La soldadura de acero inoxidable requiere la selección de un gas de protección que mantenga su composición metalúrgica y las propiedades físicas y mecánicas asociadas. Los elementos comunes de gas de protección para acero inoxidable incluyen argón, helio, oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno e hidrógeno (véase la Figura 1). Estos gases se combinan en diferentes proporciones para adaptarse a las necesidades de los distintos modos de suministro, tipos de alambre, aleaciones base, perfil de cordón deseado y velocidad de avance.
Debido a la baja conductividad térmica del acero inoxidable y a la naturaleza relativamente "fría" de la soldadura por arco metálico con gas de transferencia por cortocircuito (GMAW), el proceso requiere una mezcla de gases compuesta por un 85 % a un 90 % de helio (He), hasta un 10 % de argón (Ar) y entre un 2 % y un 5 % de dióxido de carbono (CO2). Una mezcla común contiene un 90 % de He, un 7,5 % de Ar y un 2,5 % de CO2. El alto potencial de ionización del helio favorece la formación de arcos tras un cortocircuito; junto con su alta conductividad térmica, el uso de He aumenta la fluidez del baño de fusión. El componente Ar de la mezcla proporciona una protección general del baño de soldadura, mientras que el CO2 actúa como un componente reactivo para estabilizar el arco (véase la Figura 2 para observar cómo los diferentes gases de protección afectan al perfil del cordón de soldadura).
Algunas mezclas ternarias pueden usar oxígeno como estabilizador, mientras que otras usan una mezcla de He/CO2/N2 para lograr el mismo efecto. Algunos distribuidores de gas tienen mezclas de gas patentadas que brindan los beneficios prometidos. Los distribuidores también recomiendan estas mezclas para otros modos de transmisión con el mismo efecto.
El mayor error que cometen los fabricantes es intentar realizar soldadura GMAW de acero inoxidable con la misma mezcla de gases (75 Ar/25 CO2) que para el acero dulce, generalmente porque no quieren gestionar un cilindro adicional. Esta mezcla contiene demasiado carbono. De hecho, cualquier gas de protección utilizado para alambre sólido debe contener un máximo de 5 % de dióxido de carbono. El uso de cantidades mayores da como resultado una metalurgia que ya no se considera una aleación de grado L (el grado L tiene un contenido de carbono inferior al 0,03 %). El exceso de carbono en el gas de protección puede formar carburos de cromo, que reducen la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas. También puede aparecer hollín en la superficie de la soldadura.
Como nota al margen, al seleccionar metales para soldadura GMAW de cortocircuito para las aleaciones base de la serie 300 (308, 309, 316, 347), los fabricantes deben seleccionar el grado LSi. Los rellenos LSi tienen un bajo contenido de carbono (0,02 %) y, por lo tanto, se recomiendan especialmente cuando existe riesgo de corrosión intergranular. Un mayor contenido de silicio mejora las propiedades de la soldadura, como la humectación, para ayudar a aplanar la corona de la soldadura y promover la fusión en la raíz.
Los fabricantes deben tener precaución al utilizar procesos de transferencia por cortocircuito. La extinción del arco puede provocar una fusión incompleta, lo que hace que el proceso sea deficiente para aplicaciones críticas. En situaciones de alto volumen, si el material puede soportar su aporte térmico (aproximadamente ≥ 1/16 de pulgada es el material más delgado soldado con el modo de pulverización pulsada), la transferencia por pulverización pulsada será una mejor opción. Cuando el espesor del material y la ubicación de la soldadura lo permiten, se prefiere la transferencia por pulverización GMAW, ya que proporciona una fusión más uniforme.
Estos modos de alta transferencia de calor no requieren gas de protección de He. Para la soldadura por transferencia por pulverización de aleaciones de la serie 300, una opción común es 98 % Ar y 2 % elementos reactivos como CO2 u O2. Algunas mezclas de gases también pueden contener pequeñas cantidades de N2. El N2 tiene un potencial de ionización y una conductividad térmica más altos, lo que promueve la humectación y permite un desplazamiento más rápido o una mejor permeabilidad; también reduce la distorsión.
Para la soldadura GMAW por transferencia de pulverización pulsada, el argón al 100 % puede ser una opción aceptable. Debido a que la corriente pulsada estabiliza el arco, el gas no siempre requiere elementos activos.
El baño de fusión es más lento en aceros inoxidables ferríticos y aceros inoxidables dúplex (proporción 50/50 de ferrita a austenita). Para estas aleaciones, una mezcla de gases como ~70% Ar/~30% He/2% CO2 favorecerá una mejor humectación y aumentará la velocidad de avance (véase la Figura 3). Se pueden utilizar mezclas similares para soldar aleaciones de níquel, pero provocarán la formación de óxidos de níquel en la superficie de la soldadura (por ejemplo, añadir un 2% de CO2 u O2 es suficiente para aumentar el contenido de óxido, por lo que los fabricantes deben evitarlos o estar preparados para dedicarles mucho tiempo). Estos óxidos son abrasivos porque son tan duros que un cepillo de alambre normalmente no los elimina.
Los fabricantes utilizan alambres de acero inoxidable con núcleo fundente para soldadura fuera de sitio porque el sistema de escoria de estos alambres proporciona una "base" que sostiene el baño de soldadura a medida que se solidifica. Debido a que la composición del fundente mitiga los efectos del CO2, el alambre de acero inoxidable con núcleo fundente está diseñado para usarse con mezclas de gases de 75 % Ar/25 % CO2 y/o 100 % CO2. Si bien el alambre con núcleo fundente puede costar más por libra, vale la pena señalar que las velocidades de soldadura en todas las posiciones y las tasas de deposición más altas pueden reducir los costos generales de soldadura. Además, el alambre con núcleo fundente utiliza una salida de CC de voltaje constante convencional, lo que hace que el sistema de soldadura básico sea menos costoso y menos complejo que los sistemas GMAW pulsados.
Para las aleaciones de las series 300 y 400, el argón al 100 % sigue siendo la opción estándar para la soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW). Durante la GTAW de algunas aleaciones de níquel, especialmente con procesos mecanizados, se pueden agregar pequeñas cantidades de hidrógeno (hasta un 5 %) para aumentar la velocidad de avance (tenga en cuenta que, a diferencia de los aceros al carbono, las aleaciones de níquel no son propensas al agrietamiento por hidrógeno).
Para soldar aceros superdúplex y aceros inoxidables superdúplex, 98 % Ar/2 % N2 y 98 % Ar/3 % N2 son buenas opciones, respectivamente. También se puede agregar helio para mejorar la humectabilidad en aproximadamente un 30 %. Al soldar aceros superdúplex o aceros inoxidables superdúplex, el objetivo es producir una unión con una microestructura equilibrada de aproximadamente 50 % ferrita y 50 % austenita. Debido a que la formación de la microestructura depende de la velocidad de enfriamiento, y debido a que el baño de soldadura TIG se enfría rápidamente, queda un exceso de ferrita cuando se usa 100 % Ar. Cuando se usa una mezcla de gases que contiene N2, el N2 se agita en el baño fundido y promueve la formación de austenita.
El acero inoxidable necesita proteger ambos lados de la junta para producir una soldadura con la máxima resistencia a la corrosión. Si no se protege la parte posterior, puede producirse una "sacarificación" o una oxidación extensa que puede provocar fallos en la soldadura.
Los accesorios de tope ajustados con un ajuste excelente y constante o una contención ajustada en la parte posterior del accesorio pueden no requerir gas de soporte. Aquí, el problema principal es evitar la decoloración excesiva de la zona afectada por el calor debido a la acumulación de óxido, que luego requiere eliminación mecánica. Técnicamente, si la temperatura de la parte posterior supera los 500 grados Fahrenheit, se requiere un gas de protección. Sin embargo, un enfoque más conservador es usar 300 grados Fahrenheit como umbral. Idealmente, el respaldo debe estar por debajo de 30 PPM de O2. La excepción es si la parte posterior de la soldadura se va a ranurar, lijar y soldar para lograr una soldadura de penetración completa.
Los dos gases de soporte preferidos son el N2 (el más económico) y el Ar (el más caro). Para ensamblajes pequeños o cuando se dispone fácilmente de fuentes de Ar, puede ser más conveniente usar este gas y no compensar el ahorro que supone el N2. Se puede añadir hasta un 5 % de hidrógeno para reducir la oxidación. Existen diversas opciones comerciales, pero son comunes los soportes y las barreras de purificación caseras.
La adición de un 10,5 % o más de cromo es lo que confiere al acero inoxidable sus propiedades inoxidables. Mantener estas propiedades requiere una buena técnica para seleccionar el gas de protección de soldadura adecuado y proteger la parte posterior de la junta. El acero inoxidable es caro, y existen buenas razones para usarlo. No tiene sentido intentar ahorrar costes cuando se trata de gas de protección o de elegir metales de aporte. Por lo tanto, siempre es recomendable trabajar con un distribuidor de gases y un especialista en metales de aporte con experiencia al elegir un gas y un metal de aporte para soldar acero inoxidable.
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