SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SOLDADURA …“N MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES DIVISIÓN DE...
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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SOLDADURA SMAW EN PIEZAS DE ACERO AL CARBONO MEDIA ALEACIÓN (AISI 4140) POR MISAEL HERNÁNDEZ BRITO MONOGRAFÍA EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL SALTILLO, COAHUILA. 2008
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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SOLDADURA SMAW EN PIEZAS DEACERO AL CARBONO MEDIA ALEACIÓN (AISI 4140)
POR
MISAEL HERNÁNDEZ BRITO
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA. 2008
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POST-GRADO
SIMULACIÓN DEL PROCESO DE SOLDADURA SMAW EN PIEZAS DEACERO AL CARBONO MEDIA ALEACIÓN (AISI 4140)
POR
MISAEL HERNÁNDEZ BRITO
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍADE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO, COAHUILA FEBRERO 2008
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A. de C.V.
Gerencia del desarrollo del factor humano
División de estudios de postgrado
Los miembros del comité tutorial recomendamos que la monografía SIMULACIÓN DEL
PROCESO DE SOLDADURA SMAW EN PIEZAS DE ACERO AL CARBONO MEDIA
ALEACIÓN (AISI 4140) realizada por el alumno Misael Hernández Brito matricula: 06-
ES040, sea aceptada para su defensa como especialista en tecnología de la soldadura
industrial.
Ing. RobertoTutor en plá
El Co/nijé Tutorial
Dr. y^éjandcó Garza GómezTutorAcadémico
Dra. An
ález Rodríguez
osgrado
mendi MorquechoAsesor
AGRADECIMIENTO.
Agradezco a dios por darme salud y el tiempo de vida para cumplir una meta más en
este proyecto de vida.
Agradezco a mi hijo por comprenderme, por la limitada convivencia que tuve con él.
A COMIMSA por brindarme la oportunidad de realizar esta especialización.
A la M.C Claudia A. González Rodríguez por sus comentarios y motivación.
A la Dra. Ana María Arizmendi Morquecho por compartir conmigo sus conocimientos y
su paciencia.
A la psicóloga Rocío Guzmán Aztrain por su apoyo incondicional, su paciencia, y sus
consejos que me han dado fortaleza.
A todas las personas que me apoyaron directa e indirectamente para la terminación de
esta monografía.
capítulos índice paginas
1 Síntesis 2
2 Introducción 2 a 3
3 Objetivo general 4
4 Alcance
5 Justificación
6 Impacto -¡
7 Revisión de la literatura 8 a 47
7.1 Pam-Assembly g
7.1.1 Construcción de la malla oag
7.1.2 Definición de los nodos en el diseño del modelo g
7.1.3 Detección automática de los defectos g
7.1.4 Tack welds (sujeción de la soldadura) g
7.1.5 efectos producidos por el caloren la soldadura 9 a 10
7.1.6 Características generales del Pam-assembly 10
7.1.7 Ventajas del software Pam-ssembly ^
7.1.8 limitantes del software Pam-assembly -^
7.2 Método de elemento Finito (MEF) 12 a 13
7.2.1 Definición de la geometría ^
7.2.2 Especificación del régimen a estudiar -^
7.2.3 Asignación de las propiedades físicas de los materiales 13
7.2.4 Asignación de las condiciones de contorno ^
7.2.5 Aplicación de las cargas 14
7.2.6 Mallado de la geometría 14
7.2.7 Resolución del problema 14a 15
7.2.8 Análisis de lasolución 15a 17
5
6
7.2.9 características de la simulación por elemento finito'
7.2.10 Ventajas del uso de elementos finitos
7.2.11 Limitantes del elemento finito
7.3 Virtual - are
7.3.1 Funcionamiento del software
7.3.2 Elaboración del proceso
7.3.3 Ventajas del software virtual-arc
7.3.4 Desventajas
7.4 Software Sysweld
7.4.1 proceso de simulación en los diferentes tipos de materiales
7.4.2 Geometría y mallado
7.4.3 Conducción de calor en la pieza de trabajo
7.4.4 Transferencia de calor de la antorcha a la pieza de trabajo
7.4.5 Cambios en la micro estructura que se considera en una simulación
7.4.6 condiciones a considerar en la simulación de los Aceros
7.4.7 Re cristalización
7.4.8 Modelo estructural
7.4.9 Cambios en los acero
7.4.10 The welding advisor (ventajas y desventajas del software)
7.4.11 solución automática.
7.4.12 post proceso y multí-fisica
7.4.13 ventajas del software sysweld
7.4.14 limitantes software sysweld
información requerida para el mmodelo metalúrgico de simulación en aleacionesAISI 4140 por el proceso SMAW
8.1 Proceso de soldaudra SMAW
8.2 electrodos y su fabricación
17 a 18
18
19
19 a 20
20 a 21
21 a 21
22
22 a 23
24
24
24 a 25
25 a 26
26 a 27
28
28 a 33
33 a 34
35
35 a 39
40
41 a 42
42 a 43
43 a 46
46 a 47
48
49
49 a 51
8.3 revestimiento 51 a 54
8.4 características y propiedades de los electrodos - 54
8.4.1 electrodosácidos 55 a 5g
8.4.2 electrodoscelulósicos ^g a 57
8.4.3 electrodosde rutilo 5g a ^g
8.4.4 electros básicos 5g a g2
8.5 selección del tipo de corriente g2 a 64
8.6 aleacionesAISI 4140 65
8.6.1 Efectos de los elementos de aleación 65 66
8.6.2 presentación y suministro
8.6.3 aplicación y suministro
8.6.4 propiedades físicas gg
8.6.5 propiedades tecnológicas g7
8.6.6 propíedes mecánicas, térmicas, y eléctricas. 67 a 6g
8.6.7 propiedades de templabílidad. gg
8.6.8 temperaturas de tratamientos térmicos gg
8.6.9 análisis del acero tratado térmicamente 69a 72
8.6.10 determinación de tamaño de grano austenitico original. 72 a 73
8.6.11 curvas S-N 73
8.7 características del acero cuando es retirado del servicio pordefectos 74
8.7.1 temple 75 a 82
8.7.2 precipitación de carburos g2 a g5
8.7.3 recuperación y recristalízacion gg a g3
9.1 Efectos relacionados con el proceso de soldadura 94a 95
9.2 Efectos indeseables del ciclo térmico de soldadura g5
9.2.1 tenciones residuales y/o distorsión 96a 101
66
66
9.2.2 Modificación de la microestructura
9.2.3 absorción de gases por la soldadura
10 conclusione
11 referencias
12 lista de figuras
13 lista de tablas
101 a 102
102 a 104
105
106 a 107
108 a 110
111
1.
SÍNTESIS
Las aleaciones (AISI 4140) cromo-molibdeno son ampliamente usadas
para la manufactura de componentes de bombas de lodos, árboles detrasmisiones, engranes, pernos, acoplamientos de ejes, piñones, ejes de
maquinaria hidráulica, barras de perforación, collarines de perforación, ydiferentes herramientas. Con frecuencia estos componentes sufren desgaste
y deterioro durante el tiempo de servicio, lo cual los deshabilita en ciclos de
vida muy cortos. Con el objetivo de reducir gastos en este tipo de
operaciones, es conveniente la restauración mediante procesos de soldaduracomo es el caso del proceso por arco de electrodo revestido (SMAW).
En estos procesos de soldadura una herramienta muy importante que se
puede utilizar son los software de simulación con lo cual se pretende diseñar
la soldadura vía una computadora para minimizar o controlar la distorsión
significativamente y de esta manera reducir los costos de fabricación.Además controlando los esfuerzos residuales se puede significativamente
incrementar la vida de servicio de estos componentes.
Entre los principales software de simulación en procesos de soldadura se
encuentran Sysweld, Pam-assembly y VirtualArc. En este trabajo se
presenta una revisión de la literatura de las principales características de los
softwares de simulación utilizados en los procesos de soldadura y los
requerimientos metalúrgicos más importantes para llevar a cabo una
simulación.
1
2.
INTRODUCCIÓN
El proceso de soldadura ha desempeñado siempre un papel importante
en la producción industrial especialmente en la automotriz, marítima, y
aeroespacial. A pesar de las ventajas de los procesos de soldadura, se
tienen que tener en cuenta algunas desventajas como son: expansiones y
contracción térmica, transformaciones de fases microestructurales, tensiones
y distorsiones, inclusión de gases etc., los cuales permiten una oportunidad
para los propósitos de la simulación.
Los procesos de soldadura suponen una serie de pasos, que
progresivamente acercan a una solución, a lo largo de este proceso es
necesario trabajar con información, analizarla y tomar decisiones. Así mismo
hay métodos que buscan reducir el tiempo del proceso en una fase
determinada.
La simulación permitirá a los ingenieros controlar y optimizar los procesos
de soldadura, los tratamientos térmicos, reducir tiempo y costo con respecto
a la experimentación de prueba y error y por lo tanto, generar un mínimo de
prototipos físicos.
Es necesario decir que en algunos casos estos métodos y técnicas no
son una herramienta exclusiva de la industria ya que están disponibles para
el uso de soluciones a problemas relacionados con la soldadura en las
diferentes áreas.
El grado AISI 4140 al cromo-molibdeno son aceros de medio carbono con
alta durabilidad y buena resistencia al impacto, el problema es que al estar
en operación se generan daños superficiales tales como corrosión, erosión,
agrietamiento, fracturas y pérdida de material debido al contacto con el
medio al cual están sometidos. La Figura 1, muestra los tipos de defectos
(porosidades y desgaste superficiales) que se presentan durante el servicio
de componentes industriales. Dichos defectos se pueden restaurar mediante
procesos de soldadura para rehabilitar la pieza.
El material AISI 4140 es difícil de soldar en condiciones normales, por tal
motivo estos componentes necesitan ser retirados de operación, además de
ser susceptibles al agrietamiento por la aplicación de la soldadura en frío.
Figura 1. Porosidades y desgaste producidos por la corrosión en
componentes AISI 4140 al cromo-molibdeno.
3.
OBJETIVO
El objetivo general de este trabajo es llevar a cabo una revisión de los
diferentes softwares para simulación de uniones soldadas y seleccionar uno
de ellos que sea factible para usarse en los diferentes procesos de soldadura
empleados en la industria. Este trabajo estará enfocado en aleaciones
cromo-molibdeno AISI 4140, donde se involucran fenómenos relacionados
con distorsiones, esfuerzos y predicción de fases presentes en la
microestructura.
4.
ALCANCE
El alcance de este trabajo es determinar de la revisión bibliográfica, la
información necesaria que requiere un modelo metalúrgico para su utilización
en un software de simulación de procesos de soldadura, que de acuerdo a
sus ventajas y características sea el apropiado para su aplicación en la
reparación de componentes de aceros media aleación AISI 4140 a través
del proceso SMAW.
5.
JUSTIFICACIÓN
Como ya se mencionó anteriormente los procesos de soldadura son de
gran importancia en la industria, a menudo el diseño inicial de partes requiere
de revisiones debido a que ocurren cambios en la forma o desempeño de un
componente cuando éste es soldado, ya que la estructura metalúrgica se
modifica durante el proceso. Estos re-trabajos resultan muy costosos, puesto
que ocurren en etapas avanzadas del ciclo de desarrollo de un producto, por
lo tanto para evitar esto, ahora es posible anticiparse a efectos no deseables
de los procesos desde la etapa de diseño, empleando la simulación
numérica.
La simulación proporcionará información instantánea del proceso para la
evaluación de:
• Temperaturas
• Transferencia de calor y enfriamiento
• Microestructura del material (fases)
• Distorsiones
• Esfuerzos residuales
Lo que redituará principalmente en disminución de costos en el proceso.
6.
IMPACTO ESPERADO
Minimizar las distorsiones: esto nos permitirá predecir las distorsiones y
definir mejor la secuencia de pases de soldadura lo cual permite incrementar
la calidad de los productos y reducir los costos por ajustes posteriores.
Uniformizar esfuerzos residuales: la finalidad es minimizar el gradiente
térmico y tener una distribución uniforme de los esfuerzos residuales
resultantes del proceso de soldadura.
Conocimiento de los procesos de soldadura: nos ayudará a definir la
mejor secuencia de soldadura así como a controlar los parámetros del
proceso; logrando con esto la optimización en la producción y la reducción de
costos del proceso.
7.
REVISIÓN DE LITERATURA
En este capítulo se presenta una revisión de los softwares de simulación
utilizados para procesos de soldadura.
tu7.1 Pam-Assembly
Es una herramienta que aporta soluciones a los problemas encontrados
en los procesos de soldadura, en general el propósito de esta herramienta es
calcular los desplazamientos en cada paso de una secuencia de soldadura,
por lo tanto permite optimizar, comparar, y finalmente seleccionar la posible
solución a la secuencia de soldadura. El proceso consiste en aplicar los
efectos ocasionados por la soldadura en un diseño experimental y así elegir
un método más eficiente para el diseño de elementos estructurales.
7.1.1 Construcción de la malla
Para esta aplicación la construcción de la malla tiene que estar detallada,
esta debe incluir la posición de la soldadura, la trayectoria, los espesores y
las dimensiones de los elementos en 3D. Para la construcción de la malla se
recurre a la utilización de otro software complementario llamado Visual-mesh,
donde se considerarán los elementos que estarán involucrados en el
proceso. Antes de asignar el espesor a las variables (juntas y componentes)
pueden ser revisadas con una herramienta denominada "data check", la cual
analiza cada posición de la junta y los componentes que la constituyen, esta
opción reduce significativamente el tiempo requerido para la construcción del
modelo especialmente para modelos de gran tamaño.
7.1.2 Definición de los nodos en el diseño del modelo
Los nodos que se hayan presentes en la trayectoria del cordón de
soldadura, definen la soldadura usada a lo largo de la junta, la cual
simbolizará la trayectoria de la soldadura y definirá una conexión en el metal
base y el metal de aporte. Si se requieren hacer correcciones se podrá
cambiar la posición de los nodos directamente, al igual que la separación de
la junta y además modificar la dirección del cordón de la soldadura.
7.1.3 Detección automática de los defectos
El programa detecta automáticamente los defectos del offset en la trayectoria
de la soldadura, y los resultados pueden ser revisados y se pueden aplicar
correcciones manuales si es necesario antes de correr la simulación.
7.1.4 Tack welds (sujeción de la soldadura)
Se pueden definir las posiciones de las sujeciones de la soldadura y el
número de sujeciones que se necesitan aplicar a una trayectoria de
soldadura, así también se pueden definir las posiciones de las sujeciones y
su longitud a lo largo de la trayectoria, al igual que la distancia entre las
diferentes sujeciones. Si la longitud de la sujeción no está definida, se aplica
un valor promedio del valor de identidad de los elementos medidos con la
definición de la trayectoria.
7.1.5 Efectos producidos por el calor en la soldadura
Los efectos producidos por el calor en la soldadura son calculados
separadamente de los demás cálculos efectuados. Se pueden desarrollar los
cálculos que se requieran, transfiriendo las fuerzas internas de los modelos
locales de la base de datos del modelo global. En el cálculo de la secuencia
hay una gran variedad de opciones disponibles que son llamados de
precisión. Si la selección es buena entonces la exactitud del cálculo en el
elemento soldado es remplazada en el modelo global.
7.1.6 Características generales del Pam-Assembly
Pam-Assembly no necesita conocimientos técnicos de análisis por
elemento finito, ya que ofrece una metodología sencilla. Los procesos de
soldadura se simulan sobre un modelo "local", que representa la física
completa de la soldadura, con el fin de evaluar las fuerzas internas
generadas por la junta soldada. Estos resultados se almacenan en una base
de datos de modelos locales. La primera etapa de modelación de un
ensamblaje a soldar. Consiste en escoger la configuración de la junta a
soldar en la base de datos de modelos locales. La segunda etapa se dedica
a generar el modelo global, a partir de los diferentes componentes a
ensamblar, o al soldar el software calcula la deformación generada por el
proceso de soldadura.
La última etapa corresponde a un análisis rápido y preciso de las
deformaciones residuales con el fin de optimizar la operación de soldadura.
En la Figura 2 se muestra esquemáticamente el diagrama de flujo para la
simulación con el software Pam-Assembly.
El software facilita la evaluación, el control y la optimización de la
deformación y los esfuerzos residuales debidos a los proceso de soldadura.
Unos de los procesos de soldadura que se pueden simular a través de este
software son: soldadura en una sola pasada, pasadas múltiples, soldadura
por puntos y soldadura por fricción.
10
Pre-desarrollo
Producción del desarrollo
Conceptode
fabricación
Simulación de la
soldadura
soldadura
simulaciónComponentesde la prueba
rvPrueba de simulación
y optimización
material
prototipo
Figura 2. Diagrama de flujo de Pam-Assembly. [2]
7.1.7 Ventajas del software Pam-Assembly
Entre las principales ventajas de este software se pueden mencionar
Modificación del modelo maestro
• Detección automática de los defectos
• Tack welds (sujeción de la soldadura)
• Construcción de la malla
• Cálculo de los efectos producidos por el calor en la soldadura
7.1.8 Limitante del software Pam-Assembly
Una de las principales limitantes de este software es que solo simula
sobre un modelo local, además que solo puede evaluar distorsiones y
esfuerzos residuales.
11
[2]7.2 Método de Elemento Finito (MEF)
El método de análisis por elementos finitos (MEF) consiste en el empleo
de métodos numéricos en la resolución de un problema físico determinado.
El conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también
denominada discretización. Este método numérico se basa en dividir la
geometría en la que se quiere resolver un problema en pequeños elementos
en los cuales se resuelven las ecuaciones diferenciales correspondientes a
un campo, dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos
representativos llamados "nodos".
Dos nodos son adyacentes si pertenecen al mismo elemento finito;
además, un nodo sobre la frontera de un elemento finito puede pertenecer a
varios elementos, al conjunto de nodos considerando sus relaciones de
adyacencia se les llama "malla".
La resolución de estas ecuaciones de forma discreta se realiza de forma
iterativa hasta que se alcanza convergencia en la solución. Tomando en
cuenta las propiedades físicas de los materiales empleados los elementos
del entorno de vecindad, las condiciones de contorno y las fuentes
generadoras de campo. Las herramientas que permiten realizar este proceso
de forma eficiente se denominan herramientas de análisis por elementos
finitos, o simplemente herramientas de elementos finitos (HEF).
Existen herramientas de análisis por elemento finito de propósito general
o multidisciplinar que permiten resolver varios problemas físicos como son:
mecánica de fluidos, transmisión del calor, electromagnetismo, mecánica
estructural y las herramientas de análisis por elemento finito que se aplican
a un problema físico específico. Hay herramientas que permiten incluso
acoplar dos problemas como es el caso del problema térmico y del problema
12
electromagnético. Es decir la salida de un problema se emplea como entrada
en el otro problema y viceversa, de forma iterativa.
El proceso de generación de la solución mediante análisis por elemento
finito se realiza en estas herramientas mediante varios pasos los cuales
son: definición de la geometría objeto de estudio, especificación del régimen
a estudiar, asignación de las propiedades físicas de los materiales,
asignación de las condiciones de contorno, aplicación de las cargas, mallado
de la geometría, resolución del problema y análisis de la solución. Estos
pasos se describen brevemente a continuación.
7.2.1 Definición de la geometría
Consiste en la obtención de un dibujo en 2D ó 3D, en malla de alambre,
de las formas de los diferentes objetos en los que se pretenden resolver las
ecuaciones de campo. Para efectuar este cometido las herramientas de
elemento finito suelen tener una herramienta CAD (diseño asistido por
computadora).
7.2.2 Especificación del régimen a estudiar
Para el caso del modelado térmico, las herramientas de elemento finito
permiten realizar un análisis permanente o transitorio. Es en esta fase en la
que se especifica el tipo de régimen a estudiar.
7.2.3 Asignación de las propiedades físicas de los materiales
Es aquí donde las propiedades termo físicas tales como la conductividad
térmica, la densidad y el calor específico, se asignan a cada uno de los
objetos que se han generado en la fase de definición de la geometría. Las
herramientas de elemento finito suelen tener una base de datos de
propiedades de materiales, de forma que la asignación de propiedades
térmicas se realice de forma más cómoda.
13
7.2.4 Asignación de las condiciones de contorno
Las condiciones de contorno más típicas que se aplican en la frontera del
problema suelen ser de temperatura constante (isoterma), superficies
adiabáticas (flujo de calor nulo) o condiciones de simetría. Asimismo, en el
caso de la frontera entre sólidos y el ambiente, suele aplicarse alguna
condición de contorno del tipo de conducción y de convección o radiación
respectivamente.
7.2.5 Aplicación de las cargas
Se entiende por cargas las fuentes activas de campo. En el caso
particular de la transmisión del calor, la fuente de campo es la generación de
calor. La generación de calor suele expresarse o bien mediante un valor
neto [W] o bien mediante una densidad de generación de calor [W/m3]. Si seasigna una densidad de generación de calor, ésta suele poderse expresar en
función de las variables espaciales.
7.2.6 Mallado de la geometría
La geometría objeto de estudio se divide en diferentes elementos en los
que resuelven las ecuaciones de campo. Las herramientas de elemento finito
suelen tener herramientas que mallan de forma automática y permiten que el
usuario malle de forma más fina las zonas que más le convenga. Es por ello
que el mallado de la geometría es una tarea clave en el proceso de análisis
por elemento finito.
7.2.7 Resolución del problema
En esta fase del proceso, es donde se aplica el método de análisis por
elementos finitos para obtener la solución del problema físico de forma
iterativa, en este caso la transmisión del calor. La solución se obtiene en
cada uno de los elementos en que se descompone la geometría. Aunque
14
siempre es posible sumar o integrar estos pequeños elementos en una
región determinada, ya sea área o volumen.
7.2.8 Análisis de la solución
Una vez que se ha obtenido la solución del problema térmico, la
distribución de temperaturas se puede emplear para calcular energías
térmicas, flujos de calor a través de superficies, para hacer operaciones entre
distintos campos e incluso para calcular resistencias térmicas.
Una vez obtenida la solución, es posible representar gráficamente la
distribución que se trate. La última fase se conoce también con el nombre de
solución, y la penúltima fase del proceso que se conoce también con el
nombre de post procesamiento. El resto de las fases se conocen con el
nombre de pre procesamiento.
El empleo de (HEF) en el modelado térmico de componentes magnéticos
es muy importante, ya que mediante el uso de estas herramientas es posible
analizar distintos efectos sobre la distribución térmica tales como efectos
geométricos, efectos de las propiedades termo físicas, efectos de las cargas
y de las condiciones de contorno
Así mismo permiten visualizar distintas magnitudes como temperaturas,
flujos de calor, energías térmicas, entre otros. Esta visualización permite la
determinación de puntos calientes y que zonas están peor y mejor enfriadas.
En la Figura 3, se muestra el método de análisis por elementos finitos
aplicado a la resolución del problema térmico de forma resumida.
15
Geometría
Análisis de la solución
VResolución del problema
im
Figura 3. Proceso de obtención de la solución mediante análisis por
elementos finitos. [3]
Una vez obtenida la solución de un problema físico mediante (AEF) la
generación de un modelo físico no está resuelto. En la obtención de este
modelo hay dos puntos claves:
En primer lugar hay que considerar una estructura para el modelo que se
desea construir. La estructura de este modelo y su complejidad en general,
dependerán de la precisión con la que se modelan los diferentes aspectos:
cómo es la distribución de calor generado, qué detalle se quiere obtener en
el mapa de temperaturas, qué tipo de régimen es preciso considerar, cómo
se modelan las condiciones de contorno y cómo se consideran las
propiedades físicas. En segundo lugar, una vez establecida la estructura que
tiene el modelo, habrá que determinar sus parámetros, para los cuales
16
también existen varias posibilidades dependiendo de: El tipo de distribución
en la generación de calor para el análisis, el tipo de condiciones de contorno
empleadas, el tipo de régimen, etc. Dependiendo del tipo de estructura
elegida para el modelo, la complejidad en el proceso de obtención de
parámetros cambiará, por lo tanto ambos aspectos están relacionados.
Cuanto más complejo y más preciso sea el modelo generado, más difícil será
la obtención de sus parámetros. Es decir, existirá una solución de
compromiso entre la precisión que se desea del modelo y la complejidad del
mismo.
7.2.9 Características de la simulación por elementos finitos
Un paquete de cálculo de elemento finito consta de un procesador, en el
cual se incluyen todas las ayudas para la preparación de los datos, que
generan los archivos de resultados y un post proceso que facilita el análisis e
interpretación de los resultados, generalmente en forma de gráfica mediante
trazado de curvas, gráficos tridimensionales, tablas, etc.
El método se basa prácticamente en dividir el cuerpo, estructura o
dominio sobre el que están definidas ciertas ecuaciones integrales que
caracterizan el comportamiento físico del problema en una serie de
subdominios no intersectantes entre sí denominados elementos finitos. Los
cálculos se realizan sobre una malla o discretización creada a partir del
dominio con programas especiales llamados generadores de mallas, en una
etapa previa a los cálculos que se denomina pre-proceso.
De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona
el valor de un conjunto de variables definidas en cada nodo y denominadas
grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una
determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema
de ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema de
ecuaciones se llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones
17
de dicho sistema es proporcional al número de nodos. Típicamente el
método de elemento finito se programa computacionalmente para calcular el
campo de desplazamientos y, posteriormente, a través de relaciones
cinemáticas y constitutivas, las deformaciones y tensiones respectivamente,
cuando se trata de un problema de mecánica de sólidos deformables o más
generalmente un problema de mecánica de medios continuos.
7.2.10 Ventajas del uso de elementos finitos
El método de elemento finito es muy usado debido a su generalidad y a la
facilidad de introducir datos de cálculos complejos (en dos o tres
dimensiones). El método es fácilmente adaptable a problemas de difusión del
calor, fluidos, velocidades y presiones (fluido dinámica CFD) o de campo
electromagnético.
Dada la imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos
problemas, con frecuencia en la práctica ingenieril los métodos numéricos y,
en particular, el de elemento finito, se convierten en una alternativa práctica
de cálculo. Una importante propiedad del método es la convergencia; si se
consideran particiones de elementos finitos sucesivamente más finas, la
solución numérica calculada converge rápidamente hacia la solución exacta
del sistema de ecuaciones. De tal manera que se pueden resumir en cuatro
puntos fundamentales las ventajas de elemento finito:
• Modelador Geométrico, pre y pos proceso de Elementos Finitos para
el mallado y visualización de resultados en piezas y ensamblajes.
• Análisis de desplazamientos, tensiones, frecuencias, pandeo,
transmisión de calor, no lineal, respuesta dinámica y fatiga.
• Análisis de Electromagnetismo de Baja y Alta Frecuencia
• Optimización del diseño
18
7.2.11 Limitantes del elemento finito131
Una limitante que presenta este método es que es un método numérico
que se desarrolla a base de nodos (cálculos matemáticos) que puedan incluir
en una sola pieza ya que a una mayor cantidad de nodos ofrece un resultado
más certero pero sin embargo una mayor cantidad de nodos ofrecen un
mayor calculo de ecuaciones y por lo tanto una mayor cantidad de recursos
como son computacionales y tiempo. Otra limitante es que solo calcula los
fenómenos que afectan a las piezas como pueden ser las cargas, la
deformación, pero no nos puede decir cuando influye en algunas piezas la
gravedad, la atmósfera y las cargas estáticas que exceden en mayor
cantidad a las introducidas. Es importante considerar que solamente nos da
una aproximación a la realidad.
[4]7.3 Software Virtual-Arc
El software virtual-arc consta de diferentes módulos que se interconectan
entre sí para obtener una red bayesiana de trabajo en la que se incluye: la
fuente de energía, el calor, el metal de aporte transferido a la pieza de
trabajo y la física del arco.
Dentro de este software se pueden diseñar las piezas en dos
dimensiones con las cuales se va a trabajar, además de diseñar el modelo
de soldadura con las medidas experimentales que después permitirán
llevarlo a medidas prácticas (reales). El software trabaja con una red
neuronal bayesiana y a su vez permite al programa aprender sobre el
trabajo o actualizarse, este software está diseñado para soldaduras
robóticas es decir su área de aplicación es principalmente en robots de tipo
industrial o brazos de robot con los cuales se desarrolla la soldadura. Esto
permitirá tener un control más adecuado sobre el depósito del metal de
aporte en las partes a ser soldadas y los parámetros del sistema en cuanto a
19
los desplazamientos del brazo robótico así como los cambios o giros dentro
de un eje rotatorio. El arco eléctrico es generado por una fuente de energía
que está situada cerca del robot la cual a su vez está conectada a dos
cables uno derecho y uno izquierdo, el cable derecho está conectada la
antorcha de trabajo, a través del cual saldrá el alambre o metal de aporte, el
cual funcionara como un ánodo. Mientras que el cable izquierdo está
conectada una resistencia donde los dos están conectados a la pieza de
trabajo, la cual funcionará como una tierra.
Es decir el funcionamiento es mediante una fuente de corriente eléctrica,
esta corriente es conducida hacia la antorcha para fundir un metal de aporte
en este caso el alambre, y por el otro cable (izquierdo) hace la función de
tierra el cual está conectado a la pieza de trabajo. Además del metal de
aporte y la corriente eléctrica se requiere de dos gases uno es argón y el
otro bióxido de carbono como gas protector y consumidor, respectivamente.
Este proceso de soldadura es comúnmente conocido como soldadura
Mig/Mag.
7.3.1 Funcionamiento del software
Fuera de la línea de trabajo el software puede predecir las condiciones
necesarias para desarrollar un proceso de soldadura como son: la
penetración, geometría de la pieza, calidad de la soldadura y la predicción
geométrica de los defectos en la soldadura. Dentro del software se
encuentran los iconos de ayuda que permitirán cargar los parámetros del
proceso los cuales se describen a continuación. Se carga la fuerza de trabajo
es decir la cantidad de energía con la cual se va a trabajar, se determina el
tipo de antorcha, al igual que la longitud del cable, estos con la finalidad de
determinar la libertad de movimiento del brazo robótico, la longitud del rollo
de alambre y el gas de suministro, es decir el porciento de argón y el
porciento del bióxido de carbono. Una vez que se han determinado las
20
herramientas con las cuales se desarrollara el proceso de soldadura se
elabora un pre-análisis de la soldadura que se va a efectuar.
7.3.2 Elaboración del proceso
Se procede a determinar las dimensiones de las piezas que serán
soldadas, es decir si fueran dos placas, se determina el espesor y la longitud
de cada una de ellas, habiendo concluido con este paso se determina la
longitud del cordón de soldadura y la cantidad de metal de aporte que va a
ser depositado en la pieza de trabajo. Una vez determinadas las dimensiones
del material como las del cordón y las placas a soldar se procederá a
determinar la inclinación que debe de tener la antorcha, la inclinación puede
ser desde 30 - 70 grados. De igual forma se determina el proceso ya sea por
arco corto o arco largo, si la pieza que se está soldando requiere de una
separación (gap) se considera, al igual que si requiere un diámetro también
se considera en esta etapa del proceso. Una vez determinados estas
dimensiones se procede a cargar los siguientes datos como (min/max):
La Velocidad de aplicación de la soldadura, es decir la velocidad con la
que se mueve la antorcha que deposita el metal de aporte, la velocidad de
alimentación del alambre, la extensión del electrodo esto es la extensión del
alambre fuera de la antorcha, el ángulo de la antorcha, el ángulo de entrada
de la antorcha.
Así como las condiciones del tamaño de la soldadura como los son: la
garganta, la longitud, el voltaje de entrada, es decir los ciclos de voltaje para
fundir el metal de aporte.(es importante recordar que si la pieza a soldar tiene
un gap tiene que considerarse en esta etapa del diseño.)
A continuación se determinan las dimensiones del cordón de soldadura.
En esta parte se debe considerar el espesor de la garganta, la longitud, el
21
área del cordón, la penetración en las placas del cordón de soldadura, la
altura del refuerzo de soldadura y la altura del cordón. Una vez que se haya
terminado de cargar los datos en el software a continuación se realiza una
comparación del perfil de datos cargados contra un perfil de soldadura real
con la finalidad de conservar las condiciones que se requieren para soldar.
Adicionalmente el software incluye un icono donde se puede desarrollar
un análisis de costos, como el costo por mano de obra, el costo por proceso
incluyendo el material de aporte, los gases, la corriente eléctrica, entre otros.
7.3.3 Ventajas del software Virtual-Arc
Entre las principales ventajas que ofrece este software se encuentran:
• Los datos pueden ser impresos con lo cual se mejora la
documentación del proceso de soldadura. Éstos contendrán las
variables que se desarrollarán durante el proceso
• Acorta el tiempo de implementación de un proceso
• Optimiza la productividad y la calidad de soldaduras
• Es muy fácil familiarizarse con el programa
• En costo se puede garantizar un precio muy bajo ya que a la vuelta de
un año se recupera la inversión. Lo cual resulta en un bajo costo de
producción
• Ajustes de los parámetros de soldadura fuera de línea.
• Predicción de los defectos de la soldadura.
7.3.4 Desventajas
Algunas de las desventajas de este software son:
• Al principio se requiere de una gran inversión
• Solo funciona con los procesos Mig/Mag
• Se limita a la aplicación en robots industriales
22
• El personal que maneja el software debe ser calificado y tener
conocimiento técnico del proceso
En la Figura 4, se muestra un ejemplo de la simulación que se puede realizar
a través del software Virtual-Arc.
Figura 4. Perfiles de soldadura en un ensamblado en "T". (a) Perfil de
soldadura real, (b) Ventana del software Virtual-Arc y (c) Pieza simulada. [4]
23
7.4 Software Sysweld[5]
Sysweld es un software de elemento finito que simula generalmente los
procesos de soldadura por puntos, láser, micro alambre (MIG), has de
electrones, soldadura por resistencia y soldadura por arco de tungsteno con
gas (TIG).
7.4.1 proceso de simulación en los diferentes tipos de materiales
Sysweld permite la simulación de soldadura de los distintos tipos de
materiales, entre los cuales se incluyen los aluminios, aceros comerciales y
las aleaciones más exóticas, en tal caso como las que existen en la
ingeniería aeroespacial, así como las aleaciones de los materiales de acero
que incluyen una estructura general y alta resistencia, baja corrosión
estructural, o aceros endurecidos y aceros templados [5]. A continuación se
describen los datos a considerar en un proceso de simulación mediante este
software
7.4.2 Geometría y mallado
La simulación requiere de una completa información del material con el
que se va a trabajar, de tal manera que se tengan los datos precisos para
poder obtener un resultado más apegado a un diseño real, de los
componentes que se van a diseñar por medio de elemento finito, ya que para
poder mallar o dividir en pequeños elementos, se deberán tener las
dimensiones correctas de los componentes involucrados en el proceso, los
cuales serán los que crearan la base de datos, tanto la geometría de la
pieza como la unión de la soldadura y su entorno.
Estos componentes son diseñados en un sistema CAD, para después
ser revisados y mallados a través del software complementario Visual mesh,
24
con el propósito de conseguir una adecuada representación del fenómeno
físico, especialmente en el caso de los componentes más finos [6].
Los tipos de modelos básicamente pueden ser clasificados en partes y
estas partes a su vez en espesores, delgados y gruesos. En general cada
una de las partes involucradas en el proceso de soldadura tiene que ser
identificada con un nombre y guardadas en una carpeta asignada. Previo al
inicio del mallado es necesario hacer correcciones en el modelo (CAD). Para
poder obtener un diseño adecuado ya que de esto dependerá un correcto
diseño del elemento a simular, de igual forma las superficies que no son
utilizadas tendrán que ser eliminadas ya que podrían confundirse con
algunos componentes del modelo de simulación que se está trabajando.
Para dichos modelos se deberán de considerar algunos aspectos
importantes como los que se describen a continuación.
7.4.3 Conducción de calor en la pieza de trabajo.
A partir del fenómeno clásico de la conducción térmica no lineal, el
fenómeno adicional que se debe de tomar en consideración durante la
simulación del proceso de soldadura es la conducción de calor en la pieza de
trabajo. Las propiedades del material no solamente dependen de la
temperatura como en el caso de los aceros, sino también de las fases
presentes en el material. Entre los materiales que se pueden simular se
incluyen los aceros estructurales que son apropiados para los procesos de
soldadura, los aceros inoxidables, el material sin refinar, así como considerar
también las fases presentes como la austenita, ferrita/perlita, bainita,
martensita, martensita templada y bainita templada (las cuales pueden
desarrollarse durante múltiples pasos de la soldadura).
También del calor latente debe ser tomado en consideración en un
proceso de simulación, así como en el caso de la transformación del
25
microestructural y el punto de solidificación (el calor latente de fusión influye
en el tránsito de temperatura en todo el cuerpo), la radiación y en algún
momento el contacto térmico son importantes para la simulación.
7.4.4 Transferencia de calor de la antorcha a la pieza de trabajo
Otro aspecto de gran importancia que debe tomarse en cuenta es la
transferencia de calor de la antorcha a la pieza de trabajo ya que por un lado
los términos simulación termodinámica de la zona fundida y la zona pastosa
son llamados efectos producidos por el calor, sin dejar de lado la simulación
termomecánica de tensiones y distorsiones los cuales también son llamados
efectos producidos por el calor de la soldadura.
Las simulaciones de las tensiones y las distorsiones requieren que la
energía térmica administrada en la práctica sea efectivamente la introducida
en el componente durante la simulación ya que esto le dará más precisión al
diseño. Esta energía puede ser llevada por medio del movimiento en el área
de solidus en el componente o por medio de una transferencia analítica de la
fuente de calor. La transferencia termomecánica en el área de solidus se
refiere al calor suministrado durante el proceso de soldadura como lo
muestra la Figura 5, donde si no existiera un área solidus en un análisis
específico, se usaría la fuente de calor volumétrico [7].
Los parámetros de la fuente de calor son ajustados en un sentido, ya que
el resultado es aproximadamente la forma del área fundida. A partir de los
datos introducidos en el proceso de simulación se tiene que considerar que
para cada proceso de soldadura se tiene un tipo específico de transferencia
de calor. Una fuente de calor con forma elipsoidal es apropiada para la
simulación de los procesos MIG. Mientras la forma de un cono es una forma
más apropiada para la soldadura láser como se muestra en la Figura 6.
26
Symmetriehálftedes SchweifístoBes
Nahtlangs-schnltt
áquidistanteNahtquer-schnitte
Solidus-
linie imNahtquer-schnitt
bewegte SolkJus-tláchedes
Schweiíibades
Figura 5. Área de solidus del movimiento del charco de soldadura. [5]
(a) (b)
Figura 6. (a) Volumen elipsoidal de la fuente de calor en acuerdo con Goldak
y (b) forma cónica volumétrica de la fuente de calor con distribución
gaussiana de la densidad de la energía térmica. [6]
27
V
7.4.5 Cambios en la microestructura que se considera en una
simulación
Este punto es de vital importancia en la simulación ya que a partir del
presente fenómeno térmico, ocurren cambios microestructurales
frecuentemente durante el proceso de soldadura, los cuales son una decisiva
influencia en la formación de esfuerzos y distorsiones, puesto que los
cambios microestructurales son acompañados por cambios de volumen y
generalmente, con microestructuras y propiedades mecánicas
completamente diferentes.
En esta parte se debe considerar como en el endurecimiento o
reblandecimiento que se da en las superficies de las piezas soldadas y el
templado del acero (entre ello se puede considerar los tratamientos
térmicos), el desarrollo de austenita en la zona afectada por el calor y en la
zona fundida durante la transferencia de calor se transforma a martensita
(con una alta velocidad de enfriamiento), bainita (con una media velocidad de
enfriamiento) o ferrita y perlita (con una baja velocidad de enfriamiento).
Como se sabe la martensita es un material muy duro con un alto punto de
cedencia y una baja resistencia al impacto. Esta transformación se desarrolla
como una consecuencia que tienen los cambios microestructurales durante
un proceso de soldadura (o templado).
7.4.6 Condiciones a considerar en la simulación de los Aceros.
Para la simulación de aceros endurecidos por el proceso de soldadura,
los cambios en la microestructura incluyen templado y enfriado. Si se excede
la temperatura durante el calentamiento, la microestructura inicial se
transformará a austenita y los cambios cristalinos serán de cúbico centrado
en el cuerpo, a cúbico centrado en las caras.
28
El volumen específico será pequeño y el carbón que contiene los
carburos se disolverá en la estructura austenítica. El inicio de la austenita y el
grado de austenización depende en parte de la velocidad del calor
suministrado, del alcance de las temperaturas y del tiempo por encima de la
temperatura de austenizado. Durante el proceso de enfriamiento, el
comienzo de la trasformación cristalina de austenita a cúbico centrado en el
cuerpo en una estructura enfriada por debajo de la temperatura de
austenizado y a una alta velocidad de trasformación, el carbón disuelto es
atrapado en una matriz metálica y la estructura cristalina formada será
entonces cúbica centrada en el cuerpo y el cristal formado sufrirá un máximo
esfuerzo interior.
Modificando las condiciones de enfriamiento se puede modificar la
microestrcutura, por ejemplo obtener martensita la cual es muy dura. En el
caso de bajar la velocidad de enfriamiento el carbón más o menos puede
difundir y esta difusión forma carburos saturados. También la parte
intermedia como bainita (dura) o ferrita (menos dura), pueden desarrollarse
por medio de la difusión. La formación de bainita y ferrita / perlita refinada es
referente a un proceso de difusión controlado. Durante la soldadura, las
diferentes microestructuras que se forman dependen del contenido de carbón
y de la adición de elementos aleados basado en diferentes estados de
austenizado y velocidades de enfriamiento. Todos estos fenómenos tienen
que ser tomados en consideración para la simulación del proceso de
soldadura. Ya que del contenido de elementos de aleación y de las
velocidades de enfriamiento dependerán las fases encontradas en cada
cordón de soldadura.
29
El grado de austenizado tiene que ser tomado en consideración en la
zona afectada por el calor. Dentro del área fundida, la primera historia de la
microestructura no tiene que ser tomado en consideración durante el
enfriamiento en el cálculo de la fase de transformación, en este caso, la
estructura se considera como solo austenita. En la Figura 7, se muestran las
transiciones de fases a un determinado tiempo temperatura y velocidad de
enfriamiento para el material.
10 102 103
Time (s)
104
Ifey= austenite
= bainite
c = carbide/cementite
p = pearliten = martensite
Figura 7. Diagrama de transformación continua para un acero eutectoide con
1% de carbono. [7]
En dicha figura el punto de partida ACi la disolución de perlita finaliza
mientras que la disolución de carburos inicia en Ac3, comenzando
principalmente con un ascenso en la temperatura y un incremento en la
velocidad de calentamiento, como en este punto, el material transforma
completamente a austenita, su comportamiento es particularmente distinto en
el caso de la soldadura y tiene que tomarse en cuenta en la simulación. [7]
30
Ya que la transformación del cordón de soldadura desarrolla las
diferentes fases individuales durante el enfriamiento de una estructura
soldada cuando se realiza la simulación el modelo debe considerar los
diagramas CCT del material en cuestión. Un ejemplo de este tipo dediagrama se muestra en la Figura 8, para un acero hipoeutectoide con un
contenido de carbono igual a 0.45%
Keya = austenite
b = bainite
/= ferritep = pearlitem = martensite
Figura 8. Diagrama CCT para un de la estructura de acero hipoeutectoidecon un contenido de carbono 0.45%austenita (a), Ferrita (f), Bainita (b),
Martensita (M) y Perlita (p). Ms es la temperatura de inicio de la martensita.
[8]
Dependiendo de las curvas de enfriamiento, que pasan por diferentes
resultados, aparecerá un tipo de microestructuras con diferentes propiedades
mecánicas y los valores de los porcentajes de las fases desarrolladas
durante el enfriamiento, se dan a lo largo de las curvas de enfriamiento.
31
Sysweld contiene varios modelos de estas gráficas, las cuales describen
la cinética de transformación de fases por calentamiento y enfriamiento. Los
diferentes parámetros de los modelos son revisados por medio de un ajuste
con la isoterma existente o con la gráfica de velocidad - temperatura-
enfriamiento (IT o diagramas CCT). Con este método es posible incluir la
influencia de la austenita en el tamaño de grano, de la fase transitoria
durante el enfriamiento en la simulación. Que permitirá obtener un resultado
más apegado a un fenómeno real de simulación. Estos puntos son
considerados en un proceso de soldadura real, ya que determinarán un
tratamiento térmico adecuado para darle propiedades mecánicas al material
soldado (como dureza, maleabilidad, tenacidad y resistencia al impacto).
A partir del modelo descrito anteriormente Sysweld incluye
adicionalmente un modelo basado en el razonamiento físico del metal. Con
este modelo, las transformaciones cinéticas son derivadas de la conversión
cinética isotérmica del material, por una difusión controlada en la fase de
transformación, con un calentamiento o enfriamiento continuo. Una vez
considerados todos estos puntos en el proceso de simulación, el desarrollo
de la fracción de cada fase se calcula para cada paso isotérmico, por medio
de la cinética de las isotermas para el cual es software se basa en el modelo
Johnson Mehl-Avrami. El resultado total de la fracción de cada fase es
elaborado por adición en acuerdo con el ciclo térmico.
La transformación martensítica, es tomada en cuenta con la ley de
Kostinen-Marburger. El modelo calcula el contenido de carbono de la
austenita y el tamaño de grano en la etapa de calentamiento. Ambos cálculos
son incluidos en las fases de conversión durante el enfriamiento.
El cálculo de la trasformación microestructural es completado con el
análisis térmico, por un lado las características termo físicas dependen de las
32
^
fases, por otro lado cada transformación de fase es completada con el
fenómeno térmico del calor latente, la energía térmica está ligada en cada
caso de una fase de transición y la conducción térmica toma en cuenta ese
fenómeno por medio de la entalpia.
El tamaño de grano austenitico formado puede ser también calculado. La
difusión térmica y los parámetros de la fase de transformación dependen del
tamaño de grano austenitico. A partir de las funciones básicas de la
microestructura, es posible la modelación de la transformación cinética en
base a la ayuda de variables. Una variable auxiliar está definida como la
concentración de los elementos químicos (el carburado del material es un
ejemplo: como una función de concentración de carbono, el incremento de
carbono en la capa superficial del componente continuamente cambia, la
temperatura inicial desde el principio de la transformación martensitica) o la
influencia de las tensiones en la formación de la fase.
Si el material experimenta un ciclo de temperatura y la temperatura está
sobre la recristalización, entonces los efectos de la recristalización
comienzan. La proporción de material que recristalizara, no solo depende de
la parte de la temperatura, sino también del curso del ciclo térmico. El valor
de la actual temperatura en un punto tiene que ser tomado en consideración,
así como también la historia térmica del material en este punto tiene que ser
considerada.
7.4.7 Recristalización
Los efectos de reblandecimiento o perdida de dureza ocurren por
precipitación durante el período de soldadura, ya que al desarrollarse un
proceso de soldadura entre el metal base y el metal de aporte se lleva a cabo
este fenómeno de manera muy notoria, principalmente la zona afectada por
el calor, como se muestra esquemáticamente en la Figura 9.
33
Este fenómeno es conocido como re cristalización, lo cual ocurre debido
a la nucleación y crecimiento de nuevos granos que contienen pocas
dislocaciones, ya que cuando el metal se calienta por encima de las
temperaturas de recristalización, una rápida recuperación elimina los
esfuerzos residuales, produciendo una estructura de dislocación
poligonizadas, eliminando la mayoría de las dislocaciones dado que se ha
reducido de manera importante el numero de dislocaciones, el metal
recristalizado teniendo baja resistencia pero una elevada ductilidad de
acuerdo con las velocidades de enfriamiento del cordón de soldadura
empleadas, La recristalización no parece reformar la dureza pero se puede
conseguir con un adecuado tratamiento térmico, como recocido,
normalizado, templado o revenido [10].
Figura 9. Recristalización y precipitación lo cual produce el endurecimiento
por efecto térmico de la soldadura. [9]
34
7.4.8 Modelo estructural
Las tensiones térmicas, la expansión y las contracciones son causadas
durante el proceso de soldadura. La fusión y la solidificación, con una buena
adición de material tienen que ser tomadas en cuenta, ya que las
transformaciones estructurales causan adicionalmente tensiones. En el caso
de la tensión térmica interfiere con cada uno en los intervalos de tiempo.
Una combinación de ambos fenómenos resulta en un estado de tensión y
distorsión del componente.
7.4.9 Cambios en los aceros
A partir del fenómeno térmico, el análisis mecánico de los materiales de
acero es básicamente influenciado por los fenómenos microestructurales. Un
ejemplo de éstos son los cambios de volumen, que acompañan la
transformación microestructural de los aceros. Específicamente el material se
comporta dependiendo de la fase existente y que cada una de éstas posee
una estructura cristalina. Algunas de estas estructuras se muestran a
continuación en la Figura 10.
eublc tetrogonal
Ferriteundistorted
lattice
a - lattice
Face-eentered
cubic ce//
á3 Martensitedis torteó Littke
¡ron
atoms
y- lattice
Figura 10. Algunas de las diferentes estructuras cristalinas que están
presentes en los aceros. [10]
35
1
Un acero endurecido, por ejemplo acero estructural, tratadostérmicamente, aceros carburizados altas temperaturas o aceros resistentesa la corrosión, tienen una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo a
temperatura ambiente.
En el caso de austenizado, los aceros se trasforman en una estructuracristalina cúbica centrado en las caras ydurante el enfriamiento regresa a laestructura cristalina cúbica centrado en el cuerpo. La estructura cristalinacentrada en las caras y la estructura cristalina centrada en el cuerpo tienendiferentes volúmenes específicos que pueden ser medidos con una prueba
de dilatometría.
Los cambios de volumen resultan de la transformación de la estructura
cristalina cúbica centrado en el cuerpo y tienen una decisiva influencia en ladistorsión de los componentes y un desarrollo de las tensiones durante larealidad que causa transformaciones a tensiones y que además interfierencon las tensiones térmicas dependiendo del tiempo.
El cambio de volumen es entonces dependiente de la fase detransformación. Por ejemplo si una estructura martensífica se desarrolladurante la soldadura de un acero, entonces empezara a ver cambios comocontracciones térmicas y transformaciones microestructurales. Enconsecuencia esto influirá fuertemente en las propiedades del componente.En la Figura 11, se muestra una curva típica de dilatometría donde semuestra el cambio de volumen de una transformación en el acero.
36
0.005
+lnitial, |
undistorted fattico
carbón, utragonaldistorted lattice
Carbides dissolution
Ferrite * Carbón
The more carbón
dissolved at highertemperature, the more
lattice dlstortion at
room temperature
temperature
Figura 11. Curva típica de dilatometría; cambio de volumen de una
transformación del material de acero. [11]
La tensión a la ruptura de un material menos duro (ferrita/perlita), puede
ser un factor de tensión de 4 o más, que la tensión a la ruptura de una
martensita muy dura.
Especialmente por las paredes delgadas del componente, para
componentes de pared gruesa más duros, la distorsión de los componentes
es relativamente baja, pero las tensiones son relativamente altas debido al
hecho de que la estructura es más resistente a la distorsión.
El cálculo del comportamiento mecánico, que depende de la temperatura,
no toma en consideración la combinación de fases y cómo influyen en el
fenómeno de la transformación plástica.
El comportamiento del material durante la transformación de fases es
adoptado elástico-plástico. El fenómeno visco plástico (dependiente de la
temperatura) es especialmente importante para la simulación de los efectos
relacionados con la tensión, en la mayoría de los casos, el modelado de
\37
endurecimiento por deformación es necesario, especialmente en el caso que
involucra el proceso rápido de calentamiento de una fase (en tal caso como
láser o soldadura electro láser), los efectos terminan la recuperación parcial
del endurecimiento por deformación durante la transformación de la fases de
gama a alfa, dependiendo de si la transformación es controlada por difusión.
En la Figura 12, se muestra los valores mecánicos dependientes de la
microestructura a temperatura ambiente. En esta figura A es la tensión a la
ruptura, Z es la constricción de la tensión, K es la reacción de impacto en la
muesca y R es el punto de cedencia y/o la resistencia a la tensión.
Si la velocidad de enfriamiento es de 850 °C a 500 °C en 2 segundos,
entonces se producirá el 10% de bainita y el 90% de martensita. Si la
velocidad de enfriamiento es de 10 segundos entonces se formará 37% de
ferrita, 43% de bainita y 20% de martensita.
La martensita es de alta dureza y muestra una pequeña resistencia al
impacto, es decir es un material muy frágil. Comparando la martensita con
ferrita/periita, ésta es suave y presenta una alta resistencia al impacto y es
un material muy dúctil.
Dependiendo de la curva de enfriamiento y, por tanto una de las
combinaciones de las fases, en el estado de tensión y distorsión de los
componentes, los comportamientos pueden ser completamente diferentes,
aparte que la microestructura formada es completamente diferente.
38
O ¿O 100 S 300
íur-i7í!il von 850°C D>S &CG»L
% :Yield Stress O :Strain at break 5 :YieldStrength
Figura 12. Valores mecánicos dependientes de la microestructura a
temperatura ambiente. Los símbolos corresponden con la gráfica CCT, y los
valores mecánicos marcados con las flechas resultan de la curva de
enfriamiento. [12]
Dependiendo de la fase de transformación todos los fenómenos pueden
ser calculados y estructuralmente controlados. Para el propósito de análisis
avanzados de tensiones residuales que promueve el cambio a la fatiga, el
tamaño de grano austenitico es calculado en la metalurgia térmica y el
cálculo puede ser tomado en cuenta en los procesos de simulación. Las
propiedades del material tienen una cedencia a la tensión y puede depender
en este parámetro, si es necesario. Estos son los datos necesarios con los
que cuenta Sysweld para iniciar un proceso de simulación.
39
7.4.10 The welding advisor (el asesor de la soldadura)
El welding advisor es una interfase utilizadora de gráficos que permite
una metodología intuitiva y un proceso conductivo para simulaciones. Una
vez que se define y se almacena un proyecto, los parámetros de las piezas,
del proceso y del material pueden ser intercambiados fácilmente y en poco
tiempo puede iniciarse un cálculo de una variable. En la imagen de la Figura
13, se muestra una ventana del software donde se toman en cuenta las
propiedades del material, la descripción de las operaciones de soldadura, el
intercambio de calor o temperatura impuesta entre otros parámetros.
Welding Wizard
Project Definition
Rtftrcnct
Titlo :
Lo*a...|
Local MocLe 1 foP Frane Anal ysiC
Dpívcps
Groups. Material DB••. |
Conputati on Opti on
Functions DB.
2D Cross section 2P // Welding 2I> rotational
SteaJy state CDHputation
íí t-íf <<<.<»* .i> t<*. tflí o<t)*Vtt tíKt k<m
latería! Ppoperties
U*lding Operation Description
Heat exc lian <re S Inposed ttMperature
Clanping Conditions
M
Figura 13. Instalación de una simulación de soldadura con Welding Wizard
[13]
40
7.4.11 Solución automática
La solución automática de Sysweld proporciona una solución para los
problemas de la soldadura, cubriendo todo lo complejo relacionado con la
física de las matemáticas y del material. Dependiendo de la temperatura,
fases y proporción de los elementos químicos, los resultados térmicos,
microestructural y mecánicos son calculados [7]. Estos incluyen:
• Los efectos del calor latente de fusión.
• transformación de fases y fusión/solidificación.
• Cambios en la microestructura.
• endurecimiento Isotrópico, cinemático y mezclas dedureza• Incluyendo Visco-plasticidad de la transformación de fases
• Transformación plástica
• Reglas de las mezclas no lineales para las fases de la cedencia a la
tensión
• Incluyendo las fases de dureza a la tensión
También se puede restaurar la dureza durante la difusión, controlando la
transformación de fases, eliminación la historia mecánica cuando se funde,
activación automática de la historia mecánica durante la solidificación,
características del material dependiendo de la temperatura, fases y
porcentaje de elementos químicos.
Es importante saber que el usuario no necesita estar familiarizado con
las matemáticas que se involucran para realizar cálculos de soldadura. El
único trabajo que necesitas realizar es cargar un proyecto y el solver
comenzar a hacer el cálculo. La ventana del Solver en el software Sysweld
se muestra la Figura 14.
\ 41
Refepence
rThernal Analysis r Hechanical Analysis
r Batch (default node)
OK J Cióse Help...
Figura 14. Ventana Solver del software Sysweld en el cual es necesario
cargar el nombre del proyecto [14]
7.4.12 Post proceso y multi-física
Las capacidades del post-proceso de la multi-física proporciona la
información instantánea para la evaluación de:
• Campo de temperatura
• Velocidades de enfriamiento y calentamiento
• Cambios en la microestructura, en el caso de los aceros
transformaciones de fases o cambios en el estado del material en el
caso de las aleaciones de aluminio
• Distorsiones
• Tensiones
• Cedencia a la tensión (como resultado de los cambios en la
microestructura)
• Tensiones plásticas
Sysweld proporciona una variedad de técnicas para repasar los
resultados del proceso incluyendo animaciones. Es de interés específico la
capacidad para repasar películas en la evolución de cargas y de resultados,
paso a paso, para todas las cargas y resultados importantes en la superficie
o a través de la estructura. La exhibición simultánea de la evolución de
cargas y de resultados da una comprensión profunda del proceso y de los
42
resultados calculados. Las cargas en una simulación de la soldadura
incluyen las tensiones y los cambios en la microestructura.
7.4.13 Ventajas del software Sysweld
• Una de las principales ventajas que presenta este software es que
se pueden simular los tratamientos térmicos relacionados con los
procesos de soldadura como son: el endurecimiento de la
superficie por inducción, soldadura láser, soldadura por haz de
electrones, por endurecimiento directo, o por tratamientos termo
químicos como nitruración, carburación, nitro-carburación y
templado, ya que proporcionará también las curvas de
transformación y enfriamiento, con las cuales se puede cargar un
proyecto de tratamiento térmico para una pieza después de haber
sido simulada.
• Una vez concluida la simulación el programa permite exportar la
base de datos de las temperaturas, la base de datos de las fases
de transformación, la base de datos de la termo metalurgia del
material, la base de datos de las propiedades del material y de
esta forma algunas de estas propiedades se pueden ver antes de
ser exportadas a Excel. Las plantillas están disponibles para los
paquetes Microsoft ® Excel 97 y Office 2003.
• Los valores exportados son revisados para ver que coincidan sus
propiedades con las del material que será implementado en el
desarrollo del proceso.
• Otra ventaja de este software es que considera los aspectos del
comportamiento del material, lo cual permite a los ingenieros, con
43
conocimiento limitado en tecnología de modelación, controlar y
optimizar los procesos de la soldadura.
Comparado a un acercamiento de ensayo-error reduce el costo y
tiempo y genera una minimización de prototipos físicos, disminuye
el costo por fabricación en estructuras de gran tamaño y peso y
calcula los efectos relacionados con las tensiones y las
distorsiones residuales.
• Los efectos de comprobación relacionados con los procesos de la
soldadura y del tratamiento térmico se pueden simular en
SYSWELD.
• Los cálculos se puede realizar con la placa solamente, el sólido
solamente o el elemento finito placa-sólido mezclado los modelos,
usando forma linear o cuadrática funcionan.
• Los elementos para el mallado se pueden crear a partir del diseño
en CAD, o usar cualquier generador del mallado como opción.
• Los cálculos se pueden hacer para el plano en dos dimensiones y
las secciones representativas axial-simétricas y también para
estructuras tridimensionales de forma arbitraria.
• Los resultados térmicos, microestructurales y estructurales se
pueden calcular gradualmente o en forma continua. Así como los
modelos térmicos y estructurales que incluyen los cambios en la
microestructura.
44
• Las formulaciones de los materiales específicas toman en
consideración el retiro de la historia mecánica, cuando la fusión y
dirección del material de la soldadura que todavía falta ser
depositado (activación y desactivación de elementos), activa la
historia mecánica durante la solidificación, el comportamiento del
material-termo-elástico-plástico y el endurecimiento incluyendo las
transformaciones de fase, transformación plástica, características
individuales de las fases en el caso del acero o el estado material
cuando se tratan aleaciones de aluminio, reglas no lineales de la
mezcla de las características de las fases y restauración de la
dureza durante la transformación de la fase y la influencia del
tamaño de grano austenitico formado.
• Un alto calentamiento y un rápido enfriamiento causan gradientes
térmicos extremadamente altos, las características
microestructurales y mecánicas - pueden ocurrir en un proceso de
la soldadura. Estos gradientes tienen que ser controlados
numéricamente por el programa con un tiempo razonable. Aparte
del solver y los algoritmos numéricos dedicados, las formulaciones
especiales del elemento. A través de éstas herramientas el
software permite un mayor control en la simulación de los procesos
de la soldadura y del tratamiento térmico.
• Se han desarrollado capacidades específicas para repasar
resultados calculados. Térmica y microestructuralmente, las cargas
(campos de temperatura, fases y tensiones térmicas) se
almacenan junto con los resultados mecánicos al mismo tiempo.
Por lo tanto, las cargas térmicas, las microestructuras y los
45
resultados mecánicos pueden ser comparados y analizados de una
manera objetiva. El campo de las dislocaciones se almacena en un
archivo adicional para cada uno de los pasos calculados, el tiempo
permite la creación inmediata de las películas de la evolución de la
dislocación. Si los resultados en cada punto de gauss (tensiones)
fueron almacenados en cada paso de tiempo calculado, el archivo
del resultado sería en la mayoría de los casos demasiado grande.
Por lo tanto, los resultados en los puntos del gauss se almacenan
solamente en los pasos seleccionados del tiempo. Estos resultados
son almacenados ya que se necesitarán más adelante para otros
pasos del tiempo, estos puede ser creados fácilmente con una
operación de restauración basada en el archivo donde se han
almacenado las dislocaciones, es de suma importancia agregar
que el número de nodos y de elementos no es limitado.
7.4.14 Limitaciones del software Sysweld
• Unas de las limitaciones que presenta el programa es en el
administrador de datos del material vía Excel, ya que solamente se
puede calcular el resultado de uno en uno de los materiales
involucrados en una sesión.
• No se pueden agregar líneas al grupo que se exporta a Excel, el
número de líneas y la posición de las tablas no puede ser
modificada, pero si se pueden agregar columnas a ese grupo. Ya
que solo se limita a los datos que van a ser exportados. El alcance
de las fases debe ser tratado cuidadosamente con el administrador
ya que es muy delicado su manejo.
• En la operación de Excel se debe tener cuidado en separar las
cantidades con puntos y no con comas porque se dificultaría el
46
procedimiento, de manera inversa si en Excel está separado con
comas Sysweld no acepta esta separación al momento de exportar
los datos.
En la Figura 15, se muestra un ejemplo de una simulación de un proceso de
soldadura con el uso del software Sysweld.
H3
X T 7
JÍ*J
Figura 15. Simulación de soldadura en "T" a través del software Sysweld.
[15]
47
8.
INFORMACIÓN REQUERIDA PARA
EL MODELO METALÚRGICO DE
SIMULACIÓN DE SOLDADURA DE
ALEACIONES AISI 4140 POR EL
PROCESO SMAW
Para poder realizar cualquier tipo de simulación de algún proceso de
soldadura es necesario tener información de la literatura suficiente con
respecto al material que se pretende simular. Dentro de estos requerimientos
se encuentra la información más importante en cuanto al proceso de
soldadura a utilizar y las principales características y propiedades del metal
que se va a soldar.
Para los propósitos de esta monografía se recopiló información con
respecto a las aleaciones AISI 4140 y el proceso de soldadura de electrodo
revestido comúnmente conocido por sus siglas en inglés como SMAW
(Shielded Metal Are Welding).
A continuación se muestra la descripción del proceso SMAW y los
principales parámetros involucrados en el proceso de soldadura
48
8.1 Proceso de soldadura SMAW[18]
Este proceso de soldadura se caracteriza porque se produce un arco
eléctrico entre la pieza a soldar y un electrodo metálico recubierto. Con el
calor producido por el arco, se funde el extremo del electrodo y se quema el
Revestimiento, produciéndose la atmósfera adecuada para que se produzca
la transferencia de las gotas del metal fundido desde el alma del electrodo
hasta el baño de fusión en el material de base. En el arco las gotas del metal
fundido se proyectan recubiertas de escoria fundida procedente del
recubrimiento que por efecto de la tensión superficial y de la viscosidad flota
en la superficie, solidificando y formando una capa de escoria protectora del
baño fundido.
8.2 Electrodos y su fabricación
El material de aporte que se usa en el proceso SMAW se conoce como
electrodo y consiste en una varilla metálica, generalmente acero, recubierta
de un revestimiento concéntrico de flux extruido y seco. La fabricación de
electrodos se realiza en dos líneas en paralelo: varilla y revestimiento.
a) Fabricación de la varilla
La materia prima es alambrón de 6 a 8 mm de diámetro, que la siderurgia
suministra en rollos o bobinas, de aproximadamente 1.0 Kg. El fabricante
comprueba la composición a partir del análisis químico de un despunte de la
bobina y posteriormente ésta pasa a una devanadora protegida por una
campana metálica, en donde el alambrón se retuerce y desprende el óxido
adherido en el tren de laminado en caliente. A esta etapa se le denomina
decapado mecánico. Al ser la fabricación de electrodos un proceso continuo,
los extremos de cada bobina se empalman por resistencia eléctrica,
eliminando las rebabas de la soldadura con muela de esmeril. Seguidamente
49
el alambrón pasa a las cajas de trefilado donde tiene lugar una reducción
progresiva de diámetro hasta el deseado, utilizando sustancias lubricantes
para facilitar la operación y evitar un endurecimiento del alambre, que le
haga quebradizo. A continuación se desengrasa o se lava con agua el polvo
de jabón adherido a su superficie. Los diámetros son normalmente 1.6, 2,
2.5, 3, 3.25, 4, 5 y 6 mm. Una máquina endereza y corta las varillas a un
ritmo entre 580 y 1400 cortes/minuto, en función de su diámetro.
b) Fabricación del revestimiento
Para el revestimiento se suelen utilizar hasta cuarenta minerales y
sustancias distintas, como arena de zirconio, rutilo, celulosa, caolín, mármol,
polvo de hierro, FeSi, FeTi, FeMn, etc. Se realiza un análisis individualizado
de la calidad y composición de estos productos.
La selección, origen y dosificación de cada componente que va a
intervenir en la composición del revestimiento es un secreto del fabricante.
Una vez escogido cada componente, se muele y criba hasta conseguir la
granulometria adecuada y se dosifica mediante un programa de
computadora, pasando de un sistema de tolvas específicas de cada producto
a una tolva central, donde a continuación se homogenizan mediante
vibradores distribuyéndose después la mezcla en tolvas destinadas a
producción.
Para aglutinar la mezcla seca y darle consistencia se agrega silicato
sódico o silicato potásico. Una vez obtenida la mezcla húmeda se vierte en
una prensa en donde penetra la varilla por un lado saliendo recubierta en
toda su longitud por el lado opuesto. Se comprueba la excentricidad del
recubrimiento y se cepillan ambos extremos de la varilla revestida. Uno, para
el ajuste de la pinza portaelectrodos y el otro, para facilitar el cebado de arco.
Se marcan con la identificación del fabricante y el tipo de electrodo según la
50
^
American Welding Society (AWS). El secado previo se lleva a cabo
haciéndolos pasar por un horno de funcionamiento continuo, cuya
temperatura se incrementa gradualmente para evitar que se agriete y se
desprenda el revestimiento. Para electrodos tipo rutilo normal, el secado
previo a una temperatura es de aproximadamente 100 °C. Para electrodos
básicos, después de este secado previo se pasan a hornos convencionales
de aire para darles un secado final a 400-450 °C. Posteriormente se
empaquetan en cajas de cartón o metálicas. Aquéllas suelen protegerse de
la humedad con plástico termorretráctil. En general, debe seguirse la regla de
que los materiales de aporte deben embalarse de tal forma que no sufran
deterioros, ni se humedezcan, ni se sequen.
8.3 Revestimientos
a) Composición del revestimiento
La composición de los revestimientos suele ser muy compleja. Se
trata generalmente de una serie de sustancias orgánicas y minerales. En la
fabricación de la pasta para el revestimiento suelen intervenir:
• Óxidos naturales: óxidos de hierro, ilemita (50% óxido férrico y 50%
óxido de titanio), rutilo (óxido de titanio), sílice (óxido de silicio).
. Silicatos naturales: caolín, talco, mica, feldepasto.
• productos volátiles: celulosa, serrín.
• Fundentes
• Productos químicos: carbonatos, óxidos.
• Ferroaleaciones: de Mn, Si, Ti.
• Aglomerantes: silicato sódico, silicato potásico.
Sin embargo, la naturaleza, dosificación y origen de los componentes
permanece en secreto por parte del fabricante que en la práctica se limita a
51
garantizar la composición química del metal depositado y sus características
mecánicas: carga de rotura, límite elástico, alargamiento y tenacidad.
b) Funciones del revestimiento
Las funciones del revestimiento son muy importantes pero se clasifican
desde el punto de vista eléctrico, físico y metalúrgico como se describe a
continuación
1. Eléctrico
a. Cebado de arco. En general, las sustancias que se descomponen
produciendo gases fácilmente disociables exigen tensiones de cebado
de arco más elevadas, debido al calor absorbido en la disociación, que
es un proceso endotérmico. Con corriente alterna, se necesitan
tensiones de cebado más altas. Los silicatos, carbonatos, óxidos de
Fe, óxidos de Ti, favorecen el cebado y el mantenimiento del arco.
b. Estabilidad del arco. La estabilidad del arco depende, entre otros
factores, del estado de ionización de los gases comprendidos entre el
ánodo y el cátodo. Para un arco en corriente alterna es imprescindible
un medio fuertemente ionizado. Por este motivo se añaden al
revestimiento, entre otras sustancias, sales de sodio y de potasio.
2. Físico
Una misión fundamental del revestimiento es evitar que el metal fundido
entre en contacto con el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno del aire, ya sea
por la formación de un gas protector alrededor del camino que han de seguir
las gotas del metal fundido y después, mediante la formación de una
abundante escoria que flota por encima del baño de fusión.
52
El revestimiento debe ser versátil y permitir generalmente la soldadura en
todas las posiciones. En ello interviene dos factores:
a. El propio espesor del revestimiento.
b. Su naturaleza, que determina la viscosidad de la escoria, que es
necesaria para mantener la gota en su lugar a través de su propia
tensión superficial y para proteger el baño fundido del contacto con el
aire.
El revestimiento del electrodo se consume en el arco con una velocidad
lineal menor que el alma metálica del mismo. Como resultado, el
recubrimiento queda prolongado sobre el extremo del alma y forma un cráter
que sirve para dirigir y concentrar el chorro del arco, disminuyendo sus
pérdidas térmicas.
3. Metalúrgico
El revestimiento dispone de elementos que se disuelven en el metal
fundido con objeto de mejorar las características mecánicas del metal
depositado.
La escoria:
• Reduce la velocidad de enfriamiento de la soldadura por su efecto
aislante
. Reduce el número de inclusiones en la soldadura, al eliminar un gran
número de impurezas
. Produce en el baño una verdadera micrometalurgia, desoxidando,
desnitrurando, desfosforando y desulfurando el metal fundido;
53
• Aisla el baño de elementos con los que tiene gran afinidad: oxígeno,
nitrógeno, hidrógeno ya sea a través de escorias o gases protectores.
c) Especificaciones
Las especificaciones actuales de la American Welding Society a que
obedecen los electrodos se muestran en la Tabla 1.
Tipo de electrodo Criterios de clasificación
Electrodos de acero al
carbono:
AWS-A.5.1
Tipo de corriente a utilizar, tipo de recubrimiento, posición de
soldadura, composición química del metal depositado y
propiedades mecánicas del metal depositado
Electrodos de aceros
de baja aleación: AWS-
A.5.5
• Clase A: Aceros al carbono-molibdeno.
• Clase B: Aceros al cromo-molibdeno.
• Clase C: Aceros al níquel.
• Clase D: Aceros al manganeso-molibdeno.
• Clase N: Aceros al níquel-molibdeno.
• Clase G: Aceros de baja aleación, no incluidos en las otras
clases.
Electrodos de aceros
inoxidables: AWS-A.5.4
Estos electrodos se clasifican de acuerdo con su composición
química, propiedades mecánicas y tipo de corriente e incluyen
aceros en los que el cromo excede del 4% y el níquel no supera el
37% de la aleación.
Tabla 1. Criterios de clasificación de los electrodos de acuerdo a la AWS.
8.4 Características y propiedades de los electrodos.
Los tipos de electrodos usados en el proceso SMAW pueden ser tres: ácidos,
celulósicos, de rutilo y básicos como se describe a continuación.
54
8.4.1 Electrodos ácidos.
Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-6020.
Características específicas. Estos electrodos contienen una adecuada
proporción de productos desoxidantes en forma de ferroaleaciones, FeSi, y
FeMn. Sin embargo, el contenido de Si en el cordón se mantiene bajo por lo
que el metal aportado contiene siempre una cierta cantidad de oxígeno y, en
consecuencia, la resiliencia de la unión es solamente mediana.
Escorias. Pertenecen al sistema FeO-Si02-MnO y contienen una gran
proporción de silicatos de Fe (fayalita) y de Mn (rodonita), así como óxidos
libres FeO y MnO. La reacción es acida, o sea, disuelve los óxidos básicos,
tales como el MnO. En consecuencia, gran parte del Mn se desplaza a la
escoria. Este enriquecimiento en Mn disminuye la viscosidad,
proporcionando un cordón de aspecto liso y facilitando la soldadura. La
escoria de los electrodos típicamente ácidos es abundante, de color negro y
adquiere al solidificar una estructura esponjosa que tiende a hacerse más
compacta y vitrea a medida que disminuye la acidez. Se separa con bastante
facilidad. Por su abundante escoria se requiere soldar con mayor intensidad
e inclinación adecuada del electrodo, para evitar que la escoria se anticipe al
metal fundido.
Metal depositado. Estos electrodos confieren al metal depositado un
contenido de H2 e impurezas relativamente alto. A menudo, el cordón
contiene escorias. La soldabilidad del metal base debe ser buena, pues en
caso contrario pueden producirse grietas en caliente. Esta susceptibilidad es
función de la acidez de la escoria y disminuye a medida que tiende a la
neutralidad.
55
Parámetros de uso. Tensión de cebado: entre los 30 y 40 V. Tensión de
funcionamiento: aproximadamente 25 V.
Arco. Son electrodos de fusión rápida, facilitada en parte por el calor que
produce la oxidación del Mn. Pueden emplearse con intensidades de
corriente elevadas. Se usan normalmente sólo en corriente continua y
electrodo unido al polo negativo.
Rendimiento gravimétrico. El rendimiento gravimétrico estándar es del
95%.
Aplicaciones. Destinados para soldar aceros normales de construcción,
de resistencia inferiores a 48 Kg/mm2. Se solía utilizar en juntas a tope o en
V en calderería cuando se requería un buen aspecto del cordón. También
por su facilidad en proporcionar cordones lisos en juntas en ángulo o
solapadas.
8.4.2 Electrodos celulósicos
Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-6010 (Na)
yAWS-E-6011 (K).
Características específicas. En estos electrodos la celulosa, obtenida a
partir de la pulpa de la madera, es el componente principal. Esta sustancia
orgánica se descompone por el calor desarrollado en el arco, proporcionando
un gas protector que aisla y protege de la oxidación al Mn y al resto de los
componentes. Las reacciones de reducción se desarrollan en una atmósfera
de hidrógeno que cubre el metal fundido.
Escoria. Es poco voluminosa ya que la protección del baño es
esencialmente de tipo gaseoso. Se desprende con facilidad.
56
Arco. Producen una gran penetración gracias al hidrógeno procedente de
la celulosa que el calor del arco libera. La velocidad de soldadura elevada.
Se producen, sin embargo, abundantes pérdidas por salpicaduras.
Metal depositado. El metal depositados por estos electrodos carece
prácticamente de oxígeno (O2 < 0,02%). En cambio, contiene una gran
cantidad de hidrógeno (15-25 cm3 por cada 100 gr. de metal depositado). La
superficie del cordón es rugosa y éste se enfría rápidamente.
Rendimiento gravimétrico. El arco produce un fuerte chisporroteo, con
abundantes pérdidas por salpicaduras. El rendimiento estándar suele ser
inferior al 90%.
Seguridad de uso. Los electrodos celulósicos producen una gran
cantidad de humos. Por ello, es recomendable evitar su uso en recintos
cerrados, como el interior de calderas, cisternas, recipientes, etc. Por otra
parte, lo enérgico del arco aconseja emplear con más rigor los materiales de
protección, tales como gorras, guantes, mandiles, polainas, etc. Los
electrodos celulósicos no deben resecarse nunca.
Aplicaciones. Aunque son adecuados para soldar en todas las
posiciones, se suelen emplear exclusivamente para soldar tubería en vertical
descendente, porque:
• producen muy poca escoria.
• se manejan con facilidad.
• consiguen una buena penetración en el cordón de raíz, en esta
posición.
57
8.4.3 Electrodos de rutilo
Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-6012 (Na)
yAWS-E-6013(K).
Características específicas. El principal componente de estos
electrodos es el rutilo, mineral obtenido a partir de menas que en su estado
natural contienen de un 88-94% de Ti02. También puede extraerse de la
ilmenita, mineral compuesto por un 45-55% de Ti02 y el resto de Fe203. La
protección en estos electrodos la proporciona la escoria.
Escorias. Pertenecen al sistema Ti02-FeO-MnO que dan como resultado
titanatos de hierro o titanatos complejos. La escoria, de aspecto globular o
semiglobular, tiene la viscosidad adecuada para permitir la soldadura deelementos con ajuste deficiente o cuando entre los bordes a unir existe una
distancia excesiva, resultando los electrodos de rutilo idóneos en la
soldadura con defectuosa preparación de juntas. La escoria se elimina con
facilidad.
Metal depositado. Contiene un buen número de inclusiones. El nivel de
impurezas es intermedio entre el que presentan los electrodos ácidos y losbásicos. El contenido de hidrógeno puede llegar a fragilizar las soldaduras. El
contorno de las costuras en ángulo oscila entre convexo en el AWS-E-6012 a
prácticamente plano en el AWS-E-6013. En cualquiera de los casos, el
cordón presenta un buen aspecto.
Arco. Fácil encendido, incluso con elevadas tensiones de vacío en la
fuente de corriente. La pequeña proporción de celulosa del revestimiento
permite una elevada intensidad de corriente. La cantidad de elementos
58
a
refractarios del recubrimiento origina un arco tranquilo, de mediana
penetración.
Parámetros de uso. Tensión de cebado: entre 40 y 50 V. Se emplean
con corriente alterna o con corriente continua, en ambas polaridades.
Rendimiento gravimétrico. El rendimiento gravimétrico estándar está
comprendido entre el 90 y el 100%.
Aplicaciones. Estos electros, fáciles de encender y reencender, poco
sensibles a la humedad, escasas salpicaduras y favorable eliminación de
escoria, que permiten una razonable velocidad de soldadura. Resultan por su
fácil manejo en cualquier clase de montaje, la escasa influencia de las
condiciones ambientales y por ser adecuados para emplearse en todas las
posiciones, idóneos para todo tipo de soldaduras siempre que no se requiera
una elevada tenacidad. Los principales campos de aplicación son las
estructuras metálicas, en construcciones de calderas y construcciones
navales.
8.4.4 Electrodos básicos.
Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-7015
(Na) poco frecuentes y AWS-E-7016 (K) muy utilizados
Características específicas. Los componentes principales son el
carburo calcico y el fluoruro calcico. El revestimiento, que no contiene
celulosa ni arcilla, proporciona un gas protector a base de C02 procedente
del mármol y del fluoruro de silicio formado a partir de la fluorita e espato
flúor, en reacción con el Si02. Funden a temperaturas muy elevadas (aprox.
59
2,000 °C), razón por la cual necesitan un fundente en su composición, como
el espato flúor.
La elevada proporción de T¡02 y de silicato potásico, permiten su uso en
corriente alterna. Son fuertemente higroscópicos, por lo que precisan de
ciertas precauciones para evitar que una retención de humedad origine
porosidades en el metal depositado y fisuraciones bajo el cordón en la
soldadura de aceros ferríticos de alta resistencia o límite elástico.
Escorias. Pertenecen a los sistemas CaO-Si02, 2CaO-Si02 y 3Cao-Si02.
La escoria es poco abundante, de color pardo y aspecto brillante. Su fluidez
se controla agregando espato flúor al revestimiento. Sube a la superficie con
rapidez por lo que son poco probables las inclusiones. Se elimina con menos
facilidad que la de los otros tipos de electrodos.
Arco. En general, la velocidad de fusión no es elevada ni tampoco soportan
grandes intensidades de corriente. Ofrecen una velocidad de soldeo
razonable en posición horizontal o cornisa y más rápida en vertical
ascendente, porque es esta posición admiten una intensidad de corriente
más alta que otros electrodos.
La longitud de arco es más corta que en el caso de los rútilos. La tensión
de cebado es elevada, aproximadamente 65 V. Por esta razón, algunos
fabricantes proceden a impregnar de grafito, excelente conductor eléctrico,
uno de los extremos del electrodo, para facilitar de esta manera el encendido
del arco. Los básicos son más difíciles de manejar que los otros electrodos.
60
Rendimiento gravimétrico. Oscila en torno al 110%.
Metal depositado. En el momento de la fusión se produce una verdadera
micrometalurgia, con fijación de elementos metálicos en el metal fundido.
Pueden obtenerse así, por adición de elementos adecuados tales como Mn,
Cr, Ni, Mo, etc. soldaduras de elevadas características mecánicas y de alta
resistencia contra determinados agentes corrosivos. El metal depositados se
encuentra prácticamente exento de impurezas, libre de hidrógeno ( H2 < 10
ppm) y de porosidad, si el revestimiento está seco. Posee además una
elevada capacidad de deformación (aproxiamdamente 30%) y presenta una
alta tenacidad.
Precauciones específicas. Si el electrodo, por su higroscopicidad, ha
captado humedad deposita un metal poco dúctil y, en determinadas
circunstancias, propenso a fisuración bajo el cordón. Para evitar ambos
fenómenos, los electrodos básicos que hayan estado expuestos a un
ambiente húmedo, deben secarse siguiendo estrictamente las
recomendaciones de su fabricante.
La temperatura de secado en horno o estufa y el tiempo necesario de
permanencia a esa temperatura deben ser los adecuados a la composición
del revestimiento, que sólo el fabricante conoce la exactitud. En efecto, la
humedad absorbida se encuentra en forma de hidrato lo que requiere
temperaturas elevadas para extraer el agua atrapada en los cristales.
Aplicaciones. El campo de aplicación es muy amplio. Una de las
ventajas de los electrodos básicos es que pueden eliminar el S por su
reacción con el Mn, formando compuestos que pasan a la escoria, por lo que
61
la soldadura realizada con este tipo de electrodos muestra una gran
resistencia al agrietamiento en caliente.
El metal depositado es poco sensible a la fisuración, incluso en soldadura
sometidas a fuertes tensiones de embridamiento por condiciones de rigidez.
Se utilizan ampliamente en la soldadura de estructuras metálicas, recipientes
sometidos a presión, construcción naval y maquinaria. Para resolver el
problema de su fuerte higroscopicidad, actualmente se están desarrollando
electrodos básicos menos propensos a captar humedad: electrodos LMA
(Low Moisture Absortion).
8.5 Selección del tipo de corriente
La clase de corriente depende fundamentalmente del tipo de electrodo
que se va a utilizar.
A pesar de que la corriente continua es la más común, la amplia gama de
electrodos actualmente en el mercado, que deben utilizarse con corriente
alterna han hecho que crezca el uso de este tipo de corriente.
El costo de la energía con corriente alterna es menor que con corriente
continua pero representa una parte poco relevante del costo total de
soldadura, no siendo un factor decisivo la selección del tipo de corriente.
En la Tabla 2 se muestra la comparación entre el uso de corriente continua y
corriente alterna.
62
1
Características Corriente continua Corriente alterna
Pérdida de tensión en cables Grande
Los cables han de ser tan
cortos como sea posible
Pequeña
Preferible para soldar a grandistancia de la fuente.
Electrodos Son válidos todos los tipos deelectrodos.
El revestimiento debe contener
sustancias que restablezcan elarco.
Encendido del arco Fácil. Más difícil sobre todo en
electrodos de pequeñodiámetro.
Mantenimiento del arco Fácil. Más difícil, excepto cuan seutilizan electrodos de granrendimiento.
Efecto de soplo Muy sensible, sobre todocuando la soldadura está cerca
de extremos de la pieza. Elefecto se incrementa con la
intensidad.
Es raro que se produzca. Laalternancia de ciclos neutraliza
los campos magnéticos.
Salpicaduras Porco frecuentes. Más frecuentas, debidas a lapulsación.
Posiciones de soldeo Más fácil de usar < < en
posición > > para soldaduras desecciones gruesas.
Fácil de usar en cualquierposición si se dispone delelectrodo adecuado.
Soldadura de hojas metálicas Preferible. Si no se actúa con granprecaución, se puede deteriorarel material debido a la dificultad
de encendido del arco.
Soldaduras de secciones
gruesas
Rendimiento bajo. Preferible pues al poder utilizarun mayor diámetro del electrodoy más intensidad de corriente,se logran altas tasas derendimiento
Tabla 2. Comparación de las características del uso de corriente continua y
corriente alterna.
63
La Figura 16, muestra un esquema del principio del proceso de soldadura por
electrodo revestido (SMAW).
Shielded Metal Are Welding(SMAW)
Power supply
Protectinggas
SlSQlayer
Soliclified weld
Workpiece
Figura 16. Esquema de la soldadura por electrodo revestido. [16]
64
,[ii]8.6 Aleaciones AISI 4140
El acero AISI 4140 es una aleación al cromo molibdeno el cual adquieres
sus propiedades mediante los elementos que lo componen. Estas aleaciones
están basadas en los elementos: C, Mn, P, S, Si, Cr y Mo como se puede
apreciar en la Tabla 3. Estos elementos le confieren propiedades físicas,
químicas y mecánicas a la aleación como se describe a continuación.
AISI COMPOSICIÓN QUÍMICA (% e.p.)
GRADO C Mn P máx. S máx. Si Cr Mo
4140 0.38-0.43 0.75-1.10 0.035 0.040 0.15-0.30 0.80-1.10 0.15-0.25
Tabla 3. Composición química de la aleación cromo-molibdeno AISI 4140.
8.6.1 Efectos de los elementos de aleación
Cromo. El cromo es un elemento de aleación menos costoso que el
níquel y forma carburos simples (Cr7C3 y Cr4C) o carburos complejos [(FeCr)
3C]. Estos carburos tienen alta dureza y buena resistencia al deterioro. El
cromo es soluble hasta 13% en hierro gamma y tiene solubilidad ilimitada en
ferrita alfa. En los aceros de bajo carbono, el Cr tiende a entrar en solución
incrementando de esta manera, la resistencia y la tenacidad de la ferrita [11].
Molibdeno. El molibdeno es un elemento de aleación relativamente
costoso, tiene una Solubilidad limitada en hierros gamma y alfa, y es un
fuerte formador de carburos. Además ejerce un fuerte efecto de templabilidad
y, de manera semejante al cromo, aumenta la dureza y resistencia a alta
temperatura de los aceros. Los aceros con molibdeno son menos
susceptibles al fragilizado debido al revenido, los aceros al Cromo-Molibdeno
65
(serie 41 xx) son relativamente baratos y poseen buenas características de
endurecido profundo, de buena ductilidad y de capacidad para soldarse.
Otros elementos. Resulta importante mencionar que el agregado de
manganeso (Mn) en los aceros se debe a su mayor afinidad que el hierro
para combinarse con el azufre y formar sulfuro de manganeso, evitando de
éste modo, la formación indeseable de sulfuro de hierro que tiene un bajo
punto de fusión y produce fisuras internas cuando se lamina en caliente al
acero.
8.6.2 Presentación y suministro
Palanquillas y barras para forja, barras en estado laminado, estirado,
pelado y/o tratado térmicamente y en rollos.
8.6.3 Aplicaciones
Se ha empleado ampliamente para recipientes sujetos a presión, partes
estructurales de los aviones, ejes de automóviles, piezas forjadas y/o
mecanizadas que se usan en estado templado y revenido y para el caso de
la presente monografía para fabricación de componentes de bombas de
lodos.
8.6.4 Propiedades físicas
Punto crítico superior AC3 = 793 °C.
Punto crítico inferior Aci = 749 °C.
Coeficiente de dilatación térmica en estado recocido (promedio x 10-6 °C-1)
Entre: 0 y 100° C = 11, 2
0y300°C = 12,4
0y500°C = 13,6
66
8.6.5 Propiedades tecnológicas
Maquinabilidad En estado:
• Estirado en frío = 66%
• Laminado en caliente y recocido = 56%
Soldabilidad:
Carbono equivalente máximo = 0,89%
8.6.6 Propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas
Las propiedades mecánicas de este acero dependiendo de la condición
se en listan a continuación en las Tabla 4 y 5.
TratamientoRp0,2 Rm Dureza Alargamiento
MPa MPa HB HRC %
Laminado en caliente 680 1030 311 33 15
Normalizado 670 1020 311 33 17
Recocido 380 650 192 25
Tabla 4. Propiedades mecáncias del acero AISI 4140. Rp 0,2: Límite de
fluencia al 0,2% de alargamiento. Rm: Resistencia a la tracción.
Condiciones
Propiedades Temperatura(°C)
Tratamiento
Densidad (*1000 kg/rn^) 7.7-8.03 25 -
Relación de Poisson 0.27-0.30 25 -
Modulo elástico (GPa) 190-210 25 -
Resistencia a la Tensión (MPa) 655.0 25
Recocido a 815°C
Resistencia a la Cedencia
(Mpa)417.1 25
Elongación (%) 25.7 25
Reducción en área (%) 56.9 25
Dureza (HB) 197 25
Resistencia al impacto 54.5 25
Tabla 5. Propiedades Mecánicas del acero AISI 4140.
67
En las Tablas 6 y 7 se muestran las propiedades térmicas y eléctricas,
respectivamente, del acero AISI 4140.
Condiciones
Propiedades Temperatura(°C)
Tratamiento
Expansión térmica (10"6/°C) 12.3 20-100Endurecido en aceite,
templado a 600°C
Conductividad térmica (W/m-K) 42.7 100 -
Calor específico (J/kg-K) 473 150-200 -
Tabla 6. Propiedades Térmicas del acero AISI 4140.
Propiedades
Condiciones
Temperatura(°C)
Tratamiento
Resistividad eléctrica
(10"9Q-m)222
i *—
20 -
Tabla 7. Propiedades Eléctricas del acero AISI 4140.
8.6.7 Propiedades de templabilidad
La templabilidad se determina usualmente por dos métodos:
• Método Grossmann o del Diámetro Crítico ideal
• Método Jominy
Templabilidad: Bainítica.
Diámetro crítico ideal 99% M = 60,9 mm
Diámetro crítico ideal 50% M = 106,9 mm
Diámetro crítico real H = 0,5 (aceite) 99% M = 29 mm
50% M = 67 mm
Diámetro crítico real H = 1,0 (agua) 99% M = 39 mm
50% M = 85 mm
68
8.6.8 Temperaturas de tratamientos térmicos.
Forja: 1000-1200
Normalizado: 870 - 925
Recocido: 815-870
Recocido de globulización: 755
Templado: 830 - 860 Enfriado en aceite
Revenido: Según características requeridas [13].
8.6.9 Análisis del acero tratado térmicamente.
La selección de los tratamientos térmicos para los aceros de esta
clasificación son elegidos de acuerdo a lo que se desea obtener ya se
martensita, o mediante un enfriamiento isotérmico para obtener bainita
inferior. Con esto se intenta alcanzar valores de dureza y resistencia
deseados. El temple y revenido se usa cuando se desea obtener martensita,
se introduce una muestra del acero en un horno a 850 °C en el cual se deja
durante 15 minutos hasta alcanzar la austenización completa para luego ser
templada en aceite.
A continuación se introduce en un baño de sales a 460 °C durante 2
horas para alcanzar la dureza final determinada. Para determinar los criterios
utilizados para los tiempos de permanencia, temperaturas y velocidades de
enfriamiento para llevar a cabo un tratamiento térmico se pueden utilizar las
curvas CTT como la mostrada en la Figura 17, para el acero AISI 4140.
69
1600
1400
1200
IOOO
800
600
•400
200
IO 20 50
Cooling time, s
IOO 200 500 IOOO
Figura 17. Curvas CCT para un acero AISI 4140, velocidades de
enfriamiento a 700°C. A=Austenita, F=Ferrita, P=Perlita, B= Bainita,
M=Martensita. [17]
El tiempo de permanencia a una temperatura se obtiene al considerar un
tiempo de 1 minuto por milímetro de espesor de la pieza, con un mínimo de
15 minutos, como necesario para la penetración y homogeneización de la
temperatura en el volumen y alcanzar una austenización completa, evitando
al mismo tiempo un excesivo crecimiento de grano.
Como es bien sabido dependiendo del tratamiento térmico y las
condiciones de enfriamiento empleadas serán las fases obtenidas en la
microestrcutura. Para el caso del acero AISI 4140 en la Figura 18, se
muestra una microestructura de la fase martensítica.
70
Figura 18. Microestructura de una martensita en un AISI 4140 tomada a
812.5X. [18]
Por otra parte el criterio utilizado para obtener bainita, es someter una
muestra a 850°C y dejarla 20 minutos de permanencia para alcanzar la
austenización. El enfriamiento isotérmico se realiza en un baño de sales a
370 °C durante 15 minutos; sabiendo que a los 340°C se encuentra en la
línea Ms, por lo tanto se escoge una temperatura levemente superior a la
cual el material alcanza la dureza preestablecida de 44 HRC y el tiempo
mínimo de permanencia a las temperaturas necesarias para transformar
completamente la austenita inestable en bainita. En la Figura 19, se muestra
una microestructura de una bainita en el acero AISI 4140.
La estructura metalográfica del acero AISI 4140 presenta bastones de
bainita superior y granos de ferrita en menor proporción. La misma es
producto de un enfriamiento al aire (normalizado) desde una temperatura
superior a la de austenización. Por otra parte, se produce una recristalización
total de los granos austeníticos luego de la deformación plástica.
71
Figura 19. Microestructura de una bainita en un AISI 4140 tomada a 812.5X
donde se puede observar vainita con morfología de bastones y algunos
cristales de ferrita. [19]
8.6.10 Determinación del tamaño de grano austenitico original
En las figuras anteriores se puede observar que las agujas bainíticas
crecieron a partir de un mismo grano de austenita durante enfriamiento, y
tienen la misma orientación, además se ven rodeadas por granos de ferrita
primaria que nuclearon en los bordes de grano de la austenita original.
Por ésta razón, si se observa cuidadosamente la microestructura
metalográfica es posible determinar la forma y el tamaño de los cristales
austeníticos formados durante la recristalización debido al laminado y que
dieron origen a la estructura final del acero. Mediante el método ASTM E -19
(American Society for Testing and Materials) se puede determinar el tamaño
de grano austenitico.
La ASTM tiene preparadas 10 cartas normalizadas con granos de
diferente tamaño medio, cada una de estas cartas tiene asignado un número
72
del 1 al 10, denominado índice de tamaño de grano, donde el mayor índice
tiene el menor tamaño de grano.
El tamaño de grano se asigna por comparación con el índice del tamaño
de grano de la carta más parecida a la estructura observada con un aumento
determinado. De éste modo, basta una relativamente sencilla observación
visual para asignar el tamaño de grano.
8.6.11 Curvas S-N[12]
Las curvas S-N indica que los aceros aumentan su resistencia a la fatiga
con el tratamiento térmico de normalizado comparando la condición original.
Sin embargo en el caso del tratamiento de recocido se puede obtener alivio
de tensiones pero esto afecta enormemente la resistencia a la fatiga.
Para este tipo de aceros la curva S-N está por debajo de la condición
original y muy por debajo de la condición de normalizado como se muestra
en la Figura 20.
En condiciones de tratamiento térmico normales la resistencia a la tensión
de estos aceros es de 170,000 psi. Para una pequeña sección y 140,000
psi para una sección más grande, en todo caso se obtiene una buena
combinación, en ductilidad, y en resistencia al impacto [13]
73
III
6)0
100
COMPARACIÓN DE CURVAS PARA ACERO 4140 EN SUS DIFERENTES
CONDICIONES
• NORMALIZADO
• ORIGINAL
• RECOCIDO
1,11*11 J.Ot'OÍ 4,0c»0S 9,0e»OS O.0c«OS 1.01*00 1,Je*00 1.4c-)£ I.Oc-05
NUMERO DE CICLOS
Figura 20. Curva de fatiga para el acero AISI 4140 en las tres condiciones
del material. [20]
8.7 Características del acero cuando es retirado del servicio por
defectos
Los aceros AISI 4140 al cromo-molibdeno son aceros con alta durabilidad
y buena resistencia, pero al paso del tiempo de operación y servicio, se
generan daños superficiales en estas piezas tales como corrosión, erosión,
agrietamiento, fracturas y pérdida de material, debido al contacto con el
medio al cual están sometidos.
De igual manera se detectan daños en estos tipos de aceros por un
tratamiento térmico inadecuado ya que por las altas velocidades de
enfriamiento que se logran en el temple del acero se pueden producir
torceduras y aún fracturas en las piezas, esto se debe al choque térmico por
el desigual enfriamiento o calentamiento, entre diferentes partes de una
pieza, además por los cambios de volumen específico de la transformación
74
austenita-martensita. Por lo cual se consideran dos alternativas de temple
que reducen estos problemas:
8.7.1 TEMPLE.
Austempering: es un tratamiento isotérmico que consiste en calentar el
acero a la temperatura de austenitización y enfriarlo bruscamente, en un
baño de sal, hasta una temperatura levemente superior a Ms, tal que,
mateniéndola constante la reacción produce una estructura completamente
bainítica, (bainita inferior), luego el acero es enfriado al aire, a temperatura
ambiente. De este modo se logra una estructura dura pero no excesivamente
frágil, Figura 21.
Martempering: es un procedimiento que consiste en calentar el acero a
la temperatura de austenitización y enfriarlo bruscamente, en un baño de sal
o de aceite caliente, hasta una temperatura levemente superior a Ms,
manteniéndose constante para uniformizar la temperatura de la pieza, (el
tratamiento isotérmico se detiene antes de que comience la transformación
bainítica), luego se enfría hasta producir 100% de martensita, Figura 21, con
este tratamiento se produce martensita con menor riesgo de distorsiones y
fracturas por choque térmico.[19]
75
800-Austenita estable
Martensita1 minuto
7¿ ^1 hora
»
ÍO*
Tiempo (s)
I£"1 día
ÍO5 ÍO6
Figura 21. Curvas tiempo, temperatura, transformación (CCT). [21]
La templabilidad de los aceros se refiere específicamente a la propiedad
que determina la profundidad y distribución de la dureza producida por
temple, Le., es decir es la facilidad para formar martensita, y depende:
A. Del tamaño del grano austenitico
B. La composición química del acero
C. De la estructura del acero.
A) El tamaño de grano de la austenita [19]
Un grano muy fino tiene mucha área de borde de grano que facilita la
nucleación de ferrita y perlita, disminuyendo la templabilidad del acero. Por
otra parte, un grano grande de austenita no es deseable porque reduce la
ductilidad final del acero y aumenta la tendencia al agrietamiento en el
temple, así pues, no es buena práctica hacer crecer el grano de la austenita.
76
Diámetro Real en pulgadas
0.58
Figura 22. Gráfica de tamaño de grano real. [22]
B) Composición química.
• El aumento del contenido de carbono
Un incremento del contenido de C en un acero aumenta fuertemente su
dureza y su templabilidad. Sin embargo, un alto % de C no siempre es
deseable, por eso, una alternativa para aumentar la dureza de un acero de
bajo C es añadir elementos de aleación. La relación entre el %C, el tamaño
del grano de la austenita y el Di, se muestra en la Figura 22.
• Elementos de aleación
Ninguno de los factores anteriores se usa específicamente para aumentar
la templabilidad, esto se logra principalmente mediante la adición de
elementos de aleación al acero, exceptuando al Cobalto, Co. Como ya se
dijo, Di depende del % de C, del tamaño de grano de la austenita y del % de
77
elemento de aleación, i.e.: esto se puede calcular mediante la siguiente
ecuación:
Di = Di (%C, • ASTM austenita) * f« * f2 *... * f„
Donde: f = función del % del elemento de aleación
i = 1,..., n son los diferentes elementos de aleación
Así, por ejemplo, para los aceros:
1040: 0,4% C y 0,6% Mn
4140: 0,4% C, 1,04% Mn„ 0,3% Si, 1,13% Cr, 0,15% Mo
Ambos con D ASTM austenita = 8
De la Figura 23, se tiene: D, (1040) = 0,2 in y D, (4140) = 0,2 in, dado que
ambos tienen el mismo % de C y tamaño de grano de austenita. Se obtienen
los factores de multiplicación de los distintos elementos. Como se muestran
en la tabla 8.
lector de multiplicidad Factor de multiplicidad
l»
i.i
u
)¿
II
II
2.í
ti
n
tili
u
i.t
u
l y 1 A\ / t c
i J 7.<
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t*
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fí yi1/ yV ^
il
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*** ♦ .♦
1¿>^Jí u IC
3<
0* u u n u n
X del elemento
U i.i ♦ .0
Figura 23. Gráfica de factores de multiplicidad para distintos elementos [23]
78
Para Acero 1040 Para Acero 4140
fMn = 3 fMn = 4,4 fSi = 1,15 fCr = 3,4 fMo = 1,6
Tabla 8. Porciento de elementos de aleación para determinar la
templabilidad de un acero.
Reemplazando tenemos que:
Para acero 1040: Di = 0,2(in) * 3 = 0,6 (in) = es un acero poco templable.
Para acero 4140: Di = 0,2(in) * 4,4 * 1,15*3,4* 1,6 = 5,5 (in) = es un acero
muy templable.
Velocidad de enfriamientoa 7DO*C,
C/iseg.í» MO 1»
Diámetro
de la barra
en mm
1Ulr- a u U5 * jj
100 f fl 1
í /
* J .
n
♦0
M
J/c •
/
MI.
0
////
mi iiii un lili lili
M13 20 U
Velocidad de enfriamiento a 700 *C,
C/'eB- «B3M1J0
1(0
Diámetro
de la barra
en mm
♦ l)
•
// 33 JJ 1J3 4 jjf r i u
ti r»//,
T //
f /
/ /ff -
i /;r Vi 7
_
ii ii mi i ii i 11 ii lili
• • • I .
( X 1 I 1 -
( 3 N 13 » 23 l
I • iili • ilii i I iiil0 V Y. I 1 i
Distancia al extremo enfriado,
izq.(distancia) jomminiDistancia al extremo enfriado,
i/q.(distancia) jommini
Figura 24. Gráficos para calcular las velocidades de enfriamiento. [24]
Para calcular las velocidades de enfriamiento y su equivalente en
distancia Jominy al enfriar a diferentes profundidades en barras de distintos
diámetros los siguientes gráficos son de gran utilidad, Figura 24 (a) y (b).
79
Dentro de los tratamientos térmicos también se considera el revenido el cual
se describe a continuación.
Revenido consiste en calentar una pieza templada por períodos del
orden de 1 a 3 horas a temperaturas menores que la de austenitización.
Como se muestra en la Figura25, primero se calienta el acero a temperatura
levemente inferior a la de austenitización A-i, luego es enfriado rápidamente,
de modo de no topar la nariz de las curvas TTT, para formar una estructura
martensífica. Posteriormente, el acero es recalentado a una temperatura
inferior a Aei para obtener la dureza deseada.
800
ÍOO-
Martensita
Austenita estable
1 minutoI
1 ñora
t1 77 iV
-T-ÍO5 10J
Tiempo (s)
1 día
10! 106
Figura 25. Curvas TTT para tranforma una extructuramartensitica [25]
80
700
o600
1 SO°
8. 400
300
200
100
O
13
24
31
26
30
37
44
A
-A3A1 ^-^ ' _
\/t P"-
-——') A*F*C ^ F*C
-
\ -
s \ -
-
-- M90
^ TAMANHO OC GRAO
Im.n m
nr" o -f
1 "tote
— 62
ÍO ÍO* 10' 10"
Tempo em segundos( Escala logarítmica)
10* 10*
O
"53
14>
Figura 26. Curvas de Dureza Rockwell C contra temperatura y tiempo. [26]
La Figura 26. Muestra la disminución de dureza en aceros revenidos a
diferentes temperaturas. Se debe notar que en aceros de alto carbono
revenidos a baja temperatura aumenta en algo la dureza, esto se explica por
los cambios microestructurales que se producen con el revenido.
C) Cambios microestructurales.
Durante el proceso de revenido ocurren cambio microestructurales
debidos a reacciones en estado sólido. Las más importantes son:
• Segregación de átomos de C
• Precipitación de carburos
• Descomposición de la austenita retenida
• Recuperación y recristalización de la matriz terrífica
81
Es importante hacer notar que no todas estas reacciones ocurren a la
misma temperatura y en el mismo período de tiempo. Muchas de ellas
suceden simultáneamente, esto determina que las microestructuras
resultantes sean muy complejas.
• Segregación de átomos de carbono.
En la red cristalina martensífica de aceros de bajo carbono hay una alta
densidad de dislocaciones. Los espacios intersticiales de esta red, cercanos
a las dislocaciones proveen de sitios de energía menor para los átomos de
carbono que la de posiciones intersticiales en la red normal. Así, cuando un
acero martensítico de bajo carbono es revenido desde 25 a 100°C, los
átomos de carbono se redistribuyen hacia estos sitios de menor energía. En
realidad gran parte de la redistribución de los átomos de C se realiza durante
el enfriamiento en el rango de temperatura donde se forma la martensita.
• Para aceros de bajo contenido de carbono, menor a 0,2% de C, la
redistribución ocurre mayoritariamente, por segregación de los átomos
de C hacia los defectos de la red, principalmente dislocaciones.
• Para aceros con alto contenido de C, la redistribución, en este caso,
ocurre por agrupación de precipitaciones. La fuerza impulsora de esta
reacción es la disminución de la energía elástica total de la red
cristalina. El número de sitios de dislocaciones de baja energía es
mucho menor en aceros de alto carbono, esto determina que la
segregación de carbono por este mecanismo sea muy reducida.
8.7.2 Precipitación de carburos En aceros al carbono se han
identificado tres tipos de carburos que difieren en composición química y
estructura cristalina.
82
a) En revenidos entre 100 y 200°C, en aceros sobre 0,2%C, se
produce precipitación de carburo £, (composición Fe2-3C, con una
estructura cristalina HCP), el cual es metaestable y se disuelve a
altas temperaturas. Los carburos e se caracterizan por ser finos y
muy pequeños, por lo cual es necesario mucho aumento para
observarlos, además precipitan según ciertos planos
cristalográficos específicos, Figura 27 (a). Es importante destacar
el hecho que en aceros de bajo carbono, menos de 0,2% de C,
estos carburos no precipitan.
b) Para revenidos entre 250 y 700°C, precipita cementita,
(composición Fe3C y estructura cristalina ortorrómbica), Figura 27
(b). En un comienzo y con revenidos a menores temperaturas, 200
a 300°C, la cementita aparece en forma de agujas, en cambio,
para revenidos a mayores temperaturas, entre 400 y 700°C, las
partículas de cementita crecen por coalescencia y toman forma
esférica. Si el tiempo de revenido se prolonga mucho los carburos
crecen demasiado y se pierde completamente la dureza del
temple, se obtiene de esta forma una matriz de ferrita con
partículas gruesas de cementita, llamada esferoidita, Figura 27.
c) Existe un tercer tipo de carburo, denominado carburo Hágg
(Fe5C2, y estructura cristalina monoclínica), éste precipita en
algunos aceros de alto carbono revenidos entre 200 y 300°C, es
metaestable y de composición intermedia entre el carburo z y la
cementita.
83
w
[e¿z]sojnqjBOapuopBijdisajd(b¿zejnBy
% De Volumen de
Austenita Retenida
JO
ij
M
5Í
501
2í
M
131"
U
J
o
a i>t*ii>wi
• e.m.1* h:
02 "."♦ 0.( i'.S 1 "
%en peso de carbono C
12 1» U
Figura 27 b) porciento de austenita retenida contra porcentage en peso de
cabono [27 b]
Descomposición de la austenita retenida En aceros de más de 0,4%C
al templar a temperatura ambiente queda austenita retenida, el revenido a
temperaturas entre 200 y 300°C produce transformación de esta austenita en
bainita, esto explica el aumento de dureza en aceros de alto C para
revenidos de baja temperatura, debido a que la bainita es más dura que la
austenita. Sobre 350°C la pérdida de dureza es causada también por un
efecto de recristalización.
85
A -. •-
•\
Figura 28. Descomposición de la austenita. [28]
8.7.3 Recuperación y recristalización Es difícil determinar cuando
comienza la recuperación de la estructura martensífica durante el recocido,
pero se puede decir con certeza que lo afecta sobre los 400°C. Durante la
recuperación los bordes de las celdas y las dislocaciones se aniquilan
mutuamente al azar, desarrollándose una estructura de grano fino. Después
de largo tiempo a temperatura iguales o superiores a 600°C, la martensita ya
recuperada recristaliza, produciendo una estructura ferrítica, en la cual
grandes partículas de Fe3C se introducen en los borde de grano o entre ellos,
como se observa en la Figura 28. Existen Dos variedades de fragilización por
revenido que se han observado:
1. Fragilización de una etapa o fragilización de los 350°C.
2. Fragilización de dos etapas.
86
Fragilización de una etapa Los mecanismos que causan la fragilización
de una etapa no están muy claros, pero se cree que podría ser causado por
las impurezas del acero, ya que no se produce en aleaciones puras de bajo
carbono como la 4340.
Este tipo de fragilización afecta a aceros de baja aleación templados a
martensita y luego revenidos en el rango de 250 a 350°C. Se caracteriza
porque la dureza decrece continuamente, y la resistencia al impacto pasa por
un mínimo, justo a los 350°C, para luego remontar. Además, la fragilización
va acompañada de fractura predominantemente intergranular, en la Figura
29. Se muestran Aspectos importantes de la fragilización de una etapa, los
cuales se pueden resumidos como sigue:
1. La ocurrencia de anomalías en la energía de impacto coincide con el
comienzo de la precipitación de cementita.
2. Este proceso puede comenzar con la precipitación de P, N y
posiblemente S en los bordes de granos de la austenita previa, esta
segregación sería esencial para la fractura intergranular que aqueja a
la fragilización de una etapa.
3. Elementos de aleación como el manganeso pueden tener un efecto
indirecto en la promoción de segregación de elementos de
fragilización en los bordes de grano.
4. Cuando por el revenido comienza a precipitar cementita en los mismos
bordes de grano de la austenita se incrementa la segregación de
impurezas en éstos, debilitándolos y promoviendo la fractura
intergranular.
87
Energía de fractura
Tiemp/amb*C (J)
T T120
100
•p-uo (&?) ts<rc i •>. tw|iiOC»-nojl(ai) nK
sol
eo
40
20
0
• •*> I b
100 200 300
///"
400 300
Revenido,Temperatura (*C)
Figura 29. Fragilización de una etapa o los 350 grados. [29]
Fragilización de dos etapas Mientras la fragilización en una etapa
ocurre en aceros martensíticos de alta resistencia, por ejemplo: AISI 4340 y
AISI 4140, la fragilización en dos etapas ocurre en aceros con menores
tensiones de fluencia. La cual es causada por revenidos a altas
temperaturas, entre 600 y 700°C, seguidos de enfriamiento lento o cuando
éstos aceros trabajan permanentemente en el rango de 350 a 600°C. Esta
fragilización se atribuye a la segregación de impurezas en los bordes de
grano, lo que genera una fractura frágil de tipo intergranular. La fragilización
por revenido tiene ciertas características, entre las que destacan las
siguientes: No ocurre en aceros al carbono, ni en aceros de aleación de alta
pureza.
88
• La transición de temperatura dúctil-frágil es directamente proporcional
a la concentración de impurezas en los bordes de grano.
• La velocidad y cantidad de segregación de impurezas, y por tanto, la
fragilización intergranular resultante, dependen de la composición
total del sistema. Elementos de aleación pueden también segregar en
los bordes de grano junto a las impurezas. Así, adiciones de Níquel
(Ni), Manganeso (Mn), y Silicio (Si) promueven la fragilización
causada, primariamente por Antimonio (Sb) y Fósforo (P), y
secundariamente por Estaño (Sn) o Arsénico (As). Contrariamente,
adiciones de Molibdeno (Mo), Titanio (Ti) y Zirconio (Zr) atrasan el
inicio de la fragilización. Es reversible, puede ser eliminada
calentando a temperaturas sobre 600°C y luego enfriando rápido. Es
interesante el hecho que la fragilización retorna si se mantiene a
temperaturas entre 350 y 550°C. Estos se puede observar en la
figura 30.
900
0
10 102 103 104
Time (s)
105 1Q6
Figura 30. gráfica de dureza contra temperaturaen aceros que contienemolibdeno. [30]
89
Cuando los aceros al carbono son revenidos, se observa que, si la
temperatura a la cual se realiza este proceso es elevada entre 100 y 700°C,
ocurre una disminución progresiva de la dureza que va acompañada con un
incremento en la ductilidad. La formación de cementita y su engrosamiento
gradual en la matriz ferrítica son las causas principales de los cambios en las
propiedades mecánicas. Por lo tanto, reemplazando la cementita por otros
carburos más estables, como por ejemplo carburos de Molibdeno y/o
Tungsteno.
El ablandamiento observado en estos aceros puede reducirse
significativamente y, si se agregan cantidades suficientes de elementos de
aleación se producirá un incremento en la dureza en el rango de 500 a
650°C; este reendurecimiento producto del revenido es llamado
endurecimiento secundario. Los carburos de Mo y W son más estables que la
cementita y se forman en su lugar si existe la suficiente energía de
activación. La velocidad de crecimiento de estos carburos en martensita
revenida es determinada principalmente por la energía de activación de la
difusión de estos elementos en la ferrita.
Como ésta es mucho más lenta que la de los átomos de carbono en
aceros al carbono, los carburos producidos son más finos y su
engrosamiento es lento. De este modo, la dureza de los aceros martensíticos
revenidos es mucho más alta que la de aceros al carbono. El endurecimiento
secundario en aceros que contienen Mo, es causado por una precipitación
muy fina de partículas de Mo2C, éstas refuerzan la ferrita alcanzando un
máximo endurecimiento cerca de los 550°C. El endurecimiento se debe
principalmente a la nucleación y crecimiento de pequeñas agujas de M02C en
las dislocaciones de la red formada al templar a martensita.
De manera similar, el endurecimiento secundario en aceros que
contienen W es causado por una precipitación muy fina de partículas de
90
W2C. La morfología de la precipitación de Mo y W es similar, si bien difieren
en tamaño y densidad de los precipitados, siendo menor la densidad de
partículas y mayor el tamaño y separación de las agujas en aceros quecontienen W. Por lo tanto, los aceros con W2C son más blandos que sus
similares con Mo2C, ya que, los primeros se engruesan más lentamente
producto de la lenta difusión de los átomos de W. Las partículas de Mo y W,
(Mo2C y W2C), son muy estables a temperaturas hasta 600°C y por tanto,
mantienen la dureza en herramientas de acero para trabajo en caliente o a
alta velocidad que produce calor. Este tipo de acero se conoce como acero
rápido. Además, a estos aceros se les agrega Vanadio (V), para aumentar la
resistencia a la abrasión, Cromo (Cr), para reducir la oxidación y aumentar la
dureza y a veces se les agrega Cobalto (Co), para elevar la temperatura deendurecimiento. Como se muestra en la figura 31.
400 500 600 700
1 hr. a Temperatura (°C)
Figura 31. Endurecimiento secundario en aceros por agregado de
elementos de aleación. [31].
91
Por tal motivo las características de estos aceros son importantes para el
proceso de simulación en Sysweld ya que a partir de estas condiciones
(elementos de aleación, propiedades mecánicas, dureza, tratamientos
térmicos, y propiedades físicas.)
Se determinara un proceso adecuado para su recuperación, estas
condiciones permitirán llevarlas a una aplicación real. En las Figuras 32, 33 y
34 se muestran algunas superficies de fractura del acero AISI 4140 a
diferentes condiciones.
Figura 32. a) Detalle de la superficie de fractura del Acero 4140 condición
original (Esfuerzo 449,44 MPa y 38.200ciclos) y b) Inicio de grieta del Acero
4140 condición original (Esfuerzo 224,72 MPa y 403.300 ciclos).
92
(a) (b)
Figura 33. a) Detalle de la superficie de fractura del Acero 4140 recocido,
(Esfuerzo 449,44 MPa y 11.700 ciclos) y b) Inicio de grieta del Acero 4140
recocido (Esfuerzo 269,66 MPa y 69.200 ciclos).
Figura 34. a) Detalle de la superficie de fractura del Acero 4140 normalizado
(Esfuerzo 449,44 MPa y 38.500 ciclos) y, b) Inicio de grieta del Acero 4140
normalizado (Esfuerzo 449,44 MPa y 38.500 ciclos).
93
9.
EFECTOS CONSIDERADOS EN UN
PROCESO DE SOLDADURA Y
SIMULACIÓN.
9.1 Efectos relacionados con el proceso de soldadura [9]
Los procesos de soldadura han desempeñado siempre un papel
importante en la producción industrial especialmente en la automotriz,
marítima, y aeroespacial. A pesar de las ventajas de los procesos de
soldadura, se tienen que tomar en cuenta algunas desventajas como son:
expansiones y contracción térmica, transformaciones microestructurales
(transformación de fases), tensiones y distorsiones e inclusión de gases,
entre otros. Es de vital importancia considerar que estos procesos involucran
fenómenos que interactúan entre sí [9], como se muestra a continuación en
la Figura 35.rfeünariñn tÁrmtaa .MUHHH^HaBBHBiH^
Transferencia de calor
••i HPcas••jg mecán
MMPMMMMPMBMMML
temperaturas
i
Calor latente
Modificación
^^^^^\ >
microestructural Modificación
pjpjjpjpa. microestructural
metalurgia
L u
Figura 35. Asociación entre el calor trasferido, metalurgia y propiedades
mecánicas. [35]
94
Soldar es llevar los bordes de las partes a ser unidas hasta el punto de
fusión agregándole o no un metal de aporte y para después permitir a la
unión enfriarse hasta temperatura ambiente. Lo más relevante de este
proceso es sin duda el calentamiento localizado (zona afectada por el calor)
seguido del enfriamiento que produce en las piezas soldadas una serie de
efectos indeseables. Las velocidades de calentamiento y enfriamiento son
elevadas. La velocidad máxima alcanza los 300 °C/s durante el
calentamiento y/o enfriamiento a un nivel de temperatura de 1000°C,
reduciéndose al disminuir la temperatura a valores de 6°C/s a 550°C. La
Velocidad de enfriamiento en el centro del cordón de soldadura puede
aproximarse utilizando la ecuación (1)
Ve = 2pK(Tc-To)2/Hinput (1)
Donde:
Ve: Velocidad de enfriamiento en el centro del cordón de soldadura
K: Conductividad térmica del metal (Joule/ m seg. °C)
To: Temperatura inicial del metal base (T de precalentamiento)
Te: Temperatura a la cual se calcula la velocidad de enfriamiento
H Input: Calor de entrada (J / mm)
9.2 Efectos indeseables del ciclo térmico de soldadura.
Durante un proceso de soldadura existen tres efectos indeseables para
minimizar defectos y estos son:
1.- Generación de Tensiones Residuales y/o distorsión
2.- Modificación de la Estructura Metalográfica (transformación de fases)
3.- Absorción de gases por el metal fundido.
A continuación se describen cada uno de estos efectos
95
9.2.1 Tensiones residuales y/o distorsión
Los elementos soldados contendrán usualmente tensiones residuales del
orden de la resistencia a la fluencia paralelas al eje de la soldadura y una
fracción de la misma (dependiendo del grado de unión, espesor, o restricción
a la contracción) en las direcciones perpendiculares al cordón. Las tensiones
residuales también pueden estar presentes en el material base producto del
laminado, rolado u otros tratamientos térmicos anteriores.
La mayoría de los metales al calentarse se dilatan. Si el calentamiento es
localizado como ocurre durante la soldadura, la falta de uniformidad de la
temperatura produce dilataciones diferentes en distintos puntos de la pieza
en un mismo instante generándose por esa razón tensiones térmicas. Si
estas tensiones alcanzan el límite de fluencia (algo que ocurre normalmente
en el cordón de soldadura), se produce deformaciones plásticas localizadas
que luego en el enfriamiento genera tensiones residuales y/o distorsión.
Las tensiones residuales son un sistema de tensiones dentro de la parte
soldada que se compensan ellas mismas y pueden existir en ausencia de
una carga externa. Esto significa que si hay en una parte del material
tensiones residuales de tracción, seguramente en otra parte del mismo habrá
tensiones residuales de compresión, las cuales mantienen en equilibrio el
conjunto.
En una soldadura existen tensiones residuales tanto longitudinales como
transversales al cordón. Se puede ver en la soldadura de dos placas planas
que las tensiones longitudinales son de tracción en el cordón de soldadura
siendo balanceadas por tensiones de compresión en el metal base
adyacente.
96
En el caso de tensiones transversales la parte media del cordón está
sometida a tensiones de tracción mientras que los extremos están sometidos
a compresión. También puede haber tensiones residuales en la dirección del
espesor, particularmente en el caso de las secciones gruesas.
Conviene notar que cuando se aplica una carga externa de tracción las
tensiones residuales de tracción aumentan mientras que las de compresión
disminuyen. Si continuamos aumentando la carga externa, las tensiones de
tracción alcanzan el punto de fluencia, sin superarlo.
Con cargas externas mayores lo único que ocurre es un aumento de la
zona del material bajo fluencia y la disminución de las tensiones residuales
de compresión. Si en este estado se disminuye la carga externa, el pico de
tensiones residuales de tracción se hace menos agudo y las tensiones
residuales disminuyen.
Si el aumento de la carga externa hace desaparecer a las tensiones
residuales de compresión por completo entonces durante la descarga se
observará que las tensiones residuales de tracción también habrán
desaparecido gracias a que el material alcanzó la fluencia.
Este hecho ha sido reconocido en algunas especificaciones las que
requieren que ciertas estructuras sean sobrecargadas hasta la fluencia para
eliminar tensiones residuales. Este fenómeno se puede observar
esquemáticamente en las Figuras 36 y 37.
97
luiiiiir.iiiiii -*-i r=s- r;r:tnrrrm7T
(a)
Figura 36. (a) Junta a tope y (b) distribución de S y en YY [36].
f^T ^ CURVE
EACTION TENSIO
COMPRESSION
I
CURVE 1
•^•B
Distribución de s x en el eje XX
Figura 37. Distribución típica de tensiones residuales en una junta a tope
[37].
El efecto de las tensiones residuales en el comportamiento de estructuras
soldadas es significativo solo en fenómenos que tienen lugar a bajas
tensiones, tales como fatiga, fractura frágil y corrosión bajo tensión. Las
tensiones residuales pueden influir en algún modo de falla, o características
en servicio del material, pero no necesariamente producen daño. Esto se
puede ejemplificar a continuación en la Figura 38.
98
n!
iTACK WELD PLATES IN
THIS POSITION FOR
FILLET WELDING HERE
(a)
WELD-:LWEDGE
r
(b)
Figura 38. (a) Presentación para filete y juntas a tope (b) Arreglo de sujeción
para la prevención de la distorsión angular que permiten la reducción
transversal [38].
Debe estimarse la distorsión que tendrá lugar durante la soldadura y
compensarla por intermedio de la presentación de las partes a soldarse. De
la misma manera debe considerarse que si no queda distorsión quedan
tensiones residuales y viceversa. Los efectos de las tensiones residuales en
el modo de falla se pueden resumir en lo siguiente:
1) Fluencia y Colapso Plástico. El efecto de las tensiones residuales es
insignificante para estructuras soldadas bajo tensiones superiores a la
fluencia.
2) Fractura. A medida que el nivel de las tensiones aplicadas aumenta, el
efecto de las tensiones residuales disminuye. Estos efectos se suman a las
tensiones aplicadas. Cuando se combinan pueden causar fluencia localizada
haciendo necesaria alguna corrección en el diseño. Son perjudiciales en
situaciones de baja tenacidad (por ejemplo debajo de la temperatura de
transición para aceros estructurales) pero no necesariamente en situaciones
de alta tenacidad.
99
3) Fatiga. Las tensiones residuales de compresión pueden mejorar la
resistencia a la fatiga de estructuras soldadas. Las tensiones residuales de
tracción en cambio disminuyen la resistencia a la fatiga ya que elevan la
tensión media y la relación entre la tensión mínima y la máxima (fmin/fmax).
Su efecto es perjudicial al evitar el cierre de la fisura. Aumentan la relación
fmin. / fmax independientemente de la relación de las tensiones aplicadas.
Las tensiones residuales de compresión retardan o anulan el crecimiento
de fisuras por fatiga al reducir la relación fmin/fmax e inducir el cerramiento
de la fisura. Se pueden introducir tensiones de compresión localizadas por
calentamiento local, compresión local, martillada o sobrecargas. El efecto de
las tensiones residuales tiende a disminuir luego de cargas repetidas.
/
4) Corrosión bajo tensión. En un ambiente apropiado, las tensiones
residuales de tracción pueden ser suficientes para causar corrosión, bajo
tensión en un material particular con o sin la presencia de tensiones
adicionales.
5) Pandeo. Las tensiones residuales reducen significativamente la
resistencia al pandeo de columnas fabricadas por soldadura.
6) Fluencia. Tiene poco o ningún efecto.
7) Fisuración de Soldadura. Las tensiones residuales pueden influir en
distintos tipos de fisuración de soldadura. Fisuración en caliente durante la
solidificación. Fisuración por hidrógeno en zonas duras de la zona afectada
térmicamente, desgarre laminar y fisuración por recalentamiento.
100
8) Distorsión. En estructuras esbeltas, las tensiones residuales aunque
pequeñas pueden producir distorsiones importantes durante el posterior
mecanizado.
9.2.2 Modificación de la microestructura
La mayoría de los aceros modernos obtienen sus propiedades mecánicas
por intermedio de procesos termo mecánicos como forja, laminación,
extrusión, fundición o tratamiento térmico los que realizados correctamente
proporcionan una microestructura óptima para soportar cargas mecánicas.
Cuando a esta estructura se le aplica el ciclo térmico de la soldadura se
forman dos zonas perfectamente diferenciadas:
1. Metal fundido con o sin presencia de metal de aporte.
2. Zona afectada por el calor (ZAC).Esta zona está afectada
estructuralmente sin haber llegado a la fusión. Estas dos zonas ya no
tienen la estructura óptima original del material base y por lo tanto
puede considerarse a este cambio estructural un efecto indeseable del
ciclo térmico de soldadura. Esto puede controlarse parcialmente por
dos medios:
1. Modificando el ciclo térmico de la soldadura:
a) Actuando sobre las variables del proceso de soldadura. El calor
aportado o calor de entrada y su aplicación tiene limitaciones.
b) Por medio del precalentamiento del material base.
2. Realizando un ciclo térmico luego de la soldadura con temperaturas y
velocidades de calentamiento / enfriamiento controlado. A este ciclo se
le llama tratamiento térmico post soldadura y conjuntamente con el
precalentamiento es la forma idónea para evitar o corregir los efectos
101
indeseables de la soldadura. En la Figura 39, se puede observar este
proceso de modificación al soldar una pieza.
A-Metal soldado
C-Curso de la región del grano
E-Región parcialmente transformada
B- Línea de fusión
D- Región del grano refinado
F- Región esferoidizada
G-Zona afectada por el calor del metal base H- Metal base
Figura 39. Esquemas de la microestructura de una soldadura de un acero
micro aleado [39].
9.2.3 Absorción de gases por la soldadura
Uno de los problemas más importantes a tener en cuenta cuando se
estudian los efectos indeseables del proceso de soldadura es la absorción de
gases por el metal fundido.
102
Cualquiera que sea el procedimiento de fusión, en el acero líquido se fijan
cantidades más o menos importantes de los gases del aire (oxígeno y
nitrógeno) y de los productos de descomposición del revestimiento,
principalmente hidrógeno procedente de la humedad o del agua de
cristalización de ciertas substancias químicas.EI oxígeno puede presentarse
disuelto o formando oxido de hierro o combinado con otros óxidos. En estado
disuelto puede influir sobre las propiedades mecánicas de la solución sólida
(ferrita), en estado de óxido influye por la presencia de inclusiones en la
tenacidad y restricción del metal de soldadura.
El Nitrógeno origina al nitruro de hierro (Fe4N) en forma de agujas que
también influye en la tenacidad. Cuando el Nitrógeno se encuentra disuelto
produce el envejecimiento del acero con la correspondiente falta de
plasticidad. Pero el verdadero problema y mucho más grave es que durante
la soldadura el acero también absorbe hidrógeno, lo mismo que absorbe
oxígeno y nitrógeno. Las Soldaduras oxiacetilénicas contienen muy poco
hidrógeno (2 a 3 cm3 por 100 g de metal); la concentración de hidrógeno en
las soldaduras por arco es, por el contrario mucho más importante y puede
llegar a alcanzar el límite de solubilidad de este gas en el metal líquido (28
cm3 por 100g de metal) según sea la naturaleza del revestimiento. El
hidrógeno es la causa de la formación de microfisuras, sopladuras y es el
formador de los comúnmente conocidos como ojos de pescado.
Es importante recordar que el acero AISI 4140 debe ser precalentado
para poder iniciar el proceso de soldadura, de esta manera se analizan seis
razones básicas de por se requiere un precalentamiento como se describe a
continuación:
1.- El precalentamiento es la principal defensa contra la fisuración inducida
por el hidrogeno (HIC) permitiendo a este difundir fuera del metal soldado.
103
2.- Disminuye la velocidad de enfriamiento del metal soldado y de la ZAC, el
resultado es una microestructura más dúctil y resistente a la fisuración.
3.- Disminuye algo las tensiones residuales al reducir la diferencia de
temperatura entre el metal de soldadura y el material base minimizando la
contracción.
4.- Mantiene al acero a una temperatura superior a aquella por debajo de la
cual ocurre fractura frágil.
5.- Compensa las pérdidas de calor en secciones gruesas de acero y
especialmente en aleaciones de alta conductividad térmica como cobre o
aluminio evitando fallas por falta de fusión del material base.
6.- Reduce la porosidad debido a la presencia de humedad.
Una vez realizada la recuperación de la pieza se procede a darle un
tratamiento térmico el cual se lleva a cabo debido principalmente a que:
1.- Disminuye la dureza de la ZAC, metal de soldadura y material base.
El resultado es una microestructura más dúctil y resistente a la fisuración.
2.- Aumenta la resistencia a la corrosión y a la fisuración por corrosión bajo
tensión (SCC).
3.- Al reducir las tensiones residuales aumenta la estabilidad dimensional de
estructuras soldadas y mecanizadas.
4.- Al reducir las tensiones residuales aumenta la tenacidad del material, por
disminución de la triaxilidad.
5.- al reducir las tensiones residuales aumenta la resistencia a la fatiga.
El post calentamiento es un tipo de tratamiento térmico post soldadura
que es realmente una prolongación del precalentamiento y está dirigido a
remover el hidrógeno que pudiese quedar luego de la soldadura. Se suele
ocupar en reparaciones cuando el tratamiento térmico post soldadura es
impráctico o inseguro para la instalación [14].
104
10.
CONCLUSIONES
En el presente trabajo se llevó a cabo una revisión de los principalessoftwares para simulación de procesos de soldadura que pudieran ser
utilizados para la reparación de componentes de acero 4140 por el proceso
SMAW donde se expusieron las características, ventajas y desventajas en
cada caso. De esta revisión se concluye que el software que ofrece las
mejores ventajas y un entendimiento más adecuado de los procesos de
soldadura en cuestión en el software Sysweld desarrollado por ISI Group.
Para que una simulación de un proceso de soldadura pueda llevarse a cabo
es muy importante conocer las características físicas y microestructurales de
la aleación o material a tratar, así como también las propiedades mecánicas,
dureza, tratamientos térmicos y comportamiento de los defectos al momento
de llevar a cabo una soldadura, ya que la recopilación de esta información
será posible desarrollar un modelo metalúrgico adecuado de la pieza y el
cual será empleado para realizar la simulación. De esta manera
posteriormente podrá determinarse un proceso adecuado para la
recuperación del componente y se permitirá posteriormente llevarla a la
aplicación real o servicio. Definitivamente se debe de considerar que para
que una simulación sea exitosa con la cual se ahorrará tiempo, retrabajos y
costo requiere de algunas pruebas experimentales previas para soportar el
proceso que se esta simulando y que éste sea lo más cercano posible a la
realidad.
105
11.
REFERENCIAS.
[1] Pam-assembly-simulation solution for welding assembly. Referente al
manual de manejo de pam-assembly de esi group. www.esiqoup.
[2] artículo de las XIV Jornadas de ASEPUMA y II Encuentro InternacionalAnálisis por elementos finitos. Miguel Escribano Rodenas. Departamento de
Economía Financiera y Contabilidad I Escuela Universitaria de Estudios
Empresariales Universidad Complutense de Madrid
[3] Artículo aplicación del método de elemento finito al análisis nodal.Martha Guerrero, y Sergio Valderrama. Rolando Campos, Miren Ainhoa
Isasi Larrea. Facultad de ingeniería mecánica y eléctrica UANL y universidad
del país vasco España. Enero-abril 1999 vol. III No 3
[4] Virtual-Arc 1.0 Software Product. www.abb.com/robotics
[5] Transient Simulation of Welding Processes Thermal, Metallurgical andstructural Model Sysweld V2004 (I). Dr. Frederic Boitout, Dr. Damián Dry
Philippe Mourgue, Harald Porzner, Yogendra Gooroochum Referente a los
tutoriales de esi group.
[6] Visual-Mesh v2.0 tutorials. ESI Group, 2006. Referente a los tutoriales de
ESI Group.
[7] Sysweld for Heat Treatment Practitioners and Part Designers. Dr. FredericBoitout, Dr. Damián Dry, Philippe Mourgue, Yogendra Gooroochum, Harald
Porzner.
[7] Sysweld 2006 Welding Simulation Reference Manual and User's Guide
How to Model Welding Processes. ESI Group, june-2006.
106
[8] From homer laboratories, Bethlehem steel co. Reprinted in source book
on industrial alloy and engineering data, metal park, Ohio: American society
for metáis 1978 pp. 125, 129)
[9] Curso de inspectores de soldadura - ias tratamiento térmico de soldadura
Ing. Sergio g. Laufgang. Termo Soldex S.A tratamiento térmico de soldadura
prueba hidráulica de gasoductos
[10] Ciencia e Ingeniería de los materiales tercera edición Donald R.
Askeland
[11] Articulo de Evaluación del comportamiento mecánico a la fatiga en
aceros AISI 4340 y AISI 4140 tratados térmicamente con recocidos y
normalizados Félix R. Moreno F., Wilman J. Salazar C. y Laura A. Sáenz P.
Universidad de Carabobo, Facultad de Ingeniería, Centro de Investigaciones
en Mecánica
[12] Características del acero 4140 Universidad de Buenos Aires Facultadde Ingeniería J. T. P. Ing. Hernán Svoboda, A. T. P. Hernán Lorusso.
Alumnos: Amoedo, Fernando Martín (80787), Coloschi, Mariano (81861),
Court, Eugenio (80617)
[13] Heat theater's guide standard practices and procedures for steel. Editedby Paul M.unterweiser, Sénior Editor, American Society for Metals. Howard E.
Boyer metallurgical consultant. James J. Kubss consulting engineer. Pag.
145-150.
[14] Steels heat treatmentand processing principie. George Krauss
[15] Welding HandbookVol. I. (7.10)
[16] Welding Handbook.Vol I. (7.51y 7.52)
[17] Welding Journal, Mayo 1991. Pág. 57. Y Ciencia de los materiales de
COMIMSA[15.]
[18] Hobart institute of welding technology, TROY, OHIO 45373 U.S.A
(SMAW - EW-472), 1995.
[19] curvas TTT, www2.ing.puc.cl/icmcursos/metalurgia/ apunt.es/capitulo4
107
12.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Porosidades y desgaste producidos por la corrosión en
componentes AISI 4140 al cromo-molibdeno.
Figura 2. Diagrama de flujo de pam-assembly (Eisi-Group)
Figura 3. Proceso de obtención de la solución mediante análisis por
elementos finitos.
Figura 4. Perfiles de soldadura en un ensamblado en "T". (a) Perfil de
soldadura real, (b) Ventana del software Virtual-Arc y (c) Pieza simulada.
Figura 5. Área de solidus del movimiento del charco de soldadura
Figura 6. (a) Volumen elipsoidal de la fuente de calor en acuerdo con Goldak
y (b) forma cónica volumétrica de la fuente de calor con distribución
gaussiana de la densidad de la energía térmica.
Figura 7. Diagrama de transformación continuo para un acero eutectoide
con 1%.
Figura 8. Diagrama CCT para un de la estructura de acero hipoeutectoide
con un contenido de carbono 0.45%austenita (a), Ferrita (f), Bainita (b),
Martensita (M) y Perlita (p). Ms es la temperatura de inicio de la martensita.
Figure 9. Re-cristalización y precipitación, debido al cual se debe el
endurecimiento por efecto térmico de la soldadura
Figura 10. Fases cubico centrado en el cuerpo y cúbico centrado en las
caras.
Figura 11. Curva típica de dilatometría; cambio de volumen de una
transformación del material de acero.
108
Figura 12. Valores mecánicos dependientes de la microestructura a
temperatura ambiente. Los símbolos corresponden con la gráfica CCT, y los
valores mecánicos marcados con las flechas resultan de la curva de
enfriamiento.
Figura 13. Instalación de una simulación de soldadura con Welding Wizard.
Figura 14. Ventana Solver del software Sysweld en el cual es necesario
cargar el nombre del proyecto.
Figura 15. Simulación de soldadura en'T" a través del software Sysweld.
Figura 16. Esquema de la soldadura por electrodo revestido.
Figura 17. Curvas CCT para un acero AISI 4140. www.qoogle.com.mx
Figura 18. Micro estructura de una martensita en un AISI 4140 tomada a
812.5X en la cual se observa agujas martensitica.
Figura 19. Micro estructura de una Bainita en un AISI 4140 tomada a 812.5X
se pueden observar bastones bainiticos y algunos cristales de ferrita
Figura 20. Curva de fatiga para el acero AISI 4140 en las tres condiciones el
material.
Figura 21. Curvas tiempo, temperatura, transformación
Figura 22. Gráfica de tamaño de grano real.
Figura 23. Gráfica del factores de multiplicidad para distintos elementos.
Figura 24. Gráficos para calcular las velocidades de enfriamiento.
Figura 25. Curvas TTT para tranforma una extructuramartensitica
Figura 26. Curvas de Dureza Rock well Ccontra temperaturas y tiempo.
Figura 27 a) presipitacion de carburos.
Figura 27 b) porciento de austenita retenida contra porcentage en peso de
cabono.
Figura 28. Descomposición de la austenita.
Figura 29. Fragilización de una etapa o los 350 grados.
Figura 30. gráfica de dureza contra temperaturaen aceros que contiene
molibdeno.
109
Figura 31. Endurecimiento secundario en aceros por agregado de elementos
de aleación.
Figura 32. a) Detalle de la superficie de fractura del Acero 4140 condición
original (Esfuerzo 449,44 MPa y 38.200ciclos) y b) Inicio de grieta del Acero
4140 condición original (Esfuerzo 224,72 MPa y 403.300 ciclos).
Figura 33. a) Detalle de la superficie de fractura del Acero 4140 recocido,
(Esfuerzo 449,44 MPa y 11.700 ciclos) y b) Inicio de grieta del Acero 4140
recocido (Esfuerzo 269,66 MPa y 69.200 ciclos).
Figura 34. a) Detalle de la superficie de fractura del Acero 4140 normalizado
(Esfuerzo 449,44 MPa y 38.500 ciclos) y, b) Inicio de grieta del Acero 4140
normalizado (Esfuerzo 449,44 MPa y 38.500 ciclos).
Figura 35. Asociación entre el calor trasferido, metalurgia y propiedades
mecánicas
Figura 36. A) Junta a tope b) distribución de S y en YY
Figura 37. Distribución Típica de Tensiones Residuales en una Junta a
Tope. Welding Handbook Vol. I. (7.10)
Figura 38. A) Presentación para filete y juntas a tope b) arreglo de sujeción
para la prevención de la distorsión angular que permiten la reducción
transversal. Welding Handbook.Vol I. (7.51 y 7.52)
Figura 39. Esquemas de la Micro estructura de una Soldadura de un acero
micro aleado Welding Journal Mayo 1991. Pág. 57. Y manual de ciencia de
los materiales de comimsa.
110
13.
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Criterios de clasificación de los electrodos de acuerdo a la AWS.
Tabla 2. Comparación de las características del uso de corriente continua y
corriente alterna. \
Tabla 3. Composición química de la aleación cromo-molibdeno AISI 4140.
Tabla 4. Propiedades mecánicas (AISI 4140) Rp 0,2: Límite de fluencia al
0,2% de alargamiento. Rm: Resistencia a la tracción.
Tabla 5. Propiedades Mecánicas del acero AISI 4140.
Tabla 6. Propiedades Térmicas del acero AISI 4140.
Tabla 7. Propiedades Eléctricas del acero AISI 4140.
Tabla 8.Porciento de elementos de aleación para determinar la templabilidad
de un acero.
111
