UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

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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

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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

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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 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.

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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.

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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.

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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)

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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.

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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.

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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.

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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.

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• 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

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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Figura 14:Porosidades en las juntas soldadas.

b) Socavación

- 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.

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18 c) Convexidad y concavidad:

✓ 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

- 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.

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Figura 17:Inclusión de tungsteno en las juntas soldadas.

e) Falta de fusión

- 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.

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20 f) Soldadura no uniforme

- 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.

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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 = ℎ𝐴𝑇 ……… (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

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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

) = 𝐶

_𝑝

𝜌

^𝜕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

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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)𝑡}^𝑛(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(^𝑡𝑖

𝑡𝑓)

……….…… (5)

Constante de Avrami = b

𝑏 =

^{ln(1− 𝑣}^𝑖⁾

𝑡_𝑖^𝑛 ……… (6)

Para la transformación Martensítica, lo que rige es el Modelo de Koistinen – Marburger (Ecuación 7), en el cual el volumen de

(34)

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(𝑀}^𝑠^−𝑇] ……… (7) En el caso de proceso no isotérmicos se utiliza la Regla de la Adición o Ley de Scheil

𝑉_𝑡−1^𝑗 = 1 − 𝑒^−𝑏(𝜃^𝑗+1⁺^^𝑡^𝑗⁾^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.

(35)

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].

(36)

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 biblioráfico Determinar las variables de entrada del modelo

(37)

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.

(38)

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

𝜌𝐶_𝑝

(

^𝜕²^𝑇

𝜕𝑥²

+

^𝜕²^𝑇

𝜕𝑦²

) +

^𝑄

𝜌𝐶_𝑝 ………… (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.

(39)

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

=

^𝑇^𝑖,𝑗

𝑛+1−𝑇_𝑖,𝑗^𝑛

∆𝑡 ………… (11)

𝜕𝑇

𝜕𝑥

=

¹

2

(

^𝑇^𝑖+1,𝑗^−𝑇^{𝑖−1,𝑗}

∆𝑥

)

^{………… (12)}

𝜕𝑇

𝜕𝑥²

=

¹

2

(

^𝑇^𝑖+1,𝑗^+𝑇^{𝑖−1,𝑗}^−2𝑇^𝑖,𝑗

∆𝑥

)

………… (13)

Remplazando las ecuaciones anteriores en (9):

𝑇_𝑖,𝑗^𝑛+1= ¹

1+4𝛼(𝑇_𝑖,𝑗^𝑛(1 − 4𝛼) + 𝛼(𝑇_{𝑖−1,𝑗}^𝑛 + 𝑇_𝑖+1,𝑗^𝑛 + 𝑇_{𝑖,𝑗−1}^𝑛 + 𝑇_𝑖,𝑗+1^𝑛 + 𝑇_{𝑖−1,𝑗}^𝑛+1 + 𝑇_𝑖+1,𝑗^𝑛+1+ 𝑇_{𝑖,𝑗−1}^𝑛+1 + 𝑇_𝑖,𝑗+1^𝑛+1) − 𝑄) …… (14) Donde:

𝛼 = (

^𝑘∆𝑡

4𝜌𝐶_𝑝∆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.

(40)

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)

(41)

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).

(42)

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).

(43)

33

Figura 29:Curva de Calentamiento AISI 1045 (Inventor Natram 2020)

Figura 30:Curva de Calentamiento AISI 440C (MATLAB 2018B)

(44)

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.

(45)

35

Figura 32:Curva de Enfriamiento desde 1400 °C.

Figura 33:Curva de Enfriamiento desde 1200 °C

(46)

36

(47)

37

Las tablas a continuación se presentará las curvas de enfriamiento del acero inoxidable AISI 440C.

(48)

38

(49)

39

(50)

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

(51)

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

(52)

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.

(53)

43

9: REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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(54)

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Zenkiewicz, O. (1982). El método de los elementos finitos.

(55)

45

10: ANEXOS

ANEXO 1

Figura 42:Ficha Técnica AISI 1045

(56)

46 ANEXO 2

Figura 43:Ficha Técnica AISI 440C

(57)

47 ANEXO 3

Figura 44:Diagrama CCT AISI 1045

(58)

48 ANEXO 4

Figura 45:Diagrama CCT AISI 440C

(59)

49 ANEXO 5

Figura 46: Ejecución de la programación en GUIDE.

(60)

50

(61)

51

(62)

52

(63)

53

(64)

54

(65)

55

(66)

56

(67)

57

11: FORMATO DE DECLARACIÓN JURADA (SEGÚN ANEXO RR.

384-2018-UNT)

(68)

58

12: FORMATO DE AUTORIZACIÓN DE PUBLICACIÓN DEL TRABAJO (SEGÚN ANEXO RR. 384-2018-UNT)

(69)

59

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO