Computational study of
the hardened layer by multiple steps of laser tempering in cylindrical
components.
Milton
Israel Quinga Morales.[1], =
Paul
Alejandro Montufar Paz. [2]
& Santiago Alejandro López Orti=
z. [3] &=
amp;
Lenin Santiago Orozco Cantos. [4]
Recibido: 28-02-2019 / Revisado: 28-0=
2-2019
/Aceptado: 26-03-2019/ Publicado: 05-04-2019
The
thermal treatment of superficial hardening by laser, contributes heat in a
specific area, which allows that the interior of the piece stays cold and
conducts the conduction of heat towards the interior of the piece, very high
cooling speeds are reached, leaving to one side the need to use a tempering
medium or coolants. In cylindrical pieces of great length it is necessary to
make multiple steps of the laser spot to cover a certain work area, this
advance process generates overlapping trajectories that form a non-uniform
hardened layer, analyzing this principle and the factors that intervene in =
the
tempering process , a strategy was developed that uses concepts of properti=
es
of carbon steels, temperature diagrams, time and transformation, continuous
cooling curves, to understand the tempering phenomenon, and provide the
necessary input data to the software, and solve each one of the cases of a =
previously
determined design of experiments, the optimal values of this study are shown
from the analysis of the design of experiments, and a special contribution =
to
determine the degree of uniformity of the resulting martensite layer is the
ternary factor diagram.
Keywords: Homogenization of tempered surfaces, Martensite, Multiple Steps of
laser, Laser Temple, Thermal treatment.
El tratamiento térmico de endurecimiento superfi=
cial
por láser aporta calor en un área específica, lo cual permite que el interi=
or
de la pieza se mantenga frío y propicie la conducción de calor hacia el
interior de la pieza, se alcanzan velocidades de enfriamiento muy elevadas,
dejando a un lado la necesidad de utilizar un medio de temple o líquidos
refrigerantes. En piezas cilíndricas de gran longitud es necesario realizar
pasos múltiples del spot láser para cubrir una determinada área de trabajo,
este proceso de avance genera trayectorias traslapadas que forman una capa
endurecida no uniforme, analizando este principio y los factores que
intervienen en el proceso de temple, se desarrolló una estrategia que emplea
conceptos de propiedades de los aceros al carbono, diagramas de temperatura,
tiempo y transformación, curvas de enfriamiento continuo, para comprender el
fenómeno de temple, y aportar los datos de entrada necesarios al software,
obteniendo como resultado cada uno de los casos de un diseño de experimentos
previamente determinado, los valores óptimos de este estudio se muestran en=
el
análisis del diseño de experimentos, y se genera un aporte especial para
determinar el grado de uniformidad de la capa de martensita resultando el
diagrama ternario de factores.
Palabras Clave: Homogeneización
de superficies templadas, Martensita, Pasos Múltiples de láser, Temple láse=
r,
Tratamiento térmico
Introducción.
Los procesos para endurecimiento superficial basad=
os
en tecnologías láser, como el temple, revenido, reducción de esfuerzos, etc.
cada vez se consolidan más dentro de las líneas de producción en la industr=
ia
automotriz, debido a que el efecto térmico se realiza en zonas muy específi=
cas
y localizadas de los elementos manufacturados.
Si se compara el temple por láser con otros proces=
os
más tradicionales para tratamientos superficiales, como el endurecimiento p=
or
inducción o por flama, es posible obtener una zona tratada muy localizada s=
obre
superficies complejas en 3D con mínimas tensiones residuales, sin que sea
necesario un proceso final de rectificado o pulido. Además, el interés de e=
ste
proceso radica en la posibilidad de integrar una fuente láser muy versátil
directamente dentro de la cadena de producción, sin la necesidad de un medi=
o de
temple adicional y con la posibilidad de producir sobre un mismo material d=
os
microestructuras muy diferentes, un núcleo blando y con una capa superficial
endurecida (S. Martínez,=
E. Ukar, A. Lamikiz, 2010)
El tratamiento térmico involucra varios procesos de
calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios microestructurales en un
material, con el propósito de modificar las propiedades mecánicas finales d=
e un
componente, la reducción y optimización de procesos en la industria manufacturera represent=
a un
ahorro de energía, tiempo y recursos, por esta razón el procedimiento usado
para el endurecimiento superficial ha cambiado a lo largo de la historia,
siempre de la mano del desarrollo de nuevas tecnologías, en la tabla 1 se
resume los principales procesos empleados hasta la actualidad con sus
respectivas ventajas y desventajas.
Tabla 1. Comparación de los procesos empleados =
para
endurecimiento superficial.
|
Procesos |
Ventajas |
Desventajas |
|
Flama |
Económico Flexible Móvil |
Baja
productividad. Requiere de=
un
choque térmico y de un medio donde efectuarlo. Alta distor=
sión
de componentes |
|
Inducción |
Alta
productividad. Máxima
penetración de la capa de martensita. Buena cober=
tura
en grandes áreas. |
Tiempos mue=
rtos
por cambios de bobinas inductoras. Requiere de=
un
choque térmico y de un medio donde efectuarlo. Distorsión
elevada de las piezas tratadas. Incidencia
térmica en toda la pieza. Fabricación=
de
bobinas complejas para casos específicos. Requiere un
postproceso de acabado. |
|
Láser |
Distorsión
mínima de los componentes. Endurecimie=
nto
localizado. No se requi=
ere
de un choque térmico. Se elimina =
el
postproceso. Mejora la v=
ida
a la fatiga del componente |
Alto costo =
de
equipos. Restriccion=
es
en la cobertura de grandes áreas. El proceso
puede requerir de recubrimientos de las piezas para incrementar la opacid=
ad. Múltiples
carreras ocasionan el revenido local. |
Fuente: Steen,W., & Mazunder, J.
(2012)
Rockwood (2014) realizó
una modelación computacional del proceso de temple utilizando tecnología lá=
ser
sobre el muñón de un cigüeñal, uno de sus resultados se muestra en el gráfi=
co
1, donde en color azul se distingue el perfil de la capa endurecida, nótese=
la
irregularidad de la martensita que se forma en la superficie al realizar 9
pasadas del haz de luz láser, lo cual se traduce en un perfil de dureza
irregular a lo largo de toda la superficie tratada, para contrarrestar esta
problemática se desarrolló una nueva simulación computacional, variando cada
uno de los factores involucrados en el fenómeno, lo que permite hallar los
valores adecuados para conseguir una capa endurecida uniforme.
Gráfico
=
1. Sección transversal de un mu=
ñón
de cigüeñal, con 9 pasos del spot láser para cubrir toda la superficie.
F= uente: Rockwood, México, 2014<= o:p>
Cada una de las trayectorias traslapa a la anterio=
r en
el proceso de avance del spot láser, lo que genera un tratamiento no homogé=
neo
y un perfil de dureza irregular, esto no es deseable en componentes tales c=
omo
cigüeñales, ejes, flechas de potencia y cualquier componente mecánico de
superficie cilíndrica, por tal motivo se busca perfeccionar el proceso de
temple láser para masificar su uso y aprovechar sus beneficios en la reducc=
ión
de los costos de producción.
Modelar los procesos de tratamiento superficial por
láser y obtener los parámetros óptimos, se puede lograr mediante un modelo
analítico local, donde se introduce los efectos de los cambios metalúrgicos
para un material específico, o intentar simular un proceso más global en
máquina, introduciendo las trayectorias del láser. Este trabajo propone rea=
lizar
un diseño de experimentos a partir de los datos obtenidos por medio de
simulación computacional del fenómeno de temple por láser, donde tendremos =
en
cuenta los factores que influyen directamente en la uniformidad de la capa =
de
martensita, para posteriormente enfocar el análisis en desarrollar una
metodología que pueda ser fácilmente aplicable y reproducible.
Para el presente estudio se empleó la aplicación
Visual Environment 10.5 de ESI Group,
y su plataforma Sysweld, un software especializ=
ado
para la simulación de tratamientos térmicos y soldadura, que cuenta con los
módulos de Malla, Soldadura y Visualización, que permite predecir el proces=
o de
tratamiento térmico empleando tecnología láser, el solver de Sysweld
ofrece una solución automática de problemas de soldadura, cubriendo todas l=
as
matemáticas complejas relacionadas con la física y el material, dependiendo=
de
la temperatura, fases presentes, proporción de los elementos químicos y
térmicos, se computan los resultados micro estructurales y mecánicos.
Dominio
de la geometría
Uno de los objetivos de una simulación computaci=
onal
es encontrar soluciones confiables y cercanas a la realidad, ocupando la me=
nor
cantidad de recursos disponibles, ya que pueden presentarse limitantes tant=
o en
hardware, software y tiempo, impidiendo realizar estudios en geometrías
complejas o en operaciones innecesarias que no interfieren en los resultado=
s.
Se realizó un análisis de la geometría propuesta para este estudio, que
consiste en una barra circular de gran longitud, la aplicación de la geomet=
ría
completa no se justifica, por lo que se realizó un análisis en una geometrí=
a de
un cuarto de sección es decir 90º y una de 50º de sección propuesta por
Gráfico
2. Caso práctico, geometrías de 50º y 90º de sección, dos pasadas de
láser en cada pieza. En colores se indica el porcentaje de concentración de
martensita.
Fuente: Los Autores, Ecuador, 2018
Diseño de experimentos <= o:p>
Una vez definida la geometría que se empleará en=
el
estudio, se consideran los factores que intervienen en el proceso de temple
láser, y una variable de respuesta adecuada que permita comparar cada uno de
los experimentos, dentro de un arreglo ortogonal L9 de Taguchi que se ajustó
perfectamente a las variables propuestas para el estudio.
Factores
Para definir los factores que influyen en la
uniformidad de la capa de martensita, se consideran las variables controlab=
les
dentro del software de Sysweld, y los estudios
previos realizados por (S. Martín=
ez et
al., 2010), (Dong-Hyeon Kim y Choon-Man
Lee, 2013), (Rockwood, 2014), (Lakhkar, Shin y Krane, 2009), donde para caracterizar adecuadamente e=
l haz
de luz láser se consideran los factores: Traslape de las trayectorias,
velocidad de avance del spot lá=
ser,
potencia y penetración del láser, cada uno de ellos se analizó en tres nive=
les
con el propósito de verificar la linealidad del efecto por factor.
Traslape
de las trayectorias del haz de luz láser
Por la necesidad de cubrir grandes áreas en piez=
as
cilíndricas con un tratamiento térmico por láser, es imprescindible realizar
múltiples pasadas en una trayectoria de avance, es decir una trayectoria
traslapa en cierta medida a la anterior, se fijó el valor del diámetro del =
haz
de luz láser en 3,4 mm típicamente usado en los estudios expuestos
anteriormente.
Con el valor fijo del diámetro del haz de luz lá=
ser,
el valor del traslape de las trayectorias mínimo es cero, mientras que el v=
alor
máximo será de 3,4 mm si se cruzan en su totalidad, en términos prácticos
ningún valor extremo es útil, ya que con un traslape de cero la uniformidad=
de
la capa endurecida será deficiente, y con un traslape total no existiría av=
ance
por superposición de las trayectorias.
Una limitación en la selección de los niveles del
traslape es el tamaño del elemento de la malla, que en este caso es de 0,25=
mm
que determina la resolución de los valores, por lo tanto, si se define el
dominio del traslape tendríamos {0,15; 0,4; 0,65; 0,9; 1,15; 1,4; 1,65; 1,9;
2,15; 2,4; 2,65; 2,9; 3,15; 3,4} como posibles valores, para la experimenta=
ción
se toman los valores centrales 1,4; 1,9 y 2,4.
Potencia
del láser
El haz de luz láser es la fuente de calor que
permite al material alcanzar la temperatura de austenización, dependiendo d=
e la
composición química del acero tendrá un rango específico de valores, se est=
udió
el diagrama de fases del material a templar, y para el acero DP-W-600 el ra=
ngo
de temperaturas de austenización es de: [812º C, 1495º C]. (McCallum, Brent, 2014)
Una vez determinado el rango de temperaturas, en=
una
simulación del proceso de temple se ejecutan varios casos de estudios, vari=
ando
únicamente el valor de la potencia, en el caso de Sysw=
eld
se expresa en términos de energía, de esta manera se encuentran los valores
mínimos y máximos de potencia, que garanticen que el material alcance la
temperatura de austenización. El rango de potencia cuando se mantienen fijas
las demás variables es: [64 J/mm, 70 J/mm].
Velocidad
del spot láser
La velocidad determina el avance que tendrá el l=
áser
cuando la pieza cilíndrica gira sobre su propio eje, para el estudio se
emplearán velocidades reportadas en publicaciones de estudios relacionados,
considerando un rango de valores entre 7 mm/s y 18 mm/s.
Penetración
del láser
La penetración se refiere a la capacidad del haz=
de
luz láser de alcanzar una determinada profundidad, entre los valores report=
ados
en estudios previos se tienen los valores de 1,25 mm, 1,50 mm y 1,75 mm, que
mantiene la misma proporción de variación.
Variable
de respuesta
La variable de respuesta debe representar
adecuadamente la uniformidad del perfil de la capa endurecida de un compone=
nte,
dentro del diseño de experimentos permitirá comparar cada uno de los casos =
de
estudio, la propuesta que se maneja en este documento se ilustra en el gráf=
ico
3.
La profundidad de la capa endurecida se mide has=
ta
una concentración de martensita del 50 %, este espesor brinda las
características de dureza superficial efectiva y se relaciona con el concep=
to
de diámetro crítico de temple.
La profundidad de la capa endurecida de la segun=
da
pasada del láser no es igual a la primera, esto se debe a que el software t=
oma
en cuenta aspectos multi-físicos y el calor acu=
mulado
en la pieza, el fenómeno presente en la pieza es el aumento de volumen (A.S.M.
Handbook, 1991), que representa la transformación de austenita a
martensita y que depende del porcentaje de carbono a razón de:
La variable de repuesta tomará el nombre de índi=
ce
de desempeño (ID) que se calcula dividiendo el promedio de la profundidad de
las pasadas 1 y 2, menos la profundidad de la zona de traslape, entre el
promedio de las pasadas 1 y 2, resultando valores entre cero y uno, los val=
ores
cercanos a cero representarán capas más uniformes.
Resultados
y Discusión
Una vez definidos los factores que intervienen e=
n el
proceso de temple láser con sus respectivos niveles, se completa la matriz =
de
experimentos de la tabla 2, constituida por tres diseños de experimentos L9=
de
Taguchi con su respectiva variable de respuesta o índice de desempeño.
Los datos de la tabla 2 se analizaron en Minitab=
17, para determinar el efecto de cada uno de los factores, gráfico 4,=
el
traslape tiene el mayor efecto en la uniformidad de la capa de martensita, =
lo
que se confirma con el cálculo del factor de influencia de cada factor,
resultando: 89,60 % para el traslape, 4,50 % para la potencia, 5,69 % para =
la
velocidad y la penetración 0,22 %
Teniendo en cuenta que cuando el índice de desem=
peño
tiende a cero la capa endurecida resulta más uniforme, se determinan los
valores de cada factor obteniendo el menor valor del índice de desempeño, el
experimento 27 de la tabla 2 registra el mejor resultado, el experimento ha=
lla
un valor óptimo de manera discreta, y no se descarta que existan valores en=
los
cuales se obtenga un resultado aún mejor, para tal efecto se usa la herrami=
enta
de optimización de respuesta dentro del paquete de Minitab 17, los resultad=
os
se muestran en el gráfico 5, donde se aprecia que mientras mayor es el tras=
lape
mejor es el resultado, la potencia alcanzaría un valor óptimo de 65,767 7 J=
/mm,
la velocidad un valor de 13,888 9 mm/s y la penetración en su valor más baj=
o de
1,25 mm.
|
Experimento |
Traslape mm |
Potencia J/mm |
Velocidad mm/s |
Penetración mm |
Índice de desempeño |
|
1 |
1,4 |
64 |
8 |
1,25 |
0,2974 |
|
2 |
1,4 |
67 |
10 |
1,5 |
0,2264 |
|
3 |
1,4 |
70 |
12 |
1,75 |
0,1947 |
|
4 |
1,9 |
64 |
10 |
1,75 |
0,1344 |
|
5 |
1,9 |
67 |
12 |
1,25 |
0,0743 |
|
6 |
1,9 |
70 |
8 |
1,5 |
0,1081 |
|
7 |
2,4 |
64 |
12 |
1,5 |
0,0242 |
|
8 |
2,4 |
67 |
8 |
1,75 |
0,0478 |
|
9 |
2,4 |
70 |
10 |
1,25 |
0,0185 |
|
10 |
1,9 |
65 |
7 |
1,25 |
0,1339 |
|
11 |
1,9 |
68 |
10 |
1,5 |
0,0876 |
|
12 |
1,9 |
71 |
13 |
1,75 |
0,0730 |
|
13 |
2,15 |
65 |
10 |
1,75 |
0,0650 |
|
14 |
2,15 |
68 |
13 |
1,25 |
0,0474 |
|
15 |
2,15 |
71 |
7 |
1,5 |
0,0737 |
|
16 |
2,4 |
65 |
13 |
1,5 |
0,0212 |
|
17 |
2,4 |
68 |
7 |
1,75 |
0,0502 |
|
18 |
2,4 |
71 |
10 |
1,25 |
0,0235 |
|
19 |
1,9 |
64 |
12 |
1,25 |
0,0769 |
|
20 |
1,9 |
67 |
15 |
1,5 |
0,0681 |
|
21 |
1,9 |
70 |
18 |
1,75 |
0,0625 |
|
22 |
2,15 |
64 |
15 |
1,75 |
0,0516 |
|
23 |
2,15 |
67 |
18 |
1,25 |
0,0332 |
|
24 |
2,15 |
70 |
12 |
1,5 |
0,0402 |
|
25 |
2,4 |
64 |
18 |
1,5 |
0,0227 |
|
26 |
2,4 |
67 |
12 |
1,75 |
0,0207 |
|
27 |
2,4 |
70 |
15 |
1,25 |
0,0136 |
En el trabajo experimental de (Lakhkar
et al., 2009) se realizó una comparación de los perfiles de dureza a lo lar=
go
de la zona tratada, variando únicamente el traslape de las trayectorias, los
autores determinaron que el traslape afecta significativamente el perfil de
dureza del material, lo cual es comprobado en el presente trabajo, ya que la
dureza en la capa superficial depende del porcentaje de martensita, y al te=
ner
capas uniformes se tendrá perfiles de dureza también uniformes.
Para predecir el fenómeno de uniformidad de la c=
apa
de martensita, se determina una ecuación de regresión con los factores
significativos, para lo cual se genera un análisis de varianza que se muest=
ra
en la tabla 3.
Ecuación de regresión:
Siendo:
ID=3D Índice de desempeño
T=3D Traslape de las trayectorias del láser en (=
mm)
P=3D Potencia del láser (J/mm)
V=3D Velocidad del spot láser.
Tabla 3. Análisis de varianza,
generado en Minitab 17.
|
Source |
DF |
Adj SS |
Adj MS |
F-Value |
P-Value |
|
Regression
|
6 |
0,119149 |
0,019858 |
168,15 |
0,000 |
|
Traslape |
1 |
0,011974 |
0,011974 |
101,39 |
0,000 |
|
Potencia |
1 |
0,001118 |
0,001118 |
9,47 |
0,006 |
|
Velocidad |
1 |
0,003292 |
0,003292 |
27,88 |
0,000 |
|
Traslape*Velocidad |
1 |
0,000936 |
0,000936 |
7,92 |
0,011 |
|
Traslape^2 |
1 |
0,004517 |
0,004517 |
38,25 |
0,000 |
|
Velocidad^2 |
1 |
0,001445 |
0,001445 |
12,24 |
0,002 |
|
Error |
20 |
0,002362 |
0,000118 |
|
|
|
Total |
26 |
0,121511 |
|
|
|
El análisis de varianza se lo realizó con un =
45;
=3D 0,05 y el resumen del modelo es: S =3D 0,0108672; R-sq
=3D98,06%; R-sq(adj=
)=3D 97,47%;
R-sq(pred)=3D 95,53=
%
Fuente: Los Autores, Ecuador,
2018
En la industria automotriz y manufacturera existe
una búsqueda permanente por mejorar y abaratar los costos de producción, en=
tal
virtud un proceso debe acoplarse a cada producto y necesidad, para suplir e=
sta
necesidad se debe tener un control adecuado en el factor de mayor influenci=
a,
en este caso es el traslape de las trayectorias del láser, sin descuidar las
demás variables significativas, por tal motivo se propone la utilización de=
un
diagrama de proceso, gráfico 6, el cual involucre los tres factores
significativos en una superficie de contornos que indiquen la variación del
índice de desempeño; de esta manera, si un componente mecánico requiere un
índice de desempeño predeterminado, se pueden conseguir la combinación de
factores adecuados para cada necesidad, el ingeniero encargado del proceso =
de
temple, seleccionará los niveles necesarios en cada factor con la ayuda del
diagrama ternario de factores garantizando que se cumplan los requerimientos
del proceso, al menor costo posible.
·&nb=
sp;
Dentro de los límites propuestos en el diseño de
experimentos no se obtiene un ID de cero, es decir una capa de martensita
completamente uniforme, pero se logra determinar una combinación de factores
con un valor optimo que permitiría una capa endurecida más uniforme.
·&nb=
sp;
El factor más importante es el traslape de las
trayectorias de láser, aquí se debe considerar que mientras mayor es el
traslape menor será el avance, un mayor número de pasadas del láser se
requerirá para cubrir una superficie determinada, lo que genera el aumento =
del
costo del proceso, es aquí donde el uso del diagrama ternario de factores t=
oma
relevancia, ya que se pueden obtener los mismos resultados con un traslape
menor.
·&nb=
sp;
Si bien no se obtiene una capa endurecida totalm=
ente
uniforme, este estudio abre las puertas a la investigación para el desarrol=
lo
de nuevas propuestas en el uso del láser en tratamientos térmicos
superficiales, variando diámetros del spot láser o trabajando en un sistema=
de
barrido, que se complementaran en la práctica y experimentación con el
desarrollo de la máquina especializada para el temple de superficies
cilíndricas.
Referencias
A.S.M. Handbook, Heat treating. ASM international
(1991) p. 19
Dong-Hyeon Kim, Choon-=
Man
Lee. (2013). A study of cutting force and preheating-temperature predict=
ion
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Mass transfer
McCallum, Brent,
"Characterization of DP600 Steel Subject to Electrohydraulic Forming&q=
uot;
(2014). Electronic Theses and Dissertations. Paper 5173.
Steen,W=
., & Mazunder, J. (=
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Laser material processing, cuarta edición, Nueva York, EEUU. Springer
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480(2008) 209-217.
Rockwood Iglesias, Robert (2014). Tesis de Maestría, =
Simulación
computacional del proceso de temple de los muñones de cigüeñales utilizando
tecnología láser. Toluca Estado de México, México, Tecnológico de
Monterrey.
S. Martínez, E. Ukar=
, A. Lamikiz (2010). Simulación del proceso de temple p=
or
láser en piezas de geometría compleja. XVIII Congreso Nacional de
Ingeniería Mecánica. España.
ESI Group,
(2008). Sysweld Welding Simulation User’s Guide. Paris, Francia.
=
PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
=
Sánchez E., Castillo =
E., Bravo V., Abarca E. & Montufar E.
El artículo que se publica es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital.
El artículo qu=
eda
en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en
otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1]=
Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo Ecuador,
milton.quinga@espoch.edu.ec
[2]Escuela Supe= rior Politécnica de Chimborazo, Chimborazo Ecuador, paul.montufar@espoch.edu.ec<= o:p>
[3]Escuela Supe=
rior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo Ecuador, sa_lopez@es=
poch.edu.ec
[4]Escuela Supe=
rior
Politécnica de Chimborazo, Chimborazo Ecuador, lsorozco@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org
=
Vol.
3, N°2, p. 676-688, abril - junio, 201