La zona afectada por el calor (ZAT) es un área de metal no fundida que ha sufrido cambios en las propiedades del material como resultado de la exposición a altas temperaturas. Estos cambios en las propiedades del material suelen ser el resultado de la soldadura o el corte a altas temperaturas. La ZAT es el área entre la soldadura o corte y la base (no afectada), el metal principal.
El área HAZ puede variar en severidad y tamaño dependiendo de las propiedades de los materiales, la concentración e intensidad del calor y el proceso de soldadura o corte utilizado.
Cuáles son las causas de las zonas afectadas por el calor?
El calentamiento asociado con la soldadura y / o el corte generalmente utiliza temperaturas que alcanzan y a menudo superan la temperatura de fusión del material en cuestión, dependiendo del proceso de soldadura utilizado. Sin embargo, el ciclo térmico de calentamiento y enfriamiento asociado con estos procesos es diferente a cualquier procesamiento que haya ocurrido previamente con el material parental. Esto conduce a un cambio en la microestructura asociado con el proceso de calentamiento y enfriamiento.
El tamaño de una zona afectada por el calor está influenciado por el nivel de difusividad térmica, que depende de la conductividad térmica, la densidad y el calor específico de una sustancia, así como de la cantidad de calor que ingresa al material. Aquellos materiales con un alto nivel de difusividad térmica pueden transferir variaciones de calor más rápido, lo que significa que se enfrían más rápido y, como resultado, se reduce el ancho de la ZAC. Por otro lado, aquellos materiales con un coeficiente más bajo retienen el calor, lo que significa que la ZAT es más ancha. En términos generales, la extensión de la ZAT depende de la cantidad de calor aplicado, la duración de la exposición al calor y las propiedades del material en sí. Cuando un material se expone a mayores cantidades de energía durante períodos más prolongados, la ZAT es mayor.
Con respecto a los procedimientos de soldadura, aquellos procesos con bajo aporte de calor se enfriarán más rápido, lo que conducirá a una HAZ más pequeña, mientras que un alto aporte de calor tendrá una tasa de enfriamiento más lenta, lo que generará una HAZ más grande en el mismo material. Además, el tamaño de la ZAT también crece a medida que disminuye la velocidad del proceso de soldadura. La geometría de la soldadura es otro factor que juega un papel en el tamaño de la ZAT, ya que afecta el disipador de calor, y un disipador de calor más grande generalmente conduce a un enfriamiento más rápido.
Las operaciones de corte a alta temperatura también pueden causar una ZAT y, de manera similar a los procedimientos de soldadura, aquellos procesos que operan a temperaturas más altas y velocidades lentas tienden a crear una ZAT más grande, mientras que los procesos de corte a menor temperatura o velocidad más alta tienden a reducir el tamaño de la ZAT. El ancho de la ZAT desde el borde de corte está determinado por el proceso de corte, la velocidad de corte y las propiedades y el espesor del material.
Los diferentes procesos de corte tienen diferentes efectos en la ZAT, independientemente del material que se corte. Por ejemplo, el cizallamiento y el corte por chorro de agua no crean una ZAC, ya que no calientan el material, mientras que el corte con láser crea una pequeña ZAC debido a que el calor solo se aplica a un área pequeña. Mientras tanto, el corte por plasma conduce a una HAZ intermedia, con corrientes más altas que permiten una mayor velocidad de corte y, por lo tanto, una HAZ más estrecha, mientras que el corte con oxiacetileno crea la HAZ más amplia debido al alto calor, la velocidad lenta y el ancho de la llama. La soldadura por arco se encuentra entre los dos extremos, con procesos individuales que varían en la entrada de calor.
Áreas HAZ
Mientras que la ZAT ocurre entre la zona de soldadura o corte y el metal base no afectado, la ZAT en sí tiene diferentes áreas según lo cerca que estén de donde se aplicó el calor de corte o soldadura al material.
La zona de corte o soldadura es la región líquida donde tiene lugar el proceso en sí y está adyacente al límite de fusión. El límite de fusión es el límite de la zona de fusión donde coexisten las fases líquida y sólida del metal. Más lejos de la zona de soldadura o corte se encuentra la propia ZAT, que es donde el metal base no fundido ha experimentado cambios en la microestructura. En los aceros convencionales, la ZAT se puede descomponer en la zona de grano grueso (más cercana al área calentada), la zona de grano refinado, la zona parcialmente transformada (calentada intercríticamente) y la zona templada. En otros materiales, que no experimentan una transformación de fase de estado sólido durante el enfriamiento, es común ver una zona de crecimiento de grano y una zona recristalizada, con alguna evidencia de una zona templada. Fuera de estas áreas HAZ se encuentra el material base no afectado.
Las diversas áreas de ZAT se forman por diferentes temperaturas en el metal base más allá de la soldadura o el corte. Esto no debe confundirse con la serie de bandas de colores visibles, causadas por la oxidación de la superficie, cerca de una soldadura en acero inoxidable. Los 'colores templados' representan temperaturas mucho más bajas que las que forman la zona afectada por el calor y se extienden a cierta distancia más allá de la zona afectada por el calor real. Estos diferentes colores, también conocidos como tinte térmico, ofrecen una indicación aproximada de la temperatura que alcanza el metal. En el caso del acero inoxidable tipo 1.4301 (AISI 304) calentado al aire libre, los colores de las bandas y las temperaturas asociadas son los siguientes:
Amarillo claro 290 ° C / 550 ° F
Amarillo pajizo 340 ° C / 640 ° F
Amarillo 370 ° C / 700 ° F
Marrón 390 ° C / 735 ° F
Marrón púrpura 420 ° C / 790 ° F
Morado oscuro 450 ° C / 840 ° F
Azul 540 ° C / 1000 ° F
Azul oscuro 600 ° C / 1110 ° F
Los colores de tinte térmico dependen de la resistencia del material a la oxidación, siendo los metales con un mayor contenido de cromo del acero que muestran una coloración menos intensa ya que son más resistentes a la oxidación. El uso de gas protector y revestimientos de electrodos también puede reducir el tinte por calor, ya que protegen parcialmente el metal de la oxidación. Por el contrario, las superficies más rugosas se oxidan más rápido y provocan colores más oscuros. Además, la pintura, el aceite, el óxido e incluso las huellas dactilares pueden alterar el tinte térmico, aunque no afectan la extensión de la ZAC en sí.
¿Cuáles son los efectos de las zonas afectadas por el calor?
Debido al calentamiento experimentado dentro de la ZAT, la microestructura y las propiedades en esta región cambian de modo que difieren de las del material base. Estos cambios generalmente son indeseables dependiendo del material, los cambios pueden dar - mayor o menor resistencia, susceptibilidad al agrietamiento, menor resistencia a la corrosión o menor tenacidad. Como resultado de esto, la ZAT es a menudo un área donde pueden ocurrir fallas.
La resistencia a la corrosión reducida es un efecto secundario común de las altas temperaturas que experimenta la ZAT en los aceros inoxidables. El calor producido en el área del cordón de soldadura hace que los carburos de cromo se precipiten alrededor de los límites del grano en la ZAT, lo que hace que el contenido de cromo local caiga por debajo del 10,5%, momento en el que el acero pierde la capacidad de formar una película pasiva y ya no es inoxidable. . Esto resulta en corrosión intergranular, también conocida como sensibilización o deterioro de la soldadura .
En los aceros convencionales, la fragilización por hidrógeno es otro efecto secundario indeseable de las altas temperaturas, por lo que el hidrógeno atómico disuelto en el metal de soldadura queda atrapado en la soldadura de enfriamiento y es rechazado en la ZAT en transformación. El hidrógeno se difunde a la región de mayor deformación (generalmente los dedos de los pies soldados o ZAT), creando una presión adicional dentro de la red y potencialmente causando grietas . El hidrógeno se puede eliminar mediante la selección correcta de los parámetros de soldadura y el precalentamiento o postcalentamiento según corresponda.
En algunos casos, la ZAT es más dura y resistente que el material principal, lo que puede causar problemas, pero en otros, como el aluminio, la ZAT es más suave y más débil que el material principal. Ambos pueden ser desafíos para el diseño y el uso de componentes.
Cómo reducir la zona afectada por el calor
Reducir la presencia o el efecto de la zona afectada por el calor puede ayudar a aliviar los problemas relacionados de grietas de ZAT, corrosión, fragilización, etc. Esto se puede lograr mediante un tratamiento térmico después de la operación de soldadura o corte. El tratamiento térmico aplicado dependerá de las propiedades requeridas y de los cambios previstos requeridos; puede ser un tratamiento de endurecimiento por precipitación o un tratamiento de ablandamiento, según el material. Sin embargo, este proceso puede resultar costoso y llevar mucho tiempo y puede que no ofrezca una solución completa. El tratamiento térmico también está limitado por el tamaño comparativo de la pieza y el soplete u horno utilizado.
El corte también se puede utilizar como alternativa al tratamiento térmico para reducir el impacto de la ZAT. Esto se puede lograr mediante el esmerilado o el corte, aunque se debe tener cuidado de no introducir más calor en la pieza.
El mecanizado es la forma más eficaz de eliminar toda la ZAT, pero esto puede reducir el rendimiento del material y aumentar la mano de obra y el tiempo de la máquina.
Finalmente, el tinte de calor de la oxidación se puede moler o quitar con papel de lija fino. Esto expondrá la capa subyacente y activará la autopasivación del cromo, aunque esto también puede debilitar la pieza.
Idealmente, la zona afectada por el calor debe minimizarse mediante la selección del proceso correcto de soldadura o corte para el material. TWI puede ayudar con este tipo de selección, además de poder asesorarle sobre los mejores materiales para su trabajo.
Fuente: twi-global