lunes, 4 de mayo de 2009
Ciclo térmico de la soldadura
1. Introducción.
A fin de controlar los sucesos metalúrgicos en soldadura, deben quedar establecidas las condiciones térmicas en el metal fundido y en sus proximidades. En particular ha de conocerse:
- La distribución del máximo o pico de temperaturas en la zona térmica afectada.
- La velocidad de enfriamiento en el metal fundido y en la zona térmica afectada.
- La velocidad de solidificación del metal fundido.
2. Distribución de la temperatura.
Veamos cómo afecta el calor proporcionado por el foco térmico a los materiales durante su soldeo.
Supongamos (figura siguiente) que una llama o arco eléctrico se aplica sobre la superficie AB y que pudiéramos colocar termómetros distribuidos inmediatamente debajo de la superficie, tal como se indica en la figura. Si no existiera propagación del calor obtendríamos una zona calentada directamente por el foco calorífico, que alcanzaría la temperatura de fusión y el resto del metal permanecería a la temperatura ambiente, como se muestra en la línea continua. En la realidad, sin embargo, los metales son buenos conductores; sus átomos pasan rápidamente el calor a sus vecinos. Por otra parte, el calor para fundir el metal no se suministra instantáneamente, el calor del arco es un producto de voltios, amperios y tiempo. Las lecturas los termómetros tomarán la distribución representada por la curva de trazos, que habrá tenido en cuenta las leyes de la conducción y el tiempo.
Ahora bien, el soplete o el arco no permanecen estacionarios, sino que se desplazan alejándose de la sección que hemos considerado. La zona que ha recibido directamente el calor del arco y sus proximidades comenzarán su enfriamiento, es decir, descenderán de temperatura, mientras que las más alejadas irán recibiendo el calor de sus vecinas más próximas a la zona calentada, y elevarán su temperatura. Al cabo de, digamos, uno, dos, tres, etc. segundos, las curvas de distribución de temperatura en esa sección considerada irán variando, como se muestra en la siguiente figura, transformándose la curva, según va pasando el tiempo y se va alejando el foco calorífico, en otra cada vez más tendida, hasta que es prácticamente horizontal y termina confundiéndose con una recta cuando se alcanza la temperatura ambiente.
Para la determinación de la forma de las curvas citadas influyen principalmente los siguientes factores:
1. El baño fundido, que actúa como foco de calor más o menos permanente.
2. La masa de metal base, que absorbe el calor.
3. La temperatura inicial del metal base, que incide sobre el gradiente de temperatura.
3. Gradiente de temperatura.
Llamamos gradiente de temperatura a la diferencia de esta magnitud entre dos puntos que distan entre sí una unidad de longitud. El salto de temperatura nos determina la velocidad del flujo de calor entre ambos puntos. Por lo tanto, cuanta mayor diferencia de temperaturas haya, mayor será la velocidad de enfriamiento o de calentamiento. El gradiente entre dos puntos no es constante con el tiempo, como puede verse en la anterior figura. En un instante dado (el segundo 1) la curva de distribución, considerada entre dos puntos, es la curva B, mientras que en el siguiente segundo, es la curva C, que da entre los mismos puntos un salto de temperatura menor.
De análoga manera, tampoco la temperatura en un punto determinado permanece fija. En la misma figura, en el punto correspondiente al centro, por ejemplo, vemos que las temperaturas correspondientes a dos curvas son distintas y por lo tanto varían con el tiempo. Si representamos la variación de las temperaturas correspondientes a los puntos 1, 2, 3 y 4 a lo largo del tiempo obtendremos las curvas dibujadas en la siguiente figura. Observando esta figura, podemos ver que la velocidad de calentamiento es mucho más rápida que la de enfriamiento, y que la cota máxima alcanzada es tanto más alta cuanto más próximo está el punto del arco.
Por otra parte, las velocidades de enfriamiento son siempre inferiores a las del metal fundido en cada momento, y tanto menores cuanto más alejado esté el punto del baño fundido.
4. Cambios de temperatura durante el soldeo.
El metal adyacente a una soldadura está expuesto a ciclos térmicos rápidos, produciéndose en esta región diferentes y complejos cambios metalúrgicos. Teóricamente, si tanto los ciclos térmicos implicados como la respuesta del metal o aleación al ciclo térmico particular fueran conocidos, los cambios resultantes en la microestructura y propiedades mecánicas podrían predecirse. Desgraciadamente, el estado actual de conocimientos apenas incluye información cuantitativa, tanto en relación con el ciclo térmico implicado como con los cambios metalúrgicos producidos en la zona afectada térmicamente por la soldadura. Sin embargo, existen acumulados datos considerables del efecto de las variables del arco de soldeo sobre la distribución de temperaturas en las proximidades de una soldadura; por ello, consideraremos aquí con algún detalle el proceso de soldeo por arco. Ciertas generalidades, aplicables cualitativamente a otros procesos de soldeo, serán también consideradas. Tales generalidades pueden ayudar al técnico de Construcciones Metálicas a la hora de entender la importancia de los efectos de la temperatura durante el soldeo.
4.1. Factores que influyen en los cambios de temperatura en el soldeo por arco.
Las investigaciones han demostrado que la distribución de temperaturas en el soldeo por arco manual está influenciada por los siguientes factores:
a) Aporte térmico. Por ejemplo, la tasa de generación de calor en una soldadura por arco manual realizada con 20 voltios, 200 amperios y una velocidad de desplazamiento de 250mm. por minuto es de 960 julio por mm.
b) Temperatura inicial de la chapa (o temperatura de precalentamiento).
c) Geometría de la soldadura. La geometría de la soldadura se refiere al espesor de la pieza, la forma y dimensión del depósito de soldadura y el ángulo entre las piezas a unir.
d) Características térmicas del material. Se definen por la conductividad térmica, la densidad, el calor específico y la difusividad térmica.
e) Dimensión del electrodo. Este factor es de importancia secundaria, pero influye en el tamaño efectivo de la fuente de calor.
Los cambios metalúrgicos en los aceros de construcción se producen tras la exposición a temperaturas entre la temperatura crítica inferior (Ac1) y la temperatura de fusión o de líquidos (es decir: entre unos 705º C y 1480º C respectivamente). Por lo tanto, cuando se establece el arco de soldeo en un acero de construcción, las regiones de la zona afectada térmicamente, ZAT, que alcancen valores puntuales de temperatura entre los límites arriba indicados, experimentarán cambios significativos en su microestructura y propiedades mecánicas.
4.2. Ciclos térmicos típicos en las soldaduras.
La figura siguiente muestra casos típicos de una familia de ciclos térmicos producidos en una chapa de 12,5 mm. de espesor por un arco de soldadura con un aporte térmico de 3.940 julios/mm. y con una temperatura inicial de la chapa de 27°C (temperatura ambiente). La curva superior representa el ciclo térmico en un punto situado a 10 mm. del centro del cordón que alcanza una temperatura máxima de 1365°C. La curva más baja corresponde al ciclo térmico en un punto a 25.5 mm. del centro del cordón donde se alcanza una temperatura máxima de 520ºC. Las curvas intermedias representan los correspondientes ciclos térmicos a distancias de 11,5; 14 Y 18 mm. desde el centro del cordón.
La forma de las 5 curvas mostradas en la figura son un modelo típico para todos los arcos de soldadura, se debe destacar que:
La temperatura máxima que se alcanza en un punto disminuye rápidamente con el aumento de la distancia entre el punto y el centro del cordón.
El tiempo necesario para alcanzar en un punto la temperatura máxima aumenta con la distancia desde el punto al centro del cordón.
Tanto la velocidad de calentamiento como la de enfriamiento en un punto disminuyen con el aumento de la distancia del punto al centro del cordón.
4.3. Efectos del aporte térmico y de la temperatura de precalentamiento.
La siguiente figura muestra el efecto del aporte térmico y de la temperatura de precalentamiento sobre la distribución de la temperatura máxima en la ZAT, zona afectada térmicamente, de una soldadura manual por arco de acero. Las dos curvas superiores comparan la distribución de las temperaturas máximas producida por un aporte térmico 3.940 julios/mm. con temperaturas de precalentamiento de 27°C y de 260°C. Las dos curvas inferiores presentan datos similares para un valor del aporte térmico de 1.970 julios/mm., mitad del anterior.
De la figura se desprende que:
Disminuyendo bien el aporte térmico o bien la temperatura de precalentamiento, se obtiene una distribución de temperaturas máximas en la zona térmicamente afectada por la soldadura con mayor pendiente.
Aumentando el aporte térmico se produce un significativo aumento en la distancia desde el centro del cordón al punto que experimenta una determinada temperatura máxima, para cualquier valor de la temperatura máxima.
Aumentando la temperatura de precalentamiento aumenta la distancia desde el centro del cordón a un punto que experimente una determinada temperatura máxima.
Se debe destacar que, en cada caso, la zona afectada térmicamente, ZAT, fácilmente visible en los aceros, se extiende desde la localización donde se alcanza una temperatura máxima igual a la de líquidus hasta donde el calentamiento alcanza justo la temperatura crítica inferior (Ac1). Por lo tanto, el ancho de las zonas afectadas térmicamente para cada una de las cuatro condiciones estudiadas es de 6,1; 11,1; 2,0 Y 3,2 mm., leyendo de arriba hacia abajo en la tabla siguiente.
La figura siguiente resume el efecto del aporte térmico y de la temperatura de precalentamiento sobre las formas de las curvas que representan ciclos térmicos en soldaduras reales. Los cuatro ciclos térmicos mostrados fueron escogidos por alcanzarse en todos ellos una temperatura máxima de 1365°C a diferentes distancias del centro del cordón.
Debe notarse que para las temperaturas máximas próximas a la de líquidos:
Para una determinada temperatura de precalentamiento, un aumento del aporte térmico causa un incremento del tiempo de exposición a temperaturas cercanas a la máxima y una disminución en la velocidad de enfriamiento.
Para un determinado aporte térmico, si se aumenta la temperatura de precalentamiento disminuye la velocidad de enfriamiento pero no se modifica sensiblemente el tiempo de exposición a temperaturas cercanas a la máxima.
La tabla siguiente, recopilación de lo representado en la figura anterior, resume el tiempo de exposición a temperaturas por encima de 1090°C y la velocidad de enfriamiento a 650°C para los Cuatro ciclos térmicos representados.
En ella se puede ver que para una temperatura de precalentamiento de 27°C (temperatura ambiente), aumentando el doble el aporte térmico, desde 1.970 a 3.940julios/mm., aumenta el tiempo por encima de 1090°C de 5 a 16,5 segundos y disminuye la velocidad de enfriamiento a 650°C de 14 a 4,4 ºC/s.
4.4. Efectos del espesor y de la geometría de la soldadura.
El efecto del espesor sobre los ciclos térmicos en soldadura puede verse en la siguiente figura. Los datos que se muestran comparan ciclos térmicos, con una temperatura máxima de 1200º C, de soldaduras a tope de chapas con 6,2; 12,5 Y 25,4 mm. de espesor, realizadas con un aporte térmico de 1.970 julios/mm. Se puede ver que la velocidad de enfriamiento tiende a aumentar cuando lo hace el espesor de las chapas, mientras que el tiempo a elevada temperatura tiende a disminuir cuando el espesor, de las chapas aumenta. El efecto del espesor es algo complejo y el modelo del flujo de calor cambia considerablemente de chapas delgadas a chapas gruesas. En chapas delgadas, las isotermas de temperatura tienden a extenderse verticalmente hacia abajo en el interior de la chapa formando superficies curvas casi perpendiculares a la superficie de la chapa. Por otro lado, con chapas muy gruesas las isotermas tienden a aproximarse a superficies de revolución alrededor del eje longitudinal de soldadura. Por lo tanto, el modelo del flujo de calor cambia de flujo en dos dimensiones para chapas muy delgadas, a flujo en tres dimensiones para chapas muy gruesas. Este cambio explica de una forma cualitativa la influencia conocida
del espesor sobre las velocidades de enfriamiento. El mismo efecto se presenta, aunque en menor grado, en las soldaduras en ángulo, donde el camino adicional para el flujo de calor llega a tener influencia en chapas aún más delgadas debido a la geometría de la unión.
Destacamos el hecho de que las velocidades de enfriamiento para las soldaduras en ángulo son, por término medio, tres o cuatro veces las de las soldaduras a tope en chapas de 12 mm. de espesor. Sin embargo, esta diferencia llega a ser menos pronunciada con chapas más gruesas y durante la última pasada de las soldaduras en ángulo.
4.5. Efecto de las características térmicas del material.
No se dispone de datos cuantitativos que nos muestren el efecto de las características térmicas del material. Sin embargo los razonamientos siguientes pueden ser de utilidad:
Cuanto más baja sea la difusividad térmica del material, más pronunciada será la distribución de las temperaturas máximas.
Cuanto más alta sea la difusividad térmica, más alta será la velocidad de enfriamiento para un ciclo térmico con una determinada temperatura máxima.
Cuanto más alta sea la difusividad térmica, más corto será el tiempo expuesto a elevada temperatura para un ciclo térmico con una determinada temperatura máxima.
En la tabla siguiente se indica la difusividad térmica a temperatura ambiente y la temperatura de fusión para ciertos metales de interés técnico.
5. Ecuación del máximo de temperatura
La predicción, o interpretación, de las transformaciones metalúrgicas en un punto del metal sólido próximo a una soldadura, requiere algunos conocimientos acerca de cómo se alcanza el valor de temperatura máximo en un determinado lugar. Por ejemplo, en el soldeo a tope con penetración completa y de una sola pasada realizada en chapa, la distribución de las temperaturas máximas, en el metal base adyacente a la soldadura, viene dada por la ecuación:
donde:
Tp= Temperatura máxima (C) a una distancia Y (mm) del extremo o contorno del metal fundido (La ecuación solo es válida para puntos situados en la ZAT, no para puntos situados en el metal fundido).
T0= Temperatura inicial de la chapa (C).
Tm= Temperatura de fusión (C).
Hnet= Energía aportada neta = f1EI/V (E= voltios, I= amperios, f1=rendimiento de la transferencia de calor, V= velocidad de traslación de la fuente de calor en mm/seg)
Ρ = densidad del material (g/mm3)
C = calor específico del metal sólido (J/gxC)
t = espesor de la chapa
Y = distancia al contorno del metal fundido
La ecuación del máximo de temperatura se puede utilizar con diferentes propósitos entre los que se encuentran:
- Determinación de la temperatura máxima en puntos determinados de la ZAT.
- Estimación del ancho de la ZAT
- Demostrar el efecto causado por el precalentamiento sobre el ancho de la ZAT
Por ejemplo, se efectúa una soldadura sobre acero con penetración completa y de una sola pasada empleando los siguientes parámetros.
La temperatura máxima calculada a distancias de 1.5 y 3 mm del contorno del metal fundido serán:
Para Y = 1.5 mm
Para Y = 3 mm
Como era de esperar, la temperatura máxima disminuye cuando nos alejamos de la zona soldada. También puede observarse que para Y=0 tenemos Tp=Tm, lo que significa que la temperatura máxima justo donde termina la zona de fusión es igual a la temperatura de fusión del material.
5.1. Cálculo del ancho de la ZAT.
Uno de los empleos más interesantes de la ecuación que nos da la temperatura máxima en un punto, es el de cálculo de la anchura de la ZAT por la soldadura. Sin embargo, para calcular la anchura con exactitud debe identificarse, el extremo de la ZAT más alejado de la soldadura mediante un valor máximo de la temperatura en dicho extremo, este valor de la temperatura tiene, a su vez, que corresponder con algún cambio estructural o de las propiedades del material que se suelda. Por ejemplo, la mayoría de los aceros al carbono, o de baja aleación, tienen un contorno definido, que puede observarse una vez pulida y atacada químicamente la sección transversal de la soldadura, en aquellos puntos que ha alcanzado una temperatura máxima de 730º C. Si suponemos que él contorno así definido nos fija el contorno más alejado de la ZAT, podemos calcular la anchura de ésta correspondiente al ejemplo anterior. En este caso del problema es determinar el valor de Y para el cual Tp = 730º C.
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 5,9mm.
Por lo anterior, puede predecirse que el contorno característico de los puntos que alcanzaron 730º C está a 5,9 mm. del perímetro de la zona de metal fundido, o que una región de 5,9 mm. de ancho, adyacente al metal fundido, ha cambiado estructuralmente y puede quedar afectada por el calor durante el soldeo.
Si el acero hubiese sido templado y revenido, revenido a 430º C, entonces cualquier región calentada por encima de los 430º C habrá sufrido, en teoría, un "sobre-revenido" y puede exhibir propiedades modificadas. Es razonable considerar la zona modificada como "afectada por el calor" con extremo más alejado situado donde Tp = 430º C.
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 14,2mm.
Los aceros que admiten el tratamiento de temple y revenido generalmente se les da un precalentamiento antes de empezar a soldar. Este precalentamiento afecta a la ZAT ensanchándola. Refiriéndonos al ejemplo anterior, si la temperatura de precalentamiento es T0= 200º C tenemos:
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 28,4mm.
Se ve que con este procedimiento el ancho de la ZAT se ha duplicado.
Finalmente, una de las conclusiones más simple e importante que se deduce de la ecuación del máximo de temperatura es la de que el ancho de la ZAT es directamente proporcional a la energía neta aportada. Utilizando de nuevo el ejemplo anterior, pero sin precalentamiento, si suponemos que la energía neta aportada aumenta un 50%, tendremos que Hnet = 1080 J/mm.
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 21,3mm. O sea el ancho de la ZAT ha aumentado también un 50%.
A pesar de que la ecuación del máximo de temperatura es de gran utilidad, es importante no olvidar las limitaciones existentes sobre su aplicación. La limitación más importante es que la ecuación sólo es aplicable a chapas delgadas en las cuales la conducción del calor se efectúa en direcciones paralelas al plano de la chapa. La ecuación se aplica en procesos de pasadas únicas de penetración completa, soldeo o corte térmico, con independencia del espesor de la chapa. De hecho, también se aplica a cualquier soldadura por arco de penetración completa con menos de 4 pasadas. La ecuación puede aplicarse sobre la base de una por pasada, sin embargo, la temperatura entre pasadas, aquella a la cual la zona de soldadura se enfría entre una y otra pasada, puede considerarse como un valor de T0 en la ecuación del máximo de temperatura.
6. Velocidad de enfriamiento.
El siguiente aspecto en importancia a tener en cuenta durante el flujo térmico es la velocidad de enfriamiento de la soldadura. Después de que un punto, en el metal fundido, o en sus proximidades, haya alcanzado su máximo de temperatura, la velocidad a la cual se enfría puede tener un significativo efecto sobre el estructura metalúrgica, las propiedades, o incluso la pureza del metal base. Esto es de principal interés en los aceros tratados térmicamente.
6.1. Ecuación de la velocidad de enfriamiento para chapas gruesas y delgadas.
Los cálculos y comparaciones de las velocidades de enfriamiento requieren una cuidadosa especificación de las condiciones en que se producen. Indicar solamente "velocidad de enfriamiento" de una soldadura no es adecuado, debido a que la velocidad de enfriamiento varía, como el gradiente térmico, con la posición y el tiempo. El método más útil es determinar la velocidad de enfriamiento sobre el eje de la soldadura en el momento en que el metal está a una temperatura determinada de interés, Tc. A temperaturas por debajo de la de fusión, la velocidad de enfriamiento en la soldadura y en su zona afectada térmicamente inmediata es substancialmente independiente de la posición.
En los aceros al carbono y de baja aleación, la temperatura de interés está en las proximidades de la "nariz" perlítica de temperaturas sobre el diagrama tiempo-temperatura-transformación (diagrama TTT). La temperatura exacta no es crítica pero debe ser la misma para todos los cálculos y comparaciones. Un valor de Tc = 550º C es suficiente para la mayoría de los aceros.
El uso práctico más importante de la ecuación de la velocidad de enfriamiento es el cálculo de los requisitos de precalentamiento. Por ejemplo, cuando las chapas son relativamente gruesas y se necesitan varias pasadas, más de seis para completar la unión, la velocidad de enfriamiento, R, viene dada por:
Donde:
R = Velocidad de enfriamiento en un punto sobre el eje central de la soldadura (C/seg) en el momento justo en que el punto se está enfriando a la temperatura de interés Tc.
k= Conductividad térmica del metal (J/mm, x seg, x C)
Estrictamente hablando, la velocidad de enfriamiento es máxima sobre el eje central de la soldadura, y es este máximo el que nos viene dado por la ecuación.
Sin embargo, la velocidad de enfriamiento en las proximidades de la zona fundida es sólo un pequeño tanto por ciento menos que la del eje central de la soldadura. Consiguientemente, la ecuación de la velocidad de enfriamiento se aplica a toda la soldadura y a la inmediata ZAT.
Si las chapas son relativamente delgadas, requiriendo menos de cuatro pasadas, la fórmula es:
La distinción entre chapa gruesa y delgada requiere algunas explicaciones. La ecuación para chapas gruesas se emplea cuando el flujo de calor es tridimensional, hacia abajo tanto como hacia los laterales de la soldadura. La ecuación de chapas gruesas se podría aplicar, por ejemplo, a un pequeño cordón depositado sobre una chapa de espesor grueso. La ecuación para chapas delgadas se aplicaría a cualquier pasada única, soldadura de penetración completa, o corte térmico. Algunas veces, no es fácil determinar si la chapa es gruesa o delgada debido a que estos términos no tienen un significado absoluto. Por esta razón, es útil definir una cantidad adimensional “denominada espesor relativo de la chapa” r.
La ecuación para chapas gruesas se aplica cuando r es mayor de 0,9 y la ecuación de chapas delgadas cuando r es menor que 0,6. Cuando r está comprendido entre 0,6 y 0,9 la ecuación de las chapas gruesas da una velocidad de enfriamiento demasiada alta y la ecuación de las chapas delgadas una velocidad que es demasiado baja. Sin embargo, si se efectúa una división arbitraria a un valor de r = 0,75, considerando los valores más altos como chapas gruesas y los que estén por debajo como chapas delgadas, el error máximo no suele exceder del 15% en los cálculos de la velocidad de enfriamiento, siendo menor aún el error al aplicar las ecuaciones para calcular las necesidades de precalentamiento.
6.2. Temperatura de precalentamiento y velocidad de enfriamiento crítica.
De las ecuaciones de la velocidad de enfriamiento, se deduce que un aumento de la temperatura inicial T0 del metal base produce una reducción de la velocidad de enfriamiento. Este es el motivo por el cual se suelen precalentar los aceros fácilmente endurecibles. Para cada composición química de los aceros, existe una velocidad de enfriamiento crítica; si la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura supera este valor cítrico, se formarán estructuras martensíticas duras en la ZAT, existiendo el riesgo de agrietamiento. La ecuación de la velocidad de enfriamiento puede utilizarse para:
- Determinar la velocidad de enfriamiento crítica en determinadas condiciones de soldeo.
- Calcular las temperaturas de precalentamiento.
La forma más simple de determinar la velocidad de enfriamiento crítica es depositar una serie de cordones sobre el material base manteniendo constantes todos los parámetros excepto la velocidad de soldeo.
Por ejemplo supongamos E=25 V; I = 300 A; t = 6 mm.; f1 = 0,9; T0 = 25º C.; Tc = 550º C. y que los cordones se han depositado con unas velocidades de 6, 7, 8, 9 y 10 mm/seg. Efectuando ensayos de dureza, se encuentra que las estructuras duras solamente se desarrollaron en las ZAT de los cordones depositados a 9 y 10 mm/seg.
La conclusión que se deduce es que la velocidad de enfriamiento crítica se produce con una velocidad de soldeo de alrededor de los 8 mm/seg. El cordón depositado con esta velocidad experimenta una velocidad de enfriamiento que debe considerarse en este caso como máxima.
En estas circunstancias el aporte térmico es:
y el espesor relativo es
por lo tanto, podemos aplicar la ecuación para chapas delgadas, resultando:
De los valores anteriores deducimos que 6 C/seg. es aproximadamente la velocidad de enfriamiento crítica en las condiciones de soldeo establecidas. Esta velocidad de enfriamiento puede conseguirse mediante el empleo de un cierto precalentamiento.
Por ejemplo, si las condiciones de soldeo son: E=25V, I=250ª, V=7mm/seg, t= 9mm, f1=0,9 y suponemos válida la ecuación para chapas delgadas tenemos:
Donde Hnet=25(250)0,9/7=804 J/mm
por lo que T0=162º C
y el espesor relativo es
con lo que la aplicación de la ecuación de chapas delgadas fue correcta.
Si la temperatura inicial es de 162º C ó mayor, la velocidad de enfriamiento no superará los 6º C/seg. y no se nos formarán estructuras frágiles en las ZAT.
El enfriamiento de las soldaduras depende de los posibles caminos de conducción de calor que existan en las proximidades del metal base frío, como se observa en la siguiente figura. En algunas ocasiones es necesario modificar las ecuaciones de la velocidad de enfriamiento para uniones a tope o para el depósito de cordones sobre chapas. Si tenemos que soldar una unión en T con chapas de 9 mm. de espesor, tendremos 3 caminos de conducción en lugar de los dos que teníamos al soldar a tope. La ecuación de la velocidad de enfriamiento se modifica consecuentemente; disminuyendo el aporte térmico efectivo mediante la introducción de un factor de 2/3.
Debido a este más rápido enfriamiento, serían necesarias temperaturas de precalentamiento superiores que las equivalentes en uniones a tope. Una situación similar se nos presenta en el soldeo en ángulo de chapas de gran espesor. Si en las condiciones anteriores se deposita un cordón en ángulo entre 2 chapas de 50 mm de espesor, la soldadura estará rodeada por una mayor cantidad de metal frío que si hubiera sido depositado sobre una chapa del mismo espesor. Como en el ejemplo anterior, se debe introducir un factor reductor del aporte térmico.
Las variables que afectan a la velocidad de enfriamiento y a la distribución de temperaturas máximas, distintas de las inherentes a las características del material, son la temperatura inicial, espesor y aporte térmico. Si precalentamos para controlar la velocidad de enfriamiento, la temperatura requerida puede variar ampliamente en función de las otras condiciones, pudiendo ser necesarios precalentamientos altos al soldar chapas gruesas con aportes térmicos bajos, esencialmente en uniones en ángulo.
En el soldeo de aceros endurecibles, la velocidad de enfriamiento crítica es una característica del acero y debe determinarse, en las condiciones en que vaya a ser soldado. Aunque los diagramas TTT están publicados para todos los aceros, éstos han sido obtenidos bajo condiciones relacionadas con tratamientos térmicos convencionales, que no son las circunstancias especiales que se presentan en las ZAT de las soldaduras. Por lo general, las ZAT se endurecen más fácilmente que el mismo acero sometido a un tratamiento térmico, esto significa que en estas zonas la velocidad de enfriamiento crítica es menor.
La selección de la temperatura de precalentamiento debe efectuarse teniendo en cuenta tanto los cálculos teóricos como la experiencia práctica. La temperatura de precalentamiento óptima es aquella que mantiene una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la velocidad de enfriamiento crítica, con un cierto margen de seguridad. El precalentamiento excesivo, además de incrementar las condiciones desfavorables para el soldador, aumenta el tamaño de la ZAT.
La temperatura de precalentamiento no debe considerarse como una propiedad fija del acero a soldar; es la velocidad de enfriamiento la que debe considerarse como un parámetro para cada tipo de acero, pues el establecer, como por ejemplo se hace en los aceros endurecibles, que la temperatura de precalentamiento es de 200º C. sin especificar otra cosa, puede ser que en ciertos casos sea demasiado alto y en otros demasiado bajo.
La anterior figura es el diagrama TTT (tiempo-temperatura-transformación) correspondiente a un tipo de acero. Las zonas rayadas representan las áreas de transformación de la austenita, indicativas de que una curva de enfriamiento que las atraviese produciría en el metal la transformación indicativas en cada una de ellas, debiéndose procurar, por tanto, que dicha curva evite la zona señalada A/M (formación de martensita) o A/B (formación de bainita). De aquí la importancia de que cuando se presume un enfriamiento rápido, por ejemplo, cuando el material es muy grueso, se rebaje la velocidad de enfriamiento de la pieza aumentando la temperatura de la misma por medio de un precalentamiento y aún de un postcalentamiento si fuese necesario.
7. Tiempo de solidificación.
La velocidad a la cual el metal fundido solidifica durante el soldeo, puede tener un efecto acusado sobre su estructura metalúrgica, propiedades, facilidad de tratamiento térmico y contenido de impurezas. El tiempo de solidifición, St (seg.) del metal fundido depende del aporte térmico neto y viene dado por la fórmula:
donde St = tiempo de solificación, tiempo transcurrido desde el principio hasta el final de la solidificación en un punto determinado del metal fundido (seg.) y L = calor de fusión (J/mm3).
El tiempo de solidificación es función del aporte térmico y de la temperatura inicial. Si, por ejemplo, se deposita sobre una chapa un cordón de soldadura con un aporte térmico de 800 J/mm con una temperatura inicial de 25º C tenemos:
Si comparamos con cualquier otro proceso de fundición, la solidificación del baño fundido durante el soldeo es extremadamente rápida. Por esa razón no es adecuado describir la estructura del metal fundido como una estructura de fundición; la estructura que se obtiene al solidificar la soldadura, tiene características específicas distintas de cualesquiera otras estructuras. La principal razón por la cual el metal de soldadura se enfría mucho más rápidamente que las fundiciones clásicas, es que el baño fundido está en un mejor contacto con el metal frío que le rodea y que actúa como molde.
7.1. Efecto del espacio interdendrítico.
La ecuación de solidificación nos muestra que el tiempo de solidificación es proporcional al aporte térmico. El tiempo solidificación afecta de una forma directa a la estructura del metal de soldadura. La mayoría de las aleaciones empleadas en la industria enfrían en forma dendrítica, una característica estructural importante del metal de soldadura es el espacio entre dendritas (granos). Este espacio es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de solidificación. Por ejemplo ;si comparamos 2 pasadas de soldadura, una de las cuales se deposita con un aporte térmico 4 veces mayor que la otra, la distancia entre dendritas será 2 veces mayor. En otras palabras, cuando mayor sea el aporte térmico, se producirá una estructura más grosera, estructura que influye directamente sobre las propiedades y capacidad de respuesta de la soldadura a los tratamientos térmicos. En la mayoría de los metales, la resistencia, ductilidad y tenacidad son superiores cuanto menor son los espacios entre dendritas, favoreciéndose, al mismo tiempo, la facilidad de ser tratados térmicamente.
7.2. Efecto del aporte térmico.
El principal factor que más significativamente influye, durante los sucesos térmicos que se producen en el soldeo, es el aporte térmico, el cual actúa sobre la distribución de las temperaturas máximas, la velocidad de enfriamiento y el tiempo de solidificación. También existe unna relación directa, aunque algo inexacta, entre el aporte térmico y las dimensiones de la soldadura. Las modificaciones de otros parámetros tales como tensión, intensidad o velocidad de soldeo, afectan solamente de la misma forma en que se modifica el aporte térmico. Suponiendo 2 pasadas de soldadura depositadas bajo las condiciones.
Pasada 1
Pasada 2
E=
25V
25 V
1=
250 A
500 A
V=
7 mm/seg
14 mm/seg
f1 =
0,9
0,9
t=
9mm
9mm
To=
162°C
162°C
Hnet =
804 J/mm
804 J/mm
Se puede ver que no presentan diferencias importantes en la distribución de la temperatura máxima, velocidad de enfriamiento o estructura dendrítica. Hay, sin embargo, diferencias substanciales en relación con la penetración, contorno del cordón, presencia o ausencia de mordeduras y otros defectos. En otras palabras, podemos decir que el aporte térmico no es el único factor que influye en la calidad de la soldadura, pero si es el principal factor que influye sobre las propiedades originadas durante el flujo térmico.
Por consideraciones metalúrgicas, generalmente, se aconsejan aportes térmicos bajos, ya que la ZAT se reduce y las características de los metales base se mejoran al tener estructuras dendríticas finas. Pensando solamente en este sentido, nos lleva a la utilización de muchos cordones pequeños en lugar de pocos cordones grandes para obtener una determinada soldadura.
Factores económicos nos llevan, por otro lado, a la consideración de emplear grandes pasadas de soldadura debido a un mayor incremento de la productividad. Sin embargo, también es aconsejable, desde el punto de vista metalúrgico, reducir la velocidad de enfriamiento en el soldeo de metales férreos fácilmente endurecibles, pudiendo significar esto un aumento de aporte térmico. Un caso extremo es el soldeo oxiacetilénico de las fundiciones, donde a causa de que el rendimiento de fusión es muy bajo, el aporte térmico es muy elevado produciéndose velocidades de enfriamiento suficientemente bajas que evitan la formación de estructuras frágiles.
A fin de controlar los sucesos metalúrgicos en soldadura, deben quedar establecidas las condiciones térmicas en el metal fundido y en sus proximidades. En particular ha de conocerse:
- La distribución del máximo o pico de temperaturas en la zona térmica afectada.
- La velocidad de enfriamiento en el metal fundido y en la zona térmica afectada.
- La velocidad de solidificación del metal fundido.
2. Distribución de la temperatura.
Veamos cómo afecta el calor proporcionado por el foco térmico a los materiales durante su soldeo.
Supongamos (figura siguiente) que una llama o arco eléctrico se aplica sobre la superficie AB y que pudiéramos colocar termómetros distribuidos inmediatamente debajo de la superficie, tal como se indica en la figura. Si no existiera propagación del calor obtendríamos una zona calentada directamente por el foco calorífico, que alcanzaría la temperatura de fusión y el resto del metal permanecería a la temperatura ambiente, como se muestra en la línea continua. En la realidad, sin embargo, los metales son buenos conductores; sus átomos pasan rápidamente el calor a sus vecinos. Por otra parte, el calor para fundir el metal no se suministra instantáneamente, el calor del arco es un producto de voltios, amperios y tiempo. Las lecturas los termómetros tomarán la distribución representada por la curva de trazos, que habrá tenido en cuenta las leyes de la conducción y el tiempo.
Ahora bien, el soplete o el arco no permanecen estacionarios, sino que se desplazan alejándose de la sección que hemos considerado. La zona que ha recibido directamente el calor del arco y sus proximidades comenzarán su enfriamiento, es decir, descenderán de temperatura, mientras que las más alejadas irán recibiendo el calor de sus vecinas más próximas a la zona calentada, y elevarán su temperatura. Al cabo de, digamos, uno, dos, tres, etc. segundos, las curvas de distribución de temperatura en esa sección considerada irán variando, como se muestra en la siguiente figura, transformándose la curva, según va pasando el tiempo y se va alejando el foco calorífico, en otra cada vez más tendida, hasta que es prácticamente horizontal y termina confundiéndose con una recta cuando se alcanza la temperatura ambiente.
Para la determinación de la forma de las curvas citadas influyen principalmente los siguientes factores:
1. El baño fundido, que actúa como foco de calor más o menos permanente.
2. La masa de metal base, que absorbe el calor.
3. La temperatura inicial del metal base, que incide sobre el gradiente de temperatura.
3. Gradiente de temperatura.
Llamamos gradiente de temperatura a la diferencia de esta magnitud entre dos puntos que distan entre sí una unidad de longitud. El salto de temperatura nos determina la velocidad del flujo de calor entre ambos puntos. Por lo tanto, cuanta mayor diferencia de temperaturas haya, mayor será la velocidad de enfriamiento o de calentamiento. El gradiente entre dos puntos no es constante con el tiempo, como puede verse en la anterior figura. En un instante dado (el segundo 1) la curva de distribución, considerada entre dos puntos, es la curva B, mientras que en el siguiente segundo, es la curva C, que da entre los mismos puntos un salto de temperatura menor.
De análoga manera, tampoco la temperatura en un punto determinado permanece fija. En la misma figura, en el punto correspondiente al centro, por ejemplo, vemos que las temperaturas correspondientes a dos curvas son distintas y por lo tanto varían con el tiempo. Si representamos la variación de las temperaturas correspondientes a los puntos 1, 2, 3 y 4 a lo largo del tiempo obtendremos las curvas dibujadas en la siguiente figura. Observando esta figura, podemos ver que la velocidad de calentamiento es mucho más rápida que la de enfriamiento, y que la cota máxima alcanzada es tanto más alta cuanto más próximo está el punto del arco.
Por otra parte, las velocidades de enfriamiento son siempre inferiores a las del metal fundido en cada momento, y tanto menores cuanto más alejado esté el punto del baño fundido.
4. Cambios de temperatura durante el soldeo.
El metal adyacente a una soldadura está expuesto a ciclos térmicos rápidos, produciéndose en esta región diferentes y complejos cambios metalúrgicos. Teóricamente, si tanto los ciclos térmicos implicados como la respuesta del metal o aleación al ciclo térmico particular fueran conocidos, los cambios resultantes en la microestructura y propiedades mecánicas podrían predecirse. Desgraciadamente, el estado actual de conocimientos apenas incluye información cuantitativa, tanto en relación con el ciclo térmico implicado como con los cambios metalúrgicos producidos en la zona afectada térmicamente por la soldadura. Sin embargo, existen acumulados datos considerables del efecto de las variables del arco de soldeo sobre la distribución de temperaturas en las proximidades de una soldadura; por ello, consideraremos aquí con algún detalle el proceso de soldeo por arco. Ciertas generalidades, aplicables cualitativamente a otros procesos de soldeo, serán también consideradas. Tales generalidades pueden ayudar al técnico de Construcciones Metálicas a la hora de entender la importancia de los efectos de la temperatura durante el soldeo.
4.1. Factores que influyen en los cambios de temperatura en el soldeo por arco.
Las investigaciones han demostrado que la distribución de temperaturas en el soldeo por arco manual está influenciada por los siguientes factores:
a) Aporte térmico. Por ejemplo, la tasa de generación de calor en una soldadura por arco manual realizada con 20 voltios, 200 amperios y una velocidad de desplazamiento de 250mm. por minuto es de 960 julio por mm.
b) Temperatura inicial de la chapa (o temperatura de precalentamiento).
c) Geometría de la soldadura. La geometría de la soldadura se refiere al espesor de la pieza, la forma y dimensión del depósito de soldadura y el ángulo entre las piezas a unir.
d) Características térmicas del material. Se definen por la conductividad térmica, la densidad, el calor específico y la difusividad térmica.
e) Dimensión del electrodo. Este factor es de importancia secundaria, pero influye en el tamaño efectivo de la fuente de calor.
Los cambios metalúrgicos en los aceros de construcción se producen tras la exposición a temperaturas entre la temperatura crítica inferior (Ac1) y la temperatura de fusión o de líquidos (es decir: entre unos 705º C y 1480º C respectivamente). Por lo tanto, cuando se establece el arco de soldeo en un acero de construcción, las regiones de la zona afectada térmicamente, ZAT, que alcancen valores puntuales de temperatura entre los límites arriba indicados, experimentarán cambios significativos en su microestructura y propiedades mecánicas.
4.2. Ciclos térmicos típicos en las soldaduras.
La figura siguiente muestra casos típicos de una familia de ciclos térmicos producidos en una chapa de 12,5 mm. de espesor por un arco de soldadura con un aporte térmico de 3.940 julios/mm. y con una temperatura inicial de la chapa de 27°C (temperatura ambiente). La curva superior representa el ciclo térmico en un punto situado a 10 mm. del centro del cordón que alcanza una temperatura máxima de 1365°C. La curva más baja corresponde al ciclo térmico en un punto a 25.5 mm. del centro del cordón donde se alcanza una temperatura máxima de 520ºC. Las curvas intermedias representan los correspondientes ciclos térmicos a distancias de 11,5; 14 Y 18 mm. desde el centro del cordón.
La forma de las 5 curvas mostradas en la figura son un modelo típico para todos los arcos de soldadura, se debe destacar que:
La temperatura máxima que se alcanza en un punto disminuye rápidamente con el aumento de la distancia entre el punto y el centro del cordón.
El tiempo necesario para alcanzar en un punto la temperatura máxima aumenta con la distancia desde el punto al centro del cordón.
Tanto la velocidad de calentamiento como la de enfriamiento en un punto disminuyen con el aumento de la distancia del punto al centro del cordón.
4.3. Efectos del aporte térmico y de la temperatura de precalentamiento.
La siguiente figura muestra el efecto del aporte térmico y de la temperatura de precalentamiento sobre la distribución de la temperatura máxima en la ZAT, zona afectada térmicamente, de una soldadura manual por arco de acero. Las dos curvas superiores comparan la distribución de las temperaturas máximas producida por un aporte térmico 3.940 julios/mm. con temperaturas de precalentamiento de 27°C y de 260°C. Las dos curvas inferiores presentan datos similares para un valor del aporte térmico de 1.970 julios/mm., mitad del anterior.
De la figura se desprende que:
Disminuyendo bien el aporte térmico o bien la temperatura de precalentamiento, se obtiene una distribución de temperaturas máximas en la zona térmicamente afectada por la soldadura con mayor pendiente.
Aumentando el aporte térmico se produce un significativo aumento en la distancia desde el centro del cordón al punto que experimenta una determinada temperatura máxima, para cualquier valor de la temperatura máxima.
Aumentando la temperatura de precalentamiento aumenta la distancia desde el centro del cordón a un punto que experimente una determinada temperatura máxima.
Se debe destacar que, en cada caso, la zona afectada térmicamente, ZAT, fácilmente visible en los aceros, se extiende desde la localización donde se alcanza una temperatura máxima igual a la de líquidus hasta donde el calentamiento alcanza justo la temperatura crítica inferior (Ac1). Por lo tanto, el ancho de las zonas afectadas térmicamente para cada una de las cuatro condiciones estudiadas es de 6,1; 11,1; 2,0 Y 3,2 mm., leyendo de arriba hacia abajo en la tabla siguiente.
La figura siguiente resume el efecto del aporte térmico y de la temperatura de precalentamiento sobre las formas de las curvas que representan ciclos térmicos en soldaduras reales. Los cuatro ciclos térmicos mostrados fueron escogidos por alcanzarse en todos ellos una temperatura máxima de 1365°C a diferentes distancias del centro del cordón.
Debe notarse que para las temperaturas máximas próximas a la de líquidos:
Para una determinada temperatura de precalentamiento, un aumento del aporte térmico causa un incremento del tiempo de exposición a temperaturas cercanas a la máxima y una disminución en la velocidad de enfriamiento.
Para un determinado aporte térmico, si se aumenta la temperatura de precalentamiento disminuye la velocidad de enfriamiento pero no se modifica sensiblemente el tiempo de exposición a temperaturas cercanas a la máxima.
La tabla siguiente, recopilación de lo representado en la figura anterior, resume el tiempo de exposición a temperaturas por encima de 1090°C y la velocidad de enfriamiento a 650°C para los Cuatro ciclos térmicos representados.
En ella se puede ver que para una temperatura de precalentamiento de 27°C (temperatura ambiente), aumentando el doble el aporte térmico, desde 1.970 a 3.940julios/mm., aumenta el tiempo por encima de 1090°C de 5 a 16,5 segundos y disminuye la velocidad de enfriamiento a 650°C de 14 a 4,4 ºC/s.
4.4. Efectos del espesor y de la geometría de la soldadura.
El efecto del espesor sobre los ciclos térmicos en soldadura puede verse en la siguiente figura. Los datos que se muestran comparan ciclos térmicos, con una temperatura máxima de 1200º C, de soldaduras a tope de chapas con 6,2; 12,5 Y 25,4 mm. de espesor, realizadas con un aporte térmico de 1.970 julios/mm. Se puede ver que la velocidad de enfriamiento tiende a aumentar cuando lo hace el espesor de las chapas, mientras que el tiempo a elevada temperatura tiende a disminuir cuando el espesor, de las chapas aumenta. El efecto del espesor es algo complejo y el modelo del flujo de calor cambia considerablemente de chapas delgadas a chapas gruesas. En chapas delgadas, las isotermas de temperatura tienden a extenderse verticalmente hacia abajo en el interior de la chapa formando superficies curvas casi perpendiculares a la superficie de la chapa. Por otro lado, con chapas muy gruesas las isotermas tienden a aproximarse a superficies de revolución alrededor del eje longitudinal de soldadura. Por lo tanto, el modelo del flujo de calor cambia de flujo en dos dimensiones para chapas muy delgadas, a flujo en tres dimensiones para chapas muy gruesas. Este cambio explica de una forma cualitativa la influencia conocida
del espesor sobre las velocidades de enfriamiento. El mismo efecto se presenta, aunque en menor grado, en las soldaduras en ángulo, donde el camino adicional para el flujo de calor llega a tener influencia en chapas aún más delgadas debido a la geometría de la unión.
Destacamos el hecho de que las velocidades de enfriamiento para las soldaduras en ángulo son, por término medio, tres o cuatro veces las de las soldaduras a tope en chapas de 12 mm. de espesor. Sin embargo, esta diferencia llega a ser menos pronunciada con chapas más gruesas y durante la última pasada de las soldaduras en ángulo.
4.5. Efecto de las características térmicas del material.
No se dispone de datos cuantitativos que nos muestren el efecto de las características térmicas del material. Sin embargo los razonamientos siguientes pueden ser de utilidad:
Cuanto más baja sea la difusividad térmica del material, más pronunciada será la distribución de las temperaturas máximas.
Cuanto más alta sea la difusividad térmica, más alta será la velocidad de enfriamiento para un ciclo térmico con una determinada temperatura máxima.
Cuanto más alta sea la difusividad térmica, más corto será el tiempo expuesto a elevada temperatura para un ciclo térmico con una determinada temperatura máxima.
En la tabla siguiente se indica la difusividad térmica a temperatura ambiente y la temperatura de fusión para ciertos metales de interés técnico.
5. Ecuación del máximo de temperatura
La predicción, o interpretación, de las transformaciones metalúrgicas en un punto del metal sólido próximo a una soldadura, requiere algunos conocimientos acerca de cómo se alcanza el valor de temperatura máximo en un determinado lugar. Por ejemplo, en el soldeo a tope con penetración completa y de una sola pasada realizada en chapa, la distribución de las temperaturas máximas, en el metal base adyacente a la soldadura, viene dada por la ecuación:
donde:
Tp= Temperatura máxima (C) a una distancia Y (mm) del extremo o contorno del metal fundido (La ecuación solo es válida para puntos situados en la ZAT, no para puntos situados en el metal fundido).
T0= Temperatura inicial de la chapa (C).
Tm= Temperatura de fusión (C).
Hnet= Energía aportada neta = f1EI/V (E= voltios, I= amperios, f1=rendimiento de la transferencia de calor, V= velocidad de traslación de la fuente de calor en mm/seg)
Ρ = densidad del material (g/mm3)
C = calor específico del metal sólido (J/gxC)
t = espesor de la chapa
Y = distancia al contorno del metal fundido
La ecuación del máximo de temperatura se puede utilizar con diferentes propósitos entre los que se encuentran:
- Determinación de la temperatura máxima en puntos determinados de la ZAT.
- Estimación del ancho de la ZAT
- Demostrar el efecto causado por el precalentamiento sobre el ancho de la ZAT
Por ejemplo, se efectúa una soldadura sobre acero con penetración completa y de una sola pasada empleando los siguientes parámetros.
La temperatura máxima calculada a distancias de 1.5 y 3 mm del contorno del metal fundido serán:
Para Y = 1.5 mm
Para Y = 3 mm
Como era de esperar, la temperatura máxima disminuye cuando nos alejamos de la zona soldada. También puede observarse que para Y=0 tenemos Tp=Tm, lo que significa que la temperatura máxima justo donde termina la zona de fusión es igual a la temperatura de fusión del material.
5.1. Cálculo del ancho de la ZAT.
Uno de los empleos más interesantes de la ecuación que nos da la temperatura máxima en un punto, es el de cálculo de la anchura de la ZAT por la soldadura. Sin embargo, para calcular la anchura con exactitud debe identificarse, el extremo de la ZAT más alejado de la soldadura mediante un valor máximo de la temperatura en dicho extremo, este valor de la temperatura tiene, a su vez, que corresponder con algún cambio estructural o de las propiedades del material que se suelda. Por ejemplo, la mayoría de los aceros al carbono, o de baja aleación, tienen un contorno definido, que puede observarse una vez pulida y atacada químicamente la sección transversal de la soldadura, en aquellos puntos que ha alcanzado una temperatura máxima de 730º C. Si suponemos que él contorno así definido nos fija el contorno más alejado de la ZAT, podemos calcular la anchura de ésta correspondiente al ejemplo anterior. En este caso del problema es determinar el valor de Y para el cual Tp = 730º C.
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 5,9mm.
Por lo anterior, puede predecirse que el contorno característico de los puntos que alcanzaron 730º C está a 5,9 mm. del perímetro de la zona de metal fundido, o que una región de 5,9 mm. de ancho, adyacente al metal fundido, ha cambiado estructuralmente y puede quedar afectada por el calor durante el soldeo.
Si el acero hubiese sido templado y revenido, revenido a 430º C, entonces cualquier región calentada por encima de los 430º C habrá sufrido, en teoría, un "sobre-revenido" y puede exhibir propiedades modificadas. Es razonable considerar la zona modificada como "afectada por el calor" con extremo más alejado situado donde Tp = 430º C.
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 14,2mm.
Los aceros que admiten el tratamiento de temple y revenido generalmente se les da un precalentamiento antes de empezar a soldar. Este precalentamiento afecta a la ZAT ensanchándola. Refiriéndonos al ejemplo anterior, si la temperatura de precalentamiento es T0= 200º C tenemos:
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 28,4mm.
Se ve que con este procedimiento el ancho de la ZAT se ha duplicado.
Finalmente, una de las conclusiones más simple e importante que se deduce de la ecuación del máximo de temperatura es la de que el ancho de la ZAT es directamente proporcional a la energía neta aportada. Utilizando de nuevo el ejemplo anterior, pero sin precalentamiento, si suponemos que la energía neta aportada aumenta un 50%, tendremos que Hnet = 1080 J/mm.
De donde: Yz= Ancho de la ZAT = 21,3mm. O sea el ancho de la ZAT ha aumentado también un 50%.
A pesar de que la ecuación del máximo de temperatura es de gran utilidad, es importante no olvidar las limitaciones existentes sobre su aplicación. La limitación más importante es que la ecuación sólo es aplicable a chapas delgadas en las cuales la conducción del calor se efectúa en direcciones paralelas al plano de la chapa. La ecuación se aplica en procesos de pasadas únicas de penetración completa, soldeo o corte térmico, con independencia del espesor de la chapa. De hecho, también se aplica a cualquier soldadura por arco de penetración completa con menos de 4 pasadas. La ecuación puede aplicarse sobre la base de una por pasada, sin embargo, la temperatura entre pasadas, aquella a la cual la zona de soldadura se enfría entre una y otra pasada, puede considerarse como un valor de T0 en la ecuación del máximo de temperatura.
6. Velocidad de enfriamiento.
El siguiente aspecto en importancia a tener en cuenta durante el flujo térmico es la velocidad de enfriamiento de la soldadura. Después de que un punto, en el metal fundido, o en sus proximidades, haya alcanzado su máximo de temperatura, la velocidad a la cual se enfría puede tener un significativo efecto sobre el estructura metalúrgica, las propiedades, o incluso la pureza del metal base. Esto es de principal interés en los aceros tratados térmicamente.
6.1. Ecuación de la velocidad de enfriamiento para chapas gruesas y delgadas.
Los cálculos y comparaciones de las velocidades de enfriamiento requieren una cuidadosa especificación de las condiciones en que se producen. Indicar solamente "velocidad de enfriamiento" de una soldadura no es adecuado, debido a que la velocidad de enfriamiento varía, como el gradiente térmico, con la posición y el tiempo. El método más útil es determinar la velocidad de enfriamiento sobre el eje de la soldadura en el momento en que el metal está a una temperatura determinada de interés, Tc. A temperaturas por debajo de la de fusión, la velocidad de enfriamiento en la soldadura y en su zona afectada térmicamente inmediata es substancialmente independiente de la posición.
En los aceros al carbono y de baja aleación, la temperatura de interés está en las proximidades de la "nariz" perlítica de temperaturas sobre el diagrama tiempo-temperatura-transformación (diagrama TTT). La temperatura exacta no es crítica pero debe ser la misma para todos los cálculos y comparaciones. Un valor de Tc = 550º C es suficiente para la mayoría de los aceros.
El uso práctico más importante de la ecuación de la velocidad de enfriamiento es el cálculo de los requisitos de precalentamiento. Por ejemplo, cuando las chapas son relativamente gruesas y se necesitan varias pasadas, más de seis para completar la unión, la velocidad de enfriamiento, R, viene dada por:
Donde:
R = Velocidad de enfriamiento en un punto sobre el eje central de la soldadura (C/seg) en el momento justo en que el punto se está enfriando a la temperatura de interés Tc.
k= Conductividad térmica del metal (J/mm, x seg, x C)
Estrictamente hablando, la velocidad de enfriamiento es máxima sobre el eje central de la soldadura, y es este máximo el que nos viene dado por la ecuación.
Sin embargo, la velocidad de enfriamiento en las proximidades de la zona fundida es sólo un pequeño tanto por ciento menos que la del eje central de la soldadura. Consiguientemente, la ecuación de la velocidad de enfriamiento se aplica a toda la soldadura y a la inmediata ZAT.
Si las chapas son relativamente delgadas, requiriendo menos de cuatro pasadas, la fórmula es:
La distinción entre chapa gruesa y delgada requiere algunas explicaciones. La ecuación para chapas gruesas se emplea cuando el flujo de calor es tridimensional, hacia abajo tanto como hacia los laterales de la soldadura. La ecuación de chapas gruesas se podría aplicar, por ejemplo, a un pequeño cordón depositado sobre una chapa de espesor grueso. La ecuación para chapas delgadas se aplicaría a cualquier pasada única, soldadura de penetración completa, o corte térmico. Algunas veces, no es fácil determinar si la chapa es gruesa o delgada debido a que estos términos no tienen un significado absoluto. Por esta razón, es útil definir una cantidad adimensional “denominada espesor relativo de la chapa” r.
La ecuación para chapas gruesas se aplica cuando r es mayor de 0,9 y la ecuación de chapas delgadas cuando r es menor que 0,6. Cuando r está comprendido entre 0,6 y 0,9 la ecuación de las chapas gruesas da una velocidad de enfriamiento demasiada alta y la ecuación de las chapas delgadas una velocidad que es demasiado baja. Sin embargo, si se efectúa una división arbitraria a un valor de r = 0,75, considerando los valores más altos como chapas gruesas y los que estén por debajo como chapas delgadas, el error máximo no suele exceder del 15% en los cálculos de la velocidad de enfriamiento, siendo menor aún el error al aplicar las ecuaciones para calcular las necesidades de precalentamiento.
6.2. Temperatura de precalentamiento y velocidad de enfriamiento crítica.
De las ecuaciones de la velocidad de enfriamiento, se deduce que un aumento de la temperatura inicial T0 del metal base produce una reducción de la velocidad de enfriamiento. Este es el motivo por el cual se suelen precalentar los aceros fácilmente endurecibles. Para cada composición química de los aceros, existe una velocidad de enfriamiento crítica; si la velocidad de enfriamiento del metal de soldadura supera este valor cítrico, se formarán estructuras martensíticas duras en la ZAT, existiendo el riesgo de agrietamiento. La ecuación de la velocidad de enfriamiento puede utilizarse para:
- Determinar la velocidad de enfriamiento crítica en determinadas condiciones de soldeo.
- Calcular las temperaturas de precalentamiento.
La forma más simple de determinar la velocidad de enfriamiento crítica es depositar una serie de cordones sobre el material base manteniendo constantes todos los parámetros excepto la velocidad de soldeo.
Por ejemplo supongamos E=25 V; I = 300 A; t = 6 mm.; f1 = 0,9; T0 = 25º C.; Tc = 550º C. y que los cordones se han depositado con unas velocidades de 6, 7, 8, 9 y 10 mm/seg. Efectuando ensayos de dureza, se encuentra que las estructuras duras solamente se desarrollaron en las ZAT de los cordones depositados a 9 y 10 mm/seg.
La conclusión que se deduce es que la velocidad de enfriamiento crítica se produce con una velocidad de soldeo de alrededor de los 8 mm/seg. El cordón depositado con esta velocidad experimenta una velocidad de enfriamiento que debe considerarse en este caso como máxima.
En estas circunstancias el aporte térmico es:
y el espesor relativo es
por lo tanto, podemos aplicar la ecuación para chapas delgadas, resultando:
De los valores anteriores deducimos que 6 C/seg. es aproximadamente la velocidad de enfriamiento crítica en las condiciones de soldeo establecidas. Esta velocidad de enfriamiento puede conseguirse mediante el empleo de un cierto precalentamiento.
Por ejemplo, si las condiciones de soldeo son: E=25V, I=250ª, V=7mm/seg, t= 9mm, f1=0,9 y suponemos válida la ecuación para chapas delgadas tenemos:
Donde Hnet=25(250)0,9/7=804 J/mm
por lo que T0=162º C
y el espesor relativo es
con lo que la aplicación de la ecuación de chapas delgadas fue correcta.
Si la temperatura inicial es de 162º C ó mayor, la velocidad de enfriamiento no superará los 6º C/seg. y no se nos formarán estructuras frágiles en las ZAT.
El enfriamiento de las soldaduras depende de los posibles caminos de conducción de calor que existan en las proximidades del metal base frío, como se observa en la siguiente figura. En algunas ocasiones es necesario modificar las ecuaciones de la velocidad de enfriamiento para uniones a tope o para el depósito de cordones sobre chapas. Si tenemos que soldar una unión en T con chapas de 9 mm. de espesor, tendremos 3 caminos de conducción en lugar de los dos que teníamos al soldar a tope. La ecuación de la velocidad de enfriamiento se modifica consecuentemente; disminuyendo el aporte térmico efectivo mediante la introducción de un factor de 2/3.
Debido a este más rápido enfriamiento, serían necesarias temperaturas de precalentamiento superiores que las equivalentes en uniones a tope. Una situación similar se nos presenta en el soldeo en ángulo de chapas de gran espesor. Si en las condiciones anteriores se deposita un cordón en ángulo entre 2 chapas de 50 mm de espesor, la soldadura estará rodeada por una mayor cantidad de metal frío que si hubiera sido depositado sobre una chapa del mismo espesor. Como en el ejemplo anterior, se debe introducir un factor reductor del aporte térmico.
Las variables que afectan a la velocidad de enfriamiento y a la distribución de temperaturas máximas, distintas de las inherentes a las características del material, son la temperatura inicial, espesor y aporte térmico. Si precalentamos para controlar la velocidad de enfriamiento, la temperatura requerida puede variar ampliamente en función de las otras condiciones, pudiendo ser necesarios precalentamientos altos al soldar chapas gruesas con aportes térmicos bajos, esencialmente en uniones en ángulo.
En el soldeo de aceros endurecibles, la velocidad de enfriamiento crítica es una característica del acero y debe determinarse, en las condiciones en que vaya a ser soldado. Aunque los diagramas TTT están publicados para todos los aceros, éstos han sido obtenidos bajo condiciones relacionadas con tratamientos térmicos convencionales, que no son las circunstancias especiales que se presentan en las ZAT de las soldaduras. Por lo general, las ZAT se endurecen más fácilmente que el mismo acero sometido a un tratamiento térmico, esto significa que en estas zonas la velocidad de enfriamiento crítica es menor.
La selección de la temperatura de precalentamiento debe efectuarse teniendo en cuenta tanto los cálculos teóricos como la experiencia práctica. La temperatura de precalentamiento óptima es aquella que mantiene una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la velocidad de enfriamiento crítica, con un cierto margen de seguridad. El precalentamiento excesivo, además de incrementar las condiciones desfavorables para el soldador, aumenta el tamaño de la ZAT.
La temperatura de precalentamiento no debe considerarse como una propiedad fija del acero a soldar; es la velocidad de enfriamiento la que debe considerarse como un parámetro para cada tipo de acero, pues el establecer, como por ejemplo se hace en los aceros endurecibles, que la temperatura de precalentamiento es de 200º C. sin especificar otra cosa, puede ser que en ciertos casos sea demasiado alto y en otros demasiado bajo.
La anterior figura es el diagrama TTT (tiempo-temperatura-transformación) correspondiente a un tipo de acero. Las zonas rayadas representan las áreas de transformación de la austenita, indicativas de que una curva de enfriamiento que las atraviese produciría en el metal la transformación indicativas en cada una de ellas, debiéndose procurar, por tanto, que dicha curva evite la zona señalada A/M (formación de martensita) o A/B (formación de bainita). De aquí la importancia de que cuando se presume un enfriamiento rápido, por ejemplo, cuando el material es muy grueso, se rebaje la velocidad de enfriamiento de la pieza aumentando la temperatura de la misma por medio de un precalentamiento y aún de un postcalentamiento si fuese necesario.
7. Tiempo de solidificación.
La velocidad a la cual el metal fundido solidifica durante el soldeo, puede tener un efecto acusado sobre su estructura metalúrgica, propiedades, facilidad de tratamiento térmico y contenido de impurezas. El tiempo de solidifición, St (seg.) del metal fundido depende del aporte térmico neto y viene dado por la fórmula:
donde St = tiempo de solificación, tiempo transcurrido desde el principio hasta el final de la solidificación en un punto determinado del metal fundido (seg.) y L = calor de fusión (J/mm3).
El tiempo de solidificación es función del aporte térmico y de la temperatura inicial. Si, por ejemplo, se deposita sobre una chapa un cordón de soldadura con un aporte térmico de 800 J/mm con una temperatura inicial de 25º C tenemos:
Si comparamos con cualquier otro proceso de fundición, la solidificación del baño fundido durante el soldeo es extremadamente rápida. Por esa razón no es adecuado describir la estructura del metal fundido como una estructura de fundición; la estructura que se obtiene al solidificar la soldadura, tiene características específicas distintas de cualesquiera otras estructuras. La principal razón por la cual el metal de soldadura se enfría mucho más rápidamente que las fundiciones clásicas, es que el baño fundido está en un mejor contacto con el metal frío que le rodea y que actúa como molde.
7.1. Efecto del espacio interdendrítico.
La ecuación de solidificación nos muestra que el tiempo de solidificación es proporcional al aporte térmico. El tiempo solidificación afecta de una forma directa a la estructura del metal de soldadura. La mayoría de las aleaciones empleadas en la industria enfrían en forma dendrítica, una característica estructural importante del metal de soldadura es el espacio entre dendritas (granos). Este espacio es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de solidificación. Por ejemplo ;si comparamos 2 pasadas de soldadura, una de las cuales se deposita con un aporte térmico 4 veces mayor que la otra, la distancia entre dendritas será 2 veces mayor. En otras palabras, cuando mayor sea el aporte térmico, se producirá una estructura más grosera, estructura que influye directamente sobre las propiedades y capacidad de respuesta de la soldadura a los tratamientos térmicos. En la mayoría de los metales, la resistencia, ductilidad y tenacidad son superiores cuanto menor son los espacios entre dendritas, favoreciéndose, al mismo tiempo, la facilidad de ser tratados térmicamente.
7.2. Efecto del aporte térmico.
El principal factor que más significativamente influye, durante los sucesos térmicos que se producen en el soldeo, es el aporte térmico, el cual actúa sobre la distribución de las temperaturas máximas, la velocidad de enfriamiento y el tiempo de solidificación. También existe unna relación directa, aunque algo inexacta, entre el aporte térmico y las dimensiones de la soldadura. Las modificaciones de otros parámetros tales como tensión, intensidad o velocidad de soldeo, afectan solamente de la misma forma en que se modifica el aporte térmico. Suponiendo 2 pasadas de soldadura depositadas bajo las condiciones.
Pasada 1
Pasada 2
E=
25V
25 V
1=
250 A
500 A
V=
7 mm/seg
14 mm/seg
f1 =
0,9
0,9
t=
9mm
9mm
To=
162°C
162°C
Hnet =
804 J/mm
804 J/mm
Se puede ver que no presentan diferencias importantes en la distribución de la temperatura máxima, velocidad de enfriamiento o estructura dendrítica. Hay, sin embargo, diferencias substanciales en relación con la penetración, contorno del cordón, presencia o ausencia de mordeduras y otros defectos. En otras palabras, podemos decir que el aporte térmico no es el único factor que influye en la calidad de la soldadura, pero si es el principal factor que influye sobre las propiedades originadas durante el flujo térmico.
Por consideraciones metalúrgicas, generalmente, se aconsejan aportes térmicos bajos, ya que la ZAT se reduce y las características de los metales base se mejoran al tener estructuras dendríticas finas. Pensando solamente en este sentido, nos lleva a la utilización de muchos cordones pequeños en lugar de pocos cordones grandes para obtener una determinada soldadura.
Factores económicos nos llevan, por otro lado, a la consideración de emplear grandes pasadas de soldadura debido a un mayor incremento de la productividad. Sin embargo, también es aconsejable, desde el punto de vista metalúrgico, reducir la velocidad de enfriamiento en el soldeo de metales férreos fácilmente endurecibles, pudiendo significar esto un aumento de aporte térmico. Un caso extremo es el soldeo oxiacetilénico de las fundiciones, donde a causa de que el rendimiento de fusión es muy bajo, el aporte térmico es muy elevado produciéndose velocidades de enfriamiento suficientemente bajas que evitan la formación de estructuras frágiles.
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