Consideraciones para Trabajar Acero Inoxidable

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1 18 PROCESOS Foto: Consideraciones para Trabajar Acero Inoxidable Parte II: Soldadura Metal Actual La producción mundial de AI en 2010, cerró en 30,7 millones de toneladas. Los inoxidables reaccionan de manera diferente a la temperatura y si se les aplica demasiado calor, se pueden deformar o sufrir distorsión a medida que se enfría. Además, son más delicados que el acero al carbono por lo que cualquier error en la soldadura es evidente. El siguiente artículo retoma el tema planteado en la anterior edición de Metal Actual, en el que se describen algunas pautas y recomendaciones útiles para seleccionar, maquinar y conformar acero inoxidable; en esta oportunidad se aborda la soldadura del material. Entre los especialistas y profesionales metalmecánicos existe un viejo adagio que reza: soldar es bueno, pero no soldar es mejor ; es decir, preferiblemente se suelda cuando no hay más opción, de lo contrario conviene elegir otro método de conformación que no altere las propiedades de los materiales. Dicha sentencia, aunque se cumple para todos los metales, es particularmente pertinente al trabajar acero inoxidable (AI). Lo cual, no

2 PROCESOS 19 quiere decir que los inoxidables no se puedan soldar, simplemente que, por las características intrínsecas de éstos, el proceso de soldeo debe ser diferente al del acero al carbono y al de los aceros de baja aleación. Al soldar inoxidables hay que tener especial cuidado para que, ni la estructura, ni la composición del cordón de soldadura y de la zona afectada por el calor, cambien sustancialmente, ya que el punto de fusión de dichos materiales es más bajo, por lo cual se requiere menos calor para llegar al mismo; además, su resistencia eléctrica es mayor que la del acero al carbono y por esto los procesos de soldadura necesitan menor intensidad de corriente. Para obtener óptimos resultados es necesario tener en cuenta estas diferencias, elegir cuidadosamente los parámetros, los métodos de soldadora, metales de aporte y consumibles correctos, todo ello con base en el tipo de inoxidable a soldar y el uso final que se le dará a la pieza. Materiales Hay tres clases comunes de aceros inoxidables: austeníticos (serie AISI 300); martensíticos (serie AISI 400) y ferríticos (serie AISI 400), estas clasificaciones se refieren principalmente a la microestructura de dichos materiales. La estructura austenítica tiene alta resistencia a la tensión, al impacto y al mismo tiempo es dúctil, la martensítica es dura y frágil, en cambio la ferrítica es blanda y dúctil. También están los aceros inoxidables endurecibles por precipitación y los dúplex, dos tipos que no son tan comunes. La soldabilidad de los inoxidables fluctúa desde excelente para los austeníticos sobre todo los de bajo carbono hasta deficiente para los martensíticos. (Ver tabla 1). Serie AISI 300 Los AI de las series 200 y 300 presentan una microestructura austenítica, lo que les hace extremadamente dúctiles y tenaces, incluso después de la soldadura, por ello no requieren de ningún otro tipo de tratamiento posterior a la misma, especialmente si se van a utilizar en ambientes normales, que no son excesivamente corrosivos; ahora bien, si se van a utilizar en ambientes muy agresivos es conveniente recocer la estructura soldada. En este tipo de aceros la conductividad térmica es menor, del 40 al 50 por ciento, a la de los aceros al carbono consecuentemente los aceros inoxidables disipan el calor más lentamente que los aceros ordinarios y, por tanto, tardan más en enfriar. Este fenómeno debe tenerse en cuenta cuando se sueldan espesores finos, pues al ser menor la conductividad aumenta el peligro de perforar la lámina. El mayor inconveniente que presenta la soldadura de los AI austeníticos es la precipitación de carburos como consecuencia de las altas temperaturas que pueden producirse en las zonas cercanas al cordón, por lo que el material se fragiliza y queda sensibilizado a la corrosión intergranular. Para evitar esta precipitación hay que soldar las piezas sin precalentamiento y con el menor aporte de calor posible. Otra posibilidad es emplear aceros austeníticos con porcentaje de carbono menor a 0.03 por ciento o aceros inoxidables austeníticos estabilizados con titanio, niobio o tantalio. Los AI al cromo-níquel, de las series , tienen un coeficiente de dilatación1 de 50 a 60 por ciento mayor que el de los aceros al carbono; en este sentido, requieren una mayor consideración en el control de las dilataciones. Tabla 1. Tipos de aceros inoxidables y características de soldadura Aceros al cromo níquel no templables AISI ESTRUCTURA PROPIEDADES DE LA SOLDADURA 201 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces. 202 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces. 301 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces. 302 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces 303 Austenítica No es recomendable la soldadura por fusión. 304 Austenítica Buenas. Soldaduras Tenaces. 305 Austenítica Buenas. Soldaduras Tenaces. 310 Austenítica Buenas. Soldaduras Tenaces. 316 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces 321 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces 347 Austenítica Buenas. Soldaduras Tenaces. Aceros al cromo no templables 405 Ferrítica Buenas. Soldaduras razonablemente resistentes 409 Ferrítica Buenas. 430 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles 430Ti Ferrítica Buenas. 434 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles 436 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles 442 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles 446 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles Aceros al cromo - Templables 410 Martensítica Regulares. Precalentar a C. Recocido posterior a 675 C. 414 Martensítica Regulares. Precalentar a C. Recocido posterior a 675 C. 416 Martensítica Deficientes. Precalentar a C. Recocido posterior a 675 C. 420 Martensítica Regulares. Precalentar a C. Recocido posterior a 675 C. 431 Martensítica Regulares. Precalentar a C. Recocido posterior a 675 C. Fuente: Técnica y práctica de la soldadura. Joseph W. Giachino, William R. Weeks

3 20 PROCESOS Foto: Serie AISI 400 Por su parte, los aceros inoxidables de la serie 400 se clasifican en dos grandes grupos, de acuerdo con su estructura cristalina; el primer grupo, los ferríticos, son magnéticos y no son templables. El otro, los martensíticos, también son magnéticos, pero no se pueden endurecer mediante temple. Los tipos 405 y 430Ti (similar al 430, pero con adición de titanio) han sido desarrollados especialmente para ser soldados; los martensíticos al cromo se someten, normalmente, a un tratamiento térmico de endurecimiento posterior a la soldadura. En investigación realizada en la Universidad Tecnológica de Pereira, los ingenieros mecánicos Ricaurte Ospina López y Héctor Aguirre Corrales, profesores auxiliares, explican que: en la soldadura de los aceros inoxidables martensíticos tienden a endurecerse y fragilizarse, se pueden producir tensiones y por consiguiente grietas, si no se adoptan las precauciones convenientes. En este sentido, siempre que sea posible, hay emplear como metal de aporte aleaciones austeníticas (como la AISI 309 y 310) para absorber las tensiones en las zonas cercanas al cordón y así evitar fisuras; además, conviene precalentar entre 300 y 350ºC las piezas a ser soldadas, después de la soldadura y una vez enfriadas las piezas se recomienda un revenido de 600 a 700 ºC. Por su parte, los ferríticos, según el análisis de los ingenieros, son muy propensos al crecimiento del grano (850ºC - 900ºC), lo cual es sumamente inconveniente para la soldadura, por ello si las piezas a soldar son de dimensiones considerables, se recomienda postcalentar las piezas entre 700 y 800 ºC, seguido de un enfriamiento rápido. El coeficiente de dilatación de los aceros al cromo de la serie 400 es, aproximadamente, el mismo que de los aceros al carbono, en consecuencia, las medidas a tomar para el control de las deformaciones, son prácticamente las mismas que los aceros Foto: En la soldadura de aceros inoxidables debe tenerse especial cuidado para que, ni la estructura ni la composición del cordón de soldadura y de la zona afectada por el calor, cambien sustancialmente. ordinarios. La conductividad térmica de los martensíticos es, aproximadamente, del 50 al 65 por ciento menor de la de los aceros al carbono y por ello también se justifica el uso de menos corriente. La conductibilidad térmica, dependiendo del contenido de cromo en la aleación, varía de la mitad a la tercera parte de la del acero al bajo carbono; por lo tanto, el alabeo en la soldadura es correspondientemente menor, aunque no está de más tomar precauciones para evitarlo. Los efectos desfavorables del calor pueden reducirse considerablemente mediante el empleo de placas de refrigeración; estas placas, generalmente de cobre, ayudan a la evacuación del calor; en lo posible, conviene colocar las piezas a soldar sobre soportes o montajes rígidos, especialmente para soldar inoxidables de las series , así después de la soldadura se dejan enfriar sobre estos dispositivos y se elimina la deformación y el alabeo de las piezas. Procesos Los aceros inoxidables se pueden soldar con la mayoría de los procesos Foto: La resistencia eléctrica de los AI es mayor que la de los aceros comunes, así que se requiere menos corriente eléctrica para la soldadura. Además, tienen un coeficiente de conductividad térmica menor, lo cual causa que el calor se concentre en una zona pequeña adyacente a la soldadura.

4 PROCESOS 21 tradicionales, principalmente con los de arco eléctrico, que pueden clasificarse como procesos con electrodos consumibles: SMAW, GMAW, FCAW y SAW; y los de electrodo no consumible como GTAW y PAW. La soldadura oxiacetilénica no es recomendable para este tipo de material; ya que los óxidos de cromo que se forman en la superficie generan soldaduras con acabados deficientes. Actualmente, la soldadura por arco con protección gaseosa es una de las más empleadas para el soldeo de todo tipo de aceros inoxidables, gracias a la gran facilidad de aplicación de este procedimiento y a que genera menor riesgo de alterar la resistencia a la corrosión de este material. En general, para todo tipo de proceso y en especial para AI, las juntas a ser soldadas deben estar libres de los óxidos superficiales que quedan frecuentemente después del corte, por métodos térmicos, ya que estos óxidos están compuestos de cromo y níquel, los cuales funden a una temperatura mucho mayor que el metal de base y, por lo tanto, no se fusionan completamente durante el proceso. A menudo, una capa de óxido queda atrapada en la soldadura, lo cual representa un defecto difícil de detectar posteriormente y es una de las principales causas de corrosión. Este fenómeno es una diferencia básica con la soldadura del acero común; ya que, con el acero al carbono, los óxidos de hierro funden a casi la misma temperatura que el metal de base. Así mismo, el soldador debe percatarse de la penetración completa de las soldaduras para lograr preservar la resistencia a la corrosión del inoxidable pues, en servicio, cualquier rendija resultante de la falta de penetración es un sitio potencial para el desarrollo de la corrosión por hendiduras. Las uniones entre dos superficies de acero inoxidable como las de los soportes para bandejas de un tanque para la industria de alimentos, también favorecen la corrosión por rendijas. Evitar tales rendijas es responsabilidad del ingeniero de diseño; sin embargo, es útil que los fabricantes del producto traten de eliminarlas siempre que sea posible.

5 22 PROCESOS Electrodos Los electrodos (metales de aporte) se seleccionan principalmente con base en el metal a soldar y luego de acuerdo con el tipo de recubrimiento del propio electrodo, normalmente éstos están hechos de una aleación de la misma composición que el metal base, o más alta; en algunos casos, por razones de diseño, se utilizan electrodos de aleaciones especiales. (Ver tabla 2). Materiales de aporte sugeridos para la soldadura del acero inoxidable Metal de base Electrodo recubierto AWS o nombre común Electrodo desnudo y varilla AWS o nombre común AISI (UNS) AWS A5.4 (UNS) AWS A 5.9 (UNS) 304 (S30400) E 308 (1) (W30810) ER 308 (1) (S30880) 304L (S30403) E 308L (W30813) ER 308L (S30883) 309 (S30900) E 309 (1) (W30910) ER 309 (1) (S30980) 310 (S31000) E 310 (W31010) ER 310 (S31080) 316 (S31600) E 316 (1) (W31610) ER 316 (1) (S31680) 316L (S31603) E 316L (W31613) ER 316L (S31683) 317 (S31700) E 317 (1) (S31780) ER 317 (1) (31780) 317L (31703) E 317L (W31713) ER 317l (S31783) 317 LM (S32100) E 347 (W34710) ER 321 (S52180) 347 (S34700) E347 (W34710 ER 447 (S44780) Aleación 904L (N08904) Aleación 254 SMO (2) (S31254) AL-6XN (2) (N08367) (2) 1925hMo (2) 25-6 Mo 20 MO-6 (2) (N08026) 20Cb-3 (2) (N08020) E 320LR (W88022) ER 320LR (N08022) Fundiciones TIPO ACI (UNS) AWS A 5.4 (UNS) AWS A5.9 (UNS) CF-8 (J92600) E 308 (1) (W30810) ER 308 (1) (S30880) CF-3 (J92500) E 308L (W30813) ER 308L (S30883) CF-08M (J92900) E 316 (1) (W31610) ER 316 (1) (S31683) CF-3M (J92800) E 316L (W31613) ER (S31683) CK-3Mcu (S32154) CA-6NM (J91540) E 410 NiMo (W41016) ER 410 NiMo (S41086) Notas: (1) La L o grado de bajo carbono estabilizado se usa siempre para una construcción soldada, excepto en algunas pocas instancias donde es más importante una dureza un poco mayor que una mejor resistencia a la corrosión. (2) Nombre comercial (3) Para soldar estos aceros inoxidables se usa normalmente un metal de aporte con 9% o más de molibdeno, tales como los dos listados abajo Como regla general, el metal de aporte para una soldadura debe ser de igual o mayor aleación al metal base. Así, aceros al carbón pueden ser soldados con un metal de aporte inoxidable como por ejemplo el 316, mientras que, un acero inoxidable no puede ser soldado con un metal de aporte de acero al carbón como el E60XX; entonces, cuando hay que soldar un acero al carbón aleado o no aleado con un acero inoxidable, se debe seleccionar siempre un metal de aporte cuyo depósito es acero inoxidable. Según describe la técnica y práctica de la soldadura, escrita por Joseph W: para el soldeo de aceros inoxidables estabilizados con columbio niobio (tipo 347), o con titanio (tipo 321), deben emplearse electrodos con cierto contenido en columbio. Los inoxidables al cromo suelen soldarse normalmente con electrodos de acero al cromoníquel, debido a la ductilidad del metal que depositan. La designación de los electrodos de acero inoxidable es diferente a la de los aportes para aceros al carbono. Por ejemplo, en un electrodo de acero inoxidable E : el prefijo E significa: electrodo para soldadura por arco; las tres cifras siguientes indican el tipo de acero del electrodo, según la designación AISI y el 16 las características de uso: el 1 significa soldadura en todas las posiciones (sobre cabeza, plana, vertical y horizontal), y el 6 representa el tipo de revestimiento y las exigencias de tipo eléctrico, en este caso, corresponde a un electrodo de rutilo utilizable en corriente alterna y en corriente continua con polaridad inversa; si fuese un 5 sería un electrodo básico para corriente continua y polaridad inversa. El electrodo está formulado para soldar el grupo 18-8 de aceros inoxidables, por ejemplo: 301, 302, 302B, 303, 304, 305 y 308, que se caracterizan por su gran resistencia a la corrosión. Foto: Fuente: Acerid S.C.

6 Es conveniente realizar las operaciones de fabricación de los equipos de acero inoxidable en un lugar alejado de donde se realicen operaciones con hierro o acero al carbono, para evitar contaminaciones con partículas de hierro provenientes de amoladoras o herramientas de corte. Los electrodos de acero inoxidable se suministran normalmente en paquetes sellados ideales para un largo almacenamiento; después que el paquete se abre, los electrodos se deben guardar en gabinetes con calefacción a una temperatura recomendada por el fabricante. Si los electrodos han sido sobreexpuestos a la humedad, deben ser reacondicionados a una temperatura y tiempo indicados por el fabricante, pero a falta de esta información, las temperaturas más comunes que se usan son: almacenamiento de electrodos de cajas abiertas: 110 ºC y tratamiento de reacondicionamiento: 260 ºC. Corriente de Soldadura El Manual de Técnica y Práctica de la Soldadura también indica que para soldar aceros inoxidables pueden emplearse tanto la corriente continua como la alterna, cuándo se sueldan espesores finos con corriente continua, la polaridad inversa permite conseguir una penetración más profunda y una fusión más consistente; puesto que, tal como se mencionó antes, estos materiales tienen una resistencia eléctrica más grande y un punto de fusión más bajo que los aceros comunes al carbono y por ello deben soldarse con intensidades de corriente, entre 20 y 50 por ciento más bajas que las empleadas para unir aceros comunes.

7 24 PROCESOS Foto: Una intensidad de corriente excesiva sobrecalienta el recubrimiento del electrodo, lo cual a su vez causa una pérdida en la fuerza del arco y dificultad a la hora de dirigir el arco cerca de la punta del electrodo. Consumibles Para soldar aceros inoxidables, en el escudo gaseoso se utiliza argón puro, helio o mezclas de los dos; las mezclas de argón con oxígeno que se utilizan en la soldadura MIG, no deben ser usadas en la TIG, debido Consumible de acero inoxidable, alambre de soldadura MIG DW mm (15.0Kg) tubular. al rápido deterioro de los electrodos de tungsteno. Así mismo, las adiciones de nitrógeno no se recomiendan por la misma razón. En la soldadura manual y realización de juntas por debajo de un espesor de 1.6 mm conviene emplear argón como escudo gaseoso, ya que genera una buena penetración con una velocidad de flujo menor que la del helio, y hay menos oportunidad de fundir la soldadura. Por su parte, el helio produce un mayor flujo calorífico y una penetración más profunda, lo cual puede ser una ventaja en algunas operaciones de soldadura automática. Así pues, en general es muy importante guardar cuidadosamente estas recomendaciones para obtener resultados excelentes, no hay que olvidar que el consumo de este material crece exponencialmente en todo el mundo. Según un estudio publicado en Stainless Steel World a cargo de Steel & Metals Market Research Austria, la estimación del incremento a nivel global del consumo de acero inoxidable lo sitúa alrededor del 12 por ciento, cifra que contrasta con la caída consecutiva durante los dos años anteriores, del 6 por ciento en 2008 y el 8 por ciento en 2009, respectivamente. Además, según datos de la Asociación Mundial del Acero (ISSI), las actividades mundiales de fundición de acero inoxidable en 2010 establecieron un nuevo récord, al cerrar el ejercicio con 30,7 millones de toneladas, lo que se traduce en un aumento de 24,9 por ciento, frente a 2009, esto supone una muy buena noticia para el sector después de tres años de disminución en la producción, debido a la crisis económica mundial. Citas Foto: tciingenieria.files.wordpress.com Los aceros inoxidables se pueden soldar con la mayoría de los procesos tradicionales, principalmente con los de arco eléctrico. La soldadura oxiacetilénica no es recomendable; ya que los óxidos de cromo que se forman en la superficie generan acabados deficientes. 1) Cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente, experimenta un cambio de temperatura que lleva consigo una dilatación térmica. Fuentes Ing. Bernardo Ruíz Isaacs. Director Comercial y Técnico. Inoxtec, firma de la CGA. Bernardo. ruiz@cga.com.co Soldabilidad en aceros inoxidables y aceros disimiles. Ricaurte Ospina López / Héctor Aguirre Corrales / Hernando Parra L. Publicado en Scientia Et Technica, mayo, año 2007/ vol. XIII, número 034. Universidad Tecnológica de Pereira - Colombia pp Stainless Steel World Annual Procurement Report Instituto Mexicano del Acero Inoxidable.

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