CN1443624A - 改进焊缝强度的焊接材料 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于通过简单、高效的焊接，改进焊缝强度。提供一种含有0.6～2.0重量％范围的Si的铁基合金，通过相变膨胀在焊接部分附近引入压缩残余应力改进焊缝强度的焊接材料。

Description

改进焊缝强度的焊接材料
发明所属领域
本发明涉及改进焊缝强度的焊接材料。更具体地说，本发明涉及适用于防止由于结构件的焊接和补焊，特别是焊接热影响部分的软化导致接缝强度下降、改进焊接疲劳强度、防止焊接裂缝等的焊接材料。
现有技术
以前，对于结构件的焊接和修补时的焊接等，为了防止由于焊接热导致母材的焊接热影响部分发生软化，必须采取调整母材合金成分和降低焊接产生的热量这样的方法。另外，伴随着焊接后的冷却，焊接材料收缩，因此无法避免在焊接部分引发拉伸的残余应力，焊接部分的疲劳强度显著下降，并引起焊接裂缝的问题。
因此，本申请的发明者们为了解决上述现有技术中的问题，通过在热影响部分引入压缩残余应力，同时利用由高强度焊接金属产生的约束效果，不采用原来必须的调整母材合金成分和降低焊接产生热量的方法，就可以防止焊接热影响部分的软化部分发生拉伸断裂，接缝强度可以与母材同等地提高。另外，作为对改进焊接部分疲劳强度和防止焊接裂缝有效的改善了的新焊接方法，已经提出了使用在焊接结束的室温或者在其附近马氏体相变膨胀结束的焊接材料，进行二氧化碳气保护电弧焊的方法(日本专利第3010211号)。通过该方法，能使焊接金属在母材侧深度溶入，可容易地压缩焊接终止端附近的残余应力，提高焊接部分的疲劳强度，而且可以防止焊接裂缝。
但是，对于带来如此焊接强度改进的新焊接材料，在接缝的焊接等中，能够在高电流、高电压、快速焊接等条件下，仅在CO2气屏蔽下，以良好的效率进行焊接的更为通用的焊接材料方面还有待研究。
在上述事实的基础上，本申请以改善发明者们已经提出的上述低相变温度焊接材料、并提供通用的新焊接材料作为课题。
发明内容
作为解决上述课题的方法，在本发明的第1方面中提供一种焊接材料，该材料是Si含量在0.6～2.0重量％范围的铁基合金，其特征在于，通过相变膨胀在焊接部分附近引入压缩残余应力，提高焊缝强度。而且，在本发明的第2方面中，提供一种焊接材料，其特征在于，在第1发明的焊接材料中，组成(重量％)为：Ni：2～20、Cr：2～20、C：0.5以下、Si：0.6～2.0、Mn：2.0以下、Mo：0.5以下。而且，在本发明的第3方面中，提供一种焊接材料，其特征在于，在第1和第2发明中，组成(重量％)为：P和S＜0.002。
附图的简单说明
图1是示例采用本发明焊接材料时，对接焊缝的拉伸断裂部分的外观照片图。
图2是图1的情况下，焊接部分附近的硬度分布示意图。
图3是图1的情况下，焊接部分附近的残余应力分布的示意图。
图4是示例采用市售焊接材料时，对接焊缝的拉伸断裂部分的外观照片图。
图5是图4的情况下，焊接部分附近的硬度分布的示意图。
图6是图4的情况下，焊接部分附近的残余应力分布的示意图。
具体实施方式
本发明具有以上特征，对于原理而言，本发明的焊接材料是利用焊接材料常温时的相变膨胀，在焊接部分引入压缩焊接残余应力，由该应力比效果防止焊接部分软化部分的拉伸断裂，并且可以进行防止疲劳强度劣化和引起焊接裂缝的焊接。
焊接材料是对上述发明者们已经提出的焊接材料的改良，在焊接结束的室温或者在其附近马氏体相变膨胀完成。作为此种材料，其特征在于，作为铁基合金，含有0.6～2.0重量％范围的Si。
而且，以含有Ni和Cr的合金材料作为较适当的材料来举例。
通常，作为化学组成(重量％)，Ni：2～20、Cr：2～20、而且C(碳元素)：0.5以下、Si：0.6～2.0、Mn：2.0以下、Mo：0.5以下的铁基合金是优选的。当然，必要时，也可添加0.5以下的Nb、Ti、Al、W、Ta、V、Hf、Zr等。但是，除了Ni和Cr以外，金属元素的总比例优选为5.0以下，特别是P＜0.002是优选的。通过使Si的含量在上述0.6～2.0重量％的范围内，可以仅使用廉价的CO2(二氧化碳气)作为屏蔽气体，而且通过在高效率下操作使高强度接缝焊接等成为可能。象这样，采用本发明者们已经提出的方法也未必是容易的。这是因为上述方法不适于在高电流、高电压的条件，以及焊接速度快的条件下进行焊接。
当然，虽然焊接时的屏蔽气可以仅为二氧化碳气(CO2)，但是根据需要也可以是与Ar(氩气)等惰性气体的混合气。
在本发明中，通过使用在室温附近完成上述马氏体相变的焊接材料，仅用CO2气作为屏蔽气，可以以高效率、高性能进行对接头等的焊接，在不可避免地使用现有普通焊接材料的情况下，在焊接热影响部分不产生被称为断裂的不好情况，断裂位置向母材侧移动，即使在焊缝处也能确保母材强度。例如，焊接部分的接缝强度可以提高到高达800～1000MPa的高强度。
根据上述发明，可以以各种钢材为对象，但是特别是对于近年来为人注目的诸如结晶粒径为3μm以下的超细粒钢的焊接可带来显著的作用效果。
因此，下面示出了使用本发明的焊接部件来焊接对接头的实施例，进一步详细说明本发明。当然，以下的例子不作为对本发明的限制。
实施例
以下的实施例的焊接钢材(母材)，采用超细粒钢，其组成(重量％)为：C：0.092/Si：0.31/Mn：1.46/P：0.010/S：0.001/Al：0.030/N：0.0015/Nb：0.019/Ti：0.007/其余为Fe。
<1>其组成(重量％)为：
C：0.03
Si：0.78
Mn：1.94
Ni：9.38
Cr：9.31
Mo：0.13使用由含有上述成分的铁基合金得到的本发明的焊接材料，采用100％CO2作为屏蔽气，其流量为251/分钟，在285A、32V、焊接速度为25厘米/分钟的条件下，进行对接头的电弧焊。
图1是使对接头焊缝试验片拉伸断裂的断裂状况的照片。所示为变形变细的断裂位置处于离开焊接加强焊缝的位置处。
根据图2所示的硬度分布示出了虽然焊接热影响部分软化，但仍可防止从软化部分断裂。即，由图3所示残余应力的分布可知，由于在焊接部分的软化部分处引发压缩残余应力，该残余应力在降低软化部分上负荷的试验时的作用拉伸应力的方向发生作用，因此防止了从软化部分断裂，在强度高的母材部分产生断裂。
实际上，采用本发明焊接材料的接缝的拉伸强度与母材相同为838MPa。
图4表示使采用市售的焊接材料(组成(重量％)为：C：0.09/Si：0.32/Mn：1.05/P：0.008/S：0.010/Ni：2.71/Cr：0.24/Mo：0.49/其余为Fe)，在320A、31V、焊接速度为25厘米/分钟的条件下焊接的焊缝试验片拉伸断裂的断裂状况。此种情况下，断裂部分是焊接热影响部分。图5所示的硬度分布表示热影响部分发生软化的情况。而且，该材料的情况下，焊接金属与母材相似。图6的残余应力分布是与本发明的焊接材料呈反向拉伸。因此，强度弱的焊接热影响部分存在拉伸残余应力，而且还施加增加作用应力的作用，因此在焊接热影响部分产生断裂。此种情况下，拉伸强度降至739MPa。
<2>焊接条件如表1所示变化，对于2.4毫米的钢板而言，进行与上述相同的焊接。
在采用Si含量为0.5(重量％)以下的专利3010211号的焊接材料的情况下，不适用于使用100％CO2屏蔽气的高电流、高电压、快速的焊接，表1的条件下不可能焊接。另外，采用上述市售的焊接材料，在高电流、高电压的条件，以及高焊接速度下也不能焊接。
由此，证实通过本发明100％CO2屏蔽气，可以以高效率进行焊接。
表1
    电流(A)     电压(V)   焊接速度(厘米/分钟)              焊接材料
  本发明   专利3010211   市售产品
    220     21     120     不可     不可     可
    220     23     120     可     不可     可
    220     23     200     可     不可     不可
    220     25     120     可     不可     不可
    275     28     200     可     不可     不可
如上述详细说明的那样，通过本发明，可防止对接头等的焊接软化部分断裂，可通过焊接提高焊接强度，而且，仅用价廉的CO2屏蔽气进行电弧焊接，可以在高电流、高电压、高焊接速度下高效地焊接。

Claims (3)

1、一种焊接材料，该材料是含有0.6～2.0重量％范围的Si的铁基合金，其特征在于，通过相变膨胀在焊接部分附近引入压缩残余应力来改进焊缝强度。
2、根据权利要求1所述的焊接材料，其特征在于，组成(重量％)为，Ni：2～20、Cr：2～20、C：0.5以下、Si：0.6～2.0、Mn：2.0以下、Mo：0.5以下。
3、根据权利要求1或2所述的焊接材料，其特征在于，组成(重量％)为，P和S＜0.002。
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