Modelación computacional de la soldadura de aceros avanzados alto-Mn austeníticos de plasticidad inducida por maclaje (TWIP) mediante el proceso GTAW

Abstract

In this research work a thermo-mechanical-microstructural computational model (TMM) was developed to improve and estimate the TWIP steel microalloyed with titanium (TWIPTi) weldability. The weldability of TWIP-Ti steel was evaluated through weld experiments at high/low heat input performed with the autogenous Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) process with different butt joints preparations in 6.3 mm thickness plates. The correlation between the finite element (FE) numerical results of the welding thermal field and the experimental ones allowed accomplishing analysis of mechanical properties and welding microstructural phenomena in TWIP-Ti steel. The lack of segregation of Mn and C at the melting zone interface contributed to avoid the hot-cracking in the welded joints at high/ low heat input. The FE model was improved by means of the optimal mesh element size through the statistical analysis of a design of experiment (DoE) based on the Taguchi method. Through the improved FE numerical model were carried out estimations of penetration depth, heat dissipation and thermal energy input in TWIP-Ti steel. Then, a FE mechanical model applied the isotropic and kinematic hardening models with different strain rates (0.001-100 s-1) to simulate the non-linear mechanical behavior of TWIP-Ti steel. A residual stress critical zone (SCZ) was defined as a function of the maximum tensile residual stress and hardness measured in both fusion zone (FZ) and heat affected zone (HAZ).

En el presente trabajo de investigación se desarrolló un modelo computacional termomecánico- microestructural (TMM) para optimizar los parámetros de operación y predecir la soldabilidad del acero TWIP microaleado con titanio (TWIP-Ti). La soldabilidad del acero TWIP-Ti se evaluó a través de experimentos de soldadura con alto y bajo aporte térmico realizados con el proceso de arco eléctrico con electrodo de tungsteno y protegido con gas inerte (GTAW) autógeno. Se utilizaron diferentes preparaciones de junta a tope en placas de 6.3 mm de espesor. La correlación entre los resultados numéricos de elemento finito (FE) del campo térmico de soldadura y los resultados experimentales permitió realizar análisis detallados de propiedades mecánicas y de los fenómenos microestructurales en el acero TWIP-Ti. La ausencia de segregación del Mn y C en la interfaz de la zona de fusión contribuyó a evitar el agrietamiento en caliente en las uniones soldadas de alto y bajo aporte térmico. El modelo FE se mejoró mediante el tamaño óptimo de los elementos de malla a través del análisis estadístico de un diseño de experimentos (DoE) basado en el método Taguchi. A partir del modelo numérico FE optimizado se llevaron a cabo estimaciones de la profundidad de penetración, disipación de calor y el aporte de energía térmica. Posteriormente, un modelo mecánico FE aplicó los modelos de endurecimiento isotrópico y cinemático con diferentes velocidades de deformación (0.001-100 s-1) para simular el comportamiento mecánico no lineal del acero TWIP-Ti. Se definió una zona crítica de esfuerzo residual (SCZ) en función del esfuerzo residual de tensión máximo y las durezas de la zona de fusión (FZ) y afectada por el calor (HAZ).