Aceros para Herramientas y Matrices de Soldadura

Por qué se sueldan las herramientas y matrices

La fuente agrupa el trabajo de soldadura realizado en aceros para herramientas y matrices en cinco operaciones.

• Ensamblar varios componentes en una sola herramienta o matriz
• Fabricar una herramienta compuesta depositando un recubrimiento de metal de soldadura de acero para herramientas en áreas específicas de una base de acero al carbono o acero de baja aleación
• Reconstruir superficies y bordes desgastados hasta su tamaño original
• Modificar una herramienta o matriz para que pueda procesar una pieza diferente
• Reparar una herramienta o matriz que se ha agrietado, roto o dañado en servicio

Ensamblar una herramienta a partir de componentes soldados permite al fabricante usar acero más económico donde no se necesita dureza y resistencia al desgaste, y colocar un grado más tenaz debajo de un inserto o recubrimiento de acero para herramientas. La segunda y tercera operaciones representan la mayor parte de la soldadura realizada en herramientas y matrices, y gran parte de ese trabajo es recargue duro con aleaciones de recargue en lugar de un depósito de acero para herramientas. La quinta operación, reparación, es donde la soldadura por arco aporta el mayor valor, porque un bloque de matriz grande o una matriz de forja cuesta mucho reemplazar y el tiempo de inactividad cuesta más que la reparación.

Elección del proceso de soldadura

Todo proceso común de soldadura por arco puede usarse para construir o reparar una herramienta o matriz. La elección sigue el tamaño y la complejidad del trabajo, el control de precalentamiento e interpase que necesita, el tratamiento térmico posterior a la soldadura y el metal de aporte disponible. La soldadura por arco con electrodo revestido es la más ampliamente utilizada, porque alcanza posiciones de junta difíciles, funciona con equipos portátiles simples y los electrodos revestidos cubren una amplia gama de composiciones de metal de soldadura. La soldadura por arco de tungsteno con gas y la soldadura por arco de plasma se adaptan a áreas pequeñas, secciones delgadas y bordes afilados, donde el control del arco importa más que la tasa de deposición. Para depositar un gran volumen de metal de soldadura, como al recargar un bloque de matriz grande, llenar una cavidad profunda o reparar una grieta profunda, la soldadura por arco con electrodo revestido con electrodos especiales grandes de hasta 19 mm (0.75 in.) es una ruta, y la soldadura por arco sumergido, arco de metal con gas, arco con núcleo de fundente y arco de plasma con alambre caliente son las otras. El metal de aporte para los procesos semiautomáticos y automáticos viene como alambre sólido o como productos tubulares con núcleo de metal compuesto y núcleo de fundente, y la soldadura por arco sumergido puede modificarse con fundentes enriquecidos con aleación o añadiendo polvo metálico directamente al baño de soldadura.

Condición recocida o condición endurecida

Los aceros para herramientas y matrices se sueldan mejor en condición recocida, y cuanto más dura es la pieza, más importa eso. Una herramienta que ha sido endurecida y revenida aún puede repararse con éxito, y hacerlo evita el paso de recocido antes de la reparación, el re-endurecimiento y revenido posteriores, y la corrección dimensional que el tratamiento térmico arrastra consigo. Una herramienta que ha sido endurecida pero nunca revenida no puede soldarse de forma segura en absoluto, y debe recocerse primero.

Temperatura de precalentamiento e interpase

Las herramientas y matrices nunca se sueldan sin precalentamiento, cualquiera sea la composición y cualquiera sea la condición de tratamiento térmico. La temperatura de precalentamiento e interpase proviene de la composición del acero, el espesor de la sección y a veces la condición de tratamiento térmico. La tabla a continuación da el rango para los principales grupos de acero para herramientas, dividido entre una pieza soldada en condición recocida y una pieza soldada en condición endurecida.

Fuente, Tabla 20 de Welding of Low-Alloy Steels, en ASM Handbook Volume 6, Welding, Brazing and Soldering.

Dos reglas mantienen esta tabla utilizable. La temperatura de precalentamiento e interpase para soldadura se elige con un propósito diferente al precalentamiento usado antes de austenizar una herramienta para endurecimiento, y las dos no deben confundirse. En una pieza endurecida, la temperatura de precalentamiento e interpase de soldadura debe mantenerse por debajo de la temperatura de revenido que se le dio al acero, porque un precalentamiento más alto sobre-reviene la herramienta y ablanda la superficie de trabajo. Donde no se conoce la temperatura de revenido, tome el extremo inferior del rango para ese acero.

El tamaño de la sección mueve la cifra dentro del rango. Una sección masiva soldada en condición recocida requiere el extremo superior, y una sección delgada está bien en el extremo inferior.

Tratamiento térmico posterior a la soldadura

Dejados como soldados, el metal de soldadura y la zona afectada por el calor de un acero para herramientas pueden ser muy duros y frágiles, y se agrietan si se permite que la pieza se enfríe hasta temperatura ambiente antes de ser tratada. Una herramienta soldada en condición recocida normalmente debe endurecerse y revenirse después para alcanzar el rendimiento que el trabajo necesita, y a menudo es mejor llevar la pieza directamente a la temperatura de endurecimiento tan pronto como termina la soldadura en lugar de dejarla enfriar primero. Los grados sensibles al agrietamiento pueden necesitar que ese calentamiento se haga por etapas. En un grado menos sensible al agrietamiento, la pieza puede dejarse enfriar lenta y uniformemente hasta temperatura ambiente.

Para una herramienta soldada en condición endurecida y revenida, un diagrama de transformación isotérmica para ese acero es la herramienta que establece la práctica. Con algunos aceros, la temperatura de precalentamiento e interpase, mantenida el tiempo suficiente después de la soldadura, permite que la austenita se transforme en bainita en lugar de martensita, que es una estructura que tolera el enfriamiento. Donde la temperatura de precalentamiento e interpase que un soldador quiere usar no coincide con la temperatura de transformación isotérmica, la pieza se sube o baja a esa temperatura una vez terminada la soldadura. Una segunda ruta es dejar que la pieza se enfríe lenta y uniformemente después de la soldadura hasta una temperatura 30 a 55 °C (50 a 100 °F) por debajo de la temperatura Ms del acero para que la austenita se transforme en martensita, luego llevarla directamente a la temperatura de revenido recomendada.

Práctica de reparación para herramientas y matrices

El tipo de acero para herramientas que se repara y su condición de tratamiento térmico se toman mejor de la especificación original de la herramienta o matriz. Donde falta ese registro, un análisis químico establece el contenido de carbono y aleación y un ensayo de dureza establece la condición. El área de reparación entonces debe estar limpia y seca, y toda grieta debe encontrarse y eliminarse, junto con las marcas de herramienta dejadas al remover el metal dañado. El metal se remueve mediante mecanizado, rectificado o corte térmico dependiendo de cuán dura esté la pieza, y la pieza se precalienta antes del corte térmico o ranurado y a menudo antes de rectificar una herramienta endurecida.

Para una reparación parcial de un borde de corte o una superficie de trabajo, el área dañada se mecaniza o rectifica a una profundidad uniforme que permita un depósito lo suficientemente grueso para soportar la dureza y resistencia al desgaste que la superficie necesita. Una profundidad de ranura de aproximadamente 3.2 mm (0.125 in.) es la cifra de trabajo común. La dilución debe considerarse, particularmente en una herramienta compuesta donde un cuerpo de acero al carbono o de menor aleación soporta la superficie de trabajo. Donde todo el borde de corte o de trabajo debe reconstruirse, el borde se bisela a 45 grados lo suficientemente profundo para recibir el depósito.

Si la reparación es una soldadura de penetración total o de penetración parcial depende de dónde se ubica la reparación, las tensiones que el área verá en servicio, el metal de soldadura necesario y la condición de tratamiento térmico de la pieza. Una reparación que requiere un depósito de acero aleado endurecible, o una donde la pieza se endurecerá y revenirá después de la soldadura, generalmente no es segura como soldadura de penetración parcial, porque las grietas comienzan en la raíz no soldada y viajan desde allí.

La soldadura por arco con electrodo revestido es el proceso versátil para áreas pequeñas de reparación, y los tamaños de electrodo grandes cubren grietas profundas y la reconstrucción de grandes áreas superficiales en piezas masivas. Las reparaciones grandes resultan más económicas con los procesos semiautomáticos y automáticos, arco de metal con gas, arco con núcleo de fundente, arco sumergido y arco de plasma con alambre caliente. La soldadura manual por arco de tungsteno con gas maneja áreas pequeñas y bordes, y la soldadura automática por arco de tungsteno con gas con alambre caliente o frío, junto con la soldadura por arco de plasma con alambre caliente, cubre áreas más grandes.

Lo que entra en la reparación depende de dónde se ubica la reparación y qué hará la herramienta después. Una reparación superficial en el área de trabajo de una herramienta en condición recocida necesita un depósito tratable térmicamente que responda al ciclo de endurecimiento y revenido de la misma manera que el metal base. Donde la cavidad es lo suficientemente profunda, parte de ella puede recargarse primero con un metal de aporte no endurecible y terminarse con un metal de aporte de acero para herramientas, siempre que la capa recargada sea lo suficientemente resistente para soportar el depósito de acero para herramientas bajo carga de trabajo y la capa de acero para herramientas sea lo suficientemente gruesa para que la dilución no consuma las propiedades de desgaste por las que fue elegida. En la superficie de trabajo de una herramienta en condición endurecida y revenida, el depósito debe mantener sus propiedades después del revenido, o puede usarse en su lugar un depósito de recargue duro que no necesite tratamiento térmico. Una reparación en un área no crítica puede recibir un metal de aporte no endurecible en cualquiera de las dos condiciones. Cuando la reparación es un borde de corte, se permite que el metal de soldadura fluya o ruede sobre el borde para que el borde terminado pueda rectificarse o mecanizarse sin dejar una muesca o una depresión.

El martillado a menudo se necesita en estas reparaciones para reducir la distorsión y evitar que los depósitos se agrieten. Solo funciona cuando se hace correctamente, y eso significa martillar mientras el depósito aún está al rojo. Muy poco martillado deja la tensión en la pieza y demasiado martillado agrieta el depósito.

Lo que el lado del suministro de acero debe alinear

Dos cosas en el lado de compras deciden cuán fluidamente va una reparación por soldadura. La primera es la condición en que llega el acero. Una matriz que será reparada por soldadura durante su vida útil es más fácil de trabajar en condición recocida, y un repuesto que llega endurecido y revenido reduce el procedimiento a la ruta de transformación isotérmica. La segunda es la disponibilidad de metal de aporte. Los depósitos tratables térmicamente que coinciden con un grupo de acero para herramientas en servicio son productos patentados en lugar de electrodos revestidos estándar, y están cubiertos en nuestra página sobre metales de aporte para soldadura de acero para herramientas.

Fuente: ASM Handbook, Volume 6, Welding, Brazing and Soldering, ASM International, 1993.