專利名稱：使用了高能密度束的對接焊接接頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對一對鋼材照射高能密度束進(jìn)行對焊而得到的焊接接頭。特別是，本發(fā)明涉及千兆循環(huán)(giga cycle，也稱為千兆次疲勞循環(huán))區(qū)的振動環(huán)境中的疲勞特性優(yōu)良的焊接接頭。本申請基于2009年12月4日在日本申請的特愿2009-277035號，并主張優(yōu)先權(quán)，在此引用其內(nèi)容。
背景技術(shù)：
近年來，為了應(yīng)對被認(rèn)為是地球環(huán)境溫暖化的一個原因的CO2氣體的削減以及應(yīng)對石油等化石燃料將來枯竭，正在積極嘗試?yán)每稍偕淖匀荒茉?。風(fēng)力發(fā)電也是其中之一，大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電正在世界范圍內(nèi)普及。最適合風(fēng)力發(fā)電的地區(qū)是可以持續(xù)獲得強(qiáng)風(fēng)的區(qū)域，因此，海上風(fēng)力發(fā)電也正以世界性的規(guī)模被規(guī)劃及實施(參考專利文獻(xiàn)廣4)。為了在海上建設(shè)風(fēng)力發(fā)電塔，需要在海底的地基中打入塔的基礎(chǔ)部分，并且基礎(chǔ)部分也需要具有能進(jìn)行混凝土澆筑的水深以上的充分的長度。另外，還需要將風(fēng)力發(fā)電塔整體的固有周期在窄范圍內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)化，因此在風(fēng)力發(fā)電塔的基礎(chǔ)部分，采用具有板厚為50mm以上例如為IOOmm左右、直徑為4m左右的大斷面的管結(jié)構(gòu)，塔的整體高度也要達(dá)到80m以上。一直希望將那樣的巨大結(jié)構(gòu)物簡單且高效率地焊接組裝在建設(shè)現(xiàn)場附近的海岸。于是，如上所述，產(chǎn)生了如下這樣的以往沒有的需求，S卩，以高效率且在現(xiàn)場對板厚為IOOmm的極厚鋼板進(jìn)行焊接。一般而言，電子束焊接、激光束焊接等高能密度束焊接是能夠有效地進(jìn)行焊接的焊接方法。但是，特別是在電子束焊接中，需要在真空腔內(nèi)維持高真空狀態(tài)來進(jìn)行焊接，因此以往能夠焊接的鋼板的大小受到限制。與此相對，近年來，作為能夠有效地對板厚為IOOmm左右的極厚鋼板進(jìn)行現(xiàn)場焊接的焊接方法，英國的焊接研究所開發(fā)并提出了可以在低真空下施工的焊接方法(RPEBW :Reduced Pressured Electron Beam Welding :減壓電子束焊接)(專利文獻(xiàn)5)。通過使用該RPEBW法，期待在對風(fēng)力發(fā)電塔那樣的大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行焊接時，也能夠僅將焊接的部分局部形成真空而有效地進(jìn)行焊接。但是，另一方面，與在真空腔內(nèi)進(jìn)行焊接的方法相比，在該RPEBW法中，由于以真空度降低了的狀態(tài)進(jìn)行焊接，因此出現(xiàn)了難以對被電子束溶融、而后凝固的溶融金屬部分(以下也稱為焊縫金屬部)的韌性進(jìn)行確保這樣的新問題。對于這樣的問題，以往在專利文獻(xiàn)6及專利文獻(xiàn)7中提出了以下的方法等通過將板狀的Ni等插入金屬(insert metal)貼到焊接面上而進(jìn)行電子束焊接,使焊縫金屬的Ni含量為0. r4. 5質(zhì)量％，從而改善焊縫金屬的夏比沖擊韌度等韌性。海上的風(fēng)力發(fā)電塔由于如上述那樣暴露于由持續(xù)的強(qiáng)風(fēng)所產(chǎn)生的振動中，基礎(chǔ)部的結(jié)構(gòu)體不斷反復(fù)受到負(fù)荷，在焊接區(qū)上不斷反復(fù)荷載應(yīng)力。由此，對于上述結(jié)構(gòu)體的焊接區(qū)，要求耐受與通常的疲勞循環(huán)(IO6 7)的數(shù)量級不同的千兆循環(huán)區(qū)(IOinci)的振動的耐疲、勞特性?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)I :日本特開2008-111406號公報專利文獻(xiàn)2 :日本特開2007-092406號公報專利文獻(xiàn)3 :日本特開2007-322400號公報專利文獻(xiàn)4 :日本特開2006-037397號公報專利文獻(xiàn)5 :國際公開99/16101號小冊子專利文獻(xiàn)6 :日本特開平3-248783號公報專利文獻(xiàn)7 :國際公開第08/041372號小冊子

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題在以往的高能量密度焊接中，由于焊接區(qū)的焊縫金屬在焊接的最終階段的室溫附近發(fā)生收縮，因此誘發(fā)拉伸殘余應(yīng)力。通過其應(yīng)力比效應(yīng)，有時疲勞強(qiáng)度顯著降低。因此，對于千兆循環(huán)區(qū)的振動，有可能由于拉伸殘余應(yīng)力而產(chǎn)生疲勞裂紋。本發(fā)明的目的在于，提供具有能夠耐受千兆循環(huán)區(qū)的振動的疲勞特性、并且具有充分的斷裂韌度的焊接接頭。用于解決問題的方法本發(fā)明為了解決上述問題而達(dá)成上述的目的，采用了以下的方法。即，(I)在本發(fā)明的一個形態(tài)所涉及的焊接接頭中，具備一對鋼材，以及焊縫金屬，其形成于所述鋼材之間的對接焊縫，通過高能密度束進(jìn)行焊接而形成的；其中，由使用了所述焊縫金屬的質(zhì)量％的組成的下述數(shù)學(xué)式(a)算出的相變開始溫度Ms為250°C以下。Ms (°C )=371-353C-22Si-24. 3Mn_7. 7Cu_17. 3Ni_17. 7Cr-25. 8Mo (a)(2 )在上述(I)所述的焊接接頭中，所述焊縫金屬的組成優(yōu)選為，含有Ni :0. 5^4. 0質(zhì)量%及Cr :0. 5 6. 0質(zhì)量％。(3)在上述(2)所述的焊接接頭中，所述焊縫金屬的組成優(yōu)選為，含有Mo :0. f 2. 0質(zhì)量％及Cu :0. r5. 0質(zhì)量％中的I種或者2種；并且含有總計為I. rio. 0質(zhì)量％的Ni、Cr、Mo、Cu。(4)在上述(I)所述的焊接接頭中，所述焊縫金屬的組成優(yōu)選為，含有Ni :4. (Te. 0
質(zhì)量％。(5)在上述(4)所述的焊接接頭中，所述焊縫金屬的組成優(yōu)選為，含有Cr :0. 1飛.0質(zhì)量％、Mo 0. r2. 0質(zhì)量％及Cu :0. r5. 0質(zhì)量％中的I種或者2種以上；并且含有總計為4. I 10.0 質(zhì)量 ％的 Ni、Cr、Mo、Cu。(6)在上述(5)所述的焊接接頭中，由使用了所述焊縫金屬的質(zhì)量％的組成的下述數(shù)學(xué)式(b)算出的所述焊縫金屬的淬硬性指數(shù)DI優(yōu)選為0. r3. O。DI=O. 36 V C(1+0. 7Si) (1+3. 33Mn) (1+0. 35Cu) (1+0. 36Ni) (1+2. 16Cr) (l+3Mo)(b)
(7)在上述(I廣(5)所述的焊接接頭中，所述鋼材的組成優(yōu)選為，含有C:0. 01 0. 08 質(zhì)量 ％、Si :0. 05 0. 80 質(zhì)量 ％、Mn :0. 8 2. 5 質(zhì)量 ％、P 彡 0. 03 質(zhì)量 ％、S 彡 0. 02質(zhì)量％、Al ( 0. 008質(zhì)量％、Ti :0. 005^0. 030質(zhì)量％ ;剩余部分包括鐵及不可避免的雜質(zhì)。(8)在上述(7)所述的焊接接頭中，所述鋼材的組成優(yōu)選為，含有Cu :0. n. 0質(zhì)量 ％、Ni :0. I 6. 0 質(zhì)量 ％、Cr :0. I I. 0 質(zhì)量 ％、Mo :0. I 0. 5 質(zhì)量 ％、Nb :0. 01 0. 08 質(zhì)量 ％、V :0. 01 0. 10質(zhì)量％、B :0. 0005 0. 0050質(zhì)量%中的I種或者2種以上。(9)在上述(I) (5)所述的焊接接頭中，所述鋼材的厚度優(yōu)選為30mnT200mm。(10)在上述(I) (5)所述的焊接接頭中，所述高能密度束優(yōu)選為電子束。發(fā)明的效果根據(jù)上述的焊接接頭，在使用了電子束等高能密度束的焊接中的焊接區(qū)，作為產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力而并非是拉伸殘余應(yīng)力的焊接條件，選擇能夠降低焊縫金屬的相變開始溫度的條件。由此，能夠在低溫下使焊縫金屬膨脹，從而在焊接后對焊接區(qū)賦予壓縮殘余應(yīng)力，因此可以提高疲勞特性。進(jìn)而，在對高強(qiáng)度鋼板、特別是板厚為30mm以上的鋼板照射高能密度束進(jìn)行焊接而形成對接焊接接頭時，能夠形成具有千兆循環(huán)區(qū)的振動環(huán)境下的耐疲勞特性、并且斷裂韌度值充分高的焊接接頭。


圖IA是表示本發(fā)明的一個實施方式所涉及的對接焊接接頭的焊接前的狀態(tài)的厚度方向的剖面圖。圖IB是表示上述的焊接接頭的焊接后的狀態(tài)的厚度方向的剖面圖。圖2表示上述的焊接接頭的疲勞試驗片的采集位置。
具體實施例方式對于本發(fā)明的一個實施方式的高能密度束焊接接頭(以下稱為焊接接頭)10，參照圖IB進(jìn)行說明。焊接接頭10使用高能密度束進(jìn)行焊接，在本實施方式中使用了電子束作為高能密度束。除了電子束以外，也可以使用可以在低真空下施工的焊接方法(RPEBW:Reduced Pressured Electron Beam Welding :減壓電子束焊接)或激光束焊接。焊接接頭10具備一對鋼材(焊接母材)I、以及在鋼材I之間的對接焊縫6通過電子束焊接而形成的焊縫金屬4，由使用了焊縫金屬4的組成(質(zhì)量％)的下述數(shù)學(xué)式(a)算出的馬氏體相變開始溫度Ms (V )為250°C以下。Ms=371-353C-22Si-24. 3Mn-7. 7Cu-17. 3Ni-17. 7Cr-25. 8Mo (a)發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)由于焊接接頭10中的焊接區(qū)6的冷卻速度大，因此用通常所知的推定馬氏體相變開始溫度的數(shù)學(xué)式會過高地評價相變開始溫度。于是，對通常的推定相變開始溫度的式子進(jìn)行修改，從而導(dǎo)出了數(shù)學(xué)式(a)。另外，馬氏體相變結(jié)束溫度(Mf (°C))優(yōu)選為室溫。另外，一般而言，在250°C以下開始相變的相變是馬氏體相變。但是，在本發(fā)明中不需要嚴(yán)格地對在250°C以下馬氏體相變開始進(jìn)行確認(rèn)，只要在250°C以下開始體積膨脹的相變即可。于是，在本發(fā)明中，由數(shù)值(a)算出的溫度只要是250°C以下即可。另外，以下，將Ms簡記為相變開始溫度。接著，對用于焊接接頭10的高能密度束焊接方法，使用圖IA進(jìn)行說明。
在圖IA中，表示了高能密度束的焊接方法的概念圖。如圖IA所示，在一對鋼材I之間的坡口 2之間裝入插入金屬3，通過高能密度束對插入金屬3與一對鋼材I的坡口 2的表面進(jìn)行焊接。如圖IB所示，在形成在焊接區(qū)6的焊縫金屬4凝固后，在焊縫金屬4冷卻至室溫的過程中，在較低溫、即250°C以下焊縫金屬4開始相變。通過該焊縫金屬4的相變膨脹，以保持產(chǎn)生在焊接區(qū)6上的壓縮應(yīng)力5的狀態(tài)維持至室溫。由此，能夠提高焊接接頭10的疲勞強(qiáng)度。這里，在相變開始溫度高的情況下，在焊縫金屬相變膨脹時，焊縫金屬的體積膨脹未被焊接區(qū)的周圍的鋼板充分束縛，因此產(chǎn)生在焊接區(qū)的壓縮應(yīng)力變小。此時，在焊縫金屬相變膨脹后，在焊縫金屬冷卻至室溫的過程中，由于熱收縮而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。由于該熱收縮，相變膨脹被抵消，其結(jié)果是，形成在焊接區(qū)上的焊縫金屬為拉伸殘余應(yīng)力狀態(tài)，疲勞強(qiáng)度降低?；谶@樣的理由，在本實施方式中，在對一對鋼材I進(jìn)行焊接時，在作為一對鋼材I的對接部的坡口 2中，配置插入金屬3，通過使用了電子束(高能密度束)的焊接，使插入金屬3和作為母材的一對鋼材I溶融而形成焊接接頭10。為了充分達(dá)成焊接接頭10的疲勞強(qiáng)度的提高，需要確保來自于焊縫金屬4的周圍的鋼材I的充分的束縛力。因此，在本實施方式中，對插入金屬3與鋼材的成分進(jìn)行調(diào)整，以使形成在焊接接頭10的焊接區(qū)6上的焊縫金屬4的相變開始溫度Ms為250°C以下。一般而言，由于能夠事先由焊接條件等預(yù)測出焊縫金屬的寬度，所以根據(jù)插入金屬3的成分與尺寸、鋼材I的成分與尺寸，容易將焊縫金屬的成分調(diào)整為目標(biāo)成分，也就是說，調(diào)整焊縫金屬4的相變開始溫度Ms是容易的。以上，本實施方式所涉及的焊接接頭10由于相變開始溫度為250°C以下，因此焊縫金屬4以被鋼材I束縛的狀態(tài)進(jìn)行馬氏體相變。此時，由于焊縫金屬4欲膨脹，因此其為由鋼材I賦予了壓縮殘余應(yīng)力的狀態(tài)。其結(jié)果是，焊接接頭10的疲勞特性提高至即使在千兆循環(huán)區(qū)的振動環(huán)境下也能耐受的耐疲強(qiáng)度為止。進(jìn)而，由于焊縫金屬的淬硬性得以提高，因此能夠提供成為微細(xì)的組織、且具有充分的斷裂韌度的焊接接頭10。用于本實施方式的焊接接頭10的鋼材I沒有特別限制，但優(yōu)選使用上述的問題顯著的板厚為30mm以上或者50mm以上的鋼材。另外，板厚的上限值優(yōu)選為120mm或者200mm。雖然設(shè)為一對鋼材，但一對鋼材可以不一定為相同的板厚和成分等。另外，可以通過與使用的插入金屬3的組成的組合來調(diào)整用于本實施方式的焊接接頭10的鋼板I的組成，以使形成的焊縫金屬4的相變開始溫度為250°C以下。使用的鋼材I沒有特別限制，但優(yōu)選為將C限制為0. 2質(zhì)量％以下的鋼材，屈服強(qiáng)度為355MPa以上。還可以將抗拉強(qiáng)度限制為690MPa以下或者780MPa以下。作為這樣的高強(qiáng)度鋼板，可以為由公知的成分組成的焊接用結(jié)構(gòu)用鋼制造的鋼板。另外，鋼材I的組成沒有特別限制，但鋼組成例如優(yōu)選為以質(zhì)量％計含有C:0. 01 0. 08%、Si :0. 05 0. 80%、Mn :0. 8 2. 5%、P :0. 03% 以下、S :0. 02% 以下、Al :0. 008% 以下、Ti :0. 005、. 030% ;剩余部分包括鐵及不可避免的雜質(zhì)。并且，將該組成作為基本成分，根據(jù)母材(鋼材I)強(qiáng)度或接頭韌性的提高等所要求的性質(zhì)，可以使用含有總計為8%以下的Cr、Mo、Ni、Cu、W、Co、V、Nb、Ti、Zr、Ta、Hf、REM、Y、Ca、Mg、Te、Se、B 中的 I 種或者 2 種以上的鋼。作為具體的例子，鋼組成優(yōu)選為以質(zhì)量計含有Cu :0. I I. 0%、Ni :0. I 6. 0%、Cr 0. I I. 0%、Mo 0. I 0. 6%,Nb :0. 01 0. 08%,V :0. 01 0. 10%、B :0. 0005 0. 0050% 中的 I 種或者2種以上。另一方面，在鋼材I中含有這些合金成分時，鋼材價格變得非常高。在實用上，使用含有了價格高的合金成分的插入材料進(jìn)行焊接時，能夠得到非常廉價的焊接接頭。因此，也可以限制這些合金成分。例如可以使用含有總計為4%以下、2%以下或者1%以下的Ni、Cr,Mo, Cu中的I種或者2種以上的鋼。另外，可以使用含有總計為4%以下或者2%的Cr、Mo、Ni、Cu、W、Co、V、Nb、Ti、Zr、Ta、Hf、REM、Y、Ca、Mg、Te、Se、B 中的 I 種或者 2 種以上的鋼。以下、對作為鋼材I的成分限定的必要 性進(jìn)行論述。另外，在以下的記載中，％表
示質(zhì)量％。為了得到作為結(jié)構(gòu)用的鋼的充分的強(qiáng)度，鋼材I所含有的C的量優(yōu)選設(shè)為0. 01%以上。根據(jù)需要，可以將鋼材I所含有的C的量限制為0.02%以上或者0.03%以上。為了防止由于焊縫金屬4的異常硬化引起的韌性降低，可以將C的含量限制為0. 12%以下。根據(jù)需要，可以將鋼材I所含有的C的量限制為0. 08%以下或者0. 06%以下。為了通過焊縫金屬4得到良好的韌性，優(yōu)選將鋼材I所含有的Si的量設(shè)為0. 80%以下。根據(jù)需要，可以將鋼材I所含有的Si的量限制為0. 50%以下、0. 30%以下或者0. 15%以下。Si的含量的下限不需要特別規(guī)定，但為了進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿撗跆幚?，?yōu)選設(shè)為0. 05%以上。根據(jù)需要，也可以將Si的含量限制為0. 08%以上。Mn是使微觀組織合適化的效果大且廉價的元素。為了確保作為結(jié)構(gòu)用的鋼所需要的強(qiáng)度和韌性，優(yōu)選向鋼材I中添加Mn的量為0. 8^2. 5%的Mn。為了防止焊縫金屬4的異常硬化，可以將鋼材I所含有的Mn的量的上限限制為2. 3%、2. 0%或者I. 9%。P及S是不可避的雜質(zhì)，但其使韌性等劣化，因此優(yōu)選將其分別限制為0. 03%以下及0. 02%以下。為了改善韌性，優(yōu)選它們的含量低，可以將鋼材I所含有的P的量的上限限制為0. 02%,0. 015%或者0. 010%，將S的量的上限限制為0. 015%、0. 010%或者0. 006%。為了提高焊縫金屬4的韌性，優(yōu)選將鋼材I的Al的含量設(shè)為0. 008%以下。為了提高韌性，可以將Al的含量的上限限制為0. 006%,0. 005%或者0. 003%。為了提高焊縫金屬4的韌性，優(yōu)選生成適當(dāng)?shù)牧康腡i氧化物。為此，鋼材I所含有的Ti的量優(yōu)選設(shè)為0. 005 0. 030%。根據(jù)需要，可以將Ti的含量的上限限制為0. 025%、0. 020%或者0. 015%。另外，可以將Ti的含量的下限限制為0. 007%或者0. 009%。Cu是提高鋼材I的強(qiáng)度和韌性的元素，可以根據(jù)需要添加。為了提高強(qiáng)度和韌性，可以添加0. 1%以上或者0. 3%以上的Cu。另一方面，為了防止由于添加大量的Cu而導(dǎo)致的鋼材I的缺陷等，Cu含量的上限優(yōu)選設(shè)為1.0%。根據(jù)需要，可以將Cu含量的上限限制為0. 7% 或者 0. 5%oNi是對提高鋼材I及焊縫金屬4的韌性有用的元素，可以向鋼材I中添加Ni的量為0.1%以上的Ni。另一方面，由于Ni的價格高，優(yōu)選設(shè)為6.0%以下。為了降低鋼材I的價格，可以將Ni的含量的上限限制為2. 0%、1. 0%或者0. 5%。Mo是對提高強(qiáng)度有效的元素，根據(jù)需要可以向鋼材I中添加Mo的量為0. 1%以上的Mo。如果大量添加，則焊縫金屬4異常硬化，韌性降低，因此優(yōu)選設(shè)為0.6%以下。根據(jù)需要，可以將鋼材I所含有的Mo的量限制為0. 2%以下或者0. 15%以下。Nb是對提高鋼材I的強(qiáng)度和韌性有效的元素，根據(jù)需要，可以向鋼材I中添加Nb的量為0. 01%以上的Nb。如果大量添加，則焊縫金屬4的韌性降低，因此Nb的含量優(yōu)選設(shè)為0. 08%以下。根據(jù)需要，可以將Nb的含量限制為0. 05%以下或者0. 03%以下。V是對提高鋼材I的強(qiáng)度有效的元素，根據(jù)需要，可以添加0. 01%以上。如果大量添加，則焊縫金屬4的韌性降低，因此V的含量優(yōu)選設(shè)為0. 10%以下。根據(jù)需要，可以將V的含量限制為0. 07%以下或者0. 04%以下。B是對提高鋼材I的強(qiáng)度有效的元素，根據(jù)需要，可以向鋼材I中添加B的量為0. 0005%以上的B。如果大量添加，則焊縫金屬4的韌性降低，因此B的含量優(yōu)選設(shè)為0. 0050%以下。根據(jù)需要，可以將B的含量限制為0. 0020%以下或者0. 0015%以下。Ca及REM是對提高抗層狀撕裂特性有效的元素，根據(jù)需要，可以向鋼材I中添加Ca及REM的量為0. 0005%以上的Ca及REM。如果大量添加，則鋼材I的韌性降低，因此這些元素的含量優(yōu)選設(shè)為0. 0050%以下。Mg對提高鋼材I的焊接熱影響區(qū)的韌性是有效的，可以添加0. 0003%以上。如果大量添加，則鋼材的韌性降低，因此Mg的含量優(yōu)選設(shè)為0. 0050%以下。焊縫金屬4的組成例如優(yōu)選含有Ni :0. 5 4. 0%及Cr :0. 5 6. 0%。由此，容易使相變開始溫度Ms為250°C以下。另外，通過抑制價格高的Ni的含量，能夠以低成本得到提高了疲勞強(qiáng)度的焊接接頭10。此時，鋼組成進(jìn)一步優(yōu)選為以質(zhì)量計含有Mo :0. r2. 0%及Cu 0. I 5. 0%中的I種或者2種；并且含有總計為I. riO. 0%的Ni、Cr、Mo、Cu。這樣，通過含有Mo、Cu中的I種或者2種，可以提高疲勞強(qiáng)度，從而得到充分的斷裂韌度。另外，關(guān)于焊縫金屬4的組成，除了上述以外，例如也可以含有Ni :4.0飛.0%。此時，通過使Ni的含量提高，可以提高韌性。此時鋼組成進(jìn)一步優(yōu)選為以質(zhì)量計含有Cr :0. I 6. 0%、Mo :0. I 2. 0%及Cu :0. I 5. 0%中的I種或者2種以上；并且含有總計為4. I 10.0%的Ni、Cr、Mo、Cu。這樣，通過含有Mo、Cu中的I種或者2種，可以提高疲勞強(qiáng)度，從而得到充分的斷裂韌度。Ni是用于降低焊縫金屬4的相變開始溫度Ms、提高焊接接頭10的疲勞強(qiáng)度而有效的元素。并且，也是提高強(qiáng)度或韌性等接頭特性的元素。對于在焊縫金屬中含有Ni時的Ni含量的下限，作為能夠充分期待疲勞強(qiáng)度的提高效果的最低限，優(yōu)選設(shè)為0. 5%。為了確實地提高疲勞強(qiáng)度，更優(yōu)選將Ni含量的下限設(shè)為1.0%或者2.0%。另外，在焊縫金屬的Ni含量超過6. 0%時，焊縫金屬4有可能不相變?yōu)樵诘蜏叵孪嘧兊呢愂象w和馬氏體，而以奧氏體的狀態(tài)結(jié)束冷卻，從而不能夠期待疲勞強(qiáng)度的提高。由此，優(yōu)選將Ni含量的上限設(shè)為6. 0%。Cr及Mo是使焊縫金屬4的相變開始溫度Ms降低、強(qiáng)度提高、確保淬硬性的元素。特別是，Cr和Mo與Ni相比，焊縫金屬4的強(qiáng)度提高及確保淬硬性的效果更高。利用該效果，使焊縫金屬4相變?yōu)轳R氏體等相變溫度低的組織，為了進(jìn)一步提高焊接接頭10的疲勞強(qiáng)度，Cr、Mo的含量優(yōu)選設(shè)為0. 1%以上。另一方面，Cr和Mo與Ni相比，焊縫金屬4的韌性提高的效果更低，如果過度含有，則恐怕會產(chǎn)生焊縫金屬 4的韌性降低，Cr的含量的上限優(yōu)選設(shè)為6. 0%，Mo的含量的上限優(yōu)選設(shè)為2. 0%。另外，在Ni的含量為4.0%以下時，為了將焊縫金屬4的相變開始溫度Ms確實地設(shè)為250°C以下，需要含有0. 5%以上的Cr。在Ni的含量為2. 0%以下時，可以將Cr的含量的下限限制為I. 5%或者2%，在Ni的含量為1.0%以下時，可以將Cr含量的下限限制為
2.0%或者2. 5%。為了避免焊縫金屬4的韌性降低，可以將Cr含量的下限限制為4. 0%或者
3.0%。基于同樣的理由，可以將Mo的含量的下限限制為1%、0. 5%或者0. 2%。根據(jù)需要，在Ni的含量超過4. 0%時，也可以將Cr的含量的下限限制為0. 5%。
Cu與Cr和Mo同樣，也是具有使焊縫金屬4的相變開始溫度Ms降低、強(qiáng)度提高及確保淬硬性的效果的元素。對于Cu，為了得到使相變開始溫度Ms降低、強(qiáng)度提高及確保淬硬性的效果，優(yōu)選將Cu含量的下限設(shè)為0. 1%。但是，如果Cu過度添加到焊縫金屬中，則在焊縫金屬上恐怕會產(chǎn)生Cu裂紋，因此Cu含量的上限值優(yōu)選設(shè)為5. 0%。更優(yōu)選的是，Cu的含量的上限值為0. 3%。本發(fā)明的焊縫金屬4能夠以如下的目的在以下的含有范圍內(nèi)進(jìn)一步含有成分元素。B是使淬硬性飛躍性提高的元素，確保焊縫金屬4的淬硬性，使焊縫金屬4的微觀組織達(dá)到更高強(qiáng)度。另外，還有抑制在高溫下開始相變的組織的生成、形成為在更低溫度下相變的微觀組織的作用。一般而言，與鋼材I相比，焊縫金屬4的氧含量高，因此擔(dān)心B與氧鍵合而失去上述的效果。然而，在作為本實施方式的對象的RPEB焊接中，氧量或氮量變得極少，因此即使是為了改善由于由焊縫金屬中的B產(chǎn)生的上述淬硬性及由微觀組織控制產(chǎn)生的抗拉強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，B含量的下限為0.0003%也是充分的。另一方面，作為B添加量的上限，即使以超過0. 0003%的量添加B，由添加B所得到的效果也幾乎不會增加，因此優(yōu)選設(shè)為0. 005%。Nb、V、Ti均是具有在焊縫金屬4中形成碳化物而增加強(qiáng)度的作用的元素，通過在焊縫金屬4中以少量含有Nb、V、Ti中的I種或者2種以上，可以實現(xiàn)接頭強(qiáng)度的提高。Nb、V、Ti中的I種或者2種以上的總計含量的下限如果低于0. 005%，則幾乎不能期待焊接接頭強(qiáng)度的提高，因此優(yōu)選將其總計含量的下限設(shè)為0. 005%。另一方面，如果上述總計含量超過0. 3%，則焊縫金屬4的強(qiáng)度過大，在接頭特性方面產(chǎn)生問題，因此優(yōu)選將上述總計含量上限設(shè)為0. 3%。另外，關(guān)于Ti，除了焊縫金屬4的強(qiáng)度提高的效果以外，還有使焊弧穩(wěn)定的作用，因此在含有Ti時，期望優(yōu)選將Ti含量的下限設(shè)為0. 003%。另外，為了提高焊縫金屬4的韌性，可以將Al的含量的下限限制為0. 003%,0. 005%或者0. 008%。為了將焊縫金屬4的組成設(shè)為如上述那樣，使用插入金屬3進(jìn)行電子束焊接等。根據(jù)焊接條件可以精確地推定出焊縫寬度即焊縫金屬4的寬度，從而可以以形成作為目標(biāo)的焊縫金屬4的成分的方式選定插入金屬3的成分及其厚度。例如，作為插入金屬3，可以使用純Ni、或者使用含有總計為0. 5 10. 0%的Ni :1 10%、Cr :0. I 2. 0%、Mo :0. I 2. 0%及Cu 0. r5. 0%中的I種或者2種以上的金屬箔。在本實施方式中，焊縫金屬4的硬度優(yōu)選為作為母材的鋼材I的硬度的140%以內(nèi)。焊縫金屬4使相變開始溫度Ms低溫化，為了能夠在室溫下利用焊縫金屬4的相變時的膨脹量，優(yōu)選進(jìn)行馬氏體組織化。然而，如果焊縫金屬4的組織過硬，則由于局部應(yīng)力增大而導(dǎo)致的斷裂韌度值8 c的降低，所以優(yōu)選抑制為140%以下。焊縫金屬4的組成優(yōu)選滿足含有總計為0. 5 10. 0%、優(yōu)選為I. riO. 0%的Ni 0. 5 6. 0%, Cr :0. I 6. 0%、Mo :0. I 2. 0%及Cu :0. I 5. 0%中的I種或者2種以上的這樣的條件，進(jìn)而對作為母材的鋼材I與使用插入金屬3而形成的焊縫金屬4的成分之間的平衡性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，或者對焊接后的冷卻速度進(jìn)行調(diào)整。由此，能夠使焊縫金屬4的硬度不變得過高，所以能夠?qū)缚p金屬4與鋼材I的硬度差(焊縫金屬4的硬度為鋼材I的硬度的140%以內(nèi))進(jìn)行調(diào)整。另外，為了使焊縫金屬4的相變開始溫度Ms確實地降低，也可以將焊縫金屬4中的Ni、Cr、Mo及Cu的含量的總計限制為0. 5%以上、I. 0%、2. 0%或者3. 0%以上。另外，為了防止焊縫金屬4的異常硬化而提高焊縫金屬4的韌性，由使用了焊縫金屬4的組成的下述數(shù)學(xué)式(b)算出的焊縫金 屬4的淬硬性指數(shù)D1優(yōu)選為0. r3. O。
D,=0.36 VC (l-K).7Si) (i-3.33Mn) (i i().35Cu) (!-K).36N!) (I--2.16Cr)
(I+3 Mo) (b)如果焊縫金屬4的淬硬性指數(shù)D1超過3. 0，則焊縫金屬的硬度變高而使韌性降低，因此淬硬性指數(shù)D1優(yōu)選為3.0以下。根據(jù)需要，可以將D1值的上限限制為1.2、0.9或者0. 7。另一方面，如果淬硬性指數(shù)D1值過低，則不能夠形成馬氏體組織，優(yōu)選將D1值設(shè)為0. I以上。為了確實地形成馬氏體組織，可以將D1值的下限限制為0. 2以上、0. 25以上或者0. 3以上。在本實施方式中，對使用了高能密度束的焊接的條件沒有特定的限定，但例如在電子束焊接的情況下，在使用80mm的板厚時，在電壓為175V、電流為120mA、焊接速度為125mm/分鐘左右的條件下進(jìn)行。另外，電子束焊接通常在IOlmbar以下的高真空下進(jìn)行焊接，但即使是在上述的RPEBW法這樣的低真空度、例如Imbar左右的真空下焊接而得到的焊接接頭，也能夠使用本實施方式。另外，在電子束焊接時，如果電子束的照射區(qū)域變大，則對鋼材I提供的線能量變得過大，F(xiàn)L部(Fusion Line,鋼材I與焊縫金屬4的邊界部)的組織會粗大化,在穩(wěn)定地確保FL部的斷裂韌度值S c方面不優(yōu)選。另外，在使用RPEBW焊接制作焊接接頭10時，與在真空腔內(nèi)以高真空狀態(tài)通過電子束焊接(EBW焊接)而制作的焊接接頭相比，焊縫金屬的寬度有增大的傾向。由此，在本實施方式中，即使在使用了 RPEBW焊接時，為了穩(wěn)定地確保焊接接頭10的斷裂韌度值S c，優(yōu)選將圖IB所示的焊縫金屬4的寬度w設(shè)為作為母材的鋼材I的板厚t的20%以下或者10%以下。在本實施方式中，為了適應(yīng)焊接區(qū)6的局部快速加熱及快速冷卻，使用了電子束作為高能密度束，但不限于此。接著，基于實施例對本發(fā)明進(jìn)行說明，但實施例中的條件是為了確認(rèn)本發(fā)明的可實施性及效果而采用的一個條件例，本發(fā)明不限于這一個條件例。即，只要在不脫離本發(fā)明的主旨的情況下達(dá)成本發(fā)明的目的，本發(fā)明就可以采用各種條件或者條件的組合。
實施例使用具有表I所示的化學(xué)成分的鋼材廣20，插入具有表2所示的成分的插入金屬，通過表3所示的焊接條件，用電子束焊接及激光束焊接進(jìn)行對焊，從而形成焊接接頭。表中的相變開始溫度Ms (°C)如上述那樣由數(shù)學(xué)式Ms=371-353C-22Si-24.3Mn-7 7Cu-17. 3Ni-17. 7Cr-25. 8Mo 求出。在圖2所示的焊接接頭內(nèi)，采集焊接接頭疲勞試驗片23，對焊接接頭疲勞試驗片23的背面23a進(jìn)行機(jī)械磨削，并以使從試驗片的表面?zhèn)犬a(chǎn)生疲勞裂紋的方式進(jìn)行加工。在軸向力與應(yīng)力比為0. I、反復(fù)速度為5Hz的條件下，進(jìn)行疲勞試驗，求出2X IO6次的疲勞強(qiáng)度。并且，在圖2的焊接接頭內(nèi)采集超聲波試驗片24，求出2 X IO6次的疲勞強(qiáng)度及2 X IO9次的千兆循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度，從而算出其降低比率，用在焊接接頭疲勞試驗中求出的2X IO6次的疲勞強(qiáng)度乘以其降低比率，對千兆循環(huán)下的焊接接頭疲勞強(qiáng)度(推定值)進(jìn)行評價。將其結(jié)果與焊接條件一起表示在表4、表5中。
權(quán)利要求
1.一種焊接接頭，其特征在于，具備 一對鋼材，以及 焊縫金屬，其形成于所述一對鋼材之間的對接焊縫，通過高能密度束進(jìn)行焊接而形成的； 其中，由使用了所述焊縫金屬的質(zhì)量％的組成的下述數(shù)學(xué)式(a)算出的相變開始溫度Ms為250°C以下，Ms (°C )=371-353C-22Si-24. 3Mn_7. 7Cu_17. 3Ν -17. 7Cr-25. 8Mo (a)。
2.如權(quán)利要求I所述的焊接接頭，其特征在于，所述焊縫金屬的組成為，含有NiO.5 4. O質(zhì)量%及Cr 0. 5 6. O質(zhì)量％。
3.如權(quán)利要求2所述的焊接接頭，其特征在于，所述焊縫金屬的組成為，含有MoO.Γ2. O質(zhì)量％及Cu :0. Γ5. O質(zhì)量％中的I種或者2種； 并且含有總計為I. I 10. O質(zhì)量％的Ni、Cr、Mo、Cu。
4.如權(quán)利要求I所述的焊接接頭，其特征在于，所述焊縫金屬的組成為，含有Ni4.0 6· O質(zhì)量％。
5.如權(quán)利要求4所述的焊接接頭，其特征在于，所述焊縫金屬的組成為，含有CrO.Γ6. O質(zhì)量％、Mo :0. Γ2. O質(zhì)量%及Cu :0. I 5. O質(zhì)量%中的I種或者2種以上； 并且含有總計為4. Γ10. O質(zhì)量%的Ni、Cr、Mo、Cu。
6.如權(quán)利要求I至權(quán)利要求5中的任一項所述的焊接接頭，其特征在于，由使用了所述焊縫金屬的質(zhì)量％組成的下述數(shù)學(xué)式(b )算出的所述焊縫金屬的淬硬性指數(shù)D1為O. f 3. O， Dr0.36^/f (l+0.7Si) (l+3.33Mn) (l+0.35Cu) (1+0.36Ν ) (l+2.16Cr)(1+3M.O) (b)0
7.如權(quán)利要求I至權(quán)利要求5中任一項所述的焊接接頭，其特征在于，所述鋼材的組成為，含有 C 0. 01 O. 08 質(zhì)量 %、Si 0. 05 O. 80 質(zhì)量 ％、Mn :0. 8 2. 5 質(zhì)量 ％、P ( O. 03 質(zhì)量 ％、S 彡 O. 02 質(zhì)量 ％、Al ( O. 008 質(zhì)量 ％、Ti 0. 005 O. 030 質(zhì)量 % ； 剩余部分包括鐵及不可避免的雜質(zhì)。
8.如權(quán)利要求7所述的焊接接頭，其特征在于，所述鋼材的組成為，含有Cu:0. Γ1.0質(zhì)量 %、Ni 0. Γ6. O 質(zhì)量 ％、Cr :0· Γ . O 質(zhì)量 %、Μο :0· Γθ. 5 質(zhì)量 ％、Nb :0· θΓθ. 08 質(zhì)量 ％、V 0. θΓθ. 10質(zhì)量％、B 0. 0005 O. 0050質(zhì)量%中的I種或者2種以上。
9.如權(quán)利要求I至權(quán)利要求5中任一項所述的焊接接頭，其特征在于，所述鋼材的厚度為 30mm 200mm。
10.如權(quán)利要求I至權(quán)利要求5中任一項所述的焊接接頭，其特征在于，所述高能密度束為電子束。
全文摘要
本發(fā)明的焊接接頭具備一對鋼材，以及焊縫金屬，其形成于所述一對鋼材之間的對接焊縫，通過高能密度束進(jìn)行焊接而形成的；其中，由使用了所述焊縫金屬的質(zhì)量%的組成的下述數(shù)學(xué)式(a)算出的相變開始溫度Ms為250℃以下，Ms(℃)=371-353C-22Si-24.3Mn-7.7Cu-17.3Ni-17.7Cr-25.8Mo (a)。
文檔編號C22C38/00GK102639277SQ201080054320
公開日2012年8月15日 申請日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月4日
發(fā)明者市川和利, 本間竜一, 石川忠 申請人:新日本制鐵株式會社