¿Qué es el coeficiente de expansión térmica (CTE) y el cálculo en la soldadura?

¿Qué es el coeficiente de expansión térmica o CET?

El coeficiente de expansión térmica es una medida (cambio de tamaño sobre un tamaño definido a cierta temperatura) de cuánto se expande un material durante el calentamiento y se contrae durante el enfriamiento. Cuanto mayor sea el coeficiente de expansión térmica, más se expandirá y contraerá un material para un cambio de temperatura dado. Por lo tanto, cuanto mayor sea el coeficiente de expansión térmica, mayor será la susceptibilidad a la distorsión.

EL Coeficiente de expansión térmica lineal (CTE,  a , o  a 1 ) es una propiedad del material que es indicativa del grado en que un material se expande al calentarse. Diferentes sustancias se expanden en diferentes cantidades. En pequeños rangos de temperatura, la expansión térmica de objetos lineales uniformes es proporcional al cambio de temperatura. La expansión térmica encuentra una aplicación útil en las tiras bimetálicas para la construcción de termómetros, pero puede generar una tensión interna perjudicial cuando una parte estructural se calienta y se mantiene a una longitud constante.

Comprensión del coeficiente de expansión térmica

La mayoría de los materiales sólidos se expanden al calentarse y se contraen cuando se enfrían. El cambio de longitud con la temperatura de un material sólido se puede expresar como:

donde  l 0  y  l f  representan, respectivamente, las longitudes original y final con el cambio de temperatura de  T a T f . El parámetro  a CTE y tiene unidades de temperatura recíproca (K –1 ) como µm / m · K o 10 –6 / K. 

Cómo medir el coeficiente de expansión térmica

Para determinar el coeficiente de expansión térmica, se deben medir dos cantidades físicas (desplazamiento y temperatura) en una muestra que está experimentando un ciclo térmico. Tres de las principales técnicas utilizadas para la medición de CTE son 1. Dilatometría,

2. Interferometría y

3. análisis termomecánico.

Las imágenes ópticas también se pueden utilizar a temperaturas extremas. La difracción de rayos X se puede utilizar para estudiar los cambios en el parámetro de la red, pero es posible que no corresponda a la expansión térmica masiva.

Coeficiente de expansión térmica en aceros

Los grados de acero inoxidable al cromo simple tienen un coeficiente de expansión similar al de los aceros al carbono (suaves), pero el de los grados austeníticos es aproximadamente 11⁄2 veces mayor. La combinación de alta expansión y baja conductividad térmica significa que se deben tomar precauciones para evitar efectos adversos. Por ejemplo, durante la soldadura de los grados austeníticos, utilice un aporte de calor bajo, disipe el calor mediante el uso de barras de respaldo de cobre y utilice un jigging adecuado. Se debe considerar el coeficiente de expansión térmica en componentes que utilizan una mezcla de materiales como intercambiadores de calor con carcasas de acero dulce y tubos de grado austenítico. Consulte la tabla al final para encontrar CET para todos los materiales.

Coeficiente de expansión térmica en soldadura

El coeficiente de expansión térmica es un factor importante al soldar dos metales base diferentes. Las grandes diferencias en los valores de CTE de los metales adyacentes durante el enfriamiento inducirán tensión de tracción en un metal y tensión de compresión en el otro. El metal sujeto a tensión de tracción puede agrietarse en caliente durante la soldadura, o puede agrietarse en frío durante el servicio, a menos que las tensiones se alivien térmica o mecánicamente. Este factor es particularmente importante en juntas que operarán a temperaturas elevadas en modo de temperatura acíclica. Un ejemplo común de esto son las juntas a tope de tuberías de acero inoxidable austenítico / acero ferrítico utilizadas en plantas de conversión de energía.

El problema más común en la soldadura de metales diferentes (DMW) se debe a las diferencias en las propiedades físicas (principalmente el coeficiente de expansión térmica y conductividad térmica) de los metales base, así como a cierto nivel de incompatibilidad metalúrgica. El ciclo térmico de la soldadura produce una zona afectada por el calor (ZAC) de características diferentes, acompañada de cambios microestructurales en la microestructura diseñada, que pueden conducir a una pérdida importante de la calidad de la junta.

Coeficiente de expansión térmica para metal

El coeficiente de expansión térmica de los materiales más utilizados en la soldadura se muestra en la siguiente tabla. Para conocer el coeficiente de todos los materiales, haga clic aquí para descargar esta tabla completa.

MaterialCTE (10-6 / K)CTE (10-6 / ° F)
Tungsteno puro (W)4.5–4.6 2,5-2,6
Aleaciones de hierro-cobalto-níquel 0,6–8,70,3–4,8 
Cromo puro (Cr)4.9–8.2 2,7–4,6
Titanio puro (Ti) 8.4–8.6 4,7–4,8
Aleaciones de molibdeno 4.0-14 2,2–7,8
Acero inoxidable ferrítico 9.3-12 5.2–6.5 
Fundición de acero inoxidable ferrítico 115.9
Acero inoxidable martensítico 9.5-12 5.3–6.6 
Aleaciones de hierro y carbono 10-12 5,6–6,5 
Hierro forjado 116.4
Acero estructural 126.5
Acero aleado de níquel cromo molibdeno 10-13 5,7–7,3
Acero al carbono con alto contenido de manganeso 11-13 6.2–7.0
Hierro fundido maleable 10-14 5,6–7,6 
Hierro fundido dúctil de silicio medio 11-14 6,0–7,5
Hierro fundido gris 11-15 6,0–8,5
Acero inoxidable austenitico 9,8-25 5.4–14