Desarrollo de una boquilla para el equipo de soldadura PTA (Plasma Transferred Arc) TBA-PTA 200 empleando técnicas de herramental rápido directo
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Español
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Resumen
Este trabajo presenta el desarrollo de una boquilla para un sistema de soldadura por arco de plasma transferido (PTA) mediante un proceso de rediseño guiado por ingeniería inversa, caracterización de material, diseño para manufactura aditiva (DfAM) y verificación funcional in silico. El estudio inició con un diagnóstico exhaustivo del diseño original de una boquilla sacada de servicio, empleando microscopía óptica y SEM–EDX, difracción de rayos X, mediciones de dureza y microdureza, y análisis geométrico de precisión. Estos resultados evidenciaron mecanismos de degradación dominados por oxidación localizada, erosión por impacto de partículas, agrietamiento por sobrecarga térmica y posible fragilización por migración de plata desde la unión soldada que junta los componentes del diseño original, demostrando que la pieza opera sistemáticamente por encima de sus límites termoquímicos de diseño y operación.
Con base en la metodología DfAM establecida en la norma ISO 52910 (International Organization for Standardization, 2018), se generaron alternativas de rediseño y se evaluó su viabilidad técnica, de material y de manufactura. Posteriormente, se realizó un análisis numérico térmico e hidráulico mediante simulaciones de transferencia de calor conjugada (CHT) implementadas en el software SimScale, considerando el flujo interno de refrigerante y el gas externo de protección. Se comparó la geometría original con dos configuraciones monolíticas propuestas: una que modifica ligeramente el canal convencional y otra que integra un canal optimizado con estructura celular (lattice) tipo giroide (gyroid).
Los resultados mostraron que la alternativa con estructura celular reduce significativamente la temperatura de las proximidades a la cara frontal, mejora la distribución térmica del cuerpo de la boquilla y mitiga los gradientes asociados a sobrecarga térmica, manteniendo una caída de presión aceptable. Se concluye que este diseño representa la solución más robusta y eficiente, por lo que constituye la base para una validación experimental futura. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
This work presents the development of a nozzle for a Plasma Transferred Arc (PTA) welding system through a redesign process guided by reverse engineering, material characterization, design for additive manufacturing (DfAM), and in-silico functional verification. The study began with an exhaustive diagnostic assessment of a service-worn nozzle, using optical microscopy and SEM–EDX, X-ray diffraction, hardness and microhardness testing, and high-precision geometric analysis. These evaluations revealed degradation mechanisms dominated by localized oxidation, particle-impact erosion, thermal overload cracking, and potential embrittlement due to silver migration from the brazed joint connecting the components of the original design. The findings demonstrate that the nozzle systematically operates beyond its thermo-chemical design and operating limits.
Following the DfAM methodology outlined in ISO 52910, several redesign alternatives were generated and assessed for technical feasibility, material suitability, and manufacturability. A coupled thermal–hydraulic numerical analysis was subsequently carried out using conjugate heat transfer (CHT) simulations in the SimScale software, accounting for both the internal coolant flow and the external shielding gas. The original geometry was compared with two proposed monolithic configurations: one featuring a slightly modified conventional channel and another incorporating an optimized cooling channel with a gyroid lattice structure.
The results showed that the lattice-enhanced alternative significantly reduces temperatures near the frontal face, improves thermal distribution across the nozzle body, and mitigates thermal-overload related gradients while maintaining an acceptable pressure drop. It is concluded that this design represents the most robust and efficient solution, forming a strong basis for future experimental validation.
Descripción
ilustraciones a color, diagramas, fotografías