TWI771066B

TWI771066B - 離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法

Info

Publication number: TWI771066B
Application number: TW110122254A
Authority: TW
Inventors: 楊子青; 江銘峰; 黃財賞; 許登發; 陳勛榮; 謝榮淵
Original assignee: 中國鋼鐵股份有限公司
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2022-07-11
Also published as: TW202300757A

Abstract

一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法。在此方法中，製備二拘束鋼板。每個拘束鋼板具有長度方向，且每個拘束鋼板之一端面具有彼此相對且沿長度方向延伸之第一坡口與第二坡口。進行銲接操作，以將拘束鋼板的這些端面分別銲接在離岸水下基礎用高強度鋼板上而形成銲接結構。這些拘束鋼板在離岸水下基礎用高強度鋼板之厚度方向上彼此相對。銲接操作形成數個銲道分別位於第一坡口與第二坡口中。對銲接結構進行冷卻操作。沿厚度方向對銲接結構進行拉伸試驗。

Description

離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法

本揭露是有關於一種鋼板品質之試驗技術，且特別是有關於一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法。

目前的離岸鋼結構主要是使用熱軋成型的鋼板。鋼胚在連鑄過程中產生的氣泡與裂紋，可在高溫與壓力雙重作用下進行銲合，進而可改善鋼材的力學性能。鋼胚藉由熱軋程序可破壞鋼胚之鑄造組織，細化鋼材晶粒。

然，鋼材內部的非金屬夾雜物經過軋輥後會被壓成薄片，並殘留在鋼板中。這些非金屬夾雜物主要為硫化物、氧化物、矽酸鹽等。由於殘留在鋼板中之非金屬夾雜物薄片一般與鋼板表面平行，因而使得鋼板出現分層(夾層)現象。這樣的非金屬薄片分層現象導致鋼板沿厚度方向受拉力性能惡化。因此，鋼板在三個方向上的機械性能通常是有差別的，其中沿軋延方向的機械性能最佳，垂直於軋延方向(即寬度方向)的機械性能次之，沿厚度方向的機械性能最差。

一般而言，熱機處理的鋼板比較容易在心部位置產生層狀撕裂(lamellar tearing)，且此鋼板的內應力較高。隨著銲接入熱量的增加，銲接應力與變形量也越大，而造成鋼板母材層裂的問題。

先前，為了解決這個問題，日本產業標準的JIS G3136建議採用有Z向截面收縮率在25%以上保證的鋼材。然而，此一指標主要是針對鋼板母材做規範。在未來朝向較複雜應力之離岸結構設計以及熱機處理鋼板的發展下，因鋼板內應力使得其在銲接後更容易發生鋼板層裂的問題，而造成鋼結構場對鋼板銲接加工之疑慮。

目前有一種針對銲接後之鋼板的層狀撕裂敏感性試驗，其係將測試鋼板放入拘束鋼板(restraint plate)之中心的方型孔槽中。此方型孔槽之銲接長度向之相對二側壁的上下均加工成45度斜角，使此二側壁的中央均具有尖峰狀結構。因此，當測試鋼板在此方型孔槽中時，此二側壁之尖峰狀結構分別與測試鋼板之二側面相接而各構成一K型槽。先在測試鋼板與方形孔槽相鄰近的八個角落點銲固定，再沿著銲接長度的方向於各尖峰狀結構的上下進行全滲透填充銲接。接著，沿銲道長度方向對銲接完成之測試鋼板進行分切取樣，並觀察樣本之截面巨觀金相，藉此判定測試鋼板是否有層狀撕裂的特徵。

然而，這樣的試驗方式需在拘束鋼板之中心加工一方型孔槽，並且需對方型孔槽之長度方向的二側壁內部銑床45度角。而此加工處理不易進行，且會發生加工應力不均勻的情況。此外，銲接處易受到拘束鋼板之厚度的影響，導致在銲接過程中因銲槍角度而產生銲接滲透不足，進而影響樣本之金相的判斷。再者，銲接入熱量與冷卻速度對於鋼板的殘留應力有很大的影響，然此試驗並無法量化銲接入熱量與冷卻速度，不利於評估鋼板抵抗層狀撕裂敏感特性。

因此，本揭露之一目的就是在提供一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法，其拘束鋼板之加工及拘束鋼板與待試驗鋼板的組裝快速便利，故模擬試驗方法技術簡單、低成本、且容易操作檢驗。

本揭露之另一目的就是在提供一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法，其針對離岸水下基礎用高強度鋼板建立銲接測試之標準，拘束鋼板與待試驗鋼板之銲接入熱量與冷卻速率可有效量化，可同時驗證鋼板之可銲性。

本揭露之又一目的就是在提供一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法，其可依照現場生產銲接參數(welding procedure specification，WPS)檢視適用性，藉此可降低鋼板銲接撕裂的風險。

根據本揭露之上述目的，提出一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法。在此方法中，製備二拘束鋼板。每個拘束鋼板具有長度方向，且每個拘束鋼板之一端面具有彼此相對且沿長度方向延伸之第一坡口與第二坡口。進行銲接操作，以將拘束鋼板的這些端面分別銲接在離岸水下基礎用高強度鋼板上而形成銲接結構。這些拘束鋼板在離岸水下基礎用高強度鋼板之厚度方向上彼此相對。銲接操作形成數個銲道分別位於第一坡口與第二坡口中。對銲接結構進行冷卻操作。沿厚度方向對銲接結構進行拉伸試驗。

依據本揭露之一實施例，上述之拘束鋼板與離岸水下基礎用高強度鋼板之厚度均為約20mm至約180mm。

依據本揭露之一實施例，上述之第一坡口與第二坡口之傾斜角度均為約20度至約70度。

依據本揭露之一實施例，上述之每個拘束鋼板之第一坡口對第二坡口之高度比例為約1至約3。

依據本揭露之一實施例，上述進行銲接操作包含進行打底銲接組立步驟，以在離岸水下基礎用高強度鋼板上定位拘束鋼板；以及進行銲接步驟，以銲接拘束鋼板與離岸水下基礎用高強度鋼板。

依據本揭露之一實施例，上述進行打底銲接組立步驟包含進行氣體遮護金屬電弧銲接(GMAW)製程。進行氣體遮護金屬電弧銲接製程包含：控制銲接電流為約200A至約250A；控制銲接電壓為約20V至約25V；控制銲接速度為約150mm/min至約200mm/min；使用保護氣體，其中保護氣體為二氧化碳、或氬氣與二氧化碳的混合氣體；控制保護氣體之氣體流量為約15L/mim至約30L/min；以及控制對接間隙為0至約2mm。

依據本揭露之一實施例，上述進行打底銲接組立步驟包含進行潛弧銲接(SAW)製程。進行潛弧銲接製程包含：控制銲接電流為約400A至約500A；控制銲接電壓為約32V至約35V；控制銲接速度為約300mm/min至約350mm/min；以及控制對接間隙為0至約2mm。

依據本揭露之一實施例，上述進行銲接步驟包含進行氣體遮護金屬電弧銲接製程。進行氣體遮護金屬電弧銲接製程包含：使用銲材，其中此銲材之線徑為約1.0mm至約1.6mm；控制銲接電流為約200A至約350A；控制銲接電壓為約20V至約30V；控制銲接速度為約80mm/min至約500mm/min；使用保護氣體，其中此保護氣體為二氧化碳、或氬氣與二氧化碳的混合氣體；控制保護氣體之氣體流量為約15L/mim至約30L/min；以及控制對接間隙為0至約2mm。

依據本揭露之一實施例，上述進行銲接步驟包含進行潛弧銲接製程。進行潛弧銲接製程包含：使用銲材，其中此銲材之線徑為約3.2mm至約4.8mm；控制銲接電流為約400A至約1000A；控制銲接電壓為約30V至約40V；控制銲接速度為約100mm/min至約600mm/min；以及控制對接間隙為0至約2mm。

依據本揭露之一實施例，上述進行冷卻操作包含對銲接結構進行空冷處理及/或水冷處理。進行水冷處理包含控制水流速度為約10L/min至約30L/min。

依據本揭露之一實施例，上述進行該拉伸試驗包含自銲接結構中取得圓棒試片。圓棒試片包含部分之銲道與離岸水下基礎用高強度鋼板之沿厚度方向的一部分。此圓棒試片具有拉伸平行段，拉伸平行段之直徑為約10mm至約20mm，且拉伸平行段之長度為約20mm至約180mm。

100:步驟

110:步驟

120:步驟

130:步驟

200:待試驗鋼板

210:拘束鋼板

210a:端面

212:第一坡口

214:第二坡口

220:拘束鋼板

220a:端面

222:第一坡口

224:第二坡口

230:銲接結構

232:銲道

234:銲道

236:銲道

238:銲道

240:圓棒試片

242:拉伸平行段

250:夾持部

260:夾持部

D:直徑

G:對接間隙

L:長度

LD:長度方向

T1:厚度

t1:高度

T2:厚度

t2:高度

TD:厚度方向

θ 1:傾斜角度

θ 2:傾斜角度

為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：〔圖1〕係繪示依照本揭露之一實施方式的一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法的流程圖；〔圖2〕係繪示依照本揭露之一實施方式的一種離岸水下基礎用高強度鋼板與二拘束鋼板之組立的立體示意圖；〔圖3〕係繪示依照本揭露之一實施方式的一種離岸水下基礎用高強度鋼板與二拘束鋼板之組立的側視示意圖；〔圖4〕係繪示依照本揭露之一實施方式的一種離岸水下基礎用高強度鋼板與二拘束鋼板之銲接結構的切片的側視示意圖；以及〔圖5〕係繪示依照本揭露之一實施方式的一種取自銲接結構之圓棒試片設置在二夾持部之間的示意圖。

有鑑於習知鋼板的層狀撕裂敏感性試驗的種種不足，本揭露在此提出一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法，其技術簡單、低成本、且易操作檢驗。

請參照圖1至圖4，其中圖1係繪示依照本揭露之一實施方式的一種離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法的流程圖，圖2與圖3係分別繪示依照本揭露之一實施方式的一種離岸水下基礎用高強度鋼板與二拘束鋼板之組立的立體示意圖與側視示意圖，圖4係繪示依照本揭露之一實施方式的一種離岸水下基礎用高強度鋼板與二拘束鋼板之銲接結構的切片的側視示意圖。

離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法可對離岸水下基礎用高強度鋼板，以下稱待試驗鋼板200，進行銲接層裂之模擬試驗。離岸水下基礎用高強度鋼板可為50公斤強度等級或以上之鋼板。舉例而言，離岸水下基礎用高強度鋼板可為S355ML鋼板、S420ML鋼板、與S460ML鋼板等高強度低合金鋼。此離岸水下基礎用高強度鋼板之主要成分為鐵，剩餘部分為微量合金元素添加所構成。待試驗鋼板200具有厚度T1。在一些例子中，厚度T1可為約20mm至180mm。

進行離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法時，可先進行如圖1所示之步驟100，以製備二拘束鋼板210與220。製備拘束鋼板210與220時，可先提供二塊離岸水下基礎用高強度鋼板。在一些示範例子中，拘束鋼板210與220可為與待試驗鋼板200相同之離岸水下基礎用高強度鋼板。拘束鋼板210與220均具有厚度T2。在一些例子中，厚度T2可為約20mm至180mm。厚度T2可與厚度T1相同或不同。接著，對每塊離岸水下基礎用高強度鋼板之一端進行銲接坡口加工操作，而製得拘束鋼板210與220。在一些示範例子中，進行銲接坡口加工操作時，可依照現場生產銲接參數所規範之銲接入熱量進行坡口角度的銑床加工。

如圖2與圖3所示，拘束鋼板210與220均具有長度方向LD，即順著拘束鋼板210與220之長度延伸的方向。經銲接坡口加工，拘束鋼板210之一端面210a具有第一坡口212與第二坡口214。第一坡口212與第二坡口214沿著長度方向LD延伸。第一坡口212與第二坡口214彼此相對，即第一坡口212與第二坡口214位於拘束鋼板210之一端面210a的相對二側。類似地，拘束鋼板220之一端面220a具有第一坡口222與第二坡口224。第一坡口222與第二坡口224沿著長度方向LD延伸，且第一坡口222與第二坡口224彼此相對。

請繼續參照圖3，拘束鋼板210之第一坡口212與拘束鋼板220之第一坡口222均具有傾斜角度θ 1。傾斜角度θ 1可例如為約20度至約70度。拘束鋼板210之第二坡口214與拘束鋼板220之第二坡口224均具有傾斜角度θ 2。舉例而言，傾斜角度θ 2可例如為約20度至約70度。在圖3所示之例子中，第一坡口212與222之傾斜角度θ 1較第二坡口214與224之傾斜角度θ 2大。在其他例子中，可根據試驗需求，設計傾斜角度θ 1與傾斜角度θ 2的相對大小。

此外，在拘束鋼板210與220中，第一坡口212與222均具有高度t1，第二坡口214與224均具有高度t2。在一些示範例子中，第一坡口212與222之高度t1對第二坡口214與224之高度t2的高度比例為約1至約3。

接著，可如步驟110所述，進行銲接操作，以將拘束鋼板210之一端面210a與拘束鋼板220之一端面220a分別銲接在待試驗鋼板200上，而形成銲接結構230，如圖4所示。拘束鋼板210與220以及待試驗鋼板200採用十字接頭型式來進行組裝設計。也就是說，此二拘束鋼板210與220在離岸水下基礎用高強度鋼板之待試驗鋼板200的厚度方向TD上彼此相對。待試驗鋼板200的厚度方向TD即順著待試驗鋼板200之厚度T1延伸的方向。如圖4所示，銲接操作可形成數個銲道232、234、236、與238分別位於第一坡口212、第二坡口214、第一坡口222、與第二坡口224中。

在一些例子中，進行銲接操作時，可先進行打底銲接組立步驟，以將拘束鋼板210與220定位在待試驗鋼板200上。在一些示範例子中，採雙K型銲接坡口設計，打底銲接組立時可使拘束鋼板210之一端面210a與拘束鋼板220之一端面220a在待試驗鋼板200之厚度方向TD上相對，且第一坡口212與222在厚度方向TD上相對，第二坡口214與224在厚度方向TD上相對。舉例而言，第一坡口212與222對齊，第二坡口214與224對齊。

在一些例子中，進行打底銲接組立步驟包含進行氣體遮護金屬電弧銲接製程。在一些示範例子中，進行此氣體遮護金屬電弧銲接製程時，可將銲接電流控制在約200A至約250A，將銲接電壓控制在約20V至約25V，將銲接速度控制在約150mm/min至約200mm/min，並使用二氧化碳、或氬氣與二氧化碳之混合氣體的保護氣體，將此保護氣體之氣體流量控制在約15L/mim至約30L/min，且將對接間隙G控制在0至約2mm。

在另一些例子中，進行打底銲接組立步驟包含進行潛弧銲接製程。在一些示範例子中，進行此潛弧銲接製程時，可將銲接電流控制在約400A至約500A，將銲接電壓控制在約32V至約35V，將銲接速度控制在約300mm/min至約350mm/min，以及將對接間隙G控制在約0至約2mm。

完成銲接操作之打底銲接組立步驟後，可進行銲接步驟，以將拘束鋼板210與220銲接在待試驗鋼板200在厚度方向TD上的相對二側。此銲接步驟可形成銲道232、234、236、與238分別位於第一坡口212、第二坡口214、第一坡口222、與第二波口224中。由於第一坡口212 與222以及第二坡口214與224均沿著拘束鋼板210與220之長度方向LD延伸，因此銲道232、234、236、與238亦均沿著拘束鋼板210與220之長度方向LD延伸。

進行銲接步驟時，可依照現場生產銲接參數所規範之低與高銲接入熱量來進行拘束鋼板210與220和待試驗鋼板200之十字接頭銲接結構的組立。此外，在此銲接步驟中，所選用之銲材的強度等級大於拘束鋼板210與220銲待試驗鋼板200高一等級。舉例而言，拘束鋼板210與220和待試驗鋼板200可為50公斤強度等級，而銲材可選用60公斤~70公斤強度等級。

在一些例子中，進行銲接步驟包含進行氣體遮護金屬電弧銲接製程。在一些示範例子中，進行此氣體遮護金屬電弧銲接製程可使用線徑為約1.0mm至約1.6mm的銲材，可將銲接電流控制在約200A至約350A，將銲接電壓控制在約20V至約30V，將銲接速度控制在約80mm/min至約500mm/min，並使用二氧化碳、或氬氣與二氧化碳之混合氣體的保護氣體，將保護氣體之氣體流量控制在約15L/mim至約30L/min，以及將對接間隙G控制在0至約2mm。

在另一些例子中，進行銲接步驟包含進行潛弧銲接製程。在一些示範例子中，進行此潛弧銲接製程可使用線徑為約3.2mm至約4.8mm之銲材，並可將銲接電流控制在約400A至約1000A，將銲接電壓控制在約30V至約 40V，將銲接速度控制在約100mm/min至約600mm/min，以及將對接間隙G控制在0至約2mm。

接著，如圖1所示，可進行步驟120，以對銲接結構230進行冷卻操作。可依照現場生產銲接參數所規範之冷卻速度來進行冷卻操作。進行冷卻操作時，可對銲接結構230進行空冷處理及/或水冷處理。在一些例子中，冷卻操作採用水冷處理，以模擬鋼板在實際應用時的銲接環境。在一些示範例子中，進行水冷處理時可將水流速度控制在約10L/min至約30L/min。

完成銲接結構230的冷卻後，可進行步驟130，以沿待試驗鋼板200之厚度方向TD對銲接結構230進行拉伸試驗。請參照圖5，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種取自銲接結構之圓棒試片設置在二夾持部之間的示意圖。在一些例子中，可鋸切銲接結構230，取得圓棒試片240，此圓棒試片240包含部分之銲道232、234、236、與238以及待試驗鋼板200之沿其厚度方向TD的一部分。舉例而言，可沿待試驗鋼板200之厚度方向TD鋸切待試驗鋼板200之中間部分、銲道232與234之鄰接部分、以及銲道236與238之鄰接部分。

圓棒試片240可包含拉伸平行段242。在一些示範例子中，拉伸平行段242之直徑D為約10mm至約20mm，且拉伸平行段242之長度L為約20mm至約180mm。拉伸試驗設備之二夾持部250與260分別夾住圓棒試片240之二端，以對圓棒試片240進行拉伸試驗。可透過拉伸前後之圓棒試片240的截面積變化，來計算圓棒試片240之斷面縮率。斷面縮率為拉伸後之截面積減去拉伸前之截面積後，再除以拉伸前之截面積的百分比。可根據日本產業標準的JIS G3136所建議之Z向截面收縮率25%，來判斷待試驗鋼板200是否有層狀撕裂的風險。

在一些例子中，在冷卻操作完成後，亦可沿著銲道232、234、236、與238之長度方向，亦即拘束鋼板210與220的長度方向LD，對銲接結構230進行分切取樣，並觀察取樣之截面的巨觀金相，來檢驗銲道232、234、236、與238和待試驗鋼板200之缺陷。配合觀察巨觀金相與拉伸試驗，可進行待試驗鋼板200與銲接參數是否有層狀撕裂的風險判定與優化。在一些示範例子中，更可對取樣施以液滲(penetrant testing，PT)檢驗，來檢驗待試驗鋼板200與銲道232、234、236、與238缺陷。

由上述之實施方式可知，本揭露之一優點就是因為在本揭露之離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法中，拘束鋼板之加工及拘束鋼板與待試驗鋼板的組裝快速便利，因此模擬試驗方法技術簡單、低成本、且容易操作檢驗。

本揭露之另一優點就是因為本揭露之模擬試驗方法針對離岸水下基礎用高強度鋼板建立銲接測試之標準，拘束鋼板與待試驗鋼板之銲接入熱量與冷卻速率可有效量化，可同時驗證鋼板之可銲性。

本揭露之又一優點就是因為本揭露之離岸水下基礎用高強度鋼板銲接層裂之模擬試驗方法可依照現場生產銲接參數檢視適用性，藉此可降低鋼板銲接撕裂的風險。

雖然本揭露已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。