Estudio teórico experimental sobre el fenómeno de enfriamiento postsoldadura en una unión soldada cruciforme

Theoretical and experimental study of the phenomenon of post weld cooling in a cruciform welded joint

En este trabajo se presenta un estudio sobre el comportamiento del campo de temperatura y del perfil de esfuerzos residuales que aparecen en una unión soldada tipo cruciforme durante la fase de enfriamiento postsoldadura. Se utiliza un modelo 3D y un análisis de transferencia de calor transciente no lineal mediante el método de los elementos finitos. La corroboración de las simulaciones obtenidas se logra experimentalmente construyendo probetas soldadas con geometría cruciforme utilizando el proceso SMAW, empleando como metal base placas en acero estructural ASTM HR A36 y metal de aporte correspondiente a electrodos E6013. Las probetas son sometidas a tres condiciones de enfriamiento: en agua, en aceite, y en aire. Se establece un campo de temperatura inicial definido de acuerdo con los datos termográficos obtenidos por vía experimental en el momento de la construcción de los testigos no estandarizados, los cuales se fabrican con tres tamaños distintos de cateto de soldadura y con un espesor de placa constante. Se encuentra muy buena correspondencia entre las curvas de enfriamiento experimentales y las curvas de enfriamiento de las simulaciones numéricas. Como conclusiones fundamentales se obtiene que tanto el tamaño de la región afectada por los esfuerzos residuales como las magnitudes pico de estos están influenciadas por el medio de enfriamiento; medios de enfriamiento que provocan tasas de enfriamiento altas, generan regiones de esfuerzos residuales, cuyas magnitudes son más altas. Además, se observó un incremento de los esfuerzos residuales para una mayor dimensión del cateto de soldadura.

INTRODUCCIÓN

El estudio de los procesos de soldadura presenta dificultades muy específicas, sobre todo por la naturaleza transitoria y no lineal, al movimiento de la fuente de calor y a la dependencia de las propiedades del material con la temperatura [1]. Attarha y Far [2], han estudiado la distribución de la temperatura de juntas soldadas a tope en la zona afectada por el calor (ZAC) utilizando termocuplas tipo K; los datos experimentales obtenidos fueron comparados mediante simulaciones de modelos 3D, empleando el método de los elementos finitos (MEF) con ayuda del software ABAQUS. Los resultados experimentales y de simulación permiten predecir la distribución de la temperatura en las placas soldadas mediante el proceso de soldadura con electrodo de tungsteno y gas de protección inerte (TIG). En este estudio se encontró que existe un comportamiento no lineal, verificándose un alto grado de correlación entre los resultados experimentales y la simulación desarrollada mediante el MEF. Por otro lado, es posible predecir la microestructura de la zona afectada por el calor (ZAC) en función del cambio de temperatura. Rodríguez [3] relaciona las distintas zonas que conforman la estructura de una unión soldada de un acero de bajo carbono con las temperaturas alcanzadas mediante el diagrama Fe - C. La ZAC está dividida por varias subzonas, en función de las características estructurales y las propiedades del material que la forman. De acuerdo con la investigación, para las zonas situadas a continuación de la zona de normalizado (zona de recristalización incompleta, zona de recristalización y zona de fragilidad en azul) es difícil establecer la ubicación de sus bordes.