Tecnologías
de unión

Recargue y reparación con aporte de material

La adición de material para fines de recargue y reparación es un procedimiento mediante el cual se añade un material fundido sobre una zona o superficie determinada de un material base o sustrato. En las aplicaciones de reparación el material de aporte suele ser similar al material base, mientras que en los procesos de recargue, se emplea un material diferente para dotar al sustrato de una mayor resistencia al desgaste y/o corrosión. En este último caso se busca la menor dilución del material de aporte con el material base con el objetivo de obtener una composición química diferenciada en el aporte.

En LORTEK se dispone de dos tecnologías para el recargue y reparación con aporte de material, una es el recargue láser o Laser Cladding (LC) y la otra en el recargue por arco eléctrico. El primero es un proceso de deposición de metal en el que se utiliza una fuente láser para generar un haz concentrado que funde el material, el cual es dosificado a través de un alimentador de polvo hacia la boquilla, y en el segundo caso un arco eléctrico controlado genera la energía necesaria para fundir el hilo de aporte. En ambos casos se logra la adición de material mediante el solape de cordones en una o varias capas sobre un sustrato plano o con geometría 3D, con una alta tasa de deposición (hasta 2.5 Kg/h para laser cladding, y hasta 4 Kg/h con arco eléctrico).

Estas tecnologías permiten la utilización de una amplia variedad de materiales comerciales en forma de polvo o hilo, de alta calidad, y de la mano de fabricantes de materia prima con los que LORTEK tiene alianzas, es posible obtener adecuadas propiedades mecánicas e incluso mejorar el comportamiento a desgaste y/o fatiga en un amplio rango de temperaturas de servicio y condiciones de operación complejas. Estos procesos permiten también la obtención de componentes multi-material o con composición gradual.

Una de las ventajas del láser cladding es que es posible controlar la densidad de energía aportada y el diámetro del haz láser, para controlar efectivamente el calor aportado por unidad de área y obtener aportes libre de defectos, con baja dilución y una baja afectación térmica del sustrato.

Por su parte, la tecnología de recargue por arco eléctrico es un proceso más económico debido al menor coste del material de aporte, de los equipos y la mayor tasa de deposición, aunque el nivel de dilución como las distorsiones y tensiones residuales son muy superiores a las que se consigue mediante láser cladding.

Con el recargue de material es posible extender la vida útil de componentes como troqueles, matrices y otras herramientas, y también se puede emplear para realizar reparaciones parciales en zonas localizadas de piezas de gran tamaño o de alto valor tanto durante su fabricación como durante operaciones de mantenimiento.

Dependiendo de la aplicación final es posible obtener propiedades mecánicas similares o mejoradas respecto a las del material base, todo ello con la adecuada selección del material de aporte, parámetros de proceso y ruta de fabricación. El conocimiento de LORTEK en materiales, caracterización avanzada, y proceso permite realizar un acompañamiento 360º para la implantación a nivel industrial de estos procesos, que combinados con las avanzadas técnicas de inspección no destructivas automáticas desarrolladas por LORTEK garantizan la calidad final del producto y del material aportado que brindan funcionalidades mejoradas en el componente.

En qué estamos trabajando actualmente

  • Procesado de nuevas aleaciones base Fe, Co o Ni para aplicaciones a alta temperatura y/o resistentes al desgaste y a la fatiga mecánica.
  • Reparación con aleaciones de difícil soldabilidad y con alta susceptibilidad al agrietamiento.
  • Monitorización y control del proceso que permitan la optimización del proceso de deposición en dos líneas de actuación: on-line y off-line.
  • Simulaciones numéricas para evolución de temperatura, distorsiones y tensiones residuales durante el proceso.
  • Desarrollo de procesos de reparación y recargue automatizados.
  • Industrialización de la tecnología y digitalización del proceso, en línea con la filosofía de la Industria 4.0
  • Estudio de comportamiento en servicio de piezas reparadas y recargadas.

Equipamiento específico

Para el recargue láser, LORTEK dispone de tres fuentes láser de estado sólido: láser de disco de 6kW, láser Nd-YAG de 3kW y un láser de fibra de 1kW, y dispone de una fuente de semiconductores: láser de diodos de 3kW. Este amplio rango de longitudes de onda y potencia permite procesar un amplio rango de materiales y emplear el láser más adecuado para una aplicación particular. También se dispone de diferentes cabezales con óptica fija y con óptica flotante, los cuales permiten variar el spot láser durante el proceso, además de incorporar puertos para cámara o sensores on-axis para sistemas de visión, la monitorización del baño fundido o para medición de la temperatura. El haz laser es guiado al cabezal por fibras ópticas de diferentes diámetros.

Para el aporte de polvo se dispone de alimentadores de polvo de dos tolvas calefactables y de dos tipos de boquillas: coaxial para polvo estándar, y boquillas three-jet con insertos de carburo para diferentes aplicaciones y grados de accesibilidad requeridos. Para la generación de trayectorias se dispone de diversos software CAM especializados para procesos de deposición directa, en los cuales es posible la virtualización de la cinemática, cabezal y boquillas y realizar simulaciones para evaluar accesibilidad, generar y optimizar trayectorias así como de tiempos de deposición.

  • Estación cinemática cartesiana de 3 ejes con posibilidad de un cuarto eje (plato rotatorio), compuesta de una mesa CNC (500x500x800 mm) con control Fagor 8070 habilitada con sistema de visión, adquisición de datos y conectividad remota.
  • Celda robotizada para recargue láser compuesta por un robot Fanuc ARC Mate 120iC indexado a un servo posicionador Fanuc de 2 ejes (mesa giratoria).

En cuanto al equipamiento de recargue por arco eléctrico, LORTEK dispone del siguiente equipamiento:

Fuentes de potencia de diferentes tecnologías de soldadura

  • MIG-MAG: Fronius TPSi y Fronius Transpuls (2) con diferentes curvas sinérgicas incluida CMT.
  • MIG-MAG: Fronius CMT TWIN.
  • TIG: EWM TigSpeed con opciones de alimentación de hilo frío, hilo caliente con y sin oscilación.
  • Plasma: SBI con alimentación automática de hilo.

Células robotizadas

  • KUKA KR16 de 6 ejes.
  • 1 FANUC Arcmate 120iC de 6 ejes.
  • 1 FANUC Arcmate 120iC de 6 ejes y 2 ejes externo adicionales.
  • 1 ABB de 8 ejes.

CAD/CAM software

  • SKM DCAM.
  • Autodesk PowerMill Additive.

Software para predicción y control de distorsiones

  • Abaqus.
  • Algoritmos propios basados en FEM.

Equipamiento para inspección de piezas

  • Ultrasonidos.
  • Termografía.
  • Colaboración con 3ros para otros ensayos: metrología, rayos X y tomografía computerizada.
  • Sistemas de escaneado láser y luz estructurada para digitalización y análisis metrológico.
  • Banco de ensayos Varestraint para estudio de la susceptibilidad al agrietamiento en caliente de materiales base y metales de aporte.

Publicaciones
y descargas

Publicaciones

García de la Yedra, A, Pfleger, M, Aramendi, B, et al.
Online cracking detection by means of optical techniques in laser‐cladding process.
Struct Control Health Monit. 2019; 26:e2291. ISSN:1545-2263.

J.C. Pereira, J.C. Zambrano, E. Rayón, A. Yañez, V. Amigó.
Mechanical and microstructural characterization of MCrAlY coatings produced by laser cladding: The influence of the Ni, Co and Al content.
Surface & Coatings Technology, 2018 (338) 22-31. ISSN 0257-8972.

J.C. Zambrano, B. Carcel, J. C. Pereira, V. Amigó
TiAl laser cladding coatings on Ti6Al4V: Tribological characterization.
Rev. LatinAm. Metal. Mater. 2016; 36(1) 45-53. ISSN 0255-6952.

J.C. Pereira, J.C. Zambrano, M.J. Tobar, M.P. Licausi, V. Amigó.
Tribology and high temperature friction wear behaviour of MCrAlY laser cladding coatings on stainless steel, Wear
2015 (330) 280-287. ISSN 0043-1648.

J.C. Pereira, J.C. Zambrano, M.J. Tobar, A. Yañez, V. Amigó.
High temperature oxidation behavior of laser cladding MCrAlY coatings on austenitic stainless steel.
Surface & Coatings Technology, 2015 (270) 243-248. ISSN 0257-8972.
2018
Alvarez, P., Vázquez, L., García-Riesco, P. M., Rodríguez, P. P., Magaña, A., & Santos, F.
A Simplified Varestraint Test for Analyzing Weldability of Fe-Ni Based Superalloys. In Proceedings of the 9th International Symposium on Superalloy 718 & Derivatives: Energy, Aerospace, and Industrial Applications (pp. 849-865). Springer, Cham.
2019
Alvarez, P., Mancisidor, A. M., & Zubiri, F.
Ventajas de la tecnología de recargue láser. Soldadura y tecnologías de unión, 30(158), 22-28.
2019
Alvarez, P., Vázquez, L., Ruiz, N., Rodríguez, P., Magaña, A., Niklas, A., & Santos, F.
A Simplified Varestraint Test for Analyzing Weldability of Fe-Ni Based Superalloys. In Proceedings of the 9th International Symposium on Superalloy 718 & Derivatives: Energy, Aerospace, and Industrial Applications (pp. 849-865). Springer, Cham.

Casos de éxito

Prolongar la vida de herramientas de estampación en frío

Desafío

Prolongar la vida de herramientas de estampación en frío.

Solución

Plaqueado láser con materiales resistentes al desgaste por abrasión.

Partners o alianzas estratégicas

CIE Legazpi.

Prolongar la vida de matrices de forja

Desafío

Prolongar la vida de matrices de forja.

Solución

Plaqueado láser con materiales resistentes al desgaste y fatiga mecánica a elevada temperatura.

Partners o alianzas estratégicas

Alcorta y otros.

Automatización de proceso de reparación de piezas fundidas

Desafío

Automatización de proceso de reparación de piezas fundidas.

Solución

Desarrollo de instalación de soldadura al arco robotizada con soluciones para la soldadura automática.

Partners o alianzas estratégicas

AMPO S.COOP., SKM.

Reparación de piezas aeronáuticas de difícil soldabilidad

Desafío

Reparación de piezas aeronáuticas de difícil soldabilidad.

Solución

Comparativa de procesos de aportación mediante láser y arco eléctrico, selección de metales de aporte.

Partners o alianzas estratégicas

ITP, EIPC.

Reparación de piezas de piezas fundidas para aplicaciones de ferrocarril

Desafío

Reparación de piezas de piezas fundidas para aplicaciones de ferrocarril.

Solución

Desarrollo de proceso de aporte por arco eléctrico.

Partners o alianzas estratégicas

CAF, ESTANDA.

Retos

Desafíos que hay que afrontar en los próximos años:

Digitalización del proceso.
Implementación de estrategias de monitorización y control en entornos industriales.
Desarrollo de un modelo, interno o colaborativo, para el testeo de productos obtenidos en condiciones de servicio real.

Dr. Juan Carlos Pereira

Investigador Referente en Fabricación Aditiva LMD y Laser Cladding.

Es autor de más de 14 publicaciones arbitradas, la mayoría de ellas en revistas de alto impacto (Scopus, SCR-JCR) en los últimos 5 años. Tiene varias presentaciones en congresos nacionales e internacionales relacionados con el desarrollo y caracterización de recubrimientos láser MCrAlY para aplicaciones de alta temperatura, y también con el desarrollo de procesos de fabricación aditiva basados ​​en láser como el LMD y SLM. Trabaja en LORTEK desde 2017. Anteriormente, trabajó como investigador en el Instituto de Tecnología de Materiales (ITM, Valencia - España) y como Profesor e Investigador en el Departamento de Materiales y Procesos de Fabricación de la Facultad de Ingeniería (UC, Valencia - Venezuela). Actualmente trabaja en el grupo de Fabricación Aditiva Basada ​​en Láser en LORTEK participando en diferentes proyectos de I+D europeos, nacionales y regionales. Jefe de proyecto en HYPROCELL (H2020-FoF13-2016) y soporte técnico en el proyecto AMABLE (H2020-FoF12-2017-ICT I4MS).