CN102448655A - 钢板的潜弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢板的潜弧焊接方法，其适合用于UOE钢管或螺旋钢管等大直径钢管的造管焊接。具体而言，从内外面对钢板进行潜弧焊接时，以使内面焊接金属剖面积S₁与外面焊接金属剖面积S₂满足式(1)、式(2)、式(3)的方式设定焊接条件。0.40≤(S₁+S₂)/t²≤0.80(1)、S₁/t²≤0.35(2)S₂/t²≤0.45(3)，其中，t：钢板的板厚(mm)；S₁：内面焊接金属剖面积(mm²)，并且不包括外面焊接后与外面焊接金属重叠的部分；S₂：外面焊接金属剖面积(mm²)。

Description

钢板的潜弧焊接方法

技术领域

本发明涉及钢板的潜弧焊接方法(Submerged Arc Welding Method)，所述钢板的潜弧焊接方法适合用于UOE钢管(UOE Steel Pipe)、螺旋钢管(spiral steel pipe)等大直径钢管(large diameter steel pipe)的造管时的焊接。

背景技术

二电极以上的潜弧焊接适用于大直径钢管的造管时的焊接(缝焊接(seam welding))，从提高钢管生产效率(production efficiency of steelpipe)的观点出发，在实施以1条焊道对内面侧(inner side)进行焊接且以1条焊道对外面侧(external side)进行焊接的双面单层焊接(double onelayer welding)的高效率焊接施工(例如专利文献1，2)。

在双面单层焊接中，必须以使内面焊接金属(internal weld metal)与外面焊接金属(external weld metal)重叠，不存在未熔融部分(unmeltedpart)地确保足够的焊透深度(depth of fusion)，因此，通常使用1000A以上的大电流(large-current)进行焊接，但是因重视焊接效率和缺陷的抑制而使焊接输入热量(welding heat input)变得过高，存在焊接部尤其是热影响部(welded heat affected zone)的韧性(toughness)劣化的趋势。

对于焊接部的高韧性化而言，虽然减少焊接输入热量很有效，但是对于通常进行的缝焊接的输入热量，只要不是大幅减少输入热量，其韧性的提高效果就不明显，若使输入热量大幅降低，则熔敷量(amount of depositmetal)也减少，因此，必须配合熔敷量的减少部分而减少坡口剖面积(cross-section area of groove)。因此，若不进行更深的焊透焊接(deeppenetration welding)，内外面的焊接金属就不会重叠，从而产生未焊透(lack of penetration)的危险性增大。

因而，对焊接部的高韧性化而言，必须兼顾使投入输入热量的大幅减少和焊透深度的增大，而一直以来虽然提出了各种提案，但其仍很难实现。

例如在上述专利文献2中，提出了根据电极直径(electrodediameter)提高电流密度(current density)，从而增大焊透深度的潜弧焊接方法，但是相对于最近的方法而言，电流和电流密度不足，并且难以使输入热量的大幅减少与焊透深度的增大并存。

专利文献3提出了在高电流且更高电流密度下的潜弧焊接方法，通过沿着板厚方向尽可能投入电弧能(arc energy)，从而通过仅确保必须的焊透深度、抑制母材在宽度方向上的熔化而节省了过剩的焊接输入热量，实现了输入热量减少与深度焊透并存。

专利文献

专利文献1：日本特开平11-138266号公报

专利文献2：日本特开平10-109171号公报

专利文献3：日本特开2006-272377号公报

发明内容

但是，虽然专利文献3所述的潜弧焊接方法能够兼顾减少输入热量和深焊透，但是钢板表面的焊道宽度(bead width)变小，容易从钢板表面至焊透顶端(tip of penetration)为止形成大致相同的焊道宽度，即成为熔合线(Fusion Line，以下记为FL)与钢板表面基本垂直的焊道形状，因此，存在板厚方向上的脆性断裂(brittle fracture)容易发展，即使是低输入热量焊接，韧性值也容易变低这样的问题。

而且，这种焊道形状容易引起因夹渣而导致的焊接缺陷。

本发明的目的在于提供一种钢板的潜弧焊接方法，其从内外面对钢板进行潜弧焊接时，以低输入热量就能获得充分的焊透的同时，在内外面两面的焊接热影响部上能获得优异的韧性。

本发明的主旨如下所述。

[1]一种钢板的潜弧焊接方法，其特征在于，用潜弧焊接对钢板进行内外面单层焊接时，内面焊接金属剖面积S₁(cross-section area of internalweld metal)与外面焊接金属剖面积S₂(cross-section area of external weldmetal)之和满足式(1)，并且，内面焊接金属剖面积S₁满足式(2)，外面焊接金属剖面积S₂满足式(3)。

0.40≤(S₁+S₂)/t²≤0.80    (1)

S₁/t²≤0.35               (2)

S₂/t²≤0.45               (3)

其中，t：钢板的板厚(mm)；S₁：内面焊接金属的剖面积(mm²)，并且不包括外面焊接后与外面焊接金属重叠的部分；S₂：外面焊接金属的剖面积(mm²)。

[2]根据上述[1]所述的钢板的潜弧焊接方法，其特征在于，在上述内面焊接和上述外面焊接两者中，在钢板表面计量的焊道宽度满足式(4)，并且在离钢板表面0.4t的深度位置测定的焊道宽度满足式(5)。

0.60≤W₁/t≤0.95          (4)

其中，t：板厚(mm)；W₁：内面焊接侧和外面焊接侧的在钢板表面计量的焊道宽度(mm)。

W₂/t≤0.45                (5)

其中，t：板厚(mm)；W₂：内面焊接侧和外面焊接侧的、在离钢板表面沿板厚方向为0.4t的位置测定的焊道宽度(mm)。

[3]一种焊接接头，由上述[1]或[2]所述的焊接方法制作而得。

[4]一种钢板的潜弧焊接方法，其特征在于，进行内外面单层焊接，在内面焊接和外面焊接两者中，在钢板表面计量的焊道宽度满足式(4)，并且在离钢板表面0.4t的深度位置测定的焊道宽度满足式(5)。

0.60≤W₁/t≤0.95          (4)

其中，t：板厚(mm)；W₁：内面焊接侧和外面焊接侧的在钢板表面计量的焊道宽度(mm)。

W₂/t≤0.45                (5)

其中，t：板厚(mm)；W₂：内面焊接侧和外面焊接侧的、在离钢板表面沿板厚方向为0.4t的位置测定的焊道宽度(mm)。

[5]一种焊接接头，由上述[4]所述的焊接方法制作而得。

根据本发明，能够根据钢板的板厚，在获得足够的焊透的同时获得在内外面两面的焊接热影响部中具有优异的韧性且没有焊接缺陷的焊接接头，在工业上极为有用。

附图说明

图1是对实施例1和2的坡口形状(shape of groove)进行说明的图。

图2是对实施例1和2的内面焊接金属剖面积(S₁)和外面焊接金属剖面积(S₂)进行说明的图。

图3是对实施例1和2的却贝冲击试验片(Charpy impact testspecimen)的采集位置进行说明的图。

图4是对实施例1和2的焊道宽度W₁、W₂进行说明的图。

具体实施方式

本发明人在各种焊接条件下用潜弧焊接制作了钢板的内外面的焊接接头，对焊接金属的剖面形状、焊接金属的剖面积和焊接热影响部的韧性进行了调查。

结果发现：通过根据板厚适当地控制内外面的焊接金属剖面积，可获得足够的焊透的同时，可扩大钢板表面的焊道宽度，可在内外面两面的焊接热影响部获得优异的韧性。本发明是在所得到的见解的基础上进一步进行研究而完成的。

本发明的钢板的潜弧焊接法中，对内面侧与外面侧进行焊接时，按照内面焊接金属剖面积(S₁)与外面焊接金属剖面积(S₂)之和满足式(1)的方式选定焊接条件以使不产生未焊透。

0.40≤(S₁+S₂)/t²≤0.80    (1)

其中，t：钢板的板厚(mm)；S₁：垂直于焊接方向的焊接部剖面宏观结构中的内面焊接金属的剖面积(mm²)、并且不包括外面焊接后与外面焊接金属重叠的部分；S₂：垂直于焊接方向的焊接部剖面宏观结构中的外面焊接金属的剖面积(mm²)。

若内面焊接金属的剖面积(S₁)与外面焊接金属的剖面积(S₂)之和小于0.40×t²，则内面焊接和/或外面焊接的焊透深度变不足，内面焊接金属与外面焊接金属不重叠，无法得到健全的焊接焊道。优选的范围为(0.40～0.60)×t²的范围。

进一步，按照内面焊接金属的剖面积(S₁)与外面焊接金属的剖面积(S₂)满足式(2)和式(3)的方式选定焊接条件以使焊接输入热量不会变得过大。

S₁/t²≤0.35               (2)

S₂/t²≤0.45               (3)

若内面焊接金属的剖面积(S₁)超过0.35×t²，则内面焊接中焊接输入热量变得过大，焊接热影响部的韧性的劣化成为问题。S₁/t²的优选的范围为0.20～0.30的范围。应予说明，通过式(2)、式(3)，内面焊接金属的剖面积(S₁)与外面焊接金属的剖面积(S₂)之和成为0.80×t²以下。

同样，若外面焊接金属的剖面积(S₂)超过0.45×t²，则外面焊接中焊接输入热量变得过大，焊接热影响部的韧性的劣化成为问题。S₂/t²的优选的范围为0.25～0.40的范围。

在实施本发明时，预先在各种条件下对与本焊接相同板厚的试件进行焊接，求出输入热量与焊接金属的剖面积的关系，选定S₁、S₂满足式(1)、式(2)、式(3)的焊接条件。应予说明，优选对现行电极施用高电流密度的焊接条件以使内面焊接金属与外面焊接金属重叠。

应予说明，本发明优选的焊接热影响部的韧性是指进行却贝冲击试验(切口位置：FL、试验温度：-30℃、试验根数：3根)，吸收能量(平均值)为50J以上、进一步优选为90J以上的情况。

另外，本发明为用上述焊接方法制作而得的焊接接头。

另外，本发明中将内面焊接金属剖面积(S₁)定义如下。在实施内面焊接后实施外面焊接，但如图2所示，外面焊接时使内面焊接金属的一部分再熔融，因此，无法直接测定通过内面焊接产生的焊接金属的剖面积。所以，测定从内面焊接金属中除去与外面焊接金属重叠的部分而得的部分的面积，将其作为内面焊接金属剖面积(S₁)。

而且，在上述基础上，本发明人利用各种焊接条件用钢板的潜弧焊接制作钢板的内外面焊接接头，对焊道形状(bead shape)与焊接热影响部的韧性的关系进行了研究，从而发现通过将在钢板表面计量的焊道宽度(bead width)，进一步将焊透顶端(离钢板表面0.4t的深度位置)附近的焊道宽度与钢板的板厚之比控制在适当的范围，从而可抑制夹渣(slag inclusion)的同时，得到优异的却贝冲击试验结果(切口位置(location of notch)：FL(fusion line))。

在本发明的钢板的潜弧焊接法中，用内外面单层焊接对钢板进行焊接时，在内面焊接与外面焊接两者中，以使板厚与在钢板表面计量的焊道宽度的关系满足下述式(4)的方式选定焊接条件。

0.60≤W₁/t≤0.95          (4)

其中，t：板厚(mm)；W₁：内面焊接和外面焊接的、在钢板表面计量的焊道宽度(mm)。

板厚t与内面焊接和外面焊接的在钢板表面计量的焊道宽度W₁的关系满足0.60≤W₁/t≤0.95时，可抑制夹渣，得到健全的焊接部。

在呈W₁/t＞0.95的焊接焊道中，对母材赋予的热量必然变大，使焊接热影响部的韧性劣化。

另一方面，在呈0.60＞W₁/t的焊接焊道中，从钢板表面至焊透顶端为止形成大致相同的焊道宽度，成为FL基本与钢板表面垂直的焊透形状，因此，板厚方向上的脆性断裂(brittle fracture)容易发展，韧性值变低。另外，还容易引起因夹渣而导致的焊接缺陷。W₁/t的优选范围为0.65～0.90。

因此，以使不仅满足式(4)的规定而且满足式(5)的方式选定焊接条件，使FL相对于钢板的板厚方向成为规定的角度以上地进行倾斜。

W₂/t≤0.45                (5)

根据式(5)，则将在离计量上述焊道宽度W₁的钢板表面0.4t的深度位置进行测定而得的焊道宽度W₂规定成W₂/t为0.45以下，因此，相对于钢板表面的焊道宽度，板厚中央部的焊道宽度变窄。W₂/t的优选范围为0.20～0.40。

在实施本发明时，预先在各种条件下对与本焊接相同的板厚的试件进行焊接，求出输入热量与焊透形状的关系，选定W₁与W₂满足式(4)、式(5)的焊接条件。应予说明，优选对现行电极施用高电流密度的焊接条件以使内面焊接金属与外面焊接金属重叠。

另外，本发明为以上述的焊接方法制作而得的焊接接头。

实施例1

对具有表1示出的化学成分(chemical composition)的板厚28、33、38.1mm的、UOE钢管用钢板1实施图1所示的坡口形状的坡口加工(groove machining)，然后，在表3示出的焊接条件下实施内外面单层焊接的多电极潜弧焊接，制作焊接接头。应予说明，坡口尺寸示于表2。

从制作的接头采集却贝冲击试验片(JISZ3111规定的4号试验片)，以JISZ2242的金属材料冲击试验方法为基准进行却贝冲击试验(切口位置：FL，试验温度：-30℃)，求出吸收能量(absorbed energy)(3根的平均值)。

图3表示却贝冲击试验片2的采集位置。将焊接部4的FL5作为切口位置，缺口3与板厚方向平行，并且分别对内面焊接和外面焊接以使钢板1的表面下7mm的位置成为却贝冲击试验片2的中心进行采集。另外，将切口位置3:FL5设为缺口底中的焊接金属与母材(焊接热影响部)的比率成为50％-50％的位置。

表4示出却贝冲击试验的结果(上段：内面侧、下段：外面侧)以及焊接金属剖面形状(cross-sectional shape of weld metal)的观察结果。应予说明，在表4中的评价中，将没有缺陷且vE-30为90J以上设为◎：极其良好；将没有缺陷，内面侧和/或外面侧的vE-30为50J以上且不足90J的情况设为○：良好；将有缺陷的情况以及内面侧或外面侧的vE-30不足50J的情况设为×：不好。

本发明例(条件No.1～5)控制了内外面单层焊接的焊接金属的剖面积，因此能够形成足够焊透深度的健全的焊接焊道(weld bead)，且在焊接热影响部中得到了优异的韧性(90J以上)。另外，作为参考，示出关于本发明的技术方案2的焊接金属4的焊透形状中的W₁/t、W₂/t的测定值。本发明例(条件No.1～5)全部满足本发明的技术方案2所规定的式(4)和式(5)。应予说明，W₁和W₂是在图3所示的测定位置测定而得的。

另一方面，比较例(条件No.8、9)中，内外面单层焊接的焊接金属的剖面积之和小，不满足技术方案1所规定的式(1)，产生了未焊透。

比较例(条件No.6)中，内面焊接金属的剖面积不满足技术方案1所规定的式(2)，内面焊接热影响部的韧性发生了劣化。比较例(条件No.7)中外面焊接金属的剖面积不满足技术方案1所规定的式(3)，外面焊接热影响部的韧性发生了劣化。

实施例2

按照图1所示的坡口形状，对具有实施例1的表1示出的板厚、组成的钢板实施实施例1的表2示出的坡口尺寸的坡口加工，然后以表5示出的焊接条件实施内外面单层焊接的4电极潜弧焊接，制作焊接接头。

从制作的接头，与实施例1相同地以使钢板1的内面焊接或外面焊接侧的钢板表面下7mm的位置成为却贝试验片中央的方式采集却贝冲击试验片(JIS Z 3111所规定的4号试验片)，以JIS Z 2242的金属材料冲击试验方法为基准，进行却贝冲击试验(切口位置：FL、试验温度：-30℃、试验根数：3根)，求出吸收能量(平均值)。另外，将切口位置3:FL5设为切口底中的焊接金属与母材(焊接热影响部)的比率达到50％-50％的位置。

图4模式性地表示外面焊接侧和内面焊接侧的焊接金属4的焊透形状中的W₁、W₂的测定位置。

表6示出焊接部的形状、却贝冲击试验结果以及有无焊接缺陷。另外，同时示出焊接金属剖面形状S₂/t²、S₂/t²和(S₁+S₂)/t²的测定结果。应予说明，在表6中的评价中，将没有缺陷且vE-30为90J以上设为◎：极其良好；将没有缺陷且内面侧和/或外面侧的vE-30在50J以上不足90J的情况设为○：良好；将存在缺陷的情况以及内面侧或外面侧的vE-30不足50J的情况设为×：不好。确认到了条件No.1～6在本发明例中满足技术方案1所规定的式(1)～(3)(控制了内外面单层焊接的焊接金属的剖面积)，因此，形成了足够焊透深度的健全的焊接焊道，而且，内外面焊接均满足技术方案2所规定的式(4)和式(5)，在得到无焊接缺陷的健全的焊道的同时，在焊接热影响部中得到了极好的韧性(90J以上)。

另一方面，条件No.7～11满足技术方案1所规定的式(1)～(3)，但是不满足技术方案2所规定的式(4)或式(5)。因而，虽然为本发明例，但是与条件No.1～6相比，内面或外面的焊接热影响部的韧性变差。具体而言，条件No.7的外面焊接成为W₁/t＞0.95，不满足技术方案2所规定的式(4)，外面焊接热影响部的却贝冲击值低。条件No.8的外面焊接成为W₂/t＞0.45，不满足技术方案2所规定的式(5)，外面焊接热影响部的却贝冲击值低。

条件No.9、10的内面焊接成为W₁/t＜0.60，不满足技术方案2所规定的式(4)，内面焊接热影响部的却贝冲击值低。条件No.11的外面焊接成为W₁/t＜0.60，不满足技术方案2所述的式(4)，外面焊接热影响部的却贝冲击值低。

条件No.12是外面的焊接金属的剖面积不满足技术方案1所规定的式(3)，而且W₁/t＞0.95，不满足技术方案2所规定的式(4)的比较例，外面焊接热影响部的却贝冲击值低。条件No.13是内面焊接金属与外面焊接金属的剖面积之和不满足技术方案1所规定的式(1)，而且内面焊接成为W₁/t＜0.60，不满足技术方案2所规定的式(4)的比较例，产生未焊透。

符号说明

1、UOE钢管用钢板

2、却贝冲击试验片

3、切口位置(location of notch)

4、焊接部

5、BOND(也称为FL)

表1

(mass％)

表2

Claims (5)

1.一种钢板的潜弧焊接方法，其特征在于，用潜弧焊接对钢板进行内外面单层焊接时，内面焊接金属剖面积S₁与外面焊接金属剖面积S₂之和满足式(1)，并且，内面焊接金属剖面积S₁满足式(2)，外面焊接金属剖面积S₂满足式(3)，

0.40≤(S₁+S₂)/t²≤0.80    (1)

S₁/t²≤0.35               (2)

S₂/t²≤0.45               (3)

其中，t：钢板的板厚，单位为mm；S₁：内面焊接金属的剖面积，单位为mm²，并且不包括外面焊接后与外面焊接金属重叠的部分；S₂：外面焊接金属的剖面积，单位为mm²。

2.根据技术方案1所述的钢板的潜弧焊接方法，其特征在于，在所述内面焊接和所述外面焊接两者中，在钢板表面计量的焊道宽度满足式(4)，并且在离钢板表面0.4t的深度位置测定的焊道宽度满足式(5)，

0.60≤W₁/t≤0.95          (4)

其中，t：板厚，单位为mm；W₁：内面焊接侧和外面焊接侧的在钢板表面计量的焊道宽度，单位为mm，

W₂/t≤0.45                (5)

其中，t：板厚，单位为mm；W₂：内面焊接侧和外面焊接侧的、在离钢板表面沿板厚方向为0.4t的位置测定的焊道宽度，单位为mm。

3.一种焊接接头，由技术方案1或2所述的焊接方法制作而得。

4.一种钢板的潜弧焊接方法，其特征在于，进行内外面单层焊接，在所述内面焊接和所述外面焊接两者中，在钢板表面计量的焊道宽度满足式(4)，并且在离钢板表面0.4t的深度的位置测定的焊道宽度满足式(5)，

0.60≤W₁/t≤0.95          (4)

其中，t：板厚，单位为mm；W₁：内面焊接侧和外面焊接侧的在钢板表面计量的焊道宽度，单位为mm，

W₂/t≤0.45                (5)

其中，t：板厚，单位为mm；W₂：内面焊接侧和外面焊接侧的、在离钢板表面沿板厚方向为0.4t的位置测定的焊道宽度，单位为mm。

5.一种焊接接头，由技术方案4所述的焊接方法制作而得。

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