LA TECNICA DEL FREEZE PLUG

Procedimiento estándar de reparación de agujeros

El proceso “freeze plug” es un procedimiento estándar de reparación de agujeros mediante la instalación de tapones metálicos. Es una técnica que podemos realizar tanto en la estructura metálica como en la estructura compuesta, la compañía Boeing la referencia en sus practicas estándar como aplicable para material de aleación de aluminio con un espesor mínimo de 0,063 pulgadas (1,60 mm).

Un freeze plug se puede utilizar para reparar daños por perforaciones deterioradas o mal logradas en la estructura de aluminio, debido a que el freeze plug al ser instalado con interferencia dentro de un agujero, transmitirá cargas de compresión, lo que es mas beneficioso que un tapón sin interferencia o un agujero abierto. La compresión, como la tensión que se resiste a una fuerza de aplastamiento, tiende a acortar o encoger o las piezas de los aviones. La resistencia a la compresión de un material se mide en psi. Bajo una carga de compresión, un miembro sin perforar es más fuerte que un miembro idéntico con agujeros perforados a través de ella. Sin embargo, si un tapón de material equivalente o más fuerte se instala con interferencia en un miembro perforado, las transferencias de cargas de compresión a través del agujero y el miembro lo lleva aproximadamente al tamaño de una carga, como si el agujero no existiera.

Freeze plug en su traducción literal, sería algo como tapón congelado, haciendo referencia a la manera en que generalmente es instalado, es decir, aplicando baja temperatura al tapón para reducir su tamaño y permitir su acople. Sin embargo no es la única forma posible de instalación, a continuación se resumen las técnicas de ensamblaje por adherencia aplicables a esta técnica:

• Ensamblaje por presión

De una implementación muy simple, salvo que presenta el inconveniente de provocar un cambio en las superficies de contacto, por ralladura de la superficie menos dura. Este deterioro puede lesionar el apriete previsto y disminuir la preciada calidad de la adherencia.  se incluye el ensamble por remachado. No puede ser aplicado a algunas formas de piezas o a partes delicadas.  

• Ensamblaje por dilatación

Es posible a través de la introducción de la parte macho en la abertura de la pieza externa, dilatada previamente por calentamiento.  No puede ser llevada a cabo cuando el requisito de temperatura amenaza con alterar la estructura metálica, la superficie o la forma de la pieza.

• Ensamblaje y desensambe por contracción en frío
  

Este proceso, usado desde hace varios años para las más variadas aplicaciones, consiste, al contrario que el anterior método, en el enfriamiento de la pieza macho, cuya momentánea contracción permite su introducción, con cierto grado de holgura, en la pieza hembra. Cuando ambas piezas vuelven a temperatura ambiente, se obtiene el ensamblado adecuado. Es obvio que el cálculo del "apriete" debe tomar en cuenta las restricciones que sufrirán las piezas sin sobrepasar tasas de fatiga aceptables.

La contracción es lograda por la simple inmersión en N2 líquido, cuya muy baja temperatura (- 196 °C) permite un enfriamiento remarcable. La operación inversa o desensamble es posible en varios casos. Permite desmontar las piezas de un ensamblaje sin alterar o destruir una de ellas. Esta técnica es usada cada vez con mayor frecuencia para operaciones de mantenimiento.

TÉCNICAS DE CONTRACCIÓN POR NITRÓGENO LÍQUIDO: Los equipos requeridos para la implementación de la contracción en frío con N2 líquido no son muy complejos. El contenido de los contenedores del líquido es vaciado progresivamente en el recipiente destinado para la operación. Una ebullición importante del N2 líquido ocurre al inicio del enfriamiento del metal, y continua así mientras el éste no alcance la temperatura del baño (- 196 °C). Cuando la ebullición se detiene y la superficie del baño no presenta burbujeo, la pieza ha sido enfriada completamente y se encuentra lista para el ensamblaje. Cuando se requiere realizar varios montajes en serie, el enfriamiento puede ser hecho en contenedores con aislamiento especial. 

Es importante que el recipiente en contacto directo con el N2 líquido sea compatible con las bajas temperaturas (-196º C) a las cuales se verá expuesto durante la operación.

El ensamblado por contracción en frío con nitrógeno líquido es:

1. una operación simple, práctica, económica y segura
   
2. independiente de la importancia del equipo a montar
   
3. permite abordar una amplia gama de montajes
   
4. es aplicable tanto en montajes unitarios como montajes
   
5. evita el deterioro de las superficies, eliminando los daños
   
6. evita el esfuerzo en las piezas, permitiendo realizar montajes delicados
   
7. evita el calentamiento de las piezas
   
8. mantiene la calidad del mecanizado
   
9. no requiere de grandes inversiones y está particularmente adaptada a operaciones unitarias

• Contracción en frío utilizando anhídrido carbónico (CO2)
  

Para el caso de piezas delicadas o sensibles a las temperaturas extremas entregadas por el nitrógeno líquido (- 196 °C), tales como rodamientos de equipos mineros, existe la alternativa del uso de nieve carbónica, que por su temperatura (-80ºC) permite un enfriamiento más seguro de piezas importantes en los procesos de mantenimiento. 

La operación inversa o desensamble es posible en varios casos. Permite desmontar las piezas de un ensamblaje sin alterar o destruir una de ellas. Esta técnica es usada cada vez con mayor frecuencia para operaciones de mantenimiento.

MARGEN DE BORDE:

Para definir el margen del borde y el diámetro de la instalación de  freeze plug, utilice el diámetro del agujero del  freeze plug y no el diámetro del orificio de fijación a través del  freeze plug.

TENGA EN CUENTA que algunos fabricantes recomiendan:

1. Un Máximo 5 freeze plugs en una parte.
2. El diámetro del Freeze Plug debe ser igual o menor de 10 veces el espesor de la placa.
3. Un Freeze no se debe superponer en diferentes materiales.
4. Mantenga una distancia Mínima de 0.08" de material entre el avellanado ("csk") de un sujetador y el "csk" del tapón (Si el freeze plug es csk.).
5. Se requieren inspecciones recurrentes después de reparaciones con la técnica de Freeze Plug. 

Para ambos casos siga el siguiente proceso:

1. Utilice el diámetro mas pequeño de broca y rima como sea posible para eliminar el daño.
2. Quite las muescas, arañazos, rebabas y bordes afilados del orificio del Freeze Plug.
3. Asegúrese de que el Freeze Plug tendrá un espesor mínimo de pared de 0,05 pulgadas cuando se perfora el orificio de sujeción a través de él.
4. Mida el diámetro del orificio del Freeze Plug  con una exactitud de 4 posiciones decimales (.XXXX). La tolerancia de forma cilíndrica en el orificio del Freeze Plug debe ser de 0.0003 pulgadas.
5. El acabado de la superficie (RUGOSIDAD) del orificio del Freeze Plug debe ser 63 micropulgadas Ra o más suave.
6. Mida el espesor de la estructura de aluminio dañado con una exactitud de 3 posiciones decimales (.XXX).
7. El diámetro del freeze plug debe ser 1,0035 a 1,0040 veces más grande que el diámetro de el agujero. Por ejemplo, si el agujero tiene un diámetro de 0,4500 pulgadas, entonces el diámetro freeze plug debe ser 0.4516 / 0.4518 pulgadas.
8. El material del freeze plug es por lo general de AA 7075-T6 con una tolerancia de cilindricidad de 0,0002 pulgadas.
9. Para los freeze plugs en más de un elemento estructural, achaflanar los bordes de acoplamiento de freeze plugs a 45 ° x 0,003 / 0,006 pulgadas.
10. El espesor del freeze plug debe ser igual o mayor que el espesor del material que se mide. Perforar un agujero piloto a través del centro del freeze plug, si se va a instalar un sujetador.
11. En la estructura gruesa, aplicar BMS 5-95 sellador a los bordes del agujero para ayudar a la instalación de freeze plug. Instale el freeze plug a ras con una tolerancia de + 0,003 / -0,000 pulgadas. Microdesbaste  (Quitar las asperezas o partes más bastas y sobresaliente de un material ) si es necesario.
12. Para los freeze plug en más de un elemento estructural, la superficie de contacto del freeze plug debe estar con una tolerancia de 0.003 pulgadas o menos por encima o por debajo de la superficie de la estructura de apareamiento.
13. Aplicar un acabado a las superficies desnudas del freeze plug igual al acabado de la estructura adyacente.
14. Instalar el dispositivo de fijación a través del freeze plug y la estructura que se une.
15. Para la Instalación de Freeze Plug avellanado NOTA: La profundidad de avellanado del freeze plug no debe ser mayor que 50 por ciento del espesor de la estructura de aluminio.
16. PRECAUCIÓN: AVELLANADO freeze plug puede ser inaceptable en ciertas situaciones. Hacer un avellanado 100° en la estructura de modo que el diámetro del avellanado sea el mismo que el diámetro del avellanado del freeze plug.

PREGUNTA ¿Un freeze Plug tiene que instalarse concéntrico al agujero (es decir, el espesor de pared igual en todos los lados)?

RESPUESTA: Los freeze plug no tienen que ser concéntricos. La decisión de cómo diseñar su reparación es dictada por la función de la pieza. Si usted tiene partes intercambiables / reemplazables donde usted tiene que coincidir con un patrón de fijación, se debe hacer el freeze plug tan grande como sea requerido para mantener un espesor de pared mínimo de 0.050". Esto usualmente resulta en una instalación excéntrica, a menos que se haga un buje REALMENTE grande. (por ejemplo, pensando en una reparación de un agujero de doble perforado. "OCHOS".)

Una condición concéntrica es más deseable ya que no hay cargas excéntricas que tiendan a hacer girar el tapón.

PREGUNTA: ¿Cual es el espesor mínimo (en teoría) del material para poder instalar un freeze plug?.

RESPUESTA: En algunos documentos se especifica como t.mínimo= 0,063 pulgadas (ESTE VALOR ES EL REFERENTE USADO POR BOEING) y en  algunos otros se dice que mínimo t= 0,040 pulgadas. Lo que es de consenso, es que en espesores entre 0.040” y 0.063” existe una alta probabilidad de que el tapón se afloje y que por debajo de 0.040” es impráctico debido a que la presión ejercida por el tapón deforma la estructura. Sin embargo se podrían instalar remaches sólidos cuyo diámetro debe concordar con el espesor de material.

Cuando el freeze plug se afloja y no se puede contener (mantener en posición) entre dos partes, se recomienda el uso de cintas “straps”, arandelas para sujetar el freeze plug a la estructura. Instale las arandelas y los straps con sellador entre las superficies de contacto. (Boeing recomienda usar el producto BMS 5-95).

Todas las reparaciones deben ser evaluadas por su efecto sobre la condición estructural original. Por ejemplo, si el agujero cambia el CG del patrón de fijación, se debe realizar un análisis para evaluar su impacto. sin embargo, este tipo de cambios son casi siempre insignificantes.

Algunos suplementos o  “shims” se pueden utilizar temporalmente entre los miembros estructurales para asegurarse de que los freeze plugs se instalan a ras. Retire los shims después de instalar el freeze plug.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BOEING AIRCRAFT SRM STANDAR PRACTICES.

Air Liquide en Argentina

http://www.ar.airliquide.com/