CN118574694A - 单面埋弧焊接方法及焊接接头及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供在造船领域或建筑领域等中进行厚钢板的大线能量焊接时机械特性优异且具备高生产率的埋弧焊接方法及使用该焊接方法制作的焊接接头及其制造方法。在将两张钢板(1a、1b)对接而进行焊接的单面埋弧焊接方法中，在钢板的表面侧以及背面侧形成坡口，在表面侧的坡口和背面侧的坡口之间形成焊根面(3a、3b)，从表面侧进行焊接，优选焊根面高度(r)为2～5mm，背面侧的坡口深度(k)为2～5mm。
Description
技术领域
本发明涉及能够使用埋弧焊接方法高效地得到优异的焊接接头特性的单面埋弧焊接方法及用该焊接方法制作的焊接接头以及焊接接头的制造方法。
背景技术
埋弧焊接(以下，也称为“SAW”)在广泛的领域中被利用。例如，在造船领域中，进行巨大的板接合焊接，因此，焊接后的翻转作业困难，多使用从不需要翻转作业的单面结束焊接的单面焊接方法。在单面焊接方法中，使用V坡口或Y坡口，但随着板厚变厚，坡口深度以及坡口宽度变广，因此，坡口截面积与坡口深度的平方成比例地变大。如果坡口截面积变大，则所需的熔敷金属也会增加，导致工时也会增加。
针对这样的技术问题，例如，在专利文献1中，公开了使用多个电极进行单面单层的焊接的埋弧焊接方法。在专利文献1的方法中，由于确定第一电极的极性、电极之间的距离等诸多条件来增加焊丝熔敷量，因此，难以产生高温裂纹，表面焊道和背面焊道的形状良好，进而熔渣掺入减少。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2017-213569号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在以往的单面焊接技术中，随着板厚增大，坡口的截面积飞跃性地变大，作业工时大幅增加，在想要抑制作业工时时，不得不增大线能量。因此，存在由于过大的线能量而导致焊接热影响部(也称为“HAZ”)的低温韧性显著降低的问题。
具体而言，作为应用于单面焊接的坡口，使用图2所示那样的Y字形的坡口。该坡口形状由用于在钢板1a、1b的下表面侧(背面侧)进行板对齐的焊根面3a、3b和在钢板的上部(表面侧)以规定的坡口角度(θ)加工的锥形部2a、2b形成。在这样的坡口中，若将焊根面高度(焊根面的板厚方向长度)设为一定，则随着板厚(t)变大，坡口深度(锥形部的板厚方向投影长度)(h)以及坡口的宽度变大。坡口截面积(S)与坡口深度(h)的平方成比例地增大。随着坡口截面积(S)变大，需要较多从焊丝供给的焊接材料。因此，如果考虑为了维持生产率而将焊接速度保持一定，则为了提高焊丝的供给速度，需要提高焊接电流或增加电极数。
但是，在提高焊接电流或增加电极的方法中，焊接线能量增大，冷却速度降低。若冷却速度降低，则在焊接热影响部暴露于高温的时间长时间化，其结果是，存在晶粒粗大化、机械特性显著劣化的问题。另外，根据设定电流、电极数，有时也需要增设电源装置，装置的成本、设置空间等也成为问题。
另一方面，也有通过使坡口角度(θ)变窄来减小坡口截面积(S)的方法，但如果使坡口角度(θ)变窄，则电弧在坡口内的上部产生，导致焊根面部分的熔透变得不充分。另外，如果为了使坡口变浅而增大焊根面，不能用电弧力完全熔化焊根面，不能在单面焊接中形成所需的根部。
在上述专利文献1中，为了从焊接用焊丝供给单层所需的焊接金属量，也需要将电流设定得较高，每单位焊接长度的线能量显著增大。若在多电极焊接中增加焊接线能量，则焊接后的冷却速度极度降低，焊接热影响部长时间暴露于高温，由此存在晶粒粗大化、机械特性劣化的技术问题。
本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于提供一种特别是在造船领域或建筑领域等中进行厚钢板的大线能量焊接时机械特性优异且具备高生产率的单面埋弧焊接方法及使用该焊接方法制作的焊接接头及其制造方法。
用于解决技术问题的技术方案
发明人为了实现上述目的，对用于减少所需的熔敷金属量的适当的坡口形状进行了专心研究。结果发现，通过减小表面侧的坡口深度，使焊根面向表面侧移动与坡口减小的量相应的量，在背面侧也设置微小的坡口，从而用于焊接准备的坡口对齐变得容易，能够一边以所需最小限度的线能量使焊根面熔化，一边在背面侧也形成良好的根部。
本发明是基于上述见解，进一步加以研究而完成的，本发明的要点如下所述。
[1]一种单面埋弧焊接方法，将两张钢板对接而进行焊接，其中，在所述钢板的表面侧以及背面侧形成坡口，在所述表面侧的坡口和所述背面侧的坡口之间形成焊根面，从表面侧进行焊接。
[2]在[1]所述的单面埋弧焊接方法中，所述焊根面的高度为2～5mm。
[3]在[1]或[2]所述的单面埋弧焊接方法中，所述背面侧的坡口的坡口深度为2～5mm。
[4]在[1]～[3]中任一项所述的单面埋弧焊接方法中，所述表面侧以及背面侧的坡口角度为20～70°。
[5]在[1]～[4]中任一项所述的单面埋弧焊接方法中，所述钢板的板厚为9～40mm。
[6]在[1]～[5]中任一项所述的单面埋弧焊接方法中，焊接速度为500～1200mm/min。
[7]在[1]～[6]中任一项所述的单面埋弧焊接方法中，使用2～4根电极。
[8]在[7]所述的单面埋弧焊接方法中，所述电极中的第一电极的电流值为700～1600A。
[9]在[7]或[8]所述的单面埋弧焊接方法中，所述电极全部的合计焊接线能量为20000J/mm以下。
[10]在[1]～[9]中任一项所述的单面埋弧焊接方法中，进行一层以上的所述表面侧的焊接。
[11]一种焊接接头，其中，所述焊接接头是用[1]～[10]中任一项所述的焊接方法制作的。
[12]一种焊接接头的制造方法，其中，所述焊接接头的制造方法用[1]～[10]中任一项所述的焊接方法进行接合而形成焊接接头。
发明的效果
根据本发明的单面埋弧焊接方法及焊接接头及其制造方法，能够提供一种以高效率得到高强度且低温韧性优异的焊接金属的焊接方法。因此，能够高效地制造焊接接头，特别是在造船领域或建筑领域等中进行厚钢板的大线能量焊接时，机械特性优异，具备高生产率，因此，在产业上起到显著的效果。
附图说明
图1是表示适用于本发明的一实施方式的单面埋弧焊接方法的坡口形状的截面示意图。
图2是表示现有技术的单面埋弧焊接方法中的坡口形状的截面示意图。
图3是表示坡口形状对单面埋弧焊接方法中的钢板的板厚与焊接线能量的关系产生的影响的图表。
图4是表示单面埋弧焊接后获取夏比冲击试验用的试验片的位置的截面示意图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式具体进行说明。需要说明的是，各图是示意性的，有时与实际的图不同。另外，以下的实施方式例示用于将本发明的技术思想具体化的设备、方法，并不将结构确定为下述内容。即，本发明的技术思想可以在权利要求保护的范围所记载的技术范围内进行各种变更。
[坡口形状]
首先，参照图1对适用于本发明的一实施方式的单面埋弧焊接方法的坡口形状进行说明。
本实施方式的坡口形状是具有图1所示那样的焊根面3a、3b的X字形的双面坡口。主要是在被供给焊接金属的表面侧的坡口以及背面侧的坡口及两坡口之间设置有焊根面的形状。
具体而言，在钢板1a、1b的上部(表面侧)形成有以规定的坡口角度(θ)加工的表面侧锥形部2a、2b。在该钢板1a、1b的下部(背面侧)形成有以规定的坡口角度(δ)加工的背面侧锥形部4a、4b。在各个钢板的表面背面侧锥形部之间形成有用于板对齐的焊根面3a、3b。
在此，将表面侧坡口的深度(坡口深度)h设为表面侧锥形部2a、2b的板厚方向投影长度。将背面侧坡口的深度(坡口深度)k设为背面侧锥形部4a、4b的板厚方向投影长度。将焊根面的高度(焊根面高度)r设为焊根面3a、3b的板厚方向长度。焊根面高度r优选在2～5mm的范围内。在r小于2mm时，由于坡口的加工误差，有可能对用于焊接准备的板对齐造成障碍。另一方面，当r超过5mm时，焊根面熔化残留，有可能无法形成均匀的根部焊道。更优选的是，r在3～4mm的范围内。另外，背面侧坡口深度k优选在2～5mm的范围内。在k小于2mm时，有可能无法充分得到减少熔敷金属的效果。另一方面，当k超过5mm时，有可能无法形成均匀的根部形状。更优选的是，k在3～4mm的范围内。需要说明的是，钢板的板厚t优选在9～40mm的范围内。在t小于9mm时，可以通过基于以往的单电极的埋弧焊接充分焊接。另一方面，当t超过40mm时，即使使用4电极，也有可能无法通过一次操作(one pass)结束焊接。更优选的是，t在12～25mm的范围内。
另外，表面侧坡口角度θ以及背面侧坡口角度δ优选分别在20～70°的范围内。若坡口角度θ、δ超出该范围，则有可能无法形成均匀的根部形状。更优选的是，坡口角度θ、δ在30～45°的范围内。
作为形成上述坡口形状的加工方法，除了等离子体切割方法、气体切割方法之外，还可举出激光切割方法、机械加工方法等。
需要说明的是，进行单面埋弧焊接的一侧是表面侧。
[埋弧焊接]
接着，对本实施方式的对接接头的单面单层埋弧焊接(SAW)方法进行说明。
SAW是向预先散布在母材上的粉粒状的焊剂中连续地供给电极焊丝，在该电极焊丝的前端与母材之间产生电弧而连续地进行焊接的焊接方法。该SAW具有通过应用大电流来提高焊丝的熔敷速度，从而能够高效地进行焊接的优点。应用单电极焊接或多电极焊接，所述多电极焊接根据被焊接部件的板厚、坡口形状串联配置2～4个电极来提高焊接效率。另外，作为以单面单层进行焊接时的应用技术，为了使根部形状适当化，还开发了在铜板上散布衬垫焊剂，从铜板背面通过空气压力使铜板与钢板背面紧贴的施工法、所谓的“焊剂铜衬垫方式”单面焊接法等。
在本实施方式中，将基于3电极的焊剂铜衬垫方式的单面焊接方法作为SAW的一实施方式进行说明。
将两张钢板1a、1b对接，在表面侧形成具有上述那样的坡口角度(θ)的V坡口。作为其中使用的3根电极，第一电极所使用的焊接用焊丝的直径优选在4.0～4.8mmφ的范围内，第二电极以及第三电极所使用的焊接用焊丝的直径优选在4.8～6.4mmφ的范围内。通过使第二、第三电极的直径比第一电极大，能够进一步扩大焊接的熔透宽度。另外，优选将第一电极与第二电极之间的间隔设定在30～50mm的范围内。若第一电极与第二电极之间的间隔与下限过近，则相互的电弧干涉而变得不稳定，焊道形状有可能不一致。另一方面，若第一电极与第二电极之间的间隔与上限过远，则熔透深度不稳定，根部的形成有可能不良。优选将第二电极与第三电极之间的间隔设定在120～180mm的范围内。若第二电极与第三电极之间的间隔与下限过近，则容易产生裂纹。另一方面，若第二电极与第三电极之间的间隔与上限过远，则容易卷入熔渣。
在本实施方式中，接着，在表面侧以及背面侧的坡口内散布焊接焊剂之后，在没有预热的情况下，以朝下姿势进行单面单层的焊接。
需要说明的是，也可以形成本实施方式的坡口形状，进行单面多层焊接。特别是，在板厚t超过40mm的情况下，难以以一层结束焊接。在该情况下，进行单面多层焊接，在第一层应用本实施方式的焊接方法，从而能够期待大幅提高施工效率。
第一电极的焊接电流(AC)优选在700～1600A的范围内。更优选的是，第一电极的焊接电流在900～1300A的范围内。第一电极的焊接电压优选在25～40V的范围内。更优选的是，第一电极的焊接电压在28～35V的范围内。第二电极的焊接电流(AC)优选在800～1500A的范围内。更优选的是，第二电极的焊接电流在900～1300A的范围内。第二电极的焊接电压优选在28～45V的范围内。更优选的是，第二电极的焊接电压在30～40V的范围内。第三电极的焊接电流(AC)优选在600～1300A的范围内。更优选的是，第三电极的焊接电流在800～1100A的范围内。第三电极的焊接电压优选在30～50V的范围内。更优选的是，第三电极的焊接电压在35～45V的范围内。对在先的电极而言，通过使电流更高、电压更低，能够使焊根面3a、3b更深且稳定地熔化。对后续的电极而言，通过将电压设定地更高，焊道宽度变宽，能够在表面得到稳定的焊道形状。
焊接速度优选在500～1200mm/min的范围内。当焊接速度小于500mm/min时，生产率有可能降低。另一方面，当焊接速度超过1200mm/min时，容易受到坡口形状的加工误差、焊接变形等引起的干扰的影响，焊接品质有可能降低。更优选的是，焊接速度在600～900mm/min的范围内。
在此，对钢板(母材)的板厚与焊接线能量的关系进行说明。
图3表示坡口形状对单面埋弧焊接方法中的钢板的板厚t与焊接线能量的关系产生的影响。发明例(标记B)如图1所示，在表面侧以及背面侧都设置有坡口。现有例(标记A)如图2所示，仅在表面侧设置有坡口。由图3的结果可知，发明例与现有例相比，即使是相同的板厚，也能够降低焊接线能量。通常，已知对于相同板厚的钢材，若降低线能量，则韧性提高。可以说通过本实施方式的应用，能够抑制以过大的线能量为原因的HAZ中的低温韧性的劣化。另外，在本实施方式中，从这样的观点出发，电极全部的合计焊接线能量优选为20000J/mm以下。
在本实施方式中，根据上述焊接条件，将作为母材的钢板对接，使用下述的焊接用焊丝以及焊接用焊剂形成焊接接头。
[焊接用焊丝]
作为在本实施方式中使用的焊接用焊丝的一实施方式，有作为低温用钢用焊接材料的实芯焊丝。其化学成分例如可举出以质量基准计为C：0.10％、Si：0.03％、Mn：1.65％、Ni：2.40％、Mo：0.50％、余量为Fe和不可避免的杂质的钢。但是，在本实施方式中，焊接用焊丝并不限定于此。
[焊接用焊剂]
作为焊接用焊剂，可以使用通常公知的熔融焊剂或粘合焊剂的任一种。例如，作为粘合焊剂的化学成分的例子，可以使用含有SiO2：10～30％、CaO：10～50％、MgO：20～50％、Al2O3：10～30％、CaF2：5～20％、CaCO3：2～15％等的焊剂。但是，在本实施方式中，焊接用焊剂并不限定于此。需要说明的是，在粘合焊剂的情况下，优选与以往的SAW同样地在焊接前进行干燥(例如，200-300℃、1～2小时)。
实施例
[焊接条件]
以下，基于实施例对本发明进行说明。但是，下述的实施例只不过是为了例示并更详细地说明本发明，并不限定本发明的权利范围。
作为焊接方法，使用将散布了衬垫焊剂的铜板按压于钢板的背面进行焊接的焊剂铜衬垫方式单面焊接法。焊接材料使用实芯焊丝(直径4.8mm以及6.4mm)，没有预热，以朝下姿势，使用2电极或3电极，根据表1所示的各种焊接条件进行了单面单层的埋弧焊接。
[表1]
[焊接接头的机械特性]
按照JIS Z 3111：2005(熔敷金属的拉伸以及冲击试验方法)的规定，如图4所示，从通过上述SAW得到的对接焊接接头部获取夏比冲击试验片(V型凹口)，实施冲击试验。
图4是表示夏比冲击试验的试验片的获取位置的示意图。将钢板1a和1b对接而进行单面单层的SAW的结果，在表面侧的坡口壁形成有焊接金属5，在背面侧的坡口壁形成有根部8，另外，在焊接金属5与钢板之间形成有焊接热影响部6。关于试验片7(虚线)，按照JISZ 2242：2018(金属材料的夏比冲击试验方法)，从位于钢板的板厚(t)的1/2t的深度的焊接热影响部6的位置获取形成有V型凹口7a的夏比V型凹口试验片7。
夏比冲击试验分别准备3个如上所述获取的试验片7，求出试验温度：-60℃下的吸收能量(VE-60)，将其平均值作为各焊接接头的焊接热影响部的低温冲击韧性的值。
另外，关于根部形状的评价，将根部8的焊道宽度为5.0mm以上、焊道高度为1.0～2.5mm且没有产生底切的根部形状评价为良好的根部(〇)。将除此之外的根部形状评价为不良的根部(×)。
焊道外观通过目视观察表面侧的焊道的形状来进行评价。关于焊道的形状，将其高度和宽度均匀且处于良好状态的焊道外观评价为良好(〇)，将形状不均匀或产生底切的焊道外观评价为不良(×)。
将得到的结果示于表2。
[表2]
表2的备注栏中作为发明例记载的焊接接头能够对板厚16mm的接头(接头No.A～D)以6390J/mm的线能量进行焊接。同样地，能够对板厚25mm的接头(接头No.E～H)以9120J/mm的线能量进行焊接。
接头No.A～H是在表面侧以及背面侧具有坡口的形状，在大线能量的SAW焊接中，焊道外观以及根部形状也都良好。进而可知，若试验温度：-60℃下的夏比冲击试验的吸收能量(VE-60)为27J以上，则是能够得到兼具高强度和优异的低温韧性的焊接热影响部的焊接接头。
另一方面，表2的备注栏中作为比较例记载的焊接接头(接头No.I～P)的焊道外观、根部形状以及试验温度：-60℃下的夏比冲击试验的吸收能量(VE-60)的任一个不满足基准。因此，不能得到兼具期望的焊接部形状、强度和低温韧性的焊接热影响部。以下对各个比较例进行说明。需要说明的是，对比较例的坡口形状而言，接头No.I～P中除接头No.L以外，是图2所示那样的在背面侧没有坡口的、Y字形的坡口形状(以下，称为“Y坡口”)。
接头No.I是Y坡口，相对于板厚t：16mm，坡口深度h：13mm，较大，因此，坡口截面积变大，相对于降低了线能量的焊接条件(2电极)，供给的焊丝不足，因此，无法用焊接金属充分地填充坡口，焊道外观不良。
接头No.J是Y坡口，是在以往的焊接中使用的、基于3电极的焊接，因此，线能量过大，吸收能量(VE-60)为15J(<27J)，焊接热影响部的低温韧性降低。
接头No.K是Y坡口，是在以往的焊接中使用的、基于3电极的焊接，因此，线能量过大，吸收能量(VE-60)为22J(<27J)，焊接热影响部的低温韧性降低。另外，由于焊根面高度r：6mm设定得较大，因此，焊根面成为熔透不足，无法形成根部。
接头No.L是与本发明例相同的、在表面背面侧具有坡口的形状，但背面侧的坡口角度δ为100°，超过本发明的优选范围，背面侧的焊道形状不规则，观察到底切。
接头No.M是Y坡口，相对于板厚t：25mm，坡口深度h：20mm，较大，坡口截面积变大，相对于降低了线能量的焊接条件(2电极)，供给的焊丝不足，因此，无法用焊接金属充分地填充坡口，焊道外观不良。
接头No.N是Y坡口，由于焊根面高度r：7mm设定得较大，因此，焊根面成为熔透不足，无法形成根部。
接头No.O是Y坡口，是在以往的焊接中使用的、基于3电极的焊接，因此，线能量过大，吸收能量(VE-60)为19J(<27J)，焊接热影响部的低温韧性降低。另外，由于焊根面高度r：7mm设定得较大，因此，焊根面成为熔透不足，无法形成根部。
接头No.P是Y坡口，是在以往的焊接中使用的、基于3电极的焊接，因此，线能量过大，吸收能量(VE-60)为22J(<27J)，焊接热影响部的低温韧性降低。
附图标记说明
1a、1b钢板
2a、2b(表面侧)锥形部
3a、3b焊根面
4a、4b背面侧锥形部
5焊接金属
6焊接热影响部(HAZ)
7试验片
7a V型凹口(位置)
8根部
h(表面侧坡口的)坡口深度
k(背面侧坡口的)坡口深度
r焊根面高度
S坡口截面积(表面侧)
θ(表面侧)坡口角度
δ(背面侧)坡口角度
Claims (12)
1.一种单面埋弧焊接方法，将两张钢板对接而进行焊接，其中，在所述钢板的表面侧以及背面侧形成坡口，在所述表面侧的坡口和所述背面侧的坡口之间形成焊根面，从表面侧进行焊接。
2.如权利要求1所述的单面埋弧焊接方法，其中，
所述焊根面的高度为2～5mm。
3.如权利要求1或2所述的单面埋弧焊接方法，其中，
所述背面侧的坡口的坡口深度为2～5mm。
4.如权利要求1～3中任一项所述的单面埋弧焊接方法，其中，
所述表面侧以及背面侧的坡口角度为20～70°。
5.如权利要求1～4中任一项所述的单面埋弧焊接方法，其中，
所述钢板的板厚为9～40mm。
6.如权利要求1～5中任一项所述的单面埋弧焊接方法，其中，
焊接速度为500～1200mm/min。
7.如权利要求1～6中任一项所述的单面埋弧焊接方法，其中，
使用2～4根电极。
8.如权利要求7所述的单面埋弧焊接方法，其中，
所述电极中的第一电极的电流值为700～1600A。
9.如权利要求7或8所述的单面埋弧焊接方法，其中，
所述电极全部的合计焊接线能量为20000J/mm以下。
10.如权利要求1～9中任一项所述的单面埋弧焊接方法，其中，
进行一层以上的所述表面侧的焊接。
11.一种焊接接头，其中，所述焊接接头是用权利要求1～10中任一项所述的焊接方法制作的。
12.一种焊接接头的制造方法，其中，所述焊接接头的制造方法用权利要求1～10中任一项所述的焊接方法进行接合而形成焊接接头。
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