Fundamentos de la Física de la Soldadura: Densidad, Calor y Características de la Junta

Física de la Soldadura

Densidad de Potencia y Balance de Calor

A. Densidad de potencia: Se aplica una fuente de energía calorífica de alta densidad a las superficies de empalme, y las temperaturas resultantes son suficientes para producir la fusión localizada de los metales base. Si se agrega un metal de relleno, la densidad calorífica debe ser suficientemente alta para fundirlo también.

ρ = P / A

B. Balance de calor en la soldadura por fusión: La cantidad de calor requerida para fundir un cierto volumen de metal es la suma de:

1. El calor para elevar la temperatura del metal sólido a su punto de fusión, el cual depende del calor específico volumétrico del metal.
2. El punto de fusión del metal.
3. El calor para transformar el metal de la fase sólida a la líquida en el punto de fusión, que depende de la temperatura de fusión del metal.

Q = ρVHm

En la soldadura de una gota continua, la velocidad volumétrica del metal soldado es el producto del área de soldadura Aw y la velocidad de viaje v. Sustituyendo lo anterior, se obtiene el balance de velocidad siguiente:

AwvHm = f1f2P = ρVHm

No toda la energía generada en la fuente de calor se usa para fundir el metal soldado. Existen dos mecanismos de transferencia de calor en el trabajo, ambos reducen la cantidad de calor disponible para el proceso de soldadura. El primero, es la transferencia de calor entre la fuente de calor y la superficie de trabajo (f1). Es la razón del calor real que recibe la pieza de trabajo dividida entre el calor total que genera la fuente.

El segundo mecanismo implica la conducción del calor lejos del área de soldadura para disiparse a través del metal de trabajo, por lo que sólo una porción del calor transferido a la superficie está disponible para fusión. Este factor de fusión f2 es la proporción del calor que recibe la superficie de trabajo que puede usarse para fusión. El efecto combinado de estos dos factores reduce la energía calorífica disponible para la soldadura.

Características de una Junta Soldada por Fusión

Una junta soldada por fusión típica, a la cual se ha agregado un material de relleno, consiste en varias zonas:

1. Zona de fusión
2. Interfaz de la soldadura
3. Zona afectada por el calor
4. Zona de metal base no afectada

A. Zona de fusión: Consiste en una mezcla de metal de aporte y de metal base que se ha fundido por completo. Esta zona se caracteriza por un alto grado de homogeneidad entre los metales componentes que se han fundido durante la soldadura. La diferencia significativa entre la solidificación en fundición y la soldadura es que en esta última ocurre un crecimiento de grano epitaxial, en el cual los átomos de la combinación fundida se solidifican sobre los sitios reticulares preexistentes del metal base sólido adyacente. La estructura del grano en el área de fusión cerca de la zona afectada por calor tiende a imitar la orientación cristalográfica de la zona afectada por calor circundante.

B. Interfaz de soldadura: Una estrecha frontera que separa la zona de fusión de la zona afectada por el calor. La interfaz consiste en una banda delgada de metal base fundido o parcialmente fundido durante el proceso de fusión (se localiza dentro de los granos), el cual se ha solidificado inmediatamente después, antes de mezclarse con el metal en la zona de fusión. Su composición química es idéntica a la del metal base.

C. Zona afectada por el calor (HAZ): En esta zona, el metal ha experimentado temperaturas menores a su punto de fusión, aunque lo suficientemente altas para producir cambios microestructurales en el metal sólido. La composición química en la zona afectada por el calor es igual a la del metal base, pero esta zona ha sido tratada con calor debido a las temperaturas de soldadura, por lo que se han alterado sus propiedades y estructura.