CN106457477A - 钢板的对焊方法和钢板的对焊接头 - Google Patents
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Abstract
本发明的钢板的对焊方法，将2张钢板(1)对接而形成在上部具有开口部(2)、在下部具有钝边部(3)的Y形坡口，将上述Y形坡口的开口部(2)利用埋弧焊接进行接合而形成埋弧焊接金属(4)，所述埋弧焊接金属(4)含有0.030～0.100质量％的Ti、0.0030～0.0080质量％的B，并且将Al含量(质量％)设为[％Al]、将O含量(质量％)设为[％O]时，[％Al]/[％O]为0.5～1.2的范围内，接着，将上述Y形坡口的钝边部(3)利用激光焊接进行接合，以侵入上述埋弧焊接金属(4)中的方式形成激光焊接金属(5)。
Description
技术领域
本发明涉及钢板的对焊方法和钢板的对焊接头，详细而言，涉及能够使用埋弧焊接和激光焊接而得到韧性优异的焊接金属的对焊方法、及利用该方法得到的钢板的对焊接头。
背景技术
由于激光焊接的能量密度高，因此作为焊接速度快且焊透深的高效率的焊接技术受到注目。进而，由于由焊接带来的热影响小，所以还具有能够形成抑制因热而引起的变形、形变的焊接接头的优点。
但是，激光焊接与其他的焊接法(例如电弧焊接等)相比热输入小，因此焊接后的冷却速度变快，其结果，有焊接金属硬化而发生韧性的劣化的问题。因此，对通过激光焊接形成具有良好的韧性的焊接金属的技术进行研究。
例如专利文献1中公开了如下技术，即，通过对钢板进行激光焊接，形成Ti含量、B含量、Ceq值和Al含量与O(氧)含量的比率在规定的范围，并且具有微细的针状铁素体组织的焊接金属，从而实现韧性的改善。但是，该技术存在以下问题：为了将焊接金属的Ceq值保持在适当的范围而必须调整添加于钢板中的元素的含量，将该技术用于一般的焊接结构用钢板时，未必得到改善焊接金属的韧性的效果。
专利文献2中公开了如下技术，即，通过对规定了添加元素的含量和Ceq值的钢板进行激光焊接，形成在微细的奥氏体组织中分散有少量的碳化物和岛状马氏体的焊接金属，从而实现韧性的改善。但是，该技术存在以下问题：为了将钢板的Ceq值保持在适当的范围而必须调整各种元素的含量，将该技术用于一般的焊接结构用钢板时，未必得到改善焊接金属的韧性的效果。
专利文献3中公开了如下技术，即，通过组合激光焊接和电弧焊接(例如气体保护电弧焊接、埋弧焊接等)来进行钢板的对焊，从而抑制焊接缺陷。该技术是利用激光焊接对位于X坡口的中央部的钝边部进行接合，接着，利用电弧焊接对位于两侧的开口部进行接合的技术。但是，在该技术中，由于没有规定利用气体保护电弧焊接、激光焊接形成的焊接金属成分，因此存在容易发生焊接金属的硬化，即韧性劣化的问题。
专利文献4中公开了通过组合激光焊接和气体保护电弧焊接来进行钢板的对焊，抑制焊接金属开裂的技术。该技术利用激光焊接对位于Y形坡口的下部的钝边部进行接合，接着，利用气体保护电弧焊接对位于上部的开口部进行接合。但是，在该技术中，也没有规定利用气体保护电弧焊接、激光焊接而形成的焊接金属成分，因此存在容易发生焊接金属的硬化，即韧性劣化的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2003-200284号公报
专利文献2:日本特开2008-184672号公报
专利文献3:日本特开2008-168319号公报
专利文献4:日本特开平6-114587号公报
发明内容
本发明为了消除以往技术的问题点，其目的在于提供发挥效率好、且变形、形变小的激光焊接的优点的同时，能够改善焊接金属的韧性的钢板的对焊方法、以及利用该方法得到的钢板的对焊接头。
本发明人对解决上述课题的技术进行深入研究。其结果得到如下见解，即，
(a)使坡口形状为在上部具有开口部、在下部具有钝边部的Y型，将Y形坡口的开口部利用埋弧焊接进行接合后，将钝边部利用激光焊接进行接合，
(b)此时，适当地保持利用埋弧焊接形成的焊接金属(以下，称为埋弧焊接金属)的Ti含量、B含量，并调整Al含量和O(氧)含量的比率，
(c)使利用激光焊接形成的焊接金属(以下，称为激光焊接金属)侵入上述(b)的埋弧焊接金属中，
由此，能够形成微细的针状铁素体组织的激光焊接金属而实现韧性的改善。
此外，还可知：
(d)通过适当地保持激光焊接的焊透深度和激光焊接金属侵入埋弧焊接金属中的部位的深度(以下，称为侵入深度)，能够进一步提高激光焊接金属的韧性，进而进一步提高对焊接头的韧性。
本发明是基于上述见解而完成的。
即，本发明的要旨构成如下。
1.一种钢板的对焊方法，将2张钢板对接而形成在上部具有开口部、在下部具有钝边部的Y形坡口，
将上述Y形坡口的上述开口部利用埋弧焊接进行接合而形成埋弧焊接金属，所述埋弧焊接金属含有0.030～0.100质量％的Ti、0.0030～0.0080质量％的B，并且将Al含量(质量％)设为[％Al]、将O含量(质量％)设为[％O]时，[％Al]/[％O]为0.5～1.2的范围内，
接着，将上述Y形坡口的上述钝边部利用激光焊接进行接合，以侵入上述埋弧焊接金属中的方式形成激光焊接金属。
2.根据上述1所述的钢板的对焊方法，将上述埋弧焊接金属的Ti含量(质量％)设为[％Ti]、将上述激光焊接的焊透深度(mm)设为d、将上述激光焊接金属侵入上述埋弧焊接金属中的侵入深度(mm)设为p时，上述[％Ti]、上述d、上述p满足如下关系：
p≥(0.010/[％Ti])×d。
3.一种钢板的对焊接头，利用上述1或2所述的钢板的对焊方法接合而形成。
根据本发明，能够利用钢板的对焊得到韧性优异的焊接金属，并且能够高效率、抑制变形、形变地进行焊接，因此在产业上起到显著的效果。
另外，通过采用激光焊接能够大幅降低热输入，因此还能够得到提高焊接热影响区(所谓的HAZ)的韧性的效果。
附图说明
图1是表示进行本发明的一实施方式的对焊时将2张钢板1对接而形成的Y形坡口的例子的截面图。
图2是示意地表示通过进行本发明的一实施方式的对焊而形成的焊接接头的例子的截面图。
图3是表示取得试验片的位置的截面图。
具体实施方式
图1是表示进行本发明的一实施方式的对焊时将2张钢板1对接而形成的Y形坡口的例子的截面图。在Y形坡口的上部存在2张钢板1的侧面不接触的部位2(以下，称为开口部)，在下部存在钢板1相互接触的部位3(以下，称为钝边部)。这里，图1的上侧为上部，下侧为下部。
另外，图1中的t(mm)是指钢板1的板厚，h(mm)是指开口部2的深度(所谓的坡口深度)，θ(°)是指开口部2的角度(所谓的坡口角度)。
首先，对本发明的一实施方式的对焊顺序进行说明。
将2张钢板1对接，形成图1所示的Y形坡口，将位于上部开口部2利用埋弧焊接进行接合。埋弧焊接使用含有Ti和B的焊接材料(即焊丝、焊剂等)形成多电极的单道焊。然后，形成图2所示的埋弧焊接金属4。
其后，将位于Y形坡口的下部的钝边部3利用激光焊接进行接合而形成图2所示的激光焊接金属5。图2中的d(mm)为激光焊接金属5的板厚方向的焊透深度，p(mm)是激光焊接金属5侵入埋弧焊接金属4中的板厚方向的侵入深度(即，图2的焊接接头的截面的板厚方向的、从激光焊接金属5侵入前的埋弧焊接金属4的最深部到激光焊接后形成的激光焊接金属5的最深部的距离)。即，以使激光焊接金属5侵入埋弧焊接金属4中的方式进行激光焊接。其结果，能够在激光焊接金属5中捕获埋弧焊接金属4中的夹杂物(即Ti、B的碳化物、氮化物、氧化物等)，该夹杂物在激光焊接金属5中成为针状铁素体的生成核，因此形成微细的针状铁素体组织的激光焊接金属5，从而能够提高韧性。
而且，以这些侵入深度p和焊透深度d满足下述式的方式设定激光焊接的条件。由此形成对焊接头，从而夹杂物顺利地从埋弧焊接金属4移动到激光焊接金属5，因此能够进一步提高激光焊接金属5的韧性，能够进一步提高对焊接头的韧性。式中的[％Ti]为埋弧焊接金属4的Ti含量(质量％)。
p≥(0.010/[％Ti])×d
接着，对埋弧焊接金属4中的Ti、B、Al、O(氧)的作用进行说明。应予说明，通过使用对这些元素的含量进行了调整的焊接材料来进行埋弧焊接，从而能够调整埋弧焊接金属4所含有的Ti、B、Al、O(氧)的含量。
Ti：0.030～0.100质量％
Ti是具有在形成埋弧焊接金属4时产生微细的针状铁素体组织的作用的元素。另外，Ti具有这些碳化物、氮化物、氧化物从埋弧焊接金属4向激光焊接金属5移动，从而使激光焊接金属5也形成微细的针状铁素体组织的作用。埋弧焊接金属4的Ti含量小于0.030质量％时，无法获得该效果。另一方面，Ti含量超过0.100质量％时，埋弧焊接金属4的韧性劣化。因此，埋弧焊接金属4的Ti含量设为0.030～0.100质量％的范围内。
B：0.0030～0.0080质量％
B是具有通过与作为埋弧焊接金属4中的杂质元素的N结合而固定N的作用的元素。另外，有助于抑制粗大的铁素体晶粒生成而提高埋弧焊接金属4的韧性。埋弧焊接金属4的B含量小于0.0030质量％时，无法得到这些效果。另一方面，B含量超过0.0080质量％时，容易发生埋弧焊接金属4的开裂。因此，埋弧焊接金属4的B含量设为0.0030～0.0080质量％的范围内。
[％Al]/[％O]：0.5～1.2
Al是具有脱氧作用的元素，为了除去埋弧焊接金属4的O(氧)而预先添加到焊接材料中。然而埋弧焊接金属4含有过量的Al时，会阻碍成为针状铁素体的生成核的Ti氧化物系的夹杂物的形成。另一方面，Al不足时，埋弧焊接金属4的O(氧)含量增加，其结果，B的效果减退而使埋弧焊接金属4的韧性劣化。由于这样的Al的作用取决于O(氧)的量，因此[％Al]/[％O]设为0.5～1.2的范围内。这里，[％Al]为埋弧焊接金属4的Al含量(质量％)，[％O]为O(氧)含量(质量％)。
另外，钢板1的板厚t没有特别限定。但是，板厚t小于5mm时，因埋弧焊接而发生烧穿，有时不能形成稳固的对焊接头。另外，板厚t超过50mm时，因激光焊接和埋弧焊接引起的热输入变得过大，导致有时对焊接头的强度、韧性降低。因此，优选钢板1的板厚t为5～50mm的范围内。
坡口深度h(mm)过大时，因埋弧焊接引起的热输入变得过大，有时导致对焊接头的强度、韧性降低。另外，坡口深度h(mm)过小时，(0.010/[％Ti])×d变大而有激光焊接金属5的韧性劣化的情况。因此，坡口深度h(mm)优选0.1t～0.6t的范围内。这里t为上述板厚t(mm)。
坡口角度θ(°)过大时，埋弧焊接的热输入变得过大，有时会导致对焊接头的强度、韧性降低。另外，坡口角度θ(°)过小时，埋弧焊接变得不稳定，有时无法形成稳固的对焊接头。因此，坡口角度θ优选30～60°的范围内。
实施例
将表1所示的成分的2张钢板1(板厚t：12mm、24mm、36mm)分别对接而形成图1所示的Y形坡口。坡口深度h、坡口角度θ如表2所示。应予说明，Ceq根据下式进行计算。
Ceq＝[％C]+[％Mn]/6+[％Si]/24
这里，[％C]、[％Mn]及[％Si]分别为C、Mn和Si在钢中的含量。
[表1]
表1
| C | Si | Mn | P | S | Ti | Al | N | O | Ceq |
| 0.06 | 0.15 | 1.55 | 0.005 | 0.001 | 0.01 | 0.02 | 0.0045 | 0.0025 | 0.32 |
单位为质量％
然后，将位于Y形坡口的上部的开口部2利用埋弧焊接(单焊道)进行接合。为了确保熔敷量，埋弧焊接用2个电极进行。其设定条件如表2所示。另外，埋弧焊接时使用的焊丝成分的Ti含量、B含量和Al含量、焊剂成分的TiO2含量、B2O3含量和Al2O3含量、以及埋弧焊接金属4的Ti含量、B含量和[％Al]/[％O]如表3～5所示。
接着，将位于Y形坡口的下部的钝边部3利用激光焊接进行接合。其设定条件如表2所示。
[表2]
表2
*CTWD：Contact Tip to Wrok Distance导电嘴到工件距离(母材片间距离)
由此形成图2所示的对焊接头。而且，观察对焊接头的截面，测定焊透深度d和侵入深度p。焊透深度d和侵入深度p的测定值如表3～5所示。应予说明，这里所说的焊透深度d和侵入深度p的测定值分别为在该对焊接头的任意3个截面测定它们的值时的平均值。
[表3]
[表4]
[表5]
接着，从各对焊接头取得试验片，按照JIS标准Z3111进行夏比冲击试验。取得试验片的位置如图3所示，用于调查埋弧焊接金属4的韧性的试验片6、用于调查激光焊接金属5的韧性的试验片7的缺口位置均为焊接金属的中央。将得到的VTrs示于表3～5。
应予说明，关于VTrs，埋弧焊接金属4和激光焊接金属5均按以下基准评价韧性。
合格(特别优异)：VTrs≤－35℃
合格：－35℃＜VTrs≤－30℃
不合格：－30℃＜VTrs
由表3～5可明确，对于作为比较例示出的No.1、2、29、46，埋弧焊接金属4的Ti含量低于适当范围，因此激光焊接金属5的VTrs变高。换言之，意味着对焊接头的韧性劣化。对于作为比较例的No.6、32、49，埋弧焊接金属4的Ti含量高于适当范围，因此埋弧焊接金属4的VTrs变高。换言之，意味着对焊接头的韧性劣化。
与此相对，发明例的埋弧焊接金属4的Ti含量在适当范围内，因此埋弧焊接金属4和激光焊接金属5均显示良好的韧性。
另外，对于作为比较例的No.7、33、50，埋弧焊接金属4的B含量低于适当范围，因此激光焊接金属5的VTrs变高。换言之，意味着对焊接头的韧性劣化。对于作为比较例的No.12、36、53，埋弧焊接金属4的B含量高于适当范围，因此埋弧焊接金属4的VTrs变高。换言之，意味着对焊接头的韧性劣化。
与此相对，发明例的埋弧焊接金属4的B含量在适当范围内，因此埋弧焊接金属4和激光焊接金属5均显示良好的韧性。
另外，对于作为比较例的No.13、18、24、37、41、54，埋弧焊接金属4的[％Al]/[％O]低于适当范围，因此埋弧焊接金属4和激光焊接金属5的VTrs变高。即，意味着对焊接头的韧性劣化。对于作为比较例的No.17、40、57，埋弧焊接金属4的[％Al]/[％O]高于适当范围，因此埋弧焊接金属4与激光焊接金属5的VTrs变高。即，意味着对焊接头的韧性劣化。
与此相对，发明例的埋弧焊接金属4的[％Al]/[％O]在适当范围内，因此埋弧焊接金属4和激光焊接金属5均显示良好的韧性。
另外，发明例中，对于侵入深度p满足规定的关系的发明例，埋弧焊接金属4和激光焊接金属5的VTrs均为VTrs≤－35℃，韧性优异。
符号说明
1 钢板
2 开口部
3 钝边部
4 埋弧焊接金属
5 激光焊接金属
6 埋弧焊接金属的试验片
7 激光焊接金属的试验片
Claims (3)
1.一种钢板的对焊方法，将2张钢板对接而形成在上部具有开口部、在下部具有钝边部的Y形坡口，
将所述Y形坡口的所述开口部利用埋弧焊接进行接合而形成埋弧焊接金属，所述埋弧焊接金属含有0.030～0.100质量％的Ti、0.0030～0.0080质量％的B，并且将Al含量设为[％Al]、将O含量设为[％O]时，[％Al]/[％O]为0.5～1.2的范围内，其中，Al、O含量的单位为质量％，
接着，将所述Y形坡口的所述钝边部利用激光焊接进行接合，以侵入所述埋弧焊接金属中的方式形成激光焊接金属。
2.根据权利要求1所述的钢板的对焊方法，其中，将所述埋弧焊接金属的Ti含量设为[％Ti]、将所述激光焊接的焊透深度设为d、将所述激光焊接金属侵入所述埋弧焊接金属中的侵入深度设为p时，所述[％Ti]、所述d、所述p满足如下关系：
p≥(0.010/[％Ti])×d
其中，焊透深度、侵入深度的单位为mm，Ti含量的单位为质量％。
3.一种钢板的对焊接头，利用权利要求1或2所述的钢板的对焊方法接合而形成。
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