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Consideraciones para Trabajar Acero InoxidableParte II: SoldaduraMetal 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 an-terior edición de Metal Actual, en el que se describen al-gunas pautas y recomendaciones útiles para seleccionar, maquinar y conformar acero inoxidable; en esta oportu-nidad 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 suel-da 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

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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 te-ner especial cuidado para que, ni la estructura, ni la composición del cordón de soldadura y de la zona afectada por el calor, cambien sus-tancialmente, 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 me-nor intensidad de corriente.

Para obtener óptimos resultados es necesario tener en cuenta estas di-ferencias, elegir cuidadosamente los parámetros, los métodos de solda-dora, metales de aporte y consumi-bles 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 clasi-ficaciones se refieren principalmente a la microestructura de dichos mate-riales. La estructura austenítica tiene alta resistencia a la tensión, al impac-to y al mismo tiempo es dúctil, la mar-tensítica es dura y frágil, en cambio la ferrítica es blanda y dúctil. También están los aceros inoxidables endure-cibles 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 presen-tan una microestructura austenítica, lo que les hace extremadamente dúc-tiles y tenaces, incluso después de la

soldadura, por ello no requieren de ningún otro tipo de tratamiento pos-terior 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 am-bientes muy agresivos es conveniente recocer la estructura soldada.

En este tipo de aceros la conductivi-dad térmica es menor, –del 40 al 50 por ciento, a la de los aceros al car-bono– consecuentemente los aceros inoxidables disipan el calor más len-tamente 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 conducti-vidad aumenta el peligro de perfo-rar la lámina.

El mayor inconveniente que presen-ta la soldadura de los AI austeníticos

es la precipitación de carburos como consecuencia de las altas tempera-turas que pueden producirse en las zonas cercanas al cordón, por lo que el material se fragiliza y queda sensi-bilizado a la corrosión intergranular.

Para evitar esta precipitación hay que soldar las piezas sin precalen-tamiento y con el menor aporte de calor posible. Otra posibilidad es emplear aceros austeníticos con por-centaje de carbono menor a 0.03 por ciento o aceros inoxidables austení-ticos estabilizados con titanio, nio-bio o tantalio.

Los AI al cromo-níquel, de las series 200-300, tienen un coeficiente de di-latación1 de 50 a 60 por ciento ma-yor que el de los aceros al carbono; en este sentido, requieren una ma-yor consideración en el control de las dilataciones.

Tabla 1. Tipos de aceros inoxidables y características de soldaduraAceros al cromo níquel – no templables

AISI ESTRUCTURA PROPIEDADES DE LA SOLDADURA201 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces.202 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces.301 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces.302 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces303 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 tenaces321 Austenítica Muy buenas. Soldaduras tenaces347 Austenítica Buenas. Soldaduras Tenaces.

Aceros al cromo – no templables405 Ferrítica Buenas. Soldaduras razonablemente resistentes409 Ferrítica Buenas.430 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles

430Ti Ferrítica Buenas.434 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles436 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles442 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles446 Ferrítica Regulares. Soldaduras no dúctiles

Aceros al cromo - Templables410 Martensítica Regulares. Precalentar a 200-260 °C. Recocido posterior a 675 °C.414 Martensítica Regulares. Precalentar a 200-260 °C. Recocido posterior a 675 °C.416 Martensítica Deficientes. Precalentar a 200-260 °C. Recocido posterior a 675 °C.420 Martensítica Regulares. Precalentar a 200-260 °C. Recocido posterior a 675 °C.431 Martensítica Regulares. Precalentar a 200-260 °C. Recocido posterior a 675 °C.

Fuente: Técnica y práctica de la soldadura. Joseph W. Giachino, William R. Weeks

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• 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 gru-po, los ferríticos, son magnéticos y no son templables. El otro, los mar-tensíticos, también son magnéticos, pero no se pueden endurecer me-diante 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 endu-recimiento posterior a la soldadura.

En investigación realizada en la Uni-versidad Tecnológica de Pereira, los ingenieros mecánicos Ricaurte Ospi-na López y Héctor Aguirre Corrales, profesores auxiliares, explican que: en la soldadura de los aceros inoxi-dables martensíticos tienden a en-durecerse y fragilizarse, se pueden producir tensiones y por consiguien-te grietas, si no se adoptan las pre-cauciones convenientes.

En este sentido, siempre que sea posible, hay emplear como metal de aporte aleaciones austeníticas (como la AISI 309 y 310) para absor-ber las tensiones en las zonas cer-canas 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 sumamen-te inconveniente para la soldadura, por ello si las piezas a soldar son de dimensiones considerables, se reco-mienda postcalentar las piezas entre 700 y 800 ºC, seguido de un enfria-miento 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 consecuen-cia, las medidas a tomar para el con-trol de las deformaciones, son prác-ticamente las mismas que los aceros

ordinarios. La conductividad térmica de los martensíticos es, aproximada-mente, 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, depen-diendo del contenido de cromo en la aleación, varía de la mitad a la ter-cera parte de la del acero al bajo car-bono; por lo tanto, el alabeo en la soldadura es correspondientemente menor, aunque no está de más to-mar precauciones para evitarlo.

Los efectos desfavorables del calor pueden reducirse considerablemen-te mediante el empleo de placas de refrigeración; estas placas, general-mente de cobre, ayudan a la evacua-ción del calor; en lo posible, convie-ne colocar las piezas a soldar sobre soportes o montajes rígidos, espe-cialmente para soldar inoxidables de las series 200-300, así después de la soldadura se dejan enfriar sobre estos dispositivos y se elimina la de-formación y el alabeo de las piezas.

ProcesosLos aceros inoxidables se pueden soldar con la mayoría de los procesos

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.

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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.

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tradicionales, principalmente con los de arco eléctrico, que pueden clasificarse como procesos con electrodos consumibles: SMAW, GMAW, FCAW y SAW; y los de elec-trodo 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 acaba-dos deficientes.

Actualmente, la soldadura por arco con protección gaseo-sa es una de las más empleadas para el soldeo de todo tipo de aceros inoxidables, gracias a la gran facilidad de aplica-ción 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 óxi-dos 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 sol-dadura, lo cual representa un defecto difícil de detectar posteriormente y es una de las principales causas de co-rrosión. Este fenómeno es una diferencia básica con la soldadura del acero común; ya que, con el acero al car-bono, los óxidos de hierro funden a casi la misma tempe-ratura que el metal de base.

Así mismo, el soldador debe percatarse de la penetra-ción 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 co-rrosión por rendijas. Evitar tales rendijas es responsabili-dad del ingeniero de diseño; sin embargo, es útil que los fabricantes del producto traten de eliminarlas siempre que sea posible.

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PROCESOS

Electrodos Los electrodos (metales de aporte) se seleccionan princi-palmente con base en el metal a soldar y luego de acuer-do 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 electro-dos de aleaciones especiales. (Ver tabla 2).

El electrodo 308-16 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.

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Materiales de aporte sugeridos para la soldadura del acero inoxidable

Metal de baseElectrodo

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) (3) (3)

Aleación 254 SMO(2) (S31254)

(3) (3)

AL-6XN(2) (N08367) (3) (3)

1925hMo(2) (3) (3)

25-6 Mo(2) (3) (3)

20 MO-6(2) (N08026) (3) (3)

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) (3) (3)

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 construc-ción 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 abajoFuente: Acerid S.C.

Como regla general, el metal de aporte para una solda-dura 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; en-tonces, cuando hay que soldar un acero al carbón aleado o no aleado con un acero inoxidable, se debe seleccio-nar siempre un metal de aporte cuyo depósito es acero inoxidable.

Según describe la técnica y práctica de la soldadura, es-crita por Joseph W: para el soldeo de aceros inoxidables estabilizados con columbio –niobio– (tipo 347), o con ti-tanio (tipo 321), deben emplearse electrodos con cierto contenido en columbio. Los inoxidables al cromo suelen soldarse normalmente con electrodos de acero al cromo-níquel, 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-308-16: 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 caracterís-ticas de uso: el 1 significa soldadura en todas las posicio-nes (sobre cabeza, plana, vertical y horizontal), y el 6 re-presenta 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 con-tinua con polaridad inversa; si fuese un 5 sería un elec-trodo básico para corriente continua y polaridad inversa.


Los electrodos de acero inoxidable se suministran nor-malmente en paquetes sellados ideales para un largo almacenamiento; después que el paquete se abre, los electrodos se deben guardar en gabinetes con calefac-ción 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 infor-mación, las temperaturas más comunes que se usan son: almacenamiento de electrodos de cajas abiertas: 110 ºC y tratamiento de reacondicionamiento: 260 ºC.

Corriente de SoldaduraEl ‘Manual de Técnica y Práctica de la Soldadura’ tam-bién indica que para soldar aceros inoxidables pueden emplearse tanto la corriente continua como la alterna, cuándo se sueldan espesores finos con corriente con-tinua, la polaridad inversa permite conseguir una pe-netración más profunda y una fusión más consistente; puesto que, tal como se mencionó antes, estos materia-les tienen una resistencia eléctrica más grande y un pun-to 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.

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.

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Una intensidad de corriente exce-siva 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.

ConsumiblesPara 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

al rápido deterioro de los electrodos de tungsteno. Así mismo, las adicio-nes 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 gene-ra 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 calorí-fico y una penetración más profun-da, lo cual puede ser una ventaja en

algunas operaciones de soldadura automática.

Así pues, en general es muy impor-tante guardar cuidadosamente estas recomendaciones para obtener re-sultados excelentes, no hay que olvi-dar 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 Aus-tria, la estimación del incremento a nivel global del consumo de ace-ro 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 Asocia-ción Mundial del Acero (ISSI), las ac-tividades mundiales de fundición de acero inoxidable en 2010 establecie-ron un nuevo récord, al cerrar el ejer-cicio 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 dis-minución en la producción, debido a la crisis económica mundial.

Citas

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 tem-peratura que lleva consigo una dilatación térmica.

Fuentes

• Ing. Bernardo Ruíz Isaacs. Director Comercial y Técnico. Inoxtec, firma de la CGA. [email protected]

• Soldabilidad en aceros inoxidables y aceros disimiles. Ricaurte Ospina López / Héctor Aguirre Corrales / Hernando Parra L. Publica-do en Scientia Et Technica, mayo, año 2007/vol. XIII, número 034. Universidad Tecnológi-ca de Pereira - Colombia pp. 273-278.

• Stainless Steel World Annual Procurement Report 2010. www.stainless-steel-world.net

• Instituto Mexicano del Acero Inoxidable. www.iminox.org.mx.

• www.inoxidable.com

Consumible de acero inoxidable, alambre de soldadura MIG DW 316 1.2mm (15.0Kg) tubular.

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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.

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