Numerical model of the diode laser overlapped remelting of structural steel

Modelo numérico de la refundición solapada por láser de diodo de acero estructural

En este artículo se presenta una simulación del refundido de superficies por láser con el programa informático SYSWELD, basado en el método de los elementos finitos. Se evalúan los cambios microestructurales, el aumento de la dureza y la modificación del perfil de la superficie de las muestras refundidas. La distribución del campo de temperatura y las proporciones metalográficas de las fases se extrajeron de los datos de salida en forma gráfica para demostrar la influencia de la fusión repetida en el desarrollo de las fases en la región solapada. El modelo almacenado está listo para ser modificado para otros materiales o parámetros de proceso.

INTRODUCCIÓN

El refundido de superficies por láser es una de las tecnologías de tratamiento de superficies utilizadas para mejorar la resistencia mecánica y química de piezas de máquinas funcionales mediante cambios microestructurales inducidos térmicamente en la fina capa subsuperficial [1]. A diferencia de las tecnologías convencionales (arco, plasma), las velocidades de calentamiento y enfriamiento pueden alcanzar hasta 10⁵ K∙s ^-1, lo que provoca una capa refundida muy fina, seguida de otra endurecida [2]. En los últimos años se han investigado en experimentos diversos materiales metálicos y no metálicos utilizando tanto un láser Nd:YAG bombeado por flash como un láser de CO₂, o láseres de fibra, disco y diodo de nuevo desarrollo [3, 4]. Se han realizado algunos intentos de predecir la profundidad y la distribución de fases de las zonas refundidas y endurecidas utilizando modelos analíticos o numéricos para garantizar un tratamiento seguro de las costosas piezas de trabajo [5]. Para refundir zonas más grandes es necesario un solapamiento óptimo de las pistas láser y el perfil rectangular del haz láser, con una distribución uniforme de la intensidad [6]. Se parte de la base de que se espera una menor dureza y resistencia al desgaste en las regiones solapadas debido a la fusión repetida.

Se realizó una simulación del proceso de refundición en muestras de acero estructural mediante el modelo SYSWELD FEM para obtener la distribución del campo de temperatura en cualquier tiempo predefinido y la distribución de fases de las zonas tratadas, que han sido refundidas y afectadas térmicamente.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se prepararon muestras de 150 mm de longitud y 80 mm de anchura a partir de chapa de 15 mm de espesor de acero S355JR (1.0045) con un contenido de carbono ≤ 0,24 % (Tabla 1).