ES2617438T3 - Junta soldada a tope y método para fabricarla - Google Patents

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Tadashi Ishikawa
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Abstract

Una junta soldada a tope, que consiste en: un par de chapas de acero (1), un primer metal de aportación (2) que se forma en una porción soldable del par de chapas de acero (1), desde la cara de una primera superficie (1A) del par de chapas de acero (1) a la cara de una segunda superficie (1B) opuesta a la cara de la primera superficie (1A) por irradiación de un primer haz de alta densidad de energía desde la cara de la primera superficie (1A), y un segundo metal de aportación (3A) que se forma por irradiación de un segundo haz de alta densidad de energía para cubrir una superficie del extremo de la cara de la primera superficie (1A) del primer metal de aportación (2), y opcionalmente un tercer metal de aportación (3B) que se forma por un tercer haz de alta densidad de energía para cubrir una superficie del extremo de la cara de la segunda superficie (1B) del primer metal de aportación (2), en el que el ancho W1 del primer metal de aportación (2) sobre la primera superficie (1A) y el ancho W2 del segundo metal de aportación (3A) sobre la primera superficie (1A) satisfacen la siguiente ecuación <1> y la profundidad (D1) desde la primera superficie (1A) del segundo metal de aportación (3A) es 2,0 a 10,0 mm. en el que el ancho W3 del primer metal de aportación (2) en el centro del espesor de la chapa de acero (1) es 15% o menos del espesor de la chapa de acero (1), en el que el espesor de la chapa de acero (1) es 30 a 200 mm, y en el que, cuando está presente el tercer metal de aportación, el ancho W4 del primer metal de aportación (2) sobre la segunda superficie (1B) y el ancho W5 del tercer metal de aportación (3B) sobre la segunda superficie (1B) de la chapa de acero (1) satisfacen la siguiente ecuación <2>, y la profundidad (D2) desde la segunda superficie (1B) del tercer metal de aportación (3B) es 2,0 a 10,0 mm.

Description

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DESCRIPCION
Junta soldada a tope y metodo para fabricarla
La presente invencion se refiere a una junta soldada a tope y a un metodo para fabricarla.
En anos recientes, para reducir gas CO2, que es una causa del calentamiento global, o para hacer frente a un futuro agotamiento de combustibles fosiles, como el petroleo, se han buscado activamente metodos de usar enemas naturales renovables. La energfa eolica es una de estas energfas y se ha extendido globalmente a gran escala.
Actualmente, las zonas mas convenientes para la energfa eolica son zonas donde se pueda esperar que soplen constantemente vientos fuertes. En particular, se ha planificado y realizado energfa eolica en el mar (energfa eolica en mar abierto) para satisfacer a gran escala las condiciones antes descritas (veanse los documentos JP2008- 111406A, JP2007-092406A, JP2007-322400A y JP2006-037397A).
Para construir en el mar una torre generadora de energfa eolica, es necesario clavar una porcion de la cimentacion de la torre en la base del fondo del mar. Para asegurar una altura suficiente, desde el nivel del mar, de los alabes de la turbina para la energfa eolica, es necesario que la porcion de la cimentacion de la torre tenga una altura suficiente. Por lo tanto, se requiere que el espesor de la chapa de acero usada en la porcion de la cimentacion de la torre para la energfa eolica tenga un espesor correspondiente a una longitud de la porcion de la cimentacion para asegurar resistencia y tenacidad. Por ejemplo, en una cimentacion del tipo de camisa se usa chapa de acero que tiene un espesor igual o mayor que 30 mm. En una cimentacion del tipo monolftico se usa una chapa de acero que tiene un espesor igual o mayor que 50 mm (por ejemplo, aproximadamente 100 mm). Ademas, la porcion de la cimentacion tiene una estructura tubular que tiene una seccion grande con un diametro de aproximadamente 4 m y la longitud total de la torre alcanza incluso 80 m o mas.
Sin embargo, es extremadamente diffcil soldar y ensamblar de una manera sencilla y muy eficiente dicha estructura grande en la costa cerca de su sitio de construccion. Ademas, es necesario soldar in situ de una manera muy eficiente una chapa de acero extremadamente gruesa cuyo espesor maximo puede ser de hasta 100 mm, cosa que no existe en la tecnica relacionada.
En general, metodos de soldar eficaces son metodos de soldar por haces de alta densidad de energfa, como soldar por haces de electrones, por rayos laser, etc. Sin embargo, no es sencillo disponer de las condiciones para soldar por haces de alta densidad de energfa y, particularmente, para soldar por haces de electrones es necesario realizar la soldadura manteniendo un estado de alto vado en una camara de vado por lo que, en la tecnica relacionada, el tamano de la chapa de acero que pueda ser soldada es limitado.
Por el contrario, en anos recientes, The Welding Institute del Reino Unido ha desarrollado y propuesto un metodo de soldar por el que se puede soldar eficientemente in situ una chapa de acero que tiene un espesor de aproximadamente 100 mm, metodo denominado RPEBW (reduced pressure electron beam welding) (soldadura por haces de electrones a presion reducida) (vease el documento WO 99/16101A).
Una torre generadora de energfa eolica en el mar esta expuesta constantemente a fuertes vientos y olas. Por esta razon, la estructura de la porcion de la cimentacion de la torre soporta continua y repetidamente cargas debido a los fuertes vientos, olas o vibracion originados por rotacion de los alabes de la turbina.
En dicho entorno, una porcion soldable de la porcion de la cimentacion de la torre requiere propiedades resistentes a la fatiga en una vibracion en el intervalo de gigaciclos que tiene un orden diferente al de un ciclo tfpico de fatiga. En particular, la concentracion de la tension se incrementa en la porcion del borde de un cordon de soldadura (metal de aportacion) y, por lo tanto, se reduce la resistencia a la fatiga frente a cargas repetidas en una junta de soldadura.
Para atenuar la concentracion de la tension en dicha porcion del borde, en la tecnica relacionada se ha propuesto una tecnologfa que atenua la concentracion de la tension incrementando el radio de curvatura p y el angulo de contacto 0 en una plancha de acero 21 y en una porcion del borde de un cordon de soldadura 22, como se muestra en las figuras 3A y 3B.
Ademas, la figura 3A es una vista en seccion transversal esquematica que muestra un ejemplo de cordon de soldadura de una junta soldada a topo de acuerdo con la tecnica relacionada. Ademas, la figura 3B es una vista en seccion transversal esquematica ampliada que muestra las proximidades de una porcion del borde T del cordon de soldadura mostrado en la figura 3A.
Por ejemplo, en el documento JP H04-361876A se ha propuesto incrementar el radio de curvatura p ajustando el componente de flujo y el componente de gas de la atmosfera inerte.
Ademas, en el documento JP 2004-181530A se ha propuesto reducir la concentracion de la tension en la porcion del borde del cordon de soldadura reduciendo a 0,2 o menos la relacion del ancho del cordon de soldadura al espesor de la chapa de acero.
Como se ha descrito antes, el grado de la concentracion de la tension se incrementa en la porcion del borde del
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cordon de soldadura. Como resultado, existe el problema de que se reduce la resistencia a la fatiga de la junta soldada a tope frente a la carga repetida debida a vibracion en el intervalo de gigaciclos originada por energfa eolica, ene^a de las olas, rotacion de los alabes de la turbina, etc.
Sin embargo, para hacer frente a la concentracion de la tension en la porcion del borde, en la tecnica relacionada existen los siguientes problemas.
El metodo descrito en el documento JP H04-361876A que se realiza mediante soldadura por arco electrico en atmosfera de gas inerte no es aplicable a este problema en el que la soldadura se realiza mediante soldadura del cordon de soldadura por un haz de alta densidad de energfa, sin usar una atmosfera de gas inerte.
Ademas, en el documento JP2004-181530A solo se especifica la forma del cordon de soldadura. Sin embargo, no se describe ningun metodo espedfico para formar el ancho antes descrito del cordon de soldadura ni condiciones del soldeo, etc. En consecuencia, la utilizacion industrial es extremadamente diffcil debido a su pobre reproducibilidad.
Ademas, no se puede aplicar el metodo descrito en el documento JP2004-181530A para mejorar las propiedades de resistencia a la fatiga en una vibracion en el intervalo de gigaciclos porque no hay mas que una mencion de que se mejora la resistencia a la fatiga correspondiente a dos millones de veces en la junta soldada.
El documento JP2001-212678A describe un metodo de soldar por haces de electrones para un acero revenido de resistencia a la traccion extremadamente alta, en el que los objetos a soldar se ponen en contacto entre sf para que una lmea soldada puede estar dispuesta en direccion hacia arriba y hacia abajo y un canon electronico generador de un haz de electrones se desplaza desde una porcion superior hasta una porcion inferior para soldar desde un extremo superior a un extremo inferior de la lmea de soldadura.
La junta soldada a tope comprende un par de chapas de acero; un primer metal de aportacion que se forma en una porcion soldable del par de chapas de acero, desde la cara de una primera superficie del par de chapas de acero hasta la cara de una segunda superficie opuesta a la cara de la primera superficie por irradiacion de un primer haz de alta densidad de energfa desde la cara de la primera superficie; y un segundo metal de aportacion que se forma por irradiacion de un segundo haz de alta densidad de energfa para cubrir una superficie del extremo de la cara de la primera superficie del primer metal de aportacion.
Un objeto de la invencion es proporcionar, de una manera reproducible sencilla y excelente, una junta soldada a tope que tenga propiedades de fatiga que puedan soportar vibracion en el intervalo de gigaciclos y que tenga suficiente tenacidad a la fractura atenuando la concentracion de la tension en la porcion del borde del cordon de soldadura cuando la soldadura se realiza por haces de alta densidad de energfa, como soldadura por haces de electrones, etc. en un par de chapas de acero sin causar estos problemas.
Para resolver el problema antes mencionado, el objetivo de la presente invencion es atenuar la concentracion de la tension en la porcion del borde del cordon de soldadura para mejorar asf propiedades de fatiga fundiendo de nuevo el cordon de soldadura para formar un cordon de soldadura fundido de nuevo en una porcion de soldadura en el soldeo por haces de alta densidad de energfa, como soldeo por haces de electrones, etc.
El objeto antes mencionado se puede conseguir por las caractensticas definidas en las reivindicaciones independientes 1 y 4.
De acuerdo con la invencion, cuando se somete un par de chapas de acero de alta resistencia a soldadura por haces de alta densidad de energfa para obtener una estructura soldada, se forma un segundo metal de aportacion que tiene una porcion del borde mas lisa que la del primer metal de aportacion por fusion nueva del primer metal de aportacion y, por lo tanto, se atenua la concentracion de la tension en la porcion del borde. Como resultado, se puede conseguir una junta soldada a tope que tiene propiedades de resistencia a la fatiga en un entorno de vibracion del intervalo de gigaciclos y excelente tenacidad a la fractura.
La invencion se describe con mas detalle conjuntamente con los dibujos, en los que:
la figura 1A es una vista en seccion transversal esquematica que muestra una junta soldada a tope de acuerdo con una realizacion de la invencion,
la figura 1B es una vista en seccion transversal esquematica que muestra una junta soldada a topo de acuerdo con una realizacion de la invencion,
la figura 2 es una vista en seccion transversal esquematica que describe un metodo de estimar el ancho W1 de un primer metal de aportacion 2 de una junta soldada a tope de acuerdo con una realizacion de la invencion,
la figura 3A es una vista en seccion transversal esquematica que muestra un ejemplo de un cordon de soldadura de una junta soldada a tope de acuerdo con la tecnica relacionada, y
la figura 3B es una vista en seccion transversal esquematica ampliada que muestra las proximidades de una porcion del borde T del cordon de soldadura mostrado en la figura 3A.
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En la invencion, en un cordon de soldadura que se forma soldando (soldando por un haz de alta densidad de ene^a) un par de chapas de acero de alta resistencia irradiando con un haz de alta densidad de energfa, como un haz de electrones, un haz laser, etc., el cordon de soldadura (primer metal de aportacion) se vuelve a fundir para formar un cordon fundido de nuevo (segundo metal de aportacion) y, por lo tanto, se atenua la concentracion de la tension en la porcion del borde del primer metal de aportacion, por lo que se mejoran las propiedades de resistencia a la fatiga en un entorno de vibracion del intervalo de gigaciclos.
A continuacion se describira una junta soldada a tope de acuerdo con una realizacion de la invencion con referencia a los dibujos adjuntos.
La figura 1A es una vista en seccion transversal esquematica que muestra, en direccion perpendicular a la direccion longitudinal del primer metal de aportacion, el primer metal de aportacion de la junta soldada a tope de acuerdo con una realizacion de la invencion. Como se muestra en la figura 1A, una junta soldada a tope de acuerdo con una realizacion de la invencion incluye un primer metal de aportacion (2) que se forma, en una porcion soldable del par de chapas de acero (1), por irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa desde la cara de la primera superficie del par de chapas de acero (1), y un segundo metal de aportacion (3A) que se forma por el segundo haz de alta densidad de energfa para cubrir toda la superficie del extremo de la cara de la primera superficie (1A) del primer metal de aportacion (2). Ademas, el primer metal de aportacion (2) se forma desde la cara de la primera superficie (1A) hasta la cara de la segunda superficie (1B) opuesta a la primera superficie (1A).
Ademas, el ancho W1 del primer metal de aportacion (2) sobre la primera superficie (1A) y el ancho W2 del segundo metal de aportacion (3A) sobre la primera superficie (1A) satisfacen la siguiente ecuacion (1) y la profundidad D1 desde la primera superficie (1A) del segundo metal de soldadura (3A) es 2,0 a 10,0 mm.
1,2 < W2/W1 < 3,5 (1)
Actualmente, W1 es un ancho estimado (el metodo de estimacion de W1 se describira mas adelante) del primer metal de aportacion (2) sobre la cara de la primera superficie (1A) que es una cara de irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa antes descrito. Ademas, W2 es el ancho sobre la primera superficie (1A) del segundo metal de aportacion (3A) formado por irradiacion del segundo haz de alta densidad de energfa.
Como se muestra en la figura 1A, una seccion de la cara de irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa del primer metal de aportacion (2) esta cubierta por el segundo metal de aportacion (3A). Ademas, una forma de la porcion del borde del segundo metal de aportacion (3A) se forma lisamente en comparacion con un cordon de soldadura de acuerdo con la tecnica relacionada mostrado en la figura 3A. Debido a esto, se atenua la concentracion de la tension en la porcion del borde.
Ademas, de acuerdo con la presente realizacion, se requiere que el ancho W2 del segundo metal de aportacion (3A) satisfaga la ecuacion 1,2 < W2/W1 < 3,5 con respecto al ancho W1 del primer metal de aportacion.
Cuando la relacion W2/W1 del ancho del segundo metal de aportacion (3A) al ancho W1 del primer metal de aportacion es demasiado pequena, se reduce el efecto de atenuar la concentracion de la tension y, por lo tanto, W2/W1 debe ser 1,2 o mayor. Ademas, W2/W1 puede ser 1,2 o mayor, o 1,8 o mayor, cuando sea necesario.
Mientras tanto, cuando se incrementa el ancho W2 del segundo metal de aportacion (3A), se pueden ignorar los efectos adversos de tension residual a la traccion en direccion perpendicular a una lmea de soldadura que se forma en la porcion del borde del segundo metal de aportacion (3A) sobre la primera superficie (1A). Ademas, cuando se incrementa significativamente W2/W1 para originar un incremento en la region de partmulas gruesas, se puede reducir la tenacidad de la junta. Por esta razon, W2/W1 es 3,5 o menos. Ademas, W2/W1 puede ser 3,2 o menos, o 2,8 o menos, cuando sea necesario.
Actualmente, la forma de la seccion de la cara de la primera superficie (1A) del primer metal de aportacion (2) que se forma por irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa no puede ser confirmada despues de que se haya formado el segundo metal de aportacion (3A). Sin embargo, el ancho W1 del primer metal de aportacion (2) sobre la cara de la primera superficie (1A) puede ser estimado por el siguiente metodo.
La figura 2 es una vista en seccion transversal esquematica que describe la relacion posicional entre el primer metal de aportacion (2) y el segundo metal de aportacion (3A) de acuerdo con la presente realizacion. La figura 2 es una vista en seccion transversal esquematica en direccion perpendicular a la direccion longitudinal del primer metal de aportacion (2).
Desde una lmea del borde del primer metal de aportacion (2) y del segundo metal de aportacion (3A) sobre la seccion, se supone que ambos puntos extremos en la direccion transversal del primer metal de aportacion (2) son C1 y C2.
Despues, en una lmea del borde L1 de un material base (chapa de acero 1) y el primer metal de aportacion (2) sobre la misma seccion, se supone que una posicion con aproximadamente la misma profundidad que la porcion mas profunda del segundo metal de aportacion (3A) es S1. Ademas, en una lmea del borde L2 del otro material base y
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del primer metal de aportacion (2), se define S2 de la misma manera.
Despues, se supone que las lmeas rectas obtenidas combinando S1 y S2 con C1 y C2, respectivamente, son L1 y L2, respectivamente. Se supone que los puntos de interseccion entre L1' y L2' y la primera superficie (1A) son t1 y t2. La distancia t entre t1 y t2 es aproximadamente el ancho W1 del primer metal de aportacion antes de formar el segundo metal de aportacion (3A) con suficiente precision. Por esta razon, la distancia t puede ser considerada como W1.
En la presente realizacion, se requiere que la profundidad Di desde la primera superficie 1A de la chapa de acero 1 en el segundo metal de aportacion sea 1,0 a 10,0 mm. Cuando la profundidad Di del segundo metal de aportacion (3A) es demasiado pequena, se puede ver poco cambio en la forma de la porcion del borde del primer metal de aportacion y se puede reducir el efecto de atenuar la concentracion de la tension y, por lo tanto, se admite que la profundidad D1 sea 2,0 mm o mayor. Cuando sea necesario, se puede admitir que la profundidad D1 sea 3,0 mm o mayor, o 4,0 mm o mayor.
Mientras tanto, cuando la profundidad D1 del segundo metal de aportacion (3A) sea demasiado grande, se incrementa la tension residual de la traccion aplicada en las proximidades del segundo metal de aportacion (3A) en el interior de la chapa de acero y asf se pueden reducir las propiedades de resistencia a la fatiga. Ademas, se puede deteriorar la fragilidad en la porcion soldable y en sus proximidades y, por lo tanto, se admite que la profundidad D1 sea 10,0 mm o menos. Cuando sea necesario, se admite que la profundidad D1 sea 9,0 mm o menos, 8,0 mm o menos o 7,0 mm o menos.
Ademas, en la presente realizacion, la profundidad D1 es la distancia desde la primera superficie 1A de la cara de irradiacion del segundo haz de alta densidad de energfa hasta la porcion mas profunda del segundo metal de aportacion (3A).
Ademas, como se muestra en la figura 1B, en la junta soldada a tope de acuerdo con una realizacion de la invencion, se puede formar un tercer metal de aportacion (3B) para cubrir una seccion de la cara de una segunda superficie 1B opuesta a la primera superficie 1A, dentro de la seccion del primer metal de aportacion (2). En este caso, es preferible que el ancho W4 del primer metal de aportacion (2) sobre la segunda superficie 1B y el ancho W5 del tercer metal de aportacion sobre la segunda superficie 1B satisfagan la siguiente ecuacion (2)
1,2 < W5/W4 < 3,5 (2)
Ademas, el tercer metal de aportacion (3B) se puede formar por un tercer haz de alta densidad de energfa.
Ademas, no se puede confirmar directamente la forma de la seccion de la cara de la segunda superficie 1B del primer metal de aportacion (2) que se forma por irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa despues de haberse formado el tercer metal de aportacion (3B). Sin embargo, el ancho W4 del primer metal de aportacion (2) sobre la cara de la segunda superficie 1B se puede estimar por el mismo metodo que el metodo de estimacion del ancho W1 del primer metal de aportacion (2).
De esta manera, al preparar el segundo metal de aportacion (3A) y el tercer metal de aportacion (3B), se pueden mejorar las propiedades de resistencia a la fatiga en las superficies anterior y posterior de la chapa de acero 1.
Ademas, como primer haz de alta densidad de energfa, segundo haz de alta densidad de energfa y tercer haz de alta densidad de energfa se puede usar un haz de electrones, un haz laser, etc.
Ademas, para soldar por un haz de alta densidad de energfa, en el caso de usar, por ejemplo, un haz de electrones, se puede irradiar una chapa de acero que tiene un espesor de 50 mm bajo las siguientes condiciones: voltaje de aceleracion 150 V, corriente del haz 180 mA y velocidad de soldeo 100 a 300 mm/min.
Ademas, cuando se realiza la soldadura por un haz de alta densidad de energfa, la junta soldada a tope se puede fabricar de tal manera que se puede insertar y soldar una hoja metalica con un espesor de aproximadamente 0,1 mm sobre una superficie soldable del par de chapas de acero 1. Como hoja metalica se puede usar una hoja de Ni o similar. De esta manera, insertando la hoja metalica en el tiempo de soldar por el haz de alta densidad de energfa, se puede evitar deterioro de la tenacidad de la porcion soldable.
Ademas, el haz de alta densidad de energfa antes descrito puede ser irradiado bajo condiciones tales como una cantidad de calor aportado de aproximadamente 1/10 de la cantidad de calor aportado en la soldadura por el primer haz de alta densidad de energfa, por ejemplo, un voltaje de aceleracion de 90 V, una corriente del haz de 60 mA y una velocidad de soldeo mayor que 500 mm/min. Esto es porque el efecto de atenuar la concentracion de la tension en la porcion del borde se reduce cuando la cantidad de calor aportado en el tiempo de fundir de nuevo el primer metal de aportacion es demasiado pequena y se deteriora la tenacidad en la porcion soldable cuando la cantidad de calor aportado es demasiado grande.
Ademas, es preferible usar una funcion de oscilacion de alta velocidad cuando se realiza la irradiacion del segundo haz de alta densidad de energfa. Esto es porque las dos porciones del borde del primer metal de aportacion funden
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simultaneamente, esto es, porque se posibilita que las dos porciones del borde fundan de nuevo a una velocidad sustancialmente alta en comparacion con un proceso de nueva fusion (aplanado TIG) de la porcion del borde del primer metal de aportacion, por ejemplo, usando un arco TIG (TIG = soldadura al tungsteno en atmosfera de gas inerte). Ademas, se pueden conseguir facilmente el ancho W2 y profundidad D1 deseados ajustando el voltaje de aceleracion, corriente del haz, velocidad de soldeo, condiciones de oscilacion, etc., basandose en el ancho W1 medido cuando se realice la invencion.
Ademas, las condiciones de irradiacion del tercer haz de alta densidad de energfa para formar el tercer metal de aportacion (3B) pueden ser sustancialmente las mismas que las condiciones de irradiacion del segundo haz de alta densidad de energfa antes mencionadas. Sin embargo, se pueden cambiar estas condiciones sin salirse del alcance de la presente realizacion de la invencion.
Cuando se incrementa una region de irradiacion por el haz en el tiempo de soldeo por el primer haz de alta densidad de energfa, la cantidad de calor aportado a la chapa de acero resulta excesiva. Como resultado, pueden crecer los granos de tejidos de una porcion de la lmea de fusion o se puede formar martensita en forma de isla (MA: constituyente de martensita-austenita), que es una fase de fragilidad. Por esta razon, el incremento en la region de irradiacion por el haz puede originar una reduccion de la tenacidad del metal de aportacion o de la porcion de la lmea de fusion.
Ademas, cuando se usa el metodo de soldar por un haz de electrones a presion reducida (RPEBW) como metodo de soldar por el primer haz de alta densidad de energfa, el ancho del primer metal de aportacion tiende a incrementarse en comparacion con soldar una junta fabricada por un metodo de soldar por un haz de electrones (metodo EBW) en condiciones de alto vado en el interior de una camara de vado.
Debido a esto, es preferible que el ancho W1 del primer metal de aportacion sea 30% o menos, o 20% o menos, del espesor de la chapa de acero, para asegurar firmemente un valor vE del ensayo Charpy de la junta soldada a tope incluso cuando se use el metodo de soldar RPEBW.
Ademas, es necesario que el ancho W3 del primer metal de aportacion en el centro del espesor de la chapa de acero sea 15% o menos, preferiblemente 10% o menos. Sin embargo, el ancho W1 puede estar limitado a 15 mm o menos, 11 mm o menos, o 7 mm o menos. El ancho W1 puede estar limitado a 7 mm o menos, 6 mm o menos, o 5 mm o menos.
Ademas, cuando los anchos W1 y W3 del primer metal de aportacion son demasiado pequenos, es diffcil fundir completamente una superficie estriada por la direccion incidente y estabilidad del primer haz de alta densidad de energfa y, por lo tanto, es preferible que el ancho W1 del primer metal de aportacion sea 2% o mas del espesor de la chapa de acero y que el ancho W3 del primer metal de aportacion sea 20% o mas del espesor de la chapa de acero en el centro del espesor de la chapa de acero.
Ademas, la junta soldada a tope de acuerdo con la presente realizacion se puede usar para soldar con alta densidad de energfa sobre la chapa de acero de alta resistencia para obtener una estructura soldable. La chapa de acero no se limita a esto. Sin embargo, preferiblemente se puede usar chapa de acero cuyo lfmite elastico es 355 MPa o mas. Dicha chapa de acero de alta resistencia se puede fabricar a partir de acero para una estructura soldada con las composiciones conocidas. Ademas, el lfmite elastico de la chapa de acero puede ser 600 MPa o menos. Ademas, la resistencia a la traccion de la chapa de acero puede estar limitada a 400 MPa o mas, a 490 MPa o mas, a 780 MPa o menos o a 690 MPa o menos.
Por ejemplo, como composicion basica se usa una chapa de acero que contiene (% en masa) 0,02 a 0,20% de C, 0,01 a 1,0% de Si, 0,3 a 2,1% de Mn, 0,001 a 0,20% de Al, <0,02 de N, <0,01% de P, <0,01 de S y 0,50 a 4,0% de Ni. Ademas de esta composicion basica, la chapa de acero puede contener adicionalmente 8% o menos o 3% o menos en total de uno, dos o mas de Cr, Mo, Cu, W, Co, V, Nb, Ti, Zr, Ta, Hf, REM, Y, Ca, Mg, Te, Se y B de acuerdo con las propiedades requeridas, como mejora de la resistencia del material base o tenacidad de la junta, etc.
Cuando el problema antes mencionado es notable se usa chapa de acero con un espesor de 30 mm o mas. Se pueden tener efectos mayores cuando el espesor de la chapa es 50 mm o mas y, por lo tanto, el espesor de la chapa puede ser 50 mm o mas. Mientras tanto, cuando el espesor de la chapa es demasiado grueso, es diffcil soldar por un haz de alta densidad de energfa y, por lo tanto, el espesor de la chapa esta limitado a 200 mm o menos, preferiblemente a 150 mm o menos o preferiblemente a 100 mm o menos.
Ademas, en una torre generadora de energfa eolica, o equipo similar, la chapa de acero se somete a un proceso de flexion y despues se suelda a una tubena de acero o se sueldan tubenas de acero. Este caso es basicamente una junta soldada a tope fabricada a partir de chapa de acero que ha sido sometida al proceso de flexion. En consecuencia, la invencion se puede aplicar a soldar para fabricar tubena de acero a partir de chapa de acero que ha sido sometida al proceso de flexion o a soldar entre tubenas de acero.
En la junta soldada a tope de acuerdo con la presente realizacion, es preferible que la dureza del primer metal de aportacion, del segundo metal de aportacion y del tercer metal de aportacion sea 110% o mas y 150% o menos de la
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dureza de la chapa de material base. Preferiblemente, la dureza del metal de aportacion es 110% o mas que la dureza del material base de la chapa de acero para asegurar su capacidad de endurecimiento y evitar que se genere ferrita de granos gruesos. Sin embargo, cuando se incrementa extremadamente la dureza, se deteriora la tenacidad a la fractura debido a un incremento de tensiones locales y, por lo tanto, es preferible 150% o menos.
La diferencia de dureza antes descrita se puede conseguir de una manera tal que se evite que la dureza del metal de aportacion sea demasiado alta ajustando la velocidad de enfriamiento despues de soldar.
En la junta soldada a tope de acuerdo con la presente realizacion, se vuelva a fundir el primer metal de aportacion y se forman el segundo metal de aportacion y el tercer metal de aportacion que tienen una porcion del borde mas lisa que la del primer metal de aportacion. Como resultado, se atenua la concentracion de la tension en la porcion del borde del segundo metal de aportacion y del tercer metal de aportacion y, por lo tanto, se pueden mejorar las propiedades de resistencia a la fatiga en un entorno de vibracion del intervalo de gigaciclos. Ademas, se puede obtener suficiente tenacidad a la fractura.
Debido a esto, la junta soldada a tope de acuerdo con la presente realizacion se puede usar para una estructura o columna tubular de acero que constituye una porcion de la cimentacion de la torre generadora de energfa eolica que requiere propiedades de resistencia a la fatiga en un intervalo de vibracion de gigaciclos.
En el metodo de fabricacion de la junta soldada a tope de acuerdo con la presente realizacion, es preferible que la irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa, del segundo haz de alta densidad de energfa y del tercer haz de alta densidad de energfa se realicen, todas, fijando solo una region de formacion de la porcion soldable de la chapa de acero y estando bajo vado las proximidades de la region.
Realizando la irradiacion del haz bajo las condiciones antes descritas, es posible soldar una estructura grande, como una torre generadora de energfa eolica en el mar, y equipos similares, cerca del sitio de su construccion de una manera sencilla y muy eficiente. Como resultado, la junta soldada a tope de acuerdo con la presente realizacion se puede fabricar de una manera sencilla y muy eficiente.
Ejemplos
A continuacion se describira la invencion de acuerdo con ejemplos. Sin embargo, las condiciones de los ejemplos son primeras condiciones adoptadas para verificar la viabilidad y efectividad de la invencion y esta no esta limitada solo a estos ejemplos.
La invencion puede adoptar diversas condiciones y combinaciones de estas siempre que se consigan los objetos de la invencion sin salirse de la esencia de la invencion.
Se soldo mediante soldadura por haces de electrones (soldadura por el primer haz de alta densidad de energfa) bajo las condiciones de soldadura mostradas en la tabla 3 usando una chapa de acero que tema la composicion qrnmica, lfmite elastico y resistencia a la traccion en cada espesor de la chapa mostrados en la tabla 1, para fabricar una junta soldada a tope que tema un primer metal de aportacion con un ancho W1 sobre la superficie de una chapa de acero sobre una cara de irradiacion de un haz de electrones. Ademas, se ajusto como se muestra en la tabla 5 el ancho W3 del primer metal de aportacion en el centro (t/2) del espesor t de la chapa de acero.
Ademas, cuando fuera necesario, se fabrico la junta soldada a tope que tema la composicion mostrada en la tabla 2 insertando a una superficie estriada una hoja metalica fina de un espesor de 0,1 mm.
Despues, se realizo una nueva soldadura por haz de electrones bajo las condiciones mostradas en la tabla 4 (soldadura por el segundo haz de alta densidad de energfa) con lo que se formo el segundo metal de aportacion para cubrir una seccion de una cara de irradiacion del primer metal de aportacion. En este caso, se formo el segundo metal de aportacion que tema la forma mostrada en la tabla 5 ajustando la profundidad D1, la cantidad de calor aportado y el ancho W2 del segundo metal de aportacion. Ademas, en el ajuste del ancho W3 del segundo metal de aportacion, se uso una funcion de oscilacion acoplada a un equipo de soldadura por haz de electrones.
Ademas, con respecto al ensayo numero 19, la soldadura por el segundo haz de alta densidad de energfa se realizo bajo las condiciones de soldadura E3 mostradas en la tabla 4, con lo que se formo el segundo metal de aportacion cubriendo una seccion de la cara de irradiacion del primer metal de aportacion. Al mismo tiempo, se realizo la soldadura por el tercer haz de alta densidad de energfa bajo las condiciones de soldadura E1, por lo que se formo el tercer metal de soldadura cubriendo una seccion de una cara opuesta de la cara de irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa del primer metal de aportacion. En este caso, se formo el tercer metal de aportacion que tema la forma mostrada en la tabla 5 ajustando la profundidad D2, cantidad de calor aportado y ancho W5 del tercer metal de aportacion.
Ademas, la soldadura por el primer haz de alta densidad de energfa, la soldadura por el segundo haz de alta densidad de energfa y la soldadura por el tercer haz de alta densidad de energfa se realizaron, todas ellas, en la camara de presion mostrada en la tabla 5. Ademas, los numeros en la parte inferior del ensayo numero 19 (numeros entre parentesis) de la tabla 5 indican, respectivamente, las condiciones de la nueva soldadura en el momento de
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irradiacion por el tercer haz de alta densidad de ene^a, el ancho (W4) del primer metal de aportacion en la superficie posterior de la chapa de acero, el ancho (W5) del tercer metal de aportacion formado por irradiacion por el tercer haz de alta densidad de energfa, la relacion W5/W4 y la profundidad (D2) del tercer metal de aportacion.
Con respecto al comportamiento de la junta soldada a tope obtenida de la manera antes descrita, se estimaron las caractensticas de la junta mostradas en la tabla 5.
En primer lugar, el valor vE de la resiliencia Charpy (J) fue un valor obtenido en un ensayo de impacto realizado a una temperatura de -40°C tomando una muestra de ensayo con entalla V en la que la posicion de la entalla desde justo bajo la superficie de la junta de soldadura fue el centro del segundo metal de aportacion. Los resultados se muestran en la tabla 5. Ademas, el ensayo de impacto Charpy se realizo de acuerdo con JIS Z 2242.
El ensayo de fatiga se realizo usando una maquina servohidraulica de ensayo de la fatiga (Hz) tomando una muestra para el ensayo de la fatiga de acuerdo con JlS Z 3103-1987 a partir de la junta soldada a tope obtenida. El ensayo de la fatiga se realizo bajo las siguientes condiciones: en aire a temperatura ambiente, relacion de tension 0,1, velocidad de repeticion 5 a 40 Hz e intervalo de tension de 80 a 200 MPa. Como se muestra en la tabla 5, para el ensayo de la fatiga se midieron la resistencia a la fatiga F1 de la junta del numero de repeticiones de dos millones de veces (2x106 veces) en una vida de rotura y la resistencia a la fatiga F2 de la junta correspondiente a un gicaciclo (106 veces).
Ademas, la resistencia a la fatiga F1' del numero de repeticiones de 2x106 veces y la resistencia a la fatiga F2' en el gigaciclo de hasta 2x109 veces se obtuvieron tomando de la junta soldada a tope obtenida una muestra de ensayo ultrasonico de la fatiga, por separado de la muestra del ensayo a la fatiga. Despues, comparando los resultados de estas dos condiciones, se obtuvo la relacion de reduccion (F2'/F1') entre ellos.
Posteriormente, se estimo la resistencia de la junta a la fatiga F2 (valor estimado) bajo el gigaciclo multiplicando, por la relacion de reduccion (F2'/F1'), la resistencia de la junta a la fatiga F1 de 2x106 veces obtenida por el ensayo a la fatiga de la junta.
Los resultados anteriores se muestran en la tabla 5.
Tabla 1
Composicion qmmica (% en masa) Espesort de la chapa (mm) Lfmite elastico (MPa) Resistencia a la traccion (MPa)
C
Mn Si P S Ni Cr N
30 455 669
B1
0,1 1,2 0,41 0,003 0,003 0,5 0,2 0,005 50 432 632
80 418 615
100 392 576
30 534 785
B2
0,2 1,5 0,25 0,003 0,004 1,1 0,2 0,004 50 511 745
80 491 722
100 478 703
30 413 551
B3
0,05 2,1 0,21 0,004 0,004 0,5 0 0,004 50 392 521
80 368 491
100 355 465
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Tabla 2
Composicion qmmica de la hoja metalica fina (% en masa)
Ni Cr Fe
F1
100 - -
F2
18,6 8,5 Ba I
Tabla 3
Condiciones del soldeo
Numero de la soldadura
Voltaje de aceleracion (kV) Corriente del haz (mA) Velocidad de soldeo (mm/min)
W1
150 180 250
W2
150 220 250
W3
150 260 250
W4
150 170 150
W5
150 220 100
W6
150 270 100
W7
150 160 300
Tabla 4
Condiciones del nuevo soldeo
Numero de la soldadura
Voltaje de aceleracion (kV) Corriente del haz (mA) Velocidad de soldeo (mm/min)
E1
90 60 550
E2
90 60 500
E3
110 60 500
E4
90 60 1.800
E5
150 70 300

Claims (6)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una junta soldada a tope, que consiste en: un par de chapas de acero (1),
    un primer metal de aportacion (2) que se forma en una porcion soldable del par de chapas de acero (1), desde la cara de una primera superficie (1A) del par de chapas de acero (1) a la cara de una segunda superficie (1B) opuesta a la cara de la primera superficie (1A) por irradiacion de un primer haz de alta densidad de energfa desde la cara de la primera superficie (1A), y
    un segundo metal de aportacion (3A) que se forma por irradiacion de un segundo haz de alta densidad de energfa para cubrir una superficie del extremo de la cara de la primera superficie (1A) del primer metal de aportacion (2),
    y opcionalmente un tercer metal de aportacion (3B) que se forma por un tercer haz de alta densidad de energfa para cubrir una superficie del extremo de la cara de la segunda superficie (1B) del primer metal de aportacion (2),
    en el que el ancho W1 del primer metal de aportacion (2) sobre la primera superficie (1A) y el ancho W2 del segundo metal de aportacion (3A) sobre la primera superficie (1A) satisfacen la siguiente ecuacion <1> y la profundidad (D1) desde la primera superficie (1A) del segundo metal de aportacion (3A) es 2,0 a 10,0 mm.
    en el que el ancho W3 del primer metal de aportacion (2) en el centro del espesor de la chapa de acero (1) es 15% o menos del espesor de la chapa de acero (1),
    en el que el espesor de la chapa de acero (1) es 30 a 200 mm, y
    en el que, cuando esta presente el tercer metal de aportacion, el ancho W4 del primer metal de aportacion (2) sobre la segunda superficie (1B) y el ancho W5 del tercer metal de aportacion (3B) sobre la segunda superficie (1B) de la chapa de acero (1) satisfacen la siguiente ecuacion <2>, y la profundidad (D2) desde la segunda superficie (1B) del tercer metal de aportacion (3B) es 2,0 a 10,0 mm.
    1,2 SW2/W1 <3,5
    <1>
    1,2 < W5/W4< 3,5
    <2>
  2. 2. La junta soldada a tope de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que el lfmite elastico de la chapa de acero (1) es 355 MPa o mayor.
  3. 3. La junta soldada a tope de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en la que la junta soldada a tope se usa en una estructura o columna tubular de acero que constituye una porcion de la cimentacion de una torre generadora de energfa eolica.
  4. 4. Un metodo de fabricacion de una junta soldada a tope, que consiste en:
    irradiar una porcion soldable de un par de chapas de acero (1) con un primer haz de alta densidad de energfa
    para formar un primer metal de aportacion (2) con un ancho W1 sobre una primera superficie (1A) que esta en
    una cara de irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa del par de chapas de acero (1), e
    Irradiar el primer metal de aportacion (2) con un segundo haz de alta densidad de energfa que tiene una densidad de energfa menor que la del primer haz de alta densidad de energfa, para formar un segundo metal de aportacion (3A) con un ancho W2 sobre la primera superficie (1A) de la chapa de acero (1),
    y opcionalmente irradiar el primer metal de aportacion (2) sobre una segunda superficie (1B) opuesta a la primera superficie (1A) con un tercer haz de alta densidad de energfa que tiene una densidad de energfa menor que la del primer haz de alta densidad de energfa, para formar un tercer metal de aportacion (3B) con un ancho W5 sobre la segunda superficie (1B),
    en el que el ancho W1 y el ancho W2 satisfacen la siguiente ecuacion <1>, y la profundidad (D1) desde la primera superficie (1A) del segundo metal de aportacion (3A) es 2,0 a 10,0 mm,
    en el que el ancho W3 del primer metal de aportacion (2) en el centro del espesor de la chapa de acero (1) es 15% o menos del espesor de la chapa de acero (1),
    en el que se usa la chapa de acero (1) con un espesor de 30 a 200 mm,
    en el que el primer metal de aportacion (2) se vuelve a fundir para formar el segundo metal de aportacion (3A), y
    en el que, cuando esta presente el tercer metal de aportacion (3B), el ancho W4 del primer metal de aportacion (2) sobre la segunda superficie (1B) y el ancho W5 del tercer metal de aportacion (3B) sobre la segunda
    superficie (1B) de la chapa de acero (1) satisfacen la siguiente ecuacion <2>, y la profundidad (D2) desde la segunda superficie (1B) del tercer metal de aportacion (3B) es 2,0 a 10,0 mm.
    1,2 < W2/W1 < 3,5
    <1>
    1,2 < W5/W4< 3,5
    <2>
    5 5. El metodo de fabricacion de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que tanto el primer haz de alta densidad de
    ene^a como el segundo haz de alta densidad de energfa son haces de electrones.
  5. 6. El metodo de fabricacion de acuerdo con la reivindicacion 4 o 5, en el que tanto la irradiacion del primer haz de alta densidad de energfa como la irradiacion del segundo haz de alta densidad de energfa se realizan fijando solo una region de formacion de una porcion soldable del par de chapas de acero (1) y estando bajo vacfo las
    10 proximidades de la region.
  6. 7. El metodo de fabricacion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que, como chapa de acero (1), se usa una chapa de acero que tiene un lfmite elastico de 355 MPa o mayor.
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