La saldatura dell'acciaio inossidabile richiede la selezione di un gas di protezione che ne preservi la composizione metallurgica e le relative proprietà fisiche e meccaniche. I gas di protezione comunemente utilizzati per l'acciaio inossidabile includono argon, elio, ossigeno, anidride carbonica, azoto e idrogeno (vedere Figura 1). Questi gas vengono combinati in diverse proporzioni per adattarsi alle esigenze delle diverse modalità di erogazione, ai tipi di filo, alle leghe di base, al profilo del cordone desiderato e alla velocità di avanzamento.
A causa della scarsa conduttività termica dell'acciaio inossidabile e della natura relativamente "fredda" della saldatura ad arco con gas di trasferimento a corto circuito (GMAW), il processo richiede una miscela di gas "tri-mix" composta dall'85% al ​​90% di elio (He), fino al 10% di argon (Ar) e dal 2% al 5% di anidride carbonica (CO2). Una miscela tri-mix comune contiene il 90% di He, il 7,5% di Ar e il 2,5% di CO2. L'elevato potenziale di ionizzazione dell'elio favorisce l'innesco dell'arco dopo un cortocircuito; unitamente alla sua elevata conduttività termica, l'uso di He aumenta la fluidità del bagno fuso. La componente Ar della miscela tri-mix fornisce una protezione generale del bagno di saldatura, mentre la CO2 agisce come componente reattivo per stabilizzare l'arco (vedere la Figura 2 per come i diversi gas di protezione influenzano il profilo del cordone di saldatura).
Alcune miscele ternarie possono utilizzare l'ossigeno come stabilizzante, mentre altre utilizzano una miscela di He/CO2/N2 per ottenere lo stesso effetto. Alcuni distributori di gas dispongono di miscele proprietarie che offrono i benefici promessi. I rivenditori raccomandano queste miscele anche per altri tipi di trasmissione con lo stesso effetto.
L'errore più grande commesso dai produttori è quello di tentare di saldare l'acciaio inossidabile GMAW con la stessa miscela di gas (75 Ar/25 CO2) utilizzata per l'acciaio dolce, solitamente per evitare di dover gestire una bombola aggiuntiva. Questa miscela contiene troppo carbonio. Infatti, qualsiasi gas di protezione utilizzato per la saldatura a filo pieno dovrebbe contenere al massimo il 5% di anidride carbonica. L'utilizzo di quantità maggiori si traduce in una metallurgia che non è più considerata una lega di grado L (la lega di grado L ha un contenuto di carbonio inferiore allo 0,03%). Un eccesso di carbonio nel gas di protezione può formare carburi di cromo, che riducono la resistenza alla corrosione e le proprietà meccaniche. Inoltre, sulla superficie della saldatura può comparire fuliggine.
A titolo informativo, nella scelta dei metalli per la saldatura GMAW di rinforzo delle leghe base della serie 300 (308, 309, 316, 347), i produttori dovrebbero optare per il materiale d'apporto LSi. I materiali d'apporto LSi hanno un basso contenuto di carbonio (0,02%) e sono quindi particolarmente raccomandati in presenza di rischio di corrosione intergranulare. Un maggiore contenuto di silicio migliora le proprietà della saldatura, come la bagnabilità, contribuendo ad appiattire la corona del cordone di saldatura e a promuovere la fusione in corrispondenza del punto di saldatura.
I produttori devono prestare attenzione quando utilizzano processi di trasferimento a cortocircuito. La fusione incompleta può verificarsi a causa dell'estinzione dell'arco, rendendo il processo non idoneo per applicazioni critiche. In situazioni di elevato volume, se il materiale è in grado di sopportare l'apporto termico (≥ 1/16 di pollice è approssimativamente il materiale più sottile saldabile utilizzando la modalità di spruzzatura pulsata), il trasferimento a spruzzatura pulsata rappresenta una scelta migliore. Laddove lo spessore del materiale e la posizione della saldatura lo consentano, si preferisce il trasferimento a spruzzo GMAW in quanto fornisce una fusione più uniforme.
Queste modalità ad alto trasferimento di calore non richiedono gas di protezione He. Per la saldatura a trasferimento a spruzzo di leghe della serie 300, una scelta comune è una miscela di argon al 98% e elementi reattivi al 2% come CO2 o O2. Alcune miscele di gas possono contenere anche piccole quantità di N2. L'N2 ha un potenziale di ionizzazione e una conduttività termica più elevati, che favoriscono la bagnatura e consentono una maggiore velocità di penetrazione o una migliore permeabilità; inoltre, riduce la distorsione.
Per la saldatura GMAW a trasferimento a spruzzo pulsato, l'argon al 100% può essere una scelta accettabile. Poiché la corrente pulsata stabilizza l'arco, il gas non sempre richiede elementi attivi.
Il bagno fuso è più lento per gli acciai inossidabili ferritici e duplex (rapporto ferrite/austenite 50/50). Per queste leghe, una miscela di gas come ~70% Ar/~30% He/2% CO2 favorirà una migliore bagnatura e aumenterà la velocità di avanzamento (vedere Figura 3). Miscele simili possono essere utilizzate per saldare leghe di nichel, ma causeranno la formazione di ossidi di nichel sulla superficie della saldatura (ad esempio, l'aggiunta del 2% di CO2 o O2 è sufficiente ad aumentare il contenuto di ossido, quindi i produttori dovrebbero evitarle o essere preparati a dedicare molto tempo alla loro rimozione). Questi ossidi sono abrasivi perché sono così duri che una spazzola metallica di solito non riesce a rimuoverli.
I produttori utilizzano fili di acciaio inossidabile animati per la saldatura fuori situ perché il sistema di scorie in questi fili fornisce una sorta di "mensola" che sostiene il bagno di saldatura durante la solidificazione. Poiché la composizione del flusso attenua gli effetti della CO2, il filo di acciaio inossidabile animato è progettato per l'uso con miscele di gas 75% Ar/25% CO2 e/o 100% CO2. Sebbene il filo animato possa costare di più al chilo, è importante notare che velocità di saldatura e tassi di deposizione più elevati in tutte le posizioni possono ridurre i costi complessivi della saldatura. Inoltre, il filo animato utilizza una convenzionale uscita a tensione continua costante, rendendo il sistema di saldatura di base meno costoso e meno complesso rispetto ai sistemi GMAW pulsati.
Per le leghe delle serie 300 e 400, l'argon puro al 100% rimane la scelta standard per la saldatura TIG (Gas Tungsten Arc Welding). Durante la saldatura TIG di alcune leghe di nichel, soprattutto con processi meccanizzati, è possibile aggiungere piccole quantità di idrogeno (fino al 5%) per aumentare la velocità di avanzamento (si noti che, a differenza degli acciai al carbonio, le leghe di nichel non sono soggette a cricche da idrogeno).
Per la saldatura di acciai superduplex e superduplex inossidabili, le miscele 98% Ar/2% N2 e 98% Ar/3% N2 sono rispettivamente ottime scelte. È possibile aggiungere anche elio per migliorare la bagnabilità di circa il 30%. Nella saldatura di acciai superduplex o superduplex inossidabili, l'obiettivo è quello di produrre un giunto con una microstruttura bilanciata composta approssimativamente dal 50% di ferrite e dal 50% di austenite. Poiché la formazione della microstruttura dipende dalla velocità di raffreddamento e poiché il bagno di saldatura TIG si raffredda rapidamente, rimane un eccesso di ferrite quando si utilizza Ar al 100%. Quando si utilizza una miscela di gas contenente N2, l'N2 si mescola al bagno fuso e promuove la formazione di austenite.
L'acciaio inossidabile deve proteggere entrambi i lati della giunzione per ottenere una saldatura rifinita con la massima resistenza alla corrosione. La mancata protezione del lato posteriore può provocare "saccarificazione", ovvero un'ossidazione estesa che può portare al cedimento della saldatura.
I raccordi a testa stretta con un accoppiamento costantemente eccellente o un contenimento stretto nella parte posteriore del raccordo potrebbero non richiedere gas di supporto. In questo caso, il problema principale è prevenire un'eccessiva decolorazione della zona termicamente alterata a causa dell'accumulo di ossido, che richiede poi la rimozione meccanica. Tecnicamente, se la temperatura sul lato posteriore supera i 500 gradi Fahrenheit, è necessario un gas di protezione. Tuttavia, un approccio più prudente è quello di utilizzare 300 gradi Fahrenheit come soglia. Idealmente, il supporto dovrebbe avere una concentrazione di O2 inferiore a 30 PPM. L'eccezione si verifica se il lato posteriore della saldatura deve essere scanalato, rettificato e saldato per ottenere una saldatura a penetrazione completa.
I due gas di supporto più indicati sono N2 (il più economico) e Ar (più costoso). Per piccoli assemblaggi o quando le fonti di Ar sono facilmente reperibili, può essere più conveniente utilizzare questo gas e il risparmio derivante dall'utilizzo di N2 potrebbe non essere giustificato. È possibile aggiungere fino al 5% di idrogeno per ridurre l'ossidazione. Sono disponibili diverse opzioni commerciali, ma sono comuni supporti e dighe di purificazione autocostruiti.
L'aggiunta del 10,5% o più di cromo è ciò che conferisce all'acciaio inossidabile le sue proprietà. Mantenere queste proprietà richiede una buona tecnica nella scelta del gas di protezione per la saldatura e nella protezione del lato posteriore del giunto. L'acciaio inossidabile è costoso, e ci sono ottime ragioni per utilizzarlo. Non ha senso cercare di risparmiare quando si tratta di gas di protezione o di scegliere i materiali d'apporto. Pertanto, è sempre consigliabile collaborare con un distributore di gas e uno specialista di materiali d'apporto competenti quando si scelgono il gas e il materiale d'apporto per la saldatura dell'acciaio inossidabile.
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