La soldadura de acero inoxidable requiere la selección de un gas de protección para mantener su composición metalúrgica y las propiedades físicas y mecánicas asociadas. Los elementos de gas de protección comunes para el acero inoxidable incluyen argón, helio, oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno e hidrógeno (ver Figura 1). Estos gases se combinan en diferentes proporciones para adaptarse a las necesidades de diferentes modos de suministro, tipos de alambre, aleaciones base, perfil de cordón deseado y velocidad de desplazamiento.
Debido a la baja conductividad térmica del acero inoxidable y la naturaleza relativamente "fría" de la soldadura por arco metálico con gas de transferencia de cortocircuito (GMAW), el proceso requiere un gas "tri-mix" que consiste en 85% a 90% de helio (He), hasta 10% de argón (Ar) y 2% a 5% de dióxido de carbono (CO2). Una mezcla triblend común contiene 90% de He, 7-1/2% de Ar y 2-1/2% de CO2. El alto potencial de ionización del helio promueve la formación de arco después de un cortocircuito; junto con su alta conductividad térmica, el uso de He aumenta la fluidez del baño fundido. El componente Ar de Trimix proporciona protección general del charco de soldadura, mientras que el CO2 actúa como un componente reactivo para estabilizar el arco (consulte la Figura 2 para ver cómo los diferentes gases de protección afectan el 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 gases 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 cortocircuitar el acero inoxidable GMAW con la misma mezcla de gases (75 Ar/25 CO2) que el acero dulce, generalmente porque no quieren administrar 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 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 un 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 punta.
Los fabricantes deben tener cuidado al utilizar procesos de transferencia de cortocircuito. La fusión incompleta puede resultar debido a la extinción del arco, lo que hace que el proceso sea deficiente para aplicaciones críticas. En situaciones de gran volumen, si el material puede soportar su entrada de calor (≥ 1/16 de pulgada es aproximadamente el material más delgado soldado usando el modo de pulverización pulsada), una transferencia de pulverización pulsada será una mejor opción. Cuando el espesor del material y la ubicación de la soldadura lo admiten, se prefiere la transferencia por pulverización GMAW, ya que proporciona una fusión más consistente.
Estos modos de alta transferencia de calor no requieren gas protector He. Para la soldadura por transferencia por pulverización de aleaciones de la serie 300, una opción común es 98 % de Ar y 2 % de elementos reactivos como CO2 u O2. Algunas mezclas de gases también pueden contener pequeñas cantidades de N2. El N2 tiene un mayor potencial de ionización y conductividad térmica, lo que promueve la humectación y permite un viaje más rápido o una mejor permeabilidad; también reduce la distorsión.
Para GMAW por transferencia de pulverización pulsada, el 100 % Ar 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 los aceros inoxidables ferríticos y dúplex (relación 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 (p. ej., añadir un 2 % de CO₂ u O₂ es suficiente para aumentar el contenido de óxido, por lo que los fabricantes deberían evitarlas o estar preparados para dedicarles mucho tiempo). Son abrasivas, ya que estos óxidos son tan duros que un cepillo de alambre no suele eliminarlos.
Los fabricantes utilizan alambres de acero inoxidable con núcleo fundente para la soldadura fuera de sitio porque el sistema de escoria en estos alambres proporciona una "estante" 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 y las tasas de deposición más altas en todas las posiciones 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 100 % de Ar sigue siendo la opción estándar para la soldadura por arco de tungsteno y 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 desplazamiento (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 inoxidables superduplex y superduplex, 98% Ar/2% N₂ y 98% Ar/3% N₂ son buenas opciones, respectivamente. También se puede agregar helio para mejorar la mojabilidad en aproximadamente un 30%. Al soldar aceros inoxidables superduplex o superduplex, 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 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 unión para producir una soldadura terminada con máxima resistencia a la corrosión. Si no se protege la parte posterior, se puede producir “sacarificación” u oxidación extensa que puede provocar fallas en la soldadura.
Los accesorios a tope con un ajuste excelente y constante o una contención ajustada en la parte trasera 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 trasera supera los 500 grados Fahrenheit, se requiere un gas de protección. Sin embargo, un enfoque más conservador es utilizar 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 ranurará, rectificará y soldará para lograr una soldadura de penetración completa.
Los dos gases de soporte de elección son N2 (más barato) y Ar (más caro). Para conjuntos pequeños o cuando hay fuentes de Ar fácilmente disponibles, puede ser más conveniente utilizar este gas y no vale la pena el ahorro de N2. Se puede agregar hasta un 5% de hidrógeno para reducir la oxidación. Hay una variedad de opciones comerciales disponibles, pero los soportes caseros y las presas de purificación son comunes.
La adición de 10,5% o más de cromo es lo que le da al acero inoxidable sus propiedades inoxidables. Mantener estas propiedades requiere una buena técnica para seleccionar el gas de protección de soldadura correcto y proteger la parte posterior de la junta. El acero inoxidable es caro y existen buenas razones para usarlo. No tiene sentido intentar ahorrar cuando se trata de gas de protección o elegir metales de relleno para esto. Por lo tanto, siempre tiene sentido trabajar con un distribuidor de gas experto y un especialista en metales de relleno al elegir un gas y un metal de relleno para soldar acero inoxidable.
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