抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体及其焊接方法

专利名称：抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体及其焊接方法
技术领域：
本发明涉及阻止在焊接接头上产生的脆性裂纹的传播的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体及其焊接方法。
具体地说，涉及阻止在焊接结构物的焊接接头上有可能产生的脆性裂纹的传播的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，所述焊接结构物使用厚板并使用大线能量焊接，涉及可以提高建筑结构物和土木钢结构物等的安全性的技术。
背景技术：
为了建造钢结构物必须使用焊接，而且以降低建造成本或者提高建造效率作为目的，广泛地使用大线能量焊接。特别是钢板厚度增大时，由于焊接工时数飞跃地增加，因此迫切期望以直至极限的大线能量进行焊接。
但是，使用大线能量焊接时，由于焊接热影响(HAZ)区的韧性值下降，HAZ区的宽度也增加，所以具有对于脆性断裂的断裂韧性值下降的倾向。
因此，例如特开平6-88161号公报和特开昭60-245768号公报公开了即使使用大线能量焊接也难以降低HAZ区的断裂韧性的钢材的发明。
在这些发明中，因为提高了作为相对于脆性断裂产生的阻力值的断裂韧性值，因此在通常使用环境下脆性断裂的可能性被抑制得极低，但是在地震和结构物彼此相撞的事故、灾害等的非正常情况下，一旦产生脆性断裂，会有脆性裂纹在HAZ区传播，乃至大规模断裂的危险性。
至今人们认为，在使用板厚25mm左右的TMCP钢板等的焊接接头中，由于即使产生脆性裂纹，因焊接区的残余应力，脆性裂纹也会从焊接接头区转移到母材侧，所以只要确保母材的止裂性能，即使一旦焊接接头区产生脆性裂纹，也可以由母材而使脆性裂纹停止。
但是，钢结构物大型化时，要使用板厚更厚的钢板，另外为了使结构简单化，钢板厚壁化也是有效的，因而使用着设计应力高的高强度钢的厚钢板。
在这样的厚钢板中，因焊接接头区的断裂韧性的程度，脆性裂纹不向母材内转移而沿着焊接接头区的热影响区传播，通过本发明人由8000吨大型试验机进行的大型断裂试验可以表明这一点。
按照由本发明人进行的与钢板脆性断裂有关的试验，如图1所示，当在板厚50mm或其以下的钢板上、以与钢板1的对接焊接接头区相交叉的方式通过角焊来安装肋材3(加强板)时，多数情况下，即使在钢板1上产生脆性裂纹，通过肋材也可以阻止脆性裂纹的传播(止裂)，以至于钢板1不断裂。
但是，板厚增厚时，即使安装肋材，有时也与肋材3无关，脆性裂纹不向母材转移，而沿着HAZ区或者焊缝金属部而传播。

发明内容
这里，本发明的课题在于，提供在一旦在焊接接头处产生脆性裂纹的场合，可以通过补焊区来防止脆性裂纹的传播、从而防止焊接结构体的致命的断裂的焊接结构体及其焊接方法。
本发明人发现，通过对焊接结构体进行特定的补焊，可以防止焊接接头的脆性裂纹传播，使大规模破坏防患于未然，由此完成了本发明。
本发明的要旨如下所述。
(1)一种抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，该焊接结构体的焊接方法可以阻止焊接接头处所产生的脆性裂纹的传播，其特征在于在具有脆性裂纹传播的可能性的对焊接头中，对于使脆性裂纹停止的区域，通过补焊该部分，形成具有比对焊区高的韧性、而且相对于对焊区的纵向的外缘方向的角度Φ为10度～60度的补焊区。
(2)根据上述(1)所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，上述补焊区的韧性，与对焊区的脆性-延性断裂面转变温度vTrs相比，至少低20℃或其以上。
(3)根据上述(1)或(2)所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，上述补焊，通过对于对焊接头的表面和背面的任意一方或者两方，气刨(gouging)或者机械加工除去板厚的1/2或其以上的范围之后，对该部分进行补焊。
(4)根据上述(1)～(3)的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，在上述补焊区和对焊接头的连接区域内，在与对焊区的纵向垂直的方向上产生被焊接构件的屈服应力YP的1/2或其以上的压缩残余应力。
(5)根据上述(1)～(4)的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，在上述补焊区的至少最终层的补焊焊道中，将相对于对焊区的纵向的补焊焊道的纵向的角度θ控制为80度或其以下，从而实施补焊。
(6)根据上述(1)～(5)的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，将相对于上述对焊区的纵向的补焊区的外缘方向的角度Φ控制为10度～45度，从而实施补焊。
(7)一种抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，该焊接结构体阻止焊接接头处所产生的脆性裂纹的传播，其特征在于，在具有脆性裂纹传播的可能性的对焊接头中，在使脆性裂纹停止的区域内，具有与对焊区相比具有高的韧性、而且相对于对焊区的纵向的外缘方向的角度Φ为10度～60度的补焊区。
(8)根据上述(7)所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，上述补焊区的韧性，与对焊区的脆性-延性断裂面转变温度vTrs相比，至少低20℃或其以上。
(9)根据上述(7)或(8)所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，上述补焊区，在对焊接头的表面和背面的任意一方或者两方上，按照板厚的1/2或其以上的范围而具有。
(10)根据上述(7)～(9)的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，在上述补焊区和对焊接头的连接区域内，在与对焊区的纵向垂直的方向上具有被焊接构件的屈服应力YP的1/2或其以上的压缩残余应力。
(11)根据上述(7)～(10)的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，在上述补焊区的至少最终层的补焊焊道中，相对于对焊区的纵向的补焊焊道的纵向的角度θ为80度或其以下。
(12)根据上述(7)～(11)的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，相对于上述对焊区的纵向的补焊区的外缘方向的角度Φ为10度～45度。
按照本发明，通过对对焊接头的一部分进行特定的补焊，即使在一旦焊接接头产生脆性裂纹的场合，也可以通过焊接区来防止脆性裂纹的传播。


图1是表示配置有肋材的焊接结构体的图。
图2是说明实施了补焊的焊接结构体的图。
图3是表示用于防止脆性裂纹传播的焊接结构体的焊接方法的图。
图4是表示本发明实施例所使用的试验片的图。
具体实施例方式
用图2～4详细地说明用于实施本发明的最佳实施方式。
图2是表示应用本发明的焊接方法的钢板的对焊接头的图。在图2中，2表示对焊接头，5表示对焊区，6表示补焊区。
本发明的补焊区的特征在于，在如图2所示的具有脆性裂纹传播的可能性的对焊接头2(对焊区5和钢板1的热影响区)中，相对于使脆性裂纹停止的区域，通过气刨或者机械加工除去该区域的对焊接头2(对焊区5和钢板1的热影响区)的一部分，然后，通过用韧性优异的焊接材料来补焊该部分，由此补焊形成具有比对焊区5高的韧性、而且相对于对焊区5的纵向的外缘方向的角度Φ为10度～60度的补焊区6。
焊接接头处所产生的脆性裂纹会在对焊接头2的对焊区5或者容易产生残余拉伸应力的钢板1的热影响区传播，但是发现，通过在使脆性裂纹停止的区域内形成具有比对焊区5高的韧性、而且相对于对焊区5的纵向的外缘方向的角度Φ为10度～60度的补焊区6，可以使沿着对焊区5或者钢板1的热影响区传播的脆性裂纹转移，引出至钢板1的母材部，停止裂纹的传播。
该效果，在应用于如图1所示将水平的铁肋材3(增强材)以与垂直构件(钢板1)的对焊区5交叉的方式进行角焊4的焊接结构体的场合，通过补焊区6可以使沿着对焊区5或者钢板1的热影响区传播的脆性裂纹转移从而引出至铁肋材3(增强材)，并停止裂纹的传播，因而可以发挥更显著的效果。
另外，即使是没有图1所示的铁肋材3(增强材)的焊接结构体，通过补焊区6也可以使沿着对焊区5或者钢板1的热影响区传播的脆性裂纹转移从而引出至钢板1，并停止裂纹的传播，因而，不言而喻，对图1所示的焊接结构体不作限定。
在本发明中，气刨或者机械加工的深度为，相对于对焊接头2的表面和背面的任意一方或者两方，用气刨或者机械加工除去板厚的1/2或其以上的范围，然后通过在该部分上形成上述韧性优异的补焊区6，可以更可靠地停止传播裂纹、提高抗脆性裂纹传播性，因而优选。
本发明中，在相对于对焊区5的纵向的外缘方向的角度Φ比较大等时候，当在对焊接头2的对焊区5或者钢板1的热影响区中传播过来的脆性裂纹不转移到钢板1侧或者肋材3侧而进入补焊区6中之际，若补焊区6的韧性比对焊区5低，则裂纹侵入补焊区6后不会停止，裂纹进一步沿着对焊接头2的对焊区5或者钢板1的热影响区传播。
因此，在本发明中，在补焊区6，用断裂韧性优异的焊接材料进行补焊，并形成断裂韧性值与对焊区5的脆性-延性断裂面转变温度vTrs相比至少低20℃或其以上那样优异的韧性的补焊区6，由此，沿着对焊接头2的对焊区5或者钢板1的热影响区传播的脆性裂纹，即使在不能转移到钢板1侧或者肋材3侧的一方而进入补焊区6中的情况下，也可以在补焊区6内停止裂纹的传播，因而优选。
另外，提高补焊区6的焊缝金属的断裂韧性的方法不必作特别的限定，可以使用下述的方法，即，通过使用例如焊丝中含有2质量％或其以上的Ni的焊接材料作为韧性优异的焊接材料而进行补焊，来将焊缝金属调整到上述韧性值的范围内。
图3是本发明焊接方法所用的补焊区的详细图。
在图3中，2表示对焊接头，5表示对焊区，6表示补焊区，7表示补焊区焊道。
本发明人等通过各种试验对补焊区的最佳条件进一步研讨，结果表明通过相对于使具有脆性裂纹传播的可能性的对焊接头的脆性裂纹停止的区域，形成上述的韧性优异的补焊区6，同时使补焊区6的外缘方向的角度Φ相对于对焊区5的纵向为10度～60度，由此，就可以使沿着对焊区5或者钢板1的热影响区传播的脆性裂纹转移到钢板1侧或者肋材3侧的一方，在钢板母材中停止传播，另外，即使进入补焊区6，也可以可靠地在补焊区6内停止传播。
本发明技术思想的着眼点在于，使由于在补焊区6外缘的周边、即对焊接头2和补焊区6连接的区域产生的残余应力的影响而沿着对焊区5的纵向传播的脆性裂纹从对焊接头2的对焊区5或者钢板1的热影响区转移到钢板1侧或者肋材3侧的一方。
本发明人使相对于对焊区5的纵向的补焊区6的外缘方向的角度Φ产生变化，从而研究了能够使在对焊接头2的对焊区5或者钢板1的热影响区中传播的脆性裂纹转移到钢板1侧或者肋材3侧的一方的条件。
其结果可知，由于在上述角度Φ超过60度时，多数情况下，脆性裂纹进入补焊区6中，所以如果补焊区6的断裂韧性不充分高，则不能使脆性裂纹停止，但是，如果Φ低于60度，脆性裂纹就可以沿着补焊区6和对焊接头(母材)的边界部传播，导入到钢板1或者肋材3中而停止传播。
另外，为了更充分地发挥该效果，优选将相对于对焊区5的纵向的补焊区6的外缘方向的角度Φ设为45度或其以下。
但是上述角度Φ低于10度时，虽然脆性裂纹沿着补焊区6和对焊接头2(母材)的边界部传播，可是由于在离开补焊区6的区域的位置的周边，脆性裂纹传播的位置与对焊区5的距离太近，所以有时脆性裂纹会再次沿着对焊区5或者钢板1的热影响区再传播，因而将上述Φ的下限设为10度。
另外发现，通过控制相对于上述补焊区5的纵向的补焊区6中至少最终层的补焊焊道7的纵向的角度θ，使得在补焊区6和对焊接头(钢板1的热影响区)连接的区域内产生较大的残余应力，将该区域的主应力方向改变到与作用于对焊接头2(对焊区5和钢板1的热影响区)的主应力方向不同的方向上，从而可以更加稳定地使沿着上述对焊接头2的对焊区5或者钢板1的热影响区传播的脆性裂纹从该对焊区5或者钢板1的热影响区转移，引出至母材部。
也就是说，本发明人通过进行各种试验发现，补焊区6和对焊接头2的连接的区域所产生的残余应力，受到补焊区6中至少最终层的补焊焊道7的纵向相对于对焊区5的纵向的角度θ的影响很大。
补焊焊道7凝固时，特别是焊接焊道的纵向的一方马上进行较大收缩，但是由于补焊焊道7端部周边的对焊接头(钢板1的热影响区)的基体难以变形，所以其结果，在补焊焊道7的端部周边产生残余应力。
另外，在补焊焊道6的厚度较大的情况下，要进行多层多道的补焊，但是由于最终层的补焊焊道7不会被下一层焊层加热，所以在最终层的补焊焊道7的端部周边所产生的残余应力就会维持其原样。
因此可以知，由于在补焊区6和对焊接头2的连接区域产生较大的残余应力，所以在补焊区6的至少最终层的焊道中，相对于对焊区5的纵向的补焊焊道7的纵向的角度θ是非常重要的。
在上述角度θ超过80度时，由于补焊焊道7的纵向接近与对焊区5的纵向正交的方向，焊道凝固收缩时所产生的拉伸残余应力与用于传播裂纹的主应力方向一致或者接近，所以无法使沿着对焊区5的熔合线(FL)传播的脆性裂纹转移到补焊区的周边。
因此，优选在补焊区6的至少最终层的焊道中，将相对于对焊区5的纵向的补焊焊道7的纵向的θ设为80度或其以下。
另外，随着上述θ接近于0度，传播裂纹的主应力的方向与补焊焊道7的端部所产生的拉伸方向的残余应力的方向正交，由于该合成应力的方向具有阻止裂纹直线前进的作用，因此使裂纹转移到补焊区的周边的效果增大，因而优选。
进而，为了通过对补焊焊道7进行焊接施工而在补焊区6中补焊产生尽可能大的残余应力，更优选维持与补焊焊道7的周边区域的温度差。
在补焊时焊接线能量较大的情况下，补焊焊道7的周围部分的温度上升也较大，补焊焊道7冷却至室温左右的时间也较长，残余应力就会变小，因而为了提高残余应力，线能量越小越有利。
(实施例)通过气刨削除对焊接头的一部分，对该部分实施补焊，针对该补焊区是否能够发挥阻止脆性裂纹的传播的性能进行了各种试验。
在试验中，为了评价是否可以阻止沿对焊区的纵向直线前进的脆性裂纹，如图4所示，用2500mm×2500mm×板厚的钢板，在该试验片表面、背面的中央部的8处分别机械加工出深度为板厚的1/2左右、在试验片的表面、背面上的直径为与板厚相同程度的尺寸那样的“凹坑”，其中使表1～4所示的各种化学成分的焊接材料、焊接条件发生变化，从而制作出使焊缝金属的化学成分和焊缝金属的组织发生变化的试验片。
而且，以与对焊区(由气电焊得到的大线能量焊接接头)的Fusion Line(熔合线)相一致的方式，在距该试验片端部200mm的位置实施用于插入楔子8而产生脆性裂纹的V字缺口加工，并将试验片端部冷却至-40℃左右的低温，将试验片的中央部控制为-10℃，从而负荷规定的应力，然后将楔子打入V字缺口部，产生脆性裂纹，并使脆性裂纹沿着对焊区的熔合线传播。
在传播的脆性裂纹到达补焊区后，对该脆性裂纹是否传播进行评价。
将该试验结果示于表1。
另外，对焊区和补焊区各自的焊缝金属的韧性的测定如下述那样进行，即，以将试验片的纵向设为与对焊区的纵向垂直的方向的方式分别采取试验片，对于各自的试验片实施V型缺口夏比冲击试验，求出脆性-延性断裂转移温度vTrs(℃)。表1所示的补焊区和对焊区的vTrs(℃)的差表示按照这样所测定的各vTrs(℃)的差。
另外，补焊区周边的残余应力的测定如下述那样进行，即，在焊接构件侧，在距离补焊区和对焊区的各自的外缘部相连接的位置(图3的夏比试验片采取位置11●印)仅仅2mm的位置上，用X射线法来测定残余形变。
测定后的残余应力的应力方向，是与对焊区的纵向垂直的方向，是脆性裂纹沿着对焊区或者钢板的热影响区传播时的主应力方向。
表1的补焊区的残余应力(Mpa)表示按照这样测定的残余应力，符号-表示压缩应力，+表示拉伸应力。
表1所示的抗裂纹传播性的传播位置，是指在试验片端部所产生的裂纹向补焊区传播时的裂纹传播位置，FL(Fusion Line)表示裂纹沿着补焊区的熔合线(FL)传播，WM表示在补焊区的焊缝金属中传播。
另外，在表1所示的抗裂纹传播性的结果中，所谓“转移至母材而停止”，表示裂纹转移到补焊区域的外侧，在被焊接母材中停止，没有断裂。所谓“进入WM后传播，再在对焊区传播”，表示裂纹进入补焊区域内后，在补焊区域内部贯通传播，再继续在对焊区传播而断裂的结果。
所谓“沿着补焊区周边传播后，再在对焊区传播”，表示虽然可将裂纹引导到补焊区周边，但是不能转移至母材，在补焊区区域传播后，再沿着对焊区传播的结果。
所谓“(但一部分裂纹也分支到补焊区而停止)”，是指虽然主裂纹转移至母材而停止，但是由于补焊区和对焊区的交叉区域的残余应力不能充分压缩，因此传播中的裂纹分支，从而也进入补焊区。但是，由于主裂纹转移至母材，所以虽然补焊区部分损伤，但是不会达到断裂。
No.1～No.13是根据本发明除去对焊接头的一部分而进行补焊的本发明例，任意一个实施例，其抗裂纹传播性都是良好的。
由于No.11、12、13的上述角度θ的值过大，所以残余应力达不到规定的值。因此，裂纹的一部分分支到补焊区，但是由于主裂纹转移至母材，所以被停止。
另一方面，No.14～No.21是比较例，No.14～No.17除去对焊接头的一部分而进行补焊，但是由于补焊区和对焊区的韧性差不充分、补焊区的韧性较低，所以裂纹进入补焊区，其后在该区域不停止地贯通补焊区，再沿着对焊区传播而断裂。
No.18的补焊区的韧性虽然充分，但是由于Φ值太小，所以裂纹沿着补焊区周边传播，然后再在对焊区中传播而断裂。
另外，由于No.19～No.21不除去对焊接头区的一部分而进行补焊，所以对焊接头处所产生的脆性裂纹沿着该焊接接头传播，试验片真断裂为两片。
表1

其中，表中的EG气电焊，CO2二氧化碳气体保护电弧焊，SAW埋弧焊，FCBCu衬垫单面埋弧焊，FAB石棉衬垫单面埋弧焊，VEGA单丝摆动式气电焊，VEGA-II双丝摆动式气电焊，SEG简易式气电焊，SMAW手工焊(焊条电弧焊)
表1(续)

表2钢材的化学成分(质量％)

表3对焊区的焊接材料的化学成分(质量％)

表4补焊区的焊接材料的化学成分(质量％)

如上所述，按照本发明，通过对对焊接头的一部分进行特定的补焊，即使当在焊接接头上一旦产生脆性裂纹时，用焊接区也可以防止脆性裂纹的传播。
而且，本发明可以提供能够防止焊接结构体的致命的断裂的焊接结构体的焊接方法，在工业上可以发挥有用的显著的效果。
权利要求
1.一种抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，该焊接结构体的焊接方法可以阻止焊接接头处所产生的脆性裂纹的传播，其特征在于在具有脆性裂纹传播的可能性的对焊接头中，对于使脆性裂纹停止的区域，用气刨或者机械加工除去该区域的对焊接头的一部分，之后，通过补焊该部分，形成具有比对焊区高的韧性、而且相对于对焊区的纵向的外缘方向的角度Φ为10度～60度的补焊区。
2.根据权利要求1所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，上述补焊区的韧性，与对焊区的脆性-延性断裂面转变温度vTrs相比，至少低20℃或其以上。
3.根据权利要求1或者2所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，上述补焊，通过对于对焊接头的表面和背面的任意一方或者两方，气刨或者机械加工除去板厚的1/2或其以上的范围之后，对该部分进行补焊。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，在上述补焊区和对焊接头的连接区域内，在与对焊区的纵向垂直的方向上产生被焊接构件的屈服应力YP的1/2或其以上的压缩残余应力。
5.根据权利要求1～4的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，在上述补焊区的至少最终层的补焊焊道中，将相对于对焊区的纵向的补焊焊道的纵向的角度θ控制为80度或其以下，从而实施补焊。
6.根据权利要求1～5的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，其特征在于，将相对于上述对焊区的纵向的补焊区的外缘方向的角度Φ控制为10度～45度，从而实施补焊。
7.一种抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，该焊接结构体阻止焊接接头产生的脆性裂纹传播，其特征在于在具有脆性裂纹传播的可能性的对焊接头中，在使脆性裂纹停止的区域内，具有与对焊区相比具有高的韧性、而且相对于对焊区的纵向的外缘方向的角度Φ为10度～60度的补焊区。
8.根据权利要求7所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，上述补焊区的韧性，与对焊区的脆性-延性断裂面转变温度vTrs相比，至少低20℃或其以上。
9.根据权利要求7或8所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，上述补焊区，在对焊接头的表面和背面的任意一方或者两方上，按照板厚的1/2或其以上的范围而具有。
10.根据权利要求7～9的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，在上述补焊区和对焊接头的连接区域内，在与对焊区的纵向垂直的方向上具有被焊接构件的屈服应力YP的1/2或其以上的压缩残余应力。
11.根据权利要求7～10的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，在上述补焊区的至少最终层的补焊焊道中，相对于对焊区的纵向的补焊焊道的纵向的角度θ为80度或其以下。
12.根据权利要求7～11的任意一项所述的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体，其特征在于，相对于上述对焊区的纵向的补焊区的外缘方向的角度Φ为10度～45度。
全文摘要
本发明是可以阻止焊接接头处所产生的脆性裂纹的传播的抗脆性裂纹传播性优异的焊接结构体的焊接方法，在具有脆性裂纹传播的可能性的对焊接头中，对于使脆性裂纹停止的区域，用气刨或者机械加工除去该区域的对焊接头的一部分，之后，通过补焊该部分，形成具有比对焊区高的韧性、而且相对于对焊区的纵向的外缘方向的角度Φ为10度～60度的补焊区。
文档编号B23K9/04GK1867418SQ200480029748
公开日2006年11月22日 申请日期2004年10月7日 优先权日2003年10月8日
发明者石川忠, 井上健裕, 岛贯广志, 小关正 申请人:新日本制铁株式会社