CN109689239A - 电阻焊包层钢管及其制造方法 - Google Patents

电阻焊包层钢管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种电阻焊包层钢管,即使在焊接部之中也能减少特别是形成对特性的影响大的凝固组织的区域,且作为包层管的功能也不会受损。一种电阻焊包层钢管,具有:第一层,由作为母材的碳钢或低合金钢构成;及第二层,层叠于所述第一层的一个面,由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成,其中,在焊接部处所述母材未向所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面露出,在以如下的(i)~(iii)的位置为中心的、与管长度方向垂直的面的半径0.1mm的圆形截面分别不含有凝固组织。(i)所述焊接部的距所述电阻焊包层钢管的外表面为深度1mm的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置;(ii)所述焊接部的所述电阻焊包层钢管的厚度方向上的中央的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置;(iii)所述焊接部的距所述电阻焊包层钢管的内表面为深度1mm的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置。

Description

电阻焊包层钢管及其制造方法
技术领域
本发明涉及电阻焊包层钢管及其制造方法。
背景技术
通常,电阻焊钢管(electric resistance welded steel pipe or tube)将钢板(也称为钢带)成形为管状,将由于高频电流而被加热/熔融的相对的钢带宽度方向两端部通过挤压辊(squeeze roll)进行对接加压而焊接并制造。已知在这样将钢板焊接的情况下,焊接部的韧性、强度、伸长等各种特性与焊接前的钢板相比劣化的情况。因此,为了提高电阻焊钢管的性能,要求减少焊接部特别是形成凝固组织的区域。
另一方面,作为用于提高电阻焊钢管的特性的其他的方法,提出了电阻焊包层钢管(electric resistance welded clad steel pipe or tube)的方案。电阻焊包层钢管是使用对于作为母材的钢板包层有由与母材不同的材料构成的金属板(对合材料(claddingmaterial))而成的包层钢板来制造的电阻焊钢管。通过这样使不同的材料组合,能够有效利用母材和对合材料分别具有的特性,得到具有优异的特性的钢管。例如,在使用碳钢作为母材并使用不锈钢板作为对合材料的情况下,可认为能够得到兼具不锈钢板的耐蚀性和碳钢的强度的电阻焊包层钢管。
作为与这样的电阻焊包层钢管相关的技术,可列举例如下面的专利文献1~3。
专利文献1公开了一种包层管的制造方法:对于将弯曲成管状的包层钢板的相对两缘部进行了对焊的焊道中的至少对合材料侧焊道,切削除去至到达母材的深度,对切削除去部实施具有与对合材料同样的性质的堆焊。
专利文献2公开了一种包层钢管的制造方法:将包层钢带成形为原管,对接缝边缘部进行了电阻焊之后,对侵入到焊缝的异种金属进行稀释。所述稀释通过下面的(1)、(2)中的任一方法进行。(1)使沿着异种金属侵入的焊缝的直至包层界面的深度的区域熔融/凝固,对该异种金属进行稀释。(2)使用与对合材料同种的金属,对异种金属侵入的焊缝部实施堆焊,接下来,对该堆焊部进行轧制而对所述异种金属进行稀释。
专利文献3公开了对于以内表面侧为对合材料的包层钢板进行电阻焊来制造包层钢管的方法。在所述制造方法中,对所述包层钢板进行成形,形成内表面为对合材料的管状体,对所述管状体的对合材料对接部的至少一部分进行电阻焊,然后向对接未焊接部实施堆焊。
在先技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开昭60-221173号公报
专利文献2:日本特开昭62-156087号公报
专利文献3:日本特开平05-154545号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而,上述专利文献1~3记载的技术都必须在电阻焊后对焊接部进行堆焊或熔融/凝固处理等后处理。其理由如以下所述。
在电阻焊中,在焊接部处,即在对成形为管状的钢板的周向两端进行了对接的部位生成被称为过烧的氧化物主体的焊接缺陷。该过烧成为使焊接部的韧性或强度下降的原因,因此通常采取为了避免过烧残留于焊接部而增大基于挤压辊的顶锻量,将在焊接时产生的氧化熔融物向管外面排出的对策。
然而,在以包层钢板为原料来制造电阻焊包层钢管的情况下,如上所述增大顶锻量时,产生如下的问题。图15(A)是示意性表示将由母材11及对合材料12构成的包层钢板以对合材料12成为内表面的方式进行了电阻焊时的焊接部截面的图。当顶锻量大时,熔融的母材11侵入对合材料12的焊缝部14,特别是顶锻量过剩时,如图15(A)所示,母材11向钢管的对合材料12侧表面露出。其结果是,在母材11露出的部位产生性能的下降,作为包层钢管的优点受损。
例如,以耐蚀性提高为目的,使用对于作为母材11的低碳钢包层有作为对合材料12的不锈钢的包层钢板的情况下,如图15(A)所示那样母材11向对合材料侧露出,由此耐蚀性差的低碳钢露出,其结果是,钢管内表面的焊缝部14附近的耐蚀性显著下降。
因此,在专利文献1、2中,为了解决上述的问题,在电阻焊后,将与对合材料同等的材料向焊接部堆焊。然而,在该方法中虽然能够消除母材露出部,但是进行堆焊的结果是,特性差的焊接部反而会增加。在专利文献2中,也提出了取代堆焊而进行熔融/凝固处理的方法,但是在该方法中,也是实施了熔融/凝固处理的部分具有与焊接金属同样的凝固组织,因此特性差。
另外,在专利文献3记载的方法中,在仅将对合材料侧进行了焊接之后将母材侧堆焊,因此能够防止母材向对合材料侧的露出。然而,由于通过堆焊将母材接合,因此与通常的利用电阻焊进行接合的情况相比,焊接部反而增加。
这样,在专利文献1~3记载那样的以往的方法中,存在无法同时实现如下两个目的的课题:(1)为了抑制焊接金属引起的特性劣化而缩窄焊接部的宽度的情况;(2)防止以母材向对合材料侧露出为起因的作为包层钢管的性能下降。该课题对于使用在母材的表背面设有对合材料的三层的包层钢板作为原料的情况也同样。如图15(B)所示,当顶锻量大时,熔融的母材11向对合材料12A、12B的焊缝部14侵入,母材11向钢管的对合材料12侧表面(即钢管的内表面及外表面)露出。
本发明鉴于上述课题而作出,其目的在于提供一种即使在焊接部之中也能减少形成特别是对特性的影响大的凝固组织的区域,并且作为包层管的功能也不会受损的电阻焊包层钢管及其制造方法。
用于解决课题的方案
本发明者们为了解决上述课题而进行了仔细研讨的结果是,得到了如下的(1)~(4)的见解。
(1)在电阻焊前对于包层钢带的宽度方向两端部从对合材料侧进行压入加工而预先形成特定形状的Y形坡口,由此能够抑制在电阻焊后熔融的母材向对合材料侧的表面露出的情况。
(2)在焊接时,使用特定的结构的保护气体喷吹喷嘴,以适当的条件喷吹保护气体,由此能够格外降低被焊接部的氧浓度,其结果是,能够抑制过烧的生成。
(3)上述(2)的结果是,即使减小焊接时的顶锻量,在焊接部也不会残留过烧,焊接部的特性提高。此外,通过减小顶锻量,能够抑制熔融的母材向对合材料侧的表面露出的情况。
(4)通过严格地控制上述坡口加工、保护气体及顶锻量的各条件的组合,能够完全防止母材向对合材料侧的表面露出的情况。因此,不用如现有技术那样进行堆焊或熔融/凝固处理等后处理而能够得到耐蚀性等性能优异的电阻焊包层钢管。而且,由于能够显著地减少形成凝固组织的区域,因此能够提高电阻焊包层钢管的机械性特性,特别是焊接部韧性。
本发明的主旨结构如下所述。
1.一种电阻焊包层钢管,具有:第一层,由作为母材的碳钢或低合金钢构成;及第二层,层叠在所述第一层的一个面上,由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成,其中,
在焊接部处所述母材未向所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面露出,
在以如下的(i)~(iii)的位置为中心的、与管长度方向垂直的面中的半径为0.1mm的圆形截面分别不含有凝固组织。
(i)所述焊接部中的距所述电阻焊包层钢管的外表面为深度1mm的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
(ii)所述焊接部中的所述电阻焊包层钢管的厚度方向上的中央的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
(iii)所述焊接部中的距所述电阻焊包层钢管的内表面为深度1mm的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
2.根据上述1记载的电阻焊包层钢管,其中,所述电阻焊包层钢管由所述第一层和所述第二层构成。
3.根据上述2记载的电阻焊包层钢管,其中,
(A)所述第一层配置在所述电阻焊包层钢管的外侧,且所述(i)及(ii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上且铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织,
或者,
(B)所述第一层配置在所述电阻焊包层钢管的内侧,且所述(ii)及(iii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上且铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织。
4.根据上述1记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述电阻焊包层钢管由所述第一层、所述第二层及第三层构成,所述第三层层叠在所述第一层的另一个面上且由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成。
5.根据上述4记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述(ii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上且铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织。
6.根据上述1~5中任一项记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料是具有如下成分组成的不锈钢,
以质量%计含有:
C:0.15%以下、
Si:5.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.1%以下、
S:0.1%以下、
Ni:1.0%以下、
Cr:11.0%以上、及
N:0.5%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
7.根据上述1~5中任一项记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料是具有如下成分组成的不锈钢或含镍合金,
以质量%计含有:
C:0.15%以下、
Si:5.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.1%以下、
S:0.1%以下、
Ni:6.0%以上、
Cr:15.0%以上、及
N:0.5%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
8.根据上述6或7记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料的成分组成还含有选自以质量%计由Mo:20.0%以下、Cu:5.0%以下、Al:2.0%以下、Co:3.0%以下、W:5.0%以下、及Ta:5.0%以下构成的组中的一个或两个以上。
9.根据上述6~8中任一项记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料的成分组成还含有选自以质量%计由Ti:2.0%以下、Nb:5.0%以下、V:2.0%以下、及Zr:2.0%以下构成的组中的一个或两个以上。
10.根据上述6~9中任一项记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料的成分组成还含有选自以质量%计由B:0.0050%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0030%以下、及REM:0.10%以下构成的组中的一个或两个以上。
11.根据上述1~10中任一项记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述母材是具有如下成分组成的碳钢或低合金钢,
以质量%计含有:
C:0.02~0.20%、
Si:0.01~1.0%、
Mn:0.1~2.0%、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、及
Al:0.1%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
12.根据上述11记载的电阻焊包层钢管,其中,
所述母材的成分组成还含有选自以质量%计由Ti:0.1%以下、Nb:0.2%以下、Cu:0.5%以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下、及Ca:0.0005~0.0050%构成的组中的一个或两个以上。
13.一种电阻焊包层钢管的制造方法,
准备包层钢带,该包层钢带具有由作为母材的碳钢或低合金钢构成的第一层、及层叠在所述第一层的一个面上且由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成的第二层,
对所述包层钢带的宽度方向两端部实施坡口加工而形成坡口,
将所述包层钢带成形为管状而作为原管,
对所述原管的相对的一对对接部进行电阻焊而形成为电阻焊包层钢管,
其中,
在所述坡口加工中,从所述第二层侧对所述包层钢带的宽度方向两端部进行压入加工,
所述坡口中,
所述第二层与所述第一层的包层界面从所述第二层侧朝向所述包层钢带的厚度中心侧,
所述第二层侧的坡口角度θ1为10°以上且50°以下,
坡口深度d1为所述包层钢带的厚度t的10%以上且45%以下,并且,
以下述(1)式定义的投影包层比率R1为25%以上且50%以下,
在向所述对接部实施气体保护并且顶锻量为所述包层钢带的厚度t以下的条件下,对所述对接部进行对接加压来进行所述电阻焊,
使用在距所述原管的对接部上端为5~300mm的上方的位置处具有沿所述原管的对接方向相邻而并列设置的三个以上的狭缝状的气体放出口的保护气体喷吹喷嘴,当将来自所述气体放出口中的位于两端的一对第一气体放出口的气体放出流速设为A(m/s)、将来自其余的第二气体放出口的气体放出流速设为B(m/s)时,在B为0.5~50m/s且满足0.010≤B/A≤10的条件下,喷吹保护气体而进行所述气体保护。
R1=(tc1 *+d1)/t×100(%)…(1)
在此,R1:投影包层比率
tc1 *:钝边中的所述第二层的厚度(mm)
d1:第二层侧的坡口深度(mm)
t:所述包层钢带的厚度(mm)
14.根据上述13记载的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述包层钢带由所述第一层和所述第二层构成,
所述坡口是Y形坡口。
15.根据上述14记载的电阻焊包层钢管的制造方法,
在所述电阻焊后,还对所述电阻焊包层钢管进行热处理,接下来进行冷却,其中,
在所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面的加热温度为750~1250℃、750~1250℃的温度范围内的保持时间为10秒以上、所述电阻焊包层钢管的母材侧表面的加热温度为750~1200℃、750~1200℃的温度范围内的保持时间为10秒以上的条件下,进行所述热处理,
在所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为4~100℃/sec、所述电阻焊包层钢管的母材侧表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为8~70℃/sec的条件下,进行所述冷却。
16.根据上述13记载的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述包层钢带由所述第一层、所述第二层及第三层构成,所述第三层层叠在所述第一层的另一个面上且由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成,
在所述坡口加工中,还从所述第三层侧对所述包层钢带的宽度方向两端部进行压入加工,
所述坡口为X形坡口,
进而,所述坡口中,
所述第三层与所述第一层的包层界面从所述第三层侧朝向所述包层钢带的厚度中心侧,
所述第三层侧的坡口角度θ2为10°以上且50°以下,
坡口深度d2为所述包层钢带的厚度t的10%以上且45%以下,并且,
以下述(2)式定义的投影包层比率R2为25%以上且50%以下。
R2=(tc2 *+d2)/t×100(%)…(2)
在此,R2:投影包层比率
tc2 *:钝边中的所述第三层的厚度(mm)
d2:第三层侧的坡口深度(mm)
t:所述包层钢带的厚度(mm)
17.根据上述16记载的电阻焊包层钢管的制造方法,
在所述电阻焊后,还对所述电阻焊包层钢管进行热处理,接下来进行冷却,其中,
在所述电阻焊包层钢管的内表面及外表面的加热温度为750~1250℃、保持时间为10秒以上、所述电阻焊包层钢管的壁厚中心位置处的加热温度为750~1200℃、保持时间为10秒以上的条件下,进行所述热处理,
在所述电阻焊包层钢管的内表面及外表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为4~100℃/sec、所述电阻焊包层钢管的壁厚中心位置处的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为8~70℃/sec的条件下,进行所述冷却。
18.根据上述13~17中任一项记载的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述对合材料具有上述6~10中任一项记载的成分组成。
19.根据上述13~18中任一项所述的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述母材具有上述11或12记载的成分组成。
发明效果
根据本发明,能够得到即使在焊接部之中也能减少形成特别是对特性的影响大的凝固组织的区域、且作为包层管的功能也不会受损的电阻焊包层钢管。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的电阻焊包层钢管20的焊接部附近的、与管长度方向垂直的剖视图。
图2是在本发明的第一及第二实施方式中为了制造电阻焊包层钢管而能够使用的设备的概略图。
图3(A)是表示本发明的第一实施方式的包层钢带的宽度方向两端部(对接部)的坡口形状的剖视图,图3(B)是表示对所述包层钢带进行了电阻焊之后的焊接部及其附近的剖视图。
图4是表示在本发明的第一实施方式中可使用的坡口加工机的示意图。
图5是说明本发明的第一实施方式的气体保护的概略图,图5(A)是通管中的原管16及电阻焊包层钢管20的立体图,图5(B)是表示图5(A)的Z1部的保护气体喷吹喷嘴81的放大立体图,图5(C)是图5(A)的Z2部的剖视图。
图6(A)~(D)是表示在本发明的第一及第二实施方式中能够使用的喷嘴的例子的示意图。
图7(A)~(C)是表示本发明的第一实施方式中的保护气体的气体放出流速B及气体流速比B/A的适当范围的说明图。
图8是表示保护气体的气体流速比B/A与被焊接部的氧浓度之间的关系的坐标图。
图9是表示被焊接部的氧浓度与电阻焊不锈钢包层钢管的90°扁平试验中的扁平值h/D的关系的坐标图。
图10是本发明的第二实施方式的电阻焊包层钢管20的焊接部附近的、与管长度方向垂直的剖视图。
图11(A)是表示本发明的第二实施方式的包层钢带的宽度方向两端部(对接部)的坡口形状的剖视图,图11(B)是表示将所述包层钢带进行了电阻焊之后的焊接部及其附近的剖视图。
图12是表示在本发明的第二实施方式中可使用的坡口加工机的示意图。
图13是说明本发明的第二实施方式的气体保护的概略图,图13(A)是通管中的原管16及电阻焊包层钢管20的立体图,图13(B)是表示图13(A)的Z1部的保护气体喷吹喷嘴81的放大立体图,图13(C)是图13(A)的Z2部的剖视图。
图14(A)~(C)是表示本发明的第二实施方式的保护气体的气体放出流速B及气体流速比B/A的适当范围的说明图。
图15是顶锻量大时的电阻焊部及其附近的示意性的剖视图,图15(A)是以双层的包层钢板为原料的情况,图15(B)是以三层的包层钢板为原料的情况。
具体实施方式
以下,具体说明本发明。
本发明的电阻焊包层钢管至少具有第一层和在所述第一层的一个面上层叠的第二层。所述第一层由作为母材的碳钢或低合金钢构成,所述第二层由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成。本发明的一实施方式的电阻焊包层钢管也可以是由所述第一层及所述第二层构成的电阻焊双层包层钢管。而且,本发明的另一实施方式的电阻焊包层钢管可以还具有在所述第一层的另一个面上层叠的第三层。换言之,所述电阻焊包层钢管可以是由所述第一层、在所述第一层的一个面上层叠的第二层、在所述第一层的另一个面上层叠的第三层构成的电阻焊三层包层钢管。所述第三层由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成。
以下,以电阻焊包层钢管为双层包层钢管的情况(第一实施方式)和电阻焊包层钢管为三层包层钢管的情况(第二实施方式)为例,具体说明实施本发明的方法。
(第一实施方式)
首先,说明电阻焊包层钢管为双层包层钢管的情况。
[电阻焊包层钢管]
参照图1,说明本发明的第一实施方式的电阻焊包层钢管20。本实施方式的电阻焊包层钢管20是由第一层11和第二层12构成的双层电阻焊包层钢管(以下,有时仅称为“包层钢管”),所述第一层11由母材构成,所述第二层12由对合材料构成。
在此,在本说明书中“母材”是指构成包层钢管的2个层中的厚度大的一方的层的材料,“对合材料”是指厚度小的一方的层的材料。
在本发明中,作为所述母材,使用作为机械强度优异的材料的低碳钢或低合金钢,作为所述对合材料,使用作为耐蚀性优异的材料的不锈钢或含镍合金。通过这样将2种材料组合,能够得到兼具强度和耐蚀性的钢管。而且,与钢管整体设为不锈钢或含镍合金的情况相比,能够降低制造成本。
(母材)
在本发明中,使用低碳钢或低合金钢作为所述母材。
作为所述碳钢,没有特别限定,可以使用任意的结构。电阻焊包层钢管的机械特性受到占据其管体积的大部分的母材的特性的支配,因此优选的是,选定具有与电阻焊包层钢管的适用部位相对应的规格、机械特性的碳钢。需要说明的是,在此“低碳钢”是指C含量为0.25质量%以下的碳钢。
作为所述低合金钢,只要是合金元素的总计含量为5质量%以下的钢即可,没有特别限定,可以使用任意的钢。与碳钢同样,所述低合金钢只要考虑电阻焊包层钢管的适用部位来进行选定即可。
以下,关于作为母材能够优选使用的低碳钢及低合金钢的成分组成,更具体地进行说明。需要说明的是,在以下的说明中,只要没有特别说明,“%”就是指“质量%”。
在本发明的一实施方式中,可以使用具有如下成分组成的碳钢或低合金钢作为母材,所述成分组成含有:
C:0.02~0.20%、
Si:0.01~1.0%、
Mn:0.1~2.0%、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、及
Al:0.1%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
在此,说明各元素的含量的限定理由。
C:0.02~0.20%
C是为了提高钢的强度所需的元素。小于0.02%的话,难以实现作为母材所需的强度。因此,将C含量设为0.02%以上。C含量优选设为0.03%以上。另一方面,C含量超过0.20%的话,在焊接等热处理时容易生成马氏体,材料变脆。因此,将C含量设为0.20%以下。C含量优选设为0.15%以下。
Si:0.01~1.0%
Si是在钢的脱氧或强度调整中使用的元素。小于0.01%的话,其效果不充分。因此,将Si含量设为0.01%以上。另一方面,Si含量超过1.0%的话,材料硬化,韧性也下降。因此,将Si含量设为1.0%以下。Si含量优选设为0.8%以下。
Mn:0.1~2.0%
Mn是为了调整钢的强度而有用的元素。小于0.1%的话,其效果不充分。因此,将Mn含量设为0.1%以上。另一方面,Mn含量超过2.0%的话,会产生焊接性的下降或夹杂物的增加等弊病。因此,将Mn含量设为2.0%以下。Mn含量优选设为1.8%以下。
P:0.05%以下
P是在钢中作为杂质而存在且由于向晶界等偏析而使韧性等特性下降的元素,优选尽可能减少,但是只要为0.05%以下就可容许。因此,将P含量设为0.05%以下。P含量优选设为0.03%以下。需要说明的是,过度地减少的话,其效果减小,相对于此,精炼成本变得过大,因此P含量优选设为0.001%以上。
S:0.01%以下
S是在钢中作为杂质存在且由于向晶界等偏析而使韧性等特性下降的元素,优选尽可能减少,但是只要为0.01%以下就可容许。因此,将S含量设为0.01%以下。S含量优选设为0.005%以下。需要说明的是,过度地减少的话,其效果减小,相对于此,精炼成本变得过大,因此S含量优选设为0.0001%以上。
Al:0.1%以下
Al是钢的脱氧中使用的元素。但是,当含有超过0.1%时,Al的氧化物大量地生成,使钢的清洁度下降。因此,将Al含量设为0.1%以下。另一方面,Al含量的下限没有特别限定。然而,Al含量小于0.001%的话,难以得到脱氧的效果,因此优选将Al含量设为0.001%以上。
此外,在本发明的一实施方式中,上述母材的成分组成还可以含有选自由
Ti:0.1%以下、
Nb:0.2%以下、
Cu:0.5%以下、
Ni:0.5%以下、
Cr:0.5%以下、
Mo:0.5%以下、
V:0.1%以下、及
Ca:0.0005~0.0050%构成的组中的1个或2个以上。
Ti:0.1%以下,Nb:0.2%以下,Cr:0.5%以下,Mo:0.5%以下,V:0.1%以下
Ti、Nb、Cr、Mo及V都具有通过碳化物的形成或向钢中的固溶而提高钢的强度的效果。但是,分别含有超过0.1%、0.2%、0.5%、0.5%、0.1%时,会导致韧性的下降。因此,分别将含量限定为0.1%以下、0.2%以下、0.5%以下、0.5%以下、0.1%以下。需要说明的是,含量小于0.01%的话,其效果难以得到,因此在含有的情况下,优选将含量设为0.01%以上。
Cu:0.5%以下,Ni:0.5%以下
Cu、Ni与淬火性提高相关,具有提高钢的强度的效果。但是,分别含量超过0.5%的话,其效果饱和,导致不必要的成本的上升。因此,分别将含量限定为0.5%以下。另一方面,含量的下限没有特别限定,但是含量小于0.01%的话,难以得到其效果,因此在含有的情况下,优选将含量设为0.01%以上。
Ca:0.0005~0.0050%
Ca是将伸展的粗大的硫化物设为球状的硫化物的有助于夹杂物形态控制的元素。Ca含量小于0.0005%的话,其效果不充分。因此,在含有的情况下,将Ca含量设为0.0005%以上。Ca含量优选设为0.0010%以上。另一方面,Ca含量超过0.0050%的话,钢的清洁度下降。因此,将Ca含量设为0.0050%以下。
(对合材料)
在本发明中,使用不锈钢或含镍合金作为所述对合材料。
作为所述不锈钢,没有特别限定,可以使用任意的不锈钢,但是从耐蚀性的观点出发,优选使用奥氏体系不锈钢,更优选使用SUS316L。
另外,作为所述含镍合金,只要含有Ni即可,可以使用任意的合金。作为可以优选使用的含镍合金的例子,可列举Alloy625及Alloy825。
以下,关于作为对合材料而能够优选使用的不锈钢或含镍合金的成分组成,更具体地进行说明。
在本发明的一实施方式中,可以使用具有如下成分组成的不锈钢作为对合材料,所述成分组成含有:
C:0.15%以下、
Si:5.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.1%以下、
S:0.1%以下、
Ni:1.0%以下、
Cr:11.0%以上、及
N:0.5%以下,
其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
C:0.15%以下
C具有提高不锈钢的强度的效果。但是,超过0.15%的话,在焊接等热处理时容易生成马氏体,材料变脆。因此,将C含量限定为0.15%以下。C含量优选设为0.1%以下。需要说明的是,过度地减少的话,其效果减小,相对于此,精炼成本变得过大,因此C含量优选设为0.001%以上。
Si:5.0%以下
Si是有助于不锈钢的耐蚀性的提高的元素。但是,Si含量超过5.0%的话,材料硬化,韧性也下降。因此,将Si含量设为5.0%以下。Si含量优选设为3.0%以下。需要说明的是,Si是无法避免从原料的混入的元素,是更难以除去的元素,因此Si含量优选设为0.01%以上。
Mn:2.0%以下
Mn是为了调整钢的强度而有用的元素。但是,超过2.0%的话,会产生焊接性的下降或夹杂物的增加等弊病。因此,将Mn含量设为2.0%以下。Mn含量优选设为1.8%以下。另一方面,Mn含量的下限没有特别限定,但是Mn与不可避免地混入的S结合,具有抑制S的晶界偏析的效果,因此Mn含量优选设为0.1%以上。
P:0.1%以下
P是作为杂质而存在于不锈钢中并通过向晶界等偏析而使韧性等特性下降的元素,优选尽可能减少,但是只要为0.1%以下,就可容许。更优选为0.05%以下。需要说明的是,过度地减少的话,其效果减小,相对于此,精炼成本变得过大,因此优选将P含量设为0.001%以上。
S:0.1%以下
S是在不锈钢中作为杂质而存在并通过向晶界等偏析而使韧性等特性下降的元素,优选尽可能减少,但是只要为0.1%以下,就可容许。更优选为0.05%以下。需要说明的是,过度地减少的话,其效果减小,相对于此,精炼成本变得过大,因此S含量优选设为0.0001%以上。
Ni:1.0%以下
Ni是有助于不锈钢的耐蚀性的提高的元素。但是,由于为奥氏体生成元素,在铁素体系不锈钢中,为了对铁素体单相进行控制而限定为1.0%以下。另一方面,Ni含量的下限没有特别限定,但是为了耐蚀性提高的目的而优选将Ni含量设为0.01%以上。
Cr:11.0%以上
Cr是通过在不锈钢的表面形成钝态被膜而为了保持耐蚀性的重要的元素。小于11.0%的话,其效果不充分。因此,将Cr含量设为11.0%以上。Cr含量优选设为13.0%以上。另一方面,Cr含量的上限没有特别限定,但是含有超过35.0%时,热加工性容易下降,因此优选设为35.0%以下。
N:0.5%以下
N是有助于不锈钢的耐蚀性的提高的元素。但是,即使含有超过0.5%,其效果也饱和,因此限定为0.5%以下。另一方面,N含量的下限没有特别限定,但是为了防止精炼成本变得过大而优选将N含量设为0.001%以上。
另外,在另一实施方式中,可以使用具有如下成分组成的不锈钢或含镍合金作为对合材料,所述成分组成含有:
C:0.15%以下、
Si:5.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.1%以下、
S:0.1%以下、
Ni:6.0%以上、
Cr:15.0%以上、及
N:0.5%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
C:0.15%以下
C具有提高不锈钢或含镍合金的强度的效果。但是,超过0.15%的话,在焊接等热处理时容易生成马氏体,材料变脆。因此,限定为0.15%以下。更优选为0.1%以下。另一方面,C含量的下限没有特别限定,但是为了防止精炼成本变得过大,而优选将C含量设为0.001%以上。
Si:5.0%以下
Si是有助于不锈钢或含镍合金的耐蚀性的提高的元素。但是,超过5.0%的话,材料硬化,韧性也下降。因此,限定为5.0%以下。更优选为3.0%以下。需要说明的是,Si是无法避免从原料的混入的元素,进而是难以除去的元素,因此Si含量优选设为0.01%以上。
Mn:2.0%以下
Mn是奥氏体生成元素,为了控制不锈钢或含镍合金的相稳定性而可以根据需要地含有。但是,超过2.0%的话,会产生焊接性的下降或夹杂物的增加等弊病。因此,限定为2.0%以下。另一方面,Mn含量的下限没有特别限定,但是与不可避免地混入的S结合而具有抑制S的晶界偏析的效果,因此Mn含量优选设为0.1%以上。
P:0.1%以下
P是在不锈钢或含镍合金中作为杂质而存在并通过向晶界等偏析而使韧性等特性下降的元素,优选尽可能减少,但是只要为0.1%以下,就可容许。更优选为0.05%以下。需要说明的是,过度地减少的话,其效果减小,相对于此,精炼成本变得过大,因此优选设为0.001%以上。
S:0.1%以下
S是在不锈钢或含镍合金中作为杂质存在并通过向晶界等偏析而使韧性等特性下降的元素,优选尽可能减少,但是只要为0.1%以下,就可容许。更优选为0.05%以下。需要说明的是,过度地减少的话,其效果减小,相对于此,精炼成本变得过大,因此S含量优选设为0.0001%以上。
Ni:6.0%以上
Ni是有助于不锈钢或含镍合金的耐蚀性的提高的元素。而且,由于是奥氏体生成元素,因此考虑到与Cr等铁素体生成元素的平衡,而使用于不锈钢或含镍合金的相稳定性的控制。为了这样的目的,在Cr含量为15.0%以上时,将Ni含量限定为6.0%以上。另一方面,Ni含量的上限没有特别限定,但是为了防止成本的增大而Ni含量优选设为80%以下。
Cr:15.0%以上
Cr是通过在不锈钢或含镍合金的表面形成钝态被膜而为了保持耐蚀性来说重要的元素。而且,Cr是铁素体生成元素,因此考虑到与Ni等奥氏体生成元素的平衡而使用于不锈钢或含镍合金的相稳定性的控制。为了这样的目的,在Ni含量为6.0%以上时,将Cr含量限定为15.0%以上。另一方面,Cr含量的上限没有特别限定,但是为了防止成本的增大,Cr含量优选设为80%以下。
N:0.5%以下
N是有助于不锈钢的耐蚀性的提高的元素。但是,即使含有超过0.5%,其效果也饱和,因此限定为0.5%以下。另一方面,N含量的下限没有特别限定,但是为了防止精炼成本的过大而优选将N含量设为0.001%以上。
进而,在本发明的一实施方式中,上述对合材料的成分组成也可以还含有选自由
Mo:20.0%以下、
Cu:5.0%以下、
Al:2.0%以下、
Co:3.0%以下、
W:5.0%以下、及
Ta:5.0%以下构成的组中的1个或2个以上。
Mo:20.0%以下,Cu:5.0%以下,Al:2.0%以下,Co:3.0%以下,W:5.0%以下,Ta:5.0%以下
Mo、Cu、Al、Co、W及Ta可以为了提高不锈钢或镍合金的耐蚀性或强度而含有。但是,即使分别超过20.0%、5.0%、2.0%、3.0%、5.0%、5.0%地含有,其效果也饱和,因此分别限定为20.0%以下、5.0%以下、2.0%以下、3.0%以下、5.0%以下、5.0%以下。另一方面,这些元素的含量为了展现其效果而优选设为0.005%以上。
此外,在本发明的一实施方式中,上述对合材料的成分组成也可以还含有选自由
Ti:2.0%以下、
Nb:5.0%以下、
V:2.0%以下、及
Zr:2.0%以下构成的组中的1个或2个以上。
Ti:2.0%以下,Nb:5.0%以下,V:2.0%以下,Zr:2.0%以下
Ti、Nb、V、Zr都通过将C固定而具有抑制敏锐化的效果,因此根据需要含有。但是,在C为0.15%以下的范围内,即使分别超过2.0%、5.0%、2.0%、2.0%地含有,其效果也饱和,因此分别限定为2.0%以下、5.0%以下、2.0%以下、2.0%以下。另一方面,这些元素的含量的下限为了展现其效果而优选设为0.001%以上。
此外,在本发明的一实施方式中,上述对合材料的成分组成也可以还含有选自由
B:0.0050%以下、
Ca:0.0050%以下、
Mg:0.0030%以下、及
REM:0.10%以下构成的组中的1个或2个以上。
B是有助于晶界的强化的元素,Ca、Mg、REM(稀土类金属)是通过夹杂物形态的控制而有助于韧性等特性提高的元素。但是,即使分别超过0.0050%、0.0050%、0.0030%、0.10%地含有,其效果也饱和或导致清洁度的下降,因此分别限定为0.0050%以下、0.0050%以下、0.0030%以下、0.10%以下。另一方面,这些元素的含量的下限为了展现其效果而优选设为0.0001%以上。
将由母材构成的第一层11和由对合材料构成的第二层12中的哪一个作为管的内层,将哪一个作为管的外层没有特别限定,只要根据包层钢管的用途来决定即可。例如,用于使腐蚀性流体流动的管线在管内表面要求高耐蚀性。由此,在将包层钢管使用于管线的情况下,只要将对合材料设为内层,将母材设为外层即可。反之,在管外表面要求高耐蚀性的用途的情况下,只要将母材设为内层,将对合材料设为外层即可。
(母材的露出)
本实施方式的包层钢管的特征在于,在焊接部处,母材未向对合材料侧表面露出。如图15(A)所示,当母材向对合材料侧露出时,该露出部的耐蚀性等特性下降,因此尽管为包层钢管,但是无法发挥本来应期待的性能。相对于此,在本发明中,母材未向对合材料侧表面露出,因此作为包层钢管的功能不会受损。
(凝固组织)
此外,在本实施方式的包层钢管中,在以如下的(i)~(iii)的位置为中心的、与管长度方向垂直的面的半径0.1mm的圆形截面分别不含有凝固组织。
(i)所述焊接部的距所述电阻焊包层钢管的外表面为深度1mm的位置,即从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
(ii)所述焊接部的所述电阻焊包层钢管的厚度方向上的中央的位置,即从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
(iii)所述焊接部的距所述电阻焊包层钢管的内表面为深度1mm的位置,即从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
与上述(i)~(iii)对应的位置如图1所示。在电阻焊包层钢管20的焊接部存在有通过电阻焊形成的焊接金属15A、15B。(i)~(iii)分别对应于焊接部的距包层钢管的外表面为深度1mm的位置、包层钢管的厚度方向上的中央(1/2t)的位置、及距包层钢管的内表面为深度1mm的位置。并且,所述(i)~(iii)是在各自的深度位置处从所述焊接金属的管周方向上的宽度的中央14A如L所示沿该焊接金属的宽度方向分离了0.3mm的位置。需要说明的是,图1是用于说明本发明的示意图,未基于实际的尺寸比率。
并且,本发明的特征在于,在以上述(i)~(iii)的位置为中心的与管长度方向垂直的面的半径0.1mm的圆形截面C分别不含有凝固组织。如上所述,在距焊接金属的宽度方向中心14A为0.3mm较近的位置不存在凝固组织的情况是指由于焊接而特性劣化的部位的宽度被抑制得极窄的情况。因此,满足上述条件的包层钢管具有优异的韧性等机械特性。
需要说明的是,在图1中,仅在与管长度方向垂直的截面上的焊接金属的一方(图中的右侧)示出上述(i)~(iii)的位置,但是实际上,隔着焊接金属而在相反侧(图中的左侧)也存在对应的位置。在本发明中,需要至少在一方侧满足上述条件,优选在两侧满足上述条件。然而,在一般的焊接条件下,焊接导致的影响左右对称地出现,因此如果在焊接金属的一方侧满足本申请发明的条件,则可以看作在相反侧也满足相同条件。
在此,“焊接金属”是指焊接管中在焊接时熔融然后凝固的金属。焊接管在焊接金属及其周围的热影响部由焊接部和不会受到焊接的热影响的非焊接部构成。
在本发明中,焊接金属通过以下的方法确定。即,焊接金属通过适当的方法使与焊接管的管长度方向垂直的截面中的可靠地包含焊接部的区域腐蚀,特定作为呈现出与非焊接部不同的组织形态的区域。腐蚀液只要根据金属的种类而选择适当的腐蚀液即可。例如,碳钢及低合金钢的焊接金属可以通过蚀刻剂将所述截面腐蚀,能够特定作为通过光学显微镜而观察为白色的区域。而且,不锈钢及含Ni合金的焊接金属可以通过王水将所述截面腐蚀,特定作为通过光学显微镜观察为黑暗的枝状、单元状等的含有凝固组织的区域。这样,能够特定图1中的母材的焊接金属15A和对合材料的焊接金属15B。首先决定这样特定的所述截面中的焊接金属的外表面处的圆周方向上的宽度中央位置。取得通过该外表面的宽度中央的位置的外表面的切线,将与该切线方向平行的方向的线段长度设为所述焊接金属的(i)~(iii)的深度位置处的焊接金属的宽度,将从该宽度中央沿着与上述切线方向平行的方向分离了0.3mm的部位作为所述焊接金属的(i)~(iii)的位置,来决定半径0.1mm的圆形截面。
需要说明的是,碳钢及低合金钢的焊接金属通过利用苦味酸使所述截面腐蚀而出现金属流,也可以特定作为未观察到该偏析线的区域。不锈钢及含Ni合金的焊接金属也同样在出现金属流的情况下可以特定作为未观察到偏析线的区域。
另外,“凝固组织”是在焊接时暂时溶解,然后冷却,由此呈现出与母材截然不同的组织的部分,通过上述的观察方法,能够容易地判别。
在本发明中,是否包含凝固组织的判定基于通过光学显微镜以400倍拍摄了规定的区域的图像来进行。
此外,在本发明中,优选满足如下的(A)及(B)中的任一方的条件。
(A)所述第一层配置在所述电阻焊包层钢管的外侧,且所述(i)及(ii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上,铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织。
(B)所述第一层配置在所述电阻焊包层钢管的内侧,且所述(ii)及(iii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上,铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织。
上述条件除了规定作为板厚中央位置的(ii)的位置之外,还规定(i)~(iii)的位置中的配置由低碳钢及低合金钢构成的第一层一侧的位置的金属组织。
铁素体及贝氏体的总计面积率:90%以上
通过将上述位置的金属组织设为以铁素体及贝氏体为主体,能够得到即使在焊接部而强度、韧性、延展性也优异的钢管。另一方面,所述总计面积率的上限没有特别限定,可以为100%。
铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下
通过将铁素体及贝氏体的平均粒径设为15μm以下,能够得到焊接部的强度、韧性优异的钢管。而且,更优选为12μm以下。另一方面,所述平均粒径的下限值没有特别限定,但是在工业上为0.5μm以上。
[制造方法]
上述那样的本发明的第一实施方式的包层钢管可以通过以下说明的特定条件下的电阻焊来制造。
参照图2,说明本发明的一实施方式的包层钢管的制造工序。本发明的一实施方式的包层钢管的制造包括以下的步骤。首先,利用开卷机30将设为热轧卷材的包层钢带10连续地放出。接下来,利用坡口加工机40对于放出的包层钢带10的宽度方向两端部实施坡口加工。接下来,利用辊成形机50将包层钢带10成形为管状。接下来,利用高频加热装置60将成为对接部(被焊接部)的所述宽度方向两端部加热成熔点以上,并利用挤压辊70进行对接加压,由此进行电阻焊,得到电阻焊包层钢管20。此时,利用保护气体喷吹装置80向对接部实施气体保护。接下来,利用焊道切削机90对焊接部的外表面及内表面的焊道进行切削。然后,利用切断机96将电阻焊包层钢管20切断成规定的长度。
高频加热装置60也可以是直接通电加热式或感应加热式的装置中的任一个。需要说明的是,有时也向包含高频电流的通电部分的通带方向范围内的管的内表面侧装入未图示的阻抗器而进行电阻焊。
如图2所示,本实施方式示出使用将由母材构成的第一层11与由对合材料构成的第二层12压接而成的包层钢带10,以作为对合材料的第二层12为内层,以作为母材的第一层11为外层,进行电阻焊的例子。
(坡口加工)
在本实施方式中,对包层钢带的宽度方向两端部实施坡口加工而形成坡口。关于所述坡口加工,以下,参照图3(A)进行说明。
在所述坡口加工中,从第二层12侧对包层钢带10的宽度方向两端部进行压入加工。形成的坡口是图3(A)所示那样的Y形坡口,满足下述(i)~(iv)的条件。
(i)作为第二层12与第一层11的界面的包层界面13从第二层侧朝向包层钢带的厚度中心侧。
(ii)第二层侧的坡口角度θ1为10°以上且50°以下。
(iii)坡口深度d1为包层钢带的厚度t的10%以上且45%以下。
(iv)通过下述(1)式定义的投影包层比率R1为25%以上且50%以下。
R1=(t c1 *+d1)/t×100(%)…(1)
在此,R1:投影包层比率
tc1 *:钝边中的所述第二层的厚度(mm)
d1:第二层侧的坡口深度(mm)
t:所述包层钢带的厚度(mm)
在此,不是将包层钢带10的宽度方向两端部的第二层侧角部切落来设为Y形坡口,而是从第二层12侧对包层钢带10的宽度方向两端部进行压入加工的情况至关重要。其结果是,包层界面13从第二层侧被向包层钢带的厚度中心侧压入。除此之外,将坡口角度θ1、坡口深度d1及投影包层比率R1设为上述的范围。由此,在电阻焊后,能够抑制母材的熔融钢及热影响部向对合材料的焊缝部的侵入。其结果是,能够得到如下电阻焊包层钢管:在焊接部处母材未向钢管的对合材料侧表面(在本实施方式中为内表面)露出,在对焊接部的内表面焊道进行了切削之后,具有包含焊接部而遍及整面地由对合材料包覆的内表面。
另外,在上述坡口形状不存在电流集中的角部,因此能实现被焊接部整体的温度分布的均匀化。并且,其结果是,从焊接部促进过烧的排出,结果是能够防止焊接部的韧性及强度的下降。
在坡口角度θ1小于10°的情况下,无法确保被焊接部整体的温度分布的均匀性,结果是过烧的排出容易变得不充分,因此焊接部的韧性、强度等特性变得不充分。
另一方面,在坡口角度θ1超过50°的情况下,抑制母材的熔融钢及热影响部向对合材料的焊缝部的侵入的效果变得不充分,在焊接部处母材向钢管的对合材料侧表面露出的倾向升高。
在坡口深度d1小于包层钢带的厚度t的10%的情况下,抑制母材的熔融钢及热影响部向对合材料的焊缝部的侵入的效果变得不充分,在焊接部处母材向钢管的对合材料侧表面露出的倾向升高。
另一方面,在坡口深度d1超过包层钢带的厚度t的45%的情况下,成为焊接部的组成接近于对合材料的组成的高合金组成,因此焊接部的韧性、强度等特性变得不充分。
需要说明的是,从以更高水平同时实现避免母材向对合材料侧表面露出的情况和不使焊接部的特性下降的情况的观点出发,坡口角度θ1优选设为15°以上。而且,坡口角度θ1优选设为35°以下。坡口深度d1优选设为包层钢带的厚度t的15%以上。而且,坡口深度d1优选设为35%以下。
此外,在本实施方式中,将利用上述(1)式定义的投影包层比率R1设为25%以上且50%以下的情况也非常重要。投影包层比率R1小于25%的情况下,抑制母材的熔融钢及热影响部向对合材料的焊缝部侵入的情况的效果变得不充分,在焊接部处母材向钢管的对合材料侧表面露出。而且,在投影包层比率R1超过50%的情况下,即Y形坡口的钝边中的包层界面的位置成为比包层钢带10的壁厚中央靠母材侧时,电阻焊后的焊缝14的大部分成为对于作为对合材料的高合金组成的金属进行了电阻焊的焊缝,因此焊接部的韧性、强度等特性下降。
通过设为满足以上的全部条件的坡口形状,能够抑制熔融的母材向对合材料侧的表面的露出,并能够改善焊接部的机械特性。
本实施方式的坡口加工可以使用例如图4所示那样结构的坡口加工机40来进行。坡口加工机40是能够对移动的包层钢带10连续地进行加工的轧制式坡口加工机,上侧侧辊42及下侧侧辊44分别配置左右一对。如图4那样,上侧侧辊42具有朝向上侧呈锥状地成为大径的轧制部42A,由此能够使包层钢带10的宽度方向两端部成为Y形坡口。
通过变更轧制部42A的锥形形状,能够将包层钢带的宽度方向端部的坡口形状形成为所希望的形状。而且,如图3(A)所示,投影包层比率R1依赖于包层钢带10的第一层(母材)的厚度tm与第二层(对合材料)的厚度tc1之比和基于压入加工的坡口形状。由此,适当地选择上述比并变更轧制部42A、44A的锥形形状而形成为适当的坡口形状,由此能够使投影包层比率R1成为所希望的值。
(气体保护)
接下来,如图5(A)、(C)所示,将包层钢带10成形为管状而作为原管(开管)16。并且,向原管的相对的一对对接部(被焊接部)17实施气体保护,并将一对对接部17进行对接加压,进行电阻焊,得到电阻焊包层钢管20。
在图5(A)中,标号18是原管的对接部加热起点,标号19是指被焊接部17接合的通管方向位置的焊接点。在本实施方式中,电阻焊时,将从加热起点18至焊接点19的通管方向范围的整个区域,或者该范围内的在被焊接部容易生成氧化物的区域(该区域通过预备调查能够特定)作为保护范围,在该保护范围内,在被焊接部17的紧上方的位置配置保护气体喷吹喷嘴81(以下,也仅称为“喷嘴”。)。
如图5(B)及图6(A)、(D)所示,喷嘴81相对于原管的对接方向Y而被分割为三层。而且,如图6(B)、(C)所示,相对于原管的对接方向Y也可以分割成4层以上。即,喷嘴81具有沿原管的对接方向Y相邻地并列设置的3个以上的分割喷嘴,它们由位于两端的一对第一分割喷嘴84A和其余的第二分割喷嘴84B构成。各分割喷嘴的内部被划分为中空,成为相互独立的气体流路。从分别对应的气体配管82向各分割喷嘴84A、84B供给保护气体,其供给量由气流调整器83控制。一对第一分割喷嘴84A的前端划分出狭缝状的第一气体放出口85A,第二分割喷嘴84B的前端划分出狭缝状的第二气体放出口85B。喷嘴81将该气体放出口85A、85B配位成与被焊接部17上端正对而配置。
本发明者们详细地观察了保护气体的流动。进而,详细地调查了气体放出口85A、85B的位置或尺寸、气体放出口85A、85B的保护气体的流速等各种保护气体的喷吹条件对于电阻焊时的被焊接部17的氧浓度和将该被焊接部进行电阻焊而形成的焊接部的氧化物的面积率造成的影响。
其结果是,通过使保护气体的喷吹条件为最适,而被焊接部的氧浓度成为0.01质量%以下,其结果是,发现了焊接部的氧化物面积率小于0.1%,能得到断裂特性优异的焊接部。在此,焊接部的氧化物面积率如下定义。即,将通过进行电阻焊部的夏氏冲击试验而得到的断面利用电子显微镜以倍率500倍以上观察至少10视野,将在该断面内观察的包含氧化物的凹陷断面部分进行分类,测定其总面积,将其相对于视野总面积的比例作为氧化物面积率。
所述发现的最适条件是,从被焊接部17上端至气体放出口85A、85B的高度即喷嘴高度H为5mm以上且300mm以下(参照图5(C)),且当将来自位于两端的一对第一气体放出口85A的气体放出流速设为A(m/s)、将来自其余的第二气体放出口85B的气体放出流速设为B(m/s)时,B为0.5~50m/s,且在满足0.010≤B/A≤10的条件下喷吹保护气体。而且,本发明者们发现了除了上述坡口加工条件之外,通过采用这些气体保护条件而使焊接部的宽度充分窄,能得到在上述(i)~(iii)的各位置不含有凝固组织的包层钢管的情况。
当所述喷嘴高度H超过300mm时,保护气体未充分地到达被焊接部17,因此被焊接部17的氧浓度未成为0.01质量%以下,得不到断裂特性优异的焊接部。另一方面,当所述喷嘴高度H低于5mm时,由于来自被加热的被焊接部17的辐射热而气体放出口85A、85B容易损伤,进而在被焊接部17产生的溅射发生碰撞而喷嘴81的耐久性劣化。
当流速B过小时,保护气体向周围扩散,被焊接部17的气体保护变得不充分,因此被焊接部17的氧浓度未成为0.01质量%以下,得不到断裂特性优异的焊接部。另一方面,当流速B过大时,保护气体的势头过强,产生向被焊接部17的端面间的大气卷入。由此,所述流速B处于0.5~50m/s为适当范围。需要说明的是,在中央的第二气体放出口85B存在多个时(例如图3(B)、(C)等),各个第二气体放出口处的流速B未必非要为相同的值,只要为所述适当范围内即可,也可以为互不相同的值。
然而,即使将流速B保持为所述适当范围,当流速B与流速A之比即气体流速比B/A不适当时,如图7所示,产生大气卷入87。
即,如图7(A)所示,在B/A<0.010的情况下,来自两端的第一气体放出口85A的气流过强,且来自中央的第二气体放出口85B的气流过弱,因此来自两端的第一气体放出口85A的气流在原管16的外表面反射而向上方偏转,其反射区域的气体流速接近于零,沿着原管16的外表面产生大气卷入87。其结果是,被焊接部17的氧浓度无法充分减少,得不到断裂特性优异的焊接部。
另一方面,如图7(C)所示,在B/A>10的情况下,来自中央的第二气体放出口85B的气流过强,且来自两端的第一气体放出口85A的气流过弱,因此通过来自中央的第二气体放出口85B的气流而将大气向被焊接部17的端面间拉入,容易导致大气卷入87。其结果是,被焊接部17的氧浓度无法充分减少,得不到断裂特性优异的焊接部。
相对于此,如图7(B)所示,通过设为0.010≤B/A≤10,保护气体86不会过剩与不足地充满在被焊接部17的端面间,也没有大气卷入。其结果是,被焊接部17的氧浓度成为0.01质量%以下,能得到断裂特性优异的焊接部。中央的第二气体放出口85B存在多个,在各个第二气体放出口处的流速为互不相同的值时,只要将其中的最大的流速作为“流速B”而计算的B/A满足上述条件即可。
图8是作为一例,表示喷嘴高度H=50mm,在0.5≤B≤50的适当范围下对气体流速比B/A进行各种改变,向被焊接部17喷吹保护气体86,在被焊接部17的端面间的中间位置处测定了氧浓度的结果的坐标图。需要说明的是,管外表面侧的母材是厚度为16mm的低碳低合金钢,管内表面侧的对合材料使用了厚度为4mm的奥氏体系不锈钢(SUS316L)即不锈钢包层钢带。
根据图8,在0.5≤B≤50的适当范围下,通过将气体流速比B/A设为0.010≤B/A≤10,被焊接部的氧浓度0.01质量%以下能够具有大的富余度(即可靠地)地清除。而且,根据图8,当形成为0.03≤B/A≤5时,能够实现更低的氧浓度水平即0.001~0.0001质量%,因此优选。
关于其结果,确认到即使喷嘴高度H等其他的条件改变也同样的情况。
图9是表示被焊接部的氧浓度与包层钢管的90°扁平试验中的扁平值h/D的关系的坐标图。所述坐标图所示的数据通过以下的次序得到。首先,以各种被焊接部的氧浓度对不锈钢包层钢带进行电阻焊,制造了电阻焊不锈钢包层钢管。作为所述不锈钢包层钢带,使用了由第一层和第二层构成的包层钢带,所述第一层由作为母材的低碳低合金钢构成且厚度为5mm,所述第二层由作为对合材料的奥氏体系不锈钢(SUS316L)构成且厚度为2mm。所述电阻焊不锈钢包层钢管以所述第一层成为管外表面侧且所述第二层成为管内表面侧的方式制造。在所述电阻焊中,为了避免图15(A)所示的母材的向管内表面的露出而将顶锻量设为不锈钢包层钢带的板厚以下的1.0mm。接下来,从得到的电阻焊不锈钢包层钢管中选取长度50mm的试验片,进行遵照JIS G 3445的规定的90°扁平试验,求出了扁平值h/D。
其结果是可知,如图9所示,在被焊接部的氧浓度为0.01质量%以下的气氛下制造出的电阻焊不锈钢包层钢管的90°扁平试验中的扁平值h/D(h:扁平破裂高度,D:管外径)小于0.3,具有断裂特性优异的焊接部。
然而,关于将气体放出口85A、85B全层合并而成的形状,当形成为尺寸的通管方向X成分即长度为30mm以上、尺寸的原管对接方向Y成分即宽度(图5(C)中的总计宽度R)为5mm以上的矩形形状时,向被焊接部17的气体喷吹能够更加均匀,因此优选。
另外,如图5(C)所示,全部的所述气体放出口85A、85B的总计宽度R相对于所述气体放出口的紧下方的所述原管的对接部的最大间隔W,优选满足R/W>1.0的关系。这是因为,能够更快速地减少被焊接部17的氧浓度。
在本实施方式中,保护气体由惰性气体及还原性气体中的至少一种构成。
在此所说的惰性气体是指氮气、氦气、氩气、氖气、氙气等、或者将它们中的2种以上混合而成的混合气体等。
作为保护气体,当使用含有0.1质量%以上的还原性气体的气体时,抑制成为过烧的原因的氧化物的生成的效果更强,能够更大地提高焊接部的韧性或强度,因此优选。在此所说的还原性气体是指氢气、一氧化碳气体、甲烷气体、丙烷气体等、或者将它们中的2种以上混合而成的混合气体。需要说明的是,作为含有0.1质量%以上的还原性气体的气体,优选仅由还原性气体构成的组成、或者含有0.1质量%以上的还原性气体且其余部分由惰性气体构成的组成。
另外,从获得容易性及廉价性的点出发,优选使用如下的气体作为保护气体。
(1)惰性气体单独使用的情况:(G1)氮气、氦气、氩气中的任意1种或其中2种以上的混合气体
(2)还原性气体单独使用的情况:(G2)氢气、一氧化碳气体中的任意1种或其中2种的混合气体
(3)惰性气体与还原性气体的混合气体使用的情况:所述(G1)与(G2)的混合气体
需要说明的是,特别是使用包含氢气及/或一氧化碳气体的气体的情况下,当然应采取无遗漏的安全对策。
通过如以上那样控制保护气体条件,能够显著减少焊接部的氧浓度,其结果是,能够抑制过烧的生成。
(顶锻量)
如上所述,在本发明中能抑制过烧的生成,因此不需要使顶锻量过大。因此,在本实施方式中,将顶锻量设为包层钢带的厚度t以下。由此,能够防止在焊接部处母材向钢管的对合材料侧表面露出。另一方面,关于顶锻量的下限没有特别限定,但是从可靠地进行焊接并将稍微生成的过烧排出这样的观点出发,优选将顶锻量设为包层钢带的厚度的20%以上。需要说明的是,由挤压辊产生的顶锻量通过测定了比挤压辊靠近跟前的管的外周长度之后,测定利用挤压辊进行焊接而切削了外表面的焊道部之后的管的外周长度,计算两者之差,由此来求出。
通过如上所述控制坡口加工、保护气体及顶锻量的各条件的组合,能够完全防止母材向对合材料侧的表面露出的情况。因此,不用如现有技术那样进行堆焊或熔融/凝固处理等后处理,能够得到耐蚀性等性能优异的电阻焊包层钢管。而且,能够显著减少形成凝固组织的区域,能够制造出在上述的(i)~(iii)的位置不存在凝固组织的电阻焊包层钢管。
需要说明的是,在上述实施方式中,示出了以作为对合材料的第二层12为内层、以作为母材的第一层11为外层而制造包层钢管的例子,但是本发明没有限定于此,也可以将作为对合材料的第二层作为外层、将作为母材的第一层作为内层。即使在这种情况下,通过从作为对合材料的第二层侧进行压入加工来形成Y形坡口,也能够得到同样的作用效果。
[焊接后热处理]
在本发明的一实施方式中,可以在所述电阻焊后,进而对电阻焊包层钢管进行热处理,接下来进行冷却。
所述热处理通过以下的条件来实施。
·所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面的加热温度:750~1250℃,
·所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面的所述加热温度下的保持时间:10秒以上,
·所述电阻焊包层钢管的母材侧表面的加热温度:750~1200℃,及
·所述电阻焊包层钢管的母材侧表面的所述加热温度下的保持时间:10秒以上。
另外,所述冷却按照以下的条件实施。
·所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度:4~100℃/sec,
·所述电阻焊包层钢管的母材侧表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度:8~70℃/sec。
·对合材料侧的条件
对合材料的加热温度小于750℃的话,由于敏锐化而耐蚀性下降。另一方面,超过1250℃的话,晶粒粗大化,在之后的冷却过程中容易敏锐化。而且,保持时间小于10秒的话,加热过程中的敏锐化无法消除。从750℃至400℃之间的平均冷却速度小于4℃/sec的话,在冷却过程中发生敏锐化,耐蚀性下降。另一方面,所述平均冷却速度超过100℃/sec的话,由于因急速冷却而产生的应变,而应力腐蚀破裂感受性升高。
·母材侧的条件
母材的加热温度小于750℃、保持时间小于10秒的话,焊接部组织未健全化,加工性、韧性不足。另一方面,母材的加热温度超过1200℃的话,晶粒粗大化,韧性下降。母材的从750℃至400℃之间的平均冷却速度小于8℃/sec的话,由于铁素体-珠光体的生成而强度不足。另一方面,所述平均冷却速度超过70℃/sec的话,由于马氏体的生成而韧性不足。
通过按照以上的条件进行热处理和冷却,能够将焊接部附近的母材组织形成为铁素体及贝氏体主体的组织,并将铁素体和贝氏体的平均粒径设为15μm以下,其结果是,能够进一步提高焊接部的韧性。
(第二实施方式)
接下来,说明电阻焊包层钢管为三层包层钢管的情况。需要说明的是,在以下的说明中,关于未特别提及的事项,在本第二实施方式中也可以与上述第一实施方式同样。
[电阻焊包层钢管]
参照图10,说明本发明的第二实施方式的电阻焊包层钢管20。本实施方式的电阻焊包层钢管20是由第一层11、第二层12A及第三层12B构成的三层电阻焊包层钢管(以下,有时仅称为“包层钢管”),所述第一层11由母材构成,所述第二层12A在所述第一层的一个面上层叠,所述第三层12B在所述第一层的另一个面上层叠。
在本实施方式中,也是可以使用与上述第一实施方式同样的材料作为所述母材及所述对合材料。构成第二层的对合材料与构成第三层的对合材料可以相同,也可以不同。需要说明的是,在以下的说明中,有时将构成第二层的对合材料称为“第一对合材料”,将构成第三层的对合材料称为“第二对合材料”。
在本实施方式的电阻焊包层钢管中,使用机械特性优异且比较廉价的碳钢或低合金钢作为母材,另一方面,内表面及外表面由耐蚀性优异的不锈钢或含镍合金构成。因此,所述包层钢管兼具由母材得来的强度等的特性和由对合材料得来的耐蚀性。而且,内表面和外表面这两方由高耐蚀性的材料构成,因此不仅是腐蚀性高的流体在该包层钢管的内部流动的情况,即使是在腐蚀性气氛中可使用该包层钢管的情况下,也能够发挥优异的耐蚀性。
(母材的露出)
本实施方式的包层钢管的特征在于,在焊接部处母材向内表面及外表面均未露出。如图15(B)所示,母材向钢管的表面露出时,该露出部的耐蚀性等特性下降,因此即便是包层钢管,也无法发挥本来应期待的性能。相对于此,在本发明中,母材未向表面露出,因此作为包层钢管的功能不会受损。
(凝固组织)
本实施方式的包层钢管与第一实施方式的包层钢管同样,在以如下的(i)~(iii)的位置为中心的、与管长度方向垂直的面上的半径0.1mm的圆形截面分别不含有凝固组织。
(i)所述焊接部的距所述电阻焊包层钢管的外表面为深度1mm的位置,从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
(ii)所述焊接部的所述电阻焊包层钢管的厚度方向上的中央的位置,从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
(iii)所述焊接部的距所述电阻焊包层钢管的内表面为深度1mm的位置,从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置
与上述(i)~(iii)对应的位置如图10所示。在电阻焊包层钢管20的焊接部存在有利用电阻焊形成的焊接金属15A、15B。(i)~(iii)分别对应于焊接部的距包层钢管的外表面为深度1mm的位置、包层钢管的厚度方向上的中央(1/2t)的位置、及距包层钢管的内表面为深度1mm的位置。并且,所述(i)~(iii)是在各个深度位置处距所述焊接金属的管周方向上的宽度的中央14A如L所示沿该焊接金属的宽度方向分离了0.3mm的位置。需要说明的是,图10是用于说明本发明的示意图,未基于实际的尺寸比率。
并且,本发明的特征在于,在以上述(i)~(iii)的位置为中心的与管长度方向垂直的面上的半径0.1mm的圆形截面C分别不含有凝固组织。如上所述,在距焊接金属的宽度方向中心14A为0.3mm的较近的位置不存在凝固组织的情况是指将由于焊接而特性劣化的部位的宽度抑制得极窄的情况。因此,满足上述条件的包层钢管具有优异的韧性等机械特性。
需要说明的是,在图10中,在与管长度方向垂直的截面中仅在焊接金属的一方(图中的右侧)示出上述(i)~(iii)的位置,但是实际上,在隔着焊接金属的相反侧(图中的左侧)也存在对应的位置。在本发明中,至少需要在一方侧满足上述条件,优选在两侧满足上述条件。然而,在一般的焊接条件中,焊接产生的影响左右对称地出现,因此如果在焊接金属的一方侧满足本申请发明的条件,则可以看作在相反侧也满足相同的条件。
在本实施方式中,焊接金属的特定和是否包含凝固组织的判定也可以通过与上述第一实施方式同样的方法进行。
此外,在本发明中,所述(ii)的位置处的金属组织优选为铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上,且铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织。所述上述条件是规定板厚中央位置即(ii)的位置的金属组织的条件。
铁素体及贝氏体的总计面积率:90%以上
通过将上述位置处的金属组织设为以铁素体及贝氏体为主体,即使在焊接部,也能够得到强度、韧性、延展性优异的钢管。另一方面,所述总计面积率的上限没有特别限定,可以为100%。
铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下
通过将铁素体及贝氏体的平均粒径设为15μm以下,能够得到焊接部的强度、韧性优异的钢管。而且,更优选为12μm以下。另一方面,所述平均粒径的下限值没有特别限定,但是在工业上为0.5μm以上。
[制造方法]
上述那样的本发明的第二实施方式的包层钢管可以通过以下说明的特定条件下的电阻焊制造。
在本第二实施方式中,也与上述第一实施方式同样,使用图2所示的设备,能够制造出电阻焊包层钢管。关于这种情况下的制造工序,也可以设为与上述第一实施方式中叙述的情况同样。
在本实施方式中,如图11(A)所示,示出使用由第一层11、压接于第一层的第二层12A、压接于第一层的第三层12B构成的包层钢带10,以第二层12A成为内侧且第三层12B成为外侧的方式进行电阻焊的例子,所述第一层11由母材构成。
(坡口加工)
在本实施方式中,对包层钢带的宽度方向两端部实施坡口加工而形成坡口。关于所述坡口加工,以下,参照图11(A)进行说明。
在所述坡口加工中,从第二层12A侧及第三层12B侧对包层钢带10的宽度方向两端部进行压入加工。形成的坡口是图11(A)所示那样的X形坡口,除了与上述第一实施方式同样的下述(i)~(iv)的条件之外,还满足下述(v)~(viii)的条件。
(i)作为第二层12A与第一层11的界面的包层界面13A从第二层侧朝向包层钢带的厚度中心侧。
(ii)所述第二层侧的坡口角度θ1为10°以上且50°以下。
(iii)坡口深度d1为包层钢带的厚度t的10%以上且45%以下。
(iv)通过下述(1)式定义的投影包层比率R1为25%以上且50%以下。
R1=(tc1 *+d1)/t×100(%)…(1)
在此,R1:投影包层比率(第二层侧)
tc1 *:钝边中的所述第二层的厚度(mm)
d1:第二层侧的坡口深度(mm)
t:所述包层钢带的厚度(mm)
(v)第三层12B与第一层11的包层界面13B从第三层侧朝向所述包层钢带的厚度中心侧。
(vi)第三层侧的坡口角度θ2为10°以上且50°以下。
(vii)坡口深度d2为所述包层钢带的厚度t的10%以上且45%以下。
(viii)以下述(2)式定义的投影包层比率R2为25%以上且50%以下。
R2=(tc2 *+d2)/t×100(%)…(2)
在此,R2:投影包层比率(第三层侧)
tc2 *:钝边中的所述第三层的厚度(mm)
d2:第三层侧的坡口深度(mm)
t:所述包层钢带的厚度(mm)
在此,不是将包层钢带10的宽度方向两端部的第二层侧角部及第三层侧角部切落而作为X形坡口,从第二层12A侧及第三层12B侧对包层钢带10的宽度方向两端部进行压入加工的情况至关重要。其结果是,包层界面13A从第二层侧被向包层钢带的厚度中心侧压入,包层界面13B从第三层侧被向包层钢带的厚度中心侧压入。除此之外,将坡口角度θ1、θ2、坡口深度d1、d2及投影包层比率R1、R2设为上述的范围。由此,在电阻焊后,能够抑制母材的熔融钢及热影响部向第一对合材料及第二对合材料的焊缝部侵入的情况。其结果是,能得到在焊接部处母材不会向钢管的内表面及外表面露出,在切削了焊接部的内表面焊道之后,具有包含焊接部在内而遍及整面地由对合材料包覆的内表面及外表面的电阻焊包层钢管。
另外,上述坡口形状不存在电流集中的角部,因此能实现被焊接部整体的温度分布的均匀化。并且,其结果是,从焊接部促进过烧的排出,结果是能够防止焊接部的韧性及强度的下降。
在坡口角度θ1或θ2小于10°的情况下,无法确保被焊接部整体的温度分布的均匀性,结果是过烧的排出容易变得不充分,因此焊接部的韧性、强度等特性变得不充分。
另一方面,在坡口角度θ1或θ2超过50°的情况下,抑制母材的熔融钢及热影响部向对合材料的焊缝部的侵入的效果变得不充分,在焊接部处母材向钢管的内表面及外表面露出的倾向升高。
在坡口深度d1或d2小于包层钢带的厚度t的10%的情况下,抑制母材的熔融钢及热影响部向对合材料的焊缝部的侵入的效果变得不充分,在焊接部处母材向钢管的内表面及外表面露出的倾向升高。
另一方面,在坡口深度d1或d2超过包层钢带的厚度t的45%的情况下,焊接部的组成成为与对合材料的组成接近的高合金组成,因此焊接部的韧性、强度等特性变得不充分。
需要说明的是,从以更高的水平同时实现母材未向钢管表面露出的情况及不使焊接部的特性下降的情况的观点出发,坡口角度θ1优选设为15°以上。而且,坡口角度θ1优选设为35°以下。从同样的理由出发,坡口角度θ2优选设为15°以上。而且,坡口角度θ2优选设为35°以下。而且,坡口深度d1优选设为包层钢带的厚度t的15%以上。而且,坡口深度d1优选设为35%以下。坡口深度d2优选设为包层钢带的厚度t的15%以上。而且,坡口深度d2优选设为35%以下。
此外,在本实施方式中,将上述(1)式定义的投影包层比率R1及以上述(2)式定义的投影包层比率R2设为25%以上且50%以下的情况也非常重要。在投影包层比率R1及R2中的至少一方小于25%的情况下,抑制母材的熔融钢及热影响部向对合材料的焊缝部的侵入的效果变得不充分,在焊接部处母材向钢管的表面露出。而且,在本实施方式那样的三层包层钢管中,投影包层比率R1及R2的物理性上限成为50%。
通过设为满足以上的全部条件的坡口形状,能够抑制熔融的母材向对合材料侧的表面露出的情况,并能够改善焊接部的机械特性。
本实施方式的坡口加工可以使用例如图12所示那样的结构的坡口加工机40来进行。坡口加工机40是能够对移动的包层钢带10连续地进行加工的轧制式坡口加工机,上侧侧辊42及下侧侧辊44分别左右一对地配置。如图12那样,上侧侧辊42具有朝向上侧呈锥状地成为大径的轧制部42A,下侧侧辊44具有朝向下侧呈锥状地成为大径的轧制部44A,由此能够将包层钢带10的宽度方向两端部形成为X形坡口。
通过变更轧制部42A、44A的锥形形状,能够将包层钢带的宽度方向端部的坡口形状形成为所希望的形状。而且,如图11(A)所示,投影包层比率R1依赖于包层钢带10中的第一层(母材)的厚度tm与第二层的厚度tc1之比、由压入加工产生的坡口形状。而且,投影包层比率R2依赖于包层钢带10的第一层(母材)的厚度tm与第三层的厚度tc2之比、由压入加工产生的坡口形状。由此,通过适当地选择上述比,并变更轧制部42A、44A的锥形形状而形成为适当的坡口形状,从而能够使投影包层比率R1及R2成为所希望的值。
(气体保护)
接下来,如图13(A)、(C)所示,将包层钢带10成形为管状而作为原管(开管)16。然后,向原管的相对的一对对接部(被焊接部)17实施气体保护,将一对对接部17进行对接加压,进行电阻焊,从而得到包层钢管20。
所述气体保护可以通过与上述第一实施方式的方法同样的方法进行(参照图13、图14)。而且,关于保护气体的条件,也可以设为与上述第一实施方式的条件同样。需要说明的是,即使在三层包层钢管的情况下,被焊接部的氧浓度与包层钢管的90°扁平试验的扁平值h/D的关系也显示出与第一实施方式同样的倾向(图9)。
(顶锻量)
如上所述,在本发明中由于过烧的生成被抑制,因此不需要使顶锻量过大。因此,在本实施方式中,将顶锻量设为包层钢带的厚度t以下。由此,能够防止在焊接部处母材向钢管表面露出的情况。另一方面,关于顶锻量的下限没有特别限定,但是从可靠地进行焊接并将稍微生成的过烧排出的观点出发,优选将顶锻量设为包层钢带的厚度的20%以上。需要说明的是,由挤压辊产生的顶锻量通过在测定了比挤压辊靠近跟前的管的外周长度之后,测定利用挤压辊进行焊接而切削了外表面的焊道部之后的管的外周长度,计算两者之差,由此来求出。
如上所述,通过控制坡口加工、保护气体及顶锻量的各条件的组合,能够完全防止母材向对合材料侧的表面露出的情况。因此,不用如现有技术那样进行堆焊或熔融/凝固处理等后处理,而能够得到耐蚀性等性能优异的电阻焊包层钢管。而且,能够制造出显著减少形成凝固组织的区域且在上述的(i)~(iii)的位置不存在凝固组织的电阻焊包层钢管。
[焊接后热处理]
在本发明的一实施方式中,可以在所述电阻焊后,进而对电阻焊包层钢管进行热处理,接下来进行冷却。
所述热处理通过以下的条件实施。
·所述电阻焊包层钢管的内表面及外表面的加热温度:750~1250℃,
·所述电阻焊包层钢管的内表面及外表面的所述加热温度下的保持时间:10秒以上,
·所述电阻焊包层钢管的壁厚中心位置处的加热温度:750~1200℃,及,
·所述电阻焊包层钢管的壁厚中心位置处的加热温度下的保持时间:10秒以上。
另外,所述冷却通过以下的条件实施。
·所述电阻焊包层钢管的内表面及外表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度:4~100℃/sec,
·所述电阻焊包层钢管的壁厚中心位置处的从750℃至400℃之间的平均冷却速度:8~70℃/sec。
·内表面及外表面的条件
钢管的内表面及外表面即对合材料的表面的加热温度小于750℃的话,由于敏锐化而耐蚀性下降。另一方面,所述加热温度超过1250℃的话,晶粒粗大化,在之后的冷却过程中容易敏锐化。而且,保持时间小于10秒的话,加热过程中的敏锐化不会解除。从750℃至400℃之间的平均冷却速度小于4℃/sec的话,在冷却过程中发生敏锐化,耐蚀性下降。另一方面,所述平均冷却速度超过100℃/sec的话,由于因急速冷却所产生的应变而应力腐蚀破裂感受性升高。
·壁厚中心位置处的条件
在钢管的壁厚中央位置存在母材。所述位置处的加热温度小于750℃、保持时间小于10秒的话,焊接部组织未健全化,加工性、韧性不足。另一方面,壁厚中央位置的加热温度超过1200℃的话,晶粒粗大化,韧性下降。壁厚中央位置处的从750℃至400℃之间的平均冷却速度小于8℃/sec的话,由于铁素体-珠光体的生成而强度不足。另一方面,所述平均冷却速度超过70℃/sec的话,由于马氏体的生成而韧性不足。
通过利用以上的条件进行热处理和冷却,能够使焊接部附近的母材组织成为铁素体及贝氏体主体的组织,并能够使铁素体和贝氏体的平均粒径为15μm以下,其结果是,能够进一步提高焊接部的韧性。
实施例
(实施例1)
按照以下的次序制造了电阻焊双层包层钢管。首先,制成了由第一层和第二层构成的双层的包层热轧钢带,所述第一层由具有表1所示的成分组成的对合材料构成,所述第二层由具有表2所示的成分组成的母材构成。所述第一层和第二层的厚度分别如表3所示。
接下来,通过图2所示的电阻焊钢管制造设备,以准备的包层钢带为原料,以母材为管外表面侧,以对合材料为管内表面侧,按照各种条件制造了外径400mm的包层钢管。此时,通过轧制式坡口加工机40,对包层钢带的宽度方向两端部进行坡口加工,将该宽度方向两端部形成为表1所示的形状的Y形坡口。
电阻焊时的顶锻量如表1所示。而且,在电阻焊时向被焊接部的气体保护使用图5(A)~(C)所示的喷嘴,在表1所示的喷嘴高度H、气体放出流速B、流速比B/A的条件下进行。保护气体设为氮。
然后,在表3所示的条件下进行了焊接后热处理。
分别关于得到的电阻焊包层钢管,通过以下的方法评价了凝固组织的有无、母材的露出的有无、铁素体与贝氏体的总计面积率、及铁素体与贝氏体的平均粒径。得到的结果如表4所示。需要说明的是,在以下的测定中,关于凝固组织的有无、面积率及平均粒径,与管长度方向垂直的截面的隔着焊接金属的左右两侧的测定结果相同。
(凝固组织)
基于通过光学显微镜以400倍拍摄了规定的区域的图像,判定了上述(i)~(iii)的各位置处的凝固组织的有无。
(母材的露出)
利用蚀刻液使得到的电阻焊包层钢管的与管长度方向垂直的截面腐蚀,在对合材料侧表面完全未被腐蚀的区域(即,对合材料)连续地覆盖的情况下,判断为没有母材的露出。另一方面,在并非这样的情况下,即在对合材料侧表面观察到腐蚀的区域的情况下,判断为存在母材的露出。
(面积率)
对试验片进行研磨,通过使用了蚀刻液的蚀刻使组织出现,使用光学显微镜得到了400倍的金属组织的图像。使用图像解析装置,求出了铁素体、贝氏体的总计的面积率。
(平均粒径)
从得到的电阻焊包层钢管分别以上述(i)~(iii)的各位置成为观察位置的方式选取了试验片。接下来,通过使用了蚀刻液的蚀刻,使试验片表面的晶界出现,使用光学显微镜得到了金属组织的图像。从所述图像,利用ASTM E112记载的切断法测定结晶粒径,将公称粒径作为平均结晶粒径。
此外,为了评价所得到的电阻焊包层钢管的焊接部的韧性和对合材料的耐蚀性而进行了以下的试验。得到的结果一并表示在表4中。
(韧性)
以试验片长度方向成为钢管的圆周方向、凹口位置成为焊接部、凹口方向成为钢管的长度方向的方式选取V凹口试验片,遵照ASTM A370的规定,实施夏氏冲击试验,求出了断面转化温度vTrs(℃)。使用得到的vTrs的值,基于以下的基准而评价了焊接部的韧性。
◎:vTrs:-45℃以下
○:vTrs:超过-45℃且-30℃以下
×:vTrs:超过-30℃
(对合材料的耐蚀性)
按照API specification 5LD,4th Edition,通过遵照ASTM A262-13,Practice E的硫酸/硫酸铜腐蚀试验,评价了对合材料的耐蚀性。为了评价对合材料的耐蚀性,将对合材料侧保留而将母材侧通过磨削去除,仅将对合材料作为试验片。关于耐蚀性的评价,目视观察试验后的试验片,或者根据需要通过实体显微镜等以10倍的倍率观察,将未观察到破裂的试验片作为合格(○),将观察到破裂的试验片作为不合格(×)。此外,通过ASTM G48-A记载的氯化铁腐蚀试验也评价了合格的试验片的耐蚀性。将72小时的腐蚀试验中的腐蚀减少量小于0.5g/m2的试验片作为优(◎)。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
表4
从表4所示的结果可知,满足本发明的条件的电阻焊包层钢管具有焊接部的韧性优异且在包层钢管要求的耐蚀性的方面也优异的性能。而且,在特定条件下进行焊接后热处理,通过将母材部分的金属组织设为铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上、铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织,能够进一步提高焊接部的韧性。
(实施例2)
按照以下的次序制造了电阻焊三层包层钢管。首先,制造了将由具有表5所示的成分组成的对合材料构成的第二层及第三层接合于由具有表6所示的成分组成的母材构成的第一层的各自的面上的三层的包层热轧钢带。所述第一层~第三层的厚度分别如表7所示。
接下来,通过图2所示的电阻焊钢管制造设备,以准备的包层钢带为原料,以第二层成为内表面的方式在各种条件下制造了外径400mm的包层钢管。此时,通过轧制式坡口加工机40,对包层钢带的宽度方向两端部进行坡口加工,将该宽度方向两端部形成为表7所示的形状的X形坡口。
电阻焊时的顶锻量如表7所示。而且,在电阻焊时向被焊接部的气体保护使用图13(A)~(C)所示的喷嘴,在表7所示的喷嘴高度H、气体放出流速B、流速比B/A的条件下进行。保护气体设为氮。
然后,在表8所示的条件下进行了焊接后热处理。
分别关于得到的电阻焊包层钢管,通过以下的方法评价了凝固组织的有无、母材的露出的有无、铁素体与贝氏体的总计面积率、及铁素体与贝氏体的平均粒径。得到的结果如表9所示。需要说明的是,在以下的测定中,关于凝固组织的有无、面积率及平均粒径,与管长度方向垂直的截面的隔着焊接金属的左右两侧的测定结果相同。
(凝固组织)
基于通过光学显微镜以400倍拍摄了规定的区域的图像,判定了上述(i)~(iii)的各位置处的凝固组织的有无。
(母材的露出)
利用蚀刻液使得到的电阻焊包层钢管的与管长度方向垂直的截面腐蚀,在该包层钢管的内表面和外表面这两者完全未被腐蚀的区域(即,对合材料)连续覆盖的情况下,判断为没有母材的露出。另一方面,在并非如此的情况下,即在内表面和外表面中的任一方或两方观察到腐蚀的区域的情况下,判断为存在母材的露出。
(面积率)
从各电阻焊包层钢管以上述(ii)的位置成为观察位置的方式选取了试验片。接下来,对所述试验片进行研磨,通过使用了蚀刻液的蚀刻而组织出现,使用光学显微镜得到了400倍的金属组织的图像。使用图像解析装置对所述图像进行解析,求出了铁素体及贝氏体的总计面积率。
(平均粒径)
从得到的电阻焊包层钢管分别以上述(ii)的位置成为观察位置的方式选取了试验片。接下来,通过使用了蚀刻液的蚀刻,使试验片表面的晶界出现,使用光学显微镜得到了金属组织的图像。从所述图像,通过ASTM E112记载的切断法来测定结晶粒径,将公称粒径作为平均结晶粒径。
此外,为了评价得到的电阻焊包层钢管的焊接部的韧性和对合材料的耐蚀性而进行了以下的试验。得到的结果一并表示在表9中。
(韧性)
以使试验片长度方向成为钢管的圆周方向、凹口位置成为焊接部、凹口方向成为钢管的长度方向的方式,选取V凹口试验片,遵照ASTM A370的规定,实施夏氏冲击试验,求出了断面转化温度vTrs(℃)。使用得到的vTrs的值,基于以下的基准,评价了焊接部的韧性。
◎:vTrs:-45℃以下
○:vTrs:超过-45℃且-30℃以下
×:vTrs:超过-30℃
(对合材料的耐蚀性)
按照API specification 5LD、4th Edition,通过遵照ASTM A262-13,Practice E的硫酸/硫酸铜腐蚀试验评价了对合材料的耐蚀性。为了评价对合材料的耐蚀性,将对合材料侧保留而将母材侧通过磨削去除,仅将对合材料作为试验片。关于耐蚀性的评价,目视观察试验后的试验片,或者根据需要而通过实体显微镜等以10倍的倍率观察,将未观察到破裂的试验片作为合格(○),将观察到破裂的试验片作为不合格(×)。此外,通过ASTM G48-A记载的氯化铁腐蚀试验也评价了合格的试验片的耐蚀性。将72小时的腐蚀试验的腐蚀减少量小于0.5g/m2的试验片作为优(◎)。
[表5]
[表6]
[表7]
表7
[表8]
表8
[表9]
表9
从表9所示的结果可知,满足本发明的条件的电阻焊包层钢管具有焊接部的韧性优异且在包层钢管要求的耐蚀性的方面也优异的性能。而且,在特定条件下进行焊接后热处理,通过使壁厚中央位置的母材部分的金属组织成为铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上,铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织,能够进一步提高焊接部的韧性。
工业实用性
根据本发明的包层钢管的制造方法,能够制造出在焊接部之中也能减少特别是形成对特性的影响大的凝固组织的区域,且作为包层管的功能也不会受损的包层钢管。
标号说明
10 包层钢带
11 第一层(母材)
12 第二层(对合材料)
12A 第二层(对合材料)
12B 第三层(对合材料)
13 包层界面
13A 第一层与第二层的包层界面
13B 第一层与第三层的包层界面
14 焊缝部
14A 焊接金属的管周方向上的宽度的中央
15A~C 焊接金属
16 原管(开管)
17 被焊接部(原管的对接部)
18 原管的对接部加热起点
19 焊接点
20 电阻焊包层钢管
30 开卷机
40 坡口加工机
42 上侧侧辊
42A 轧制部
44 下侧侧辊
50 辊成形机
60 高频加热装置
70 挤压辊
80 保护气体喷吹装置
81 保护气体喷吹喷嘴
82 气体配管
83 气流调整器
84A 第一分割喷嘴(两端)
84B 第二分割喷嘴(中央)
85A 第一气体放出口(两端)
85B 第二气体放出口(中央)
86 保护气体
87 大气卷入
90 焊道切削机
96 切断机
X 通管方向
Y 原管的对接方向
θ1 第二层侧的坡口角度
θ2 第三层侧的坡口角度
d1 第二层侧的坡口深度
d2 第三层侧的坡口深度
t 包层钢带(钢管)的厚度
tm 第一层(母材)的厚度
tc1 第二层的厚度
tc1 * 钝边中的第二层的厚度
tw1 焊缝部的第二层的厚度
tc2 第三层的厚度
tc2 * 钝边中的第三层的厚度
tw2 焊缝部的第三层的厚度
C 与管长度方向垂直的面的半径0.1mm的圆形截面
L 弧长0.3mm的圆弧。

Claims (19)

1.一种电阻焊包层钢管,具有:第一层,由作为母材的碳钢或低合金钢构成;及第二层,层叠在所述第一层的一个面上,由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成,其中,
在焊接部处所述母材未向所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面露出,
在以如下的(i)~(iii)的位置为中心的、与管长度方向垂直的面中的半径为0.1mm的圆形截面分别不含有凝固组织,
(i)所述焊接部中的距所述电阻焊包层钢管的外表面为深度1mm的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置;
(ii)所述焊接部中的所述电阻焊包层钢管的厚度方向上的中央的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置;
(iii)所述焊接部中的距所述电阻焊包层钢管的内表面为深度1mm的位置,且从焊接金属的管周方向上的宽度的中央沿该焊接金属的宽度方向为0.3mm的位置。
2.根据权利要求1所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述电阻焊包层钢管由所述第一层和所述第二层构成。
3.根据权利要求2所述的电阻焊包层钢管,其中,
(A)所述第一层配置在所述电阻焊包层钢管的外侧,且所述(i)及(ii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上且铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织,
或者,
(B)所述第一层配置在所述电阻焊包层钢管的内侧,且所述(ii)及(iii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上且铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织。
4.根据权利要求1所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述电阻焊包层钢管由所述第一层、所述第二层及第三层构成,所述第三层层叠在所述第一层的另一个面上且由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成。
5.根据权利要求4所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述(ii)的位置处的金属组织是铁素体及贝氏体的总计面积率为90%以上且铁素体及贝氏体的平均粒径为15μm以下的金属组织。
6.根据权利要求1~5中任一项所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料是具有如下成分组成的不锈钢,
以质量%计含有:
C:0.15%以下、
Si:5.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.1%以下、
S:0.1%以下、
Ni:1.0%以下、
Cr:11.0%以上、及
N:0.5%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
7.根据权利要求1~5中任一项所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料是具有如下成分组成的不锈钢或含镍合金,
以质量%计含有:
C:0.15%以下、
Si:5.0%以下、
Mn:2.0%以下、
P:0.1%以下、
S:0.1%以下、
Ni:6.0%以上、
Cr:15.0%以上、及
N:0.5%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
8.根据权利要求6或7所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料的成分组成还含有选自以质量%计由Mo:20.0%以下、Cu:5.0%以下、Al:2.0%以下、Co:3.0%以下、W:5.0%以下、及Ta:5.0%以下构成的组中的一个或两个以上。
9.根据权利要求6~8中任一项所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料的成分组成还含有选自以质量%计由Ti:2.0%以下、Nb:5.0%以下、V:2.0%以下、及Zr:2.0%以下构成的组中的一个或两个以上。
10.根据权利要求6~9中任一项所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述对合材料的成分组成还含有选自以质量%计由B:0.0050%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0030%以下、及REM:0.10%以下构成的组中的一个或两个以上。
11.根据权利要求1~10中任一项所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述母材是具有如下成分组成的碳钢或低合金钢,
以质量%计含有:
C:0.02~0.20%、
Si:0.01~1.0%、
Mn:0.1~2.0%、
P:0.05%以下、
S:0.01%以下、及
Al:0.1%以下,
且其余部分由Fe及不可避免的杂质构成。
12.根据权利要求11所述的电阻焊包层钢管,其中,
所述母材的成分组成还含有选自以质量%计由Ti:0.1%以下、Nb:0.2%以下、Cu:0.5%以下、Ni:0.5%以下、Cr:0.5%以下、Mo:0.5%以下、V:0.1%以下、及Ca:0.0005~0.0050%构成的组中的一个或两个以上。
13.一种电阻焊包层钢管的制造方法,
准备包层钢带,该包层钢带具有由作为母材的碳钢或低合金钢构成的第一层、及层叠在所述第一层的一个面上且由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成的第二层,
对所述包层钢带的宽度方向两端部实施坡口加工而形成坡口,
将所述包层钢带成形为管状而作为原管,
对所述原管的相对的一对对接部进行电阻焊而形成为电阻焊包层钢管,
其中,
在所述坡口加工中,从所述第二层侧对所述包层钢带的宽度方向两端部进行压入加工,
所述坡口中,
所述第二层与所述第一层的包层界面从所述第二层侧朝向所述包层钢带的厚度中心侧,
所述第二层侧的坡口角度θ1为10°以上且50°以下,
坡口深度d1为所述包层钢带的厚度t的10%以上且45%以下,并且,
以下述(1)式定义的投影包层比率R1为25%以上且50%以下,
在向所述对接部实施气体保护并且顶锻量为所述包层钢带的厚度t以下的条件下,对所述对接部进行对接加压来进行所述电阻焊,
使用在距所述原管的对接部上端为5~300mm的上方的位置处具有沿所述原管的对接方向相邻而并列设置的三个以上的狭缝状的气体放出口的保护气体喷吹喷嘴,当将来自所述气体放出口中的位于两端的一对第一气体放出口的气体放出流速设为A(m/s)、将来自其余的第二气体放出口的气体放出流速设为B(m/s)时,在B为0.5~50m/s且满足0.010≤B/A≤10的条件下,喷吹保护气体而进行所述气体保护,
R1=(tc1 *+d1)/t×100(%)…(1)
在此,R1:投影包层比率
tc1 *:钝边中的所述第二层的厚度(mm)
d1:第二层侧的坡口深度(mm)
t:所述包层钢带的厚度(mm)。
14.根据权利要求13所述的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述包层钢带由所述第一层和所述第二层构成,
所述坡口是Y形坡口。
15.根据权利要求14所述的电阻焊包层钢管的制造方法,
在所述电阻焊后,还对所述电阻焊包层钢管进行热处理,接下来进行冷却,其中,
在所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面的加热温度为750~1250℃、750~1250℃的温度范围内的保持时间为10秒以上、所述电阻焊包层钢管的母材侧表面的加热温度为750~1200℃、750~1200℃的温度范围内的保持时间为10秒以上的条件下,进行所述热处理,
在所述电阻焊包层钢管的对合材料侧表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为4~100℃/sec、所述电阻焊包层钢管的母材侧表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为8~70℃/sec的条件下,进行所述冷却。
16.根据权利要求13所述的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述包层钢带由所述第一层、所述第二层及第三层构成,所述第三层层叠在所述第一层的另一个面上且由作为对合材料的不锈钢或含镍合金构成,
在所述坡口加工中,还从所述第三层侧对所述包层钢带的宽度方向两端部进行压入加工,
所述坡口为X形坡口,
进而,所述坡口中,
所述第三层与所述第一层的包层界面从所述第三层侧朝向所述包层钢带的厚度中心侧,
所述第三层侧的坡口角度θ2为10°以上且50°以下,
坡口深度d2为所述包层钢带的厚度t的10%以上且45%以下,并且,
以下述(2)式定义的投影包层比率R2为25%以上且50%以下,
R2=(tc2 *+d2)/t×100(%)…(2)
在此,R2:投影包层比率
tc2 *:钝边中的所述第三层的厚度(mm)
d2:第三层侧的坡口深度(mm)
t:所述包层钢带的厚度(mm)。
17.根据权利要求16所述的电阻焊包层钢管的制造方法,
在所述电阻焊后,还对所述电阻焊包层钢管进行热处理,接下来进行冷却,其中,
在所述电阻焊包层钢管的内表面及外表面的加热温度为750~1250℃、保持时间为10秒以上、所述电阻焊包层钢管的壁厚中心位置处的加热温度为750~1200℃、保持时间为10秒以上的条件下,进行所述热处理,
在所述电阻焊包层钢管的内表面及外表面的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为4~100℃/sec、所述电阻焊包层钢管的壁厚中心位置处的从750℃至400℃之间的平均冷却速度为8~70℃/sec的条件下,进行所述冷却。
18.根据权利要求13~17中任一项所述的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述对合材料具有权利要求6~10中任一项所述的成分组成。
19.根据权利要求13~18中任一项所述的电阻焊包层钢管的制造方法,其中,
所述母材具有权利要求11或12所述的成分组成。
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