Física de la soldadura: densidad de potencia, balance de calor y zonas de la junta

Resumen

El documento explica los principios físicos de la soldadura por fusión, como la densidad de potencia de la fuente de calor y el balance de calor necesario para fundir el metal. Además, describe la transferencia de calor y los factores que reducen la energía disponible para soldar. Por último, detalla las zonas de una junta soldada: zona de fusión, interfaz, zona afectada por el calor y metal base no afectado.

Puntos clave

La densidad de potencia es ρ = P / A, es decir, la potencia aplicada dividida entre el área sobre la que actúa.
El calor necesario para fundir metal incluye el calor para elevar su temperatura hasta el punto de fusión y el calor para la transformación de fase sólida a líquida.
Solo parte de la energía de la fuente llega a la pieza (factor f1) y solo parte de ese calor se usa para fundir (factor f2).
La zona de fusión es una mezcla homogénea de metal de aporte y metal base fundidos.
En la soldadura se produce crecimiento de grano epitaxial, a diferencia de la solidificación en fundición.
La interfaz es una banda delgada de metal base fundido o parcialmente fundido, con la misma composición química que el metal base.
La zona afectada por el calor (HAZ) no llega a fundirse, pero cambia su microestructura y propiedades por efecto de la temperatura.

Ponte a prueba

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:

El calor para elevar la temperatura del metal sólido a su punto de fusión, el cual depende del calor específico volumétrico del metal.
El punto de fusión del metal.
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:

Zona de fusión
Interfaz de la soldadura
Zona afectada por el calor
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.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la zona afectada por el calor en una soldadura?

Es la zona donde el metal no llega a fundirse, pero alcanza temperaturas suficientes para cambiar su microestructura y propiedades. Su composición química es igual a la del metal base.

¿Por qué no toda la energía de la fuente de calor se usa para soldar?

Parte se pierde en la transferencia entre la fuente y la superficie de trabajo (factor f1), y otra parte se disipa por conducción lejos del área de soldadura (factor f2). Por eso solo una fracción del calor está disponible para fundir el metal.

¿Qué diferencia hay entre la solidificación en fundición y en soldadura?

En la soldadura ocurre crecimiento de grano epitaxial: los átomos fundidos se solidifican sobre los sitios reticulares del metal base sólido adyacente. Así, el grano tiende a imitar la orientación cristalográfica de la zona circundante.