ES2286384T3 - Soldaduras de acero de alta resistencia que tiene una resistencia mejorada a agrietamiento en frio y un metodo de soldadura. - Google Patents
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Abstract
Un método de soldadura para acero, en el que inmediatamente después de la soldadura la cantidad de hidrógeno en el metal depositado (HD [ml/100 g]) se determina de acuerdo con JIS Z3118 y en el que el tiempo T hasta que el metal depositado se enfría a 100ºC después de la soldadura satisface la siguiente Ecuación (1), y en el que la soldadura se realiza para formar un metal depositado compuesto por, en % en masa, C: 0, 01 a 0, 15% Si: 0, 02 a 0, 6% Mn:0, 6 a 3, 0% Al: 0, 004 a 0, 08% Ti: 0, 003 a 0, 03% B: como mucho 0, 005% Cu: 0 a 1, 2% Ni: 0 a 3% Cr: 0 a 1, 2% Mo: 0 a 2% V: 0 a 0, 05% Nb: 0 a 0, 05% el resto del metal depositado está compuesto esencialmente por Fe e impurezas inevitables, comprendiendo dichas impurezas P: como mucho 0, 03% S: como mucho 0, 03% N: como mucho 0, 01% Ca: como mucho 0, 005% Mg: como mucho 0, 005% en el que el valor de Pcm del metal depositado expresado mediante la siguiente Ecuación (3) (en la que el símbolo de cada elemento que aparece en la ecuación indicael contenido del elemento en % en masa) está en el intervalo del 0, 23% al 0, 35%; T (segundos) >= exp(7, 0 x Pw + 4, 66) Ecuación (1) en la que Pw = Pcm + HD/60 Ecuación (2) Pcm (% en masa) = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15+ V/10 + 5B Ecuación (3) HD [ml/100 g]: cantidad de hidrógeno en el metal depositado inmediatamente después de la soldadura.
Description
Soldadura de acero de alta resistencia que tiene
una resistencia mejorada a agrietamiento en frío y un método de
soldadura.
Esta invención se refiere a la fabricación una
soldadura de acero de alta resistencia que tiene una resistencia a
tracción (TS) de al menos 750 MPa junto con una tenacidad a baja
temperatura mejorada y una resistencia mejorada a agrietamiento en
frío. El método de soldadura de acuerdo con la presente invención es
adecuado para usar en estructuras de acero de alta resistencia
tales como tuberías de acero soldadas para tuberías y otros usos,
estructuras mar adentro, recipientes a presión, tanques, y cascos de
barco.
En una tubería para transportar gas natural,
crudo de petróleo, o material similar a largas distancias, si la
presión operativa aumenta, la eficacia de transporte de la tubería
mejora y los costes de transporte disminuyen. Para aumentar la
presión operativa, es necesario aumentar el espesor de la pared del
tubo que forma la tubería o aumentar la resistencia del material
del que está formando el tubo. Sin embargo, si el espesor de la
pared del tubo aumenta, la eficacia de campo (en el sitio) de la
soldadura disminuye, y puede hacerse necesario reforzar los
cimientos que soportan la tubería debido al aumento de peso del
tubo.
Por esta razón, hay una necesidad en aumento de
un tubo de acero soldado de mayor resistencia. En los últimos años,
el tubo de acero soldado de calidad X80 que tiene un límite elástico
(YS) de al menos 551 MPa y una resistencia a tracción (TS) de al
menos 620 MPa ha sido estandardizado por el American Petroleum
Institute (API) y actualmente se está usando.
Adicionalmente, en los últimos años, se está
desarrollando un tubo de acero soldado de alta resistencia mejor
que el de calidad X80 basándose en la tecnología de fabricación para
el tubo de acero soldado de calidad X80 usando un acero de alta
resistencia que tiene una resistencia a tracción de 950 MPa o mayor
junto con una tenacidad a baja temperatura mejorada y soldabilidad
de campo.
Con dicho tubo de acero soldado de alta
resistencia, es importante no solo garantizar las propiedades
deseadas del metal base del tubo de acero y la soldadura, sino
también evitar el agrietamiento en frío en el metal depositado de
la soldadura. En general, la resistencia de metal depositado en una
soldadura de acero debe ser mayor que la resistencia del metal
base. Por consiguiente, como la resistencia de un metal base del
tubo de acero aumenta, es necesario que aumente también la
resistencia de un metal depositado. Normalmente, la resistencia de
un metal base del tubo de acero puede aumentarse fácilmente
ajustando las condiciones de trabajo para laminado en caliente
(usando laminado controlado y enfriamiento acelerado). La
resistencia de un metal depositado se determina por su composición
química y la velocidad de enfriamiento después de la soldadura. De
esta manera, cuando las condiciones de soldadura están fijadas (tal
como cuando el espesor de una placa de acero que se está soldando
es fijo), se cree que la resistencia del metal depositado está
determinada casi enteramente por la cantidad de elementos de
aleación.
Por lo tanto, para aumentar la resistencia de un
metal depositado, es necesario incluir una gran cantidad de
elementos de aleación que son eficaces para aumentar la resistencia
del acero. Sin embargo, si un metal depositado contiene una gran
cantidad de elementos de aleación, se recoge una mayor cantidad de
hidrógeno en el metal depositado durante la soldadura, lo que
aumenta significativamente la susceptibilidad del metal depositado
al agrietamiento en frío.
Para mejorar la resistencia al agrietamiento en
frío de un metal depositado, la Patente de Estados Unidos Nº
6.188.037 propone reducir la susceptibilidad a agrietamiento por
hidrógeno aumentando la cantidad de oxígeno en un metal depositado.
Sin embargo, debido al aumento de la cantidad de oxígeno en el metal
depositado, no solo disminuye la tenacidad del metal depositado,
sino que también es más fácil que ocurran defectos tales como
inclusiones de escoria y burbujas ocluidas en el metal depositado,
conduciendo a una disminución de la calidad de la soldadura.
La Patente Japonesa Nº 2.555.400 propone un
método de soldadura por electroescoria de boquilla consumible en el
que se forma un metal depositado que tiene una composición química
prescrita y se enfría mediante enfriamiento acelerado a una
velocidad de enfriamiento de 0,3 - 5ºC/s a una temperatura de 500ºC
o menor. En los ejemplos de esta patente, la temperatura cuando se
completa el enfriamiento está en el intervalo de 500 - 300ºC. En
este método, las técnicas de soldadura que pueden emplearse están
restringidas, y por lo tanto no pueden aplicarse a un tubo de
acero, por ejemplo. Además, el objeto de esta patente es un acero de
baja resistencia, y no describe un método para evitar el
agrietamiento en frío en un acero de alta resistencia, que es el
objeto de la presente invención.
La presente invención proporciona la fabricación
de una soldadura de acero de alta resistencia que tiene una alta
resistencia a tracción de al menos 750 MPa y tenacidad a baja
temperatura mejorada y resistencia a agrietamiento en frío, por
ejemplo, en un tubo de acero de alta resistencia que se fabrica
mediante el método de soldadura de arco sumergido y que tiene una
alta resistencia a tracción de al menos 750 MPa. El método de
soldadura puede formar la soldadura deseada de una manera
fiable.
De acuerdo con un aspecto, la presente invención
se refiere a soldar un metal base de acero (tal como una placa de
acero para formar un tubo de acero) que tiene una alta resistencia,
por ejemplo, una resistencia a tracción (TS) de al menos 750 MPa y
una excelente resistencia a agrietamiento en frío. Una soldadura de
acero producida de acuerdo con la presente invención tiene un metal
depositado compuesto por, en % en masa
| C: 0,01 - 0,15%, | Si: 0,02 - 0,6%, | Mn: 0,6 - 3,0%, |
| Al: 0,004 - 0,08%, | Ti: 0,003 - 0,03%, | B: como mucho 0,005%, |
| Cu: 0 - 1,2%, | Ni: 0 - 3%, | Cr: 0 - 1,2%, |
| Mo: 0 - 2%, | V: 0 - 0,05%, | Nb: 0 - 0,05%, |
y el resto Fe e impurezas inevitables, siendo
las cantidades de impurezas P: como mucho 0,03%, S: como mucho
0,03%, N: como mucho 0,01%, Ca: como mucho 0,005%, Mg: como mucho
0,005%,
y el valor de Pcm (la susceptibilidad de la
composición de la soldadura al agrietamiento) del metal depositado
está dado por la siguiente Ecuación (3) (en la que el símbolo de
cada elemento que aparece en la ecuación indica el contenido del
elemento en % en masa) que está en el intervalo de 0,23 - 0,35%.
Además, el tiempo T hasta que el metal depositado se enfría a 100ºC
después de la soldadura satisface la siguiente Ecuación (1):
- T (segundos) \geq exp(7,0 x Pw + 4,66)
- Ecuación (1)
en la
que
- Pw = Pcm + HD/60
- Ecuación (2)
- \quad
- Pcm (% en masa) = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 +
- Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
- Ecuación (3)
- HD [ml/100 g]:
- cantidad de hidrógeno en el metal depositado inmediatamente después de la soldadura.
El proceso de la invención puede proporcionar
una estructura de acero soldado, tal como un tubo de acero (en
concreto, una tubería de acero soldado), una estructura mar adentro,
un recipiente a presión, un tanque, o un casco de barco que tiene
la soldadura descrita anteriormente.
La condición de que el tiempo T después de la
soldadura antes que el metal depositado se enfríe a 100ºC satisface
la Ecuación (1) anterior puede conseguirse usando un medio tal como
precalentar antes de la soldadura o calentar posteriormente o
aislamiento térmico después de la soldadura, por ejemplo.
Cu, Ni, Cr, Mo, V, y Nb son elementos opcionales
en el metal depositado. Uno o más de estos elementos puede
incluirse en el metal depositado en las cantidades descritas
anteriormente con el propósito de aumentar la resistencia y/o la
tenacidad.
El término "soldadura" como se usa en este
documento significa una zona de soldadura de acero que incluye el
metal depositado y la zona afectada por el calor (HAZ) que rodea al
metal depositado, que se forman mediante la soldadura. La expresión
"metal depositado" significa la parte de una soldadura que se
funde durante la soldadura y después solidifica.
El metal depositado de la soldadura se forma a
partir de una varilla o cable de soldadura fundido en el que se
disuelven los componentes metálicos de un fundente y del metal base.
Por consiguiente, los elementos descritos anteriormente en el metal
depositado proceden fundamentalmente de la varilla o cable de
soldadura, aunque parte de ellos pueden introducirse desde el metal
base o el fundente. En la presente invención, es suficiente que la
composición química del metal depositado formado después de la
soldadura esté en el intervalo descrito anteriormente y que el
valor de Pcm satisfaga la Ecuación (3) descrita anteriormente.
La figura adjunta es un gráfico que muestra la
relación entre Pcm, que afecta al agrietamiento en frío, y el tiempo
de enfriamiento T.
\newpage
Los presentes inventores descubrieron que
limitando el contenido de elementos de aleación en un metal
depositado a un intervalo adecuado y ajustando el tiempo de
enfriamiento después de la soldadura para correlacionarlo con la
composición química o la cantidad de hidrógeno en el metal
depositado, un metal depositado que tiene una resistencia a
tracción de al menos 750 MPa y una excelente resistencia al
agrietamiento en frío puede formarse de una manera estable mediante
el método de soldadura de arco sumergido.
Específicamente, en primer lugar, para obtener
una resistencia adecuadamente alta para un metal depositado, el
contenido de cada elemento en el metal depositado se limita como se
describe a continuación, y el valor de Pcm (% en masa) está en el
intervalo del 0,23% al 0,35%. Esto es para conseguir un equilibrio
de la resistencia y tenacidad deseadas para el depositado sin
afectar negativamente a la tenacidad a baja temperatura. Sin
embargo, solo por este medio, no es posible evitar el agrietamiento
en frío.
Para evitar el agrietamiento en frío, es eficaz
disminuir el contenido de hidrógeno en un metal depositado. Los
presentes inventores descubrieron que si el tiempo de enfriamiento
requerido para enfriar un metal depositado a 100ºC después de la
soldadura es mayor de un cierto límite, es posible promover la
deshidrogenación del metal depositado suficientemente para evitar
el agrietamiento en frío. Se cree que como el hidrógeno puede
difundirse adecuadamente en una región de temperatura de 100ºC o
mayor, una cantidad de tiempo prolongada hasta que un metal
depositado se enfría a 100ºC desde la alta temperatura
inmediatamente después de la soldadura es importante para que la
deshidrogenación del metal depositado se promueva
suficientemente.
El agrietamiento en frío en un metal depositado
aumenta cuando aumenta el contenido de hidrógeno en el metal
depositado y el valor de Pcm, y el tiempo de enfriamiento requerido
para evitar el agrietamiento en frío está dentro del intervalo
expresado por la Ecuación (1). En concreto, si la cantidad de
hidrógeno HD [ml/100 g] en el metal depositado y el valor de Pcm
aumentan, el tiempo de enfriamiento T para enfriar un metal
depositado a 100ºC después de la soldadura debería aumentar,
basándose en las Ecuaciones (1) y (2).
- Tiempo de enfriamiento T (segundos) \geq exp(7,0 x Pw + 4,66)
- Ecuación (1)
- \quad
- Índice de susceptibilidad al agrietamiento por soldadura
- Pw = Pcm + HD/60
- Ecuación (2)
- \quad
- Pcm (% en masa) = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 +
- Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
- Ecuación (3)
A continuación, se describirá el contenido de
cada elemento en el metal depositado. En la siguiente explicación,
% como se usa con respecto a la composición química y Pcm significa
% en masa.
C: 0,01 -0,15%
Para garantizar la resistencia de un metal
depositado, el contenido de carbono (C) es al menos el 0,01%. Sin
embargo, el exceso de C conduce a un aumento en la cantidad de
carburos precipitados y al engrosamiento de los carburos,
deteriorando así la tenacidad del metal depositado. Por esta razón,
el límite superior sobre el contenido de C es del 0,15%. Para
mejorar adicionalmente la tenacidad, el contenido de C es
preferiblemente como mucho el 0,1% y más preferiblemente como mucho
el 0,08%.
Si: 0,02 - 0,6%
El silicio (Si) aumenta la resistencia de un
metal depositado y tiene un efecto desoxidante. Para obtener estos
efectos, la cantidad de Si en el metal depositado es al menos el
0,02%. Sin embargo, la adición de demasiado Si provoca una
disminución en la tenacidad del metal depositado y produce un
deterioro en la resistencia a susceptibilidad al agrietamiento, y
el límite superior sobre la cantidad de Si es del 0,6%.
Preferiblemente el contenido de Si es del 0,1 - 0,2%.
Mn: 0,6 - 3,0%
El manganeso (Mn) aumenta también la resistencia
de un metal depositado y tiene un efecto desoxidante. Para obtener
estos efectos, el límite inferior del contenido de Mn es del 0,6%.
Sin embargo, si el contenido de Mn es mayor del 3,0%, provoca una
disminución en la tenacidad del metal depositado y deteriora la
resistencia a la susceptibilidad al agrietamiento, y por lo tanto
el límite superior sobre el contenido de Mn es del 3,0%. Para
mejorar adicionalmente la tenacidad y resistencia al agrietamiento,
el contenido de Mn es como mucho el 2,5% y preferiblemente como
mucho el 1,7%.
\newpage
Al: 0,004 - 0,08%
El aluminio (Al) es importante como desoxidante.
Para que el Al presente un efecto desoxidante, el límite inferior
sobre el contenido de Al es del 0,004%. Por otro lado, una cantidad
excesiva de Al provoca la formación de inclusiones gruesas, y por
lo tanto el límite superior sobre el contenido de Al es del 0,08%.
El contenido de Al es preferiblemente del 0,01 - 0,04%.
Ti: 0,003 - 0,03%
El titanio (Ti) es importante como desoxidante,
y sirve también para evitar que una cantidad mínima de B se una al
N, asegurando de esta manera la templabilidad obtenida por B, que es
eficaz para aumentar la resistencia de un metal depositado. Para
obtener estos efectos, el límite inferior sobre el contenido de Ti
es del 0,003%. Una cantidad excesiva de Ti provoca la precipitación
de TiC, que da como resultado un deterioro significativo en la
tenacidad del metal depositado. Por esta razón, el límite superior
sobre el contenido de Ti es del 0,03%. El contenido de Ti es
preferiblemente del 0,01 - 0,02%.
B: como mucho el 0,005%
En cantidades muy pequeñas, el boro (B) aumenta
notablemente la templabilidad de un metal depositado y contribuye a
un aumento en la resistencia del mismo. Por lo tanto, B se incluye
preferiblemente en una cantidad de al menos el 0,002%. Sin embargo,
la adición de B en una cantidad excesiva conduce a un deterioro en
la resistencia al agrietamiento en frío, y por lo tanto el límite
superior sobre el contenido de B es del 0,005%. Para asegurar una
resistencia aún mejor al agrietamiento por soldadura, el contenido
de B es preferiblemente como mucho del 0,004% y más preferiblemente
como mucho del 0,003%.
Cu: 0 - 1,2%
No es necesario que un metal depositado contenga
cobre (Cu), pero el Cu contribuye a aumentar la resistencia
mediante el efecto de precipitación, por lo que puede añadirse
cuando se desea una mayor resistencia. Sin embargo, si el contenido
de Cu es mayor del 1,2%, el agrietamiento por soldadura puede
ocurrir fácilmente. De esta manera, cuando se añade Cu, el
contenido de Cu es como mucho del 1,2%. Para mejorar adicionalmente
la resistencia al agrietamiento en frío, el contenido de Cu es como
mucho del 0,8% y preferiblemente como mucho del 0,6%.
Ni: 0 - 3%
No es necesario que un metal depositado contenga
níquel (Ni), pero el Ni tiene un gran efecto sobre el aumento de la
tenacidad, por lo que puede añadirse cuando se desea una mayor
tenacidad. Sin embargo, si el contenido de Ni es mayor del 3%, el
metal fundido formado mediante la soldadura tiende a tener una mala
fluidez y forma, de esta manera, defectos de soldadura. Por lo
tanto, cuando se añade Ni, el contenido de Ni es como mucho del 3%
y preferiblemente como mucho del 2,5%.
Cr: 0 - 1,2%
No es necesario que un metal depositado contenga
cromo (Cr), pero el Cr es eficaz para aumentar la templabilidad, de
manera que puede incluirse cuando se desea una mayor resistencia
para el metal depositado. Sin embargo, si el contenido de Cr es
mayor del 1,2%, tiende a provocar agrietamiento en frío. De esta
manera, cuando se añade, el contenido de Cr es como mucho del 1,2%.
Preferiblemente el contenido de Cr es como mucho del 1,0%.
Mo: 0 - 2%
No es necesario que un metal depositado contenga
molibdeno (Mo), pero el Mo aumenta la templabilidad y produce
endurecimiento por precipitación. De esta manera, como el Mo es
eficaz para aumentar la resistencia, puede añadirse cuando se desea
una mayor resistencia del metal depositado. Sin embargo, si el
contenido de Mo es mayor del 2%, es más fácil que ocurra el
agrietamiento en frío. Por lo tanto, cuando se añade Mo, su
contenido es como mucho del 2% y preferiblemente como mucho del
1%.
V: 0 - 0,05%
No es necesario que un metal depositado contenga
vanadio (V), pero el V produce endurecimiento por precipitación y
es eficaz por lo tanto para aumentar la resistencia. Por lo tanto,
puede añadirse V cuando se desea una mayor resistencia del metal
depositado. Sin embargo, si el contenido de V es mayor del 0,05%, es
fácil que ocurra agrietamiento, por lo que cuando se añade V, su
contenido es como mucho del 0,05% y preferiblemente como mucho del
0,03%.
Nb: 0 - 0,05%
No es necesario que un metal depositado contenga
niobio (Nb), pero el Nb produce endurecimiento por precipitación y
es eficaz para aumentar la resistencia, por lo que puede añadirse
cuando se desea una mayor resistencia del metal depositado. Sin
embargo, si el contenido de Nb es mayor del 0,05%, es fácil que
ocurra agrietamiento. De esta manera, cuando se añade Nb, su
contenido es como mucho del 0,05% y preferiblemente como mucho del
0,03%.
Pcm: 0,23 - 0,35%
Para asegurar que un metal depositado tiene una
resistencia y tenacidad adecuadamente altas y para evitar el
agrietamiento en frío, además de limitar el contenido de cada
elemento en el metal depositado dentro del intervalo descrito
anteriormente, es importante ajustar la susceptibilidad de la
composición de soldadura al agrietamiento Pcm (= C + Si/30 + Mn/20
+ Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B). Si el valor de Pcm es
menor del 0,23%, la resistencia del metal depositado se hace
pequeña. Si es mayor del 0,35%, la tenacidad del metal depositado
no es suficiente para evitar el agrietamiento en frío. De esta
manera, el valor de Pcm está en el intervalo de 0,23 - 0,35% y
preferiblemente en el intervalo de 0,25 - 0,30%.
La cantidad de impurezas inevitables tales como
P, S, y N es preferiblemente tan pequeña como sea posible, pero los
efectos de la presente invención no se confieren significativamente
si el contenido de estos elementos en el metal depositado es P:
como mucho el 0,03%, S: como mucho el 0,03%, N: como mucho el 0,01%,
y Ca o Mg: como mucho el 0,005%. El contenido de elementos de
impureza es preferiblemente P: como mucho el 0,01%, S: como mucho
el 0,01%, N: como mucho el 0,006%, y Ca o Mg: como mucho el
0,002%.
Para evitar el agrietamiento en frío en un metal
depositado, es insuficiente simplemente limitar el contenido de
cada elemento en el metal depositado y el Pcm de la manera descrita
anteriormente. En la presente invención, el tiempo T para enfriar
el metal depositado a 100ºC después de la soldadura se ajusta para
que esté en el intervalo dado por la siguiente Ecuación (1).
- T (segundos) \geq exp(7,0 x Pw + 4,66)
- Ecuación (1)
- Pw = Pcm + HD/60
- Ecuación (2)
- \quad
- Pcm (% en masa) = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 +
- Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
- Ecuación (3)
Para evitar agrietamiento en frío, es necesario
reducir la cantidad de hidrógeno en un metal depositado que es una
causa de la formación de grietas. Como medida para disminuir la
cantidad de hidrógeno en un metal depositado, se concibe (a)
aumentar el grado de deshidrogenación (cantidad de retirada de
hidrógeno) después de la soldadura, o (b) reducir la entrada de
hidrógeno durante la soldadura. En el método de soldadura de arco
sumergido, el fundente usado para soldar tiende a absorber humedad
y de esta manera capta el hidrógeno que entra en un metal
depositado. Por lo tanto, con el objeto de obtener la medida (b), es
útil usar un fundente desecado para realizar la soldadura. Sin
embargo, hay un límite a la reducción en la cantidad de hidrógeno
mediante este método solo, y el agrietamiento en frío no puede
evitarse completamente.
En la presente invención, para conseguir la
medida anterior (a) o aumentar el grado de deshidrogenación después
de la soldadura, se regula el tiempo de enfriamiento después de la
soldadura. En la región de temperatura por encima de 100ºC, como el
hidrógeno puede difundirse a una alta velocidad, es posible promover
la deshidrogenación adecuadamente. En la presente invención,
haciendo suficientemente largo el periodo de tiempo durante el cual
la temperatura del metal depositado disminuye desde la región de
alta temperatura inmediatamente después de la soldadura a 100ºC,
tiene lugar una deshidrogenación suficiente después de la soldadura
para evitar el agrietamiento en frío.
El agrietamiento en frío ocurre más fácilmente
según aumenta la cantidad de ciertos elementos en el metal
depositado o según aumenta el valor de Pcm, y según aumenta la
cantidad de hidrógeno (HD) en el metal depositado. Por
consiguiente, cuanto más aumente Pcm y/o HD, es necesario tener un
tiempo de enfriamiento (T) mayor para evitar la formación de
grietas. Los presentes inventores encontraron que un tiempo de
enfriamiento T apropiado puede prescribirse como una función de Pcm
y HD y obtenerse la Ecuación (1) descrita anteriormente.
El tiempo de enfriamiento (T) puede ajustarse
precalentando el sitio de soldadura antes de la soldadura o
calentando posteriormente o aislando térmicamente después de la
soldadura, pero mientras pueda garantizarse el tiempo de
enfriamiento prescrito por la Ecuación (1) descrita anteriormente,
pueden emplearse otros medios para ajustar el tiempo de
enfriamiento. Si el tiempo de enfriamiento del material depositado
en una región de temperatura de 100ºC o mayor es más corto que el
intervalo dado por la Ecuación (1), no puede evitarse la aparición
de agrietamiento en frío, pero si el tiempo de enfriamiento está en
el intervalo de la Ecuación (1), puede evitarse el agrietamiento en
frío.
De esta manera, de acuerdo con la presente
invención, (a) controlando la composición del metal depositado como
se ha descrito anteriormente, (b) teniendo un valor de Pcm que está
en el intervalo del 0,23 - 0,35%, y (c) prolongando el tiempo de
enfriamiento T del metal depositado a 100ºC después de la soldadura
dependiendo del valor de Pcm y la cantidad de hidrógeno en el metal
depositado (HD), es posible formar una soldadura de acero que tiene
un metal depositado con una resistencia a tracción (TS) de al menos
750 MPa y en algunos casos de 1000 MPa o mayor junto con una
excelente tenacidad mejorada a baja temperatura y sin agrietamiento
en frío. Además, no hay aparición de defectos de soldadura tales
como inclusiones de escoria o burbujas ocluidas como las
encontradas en un método convencional en el que se aumenta la
cantidad de oxígeno en un metal depositado. También es posible
prevenir la aparición de defectos de soldadura debido a una
desviación de la composición del metal depositado del intervalo
deseado provocada por la oxidación, haciendo posible de esta manera
formar una soldadura de buena calidad de una manera estable.
El método de soldadura de la presente invención
es adecuado para usar con el método de arco sumergido. Cuando se
está realizando la soldadura de acuerdo con la presente invención,
las composiciones del cable o varilla de soldadura y el fundente
que se van a usar se determinan teniendo en cuenta la composición
del acero a soldar y las condiciones de soldadura, de manera que la
composición química y el valor de Pcm del metal depositado de la
soldadura que se forma soldando están dentro de los intervalos
descritos anteriormente. Además, se realiza un ensayo de soldadura
con estos materiales en diversas condiciones para medir la cantidad
de hidrógeno en el metal depositado inmediatamente después de la
soldadura, y se determina el tiempo de enfriamiento (T) hasta los
100ºC necesarios para evitar el agrietamiento en frío.
Posteriormente, se adopta un medio de precalentamiento adecuado y/o
un calentamiento posterior o aislamiento térmico para obtener el
tiempo de enfriamiento determinado.
Los siguientes ejemplos se incluyen simplemente
para ilustrar la presente invención considerando el caso en el que
la presente invención se aplica a un tubo de acero soldado para una
tubería o estructura similar.
Un tubo de acero soldado que tiene un espesor de
la pared de 12 mm a 24 mm [diámetro externo: de 500 mm (20
pulgadas) a 1500 mm (60 pulgadas)] se fabricó usando un equipo de
fabricación de tubos de acero UOE a partir de una tira de acero que
tiene diversas composiciones químicas obtenida por colada continua y
laminado en caliente. La soldadura se realizó por el método de
soldadura de arco sumergido (SAW) usando diversos fundentes y
cables de soldadura. El tiempo para que el metal depositado se
enfriara a 100ºC después de la soldadura se midió midiendo la
temperatura del metal depositado usando un termómetro de tipo sin
contacto. El tiempo de enfriamiento T se ajustó precalentando antes
de la soldadura o aislando térmicamente después de precalentar.
La cantidad de hidrógeno en el metal depositado
inmediatamente después de la soldadura (HD: ml/100 g) se midió
mediante un experimento usando el mismo fundente usado para la
fabricación del tubo de acuerdo con JIS Z3118. Para los ejemplos de
la presente invención, los resultados fueron todos, como mucho, de 4
ml/1,00 g. La cantidad de hidrógeno en el metal depositado varía un
tanto de acuerdo con las condiciones de soldadura, pero si es como
mucho 4 ml/100 g, la susceptibilidad a agrietamiento en frío es
baja, y es posible evitar el agrietamiento en frío mediante la
presente invención.
La composición química del metal depositado se
analizó de acuerdo con API 5L usando una muestra tomada del metal
depositado. Los resultados del análisis se muestran en las Tablas 1
y 2 junto con el valor de Pcm (composición de susceptibilidad de la
soldadura al agrietamiento) calculado a partir de la Ecuación (3)
descrita anteriormente.
A partir del valor de Pcm y valor de HD
descritos anteriormente (cantidad de hidrógeno en el metal
depositado), se calculó un índice de susceptibilidad de la
soldadura al agrietamiento Pw a partir de la Ecuación (2) descrita
anteriormente. Además, a partir del valor obtenido de Pw, se calculó
el límite inferior sobre el tiempo de enfriamiento prescrito por la
Ecuación (1), es decir, el tiempo de enfriamiento T calculado
mediante T = exp(7,0 x Pw + 4,66). Este límite inferior se
muestra en la Tabla 1 como el tiempo de enfriamiento Ta necesario
junto con el tiempo de enfriamiento T medido a 100ºC.
La resistencia a tracción (TS) del metal
depositado se midió de acuerdo con AWS.D.1.1 usando una barra de
ensayo que tenía un diámetro de 6 mm tomada del metal depositado. La
tenacidad a baja temperatura del metal depositado [la energía de
absorción del impacto Charpy a -20ºC (Charpy vE-20)]
se midió de acuerdo con API 5L. Los defectos de soldadura tales
como agrietamiento en frío se evaluaron mediante un ensayo
reflectoscópico ultrasónico (URT) de la soldadura 48 horas después
de la soldadura. Estos resultados se muestran también en las Tablas
1 y 2. En las tablas, con respecto a los resultados de agrietamiento
en frío, O indica que no se encontró agrietamiento en frío, y X
indica que ocurrió agrietamiento en frío.
Para obtener una soldadura que tiene de alta
resistencia y tenacidad y resistencia mejorada al agrietamiento en
frío, las propiedades mecánicas diana deseadas de la soldadura son
una resistencia a tracción (TS) de al menos 750 MPa y un valor de
impacto Charpy vE-20 de al menos 100 J.
En las tablas, para los N^{os}
1-5, Pcm era menor que el límite inferior (0,23) de
acuerdo con la presente invención, y la resistencia del metal
depositado era menor que el valor diana de 750 MPa.
Los N^{os} 6-17 tenían un
tiempo de enfriamiento T después de la soldadura hasta 100ºC que era
más corto que el tiempo de enfriamiento Ta necesario, y ocurrió
agrietamiento en frío.
Aunque el tiempo de enfriamiento sea
suficientemente largo, si la composición de un metal depositado no
es adecuada, no puede garantizarse el rendimiento del metal
depositado. El contenido de C era demasiado bajo para el Nº 19, el
contenido de Mn era demasiado bajo para el Nº 23, y el contenido de
B era demasiado bajo para el Nº 33, por lo que el Pcm era menor que
el límite inferior, y la resistencia a tracción del metal depositado
se hizo baja.
Por otro lado, el contenido de C para el Nº 18,
el contenido de Mn para el Nº 22, el contenido de Cr para el Nº 26,
el contenido de Mo para el Nº 27, el contenido de V para el Nº 28,
el contenido de Nb para el Nº 29, y el contenido de B para el Nº 32
eran demasiado altos, por lo que la tenacidad a baja temperatura (el
valor del impacto Charpy) y la resistencia al agrietamiento en frío
del metal depositado se deterioraron.
El Nº 20 contenía demasiado Si, el Nº 30
contenía demasiado Ti, el Nº 31 contenía demasiado poco Ti, y el Nº
35 contenía demasiado poco Al, por lo que la tenacidad a baja
temperatura del metal depositado disminuyó.
Para el Nº 21, Si era demasiado pequeño, y
aparecieron defectos debido a una desoxidación insuficiente. El Nº
24 contenía demasiado Cu, y ocurrió agrietamiento en caliente. El Nº
25 contenía demasiado Ni, y los defectos ocurrieron debido a la
formación de perlas que tienen formas no uniformes. El Nº 34
contenía demasiado Al, y los defectos ocurrieron debido a
inclusiones de escoria, provocando así problemas en la calidad de la
soldadura.
En contraste, en los N^{os} 36 - 46 de acuerdo
con la presente invención, (a) la composición del metal depositado
era adecuada, (b) Pcm estaba en el intervalo de 0,23 - 0,35%, y (c)
el tiempo de enfriamiento T después de la soldadura para enfriar a
100ºC fue más largo que el tiempo de enfriamiento Ta necesario. Como
resultado, fue posible formar una soldadura que tiene un metal
depositado con una alta resistencia a tracción (TS \geq 750 MPa)
y una alta tenacidad a baja temperatura (un valor de impacto Charpy
vE-20 \geq100 J) y sin grietas en absoluto.
Como puede observarse a partir de la Tabla 2, de
acuerdo con la presente invención, ajustando la composición química
del metal depositado, puede hacerse que la resistencia a tracción
del mismo supere los 1100 MPa, de manera que el metal depositado es
adecuado para soldar un tubo de acero que tiene una resistencia a
tracción muy alta de 950 MPa o mayor.
La figura adjunta muestra la presencia o
ausencia de agrietamiento en frío como función del valor de Pcm y
el tiempo de enfriamiento T para los N^{os} 1 - 17 y 36 - 46.
Puede observarse a partir de esta figura que el agrietamiento en
frío puede evitarse haciendo que el tiempo de enfriamiento sea T
\geq exp(7,0 x Pw + 4,66).
En un método convencional para aumentar el
contenido de oxígeno en un metal depositado (descrito en la Patente
de Estados Unidos Nº 6.188.037), como el contenido de oxígeno en el
metal depositado se hace alto, no solo disminuye la tenacidad de la
soldadura, sino que se facilita la aparición de defectos tales como
inclusiones de escoria y burbujas ocluidas en el metal depositado.
En contraste, en la presente invención, dichos defectos no ocurren
ya que el agrietamiento en frío se evita prolongando el tiempo de
enfriamiento. Además, no hay aparición de defectos debido a una
cantidad en exceso o falta de elementos en el metal depositado como
se encuentra en los N^{os} 21, 24, 25, y 34, y puede evitarse el
deterioro en la calidad de la soldadura.
En la descripción anterior, se describió un
ejemplo en el que la presente invención se aplica a un tubo de
acero soldado, pero la presente invención puede aplicarse también,
por supuesto, a una soldadura de otras estructuras de acero de alta
resistencia tales como estructuras mar adentro, recipientes de
presión, tanques, y cascos de barco.
Claims (7)
1. Un método de soldadura para acero, en el que
inmediatamente después de la soldadura la cantidad de hidrógeno en
el metal depositado (HD [ml/100 g]) se determina de acuerdo con JIS
Z3118 y en el que el tiempo T hasta que el metal depositado se
enfría a 100ºC después de la soldadura satisface la siguiente
Ecuación (1), y en el que la soldadura se realiza para formar un
metal depositado compuesto por, en % en masa,
el resto del metal depositado está compuesto
esencialmente por Fe e impurezas inevitables, comprendiendo dichas
impurezas
en el que el valor de Pcm del metal depositado
expresado mediante la siguiente Ecuación (3) (en la que el símbolo
de cada elemento que aparece en la ecuación indica el contenido del
elemento en % en masa) está en el intervalo del 0,23% al 0,35%;
- T (segundos) \geq exp(7,0 x Pw + 4,66)
- Ecuación (1)
en la que
- Pw = Pcm + HD/60
- Ecuación (2)
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- \quad
- Pcm (% en masa) = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + {}\hskip2,75cm Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B \hskip3,85cm Ecuación (3)
\vskip1.000000\baselineskip
- HD [ml/100 g]:
- cantidad de hidrógeno en el metal depositado inmediatamente después de la soldadura.
2. Un método de soldadura de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el metal depositado formado contiene al
menos uno de
3. Un método de soldadura de acuerdo con la
reivindicación 1 o 2, en el que el metal depositado formado contiene
del 0,0002 al 0,005% de B.
4. Un método de soldadura de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la soldadura
formada tiene una resistencia a tracción de 750 MPa o mayor.
5. Un método de soldadura de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo dicho
método producir una estructura de acero soldado.
6. Un método de soldadura de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que la estructura de acero soldado se
selecciona entre un tubo de acero, una estructura mar adentro, un
recipiente a presión, un tanque, y un casco de barco.
7. Un método de soldadura de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la soldadura se
realiza mediante el método de arco sumergido.
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