Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos.

Comprende fijar una probeta (1) en una máquina universal de ensayos e iniciar un ensayo a tracción de velocidad constante bajo un control de desplazamiento, de tener el ensayo a tracción y aplicar un calentamiento sobre una zona (3) de la probeta (1) durante un corto periodo de tiempo, reanudar el ensayo y obtener la curva de ensayo de fuerza (P)desplazamiento de la probeta (1)(D), calcular la reducción de la recuperación elástica que ha sufrido la probeta (1) en la zona calentada (3) a partir de la curva de ensayo para determinar el comportamiento del material de la probeta cuando sea sometido a un conformado por calentamiento rápido en procesos.

Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos.

Objeto de la invención

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un procedimiento de ensayo de materiales que tiene por objeto permitir predecir el comportamiento que tendrán los materiales cuando se sometan a un procedimiento de conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos.

La invención es aplicable en cualquier sector de la industria en el que se requiera determinar el comportamiento de un material en un proceso progresivo conformado por calentamiento rápido, y más particularmente en el sector del automóvil.

Antecedentes de la invención

El uso de materiales de alta resistencia permite fabricar componentes resistentes de bajo peso, que tienen además un comportamiento excelente en caso de impacto. Sin embargo acusan una conformabilidad limitada.

La conformabilidad está afectada por el elevado límite elástico de las aleaciones de ingeniería, al almacenar gran cantidad de energía en forma de campos elásticos, que más tarde liberan en forma de distorsiones. Por tanto, la geometría final de las piezas conformadas siempre se aleja de su geometría deseada. A esa relajación de energía almacenada se le llama "Spring Back" o efecto resorte que se debe a la recuperación elástica que se produce. La recuperación elástica se traduce en una imprecisión geométrica, inaceptable en términos de calidad de producto en muchas industrias.

Para paliar este problema es conocida una técnica para realizar el conformado asistido mediante la aplicación simultánea de un haz láser, una bobina de inducción, o cualquier técnica de calentamiento rápido al mismo tiempo que se aplica el esfuerzo mecánico.

El calentamiento debe producirse en las zonas de mayores tensiones principales de la chapa a conformar, y se basa en la interacción entre el campo de tensiones y el térmico, y en la dependencia de las propiedades mecánicas del material con la temperatura.

El método funciona mejor en un proceso progresivo, esto es, cuando la chapa va siendo deformada de manera progresiva y continua desde su forma original hasta la final mediante sucesivas etapas de deformación puntual. En comparación con los métodos de estampación o embutición, son procesos más lentos pero que requieren menos energía. Un calentamiento rápido puntual puede lograr hacer ceder el material, eliminar sus tensiones acumuladas y reducir la energía elástica acumulada, con lo que se permite extender la cantidad de deformación que soportará el material sin romperse, y sobre todo, reducir el efecto muelle (spring-back) debido a la recuperación elástica.

No existe en la actualidad ninguna forma precisa de prever los resultados de los procesos simultáneos de conformado y calentamiento rápido, tales como la recuperación elástica del material, la relación de tensiones experimentada por la pieza respecto al conformado en frío, o la cantidad de energía necesaria que se requiere para llevar a cabo el proceso.

Esta circunstancia es especialmente cierta en el caso del conformado asistido térmicamente en procesos progresivos, como el perfilado, laminación rotativa o la estampación progresiva, en la que el material ha sido sometido a una intensa deformación plástica cuando se le aplica el calentamiento intenso, y tras él se continúa la deformación.

En consecuencia la invención proporciona un procedimiento de ensayo de materiales que simula exactamente lo que le sucede a un punto de la chapa sometida a un proceso progresivo, cuando sufre un calentamiento rápido entre dos etapas de deformación, y valora el efecto de ese calentamiento permitiendo predecir su efecto y ajustar los parámetros en el proceso real, evitando daños al material y su resistencia y maximizando el beneficio de la reducción de la recuperación elástica y la mayor precisión geométrica.

Descripción de la invención

Para conseguir los objetivos anteriormente indicados, la invención ha desarrollado un nuevo procedimiento de ensayo de materiales que permite predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, en el que la primera fase es convencional y consiste en fijar una probeta de tracción, del material a ensayar en una máquina universal de ensayos, e iniciar un ensayo a tracción de velocidad constante bajo un control de desplazamiento o de fuerza.

La novedad de la invención reside en que además comprende una fase en la que se efectúa la detención del ensayo a tracción manteniendo el valor del desplazamiento total, es decir parando el desplazamiento de las mordazas de la máquina universal en la que se fija la probeta. A continuación se aplica un calentamiento sobre una zona de la superficie de la probeta durante un corto periodo de tiempo comprendido entre 0,05 y 0,5 segundos, de forma que se provoca un nivel de deformación de la parte calentada mayor que el nivel de deformación provocado en la probeta antes de su calentamiento, y un nivel tensional en la parte no calentada menor que el nivel tensional provocado en la probeta antes del calentamiento, con lo que se reduce la deformación de la zona no calentada tras la realización del calentamiento.

A continuación se espera a que se produzca el equilibrio de reparto de los niveles tensionales a lo largo de la probeta tras efectuar el calentamiento.

Seguidamente se reanuda el ensayo a tracción de velocidad constante hasta que se produce la rotura de la pieza y se obtiene la curva de ensayo que relaciona los niveles de fuerza o carga con el desplazamiento o elongación de la probeta, de manera que a continuación sigue una fase en la que se efectúa el cálculo de la reducción de la recuperación elástica que ha sufrido la probeta en la zona calentada a partir de la curva de ensayo obtenida, para determinar el comportamiento del material cuando sea sometido a un conformado asistido por calentamiento rápido en procesos progresivos.

El procedimiento de la invención establece dos posibilidades para realizar el cálculo de la reducción de la recuperación elástica.

En una primera realización el procedimiento comprende efectuar el cálculo de la deformación y en nivel tensional de la zona no calentada tras el calentamiento realizado, así como calcular la deformación de la parte calentada tras finalizar dicho calentamiento, todo ello mediante algoritmos cuyos parámetros se obtienen a partir de la curva de ensayo obtenida.

En otra realización el cálculo de la reducción de la recuperación elástica comprende calcular la carga de la probeta en el momento en el que se detiene el ensayo de tracción y la carga de la probeta una vez que se ha producido el equilibrio de los niveles tensionales tras el calentamiento, todo ello a partir de la curva de ensayo obtenida de forma que se calcula la reducción de la recuperación elástica a partir de un algoritmo basado en dichas cargas calculadas.

La invención permite calcular las velocidades de deformación instantáneas bajo la acción del calentamiento a partir de la curva de ensayo obtenida y calcular la probabilidad de recristalización dinámica por deformación a alta velocidad y calentamientos simultáneos a partir de dicha curva de ensayo obtenida.

La máquina de ensayo universal está seleccionada entre una máquina hidráulica y una máquina electromecánica convencional del tipo de las que obtienen la curva de ensayo y a la que se aplican algoritmos para realizar los cálculos comentados.

En la realización preferente de la invención el calentamiento se realiza mediante un pulso láser con una potencia constante que calienta la superficie de la probeta a la temperatura requerida, de forma que dicha potencia permite establecer la cantidad de energía necesaria que se requeriría en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos.

El láser comprende una óptica que está dotada de un homogeneizador de haz para generar una mancha focal rectangular en la probeta que tiene un ancho igual al de dicha probeta y una altura comprendida entre 10 y 15 mm.

A continuación para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.

1. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, que comprende fijar una probeta (1) de tracción, del material a ensayar en una máquina universal de ensayos, e iniciar un ensayo a tracción de velocidad constante bajo un control seleccionado entre un control de fuerza y un control de desplazamiento; se caracteriza porque además comprende:

- Detener el ensayo a tracción manteniendo el valor del parámetro de desplazamiento fijo y aplicar un calentamiento sobre una zona (3) de la superficie de la probeta (1) durante un corto periodo de tiempo comprendido entre 0,05 y 0,5 segundos, para provocar un nivel de deformación (\varepsilon_p) de la parte calentada (3) mayor que el nivel de deformación (\varepsilon₀) provocado en la probeta antes de su calentamiento y un nivel tensional (σ₁) en la parte no calentada (9) menor que el nivel tensional (σ₀) provocado en la probeta (1) antes del calentamiento reduciendo la deformación (\varepsilon₁) de la zona no calentada tras el calentamiento;

- esperar a que se produzca el equilibrio de reparto de los niveles tensionales a lo largo de la probeta (1) tras el calentamiento;

- reanudar el ensayo a tracción de velocidad constante hasta rotura de la probeta (1).

- obtener la curva fuerza (P) - desplazamiento (D) del ensayo

- calcular la reducción de la recuperación elástica que ha sufrido la probeta (1) en la zona calentada (3) , a partir de la curva de ensayo para determinar el comportamiento del material de la probeta (1) si se somete a un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos.

2. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, según reivindicación 1, caracterizado porque comprende calcular la deformación (\varepsilon₁) y el nivel tensional (σ₁) de la zona no calentada (9) tras el calentamiento realizado y calcular la deformación (\varepsilon_p) de la parte calentada tras finalizar dicho calentamiento, a partir de la curva de ensayo obtenida para calcular la reducción de la recuperación elástica.

3. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, según reivindicación 1, caracterizado porque comprende calcular la carga de la probeta (1) en el momento en que se detiene el ensayo de tracción y la carga de la probeta (1) una vez que se ha producido el equilibrio de los niveles tensionales tras el calentamiento, a partir de la curva de ensayo obtenida, para calcular la reducción de la recuperación elástica a partir de las cargas calculadas.

4. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, según reivindicación 1, caracterizado porque comprende calcular las velocidades de deformación instantáneas bajo la acción del calentamiento a partir de la curva de ensayo obtenida.

5. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, según reivindicación 1, caracterizado porque comprende calcular la probabilidad de recristalización dinámica por deformación a alta velocidad y calentamiento simultáneo a partir de la curva de ensayo obtenida.

6. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, según reivindicación 1, caracterizado porque la fase de calentamiento se realiza mediante un dispositivo seleccionado entre un dispositivo láser (4), un dispositivo de inducción y una fuente de potencia.

7. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, según reivindicación 6, caracterizado porque la fase de calentamiento se realiza mediante un pulso láser con una potencia constante.

8. Procedimiento de ensayo de materiales para predecir su comportamiento en un conformado por calentamiento rápido en procesos progresivos, según reivindicación 6, caracterizado porque la fase de calentamiento mediante láser comprende generar una mancha focal rectangular en la probeta del ancho de la probeta y de una altura comprendida entre 10 y 15 mm.