焊接接头的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在对建设机械及产业机械领域中所使用的耐磨损性优异的高硬度钢 板进行焊接时，具有硬度高、耐磨损性优异且难以发生低温裂纹的焊缝金属的焊接接头的 制造方法。
[0002] 本申请基于2013年11月8日提出的国际申请PCT/JP2013/080242号主张优先权， 在此引用其内容。
【背景技术】
[0003] 矿山中的挖掘及土木作业用的建设机械中所用的钢板大多因磨损而需要更换，但 为了延长其使用寿命，而使用提高了钢板硬度的耐磨损钢。根据使用的环境及目的的不 同，钢板的硬度有多种，但一般来讲多使用HB400级（以布氏硬度的标准值计从HB360到 HB440,以维氏硬度的标准值计从HV380到HV469)、HB450级（以布氏硬度的标准值计从 HB410到HB490,以维氏硬度的标准值计从HV435到HV533)、HB500级（以布氏硬度的标准 值计从HB450到HB550,以维氏硬度的标准值计从HV478到HV585)或HB600级（以布氏硬 度的标准值计从HB550到HB650,以维氏硬度的标准值计从HV585到HV693)的耐磨损钢板。
[0004] 大多数耐磨损钢可进行焊接，但对于其焊缝金属有时也要求接近母材（耐磨损 钢）的耐磨损性。为了提高焊缝金属的耐磨损性，有时也需要提高其硬度。但是，如果提高 焊缝金属的硬度，则起因于焊接时侵入的氢的低温裂纹非常容易发生。另外，由于以高硬度 的耐磨损钢为母材，所以约束力增强也是容易生成低温裂纹的一个原因。
[0005] 为了避免这样的低温裂纹，一般在焊接之前进行预热。可是，耐磨损钢由于与通常 的钢相比因加热而容易使硬度降低，因此不能采取太高的预热温度。
[0006] 焊缝金属的硬度优选为与母材同等的程度。例如在以HB400或HB500级耐磨 损钢作为母材时，优选将焊缝金属的硬度至少规定为HV337(HB320)以上，尽可能规定为 HV380(HB360)以上。
[0007] 此外，在焊缝金属部中，从耐磨损性的观点出发重要的是表面附近的硬度。在多层 堆焊中，下层的焊缝金属因被后续焊道再加热而使硬度稍微下降，但只要多层堆焊时其最 上层的焊缝金属或1焊道焊接时其焊缝金属的各自表面附近具有充分的硬度即可。
[0008] 由以上可以认为，在以HV380以上且HV693以下的高硬度的耐磨损钢作为母材的 焊接接头中，只要是形成表面硬度为HV337以上且HV533以下、且具有良好的耐磨损性、而 且即使不进行预热也不发生低温裂纹的焊缝金属的焊接方法；或者只要是形成表面硬度为 HV380以上且HV533以下、且具有良好的耐磨损性、而且即使不进行预热也不发生低温裂纹 的焊缝金属的焊接方法，则是非常有用的。
[0009] 作为对高强度焊缝金属中发生的起因于氢的低温裂纹进行抑制的技术，例如提出 了专利文献1~5中的方法。
[0010] 其中，专利文献1中，就高强度管线管等用途中所用的钢板，通过使残留奥氏体作 为氢的捕获位置而发挥作用来防止发生低温裂纹。专利文献2中，就高强度管线管等用途 中所用的钢板，通过使氧化物作为氢的捕获位置而发挥作用来防止发生低温裂纹。
[0011] 专利文献3中，就抗拉强度800~1150MPa的钢材，公开了通过使Mo碳化物作为 捕获位置而发挥作用来防止发生低温裂纹的技术。专利文献4中公开了通过在涂药电弧 焊材料的药皮材料中适量配合Mg，使刚焊接后的焊缝金属中的扩散性氢量降低至3.0~ 4. 0ml/100g左右，由此改善抗拉强度为880~1180MPa的钢材的耐低温裂纹性的技术。专 利文献5中公开了通过对气体保护弧焊用的药芯焊丝中的含氢量进行限制来抑制低温裂 纹的技术。
[0012] 这些都不是能够对母材及焊缝金属的强度低于1200MPa、具有HV380(换算成抗 拉强度大约1200MPa)以上的硬度并具备耐磨损性的焊缝金属的低温裂纹性进行改善的技 术。
[0013] 另外，一般来讲，如果采用奥氏体系不锈钢焊接材料，则氢向焊缝金属中的侵入大 大降低，因此能够降低低温裂纹敏感性。此外，因是奥氏体组织而难以产生延展性下降及裂 纹。可是，采用奥氏体系不锈钢焊接材料的焊缝金属不容易提高强度即硬度，不能期待具备 耐磨损性。
[0014] 由此，在以HV380以上且HV693以下的高硬度的耐磨损钢作为母材的焊接接头中， 一直要求通过气体保护弧焊来形成表面硬度为HV337以上且HV533、耐磨损性优异且难以 发生低温裂纹的焊缝金属，或形成表面硬度为HV380以上且HV533以下、耐磨损性优异且难 以发生低温裂纹的焊缝金属。
[0015] 现有技术文献
[0016] 专利文献
[0017] 专利文献1 :日本特开2012-176434号公报
[0018] 专利文献2 :日本特开2012-218034号公报
[0019] 专利文献3 :日本特开2005-40816号公报
[0020] 专利文献4 :日本特开平11-147196号公报
[0021] 专利文献5 :日本特开2009-255168号公报
【发明内容】
[0022] 发明要解决的问题
[0023] 本发明的课题是提供一种焊接接头的制造方法，其是以C的含量高、表面硬度为 HV380以上且HV693以下这样的高硬度钢板作为母材的焊接接头，其中，具有表面硬度为 HV337以上且HV533以下、耐磨损性优异而且难以发生低温裂纹的焊缝金属，或具有表面硬 度为HV380以上且HV533以下、耐磨损性优异而且难以发生低温裂纹的焊缝金属。
[0024] 用于解决课题的手段
[0025] 对于以往的耐磨损钢，为了防止低温裂纹，焊接时的预热温度是重要的，因此在软 钢用的焊接材料中，一般将预热温度最优先化而进行焊接。所以存在的课题是焊缝金属部 的硬度低，非常容易产生磨损。本发明对此新发现，如果想要提高焊缝金属部的硬度，则不 在母材的热影响区，而在焊缝金属本体非常容易发生裂纹。为此，对焊缝金属的CEN和裂纹 的关系进行了调查，结果发现了焊缝金属的CEN的适当范围。
[0026] 焊接时在焊缝金属中发生的低温裂纹受焊缝金属的强度、接头约束力和焊缝金属 中的扩散性氢量的影响。发明者们对在表面硬度为HV337以上且HV533以下这样的高硬度 的焊缝金属中或表面硬度为HV380以上且HV533以下这样的更高硬度的焊缝金属中可靠 地抑制低温裂纹的方法，进行了多种研究，结果得出如下结论：其中最可靠的方法是充分降 低焊缝金属中的扩散性氢量，且使焊缝金属中的合金成分中规定的CEN在0. 20~0. 58质 量％。
[0027] 图1是通过多种使钢板及焊剂组成等变化的焊接材料，在各种的条件下实施JIS Z3158中规定的y形焊接裂纹试验，制作具有多种焊缝金属硬度及焊缝金属中的扩散性氢 量的焊缝金属，然后求出抑制其发生裂纹的极限预热温度的结果。图1中通过按焊缝金属 的不同的硬度水平进行整理而示出焊缝金属中的扩散性氢量和抑制发生裂纹的极限预热 温度的关系。
[0028] 这里，低温裂纹试验按照JIS Z3158 (y形焊接裂纹试验方法，1993年），在室温 (25°C)下实施试验，将表面及断面没有裂纹的规定为合格。扩散性氢量的测定试验用基于 JIS Z3118 (钢焊接部的氢量测定方法，2007年）的气相色谱法实施。
[0029] 如图1所示，如果刚焊接后的焊缝金属中的扩散性氢量低于1. 0ml/100g，则发生 低温裂纹的极限预热温度几乎不依赖于焊缝金属的硬度。所以，通过将扩散性氢量规定 为低于1. 0ml/100g，能够大大降低硬度为HV337以上且HV533以下的焊缝金属和硬度为 HV380以上且HV533以下的焊缝金属的低温裂纹敏感性。
[0030] 但是，将刚焊接后的焊缝金属中的扩散性氢量降低到此水平在以往的技术中是不 容易的。发明者们反复进行了各种研究，结果新发现：通过改善药芯焊丝的焊剂组成，能够 稳定地将焊缝金属中的扩散性氢量降低到以往困难的水平。具体地讲，发现：通过在焊剂成 分中一定量地含有以CaF2S代表的氟化物，同时调整氧化物的量，且将氟化物和氧化物的 配合比规定在一定范围，能够将焊缝金属中的扩散性氢量稳定地抑制在低于1. 0ml/100g。
[0031] 焊缝金属的低温裂纹敏感性大大依赖于焊缝金属的硬度，但也受合金元素的影 响。发明者们对HV337以上且HV533以下的焊缝金属及HV380以上且HV533以下的焊缝金 属的各种合金组成和低温裂纹敏感性（抑制裂纹的预热温度）的关系进行了调查。低温裂 纹试验按照JIS Z3158 (y形焊接裂纹试验方法，1993年）实施试验，使预热温度变化，将不 产生低温裂纹的最低预热温度作为发生裂纹的极限预热温度。在焊接时，采用以下说明的 本发明的药芯焊丝，焊缝金属中的扩散性氢量都低于1. 0ml/100g。
[0032] 其结果是，发现：如图2所示，只要将按式1 (参照焊接选书10. "钢铁材料的焊接" 产报出版（1999)，p. 163)计算的CEN设为0.58质量％以下，就能够使发生裂纹的极限预热 温度在室温（25°C )以下，即使不进行预热也能够抑制低温裂纹的发生。
[0033] CEN = [C] + (0. 75+0. 25 X tanh (20 X ([C] - 0. 12))) X ([Si] /24+ [Μη] /6+ [Cu] /15 + [Ni] /20+ ([Cr] + [Mo] + [Nb] + [V]) /5+5 X [B]) (式 1)
[0034] 其中，带有□的元素表示各个元素的以质量％计的含量。此外，在不添加元素时， 在□内代入零。
[0035] 本发明是基于上述见识而完成的，其主旨如下。
[0036] (1)本发明的第一方案所涉及的焊接接头的制造方法，其是使用在钢制外皮中 填充了焊剂的药芯焊丝，对下述钢板中的任一种进行气体保护弧焊，从而制造焊接接头的 方法，所述钢板为：维氏硬度HV为380以上且514以下、板厚为20~100mm、C的含量为 0. 120~0. 300质量％、按下述式1计算的CEN为0. 20~0. 75质量％的钢板，维氏硬度 HV超过514且565以下、板厚为12~100mm、C的含量为0. 120~0. 300质量％、按下述 式1计算的CEN为0. 20~0. 75质量％的钢板，以及维氏硬度HV超过565且693以下、板 厚为6~12mm、C的含量为0. 350~0. 450质量％、按下述式1计算的CEN为0. 20~0. 85 质量％的钢板，其中，所述制造方法全部满足下述（a)~（c) :(a)在所述气体保护弧焊时， 在所述钢板的温度为l〇°C以上时不进行预热作业，在所述钢板的温度低于10°C时按照使 所述钢板的温度达到l〇°C以上的方式进行所述预热作业；(b)对于所述药芯焊丝，在含有 CaF2、BaF2、SrF2、MgF2中的1种以上，将其含量的合计设为α时，所述α相对于所述药芯 焊丝的总质量以质量％计为3. 3~8. 0%，在含有Ti氧化物、Si氧化物、Mg氧化物、Α1氧 化物中的1种以上，将其含量的合计设为β时，所述β相对于所述药芯焊丝的总质量以质 量％计为0. 10~1. 50%，CaC03、BaC03、SrC03、]\%0)3的含量的合计相对于所述药芯焊丝的 总质量以质量％计低于〇. 60%，所述焊剂中的铁粉的含量相对于所述药芯焊丝的总质量以 质量％计低于10.0%，所述CaF2的含量相对于所述α的比为0.90以上，所述α相对于所 述β的比为3. 0以上且80. 0以下，CaO的含量相对于所述药芯焊丝的总质量以质量％计低 于0. 20 %，除了金属氟化物、金属氧化物及金属碳酸盐之外，所述药芯焊丝中的化学成分相 对于所述药芯焊丝的总质量以质量％计含有：C :0.010%以上且低于0.060%、Si :0.05~ 1. 80%、Μη :0· 50 ~4. 00%、P :0· 050% 以下、S :0· 020% 以下、A1 :0· 005 ~0· 150%、Cu : 0~0.75%、附：0%以上且低于1.00%、0:0~3.50%、]?〇:0~1.50%、11 :0~0.150%、 Nb :0 ~0· 15%、V :0 ~0· 45%、B :0 ~0· 0500%、Mg :0 ~2. 0%、Ca :0 ~2. 0%、REM :0 ~ 0.0150%、剩余部分：Fe及杂质；（c)所述焊接接头的焊缝金属的化学组成，以质量％计，含 有：C :0· 100 ~0· 170%、Si :0· 05 ~0· 80%、Mn :0· 20 ~2· 50%、A1 :0· 0050 ~0· 1000%、 P :0· 050% 以下、S :0· 020% 以下、N :0· 015% 以下、Cu :0 ~0· 50%、Ni :0% 以上且低于 0· 70%、Cr :0 ~2· 50%、M〇 :0 ~1. 00%、Ti :0 ~0· 100%、Nb :0 ~0· 100%、V :0 ~0· 30%、 B :0 ~0· 0100%、0 :0 ~0· 100%、Mg :0 ~0· 100%、Ca :0 ~0· 100%、REM :0 ~0· 0100%、 剩余部分：Fe及杂质；所述焊缝金属的按下述式1计算的CEN为0. 20~0. 58质量％;所述 焊缝金属的表面下1mm的平均维氏硬度HV为337~440。
[0037] CEN = [C] + (0. 75+0. 25 X tanh (20 X ([C] - 0. 12))) X ([Si] /24+ [Μη] /6+ [Cu] /15 + [Ni] /20+ ([Cr] + [Mo] + [Nb] + [V]) /5+5 X [B]) (式 1)
[0038] 其中，带有□的元素表示各个元素的以质量％计