Aplicación de las técnicas ctod al análisis paramétrico de procesos industriales de soldadura de aceros de alto límite elástico

Resumen

En la presente Tesis Doctoral se realiza un estudio eminentemente práctico sobre la influencia de los parámetros de soldadura en los aceros microaleados de alto límite elástico y baja aleación (HSLA), y su influencia en ensayos destructivos como el denominado CTOD (Crack Tip Opening Displacement, desplazamiento de la apertura del frente de grieta). Estos aceros tomaron gran importancia a partir de la segunda mitad de los años 80 del siglo XX, por su capacidad de deformarse, reducido peso en comparación con un acero tradicional, y presentar una alta tenacidad en estructuras soldadas, conjugado todo con una buena soldabilidad. Para ello es importante partir de un material base en el que se produzca una disminución del carbono, compensando el decrecimiento de resistencia que esto implica, con una adición controlada de aleantes que ejerzan una acción directa sobre el mecanismo de crecimiento del grano. Esta técnica va acompañada de otras, que son utilizadas en el proceso de fabricación, como son los procesos termomecánicos de laminación controlada (TMCP) y enfriamiento acelerado. Los estudios sobre esta materia tienen gran importancia sobre todo por los graves accidentes que siguen ocurriendo debido a los problemas de la tenacidad de la zona afectada térmicamente (ZAT), en este tipo de acero HSLA. Esto es debido a su tendencia a formar placas laterales de ferrita, bainita superior o ferrita acicular, sobre todo en la región de grano grueso próxima a la línea de fusión que es la más fácilmente fragilizada. Desde un punto de vista metalúrgico esta zona, se encuentra sometida a un ciclo térmico donde el calentamiento y la velocidad de enfriamiento tienen una gran influencia en el tamaño de grano de la microestructura, influyendo sobre todo la variación de aporte térmico. La zona de trabajo más interesante en el estudio realizado, es la ZAT, en la cual se producen las mayores transformaciones metalúrgicas durante el proceso de soldeo. Aunque también se tendrá en cuenta la zona del metal depositado (WM) a la hora de realizar los ensayos destructivos para sacar conclusiones. Como se está observando estos aceros se pueden decir que son de diseño, donde su principal característica es tener una soldabilidad mejorada, acompañada de una mejor resistencia a la fisuración en frío en unas condiciones de soldadura si tratamiento térmico de alivio de tensiones "as welded", ni precalentamientos. El carácter práctico del estudio, busca una alta productividad unida a una gran fiabilidad del producto final, por medio del establecimiento de una serie de parámetros máximos y mínimos para efectuar la unión de los distintos elementos estructurales por medio de tres técnicas de soldadura, GSFCAW (llamado en muchas industrias semiautomática), SAW (automática), y SMAW (manual). A veces es posible a nivel de laboratorio, llevar al límite algunos parámetros para intentar una mejor producción, pero posteriormente en la práctica esto supone condicionar algunos métodos de trabajo, que pueden ser menos rentables cuando se estudian globalmente, por lo que finalmente se ha trabajado con unas condiciones más conservadoras y menos restrictivas para un operario medio de producción. Por medio de los datos obtenidos de especificaciones de procedimientos de soldadura (WPS) y su registro de cualificación de procedimiento (PQR), trataremos de predecir el valor final de un CTOD, y ver la bondad de la predicción realizada. Los datos se han tratado de una forma global para los tres procesos, y se ha comprobado sus posibles interrelaciones en el resultado final, obteniendo una única expresión para todos ellos, con la que poder predecir el valor que buscamos. Utilizar distintos consumibles, también influye en el resultado que se quiere obtener como queda demostrado en el estudio. También se estudian las transformaciones metalúrgicas en la ZAT y WM. Se trabaja con espesores de material comprendido entre 35 y 75mm de espesor. Se han buscado correlaciones entre el valor obtenido en la resiliencia del metal aportado / metal base y los obtenidos en los ensayos de CTOD de forma global en los distintos procesos. También se han buscado correlaciones entre los valores de dureza obtenida tras efectuar el proceso de soldadura con los valores de CTOD, o la siempre interesante energía neta aportada en el proceso y el valor de CTOD, tanto para los estudios realizados en WM como en ZAT y la media de los dos, también es interesante comprobar la correlación del CTOD con el crecimiento estable de la grieta o la temperatura entre pasadas del proceso o el tamaño de grano atravesado por la grieta. De igual forma se ha ido buscando otras correlaciones con el CTOD, a partir de la batería de datos de la que partimos. El mayor problema del estudio en la ZAT, es poder trabajar en una probeta que cumpla con unas condiciones en la cual gran parte de la grieta se sitúe dentro de los 0,5 mm dentro de la línea de fusión, es decir dentro de la región de grano grueso. Así mismo se ha observado que hay grietas cuya iniciación ni siquiera se producen dentro de la zona próxima a la línea de fusión, sino que se producen en otras regiones de la ZAT, como la región intercrítica. Esto queda patente al comprobar el inicio de la grieta y las regiones que atraviesa. La determinación del tamaño de grano atravesado se realizó por el método de Heyn. Con el microscopio electrónico de barrido, se ha comprobado los precipitados producidos por los microaleantes, para comprobar los posibles efectos negativos.