Soldadura de aceros de ultra alta resistenciapara aplicaciones en la industria Autor Agustín José Marcuzzi Director Dr. Ing. Hernán G. Svoboda Tutor Ing. Andrés Pastor Trabajo de Seminario - Ingeniería en Materiales 31 de julio de 2015 1. 2. 3. 4. 5. Introducción Revisión Bibliográfica Procedimiento experimental Resultados y discusión Conclusiones 1. Introducción • El objetivo del presente trabajo fue evaluar la soldabilidad aceros microaleados al boro (MAB) de alta resistencia de pequeño espesor mediante diversos procesos de soldadura empleados en la industria automotriz. • Tratamiento de temple y revenido. Estudio la influencia de la temperatura de revenido. • A partir de ellos, se estudió la soldabilidad con cuatro procesos de soldadura diferentes: GMAW, PAW, GMAW-Brazing y RSW. • Para la selección de los parámetros de estos procesos se tuvieron en cuenta factores operativos. Asimismo, se evaluó la evolución microestructural y propiedades mecánicas. 1. 2. 3. 4. 5. Introducción Revisión Bibliográfica Procedimiento experimental Resultados y discusión Conclusiones 2. Revisión Bibliográfica - AHSS • En las últimas décadas, las exigencias de la industria automotriz ha impulsado un rápido desarrollo de aceros especiales que se denominan aceros avanzados de alta resistencia (AHSS). • Los AHSS pueden ser distinguidos de los aceros convencionales por su alta resistencia mecánica sin sacrificar tenacidad y ductilidad en exceso. . se las templa en la matriz. se ha desarrollado el proceso de Hot Forming. • En este proceso.2. las chapas son calentadas y conformadas en un estado austenítico blando. Luego. Revisión Bibliográfica– Aceros HF • Debido a las dificultades operativas para obtener piezas de geometría compleja. • Se logra reducir sensiblemente el efecto de recuperación elástica (springback). como también las distorsiones y las anisotropías del material. . • La temperatura de austenizado suele ser de 850°C950°C. Revisión Bibliográfica– Aceros HF • Los aceros HF son aceros de bajo-medio carbono y baja aleación.2.5mm. y suelen presentar una pequeña cantidad de B 10. . • Las aplicaciones más usuales en la industria automotriz son componentes estructurales del chasis. que le aporta templabilidad. • Microestructura preponderantemente martensítica.0-2.30ppm. Los espesores típicos de estas piezas son de 1. . 2. • En los aceros HF la información sobre el tratamiento de revenido es escasa y a veces contradictoria. • También se diferencian dos fenómenos fragilizadores: 1. Fragilización Krupp: Tiempos prolongados a 375-575°C. Placas de cementita en los bordes de grano de la martensita. 200. Fragilización azul: Rev. Revisión Bibliográfica – Temperatura de Revenido • Por conservar su alta resistencia mecánica no se los suele revenir a altas temperaturas. debido principalmente a las diferencia en la composición química y la velocidad de enfriamiento durante el temple (auto-revenido).2. .370°C. Revisión Bibliográfica– Soldadura • Durante un proceso de soldadura. sin producirse fusión. como también sobre el grado de distorsión y las tensiones residuales de la pieza. • Las zonas adyacentes se ven sometidas a un calentamiento y posterior enfriamiento. denominado zona afectada por el calor (ZAC o HAZ).2. la fuente de calor funde el material base formando una pileta líquida que luego solidifica. Es el metal de soldadura (MS o WM). • El ciclo térmico determinan su microestructura y consecuentemente sus propiedades mecánicas. . austenización parcial. esta zona es revenida por acción del ciclo térmico pero a temperaturas menores a la ZSC. En aceros martensíticos. • Zona subcrítica (ZSC): T<Ac1. • Zona del sobre revenida (ZMBSR): En el caso de aceros martensíticos. • Zona intercrítica o parcialmente recristalizada (ZIC o ZPR): Ac3 > T > Ac1. Amplio rango de microestructuras. este ciclo es comparable a un revenido de alta T.• Zona recristalizada gruesa y fina (ZRG y ZRF): T>Ac3. . pueden observarse estructuras bainíticas y martensíticas. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Revisión Bibliográfica– GMAW • GMAW es un proceso de soldadura cuya fuente de calor es un arco eléctrico que se establece entre un electrodo consumible.2. • Modo de transferencia por corto circuito: El aporte es transferido mientras el alambre permanece en contacto con la pileta fundida. Se emplean fuentes de corriente continua. y la pieza. Bajo aporte térmico. administrado en forma continua. Gas Ar-CO2. • Las fuentes de poder más utilizadas son de tensión constante (autoregulación del arco). . También forma parte del proceso el gas de protección.2. El arco eléctrico está restringido y colimado por la tobera. Revisión Bibliográfica .PAW • PAW es un proceso de soldadura cuya fuente de calor es un arco eléctrico que se establece entre un electrodo no consumible y la pieza. . La pieza a soldar es parte del circuito eléctrico. • Arco transferido: El arco se establece entre el electrodo y la pieza de trabajo. • El plasma se forma a través de la ionización del denominado gas de plasma. es decir que su Tm>450°C pero inferior a la Tm del metal a soldar. Revisión Bibliográfica . • Transferencia por cortocircuito y arco pulsado. .GMAW-Brazing • El proceso GMAW-Brazing consiste en reemplazar el electrodo de la soldadura GMAW convencional por uno cuyo material de aporte sea de Brazing.2. • El aporte más utilizado es el CuSi3. Fuera del nugget.2. La interfaz entre las chapas es calentada hasta producirse la fusión. . se encuentra la ZAC. en donde el calor necesario para efectuar la soldadura es provisto por el efecto Joule. que solidifica al enfriarse (nugget). • El proceso consiste en sujetar por medio de dos electrodos de cobre las chapas a soldar.RSW • El RSW es un proceso de soldadura por punto. Revisión Bibliográfica . y se hace circular una corriente intensa. 4. 5.1. Introducción Revisión Bibliográfica Procedimiento experimental Resultados y discusión Conclusiones . 3. 2. 3. Procedimiento experimental – Metal base • Fleje de acero microaleado al boro del tipo IRAM-IAS 15B30 de 45 mm de ancho y 0. .8mm de espesor. Análisis químico. Caracterización microestructural y microdureza Ensayo de tracción. 200. Ensayos de plegado. • Revenido en un horno con circulación forzada a T 150. . 300 y 350 °C (30 min). Procedimiento experimental – T de Revenido • La temperatura de austenización: 875 °C (10 min). • Temple en agua a con agitación suave. Caracterización microestructural y microdureza DRX Ensayo de tracción.3. 250. Procedimiento experimental – Soldadura • A partir de los resultados obtenidos se definieron los procedimientos para la obtención de los dos materiales sobre los que se estudiará la soldabilidad: MAB1400 y MAB1800. • El primero de ellos corresponde a un acero MAB con 1400 MPa mínimo de Rm. • Alabeos. . mientras que el segundo de 1800 MPa.3. junta a tope. • Con y sin respaldo de aluminio de 5mm. • Mecanizadas.9mm de diámetro. • Ángulo de la torcha 15±1° (arrastre) • Aporte alambre macizo AWS E70-S6 de 0. • Gas 20%CO2-Ar. Procedimiento experimental –GMAW. .3. Inspección visual Caracterización macro y microestructural Perfil de microdureza Vickers Ensayo de plegado Ensayo de tracción . • Gas de protección Ar y gas de plasma Ar-H2. v=81cm/min. análoga GMAW . • Mecanizadas. I=20A. • Ángulo de la torcha 13±1° (arrastre) • V=35V. HI=52J/mm • Caract. Procedimiento experimental – PAW. dp-p=5mm.3. junta a tope. • Sin respaldo. dp-p=16mm. • V=15. • Mecanizadas. HI=72J/mm . Procedimiento experimental –GMAW-Brazing. I=64A.2V. • Distancia pico pieza 16mm • Aporte alambre macizo de CuSi3-Mn Ø0. v=81cm/min. • Gas Ar.8mm.3. junta tipo solape. • Respaldo de sujeción. Procedimiento experimental – RSW. análoga GMAW-Brazing . fresado con una cara activa de 6 mm de diámetro. esférico.3. • Caract. • Electrodo Cu-Cr-Zr. • Junta a solape ~30mm de chapas de 100x22mm. • Media frecuencia: 1000Hz. Constantes . 1. 3. 4. 2. Introducción Revisión Bibliográfica Procedimiento experimental Resultados y discusión Conclusiones . 5. Rp0.27 0. Ms~365˚C M99~125˚C . Relativamente bajo nivel inclusionario. debajo límites permitidos. Comportamiento continuo.0022 0.2=380Mpa Rm=485MPa A=16% ~160HV1.14 0.32 1. Textura y fibrado mecánico por el laminado. Resultados y discusión – Material Base C Mn Si B Ti 0. dúctil. Ferrita de granos equiaxiados con carburos.030 S y P.4. 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 Plegados OK Trev 300˚C . . .4. Completa penetración en la raíz. Resultados y discusión – GMAW Buen acabado superficial y ausencia de salpicaduras. ZSC Mrev + precipitados ZIC ZRG F + Otros compuestos Martensita en listones MS F+M . ZR MAB1800 Distintas condiciones ZMD=230-270HV1 ZR=470-560HV1 MS=270-420 HV1 Junta ~ 23mm ZMD MAB1400 Con y sin respaldo Junta ~ 13mm . 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. 4. Resultados y discusión – PAW Buen acabado superficial y ausencia de salpicaduras. . Perforaciones Inestabilidades del carro. Completa penetración en la raíz. Pequeño socavado ZSC ZSC Mrev + precipitados ZIC F + carburos (~0.3µm) MS M+F . 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 . Otras en el MS. – Superficie de fractura dúctil • Ensayos de plegado OK .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. Resultados y discusión – GMAW-Brazing Buen acabado superficial y ausencia de salpicaduras. Cordón continuo y homogéneo.4. . ) Flujo del aporte Mojado Unión precipitados espesor variable .Cordón centrado 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 Dúctil ~565 N/mm Frágil ~360 N/mm gap . 5 kA •Buen aspecto superficial •Simétrico •Sin defectos 7.RSW 5.5 y 6.5 y 8.5 kA Presencia de Cu Proyecciones .4. Resultados y discusión . la ZAC .5kA 6.5kA 7. Luego.5.5kA Nugget Martensita.5kA 8. ↑HI ↓HV . Proyecciones Fractura tipo pull-out (ZAC) Localizada el BF y ZR . 4.1. 3. 2. 5. Introducción Revisión Bibliográfica Procedimiento experimental Resultados y discusión Conclusiones . • Se ha notado un descenso en la ductilidad con el aumento de la temperatura de revenido. • Se realizaron tratamientos de temple martensítico. con una muy baja fracción de austenita retenida. Conclusiones • Se caracterizó las chapas de acero de medio carbono microaleadas al B. La Trev que maximiza las propiedades mecánicas es 150°C. templado y revenido a 150°C (Rm ≥ 1800MPa). posiblemente por el fenómeno de fragilización azul. Se estudió en forma sistemática la Trev(150-350°C). • El Rp0.5.2 no se ve significativamente afectado por la Trev. y el segundo a 300°C (Rm ≥ 1400MPa). El primero. . • A partir de estos resultados se seleccionaron dos condiciones de tratamiento térmico. produciendo distintas zonas en la ZAC. La eficiencia de junta (50-60%). asociada a la formación de una microestructura de ferrita y carburos. con buena penetración. en ausencia de defectos en el MS. . • Pudo comprobarse el efecto del respaldo como difusor del calor. • Debido al ciclo térmico de la soldadura. buen acabado superficial y ausencia de defectos. En general. las propiedades quedaron definidas por la ZMD que se alcanza entre la ZSC y la ZIC. Conclusiones • Se desarrollo un procedimiento de soldadura para el proceso GMAW y PAW obteniéndose soldaduras reproducibles. se genera una degradación microestructural del material base. Los ensayos de plegado resultaron totalmente satisfactorios.5. También se evidencia una ZAC análoga a los otros procesos. con un mojado aceptable y ausencia de defectos. • Asimismo. se identificó la presencia de precipitados en la unión. • Se ha detectado una cierta dilución del metal base en el aporte (aumento de la dureza). que podrían deteriorar la resistencia de la junta.5. . Conclusiones • Se desarrolló un procedimiento para el proceso de soldadura GMAW-Brazing con junta tipo solape. Se ha logrado soldaduras sin defectos que maximizan las propiedades mecánicas. • También se ha notado un efecto de autorevenido aún a altas velocidades de enfriamiento. con una indentación aceptable. • Todas las soldaduras ensayadas presentan una fractura de tipo pull-out. características de este tipo de soldaduras.5. . Conclusiones • Se desarrolló un procedimiento para el proceso de soldadura RSW y se ha hecho un análisis sistemático del efecto de la corriente. Muchas gracias por su atención ¿Preguntas? . También a Brian Grosso. • A la empresa Gestamp. entre otros. por su paciencia y sabiduría. por sus consejos y constante apoyo.Agradecimientos • Al mi director. por las soldaduras RSW. Leo. A Don Lelli. por su ayuda con los planos. Lucho. • A la FIUBA y a INTI-Mecánica. . Carlos. Valeria. Entre ellos a Joaquín. Andrés Pastor. Mercedes y Gisel. por la confección de probetas de tracción. • A mi tutor. Soledad. Alejandro. Hernán Svoboda. • A la UNLu. Diego y Don Antonio. A los bibliotecarios. especialmente al departamento de Física. . • A mis compañeros. Silvia. A los no docentes. entre ellos a Cristina. • A mi familia y amigos. • A los docentes del IT y a los investigadores de la CNEA.Agradecimientos • A la UNSAM y a la CNEA.