ES2401625B1 - Material de soldadura para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor para gases. - Google Patents

Material de soldadura para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor para gases. Download PDF

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Abstract

Material de soldadura para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor para gases.#Material de soldadura (8) para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor (1) para gases, estando dicho material de soldadura (8) fabricado de una aleación que comprende boro, y se caracteriza por el hecho de que comprende un porcentaje de niobio capaz de reaccionar con el nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable de los componentes a soldar, siendo susceptible de formar nitruros de niobio, y evitando así que el nitrógeno reaccione con el boro del material de soldadura (8).

Description

Material de soldadura para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor para gases
La presente invención se refiere a un material de soldadura para componentes de acero inoxidable.
El material de soldadura de la invención se aplica especialmente para la soldadura en horno de intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor (EGRC).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En algunos intercambiadores de calor para el enfriamiento de gases, por ejemplo los utilizados en sistemas de recirculación de los gases de escape hacia la admisión de un motor de explosión, los dos medios que intercambian calor están separados por una pared.
El intercambiador de calor propiamente dicho puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir en una carcasa en cuyo interior se disponen una serie de conductos paralelos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por la carcasa, exteriormente a los conductos; en otra realización, el intercambiador consta de una serie de placas paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas.
En el caso de intercambiadores de calor de haz de conductos, la unión entre los conductos y la carcasa puede ser de diferentes tipos. Generalmente, los conductos están fijados por sus extremos entre dos placas de soporte acopladas en cada extremo de la carcasa, presentando ambas placas de soporte una pluralidad de orificios para la colocación de los respectivos conductos. Dichas placas de soporte están fijadas a su vez a unos medios de conexión con la línea de recirculación.
Dichos medios de conexión pueden consistir en una conexión en V o bien en un reborde periférico de conexión o brida, dependiendo del diseño de la línea de recirculación donde está ensamblado el intercambiador. En algunos casos, la placa de soporte está integrada en una única pieza con los medios de conexión formando una única brida de conexión. Los medios de conexión también pueden consistir en un depósito de gas dispuesto en uno o ambos extremos de la carcasa.
En la actualidad, los intercambiadores de calor EGR son metálicos, generalmente fabricados de acero inoxidable austenítico, siendo en la mayoría de los casos AISI 304.
Tanto los intercambiadores de haz de conductos como los de placas apiladas, presentan todos sus componentes metálicos, de modo que están ensamblados mediante medios mecánicos y luego soldados en horno para asegurar un nivel de estanqueidad requerido para esta aplicación.
Para los intercambiadores EGR, un material de soldadura muy común para la soldadura en horno es la aleación Ni620, de acuerdo con la nueva norma ISO 17672 :2010, y conocida como BNi2 (por AWS) que contiene boro. Esta aleación es barata y es la más usada para soldar en horno intercambiadores de acero inoxidable, especialmente con soldadura en horno al vacío.
Cada vez más, se tiende a fabricar los componentes del intercambiador de calor en países donde el coste de fabricación es menor. Sin embargo, en ocasiones se producen problemas debido a que los componentes no siempre se sueldan en horno correctamente.
El problema que se ha detectado es que el material de soldadura Ni620 no moja la superficie del componente a soldar y no se extiende, por lo que no se produce una correcta soldadura en horno con el consiguiente riesgo de fugas.
La composición del material de soldadura Ni620 incluye: 6-8 % de cromo; 4-5 % de silicio; 2,75-3,5 % de boro; 2,5-3,5 % de hierro y el resto es níquel.
Para realizar las pruebas de análisis, se colocan algunas gotas de este material de soldadura sobre una parte del componente a soldar y luego se introduce en el horno para su soldadura como un intercambiador de calor estándar.
Cuando las gotas del material de soldadura se extienden sobre la superficie del componente a soldar entonces se produce una buena soldadura en horno, en caso contrario la soldadura es deficiente con los consiguientes problemas de fugas.
Considerando el caso de las juntas entre los tubos de gas y las placas de soporte, en la mayoría de tubos la soldadura en horno es suficientemente buena, pero si algunos tubos o incluso solo uno no se sueldan parcial o
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totalmente, el resultado final es una fuga.
Para analizar este problema, se han realizado pruebas con diferentes tipos de componentes y diferentes tecnologías de fabricación de los mismos, por ejemplo, tubos de gas con corrugaciones, conductos del fluido refrigerante y bridas fabricadas mediante fundición.
En algunos casos, se ha detectado que este problema está relacionado con el proceso de recocido de los componentes durante su fabricación. En estos casos, el fabricante de estos componentes utiliza hornos en continuo con una atmósfera de una mezcla de nitrógeno e hidrógeno procedente de un proceso de craqueo de amoniaco.
Si el proceso de craqueo no está bien controlado, una mínima cantidad de amoniaco puede producir un efecto de nitruración sobre la superficie del componente a soldar, depositándose nitrógeno que perturba la subsiguiente soldadura en horno.
En otros casos, donde no existe un proceso de recocido, por ejemplo en caso de bridas fabricadas mediante fundición, se ha sospechado que la causa del problema es la calidad de la materia prima. Sin embargo, el certificado de materiales es correcto, garantizando un tanto por ciento de nitrógeno por debajo del límite establecido.
De acuerdo con normativas internacionales, las aleaciones de acero inoxidable austenítico 1.4301 (AISI 304) pueden incluir hasta un 0,11% de nitrógeno, pero no es posible evitarlo completamente debido al proceso de refinado del acero.
Por ello, el nitrógeno reacciona con el boro contenido en el material de soldadura Ni620, con el consiguiente problema de la formación de nitruros de boro, afectando negativamente a la soldadura en horno. Además, el nitrógeno es difícil de analizar y usualmente no está indicado en el certificado del material, y dependiendo de la técnica de análisis, ya sea volumétrica, espectroscópica o similar, se obtienen diferentes resultados. En los tests realizados mediante microscopio SEM, se ha encontrado en los componentes analizados una presencia de nitrógeno superficial cerca de la gota de material de soldadura que no se ha extendido suficientemente. En ocasiones, con un microscopio SEM se ha encontrado nitrógeno local en el rango del 10% en algunos casos, reaccionando con el boro.
Es sabido que la presencia de niobio en el acero es beneficioso para la soldadura en horno cuando existe algo de nitrógeno en el acero.
Cuando el carbono y el nitrógeno están presentes, el niobio reacciona primero con el carbono para formar NbC, y después, el niobio reacciona con el nitrógeno para formar NbN.
Por tanto, la cantidad de niobio requerido deber estar de acuerdo con la siguiente relación:
%Nb %C %N
>+
93 1214
Esta relación está citada en la patente US4461811 que incluye además titanio y tantalio como elementos estabilizadores.
Para un acero inoxidable austenítico bajo en carbono con < 0,03% de carbono y un rango de 0,05% de nitrógeno, es necesario una cantidad de 0,56% mínimo de niobio.
Por otra parte, el material de soldadura Ni620 puede tener como impurezas hasta un 0,06% de carbono. Además, para el caso de un acero tipo AISI 304 con < 0,08% de carbono y el máximo de nitrógeno de 0,11%, sería necesario una cantidad de 1,81 % mínimo de niobio.
La solicitud de patente española nº 2351281 del mismo titular que la presente solicitud, describe un intercambiador de calor para gases fabricado de acero inoxidable, que comprende una brida de acero inoxidable ferrítico unida al núcleo del intercambiador mediante soldadura en horno utilizando un material de soldadura fabricado de una aleación que incluye boro. El acero inoxidable ferrítico de la brida además comprende un porcentaje de niobio capaz de reaccionar con el nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable ferrítico, formando nitruros de niobio, por lo que se evita que el nitrógeno reaccione con el boro del material de soldadura.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo del material de soldadura para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor para gases de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los materiales de soldadura conocidos en la técnica, proporcionando un material de soldadura con una adecuada mojabilidad y sin necesidad de modificar el material de acero inoxidable de los componentes a soldar.
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El material de soldadura para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor para gases, objeto de la presente invención, es del tipo que está fabricado de una aleación que comprende boro, y se caracteriza por el hecho de que comprende un porcentaje de niobio capaz de reaccionar con el nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable de los componentes a soldar, siendo susceptible de formar nitruros de niobio, y evitando así que el nitrógeno reaccione con el boro del material de soldadura.
Las ventajas de la utilización del nuevo material de soldadura de la invención se describen a continuación:
-
El proceso de soldadura en horno estándar y el horno pueden ser utilizados sin ningún tipo de modificaciones.
-
No es necesario ninguna consideración especial para definir las partes a soldar, ni los ajustes o tolerancias de fabricación de los intercambiadores conocidos.
-
La calidad de las juntas de soldadura mejora debido a una mayor mojabilidad de este nuevo material de soldadura.
Según una realización de la presente invención, la composición química del material de soldadura incluye por peso de entre 6 a 8 % de cromo, 4 a 5 % de silicio, 2,75 a 3,5 % de boro, 2,5 a 3,5 % de hierro, y 0,5 a 4 % de niobio.
En esta composición el porcentaje de aglutinante para preparar la pasta no se ha tenido en cuenta.
Preferentemente, el porcentaje en peso de niobio añadido es de un 2%.
Opcionalmente, el material de soldadura puede incluir cromo hasta el 20% en peso para mejorar la resistencia a la corrosión.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización del material de soldadura para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor para gases de la invención, en los cuales:
la figura 1 es una sección longitudinal esquemática de un intercambiador de calor convencional ensamblado y soldado en horno; y
la figura 2 es una vista parcial en perspectiva de un núcleo metálico soldado en horno con una brida de conexión.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
En las figuras 1 y 2 se ha representado un intercambiador de calor 1 EGR fabricado de un acero inoxidable que comprende un núcleo constituido por un haz de tubos 2 dispuestos en el interior de una carcasa 3, destinados a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido refrigerante, una brida de conexión 4 con la línea de recirculación, y conductos de conexión de entrada 5 y salida 6 del fluido refrigerante. En este caso, también incluye un depósito de gas 7 para el retorno de los gases.
Dichos componentes 2 a 7 del intercambiador 1 están ensamblados entre sí y soldados mediante soldadura en horno utilizando un material de soldadura 8 fabricado de una aleación que comprende boro.
El material de soldadura 8 utilizado es preferentemente Ni620, también conocido como BNi2, que es ampliamente utilizado para la unión mediante soldadura en horno de intercambiadores de calor EGR, ya que es adecuado para la mayoría de las especificaciones de los fabricantes de vehículos, siendo además barato y muy sencillo de utilizar.
De acuerdo con normativas internacionales, materiales tales como las aleaciones de acero inoxidable austenítico 1.4301 (AISI 304) pueden incluir hasta un 0,11% de nitrógeno, pero no es posible evitarlo completamente debido al proceso de refinado del acero. El problema encontrado en el estado de la técnica durante el proceso de soldadura en horno es que el nitrógeno reacciona con el boro contenido en el material de soldadura Ni620 dificultando la soldadura en horno de las partes a unir. Además, el nitrógeno es difícil de analizar y usualmente no está indicado en el certificado del material, y dependiendo de la técnica de análisis, ya sea volumétrica, espectroscópica o similar, se obtienen diferentes resultados. Con un microscopio SEM es posible encontrar nitrógeno local en el rango del 10% en algunos casos, reaccionando con el boro.
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Para solventar dicho problema, el material de soldadura 8 de la presente invención comprende un porcentaje de niobio capaz de reaccionar con el nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable, formando nitruros de niobio, y evitando así que el nitrógeno reaccione con el boro del material de soldadura 8.
Es sabido que la presencia de niobio en el acero es beneficioso para la soldadura en horno cuando existe algo de nitrógeno en el acero. Sin embargo, es más económico añadir niobio en el material de soldadura 8 que tener que cambiar todos los componentes 2 a 7 del intercambiador 1 fabricados de acero inoxidable, como por ejemplo acero inoxidable austenítico 1,4301, por un acero inoxidable que contenga niobio, tal como el acero inoxidable austenítico 1,4550 (AISI 347).
De acuerdo con una realización preferida de la invención, el material de soldadura en horno comprende la aleación estándar Ni620 con un añadido del 2% de niobio. En consecuencia, la soldadura en horno se mejora en comparación con la aleación estándar Ni 620.
La composición química del material de soldadura de la invención incluye por peso:
-
6 a 8 % de cromo
-
4 a 5 % de silicio
-
2,75 a 3,5 % de boro
-
2,5 a 3,5 % de hierro
-
0,5 a 4 % de niobio
En esta composición el porcentaje de aglutinante para preparar la pasta no se ha tenido en cuenta.
Opcionalmente, el material de soldadura puede contener cromo hasta el 20% para mejorar la resistencia a la corrosión.
A continuación se describen a modo de ejemplo algunos tests de mojabilidad realizados con diversos componentes del intercambiador a soldar utilizando un material de soldadura Ni620 con un 2% de niobio según la invención.
Según un primer ejemplo se ha realizado el test con tubos 2 de gas. En primer lugar, se colocan pequeñas gotas de material de soldadura estándar Ni620 sobre la superficie del tubo 2. Dichas gotas tienen un tamaño de 2 mm de diámetro aproximadamente. A continuación, el tubo 2 es colocado y soldado en el horno utilizando un ciclo estándar de soldadura en horno en producción.
Cuando el material de soldadura moja bien, se extiende sobre la superficie ampliamente. Sin embargo, si hay alguna contaminación con nitrógeno en el material base del componente, el material de soldadura no moja bien ya que se mantiene como una esfera en su sitio por lo que el proceso de soldadura no se produce.
Seguidamente, se colocan gotas adicionales de material de soldadura con niobio añadido según la invención. Después de un nuevo ciclo de soldadura en horno, se puede comprobar que el niobio contiene gotas de material fundidas y expandidas apropiadamente sobre la superficie del tubo 2 de gas. No obstante, el material de soldadura previo sin niobio no ha cambiado.
Según un segundo ejemplo se ha realizado el test con una brida de conexión 4 unida a la carcasa 3, ya que también se ha encontrado una mala soldadura en horno debido a los problemas de nitrógeno.
En este caso, la brida 4 se ha soldado con un material de soldadura estándar Ni620, y como resultado han aparecido algunas zonas donde el cordón de soldadura presentaba discontinuidades.
Por el contrario, cuando después se ha utilizado el material de soldadura Ni620 con niobio añadido según la invención, se ha comprobado que la soldadura es correcta con un cordón de soldadura 8 apropiado como puede apreciarse en la figura 2.
Cabe destacar que se han encontrado otros problemas en componentes con una mala mojabilidad, como por ejemplo, en la unión de los conductos de conexión 5,6 del fluido refrigerante con la carcasa 3, y que han sido reparados exitosamente usando el material de soldadura Ni 620 con un 2% de niobio añadido.
Por tanto, la composición del material de soldadura de la presente invención permite reducir problemas de calidad con dos posibles efectos. En primer lugar, se mejora la rentabilidad de la productividad actual y, en segundo lugar, se reduce el coste del intercambiador de calor, aumentando la competitividad empresarial.
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Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Material de soldadura (8) para componentes de acero inoxidable, en especial para la soldadura en horno de intercambiadores de calor (1) para gases, estando dicho material de soldadura (8) fabricado de una aleación que comprende boro, caracterizado por el hecho de que comprende un porcentaje de niobio capaz de
    5 reaccionar con el nitrógeno contenido en el propio acero inoxidable de los componentes a soldar, siendo susceptible de formar nitruros de niobio, y evitando así que el nitrógeno reaccione con el boro del material de soldadura (8).
  2. 2. Material de soldadura (8), según la reivindicación 1, en el que su composición química incluye por peso deentre 6 a 8 % de cromo, 4 a 5 % desilicio, 2,75a 3,5 % de boro, 2,5 a 3,5 % de hierro, y 0,5 a 4 % de niobio.
    10 3. Material de soldadura (8), según la reivindicación 1 o 2, en el que el porcentaje en peso de niobio añadido es de un 2%.
  3. 4. Material de soldadura (8), según la reivindicación 1 o 2, que incluye cromo hasta el 20% en peso para mejorar la resistencia a la corrosión.
    ES 2 401 625 A1
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201131606
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 05.10.2011
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    US 5759300 A (HASEGAWA et al.) 02.06.1998, 1
    resumen; columna 5, líneas 27-35,55-67; reivindicaciones 1,2 .
    X
    WO 2008021650 A2 (HUNTINGTON ALLOYS CORP et al.) 21.02.2008, 1
    párrafos [0006],[0014]; reivindicación 3.
    X
    US 2011100720 A1 (BRANAGAN et al.) 05.05.2011, 1
    resumen; párrafo [0026].
    A
    ES 2196720 T3 (MITSUBISHI HEAVY IND LTD et al.) 16.12.2003,
    tabla 1.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 15.03.2012
    Examinador V. Balmaseda Valencia Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201131606
    CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD
    B23K35/22 (2006.01) C22C38/12 (2006.01) C22C38/32 (2006.01) C22C38/34 (2006.01)
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)
    B23K, C22C
    Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados)
    INVENES, EPODOC, WPI
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201131606
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 15.03.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 2-4 1 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 2-4 1 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201131606
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 5759300 A (HASEGAWA et al.) 02.06.1998
    D02
    WO 2008021650 A2 (HUNTINGTON ALLOYS CORP et al.) 21.02.2008
    D03
    US 2011100720 A1 (BRANAGAN et al.) 05.05.2011
  4. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la presente invención es un material de soldadura para componentes de acero inoxidable fabricado de una aleación que comprende boro y un porcentaje de niobio.
    El documento D01 describe un material de soldadura que comprende un porcentaje en peso de boro comprendido entre 0.1%-5.0%, de niobio comprendido entre 0.02%-1%, de cromo comprendido entre 0.5%-30% y de silicio entre 6.0%-15.0%. El niobio precipita en la matriz en forma de carburo, nitruro o carbonitruro mejorando la resistencia de la soldadura a altas temperaturas ((resumen) columna 5, líneas 27-35 y 55-67; reivindicaciones 1,2).
    El documento D02 divulga una aleación para soldadura que comprende un porcentaje en peso de boro comprendido entre 0.01%-0.0005%, de niobio comprendido entre 2.1%-4%, de cromo comprendido entre 28.5%-31.0%, de silicio entre 0.05%0.3% y de hierro entre 7.0%-10.5% (párrafos [0006], [0014]; reivindicación 3).
    El documento D03 describe un material para soldadura que comprende un porcentaje en peso de hierro comprendido entre 67.3%-86%, de niobio entre 3.6%-5.9%, de cromo entre 6.4%-22.9%, de boro entre 2.5%-4.2% y de silicio entre 0.25%-0.5%
    (párrafos [0006], [0014]; reivindicación 3.)
    Así por tanto, las características técnicas recogidas en la reivindicación 1 son conocidas de los documentos D01-D03. En consecuencia, se considera que el objeto de dicha reivindicación carece de novedad y actividad inventiva (Articulos 6.1 y
  5. 8.1 de la L.P.)
    El objeto de las reivindicaciones 2-4 difiere de los documentos D01-D03 en que ninguno de los documentos citados divulga un material para soldadura con la composición recogida en dichas reivindicaciones de manera que se facilite el proceso de soldadura en horno estándar y de fabricación de intercambiadores de calor, así como la mojabilidad de dicha soldadura. Además, dicha composición no se consideraría obvia para un experto en la materia a partir de los documentos citados.
    En consecuencia, se considera que el objeto de las reivindicaciones 2-4 es nuevo e implica actividad inventiva (Artículos 6.1 y 8.1 de la L.P.)
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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