CN101300087A - 焊接用钢板 - Google Patents

Abstract

一种钢板，存在如下部分：在宽度方向的至少单侧的端部被赋予拉伸残留应力，在被赋予拉伸残留应力的端部的宽度方向内部侧被赋予压缩残留应力。

Description

焊接用钢板

技术领域

本发明涉及焊接用钢板。

背景技术

如众所周知，作为桥梁和船舶等的结构材，通常采用被称为厚钢板的钢板。

制造这种厚钢板时，是以热轧机轧制成规定尺寸后，接着利用加速冷却装置进行的水冷而实施冷却处理。然而，因热轧时的温度和水冷开始温度的不均一，还有因加速冷却装置的水冷不均引起的冷却不均匀发生，以这些为原因致使冷却后的厚钢板发生残留应力，导致弯曲和波动(undulation)等的形状不良。

作为存在残留应力的厚钢板，有通过后加工切割成数条(bar)供使用这样的情况，在厚钢板内不均匀分布的残留应力因切断而被释放，而进行了条切割的钢材弯曲，会发生“条弯曲(翘曲、camber)”这样的问题。

作为消除这种“发生在厚钢板上的残留应力”的技术，所采用的方法是通过矫直机(leveler)对厚钢板施加弯曲应变。热矫直机矫正形状的能力高，而冷矫直机去除不均一的残留应力的能力高，因此根据有矫正需要的厚钢板有状况而选择热矫直机或冷矫直机来进行钢板矫正。

另一方面，即使是进行了矫直机矫正的厚钢板，将其作为桥梁和船舶等的焊接用的结构材而使用时，伴随焊接而来的材料收缩仍会在该焊接用钢板上发生，其形状会发生很大变形，这在从者业中间广泛认知。

在图16是显示有该变形的状况。例如，采用专利文献1等的技术制造的钢板长度方向的残留应力在板宽度方向上成为0的焊接用钢板，假定将其作为桥梁和船舶等的结构材使用，考虑相对于其宽度方向内部在长度方向(图的上下方向)上，进行加肋(rib)的焊接。

其结果如图16(b)所示，在焊接前作为长方形的焊接用钢板在3条焊接后，中央部比起宽度方向端部在长度方向大大收缩，焊接用钢板的上下边变形成为凹状。其理由是因为涉及焊接的部分，焊接时一旦材料熔融，虽然其后再度凝固，但是这时在凝固部会发生材料收缩而缩小。

即，即使是为了抑制条切断后的变形而使残留应力大体为0的厚钢板，将其作为焊接用钢板采用时，仍会发生因材料收缩引起的变形，这成为非常大的问题。

过去，为了避免这种变形，会进行预见到该变形的尺寸预留，但是根据熔敷的肋和凸缘的形状，焊接用钢板的变形量各异，预测起来非常困难。此外，即使能够预测变形量，但是使已经由长方形发生了很大变形的焊接用钢板与水平或直角相互吻合而进行焊接时，在两块钢板间仍会产生很大的间隙(例如3mm以上)，焊接作业困难，产生进行钢板的重新切割的必要性。特别是，对于板厚为25mm以下的焊接用钢板来说，焊接所伴随的材料收缩大，认为大部分的情况需要重新切割加工。

在专利文献1中，公开有一种着眼于上述焊接时的变形的技术。该技术是用温度计测定被热矫直机进行了热矫正的厚钢板的表面的温度分布，运用计算机根据厚钢板的温度分布演算残留应力分布，并根据该残留应力分布，演算表示焊接时的变形量的波动的规定的参数。再将根据用户的焊接条件等而预先设定的允许值和参数进行比较，不在参数允许范围内时，使用矫直机和热处理炉使残留应力降低。

专利文献1：特开2001-316757号公报

然而，专利文献1是使焊接时的变形量的波动在一定范围内的技术，而不是用于使伴随焊接而来的变形量为零或最小的技术。即使能够预先使变形量的波动在一定范围内，如前述，使焊接后发生了变形的钢板相互吻合进行焊接时，如果在两者间产生间隙，则不可避免会产生重新切割等的必要性。

发明内容

因此，鉴于上述问题点，本发明的目的在于，明确即使在焊接后矩形(rectangular)形状变化也几乎不会发生的技术，并提供一种应用了该技术的焊接用钢板。

为了达成前述目的，在本发明中阐述如下的技术手段。

即，本发明的焊接用钢板，其特征在于，存在如下部分：在宽度方向的至少单侧的端部被赋予拉伸残留应力，在所述被赋予拉伸残留应力的端部的宽度方向内部侧被赋予压缩残留应力。

另外，其特征在于，存在如下部分：在宽度方向的两端部被赋予拉伸残留应力，在所述被赋予拉伸残留应力的两端部的宽度方向内部侧被赋予压缩残留应力。

本申请发明者们，为了开发一种即使在焊接后矩形形状仍几乎没有变化的焊接用钢板(以下称为钢板)而进行实验、研究，直至认识到，焊接引起的变形与在焊接实施的钢板的内侧存在的残留应力有关。

因此，首先，以热的方法降低钢板内的残留应力，使用热矫直机和冷矫直机准备均一化大体达到0的钢板，按图1(b)这样的焊缝(seam)进行焊接实验。

根据该实验得到如下结果：

(i)大部分的钢板与其端部相比，中央部的一方在长度方向的收缩量大，

(ii)钢板间的收缩量的波动为，降低了残留应力的钢板的一方同样地小。

由此结果，本申请发明者们判明“残留应力究竟以何种关系对伴随焊接而来的收缩量产生影响”。

其次，本申请发明者们从焊接后的钢板的非变形(invariable)程度(焊接前为长方形状的，在焊接后是否仍维持该形状)这一观点尝试进行焊接实验。其结果是，没有控制残留应力的几个钢板，比起残留应力大体控制为0的钢板，其非变形程度更优异。调查具有该优选性质的钢板的残留应力分布，其结果如图1(a)，“钢板的宽度方向两端部残存有拉伸应力，在宽度方向内部残存有压缩残留应力”。

基于此结果，而使本发明的焊接用钢板成为，在焊接实施的宽度方向内部被赋予压缩的残留应力，在宽度方向的两端部被赋予拉伸的残留应力的钢板。该钢板即使在焊接后也几乎不会发生形状变化而维持矩形形状。

这种残留应力分布对于钢板来说是宏观性的，因此本申请发明者从微观性的观点出发而反复研究。其结果判明如下机理：在进行肋和凸缘的焊接时，因气焰和电弧放电而熔融的材料部分在变冷并再凝固时收缩，因该收缩引起的拉伸应力发生，从而产生钢板在长度方向的变形。

因此认为，如图2所示，在焊接被实施的部位的附近，预选赋予对抗前述拉伸应力的压缩的残留应力即可，如果是具有这种残留应力分布的焊接用钢板，则判明，焊接后尽管会发生收缩变形，但是偏离矩形的变形度小(维持矩形形状)。

基于这一考虑，而使本发明的焊接用钢板成为，在宽度方向的两端部被赋予拉伸残留应力，在所述拉伸残留应力被赋予的两端部的宽度方向内部整个区域被赋予压缩残留应力的钢板。该钢板即使在焊接后也几乎不会发生形状变化。

还有，本申请发明者们通过计算机模拟实验等，判明所述压缩残留应力的值可以为0MPa～50MPa。

优选所述压缩的残留应力的波动为±10MPa以下。这里所说的所谓压缩的残留应力的波动，是指压缩的残留应力的常量域(例如，图1(a)的情况下为板宽方向中央部)的波动。

还有，作为所述钢板的整体，残留应力的值为0。

使用本发明的焊接用钢板，能够沿该钢板的板宽方向使焊接后的材料收缩大体均一。

附图说明

图1是表示本发明的焊接用钢板的残留应力分布和焊接后的收缩状态的概念图(宏观)。

图2是表示本发明的焊接用钢板的残留应力分布的概念图(微观)。

图3是表示模拟实验中的对象模型的图。

图4是表示由模拟实验得到的结果的图。

图5是表示本发明的焊接用钢板的残留应力分布的概念图(另一实施方式)。

图6是表示实施了焊接的钢板的矩形变形量的图(板厚12mm)。

图7是表示实施了焊接的钢板的矩形变形量的图(板厚16mm)。

图8是表示实施了焊接的钢板的矩形变形量的图(板厚22mm)。

图9是表示实施了焊接的钢板的矩形变形量的图(板厚28mm)。

图10是表示实施了焊接的钢板的矩形变形量的图(板厚34mm)。

图11是表示平均残留应力值和矩形变形度的关系的图。

图12是表示板厚和矩形变形度的关系的图。

图13是表示肋条数和矩形变形度的关系的图。

图14是表示本发明的焊接用钢板中的肋条数和矩形变形度的关系的图。

图15是轧制装置的概略图。

图16是表示现有例的钢板的残留应力分布和焊接后的收缩状态的概念图。

符号的说明

1焊接用钢板

2肋

3轧制装置

8粗轧机

11精轧机

12加速冷却装置

16多功能矫直机

17矫直辊(levelling roll)(多功能矫直机)

18支承辊(back-up roll)(多功能矫直机)

W焊接部

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的焊接用钢板进行以下说明。

图1、图2中表示的是本发明的焊接用钢板1。

如图1(a)所示，焊接用钢板1(以下仅称为钢板)，在计测宽度方向截面的残留应力时，在宽度方向内部被赋予压缩的残留应力，在宽度方向两侧部被赋予拉伸应力。其应力分布曲线为向下凸的梯形。

该钢板1所规定的残留应力是板厚方向的平均值，板厚方向的残留应力分布无论怎样都可以。

拉伸残留应力的累计值和压缩残留应力的累计值相等，钢板1整体的残留应力值为零。

在图2(a)中，显示相对于具有这样的残留应力分布的钢板1的宽度方向内部，在其长度方向(钢板轧制方向)焊接肋2的状况。

微观表示该状况(只观看焊接部W附近)的是图2(b)。由该图可知，焊接部W因气焰和电弧一旦熔融，自当初开始已有的压缩残留应力被消除。其后，随着焊接部W凝固而发生材料收缩，但该焊接部W由于被其周围的钢板拘束，因此成为有拉伸的残留应力残存的部位，由于该材料收缩和残留的拉伸应力，导致钢板的长度方向的变形发生。

可是，在焊接部W(收缩部)的宽度方向外侧，预先被赋予压缩残留应力，从而成为不会使所述材料收缩发生的状况。所以，作为钢板1整体也不会发生长度方向的收缩。

(模拟实验和结果)

其次，对于本实施方式的钢板预选被赋予的压缩残留应力的具体的值进行说明。

本申请发明人们为了得到焊接时变形少的钢板，采用热弹塑性3维FEM模型，试图详细调查肋焊接时的钢板1的变形举动。

如图3所示，模型实验中使用的钢板1的尺寸为，厚16mm，宽2000mm，长500mm。安装的肋2的形状为，厚15mm，宽(高)150mm，长500mm，加肋数可在1～5个的范围内变化。

作为实施焊接的钢板，(i)使用通常钢(未控制残留应力)、(ii)残留应力降低钢(宽度方向内部的残留应力值为5MPa)、(iii)无残留应力钢(完全不存在残留应力的理想的钢板)这三种。

作为加肋焊接的条件，一般为来自焊接的输入热量为1.7kJ/mm(320A×32V×24cm/min.)，焊角长度(横向摆动weaving宽度)8mm。该焊接条件即使钢板的厚度和肋2的厚度变化也大体相同。

在此条件下，确认焊接肋2时发生的残留应力的值，和肋焊接后的焊接部W对周围的影响等。

其结果如下：

(i)由于肋焊接，导致在焊接部W发生大约300MPa的拉伸残留应力；

(ii)由于肋焊接，导致初期残留应力变化的区域(热影响区域)在肋焊接位置的两侧为±50mm；

(iii)焊接部W的材料收缩带给周围的影响是压缩应力的增加，根据肋条个数，其影响度变化(6MPa/个)，

鉴于以上，本申请发明者们改变实验条件，就用于得到焊接后形状变化少的钢板的条件进行模拟。

其结果发现，肋焊接的位置为距钢板1的端部100mm以上的内侧(宽度方向内部侧)时，以肋焊接的位置为基准，在-100～-50mm及50～100mm的区域(焊接部W的两侧50～100mm的区域)中，被预先赋予压缩应的残留应力，其值处于0MPa～50MPa的范围即可。

所以，如果是具有如图4(a)所示的初期残留应力分布的钢板，在肋焊接后满足上述条件，则会成为焊接后形状变化少的钢板。另外，焊接部W一旦成为熔融状态，残留应力就会被消除，因此如图4(b)所示，即使肋焊接位置的初期残留应力在-50MPa以下(例如-70MPa)也无妨。然而，因为肋2被安装的位置并非严密地固定，所以优选为图4(a)的残留应力分布。

发现肋焊接的位置为距钢板1的端部50mm以内时，在自肋焊接的位置向内部侧(宽度方向内部侧)50～100mm的区域，预先被赋予压缩的残留应力，其值处于0MPa～50MPa的范围即可。所以，如果是具有图4(c)所示的实线和虚线这种初期残留应力分布的钢板，在肋焊接后满足上述条件，则会成为焊接后形状变化少的钢板。

另外发现，肋2的安装位置处于距钢板1的端部50mm～100mm的范围时，在自肋2的安装位置向内部侧(宽度方向内部侧)50～100mm的区域，预先在0MPa～50MPa的范围被赋予压缩的残留应力，同时，在自肋2的安装位置向钢板外侧(宽度方向端部侧)50mm以上的区域，预选赋予0MPa～50MPa的压缩的残留应力即可。所以，如果是具有图4(d)所示的实线和虚线这样的初期残留应力分布的钢板，在焊接后满足上述条件，则会成为焊接后形状变化少的钢板。

还有，焊接部W一旦成为熔融状态，初期的残留应力就会被消除，因此如图4(d)的实线，肋焊接位置的初期残留应力也可以在-50MPa以下(例如-70MPa)。

本申请发明者们判明，若压缩的残留应力的波动在±10MPa以下则能够得到非常良好的结果(焊接之后的变形少)。

以上所述的图4微观表示了变形少的钢板初期被赋予的残留应力分布，而在图5中记述，将初期残留应力分布进行宏观显示(钢板的宽度方向整体的分布)。与图1(a)同样地宏观表示初期残留应力分布。

本申请发明的钢板，在实施焊接的部位的附近预先被赋予压缩的残留应力，如图5(a)～图5(c)所示，对应加肋位置赋予满足前述条件的压缩应力(在焊接部W的两侧50～100mm的区域为0MPa～50MPa的初期残留压缩应力)。此外，作为钢板1整体，因为残留应力的值为0，所以还被赋予抵消压缩的残留应力的拉伸的残留应力。所以，残留应力分布在宽度方向呈凹凸状。

然而，究竟在钢板1的哪个位置实施肋焊接，在制造本发明的钢板1的时刻上严格地说未知很多。这是因为基于如下等情况：用户对钢板1实施切毛边的情况占大多数，而以车间发货状作为构件直接使用的情形很少。因此，根据肋2安装位置赋予满足前述条件的压缩应力，并且如图1(a)所示，非常优选具有如下应力分布的钢板1：相对于朝向长度方向的焊接被实施的宽度方向内部为压缩的残留应力，相对于宽度方向两端部为拉伸的残留应力。还有，所谓钢板1的宽度方向内部，是进行肋焊接的部位，也可以是如前述距钢板1的端部100mm以上的内侧，但作为距钢板1的端部200mm以上的内侧也没有任何问题。

(残留应力测定的方法)

还有，在测定钢板1的残留应力时，其测定方法可以采用种种。例如有如下等方法：(i)对作为对象的钢板穿孔，在该部位直接粘贴应变计，由该应变计测定残留应力值的方法(穿孔法，puncturing)；(ii)以热矫正结束时刻的钢板的表面温度分布、和冷矫直机带来的压入量等为基准，求得残留应力的板厚方向平均值的方法。

在本实施方式中，采用穿孔法计测初期的残留应力。具体来说，从对象钢板的度度方向两端部以100mm间隔考虑分割试验片(条片)，从该分割试验片的中心线上且长度方向的端部，“在矫正钢板的冷矫直机的辊中心间距+100mm”的位置粘贴应变计。

(实验例)

在图6～图10中显示的是，对于被赋予满足前述的条件的残留应力分布的钢板1(也称为本发明钢1)，在其长度方向通过焊接加装5条肋2，求得这时的板长度方向的矩形变形度δ的实验结果。还有，图6～图10中的◆是采用穿孔法而实测的残留应力值，实线表示考虑钢板1的温度分布和矫正条件而计算出的计算残留应力值。

本发明钢1如各图(d)，其距宽度方向两端部100mm以上内侧的残留应力值为0MPa～50MPa。作为比较例，是对现有钢(为通常钢，不进行残留应力的控制各图(a))、残留应力降低钢(各图(b))和通常矫正钢(由矫直机等对现有钢进行了矫正的钢，各图(c))实施肋焊接。

焊接有肋2的钢板1有5种，其板厚为12、16、22、28、34mm，宽度为2000mm，长度9000mm。安装的肋2的形状与模拟实验相同，为厚15mm，宽(高度)150mm，长9000mm。

钢板1的矩形变形度δ，例如在图1(b)的钢板1中，无论是以上下(轧制方向)的哪一方的缘部的收缩量为基准，还是以左右(宽度方向)哪一方的端面为基准而测定，都换算成平均长度10m的值。在本实验例中，矩形变形度δ的上限值为1.2mm。说到原因，是由于根据现场的实际成绩可知，可以焊接的钢板间隙约3mm(对于每一片钢板来说约1.5mm)。

由图6～图10的结果可知，在整个的板厚中，本发明钢1其矩形变形度δ为1.2以下。

在宽度方向中心部和两端部残存压缩应力，在前述中心部和两端部之间的区域残存拉伸应力的现有钢中，可知在整个的板厚中产生1.5mm以上的矩形变形度δ，不适合作为焊接用。

在板宽方向存在50MPa以上的残留拉伸应力的残留应力降低钢和通常矫正钢中，矩形变形度δ为1mm～3mm，长度方向的收缩量大，不适合作为焊接用。

另外，在现有钢等中，宽度方向内部的收缩量与两端部相比非常地大。另一方面，在本发明钢1中，宽度方向的矩形变形度δ为大体相同的值，从而维持矩形形状，因此使该本发明钢1相结合而进行焊接时，结合的钢板1、1间的间隙根据宽度方向的位置而不同的问题很难发生，可非常容易地进行焊接。

本申请发明者们除以上的实验以外，还对于各种的板厚的本发明钢1和残留应力的分布形状虽然大体相同，但应力值有所不同的本发明钢1，在长度方向通过焊接加装5条肋2，并求得矩形变形度δ。其结果显示在图11、图12中。

如图11可知，为了达到实用上没有问题的矩形变形度δ(＜1.2mm)，钢板1的宽度方向内部被赋予的压缩应力的残留应力为0MPa～70MPa，优选为0MPa～50MPa。这一点与计算机模拟的结果一致。

图12是表示如下关系的图：将焊接实验的多个结果区分为平均残留应力为(i)-40～-20MPa、(ii)-20～0MPa、(iii)0～20MPa、(iv)20～40MPa这4种，该板厚与矩形变形度δ的关系。由该图可知，如果是隶属于本发明1的钢板(宽度方向内部的残留应力值为-50MPa～0MPa，即(i)、(ii))，板厚10mm以上，则确实矩形变形度为δ为1.2mm以下，为适于焊接的钢板。

此外，即使宽度方向内部的残留应力值为0～20MPa，如果板厚为25m以上，而即使宽度方向内部的残留应力值为20～40MPa，如果板厚为35m以上，则确实矩形变形度为δ为1.2mm以下，为适于焊接的钢板。

图13、图14显示如下结果：对于本实施例的钢板1、现有钢、残留应力降低钢和通常矫正钢的各种钢，焊接加装2、3、5、7条(个)肋2，求得这时的板长方向的矩形变形度δ。

由焊接安装的肋2的条数越是增加，整个钢板中矩形变形度δ越增加，但是本发明钢1其增加程度小，如果肋2在7条以内，则矩形变形度为δ不会超过1.2mm。

(钢板的制造设备)

在图5中显示本发明的焊接用钢板1(厚钢板)的轧制装置3的概略。在该轧制装置3的上游侧具有加热板坯4的加热炉5，在加热炉5的下游侧具有粗轧机8，该粗轧机8具有一对工作辊6、6和一对支承辊7、7。此外，在粗轧机8的下游侧具有精轧机11，该精轧机11具有一对工作辊9、9和一对支承辊10、10。

在精轧11的下游侧，设有加速冷却装置12(冷却装置)，其将精轧机11上结束了轧制的钢板进行冷却。加速冷却装置12通过向钢板1喷送冷却水而强制性地冷却钢板1，以实现规定的板温。

在加速冷却装置12的输出侧附近，设置有放射温度计和温度记录仪(サ一モビユア)等的输出侧板温度计13，可以计测钢板表面的温度分布。由此，能够获知刚冷却之后的钢板1的表面温度分布。表面温度分布和钢板1内的残留应力分布具有规定的关系，这由过去的实际成绩可知，因此由该计测结果能够推定钢板1内的残留应力分布。

在加速冷却装置12的下游侧设有热矫直机14。该热矫直机14具有上下交错配置的多个矫直辊15、15……。

此外，在与本轧制线为离线的位置上设有多功能矫直机16。多功能矫直机16的构成为，具有上下交错配置的多个矫直辊17、17……，在各矫直辊17上配备有支承该矫直辊17的支承辊18。该支承辊18通过分割支承辊(未图示)在轴心方向多个(例如3～5个)相连而构成，通过压下调整装置(未图示)，可以独立压下各分割支承辊。所以，只将矫直辊17的一部分压向钢板1侧，修正钢板1的一部分形状，从而能够对钢板1赋予宽度方向的残留应力。

使用以上所述的轧制装置3，阐述制造本发明的焊接用钢板1的步骤。

首先，由加热炉5加热到规定的温度(1200℃左右)的板坯4，经由粗轧机8被导入到精轧机11，按照预先设定的轧制表逆轧制。精轧后的钢板1被导入加速冷却装置12，例如在冷却速度一定的条件下，冷却至目标板温度。

冷却的钢板1由输出侧板温度计计测表面温度，据此结果计算残存在钢板1中的残留应力分布。

通常，钢板1中存在残留应力时，若进行制品之后的加工(切条)则会发生变形，因此使热矫直机14和将多功能矫直机16作为冷矫直机发挥功能，对轧制后的钢板1在长度方向上依次反复施加弯曲和反弯曲的变形，由此修正钢板内的应力状态，使残留应力大体为0。并且，修正钢板1的形状，也会使轧制后发生的中波和耳波消失。

其后，为了使钢板1成为本发明的焊接用钢板，再度将钢板1导入多功能矫直机16。

详细地说，就是个别设定多功能矫直机16的各分割支承辊的压下量，以图1(a)的方式调整板宽方向的残留应力分布。例如，在宽度方向由5个分割支承辊构成时，增加中央的1个至3个分割支承轴的压下量，使矫直辊17带给的钢板1中央的弯曲量增加。在这种设定下的多功能矫机16上通过钢板1，能够对宽度方向内部赋予压缩的残留应力。

还有，赋予如图5(a)～(c)所示的应力分布时，由10个左右的分割支承辊构成支承辊，只使赋予压缩应力的位置相对应的分割支承辊压下，对钢板1赋予压缩残留应力即可。

还有，本发明并不受上述实施的方式限定。

即，具有在朝向长度方向实施焊接的部位的附近预先赋予压缩的残留应力，以抑制焊接用钢板在长度方向的收缩(板收缩)或使之均一化的技术思想的，即属于本申请发明。

Claims (5)

1.一种钢板，其特征在于，存在如下部分：在宽度方向的至少单侧的端部被赋予了拉伸残留应力，在所述被赋予了拉伸残留应力的端部的宽度方向内部侧被赋予了压缩残留应力。

2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，存在如下部分：在宽度方向的两端部被赋予了拉伸残留应力，在所述被赋予了拉伸残留应力的两端部的宽度方向内部侧被赋予了压缩残留应力。

3.根据权利要求2所述的钢板，其特征在于，在宽度方向的两端部被赋予拉伸残留应力，在所述被赋予了拉伸残留应力的两端部的宽度方向内部侧的整个区域被赋予压缩残留应力。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的钢板，其特征在于，所述压缩残留应力的值为0MPa～50MPa。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的钢板，其特征在于，所述压缩残留应力的波动为±10MPa以下。

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