modelado del proceso de soldadura tig por métodos numéricos
TRANSCRIPT
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
Modelado del proceso de soldadura TIG por
métodos numéricos
TESIS
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECÁNICO
AUTOR: Br. Elver Nuñez Ruiz
ASESOR: Mg. Víctor Hugo Peláez Chávez
TRUJILLO – PERU
2020
i
PRESENTACIÓN
SEÑOR DECANO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA.
SEÑORES MIEMBROS DEL JURADO:
De conformidad con lo estipulado por el Reglamento de Grados y Títulos de la
Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Trujillo,
presento a su consideración la presente tesis: "Modelado del Proceso de
Soldadura TIG por Métodos Numéricos"
La finalidad de esta investigación es lograr predecir, a través métodos numéricos
computacionales y la teoría de precipitación de carburos, la curva de temperatura y
el comportamiento mecánico que generaría ésta.
El presente estudio corresponde a la línea de investigación en Procesos de
Manufactura y Materiales.
En la ejecución del presente informe se tomó en cuenta los conocimientos básicos
de Metodología de la Investigación Científica y Materiales.
ftg
Trujillo, abril 2021
ii
DEDICATORIA
Dedicó este trabajo principalmente a Dios, por permitirme el haber llegado hasta
este momento tan importante de mi formación profesional.
A mis padres, Adelmo Núñez Vásquez y Ormesinda Ruiz Cabrejos que con su
amor, paciencia y esfuerzo me ayudaron a cumplir uno de mis sueños.
También a todos mis hermanos, amigos que con sus consejos positivos me
ayudaron a lograr mis objetivos.
Elver Núñez Ruiz
iii
AGRADECIMIENTOS
En el presente trabajo me faltaría páginas para agradecer a Dios, por darme la salud
y la vida por cuidarme y guiarme todos los días de me vida y cumplir mis sueños.
Quiero agradecer a mis padres, Adelmo Núñez Vásquez y Ormesinda Ruíz
Cabrejos, que con lo poco que tenían me brindaron amor, valores, educación y
poder terminar mi carrera universitaria en esta prestigiosa Universidad.
También agradecer a toda la plana docente que en los 5 años me educaron y
brindaron sus conocimientos para ser un buen profesional, especialmente
agradecer a mi asesor al Ing. Víctor Hugo Peláez Chávez por su tiempo y brindar
sus conocimientos.
Gracias infinitamente.
iv
ÍNDICE ANALÍTICO
PRESENTACIÓN .......................................................................................................................... i
DEDICATORIA ............................................................................................................................. ii
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................................ iii
ÍNDICE ANALÍTICO ................................................................................................................... iv
INDICE DE FIGURAS ................................................................................................................ vi
INDICE DE TABLAS ................................................................................................................. vii
2: RESUMEN ............................................................................................................................. viii
3: ABSTRACT ............................................................................................................................. ix
4: INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 1
1.1. Realidad Problemática .................................................................................................. 1
1.2. Enunciado del Problema .............................................................................................. 2
1.3. Hipótesis ......................................................................................................................... 2
1.4. Justificación .................................................................................................................... 2
1.5. Objetivos ......................................................................................................................... 3
fundamentos teóricos .................................................................................................................. 4
2.1. Antecedentes ................................................................................................................. 4
2.2. Marco Teórico ................................................................................................................ 6
2.2.1. Procesos de Soldadura: ........................................................................................ 6
2.2.2. Proceso de Soldadura TIG ................................................................................. 13
2.2.3. Defectos en Soldadura TIG ................................................................................ 16
2.2.4. Transferencia de Calor en el Proceso de Soldadura ..................................... 20
2.2.5. Conducción Bidimensional ................................................................................. 22
2.2.6. Modelo Matemático de Transformaciones de Fase ....................................... 22
5: MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................................... 24
3.1. Material de estudio .................................................................................................. 24
3.2. Diseño Experimental ............................................................................................... 24
3.2.1. Variables de Estudio ............................................................................................... 24
v
3.2.2. Procedimiento Experimental: ................................................................................ 25
3.2.3. Parámetros para Modelo Matemático .................................................................. 26
6: RESULTADOS ...................................................................................................................... 28
7: DISCUSIÓN ........................................................................................................................... 28
4.1. Modelo Matemático ................................................................................................. 28
4.2. Resultados de Distribución de Temperaturas ..................................................... 30
4.3 Resultados de Curvas de Calentamiento: ............................................................... 32
4.4 Resultados de Tratamientos Térmicos. ................................................................... 34
4.5. Transformaciones de Fase ........................................................................................... 40
8: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 42
5.1. Conclusiones ............................................................................................................ 42
5.21. Recomendaciones ................................................................................................... 42
9: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 43
10: ANEXOS ............................................................................................................................... 45
ANEXO 1 .................................................................................................................................. 45
ANEXO 2 .................................................................................................................................. 46
ANEXO 3 .................................................................................................................................. 47
ANEXO 4 .................................................................................................................................. 48
ANEXO 5 .................................................................................................................................. 49
11: FORMATO DE DECLARACIÓN JURADA (SEGÚN ANEXO RR. 384-2018-UNT) 57
12: FORMATO DE AUTORIZACIÓN DE PUBLICACIÓN DEL TRABAJO (SEGÚN
ANEXO RR. 384-2018-UNT) ................................................................................................... 58
vi
INDICE DE FIGURAS Figura 1:Forja presión a un lado ................................................................................................................................... 7 Figura 2:Soldadura por forja por medio de rodillos. ..................................................................................................... 7 Figura 3:Esquema de la máquina de soldadura por fricción. ........................................................................................ 8 Figura 4:Llamas de soldadura oxiacetilénica. ............................................................................................................... 9 Figura 5:Esquema de soldadura por resistencia. ........................................................................................................ 10 Figura 6:Esquema de soldadura bajo flujo conductor. ............................................................................................... 10 Figura 7:Esquema de soldadura TIG. .......................................................................................................................... 11 Figura 8:Esquema de soldadura MIG. ......................................................................................................................... 12 Figura 9:Esquema de soldadura de arco sumergido. .................................................................................................. 13 Figura 10:Principio de Proceso de con gas y arco de tungsteno. ................................................................................ 14 Figura 11:Proceso de Soldadura TIG. .......................................................................................................................... 14 Figura 12:Proceso de protección mediante gas inerte. ............................................................................................... 15 Figura 13:Proceso de protección mediante gas inerte. ............................................................................................... 16 Figura 14:Porosidades en las juntas soldadas. ........................................................................................................... 17 Figura 15:Socavaciones en las juntas soldadas. ......................................................................................................... 17 Figura 16:Convexidad y concavidad en las juntas soldadas ....................................................................................... 18 Figura 17:Inclusión de tungsteno en las juntas soldadas. .......................................................................................... 19 Figura 18:Falta de fusión en las juntas soldadas. ....................................................................................................... 19 Figura 19:Soldadura uniforme en las juntas soldadas. ............................................................................................... 20 Figura 20:Método de cálculo de los Tiempos de incubación y fin en el Diagrama TTT............................................... 23 Figura 21:Esquema de relación de variables [black-box]. ........................................................................................... 25 Figura 22:Esquema de Proceso Experimental. ............................................................................................................ 26 Figura 23: Geometría de la probeta............................................................................................................................ 27 Figura 24:Diagrama de Temperaturas AISI 1045(modelo matemático). .................................................................... 30 Figura 25:Diagrama de Temperaturas AISI 1045 (software de simulación) ............................................................... 30 Figura 26:Diagrama de Temperaturas AISI 440C (modelo matemático). ................................................................... 31 Figura 27:Diagrama de Temperaturas AISI 440C (software de simulación). .............................................................. 31 Figura 28:Curva de Calentamiento AISI 1045 (MATLAB 2018B). ................................................................................ 32 Figura 29:Curva de Calentamiento AISI 1045 (Inventor Natram 2020) ...................................................................... 33 Figura 30:Curva de Calentamiento AISI 440C (MATLAB 2018B) ................................................................................. 33 Figura 31:Curva de Calentamiento AISI 440C (Inventor Natram 2020) ...................................................................... 34 Figura 32:Curva de Enfriamiento desde 1400 °C. ....................................................................................................... 35 Figura 33:Curva de Enfriamiento desde 1200 °C ........................................................................................................ 35 Figura 34:Curva de Enfriamiento desde 950 °C .......................................................................................................... 36 Figura 35:Curva de Enfriamiento desde 600 °C .......................................................................................................... 36 Figura 36:Curva de Enfriamiento desde 440 °C .......................................................................................................... 37 Figura 37:Curva de Enfriamiento desde 1400 °C ........................................................................................................ 37 Figura 38:Curva de Enfriamiento desde 1090 °C ........................................................................................................ 38 Figura 39:Curva de Enfriamiento desde 940 °C .......................................................................................................... 38 Figura 40:Curva de Enfriamiento desde 595 °C .......................................................................................................... 39 Figura 41:Curva de Enfriamiento desde 425 °C .......................................................................................................... 39
vii
Figura 42:Ficha Técnica AISI 1045 .............................................................................................................................. 45 Figura 43:Ficha Técnica AISI 440C .............................................................................................................................. 46 Figura 44:Diagrama CCT AISI 1045 ............................................................................................................................. 47 Figura 45:Diagrama CCT AISI 440C ............................................................................................................................. 48 Figura 46: Ejecución de la programación en GUIDE. .................................................................................................. 49
INDICE DE TABLAS
Tabla 1:Composición Química de los aceros comerciales. ........................................................................................... 24 Tabla 2:Composición Química del Acero AISI 440 C ..................................................................................................... 24 Tabla 3:Propiedades de Acero AISI 1045. .................................................................................................................... 26 Tabla 4:Propiedades de Acero AISI 440C ..................................................................................................................... 27 Tabla 5:Transformaciones de Fase Acero AISI 1045 .................................................................................................... 40 Tabla 6:Transformaciones de Fase Acero AISI 440C. ................................................................................................... 41
viii
2: RESUMEN
La investigación buscó modelar el proceso térmico que se genera en una
junta soldada por TIG a través de métodos numéricos.
Para realizar el análisis se decidió por trabajar con dos materiales, AISI 1045
y Acero Inoxidable AISI 440C, con la finalidad de poder verificar la influencia
del coeficiente de conducción de cada material en las curvas obtenidas.
A través de la Mecánica Computacional se logró obtener las curvas de
enfriamiento para cada uno de los puntos de la junta soldada, con los cuales
se pudo predecir la microestructura que se obtiene.
Se pudo realizar una primera aproximación de dureza las cuales fueron
comprobadas por análisis experimental que se encontró en referencias
citadas.
Se dio la validez del modelo a trabajar para análisis de juntas soldadas y su
posible uso en la industria.
Palabras clave: Soldadura, TIG, Métodos Numéricos, Transferencia de
Calor.
ix
3: ABSTRACT
The research sought to model the thermal process that is generated in a TIG
welded joint through numerical methods.
To carry out the analysis, it was decided to work with two materials, AISI 1045
and AISI 440C Stainless Steel, in order to be able to verify the influence of the
conduction coefficient of each material on the curves obtained.
Through Computational Mechanics it was possible to obtain the cooling
curves for each of the points of the welded joint, with which the obtained
microstructure could be predicted.
A first approximation of hardness could be made, which were verified by
experimental analysis found in cited references.
The validity of the model to work for analysis of welded joints and its possible
use in the industry was given.
Key Words: Welding, TIG, Numerical Methods, Heat Transfer.
1
4: INTRODUCCIÓN
1.1. Realidad Problemática
Los procesos de Soldadura, SMAW, GMAW, GTAW, etc., tienen mucha
importancia dentro del ámbito industrial. Dentro de ellos la SOLDADURA
GTAW o TIG es de lo más usado en los procesos agroindustriales debido a
su fácil uso en las juntas de acero inoxidable.
El proceso de soldadura TIG ha ido ganando terreno en la industria local y
nacional debido a su versatilidad y mejores acabados con respecto a los otros
tipos de soldadura. Sin embargo, también al ser uno de los métodos de mayor
costo se requiere una alta precisión y mayores precauciones con respecto a
las fallas que se pueden visualizar dentro de la junta.
En las construcciones metálicas obtenidas por soldadura, está presente un
sinnúmero de fallas y defectos de la geometría interna y externa de la
estructura, las no coincidencias que ocurren en los bordes de soldadura entre
metal y metal, lo cual genera desplazamientos apreciables, etc. Todo esto se
debe a un calentamiento no uniforme tanto en la junta como en las zonas
cercana a ella. Otro de los posibles efectos es la aparición a los esfuerzos
residuales tanto en el cordón de soldadura como en la zona afectada
térmicamente (ZAT), esto debido a la concentración de calor debido al arco
de soldadura, lo que causa deformaciones térmicas y procesos de
transformación físico químicos.
Siendo un problema primordial la conducción de calor dentro de la junta
soldada se tiene la opción de trabajarlo por métodos analíticos o por
modelado utilizando métodos numéricos.
Un modelado por métodos numéricos es usado para representar en este caso
del calor aportado por la soldadura. Sin embargo, las restricciones que se
tienen son: los métodos empleados para describir el comportamiento de la
2
materia prima, y el modelo matemático que define de manera aproximada el
ciclo térmico que produce la soldadura en la pieza sólida.
En la Universidad Nacional está empezando a hacer estudios de
simulaciones numéricas para solucionar problemas de la realidad, los cuales
pueden dar soporte a la industria metal mecánica de la región y el Perú.
Por todo esto se ha planteado poder realizar un modelado del proceso de
Soldadura TIG para condiciones normales de transferencia de calor por
conducción.
1.2. Enunciado del Problema
¿Cómo modelar el proceso de soldadura TIG?
1.3. Hipótesis
Mediante la aplicación de una metodología adecuada en el uso del método
numérico de diferencias finitas.
1.4. Justificación
➢ Justificación Teórica
Esta investigación pretender ampliar los conocimientos de
modelado de los procesos térmicos en juntas soldadas y a su vez
tener un método confiable de predicción de microestructuras
formadas después de la soldadura.
➢ Justificación Técnica
El proceso de soldadura TIG, al igual que todos los procesos de
soldadura involucran ensayos para ver la calidad de la junta
formada. Algunas fallas encontradas son en su mayoría
originadas por la ZAT la que a través de una simulación numérica
podremos producir su comportamiento.
3
Este estudio busca realizar un mapeo térmico de la junta soldada
para poder predecir el efecto que tendría temperatura en las
propiedades mecánicas de la materia prima y el material de
aporte.
➢ Justificación Económica
El costo de la Soldadura TIG en el mercado es muy elevado por
lo que un mal uso y posible falla en el mecanismo causaría altas
pérdidas económicas por lo que conocer las propiedades
mecánicas nos ayudaría a prevenir posibles fallas.
Las fisuras que puedas causar fugas de material se podrían
corregir mucho antes de su origen, debido que al tratar de manera
microestructural nuestra junta soldada podemos hacer un plan de
control para la atmósfera y los productos causantes del
enfriamiento brusco.
1.5. Objetivos
➢ Objetivo General
Modelar el Proceso de Soldadura TIG mediante Métodos
Numéricos.
➢ Objetivos Específicos
Determinar las consideraciones a tomar en cuenta en la
formulación de la simulación del proceso de soldadura TIG.
Establecer una metodología de trabajo para todo el proceso de
modelado térmico.
Obtener la distribución de temperatura en la junta soldada.
Determinar la microestructura obtenida en la junta soldada.
4
fundamentos teóricos
2.1. Antecedentes
(Martinez Conesa, Estrems Amestoy, & Miguel Eguía, 2007) en su
trabajo titulado “Aplicación de Crank- Nicolson para el cálculo de la Z.A.T.
en la soldadura T.I.G. de una estructura metálica de acero inoxidable”,
modelaron los ciclos térmicos del proceso y calcularon las dimensiones
de la zona ZAT.
Para ello realizaron un libro de cálculo en Ms- Excel con Visual Basic
para Aplicaciones basándose en em el Método de Diferencias Finitas de
Crank – Nicolson.
Lograron calcular las gráficas de Temperatura en la ZAT y lo compararon
con valores reales realizados en laboratorio.
De esta investigación se tomará el criterio de Crank – Nicolson para la
presente tesis.
(Delgado, Betancourt, Ramírez - Argáez, & Medez, 2017) en su trabajo
presentado en Congreso Internacional de la SOMIM, desarrollaron un
modelamiento 2D para el proceso de soldadura de arco TIG.
Para lograr dicho objetivo realizaron simulaciones numéricas
computacionales basadas en principios físicos, como conservación de la
masa, cantidad de movimiento, etc.
Obtuvieron un modelo que predecía las propiedades del arco, tanto
eléctricas como térmicas con forme variaban la composición del gas
inerte, que para este caso trabajaron con argón y nitrógeno.
(Martínez - Conesa, Estrems, & Miguel, 2010) en su investigación
desarrollaron un modelo En DF para obtener la distribución temperatura
de la zona afectada por el calor en una junta soldada de dos chapas
metálicas de Acero AISI 304 por medio de soldadura GTAW.
5
Realizaron un modelo matemático ayudándose del software Ms – Excel
el sirvió para discretizar cada uno de los tramos analizados por
diferencias finitas.
Los resultados fueron validados por medio de ensayos experimentales y
se recomendó el uso para los otros tipos de Soldadura.
De esta investigación se tomará la hipótesis de sólo considerar la
transferencia de calor por conducción debido a la complejidad de un
modelo incluyendo convección y radiación.
(Rincon Rodriguez & Meneses Martinez, 2016) en su trabajo de
investigación realizaron un modelo numérico el cual les permitía obtener
la microestructura obtenida en un proceso de soldadura SMAW.
Para ello utilizaron las ecuaciones de transferencia de calor y se modelo
a través de un programa en MATLAB. Con las curvas de enfriamiento
obtenidas utilizaron los diagramas CCT del Acero AISI 1040 para poder
calcular la microestructura que se origina.
Las curvas de enfriamiento fueron contrastadas a través del software de
Simulación ANSYS obteniendo una diferencia pequeña entre los dos
resultados. El modelo que utilizaron no considera los parámetros del
proceso de soldadura ya que no pertenecen los modelos matemáticos
presentes en la teoría de transferencia de calor.
De esta investigación consideraremos las ecuaciones para el cálculo del
porcentaje de cada microconstituyente.
(Lu, Tang, Yu, & Yao, 2005) en su investigación revelaron la interacción
entre el arco de soldadura y el baño de soldadura estableciendo un
modelo matemático unificado del arco de soldadura TIG y el baño.
La interfaz móvil se resolvió actualizando continuamente la región de
cálculo del arco y el baño de soldadura. El flujo de fluido y la transferencia
de calor del arco de soldadura TIG y el baño de soldadura se analizaron
basándose en este modelo.
6
En este modelo, se consideró la deformación de la interfaz de la
superficie del baño de soldadura causada por la presión del arco, la
tensión superficial y la gravedad.
2.2. Marco Teórico
2.2.1. Procesos de Soldadura:
Soldadura se entiende como la unión de dos o más materiales
entre sí con la finalidad que formen una sola pieza. Los materiales
que se tienden a unir son materiales metálicos.
Otra definición de soldadura es la coalescencia localizada de
metal, producido por calentamiento a una temperatura adecuada,
donde se utiliza presiones y materiales de aporte.
• Soldadura por Forja:
En este proceso las partes son llevadas a un estado
pastoso, el cual generalmente se realiza por medio de
calentamiento en horno, etc. Finalmente se somete a
presión a través de golpes.
Existes dos tipos de soldadura por forja estos son:
Soldadura por martillo, en este caso las piezas son unidas
por el actuar de un martillo el cual puede ser manual o
mecánico.
Soldadura por dado, en esta la unión se suscita por medio
de dados o rodillos como se muestran en las siguientes
figuras. (Figura 01 y 02)
7
Figura 1:Forja presión a un lado
Figura 2:Soldadura por forja por medio de rodillos.
La aplicabilidad de este tipo de soldadura suele ser en gran
parte para la fabricación de tuberías.
• Soldadura por fricción:
Este tipo de soldadura da como resultado la unió entre dos
piezas, para lo cual se utiliza el calor producido por la
fricción entre un elemento rotativo y uno estacionario, los
cuales están sometidos a una fuerza de contacto.
Según lo recopilado pueden existir tres tipos:
- La velocidad angular es lenta en relación la fuerza
de contacto ejercida sobre la materia prima la cual
resulta alta.
8
- La velocidad angular es alta en relación la fuerza de
contacto ejercida sobre la materia prima la cual
resulta baja.
- Un método por el cual se utiliza un volante que
desconecta la fuente de movimiento antes de
comenzar el proceso de soldadura.
- La velocidad angular se reduce de manera gradual
según el ciclo de soldado.
Figura 3:Esquema de la máquina de soldadura por fricción.
• Soldadura oxiacetilénica:
Este tipo de soldadura provoca una mayor temperatura en
similitud con el resto de gases que se utilizan para la
soldadura. La temperatura que se puede alcanzar por este
método es de 3500°C la cual se encuentra en el extremo
del cono interior.
9
Figura 4:Llamas de soldadura oxiacetilénica.
• Soldadura por resistencia:
Este tipo de soldadura es un proceso térmico y eléctrico, es
decir, termoeléctrico, generado por el calor en la interfaz de
las modelos que van a unirse. Su funcionalidad se da con
el paso de una corriente eléctrica por medio de las piezas
durante un intervalo de tiempo controlado con precisión y
bajo una presión controlada.
La Figura 05 muestra esquemáticamente los diferentes
elementos que de una u otra forma están incluidos en las
diferentes modalidades dentro del proceso denominado
soldadura por resistencia.
10
Figura 5:Esquema de soldadura por resistencia.
• Soldadura Bajo Flujo Conductor (ESW):
Este tipo de soldadura se obtiene por medio de una
resistencia eléctrica la cual está compuesta por escoria
fundida, la temperatura que llega a alcanzar es de 1800°C,
el cual es superior al punto de fusión de ambos materiales,
lo cual permite que la escoria se funda en los bordes del
metal.
En la siguiente figura podemos observar el proceso
esquemático que se realiza en una soldadura de bajo flujo
o ESW.
Figura 6:Esquema de soldadura bajo flujo conductor.
11
• Soldadura por arco eléctrico:
En este proceso la soldadura es producida por el
calentamiento producido por el arco eléctrico, dentro de los
tipos de soldadura por arco eléctrico tenemos 3 tipos que
son las principales:
✓ La soldadura que emplea un electrodo de carbón, la
cual a principios del desarrollo de la soldadura solo
se utilizaba para producir el arco eléctrico, lo cual
permite el calentamiento del material, este tipo de
soldadura es relativamente similar al proceso de
soldadura por oxiacetilénico.
✓ La soldadura que se realiza con electrodo de
Tungsteno protegido por un gas inerte: es decir, TIG,
el cual es producido originalmente para soldar otro
tipo de elementos como el magnesio, además se
utiliza aparatos e instrumentos como se puede
visualizar en la figura 07.
Figura 7:Esquema de soldadura TIG.
La soldadura por electrodo metálico está protegida por gas
inerte (MIG), este tipo de soldadura es similar a la
soldadura por electrodo de tungsteno, con la diferencia en
la que en esta el electrodo no es el mismo, si no, es un
12
material que se consume, el cual mantiene constante el
arco eléctrico permitiendo así el suministro continuo del
material de aportación.
En la siguiente figura se muestra el proceso de soldadura
y las conexiones tanto eléctricas como de gas que se
utilizan.
Figura 8:Esquema de soldadura MIG.
• Soldadura por arco sumergido (SAW):
En este tipo de soldadura el arco permanece debajo de un
producto químico llamado fundente, el proceso de puede
visualizar en la figura 09.
El fundente que emplea este tipo de soldadura es granular,
el cual es depositado de manera simultánea con el
electrodo proveniente de la forma continua del carrete.
El empleo de un fundente es para proporcionar de
protección al metal, por lo general este tipo de soldadura
es de gran calidad.
13
Figura 9:Esquema de soldadura de arco sumergido.
• Soldadura por arco eléctrico con electrodo manual
revestido:
En este proceso la soldadura es obtenida por medio de un
calentamiento de arco producido por un electrodo que
suele ser metálico recubierto, la protección del mismo es
producida por la descomposición del recubrimiento, en este
proceso no se somete a presión y el metal de aporte lo
proporciona el electrodo.
2.2.2. Proceso de Soldadura TIG
Este método de soldeo fue utilizado en principio por los
americanos en el año 1940, para la soldadura de determinados
metales, pero ahora se emplea para el soldeo de los más
diversos materiales.
El arco generado va del tungsteno al metal de base a soldar, al
mismo tiempo que el gas protege al metal depositado y también
al tungsteno.
El tungsteno sirve para iniciar y mantener el arco; éste aguanta
considerables densidades de intensidad: al mismo tiempo que
nos proporciona una fuente de calor excepcionalmente
concentrada, tiene además una estabilidad de arco perfecta. El
tungsteno también recibe el nombre o denominación de
electrodo no consumible.
14
Este sistema se puede emplear con aporte de varilla o sin él,
según las características del metal a soldar. (Figura 10)
Figura 10:Principio de Proceso de con gas y arco de tungsteno.
La definición propuesta para el AWS para soldadura realizada
por gas y arco de tungsteno es llamada TGI, estos son, proceso
por el cual se produce la unión mediante el calentamiento el cual
puede ser empleado o no en el material de aporte.
El recubrimiento logra la protección, la cual se da con gas o
generalmente una mezcla de gases. (Figura 11)
Figura 11:Proceso de Soldadura TIG.
Cualquier fuente de calor para la fusión de las caras a soldar y
del material de aportación procede del arco eléctrico.
El arco salta entre la pieza a soldar y un electrodo que por lo
general suele ser de tungsteno.
15
El modelo de TIG ofrece muchas ventajas respecto a los demás
procesos de soldadura estudiados.
a) El recubrimiento gaseoso impide la inclusión que genera
la escoria. (Figura 12)
b) La pistola es cómoda y fácil de maniobrar
c) El procedimiento y la técnica necesaria es relativamente
sencilla
d) El arco es tranquilo.
e) La aportación por separada del metal de aportación
beneficia la ejecución de la pasada, debido a que con ello
se controla con relativa facilidad la fusión producida en las
caras.
f) Se pueden soldar casi todos los materiales ferrosos.
g) No se forman escorias que eliminar.
Figura 12:Proceso de protección mediante gas inerte.
La operación más utilizada es la deposición de cordones en
superficies. Este proceso se encarga de realizar la unión entre
piezas acero inoxidable por sus bordes, para una posterior
soldabilidad llevada a cabo desde el lado superior en posición
16
plana siendo esta posición la más común y conveniente en todo
trabajo del soldador en el proceso T.I.G.
Figura 13:Proceso de protección mediante gas inerte.
2.2.3. Defectos en Soldadura TIG
Dentro de los principales defectos que se tienen en los procesos
de soldadura TIG tenemos:
a) Porosidad:
Este defecto es causado por una diversidad enorme de
factores, pero los más comunes son:
- La falta de limpieza de la materia prima.
- No hay suficiente inyección de gas de recubrimiento
o protección.
- El gas suele estar contaminado.
- La velocidad no es la ideal y el amperaje no es el
recomendado.
- Generalmente la falta de una protección contra el
airé ocasiona porosidad.
17
Figura 14:Porosidades en las juntas soldadas.
b) Socavación
Este defecto es causado por una diversidad enorme de
factores, pero los más comunes son:
- Empleo de un alto nivel de amperaje
- Posición incorrecta de la materia aportante.
- La velocidad con al que se realiza el aporte es
elevada.
- El diámetro de la materia de aporte no es la
recomendada, es una muy elevada.
Esto se llega a corregir controlando adecuadamente el
amperaje utilizado y verificando que al momento de realizar
el proceso la posición y velocidad de soldeo sea la correcta.
Figura 15:Socavaciones en las juntas soldadas.
18
c) Convexidad y concavidad:
Este defecto es causado por una diversidad enorme de
factores, pero los más comunes son:
✓ Una elevada velocidad de la materia aportante y el
mal empleo de la materia aportante ocasión la
concavidad.
✓ Una baja velocidad del material de aportación y la
materia prima, además de un mal empleo del mismo
ocasiona convexidad.
Para llegar a una solución para estos defectos
generalmente se suele determinar el amperaje según el
espesor de la materia aportante, además de corregir la
disposición de este.
Figura 16:Convexidad y concavidad en las juntas soldadas
d) Inclusión de tungsteno
Este defecto es causado por una diversidad enorme de
factores, pero los más comunes son:
- Un empleo de amperaje muy elevado.
- Una deficiente limpieza del electrodo a usar.
- Se da acabo la inclusión del electrodo en la materia
depositada.
- En ocasiones surge de la ruptura de la punta del
electrodo.
La solución o una alternativa que se lleva acabo para
corregir estos problemas es la regulación permanente del
amperaje y realizar una limpieza eficiente.
19
Figura 17:Inclusión de tungsteno en las juntas soldadas.
e) Falta de fusión
Este defecto es causado por una diversidad enorme de
factores, pero los más comunes son:
- Un empleo de amperaje muy elevado
- Falta de capacitación al personal empleador.
- No hacer caso a las recomendaciones de espesor y
diámetro.
- El avance de soldadura se realiza de manera
excesiva
- El diámetro del electrodo es muy grande.
Para llevar a cabo una buena practica de soldadura se
requiere preparar adecuadamente los materiales, tanto en
limpieza, como las juntas o uniones a soldar, así como
regular la intensidad de amperaje en función a los
espesores o diámetros a soldar.
Figura 18:Falta de fusión en las juntas soldadas.
20
f) Soldadura no uniforme
Este defecto es causado por una diversidad enorme de
factores, pero los más comunes son:
- Un empleo de amperaje muy elevado
- Falta de capacitación al personal empleador.
- El avance de soldadura se realiza de manera
excesiva
Naturalmente una solución eficiente de este problema es
capacitar adecuadamente al personal de trabajo y regular
las velocidades con las que se deberían soldar de acuerdo
a las normas y especificaciones técnicas.
Figura 19:Soldadura uniforme en las juntas soldadas.
2.2.4. Transferencia de Calor en el Proceso de Soldadura
En el caso de dos cuerpos, en este caso los dos metales a soldar
tengan distintas temperaturas, el gradiente formado generará un
flujo de energía, el cual recibe el nombre de transferencia de
calor. (Mojica Bustos, 2014)
Dentro de las formas de transferir calor tenemos tres
mecanismos primordiales:
La conducción de calor, es una forma de transferencia de
energía por lo general térmica entre dos cuerpos o sistemas que
al estar en contacto directo ocurre una transferencia de calor
desde la zona o sistema más caliente hacia la más fría, lo cual
tiende a igualas la temperatura interna de los cuerpos.
21
La condición de calor se da entre elementos o cuerpos solidos
como fluidos, ya sean estos, líquidos o gaseosos, cabe
mencionar que generalmente se trabaja para materia en estado
sólido:
𝑞 = −𝑘 𝐴𝜕𝑇
𝜕𝑥…………………… (1)
Donde
K es una constante, la cual se denomina constante de
conductividad térmica, la cual depende del material de trabajo o
estudio.
𝜕𝑇
𝜕𝑥 es el gradiente direccional de temperatura que estará
aplicado de manera perpendicular a la sección A. La ecuación 1
presentada anteriormente se denomina Ley de Fourier.
Si hablamos de la convección esta se da de manera casi
espontanea, es producida por objeto al estar en contacto directo
o indirecto con un fluido, sea este un gas o agua, el cual
dependiendo la finalidad puede tener mayor o menor
temperatura que el material estudiado, por lo general se suele
trabajar con una temperatura media entre la base de la materia
y la temperatura del fluido presente en la superficie del mismo.
La ecuación que rige el flujo de calor en este mecanismo es la
siguiente:
𝑞 = ℎ𝐴𝑇 …………………… (2)
Donde
ℎ es la una constante y se denomina coeficiente de transferencia
de calor por convección,
𝐴 es el área de la superficie en contacto con el fluido de trabajo
22
Δ𝑇 es la diferencia o variación de temperatura de la materia de
trabajo y el fluido.
Ambos procesos son característicos de un proceso de
soldadura, sin embargo, se debe centrar en el proceso
bidimensional.
2.2.5. Conducción Bidimensional
La ecuación diferencial que modela la conducción bidimensional
en la transferencia de calor de materiales isotrópicos y
homogéneos en dos dimensiones viene dado por la siguiente
expresión: (González, Ocando, Pardo, & Surga, 2014)
𝜕
𝜕𝑥(𝑘
𝜕𝑇
𝜕𝑥) +
𝜕
𝜕𝑧(𝑘
𝜕𝑇
𝜕𝑧) = 𝐶𝑝𝜌
𝜕𝑇
𝜕𝑡 ………… (3)
Donde:
K = conductividad térmica
ρ = densidad del Material
Cp = Calor específico
T = temperatura
t = tiempo
Además, las condiciones de borde son:
- Simetría en x = 0
𝑘 (𝑥, 𝑧, 𝑇)𝜕𝑇
𝜕𝑥= 0 𝑒𝑛 𝑥 = 0
- Simetría en y = 0
𝑘 (𝑥, 𝑧, 𝑇)𝜕𝑇
𝜕𝑥= 0 𝑒𝑛 𝑦 = 0
2.2.6. Modelo Matemático de Transformaciones de Fase
La transformación de fase se analizará por medio de
transformaciones difusivas, en la que se utilizarán la ecuación de
23
JMAK, con el cual podemos describir la evolución del volumen de
fase transformado V(t) en función del tiempo (Ecuación 4).
𝑉 (𝑡) = 1 − 𝑒−𝑖𝑏(𝑇)𝑡𝑛(𝑇) …………………… (4)
Donde b(T) y n(T) son parámetros que deben determinarse
empíricamente utilizando las curvas TTT del material a trabajar.
Para poder determinar estos parámetros se utilizarán las
ecuaciones (5) y (6), cuyos valores no conocidos se obtendrán
como se observa en la Figura 20. (Giménez, Llobet, Riera, &
Prado, 2013)
Figura 20:Método de cálculo de los Tiempos de incubación y fin en el Diagrama TTT.
Exponente de Avrami = n
𝑛 = (
ln (1−𝑣𝑖)
ln (1−𝑣𝑓))
𝑙𝑛(𝑡𝑖𝑡𝑓
)
…………………….…… (5)
Constante de Avrami = b
𝑏 = ln(1− 𝑣𝑖)
𝑡𝑖𝑛 …………………… (6)
Para la transformación Martensítica, lo que rige es el Modelo de
Koistinen – Marburger (Ecuación 7), en el cual el volumen de
24
austenita transformado a martensita depende únicamente del
grado de subenfriamiento a partir de la temperatura de inicio de la
transformación martensítica (Ms)
𝑉 𝑚 = 1 − 𝑒[−0.011(𝑀𝑠−𝑇] …………………… (7)
En el caso de proceso no isotérmicos se utiliza la Regla de la
Adición o Ley de Scheil
𝑉𝑡−1𝑗 = 1 − 𝑒−𝑏(𝜃𝑗+1+𝑡𝑗)𝑛
…………………… (8)
5: MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Material de estudio
Se propone estudiar el acero comercial según serie AISI 1045 y AISI 440c Tabla 1. Composición Química de los aceros comerciales.
Tipo de
Acero
C Mn P S
AISI 1045 0.46 0.75 0.03 0.05
Además, se considerará para hacer una comparación el Acero Inoxidable
AISI 440C. (Tabla 02)
Tabla 2. Composición Química del Acero AISI 440 C
TIPO ACERO INOXIABLE
C Si Mn S Cr
AISI 440C 1.05 % 0.40% 0.45 % 0.003 % 17.5 %
3.2. Diseño Experimental
3.2.1. Variables de Estudio
Para la realización del presente trabajo y según los factores a
estudiar y las interacciones que habrá entre ellos se llevará a cabo
el modelado del proceso de temple utilizando el Método de
Diferencias Finitas según Crank – Nicolson.
25
VARIABLES INDEPENDIENTES.
X1= Tipo de acero (3 niveles) ...…………AISI 1045, AISI 440 C
X2= Tipo de soldadura (1 nivel) ………………………………TIG
X3=Tipo de Junta (1 nivel) …. ……………………………... TOPE
X4=Medio (1 nivel) …………………………………………… AIRE
VARIABLES DEPENDIENTES.
Y1 = Curva de Temperaturas.
Y2 = Transformación Martensítica
El gráfico de relación de variables lo podemos observar en la figura
21
3.2.2. Procedimiento Experimental:
En la Figura 22, podemos observar el procedimiento para la
realización del trabajo de investigación. La segunda etapa será
analizada en los resultados donde se describirá el modelo matemático
trabajado para el proceso de Soldadura TIG.
Transformación
Térmica
Y1= Curva de Temperaturas
Y2=Transformación Martensítica
X1= Tipo de acero
X2= Tipo de soldadura
X3= Tipo de junta
X4=Medio
Figura 21:Esquema de relación de variables [black-box].
26
Figura 22:Esquema de Proceso Experimental.
3.2.3. Parámetros para Modelo Matemático
Tabla 3. Propiedades de Acero AISI 1045.
PROPIEDAD SÍMBOLO AISI 1045
Coeficiente Conductividad térmica K 52 𝑊/𝑚∗K
Entalpia de cambio de fase H 272 KJ/Kg
Calor especifico Cp 460 𝐽/(𝐾𝑔∗𝐾)
Densidad ρ 7870 𝐾g/𝑚^3
Temperatura inicial T0 20 °C
Tiempo de simulacion t 30 s
Diferencial de tiempo t 0.02 𝑠𝑒g
Diferencial de x x 0.0025 m
Diferencial de y y 0.0025 m
Temperatura de fusión Tp 1400 °C
Longitud de Placa L 90 𝑚𝑚
Ancho de Placa B 30 𝑚𝑚
Espesor de Placa D 3 𝑚𝑚
Tercera Etapa: Simulación
Determinar las Condiciones de Frontera Realizar la simulación
Segunda Etapa: Modelo Matemático
Definir ecuaciones diferenciales con las cuales se trabajará
Realizar la programación del Modelo Matemático
Primera Etapa: Cálculos previos
Recolección de datos y material biblioráficoDeterminar las variables de entrada del
modelo
27
Tabla 4. Propiedades de Acero AISI 440C
PROPIEDAD SÍMBOLO AISI 440C
Coeficiente Conductividad térmica K 24.23 𝑊/𝑚∗K
Calor especifico Cp 500 𝐽/(𝐾𝑔∗𝐾)
Entalpía de cambio de fase H 272 KJ/Kg
Densidad ρ 7800 𝐾g/𝑚^3
Temperatura inicial T0 20 °C
Tiempo de simulacion t 30 s
Diferencial de tiempo t 0.02 𝑠𝑒g
Diferencial de x x 0.0025 m
Diferencial de y y 0.0025 m
Temperatura de fusión Tp 1400 °C
Longitud de Placa L 90 𝑚𝑚
Ancho de Placa B 30 𝑚𝑚
Espesor de Placa D 3 𝑚𝑚
Figura 23: Geometría de la probeta.
28
6: RESULTADOS
7: DISCUSIÓN
4.1. Modelo Matemático
Se ha realizado el modelo matemático para la difusión de calor de nuestro
proceso de Soldadura TIG.
Para dicho modelo se ha planteado las siguientes hipótesis:
- Se considera sólo transferencia de calor por conducción
- Se considera estado transitorio
- Se analizará un estado bidimensional.
Considerando la primera hipótesis, se desprecia la difusión por convección
y las fugas de calor a través de los bordes de la chapa. Los parámetros de
soldeo de velocidad, intensidad y voltaje se suponen constantes, y la
trayectoria de la soldadura es rectilínea, la soldadura se realiza en posición
horizontal.
Lo considerado anteriormente se utilizará en la discretización de nuestro
sistema de soldeo. El modelo presentado, al no usar parámetros propios de
la soldadura TIG, se puede emplear para los demás procesos.
Lo que se obtendrá es un perfil de temperaturas a lo largo de la junta
soldada.
Para el análisis se empezará con la ecuación
𝜕𝑇
𝜕𝑥=
𝑘
𝜌𝐶𝑝(
𝜕2𝑇
𝜕𝑥2+
𝜕2𝑇
𝜕𝑦2) +𝑄
𝜌𝐶𝑝 ………… (9)
En esta ecuación se ha incluido el valor de Q, el cual sería el calor aportado
y liberado por el cambio de fase de líquido a sólido y es calculado como
𝑄 = 𝜙𝐼𝑉 − 𝜌∆𝐻𝑥 ………… (10)
Donde x es la fracción de material licuado.
29
Para poder resolver la ecuación diferencial presentada en (9) se utilizará el
Método de Diferencias Finitas de Crank – Nicolson.
La discretización geométrica se ha tomado en cuenta el tamaño de la
probeta que se va a modelar (Tabla 3 y 4).
Por cuestiones de estandarización se considera el subíndice i para la
dirección x, las de dirección y se utilizará el subíndice j y las de tiempo se
utilizará el subíndice n.
Resolviendo las ecuaciones tenemos:
𝜕𝑇
𝜕𝑡=
𝑇𝑖,𝑗𝑛+1−𝑇𝑖,𝑗
𝑛
∆𝑡 ………… (11)
𝜕𝑇
𝜕𝑥=
1
2(
𝑇𝑖+1,𝑗−𝑇𝑖−1,𝑗
∆𝑥) ………… (12)
𝜕𝑇
𝜕𝑥2 = 1
2(
𝑇𝑖+1,𝑗+𝑇𝑖−1,𝑗−2𝑇𝑖,𝑗
∆𝑥) ………… (13)
Remplazando las ecuaciones anteriores en (9):
𝑇𝑖,𝑗𝑛+1 =
1
1+4𝛼(𝑇𝑖,𝑗
𝑛 (1 − 4𝛼) + 𝛼(𝑇𝑖−1,𝑗𝑛 + 𝑇𝑖+1,𝑗
𝑛 + 𝑇𝑖,𝑗−1𝑛 + 𝑇𝑖,𝑗+1
𝑛 + 𝑇𝑖−1,𝑗𝑛+1 + 𝑇𝑖+1,𝑗
𝑛+1 + 𝑇𝑖,𝑗−1𝑛+1 + 𝑇𝑖,𝑗+1
𝑛+1 ) − 𝑄) …… (14)
Donde:
𝛼 = (𝑘∆𝑡
4𝜌𝐶𝑝∆𝑥2) ………… (15)
Utilizando el software Matlab, se podrá calcular el diagrama de Distribución
de Temperatura para cada uno de los materiales que se está trabajando.
30
4.2. Resultados de Distribución de Temperaturas
4.2.2. Acero AISI 1045
Para el caso de del acero AISI 1045 se desarrolló el modelo
matemático en un software de programación (Figura 24) y luego se
contrastó con una simulación en un software educativo comercial
(Figura 25).
Figura 24:Diagrama de Temperaturas AISI 1045(modelo matemático).
Figura 25:Diagrama de Temperaturas AISI 1045 (software de simulación)
31
4.2.3. Acero Inoxidable AISI 440C
Para el caso de del acero AISI 440C se desarrolló el modelo
matemático en un software de programación (Figura 26) y luego se
contrastó con una simulación en un software educativo comercial
(Figura 27).
Figura 26:Diagrama de Temperaturas AISI 440C (modelo matemático).
Figura 27:Diagrama de Temperaturas AISI 440C (software de simulación).
32
4.3 Resultados de Curvas de Calentamiento:
Para realizar las curvas de calentamiento se midió el cambio de la
Temperatura en función del tiempo para nodos seleccionados en tramos de
2 mm y 5 mm, de acuerdo con la cantidad de zonas térmicas determinadas.
Se analizarán los puntos que se elevan sobre la temperatura de
austenización para revisar la posibilidad de algún tratamiento de temple
En la Figura 28 y 29, podemos observar la curva de calentamiento de los
nodos medidos desde el cordón de soldadura. Acá podemos observar que
en todos los nodos alcanzan su estabilidad a partir de los 5 segundos
empezando desde una temperatura ambiente de 20°C en el acero AISI
1045. Mientras que el acero inoxidable AISI 440C alcanza su estabilidad a
partir de los 15 segundo como se determina en las Figuras 30 y 31.
En la Figura 29, tenemos la curva de calentamiento para una mayor
cantidad de puntos en el AISI 1045 en comparación con la Figura 28.
Podemos observar que la tendencia es muy parecida. En este caso
podemos determinar la validez del modelo matemático en Matlab, el cual
es contrastado mediante el software Inventor Nastram.
En las figuras 28,29,30 y 31, podemos determinar que el acero AISI 1045
se caliente mucho más rápido que el acero inoxidable AISI 440.
Figura 28:Curva de Calentamiento AISI 1045 (MATLAB 2018B).
33
Figura 29:Curva de Calentamiento AISI 1045 (Inventor Natram 2020)
Figura 30:Curva de Calentamiento AISI 440C (MATLAB 2018B)
34
Figura 31:Curva de Calentamiento AISI 440C (Inventor Natram 2020)
Para el análisis de tratamientos térmicos utilizaremos las 5 primeras
temperaturas para analizar diferentes velocidades de enfriamiento.
4.4 Resultados de Tratamientos Térmicos.
Para analizar la microestructura necesitamos calcular las gráficas de las
velocidades de enfriamiento por lo que se utilizará una variación del Modelo
Matemático y analizarlo como un Tratamiento Térmico.
Inicialmente se determinará las curvas de enfriamiento para el acero AISI
1045.
35
Figura 32:Curva de Enfriamiento desde 1400 °C.
Figura 33:Curva de Enfriamiento desde 1200 °C
36
Figura 34:Curva de Enfriamiento desde 950 °C
Figura 35:Curva de Enfriamiento desde 600 °C
37
Figura 36:Curva de Enfriamiento desde 440 °C
Las tablas a continuación se presentará las curvas de enfriamiento del acero
inoxidable AISI 440C.
Figura 37:Curva de Enfriamiento desde 1400 °C
38
Figura 38:Curva de Enfriamiento desde 1090 °C
Figura 39:Curva de Enfriamiento desde 940 °C
39
Figura 40:Curva de Enfriamiento desde 595 °C
Figura 41:Curva de Enfriamiento desde 425 °C
40
4.5. Transformaciones de Fase
Tabla 5. Transformaciones de Fase Acero AISI 1045
Velocidad de enfriamiento
en centisegundos
Fase Vi (% de
transformación inicial)
Vf (% de transformación
final)
Ti (tiempo de transformación
inicial)
Tf (tiempo de transformación
final) n b
0.016 Bainita 0.01 0.045 2.59 3.3 2.7861 1.08E-03
0.024 Ferrita 0.01 0.035 2.21 2.45 19.79 1.20E-03
Perlita 0.01 0.125 2.45 2.91 12.56 6.54E-07
Bainita 0.01 0.185 2.9 4.72 5.52 6.12E-05
0.04 Ferrita 0.01 0.055 2.76 3.15 7.9 8.50E-06
Perlita 0.01 0.395 3.15 4 14.71 1.95E-09
Bainita 0.01 0.235 4 8.9 3.86 7.90E-05
0.1 Ferrita 0.01 0.125 4.75 5.75 11.72 3.10E-10
Perlita 0.01 0.865 5.75 10.22 8.97 3.00E-09
Bainita 0.01 0.235 10.22 21.53 4.25 8.50E-07
0.25 Ferrita 0.01 0.185 10.17 13.03 11.15 1.30E-13
Perlita 0.01 0.885 13.03 21.87 10.15 9.50E-14
En esta tabla podemos observar las transformaciones de fase para velocidades de enfriamiento cercanas al
CCT.
Se puede observar que la mayor cantidad de estructura que se forma es la perlita la que brindaría las
propiedades mecánicas de la Zona Afectada por el calor
41
Tabla 6. Transformaciones de Fase Acero AISI 440C.
Velocidad de enfriamiento
en centisegundos
Fase Vi (% de
transformación inicial)
Vf (% de transformación
final)
Ti (tiempo de transformación
inicial)
Tf (tiempo de transformación
final) n b
0.016 Bainita 0.01 0.045 2.59 3.3 2.7861 1.08E-03
0.024 Ferrita 0.01 0.035 2.21 2.45 19.79 1.20E-03
Perlita 0.01 0.136 2.45 2.91 12.56 6.54E-07
Bainita 0.01 0.195 2.9 4.72 5.52 6.12E-05
0.04 Ferrita 0.01 0.055 2.76 3.15 7.9 8.50E-06
Perlita 0.01 0.405 3.15 4 14.71 1.95E-09
Bainita 0.01 0.235 4 8.9 3.86 7.90E-05
0.1 Ferrita 0.01 0.125 4.75 5.75 11.72 3.10E-10
Perlita 0.01 0.865 5.75 10.22 8.97 3.00E-09
Bainita 0.01 0.235 10.22 21.53 4.25 8.50E-07
0.25 Ferrita 0.01 0.185 10.17 13.03 11.15 1.30E-13
Perlita 0.01 0.885 13.03 21.87 10.15 9.50E-14
En esta tabla podemos observar las transformaciones de fase para velocidades de enfriamiento cercanas al
CCT.
Se puede observar que la mayor cantidad de estructura que se forma es la perlita la que brindaría las
propiedades mecánicas de la Zona Afectada por el calor
42
8: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones
• Se logró realizar un modelo matemático para simular el proceso de
soldadura TIG considerando un sistema netamente por conducción.
• Se determinó la distribución de temperatura para el Acero AISI 1045 y
AISI 440C donde los primeros son muy parecidos.
• Se calcularon las curvas de calentamiento para determinar las
temperaturas máximas en cada nodo.
• Se determinó las curvas de enfriamiento en los tres tipos de acero para
su comparación con las curvas CCT.
• Se determinó las transformaciones de fase en ambos aceros siendo el
microconstituyente primordial la Perlita.
5.21. Recomendaciones
• Se recomienda realizar el análisis considerando la convección del aire
y la radiación al ambiente.
• Se recomienda realizar el análisis experimental para comparar los
resultados del modelo matemático con los valores reales.
43
9: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Adams, B. l. (2004). ASM Metal Handbook .
Araque de los Ríos, O. J., & Arzola de Peña, N. (2013). Estado del arte sobre la integridad
estructural de uniones soldadas y modelos de propagación de grietas para la gestión de vida
en estructuras. Ingeniare, 279-292.
Askeland, D. R. (1998). Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Bellet, M. e. (2009). New numerical technologies for the simulation of arc welding processes.
Bullón, C. e. (2007). Simulación de un proceso de soldadura mediante un modelo termo-mecánico
considerando el efecto de esfuerzos residuales utilizando el método de los elementos
finitos.
CengelL, Y. A. (2007). Transferencia de calor y masa.
Delgado, J., Betancourt, B. M., Ramírez - Argáez, M. A., & Medez, P. (2017). Modelado
matemático de soldadura con arco TIGO expuesta en diferentes atmósferas. Cuernavaca.
ESAB-CONARCO. (2007). Soldar Con arco.
Giménez, M., Llobet, A., Riera, M., & Prado, J. (2013). Simulación de un Tratamiento Térmico
mediante elementos finitos. España.
Goldak, J., Chakravarti, A., & Bibby, M. (1984). A New Finite Element Model for Welding Heat
Sources. Metallurgical and Materials Transactions, 299 - 305 .
González, C., Ocando, T., Pardo, M., & Surga, R. (2014). Simulación Dimensional de la Ecuación
del Calor. La Guajira.
Holman, J. (2010). Heat Transfer.
Liedtke, D. (2014). Bainitisieren Kontinuierliches oder isothermisches Umwandeln in der
Bainitstufe.
Lu, F., Tang, X., Yu, H., & Yao, S. (2005). Numerical simulation on interaction between TIG
welding arc and weld pool. China.
Martínez - Conesa, E., Estrems, M., & Miguel, V. (2010). Desarrollo de un modelo matemático
de diferencias finitas para el análisis del campo de temperaturas en la soldadura por arco
de chapas finas de acero inoxidable. Cartagena, España.
Martinez Conesa, E., Estrems Amestoy, M., & Miguel Eguía, V. (2007). Aplicación de Crank-
Nicolson para el cálculo de la Z.A.T. en la soldadura T.I.G. de una estructura metálica de
acero inoxidable . Lugo.
Mojica Bustos, W. (2014). Determinación del flujo de calor de entrada mediante la técnica de
termografía para un material base ASTM A-36 de diferentes espesores con el Proceso
SMAW. Bogotá .
Muratore Lahoz, B. (2015). Simulación Numérica del Proceso de Soldadura.
Ospina López, R., & Parra Lara, H. (2011). Aplicación y selección de ensayos no destructivos para
la evaluación de uniones soldadas. Scientia et Technica, 196-201.
Rincon Rodriguez, D. A., & Meneses Martinez, E. D. (2016). Simulación Matemática de las
Transformaciones de Fase en la Zona afectada por el calor en un procesos de Soldadura
SMAW en un Aero AISI SAE 1040.
44
S., P., Lobera, G. A., & Urquiza, S. A. (2013). Modelado numérico del proceso de soldadura FSW
incorporando una técnicade estimación de parámetros. Métodos Numéricos para Cálculo
y DIseño en Ingeniería, 5-10.
Suresh Kumar, K. (2014). Analytical Modeling of Temperature Distribution, Peak Temperature,
Cooling Rate and Thermal Cycles in a Solid Work Piece Welded By Laser Welding
Process. 3rd International Conference on Materials Processing and Characterisation, 821
- 834.
Vishnu, P. R. (1993). Solid-state transformation in weldments.
Zenkiewicz, O. (1982). El método de los elementos finitos.
45
10: ANEXOS
ANEXO 1
Figura 42:Ficha Técnica AISI 1045
46
ANEXO 2
Figura 43:Ficha Técnica AISI 440C
47
ANEXO 3
Figura 44:Diagrama CCT AISI 1045
48
ANEXO 4
Figura 45:Diagrama CCT AISI 440C
49
ANEXO 5
Figura 46: Ejecución de la programación en GUIDE.
50
51
52
53
54
55
56
57
11: FORMATO DE DECLARACIÓN JURADA (SEGÚN ANEXO RR.
384-2018-UNT)
58
12: FORMATO DE AUTORIZACIÓN DE PUBLICACIÓN DEL
TRABAJO (SEGÚN ANEXO RR. 384-2018-UNT)
59
Trujillo, 12 de abril del 2021
Habiéndose hecho las correcciones y recomendaciones emitidas por el Jurado
calificador, se declara expedito el presente trabajo.
Por tanto, se autoriza continuar los trámites para la obtención del Título
correspondiente.
Dr. VICTOR MANUEL ALCANTARA ALZA ------------------------------
Presidente
Ms. VICTOR HUGO PELAEZ CHAVEZ
Secretario (asesor)
Ing. JUAN ELY DAVID ACOSTA HORNA
Miembro
---------------------------
-
-----------------