TESIS - ciateq.repositorioinstitucional.mx...II AGRADECIMIENTOS En este trabajo de tesis...

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





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


4 DISCONTINUIDAD ACEPTABLE VISIBLE DEFICIENTE RECHAZADA


PARÁMETROSINSPECCION VISUAL

DICTAMEN

2.1 38.5 3.2 CARA ACEPTABLE SIN INDICACIONES

2.2 38.3 3.2 RAIZ ACEPTABLE SIN INDICACIONES


3.2 38.5 3.2 RAIZ 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.


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


carbono

Se visualiza

corte


carbono

Se visualiza

corte


carbono

Se visualiza

corte


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


corte


corte


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


1 0.5 800 15 mm/s Aceptable 20 Ac. al

carbono Corta


carbono Corta


carbono Corta


carbono Corta


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



carbono

Corta, exceso

de rebaba


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)


(Bar)

Metal de



carbono Corta


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)


(Bar)

Metal de



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



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.


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.

57

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.

58

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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59

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15. Bailey, F.W. Fundamentals of Engineering Metallurgy and Metal. 1972.

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ANEXO A

Planos de ensamblajes.

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