Desarrollo de un método numérico y validación experimental para el cálculo del campo de temperaturas en la soldadura de un acero inoxidable y su aplicación en edificación

Résumé

La utilización del acero inoxidable en edificación ha aumentado de forma considerable y las aplicaciones del material se han diversificado en proyectos de edificios significativos desde 1990. Muchas de las aplicaciones implican estructuras, fachadas, componentes de fachadas, componentes de diferentes instalaciones, mobiliario urbano, esculturas etc. La soldadura por arco eléctrico es generalmente la técnica de unión más empleada con los aceros inoxidables, incluso con aquellos de espesor reducido. Los ciclos temperatura-tiempo durante el proceso de soldeo tienen un efecto determinante sobre las propiedades mecánicas de una unión soldada como consecuencia de la afección del proceso térmico sobre el material. En esta tesis se desarrolla un método de diferencias finitas para calcular el campo de temperaturas en la zona afectada por el calor en la soldadura de dos chapas de acero inoxidable AISI 304, soldadas mediante el procedimiento GTAW. Se ha desarrollado un programa informático implementado en libros de cálculo MS-Excel con Visual Basic para Aplicaciones (VBA). Los experimentos modelizados a través de la aplicación numérica predicen el comportamiento térmico de un procedimiento de soldadura. Una de las grandes aportaciones de la simulación es que permite conocer el efecto de cada variable y ponderar su incidencia en el campo térmico. La mayor comprensión del fenómeno, es utilizada para mejorar y controlar los diferentes parámetros de soldeo, es decir, el conocimiento del efecto de una variable en el fenómeno junto con su adecuada manipulación permite controlar las variables de salida del proceso. Para la validación del modelo matemático se ha desarrollado un procedimiento experimental para medir el campo de temperaturas en la zona cercana al cordón de soldadura de un acero inoxidable de espesor inferior a 3 mm. Este procedimiento experimental se puede utilizar para otros tipos de acero y para otros procedimientos de soldadura por arco eléctrico como el MIG/MAG y SMAW. Los datos obtenidos con estos ensayos se han utilizado para validar el cálculo del campo de temperaturas mediante la aplicación numérica de diferencias finitas. Con estos experimentos se ha realizado el ajuste del modelo matemático, y las diferencias que existen entre las curvas experimentales y teóricas son debidas a las pérdidas de calor por convección y radiación, que no se han estimado en el modelo de simulación. Con este sencillo modelo el proyectista podrá calcular los ciclos térmicos del proceso y predecir el campo de temperaturas en las proximidades del cordón. Como aplicación práctica se ha utilizado el modelo de simulación numérica para calcular los valores del parámetro t8/5 y optimizar esté mediante una aplicación particular de la metodología de superficie de respuesta.