22 Febrero 2016

¿Qué es la ZAT, o zona afectada térmicamente?


Reconocela, y resuelve los problemas que causa

esquema zona afectada termicamente HAZ

La mayor parte de las técnicas de corte de chapa se basan en la fusión del material. La parte de acero modificada por el calor que se encuentra entre la zona fundida y el límite del metal de base se llama zona afectada térmicamente, o ZAT.

La ZAT no es simplemente colores brillantes, sino también problemas mecánicos y de resistencia a la corrosión.

A menudo se puede identificar por una serie de bandas de colores, también visibles en las soldaduras. El color es debido a la oxidación de la superficie, e indica aproximadamente la temperatura alcanzada por la hoja:

 

Color Temperatura
amarillo claro 290 ° C
amarillo pálido 340 ° C
amarillo intenso 370 ° C
marrón 390 ° C
marrón violáceo 420 ° C
púrpura oscuro 450 ° C
azul 540 ° C
azul oscuro 600 ° C

 

Esta tabla representa el color de la oxidación que se forma en acero inoxidable 1.4301 (AISI 304), al ser calentado en el aire.

soldadura acero con zona afectada termicamente

Estos colores, también llamadas manchas térmicas, dependen de cuatro factores:

  •  el contenido de cromo en el acero: este metal aumenta la resistencia a la oxidación del material, por lo tanto, también la coloración será menos pronunciada o disminuida;
  •  el nivel de oxígeno en la soldadura, el uso de gas de protección y el revestimiento del electrodo puede reducir la coloración en parte porque protegen al metal de la oxidación;
  •  una mayor rugosidad de la superficie aumenta la velocidad de oxidación y hace que los colores sean más intensos;
  •  la presencia de sustancias tales como pintura, aceite, óxido, e incluso las huellas dactilares puede alterar el color de la superficie, pero no afectan a la extensión de la zona afectada por el calor.
ZAT chapa corte plasma

En algunos casos, el área térmicamente alterada puede no causar estos halos, o extenderse más allá de la zona de color. El área modificada en cambio puede causar una decoloración de la hoja de metal, y no un color.

De qué depende?

Desde el punto de vista del material, el factor más importante es el coeficiente de difusividad térmica. La difusividad depende de la conductividad térmica, la densidad del material, y su calor específico. Cuanto más la difusividad térmica es alta, más rápidamente se propaga no tanto el calor, cuanto las variaciones de calor.

 

En otras palabras, cuanto más la difusividad es alta, más el enfriamiento es rápido y la HAZ se reduce. Por el contrario, coeficientes más bajos significan que el calor no puede ser disipado y la zona afectada por el calor es más ancha. El acero inoxidable 304A, por ejemplo, tiene una difusividad térmica de 4,2 mm²/s, mucho más baja que la del acero de construcción (11,72 mm²/s).

 

Desde el punto de vista del proceso de producción, la extensión de la ZAT depende de tres factores: la cantidad de calor aplicada, la duración de la exposición, y la zona afectada. Proporcionar grandes cantidades de energía, durante mucho tiempo, y con haces más amplios genera zonas más extensas de influencia térmica.

 

Esto explica por qué, independientemente del material, cada técnica de corte causa un efecto diferente:

  •  El cizallamiento y el corte por chorro de agua, en particular, no causan ZAT, ya que no sobrecalientan la hoja de metal;
corte chorro agua waterjet
  • El corte por láser, mediante la aplicación de calor en un área muy restringida, genera la zona de influencia térmica más baja entre los sistemas de corte térmico;
cizallado chapa zat
corte plasma chapa zat
  • El corte por plasma genera una ZAT intermedia, porque su haz es más ancho. Un amperaje superior permite una mayor velocidad de corte, lo que reduce el tiempo de aplicación de calor y por lo tanto la amplitud de la zona afectada;
ZAT generada por oxicorte
  • El oxicorte sin embargo, debido al intenso calor, la baja velocidad y la amplitud del chorro, produce la zona afectada têrmicamente más extensa entre todos los sistemas.

Qué hace la ZAT

El calor del proceso de soldadura o de corte, y el rápido enfriamiento que sigue, causan cambios tanto químicos y metalúrgicos.

  • La oxidación es el cambio más obvio e instantáneo, y como hemos visto, también es responsable de las bandas de colores.
  • También se puede producir una ligera nitruración de la superficie, la que aumenta la dureza del metal y disminuye la soldabilidad.
  • Otro fenómeno muy común es la corrosión resultante de la sensibilización del acero inoxidable. El calor hace reaccionar el carbono con el cromo, generando carburos que precipitan en los bordes de los granos. En estas áreas el contenido de cromo cae por debajo de 10,5%, y el acero ya no será inoxidable. Esto crea la famosa corrosión intergranular. En casos extremos, el metal llegará a ser de color negro.
colores temple acero inoxidable
corrosion intergranular precipitacion carburos cromo
  • Las altas temperaturas también pueden causar la fragilización por hidrógeno. El gas se filtra dentro del metal y ejerce una fuerte presión intergranular, debilitándolo. Si el hidrógeno no se elimina en un corto período de tiempo, puede producirse grietas espontáneas, incluso 24 horas después del calentamiento.
  •  Desde el punto de vista metalúrgico, el calor aplicado genera un temple localizado. Bajo ciertas circunstancias, el acero inoxidable austenítico puede llegar a ser martensítico, aumentando su dureza y al mismo tiempo su fragilidad. En otros casos, el metal calentado puede someterse a un debilitamiento.

Cómo gestionar la ZAT

Como hemos visto, la zona afectada por el calor altera mucho las características del metal declaradas por el taller de laminación. Hablando de plegado de chapa, la ZAT hace que sea difícil de gestionar el ángulo de plegado porque se vuelve imposible predecir cómo se comportará el metal después del corte.

 

Uno de los fenómenos afectados es la recuperación elástica. Para ser capaz de obtener un ángulo preciso al variar de la recuperación elástica, es útil contar con un sistema de control del ángulo. Hay de dos tipos: a medición por láser o por contacto. Los primeros son bastante comunes, pero son voluminosos y tienen grandes límites con alas reducidas, contrapliegues, superficies muy irregulares o muy brillantes. Los sistemas de contacto GPS4, son más precisos y no tienen problemas con las alas o los contrapliegues, pero tienen una excursión angular un poco inferior.

 

El otro problema es con el bombeado. Las piezas cortadas serán cada vez diferentes, y deformarán la máquina de una manera impredecible. Para esto es importante contar con una máquina con un control del bombeado adaptivo en tiempo real, capaz de compensar la deformación y lograr ángulos regulares a lo largo de toda la longitud del perfil.

 

Las bandas de color causadas por la oxidación se pueden quitar con papel de lija fino o una amoladora. Así se expone el metal subyacente y la auto-pasivación del cromo se activa, pero corremos el riesgo de debilitar el metal. Como para toda la extensión de la zona afectada por el calor, en cambio, la única solución es eliminar con mecanizado posterior toda la parte del metal afectado, al precio de un alta pérdida de material y de tiempo.

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