專利名稱：疲勞強度高的繞焊接頭、繞焊接頭的制造方法、及焊接結(jié)構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在建筑、造船、橋梁、建設(shè)機械，海洋結(jié)構(gòu)件等的焊接結(jié)構(gòu)件中使用的疲勞強度高的繞焊接頭、繞焊接頭的制造方法、以及使用了繞焊接頭的焊接結(jié)構(gòu)件。
具體而言，涉及使2片鋼板垂直組合并將端部焊接的疲勞強度高的繞焊接頭、繞焊接頭的制造方法、以及使用了繞焊接頭的焊接結(jié)構(gòu)件。
背景技術(shù)：
一般來說，作為在建筑、造船、橋梁、建設(shè)機械、海洋結(jié)構(gòu)件等的焊接結(jié)構(gòu)件中使用的焊接接頭的形狀，多用使2片鋼板垂直組合并將端部焊接的繞焊接頭，作為焊接方法，則可以適用以弧光(arc)焊接、等離子體焊接為首的激光焊接、電子束焊接等的各種各樣的焊接方法。
該繞焊接頭中，由于受到風(fēng)或波、機械振蕩等導(dǎo)致的反復(fù)荷載，提高疲勞強度極為重要，作為利用焊接后的后處理來提高焊接焊道(bead)形狀和疲勞強度的方法雖然可以采用①研磨(grinding)、②TIG熔修(TIG dressing)、③珠擊法(short peening)、④錘打法(hammerpeening)，但是仍然存在下列的問題。
這里，研磨、TIG熔修雖然使得焊接焊道的形狀變好，但是都顯著惡化了作業(yè)。
珠擊法、錘打法，雖然有提高疲勞強度的效果，但是珠擊法在需要巨大的機械的基礎(chǔ)上，還需要各種應(yīng)用設(shè)備。
此外，錘打法反作用很大，處理結(jié)果不穩(wěn)定，有時反而沖壓成形性和疲勞強度都會降低。此外，該錘打法由于施加了比較大的塑性變形，還存在難于對薄板適用的缺點。
而且，珠擊法和錘打法由于在接頭部施加了幾Hz的低頻機械加工，激化了加工表面的凹凸，在其凸部的頂部集中了應(yīng)力，如果在該接頭部上反復(fù)施加荷載的話，由于從該應(yīng)力集中部發(fā)生裂縫會使得接頭整體的疲勞強度降低。
此外，在焊接部中，一般由于焊接引入的熱會導(dǎo)入殘留應(yīng)力。該殘留應(yīng)力成為使焊接部疲勞強度降低的一個重大原因。因此，作為提高疲勞強度的另外的方法，已知還有在焊接接頭部上產(chǎn)生壓縮殘留應(yīng)力，或者降低在焊接接頭部產(chǎn)生的拉伸殘留應(yīng)力，來提高疲勞強度的方法。
比如，可以通過在焊接縫邊部附近進(jìn)行珠擊法處理的方式來施加壓縮殘留應(yīng)力。這里，珠擊法處理是，在成為疲勞裂縫產(chǎn)生的起點處的部位，撞擊大量小于1mm的鋼球的來施加壓縮殘留應(yīng)力的方法。
而且，已知還可以用對焊接金屬的加熱再熔化的方式來改善焊接縫邊部形狀或者降低拉伸殘留應(yīng)力。
但是，該珠擊法(short peening)處理需要鋼球，還存在這樣的問題，即、需要對該鋼球的后處理或者要考慮成本問題。除此之外，存在疲勞強度的提高量上不均勻的問題。
如上所述，將已有的提高疲勞強度的技術(shù)應(yīng)用在繞焊接頭中比較困難，即使可以采用、疲勞強度的提高量也停留在較低的水平。
而且，作為涉及通過在焊接接頭部上施加超聲波振動的方式，來提高疲勞強度的方法的已有技術(shù)，比如，在USP6171415號公報中，公開了一種沿著用焊接電弧加熱的焊接縫部施加超聲波振動的方法。
但是，該已有技術(shù)是以在剛剛進(jìn)行焊接之后的高溫材料上施加超聲波振動為前提的，并沒有公開本發(fā)明中提出那樣的用超聲波振子進(jìn)行打擊的具體范圍。
此外，為了提高焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞強度，而研究開發(fā)的抑制疲勞裂縫傳播的鋼板，以往以來提出過很多的技術(shù)方案。
比如，1998年日本材料學(xué)會第24次疲勞討論會演講論文集《表層超細(xì)粒鋼板的疲勞特性》p157-162中，公開了通過在如表1的鋼種a所示的一般造船用鋼材的升溫過程加工鐵素體(ferrite)的方式，在表層形成超細(xì)微組織的所謂SUF鋼，其具有延緩疲勞裂縫的傳播速度的效果。
此外，在特開平6-271985號公報中公開了一種鋼板，其降低如表1的鋼種b所示成分的鋼板的精軋結(jié)束溫度，在進(jìn)行兩相區(qū)軋制之后，進(jìn)行水冷，通過該方式，產(chǎn)生條紋狀馬氏體，在該部分由于疲勞裂縫產(chǎn)生分歧，所以降低了疲勞裂縫的傳播速度。
此外，在特開平11-1742號公報中，公開了一種鋼板，其控制如表1的鋼種c所示成分的鋼板的鐵素體以及第二相構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中的第二相的形態(tài)，以及鐵素體以及第二相的硬度，通過在第二相中的主裂縫中產(chǎn)生細(xì)微裂縫的方式，分散、減弱裂縫的進(jìn)展力，來抑制裂縫的傳播。
此外，特開平7-90478號公報中公開了一種鋼板，其對如表1的鋼種d所示成分的鋼板在未再結(jié)晶區(qū)域進(jìn)行軋制，之后緩慢冷卻，在產(chǎn)生濃縮了碳的γ區(qū)域之后，通過加速冷卻的方式進(jìn)行島狀馬氏體的形狀控制，通過該方式，抑制裂縫的傳播。
此外，在特開2002-129181號公報中公開了一種鋼板，其對如表1的鋼種e所示成分的鋼板的鐵素體和鐵素體之間的強度差較大的第二相以適當(dāng)?shù)某叽?、量進(jìn)行分散，進(jìn)而同時擴大特定的集合組織，通過該方式，抑制疲勞裂縫的傳播。
而且，特開平8-225882號公報中，公開了一種鋼板，其用如表1的鋼種f所示成分的鋼板構(gòu)成鐵素體和貝氏體的二相組織，在此基礎(chǔ)上，將鐵素體相部分的比率、鐵素體的硬度、以及鐵素體和貝氏體的相邊界的數(shù)量等等規(guī)定在特定范圍內(nèi)，通過該方式，延緩裂縫進(jìn)展速度。
此外，特開平11-310846號公報中，公開了一種鋼板，其用如表1的鋼種g所示成分的鋼板構(gòu)成鐵素體和馬氏體的二相組織，或者，構(gòu)成鐵素體、貝氏體、馬氏體的3相組織，在復(fù)合組織中的各組織之間的硬度差在某個值以上時，并且，除此之外在將軟質(zhì)部的平均粒徑或者硬質(zhì)部的平均間隔抑制在一定值以下時，在進(jìn)展的裂縫到達(dá)硬質(zhì)部和軟質(zhì)部的邊界附近的時候，通過抑制前端的塑性變形，使得疲勞裂縫停留。
但是，這些抑制疲勞裂縫傳播的鋼板都存在這樣的問題，由于繞焊引入的熱，在拉伸殘留應(yīng)力的作用下，疲勞強度的提高效果被減半。
換句話說，雖然在焊接縫邊部產(chǎn)生應(yīng)力集中，但是由于焊接時引入的熱，而在該縫邊部拉伸殘留應(yīng)力作用，從而助長了應(yīng)力集中，由此使疲勞強度顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是提供一種解決了上述已有技術(shù)的問題，在建筑、造船、橋梁、建設(shè)機械、海洋結(jié)構(gòu)件等的焊接結(jié)構(gòu)件中使用的，將2片鋼板垂直組合并將端部焊接的疲勞強度高的繞焊接頭，該繞焊接頭的制造方法，以及使用該繞焊接頭的焊接結(jié)構(gòu)件。
本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行了銳意研究的結(jié)果，其要旨?xì)w納為下面的幾點。
(1)一種疲勞強度高的繞焊接頭，其是將2片鋼板垂直組合并將端部焊接的繞焊接頭，其特征在于上述2片鋼板之中的至少主應(yīng)力施加側(cè)的鋼板是抑制疲勞裂縫的傳播的鋼板，在該鋼板的板厚為t時，從該鋼板的繞焊面起到板厚方向上t/10以上、或者3mm以上的范圍內(nèi)的主應(yīng)力方向的殘留應(yīng)力是壓縮殘留應(yīng)力。
(2)如(1)所述的疲勞強度高的繞焊接手，其特征在于上述抑制疲勞裂縫傳播的鋼板，是在該鋼板的表層上具有壓縮殘留應(yīng)力的鋼板。
(3)如(1)或者(2)所述的疲勞強度高的繞焊接頭的制造方法，其特征在于將從上述繞焊接頭的縫邊部起5mm以內(nèi)的范圍用超聲波振動端子進(jìn)行打擊。
(4)一種疲勞強度高的焊接結(jié)構(gòu)件，其特征在于使用了如(1)或者(2)所述的繞焊接頭。


圖1(a)是表示本發(fā)明的繞焊接頭的實施方式的俯視圖。
圖1(b)是表示本發(fā)明的繞焊接頭的實施方式的主視圖。
圖2是表示進(jìn)行繞焊之前的鋼板1的、在圖1(b)的A點(進(jìn)行超聲波打擊處理的點)的板厚方向的殘留應(yīng)力分布的圖。
圖3是表示進(jìn)行繞焊之后的鋼板1的、在圖1(b)的A點(進(jìn)行超聲波打擊處理的點)的板厚方向的殘留應(yīng)力分布的圖。
圖4是表示進(jìn)行超聲波打擊處理之后的鋼板1的、在圖1(b)的A點的板厚方向的殘留應(yīng)力分布的圖。
圖5(a)是表示本實施例中使用的繞焊接頭的俯視圖。
圖5(b)是表示本實施例中使用的繞焊接頭的主視圖。
圖6是表示從壓縮殘留應(yīng)力區(qū)域的表層起的距離的測量方法的圖。
圖7(a)是表示在疲勞裂縫傳播試驗中使用的試驗片的主視圖。
圖7(b)是表示在疲勞裂縫傳播試驗中使用的試驗片的側(cè)面圖。
圖8是表示疲勞裂縫的產(chǎn)生壽命的測量方法的圖。
具體實施例方式
下面，對于本發(fā)明的實施方式，用圖1(a)～圖4進(jìn)行詳細(xì)的說明。
圖1(a)、圖1(b)是表示本發(fā)明的繞焊接頭的實施方式的圖。
在圖1(a)、圖1(b)中，受主應(yīng)力的鋼板1和不受主應(yīng)力的鋼板2，被垂直組合，在其周圍利用繞焊部3進(jìn)行焊接。
鋼板1被用作焊接結(jié)構(gòu)件的強度部件，鋼板2被用作除了強度部件之外的其他用途。
至少，使主應(yīng)力施加側(cè)的鋼板1成為抑制疲勞裂縫傳播的鋼板。這是由于其是存在受到反復(fù)應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞裂縫的問題的部件。
這里，所謂抑制疲勞裂縫的傳播的鋼板，指的是在上述的表層上由具有超微細(xì)組織的SUF鋼、二相域軋制或者微組織控制來抑制疲勞裂縫傳播的鋼板。
抑制疲勞裂縫的傳播的機構(gòu)可以考慮如下的技術(shù)。
首先，用形成在軟質(zhì)相中的硬質(zhì)相來停滯裂縫，通過在該硬質(zhì)相裂縫要迂回而使得裂縫開始分歧。隨著這些裂縫的迂回、分歧，助長了能夠抑制裂縫自身的開口的閉合效果(クロ一ジヤ一効果)，因此，裂縫傳播速度成為一般的鋼板的1/10～1/4。
但是，在拉伸殘留應(yīng)力的作用下，使得該閉合效果降低，裂縫傳播速度，成為一般鋼板的1/3～1/2。
因此，抑制疲勞裂縫傳播的鋼板，優(yōu)選在鋼板的表層具有壓縮殘留應(yīng)力的鋼板。
如果在鋼板的表層具有壓縮殘留應(yīng)力的話，能夠緩和在焊接的時候引入的熱導(dǎo)致的拉伸殘留應(yīng)力，且在進(jìn)行超聲波打擊處理的情況下，由于從鋼板的表面到板厚方向上很深范圍內(nèi)壓縮殘留應(yīng)力能發(fā)生變化，可以顯著地提高疲勞強度。
在進(jìn)行繞焊時，由于焊接引入的熱導(dǎo)致的焊縫邊緣部4中產(chǎn)生拉伸殘留應(yīng)力，在從焊縫邊緣部4起5mm以內(nèi)的范圍中，用超聲波振子5對焊縫邊緣部的周圍進(jìn)行打擊，通過該方式，可以將拉伸殘留應(yīng)力改變成壓縮殘留應(yīng)力，通過緩和焊接縫邊部的應(yīng)力集中提高了裂縫產(chǎn)生壽命，同時在使用抑制疲勞裂縫傳播的鋼板的情況下的疲勞裂縫的傳播速度，由于增大上述的閉合效果的原因，被提高到僅為一般的鋼板的1/20～1/8。
在5mm以內(nèi)是因為，該范圍是應(yīng)力集中產(chǎn)生的范圍，而在超過5mm的范圍內(nèi)即使進(jìn)行打擊也無法確認(rèn)應(yīng)力集中的緩和效果。
此外，雖然無論本發(fā)明中使用的超聲波產(chǎn)生裝置怎樣都可以，但使用500w～1kw的電源，用變頻器產(chǎn)生20Hz～60Hz的超聲波振動，用波導(dǎo)進(jìn)行放大，通過該方式，用2mm～6mmΦ的端子構(gòu)成的超聲波振子以30～40微米的振幅進(jìn)行振蕩，通過該方式，可以在打擊部的表面形成平滑性優(yōu)良的深度為幾百微米左右的壓痕。
圖2是表示進(jìn)行繞焊之前的鋼板1的，圖1(b)的A點(進(jìn)行超聲波打擊處理的點)的板厚方向的殘留應(yīng)力分布的圖。
圖2中，(+)方向表示拉伸殘留應(yīng)力，(-)方向表示壓縮殘留應(yīng)力。
在軋制中的冷卻過程中，在鋼板1的表面上，通過噴射冷卻水來進(jìn)行急速冷卻，通過該方式，在圖2所示那樣的鋼板的表層上可以產(chǎn)生大約為擊穿應(yīng)力的50％左右的壓縮殘留應(yīng)力。
圖3是表示進(jìn)行繞焊之后的鋼板1的圖1(b)的A點(進(jìn)行超聲波打擊處理的點)的板厚方向的殘留應(yīng)力分布的圖。
圖3中，(+)方向表示拉伸殘留應(yīng)力，(-)方向表示壓縮殘留應(yīng)力。
由于繞焊引入的熱，導(dǎo)致在鋼板的表、背面上產(chǎn)生大約為擊穿應(yīng)力的90％左右的拉伸殘留應(yīng)力，在該拉伸應(yīng)力的作用下，由于助長了焊接縫邊部的應(yīng)力集中，所以直接這樣使得疲勞強度顯著降低。
由于圖3是以從鋼板1的表、背面進(jìn)行繞焊的例子來表示的，所以成為上下對象。
圖4是表示進(jìn)行超聲波打擊處理之后的鋼板1的圖1(b)的A點的板厚方向的殘留應(yīng)力分布的圖。
圖4中，(+)方向表示拉伸殘留應(yīng)力，(-)方向表示壓縮殘留應(yīng)力，t0表示主應(yīng)力方向的殘留應(yīng)力在壓縮殘留應(yīng)力的范圍。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明，在該鋼板的厚度為t時，從該鋼板的繞焊面到在板厚方向上為t0≥t/8的范圍內(nèi)的主應(yīng)力方向的殘留應(yīng)力，由于為壓縮殘留應(yīng)力，因而可以大大增強對焊接縫邊部的應(yīng)力集中的緩和效果，可以顯著提高疲勞強度。
另一方面，在使用并非抑制疲勞裂縫的傳播的鋼板的一般鋼的情況下的殘留應(yīng)力分布(虛線)，由于壓縮殘留應(yīng)力的范圍是板厚方向的最表層，因而對縫邊部的應(yīng)力集中的緩和效果較弱，所以疲勞強度的提高效果也較差。
此外，使用本發(fā)明的疲勞強度高的繞焊接頭，來建造建筑、造船、橋梁、建設(shè)機械、海洋結(jié)構(gòu)件等等的焊接結(jié)構(gòu)件，通過該方式，可以提供一種疲勞強度高的焊接結(jié)構(gòu)件。
實施例本發(fā)明的繞焊接頭的疲勞強度提高方法的實施例用表2～表4，以及用圖5(a)～圖7(b)來進(jìn)行說明。
表2以及表3表示，本實施例中用的厚鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量％)以及制造過程。
在表2以及表3中，A鋼～F鋼是不能抑制疲勞裂縫的傳播的一般的鋼，G鋼～L鋼是本發(fā)明中使用的可以抑制疲勞裂縫傳播的傳播抑制鋼。
表4是表示將上述的A鋼～L鋼構(gòu)成的鋼板的從繞焊接頭的縫邊部起5mm的范圍用超聲波振子進(jìn)行打擊的結(jié)果。
圖5(a)、圖5(b)是表示本實施例中使用的繞焊接頭的圖。
疲勞試驗條件如下所示荷載負(fù)荷方式軸拉伸應(yīng)力比0.1環(huán)境室溫大氣中試驗應(yīng)力范圍150Mpa圖6是表示壓縮殘留應(yīng)力區(qū)域的從表層起的距離的測量方法的圖。
圖6所示的壓縮殘留應(yīng)力區(qū)域的從表層起的距離t0用X線sin2ψ法進(jìn)行測量。
即、測量表層的殘留應(yīng)力之后，在板厚方向上以0.5mm的間隔測量每次研磨的殘留應(yīng)力，求出從表層起到殘留應(yīng)力為0的位置之間的距離。
圖7(a)、圖7(b)是表示在疲勞裂縫傳播試驗中使用的試驗片的圖。
疲勞裂縫傳播試驗條件如下所述。
荷載負(fù)荷方式3點彎折應(yīng)力比0.1環(huán)境室溫大氣中裂縫長度側(cè)量直流電位差法圖8是表示疲勞裂縫的產(chǎn)生壽命的測量方法。
圖8中，熱影響部(HAZ)中，為了對應(yīng)裂縫產(chǎn)生壽命，在距離縫邊部5mm的地方貼上應(yīng)變儀，將應(yīng)變儀的輸出降低了5％的時候的壽命作為產(chǎn)生壽命。
NO.1、NO.3、NO.5、NO.7、NO.9、NO.11是比較例，由于在通常鋼中沒有進(jìn)行超聲波沖擊處理，縫邊部的殘留應(yīng)力為拉伸殘留應(yīng)力，到疲勞裂縫產(chǎn)生的產(chǎn)生壽命和傳播壽命合計的斷開壽命是最短的。
NO.2、NO.4、NO.6、NO.8、NO.10、NO.12是比較例，在通常鋼中進(jìn)行了超聲波振動處理時，縫邊部的殘留應(yīng)力成為了壓縮殘留應(yīng)力，在鋼板的板厚為t時，由于僅從表層在板厚方向t/15以下的范圍中成為壓縮殘留應(yīng)力，所以到產(chǎn)生疲勞裂縫的產(chǎn)生壽命和傳播壽命合計的斷開壽命是沒有進(jìn)行超聲波沖擊處理時的2倍左右。
NO.13、NO.15、NO.17、NO.19、NO.21、NO.23是比較例，由于在可以抑制疲勞裂縫的傳播的鋼上沒有進(jìn)行超聲波沖擊處理，縫邊部的殘留應(yīng)力為拉伸殘留應(yīng)力，但由于疲勞裂縫的傳播抑制效果，將到產(chǎn)生疲勞裂縫的產(chǎn)生壽命和傳播壽命合計的斷開壽命是普通鋼的2倍左右。
NO.14、NO.16、NO.18、NO.20、NO.22、NO.24是本發(fā)明的例子，在可以抑制疲勞裂縫的傳播的鋼上進(jìn)行了超聲波沖擊處理時，縫邊部的殘留應(yīng)力成為壓縮殘留應(yīng)力，在鋼板的板厚為t的時候，從表層起在板厚方向上的t/10以上、或者3mm以上的范圍成為壓縮殘留應(yīng)力，所以將到產(chǎn)生疲勞裂縫的產(chǎn)生壽命和傳播壽命合計的斷開壽命是沒有進(jìn)行超聲波沖擊處理時的3倍以上。
表1

注)F鐵素體、B貝氏體、M馬氏體注)表中的值表示質(zhì)量％。
表2

注)表中的值表示質(zhì)量％。
表3

表4

工業(yè)實用性根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種在建筑、造船、橋梁、建設(shè)機械、海洋結(jié)構(gòu)件等的焊接結(jié)構(gòu)件中使用的、將2片鋼板垂直組合并將端部焊接的疲勞強度高的繞焊接頭，該繞焊接頭的制造方法，以及使用該繞焊接頭的焊接結(jié)構(gòu)件。
具體而言，使用可以抑制疲勞裂縫傳播的鋼板，在繞焊接頭的縫邊部進(jìn)行超聲波沖擊處理，通過該方式，可以將焊接接頭的裂縫壽命大幅度提高到現(xiàn)有技術(shù)的3倍以上，提高了針對焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞損壞的可靠性等，在工業(yè)上具有顯著的效果。
權(quán)利要求
1.一種疲勞強度高的繞焊接頭，其是將2片鋼板垂直組合并將端部焊接的繞焊接頭，其特征在于上述2片鋼板之中的至少主應(yīng)力施加側(cè)的鋼板是抑制疲勞裂縫的傳播的鋼板，在該鋼板的板厚為t時，從該鋼板的繞焊面起到板厚方向上t/10以上、或者3mm以上的范圍內(nèi)的主應(yīng)力方向的殘留應(yīng)力是壓縮殘留應(yīng)力。
2.如權(quán)利要求1所述的疲勞強度高的繞焊接頭，其特征在于上述抑制疲勞裂縫傳播的鋼板，是在該鋼板的表層上具有壓縮殘留應(yīng)力的鋼板。
3.如權(quán)利要求1或2所述的疲勞強度高的繞焊接頭的制造方法，其特征在于將從上述繞焊接頭的縫邊部起5mm以內(nèi)的范圍用超聲波振動端子進(jìn)行打擊。
4.一種疲勞強度高的焊接結(jié)構(gòu)件，其特征在于使用了如權(quán)利要求1或者權(quán)利要求2所述的繞焊接頭。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在建筑、造船、橋梁、建設(shè)機械、海洋結(jié)構(gòu)件等的焊接結(jié)構(gòu)件中使用的，將2片鋼板垂直組合并將端部焊接的疲勞強度高的繞焊接頭，該繞焊接頭的制造方法，以及使用該繞焊接頭的焊接結(jié)構(gòu)件。其是一種將2片鋼板垂直組合并將端部處焊接的繞焊接頭，上述2片鋼板之中的至少主應(yīng)力施加側(cè)的鋼板是抑制疲勞裂縫傳播的鋼板，并且優(yōu)選是在該鋼板的表層上具有壓縮殘留應(yīng)力的鋼板；在該鋼板的板厚為t時，從該鋼板的繞焊面起到板厚方向上t/10以上、或者3mm以上的范圍內(nèi)的主應(yīng)力方向的殘留應(yīng)力是壓縮殘留應(yīng)力。
文檔編號B23K31/02GK1703300SQ20038010111
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月8日
發(fā)明者中島清孝, 石川忠 申請人:新日本制鐵株式會社