Estudio mediante simulación numérica de unión heterogénea acero de alta resistencia-metal duro aplicando soldadura fuerte

Resumen

Los aceros para herramientas empleados en herramientas de corte necesitan ser unidos a otro material debido a que no existe ningún tipo en el cual se combinen todas las propiedades requeridas. Los carburos cementados, de alta dureza y resistencia a la abrasión, son un interesante complemento y por ello se van a encontrar, de un modo u otro, soldados al acero del cuerpo de la herramienta. Debido a los problemas y defectos que originarían procesos de unión con fusión de materiales, se recurre a procesos de unión en estado sólido, como es el caso de la soldadura fuerte (brazing). Aún así, las tensiones residuales generadas en el enfriamiento pueden llegar a debilitar gravemente la junta de unión. Es prioritario evaluar, previo al diseño de estas uniones, la magnitud y distribución de la tensión residual y los factores que la influyen. El objetivo de esta Tesis es la optimización del proceso y de los parámetros geométricos implicados en la soldadura heterogénea brazing acero cermet (unión cilíndrica maciza a solape, 90MnCrV8 y WC10Co con aporte BAg5) empleando métodos de simulación numérica y experimentales. Mediante el método de elementos finitos (software ANSYS) se estudia la influencia sobre la distribución de tensiones residuales de dos variables, la temperatura de soldeo (de 1023 a 1198 K) y el espesor de gap (de 0.25 a 1.15 mm). La validación de la simulación se realiza con ensayos experimentales de soldaduras brazing en horno de inducción de alta frecuencia, con estudio microestructural, composicional y de resistencia mecánica para diferentes temperaturas de soldeo (de 1023 a 1148 K). La simulación es generada en base a 23000 elementos y a un modelo bidimensional de deformación plana con elementos cuadriláteros de cuatro nodos. En el estudio se asume un comportamiento isotrópico y elastoplástico de los componentes, considerando la termodependencia del módulo de Young, el límite elástico, el calor específico y la conductividad térmica. La buena concordancia entre resultados experimentales y de simulación confirma que la simulación por elementos finitos es una herramienta efectiva para predecir la distribución de tensiones residuales y las zonas críticas susceptibles de fallo. Todas las simulaciones desarrolladas presentan una distribución similar de las tensiones residuales. El metal de aporte, sometido a altas tensiones a tracción longitudinales a la unión, soporta un gran gradiente de tensión en su intercara con el carburo. Se generan además dos zonas críticas susceptible de fallo por concentración de tensiones máximas a cortadura y tracción, intercara del aporte con el cermet tanto en el codo de la superficie como en el codo interno de la unión. Las altas tensiones a cortadura en el codo interno llegan a afectar al acero, provocando su deformación plástica. Todo ello se debe a la diferencia de coeficiente expansión térmica del acero, muy superior al del cermet. Los resultados de simulación confirman que el espesor de gap presenta una gran influencia en la generación de tensiones residuales. Un gap extremadamente pequeño produce deformaciones y tensiones muy grandes. Los mínimos valores de tensión se obtienen para gap entre 0.5 y 0.7 mm. La influencia de la variable temperatura no es tan destacable. Sin embargo, del estudio microestructural experimental se obtiene que los procesos de difusión, no considerados en la simulación, anclan las intercaras por una progresiva reacción de las interfases con la temperatura pero también originan la formación de intermetálicos frágiles que debilitan la tenacidad de la unión. Los resultados mecánicos muestran que la máxima resistencia a cizalladura se obtiene para la temperatura de 800 ºC, estabilizándose las tensiones para temperaturas superiores. El fallo se produce inicialmente de forma dúctil en la intercara del aporte con el acero, propagándose rápidamente de forma frágil por fallo de la intercara con el carburo.