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Soldadura para el Mantenimiento

Unidad X

SOLDABILIDAD DEL FIERRO FUNDIDO

1.

SOLDABILIDAD DEL FIERRO FUNDIDO El fierro fundido, el material principal que se usa en la construcción de maquinaria, consiste en una aleación de Fierro – Carbón – con un porcentaje de 2,5 a 4% de Carbón y Silicio – Manganeso – Fósforo y Sulfuro, eso para el fierro fundido común y para fundiciones especiales se añaden Níquel, Molibdeno, Cromo y Cobre. Por ejemplo; una composición típica consiste de: C Si Mn P S

= = = = =

3 1,5 0,6 0,4 0,05

-

3,5% 2,5% 1,2% 0,6% 0,08%

El carbón se encuentra en do formas en el fierro fundido en una parte pequeña está ligada al fierro (como un 0,4 – 0,8%) en forma de Cementita (Carburo de Fierro, Fe C) y forma la masa fundamental perlítica y ferrítica, mientras la mayor parte se presenta en estado libre como láminas de Grafita. Esta estructura heterogénea determina las propiedades del fierro fundido. El carburo de fierro es sumamente duro, unos 60 – 62 RC; como esta parte es normalmente pequeña, el material se deja trabajar fácilmente todavía. La formación de la cementita depende en primera línea de composición de fierro fundido, en este caso la proporción entre el carbón y Silicio. El silicio favorece la formación del grafito y disminuye la cantidad de cementita; se obtiene de otra manera bajo las mismas condiciones, un fierro fundido fácilmente trabajable, maleable. Al revés una disminución de Silicio causa la formación de cementita; el fierro fundido se vuelve más duro. Cuando el contenido de carbón es bastante alto se forma de igual modo la estructura muy dura de Ledeburit. Así nace el fierro duro y frágil, resquebrajadizo.

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Sin embargo, no solamente la proporción del Carbón y Silicio da la pauta. La velocidad del enfriamiento de los metales, fundidos en el molde juega también un rol importante; más baja que sea la velocidad, más alto será el contenido del Grafito. Las propiedades mecánicas de una pieza de trabajo de Fe. Fundido, en particular la resistencia a la atracción y a la dureza, son condiciones estipuladas no solamente por su composición, sino también por la velocidad del enfriamiento, su peso y espesor de la pieza. La resistencia a la atracción del Fe. Fundido oscila entre uno 15 a 40 Kg.mm2, su dureza entre 150 y 275 Brinell; las dos propiedades crecen cuando sube el contenido de la cementita. La resistencia a la presión 3 – 4 veces, la resistencia cortante del 1,1 – 1,6 veces mayor que la resistencia a la tracción. La resistencia al desgaste y a la corrosión es buena. La influencia de los elementos de aleación puede ser resumida como sigue: Cuando el contenido de Silicio, crece la resistencia a la corrosión, mientras disminuye la resistencia al desgaste. Un fundido especial con contenido alto de Silicio (15 – 18%) resiste a la mayor parte de los medios agresivos, que se presentan en la industria química. El manganeso favorece la resistencia a la tracción e influye favorablemente en la soldabilidad. Por la adicción del níquel aumentan las resistencias a la corrosión, a la tracción, al desgaste y aumenta la dureza; se deja trabajar y soldar bien. El fósforo favorece la resistencia a la corrosión, pero en contra de eso, demasiado fósforo para el metal duro y quebradizo; también disminuye la soldabilidad. El sulfuro No es deseable; a un contenido de 0,1% sube fuertemente la fragilidad y se empeora la soldabilidad. Por experiencias metalúrgicas especiales se puede dar al Fe. Fundido propiedades especiales. Los principales fundidos excepcionales son: El fierro fundido perlítico, caracterizados por composición perlítica de la masa de base y grafita finamente partida tiene alta resistencia a la tracción y al desgaste. Fundido – Resist – Ni, con masa de base austenítica, contiene 14 – 22% de Níquel, hasta 8% de Cobre y 1.5 – 3% de Cromo, la resistencia a la corrosión y al calor es muy buena. La resistencia se eleva a 15 – 30 kg/mm2 y la dureza a 120 – 180 Brinell. Las aplicaciones del FIERRO FUNDIDO CON GRAFITA GRANULADA (fundido dúctil, fundido esferoide) se han hecho más numerosas en los últimos años.

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Es caracterizado como dice el nombre, por la forma especial de la Grafita, la cual se separa en forma de bolitas, granos, en vez de películas El contenido de carbón es 3.5%, níquel 1,5%, manganeso 0,5%, fósforo y sulfuro es poco (0,1% relativamente). La separación de grafito en forma de granos es consecuencia del bajo porcentaje de magnesio (+ - 0,07% en la pieza fundida) o de Cerio. La base de la masa tiene una estructura ferrítica o perlítica. Las piezas preparadas son calentadas. Las propiedades del fierro fundido con grafito granulado están situadas entre las del fierro fundido común y las del acero fundido. Con estructura ferrítica, la resistencia a la tracción es 40 – 55 kg/mm.2, la elasticidad es 10 – 20% la dureza 140 – 180 Brindell – con una estructura perlítica la tracción de 48 – 60 kg/mm2, la elasticidad 4 – 10% y la dureza 220 – 270 Brindell. El material es maleable en frío. Es trabajable y resistente, como el fierro, de corrosión, la resistencia al desgaste es muy buena. Gracias a sus propiedades, el fierro fundido con grafito de granos puede reemplazar el acero fundido en muchas aplicaciones y a bajo costo. 2.

LA SOLDABILIDAD DEL FIERRO FUNDIDO Todos los fundidos – gris usuales, comunes como también los fundidos de fierro especiales, p.e. el tipo perlítico, Ni Resist. y el fierro fundido con grafito (de granos) granular tiene normalmente una buena soldabilidad, pero, esta propiedad puede desaparecer por la influencia de vapor sobre – calentado o por temperaturas demasiado altas. Por exceso de temperatura en los fierros fundidos se forman cambios de estructuras y en particular por la oxidación de Carbón y Silicio, la cual hace el trabajo de soldar imposible. Desde el punto de vista económico se puede decir que, a pesar de los muchos casos en la práctica, la soldadura de fierros fundidos da siempre buen rendimiento; sea que se trata de rellenar cavidades o grietas, reparar piezas rotas o revestir superficies desgastadas por el uso. Es un hecho, que por las soldaduras se puede alargar bastante la vida de los repuestos.

3.

PREPARACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE TRABAJO El corto resumen sobre las relaciones metalúrgicas demuestra, que los factores de éxito para soldar fierro fundido son: la sección correcta del metal de soldar y la aplicación de la temperatura la más baja posible.

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La importancia de la selección del metal de la soldadura está a la vista; debe tener un buen agarre – adhesión – y dar una ligación, que de todas las propiedades del metal de base en cuando sea posible. Una aplicación de calor mínima posible: poca dilatación y poco encogimiento, y así menos peligro que se presenten tensiones, fisuras o roturas; una baja de temperatura menos brusca, también de una zona de menos dureza (así menos cementita o Ledeburit) quiere decir, será más maleable el metal y el metal de la zona de transición, será más fácil y más rápida y más económico el procedimiento del trabajo. Los métodos más divulgados son, la soldadura al Autógeno, al soplete y al arco electrónico. 3.1.

SOLDABILIDAD DEL HIERRO FUNDIDO CON OXIACETILENO No es fácil soldar el hierro fundido, pues sólo hay dos problemas principales que enfrentar. 1. 2.

La cantidad de dilatación y contracción que ocurre cuando se suelda el metal. Los efectos del calor en las propiedades del hierro fundido.

Figura 10.1

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Si no se entiende y se aplica mal la ley de la dilatación y la contracción, éstas serán casi siempre las que produzcan reparaciones insatisfactorias. Se debe estudiar cada trabajo en particular antes de intentar la soldadura. Antes de soldar hierro fundido se debe estudiar con cuidado sobre la dilatación y contracción. 3.2.

SOLDADURA DEL HIERRO FUNDIDO CON OXIACETILENO POR FUSIÓN 1.

Preparar piezas según se ilustra en la fig. de hierro fundido.

2.

Prepare el equipo de soldar y obtenga la varilla de soldadura y fundente.

3.

Ponga las piezas en la posición para soldar. Los bordes deben tener una ligera separación a fin de permitir la concentración. Suelen ser suficientes alrededor de 1.5 m/m.

4.

Precaliente y suelde por punto cada extremo del metal.

5.

Precaliente las piezas a toda su longitud, a 600°C. Utilice el movimiento ilustrado en la fig.

6.

Cuando el metal esté de un calor rojo apagado, baje la flama del soplete hacia un extremo del metal, hasta que el cono interno de la flama casi toque los bordes según fig.

Figura 10.2

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4.

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7.

Ponga la varilla de soldadura cerca de la flama caliéntela ligeramente, sumerja la varilla en el fundente y póngala en la zona de la soldadura.

8.

Funda los lados de la varilla y hágalos fluir hacia el fondo. Ahora agregue el metal de la varilla de soldadura hasta que se forme un charco fundido. Suelde a todo lo largo de la varilla; no intente llenar la varilla de soldadura con un movimiento uniforme.

9.

Evite el hábito de separar el soplete de la soldadura. En vez de ello, use un movimiento circular lento que asegure la posición y no ocasiona perdidas de calor.

ELECTRODOS AL NÍQUEL Y AMALGAMAS DE NÍQUEL El método más aplicado y de más importancia es actualmente es el uso de electrodos al Níquel y amalgamados de Níquel en los trabajos en fierro fundido. El método es sencillo, rápido y en general, satisface las exigencias sin precalentamiento, sin desmontaje y sin uniones que quitan tiempo. Hemos demostrado el significado del uso de temperatura baja en la pieza de trabajo por soldar, como es posible cumplir con esta exigencia al soldar al arco eléctrico a pesar de las temperaturas muy altas y constantes (5000 – 6000° C). La fórmula conocida de la ENERGIA DEL ARCO ELECTRICO es la siguiente:

A

=

t e. I. dt, E

e i dt

= = =

tensión del arco. Corriente tiempo de soldar

Como corriente continua se puede aceptar con suficiente aproximación que e = la tensión del arco es constante. Así se formula: A

=

e i t

A

=

energía del arco.

Para corriente alterna se puede expresar así: A

0,9 e j t

la J significa el valor efectivo de la corriente.

Como la tensión del arco crece con el largo del mismo, la energía del arco es de tanto más grande, cuanto más sea el largo del arco, la corriente y el tiempo de

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soldar. La parte más grande de esta energía se recibe en la pieza bajo forma de calor. Si n se toma en cuenta la velocidad de soldar, la cual es necesariamente limitada en el fierro fundido entonces resulta que el acceso de calor disminuye a medida que se acorta el arco y que baja la corriente de soldar. Estas condiciones pueden ser cumplidas altamente en nuestros días, con la fabricación de electrodos de níquel o amalgamadas de níquel. Esta clase de electrodos puede ser soldados, p.e. en diámetro de 3,2 mm; con un arco de 2mm de largo y con una corriente de solamente 70 A. Gracias al pequeño acceso de calor, al níquel que por su influencia forma grafita y a la escoria, que impiden que el metal se enfríe rápidamente, se cristaliza el carbón en la zona de transición, ya disuelto en su totalidad en forma de grafita, por tanto la dureza queda baja, dejando la zonal de transición como también el metal de adición bien trabajable. El metal base se ha fundido solamente en la superficie, sin socavones en el borde del cordón. En cuanto al alambre de este electrodo, debemos decir, que el alambre MONEL (+ 68% Cu. Fe y Mn 2%), muy usado al principio, se aplica siempre menos, ya hace varios años. En la actualidad se usa mayormente el níquel, con una amalgama de Níquel – fierro(Ni 56 58%). Para el revestimiento se usa con éxito carbonato de calcio y tipos con contenido de grafito. Importante es la clase de procedimiento. Según el corte transversal se ha usado un bisel de 80 – 90 en V, con fondo redondeado o bisel – U; la película o la capa de función debe ser eliminada en ambos lados. En la mayor parte de los casos se puede soldar si precalentar. Solamente en casos excepcionales se recomienda un precalentamiento de 200, como en cortes gruesos o desiguales, en tipos fundidos difíciles de soldar, o cuando se debe hacer uniones muy densas. Se puede soldar con corriente continua o alterna y en posición horizontal o vertical. El arco será dirigido sobre el metal fundido. Y para apagar se alarga lentamente el arco hacia atrás. Siempre se usará una corriente mínima, se formará cordones cortos (20 – 30 mm), martillando en caliente y dejando enfriar después. Para disminuir las tensiones que se presenten en soldar fisuras, hay una interesante posibilidad. Consiste en eliminar las tensiones de encogimiento, formando la rajadura antes de soldar en una posición opuesta.

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El metal fundido demuestra las siguientes propiedades:

PROPIEDADES

ELECTRODOS DE NIQUEL

ELECTRODOS AL NIQUEL – FIERRO

Tracción (kg/mm2)

30

40

Dureza HB

150

160

Elongación (%)

5

8

La resistencia de la unión es más alta que la del Fe. fundido. En casos especiales, cuando son trabajos con altas exigencias, se puede reforzar la unión colocando en el mimo bisel pernos de acero o soldando con electrodos de acero. Los electrodos al níquel dan una gran facilidad para ser trabajados. Mientras en contra, los electrodos al Fe – Ni son más efectivos en cuanto al agarre, la protección contra fisuras y son más difíciles para soldar también los electrodos dan mejor resultado cuando son de aleación de Ni – Fe. Una solución muy interesante en la práctica es el rellenar el bisel con níquel fierro y cubrirlo con una capa de níquel, que sea fácilmente trabajable. Todavía podemos mencionar que se puede soldar al mismo tiempo un electrodo al níquel o un electrodo al Ni – Fe a una barra de fierro fundido. La unidad de tiempo por la cantidad de metal fundido es alta, el parecido del color bueno, como también la maleabilidad. Para soldar el fierro fundido al grafito granulado se usa el electrodo al níquel – fierro. Un precalentamiento ligero (220 C) da uniones libres de fisuras, aún bajo las condiciones de pruebas las más severas, y arroja una resistencia al agarre + 40 kg/mm2 y una elongación de10% (lit. 5) 4.1.

RESUMEN Todas las clases de Fe. Fundido y la mayor parte de los fundidos especiales son en general bien soldables. Las dificultades que se presentan, como consecuencia de una estructura heterogénea en la pieza de trabajo, pueden ser evitados en gran parte, por métodos apropiados, que se basa en la aplicación de una temperatura baja; se evita la dureza y fragilidad, se reduce el peligro de tensiones, fisuras o roturas al mínimo.

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5.

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TÉCNICAS ÚTILES AL SOLDAR FIERRO FUNDIDO Al ranurar con Chamfer la cara de un bisel se aumenta el área de unión: y también se artera la débil y vulnerable zona adyacente a la soldadura de una línea recta, o un irregular. Este “rediseño” del área débil es muy beneficioso al soldar metales base de hierro colado y acero. Las ranuras deben cortarse a una profundidad de 1/4 de pulgada entre una y otra.

Ranuraciones

Figura 10.3

Deposite un paso de “emplastecido” con cordones longitudinales sobre toda la cara del bisel en la unión, después de que todas las ranuraciones (Dibujo) han sido rellenadas con la aleación para soldar que se recomienda. Esta operación es especialmente efectiva cuando se trata de metales base de hierro colado y acero que pueda templarse.

Figura 10.4

En los casos en que se van a soldar secciones delgadas de hierro colado o acero que puede templarse a sección espesas, un pase de “emplastecido” de soldadura sobre las orillas a unirse, ayudará a evitar las rajaduras.

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Paso de emplastecido

Figura 10.5

Este dibujo ilustra una vista de canto de un depósito hecho con el proceso de arco metálico. Este muestra el característico principio frío (A) que se identifica por su forma inicial alta, angosta y convexa que gradualmente se aplana al continuar el depósito de la soldadura (B) y se calienta un área local.

Figura 10.6

El transplante en “A” y el cráter en “B” son excelentes áreas clave para la propagación de rajaduras, especialmente sobre metales base de hierro colado y acero. Los cráteres en la soldadura son con frecuencia la fuente de rajaduras debido a que la soldadura se solidifica a partir de los lados hacia el centro del depósito lo cual constituye un productor de rajaduras y de severas tensiones.

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Figura 10.7

En la reparación de una rajadura en alguna pieza para evitar la propagación de la rajadura durante el trabajo de soldadura, se recomienda perforar agujeros de retención. Los esfuerzos o tensiones que ocasionan la rajadura original se concentran en los extremos de la fractura. Al calentarse, tienden a extender la rajadura. Con un agujero de retención en caso extremo de la rajadura se distribuirá la tensión sobre un área más amplia. El tamaño de la broca para hacer agujeros de retención deberá ser de la mitad del espesor del metal base en la sección dañada. Mientras más espesa sea la sección, más grande será el agujero que se necesita para dispersar las tensiones.

Agujeros retención

Figura 10.8

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Figura 10.9

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