ACEROS AVANZADOS DE ALTA RESISTENCIA PARA LA INUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN. Porque los coches seguros y ecológicos nunca pasarán de moda

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1 ACEROS AVANZADOS DE ALTA RESISTENCIA PARA LA INUSTRIA DE LA AUTOMOCIÓN Porque los coches seguros y ecológicos nunca pasarán de moda

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3 Índice de contenidos El futuro es del acero avanzado de alta resistencia 4 Reducción de costes Material avanzado, producción inteligente 6 Reducción de peso Un parachoques de bajo peso 7 Aumento de resistencia Coches más seguros y de cinco estrellas 8 Desarrollo de productos en colaboración directa con SSAB Un ejemplo real de un cliente 10 Diseñar con AHSS Mayor enfoque en el diseño para desarrollar todo el potencial de los aceros AHSS 12 Conformación de acero avanzado de alta resistencia Posibilidades totalmente nuevas con métodos de conformación de eficiencia demostrada 17 Conformación en frío o estampación en caliente? 19 Soldadura de acero avanzado de alta resistencia Soldadura con métodos habituales 20 Industrialización y utillajes para aceros avanzados de alta resistencia 23 La conformación con rodillos y los tubos permiten soluciones más inteligentes y ligeras 24 Docol Roll y Dogal Roll: desarrollados para la conformación con rodillos 25 Calidades recomendadas de aceros avanzados de alta resistencia 26 Gama de productos de aceros avanzados de alta resistencia de SSAB 28 El Knowledge Service Center de SSAB le ofrece todo el apoyo necesario para el desarrollo de su producto 30 Siempre un paso por delante: La innovación es una de las máximas prioridades en SSAB 31 3

4 La industria de la automoción está orientada al desarrollo de vehículos con mayores niveles de seguridad, con menores consumos de combustible y con métodos de producción rentables. Esto se podrá alcanzar mediante un diseño más inteligente y por medio de la introducción constante de nuevos materiales, más fuertes y ligeros. Ya no basta con mantener constante el peso de los nuevos modelos: existe una preocupación creciente y una necesidad real de reducir los niveles de emisión de CO 2, aspectos que se han convertido en motivaciones fundamentales para la industria. Ahora, y en el futuro, los fabricantes de automóviles deben reducir el peso de sus vehículos. La forma más rentable de hacerlo es utilizando el acero avanzado de alta resistencia Docol de SSAB. El futuro es del acero avanzado de alta resistencia El acero avanzado de alta resistencia Docol ofrece todas sus ventajas de manera especial cuando se utiliza en componentes de seguridad, en las partes estructurales de la carrocería y el chasis de un vehículo. Como norma general, la reducción de peso es de aproximadamente un 50 por ciento; el espesor es la mitad en comparación con el acero dulce, pero sin pérdida alguna de resistencia. Como consecuencia, el acero Docol se ha convertido en el principal material para la fabricación de refuerzos de bajos, montantes A y B, refuerzos de cintura, parachoques, barras de protección lateral, arcos del techo y asientos. El acero AHSS también se utiliza en otras partes vitales de un coche; de hecho, muchos de los nuevos modelos están compuestos de entre un 40% y un 50% de acero AHSS. Las previsiones indican que en unos años la proporción de acero AHSS sobre el total de la chapa de acero utilizada en la fabricación de automóviles será de entre un 40% y un 50%, lo cual contribuirá a una reducción del 5% en las emisiones de gases de efecto invernadero. De acuerdo con las exigencias de la UE, las emisiones medias de los nuevos vehículos vendidos en la UE en 2012 no deberán superar los 130 g de CO ² /km. En SSAB, nos hemos fijado como misión hacer todo cuanto esté en nuestra mano para ayudar a la industria de la automoción a cumplir este importante objetivo. Las ventajas que implica utilizar acero AHSS son evidentes para cualquier tipo de vehículo. Los pequeños utilitarios se benefician de una importante mejora de la seguridad, mientras que los vehículos de mayor tamaño, como los SUV, puede tener un consumo de combustible mucho menor. 4

5 Un viaje confortable exige siempre la mayor seguridad. Docol AHSS UN PROCESO DE PRODUCCIÓN DE EFICIENCIA DEMOSTRADA La rentabilidad y la sencillez en el proceso de transición desde los aceros dulces o de alta resistencia convencionales a los aceros avanzados de alta resitencia (AHSS, por sus siglas en inglés) constituyen uno de los principales factores que explican el éxito del AHSS en la industria de la automoción. Esto se debe a que, en general, el acero AHSS se puede conformar y unir del mismo modo que el acero dulce, pero con la mitad de espesor. Las tareas de corte y conformado del AHSS se pueden realizar sin necesidad de aumentar la fuerza, y las técnicas más comunes de soldado y unión se pueden utilizar aplicando simplemente algunos ajustes menores. Se pueden obtener ventajas incluso mayores al cambiar a los nuevos métodos de conformación, como el perfilado por rodillos. Este proceso permite al fabricante producir perfiles complicados en una sola operación (cuando se utiliza acero AHSS, el perfilado por rodillos se puede realizar con un menor desgaste de herramientas y con radios muy pequeños). Y MÁS RENTABLE QUE EL ALUMINIO Las ventajas del acero avanzado de alta resistencia en relación con el aluminio se resumen fácilmente: mismo peso y misma resistencia con un coste inferior. La posibilidad de conformar perfiles complicados es otra de las numerosas ventajas que ofrece el AHSS si se compara con el aluminio. Por ejemplo, para las barras en el interior del vehículo, el aluminio debe ser tres veces más grueso que el acero AHSS para proporcionar la misma resistencia. Si se compara con nuevos materiales como los compuestos, las ventajas del acero AHSS en cuanto al coste son aún más evidentes. La industria de la automoción actual ha decidido que el AHSS es superior al aluminio para prácticamente todas las aplicaciones. ELONGACIÓN A 5 (%) ACERO DULCE MS ACERO C-Mn ACEROS AVANZADOS DE ALTA RESISTENCIA HSLA: ACEROS DE ALTA RESISTENCIA Y BAJA ALEACIÓN ACEROS DE FASE DUAL ACEROS MARTENSÍTICOS RESISTENCIA A LA TRACCIÓN, Rm (MPa) QUÉ HAY DETRÁS DEL NOMBRE DOCOL? Docol es la marca de SSAB para los productos dirigidos a la industria de la automoción. Docol es uno de los aceros AHSS laminados en frío más resistentes del mercado. El término acero avanzado de alta resistencia (AHSS, por sus siglas en inglés), se utiliza generalmente para aceros de fase dual, aceros de fase compleja, aceros TRIP y aceros martensíticos y significa principalmente aceros multifase. En SSAB, los aceros microaleados de alto límite elástico también pertenecen al grupo de aceros AHSS. Los aceros de alta resistencia convencionales son aceros ferríticos de fase única. 5

6 Material avanzado, producción inteligente El acero avanzado de alta resistencia es a día de hoy el material más competitivo del mercado. Gracias a unos procesos de producción de eficiencia demostrada que requieren una inversión mínima, el precio algo más elevado del acero AHSS queda rápidamente compensado por la reducción en los volúmenes. Una única calidad de acero AHSS puede reemplazar varias calidades distintas de acero tradicional. Reducción de costes DURA Automotive Systems es uno de los principales distribuidores de módulos de y estructuras para puertas para la industria de automoción. DURA Automotive Systems en Alemania siempre se ha esforzado por racionalizar los procesos, y ha tenido que adaptarse a la demanda creciente de vehículos con menor consumo y mayor seguridad. Todos estos objetivos se han podido alcanzar en la nueva barra de protección contra impactos laterales fabricada con AHSS. DURA optó por el acero martensítico Docol, con una carga de rotura mínima de 1200 MPa. Es uno de los aceros AHSS más resistentes del mercado y con grandes propiedades de soldabilidad y de laminación. La barra de protección lateral de DURA es un perfil cerrado de sección cuadrada que se estrecha en los extremos. El diseño de este perfil se ha optimizado para proporcionar a la barra de protección una capacidad muy elevada de absorción de energía. El espesor del acero de la barra es de tan sólo 2,00 mm, lo que da como resultado un peso de 1,75 kg para una barra con una longitud de 1,1 metros. La empresa ha desarrollado así mismo un sistema para la producción de la barra en distintos tamaños, que puede así fabricarse para distintos modelos de automóvil con unas modificaciones mínimas. Todas las operaciones tienen lugar en una misma línea de producción en la que el acero, directamente desde la bobina, forma una tira continua. En primer lugar se conforma con rodillos la parte inferior del perfil, que posteriormente se cierra y se une mediante soldadura láser. Finalmente, se corta la barra según la longitud deseada. Las barras se pueden fabricar a medida para adaptarse a los distintos requisitos mediante variaciones de la longitud y de la sección transversal. También se pueden introducir variaciones en la modalidad de montaje: con remaches, mediante soldadura o atornillado. La ventaja para los fabricantes de automóviles es que la barra se puede adaptar fácilmente a las distintas variaciones de un determinado modelo de vehículo. 6 Barra de protección contra impactos laterales de DURA fabricada en acero Docol 1200 M + superficie ZE.

7 Un parachoques de bajo peso El acero avanzado de alta resistencia es la forma más directa de reducir el peso y al mismo tiempo mejorar el rendimiento de la aplicación. El diseño para parachoques Power B- Section está realizado con Docol 1300 M. Reducción de peso Shape Corp., proveedor líder para automoción en el campo de la gestión de energía de impacto, ha logrado un importante avance en soluciones para sistemas de parachoques al ofrecer la posibilidad de mejorar los niveles de consumo mediante una reducción del peso, al mismo tiempo que aumenta el rendimiento de los parachoques. Shape Corp., empresa especializada en modelar aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) en formas complejas para crear soluciones de gestión de energía de impacto, produce barras parachoques para automoción y otros componentes estructurales utilizando procesos de fabricación rentables e innovadores. Estos procesos permiten llevar a cabo las tareas de punzonado, conformación, soldadura, barrido y corte dentro de una operación lineal de conformación con rodillos de alta eficiencia. Para cumplir los nuevos requisitos relativos a impactos establecidos por el Instituto de Seguridad en Carretera (Insurance Institute of Highway Safety, o IIHS) de EE.UU. y por el Consejo Investigador sobre Reparación de Automóviles (Research Council for Automotive Repair, o RCAR), presentes en numerosos países, Shape Corp. rediseñó uno de sus productos actuales y desarrolló una solución de bajo coste y bajo peso para sistemas de parachoques evitando los altos costes derivados de la utilización de materiales alternativos como el aluminio. Durante muchos años, el parachoques convencional con corte en forma de B (o B-Section) se adaptó a las necesidades de las decenas de millones de vehículos en los que se instaló. Pero las nuevas normas de seguridad, unidas a la necesidad creciente y constante de reducción de masa, obligaron a Shape a estudiar con intensidad el modo de mejorar el diseño de las piezas en forma de B. Los resultados son sorprendentes. Se ha conseguido aumentar la resistencia a la flexión de forma significativa en comparación con el parachoques original, gracias a la introducción de unas barras estructurales diseñadas específicamente y conformadas en el lado de la pieza en el que se produce la compresión. Este aumento de la resistencia a la flexión permite a Shape Corp. beneficiarse plenamente de las ventajas que ofrece el acero avanzado de alta resistencia, puesto que permite definir espesores menores y así reducir la cantidad de acero utilizada en al menos un 20 por ciento, al mismo tiempo que permite que los fabricantes de equipo original del sector de la automoción se adapten a los requisitos cada vez más estrictos sobre impacto ambiental. Estableciendo una comparación directa, los parachoques convencionales con corte en forma de B resultaban normalmente muy competitivos en términos de coste frente a los diseños en aluminio, pero con una diferencia de peso de entre 1,0 y 1,5 kg. Ahora, utilizando el diseño Power B-Section y acero AHSS, Shape Corp. puede ofrecer soluciones para sistemas de parachoques con un peso igual (o superior en tan sólo 0,5 kg) al parachoques convencional, considerado tradicionalmente como una solución de baja masa, pero sin la desventaja que supone el alto coste del aluminio. En resumen, Shape Corp. ha logrado combinar un diseño creativo con métodos de fabricación eficientes para conformar aceros con unas resistencias de hasta 1300 MPa. El nuevo diseño Power B-Section en acero avanzado de alta resistencia Docol reduce la masa de los vehículos y consigue un menor consumo de combustible evitando los altos costes derivados del uso de materiales alternativos. 7

8 Coches más seguros y de cinco estrellas La seguridad en caso de colisión es un importante argumento de ventas y las cinco estrellas de Euro NCAP resultan clave para alcanzar el éxito. El uso cada vez mayor de aceros AHSS se encuentra en la vanguardia de la seguridad en caso de colisión, mientras que otros materiales quedan muy por detrás. Aumentando la resistencia Cuando Fiat inició el diseño del Grande Punto, sus exigencias eran muy altas. Todos los aspectos relacionados con la seguridad se consideraron prioritarios. Uno de esos aspectos era la capacidad para soportar impactos laterales. La alta capacidad de absorción de energía y el diseño compacto caracterizan los refuerzos de cintura colocados en las puestas del Fiat Grande Punto. Este componente estructural está diseñado de modo que se ajusta al pequeño espacio existente detrás de las ventanillas laterales. Además, cumple los requisitos más estrictos sobre protección en caso de colisión lateral o frontal y debe su éxito a un diseño optimizado y a un eficiente método de producción mediante conformado con rodillos. Además de los aspectos de seguridad, el refuerzo lateral interno tenía que ser ligero y apto para una producción de bajo coste. La solución fue una barra conformada con rodillos realizada en acero avanzado de alta resistencia Docol con un nivel mínimo de resistencia de 1000 MPa. La barra tiene una superficie electrogalvanizada que permite la protección contra la corrosión, que fue desarrollada por Fiat en estrecha colaboración con su proveedor Wagon Automotive Italy. Fiat especificó una geometría altamente avanzada para la barra, que sólo se podía fabricar mediante conformación con rodillos, y Wagon Automotive fue capaz de producir un perfil cerrado de geometría asimétrica que se pliega longitudinalmente en dos planos. El Fiat Grande Punto ha supuesto un gran éxito para Fiat y ha recibido la máxima calificación de 5 estrellas en la categoría de protección de los ocupantes en las pruebas de seguridad de Euro NCAP. 8

9 Fuente: Fiat Group Automobiles Peso reducido, diseño compacto y alta capacidad de protección son las características del refuerzo lateral interno para el Fiat Grande Punto, fabricado con Docol 1000 DP+ZE mediante conformación con rodillos. 9

10 Desarrollo de productos en colaboración directa con SSAB: un ejemplo real de un cliente SSAB puede asociarse con sus clientes en cada una de las fases de desarrollo de una nueva solución con acero AHSS. Cuando una empresa de automoción o un proveedor considera la posibilidad de cambiar al AHSS y dejar de utilizar otros materiales, nuestros asesores técnicos están a su disposición para ofrecer el soporte necesario desde el primer boceto de diseño hasta la fabricación final. Trabajar con SSAB Veamos un caso reciente en el que se solicitó a SSAB que ofreciese asistencia para mejorar un modelo de coche ya existente. El modelo tenía una barra lateral realizada en acero al boro estampado en caliente. El fabricante de automóviles quería mantener el alto nivel de seguridad que la barra de protección ofrecía. Sin embargo, era necesario reducir el alto coste del estampado en caliente. Se encargó a SSAB la tarea de desarrollar una barra conformada en frío en sustitución de la anterior. En este caso, se nos ofreció la oportunidad de participar en una fase temprana del proceso de desarrollo, comenta el Dr. Björn Carlsson, uno de los asesores técnicos de SSAB en Europa. Una vez recibimos del fabricante la geometría deseada para la barra, así como los niveles de resistencia y de absorción de energía que se debían alcanzar, nuestros diseñadores pudieron iniciar de forma inmediata una simulación de distintos nuevos diseños para la barra. Poco después habíamos logrado desarrollar un nuevo diseño que ofrecía los mismos resultados que la barra conformada en caliente, pero con las ventajas de un menor peso y de un coste unitario muy inferior. Este fue un proceso paso por paso, y reevaluamos constantemente el diseño y los materiales hasta que llegamos a la propuesta definitiva. INVESTIGAR CADA ALTERNATIVA Se investigó la posibilidad de aumentar la resistencia mediante rigidizadores, acanaladuras y rebordes, y se utilizaron estos elementos en cierta medida en el nuevo diseño. SSAB presentó la siguiente fase del nuevo diseño al fabricante, el cual dio su visto bueno para proseguir con el desarrollo. Se llevaron a cabo pruebas de conformación en los laboratorios internos de SSAB en Suecia, se compararon los métodos de soldadura y se analizaron las necesidades de equipamiento y de producción. Cuando el fabricante de automóviles y el proveedor estuvieron satisfechos con el diseño básico, comenzó la producción del prototipo. El plazo era muy corto, pero las existencias de material de pruebas y prototipos de SSAB nos permitieron alcanzar la calidad de acero especificada y producir las cantidades necesarias para el proveedor en Francia en tan sólo un par de días. Esto resultó de gran valor para el conjunto del proyecto, comenta el Dr. Björn Carlsson. Las existencias de material de pruebas y prototipos son únicas en el sector, y permiten a SSAB poder contar con el material de pruebas necesario en cuestión de minutos. 10

11 CONTACTO PERSONAL EN TODO MOMENTO Los especialistas de SSAB trataron directamente con cada una de las partes implicadas en el proceso de desarrollo y, cuando se alcanzó la fase de prototipo, siempre había un especialista de SSAB dedicado y a disposición para poder responder con rapidez a cualquier problema durante la fase de preproducción. En este caso, el plazo desde el primer contacto entre SSAB y el fabricante de automóviles hasta la finalización del primer prototipo fue de tan sólo diez semanas. Nuestro plazo de entrega habitual para un proyecto como éste es de entre tres y cuatro meses, dice el Dr. Björn Carlsson. En este caso, trabajamos muy estrechamente con el proveedor que se iba a encargar de fabricar la barra de protección, lo cual acortó el proceso de forma considerable. Nuestra organización, sencilla y flexible, reduce las distancias entre el cliente y nuestros asesores y especialistas técnicos en Suecia, lo que nos permite cooperar con gran rapidez e intensidad. AHORROS CERCANOS AL 50 POR CIENTO La implantación del acero AHSS Docol en la producción de esta barra lateral fue muy sencilla. La conformación en frío es un proceso de producción de eficiencia demostrada y hasta la calidad más resistente de acero AHSS Docol tiene un alto grado de conformación, por lo que no requiere más que unos ajustes mínimos del herramental. En este caso, el fabricante de automóviles había calculado que el cambio de la estampación en caliente a la estampación en frío reduciría los costes de la barra en un 30 o un 40 por ciento. En realidad, las cifras mostraron un ahorro aún mayor, de casi un 50 por ciento. 11

12 Mayor enfoque en el diseño para desarrollar todo el potencial de los aceros AHSS Los aceros avanzados de alta resistencia (AHSS) son un modo excelente de reducir el peso y mejorar el rendimiento. Los aceros martensíticos y de fase dual ofrecen una buena combinación de resistencia, conformabilidad y soldabilidad. Esto, unido a la rentabilidad del conformado en frío, se traduce en soluciones altamente atractivas para piezas estructurales de la carrocería, así como piezas de seguridad como las barras de protección lateral, los sistemas de parachoques y las estructuras de asientos. Fuente: Opel 12

13 El Opel Insignia fue elegido Coche del Año Este modelo obtuvo 35 de los 37 puntos posibles en las pruebas de Euro NCAP, lo que le valió las valiosas 5 estrellas en protección del pasajero. El refuerzo de talonera del Opel Insignia está realizado con Docol 900 M con superficie ZE. Las piezas estructurales del techo y del suelo están fabricadas con Docol 980 DP. Fuente: Opel 13

14 Diseñar con AHSS Desde el punto de vista del diseño, el AHSS suele ser la solución preferente. No obstante, las altas tensiones y el bajo espesor de este material evidencian la conveniencia de encontrar una solución que aproveche todo su potencial. Los principales retos a los que enfrentarse en cuanto al diseño son los posibles efectos de pandeo local, la pérdida de rigidez y problemas de solidez y de fatiga. Aplicando un proceso adecuado de producción y de diseño resulta fácil enfrentarse a estos retos. SSAB ofrece pleno apoyo sus clientes en todas las cuestiones relacionadas con el diseño desde las fases iniciales de desarrollo del producto. LOS EFECTOS DE ENDURECIMIENTO DE LOS AHSS Los aceros martensíticos y de fase dual ofrecen un límite elástico inicial muy alto. Además de esta resistencia inicial, también muestran un endurecimiento por trabajo durante el conformado, así como un efecto de endurecimiento por cocción durante el proceso de pintado. Normalmente, el efecto de endurecimiento por trabajo es de unos 150 MPa para una deformación del dos por ciento, y el efecto correspondiente de endurecimiento por cocción es de otros 50 MPa para un proceso normal de pintado. Además del efecto de endurecimiento por trabajo y por cocción, los aceros AHSS muestran un efecto de endurecimiento por velocidad de deformación, es decir, soportan tensiones superiores a una velocidad de deformación mayor. Este efecto equivale a un incremento de unos 100 MPa para las velocidades de deformación altas que existen localmente cuando un vehículo sufre un accidente. POTENCIAL PARA AHORRAR PESO La alta resistencia del AHSS es una valiosa herramienta para reducir el peso de la carrocería, de los parachoques, de las barras de protección lateral, de las estructuras de los asientos, etc. Para ilustrar plenamente el potencial, se pueden analizar dos casos teóricos. Si existe un estado de tensión de membrana pura, en la plancha (gráfico 1a), la tensión es directamente proporcional al espesor. Si existe un estado de tensión de flexión pura, la tensión es proporcional al cuadrado del espesor (gráfico 1b). Al introducir un material que soporta mayores tensiones, se puede reducir el espesor manteniendo un rendimiento equivalente. En el gráfico 2 se muestra la reducción potencial de peso para ambos casos teóricos. En componentes reales de seguridad, la reducción posible de peso se sitúa en muchos casos entre estos dos extremos. En el caso de la flexión, no obstante, no es un límite inferior conservador ya que en el caso de diseños esbeltos se puede producir un pandeo local. Tal como se indica en el gráfico 2, el AHSS se centra en mayor medida en las medidas para evitar la flexión local y así aprovechar todo el potencial del material. Se deben tomar medidas para evitar un estado de tensión de flexión pura. Mediante la utilización de barras se transmite mejor un momento de tensión global. Los tubos o Gráfico 1 Gráfico 2 REDUCCIÓN DE PESO (%) F 90 EFECTO LONCHA Gráfico 1 Efecto Placa- y loncha. a) EFECTO LONCHA q M F b) EFECTO PLACA q Docol 600 DP Docol 1000 DP Docol 1200 M EFECTO PLACA Gráfico 2 Reducción del peso mediante el uso de AHSS para estados de tensión de membrana y de tensión de flexión. El límite elástico de las calidades indicadas de acero corresponde al límite elástico con un endurecimiento por trabajo del 2 por ciento y después del pintado. M LÍMITE ELÁSTICO (MPA)

15 Gráfico 5 Ejemplos de rigidizadores geométricos en una barra fabricada en Docol 1300 M. los perfiles conformados con rodillos constituyen un instrumento idóneo para diseñar y producir una geometría óptima que soporte momentos de flexión. RIGIDEZ LOCAL PARA APROVECHAR EL PLENO POTENCIAL DEL AHSS Como se menciona anteriormente, se puede producir un pandeo local al reducir el espesor durante un proceso de mejora. Este es inicialmente un fenómeno de inestabilidad elástica, en el que los pandeos locales se dan en segmentos delgados comprimidos y cortados con tensiones por debajo del límite plástico y, al hacerlo, no aprovechan todo el potencial del material. La introducción de rigidizadores locales para reducir la delgadez, junto a la mejora de los bordes (gráfico 3), ayudará a aprovechar el potencial del AHSS. PEQUEÑOS CAMBIOS EN EL DISEÑO PUEDEN MEJORAR SUSTANCIALMENTE LA RIGIDEZ Dado que el módulo de Young¹ es igual para el acero dulce y para el acero de alta resistencia, la rigidez de un solo componente se pierde en una situación de mejora en la que se reduce el espesor manteniéndose constantes el resto de los factores. Una manera de cumplir las exigencias de rigidez en un diseño consiste en modificar la geometría exterior. Un aumento de las dimensiones exteriores, a pesar del cual se seguiría reduciendo el peso de forma significativa, puede compensar la pérdida de rigidez derivada de la reducción del espesor. Otras medidas susceptibles de adoptarse son la utilización de rigidizadores geométricos locales, como acanaladuras, rebordes, rebordeado de agujeros y pinzas rigidizadoras (gráfico 5). Dichos rigidizadores podrían también limitar el pandeo local, reducir el retorno elástico durante la conformación y mejorar la precisión de las formas. En muchos casos, las uniones tienen una influencia considerable en la rigidez. Aplicar mayores esfuerzos en el diseño de las uniones puede provocar mejoras significativas. Cabe citar como ejemplos el mayor número de soldaduras por puntos, el mayor número de planos de soldadura o el cambio a la soldadura continua. Las secciones cerradas también contribuyen al aumento de la rigidez en comparación con las secciones abiertas. OPTIMIZAR LA ABSORCIÓN DE ENERGÍA Existe un potencial de reducción del peso de los componentes mediante el aumento de la resistencia del acero (gráfico 4). Normalmente, la energía absorbida es proporcional al cuadrado del espesor y directamente proporcional a la resistencia a la tensión del material. Si, por ejemplo, se aumenta al doble la resistencia a la tensión del acero, el espesor y el peso se pueden reducir en un 30 por ciento, produciéndose una absorción de energía equivalente. Uno de los retos principales al utilizar AHSS para absorber energía mediante plegado es garantizar un comportamiento sólido. El plegado progresivo resulta más difícil de conseguir en casos de colisión lateral puesto que la resistencia del material aumenta y el espesor se reduce. Para aumentar la solidez, se puede introducir un patrón efectivo de resortes o un cambio en la geometría global. Gráfico 3 Gráfico 4 a) b) c) d) e) M k = M o M k = 2 M o ENERGÍA ABSORBIDA (kj) ACERO DOCOL DOCOL DOCOL DULCE 600 DP 800 DP 1000 DP V= 0 V= 50 KM/H Gráfico 3 Ejemplos de rigidizadores: a) hendiduras b) ranuras y dobleces de bordes c) rigidizadores adicionales d) Lengüeta e) ejemplo en el que la capacidad de tensión aumenta al doble mediante el uso de rigidizadores 1. Gráfico 4 Resultados experimentales obtenidos de colisiones laterales en tubos cuadrados. Comparación de colisiones cuasiestáticas y dinámicas (velocidad inicial de impacto de 50 km/h). 1. SSAB Manual sobre Planchas de Acero ISBN

16 El plegado uniforme de Docol 1000 DP absorbe una cantidad enorme de energía. 16

17 Posibilidades totalmente nuevas gracias a métodos de conformación de eficiencia demostrada La mayoría de los AHSS tienen una buena conformabilidad y se pueden conformar utilizando procesos habituales. Sin embargo, en algunos casos hace falta ajustar los procesos de producción prestando especial atención a las propiedades del material. A menudo, un rediseño del componente puede compensar las diferencias de conformabilidad en relación con los aceros dulces. De hecho, el AHSS normalmente se puede procesar del mismo modo que el material al que sustituye, puesto que el espesor es uno de los factores que determina las fuerzas de conformación, plegado y cizalla. Actualmente, la conformación con rodillos es la técnica de conformación que muestra un mayor potencial dentro de la industria de la automoción. La razón entre el diámetro del agujero antes y después del abocardado se conoce como ratio de abocardado. Es fundamental tener en cuenta la localización de cualquier rebaba en el momento de realizar el abocardado en un acero avanzado de alta resistencia. Los formatos se deben situar de modo que la rebaba mire hacia el punzón en el momento del abocardado. Esto es así puesto que las fibras exteriores del material están sujetas a una deforma- Conformación de AHSS CONFORMACIÓN CON RODILLOS En cuanto a la conformación con rodillos, la familia Docol Roll es la estrella dentro de la gama de productos de SSAB. Estos aceros tienen las propiedades perfectas para la conformación con rodillos, por ejemplo una buena estabilidad y la posibilidad de perfilarlo con radios muy pequeños. Aunque el Docol Roll está optimizado para la conformación con rodillos, este proceso de conformación es perfectamente aplicable para todos los tipos de aceros avanzados de alta resistencia. El proceso de conformación con rodillos es menos exigente con los materiales que la prensa de plegado, por lo que permite la producción de perfiles con secciones transversales complejas y radios pequeños. La conformación con rodillos se puede combinar con operaciones simultáneas o posteriores como el punzonado, la soldadura y el plegado. La embutición se caracteriza por hacer pasar la totalidad o la mayoría del formato a través de la matriz. En la conformación por estiramiento, toda la deformación tiene lugar durante el punzonado, puesto que el material se encuentra totalmente sujeto por una pieza de sujeción de formato. Comparando estas dos técnicas de conformación, la embutición resulta el proceso más adecuado para los aceros avanzados de alta resistencia puesto que la embutibilidad es muy buena en relación con su resistencia. Si se presta especial atención a la optimización de la geometría del formato, se podrá mejorar aún más la embutición del material. No obstante, para prevenir la formación de pliegues, se debería utilizar una pieza de sujeción del formato, pero con una fuerza moderada que permita la embutición del material más que su estiramiento. Si no se utiliza ninguna sujeción, es decir, si se lleva a cabo una conformación por impacto, se pueden obtener resultados muy positivos en términos de reducción del retorno elástico. Para reducir aún más este efecto, se puede comenzar el proceso con una fase de conformación por impacto y finalizar con una secuencia de estampado, en la que se aplica una sujeción del formato y se estira el material. ABOCARDADO EMBUTICIÓN, MEJOR QUE ESTIRAMIENTO 17

18 ción mayor. Por lo tanto, cualquier defecto en la superficie se debería situar a lo largo de las fibras interiores, para así obtener el mejor resultado del rebordeado y minimizar el riesgo de grietas. EL PLEGADO Y EL RETORNO ELÁSTICO Durante el plegado, se aplica un momento de flexión a la plancha hasta que la parte exterior de ésta experimenta una deformación por tracción y la parte interior experimenta una compresión. La capacidad de plegado disminuye al aumentar la resistencia. Al plegar aceros avanzados de alta resistencia, los efectos de retorno elástico serán más pronunciados. No obstante, aumentar la deformación plástica del material durante el plegado puede compensar el retorno elástico. Esto se puede realizar sobreplegando el material y reduciendo el radio del punzón o la anchura de la apertura de la matriz. El retorno elástico también se puede reducir mediante el uso de rigidizadores. Un radio de punzón adecuado combinado con una anchura correcta de la apertura de la matriz resultan por tanto especialmente importantes a la hora de plegar aceros avanzados de alta resistencia. El efecto de retorno elástico también se puede reducir aplicando una fase inicial de embutición profunda y un estiramiento final del material. No se recomienda aumentar la fricción durante todo el proceso, por ejemplo reduciendo el radio de embutido y, consiguientemente, impidiendo que el material sea embutido dentro de la matriz, así como mayores efectos de retorno elástico como las curvaturas en las paredes laterales. Los resultados de la deformación se miden para una operación de embutición determinada o bien se miden los resultados de una Simulación por Elementos Finitos equivalente que posteriormente se representan en un gráfico y se comparan con la curva límite de conformación para el material específico utilizado. Si los resultados están por debajo de la curva, el material puede soportar la deformación. CIZALLA Y PUNZONADO Cuando se cizalla el acero avanzado de alta resistencia, la operación de corte se debe adaptar a la dureza, al espesor y a la resistencia al corte del acero, así como al diseño, a la rigidez y al desgaste de las cortadoras u otras máquinas que se vayan a utilizar. Es especialmente importante aplicar la holgura de corte adecuada a las hojas de la máquina cizalladora. La holgura de corte depende del espesor del acero, de su resistencia y de los requisitos de apariencia del borde cizallado. Cuando más grueso sea el material y mayor sea su resistencia, mayor deberá ser la holgura del corte. La fuerza de corte aumenta cuanto mayor sea la resistencia a la tensión, pero el cambio a los aceros avanzados de alta resistencia suele permitir reducciones en el espesor, por lo que se reduce sustancialmente la fuerza de corte necesaria. En la mayoría de los casos, las fuerzas de corte son similares a las necesarias para otros materiales más dulces. En dichos casos, no hay necesidad de cambiar la maquinaria de corte existente. 18 CURVA LÍMITE DE CONFORMACIÓN La curva límite de conformación (o FLC, por sus siglas en inglés) muestra la deformación que el material puede soportar en una determinada trayectoria de deformación o durante un determinado proceso de deformación. La FLC se puede utilizar como documentación o como ayuda para solventar operaciones de embutición. Al medir las tensiones sobre una parte embutida, se graba una retícula en el formato, es decir, sobre el material de muestra. Los cambios en el tamaño de cada cuadrado se registran digitalmente y constituyen una medida de las deformaciones plásticas que tienen lugar durante el conformado. ALTURA Z= Y= ANCHURA En el gráfico se muestran tres versiones de perfiles conformados de forma diferente. Un perfil óptimo (gris) con paredes laterales rectas y perpendiculares (conformación por impacto seguido de estiramiento). El siguiente perfil (amarillo) es muy similar al primero, pero no se ha sometido a estiramiento. El tercer perfil (naranja) muestra los efectos de las curvaturas en las paredes laterales debido al alto estiramiento del material contra el radio de la matriz durante la secuencia de embutición.

19 Conformación en frío o estampación en caliente? Los nuevos materiales no requieren necesariamente nuevos métodos de conformación. La demanda creciente de aceros avanzados de alta resistencia en la industria de la automoción ha llevado al desarrollo de nuevas técnicas avanzadas de conformación. También ha favorecido un mayor conocimiento sobre el modo de producir con aceros avanzados de alta resistencia utilizando métodos tradicionales de conformación. A día de hoy, una de las cuestiones principales es determinar qué método de conformación se debe utilizar para fabricar componentes de automoción: la conformación en frío de aceros avanzados de alta resistencia o el estampado en caliente de aceros al boro? La conformación en frío de aceros avanzados de alta resistencia es un método de eficiencia demostrada que se ha venido utilizando de forma extendida durante los últimos años. Los costes de producción y las rentabilidades de inversión también se pueden calcular fácilmente. El estampado en caliente de acero al boro ha crecido con rapidez durante los últimos años, pero el número de fabricantes que utilizan este proceso sigue siendo reducido en comparación con los que utilizan la conformación en frío. Una de las razones es que la conformación en frío es un método eficiente y competitivo de conformación para todos los componentes de automoción salvo para los más exigentes, como las piezas con una geometría muy compleja y las piezas que requieren una resistencia extremadamente alta. En general, la gran mayoría de las comparaciones favorecen a la conformación en frío de aceros avanzados de alta resistencia. Por ejemplo, al fabricar barras de protección lateral y refuerzos para parachoques, se alcanza el mismo nivel de resistencia con ambos métodos, pero la conformación en frío ofrece significativas ventajas en cuanto a coste. De hecho, el estampado en caliente es, de media, un por ciento más caro que la conformación en frío. Una de las razones que explican esta gran diferencia en el precio es el rápido ciclo de producción para cada pieza conformada en frío. Otra importante ventaja de la conformación en frío es que las grandes inversiones en maquinaria y herramientas ya se han realizado, lo que permite que la transición a los aceros avanzados de alta resistencia sea sencilla y rápida. Las dificultades relacionadas con la conformabilidad y el retorno elástico en la conformación en frío se pueden solventar mediante una combinación de diseño y cambios en el equipamiento. El proceso de conformación en frío ofrece otra ventaja adicional. La soldadura del material es más sencilla y se puede proteger contra la corrosión mediante galvanización en caliente o mediante electrogalvanización. El continuo desarrollo de nuevos métodos de conformación en frío, como la conformación 3-D con rodillos, también contribuye a aumentar constantemente su ámbito de aplicación en productos más avanzados. Además, la conformación en frío de aceros avanzados de alta resistencia ofrece una mayor consistencia en lo que respecta a la calidad del producto que el estampado en caliente de aceros al boro. Chang an Lingyun, una joint venture de Lingyun y Chang an Auto en China, ha creado una nueva barra de protección lateral para puertas de coche utilizando Docol 1200 M. Anteriormente, fabricaban las barras con acero al boro estampado en caliente, pero ahora la empresa ha cambiado al acero avanzado de alta resistencia conformado en frío en un esfuerzo por reducir costes. La nueva barra alcanzó la misma eficacia en protección contra impactos. INFORMACIÓN SOBRE CHANG AN LINGYUN: Chang an Lingyun fabrica piezas para automóviles centrándose en la fabricación y venta de productos perfilados con rodillos, estampados, plegados en 3D y conformados. Chang an Lingyun cuenta con una gama diversificada de productos y ha establecido asociaciones valiosas con empresas como Changan Group, Changan Ford, Changan Suzuki, Hebei Changan y Chongqing Isuzu. 19

20 Soldadura con métodos habituales y pequeñas modificaciones Los aceros avanzados de alta resistencia se pueden utilizar con todos los métodos de soldadura comunes en la industria de la automoción, como la soldadura por resistencia eléctrica, la soldadura por arco y la soldadura láser. En muchos casos, se pueden utilizar los mismos parámetros de soldadura para el acero AHSS que los utilizados para los aceros dulces. 20 Soldadura de aceros avanzados de alta resistencia Gráfico 1 Influencia de la fuerza de electrodo en el rango de corriente de soldadura por puntos de resistencia del Docol 1000 DP, 1.2 mm. Datos de la soldadura: punta del electrodo, diám 6 mm, tiempo de soldadura 14 cy, tiempo de mantenimiento 10 cy. Diámetro mínimo de punto de soldadura 4 mm. SOLDADURA POR RESISTENCIA ELÉCTRICA La soldadura por puntos de resistencia es el método de soldadura más común para planchas de acero en la producción de carrocerías de coches. Se utilizan máquinas de soldadura por puntos AC (Corriente Alterna) y MFDC (Corriente Continua a Media Frecuencia) para los aceros avanzados de alta resistencia junto con la soldadura convencional de pulso simple. Utilizando una fuerza de electrodo aumentada en comparación con el nivel normal para aceros dulces, en combinación con unos tiempos de soldadura ligeramente superiores, se obtendrán resultados óptimos (gráf. 1). Los estudios de soldabilidad utilizan generalmente curvas de soldadura (dimensiones de una soldadura frente a corriente de una soldadura) y dominios de soldabilidad con el objetivo de maximizar el rango de soldadura y así lograr el máximo margen de seguridad posible en la calidad de la soldadura. Diversos estudios sobre aceros avanzados de alta resistencia han mostrado que se pueden obtener rangos amplios de corrientes de soldadura para aceros avanzados de alta resistencia cuando se utilizan parámetros de soldadura optimizados. FUERZA DE ELECTRODO 5000 N 4000 N 3000 N RANGO DE CORRIENTE (ka) SOLDADURA POR ALTA FRECUENCIA La soldadura por alta frecuencia (HF) es el principal proceso de soldadura utilizado en la fabricación de tubos de acero soldado conformados en frío, muy utilizados en aplicaciones para automoción. Durante el proceso de soldadura los bordes de la plancha se calientan rápidamente hasta una temperatura elevada y entonces se unen mediante alta presión para crear una junta resistente. Este proceso también se puede aplicar a los aceros avanzados de alta resistencia. Sin embargo, en el caso de aceros AHSS de muy alta resistencia (por ejemplo el acero Docol de ultra alta resistencia) se producirá una caída de la dureza en HAZ. No obstante, en la mayoría de los casos esto no supone inconveniente alguno. SOLDADURA POR ARCO DE ACERO SIN RECUBRIMIENTO Se pueden utilizar diversos métodos de soldadura, como la soldadura GMAW, la soldadura TIG y la soldadura por plasma para los aceros AHSS sin recubrir. Al mismo tiempo, los gases protectores utilizados para los aceros dulces también se pueden aplicar a los aceros avanzados de alta resistencia. A pesar del mayor contenido de aleación de los aceros avanzados de alta resistencia, no se da una mayor cantidad de imperfecciones en la soldadura en comparación con la soldadura por arco de los aceros dulces. Hay muchos materiales de aporte disponibles para la soldadura por arco de los aceros avanzados de alta resistencia. La resistencia de las soldaduras por arco de los aceros Docol aumenta al aumentar la resistencia del metal base (gráf. 2).

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