CN1087207C - 激光焊接钢管及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光焊接钢管包括：一种基本上由0.01-0.5wt%的C、1wt%或更少的Si、0.05-2wt%的Mn和6wt%或更少的Cr组成的钢管；具有含有碳和氧的熔化和凝固金属组织的焊接区。在该熔化和凝固金属组织中的碳含量(Cwt%)和氧含量(Owt%)满足以下关系式：当钢管含有低于0.2wt%的C时，(Cwt%)×(0wt%)≤0.006当钢管含有0.2wt%或更多的C时(Owt%)≤0.03。制造方法包括：使用挤压辊对开口管加压将边缘部分彼此对接在一起；通过激光光束照射加热和熔化两个边缘部分对已对接的两个边缘部分进行焊接。

Description

激光焊接钢管及其方法
本发明涉及一种激光焊接钢管及其制造方法。
在制造钢管的常规方法中，连续成形钢带以制备带有边缘部分的敞口管，然后加热和焊接彼此相对的边缘部分。用常规方法制造的钢管通常被称为电缝(electroseamed)钢管，它们被广泛地用于机械结构、各类工厂的管道、总管和部件。
这种电缝钢管包括普通碳钢管、低合金钢管和不锈钢管。然而，大多数电缝钢管是普通碳钢管和低合金钢管。
制造方法中焊接部分的加热是通过高频加热或电阻加热进行。这些加热方法同制造焊接钢管的其它方法比较具有生产率高的优点。
尽管如此，电缝焊接法可能先天地在焊接部位引起一些细小缺陷，所以认为该方法不能用于具有高可靠性要求的产品。例如，在电缝钢管的生产和应用中限制使用含有大量合金元素的不锈钢电缝钢管。
这种限制的最大原因是，该电缝焊接法使焊接部分处于普通熔焊和加压焊之间的居中状态，该焊接部分不能在其中形成清洁熔池，以致在焊接过程中生成的各种夹杂物如氧化物很难从钢组织内部被排出。
为了克服这种电缝焊接的缺点，应用了各种技术。其中，在未经审查的日本专利公报NO.56-168981中公开了一种方法，该方法用于改进由于上述焊接部分未完全熔化而引起的缺点。按照该公开技术，通过高频加热对开口管上彼此相向的边缘部分进行预热，随后在挤压辊附近用激光束熔化边缘部分的接点进行加压焊接。
在这种方法中，常规电缝焊接法和激光加热法的结合保证了边缘部分最终被熔化焊接在一些。因此，可以预料成为电缝焊接法问题的夹杂物引起的缺陷将会明显减少。此外，预热可以消除在高速激光焊接中经常产生的不完全的焊接熔深。
可以认为在未经审查的日本专利公报NO.56-168981中公开的上述技术，是一种用于高速制造钢管又不产生缺陷的基本技术。然而，为了将该技术用于工业生产线，还存在许多有待解决的问题。其中最大的问题是确定能满足焊接的辐照能数量。
激光焊接在提高焊接速度(提高生产率)和降低缺陷率之间还存在着矛盾关系。也就是，通过增大辐照能数量或降低制管速度来提高从钢水池中去除已产生的夹杂物的可能性，从而提供一种较少夹杂物的焊接部分。然而，这种状态会降低生产率。
有关气孔也存在着类似关系。也就是，在熔化过程中产生的气泡穿过熔池浮升起来，如同在夹杂物的行为中观察到的那样，最后气泡从熔池排出。如果激光辐照能量强，则钢的冷却速度变慢，预料有足够的时间保证直到相当数量的气泡浮升到熔池表面。与此相反，如果激光辐照能量较少，则熔池迅速凝固，在足够数量的气泡从钢中逸出以前钢水就凝固了，最终会出现含有大量气孔的焊接部分。
激光照射加热是将能量集中于狭窄范围上的一种方法，因此，在钢管制造过程中，高温熔池和接近正常温度的钢彼此紧靠。结果，激光照射形成的熔池由于将热量传导给周围的低温钢而迅速冷却。所以，即使当激光照射提高热输入，也可能留下上述缺陷。此外，焊接部分附近的应变大，剩余压力也大。因此，同消耗的电能比较激光焊接不必要地流失了大量的能量。大输出的激光发生器也是昂贵的。
上述未经审查的日本专利公报NO.56-168981中公开的技术中叙述了在激光照射之前采用预热方法来解决上述激光焊接的各种问题，或者能量成本和快速冷却问题。同激光照射相比，通过高频加热的预热法具有可在开口管边缘部分附近进行大面积加热的作用。该加热方法每单位输入能量的加热效率高。
要求焊接管确保无缺陷状态并且生产效率高成本低。也就是，应该确定最佳预热条件和最佳激光加热条件，同时保证钢管特性和满足经济性要求。因此，如果经济性(生产率)要求最佳化排第一，从而增加通过预热的热输入并使来自激光照射的热输入减至最小而让已熔化的部分仅靠激光照射而存在，则根本不会得令人满意的钢管。
例如，在空气中进行上述预加热时，各种氧化物会沉积在钢的表面上，这些氧化物也会沉积在开口管的彼此相向的边缘部分上，在激光照射下该边缘部分被熔化，则钢中的氧浓度增加形成开口管的热轧钢带是用完全脱氧的钢制备。在焊接操作期间，焊接部分附近用氩或其它惰性气体屏蔽激光光束的通道，所以在焊接过程进入钢熔池中的大气成分(尤其是氧)的数量不会太大。
由激光照射形成的熔池中发生的化学反应讨论如下：
如前所述，在钢表面上存在着在空气中预热期间所产生的氧化膜。当钢熔化时，钢中的碳同氧化膜中的氧进行反应产生引起泡沫的CO和CO2。然后该泡沫将导致产生飞沫和气泡的反应，这将造成气孔缺陷。减少钢中的碳将造成钢强度下降，这也是一个问题。
为了防止产生CO和CO2气体的各种反应，应该防止O或者C进入熔池。甚至当熔池中的氧量大时，较少量的C也会使产生CO和CO2气体的反应难以进行。
然而，碳是保证钢的强度的最普通元素。因此，简单地减少C的数量是不可接受的，因而上述措施是不适用的。结果，要用另一种替代措施来减少氧含量。然而，在工业基础上无法创造一种减少氧量的方法。从而，目前的状态是，即使对于通过激光照射使各种夹杂物减至最少而生产的焊接钢管，气孔缺陷的存在作为不可避免的现象仍然是允许的。
本发明的目的是提供一种具有较少缺陷焊接区的焊接钢管及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有焊接区的激光焊接钢管，该钢管包括以下部分：
钢管主要由0.01-0.5wt％的C、1wt％或更少的Si、0.05-2wt％的Mn和6wt％或更少的Cr组成。
所述焊接区具有熔化和凝固的金属组织；以及
所述熔化和凝固的金属组织含有碳和氧，在熔化和凝固的金属组织中的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)满足以下关系式：
当钢管包含的C量低于0.2wt％时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.006，
当钢管包含的C量为0.2wt％或更大时，
(Owt％)≤0.03。
在熔化和凝固的金属组织中的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)优选满足以下关系式：
当钢管中包含的C量低于0.2wt％时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.004，
当钢管中包含的C量为0.2wt％或更大时，
(Owt％)≤0.02。
此外，本发明还提供一种制造激光焊接钢管的方法，该方法包括以下工序：
(a)使用成型辊由热轧钢带生产具有彼此相向的两个边缘部分的开口管；
(b)对开口管的两个边缘部分进行预热；
(c)通过挤压辊对开口管加压将两个边缘部分彼此对接起来；
(d)用激光光束速照射加热和熔化两个边缘部分以焊接已对接的两边缘部分，在焊接期间形成的熔化和凝固的金属组织包含碳和氧；以及
(e)控制工序(d)的条件，使该熔化和凝固的金属组织中包含的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)满足以下关系式：
当钢管中包含的C量低于0.2wt％时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.006，
当钢管中包含的C量为0.2wt％或更大时，
(Owt％)≤0.03。
在熔化和凝固的金属组织中包含的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)优选满足以下关系式：
当钢管中包含的C量低于0.2wt％时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.004，
当钢管中包含的C量为0.2wt％或更大时，
(Owt％)≤0.02。
优选热轧钢带主要由0.01-0.5wt％的C、1wt％或更少的Si、0.05-2wt％的Mn和6wt％或更少的Cr组成。
附图简单说明如下：
图1(A)是用于完成本发明的制管设备示意图。
图1(B)是制管设备的挤压辊示意图。
图2是表示实施方案1的熔化和凝固的金属组织中C含量与0含量同焊接区中缺陷率之间相互关系的曲线图。
图3是表示实施方案2的熔化和凝固的金属组织中C含量与0含量同焊接区中缺陷率之间相互关系的曲线图。
图4是说明本发明焊接钢管制造方法的示意图。
实施方案说明如下：
实施方案1
本发明来源于发明者们的以下发现，即在使用具有由激光照射焊接部分而形成熔化和凝固的组织的焊接部分的焊接钢管上，在熔化和凝固的组织中残留的气孔缺陷是由钢中的C和预热阶段形成的钢的氧化物之间的反应而产生的CO和CO2气体造成的。根据上述发现，本发明者们确定了与被处理钢的组成相应同时又考虑经济成本的最佳预热条件。
为了防止CO和CO2气体产生反应，应该防止C或O进入熔池。为了从该系统中去除0，可以在几乎完全隔离大气空气的状态下进行预热。就技术而论，该方法是可以应用的。也就是，如果不考虑经济成本。可以在真空中生产开口管，激光焊接可以在真空中实施，然而，上述方法需要极高的投资和运行费用。例如，更实际的做法是可以在预热阶段将氮气输进焊接部分的周边区域。尽管费用相当增加，但该方法是一种有效的方法。
另一个供选择的方法是完成预热和焊接的同时，允许在预热阶段期间由于大气空气造成的氧化反应。这是一种不同于以前所述概念的概念。加热温度更高和加热时间更长会增强氧化反应并增加氧化物数量。从而增加了进入熔池的氧的数量。
在该情况下，当含有极少量碳的钢材通过预热和激光焊接的方法而被用于焊接时，即使氧气进入熔池也几乎不产生CO和CO2气体。因而，预热条件变得宽松。另一方面，当含有大量碳的钢材以上述类似的方法被用于生产焊接钢管时，可能产生CO和CO2气体，以致必须分别选择十分低的预热温度和相当短的预热时间。
本发明者们在假定预热阶段由大气空气造成氧化的前提下采用预热和激光焊接法，并进行了广泛研究以确定与碳含量相应的预热条件，该碳是铁和钢材中最重要的合金元素，由钢的特定使用和用途来确定碳的含量，从而，本发明者们完成了本发明。
实施方案的第一方面是提供一种含有0.01-0.5wt％C、1wt％或更少Si、0.05-2wt％Mn和6wt％或更少Cr的钢制焊接钢管；该钢管具有包括熔化和凝固组织的焊接区；该熔化和凝固的组织含有C和O(按wt％)，满足(Cwt％)×(Owt％)≤0.006(当钢含有低于0.2wt％的C)和(Owt％)≤0.03(当钢含有0.2wt％或更多的C)关系。
实施方案的第二方面是提供一种含有0.01-0.5wt％C、1wt％或更少Si、0.05-2wt％Mn和6wt％或更少Cr的钢制焊接钢管；该钢管具有包括熔化和凝固组织的焊接区；该熔化和凝固的组织含有C和O(接wt％)，满足(Cwt％)×(Owt％)≤0.004(当钢含有低于0.2wt％的C)和(Owt％)≤0.02(当钢含有0.2wt％或更多的C)关系式。
实施方案的第三方面是提供一种制造焊接钢管的方法，该方法包括以下工序。
对开口管上的彼此相向的边缘部分进行预热，该开口管包含0.01-0.5wt％C、1wt％或更少Si、0.05-2wt％Mn和6wt％或更少Cr；
在挤压辊附近通过激光光束照射加热边缘部分使其熔化，将开口管的边缘部分焊接在一起以形成焊接钢管；其中在钢中的C和O含量(按wt％)满足(Cwt％)×(Owt％)≤0.006(当钢含有低于0.2wt％的C)和(Owt％)≤0.03(当钢含有有0.2wt％或更多的C)关系的条件下，进行钢管熔化和凝固部分的熔化和凝固过程。
本发明的第四方面是提供制造焊接钢管的方法，该方法包括以下工序：
对开口管上彼此相向的边缘部分进行预热，该开口管包含0.01-0.5wt％C、1wt％或更少Si、0.05-2wt％Mn和6wt％或更少Cr；
在挤压辊附近通过激光光束照射加热边缘部分使其熔化，将开口管的边缘部分焊接在一起以形成焊接钢管；其中在钢中的C和O含量(按wt％)满足(Cwt％)×(Owt％)≤0.004(当钢含有低于0.2wt％的C)和(Owt％)≤0.02(当钢含有有0.2wt％或更多的C)关系的条件下，进行钢管熔化和凝固部分的熔化和凝固过程。
图1是制造实施方案1焊接钢管的制造设施的示意图。图1(A)示出了该设备的总图，图1(B)示出了该设备的挤压辊部分。该设备是在普通电缝钢管制造设备上附加一激光照射装置而构成的。按照实施方案1制造焊接钢管的设备，一套多级轧辊(未示出)制造出具有上述组成和开口管形状的钢制管体1。电能从触点2进入钢中加热开口边缘部分，同时将已对接的部分预热到适当温度。可以使用高频感应加热法进行加热。然后激光光源3对着管体1对接的部分发射激光光束3a，同时上辊4对管体1的上边缘保持加压以便使用侧辊5作为挤压辊对已对接的部分进行镦焊，从而获得焊接钢管。作为随后的各工序，使用第一高频加热装置6、水冷区7、第2高频加热装置8以完成后加热处理如相应于钢管应用目的的正火、硬化和回火处理。
以下对用于本发明焊接钢管的钢成分进行说明。
用于实施方案1焊接钢管的钢中的C含量在0.01-0.5wt％范围内。C含量大于0.5wt％的钢材可用于激光焊接，但该类钢的热加工性、可焊性、可延展性和韧性都很差，所以该钢材实际上很难用于制造焊接钢管。因此，C含量的上限选择为0.5wt％。另一方面，C含量少于0.01wt％的钢材难以保证强度，如前所述，该类钢材固有地产生少量的CO和CO2气体，以致该钢材不需要应用本发明。结果，C含量的下限被选择为0.01wt％。
以1wt％或更少的范围添加硅。尽管Si是一种脱氧元素，但当添加1wt％的Si时，在焊接操作过程中氧化物数量增加而且韧性下降。
锰是一种脱硫元素并具有增强强度的作用，所以按0.05wt％或更多的范围添加Mn。为了保持可焊性和韧性，Mn含量的上限被选为2wt％。
铬是一种用于保证抗腐蚀性的有效元素，它还具有增强强度的作用。然而，如果Cr含量超过6wt％，则很难保证可焊性和韧性，并且在焊接区产生过量的氧化物。因此，Cr含量被选为6wt％或更少。
关于其它一些元素，添加它们是允许的，就它们不影响本发明的精神而论，它们的夹杂物作为不可避免的杂质是允许的。
其它一些元素的允许范围如下。
Al：0.1wt％或更少，  N：0.01wt％或更少，
Ti：0.1wt％或更少，  Zr：0.1wt％或更少，
Nb：0.5wt％或更少，  V：0.5wt％或更少，
Ni：2wt％或更少，    Cu：2wt％或更少，
Mo：2wt％或更少，    W：2wt％或更少，
B：2wt％或更少，     Ca：0.01wt％或更少，
Mg：0.01wt％或更少，
REN(稀土金属)：0.01wt％或更少，
P：0.04wt％或更少，   S：0.03wt％或更少，
进入熔池的氧量正比于在预热期间被加热部分的表面积。氧的数量受到预热温度、时间和气氛的影响。也就是，温度越高、时间越长和预热气氛中的氧量越大则会在预热期间增加钢材表面上生成的氧化物数量，从而增加熔池中氧的数量。
例如，熔池中氧的数量用公式(1)表示。
熔池中的氧量(wt％)＝2×10-9×t×T1.5×A0.5…(1)式中，t(秒)是从达到(预热温度-20℃)温度的点到完成激光照射点的时间，T(℃)是(预热温度-400℃)的温度，而A(％)是气氛中的氧量。
在公式(1)中，在以上所给范围内的钢材的成分与组成和用于生产钢管的钢带厚度都可忽略不计，因为它们对氧的数量完全没有影响。公式(1)可以根据所用设备和操作条件进行修改。公式(1)的重要性在于熔池中的氧量是预热阶段的温度与时间及其气氛的函数。表1示出了有关预热条件和钢中氧量之间关系的实验结果的各实例。如同在表1中所见，升高预热温度会增加熔池中的氧量，降低气氛中的气浓度会减少熔池中的氧量。
一个重要点在于造成缺陷的O作为氧化物而被固定在钢材表面上或其附近，它符合于预热操作期间由于钢同气氛之间反应的上述关系。本发明的基本技术概念是如果对相应于焊接-凝固部分C量的O量进行限制就能够将已生成的氧化物数量抑制在临界值以下。
在上述概念的基础上进行一系列的实验，本发明者们发现，当实现以下关系时，产生的缺陷明显减少：
当钢含有低于0.2wt％的C时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.006，
当钢含有0.2wt％或更多的C时，
(Owt％)≤0.03。
本发明者们发现，当实现以下关系时，产生的缺陷进一步减少：
当钢含有低于0.2wt％的C时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.004，
当钢含有0.2wt％或更多的C时，
(Owt％)≤0.02。
此处表示的缺陷代表一种包含各种夹杂物与空隙在内的所有缺陷的概念。
                              表1
预热温度(℃)   T1.5 加热时间；t(sec)     氧浓度；A(％)     A0.5 熔池中氧的数量(％)
    450500600700800700800700800   35010002800520080005200800052008000     202020202020202020     20202020205511     4.54.54.54.54.52.22.211     0.010.020.050.090.140.050.070.020.03
熔池中氧的数量(％)＝2×10-8×t×T2×A0.5T＝(预热温度-400)℃
实施例
通过转炉熔炼和脱气处理制备表2中所示各种钢材。对它们进行连续绕铸、钢坯加热和热轧以获得热轧钢带。表2中所示全部钢材都具有本发明范围的组成。
上述各种钢材被连续地生产成开口管。使用电加热法将开口管的两个边缘部分预热到规定温度，随后通过激光照射熔化边缘部分使它们镦焊以获得焊接管。在预热温度下保持的时间选择约10秒。从(预热温度-20℃)上升到预热温度之间的时间也选为约10秒。在实施例中应用的设备类似于图1所示设备。
焊接条件是焊接速度10m/min、触点输入功率800kw，镦焊变化范围0-5mm。激光输出功率为10kw，聚焦点处光束直径0.5mm，从开缘管以上进行照射，同时在边缘的对接点上聚焦。
另一方面，表3中所示各种钢材是本发明范围以外的对比例。其中，对比例NO.17和NO.20不能进行轧制。通过类似于上述实施例的方法处理具有其它钢组成的钢带以生产钢管。
所有制得的钢管外径为609.6mm，厚度为11.1mm。
在制成管子以后，切取样品在焊接部分进行显微观察。观察截面被选择在垂直于焊接线(管子的纵轴向)的平面。图2和表3示出了观察结果。对孔隙和夹杂物进行计数但没有单独进行讨论。在图2中，符号(×)相应于超过2％的缺陷率，符号(△)相应于超过1％但低于2％范围的缺陷率，符号(○)相应于不高于1％的缺陷率。当孔隙和夹杂物的总和不高于2％时，该钢材在允许范围内。
如表2中所示，当实现以下条件时，孔隙和夹杂物的总和为2％或更少。
当钢含有低于0.2wt％的C时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.006，
当钢含有0.2wt％或更多的C时，
(Owt％)≤0.03。
当实现以下条件时，孔隙和夹杂物的总和为1％或更少。
当钢含有低于0.2wt％的C时，
(Cwt％)×(Owt％)≤0.004，
当钢含有0.2wt％或更多的C时，
(Owt％)≤0.02。
当实现以下条件时，孔隙和夹杂物的总和大于2％。
当钢含有低于0.2wt％的C时，
(Cwt％)×(Owt％)＞0.006，
当钢含有0.2wt％或更多的C时，
(Owt％)＞0.03。
如上所述，本发明提供一种在熔化和凝固金属组织中存在较少缺陷而且不会降低经济性的焊接钢管，它是通过在熔化和凝固部分限制相应于C含量的O含量来抑制氧化物的形成而达到的，本发明还提供一种制造该焊接钢管的方法。
                                   表2
    钢No.                                                                                            组成(wt％)
  C   Si   Mn   P   S   Ni    Cr   Mo     Cu   Ti   Nb   V     B   Al   N
    1   0.05   0.22   1.15   0.012   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.005   -
    2   0.08   0.24   1.15   0.012   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.005   0.003
    3   0.12   0.23   1.22   0.013   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.005   0.002
    4   0.20   0.25   1.16   0.012   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.005   0.003
    5   0.25   0.25   1.22   0.014   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.008   0.002
    6   0.41   0.22   1.15   0.012   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.005   0.003
    7   0.30   0.12   1.15   0.012   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.005   0.002
    8   0.31   0.42   1.15   0.012   0.002   0.00    -   -     -   -   -   -     -   0.006   0.003
    9   0.31   0.22   1.15   0.012   0.002   0.01    -   -     -   -   -   -     -   0.014   0.002
    10   0.31   0.22   1.15   0.012   0.002   0.02    -   -     -   -   -   -     -   0.023   0.004
    11   0.02   0.25   1.14   0.013   0.002   0.61    0.12   0.01     0.57   0.04   0.02   0.14     0.004   0.074   0.006
    12   0.08   0.21   0.87   0.012   0.002   0.02    2.24   1.02     0.04   0.03   0.44   0.41     0.001   0.013   0.006
    13   0.03   0.22   1.13   0.034   0.022   0.01    0.02   0.01     0.02   0.14   0.02   0.14     0.002   0.014   0.005
 14*1   0.08   0.21   1.13   0.013   0.002   0.02    0.004   0.02     0.004   0.01   -   -     -   0.013   0.005
 15*2   0.08   0.22   1.13   0.014   0.002   0.01    0.002   0.01     0.002   0.02   -   -     -   0.012   0.006
 16*3   0.13   0.21   1.14   0.013   0.002   0.02    0.004   0.02     0.004   0.03   -   -     -   0.013   0.005
*1：Ca：0.005％.*2：Mg：0.04％.*3：REM：0.007％
                                       表3
  钢No.                                                                                            组成(wt％)
  C   Si   Mn   P     S   Ni   Cr   Mo     Cu   Ti   Nb   V     B   Al   N
  17   0.55   0.20   1.01   0.012   0.002   0.01   -   -  -   -   -   -     -   0.012   0.006
  18   0.18   0.22   1.02   0.012   0.004   -   6.55   0.52  -   -   0.56   -     -   0.013   0.005
  19   0.17   1.23   1.52   0.013   0.002   -   -   -  -   -   -   -     -   0.005   0.005
  20   0.20   0.22   2.52   0.012   0.002   -   -   -  -   0.15   0.16   0.57     0.007   0.005   0.006
                                          表4
  钢NO.    C(％)     熔池中氧的数量(％)     孔隙和夹杂物(％)    评价
  1   0.05     0.025     0.5     ○
  2   0.08     0.025     0.7     ○
  3   0.12     0.025     0.8     ○
  4   0.20     0.025     1.3     △
  5   0.25     0.025     1.4     △
  6   0.41     0.025     1.4     △
  7   0.30     0.025     1.3     △
  8   0.31     0.025     1.3     △
  9   0.31     0.025     1.3     △
  10   0.31     0.020     1.0     ○
  10   0.31     0.025     1.4     △
  10*   0.31     0.035     2.5     ×
  11   0.02     0.020     0.4     ○
  11   0.02     0.040     0.3     ○
  11   0.02     0.055     0.4     ○
  12   0.08     0.020     0.6     ○
  12   0.08     0.040     0.9     ○
  12   0.08     0.055     1.5     △
  13   0.03     0.035     0.5     ○
  14   0.08     0.035     0.9     ○
  15   0.09     0.035     0.9     ○
  16   0.13     0.025     0.9     ○
  16   0.13     0.035     1.0     ○
  16*   0.13     0.065     2.4     ×
  17   0.55     不能轧制     -     -
  18   0.18     0.025     2.1     ×
  18   0.18     0.035     2.5     ×
  18   0.18     0.055     2.6     ×
  19   0.17     0.025     2.1     ×
  19   0.17     0.035     2.3     ×
  19   0.17     0.055     2.3     ×
  20   0.20     不能轧制     -     -
实施方案2
发明者们发现一种激光焊接钢管的有效制造方法，该方法通过将钢中碳量和在预热开口管上彼此相向的边缘部分期间进入的熔化和凝固区中氧量的关系控制到规定范围使熔化和凝固部分中存在较少的缺陷。
为防止形成CO和CO2气体的反应发生，应该防止C或O进入熔池。尽管不考虑费用问题，从技术观点来看，可以在几乎完全隔绝大气空气的状态下进行预热。例如，可以在真空中生产开口管，激光焊接也可以在真空中实施。然而，这种方法需要极高的投资和操作费用。
例如，较为现实的做法是，可以在预热阶段期间将氮气输入焊接部分的周边区域中，或者进行预热和激光焊接，同时允许在预热阶段期间由于大气空气而发生氧化反应。空气中的氧化反应受到加热温度和加热时间影响。也就是，加热温度越高与加热时间越长会增强氧化反应，并增加氧化物数量和进入熔池的氧量。
例如，另一方面，当在钢中存在少量碳时，即使当熔池中的氧量很大时，也不会发生上述形成CO和CO2的反应。因此，在通过预热处理随后对含有极少量碳的钢材进行激光焊接来生产焊接钢管的情况下，预热条件变得相当宽松。另一方面，当含有大量碳的钢材被用于生产焊接钢管时，预热条件又变得相当狭窄，而且要求缩短预热时间。
碳是铁和钢材中最普通和有用的合金元素，所以按相应于钢的使用目的和用途的适当数量的碳添加到钢的组成中。因此，如果焊接金属中的氧量被规定相应于钢组成，则该技术要求赋于钢的工业用途以重大的意义。
本发明者们在上述发现的基础上完成了实施方案2。本发明是一种制造激光焊接钢管的方法，该方法包括以下工序：
使用成型轧机用热轧钢带制备开口管；对开口管上彼此相向的各边缘部分进行预热；通过挤压辊对开口管加压将边缘部分彼此对接起来；使用激光照射加热熔化已经预热和对接的边缘部分以生产焊接钢管；其中在构成焊接钢管的焊接金属中的氧量与熔化和凝固金属中的碳量的关系被控制在以下范围：(1)(Cwt％)×(Owt％)≤0.006，(当碳钢含有低于0.2wt％的C时)，(2)(Owt％)≤0.03(当碳钢含有0.2wt％或更多的C时)，此外该控制范围还是(1)(Cwt％)×(Owt％)≤0.004，(当碳钢含有0.2wt％或更多的C时)，(2)(Owt％)≤0.02(当碳钢含有0.2wt％或更多的C时)。
实施方案2与制造焊接管的方法有关。图4示出了实施方案2方法的示意图。在图4中给出的参考数字指出：触点2，挤压辊5，导辊4，激光照射光束3a，钢管9和开口管1。如图4中所见，通过导辊4a和4b和挤压辊5a和5b按箭头方向移动开口缩管1。使用触点2的高频感应加热对开口管1上彼此相向的边缘部分进行预热。挤压辊5a和5b将该边缘部分对接在一起。激光照射光束3a熔化边缘部分的已对接部分进行焊接形成钢管9。
使用实施方案2方法的钢材C含量优选为0.5wt％或更少。当对含有0.5wt％以上C的钢材进行激光焊接时，钢材的可延展性和韧性恶化，很难生产极好的钢管。
通过一系列的大量实验，发明者在有关钢中碳量(水平轴)与焊接金属中氧量(垂直轴)的关系的图3曲线上发现了焊接缺陷率小的区域和焊接缺陷率更小的区域，该焊接缺陷率小的区域位于“A”线以下，“A”线被以下条件所规定：C＜0.2wt％：(Cwt％)×(Owt％)＝0.006，和C≥0.2wt％：(Owt％)＝0.03；该焊接缺陷率更小的区域位于“B”线以下，“B”线被以下条件所规定：C＜0.2wt％：(Cwt％)×(Owt％)＝0.004，和C≥0.2wt％：(Owt％)＝0.02。
在“A”线以上的区域中，焊接部位处的焊接缺陷率超过2.0wt％。在“A”线和“B”线之间的区域中，焊接缺陷率在1.0-2.0％范围内。在“B”线以下的区域中，焊接缺陷率为1.0％或更小。
上述生成CO和CO2的反应可能受钢材中氧化元素(例如Al和Si)数量的影响。尽管如此，发明者们确证氧化元素(如Si和Al)在本发明中不影响焊接缺陷的产生。
实施例
参考实施例更说细地说明实施方案2。
通过转炉熔炼和脱气处理制备具有表5中所示组成的NO.1-NO.10的各种钢材，该钢材进行连续绕铸，钢坯加热和热轧以获得热轧钢带，使用多级成型轧机由如此得到的热轧钢带连续地生产开口缩管1。用通过触点2的电能将开口管1上彼此相向的两个边缘部分预热到表6和表7中所给出的规定温度，使用挤压辊5a和5b将该边缘部分压接在一起，在激光下熔化边缘部分已缝接的部位。然后对开口管进行镦焊以生产焊接钢管NO.1-NO.50的各个样品。开口管在预热温度下的保持时间约为5秒。从(预热温度-50℃)上升达到预热温度之间的时间约为5秒。
激光焊接条件是从触点2输入的功率为800kw，焊接速度10m/min和镦焊变化范围为0-5mm。激光输出功率为10kw，在聚焦点处的光束直径为0.5mm，从开缘管以上进行照射，同时在边缘部分的对接点上进行聚焦。所有生产的钢管9的外径为609.6mm，厚度为11.1mm。
在生产管子以后，对NO.1-NO.50各样品上的各焊接部分上产生的焊接缺陷进行检验。在焊接区通过显微观察进行检验。将观察截面选择在垂直于焊接线(管子的纵轴线)的平面。表6和表7示出了观察结果。图3示出了焊接金属中氧量和碳量之间关系的结果。在图3中，符号(×)相应于2％或更多的缺陷率，符号(△)相应于1％-2％范围的缺陷率，符号(○)相应于1％或更少的缺陷率。对孔隙和夹杂物进行计数，但它们没有单独进行讨论。
如图3清楚示出那样，当氧量和碳量位于被C＜0.2wt％：(Cwt％)×(Owt％)＝0.006，和C≥0.2wt％：(Owt％)＝0.03条件规定的“A”线以下区域时，焊接部位处的缺陷率给出2.0％或更少的良好结果。此外，当氧量和碳量位于被C＜0.2wt％：(Cwt％)×(Owt％)＝0.004，和C≥0.2wt％：(Owt％)＝0.02条件规定的“B”线以下区域时，焊接部位处的缺陷率给示1.0％或更少的极好结果。
从表5、表6、表6和图3可见，在0.1-0.5wt％范围内变化的Si含量和在0.005-0.025wt％范围内变化的Al含量并不影响焊接缺陷的产生。这种无效现象可以假定是由于增加这些脱氧元素保证了足够抑制CO和CO2产生的脱氧作用而造成的，尽管夹杂物数量增加，然而，就这些脱氧元素在上述范围内而论，焊接缺陷的产生不取决于它们的存在与否。
                                           表5
钢No.                                      组成(wt％)
C Si Mn P S Al N
  1     0.05     0.22   1.15  0.012  0.0025   0.005  -
  2     0.08     0.24   1.15  0.012  0.0025   0.005  0.003
  3     0.12     0.23   1.22  0.013  0.0023   0.005  0.002
  4     0.20     0.25   1.16  0.012  0.0025   0.005  0.003
  5     0.25     0.25   1.22  0.014  0.0024   0.008  0.002
  6     0.41     0.22   1.15  0.012  0.0023   0.005  0.003
  7     0.30     0.12   1.15  0.012  0.0024   0.005  0.002
  8     0.31     0.42   1.15  0.012  0.0025   0.006  0.003
  9     0.31     0.22   1.15  0.012  0.0023   0.014  0.002
  10     0.31     0.22   1.15  0.012  0.0023   0.023  0.004
                表6
  样品No. 钢No. 焊    含接    量金  (wt％)属中氧 焊    陷接    率件  (wt％)的缺
  1     1   0.02     0.5
  2     1   0.04     0.6
  3     1   0.055     0.6
  4     1   0.07     0.6
  5     1   0.10     0.7
  6     2   0.01     0.5
  7     2   0.02     0.6
  8     2   0.04     0.7
  9     2   0.05     0.8
  10     2   0.07     1.2
  11     3   0.01     0.5
  12     3   0.02     1.2
  13     3   0.04     1.5
  14     3   0.05     1.2
  15     3   0.07     3.5
    样品No. 钢No. 焊    含接    量金  (wt％)属中氧 焊    陷接    率件  (wt％)的缺陷率(wt％)
    16     4     0.01     0.6
    17     4     0.015     0.8
    18     4     0.025     1.1
    19     4     0.04     2.5
    20     4     0.05     3.6
    21     5     0.01     0.8
    22     5     0.015     0.9
    23     5     0.025     1.5
    24     5     0.04     2.5
    25     5     0.05     3.5
    26     6     0.01     0.9
    27     6     0.015     1.3
    28     6     0.025     2.1
    29     6     0.04     3.9
    30     6     0.05     5.2′
表7
  样品No.   钢No. 焊    氧接    含金  (wt％)属中 焊    陷接    率件  (wt％)的缺
    31     7     0.01     0.8
    32     7     0.015     1.2
    33     7     0.025     1.7
    34     7     0.04     2.9
    35     7     0.05     4.1
    36     8     0.01     0.8
    37     8     0.015     1.1
    38     8     0.025     1.7
    39     8     0.04     3.2
    40     8     0.05     4.5
  样品No.    钢No. 焊    氧接    含金    量属  (wt％)中 焊    缺接    陷件    率的  (wt％)
    41     9     0.01     0.8
    42     9     0.015     1.2
    43     9     0.025     1.7
    44     9     0.04     2.8
    45     9     0.05     4.4
    46     10     0.01     0.8
    47     10     0.015     1.1
    48     10     0.025     1.8
    49     10     0.04     3.1
    50     10     0.05     4.4′

Claims (5)

1.一种具有焊接区的激光焊接钢管，它包括：一种基本上由0.01-0.5wt％的C、1wt％或更少的Si、0.05-2wt％的Mn和6wt％或更少的Cr组成的钢管；
所述焊接区具有已熔化和凝固的金属组织；和
所述已熔化和凝固的金属组织含有碳和氧，在该已熔化和凝固的金属组织中的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)满足以下关系式：
当钢管含有低于0.2wt％的C时(Cwt％)×(Owt％)≤0.006，
当钢管含有0.2wt％或更多的C时(Owt％)≤0.03。
2.根据权利要求1的激光焊接钢管，其中，在已熔化和凝固的金属组织中的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)满足以下关系式：
当钢管含有低于0.2wt％的C时，(Cwt％)×(Owt％)≤0.004，
当钢管含有0.2wt％或更多的C时(Owt％)≤0.02。
3.一种制造激光焊接钢管的方法，该方法包括以下工序：
(a)使用成型轧机由热轧钢带生产具有彼此相向的边缘部分的开口管；
(b)对开口管的两个边缘部分进行预热；
(c)使用挤压辊对开口管加压使两个边缘部分彼此对接；
(d)通过激光光束照射加热和熔化两个边缘部分对已对接的两个边缘部分进行焊接，在焊接期间形成了含有碳和氧的已熔化和凝固的金属组织；和
(e)控制工序(d)的条件，以使已熔化和凝固的金属组织中的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)满足以下关系式：
当钢管含有低于0.2wt％的C时，(Cwt％)×(Owt％)≤0.006，
当钢管含有0.2wt％或更多的C时(Owt％)≤0.03。
4.根据权利要求3的方法，其中，在已熔化和凝固的金属组织中的碳含量(Cwt％)和氧含量(Owt％)满足以下关系式：
当钢管含有低于0.2wt％的C时，(Cwt％)×(Owt％)≤0.004，
当钢管含有0.2wt％或更多的C时，(Owt％)≤0.02。
5.根据权利要求3的方法，其中，热轧钢带基本上由00.01-0.5wt％的C、1wt％或更少的Si、0.05-2wt％的Mn和6wt％或更少的Cr组成。
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