FÍSICA DE LA SOLDADURA 1)Densidad de potencia Para lograr la fusión, se aplica una fuente de energía calorífica de alta densidad a las superficies de empalme y las temperaturas 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 suficientemente alta para fundirlo t ambién. La densidad calorífica se define como la potencia transferida al trabajo por unidad de área superficial, W/mm2 (Btu/s-in2).
Nota: Temperaturas Temperaturas locales de 5500° a 6600 °C (10 000 a 12 000 °F). Por razones metalúrgicas, metalúrgicas, es conveniente fundir metales con el mínimo de energía y en general se prefieren las densidades de potencia altas. La densidad de potencia puede calcularse como como la potencia que entra a la superficie dividida entre el área superficial correspondiente:
PD =densidad de potencia, W/mm2 (Btu/s-in2) P =potencia que entra a la l a superficie,W (Btu/s) A = área superficial por la que entra energía, mm2 (in2).
Problema 1 Una fuente de calor transfiere 3000 W a la superficie de una pieza metálica. El calor afecta la superficie en un área circular, con intensidades variables variables dentro del círculo. La distribución es la siguiente: 70% de la potencia se transfiere dentro de un círculo de 5 mm de diámetro y 90% se transfiere dentro de un círculo concéntrico de 12 mm de diámetro. ¿Cuáles son las densidades de potencia en: a) el círculo interno de 5 mm de diámetro y b) el anillo con un diámetro de 12 mm que se encuentra alrededor del círculo interno?
Resolución
2) 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. Para una aproximación razonable, esta cantidad de calor puede estimarse mediante la siguiente ecuación [5]:
Um =Energía para fundir una unidad de volumen de metal (energía unitaria requerida para fundir el metal, empezando a temperatura ambiente), J/mm3 (Btu/in3) Tm =Temperatura de fusión del metal (en°K o °R) K = 3.33 x10-6 cuando se usa la escala Kelvin K =1.467 x10-5 para la escala de temperatura Rankine
Calor Neto Disponible Para Soldadura( Hw) Hw =calor neto disponible para soldadura, J (Btu) H =calor total generado por el proceso de soldadura, J(Btu) f 1 = factor de transferencia de calor f 2 =factor de fusión
f 1: Está determinado en gran parte por el proceso de soldadura y la capacidad de convertir la f uente de potencia en un calor utilizable en la superficie de trabajo. f 2 :Depende del proceso de soldadura, pero también está influido por las propiedades térmicas del metal, la configuración de la unión y el espesor de la pieza.
Las temperaturas de fusión absoluta para los metales seleccionados
Energía Calorífica Neta Entregada a la Operación ( Hw)
H w =energía calorífica neta entregada a la operación, J (Btu) U m = energía unitaria requerida para fundir el metal, J/mm3 (Btu/in3) V =volumen de metal fundido, mm3 (in3)
R Hw = velocidad de la energía calorífica proporcionada para la operación de soldadura, J/s (Btu/min) RWV = velocidad volumétrica de metal soldado, en mm 3/s (in3/min)
RH = tasa de entrada de energía generada por la fuente de energía para la soldadura, W(Btu/min) Aw =área de la sección transversal de la soldadura, mm2 (in2) v =la velocidad de viaje de la operación de soldadura, en mm/s (in/min) f 1 = factor de transferencia de calor f 2=factor de fusión
Ejemplo: La fuente de potencia en una instalación para soldadura particular es capaz de generar 3500 W que pueden transferirse a la superficie de trabajo con un factor de transferencia de calor = 0,7. El metal que se va a soldar es de acero al bajo carbono, cuya temperatura de fusión según la tabla es de 1760 K. El factor de fusión en la operación es de 0,5. Se realizará una soldadura de filete continua con un área de sección transversal de 20 mm 2. Determine la velocidad de viaje a la cual puede realizarse la operación de soldadura.
Resolución:
TECNOLOGÍA GENERAL DE LA SOLDADURA CON ARCO Fuente de potencia en la soldadura con arco En la soldadura con arco se usa tanto la corriente directa (CD) como la corriente alterna (CA). Las máquinas de CA son menos costosas al comprarlas y operarlas, pero por lo general están limitadas a la soldadura de metales ferrosos. El equipo de CD puede usarse en todos los metales con buenos resultados y generalmente destaca por un mejor control del arco. En todos los procesos de soldadura con arco eléctrico, la potencia necesaria para realizar la operación es el producto de la corriente I que pasa por el arco y el voltaje E a través del mismo. Esta potencia se convierte en calor, pero no todo el calor se transfiere a la superficie de trabajo. La convección, la conducción, la radiación y las salpicaduras representan pérdidas que reducen la cantidad de calor utilizable. El efecto de las pérdidas se expresa mediante el factor de transferencia de calor f 1 (sección 28.3). Algunos valores representativos de f 1 para varios procesos de AW se proporcionan en la tabla 31.1. El factor de transferencia de calor es mayor para los procesos de AW que usan electrodos consumibles, debido a que la mayoría del calor consumido para fundir el electrodo se transfiere subsecuentemente al trabajo como metal fundido. El proceso con el valor f 1 más bajo en la tabla 31.1 es la soldadura con arco de tungsteno y gas, que usa un electrodo no consumible.
El factor de fusión f 2 (sección 30.3) reduce más el calor disponible para l a soldadura. El equilibrio de potencia resultante en la soldadura con arco se define mediante
E= voltaje, V I= corriente, A RHw = en watts (corriente multiplicada por voltaje) Um = energía unitaria requerida para fundir el metal, J/mm3 (Btu/in3) Aw =área de la sección transversal de la soldadura, mm2 (in2) v =la velocidad de viaje de la operación de soldadura, en mm/s (in/min) f 1 = factor de transferencia de calor f 2=factor de fusión 1 Btu =1 055 joules.
Ejemplo 2 Una operación de soldadura con arco de tungsteno y gas se realiza con una corriente de 300 A y un voltaje de 20 V. El factor de fusión f 2 = 0.5 (f1: sacar de la tabla f1= 0,7) y la energía de fusión unitaria para el metal Um = 10 J/mm3. Determine: a) la potencia en la operación b) la tasa de generación de calor en la soldadura c) el flujo volumétrico de metal fundido.
Resolución
SOLDADURA POR RESISTENCIA La energía calorífica aplicada a la operación de soldadura depende del flujo de corriente, de la resistencia del circuito y del intervalo en que se aplica la corriente. Esto se expresa mediante la ecuación: H
= I 2R t
H = calor generado, J (BTU) I = corriente( A) R= resistencia eléctrica t =tiempo( s)
nota: La corriente usada en las operaciones de soldadura por resistencia es muy alta (de manera típica de 5 000 a 20 000 A), aunque el voltaje es relativamente bajo (menos de 10V de modo usual). La duración t de la corriente es breve en la mayoría de los procesos, tal vez de 0.1 a 0.4 s en una operación de soldadura de puntos típica.
Ejemplo Se ejecuta una operación de soldadura de puntos por resistencia sobre dos piezas de láminas de acero de 1.5 mm de espesor, usando 12 000 amperes para una duración de 0.20 segundos. Los electrodos tienen un diámetro de 6 mm en las superficies que hacen contacto. Se supone que la resistencia es de 0.0001 ohms, y que la pepita de soldadura resultante tiene un diámetro de 6 mm y un espesor de 2.5 mm. La energía de fusión unitaria para el metal es Um = 12.0 J/mm3. ¿Qué parte del calor generado se usó para formar la soldadura y qué parte se disipó en el metal circundante?
Resolucion
SOLDADURA CON OXÍGENO Y GAS COMBUSTIBLE Soldadura con oxiacetileno Nota: El calor total liberado durante las dos etapas de la combustión es de 55 x 106 J/m3(1470 Btu/ft3) de acetileno. Sin embargo, debido a la distribución de la t emperatura en la flama, la forma en la que ésta se extiende sobre la superficie de trabajo y se pierde en el aire, así como las densidades de potencia y l os factores de transferencia de calor en la soldadura con oxiacetileno son relativamente bajos; f 1 =0.10 a 0.30.
Ejemplo Un soplete de oxiacetileno suministra 0.3 m3 de acetileno por hora y un flujo volumétrico igual de oxígeno para una operación de OAW sobre acero de 4.5 mm de espesor. El calor generado por combustión se transfiere a la superficie de trabajo con un factor f 1 _ 0.20. Si se concentra 75% del calor de la flama en un área circular sobre la superficie de trabajo que tiene un diámetro de 9.0 mm, encuentre a) la tasa de calor liberado durante la combustión, b) la tasa de transferencia de calor hacia la superficie de trabajo y c) la densidad de potencia promedio en el área circular.
Nota: La combinación de acetileno y oxígeno es muy inflamable y, por lo tanto, el ambiente en el que se realiza la OAW es peligroso. Algunos de los peligros se relacionan específicamente con el acetileno. El C2H2 puro es un gas inodoro e incoloro. Por razones de seguridad, el acetileno comercial se procesa para que contenga un olor característico de ajo. Una de las limitaciones físicas del gas es su i nestabilidad a presiones superiores a 1 atm (0.1MPa o 15 lb/in2). Por esta razón, los cilindros de almacenamiento de acetileno se empacan con un material de relleno poroso (como asbesto, madera de balsa y otros materiales) saturado con acetona (CH3COCH3). El acetileno se disuelve en acetona líquida; de hecho, la acetona disuelve alrededor de 25 veces su propio volumen en acetileno, lo que proporciona un medio relativamente seguro de almacenar este gas para soldadura. Como una precaución de seguridad adicional en la soldadura con oxiacetileno se incluye protección para los ojos y la piel del soldador (lentes, guantes y ropas de protección). Además, las cuerdas de los tornillos en los cilindros y mangueras de acetileno y oxígeno son estándares, para evitar la conexión accidental de los gases incorrectos. También es fundamental un mantenimiento adecuado del equipo. Nota: El equipo de la OAW es relativamente barato y portátil. Por lo tanto, es un proceso económico y versátil, conveniente para producción en bajas cantidades y trabajos de reparación. Rara vez se usa para soldar materia prima de láminas y placas más gruesas de 6.4mm (1/4 in) debido a las ventajas de la soldadura con arco en tales aplicaciones. Aunque la OAW puede mecanizarse, con frecuencia se ejecuta en forma manual y, por esta causa, depende de la habilidad del soldador producir una unión soldada de alta calidad.
