Aleación de soldadura de Ni-Cr-Fe constituida, en % en peso por:

29-31 de Cr, 6,5-9 de Fe, 0,01-0,04 de C, 2,5-3,5 de Mn, 1-3 de Nb, hasta 3 de Ta, 1-3 (de Nb+Ta), 0,01-0,50 de Ti, 0,0005-0,01 de Zr, 0,0005-0,004 de B,< 0,50de Si, máx. 0,50 de Al,< 0,50 de Cu,< 1,0 de W,< 1,0 de Mo,< 0,12 de Co,< 0,015 de S,< 0,015 de P, 0,004-0,01de Mg, el resto de Ni con un mínimo de 50 de Ni más impurezas ocasionales

Electrodo de soldadura revestido que presenta resistencia al agrietamiento por pérdida de ductilidad, y depósito de soldadura producido a partir del mismo.

Referencia cruzada a la solicitud relacionada

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere en términos generales a una aleación de soldadura de níquel, cromo y hierro, y a artículos constituidos por la misma, para su utilización en la obtención de piezas soldadas, y a piezas soldadas y métodos para obtener dichas piezas soldadas. La presente invención se refiere, además, a electrodos de soldadura, alambres de soldadura y composiciones de recubrimiento químico de fundente, y a métodos de soldadura para obtener composiciones de depósito de soldadura particularmente resistentes al agrietamiento por pérdida de ductilidad, así como resistentes al agrietamiento por corrosión bajo tensión en agua primaria en un entorno de generación de energía nuclear.

Descripción de la técnica relacionada

En diversas aplicaciones de soldadura, incluidos los equipos utilizados en la generación de energía nuclear, se requieren piezas soldadas que proporcionen resistencia a diversos fenómenos de agrietamiento. Dichos fenómenos incluyen no sólo la corrosión bajo tensión, sino también el agrietamiento en caliente, el agrietamiento en frío y el agrietamiento de raíz.

El documento US 6 242 113 B1 divulga aleaciones de fusión que muestran resistencia a diferentes tipos de agrietamiento. Debido a la baja cantidad de manganeso, comprendida entre aproximadamente el 0, 8 y el 1, 64 por ciento en peso, las aleaciones de fusión según el documento US 6 242 113 B1 no muestran una resistencia mejorada al agrietamiento de cráteres. Las aleaciones de fusión resistentes al agrietamiento de raíz deben comprender proporciones en peso de hierro de aproximadamente 12, 75 o superiores.

La generación comercial y militar de energía nuclear ha existido desde la segunda mitad del siglo 20. En este periodo, la industria ha reemplazado la primera generación de aleaciones de NiCrFe, con entre un 14 y un 15% de cromo, por aleaciones con un mayor contenido de cromo, del orden del 30%. Este cambio se basó en el descubrimiento de que el agrietamiento por corrosión bajo tensión en agua pura de centrales nucleares se podía evitar con aleaciones de este tipo que contuvieran cromo en dicha cantidad. Las aleaciones de NiCrFe con un contenido de Cr del orden del 30% se han utilizado durante aproximadamente 20 - 25 años.

La aplicación específica en equipos de generación de energía nuclear que requiere la mayoría de soldaduras y productos soldados de la planta nuclear es la fabricación del generador de vapor. Básicamente, dicho equipo consiste en un intercambiador de calor de tubos y carcasa de grandes dimensiones que genera vapor a partir de agua secundaria del refrigerante primario del reactor nuclear. El componente clave de este generador de vapor es la placa de tubos. A veces, la misma tiene un diámetro de 4, 6 - 6, 1 m (15 - 20 pies) y un grosor bastante mayor de un pie, y generalmente está forjada a partir de un acero de baja aleación de alta resistencia que se debe soldar revestido con una aleación de NiCrFe, que tiene buena fabricabilidad y es resistente al agrietamiento por corrosión bajo tensión en agua pura de centrales nucleares. Debido al tamaño de la placa de tubos, el depósito de soldadura soporta una tensión residual significativa durante el recubrimiento. Además, el recubrimiento del metal de soldadura debe ser capaz de ser soldado de nuevo tras haber sido perforado a fin de proporcionar aberturas en el mismo para la introducción de miles de pequeños tubos generadores de vapor. Estos tubos se deben sellar por soldadura al depósito de soldadura de recubrimiento a fin de obtener soldaduras herméticas a las fugas de helio. Estas soldaduras deben tener una calidad extraordinariamente elevada y deben proporcionar una vida de 30 a 50 años con una elevada previsibilidad. Además, tanto en el depósito de soldadura de recubrimiento como en los tubos generadores de vapor soldados, debe obtenerse una excelente resistencia al agrietamiento. Este requisito referente a la resistencia al agrietamiento en caliente, también denominado “agrietamiento por solidificación”, y al agrietamiento por corrosión bajo tensión, lo cumplen la mayoría de las soldaduras existentes con un 30% de cromo.

Además de resistencia al agrietamiento en caliente y resistencia a la corrosión bajo tensión, las soldaduras entre los tubos y la placa de tubos deben tener resistencia al agrietamiento de raíz. La soldadura entre los tubos y la placa se lleva a cabo fundiendo el extremo del tubo junto con un anillo de material de recubrimiento de soldadura alrededor del tubo (utilizando metal de relleno adicional o no) a fin de sellar el espacio entre la pared del tubo y la abertura de la placa de tubos. Estas soldaduras tienen tendencia a agrietarse en la parte inferior de la soldadura, en la interfase entre el tubo y la placa. Este tipo de agrietamiento se conoce como “agrietamiento de raíz”, porque tiene lugar en la raíz de la soldadura. Las aleaciones de soldadura existentes con un 30% de cromo no son resistentes al agrietamiento de raíz.

Un tercer tipo de agrietamiento posible es el agrietamiento en frío, también conocido como “agrietamiento por pérdida de ductilidad” o “DDC”. Este agrietamiento sólo se produce en el estado solidificado, tras completarse la solidificación de la soldadura. Tras la solidificación, empiezan a desarrollarse tensiones de contracción a consecuencia de la reducción de volumen de la aleación de soldadura a baja temperatura.

Al mismo tiempo, una vez que se ha completado la solidificación, la recuperación de la ductilidad se produce rápidamente durante unos pocos cientos de grados, seguida por una pérdida aguda temporal de la misma, y de nuevo seguida por una recuperación continua más progresiva de la misma hasta que se alcanza la temperatura ambiente. Si la tensión residual de enfriamiento es lo suficientemente grande cuando la aleación experimenta dicha pérdida aguda de la ductilidad, puede producirse el agrietamiento en estado sólido (DDC) . Esto provoca que algunas partes de la microestructura no tengan suficiente resistencia o ductilidad para resistir la tensión a la temperatura predominante. Las aleaciones de soldadura comercializadas con un 30% de cromo no son suficientemente resistentes al DDC.

El agrietamiento por pérdida de ductilidad (DDC) o agrietamiento en frío ha cobrado interés en los últimos diez años en el ámbito de las aleaciones completamente austeníticas de níquel-cromo-hierro y los productos de soldadura de las mismas que se utilizan en la industria nuclear. La comunidad científica ha descubierto que las aleaciones de NiCrFe con aproximadamente un 30% de cromo tienen resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión en agua primaria (PWSCC) en el entorno nuclear. Sin embargo, los niveles elevados de Cr, junto con un contenido reducido de Nb, tienden a proporcionar depósitos de soldadura que se solidifican de forma epitaxial con límites dendríticos largos y rectos. Estos límites, cuando se someten a una tensión y una temperatura elevadas, son particularmente susceptibles al DDC. Este fenómeno parece tener más presencia en las aleaciones de níquel que contienen un 30% de Cr, tales como la aleación Inconel 690 y los productos de soldadura de la clase NiCrFe-7 de la AWS. La tendencia al agrietamiento DDC ha sido abordada por la invención de Inconel Filler Metal 52M y Weld Strip 52M (clase NiCrFe-7A-UNS3N06054 de la AWS) . Estos productos están cubiertos por la invención del presente inventor, dada a conocer en la patente US nº 6.242.113, cuyo contenido se incorpora en su totalidad a la presente memoria como referencia. La presente solicitud aborda específicamente la solución para el DDC o agrietamiento en frío en electrodos revestidos de fundente.

También tienen interés como información de base las diversas especificaciones de la American Welding Society ("AWS") y el American National Standards Institute ("ANSI") , en concreto, la norma ANSI/AWS A5.11/A5.11 M:2005, titulada “Specification for Nickel and Nickel-Alloy Welding Electrodes for Shielded Metal Arc Welding” y la norma ANSI/AWS A5.14/A5.14M:2005, titulada “Specification for Nickel and Nickel-Alloy Bare Welding Electrodes and Rods”. Ambas especificaciones se incorporan en su totalidad como referencia a la presente memoria.... [Seguir leyendo]

1. Aleación de soldadura de Ni-Cr-Fe constituida, en % en peso por.

2. 31 de Cr, 6, 5-9 de Fe, 0, 01-0, 04 de C, 2, 53, 5 de Mn, 1-3 de Nb, hasta 3 de Ta, 1-3 (de Nb+Ta) , 0, 01-0, 50 de Ti, 0, 0005-0, 01 de Zr, 0, 0005-0, 004 de B, < 0, 50 de Si, máx. 0, 50 de Al, < 0, 50 de Cu, < 1, 0 de W, < 1, 0 de Mo, < 0, 12 de Co, < 0, 015 de S, < 0, 015 de P, 0, 004-0, 01 de Mg, el resto de Ni con un mínimo de 50 de Ni más impurezas ocasionales.

2. Depósito de soldadura de aleación de Ni-Cr-Fe sin diluir constituido en % en peso por.

2. 31 de Cr, 6, 5-9 de Fe, 0, 01-0, 04 de C, 2, 5-3, 5 de Mn, 1-3 de Nb, hasta 3 de Ta, 1-3 (de Nb+Ta) , 0, 01-0, 50 de Ti, 0, 0005-0, 01 de Zr, 0, 0005-0, 004 de B, < 0, 50 de Si, máx. 0, 50 de Al, < 0, 50 de Cu, < 1, 0 de W, < 1, 0 de Mo, < 0, 12 de Co, < 0, 015 de S, < 0, 015 de P, 0, 004-0, 01 de Mg, el resto de Ni con un mínimo de 50 de Ni más impurezas ocasionales.

3. Depósito de soldadura según la reivindicación 2, que contiene 0, 0007-0, 003 de B y 0, 001-0, 01 de Zr.

4. Depósito de soldadura según la reivindicación 2, que contiene 0, 0005-0, 002 de B, 0, 001-0, 09 de Zr y mín. 50 de Ni.

5. Procedimiento para producir un depósito de soldadura, que comprende las etapas que consisten en proporcionar un electrodo cubierto con fundente de Ni-Cr-Fe o un alambre de Ni-Cr-Fe con un fundente asociado al mismo, y fundir dicho electrodo o alambre en una etapa de soldadura utilizando una técnica de arco corto, en el que una punta del electrodo o alambre está separada menos de 0, 3175 cm (0, 125 pulgadas) del depósito de soldadura, a fin de producir un depósito de soldadura constituido en % en peso por.

2. 31 de Cr, 6, 5-9 de Fe, 0, 01-0, 04 de C, 2, 5-3, 5 de Mn, 1-3 de Nb, hasta 3 de Ta, 1-3 (de Nb+Ta) , 0, 01-0, 50 de Ti, 0, 0005-0, 01 de Zr, 0, 0005-0, 004 de B, < 0, 50 de Si, máx. 0, 50 de Al, < 0, 50 de Cu, < 1, 0 de W, < 1, 0 de Mo, < 0, 12 de Co, < 0, 015 de S, < 0, 015 de P, 0, 004-0, 01 de Mg, el resto de Ni con un mínimo de 50 de Ni más impurezas ocasionales.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la separación entre la punta del electrodo o alambre y el depósito de soldadura es de 0, 0508 a 0, 116 cm (0, 02 a 0, 04 pulgadas) .

7. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que la etapa de soldadura se lleva a cabo utilizando el procedimiento de arco metálico protegido.

8. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que el fundente comprende una mezcla de Ni, Mg y Si, y produce un depósito de soldadura en el que una relación de pesos Nb:Si es de 5:1 a 7:1.