Cómo soldar aleaciones de níquel:una guía completa

Las aleaciones de níquel generalmente se seleccionan debido a su excelente versatilidad, resistencia a la corrosión y rendimiento a altas temperaturas. No es sorprendente que esto haga que las aleaciones de níquel sean una opción popular para su uso en entornos extremos, particularmente en turbinas de aviones, turbinas de vapor, plantas de energía nuclear y las industrias petroquímica y química.

Dado su uso en ambientes extremos, las zonas de soldadura de las aleaciones de níquel deben tener propiedades consistentes, esta es la única forma en que el producto soldado terminado resistirá el ambiente extremo. Además, es importante que la soldadura sea de alta calidad y contenga muy pocos defectos, ya que estos también podrían afectar el rendimiento en entornos hostiles.

¿Qué son las aleaciones de níquel?

Las aleaciones de níquel se definen generalmente como aleaciones que contienen níquel, un elemento versátil, como elemento principal. Históricamente, las aleaciones de níquel se definían como aquellas con más del 50 % de níquel. Sin embargo, las aleaciones de níquel utilizadas en la actualidad generalmente tienen un contenido de níquel superior al 50%. Por ejemplo:

• Inconel 718:19Cr 3Mo .9Ti 5.1Cb .5Al 18Fe equilibrio Ni
• Hastelloy X:22Cr 1.5Co 9Mo .6W 18.5Fe equilibrio Ni

Soldadura de níquel

La soldadura de níquel se realiza utilizando una de las muchas aleaciones de níquel disponibles. La soldadura por arco se puede utilizar, incluidos los procesos Stick, MIG y TIG. El uso de soldadura con varilla, en particular, creará una soldadura más fuerte que el metal base. Para la soldadura MIG de níquel, el gas de protección es una mezcla 50/50 de helio y argón.

Todos los procesos de soldadura convencionales son adecuados para la soldadura de aleaciones de níquel. La principal diferencia está en la expansión térmica. Las aleaciones de níquel tienen un coeficiente de expansión térmica más bajo que el acero inoxidable, y los métodos de control de la distorsión son similares a los que emplearía para el acero al carbono.

Las aleaciones de níquel se pueden unir de manera confiable mediante todo tipo de procesos o métodos de soldadura, con la excepción de la soldadura por forja y la soldadura oxiacetilénica. Las aleaciones de níquel forjado se pueden soldar en condiciones similares a las que se utilizan para soldar acero inoxidable austenítico. Las aleaciones de níquel fundido, en particular las que tienen un alto contenido en silicio, presentan dificultades en la soldadura.

Los procesos más utilizados para soldar aleaciones de níquel forjado que no resisten el paso del tiempo (reforzadas con solución sólida) son la soldadura por arco de gas y tungsteno (GTAW), la soldadura por arco de gas y metal (GMAW) y la soldadura por arco de metal blindado (SMAW). ). La soldadura por arco sumergido (SAW) y la soldadura por electroescoria (ESW) tienen una aplicabilidad limitada, al igual que la soldadura por arco de plasma (PAW). Aunque se prefiere el proceso GTAW para soldar las aleaciones endurecibles por precipitación, también se utilizan los procesos GMAW y SMAW.

Las aleaciones de níquel generalmente se sueldan en condiciones tratadas con solución. Las aleaciones resistentes a la precipitación (PH) deben recocerse antes de soldarse si se han sometido a alguna operación que introduzca tensiones residuales elevadas.

Problemas comunes al soldar aleaciones de níquel

El problema más común y grave que ocurre cuando se sueldan aleaciones de níquel es el agrietamiento en caliente. Esto ocurre en la línea de fusión, en la ZAT o en el metal de soldadura (zona de fusión), aunque la línea de fusión es el área más comúnmente afectada.

Por lo general, el azufre en la aleación o en la superficie crea este agrietamiento, aunque el bismuto, el plomo, el fósforo y el boro también pueden tener un efecto negativo. Para evitar esto, es esencial que tanto la ZAT como el metal de soldadura estén completamente libres de aceite, grasa, suciedad y otros contaminantes. El exceso de azufre en el relleno de soldadura o en los materiales base también puede causar problemas.

Para preparar el material, es necesario desengrasar, seguido de un minucioso cepillado de acero inoxidable o de alambre a máquina. Asegúrese de usar un solvente diseñado para aleaciones de níquel y que la soldadura se realice dentro de las ocho horas posteriores a la limpieza para evitar la contaminación posterior.

El tratamiento térmico sólo debe realizarse con horno eléctrico o con combustible sin azufre, en vacío o ambiente inerte.

Si el material ya se usó o se está reparando, debe rectificarse o mecanizarse para eliminar cualquier contaminante que pueda haber quedado atrapado en la superficie del área de reparación de la soldadura.

La porosidad también es un problema, particularmente cuando el oxígeno o el hidrógeno provocan la contaminación de la superficie en forma de atrapamiento de aire en el baño de soldadura. Para contrarrestar esto, se requiere una purga de gas y un blindaje eficientes en los lados de la cara y la raíz de la soldadura, y todas las mangueras de gas deben estar en perfectas condiciones. El área de soldadura también necesita ser sellada de corrientes de aire.

Preparación de soldadura para aleaciones de níquel

La preparación de la soldadura es esencial cuando se sueldan aleaciones de níquel. El aspecto más importante del diseño es garantizar que haya suficiente acceso para el soplete de soldadura y que se pueda lograr una penetración total si es necesario.

El mejor diseño de junta a tope es un tope cuadrado, pero esto está limitado por el grosor debido a la incapacidad de penetrar la junta. Por lo tanto, a menudo se usa una preparación en U o V, con un ángulo de 30° a 40° en 10 mm de espesor, para permitir la penetración y las pasadas de relleno posteriores.

En cuanto a la preparación del gas, puede ser útil agregar hasta un 10 % de hidrógeno a la mezcla de gas inerte, ya que esto mejora la fluidez en el baño de soldadura.

No se requiere precalentamiento para la soldadura de aleaciones de níquel a menos que exista un requisito para eliminar la condensación. La soldadura de níquel generalmente requiere una temperatura máxima entre pases de 250 ̊C, aunque ciertas aleaciones solo deben usar un máximo de 100 ̊C.

Es posible que se requiera un poco de esmerilado posterior a la soldadura para eliminar una capa de óxido adherente que se puede formar en la superficie del baño de soldadura. A veces, el cepillado con alambre no será suficiente para eliminar este residuo posterior a la soldadura.

Tratamiento posterior a la soldadura

No se requiere ningún tratamiento posterior a la soldadura, ya sea térmico o químico, para mantener o restaurar la resistencia a la corrosión, aunque en algunos casos un recocido de solución completa mejorará la resistencia a la corrosión.

El tratamiento térmico puede ser necesario para cumplir con los requisitos de especificación, como el alivio de tensión de una estructura fabricada para evitar el endurecimiento por envejecimiento o el agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) de la soldadura en vapor de ácido fluorhídrico o sosa cáustica. Si la soldadura induce tensiones residuales de moderadas a altas, entonces las aleaciones de PH requerirán un recocido de alivio de tensión después de la soldadura y antes del envejecimiento.

El níquel y las aleaciones de níquel son susceptibles a la fragilización por plomo, azufre, fósforo y otros elementos de bajo punto de fusión. Estos materiales pueden existir en la grasa, el aceite, la pintura, los crayones o tintas para marcar, los lubricantes de formación, los fluidos de corte, la suciedad del taller y los productos químicos de procesamiento.

Las piezas de trabajo deben estar completamente libres de materiales extraños antes de calentarlas o soldarlas. La suciedad, el aceite y la grasa del taller pueden eliminarse mediante desengrasado con vapor o frotando con acetona u otro solvente no tóxico.

La pintura y otros materiales que no son solubles en solventes desengrasantes pueden requerir el uso de cloruro de metileno, limpiadores alcalinos o compuestos patentados especiales. Si se utilizan limpiadores alcalinos que contienen carbonato de sodio, entonces los limpiadores deben eliminarse antes de soldar. Se recomienda rociar o fregar con agua caliente. La tinta para marcar generalmente se puede quitar con alcohol.

El material de procesamiento que se ha incrustado en el metal de trabajo se puede eliminar mediante esmerilado, limpieza con chorro abrasivo y frotado con una solución de HCl al 10 %, seguido de un lavado completo con agua. Los óxidos también deben eliminarse del área involucrada en la operación de soldadura, principalmente debido a la diferencia entre los puntos de fusión del óxido y del metal base. Los óxidos normalmente se eliminan mediante esmerilado, mecanizado, limpieza con chorro abrasivo o decapado.

Las aleaciones de níquel, tanto fundidas como forjadas y endurecidas por solución sólida o endurecibles por precipitación, se pueden soldar mediante el proceso GTAW. Generalmente se recomienda la adición de relleno. Se recomienda electrodo negativo de corriente continua (DCEN) para soldadura manual y mecánica.

Gas de protección

Se utiliza argón o helio, o una mezcla de ambos, como gas de protección para soldar níquel y aleaciones de níquel. Las adiciones de oxígeno, dióxido de carbono o nitrógeno al gas argón generalmente causarán porosidad o erosión del electrodo. Se puede usar argón con pequeñas cantidades de hidrógeno (típicamente 5 %) y puede ayudar a evitar la porosidad en el níquel puro, además de ayudar a reducir la formación de óxido durante la soldadura.

Soldadura de aleaciones de níquel fundido

Las aleaciones de níquel fundido se pueden unir mediante los procesos GTAW, GMAW y SMAW. Para obtener resultados óptimos, la fundición debe recocerse en solución antes de soldar para aliviar algunas de las tensiones de la fundición y proporcionar cierta homogeneización de la estructura fundida.

El granallado ligero del metal solidificado después de la primera pasada aliviará las tensiones y, por lo tanto, reducirá el agrietamiento en la unión del metal de soldadura y el metal fundido. El granallado de las pasadas subsiguientes tiene poco o ningún beneficio. También es deseable aliviar el estrés después de la soldadura.