Comprender las fallas de la soldadura en el husillo

La mayoría de los husillos de extrusión tienen materiales de superficie duras soldadas en los filetes para mejorar la resistencia al desgaste. Cuando hay un desgaste extremo en ausencia de cargas abrasivas, una rebaba en los filetes nos da una pista sobre lo que está sucediendo.

Las rebabas en la parte final indican que una fuerza muy alta está causando que los filetes rocen o incluso se suelden al material del cilindro, separando literalmente las dos superficies. Esto es generalmente debido a un "atascamiento", que es causado por obstrucción puntual del tornillo con polímero sólido en una localización radial. Si la presión del canal obstruido no está equilibrada por una fuerza similar en el otro lado, el husillo es empujado con una fuerza tremenda contra el cilindro. 

Es difícil medir esta fuerza porque sólo puede durar una fracción de segundo. Pero mediante el cálculo de la presión necesaria para inclinar el tornillo y que pueda contactar el cilindro sobre longitudes relativamente cortas, se ha encontrado que la presión puede alcanzar momentáneamente 25.000 psi. Recuerde, el tornillo en la sección de compresión es una cuña de doble espiral impulsada por la torsión completa de la unidad de extrusión, dándole enorme fuerza compresiva. El atascamiento es básicamente un problema de diseño del tornillo cuando la tasa de fusión del tornillo es insuficiente para que coincida con la tasa de compresión.

Una rebaba a ambos lados de los filetes generalmente indica un problema de alineación del cilindro por el que el cilindro está causando que el tornillo se incline con cada revolución para adaptarse el cilindro. Una vez más, debido a la energía de la unidad de extrusión, esto aplasta los filetes y provoca rozamientos, dando como resultado una rebaba a ambos lados.

Ninguna de las tres imágenes que acompañan este artículo muestran evidencias de una rebaba, por lo que es poco probable que la falla de la soldadura sea el resultado de alineación del cilindro o del atascamiento. Lo más probable es que la falla de la soldadura se deba a la aplicación inadecuada de la soldadura, resultando en una adhesión insuficiente entre el material de revestimiento duro y el metal base. La foto de la izquierda muestra una falla completa de una gran área de filete. El patrón en la superficie del filete donde falta la soldadura muestra la distorsión moderada del surco de soldadura por el calor de la soldadura.

Pero es muy suave, lo que indica que la soldadura fue puesta simplemente en el filete con poca o ninguna adhesión. Las imágenes en el centro y a la derecha muestran un grado menor de la falla de la soldadura, pero aun así catastrófico. Las áreas donde las secciones de la soldadura han fallado sin señal de rozamientos a ambos lados es otra vez seguramente una señal de una deficiente adhesión de la soldadura.

Hoy casi todos los fabricantes de husillos utilizan una técnica llamada soldadura de plasma de arco transferido (PTA) para aplicar el material de superficie dura a los filetes del tornillo. La PTA se utiliza porque tiene el menor efecto en el material subyacente de tornillo y al mismo tiempo crea una fuerte adhesión metalúrgica debido a su temperatura extremadamente alta. Otros procesos de soldadura aplican calor por un período más largo, con una amplia zona afectada por el calor en el punto de soldadura. Esto diluye el material de revestimiento duro con base de metal y reduce sus propiedades anti-desgaste mediante la contaminación del material de superficie dura con hierro. 

La mayor parte de materiales de recubrimiento duro de níquel/cromo (Ni/Cr) y base cobalto se funden a unos 2000 F y la "antorcha" de plasma puede generar temperaturas de más de 10.000 F. Al ser mucho más caliente y mucho más concentrado que la mayoría de otros procesos de soldadura reduce la dilución del material de superficie dura.

La soldadura PTA es un proceso sorprendentemente sensible y requiere atención constante del operario; exige numerosos ajustes relacionados con la posición de la antorcha y la posición de la soldadura en una superficie redondeada. Por otra parte, hay ajustes del arco de soldadura, del escudo de gas y del amperaje. Incluso un pequeño giro sobre el arco perturba el gas plasma y el gas de protección y causa una reducción en la adhesión, así como en la oxidación rápida de la zona de contacto.

Por ejemplo, con la antorcha de PTA a tan sólo 1/16-pulgada sobre el centro de un pequeño tornillo se reduciría la resistencia a la adhesión. También es crítica la condición del metal base antes y después de la soldadura. El acero carbono sufre una transformación de fase si se lleva a cabo a temperaturas inferiores a 650 F, lo que crea una forma de acero, que es frágil y tiene una densidad menor.

Esto produce agrietamiento del metal base y la transferencia de las fisuras al material de superficie dura, creando áreas para fallas de soldadura. Para evitar este cambio de fase, el tornillo debe ser precalentado y mantenido a una temperatura elevada a través del proceso de soldadura y luego enfriado muy lentamente para evitar el cambio de fase. Incluso pequeñas desviaciones en cómo se maneja el proceso de precalentamiento y enfriamiento posterior puede causar un agrietamiento excesivo. Algunas grietas radiales de recubrimiento de superficies duras son normales, el recubrimiento generalmente tiene un mayor coeficiente de dilatación que el metal base y por el enfriamiento se contrae más que el metal base, que es aliviado por el agrietamiento radial. De hecho, si no hay agrietamiento radial con las aleaciones de Ni/Cr es probable que sea en realidad otro material. Los nuevos tornillos tienen la soldadura aplicada en un canal poco profundo antes de que los filetes sean mecanizados, lo que ayuda a reducir la sensibilidad de la posición de la antorcha y mejora el índice de soldadura. Las dimensiones de depresión también son críticas. Sin embargo, los tornillos reconstruidos se sueldan en una superficie estrecha y redondeada. Por consiguiente, muchas veces es difícil obtener la misma dureza del recubrimiento sobre tornillos reconstruidos, particularmente pequeños.

Una vez que un tornillo ha sido soldado con un inadecuado precalentamiento y enfriamiento posterior, es difícil obtener una buena reconstrucción debido a las fisuras y la fragilidad que se extienden en el metal base debido al cambio de la fase previa. Antes de que los tornillos se reconstruyan, una buena práctica es revisar la soldadura anterior y buscar fisuras, utilizando diversos métodos de prueba metalúrgica.

A veces se recurre a la práctica de poner una capa de acero inoxidable más suave en los filetes del tornillo debajo de la superficie dura para “bloquear” fisuras subyacentes. Sin embargo, esto provoca dos soldaduras y, si no se hace correctamente, duplica las probabilidades de falla de la soldadura.

Lo importante es recordar que los polímeros no degastan los husillos a menos que tengan rellenos duros y abrasivos. Sólo el contacto entre el cilindro y los filetes del tornillo provocará un desgaste. Simplemente observando las "rebabas", generalmente se puede determinar la causa del desgaste. Las fallas de cualquier superficie dura sin la evidencia de rebabas indica posibles problemas de la adhesión de la soldadura.