埋弧焊方法、通过该焊接方法形成的焊接接头以及具有该焊接接头的钢管

摘要

本发明提供埋弧焊方法、通过该焊接方法形成的焊接接头以及具有该焊接接头的钢管。埋弧焊方法是当通过埋弧焊进行对焊时，在焊接了钢板的下表面侧后焊接上表面侧的焊接方法，在该焊接方法中，下表面侧焊接金属的熔融边界线与上表面侧焊接金属的熔融边界线在会合点相交，在从该会合点朝钢板的上表面的方向5mm的位置通过且平行于上表面的第一平行线、与上表面侧焊接金属的熔融边界线在第一交点相交，将上述会合点和上述第一交点连结的上表面侧边界直线、与垂直于第一平行线的线构成的角θ1在15°以上，并且，在从会合点朝钢板的下表面的方向5mm的位置通过且平行于下表面的第二平行线、与下表面侧焊接金属的熔融边界线在第二交点相交，将上述会合点和上述第二交点连结的下表面侧边界直线、与垂直于第二平行线的线构成的角θ2在15°以上，并且使钢板的下表面侧的焊接线能量与上表面侧的焊接线能量的合计线能量Q(kJ/cm)、和钢板的板厚t(mm)之间满足Q≤1.3×t

说明书

技术领域

本发明涉及钢板的埋弧焊方法。

另外，本发明涉及通过上述埋弧焊方法形成的焊接接头以及具有该 焊接接头的钢管。

背景技术

在焊接钢板时使用的埋弧焊能够供给大电流而增加熔深以及焊丝 熔敷量，因此作为高效率的焊接技术广泛普及。尤其是在通过埋弧焊对 厚钢板进行对焊的情况下，能够采用多电极，分别用一条焊道焊接厚钢 板的下表面侧与上表面侧(所谓的双面单层堆焊)。

在该双面单层堆焊中，为了使下表面侧的焊接金属与上表面侧的焊 接金属充分重叠，不产生未熔融部，需要确保熔深，因此一般情况下供 给1000A以上的大电流来进行焊接(例如专利文献1、2)。

另外，为了抑制咬边等表面缺陷，需要形成宽度较大的焊珠(bead)， 因此也进行增加电压等焊接条件的调整。

然而，若电流、电压增加，则导致焊接线能量的增大，产生焊接热 影响部的韧性恶化的问题。针对这样的问题，为了提高焊接热影响部的 韧性，研究改善钢板的特性的技术(例如专利文献3、4、5)、在焊接施 工中使用细径焊丝的技术(例如专利文献6、7)、控制焊珠形状的技术 (例如专利文献8、9)等。

但是，上述专利文献3～9公开的技术难以稳定地提高焊接热影响部 的韧性。

换句话说，在焊接了钢板的下表面侧时的焊接热影响部(尤其是粗 粒域)因上表面侧的焊接而被再次加热，因此产生被称为局部脆化区域 的韧性恶化区域，脆化区域的尺寸、形状根据焊接热影响部的形状而变 化，因此韧性产生差别。

专利文献1：日本特开平11-138266号公报

专利文献2：日本特开平10-109171号公报

专利文献3：日本特开2002-146471号公报

专利文献4：日本特开2004-52104号公报

专利文献5：日本特开2009-91653号公报

专利文献6：日本特开2006-272377号公报

专利文献7：日本特开2009-241128号公报

专利文献8：日本特开2010-274275号公报

专利文献9：日本特开2010-274276号公报

发明内容

本发明是为了解决上述的问题而开发的，因此目的在于提供能够在 通过埋弧焊对钢板进行对焊时，稳定地得到高韧性的焊接热影响部的埋 弧焊方法。

另外，本发明的目的在于提供通过上述的埋弧焊方法形成的焊接接 头、以及具有该焊接接头的钢管。

发明者在各种焊接条件下，进行在焊接了钢板的下表面侧后焊接上 表面侧的埋弧焊，并对焊接接头的焊接热影响部的韧性进行了调查。

其结果，发现如下情况，即、将焊接线能量抑制在恒定量以下，并 且在下表面侧与上表面侧分别适当地对熔融后凝固形成的焊接金属与 形成于未熔融的钢板的焊接热影响部的边界线(以下，称为熔融边界线) 的倾斜角度进行控制，从而能够稳定地得到韧性优越的焊接热影响部。

本发明是基于这样的见解而完成的。

即，本发明的埋弧焊方法是当通过埋弧焊进行对焊时，在焊接了钢 板的下表面侧后焊接上表面侧的焊接方法，

在上述埋弧焊方法中，

下表面侧焊接金属的熔融边界线与上表面侧焊接金属的熔融边界 线在会合点相交，在从该会合点朝钢板的上表面的方向5mm的位置通 过且平行于上表面的第一平行线、与上表面侧焊接金属的熔融边界线在 第一交点相交，当将上述会合点和上述第一交点连结的上表面侧边界直 线、与垂直于第一平行线的线构成的角设为θ1(°)时，该θ1满足下 述的(1)式，

并且，在从会合点朝钢板的下表面的方向5mm的位置通过且平行 于下表面的第二平行线、与下表面侧焊接金属的熔融边界线在第二交点 相交，当将上述会合点和上述第二交点连结的下表面侧边界直线、与垂 直于第二平行线的线构成的角设为θ2(°)时，该θ2满足下述的(2) 式，并且

钢板的下表面侧的焊接线能量与上表面侧的焊接线能量的合计线 能量Q(kJ/cm)、和钢板的板厚t(mm)之间满足下述的(3)式的关 系，

其中，

θ1≥15    …(1)

θ2≥15   …(2)

Q≤1.3×t^1.37   …(3)。

另外，在本发明的埋弧焊方法中，优选，θ1与所述θ2满足下式(4)：

θ1+θ2≥50    …(4)。

而且，优选，钢板的上表面侧的焊接线能量比钢板的下表面侧的焊 接线能量大，并且分别用三个以上电极并且用一条焊道，进行钢板的下 表面侧以及上表面侧的焊接。

另外，本发明是通过上述的埋弧焊方法形成的焊接接头以及具有该 焊接接头的钢管。

此外，在本发明中，将焊接的钢板的两面中的先焊接的一侧的面作 为下表面，将之后焊接的一侧的面作为上表面。

根据本发明，在钢板的埋弧焊中能够稳定地得到韧性优越的焊接热 影响部，因此在工业上起到显著的效果。

附图说明

图1是示意性地表示通过本发明形成的焊接接头的例子的剖视图。

图2是示意性地表示钢板的坡口形状的例子的剖视图。

图3是示意性地表示夏比冲击试样的采取位置的剖视图。

具体实施方式

图1是示意性地表示通过本发明形成的焊接接头的例子的剖视图。 以下，参照图1对本发明进行说明。

首先，通过埋弧焊焊接钢板1的下表面侧，得到焊接金属2(以下， 称为下表面侧焊接金属)。接下来，通过埋弧焊焊接钢板1的上表面侧， 得到焊接金属3(以下，称为上表面侧焊接金属)。

将在从下表面侧的熔融边界线4与上表面侧的熔融边界线5相交的 点6(以下，称为会合点)朝钢板1的上表面的方向5mm的位置通过 且与上表面平行的线7设为第一平行线。将该第一平行线7与上表面侧 的熔融边界线5相交的点8设为第一交点。而且，将连结会合点6与第 一交点8的直线9设为上表面侧边界直线，将该上表面侧边界直线9与 垂直于第一平行线7的线构成的角设为θ1(°)。

此外，会合点形成于两处位置，但优选作为基准的会合点采用靠近 板厚中心的点。

另外，将在从会合点6朝钢板1的下表面的方向5mm的位置通过 且与下表面平行的线10设为第二平行线。将该第二平行线10与下表面 侧的熔融边界线4相交的点11设为第二交点。而且，将连结会合点6 与第二交点11的直线12设为下表面侧边界直线，将该下表面侧边界直 线12与垂直于第二平行线10的线构成的角设为θ2(°)。

使角度θ1为15°以上，由此能够提高焊接热影响部的韧性。其理由 可以考虑为若上表面侧边界直线9接近水平，则裂纹的传播路径复杂化， 裂纹发展时需要的传播能量变高。

因此，θ1如以下的(1)式所示的那样，为15°以上。然而，为了 形成θ1超过5θ°那样的焊接部，需要大量的焊接线能量。因此，θ1优 选为15～50°的范围。更优选为30～50°的范围。

θ1≥15    …(1)

另外，使角度θ2为15°以上，由此提高焊接热影响部的韧性。其 理由可以考虑为与上述相同，若下表面侧边界直线12接近水平，则裂 纹的传播路径复杂化，裂纹发展时需要的传播能量变高。

因此，θ2也如以下的(2)式所示的那样，为15°以上。然而，对 于形成θ2超过50°那样的焊接部而言，需要大量的焊接线能量。因此， θ2优选为15～50°的范围。更优选为30～50°的范围。

θ2≥15    …(2)

此外，会合点6与第一平行线7以及第二平行线10的距离与用于 评价韧性的夏比冲击试验的试样的采取位置配合地，分别设定为5mm。

而且，θ1与θ2的总和如以下的(4)式所示的那样，优选为50° 以上。若使θ1+θ2为50°以上，则能够使通过下表面侧的焊接产生的 焊接热影响部的韧性在上表面侧的焊接中被再加热而恶化的区域的面 积较小，结果使韧性提高。

θ1+θ2≥50    …(4)

此外，在板厚为25.4mm以上的厚钢板的焊接中，焊接金属的形状 成为在板厚方向进一步伸长的形状，因此角度θ1以及角度θ2容易成为 15°以下。因此，在这样的厚钢板中，尤其能够期待韧性的提高。

此处，应用本发明尤其有效的钢板的板厚为20～40mm左右。

另外，焊接钢板1的下表面侧与上表面侧时的焊接线能量需要根据 钢板1的板厚设定。这是因为：对于板厚较大的钢板而言，尤其是板厚 为25.4mm以上的厚钢板，线能量增大，容易使焊接热影响部的韧性恶 化。因此，在钢板的下表面侧的焊接线能量与上表面侧的焊接线能量的 合计线能量Q(kJ/cm)相对于钢板1的板厚t满足以下的(3)式的范 围内，进行焊接。

Q≤1.3×t^1.37    …(3)

但是，在厚钢板的埋弧焊中，若Q不足t^1.37kJ/cm，则难以确保足 够的熔深与熔敷量。因此，在这样的厚钢板尤其是板厚为25.4～38.1mm 的厚钢板的埋弧焊中，优选Q在t^1.37～1.3×t^1.37kJ/cm的范围内。

此外，下表面侧与上表面侧的焊接线能量不必相同，优选使上表面 侧的焊接线能量比下表面侧的焊接线能量大。其理由是：通过将下表面 侧的焊接的焊接线能量抑制为较低，能够防止下表面侧的熔融边界线4 附近的焊接热影响部的粗粒化，其结果，能够防止因焊接上表面侧时的 再加热而引起的韧性恶化。

如以上说明的那样，不论坡口形状、焊接电流、焊接电压、焊接速 度、电极数、电极配置如何，均能够发挥通过钢板的埋弧焊稳定地得到 焊接热影响部的优越的韧性的本发明的效果。尤其是，优选本发明应用 于对钢板的下表面侧与上表面侧均用三个以上电极并且用一条焊道进 行焊接的双面单层堆焊。

此处，在用三个以上电极进行焊接的情况下，在钢板的下表面侧的 焊接中，优选在焊接行进方向的前端的电极(以下，称为第一电极)使 用焊丝直径3.2mm以上的焊丝，并使焊接电压为33V以上。另一方面， 在钢板的上表面侧的焊接中，优选在第一电极使用焊丝直径3.2mm以 下的焊丝，并使焊接电压为33V以下。通过这样设定第一电极进行焊接， 容易调整下表面侧的熔融边界线4与上表面侧的熔融边界线5的倾斜角 度，其结果，容易将角度θ1、θ2控制在上述的范围内。

此外，对于焊丝而言，在本发明也能够使用一般的埋弧焊中广泛使 用的实心焊丝，也能够使用内含了金属粉等填充材料的药芯焊丝。

另外，本发明的埋弧焊方法能够适当地应用于UOE钢管、螺旋钢 管、板卷钢管等大径钢管的造管焊接(内外表面的双面焊接)。

此外，UOE钢管是指如下钢管：使冲压成U字形的钢板彼此在两 端对接以使成为O字形，并在焊接内外表面之后，扩张为所希望的口径。

此处，这些钢管的造管焊接一般按内表面、外表面的顺序进行，因 此该内表面以及外表面分别相当于本发明所述的下表面、上表面。

实施例

在具有表1所示的成分的两种钢板(板厚t：25.4mm，38.1mm)形 成图2所示的形状的坡口之后，进行下表面侧的埋弧焊(一条焊道)， 然后进行上表面侧的埋弧焊(一条焊道)。

[表1]

表1

表2表示钢板1的坡口形状。表2中的下表面的坡口角度是图2所 示的角β(°)，上表面的坡口角度是图2所示的角α(°)。另外，表 2中的下表面的坡口深度是图2所示的V(mm)，上表面的坡口深度是 图2所示的U(mm)。

[表2]

表2

表3、4表示埋弧焊的焊接条件。如表3所示，仅在焊接符号1的 下表面用三个电极(一条焊道)进行焊接，其他全部用四个电极(一条 焊道)进行焊接。另外，表3所示的电流均使第一电极为直流，使第二 电极以后为交流。

表4中的极间距离是钢板1的表面(下表面或者上表面)上的焊丝 前端的间隔(mm)。母材-电极间距离是钢板1的表面(下表面或者上 表面)与导电嘴下表面的间隔(mm)。电极角度是垂直于钢板的线与焊 丝构成的角，将提前角(°)表示为正，将后掠角(°)表示为负。

此处，提前角是在以使焊丝前端位于比焊炬更靠焊接行进方向的前 方的位置方式使焊丝倾斜的情况下垂直于钢板的线与焊丝构成的角，后 掠角是在以使焊丝前端位于比焊炬更靠焊接行进方向的后方的的位置 方式使焊丝倾斜的情况下垂直于钢板的线与焊丝构成的角。

[表3]

[表4]

在上述各条件(焊接符号1～12)下进行焊接，分别制成了五个焊接 接头。接下来，从图3所示的试样采取位置13采取了夏比冲击试样以 及截面宏观试样(cross-sectional macro specimens)。

夏比冲击试样从各焊接接头分别采取了20个(即对于每个焊接符 号分别为100个)作为JIS Z 3111规定的4号试样。夏比冲击试样以如 下方式采取：使缺口(notch)与钢板的板厚方向平行，并且使包含会 合点6在内的面(与钢板1的表面平行的面)为试样的板厚方向中央。 该缺口的位置是焊接金属与焊接热影响部在缺口底的比例各占50％的 位置。

夏比冲击试验遵循JIS Z 2242(试验温度：-30℃)进行，并测定了 吸收能量_vE_-30(J)。

表5表示其结果。此处，表5中的吸收能量_vE_-30表示对于每个焊接 符号中的100个夏比冲击试样的夏比冲击试验所得到的测定值中的、最 低值。

此外，可以说：若该值在56J以上，则在焊接热影响部能够稳定地 得到优越的韧性。

另外，截面宏观试样从各焊接接头分别采取了三个(即对于每个焊 接符号分别为15个)。表5表示从各截面宏观试样测定了角度θ1(°) 与θ2(°)的结果。此外，表5中的θ1、θ2是针对每个焊接符号测定 了15个试样时的平均值。

[表5]

表5

表5所示的焊接符号1～6是发明例。其中，焊接符号1、2是θ1满 足(1)式，θ2满足(2)式，并且下表面侧的焊接线能量与上表面侧的 焊接线能量的合计线能量Q满足(3)式的例子。在上述焊接符号1、2 中，能够稳定地得到优越的韧性。

另外，焊接符号3、4是θ1满足(1)式，θ2满足(2)式，并且下 表面侧的焊接线能量与上表面侧的焊接线能量的合计线能量Q满足(3) 式，并且θ1+θ2满足(4)式的例子。在上述焊接符号3、4中，能够 稳定地得到比焊接符号1、2更优越的韧性。

另外，焊接符号5、6是θ1满足(1)式，θ2满足(2)式，并且下 表面侧的焊接线能量与上表面侧的焊接线能量的合计线能量Q满足(3) 式，并且θ1+θ2满足(4)式，而且上表面侧的焊接线能量比下表面侧 的焊接线能量大的例子。在上述焊接符号5、6中，能够稳定地得到比 焊接符号3、4更优越的韧性。

另一方面，在作为比较例的焊接符号7、8中，θ1不足15°，因此 无法在焊接热影响部中稳定地得到优越的韧性。

另外，在焊接符号9、10中，θ2不足15°，因此无法在焊接热影 响部中稳定地得到优越的韧性。

另外，在焊接符号11、12中，合计线能量Q过大，因此无法在焊 接热影响部中稳定地得到优越的韧性。

1...钢板；2...下表面侧焊接金属；3...上表面侧焊接金属；4...下表面 侧的熔融边界线；5...上表面侧的熔融边界线；6...会合点；7...第一平行 线；8...第一交点；9...上表面侧边界直线；10...第二平行线；11...第二交 点；12...下表面侧边界直线；13...试样采取位置。