耐疲劳特性优异的焊接接头及其制造方法.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200980000219.9

申请日:

2009.02.18

公开号:

CN101678511A

公开日:

2010.03.24

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

专利权人的姓名或者名称、地址的变更IPC(主分类):B23K 31/00变更事项:专利权人变更前:新日本制铁株式会社变更后:新日铁住金株式会社变更事项:地址变更前:日本东京都变更后:日本东京都|||授权|||实质审查的生效IPC(主分类):B23K 31/00申请日:20090218|||公开

IPC分类号:

B23K31/00; B23K9/23; B23K35/30; B23P9/04; C22C38/00; C22C38/04; C22C38/58; B23K103/04

主分类号:

B23K31/00

申请人:

新日本制铁株式会社

发明人:

野濑哲郎; 白幡浩幸; 岛贯广志

地址:

日本东京都

优先权:

2008.2.19 JP 037719/2008

专利代理机构:

北京市中咨律师事务所

代理人:

段承恩;田 欣

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内容摘要

本发明提供一种更高效地发挥超声波冲击处理的效果并进一步提高了耐疲劳特性的焊接接头及其制造方法,本发明的焊接接头是焊缝金属区的平均硬度以及焊接热影响区的平均硬度比钢材的平均硬度高15~50%的焊接接头,并且,在该焊接接头的焊趾部形成有超声波冲击痕,所述超声波冲击痕在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。

权利要求书

1、  一种耐疲劳特性优异的焊接接头,其特征在于,是焊缝金属区的平均硬度以及焊接热影响区的平均硬度比钢材的平均硬度高15~50%的焊接接头,并且,在该焊接接头的焊趾部形成有超声波冲击痕,所述超声波冲击痕在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。

2、
  根据权利要求1所述的耐疲劳特性优异的焊接接头,其特征在于,所述焊接接头的钢材的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.25%、Si:0.01~1.0%、Mn:0.1~2.0%、P:0.04%以下、S:0.05%以下,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成,焊缝金属区的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.15%、Si:0.1~0.8%、Mn:0.3~1.6%、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01~3.0%、Cr:0.01~1.5%、Mo:0.01~0.8%,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成。

3、
  根据权利要求2所述的耐疲劳特性优异的焊接接头,其特征在于,所述焊接接头的钢材以质量%计还含有Cr:0.01~1.5%、Ni:0.01~3.0%、Mo:0.01~0.8%、Ti:0.002~0.5%、Nb:0.002~0.2%中的一种或两种以上。

4、
  一种耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,在制作焊接接头时,对于钢材和焊接材料以及焊接工艺条件的组合,预先求出与焊接接头的钢材、焊缝金属区以及焊接热影响区的平均硬度的关系,对于焊接接头的钢材选定焊接材料和焊接工艺条件进行焊接,以使得焊接接头的焊缝金属区以及焊接热影响区的平均硬度比钢材的平均硬度高15~50%,对该焊接接头的焊趾部实施超声波冲击处理,形成超声波冲击处理痕,所述超声波冲击处理痕在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。

5、
  根据权利要求4所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,所述焊接接头的钢材的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.25%、Si:0.01~1.0%、Mn:0.1~2.0%以下,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成,焊缝金属区的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.15%、Si:0.1~0.8%、Mn:0.3~1.6%、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01~3.0%、Cr:0.01~1.5%、Mo:0.01~0.8%,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成。

6、
  根据权利要求5所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,所述焊接接头的钢材以质量%计还含有Cr:0.01~1.5%、Ni:0.01~3.0%、Mo:0.01~0.8%、Ti:0.002~0.5%、Nb:0.002~0.2%中的一种或两种以上。

7、
  根据权利要求4~6的任一项所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,使用以20kHz~50kHz的频率励振的振动端子以0.01~4kW的功率实施所述超声波冲击处理。

8、
  根据权利要求4~7的任一项所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,使用棒状的振动端子实施所述超声波冲击处理,所述振动端子的尖端部在轴向的截面上的曲率半径为1.0~10.0mm。

说明书

耐疲劳特性优异的焊接接头及其制造方法
技术领域
本发明涉及耐疲劳特性优异的焊接接头及其制造方法。特别是涉及通过在焊接结构物上采用而可谋求焊接结构物的可靠性提高、长寿命化的焊接接头及其制造方法。
背景技术
钢结构物在使用期间中受到循环载荷的情况较多,需要充分考虑针对焊接区的疲劳强度的安全性。
图6是表示焊接接头1的一个例子的截面模式图。表示出钢材2、2’利用焊缝金属3接合的状况。一般地,焊接区的疲劳强度与母材的疲劳强度相比显著低,作为其主要原因可知:焊趾部6、6’的应力集中显著;在焊趾部形成拉伸残余应力;在焊接热影响区4晶粒粗大化;等等。
作为其对策,以往采用下述方法:对焊接接头的焊趾部实施磨削(grinder)处理、TIG修整处理、削平补强堆焊等来增大趾部的曲率,从而难以产生应力集中的方法;对该部位实施喷丸、锤击、激光表面硬化处理、湿式喷丸处理或焊后热处理,来降低残余应力的方法;等等。
但是,上述的磨削处理、TIG修整处理、削平补强堆焊等方法存在作业效率差,而且根据处理方式降低接头的强度等的由作业者的熟练度左右其效果的问题。另外,喷丸、锤击、激光表面硬化处理、湿式喷丸或焊后热处理,存在根据处理对象构件的结构需要很大的设备和操作成本的问题。
另外,近年来人们已知通过实施超声波冲击处理、锤击处理等的打击处理,来同时降低焊趾部的应力集中和残余应力,改善焊接接头的疲劳强度。
例如,在日本特开2003-113418号公报中,提出了对金属材料的疲劳成为问题的部位进行超声波冲击处理,来提高金属材料的疲劳寿命的方法,并公开了通过实施超声波冲击处理,使焊趾部变形为具有规定的曲率,从而缓和应力集中。
另外,在日本特开2004-130313号公报中,提出了对重叠2块钢板并将端部焊接而成的重叠角焊焊趾部的附近用超声波振动端子实施打击来提高疲劳强度的方法。另外,在日本特开2001-179632号公报中,提出了用具有敲击用的冲头、将该冲头旋转驱动的驱动机构、和使旋转着的冲头冲击被敲击材料的冲击机构的装置,对被敲击材料进行冲击,赋予局部的表面硬化、残余应力的方法。
发明内容
如在日本特开2003-113418号公报、日本特开2004-130313号公报中那样,超声波冲击处理作为高效率的提高疲劳强度的方法是有利的,但是,以往钢材与焊接材料的组合,即母材与焊缝金属的组合不合适,不能充分发挥超声波冲击处理的效果,不能说充分提高了焊接接头的疲劳强度。
本发明的目的是,鉴于这样的情况,提供一种能更加高效地发挥超声波冲击处理的效果,更加提高疲劳强度的焊接接头及其制造方法。
本发明是为解决上述课题而完成的,其提供一种在钢材(母材)与焊接材料的组合中,为了充分发挥由超声波冲击处理带来的提高耐疲劳特性的效果而控制焊缝金属以及母材的焊接热影响区的硬度与母材的硬度之比,实施超声波冲击处理,高效地提高耐疲劳特性的焊接接头及其制造方法。
作为其要旨如下。
(1)一种耐疲劳特性优异的焊接接头,其特征在于,是焊缝金属区的平均硬度以及焊接热影响区的平均硬度比钢材的平均硬度高15~50%的焊接接头,并且,在该焊接接头的焊趾部形成有超声波冲击痕,所述超声波冲击痕在与焊接线(焊缝)垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。
(2)根据(1)所述的耐疲劳特性优异的焊接接头,其特征在于,上述焊接接头的钢材的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.25%、Si:0.01~1.0%、Mn:0.1~2.0%、P:0.04%以下、S:0.05%以下,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成,焊缝金属区的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.15%、Si:0.1~0.8%、Mn:0.3~1.6%、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01~3.0%、Cr:0.01~1.5%、Mo:0.01~0.8%,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成。
(3)根据(2)所述的耐疲劳特性优异的焊接接头,其特征在于,上述焊接接头的钢材以质量%计还含有Cr:0.01~1.5%、Ni:0.01~3.0%、Mo:0.01~0.8%、Ti:0.002~0.5%、Nb:0.002~0.2%中的一种或两种以上。
(4)一种耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,在制作焊接接头时,对于钢材和焊接材料以及焊接工艺条件的组合,预先求出与焊接接头的钢材、焊缝金属区以及焊接热影响区的平均硬度的关系,对于焊接接头的钢材选定焊接材料和焊接工艺条件进行焊接,以使得焊接接头的焊缝金属区以及焊接热影响区的平均硬度比钢材的平均硬度高15~50%,对该焊接接头的焊趾部实施超声波冲击处理,形成超声波冲击处理痕,所述超声波冲击处理痕在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。
(5)根据(4)所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,上述焊接接头的钢材的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.25%、Si:0.01~1.0%、Mn:0.1~2.0%、P:0.04%以下、S:0.05%以下,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成,焊缝金属区的化学组成以质量%计含有C:0.03~0.15%、Si:0.1~0.8%、Mn:0.3~1.6%、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01~3.0%、Cr:0.01~1.5%、Mo:0.01~0.8%,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成。
(6)根据(5)所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,上述焊接接头的钢材以质量%计还含有Cr:0.01~1.5%、Ni:0.01~3.0%、Mo:0.01~0.8%、Ti:0.002~0.5%、Nb:0.002~0.5%中的一种或两种以上。
(7)根据(4)~(6)的任一项所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,使用以20kHz~50kHz的频率励振的振动端子以0.01~4kW的功率实施上述超声波冲击处理。
(8)根据(4)~(7)的任一项所述的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法,其特征在于,使用棒状的振动端子实施上述超声波冲击处理,上述振动端子的尖端部在轴向的截面上的曲率半径为1.0~10.0mm。
本发明的焊接接头中,焊缝金属区的平均硬度和钢材(母材)的焊接热影响区的平均硬度比钢材(母材)的平均硬度高15~50%,因此,焊接接头的焊缝金属区和焊接热影响区二者的疲劳强度,相比于母材的疲劳强度均提高,能大幅度抑制在这些部分发生疲劳裂纹。而且,在该焊接接头的焊趾部,通过超声波冲击处理形成了规定的超声波冲击痕,趾部的曲率半径变大,陡峭的形状得到缓和,因此难以产生应力集中,并且伴随冲击痕的形成产生了塑性流动,所以在硬度高的焊趾部的周边导入比焊接区的硬度不充分的情况大的压缩残余应力,并且,结晶组织微细化,因此可以抑制疲劳裂纹的产生。
这样,将焊接接头的焊缝金属区和焊接热影响区的疲劳强度强化为比钢材(母材)的疲劳强度大,并且抑制从趾部等发生裂纹的结果,焊接接头的疲劳裂纹产生寿命延长,采用这样的焊接接头的焊接结构物,能够谋求其疲劳寿命的提高。
附图说明
图1(a)是表示本发明的焊接接头形成超声波冲击痕的状况的截面模式图。
图1(b)是表示本发明的焊接接头形成的超声波冲击痕的形状的截面模式图。
图2(a)是表示本发明的具有超声波冲击痕的焊接接头的例子的平面模式图,是表示对接焊的情况的图。
图2(b)是表示本发明的具有超声波冲击痕的焊接接头的另一例子的平面模式图、是表示角焊的情况的图。
图3是说明本发明中的硬度测定方法的例子的图。
图4是表示超声波冲击处理装置的一个例子的局部剖切模式图。
图5(a)是表示板状试验体的概要的立体图,是表示十字接头的情况的图。
图5(b)是表示板状试验体的概要的立体图,是表示环绕接头的情况的图。
图5(c)是表示板状试验体的概要的立体图,是表示对接接头的情况的图。
图6是表示以往的焊接接头的状况的截面模式图。
具体实施方式
关于通过对焊接接头的焊接区进行超声波冲击处理来提高耐疲劳特性进行研讨的结果判明:在此基础上,增大焊趾部的曲率半径、向焊趾部周边导入压缩残余应力以及晶粒微细化等叠加地贡献,曲率半径越大则趾部的应力集中系数越小;由于晶粒被微细化因而抑制裂纹的产生;由于压缩残余应力因而抑制裂纹的扩展;等等,由此,耐疲劳特性提高。
并且,特别是判明了压缩残余应力的导入大大有助于疲劳强度的提高。而且发现:为了在焊趾部附近导入大的压缩残余应力,焊接接头部的硬度越高越有利。特别是判明了当焊缝金属区的平均硬度和焊接热影响区的平均硬度都比母材的平均硬度高15~50%时,可谋求显著的疲劳强度提高。
即,越增大这些部位的硬度,则焊接区周边的力学约束力越大,通过伴随超声波冲击处理的塑性流动,可以对焊趾部周边赋予更高的压缩残余应力。
可是,一直以来,在焊接接头中为了使焊接区的焊缝金属区和钢材(母材)的强度平衡,选择焊接材料以使焊缝金属区的强度与钢材(母材)的强度(屈服强度)水平同等或比其高10%左右。
但是,在这些情况下,焊缝金属区的强度相对于钢材(母材)的强度并不太高,对焊接区周边特别是焊趾部周边进行超声波冲击处理后所赋予的压缩残余应力不充分,以至于未充分提高焊接接头的耐疲劳特性。
另外,在不实施超声波冲击处理的情况下,提高焊缝金属区的强度使其与钢材(母材)的强度(屈服强度)水平相比超过10%的情况下,由于两部分的强度差大因而向焊趾部的应变集中变得显著,作为焊接接头不能得到高的疲劳强度。
而且,即使在实施了超声波冲击处理的情况下,在只有焊缝金属区或焊接热影响区的硬度的任一方比钢材的硬度高15%以上的情况下,由于硬度低的区域的影响不能导入大的压缩残余应力,而且,从硬度低的部分的表面产生疲劳裂纹的情况较多,难以提高整个焊接接头的耐疲劳特性。
在本发明中,如上所述,使焊接接头的焊缝金属区和焊接热影响区二者的硬度比钢材(母材)高15~50%,而且在焊趾部形成了超声波冲击痕,因此,可以避免以往成为问题的向焊趾部的应力集中,并导入大的压缩残余应力,进而可抑制从焊接区产生疲劳裂纹,能够充分提高耐疲劳特性。
使焊缝金属区的平均硬度和焊接热影响区的平均硬度比钢材(母材)的平均硬度高15~50%是因为:若不到15%,则难以对焊接区赋予充分的压缩残余应力,并且难以抑制从焊接区产生疲劳裂纹,不能充分提高耐疲劳特性。另一方面,若提高到超过50%,则焊接接头的焊缝金属区和焊接热影响区的韧性降低,损害焊接接头的可靠性。因此,使焊缝金属区和焊接热影响区的平均硬度都比钢材(母材)的平均硬度高15~50%。优选高出20~50%。
为使焊接接头的焊缝金属区的平均硬度和焊接热影响区的平均硬度比钢材(母材)的平均硬度高15~50%,通过在考虑母材的强度特性(硬度水平)、焊接热影响区的强度(硬度)水平的基础上,选择焊缝金属区具有如上所述的强度(硬度)水平的焊接材料进行焊接来达到。另外,形成的焊接接头的焊缝金属区的硬度和焊接热影响区的硬度受到焊接线能量、冷却速度等焊接工艺条件的影响的情况较多,因此,优选在也考虑这些焊接工艺条件的基础上选择焊接材料。
另外,焊接接头中的焊接热影响区的硬度根据钢材种类而不同,一般地比钢材(母材)的硬度高的情况较多,但是,如实施了加工热处理了的钢材等那样变低的情况也有。因此,为使焊接热影响区的硬度比钢材(母材)的硬度高15~50%,也考虑钢材的组成、组织来适当选择。
即,焊接热影响区的强度水平(硬度水平)容易受到线能量、冷却速度等焊接工艺条件的影响,因此,包含焊接工艺条件在内把握焊接热影响区和钢材(母材)的强度特性,选择钢材和焊接材料。
通常,作为耐疲劳特性成为问题的强度水平的钢材,有抗拉强度为400MPa~800MPa级的钢材等,优选其化学组成以质量%计含有C:0.03~0.25%、Si:0.01~1.0%、Mn:0.1~2.0%、P:0.04%以下、S:0.05%以下,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成。
以下叙述其限定理由。
C:C是为确保钢材(母材)及焊接热影响区的强度所必需的元素,因此,需要为0.03%以上。但是,若超过0.25%,则存在钢材韧性、耐焊接裂纹性降低的情况,因此其范围定为0.03~0.25%。更优选为0.05~0.2%。
Si:Si作为脱氧元素,还是对确保母材和焊接热影响区的强度有效的元素,当含量不到0.01%时脱氧变得不充分,而且不利于确保强度。若超过1.0%,则会形成粗大的氧化物,招致延性、韧性的劣化。因此,Si的范围定为0.01~1.0%。更优选为0.2~1.0%。
Mn:Mn是确保母材和焊接热影响区的强度、韧性所必需的元素,最低限度需含有0.1%,但若过剩地含有,则由于硬质相的生成、晶界脆化等,母材韧性、焊接区的韧性、以及耐焊接裂纹性等劣化,因此上限为2.0%,其范围定为0.1~2.0%。更优选为1.0~2.0%。
P:P是杂质元素,使延性、韧性劣化,因此优选极力减少,但作为材质劣化不大、可容许的含量为0.04%以下。更优选为0.02%以下。
S:S与P同样是杂质元素,使延性、韧性劣化,因此优选极力减少,但作为材质劣化不大、可容许的含量为0.05%以下。更优选为0.02%以下。
另外,在本发明中,在钢材(母材)中可根据需要含有Cr、Ni、Mo、Ti、Nb中的一种以上。
Cr:Cr是对提高强度有效的元素,为了发挥该效果,需要为0.01%以上,但若超过1.5%则招致韧性的降低、焊接性的降低,因此其范围是0.01~1.5%。更优选为0.01~1.0%。
Ni:Ni在提高母材的强度上有效。Ni的含量不到0.01%时,其效果不充分,而超过3.0%时焊接性劣化。因此其范围是0.01~3.0%。更优选为0.01~1.0%。
Mo:Mo是对提高强度、硬度极为有效的元素,为了发挥该效果,需要为0.01%以上,但若超过0.8%则强度、硬度过高,并且招致韧性的降低,因此其范围是0.01~0.8%。更优选为0.01~0.3%。
Ti:Ti是在通过析出强化等来增大强度、通过组织微细化来提高韧性上有效的元素。为了发挥该效果,需要添加0.002%以上。另一方面,若超过0.5%则容易生成粗大的析出物,可加工性降低。因此其范围是0.002~0.5%。更优选为0.002~0.3%。
Nb:Nb与Ti同样是在通过析出强化等来增大强度、通过组织微细化来提高韧性上有效的元素。为了发挥该效果,需要添加0.002%以上。另一方面,若超过0.2%则容易引起焊接裂纹,焊接性降低。因此其范围是0.002~0.2%。更优选为0.002~0.15%。
另外,优选:焊缝金属区其化学组成以质量%计含有:C:0.03~1.5%、Si:0.1~0.8%、Mn:0.3~1.6%、P:0.03%以下、S:0.03%以下、Ni:0.01~3.0%、Cr:0.01~1.5%、Mo:0.01~0.8%,其余部分由Fe以及不可避免的杂质构成。
以下叙述其限定理由
C:C是为确保焊缝金属区的强度、硬度而必需的元素,需要为0.03%以上。但是若超过0.15%,则存在焊接区韧性、耐焊接裂纹性降低的情况,因此其范围定为0.03~0.15%。更优选为0.06~0.12%。
Si:Si作为脱氧元素具有降低焊缝金属区的氧水平的效果。特别是在焊接施工中存在空气混入的危险性,因此控制为适当的量是重要的。在焊缝金属区的Si含量不到0.1%的情况下,不能充分得到脱氧效果,另外,焊趾部的润湿性降低。若超过0.8%,则使焊接区的韧性劣化。因此其范围定为0.1~0.8%。更优选为0.2~0.6%。
Mn:Mn作为提高强度、并促进N的固溶的元素为公众所知。Mn的下限0.3%是得到确保强度这一效果的最低限度的值。另一方面,过度添加会引起焊缝金属的韧性劣化以及有害于耐腐蚀性的金属间化合物的析出,因此优选是1.6%以下,其范围是0.3~1.6%。更优选为1.0~1.5%。
P和S:P和S是杂质元素,使延性、韧性劣化,因此优选极力减少,但作为材质劣化不大、可容许的含量为0.03%以下。更优选为0.015%以下。
Ni:Ni具有提高焊接区的韧性和降低焊接冷却时的从奥氏体相向马氏体相的相变温度的效果。焊缝金属中的Ni含量小于0.01%时,在提高韧性上没有效果,而超过3.0%时焊接性劣化,因此其范围是0.01~3.0%。更优选为0.01~2.5%。
Cr:Cr是对提高强度、硬度有效的元素,为了发挥该效果,需要为0.01%以上,但若超过1.5%则强度、硬度过高,并且招致韧性的降低,因此其范围是0.01~1.5%。更优选为0.01~1.0%。
Mo:Mo是对提高强度、硬度极为有效的元素,为了发挥该效果,需要为0.01%以上,但若超过0.8%则强度、硬度过高,并且招致韧性的降低,因此其范围是0.01~0.8%。更优选为0.01~0.6%。
在本发明中,采用平均硬度评价焊接接头的焊缝金属区、焊接热影响区和母材的强度特性,这是本发明为了在焊接区这一受限的范围中评价特性而规定的。
图3是表示钢材2、2’夹着焊缝金属区3被焊接后的焊接接头的一例中的与焊接区的焊接线垂直的截面的模式图。
研磨这样的截面之后,用硝酸乙醇腐蚀液使金属组织显现出来,采用由下述的方法测定的维氏硬度进行评价。另外,该维氏硬度是根据JISZ2244所规定的维氏硬度试验方法进行测定得到的。
如图3所示,首先,以钢板的表面下2mm的线L与焊缝金属的熔合线(fusion line)5的交点C、C’(在两侧的2点)中的任一交点C或C’为基点,在钢板2(或2’)侧以0.5mm间隔确定6个测定点,使压下载荷为1kg,测定维氏硬度HV1,将6点的平均值作为焊接热影响区4的平均硬度。但是,在图3中,采用钢板2侧进行了说明。另外,在钢板2、2’其材质、强度分别不同的情况下,采用在两钢板上的平均值。
另外,同样地,以上述的线L与熔合线5的交点C为基点,在焊缝金属区3侧以0.5mm间隔,以1kg的压下载荷测定维氏硬度HV1,将6点的平均值作为该焊缝金属区3的平均硬度。
另一方面,对于钢材(母材),以从上述的线L与熔合线5的交点C或C’向钢板2或2’侧移动了10mm的点为基点,在钢板2或2’侧以0.5mm间隔、以1kg的压下载荷测定维氏硬度HV1,将6点的平均值作为钢材(母材)的平均硬度。但是,在图3中,与上述同样采用钢板2侧进行了说明。如上述,在钢板2、2’其材质、强度特性分别不同的情况下,采用两钢板的平均值。
另外,在图3的情况下,分别测定、求出各6点的钢材、焊缝金属区、焊接热影响区的平均硬度,但是并不限于6点,只要有能作为平均硬度进行评价的程度的测定点即可,也可以为3~4点以下。另外,不用说,维氏硬度的测定也不限于将压下载荷定为1kg,可根据需要选定4kg、5kg或500g等适当的载荷来计算出平均硬度。
在本发明的焊接接头中,对如上述那样形成的焊接接头的焊趾部实施超声波冲击处理,形成超声波冲击痕,所述超声波冲击痕在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。
图1(a)、图1(b)是表示本发明的焊接接头的与焊接线垂直的截面的形状的模式图。图1(a)是表示形成超声波冲击痕的状况的图,图1(b)是表示形成的超声波冲击痕的形状的模式图。
在图1(a)、图1(b)中,焊接接头1中,钢材(母材)2、2’由焊缝金属区3接合,在熔合线5的钢材侧产生了焊接热影响区4。通过超声波振动端子8的冲击处理,在包含焊缝金属区3与钢材2之间的焊趾部6的区域形成了超声波冲击痕7。该超声波冲击痕7如图1(b)所示,在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r定为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d定为1.0mm以下。
施加于焊趾部6的超声波冲击痕7的曲率半径r不到1.0mm时,缓和焊接区的应力集中是不充分的,不能期待耐疲劳特性的提高。另一方面,即使曲率半径r超过10mm,缓和应力集中的效果也饱和,不能得到耐疲劳特性的进一步的提高,并且处理时间还需要更长。因此,超声波冲击痕的曲率半径r定为1.0~10.0mm。优选为1.5~5.0mm。
另外,超声波冲击痕7以趾部6为中心形成,但优选以包含焊缝金属区3以及焊接热影响区4的至少一部分的方式形成,优选考虑该情况来选定超声波冲击痕位置、形成的超声波冲击痕的曲率半径。
另外,即使超声波冲击痕7在钢材2的厚度方向上的深度d超过1.0mm,由于释放焊趾部6附近的拉伸残余应力的效果、或进一步赋予压缩残余应力的效果都大致饱和,也不能期待耐疲劳特性的大幅度提高。另外,增加深度也需要时间,从该角度来看不是有效率的。因此,超声波冲击痕7在钢材的厚度方向上的深度d定为1.0mm以下。优选为0.5mm以下。
施加了该超声波冲击痕的焊趾部,通过形成为上述的形状,趾部的锐角形状消除,难以成为疲劳裂纹的起点,耐疲劳特性提高。
另外,在图1(a)、图1(b)中,表示了超声波冲击痕只形成于一侧的焊趾部6的状态,但不用说,优选在另一侧的焊趾部6’也形成超声波冲击痕。例如,优选如图2(a)、图2(b)所示那样,在沿焊接线的两侧的焊趾部形成超声波冲击痕7。
接着,对本发明的耐疲劳特性优异的焊接接头的制造方法进行说明。
如上所述,在本发明中,对使焊缝金属区的平均硬度和焊接热影响区的平均硬度比钢材(母材)的平均硬度高15~50%的焊接接头的焊趾部实施超声波冲击处理,形成在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下的超声波冲击痕。
对于使焊缝金属区的平均硬度和焊接热影响区的平均硬度比钢材(母材)的平均硬度高15~50%的焊接接头的制造方法,按照上述的那样,可以通过在包含线能量、冷却速度等焊接工艺条件等在内考虑钢板(母材)和焊接热影响区的强度特性的基础上,选择焊缝金属区具有如上述那样的硬度水平的焊接材料及焊接工艺条件进行焊接来达到。
即,在制作焊接接头时,对钢材和焊接材料以及焊接工艺条件进行各种组合来进行制作,对于这些制作的各种焊接接头,预先求出与焊接接头的钢材、焊缝金属区以及焊接热影响区的平均硬度的关系。然后,基于该关系,对于焊接接头的钢材选定焊接材料和焊接工艺条件进行焊接以使得焊接接头的焊缝金属区以及焊接热影响区的平均硬度比钢材的平均硬度高15~50%,制成焊接接头。接着,对该焊接接头的焊趾部实施超声波冲击处理,形成超声波冲击处理痕,该超声波冲击处理痕在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.0~10.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。
对于作为焊接接头的钢材和焊接材料(焊缝金属)的化学组成没有特别限定,但优选具有上述的焊接接头的钢材和焊接材料(焊缝金属)的化学组成。另外,由于其化学组成的限定理由与上述的说明重复,因此省略。
图4是表示用于实施超声波冲击处理的超声波冲击处理装置的一例的局部剖切模式图。
超声波冲击处理装置9基本上由超声波励振部10和其前方的波导部11及其尖端的振动端子(pin)8构成。在图4中表示了振动端子8为3根的情况,但是也可以为3根以上,另外,也可以如图1(a)所示那样为1根的情况。
超声波冲击处理装置9是将由超声波励振部10产生的超声波振动通过前方的波导部11进行增幅,并使其传播到尖端,使尖端的振动端子8振动的装置。一边使振动端子8振动,一边沿焊接线移动上述焊趾部的表面来实施冲击处理,可形成上述形状的超声波冲击痕。
超声波冲击处理需要利用超声波励振器10以频率20kHz~50kHz使振动端子8振动、并以0.01~4kW的功率实施。优选为0.10kW~2kW。即,通过以频率20kHz~50kHz进行振动并以0.01~4kW的功率实施超声波冲击处理,焊趾部表面的金属进行塑性流动,释放伴随焊接区的冷却而形成的拉伸残余应力,并可形成压缩残余应力。另外,通过以频率20kHz~50kHz进行振动并以0.01~4kW的功率实施超声波冲击处理,焊趾部表面加工发热,在该加工发热不散逸的隔热状态下反复赋予超声波冲击处理,由此,在趾部附近产生与热锻相同的作用的结果,结晶组织被微细化。
将振动端子8的振动频率设为20kHz以上是因为不到20kHz时得不到由冲击所带来的隔热效果,另外,将频率设为50kHz以下是因为在工业上可适用的超声波频率一般为50kHz以下。
另外,将振动端子8的功率设为0.01kW以上是因为不到0.01kW时超声波冲击处理所需的时间过长,设为4kW以下是因为即使以超过4kW的功率进行冲击处理,效果也饱和,因此经济性降低。
振动端子(pin)8为如图1(a)或图4所示的棒状,优选在其尖端的轴向上截面的曲率半径为1.0~10mm。这是因为,若尖端的轴向截面的曲率半径小于1.0mm,则形成曲率半径为1.0~10mm的规定的超声波冲击痕需要长时间,另一方面,若超过10mm则难以形成规定的曲率半径的超声波冲击痕。即,通过使振动端子的尖端与超声波冲击痕的曲率半径同等,可高效地形成规定的超声波冲击痕。
实施例
以下基于实施例具体说明本发明。
钢材使用了具有400MPa~800MPa级的抗拉强度水平的钢板。在表1中用质量%表示其组成。从任一组成的钢板制造板厚15mm、长度1000mm、宽度100mm的板状试验体,用于焊接、超声波冲击处理、疲劳试验。
各试验体的接头形状为十字、环绕、对接的任一种,在表1中示出。另外,在图5(a)~(c)中以立体图表示试验体的概要。在十字接头的情况(图5(a))下,采用载荷非传递型的角焊,在试验体中央,以与试验体的纵向正交的方式,将纵钢板12(2)(宽度100mm、高度50mm、板厚10mm)分别焊接在钢板2的两面上,制作出十字接头试验体13。在环绕接头的情况(图5(b))下,也采用载荷非传递型的角焊,在试验体中央,以与试验体的纵向平行的方式,将纵钢板12(2)(长度100mm、高度50mm、板厚10mm)分别焊接在钢板2的两面上,制作出环绕接头试验体14。在十字接头和环绕接头中角焊的焊缝腰高都为8mm。在对接接头的情况(图5(c))下,预先在中央切断长度1000mm的板状试验体,形成2块长度为500mm的板。在对接焊接部开X形坡口后,从两面实施载荷传递型完全熔透焊接,制作了长度1000mm的对接接头试验体15。余高设为2mm。任一试验体都各制作6个,1个试验体用于测定截面硬度,其余5个试验体用于疲劳试验。
焊接方法为FCAW(药芯焊丝电弧焊;Flux Cored wires ArcWelding)、GMAW(熔化极气体保护电弧焊;Gas Metal Arc Welding)、GTAW(钨极惰性气体保护焊;Gas Tungsten Arc Welding)、SMAW(焊条电弧焊;Shielded Metal Arc Welding)中的任一种,在表1中示出。在FCAW的情况下,在药芯焊丝、直径1.2mm、电流250A、电压29V、速度30cm/分的条件下,在CO2气体中进行焊接。在GMAW的情况下,在实心焊丝、直径1.2mm、电流320A、电压35V、速度30cm/分的条件下,在Ar+20%CO2气体中进行焊接。在GTAW的情况下,在实心焊丝、直径1.2mm、电流150A、电压15V、速度30cm/分的条件下,在100%Ar气体中进行焊接。在SMAW的情况下,在焊条、直径4mm、电流170A、电压25V、速度15cm/分的条件下,在大气中进行焊接。在表1中用质量%表示得到的焊缝金属的组成。
钢材、焊接热影响区和焊缝金属区的平均硬度,在焊接区切断、研磨、腐蚀硬度测定用试验体,明确熔合线之后,用前面记载的方法以压下载荷1kg的维氏硬度HV1的6个点的平均值进行评价。在表2(表1续)中表示结果。
本发明的试验体13是对接焊接左右不同的组成的板而成的试验体,表2(表1续)中的钢材的平均硬度以及焊接热影响区的平均硬度表示左右各自的平均硬度。
在本发明的试验体1~15和比较例的一部分中,遍及各焊趾的全线实施了超声波冲击处理。在表2(表1续)中表示出实施超声波冲击处理时的超声波冲击处理装置的共振频率(kHz)、功率(kW)以及使用的振动端子的尖端曲率半径(mm)。另外,同样地在表2(表1续)中表示出得到的超声波冲击痕的有无、冲击痕的曲率(mm)、冲击痕的深度(mm)。超声波冲击处理,是在超声波冲击处理装置上安装1根呈各曲率的振动端子,在压下载荷约4kg下沿焊趾以速度30cm/分进行处理使得打击痕连续,冲击痕的曲率和深度用印模材料取模进行测定。
在比较例16~17中,为了比较准备6个没有实施超声波冲击处理的试验体,1个试验体用于测定截面硬度,其余5个试验体用于疲劳试验,进行与本发明的情况的比较。
在比较例21中,对焊趾部实施磨削处理(Gr)来代替超声波冲击处理,进行与本发明的情况的比较。得到的磨削沟的曲率为4mm、深度为0.8mm。
疲劳试验,是在试验体的纵向反复实施轴力,在应力比R=0、周期频率10Hz、正弦波的脉动下,在55~400MPa的范围内的5种应力范围Δσ下实施试验,测定断裂寿命。从得到的SN线图求出在200万次下断裂的应力范围,将5个试验体的平均值作为疲劳强度(MPa),在表2(表1续)中示出。
如由表2(表1续)的疲劳强度的结果明确的那样,在本发明的条件(钢材组成、焊缝金属组成、钢材、焊接热影响区、焊缝金属区的硬度的比率、超声波处理痕的形状、超声波处理条件的组合)下,在任何情况下疲劳强度都显示为145MPa以上的高强度,与此相对,在作为本发明范围以外的比较例中,疲劳强度显示为130MPa以下的低值,本发明的有效性得到确认,结果可提供耐疲劳特性优异的接头。
本发明中表示数值范围的“以上”和“以下”均包括本数。

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本发明提供一种更高效地发挥超声波冲击处理的效果并进一步提高了耐疲劳特性的焊接接头及其制造方法,本发明的焊接接头是焊缝金属区的平均硬度以及焊接热影响区的平均硬度比钢材的平均硬度高1550的焊接接头,并且,在该焊接接头的焊趾部形成有超声波冲击痕,所述超声波冲击痕在与焊接线垂直的截面上的曲率半径r为1.010.0mm、且从钢材表面起的厚度方向的深度d为1.0mm以下。 。

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