo y grado de especificación. GRADO UNO . O BIEN Análisis químico y prop. mec. VER TABLAS 5.1 Y 5.2 . Hasta análisis químico y prop. mec. . Espesores: Metal base: 5/16 . Bisel DOBLE V 72°+/- 2° . Chaflán . Tamaño del diámetro del tubo: . Bisel . Chaflán . Otros . METALES DE APORTE (QW-404) No. Espec. (SFA) NITINOL . No. AWS (clase) . No. F NiTi MATERIAL DE MEMORIA DE . FORMA . Tamaño de electrodos 1/8 (0.125) . Metal de soldadura depositado: NITINOL . Clasificación de espesores: . Bisel: . Chaflán: . Fundente de electrodo (clase) .

. . . . . . . . . .

108

(WPS 03)

WPS No. 03 . Rev. . Hoja 2/2 TRAT. TERM. POSTSOLDADURA (QW-407) Grado de temperatura . Tiempo necesario .

POSICIONES (QW-405) Posición (es) del bisel 1G . Avance de la soldadura.: Hacia arriba . Hacia abajo . Posición (es) del chaflán .

GAS (QW-408) Composición porcentual

Gases. Mezcla. Flujo PRECALENTAMIENTO (QW-406) Temp. precalen. min. . Temp.. entre pasos máx. . Mantener precalent. . (se debe anotar calentamiento continuo o especial, cuando sea el caso)

Pantalla ARGON. Estela . Respaldo .

100% . . .

35 ft3/hr . . .

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS (QW-409) Corriente ca o cd CD . Polaridad POSITIVA . Amperes (rango) 175 . Volts (rango) 10-13V . (se debe registrar el límite de amperes y volts para cada tamaño de electrodo, posición, espesor, etc. Esta información se debe tabular en una forma semejante a la que se muestra abajo.) Tamaño y tipo de electrodo de tungsteno DIÁMETRO DE 1/8 AL 2% TORIO (EWTh-2) . ( Tungsteno puro, 2% torio etc.) Forma de transferir el metal para soldadura por arco metálico con gas . (Arco disperso, arco de cortocircuito, etc.) Velocidad de alimentación del electrodo 0.01 m/s . TÉCNICA (QW-410) Cordón recto u oscilante RECTO . Tamaño de orificio o copa de gas # 6 . Limpieza inicial y entre pasos (cepillado esmerilado etc.) . ATAQUE QUÍMICO CON PICKLING . Método de vaciado . Oscilación . Distancia del tubo de contacto a la pieza 2 mm . Un paso o paso múltiple (por lado) PASO MÚLTIPLE . Electrodo sencillo o múltiple SENCILLO . Velocidad de recorrido (límite) 0.01 m/s . Martillado . Otros . . . Metal de aporte Corriente

Marca del fundente . Inserto consumible . Otros VACIÓ-ARGON .

. . .

109

Capa (s) de soldadura

Proceso

Clase

Diámetro

C.D. Tipo Polar o C.A.

Rango de Amps.

Rango de Volts.

Rango de velocidad del avance

Otros. (observaciones, notas etc.)

1 1

GTAW GTAW

NiTi NiTi

1/8 1/8

C.D. + C.D. +

175 175

10-13 10-13

0.01m/s 0.01m/s

ANEXO B

110

Secuencia de micrografías tomadas a las microestructuras de la probeta hecha con 75 A de corriente de arco. Material base: Titanio grado uno. Material de aporte: Nitinol. Proceso: GTAW con 75 A.

Material base titanio grado uno.

Zona afectada por el calor y cordón de soldadura

Zona afectada por el calor y cordón de soldadura

111

Material base titanio grado uno.

112

Secuencia de micrografías tomadas a las microestructuras de la probeta hecha con 125 A de corriente de arco, 100x. Material base: Titanio grado uno. Material de aporte: Nitinol. Proceso: GTAW con 125 A.

Material base titanio grado uno y zona afectada por el calor

Zona afectada por el calor y cordón de soldadura

Cordón de soldadura y zona afectada por el calor

Material base titanio grado uno

113

Secuencia de micrografías tomadas a las microestructuras de la probeta hecha con 175 A de corriente de arco, 100x. Material base: Titanio grado uno. Material de aporte: Nitinol. Proceso: GTAW con 175 A.

Material base, titanio grado uno

Material base, zona afectada por el calor y cordón de soldadura

Cordón de soldadura y zona afectada por el calor

Material base, titanio grado uno

114

ANEXO C

115

La siguiente gráfica muestra las curvas promedio del comportamiento de la dureza para los tres diferentes tratamientos térmicos para las probetas hechas con el mismo valor de corriente de arco, 75 A.

116

La siguiente gráfica muestra las curvas promedio del comportamiento de la dureza para los tres diferentes tratamientos térmicos para las probetas hechas con el mismo valor de corriente de arco, 125 A.

117

La siguiente gráfica muestra las curvas promedio del comportamiento de la dureza para los tres diferentes tratamientos térmicos para las probetas hechas con el mismo valor de corriente de arco, 175 A.

118