- Tutorial nº 48 -

Soldadura de los Aceros Inoxidables

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Generalidades

1.2- Tipos de procesos de soldadura

2- Aspectos operativos

2.1- Generalidades

2.2- Operaciones de corte y montaje

2.3- Preparación de bordes

2.4- Alineación de bordes y punteado de la soldadura

2.5- Piezas y material de respaldo

2.6- Grado de penetración de la soldadura

2.7- Humedad

2.8- Limpieza

2.9- Ventilación y control de humos

3- Procedimientos de soldadura más usados en aceros inoxidables

3.1- Soldadura por arco manual con electrodo revestido (SMAW)

3.2- Soldadura TIG

3.3- Soldadura MIG

4- Selección de electrodos

4.1- Generalidades

4.2- Diagrama de Schaeffler

4.3- Tipos de electrodos disponibles para aceros inoxidables

5- Soldadura de los Aceros Inoxidables Austeníticos

5.1- Generalidades

5.2- Características de la soldadura

5.3- Recomendaciones en la ejecución

6- Soldadura de los Aceros Inoxidables Ferríticos

6.1- Generalidades

6.2- Características de la soldadura

6.3- Recomendaciones en la ejecución

7- Soldadura de los Aceros Inoxidables Martensíticos

7.1- Generalidades

7.2- Características de la soldadura

7.3- Recomendaciones en la ejecución

8- Procedimientos de limpieza post-soldadura

8.1- Generalidades

8.2- Contaminación superficial

8.3- Incrustaciones de hierro

8.4- Daños mecánicos

---

DESARROLLO DEL CONTENIDO

---

1- Introducción

1.1- Generalidades

La soldadura en acero inoxidable varía sensiblemente respecto a la soldadura que pueda practicarse en piezas de acero ordinario. Por ello, se hace necesario realizar un estudio detallado de las características que le son propias a fin de poder obtener resultados óptimos de soldeo.

En la siguiente tabla se muestra una primera comparativa de la influencia de las propiedades físicas en la soldadura de aceros inoxidables austeníticos frente a los aceros al carbono.

 

Por otro lado, el empleo de aleaciones de acero inoxidable suele coincidir con aplicaciones que resultan ser críticas (industria farmacéutica, alimenticia, nuclear...) por lo que es de vital importancia obtener soldaduras de la máxima calidad y cuyo resultado no merme la resistencia a la corrosión o de salubridad inicial del acero inoxidable.

 

1.2- Tipos de procesos de soldadura

Los aceros inoxidables se pueden soldar empleando la mayoría de los procesos comerciales de soldadura, siendo los más populares: la soldadura manual con electrodo revestido (SMAW), el procedimiento TIG y el procedimiento MIG.

No obstante, existen otros procesos que pueden ofrecer ciertas ventajas respecto a los anteriores cuando se trata de altas producciones o fabricaciones especiales.

Por ejemplo, el proceso de soldeo por arco con electrodo tubular ha tenido gran avance en los últimos años, produciendo una soldadura de mucha calidad en los aceros inoxidables y de mayor eficiencia que los procedimientos con electrodo revestido, por ejemplo. Para más información sobre este procedimiento se remite al lector a consultar el Tutorial nº 54 "Fundamentos de la Soldadura Tubular".

En otras ocasiones, cuando los espesores de las piezas a soldar sobrepasan los 6 mm, o bien para soldadura en solapa, el procedimiento de soldadura por arco sumergido resulta el más rentable y de mejor aplicación.

Otros procesos de soldadura, como los procedimientos por arco de plasma, electroescoria, procesos por haz de electrones, láser o procesos de soldadura por fricción se están usando cada vez más, conforme se avanza en su desarrollo tecnológico. Y otros, como los de soldadura por resistencia, soldadura por puntos, costura, proyección y flash se pueden adaptar muy fácilmente a la soldadura de los aceros inoxidables.

Por el contrario, la soldadura oxiacetilénica no se recomienda para la soldadura de aceros inoxidables. Ello es debido porque durante la soldadura se generan óxidos de cromo de un elevado punto de fusión, superior al del metal base. Estos óxidos no funden y quedan sobre la superficie del baño dificultando el proceso de soldadura, además de disminuir la resistencia a la corrosión, tanto de la soldadura como de las áreas adyacentes.

2- Aspectos operativos

2.1- Generalidades

Aunque en el Tutorial nº 40 "Fundamentos de la Soldadura por Arco Eléctrico" se estudia la influencia de parámetros como la intensidad de corriente eléctrica, voltaje, posición del electrodo, etc., sobre el aspecto final de la soldadura, en este apartado se estudiarán aquellos aspectos específicos a la soldadura de los aceros inoxidables.

En primer lugar, hay que reseñar que la soldadura en los aceros inoxidables genera un baño que en general resulta menos fluido que el de un acero ordinario, y además la penetración obtenida en la soldadura no es tan grande. Para compensar estos inconvenientes se debe prestar especial atención a las operaciones previas de preparación y separación de bordes. En este sentido, se recomienda realizar siempre un chaflán en los bordes para facilitar la fluidez y penetración del baño de fusión, además de poder conseguir así de más espacio para que la pasada de raíz pueda ser más ancha.

Además, en comparación con el resto de aceros al carbono, los aceros inoxidables muestran una mayor resistencia eléctrica debida a su estructura interna y composición, lo que implicará el empleo de mayores niveles de intensidad de corriente en el equipo de soldeo eléctrico, entre un 25 y 50% superior a los utilizados para soldar un acero común.

Si se emplease una corriente de intensidad demasiado baja dará lugar a un arco inestable, con interferencias de la escoria en el arco que terminará pegándose en el electrodo y dará lugar a una incorrecta forma del cordón. Por el contrario, si se emplea una corriente de intensidad demasiado elevada generará un salpicado excesivo y poco control sobre el baño de fusión, que terminará produciendo fisuras y una pérdida de resistencia a la corrosión por pérdida de cromo en la composición final del cordón.

En cuanto a la posición a mantener del electrodo, ésta dependerá de las distintas técnicas de avance en función de la posición en que se realiza la soldadura, que a saber son:

-  Soldadura a derecha;

-  Soldadura a izquierda;

-  Soldadura en vertical;

-  Soldadura en cornisa;

-  Soldadura en techo.

a) Soldadura a derecha:

La soldadura a derecha proporciona una mayor penetración y avance de la pistola. Por otro lado, se evita el riesgo de inclusiones de escorias, y además disminuye la probabilidad de formación de poros o de falta de fusión del baño. Genera un baño muy caliente y fluido, lo que requiere cierta habilidad por parte del operario. Se ejecuta mediante pasadas estrechas.

 

Esquema de soldadura a derecha

 

b) Soldadura a izquierda:

La soldadura ejecutada a izquierda proporciona poca penetración, por lo que sólo se recomienda para soldar chapas finas. Por otro lado, requiere menor intensidad de corriente, por lo que el calor aportado al proceso es menor. Tiene tendencia a la formación de poros y de falta de fusión en el baño. Genera cordones anchos.

 

Esquema de soldadura a izquierda

 

c) Soldadura en vertical:

Para soldadura vertical el electrodo se recomienda mantenerlo perpendicular a la pieza, usándose una leve oscilación en la pasada de raíz.

 

d) Soldadura en cornisa:

 

e) Soldadura en techo:

Para las soldaduras ejecutadas en techo se recomienda realizar varias pasadas pequeñas con oscilación.

En general, para cualquier soldadura en aceros inoxidables se recomienda emplear la intensidad de corriente mínima, pero que proporcione un arco estable y cordones rectos. Con ello se conseguirá un cordón con mejor resistencia a la corrosión y minimizará también el aporte de calor, lo que reduce el riesgo a la fisuración del cordón y a la generación de deformaciones.

 

2.2- Operaciones de corte y montaje

Previo al proceso de soldadura de las piezas, éstas deberán ser cortadas con las medidas y geometrías precisas para luego ser posicionadas y montadas. Con excepción del corte oxiacetilénico, el acero inoxidable puede ser cortado con los mismos métodos de corte utilizados en los aceros al carbono.

Efectivamente, el único método de corte que no puede emplearse en los aceros inoxidables es el corte oxiacetilénico. El motivo de no poderse emplear el procedimiento de corte oxiacetilénico es porque se forma una gran cantidad de óxidos de cromo refractarios, cuyo punto de fusión es superior al del metal base, lo que impide que pueda llevarse a cabo un corte preciso y de calidad.

En la siguiente tabla se indican los procedimientos de corte más empleados en piezas de acero inoxidable, en función de su espesor y forma geométrica:

 

2.3- Preparación de bordes

A continuación, se muestran las preparaciones de borde recomendadas para la soldadura de chapas y planchas de acero inoxidable, con objeto de obtener un cordón de soldadura final con un diseño óptimo:

 

En las siguientes figuras se muestra el diseño típico para juntas de tubos de acero inoxidable con soldadura MIG, ya sea con o sin insertos consumibles:

En cuanto a la separación de bordes, ésta deberá ser la óptima, ni muy ancha porque requerirá mayor cantidad de material de aporte y por tanto encarecerá la soldadura, ni tampoco muy estrecha que no permita una penetración completa del cordón.

En general, se recomienda mantener una separación entre bordes del metal base aproximadamente igual al diámetro del electrodo que se vaya a emplear, practicando un ángulo de 60º aprox. para biseles en "V" en los bordes de las piezas.

 

2.4- Alineación de bordes y punteado de la soldadura

Dotar de un alineamiento adecuado de las piezas antes de soldar mejora la tolerancia de fabricación, el aspecto final del cordón y el tiempo de soldadura, además que genera una menor deformación residual de las piezas soldadas.

Cuando una de las piezas a soldar es sensiblemente más gruesa que la otra pieza (por ejemplo, al soldar el borde de la cubierta de un tanque con su pared lateral, donde el espesor de la chapa que constituye la cubierta del tanque suele ser más gruesa que la chapa superior de la pared lateral), el borde de la pieza más gruesa (en este caso el borde de la cubierta del tanque) deberá ser maquinado para rebajarlo e igualar los espesores soldados. Esto ayudará a disminuir la concentración de tensiones, y por ende, las deformaciones residuales.

Una vez que las piezas hayan sido posicionadas se suelen puntear las juntas para conseguir mantener el alineamiento y la separación uniforme entre bordes.

Para evitar que se desalinee las piezas durante el punteado, la secuencia de puntadas deberá comenzarse con un punto en cada extremo de la plancha, para posteriormente realizar otro punto en el centro mismo, según se muestra en la figura adjunta A.

La secuencia continuará realizando puntos de soldadura en el centro de cada tramo que resulte de ir avanzando con el proceso de punteado, como también se indica en la figura A.

Por el contrario, cuando las puntadas se realizan sólo desde un lado, como se muestra en B, los bordes se juntan y las chapas quedarán desalineadas y deformadas.

En general, y debido a la mayor expansión térmica de los aceros inoxidables, los puntos de soldadura para la alineación de las chapas se deberán colocar más juntos que si fuera para soldar piezas de acero al carbono ordinario.

El grosor de las puntadas deberá ser, en general, lo más pequeño posible, en torno a 3 ó 4 mm o incluso menos, como un pequeño punto, para el caso de chapas muy finas. En caso de chapas muy gruesas pueden darse puntadas más anchas (en torno a 20 mm), aunque en este caso deberán ser esmeriladas. Lo importante, en todo caso, es que las puntadas no causen defectos en el cordón de la soldadura final.

Asimismo, se recomienda ejecutar el punteado de las piezas empleando el procedimiento TIG dado que permite controlar más fácilmente el tamaño de las puntadas.

Aquellas puntadas que se incorporen a la soldadura final deberán ser limpiadas con cepillo o esmeriladas. En todo caso, se deberán inspeccionar para comprobar que no tengan ningún tipo de agrietamiento o rajaduras, en cuyo caso deberán ser eliminadas por esmerilado.

 

2.5- Piezas y material de respaldo

En caso de tener que ejecutarse la soldadura solamente por uno de los lados de la chapa se recomienda emplear unas piezas de respaldo por el otro lado, con objeto de conseguir un mejor acabado del cordón, una adecuada penetración de raíz y evitar la formación de grietas y rendijas que afecta tan negativamente a la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables.

Decir que en caso de poderse ejecutar la soldadura por ambos lados, estas piezas de respaldo no serían necesarias.

Pero en caso de tener que utilizar piezas de respaldo, lo más común es emplear barras de cobre, debido a la alta conductividad que presenta el material de cobre. El diseño y forma de la barra de respaldo dependerá si se usa o no gas de respaldo en la soldadura, según se indica en la figura adjunta.

Cuando se utilice una barra de respaldo que sea de cobre, se deberá prestar especial atención en direccionar adecuadamente el arco de soldadura para evitar que el cobre de la barra de respaldo se funda y se incorpore al baño de fusión. Si el cobre fundido contamina el baño de fusión podría dar lugar a la formación de grietas, reduciendo la resistencia mecánica y contra la corrosión de la soldadura.

Por ello, lo que se recomienda es decapar la zona después de soldar para eliminar posibles trazas de cobre, algo que habrá que hacer obligatoriamente si a la soldadura se le tiene previsto que le siga un tratamiento de temple.

El uso de argón como gas de respaldo provee una excelente protección al lado interno de las soldaduras con el procedimiento TIG. Ayuda a controlar la penetración y mantiene una superficie exterior del cordón de buen aspecto y limpia.

El nitrógeno también se puede usar como gas de respaldo, y tiene un precio más ventajoso comparado con el argón. Sin embargo, habrá que cuidar que el nitrógeno no se introduzca dentro de la atmósfera del arco, porque podría alterar la composición de la soldadura.

Además de las barras de cobre se pueden emplear piezas cerámicas, cintas y pastas que están disponibles comercialmente, que ofrecen alguna protección contra el quemado, pero ofrecen poca protección contra la oxidación. Por ello, en este caso se hace necesario realizar un proceso de limpieza final por medios abrasivos o decapado con ácidos.

 

2.6- Grado de penetración de la soldadura

Para que una soldadura a tope pueda desarrollar totalmente sus propiedades de resistencia mecánica es necesario que la penetración del metal de aporte sea completa, de manera que rellene todo el espacio entre las piezas soldadas.

Es muy importante evitar que se formen huecos o rendijas sin rellenar de material de aporte por una falta de penetración pues esto, además de reducir la resistencia mecánica de la soldadura, es un foco de corrosión.

En efecto, las grietas y rendijas son zonas donde no existe suficiente aireación por lo que suele haber una escasez de oxígeno. Esta escasez de oxígeno impide la correcta formación de la capa protectora de óxido de cromo sobre la superficie del acero, es decir, no tiene lugar la pasivación del acero que le confiere la naturaleza de inoxidable. Por lo tanto, grietas y rendijas se convierten en puntos críticos por donde suele comenzar la corrosión del metal.

En este sentido, y como el baño de soldadura de un acero inoxidable es menos fluido que el del acero al carbono, su poder de penetración también es menor. Por ello, habrá que poner especial atención a la penetración de la junta soldada y disponer de un espacio mayor para el cordón de raíz de manera que se favorezca el relleno con material de aporte.

Por ello, una vez realizada la soldadura, se hace necesario realizar el sellado de grietas, hendiduras, rendijas o el relleno de cráteres, pues son el origen de fenómenos corrosivos que reducen la resistencia del metal.

Concretamente la formación de cráteres, que se originan en los puntos inicial (cebado del arco) y final del cordón de soldadura (donde se interrumpe el arco), son posibles focos de inicio de corrosión. De esta manera, se debe proceder a eliminar estas irregularidades mediante un relleno con material de soldadura y posteriormente aplicar un ligero pulido con abrasivos de grano fino para eliminar la posible presencia de irregularidades en la superficie.

 

2.7- Humedad

Otros de los aspectos que habrá que cuidar mucho es la humedad, cuya presencia puede producir porosidades en el cordón de soldadura. La humedad no sólo puede presentarse en el ambiente que rodea mientras se ejecuta la soldadura, sino que puede estar presente a través del metal base o estar ya impregnada en el propio revestimiento de los electrodos inoxidables que se empleen.

Para ello se recomienda mantener los electrodos en ambientes cerrados y calefactados a 100 ºC, o bien en termos portátiles hasta su utilización, para evitar que se produzca la absorción de humedad por parte del revestimiento del electrodo.

Síntomas que pueden avisarnos de la presencia de humedad en el revestimiento de los electrodos es la dificultad que presenta la remoción de la escoria de la superficie del cordón o la presencia visible de porosidad.

 

2.8- Limpieza

Otro aspecto a cuidar es la limpieza tanto del propio cordón como de las zonas cercanas en una distancia de 5 a 8 cm. Una limpieza insuficiente podrá provocar una pérdida de resistencia a la corrosión del propio cordón de soldadura o de las zonas adyacentes afectadas térmicamente (ZAT) por la soldadura, así como dar origen a una posible aparición de fisuras, porosidad o discontinuidades internas por falta de fusión.

A continuación se enumeran algunas reglas a tener en cuenta para mantener una buenas condiciones de limpieza:

• Antes de ejecutar la soldadura tanto los bordes como las superficies adyacentes deberán estar limpias y libres de grasas, aceites, para lo que se recomienda el empleo de disolventes no clorados (los disolventes clorados pueden dejar restos de cloruros sobre la superficie del acero que si no se limpian adecuadamente pueden originar corrosión).

• Asimismo los bordes de las piezas a soldar deben estar libres de óxidos superficiales, los cuales suelen quedar después de realizar cortes por métodos térmicos. Estos óxidos están compuestos principalmente de cromo y níquel proveniente del propio acero inoxidable, los cuales poseen una temperatura de fusión mucho mayor que la del metal de base, y por lo tanto no se funden durante la soldadura.

Por ello, estos restos de óxidos pueden quedar atrapados en el interior de la soldadura, dando lugar a un defecto interno que es dificultoso detectar, incluso por radiografía. Esto supone una diferencia básica con la soldadura de aceros ordinarios, dado que con los aceros ordinarios los óxidos de hierro funden a casi la misma temperatura que el metal de base.

En la siguiente tabla se muestra las diferencias de temperatura de fusión entre el metal base y sus óxidos:

 

Cuando se pretenda soldar aceros inoxidables que hayan estado en servicio y expuestos a altas temperaturas, posiblemente sus superficies estarán fuertemente oxidadas. En estos casos, el empleo de cepillos de alambres pule la superficie, pero las capas de óxidos que estén más fuertemente adheridas deberán ser eliminadas mediante esmerilado o maquinado, y si el óxido todavía persiste, entonces se puede emplear un decapado ácido de la zona afectada o un blastinado.

• En otras ocasiones, las piezas de aceros que han de ser soldadas han estado previamente prestando un servicio en ambiente químico lo que provoca que puedan estar contaminadas por productos químicos. Por ejemplo, un acero inoxidable que haya permanecido de servicio en un medio cáustico y se suelda, es posible entonces que tanto el cordón como la zona afectada térmicamente por la soldadura puedan desarrollar fisuras.

Por tanto, es una práctica recomendable neutralizar los residuos alcalinos con una solución medianamente ácida y los ácidos con una solución medianamente alcalina, antes de proceder a la realización de soldaduras en equipos que hayan estado en contacto con elementos químicos. A todo tratamiento neutralizador deberá seguir siempre un lavado con agua caliente para eliminar los residuos.

• Una vez finalizado el cordón de soldadura se deberá remover cualquier resto de escoria que quede depositada sobre el cordón, dado que si quedara algo de escoria sobre el cordón, la zona cubierta por la escoria no quedaría expuesta al aire y no podría formarse la película protectora de óxido de cromo (pasivación del acero). Para la eliminación de escorias se recomienda el empleo de cepillos cuyas púas sean también de alambre de acero inoxidable.

• Se recomienda el empleo de gel decapante para aceros inoxidables con el fin de conseguir una mejor limpieza y pasivado del acero. Con ello se consigue aumentar la resistencia al ataque químico de la zona soldada al eliminar cualquier residuo que pudiera generar corrosión.

Una vez aplicado el gel se deberá esperar unos minutos para que éste reaccione, lavándose a continuación la zona aplicada con agua a presión.

• También se recomienda aplicar gel a ambos lados del cordón de soldadura para prevenir las salpicaduras en las zonas anexas. Las salpicaduras de soldadura crean pequeñas marcas sobre la superficie de la pieza. En estos puntos la capa protectora del acero inoxidable es penetrada y se crean pequeñas rendijas donde la corrosión puede originarse. Tanto el gel aplicado, como las salpicaduras, serán retirados mediante un proceso posterior de limpieza y lavado de las superficies.

• Asimismo, para soldaduras multipasadas se debe extremar la precaución de eliminar la escoria entre pasadas y evitar que quede atrapada en el interior del cordón entre pasadas, dado que darán lugar a puntos de fragilidad de la soldadura.

• En ocasiones, la presencia de ciertos elementos y compuestos en la superficie de las piezas pueden causar fisuras, defectos de soldadura o disminución en la resistencia a la corrosión en la soldadura y en la zona afectada por el calor. En la siguiente tabla se indican los elementos que deben ser evitados, así como cuál es su fuente de origen habitual:

La presencia de azufre, fósforo y otros metales de bajo punto de fusión pueden causar fisuras en la soldadura o en la zona afectada por el calor. Un tratamiento con ácido nítrico seguido de una neutralización antes de ejecutar la soldadura ayudará a eliminar estos restos de contaminantes.

El carbono o materiales carbonosos dejados en la superficie antes de la soldadura, pueden dar lugar a una capa superficial con alto contenido en carbono que también puede reducir la resistencia a la corrosión en determinados ambientes.

Los contaminantes a base de aceite o grasa (hidrocarburos) deberán ser eliminados mediante una limpieza con solventes. Este tipo de contaminantes no es posible eliminarlos mediante tratamiento ácido o con agua. La norma ASTM A380, que se refiere a los procedimientos para limpieza y decapado de equipos de acero inoxidable, es una guía excelente para fabricantes y usuarios.

Un procedimiento típico para eliminar aceites o grasas incluye:

-   Eliminar el exceso de contaminante con un trapo limpio.

-   Limpiar el área a soldar (por lo menos 50 mm a cada lado de la soldadura) con un solvente orgánico, tales como solventes alifáticos, o bien solventes de naturaleza clorada. No obstante, el problema principal de usar solventes clorados es que pueden permanecer y concentrarse en fisuras, y más tarde iniciar procesos de corrosión por rendijas o por stress, si no se eliminan completamente con una buena limpieza posterior. Por ello, los solventes no clorados se prefieren para la limpieza del acero inoxidable, y son prioritarios usarlos siempre que se trate de la limpieza de equipos y piezas que contengan ranuras en su superficie.

-   Una vez aplicado los solventes, y transcurrido el tiempo de reacción de éstos, se deben eliminar completamente secándolos con trapo limpio.

-   Se debe asegurar la completa limpieza. Un residuo en el trapo de secado puede indicar limpieza incompleta. Donde el tamaño de la pieza lo permita, se recomienda utilizar el test del rompimiento de la película de agua.

 

2.9- Ventilación y control de humos

Una buena guía de referencia sobre seguridad en soldadura es la norma ANSI/ASC, Z49.1-88, "Safety in Welding and Cutting", publicada por la American Welding Society.

Una adecuada ventilación es importante para minimizar la exposición de los operarios soldadores a los humos, producidos durante los procesos de soldadura y corte de todos los metales, incluyendo al acero inoxidable.

Además de una buena ventilación, los soldadores deben evitar aspirar los humos que se desprenden del trabajo de soldeo, posicionándose de tal manera que su cabeza se encuentre fuera de la columna de humo.

La composición de los humos de soldadura varía con el metal de aporte y el proceso. Las soldaduras por arco también producen gases como ozono y óxidos de nitrógeno. Se ha manifestado preocupación en la soldadura con consumibles de acero inoxidable y aceros de alta aleación debido al cromo, y en menor grado al níquel, presentes en los humos de soldadura. Una buena ventilación minimizará estos riesgos a la salud.

El Instituto Internacional de Soldadura desarrolló una serie de hojas informativas para soldadores, que ofrecen sugerencias internacionalmente aceptadas para el control del humo. Para más información se invita al lector a consultar estas recomendaciones.

3- Procedimientos de soldadura más usados en aceros inoxidables

3.1- Soldadura por arco manual con electrodo revestido (SMAW)

En este proceso el electrodo es un alambre revestido, donde el soldador controla el proceso manualmente sobre la longitud y dirección del arco que se establece entre el extremo del electrodo y la pieza a soldar (metal base).

El calor generado por el arco eléctrico funde el revestimiento y la varilla metálica del electrodo, a la vez que la combustión del revestimiento sirve para crear una atmósfera protectora que impide la contaminación del material fundido.

Las gotas de metal fundido procedente de la varilla metálica del electrodo van a depositarse en el baño de fusión. A la vez, el material procedente de la fusión del revestimiento del electrodo genera una escoria, que por viscosidad flota sobre el baño de fusión, protegiéndolo contra un enfriamiento rápido y de la contaminación del aire circundante.

Una vez frío el cordón se procede a eliminar la escoria que queda como una especie de costra sobre la superficie del cordón.

Además de las funciones de protección del baño de fusión, el recubrimiento del electrodo desempeña otras funciones, entre las que están las siguientes:

• Debido a que el recubrimiento exterior no se quema tan rápido como el alambre del electrodo, genera una especie de cráter en la punta del electrodo que permite concentrar la salida del arco, controlando mejor la dirección del arco, lo que permite también poder soldar en varias posiciones, además de mejorar la eficiencia de la soldadura y disminuir las pérdidas de energía.

• Debida a la composición química del revestimiento, éste permite mejorar el cebado y estabilizado del arco, motivado por la presencia en su composición de sales de sodio y potasio que garantizan la presencia de iones positivos durante el proceso de soldadura.

• Como el alambre del electrodo no siempre será de la misma composición que el metal base, el decapante que constituye el recubrimiento permite aportar aleaciones al metal de soldadura que mejoren las características mecánicas del cordón.

• Como ya se ha dicho, durante el quemado del recubrimiento del electrodo se origina una envolvente gaseosa que permite desalojar al oxígeno y al nitrógeno del metal fundido, evitando la oxidación del cordón de soldadura.

• Además, como también se ha dicho, el recubrimiento del electrodo genera una capa de escoria que queda depositada sobre el baño de fusión protegiéndolo de la contaminación atmosférica mientras el baño está fluido y regulando su velocidad de enfriamiento, dando como resultado un cordón más óptimo en resistencia mecánica y frente a la corrosión.

Los electrodos para la soldadura manual por arco revestido se seleccionarán, primero en función del metal base a soldar, y después de acuerdo con el tipo de recubrimiento. En principio, el tipo de alambre del electrodo a utilizar será de una aleación, al menos igual en composición al del metal base, o si puede, más alta.

Aunque en el apartado 4.3 de este tutorial se expone con más detalle los diferentes tipos de electrodos más empleados en los aceros inoxidables, a continuación se expondrá algunos aspectos generales para los electrodos más comúnmente usados en el procedimiento de soldadura manual por arco revestido.

La composición química del recubrimiento empleado en el electrodo influirá en aspectos tales como las posiciones admisibles de soldeo o la forma y uniformidad del cordón de soldadura.

La norma AWS reconoce dos grandes familias de electrodos especiales, designados mediante los sufijos -15 y -16 que se incluyen al final en la designación del electrodo.

Los terminados en -15 son electrodos de óxido de calcio o tipo básico, que se usan con corriente continua polaridad inversa (CCPI). Generan soldaduras limpias, con bajo contenido de nitrógeno, oxígeno e inclusiones. Las soldaduras realizadas con estos electrodos ofrecen una buena resistencia a la rotura, son dúctiles y tienen la mejor resistencia a la corrosión. Estos electrodos tienen buena penetración y se pueden usar en todas las posiciones, lo cual es deseable en los trabajos de montaje.

Por otro lado, el recubrimiento de los electrodos tipo -16 generalmente tiene una mezcla de óxidos de calcio y titanio y se usan a menudo con corriente alterna. Son más populares que los del tipo -15 debido a sus mejores características de operación. El arco es estable y uniforme, con una buena transferencia de metal. El cordón de soldadura es uniforme, con un contorno entre plano y ligeramente cóncavo. La escoria se elimina fácilmente sin que quede un film secundario en el cordón de soldadura.

A continuación, se exponen algunas recomendaciones a tener en cuenta en la soldadura manual por arco con electrodo revestido en los aceros inoxidables:

• Almacenamiento y manejo de electrodos: una vez abierto el paquete de electrodos, estos deben conservarse a la temperatura que indique el fabricante, generalmente suele ser una temperatura de almacenamiento de 110 ºC. Si los electrodos han estado expuestos a humedad, entonces deberán ser reacondicionados calentándolos hasta unos 260 ºC para eliminar la humedad del recubrimiento.

La presencia de humedad en los electrodos que van a ser empleados en la soldadura de aceros inoxidables es altamente perjudicial, dado que el hidrógeno generado puede producir porosidad en la soldadura. Además, en el caso de aceros inoxidables dúplex, la humedad genera el riesgo añadido de sufrir de gran fragilidad por hidrógeno en el cordón de soldadura.

La humedad en el recubrimiento no es la única causa de porosidad en la soldadura, la presencia de restos de pinturas o grasa en los bordes de las piezas a soldar también puede generar porosidad.

En el caso de presentarse los electrodos mojados, estos deberán ser automáticamente descartados.

• Intensidad de corriente: aunque los fabricantes suelen indicar los rangos de corriente a emplear con los electrodos para cada diámetro, al tener los aceros inoxidables una mayor resistencia eléctrica que los aceros ordinarios, los rangos de intensidad de corriente que se necesiten para soldar los aceros inoxidables supondrá un aumento del orden del 25 al 50% respecto a los necesarios para soldar acero común.

• Encendido y apagado del arco: el establecimiento del arco deberá realizarse en un punto de la junta de soldadura de manera que el metal depositado en el establecimiento del arco se vuelva a fundir.

Tampoco se recomienda extinguir de forma abrupta el arco, lo que dará lugar a cráteres. Para evitar esto, se recomienda mantener al final el arco unos momentos sobre la soldadura y luego moverlo rápidamente hacia atrás a la vez que se va alzando el arco del cordón hasta que éste se extingue.

• Evitar realizar excesivos movimientos de oscilación con el electrodo, pues podrá dar lugar a un aporte excesivo de calor sobre el cordón que puede causar fisuras o deformaciones en la soldadura.

 

3.2- Soldadura TIG

El proceso TIG (Tungsten Inert Gas) resulta un procedimiento muy adecuado para soldar el acero inoxidable. En este caso, el arco eléctrico se establece entre un electrodo no consumible de Tungsteno y el metal base, bajo una atmósfera protectora generada por un gas inerte.

El gas inerte (normalmente argón) se usa para proteger del aire circundante al metal fundido de la soldadura. Si es necesario, también se puede agregar metal de aporte en forma de un alambre o varilla que se introduce dentro del arco, de forma bien manual o automáticamente, para fundirlo y cuyas gotas caigan dentro del baño de fusión.

El procedimiento de soldadura TIG genera cordones de gran calidad, sin escorias (dado que emplean electrodos no consumibles sin revestimiento), ni proyecciones, por lo que se usa para soldaduras de responsabilidad en acero inoxidable, donde obtener soldaduras de calidad sea necesario.

Generalmente el procedimiento TIG se suele emplear para soldar piezas de poco espesor (hasta 6 mm. aproximadamente), dado que para espesores de piezas mayores de 6 - 7 mm este procedimiento no resulta económico. De esta manera, para espesores mayores a los 6 mm., se suele emplear procedimientos de soldadura por arco sumergido.

Entre las ventajas que presenta este procedimiento están las siguientes:

• No genera escorias en el cordón, lo cual reduce las tareas de limpieza posterior a la soldadura.

• Es un proceso que se puede emplear en todas las posiciones de soldadura, lo cual lo hace especialmente recomendable para la soldadura de tubos y cañerías.

• No genera salpicaduras alrededor del cordón.

• Afecta muy poco a la composición química y propiedades del metal base durante el proceso de soldadura.

-  Equipamiento para la soldadura TIG:

Para soldar aceros inoxidables mediante procedimiento TIG se debe emplear corriente continua con polaridad directa (electrodo conectado al negativo).

Asimismo, para soldar en TIG se recomienda emplear como fuente de energía un equipo de alta frecuencia que permita iniciar la soldadura y establecer el arco sin necesidad de tener que tocar con el electrodo la pieza, con ello se evita la contaminación tanto del metal base como del electrodo.

También se recomienda que el equipo de soldeo disponga de un dispositivo de control, un pedal por ejemplo, cuyo accionamiento permita regular el nivel de intensidad de corriente que suministra el equipo. Con ello el operario podrá aumentar o disminuir la intensidad de corriente en función de las condiciones de trabajo de la soldadura.

Esto es especialmente útil en los momentos finales de la soldadura, porque de esta forma se conseguirá un apagado gradual del arco conforme se va reduciendo progresivamente la intensidad de corriente. Con ello, se logra disminuir el tamaño del baño de fusión y evitar la formación de grietas al final del cordón.

En caso de no disponer de un equipo de control de la fuente que permita reducir la intensidad de corriente en los momentos finales de la soldadura, se recomienda, como alternativa, aumentar la velocidad de avance en los últimos tramos de soldadura para así conseguir disminuir el tamaño del baño de fusión.

-  Consumibles:

Como gas protector para soldar aceros inoxidables mediante procedimiento TIG se suele utilizar argón puro, helio o una mezclas de ambos. En la soldadura manual y de chapas con espesores menores de 1,6 mm se recomienda emplear argón como gas de protección. Por el contrario, el helio produce un mayor flujo calorífico y una penetración más profunda, lo cual puede ser una ventaja en algunas operaciones de soldadura automática. Las mezclas de argón-helio pueden mejorar el contorno de la soldadura y la mojabilidad.

También se suele usar una mezcla de argón-hidrógeno en la soldadura de inoxidables austeníticos. Las mezclas con oxígeno que se usarán en el sistema MIG como se verá a continuación, no deben utilizarse con TIG debido al deterioro que ocasionan en el electrodo de tungsteno. Las adiciones de nitrógeno no se recomiendan por la misma razón.

Los metales de aporte más adecuados para la soldadura TIG de los aceros inoxidables se indican en el apartado 4.3 de este tutorial. Las varillas rectas se suelen utilizar en la soldadura TIG manual, mientras que el material de aporte para los procesos automatizados suelen suministrarse en forma de rollos o bobinas. Antes de soldar el alambre desnudo deberá ser limpiado y almacenado en lugar protegido y cubierto para evitar su contaminación con otros materiales.

-  Recomendaciones operativas en el soldeo:

Al ser los electrodos en el proceso TIG elementos no consumibles, se deben seleccionar aquellos electrodos que ofrezcan mucha durabilidad y no se degraden (temperaturas de fusión > 4000 ºC) y a la vez garanticen un correcto cebado y mantenimiento del arco.

En este sentido, se recomienda elegir electrodos de tungsteno aleados con torio (Th) o con circonio (Zr) que mejoren el punto de fusión del tungsteno puro, y favorezcan el encendido y estabilidad del arco.

Mantener el extremo del electrodo con un correcto afilado es esencial para conseguir una soldadura de calidad y un arco estable, según se muestra en la figura adjunta.

Como ya se dijo anteriormente, el establecimiento del arco entre el electrodo y el metal base, se produce más fácilmente si se cuenta con una fuente de alta frecuencia que permita iniciar la soldadura y establecer el arco sin necesidad de tener que tocar con el electrodo la pieza.

En ausencia de estos dispositivos, se puede iniciar el arco frotando la superficie del metal base a soldar con el electrodo, pero se corre el riesgo de contaminar al electrodo y también al metal base. Para ello, puede resultar útil utilizar pequeños trozos de planchuela de acero inoxidable adyacentes a la soldadura donde establecer el arco, para eliminar así el posible daño en el metal de base.

Del mismo modo, y con objeto de evitar la formación de cráteres en el punto final del cordón, antes de levantar el electrodo y apagar el arco, se deberá actuar sobre el pedal de la fuente para ir disminuyendo de forma progresiva la intensidad de corriente. En caso de no disponer de este dispositivo, se deberá aumentar la velocidad de soldadura en los momentos finales de la soldadura antes de levantar el electrodo, como ya se comentó anteriormente.

Realizar una buena práctica de apagado del arco es especialmente importante en los cordones que constituyen las pasadas de raíz, dado que éstos cordones sólo se realizan desde un lado, por lo que las grietas que pudieran generarse serían difíciles de reparar.

Asimismo, se recomienda mantener la pistola TIG o pinza porta-electrodos sobre el punto final de la soldadura unos segundos para permitir que ésta solidifique y se enfríe bajo la protección del chorro de salida del gas protector.

Cuando se vayan a ejecutar soldaduras que estén sometidas a ambientes corrosivos severos, entonces se recomienda emplear un metal de aporte de una aleación que sea de un grado más alto que la composición del metal base, con objeto de dotar de resistencia a la corrosión al cordón de soldadura.

Aunque es difícil saberlo, se estima que al menos el 50% del metal del cordón de soldadura en un procedimiento TIG proviene del metal de aporte, por lo que se recomienda ser generoso en la aplicación del metal de aportación para conseguir una aleación final que esté enriquecida.

Sin embargo, es importante que la mezcla del metal base con el metal de aporte se produzca antes que el cordón de soldadura se solidifique, porque de lo contrario existirían zonas segregadas de alta y baja aleación. Una causa de este tipo de segregación se debe a una desigual fusión del metal de aporte, junto con una alta velocidad de solidificación del cordón.

 

3.3- Soldadura MIG

Tanto en el procedimiento MIG (Metal Inert Gas, cuando se utiliza la protección gaseosa de un gas inerte) como también en el MAG (Metal Active Gas, cuando se utiliza un gas activo), se establece un arco eléctrico entre un electrodo consumible, que se presenta en forma de un alambre desnudo, y la pieza a soldar o metal base.

Como se ha comentado, para la soldadura MIG, tanto el arco como la soldadura se protegen del aire de la atmósfera mediante la acción de una envolvente gaseosa, compuesta por gases inertes, principalmente argón y/o helio.

Con el objeto de obtener una mejor acción del arco y una mejor mojabilidad en la soldadura, en ocasiones se utilizan pequeñas cantidades de gases activos, tales como dióxido de carbono, oxígeno e hidrógeno.

Leyenda de la figura adjunta:

1.-Boquilla; 2.-Tubo de contacto; 3.-Gas de protección; 4.-Varilla (sólida o tubular); 5.-Flux en caso de varilla tubular; 6.-Longitud libre de varilla (stik-out); 7.-Transferencia del metal aportado; 8.-Baño de soldeo y escoria líquida; 9.-Escoria sólida protegiendo al baño de fusión; 10.-Metal depositado; 11.-Escoria solidificada; 12.-Metal de soldadura solidificado libre de escoria.

Entre las ventajas del proceso MIG sobre los demás procesos de soldadura, se pueden destacar las siguientes:

• Permite mayores velocidades de soldadura.

• Facilidad de automatizar el proceso, si se trata de grandes producciones.

• En general, es un procedimiento que ofrece una buena transferencia del metal de aporte a través del arco.

-  Modos de transferencia del arco:

En la soldadura MIG, el modo de transferencia del material de aporte al baño de fusión tiene una muy importante influencia sobre las características del proceso.

Los tres modos más utilizados en la soldadura de aceros inoxidables son por spray, corto circuito y arco pulsado. Para obtener mayor información sobre los modos de transferencia de material en la soldadura MIG, se invita al lector a consultar el Tutorial nº 53 "Fundamentos de la Soldadura MIG-MAG".

En la siguiente tabla se comparan las diferentes aplicaciones de cada uno de los modos de transferencia en la soldadura MIG de aceros inoxidables:

(*) Cuando se emplea la soldadura MAG en aceros inoxidables se recomienda la transferencia de material por spray de arco que proporciona una penetración del cordón mucho más profunda que si se emplease el procedimiento MAG por corto circuito.

-  Equipamiento:

En caso de emplearse soldadura MIG, deberá utilizarse corriente continua con polaridad inversa (electrodo conectado al ánodo o polo positivo), con objeto de obtener una mayor penetración y arco más estable. La corriente de polaridad directa se limita a aplicaciones que requieren sólo una penetración superficial, tales como la soldadura en solapa.

En general, las mismas fuentes de potencia, mecanismos de alimentación de alambre y pistolas de soldadura que se usan para la soldadura de aceros ordinarios, se pueden usar en los aceros inoxidables. Para ampliar la información aquí expuesta, se vuelve a recomendar la consulta del Tutorial nº 53 "Fundamentos de la Soldadura MIG-MAG".

En cualquier caso, el proceso MIG tiene más parámetros que controlar que el TIG o la soldadura manual con electrodos recubiertos, tales como amperaje, voltaje, pendiente de corriente, alimentación de alambre, velocidad de pulsos y modo de transferencia del arco.

Por lo tanto, las fuentes de potencia para la soldadura MIG son, en general, más complejas y costosas. No obstante, en la actualidad ya se fabrican nuevas fuentes para soldadura MIG, tales como la de arco pulsado sinérgico, que han hecho la operación más simple, ya que dispone de sólo un dial de control que debe manejar el operador, y los otros parámetros se ajustarán automáticamente.

-  Consumibles:

En cuanto a los gases de protección que se suelen emplear con la soldadura MIG para aceros inoxidables está el argón, helio o una mezcla de ambos. En ocasiones, para obtener mayor estabilidad del arco y una mejor fluidez del baño de soldadura, se utilizan adiciones de pequeñas cantidades de gases activos como dióxido de carbono, oxígeno o hidrógeno.

Decir que para los procesos de soldadura MIG en aceros inoxidables se recomienda la transferencia de material de aporte por spray, para lo cual se deberá utilizar como gas protector Argón con 1 ó 2% de Oxígeno. Con ello se consiguen arcos estables y baños de fusión muy calientes que deja un cordón de aspecto liso y con escasas proyecciones.

Si se decide por el tipo de transferencia del metal de aporte por cortocircuito y pulsado para soldaduras en posición, entonces se recomienda emplear una mezcla de gases compuesto por un 90% de Helio, 7,5% Argón y un 2,5% de CO₂ que es una mezcla muy popular en Norteamérica. No obstante en Europa el Helio es bastante caro, y por ello se usa como alternativa una mezcla de 90% Argón, 7,5% Helio y 2,5% CO₂.

En todo caso, cualquiera que sea la combinación, el gas de protección para la soldadura MIG deberá contener al menos un 97,5% de gases inertes (argón, helio o mezcla de los dos), mientras que los gases activos presentes en la combinación, como el dióxido de carbono (CO₂) no deberá exceder del 2,5%, para que la calidad de la soldadura y la resistencia a la corrosión no se vean disminuidas.

4- Selección de electrodos

4.1- Generalidades

En la selección del contenido del material de aporte que constituye el electrodo para la soldadura de los aceros inoxidables es fundamental conocer el contenido de ferrita existente en el metal base a soldar.

El comportamiento a la soldadura de los aceros inoxidables austenítico, por ejemplo, varía según su estructura interna que se trate, desde aquellos que son completamente austenítico como el 310, hasta otros que poseen doble estructura austenítica y ferrítica como los grados 308, 309, 312, etc.

Al final, se recomienda que el porcentaje de ferrita en el electrodo esté balanceado con el de austenita, para conseguir así que el cordón de soldadura presente una adecuada resistencia al agrietamiento, y a la vez también, una buena resistencia al impacto o a la corrosión por tensiones, de acuerdo a las condiciones de servicio a las que vaya a estar expuesta la pieza soldada.

En efecto, por un lado la presencia de ferrita reduce la posibilidad de producirse fenómenos de agrietamiento en caliente del cordón de soldadura, debido a que ciertos elementos e impurezas presente en el acero, como el fósforo, azufre o silicio con bajo punto de fusión, quedan atrapados durante el proceso de enfriamiento del cordón de soldadura, siendo el germen de generación de futuras grietas internas del cordón.

Resulta que estos elementos son mucho más solubles en la ferrita que en la austenita, por lo que cierta cantidad de ferrita ayudaría a absorber estas impurezas y evitar que quedasen atrapadas en el cordón durante su enfriamiento, eliminando así la posibilidad de generar grietas en el interior del cordón.

Por ello, en la mayoría de los materiales de aporte para la soldadura de acero inoxidable austenítico contienen un porcentaje de ferrita, que puede variar según el tipo de aplicación, entre un 3% a un 20%.

Pero por otro lado, en ciertas ocasiones no es recomendable la presencia de excesiva ferrita en el material de aporte, por ejemplo, en aplicaciones criogénicas de muy bajas temperatura (-195 ºC), donde un incremento en el porcentaje de ferrita implicaría una disminución de la resistencia al impacto del cordón, al ser la ferrita muy frágil a estas temperaturas.

En otras aplicaciones, que impliquen ambientes corrosivos pero en altas temperaturas, la ferrita puede producir también una disminución importante de la resistencia a la oxidación, sobre todo en los grados inoxidables al molibdeno como 316, 317 y sus versiones L de bajo carbono.

De todo lo anterior se deduce que para una correcta selección del tipo de electrodo en las soldaduras de aceros inoxidables es muy importante conocer el porcentaje de ferrita en su composición, pues éste condicionará finalmente el contenido de ferrita que quede presente en la soldadura.

Para medir el contenido de ferrita que quede presente en el cordón de soldadura se puede conocer mediante el uso de instrumentos de laboratorio sensibles al magnetismo (dado que la ferrita es magnética y la austenita no), o bien se puede estimar por medio de un examen metalográfico (método más exacto cuando la ferrita se encuentra presente en un rango del 4 al 10%), o bien a través de gráficos que pueden estimar con bastante exactitud el contenido de ferrita a partir de la composición química del metal de aporte. Este último método es el que va a ser desarrollado a continuación.

 

4.2- Diagrama de Schaeffler

Con el uso del Diagrama de Schaeffler se podrá determinar, entre otros datos, la estructura final del metal base, del material de soldadura y del depósito soldado, y por ende las características mecánicas del cordón de soldadura obtenido, para lo cual será necesario conocer la composición química de los materiales en cuestión.

Como se sabe, el cromo es un elemento alfágeno que promueve la formación de la ferrita, mientras que el níquel (austenítico) es gammágeno y se opone a dicha formación. Otros elementos presentes en el acero actúan, aunque en distinta intensidad, como lo hace el cromo o el níquel, es decir, que son alfágenos (formadores de ferrita) o gammágenos (formadores de austenita).

Por ello, y para poder medir la importancia de uno u otro grupo de elementos A. Schaeffler definió los conceptos de Cromo-equivalente y Níquel-equivalente. El Cromo-equivalente incorpora los elementos formadores de ferrita y el Níquel-equivalente los formadores de austenita.

Los elementos presentes en cada grupo irán multiplicado por un factor que dependerá de su grado de influencia en la formación de ferrita o austenita, según el caso.

• Níquel-equivalente = %Ni + 0,5% Mn + 30%C

• Cromo-equivalente = %Cr + %Mo + 1,5%Si + 0,5%Nb + 2%Ti

Con el empleo del diagrama de Schaeffler se podrá determinar las características mecánica del cordón de soldadura obtenido cuando se unan dos piezas de acero inoxidable.

Dichas características dependerán del punto del diagrama donde se ubique el metal depositado, que será el resultante de una mezcla del metal de aporte procedente del electrodo empleado y los materiales base de las piezas que se pretenden soldar.

Las piezas del metal base podrán ser disímiles, es decir, piezas de aceros inoxidables de familias distintas, por ejemplo, una pieza de acero inoxidable austenítico que se pretenda soldar con otra pieza de inoxidable martensítico.

En la figura adjunta se representa una aplicación práctica del diagrama de Schaeffler, donde los puntos 1 y 2 en color rojo sobre el diagrama representan la composición química de las dos piezas de metal base que se pretenden soldar (en este caso, el metal base 1 es una pieza de acero inoxidable austenítico y el metal base 2 un acero inoxidable martensítico).

Como se sabe, durante la ejecución de la soldadura el foco de calor que genera el baño de fusión, fundirá también parte del metal base de ambas piezas, las cuales se van a mezclar.

Si por las condiciones de preparación de bordes permiten que ambos materiales participen en similar proporción (piezas de igual espesor, con igual bisel, igual precalentamiento de ambas piezas, arco simétricamente direccionado...) el punto en el diagrama que representa la mezcla de ambas piezas de metal base se situará en un punto intermedio de la recta que une los puntos 1 y 2 (punto 3).

Por otro lado, haciendo uso de las expresiones anteriores se determina el valor de Cromo-equivalente y Níquel-equivalente del metal de aporte. En el diagrama dicho metal de aportación quedará representado con el punto 4.

El punto final que representa la mezcla final resultante del cordón de soldadura (mezcla de los metales bases y del metal de aporte) se situará en un punto de la recta que une el punto 3 con el punto 4.

Este punto final (punto 5 en el diagrama adjunto), que se situará en la recta que une los puntos 3 y 4, estará más o menos cerca de uno u otro extremo en función del porcentaje de dilución del metal base (que a su vez dependerá del proceso de soldadura empleado, de la intensidad de corriente, de la longitud del arco, etc.).

En un proceso típico de soldadura por arco manual con electrodo metálico revestido (SMAW) el porcentaje de dilución del metal base se sitúa en torno al 30% (es decir, el 30% del baño de fusión corresponde al metal base, siendo el resto metal de aporte fundido). Y en este caso, el punto final del cordón de soldadura (punto 5) se situará más próximo al punto 4.

Conocer la posición del punto 5 en la gráfica es muy importante porque dará idea de las características y composición final del cordón de soldadura que se ha obtenido.

Sobre un diagrama de Schaeffler de la figura de arriba, donde se muestran las fases austeníticas, ferríticas y martensíticas, se han señalado también aquellos límites que se recomienda no sobrepasar para obtener un cordón de soldadura lo más óptimo posible.

Así, se representa el límite que indica las zonas de fragilización en frío debido a la presencia de martensita, el límite que marca la zona de fragilidad en caliente originada por la presencia de austenita, o la zona de fragilidad originada por la presencia de fase sigma y la zona de crecimiento de grano ferrítico.

En dicha figura adjunta también se sombrea de gris la zona más propicia para situar la composición final de la mezcla del cordón de soldadura.

Como criterio general, se recomienda en todo caso posicionarse en la zona austenítica que contenga además un porcentaje de entre el 5 y el 10% de ferrita.

 

4.3- Tipos de electrodos disponibles para aceros inoxidables

A continuación se relacionan los tipos de electrodos más empleados para la soldadura de aceros inoxidables, indicando una breve descripción del mismo donde se indique sus principales aplicaciones y las clases de aceros inoxidables para los que son empleados, las posiciones de soldeo recomendadas para cada electrodo, tipo de corriente a emplear en la soldadura, composición química del electrodo y propiedades mecánicas que aporta al metal de soldadura.

 

5- Soladura de los Aceros Inoxidables Austeníticos

5.1- Generalidades

Los aceros inoxidables austeníticos, comparados con otras familias de aceros, como los aceros al carbono sin alear, los de baja aleación o incluso comparados con las otras familias de aceros inoxidables, son aceros que tienen un punto de fusión más bajo, su estructura interna ofrece una mayor resistencia eléctrica con menor conductividad térmica y presentan, en general, un mayor coeficiente de dilatación que los demás aceros.

Como resultado de todo lo anterior, para la ejecución de soldaduras en los aceros inoxidables austeníticos se va a requerir aportar menor cantidad de calor para crear el baño de fusión en el metal base.

En efecto, una conductividad térmica menor tiene como consecuencia principal que el calor se concentre en una zona pequeña alrededor del cordón de soldadura, y por lo tanto se va a necesitar un menor aporte de calor para mantener el baño de fusión.

Sin embargo, como contrapartida esto genera un aumento del gradiente de temperatura y de las tensiones residuales asociadas, que unido al mayor coeficiente de dilatación que presentan los aceros inoxidables austeníticos, va a implicar un mayor riesgo de producirse deformaciones y desalineaciones durante la soldadura. De ahí la necesidad de mantener un estricto control dimensional mediante el empleo de guías y de otras técnicas de embridado, con objeto de poder mantener la geometría del conjunto soldado sin que se produzcan deformaciones.

 

5.2- Características de la soldadura

En general, los aceros inoxidables austeníticos se sueldan con más facilidad que los martensíticos o que los ferríticos, pero existen factores característicos de esta familia que deben ser tenidos en cuenta para poder ejecutar una buena soldadura y de paso eliminar el riesgo de defectos en la soldadura.

A continuación se estudiarán aquellos fenómenos que deben ser tenidos en cuenta a la hora de ejecutar la soldadura de aceros inoxidables austeníticos.

-  Precipitación de carburos:

Es una de las causas más común de corrosión en los aceros inoxidables austeníticos y que aparece en las zonas del metal base adyacentes del cordón. Es decir, que no es una corrosión que afecta específicamente al cordón sino en el área alrededor de éste.

Ello ocurre porque cuando a un acero inoxidable austenítico se le somete a un intervalo de temperatura de entre 420 y 900 ºC durante un cierto tiempo, o si durante su enfriamiento se le enfría lentamente en dicho intervalo de temperatura, entonces se podrá dar lugar a un precipitado de compuestos de carburo de hierro y cromo. Este precipitado empobrecería el contenido en cromo en el acero, y por tanto su función protectora que le confiere su característica de inoxidable. Esta precipitación es si cabe más intensa en el intervalo de temperatura que va de los 600 a los 850 ºC.

Los precipitados de carburo de cromo se suelen formar en los límites de grano, haciendo que disminuya la cohesión entre ellos, a la vez que origina el empobrecimiento antes dicho del contenido de cromo de las zonas anexas, por lo que la propiedad protectora que le confiere el cromo al acero inoxidable disminuye, y el acero queda "sensibilizado", es decir, más vulnerable a la corrosión.

Esta tendencia a la formación de los precipitados del carburo de cromo dependerá del tiempo de exposición en el intervalo de temperaturas críticas (420-900 ºC) y de la cantidad de carbono presente en la composición del acero.

De esta forma, un acero grado 304, con un porcentaje en carbono del 0,06% aproximadamente, podría quedar sensibilizado en apenas 3 minutos si se mantiene a una temperatura de 700 ºC. Sin embargo, uno de grado 304L, con un 0,03% de carbono, podría aguantar incluso unas 8 horas a 600 ºC antes de sensibilizarse. Por ello, en aquellas aplicaciones donde el riesgo de producirse corrosión intergranular sea alto deberá utilizarse aleaciones de bajo contenido en carbono, como son los grados "L" (Low Carbon).

Entre las recomendaciones para disminuir el riesgo de producir precipitados de carburos están las siguientes:

• Limitar el contenido máximo de carbono, tanto del metal base como de los electrodos empleados, al 0,03%, con objeto de minimizar la formación de los precipitados de carburo de cromo. Los aceros inoxidables con un contenido en carbono inferior al 0,03% son conocidos como grado "L" (Bajo o Low Carbon).

• Se recomienda utilizar en la soldadura electrodos que contengan en su composición elementos llamados "estabilizadores", como el Titanio (Ti) o el Niobio (Nb), que son elementos que se combinan preferentemente con el carbono para formar carburos de titanio o de niobio antes que lo haga con el cromo. De esta forma se deja libre el cromo que no reacciona con el carbono y evita que se formen los precipitados de carburo de cromo, de manera que el cromo quede libre para poder cumplir su función protectora en los aceros inoxidables. Estos aceros, denominados "estabilizados" son conocidos como los grados 347(Nb) y 321 (Ti) y son ideales para aquellas aplicaciones donde se prevea que la aleación estará expuesta un largo tiempo sometida al rango de temperaturas de sensibilización (420-900 ºC).

• Otra forma de restaurar la resistencia a corrosión una vez formado los precipitados de carburo de cromo es sometiendo a la pieza de acero a un proceso de templado. Para ello, se calentará la pieza sobre los 1050 ºC con lo que se conseguirá disolver los carburos de cromo precipitados, seguido de un enfriamiento rápido para así evitar la formación de nuevos precipitados. Es una solución válida para aquellos casos donde se prevea que la pieza no va a estar sujeta en sus condiciones de servicio al rango de temperatura de sensibilización, y además que la geometría y tamaño de las piezas permita su manejo para introducirlo en un horno para su templado.

• Otra forma de reducir la precipitación de carburos es disminuyendo el aporte térmico al proceso de soldeo. Para ello se recomienda bajar la intensidad de corriente en lo posible sin comprometer la estabilidad del arco, emplear electrodos de diámetro pequeño y ejecutar la soldadura mediante cordones cortos para que el aporte de calor no sea excesivo a la pieza. Asimismo, después de cada pasada se recomienda enfriar a continuación de modo que se limite al menor tiempo posible que la zona afectada térmicamente por la soldadura (ZAT) quede expuesta al rango de temperatura de sensibilización (420-900 ºC). De esta forma, para los grados no estabilizados o que no sean de bajo contenido en carbono, tales como el AISI 304, es importante limitar la entrada de calor a valores por debajo de 35 kiloJoules por centímetro de cordón de soldadura ejecutado con objeto de minimizar el ataque corrosivo en ambientes agresivos.

Para calcular el aporte de calor (Q) a la soldadura, expresado en kiloJoules por centímetro de cordón de soldadura, se puede emplear la siguiente formulación:

donde,

Q    es el calor aportado a la soldadura, expresado en kJ/cm;

U    es el voltaje empleado en la corriente, en Voltios (V);

I    es la intensidad de corriente, en amperios (A);

v    es la velocidad de avance en la ejecución del cordón de soldadura, expresada en centímetros por minuto (cm/min).

-  Fisuración en caliente:

Es un agrietamiento de características internas en el cordón y que se origina durante su etapa de enfriamiento, cuando aún se encuentra a temperaturas elevadas (1000 ºC).

En este sentido, la presencia de impurezas de bajo punto de fusión como el Fósforo, Azufre o Silicio en el acero favorecerá la fisuración en caliente. Por ello, pequeñas cantidades de ferrita (2-3%) en los aceros austeníticos, que favorece la disolución de estas impurezas, reducirá el riesgo de producir este fenómeno de la fisuración en caliente.

Esto es así porque la ferrita se comporta mejor ante este defecto, evitando que se produzca el agrietamiento en caliente de la soldadura. En efecto, al ser la ferrita una estructura más dúctil que la austenita, permite la contracción deformándose plásticamente y evitando así la fisuración.

En definitiva, los aceros austeníticos presentan mayor riesgo de fisuración en caliente que los ferríticos, y en una soldadura completamente austenítica habrá que controlar que el metal de aporte no contenga elementos tales como el silicio, fósforo o azufre, que son elementos que favorecerán la aparición de fisuras en el cordón.

Entre las recomendaciones para disminuir el riesgo de producir fisuración en caliente en la soldadura están las siguientes:

• Como el metal de aporte con alto contenido en silicio es más susceptible a sufrir agrietamiento, se recomienda limitar el contenido de silicio en la composición de los electrodos.

• Minimizar el aporte térmico durante la ejecución de las soldaduras.

• Procurar eliminar y rellenar las grietas de los cráteres antes de continuar con la soldadura. Para rellenar los cráteres se recomienda emplear un arco corto y limpiar cada cordón antes de soldar sobre él.

-  Formación de Fase Sigma:

La denominada Fase Sigma es un compuesto inter-metálico de hierro y cromo (45%Cr-55%Fe) que se caracteriza por su alta dureza (superior a 900 Vickers) y gran fragilidad, y que tiene gran influencia sobre la resistencia a la corrosión y características mecánicas de la soldadura, aumentando los riesgos de fisuración.

Su formación es debida a la presencia de ferrita en los aceros inoxidables cuando se les mantiene durante un largo periodo de tiempo entre 550 y 900 ºC, de manera que la ferrita se transforma en Fase Sigma.

Una vez formada la Fase Sigma, ésta puede ser removida mediante un tratamiento térmico, tal que calentándola sobre los 1050 ºC, la Fase Sigma puede ser disuelta en la austenita y para luego ser transformarda de nuevo en ferrita.

En conclusión, para evitar la formación de la Fase Sigma en la soldadura se deberá limitar los contenidos en ferrita en el metal de aporte a valores próximos al 12%, si se presume que la pieza soldada va a estar sometida a calentamientos en el rango de 550-900 ºC durante largos periodos de tiempo.

 

5.3- Recomendaciones en la ejecución

A continuación se relaciona una serie de recomendaciones a la hora de ejecutar soldaduras en los aceros inoxidables austeníticos.

-  Precalentamiento:

En general, no se obtiene beneficio sometiendo a una pieza de acero inoxidable austenítico a un precalentamiento previo a la soldadura, sino más bien lo contrario, pues se deteriora la resistencia a la corrosión de estos aceros como consecuencia de los fenómenos de precipitación de compuestos de carburo de cromo.

Además, se aumenta el riesgo de producir fisuración en caliente en la soldadura y de generar distorsión y deformaciones de las piezas debido al mayor coeficiente de dilatación de los aceros inoxidables austeníticos respecto a otros aceros.

Por lo tanto, no se recomienda someter a los aceros inoxidables austeníticos a procesos de precalentamiento previo a la soldadura.

-  Selección de los electrodos:

Como norma general, a la hora de seleccionar la composición de los electrodos en una soldadura, éstos deberán ser en todo momento compatibles con el metal base donde vayan a ser depositados, que ofrezcan cordones resistentes al agrietamiento y que además sean de iguales o mejores propiedades mecánicas, de tenacidad y de resistencia a la corrosión que el metal base.

En este sentido, es práctica habitual que para soldar se seleccione electrodos cuya composición enriquezca el contenido de la aleación del metal base. Así, para soldar una acero inoxidable AISI 316 con contenidos del 16-18%Cr y del 10-13%Ni, se puede seleccionar como metal de aporte un electrodo tipo E316-16 con rangos de 17-20%Cr y del 11-14%Ni.

-  Procedimiento de soldadura:

En general, se deberá mantener la temperatura del metal base lo más baja posible, por lo que el aporte térmico se deberá minimizar. Para ello se recomienda bajar la intensidad de corriente, establecer un arco que sea corto, ejecutar la soldadura en cordones cortos y realizar pausas entre cordones.

-  Aplicaciones criogénicas:

Para conseguir unas propiedades criogénicas aceptables en el cordón de soldadura, de manera que se reduzca su fragilidad a muy bajas temperaturas, se debe limitar la composición del metal de aporte en:

• Bajo en ferrita (0 FN)

• Bajo en nitrógeno (menos de 0,05%)

• Bajo en carbono (menos de 0,04%)

-  Tratamiento térmico::

En general, se deberá evitar someter a las piezas de acero inoxidable austenítico a tratamientos térmicos con el fin de aliviar las tensiones residuales que se generan durante la soldadura. Esto es así, porque los aceros inoxidables austeníticos ya se suministran templados por disolución, con el fin de disolver los precipitados de carburos de cromo.

Como es sabido, la ejecución de soldaduras genera tensiones residuales en las piezas, que pueden generar deformaciones de éstas después del maquinado. Para aliviar estas tensiones residuales en los aceros comunes se les suele someter a un tratamiento térmico tras la soldadura, pero en los aceros inoxidables austeníticos es mejor no hacerlo.

En todo caso, si fuera necesario someter a la pieza a un tratamiento térmico, éste se podría hacer siguiendo una de las dos siguientes alternativas:

• Someter a un tratamiento de alivio de tensiones a baja temperatura (entre 315-425 ºC), manteniéndolo por un periodo de 4 horas por cada pulgada de espesor de la pieza, seguido de un enfriamiento lento. Con ello se eliminará, al menos, los picos de tensiones. Es un tratamiento seguro para los grados 304 y 316, así como para los grados estabilizados y de bajo contenido en carbono, dado que la temperatura del tratamiento es inferior a la necesaria para formar los precipitados de carburo de cromo en estos aceros.

• Cuando la alternativa anterior no es suficiente para conseguir un deseado alivio de tensiones, entonces se deberá someter a la pieza a un tratamiento térmico en el rango de 425-925 ºC. En este rango, los aceros de los grados 304 y 316 no pueden ser tratados porque perderían parte de su resistencia a la corrosión debida a la precipitación de carburos. Solamente en este rango de temperaturas podrán someterse aceros pertenecientes a uno de los grados estabilizados (321, 347) o de bajo contenido de carbono (304L, 316L, etc.).

6- Soladura de los Aceros Inoxidables Ferríticos

6.1- Generalidades

Los aceros inoxidables ferríticos presentan, en general, peor soldabilidad que los grados austeníticos, aunque mejor que los martensíticos. La exposición a altas temperaturas de las estructuras ferríticas, como consecuencia del aporte de calor ligado al proceso de soldadura así como también en las zonas afectadas térmicamente próximas al cordón, tiene como consecuencia una reducción en las características de ductilidad del metal, aumentando su fragilidad.

Por otro lado, para prevenir la precipitación de compuestos de carburos de cromo en los límites de grano, que tan negativamente afectan a la resistencia a la corrosión de los aceros, es necesario someterlos a un proceso de temple por disolución, que en el caso de los aceros inoxidable ferríticos se hace hasta los 790 ºC.

Por tanto, en las soldaduras de los aceros inoxidables ferríticos hay una mayor necesidad de realizar tratamientos térmicos previos y posteriores a la soldadura. Con ellos se consigue aliviar el estado de tensiones residuales, con lo que se mejora la resistencia tanto mecánica como a la corrosión del cordón de soldadura y de las zonas afectadas térmicamente. Estos tratamientos se hacen más necesario, si cabe, cuando aumentan los espesores de las piezas a soldar.

 

6.2- Características de la soldadura

Como ya se ha mencionado anteriormente, en general, los aceros inoxidables ferríticos presentan una peor soldabilidad que los aceros austeníticos, aunque mejor que los martensíticos.

A continuación se estudiarán aquellos fenómenos que deben ser tenidos en cuenta a la hora de ejecutar la soldadura de piezas de acero inoxidable ferrítico, con objeto de minimizar los efectos negativos que pudieran presentarse sobre las uniones soldadas.

-  Excesivo crecimiento de grano:

Como norma general, la presencia de un tamaño de grano grueso en la estructura interna de un metal es sinónimo de menor ductilidad y tenacidad, es decir, se comporta más frágilmente que si presentase una estructura interna de grano fino.

Los aceros inoxidables ferríticos, como consecuencia del aporte de calor que recibe durante la soldadura, son susceptibles de producir un crecimiento de grano en su estructura interna cuando se encuentran en el intervalo de temperatura de 850 a 900 ºC.

Con objeto de minimizar en lo posible este problema, a las piezas soldadas de aceros inoxidables ferríticos se les pueden someter a un post-calentamiento de entre 700 a 850 ºC.

-  Sensibilización:

En general, las aleaciones de acero inoxidable ferríticas no son totalmente ferríticas al 100%, sino que pueden contener algo de estructura austenítica. Al someterse a una pieza de acero ferrítico a un calentamiento por encima de los 900 ºC (temperatura que se alcanza en algunas zonas del metal base durante una soldadura) esta austenita presente se acumulará en los límites de grano, la cual, si la pieza se le somete posteriormente a un enfriamiento rápido, se transformará en martensita que presenta mayor fragilidad y menor plasticidad, además de una minoración de la resistencia a la corrosión en el límite de grano.

Este fenómeno, que en los aceros inoxidables ferríticos se conoce como sensibilización, se puede evitar haciendo un enfriamiento lento (al contrario que los austeníticos) desde una temperatura aproximada de los 1000 ºC. Con ello se conseguiría mejorar sensiblemente su resistencia a la corrosión intergranular.

-  Formación de Fase Sigma:

Como ya se vio anteriormente, la Fase Sigma es un compuesto inter-metálico de hierro y cromo (45%Cr-55%Fe) que se caracteriza por su alta dureza (superior a 900 Vickers), una gran fragilidad y una disminución de las características mecánicas de la soldadura, aumentando los riesgos de fisuración.

Además, debido a que la fase sigma es más rica en cromo que la ferrita, su formación podría incidir sobre la resistencia a la corrosión, dado que restaría el contenido del cromo disuelto que hay en el metal base.

Su formación en los aceros inoxidables ferríticos se produce cuando se les mantiene durante un largo periodo de tiempo entre 550 y 900 ºC. En este intervalo de temperatura se produce la transformación de la estructura ferrítica en Fase Sigma. También puede tener lugar esta transformación durante la fase de enfriamiento, si se mantiene a la pieza durante un cierto tiempo en dicho rango de temperatura.

Si se ha generado la Fase Sigma, una forma de volver a disolverla es calentando a la pieza por encima de los 900 ºC seguido de un enfriamiento rápido. Con ello se logra mantener la fase de alta temperatura (ferrita alfa), no dando tiempo a que se transforme en fase sigma que es un proceso más lento.

-  Fisuración inducida por hidrógeno:

En los aceros inoxidable ferríticos, la presencia de hidrógeno reduce considerablemente la ductilidad y tenacidad de la estructura y cambia el modo de fractura de dúctil a frágil.

Este agrietamiento por hidrógeno (Hidrogen Induced Cracking, HIC) es originado por el hidrógeno que queda atrapado en el metal de soldadura una vez que éste se enfría.

Ello es debido a que el hidrógeno atómico, de muy pequeño tamaño, se puede difundir a través de la estructura interna del acero y combinarse para formar hidrógeno molecular, de mayor tamaño. Este hidrógeno molecular genera unas altísimas presiones internas en la estructura del acero que pueden ser suficientes para originar fisuras en el metal de soldadura, o en las zonas aledañas afectadas térmicamente por el calor del baño de fusión.

La posibilidad que aparezcan fenómenos de agrietamiento por hidrógeno se multiplica si se dan las siguientes condiciones:

• Que se suelden estructuras que por sí sean más susceptibles al agrietamiento.

• Que la soldadura tenga lugar en un ambiente con altas concentraciones de hidrógeno.

• Que aparezcan tensiones en la pieza soldada.

En relación al primero de los condicionantes, algunos materiales son más susceptibles de sufrir agrietamiento por hidrógeno que otros. Así, el acero al carbono y ciertos aceros de aleación presentan un mayor riesgo de fractura por hidrógeno. Esta tendencia a la fragilidad por hidrógeno se mide usando la escala de carbono equivalente que reúne la contribución del carbono junto con otros elementos de aleación. De esta manera, aceros con altos porcentajes en carbono son más propensos a sufrir fracturas por hidrógeno. Para más información sobre este concepto de carbono equivalente (CEV) se remite al lector a consultar el Tutorial nº 100 "Características Mecánicas del Acero", en su apartado 11 Soldabilidad.

En cuanto al segundo de los condicionantes, durante el proceso de soldadura, la presencia de agua, humedad en el revestimiento de los electrodos, grasas, pinturas, o el agregado de hidrógeno a los gases de protección, son fuentes de alta concentraciones de hidrógeno.

Así, un enfriamiento rápido del cordón de soldadura podrá favorecer una fractura por hidrógeno, dado que al gas que se forma durante la soldadura y que se encuentra disuelto en el baño de fusión, no le da tiempo a que se disipe antes que se solidifique el cordón de soldadura, quedando atrapado en su interior.

Y en cuanto al tercero de los condicionantes, la aparición de tensiones internas también favorece el agrietamiento por hidrógeno. Son factores que pueden favorecer la aparición de grandes niveles internos de tensiones, por ejemplo, un inadecuado diseño del cordón de soldadura (se recomienda consultar el Tutorial nº 58 "Recomendaciones para la Ejecución de Uniones Soldadas"), el grosor de las piezas soldadas, el excesivo embridado de las piezas, o emplear un voltaje o intensidad elevada, que va a suponer un aporte térmico también elevado que favorece la aparición de grandes niveles de tensiones internas.

Para minimizar el riesgo de aparición de fenómenos de agrietamiento por hidrógeno se recomienda someter a las piezas a soldar a un precalentamiento previo cercano a los 200 ºC. Ello es así, porque se demuestra que el agrietamiento por hidrógeno en los aceros ferríticos ocurre a la temperatura ambiente, mientras que al aproximarse temperaturas cercanas a 200 ºC disminuye esta tendencia.

Asimismo se recomienda mantener el material base y los electrodos secos y limpios, con objeto de eliminar la presencia de humedad, grasas y aceites.

-  Precipitación de carburos:

En algunos casos de aceros ferríticos, el nitrógeno y el carbono residual presente en su composición pueden combinarse con el cromo para formar carburos y nitratos en los bordes de grano, empobreciendo el contenido de cromo del metal base y por tanto su naturaleza inoxidable.

Este hecho puede provocar que aparezcan casos de corrosión intergranular, aunque siempre de menor intensidad que en los casos de los aceros inoxidables austeníticos.

-  Formación de martensita:

Como se sabe, la martensita es una estructura dura, pero muy frágil. La soldadura en los aceros ferríticos puede producir pequeñas cantidades de austenita en las zonas afectadas térmicamente por el calor del cordón de soldadura, que durante la fase de enfriamiento podrían dar lugar a la formación de estructuras martensíticas. Este fenómeno reduciría las propiedades de ductilidad, tenacidad y de resistencia a la corrosión originales que pueda tener el acero.

Para evitar este proceso se recomienda controlar el aporte térmico que se haga durante la soldadura, evitando que sea excesivo respecto al necesario, y también realizar periodos de enfriamientos cortos una vez ejecutado cada cordón de soldadura.

 

6.3- Recomendaciones en la ejecución

En general, en la soldadura de aceros inoxidables ferríticos se deberá cuidar no sobrepasarse con el aporte de calor durante el proceso de soldadura, para lo cual se deberá cuidar mucho los valores de tensión e intensidad de corriente empleados.

Con objeto de evitar el agrietamiento y fragilidad por hidrógeno tanto del cordón de soldadura como de las zonas adyacentes afectadas térmicamente, se recomienda precalentar en el rango de 150-230 ºC, sobre todo cuando el espesor a soldar exceda de los 6 mm.

Una vez ejecutada la soldadura, se recomienda realizar un post-calentamiento de la pieza soldada para aceros inoxidables ferríticos en el rango de 780-840 ºC, para garantizar así una estructura completamente ferrítica y restablecer las propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión que pudieran afectarse con la soldadura.

No obstante, un exposición prolongada en este rango de temperaturas podría favorecer la aparición de fase sigma en aquellos aceros ferríticos de alto contenido en cromo, como los grados 444.

7- Soladura de los Aceros Inoxidables Martensíticos

7.1- Generalidades

La martensita es una estructura dura, cuya dureza aumenta con el contenido de carbono, pero también muy frágil con gran tendencia a la fisuración.

Los aceros inoxidables martensítos son endurecidos al aire cuando se les enfría rápidamente desde el rango de temperaturas de austenitizado (870-1010 ºC) hasta la temperatura ambiente.

Este rango de temperaturas (870-1010 ºC) se alcanza en las zonas afectadas térmicamente (ZAT) por el proceso de soldadura, por lo que si la fase de enfriamiento del cordón se realiza a velocidad suficiente, puede dar lugar a la formación de martensita en estas zonas de la pieza soldada.

 

7.2- Características de la soldadura

Por tanto, durante la ejecución de la soldadura, y en aquellas zonas afectadas térmicamente, se podrá desarrollar la fase martensítica frágil y dura que puede desarrollar grietas debido a las tensiones residuales de contracción y también a la fragilización causada por el hidrógeno.

Este efecto se hace más patente con el mayor contenido de carbono del metal base, que aunque hace aumentar la dureza, también disminuye la tenacidad y aumenta el riesgo de producir fenómenos de agrietamiento.

Un precalentamiento del metal base antes de iniciar la soldadura, de manera que permita después una velocidad de enfriamiento más lenta tanto del cordón como de las zonas afectadas térmicamente, reduce los niveles de tensiones internas, además de reducir el riesgo de fragilización por hidrógeno del cordón, al proporcionar más tiempo para escapar del baño de fusión al hidrógeno proveniente de los gases de protección.

 

7.3- Recomendaciones en la ejecución

En cuanto a las características del material de aporte se recomienda emplear, como criterio general, grados martensíticos como el 410 ó el 420, preferentemente con bajo contenido en carbono para evitar un excesivo endurecimiento de la soldadura.

En aquellas aplicaciones, donde no sea factible realizar tratamientos de precalentamiento o tratamientos térmicos post-soldadura para aliviar el estado de tensiones, se recomienda emplear como material de aporte grados austeníticos del tipo 309, 310, 312 o similares que aportará más ductilidad al cordón de manera que pueda absorber las tensiones y deformaciones de las zonas cercanas al cordón, evitándose así la formación de grietas.

En general, las operaciones de precalentamiento y de tratamiento térmico post-soldadura aminorará la tendencia a la fisuración de los aceros inoxidables martensíticos. También se recomienda someter a las piezas a un precalentamiento de entre 200 y 300 ºC previo al proceso de soldeo, aunque el nivel exacto de temperatura de precalentado dependerá del contenido de carbono del metal base o de la composición del metal de aporte. De esta manera, si se usan aportes de materiales austeníticos, los procedimientos de pre-calentemiento y post-calentamiento serán menos exigentes.

De todos modos, se recomienda realizar un tratamiento térmico post-soldadura y realizarlo antes que la pieza soldada se enfríe. De hecho, no se debería permitir que la pieza soldada se enfríe por debajo de la temperatura de precalentamiento antes de realizar el calentamiento post-soldadura.

Por último, realizar un revenido en el rango de 600-750 ºC seguido de un enfriamiento controlado (del orden de una velocidad de enfriamiento de 30 ºC por hora hasta alcanzar los 600 ºC) reduce la dureza del cordón y de las zonas afectadas térmicamente, así como un aumento de la ductilidad y resistencia a la corrosión.

Por debajo ya de los 600 ºC se permiten enfriamientos más rápidos, aunque se recomienda no superar una velocidad de enfriamiento de 200 ºC por hora y pulgada de espesor de pieza soldada, con objeto de evitar que aparezcan tensiones residuales internas.

8- Procedimientos de limpieza post-soldadura

8.1- Generalidades

Realizar una buena limpieza superficial de los aceros inoxidables después de ejecutar la soldadura es tan importante como el propio proceso de soldeo.

Esto así porque las condiciones superficiales de los aceros inoxidables resultan críticas cuando estos deben contener o estar en contacto con productos muy sensibles (por ejemplo, en aplicaciones de industrias farmacéuticas, alimenticias o nucleares), o cuando deban resistir ambientes muy agresivos (por ejemplo, en plantas químicas).

Básicamente, la resistencia superficial a la corrosión en los aceros inoxidables se puede encuadrar en 3 categorías: a la contaminación superficial, incrustaciones de hierro o a daños mecánicos. A continuación se estudiarán cada una de ellas.

 

8.2- Contaminación superficial

La presencia de contaminantes de naturaleza orgánica, tales como grasas, aceites, pinturas, marcas hechas con crayones o incluso restos de cintas adhesivas, pueden favorecer la aparición de fenómenos de corrosión sobre la superficie del acero inoxidable.

Además, las superficies que deban ser decapadas o tratadas con ácidos antes de la soldadura, deberán ser limpiadas para quedar libres de contaminantes orgánicos, de manera que el ácido pueda ser más efectivo para remover la contaminación por hierro, óxidos superficiales o condiciones similares.

En ocasiones, la inspección visual puede ser suficiente para detectar restos de contaminación orgánica, mientras que en otras, se puede usar un trapo o papel para la detección de aceite o grasa sobre la superficie.

Para el desengrasado se puede utilizar un solvente no clorado. Para comprobar la ausencia de grasas y aceites sobre la superficie se puede rociar una fina cortina de agua. Si existen restos de aceite o grasas, la película de agua se romperá alrededor de estos restos. El desengrasado se deberá repetir hasta que la película de agua deje de romperse. Los solventes clorados no se recomiendan debido a que los restos de cloruros pueden permanecer y causar procesos de corrosión cuando la pieza de acero sea puesta en servicio.

 

8.3- Incrustaciones de hierro

Generalmente, cuando una pieza de acero inoxidable sufre la formación de puntos de herrumbre suele ser debido a una contaminación por partículas de hierro, que si no se eliminan a tiempo darán lugar a un proceso de corrosión por picado.

La presencia de hierro libre sobre la superficie del acero inoxidable puede provenir tras las operaciones de fabricación. Las partículas de hierro depositas sobre la superficie del acero inoxidable se oxidan con el aire húmedo o cuando son mojadas, dejando marcas de óxido, las cuales pueden iniciar el proceso de corrosión de la superficie de acero inoxidable en contacto.

Para detectar la presencia de partículas de hierro, la prueba más simple consiste en rociar con agua la pieza de acero inoxidable y dejar pasar al menos 24 horas. Transcurrido este tiempo se inspecciona la superficie para detectar posibles manchas de óxidos, que indicarían la presencia de puntos de contaminación por partículas de hierro.

Cuando se requiera de las máximas garantías, porque las piezas de acero inoxidables vayan a ser empleadas en plantas farmacéuticas, alimenticias o nucleares, se puede realizar otra prueba mucho más sensible que la anterior. Ésta consiste en rociar la pieza con una solución denominada ferroxilo, compuesta de agua destilada (94% m/m), ácido nítrico concentración 60-67% (3% m/m) y ferrocianuro de potasio (3% m/m).

La presencia de puntos contaminados por partículas de hierro quedará indicado por la aparición sobre la superficie de puntos de color azul a los pocos minutos de rociar la solución. La intensidad del color es un indicador del grado de contaminación. La solución debe ser limpiada después de algunos minutos mediante agua o un paño húmedo. Se recomienda consultar la norma ASTM A380, "Standard Recommended Practice for Cleaning and Descaling Stainless Steel Parts".

-  Eliminación de las partículas de hierro embebidas:

El decapado, que a menudo se realiza después del desengrase, es el método más efectivo para eliminar al hierro embebido. El decapado es un tratamiento químico, normalmente con un baño ácido de nítrico/fluorhídrico a 50 ºC, que actúa sobre la superficie del acero inoxidable, eliminando, no sólo la contaminación por hierro y otros metales, sino también de otras impurezas, contaminaciones y manchas producidas por las soldaduras.

Con el decapado se consigue un aspecto satinado/mate homogéneo y una superficie limpia y pasivada, con la máxima protección anti-corrosiva.

El procedimiento de decapado deberá ajustarse a lo indicado por las normas internacionales ASTM A380, ASTM A 967, ASME BPE y UNE-EN-2516.

Dado que el decapado es en sí mismo un proceso de corrosión controlada y generalizada, se prefieren los aceros inoxidables de bajo carbono o estabilizados, debido a que en los grados no estabilizados el proceso podría dar lugar al origen de corrosión intergranular en la zona afectada por la soldadura.

Los objetos pequeños se decapan mejor por inmersión. Las cañerías, tanques y recipientes que sean demasiado grandes para ser sumergidos, se pueden tratar haciendo circular la solución decapante por dentro de ellos.

Cuando la prueba del ferroxilo muestra pequeñas zonas con hierro embebido, éstas se pueden eliminar mediante aplicación local de pasta de nítrico/fluorhídrico. Para tanques grandes, lo normal es llenarlos hasta una altura de 150 mm para decapar el fondo, y posteriormente eliminar localmente el hierro embebido en las paredes.

Otra forma de eliminar la contaminación superficial por partículas de hierro, aunque en este caso no se lograrían eliminar del todo las más profundas, es empleando sólo ácido nítrico. Al tratamiento con sólo ácido nítrico se le llama también pasivado.

Todo proceso de pasivado en los aceros inoxidables deberá ajustarse a lo indicado por las normas internacionales ASTM A967, ASTM A380, AMS 2700C, AMS QQ-P-35 y UNE EN 2516.

El pasivado es un proceso imprescindible para asegurar que la capa protectora de óxidos de cromo sobre la superficie del acero inoxidable se genere correctamente, y por lo tanto la resistencia a la corrosión sea la indicada para el tipo de aleación. No obstante, hay que señalar que en los casos de decapado, la superficie decapada también se pasiva cuando la superficie del acero entra en contacto con el aire.

En aquellas ocasiones, donde ni el decapado ni el pasivado resulten prácticos de llevar a cabo, se puede usar la técnica del blastinado, aunque no todos los abrasivos que se usen darán buenos resultados.

El blastinado con esferas de vidrio en general suele dar buenos resultados. Se recomienda realizar pruebas periódicas para ver qué cantidad de esferas se pueden volver a utilizar antes de que comiencen a recontaminar la superficie. Las cáscaras de nuez también resultan buenas como abrasivo.

El blastinado abrasivo con trozos de acero o arenisca generalmente no producen buenos resultados, debido al riesgo que se corre de contaminación con hierro. Además, el blastinado con arenisca deja una superficie muy rugosa, que hace al acero inoxidable susceptible de sufrir corrosión por rendijas. Asimismo, el arenado también debe ser evitado cuando sea posible, aún cuando se utilice arena nueva libre de hierro.

-  Recomendaciones para evitar la presencia de contaminación de partículas de hirerro:

Para evitar la presencia de partículas de hierro sobre la superficie de las piezas de acero inoxidable se recomienda tener en cuenta lo siguiente:

• No permitir el contacto de las superficies de las piezas de acero inoxidable con elementos de hierro o de acero al carbono. Este contacto podría producirse con el empleo de herramientas usadas para el izado, mesas de acero de trabajo, rack para el almacenamiento de piezas, etc.

• No usar herramientas, tales como discos abrasivos que hayan sido previamente usados con hierro o aceros ordinarios, ya que podrían contener hierro incrustado.

• Usar sólo cepillos de acero inoxidable que nunca hayan sido usado con hierro o acero al carbono. Nunca usar cepillos de alambre de acero al carbono para el cepillado del acero inoxidable.

• No dejar las planchas u hojas de acero inoxidable en el piso, expuestas al tráfico. Se deben guardar en posición vertical.

• Si es posible, se recomienda realizar las operaciones de fabricación de los equipos de acero inoxidable en un lugar alejado y separado de aquellas otras áreas de trabajo donde se realicen operaciones con hierro o acero al carbono, para evitar contaminaciones con partículas de hierro provenientes de amoladoras, herramientas de corte o arenadoras.

 

8.4- Daños mecánicos

Cuando una superficie haya sido dañada y se requiere su reparación, ésta suele realizarse normalmente mediante amolado, o soldadura y amolado.

Los defectos superficiales se eliminan primero por amolado, preferiblemente con un disco abrasivo limpio de grano fino. La máxima profundidad de amolado para eliminar defectos a menudo se especifica en las normas de fabricación, y pueden variar entre el 10 y 25% del espesor total.

Cuando se necesite una reparación por soldadura, ésta se puede hacer mediante cualquiera de los procesos ya mencionados, pero se prefiere el procedimiento de soldeo TIG debido a la facilidad en la realización de pequeñas soldaduras. Siempre se debe agregar metal de aporte, y nunca se deberán permitir soldaduras "cosméticas" debido al riesgo que se corre de generar grietas en las soldaduras y de resistencia a la corrosión disminuida.

 

 

>> FIN DEL TUTORIAL

 

 

Volver a
Tutoriales

 

 

Información y consulta:

Hermenegildo Rodríguez Galbarro

info@ingemecanica.com - Tel. 646 166 055