soldadura de aceros disímiles
La soldadura de acero P91 (acero martensítico resistente al calor) y acero inoxidable austenítico 316L es un caso clásico y extremadamente complejo en la soldadura de aceros disímiles. El principal desafío en la selección de los materiales de soldadura se puede resumir en una contradicción fundamental:soldadura de aceros disímiles
Cómo abordar simultáneamente las significativas diferencias en la composición química, las propiedades físicas y el comportamiento metalúrgico de los dos materiales base en una misma unión soldada, garantizando al mismo tiempo la seguridad de la unión a largo plazo bajo condiciones de alta temperatura y alta tensión.
一：Específicamente, esta contradicción fundamental da lugar a los siguientes tres desafíos clave, que también son problemas que deben resolverse al seleccionar los materiales de soldadura:
Desafío 1: Dilución química y migración de carbono
Este es el desafío metalúrgico más crítico.
❶ Dilución de la composición y formación de fases nocivas:
⑴ Problema: Durante la soldadura, los metales P91 y 316L se funden simultáneamente en la soldadura. El P91 es un acero martensítico con alto contenido de cromo (9%) y carbono, mientras que el 316L es un acero austenítico ultrabajo en carbono. Si se utilizan materiales de soldadura de acero inoxidable austenítico (como el E309L), la soldadura se diluirá con P91, y su composición química podría situarse en la región bifásica martensita + austenita. Esto dará lugar a la formación de una estructura martensítica dura y quebradiza en la soldadura, reduciendo drásticamente su tenacidad y aumentando el riesgo de fisuración en frío.
⑵ Migración de carbono: Durante el servicio posterior a alta temperatura o el tratamiento térmico posterior a la soldadura, los átomos de carbono se difundirán desde el lado del P91, que presenta una mayor actividad de carbono (pero un contenido de cromo relativamente menor), hacia el lado de la soldadura/316L, que presenta una menor actividad de carbono (pero un contenido de cromo muy alto). Esto da como resultado:
● Zona afectada por el calor en el lado P91: la formación de una banda de ferrita descarburizada y reblandecida, que reduce significativamente la resistencia mecánica y la resistencia a la fluencia.
● Límite entre la soldadura y el acero 316L: la formación de una zona de precipitación de carburos que aumenta la fragilidad y la predispone a convertirse en un punto de inicio de grietas.
desafío 2: Diferencias significativas en las propiedades físicas
❶ Desajuste en los coeficientes de dilatación térmica:
● Problema: El coeficiente de dilatación térmica del acero austenítico (316L) es aproximadamente un 30 %-40 % mayor que el del acero martensítico (P91).
● Consecuencias: Durante el calentamiento y enfriamiento de la soldadura, y en los ciclos posteriores de arranque y parada a alta temperatura, la diferente dilatación y contracción de los materiales base en ambos lados genera una tensión térmica significativa en la soldadura y sus alrededores. Esta tensión térmica alterna es la causa principal de las grietas por fatiga térmica, lo que amenaza seriamente la vida útil de la unión.
❷ Diferencias en la conductividad térmica:
● Problema: El acero P91 tiene una conductividad térmica menor que el 316L.
● Consecuencias: Esto provoca una distribución desigual del calor durante la soldadura, lo que agrava el estado de tensión de la unión y dificulta el control de los parámetros de soldadura.
Desafío 3: El dilema del tratamiento térmico posterior a la soldadura
❶ Requisitos del P91 frente a los riesgos del 316L:
● Requisitos del P91: El acero P91 debe someterse a un revenido a alta temperatura (aproximadamente 760 °C) después de la soldadura. El objetivo es transformar la martensita gruesa en su zona afectada por el calor en martensita revenida, restaurando la tenacidad y reduciendo la dureza para prevenir el agrietamiento en frío.
● Riesgos del 316L: Si el acero inoxidable austenítico se mantiene en este rango de temperatura durante un período prolongado, se favorecerá la precipitación de carburo de cromo en los límites de grano, lo que provocará sensibilización y una alta susceptibilidad a la corrosión intergranular en ambientes corrosivos. Simultáneamente, pueden precipitarse fases σ frágiles, reduciendo la tenacidad y la resistencia a la corrosión.
二: soldadura de aceros disímiles：Estrategias y soluciones para la selección de consumibles de soldadura
Ante estos desafíos, el principio para la selección de consumibles de soldadura es “evitar las zonas prohibidas y actuar como amortiguador”. La solución estándar actual en la industria es:
Solución preferida: Utilizar consumibles de soldadura de aleación a base de níquel (como la aleación ERNiCr-3/625).
Esta es la solución más común y fiable para soldar uniones disímiles de P91 y 316L. Las razones son las siguientes:
❶ Solución de problemas metalúrgicos:
● Alto contenido de níquel: El níquel es miscible con el hierro, pero no forma carburos con el carbono. El uso de materiales de soldadura a base de níquel bloquea eficazmente la migración del carbono, evitando la descarburación y el ablandamiento en el lado del P91, así como el endurecimiento por carburación en la zona de soldadura.
● Microestructura estable: El metal de soldadura presenta una estructura totalmente austenítica, pero gracias a su alto contenido de níquel, posee una excelente tenacidad y resistencia al agrietamiento, evitando el riesgo de formación de martensita dura y quebradiza que se produce al utilizar materiales de soldadura de acero inoxidable.
❷ Mitigación de la disparidad de propiedades físicas:
● El coeficiente de dilatación térmica de las aleaciones a base de níquel se sitúa entre el del P91 y el del 316L, proporcionando una buena transición y un efecto amortiguador, lo que reduce significativamente la tensión térmica causada por las diferencias en la dilatación térmica y, por consiguiente, mejora la resistencia de la unión a la fatiga térmica.
❸ Resolución de contradicciones en el tratamiento térmico:
● Las aleaciones a base de níquel no requieren el tratamiento térmico posterior a la soldadura necesario para el acero P91. En la práctica, solo se puede aplicar un tratamiento térmico localizado al lado del P91, controlando estrictamente la temperatura y el tiempo de mantenimiento, lo que minimiza el impacto en el lado del acero 316L y en la soldadura a base de níquel. Esto garantiza la tenacidad del lado del P91 y minimiza el riesgo de sensibilización del acero 316L.
三：Tercera opción: Opción secundaria (bajo condiciones específicas): Uso de consumibles de soldadura de acero inoxidable austenítico con alto contenido de níquel (como el E309L).
Esta opción también se puede utilizar en condiciones de operación menos exigentes, pero deben tenerse en cuenta sus limitaciones:
● Riesgos: Como se mencionó anteriormente, existe riesgo de migración de carbono y formación de fases frágiles. El rendimiento a largo plazo (especialmente la resistencia a la fluencia) y la fiabilidad de la unión a altas temperaturas no son tan buenos como los de los consumibles de soldadura a base de níquel.
● Aplicaciones: Se utiliza generalmente en piezas no críticas o en aplicaciones donde las condiciones de servicio (como temperatura y presión) no son tan extremas.
四. soldadura de aceros disímiles：Conclusión
El principal desafío en la soldadura de aceros disímiles, P91 y 316L, radica en diseñar o seleccionar un metal de soldadura con una composición química y propiedades físicas que pueda actuar como una “zona de amortiguación y aislamiento”, abordando simultáneamente cuatro desafíos principales: la migración de carbono, la formación de fases nocivas, la intensa tensión térmica y los requisitos contradictorios del tratamiento térmico posterior a la soldadura.
Actualmente, el uso de materiales de soldadura de aleaciones a base de níquel es la mejor solución a este desafío sistémico, ya que aborda integralmente estos problemas desde las perspectivas metalúrgica y física, garantizando la integridad y la vida útil de las uniones de aceros disímiles en condiciones de operación extremas.