焊接构造体的对焊接头及其制造方法

专利名称：焊接构造体的对焊接头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及使用了高能量密度束的焊接构造体的对焊接头及其制造方法。特别是，本发明涉及千兆赫区域的振动环境中的疲劳特性良好的焊接接头及其制造方法。
背景技术：
近年来，为了应对作为地球变暖的ー个原因的CO2气体的削减课题、及石油等化石燃料将来的枯竭问题，正在积极地尝试利用可再生的自然能。风カ发电也是其一，大規模的风カ发电正在世界性地普及。最适合于风カ发电的地域是能够连续期待强风的地域，因此，海上风カ发电也以世界性规模进行计划及实现(參照专利文献I 4)。为了在海上建设风カ发电塔，需要将塔的基础部分打入到海底的地基中，为了充分确保风力发电的涡轮叶片离开海水面的高度，基础部分也需要充分的长度、刚性、強度。因此，在风力发电塔的基础部分中，采用板厚超过50mm的例如IOOmm左右、具有直径为4m左右的大截面的管构造，塔的整体高度达到80m以上。要求将这样的巨大构造物在建设现场附近的海岸上简单且高效率地焊接组装。所以，如上述那样，产生了将达到板厚IOOmm的极厚钢板高效率并且现场焊接这样的以往所没有的需求。一般而言，使用电子束、激光束等的高能量密度束的焊接是高效率的焊接方法。但是，在电子束焊接中，由于需要在真空腔室内的、例如O. IPa以下的高真空状态下施行，所以以往能够焊接的钢板的厚度受到限制。而近年来，作为能够将板厚IOOmm左右的极厚钢板高效率地现场焊接的焊接方法，由英国的焊接研究所开发、提出了能够在例如IOPa以下的低真空状态下施工的焊接方法(RPEBW Reduced Pressured Electron Beam Welding :减压电子束焊接)(专利文献 5)。海上的风カ发电塔如上述那样不断受到强风带来的振动，所以基础部的构造体及钢管柱不间断地受到反复载荷。要求焊接部有对于量级与通常的疲劳周期不同的千兆赫域的振动的耐疲劳特性。特别是，焊缝的焊趾部，应カ集中变大，成为使对于反复载荷的疲劳強度降低的原因。作为用来缓和这样的焊缝的焊趾部的应カ集中的对策，以往，如图5所示，提出了通过增大焊缝32的曲率半径、以及钢板31与焊缝32之间的接触角Θ来缓和应力集中的技术。例如，在专利文献6中，提出了通过调整焊剂成分及保护气体成分、使上述的曲率半径及接触角Θ变大的技木。但是，专利文献6的方法是基于气体保护电弧焊接的技木，所以在通过高能量密度束焊接、不使用保护气体而进行焊接的情况下不能采用。
此外，在专利文献7中，提出了通过使焊缝高度相对于钢材的厚度的比率为O. 2以下、减小向焊缝的焊趾部的应カ集中的技木。但是，只不过是确定了焊缝的形状，具体怎样形成这样的焊缝宽度、为此的焊接条件等没有任何公开。因而，缺乏再现性，很难在エ业上使用。专利文献I :日本特开2008 - 111406号公报专利文献2 :日本特开2007 — 092406号公报专利文献3 :日本特开2007 — 322400号公报专利文献4 :日本特开2006 — 037397号公报 专利文献5 :国际公开99/16101号小册子专利文献6 :日本特开平4 - 361876号公报专利文献7 :日本特开2004 - 181530号公报

发明内容
本发明的目的是对被焊接金属材进行使用电子束等第I高能量密度束的焊接并照射第2高能量密度束来缓和焊接焊趾部的拉伸残余应カ或者缓和向焊缝的应カ集中、很简单地且有再现性地提供具有对于千兆赫域的振动也能够承受的疲劳特性和充分的破坏韧性的焊接接头。 本发明的概要是以下这样。(I)本发明的第I技术方案，是ー种焊接构造体的对焊接头，具备一对被焊接金属材；焊缝，通过对上述一对被焊接金属材之间的对接部分照射第I高能量密度束而形成，照射侧的表面上的宽度是W ;以及变质带，通过对上述对焊接头的上述第I高能量密度束照射侧的表面照射第2高能量密度束而形成在上述表面上，具有与上述焊缝平行的带形状，是分别位于比上述焊缝的宽度方向中央靠左侧和右侧的ー对的仅由热影响部和熔融凝固金属构成的变质带；ー对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上IOW以下、厚度为O. Imm以上IOmm以下；ー对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上4W以下；ー对上述变质带的各外侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别是O. 6W以上14W以下。(2)在上述(I)所述的焊接构造体的对焊接头中，也可以是，ー对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上O. 4W以下；ー对上述变质带各自的厚度为O. Imm以上O. 5mm以下。(3)在上述(2)所述的焊接构造体的对焊接头中，也可以是，ー对上述变质带仅由上述热影响部构成。(4)在上述(I)所述的焊接构造体的对焊接头中，也可以是，ー对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为IW以上4W以下；ー对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上2W以下、厚度为5mm以上IOmm以下。(5)在上述(I) (4)的任一项所述的焊接构造体的对焊接头中，也可以是，当设上述被焊接金属材的屈服强度为YSb时，上述第I高能量密度束照射侧的距上述焊缝的焊趾部Imm外侧的位置的上述被焊接金属材表面上的垂直于焊缝的方向的拉伸残余应カOk是YSb/2以下。
(6)在上述(I) (4)的任一项所述的焊接构造体的对焊接头中，也可以是，上述一对被焊接金属材是板厚超过30mm的高强度钢板。(7)在上述 (I) (4)的任一项所述的焊接构造体的对焊接头中，也可以是，上述焊接构造体是构成风カ发电塔的基础部分的构造体或钢管柱。(8)本发明的第2技术方案，是ー种焊接构造体的对焊接头的制造方法，具有 第I照射エ序，通过对ー对被焊接金属材之间的对接部分照射第I高能量密度束，形成照射侧的表面上的宽度是W的焊缝；以及第2照射エ序，通过从上述对焊接头的上述第I高能量密度束照射侧照射第2高能量密度束并将被照射部加热到Acl以上，形成具有与上述焊缝平行的带形状且分别位于比上述焊缝的宽度方向中央靠左侧和右侧的一対、仅由热影响部和熔融凝固金属构成的变质带；使由上述第2照射エ序带来的热量输入量为由上述第I照射エ序带来的热量输入量的2%以上30%以下；使ー对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上IOW以下、厚度为O. Imm以上IOmm以下；使ー对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上4W以下；使ー对上述变质带的各外侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O. 6W以上14W以下。(9)在上述(8)所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法中，也可以是，在上述第2照射エ序中，使ー对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上O. 4W以下；使ー对上述变质带各自的厚度为O. Imm以上O. 5mm以下。(10)在上述(9)所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法中，也可以是，在上述第2照射エ序中，使照射部的加热温度为Acl以上不到熔点温度，ー对上述变质带仅由热影响部构成。( 11)在上述(8)所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法中，也可以是，在上述第2照射エ序中，使ー对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为IW以上4W以下；使ー对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上2W以下、厚度为5mm以上IOmm以下。(12)在上述(8) (11)的任一项所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法中，也可以是，上述被焊接金属材是板厚超过30_的高强度钢板。(13)在上述(8) (11)的任一项所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法中，也可以是，上述焊接构造体是构成风カ发电塔的基础部分的构造体或钢管柱。发明的效果根据本发明的焊接接头，由于缓和了焊接焊趾部的拉伸残余应力、或者缓和了向焊缝的焊趾部的应カ集中，所以能够发挥对于千兆赫域的振动也能够承受的疲劳特性和充分的破坏韧性。


图I是有关本发明的第I实施方式的焊接接头IA的立体图。图2是作为该焊接接头IA的变形例的焊接接头IA’的立体图。图3是有关本发明的第2实施方式的焊接接头IB的立体图。图4是有关本发明的第3实施方式的焊接接头IC的立体图。图5是以往的焊接接头的截面概略图。
图6是将疲劳试验片的选取位置用截面概略图表示的图。
具体实施例方式以下，參照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。(第I实施方式)图I表示有关本发明的第I实施方式的焊接构造体的对焊接头1A。该焊接接头IA具备ー对被焊接金属材11A、11A、表面上的宽度是W的焊缝12A和具有沿与焊缝12A的长度方向平行的方向延伸的带形状且分别位于比焊缝12A的宽度方向中央(中心线C)靠左侧和右侧的ー对变质带13A、13A。变质带13A是仅由通过照射第2高能量密度束形成的热影响部和熔融凝固金属构成的区域。 另外，在本说明书中，所谓熔融凝固金属是指在被焊接金属材、通过第I高能量密度束形成的焊接金属和热影响部的至少ー个中，被第2高能量密度束加热到熔融温度以上而熔融后凝固的部位。也可以将熔融凝固金属表现为熔融凝固部。此外,通过第I高能量密度束形成的焊缝的宽度W是指照射侧的表面上的焊接金属部的宽度。在通过第2高能量密度束在表面上形成变质带的情况下，将在通过第I高能量密度束形成的焊接金属的可测量的照射侧表面最接近位置上(在可测量的位置最深的情况下也在与上述变质带接触的部分上)测量的通过第I高能量密度束形成的焊接金属的宽度设为宽度W。在本说明书中，所谓变质带的热影响部是指被第2高能量密度束加热到Acl温度以上不到熔融温度的部位。进而，在本说明书中，如图I所示，将焊缝的宽度方向称作X方向，将焊缝的厚度方向即深度方法称作Y方向，将焊缝的长度方向称作Z方向。焊缝12A通过对ー对被焊接金属材11A、IIA之间的对接部分照射第I高能量密度束而形成。此外，ー对变质带13A、13A通过对焊接接头IA的第I高能量密度束照射侧的表面照射第2高能量密度束而被形成在上述表面上。作为第I高能量密度束及第2高能量密度束，可以使用电子束、激光束等。当通过第I高能量密度束将ー对被焊接金属材11A、11A对接焊接时，也可以在其之间插入Ni类金属箔或Fe — Ni — Cr类金属箔。通过这样的金属箔的使用，能够使焊缝12A的破坏韧性等提高。关于ー对被焊接金属材11A、11A，在原理上在本发明中没有限定，但也可以使用板厚为30mm以上、屈服强度为355MPa以上的钢材。例如，可以使用在质量％方面以C :0. 02 O. 20%、Si 0. 01 I. 0%、Mn 0. 3 2. 4%、Al 0. 001 O. 20%、N 0. 02% 以下、P 0. 01% 以下、S :0. 01%以下为基本成分、根据母材強度及接头韧性的提高等所要求的性质、含有合计8% 以下、或 3% 以下、或 1% 以下的 Ni、Cr、Mo、Cu、W、Co、V、Nb、Ti、Zr、Ta、Hf、REM、Y、Ca、Mg、Te、Se、B的钢材。也可以使钢材的屈服强度为600MPa以下，或者也可以将钢材的拉伸強度限制为450MPa以上或780MPa以下。板厚也可以限制为50mm以上或150mm以下。ー对变质带13A、13A的各自的宽度只要是O. Iff以上就可以。根据需要，也可以为O. 3W以上、O. 5W以上或I. Off以上。S卩，通过用第2高能量密度束的照射分别形成O. Iff以上的宽度的变质带13A、13A，能够使通过第I高能量密度束的照射产生的焊缝12A的焊趾部附近的拉伸残余应カ缓和或改性为压缩残余应力。不需要特别规定变质带13A的宽度的上限，但由于不容易将高能量密度束照射到超过IOW的宽度较大的范围，所以将宽度的上限设为10W。根据需要，也可以使宽度的上限为7W、4W或2W。
ー对变质带13A、13A的各自的厚度只要是O. Imm以上就可以。S卩，通过用第2高能量密度束的照射形成O. Imm以上厚度的变质带13A、13A，能够使通过第I高能量密度束的照射产生的焊缝12A的焊趾部附近的拉伸残余应カ缓和或者改性为压缩残余应力。根据需要，也可以设为O. 2mm或O. 3mm以上。另一方面，如果变质带13A、13A的厚度超过IOmm,则与通过第2高能量密度束的照射带来的拉伸残余应カ的缓和效果相比，反而第2高能量密度束的照射带来的拉伸残余应カ变得过大，所以上限规定为10mm。根据需要，也可以设为9mm以下或8mm以下。其中，在焊趾部，也可以将变质带13A、13A的厚度设为I. Omm以下，优选的是设为O. 8mm以下,更优选的是设为O. 5mm以下。为了降低焊接焊趾部的残余应力，一对变质带13A、13A的各外侧端与焊缝12A的中心线C的距离只要分别是O. 6W以上就可以。上限对应于变质带的宽度的上限IOW及变质带的内侧端的上限4W而分别设为14W以下。根据上述焊接接头1A，由于在焊缝12A的两焊趾部上形成有拉伸残余应カ减小带，所以能够发挥良好的疲劳特性。因此，采用该焊接接头IA的焊接构造体能够作为构成在千兆赫环境下使用的风カ发电塔的基础部分的构造体或钢管柱使用。在本实施方式中，通过将焊缝12A的两侧加热到Acl温度以上、形成变质带，来缓和焊趾部的拉伸残余应力，改善耐疲劳龟裂发生特性。该热影响的结果是，变质带的组织变得与母相组织不同，能够通过使用硝酸こ醇腐蚀液等的蚀刻、从母相组织清晰地区别。另外，在图I所示的焊接接头IA中，ー对变质带13A、13A相互邻接地形成，但也可以如图2所示的变形例的焊接接头1A’那样，ー对变质带13A’、13A’的各内侧端从焊缝12A’的中心线C离开。S卩，ー对变质带13A、13A的间隔(以下，称作离开距离)只要是O以上就可以。但是，即使照射第2高能量密度束以使其间隔超过4W，也不能给通过第I高能量密度束的照射产生的焊缝12A的焊趾部附近的拉伸残余应カ带来影响，所以需要将上限规定为4W。另外，在离开距离是O的情况下，如图I那样，能够将ー对变质带13A、13A看作覆盖焊缝12A的表面的ー个变质带。以下，对有关本实施方式的焊接接头IA的制造方法详细叙述。有关本实施方式的焊接接头IA通过对ー对被焊接金属材11A、11A之间的对接部分照射第I高能量密度束的第I照射エ序、和对焊接接头IA从第I高能量密度束照射侧照射第2高能量密度束的第2照射エ序制造。详细地讲，通过第I照射エ序形成表面上的宽度是W的焊缝12A，通过第2照射エ序将被照射部加热到Acl以上，形成具有与焊缝12A平行的带形状且分别位于比焊缝12A的宽度方向中央(中心线C)靠左侧和右侧的ー对变质带13A、13A。另外，在离开距离是O的情况下，在第2照射エ序中，也可以进行照射以如图I那样形成覆盖焊缝12A的表面的一个变质帯。由第2照射エ序带来的热量输入量也可以为由第I照射エ序带来的热量输入量的2%以上30%以下。以下，将由第2照射エ序带来的热量输入量的、相对于由第I照射エ序带来的热量输入量的比率称作热量输入比。在将热量输入比控制为2%以上的情况下，能够可靠地缓和焊缝12A的焊趾部附近的拉伸残余应力。此外，在将热量输入比控制为30%以下的情况下，能够抑制被焊接金属材IlA中的结晶粒的平均粒径的成长，所以能够得到防止焊缝12A附近的韧性下降的效果。在第2照射エ序中，适当设定第2高能量密度束的照射条件，以使ー对变质带13A、13A的宽度、厚度、离开距离分别进入到上述适当范围中。此外，根据需要，也可以ー边使第2高能量密度束横摆ー边照射。即，也可以ー边在焊缝12A的宽度方向(X方向)上扫描ー边朝向焊缝12A的长度方向(Z方向)照射。由此，能够在降低由第2高能量密度束的照射带来的热量输入量的同时形成规定的宽度的变质带13A而实现残余应カ的降低。在第I高能量密度束例如是电子束的情况下，当将板厚80mm作为被焊接金属材 IlA使用时，也可以以电压150V、电流180mA、焊接速度25mm/分左右的条件进行照射。在第2高能量密度束例如是电子束的情况下，当将板厚80mm作为被焊接金属材IlA使用时，也可以以电压150V、电流IOOmA的条件进行照射。通过调整X方向及Z方向的照射速度，能够达到作为目标的变质带的厚度和宽度。在作为第I照射エ序而采用RPEBW焊接的情况下，与采用真空腔室的高真空状态下的电子束焊接的情况相比，有焊缝12A的宽度增大的趋势。因此，在采用RPEBW焊接的情况下，也为了稳定确保焊接接头IA的破坏韧性值，优选的是使焊缝12A的宽度为被焊接金属材IlA的板厚的20%以下或10%以下。或者，也可以将缝宽限制为15mm以下、Ilmm以下、7mm以下、6mm以下或5mm以下。(第2实施方式)图3表示有关本发明的第2实施方式的焊接构造体的对焊接头1B。该焊接接头IB具备ー对被焊接金属材I IB、11B、表面上的宽度是W的焊缝12B和具有沿与焊缝12B的长度方向平行的方向延伸的带形状、分别位于比焊缝12B的宽度方向中央(中心线C)靠左侧和右侧的一対。质带13B、13B。变质带13B是仅由通过照射第2高能量密度束形成的热影响部和熔融凝固金属构成的区域，但优选的是不含有熔融凝固金属。即，变质带13B优选的是仅由热影响部构成。其理由是因为，在变质带13B包含熔融凝固金属的情况下，通过熔融金属的凝固产生的拉伸残余应カ较大，疲劳强度的提高效果减小。焊缝12B通过向ー对被焊接金属材IlBUlB之间的对接部分照射第I高能量密度束而形成。此外，ー对变质带13B、13B通过向焊接接头IB的第I高能量密度束照射侧的表面照射第2高能量密度束而形成在上述表面上。作为第I高能量密度束及第2高能量密度束，可以使用电子束、激光束等。在本实施方式中，这ー对变质带13B、13B相互邻接地形成，但两者的间隔只要是O. 8W以下就容许。换言之，ー对变质带13B、13B的各内侧端与焊缝12B的中心线C的距离也可以分别是O以上O. 4W以下。另外，在离开距离是O的情况下，可以将ー对变质带13B、13B看作覆盖焊缝12B的表面的一个变质帯。当通过第I高能量密度束将ー对被焊接金属材IlBUlB对接焊接时，也可以在其之间插入Ni系金属箔或Fe — Ni — Cr类金属箔。通过这样的金属箔的使用，能够提高焊缝12B的破坏韧性等。关于ー对被焊接金属材11B、11B，在原理上在本发明中没有限定，可以使用与在第I实施方式中说明的被焊接金属材IlA同样的钢材。ー对变质带13B、13B的各自的宽度与在第I实施方式中说明的ー对变质带13A、13A的各自的宽度同样地規定。—对变质带13B、13B的各自的厚度只要是O. Imm以上O. 5mm以下就可以。在此情况下，通过用第2高能量密度束的照射形成O. Imm以上的厚度的变质带13B、13B，能够使通过第I高能量密度束的照射产生的焊缝12B的焊趾部附近的拉伸残余应カ缓和或改性为压缩残余应力。进而，通过将由第2高能量密度束的照射形成的变质带13B、13B的厚度控制为O. 5mm以下，能够大幅降低通过第2高能量密度束的照射产生的拉伸残余应力。
为了降低焊接焊趾部的残余应力，一对变质带13B、13B的各外侧端与焊缝12B的中心线C的距离只要分别是O. 6W以上就可以。上限对应于变质带的宽度的上限IOW及变质带的内侧端的上限4W，分别为14W以下。根据上述焊接接头1B，由于在焊缝12B的两焊趾部上形成有拉伸残余应カ降低带，所以能够发挥良好的疲劳特性。因此，采用该焊接接头IB的焊接构造体能够作为构成在千兆赫环境下使用的风カ发电塔的基础部分的构造体或钢管柱使用。在本实施方式中，将包括焊缝12B的宽度方向两端部的区域加热到Acl温度以上不到熔熔点温度，在焊趾部附近形成变质帯。由此，使焊趾部附近的组织屈服，将拉伸残余应カ缓和，使耐疲劳龟裂发生特性提高。以下，对有关本实施方式的焊接接头IB的制造方法进行详细叙述。有关本实施方式的焊接接头IB通过向ー对被焊接金属材IlBUlB之间的对接部分照射第I高能量密度束的第I照射エ序、和向焊接接头IB从第I高能量密度束照射侧照射第2高能量密度束的第2照射エ序制造。详细地讲，通过第I照射エ序，形成表面上的宽度是W的焊缝12B，通过第2照射エ序将被照射部加热到Acl以上不到熔点温度，形成具有与焊缝12B平行的带形状且分别位于比焊缝12B的宽度方向中央(中心线C)靠左侧和右侧的ー对变质带13B、13B。另外，在离开距离为O的情况下，在第2照射エ序中，也可以进行照射以形成覆盖焊缝12B的表面的一个变质帯。由第2照射エ序带来的热量输入量与有关第I实施方式的焊接接头IA的制造方法同样，也可以设为由第I照射エ序带来的热量输入量的2%以上30%以下。为了可靠地使变质带的厚度为O. 5mm以下，也可以将由第2照射エ序带来的热量输入量限制为由第I照射エ序带来的热量输入量的15%以下、10%以下，7%以下或5%以下。在第2照射エ序中，适当设定第2高能量密度束的照射条件，以使ー对变质带13B、13B的宽度、厚度、离开距离分别进入到上述适当范围中。此外，根据需要也可以ー边使第2高能量密度束横摆ー边照射。即，也可以ー边在焊缝12B的宽度方向(X方向)上扫描ー边朝向焊缝12B的长度方向(Z方向)照射。由此，能够在减少由第2高能量密度束的照射带来的热量输入量的同时、形成规定的宽度的变质带13B而实现残余应カ的降低。在第I高能量密度束例如是电子束的情况下，当将板厚80mm作为被焊接金属材IlB使用时，也可以以电压150V、电流180mA、焊接速度25mm/分左右的条件进行照射。在第2高能量密度束例如是电子束的情况下，当将板厚80mm作为被焊接金属材IlB使用时，也可以以电压150V、电流IOOmA的条件进行照射。通过调整X方向及Z方向的照射速度，能够达到作为目标的变质带的厚度和宽度。
在作为第I照 射エ序而采用RPEBW焊接的情况下，与采用真空腔室的高真空状态下的电子束焊接的情况相比，有焊缝12B的宽度增大的趋势。因此，在采用RPEBW焊接的情况下，也为了稳定确保焊接接头IB的破坏韧性值，优选的是将焊缝12B的宽度设为被焊接金属材IlB的板厚的20%以下或10%以下。或者，也可以将缝宽限制为15mm以下、Ilmm以下、7mm以下、6mm以下或5mm以下。(第3实施方式)图4表示有关本发明的第3实施方式的焊接构造体的对焊接头1C。该焊接接头IC具备ー对被焊接金属材11C、11C、表面上的宽度是W的焊缝12C、和具有沿与焊缝12C的长度方向平行的方向延伸的带形状、分别位于比焊缝12C的宽度方向中央(中心线C)靠左侧和右侧的ー对变质带13C、13C。变质带13C是仅由通过照射第2高能量密度束而形成的热影响部和熔融凝固金属构成的区域。焊缝12C通过向ー对被焊接金属材IlCUlC之间的对接部分照射第I高能量密度束而形成。此外，ー对变质带13C、13C通过对焊接接头IC的第I高能量密度束照射侧的表面照射第2高能量密度束而形成在上述表面上。作为第I高能量密度束及第2高能量密度束，可以使用电子束、激光束等。在本实施方式中，ー对变质带13C、13C相互离开而形成。详细地讲，这些一对变质带13C、13C的各内侧端与焊缝12C的中心线C的距离分别设定为IW以上4W以下。当通过第I高能量密度束将ー对被焊接金属材11C、IIC对接焊接时，也可以在其之间插入Ni类金属箔或Fe — Ni — Cr类金属箔。通过这样的金属箔的使用，能够使焊缝12C的破坏韧性等提高。关于ー对被焊接金属材11C、11C，在原理上并不是在本发明中所限定的金属材，可以使用与在第I实施方式中说明的被焊接金属材IlA同样的钢材。ー对变质带13C、13C的各自的宽度只要是O. IW以上就可以。根据需要，也可以为O. 2W以上、O. 3W以上。S卩，通过由第2高能量密度束的照射分别形成O. Iff以上的宽度的变质带13C、13C，能够使通过第I高能量密度束的照射而产生的焊缝12C的焊趾部附近的拉伸残余应カ缓和或者改性为压缩残余应力。但是，ー对变质带13C、13C的各自的宽度即使超过2. 0W，其效果也是限定的，而且通过第2高能量密度束的照射产生的残余应カ的不良影响变得不能忽视。根据需要，也可以将宽度的上限设为1.8WU.5W或1.2W。也可以将宽度的上限设为O. 3W或O. 5W。ー对变质带13C、13C的各自的厚度只要是5mm以上就可以。即，通过由第2高能量密度束的照射形成5_以上的厚度的变质带13C、13C，可靠地产生拉伸残余应力，并通过其反作用力能够使通过第I高能量密度束的照射产生的焊缝12C的焊趾部附近的拉伸残余应カ缓和或者改性为压缩残余应力。但是，如果厚度成为IOmm以上，则通过第2高能量密度束形成的残余应カ在板厚方向上也变大，出现成为疲劳破坏的起点的可能性，所以将上限规定为10mm。根据需要，也可以设为9mm以下或8mm以下。为了降低焊接焊趾部的残余应力，一对变质带13C、13C的各外侧端与焊缝12C的中心线C之间的距离只要分别是O. 6W以上就可以。上限对应于变质带的宽度的上限2W及变质带的内侧端的上限4W，分别为6W以下。
根据上述焊接接头1C，由于在焊缝12C的两焊趾部形成拉伸残余应カ降低带，所以能够发挥良好的疲劳特性。因此，采用了该焊接接头IC的焊接构造体可以作为构成在千兆赫环境下使用的风カ发电塔的基础部分的构造体或钢管柱使用。在本实施方式中，将焊缝12C的两侧的、从焊趾部离开的部分加热到Acl温度以上。加热温度也可以为熔点温度以上。加热的结果是，该加热区域(也可以包括熔融部)软化，起因于焊缝12C的焊趾部附近的拉伸残余应カ而塑性变形。结果，缓和了焊缝12C的焊趾部附近的拉伸残余应力，耐疲劳龟裂发生特性提高。以下，对有关本实施方式的焊接接头IC的制造方法进行详细叙述。有关本实施方式的焊接接头IC通过向ー对被焊接金属材IlCUlC之间的对接部分照射第I高能量密度束的第I照射エ序、和对焊接接头IC从第I高能量密度束照射侧照射第2高能量密度束的第2照射エ序制造。详细地讲，通过第I照射エ序，形成表面上的宽度是W的焊缝12C，通过第2照射エ序将被照射部加热到Acl以上，形成具有与焊缝12C平行的带形状且分别位于比焊缝12C的宽度方向中央(中心线C)靠左侧和右侧的ー对变质带 13C、13C。由第2照射エ序带来的热量输入量与有关第I实施方式的焊接接头IA的制造方法同样，也可以设为由第I照射エ序带来的热量输入量的2%以上30%以下。为了可靠地使变质带的厚度成为5mm以上，也可以将由第2照射エ序带来的热量输入量限制为由第I照射エ序带来的热量输入量的5%以上、8%以上、10%以上或15%以上。在第2照射エ序中，适当设定第2高能量密度束的照射条件，以使ー对变质带13C、13C的宽度、厚度、离开距离分别进入到上述适当范围中。此外，根据需要也可以ー边使第2高能量密度束横摆ー边照射。即，也可以ー边在焊缝12C的宽度方向(X方向)上扫描ー边朝向焊缝12C的长度方向(Z方向)照射。由此，能够在降低由第2高能量密度束的照射带来的热量输入量的同时形成规定的宽度的变质带13C而实现残余应カ的降低。在第I高能量密度束例如是电子束的情况下，当将板厚80mm作为被焊接金属材Iic使用时，也可以以电压150V、电流180mA、焊接速度25mm/分左右的条件进行照射。在第2高能量密度束例如是电子束的情况下，当将板厚80mm作为被焊接金属材Iic使用时，也可以以电压150V、电流IOOmA的条件进行照射。通过调整X方向及Z方向的照射速度，能够达到作为目标的变质带的厚度和宽度。在作为第I照射エ序而采用RPEBW焊接的情况下，与采用真空腔室的高真空状态下的电子束焊接的情况相比，有焊缝12C的宽度增大的趋势。因此，在采用RPEBW焊接的情况下，也为了稳定确保焊接接头IC的破坏韧性值，优选的是将焊缝12C的宽度设为被焊接金属材IlC的板厚的20%以下或10%以下。或者，也可以将缝宽限制为15mm以下、Ilmm以下、7mm以下、6mm以下或5mm以下。以上，对有关第I实施方式、第2实施方式、第3实施方式的焊接接头1A、1B、1C进行了说明，但各焊接接头的变质带的尺寸通过将焊接接头的截面用金刚砂纸等研磨后、使用5%到10%的硝酸こ醇腐蚀液等蚀刻，能够呈现由第2高能量密度束帯来的变质带而容易地測量。在ー对变质带的上述离开距离较小而相互接触的情况下，以通过第I高能量密度束照射而形成的焊接金属的宽度方向中央(中心线C)为起点，測量左右各自的变质带的尺寸。由于在第I高能量密度束照射侧的表面上容易发生疲劳损伤，所以在本发明中，在第I高能量密度束的照射侧的表面上形成变质帯。根据需要，也可以在没有照射第I高能量密度束的ー侧的表面、即背面侧形成变质带。此外，有关上述各实施方式的焊接接头的特征在于，当设被焊接金属材的屈服强度为YSb时，距焊缝的焊趾部Imm外侧的位置的被焊接金属材的表面上的向焊缝的宽度方向即X方向的拉伸残余应カoKiYSb/2以下。这里，在拉伸残余应カ消失且发生了压缩残余应カ的情况下，将拉伸残余应カ看作YSb/2以下。
S卩，有关上述各实施方式的焊接接头的规定部位的残余应カ是能够通过作为测量方法可靠性较高的应变计法可靠地测量的位置范围且将作为发生疲劳龟裂的可能性最高的位置的、距焊缝的焊趾部Imm外侧的位置作为测量位置。由于使该位置处的、向最容易发生疲劳龟裂的方向的拉伸残余应カσκ为被焊接钢材的屈服強度YSb (即，理论上最大限度的拉伸残余应力)的1/2的值以下，所以能够抑制疲劳强度的下降。但是，作为残余应カ的測量方法，也可以采用X线应カ測量、巴克豪森法。优选的是在距左右的焊接焊趾部Imm外侧的位置处测量、采用较高者的值。焊接焊趾部的残余应カ的測量方向没有特别限定，但由于应变计法精度最高、能够信赖，所以优选的是应变计法。在应变计法中，是在对焊接焊趾部的很近处添加应变计后、将应变计周边切离、通过使周边的残余应カ释放来进行测量的方法。在本发明中，特别优选的是使用表长较小的残余应カ测量用的应变计。但是，该方法为了测量而需要将焊接接头切碎。所以，在实际的应用时，优选的是使用能够将通过应变计法测量的值再现的各种残余应カ测量方法。具体而言，只要使用X线应カ測量法或巴克豪森法就可以。这些方法根据测量的钢板及焊接接头的表面性状等，也有离差变大的情况，所以优选的是预先研究能够再现性良好地得到与由应变计法得到的值同等的值那样的表面性状及校准用的设定等。实施例接着，基于实施例说明本发明，但实施例中的条件是为了确认本发明的可实施性及效果而采用的一条件例，本发明并不仅限定于这些条件例。本发明只要不脱离本发明的主g而达到本发明的目的，可以采用各种条件或条件的组合。(第I实施例)通过对ー对钢板的对接部分照射第I电子束(第I高能量密度束)而进行对接焊接，制造出接头Al A31。表I表示在各个接头Al A31中使用的一对钢板的钢种al、a2、a3，表2表示第I电子束的照射条件。[表I](mass% )
权利要求
1.一种焊接构造体的对焊接头，其特征在于， 具备 一对被焊接金属材； 焊缝，通过对上述一对被焊接金属材之间的对接部分照射第I高能量密度束而形成，照射侧的表面上的宽度是W ;以及 变质带，通过对上述对焊接头的上述第I高能量密度束照射侧的表面照射第2高能量密度束而形成在上述表面上，具有与上述焊缝平行的带形状，是分别位于比上述焊缝的宽度方向中央靠左侧和右侧的一对的仅由热影响部和熔融凝固金属构成的变质带； 一对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上IOW以下、厚度为O. Imm以上IOmm以下； 一对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上4W以下； 一对上述变质带的各外侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别是O. 6W以上14W以下。
2.如权利要求I所述的焊接构造体的对焊接头，其特征在于， 一对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上O. 4W以下； 一对上述变质带各自的厚度为O. Imm以上O. 5mm以下。
3.如权利要求2所述的焊接构造体的对焊接头，其特征在于， 一对上述变质带仅由上述热影响部构成。
4.如权利要求I所述的焊接构造体的对焊接头，其特征在于， 一对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为IW以上4W以下； 一对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上2W以下、厚度为5mm以上IOmm以下。
5.如权利要求I 4中任一项所述的焊接构造体的对焊接头，其特征在于， 当设上述被焊接金属材的屈服强度为YSb时，上述第I高能量密度束照射侧的距上述焊缝的焊趾部Imm外侧的位置的上述被焊接金属材表面上的垂直于焊缝的方向的拉伸残余应力0,是￥513/2以下。
6.如权利要求I 4中任一项所述的焊接构造体的对焊接头，其特征在于， 上述一对被焊接金属材是板厚超过30mm的高强度钢板。
7.如权利要求I 4中任一项所述的焊接构造体的对焊接头，其特征在于， 上述焊接构造体是构成风力发电塔的基础部分的构造体或钢管柱。
8.一种焊接构造体的对焊接头的制造方法，其特征在于， 具有 第I照射工序，通过对一对被焊接金属材之间的对接部分照射第I高能量密度束，形成照射侧的表面上的宽度是W的焊缝；以及 第2照射工序，通过从上述对焊接头的上述第I高能量密度束照射侧照射第2高能量密度束并将被照射部加热到Acl以上，形成具有与上述焊缝平行的带形状且分别位于比上述焊缝的宽度方向中央靠左侧和右侧的一对、仅由热影响部和熔融凝固金属构成的变质带；使由上述第2照射工序带来的热量输入量为由上述第I照射工序带来的热量输入量的2%以上30%以下； 使一对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上IOW以下、厚度为O. Imm以上IOmm以下； 使一对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上4W以下； 使一对上述变质带的各外侧端与上述焊缝的宽度方向中 央的距离分别为O. 6W以上14W以下。
9.如权利要求8所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法，其特征在于， 在上述第2照射工序中， 使一对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为O以上O. 4W以下； 使一对上述变质带各自的厚度为O. Imm以上O. 5mm以下。
10.如权利要求9所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法，其特征在于， 在上述第2照射工序中， 使照射部的加热温度为Acl以上不到熔点温度，一对上述变质带仅由热影响部构成。
11.如权利要求8所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法，其特征在于， 在上述第2照射工序中， 使一对上述变质带的各内侧端与上述焊缝的宽度方向中央的距离分别为IW以上4W以下； 使一对上述变质带各自的宽度为O. Iff以上2W以下、厚度为5mm以上IOmm以下。
12.如权利要求8 11中任一项所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法，其特征在于， 上述被焊接金属材是板厚超过30mm的高强度钢板。
13.如权利要求8 11中任一项所述的焊接构造体的对焊接头的制造方法，其特征在于， 上述焊接构造体是构成风力发电塔的基础部分的构造体或钢管柱。
全文摘要
本发明提供一种焊接构造体的对焊接头(1A)，具备一对被焊接金属材(11A)；焊缝(12A)，通过对上述一对被焊接金属材(11A)之间的对接部分照射第1高能量密度束而形成，照射侧的表面上的宽度是W；变质带(13A)，通过向对焊接头(1A)的上述第1高能量密度束照射侧的表面照射第2高能量密度束而形成在上述表面上，具有与上述焊缝平行的带形状，为分别位于比上述焊缝的宽度方向中央靠左侧和右侧的一对，仅由热影响部和熔融凝固金属构成。
文档编号B23K31/00GK102639284SQ20108005432
公开日2012年8月15日 申请日期2010年12月2日 优先权日2009年12月4日
发明者市川和利, 本间竜一, 石川忠 申请人:新日本制铁株式会社