Soldadura fuerte de acero inoxidable

Soldadura fuerte de acero inoxidable

1. Capacidad de soldadura fuerte

El principal problema en la soldadura fuerte de acero inoxidable es que la película de óxido en la superficie afecta seriamente la humectación y la dispersión de la soldadura. Varios aceros inoxidables contienen una cantidad considerable de Cr, y algunos también contienen Ni, Ti, Mn, Mo, Nb y otros elementos, que pueden formar una variedad de óxidos o incluso óxidos compuestos en la superficie. Entre ellos, los óxidos Cr2O3 y TiO2 de Cr y Ti son bastante estables y difíciles de eliminar. Cuando se suelda al aire, se debe usar un fundente activo para eliminarlos; cuando se suelda en atmósfera protectora, la película de óxido solo se puede reducir en una atmósfera de alta pureza con un punto de rocío bajo y una temperatura suficientemente alta; en la soldadura al vacío, es necesario tener suficiente vacío y suficiente temperatura para lograr un buen efecto de soldadura.

Otro problema de la soldadura fuerte de acero inoxidable es que la temperatura de calentamiento afecta gravemente la estructura del metal base. La temperatura de calentamiento para la soldadura fuerte de acero inoxidable austenítico no debe ser superior a 1150 ℃, de lo contrario, el grano crecerá considerablemente; si el acero inoxidable austenítico no contiene elementos estables como Ti o Nb y tiene un alto contenido de carbono, también debe evitarse la soldadura fuerte dentro de la temperatura de sensibilización (500 ~ 850 ℃). Esto evita que la resistencia a la corrosión disminuya debido a la precipitación de carburo de cromo. La selección de la temperatura de soldadura fuerte para el acero inoxidable martensítico es más estricta. Una opción es igualar la temperatura de soldadura fuerte con la de temple, para combinar el proceso de soldadura fuerte con el de tratamiento térmico; la otra es que la temperatura de soldadura fuerte debe ser inferior a la de revenido para evitar que el metal base se ablande durante la soldadura fuerte. El principio de selección de la temperatura de soldadura fuerte para el acero inoxidable endurecido por precipitación es el mismo que para el acero inoxidable martensítico; es decir, la temperatura de soldadura fuerte debe coincidir con el sistema de tratamiento térmico para obtener las mejores propiedades mecánicas.

Además de los dos problemas principales mencionados, existe una tendencia a la fisuración por tensión al soldar acero inoxidable austenítico, especialmente cuando se utiliza una aleación de cobre y zinc como material de aporte. Para evitar la fisuración por tensión, la pieza debe someterse a un tratamiento térmico de alivio de tensiones antes de la soldadura y debe calentarse uniformemente durante el proceso.

2. Material de soldadura fuerte

(1) Según los requisitos de uso de las soldaduras de acero inoxidable, los metales de aporte de soldadura fuerte comúnmente utilizados para las soldaduras de acero inoxidable incluyen metal de aporte de soldadura fuerte de estaño-plomo, metal de aporte de soldadura fuerte a base de plata, metal de aporte de soldadura fuerte a base de cobre, metal de aporte de soldadura fuerte a base de manganeso, metal de aporte de soldadura fuerte a base de níquel y metal de aporte de soldadura fuerte de metales preciosos.

La soldadura de estaño-plomo se utiliza principalmente para soldar acero inoxidable y es recomendable que tenga un alto contenido de estaño. Cuanto mayor sea el contenido de estaño de la soldadura, mejor será su humectabilidad sobre el acero inoxidable. La resistencia al cizallamiento de las uniones de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldadas con varias soldaduras comunes de estaño-plomo se muestra en la Tabla 3. Debido a la baja resistencia de las uniones, solo se utilizan para soldar piezas con poca capacidad de carga.

Tabla 3. Resistencia al corte de una unión de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldada con estaño-plomo.

Los metales de aporte a base de plata son los más utilizados para la soldadura fuerte de acero inoxidable. Entre ellos, los metales de aporte de plata-cobre-zinc y plata-cobre-zinc-cadmio son los más utilizados, ya que la temperatura de soldadura tiene poco efecto sobre las propiedades del metal base. La resistencia de las uniones de acero inoxidable ICr18Ni9Ti soldadas con varias soldaduras comunes a base de plata se muestra en la Tabla 4. Las uniones de acero inoxidable soldadas con soldaduras a base de plata rara vez se utilizan en medios altamente corrosivos, y la temperatura de trabajo de las uniones generalmente no supera los 300 ℃. Al soldar acero inoxidable sin níquel, para evitar la corrosión de la unión soldada en ambientes húmedos, se debe utilizar un metal de aporte con mayor contenido de níquel, como b-ag50cuzncdni. Al soldar acero inoxidable martensítico, para evitar el ablandamiento del metal base, se debe utilizar un metal de aporte con una temperatura de soldadura que no supere los 650 ℃, como b-ag40cuzncd. Al soldar acero inoxidable en atmósfera protectora, para eliminar la capa de óxido superficial, se puede utilizar un fundente de soldadura que contenga litio, como b-ag92culi y b-ag72culi. Al soldar acero inoxidable al vacío, para que el metal de aportación conserve una buena humectabilidad y no contenga elementos como Zn y Cd, que se evaporan fácilmente, se puede optar por un metal de aportación de plata que contenga elementos como Mn, Ni y Rd.

Tabla 4. Resistencia de la unión de acero inoxidable ICr18Ni9Ti soldada con metal de aporte a base de plata.

Los metales de aporte para soldadura fuerte a base de cobre utilizados para soldar diferentes aceros son principalmente cobre puro, cobre níquel y cobre manganeso cobalto. El metal de aporte de cobre puro se utiliza principalmente para soldar bajo protección de gas o vacío. La temperatura de trabajo de la unión de acero inoxidable no supera los 400 ℃, pero la unión tiene poca resistencia a la oxidación. El metal de aporte de cobre níquel se utiliza principalmente para soldadura fuerte a la llama y soldadura fuerte por inducción. La resistencia de la unión soldada de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti se muestra en la Tabla 5. Se puede observar que la unión tiene la misma resistencia que el metal base y la temperatura de trabajo es alta. El metal de aporte de Cu Mn Co se utiliza principalmente para soldar acero inoxidable martensítico en atmósfera protectora. La resistencia de la unión y la temperatura de trabajo son comparables a las de las soldadas con metal de aporte a base de oro. Por ejemplo, la unión de acero inoxidable 1Cr13 soldada con soldadura b-cu58mnco tiene el mismo rendimiento que la misma unión de acero inoxidable soldada con soldadura b-au82ni (véase la tabla 6), pero el coste de producción se reduce considerablemente.

Tabla 5. Resistencia al corte de una unión de acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti soldada con metal de aporte a base de cobre de alta temperatura.

Tabla 6. Resistencia al corte de la junta soldada de acero inoxidable 1Cr13.

Los metales de aporte para soldadura fuerte a base de manganeso se utilizan principalmente en soldadura fuerte con protección gaseosa, y se requiere una alta pureza del gas. Para evitar el crecimiento de grano del metal base, se debe seleccionar un metal de aporte con una temperatura de soldadura inferior a 1150 °C. Se puede obtener un efecto de soldadura satisfactorio para uniones de acero inoxidable soldadas con soldadura a base de manganeso, como se muestra en la Tabla 7. La temperatura de trabajo de la unión puede alcanzar los 600 °C.

Tabla 7 Resistencia al corte de la junta de acero inoxidable lcr18ni9fi soldada con metal de aporte a base de manganeso

Cuando el acero inoxidable se suelda con un metal de aporte a base de níquel, la unión presenta un buen rendimiento a altas temperaturas. Este metal de aporte se utiliza generalmente para soldadura fuerte con protección gaseosa o soldadura fuerte al vacío. Para superar el problema de la formación de compuestos más frágiles en la unión durante su formación, lo que reduce considerablemente la resistencia y la plasticidad de la misma, se debe minimizar la separación de la unión para asegurar que los elementos que tienden a formar fases frágiles en la soldadura se difundan completamente en el metal base. Para evitar el crecimiento de grano del metal base debido a un tiempo prolongado a la temperatura de soldadura, se pueden tomar medidas de proceso como un tiempo de mantenimiento corto y un tratamiento de difusión a una temperatura más baja (en comparación con la temperatura de soldadura) después de la soldadura.

Los metales de aporte de metales nobles utilizados para la soldadura fuerte de acero inoxidable incluyen principalmente metales de aporte a base de oro y metales de aporte que contienen paladio, entre los que destacan el b-au82ni, el b-ag54cupd y el b-au82ni, que poseen una buena humectabilidad. La unión soldada de acero inoxidable presenta una alta 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 bajo, por lo que tiende a sustituirlo.

(2) La superficie del acero inoxidable en atmósfera de fundente y horno contiene óxidos como Cr2O3 y TiO2, que solo pueden eliminarse utilizando un fundente de alta actividad. Cuando el acero inoxidable se suelda con soldadura de estaño-plomo, el fundente adecuado es una solución acuosa de ácido fosfórico o una solución de óxido de zinc-ácido clorhídrico. El tiempo de actividad de la solución acuosa de ácido fosfórico es corto, por lo que debe adoptarse el método de soldadura de calentamiento rápido. Los fundentes Fb102, Fb103 o Fb104 pueden utilizarse para soldar acero inoxidable con metales de aporte a base de plata. Cuando se suelda acero inoxidable con metal de aporte a base de cobre, se utiliza el fundente Fb105 debido a la alta temperatura de soldadura.

Al soldar acero inoxidable en un horno, se suele utilizar una atmósfera de vacío o una atmósfera protectora, como hidrógeno, argón o amoníaco descompuesto. Durante la soldadura al vacío, la presión de vacío debe ser inferior a 10⁻² Pa. Al soldar en atmósfera protectora, el punto de rocío del gas no debe superar los -40 °C. Si la pureza del gas es insuficiente o la temperatura de soldadura no es lo suficientemente alta, se puede añadir una pequeña cantidad de fundente para soldadura, como trifluoruro de boro, a la atmósfera.

2. Tecnología de soldadura fuerte

El acero inoxidable debe limpiarse con mayor rigor antes de soldarlo para eliminar cualquier resto de grasa o aceite. Es preferible soldar inmediatamente después de la limpieza.

La soldadura fuerte de acero inoxidable puede emplear métodos de calentamiento por llama, inducción y horno. El horno para la soldadura fuerte debe contar con un buen sistema de control de temperatura (la desviación de la temperatura de soldadura fuerte debe ser de ± 6 ℃) y poder enfriarse rápidamente. Cuando se utiliza hidrógeno como gas de protección para la soldadura fuerte, los requisitos para el hidrógeno dependen de la temperatura de soldadura fuerte y la composición del metal base, es decir, cuanto menor sea la temperatura de soldadura fuerte, mayor será el contenido de estabilizador en el metal base y menor será el punto de rocío del hidrógeno requerido. Por ejemplo, para aceros inoxidables martensíticos como 1Cr13 y cr17ni2t, cuando se suelda a 1000 ℃, el punto de rocío del hidrógeno debe ser inferior a -40 ℃; para acero inoxidable de cromo-níquel 18-8 sin estabilizador, el punto de rocío del hidrógeno debe ser inferior a 25 ℃ durante la soldadura fuerte a 1150 ℃; Sin embargo, para el acero inoxidable 1Cr18Ni9Ti que contiene estabilizador de titanio, el punto de rocío de hidrógeno debe ser inferior a -40 ℃ cuando se suelda a 1150 ℃. Cuando se suelda con protección de argón, se requiere una mayor pureza del argón. Si se deposita cobre o níquel en la superficie del acero inoxidable, se puede reducir el requisito de pureza del gas de protección. Para asegurar la eliminación de la película de óxido en la superficie del acero inoxidable, también se puede agregar fundente de gas BF3, y también se puede utilizar soldadura autofundente que contenga litio o boro. Cuando se suelda acero inoxidable al vacío, los requisitos de grado de vacío dependen de la temperatura de soldadura. Con el aumento de la temperatura de soldadura, se puede reducir el vacío requerido.

El proceso principal para el acero inoxidable después de la soldadura fuerte consiste en limpiar el fundente residual y el inhibidor de flujo residual, y realizar un tratamiento térmico posterior a la soldadura fuerte si es necesario. Dependiendo del fundente y del método de soldadura fuerte utilizado, el fundente residual se puede lavar con agua, limpiar mecánicamente o limpiar químicamente. Si se utiliza un abrasivo para limpiar el fundente residual o la película de óxido en el área calentada cerca de la junta, se debe utilizar arena u otras partículas finas no metálicas. Las piezas hechas de acero inoxidable martensítico y acero inoxidable endurecible por precipitación requieren un tratamiento térmico según los requisitos específicos del material después de la soldadura fuerte. Las juntas de acero inoxidable soldadas con metales de aporte NiCrB y NiCrSi a menudo se tratan con un tratamiento térmico de difusión después de la soldadura fuerte para reducir los requisitos de separación de soldadura y mejorar la microestructura y las propiedades de las juntas.