Dominando la Soldadura de Aleaciones de Níquel: Técnicas Completas y Mejores Prácticas

Las aleaciones de níquel se eligen por su excelente versatilidad, resistencia a la corrosión y rendimiento a altas temperaturas. No es de extrañar que sean populares en entornos extremos, especialmente en turbinas de aviones, turbinas de vapor, centrales nucleares e industrias petroquímica y química.

Dado su uso en entornos extremos, las zonas soldadas deben tener propiedades consistentes; es la única forma de que el producto soldado resista dichos entornos. Además, la soldadura debe ser de alta calidad y contener muy pocos defectos, ya que estos también afectarían el rendimiento en condiciones adversas.

¿Qué Son las Aleaciones de Níquel?

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

• Inconel 718: 19Cr 3Mo 0,9Ti 5,1Cb 0,5Al 18Fe balance Ni
• Hastelloy X: 22Cr 1,5Co 9Mo 0,6W 18,5Fe balance Ni

Soldadura de Níquel

La soldadura de níquel se realiza usando una de las muchas aleaciones disponibles. Puede usarse soldadura por arco: electrodo revestido (Stick), MIG y TIG. El electrodo revestido crea una soldadura más fuerte que el metal base. Para MIG de níquel, el gas de protección es una mezcla 50/50 helio-argón.

Todos los procesos convencionales son adecuados para soldar aleaciones de níquel. La principal diferencia está en la expansión térmica: las aleaciones de níquel tienen un coeficiente de expansión térmica menor que el acero inoxidable, y los métodos de control de distorsión son similares a los del acero al carbono.

Las aleaciones de níquel pueden unirse de forma fiable por todos los tipos de procesos de soldadura, excepto forja y oxiacetilénica. Las aleaciones forjadas pueden soldarse en condiciones similares a las del acero inoxidable austenítico. Las aleaciones fundidas, especialmente con alto contenido en silicio, presentan dificultades.

Los procesos más empleados para aleaciones forjadas no endurecibles por envejecimiento (reforzadas por solución sólida) son TIG (GTAW), MIG (GMAW) y electrodo revestido (SMAW). Arco sumergido (SAW) y electroescoria (ESW) tienen aplicabilidad limitada, al igual que arco de plasma (PAW). Aunque TIG es preferido para aleaciones endurecibles por precipitación (PH), también se usan MIG y electrodo revestido.

Las aleaciones de níquel suelen soldarse en condición de solución tratada. Las aleaciones PH deben recocerse antes de soldar si han sufrido operaciones que introducen tensiones residuales altas.

Problemas Comunes al Soldar Aleaciones de Níquel

El problema más común y grave es el agrietamiento en caliente. Ocurre en la línea de fusión, en la ZAC o en el metal de soldadura (zona de fusión), siendo la línea de fusión la más afectada.

Generalmente, el azufre en la aleación o en la superficie crea este agrietamiento, aunque bismuto, plomo, fósforo y boro también tienen efecto negativo. Para prevenirlo, es esencial que tanto la ZAC como el metal de soldadura estén completamente libres de aceite, grasa, suciedad y otros contaminantes. El exceso de azufre en el material de aporte o base también causa problemas.

Para preparar el material, se requiere desengrase seguido de cepillado a fondo con cepillo de acero inoxidable o mecánico. Use un disolvente diseñado para aleaciones de níquel y suelde dentro de las ocho horas posteriores a la limpieza para evitar contaminación posterior.

El tratamiento térmico solo debe realizarse con horno eléctrico o combustible libre de azufre, en vacío o atmósfera inerte.

Si el material ya ha sido usado o se está reparando, debe lijarse o mecanizarse para eliminar contaminantes atrapados en la superficie de la zona de reparación.

La porosidad también es un problema, especialmente cuando oxígeno o hidrógeno causan contaminación superficial por atrapamiento de aire en el baño de soldadura. Para contrarrestarlo, se requiere purga y protección de gas eficientes, en ambas caras de la soldadura, y todas las mangueras de gas deben estar en perfecto estado. El área de soldadura debe estar sellada contra corrientes de aire.

Preparación de la Unión para Aleaciones de Níquel

La preparación es esencial. Lo más importante es garantizar acceso suficiente para la antorcha y que se pueda lograr penetración completa si se requiere.

El mejor diseño de unión a tope es cuadrado, pero está limitado por el espesor debido a la imposibilidad de penetrar. Así, a menudo se usa preparación en U o V, con ángulo de 30° a 40° a 10 mm de espesor, para permitir penetración y pases de relleno posteriores.

Respecto a la preparación del gas, puede ser útil añadir hasta 10% de hidrógeno a la mezcla de gas inerte, ya que mejora la fluidez en el baño de soldadura.

No se requiere precalentamiento para soldar aleaciones de níquel, salvo para eliminar condensación. La soldadura suele requerir una temperatura máxima entre pases de 250°C, aunque ciertas aleaciones solo permiten 100°C.

Puede requerirse lijado post-soldadura para eliminar una capa de óxido adherente que puede formarse en la superficie del baño. A veces el cepillado no basta para eliminar este residuo.

Tratamiento Post-Soldadura

No se requiere tratamiento post-soldadura, ni térmico ni 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 especificaciones, como alivio de tensiones en una estructura fabricada para evitar endurecimiento por envejecimiento o agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) del cordón en vapor de ácido fluorhídrico o sosa cáustica. Si la soldadura induce tensiones residuales moderadas a altas, las aleaciones PH requerirían un recocido de alivio de tensiones tras la soldadura y antes del envejecimiento.

El níquel y sus aleaciones son susceptibles a fragilización por plomo, azufre, fósforo y otros elementos de bajo punto de fusión. Estos materiales pueden existir en grasa, aceite, pintura, marcadores, lubricantes, fluidos de corte, suciedad de taller y productos químicos de procesamiento.

Las piezas deben estar completamente libres de material extraño antes de calentar o soldar. Suciedad, aceite y grasa pueden eliminarse por desgrasado al vapor o frotando con acetona u otro disolvente no tóxico.

Pintura y otros materiales insolubles en disolventes desengrasantes pueden requerir cloruro de metileno, limpiadores alcalinos o compuestos patentados. Si se usan limpiadores alcalinos con carbonato sódico, estos deben eliminarse antes de soldar. Se recomienda pulverizar o frotar con agua caliente. La tinta de marcado suele eliminarse con alcohol.

Material de procesamiento incrustado en el metal puede eliminarse por lijado, chorro abrasivo y frotado con solución HCl al 10%, seguido de lavado a fondo con agua. Los óxidos también deben eliminarse de la zona de soldadura, principalmente por la diferencia de puntos de fusión entre óxido y metal base. Normalmente se eliminan por lijado, mecanizado, chorro abrasivo o decapado.

Las aleaciones de níquel, tanto fundidas como forjadas, ya sea reforzadas por solución sólida o endurecibles por precipitación, pueden soldarse por TIG (GTAW). Se recomienda generalmente la adición de material de aporte. Corriente directa electrodo negativo (DCEN) se recomienda para soldadura manual y mecanizada.

Gas de Protección

Se usa argón, helio o una mezcla de ambos como gas de protección para soldar níquel y sus aleaciones. Adiciones de oxígeno, dióxido de carbono o nitrógeno al argón suelen causar porosidad o erosión del electrodo. Argón con pequeñas cantidades de hidrógeno (típicamente 5%) puede usarse y puede ayudar a evitar porosidad en níquel puro, así como a reducir la formación de óxidos durante la soldadura.

Soldadura de Aleaciones de Níquel Fundidas

Las aleaciones de níquel fundidas pueden unirse por GTAW, GMAW y SMAW. Para resultados óptimos, la fundición debe recocerse en solución antes de soldar para aliviar tensiones de fundición y homogeneizar la estructura.

El martilleo ligero del metal solidificado tras el primer pase aliviará tensiones y reducirá grietas en la unión entre metal de soldadura y metal fundido. El martilleo de pases posteriores tiene poco o ningún beneficio. El alivio de tensiones post-soldadura también es deseable.