Práctica 2: Cementación de Galgas Extensométricas ITESM Campus Monterrey, Departamento de Ingeniería Mecánica, Laboratorio de Mecánica de Materiales I NOMBRE MATRICULA GRUPO DE LAB PROFESOR INSTRUCTOR OBJETIVO El alumno conocerá el funcionamiento y aplicación de las galgas extensométricas. Cementar una galga extensométrica de tipo resistivo. FUNDAMENTOS La demanda siempre creciente para el mejoramiento en el diseño de maquinaria y estructuras llevó al desarrollo de varias técnicas experimentales para determinar los esfuerzos a los que éstos están sometidos. Estos métodos experimentales son utilizados para revisar las predicciones teóricas, y para evaluar esfuerzos en situaciones en donde resultan muy complicadas las aproximaciones matemáticas. Los medidores de deformación se pueden clasificar en cuatro clases de acuerdo a su construcción: Mecánicos, Opticos, Eléctricos y Acústicos. Algunas de las características que se buscan en la creación de estos aparatos son: 1. Ser capaces de medir con precisión los esfuerzos bajo condiciones estáticas y dinámicas. 2. Tamaño reducido, ligeros en peso y de espesor despreciable, para permitir su uso en lugares de difícil acceso. 3. Insensibles a los cambios de temperatura, vibración, humedad y otras condiciones ambientales. 4. De fácil instalación y operación. 5. Que proporcionen una señal amplia y lineal como respuesta a la deformación. 6. Adaptables a la observación y registro remotos. 7. Gran estabilidad e histéresis despreciable. 8. Económicos. 9. Seguros y exentos de fallas por envejecimiento y fatiga. Hasta ahora no se ha desarrollado un aparato para medir esfuerzos con todas las características que se desean, pero las galgas extensométricas de resistencia eléctrica están muy cerca de satisfacer todos estos requerimientos. Esta es la razón por la cual es el dispositivo más utilizado para el análisis de esfuerzos o como sensores en transductores diseñados para medir fuerza, par, presión y aceleración. Los tres aspectos básicos para la construcción y desarrollo de galgas de resistencia eléctrica son: 1 1. La resistencia de un conductor de sección constante cambia como una función de la deformación. 2. Cada material conductor tiene diferentes sensibilidades. 3. Se puede medir con mucha precisión el cambio de resistencia en un elemento conductor. La resistencia de un conductor de sección uniforme está dada por: L R=ρ A donde: R = Resistencia en Ohms (Ω). L = Longitud del conductor. A = Área transversal del conductor. ρ = Resistividad (propiedad del material, depende de la temperatura). Si un alambre recto se estira elásticamente, la longitud aumentará y la sección transversal se reducirá por el efecto de Poisson. De la ecuación se observa que ambos efectos son aditivos y causan que la resistencia aumente, permaneciendo la resistividad constante. El término “sensibilidad de elongación” sirve para expresar el cambio de resistencia de un conductor en relación con el cambio de longitud que lo causa, es decir: Sensibilidad de elongación = S A = ∆R / R ∆L / L La sensibilidad de elongación de un conductor metálico depende en gran parte de las características de la aleación en particular: trabajo en frío, nivel de impurezas en la aleación y el rango de deformaciones sobre el cual se mide. Tabla 1 Sensibilidad a la deformación SA de aleaciones comunes utilizadas en galgas extensométricas. ‡ Composición, SA Material % Advance o 45 Ni, 55 Cu 2.1 Constantan Nichrome V 80 Ni, 20 Cr 2.2 36 Ni, 8 Cr, Isoelastic 3.6 0.5 Mo, 55.5 Fe 74 Ni, 20 Cr, 3 Karma 2.0 Al, 3 Fe 70 Fe, 20 Cr, Armour D 2.0 10 Al Alloy 479 92 Pt, 8 W 4.1 ‡ Del libro Experimental Stress Analysis, 3rd Ed. James W. Dally, William F. Riley. McGraw Hill. Dado que la relación de Poisson es aproximadamente 0.3 para la mayoría de las aleaciones usadas como conductores para galgas, la sensibilidad de elongación será de 1.6 cuando sólo se considera el aspecto de cambios dimensionales del conductor. Esto significa que un incremento elástico de 0.1% de longitud producirá un incremento de 0.16% de resistencia. Figura 1. Galga extensométrica. La definición de Sensibilidad de elongación en una galga extensométrica se denomina factor de galga (Sg), y es proporcionado por el fabricante. 2 PROCEDIMIENTO. Tabla 2 Factor de galga Sg, Sensibilidad axial Sa, Sensibilidad transversal St, Factor de sensibilidad transversal Kt para diferentes tipos de galgas. †‡ Tipo de Sg Sa St Kt galga EA-060.038 2.13 2.14 1.8 015CK5 120 EA-060.024 2.02 2.03 1.2 030TU4 120 WK-060.004 1.98 1.98 0.2 030TU0 350 WK-061.96 1.96 0.009 -0.5 062DY350 8 EA-062.09 2.09 0.0 0.0 500AF120 † Datos proporcionados por Measurements Group, Inc. Los valores dependen del lote de material. ‡ Del libro Experimental Stress Analysis, 3rd Ed. James W. Dally, William F. Riley. McGraw Hill. En resumen, las galgas extensométricas pueden medir deformaciones unitarias, mediante los cambios de resistencia proporcionales a estás. Normalmente se colocan sobre la superficie libre del espécimen para medir el esfuerzo en ese punto particular. En general es necesario medir tres deformaciones en un punto para definir completamente los campos de esfuerzo y/o de deformación. La necesidad de determinar tres cantidades, para un mismo punto y al mismo tiempo, motivó el diseño y la construcción de las rosetas de galgas extensométricas. Las rosetas son arreglos de tres galgas que se montan simultáneamente sobre un punto de la superficie del material. 1. Limpieza del espécimen: Quitar toda la materia extraña (pintura, óxido, escoria, etc.) de la superficie del espécimen utilizando lijadora de disco, esmeril o lima. para dejar la superficie lisa pero no muy pulida. Se limpia la superficie de grasas saturadas con un solvente como acetona o alcohol. Se debe revisar si existe alguna especificación adicional de a cuerdo al adhesivo que se vaya a utilizar, como la temperatura de la superficie. Figura 2. Modelos de galgas extensométricas y rosetas. 2. Preparación de la superficie: Se moja una tira de lija de carburo de silicio (400) en acondicionador de metal y con ella se lija la superficie sin dejar secar la lija. Los residuos se eliminan con papel desechable en un sólo paso, en una sola dirección y sentido. Se repite la operación una vez más con otra lija de grado 400 y por último con otra lija de grado 600. Se marca la localización y orientación de la galga con lápiz 4H. Por último se hace una limpieza de la superficie utilizando neutralizador con los aplicadores de algodón y sin dejar secar el neutralizador, eliminar los residuos un sólo paso, en una sola dirección y sentido, utilizando papel desechable 3 3. 4. 5. 6. limpio. Esta operación se repite hasta que el aplicador de algodón quede limpio. Preparación de la galga: Colocar la galga cara arriba (lado brillante para arriba) en una superficie limpia utilizando alcohol o acetona. Aplicar cinta adhesiva sobre la galga, desprender cuidadosamente a una inclinación de 30° hacia el frente comenzando del lado contrario a las terminales de la galga y por último limpiar el reverso de la galga con un aplicador ligeramente humedecido con neutralizador. Colocación y de la galga: Colocar la galga en la posición ya marcada en el espécimen, auxiliándose de las guías de alineación, comenzando en un extremo de la cinta adhesiva. Levantar el ensamble de la galga, con una inclinación de 30° hacia el frente comenzando del lado contrario a las terminales de la galga dejando el otro extremo de la cinta pegada al espécimen. Aplicar una capa delgada de catalizador sobre el reverso de la galga y dejar secar. Cementado de la galga: Aplicar una gota de cemento al área de la galga sobre el espécimen, sosteniendo con una mano el extremo libre de la cinta, presionar el ensamble de la galga sobre el conjunto cinta - galga empezando por el extremo pegado de la cinta y usando un pedazo de papel desechable en un sólo sentido. Inmediatamente después, oprimir la galga firmemente para hacer contacto con la superficie usando el dedo pulgar. Mantener la presión por 1 minuto. Esperar por lo menos dos minutos antes de quitar la cinta de la galga en forma tangente hacia atrás, comenzando del lado contrario a las terminales. Revisar con la pica que los extremos de la galga estén perfectamente pegados al espécimen. Cableado de la galga: Preparar las terminales de la galga poniendo en cada una de ellas una gota de la soldadura utilizando fúndente. Estañar puntas de los cables en ambos extremos y colocarlo sobre cada terminal y soldar cuidadosamente. El proceso de soldado de los cables debe ser rápido para no dañar a la galga con el calor. Revisar continuidad en el circuito de la galga, limpiar con solvente y aplicar el poliuretano como capa protectora para la galga. Figura 3. Cementado de una galga extensométrica. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR • • • • • • • • • • Lija de Carburo de silicio (400 y 600) Acondicionador de metal Neutralizador Cemento M Bond 200 Catalizador Solvente Poliuretano (Gage coat) Galgas Cinta adhesiva Papel desechable • Cable • Pinzas • • Fúndente Cautín • • • Pica Tijeras Aplicadores de algodón Gasas Lápiz 4H • • 4