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TESIS
MAESTRO EN
MANUFACTURA AVANZADA
PRESENTA
ING. EMMANUEL GUZMAN ESCOBEDO
ASESOR: MTRO. ADI CORRALES
MAGALLANES
DISEÑO DE HERRAMENTAL DE SUJECIÓN PARA LA
SOLDADURA ROBÓTICA DE TAPAS EN EL PROCESO
DE RECUPERACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE
CALOR EN UNA CELDA MULTIPROCESOS.
PARA OBTENER EL GRADO DE
QUERETARO, QRO. DICIEMBRE 2017
I
DISEÑO DE HERRAMENTAL DE SUJECIÓN PARA LA
SOLDADURA ROBÓTICA DE TAPAS EN EL PROCESO DE
RECUPERACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR EN UNA
CELDA MULTIPROCESOS.
II
AGRADECIMIENTOS
En este trabajo de tesis primeramente quiero agradecerte a ti Dios por permitirme
salud y mente abierta para poder realizar este reto profesional, porque sólo Tú sabes
cuánto anhelaba poder concluir un estudio de posgrado.
A mi asesor de tesis el M. C. Adi Corrales, quien me brindó sus conocimientos y su
pericia al momento de revisarme y guiarme en la elaboración de este documento,
así como el apoyo moral al recibir comentarios negativos al querer entrar a estudiar,
en verdad muchas gracias por todo el apoyo.
Al M. C. Aldo López, a ti “gordito” te agradezco la orientación en los momentos en los
que menos claro tenía el panorama al desarrollar mi trabajo de tesis, también por ser
un ejemplo de dedicación y superación profesional, veo en ti un gran ejemplo a seguir
en mi carrera profesional.
Agradezco también a todas las instituciones que me apoyaron para poder realizar mis
estudios de posgrado como lo fue CONACyT, CIATEQ y CIDESI, las que de diferentes
maneras pusieron su granito de arena para cumplir este sueño.
A mis padres Juanita y Felipe quienes siempre me impulsaron a buscar la superación
tanto personal como profesional, ustedes son los responsables de la persona que soy
y quiero decirles que hicieron un gran trabajo porque me enseñaron a ser responsable
y una persona de buen corazón, los amo.
A mis hermanos por ser parte importante en mi vida y representar la unidad familiar
porque aunque lejos siempre he sentido su apoyo y sus porras para seguir adelante,
ustedes son mí pilar y este logro es para ustedes también.
III
A mis hijas Yamel y Yaretzi que son mi motor para seguir adelante, quiero que sepan
que esto es por ellas y para ellas, quiero ser una inspiración en su desarrollo y que
sepan que ellas podrán lograr todo lo que se propongan.
Y por último pero no por eso menos importante, quiero agradecerle a mi esposa Mary,
tú mi amor que siempre me apoyas incondicionalmente, que soportaste mis
momentos de estrés, por tu paciencia, por tu amor tan grande que todos los días me
has demostrado, porque sin duda sin tu apoyo jamás hubiera logrado terminar mis
estudios, te agradezco infinitamente a ti mi compañera de vida, te amo.
IV
RESUMEN
En este trabajo se presenta el desarrollo del proyecto para el diseño de un herramental
de sujeción para la soldadura robótica de tapas en el proceso de remanufactura de
intercambiadores de calor en una celda multiprocesos. Como parte del desarrollo de
dicho proyecto se tiene que realizar la búsqueda de parámetros adecuados de
soldadura en acero inoxidable, tales como, velocidad de avance, amperaje y
velocidad de alimentación de alambre.
Esto forma parte del proceso de remanufactura de intercambiadores de calor usados
y que se desechan debido principalmente a corrosión y desgaste por fatiga térmica
de los tubos internos, esta labor contribuye al reciclaje de los intercambiadores de
calor, por tanto tenemos un impacto al medio ambiente. El objetivo es diseñar un
herramental que sea capaz de sujetar de manera eficiente y que garantice
repetibilidad para realizar los cortes y soldadura en los mismos puntos siempre y pueda
ser una producción en serie.
La forma irregular del cuerpo del intercambiador es un problema a atacar debido a
que dificulta su sujeción y genera complicaciones para calcular velocidades de
avance en el proceso de soldadura, y en el corte láser para el robot que realizará
estas operaciones continuamente. Se tiene que considerar el cálculo de los
actuadores que generarán el movimiento rotacional para mover el conjunto del
intercambiador de calor y al herramental que lo sujeta, siendo capaz de hacer un
movimiento continuo y uniforme para garantizar la calidad del proceso.
Con todo lo anterior buscamos garantizar que el proceso en este herramental será de
calidad en la soldadura para evitar fugas y deterioro prematuro de los
intercambiadores.
V
ABSTRACT
In this paper we present the development of the project for the design of a clamping
tool for the robotic welding of lids in the process of remanufacturing heat exchangers
in a multiprocessor cell. As part of the development of this project it is necessary to
carry out the search of suitable welding parameters in stainless steel, such as feed
speed, amperage and speed of wire feed.
This is part of the remanufacturing process of heat exchangers used and that are
discarded due mainly to corrosion and wear by thermal fatigue of the internal tubes,
this work contributes to the recycling of the heat exchangers, therefore we have an
impact to the environment. The objective is to design a tooling that is capable of
holding efficiently and that ensures repeatability to perform cuts and welding in the
same points as long as it can be a series production.
The irregular shape of the body of the exchanger is a problem to attack because it
makes it difficult to hold and generates complications to calculate advance speeds
in the welding process and laser cutting for the robot that will perform these operations
continuously. It is necessary to consider the calculation of the actuators that will
generate the rotational movement to move the heat exchanger assembly and the
tooling that holds it, being able to make a continuous and uniform movement to
guarantee the quality of the process.
With all the above we seek to ensure that the process in this tooling will be of quality in
welding to prevent leaks and premature deterioration of the exchangers.
VI
ÍNDICE DE CONTENIDO Resumen ................................................................................................................................... IV
Abstract ..................................................................................................................................... V
Lista de imágenes .................................................................................................................. VIII
Lista de tablas ........................................................................................................................... IX
Lista de gráficas ....................................................................................................................... X
Glosario ...................................................................................................................................... XI
1. CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1
1.1 Introducción ................................................................................................................ 1
1.2 Definición del problema............................................................................................ 4
1.3 Justificación ................................................................................................................. 4
1.4 Objetivos ...................................................................................................................... 5
1.4.1 Objetivo general: ................................................................................................ 5
1.4.2 Objetivos específicos: ......................................................................................... 5
1.5 Hipótesis ....................................................................................................................... 6
2 CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO O FUNDAMENTOS TEÓRICOS ...................................... 7
2.1 Marco teórico o fundamentos teóricos .................................................................. 7
2.2 Soldadura .................................................................................................................... 9
2.2.1. Soldadura TIG ...................................................................................................... 9
2.2.2. Soldadura MIG .................................................................................................. 11
2.2.3. Soldadura CMT .................................................................................................. 11
2.2.4. Soldadura por BRAZING ................................................................................... 13
3 CAPITULO 3 PROCEDIMIENTO DE INVESTIGACIÓN ...................................................... 15
3.1 Procedimiento de investigación ............................................................................ 15
3.2 Resultados de los ensayos ................................................................................... 20
3.2.1. Inspección visual ............................................................................................... 20
VII
3.2.2. Ensayo de doblez guiado ................................................................................ 23
3.2.3. Ensayo de tensión ............................................................................................. 24
3.3 Conclusiones de los ensayos .................................................................................. 26
3.4 Investigación para obtener parámetros laser ..................................................... 27
3.5 Diseño ......................................................................................................................... 34
3.5.1. Transmisión del movimiento ............................................................................. 35
3.5.2. Sistema de sujeción de intercambiador de calor ....................................... 35
3.5.3. Cabezales de soldadura y corte láser ........................................................... 37
3.6. Selección de sistema motriz ................................................................................... 40
4 CAPITULO 4 RESULTADOS ................................................................................................ 55
5 CAPITULO 5 CONCLUSIONES .......................................................................................... 57
Referencias bibliográficas ..................................................................................................... 58
Anexo A .................................................................................................................................... 60
VIII
LISTA DE IMÁGENES
IMAGEN 1-1 Intercambiador de calor ................................................................................... 2
IMAGEN 1-2 Configuración de celda. ................................................................................... 4
IMAGEN 2-1 Corte por láser (1). .............................................................................................. 7
IMAGEN 2-2 Cabezal de corte láser. ..................................................................................... 8
IMAGEN 2-3 Esquema de soldadura TIG (3). ........................................................................ 9
IMAGEN 2-4 Etapas de la soldadura CMT (10). .................................................................. 13
IMAGEN 3-1 Posición de prueba (14). .................................................................................. 16
IMAGEN 3-2 Fuente Fronius. ................................................................................................... 19
IMAGEN 3-3 Gráfico de ensayo de tensión. ....................................................................... 25
IMAGEN 3-4 Falla en zona afectada por el calor (ZAC). .................................................. 26
IMAGEN 3-5 Ejemplo de colocación de escudo para cubrir tubos. ............................... 29
IMAGEN 3-6 Marcas del proceso de corte láser en escudos........................................... 29
IMAGEN 3-7 Gráficas de resistencia de oposición de la norma EN60285-4:2006. ........ 30
IMAGEN 3-8 Gráficas de resistencia de oposición de la norma EN60285-4:2006. ........ 30
IMAGEN 3-9 Imágenes del corte. ......................................................................................... 30
IMAGEN 3-10 Sistema de transmisión. .................................................................................. 35
IMAGEN 3-11 Sistema de sujeción. ....................................................................................... 36
IMAGEN 3-12 Sistema de sujeción abierto. ......................................................................... 36
IMAGEN 3-13 Sistema de sujeción con intercambiador. .................................................. 37
IMAGEN 3-14 Cabezales para el robot. ............................................................................... 37
IMAGEN 3-15 Diseño conceptual de herramental de fijación para corte láser y
soldadura. ................................................................................................................................ 38
IMAGEN 3-16 Diagrama para simulación de torque. ........................................................ 39
IMAGEN 3-17 Gráficas de comportamiento de motor. .................................................... 39
IMAGEN 3-18 Descomposición de vectores para corte y soldadura.. ........................... 41
IMAGEN 3-19 Intercambiador de calor. .............................................................................. 41
IMAGEN 3-20 Perfil de intercambiador de calor. ............................................................... 42
IMAGEN 3-21 Velocidad tangencial. ................................................................................... 44
IMAGEN 3-22 Relación de la transmisión. ............................................................................ 46
IMAGEN 3-23 Diseño simulado del sistema de transmisión. .............................................. 50
IX
IMAGEN 3-24 Perfil de movimiento del servomotor. .......................................................... 50
IMAGEN 3-25 Valores de carga. ........................................................................................... 51
IMAGEN 3-26 Selección de motor. ....................................................................................... 52
IMAGEN 3-27 Selección de reductor. .................................................................................. 52
LISTA DE TABLAS
TABLA 3-1 Composición química del acero inoxidable 304L y el aporte ER308L .......... 17
TABLA 3-2 Parámetros de soldadura. ................................................................................... 19
TABLA 3-3 Inspección visual. .................................................................................................. 23
TABLA 3-4 Ensayo de doblez.................................................................................................. 23
TABLA 3-5 Parámetros a utilizar en ensayo de tensión. ..................................................... 24
TABLA 3-6 Ensayo de tensión. ................................................................................................ 25
TABLA 3-7 Sección rectangular. ............................................................................................ 25
TABLA 3-8 Parámetros de soldadura seleccionados. ........................................................ 27
TABLA 3-9 Materiales para escudos. .................................................................................... 28
TABLA 3-10Duración de escudo. .......................................................................................... 28
TABLA 3-11 Pruebas preliminares. ......................................................................................... 31
TABLA 3-12 Pruebas sin respaldo. .......................................................................................... 31
TABLA 3-13 Pruebas con respaldo, distancia variable. ..................................................... 32
TABLA 3-14 Reducción de separación. ............................................................................... 32
TABLA 3-15 Reducción de velocidad. ................................................................................. 33
TABLA 3-16 Aumento de velocidad. .................................................................................... 33
TABLA 3-17 Resultados finales. ............................................................................................... 34
TABLA 3-18 Velocidad angular variable. ............................................................................. 45
TABLA 3-19 Resumen de inercias. ......................................................................................... 49
TABLA 3-20 Servo motor .......................................................................................................... 53
TABLA 3-21 Reductor ............................................................................................................... 53
TABLA 4-1 Resultados finales. ................................................................................................. 55
X
LISTA DE GRÁFICAS
GRÁFICA 3-1 Apariencia. ....................................................................................................... 21
GRÁFICA 3-2 Presencia de socavados. ............................................................................... 21
GRÁFICA 3-3 Presencia de poros. ........................................................................................ 22
GRÁFICA 3-4 Penetración de soldadura. ............................................................................ 22
GRÁFICA 3-5 Torque vs tiempo. ............................................................................................ 40
GRÁFICA 3-6 Desplazamiento vs tiempo. ........................................................................... 43
XI
GLOSARIO
CMT Cold metal transfer.
GTAW Gas tungsten arc welding.
SMAW Shielded metal arc welding.
GMAW Gas Metal Arc Welding.
MIG Metal Inert Gas.
TIG Tungsten Inert Gas.
ZAC Zona afectada por el calor.
AWS American Welding Society
1
1. CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1 INTRODUCCIÓN Ésta investigación se centra en el diseño de un herramental de sujeción de
intercambiadores de calor para la remanufactura de motores diésel. Dichas
operaciones de remanufactura se hacen actualmente mediante procesos manuales;
sin embargo son procesos muy tardados, el tiempo varía dependiendo de las
habilidades que el operador tenga, el tiempo estimado de producción por el método
actual es de 8 piezas por turno, dicho tiempo es bastante alto y con el cual se tiene
que trabajar 3 turnos y tres operadores simultáneamente para alcanzar la producción
requerida.
Esta investigación se enfoca en el diseño del herramental que mantenga fijo el
intercambiador y poder realizar el proceso de corte de tapas y la soldadura de las
mismas. Lograr la interacción de un robot con procesos de corte y de soldadura en la
misma celda es un reto que se pretende cubrir.
A continuación se describe brevemente el proceso manual que se realiza.
Se toma un intercambiador de calor.
Se fija en una mesa con ayuda de una prensa manual.
Se realiza el corte de una de las tapas con segueta manual.
Se repite el mismo procedimiento en la segunda tapa.
Con ayuda de un pulidor se realiza el desbaste en las caras después del
corte para eliminar rebabas.
Después de que se realiza el cambio de los tubos internos del
intercambiador se pasa al área de soldadura.
Se fija el cuerpo para evitar que se mueva al estarlo soldando.
Se coloca una tapa y se procede a la soldadura de la misma.
2
Se utiliza el método GTAW (TIG), el cual es un proceso efectivo pero
tardado, al compararlo con otros como lo son el SMAW o GMAW, tiene una
baja tasa de deposición lo cual lo hace un proceso tardado.
Este proceso se repite en las dos tapas.
En la IMAGEN1-1 se señalan los componentes principales del intercambiador de calor,
en los cuales estaremos trabajando tanto en el corte como en la soldadura.
Como son procesos manuales estamos limitados estrictamente a las habilidades del
operador y no es reproducible la calidad en los cortes, en el careado así como en la
soldadura, teniendo un alto índice de rechazo o re-trabajos.
Los procesos manuales antes descritos cuando se hacen de manera repetitiva se
vuelven un riesgo para los operadores, se tiene que utilizar mucho equipo de
seguridad para evitar en su mayoría los accidentes, pero no se eliminan en su
totalidad teniendo problemas de seguridad ya que comúnmente existen accidentes
como:
Quemaduras por abrasión.
Quemaduras por soldadura.
IMAGEN 1-1 Intercambiador de calor
3
Irritación en los ojos.
Golpes en manos.
Raspaduras.
Cortaduras.
Dolores en espalda por posiciones poco ergonómicas.
Al analizar todos estos aspectos de tiempo, seguridad, calidad y un alto rechazo de
componentes se concluye que el proceso manual de remanufactura es poco viable,
por lo tanto se propone una solución con alto grado de automatización con la cual
se implementa una celda robótica que pueda aumentar la producción de la
remanufactura de intercambiadores de calor y a su vez aumentar la calidad y reducir
costos de producción, se reducirán operadores en el proceso por lo cual podrían ser
utilizados en otras áreas y así mismo tendrán mayor conocimiento técnico dando más
valor a la empresa, se reducirán gastos por incapacidades y en equipo de protección
personal.
Con la implementación de ésta solución se pretende que en un turno de 8 horas se
pueda cubrir la producción que se está realizando en el proceso manual con los tres
operadores y los tres turnos.
La celda robótica en la que se trabajará se incluye procesos de soldadura y de corte.
Procesos de soldadura:
MIG CMT Utilizado en la soldadura de las tapas.
GTAW (TIG) Utilizado en reparaciones menores en el cuerpo del
intercambiador.
Brazing Láser. Para la soldadura de los tubos internos del intercambiador.
Proceso de corte:
Corte Láser. Se aplica en el corte de las tapas, se utilizará la misma fuente que se utiliza
para la soldadura, la cual se debe cambiar el cabezal. Los procesos antes
4
mencionados todos son manipulados con el robot, se tendrán que utilizar diferentes
cabezales para que esto sea factible y no tener que utilizar varios robots.
En la IMAGEN 1-2 se muestra la configuración de la celda, la cual, constará del robot,
el pedestal con los cabezales de corte y soldadura y el herramental de sujeción de
los intercambiadores de calor.
IMAGEN 1-2 Configuración de celda.
Con esta breve explicación de los procesos internos de la celda robótica
pretendemos darle una mejor comprensión al trabajo que se va a realizar.
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA La recuperación de los intercambiadores de calor es un proceso tardado y se realiza
de manera manual el cuál es mi problema a resolver. Debido a la forma irregular del
cuerpo y de las tapas del intercambiador de calor la sujeción resulta compleja, así
mismo el cálculo de los actuadores para el movimiento rotacional del intercambiador
necesario para realizar corte y soldadura.
1.3 JUSTIFICACIÓN En base en la creciente tendencia de reutilizar o reciclar la mayoría de los
componentes posibles, surgen las necesidades de automatizar el proceso de
5
remanufactura de un componente esencial del motor a diésel como lo es el
intercambiador de calor.
Al reutilizar una gran parte del intercambiador de calor no solo ayudamos al medio
ambiente reduciendo la fabricación de componentes nuevos, además se podrá
disminuir el tiempo de producción actual, así mismo, aumentar la calidad del
producto por medio de la automatización del proceso; la cual justifica la elaboración
de este proyecto.
El reutilizar componentes tan demandados como son los automotrices disminuimos
desechos y generamos un proceso amigable con el medio ambiente y a su vez
generamos una reducción de costos de producción para el usuario final.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo general: Diseñar un sistema de sujeción de intercambiadores de calor que incorpore ventajas
competitivas tales como el corte por láser y soldadura CMT que nos permitan tener un
proceso más eficiente de recuperación de intercambiadores de calor.
1.4.2 Objetivos específicos: Considerar los parámetros de avance y condiciones para el proceso de
soldadura para las tapas de los intercambiadores de calor, buscando la mejor
opción para garantizar su calidad ya que es parte crucial de nuestra
investigación.
Considerar un escudo para protección de tubos internos del intercambiador
de calor que evite que sean dañados por el corte láser.
Selección de actuadores capaces de proporcionar un movimiento rotacional
estable del intercambiador en conjunto con el herramental.
El herramental debe tener acceso rápido al intercambiador tanto para su
montaje y desmontaje.
6
1.5 HIPÓTESIS Es posible tener un sistema automatizado, que con ayuda de un robot nos permita
realizar corte por medio de láser y posteriormente soldadura con ayuda de un
herramental dotado de una transmisión con movimientos continuos y suaves que nos
permitirán lograr un corte y una soldadura de calidad cumpliendo así con los
estándares de producción.
7
2 CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO O FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1 MARCO TEÓRICO O FUNDAMENTOS TEÓRICOS En base a la investigación realizada referente a la remanufactura de
intercambiadores de calor de motores diésel no se encontró avances al respecto,
esto puede deberse a que la empresa es líder del ramo y precursora de este
movimiento de remanufactura, de los procesos que se utilizarán en la celda se tiene
bastante trabajo ya realizado, como lo son, soldadura robótica y corte láser.
Entrando un poco en el tema del corte, existen diferentes tipos de procesos de corte,
el que se utilizará es el corte por láser, aprovecharemos su calidad de corte en
espesores pequeños, así como su alta velocidad de corte.
El corte láser consiste en la formación de un haz de luz, generado por la excitación
del láser con una mezcla de gases CO2, Helio y Nitrógeno, mediante un suministro de
energía de alto voltaje y baja corriente. La descarga eléctrica excita las moléculas de
CO2 que posteriormente al volver a su nivel de energía original emiten fotones. La
mezcla de gas se sitúa entre dos espejos colocados en ambos extremos del tubo por
el cual se direcciona el láser, siendo uno totalmente reflector y el otro solo
parcialmente, a fin de permitir la salida del haz, la IMAGEN 2-1 nos muestra un ejemplo
del cabezal realizando un corte.
IMAGEN 2-1 Corte por láser (1).
8
Los sistemas de corte por láser tienen una desventaja, la cual nos limita a tener una
distancia constante entre el cabezal de corte con respecto a la pieza a cortar, esto
para poder mantener un corte más uniforme y con un desprendimiento mínimo de
rebaba. En la IMAGEN 2-2 se muestra cómo es que el cabezal del láser estará
interactuando con el herramental de sujeción del intercambiador, con una velocidad
constante de giro y en conjunto con el movimiento coordinado del robot podremos
mantener una distancia de separación entre el cabezal de corte y el intercambiador
de calor.
IMAGEN 2-2 Cabezal de corte láser.
La distancia de separación del corte puede variar dependiendo del material y
espesor a cortar así como la potencia del láser, ésta la podremos definir con pruebas
experimentales las cuales nos determinarán la potencia y distancia de separación.
El láser puede manejar una variedad de tareas de corte. Se extienden desde las juntas
micrométricas de corte preciso en chips de semiconductores finos de papel hasta
cortes de alta calidad en acero de 1,25 pulgadas de grosor. En el láser de perforación,
9
el haz de láser crea huecos de tamaño muy pequeño a grande sin contacto en
metales, papel de plástico y piedra.
Cuando el láser enfocado golpea la pieza de trabajo, calienta el material tanto que
se funde o incluso se vaporiza. Una vez que ha penetrado completamente la pieza
de trabajo, el proceso de corte puede comenzar. El láser se mueve a lo largo del
contorno de la pieza, derritiendo el material a medida que avanza. Típicamente, una
corriente de gas sopla el material fundido hacia abajo, fuera del corte. La separación
es apenas más ancha que el rayo láser enfocado. En la perforación láser, un pulso
láser corto derrite y vaporiza el material con una alta densidad de potencia. La alta
presión resultante expulsa el material fundido del orificio (2).
2.2 SOLDADURA En cuestiones de soldadura contamos con una gran variedad de proceso que se
pueden utilizar para soldar acero inoxidable pero mencionamos solo los que se
incluyen en la celda robótica.
2.2.1. Soldadura TIG El proceso TIG resulta un procedimiento muy adecuado para soldar el acero
inoxidable. En este caso, el arco eléctrico se establece entre un electrodo no
consumible de tungsteno y el metal base, bajo una atmósfera protectora generada
por un gas inerte. La IMAGEN 2-3 nos muestra el esquema clásico de una soldadura
por TIG.
IMAGEN 2-3 Esquema de soldadura TIG (3).
10
El gas inerte (normalmente argón) se usa para proteger del aire circundante al metal
fundido de la soldadura (4). Si es necesario, también se puede agregar metal de
aporte en forma de un alambre o varilla que se introduce dentro del arco, de forma
bien manual o automáticamente, para fundirlo y cuyas gotas caigan dentro del baño
de fusión.
El procedimiento de soldadura TIG genera cordones de gran calidad, sin escorias
(dado que emplean electrodos no consumibles sin revestimiento), ni proyecciones,
por lo que se usa para soldaduras de responsabilidad en acero inoxidable, donde
obtener soldaduras de calidad sea necesario.
Generalmente el procedimiento TIG se suele emplear para soldar piezas de poco
espesor (hasta 6 mm. aproximadamente), dado que para espesores de piezas
mayores de 6 mm este procedimiento no resulta económico. De esta manera, para
espesores mayores se suele emplear otros procedimientos de soldadura.
Adicionalmente, el uso de metal de relleno es innecesario. Para un grosor de lámina
de menos de 4mm, la alimentación mecanizada de alambre produce velocidades
económicas de soldadura.
Entre las ventajas que presenta este procedimiento están las siguientes:
No genera escorias en el cordón, lo cual reduce las tareas de limpieza
posterior a la soldadura.
Es un proceso que se puede emplear en todas las posiciones y
orientaciones de soldadura, lo cual lo hace especialmente
recomendable para la soldadura de tubos y cañerías.
No genera salpicaduras alrededor del cordón.
Afecta muy poco a la composición química y propiedades del metal
base durante el proceso de soldadura.
Genera un arco concentrado y estable que provee una alta calidad de
material soldadura
11
La soldadura TIG es un proceso versátil que puede utilizarse en todo material soldable.
El área de aplicación principal son aceros inoxidables, aluminio y aleaciones de
níquel.
El proceso de soldadura por TIG es un buen proceso para la unión de láminas
delgadas pero sufre con baja velocidad de soldadura y el alto costo de equipos (5).
Otro proceso de soldadura que nos ofrece ventajas muy similares a las del proceso
por TIG es el de soldadura por arco metálico (GMAW)
2.2.2. Soldadura MIG La soldadura MIG es una soldadura por arco metálico que ofrece las ventajas de
versatilidad y capacidad de hacer soldaduras de alta calidad. Desde su introducción
en la década de 1940, se han realizado mejoras en el rendimiento y la fiabilidad de
los equipos para este proceso y, sobre todo, en las fuentes de energía, algunos de los
principales avances se han producido en los últimos años (6).
MIG (con algunas modificaciones) se ha reportado que ser una buena alternativa
para soldar láminas finas a altas velocidades. Sin embargo, la soldadura por arco de
impulsos proporciona una garantía adicional de que las soldaduras estarían libres de
vueltas "frías" (falta de penetración). Se ha desarrollado una fuente de alimentación
AC de soldadura MIG pulsada controlada con un inversor que proporciona una
buena estabilidad de arco.
Por otro lado, en esta técnica no se requiere el empleo de fundentes de protección,
que pueden influir posteriormente en la resistencia a la corrosión de las uniones
soldadas (7). Una variante de la soldadura MIG es el de MIG-CMT que ofrece mejoras
en la aplicación la cual nos favorece en la aplicación de soldadura en los
intercambiadores de calor.
2.2.3. Soldadura CMT La soldadura CMT funciona exclusivamente con fuentes de corriente con inversor. Este
sistema de soldadura corresponde básicamente al hardware de un sistema MIG/MAG
de última generación, tomando en cuenta sin embargo ciertas condiciones
12
específicas. Cabe mencionar especialmente el propulsor del alambre altamente
dinámico, directamente dentro de la antorcha.
El método de soldadura de transferencia de metal en frío (CMT) se caracteriza por ser
de baja entrada de calor y adecuado para realizar la unión de aleaciones de
aluminio con acero (8), no es nuestro caso de estudio pero se menciona para
dimensionar la calidad del método.
La fuente de corriente, tan pronto percibe un corto circuito, inicia un movimiento
retráctil del alambre de soldadura, reduciendo simultáneamente la corriente. Se
desprende exactamente una gota, sin la menor salpicadura. Después corre el
alambre otra vez hacia el frente, comenzando así un nuevo ciclo. Una frecuencia alta
y una gran precisión, son las condiciones fundamentales para una transferencia de
materiales absolutamente controlada.
El propulsor del alambre dentro de la antorcha se concibió sólo para ser rápido, pero
no para tener gran fuerza de tracción. La realimentación del alambre depende por
tanto de otro impulsor principal más fuerte, pero que por lo mismo resulta más lento.
Para compensar el movimiento de alta frecuencia del alambre, que se sobrepone al
movimiento lineal, se utiliza un tampón en el ducto de alimentación.
El MIG pulsada fuente de poder de CA está especialmente desarrollado para
aplicaciones de robot de soldadura por arco y permite parámetros tales como la
soldadura de la onda de corriente que se ajustarán de forma completa el control de
parámetros de soldadura de la fuente de poder de soldadura.
Estas fuentes de alimentación ofrecen muchas ventajas, tales como alto coeficiente
de alambre de fusión, bajo aporte de calor, la penetración poco profunda y una
mayor altura de refuerzo, que se obtienen a valores altos de relación de electrodo
negativo (relación de electrodo de integración de corriente negativa al electrodo de
integración de corriente positiva más negativo electrodo sobre un ciclo de pulso) (9).
13
El análisis técnico del proceso de soldadura y el sistema que se prevé utilizar se
convierten desde la fase de planificación en elementos clave a la hora de tomar
decisiones futuras sobre el volumen estimado de piezas que se pretende soldar y los
requisitos de calidad exigibles.
En la IMAGEN 2-4 se muestran las etapas básicas por las que el proceso de soldadura
CMT.
IMAGEN 2-4 Etapas de la soldadura CMT (10).
La soldadura CMT es un proceso de soldadura MIG modificado basado en el proceso
de transferencia de cortocircuito desarrollado por Fronius de Austria en 2004. Este
proceso difiere del proceso de soldadura MIG / MAG sólo por el tipo de método de
corte mecánico de gotas que no se había encontrado anteriormente (11). Mientras
se suelda, las variaciones de temperatura en las soldaduras y los metales originales
tienen importantes efectos sobre las características del material, las tensiones
residuales, así como sobre la precisión dimensional y deformaciones de los productos
soldados (12).
2.2.4. Soldadura por BRAZING La parte interna del intercambiador tiene varios tubos por donde fluye el enfriador,
ésta es la parte principal que hay que cambiar y por la cual se deben de cortar las
tapas. Se utiliza soldadura por brazing para unir los tubos a una base que sirve como
separador.
Cuando se habla de soldar, generalmente se piensa en un aporte, ya que la
soldadura implica la fusión de un material de aporte que tiene una temperatura de
fusión menor que el material a unir mediante la utilización de un agente externo y en
14
el caso de brazing es el uso de luz láser. El material de las partes mismas no se funde,
como es el caso en el proceso de soldadura láser.
El proceso de soldadura brazing se caracteriza por el uso de un metal de relleno
(soldadura), este se funde para llenar el hueco de unión y que actúa como un agente
de unión en el proceso de soldadura.
El cobre y zinc (latón) o las aleaciones de estaño, por ejemplo, se utilizan como
material de aporte, el material de aporte se añade como un alambre durante el
proceso, pero también puede aplicarse como una pasta de soldadura, en el caso de
esta aplicación será polvo que se colocará sobre la placa de unión de los tubos para
después aplicar el láser y hacer la soldadura.
La soldadura brazing se puede diferenciar con la soldadura convencional por los
rangos de temperaturas de fusión ya que en el brazing la temperatura es > 450 ° C y
la soldadura convencional con temperaturas <450 ° C.
El proceso de soldadura brazing requiere potencias de láser más altas y se utiliza
principalmente en la industria del automóvil, por ejemplo para la unión de piezas en
bruto de chapa de las piezas de carrocería de automóvil, mientras que la soldadura
convencional se utiliza a menudo en el soldado de semiconductores de la industria
electrónica.
La soldadura de hojas delgadas es muy diferente de la soldadura de sección gruesa,
porque durante la soldadura de hojas delgadas se experimentan varios problemas,
estos problemas normalmente están vinculados con el calor de entrada.
Casi todos los procesos de soldadura por arco ofrecen alta entrada de calor lo que a
su vez conduce a diversos problemas tales como, quemado o fundido, distorsiones,
porosidad, pandeo, deformación y torsión de las hojas soldadas (13).
15
3 CAPITULO 3 PROCEDIMIENTO DE INVESTIGACIÓN
3.1 PROCEDIMIENTO DE INVESTIGACIÓN La presente investigación se llevó a cabo en varias etapas.
Primera etapa.
Se realizó a través de la planificación de las actividades necesarias para dar
cumplimiento de la investigación. En esta fase se eligió la documentación que
conformó el marco conceptual que nos define el rumbo de ésta investigación.
Segunda etapa.
Está referida a la simulación de comportamientos mecánicos del sistema, en dónde,
si no se realizaran dichas simulaciones no garantizamos los resultados esperados. La
simulación es importante debido a que es la primera aproximación para la
funcionalidad del diseño, en base a estas simulaciones se generaron incógnitas
referentes al proyecto, las cuales en base a un proceso de análisis, interpretación,
reflexión y experimentación se obtuvieron resultados que permitieron resolver dichas
incógnitas.
Tercera etapa.
Se refiere al análisis, interpretación e integración de los resultados. Esta se hizo a través
de las conexiones de los resultados de simulaciones y experimentación. Se constató
con el marco conceptual existente. Para lo cual en base a una exhaustiva revisión
documental de los libros e internet se conceptualizó y aplicó el diseño del herramental
de sujeción para intercambiadores de calor en una celda multiprocesos el cual
describimos a continuación.
Para profundizar más en la validación y comprobación del diseño ya
conceptualizado del herramental se tienen que conocer factores que permitan
evaluar dicho diseño, tales como:
16
Soldabilidad del material de los intercambiadores de calor.
Material de aporte en la soldadura.
Método de aplicación de la soldadura.
Parámetros de la fuente de soldadura para la correcta aplicación de la misma.
Velocidades de avance al ser aplicada la soldadura.
Pruebas de validación referente a la soldadura.
Se realizaron pruebas para determinar los puntos anteriores mediante el desarrollo de
un procedimiento de soldadura de ranura en base a los requisitos de la especificación
de la AWS B2.1 edición 2009.
Se calificó el procedimiento de soldadura para la recuperación de intercambiadores
de calor de acero inoxidable 304L. El procedimiento de soldadura es de ranura en
unión a tope sin preparación en placa de acero inoxidable ASTM A-204 tipo 304L, de
3.2 mm de espesor, las pruebas fueron en posición 1G (IMAGEN 3-1) mediante el
proceso GMAW-CMT, de acuerdo con los requisitos de la especificación AWS B2.1
Edición 2009.
IMAGEN 3-1 Posición de prueba (14).
Debido a que la soldadura de las tapas de los intercambiadores se realizará después
de un corte por medio de un cabezal láser debemos tomar en cuenta que dicha
soldadura se realizará en un corte no regular y por tanto debemos considerar que
puede existir una apertura en la unión a soldar de entre 0.5 a 1.5 mm, que tiene que
ser absorbida por la soldadura.
17
Debido a que se requiere soldar un acero inoxidable tipo 304L el cual contienen un
12% de cromo como mínimo, un bajo contenido de carbono y porcentajes variables
de níquel y otros elementos, como molibdeno, silicio y titanio entre otros, que les
confieren una resistencia particular a algunos tipos de corrosión que en este caso es
ideal para los intercambiadores de calor, utilizaremos material de aporte de la
clasificación ER308L con un diámetro de 1.2 mm y una mezcla de gas de protección
de Argón (Ar) más Dióxido de carbono (CO2) con composición de 95% Ar + 5% CO2
con un flujo de 15-35 CFH (pies cúbicos por hora), estas condiciones son propuestas
en base al material a soldar.
Los aceros inoxidables austeníticos son el grupo más popular de la familia de aceros
inoxidables. Son aleaciones no magnéticas endurecibles por conformado en frío pero
no por tratamiento térmico. Su microestructura está constituida fundamentalmente
por granos de austenita (15).
El acero inoxidable es muy utilizado en sistemas de enfriamiento debido a sus
excelentes propiedades tales como: resistencia a la corrosión, dureza a baja
temperatura y buenas propiedades a alta temperatura. La presente caracterización
se llevó a cabo con muestras de acero inoxidable ASTM A-204 tipo 304L y el material
de aporte es de la clasificación ER308L cuyas composiciones químicas se muestran en
la TABLA3-1.
Elemento Tipo 304L ER308L
Carbón 0.030 máximo 0.040 máximo
Manganeso 2.00 máximo 1.65 máx.
Azufre 0.030 máximo -
Fósforo 0.045 máximo -
Silicio 0.75 máximo 0.34 máximo.
Cromo 18.0 a 20.0 20.1
Níquel 8.0 a 12.0 10.33
Nitrógeno 0.10 máximo -
TABLA 3-1 Composición química del acero inoxidable 304L y el aporte ER308L
18
Para este desarrollo, debido a la pared delgada de los intercambiadores que va de
0.8 mm hasta 2 mm, se utilizó la soldadura CMT.
El CMT comparado con la soldadura MIG/MAG convencional es que en este proceso
se utiliza menos aporte de calor, para ponerlo de manera más exacta, el proceso
alterna constantemente por lo tanto no hay calor durante todo el proceso, esto
produce resultados muy buenos, una gran ventaja es que es una soldadura sin
chispas, por lo tanto, los cordones de soldadura son más limpios y estéticos sin contar
la calidad en la unión, también es posible realizar soldadura de láminas ultra delgadas
desde solo 0.3 mm / 0.01 pulgadas de espesor, esto nos permite poder soldar sin
problemas nuestros intercambiadores de calor, ya que los espesores a soldar son
mayores.
Se requirió realizar una caracterización para el proceso de soldadura el cual permitirá
conocer los parámetros adecuados para realizar la soldadura en los
intercambiadores de calor.
Para esta caracterización es necesario basarnos en la especificación para el
procedimiento de soldadura y calificación de rendimiento que nos proporciona la
AWS B2.1 edición 2009. Esta especificación nos indica los paso a seguir para lograr una
caracterización que nos permita obtener resultados confiables, ya que se requieren
ciertas pruebas visuales y mecánicas para evaluar el procedimiento.
Las pruebas de soldadura se realizaron manualmente con soldadores calificados y las
pruebas en laboratorios certificados, esto nos garantiza la veracidad de los resultados.
En la realización de los cordones de soldadura para la caracterización se utilizó una
fuente de soldadura GMAW-CMT modelo TransPuls Synergic4000 CMT 460V con un
material de aporte de acero inoxidable ER308L de 1.2 mm de diámetro, una polaridad
CDEP (Electrodo al positivo), una mezcla de gas de protección Ar + CO2 (95%Ar +
5%CO2) y con un flujo de 25 CFH (Pies cúbicos por hora). El diámetro de la boquilla es
de 12.7mm (1/2”). La IMAGEN 3-2 nos muestra la fuente utilizada.
19
IMAGEN 3-2 Fuente Fronius.
Se soldaron placas de acero inoxidable 304L para poder realizar los ensayos
necesarios para la evaluación del cumplimiento de la especificación de la AWS. Se
utilizaron 5 parámetros diferentes mostrados en la TABLA 3-2 en los cuales se combinó
amperaje, voltaje y velocidad de aplicación de soldadura, manteniéndonos dentro
de los valores recomendados por la AWS para poder realizar una comparativa final
después de los ensayos.
TABLA 3-2 Parámetros de soldadura.
Los cordones fueron aplicados en una unión a tope sin preparación, en las pruebas
visuales se realizó la soldadura de 5 probetas por parámetro utilizado, para los ensayos
de tensión se mecanizaron las placas para poder obtener probetas que nos sirvieran
para realizar dichos ensayos, en los ensayos de doblez se realizaron sin modificar las
placas soldadas.
CLASIFICACION DIAMETRO POLARIDAD AMPERAJE
1 GMAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 150 A 12-13 V 10 in/ min
2 GMAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 90 A 14-15 V 12 in/ min
3 GMAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 100 A 17-18 V 17 in/ min
4 GMAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 60 A 18-19 V 25 in/ min
5 GMAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 120 A 20-21 V 30 in/ min
PARAMETROS PROCESOMETAL DE APORTE CORRIENTE VELOCIDAD DE
SOLDADURAVOLTAJE
20
3.2 Resultados de los ensayos En la tabla 4.1 de la AWS nos indica los métodos de prueba requeridos para la
calificación del procedimiento de soldadura que en nuestro caso es de ranura y las
pruebas a seguir son:
Inspección visual
Ensayo de doblez guiado
Ensayo de tensión.
3.2.1. Inspección visual Se soldaron las placas y se inspeccionaron visualmente las uniones para determinar
en base a los criterios de aceptación del punto 4.7.3 de la AWS si cumplía o no. Dicho
punto nos marca que deben revisarse 4 características, las cuales son:
Apariencia.
Debe ser de apariencia con buena estética, sin discontinuidades.
Socavados.
El socavado no debe exceder el 10 % del espesor del metal base en ninguno de sus
extremos de la soldadura.
Porosidad.
No debe exceder a 2 poros por pulgada de soldadura.
Penetración.
No debe haber evidencia visible de grietas, la soldadura debe cubrir al menos el 80%
del espesor del material.
Se soldaron 5 probetas por cada proceso de soldadura propuesto para poder evaluar
si es o no aceptable. Se muestran gráficas del comportamiento de las probetas en
cada característica a revisar, las cuales mostramos a continuación.
21
De las 5 probetas soldadas por cada parámetro seleccionado obtuvimos un
comportamiento descrito en la GRÁFICA 3-1 dónde nos indica que el proceso 1 y 4
no son aceptables.
GRÁFICA 3-1 Apariencia.
En la GRÁFICA 3-2 nos indica que el proceso 1 no es aceptable en la característica
de socavados, los demás procesos están dentro de los límites señalados.
GRÁFICA 3-2 Presencia de socavados.
22
En la GRÁFICA 3-3 nos indica que el proceso 1 y 4 no son aceptables en la
característica de porosidad, los demás procesos están dentro de los límites
aceptables.
GRÁFICA 3-3 Presencia de poros.
La GRÁFICA 3-4 nos indica el porcentaje de penetración que debe ser mayor al 80%
pero no exceder el 100%. El proceso 1 excede la penetración y en el 4 es deficiente
por tanto no son aceptables, los demás procesos cumplen con la penetración.
GRÁFICA 3-4 Penetración de soldadura.
23
En base a las gráficas anteriores podemos definir la TABLA 3-3, donde en base al
proceso podemos definir si es aceptado o rechazado el proceso.
TABLA 3-3 Inspección visual.
Como se puede observar en la tabla de inspección visual, los procesos 2, 3 y 5 se
encuentran aceptadas ya que cumplen con los requerimientos necesarios en base a
la AWS, por otro lado, la probeta 1 presenta socavados visibles, porosidad y una
penetración excesiva, por lo tanto, esa probeta es descartada al igual que la probeta
4 la cual tiene una penetración deficiente y poros visibles.
3.2.2. Ensayo de doblez guiado Con las placas soldadas se realizaron los ensayos de doblez tanto en raíz como en
cara. Para dicho ensayo se utilizó un punzón de 38.0 mm de diámetro y un claro de
60.0 mm de acuerdo en lo establecido en la tabla 4.1 y la figura B-5A de la
especificación AWS B2.1 EDICIÓN 2009.
Los resultados obtenidos de dicho ensayo se muestran en la Tabla 3-4.
TABLA 3-4 Ensayo de doblez.
APARIENCIA SOCAVADOS POROSIDAD PENETRACION
1 DISCONTINUIDAD VISIBLES VISIBLE EXCESIVA RECHAZADA
2 ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTADA
3 ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTADA
4 DISCONTINUIDAD ACEPTABLE VISIBLE DEFICIENTE RECHAZADA
5 ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTABLE ACEPTADA
PARÁMETROSINSPECCION VISUAL
DICTAMEN
2.1 38.5 3.2 CARA ACEPTABLE SIN INDICACIONES
2.2 38.3 3.2 RAIZ ACEPTABLE SIN INDICACIONES
3.1 38.8 3.2 CARA ACEPTABLE SIN INDICACIONES
3.2 38.5 3.2 RAIZ ACEPTABLE SIN INDICACIONES
5.1 38.4 3.2 CARA ACEPTABLE SIN INDICACIONES
5.2 38.6 3.2 RAIZ RUPTURA RUPTURA VISIBLE
PROBETAS ANCHO ESPESORTIPO DE
DOBLEZRESULTADO OBSERVACIONES
24
Los criterios de aceptación para los ensayos son que el doblez debe ser < a 90° sin
sufrir fractura externa visible de acuerdo a lo establecido en la especificación de la
AWS antes mencionada. Las probetas 2 y 3 se encuentran aceptadas de acuerdo
con lo establecido en el punto 4.7.6 que nos dice:
El metal de soldadura y la zona afectada por el calor deberán estar completamente
dentro de la porción doblada de la probeta después de la flexión. No habrá
discontinuidad abierta superior a 1/8 pulgada [3 mm], medida en cualquier dirección
en la superficie convexa de la muestra después de la flexión. Grietas que se produce
en las esquinas de la muestra durante la flexión no se considerará, a menos que haya
pruebas claras que resultan de discontinuidades de soldadura.
Por tanto, y en base al texto referido la probeta 5 en su prueba de doblez del tipo de
raíz muestra una ruptura (discontinuidad) en la soldadura mayor a los 3 mm que
sugiere la norma por lo tanto es descartada para proseguir en el ensayo de tensión.
3.2.3. Ensayo de tensión Se realizó ensayo de tensión a las probetas de acuerdo a lo establecido en la tabla
4.1 de la especificación AWS B2.1 EDICION 2009. Las probetas están especificadas
como acero inoxidable ASTM A-240 tipo 304L, con una resistencia a la tensión mínima
especificada de 70,000 Psi.
Para este ensayo se utilizaron probetas con los parámetros mencionados en la TABLA
3-2 dónde utilizaremos los parámetros 2 y 3 que para fines prácticos mencionaremos
en la TABLA 3-5 como T1 y T2 respectivamente y los resultados de los ensayos se
muestran en la TABLA 3-6.
TABLA 3-5 Parámetros a utilizar en ensayo de tensión.
CLASIFICACION DIAMETRO POLARIDAD AMPERAJE VOLTAJE
T1 GMAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 90 A 14-15 V 12 in/ min
T2 GMAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 100 A 17-18 V 17 in/ min
METAL DE APORTE CORRIENTE VELOCIDAD DE
SOLDADURAPROBETAS PROCESO
25
TABLA 3-6 Ensayo de tensión.
La IMAGEN 3-3 nos muestra el gráfico del ensayo de tensión de las probetas T1 y T2,
teniendo un criterio de aceptación tomado de la resistencia a la tensión del material
base que es de 483 MPa, la gráfica está desfasada para poder apreciar la diferencia
una de otra.
IMAGEN 3-3 Gráfico de ensayo de tensión.
Se anexa TABLA 3-7 con los resultados de la sección rectangular.
TABLA 3-7 Sección rectangular.
PROBETAS ANCHO (in). ESPESOR (in) AREA (in2)CARGA MAX
(lb)
RESISTENCIA A LA
TENSION (Mpa)
TIPO DE FALLA Y
LOCALIZACION
T1 0.75 0.103 0.08 7194 641.14 SOLDADURA
T2 0.75 0.103 0.08 7392 658.14 SOLDADURA
ENSAYO DE TENSION
T1
T2
26
Las probetas en el ensayo de tensión rompen en la zona afectada por el calor
(IMAGEN 3-4) y presentan una resistencia a la tensión mayor a la mínima especificada,
por lo tanto se encuentran aceptadas de acuerdo a lo establecido en el punto 4.7.5
de la especificación AWS B2.1 EDICION 2009, la cual nos menciona que la prueba será
aceptada si el valor de tensión en la ruptura de la soldadura es menor a la tensión
mínima especificada del material más débil.
IMAGEN 3-4 Falla en zona afectada por el calor (ZAC).
Para la prueba de tensión se utilizó una máquina universal marca Shimadzu modelo
UH1000KN CD-6” C con número de serie 121103500024 y las condiciones de ensayo
son a una temperatura de 24 °C, un 44% de humedad relativa y una velocidad de
tensión de 10 mm/min. Todos los ensayos se realizaron en laboratorios del área de
Materiales compuestos del Centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI).
3.3 CONCLUSIONES DE LOS ENSAYOS En base a las especificaciones de la AWS B2.1 EDICION 2009 se realizaron los ensayos
necesarios para validar los parámetros de soldadura haciendo la combinación en 5
procesos de los cuales se fueron descartando los que no cumplieron en alguno de los
ensayos evitando así proseguir con el siguiente ensayo, los procesos que resultaron
aceptados en los tres ensayos son las que nos permiten concluir que el procedimiento
de soldadura para los intercambiadores de calor queda aceptado para el proceso 2
y 3 de recuperación de intercambiadores de calor teniendo en cuenta los valores
permitidos por la norma.
Los parámetros de la probeta T2 (proceso 3) son los más idóneos; a pesar de que los
dos cumplen, la probeta T2 tiene una resistencia a la tensión más grande superior a la
FALLA
SOLDADURA
ZAC
27
tensión mínima especificada de 483 MPa que se refiere a los criterios de aceptación
de los ensayos de tensión, (IMAGEN 3-3) así como también la carga máxima es mayor
a la de la probeta T1 (proceso 2) ofreciendo un mayor factor de seguridad sobre la
unión soldada.
Por lo tanto el resultado a partir de esta investigación se denota en un resumen de
parámetros sujeto a la siguiente TABLA 3-8.
TABLA 3-8 Parámetros de soldadura seleccionados.
El poder concluir satisfactoriamente la aceptación de este procedimiento nos permite
validar que la soldadura para la recuperación de los intercambiadores de calor es
satisfactoria en manufactura y nos garantiza que la unión soportará la carga a la cual
estará sometido el intercambiador de calor aplicando la caracterización mostrada
en este documento.
El contorno a soldar del intercambiador de calor tiene un perfil compuesto, por lo
tanto para poder determinar la trayectoria a seguir por el robot al aplicar la soldadura
tendremos que simular el recorrido, con la cual se calculará la velocidad angular a la
que estará girando para poder mantener la velocidad de soldadura que es de 17
in/min (resultado arrojado en la caracterización de soldadura).
3.4 INVESTIGACIÓN PARA OBTENER PARÁMETROS LASER Después del corte de las tapas, un lado requiere que se haga un corte distinto que
debe estar por encima del cuerpo del intercambiador y se requiere de algún tipo de
escudo en caso de que no sea necesario realizar el cambio de los tubos internos,
dicha protección debe ser capaz de evitar el paso del corte láser, para poder cumplir
con el requerimiento solicitado, se realizará una investigación de campo, realizando
pruebas con el corte láser y con varios materiales para garantizar que los tubos
internos del intercambiador no sufran ningún daño.
CLASIFICACION DIAMETRO POLARIDAD AMPERAJE
GTAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 100 A 17-18 V 17 in/ min
PROCESO 3METAL DE APORTE CORRIENTE
VOLTAJEVELOCIDAD DE
SOLDADURA
28
Se realizó experimentación para optimizar la potencia del corte con láser así como la
selección del respaldo de protección para los tubos internos del intercambiador para
las cuales se utilizaron diversos materiales con diferentes espesores.
La TABLA 3-9 nos muestra los materiales que se utilizaron para las pruebas, los rangos
de espesores utilizados y las observaciones realizadas al ser expuestos al corte láser.
Material Espesor (mm) Observaciones
Aluminio 1.5 2.0 Hubo penetración en ambos
espesores.
Latón 1.5 - Hubo penetración.
Ac. al carbón 1.5 2.0
Hubo penetración, pero mejor
resistencia con el espesor
mayor.
Ac. Inoxidable 1.5 2.0 Hubo penetración en ambos
espesores.
Policarbonato
(Lexan) 6.00
Hubo penetración y fundió el
material.
Cerámica Para esta prueba se realizó sobre un
componente de conexión eléctrica
Hubo penetración y fundió el
material.
Ac. Galvanizado 1.5 2.0 Hubo penetración en ambos
espesores.
TABLA 3-9 Materiales para escudos.
La TABLA 3-10 nos muestra la duración del escudo dependiendo del material del
escudo protector de tubos y coincide que sólo podrá ser utilizado una vez.
Material Duración
Aluminio Un evento
Acero Galvanizado Un evento
Acero Inoxidable Un evento
Acero al carbono Un evento
TABLA 3-10Duración de escudo.
La colocación de los materiales que simularon los escudos se ubicaron a una distancia
de 4 mm hasta los 16.5 mm, en el que el comportamiento varió de acuerdo al material,
potencia, velocidad y tiempo de permanencia. La IMAGEN 3-5 nos muestra cómo se
pueden colocar los escudos.
29
La constante es que en todos los materiales se aprecian marcas al momento de que
el proceso de laser se inicia sobre el cuerpo del intercambiador, la IMAGEN 3-6 nos
muestra dichas marcas, la fabricación y la colocación se realizó de forma manual,
para tener el cuidado y protección del tubo.
La definición de la selección del escudo protector es que solo puede ser utilizado una
sola vez, esto debido a que las características de la pieza y la maniobrabilidad dentro
del componente es compleja debido al claro tan pequeño que existe entre los tubos
y el cuerpo original del componente, así también a la perforación que existe al realizar
el corte.
IMAGEN 3-5 Ejemplo de colocación de escudo para cubrir tubos.
IMAGEN 3-6 Marcas del proceso de corte láser en escudos.
30
Después de estas pruebas se realizó una comparación con las gráficas de resistencia
de oposición que están incluidas en las normas EN 60825-4:2006 que se muestran en
las IMÁGENES 3-7 y 3-8, donde se pueden tomar datos como referencia para la
resistencia del escudo propuesto para los tubos.
IMAGEN 3-7 Gráficas de resistencia de oposición de la norma EN60285-4:2006.
IMAGEN 3-8 Gráficas de resistencia de oposición de la norma EN60285-4:2006.
El material que más soporto la potencia del láser fue el acero al carbono en el espesor
de 2.00 y 2.5 mm en forma conjunta, aunque preferentemente si se utilizan un espesor
de 4 mm es mejor, pero se desecharía la pieza completa, razón que nos orilla a que
es mejor utilizar un par de placas como se muestra en la IMAGEN 3-9.
IMAGEN 3-9 Imágenes del corte.
Placa con contacto en la parte
inferior del intercambiador.
Placa sin contacto en la parte
inferior del intercambiador.
31
A continuación se muestran las tablas y resultados obtenidos en las pruebas. En la
TABLA 3-11 se muestran los resultados de las primeras pruebas experimentales con el
corte láser, en estas pruebas se tiene una distancia de separación entre la boquilla y
el material a cortar de 1 mm constante durante el corte, así también la velocidad del
corte, el material de respaldo y la presión del gas para evitar que la boquilla del
cabezal láser se queme serán constantes, el parámetro que estaremos variando es la
potencia del láser para ver su comportamiento.
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocidad
de avance
(mm/s)
Resultado
Presión
gas
(Bar)
Metal de
respaldo Observaciones
1 1 600 15 mm/s No
Aceptable 20
Ac. al
carbono
Sin cambio en
el material
2 1 700 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono
Se visualiza
corte
3 1 720 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono
Se visualiza
corte
4 1 750 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono
Se visualiza
corte
5 1 770 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono
Se visualiza
corte
6 1 800 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono
Se visualiza
corte
TABLA 3-11 Pruebas preliminares.
Las pruebas arrojan que la potencia de 600 watts no es suficiente para lograr corte en
el material ya que el corte se realiza a partir de los 700 watts.
La distancia de separación existente entre los tubos y el cuerpo del intercambiador
para esta prueba que muestra la TABLA 3-12 fue de 16.5 mm, por tanto, en esta
prueba no usaremos escudo.
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocidad
de avance
(mm/s)
Resultado
Presión
gas
(Bar)
Metal
de
respaldo
Observaciones
1 1 825 15 mm/s Aceptable 20 N/A Se visualiza
corte
2 1 850 15 mm/s Aceptable 20 N/A Se visualiza
corte
3 1 875 15 mm/s Aceptable 20 N/A Se visualiza
corte
4 1 900 15 mm/s Aceptable 20 N/A Se visualiza
corte
TABLA 3-12 Pruebas sin respaldo.
32
Igual que en la prueba anterior lo único que se varió es la potencia del láser y se
comprueba de igual manera que se realiza el corte.
En la TABLA 3-13 se realizaron las pruebas variando la distancia de separación entre la
boquilla de corte y la pieza a cortar obteniendo que la distancia óptima es la de 0.5
mm ya que una distancia mayor no realizará corte o será con arranque de material
el cual dejará mucha rebaba.
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocidad
de avance
(mm/s)
Resultado
Presión
gas
(Bar)
Metal
de
respaldo
Observaciones
1 3.0 800 15 mm/s No
Aceptable 20
Ac. Al
carbono No corta
2 2.5 800 15 mm/s No
Aceptable 20
Ac. Al
carbono No corta
3 2.0 800 15 mm/s No
Aceptable 20
Ac. Al
carbono No corta
4 1.5 800 15 mm/s Aceptable 20 Ac. Al
carbono
Corta, con
arranque de
material
5 0.5 800 15 mm/s Aceptable 20 Ac. Al
carbono Corta
TABLA 3-13 Pruebas con respaldo, distancia variable.
Con las pruebas anteriores se determina la distancia óptima de separación de la
boquilla de corte la cual en las pruebas mostradas en la TABLA 3-14 se mantiene
constante y se variará la potencia del láser manteniendo velocidad constante de
corte.
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocidad
de avance
(mm/s)
Resultado
Presión
gas
(Bar)
Metal de
respaldo Observaciones
1 0.5 800 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
2 0.5 850 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
3 0.5 900 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
4 0.5 950 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
5 0.5 1000 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
TABLA 3-14 Reducción de separación.
33
En estas pruebas variando la potencia del láser de 800 a 1000 watts se observa que el
resultado es aceptable en todos los casos mostrando que sí se realiza el corte sin
mayor dificultad.
En las pruebas anteriores se define la distancia óptima y debido a que a partir de 800
watts el corte se realiza de forma aceptable se procede a variar la velocidad de
corte, los resultados se muestran en la TABLA 3-15.
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocid
ad de
avance
(mm/s)
Resultado Presión gas
(Bar)
Metal de
respaldo Observaciones
1 0.5 800 9 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono
Corta, exceso
de rebaba
2 0.5 800 12 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
TABLA 3-15 Reducción de velocidad.
El resultado de dicha prueba arroja que bajando la velocidad de avance el corte si
se genera, pero a 9 mm/s el corte es realizado con exceso de rebaba, subiéndolo a
12 mm/s esa rebaba desaparece haciendo un corte más limpio.
En la TABLA 3-16 se aumentó la velocidad del corte para observar el comportamiento
del corte.
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocid
ad de
avance
(mm/s)
Resultado Presión gas
(Bar)
Metal de
respaldo Observaciones
1 0.5 800 18 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
2 0.5 800 21 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
TABLA 3-16 Aumento de velocidad.
Se observó en estas pruebas que aun aumentando la velocidad a 21 mm/s el corte
se realiza de una manera correcta por tanto los parámetros finales se muestran en la
TABLA 3-17.
34
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocid
ad de
avance
(mm/s)
Resultado Presión gas
(Bar)
Metal de
respaldo Observaciones
1 0.5 800 21 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
TABLA 3-17 Resultados finales.
Como conclusión de esta actividad se recomienda utilizar una distancia de
separación de la boquilla de corte de 0.5 mm, una potencia del láser de 800 watts,
una velocidad de corte de 21 mm/s, una presión del gas de protección de 20 bars y
un escudo de acero al carbono en un espesor de 2 mm o más dependiendo de la
distribución dentro del componente, la configuración es desigual entre uno y otro
componente, (forma de ubicación de los tubos).
3.5 DISEÑO Tomando en cuenta las consideraciones del proceso, así como la configuración
propia del herramental, tales como, soportar calor, salpicadura de material
incandescente y rebaba metálica, se tienen avances del diseño del herramental que
dicho sea de paso debe ser robusto, en base a el diseño conceptualizado se tienen
que hacer simulaciones de movimientos del herramental con respecto al robot pero
son trayectorias aproximadas tanto en el corte como en la soldadura solo para
verificar en el robot que no exista ningún detalla de colisión con el herramental y el
intercambiador de calor y que realmente tenga acceso a la zona de corte y
soldadura.
El diseño lo podríamos dividir en tres grupos:
1.- Transmisión del movimiento.
2.- Sistema de sujeción de intercambiador de calor.
3.- Cabezales de soldadura y corte láser.
35
3.5.1. Transmisión del movimiento Se propone un sistema que permita soportar el peso del intercambiador y que a su
vez permita el giro sin agregarle movimientos erráticos durante el proceso de
soldadura y corte en el intercambiador. Este sistema está compuesto por dos barras
paralelas que deberán estar alineadas correctamente, dichas barras estarán
soportadas por chumaceras las cuales permitirán el giro del sistema y en el centro
engranes que soportarán el sistema de sujeción del intercambiador tal como se
muestra en la IMAGEN 3-10.
IMAGEN 3-10 Sistema de transmisión.
3.5.2. Sistema de sujeción de intercambiador de calor Es un sistema de sujeción innovador y deberá ser probado en simulaciones para
garantizar el correcto funcionamiento, de hecho se tendrán que hacer pruebas con
prototipos para evitar un mal funcionamiento al momento del giro.
En la IMAGEN 3-11 se muestra como este sistema está compuesto por dos engranes
bipartidos y en paralelo, en la parte inferior se cuenta con una base o mesa donde se
soportará y localizará mediante pines guía el intercambiador y en la parte superior;
un sistema de empuje para mantener en su posición al momento del giro.
36
IMAGEN 3-11 Sistema de sujeción.
Los engranes bipartidos se abren con ayuda de una bisagra en la parte posterior para
montar el intercambiador y en el frente tienen un seguro para mantenerlo en posición
correcta y sin moverse tal como se muestra en la IMAGEN 3-12.
IMAGEN 3-12 Sistema de sujeción abierto.
En la IMAGEN 3-13 se muestra como estaría montado el intercambiador en el sistema
de sujeción, asegurando la posición por medio de datums con los que cuenta el
propio intercambiador.
Engranes
bipartidos
Engranes
bipartidos Engranes
bipartidos
Bisagras para
apertura
Seguro
para cierre
37
IMAGEN 3-13 Sistema de sujeción con intercambiador.
3.5.3. Cabezales de soldadura y corte láser Debido a que el corte láser y la soldadura se realizarán con el mismo robot, se tiene
que implementar en el diseño un par de cabezales para permitir al robot
intercambiarlos y realizar una u otra operación. En la IMAGEN 3-14 se muestra el
pedestal en donde se ubicarán los cabezales tanto de soldadura como de corte láser.
IMAGEN 3-14 Cabezales para el robot.
Intercambiador
de calor
Sistema de
sujeción
Cabezal
de corte
Pedestal
Cabezal de
soldadura
38
En la IMAGEN 3-15 se muestra el herramental de sujeción del intercambiador con el
robot y la configuración con el cabezal de soldadura de tal manera que el cabezal
de corte se encuentra en el pedestal.
IMAGEN 3-15 Diseño conceptual de herramental de fijación para corte láser y
soldadura.
Se realizó una simulación para determinar el torque del actuador que se utilizaría para
realizar el giro y que se encuentre sincronizado con el robot para facilitar el control del
movimiento del robot y el giro del intercambiador, siguiendo las siguientes
consideraciones para realizar el cálculo en SolidWorks®.
En la IMAGEN 3-16 describe los giros que estarían realizando cada uno de los sistemas
partiendo de la salida del reductor en el cual se colocó un motor para simular el
movimiento del sistema, la transmisión siguiente es por medio de banda de tiempo
por lo que no tiene juego apreciable, esto se simula con una relación de posición de
transmisión por banda y al final se tiene una transmisión de engranes que es el
movimiento final el cual es el encargado de generar el giro del intercambiador de
calor, se incluyó el factor de la gravedad (9806.65 mm/s2) y los materiales reales en la
simulación para obtener un resultado más confiable, la base está empotrada y fija
para no afectar al cálculo.
Robot con cabezal
de soldadura
Pedestal
Herramental
de sujeción
39
IMAGEN 3-16 Diagrama para simulación de torque.
Las condiciones del motor principal se muestran en la IMAGEN 3-17 donde por medio
de gráficas se representa el comportamiento de dicho motor referente al
desplazamiento, velocidad y aceleración.
IMAGEN 3-17 Gráficas de comportamiento de motor.
40
Aplicando estas condiciones en la simulación nos arroja un resultado de torque
superando los 7000 N mm, dicho valor es el torque mínimo necesario para poder
realizar el movimiento del intercambiador durante su proceso de recuperación.
La GRÁFICA 3-5 nos muestra la relación del torque necesario para mover el sistema
con respecto al tiempo.
GRÁFICA 3-5 Torque vs tiempo.
Previo a dicha simulación también se realizó una simulación de movimiento para
garantizar el giro del herramental en conjunto con el robot. Con esta simulación
podemos tener un panorama más claro de los movimientos reales que tendrá el
mecanismo. Para dichas simulaciones se utilizó el software de diseño SolidWorks® 2016
en su apartado SolidWorks Motion®.
3.6. SELECCIÓN DE SISTEMA MOTRIZ Se tiene que hacer una descomposición vectorial del contorno del cuerpo del
intercambiador para poder conocer valores de movimiento angular, se realizó una
simulación para visualizar los vectores resultantes, para facilidad de visualizar se dividió
41
en 72 vectores uno cada 5 grados (IMAGEN 3-18), con el cual podemos saber el valor
de cada uno de ellos.
IMAGEN 3-18 Descomposición de vectores para corte y soldadura..
En la IMAGEN 3-19 se muestra de dónde sale ese corte de sección del intercambiador
de calor y el contorno que se va a seguir para la soldadura y corte láser.
IMAGEN 3-19 Intercambiador de calor.
Corte de
sección.
Contorno
para corte y
soldadura.
42
Simulamos el comportamiento de un perfil compuesto con un seguidor, en este caso
el perfil compuesto es el contorno a soldar del intercambiador de calor y el seguidor
es la antorcha de soldadura (IMAGEN 3-20).
IMAGEN 3-20 Perfil de intercambiador de calor.
Para conocer las dimensiones de los vectores que se generan al hacer el giro del
intercambiador se simuló en el apartado de SolidWorks Motion® el giro del
intercambiador y el desplazamiento del seguidor en este caso la antorcha de
soldadura (IMAGEN 3-20).
Con el perfil del intercambiador se ingresa en el software, un motor que nos de giro
de una revolución, en el intercambiador. Una revolución completa en base a la
velocidad de avance de la soldadura (17 in/min) es de 360° en 51s:
1 rev / 51 seg = 360° / 51 s = 7.05°/s.
Pero debemos tomar en cuenta que la relación de transmisión es de 2 a 1
donde por dos revoluciones del reductor tendremos una revolución a la salida
del intercambiador.
Por lo tanto, para efectos de obtención del radio, nuestra simulación
funcionará con una velocidad angular que da un giro de 14.11° por cada
Contorno de
intercambiador
de calor
Antorcha de
soldadura
(SEGUIDOR)
w
43
segundo, completando una vuelta en 51 segundos a la salida del
intercambiador.
Se le solicita al software los datos del radio del perfil.
El resultado nos arroja un radio cada 0.04 segundos, es decir 1276 datos de radio.
En la GRÁFICA 3-6 se muestran los datos de desplazamiento vs tiempo.
GRÁFICA 3-6 Desplazamiento vs tiempo.
De la gráfica se observa que las magnitudes están en los rangos de los 48 a los 65
milímetros aproximadamente. Por lo tanto, la velocidad angular se obtiene
substituyendo los valores de radio variable y velocidad tangencial constante de 7.19
mm/s.
Para obtener la velocidad angular en revoluciones por minuto, se toma en cuenta
que 1 vuelta son 360° y a su vez estos son 2π radianes.
La ecuación de la velocidad tangencial es la siguiente:
𝑉𝑡 = 𝑤 ∗ 𝑟………….…………..….. ECU 1
44
Dónde:
𝑉𝑡 =Velocidad tangencial
𝑤 =Velocidad angular
𝑟 =Radio.
Analizando la geometría del perfil y un punto fijo sobre el perfil que representaría el
cabezal de soldadura del intercambiador, observamos lo siguiente:
• Al girar el intercambiador existe un cambio radial (r), de la ECU 1 para lograr
una velocidad tangencial (Vt) constante se necesita una velocidad angular variable
(w), es decir tenemos valores que serán variables la IMAGEN 3-21 nos muestra
gráficamente este comportamiento.
Por esta razón el perfil se analizó a detalle para aplicación de soldadura CMT.
IMAGEN 3-21 Velocidad tangencial.
Para efectos de ilustrar los valores de velocidad angular variable, se toman 51 datos
que corresponden al tiempo que tarda en dar la vuelta completa del intercambiador,
los resultados arrojados se muestran en la TABLA 3-18.
𝑉𝑡
𝑟
𝑤
45
TABLA 3-18 Velocidad angular variable.
Con todos los datos de velocidad angular variable, se procede a revisar el cálculo
para selección del actuador que nos permita realizar dichos movimientos sin afectar
el proceso de soldadura.
En primera instancia se analiza la configuración mecánica propuesta para la
transmisión del movimiento del intercambiador para su proceso de soldadura y corte.
TIEMPO
(seg)
r VARIABLE
(mm)
V CTE
(mm/seg)w(rad/seg)
TIEMPO
(seg)
r
VARIABLE
(mm)
V CTE
(mm/seg)
w(rad/se
g)
0 53.17998 14.11 0.26533 30 62.77732 14.11 0.22476
1 53.18583 14.11 0.26530 31 59.43427 14.11 0.23741
2 53.21530 14.11 0.26515 32 54.84106 14.11 0.25729
3 53.30304 14.11 0.26471 33 52.32516 14.11 0.26966
4 53.50449 14.11 0.26372 34 51.55967 14.11 0.27366
5 53.89608 14.11 0.26180 35 52.08924 14.11 0.27088
6 54.61913 14.11 0.25833 36 53.61760 14.11 0.26316
7 55.97995 14.11 0.25205 37 57.16125 14.11 0.24685
8 58.45067 14.11 0.24140 38 61.09049 14.11 0.23097
9 61.19771 14.11 0.23056 39 63.01272 14.11 0.22392
10 63.33627 14.11 0.22278 40 63.22665 14.11 0.22317
11 64.61369 14.11 0.21837 41 62.02656 14.11 0.22748
12 64.78488 14.11 0.21780 42 59.68860 14.11 0.23639
13 63.61739 14.11 0.22179 43 56.76980 14.11 0.24855
14 60.90122 14.11 0.23169 44 54.94925 14.11 0.25678
15 56.45337 14.11 0.24994 45 54.03642 14.11 0.26112
16 51.83222 14.11 0.27222 46 53.55696 14.11 0.26346
17 49.50859 14.11 0.28500 47 53.30732 14.11 0.26469
18 48.45372 14.11 0.29121 48 53.20193 14.11 0.26522
19 48.46689 14.11 0.29113 49 53.17507 14.11 0.26535
20 49.93247 14.11 0.28258 50 53.17754 14.11 0.26534
21 53.82504 14.11 0.26215 51 53.17998 14.11 0.26533
22 56.35103 14.11 0.25039
23 56.58683 14.11 0.24935
24 54.48546 14.11 0.25897
25 53.01869 14.11 0.26613
26 53.57851 14.11 0.26335
27 55.61041 14.11 0.25373
28 60.24752 14.11 0.23420
29 63.08000 14.11 0.22368
46
En la IMAGEN 3-22 se muestra la descripción de la transmisión, en ella se muestra la
relación y el despiece del herramental.
Se calcularán las inercias de los sistemas y después se tendrá que hacer el traslado de
las inercias individuales de los componentes para tener una inercia total en el
elemento principal que es el reductor y así poder hacer el cálculo de capacidad de
reductor y servomotor.
Engrane
principal.
1 revolución.
Flecha de
transmisión.
4 revoluciones.
Polea de
transmisión.
1 revolución.
Relación de
transmisión:
2:1
Relación de
transmisión:
4:1
Relación de
transmisión:
1:4
Polea a la
salida de
reductor.
2 revoluciones.
IMAGEN 3-22 Relación de la transmisión.
47
El cálculo de las inercias se basa en la teoría de Steiner o de ejes paralelos que nos
dice:
Dado un eje que pasa por el centro de masa de un sólido, y dado un segundo eje
paralelo al primero, el momento de inercia de ambos ejes está relacionado mediante
la expresión:
𝐼𝑍,𝑃 = 𝐼𝑍,𝐺 + 𝑚𝑟2………….............................ECU 2
Dónde:
𝐼𝑍,𝑃: es el momento de inercia del cuerpo según el eje que no pasa a través de su
centro de masas.
𝐼𝑍,𝐺: es el momento de inercia del cuerpo según un eje que pasa a través de su centro
de masas.
𝑚 : es la masa del objeto.
𝑟: es la distancia perpendicular entre los dos ejes.
El resultado anterior puede extenderse al cálculo completo del tensor de inercia.
Dado una base vectorial B el tensor de inercia según esa base respecto al centro de
masas y respecto a un punto diferente del centro de masas están relacionados por la
ecuación:
𝐼𝑂 = 𝐼𝐺 + 𝑚(||𝑂𝐺||2 𝑈 − 𝑂𝐺 ∗ 𝑂𝐺)…………………………ECU 3
Dónde:
𝑂𝐺: es el vector con origen en O y extremo en G.
𝑈 : es la matriz identidad.
Las inercias de los elementos independientes se calculan mediante la ayuda de
SolidWorks® y después utilizaremos el teorema de Steiner para el traslado de las
inercias.
48
Se comienza con el traslado de las inercias de las flechas de transmisión utilizando la
ECU 2.
𝐼𝑍,𝑃 = 𝐼𝑍,𝐺 + 𝑚𝑟2
Se tiene que la inercia individual de cada flecha de transmisión es de:
I= 0.28 kgm2.
La inercia trasladada de cada flecha es de:
I2= 0.4964 kgm2.
Debido a que tenemos dos flechas dichas inercias se suman, por tanto:
I3= 0.9928 kgm2.
La siguiente inercia a trasladar es la del engrane principal donde va montado el
intercambiador de calor, de igual manera se calculó la inercia individual y después
se trasladó.
Se tiene que la inercia individual del engrane principal es de:
I4= 1.4 kgm2.
La inercia trasladada del engrane principal es de:
I5= 4.3157 kgm2.
Se suman la I3 y la I5 para seguir con los demás sistemas
I6= I3 + I5.
I6= 0.9928+4.3157.
I6= 5.308 kgm2.
Se tiene que la inercia individual del engrane secundario es de:
I7= 0.09 kgm2.
La inercia trasladada del engrane secundario es de:
I8= 7.706 kgm2.
Se suman la I6 y la I8 para seguir con los demás sistemas
I9= I6 + I8.
I9= 5.308 + 7.706.
I9= 12.796 kgm2.
49
Se tiene que la inercia individual del engrane inicial es de:
I10= 0.0012 kgm2.
La inercia trasladada del engrane secundario es de:
I11= 16.6265 kgm2.
Sumando la I10 y la I11 para obtener la inercia final
I12= I10 + I11.
I12= 0.0012 + 16.6265.
I12= 16.6277 kgm2.
La I12 es la inercia total del sistema.
En la TABLA 3-19 se muestra el resumen de las inercias presentadas en los cálculos
anteriores.
Inercia
individual
Inercia
trasladada
Flechas de
transmisión 0.28 kgm2 0.9928 kgm2
Engrane
principal 1.4 kgm2 4.3157 kgm2
Engrane
secundario 0.09 kgm2. 7.706 kgm2
Engrane inicial
0.0012
kgm2 16.6265 kgm2
Inercia total
del sistema 16.6277 kgm2
TABLA 3-19 Resumen de inercias.
Con la inercia total del sistema y con la ayuda del software CYMEX® que es para
cálculos de servomotores y reductores podemos seleccionar el servomotor y el
reductor capaz de mover nuestro sistema.
El sistema se simula como si fuera un plato giratorio conectado directamente a un
reductor y servomotor tal como se muestra en la IMAGEN 3-23, por eso la necesidad
de calcular las inercias totales del sistema y poder realizar el cálculo de servomotor y
reductor.
50
IMAGEN 3-23 Diseño simulado del sistema de transmisión.
En base a las plantillas ya cargadas en el software de CYMEX se utilizó la opción de
polinomio de quinto grado, en esta plantilla nos pide introducir el tiempo de giro y los
grados del giro y con esto nos arroja una velocidad angular y aceleración calculadas
por el software tal como se muestra en la IMAGEN 3-24.
IMAGEN 3-24 Perfil de movimiento del servomotor.
El valor de velocidad angular calculado por la aplicación es muy cercano al valor
calculado en base a la formula y mostrado en la TABLA 3-18.
El giro del intercambiador debe ser en 51 segundos y en base a la relación de
transmisión mostrada en la IMAGEN 3-22 a una vuelta del intercambiador el reductor
debe dar 2 vueltas por lo tanto se realizó el cálculo del torque para hacer la
51
comparativa con la simulación y comprobar que dicho valor es confiable por lo cual
tenemos lo siguiente:
𝑇 = 𝐼 ∗ 𝑤 …………………………………ECU 4
𝑇 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒
𝐼 = 𝐼𝑛𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑤 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
Se sustituyen valores en la formula y se tiene que:
𝑇 = 16.628 𝑘𝑔𝑚2 ∗ 0.462 𝑟𝑎𝑑/𝑠𝑒𝑔
𝑇 = 7.68 𝑁𝑚
Se mete el valor de inercia resultado de los cálculos que es de 16.628 kgm2, en base
a la simulación realizada en el software Solid Works® nos dio un torque de 7016 Nmm
que equivalen a 7 Nm aproximadamente que es muy cercano al valor obtenido por
cálculos de 7.68 Nm.
Para poder tener un factor de seguridad en el torque utilizaremos 10 Nm para hacer
la selección del servo y reductor asegurando así cualquier variación y que pueda ser
absorbida por el sistema tal como se muestra en la IMAGEN 3-25.
IMAGEN 3-25 Valores de carga.
Se acepta el perfil de movimiento con los datos ingresados, con esto se sugiere un
servo motor Rockwell del tipo MPL-310P y un reductor LP090S-MF2-50-1 como se
muestra en la IMAGEN 3-26 Y 3-27 con una relación de reducción de 50-1.
52
IMAGEN 3-26 Selección de motor.
IMAGEN 3-27 Selección de reductor.
Se revisan los porcentajes de utilización y se observar que están por debajo del 30%,
por tanto se puede revisar más opciones con motores y reductores más pequeños.
Se realizaron iteraciones en las cuales se muestra como reduciendo el tamaño y la
relación de los componentes el sistema se vuelve más eficiente. Se realizó una
comparativa que muestra los porcentajes de utilización en diferentes combinaciones
53
de motor y reductor el cual nos permite tener una eficiencia con un factor de
seguridad de 2 que es suficiente para nuestro sistema, dicha comparativa se muestra
en la TABLA 3-20 y en la TABLA 3-21.
Combinación Servo motor Torque máximo
(Nm) Inercia
(Kgcm2)
Velocidad máxima
(rpm)
Utilización (%)
1 MPL-B310P 3.57 0.59 5000 29
2 MPL-B230P 8.2 2.04 5000 17
3 MPL-B220T 4.63 1.54 6000 22
4 MPL-B220T 4.63 1.54 6000 31
5 MPL-B220T 4.63 1.54 6000 53
TABLA 3-20 Servo motor
Combinación Reductor Reducción Torque
nominal de salida (Nm)
Inercia (Kgcm2)
Utilización (%)
1 LP090S-MF2-
50-1G1-3S 50 a 1 50 1.42 20
2 LP070S-MF2-
50-1D1-3S 50 a 1 21 0.21 48
3 LP070S-MF2-
50-1D1-3S 40 a 1 22 0.21 45
4 LP070S-MF2-
30-1D1-3S 30 a 1 29 0.21 34
5 LP070S-MF2-
15-1D1-3S 15 a 1 29 0.23 34
TABLA 3-21 Reductor
En base a iteraciones para llegar a seleccionar el sistema más eficiente, se propone
un servomotor y un reductor más pequeño pudiendo reducir costos y tener un factor
de seguridad de 2 suficiente para que nuestro sistema se encuentre trabajando en
óptimas condiciones.
El servomotor y reductor sugeridos son los marcados en rojo y mostrados en la IMAGEN
3-20 Y 3-21 donde se muestran también los porcentajes de utilización teniendo un
54
factor de seguridad mayor al sugerido, tomando en cuenta que en el torque también
agregamos un factor de seguridad. El servomotor es de una familia más pequeña así
como el reductor es más pequeño y una reducción de 15:1 y no de 50:1 como estaba
el propuesto.
55
4 CAPITULO 4 RESULTADOS
Los resultados obtenidos de este documento nos permitirán poder fabricar un
herramental para sujeción de intercambiadores de calor para su remanufactura. En
base a los estudios, simulaciones y pruebas experimentales realizadas llegamos a
obtener valores de soldadura que nos ayudaron a poder seleccionar y aprobar el
diseño mecánico, así como los parámetros requeridos para el control del sistema. El
sistema motriz se logró hacer más eficiente en base a los cálculos y simulaciones del
mecanismo. En el anexo A se muestran planos finales de los ensambles de algunos
componentes.
Referente a los parámetros de soldadura el resultado se resume en la siguiente TABLA
3-9, el valor que pudimos utilizar para los cálculos es el valor de la velocidad de
soldadura ya que nos servirá para hacer el cálculo de la velocidad tangencial.
TABLA 3-9 Parámetros de soldadura seleccionados.
Referente a los parámetros del corte láser, basándonos en la búsqueda de un escudo
para evitar el daño a los tubos internos se resumen en la TABLA 4-1, dónde se nos
describe la potencia del láser para el corte y el material de respaldo para evitar dañar
los tubos pero poder realizar un corte sin rebaba.
Item Distancia
(mm)
Potencia
(Watts)
Velocidad
de
avance
(mm/s)
Resultado
Presión
gas
(Bar)
Metal de
respaldo Observaciones
1 0.5 800 21 mm/s Aceptable 20 Ac. al
carbono Corta
TABLA 4-1 Resultados finales.
También se realizó el cálculo de la inercia a vencer por el sistema motriz para
ayudarnos al cálculo del servomotor y reductor.
CLASIFICACION DIAMETRO POLARIDAD AMPERAJE
GTAW-CMT ER308L 1.2 mm CDEP 100 A 17-18 V 17 in/ min
PROCESO 3METAL DE APORTE CORRIENTE
VOLTAJEVELOCIDAD DE
SOLDADURA
56
I12= 16.6277 kgm2.
La I12 es la inercia total del sistema.
En combinación con los resultados anteriores se logró encontrar el sistema motriz más
idóneo para la aplicación presentada, el cálculo hecho por un software
especializado nos arroja modelos y capacidad de reductor y servomotor compatibles
y comerciales.
En base a esto se seleccionó el motor MPL-B220-T y el reductor LP070S-MF1-15-1.
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5 CAPITULO 5 CONCLUSIONES
El diseño del herramental y su integración a una celda multiprocesos automática nos
permite realizar un proceso de remanufactura de intercambiadores de calor más
eficiente y que esto nos permite ser más amigable con la naturaleza.
Se observa y comprueba que el mantener una velocidad tangencial constante para
la soldadura en la periferia del perfil del intercambiador, nos lleva a una buena
calidad y apariencia.
El dispositivo de sujeción de los intercambiadores es capaz de mantener una
velocidad tangencial constante, por medio de la unidad motriz que es un servomotor
y reductor, para perfiles de radio variable se ingresa a la unidad motriz velocidad
angular variable.
Se logra el propósito de volver a remanufacturar los intercambiadores de calor ya
dañados y regresarlos al mercado para su venta, acercando a la empresa a su
objetivo de llegar a manejar una economía circular.
Por lo tanto lo descrito en la hipótesis de esta investigación se cumplió de manera
satisfactoria.
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ANEXO A
Planos de ensamblajes.
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