TWI597120B - 鋼材多道次回火堆銲方法 - Google Patents

Description

鋼材多道次回火堆銲方法

一種鋼材多道次回火堆銲方法，尤指利用多層疊銲道使銲道金屬回火可以實現類似於銲後熱處理所得到之結構，使銲道金屬有效提升韌性。

按，傳統一般在銲接鋼板使用的銲接方式，會使銲道金屬受熱及冷卻溫度不均勻，如此一來會造成銲接處結構的改變，使硬度上升，韌性下降，容易於突發應力或是衝擊應力時造成銲接處斷裂，影響整體結構之安全。

請參閱第八圖所示，由圖中可清楚看出，習知鋼板A係於銲接時，係於V形槽A1內以熔填材料B填入，進而形成有多層的銲道金屬(B1~B4)，由於V形槽A1靠近開口處之面積較大，故，越靠近V形槽A1開口處之銲道金屬(B1~B4)，其銲接道次(B21~B41)越多，讓銲道金屬(B1~B4)產生受熱及冷卻溫度不均勻，使其硬度上升，韌性下降，容易於突發應力或是衝擊應力時造成銲接處斷裂，影響整體結構之安全。

是以，要如何解決上述習知之問題與缺失，即為相關業者所亟欲研發之課題。

本發明之主要目的乃在於，利用銲接階段誘導前一道次的銲道金屬回火，且回火溫度均勻，可以實現類似於銲後熱處理所得 到之結構組織，使銲道金屬有效提升韌性，減低銲道及其附近殘留應力，穩定結構的形狀與尺寸，減少畸變。

為達上述目的，本發明包括有厚鋼板及銲槽，厚鋼板設置有第一厚鋼板、第二厚鋼板，於第一厚鋼板之第一根部與第二厚鋼板之第二根部上方形成有上銲槽，下方形成有下銲槽，當厚鋼板進行多道次回火堆銲時，其堆銲係依下列步驟進行：(A)將金屬熔填材料填入上銲槽形成銲道金屬；(B)移除第一根部與第二根部，使上銲槽之銲道金屬露出於下銲槽；(C)將金屬熔填材料填入下銲槽形成銲道金屬；(D)反覆依序將金屬熔填材料填入上銲槽與下銲槽內，使上銲槽與下銲槽內之銲道金屬形成層疊狀，且外層之銲道金屬表面積大於內層之銲道金屬表面積。

1、3‧‧‧厚鋼板

11‧‧‧第一厚鋼板

111‧‧‧第一斜切面

112‧‧‧第二斜切面

113‧‧‧第一根部

12‧‧‧第二厚鋼板

121‧‧‧第三斜切面

122‧‧‧第四斜切面

123‧‧‧第二根部

2、4‧‧‧銲槽

21‧‧‧第一上銲槽

(211、212、213、214)‧‧‧銲道金屬

22‧‧‧第一下銲槽

(221、222、223、224)‧‧‧銲道金屬

31‧‧‧第三厚鋼板

311‧‧‧基面

32‧‧‧第四厚鋼板

321‧‧‧第五斜切面

322‧‧‧第六斜切面

323‧‧‧第三根部

41‧‧‧第二上銲槽

(411、412、413、414)‧‧‧銲道金屬

42‧‧‧第二下銲槽

(421、422、423、424)‧‧‧銲道金屬

A‧‧‧鋼板

A1‧‧‧V形槽

B‧‧‧熔填材料

B1、B2、B3、B4‧‧‧銲道金屬

B21、B31、B41‧‧‧銲接道次

第一圖為本發明之厚鋼板示意圖。

第二圖為本發明之銲接示意圖(一)。

第三圖為本發明之銲接示意圖(二)。

第四圖為本發明之銲接示意圖(三)。

第五圖為本發明之銲接示意圖(四)。

第六圖為本發明之銲接示意圖(五)。

第七圖為本發明之銲接示意圖(六)。

第八圖為習知銲接示意圖。

第九圖為本發明第二實施例之銲接示意圖(一)。

第十圖為本發明第二實施例之銲接示意圖(二)。

第十一圖為本發明銲接出4層4道銲接之工藝試片在銲道四個位置點的微觀組織。

第十二圖為習知工藝銲接出4層10道銲接之工藝試片在銲道四個位置點的微觀組織。

第十三圖係利用金相顯微組織和圖像分析軟體Image-Pro Plus，分析本發明銲接出4層4道之銲道金屬。

第十四圖為本發明4層4道和習知4層10道銲件微硬度的地圖。

第十五圖為本發明與習知銲接方法對於衝擊韌性之差異圖。

第十六圖為顯示在銲道熱影響區試片的CVN衝擊能量表。

請參閱第一圖所示，由圖中可清楚看出，本發明包括有厚鋼板1及銲槽2，其中；厚鋼板1設置有第一厚鋼板11、第二厚鋼板12，該第一厚鋼板11與第二厚鋼板12為水平式毗鄰設置，於第一厚鋼板11一端上方形成有第一斜切面111，同一端之下方形成有第二斜切面112，且於第一斜切面111與第二斜切面112之間形成有一第一根部113，係於第二厚鋼板12一端上方形成有第三斜切面121，同一端之下方形成有第四斜切面122，且於第三斜切面121與第四斜切面122之間形成有第二根部123，且第一根部113與第二根部123，為互相抵持時，第一斜切面111與第三斜切面121形成為第一上銲槽21，第二斜切面112與第四斜切面122形成為第一下銲槽22，且第一上銲槽21與第一下銲槽22為V字型，上述之第一根部113與第二根部123之寬度皆固定在2mm。

參閱第二圖所示，由圖中可清楚看出，將金屬熔填材料填入第一上銲槽21，形成銲道金屬211。

參閱第三圖所示，由圖中可清楚看出，於第一下銲槽22利用碳棒將第一根部113與第二根部123對接處移除，使銲道金屬211與第一下銲槽22形成連通。

參閱第四圖所示，由圖中可清楚看出，將金屬熔填材料填入第一下銲槽22內，形成銲道金屬221。

參閱第五圖至第七圖所示，由圖中可清楚看出，將金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬211表面，形成銲道金屬212，並且對銲道金屬211造成回火的效果，再利用金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬221表面，形成銲道金屬222，並且對銲道金屬221表面產生回火，將金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬212表面，形成銲道金屬213，並且對銲道金屬212造成回火，利用金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬222表面，形成銲道金屬223，且對於銲道金屬222產生回火，再將金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬213，形成銲道金屬214，並於銲道金屬213造成回火，利用金屬熔填材料完全覆蓋銲道金屬223表面，形成銲道金屬224，且使銲道金屬223回火，前述之每條銲道金屬(211、212、213、214、221、222、223、224)之高度皆相同。

上述之回火，在銲接階段誘導以前銲道金屬回火可以實現類似於銲後熱處理所得到之結構，使銲道有效提升韌性，減低銲道及其附近殘留應力，穩定結構的形狀與尺寸，減少畸變。

在此，為更進一步說明本發明所具有之優點與進步性，請參閱第十一圖與第十二圖所示，本發明與習知工藝這兩種銲接之差異可以觀察銲道和熱影響區，顯示出顯著不同的微觀結構。利用本發明銲接出之4層4道的銲道中，每層都具有非常相似的微觀結構(如第十一圖所示)，特別主要是針狀肥粒鐵與肥粒鐵和少量波來鐵被認為在熱影響區，相對的，習知工藝所銲接出之4層10道的銲道中，具有較細晶粒的麻田散鐵結構，因此使其硬度與機械性能增加，造成習知工藝所銲接出之4層10道的銲道，硬度上升，韌性下降。

請參閱第十三圖所示，用金相顯微組織(a1-a2)肥粒鐵F為主要的微觀組織，此外，一些小的微觀組織，而波來鐵P、變韌鐵B，也可確定有相對較小的數量，使用圖像分析軟體Image-Pro Plus(b1-b2)計算出熱影響區有大量的針狀肥粒鐵AF存在，而魏德曼肥粒鐵WF和波來鐵P相對的較少。根據上圖a2計算之結果，變韌鐵B約48%、肥粒鐵F約39%、波來鐵P約13%，根據上圖b2計算之結果針狀肥粒鐵AF約44%、魏德曼肥粒鐵WF約25%、波來鐵P約31%，在微觀組織和機械性質分析方面，增加針狀肥粒鐵AF可以促進銲道和融合區的韌性，由此可知，本發明之銲接方式其銲接的步驟較少，冷卻速度較慢，使得能夠獲得在銲道更理想的針狀肥粒鐵AF的含量。

請參閱第十四圖所示，沿著在硬度地圖中所示的中間厚度線硬度的變化，對應於該試驗片的標距長度，用於：(a)4層4道和(b)4層10道試片從橫剖面切割及表面拋光，再以3%硝酸乙醇溶液腐蝕，以便顯示銲道形狀和微觀組織。接頭的微硬度值是使用一個三豐HM-200微型硬度計，加載9.8N和15秒的停留時間進行測量。使用Origin軟體用來產生微硬度圖，以1毫米的解析度，超過寬40毫米，高18毫米的矩形區域。圖4(a)和(b)分別表示在整個4層4道和4層10道的多道次銲接接頭微硬度圖。在這兩個4層4道和4層10道的銲件試片，對銲道的微觀組織由波來鐵和肥粒鐵組成，在這區域得硬度值約200-210HV。在圖4(b)所示的硬度圖可以清楚地表示，4層10道銲接接頭具有較高的硬度。圖4-(c)和(d)顯示出硬度沿著銲件的中間厚度線以10mm距中心線的距離變化。在母材和熱影響區的硬度似乎與各個多銲道有關。在4層10道的試片，熱影響區的組織中含有肥粒鐵及少量的麻田散鐵，這解釋了在這區域硬度值接近 約245HV。同時，在4層4道銲件的熱影響區和銲道區域，因為經過隨後銲接道次的回火，所以硬度有顯著降低。

請參閱第十五圖所示，顯示夏比衝擊試片的取料位置圖(a)4層4道銲道，(b)4層10道銲道，(c)4層4道熱影響區，和(d)4層10道熱影響區。

根據非破壞陣列超音波檢測完成後，將接頭衝擊測試的性質根據ASTME-23試驗標準。夏比V型缺口(CVN)測試使用300-J擺錘式衝擊試驗機(由馮達儀器有限公司製造)進行在20℃和-20℃。試片尺寸為10×10×55毫米，2毫米深，45°V型缺口和一個0.25毫米尖端半徑在銲接件試片的平面中心。線電極放電加工(WEDM)能夠精確地重覆取樣試片的精密公差與鋼板的軋製方向相一致。與每個4層4道和4層10道試片切斷在橫向方向與切口垂直於銲件表面，並且分別所述凹口的位置保持在如在圖(a)所示的各銲道和熱影響區的位置。

請參閱第十六圖所示，其為顯示在銲道熱影響區試片的CVN衝擊能量在實驗溫度20℃和-20℃。在實驗上，對每個銲接參數至少有3個衝擊實驗試片進行測量，然後取其平均值來確定。缺口從接頭的不同部分提取的位置，分別在兩個熱影響區和銲道。4層4道銲接工藝的銲道和熱影響區在20/-20℃測試溫度下，CVN能量值分別為153J/128J和136J/114J同時對應於4層10道，CVN能量值在20/-20℃分別是153J/128Jand 136J/114J。該CVN能量值在20℃與-20℃的實驗溫度，使用4層4道銲接工藝與4層10道銲接工藝中銲道試片分別高於的11.8/9.4%。在熱影響區的試片，4層4道銲接工藝的CVN能量值比4層10道銲接工藝分別為高8.8/11.4%以上。據觀察，在4層4道接頭具有的最大的CVN能量，主要歸因於變化中的熱量輸入，並建立了熱梯度。特別是， 針狀肥粒鐵導致主相細化被發現是具有對較高的韌性。因此，該結果清楚地表明，針狀肥粒鐵組織是非常理想的，能在銲道有效的提高韌性。且藉由本發明所提供之多道次回火堆銲方法，能夠使銲道獲得更理想的針狀肥粒鐵AF的含量。

請參閱第九圖所示，由圖中可清楚看出，本發明包括有厚鋼板3及銲槽4，其中；厚鋼板3設置有第三厚鋼板31、第四厚鋼板32，該第三厚鋼板31與第四厚鋼板32板厚皆於40mm以上，且第三厚鋼板31與第四厚鋼板32為水平式毗鄰設置，第三厚鋼板31一端設有基面311，係於第四厚鋼板32一端上方形成有第五斜切面321，同一端之下方形成有第六斜切面322，且於第五斜切面321與第六斜切面322之間形成有第三根部323，且基面311與第三根部323，為互相抵持時，基面311與第五斜切面321形成為第二上銲槽41，基面311與第六斜切面322形成為第二下銲槽42，上述第三根部323寬度皆固定在2mm。

參閱第十圖所示，由圖中可清楚看出，將金屬熔填材料填入第二上銲槽41，形成銲道金屬411，將金屬熔填材料填入第二下銲槽42內，形成銲道金屬421，將金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬411表面，形成銲道金屬412，並且對銲道金屬411造成回火的效果，再利用金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬421表面，形成銲道金屬422，並且對銲道金屬421表面產生回火，將金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬412表面，形成銲道金屬413，並且對銲道金屬412造成回火，利用金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬422表面，形成銲道金屬423，且對於銲道金屬422產生回火，再將金屬熔填材料完全覆蓋於銲道金屬413，形成銲道金屬414，並於銲道金屬413造成回火，利用金屬熔填材料完全覆蓋 銲道金屬423表面，形成銲道金屬424，且使銲道金屬423回火，前述之每條銲道金屬(411、412、413、414、421、422、423、424)之高度皆相同。

1‧‧‧厚鋼板

11‧‧‧第一厚鋼板

111‧‧‧第一斜切面

112‧‧‧第二斜切面

113‧‧‧第一根部

12‧‧‧第二厚鋼板

121‧‧‧第三斜切面

122‧‧‧第四斜切面

123‧‧‧第二根部

2‧‧‧銲槽

21‧‧‧第一上銲槽

(211、212、213、214)‧‧‧銲道金屬

22‧‧‧第一下銲槽

(221、222、223、224)‧‧‧銲道金屬

Claims (6)

1. 一種鋼材多道次回火堆銲方法，係包括有厚鋼板及銲槽，該厚鋼板設置有第一厚鋼板、第二厚鋼板，該第一厚鋼板與第二厚鋼板為水平式毗鄰設置，於第一厚鋼板一端上方形成有第一斜切面，同一端之下方形成有第二斜切面，且於第一斜切面與第二斜切面之間形成有第一根部，係於第二厚鋼板一端上方形成有第三斜切面，同一端之下方形成有第四斜切面，且於第三斜切面與第四斜切面之間形成有第二根部，且第一根部與第二根部，為互相抵持時，第一斜切面與第三斜切面形成為第一上銲槽，第二斜切面與第四斜切面形成為第一下銲槽，當厚鋼板進行多道次回火堆銲時，其堆銲係依下列步驟進行：(A)將金屬熔填材料填入第一上銲槽形成銲道金屬；(B)移除第一根部與第二根部，使第一上銲槽之銲道金屬露出於第一下銲槽；(C)將金屬熔填材料填入第一下銲槽形成銲道金屬；(D)反覆依序將金屬熔填材料填入第一上銲槽與第一下銲槽內，使第一上銲槽與第一下銲槽內之銲道金屬形成層疊狀，且外層之銲道金屬表面積大於內層之銲道金屬表面積。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鋼材多道次回火堆銲方法，該厚鋼板之第一厚鋼板與第二厚鋼板之板厚，皆於40mm以上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鋼材多道次回火堆銲方法，該第一厚鋼板之第一根部與第二厚鋼板之第二根部之寬度，皆固定在2mm。
4. 一種鋼材多道次回火堆銲方法，係包括有厚鋼板及銲槽，該厚鋼板設置有第三厚鋼板、第四厚鋼板，且第三厚鋼板與第四厚鋼板為水平式毗鄰設置，第三厚鋼板一端設有基面，係於第四 厚鋼板一端上方形成有第五斜切面，同一端之下方形成有第六斜切面，且於第五斜切面與第六斜切面之間形成有第三根部，且基面與第三根部，為互相抵持時，基面與第五斜切面形成為第二上銲槽，基面與第六斜切面形成為第二下銲槽，當厚鋼板進行多道次回火堆銲時，其堆銲係依下列步驟進行：(A)將金屬熔填材料填入第二上銲槽形成銲道金屬；(B)移除第三根部，使第二上銲槽之銲道金屬露出於第二下銲槽；(C)將金屬熔填材料填入第二下銲槽形成銲道金屬；(D)反覆依序將金屬熔填材料填入第二上銲槽與第二下銲槽內，使第二上銲槽與第二下銲槽內之銲道金屬形成層疊狀，且外層之銲道金屬表面積大於內層之銲道金屬表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之鋼材多道次回火堆銲方法，該厚鋼板之第三厚鋼板與第四厚鋼板之板厚，皆於40mm以上。
6. 如申請專利範圍第4項所述之鋼材多道次回火堆銲方法，第四厚鋼板之第三根部之寬度，皆固定在2mm。