Este documento presenta un análisis del flujo de calor durante el proceso de soldadura GTAW utilizando acero inoxidable AISI 304. Se midieron las temperaturas máximas usando una termocupla a diferentes distancias del centro de soldadura y para dos niveles de calor de entrada. Los resultados mostraron que la temperatura pico es mayor cuanto más cerca está la termocupla y aumenta con mayor calor de entrada. Se calculó la eficiencia de transferencia de calor y fusión, variando entre 16-81% y 16-80

1. ENERO 2016
ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL
FACULTAD DE INGIENERIA MECANICA Y CIENCIAS DE
LA PRODUCCIÓN
CRISTHIANJOSEPONGUILLO
ARREAGA
ANÁLISIS DE FLUJO DE
CALOR DURANTE EL
PROCESO GTAW
SOLDADURA
MSC. OMAR SERRANO

3. INTRODUCCION
Flujode Calor enla 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 eficienciasonnúmerosque seempleanparacalcularlaenergíatotal transferidadesdeelarco
hasta la pieza de trabajo y a su vez la energía que sirve para fusionar las piezas. Entonces se
define ala energíanetade entradacomo Hi,la energíatotal del arco como Ht y laeficienciade
transferencia de calor como 𝜂1.
𝜂1 =
𝐻𝑖
𝐻𝑡
La otra eficiencia representada por 𝜂2 es una relación entre la energía que se utiliza para
fusionar y la energía neta de entrada. Es decir:
𝜂2 =
𝐻 𝑚
𝐻𝑖
, 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝐻 𝑚 = 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. 𝑓𝑢𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑡𝑎𝑙
Otro puntoa consideraresla temperaturapicode laZAC,para estohayque determinarde
qué tipoesel flujode calor.Para un estudiode dosdimensiones(2-D) latemperaturapicose
calculacon la siguiente expresión
1
𝑇𝑝 − 𝑇𝑜
=
4.13𝜌𝑦𝑡𝐶
𝐻𝑖
+
1
𝑇𝑓 − 𝑇𝑜
(2 − 𝐷)
Donde,
To: Temperaturainicial de laplancha.
Ρ: Densidaddel material.
C: Calorespecíficodel material sólido.
y: Distanciaentre lalíneade fusiónhastaalcanzar laTp.
t: Espesorde la plancha.
Para un análisisen3 dimensiones(3-D) latemperaturapicovienedadaporla siguiente
expresión

4. 1
𝑇𝑝 − 𝑇𝑜
=
(
𝑒
2
) 𝜌𝐶𝜋[ 𝑑𝑦 + 𝑦2]
𝐻𝑖
+
1
𝑇𝑓 − 𝑇𝑜
(3 − 𝐷)
Donde,
To: Temperaturainicial de laplancha.
Ρ: Densidaddel material.
C: Calorespecíficodel material sólido.
y: Distanciaentre lalíneade fusiónhastaalcanzar laTp.
d: Anchodel cordónde soldadura.
Para determinarqué tipode análisisrealizarse lohace calculando el espesorrelativodel
material que viene dadoporlasiguiente fórmula
DESARROLLO
EQUIPOS Y MATERIALES
 Equipode Soldadura-procesoGTAW
 TermocuplaChromel –Alumel
 Planchasde acero inoxidable AISI304de 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
prepárelasmetalográficamenteparamedirel ancho(d) yla seccióntransversal (Aw) de
las soldaduras.

5. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS
REPRESENTE EL CICLOTÉRMICO DE LAS SOLDADURAS(T vst) PARA CADA DISTANCIA DELA
TERMOCUPULA Y PARA CADA Ht.
d1=6.30 mm
d2= 12.70mm
d3= 25.40 mm
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Temperatura(°C)
t (seg)
T vs t para Ht=754 J/mm
d1 d2 d3
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Temperatura(°C)
t (seg)
T vs t para Ht=580 J/mm

6. COMPLETE LAS SIGUIENTES TABLAS.
Tabla 1.- Temperaturas Máximas (Tp)
Ht (J/mm)
DISTANCIA DESDE CENTER LINE
6.35 mm 12.70 mm 25.40 mm
mV Tp (°C) mV Tp (°C) mV Tp (°C)
580 22.8 551 9.5 234 5.25 128
754 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)
580
551 3.85 471 0.81
9.61
8 76.88 0.16
234 10.20 364 0.63 8 76.88 0.21
128 22.90 370 0.64 8 76.88 0.21
754
602 1.35 192 0.25
9.61
16 153.76 0.80
346 7.70 466 0.62 16 153.76 0.33
170 20.40 479 0.64 16 153.76 0.32
ANÁLISIS DE RESULTADOS
La tabla1 nosmuestraque latemperaturapicoesmayorparadistanciasmáscercanasa lalínea
central de soldadura.Tambiénlastemperaturasvana incrementarse paraunamismadistancia
cuando Ht aumenta.
La Tabla2 se puede apreciarque laeficiencia 𝜂1 esmayorque laesperadaenlasoldaduraGTAW
(20% a 50%).En estapráctica este valorfluctúaentre 25% a81%. Esto se puede haberoriginado
por algún error en la medición de parámetros de soldadura, tales como la velocidad de la
soldadurade 3.62mm/s pudohabersidounpocoaltayeste afectadirectamenteenlaeficiencia,
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 eficienciapuede serdadolacercanía del puntocon respectoal eje de fusión,conrespectoa
los otros valores son valores bajos,esto puede ser debidoa 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.