Soldadura de aceros de ultra alta resistencia para aplicaciones en la industria

Trabajo de Seminario - Ingeniería en Materiales

31 de julio de 2015

Autor Agustín José Marcuzzi

Director Dr. Ing. Hernán G. Svoboda

Tutor Ing. Andrés Pastor

1. Introducción

2. Revisión Bibliográfica

3. Procedimiento experimental

4. Resultados y discusión

5. Conclusiones

1. Introducción

• El objetivo del presente trabajo fue evaluar lasoldabilidad aceros microaleados al boro (MAB) dealta resistencia de pequeño espesor mediantediversos procesos de soldadura empleados en laindustria automotriz.

• Tratamiento de temple y revenido. Estudio lainfluencia de la temperatura de revenido.

• A partir de ellos, se estudió la soldabilidad con cuatroprocesos de soldadura diferentes: GMAW, PAW,GMAW-Brazing y RSW.

• Para la selección de los parámetros de estos procesosse tuvieron en cuenta factores operativos. Asimismo,se evaluó la evolución microestructural ypropiedades mecánicas.

1. Introducción

2. Revisión Bibliográfica

3. Procedimiento experimental

4. Resultados y discusión

5. Conclusiones

2. Revisión Bibliográfica - AHSS

• En las últimas décadas, las exigencias de laindustria automotriz ha impulsado un rápidodesarrollo de aceros especiales que sedenominan aceros avanzados de altaresistencia (AHSS).

• Los AHSS pueden ser distinguidos de losaceros convencionales por su alta resistenciamecánica sin sacrificar tenacidad y ductilidaden exceso.

2. Revisión Bibliográfica– Aceros HF

• Debido a las dificultades operativas para obtenerpiezas de geometría compleja, se ha desarrolladoel proceso de Hot Forming.

• En este proceso, las chapas son calentadas yconformadas en un estado austenítico blando.Luego, se las templa en la matriz.

• Se logra reducir sensiblemente el efecto derecuperación elástica (springback), comotambién las distorsiones y las anisotropías delmaterial.

2. Revisión Bibliográfica– Aceros HF

• Los aceros HF son aceros de bajo-medio carbono ybaja aleación, y suelen presentar una pequeñacantidad de B 10- 30ppm, que le aporta templabilidad.

• Microestructura preponderantemente martensítica.

• La temperatura de austenizado suele ser de 850°C-950°C.

• Las aplicaciones más usuales en la industria automotrizson componentes estructurales del chasis. Losespesores típicos de estas piezas son de 1,0-2,5mm.

2. Revisión Bibliográfica – Temperatura de Revenido

• Por conservar su alta resistencia mecánica no se lossuele revenir a altas temperaturas.

• También se diferencian dos fenómenos fragilizadores:

1. Fragilización azul: Rev. 200- 370°C. Placas de cementitaen los bordes de grano de la martensita.

2. Fragilización Krupp: Tiempos prolongados a 375-575°C.

• En los aceros HF la información sobre el tratamiento derevenido es escasa y a veces contradictoria, debidoprincipalmente a las diferencia en la composiciónquímica y la velocidad de enfriamiento durante eltemple (auto-revenido).

2. Revisión Bibliográfica– Soldadura

• Durante un proceso de soldadura, la fuente de calorfunde el material base formando una pileta líquida queluego solidifica. Es el metal de soldadura (MS o WM).

• Las zonas adyacentes se ven sometidas a uncalentamiento y posterior enfriamiento, sin producirsefusión, denominado zona afectada por el calor (ZAC oHAZ).

• El ciclo térmico determinan su microestructura yconsecuentemente sus propiedades mecánicas, comotambién sobre el grado de distorsión y las tensionesresiduales de la pieza.

• Zona recristalizada gruesa y fina (ZRG y ZRF): T>Ac3.Dependiendo de la velocidad de enfriamiento, puedenobservarse estructuras bainíticas y martensíticas.

• Zona intercrítica o parcialmente recristalizada (ZIC oZPR): Ac3 > T > Ac1, austenización parcial. Amplio rangode microestructuras.

• Zona subcrítica (ZSC): T<Ac1. En aceros martensíticos,este ciclo es comparable a un revenido de alta T.

• Zona del sobre revenida (ZMBSR): En el caso de acerosmartensíticos, esta zona es revenida por acción delciclo térmico pero a temperaturas menores a la ZSC.

2. Revisión Bibliográfica– GMAW

• GMAW es un proceso de soldadura cuyafuente de calor es un arco eléctrico que seestablece entre un electrodo consumible,administrado en forma continua, y la pieza.

• Las fuentes de poder más utilizadas son detensión constante (autoregulación del arco).Se emplean fuentes de corriente continua.

• Modo de transferencia por corto circuito: Elaporte es transferido mientras el alambrepermanece en contacto con la pileta fundida.Bajo aporte térmico. Gas Ar-CO2.

2. Revisión Bibliográfica - PAW

• PAW es un proceso de soldadura cuya fuentede calor es un arco eléctrico que se estableceentre un electrodo no consumible y la pieza.El arco eléctrico está restringido y colimadopor la tobera.

• El plasma se forma a través de la ionizacióndel denominado gas de plasma. Tambiénforma parte del proceso el gas de protección.

• Arco transferido: El arco se establece entre elelectrodo y la pieza de trabajo. La pieza asoldar es parte del circuito eléctrico.

2. Revisión Bibliográfica - GMAW-Brazing

• El proceso GMAW-Brazing consiste enreemplazar el electrodo de la soldaduraGMAW convencional por uno cuyo material deaporte sea de Brazing, es decir que suTm>450°C pero inferior a la Tm del metal asoldar.

• El aporte más utilizado es el CuSi3.

• Transferencia por cortocircuito y arco pulsado.

2. Revisión Bibliográfica - RSW

• El RSW es un proceso de soldadura por punto,en donde el calor necesario para efectuar lasoldadura es provisto por el efecto Joule.

• El proceso consiste en sujetar por medio dedos electrodos de cobre las chapas a soldar, yse hace circular una corriente intensa. Lainterfaz entre las chapas es calentada hastaproducirse la fusión, que solidifica al enfriarse(nugget). Fuera del nugget, se encuentra laZAC.

1. Introducción

2. Revisión Bibliográfica

3. Procedimiento experimental

4. Resultados y discusión

5. Conclusiones

3. Procedimiento experimental – Metal base

• Fleje de acero microaleado al boro del tipoIRAM-IAS 15B30 de 45 mm de ancho y 0,8mmde espesor.

Análisis químico.

Caracterización microestructural y microdureza

Ensayo de tracción.

3. Procedimiento experimental – T de Revenido

• La temperatura de austenización: 875 °C (10 min).

• Temple en agua a con agitación suave.

• Revenido en un horno con circulación forzada aT 150, 200, 250, 300 y 350 °C (30 min).

Caracterización microestructural y microdureza

DRX

Ensayo de tracción.

Ensayos de plegado.

3. Procedimiento experimental – Soldadura

• A partir de los resultados obtenidos sedefinieron los procedimientos para laobtención de los dos materiales sobre los quese estudiará la soldabilidad: MAB1400 yMAB1800.

• El primero de ellos corresponde a un aceroMAB con 1400 MPa mínimo de Rm, mientrasque el segundo de 1800 MPa.

• Alabeos.

3. Procedimiento experimental –GMAW.

• Mecanizadas, junta atope.

• Con y sin respaldo dealuminio de 5mm.

• Gas 20%CO2-Ar.

• Ángulo de la torcha15±1° (arrastre)

• Aporte alambremacizo AWS E70-S6de 0,9mm dediámetro.

Inspección visual

Caracterización macro y microestructural

Perfil de microdureza Vickers

Ensayo de plegado

Ensayo de tracción

3. Procedimiento experimental – PAW.

• Mecanizadas, junta a tope.

• Sin respaldo.

• Gas de protección Ar y gas de plasma Ar-H2.

• Ángulo de la torcha 13±1°(arrastre)

• V=35V, I=20A, v=81cm/min, dp-p=5mm, HI=52J/mm

• Caract. análoga GMAW

3. Procedimiento experimental –GMAW-Brazing.

• Mecanizadas, junta tipo solape.

• Respaldo de sujeción.

• Gas Ar.

• Distancia pico pieza 16mm

• Aporte alambre macizo de CuSi3-Mn Ø0,8mm.

• V=15,2V, I=64A, v=81cm/min, dp-p=16mm, HI=72J/mm

3. Procedimiento experimental – RSW.

• Junta a solape ~30mm de chapas de 100x22mm.

• Electrodo Cu-Cr-Zr, esférico, fresado con una cara activa de 6 mm de diámetro.

• Media frecuencia: 1000Hz.

• Caract. análoga GMAW-Brazing

Constantes

1. Introducción

2. Revisión Bibliográfica

3. Procedimiento experimental

4. Resultados y discusión

5. Conclusiones

4. Resultados y discusión – Material Base

C Mn Si B Ti

0,32 1,27 0,14 0,0022 0,030

S y P, debajo límites permitidos.

Relativamente bajo nivel inclusionario.

Ferrita de granos equiaxiados con carburos.Textura y fibrado mecánico por el laminado.

Rp0,2=380Mpa Rm=485MPa A=16% ~160HV1.

Comportamiento continuo, dúctil.

Ms~365˚C M99~125˚C

4. Resultados y discusión – T de revenido

Martensita en listones

Finos precipitados a Trev>250˚C

DRX: No se detectó austenita ni otros compuestos

Trev 150˚C Trev 300˚CPlegados OK

4. Resultados y discusión – GMAW

Buen acabado superficial y ausencia de salpicaduras.

Completa penetración en la raíz.

ZIC ZRG MS

F + Otros compuestos Martensita en listones F + M

ZSC Mrev + precipitados

MAB1800Distintas condiciones

ZMD=230-270HV1

ZR=470-560HV1

MS=270-420 HV1

Junta ~ 23mm

MAB1400Con y sin respaldo

Junta ~ 13mm

ZR

ZMD

4. Resultados y discusión – GMAW

• Ensayos de tracción: 970-1000MPa

– Eficiencia de junta de: 54% y 64%

• Rotura en la ZAC

– Estricción y rotura tuvo lugar entre la ZSC y la ZIC

– Superficie de fractura dúctil

• Ensayos de plegado OK

– Sin fisuras

– La deformación se concentró en la ZAC

4. Resultados y discusión – PAW

Buen acabado superficial y ausencia de salpicaduras.

Completa penetración en la raíz.

Perforaciones Inestabilidades del carro.

ZSC ZIC MS

F + carburos (~0,3µm) M + FZSC Mrev + precipitados

Pequeño socavado

Zona intercrítica (ZIC)

•Granos de ferrita de bordes irregular

•Otras fases ferríticas y carburos

Zona subcrítica (ZSC)

•Precipitados distribuidos homogéneamente

•Precipitados en los antiguos bordes de granos austeníticos, formando un cordón cuasi continuo

Perfil de dureza similar Similar ciclo térmico

4. Resultados y discusión – PAW

• Ensayos de tracción: 900-930MPa

– Eficiencia de junta de: 49% y 62%

• Rotura en la ZAC y MS

– Estricción y rotura tuvo lugar entre la ZSC y la ZIC. Otras en el MS.

– Superficie de fractura dúctil

• Ensayos de plegado OK

4. Resultados y discusión – GMAW-Brazing

Buen acabado superficial y ausencia de salpicaduras.

Cordón continuo y homogéneo.

Cordón centrado

Unión precipitadosespesor variable

Flujo del aporte Mojado

Fusión chapa superior Precipitados en el aporte Fe2Si y Fe5Si3 con Cu (hip.)

Aporte ~200HV1

(dilución)ZMD en la ZAC

~280HV1

4. Resultados y discusión – GMAW-Brazing

~565 N/mm

~360 N/mm

gapDúctil

Frágil

4. Resultados y discusión - RSW

5,5 y 6,5 kA•Buen aspecto superficial•Simétrico•Sin defectos

7,5 y 8,5 kAPresencia de CuProyecciones

NuggetMartensita.

Luego, la ZAC

5,5kA

7,5kA

6,5kA

8,5kA

↑HI ↓HV

Proyecciones

Fractura tipo pull-out (ZAC)Localizada el BF y ZR

1. Introducción

2. Revisión Bibliográfica

3. Procedimiento experimental

4. Resultados y discusión

5. Conclusiones

5. Conclusiones

• Se caracterizó las chapas de acero de medio carbonomicroaleadas al B.

• Se realizaron tratamientos de temple martensítico, con unamuy baja fracción de austenita retenida. Se estudió enforma sistemática la Trev(150-350°C). La Trev que maximizalas propiedades mecánicas es 150°C.

• El Rp0,2 no se ve significativamente afectado por la Trev.

• Se ha notado un descenso en la ductilidad con el aumentode la temperatura de revenido, posiblemente por elfenómeno de fragilización azul.

• A partir de estos resultados se seleccionaron doscondiciones de tratamiento térmico. El primero, templado yrevenido a 150°C (Rm ≥ 1800MPa), y el segundo a 300°C (Rm≥ 1400MPa).

5. Conclusiones

• Se desarrollo un procedimiento de soldadura para elproceso GMAW y PAW obteniéndose soldadurasreproducibles, con buena penetración, buen acabadosuperficial y ausencia de defectos.

• Pudo comprobarse el efecto del respaldo como difusordel calor. La eficiencia de junta (50-60%). Los ensayosde plegado resultaron totalmente satisfactorios.

• Debido al ciclo térmico de la soldadura, se genera unadegradación microestructural del material base,produciendo distintas zonas en la ZAC. En general, enausencia de defectos en el MS, las propiedadesquedaron definidas por la ZMD que se alcanza entre laZSC y la ZIC, asociada a la formación de unamicroestructura de ferrita y carburos.

5. Conclusiones

• Se desarrolló un procedimiento para elproceso de soldadura GMAW-Brazing conjunta tipo solape, con un mojado aceptable yausencia de defectos.

• Se ha detectado una cierta dilución del metalbase en el aporte (aumento de la dureza).

• Asimismo, se identificó la presencia deprecipitados en la unión, que podríandeteriorar la resistencia de la junta. Tambiénse evidencia una ZAC análoga a los otrosprocesos.

5. Conclusiones

• Se desarrolló un procedimiento para el procesode soldadura RSW y se ha hecho un análisissistemático del efecto de la corriente. Se halogrado soldaduras sin defectos que maximizanlas propiedades mecánicas, con una indentaciónaceptable.

• También se ha notado un efecto de auto-revenido aún a altas velocidades de enfriamiento,características de este tipo de soldaduras.

• Todas las soldaduras ensayadas presentan unafractura de tipo pull-out.

Muchas gracias por su atención

¿Preguntas?

Agradecimientos

• Al mi director, Hernán Svoboda, por su pacienciay sabiduría.

• A mi tutor, Andrés Pastor, por sus consejos yconstante apoyo.

• A la FIUBA y a INTI-Mecánica. Entre ellos aJoaquín, Leo, Lucho, Valeria, Alejandro, Soledad,Carlos, Mercedes y Gisel, entre otros. También aBrian Grosso, por la confección de probetas detracción. A Don Lelli, por su ayuda con los planos.

• A la empresa Gestamp, por las soldaduras RSW.

Agradecimientos

• A la UNSAM y a la CNEA.

• A los docentes del IT y a los investigadores dela CNEA. A los no docentes, entre ellos aCristina, Silvia, Diego y Don Antonio. A losbibliotecarios.

• A la UNLu, especialmente al departamento deFísica.

• A mis compañeros.

• A mi familia y amigos.