El Calor en Los Aceros

8/17/2019 El Calor en Los Aceros

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Edición de Junio del 2 8

¡El g r upo de s o l dadu r a núm er o 1 en l as nac i ones h i s pan ohab l an t es

EL CALOR Y LOS ACEROS

E l acero es -sin lugar a dudas- el metal más utilizado en todo el mundo, conocido por sus magníficas

características resistentes y dúctiles.

A partir de la investigación metalúrgica se han llegado a definir formulas y tratamientos para

innumerables tipos de acero, la mayoría para producción en serie (aceros muy comerciales) y algunos con

propiedades muy particulares, de fabricación sobre pedido.

Aunque el acero es el material de construcción metálica más identificable a simple vista y, que son

muchas las personas involucradas en el área de metalmecánica y/o construcción metálica, son bastante

escasas las que comprenden los aspectos básicos de la metalurgia de la soldadura. Es por ello que en esta

edición trataremos (aunque de manera resumida) los aspectos más importantes relacionados con la

influencia del calor en la operación de soldeo.

Si hablamos de Acero, tendremos que referirnos al hierro como su más importante compuesto base;

diciéndolo de otro modo, sin el hierro (Fe), no existiría el acero.

El hierro

El hierro se encuentra en la corteza terrestre como un mineral gris compuesto generalmente por otros

elementos y/o minerales, y en forma de óxidos, nunca en estado de pureza. El producir hierro de alta

pureza es factible para la investigación pero totalmente inútil para la construcción; es por ello que para la

fabricación del acero se utiliza principalmente el hierro (con sus compuestos básicos: carbono, silicio,

manganeso, azufre y fosforo) al cual se le añaden especificas cantidades de elementos para generarle las

propiedades deseadas.

El hierro puede estar presente en cualquiera de los tres estados de la materia, claro está sujeto a las

variables de temperatura, por ejemplo en temperatura ambiente hasta los 1535° C, se hallara en estado

sólido; a partir de allí se hallara en estado líquido hasta los 3000° C, adonde comenzara su transformación

al estado gaseoso.

Son ampliamente conocidos estos cambios de estado de la materia, pero el acero puede tener más cambios

(poco evidentes) permaneciendo en estado sólido; tiene la particularidad de presentar trascendentales

alteraciones en su microestructura simplemente sometiéndolo a variaciones de temperatura; aun cuando

sus átomos continúen ordenados; dicha organización se denomina Estructura Cristalina. Aunque existenvarios tipos de estructura atómica (algunos bastante complejos) nos referiremos a los tres tipos básicos:


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Cubica Centrada en el Cuerpo o CC (figura 1), Cubica Centrada en las Caras o CCC (figura 2) y Hexagonal

Compacta o HC (figura 3).

Algunos metales y su estructura:

CCC: Oro, Plomo, Aluminio, Cobre, Níquel, Plata.

CC: Cromo, Hierro, Molibdeno, Vanadio.

HC: Cobalto, Zinc, Titanio, Zirconio.

Las propiedades mecánicas dependen principalmente

del ordenamiento espacial de los átomos; es por esto

que son justamente los metales con estructura CCC, los más dúctiles; en segundo lugar están los que

componen una estructura CC; y los no dúctiles como los HC.

Poliformismo o Alotropía

La cualidad de un material de presentar más de una estructura cristalina - en el caso de los metales

compuestos – se denomina: poliformismo; y en el caso de elementos puros: alotropía.

Desde la temperatura ambiental, hasta los 911 C°, el hierro (en estado sólido) presentara un ordenamiento

de tipo CC, el cual se denomina hierro a; de allí en adelante, hasta los 1392 C°, presentara una estructura

CCC y se denomina hierro g; pero de allí en adelante retornara a su inicial configuración atómica CC

hasta llegar a 1539°, el cual es llamado hierro d , desde donde comenzara su cambio al estado líquido.

Por cuanto el hierro es el elemento base del acero, le transfiere sus características poliformistas a esta

aleación, por ello la posibilidad de producir aceros para innumerables aplicaciones, simplemente

afectándolo térmicamente, además de adicionarle elementos claves como el carbono el cual tiene el

potencial de alterar significativamente sus propiedades mecánicas.

A través del diagrama Fe-C (figura 4) podemos observar los cambios de fase, por aplicación de calor en un

acero. No solo las fases básicas (estados de la materia) sino los diferentes grupos de microestructura

homogénea que se presenta en el estado sólido, como resultado de la aplicación controlada del calor.

La difusión es el proceso mediante el cual viajan los átomos dentro de un material, independiente de si son

del mismo elemento, o de otro diferente.

Los átomos de Carbono son más pequeños que los átomos del Hierro, esto facilita el proceso de difusión

en estado de equilibrio -por medio de la aplicación de temperatura controlada en cuanto a tiempo e

intensidad- el cual es primordial en la obtención de aceros con características particulares. Por ello el

Hierro CC (Fe a ) cuando admite en su constituyente átomos de carbono, se convierte en Ferrita -a-, así

mismo el Fe g , se convierte en Austenita -g-.


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Los microconstituyentes (fases) del diagrama fe-C son: Ferrita, Austenita y Cementita.

El diagrama de Fases o diagrama Fe-C, presenta los rangos de cambios de microestructura, basado en la

temperatura y el porcentaje de Carbono. Generalmente cada acero tiene su propio diagrama de fases.

La Austenita, la Cementita y la Ferrita son fases del Acero en estado sólido, solo que la Austenita es

estable únicamente a temperaturas por encima de los 723° C; mientras que la ferrita y la Cementita lo son

a temperatura ambiente.

Como es bien sabido, los aceros tienen máximo un 2% de Carbono en su composición, de allí en más, se

denominan hierros de fundición. Ahora bien los aceros con contenidos hasta 0,8 % C se denominan

Hipoeutectóides; los aceros con contenidos mayores a 0,8 % C se denominan Hipoeutectóides; La

reacción Eutectoide la presentan los aceros con una composición especifica de 0,8 %C y a una

temperatura única de 723° C, (dicha reacción es reversible) dichos aceros son llamados aceros eutectoides.

La reacción eutectoide consiste en la organización de los granos (grupos homogéneos de estructuras

cristalinas) en una subfase denominada Perlita -la cual es la suma de la ferrita y la Cementita en

porcentaje de 88% y 12% respectivamente- con forma y aspecto laminar.

Cuando los aceros son sometidos a cambios controlados de temperatura; por ejemplo en un horno, son

denominados aceros en estado de equilibrio, es decir han tenido un lento aumento y disminución de la

temperatura aplicada. En cuanto a propiedades mecánicas se refiere, los aceros en estado de equilibrio nos


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ofrecen varias opciones; pero, si resistencia mecánica y dureza es lo que se necesita, los aceros fuera de

equilibrio son la solución.

Aceros en condiciones fuera de equilibrio

Un acero fuera de estado de equilibrio tiene que ver con la aplicación de temperaturas (calentamiento y

enfriamiento) a altas velocidades, lo que generara transformaciones microestructurales no reversibles.

Un ejemplo claro de esto son los cinceles fabricados (“hechisos”) por los obreros en la construcción civil,

los cuales son un pedazo de varilla corrugada a la que le aplican calor, deforman y enfrían con gran

rapidez en agua y/o aceite. Ellos entienden -empíricamente- que esto endurecerá el acero haciéndolo más

resistente a los impactos y por consiguiente tendrá más poder de penetración.

Esto es prácticamente lo que se realiza con los aceros para generarles características de alta resistencia;

lo cual es llamado técnicamente Tratamientos Térmicos.

Con la aplicación de los ciclos

térmicos bruscos, se llegara a

producir aceros de gran

resistencia, sin necesidad de

depender exclusivamente de su

composición química, cosa que si

acontece con los aceros en estado

de equilibrio. En la figura 5 vemosel esquema de tratamientos

térmicos, en aceros fuera de

equilibrio.

La fase desde la cual parten (generalmente) los tratamientos térmicos es la Austenita; pero, las fases

resultado de dichos tratamientos térmicos pueden variar considerablemente incluso si se tratase del

mismo tipo de acero (composición química) con solo aplicarle pequeñas variables en cuanto a tiempo y

temperatura.

Las fases resultado de la aplicación de tratamientos térmicos en los aceros, tienen las siguientes propiedades predominantes: dureza y fragilidad; sus microestructuras pueden ser perlíticas

(ferrita/cementita) martensíticas y bainíticas, es decir; serán microestructuras de gran resistencia

mecánica. En la mayoría de los casos la elección de un acero térmicamente tratado por sobre uno no

tratado térmicamente, está relacionada con la reducción de peso/volumen de una pieza de metal,

manteniendo similares propiedades mecánicas. Ahora bien para colocar un ejemplo, si necesitáramos

utilizar una tubería de alta presión para contener fluidos a altas temperaturas, podríamos encontrar un

acero fabricado en condiciones de equilibrio cuyas propiedades mecánicas dependerían exclusivamente de

su composición química, se recomendaría un material tubular con una pared de espesor de 1 1/2”; pero

podríamos hallar un acero en condiciones por fuera de equilibrio, que tendría el mismo diámetro, pero suespesor de pared seria de ¾”, esto a grandes rasgos, obvia la elección.


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La martensíta es el constituyente posterior -más probable- que se presentaría en un acero calentado y

enfriado rápidamente, tiene una dureza (dependiendo de su % de C; por ello a mayor Carbono= mayor

dureza) que excede la de la cementita.

Cuando los aceros son calentados y enfriados en condiciones fuera del equilibrio, se generan nuevos

constituyentes -fases- dichas transformaciones son irreversibles, es decir no llegaran de nuevo a su estado

inicial (austeníta) esto presenta la posibilidad de producir innumerables tipos de aceros para aplicaciones

variadas, pero presenta el inconveniente que ante un repentino cambio en las condiciones de temperatura

del elemento metálico; este pueda sufrir otra transformación a constituyentes aún más frágiles que el que

se buscó por medio del tratamiento térmico de fabricación. Si la temperatura aplicada por mediosindustriales genera estos cambios de fase en determinado acero, cuanto más una aplicación de calor no

controlado (aporte térmico o Heat Input) por medio de soldadura, podrá producir microestructuras de

alta fragilidad en un elemento o conjunto soldado. Es por todo ello que uno de los factores que más sedeben monitorear en la operación de soldeo, es el relacionado con la aplicación de calor en la pieza; todo

ello en pro de evitar microestructuras frágiles que pudiesen poner en riesgo la integridad del elementosoldado.

MikayahLévi

SOLD ABILI DAD D E LOS ACEROS

Introducción

En un sentido amplio y generalizado, la soldadura puede definirse como la realización de una unión entre dos piezas

de metal haciendo uso de las fuerzas de cohesión que derivan de un "enlace metálico".

Todo proceso de soldadura debe esencialmente lograr el acercamiento de las superficies a unir a distancias delorden interatómico con el propósito de crear las condiciones propicias para que se desarrollen las fuerzas de

cohesión inherentes a los enlaces metálicos. Para lo que normalmente se emplea alguna fuente de energía.

Si esta energía es el calor, se pueden llegar a fundir los bordes de los metales, los cuales se mezclaran en estado

líquido acercándose los átomos lo suficiente para que durante la solidificación se atraigan formando una nueva red

cristalina; si en vez de calor se aplica presión se produce, en primer término, la ruptura de la capa de óxido y luego

se nivelan las crestas y valles por deformación plástica, permitiendo el contacto íntimo entre las dos superficies y,

por lo tanto la unión metalúrgica. Nuestros análisis abarcaran la soldadura en fase líquida, esto es los materiales

involucrados en la unión llegan a fundirse a través de una fuente de calor generada por un arco eléctrico.

Definición de Soldabilidad

Es la mayor o menor facilidad con que un metal permite que se obtengan soldaduras sanas y homogéneas, que

respondan a las necesidad para las que fueron concebidas incluyendo códigos de fabricación.


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Desde el punto de vista metalúrgico durante la soldadura en estado líquido en una región muy pequeña el material a

ser soldado alcanza el estado líquido y luego solidifica. El aporte térmico suministrado se utiliza para fundir elmetal de aporte (si existe), fundir parcialmente el metal base y el resto se transfiere a través del metal de soldadura

modificando la microestructura (y propiedades mecánicas) inicialmente presentes.

Regiones presentes en la soldadura

La figura 6 representa las regiones que se generan en una soldadura, observadas en

una macrografía, estas son:

La Región Fundida: es aquella adonde se

produce la fusión y posterior solidificacióndel metal de aporte (si existe), el cual se

“mezcla” con el metal base y genera el“metal de soldadura”

La elección del metal de aporte tiene en

cuenta:

La composición química del

electrodo.

Dilución con el metal base.

Sistemas de flux o gases de protección. Solidificación de la pileta soldada, enfriamientos y transformaciones posteriores.

La Línea de Fusión: es la interfaz entre la región fundida y la región en estado sólido, normalmente es la zona más

propicia a inicio de fisuras, ya que existen áreas con fusión parcial.

La Zona Afectada por el Calor (ZAC/ZAT) es la región del metal base que sufre ciclos de calentamiento y

enfriamiento debido al aporte térmico de la soldadura.

En términos de selección de materiales las características de servicio de la ZAC deberán ser enfatizadas mucho más

que aquellas vinculadas con el metal de aporte. Esto es debido a que las propiedades metalúrgicas y mecánicas de la

ZAC son directamente vinculadas con los parámetros de soldadura y los tratamientos térmicos post soldadura(PWHT). Es también cierto que cualquier problema de soldabilidad asociado con las características de la ZAC es

más difícil de manejar que los asociados con el metal de aporte. Los problemas de soldabilidad asociados con elconsumible pueden solucionarse cambiando el mismo o los otros consumibles de soldadura. Mientras que los

problemas asociados con la ZAC algunas veces pueden ser resueltos modificando el metal base (lo cual suele

resultar costoso) y / o el aporte térmico.

La importancia de la zona afectada por calor la podemos apreciar en la figura 7 donde comparamos la temperaturamáximas que se alcanzan en cada una de las regiones de la misma con el diagrama de equilibrio Fe-Fe3C

(metaestable). Estas regiones son: la zona de grano crecido; zona de grano refinada; regiones intercríticas,

subcríticas y parcialmente modificadas. Sin embargo la ZAC sufre procesos metalúrgicos que involucrancalentamientos y enfriamientos muy rápidos, es por ello que resulta más cómodo asociarla con diagramas de


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enfriamientos continuos. Por lo que las curvas CCT (Continuous Cooling Transformation) son más apropiados

para predecir las microestructuras en la ZAC.

Ver figura 7 Relación entre el diagrama de

equilibrio Fe-Fe3C y la ZAC de una

soldadura.

Concepto de Carbono Equivalente

Un parámetro útil para evaluar lasoldabilidad de los aceros es el concepto

de CARBONO EQUIVALENTE (CE). Este

consiste en una ecuación que relaciona lacomposición química del material. Hay

distintas ecuaciones para calcular el CE,veremos solo dos de ellas.

El Código API 1104- A B presenta la

ecuación desarrollada por el Instituto

Internacional de Soldadura, y cuya

expresión es la siguiente:

En Japón se utilizan un parámetro denominado P CM y que caracteriza mejor el efecto de los elementos de aleación

en los aceros al carbono de alta resistencia y baja aleación (aceros HSLA – o aceros microaleados), este es:

Aunque estas ecuaciones fueron inicialmente desarrolladas para caracterizar la tendencia a la fisuración por

hidrógeno para aceros de chapas, estas se utilizan para evaluar el endurecimiento del acero basado en sucomposición química.

Como regla general, un acero se considera soldable si el carbono equivalente (CE IIW ) según la fórmula del

International Institute of Welding es menor a 0,4%. Este valor estaría indicando cómo los elementos de aleación

presentes en el acero afectan las transformaciones características favoreciendo la formación de microestructuras

susceptibles a fisuración por hidrogeno en la ZAC. El carbono equivalente provee una indicación del tipo de

microestructura esperada en la ZAC en función de la velocidad de enfriamiento desde una temperatura máxima.

Si bien resulta un parámetro atractivo para evaluar la soldabilidad de distintos aceros, por sí sólo no es suficiente.

Primero debido a que la soldabilidad no es gobernada exclusivamente por la composición química del acero siendoel espesor de la junta (o espesor gobernante según algunos Códigos de construcción) un factor a considerar en el


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momento de seleccionar temperaturas de precalentamiento y/o tratamientos térmicos post soldadura. La

soldabilidad también se ve afectada por la historia térmica del material y tensiones mecánicas desarrolladas antes,

durante y después de realizada la unión. También, posee un rol importante la adecuada elección del consumible.

Utilización del diagrama de Graville para evaluar la soldabilidad de los aceros

La Figura 8 muestra el diagrama de Graville, el

cual resulta una herramienta útil para evaluarla necesidad de precalentamiento o tratamiento

térmico post soldadura basada en conceptos decomposición química (no considera espesor), en

el mismo se grafica la relación entre Carbono y el

CEQ del metal base y considera 3 zonas.

Zona I: Aceros de bajo carbono y bajoendurecimiento no susceptibles a fisuras.

Zona II: Aceros con mayor porcentaje de Carbono y bajo endurecimiento, el riesgo a fisuras en la

ZAC puede ser evitado mediante el control de la

velocidad de enfriamiento, por medio del aporte

térmico o en menor extensión el

precalentamiento.

Zona III: Aceros con elevado porcentaje de carbono y alto endurecimiento y en todas las condiciones de soldadura

pueden producir microestructuras susceptibles a fisuras.

Desde el punto de vista de selección de parámetros de soldadura este diagrama indicaría que si por su composición

química un acero se ubica en la zona II su soldadura debe involucrar el uso de procesos de bajo hidrogeno y precalentamiento, mientras que si un acero es ubicado en la Zona III se deben aplicar procesos de bajo hidrógeno,

precalentamiento y tratamientos térmicos post soldadura.

Referencias

ASM handbook. Welding, Brazing and Soldering, ASM International, 1994, vol. 6.

M. Zalazar. Introducción a los aceros HSLA. Cuaderno Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional delComahue, 1995, p. 1-30.

Welding Handbook. Materials and Applications, AWS, 1991, eighth ed., vol. 4.

Welding Metallurgy. S. Kou Ed. John Willey and Son

Por Dra. Ing. Mónica Zalazar, Universidad Nacional del Comahue. Argentina.


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GENERACION D E CALOR Y DI STRIBUCION DE TEMPERATURAS EN LAS PIEZAS SOMETID AS A

PROCESOS DE SOLDADURA

ResumenDurante la aplicación de operaciones de soldadura, se debe prestar especial atención a los aspectos térmicos

asociados al proceso, puesto que el comportamiento mecánico de las piezas resultantes se ve fuertemente afectado

por las temperaturas alcanzadas en la zona de unión. Dependiendo de las tecnologías empleadas para la unión porsoldadura y los valores asumidos para los parámetros del proceso, se pueden advertir notables diferencias en la

magnitud del calor generado y, por tanto, en los gradientes de temperatura que aparecen en el material de partida.Por este motivo, para garantizar la producción de componentes que respondan al comportamiento mecánico

deseado durante su vida en funcionamiento, es necesario dimensionar correctamente las distintas variables en función de las características del material de trabajo, el espesor de las piezas a unir y la técnica de soldeo empleada.

En este trabajo de carácter divulgativo se procede a la descripción del ciclo térmico en operaciones de soldadura,

incluyendo la definición del balance de energía calorífica, las distribuciones de temperaturas que se aprecian en las

piezas soldadas y el efecto de la energía aportada sobre la estructura cristalina y propiedades mecánicas.

Palabras clave: Generación de calor; Energía aportada; Distribución de temperaturas; ZAT, Procesos de soldadura

1. Introducción

En la mayor parte de las ocasiones, las operaciones de soldadura requieren la aplicación de calor para conseguir la

unión de las piezas de partida, si bien la energía aportada puede ser una consecuencia de la generación de calor

mediante un arco eléctrico, la disipación de energía a causa del paso de corriente eléctrica, la fricción provocada

entre las superficies a unir, o bien otros fenómenos de distinta naturaleza. Por esta razón, el estudio del ciclotérmico es de crucial importancia cuando se pretende lleva a cabo la optimización del proceso y la minimización del

riesgo de defectos en las piezas soldadas [1-2].

Recientemente, se han desarrollado diversos trabajos dirigidos a la modelización teórica y el análisis experimental

de la influencia que presenta la magnitud de la energía aportada a la zona de unión sobre las propiedades

mecánicas que pueden ser alcanzadas en las piezas resultantes. En relación con las operaciones de soldadura por

arco, se encuentran estudios tales como los efectuados por C.V. Goncalves et al. [3], F. Lu et al. [4], A. Kermanpur etal. [5], J. Hu y H.L. Tsai [6], J. Nowacki y P. Rybicki [7] e I. Ucok et al. [8], en los cuales se proponen modelos

teóricos que permiten llevar a cabo la estimación de la generación de calor y las temperaturas provocadas duranteel proceso de soldeo, y se analiza el comportamiento mecánico de las piezas obtenidas en función de las condiciones

de trabajo.

C.V. Goncalves et al. [3], F. Lu et al. [4] y A. Kermanpur et al. [5] se centran en la influencia de la energía aportada

en procesos de soldadura con gas de protección y electrodo no consumible (GTAW), mientras que los estudios de J.

Hu y H.L. Tsai [6], J. Nowacki y P. Rybicki [7] e I. Ucok et al. [8] están orientados a la modelización y análisis deestos efectos en operaciones de soldadura con gas de protección y electrodo consumible (GMAW), soldadura por

arco sumergido (SAW) y soldadura por plasma (PAW), respectivamente. Para el análisis teórico se recurre a lamodelización analítica y la simulación numérica de los fenómenos térmicos y mecánicos involucrados en la unión

por soldadura.

Debido a la remarcada importancia que también reviste la magnitud de la energía aportada y el gradiente detemperaturas en otras técnicas de soldeo, dentro de la bibliografía científica se pueden destacar asimismo las


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aportaciones de autores tales como W. Woo et al. [9], R.S. Coelho et al. [10] e Y. TIAN et al. [11], en las cuales se

abordan operaciones de soldadura por fricción (FW), soldadura por haz láser (LBW) y soldadura por haz de

electrones (EBW), respectivamente.

Con el propósito de identificar los fenómenos térmicos que deben ser considerados durante la aplicación de técnicasde unión por soldadura, en este trabajo se detalla la relación existente entre estos fenómenos y el comportamiento

mecánico de las piezas sometidas a procesos de soldeo, para lo cual se aborda la estimación del calor transferido a

la pieza de partida, las curvas isotérmicas que representan la distribución de temperaturas en la zona de unión, y el

efecto del calor generado sobre la microestructura de las piezas soldadas.

2. Generación de calor en procesos de soldadura

La obtención de piezas soldadas habitualmente conlleva el desarrollo de complejos fenómenos físicos asociados a su

vez a fenómenos de carácter térmico, eléctrico, magnético, luminoso y/o acústico. Con independencia de lastécnicas seleccionadas para la unión de las piezas de partida, el proceso de soldeo normalmente requiere la

aplicación de calor en las zonas en que se pretende conseguir la unión por soldadura [1-2]. Por esta razón, el flujo decalor es uno de los aspectos esenciales en los procesos dedicados a la obtención de uniones soldadas, y en especial el

calor que es transferido a la zona de unión.

La energía aportada en forma de calor al material de trabajo suele ser expresada por unidad de longitud de soldeo,

por lo cual se introduce la velocidad de soldeo para la definición de este parámetro. A partir del calor total generado

por unidad de tiempo P y de la magnitud seleccionada para la velocidad de soldeo v , en operaciones de soldadura

por arco se puede utilizar la siguiente expresión para la estimación de la energía que es aportada a la zona de unión

H :

H=P/v

donde la potencia calorífica viene dada por P=1v , en función de la intensidad de corriente I y la tensión de

alimentación V . Sin embargo, cuando se recurre a otro tipo de técnicas como son las operaciones de soldadura por

resistencia, la energía aportada se determina directamente como H=12 Rt , donde R es la resistencia a la corriente

eléctrica en la zona de unión y t es el tiempo de alimentación que determina la duración del proceso.


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Como se ilustra en la Figura 9, a causa de las pérdidas de energía que suelen ser observadas durante el desarrollo del

proceso, a partir de la energía total que se transfiere a la zona de unión H y la eficiencia asociada a la transferencia

de calor f 1 , se puede determinar la energía neta aportada H net mediante la expresión que se indica a continuación:

H net =f 1 H

donde para la eficiencia en la transferencia de calor f 1 habitualmente se pueden asumir valores comprendidos entre0,8 y 1,0, lo cual dependerá de diferentes factores tales como la técnica de soldadura que es aplicada, la posición de

soldeo escogida, el diseño de la junta, el espesor de las piezas de partida, la temperatura inicial y las propiedades

térmicas del material.

Entre las pérdidas de energía que condicionan esta eficiencia térmica, en el caso de los procesos de soldadura porarco cabe destacar el flujo de calor de retroceso que tiene lugar por conducción a través del electrodo, la radiación a

elementos ajenos a la zona de unión, el calentamiento de los gases que rodean la pieza de partida, la formación de

escorias a partir de los fundentes existentes en el arco, la transferencia de calor por convección en el baño de fusión y la conducción de energía a través del material de trabajo [1-2].

Además de la eficiencia vinculada a la transferencia de calor, se considera la eficiencia en la fusión del material f 2 , lacual depende especialmente de las pérdidas de energía por conducción a través de las piezas de partida, y viene dada

por la siguiente expresión a partir de la energía teórica requerida por unidad de volumen de metal fundido Q , el área

total de metal fundido en la sección transversal Aw y la energía neta aportada al baño de fusión H net :

F 2= Q Aw /H net

En la mayor parte de las ocasiones, las eficiencias térmicas y que acaban de ser definidas se mantienen

prácticamente inalterables con la tensión de alimentación, la intensidad de corriente y la velocidad de soldeo, por loque se puede inferir que la cantidad de material fundido en la sección transversal para cada pasada de soldeo es

proporcional a la energía aportada.

3. Distribución de temperaturas en la zona de unión

A partir de la magnitud del calor transferido al material de trabajo (dependiendo de las técnicas empleadas para la

unión por soldadura) se advierten diferentes gradientes de temperaturas en la zona de unión y en las piezas de partida. A modo de ejemplo, en la Figura 10a se ilustra la distribución de temperaturas que puede ser observada en

operaciones de soldadura por arco en las proximidades del baño de fusión, mientras que la Figura 10b representa la

variación de temperaturas advertida en el material de trabajo durante el proceso de soldeo [1-4].En un instante determinado del proceso de soldeo, se puede apreciar una distribución de temperaturas similar a laque aparece en la Figura 10a en el caso de las operaciones de soldadura por arco [1-2, 4]. En esta figura se observan

las curvas isotermas que ilustran las diferencias existentes entre los valores de temperatura alcanzados

dependiendo de la posición en la zona del arco. La disminución que se advierte en la temperatura a medida que seincrementa la distancia en dirección radial respecto del centro del arco, se debe a la disipación de calor como

consecuencia de fenómenos de conducción, convección y radiación. Para la estimación de las pérdidas de energía

por conducción en este tipo de operaciones, se suele recurrir a leyes tales como la ecuación de balance de energía de

Elenbaas-Heller [1]:

r

T

rk r r E d

d

d

d 12


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Donde σ es la conductividad eléctrica del arco, E la intensidad del campo eléctrico, k la conductividad térmica del

arco, r el radio respecto de la línea central del arco y T la temperatura que se alcanza en la región especificada.

En la Figura 10b se muestran los tipos de familias de curvas que suelen describir el ciclo térmico en operaciones desoldadura por arco [1-3]. Como se pone de manifiesto en esta figura, el pico de temperatura disminuye rápidamente

con la distancia al centro del cordón, a diferencia del tiempo necesario para el alcance de dicha temperatura.

Asimismo, a partir de las curvas que se visualizan en la Figura 10b , se comprueba que la velocidad de fusión y la

velocidad de enfriamiento que corresponden a las diferentes regiones del material de trabajo decrecen con la

distancia a la línea central del cordón de soldadura.

La estimación de las alteraciones de carácter metalúrgico que pueden ser apreciadas en las piezas resultantes

requiere el cálculo de las temperaturas alcanzadas en la zona de unión, y en especial del pico de temperatura T p quese registra en el ciclo térmico, para lo cual se suele hacer uso de leyes tales como la ecuación deducida por C.A.

Adams [1] para operaciones de soldadura de chapa con una sola pasada y penetración total:

Donde T 0 es la temperatura inicial (°C), T m el punto de fusión (°C), ρ la densidad del material de trabajo (g/mm³),C el calor específico en estado sólido (J/g °C),e el espesor de la pieza de partida (mm) e Y z el ancho de la zona

afectada térmicamente.

4. Zona afectada térmicamente en las piezas de partida

Dependiendo de factores tales como la técnica de soldeo empleada, el espesor de las piezas de partida y las

propiedades térmicas del material de trabajo, la cantidad de calor generado durante el desarrollo del proceso tendráuna distinta influencia sobre la zona de unión. La región de las piezas de partida en que se advierten cambios en la

microestructura a causa de la energía aportada, recibe el nombre de “zona afectada térmicamente”, y se sueleidentificar con las siglas “ZAT”. En función de la magnitud adoptada para los distintos parámetros del proceso, en

esta zona se pueden obtener propiedades mecánicas similares a las existentes en el material de partida, o bien pueden ser alteradas como consecuencia de los cambios originados en la estructura cristalina.

00

113,41

T T H

Y eC

T T mnet

z

p


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Cuando los fenómenos térmicos estudiados presentan simetría respecto de la dirección en que se describe la

velocidad de soldeo, el volumen total de metal afectado por unidad de longitud de soldadura viene dado por V z = 2 e

Y z , donde e es el espesor de las piezas que se pretende soldar e Y z es la longitud de la zona afectada térmicamente

(ZAT). Este volumen por unidad de longitud de soldadura, se puede considerar proporcional a la energía netaaportada H net , y dependerá del calor teórico requerido para la fusión del material de trabajo Q.

En la Figura 11 se muestra una representación esquemática de la zona de la pieza resultante en que se pueden

apreciar alteraciones a causa del calor transferido durante el proceso de soldeo. De acuerdo con esta figura,alrededor del baño de fusión se suelen observar diferentes regiones en función de los efectos originados por el calor

generado en la zona de unión. La zona afectada térmicamente (ZAT) engloba la totalidad de las regiones en que se

da lugar a modificaciones de carácter metalúrgico, incluyendo una primera zona en que se alcanzan temperaturas próximas al punto de fusión, así como una segunda zona que se encuentra más alejada del baño de fusión y por

tanto se ve expuesta a menores valores de temperatura [1-2].

La solidificación del

material que se

encuentra en el baño

de fusión, en muchos

casos se caracteriza

por unamicroestructura de

tipo columnar, conlos granos alineados

en cierta medida con

la dirección en que

tiene lugar la

transferencia decalor. La nucleación de granos se origina en la línea de fusión, lo cual facilita el crecimiento ininterrumpido de estos

granos hasta que es completada la fase de solidificación. Esta estructura cristalina no se produce en la totalidad demateriales de partida, sino fundamentalmente en metales puros y en aleaciones metálicas con estrechos rangos de

temperaturas de solidificación. Sin embargo, en la mayor parte de las ocasiones la solidificación de las aleaciones

metálicas supone la segregación de los elementos de aleación y por tanto supone la formación de estructuracristalina de tipo dendrítico.

Como se aprecia en la Figura 11, habitualmente en la zona transformada de bajas temperaturas se obtiene unamicroestructura con reducido tamaño de grano, mientras que en la región más cercana a la línea de fusión se suele

producir el crecimiento del tamaño de grano al encontrarse sujeta durante un mayor tiempo a elevadas

temperaturas. Los cambios que se advierten en la estructura cristalina, supondrán asimismo la alteración delcomportamiento mecánico de las piezas sometidas a operaciones de soldadura, como se describe en el siguiente

apartado.

5. Propiedades mecánicas de las piezas soldadas

Las modificaciones provocadas en la microestructura del material de trabajo, pueden dar lugar a defectos en las

uniones soldadas y la alteración del comportamiento mecánico. En las regiones que corresponden a la zonaafectada térmicamente (ZAT) se evidencian variaciones de propiedades mecánicas tales como la resistencia a rotura


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y la resiliéncia. Dependiendo del tipo de material utilizado, se puede producir un fenómeno que se conoce como

“entalla metalúrgica”. Dicho fenómeno consiste en la obtención de una región con una estructura cristalina de

grano grueso que supone una considerable disminución de la resiliéncia en las proximidades del cordón de

soldadura, lo cual puede provocar un notable debilitamiento de las piezas resultantes [2]. A modo de ejemplo, en losaceros con tratamientos térmicos de temple y revenido se puede apreciar un marcado descenso de propiedades

mecánicas tales como la resiliéncia a medida que las regiones consideradas se acercan a la zona que corresponde al

baño de fusión. Asimismo, tanto en este tipo de aceros como en aceros normalizados, es posible detectar undrástico empeoramiento del comportamiento mecánico en la zona transformada de altas temperaturas, lo cual

puede suponer un serio riesgo de rotura inesperada durante la vida en funcionamiento de las piezas fabricadas.

Con la finalidad de tratar de comprobar la ausencia de defectos de especial relevancia y el comportamiento

mecánico de las piezas obtenidas mediante procesos de soldeo, una vez completada la unión por soldadura se suele

recurrir a las diferentes técnicas disponibles para este propósito, incluyendo el análisis de la microestructura

mediante microscopía óptica, la realización de ensayos de propiedades mecánicas tales como los ensayos detracción, de cizalladura y de dureza, y la aplicación de ensayos no destructivos como son la inspección radiográfica,

inspección por líquidos penetrantes e inspección por partículas magnéticas [1-3, 7-10].

6. Conclusiones

En el presente trabajo se procede a la descripción de los fenómenos de carácter térmico que tienen lugar en los procesos de soldeo, los cuales son de una crucial importancia para la minimización de los defectos de soldadura y la

optimización de las propiedades mecánicas de las uniones soldadas. En primer lugar se definen los conceptos de

energía aportada, energía neta aportada y eficiencia térmica asociada a la transferencia de calor y a la fusión de

material, y a continuación se estudian las distribuciones de temperaturas que suelen ser observadas en la zona de

unión, así como la influencia del calor generado sobre las alteraciones de carácter metalúrgico en la zona afectadatérmicamente y la variación del comportamiento metálico en el material de trabajo.

7. Referencias bibliográficas

[1] KEARNS, W.H. Welding Handbook - Volume 1: Fundamentals of Welding, American Welding Society, Miami,

Florida, 1984.

[2] REINA GÓMEZ, M. Soldadura de los aceros. Aplicaciones, Madrid, 1986.

[3] GONCALVES, C.V., VILARINHO, L.O., SCOTTI, A., GUIMARAES, G. Estimation of heat source and thermal

efficiency in GTAW process by using inverse techniques, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 172, 2006,42–51.

[4] LU, F., TANG, X. YU, H. YAO, S. Numerical simulation on interaction between TIG welding arc and weld pool,

Computational Materials Science, Vol. 35, 2006, 458–465.

[5] KERMANPUR, A., SHAMANIAN, M., YEGANEH, V.E. Three-dimensional thermal simulation investigation of

GTAW circumferentially butt-welded Incoloy 800 pipes, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 199, 2008,

295–303.

[6] HU, J., TSAI, H.L. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Part I: The arc, International Journal of

Heat and Mass Transfer, Vol. 50, 2007, 833–846.


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[7] NOWACKI, J., RYBICKI, P. The influence of welding heat input on submerged arc welded duplex steel joints

imperfections, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 164–165, 2005, 1082–1088.

[8] UCOK, I., KRAMER, L.S., GUNGOR, M.N., WOLFE, P., DONG, H., TACK, W.T. Effect of welding on

microstructure and tensile properties of flowformed Ti-6Al-4V tubes, Materials Science and Engineering A, Vol.

410–411, 2005, 160–164.

[9] WOO, W., CHOO, H., PRIME, M.B., FENG, Z., CLAUSEN, B. Microstructure, texture and residual stress in a

friction-stir-processed AZ31B magnesium alloy, Acta Materialia, Vol. 56, 2008, 1701–1711.

[10] COELHO, R.S., KOSTKA, A., PINTO, H., RIEKEHR, S., KOCAK, M., PYZALLA, A.R. Microstructure and

mechanical properties of magnesium alloy AZ31B laser beam welds, Materials Science and Engineering A, Vol. 485,

2008, 20–30.

[11] TIAN, Y., WANG, C., ZHU, D., ZHOU, Y. Finite element modeling of electron beam welding of a large complex Al alloy structure by parallel computations, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 199, 2008, 41–48.

Por: Patricio Franco, Silvia Monreal

Universidad Politécnica de Cartagena, Departamento deIngeniería deMateriales y Fabricación,C/ Doctor Fleming s/n, 30202 Cartagena, España, Tel:

+34 968 326587, Fax: +34 968 326445.

TIPS

Aunque el tema de la metalurgia de la soldadura, y específicamente de los efectos del calor sobre los metales, sontemas bastante extensos, creo que hemos podido aportar información básica y de gran utilidad tanto para el

De todos los parámetros incluidos en un WPS, los relacionados con la aplicación de calor (aporte térmico o Heat

Input) son los más trascendentales, ya que de estos dependerá –en gran manera- el éxito del elemento soldado. Por

todo lo anterior es nuestro consejo seguir concienzudamente cada parámetro expuesto en el WPS, cuidando todoslos detalles incluso aquellos externos como el impacto de la temperatura ambiente en la pieza a soldar.

MikayahLévi

técnico, como para el ingeniero que no tiene conocimientos sobre este tema.


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