Cómo soldar hierro fundido:una guía completa

La soldadura de hierro fundido es posible pero problemática debido al alto contenido de carbono. Este contenido de carbono suele ser del 2 al 4%, que es unas diez veces mayor que el de la mayoría de los aceros. Durante el proceso de soldadura, este carbono migra hacia el metal de soldadura y/o la zona afectada por el calor, lo que conduce a una mayor fragilidad/dureza. Esto, a su vez, puede provocar grietas después de la soldadura.

El hierro fundido se compone de hierro y carbono en proporciones variables, con elementos adicionales como manganeso, silicio, cromo, níquel, cobre, molibdeno, etc. para mejorar ciertas propiedades. Además, puede contener contenidos de azufre y fósforo significativamente más altos que las impurezas, lo que dificulta la soldadura sin agrietamiento.

Los diferentes tipos de hierro fundido incluyen hierro fundido gris, hierro fundido blanco, hierro dúctil (nodular) y hierro fundido maleable con una soldabilidad muy variable. Todas las categorías de hierro fundido, con la excepción del hierro blanco, se consideran soldables, aunque la soldadura puede ser significativamente más difícil en comparación con la soldadura de acero al carbono.

Sin embargo, puede ser difícil distinguir la diferencia entre estos diferentes tipos de hierro fundido sin un análisis metalúrgico detallado. Aun así, el hierro fundido es un metal duradero y resistente al desgaste que se ha utilizado durante siglos.

Pasos previos a la soldadura para hierro fundido

Se deben tomar cuatro pasos clave antes de comenzar para garantizar la soldadura efectiva del hierro fundido. Estos incluyen:

• Determinación del tipo de hierro fundido
• Limpieza del yeso
• Selección de la temperatura de precalentamiento correcta
• Elegir la técnica de soldadura adecuada

1. Determinación del tipo de hierro fundido

El primer paso de este tipo de soldadura es identificar de qué tipo de fundición se trata. Hay numerosos tipos, y no querrás soldar la mayoría de ellos.

El hierro fundido tiene poca ductilidad, por lo que podría agrietarse debido a las tensiones térmicas cuando se calienta o enfría rápidamente. La susceptibilidad al agrietamiento depende del tipo/categoría de hierro fundido. Esto significa que es necesario comprender con qué tipo de aleación está trabajando:

• 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. Sin embargo, todavía representa un desafío para los posibles soldadores, ya que las escamas de grafito dentro del hierro fundido gris pueden ingresar al baño de soldadura y causar la fragilización del metal de soldadura.
• Hierro fundido blanco: El 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 generalmente se considera no soldable.
• Hierro dúctil, nodular o maleable: Todos estos hierros fundidos son menos frágiles debido a las diferencias microestructurales debidas a la fabricación. Los tres tienen microestructuras de carbono esferoidal creadas por sus procesos de fabricación únicos.

La forma más sencilla de determinar con qué tipo de plancha está trabajando es comprobar la especificación original. El análisis químico y metalográfico también puede ayudar a identificar la categoría de hierro fundido con la que está trabajando.

Hay otras formas de diferenciar entre aleaciones; el hierro gris mostrará gris junto con un punto de fractura, mientras que el hierro blanco mostrará un color más blanco a lo largo de una fractura debido a la cementita que contiene. Sin embargo, el hierro dúctil, por ejemplo, también mostrará una fractura más blanca, pero es mucho más soldable.

El hierro fundido gris es el tipo más común de hierro fundido soldado y debe ser el único hierro fundido que intente fusionar a menos que tenga experiencia en fundición o soldadura. Tener a alguien con experiencia para que lo ayude es otra buena opción.

2. Limpiar la fundición

Independientemente de la aleación, todas las piezas fundidas deben prepararse adecuadamente antes de la soldadura. Al preparar la fundición para la soldadura, es fundamental eliminar todos los materiales de la superficie. La fundición debe estar completamente limpia en el área de la soldadura. Quite la pintura, la grasa, el aceite y otros materiales extraños de la zona de soldadura. Lo mejor es aplicar calor con cuidado y lentamente en el área de soldadura durante un tiempo breve para eliminar el gas atrapado en la zona de soldadura del metal base.

Una técnica simple para probar la preparación de la superficie de hierro fundido es depositar un pase de soldadura sobre el metal; será poroso si hay impurezas presentes. Esta pasada se puede esmerilar, y el proceso se repite unas cuantas veces hasta que desaparece la porosidad.

3. Temperatura de precalentamiento

Todos los hierros fundidos son vulnerables al agrietamiento bajo tensión. El control del calor es el factor más importante para evitar grietas.

Una soldadura de hierro fundido requiere tres pasos:

• Precalentamiento
• Poca entrada de calor
• Enfriamiento lento

La razón principal para el control del calor es la expansión térmica. Cuando el metal se calienta, se expande. No se genera tensión cuando un objeto entero se calienta y se expande al mismo ritmo, pero la tensión se acumula cuando el calor se localiza en una pequeña zona afectada por el calor (HZ).

El calentamiento localizado provoca una expansión restringida, el HZ está contenido por el metal más frío que lo rodea. El grado de tensión resultante depende del gradiente térmico entre el HZ y el cuerpo de fundición. En el acero y otros metales dúctiles, la tensión creada por la expansión y contracción restringida se alivia mediante el estiramiento.

Desafortunadamente, esto puede causar grietas durante el período de contracción ya que los hierros fundidos tienen una ductilidad relativamente baja. El precalentamiento disminuye el gradiente térmico entre el cuerpo de fundición y el HZ, minimizando así la tensión de tracción causada por la soldadura. En general, los métodos de soldadura a mayor temperatura requieren un precalentamiento a mayor temperatura.

Cuando no es posible un precalentamiento adecuado, la mejor estrategia es minimizar el aporte de calor, seleccionar un proceso de soldadura a baja temperatura y varillas o alambres de soldadura de bajo punto de fusión.

La velocidad de enfriamiento es otro factor que tiene un impacto directo en las tensiones inducidas en la soldadura. El enfriamiento rápido provoca la contracción, lo que crea soldaduras quebradizas y que se agrietan fácilmente. Por el contrario, el bajo enfriamiento reduce el estrés por endurecimiento y contracción.

4. Uso de la técnica de soldadura para soldar hierro fundido

En teoría, se puede utilizar cualquiera de los procesos comunes de soldadura por arco, como la soldadura manual por arco metálico, la soldadura por arco con núcleo fundente, la soldadura por gas activo de metal, la soldadura por arco sumergido, la soldadura por arco de tungsteno, etc., un proceso que facilita el calentamiento y enfriamiento lentos. generalmente preferido.

1. Soldadura manual por arco metálico (MMA)

En general, se cree que este tipo de soldadura, también conocida como soldadura por arco de metal blindado (SMAW), es el mejor proceso general para la soldadura de hierro fundido, siempre que se utilicen las varillas de soldadura correctas. La elección del electrodo dependerá de la aplicación, la coincidencia de color requerida y la cantidad de mecanizado posterior a la soldadura.

Los dos tipos principales de electrodos para la soldadura manual por arco metálico son los de base de hierro y los de base de níquel. El electrodo a base de hierro producirá metal de soldadura con martensita con alto contenido de carbono, por lo que generalmente se limita a reparaciones menores de fundición y cuando se requiere una igualación de color.

Los electrodos de aleación de níquel son los más utilizados y ofrecen un metal de soldadura más dúctil. Los electrodos de níquel también pueden ayudar a reducir el precalentamiento y el agrietamiento de la ZAT al proporcionar un metal de soldadura de menor resistencia.

En todos los casos, se debe tener cuidado para minimizar la fusión del metal base. Esto minimizará la dilución.

2. Soldadura MAG

La soldadura MAG se realiza generalmente con un consumible de níquel. Una mezcla de gas de 80 % de argón y 20 % de dióxido de carbono funcionará para la mayoría de las aplicaciones. Si bien se puede usar alambre de soldadura fuerte, generalmente no se recomienda ya que el metal de soldadura fuerte será significativamente más débil que el fundido.

3. Soldadura TIG

La soldadura TIG puede proporcionar una soldadura limpia en hierro fundido, pero generalmente no es la preferida debido a sus características de calentamiento altamente localizado. Al igual que con todas las soldaduras TIG, la calidad de la soldadura terminada está determinada en gran medida por la habilidad del soldador.

4. Soldadura Oxiacetileno

La soldadura con oxiacetileno también utiliza electrodos, pero en lugar de un arco generado por la corriente, un soplete de oxiacetileno proporciona la energía para soldar. Los electrodos de hierro fundido y los electrodos de cobre y zinc son adecuados para la soldadura de hierro fundido con oxiacetileno.

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. La varilla de soldadura se debe derretir en el baño de soldadura fundido, en lugar de directamente por la llama, para minimizar los gradientes de temperatura.

5. Soldadura Fuerte

La soldadura fuerte es un método común para unir piezas de hierro fundido debido al impacto mínimo en el metal base. Una varilla de soldadura proporciona el relleno que se adhiere a la superficie de hierro fundido. Debido al punto de fusión más bajo del relleno en comparación con el hierro fundido, el relleno no se diluye con el hierro fundido sino que se adhiere a la superficie.

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. Según Machine Design, es común usar fundente para evitar la formación de óxidos durante la soldadura fuerte.

Es un líquido que favorece la humectación, lo que permite que la masilla fluya sobre las piezas metálicas a unir. También limpia las partes de óxidos para que el relleno se adhiera más fuertemente a las partes metálicas. Además, los fundentes se utilizan en la soldadura para limpiar superficies metálicas.

Técnicas de Soldadura sin Precalentamiento

El tamaño de la fundición u otras circunstancias pueden requerir que la reparación se realice sin precalentamiento. Cuando este es el caso, la pieza debe mantenerse fresca, pero no fría.

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. Nunca caliente el yeso tanto que no pueda colocar su mano desnuda sobre él.

Haga soldaduras cortas de aproximadamente 1” de largo. El granallado después de la soldadura es importante con esta técnica. Permita que la soldadura y la fundición se enfríen. No acelere la velocidad de enfriamiento con agua o aire comprimido.

Es posible soldar en otra área de la fundición mientras se enfría la soldadura anterior. Todos los cráteres deben ser llenados. Siempre que sea posible, las cuentas deben depositarse en la misma dirección y se prefiere que los extremos de las cuentas paralelas no se alineen entre sí.

Uso de alambre de relleno o electrodo para soldadura por fundición

Como se mencionó anteriormente, la elección de la varilla de soldadura es importante para soldar hierro fundido, aunque la mayoría de los expertos aconsejarían usar varillas de níquel.

1. Varillas 99% Níquel

Estos electrodos son más caros que otras opciones pero también proporcionan los mejores resultados. Las varillas de níquel al 99 % producen soldaduras que se pueden mecanizar y funcionan mejor en fundiciones con un contenido de fósforo bajo o medio. Estas varillas de níquel puro producen un depósito de soldadura suave y maleable.

2. 55% Varillas de Níquel

Menos costosas que las varillas 99%, también son mecanizables y se usan con frecuencia para reparaciones de secciones gruesas. Un coeficiente de expansión más bajo significa que producen menos grietas en la línea de fusión que la varilla del 99 %. Estas varillas de ferroníquel son ideales para soldar hierro fundido con acero.

Hay opciones menos costosas disponibles, como varillas de acero, aunque no son tan efectivas como las varillas de níquel:

3. Varillas de acero

Las varillas de acero brindan la opción más económica de las tres y son las mejores para reparaciones menores y rellenos. Los electrodos de acero producen soldaduras duras, que requieren un esmerilado adicional para terminar y no son mecanizables. Sin embargo, a pesar de estos inconvenientes, las varillas de acero proporcionan una combinación de colores y pueden tolerar mejor las piezas fundidas que no están completamente limpias que las varillas de níquel.

4. Bronce para soldadura fuerte

Puede soldar con oxiacetileno o usar las varillas con un soldador TIG. Es una buena manera de proporcionar una fortaleza en una grieta o entre dos componentes que necesitan ser unidos, sin causar grietas ni cambios en las propiedades del hierro fundido.

Limpieza y granallado de superficies soldadas

Como la mayoría de las soldaduras, cuanto más limpia esté la superficie, mejores serán sus soldaduras. A veces, el material que está soldando ha tenido vapores o aceite durante toda la vida durante la fundición, y esto causará desafíos en la soldadura. Hay ciertas cosas que debe tener en cuenta cuando suelda hierro fundido.

El uso de consumibles de soldadura, como las varillas de aleación de soldadura de hierro fundido MG-289, que están diseñadas para hierro fundido contaminado, es la mejor manera de garantizar que la soldadura sea suficiente.

El granallado es el proceso de golpear ligeramente la soldadura suave mientras se enfría con un martillo de bola para evitar que se agriete. Esto debe hacerse con precaución y solo cuando la soldadura pueda deformarse, pero no siempre es necesario, ya que lo que principalmente causa grietas es el calentamiento o enfriamiento irregular o rápido del componente. Precalentar y enfriar lentamente su proyecto es lo más importante.

¿Precalentar o soldar en frío?

Hay algunas opiniones diferentes sobre si debe soldar en caliente o en frío. Todo el mundo está de acuerdo en que el precalentamiento es una buena opción, pero hay algunas personas que sugieren que la soldadura con un calor mínimo también es suficiente.

Al decidir cómo soldar hierro fundido, es necesario adoptar uno de estos enfoques porque, a diferencia de la mayoría de los metales, el hierro fundido es frágil y tiene una capacidad mínima para deformarse por flexión o expansión y contracción. El calor siempre tiene un efecto de deformación en el metal, y si una parte del metal se calienta o se enfría más rápido que otra, se produce tensión y agrietamiento en el hierro fundido o la soldadura.

El precalentamiento minimiza este efecto acercando el área circundante de la soldadura a la temperatura de soldadura, haciendo que todo el componente cambie uniformemente. El hierro fundido cambia de características a más de 1400 grados Fahrenheit, por lo que es crucial no poner calor excesivo en el componente.

Se cree que la soldadura de hierro fundido en frío sin precalentamiento y con un mínimo de calor ayuda a reducir la temperatura general. Esto puede ser beneficioso para no producir grietas visibles y será una soldadura más fuerte que una soldadura caliente sin precalentamiento. Sin embargo, todavía se produce tensión interna, que puede mostrarse más adelante en la vida útil del componente, y produce una soldadura más débil en general que el precalentamiento adecuado antes de soldar.

Soldadores de hierro fundido experimentados que trabajan en la reparación o fabricación de productos de hierro fundido regularmente siempre y solo precalentando. Esta es la mejor manera de garantizar que la soldadura sea fuerte internamente, no solo que se agriete visiblemente menos.