El hierro colado (también llamado hierro fundido) es común en la industria, maquinaria pesada y hasta en objetos decorativos. Sin embargo, su alto contenido de carbono y su fragilidad inherente lo convierten en un material difícil de soldar. La soldadura sobre hierro fundido implica la reparación de piezas fundidas, no unir piezas fundidas a otros miembros. Las reparaciones se pueden realizar en la fundición donde se producen las piezas fundidas, o se pueden hacer para reparar defectos de fundición que se descubren después de mecanizar la pieza. Con frecuencia, las piezas de hierro fundido rotas se reparan mediante soldadura.
El hierro colado tiene un alto contenido de carbono, lo que lo hace rígido y propenso a agrietarse con los cambios bruscos de temperatura. Normalmente tiene un contenido de carbono del 2% al 4%, aproximadamente 10 veces más que la mayoría de los aceros. Los ciclos de calentamiento y enfriamiento durante la soldadura provocan expansión y contracción en el metal, induciendo tensión de tracción. Los hierros fundidos no se estiran ni deforman cuando se calientan o se estresan, sino que se agrietan, lo que los hace extremadamente difíciles de soldar.
Tipos de hierro fundido
Al comprender el tipo específico de hierro fundido con el que está trabajando, podrá seleccionar el proceso de soldadura adecuado, las temperaturas de precalentamiento y las técnicas de tratamiento térmico posteriores a la soldadura:
- Fundición gris: El hierro fundido gris es la forma más común de hierro fundido. El carbono se precipita en escamas de grafito durante la fabricación en una microestructura cristalina de perlita o ferrita. Es más dúctil y soldable que el hierro fundido blanco. Estas escamas interrumpen la propagación de grietas, lo que le da al hierro fundido gris su característica resistencia a la compresión y propiedades de amortiguación de vibraciones. Sin embargo, también lo hacen quebradizo y propenso a agrietarse bajo tensión.
- Hierro fundido blanco: Retiene el carbono como carburo de hierro sin precipitarlo como grafito. La microestructura cristalina de cementita es muy dura y quebradiza. El hierro fundido blanco tiene una superficie de fractura blanca debido a la ausencia de escamas de grafito. En cambio, el carbono está presente en forma de cementita, un compuesto de carburo de hierro duro. Esto le da una dureza y resistencia al desgaste excepcionales, pero lo hace extremadamente frágil y difícil de mecanizar o soldar.
- Hierro fundido maleable: Se produce mediante el tratamiento térmico del hierro fundido blanco durante períodos prolongados, transformando la cementita en nódulos de grafito y ferrita. Este proceso mejora significativamente su ductilidad y tenacidad, haciéndolo más maleable y más fácil de soldar en comparación con la fundición blanca. Se usa a menudo en accesorios de tubería, implementos agrícolas y otras aplicaciones donde la dureza y la resistencia al impacto son importantes.
Preparación de la zona de soldadura
Independientemente de la aleación, todas las piezas fundidas deben prepararse adecuadamente antes de soldar. Al preparar la fundición para la soldadura, es crucial eliminar todos los materiales de la superficie para limpiar completamente la fundición en el área de la soldadura. Retire la pintura, la grasa, el aceite y otros materiales extraños de la zona de soldadura. Una técnica simple para probar la preparación de la superficie de hierro fundido es depositar una pasada de soldadura sobre el metal, que será poroso si hay impurezas.
Son tres los métodos aceptados para la preparación de la zona de soldadura en hierro colado:
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- Biselado con electrodo: El método más rápido y económico es el uso de electrodos herramienta. Es recomendable biselar con electrodo solamente las piezas de paredes gruesas o las partes impregnadas de grasa o sustancias químicas. Después del trabajo con el electrodo herramienta es recomendable esmerilar las partes por soldar.
- Esmerilado: La preparación con piedra de esmeril es muy eficiente, particularmente en piezas grandes. Sin embargo, si se requiere una soldadura estanca (sin fugas) la superficie esmerilada debe ser terminada con lima para eliminar los residuos que hayan quedado en la parte por soldar.
- Cincelado: La preparación con cincel o pata de cabra es adecuada en partes pequeñas de máquinas y especialmente donde se requieren soldaduras estancas.
Selección de electrodos y procesos de soldadura
La selección del proceso de soldadura adecuado para el hierro fundido depende de varios factores, incluido el tipo de hierro fundido, el grosor del material, la calidad de soldadura deseada y la experiencia del soldador. Se debe tener cuidado, ya que la elección del electrodo juega un papel crucial en la soldadura de hierro fundido. Para la soldadura con electrodo revestido, se recomiendan electrodos de níquel o níquel-hierro debido a su capacidad para producir soldaduras resistentes al agrietamiento con buena ductilidad.
⚠️ Importante: No utilices electrodos comunes como E6013 o E7018 para hierro colado.
- Electrodos de níquel (ENi-Cl): Estos electrodos contienen aproximadamente un 99% de níquel y son la mejor opción para la soldadura de hierro fundido. Ofrecen una excelente resistencia al agrietamiento, buena maquinabilidad y funcionan bien con la mayoría de los tipos de hierro fundido. Si la pieza se va a mecanizar después de soldar, se requerirá un electrodo de níquel. Utilice el electrodo de varilla Tech-Rod® 99 para soldaduras de alta dilución de una sola pasada. Sin embargo, son más caros que otras opciones.
- Electrodos de níquel-hierro (ENiFe-Cl): Con un contenido de al rededor del 55% de níquel, estos electrodos son una alternativa más económica que los de níquel puro. Se prefiere Tech-Rod® 55 para soldaduras de múltiples pasadas. A veces, las pasadas de raíz se colocan con Tech-Rod 99, seguidas de pasadas de relleno con Tech-Rod 55. Ofrecen buena resistencia y ductilidad.
- Alambres de níquel-hierro: Al igual que los electrodos de níquel-hierro, estos alambres son una buena opción para soldar hierro fundido con soldadura MIG debido a su asequibilidad y rendimiento decente.
Los procesos de soldadura recomendados incluyen:
- Soldadura con electrodo revestido (MMA): Utiliza un electrodo consumible cubierto con un fundente. Un arco eléctrico entre el electrodo y el área de soldadura derrite los metales y provoca la fusión. El arco debe dirigirse al baño de soldadura, en lugar de al metal base, ya que esto minimizará la dilución. Se recomienda utilizar la configuración de corriente más baja aprobada por el fabricante para minimizar el estrés térmico. Precaliente las piezas a al menos 250 °F antes de soldar con electrodos de hierro fundido o cobre.
- Soldadura TIG: Puede producir soldaduras de alta calidad en hierro fundido debido a su control preciso de la entrada de calor y la capacidad de usar protección de gas inerte para proteger la soldadura de la contaminación. Sin embargo, la soldadura TIG requiere un operador experto y una configuración cuidadosa de los parámetros para evitar el sobrecalentamiento y el agrietamiento. El precalentamiento y el tratamiento térmico posterior a la soldadura son esenciales cuando se suelda hierro fundido con TIG, especialmente para secciones más gruesas.
- Soldadura MIG: Se puede utilizar para hierro fundido, pero requiere técnicas y consideraciones específicas debido a las propiedades únicas del material. Este proceso de soldadura es más adecuado para secciones más delgadas de hierro fundido, donde el riesgo de agrietamiento es menor. Si la soldadura no necesita ser extremadamente fuerte o duradera, la soldadura MIG puede ser una opción viable.
- Soldadura con oxiacetileno: Hace uso de electrodos, pero en lugar de un arco generado por la corriente, un soplete de oxiacetileno proporciona la energía para la soldadura. Ofrece la ventaja de una menor entrada de calor, lo que resulta en velocidades de enfriamiento más lentas que minimizan el riesgo de agrietamiento. Se debe tener cuidado de no oxidar el hierro fundido durante la soldadura con acetileno, ya que esto provoca la pérdida de silicio y la formación de hierro blanco en la soldadura.
- Soldadura fuerte: Es un método común para unir piezas de hierro fundido debido al mínimo impacto en el propio metal base. Una varilla de soldadura proporciona el relleno que se adhiere a la superficie de hierro fundido. La limpieza de la superficie es fundamental para esta técnica de soldadura, ya que la unión depende de la calidad del relleno que humedece la superficie del metal base. El uso de fundente para evitar la formación de óxidos durante la soldadura fuerte es común.
El control del calor y precalentamiento
Todos los hierros fundidos son vulnerables al agrietamiento bajo tensión. La razón principal para el control del calor es la expansión térmica. Cuando el metal se calienta, se expande. El calentamiento localizado provoca una expansión restringida: el ZAT (zona afectada térmicamente) está contenido por el metal más frío que lo rodea. El grado de tensión resultante depende del gradiente térmico entre el ZAT y el cuerpo de fundición. El precalentamiento disminuye el gradiente térmico entre el cuerpo de fundición y el ZAT, minimizando así la tensión de tracción causada por la soldadura. En general, se prefiere soldar hierro fundido con precalentamiento, y mucho.
El precalentamiento de la pieza antes de soldar reducirá la velocidad de enfriamiento de la soldadura y la región que la rodea. Siempre se prefiere calentar toda la fundición, si es posible. Las temperaturas de precalentamiento típicas son 500-1200 grados F (260-649 grados C). No caliente a más de 1400 grados F ya que eso pondrá el material en el rango de temperatura crítico de aproximadamente 1450 grados F. Cuando se encuentra a esta temperatura, se producen condiciones que pueden provocar agrietamiento. Después de soldar, deje que la pieza se enfríe lentamente.
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El tratamiento térmico posterior a la soldadura implica el calentamiento y enfriamiento controlados del componente soldado. Sus objetivos principales son el alivio de tensión y el recocido. El alivio de la tensión se realiza a temperaturas de alrededor de 1100-1200 °F (593-649 °C), mientras que el recocido puede requerir temperaturas de hasta 1650 °F (899 °C).
Método de soldadura en frío (sin precalentamiento)
El tamaño de la pieza fundida, u otras circunstancias, pueden requerir que la reparación se realice sin precalentamiento. Otra forma de soldar hierro fundido con éxito es mantenerlo fresco, no frío, sino fresco. Es útil elevar la temperatura de fundición a 100 grados F. Si la pieza está en un motor, es posible que se haga funcionar durante unos minutos para obtener esta temperatura. Haga soldaduras cortas, de aproximadamente 1 pulgada de largo. Deje que la soldadura y la pieza se enfríen de manera natural. No acelere la velocidad de enfriamiento con agua o aire comprimido. Puede ser posible soldar en otra área de la fundición mientras se enfría la soldadura anterior. Todos los cráteres deben rellenarse.
Técnicas de prevención de agrietamiento
Las posibilidades de agrietamiento se pueden disminuir aplicando una tensión de compresión para oponerse a la tensión de tracción durante el enfriamiento. Los soldadores utilizan una técnica llamada peening (granallado o golpes moderados con un martillo de bola) en un cordón de soldadura deformable mientras la soldadura aún está blanda. El granallado después de la soldadura es importante con esta técnica.
Un método utilizado para reparar roturas importantes en piezas de fundición grandes es perforar y roscar orificios sobre las superficies que se han biselado para recibir el metal de soldadura de reparación (empernado). Atornille los pernos de acero en los orificios roscados, dejando 3/16” (5 mm) a ¼” (6 mm) del perno por encima de la superficie. Usando los métodos discutidos anteriormente, suelde los pernos en su lugar y cubra toda la superficie de la rotura con un depósito de soldadura.
Equipos recomendados para la soldadura
Para lograr resultados óptimos en soldaduras complejas de hierro colado, se recomienda utilizar equipos de alta calidad que ofrezcan configuraciones precisas de corriente y potencia:
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- Miller Millermatic 355: Esta máquina de soldar aumenta la eficiencia y la productividad en los procesos de fabricación y la de los soldadores. Es fácil de usar y viene con una pantalla LCD a color de 7″ con Auto-Set Elite, gráfico electrónico de parámetros y selección de programa de activación. Se conecta a cualquier fuente de poder.
- Miller Maxstar 280 TIG Runner: Máquina de soldar que ofrece la combinación perfecta de capacidad y potencia para soldadura TIG de precisión.
- Miller CST 282 Tweco: Diseñada para soldar con electrodo revestido y TIG en tuberías y placas para la industria de la construcción. Es pequeña y portátil, pero robusta.