Los ciclos de temperatura que se producen durante la soldadura (curva temperatura-tiempo) tienen una influencia decisiva en las propiedades mecánicas del metal de soldadura y de la zona afectada por el calor. A su vez, los ciclos de temperatura dependen de las condiciones de soldadura. Por condiciones de soldadura se entiende una multitud de variables de influencia tales como la tensión del arco, la corriente de soldadura, la velocidad de soldadura, la temperatura de trabajo, el espesor de chapa, el proceso de soldadura y la forma del cordón [1]. Los parámetros de soldadura tensión del arco, corriente de soldadura y velocidad de soldadura pueden resumirse como energía lineal.
Según [2], la energía por unidad de longitud se calcula como:
Fórmula:
E = (U * I) / v
con
- U: tensión del arco
- I: corriente del arco
- v: velocidad de avance
La energía por unidad de longitud es, por tanto, una medida de la energía suministrada al proceso de soldadura.
No obstante, debe tenerse en cuenta que no toda la energía eléctrica tomada de la fuente de corriente puede introducirse en el baño de fusión, sino solo una determinada parte, según el proceso y las condiciones de soldadura. Sin embargo, solo la energía realmente introducida en la zona del cordón tiene influencia en el proceso de solidificación del metal de soldadura y en los cambios estructurales inducidos térmicamente en la zona afectada por el calor. Por este motivo, es necesario considerar las pérdidas de energía de forma diferenciada [3].
Esto puede hacerse ampliando la energía por unidad de longitud E mediante un factor eta, que es la relación entre la energía introducida en la zona de soldadura y la energía suministrada al proceso de soldadura. El aporte térmico Q así definido se calcula, por tanto, como [2]:
Q = eta * E = eta * (U * I) / v
con
- Q: aporte térmico
- E: energía
- eta: rendimiento térmico
- U: tensión del arco
- I: corriente del arco
- v: velocidad de avance
Salvo que se especifique otra cosa, el rendimiento térmico de los procesos de soldadura (eta) debe basarse en los valores indicados en la siguiente tabla [5].
| Rendimiento térmico de los procesos de soldadura | |
| Proceso | Factor eta |
| Soldadura por arco sumergido | 1,0 |
| Soldadura manual por arco con electrodo revestido | 0,8 |
| Soldadura por arco con gas y electrodo consumible (MAG) | 0,8 |
| Soldadura por arco con gas inerte y electrodo consumible (MIG) | 0,8 |
| Soldadura por arco con electrodo de tungsteno y gas (WIG) | 0,6 |
Salvo que se especifique otra cosa, el rendimiento térmico de los procesos de soldadura (eta) debe basarse en los valores indicados en la tabla anterior [2].
No obstante, en el caso de una tarea de soldadura planificada que viene especificada por el proceso de soldadura, el espesor de chapa y la forma del cordón, a menudo es necesario obtener una microestructura muy concreta en la zona afectada por el calor, determinada por un tiempo de enfriamiento t8/5 especificado. Transformando las fórmulas generales para calcular el tiempo de enfriamiento t8/5, pueden calcularse el aporte térmico máximo admisible y, a partir de este, la energía por unidad de longitud máxima [2]. Esto permite determinar combinaciones de parámetros de soldadura adecuadas (tensión del arco, corriente de soldadura, velocidad de soldadura) para la tarea de soldadura planificada.
Al calcular la energía por unidad de longitud para una tarea de soldadura dada, sin embargo, debe distinguirse entre una disipación de calor tridimensional y bidimensional. Al soldar piezas relativamente gruesas, la disipación de calor es tridimensional. El calor introducido a través del arco puede disiparse en el plano de la pieza y, adicionalmente, en la dirección del espesor de la pieza. Por ello, esto no tiene ningún efecto sobre el tiempo de enfriamiento. Con la disipación de calor bidimensional, en cambio, el flujo de calor se produce exclusivamente en el plano de la pieza. En este caso, el espesor de la pieza es decisivo para la sección transversal disponible para la disipación de calor y, por tanto, tiene una influencia pronunciada en la energía por unidad de longitud máxima admisible [4].
Al soldar chapas relativamente gruesas (disipación de calor tridimensional), la energía por unidad de longitud se calcula según la siguiente ecuación:
Fórmula (disipación de calor tridimensional):
E = t8/5 / [(6700 - 5 * T0) * eta * ((1 / (500 - T0)) - (1 / (800 - T0))) * F3]
con
- t8/5: velocidad de enfriamiento t8/5
- T0: Temperatura de precalentamiento
- eta: Rendimiento térmico
- F3: Factor de cordón para disipación de calor tridimensional
Existe una disipación de calor bidimensional al soldar productos de espesor relativamente pequeño. La energía por unidad de longitud se calcula según la siguiente ecuación:
Fórmula (disipación de calor bidimensional):
E = (t8/5 * d2 / [(4300 - 4.3 * T0) * 105 * eta2 * ((1 / (500 - T0))2 - (1 / (800 - T0))2) * F2])0,5
con
- t8/5: Tiempo de enfriamiento t8/5
- d: Espesor de chapa
- T0: Temperatura de precalentamiento
- eta: Rendimiento térmico
- F2: Factor de cordón para disipación de calor bidimensional
El número de tipos de cordón concebibles es tan grande que una aclaración cuantitativa de la influencia de todos ellos sobre la energía máxima requeriría un esfuerzo extremadamente elevado. Por este motivo, la tabla siguiente resume únicamente los factores de cordón para los tipos de cordón más comunes con disipación de calor tridimensional (F3) y bidimensional (F2) [5].
| Factores de cordón | ||
| Tipo de cordón | F3 | F2 |
| Cordón de recargue | 1,0 | 1,0 |
| 1.ª y 2.ª soldadura en ángulo en unión en T o en cruz | 0,67 | 0,45 a 0,67 |
| 3.ª y 4.ª soldadura en ángulo en unión en T o en cruz | 0,67 | 0,3 a 0,67 |
| Soldadura en ángulo en unión en esquina | 0,67 | 0,9 |
| Soldadura en ángulo en unión a solape | 0,67 | 0,7 |
| Pasada de raíz de cordones en V (ángulo de abertura 60°, talón 3 mm) | 1,0 a 1,2 | aprox. 1,0 |
| Pasada de raíz de cordones en doble V (ángulo de abertura 50°, talón 3 mm) | 0,7 | aprox. 1,0 |
| Capas intermedias de cordones en V y doble V | 0,8 a 1,0 | aprox. 1,0 |
| Capas de cobertura de cordones en V y doble V | 0,9 a 1,0 | 1,0 |
| Cordón en I, «soldadura posición-contraposición» | - | 1,0 |
Si el espesor de pieza respectivo está próximo al espesor de chapa de transición (véase más abajo), el valor del factor de cordón F2 corresponde al de F3. Cuanto menor sea el espesor de pieza en comparación con el espesor de chapa de transición, más claramente difieren F2 y F3 [4].
El espesor de chapa en la transición de la disipación de calor tridimensional a bidimensional se denomina espesor de chapa de transición dü. Se obtiene igualando las fórmulas para calcular el tiempo de enfriamiento t8/5 para la disipación de calor tridimensional y bidimensional:
dü = [((4300 - 4,3 * T0) / (6700 - 5 * T0)) * 105 * Q * (( 1 / (500 - T0)) + (1 / (800 - T0)))]0,5
con
- Q: aporte térmico
- T0: temperatura de precalentamiento
Literatura:
[1] Degenkolbe, J., Uwer, D., und Wegmann, H. G.:
Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen durch die Abkühlzeit t8/5 und deren Ermittlung. Thyssen Technische Berichte, Heft 1/85, S. 57 - 73
[2] Stahl-Eisen-Werkstoffblatt 088 Beiblatt 2:
Schweißgeeignete Feinkornbaustähle - Richtlinien für die Verarbeitung, besonders für das Schmelzschweißen; Ermittlung der Abkühlzeit t8/5 zur Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen. 4. Ausgabe, Oktober 1993, Verlag Stahleisen, Düsseldorf
[3] Uwer, D. und Wegmann, H. G.:
Temperaturzyklen beim Lichtbogenschweißen - Einfluß von Schweißverfahren und Nahtart auf die Abkühlzeit. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 28 (1976), Heft 4, S. 132 - 136
[4] Uwer, D.:
Rechnerisches und grafisches Ermitteln von Abkühlzeiten beim Lichtbogenschweißen. Schweißen und Schneiden, Jahrgang 30 (1978), Heft 7, S. 243 - 248
[5] Uwer, D. und Degenkolbe, J.: Kennzeichnung von Schweißtemperaturzyklen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften von Schweißverbindungen. Stahl und Eisen 97 (1977), Nr. 24, S. 1201 - 1207