CN116669896A - 具有优异的抗裂性的焊接结构构件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有优异的抗腐蚀性和抗裂性的焊接结构构件及其制造方法。
Description
技术领域
本公开内容涉及具有优异的抗裂性的焊接结构构件及其制造方法。
背景技术
基于锌的镀覆钢板具有优异的抗腐蚀性并且用于各种目的,例如汽车用构件、家用器具的内板和外板用构件、建筑用构件等。其中,基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板可以在非常长的时间内确保优异的抗腐蚀性,因此作为常规的基于锌的镀覆钢板和不锈钢的替代物,对基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板的需要正在增加。
如与常规的基于锌的镀覆钢板相比,基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板的镀层的抗腐蚀性得到改善的原因是通过Mg在镀层的表面上的作用而均匀地形成致密且稳定的腐蚀产物。
同时,作为现有技术参考,在制造焊接结构构件时已使用了高频电阻焊接方法。然而,在该焊接方法的情况下,由于两个或更多个基材通过将基材熔化并对基材进行压焊来结合,因此可能存在由于需要另外的设备而引起增加成本的问题以及仅适用于管道形状和宽缘工字钢的问题。
因此,出现了使用电弧焊的需求,并且特别地,当使用基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造焊接结构构件时,由于需要以下技术而使用电弧焊方法:所述技术可以仅用焊接机和焊接材料而无需大型设备来应用于各种形状和结构。然而,当将电弧焊应用于这样的基于Zn-Mg-Al的镀覆钢板时,由于包含Mg而降低了镀层的液相线温度,从而导致在剩余的镀层中出现裂纹。
(专利文献1)专利第3149129号
(专利文献2)专利第3179401号
(专利文献3)专利第4475787号
(专利文献4)专利第3715220号
(专利文献5)日本未审查公开第2005-230912号
发明内容
技术问题
本公开内容的一个方面提供了具有优异的抗腐蚀性和抗裂性的焊接结构构件及其制造方法。
本公开内容的目的不限于以上描述。将从本说明书的全部内容理解本公开内容的目的,并且本公开内容所属领域的技术人员将不难理解本公开内容的另外的目的。
技术方案
根据本公开内容的一个方面,提供了焊接结构构件,
所述焊接结构构件包括:
第一钢板;
第二钢板;以及
将第一钢板和第二钢板结合的焊接接头部,
其中第一钢板和第二钢板中的至少一者为具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板,
其中基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织按面积分数计包含:20%至40%的基于Zn-Mg的金属间化合物。
根据本公开内容的另一个方面,提供了焊接结构构件的制造方法,所述方法包括以下操作:
准备第一钢板和第二钢板;
通过使用选自实心焊丝、粉芯焊丝和保护金属极电弧焊条的焊接材料中的任一者对第一钢板和第二钢板进行电弧焊来形成焊接接头部;以及
基于焊接接头部的表面温度,以25℃/秒至110℃/秒的平均冷却速率对其进行水冷却,
其中第一钢板和第二钢板中的至少一者为具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板。
有益效果
如上所述,根据本公开内容的一个方面,可以提供具有优异的抗腐蚀性和抗裂性的焊接结构构件及其制造方法。
本公开内容的各种优点和效果以及有益的优点和效果不限于以上描述,并且可以在描述本公开内容中的具体示例性实施方案的过程中更容易被理解。
附图说明
图1示意性地示出了电弧焊期间焊炬和基材的截面。
图2示意性地示出了角焊接头部的截面结构。
图3为与图2中示出的焊道趾部的附近对应的截面结构的放大示意图。
图4为与使用常规的基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造的焊接结构构件的焊道趾部的附近对应的截面结构的放大示意图。
图5为通过基于处于图3的状态下的焊接接头部的表面温度施加水冷却以具有特定的冷却速率而获得并且使用本公开内容的基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造的焊接结构构件的示意性截面图。
图6示意性地示出了测试件中的焊接方法。
图7为用光学显微镜(OM)捕获的500x放大倍数下的本申请的比较例10的镀层的最靠近焊接接头部的显微组织的照片。
图8为用光学显微镜(OM)捕获的500x放大倍数下的本申请的发明例2的镀层的最靠近焊接接头部的显微组织的照片。
具体实施方式
本说明书中使用的术语用于说明具体示例性实施方案,而不是限制本公开内容。此外,除非相关限定具有与其明确相反的含义,否则本说明书中使用的单数形式也包括复数形式。
本说明书中使用的“包括/包含”的含义为了体现配置并且不排除存在或添加其他配置。
除非另有限定,否则本说明书中使用的包括技术术语和科学术语的所有术语具有与本公开内容所属领域的普通技术人员将通常理解的相同的含义。预定义的术语被解释为与相关的技术文献和本文的公开内容一致。
常规地,在使用具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板来制造焊接结构构件时,通常使用电弧焊方法。然而,当使用这样的电弧焊方法时,存在以下问题:由于其上形成有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板中包含Mg而降低了镀层的液相线温度,从而导致容易出现裂纹。
即,在镀覆钢板的电弧焊期间,经由通过镀层的电弧热将镀层熔化在表面上。然而,与Zn的约420℃的熔点相比,基于Zn-Al-Mg的镀层具有更低的液相线温度,因此镀层保持熔融状态相对长的时间。
因此,在具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板的情况下,与镀锌钢板相比,熔融镀层的金属在保持液相的同时停留在基础钢板的表面上的时间变得更长。
因此,当将紧接在电弧焊之后的冷却期间处于抗拉应力状态的基础钢板的表面长时间暴露于熔融的镀层时,熔融的镀层渗入基础钢板的晶界,从而导致开裂。当由于熔融的镀层的渗入而出现裂纹时,出现诸如该结构的强度、耐疲劳性、抗腐蚀性等的劣化的问题。
因此,当使用具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板制造焊接结构构件时,本发明人已广泛地进行了深入的研究以解决当使用电弧焊方法特别是实心焊丝、粉芯焊丝和保护金属极电弧焊条进行焊接时容易出现裂纹的问题。
作为其结果,在使用基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板进行焊接之后,通过精确地控制焊接接头部的冷却条件和组成,作为基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织,发现所述显微组织可以被控制成按面积分数计包含20%至40%的基于Zn-Mg的金属间化合物,因此,可以抑制由于熔融的镀层的渗入而引起的裂纹,并因此提供了本公开内容。
首先,将首先描述焊接结构构件的制造方法。具体地,根据本公开内容的一个方面的用于制造焊接结构构件的方法包括:准备第一钢板和第二钢板,其中第一钢板和第二钢板中的至少一者具有基于Zn-Al-Mg的镀层(或者基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板)。在此,具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板可以包括基础钢板;和形成在基础钢板的至少一个表面上的基于Zn-Al-Mg的镀层。在这种情况下,在不损害本公开内容的目的的范围内还可以包括另外的层。
同时,作为基础钢板,可以根据本公开内容的目的采用各种钢板。例如,可以使用高强度钢板,以及可以使用总的平均厚度为1mm至6mm的钢板(在这种情况下,用于测量厚度的厚度方向是指与轧制方向垂直的方向)。虽然没有特别限制,但是作为一个代表性实例,可以使用具有94.5Zn-6.4Al-3.1Mg的组成的钢板作为基础钢板。
此外,在第一钢板和第二钢板中,与基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板结合的副钢板(即,剩余钢板)可以为基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板,或者其也可以应用除了基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板之外的所有钢板。即,根据目的,副钢板也可以为各种钢类型。
根据本公开内容的一个方面,焊接结构构件的制造方法包括通过使用选自实心焊丝、粉芯焊丝和保护金属极电弧焊条的焊接材料中的任一者对第一钢板和第二钢板进行电弧焊来形成焊接接头部。
在使用电弧焊的情况下,使用除了与基材对应的第一钢板和第二钢板之外的另外的焊接材料来形成焊接接头部。因此,由于焊接接头部的根据精细焊接接头部的组成变化的物理特性,如上所述,为了获得具有优异的抗腐蚀性和抗裂性的焊接结构构件,当使用电弧焊方法时,也精确地控制焊接接头部的组成。
因此,在电弧焊期间使用实心焊丝作为焊接材料的情况下,焊接接头部按重量计可以包含:0.09%至0.15%的C、0.35%至0.39%的Si、0.87%至0.90%的Mn、0.004%至0.022%的P、0.002%至0.014%的S、0.01%至0.11%的Cr、0.01%至0.08%的Ni、0.01%至0.06%的Cu、0.01%或更少的Mo、0.01%至0.02%的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质。
此外,在电弧焊期间使用粉芯焊丝作为焊接材料的情况下,焊接接头部按重量计可以包含:0.05%至0.10%的C、0.47%至0.53%的Si、1.10%至1.16%的Mn、0.009%至0.025%的P、0.007%至0.018%的S、0.03%至0.13%的Cr、0.02%至0.11%的Ni、0.02%至0.08%的Cu、0.02%至0.07%的Mo、0.005%至0.02%的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质。
此外,在电弧焊期间使用保护金属极电弧焊条作为焊接材料的情况下,焊接接头部按重量计可以包含:0.06%至0.14%的C、0.42%至0.49%的Si、0.83%至0.91%的Mn、0.015%至0.035%的P、0.010%至0.022%的S、0.07%至0.20%的Cr、0.06%至0.15%的Ni、0.05%至0.12%的Cu、0.05%至0.10%的Mo、0.01%至0.02%的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质。
如上所述,在电弧焊期间,通过控制根据使用各焊接材料的焊接接头部的组成以满足上述条件,可以提供以下焊接结构构件:所述焊接结构构件能够有效地抑制热浸金属脆化开裂并且具有焊接接头部的优异抗腐蚀性,以及同时具有优异的抗裂性和结合特性。
在这种情况下,关于电弧焊、实心焊丝、粉芯焊丝和保护金属极电弧焊条,除了以上描述之外,可以将本领域通常已知的事项等同地应用于本公开内容。
此外,根据本公开内容的一个方面,形成焊接接头部的操作可以以5kJ/cm至8kJ/cm的热输入进行。当热输入小于5kJ/cm时,可能出现不均匀的焊道形成或差的渗透的问题,以及当热输入超过8kJ/cm时,可能存在搭接或熔穿(melt-through)的问题。
图1示意性地示出了本公开内容中使用的电弧焊期间的焊炬和待焊接的钢板的截面。具体地,焊炬沿箭头的方向行进,同时在焊接钢板1的表面上的焊接位置3处形成电弧4。保护气体2从位于焊炬的中心部分的电极和焊丝周围的气体喷嘴中喷出,从而保护电弧4和暴露于高温的焊接钢板1的表面免于大气。由于来自电弧4的热输入,在焊炬通过焊接位置3的一部分之后,焊接位置3的一部分快速凝固以形成由焊接金属构成的焊道(焊接接头部)。
图2示意性地示出了在焊接结构构件的制造过程中形成的焊接接头部的截面结构,并且通过电弧焊的各种类型的焊接接头用于建筑、汽车结构等。
即,在图2中,待焊接的两个钢板(即,第一钢板10和第二钢板10')设置成彼此搭接,以及在两个钢板中的一个钢板10的表面和另一个钢板10'的端表面上形成焊道11,使得两个钢板彼此结合。在这种情况下,将通过使两个钢板10和10'的表面与焊道11的表面相遇而形成的边缘交会部称为焊道趾部12。
同时,当利用电弧焊使用基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板来制造焊接结构构件时,大多数开裂问题出现在上述焊道趾部12的附近。
因此,图3至图5示出了其中将与图2中示出的焊道趾部12的附近对应的部分放大的示意性截面图。具体地,图3示意性地示出了当使用基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造焊接结构构件时,紧接在电弧焊期间的电弧热通过之后的高温焊接区附近的截面状态。虽然焊接之前钢板10的表面被均匀的镀层覆盖,但是镀层的金属由于电弧的通过而在焊道趾部12的附近蒸发并消失,从而形成镀层蒸发段15。另一方面,在位于距焊道趾部12一定距离的部分中,原先的基于Zn-Al-Mg的镀层熔化并且作为基于Zn-Al-Mg的热浸层13而存在。此外,在远离焊道趾部12的部分中,原先的基于Zn-Al-Mg的镀层作为未被熔化的状态14而存在。
图4示意性地示出了使用基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板常规制造的焊接结构构件的截面图。在图4的情况下,基于Zn-Al-Mg的镀层在紧接在焊接期间电弧热通过之后的高温焊接区的附近消失,因此,如图3中形成镀层蒸发段15。此后,在镀层蒸发段15中,基于Zn-Al-Mg的热浸层13湿扩散,因此,钢板10的直至焊道趾部12的整个表面被基于Zn-Al-Mg的热浸层13覆盖。
因此,在使用常规的基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造的焊接结构构件的情况下,如图4中所示,直至焊道趾部12的附近的全部均变成基于Zn-Al-Mg的热浸层15的凝固区域。在这种情况下,如上所述,由于基于Zn-Al-Mg的热浸层的金属液相线的温度低,由于焊接之后的冷却过程,因此钢板10的在冷却之后变成凝固区域的表面部分与基于Zn-Al-Mg的热浸层接触具有相对长的时间。因此,由于因焊接之后的冷却引起在钢板10的焊道趾部12的附近产生抗拉应力,因此基于Zn-Al-Mg的热浸层中的组分可能渗入钢板10的晶界中。出于该原因,渗入晶界的组分变成在焊接接头部中导致裂纹的因素。
因此,本发明人已发现,可以通过在焊接之后精确地控制冷却条件的同时进行水冷却来制造具有优异的抗腐蚀性并且能够抑制裂纹出现的焊接结构构件。例如,在焊接之后,基于焊接接头部的表面温度,可以25℃/秒至110℃/秒的平均冷却速率进行水冷却。在这种情况下,当平均冷却速率小于25℃/秒时,不存在热浸层的短时间凝固效果,并且可能出现LME。另一方面,当基于焊接接头部的表面温度,平均冷却速率超过110℃/秒时,可能出现由于材料金属的马氏体转变而引起的韧性劣化的问题。
同时,在图5中,在进行焊接以使具有本公开内容的组成的焊接接头部处于图3的状态之后,可以进行水冷却以在冷却期间精确地控制焊接接头部的表面温度并且同时具有特定的冷却速率,因此图5示意性地示出了使用本公开内容的基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造的焊接结构构件的截面图。
因此,基于Zn-Al-Mg的镀层在焊接之后立即蒸发并消失,基于Zn-Al-Mg的热浸层凝固而不到达镀层蒸发段15的钢板表面,因此抑制了由于基于Zn-Al-Mg的热浸层引起的直到应力集中的焊道趾部12的润湿扩散。作为其结果,即使在冷却之后,镀层蒸发段15也得以保留。即,在不与基于Zn-Al-Mg的热浸层接触的情况下完成焊道趾部12附近的钢板表面的冷却,因此,在基于Zn-Al-Mg的热浸层的凝固区域17与焊道趾部12之间确保镀层蒸发段15的一定部分。
因此,在焊道趾部12的附近防止熔融金属组分渗入钢板中,并因此不论钢板的钢类型如何,都可以获得具有优异的抗裂性的焊接结构构件。此外,在基于Zn-Al-Mg的热浸金属层中,在热浸层的高度位置改变的任意焊接位置中,可以通过上述效果来抑制润湿扩散。例如,除了平焊之外,还可以将其应用于横向焊接、立焊、仰焊等。
即,当使用基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造焊接结构构件时,基于Zn-Al-Mg的镀层在电弧焊期间形成的焊道的附近蒸发并消失。常规地,在通过由于焊接而引起的电弧热之后,在焊道的附近立即出现通过在远离焊道数mm的位置熔化而形成的热浸层的润湿扩散。
即,当使用基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板制造焊接结构构件时,基于Zn-Al-Mg的镀层在电弧焊期间形成的焊道的附近蒸发并消失。常规地,在通过由于焊接而引起的电弧热之后,在焊道的附近立即出现通过在远离焊道数mm的位置熔化而形成的熔融镀层润湿扩散。
具体地,在本公开内容中,发现经由在通过焊炬之后的关键时间内施加优化的水冷却方法,防止了基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板构件的扩散。
即,在本公开内容中,在通过对其中其至少一者为基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板的两个钢板进行焊接而获得的焊接结构构件的制造方法中,可以通过紧接在焊接之后(即,在通过焊炬之后)的几秒内进行水冷却来有效地提供具有优异的抗裂性的焊接结构构件。
因此,根据本公开内容的一个方面,即使在裂纹趋向于出现的电弧焊期间,不仅可以有效地提供具有优异的抗裂性和抗腐蚀性以及结合特性的焊接结构构件,而且还可以在不限制镀层的元素或不增加镀层的元素的情况下相对经济地提供具有上述优异特性的焊接结构构件。
此外,根据本公开内容的一个方面,可以在对基于Zn-Al-Mg的镀覆钢板的基础钢板用钢的类型没有任何限制的情况下有效地提供具有优异的抗裂性的焊接结构构件,使得可以将其应用于高抗拉强度钢板以及可以在对部件的形状或尺寸没有限制的情况下对其进行应用。
具体地,根据本公开内容的一个方面,可以在通过焊炬之后的3秒至10秒内,更优选地在3秒至9秒内启动水冷却。通过将水冷却的启动时间设定为通过焊炬之后的3秒或更长,由于其为不影响前进的焊炬的关键时间而可以确保焊接性能。此外,通过将水冷却的启动时间设定为通过焊炬之后的10秒或更短,可以通过防止通过焊炬之后产生的热浸层前进至焊道的附近来确保抗裂性。
此外,根据本公开内容的一个方面,水冷却的流量可以为15mm3/小时至60mm3/小时。通过将水冷却的流量设定为15mm3/小时或更大,可以有效地确保通过焊炬之后产生的热浸层的冷却效果。此外,通过将水冷却的流量设定为60mm3/小时或更小,可以防止由于不必要的流量供应而引起的工作环境的污染,并且还可以抑制由过度冷却引起的问题。
此外,根据本公开内容的一个方面,可以将水冷却保持5秒至15秒。通过将水冷却的保持时间设定为5秒或更长,可以有效地确保由于水冷却而引起的热浸层的冷却效果,使得可以确保改善抗裂性的效果。通过将水冷却的保持时间设定为15秒或更短,不仅可以防止由于不必要的流量供应而引起的工作环境的污染,并且还可以抑制由过度冷却引起的问题。
即,根据本公开内容的一个方面,最优选的是在通过焊炬之后的3秒至10秒内,以15mm3/小时至60mm3/小时的水冷却速率将冷却水的流量供应至焊炬通过的部分持续5秒至15秒。
或者,根据本公开内容的一个方面,如上所述,为了控制焊接接头部的冷却速率,在与控制上述各种冷却条件的同时,可以在通过焊炬之后在3秒至10秒内将控制到5℃至38℃的范围内的温度的水喷洒在焊接接头部的表面上。在这种情况下,可以将喷洒在焊接接头部上的水滴的尺寸控制在20μm至100μm的范围内。
根据本公开内容的一个方面的焊接结构构件包括:第一钢板;第二钢板;以及将第一钢板和第二钢板结合的焊接接头部。在此,可以将上述对焊接结构构件的制造方法的描述等同地应用于第一钢板、第二钢板和焊接接头部。
此外,在焊接结构中,基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织按面积分数计包含:20%至40%的基于Zn-Mg的金属间化合物。
在本公开内容中,基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分可以是指除了“从焊接接头部的焊道趾部到不存在镀层的区域(对应于镀层蒸发段15)”的区域之外,从基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的区域到沿钢板的轧制方向10mm处的点的区域。
因此,最靠近焊接接头部的部分的显微组织可以通过以下来测量:观察用光学显微镜(OM)在500倍的放大倍数下捕获的关于从上述基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的区域到为10mm处的点的区域沿厚度方向(即,与钢板的轧制方向垂直的方向)的切割表面。
根据本公开内容的一个方面,基于Zn-Mg的金属间化合物是指当紧接在本公开内容中的电弧焊之后形成的基于Zn-Al-Mg的热浸层通过随后的水冷却过程快速冷却时,除了对应于基础组织的Zn单相之外而形成的为次生相的包含Zn和Mg的金属间化合物。在这种情况下,基于Zn-Mg的金属间化合物除了Zn和Mg之外还可以包含组分例如Al,例如Zn/MgZn2二元相、Zn/MgZn2/Al三元相等。
此外,根据本公开内容的一个方面,基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织按面积分数计包含20%至40%(更优选地24%至38%)的上述基于Zn-Mg的金属间化合物。在本公开内容中,当基于Zn-Mg的金属间化合物的面积分数小于20%时,难以预期防止LME的效果,并且当其面积分数超过40%时,可能无法制造本公开内容中期望的具有优异的抗腐蚀性和抗裂性二者的焊接结构构件。
此外,根据本公开内容的一个方面,基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织按面积分数计可以包含作为基础组织的Zn单相,例如60%或更多的Zn单相。
根据本公开内容的一个方面,基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织与基于Zn-Al-Mg的镀层的从开始起不熔化的部分(即,基于Zn-Al-Mg的镀层的除了最靠近焊接接头部的部分之外的部分)的显微组织不同地形成。
即,将紧接在电弧焊之后形成的上述基于Zn-Al-Mg的热浸层通过其中如上所述精确控制冷却条件的水冷却过程快速冷却以形成与基于Zn-Al-Mg的镀层的从开始起不熔化的部分的显微组织不同的显微组织。在这种情况下,在最靠近焊接接头部的部分中,基于厚度方向(意指垂直于钢板的轧制方向的方向)上的切割表面,基于Zn-Mg的金属间化合物的平均直径可以在1μm至30μm的范围内。在这样的冷却下形成的基于Zn-Al-Mg的镀层中,最靠近焊接接头部的部分的显微组织满足上述特性,使得可以有效地抑制热浸金属脆化开裂,并因此,可以获得具有优异的抗腐蚀性并且同时具有优异的抗裂性和结合特性的焊接结构构件。
根据本公开内容的一个方面,与焊接之前镀层的硬度相比,基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的硬度可以为69.5%或更大(100%或更小)。在此,镀层的最靠近焊接接头部的硬度指示通过测量镀层在最靠近焊道趾部12的点处的硬度而获得的值。
此外,根据本公开内容的一个方面,焊接接头部的焊道趾部12与镀层之间的距离(对应于镀层蒸发段15)可以为3mm至10mm,并且镀层蒸发段15的长度可以通过应用水冷却方法以满足紧接在焊接之后在特定范围内的平均冷却速率来控制。
具体地,根据本公开内容的一个方面,通过将镀层蒸发段15的长度设定为3mm或更大,可以防止在焊道趾部12的附近由于热浸金属层而出现裂纹,使得可以确保抗裂性。通过将镀层蒸发段15的长度设定为10mm或更小,可以通过形成镀层来获得确保抗腐蚀性的效果。
同时,根据本公开内容的一个方面,基于Zn-Al-Mg的镀层按重量计可以包含:1%至20.9%的Al、0.04%至10%的Mg、0.1%或更少(包括0%)的Ti、0.05%或更少(包括0%)的B、2%或更少(包括0%)的Si、2.5%或更少(包括0%)的Fe、以及余量的Zn和不可避免的杂质。此外,在本公开内容中,通过如上所述设定镀层的组成,可以更有效地实现本公开内容的确保焊接期间的抗裂性的目的。
此外,根据本公开内容的一个方面,基于Zn-Al-Mg的镀层每侧的镀覆附着量可以为50g/m2至250g/m2。可以通过将镀层每侧的镀覆附着量设定为50g/m2或更大来确保镀覆钢板的抗腐蚀性,以及通过将镀层每侧的涂覆重量设定为250g/m2或更小,可以防止在焊接期间出现气孔并且可以确保焊接区的强度。
即,通过将镀层每侧的镀覆附着量控制为适当量或更多,可以充分地确保镀层的抗腐蚀性的效果,并且可以充分地获得通过镀层的牺牲作用的抗腐蚀效果。
因此,如在本公开内容中,当在通过焊炬之后产生的焊道的附近出现镀层蒸发段时,优选将镀层每侧的镀覆附着量控制为50g/m2至250g/m2,并且更优选将镀层每侧的镀覆附着量控制为50g/m2至200g/m2。
同时,上述镀层的组成几乎反映用于热浸的组成,虽然用于热浸的方法没有特别限制,但是从经济观点来看,优选使用公知的在线退火型热浸设备。
在下文中,将优先描述镀层的组分体系。在这种情况下,以下组分中的每一者的含量的单位为重量%。
Al:1%至20.9%
Al改善镀覆钢板的抗腐蚀性并且抑制在镀覆浴中产生基于Mg氧化物的熔渣。为了获得这样的效果,必须确保1%或更大的Al含量。通过将Al含量设定为1%或更大,可以确保抗腐蚀性和防止熔渣的效果,并且通过将Al含量设定为20.9%或更小,可以防止软的Fe-Al合金层在镀层的基板上过度生长以确保镀覆附着。
Mg:0.04%至10%
Mg在镀层的表面上产生均匀的腐蚀产物以显著改善镀覆钢板的抗腐蚀性。同时,当Mg含量为0.04%或更大时,可以确保改善抗腐蚀性的效果,以及当Mg含量为10%或更小时,可以抑制基于Mg氧化物的熔渣的产生,使得可以确保镀层的品质。此外,更优选的是Mg含量为1%至5%。
Ti:0%至0.1%
当Ti包含在热浸浴中时,存在增加热浸期间其他组分的合金范围以扩大制造条件的自由度的优点。同时,通过包含0.1%或更少的Ti,可以表现出增加其他组分的合金范围的效果。此外,更有效的是,Ti含量为0.0005%至0.005%,并且当Ti含量为0.005%或更大时,可以存在增加其他组分的合金范围的效果。另一方面,通过将Ti含量设定为0.005%或更小,可以抑制由于析出物的形成而引起的在镀层表面上的外观缺陷。
B:0%至0.05%
通过在热浸浴中添加B并且增加热浸期间其他组分的合金范围,存在扩大制造条件的自由度的优点。同时,通过包含0.1%或更少的B,可以表现出增加其他组分的合金范围的效果。此外,可以更有效的是B含量为0.0001%至0.005%,并且当B含量为0.0001%或更大时,存在增加其他组分的合金范围的效果。另一方面,当B含量为0.05%或更小时,可以抑制由于析出物的形成而引起的在镀层表面上的外观缺陷。
Si:0%至2%
当Si包含在热浸浴中时,抑制了镀盘的表面与镀层之间的界面处形成的Fe-Al合金层的过度生长,并且有利于改善基于热浸Zn-Al-Mg的镀覆钢板的可加工性。因此,通过将Si含量设定为2%或更小,可以表现出上述改善镀覆钢板的可加工性的效果。同时,更有效的是将Si含量设定为0.005%至2%,通过将Si含量设定为0.005%或更大,可以表现出抑制Fe-Al合金层的过度生长的效果,并且通过将Si含量设定为2%或更小,可以抑制热浸浴中熔渣的量的增加。
Fe:0%至2.5%
在热浸浴中,由于浸入钢板的性质,Fe趋向于混合。因此,Fe可以以2.5%或更小的含量包含在镀层中,并且可以通过将Fe含量设定为2.5%或更小来确保镀覆钢板的抗腐蚀性和品质。因此,Fe可以以2.5%或更小的含量包含在镀层中,并且可以通过将Fe含量设定为2.5%或更小来确保镀覆钢板的抗腐蚀性和品质。此外,更优选的是Fe含量可以为0.0001%至2.5%,将上述Fe含量提高到0.0001%或更大是经济的,因为不产生额外的清洁费用。
在下文中,将详细描述根据本公开内容的一个方面的镀覆钢板。除非另有特别限定,否则本公开内容中的各元素的含量按重量%计。
发明实施方式
(实施例)
在下文中,将通过以下实施例具体地描述本公开内容。然而,应注意,以下实施例仅用于通过举例说明来描述本公开内容,并且不旨在限制本公开内容的权利范围。原因是本公开内容的权利范围由权利要求书中描述的事项和由此合理推断的事项来确定。
(实验例1)
使具有表1的组成的板厚度为1.5mm且板宽度为1000mm的冷轧钢带通过示出表3的组成的热浸线以产生具有各种镀层组成的基于热浸Zn-Al-Mg的镀覆钢板。
随后,在下表2中示出的焊接条件下进行电弧焊,并且研究抗热浸金属脆化开裂性。此外,表3和表4示出了镀层的组成、镀覆附着量、水冷却条件和硬度值。
[表1]
[表2]
表4示出了上述实验的裂纹出现和硬度值变化率的结果。当满足本公开内容中指定的条件时,可以确定将镀层蒸发段15的长度确保为3mm至10mm,并且防止经液化的金属脆化开裂。
当满足本公开内容中指定的条件时,可以确定将镀层蒸发段15的长度确保为3mm至10mm,并且防止经液化的金属脆化开裂。
[熔融金属脆化开裂的测试方法]
如图6所示,在表2中示出的焊接条件下在200mm×200mm测试件(基于热浸Zn-Al-Mg的镀覆钢板构件)的中心处进行电弧焊以在测试件之间进行焊接。如图6所示,在表2中示出的焊接条件下在200mm×200mm测试件(基于热浸Zn-Al-Mg的镀覆钢板构件)的中心处进行电弧焊以在测试件之间进行焊接。具体地,从焊接开始点S顺时针经过焊接开始点S之后,还将焊道搭接并进行焊接,直到在产生焊道搭接部之后焊接到焊接结束点E。在焊接期间,将测试件22保持在被限制在平板上的状态。该测试在其中通过提供受限条件而容易发生热浸金属脆化开裂的情形下进行。
在焊接之后,进行放射性无损测试以基于以下标准确定是否出现热浸金属脆化开裂并将结果示于表4中。
◎:无裂纹
○:存在仅5μm或更小的表面裂纹的痕迹,并且几乎不出现裂纹
×:出现超过5μm的表面裂纹和扩展裂纹
[用于测量镀层蒸发段的长度和硬度值变化率的方法]
在硝酸浓度为0.2体积%的硝酸盐溶液中对与包括焊道和与其相邻的钢板的焊道的方向垂直的截面进行镜面抛光和蚀刻之后,用扫描电子显微镜对其进行观察。通过观察焊道趾部12的附近来测量图5中示出的镀层蒸发段15的长度,此外,测量焊接之后焊道趾部12的附近的镀层的硬度和焊接之前镀层的硬度,并将其变化率示于下表4中。
此外,为了观察基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织,在用光学显微镜(OM)在500倍放大倍数下在厚度方向上拍摄其截面试样之后,测量包含二元相Zn/MgZn2和三元相Zn/MgZn2/Al的基于Zn-Mg的金属间化合物以及Zn单相(包含70%或更多的Zn)的面积分数。此外,测量焊接接头部的抗拉强度(YS)并将其示于下表5中。同时,在下表中,空白表示‘0’的情况。
[表3]
[表4]
[表5]
如在表3至表5中可以看出,在其中本公开内容中限定的基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织包含20%至40%的基于Zn-Mg的金属间化合物和60%或更多的Zn单相的发明例1至3中,与不满足此的比较例1至3相比,确定抗裂性也优异,并且焊接之前和焊接之后硬度值的变化率也为69.5%以上,从而确定了抗腐蚀性也优异。
(实验例2)
除了改变以下表5至表8中描述的条件之外,以与上述实验例1中相同的方式进行评估。此外,在通过以下方法获得的焊接结构构件中,用发射光谱仪测量使用实心焊丝、粉芯焊丝和保护金属极电弧焊条的每种情况的焊接接头部的组成范围并将其示于下表6中。同时,在下表中,空白表示‘0’的情况。
[表6]
组分(重量%) | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | Mo | Al |
实心焊丝 | 0.13 | 0.40 | 0.87 | 0.012 | 0.01 | 0.021 | 0.013 | 0.015 | - | 0.02 |
粉芯焊丝 | 0.09 | 0.48 | 1.15 | 0.022 | 0.009 | 0.042 | 0.028 | 0.021 | 0.02 | 0.012 |
保护电弧焊条 | 0.08 | 0.45 | 0.91 | 0.02 | 0.02 | 0.09 | 0.08 | 0.05 | 0.05 | 0.01 |
(剩余部分的Fe和不可避免的杂质)
[表7]
[表8]
如以上表6至表8所示,在满足本公开内容中限定的基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织和电弧焊之后的冷却条件的发明例4至59中,在焊接之后的冷却期间,在通过焊炬之后的3秒至10秒内将被控制在30℃的范围内的水喷洒在焊接接头部的表面上,并将液滴的尺寸控制在50μm的范围内。在这种情况下,在焊接区中没有观察到裂纹,并且焊接之前和焊接之后的硬度值的变化率也确保在69.5%或更大。
特别地,关于以与实验例1相同的方式由发明例4至59获得的镀覆钢板,观察基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织,并且在发明例4至59的情况下,确定了基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近焊接接头部的部分的显微组织包含20%至40%的基于Zn-Mg的金属间化合物和60%或更多的Zn单相(即,剩余部分的Zn单相)。
另一方面,进行空气冷却以满足本公开内容中指定的镀层的组成,但是不满足本公开内容中指定的冷却条件,此外,在其中镀层的最靠近焊接接头部的显微组织不满足本公开内容中指定的条件的比较例4至21的情况下,在所有焊接区中均出现裂纹,并且焊接之前和焊接之后的硬度值的变化率也小于69.5%。
此外,在比较例4至21的情况下,所有测试件中镀层蒸发段15的长度均小于3mm,并且由于最深的热浸金属层而出现的裂纹在大多数样品中出现在其中其距焊道趾部12的距离在3mm内的位置处。
另一方面,在本公开内容的发明例中,没有观察到热浸金属脆化开裂,并且镀层蒸发段15的长度全部为3mm或更大且10mm或更小。
特别地,以与上述说明中相同的方式测量镀层的最靠近焊接接头部的显微组织,并将用光学显微镜(OM)捕获的图像示于图7和图8中。
图7示出了本申请的比较例10的镀层的最靠近焊接接头部的显微组织,并且确定了在缓慢冷却条件下显微组织是均匀的(对应于图7中的A)。
另一方面,图8示出了本公开内容的发明例2的镀层的最靠近焊接接头部的显微组织,并且确定了由于通过本公开内容的快速冷却,所述显微组织由包含Zn单相的基础组织(对应于图8中的B)和为次生相的基于Zn-Mg的金属间化合物(包括二元相和三元相;对应于图8中的C)形成,并且基于Zn-Mg的金属间化合物以20%至40%的范围包含在内,Zn单相以60%或更多包含在内。在这种情况下,确定了基于在厚度方向上的切割表面,基于Zn-Mg的金属间化合物的平均直径为1μm至30μm。
(附图标记说明)
1:焊接钢板
2:保护气体
3:焊接区
4:电弧
5:焊丝
6:电极
7:焊炬
10、10':待焊接的两个钢板
11:焊道
12:焊道趾部
13:基于Zn-Al-Mg的热浸金属层
14:未熔化的Zn-Al-Mg镀层
15:镀层蒸发段
16:基于Zn-Al-Mg的热浸金属层的凝固区域
17:基于Zn-Al-Mg的热浸金属层的凝固区域
18:现有的镀覆金属层
20:钢管材
21:镀覆金属层
22:测试件
23:焊道
24:焊道搭接部
S:焊接开始点
E:焊接结束点
Claims (13)
1.一种焊接结构构件,包括:
第一钢板;
第二钢板;以及
将所述第一钢板和所述第二钢板结合的焊接接头部,
其中所述第一钢板和所述第二钢板中的至少一者为具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板,
其中所述基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近所述焊接接头部的部分的显微组织按面积分数计包含:20%至40%的基于Zn-Mg的金属间化合物。
2.根据权利要求1所述的焊接结构构件,其中所述基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近所述焊接接头部的所述部分的所述显微组织按面积分数计还包含:60%或更多的Zn单相。
3.根据权利要求1所述的焊接结构构件,其中镀层与所述焊接接头部的焊道趾部之间的距离为3mm至10mm。
4.根据权利要求1所述的焊接结构构件,其中所述基于Zn-Al-Mg的镀层的最靠近所述焊接接头部的所述部分的硬度与焊接之前镀层的硬度相比为69.5%或更大。
5.根据权利要求1所述的焊接结构构件,其中所述基于Zn-Mg的金属间化合物的平均直径在1μm至30μm的范围内。
6.一种焊接结构构件的制造方法,包括以下操作:
准备第一钢板和第二钢板;
通过使用选自实心焊丝、粉芯焊丝和保护金属极电弧焊条的焊接材料中的任一者对所述第一钢板和所述第二钢板进行电弧焊来形成焊接接头部;以及
基于所述焊接接头部的表面温度,以25℃/秒至110℃/秒的平均冷却速率对所述焊接接头部进行水冷却,
其中所述第一钢板和所述第二钢板中的至少一者为具有基于Zn-Al-Mg的镀层的镀覆钢板。
7.根据权利要求6所述的焊接结构构件的制造方法,其中所述焊接材料为实心焊丝,
其中所述焊接接头部按重量计包含:
0.09%至0.15%的C、0.35%至0.39%的Si、0.87%至0.90%的Mn、0.004%至0.022%的P、0.002%至0.014%的S、0.01%至0.11%的Cr、0.01%至0.08%的Ni、0.01%至0.06%的Cu、0.01%或更少(不包括0%)的Mo、0.01%至0.02%的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质。
8.根据权利要求6所述的焊接结构构件的制造方法,其中所述焊接材料为粉芯焊丝,
其中所述焊接接头部按重量计包含:
0.05%至0.10%的C、0.47%至0.53%的Si、1.10%至1.16%的Mn、0.009%至0.025%的P、0.007%至0.018%的S、0.03%至0.13%的Cr、0.02%至0.11%的Ni、0.02%至0.08%的Cu、0.02%至0.07%的Mo、0.005%至0.02%的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质。
9.根据权利要求6所述的焊接结构构件的制造方法,其中所述焊接材料为保护金属极电弧焊条,
其中所述焊接接头部按重量计包含:
0.06%至0.14%的C、0.42%至0.49%的Si、0.83%至0.91%的Mn、0.015%至0.035%的P、0.010%至0.022%的S、0.07%至0.20%的Cr、0.06%至0.15%的Ni、0.05%至0.12%的Cu、0.05%至0.10%的Mo、0.01%至0.02%的Al、以及余量的Fe和不可避免的杂质。
10.根据权利要求6所述的焊接结构构件的制造方法,其中所述水冷却操作在通过焊炬之后的3秒至10秒内开始冷却。
11.根据权利要求6所述的焊接结构构件的制造方法,其中所述水冷却操作以15mm3/小时至60mm3/小时的流量进行。
12.根据权利要求6所述的焊接结构构件的制造方法,其中进行所述水冷却操作,使得水冷却从在所述焊接接头部中开始水冷却的时间持续5秒至15秒。
13.根据权利要求6所述的焊接结构构件的制造方法,其中形成所述焊接接头部的操作以3kJ/cm至8kJ/cm的热输入进行。
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