Fundamentos de la recuperación por soldadura de aperos de labranza

Resumen

Se abordan los aspectos esenciales relacionados al
desgaste de implementos de labranza y las formas eficientes de
enfrentarlo. Se detalla en el comportamiento al desgaste de
aperos de diferentes implementos bajo las condiciones de varios
tipos de suelo. Se detalla en las formas más frecuentes de
recuperación de órganos de trabajo desgastados,
empleando métodos de soldaura por arco. Son descritos los
depósitos usados para recargue duro que, según
normas, responden al desgaste abrasivo. Se evalúa el
efecto de los parámetos de soldadura sobre la calidaed de
los depósitos de recargue.

Introducción

Con el desarrollo de la agricultura y su
masificación, cada día los equipos agricolas
trabajan en condiciones más severas, siendo una exigencia
para estos equipos el aumento de la productividad y la
disminución de los tiempos perdidos por concepto de
mantenimiento y reparaciones.

En paises subdesarrollados no siempre se dispone de las
piezas de repuesto necesarias para la sustitución de
aquellas que por razones de trabajo han arrivbado al estado
límite, por lo que la recuperación de piezas se
convierte en una necesidad para responder a las circunstancias
particulares de desarrollo.

En este sentido, los órganos de trabajo de las
máquinas agrícolas y los implementos de labranza,
son elementos que presentan un alto índice de deterioro
debido a las condiciones agresivas de trabajo a que están
sometidos [8,11]. El contacto directo con la superficie abrasiva
de los suelos, en muchos casos arenosos con alto contenido de
cuarzo, constituye la causa fundamental del desgaste acelerado
que sufren estos medios.

El desgaste genera considerables pérdidas de
materiales, recursos y tiempo, con la consiguiente
disminución de la producción, conlleva a la
pérdida de gran cantidad de medios, así como a la
elaboración o adquisición de nuevos elementos lo
que encarece considerablemente el proceso, a estos factores se
une la necesidad de incrementar las velocidades de trabajo en
aras de aumentar la productividad de la maquinaria
[8].

El incremento de la vida útil de los
órganos de trabajo de las máquinas agrícolas
se ha convertido en un problema básico en la
práctica de la ingeniería en los últimos
años, lo que está relacionado con el estudio de las
leyes y mecanismos que rigen el proceso de desgaste que sufren
los implementos durante el período de explotación y
el uso de materiales más resistentes [4].

Los métodos de fabricación y
reacondicionamiento, de conjunto con el uso de los procesos de
recargue, constituyen una vía importante para reducir los
daños ocasionados por el desgaste, logrando estructuras
metalográficas de alta resistencia en la zona de trabajo
del implemento de labranza [7].

En este sentido, la tecnología de soldadura con
recargue, permite en la actualidad prolongar la durabilidad de
las máquinas por encima de las pronosticadas en el
diseño, y mediante éste, las piezas desgastadas
pueden restaurarse y ser utilizadas de nuevo.

En este contexto, los revestimientos protectores
aplicados a las piezas nuevas, ayudan a mantenerlas en servicio
más tiempo y permiten lograr ahorros considerables de
materiales, energía y otros, ya que se reducen los
inventarios de piezas de repuesto y las piezas restauradas pueden
trabajar durante un tiempo mayor.

El método de soldadura es uno de los más
empleados con este fin aplicando diferentes procesos, por lo que
el desarrollo de las investigaciones relacionadas con la
obtención y empleo de nuevos materiales para el recargue
superficial como método de recuperación y
fabricación de piezas, constituye un tema de actualidad e
importancia para el país.

Sin embargo, para cada material y/o electrodo, es
necesario realizar determinadas pruebas que forman parte de su
evaluación, siendo esta la situación
problémica del trabajo.

El desgaste
abrasivo en las máquinas
agrícolas

El desgaste es un proceso complejo que se produce en las
superficies de los cuerpos debido a la fricción con otro
cuerpo o medio, trayendo por consecuencia la variación de
la micro geometría y macro geometría superficial;
la modificación de la estructura y las propiedades
físicas y mecánicas del material, con o sin
pérdida del mismo. [1 ,13].

La fricción ha sido objeto de múltiples
estudios, donde se ha establecido su independencia de la
velocidad de deslizamiento y la dependencia de las
características de los materiales de los cuerpos
friccionantes [1,15]. La naturaleza de la fricción tiene
un carácter dual y se debe a la fuerza de adhesión
entre los cuerpos, así como a la fuerza condicionada por
la rugosidad superficial de los mismos.

La primera ley que logra expresar matemáticamente
este fenómeno se representa en la ecuación 1.
[13]:

La teoría adhesivo – deformacional de la
fricción [1,13], considera la fuerza de fricción
como el resultado conjunto de la fuerza necesaria para cizallar
las soldaduras puntuales formadas debido a la adhesión
entre los cuerpos y la fuerza necesaria para producir el flujo
plástico de las capas superficiales de los cuerpos
comprimidos entre sí, y establecen la siguiente
expresión matemática para la fricción
seca:

El primer término de la expresión (2),
representa la componente adhesiva de la fricción y el
segundo término la componente deformacional.

La teoría de acuerdo a la cual la fricción
esta condicionada a la adhesión y la rugosidad
superficial, se expresa matemáticamente de la siguiente
forma [1,13]:

La teoría mecánico-molecular de la
fricción la considera como el resultado combinado de la
adhesión molecular entre las superficies de rozamiento y
el engranaje de las asperezas y deformaciones de las capas
superficiales de los cuerpos en contacto, estableciendo la
siguiente ley deformacional de la fricción [1, 13,
19].

La componente molecular está condicionada a la
adhesión en los puntos de las superficies en contacto y la
mecánica depende de la penetración de las
irregularidades de las superficies comprimidas.

El método energético para la
determinación de la fricción [12,15] introduce el
concepto de "densidad de energía de fricción" y se
expresa matemáticamente de la siguiente forma:

Para el estudio de la fricción vinculado al
fenómeno de desgaste y considerando la gran importancia de
su análisis y determinación como un elemento
indispensable que define la interacción entre dos cuerpos,
consideramos la teoría mecánico molecular como la
más adecuada para el análisis del desgaste en
particular a partir de su relación directa con las
presión de contacto y la aplicabilidad de la
misma.

En la clasificación más general de los
tipos de desgaste superficial en los cuerpos sólidos se
establecen cuatro grupos [1,15]:

A.- Desgaste adhesivo: Se le conoce además como
desgaste por fricción o deslizante, se produce debido a la
adhesión molecular entre los cuerpos en
contacto.

B.- Desgaste por fatiga: Es debido a causas
mecánicas producto de tensiones variables y
repetidas.

C.- Desgaste mecánico-corrosivo: Es el desgaste
mecánico acelerado por la acción corrosiva del
medio.

D.- Desgaste abrasivo: Es el desgaste mecánico
como resultado de la acción de corte o rayado de asperezas
de alta dureza o de partículas abrasivas.

También se consideran con frecuencia el desgaste
erosivo, resultado de la oxidación dinámica
[23].

En la práctica se ponen de manifiesto dos o
más tipo de desgaste a la vez, y en determinados momentos
uno se puede transformar en otro [13].

En la definición del tipo de desgaste presente en
los implementos de labranza y la medida de su magnitud inciden
una serie de factores los cuales se pueden dividir de la
siguiente forma [4, 9]:

1. Las condiciones de explotación: Se determinan
por la carga aplicada, la velocidad, la temperatura del proceso,
los tipos de movimiento, el tipo de fricción, el recorrido
de fricción y el tiempo de trabajo entre otras.

2. Características de los cuerpos en contacto: Se
valora el tipo de material, la composición química,
la dureza, las dimensiones y formas, la microgeometría
superficial así como la microestructura.

3. Las características del medio: Se refiere a la
humedad, la atmósfera corrosiva, la presencia de
partículas abrasivas y las propiedades del lubricante si
se aplica.

La causa de la sustitución del 85% de los
elementos de la maquinaria agrícola es considerada como
resultado del desgaste abrasivo, [12,18], como mecanismo
principal del desgaste.

La modificación de las capas superficiales de los
cuerpos producto de la acción de partículas de alta
dureza, al deslizarse sobre la superficie metálica, da
lugar a la pérdida volumétrica y con ello, a la
disminución de la capacidad de uso del implemento u
órgano de trabajo [14].

Considerando un grupo de factores como la forma y
dimensiones de las partículas abrasivas, la
relación de dureza respecto a la herramienta, la
resistencia mecánica y las condiciones del medio y de
trabajo, así como la carga aplicada, el desgaste abrasivo
se puede manifestar a partir de diferentes mecanismos
[1,19]:

A.- Mecanismo de microcorte: Si la penetración de
la partícula abrasiva o aspereza sobrepasa determinado
valor; si la partícula presenta cantos vivos; si la dureza
del abrasivo es superior a la del material y si se sobrepasa el
límite de rotura del material se produce el microcorte de
las superficies, generándose partículas de desgaste
en forma de limallas o virutas.

B.- Mecanismo de deformación plástica: Si
las partículas son pulidas , tensiones por debajo del
límite de rotura del material, bajo grados de
penetración, se produce la deformación
plástica de las capas superficiales, trayendo como
consecuencia la ralladura, arrugado de la superficie con poca
generación de partículas de desgaste.

En dependencia del grado de libertad del grano abrasivo
se distinguen dos tipos fundamentales de desgaste
[1,13]:

1. Desgaste contacto-abrasivo: Producido por las
asperezas o microirregularidades superficiales al penetrar y
deslizarse sobre el otro cuerpo, conocidos también como
desgaste por partículas fijas.

Producto de la carga normal y en dependencia de las
propiedades mecánicas de los cuerpos sólidos en
contacto, se produce la penetración de las asperezas del
cuerpo más duro o resistente en las capas superficiales
del cuerpo menos duro o resistente.

Al producirse el movimiento relativo, y debido a que las
tensiones producto de la carga normal sobrepasan el límite
de resistencia del material menos resistente, se produce el
microcorte de la superficie.

La magnitud del desgaste contacto-abrasivo depende de la
rugosidad superficial del cuerpo duro y de las propiedades
mecánicas del cuerpo blando.

2. Desgaste contaminante-abrasivo: Producido por la
acción de partículas libres, proveniente de
diferentes medios las cuales deforman plásticamente y/o
cortan las capas superficiales.

Al desgaste contaminante abrasivo se le denomina
simplemente desgaste abrasivo por ser la forma más
difundida de designarlo.

La resistencia al desgaste se incrementa con el aumento
del contenido de carbono y de la dureza del material [2,13]
así como la inclusión de pequeñas cantidades
de elementos aleantes (níquel, cromo, silicio, magnesio,
etc.). Se establece que el contenido de carbono hasta un valor de
0,8% influye en la resistencia al desgaste; para mayores
contenidos ésta comienza a disminuir. Los aceros con una
alta cantidad de austenita retenida presentan una considerable
resistencia al desgaste en masa abrasiva.

Se establece que para partículas abrasivas con
tamaños superiores a 1 mm se produce el desgaste abrasivo
[2, 13,15]; lo que significa la existencia de éste en la
mayoría de los casos. Otro factor de importancia es la
relación dureza de las partículas abrasivas (Ha) y
dureza del material (Hm); así cuando Hm/Ha < 0,5 se
produce el desgaste mecánico por microcorte y cuando Hm/Ha
> 0,7 se produce deformaciones plásticas y la
separación de material ocurre después de un gran
número de ciclos de trabajo (fatiga
superficial).

Las partículas abrasivas de origen mineral se
encuentran en altas cantidades en los suelos [20,21]; así
por ejemplo el óxido de sílice (arena de cuarzo)
constituye entre el 40 – 60% de los suelos cubanos.

El incremento de la resistencia al desgaste en masa
abrasiva si Hm/Ha < 0,5 se logra aumentando la dureza del
metal (Hm) hasta valores que no afecten el trabajo del elemento
de máquina desde el punto de vista de su resistencia a la
fragilidad o impacto. No es aconsejable que la relación de
dureza sea muy superior a 0,76; ya que no se obtienen resultados
satisfactorios.

Dentro de los factores que influyen en el desgaste
abrasivo de las máquinas agrícolas en países
tropicales, se establecen los siguientes [4, 19, 15]:

1. Contacto con el suelo: El suelo puede concebirse como
un sistema de tres fases: fase sólida (materia mineral y
orgánica), fase líquida (agua o solución del
suelo) y fase gaseosa (aire del suelo). Existen, sin embargo,
otros constituyentes presentes en todos los suelos: la materia
mineral, 45%; la materia orgánica, 5%; el aire, 25% y el
agua, 25%. Por los minerales constituir el 45% de los
constituyentes del suelo reviste vital importancia su estudio.
Dentro de las propiedades físico-mecánicas de los
mismos encontramos la dureza y tenacidad, aspectos estos que
influyen considerablemente en la intensidad del desgaste de los
elementos de máquinas que están en contacto con
ellos.

2. Condiciones climáticas: Las precipitaciones
atmosféricas son relativamente abundantes y regulares con
promedio anual de 1 360 mm. La Humedad relativa es alta con valor
promedio de noviembre – abril del 77% (época seca), mayo –
octubre del 81% (época húmeda), para una media
anual de 79 %. La temperatura oscila entre 10 o C y 35 o C dando
una media anual de 24 o C, en invierno de 21 o C y en verano de
27 o C.

3. Contacto con las plantas y frutos: Diversas son las
plantas y los frutos que están en contacto directo con los
órganos de trabajo de las máquinas
agrícolas, este amplio grupo poseen características
físicas y composiciones químicas muy perjudiciales
en relación con el deterioro progresivo del
material.

En este sentido, los principales elementos de trabajo
que en las máquinas agrícolas sufren desgaste
abrasivo, producidos por los factores antes mencionados son
[8]:

•  1. Arados las vertederas en la cuchilla
  rotatoria, la anterreja, la costanera, la reja y los
  discos.

•  2. Los cultivadores en los escardillos,
  púas y rejas.

•  3. Las surcadoras en el machete.

•  4. Las gradas en las púas y los
  discos.

•  5. Los escarificadores en las rejas y el
  cincel.

•  6. Las fresas en las cuchillas, ganchos,
  rodillos, discos y anillos.

•  7. El multiarado en las rejas y
  cuchillas.

•  8. Las multilabradoras en las rejas, cuchillas
  y surcadores.

•  9. Las cosechadoras de cereales en los
  segmentos de corte, los dedos del molinete, el
  cóncavo, las cribas de limpieza y el transportador
  sinfín.

•  10. Las cosechadoras de caña en los
  segmentos de corte inferior, los transportadores, el aparato
  trozador y el patín.

La figura 1 muestra algunos ejemplos de órganos
de trabajo que han sido objeto del desgaste por abrasión
del suelo, y que por determinadas razones aún se mantienen
en explotación a pesar de su elevado nivel de
deterioro.

Figura 1. Órganos de trabajo de
máquinas agrícolas desgastados por
abrasión.

Las medidas fundamentales que se toman durante la
explotación de las máquinas agrícolas para
disminuir la incidencia del desgaste abrasivo son las siguientes
[8]:

1. Aumento de la dureza de las capas superficiales de
los elementos de máquinas.

2. Incremento del contenido de carbono y de carburos
duros hasta un por ciento determinado en dependencia del
material.

3. Control de la relación de dureza
metal-abrasivo (Hm/Ha).

4. Selección adecuada del ángulo de ataque
del implemento en dependencia de los materiales
utilizados.

5. Disminución de las cargas y velocidades de
trabajo.

Para contrarrestar el efecto del desgaste abrasivo se ha
trabajado en dos direcciones principales [22,13]:

A.- Búsqueda y experimentación de nuevos
materiales.

B.- La aplicación y desarrollo de nuevas
tecnologías.

Dentro de las tecnologías que se han valorado en
los últimos años para contrarrestar el desgaste
abrasivo en las máquinas agrícolas se destacan:
Temple isotérmico, tratamientos termo mecánicos,
deposición electrolítica, deposición por
fusión de aleaciones duras para formar elementos
bimetálicos, tratamientos termoquímicos, temple
superficial, tratamiento superficial por luz solar concentrada,
entre otros.

Las investigaciones dirigidas a la reducción del
daño provocado por el desgaste en los implementos de
labranza, han estado divididas en dos direcciones fundamentales.
La primera se encamina a la construcción de los
implementos de labranza a partir de una selección de
aceros y tratamientos térmicos adecuados, la cual sugiere
utilizar aceros como el Y8A y el 60C2A o similares para la
construcción de discos de gradas, escarificadores y otros
elementos [19]. Este trabajo toma como medio para la
determinación de la resistencia al desgaste abrasivo el
suelo pardo tropical, el cual, a pesar de ser el más
representativo, no es el más abrasivo, y propone
materiales relativamente caros. La segunda dirección a la
cual han estado dirigidos los trabajos investigativos ha sido el
relleno con soldadura por arco eléctrico de las partes
más sometidas al contacto con el suelo de los
implementos.

A escala mundial, se ha estudiado la fabricación
de nuevas aleaciones con propiedades antifricción y
resistentes al desgaste [23,26] a partir de obtener en la
estructura un mayor número de carburos. El ensayo de estas
nuevas aleaciones, ha logrado incrementar de manera eficaz la
vida útil de los implementos de labranza.

Para el caso específico de un cultivador, se
establece como exigencia agrotécnica que la profundidad de
trabajo debe ser de 160 ± 30 mm, pudiéndose regular
mediante la rueda de apoyo derecha e izquierda ubicadas en el
bastidor del implemento y se acoplan preferentemente a tractores
de clase 14 KN, (tractores universales), los que deben poseer
sistemas de levante oleohidráulico con enganche de tres
puntos.

Estudios realizados por otros investigadores sobre el
tema [25], indican que en los suelos Ferralíticos
cuarcitico amarillo-rojizo lixiviado, sus características
físicas muestran, desde el punto de vista
granulométrico, una composición del 75 porciento en
fracción de arena con un contenido de arcilla muy bajo o
prácticamente insignificante, razón por la cual, se
clasifican como suelos arenosos donde el desgaste predominante en
el implemento es del tipo abrasivo como se muestra en la figura
2.

Figura 2. Desgaste de los órganos
de trabajo de los aperos de labranza.

En muchas ocasiones, para resolver los problemas de
carencia de este tipo de implemento, se ha recurrido al uso de
materiales reciclados para la fabricación local de las
rejas, figura 3, sin embargo, este proceso se hace de manera
rudimentaria, sin el equipamiento adecuado, incumpliendo las
normas o exigencias de acabado superficial y calidad, etc, lo que
ha propiciado que no se respete la geometría original de
estos, (ángulos de inclinación, dimensiones, radios
de curvaturas, etc).

Figura 3. Soluciones constructivas
locales.

Todos estos aspectos redundan en el mayor desgaste de
los órganos de trabajo, aumento del consumo
energético y disminución de la calidad de la
labor.

La soldadura de
relleno superficial como método de fabricación o
restauración de piezas

El recargue es un grupo de técnicas relacionadas
con la soldadura, llamadas también revestimientos o
recubrimientos superficiales, la cual tiene el propósito
de restaurar las dimensiones de las superficies desgastadas de
las piezas mediante el aporte de un material nuevo, con vistas a
extender su vida útil. Por otra parte esta técnica
tiene un amplio uso en la fabricación de piezas nuevas, en
aras de proteger un metal de bajas propiedades con una capa de
una aleación compleja que le aporta propiedades
específicas tales como resistencia al desgaste en
cualquiera de sus variantes. Las dos aplicaciones representan
ventajas económicas considerables, en el caso de la
restauración de piezas la economía viene dada
principalmente por la diferencia entre el costo de
reparación y el costo de la pieza nueva. En el caso de la
fabricación de piezas por recargue, además de que
muchas ocasiones constituye una solución
tecnológica para determinados elementos de máquina,
el ahorro está dado por el uso de materiales de alto costo
sólo en las superficies de la pieza que lo exijan
según sus requerimientos de trabajo, mientras el resto del
volumen se fabrica con materiales de menores costos [17],
Esencialmente el proceso de recargue consiste en la
deposición de una capa soldada que provee de las
propiedades de trabajo requeridas en la superficie ya sea de una
pieza nueva o desgastada, de forma que tenga un mejor
desenvolvimiento en condiciones de trabajo severas, mejorando su
vida útil y disminuyendo sus condiciones de
mantenimiento.

Los beneficios del recargue son los
siguientes:

• Es un método de fabricación de piezas
  que aumenta de 3 a 10 veces la vida útil de los
  elementos de máquina y permite la producción de
  piezas de forma más económica debido a que la
  aleación cara sólo se deposita en la zona de la
  pieza que lo requiere y esta puede ser construida de un
  material menos caro.

• Posibilita la reconstrucción de las zonas
  desgastadas a menores costos que el reemplazo por una nueva
  pieza.

• Disminuye los costos de mantenimiento cuando se
  reacondiciona la pieza en su lugar de trabajo.

• Reduce los tiempos fuera de producción y por
  tanto aumenta la eficiencia del trabajo.

• Reducción del stock de piezas de
  repuesto.

La importancia económica del recargue se deriva
de la posibilidad de aplicar selectivamente un material de
recargue caro, elegido en dependencia de las propiedades
superficiales necesarias, en el lugar específico donde
estas son requeridas, sobre un material más barato que
constituiría la pieza en su conjunto. Así mismo, la
aplicabilidad local del recargue usando un equipamiento
portátil significa que puede ser aplicado en el lugar de
utilización de la pieza, eliminando de esta forma los
costos excesivos de transportación para la
reparación de la pieza.

Aspectos a tener
en cuenta para establecer un procedimiento de
recargue

La selección del procedimiento de recargue
depende de varios factores, entre los que se
encuentran:

• las condiciones de trabajo a que está
  sometida la pieza, que generan un determinado tipo de
  desgaste.

• las características del metal
  base.

• si se requiere la reconstrucción de la zona a
  recargar debido al excesivo desgaste, cuando se trata de una
  reparación.

• si existen requerimientos de acabado superficial del
  proceso de soldadura que esté disponible.

En ocasiones existirá más de una
solución para determinado caso, es entonces cuando se
requiere de la experiencia para seleccionar la más
económica. Los suministradores pueden estar dispuestos y
capacitados para sugerir una solución, pero además
es normal esperar alguna inclinación a favor de sus
productos, por lo que se debe investigar más de una
propuesta.

Debe prestársele la atención adecuada al
tipo de metal base, la preparación, el precalentamiento y
si es necesario el alivio de tensiones final o si requiere de
enfriamiento lento. La dureza luego de la soldadura es un dato
útil para conocer y verificar pero este no puede ser el
elemento de mayor importancia para elegir la aleación y el
proceso a aplicar.

La preparación de la superficie para el recargue
consiste en la limpieza del área afectada y usualmente se
realizan ranuras o acanalados en la zona de aplicación del
recargue. Es necesaria una transición suave y gradual para
proteger los bordes debido a que los materiales de recargue
tienden a astillarse en condiciones de impacto.

Procesos de
soldadura SMAW

La selección del proceso adecuado de soldadura
depende de muchos factores y tiene una influencia fundamental en
el costo total de operación. La forma, el tamaño y
el peso de la pieza es la que establece si esta puede ser movida
a otro lugar para su reparación, o si se requiere que el
equipamiento de soldadura se ubique en el lugar de trabajo de la
pieza.

En el caso de implementos voluminosos, difíciles
de mover, el proceso será preferiblemente manual y
ejecutado en el lugar de trabajo por soldadores adiestrados
usando un equipo portátil. Cuando se requiere de elevado
volumen de soldadura pueden implementarse procesos
semiautomáticos o automáticos, debido a su mayor
razón de deposición. La dilución es en
ocasiones un indicador a tener en cuenta para una decisión
al respecto.

El metal base será quien dicte el procedimiento
adecuado, lo que incluye el precalentamiento en materiales
propensos al agrietamiento. Las capas de recargue tendrán
coeficientes de expansión térmica diferentes del
metal base y cuando esto se hace extremo se utilizan capas
intermedias de empastado con un tercer material con propiedades
intermedias.

La dilución en el depósito de recargue se
controla mediante el calor aportado el cual debe ser
mínimo. Con vistas a disminuir las tensiones residuales se
recomienda un enfriamiento lento o en ocasiones el alivio de
tensiones.

De todos los procesos del grupo de soldadura por arco,
el SMAW es el más común y versátil, a pesar
de no proveer la mayor razón de deposición. La
dilución dependerá de los materiales y del
adiestramiento del soldador.

Materiales de
aporte para el recargue superficial

Respecto a los materiales de aporte que se pueden
utilizar para el relleno superficial, desafortunadamente no
existen métodos estandarizados de clasificación y
especificación para los diferentes tipos de electrodos a
nivel mundial. Cada fabricante se acomoda a las normas vigentes
del país en donde produce dichos materiales así
como se acoge a una o varias normas de carácter
internacional que le permiten establecer un patrón de
comparación [6], La American Welding Society (AWS) tiene
publicado dos especificaciones que están bastante
difundidas, la A5.13 Specifications for Surfacing Welds Rods and
Electrodes" y la A5.21 "Specifications for Composite Surfacing
Weld Rods and Electrodes ". Existen varios casos de materiales de
relleno comerciales que no están cubiertos por algunas de
estas normas o especificaciones e incluso algunos de ellos no
permiten que se les acoja para comparación por alguna de
estas normas que tienen una amplia utilización. No
obstante, sí es cierto que todo fabricante se preocupa por
suministrar una información completa de como utilizar su
producto específico para diferentes aplicaciones y
diversas industrias, lo que hace que esta información sea
en extremo útil y a la vez necesaria de
consultar.

Como ya se planteó anteriormente, el recargue
superficial duro se utiliza para proveer superficies de trabajo
con propiedades superiores a la que presentan diferentes zonas de
piezas, implementos o máquinas, haciéndolos
adecuados para resistir la acción destructiva de fuerzas
actuantes sobre estas, tales como abrasión,
cavitación, erosión, corrosión, daño
por calor, oxidación, impacto, fricción a elevadas
presiones con otros metales y demás[10], En ocasiones
ocurre que más de una solución aceptable puede
aplicarse para cualquier situación dada y que las
condiciones reales de operación son las variables
esenciales que gobiernan la selección del consumible y
proceso de recargue más adecuado. Esta se basa
generalmente en la disponibilidad, en la dilución que se
obtiene (debe ser la mínima posible) y en la razón
de deposición. La mayoría de las aleaciones se
comercializan bajo nombres comerciales. Es por esto importante
investigar los materiales recomendados para una aplicación
específica. También pueden utilizarse pruebas
comparativas para determinar lo adecuado de la selección
realizada. La estructura de los metales depositados consiste
usualmente en una matriz suave de base metálica que
soporta una fase dura en forma de carburos, boruros o compuestos
intermetálicos diseñados para resistir el desgaste
abrasivo u otro tipo de daño. Dentro de los materiales
matrices se incluyen aceros de baja aleación, aleaciones
base hierro de alta aleación, hierros blancos, aleaciones
de níquel o cobalto y menos comúnmente aleaciones
de cobre.

Una clasificación común, establecida para
materiales de recargue es la siguiente:

• Aleación utilizada para la
  reconstrucción de áreas desgastadas.

• Aleaciones resistentes al desgaste
  metal-metal.

• Aleaciones resistentes al desgaste
  metal-tierra.

• Aleaciones que contienen carburo de tungsteno, para
  requerimientos especiales.

• Aleaciones no ferrosas.

El hierro es el menos caro de los materiales matrices,
aplicado en un gran número de aleaciones. Debido a la gran
variedad de aleaciones base hierro disponibles para aplicaciones
de recargue se ha vuelto costumbre agruparlas más por su
comportamiento bajo condiciones de desgaste que por
composición química.

Los aceros perlíticos son de baja
aleación. Ellos poseen un contenido de carbono bajo (menor
de 0,2%) y son usados para capas de reconstrucción. Este
grupo de aleación tiene alta resistencia al impacto y baja
o media dureza (en el rango de 25 a 37 HRc), así como
excelente soldabilidad. Una aleación típica es la
E-Fe1, la cual no está diseñada para resistir
desgaste pero sirve como soporte para próximas capas de
recargue.

Para reconstrucción con acero austenítico
al manganeso, el cual es altamente resistente a impacto y se
endurece durante su uso, se utilizan dos tipos de materiales de
aporte de acero al manganeso, los cuales contienen también
níquel y molibdeno: mientras el manganeso es alrededor del
15% para ambos, el cromo puede ser de alrededor de 4% (EFeMn-C)
para reconstruir piezas de maquinaria sujetas a impacto o el que
tiene alrededor de 15% de Cr (EFeMn-Cr) usado para reconstruir o
soldar el mismo u otros metales. En cualquier caso la soldadura
se ejecutará con el mínimo calor aportado y el
enfriamiento adecuado.Para aplicaciones de desgaste metal-metal
se emplean aceros martensíticos, similares a los aceros
para herramientas, usando las precauciones debidas durante la
soldadura en función de evitar grietas: estos, llamados
también aleaciones para recargue de maquinaria, se
endurecen durante el enfriamiento desde la temperatura de
soldadura y exhiben altas durezas aunque presenten menor
resistencia al impàcto que los anteriores. Esas capas
pueden ser difíciles o imposibles de maquinar. Dentro de
las diferentes composiciones ofrecidas en el mercado, EFe2 y EFe3
han sido usadas satisfactoriamente. El AWS ER420 es muy popular,
el cual es también medianamente resistente a la
corrosión.Hierros fundidos blancos son usados para
resistencia a la abrasión metal-tierra. Los principales
ingredientes son cromo (entre 6 y 35%) y carbono (entre 2 y 6%).
Las aleaciones de bajo carbono son preferidas para
abrasión moderada e impacto. Los hierros blancos de alto
carbono se seleccionan donde el impacto no es un problema pero
donde la abrasión severa tiene lugar.

Otros elementos adicionales que se encuentran en esta
aleación son Si, Mo y Mn. Algunas de esas aleaciones
están especificadas como ERFeCr-A3, ERFeCr-A4 (Mod) y
ERFeCr-A2. Los carburos de tungsteno (y recientemente
también carburos de titanio, vanadio, cromo u otros
elementos) son partículas muy duras de un tamaño de
malla seleccionado, que son insertadas en la matriz
metálica mediante el proceso de soldadura. Para mayor
sujeción, el tamaño del carburo debe ser menor que
el de la partícula abrasiva. Es importante que estos
carburos no se fundan con el fin de que preserven su dureza
excepcional.

Por tanto el proceso OAW es el preferido cuando es
aplicable, mientras es un proceso, debido a que los carburos no
van a pasar por el arco si no directamente al charco de
soldadura. Los carburos de tungsteno son importantes para
aplicaciones de deslizamiento y movimiento de tierra tales como
reja de arado, barrenas trituradoras de roca y en aplicaciones
generales que requieran máxima resistencia a la
abrasión en condiciones de bajo o moderado impacto. Otros
aspectos a tener en cuenta para una aplicación dada,
además del tipo de carburo, el tamaño de estos y el
proceso de soldadura empleado, es su fracción de volumen
en las capas.

De las aleaciones no ferrosas para recargue, las base
cobalto son las más versátiles, son resistentes al
calor, mantienen su dureza hasta los 850oC y son resistentes a la
oxidación hasta 1090oC, choque térmico,
abrasión, erosión, rodadura, impacto etc. El
contenido de carburos en estas aleaciones depende de la cantidad
de carbono presente en la fracción de volumen de carburos
de diferentes tipos y composiciones: ellos presentan alta dureza
a temperatura ambiente y varios grados de resistencia a la
abrasión. Las aleaciones para recargue base níquel
contienen hierro, cromo, boro y carbono. Las fases duras
presentes son boruros y carburos, que exhiben excelente
resistencia a la abrasión de baja presión,
generalmente aumentando su fracción de volumen. Su
resistencia a la rodadura en el desgaste metal-metal es moderada
y su resistencia a la corrosión es menor que la de las
aleaciones base cobalto. Las aleaciones de níquel que
contienen carburo encuentran aplicación en la industria de
energía nuclear, como un sustituto de las aleaciones de
cobalto, debido a que estas son propensas a convertirse en
radioactivas e interfieren su operación normal.

Con respecto a las aleaciones base cobre, se utilizan
dos aleaciones de aluminio como aleaciones de recargue en
engranajes, levas y matrices especiales.

Por otra parte, la norma AWS A 5.13 establece 26 tipos
de consumibles base hierro para SMAW. De ahí puede
demostrarse que los materiales de aporte para recargue, los que
mayor número de elementos de aleación requieren son
los destinados para contrarrestar el desgaste abrasivo
[3].

Parámetros
del régimen de soldadura SMAW y su influencia en las
propiedades del depósito de recargue

El metal base y las características
geométricas de la pieza serán los factores que
dictan el procedimiento adecuado, lo que incluye el
precalentamiento en materiales propensos al agrietamiento. Las
capas de recargue tendrán coeficientes de expansión
térmica diferentes del metal base y cuando esto se hace
extremo se utilizan capas intermedias de empastado con un tercer
material con propiedades intermedias.

La dilución en el depósito de recargue se
controla mediante el calor aportado el cual debe ser
mínimo. Con vistas a disminuir las tensiones residuales se
recomienda un enfriamiento lento o en ocasiones el alivio de
tensiones [16],

El calor aportado (Qa) es un factor que ejerce un efecto
determinante en las propiedades del depósito de recargue,
debido a que establece el nivel de dilución que se
obtendrá en el mismo. En una aplicación determinada
este calor no es necesariamente el mismo que el requerido en la
soldadura estructural. En lugar de producir una mezcla de dos
metales compatibles, como es el caso de la soldadura estructural,
los productos para la soldadura de recargue aportan un
cordón o una superficie localizada de metal aleado, con el
fin de contrarrestar determinadas condiciones de trabajo que
afectan el funcionamiento y la durabilidad de la pieza, por lo
que requieren suficiente calor de aplicación para obtener
una fusión adecuada con el metal base. La mezcla entre los
dos metales debe minimizarse. Si se utiliza mucho calor aportado
durante la soldadura de recargue se diluirá la
aleación de aporte con el metal base, por lo que se
reducirá la efectividad de las propiedades de resistencia
al desgaste del material. Por otra parte, el calor excesivo causa
la evaporación de elementos aleantes y la
oxidación. Depósito con demasiado calor aportado
aumentan su fluidez y se vuelven muy finos, por lo que pierden
propiedades de resistencia al desgaste.

De la ecuación 1 se desprende que el calor
aportado aumentará con el incremento de la intensidad de
corriente y el voltaje de soldadura, siendo esto contrario para
un incremento en la velocidad de soldadura. Este último
parámetro del régimen en la soldadura manual es
realmente difícil de controlar, dependerá
fundamentalmente de la habilidad del soldador, así como de
la corriente, la polaridad y el tipo de electrodo que se
esté utilizando. En el caso del voltaje de soldadura este
va a ser fijado según el tipo de fuente y dependerá
de la corriente y las características del consumible. La
corriente de soldadura será el parámetro más
factible a regular en este proceso, con vistas a disminuir la
dilución, mediante la utilización de los menores
valores de amperaje posible. Esto se logra disminuyendo el
diámetro del electrodo, lo cual hace decaer la
productividad del proceso. Otra forma de disminuir la
dilución es mediante la utilización de electrodos
tubulares, los cuales operan con menores intensidades de
corriente para diámetros equivalentes en electrodos
macizos, por lo cual constituyen una adecuada elección
para la soldadura de recargue superficial mediante el proceso
SMAW.

Con respecto al número de pasadas, en muchas
aplicaciones se utilizan depósitos de simple pasada.
Existen casos, sin embargo, como son los martillos de molinos, en
los que una pasada doble del mismo material producirá tres
veces mayor resistencia que una pasada simple. Pueden utilizarse
capas intermedias con composición química semejante
a la aleación de recargue, con vistas a que el
depósito tenga una transición lenta en
composición química y propiedades, lo cual va a
provocar mejor adherencia del depósito de
recargue.

Bibliografía

• 1. Álvarez, E.,
  Tribología, Apuntes para un libro de texto,
  Universidad Central " Marta Abreu" de Las Villas.
  2000.

• 2. American Metallurgical
  Consultants. Flux Cored Welding.
  www.weldingengineer.com/flux.htm. 2002.

• 3. Bhushan, B., Gupta, B.K.
  Handbook of tribology, McGraw-Hill, New York 1991.

• 4. Boletín de Servicios
  Agrícolas de la FAO: La Ingeniería Agraria en
  el desarrollo. Directrices para reconstruir piezas y
  conjuntos de repuestos.. Roma, 1991.

• 5. Burgos Solas, José L. . .
  "Teoría de los procesos de soldadura". Material de
  apoyo al curso de la maestría en Ingeniería
  Mecánica. UCLV. 2000. Santa Clara. Cuba

• 6. Burgos Solas, José. Relleno
  superficial por soldadura. Curso recuperación de
  piezas por soldadura. Universidad Central de Venezuela.
  1996

• 7. CIME, Grupo Científico
  Técnico, Recuperación de piezas por el
  método de Soldadura, Publicaciones IMAGO,
  1996.

• 8. Ermolov, C. , Tipos de deterioros y
  destrucción de las piezas en la técnica
  agrícola, Editorial Bishaya Shcola, Moscú URSS,
  1983.

Partes: 1, 2