MXPA97007729A

MXPA97007729A - Junta soldada que tiene excelente resistencia a la fatiga

Info

Publication number: MXPA97007729A
Application number: MXPA/A/1997/007729A
Authority: MX
Inventors: Kurebayashi Katsumi; Aihara Syuji; Mabuchi Hidesato; Saito Naoki
Original assignee: Nippon Steel Corporation
Priority date: 1996-02-13
Filing date: 1997-10-07
Publication date: 1998-02-01

Abstract

La presente invención se refiere a una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga que se caracteriza en que unaárea de una microestructura ferrítica en una zona afectada por el calor de la junta soldada es de 20 a 1005 delárea de la zona afectada por el calor y la diferencia comprende por lo menos una de una microestructura bainita, martensita, perlita y austenita residual;la junta soldada se produce utilizando una placa de acero que contiene de 0.06 a 2.0 por ciento en peso de Si, y que tiene un equivalente de carbono (Ceq) no mayor de 0.275:Ceq=C + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/5 + Nb/3.

Description

JUNTA SOLDADA QUE TIENE EXCELENTE RESISTENCIA A LA FATIGA Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención Esta invención se refiere a una junta soldada, que tiene una excelente resistencia a la fatiga, la cual se utiliza principalmente para estructuras soldadas como pueden ser barcos, estructuras mar adentro, puentes, máquinas de construcción y otros. Más particularmente, la presente invención se refiere a una junta soldada que tiene una mejor resistencia a la fatiga incrementando la relación del área de una microestructura de ferrita capaz de retardar una velocidad de propagación de una grieta producida por fatiga en una zona afectada por el calor de la soldadura (en adelante se abreviará como la "HAZ") de una junta soldada. 2. Descripción de la técnica relacionada Conforme el tamaño de los edificios se ha vuelto más grande, en años recientes se ha vuelto un aspecto importante la reducción en el peso de los elementos estructurales, y cada vez es mayor la resistencia de los aceros que se utilizan para estas estructuras, a fin de lograr este objetivo. Sin embargo, dado que, durante el uso en barcos, estructuras no costeras, puentes, máquinas de construcción y otros, en repetidas ocasiones se aplica una carga a la junta soldada, se deben tomar medidas para evitar, en estas estructuras, la destrucción por fatiga. Es en la porción de la junta soldada en donde es muy probablemente que se desarrolle esta destrucción por fatiga. Por tanto, se ha requerido un mejoramiento en la resistencia a la fatiga de la junta soldada. A la fecha se han llevado cabo estudios intensos sobre los factores que deciden la resistencia a la fatiga de la junta soldada y un mejoramiento de la resistencia a la fatiga. No obstante, la mayoría de las propuestas incluyen un mejoramiento mediante la realización adicional, después de la soldadura, como puede ser la rectificación mediante un rectificador, dar forma a la porción extrema de la capa final del cordón de soldadura calentando o volviendo a fundir, granallado para generar el esfuerzo de compresión en la porción extrema de la soldadura (Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No. 59-110490 y No. 1-301823) y otros. La reducción del esfuerzo residual mediante un termotratamiento posterior después del soldeo también es conocida en la técnica. También se ha propuesto un método que mejora la resistencia a la fatiga de la porción soldada aún en el estado recién soldado por medio de los componentes del material de acero sin utilizar una elaboración especifica o termotratamiento posterior después del soldeo como se describe en lo anterior. Para hacer ventajosa la formación de ferrita poligonal limpia mediante una adición de Si, a fin de mejorar la endurecibilidad por medio de lo cual se obtiene una excelente propiedad de alargamiento de la brida, características de fatiga y soldabilidad por resistencia, la Publicación de la Patentes Japonesa no examinada (Kokai) No. 3-264645 describe una hoja de acero de alta resistencia y que tiene excelente propiedad de brida de alargamiento, etc., que contiene de 0.01 a 0.2% de C, 0.6 a 2.5% de Mn, 0.02 a 1.5% de Si y 0.0005 a 0.1% de B. La Publicación de la Patente Japonesa examinada (Kokoku) No. 3-56301 describe una hoja de acero, con pequeñísima proporción de carbono, que tiene excelente soldabilidad por puntos, que contiene no más de 0.006% de C, no más de 0.5% de Mn, no más de 0.05% de Al y 0.001 a 0.100% de por lo menos uno de Ti y/o Nb, en total, siempre y cuando los nitruros y sulfuros no sean calculados, para mejorar ventajosamente la resistencia a la fatiga de la' junta, de la porción soldada por puntos, elaborando los componentes del acero, especialmente con una adición de B, y la proporción de la estructura no recristalizada en el acero. La Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No. 6-207245 describe una placa de acero de múltiples capas que tiene excelentes características de fatiga por medio de una adición de Ni a una capa superficial del material de acero para generar un esfuerzo de compresión residual en una porción extrema de la soldadura para aumentar el tiempo hasta la aparición de una fisura producida por fatiga, y en donde la cantidad de la adición de Ni es de por lo menos 3% dentro de la región separada por lo menos 0.2 mm de ambas superficies de la placa de acero y que no sea mayor de 25% del espesor. La Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No. 6-228707 describe un acero estructural que tiene excelentes características de fatiga de la junta de soldadura, y un método de soldeo para ésta, que contiene 0.01 a 0.01% de C, 0.005 a 0.05% de Si y 0.5 a 2% de Cu y que tiene un Ceq no mayor de 0.2. Esta invención de referencia hace uniforme la distribución de la dureza en la proximidad de la porción extrema de la soldadura utilizando la precipitación fina de Cu mientras reduce el Ceq para evitar la concentración de la deformación plástica, y reduce el esfuerzo residual de la porción extrema de la soldadura funcionando como un esfuerzo medio, eliminando el endurecimiento de la HAZ mediante la reducción del Ceq. Entre estas referencias de la técnica anterior, la Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No. 59-110490 y la Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No. 1-301823 requieren una elaboración específica después del soldeo, y no pueden mejorar la resistencia a la fatiga en el estado recién soldado. El método que utiliza el termotratamiento después del soldeo no es preferible, debido a que se incrementa la cantidad de pasos del proceso y la elaboración del soldeo se vuelve complicada. Además, su efecto es limitado. La hoja delgada de acero que se describe en la Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No 3-264645 se refiere a un material base de hoja de acero que se dirige principalmente a las ruedas y discos de automóviles. Dado que esta hoja de acero es completamente diferente en su aplicación, el espesor y método de uso de la placa de acero que se utiliza para construir barcos, estructuras no costeras, etc., a la cual se dirige la presente invención, la observación que se describe en esta referencia no se puede aplicar como tal a la placa de acero gruesa. Además, dado que esta referencia no describe del todo la junta soldada, las influencias en la resistencia a la fatiga de la junta soldada no se examinan por completo. Además, no es claro si en la HAZ se genera o no la micro estructura poligonal de ferrita, que según los informes recibidos esta contenida en el metal base. La hoja de acero que se describe en la Publicación de la Patente Japonesa examinada (Kokoku) No. 3-56301 se refiere a la porción soldada por puntos de una hoja de acero con pequeñísima proporción de carbono y contempla el control de la distribución de la dureza de la porción soldada por puntos. El soldeo por puntos es uno de los métodos de soldeo por resistencia que fija la porción de la soldadura de una hoja de acero bajo presión por medio de electrodos y hace que una corriente grande fluya a través de la porción de la soldadura durante un tiempo corto. En contraste, el método de soldeo de la junta soldada, como el objetivo de la presente invención, es principalmente un método de soldeo que se utiliza para soldar placas de acero con un espesor grande. Por tanto, estos métodos de soldeo son diferentes entre sí, no sólo en el esfuerzo residual del soldeo sino también en las condiciones del soldeo, como la forma de los electrodos, la existencia de un material de soldeo y otros. Debido a que los factores que gobiernan la resistencia a la fatiga son diferentes entre el soldeo por puntos de una hoja delgada y el soldeo de una placa de acero gruesa, la observación del soldeo por puntos no se puede aplicar como tal al método de soldeo de una placa de acero gruesa. La placa de acero se describe en la Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No. 6-207245 tiene la misma aplicación debido a que es un acero estructural. Sin embargo, puesto que esta referencia se limita a un acero de múltiples capas que contiene Ni, la resistencia a la fatiga no se puede mejorar en la hoja ordinaria, de una sola capa. A partir de esta referencia, no es evidente si se puede mejorar o no la resistencia a la fatiga de la junta soldada. La invención que se describe en la Publicación de la Patente Japonesa no examinada (Kokai) No. 6-228707 no describe la estructura de la HAZ de la junta soldada, y la relación entre la micro estructura y la resistencia a la fatiga tampoco es clara. Por tanto, esta invención de la referencia es diferente de la presente invención. Además, la cantidad de la adición de C y la cantidad de la adición del Si son tan pequeñas como no más de 0.01% y no más de 0.05%, respectivamente. Dado que la invención a la que se hace referencia requiere esencialmente la adición de Cu, es diferente de la presente invención.

Compendio de la invención Un objetivo de la presente invención es proporcionar una junta soldada con una excelente resistencia a la fatiga, en un estado recién soldado, incrementando la relación del área de una microestructura de ferrita, que puede retardar la velocidad de propagación de una fisura producida por fatiga, en la HAZ de la junta soldada, sin emplear medios para mejorar la resistencia a la fatiga elaborando un trabajo de soldeo adicional para reducir una concentración del esfuerzo después del soldeo. El principio de la presente invención para lograr el objetivo descrito en lo anterior se puede resumir como sigue. (1) La resistencia a la fatiga de la junta soldada se mejora incrementando una relación del área de una microestructura de ferrita capaz de retardar una velocidad de propagación de una fisura producida por fatiga en la HAZ de una junta soldada. (2) La resistencia a la fatiga de la junta soldada se mejora incrementando la relación del área de la microestructura de ferrita en la HAZ de la junta soldada limitando las composiciones químicas de una placa de acero y su equivalente de carbono. (3) La resistencia a la fatiga de la junta soldada se mejora incrementando la relación del área de la microestructura de ferrita en la HAZ de la junta soldada con una microestructura de la HAZ fina añadiendo una cantidad adecuada de Ti y N. La presente invención mejora la resistencia a la fatiga de la junta soldada mediante el efecto del inciso (1) y puede lograr una resistencia a la fatiga superior combinando además los incisos (2) o (3) anteriores.

En otras palabras, la esencia de la presente invención reside en los siguientes puntos. © Una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga caracterizada porque la relación del área de una microestructura de ferrita en una zona afectada por el calor (HAZ) de la junta soldada es de 20 a 100% y la diferencia contiene por lo menos una microestructura de bainita, martensita, perlita y austenita residual. F Una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga de acuerdo con el inciso F que se produce utilizando una placa de acero que contiene, en términos de porcentaje por peso: C: 0.015 a 0.15% Si: 0.06 a 2.0% Mn: 0.2 a 1.5% P: no mayor de 0.05% S: no mayor de 0.05% Al: 0.001 a 0.08% N: 0.002 a 0.015% y La diferencia de Fe e impurezas inevitables; y que tiene un equivalente de carbono (Ceq) no mayor de 0.275: Ceq = + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/5 + Nb/3.

G) Una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga de acuerdo con el inciso F , que se produce utilizando una placa de acero que además contiene, en términos de por ciento por peso: Ti 0.003 a 0.05% ® Una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga de acuerdo con el inciso G), que se produce utilizando una placa de acero que tiene un valor Ti/N de 2.0 a 3.4. (D Una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga de acuerdo con uno de los incisos F a ©, que se produce términos de por ciento por peso, por lo menos uno de los siguientes elementos: Cu: 0.1 a 2.0% Ni: 0.1 a 2.0% Cr: 0.05 a 1.0% Mo: 0.005 a 1.0% V: 0.02 a 10.0%, y Nb: 0.005 a 0.08% © Una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga de acuerdo con uno de los incisos F a ©, que se produce utilizando una placa de acero que además contiene, en términos de por ciento por peso: Ca: 0.0005 a 0.010%, y MTR: 0.0050 a 0.050%.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 (A) es un diagrama que muestra la relación entre el desplazamiento de una apertura de fisura y el cambio de la carga en un acero bainítico de la HAZ. La figura 1 (B) es un diagrama que muestra la relación entre el desplazamiento de una apertura de fisura y el cambio de la carga en un acero ferrítico de la HAZ. La figura 2 es un diagrama que muestra la relación entre una relación del área de la microestructura de ferrita de una HAZ de una junta soldada y la 2,000,000 de veces de la resistencia a la fatiga de» una junta soldada en ángulo, tipo T.

- DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS EL concepto técnico de la presente invención y las razones para la limitación se describirán con detalle en los siguientes incisos (1) y (2) .á la razón por la que la micro estructura en una HAZ de la junta soldada está limitada. Los inventores de la presente invención han examinado la importancia de la HAZ para mejorar la resistencia a la fatiga de una junta soldada. En general, la destrucción por fatiga de una estructura soldada se presenta en la mayoría de los casos en una porción de la junta soldada que tiene. una concentración del esfuerzo estructural. En una porción de la soldadura normal sin defecto de soldeo, ni arañazos en la placa de acero, en la mayoría de los casos, una fisura producida por fatiga se presenta en la HAZ como la frontera entre un metal base que tiene una concentración de esfuerzo local y un metal de la soldadura, se propaga dentro de la HAZ, luego se propaga al metal base y por último origina la destrucción que deteriorará las funciones de la estructura. Por tanto, los presentes inventores han examinado la proporción de la vida de la aparición-propagación de la fisura producida por fatiga en la HAZ a la vida de la destrucción total. Se utilizaron tres clases de juntas, es decir, una junta soldada en ángulo tipo T, una junta soldada en ángulo cruciforme y una junta soldada en el contorno, que se utilizan ampliamente para estructuras. Cuando se unió al metal base un medidor de deformación en una posición hacia adentro, de 5 a 10 mm del límite, entre él metal base y el metal de la soldadura, (dependiendo de la clase de la junta) y se midió el valor de la deformación en la carga repetida, el número de repeticiones en el punto cuando el valor de la deformación cayó un 5% del valor del esfuerzo en el inicio de la prueba, correspondió substancialmente con el número de repeticiones del extremo distal de la fisura producida por fatiga que pasó a través de la HAZ y llegó al metal base. Por tanto, este número de repeticiones se definió como la "vida de la aparición-propagación" en la HAZ. Como resultado de la prueba de fatiga de las juntas soldadas, la proporción de la vida de la aparición-propagación de la fisura producida por fatiga en la HAZ a la vida total que da origen finalmente a la destrucción, fue de aproximadamente 70% en la junta soldada en ángulo tipo T, cerca de 80% en la junta soldada en ángulo cruciforme y cerca de 40% en la junta soldada en contorno. La prueba descrita en lo anterior aclara que la duración de la aparición de la fisura provocada por fatiga a la longevidad por fatiga total ocupó una proporción considerable para la longevidad por fatiga total. Por otra parte, una vez que la fisura comenzó a propagarse, su contención fue extremadamente difícil. Para mejorar la resistencia a la fatiga de la junta soldada, por tanto, se considera efectivo dificultar la aparición de la fisura provocada por fatiga en la HAZ o retardar, tanto como sea posible, la propagación de la fisura provocada por fatiga en la HAZ aún cuando aparezca la fisura producida por fatiga. Los inventores de la presente invención han examinado la microestructura de la HAZ en conexión con la resistencia a la fatiga y han adquirido la siguiente observación importante. Por lo general, la estructura de la HAZ de las placas de acero utilizadas para barcos, edificaciones mar adentro, puentes y máquinas para la construcción, constan principalmente de microestructura bainítica en el caso de una resistencia a la tracción en el orden de 400 a 580 MPa y una microestructura bainítica o una estructura martensítica cuando la resistencia a la tracción excede 580 MPa. Dependiendo de los componentes de la placa de acero y su termotratamiento, la microestructura de perlita y la microestructura de austenita residual están contenidas en algunos casos además de estas microestructuras. La microestructura de la HAZ no se ve muy afectada por la estructura del metal base sino más bien se ve determinada por las composiciones químicas de la placa de acero y la velocidad de enfriamiento en el momento del soldeo. Por tanto, aún en el caso de aceros bajos en carbono para la microestructuras de soldeo de una clase de 400 MPa (por ejemplo, 0.14% C - 0.2% Si - 0.9% Mn) que se utilizan por lo común, el equivalente de carbono como un índice de endurecibilidad es elevado bajo la condición de soldeo ordinaria de no más de 50 KJ/cm, de manera que la HAZ difícilmente contiene una microestructura ferrítica como la estructura principal. Los inventores de la presente invención consideran necesario examinar la velocidad de propagación de la fisura provocada por fatiga en la HAZ de la microestructura respectiva para examinar la resistencia a la fatiga de la junta soldada. Para examinar las influencias de las microestructuras bajo la misma condición dinámica sin las influencias de los factores dinámicos como puede ser un coeficiente de concentración de esfuerzo, un esfuerzo residual y otros, los presentes inventores han realizado la prueba de propagación de la fisura utilizando pequeñas piezas de prueba de HAZ simulada. Como un ciclo de calor simulado para el soldeo, la temperatura de calentamiento más elevada se estableció a 1400°C y el tiempo de enfriamiento de 800 a 500°C se estableció de 1 a 161 segundos. La microestructura ferrítica, la estructura bainítica y la icroestrucutura martensítica se reprodujeron mediante las diferencias de los componentes químicos y la velocidad de enfriamiento. Cada pieza de prueba fue una pieza de prueba para la propagación de la fisura doblando tres puntos con un tamaño de 20 x 10 x 100 mm y con una muesca aguda de 6 mm de largo, y una relación de esfuerzo fue 0.1. El desplazamiento de la apertura de fisura se midió con un calibrador de mordazas, y la longitud de la fisura se calculó mediante un método de deformación o docilidad. Como resultado de la prueba de propagación de la fisura, se encontró que la vida de propagación de la fisura producida por fatiga cuando la HAZ fue estructura ferrítica se mejoro por lo menos dos veces la fisura provocada por fatiga cuando la HAZ fue la microestructura de bainítica y la microestructura martensítica. Cuando se examinó el rango del coeficiente de expansión por esfuerzo y la velocidad de propagación de la fisura, la diferencia de vida a la diferencia de las microestructuras no se pudo observar cuando la longitud de la fisura fue grande y el rango del coeficiente de expansión por esfuerzo fue elevado, pero cuando la longitud de la fisura todavía era pequeña y el rango del coeficiente de expansión por esfuerzo era bajo, apareció la diferencia de vida para la microestructura. Cuando la relación del área de la microestructura ferrítica en la HAZ fue elevada, la velocidad de propagación de la fisura disminuyó notablemente. Además, la figura 1 (A) y la figura 1 (B) muestran el resultado de la observación detallada del desplazamiento de la apertura de la fisura y el cambio de la carga en un acero bainítico de la HAZ con una relación de área de la microestructura ferrítica en la HAZ de 2% y en un acero ferrítico de la HAZ de 88%. Cuando la proporción de la microestructura ferrítica se volvió elevada, se observó un notable cierre de la grieta. El término "cierre de la grieta" se utiliza en la presente como el fenómeno en el que el extremo distal de la fisura provocada por fatiga excede un límite de elasticidad y sufre deformación plástica en la carga máxima, y se cierra ante la carga mínima. En comparación con otras microestructuras, la proporción del refuerzo de dislocación de la microestructura ferrítica es más pequeña, y esta estructura es extremadamente suave y con facilidad sufre deformación plástica. Por tanto, se cree que es fácil que aparezca la apertura de la fisura. Cuando se presenta esta apertura de la fisura, no ocurre la propagación de la fisura provocada por fatiga cuando se cierra el extremo distal de la fisura causada por fatiga y disminuye el rango del esfuerzo efectivo para la propagación de la fisura provocada por fatiga. En consecuencia, se considera que la vida de la propagación en la HAZ se vuelve más grande cuando la HAZ comprende la microestructura ferrítica. Sobre la base del concepto técnico descrito en lo anterior, la presente invención mejora la resistencia a la fatiga de la junta soldada incrementando la relación del área de la microestructura ferrítica capaz de retardar la velocidad de propagación de la fisura causada por fatiga en la HAZ de la junta soldada. No obstante, la ferrita del plano de exfoliación que se presenta con una relación de área de menos de 20% en el contorno del grano de la microestructura bainítica no puede mejorar la resistencia a la fatiga aún cuando la propagación sea retardada debido a que la fisura provocada por fatiga se muestra con facilidad a partir de la ferrita del plano de exfoliación, aunque esté incluida en la categoría de la microestructura ferrítica. Cuando la relación del área de la microestructura ferrítica de la HAZ es menor de 20% no se pude esperar mejoramiento de la resistencia a la fatiga, aún cuando el cierre de la fisura causada por fatiga ocurra debido a que este cierre es extremadamente pequeño. Para mejorar la resistencia a la fatiga de la junta soldada, por tanto, es necesario asegurar por lo menos 20% de la relación del área de la microestructura ferrítica en la HAZ. Cuando la relación del área de la microestructura ferrítica es por lo menos 20% en la HAZ, no se presentan problemas aún cuando contengan microestructuras bainíticas, martensíticas, perlíticas y austeníticas residuales. Para mejorar de manera más estable la resistencia a la fatiga, la relación del área de la. microestructura ferrítica en la HAZ, de preferencia, es por lo menos 60% y su valor de límite superior es de 100%. En este caso, la relación del área de la microestructura se define como el valor que se obtiene cortando cada junta soldada en tal forma que contenga el metal de la soldadura, la HAZ y el metal base, observando la superficie pulida con un microscopio óptico y contando la proporción de cada microestructura en una región que se extienda desde una posición de cerca de 50 µ desde el metal de la soldadura hacia la HAZ hasta la línea límite entre la HAZ y el metal base por un método de conteo de puntos. (2) A continuación se describirán las razones para la limitación de los componentes químicos de la placa de acero que se utiliza para la junta soldada y el equivalente de carbono. Primero se explicará cada elemento limitado como la composición química básica de la placa de acero. El carbono (C) es el elemento que mejora la resistencia del metal base y para mejorar la resistencia del metal base, de preferencia, se añade una gran cantidad de C. Sin embargo, cuando se adiciona C en una cantidad que exceda 0.15%, la endurecibilidad se vuelve tan alta que no se puede obtener la microestructura ferrítica en la HAZ y decae la soldabilidad y tenacidad de la porción de la soldadura. Por tanto, el límite superior de C se establece en 0.15%. Cuando el contenido de C es menor de 0.015%, no se puede asegurar con facilidad la resistencia del metal base como el acero estructural.' Por tanto, el límite inferior de C se establece en 0.015%. El silicio (Si) es el elemento necesario para la desoxidación en el momento de fabricación del acero. Cuando se adiciona en una cantidad adecuada, el Si refuerza la matriz por solución sólida. Si el contenido de Si es menor de 0.06% el efecto de desoxidación disminuye en el momento de fabricar el acero. Por tanto, el límite inferior se establece en 0.06%. El Si también es un elemento de formación de la ferrita y no está contenido en la fórmula del equivalente carbono. Por tanto, cuando se añade en una cantidad de por lo menos 0.6%, el Si proporciona el efecto de incremento de la relación del área de la microestructura de ferrítica en la HAZ en el mismo equivalente de carbono. Por otra parte, cuando se adiciona en una cantidad que exceda el 2.0%, el Si simplemente incrementa la endurecibilidad y disminuye la tenacidad. Por tanto, el límite superior se establece en 2.0%. El manganeso (Mn) es el elemento que aumenta la resistencia del metal base sin reducir en gran medida la tenacidad. Si el contenido de Mn es menor de 0.2%, no es posible obtener una resistencia suficiente del metal base, y es muy probable que se presente fragilidad S. Por tanto, el límite inferior se establece en 0.2%. Por otra parte, si el contenido de Mn excede 1.5%, la endurecibilidad se vuelve tan alta que no se puede obtener la estructura de ferrita en la HAZ, la tenacidad de la porción de la soldadura decae y la soldabilidad así como la ductibilidad se deterioran. Por tanto, el límite superior se establece en 1.5%. El contenido de P (fósforo), de preferencia, es tan pequeño como sea posible. Cuando se adiciona una cantidad que excede 0.05% , el P sufre segregación en el contorno del grano del metal base e invita a la fragilidad en el contorno del grano. Por tanto, el límite superior se establece en 0.05%. El contenido de S (azufre) , de preferencia, es tan pequeño como sea posible. Cuando se adiciona una cantidad que excede 0.05% , son notables las inclusiones tipo A, deteriora la tenacidad del metal base y la porción de la soldadura y reduce la ductibilidad en la dirección del espesor de la placa de acero. Por tanto, el límite superior se establece en 0.05%. El aluminio (Al) se utiliza como un elemento de desoxidación. Cuando se utilizan otros elementos como elementos de desoxidación, el límite inferior se establece en 0.001% debido a que el Al, por lo general, esta contenido en una cantidad de por lo menos 0.001%. Cuando se adicionan en una cantidad que excede 0.08% se oxidan grandes cantidades de Al, se forman nitruros y se deterioran la tenacidad de la porción de la soldadura. Por tanto, su límite superior se establece en 0.08%. El nitrógeno (N) está contenido por lo menos en 0.002% como una impureza en el acero. Por tanto, el límite inferior del N se establece en 0.002%. Cuando está contenido en una cantidad que excede 0.015%, por el contrario, el N sufre solución sólida en la ferrita y reduce la tenacidad. Por tanto, su límite superior se establece en 0.015%. Además, el N provoca la interacción con Ti, lo cual se describirá a continuación. El titanio (Ti) favorece la formación de la microestructura ferrítica en la microestructura de la HAZ, los nitruros de Ti limitan el engrosamiento del grano de la estructura HAZ, reducen la endureeibilidad debido a que los granos de cristal se vuelven más finos. Cuando la proporción de la adición de Ti y de N, es decir, el valor Ti/N es menor de 2.0, N se vuelve excesivo, sufre solución sólida en la ferrita y reduce la tenacidad. Cuando el valor de Ti/N excede 3.4, la formación de nitruros de Ti llegan a la saturación y la tenacidad decae debido a los carburos de Ti. Por tanto, la relación Ti/N, de preferencia, es dentro del rango de 2.0 a 3.4. Cuando la cantidad que se adiciona de Al es pequeña, el Ti y el N sirven como elementos de desoxidación y los óxidos de Ti resultantes funcionan como los núcleos de formación de la ferrita intergranular en la HAZ y mejoran la relación del área de la microestructura de ferrita. El límite inferior del Ti, que proporciona un efecto notable en la formación de la microestructura ferrítica se establece en 0.003%. Cuando se adiciona en una cantidad que excede el 0.05%, el Ti produce una gran cantidad de precipitados y reduce la tenacidad. Por tanto, el límite superior se establece en 0.05%. Los óxidos de Ti y los nitruros de Ti pueden incluir Ti203, TiN, TiO, (Ti, Al)xOy, Tix(0, N)y, etc., pero para favorecer la formación de la microestructura de ferrita de la HAZ, es preferible dispersar finamente Ti203 con un tamaño de grano de 0.1 a 3.0 µ y el número de granos de 5 x 10" a 1 x 106 granos/mm2 o dispersar finamente TiN añadiendo Ti203 en una relación Ti/N de 2.0 a 3.4 en la base diferente de la HAZ. El cobre (Cu) tiene el efecto de mejorar la resistencia del metal base y mejora la resistencia a la fatiga reforzando la solución sólida, aunque no forma carburos. No obstante no es posible obtener este efecto a menos que esta cantidad sea por lo menos 0.1%, y cuando se añade en una cantidad mayor de 2.0%, el Cu dará como resultado la fisura solidificacional del desbaste. Por tanto, el límite inferior y el límite superior del Cu se establece en 0.1% y 2.0%, respectivamente. El Ni (níquel) no sólo mejora la resistencia del metal base sino también mejora drásticamente la tenacidad. El límite inferior de la cantidad de adición que proporciona estos efectos se establece en 0.1% y el límite superior es 2.0%, debido a los efectos que llevan a la saturación aún cuando el Ni se añada en una cantidad mayor.. El cromo (Cr) mejora la resistencia y tenacidad del metal base y refuerza la microestructura de la HAZ formando sus carburos y nitruros. También mejora la resistencia a la fatiga. Para obtener estos efectos, se debe añadir por lo menos 0.05% de Cr. Aún cuando el Cr se adiciona en una cantidad que excede 1.0%, los efectos llevan a la saturación y, por el contrario, se daña la soldabilidad. Por tanto, los límites inferior y superior se establecen de 0.05% a 1.0%, respectivamente. El molibdeno (Mo) mejora no sólo la resistencia del metal sino también la tenacidad y presenta las funciones semejantes a las Cr puesto que forma los carburos y nitruros. El valor del límite inferior, como la cantidad que proporciona estos efectos, se establece en 0.02% y el límite superior, como la cantidad en la cual los efectos llegan a la saturación, es desde 1.0%. El vanadio (V) forma carburos y proporciona los efectos de mejoramiento de la resistencia del metal base y refinación de las partículas. Si el contenido de V es menor de 0.005%, estos efectos no son notables. Por tanto, el límite inferior se establece en 0.005%. Por el contrario, cuando el V se adiciona en una cantidad mayor de 0.10%, la endurecibilidad de la HAZ se vuelve tan elevada que disminuye la relación del área de la microestructura ferrítica. Por tanto, el valor del límite superior se establece en 0.10%. El Niobio (Nb) es el elemento que tiene el efecto de mejorar la resistencia del metal base. Cuando el proceso TMCP se aplica en el momento de la fabricación de la placa de acero, el Nb limita la cristalización durante el laminado. Por tanto, se debe adicionar por lo menos 0.005% de Nb. Sin embargo, si el contenido de Nb es tan grande, decae la tenacidad de la porción de la soldadura. Por tanto, el límite superior del Nb se establece en 0.08%. El calcio (Ca) tiene los efectos de fijar sulfuros como la fuente de producción de la fisura por fatiga y mejora la ductibilidad. No se pueden esperar estos efectos si la cantidad de adición no es mayor que 0.0005%, y si la cantidad excede 0.010%, la tenacidad decae. Por tanto, los límites inferior y superior se establecen en 0.0005% y 0.010%, respectivamente. Los metales de tierras raras (MTR) tienen la misma función como el Ca en la fijación de los sulfuros como la fuente de producción de la fisura provocada por fatiga y mejoran la ductibilidad. En la HAZ, los MTR (O, S) funcionan como el núcleo de formación de la transformación intergranular y favorecen la formación de la microestructura de ferrita. De preferencia, los MTR (O, S) que tienen un tamaño de grano de 0.1 a 3 µ y el número de granos de 10 a 100 granos/mm2 se dispersan finamente. Se considera que cualquiera de los elementos presentan efectos semejantes siempre y cuando sean metales de tierras raras (MTR) y los ejemplos comunes son La y Ce. Para obtener el efecto de adición de los MTR; se deben adicionar por lo menos 0.0050% en total y cuando se adicionan en una cantidad que excede 0.050%, los efectos llegan a la saturación y no es económico. Por tanto, los límites inferior y superior se establecen en 0.0050% y 0.050%, respectivamente. Además, las razones para la limitación del equivalente de carbono de la placa de acero que se utiliza para la junta soldada se explicaran a continuación. Cuando la velocidad de enfriamiento en el momento del soldeo es la misma, la relación entre la microestructura de la HAZ y las composiciones de la placa de acero se puede expresar utilizando la fórmula del equivalente del carbono propuesta por el IIW. La fórmula del equivalente del carbono (Ceq) y el efecto del Nb considerando el incremento en la endurecibilidad se dan por la fórmula siguiente: Ceq = C + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V) /5 + Nb/3. Cuando el equivalente de carbono excede 0.275 como en las placas de acero convencionales, la microestructura de la HAZ es la microestructura bainítica o la microestructura martensítica. Por tanto, es difícil obtener la microestructura ferrítica. Para incrementar la relación del área de la microestructura ferrítica de la HAZ, por tanto, primero debe establecerse el equivalente de carbono a no más de 0.275. Para obtener una resistencia a la fatiga superior incrementando la relación del área de la microestructura ferrítica de la HAZ, de preferencia, el equivalente de carbono no es mayor de 0.25. Por otra parte, si el equivalente de carbono es menor de 0.10, no es posible obtener suficiente resistencia del metal base y se prefiere el equivalente de carbono de por lo menos 0.10. La presente invención mejora la resistencia a la fatiga de la junta soldada incrementando la relación del área de la microestructura ferrítica en la HAZ de la junta soldada sobre la base del concepto técnico que se describe en lo anterior. En la presente, la placa de acero que se utiliza para la junta soldada, de preferencia, es placa de acero como se establece en lo anterior, pero cuando la porción en la cual el daño por fatiga se convierte en el problema es evidente por anticipado a partir de la forma de la junta soldada o la condición de carga del esfuerzo, la placa de acero establecida en lo anterior puede ser aplicada solamente en el lado que está expuesto al daño por fatiga. La presente invención es particularmente efectiva para juntas soldadas del tipo en el que es muy probable que ocurra el comportamiento de la abertura/cierre de la fisura debido al esfuerzo residual de compresión de la soldadura, como en el caso de la junta soldada en ángulo tipo T, pero también puede mejorar la resistencia a la fatiga para las juntas soldadas como puede ser la junta soldada en ángulo cruciforme, la junta soldada en el contorno, la junta soldada a tope, etc., en las cuales se presentan aperturas de fisuras. . Por otra parte, la presente invención es particularmente efectiva para soldeo con arco sumergido en gas inerte, como puede ser soldeo con arco (MIG) utilizando un gas inerte, soldeo con arco (MAG) utilizando un gas mezclado, soldeo con arco de tungsteno (TIG), etc., pero la presente invención puede mejorar la resistencia a la fatiga en juntas soldadas aún en soldeo con arco con electrodo cubierto o soldeo con arco metálico protegido (SMAW) , soldeo con arco sumergido (SAW) y otros, utilizando entrada de calor pequeño a medio de 1 a 5 KG/m que se utiliza comúnmente para consumo de calor de soldeo hasta un gran consumo de calor y hasta cerca de 20 KJ/mm siempre y cuando se presente la apertura de la fisura.

Ej emplo 1 A continuación se describirán los ejemplos de la presente invención. Se llevaron a cabo pruebas de fatiga para examinar la relación entre la relación del área de la microestructura ferrítica de la HAZ de la junta soldada y la resistencia a la fatiga. Se fundieron en total 19 clases de aceros utilizando un horno de fusión al vacío, de 50 kg. Dado que se esperaba que el equivalente de carbono fuera bajo y la resistencia del metal base insuficiente, se llevó a cabo el laminado en caliente de las placas fundidas por laminación controlada y enfriamiento controlado. En otras palabras, después que cada placa se calentó a 1100°C durante 60 minutos, se laminó en forma burda en una hoja de grosor tres veces el grosor de la hoja terminada, y se esperó un descenso en la temperatura, hasta un punto de recristalización. A continuación, cada placa se laminó en caliente para el acabado a la placa de grosor de 6 a 30 mm, y tan pronto como se terminó la laminación en caliente, la placa se dejo enfriar de manera controlada a 500°C y además se enfrió con aire a temperatura ambiente. Después, se colectó cada pieza de prueba y se midieron e.l limite de elasticidad, la resistencia a la tracción y el alargamiento total del metal base. La tabla 1 representa los componentes químicos de cada uno de los aceros producidos, su equivalente de carbono y las propiedades mecánicas.

Tres clases de juntas soldadas, es decir, la junta soldada en ángulo tipo T, la junta soldada en ángulo cruciforme y la junta soldada en el contorno se produjeron utilizando cada uno de estos aceros. Se utilizó la misma placa de acero como el metal base como una placa con nervios utilizada para soldeo, y cada soldeo se llevó a cabo en un paso. El método de soldeo fue el soldeo MAG utilizando gas de C02 y todo el electrodo cubierto, un alambre sólido y un alambre cubierto con fundente puede utilizarse como el material de soldeo. No obstante, este ejemplo utilizó un alambre cubierto con fundente para un acero de 50 Kg. Después del soldeo, se cortó una pieza de prueba para observar la microestructura de la porción soldada, y la microestructura ferrítica de la HAZ y su relación del área fueron determinadas por medio del método de conteo de puntos. La prueba de fatiga se realizó a temperatura ambiente en la atmósfera y una relación del esfuerzo de 0.1 mediante un doblez de 3 puntos en el caso de la junta soldada en ángulo tipo T y una relación del esfuerzo de 0 en el caso de la junta soldada en ángulo cruciforme y la junta soldada en el contorno. ción Acero Composición química (% peso) Equiv. Ti/N Propied lades Carbono mecánicas C Si Mn P S Al N Cu Ni Cr Mo V Nb Ti Ca REM Ceq *l LE RT AT ero A 0.14 1.15 0.84 0.022 0.008 0.032 0.004 - - - 0.28 - 344 485 27.4 B 0.02 1.91 0.90 0.021 0.008 0.035 0.002 - - - 0.17 - 291 428 34.6 C 0.06 1.10 0.84 0.034 0.004 0.004 0.004 - - - 0.20 - 313 447 28.9 senD 0.02 1.25 1.44 0.005 0.031 0.076 0.012 - - - 0.26 - 333 478 28.1 E 0.03 1.33 0.66 0.024 0.011 0.045 0.005 1.95 - - - 0.27 - 358 532 26.4 enF 0.02 1.53 0.72 0.021 0.011 0.031 0.004 1.80 - - - 0.26 - 364 529 26.8 n G 0.02 1.15 0.36 0.019 0.018 0.025 0.005 - - 0.95 - - - 0.27 - 358 512 27.4 H 0.03 1.31 0.30 0.017 0.022 0.028 0.006 - - - 0.95 - - - 0.27 - 356 508 27.4 I 0.04 1.51 0.96 0.015 0.022 0.036 0.003 . . . . 0.090 - - - - 0.22 - 332 474 28.8 J 0.03 1.41 0.78 0.022 0.017 0.045 0.004 0.11 0.12 0.06 0.03 0.006 - - - - 0.19 - 354 508 27.7 K 0.02 0.10 0.78 0.011 0.007 0.056 0.004 0.079 - - - 0.15 - 305 407 36.1 L 0.09 0.57 0.78 0.011 0.007 0.001 0.010 0.032 - - 0.22 3.20 334 446 31.4 M 0.03 0.49 1.02 0.008 0.011 0.056 0.007 0.015 0.0087 - 0.20 2.14 311 434 30.6 M2 0.03 0.49 1.02 0.008 0.011 0.001 0.002 0.015 0.0087 - 0.20 0.75 311 434 30.6 N 0.10 0.58 0.90 0.015 0.006 0.037 0.005 - - 0.0460 0.25 - 355 491 27.1 ero 0 0.06 0.41 0.78 0.012 0.007 0.045 0.004 0.006 0.004 0.0007 0.0059 0.23 1.00 348 479 28.9 P 0.14 0.21 0.96 0.012 0.011 0.048 0.005 - - - 0.30 - 373 510 21.2 atiQ 0.18 0.25 1.02 0.022 0.009 0.035 0.004 - - - 0.33 - 382 512 23.7 R 0.16 0.15 1.20 0.023 0.012 0.024 0.003 0.12 0.14 0.07 0.04 0.011 - - - 0.40 - 403 579 18.4 S 0.05 0.62 1.12 0.019 0.010 0.031 0.004 0.20 0.11 0.13 0.25 0.006 0.007 0 0..001100 0 0..00001100 0.0092 0.34 2.50 411 556 20.9 Ceq = C + Mn / 6 + (Cu + Ni) / 15 + (Cr + Mo + V) / 5 + Nb / 3 -LE: Límite elástico (MPa), RT: Resistencia a la tracción (MPa), AT: Alargamiento total (%) La tabla 2 muestra los símbolos de las placas de acero utilizadas, el espesor, la relación del área y la microestructura ferrítica en la HAZ, la relación del área total de las microestructuras de bainita/martensita/perlita/austenita residual, las formas de las juntas soldadas y la resistencia a la fatiga. La figura 2 muestra la relación entre la relación del área de la microestructura ferrítica de la HAZ y 2,000,000 de veces la resistencia a la fatiga de la junta soldada en ángulo tipo T. La junta No. 1 es un ejemplo de la presente invención que tiene una relación de área de la microestructura ferrítica de por lo menos 20% en la HAZ. Las juntas 2 a 4 son ejemplos de la presente invención cuya relación del área de la microestructura ferrítica de la HAZ es por lo menos 20% y cuyo equivalente de carbono no es mayor de 0.275. Cuando el equivalente de carbono se hace más pequeño, la relación del área de la microestructura de ferrita se incrementa y la resistencia a la fatiga de las juntas soldadas se incrementa también. Las juntas 17 y 18 son Ejemplos Comparativos cuya relación del área de la microestructura ferrítica fue menor y cuyo equivalente de carbono fue mayor que el estipulado por la presente invención; y la resistencia a la fatiga de estas juntas soldadas fue menor que la de los Ejemplos 1 a 4 de la presente invención. Las juntas 5 a 16 son ejemplos de la presente invención a las cuales por lo menos uno de Cu, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Ti, Ca, y MTR se adicionaron además de los componentes básicos. Cada uno de estos ejemplos conserva una elevada resistencia a la fatiga. La resistencia del metal base se mejoró en las juntas 5 a 11 y mejoró relación del área de la microestructura ferrítica de la HAZ se debido a la refinación de TiN o TiO en las juntas Nos. 12 a 14. Por otra parte, las juntas Nos. 16 y 20 son Ejemplos comparativos a los cuales se adicionaron estos elementos, pero sus relaciones de área de la microestructura ferrítica de la HAZ fue baja, y su equivalente de carbono fue mayor que el estipulado en la presente invención. La resistencia a la fatiga de estas juntas soldadas pudo ser mejorada. Por otra parte, en las juntas Nos. 21 a 23 para las cuales se llevó a cabo el soldeo en ángulo cruciforme y en las juntas Nos . 24 a 26 para las cuales se realizó el soldeo en el contorno, la resistencia a la fatiga de las juntas soldadas pudo ser mejorada cuando la relación del área ferrítica de la HAZ fue superior. Por consiguiente, en las juntas soldadas que satisfacen la condición de la presente invención (representadas como "Ejemplos de la presente invención" en la Tabla 2), la relación del área de la microestructura ferrítica fue de por lo menos 20% y todas estas juntas soldadas lograron la excelente resistencia a la fatiga en el estado recién soldado. Tabla 2 i A 15 23 77 tipo T 211 Ejemplo de la presente invención 2 B 15 91 9 248 3 c 15 85 15 243 4 D 15 73 27 231 5 E 15 61 39 238 6 F 15 75 25 232 7 G 15 65 35 225 8 H 15 62 38 227 9 I 15 81 19 240 10 J 15 87 13 242 11 K 15 91 9 241 12 L 15 49 51 222 13 M 15 60 40 230 14 M2 15 70 30 236 15 N 15 38 62 221 16 0 15 25 75 216 17 P 15 6 94 188 ejemplo comparativo 18 Q 15 7 93 191 19 R 15 5 95 192 20 S 15 16 84 ' 193 21 A 6 65 35 cruciforme 216 ejemplo de la presente invención 22 B 6 93 7 >, 218 t , 23 P 6 6 94 \, 174 ejemplo comparativo 24 A 30 61 39 contorno 103 ejemplo de la presente invención 25 B 30 87 13 \, 105 \, 26 P 30 4 96 \ r 85 ejemplo comparativo *3 : re •1 ación del área como la suma de las microestp bainita/martensita/perlita/austenita residual . *4: resistencia a la fatiga en la que el número de repetición de la fractura alcanza dos 2,000,000 de veces. Como se describe con detalle en lo anterior, la presente invención incrementa la relación del área de la microestructura ferrítica capaz de retardar la velocidad de propagación de la fisura producida por fatiga junto con la HAZ de la junta de soldadura utilizada para barcos, estructuras mar adentro, puentes, máquinas para construcción, etc., o para lograr este objetivo, la presente -invención limita los componentes químicos de la placa de acero y su equivalente de carbono y, por tanto, puede mejorar la resistencia a la fatiga de la junta soldada. Por tanto, cuando se emplea la junta soldada de la presente invención, la confiabilidad para la destrucción de la fatiga de las estructuras soldadas puede mejorar notablemente. La importancia técnica de la junta soldada de la presente invención que tiene estos efectos es extremadamente notable.

Claims

REIVINDICACIONES Una junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga que se caracteriza porque la relación del área de una microestructura ferrítica en una zona afectada por el calor de la junta soldada es de 20 a 100%, y la diferencia comprende por lo menos una de las microestructuras bainita, martensita, perlita y austenita residual. La junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga, de acuerdo con la reivindicación 1, la cual se produce utilizando una placa de acero que contiene, en términos de porciento por peso: C: 0.015 a 0.15% Si: 0.06 a 2.0% Mn: 0.2 a 1.5% P: no mayor de 0.05% S: no mayor de 0.05% Al: 0.001 a 0.08% N: 0.002 a 0.015% y la diferencia de Fe e impurezas inevitables; y que tiene un equivalente de carbono (Ceq) no mayor de 0.275: Ceq = + Mn/6 + (Cu + Ni)/15 + (Cr + Mo + V)/5 + Nb/3. La junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga, de acuerdo con la reivindicación 2, la cual se produce utilizando una placa de acero que además contiene, en términos de porciento por peso: Ti: 0.003 a 0.05%. La junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga, de acuerdo con la reivindicación 3, la cual se produce utilizando una placa de acero que tiene un valor Ti/N de 2.0 a 3.4. La junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga, de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a la 4, que se produce utilizando una placa de acero además contiene, en términos de porciento por peso, por lo menos uno de los siguientes elementos: Cu: 0.1 a 2.0% Ni: 0.1 a 2.0% Cr: 0.05 a 1.0% Mo: 0.005 a 1.0% V: 0.02 a 10.0%, y Nb: 0.005 a 0.08% La junta soldada que tiene una excelente resistencia a la fatiga, de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a la 5, la cual se produce utilizando una placa de acero además contiene, en términos de porciento por peso: Ca: 0.0005 a 0.010%, y MTR: 0.0050 a 0.050%.