Estudio del efecto de los modos sinérgicos de soldadura en el proceso de manufactura aditiva por arco (WAAM-GMA) con electrodo EC410NiMo. Trabajo de grado
Este trabajo tiene como objetivo evaluar parámetros de fabricación para la construcción de paredes delgadas mediante manufactura aditiva por arco eléctrico (WAAM), utilizando el proceso GMAW-P sinérgico, con alambre tubular EC410NiMo, un material de aporte de acero inoxidable martensítico empleado e...
- Autores:
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Mejía Velásquez, Jeisson
- Tipo de recurso:
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- Universidad de Antioquia
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Este trabajo tiene como objetivo evaluar parámetros de fabricación para la construcción de paredes delgadas mediante manufactura aditiva por arco eléctrico (WAAM), utilizando el proceso GMAW-P sinérgico, con alambre tubular EC410NiMo, un material de aporte de acero inoxidable martensítico empleado en la reparación de componentes de acero CA6NM en la industria hidroeléctrica. La metodología se estructuró en tres fases experimentales: en la primera, se caracterizaron los modos sinérgicos RapidArc y Pulse de una fuente Lincoln Power Wave R450, evaluando su comportamiento eléctrico y su efecto sobre la geometría de cordones individuales. En la segunda fase, se definieron estrategias de trayectoria y condiciones base del proceso, como la altura de capa (h) y el tiempo intercapas (ILDT). Finalmente, en la tercera fase, se implementó un diseño experimental factorial 2² con tres repeticiones por condición, considerando como factores el modo sinérgico y el parámetro TRIM. Los resultados evidenciaron que el parámetro TRIM influye de manera significativa en la morfología de los depósitos, afectando directamente la altura, el ancho y la penetración. A valores bajos de TRIM se presentaron eventos de cortocircuito frecuentes, mientras que valores superiores promovieron una transferencia metálica por aspersión y mayor estabilidad del arco. El parámetro UltimArc mostró efectos sobre la señal eléctrica, sin impacto geométrico relevante. Se determinó que la estrategia de trayectoria tipo zig-zag, combinada con un recorrido dinámico, mejora la estabilidad geométrica de las paredes. Las condiciones que ofrecieron un mejor desempeño general fueron modo Pulse con TRIM = 1, altura de capa de 2 mm, ILDT de 30 s y estrategia de deposición en zig-zag. |
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Finalmente, en la tercera fase, se implementó un diseño experimental factorial 2² con tres repeticiones por condición, considerando como factores el modo sinérgico y el parámetro TRIM. Los resultados evidenciaron que el parámetro TRIM influye de manera significativa en la morfología de los depósitos, afectando directamente la altura, el ancho y la penetración. A valores bajos de TRIM se presentaron eventos de cortocircuito frecuentes, mientras que valores superiores promovieron una transferencia metálica por aspersión y mayor estabilidad del arco. El parámetro UltimArc mostró efectos sobre la señal eléctrica, sin impacto geométrico relevante. Se determinó que la estrategia de trayectoria tipo zig-zag, combinada con un recorrido dinámico, mejora la estabilidad geométrica de las paredes. Las condiciones que ofrecieron un mejor desempeño general fueron modo Pulse con TRIM = 1, altura de capa de 2 mm, ILDT de 30 s y estrategia de deposición en zig-zag.This study aims to evaluate manufacturing parameters for the construction of thin walls using Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), employing the synergic GMAW-P process with EC410NiMo cored wire, a martensitic stainless steel filler metal used for repairing CA6NM steel components in the hydroelectric industry. The methodology was structured into three experimental phases: in the first, the synergic modes RapidArc and Pulse of a Lincoln Power Wave R450 power source were characterized, analyzing their electrical behavior and effects on the geometry of individual beads. In the second phase, path strategies and baseline process conditions were defined, such as layer height (h) and inter-layer dwell time (ILDT). Finally, in the third phase, a 2² factorial design of experiments was implemented with three repetitions per condition, considering synergic mode and TRIM parameter as the main factors. The results showed that the TRIM parameter significantly influences bead morphology, directly affecting height, width, and penetration. Low TRIM values led to frequent short circuits, while higher values promoted spray transfer and improved arc stability, especially in RapidArc mode. The UltimArc parameter affected the electrical waveform but had no relevant impact on bead geometry. It was determined that the zig-zag path strategy, combined with a dynamic travel pattern, enhances the geometric stability of the walls. The conditions that provided the best overall performance were Pulse mode with TRIM = 1, a layer height of 2 mm, ILDT of 30 s, and a zig-zag deposition strategy.TABLA DE CONTENIDO 4 RESUMEN 14 ABSTRACT 15 I. INTRODUCCIÓN 16 IV. OBJETIVOS 18 VI. MARCO TEÓRICO 19 A. Manufactura aditiva 19 2) Manufactura aditiva por arco metálico (WAAM) 27 A. Proceso de soldadura GMAW (Gas Metal Arc Welding) 29 1) Fundamentos del proceso GMAW 29 2) Variables del proceso GMAW 30 a) Corriente de soldadura 31 b) Voltaje 32 c) Velocidad de avance de soldadura 33 d) Extensión del electrodo 34 3) Modos de transferencia de soldadura 35 a) Transferencia por corto circuito 35 b) Transferencia globular 38 c) Transferencia por aspersión 38 4) Pulsado de corriente en proceso GMAW 40 1) Control sinérgico del proceso GMAW 41 a) Control sinérgico 41 b) Sistemas de control sinérgico comerciales 42 2) Electrodos en el proceso GMAW 44 B. Aceros inoxidables 45 1) Definición y composición química 45 2) Clasificación de los aceros inoxidables 48 a) Aceros inoxidables ferríticos 50 b) Aceros inoxidables dúplex 51 c) Aceros inoxidables endurecibles por precipitación 52 d) Aceros inoxidables martensíticos 53 C. Manufactura aditiva WAAM-GMA 54 1) Aplicación de WAAM-GMA empleando acero inoxidable 57 2) Estrategias de planificación de trayectorias en WAAM 59 3) Caracterización geométrica de paredes producidas por WAAM 61 4) WAAM con acero inoxidable martensítico 62 VII. METODOLOGÍA 67 A. Equipos y materiales 67 B. Estudio de modos sinérgicos de soldadura en fuente Lincoln R450 69 1) Aplicación de soldaduras bead on plate y evaluación de las señales eléctricas 69 2) Caracterización de cordones bead on plate 72 C. Definición de estrategias y parámetros para construcción de paredes con WAAM-GMA 72 1) Definición del step height (h) 73 2) Definición de funciones complementarias para cordón de soldadura único 74 e) Definición de estrategia de trayectorias de paredes 76 D. Obtención de paredes delgadas mediante WAAM-GMA 77 1) Diseño de experimentos 77 2) Caracterización morfológica de paredes 78 VIII. ANÁLISIS DE RESULTADOS 80 A. Estudio de modos sinérgicos de soldadura en fuente Lincoln R450 80 1) Aplicación de soldaduras bead on plate y evaluación de las señales eléctricas 80 a) Efecto del TRIM en las señales eléctricas para los modos sinérgicos 80 b) Efecto del UltimArc en las señales eléctricas de los modos sinérgicos 86 2) Caracterización geométrica de cordones bead on plate 90 B. Resultados de las estrategias para aplicación de cordones y paredes 96 1) Definición del step height (h) 96 2) Funciones complementarias para cordón de soldadura único 98 3) Resultados de comparación entre estrategias de trayectoria: Raster vs. Zig-Zag 101 C. Resultado del DOE en paredes mediante WAAM-GMA 102 1) Análisis estadístico 104 a) Resultados estadísticos para la altura 105 b) Resultados estadísticos para el ancho 109 c) Resultados estadísticos para la ondulación (waviness) 113 2) Análisis de secciones transversales de paredes 114 X. CONCLUSIONES 117 XI. RECOMENDACIONES 119 XII. REFERENCIAS 120PregradoIngeniero Mecánico128 páginasapplication/pdfspaUniversidad de AntioquiaIngeniería MecánicaMedellín, ColombiaFacultad de IngenieríaCampus Medellín - Ciudad Universitariahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/embargoedAccessAttribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Internationalhttp://purl.org/coar/access_right/c_f1cfThree-dimensional printingImpresión 3DAdditive manufacturingModeladoModelinghttp://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2009006799http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2020000052Estudio del efecto de los modos sinérgicos de soldadura en el proceso de manufactura aditiva por arco (WAAM-GMA) con electrodo EC410NiMo. Trabajo de gradoTrabajo de grado - Pregradohttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fhttp://purl.org/redcol/resource_type/TPTexthttp://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcceinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisinfo:eu-repo/semantics/draftAdditive manufacturing - General principles - Fundamentals and vocabulary:, 2021. doi: 10.3403/30448424.T. D. Ngo, A. Kashani, G. Imbalzano, K. T. Q. Nguyen, y D. Hui, «Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges», Compos. Part B Eng., vol. 143, pp. 172-196, jun. 2018, doi: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012.A. Dass y A. Moridi, «State of the Art in Directed Energy Deposition: From Additive Manufacturing to Materials Design», Coatings, vol. 9, n.o 7, p. 418, jun. 2019, doi: 10.3390/coatings9070418P. Badoniya, M. Srivastava, P. K. Jain, y S. Rathee, «A state-of-the-art review on metal additive manufacturing: milestones, trends, challenges and perspectives», J. Braz. Soc. Mech. Sci. 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