¿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 estimación (cambio de tamaño sobre un tamaño definido a una temperatura determinada) de cuánto se expande un metal cuando se calienta y se contrae durante el enfriamiento en función de una temperatura específica. 

Los materiales que tienen un mayor coeficiente de expansión térmica tendrán más expansión y contracción durante el calentamiento y enfriamiento, mientras que aquellos con valores de CET más bajos se expandirán y contraerán menos. 

En la fabricación de soldadura, CET es directamente responsable de la distorsión porque el metal que tiene valores de CET más altos es propenso a una inestabilidad de dimensión más alta y produce distorsión con mucha frecuencia.

Es una propiedad física de los metales. Mide cómo se comportarán ciertos materiales cuando se calientan. 

Estos cambios suelen ser cambios de tamaño, es decir, aumento de tamaño. Debido a los diferentes arreglos de estructuras atómicas, diferentes materiales se comportan de diferentes maneras una vez que se calientan. 

Este cambio de expansión se mide por el coeficiente de expansión térmica. La unidad de expansión térmica es µm/m · K, o 10 –6 /K.

Expansión térmica

Comprender el coeficiente de expansión térmica

Los metales cuando se someten al calor se expanden y se contraen cuando se someten al frío y viceversa. 

El fenómeno donde el metal exhibe esta característica especial se conoce como Coeficiente de Expansión Térmica de los materiales. 

Estas propiedades relacionadas con la energía térmica del material son muy valiosas para ingenieros y científicos. Aquí, en esta publicación, estamos limitando nuestra discusión solo relacionada con la ingeniería de soldadura.

Esta propiedad ( α 1 = Coeficiente de Expansión Térmica) se puede mostrar mediante una fórmula matemática como se indica a continuación:

Coefficient of Thermal Expansion formula ¿Qué es el coeficiente de expansión térmica (CTE) y el cálculo en la soldadura?

Aquí, 0 es la longitud inicial, f es la longitud final, 0 – es la temperatura inicial y f es la temperatura final.

Cómo medir el CTE o coeficiente de expansión térmica

La medición del coeficiente de expansión térmica (CTE) requiere medir las características de desplazamiento y temperatura. 

Esto es ejecutado por un espécimen de material dado al someterlo a calor. Los cambios físicos subsecuenciales que surgen debido al ciclo térmico aplicado se evalúan considerando el cambio de dimensiones y temperatura para conocer los valores de CTE para el material sujeto. 

A continuación se muestran los métodos utilizados para las mediciones del coeficiente de expansión térmica (CTE) de un metal.

  1. Interferometría
  2. dilatometría,
  3. Análisis termomecánico.

Coeficiente de Expansión Térmica en Aceros

Diferentes materiales, debido a su disposición microestructural, exhiben una expansión térmica variada cuando se someten al calor. 

La mayoría de los materiales de ingeniería relacionados con la soldadura son acero al carbono, acero al cromo (acero inoxidable ferrítico) y acero inoxidable austenítico. 

El acero inoxidable ferrítico simple tiene un coeficiente comparable al acero al carbono, pero para el acero inoxidable austenítico el material es casi 12 veces mayor. La propiedad es muy útil cuando se realiza una superposición de resistencia a la corrosión de la química de base austenítica en el sustrato del material de acero al carbono. 

Aquí, el revestimiento base predominantemente austenítico tendrá una expansión térmica mucho mayor en comparación con el metal base de acero al carbono.

Por esta razón, dichos revestimientos no se someten a un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT). Si se lleva a cabo PWHT, esto dará como resultado una amplia diferencia de coeficiente de expansión térmica entre la metalurgia del acero al carbono y el acero inoxidable austenítico y tendrá tensiones residuales resultantes muy altas.

Esta combinación de alta expansión térmica y baja conductividad térmica para estos aceros inoxidables requiere sumo cuidado para mitigar la distorsión de la soldadura y las altas tensiones residuales durante la soldadura.

Por ejemplo, mientras se suelda aleaciones Cr-Ni (SS304L, SS316L), se recomienda usar un calor de soldadura más bajo, cordones de soldadura más estrechos y una velocidad de desplazamiento más alta.

Coeficiente de Expansión Térmica en Soldadura

La soldadura es un proceso que induce energía térmica en los materiales. Esta energía térmica es directamente responsable del cambio en las dimensiones de los materiales debido al coeficiente de expansión térmica resultante. 

En el caso de una metalurgia similar, la expansión resultante se equilibra, mientras que en el caso de una soldadura de materiales diferentes, el CTE juega un papel importante. 

Las variaciones más altas en el coeficiente de los valores de expansión térmica de los materiales cercanos durante el enfriamiento crearán tensiones de tracción y compresión. 

El material que se enfrenta a esta tensión de tracción puede agrietarse en caliente durante la soldadura o puede agrietarse en frío durante el servicio si estas tensiones residuales no se alivian. un ejemplo de tal caso son las refinerías donde se usan juntas soldadura de acero al carbono y aleación de cobre.

El problema más común en la soldadura de metales disímiles (DMW) se debe a las diferencias en las propiedades físicas (principalmente el coeficiente de expansión térmica y la conductividad térmica) de los materiales base, así como en ciertos niveles de incompatibilidad metalúrgica.

El ciclo térmico de la soldadura produce una zona afectada por el calor (HAZ) con características diferentes, asociada a cambios microestructurales en la microestructura del material, y estos cambios pueden cambiar drásticamente la aceptación de la junta de soldadura, como alcanzar la dureza para NACE en acero al carbono y de baja aleación o Cumpliendo con los requisitos de fases para la soldadura de acero inoxidable dúplex.

Coeficiente de expansión térmica para metal.

El coeficiente de dilatación térmica de los materiales más utilizados en la soldadura se indica en la siguiente tabla. Para el coeficiente de todos los materiales. 

El coeficiente de expansión térmica para el acero al carbono es de 6,5 a 10-6/°F, el acero inoxidable austenítico es de 6,4 a 14-10-6/°F.

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
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