CN101617062B

CN101617062B - 焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管

Info

Publication number: CN101617062B
Application number: CN2007800518729A
Authority: CN
Inventors: 横山泰康; 剑持一仁; 冈部能知; 饭塚幸理
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-05-18
Also published as: EP2116625B1; US8328957B2; EP2116625A4; CN101617062A; US20100032048A1; EP2116625A1; CA2679060A1; JP2008240145A; TW200835570A; WO2008105110A1; TWI317670B; CA2679060C; JP5292830B2

Abstract

一种焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，电阻焊接部的投影面内的最大长度小于50μm的微小缺陷的面积比率为0.035以下、0.000006以上，并且通过金属材料冲击试验方法测定的-40℃的吸收能为100J以上。

Description

焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管

技术领域

本发明涉及焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，具体而言，涉及着眼于控制焊接部韧性的微小缺陷(微小氧化物/夹杂物)，并通过规定焊接部中的上述微小缺陷的面积比率使上述焊接部韧性提高的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管。

背景技术

钢材的韧性、特别是冲击吸收能随着钢中的非金属夹杂物的增加而减少，这一点从过去开始已被多次研究，例如关于MnS，在非专利文献1中有记载。并且，对于碳化物的情况，在非专利文献2中记载了工具钢中的一次碳化物的影响。这样的非金属夹杂物与冲击吸收能的关系，通常将非金属夹杂物视为钢中的空位缺陷，研究钢中的缺陷尺寸和冲击性的关系，其关系为随着夹杂物尺寸的增加冲击特性降低。

另一方面，关于电阻焊接部，报道有被称为侵入物(penetrator)的氧化物，具体而言是存在于电阻焊接的焊接面上的微小的夹杂物(长径0.2～0.5mm的椭圆形)(非专利文献3)。由于这样的侵入物的存在，因此通常认为电阻焊接部的冲击特性差。因此，为了提高电阻焊接部的冲击特性，而进行使侵入物减少的技术开发，例如依靠经验的供热控制等。

但是，若仅降低上述的以往报道的侵入物，则存在冲击特性未必提高的问题。

非专利文献1：日本学术振兴会制钢第19委员会编，“钢铁与合金元素(下)”：p.165～274(特别是p.191～208)，昭和41年3月25日，第 1版(株)诚文堂新光社发行

非专利文献2：日本钢铁协会/日本金属学会编，“钢的强韧性”：p.207，1971年，CLIMAX MOLYBDENUM DEVELOPMENTCOMPANY(JAPAN)LDT.发行

非专利文献3：日本钢铁协会编，“超声波探伤系列II焊接钢管的超声波探伤”：p.28～31，1988年，日本钢铁协会发行

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的在于，提供使焊接部达到电阻焊接部不发生脆性破坏的水平的高韧性的用于管道钢管的电阻焊钢管。

为了达到上述目的的本发明如下所示。

1.一种焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，电阻焊接部的投影面内的最大长度小于50μm的微小缺陷的面积比率为0.035以下、0.000006以上，赋予电阻焊接部ISO/DIS 148-1(JIS Z2202)中规定的金属材料冲击试验片(V型缺口摆锤试验片)的V型缺口，并且根据ISO148(JIS Z 2242)中规定的金属材料冲击试验方法测定的-40℃的吸收能为100J以上。

2.如前项1所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，具有如下组成：以质量％计，含有C：0.01～0.15％、Si：0.005～0.9％、Mn：0.2～2.0％、P：0.01％以下、S：0.01％以下、Al：0.1％以下，余量实际上由Fe构成。

3.如前项2所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，在上述组成的基础上，以质量％计，还含有选自Cu：0.5％以下、Ni：0.5％以下中的1种或2种。

4.如前项2或3所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，在上述组成的基础上，以质量％计，还含有选自Cr：3.0％以下、Mo：2.0％以下中的1种或2种。

5.如前项2～4中任一项所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，在上述组成的基础上，以质量％计，还含有选自Nb：0.1％以下、V：0.1％以下、Ti：0.1％以下中的1种或2种以上。

6.如前项2～5中任一项所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，在上述组成的基础上，以质量％计，还含有Ca：0.005％以下。

7.如前项1～6中任一项所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其中，所述微小缺陷由电阻焊接时残留在焊接面上的氧化物、氮化物、碳化物中的1种或2种以上构成。

发明效果

根据本发明，通过规定焊接部的微小缺陷的面积比率，可以得到焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管。

附图说明

图1是C扫描法的概略说明图。

图2是表示信号强度与缺陷直径的关系的一例的图。

图3是表示信号强度与-40℃吸收能的关系的一例的图。

图4是表示焊接部的微小缺陷面积比率与-40℃吸收能的关系的一例的图。

图5是使用阵列探头的焊接部的超声波探伤(阵列UT)方法的概略说明图。

图中的标号如下。

1电阻焊钢管、2焊缝、3样品 4、点聚焦型超声波探头5、扫描方向、6阵列探头

具体实施方式

发明人从抑制强度为API标准X60级别以上的用于管道钢管的电阻焊钢管的脆性破坏的观点出发，对需要的焊接部韧性及满足该韧性的焊接部的微小缺陷的分布形态、成分系进行了研究。其结果发现，作为需要的焊接部韧性，与具有赋予焊接部V型缺口的摆锤冲击试验中测定的-40℃的吸收能达到100J以上的高韧性相对应，而且，上述的的高韧性，通过电阻焊接部的投影面内的最大长度小于50μm的微小缺陷的面积比率最优化、以及化学成分(组成)的最优化来实现。另外，电阻焊接部的投影面是指，从相对于焊缝面垂直方向观察图1的焊缝2的区域的面。

下面，对本发明的电阻焊接部的微小缺陷的面积比率、及电阻焊钢管的化学成分进行说明。

发明人专心研究的结果表明，在电阻焊钢管的焊接部残留的微小缺陷的量影响焊接部的韧性。如上所述，目前为止电阻焊接部的侵入物是指，氧化物残留在焊接面上，其大小为0.2～0.5mm的椭圆形。本发明的微小缺陷，并不是指上述大小的缺陷，而是指最大长度小于50μm的氧化物、氮化物或碳化物。

发明人通过利用焊缝片层C扫描法(简称C扫描法)的研究实验求出上述微小缺陷的形态与韧性的关系。

在该试验中，首先，如图1所示，对于在距离电阻焊钢管1的焊缝2仅有规定距离(此时为8mm)的位置切片后的焊接部的样品3，用点聚焦型超声波探头4对焊缝部进行C扫描(沿扫描方向5扫描)而探伤，测定信号强度。

这里，作为实验材料的电阻焊钢管的焊接条件，包括通常的电阻焊接条件和调节焊接供热和缩锻量以尽量减少微小缺陷的条件，并可使其发生各种变化。并且，点聚焦型超声波探头使用20MHz、波束直径440μm的超声波，调节灵敏度以使距Φ125μm的平底孔的回波高度达到100％，进行探伤。该灵敏度设定中的信号强度(回波高度)与缺陷直径的关系如图2所示。这里，缺陷直径是指，与波束内的最大长度小于50μm的微小缺陷的总面积相当的缺陷直径(等价缺陷直径)。

而且，从进行了上述C扫描的部位采集摆锤试验片，进行摆锤试验，测定-40℃的吸收能(简称-40℃吸收能)，求出该吸收能与上述信号强度的关系。将其结果示于图3。

由图3可知，利用C扫描的回波高度与-40℃吸收能相关，若回波高度为27％以下、40％以下、51％以下，则-40℃吸收能分别为400J以上、200J以上、20J以上。另一方面，根据图2，回波高度27％、40％、51％分别与直径为63μm、73μm、90μm的缺陷的存在相对应。若考虑波束直径为440μm，则各-40℃吸收能的微小缺陷密度如表1所示。

表1

将以上的实验结果整理并示于图4。根据该结果，若使每1mm²的微小缺陷密度为0.035mm²以下(即，使微小缺陷的面积比率为0.035以下)，则可以得到100J以上的-40℃吸收能。

另外，关于微小缺陷的面积比率的下限值，根据工业上生产的纯净钢中所含的最低限度的氧化物的密度，设为0.000006(每1mm²为0.000006mm²)。

上面对将焊缝部切片的样品的利用C扫描的研究结果进行了说明，但相同的测定也可以通过仅在钢管上对适当的面积使用聚焦后的波束的串列探伤来进行。波束的聚焦，可以使用与C扫描相同的点聚焦型超声波探头，也可以使用例如图5所示的在圆周方向上排列的阵列探头6。此时，波束的尺寸，若过小则难以评价微小缺陷面积比率，另一方面，若过大则容易接收到来自管的内外表面等的噪声，因此优选0.5～2.5mm的范围。另外，在图5中，电切换发送信号和接收信号的振荡器的位置，可以容易地在厚度方向上扫描焊接部。

并且，为了使焊接部的微小缺陷面积比率为0.035以下，在进行电阻焊接时的供热控制的同时，为了使电阻焊接正前面的对接端面形状成为具有在厚度方向中央部的平行相对部和其两侧的倾斜相对部的坡口形状，而在利用辊轧成形的宽度方向弯曲加工之前或该宽度方向弯曲加工的中途，通过适当的切削或轧制(优选为翅片成形(fin-passforming)轧制)等对板宽端部进行成形加工是有效的。

接着，对本发明的电阻焊钢管的优选化学成分(组成)进行说明。电阻焊钢管的组成，接受了考虑铺设时的综合性的低成本化、特别是重视降低钢管的运输费用的顾客要求。因此，以API的X60级别以上的高强度为前提，规定优选组成范围。另外，组成的成分含量的单位是质量％，简记为％。

使C为0.01～0.15％。虽然C是以碳化物的形式有助于析出强化的元素，但若C含量小于0.02％，则不能确保充分的强度，另一方面，若超过0.15％，则珠光体、贝氏体、马氏体等第二相的组织比率增加，难以确保作为管道钢管所必需的原材韧性。因此，使其含量为0.15％以下。更优选为0.07％以下。另外，若C含量小于0.01％，则难以确保作为管道钢管的充分的强度，因此优选使C含量为0.01％以上。

使Si为0.005～0.9％。虽然Si是为了脱氧而添加的，但若小于0.005％，则脱氧效果不充分，另一方面，若超过0.9％，则使电阻焊接部的氧化物增加，并使焊接部特性变差，因此使Si含量为0.005～0.9％。

使Mn为0.2～2.0％。虽然Mn是为了确保强度、韧性而添加的，但若小于0.2％，则其效果不充分，另一方面，若超过2.0％，则第二相比率增加，难以确保作为管道钢管所必需的优良的原材韧性，因此使Mn含量为0.2～2.0％。

使P为0.01％以下。P是使电阻焊接性变差的不可避免的杂质，因此使P含量的上限为0.01％。

使S为0.01％以下。通常，S在钢中成为MnS夹杂物，由于MnS成为氢致开裂(HIC)的起因，因此越少越好。但是，若S含量为0.01％以下则不存在问题，因而使S含量的上限为0.01％。

使Al为0.1％以下。虽然Al是作为脱氧剂而添加的，但是若含量超过0.1％，则钢的纯净度降低，并且使韧性变差，因此使Al含量为0.1％以下。

本发明中，以进一步改善用于管道钢管的电阻焊钢管的强度、屈服比、韧性为目的，在上述成分的基础上，还可以选择含有：选自Cu：0.5％以下、Ni：0.5％以下中的1种或2种，选自Cr：3.0％以下、Mo：2.0％以下中的1种或2种，选自Nb：0.1％以下、V：0.1％以下、Ti：0.1％以下中的1种或2种以上，Ca：0.005％以下。

使Cu为0.5％以下。虽然Cu是对韧性的改善和强度的提高有效的元素，但若大量添加则焊接性变差，因此添加时将0.5％作为上限。

使Ni为0.5％以下。虽然Ni是对韧性的改善和强度的提高有效的元素，但若大量添加则硬化第二相变得容易提纯、导致原材韧性的降低，因此添加时将0.5％作为上限。

使Cr为3.0％以下。Cr与Mn同样是对在低C的条件下得到充分的强度有效的元素，但若大量添加则第二相变得容易生成、使原材韧性降低，因此添加时将3.0％作为上限。

使Mo为2.0％以下。Mo与Mn、Cr同样是对在低C的条件下得到充分的强度有效的元素，但若大量添加则第二相变得容易生成、使原材韧性降低，因此添加时将2.0％作为上限。

使Nb为0.1％以下。Nb通过碳氮化物的微小析出和组织的细粒化而使强度和韧性提高。但是，若超过0.1％，则硬化的第二相变得容易增加，原材韧性反而显著变差，因此使Nb含量为0.1％以下。

使V为0.1％以下。V也与Nb同样，通过碳氮化物的微小析出而有助于强度提高。但是，若超过0.1％，则与Nb同样地，硬化的第二相比率增加，原材韧性显著变差，因此使V含量为0.1％以下。

使Ti为0.1％以下。Ti也与Nb、V同样，通过碳氮化物的微小析出而有助于强度提高。但是，若超过0.1％，则与Nb同样，硬化的第二相比率增加，原材韧性显著变差，因此使Ti含量为0.1％以下。

使Ca为0.005％以下。Ca对于易成为氢致开裂的起因的延伸的MnS的形态控制来说是必要的元素。但是若添加超过0.005％，则生成过量的Ca氧化物、硫化物，并导致韧性变差，因此使Ca含量为0.005％以下。

上述之外的余量实际上由Fe构成。余量实际上由Fe构成是指，只要不失去本发明的作用效果，即使含有以不可避免的杂质为代表的其它微量元素的情况，也包含在本发明的范围内。

实施例

使用表2所示的板厚、化学成分的供试钢(钢种1～10)，在如下两个条件下进行电阻焊接：以往的电阻焊接条件(条件A)，和通过电阻焊接前的翅片轧制赋予端部内外表面侧坡口形状而使微小缺陷难以残留在焊接部的电阻焊接条件(条件B)，制造外径20英寸的X65级电阻焊钢管。

任一种供试钢在通过热轧而轧制为规定的板厚之后，都卷取成为热卷。将母材韧性、焊接部韧性和焊接部微小缺陷面积比率示于表3。这里，母材韧性是在钢管圆周方向上距离电阻焊接部的焊缝180度的位置处，采集10个JIS5号的2mmV型缺口摆锤冲击试验片，测定-40℃的吸收能；焊接部韧性是从电阻焊接部、在钢管圆周方向上采集10个JIS5号的2mmV型缺口摆锤冲击试验片，测定-40℃的吸收能。考虑制造方面的参差不齐，将焊接部的-40℃吸收能为125J以上、充分满足目标特性的评价为(○)，将100J以上且小于125J、虽然不能说充分但大致满足目标特性的评价为(△)。焊接部微小缺陷面积比率通过图5所示的阵列UT方法测定。

C、S的含量大幅偏离优选范围的钢种1，其组织为铁素体-贝氏体，母材的韧性本身也低，电阻焊接条件为A、B的任意一种情况下其焊接部韧性都低。Mn或Nb的含量大幅偏离优选范围的钢种2、3，其母材韧性充分，但是焊接部韧性在任意一种焊接条件下均低，不满足-40℃吸收能100J以上。组成为优选范围内的钢种4～9的情况，在以往的电阻焊接(条件A)下，存在焊接部微小缺陷面积比率超过0.035、-40℃吸收能小于100J的试验片的情况，与此相对，在难以残留微小缺陷的电阻焊接(条件B)下，焊接部微小缺陷面积比率均为0.035以下，均稳定显示出高的-40℃吸收能。并且，钢种10的C含量稍微偏离优选范围，但是通过条件B下的电阻焊接，焊接部微小缺陷面积比率达到0.035以下，焊接部的-40℃吸收能在100J以上且小于125J的范围内。

Claims

1.一种焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，具有如下组成：以质量％计，含有C：0.01～0.07％、Si：0.005～0.9％、Mn：0.2～2.0％、P：0.01％以下、S：0.01％以下、Al：0.1％以下、Ca：0.005％以下，余量实际上由Fe构成；

电阻焊接部的投影面内的最大长度小于50μm的微小缺陷的面积比率为0.026以下、0.000006以上，赋予电阻焊接部ISO/DIS 148-1中规定的金属材料冲击试验片的V型缺口，并且根据ISO148中规定的金属材料冲击试验方法测定的-40℃的吸收能为315J以上，其中，ISO/DIS148-1即JIS Z 2202，金属材料冲击试验片即V型缺口摆锤试验片，ISO148即JIS Z 2242。

2.如权利要求1所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计，还含有选自Cu：0.5％以下、Ni：0.5％以下中的1种或2种。

3.如权利要求2所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计，还含有选自Cr：3.0％以下、Mo：2.0％以下中的1种或2种。

4.如权利要求2或3所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其特征在于，在所述组成的基础上，以质量％计，还含有选自Nb：0.1％以下、V：0.1％以下、Ti：0.1％以下中的1种或2种以上。

5.如权利要求1～3中任一项所述的焊接部韧性优良的用于管道钢管的电阻焊钢管，其中，所述微小缺陷由电阻焊接时残留在焊接面上的氧化物、氮化物、碳化物中的1种或2种以上构成。