Soldadura fuerte del acero inoxidable: Explicación

1. Rendimiento de la soldadura fuerte

El principal problema de la soldadura fuerte del acero inoxidable es la presencia de películas de óxido en la superficie, que afecta significativamente a la humectabilidad y la dispersión del metal de aportación.

Varios aceros inoxidables contienen una cantidad considerable de Cr, y algunos contienen también elementos como Ni, Ti, Mn, Mo, Nb, etc., que pueden formar diversos óxidos e incluso óxidos complejos en la superficie. Entre ellos, los óxidos de Cr y Ti, Cr₂O₃ y TiO₂son bastante estables y difíciles de eliminar.

Cuando se suelda al aire, se necesita fundente activo para eliminarlos. Cuando se suelda en atmósfera protectora, la película de óxido sólo puede reducirse con un punto de rocío bajo, una atmósfera de gran pureza y una temperatura suficientemente alta. En la soldadura fuerte en vacío, son necesarios un vacío y una temperatura elevados para conseguir buenos efectos de soldadura fuerte.

Otro problema de la soldadura fuerte del acero inoxidable es que la temperatura de calentamiento influye significativamente en la microestructura del material base. La temperatura de calentamiento para la soldadura fuerte de acero inoxidable austenítico no debe superar los 1150 °C, ya que puede producirse un crecimiento excesivo del grano.

Si el acero inoxidable austenítico no contiene elementos estabilizadores como Ti o Nb y tiene un alto contenido en carbono, debe evitarse la soldadura fuerte dentro de la gama de temperaturas de sensibilización (500-850°C) para evitar la precipitación de carburos de cromo y reducir la resistencia a la corrosión.

La selección de temperatura para acero inoxidable martensítico La soldadura fuerte es más estricta. Requiere que la temperatura de soldadura fuerte coincida con la temperatura de temple, combinando el proceso de soldadura con el proceso de tratamiento térmico, o la temperatura de soldadura fuerte debe ser inferior a la temperatura de revenido para evitar el reblandecimiento del material base durante la soldadura fuerte.

El principio de selección de la temperatura para la soldadura fuerte de acero inoxidable endurecido por precipitación es el mismo que para el acero inoxidable martensítico, en el que la temperatura de soldadura fuerte debe coincidir con el régimen de tratamiento térmico para obtener unas propiedades mecánicas óptimas.

Además de los dos problemas principales anteriores, el acero inoxidable austenítico es propenso al agrietamiento por tensiones durante la soldadura fuerte, especialmente cuando se suelda con metales de aportación de cobre-cinc. Para evitarlo, la pieza debe someterse a un proceso de eliminación de tensiones. recocido antes de la soldadura, y el calentamiento de la pieza durante la soldadura debe ser lo más uniforme posible.

  2. Materiales de soldadura

   (1) Metales de aportación

 De acuerdo con los requisitos de las soldaduras de acero inoxidable, los metales de aportación utilizados habitualmente para la soldadura fuerte de acero inoxidable incluyen la soldadura de estaño-plomo, los metales de aportación a base de plata, los metales de aportación a base de cobre, los metales de aportación a base de manganeso, los metales de aportación a base de níquel y los metales de aportación de metales preciosos.

La soldadura de estaño-plomo se utiliza principalmente para la soldadura blanda del acero inoxidable, y se prefiere un mayor contenido de estaño. Cuanto mayor sea el contenido de estaño en el metal de aportación, mejor será su capacidad de humectación en el acero inoxidable.

En la Tabla 3 se indica la resistencia al cizallamiento de las uniones de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldadas con varias soldaduras estaño-plomo de uso común. Debido a la baja resistencia de la unión, sólo se utiliza para la soldadura fuerte de piezas con requisitos de carga bajos.

Tabla 3 Resistencia al cizallamiento de uniones de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldadas con soldadura estaño-plomo

Los metales de aportación a base de plata son los más utilizados para la soldadura fuerte del acero inoxidable, siendo los metales de aportación de plata-cobre-zinc y plata-cobre-zinc-cadmio los más utilizados debido a su mínima repercusión en las propiedades del material base al temperaturas de soldadura.

En la Tabla 4 se indica la resistencia de las uniones de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldadas con varios metales de aportación a base de plata de uso común. Las uniones de acero inoxidable soldadas con metales de aportación a base de plata rara vez se utilizan en entornos altamente corrosivos, y la temperatura de funcionamiento de las uniones no suele superar los 300°C.

Cuando se suelda acero inoxidable sin níquel, debe utilizarse un metal de aportación con mayor contenido de níquel, como B-Ag50CuZnCdNi, para evitar la corrosión de la unión soldada en ambientes húmedos.

Cuando se suelda acero inoxidable martensítico, debe utilizarse un metal de aportación con una temperatura de soldadura no superior a 650°C, como B-Ag40CuZnCd, para evitar el reblandecimiento del material base.

Cuando se suelda acero inoxidable en atmósfera protectora, puede utilizarse un metal de aportación autofluente que contenga litio, como B-Ag92CuLi y B-Ag72CuLi, para eliminar la película de óxido de la superficie.

Al soldar acero inoxidable en vacío, puede seleccionarse un metal de aportación plateado que contenga elementos como Mn, Ni y Rd para garantizar unas buenas propiedades de humectación del metal de aportación, incluso sin elementos de fácil evaporación como Zn y Cd.

Cuadro 4 Fuerza de uniones de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldadas con metales de aportación a base de plata

Los principales materiales de soldadura fuerte a base de cobre utilizados para soldar diferentes uniones de acero son el cobre puro, el cobre-níquel y los materiales de soldadura fuerte de cobre-manganeso-cobalto. Puro soldadura fuerte del cobre se utiliza principalmente para la soldadura fuerte bajo protección de gas o en condiciones de vacío.

Es adecuado para uniones de acero inoxidable con una temperatura de trabajo no superior a 400℃, pero su resistencia a la oxidación no es buena. El material de soldadura de cobre-níquel se utiliza principalmente para la soldadura fuerte con llama y la soldadura fuerte por inducción.

La tabla 5 muestra la resistencia de la unión soldada de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti. Se puede observar que la unión tiene la misma resistencia que el material base y puede trabajar a temperaturas más elevadas.

El material de soldadura fuerte de cobre-manganeso-cobalto se utiliza principalmente para la soldadura fuerte de acero inoxidable martensítico en atmósfera protectora. La resistencia y la temperatura de trabajo de la unión pueden ser comparables a las de la unión soldada con material de soldadura fuerte a base de oro.

Por ejemplo, el rendimiento de la unión de acero inoxidable 1Cr13 soldada con material de soldadura fuerte B-Cu58MnCo es equivalente al de la misma unión de acero inoxidable soldada con material de soldadura fuerte B-Au82Ni (véase la Tabla 6), pero el coste de producción se reduce considerablemente.

Tabla 5 Resistencia al cizallamiento de la unión de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldada con material de soldadura fuerte a base de cobre a alta temperatura.

Tabla 5 Resistencia al cizallamiento de la unión de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldada con material de soldadura fuerte a base de cobre a alta temperatura.

Tabla 6 Resistencia al cizallamiento de las uniones soldadas de acero inoxidable 1Cr13

Los materiales de soldadura fuerte a base de manganeso se utilizan principalmente para la soldadura fuerte con protección de gas, y se requiere gas de alta pureza. Para evitar el crecimiento de grano en el material base, es aconsejable utilizar temperaturas de soldadura inferiores a 1150℃ con el material de soldadura correspondiente.

Pueden obtenerse resultados satisfactorios con las uniones de acero inoxidable soldadas con materiales de soldadura fuerte a base de manganeso, como se muestra en la Tabla 7. La unión puede soportar temperaturas de trabajo de hasta 600℃. La unión puede soportar temperaturas de trabajo de hasta 600℃.

Tabla 7 Resistencia al cizallamiento de las uniones de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldadas con material de soldadura fuerte a base de manganeso.

Cuando se utiliza soldadura con base de níquel para soldar acero inoxidable, la unión tiene un buen rendimiento a altas temperaturas. Este tipo de soldadura se utiliza generalmente para soldadura fuerte con protección de gas o soldadura fuerte al vacío.

Para superar el problema de la formación excesiva de compuestos quebradizos en la unión soldada, que conduce a una reducción significativa de la resistencia y plasticidad de la unión, la holgura de la unión debe reducirse al mínimo en la medida de lo posible, y los elementos que forman fácilmente fases quebradizas en la soldadura deben difundirse completamente en el material base.

Para evitar el fenómeno del crecimiento del grano en el material base a la temperatura de soldadura fuerte debido a un tiempo de aislamiento excesivo, se puede adoptar un aislamiento a corto plazo y un tratamiento de difusión a baja temperatura (en comparación con la temperatura de soldadura fuerte) después de la soldadura fuerte.

Las soldaduras de metales preciosos utilizadas para la soldadura fuerte del acero inoxidable incluyen principalmente soldaduras a base de oro y soldaduras que contienen paladio, entre las cuales las más típicas son B-Au82Ni y B-Ag54CuPd. El B-Au82Ni tiene una buena humectabilidad.

La unión soldada de acero inoxidable tiene una gran resistencia a altas temperaturas y a la oxidación, y la temperatura máxima de trabajo puede alcanzar los 800℃. El B-Ag54CuPd tiene características similares al B-Au82Ni y su precio es inferior, por lo que tiende a sustituir al B-Au82Ni.

(2) Fundente de soldadura y atmósfera del horno: La superficie del acero inoxidable contiene óxidos como Cr₂O₃ y TiO₂que debe eliminarse con fundente activo. Cuando se suelda acero inoxidable con soldadura de estaño-plomo, se puede utilizar como fundente una solución de ácido fosfórico o una solución de ácido clorhídrico de óxido de zinc.

La solución de ácido fosfórico tiene un tiempo de activación corto y requiere un método de soldadura fuerte de calentamiento rápido. Cuando se suelda acero inoxidable con soldadura de plata, pueden utilizarse los fundentes FB102, FB103 o FB104. Cuando se suelda acero inoxidable con soldadura con base de cobre, se utiliza el fundente FB105 debido a su mayor temperatura de soldadura.

Cuando se suelda acero inoxidable en un horno, se suelen utilizar atmósferas de vacío o atmósferas protectoras como hidrógeno, argón y amoníaco descompuesto. En la soldadura fuerte en vacío, la presión de vacío debe ser inferior a 10-2Pa.

Cuando se suelda en una atmósfera protectora, el punto de rocío del gas no debe superar los -40℃. Si la pureza del gas no es suficiente o la temperatura de soldadura no es alta, se puede añadir a la atmósfera una pequeña cantidad de fundente gaseoso, como trifluoruro de boro.

3. Técnicas de soldadura fuerte

Antes de soldar acero inoxidable, debe realizarse una limpieza más estricta para eliminar cualquier película de grasa y aceite, y la soldadura debe llevarse a cabo inmediatamente después de la limpieza.

La soldadura fuerte del acero inoxidable puede realizarse mediante métodos de calentamiento por llama, inducción u horno. El horno utilizado para la soldadura fuerte en horno debe tener un buen sistema de control de la temperatura (la desviación de la temperatura de soldadura fuerte debe estar dentro de ±6℃) y poder enfriarse rápidamente.

Cuando se utiliza hidrógeno como gas protector para la soldadura fuerte, las necesidades de hidrógeno dependen de la temperatura de soldadura y de la composición del material base.

Es decir, cuanto menor sea la temperatura de soldadura fuerte y mayor sea el contenido de estabilizante en el material base, menor será el punto de rocío del gas hidrógeno necesario.

Por ejemplo, para los aceros inoxidables martensíticos como el 1Cr13 y el Cr17Ni2t, el punto de rocío del gas hidrógeno debe ser inferior a -40℃ a 1000℃ de temperatura de soldadura fuerte; para los aceros inoxidables al cromo-níquel 18-8 no estabilizados, el punto de rocío del gas hidrógeno debe ser inferior a 25℃ a 1150℃ de temperatura de soldadura fuerte; pero para el acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti con titanio estabilizador, el punto de rocío del gas hidrógeno a 1150℃ de temperatura de soldadura fuerte debe ser inferior a -40℃.

Cuando se utiliza argón como gas protector para la soldadura fuerte, se requiere una mayor pureza del gas argón.

Si se aplica un revestimiento de cobre o níquel en la superficie del acero inoxidable, puede reducirse el requisito de pureza del gas protector.

Para garantizar la eliminación de la película de óxido de la superficie del acero inoxidable, puede añadirse fundente gaseoso BF3 o utilizarse soldaduras autofundentes que contengan litio o boro. El vacío necesario para la soldadura fuerte al vacío del acero inoxidable depende de la temperatura de soldadura. Con el aumento de la temperatura de soldadura, puede reducirse el grado de vacío necesario.

El proceso principal después de la soldadura fuerte del acero inoxidable es limpiar el fundente residual y el inhibidor de fundente residual y, si es necesario, realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura fuerte. Dependiendo del fundente y del método de soldadura utilizado, el fundente residual puede eliminarse mediante lavado con agua, limpieza mecánica o limpieza química.

Si se utiliza abrasivo para limpiar el fundente residual o la película de óxido en las proximidades de la junta, arena u otro no metálico deben utilizarse partículas finas.

Para las piezas de acero inoxidable martensítico y de acero inoxidable endurecido por precipitación, se requiere un tratamiento térmico posterior a la soldadura fuerte de acuerdo con los requisitos especiales del material.

Las uniones de acero inoxidable soldadas con soldaduras de níquel-cromo-boro y níquel-cromo-silicio suelen someterse a un tratamiento térmico de difusión después de la soldadura fuerte para reducir los requisitos de separación entre uniones y mejorar la estructura y las propiedades de la unión.