Seguridad en soldadura de estanques

Soldar recipientes que hayan contenido materiales inflamables o combustibles es una operación de soldadura extremadamente peligrosa. A continuación se detallan recomendaciones que deben ser observadas en este tipo de trabajo:

a) Preparar el estanque para su lavado:

La limpieza de recipientes que hayan contenido combustibles debe ser efectuada sólo por personal experimentado y bajo directa supervisión.

No deben emplearse hidrocarburos clorados (tales como tricloroetileno y tetracloruro de carbono), debido a que se descomponen por calor o radiación de la soldadura, para formar fosfógeno, gas altamente venenoso.

b) Métodos de lavado:

La elección del método de limpieza depende generalmente de la sustancia contenida. Existen tres métodos: agua, solución química caliente y vapor.

c) Preparar el estanque para la operación de soldadura:

Al respecto existen dos tratamientos:

Agua
Gas CO2 o N2

El proceso consiste en llenar el estanque a soldar con alguno de estos fluidos, de tal forma que los gases inflamables sean desplazados desde el interior.

POSICIONES EN SOLDADURA
Designación de acuerdo con ANSI/AWS A3.0:2001

ESQUEMAS BÁSICOS

SIMBOLOGÍA EN SOLDADURA
La simbología en la especificación de trabajos de soldadura es una forma clara, precisa y ordenada de entregar información de operación. Existe para ello una simbología estándar que ha sido adoptada para la mayoría de los procesos de soldadura.

A continuación se muestran los diferentes significados que existen en una simbología de soldadura.

En las siguientes figuras se muestran algunos ejemplos de las aplicaciones de la simbología de soldadura.

Definición de recubrimiento y recuperación de piezas
El recubrimiento y recuperación de piezas consiste en la aplicación de un material de aleación especial sobre una pieza metálica mediante diversos procesos de soldadura, con el fin de mejorar la resistencia al desgaste y/o recuperar las dimensiones apropiadas. La propiedad que generalmente se quiere mejorar es la resistencia al desgaste producto de la abrasión, impacto, adhesión, calor, corrosión o una combinación de cualquiera de estos factores.

Existe una amplia gama de aleaciones de recubrimiento apropiadas para casi cualquier pieza metálica. Algunas aleaciones son muy duras, otras son más suaves con partículas dispersas de alta resistencia a la abrasión. Algunas aleaciones están diseñadas para llevar una pieza hasta una dimensión determinada, mientras que otras están diseñadas para obtener una capa antidesgaste que proteja la superficie de trabajo.

El aumento de dimensión mediante la aplicación de un material de relleno, se puede utilizar para volver una pieza a su dimensión original.

La capa final de recubrimiento, se puede utilizar para otorgar a la pieza una resistencia adicional contra el desgaste.

EI aumento de dimensión o relleno y la capa final se pueden utilizar conjuntamente, esto es recomendable cuando concurre la necesidad de recuperacion dimensional y de recubrimiento antidesgaste.

Razones para la recuperación o el recubrimiento de piezas

1.- Reducir costos La aplicación de un material de recubrimiento a una pieza metálica desgastada, para proporcionarle una condición similar a la de una pieza nueva, constituye por lo general entre un 25 - 75% del costo de un repuesto nuevo.

2.- Prolongar la vida útil del equipo El recubrimiento extiende la vida útil de una pieza entre un 30 y un 300%, en comparación a una pieza no revestida.

3.- Menor pérdida de tiempo Gracias a la mayor duración de las piezas, se requieren menos interrupciones en el trabajo para reemplazarlas.

4.- Reducción del inventario de repuestos No hay razón para mantener un gran stock de repuestos cuando existe la alternativa de recuperar las piezas devolviéndoles sus dimensiones originales.

El recubrimiento y la recuperación de piezas se utilizan básicamente en dos áreas:

1.-La recuperación de piezas devolviéndoles sus dimensiones originales.

Esto se logra mediante la aplicación sólo de capas de relleno o bien de relleno y de recubrimiento antidesgaste. En ambos casos, las propiedades de la pieza reacondicionada, son generalmente superiores a las de la pieza original. Por otro lado las piezas metálicas que permanecen en buen estado pueden volver a ser recuperadas una y otra vez, si se siguen los procedimientos adecuados.

2.-La protección contra el desgaste de piezas metálicas nuevas.

La capa de recubrimiento antidesgaste, se utiliza tanto en piezas nuevas como también en usadas, en aquellas zonas donde las piezas son más susceptibles de desgaste. La capa final de alta aleación ofrece una resistencia superior al desgaste en comparación con la resistencia del material base original. Esto a menudo duplica o triplica la vida útil del componente en relación a una pieza que no ha sido recubierta. En algunos casos el recubrimiento puede aumentar el valor del equipo, pero esto se compensa empleando materiales base de menor costo

Selección de aleaciones

Con el fin de determinar el tipo de aleación requerido para una aplicación determinada, se deben responder las siguientes interrogantes.

l.- ¿Qué proceso de soldadura se prefiere o es recomendable utilizar? ll.- ¿Cuál es el metal base a recuperar o recubrir?

lll.- ¿Cuáles son los factores o mecanismos de desgaste involucrados? lV.- ¿Qué acabado superficial se requiere?

I.- Procesos de soldadura
Las aleaciones para el recubrimiento y recuperación de piezas se pueden aplicar utilizando casi cualquier proceso de soldadura. Para tomar una decisión apropiada es necesario tener en cuenta sus preferencias, necesidades, habilidades y disponibilidad de equipos y aleaciones de recubrimiento.

Los procesos de soldadura más usados para la recuperación y el recubrimiento de piezas son:

1.- Soldadura al Arco con electrodo de metal revestido (SMAW). 2.- Soldadura al Arco con nucleo fundente (FCAW). 3.- Soldadura por Arco Sumergido (SAW).

También se utilizan otros procesos tales como el Oxigas y Tig, pero sus bajas tasas de depósito limitan su uso a aplicaciones específicas.

Selección del proceso de soldadura
Los factores que influyen en la selección de un determinado proceso de soldadura, son: 1.- Disponibilidad del equipo de soldadura. 2.- Habilidad de los operadores.

3.- Tamaño y forma de la pieza a ser recubierta o recuperada.

4.- Disponibilidad de aleaciones para el recubrimiento o recuperación.

1.- Soldadura al Arco con electrodo revestido, SMAW.

Ventajas

a.- Disponibilidad de aleaciones: La mayoría de las aleaciones para el recubrimiento o recuperación de piezas las encontramos bajo la forma de electrodos para arco manual.

b.- Espesor del Material: Con algunas limitaciones prácticas y económicas, la mayoría de las piezas pueden ser recuperadas por el proceso arco manual (SMAW).

c.- Posición de soldadura: Los electrodos para Arco Manual están disponibles para soldar en toda posición.

d.- Versatilidad: Los electrodos recubiertos se pueden utilizar al exterior y en lugares distantes.

Desventajas

a.- Dilución: Se requieren dos o tres capas para lograr las máximas propiedades de desgaste.

b.- Baja eficiencia y tasa de Depósito: Pérdida de colillas y tasas de depósito de entre 0.5 – 4 (kgs/hr).

2.- Soldadura al Arco con nucleo fundente

Ventajas

a.- Disponibilidad de aleaciones: Similar al SMAW. con la capacidad de cambiar fácilmente los porcentajes de aleación si es necesario. b.- Alta tasa de depósito: Que fluctúa entre 2 y 12 (kgs/hr).

c.- Integridad del depósito: Buena recuperación de elementos de aleación a través del arco.

d.- Fácil de operar: Tiempo de entrenamiento mínimo para capacitar a un operador.

e.- Versatilidad: No es tan versátil como el proceso arco manual, pero se puede utilizar en exteriores y en lugares distantes.

Desventajas

a.- Dilución: Se requieren dos o tres capas para lograr las máximas propiedades de desgaste.

b.- Posición de Soldadura: Aunque algunos alambres se pueden aplicar en diversas posiciones, la mayoría están diseñados para aplicaciones en posición plana y horizontal.

3.- Sistema Arco Sumergido

Ventajas

a.- Fácil Automatización: El proceso tiende por sí solo a la aplicación automática.

b.- Alta tasa de depósito: Más económico para recubrir o recuperar piezas desgastadas de grandes dimensiones.

c.- Habilidad del operador: Se requiere poca destreza y la capacitación es mínima.

d.- Depósito de soldadura: Produce depósitos suaves, limpios y de excelente calidad.

e.- Ambiente taller: No produce destellos ya que el fundente rodea al arco.

Desventajas

a.- Disponibilidad de Aleaciones: Se limita a ciertas aleaciones utilizadas comúnmente para recuperar o recubrir piezas.

b.- Posición de Soldadura: Se limita a la posición plana debido a la protección del fundente, y por lo general son piezas cilíndricas, tipicamente ruedas y ejes.

c.- Espesor del Material: Se limita a piezas mayores que se prestan para aplicaciones automáticas.

d.- Dilución extremadamente alta: Se requieren múltiples capas para lograr propiedades de desgaste máximas. e.- Entrada alta de calor: Puede distorsionar las piezas.

f.- Versatilidad: Limitada aplicaciones de taller debido al equipo automático que se requiere.

g.- Se requiere fundente: Esto implica gastos adicionales y equipo de soldadura especial.

II.- METALES BASE

El conocimiento del material base es esencial para decidir que aleación se debe utilizar para la recuperación o el recubrimiento de una pieza, ya que los procedimientos de soldadura difieren según sea éste. Debemos señalar que los materiales base se dividen en tres categorias principales:

Aceros al carbono o de baja aleación.
Aceros al manganeso austenítico (Hadfield).
Aceros inoxidables.

El uso de un imán distingue generalmente los dos tipos. El acero al carbono y los aceros de baja aleación son altamente magnéticos, mientras que los aceros al manganeso e inoxidables austeníticos son “no magnéticos”.

1.- Aceros al carbono de baja aleación
Existen tantos grados de aceros al carbono y de baja aleación que no se pueden dar recomendaciones generales para los procedimientos de soldadura. A medida que el contenido de carbono y de aleación en el material base aumenta, también lo hacen las precauciones necesarias para los procedimientos de soldadura. Se puede requerir un precalentamiento, un post calentamiento, un enfriamiento lento o la liberación de tensiones (ver Apéndice B). Se debe tener un cuidado especial al depositar aleaciones base hierro con porcentajes altos de carburos en aceros al carbono o de baja aleación, ya que se puede producir una interfase frágil y sensible al agrietamiento.

2.- Aceros al manganeso austeníticos
Este acero aleado, dúctil, tenaz y de alta resistencia, se ha utilizado universalmente como un componente resistente al desgaste debido a la dureza que adquiere cuando es sometido a impacto. Bajo su superficie protectora endurecida, el material retiene su tenacidad, resistencia y ductilidad. Proporciona también una excelente capa base para las aleaciones de alto porcentaje de carburos de cromo. Aunque generalmente no es magnético, el acero al manganeso austenítico endurecido, presentará cierto magnetismo. Las altas temperaturas pueden tener un efecto negativo en los aceros al manganeso austenítico. No se deben precalentar a menos que el metal base esté bajo 10º C. El precalentamiento se lleva a cabo sólo para sacar el hielo del metal base y no se debe exceder los 66º C. Durante la soldadura la temperatura del material base no debe sobrepasar los 260º C. La fragilización del acero al manganeso es una relación tiempo/temperatura (ver figura 5). Más carbono y menos manganeso aceleran esta reacción

3.- Aceros inoxidables.
Los aceros inoxidables son simplemente aleaciones compuestas por hierro (Fe), carbono (C) y cromo (Cr). El hierro es el elemento fundamental de todos los aceros inoxidables. Sin embargo, para hacer que el hierro sea "inoxidable" el contenido de cromo en solución debe ser por lo menos de un 11,5%. Se adicionan otros elementos de aleación (Ni, Mo, V, Ti, Nb) con el fin de mejorar ciertas propiedades como son: ductilidad, resistencia al impacto, resistencia al creep, resistencia a la corrosión, calor, etc.

Desde el punto de vista metalúrgico, los aceros inoxidables están agrupados dentro de tres tipos básicos, de acuerdo a su micro estructura: austeníticos, ferríticos y martensíticos.

Preparación del metal base
Independiente del material base, se deben tener presentes ciertas precauciones en lo que se refiere a su preparación. Antes de soldar se debe eliminar todo vestigio de grasa, aceite, polvo, óxido u otros materiales extraños. Para eliminar grietas, restos de depósitos anteriores o cualquier área endurecida se pueden usar sistemas mecánicos o el torchado. Si no se efectúa una buena preparación superficial antes de aplicar la aleación de recubrimiento, puede existir el riesgo de agrietamiento antes o después de poner en servicio la pieza

III.- MECANISMOS DE DESGASTE

El desgaste de las piezas metálicas debe definirse como una pérdida gradual, dimensional y de masa de metal. Cuando una pieza se deforma excesivamente, de manera que no puede trabajar adecuadamente, se debe reemplazar o recuperar. Mientras que los resultados finales que ocasiona el fenómeno de desgaste son similares, las causas de éste son diferentes.

Es esencial entender los mecanismos de desgaste involucrados, antes de realizar la selección de la aleación que se empleará en la recuperación o el recubrimiento de una pieza. Sería sencillo seleccionar una aleación de recubrimiento si todos los componentes de la pieza estuvieran sujetos a un solo tipo de desgaste. Sin embargo, una pieza metálica se desgasta generalmente por la combinación de dos o más tipos de desgaste. Esto hace que la selección de la aleación sea considerablemente más complicada.

Las aleaciones empleadas en la recuperación y recubrimiento de piezas se deben elegir en base al compromiso existente entre cada mecanismo de desgaste. El enfoque inicial debe centrarse en el mecanismo de desgaste principal y luego deben examinarse los secundarios. Por ejemplo: luego de examinar una pieza metálica desgastada, se determina que el principal mecanismo de desgaste es la abrasión y el mecanismo secundario es el impacto ligero. De acuerdo con esto, la aleación seleccionada debe tener una muy buena resistencia a la abrasión como también una buena resistencia al impacto.

LOS CINCO PRINCIPALES MECANISMOS DE DESGASTE

Existen cinco tipos principales de desgaste:

Abrasivo (3 categorías).
Impacto.
Adhesivo (Desgaste Metal-Metal).
Altas temperaturas.
Corrosivo.

1.- Desgaste Abrasivo

El desgaste Abrasivo es causado por materiales extraños que friccionan contra una pieza metálica. Corresponde al 55 ó 60% del desgaste de los componentes industriales. El desgaste abrasivo es en realidad un conjunto de problemas de desgaste. Se puede dividir en tres categorías principales:

A.- Abrasión pura o de baja tensión

Normalmente es el tipo de abrasión menos severa. Las piezas de metal se desgastan debido a la acción del desgarro repetido que producen partículas duras y afiladas moviéndose por la superficie del metal a velocidades variables (Fig. 6). La velocidad, la dureza, el filo del reborde, el ángulo de introducción y el tamaño de las partículas abrasivas se combinan para influir sobre el efecto de la abrasión. Las aleaciones que contienen carburos (particularmente carburos de cromo) se utilizan exitosamente para resistir el desgaste por abrasión de baja tensión. Debido a la ausencia de impacto, las aleaciones de acero altas en carbono y cromo (relativamente frágiles) son apropiadas para aplicaciones en que las piezas están expuestas a este tipo de abrasión. Los componentes típicos sometidos a abrasión pura o de baja tensión incluyen: implementos agrícolas, clasificadores, tornillos sin fin, toberas de bombas de pulpa, equipos de proyección de arena, canaletas y ductos de transporte de material abrasivo, etc.

El material abrasivo que se desliza va desgarrando levemente la superficie del metal, desgastándola gradualmente.

Un corte micro esquemático muestra como una partícula abrasiva en movimiento desgarra un diminuto filamento de metal.

B.- Abrasión de alta tensión o esfuerzo

Es más intensa que el simple desgarro y o c u r r e c u a n d o pequeñas y duras partículas abrasivas son presionadas contra una superficie metálica con fuerza suficiente para quebrar la partícula de modo de triturarla. Generalmente la fuerza de compresión la proporcionan dos componentes metálicos con el elemento abrasivo aprisionado entre ellos, llamada regularmente abrasión de tres elementos (Fig. 8). La superficie adquiere rugosidad producto del desgarro, pudiendo dar origen a grietas. Existen ejemplos de aleaciones dúctiles y tenaces que desarrollan cierta dureza al estar sometidas a abrasión por alta tensión. La gama de aleaciones utilizadas exitosamente incluye; manganeso austenítico, aceros martensíticos y algunas aleaciones que contienen carburos (usualmente carburos pequeños) en una matriz tenaz.

El corte micro esquemático muestra la fractura de una partí- cula abrasiva en trozos mas pequeños y de ángulos más afilados, los que cortan filamentos en ambas superficies metálicas.

Los componentes típicos sometidos a abrasión por alta tensión incluyen: barrenas, palas excavadoras, pulverizadores, molinos de bola y barra, tambores de freno, rodillos trituradores y paletas mezcladoras.

C.- Abrasión por desgarramiento

Cuando la abrasión de alta y baja tensión va acompañada con algún grado de impacto y carga, el resultado del desgaste puede ser extremo. En la superficie del metal se producen severas deformaciones y s u r c o s cuando objetos masivos (a menudo rocas) son presionados fuertemente en su contra (Fig. 10). Un ejemplo de esto, a baja velocidad, es una pala de arrastre excavando en la tierra; un ejemplo a alta velocidad sería la trituración de una roca. En ambos casos la acción del material sobre el metal es similar a la de una herramienta de corte.

Cuando existe abrasión por desgarramiento generalmente se utilizan aleaciones de alta tenacidad en reemplazo de aleaciones más duras y resistentes a la abrasión. Las aleaciones en base a carburos de cromo se utilizan sólo cuando se aplican sobre un base de material tenaz, preferentemente de acero al manganeso austenítico.

Los componentes típicos sometidos a abrasión por desgarramiento incluyen: palas de rastra, palas mecánicas, baldes tipo concha de almeja, chancadoras de cono, chancadoras de mandíbula, etc.

El corte micro esquemático muestra como la roca pesada deforma y hunde la superficie del metal. El surco es el resultado de la deformación plástica masiva del metal.

2.- Desgaste por impacto

EI impacto, se define como la aplicación rápida de una carga compresiva y produce en forma momentánea una tensión mecánica extremadamente alta sobre un componente metálico. Cuando la tensión excede los límites elásticos del metal, éste se deforma bajo el punto y lateralmente a lo largo de la superficie de impacto. Un material muy frágil no puede soportar mucha deformación de modo que puede agrietarse de un golpe muy severo o producto de una serie de golpes más suaves. Aún cuando el metal sea lo suficientemente dúctil para evitar el agrietamiento, los impactos sucesivos a menudo comprimen la superficie, provocando a veces que ésta tome la forma de un hongo en los bordes y eventualmente se rompa en pedazos (Fig. 12)

El desgaste por impacto se puede apreciar fácilmente en un cincel, donde los sucesivos golpes del martillo van deformando gradualmente la cabeza del cincel, agrietando los bordes y expandiéndo los como la cabeza de un hongo.Un efecto hongo similar ocurre con equipos tales como martillos trituradores, con la diferencia que en este caso es el eje proyectado el que es golpeado y deformado por el impacto de la roca.

Los aceros al manganeso austeníticos (11 a 20% Mn) son la mejor elección para resistir impactos fuertes debido a su característica de endurecimiento por deformación mecánica. Aunque no tan buenos como los aceros al manganeso Austeníticos, las aleaciones martensíticas también ofrecen una resistencia moderada al impacto. Los componentes típicos sometidos al impacto incluyen: cajas de acoplamiento, rodillos de trituración, martillos de impacto, barras de impacto, mandíbulas de chancadoras, cruces de rieles. etc

3.- Desgaste Adhesivo (metal - metal)
El desgaste adhesivo o metal-metal que comprende un 15%, del desgaste general, resulta de la fricción no lubricada entre piezas metálicas. Las superficies metálicas, sin importar su acabado, están compuestas de áreas microscópicas altas y bajas. Como las superficies de metal se deslizan una contra otra, se rompen las áreas altas y se desprenden diminutos fragmentos de metal (Fig. 14). La remoción continua de metal produce rugosidad en la superficie de éste, lo que contribuye a que el desgaste sea aún más acelerado. Las aleaciones martensíticas son una buena opción para resistir el desgaste por adhesión (metalmetal). Otras aleaciones usadas en forma exitosa son aquellas en base a cobalto. Considerando que una aleación más suave enfrentada con una superficie más dura se desgasta rápidamente, es importante no sobredimensionar un componente, cuando se aplica un recubrimiento resistente al desgaste por adhesión

ELECTRODOS

ACEROS

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LOS ACEROS

SERIES SAE Y AISI

SAE (Society of Automotive Engineers) y AISI (American Iron and Steel Institute) han efectuado clasificaciones extensas de los aceros de acuerdo a su composición química, llegando a establecer la siguiente normalización:

Designación de Letras

B: Acero al carbono (Horno Bessemer, ácido).

C: Acero al carbono (Horno solera abierta, básico).

E: Acero al carbono (Horno eléctrico)

Designación Numérica

(10XX) Aceros al carbono

(13XX) Manganeso 1,60 a 1,90%

(23XX) Níquel 3,50%

(25XX) Níquel 5,0%

(31XX) Níquel 1,25% - Cromo 0,60%

(33XX) Níquel 3,50% - Cromo 1,60%

(40XX) Molibdeno