專利名稱：超高強(qiáng)度焊接接頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過將抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板使用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接進(jìn)行單道焊接而得到的超高強(qiáng)度焊接接頭及其制造方法，具體而言涉及_40°C下的2mmV型缺口夏比沖擊試驗(yàn)中的吸收能(vE_40)為27J/cm2以上的強(qiáng)度及韌性優(yōu)異、且適用于建筑機(jī)械和產(chǎn)業(yè)機(jī)械等的超高強(qiáng)度焊接接頭。
背景技術(shù)：
近年來，建筑物的大型化、高層化的需求增加，為縮短建設(shè)工期、削減施工成本，要求建設(shè)中使用的起重機(jī)等建筑機(jī)械和產(chǎn)業(yè)機(jī)械進(jìn)一步大型化、高功能化。為滿足這種要求，建筑機(jī)械、產(chǎn)業(yè)機(jī)械中使用的鋼板的高強(qiáng)度化取得了進(jìn)展，最近已在使用抗拉強(qiáng)度超過IlOOMPa的超高強(qiáng)度鋼板。以往，在鋼板的焊接中一直使用手工焊接、氣體保護(hù)弧焊、埋弧焊接等。但是，近年來為了實(shí)現(xiàn)鋼板焊接的高效率化，探討使用組合了激光和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接。作為激光復(fù)合焊接的方法，有通過氣體保護(hù)弧焊形成熔池后對(duì)其進(jìn)行激光照射的方法、或者通過照射激光賦予高密度的線能量來使鋼板熔融后對(duì)其進(jìn)行氣體保護(hù)弧焊的方法。當(dāng)鋼板的焊接采用激光復(fù)合焊接時(shí)，可獲得比以往的焊接更深的熔深，因此，若鋼板的板厚在12_以下即可進(jìn)行單道焊接，能高效地焊接鋼板。作為使用激光復(fù)合焊接來焊接鋼板的方法，已提出有專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中記載的技術(shù)。在專利文獻(xiàn)I中公開了一種超高強(qiáng)度焊接鋼管的制造方法，其使用顯微組織為鐵素體和回火馬氏體和下部貝氏體的混合組織且抗拉強(qiáng)度為SOOMPa以上的鋼板，將該鋼板成形至管狀后，利用激光復(fù)合焊接法將對(duì)接部焊接。另外，在專利文獻(xiàn)2中公開了一種超高強(qiáng)度高變形性焊接鋼管的制造方法，其使用鐵素體+貝氏體、鐵素體+馬氏體、以及鐵素體+貝氏體+馬氏體中任一者以面積分率計(jì)為90%以上且抗拉強(qiáng)度為900MPa以上的鋼板，將該鋼管成形至管狀后，利用激光復(fù)合焊接法將對(duì)接部焊接?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2008-23569號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 :日本特開2008-248315號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題為了將板厚為4 12mm的鋼板高效地焊接，優(yōu)選使用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接來進(jìn)行單道焊接。
當(dāng)鋼板的板厚為4mm以上時(shí)，除抗拉強(qiáng)度外對(duì)韌性也有要求。特別是作為建筑機(jī)械和產(chǎn)業(yè)機(jī)械中使用的焊接接頭，大多要求_40°C下的2mmV型缺口夏比沖擊試驗(yàn)中的吸收能(vE-40)在27J/cm2以上。為此，板厚為4mm以上且應(yīng)用了激光復(fù)合焊接的鋼板限于鋼板的抗拉強(qiáng)度為1050MPa左右為止，沒有對(duì)激光復(fù)合焊接在抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上的超高強(qiáng)度鋼中的應(yīng)用進(jìn)行探討的例子。若對(duì)抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上的鋼進(jìn)行激光復(fù)合焊接，則焊接金屬的組織成為馬氏體單相，而且由于是單道焊接，因此焊接金屬在凝固的狀態(tài)下被使用，從而很難確保焊接金屬的韌性。為此，希望有即使在對(duì)抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上的鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接的情況下也能滿足焊接金屬的強(qiáng)度和韌性的技術(shù)。本發(fā)明是鑒于上述課題而完成的發(fā)明，其目的在于提供即使在將厚度為4 12_且抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上的鋼板使用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接進(jìn)行單道焊接的情況下、也能滿足抗拉強(qiáng)度和韌性的焊接金屬以及超高強(qiáng)度焊接接頭。用于解決課題的手段在抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板的焊接中，為了確保焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，焊接金屬必須為馬氏體單相的組織。在激光束單獨(dú)的焊接中，焊接金屬是凝固狀態(tài)的組織，馬氏體的板條塊及板條束變粗大，因此很難確保韌性。另一方面，若僅通過氣體保護(hù)弧焊來進(jìn)行單道焊接，則需要較高的線能量，因此冷卻速度會(huì)變慢，很難確保焊接金屬和焊接接頭整體的抗拉強(qiáng)度。為此，本發(fā)明人們想到了組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接。本發(fā)明人認(rèn)為激光復(fù)合焊接利用氣體保護(hù)弧焊來形成含有氧的焊接金屬，對(duì)其使用激光束，以較少的線能量使其較深地熔透，與以往的氣體保護(hù)弧焊相比，能以非?？斓睦鋮s速度進(jìn)行焊接，由此能在焊接金屬內(nèi)使微細(xì)的氧化物分散并結(jié)晶析出，因此馬氏體的組織(板條塊或板條束等)微細(xì)，即使焊接金屬的組織是馬氏體單相也能確保充分的韌性。本發(fā)明人們針對(duì)通過利用激光復(fù)合焊接進(jìn)行單道焊接而得到的焊接金屬以及焊接接頭，對(duì)能夠通過確?？色@得強(qiáng)度的淬透性并使氧化物在焊接金屬中微細(xì)地分散并結(jié)晶析出來獲得抗拉強(qiáng)度和韌性優(yōu)異的焊接金屬的最佳焊接金屬的組成進(jìn)行了反復(fù)研究。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過使C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Nb、B的含量分別在規(guī)定的范圍內(nèi)，能使焊接金屬的組織為馬氏體單相，而且，通過使氧量和作為脫氧或氧化物形成元素的Si、Mn、Al、Ti的含 量分別在規(guī)定的范圍內(nèi)，能在焊接金屬內(nèi)使適量的微細(xì)的氧化物分散并結(jié)晶析出，可確保焊接金屬的強(qiáng)度和韌性。本發(fā)明如下所述。(I) 一種強(qiáng)度和韌性優(yōu)異的超高強(qiáng)度焊接接頭，其特征在于，其是使用含有馬氏體單相組織的焊接金屬且板厚為4 12_的鋼板而得到的超高強(qiáng)度焊接接頭，在垂直于焊接方向的焊接接頭的截面中，將鋼板表層的焊接金屬的寬度設(shè)為W1、將距離鋼板表層為板厚的3/4處的焊接金屬的寬度設(shè)為W2，具有Wl為2. Omm 7. Omm且W2為O. 5mm 2. 4mm的焊接金屬的截面形狀，上述焊接金屬按質(zhì)量％計(jì)含有C :高于O. 09%且為O. 24%以下、Si :0. 2 I. 0%、Mn 0. 5 2. 5%、P 0. 02% 以下、S 0. 02% 以下、Al 0. 004 O. 08%、Ti 0. 005 O. 15%、O O. 005 O. 05%,Ni :1. O 9%，而且，由下述(式I)所定義的碳當(dāng)量(Ceq)為O. 40 I. 00%，且由下述(式2)所定義的Y為O. 07 O. 20%，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe。Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14(式 I)Y= ([Si] + [Mn])/40+ [Al] + [Ti](式 2)(式I)和(式2)中，帶[]的元素表示各元素的含量(質(zhì)量％)。另外，在(式I)中未含有的元素按含量為0%來計(jì)算。(2)根據(jù)上述(I)所述的強(qiáng)度和韌性優(yōu)異的超高強(qiáng)度焊接接頭，其特征在于，上述焊接金屬按質(zhì)量％計(jì)還含有Cr 0. I 2. 0%、Mo :0. I I. 5%、V :0. 005 O. 2%,Nb :0. 005 O. 1%, Cu 0. 01 I. 0%、B 0. 0005 O. 01% 中的 I 種或 2 種以上。(3) 一種超高強(qiáng)度焊接接頭的制造方法，其特征在于，其是使用實(shí)芯焊絲并利用組 合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接對(duì)抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板進(jìn)行單道焊接從而制造上述(I)或(2)所述的超高強(qiáng)度焊接接頭的方法，上述鋼板按質(zhì)量% 計(jì)含有 C 0. 10 O. 25%, Si 0. 03 I. 0%、Μη :0. 5 2· 5%、P O. 02% 以下、S 0. 01% 以下、Al 0. 002 O. 1%、N :0. 001 O. 006%,O 0. 001 O. 004%，還含有 Ni 0. 01 6. 0%, Cr 0. I 2· 0%、Mo :0. I 2. 0%, V 0. 01 O. 2%, Ti 0. 01 O. 20%、Nb 0. 005 O. 2%、Cu 0. 005 I. 0%、B 0. 0002 O. 030%、Ca 0. 0006 O. 0100% 中的 I種或2種以上，由下述(式I)所定義的Ceq為O. 4 I. 2%，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe，對(duì)上述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)使用的實(shí)芯焊絲按質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 4%以下、Si :1. 5% 以下、Mn :4. 0% 以下、P :0. 02% 以下、S :0. 02% 以下、Al :0. 08% 以下，還含有 Ti O. 30% 以下、Ni 12. 0% 以下、Cr :3. 0% 以下、Mo :3. 0% 以下、V :0. 3% 以下、Nb :0. 30% 以下、Cu :1.5%以下、B :0. 0150%以下中的I種或2種以上，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe，當(dāng)使用上述實(shí)芯焊絲對(duì)上述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)，在氣體保護(hù)弧焊中，作為保護(hù)氣體，使用在Ar或He氣體中混合了 2 5%的O2氣體或5 25%的CO2氣體的混合氣體。Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14(式 I)(式I)中，帶口的元素表示各元素的含量(質(zhì)量％)。(4) 一種超高強(qiáng)度焊接接頭的制造方法，其特征在于，其是使用藥芯焊絲并利用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接對(duì)抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板進(jìn)行單道焊接從而制造上述(I)或(2)所述的超高強(qiáng)度焊接接頭的方法，上述鋼板按質(zhì)量％ 計(jì)含有 C 0. 10 O. 25%、Si 0. 03 I. 0%、Μη :0. 5 2· 5%、P
O.02% 以下、S 0. 01% 以下、Al 0. 002 O. 1%、N :0. 001 O. 006%,O 0. 001 O. 004%，還含有 Ni 0. 01 6. 0%, Cr 0. I 2· 0%、Mo :0. I 2. 0%, V 0. 01 O. 2%, Ti 0. 01 O. 20%、Nb 0. 005 O. 2%、Cu 0. 005 I. 0%、B 0. 0002 O. 030%、Ca 0. 0006 O. 0100% 中的 I種或2種以上，由下述(式I)所定義的Ceq為O. 4 I. 2%，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe，對(duì)上述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)使用的藥芯焊絲作為合金成分按相對(duì)于焊絲整體的質(zhì)量％計(jì)含有c :0. 4%以下、Si :1. 5%以下、Mn :4. 0%以下、P :0. 02%以下、S :0. 02%以下、Al :0. 08% 以下，還含有 Ti :0. 30% 以下、Ni :12. 0% 以下、Cr :3. 0% 以下、Mo :3. 0% 以下、V :0. 3%以下、Nb :0. 3%以下、Cu :1. 5%以下、B :0. 0150%以下中的I種或2種以上，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe，當(dāng)使用上述藥芯焊絲對(duì)上述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)，在氣體保護(hù)弧焊中，作為保護(hù)氣體，使用在Ar或He氣體中混合了 5%以下的O2氣體或25%以下的CO2氣體的混合氣體、純Ar氣體或者純He氣體中的任一種。Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 (式 I)(式I)中，帶[]的元素表示各元素的含量(質(zhì)量％)。發(fā)明的效果本發(fā)明是通過利用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接對(duì)抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板進(jìn)行單道焊接而得到的生產(chǎn)率優(yōu)異的超高強(qiáng)度焊接接頭，而且，得到的焊接金屬由通過在焊接金屬內(nèi)結(jié)晶析出的微細(xì)的氧化物進(jìn)行了微細(xì)化后得到的馬氏體單相組織構(gòu)成，因此盡管焊接金屬的組織是由馬氏體單相構(gòu)成的凝固狀態(tài)的組織,但是由于抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且_40°C下的2mmV型缺口夏比沖擊試驗(yàn)中的吸收能(vE-40)為27J/cm2以上，因此能夠用于可能會(huì)在寒冷地區(qū)使用的建筑機(jī)械和產(chǎn)業(yè)機(jī) 械中，產(chǎn)業(yè)上的效果非常大。


圖I是用以說明焊接接頭的截面形狀的截面圖。圖2是用以說明鋼板的坡口形狀的截面圖。圖3是表示_40°C下的2mmV型缺口夏比沖擊試驗(yàn)中的吸收能(vE_40)與由Y= ([Si]+ [Mn])/40+[Al]+ [Ti]定義的數(shù)值的關(guān)系的圖表。圖4是用以說明在焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、韌性、焊接金屬的組成的測(cè)定中使用的焊接接頭拉伸試驗(yàn)片、夏比沖擊試驗(yàn)片、成分分析試樣的采集要領(lǐng)和維氏硬度測(cè)定的要領(lǐng)的截面示意圖。
具體實(shí)施例方式以下詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式?！俺邚?qiáng)度焊接接頭”本發(fā)明的超高強(qiáng)度焊接接頭是指將由具有抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa 1700MPa且-40°C下的2mmV型缺口夏比沖擊試驗(yàn)中的吸收能(vE_40)為27J/m2以上的特性的超高強(qiáng)度鋼構(gòu)成、且板厚為4 12_的鋼板進(jìn)行焊接而形成的超高強(qiáng)度焊接接頭，其含有馬氏體單相組織的焊接金屬。進(jìn)而，如圖I所示，本發(fā)明的超高強(qiáng)度焊接接頭在垂直于焊接方向的焊接接頭的截面中，將鋼板表層(即將配置焊接手段的一側(cè)的鋼板表面連結(jié)的線上)的焊接金屬的寬度設(shè)為W1、將距離鋼板表層為板厚的3/4處的焊接金屬的寬度設(shè)為W2，具有Wl為2. 7 7. Omm且W2為O. 5mm 2. 4mm的焊接金屬的截面形狀，由于該焊接金屬具有特定的化學(xué)組成且由微細(xì)化的馬氏體單相組織構(gòu)成，因此焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且-40°C下的2mmV型缺口夏比沖擊試驗(yàn)中的吸收能(vE-40)為27J/m2以上。首先，關(guān)于焊接金屬的化學(xué)組成，對(duì)各成分的限定理由進(jìn)行說明。另外，各成分中的％表示質(zhì)量％。[C :高于 O. 09% 且為 O. 24% 以下]C是馬氏體組織中對(duì)強(qiáng)度表現(xiàn)最為重要的元素。當(dāng)C的含量少時(shí)，無法充分獲得焊接金屬的抗拉強(qiáng)度，因此必須高于O. 09%。但當(dāng)超過O. 24%地過剩地含有C時(shí)，焊接金屬的韌性劣化。因此，C的含量高于O. 09%且為O. 24%以下。另外，為了穩(wěn)定地確保焊接金屬的強(qiáng)度和韌性，C的下限可以為O. 11%,O. 12%或O. 14%，C的上限可以為O. 20%,O. 18%或O. 16%。[Si 0. 2 I. 0%]Si是脫氧元素，具有減少焊接金屬中的氧(O)來提高純度的作用。另外，焊接金屬中殘留的Si由于形成氧化物而有助于組織的微細(xì)化，因此還具有提高韌性的作用。為了獲得這些效果，必須使Si的含量在O. 2%以上。另一方面，當(dāng)焊接金屬中的Si含量超過I. 0%而過剩時(shí)，氧化物變粗大，焊接金屬的韌性顯著劣化。因此，焊接金屬中的Si含量為O. 2
I.0%。另外，為了穩(wěn)定地確保焊接金屬的韌性，Si的下限可以為O. 25%,O. 3%或O. 35%，Si的上限可以為O. 8%、0. 7%或O. 6%。
[Mn :0· 5 2. 5%]Mn是確保焊接金屬的淬透性來提高強(qiáng)度的元素。另外，Mn具有在焊接金屬中形成氧化物使組織微細(xì)化從而提高韌性的效果。為了獲得這些效果，必須使Mn的含量為O. 5%以上。另一方面，當(dāng)焊接金屬中Mn的含量超過2. 5%時(shí)，會(huì)在焊接金屬中過剩地產(chǎn)生殘留奧氏體。其結(jié)果是，晶界脆化敏感度提高，焊接金屬的韌性及耐焊接裂紋性劣化的可能性提高。因此，焊接金屬中的Mn含量為O. 5 2. 5%。另外，為了穩(wěn)定地確保焊接金屬的強(qiáng)度和韌性，Mn的下限可以為O. 7%、0· 9%、1· 0%或I. 1%，Mn的上限可以為2. 0%、1· 9%、1· 8%或I. 7%。[P 0. 02% 以下]P是不可避免的雜質(zhì)元素，由于會(huì)損害韌性因此必須盡量減少。當(dāng)焊接金屬中的P的含量為O. 02%以下時(shí)，對(duì)焊接金屬的韌性的不良影響是可允許的。因此，焊接金屬中P的含量為O. 02%以下。為了進(jìn)一步提高韌性，可將P的上限限制為O. 015%或O. 010%。[S :0.02% 以下]S也是不可避免的雜質(zhì)元素，當(dāng)在焊接金屬中過多存在時(shí)會(huì)使韌性和延展性均劣化，因此優(yōu)選盡量減少。當(dāng)焊接金屬中S的含量為O. 02%以下時(shí)，對(duì)韌性、延展性的不良影響是可允許的。因此，焊接金屬中S的含量為O. 02%以下。為了進(jìn)一步提高韌性，可將S的上限限制為 O. 015%, O. 010% 或 O. 06% ο[Al 0. 004 O. 08%]Al是脫氧元素，與Si同樣地具有減少焊接金屬中的氧量來提高純度的效果。另夕卜，Al還具有在焊接金屬中形成氧化物使馬氏體的組織(板條塊或板條束等)變微細(xì)的效果。為了發(fā)揮這些效果，必須使焊接金屬中含有O. 004%以上的Al。另一方面，當(dāng)焊接金屬中過剩地含有超過O. 08%的Al時(shí)，會(huì)形成粗大的氧化物，該粗大氧化物會(huì)使韌性顯著劣化。因此，焊接金屬中Al的含量為O. 004 O. 08%。另外，為了充分獲得提高焊接金屬的韌性的效果，Al的下限可以為O. 010%,O. 015%或O. 018%，另外，為了抑制粗大氧化物的產(chǎn)生，Al的上限可以為O. 06%、O. 04%或O. 03%。[Ti 0. 005 O. 15%]Ti是焊接金屬中有效的脫氧元素，并且是能夠?qū)⒑附咏饘僦械墓倘躈以氮化物的方式固定從而緩和固溶N對(duì)韌性的不良影響的元素。進(jìn)而，Ti還具有形成氧化物而使馬氏體的組織(板條塊或板條束等)變微細(xì)的作用。為了利用Ti的這些作用而發(fā)揮焊接金屬的韌性提高效果，必須使焊接金屬中含有O. 005%以上的Ti。另一方面，當(dāng)焊接金屬中Ti含量超過O. 15%而過剩時(shí)，形成粗大的氧化物、以及顯著出現(xiàn)因TiC的過度析出所引起的韌性劣化的可能性增大。因此，焊接金屬中Ti的含量為O. 005 O. 15%。另外，為了充分獲得焊接金屬的韌性提高效果，Ti的下限可以為O. 015%, O. 025%或O. 030%, Ti的上限可以為O. 14%, O. 12% 或 O. 010%O[O 0. 005 O. 05%]通常O被認(rèn)為是雜質(zhì)，優(yōu)選盡量減少，但在本發(fā)明中，為了使馬氏體的組織微細(xì)化，事先使氧化物微細(xì)地分散于焊接金屬中。這樣的話，當(dāng)在焊接后的冷卻過程中馬氏體相變時(shí)，氧化物會(huì)阻礙組織的生長而使組織(板條塊或板條束等)變微細(xì)，使焊接金屬的韌性得以改善。為了獲得由這種氧化物的微細(xì)化效果而帶來的韌性改善效果，必須使焊接金屬中含有O. 005%以上的O。另一方面，氧化物會(huì)成為延展性斷裂的起點(diǎn)而使韌性下降。當(dāng)含有超過O. 05%的O時(shí)，與微細(xì)化帶來的韌性改善相比，氧化物引起的韌性劣化的影響更大。
因此，焊接金屬中O含量為O. 005 O. 05%。另外，為了充分獲得氧化物對(duì)焊接金屬的組織的微細(xì)化的有利效果，O含量的下限可以為O. 010%,O. 015%或O. 020%，O的上限可以為 O. 045%、O. 040% 或 O. 035%。[Ni :1.0 9%]Ni是在固溶的狀態(tài)下提高鋼的韌性的元素，是唯一能夠穩(wěn)定地提高韌性而不受焊接金屬的其它成分、組織影響的元素，特別是在高強(qiáng)度的焊接金屬中對(duì)確保韌性而言是必需的元素。因此，必須含有1.0%以上的Ni。Ni含量越多對(duì)于提高韌性越有利，但當(dāng)焊接金屬中的含量超過9%時(shí)，韌性提高效果飽和。因此，將焊接金屬中的Ni含量限定在I. O 9%。另外，為了使Ni的效果確實(shí)有助于韌性提高，Ni的下限可以為I. 6%、2. 1%、2. 6%。另外，Ni是高價(jià)的元素，可將其上限限制為 7. 5%、6· 0% 或 5. 0%。含有以上的元素、余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe的焊接金屬是本發(fā)明的超高強(qiáng)度焊接接頭中含有的焊接金屬的基本構(gòu)成，但在本發(fā)明中，為了進(jìn)一步調(diào)節(jié)焊接金屬的特定的機(jī)械性質(zhì)，在焊接金屬中根據(jù)需要還可以在以下的范圍內(nèi)進(jìn)一步含有Cr、Mo、V、Nb、Cu、B中的I種或2種以上。[Cr :0· I 2. 0%]Cr是通過提高淬透性從而對(duì)高強(qiáng)度化有效的元素，因此可以在焊接金屬中含有O. 1%以上的Cr。另一方面，當(dāng)含有超過2. 0%的Cr時(shí)，會(huì)使馬氏體固化不均而使韌性顯著劣化，因此含量的上限為2. 0%。為了更穩(wěn)定地獲得Cr的效果，下限可以為O. 2%或O. 3%。Cr的上限可以為I. 5%、1· 2%、0· 8%或O. 5%ο[Mo :0. I I. 5%]Mo是用于提高焊接金屬的抗拉強(qiáng)度TS的淬透性提高元素。為了發(fā)揮該效果，可以在焊接金屬中含有O. 1%以上的Mo。另一方面，即使含有超過I. 5%的Mo，高強(qiáng)度化的效果飽和。因此，焊接金屬中含有Mo時(shí)的含量為O. I I. 5%。為了更穩(wěn)定地獲得Mo的效果，下限可以為O. 2%或O. 3%ο Mo的上限可以為I. 2%、I. 0%、0· 8%或O. 6%。[V 0. 005 O. 2%]V是通過形成微細(xì)碳化物而利用析出強(qiáng)化來確保焊接金屬的強(qiáng)度的有效元素。為了發(fā)揮該效果，可以在焊接金屬中含有O. 005%以上的V。另一方面，當(dāng)焊接金屬中含有超過O. 2%的V時(shí)，會(huì)形成粗大的析出物而使韌性劣化。因此，焊接金屬中含有V時(shí)的含量為O. 005 O. 2%。為了更穩(wěn)定地獲得V的效果，下限可以為O. 02%,O. 04%。根據(jù)需要，V的上限可以為 O. 18%,O. 16%,O. 12% 或 O. 08%O[Nb 0. 005 O. 1%]Nb是鐵素體穩(wěn)定化元素，對(duì)減少殘留奧氏體有效，而且對(duì)通過形成微細(xì)碳化物而利用析出強(qiáng)化來確保焊接金屬的強(qiáng)度有效。為了發(fā)揮這些效果，可以在焊接金屬中含有O. 005%以上的Nb。另一方面，當(dāng)在焊接金屬中含有超過O. 1%的Nb時(shí)，會(huì)形成粗大的析出物而使韌性劣化。因此，焊接金屬中含有Nb時(shí)的含量為O. 005 O. 1%。為了更穩(wěn)定地獲得Nb的效果，下限可以為O. 008%,O. 010%ο根據(jù)需要，Nb的上限可以為O. 08%,O. 06%,O. 04%或O. 03%。[Cu :0. 01 I. 0%]Cu是對(duì)強(qiáng)度提高有效的元素，為了充分獲得焊接金屬的強(qiáng)度提高效果，可以在焊接金屬中含有O. 01%以上的Cu。另一方面，當(dāng)焊接金屬中的Cu含量超過I. 0%時(shí)，焊接金屬的韌性會(huì)劣化。因此，焊接金屬中含有Cu時(shí)的含量為O. 01 I. 0%。為了更穩(wěn)定地獲得Cu的效果，下限可以為O. 05%或O. 10%。為了提高韌性，Cu的上限可以為O. 8%、0· 6%、0· 3%或O. 2%。[B 0. 0005 O. 01%]B是提高淬透性而有助于提高焊接金屬的強(qiáng)度的元素，而且還具有與焊接金屬中的固溶N結(jié)合而形成BN來提高焊接金屬的韌性的作用。為了切實(shí)地發(fā)揮這些效果，可以在焊接金屬中含有O. 0005%以上的B。另一方面，當(dāng)含量超過O. 01%時(shí)，B過剩，會(huì)形成粗大的BN或Fe23(C、B)6等B化合物而使韌性劣化。因此，將焊接金屬中含有B時(shí)的含量限定為O. 0005 O. 01%。為了更穩(wěn)定地獲得B的效果，下限可以為O. 0008%、O. 0010%。為了提高韌性，B 的上限可以為 O. 008%、O. 006%、O. 004%、O. 003% 或 O. 002%。另外，在本發(fā)明中，為了確保超高強(qiáng)度焊接接頭的焊接金屬的抗拉強(qiáng)度(TS)，使下述(式I)所示的日本焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(WES)中定義的淬火硬度的指標(biāo)即碳當(dāng)量(Ceq)為O. 40 I. 00%οCeq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 (式 I)另外，(式I)中，帶[]的元素表示各元素的含量(質(zhì)量％)。另外，未含有的元素以含量為0%來計(jì)算。上述(式I)所定義的Ceq表示焊接金屬的淬火硬度。焊接金屬為了確保目標(biāo)抗拉強(qiáng)度，必須對(duì)焊接金屬中的C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V的含量進(jìn)行限定以使上述(式I)所定義的Ceq為O. 40%以上。當(dāng)Ceq低于O. 40%時(shí)，由于淬火硬度不足而無法滿足目標(biāo)的抗拉強(qiáng)度(TS) IlOOMPa0另外，雖然上述(式I)所定義的Ceq越大淬火硬度越高，但當(dāng)超過I. 00%而過剩時(shí)，焊接金屬的韌性會(huì)劣化?；谝陨系睦碛?，將上述(式I)所定義的Ceq限定在O. 40 I. 00%。為了提高焊接金屬的抗拉強(qiáng)度，Ceq的下限可以為O. 50%,O. 60%,O. 65%。為了減少焊接金屬的韌性的劣化，Ceq的上限可以為O. 90%,O. 85%,O. 80%。另外，在本發(fā)明中，在焊接金屬內(nèi)使微細(xì)的氧化物結(jié)晶析出而使馬氏體的組織 (板條塊或板條束等)微細(xì)化，確保高強(qiáng)度焊接接頭的焊接金屬的韌性。為了獲得該效果，以下述(式2)所定義的Y值為O. 07 O. 20%的范圍的方式來限定焊接金屬中的Si、Mn、Al以及Ti的含量。Y= ([Si]+ [Mn])/40+[Al]+ [Ti](式 2)另外，(式2)中，帶[]的元素表示各元素的含量(質(zhì)量％)。這里，用附圖來說明上述(式2)所定義的Y與韌性的關(guān)系。作為大型的建筑機(jī)械和產(chǎn)業(yè)機(jī)械中使用的焊接接頭，優(yōu)選_40°C下的2mmV型缺口夏比沖擊試驗(yàn)中的吸收能(vE-40)為27J/cm2以上。為了達(dá)到此目標(biāo)，本發(fā)明人認(rèn)為，在焊接接頭的焊接金屬內(nèi)使微細(xì)的氧化物結(jié)晶析出來使馬氏體組織微細(xì)化，由此可提高韌性，對(duì)有助于氧化物的結(jié)晶析出的Si、Mn、Al以及Ti的含量與vE-40的關(guān)系進(jìn)行了反復(fù)研究。其結(jié)果是，Si、Mn、Al以及Ti均是使微細(xì)的氧化物結(jié)晶析出的元素，但在與氧結(jié)合 而使微細(xì)的氧化物結(jié)晶析出的功能上存在較大的差異。為此，本發(fā)明人基于它們的差異發(fā)現(xiàn)了限定Si、Mn、Al以及Ti的組成比的上述(式2)，并對(duì)上述(式2)所定義的Y與vE-40的關(guān)系進(jìn)行了分析。其結(jié)果如圖3所示，可知當(dāng)上述(式2)所定義的Y的值低于O. 07%時(shí)或超過O. 20%時(shí)，vE-40很難得到27J/cm2以上的值。其原因在于，當(dāng)Y的值低于O. 07%時(shí)，焊接金屬內(nèi)的氧化物的數(shù)量不足從而無法充分獲得使馬氏體微細(xì)化的效果，而當(dāng)超過O. 20%時(shí)，氧化物帶來的馬氏體組織的微細(xì)化效果飽和，而且氧化物的增加會(huì)使延展斷裂特性的劣化加劇，任一情況下vE-40均不充分。因此，將上述(式2)所定義的Y的值限定在O. 07 O. 20%的范圍。另外，為了穩(wěn)定地獲得將馬氏體微細(xì)化的效果，Y的下限可以為O. 08%,O. 09%,O. 10%或O. 12%，Y的上限可以為 O. 18%,O. 17%、0· 16% 或 O. 15%。接著，對(duì)垂直于焊接方向的焊接接頭的截面形狀的限定理由進(jìn)行說明。在本發(fā)明中，圖I所示的截面形狀中將鋼板表層的焊接金屬的寬度設(shè)為W1，將距離鋼板表層為板厚的3/4處的焊接金屬的寬度設(shè)為W2。此時(shí)，Wl為2. O 7. 0mm，且W2為O. 5mm 2. 4mm。這種形狀的焊接金屬可以通過將4 12mm的鋼板使用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接進(jìn)行單道焊接來得到。通過在4 12mm的鋼板的單道焊接中使用激光復(fù)合焊接，與使用氣體保護(hù)弧焊進(jìn)行單道焊接相比，可以大幅減少投入的線能量。通過大幅減少線能量，可獲得較快的冷卻速度，可在焊接金屬中使氧化物微細(xì)地結(jié)晶析出，因此有助于馬氏體的微細(xì)化，可提高焊接金屬的韌性。當(dāng)Wl低于2. Omm時(shí)，需要減少氣體保護(hù)弧焊的熔敷量，為了減少熔敷量，必須大幅降低電流或電壓以降低線能量。當(dāng)電流、電壓過低時(shí)，弧狀態(tài)變得不穩(wěn)定，因此容易產(chǎn)生焊接缺陷。另一方面，當(dāng)Wl超過7. Omm時(shí)，必須將氣體保護(hù)弧焊的線能量設(shè)定地較高，冷卻速度變慢，因此在焊接金屬中使氧化物微細(xì)地結(jié)晶析出的量減少，導(dǎo)致韌性提高效果降低，因而不優(yōu)選。因此，Wl的范圍為2. O 7. 0_。根據(jù)需要，Wl的下限可以為2. 5mm或3. 0mm, Wl的上限可以為6. 0mm、5. 5mm或5. 0mm。當(dāng)W2低于O. 5mm時(shí)，在距離鋼板表層為板厚的3/4處形成的焊接金屬不含氣體保護(hù)弧焊的焊絲成分及O的可能性提高，無法獲得該部分的韌性提高效果，因而不優(yōu)選。另夕卜，當(dāng)W2超過2. 4mm時(shí)，需要大幅提高激光輸出功率，由此金屬蒸氣的產(chǎn)生也會(huì)增加，焊接變得不穩(wěn)定，因此產(chǎn)生焊接缺陷的可能性提高。因此，在本發(fā)明中，W2的范圍為O. 5 2. 4mm。根據(jù)需要，W2的下限可以為O. 7mm或O. 9臟，W2的上限可以為2. 2臟、2. Omm或I. 8臟。另外，在本發(fā)明中，作為判斷焊接金屬的組織為馬氏體單相組織的方法，采用下述方法若從后述的焊接金屬的維式硬度測(cè)定結(jié)果減去(式4)中求得的馬氏體組織的硬度后得到的值在-20以上，則認(rèn)為得到的焊接金屬為馬氏體單相。“超高強(qiáng)度焊接接頭的制造方法”在制造本發(fā)明的超高強(qiáng)度焊接接頭時(shí)，首先準(zhǔn)備抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板作為母材鋼板。通過使用抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上的鋼板，得到作為大型的建筑機(jī)械和產(chǎn)業(yè)機(jī)械 中使用的材料具有充分的強(qiáng)度的焊接接頭。另外，通過使鋼板的厚度在4 12mm的范圍內(nèi)，能使用激光復(fù)合焊接來進(jìn)行單道焊接，與進(jìn)行多道焊接的情況相比，可得到優(yōu)異的生產(chǎn)率。當(dāng)鋼板的厚度低于4_時(shí)，無需使用激光復(fù)合焊接即可進(jìn)行單道焊接。另外，當(dāng)鋼板的厚度超過12_時(shí)，有時(shí)無法通過激光復(fù)合焊接來進(jìn)行單道焊接。接著，對(duì)母材鋼板的組成中各成分的限定理由進(jìn)行說明。另外，各成分中的％表示
質(zhì)量％。[C :0. 10 O. 25%]C是獲得抗拉強(qiáng)度的重要元素，為了使鋼板的抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上，必須含有O. 10%以上的C。但是，當(dāng)含有超過O. 25%的C時(shí)，韌性和耐低溫裂紋性的劣化顯著，因此將C含量限定為O. 10 O. 25%。根據(jù)需要，C的上限可以為O. 20%,O. 18%或O. 16%，C的下限可以為O. 11%或O. 12%。[Si :0· 03 I. 0%]Si是脫氧元素，有助于保持鋼的完善性、以及通過因焊接引起的母材稀釋而使焊接金屬中含有Si來提高焊接金屬的韌性。因此，必須在鋼板中含有最低為O. 03%的Si。但是，當(dāng)過剩地含有超過I. 0%的Si時(shí)，強(qiáng)度提高，使韌性和低溫裂紋性劣化而不優(yōu)選，因此將Si的含量限定為0.03 1.0%。為了切實(shí)地進(jìn)行脫氧，Si的下限可以為O. 10%或O. 15%。Si的上限可以為O. 5%、0· 4%或O. 3%ο[Mn 0. 5 2. 5%]Mn是用于確保淬透性來提高強(qiáng)度所必須的元素。另外，還是有助于通過因焊接引起的母材稀釋而使焊接金屬中含有Mn來提高焊接金屬的韌性的元素。為了獲得該效果，必須含有O. 5%以上的Mn。另一方面，當(dāng)含有超過2. 5%的Mn時(shí)，晶界脆化敏感度增加而韌性劣化、耐低溫裂紋性劣化的可能性提高，因此將Mn含量限定為O. 5 2. 5%。根據(jù)需要，Mn的下限可以為I. 0%、1· 2%或I. 5%, Mn的上限可以為2. 3%、2· 1%或I. 9%。[P :0.02% 以下]P是不可避免的雜質(zhì)元素，由于會(huì)損害母材及焊接熱影響部的韌性，因此必須盡量減少，但當(dāng)鋼板中P的含量為O. 02%以下時(shí)，對(duì)韌性的不良影響是可允許的，因此P的含量為O. 02%以下。為了提高韌性，P的上限可以為O. 015%, O. 012%或O. 010%。
[S :0. 01% 以下]S也是不可避免的雜質(zhì)元素，當(dāng)在鋼板中過多存在時(shí)會(huì)使韌性和延展性均劣化，因此優(yōu)選盡量減少。當(dāng)S的含量為O. 02%以下時(shí)，對(duì)韌性、延展性的不良影響是可允許的，因此S的含量為O. 02%以下。為了提高韌性和延展性，S的上限可以為O. 008%、O. 006%或O.005%。[Al :0. 002 O. 1%]Al是脫氧元素，與Si同樣地具有減少鋼板中的氧量來提高鋼的純度的效果。另夕卜，有助于通過因焊接引起的母材稀釋而使焊接金屬中含有Al從而在焊接金屬中形成氧化物來提高韌性。因此，必須在鋼板中含有O. 002%以上的Al。另一方面，當(dāng)過剩地含有超過O. 1%的Al時(shí)，會(huì)形成粗大的氧化物，會(huì)損害韌性，因此Al含量為O. 002 O. 1%。為了切實(shí)地進(jìn)行脫氧，Al的下限可以為O. 010%或O. 015%。為了避免生成粗大的氧化物，Al的上限可以為 O. 081%、O. 070%、O. 060% 或 O. 050%。 [N :0. 001 O. 006%]N在微量的情況下在鋼板的加熱時(shí)形成微細(xì)的氮化物使加熱奧氏體粒徑微細(xì)化而有助于韌性。因此，鋼板中的含量必須為O. 001%以上。另一方面，當(dāng)含有超過O. 006%的N時(shí)，固溶N量增加而使韌性劣化，因此N的含量為O. 001 O. 006%。為了提高韌性，N的上限可以為O. 005%或O. 0045%ο[O :O. 001 O. 004%]氧(O)是不可避免的雜質(zhì)，在鋼板中形成氧化物。通常鋼板中的氧化物粗大，是使韌性劣化的主要原因，因此優(yōu)選盡量減少。當(dāng)鋼板中的O為O. 004%以下時(shí)可忽略對(duì)韌性的不良影響。另外，為了將O減少至O. 001%以下，在煉鋼工序中除去O的成本提高。因此，O的含量為O. 001 O. 004%。為了提高韌性，O的上限可以為O. 003%或O. 0025%。含有以上的元素、余量由不可避免的雜質(zhì)及Fe構(gòu)成的組成是本發(fā)明的超高強(qiáng)度焊接接頭中使用的鋼板的基本組成，在本發(fā)明中，為了調(diào)節(jié)鋼板的特定的機(jī)械性質(zhì)，根據(jù)需要可以在以下的含量范圍內(nèi)進(jìn)一步含有Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb、Cu、B、Ca中的I種或2種以上。[Ni :0. 01 6. 0%]Ni是唯一有助于提高淬透性來提高強(qiáng)度的同時(shí)提高韌性的元素。為了獲得提高強(qiáng)度和韌性的效果，可以在鋼板中添加O. 01%以上的Ni。Ni添加越多，越有助于韌性的提高，但當(dāng)添加量增加時(shí)，鋼板的制造過程中產(chǎn)生的氧化皮難以剝離，剝離該氧化皮的成本提高，因此Ni的添加量限制在6. 0%以下。因此，當(dāng)在鋼板中含有Ni時(shí)，其含量為O. 01 6. 0%。為了降低成本，可以將Ni的上限限制為4. 0%、3· 0%、2· 0%或I. 0%。[Cr :0. I 2. 0%]Cr是通過淬透性提高、析出強(qiáng)化而對(duì)鋼板的強(qiáng)度提高有效的元素。為了獲得該效果，可以添加O. 1%以上。另一方面，當(dāng)含有超過2. 0%的Cr時(shí)，鋼板的韌性劣化，因此含有Cr時(shí)為O. I 2. 0%的范圍。根據(jù)需要，可以將Cr的上限限制為I. 0%、0. 8%或O. 5%。[Mo :0. I 2. 0%]Mo是通過淬透性提高、析出強(qiáng)化而對(duì)鋼板的強(qiáng)度提高有效的元素。為了獲得該效果，可以添加O. 1%以上。另一方面，當(dāng)含有超過2. 0%的Mo時(shí)，鋼板的韌性劣化，因此含有Mo時(shí)為O. I 2. 0%的范圍。根據(jù)需要，Mo的上限可以為I. 0%、0· 6%、0· 4%或O. 2%。[V :0. 01 O. 2%]V是通過析出強(qiáng)化而對(duì)鋼板的強(qiáng)度提高有效的元素。為了獲得該效果，可以添加O. 01以上。另一方面，當(dāng)含有超過O. 2%的V時(shí)，鋼板的韌性劣化，因此當(dāng)含有V時(shí)為O. 01 O. 2%的范圍。根據(jù)需要，可以將V的上限限制為O. 1%、0· 06%或O. 04%。[Ti :0. 01 O. 20%]Ti是通過析出強(qiáng)化而對(duì)鋼板的強(qiáng)度提高有效的元素。另外，還是即使在高溫下也能形成穩(wěn)定的TiN而抑制加熱奧氏體粒徑的粗大化從而有助于韌性提高的元素。為了獲得該效果，可以添加O. 01%以上。另一方面，當(dāng)含有超過O. 20%的Ti時(shí)，會(huì)形成粗大的析出物而使韌性劣化，因此當(dāng)含有Ti時(shí)為O. 01 O. 20%的范圍。根據(jù)需要，可以將Ti的上限限制為O. 16%,O. 12%、0. 06%或O. 04%。另外，為了提高強(qiáng)度，優(yōu)選添加Ni或Ti中的任一種。
[Nb :0· 005 O. 2%]Nb是通過析出強(qiáng)化和淬透性提高來提高鋼板的強(qiáng)度的有效元素。為了明確地發(fā)揮該效果，可以添加O. 005%以上的Nb。另一方面，當(dāng)含有超過O. 2%的Nb時(shí)，韌性的劣化加劇，因而不優(yōu)選。因此，當(dāng)含有Nb時(shí)為O. 005 O. 20%的范圍。根據(jù)需要，可以將Nb的上限限制為 O. 12%、0. 08%,O. 05% 或 O. 02%。[Cu :0. 005 I. 0%]Cu是主要通過淬透性提高和固溶強(qiáng)化、以及析出強(qiáng)化來提高鋼板的強(qiáng)度的有效元素。為了發(fā)揮該效果，可以含有O. 005%以上的Cu。另一方面，當(dāng)超過1.0%時(shí)，熱加工性會(huì)產(chǎn)生問題，因而不優(yōu)選。因此，當(dāng)含有Cu時(shí)為O. 005 1.0%的范圍。根據(jù)需要，可以將Cu的上限限制為O. 5%、0· 3%或O. 2%。[B :0· 0002 O. 030%]B可以通過以固溶狀態(tài)在奧氏體晶界偏析從而以微量即可提高淬透性，因此是對(duì)于提高強(qiáng)度有效的元素。為了發(fā)揮淬透性提高效果，可以含有O. 0002%以上的B。另一方面，當(dāng)在鋼板中含有超過O. 030%的B時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粗大的析出物而使韌性顯著劣化，因此當(dāng)含有B時(shí)限定在0002 O. 030%的范圍。根據(jù)需要，可以將B的上限限制為O. 010%,O. 005%、O.003% 或 O. 002%。[Ca :0. 0006 O. 0100%]Ca對(duì)抑制鋼中的硫化物在熱軋中的延伸來提高延展特性是有效的。另外，通過氧化物的微細(xì)化以及形成合適的氧化物組成，對(duì)焊接熱影響部的韌性的提高也有效。為了獲得該效果，可以含有O. 0006%以上的Ca。另一方面，當(dāng)過剩地含有超過O. 0100%的Ca時(shí)，會(huì)形成粗大的夾雜物，是使韌性劣化的主要原因，因而不優(yōu)選。因此，當(dāng)含有Ca時(shí)限定在
O.0006 O. 0100%的范圍。根據(jù)需要，Ca的上限可以為O. 0050%,O. 0030%或O. 0020%。另外，Ca通常不會(huì)滯留于焊接金屬中。這是因?yàn)镃a與氧的結(jié)合力強(qiáng)，在焊接中的熔融池內(nèi)與氧結(jié)合后，上浮而被排到爐渣中。[Ceq :0· 4 I. 2%]在本發(fā)明中，為了獲得鋼板的強(qiáng)度，除了限定各個(gè)元素以外，還需要限定淬透性的指標(biāo)即(式I)所示的Ceq。為了獲得鋼板的強(qiáng)度，Ceq必須在O. 40%以上。Ceq越高強(qiáng)度越高，但當(dāng)超過I. 2%時(shí)，韌性的劣化加劇，因此在本發(fā)明中Ceq限定為O. 40 I. 2%。根據(jù)需要，Ceq的下限可以為O. 45%,O. 50%或O. 55%, Ceq的上限可以為I. 0%、0· 80%或O. 70%。Ceq=[C] + [Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 (式 I)另外，(式I)中，帶[]的元素表示各元素的含量(質(zhì)量％)。作為鋼板，只要是具有上述組成的抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板即可獲得滿足本發(fā)明特性的焊接接頭，因此可以是使用以往的任何方法制造的任意的鋼板，而不限于特定的鋼板，作為可在本發(fā)明的制造方法中優(yōu)選使用的鋼板，例如可舉出WEL-TEN950系列(商品名、新日本制鐵株式會(huì)社制)或WELDOX (商品名、SSAB瑞典鋼鐵公司制)。另外，本發(fā)明中制造的超高強(qiáng)度焊接接頭的形狀根據(jù)用途等來決定，沒有特殊限制。因此，待焊接的鋼板的形狀也可以根據(jù)焊接后的用途等來適當(dāng)?shù)貨Q定，沒有特殊限制，例如可以是將鋼板成形至管狀等規(guī)定的形狀后的鋼板。 另外，待焊接的鋼板的形狀優(yōu)選為以幾乎在同一平面內(nèi)的方式配置待焊接的鋼板且將待焊接的鋼板的端面彼此對(duì)接而成的形狀。激光復(fù)合焊接的焊接條件只要以能得到W1、W2的范圍的形狀的方式來選擇合適的條件即可。優(yōu)選的鋼板的坡口形狀是坡口角度為20。 50°、坡口深度為l/3t 2/3t、根部間隙為Omm I. 0mm。接著，將滿足上述條件的鋼板通過使用焊絲并利用激光復(fù)合焊接進(jìn)行單道焊接，制造含有馬氏體單相組織的焊接金屬的超高強(qiáng)度焊接接頭。作為焊絲，使用實(shí)芯焊絲或者在鋼制外皮的內(nèi)部填充有焊劑的藥芯焊絲。使用的實(shí)芯焊絲或藥芯焊絲作為合金成分以相對(duì)于焊絲整體的質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 4%以下、Si :
I.5%以下、Mn :4. 0%以下、P :0. 02%以下、S :0. 02%以下、Al :0. 08%以下；進(jìn)一步含有Ti O. 30% 以下、Ni 12. 0% 以下、Cr :3. 0% 以下、Mo :3. 0% 以下、V :0. 3% 以下、Nb :0. 30% 以下、B :0. 0050%以下中的I種或2種以上；余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe，上述成分的焊絲中，考慮到焊接引起的鋼板的成分稀釋，使用能得到上述組成的焊接金屬的焊絲即可。另外，各成分中的％表示質(zhì)量％。對(duì)焊絲的組成中的各成分的限定理由進(jìn)行說明。另外，各成分中的％表示質(zhì)量％。[C :0. 4% 以下]C是提高焊接金屬的抗拉強(qiáng)度所需的元素，但當(dāng)C的含量超過O. 4%時(shí)，焊接金屬的C過剩，因此韌性和耐低溫裂紋性的劣化加劇。因此，焊絲的C為O. 4%以下。為了提高韌性等，可以將C的上限限制為O. 30%,O. 27%,O. 25%,O. 22%或O. 20%。為了提高強(qiáng)度，C的下限可以為O. 10%,O. 13%或O. 15%。[Si :1. 5% 以下]Si是脫氧元素，可減少焊接金屬中的氧(O)來提高純度，但當(dāng)Si的含量超過I. 5%時(shí)，焊接金屬中的Si量過剩，在焊接金屬中產(chǎn)生粗大的氧化物，焊接金屬的韌性顯著劣化。因此，焊絲中的Si含量為I. 5%以下。為了提高韌性等，可以將Si的上限限制為I. 0%、0. 8%、O. 6%、0· 5%或O. 45%O為了提高強(qiáng)度，Si的下限可以為O. 10%,O. 15%或O. 20%。[Mn :4.0% 以下]Mn是確保焊接金屬的淬透性來提高強(qiáng)度的元素。另外，Mn還是對(duì)于使組織微細(xì)化來提高韌性也有效的元素。當(dāng)焊絲的Mn的含量超過4. 0%時(shí)，焊接金屬中的Mn量過剩，在焊接金屬中產(chǎn)生過剩的殘留奧氏體，晶界脆化敏感度增加而焊接金屬的韌性劣化、耐焊接裂紋性劣化的可能性提高。因此，在本發(fā)明中焊絲中的Mn含量為4.0%以下。為了提高韌性等，可以將Mn的上限限制為3. 0%、2· 5%、2· 2%或2. 0%。為了提高強(qiáng)度，Mn的下限可以為O. 5%、1· 0% 或 I. 4%ο[P :0.02% 以下]P是不可避免的雜質(zhì)元素，由于會(huì)損害韌性因此必須盡量減少。當(dāng)焊絲中P的含量為O. 02%以下時(shí)，對(duì)焊接金屬的韌性的不良影響是可允許的。因此，在本發(fā)明中焊絲中P的含量為O. 02%以下。為了提高韌性，P的上限可以為O. 015%或O. 013%。[S :0.02% 以下]S也是不可避免的雜質(zhì)元素，當(dāng)在焊接金屬中過多存在時(shí)會(huì)使韌性和延展性均劣化，優(yōu)選盡量減少。當(dāng)焊絲中S的含量為O. 02%以下時(shí)，對(duì)焊接金屬的韌性、延展性的不良影響是可允許的。因此，焊絲中S的含量為O. 02%以下。為了提高韌性和延展性，S的上限 可以為 O. 015%, O. 013% 或 O. 010% O[Al :0.08% 以下]Al是脫氧元素，與Si同樣地具有減少焊接金屬中的氧量來提高純度的效果。另夕卜，Al具有在焊接金屬中形成氧化物而使馬氏體的組織(板條塊或板條束等)變微細(xì)的效果。當(dāng)焊絲中含有超過O. 08%的Al時(shí)，焊接金屬中的Al量過剩，會(huì)形成粗大的氧化物，該粗大氧化物會(huì)使韌性顯著劣化。因此，焊絲中Al的含量為O. 08%以下。根據(jù)需要，Al的上限可以為 O. 06%,O. 05%,O. 04% 或 O. 03%。根據(jù)需要，Al 的下限可以為 O. 001%,O. 005%,O. 008%或 O. 010%ο[Ti :0.30% 以下]Ti在焊接金屬中作為脫氧元素是有效的，并且是能夠?qū)⒑附咏饘僦械墓倘躈以氮化物的方式固定從而緩和固溶N對(duì)韌性的不良影響的元素。此外，Ti還具有形成氧化物使馬氏體的組織變微細(xì)的作用。但是，當(dāng)焊絲中的Ti含量超過O. 30%而過剩時(shí)，會(huì)在焊接金屬中形成粗大的氧化物、或者因TiC的過度析出而顯著出現(xiàn)韌性劣化的可能性加大。因此，焊絲中Ti的含量為O. 30%以下。另外，Ti的上限可以為O. 2%、0. 15%或O. 10%。V的下限無需特殊限制，可以為O. 01%或O. 03%。[Ni :12.0% 以下]Ni是在固溶的狀態(tài)下提高鋼的韌性的元素，是唯一能夠穩(wěn)定地提高韌性而不受焊接金屬的其他成分、組織的影響的元素，特別是在高強(qiáng)度的焊接金屬中對(duì)于確保韌性而言是必須的元素。當(dāng)焊絲中的含量超過12. 0%時(shí)，焊接金屬的韌性提高效果飽和，因此將焊絲中的Ni含量限定為12. 0%以下。Ni是高價(jià)的元素，Ni的上限可以為9. 0%、6. 0%、4. 0%或3. 5%ο另外，Ni的下限可以為I. 0%、1· 5%或2. 0%。[Cr :3.0% 以下]Cr是通過提高淬透性來實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的有效元素，但當(dāng)焊絲中含有超過3. 0%的Cr時(shí)，焊接金屬中的Cr量過剩，使馬氏體固化不均而使韌性顯著劣化。因此，當(dāng)焊絲中含有Cr時(shí)，焊絲中Cr的含量可以為3. 0%以下。另外，Cr的上限可以為I. 5%、1. 0%、0. 5%或O. 3%。Cr的下限無需特殊限制，可以為O. 05%或O. 1%。[Mo :3.0% 以下]Mo是對(duì)提高焊接金屬的抗拉強(qiáng)度有效的元素，但當(dāng)焊絲中含有超過3. 0%的Mo時(shí)，焊接金屬中的Mo量過剩而韌性劣化。因此，當(dāng)含有Mo時(shí)，其含量可以為3.0%以下。另外，Mo的上限可以為I. 5%、1· 0%、0· 5%或O. 3%。Mo的下限無需特殊限制，可以為O. 05%或O. 1%。[V :0.30% 以下]V是對(duì)提高焊接金屬的抗拉強(qiáng)度有效的元素，但當(dāng)焊絲中含有超過O. 3%的V時(shí)，焊接金屬中的V量過剩而韌性劣化。因此，當(dāng)含有V時(shí)，其含量可以為O. 30%以下。另外，V的上限可以為O. 2%、0· 15%、0. 10%或O. 06%。V的下限無需特殊限制，可以為O. 01%或O. 02%。[Nb :0.30%]Nb是鐵素體穩(wěn)定化元素，對(duì)減少殘留奧氏體有效，而且對(duì)通過形成微細(xì)碳化物而利用析出強(qiáng)化來確保焊接金屬的強(qiáng)度有效。但是，當(dāng)焊絲中含有超過O. 3%的Nb時(shí)，焊接金屬中的Nb量過剩，會(huì)在焊接金屬中形成粗大的析出物而使韌性劣化。因此，含有Nb時(shí)的含量可以為O. 30%以下。另外，Nb的上限可以為O. 2%、0· 15%、0. 10%或O. 08%。Nb的下限無需特殊限制，可以為O. 01%或O. 02%。 [Cu :1.5% 以下]Cu是對(duì)提高焊接金屬的抗拉強(qiáng)度有效的元素。但是，當(dāng)焊絲中的Cu含量超過I. 5%時(shí)，焊接金屬中的Cu量過剩而焊接金屬的韌性劣化。因此，含有Cu時(shí)的含量可以為1.5%以下。另外，Cu的上限可以為I. 0%、0. 6%或O. 4%。Cu的下限無需特殊限定，可以為O. 01%或O. 03%。另外，焊絲中Cu的含量也包含焊絲周圍的銅鍍層的Cu。[B :0· 0150% 以下]B是有助于提高淬透性來提高焊接金屬的強(qiáng)度的元素，另外還具有與焊接金屬中的固溶N結(jié)合形成BN來提高焊接金屬的韌性的作用。但是，當(dāng)焊絲中的B含量超過O. 015%時(shí)，焊接金屬中的B過剩，會(huì)形成粗大的BN或Fe23(C、B)6等B化合物反而使韌性劣化。因此，含有B時(shí)的含量可以為0.015%以下。另外，B的上限可以為O. 0100%、0. 0050%或O. 0030%。B的下限無需特殊限定，可以為O. 0001%或O. 0003%。另外，作為使用上述那樣的焊絲的激光復(fù)合焊接，采用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的焊接方法。作為提供激光束的激光，沒有特殊限制，可以使用YAG(釔鋁石榴石)激光、CO2激光、纖維激光等。另外，激光復(fù)合焊接中的電流、電壓、焊接速度、線能量、預(yù)熱溫度等條件沒有特殊限定，可以根據(jù)鋼板的厚度等以能得到馬氏體單相組織的焊接金屬的方式來適當(dāng)決定。例如，線能量可以為2. 7 4. 6kJ/cm、焊接速度可以為100 120cm/min。另外，當(dāng)在激光復(fù)合焊接中使用實(shí)芯焊絲作為焊絲時(shí)，在氣體保護(hù)弧焊中，作為保護(hù)氣體，使用由含有2 5%的O2氣體或5 25%的CO2氣體的Ar氣體或He氣體構(gòu)成的混合氣體。這樣的話，從保護(hù)氣體中含有的O2氣體或CO2氣體向焊接金屬中提供氧，因此在焊接后可得到含有O. 005 O. 05%的O的焊接金屬。當(dāng)保護(hù)氣體中含有的O2氣體的含量低于2%、或CO2氣體的含量低于5%時(shí)，焊接金屬中的O的含量不足，由焊接金屬中的氧化物引起的馬氏體的微細(xì)化不充分，無法充分得到韌性改善效果。另外，當(dāng)保護(hù)氣體中含有的O2氣體超過5%時(shí)、或CO2氣體超過25%時(shí)，氧化物在焊接金屬中過剩地結(jié)晶析出，該氧化物會(huì)成為延展性斷裂的起點(diǎn)，由此引起的韌性下降的影響變大。
另外，當(dāng)在激光復(fù)合焊接中使用藥芯焊絲作為焊絲時(shí)，在氣體保護(hù)弧焊中，作為保護(hù)氣體，使用在Ar或He氣體中混合有5%以下的O2氣體或25%以下的CO2氣體的混合氣體、或者純Ar氣體或純He氣體。當(dāng)使用藥芯焊絲時(shí)，從焊劑中含有的氧化鐵等金屬氧化物向焊接金屬中供給氧，因此無需像使用實(shí)芯焊絲時(shí)那樣從保護(hù)氣體向焊接金屬中供給氧，也可以在焊接后得到含有O. 005 O. 05%的O的焊接金屬。因此，在氣體保護(hù)弧焊中，作為保護(hù)氣體，可以單獨(dú)使用不含氧的Ar氣體、He氣體。接著，對(duì)使用上述鋼板和上述焊絲來得到本發(fā)明的焊接金屬的組成的方法進(jìn)行說明。焊接金屬的組成由焊絲的成分和鋼板的成分的稀釋來決定。該稀釋的比例根據(jù)板厚、坡口的形狀、氣體保護(hù)弧焊的線能量而不同。例如當(dāng)使用圖2所示的截面形狀的坡口 (坡口角度為30度的Y型坡口、根部間隙為O. 5mm)進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)，關(guān)于焊絲的稀釋率，當(dāng)板厚為4mm時(shí)為約65%、當(dāng)板厚為8mm時(shí)為約70%、當(dāng)板厚為12mm時(shí)為約75%，各剩余的部分為鋼板的稀釋率。另外，焊絲的C、Si、Mn、Ti會(huì)氧化消耗，因此這些元素并非100%轉(zhuǎn)移到焊接金屬中。關(guān)于轉(zhuǎn)移到焊接金屬的比例，C和Ti為約60%、Si和Mn為約80%。其它的合金元素幾乎100%轉(zhuǎn)移到焊接金屬中。將它們的關(guān)系用式子來表示時(shí)，焊接金屬的組成如下述(式3)所示。為了對(duì)應(yīng)于待焊接的鋼板的組成來得到本發(fā)明的焊接金屬的組成，使用該(式3)所示的計(jì)算方法來選擇所用焊絲的組成。[焊接金屬的組成]=αX β X [焊絲的組成]+ (I-α ) X [鋼板的組成] (式3)這里，a=0.65(板厚4mm)、α =0. 70 (板厚8mm)、α =0. 75 (板厚12mm)，β=0. 6(C、Ti)、β =0. 8 (Si, Mn), β =1. O (P、S、Al、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Cu、B)。[]表示形成焊絲或鋼板的元素的各自的含量(質(zhì)量％)。實(shí)施例I通過以下所示的制造方法來制造焊接接頭，并進(jìn)行了評(píng)價(jià)。首先，準(zhǔn)備表I所示的板厚、組成(合金成分)、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、韌性(vE-40)的鋼板，安裝到焊接位置。如圖2所示，待焊接的鋼板的坡口是坡口角度為30度、坡口深度為鋼板板厚的1/2、根部間隙為O. 5mm的Y型坡口。接著，使用表2 表4所示的組成(合金成分)的Wl W108的焊絲，在表5 表7所示的條件(電流、電壓、焊接速度、線能量、預(yù)熱溫度、保護(hù)氣體的組成、激光束的輸出功率)下，使用組合了激光束照射和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接進(jìn)行單道焊接。其結(jié)果是，制得具有貫穿板厚方向的焊接金屬的焊接接頭。另外，作為激光，使用YAG激光。另外，在表2 表4中“SW”表示實(shí)芯焊絲，“FCW”表不藥芯焊絲。
權(quán)利要求
1.一種強(qiáng)度和韌性優(yōu)異的超高強(qiáng)度焊接接頭，其特征在于，其是使用含有馬氏體單相組織的焊接金屬且板厚為4 12mm的鋼板而得到的超高強(qiáng)度焊接接頭，在垂直于焊接方向的焊接接頭的截面中，將鋼板表層的焊接金屬的寬度設(shè)為W1、將距離鋼板表層為板厚的3/4處的焊接金屬的寬度設(shè)為W2，具有Wl為2. Omm 7. Omm且W2為0. 5mm 2. 4mm的焊接金屬的截面形狀， 并且，所述焊接金屬按質(zhì)量％計(jì)含有C :高于0. 09%且為0. 24%以下、Si :0. 2 I. 0%、Mn :0. 5 2. 5%、P :0. 02% 以下、S :0. 02% 以下、Al :0. 004 0. 08%、Ti :0. 005 0. 15%、O 0. 005 0. 05%、Ni :1. 0 9%, 而且，由下述式I所定義的碳當(dāng)量即Ceq為0. 40 I. 00%，且由下述式2所定義的Y為0. 07 0. 20%，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe， Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 式 IY= ([Si]+ [Mn])/40+[Al]+ [Ti] 式 2 式I和式2中，帶[]的元素表示各元素的以質(zhì)量％計(jì)的含量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的強(qiáng)度和韌性優(yōu)異的超高強(qiáng)度焊接接頭，其特征在于，所述焊接金屬按質(zhì)量 % 計(jì)還含有 Cr :0. I 2. 0%、Mo 0. I I. 5%、V :0. 005 0. 2%, Nb :0. 005 0.1%, Cu :0. 01 I. 0%、B 0. 0005 0. 01% 中的 I 種或 2 種以上。
3.一種超高強(qiáng)度焊接接頭的制造方法，其特征在于，其是使用實(shí)芯焊絲并利用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接對(duì)抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板進(jìn)行單道焊接從而制造權(quán)利要求I或2所述的超高強(qiáng)度焊接接頭的方法，所述鋼板按質(zhì)量 % 計(jì)含有 C :0. 10 0. 25%、Si :0. 03 I. 0%、Mn :0. 5 2. 5%、P :0. 02%以下、S :0. 01% 以下、Al :0. 002 0. 1%、N :0. 001 0. 006%、O :0. 001 0. 004%,還含有Ni :0. 01 6. 0%、Cr :0. I 2. 0%、Mo :0. I 2. 0%、V :0. 01 0. 2%,Ti :0. 01 0. 20%,Nb 0.005 0. 2%、Cu 0. 005 I. 0%、B :0. 0002 0. 030%,Ca :0. 0006 0. 0100% 中的 I 種或 2種以上，由下述式I所定義的Ceq為0. 4 I. 2%，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe， 對(duì)所述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)使用的實(shí)芯焊絲按質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 4%以下、Si ·1.5% 以下、Mn :4. 0% 以下、P :0. 02% 以下、S :0. 02% 以下、Al :0. 08% 以下，還含有 Ti :0. 30%以下、Ni 12. 0% 以下、Cr :3. 0% 以下、Mo :3. 0% 以下、V :0. 3% 以下、Nb :0. 3% 以下、Cu :1. 5%以下、B :0. 0150%以下中的I種或2種以上，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe， 當(dāng)使用所述實(shí)芯焊絲對(duì)所述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)，在氣體保護(hù)弧焊中，作為保護(hù)氣體，使用在Ar或He氣體中混合了 2 5%的O2氣體或5 25%的CO2氣體的混合氣體， Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 式 I 式I中，帶[]的元素表示各元素的以質(zhì)量％計(jì)的含量。
4.一種超高強(qiáng)度焊接接頭的制造方法，其特征在于，其是使用藥芯焊絲并利用組合了激光束和氣體保護(hù)弧焊的激光復(fù)合焊接對(duì)抗拉強(qiáng)度為IlOOMPa以上且厚度為4 12mm的鋼板進(jìn)行單道焊接從而制造權(quán)利要求I或2所述的超高強(qiáng)度焊接接頭的方法，所述鋼板按質(zhì)量 ％ 計(jì)含有 C :0. 10 0. 25%、Si :0. 03 I. 0%、Mn :0. 5 2. 5%、P :0. 02%以下、S :0. 01% 以下、Al :0. 002 0. 1%、N :0. 001 0. 006%、0 :0. 001 0. 004%,還含有Ni :0. 01 6. 0%、Cr :0. I 2. 0%、Mo :0. I 2. 0%、V :0. 01 0. 2%,Ti :0. 01 0. 20%,Nb ·0.005 0. 2%、Cu 0. 005 I. 0%、B :0. 0002 0. 030%,Ca :0. 0006 0. 0100% 中的 I 種或2種以上，由下述式I所定義的Ceq為0. 4 I. 2%，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe， 對(duì)所述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)使用的藥芯焊絲作為合金成分按相對(duì)于焊絲整體的質(zhì)量％計(jì)含有C :0. 4%以下、Si :1. 5%以下、Mn :4. 0%以下、P :0. 02%以下、S :0. 02%以下、Al 、0.08% 以下，還含有 Ti :0. 30% 以下、Ni :12. 0% 以下、Cr :3. 0% 以下、Mo :3. 0% 以下、V :0. 3%以下、Nb :0. 3%以下、Cu :1. 5%以下、B :0. 0150%以下中的I種或2種以上，余量包含不可避免的雜質(zhì)及Fe， 當(dāng)使用所述藥芯焊絲對(duì)所述鋼板進(jìn)行激光復(fù)合焊接時(shí)，在氣體保護(hù)弧焊中，作為保護(hù)氣體，使用在Ar或He氣體中混合了 5%以下的O2氣體或25%以下的CO2氣體的混合氣體、純Ar氣體或者純He氣體中的任一種， Ceq=[C]+[Si]/24+[Mn]/6+[Ni]/40+[Cr]/5+[Mo]/4+[V]/14 式 I 式I中，帶[]的元素表示各元素的以質(zhì)量％計(jì)的含量。
全文摘要
本發(fā)明提供下述焊接接頭以及通過使用激光復(fù)合焊接進(jìn)行單道焊接來制造該焊接接頭的方法，所述焊接接頭是使用含有馬氏體單相組織的焊接金屬且板厚為4～12mm的鋼板而得到的強(qiáng)度和韌性優(yōu)異的超高強(qiáng)度焊接接頭，其在垂直于焊接方向的截面中，具有鋼板表層的焊接金屬的寬度W1為2.0mm～7.0mm、距離鋼板表層為板厚的3/4的位置的焊接金屬的寬度W2為0.5mm～2.4mm的焊接金屬的截面形狀，并且焊接金屬含有C高于0.09%且為0.24%以下、Si0.2～1.0%、Mn0.5～2.5%、P0.02%以下、S0.02%以下、Al0.004～0.08%、Ti0.005～0.15%、O0.005～0.05%、Ni1.0～9%，而且碳當(dāng)量(Ceq)為0.40～1.00%，由式{([Si]+[Mn])/40+[Al]+[Ti]}所定義的Y為0.07～0.20%。
文檔編號(hào)B23K26/20GK102753300SQ201180009000
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2011年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者中村修一, 児島一浩 申請(qǐng)人:新日本制鐵株式會(huì)社