Las aleaciones metálicas que utilizamos hoy en día han evolucionado a través de décadas de investigación y muchas representan el pináculo del logro en términos de solidez y resistencia a la corrosión. Sin estos materiales, los notables avances que han tenido lugar en la energía nuclear, la medicina, los productos farmacéuticos, la generación de energía y la petroquímica no se podrían haber realizado.
Uno de los primeros hallazgos más importantes sucedió en 1912 en Sheffield cuando se descubrió que las aleaciones de cromo/hierro eran resistentes a la corrosión. Desde entonces hemos sido testigos de la introducción de aceros resistentes a la fluencia de baja aleación, aleaciones a base de níquel con propiedades de temperatura elevada y, más recientemente, el desarrollo de aleaciones ligeras de titanio que ofrecen características de alta resistencia al peso.
Las propiedades óptimas de todos estos materiales solo se logran controlando con precisión el equilibrio de los elementos. La composición ideal para cada aplicación solo se ha conseguido gracias a un intenso trabajo de investigación por parte de los metalúrgicos, pero si se pierden elementos durante los procesos de fabricación posteriores, como la soldadura u otros procedimientos a temperatura elevada, la corrosión y las propiedades mecánicas pueden verse afectadas de manera importante.
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Históricamente, el uso de algunas aleaciones metálicas como el titanio ha estado limitado por el coste y los problemas asociados con el procesamiento, en particular, la soldadura. Sin embargo, el reconocimiento de la alta relación resistencia-peso y la resistencia a la corrosión actualmente continúa encabezando su uso en los sectores aeroespacial y de automóviles deportivos y en las industrias nuclear y de procesos. Solo en la industria aeroespacial, el contenido de titanio en aviones de cuerpo ancho ha aumentado en los últimos cinco años en más del 22 %.
Si bien estas aleaciones ofrecen ventajas importantes sobre los materiales alternativos, especialmente en la reducción del peso y el aumento de la resistencia a la corrosión, la fabricación que utiliza soldadura por fusión necesita un enfoque especializado para evitar la introducción de contaminación y la reducción de la resistencia mecánica que puede dar lugar a fallas en el servicio.
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El revestimiento por fusión proporciona protección para los componentes metálicos mediante el depósito de una capa de material, utilizando habitualmente un proceso de soldadura por arco, para proporcionar una superficie resistente a la corrosión o a la erosión.
Esta técnica está bien establecida y ha estado en uso durante décadas en aplicaciones tan diversas como palas de turbina, válvulas de vapor de alto rendimiento, superficies de rodamientos y componentes submarinos.
Se utiliza una amplia gama de metales de superficie que incluyen aleaciones a base de cobre, níquel y cobalto y muchos aceros inoxidables. El ahorro de costes es impresionante: el revestimiento completo de un componente de acero al carbono con níquel 625, en lugar de producirlo en aleación sólida, puede reducir los costes hasta en un 60 %.
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Las nuevas superaleaciones también necesitan una purga cuidadosa durante la soldadura.
Recientemente se han realizado desarrollos importantes que han dado lugar a la introducción de nuevas aleaciones de níquel que ofrecen grandes mejoras en las propiedades mecánicas.
No menos importante es Inconel 740H (ref. 1), una aleación que ofrece una mayor resistencia a las cenizas de carbón y, por lo tanto, de gran interés para los fabricantes de calderas de combustibles fósiles.
Si bien estos nuevos materiales ayudan a expandir el uso de aleaciones a base de níquel en áreas donde las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas son necesarias, persiste la necesidad de mantener un control estricto durante la soldadura por fusión, con el fin de conservar estas características.
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La industria marina, en general, ha tardado en adoptar el concepto de impresión 3D. El uso de depósito continuo de metal líquido con control numérico informático ha creado oportunidades para producir formas complejas como piezas forjadas y piezas fundidas, evitando al mismo tiempo la necesidad de herramientas costosas y los retrasos en la fabricación de moldes.
A pesar de este lento comienzo, el trabajo de desarrollo en la Universidad Técnica de Delft en 2017 ha dado lugar a la producción de la primera hélice marina con depósito de metal del mundo.
La mayoría de los documentos publicados sobre impresión 3D se han limitado a aplicaciones de alta precisión, particularmente en el sector médico.
Si bien estos ejemplos ilustran el potencial para producir pequeñas formas complejas, el proceso es lento y costoso. Se han promocionado menos las aplicaciones en las que grandes productos de ingeniería que utilizan metales se han producido más rápido y de modo menos costoso que con el uso de procedimientos tradicionales como la fundición y la forja.
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El socio estadounidense de Huntingdon Fusion Techniques HFT® ha ayudado recientemente a resolver un importante problema ambiental en una región remota de Oregón. Era necesario construir un nuevo acceso al río Willamette como parte de un plan para reponer un criadero de salmón1, pero esto requería la eliminación de parte de una tubería de 10 pulgadas (254 mm) que estaba provocando una obstrucción.
La tubería había sido aislada y abandonada anteriormente y estaba llena de agua que probablemente se había contaminado. Cortar simplemente la tubería liberaría más de 1 millón 300 mil galones (5000 m3) de agua contaminada en la tierra circundante que se encuentra dentro de un área sensible y protegida ambientalmente.
Se tomó la decisión de usar nitrógeno líquido para crear tapones de hielo y aislar la pequeña sección de tubería que producía la obstrucción. Así, podría cortarse la tubería, liberando solo una cantidad reducida de agua contaminada que podría contenerse y retirarse del sitio.
Se excavaron pozos a ambos lados del acceso que exponía la tubería y se retiró el revestimiento anticorrosivo. La congelación comenzó en la madrugada a unas altas temperaturas récord combinadas con poca o ninguna sombra en el área.
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Por su clasificación, los metales reactivos son el circonio, el titanio y el berilio. También se incluye aquí el tántalo y el columbio (niobio) que son de la clase refractaria y que además presentan dificultades similares para los ingenieros de soldadura.
Las industrias aeroespacial, automotriz, médica y militar están utilizando cada vez más todos estos materiales, ya que tienen muchos atractivos tecnológicos al ser duraderos, de baja densidad, biocompatibles y ofrecer una alta resistencia a la corrosión, sin embargo, son caros. Los procedimientos de soldadura deben desarrollarse cuidadosamente y aplicarse rigurosamente para evitar costosos desperdicios, retrabajo o riesgos de falla del servicio.
Las técnicas satisfactorias de unión por fusión han evolucionado desde que se utilizaron aleaciones por primera vez en aplicaciones de ingeniería. La mayoría de los problemas metalúrgicos se han resuelto, incluso teniendo en cuenta la soldadura de metales diferentes, y los materiales de relleno se pueden obtener fácilmente.
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Existe la idea errónea popular de que la fabricación aditiva a base de polvo es superior a la alternativa del hilo. Esta impresión ha sido creada en gran parte a través de una publicidad agresiva y por la prensa técnica que prefiere el procedimiento de polvo más glamuroso utilizado para la creación de implantes corporales.
Si bien hay que admitir que el proceso de depósito de polvo relativamente delicado es excelente para producir componentes pequeños, que a menudo no requieren mecanizado adicional, en términos de velocidad y rentabilidad, la opción del hilo gana sin lugar a dudas.
La fabricación aditiva mediante arco e hilo (WAAM, acrónimo en inglés) se realiza colocando esferas progresivas de metal con control numérico informático para crear una forma. La versión alternativa utiliza un rayo láser o un haz de electrones como fuente de calor junto con polvo metálico, sinterización directa de metal por láser (o haz de electrones) (DMLS o DMEBS, respectivamente, acrónimos en inglés).
Veamos las características con un poco más de detalle.
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Since 3D printing was introduced over 30 years ago there have been a number of significant developments. Various melting techniques have been used to achieve this aim including electron beams and lasers. but one being most actively pursued currently is Wire and Arc Additive Manufacture (WAAM) using a GTAW (TIG) power source. To be specific, additive manufacturing is not the same as 3D printing!
The recent use of fusion welding as a deposition source has opened up wide ranging possibilities in manufacturing. The process is one in which metal is deposited layer-by-layer under computer control to form a three dimensional shape.
No longer is it necessary to keep an inventory of high value generic stock: parts can be customised and manufactured on demand. A recognition that components can be fabricated using WAAM technology has spawned a new industry to exploit a wide range of exciting opportunities.
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Nickel is the base metal in a wide range of alloys developed primarily to provide high temperature strength and excellent corrosion resistance. Common amongst these alloys is the Hastelloy series containing chromium and molybdenum. The primary applications are in the aerospace, power generation, petrochemical, offshore and automotive sectors.
Although few problems arise with the majority of welding applications, porosity can occur and as little as 0.025% nitrogen will form pores in the solidifying weld metal. Draughts can disrupt the gas shield and atmospheric contamination will occur resulting in porosity.
Care must therefore be taken to ensure that the weld area is sufficiently protected and this is particularly relevant in site welding applications. With the gas shielded processes, gas purity and the efficiency of the gas shield must be carefully controlled.
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The planned surge in new electricity power generation plant and refits across the world over the next two decades will provide outstanding opportunities for the fabrication sector. Recent innovative developments in welding equipment will support the drive towards the production of consistently better quality joints, many of which are in the safety critical class.
Over 300 nuclear reactors have been proposed of which 136 will be in China, 24 in the USA and 23 in Russia1. India’s massively delayed nuclear power programme will see a resurrection after Électricité de France (EDF), the world’s biggest electricity company, agreed build six nuclear plants in the country. The Indian Jaitapur project is expected to become the world’s biggest nuclear contract and one of the world’s largest nuclear sites. The 10,000 MW project will have six reactors of 1650 MW each.
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