¿Alguna vez se ha preguntado cómo soldar eficazmente distintos tipos de acero inoxidable? Este artículo profundiza en los métodos de soldadura especializados para los inoxidables martensíticos y dúplex, detallando los retos y soluciones específicos de cada tipo. Explorando las técnicas de precalentamiento, la selección de materiales y los tratamientos posteriores a la soldadura, aprenderá a conseguir soldaduras fuertes y duraderas minimizando riesgos como el agrietamiento por frío y la fragilización. Esta guía proporciona información crucial para cualquiera que desee dominar los matices de la soldadura de estos complejos materiales.
El acero inoxidable martensítico es una clase única de aleaciones ferrosas caracterizadas por una estructura cristalina martensítica a temperatura ambiente. Esta microestructura es el resultado de un enfriamiento rápido (temple) a partir de la fase austenita, creando una estructura dura y metaestable. La característica distintiva de los aceros inoxidables martensíticos es su capacidad para experimentar cambios significativos en las propiedades mecánicas mediante procesos de tratamiento térmico.
Estas aleaciones son famosas por su templabilidad, que se consigue mediante un ciclo de tratamiento térmico cuidadosamente controlado de austenitización, temple y revenido. Este proceso permite adaptar propiedades como la dureza, la resistencia y la tenacidad a los requisitos específicos de cada aplicación.
Los aceros inoxidables martensíticos suelen contener 11,5-18% de cromo, que proporciona resistencia a la corrosión, y 0,1-1,2% de carbono, que permite la formación de martensita y contribuye a la templabilidad. Algunas calidades también pueden incluir pequeñas cantidades de níquel, molibdeno o vanadio para mejorar propiedades específicas.
Los grados más comunes de acero inoxidable martensítico son:
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Los aceros inoxidables martensíticos pueden soldarse mediante diversas técnicas de soldadura por arco eléctrico, cada una de las cuales ofrece ventajas específicas en función de la aplicación y los resultados deseados.
La soldadura por arco metálico protegido (SMAW), también conocida como soldadura con electrodo, sigue siendo el método principal debido a su versatilidad y rentabilidad. Sin embargo, en los últimos años han cobrado importancia procesos avanzados como la soldadura por arco metálico con gas (GMAW) con gas de protección de dióxido de carbono o la soldadura por arco de gas tungsteno (GTAW) con gas de protección mixto de argón y dióxido de carbono. Estos métodos reducen significativamente el contenido de hidrógeno en el baño de soldadura, minimizando así el riesgo de agrietamiento en frío inducido por hidrógeno en la zona afectada por el calor (HAZ).
Para obtener resultados óptimos, a menudo es necesario un tratamiento térmico previo y posterior a la soldadura cuando se sueldan aceros inoxidables martensíticos. El precalentamiento a 200-300°C (392-572°F) ayuda a reducir las velocidades de enfriamiento y las tensiones térmicas, mientras que el tratamiento térmico posterior a 650-750°C (1202-1382°F) puede aliviar las tensiones residuales y templar la estructura de martensita, mejorando las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión de la soldadura.
Al seleccionar los metales de aportación, es fundamental elegir composiciones que se asemejen al metal base o que proporcionen una resistencia ligeramente superior. Los electrodos de bajo hidrógeno (E410 o E410NiMo) son preferibles para SMAW, mientras que los alambres ER410 o ER410NiMo son adecuados para los procesos GMAW y GTAW.
Tecnologías emergentes como la soldadura por haz láser (LBW) y la soldadura por haz de electrones (EBW) también resultan prometedoras para unir aceros inoxidables martensíticos, ya que ofrecen una gran precisión y un aporte mínimo de calor, lo que puede resultar ventajoso para secciones finas o componentes sensibles al calor.
Generalmente, cuando se requiere una mayor resistencia en la soldadura, el Cr13 martensítico soldadura de acero inoxidable Se utilizan varillas y alambres para que la composición química del metal de soldadura sea similar a la del metal base, pero esto aumenta la probabilidad de fisuración en frío.
Consideraciones:
a. El precalentamiento es necesario antes de la soldadura y la temperatura no debe superar los 450°C para evitar la fragilización a 475°C.
Debe realizarse un tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Una vez que la temperatura se haya enfriado a 150-200°C, debe realizarse un tratamiento térmico posterior a la soldadura durante 2 horas para permitir la transformación de todas las partes del austenita en martensita, seguido de un revenido a alta temperatura en el que la temperatura se eleva a 730-790°C.
El tiempo de mantenimiento debe ser de 10 minutos por cada 1 mm de espesor de la placa, pero no inferior a 2 horas, y finalmente debe enfriarse al aire.
b. Para evitar el agrietamiento, el contenido de S y P en las varillas y alambres de soldadura debe ser inferior a 0,015%, y el contenido de Si no debe ser superior a 0,3%.
Un aumento del contenido de Si puede provocar la formación de ferrita primaria gruesa, lo que disminuye la plasticidad de la junta.
En contenido en carbono suele ser inferior a la del metal de base, lo que puede reducir su templabilidad.
El metal de soldadura del acero austenítico Cr Ni tiene un alto nivel de plasticidad, que puede aliviar la tensión producida durante la transformación martensítica en la zona afectada por el calor.
Además, las soldaduras del tipo de acero inoxidable austenítico Cr Ni tienen una alta solubilidad para el hidrógeno, lo que puede disminuir la difusión del hidrógeno desde el metal de soldadura a la zona afectada por el calor y prevenir eficazmente grietas fríaspor lo que no es necesario el precalentamiento.
Sin embargo, la resistencia de la soldadura es relativamente baja y no puede mejorarse mediante un tratamiento térmico posterior.
El acero inoxidable martensítico tiene un alto contenido en cromo, lo que aumenta considerablemente su capacidad de endurecimiento.
Independientemente de su estado inicial antes de la soldadura, ésta siempre da lugar a la formación de martensita cerca de la costura.
A medida que aumenta la tendencia al endurecimiento, la unión se vuelve más propensa al agrietamiento en frío, especialmente cuando hay hidrógeno presente. En tales condiciones, el acero inoxidable martensítico también es propenso a la formación de peligrosas fisuras retardadas inducidas por el hidrógeno.
Measures:
Los aceros inoxidables martensíticos, en particular los que tienen niveles más altos de elementos formadores de ferrita, tienen una mayor tendencia al crecimiento del grano.
Una velocidad de enfriamiento lenta puede provocar la formación de ferrita gruesa y carburo en la zona afectada por el calor (ZAT) de soldadura, mientras que una velocidad de enfriamiento rápida puede provocar el endurecimiento y la formación de martensita gruesa en la ZAT.
Estas estructuras gruesas reducen la plasticidad y tenacidad de la ZAT del acero inoxidable martensítico, haciéndolo quebradizo.
Contramedidas:
El precalentamiento previo a la soldadura es una técnica crucial para evitar las fisuras en frío y garantizar la integridad estructural de la soldadura. Este proceso reduce la velocidad de enfriamiento en la zona afectada por el calor (ZAT) y minimiza las tensiones residuales, mitigando así el riesgo de fisuración inducida por hidrógeno.
Para aceros con un contenido de carbono entre 0,1% y 0,2%, la temperatura de precalentamiento recomendada suele oscilar entre 200°C y 260°C (392°F y 500°F). Este rango de temperaturas es suficiente para expulsar la humedad y reducir el gradiente térmico entre la soldadura y el metal base.
Los aceros de alta resistencia, en particular los que tienen un límite elástico superior a 690 MPa (100 ksi), suelen requerir temperaturas de precalentamiento más elevadas. Para estos materiales, el precalentamiento a temperaturas entre 400°C y 450°C (752°F y 842°F) es habitual. Este elevado rango de temperaturas ayuda a reducir aún más las velocidades de enfriamiento y a controlar la formación de microestructuras duras y quebradizas en la ZAT.
Es importante tener en cuenta que la temperatura óptima de precalentamiento depende no sólo del contenido de carbono, sino también de otros elementos de aleación, el espesor de la sección, la temperatura ambiente y el proceso de soldadura específico que se utilice. Los ingenieros de soldadura deben consultar las normas pertinentes (como AWS D1.1 o ISO 13916) y realizar los cálculos necesarios (por ejemplo, equivalente de carbono) para determinar el régimen de precalentamiento más adecuado para cada aplicación.
El enfriamiento posterior a la soldadura es un paso crítico en el proceso de soldadura, en particular para los aceros de alta resistencia y las secciones gruesas. La soldadura no debe calentarse directamente desde la temperatura de soldadura hasta la temperatura de revenido, ya que la austenita formada durante la soldadura podría no haberse transformado completamente.
El calentamiento y revenido inmediatos tras la soldadura pueden provocar varios efectos perjudiciales:
Estos cambios microestructurales reducen significativamente la tenacidad y las propiedades mecánicas generales de la soldadura.
Para mitigar estos problemas, es esencial un proceso de refrigeración controlado:
1. Para soldaduras de baja resistencia:
2. Para soldaduras de gran resistencia y espesor:
Este proceso de enfriamiento controlado garantiza que:
La velocidad de enfriamiento específica y las temperaturas de mantenimiento intermedias pueden variar en función de la composición del material, el espesor de la sección y las propiedades mecánicas deseadas. Es crucial seguir la especificación del procedimiento de soldadura (WPS) o consultar con expertos metalúrgicos para obtener resultados óptimos.
En algunos casos, pueden emplearse técnicas de enfriamiento avanzadas, como el enfriamiento por aire forzado o incluso el temple, pero deben controlarse cuidadosamente para evitar introducir nuevos problemas, como la distorsión o el agrietamiento.
El tratamiento térmico postsoldadura (PWHT) es un proceso crítico diseñado para optimizar las propiedades mecánicas y la integridad estructural de los componentes soldados. Sus objetivos principales son reducir la dureza de la soldadura y de la zona afectada por el calor (HAZ), mejorar la ductilidad y la tenacidad y mitigar las tensiones residuales de la soldadura.
La PWHT suele implicar dos procesos principales: el revenido y el recocido total. Para el revenido, la temperatura recomendada es de 650-750°C (1202-1382°F). El componente debe mantenerse a esta temperatura durante aproximadamente 1 hora, seguida de un enfriamiento controlado por aire. Este proceso alivia eficazmente las tensiones internas al tiempo que mantiene un equilibrio entre resistencia y ductilidad.
En los casos en que sea necesario el mecanizado posterior a la soldadura, puede emplearse el recocido completo para conseguir una dureza mínima y una mecanizabilidad máxima. El proceso de recocido consiste en calentar la soldadura a una temperatura de 830-880°C (1526-1616°F) y mantenerla durante 2 horas. Posteriormente, el componente se somete a un enfriamiento lento en horno hasta 595°C (1103°F), seguido de un enfriamiento con aire hasta temperatura ambiente. Esta velocidad de enfriamiento controlada es crucial para conseguir la microestructura y las propiedades deseadas.
Es importante tener en cuenta que los parámetros específicos de PWHT pueden variar en función de factores como la composición del material, el espesor de la sección y los requisitos de servicio. Para aplicaciones críticas, es aconsejable consultar las normas industriales pertinentes (por ejemplo, ASME BPVC Sección IX) y realizar pruebas mecánicas para validar la eficacia del proceso de tratamiento térmico.
La elección de electrodos de soldadura para acero inoxidable martensítico es fundamental y se divide en dos categorías principales: electrodos de acero inoxidable al cromo y electrodos de acero inoxidable austenítico al cromo-níquel. Esta selección influye significativamente en las propiedades mecánicas de la soldadura, la resistencia a la corrosión y la integridad general.
Se suelen utilizar electrodos de acero inoxidable al cromo, como E410-15 (AWS A5.4) o E410-16. Estos electrodos, que corresponden a las normas chinas E1-13-15 (G207) y E1-13-16 (G202) respectivamente, ofrecen una buena resistencia y una moderada resistencia a la corrosión. Son especialmente adecuados cuando se desea igualar la composición del metal base.
Para aplicaciones que requieren una mayor ductilidad y resistencia a la corrosión, se prefieren los electrodos de acero inoxidable austenítico al cromo-níquel. Las opciones más populares son:
Los electrodos de grado "L" (por ejemplo, 308L, 316L) tienen menor contenido de carbono, lo que reduce el riesgo de sensibilización y mejora la resistencia a la corrosión intergranular en servicio a alta temperatura.
La selección entre estos electrodos depende de factores como:
Los inoxidables dúplex presentan tanto las ventajas como los inconvenientes de los aceros austeníticos y ferríticos, y reducen sus respectivos puntos débiles.
(1) El riesgo de fisuración en caliente es mucho menor en comparación con el acero austenítico.
(2) El riesgo de agrietamiento en frío es significativamente menor en comparación con la baja aleación ordinaria. acero de alta resistencia.
(3) Tras el enfriamiento en la zona afectada por el calor, se retiene una mayor cantidad de ferrita, lo que aumenta el riesgo de corrosión y agrietamiento inducido por hidrógeno (fragilización).
(4) El junta soldada del acero inoxidable dúplex es propenso a la precipitación de la fase δ, un compuesto intermetálico de Cr y Fe.
Su temperatura de formación oscila entre 600°C y 1000°C y puede variar en función del grado de acero específico.
Tabla 1 Rango de temperaturas de tratamiento de la solución, fase δ y 475 ℃ fragilidad del acero inoxidable dúplex.
| Contenido | Acero 2205 bifásico y 2507, etc. | Acero superdúplex 00Cr25Ni7Mo3CuN |
| Temperatura de la solución sólida/℃ | 1040 | 1025~1100 |
| Temperatura de pelado cuando se calienta al aire/℃ | 1000 | 1000 |
| Fase δ temperatura de formación/℃ | 600~1000 | 600~1000 |
| 475 ° C temperatura de fragilización/℃ | 300~525 | 300~525 |
En proceso de soldadura para el acero inoxidable dúplex implica primero la soldadura TIG, seguida de la soldadura por arco con electrodo.
Cuando se utiliza la soldadura por arco sumergido, hay que vigilar de cerca la entrada de calor y la temperatura entre pasadas y evitar una dilución excesiva.
Nota:
Cuando se utiliza la soldadura TIG, se debe añadir nitrógeno 1-2% al gas protector (añadir más de 2% de nitrógeno puede aumentar la porosidad y provocar inestabilidad en el arco). La adición de nitrógeno ayuda a absorber el nitrógeno del metal de soldadura, evitando la pérdida de nitrógeno por difusión en la superficie de soldadura, y contribuye a estabilizar la fase austenita en el. junta soldada.
Los materiales de soldadura con niveles más altos de elementos formadores de austenita (como Ni, N) se eligen para favorecer la transformación de la ferrita de la soldadura en austenita.
El electrodo o hilo de soldar 22.8.3L se utiliza habitualmente para soldar acero 2205, mientras que el electrodo 25.10.4L o 25.10.4R se utiliza frecuentemente para soldar acero 2507.
Tabla 2 Materiales de soldadura y FN del acero inoxidable dúplex típico
| Base metálica | Material de soldadura | Composición química | Nombre | FN（%） | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | N | Cu | W | ||||
| 2507 | Alambre de soldadura | 0.02 | 0.3 | 0.5 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | 2507/P100 | 40~100 |
| 0.02 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | Sandivick 25.10.4L | |||||
| Núcleo de soldadura | 0.03 | 0.5 | 1 | 25 | 9.5 | 3.6 | 0.22 | - | - | Avesta 2507/p100 | ||
| 0.04 | 25 | 10.5 | 4 | 0.25 | - | - | Sandivick 25.10.4L | |||||
| Zeron100 | Hilo de soldaduraNúcleo de soldadura | 0.04 | 1.2 | 2.5 | 25 | 10 | 4 | 0.22 | 1 | 1 | 22.9.4CuWL 22.9.4CuWLB | 40~60 |
| 2205 | Alambre de soldadura | 0.02 | 0.5 | 1.6 | 22.5 | 8 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3L | 40~60 |
| Núcleo de soldadura | 0.03 | 1.0 | 0.8 | 22.5 | 9.5 | 3 | 0.14 | - | - | Sandivick 22.8.3R | ||
(1) Durante el proceso de soldadura, el control de la energía de soldadura, la temperatura entre pasadas, el precalentamiento y el espesor del material afectarán a la velocidad de enfriamiento y, posteriormente, a la estructura y las propiedades de la soldadura y de la zona afectada por el calor.
Para conseguir unas propiedades óptimas del metal de soldadura, se recomienda controlar la temperatura máxima entre pasadas a 100°C. Si es necesario un tratamiento térmico posterior a la soldadura, pueden eliminarse las restricciones de temperatura entre pasadas.
(2) Es preferible evitar el tratamiento térmico posterior a la soldadura para los inoxidables dúplex.
Si es necesario un tratamiento térmico posterior a la soldadura, enfriamiento en agua es el método utilizado. Durante el tratamiento térmico, el calentamiento debe ser rápido, y el tiempo de mantenimiento a la temperatura de tratamiento térmico debe ser de entre 5 y 30 minutos, suficiente para restablecer el equilibrio de fases.
La oxidación del metal es un problema durante el tratamiento térmico, por lo que debe considerarse el uso de un gas inerte como protección.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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