A soldagem de aço inoxidável exige a seleção de um gás de proteção adequado para preservar sua composição metalúrgica e as propriedades físicas e mecânicas associadas. Os gases de proteção mais comuns para aço inoxidável incluem argônio, hélio, oxigênio, dióxido de carbono, nitrogênio e hidrogênio (ver Figura 1). Esses gases são combinados em diferentes proporções para atender às necessidades de diferentes modos de alimentação, tipos de arame, ligas base, perfil do cordão de solda desejado e velocidade de deslocamento.
Devido à baixa condutividade térmica do aço inoxidável e à natureza relativamente "fria" da soldagem a arco com gás de transferência por curto-circuito (GMAW), o processo requer uma mistura gasosa "tri-mix" composta por 85% a 90% de hélio (He), até 10% de argônio (Ar) e 2% a 5% de dióxido de carbono (CO2). Uma mistura tri-mix comum contém 90% de He, 7,5% de Ar e 2,5% de CO2. O alto potencial de ionização do hélio promove a formação de arco após um curto-circuito; aliado à sua alta condutividade térmica, o uso de He aumenta a fluidez da poça de fusão. O componente Ar da mistura tri-mix proporciona proteção geral à poça de fusão, enquanto o CO2 atua como um componente reativo para estabilizar o arco (veja a Figura 2 para observar como diferentes gases de proteção afetam o perfil do cordão de solda).
Algumas misturas ternárias podem usar oxigênio como estabilizador, enquanto outras usam uma mistura de He/CO2/N2 para obter o mesmo efeito. Alguns distribuidores de gás possuem misturas proprietárias que proporcionam os benefícios prometidos. Os revendedores também recomendam essas misturas para outros modos de transmissão com o mesmo efeito.
O maior erro que os fabricantes cometem é tentar soldar aço inoxidável GMAW com a mesma mistura de gases (75% Ar/25% CO2) usada para aço carbono, geralmente por não quererem gerenciar um cilindro extra. Essa mistura contém carbono em excesso. Na verdade, qualquer gás de proteção usado para arame sólido deve conter, no máximo, 5% de dióxido de carbono. O uso de quantidades maiores resulta em uma metalurgia que deixa de ser considerada uma liga de grau L (o grau L possui teor de carbono inferior a 0,03%). O excesso de carbono no gás de proteção pode formar carbonetos de cromo, que reduzem a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas. Fuligem também pode aparecer na superfície da solda.
Como observação adicional, ao selecionar metais para soldagem GMAW de curto-circuito para as ligas base da série 300 (308, 309, 316, 347), os fabricantes devem optar pelo grau LSi. Os materiais de adição LSi possuem baixo teor de carbono (0,02%) e, portanto, são especialmente recomendados quando há risco de corrosão intergranular. Um teor mais elevado de silício melhora as propriedades da solda, como a molhabilidade, ajudando a achatar a coroa da solda e a promover a fusão na base.
Os fabricantes devem ter cautela ao usar processos de transferência por curto-circuito. A fusão incompleta pode ocorrer devido à extinção do arco, tornando o processo inadequado para aplicações críticas. Em situações de alto volume, se o material suportar a entrada de calor (≥ 1/16 de polegada é aproximadamente a espessura mínima do material soldado usando o modo de pulverização pulsada), a transferência por pulverização pulsada será a melhor opção. Quando a espessura do material e a localização da solda permitirem, a soldagem GMAW por transferência por pulverização é preferível, pois proporciona uma fusão mais consistente.
Esses modos de alta transferência de calor não requerem gás de proteção de hélio. Para soldagem por transferência por aspersão de ligas da série 300, uma escolha comum é 98% de argônio e 2% de elementos reativos, como CO2 ou O2. Algumas misturas gasosas também podem conter pequenas quantidades de N2. O N2 possui maior potencial de ionização e condutividade térmica, o que promove a molhabilidade e permite um deslocamento mais rápido ou melhor permeabilidade; também reduz a distorção.
Para soldagem GMAW com transferência por spray pulsado, o argônio puro (100%) pode ser uma escolha aceitável. Como a corrente pulsada estabiliza o arco, o gás nem sempre requer elementos ativos.
A poça de fusão é mais lenta para aços inoxidáveis ​​ferríticos e aços inoxidáveis ​​duplex (proporção de 50/50 de ferrita para austenita). Para essas ligas, uma mistura gasosa como ~70% Ar/~30% He/2% CO2 promoverá melhor molhagem e aumentará a velocidade de deslocamento (ver Figura 3). Misturas semelhantes podem ser usadas para soldar ligas de níquel, mas causarão a formação de óxidos de níquel na superfície da solda (por exemplo, adicionar 2% de CO2 ou O2 é suficiente para aumentar o teor de óxido, portanto, os fabricantes devem evitá-las ou estar preparados para gastar muito tempo com elas). Além disso, é necessário o uso de abrasivos, pois esses óxidos são tão duros que uma escova de aço geralmente não os remove.
Os fabricantes utilizam arames tubulares de aço inoxidável para soldagem fora do local, pois o sistema de escória nesses arames fornece uma "base" que sustenta a poça de fusão enquanto ela se solidifica. Como a composição do fluxo atenua os efeitos do CO2, o arame tubular de aço inoxidável é projetado para uso com misturas gasosas de 75% Ar/25% CO2 e/ou 100% CO2. Embora o arame tubular possa ter um custo por quilo mais elevado, vale ressaltar que velocidades de soldagem e taxas de deposição mais altas em todas as posições podem reduzir os custos gerais de soldagem. Além disso, o arame tubular utiliza uma saída CC de tensão constante convencional, tornando o sistema básico de soldagem menos dispendioso e menos complexo do que os sistemas GMAW pulsados.
Para ligas das séries 300 e 400, o argônio puro (Ar) continua sendo a escolha padrão para soldagem a arco de tungstênio com gás (GTAW). Durante a soldagem GTAW de algumas ligas de níquel, especialmente em processos mecanizados, pequenas quantidades de hidrogênio (até 5%) podem ser adicionadas para aumentar a velocidade de deslocamento (observe que, diferentemente dos aços carbono, as ligas de níquel não são propensas à fissuração por hidrogênio).
Para soldagem de aços superduplex e aços inoxidáveis ​​superduplex, misturas de 98% Ar/2% N2 e 98% Ar/3% N2 são boas opções, respectivamente. Hélio também pode ser adicionado para melhorar a molhabilidade em cerca de 30%. Ao soldar aços superduplex ou aços inoxidáveis ​​superduplex, o objetivo é produzir uma junta com uma microestrutura equilibrada de aproximadamente 50% de ferrita e 50% de austenita. Como a formação da microestrutura depende da taxa de resfriamento e como a poça de fusão TIG esfria rapidamente, o excesso de ferrita permanece quando se utiliza 100% de Ar. Quando uma mistura gasosa contendo N2 é utilizada, o N2 se mistura à poça de fusão e promove a formação de austenita.
Para obter uma solda com máxima resistência à corrosão, o aço inoxidável precisa proteger ambos os lados da junta. A falta de proteção na parte de trás pode resultar em "sacarificação", ou seja, oxidação extensa que pode levar à falha da solda.
Conexões de topo justas com encaixe consistentemente excelente ou contenção hermética na parte traseira da conexão podem não exigir gás de proteção. Nesse caso, a principal preocupação é evitar a descoloração excessiva da zona afetada pelo calor devido ao acúmulo de óxido, o que exigiria remoção mecânica. Tecnicamente, se a temperatura da parte traseira exceder 500 graus Fahrenheit (260 graus Celsius), um gás de proteção é necessário. No entanto, uma abordagem mais conservadora é usar 300 graus Fahrenheit (149 graus Celsius) como limite. Idealmente, o gás de proteção deve ter menos de 30 ppm de O2. A exceção ocorre se a parte traseira da solda for goivada, esmerilhada e soldada para obter uma solda de penetração total.
Os dois gases de suporte mais comuns são o N2 (mais barato) e o Ar (mais caro). Para montagens pequenas ou quando as fontes de Ar estão prontamente disponíveis, pode ser mais conveniente usar esse gás, não compensando a economia com o N2. Até 5% de hidrogênio pode ser adicionado para reduzir a oxidação. Existem diversas opções comerciais disponíveis, mas suportes e barreiras de purificação feitos em casa são comuns.
A adição de 10,5% ou mais de cromo é o que confere ao aço inoxidável suas propriedades de resistência à corrosão. Manter essas propriedades exige uma boa técnica na seleção do gás de proteção correto para soldagem e na proteção da parte traseira da junta. O aço inoxidável é caro, e há bons motivos para utilizá-lo. Não faz sentido tentar economizar quando se trata de gás de proteção ou da escolha de metais de adição para soldagem. Portanto, é sempre recomendável trabalhar com um distribuidor de gases experiente e um especialista em metais de adição ao escolher o gás e o metal de adição para soldagem de aço inoxidável.
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