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.
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:
Q =
|
U · I · 60
|
v · 1000
|
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.
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.).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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