CN100523230C - 提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供提高钢材的多层焊接接头、角焊接头、1道次或者数道次的大热量输入焊接接头中的热影响区的韧性的方法，该提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，特征在于，在由钢材的多层焊接接头的最终道次形成的热影响区的表面，通过进行利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理，在与由上述最终道次形成的热影响区中的焊接金属和母材的熔合线(EL)邻接的金属组织中，使从上述钢材表面至大于或等于2mm深度的各结晶的长径平均是从该钢材表面至板厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径。

Description

提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法
技术领域
本发明涉及提高在建筑、造船、桥梁、建筑机械、海洋结构物等焊接结构物中使用的钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法。具体地说，涉及提高多层焊接接头、角焊接头、1道次或者数道次的大热量输入焊接接头中的热影响区的韧性的方法。
背景技术
一般，作为在建筑、造船、桥梁、建筑机械、海洋结构物等焊接结构物中使用的焊接接头，有通过数道次进行焊接的多层焊接接头，将钢材相互垂直地组合的角部焊接的角焊接头，利用大热量输入焊接的1道或者数道的焊接接头。以下，详细地叙述与各个焊接接头的热影响区的韧性有关的以往的问题点。
<多层焊接接头>
多层焊接接头，由于焊接的热量输入而使钢材的金属组织粗化，通过后续的焊接道次，晶粒已粗化的区域由于再次加热而发生细晶粒化，因此即使在热影响区(HAZ部，以下相同)中，也确保高的韧性。但是，由接近钢材表面的最终道次形成的HAZ部，由于没有后续的焊接道次，不发生由再加热引起的细晶粒化，晶粒依然粗化，因而断裂韧性大大劣化。
例如，在金属便览，日本金属学会编(修订5版)，丸善株式会社，p1072，图16-50中揭示了，关于焊接热影响区的金属组织，通过加热，金属组织一次完全成为奥氏体，该奥氏体极粗化，而容易发生硬化，就容易产生裂纹。
为了解决上述的问题，过去往往采取如下对策，即在规定的焊接结束后，再进行继续焊接，将该部焊接至隆起的状态，使金属组织细晶粒化后，通过用研磨机等研磨掉不要的隆起部分，仅使其存在经受再加热而细晶粒化的HAZ。但是，这样的对策，除了必须余量的焊接作业外，还必须进行利用研磨机等的研磨，因此存在施工成本、工程负担大这样的问题，因而是不现实的。
<角焊接头>
在将钢材相互垂直地组合的角部进行焊接的角焊接头中，缝边部附近的HAZ部已发生晶粒粗化，也存在与上述多层焊接接头相同的问题。
<大热量输入焊接头头>
应用由大热量输入焊接形成的1道次或者数道次的焊接接头的钢材，一般为了即使不接受由后续的焊接道次产生的热量再输入也能够防止HAZ组织的晶粒粗化，通过使母材中的TiN或氧化物等细微分散，设计成利用TiN或氧化物等的钉扎效果能够抑制奥氏体晶粒的长大。但是，焊接的热量输入一大，HAZ组织就容易粗化，因此限制热量输入，另外，为了提高焊接效率，在使坡口狭窄而且接近于垂直的情况下，母材未充分熔化的焊接金属的一方早就发生了凝固，因此变得容易发生焊接的熔合不良，特别在缝边部发生咬边，该部分成为应力集中部，而成为破坏的起点，因而存在断裂韧性显著地劣化这样的问题。
另外，作为关于在焊接部给予超声波振动的方法的现有技术，例如，在美国专利第6171415号说明书中公开了，在刚电弧焊之后，就沿通过焊接电弧发热的焊缝部给予超声波振动的方法。但是，该现有技术是通过用超声波振动子打击，来提高疲劳强度的方法，完全没有揭示关于作为本发明目的的利用HAZ部的金属组织的细晶粒化或熔合不良部的焊合来提高韧性的技术。
发明的公开
本发明是解决上述那样的现有技术的问题点，提供提高钢材的多层焊接接头、角焊接头、1道次或者数道次的大热量输入焊接接头中的热影响区的韧性的方法。
本发明是为了解决上述课题进行深入研究的结果而完成的发明，提供在钢材的焊接接头的缝边部附近，通过进行利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理，提高钢材的多层焊接接头、角焊接头、1道次或者多道次的大热量输入焊接接头中的热影响区的韧性的方法，作为其要旨如下所述。
(1)提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，通过在由钢材的多层焊接接头的最终道次形成的热影响区的表面，进行利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理，在与由上述最终道次形成的热影响区中的焊接金属和母材的熔合线(FL)邻接的金属组织中，使从上述钢材表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径平均是从该钢材表面至板厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径。
(2)提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，通过在钢材的角焊接头中的缝边部附近，进行利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理，在与上述缝边部附近的热影响区中的焊接金属和母材的熔合线邻接的金属组织中，使从上述钢材表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径平均是从该钢材表面至板厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径。
(3)在(1)或(2)中记载的提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，从上述钢材表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径平均是小于或等于30μm。
(4)提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，通过在钢材的1道次或者数道次的大热量输入焊接接头的缝边部附近，进行利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理，使在上述缝边部形成的熔合不良部的长度小于或等于0.3mm。
(5)在(1)～(4)的任一项中记载的提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，在上述利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理的处理前或者处理中，对上述钢材进行辅助加热。
附图的简单说明
图1是表示作为本发明的提高钢材的多层焊接接头中的热影响区的韧性的方法的第1实施方式的图。
图2是图1中的HAZ部5的详细图。
图3是表示作为本发明的提高钢材的角焊接头中的热影响区的韧性的方法的第2实施方式的图。
图4是表示作为本发明的提高钢材的1道次或者多道次的大热量输入焊接接头中的热影响区的韧性的方法的第3实施方式的图。
图5是表示进行超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理前的熔合不良部的图。
图6是表示进行超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理后的熔合不良部的图。
实施发明的最佳方式
使用图1～图6详细地说明本发明的实施方式。
<第1实施方式>
图1是表示作为本发明的提高钢材的多层焊接接头中的热影响区的韧性的方法的第1实施方式的图，在图1中，钢材1和钢材2通过多层焊接接头进行接合，3表示焊接金属，4表示最终的焊接道次，5表示由最终的焊接道次形成的热影响区(HAZ部)，6表示超声波振动端子，7表示母材和焊接金属的熔合线(FL)，t表示母材的板厚。
在多层焊接接头中，由于焊接的热量输入，即使HAZ部的金属组织粗化，通过后续的道次再次被加热，因此通过热循环，结晶也发生细化，而维持高韧性。但是，通过图1的最终的焊接道次4被加热的HAZ部5，因为没有后续的道次，所以晶粒依然是成为粗化的状态。
因此，通过利用超声波振动端子(锤)6打击HAz部5的表面的超声波冲击处理，使HAZ的金属组织细晶粒化，作为其结果，可显著地提高韧性。
虽然该机理尚不清楚，但可认为，由于用超声波振动端子6进行高频的打击，钢材的表面发生塑性变形，由于该加工发热，HAZ部的金属组织发生再结晶而细晶粒化。再者，为了促进由该加工发热引起的再结晶，在利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理的处理前或者处理中，优选对钢材进行辅助加热，虽然不限制该辅助加热的方法，但优选不需要大规模设备的感应加热方法或者通电加热方法。
虽然不限制在本发明中使用的超声波发生装置，但优选使用200w～3kw的电源，利用变频器发生19kHz～60kHz的超声波振动，通过用波导管进行增幅，以20～60μm的振幅使由
Figure C200380102192D0007151510QIETU
5mm～
Figure C200380102192D0007151510QIETU
30mm的锤头构成的超声波振动端子发生振动的装置。另外，代替超声波振动端子6，也可以进行使通过超声波赋予振动的直径1～3mm的钢球冲击钢材表面的超声波喷丸硬化处理。
再者，在本实施方式中，是在钢材2侧的HAZ部的表面进行超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理的，但也可以在钢材1侧的HAZ部的表面进行超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理。
图2是图1中的HAZ部5的详细图，在图2中，3表示焊接金属，7表示焊接金属和母材的熔合线(FL)，8表示与熔合线(FL)邻接的晶粒，10表示缝边部。
在图2中，在与由最终道次形成的HAZ部5中的焊接金属3和母材的熔合线(FL)7邻接的晶粒8中，将从钢材表面深度t0至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径的平均规定为从钢材表面板至厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径。
再者，作为这里的母材的结晶组织，根据所使用的钢材，允许铁素体组织、铁素体-珠光体组织、贝氏体组织、马氏体组织等的1种或者大于或等于2种的组合的金属组织。
另外，作为母材的等效晶粒直径的上限，规定为满足提高热影响区的韧性的目的，而且能够允许至母材的晶粒直径的小于或等于120％，因为晶粒越细，韧性越提高，所以不设置下限。将t0规定为至大于或等于2mm的深度，是因为不到2mm时，韧性提高效果不充分。
另外，将各结晶的长径的平均规定为从钢材表面至板厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径是因为，如果能够确保与焊接前的母材中的代表部位中的韧性相同的韧性，就是充分地，为了充分发挥该韧性提高效果，优选使各结晶的长径的平均达到小于或等于30μm。再者，作为破坏的单位尺度，采用与断裂韧性存在更高相关关系的结晶的长径。
另外，这里的与HAZ的熔合线邻接的晶粒，根据使用的钢材、除了与母材同种的结晶组织以外，这些组织是由晶界铁素体或在铁素体侧钢板上将部分或者全部修边的结晶组织构成的。
<第2实施方式>
图3是表示作为本发明的提高钢材的角焊接头中的热影响区的韧性的方法的第2实施方式的图，在图3中，使用填角焊接将钢材1和钢材2垂直地组合的角部接合，3表示焊接金属，4表示与缝边部邻接的焊接道次，5表示通过与缝边部邻接的道次形成的热影响区(HAZ部)，6表示超声波振动端子，7表示母材和焊接金属的熔合线(EL)，t表示母材的板厚，10表示缝边部。
在图2所示的角焊接头中，施加主应力的钢材1的缝边部10最容易发生应力集中，而往往成为断裂的起点，因此是要求断裂韧性的部分。该角焊接头，由于焊道形状与上述的多层焊接接头不同，在焊接道次4后，由继续焊接道次的热量输入引起的HAZ部的细晶粒化效果较小。
因此，通过用超声波振动端子6(锤)打击最要求断裂韧性的缝边部附近的超声波冲击处理，使HAZ部的金属组织细化，作为其结果，能够显著地提高韧性。虽然该机理尚不清楚，但可认为，由于用超声波振动端子6进行高频的打击，钢材的表面发生塑性变形，由于该加工发热，HAZ部的金属组织发生再结晶而细晶粒化。
再者，为了促进由该加工发热引起的再结晶，在利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理的处理前或者处理中，优选对钢材进行辅助加热，虽然该辅助加热方法不限制，但优选不需要大规模的设备的感应加热方法或者通电加热方法。
虽然不限制在本发明中使用的超声波发生装置，但优选使用200w～3kw的电源，利用变频器产生19kHz～60kHz的超声波振动，通过用波导管进行增幅，以20～60μm的振幅使由
Figure C200380102192D0007151510QIETU
5mm～
Figure C200380102192D0007151510QIETU
30mm的锤头构成的超声波振动端子发生振动的装置。另外，代替超声波振动端子6，也可以进行使通过超声波赋予振动的直径1～3mm的钢球冲击钢材表面的超声波喷丸硬化处理。
另外，在与缝边部附近的热影响区中的焊接金属和母材的熔合线邻接的金属组织中，使从上述钢材表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径的平均成为从该钢材表面至板厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径的HAZ部的细晶粒化的条件和理由，与多层焊接接头的情况相同。
<第3实施方式>
图4是表示作为本发明的提高钢材的1道次或者多道次的大热量输入焊接接头中的热影响区的韧性的方法的第3实施方式的图，在图4中，钢材1和钢材2通过大热量输入焊接接头接合，3表示焊接金属，4表示最终的焊接道次，6表示超声波振动端子，7表示母材和焊接金属的熔合线(FL)，9表示熔合不良部(咬边)，10表示缝边部，t表示母材的板厚。
在1道次或者数道次的大热量输入焊接接头中，焊接的热量输入一大，HAZ组织就粗化，因此要尽可能地使热量输入小，另外，为了提高焊接效率，往往使坡口狭窄而且接近于垂直，在这样的场合，在母材充分熔化之前，有焊接金属一方早就凝固的危险，容易发生焊接的熔合不良。特别是，在缝边部10发生熔合不良部(咬边)9，该部分成为应力集中部，而成为破坏的起点，因而断裂韧性显著地降低。
因此，在大热量输入焊接接头的缝边部10的附近，通过进行利用超声波振动端子6打击的超声波冲击处理或者利用超声波振动钢球的超声波喷丸硬化处理，使在缝边部10形成的熔合不良部的长度是小于或等于0.3mm。
再者，超声波冲击处理装置和超声波喷丸硬化处理装置，与多层焊接接头或角焊接头的情况相同。使熔合不良部的长度小于或等于0.3mm是因为，在熔合不良部的长度超过0.3mm时，在拉伸应力作用于焊接接头的情况下，熔合不良部的缺口容易成为断裂的起点，断裂韧性值显著地降低。
使用图5和图6，说明在本发明的第3实施方式中，通过超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理提高韧性的机理。
图5和图6是分别表示进行超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理前后的熔合不良部的图，7表示母材和焊接金属的熔合线(FL)，9表示熔合不良部(咬边)，如图5所示，进行超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理前的熔合不良部9，在深度方向变长。
另一方面，进行超声波冲击处理或者超声波喷丸硬化处理后的熔合不良部9，如图6所示，在钢材的厚度方向被压碎，显著地变短而焊合，因此即使在焊接接头作用拉伸应力的情况下，也不易成为断裂的起点，断裂韧性显著地提高。
再者，为了促进该熔合不良部的焊合效果，优选在利用超声波振动端子进行打击处理或者利用超声波振动钢球进行喷丸硬化处理的处理前或者处理中对钢材进行辅助加热，虽然不限制该辅助加热方法，但优选不需要大规模的设备的感应加热方法或者通电加热方法。
实施例
以下示出本发明的提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法的实施例。
<第1和第2实施例>
表1和表2是对应于上述的第1和第2实施方式的实施例，表3和表4是对应于上述的第3实施方式的实施例。
使表1所示成分、板厚、强度的钢材相互对接，进行焊接或者填角焊接。焊接方法，如表2所示，采用SAW弧焊(埋弧焊Submerged ArcWelding)、CO2弧焊、MAG焊(金属极电弧焊)的任一种方法，测定由最终道次(在填角焊接时是与缝边部邻接的道次)形成的HAZ组织的晶粒直径(长径的平均)，都是大于或等于100μm。
接着，在No.1～No.7的本发明例中，使用锤径
Figure C200380102192D0007151510QIETU
10～30mm的超声波振动端子进行超声波冲击处理时，邻接熔合线、由最终的焊接道次(在填角焊接时是缝边部附近的焊接道次)形成的HAZ组织的晶粒直径(长径的平均)，任一者都是从钢材表面至大于或等于2mm深度焊接前的母材的等效晶粒直径的小于等于30μm，其结果，都显示大于或等于170J的高韧性值。再者，在No.3、No.5、No.7，在超声波冲击处理时利用感应加热进行了辅助加热。
另外，韧性的评价，由于夏氏冲击吸收能不同，取9个试样的平均值，试样从HAZ部的表层部采取，去除表面的黑皮后使用，缺口位置是熔合线(FL)。
接着，在No.8～No.14的对比例中，省略超声波冲击处理，HAZ组织的晶粒直径(长径的平均)都成为大于或等于100μm，其结果，都显示小于或等于110J的低韧性值。
<第3实施例>
对表3所示成分、板厚、强度的钢材相互间进行2道次的大热量输入焊接。
表3所示的No.25和No.30以外的钢材成分，分散Ca、Mg等细微氧化物作为以钉扎效应来抑制由焊接热量输入引起的晶粒直径的粗化的化学成分。
焊接方法，如表4所示，以90kJ/cm的可大热量输入焊接的FAB(FluxAsbestos Backing)焊接、FCB(Flux Cupper Backing)焊接、VEGA焊接(Vibrated Electro-Gas Arc Welding)、SEG-ARC焊接(SinkoElectro-Gas Arc Welding)等大热量输入焊接方法为对象，测定缝边部的熔合不良长度时，都是大于或等于0.5mm。
接着，在No.21～No.25的本发明例中，使用锤径
Figure C200380102192D0007151510QIETU
10～30mm的超声波振动端子进行超声波冲击处理时，缝边部的熔合不良长度都成为小于或等于0.1mm，其结果，作为大于或等于平均80J的热量输入焊接，都显示高的韧性值。再者，在No.23和No.25中，超声波冲击处理时，通过感应加热进行辅助加热。
另外，韧性的评价，由于夏氏冲击吸收能不同，取9个试样的平均值，试样从HAZ部的表层部采取，去除表面的黑皮后使用，缺口位置是熔合线(FL)。
接着，在No.26～No.30的对比例中，省略超声波冲击处理时，缝边部的熔合不良的长度都成为大于或等于0.5mm，或者其结果都显示小于或等于40J的低韧性值。
特别是，No.30，不是大热量输入焊接用的钢材，因而与HAZ组织的FL邻接的表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径的平均粗大到大于或等于800μm，也存在焊接的熔合不良，因此即使在+20℃的试验温度，夏氏冲击吸收能也是低至9J的极低值。
Figure C200380102192D00131
Figure C200380102192D00161
产业上的应用可能性
根据本发明可以提供，通过在钢材的焊接接头的缝边部附近进行利用超声波振动端子的打击处理或者利用超声波振动钢球的喷丸硬化处理，提高钢材的多层焊接接头、角焊接头、1道次或者数道次的大热量输入焊接接头中的热影响区的韧性的方法。

Claims (5)

1.提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，通过在由钢材的多层焊接接头的最终道次形成的热影响区的表面，进行利用由头部直径为5mm～30mm的锤头构成的超声波振动端子实施的打击处理，在与由上述最终道次形成的热影响区中的焊接金属和母材的熔合线(FL)邻接的金属组织中，使从上述钢材表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径平均是从该钢材表面至板厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径。
2.提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，通过在钢材的角焊接头中的缝边部附近，进行利用由头部直径为5mm～30mm的锤头构成的超声波振动端子实施的打击处理，在与上述缝边部附近的热影响区中的焊接金属和母材的熔合线邻接的金属组织中，使从上述钢材表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径平均是从该钢材表面至板厚t的1/4的深度中的焊接前的母材的等效晶粒直径。
3.根据权利要求1或2所述的提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，从上述钢材表面至大于或等于2mm的深度的各结晶的长径平均是小于或等于30μm。
4.提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，通过在钢材的1道次或者数道次的大热量输入焊接接头的缝边部附近，进行利用由头部直径为5mm～30mm的锤头构成的超声波振动端子实施的打击处理，使在上述缝边部形成的熔合不良部的长度小于或等于0.3mm。
5.根据权利要求1、2或4所述的提高钢材的焊接接头中的热影响区的韧性的方法，其特征在于，在上述利用由头部直径为5mm30mm的锤头构成的超声波振动端子实施的打击处理的处理前或者处理中，对上述钢材进行辅助加热。
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