CICLO TÉRMICO DE SOLDADURA 

Un simulador de ciclo térmico, es un equipo capaz de generar ciclos térmicos sobre una probeta, pudiendo generar cualquier situación metalúrgica en los materiales. El simulador incorpora un transformador de tensión constante que proporciona corriente a la muestra y debido a la resistencia intrínseca del material, el calentamiento de la misma se realiza por “efecto joule”. La medición del historial térmico se puede realizar mediante un termopar (tipo k o tipo S) o un pirómetro óptico de radiación [1] y para generar diferentes velocidades de enfriamiento se puede utilizar agua, aire, etc. dentro de un sistema de enfriamiento. 

Existen diversos simuladores de ciclo térmico, como el SMITWELD TCS 1406, el GLEEBLE 1500 y el GLEEBLE 540 (figura 1). Este último, es un equipo, que puede realizar la simulación de la ZAC de una unión soldada, ensayos de ductilidad y tracción en caliente, tratamiento post soldadura, simulación de múltiples procesos de soldadura, entre otros, y sus características principales se encuentran en la tabla 1.

Velocidad de enfriamiento en uniones soldadas 

En las uniones soldadas uno de los factores que más influye sobre la microestructura, es la velocidad de enfriamiento. Este parámetro se representa por el t8/5, el cual es el tiempo en que la temperatura desciende desde 800°C hasta 500°C durante el enfriamiento de una zona de la unión soldada. Se ha demostrado experimentalmente y matemáticamente, que este parámetro no depende de la distancia de la ZAC al foco de calor, por lo tanto, se considera que la velocidad de enfriamiento es la misma en el cordón de soldadura y en la ZAC [3]. 

Existen diversas relaciones para determinar el tiempo de enfriamiento. Las más usadas son las soluciones a las ecuaciones de Rosenthal [3] - [4] y están dadas para los casos de plancha delgada (análisis bidimensional) y plancha gruesa (análisis tridimensional).

Las ecuaciones para plancha gruesa y son las siguientes:

Parámetros de simulación de soldadura 

Referente a la simulación de ciclo térmico de soldadura, diferentes autores [5]- [16] considera los siguientes: 

• Velocidad de calentamiento. - Velocidad de calentamiento de la probeta. 
• Temperatura de calentamiento. - Temperatura máxima a alcanzar durante la simulación del ciclo térmico. 
• Perfil de enfriamiento. – Toma en cuenta el tiempo de permanencia a la temperatura máxima y el t8/5, que es el tiempo que demora en bajar la temperatura desde 800°C a 500°C. 
• Temperatura mínima de control. - Es la condición que necesita el equipo para finalizar la simulación de ciclo térmico de soldadura. 

Estos parámetros varían de acuerdo al tipo de proceso y de los parámetros de soldadura a usar, lo ideal es obtener datos reales de un ciclo térmico de soldadura, lo cual es algo complicado. De estos parámetros, el más importante y el que definirá los resultados es la velocidad de enfriamiento. Por otro lado, la velocidad de calentamiento y el tiempo de permanencia a la temperatura máxima a alcanzar quedan en un segundo plano, pero si uno desea que la simulación se asemeje en lo posible a las condiciones de una unión soldada, éstas se deben seleccionar adecuadamente. 

En diversos artículos sobre simulación de la ZAC de una soldadura, las velocidades de calentamiento utilizadas pueden variar entre 100°C/s a 430°C/s [5]–[9]. Para temperaturas superiores a 1200°C el tiempo de permanencia es un instante o no hay tiempo de permanencia [10-15] y en algunos casos de 2 a 6 segundos [6-8,16]. Por otro lado, el t8/5 suele estar entre 6 - 240 segundos [5- 16].

Control de Potencia en corriente alterna 

Para el control de potencia en corriente alterna (CA) se suelen utilizar transistores de potencia como TIRISTORES, TRIACS, etc. Exísten diversas maneras de controlar el voltaje de CA, dentro de las cuales podemos mencionar los 02 más usados: control “abrir y cerrar” y “control del ángulo de fase”, [17]. 

Para controlar la potencia de un transformador, lo más recomendable es utilizar el control “abrir y cerrar”, ya que, si utilizamos el “control por ángulo de fase” y se conecta a la entrada de un transformador, puede ocurrir la saturación del mismo, por lo que este tipo de control, sólo se recomienda para cargas resistivas de poca potencia, como son la calefacción y la iluminación, [17]. 

El control “abrir y cerrar” consiste en conectar la carga al voltaje alterno durante unos cuantos ciclos y luego desconectarla durante otra cantidad de ciclos, figura 2. Este tipo de control se utiliza en aplicaciones que tienen una alta inercia mecánica y una alta constante de tiempo térmica, (por ejemplo, calefacción industrial y en el control de velocidad motores). Debido a la conmutación en voltaje y en corriente cero de los tiristores, las armónicas generadas por las acciones de conmutación son reducidas, [17]. El control electrónico tiene un detector de paso por cero, del voltaje de alimentación, para saber en qué momento se debe disparar cada tiristor.

Por otro lado, cuando el control de potencia se realiza desde una computadora, se necesita aislar el sistema de baja potencia y el de alta potencia para evitar daños en la computadora o tarjetas electrónicas usadas para el control en el lado de baja potencia.

Adquisición de datos con LABVIEW 

La adquisición de datos, consiste en tomar muestras de señales análogas y convertirlas en señales digitales para poder ser procesados en el computador u otro dispositivo electrónico. En la actualidad existen varias marcas de equipos de adquisición de datos, siendo una de las más empleadas los equipos de la National Instruments y se pueden usar por medio del software LABVIEW.

Labview es un software de ingeniería de sistemas para aplicaciones que requieren ensayos, mediciones, y control con un acceso rápido al hardware y información de datos [18].

Microestructura de la ZAC en aceros HSLA 

La región de grano grueso (CGHAZ) es la zona inmediatamente adyacente a la línea de fusión. En esta región el material base experimenta picos de temperatura entre 1100°C – 1500°C, para la mayoría de los aceros. Esta región es la más peligrosa en la ZAC, porque la fisuración en frío es más común en esta zona. El crecimiento del grano austenítico, propicia la formación de microestructuras desfavorables como la Ferrita Widmastaten, el M-A Constituyente, la Bainita Superior y otros [19]. De todos ellos, el M-A Constituyente tiene alta dureza (frágil) y es considerado como una fuente potencial de inicio de fisuras [6]. 

Cuando este tipo de aceros es sometido a un segundo ciclo térmico de soldadura en el rango intercrítico de temperaturas (entre A1 y A3), en donde se produce la transformación parcial de la austenita, la cual nuclea y crece preferentemente en los límites de grano austenítico, en forma de collar. Estas islas de austenita son ricas en carbón porque el tiempo de enfriamiento es rápido y no permite la difusión de los elementos intersticiales transformándose en M-A Constituyente [9]. 

El M-A Constituyente puede encontrarse en forma alargada o en forma de bloques, siendo esta última la que tiene mayor influencia sobre la tenacidad del acero [6]. La morfología de bloques se forma mayormente en los límites de grano austenítico y la alargada se forma entre los límites de las láminas de Bainita y/o Martensita en bandas [11]. 

IKAWA [20], dice que el M-A constituyente consiste en una mezcla de Martensita en láminas, Martensita Twin [21] y austenita retenida. Por otro lado, MATSUDA [22] , encontró que el M-A constituyente no solo afecta la tenacidad de la unión soldada, sino también su resistencia a la corrosión y corrosión bajo tensión.

En la figura 5 se muestra la micrografía de la región de grano grueso de la ZAC (CGHAZ) de un acero HSLA, cuando es recalentado a temperaturas dentro del rango intercrítico de temperaturas entre A1 y A3. Se observa la formación del MA constituyente en forma de bloques en los límites de grano y de forma alargada en el interior del grano.