ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORALFACULTAD DE INGIENERIA MECANICA Y CIENCIAS DE

LA PRODUCCIÓN

CRISTHIAN JOSE PONGUILLO ARREAGA

ENERO 2016ANÁLISIS DE FLUJO DE CALOR DURANTE EL PROCESO GTAW

INTRODUCCIONFlujo de Calor en la Soldadura

El Flujo de calor durante un proceso de soldadura está relacionado con la mayoria de los fenómenos mecánicos y metalurgicos experimentados en la región de soldadura durante este proceso. Para controlar los eventos mecánicos y metalurgicos en el proceso, se tiene que establecer condiciones de transferencia de calor. Entre las principales están las siiguientes:

Eficiencia de Fusión

Transferencia de Calor

Distribución de temperatura pico en la Zona Afectada por el calor

Ciclos térmicos para diferentes condiciones de temperatura.

La eficiencia son números que se emplean para calcular la energía total transferida desde el arco hasta la pieza de trabajo y a su vez la energía que sirve para fusionar las piezas. Entonces se define a la energía neta de entrada como Hi, la energía total del arco como Ht y la eficiencia de transferencia de calor como η1 .

η1=H i

H t

La otra eficiencia representada por η2es una relación entre la energía que se utiliza para fusionar y la energía neta de entrada. Es decir:

η2=Hm

H i, donde Hm=QxAw

Donde Q es la energía requerida para fusionar una unidad de volumen de metal y se puede obtener de la siguiente ecuación:

Q=(Tf+273)2

300000;Tf=Temp . fusióndel metal

Otro punto a considerar es la temperatura pico de la ZAC, para esto hay que determinar de qué tipo es el flujo de calor. Para un estudio de dos dimensiones (2-D) la temperatura pico se calcula con la siguiente expresión

1Tp−¿

= 4.13 ρytCHi

+ 1Tf−¿

(2−D)

Donde,

To: Temperatura inicial de la plancha.

Ρ: Densidad del material.

C: Calor específico del material sólido.

y: Distancia entre la línea de fusión hasta alcanzar la Tp.

t: Espesor de la plancha.

Para un análisis en 3 dimensiones (3-D) la temperatura pico viene dada por la siguiente expresión

1Tp−¿

=( e2 )ρCπ [dy+ y2 ]

Hi+ 1Tf−¿

(3−D)

Donde,

To: Temperatura inicial de la plancha.

Ρ: Densidad del material.

C: Calor específico del material sólido.

y: Distancia entre la línea de fusión hasta alcanzar la Tp.

d: Ancho del cordón de soldadura.

Para determinar qué tipo de análisis realizar se lo hace calculando el espesor relativo del material que viene dado por la siguiente fórmula

DESARROLLOEQUIPOS Y MATERIALES

Equipo de Soldadura-proceso GTAW Termocupla Chromel – Alumel Planchas de acero inoxidable AISI 304 de 6.35 mm de espesor

PROCEDIMIENTO Efectuar un depósito de soldadura autógena a 6.35 mm, 12.70 mm y 25.4 mm de

distancia de la termocupla, usando los siguientes datos de soldadura:

E=14 Volt.I=150 Amp.V= 3.62 mm/seg.Ht= 580 J/mm

E=13 Volt.I= 210 Amp.V = 3.62 mm/seg.Ht= 754 J/mm

Obtenga la representación mV-tiempo para cada depósito de soldadura.

Convierta las lecturas mV a temperatura en cada caso.(mV = mV registrado + 1mV (To=25°C) - mV inicio)

Obtenga una muestra soldada representativa de cada calor suministrado (Ht) y prepárelas metalográficamente para medir el ancho (d) y la sección transversal (Aw) de las soldaduras.

PRESENTACIÓN DE RESULTADOSREPRESENTE EL CICLO TÉRMICO DE LAS SOLDADURAS (T vs t) PARA CADA DISTANCIA DE LA TERMOCUPULA Y PARA CADA Ht.

d1=6.30 mm

d2= 12.70mm

d3= 25.40 mm

COMPLETE LAS SIGUIENTES TABLAS.

Tabla 1.- Temperaturas Máximas (Tp)

Ht (J/mm)DISTANCIA DESDE CENTER LINE

6.35 mm 12.70 mm 25.40 mmmV Tp (°C) mV Tp (°C) mV Tp (°C)

580 22.8 551 9.5 234 5.25 128754 25 602 14.1 346 6.9 170

Tabla 2.- Calor Neto Suministrado (Hi) y eficiencias de Calor (n1) y Fusión (n2)

Ht (J/mm)

Tp (°C)

y (mm)

Hi (J/mm)

n1 (Hi/Ht)

Q (J/mm3)

Aw (mm2)

Hm (J/mm)

n2 (Hm/Hi)

580551 3.85 471 0.81

9.618 76.88 0.16

234 10.20 364 0.63 8 76.88 0.21128 22.90 370 0.64 8 76.88 0.21

754602 1.35 192 0.25

9.6116 153.76 0.80

346 7.70 466 0.62 16 153.76 0.33170 20.40 479 0.64 16 153.76 0.32

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

600

700

T vs t para Ht=754 J/mm

d1 d2 d3

t (seg)

Tem

pera

tura

(°C)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

100

200

300

400

500

600

T vs t para Ht=580 J/mm

t (seg)

Tem

pera

tura

(°C)

ANÁLISIS DE RESULTADOSLa tabla 1 nos muestra que la temperatura pico es mayor para distancias más cercanas a la línea central de soldadura. También las temperaturas van a incrementarse para una misma distancia cuando Ht aumenta.

La Tabla 2 se puede apreciar que la eficiencia η1 es mayor que la esperada en la soldadura GTAW (20% a 50%). En esta práctica este valor fluctúa entre 25% a 81%. Esto se puede haber originado por algún error en la medición de parámetros de soldadura, tales como la velocidad de la soldadura de 3.62 mm/s pudo haber sido un poco alta y este afecta directamente en la eficiencia, otro posible error puede ser la incorrecta lectura de temperatura pico en la termocupla.

Con respecto a la eficiencia de fusión η2, estas varían entre 16% al 80%, este último valor alto de eficiencia puede ser dado la cercanía del punto con respecto al eje de fusión, con respecto a los otros valores son valores bajos, esto puede ser debido a la relativa baja conductividad que presenta el acero inoxidable AISI 304 con respecto a otros aceros, la eficiencia de fusión aumenta cuando el material sea más conductivo.