Desarrollo de métodos para el análisis y caracterización predictiva de procesos de temple con láser de componentes de acero forjado en el sector de automoción

Abstract

La presente Tesis Doctoral surge en el contexto del desarrollo de un proyecto de innovación industrial. Mientras que la tecnología de temple por inducción se encuentra como un proceso consolidado para el tratamiento de muy diversos componentes en distintas industrias, la tecnología láser surge como alternativa técnica asociada a la consecución de grandes ventajas, como el control preciso del calor aportado a los componentes tratados, potencial para unas elevadas tasas de productividad, así como, la consecución de procesos más versátiles y flexibles. Desde una perspectiva científico-técnica, el proceso de Temple Superficial con Láser conlleva la superación de una serie de desafíos multi-físicos y fuertemente acoplados, dónde la modelización del proceso supone una tarea fundamental. La aplicación de una distribución de irradiancia de valor relativamente alto (entre 10^3 y 10^5 W/cm^2), asociada al haz láser, sobre la superficie del material tratado da lugar a un problema de transferencia de calor, caracterizado por velocidades de calentamiento y enfriamiento notablemente elevadas (entre 10^3 K/s y 10^6 K/s). La determinación de ciertas propiedades termo-físicas del material de trabajo, conductividad térmica, densidad, calor específico y densidad, así como, su dependencia con la temperatura constituye una parte imprescindible, aunque no suficiente por sí misma, para la obtención de la evolución espacio-temporal de las temperaturas experimentada por el material. La información de entrada para los cálculos térmicos, es, por lo tanto, la energía efectivamente absorbida por parte de la superficie del material, del total de energía suministrado. Este planteamiento permite introducir el concepto de coeficiente de absorción, como otro de los aspectos clave en la precisión de los cálculos relativos al proceso de Temple Superficial con Láser. Este coeficiente puede considerarse como la contribución tanto de fenómenos electromagnéticos, como de fenómenos superficiales. El fenómeno electromagnético de la absorción está caracterizado por el paso de las ondas electromagnéticas a través de la interfaz entre el aire y un medio buen conductor. Se trata de un fenómeno determinista y resoluble analíticamente mediante las conocidas como ecuaciones de Fresnel. Por su parte, la oxidación superficial inherente al tratamiento lleva asociada una problemática específica. El desarrollo de una película de óxido, como consecuencia del calentamiento a gran velocidad de la superficie tratada en una atmósfera no protectora, supone la aparición de un medio absorbente que aumenta espectacularmente la fracción de energía absorbida por parte de la superficie tratada. Este incremento de absorción debe ser caracterizado para conseguir un seguimiento preciso del coeficiente de absorción a lo largo del desarrollo de la mencionada película de óxido superficial. La presente Tesis Doctoral propone, en primer lugar, el desarrollo novedoso de un modelo acoplado temperaturas/oxidación mediante el uso de relaciones cinético-químicas para la caracterización del desarrollo de la película de óxido. Éstas relaciones han sido relacionadas con las condiciones alejadas del equilibrio en las que transcurre la reacción química, como consecuencia de la severidad del calentamiento asociada al tratamiento con láser de elevada potencia. La combinación de un modelo acoplado temperaturas/oxidación junto con las hipótesis de reacción química alejada de las condiciones de equilibrio han permitido relacionar funcional y explícitamente los parámetros del proceso asociados con la velocidad de calentamiento y la severidad del mismo, con los términos cinéticos que caracterizan el desarrollo de la reacción química: factor de frecuencia y energía de activación. Dicha asociación funcional explícita entre las condiciones del proceso y los parámetros cinéticos ha sido llevada a cabo enredosamente mediante el ajuste de mediciones experimentales de procesos llevados a cabo mediante distintas condiciones de calentamiento. Una vez caracterizado el desarrollo de la película de óxido, el siguiente paso es relacionar su espesor, de forma analítica, con el incremento experimentado por parte del coeficiente de absorción. La presente Tesis Doctoral proporciona una relación matemática original, basada en la naturaleza de la propia película de óxido y en el comportamiento de la radiación láser en el seno de la misma. Dicha relación matemática, dado su carácter analítico, ha podido ser integrada sencillamente el modelo acoplado, suponiendo el nexo de realimentación entre los cálculos cinéticos y los cálculos térmicos. En el terreno de las transformaciones metalúrgicas, nuevamente, las elevadas velocidades de calentamiento asociadas al proceso de Temple Superficial con Láser dan lugar a unas condiciones alejadas del equilibrio termodinámico para el proceso de austenización del material base. El uso de la Ley de Avrami, sobre la base de ciclos térmicos puntuales realistas es propuesto como una solución que permite la consecución de resultados con un elevado grado de precisión, sin un compromiso excesivo de los recursos computacionales necesarios, como ocurre en el caso de los modelos basado en las leyes de difusión de masa a nivel microscópico. Tanto las consideraciones llevadas a cabo en el terreno de la absorción, como él cálculo de las transformaciones martensíticas en base a relaciones cinéticas con parámetro dependientes de la temperatura, ha dado lugar a la simulación de proceso realistas con un elevado grado de coincidencia con los resultados experimentales. Este hecho a permitido su utilización como herramienta predictiva para la selección de los parámetros de máquina en procesos reales de Temple Superficial con Láser. A partir de todo lo anterior, la presente Tesis Doctoral se estructura a lo largo de 5 capítulos. El capítulo 1 supone una introducción general al proceso de Temple Superficial con Láser y a probemática científico-técnica asociada. El capítulo 2 constituye una revisión de todos los modelos del proceso de Temple Superficial con Láser tomados como base para la realización de la presente Tesis Doctoral. De cada uno de ellos se analizan sus logros, así como, sus factores limitativos. El capítulo 3 introduce todas las novedades aportadas por la presente Tesis Doctoral, tanto en el terreno del cálculo de las transformaciones metalúrgicas, como de el aumento del coeficiente de absorción asociado a la oxidación superficial del material. El capítulo 4 aporta todos los resultados obtenidos por las simulaciones numéricas llevadas a cabo, así como la comparación con trabajos experimentales llevados a cabo. Finalmente, se presentan la conclusiones generales de todo el trabajo, así como las posible líneas de investigación futuras a partir de los trabajos realizados.