使用了高能密度束的对接焊接接头的制作方法

专利名称：使用了高能密度束的对接焊接接头的制作方法
技术领域：
本发明涉及对一对钢材照射高能密度束进行对焊而得到的焊接接头。特别是，本发明涉及千兆循环(giga cycle，也称为千兆次疲劳循环)区的振动环境中的疲劳特性优良的焊接接头。本申请基于2009年12月4日在日本申请的特愿2009-277035号，并主张优先权，在此引用其内容。
背景技术：
近年来，为了应对被认为是地球环境温暖化的一个原因的CO2气体的削减以及应对石油等化石燃料将来枯竭，正在积极尝试利用可再生的自然能源。风力发电也是其中之一，大规模的风力发电正在世界范围内普及。最适合风力发电的地区是可以持续获得强风的区域，因此，海上风力发电也正以世界性的规模被规划及实施(参考专利文献广4)。为了在海上建设风力发电塔，需要在海底的地基中打入塔的基础部分，并且基础部分也需要具有能进行混凝土浇筑的水深以上的充分的长度。另外，还需要将风力发电塔整体的固有周期在窄范围内进行最优化，因此在风力发电塔的基础部分，采用具有板厚为50mm以上例如为IOOmm左右、直径为4m左右的大断面的管结构，塔的整体高度也要达到80m以上。一直希望将那样的巨大结构物简单且高效率地焊接组装在建设现场附近的海岸。于是，如上所述，产生了如下这样的以往没有的需求，S卩，以高效率且在现场对板厚为IOOmm的极厚钢板进行焊接。一般而言，电子束焊接、激光束焊接等高能密度束焊接是能够有效地进行焊接的焊接方法。但是，特别是在电子束焊接中，需要在真空腔内维持高真空状态来进行焊接，因此以往能够焊接的钢板的大小受到限制。与此相对，近年来，作为能够有效地对板厚为IOOmm左右的极厚钢板进行现场焊接的焊接方法，英国的焊接研究所开发并提出了可以在低真空下施工的焊接方法(RPEBW :Reduced Pressured Electron Beam Welding :减压电子束焊接)(专利文献5)。通过使用该RPEBW法，期待在对风力发电塔那样的大型结构物进行焊接时，也能够仅将焊接的部分局部形成真空而有效地进行焊接。但是，另一方面，与在真空腔内进行焊接的方法相比，在该RPEBW法中，由于以真空度降低了的状态进行焊接，因此出现了难以对被电子束溶融、而后凝固的溶融金属部分(以下也称为焊缝金属部)的韧性进行确保这样的新问题。对于这样的问题，以往在专利文献6及专利文献7中提出了以下的方法等通过将板状的Ni等插入金属(insert metal)贴到焊接面上而进行电子束焊接,使焊缝金属的Ni含量为0. r4. 5质量％，从而改善焊缝金属的夏比冲击韧度等韧性。海上的风力发电塔由于如上述那样暴露于由持续的强风所产生的振动中，基础部的结构体不断反复受到负荷，在焊接区上不断反复荷载应力。由此，对于上述结构体的焊接区，要求耐受与通常的疲劳循环(IO6 7)的数量级不同的千兆循环区(IOinci)的振动的耐疲、劳特性。现有技术文献专利文献
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3-248783号公报专利文献7 :国际公开第08/041372号小册子

发明内容
发明所要解决的问题在以往的高能量密度焊接中，由于焊接区的焊缝金属在焊接的最终阶段的室温附近发生收缩，因此诱发拉伸残余应力。通过其应力比效应，有时疲劳强度显著降低。因此，对于千兆循环区的振动，有可能由于拉伸残余应力而产生疲劳裂纹。本发明的目的在于，提供具有能够耐受千兆循环区的振动的疲劳特性、并且具有充分的断裂韧度的焊接接头。用于解决问题的方法本发明为了解决上述问题而达成上述的目的，采用了以下的方法。即，(I)在本发明的一个形态所涉及的焊接接头中，具备一对钢材，以及焊缝金属，其形成于所述钢材之间的对接焊缝，通过高能密度束进行焊接而形成的；其中，由使用了所述焊缝金属的质量％的组成的下述数学式(a)算出的相变开始温度Ms为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)所述的焊接接头中，所述焊缝金属的组成优选为，含有Ni :0. 5^4. 0质量%及Cr :0. 5 6. 0质量％。(3)在上述(2)所述的焊接接头中，所述焊缝金属的组成优选为，含有Mo :0. f 2. 0质量％及Cu :0. r5. 0质量％中的I种或者2种；并且含有总计为I. rio. 0质量％的Ni、Cr、Mo、Cu。(4)在上述(I)所述的焊接接头中，所述焊缝金属的组成优选为，含有Ni :4. (Te. 0
质量％。(5)在上述(4)所述的焊接接头中，所述焊缝金属的组成优选为，含有Cr :0. 1飞.0质量％、Mo 0. r2. 0质量％及Cu :0. r5. 0质量％中的I种或者2种以上；并且含有总计为4. I 10.0 质量 ％的 Ni、Cr、Mo、Cu。(6)在上述(5)所述的焊接接头中，由使用了所述焊缝金属的质量％的组成的下述数学式(b)算出的所述焊缝金属的淬硬性指数DI优选为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广(5)所述的焊接接头中，所述钢材的组成优选为，含有C:0. 01 0. 08 质量 ％、Si :0. 05 0. 80 质量 ％、Mn :0. 8 2. 5 质量 ％、P 彡 0. 03 质量 ％、S 彡 0. 02质量％、Al ( 0. 008质量％、Ti :0. 005^0. 030质量％ ;剩余部分包括铁及不可避免的杂质。(8)在上述(7)所述的焊接接头中，所述钢材的组成优选为，含有Cu :0. n. 0质量 ％、Ni :0. I 6. 0 质量 ％、Cr :0. I I. 0 质量 ％、Mo :0. I 0. 5 质量 ％、Nb :0. 01 0. 08 质量 ％、V :0. 01 0. 10质量％、B :0. 0005 0. 0050质量%中的I种或者2种以上。(9)在上述(I) (5)所述的焊接接头中，所述钢材的厚度优选为30mnT200mm。(10)在上述(I) (5)所述的焊接接头中，所述高能密度束优选为电子束。发明的效果根据上述的焊接接头，在使用了电子束等高能密度束的焊接中的焊接区，作为产生压缩残余应力而并非是拉伸残余应力的焊接条件，选择能够降低焊缝金属的相变开始温度的条件。由此，能够在低温下使焊缝金属膨胀，从而在焊接后对焊接区赋予压缩残余应力，因此可以提高疲劳特性。进而，在对高强度钢板、特别是板厚为30mm以上的钢板照射高能密度束进行焊接而形成对接焊接接头时，能够形成具有千兆循环区的振动环境下的耐疲劳特性、并且断裂韧度值充分高的焊接接头。


图IA是表示本发明的一个实施方式所涉及的对接焊接接头的焊接前的状态的厚度方向的剖面图。图IB是表示上述的焊接接头的焊接后的状态的厚度方向的剖面图。图2表示上述的焊接接头的疲劳试验片的采集位置。
具体实施例方式对于本发明的一个实施方式的高能密度束焊接接头(以下称为焊接接头)10，参照图IB进行说明。焊接接头10使用高能密度束进行焊接，在本实施方式中使用了电子束作为高能密度束。除了电子束以外，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 :减压电子束焊接)或激光束焊接。焊接接头10具备一对钢材(焊接母材)I、以及在钢材I之间的对接焊缝6通过电子束焊接而形成的焊缝金属4，由使用了焊缝金属4的组成(质量％)的下述数学式(a)算出的马氏体相变开始温度Ms (V )为250°C以下。Ms=371-353C-22Si-24. 3Mn-7. 7Cu-17. 3Ni-17. 7Cr-25. 8Mo (a)发明者们发现由于焊接接头10中的焊接区6的冷却速度大，因此用通常所知的推定马氏体相变开始温度的数学式会过高地评价相变开始温度。于是，对通常的推定相变开始温度的式子进行修改，从而导出了数学式(a)。另外，马氏体相变结束温度(Mf (°C))优选为室温。另外，一般而言，在250°C以下开始相变的相变是马氏体相变。但是，在本发明中不需要严格地对在250°C以下马氏体相变开始进行确认，只要在250°C以下开始体积膨胀的相变即可。于是，在本发明中，由数值(a)算出的温度只要是250°C以下即可。另外，以下，将Ms简记为相变开始温度。接着，对用于焊接接头10的高能密度束焊接方法，使用图IA进行说明。
在图IA中，表示了高能密度束的焊接方法的概念图。如图IA所示，在一对钢材I之间的坡口 2之间装入插入金属3，通过高能密度束对插入金属3与一对钢材I的坡口 2的表面进行焊接。如图IB所示，在形成在焊接区6的焊缝金属4凝固后，在焊缝金属4冷却至室温的过程中，在较低温、即250°C以下焊缝金属4开始相变。通过该焊缝金属4的相变膨胀，以保持产生在焊接区6上的压缩应力5的状态维持至室温。由此，能够提高焊接接头10的疲劳强度。这里，在相变开始温度高的情况下，在焊缝金属相变膨胀时，焊缝金属的体积膨胀未被焊接区的周围的钢板充分束缚，因此产生在焊接区的压缩应力变小。此时，在焊缝金属相变膨胀后，在焊缝金属冷却至室温的过程中，由于热收缩而产生拉伸应力。由于该热收缩，相变膨胀被抵消，其结果是，形成在焊接区上的焊缝金属为拉伸残余应力状态，疲劳强度降低。基于这样的理由，在本实施方式中，在对一对钢材I进行焊接时，在作为一对钢材I的对接部的坡口 2中，配置插入金属3，通过使用了电子束(高能密度束)的焊接，使插入金属3和作为母材的一对钢材I溶融而形成焊接接头10。为了充分达成焊接接头10的疲劳强度的提高，需要确保来自于焊缝金属4的周围的钢材I的充分的束缚力。因此，在本实施方式中，对插入金属3与钢材的成分进行调整，以使形成在焊接接头10的焊接区6上的焊缝金属4的相变开始温度Ms为250°C以下。一般而言，由于能够事先由焊接条件等预测出焊缝金属的宽度，所以根据插入金属3的成分与尺寸、钢材I的成分与尺寸，容易将焊缝金属的成分调整为目标成分，也就是说，调整焊缝金属4的相变开始温度Ms是容易的。以上，本实施方式所涉及的焊接接头10由于相变开始温度为250°C以下，因此焊缝金属4以被钢材I束缚的状态进行马氏体相变。此时，由于焊缝金属4欲膨胀，因此其为由钢材I赋予了压缩残余应力的状态。其结果是，焊接接头10的疲劳特性提高至即使在千兆循环区的振动环境下也能耐受的耐疲强度为止。进而，由于焊缝金属的淬硬性得以提高，因此能够提供成为微细的组织、且具有充分的断裂韧度的焊接接头10。用于本实施方式的焊接接头10的钢材I没有特别限制，但优选使用上述的问题显著的板厚为30mm以上或者50mm以上的钢材。另外，板厚的上限值优选为120mm或者200mm。虽然设为一对钢材，但一对钢材可以不一定为相同的板厚和成分等。另外，可以通过与使用的插入金属3的组成的组合来调整用于本实施方式的焊接接头10的钢板I的组成，以使形成的焊缝金属4的相变开始温度为250°C以下。使用的钢材I没有特别限制，但优选为将C限制为0. 2质量％以下的钢材，屈服强度为355MPa以上。还可以将抗拉强度限制为690MPa以下或者780MPa以下。作为这样的高强度钢板，可以为由公知的成分组成的焊接用结构用钢制造的钢板。另外，钢材I的组成没有特别限制，但钢组成例如优选为以质量％计含有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% ;剩余部分包括铁及不可避免的杂质。并且，将该组成作为基本成分，根据母材(钢材I)强度或接头韧性的提高等所要求的性质，可以使用含有总计为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 种或者 2 种以上的钢。作为具体的例子，钢组成优选为以质量计含有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 种或者2种以上。另一方面，在钢材I中含有这些合金成分时，钢材价格变得非常高。在实用上，使用含有了价格高的合金成分的插入材料进行焊接时，能够得到非常廉价的焊接接头。因此，也可以限制这些合金成分。例如可以使用含有总计为4%以下、2%以下或者1%以下的Ni、Cr,Mo, Cu中的I种或者2种以上的钢。另外，可以使用含有总计为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 种或者 2 种以上的钢。以下、对作为钢材I的成分限定的必要 性进行论述。另外，在以下的记载中，％表
示质量％。为了得到作为结构用的钢的充分的强度，钢材I所含有的C的量优选设为0. 01%以上。根据需要，可以将钢材I所含有的C的量限制为0.02%以上或者0.03%以上。为了防止由于焊缝金属4的异常硬化引起的韧性降低，可以将C的含量限制为0. 12%以下。根据需要，可以将钢材I所含有的C的量限制为0. 08%以下或者0. 06%以下。为了通过焊缝金属4得到良好的韧性，优选将钢材I所含有的Si的量设为0. 80%以下。根据需要，可以将钢材I所含有的Si的量限制为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别规定，但为了进行适当的脱氧处理，优选设为0. 05%以上。根据需要，也可以将Si的含量限制为0. 08%以上。Mn是使微观组织合适化的效果大且廉价的元素。为了确保作为结构用的钢所需要的强度和韧性，优选向钢材I中添加Mn的量为0. 8^2. 5%的Mn。为了防止焊缝金属4的异常硬化，可以将钢材I所含有的Mn的量的上限限制为2. 3%、2. 0%或者I. 9%。P及S是不可避的杂质，但其使韧性等劣化，因此优选将其分别限制为0. 03%以下及0. 02%以下。为了改善韧性，优选它们的含量低，可以将钢材I所含有的P的量的上限限制为0. 02%,0. 015%或者0. 010%，将S的量的上限限制为0. 015%、0. 010%或者0. 006%。为了提高焊缝金属4的韧性，优选将钢材I的Al的含量设为0. 008%以下。为了提高韧性，可以将Al的含量的上限限制为0. 006%,0. 005%或者0. 003%。为了提高焊缝金属4的韧性，优选生成适当的量的Ti氧化物。为此，钢材I所含有的Ti的量优选设为0. 005 0. 030%。根据需要，可以将Ti的含量的上限限制为0. 025%、0. 020%或者0. 015%。另外，可以将Ti的含量的下限限制为0. 007%或者0. 009%。Cu是提高钢材I的强度和韧性的元素，可以根据需要添加。为了提高强度和韧性，可以添加0. 1%以上或者0. 3%以上的Cu。另一方面，为了防止由于添加大量的Cu而导致的钢材I的缺陷等，Cu含量的上限优选设为1.0%。根据需要，可以将Cu含量的上限限制为0. 7% 或者 0. 5%oNi是对提高钢材I及焊缝金属4的韧性有用的元素，可以向钢材I中添加Ni的量为0.1%以上的Ni。另一方面，由于Ni的价格高，优选设为6.0%以下。为了降低钢材I的价格，可以将Ni的含量的上限限制为2. 0%、1. 0%或者0. 5%。Mo是对提高强度有效的元素，根据需要可以向钢材I中添加Mo的量为0. 1%以上的Mo。如果大量添加，则焊缝金属4异常硬化，韧性降低，因此优选设为0.6%以下。根据需要，可以将钢材I所含有的Mo的量限制为0. 2%以下或者0. 15%以下。Nb是对提高钢材I的强度和韧性有效的元素，根据需要，可以向钢材I中添加Nb的量为0. 01%以上的Nb。如果大量添加，则焊缝金属4的韧性降低，因此Nb的含量优选设为0. 08%以下。根据需要，可以将Nb的含量限制为0. 05%以下或者0. 03%以下。V是对提高钢材I的强度有效的元素，根据需要，可以添加0. 01%以上。如果大量添加，则焊缝金属4的韧性降低，因此V的含量优选设为0. 10%以下。根据需要，可以将V的含量限制为0. 07%以下或者0. 04%以下。B是对提高钢材I的强度有效的元素，根据需要，可以向钢材I中添加B的量为0. 0005%以上的B。如果大量添加，则焊缝金属4的韧性降低，因此B的含量优选设为0. 0050%以下。根据需要，可以将B的含量限制为0. 0020%以下或者0. 0015%以下。Ca及REM是对提高抗层状撕裂特性有效的元素，根据需要，可以向钢材I中添加Ca及REM的量为0. 0005%以上的Ca及REM。如果大量添加，则钢材I的韧性降低，因此这些元素的含量优选设为0. 0050%以下。Mg对提高钢材I的焊接热影响区的韧性是有效的，可以添加0. 0003%以上。如果大量添加，则钢材的韧性降低，因此Mg的含量优选设为0. 0050%以下。焊缝金属4的组成例如优选含有Ni :0. 5 4. 0%及Cr :0. 5 6. 0%。由此，容易使相变开始温度Ms为250°C以下。另外，通过抑制价格高的Ni的含量，能够以低成本得到提高了疲劳强度的焊接接头10。此时，钢组成进一步优选为以质量计含有Mo :0. r2. 0%及Cu 0. I 5. 0%中的I种或者2种；并且含有总计为I. riO. 0%的Ni、Cr、Mo、Cu。这样，通过含有Mo、Cu中的I种或者2种，可以提高疲劳强度，从而得到充分的断裂韧度。另外，关于焊缝金属4的组成，除了上述以外，例如也可以含有Ni :4.0飞.0%。此时，通过使Ni的含量提高，可以提高韧性。此时钢组成进一步优选为以质量计含有Cr :0. I 6. 0%、Mo :0. I 2. 0%及Cu :0. I 5. 0%中的I种或者2种以上；并且含有总计为4. I 10.0%的Ni、Cr、Mo、Cu。这样，通过含有Mo、Cu中的I种或者2种，可以提高疲劳强度，从而得到充分的断裂韧度。Ni是用于降低焊缝金属4的相变开始温度Ms、提高焊接接头10的疲劳强度而有效的元素。并且，也是提高强度或韧性等接头特性的元素。对于在焊缝金属中含有Ni时的Ni含量的下限，作为能够充分期待疲劳强度的提高效果的最低限，优选设为0. 5%。为了确实地提高疲劳强度，更优选将Ni含量的下限设为1.0%或者2.0%。另外，在焊缝金属的Ni含量超过6. 0%时，焊缝金属4有可能不相变为在低温下相变的贝氏体和马氏体，而以奥氏体的状态结束冷却，从而不能够期待疲劳强度的提高。由此，优选将Ni含量的上限设为6. 0%。Cr及Mo是使焊缝金属4的相变开始温度Ms降低、强度提高、确保淬硬性的元素。特别是，Cr和Mo与Ni相比，焊缝金属4的强度提高及确保淬硬性的效果更高。利用该效果，使焊缝金属4相变为马氏体等相变温度低的组织，为了进一步提高焊接接头10的疲劳强度，Cr、Mo的含量优选设为0. 1%以上。另一方面，Cr和Mo与Ni相比，焊缝金属4的韧性提高的效果更低，如果过度含有，则恐怕会产生焊缝金属 4的韧性降低，Cr的含量的上限优选设为6. 0%，Mo的含量的上限优选设为2. 0%。另外，在Ni的含量为4.0%以下时，为了将焊缝金属4的相变开始温度Ms确实地设为250°C以下，需要含有0. 5%以上的Cr。在Ni的含量为2. 0%以下时，可以将Cr的含量的下限限制为I. 5%或者2%，在Ni的含量为1.0%以下时，可以将Cr含量的下限限制为
2.0%或者2. 5%。为了避免焊缝金属4的韧性降低，可以将Cr含量的下限限制为4. 0%或者
3.0%。基于同样的理由，可以将Mo的含量的下限限制为1%、0. 5%或者0. 2%。根据需要，在Ni的含量超过4. 0%时，也可以将Cr的含量的下限限制为0. 5%。
Cu与Cr和Mo同样，也是具有使焊缝金属4的相变开始温度Ms降低、强度提高及确保淬硬性的效果的元素。对于Cu，为了得到使相变开始温度Ms降低、强度提高及确保淬硬性的效果，优选将Cu含量的下限设为0. 1%。但是，如果Cu过度添加到焊缝金属中，则在焊缝金属上恐怕会产生Cu裂纹，因此Cu含量的上限值优选设为5. 0%。更优选的是，Cu的含量的上限值为0. 3%。本发明的焊缝金属4能够以如下的目的在以下的含有范围内进一步含有成分元素。B是使淬硬性飞跃性提高的元素，确保焊缝金属4的淬硬性，使焊缝金属4的微观组织达到更高强度。另外，还有抑制在高温下开始相变的组织的生成、形成为在更低温度下相变的微观组织的作用。一般而言，与钢材I相比，焊缝金属4的氧含量高，因此担心B与氧键合而失去上述的效果。然而，在作为本实施方式的对象的RPEB焊接中，氧量或氮量变得极少，因此即使是为了改善由于由焊缝金属中的B产生的上述淬硬性及由微观组织控制产生的抗拉强度及疲劳强度，B含量的下限为0.0003%也是充分的。另一方面，作为B添加量的上限，即使以超过0. 0003%的量添加B，由添加B所得到的效果也几乎不会增加，因此优选设为0. 005%。Nb、V、Ti均是具有在焊缝金属4中形成碳化物而增加强度的作用的元素，通过在焊缝金属4中以少量含有Nb、V、Ti中的I种或者2种以上，可以实现接头强度的提高。Nb、V、Ti中的I种或者2种以上的总计含量的下限如果低于0. 005%，则几乎不能期待焊接接头强度的提高，因此优选将其总计含量的下限设为0. 005%。另一方面，如果上述总计含量超过0. 3%，则焊缝金属4的强度过大，在接头特性方面产生问题，因此优选将上述总计含量上限设为0. 3%。另外，关于Ti，除了焊缝金属4的强度提高的效果以外，还有使焊弧稳定的作用，因此在含有Ti时，期望优选将Ti含量的下限设为0. 003%。另外，为了提高焊缝金属4的韧性，可以将Al的含量的下限限制为0. 003%,0. 005%或者0. 008%。为了将焊缝金属4的组成设为如上述那样，使用插入金属3进行电子束焊接等。根据焊接条件可以精确地推定出焊缝宽度即焊缝金属4的宽度，从而可以以形成作为目标的焊缝金属4的成分的方式选定插入金属3的成分及其厚度。例如，作为插入金属3，可以使用纯Ni、或者使用含有总计为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种或者2种以上的金属箔。在本实施方式中，焊缝金属4的硬度优选为作为母材的钢材I的硬度的140%以内。焊缝金属4使相变开始温度Ms低温化，为了能够在室温下利用焊缝金属4的相变时的膨胀量，优选进行马氏体组织化。然而，如果焊缝金属4的组织过硬，则由于局部应力增大而导致的断裂韧度值8 c的降低，所以优选抑制为140%以下。焊缝金属4的组成优选满足含有总计为0. 5 10. 0%、优选为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种或者2种以上的这样的条件，进而对作为母材的钢材I与使用插入金属3而形成的焊缝金属4的成分之间的平衡性进行适当调整，或者对焊接后的冷却速度进行调整。由此，能够使焊缝金属4的硬度不变得过高，所以能够对焊缝金属4与钢材I的硬度差(焊缝金属4的硬度为钢材I的硬度的140%以内)进行调整。另外，为了使焊缝金属4的相变开始温度Ms确实地降低，也可以将焊缝金属4中的Ni、Cr、Mo及Cu的含量的总计限制为0. 5%以上、I. 0%、2. 0%或者3. 0%以上。另外，为了防止焊缝金属4的异常硬化而提高焊缝金属4的韧性，由使用了焊缝金属4的组成的下述数学式(b)算出的焊缝金 属4的淬硬性指数D1优选为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)如果焊缝金属4的淬硬性指数D1超过3. 0，则焊缝金属的硬度变高而使韧性降低，因此淬硬性指数D1优选为3.0以下。根据需要，可以将D1值的上限限制为1.2、0.9或者0. 7。另一方面，如果淬硬性指数D1值过低，则不能够形成马氏体组织，优选将D1值设为0. I以上。为了确实地形成马氏体组织，可以将D1值的下限限制为0. 2以上、0. 25以上或者0. 3以上。在本实施方式中，对使用了高能密度束的焊接的条件没有特定的限定，但例如在电子束焊接的情况下，在使用80mm的板厚时，在电压为175V、电流为120mA、焊接速度为125mm/分钟左右的条件下进行。另外，电子束焊接通常在IOlmbar以下的高真空下进行焊接，但即使是在上述的RPEBW法这样的低真空度、例如Imbar左右的真空下焊接而得到的焊接接头，也能够使用本实施方式。另外，在电子束焊接时，如果电子束的照射区域变大，则对钢材I提供的线能量变得过大，FL部(Fusion Line,钢材I与焊缝金属4的边界部)的组织会粗大化,在稳定地确保FL部的断裂韧度值S c方面不优选。另外，在使用RPEBW焊接制作焊接接头10时，与在真空腔内以高真空状态通过电子束焊接(EBW焊接)而制作的焊接接头相比，焊缝金属的宽度有增大的倾向。由此，在本实施方式中，即使在使用了 RPEBW焊接时，为了稳定地确保焊接接头10的断裂韧度值S c，优选将图IB所示的焊缝金属4的宽度w设为作为母材的钢材I的板厚t的20%以下或者10%以下。在本实施方式中，为了适应焊接区6的局部快速加热及快速冷却，使用了电子束作为高能密度束，但不限于此。接着，基于实施例对本发明进行说明，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个条件例，本发明不限于这一个条件例。即，只要在不脱离本发明的主旨的情况下达成本发明的目的，本发明就可以采用各种条件或者条件的组合。
实施例使用具有表I所示的化学成分的钢材广20，插入具有表2所示的成分的插入金属，通过表3所示的焊接条件，用电子束焊接及激光束焊接进行对焊，从而形成焊接接头。表中的相变开始温度Ms (°C)如上述那样由数学式Ms=371-353C-22Si-24.3Mn-7 7Cu-17. 3Ni-17. 7Cr-25. 8Mo 求出。在图2所示的焊接接头内，采集焊接接头疲劳试验片23，对焊接接头疲劳试验片23的背面23a进行机械磨削，并以使从试验片的表面侧产生疲劳裂纹的方式进行加工。在轴向力与应力比为0. I、反复速度为5Hz的条件下，进行疲劳试验，求出2X IO6次的疲劳强度。并且，在图2的焊接接头内采集超声波试验片24，求出2 X IO6次的疲劳强度及2 X IO9次的千兆循环下的疲劳强度，从而算出其降低比率，用在焊接接头疲劳试验中求出的2X IO6次的疲劳强度乘以其降低比率，对千兆循环下的焊接接头疲劳强度(推定值)进行评价。将其结果与焊接条件一起表示在表4、表5中。
权利要求
1.一种焊接接头，其特征在于，具备 一对钢材，以及 焊缝金属，其形成于所述一对钢材之间的对接焊缝，通过高能密度束进行焊接而形成的； 其中，由使用了所述焊缝金属的质量％的组成的下述数学式(a)算出的相变开始温度Ms为250°C以下，Ms (°C )=371-353C-22Si-24. 3Mn_7. 7Cu_17. 3Ν -17. 7Cr-25. 8Mo (a)。
2.如权利要求I所述的焊接接头，其特征在于，所述焊缝金属的组成为，含有NiO.5 4. O质量%及Cr 0. 5 6. O质量％。
3.如权利要求2所述的焊接接头，其特征在于，所述焊缝金属的组成为，含有MoO.Γ2. O质量％及Cu :0. Γ5. O质量％中的I种或者2种； 并且含有总计为I. I 10. O质量％的Ni、Cr、Mo、Cu。
4.如权利要求I所述的焊接接头，其特征在于，所述焊缝金属的组成为，含有Ni4.0 6· O质量％。
5.如权利要求4所述的焊接接头，其特征在于，所述焊缝金属的组成为，含有CrO.Γ6. O质量％、Mo :0. Γ2. O质量%及Cu :0. I 5. O质量%中的I种或者2种以上； 并且含有总计为4. Γ10. O质量%的Ni、Cr、Mo、Cu。
6.如权利要求I至权利要求5中的任一项所述的焊接接头，其特征在于，由使用了所述焊缝金属的质量％组成的下述数学式(b )算出的所述焊缝金属的淬硬性指数D1为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.如权利要求I至权利要求5中任一项所述的焊接接头，其特征在于，所述钢材的组成为，含有 C 0. 01 O. 08 质量 %、Si 0. 05 O. 80 质量 ％、Mn :0. 8 2. 5 质量 ％、P ( O. 03 质量 ％、S 彡 O. 02 质量 ％、Al ( O. 008 质量 ％、Ti 0. 005 O. 030 质量 % ； 剩余部分包括铁及不可避免的杂质。
8.如权利要求7所述的焊接接头，其特征在于，所述钢材的组成为，含有Cu:0. Γ1.0质量 %、Ni 0. Γ6. O 质量 ％、Cr :0· Γ . O 质量 %、Μο :0· Γθ. 5 质量 ％、Nb :0· θΓθ. 08 质量 ％、V 0. θΓθ. 10质量％、B 0. 0005 O. 0050质量%中的I种或者2种以上。
9.如权利要求I至权利要求5中任一项所述的焊接接头，其特征在于，所述钢材的厚度为 30mm 200mm。
10.如权利要求I至权利要求5中任一项所述的焊接接头，其特征在于，所述高能密度束为电子束。
全文摘要
本发明的焊接接头具备一对钢材，以及焊缝金属，其形成于所述一对钢材之间的对接焊缝，通过高能密度束进行焊接而形成的；其中，由使用了所述焊缝金属的质量%的组成的下述数学式(a)算出的相变开始温度Ms为250℃以下，Ms(℃)=371-353C-22Si-24.3Mn-7.7Cu-17.3Ni-17.7Cr-25.8Mo (a)。
文档编号C22C38/00GK102639277SQ201080054320
公开日2012年8月15日 申请日期2010年12月3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