Soldadura de materiales de ultra-alta resistencia para aplicaciones en estructuras aeroespaciales

Título

Soldadura de materiales de ultra-alta resistencia para aplicaciones en estructuras aeroespaciales

Colaborador

Svoboda, Hernán G.

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2025-12-11

Extensión

244 p.

Resumen

En la presente tesis se estudió la metalurgia de la soldadura en uniones de materiales de ultra alta resistencia como los aceros maraging grado C250 (MA-C250) y AISI 4130. Se analizaron procesos avanzados como GTAW-P (Gas Tungsten Arc Welding - Pulsed) y Laser Welding (LW). Se analizaron las relaciones entre procesos de soldadura-evolución microestructural y propiedades mecánicas, aportando a la mejor comprensión de los fenómenos que tienen lugar durante la soldadura y los tratamientos térmicos post-soldadura (PWHT) de las uniones soldadas de los materiales mencionados. Se analizaron también distintas condiciones microestructurales del material de partida. Para la caracterización microestructural se emplearon técnicas convencionales de microscopía óptica y electrónica de barrido, análisis EDS (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy), dilatometría, difracción de rayos X y Calorimetría Diferencial de Barrido. Las propiedades mecánicas fueron evaluadas mediante perfiles de microdureza Vickers, ensayos de tracción y ensayos de micro punzonado (SPT: Small Punch Test). Se realizaron también simulaciones físicas de la Zona Afectada por el Calor del acero MA-C250. El acero AISI 4130 soldado en condición de Recocido mostró en el metal de soldadura (MS) y en la zona afectada por el calor (ZAC) de alta temperatura una alta dureza, debido a la presencia mayoritariamente de martensita fresca asociada a la templabilidad del material y las velocidades de enfriamiento alcanzadas durante la soldadura. En la soldadura en condición de Temple y Revenido, se identificó una zona blanda asociada a la presencia de martensita sobre revenida (ferrita y carburos). Dicha fase no es eliminada con el PWHT de revenido por lo que las propiedades mecánicas finales de la unión soldada quedan gobernadas por esta zona. La soldadura en estado Recocido, seguido de un PWHT de Temple y Revenido resultó ser una alternativa eficaz, ya que no solo elimina la zona blanda ocasionada por el ciclo térmico de soldadura, sino también refina y homogeniza el tamaño de grano a lo largo de toda la unión generando propiedades mecánicas finales similares a las del material base en condición de Temple y Revenido. Para el caso del MA-C250 se observó la presencia de micro segregación de Ni, Mo y Ti en el MS. La ZAC de alta temperatura y el MS transformaron completamente a martensita blanda durante el enfriamiento. En la zona que alcanza temperaturas cercanas a la temperatura de transformación Ac1 se observó una fase en forma de lazos asociada a la austenita revertida (?r). Cuando el material es soldado en condición de envejecido, se detecta una estrecha región sobre envejecida, mientras que cuando el material es soldado en condición de recocido (R) se genera una extensa zona parcialmente envejecida. Luego del PWHT, ambas condiciones de partida alcanzan propiedades mecánicas similares a las del material base en la misma condición de tratamiento térmico. Los lazos asociados a la fase ?r no pueden ser eliminados y aumentan ligeramente de tamaño con el aumento de temperatura de PWHT quedando en ambas condiciones de partida como una zona con menor dureza. En el MS se ha observado una microestructura heterogénea compuesta por islas de ?r y zonas de martensita oscurecida, rodeadas de una matriz de martensita empobrecida en elementos de aleación, siendo el MS la zona de menor dureza promedio a lo largo de toda la unión soldada, controlando las propiedades mecánicas finales de la unión. Mediante simulación física se pudo reproducir la microestructura de la ZAC y se determinaron las propiedades mecánicas de dicha zona. Asimismo, se estudió la cinética de las transformaciones de fase que tienen lugar durante el PWHT. El proceso LW presentó una reducción del tamaño de la junta soldada (MS+ZAC) en relación al GTAW-P, sin embargo, las propiedades mecánicas finales para ambos procesos de soldadura no presentaron diferencias significativas y se obtuvieron eficiencias de junta superiores al 85% para AISI 4130 y mayores al 95% para MA-C250. Para ambos materiales se desarrollaron y calificaron procedimientos de soldadura de acuerdo a la AWS D17.1-12 para la fabricación de carcasas de motores de combustible sólido (SRM) para aplicaciones aeroespaciales, empleando el proceso GTAW-P, sin aporte de material, en una sola pasada y en forma mecanizada. En el caso del acero AISI 4130 se soldaron los sectores de tubos de 160 mm de diámetro y 300 mm de longitud y se realizaron los PWHT.
strength steel weldments was studied. Advanced welding processes such as GTAW-P (Gas Tungsten Arc Welding Pulsed) and LW (Laser Welding) were analyzed. The relationships between welding process, microstructural evolution and mechanical properties were discussed to improve the understanding of the material evolution during weld thermal cycle and after post-weld heat treatment (PWHT). Different microstructural starting conditions of the analyzed materials were also studied. For microstructural characterization, conventional optical and electron scanning microscopy, EDS analysis, dilatometry, X-ray diffraction and differential scanning calorimetry were used. Mechanical properties were evaluated by microhardness profiles, tensile tests and small punch tests. Physical simulation of the heat affected zone (HAZ) in MA-C250 weldments was also evaluated. For AISI 4130 steel welded in annealed condition, the weld metal (WM) and high-temperature HAZ presented a microstructure composed by a hard fresh martensite due to the material hardenability and cooling rates achieved during welding. For the samples welded in quenched and tempered (Q&T) condition, a soft zone associated with the over tempered martensite (ferrite + carbides) was identified in the low temperature HAZ. This soft zone was not removed after the PWHT (tempering) and the final mechanical properties of weldments are determined by this zone. Welding of this material in annealed condition followed by PWHT (Q&T) proved to be an effective alternative, since it not only eliminated the soft zone caused by the weld thermal cycle but also refined and homogenized the grain size throughout the entire joint. The final tensile properties of the weldments were similar to those of the base material under the same Q&T condition. For the MA-C250 weldments, the presence of micro segregation of Ni, Mo and Ti in the WM was observed. The WM and high-temperature HAZ completely transformed to soft martensite during cooling. The zone where the material was heated at temperatures close to Ac1 a loop-shaped phase associated with reverted austenite (?r) was observed. When the material is welding in aged condition, a narrow over-aged region is detected, while when the material is welded in the annealing condition, a large partially aged zone is generated. After PWHT, both starting conditions achieve tensile properties similar to those of the base material under the same heat treatment condition. The observed second phase associated with the ?r was slightly increased in size with increasing PWHT temperature, remaining in both starting conditions as a lower hardness zone. In the WM, a heterogeneous microstructure composed of ?r islands and darkened martensite zones, surrounded by a martensite depleted in alloying elements matrix, has been observed. The WM has the lowest average hardness along the entire welded joint, controlling the final tensile properties of the joint. Through physical simulation, the microstructure of the HAZ was reproduced and the tensile properties of the dark zone was determined. In addition, the kinetics of the phase transformations that take place during PWHT were studied. Compared with the GTAW-P process, the LW presented a smaller welded joint length (WM+HAZ). However, the final tensile properties for both welded joints did not present significant differences. Joint efficiencies higher than 85% were obtained for AISI 4130 and higher than 95% for MA-C250. For both materials, welding procedures were developed and qualified according to AWS D17.1-12 for the manufacture of solid rocket motor (SRM) cases for aerospace applications. The GTAW-P process could be used without material addition, in a single pass and in a mechanized configuration. For the AISI 4130 steel, the tube sections of 160 mm diameter and 300 mm length were welded and the corresponding PWHT were applied.