Estructura soldada con una junta soldada a tope y método para su fabricación.

Una estructura soldada que comprende una junta soldada a tope (12A),

comprendiendo dicha estructura:

una pareja de metales implicados (11A);

un cordón de soldadura (12A) formado irradiando con un primer haz de alta densidad de energía una porción de tope entre la pareja de los metales implicados (11A), teniendo el cordón de soldadura (12A) una anchura (W) en dicha superficie irradiada; y

una pareja de zonas alteradas (13A) formada, en una superficie de la junta de soldadura a tope (12A), que ha sido irradiada con el primer haz de alta densidad de energía, irradiando con un segundo haz de alta densidad de energía la superficie, teniendo la pareja de las zonas alteradas (13A) una forma de banda que se extiende en paralelo al cordón de soldadura, y caracterizada porque la pareja de las zonas alteradas (13A) que consiste en una pareja de zonas afectadas por calor y metales fundidos y solidificados situados en un lado derecho y un lado izquierdo con respecto al centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho, siendo las zonas alteradas (13A) porciones calentadas a una temperatura no menor que la temperatura Ac1 con el segundo haz de alta densidad de energía, en donde:

cada una de la pareja de las zonas alteradas (13A) tiene una anchura no menor que 0,1W ni mayor que 10W, y un grosor no menor que 0,1 mm ni mayor que 10 mm,

la distancia entre cada borde interior de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho no es menor que 0 ni mayor que 4W, y

la distancia entre cada borde exterior de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho no es menor que 0,6W ni mayor que 14W.

Estructura soldada con una junta soldada a tope y método para su fabricación La presente invención se refiere a una estructura soldada y a un método de fabricación de una estructura soldada de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 8, respectivamente (véase, por ejemplo, WO 2008/107660 A1) . En particular, la presente invención se refiere a una junta de soldadura que tiene excelentes características de fatiga bajo un entorno de vibración en un intervalo de gigaciclos y un método para fabricar la junta de soldadura.

La presente solicitud reivindica la prioridad basada en la Solicitud de Patente Japonesa Nº 2009-277021 presentada en Japón el 4 de diciembre de 2009 y en la Solicitud de Patente Japonesa Nº 2009-277050 presentada en Japón el 4 de diciembre de 2009, cuyas descripciones se incorporan aquí como referencia en su totalidad.

Técnica anterior

En los últimos años, ha surgido un problema de reducción del gas CO2, que se dice que es la causa del calentamiento global, o el agotamiento en el futuro del petróleo u otros combustibles fósiles. Para abordar estos problemas, se ha utilizado activamente la energía natural reciclable. La energía eólica es una forma de energía natural reciclable y la energía eólica a gran escala está siendo cada vez más utilizada a nivel mundial.

La zona más adecuada para la generación de energía eólica es una zona donde se espera que sople constantemente fuerte viento y están en proyecto o realmente en funcionamiento en todo el mundo aerogeneradores situados mar adentro (véanse los Documentos de patentes 1 a 4) . Con el fin de construir en el mar una torre para la generación de energía eólica, es necesario anclar la porción de cimentación en el lecho marino. Además, con el fin de obtener suficiente altura de la pala de la turbina del aerogenerador desde el nivel del mar, se requiere que la porción de cimentación de la torre tenga suficiente longitud, rigidez y resistencia.

Por tanto, la porción de cimentación de la torre del aerogenerador emplea una estructura tubular que tiene un grosor de pared superior a 50 mm, por ejemplo, de aproximadamente 100 mm, y un gran diámetro de la sección transversal de aproximadamente 4 m. Además, la altura total de la torre es tan alta como 80 m o más. Es necesario soldar y montar de manera fácil y eficaz dicha gran estructura en la costa cerca del lugar de construcción.

En las circunstancias descritas anteriormente, surge la nueva exigencia de soldar una placa de acero ultra-gruesa que tiene un grosor de 100 mm en el sitio de una manera altamente eficaz.

En general, la eficacia de la soldadura se puede aumentar empleando un haz de alta densidad de energía, tal como un haz de electrones y un haz de láser. Sin embargo, se requiere que la soldadura por medio del haz de electrones sea realizada en una cámara a vacío bajo un estado de alto vacío, por ejemplo, de 0, 1 Pa o menos. Por lo tanto, está limitado el grosor de la placa de acero que se ha de soldar.

En los últimos años, para hacer frente a las circunstancias antes descritas, The Welding Institute del Reino Unido ha propuesto y desarrollado un método de soldadura (soldadura por haz de electrones a presión reducida: RPEBW, por las siglas en inglés Reduced Pressure Electron Beam Welding) que permite trabajar en un estado a bajo vacío, por ejemplo, de 10 Pa o menos, como un método de soldadura que permite la soldadura eficaz en el sitio de una placa de acero ultra-gruesa con un grosor de aproximadamente 100 mm (Documento de patente 5) .

La torre de un aerogenerador en el mar está expuesta constantemente a vibración debido al fuerte viento, como se ha descrito anteriormente, y el cuerpo de la estructura de la porción de cimentación y el pilar tubular de acero recibe constantemente cargas repetidas. Por lo tanto, se requiere que las porciones soldadas tengan resistencia a la fatiga contra la vibración en el intervalo de gigaciclos, cuyo orden es superior a los ciclos de fatiga usuales. En particular, la tensión se concentra cada vez más en el pie de soldadura del cordón de soldadura, produciendo una reducción en la resistencia a la fatiga frente a cargas repetidas.

Como medida para aliviar la concentración de la tensión en el pie de soldadura del cordón de soldadura, como se ha descrito antes, se ha propuesto una técnica para aliviar la concentración de la tensión aumentando el radio de curvatura del cordón de soldadura 32 y un ángulo de contacto θ entre una placa de acero 31 y un cordón de soldadura 32, como se ilustra en la FIG. 5.

Por ejemplo, el Documento de patente 6 propone ajustar los componentes del fundente o componentes del gas protector para aumentar el radio de curvatura y el ángulo de contacto θ. Sin embargo, el método propuesto por el Documento de patente 6 emplea una soldadura por arco protegido por gas y no es aplicable a la soldadura por medio de un haz de alta densidad de energía sin utilizar un gas protector.

Además, el Documento de patente 7 propone fijar la relación entre el grosor de la placa de acero y la altura del cordón de soldadura en 0, 2 o menos para reducir la concentración de la tensión en el pie de soldadura del cordón de soldadura. Sin embargo, este documento sólo especifica la forma del cordón de soldadura y no describe el método específico para formar la anchura antes descrita del cordón de soldadura ni las condiciones de soldadura específicas para la formación del cordón de soldadura. Por lo tanto, el Documento de patente 7 carece de reproducibilidad y es

difícil de ser utilizado industrialmente.

Documentos relacionados con la técnica Documentos de patente Documento de patente 1: Solicitud de Patente Japonesa no examinada, Primera Publicación Nº 2008-111406

Documento de patente 2: Solicitud de Patente Japonesa no examinada, Primera Publicación Nº 2007-092406

Documento de patente 3: Solicitud de Patente Japonesa no examinada, Primera Publicación Nº 2007-322400

Documento de patente 4: Solicitud de Patente Japonesa no examinada, Primera Publicación Nº 2006-037397

Documento de patente 5: WO 99/16101

Documento de patente 6: Solicitud de Patente Japonesa no examinada, Primera Publicación Nº H04-361876

Documento de Patente 7: Solicitud de Patente Japonesa no examinada, Primera Publicación Nº 2004-181530

Descripción de la invención Problemas que debe resolver la invención Un objetivo de la presente invención es proporcionar una junta de soldadura que tenga resistencia a la fatiga contra la vibración en el intervalo de gigaciclos y suficiente tenacidad a la fractura con significativa facilidad y con reproducibilidad, soldando un metal implicado por medio de un primer haz de alta densidad de energía, tal como un haz de electrones, e irradiando con un segundo haz de alta densidad de energía para aliviar las tensiones residuales de tracción de un pie de soldadura o aliviar la concentración de tensión en un cordón de soldadura.

Medios para resolver los problemas Un resumen de la presente invención es el siguiente:

(1) Un aspecto de la presente invención proporciona una estructura soldada de acuerdo con la reivindicación 1, en particular, que incluye: una pareja de metales implicados; un cordón de soldadura formado irradiando con un primer haz de alta densidad de energía una porción de tope entre la pareja de los metales implicados, teniendo el cordón de soldadura una anchura W en una superficie lateral irradiada; y una pareja de zonas alteradas formadas, sobre una superficie de la junta soldada a tope que ha sido irradiada por el primer haz de alta densidad de energía, por irradiación de la superficie con un segundo haz de alta densidad de energía, teniendo la pareja de las zonas alteradas una forma de banda que se extiende en paralelo al cordón de soldadura y consistiendo la pareja de las zonas alteradas en una pareja de porciones afectadas por el calor y metales fundidos y solidificados situados en el lado derecho y el lado izquierdo con relación al centro del cordón de soldadura en la dirección a lo ancho. Cada una de las parejas de las zonas alteradas tiene una anchura no menor que 0, 1W ni mayor que 10W, y un grosor no menor que 0, 1 mm ni mayor que 10 mm; una distancia entre cada borde interior de la pareja de las zonas alteradas y el centro del cordón de soldadura en la dirección a lo ancho no es menor que 0 ni mayor que 4W; y una distancia entre cada borde exterior de la pareja de las zonas alteradas y el centro del cordón de soldadura en la dirección a lo ancho no es menor que 0, 6W ni mayor que 14W.

(2) En la estructura soldada de acuerdo con (1) anterior, la distancia entre cada uno de los bordes interiores... [Seguir leyendo]

1. Una estructura soldada que comprende una junta soldada a tope (12A) , comprendiendo dicha estructura:

una pareja de metales implicados (11A) ;

un cordón de soldadura (12A) formado irradiando con un primer haz de alta densidad de energía una porción de tope entre la pareja de los metales implicados (11A) , teniendo el cordón de soldadura (12A) una anchura (W) en dicha superficie irradiada; y

una pareja de zonas alteradas (13A) formada, en una superficie de la junta de soldadura a tope (12A) , que ha sido irradiada con el primer haz de alta densidad de energía, irradiando con un segundo haz de alta densidad de energía la superficie, teniendo la pareja de las zonas alteradas (13A) una forma de banda que se extiende en paralelo al cordón de soldadura, y caracterizada porque la pareja de las zonas alteradas (13A) que consiste en una pareja de zonas afectadas por calor y metales fundidos y solidificados situados en un lado derecho y un lado izquierdo con respecto al centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho, siendo las zonas alteradas (13A) porciones calentadas a una temperatura no menor que la temperatura Ac1 con el segundo haz de alta densidad de energía, en donde:

cada una de la pareja de las zonas alteradas (13A) tiene una anchura no menor que 0, 1W ni mayor que 10W, y un grosor no menor que 0, 1 mm ni mayor que 10 mm,

la distancia entre cada borde interior de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho no es menor que 0 ni mayor que 4W, y

la distancia entre cada borde exterior de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho no es menor que 0, 6W ni mayor que 14W.

2. La estructura soldada de acuerdo con la reivindicación 1, en donde:

la distancia entre cada uno de los bordes interiores de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho no es menor que 0 ni mayor que 0, 4W, y

la pareja de las zonas alteradas (13A) tiene un grosor no menor que 0, 1 mm ni mayor que 0, 5 mm.

3. La estructura soldada de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la pareja de las zonas alteradas (13A) consiste en la porción afectada por calor.

4. La estructura soldada de acuerdo con la reivindicación 1, en donde: la distancia entre cada uno de los bordes interiores de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho no es menor que 1W ni mayor 4W, y la pareja de las zonas alteradas (13A) tiene una anchura no menor que 0, 1 W ni mayor que 2 W y un grosor no menor que 5 mm ni mayor que 10 mm.

5. La estructura soldada de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde: la tensión residual de tracción σR en una dirección perpendicular al cordón de soldadura en una superficie del metal implicado (11A) no es mayor que YSb/2 en una posición situada 1 mm hacia fuera del pie de soldadura del cordón de soldadura (12A) en una superficie del metal implicado (11A) que ha sido irradiada con el primer haz de alta densidad de energía, en donde YSb representa el límite elástico del material implicado (11A) .

6. La estructura soldada de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde: la pareja de los metales implicados (11A) está formada por una placa de acero de alta resistencia que tiene un grosor de la placa que excede de 30 mm.

7. La estructura soldada de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde: la estructura soldada es un cuerpo de estructura o un pilar tubular de acero que constituye una porción de cimentación de una torre de un aerogenerador.

8. Un método para fabricar una estructura soldada con una junta soldada a tope (12A) , incluyendo dicho método:

irradiar con un primer haz de alta densidad de energía una porción de tope entre una pareja de metales implicados (11A) para formar un cordón de soldadura (12A) que tiene una anchura W en una superficie lateral irradiada como una primera etapa de irradiación; y caracterizado por:

irradiar con un segundo haz de alta densidad de energía, desde un lado de la junta soldada a tope que ha sido irradiada con el primer haz de alta densidad de energía, para calentar la porción irradiada hasta no menos de una tem

peratura Ac1 para formar una pareja de zonas alteradas (13A) que tiene una forma de banda que se extiende en paralelo al cordón de soldadura (12A) como una segunda etapa de irradiación, consistiendo la pareja de las zonas alteradas (13A) en una pareja de zonas afectadas por calor y metales fundidos y solidificados situada en un lado derecho y un lado izquierdo con respecto al centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho, en donde:

la cantidad de calor aportado en la segunda etapa de irradiación no es menor del 2% ni mayor del 30% de la cantidad de calor aportado en la primera etapa de irradiación, de modo que:

cada una de la pareja de las zonas alteradas (13A) tiene una anchura no menor que 0, 1W ni mayor que 10 W, y un grosor no menor que 0, 1 mm ni mayor que 10 mm,

la distancia entre cada borde interior de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura en la dirección a lo ancho no es menor que 0 ni mayor que 4W, y

la distancia entre cada borde exterior de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura en la dirección a lo ancho no es menor que 0, 6 W ni mayor que 14W.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en donde:

n la segunda etapa de irradiación, la distancia entre cada uno de los bordes interiores de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho no es menor que 0 ni mayor que 0, 4W, y

la pareja de las zonas alteradas (13A) tiene un grosor no menor que 0, 1 mm ni mayor que 0, 5 mm.

10. El método de acuerdo con la reivindicación 9, en donde:

en la segunda etapa de irradiación, se calienta una porción irradiada hasta una temperatura no menor que Ac1 y 30 menor que la temperatura de fusión para obtener la pareja de las zonas alteradas (13A) que consiste en la zona afectada por calor.

11. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en donde:

en la segunda etapa de irradiación, la distancia entre cada uno de los bordes interiores de la pareja de las zonas alteradas (13A) y el centro del cordón de soldadura (12A) en la dirección a lo ancho o es menor que 1W ni mayor que4 W, y

la pareja de las zonas alteradas (13A) tiene una anchura no menor que 0, 1W ni mayor que 2W y un grosor no menor 40 que 5 mm ni mayor que 10 mm.

12. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde:

los metales implicados (11A) están formados por una placa de acero de alta resistencia que tiene un grosor de 45 placa que excede de 30 mm.

13. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en donde:

la estructura soldada es un cuerpo de estructura o un pilar tubular de acero que constituye una porción de cimenta50 ción de una torre de un aerogenerador.