Este artículo de Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. explica qué tener en cuenta al especificar metales de relleno para soldar acero inoxidable.
Las características que hacen al acero inoxidable tan atractivo —la posibilidad de adaptar sus propiedades mecánicas y su resistencia a la corrosión y la oxidación— también aumentan la complejidad de la selección del metal de aportación adecuado para la soldadura. Para cualquier combinación de materiales base, cualquiera de los diversos tipos de electrodos puede ser adecuado, dependiendo del coste, las condiciones de servicio, las propiedades mecánicas deseadas y diversos aspectos relacionados con la soldadura.
Este artículo proporciona la base técnica necesaria para que el lector comprenda la complejidad del tema y responde a algunas de las preguntas más frecuentes sobre los proveedores de metales de aportación. Establece pautas generales para la selección de metales de aportación de acero inoxidable adecuados y explica todas las excepciones a dichas pautas. El artículo no aborda los procedimientos de soldadura, ya que ese tema se tratará en otro artículo.
Cuatro grados, numerosos elementos de aleación.
Hay cuatro categorías principales de aceros inoxidables:
austenítico
martensítico
ferrítico
Dúplex
Los nombres derivan de la estructura cristalina del acero que se encuentra normalmente a temperatura ambiente. Cuando el acero bajo en carbono se calienta por encima de 912 °C, sus átomos se reorganizan, pasando de la estructura llamada ferrita a temperatura ambiente a la estructura cristalina llamada austenita. Al enfriarse, los átomos vuelven a su estructura original, la ferrita. La estructura de alta temperatura, la austenita, es no magnética, plástica y presenta menor resistencia y mayor ductilidad que la forma de ferrita a temperatura ambiente.
Cuando se añade más de un 16 % de cromo al acero, la estructura cristalina a temperatura ambiente, la ferrita, se estabiliza y el acero conserva su estado ferrítico a cualquier temperatura. De ahí el nombre de acero inoxidable ferrítico para esta aleación. Cuando se añade más de un 17 % de cromo y un 7 % de níquel al acero, la austenita, su estructura cristalina de alta temperatura, se estabiliza, manteniéndose a cualquier temperatura, desde la más baja hasta casi la de fusión.
El acero inoxidable austenítico se conoce comúnmente como acero cromo-níquel, mientras que los aceros martensíticos y ferríticos se denominan aceros de cromo puro. Algunos elementos de aleación utilizados en aceros inoxidables y metales de soldadura actúan como estabilizadores de austenita, mientras que otros actúan como estabilizadores de ferrita. Los estabilizadores de austenita más importantes son el níquel, el carbono, el manganeso y el nitrógeno. Los estabilizadores de ferrita son el cromo, el silicio, el molibdeno y el niobio. El equilibrio de los elementos de aleación controla la cantidad de ferrita en el metal de soldadura.
Los grados austeníticos se sueldan con mayor facilidad y eficacia que aquellos con menos del 5 % de níquel. Las uniones soldadas en aceros inoxidables austeníticos son fuertes, dúctiles y tenaces en su estado original. Normalmente no requieren precalentamiento ni tratamiento térmico posterior a la soldadura. Los grados austeníticos representan aproximadamente el 80 % del acero inoxidable soldado, y este artículo introductorio se centra en ellos.
Tabla 1: Tipos de acero inoxidable y su contenido de cromo y níquel.
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thead{Tipo|% Cromo|% Níquel|Tipos}
tdata{Austenítico|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensítico|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferrítico|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Dúplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
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Cómo elegir el metal de relleno de acero inoxidable correcto
Si el material base de ambas placas es el mismo, el principio original solía ser: "Comenzar por igualar el material base". Esto funciona bien en algunos casos; para unir el tipo 310 o 316, elija el tipo de relleno correspondiente.
Para unir materiales diferentes, siga este principio rector: elija un relleno que coincida con el material de mayor aleación. Para unir 304 con 316, elija un relleno de 316.
Desafortunadamente, la regla de la coincidencia tiene tantas excepciones que un mejor principio es consultar una tabla de selección de metal de aporte. Por ejemplo, el acero inoxidable tipo 304 es el material base más común, pero nadie ofrece un electrodo tipo 304.
Cómo soldar acero inoxidable tipo 304 sin un electrodo tipo 304
Para soldar acero inoxidable tipo 304, utilice relleno tipo 308, ya que los elementos de aleación adicionales del tipo 308 estabilizarán mejor el área de soldadura.
Sin embargo, el acero inoxidable 308L también es un relleno aceptable. La designación "L" después de cualquier tipo indica un bajo contenido de carbono. El acero inoxidable tipo 3XXL tiene un contenido de carbono del 0,03 % o menos, mientras que el acero inoxidable tipo 3XX estándar puede tener un contenido máximo de carbono del 0,08 %.
Dado que un relleno Tipo L se clasifica como el producto no L, los fabricantes pueden, y deben, considerar seriamente su uso, ya que un menor contenido de carbono reduce el riesgo de corrosión intergranular. De hecho, los autores sostienen que el relleno Tipo L se usaría más ampliamente si los fabricantes simplemente actualizaran sus procedimientos.
Los fabricantes que utilizan el proceso GMAW también pueden considerar el uso de un relleno de silicio tipo 3XX, ya que la adición de silicio mejora la impregnación. En situaciones donde la soldadura presenta una corona alta o rugosa, o donde el charco de soldadura no se adhiere bien en los extremos de una unión de filete o traslape, el uso de un electrodo GMAW tipo Si puede suavizar el cordón de soldadura y promover una mejor fusión.
Si la precipitación de carburo es una preocupación, considere un relleno Tipo 347, que contiene una pequeña cantidad de niobio.
Cómo soldar acero inoxidable a acero al carbono
Esta situación se presenta en aplicaciones donde una parte de la estructura requiere una cara exterior resistente a la corrosión unida a un elemento estructural de acero al carbono para reducir el costo. Al unir un material base sin elementos de aleación a uno con elementos de aleación, utilice un relleno sobrealeado para que la dilución en el metal de soldadura se equilibre o sea más aleado que el metal base de acero inoxidable.
Para unir acero al carbono con aceros tipo 304 o 316, así como aceros inoxidables diferentes, considere un electrodo tipo 309L para la mayoría de las aplicaciones. Si se desea un mayor contenido de Cr, considere el tipo 312.
Como advertencia, los aceros inoxidables austeníticos presentan una tasa de expansión aproximadamente un 50 % mayor que la del acero al carbono. Al unirse, las diferentes tasas de expansión pueden causar grietas debido a tensiones internas, a menos que se utilicen los electrodos y el procedimiento de soldadura adecuados.
Utilice los procedimientos de limpieza de preparación de soldadura correctos
Al igual que con otros metales, primero elimine el aceite, la grasa, las marcas y la suciedad con un disolvente sin cloro. Después, la regla principal para la preparación de la soldadura de acero inoxidable es evitar la contaminación con acero al carbono para prevenir la corrosión. Algunas empresas utilizan edificios separados para sus talleres de acero inoxidable y de carbono para evitar la contaminación cruzada.
Al preparar los bordes para soldar, designe las muelas abrasivas y los cepillos de acero inoxidable como "solo para acero inoxidable". Algunos procedimientos requieren una limpieza a cinco centímetros de la unión. La preparación de la unión también es más crítica, ya que compensar las irregularidades con la manipulación del electrodo es más difícil que con el acero al carbono.
Utilice el procedimiento correcto de limpieza posterior a la soldadura para evitar la oxidación
Para empezar, recuerde qué hace que un acero inoxidable sea inoxidable: la reacción del cromo con el oxígeno para formar una capa protectora de óxido de cromo en la superficie del material. El acero inoxidable se oxida debido a la precipitación de carburo (ver más abajo) y porque el proceso de soldadura calienta el metal de aporte hasta el punto de que se puede formar óxido ferrítico en la superficie de la soldadura. Una soldadura en perfecto estado, tal como se soldó, podría mostrar rastros de óxido en los límites de la zona afectada por el calor en menos de 24 horas.
Para que una nueva capa de óxido de cromo puro se regenere correctamente, el acero inoxidable requiere una limpieza posterior a la soldadura mediante pulido, decapado, esmerilado o cepillado. Nuevamente, utilice esmeriladoras y cepillos específicos para esta tarea.
¿Por qué el alambre de soldadura de acero inoxidable es magnético?
El acero inoxidable totalmente austenítico no es magnético. Sin embargo, las temperaturas de soldadura crean un grano relativamente grande en la microestructura, lo que hace que la soldadura sea sensible al agrietamiento. Para mitigar esta sensibilidad al agrietamiento en caliente, los fabricantes de electrodos añaden elementos de aleación, como la ferrita. La fase ferrítica hace que los granos austeníticos sean mucho más finos, lo que aumenta la resistencia al agrietamiento de la soldadura.
Un imán no se adhiere a una bobina de relleno de acero inoxidable austenítico, pero quien lo sostenga podría sentir una ligera atracción debido a la ferrita retenida. Desafortunadamente, esto lleva a algunos usuarios a pensar que su producto está mal etiquetado o que están usando el metal de relleno incorrecto (especialmente si arrancaron la etiqueta de la cesta de alambre).
La cantidad correcta de ferrita en un electrodo depende de la temperatura de servicio de la aplicación. Por ejemplo, un exceso de ferrita hace que la soldadura pierda su tenacidad a bajas temperaturas. Por lo tanto, el relleno Tipo 308 para tuberías de GNL tiene un índice de ferrita entre 3 y 6, en comparación con el índice de ferrita 8 del relleno Tipo 308 estándar. En resumen, los metales de relleno pueden parecer similares a primera vista, pero las pequeñas diferencias en su composición son importantes.
¿Existe una forma sencilla de soldar aceros inoxidables dúplex?
Normalmente, los aceros inoxidables dúplex tienen una microestructura compuesta aproximadamente por un 50 % de ferrita y un 50 % de austenita. En resumen, la ferrita proporciona alta resistencia y cierta resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión, mientras que la austenita proporciona buena tenacidad. La combinación de ambas fases confiere a los aceros dúplex sus atractivas propiedades. Existe una amplia gama de aceros inoxidables dúplex, siendo el más común el tipo 2205, que contiene un 22 % de cromo, un 5 % de níquel, un 3 % de molibdeno y un 0,15 % de nitrógeno.
Al soldar acero inoxidable dúplex, pueden surgir problemas si el metal de aporte contiene demasiada ferrita (el calor del arco provoca que los átomos se organicen en una matriz de ferrita). Para compensar, los metales de aporte deben promover la estructura austenítica con un mayor contenido de aleación, típicamente entre un 2 % y un 4 % más de níquel que el metal base. Por ejemplo, el alambre tubular para soldar tipo 2205 puede contener un 8,85 % de níquel.
El contenido deseado de ferrita puede variar entre el 25 % y el 55 % después de la soldadura (aunque puede ser mayor). Tenga en cuenta que la velocidad de enfriamiento debe ser lo suficientemente lenta como para permitir la reforma de la austenita, pero no tan lenta como para crear fases intermetálicas, ni demasiado rápida como para generar un exceso de ferrita en la zona afectada por el calor. Siga los procedimientos recomendados por el fabricante para el proceso de soldadura y el metal de aportación seleccionado.
Ajuste de parámetros al soldar acero inoxidable
Para los fabricantes que ajustan constantemente los parámetros (voltaje, amperaje, longitud de arco, inductancia, ancho de pulso, etc.) al soldar acero inoxidable, la causa habitual es la composición inconsistente del metal de aportación. Dada la importancia de los elementos de aleación, las variaciones en la composición química entre lotes pueden afectar notablemente el rendimiento de la soldadura, como una mala impregnación o una liberación difícil de escoria. Las variaciones en el diámetro del electrodo, la limpieza de la superficie, la fundición y la hélice también afectan el rendimiento en aplicaciones de GMAW y FCAW.
Control de la precipitación de carburos en acero inoxidable austenítico
A temperaturas de 426-871 °C, un contenido de carbono superior al 0,02 % migra a los límites de grano de la estructura austenítica, donde reacciona con el cromo para formar carburo de cromo. Si el cromo se une al carbono, no está disponible para la resistencia a la corrosión. Al exponerse a un entorno corrosivo, se produce corrosión intergranular, lo que permite la erosión de los límites de grano.
Para controlar la precipitación de carburo, mantenga el contenido de carbono lo más bajo posible (máximo 0,04 %) soldando con electrodos de bajo contenido de carbono. El carbono también puede unirse con niobio (anteriormente columbio) y titanio, que tienen mayor afinidad por el carbono que el cromo. Los electrodos tipo 347 se fabrican para este fin.
Cómo prepararse para una discusión sobre la selección del metal de aporte
Como mínimo, recopile información sobre el uso final de la pieza soldada, incluyendo el entorno de servicio (especialmente las temperaturas de operación, la exposición a elementos corrosivos y el grado de resistencia a la corrosión esperado) y la vida útil deseada. La información sobre las propiedades mecánicas requeridas en condiciones de operación es de gran ayuda, incluyendo la resistencia, la tenacidad, la ductilidad y la fatiga.
La mayoría de los principales fabricantes de electrodos ofrecen guías para la selección del metal de aportación, y los autores insisten en este punto: consulte una guía de aplicaciones del metal de aportación o contacte con los expertos técnicos del fabricante. Están ahí para ayudarle a seleccionar el electrodo de acero inoxidable correcto.
Para obtener más información sobre los metales de relleno de acero inoxidable de TYUE y ponerse en contacto con los expertos de la empresa para obtener asesoramiento, visite www.tyuelec.com.
Hora de publicación: 23 de diciembre de 2022