Aquest article de Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. explica què cal tenir en compte a l'hora d'especificar metalls d'aportació per a la soldadura d'acer inoxidable.
Les capacitats que fan que l'acer inoxidable sigui tan atractiu (la capacitat d'adaptar les seves propietats mecàniques i la resistència a la corrosió i l'oxidació) també augmenten la complexitat de seleccionar un metall d'aportació adequat per a la soldadura. Per a qualsevol combinació de material base, qualsevol dels diversos tipus d'elèctrodes pot ser apropiat, depenent de qüestions de cost, condicions de servei, propietats mecàniques desitjades i una sèrie de qüestions relacionades amb la soldadura.
Aquest article proporciona els coneixements tècnics necessaris per tal que el lector pugui comprendre la complexitat del tema i, a continuació, respon a algunes de les preguntes més freqüents que es fan als proveïdors de metall d'aportació. Estableix directrius generals per seleccionar els metalls d'aportació d'acer inoxidable adequats i, a continuació, explica totes les excepcions a aquestes directrius. L'article no tracta els procediments de soldadura, ja que és un tema per a un altre article.
Quatre graus, nombrosos elements d'aliatge
Hi ha quatre categories principals d'acers inoxidables:
austenític
martensític
ferrític
Dúplex
Els noms deriven de l'estructura cristal·lina de l'acer que es troba normalment a temperatura ambient. Quan l'acer baix en carboni s'escalfa per sobre dels 912 °C, els àtoms de l'acer es reorganitzen des de l'estructura anomenada ferrita a temperatura ambient fins a l'estructura cristal·lina anomenada austenita. En refredar-se, els àtoms tornen a la seva estructura original, la ferrita. L'estructura d'alta temperatura, l'austenita, no és magnètica, és plàstica i té una resistència menor i una ductilitat més gran que la forma de ferrita a temperatura ambient.
Quan s'afegeix més del 16% de crom a l'acer, l'estructura cristal·lina a temperatura ambient, la ferrita, s'estabilitza i l'acer roman en estat ferrític a totes les temperatures. D'aquí el nom d'acer inoxidable ferrític a aquesta base d'aliatge. Quan s'afegeix més del 17% de crom i del 7% de níquel a l'acer, l'estructura cristal·lina d'alta temperatura de l'acer, l'austenita, s'estabilitza de manera que persisteix a totes les temperatures, des de la més baixa fins a gairebé la fusió.
L'acer inoxidable austenític es coneix comunament com a tipus "crom-níquel", i els acers martensítics i ferrítics s'anomenen comunament tipus "crom recte". Alguns elements d'aliatge utilitzats en acers inoxidables i metalls soldats es comporten com a estabilitzadors d'austenita i altres com a estabilitzadors de ferrita. Els estabilitzadors d'austenita més importants són el níquel, el carboni, el manganès i el nitrogen. Els estabilitzadors de ferrita són el crom, el silici, el molibdè i el niobi. L'equilibri dels elements d'aliatge controla la quantitat de ferrita en el metall soldat.
Els graus austenítics es solden més fàcilment i satisfactòriament que els que contenen menys del 5% de níquel. Les unions soldades produïdes en acers inoxidables austenítics són fortes, dúctils i tenaces en el seu estat un cop soldades. Normalment no requereixen preescalfament ni tractament tèrmic posterior a la soldadura. Els graus austenítics representen aproximadament el 80% de l'acer inoxidable soldat, i aquest article introductori se centra principalment en ells.
Taula 1: Tipus d'acer inoxidable i el seu contingut de crom i níquel.
tstart{c,80%}
thead{Tipus|% Crom|% Níquel|Tipus}
tdata{Austenític|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensític|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferrític|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Dúplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
tendir
Com triar el metall d'aportació inoxidable correcte
Si el material base de les dues plaques és el mateix, el principi rector original solia ser: "Comenceu per fer coincidir el material base". Això funciona bé en alguns casos; per unir el tipus 310 o 316, trieu el tipus de farciment corresponent.
Per unir materials diferents, seguiu aquest principi rector: "trieu un farciment que coincideixi amb el material més aliat". Per unir 304 a 316, trieu un farciment 316.
Malauradament, la "regla de la coincidència" té tantes excepcions que un principi millor és consultar una taula de selecció de metall d'aportació. Per exemple, el tipus 304 és el material base d'acer inoxidable més comú, però ningú ofereix un elèctrode tipus 304.
Com soldar acer inoxidable tipus 304 sense un elèctrode tipus 304
Per soldar acer inoxidable tipus 304, utilitzeu material de farciment tipus 308, ja que els elements d'aliatge addicionals del tipus 308 estabilitzaran millor la zona de soldadura.
Tanmateix, el 308L també és un farciment acceptable. La designació 'L' després de qualsevol tipus indica un baix contingut de carboni. Un acer inoxidable tipus 3XXL té un contingut de carboni del 0,03% o menys, mentre que l'acer inoxidable tipus 3XX estàndard pot tenir un contingut màxim de carboni del 0,08%.
Com que un farciment de tipus L entra dins de la mateixa classificació que el producte que no és de tipus L, els fabricants poden, i haurien de considerar seriosament, l'ús d'un farciment de tipus L, ja que un contingut de carboni més baix redueix el risc de problemes de corrosió intergranular. De fet, els autors sostenen que el farciment de tipus L s'utilitzaria més àmpliament si els fabricants simplement actualitzessin els seus procediments.
Els fabricants que utilitzen el procés GMAW també poden considerar l'ús d'un farciment tipus 3XXSi, ja que l'addició de silici millora la humitat. En situacions on la soldadura té una corona alta o rugosa, o on el bassal de soldadura no s'uneix bé als peus d'una junta de filete o de solapament, l'ús d'un elèctrode GMAW tipus Si pot suavitzar el cordó de soldadura i promoure una millor fusió.
Si la precipitació de carbur és un problema, considereu un farciment tipus 347, que conté una petita quantitat de niobi.
Com soldar acer inoxidable a acer al carboni
Aquesta situació es produeix en aplicacions on una part d'una estructura requereix una cara exterior resistent a la corrosió unida a un element estructural d'acer al carboni per reduir el cost. Quan s'uneix un material base sense elements d'aliatge a un material base amb elements d'aliatge, s'utilitza un farciment sobrealiat perquè la dilució dins del metall de soldadura s'equilibri o sigui més aliada que el metall base inoxidable.
Per unir acer al carboni amb el tipus 304 o 316, així com per unir acers inoxidables diferents, considereu un elèctrode tipus 309L per a la majoria d'aplicacions. Si es desitja un contingut de Cr més alt, considereu el tipus 312.
Com a nota de precaució, els acers inoxidables austenítics presenten una taxa d'expansió aproximadament un 50% superior a la de l'acer al carboni. Quan s'uneixen, les diferents taxes d'expansió poden causar esquerdes a causa de tensions internes, tret que s'utilitzi l'elèctrode i el procediment de soldadura adequats.
Utilitzeu els procediments correctes de neteja de la preparació de la soldadura
Igual que amb altres metalls, primer cal eliminar l'oli, el greix, les marques i la brutícia amb un dissolvent no clorat. Després d'això, la regla principal de la preparació de la soldadura d'acer inoxidable és "Evitar la contaminació de l'acer al carboni per prevenir la corrosió". Algunes empreses utilitzen edificis separats per al seu "taller d'acer inoxidable" i "taller de carboni" per evitar la contaminació creuada.
Designeu les moles i els raspalls d'acer inoxidable com a "només d'acer inoxidable" quan prepareu les vores per a la soldadura. Alguns procediments requereixen netejar-les a cinc centímetres de la junta. La preparació de la junta també és més crítica, ja que compensar les inconsistències amb la manipulació d'elèctrodes és més difícil que amb l'acer al carboni.
Utilitzeu el procediment correcte de neteja posterior a la soldadura per evitar l'oxidació
Per començar, recordeu què fa que un acer inoxidable sigui inoxidable: la reacció del crom amb l'oxigen per formar una capa protectora d'òxid de crom a la superfície del material. L'acer inoxidable s'oxida a causa de la precipitació de carbur (vegeu més avall) i perquè el procés de soldadura escalfa el metall de soldadura fins al punt que es pot formar òxid ferrític a la superfície de la soldadura. Si es deixa en l'estat tal com s'ha soldat, una soldadura perfectament sòlida podria mostrar "petges d'òxid en forma de vagó" als límits de la zona afectada per la calor en menys de 24 hores.
Perquè una nova capa d'òxid de crom pur es pugui reformar correctament, l'acer inoxidable requereix una neteja posterior a la soldadura mitjançant polit, decapatge, esmolat o raspallat. De nou, utilitzeu esmoladores i raspalls dedicats a la tasca.
Per què el filferro de soldadura d'acer inoxidable és magnètic?
L'acer inoxidable totalment austenític no és magnètic. Tanmateix, les temperatures de soldadura creen un gra relativament gran a la microestructura, cosa que fa que la soldadura sigui sensible a les esquerdes. Per mitigar la sensibilitat a les esquerdes en calent, els fabricants d'elèctrodes afegeixen elements d'aliatge, inclosa la ferrita. La fase de ferrita fa que els grans austenítics siguin molt més fins, de manera que la soldadura esdevé més resistent a les esquerdes.
Un imant no s'enganxarà a un rodet de farciment d'acer inoxidable austenític, però una persona que sosté un imant pot sentir una lleugera estirada a causa de la ferrita retinguda. Malauradament, això fa que alguns usuaris pensin que el seu producte ha estat mal etiquetat o que estan utilitzant el metall de farciment incorrecte (sobretot si han arrencat l'etiqueta de la cistella de filferro).
La quantitat correcta de ferrita en un elèctrode depèn de la temperatura de servei de l'aplicació. Per exemple, massa ferrita fa que la soldadura perdi la seva tenacitat a baixes temperatures. Per tant, el farciment tipus 308 per a una aplicació de canonades de GNL té un nombre de ferrita entre 3 i 6, en comparació amb un nombre de ferrita de 8 per al farciment tipus 308 estàndard. En resum, els metalls de farciment poden semblar similars al principi, però les petites diferències de composició són importants.
Hi ha alguna manera fàcil de soldar acers inoxidables dúplex?
Normalment, els acers inoxidables dúplex tenen una microestructura que consisteix en aproximadament un 50% de ferrita i un 50% d'austenita. En termes senzills, la ferrita proporciona una alta resistència i una certa resistència a la corrosió sota tensió, mentre que l'austenita proporciona una bona tenacitat. La combinació de les dues fases dóna als acers dúplex les seves propietats atractives. Hi ha disponible una àmplia gamma d'acers inoxidables dúplex, sent el més comú el tipus 2205; aquest conté un 22% de crom, un 5% de níquel, un 3% de molibdè i un 0,15% de nitrogen.
Quan es solda acer inoxidable dúplex, poden sorgir problemes si el metall de soldadura té massa ferrita (la calor de l'arc fa que els àtoms s'organitzin en una matriu de ferrita). Per compensar, els metalls d'aportació han de promoure l'estructura austenítica amb un contingut d'aliatge més alt, normalment d'un 2 a un 4% més de níquel que en el metall base. Per exemple, el filferro amb nucli de flux per soldar el tipus 2205 pot tenir un 8,85% de níquel.
El contingut de ferrita desitjat pot variar del 25 al 55% després de la soldadura (però pot ser més alt). Cal tenir en compte que la velocitat de refredament ha de ser prou lenta per permetre que l'austenita es reformi, però no tan lenta com per crear fases intermetàl·liques, ni massa ràpida com per crear un excés de ferrita a la zona afectada per la calor. Seguiu els procediments recomanats pel fabricant per al procés de soldadura i el metall d'aportació seleccionat.
Ajust de paràmetres en la soldadura d'acer inoxidable
Per als fabricants que ajusten constantment els paràmetres (voltatge, amperatge, longitud d'arc, inductància, amplada d'impuls, etc.) quan solden acer inoxidable, el culpable típic és la composició inconsistent del metall d'aportació. Donada la importància dels elements d'aliatge, les variacions de lot a lot en la composició química poden tenir un efecte notable en el rendiment de la soldadura, com ara una mala mullada o una dificultat per alliberar l'escòria. Les variacions en el diàmetre de l'elèctrode, la neteja de la superfície, la fosa i l'hèlix també afecten el rendiment en aplicacions GMAW i FCAW.
Control de la precipitació de carburs en acer inoxidable austenític
A temperatures d'entre 426 i 871 °C, un contingut de carboni superior al 0,02% migra cap als límits de gra de l'estructura austenítica, on reacciona amb el crom per formar carbur de crom. Si el crom està lligat al carboni, no està disponible per a la resistència a la corrosió. Quan s'exposa a un ambient corrosiu, es produeix corrosió intergranular, que permet que els límits de gra es corroeixin.
Per controlar la precipitació de carbur, manteniu el contingut de carboni tan baix com sigui possible (0,04% màxim) soldant amb elèctrodes baixos en carboni. El carboni també es pot lligar amb niobi (abans columbi) i titani, que tenen una afinitat pel carboni més forta que el crom. Els elèctrodes tipus 347 es fabriquen per a aquest propòsit.
Com preparar-se per a una discussió sobre la selecció de metall d'aportació
Com a mínim, recopileu informació sobre l'ús final de la peça soldada, incloent-hi l'entorn de servei (especialment les temperatures de funcionament, l'exposició a elements corrosius i el grau de resistència a la corrosió esperat) i la vida útil desitjada. La informació sobre les propietats mecàniques requerides en les condicions de funcionament ajuda molt, incloent-hi la resistència, la tenacitat, la ductilitat i la fatiga.
La majoria dels principals fabricants d'elèctrodes proporcionen guies per a la selecció de metall d'aportació, i els autors no poden exagerar aquest punt: consulteu una guia d'aplicacions de metall d'aportació o poseu-vos en contacte amb els experts tècnics del fabricant. Són allà per ajudar a seleccionar l'elèctrode d'acer inoxidable correcte.
Per obtenir més informació sobre els metalls d'aportació d'acer inoxidable de TYUE i per contactar amb els experts de l'empresa per obtenir assessorament, visiteu www.tyuelec.com.
Data de publicació: 23 de desembre de 2022