附加焊接用药芯焊丝和焊接方法
阅读：907发布：2023-03-11
专利汇可以提供附加焊接用药芯焊丝和焊接方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供一种在附加 焊接 中，可以一边良好地维持焊接金属的抗裂纹性，一边提高焊接部的疲劳强度的药芯 焊丝 和焊接方法。在 钢 制外皮内填充有焊剂，用于对主焊接的焊接金属缝边部进行的附加焊接的附加焊接用药芯焊丝，其中，以焊丝总 质量 计，含有Si：0.2～1.0质量％和Mn：3.0～10.0质量％，并且C：限制在0.1质量％以下，P：限制在0.03质量％以下，S：限制在0.03质量％以下，Cr和/或Ni：合计限制在3.8质量％以下。，下面是附加焊接用药芯焊丝和焊接方法专利的具体信息内容。
1.一种附加焊接用药芯焊丝，其为在钢制外皮内填充有焊剂的药芯焊丝，用于对主焊接的焊接金属缝边部进行附加焊接，
其中，以焊丝总质量计，含有
Si：0.2～1.0质量％、
Mn：3～10质量％，并且，
C：限制在0.1质量％以下、
P：限制在0.03质量％以下、
S：限制在0.03质量％以下、
Cr和/或Ni：合计限制在3.8质量％以下。
2.根据权利要求1所述的附加焊接用药芯焊丝，其中，以焊丝总质量计为Ni：0.5～
3.8质量％、Mn：3～7质量％。
3.根据权利要求1或2所述的附加焊接用药芯焊丝，其中，设焊丝总质量中的Mn量为[Mn]、Ni量为[Ni]时，满足下述算式(1)，Mn量、Ni量以质量％计，
3＜[Mn]+0.5×[Ni]＜6。
4.根据权利要求1所述的附加焊接用药芯焊丝，其中，Cr含量以焊丝总质量计为1.0质量％以下。
5.根据权利要求1所述的附加焊接用药芯焊丝，其中，以焊丝总质量计，还含有Al：
0.1～0.5质量％。
6.一种焊接方法，其中，使用权利要求1～5中任一项所述的附加焊接用药芯焊丝，对由至少含有Mn：0.5～2.0质量％、Ni：3.5质量％以下但不包括0质量％的钢所构成的主焊接的焊接金属缝边部实施附加焊接。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其中，所述附加焊接是使用了含有10体积％以上CO2的保护气体的气体保护电弧焊。
附加焊接用药芯焊丝和焊接方法
技术领域
[0001] 本发明涉及用于对主焊接的焊接金属缝边部进行附加焊接的附加焊接用药芯焊丝和焊接方法。更详细地说，是涉及在钢制外皮内填充有焊剂这一构成的附加焊接用药芯焊丝和使用该焊丝进行附加焊接的焊接方法。
背景技术
[0002] 在钢构造物中，以提高焊接接头的疲劳强度和降低残余应力等为目的，会在主焊接的焊接缝边部形成附加焊道(参照专利文献1～3)。用于形成该附加焊道的焊接(附加焊接)所用的焊接材料中，一般使用的是主焊接具有同样的组成的材料。于是，例如在专利文献1中公开的是，通过附加焊接，形成Ni含量为4～12质量％，Cr含量为7～15质量％的焊接金属。
[0003] 另外，在专利文献2所述的焊接方法中，对于通过附加焊接形成的焊接金属，限定其C、Cr、Ni、Si、Mn、Mo和Nb的含量，通过增加Ni和Cr量，使马氏体相变开始温度为120～400℃。此外，在专利文献3中，作为附加焊接用，提出有一种具有如下组成的焊接材料，其含有C：0.20质量％以下、Cr：5.0～18.0质量％、Ni：3.0～15.0质量％，余量由Fe和不可避免的杂质构成。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1：日本特开2003－275890号公报
[0007] 专利文献2：日本特开2003－251489号公报
[0008] 专利文献3：日本特开2004－42133号公报
[0009] 专利文献1～3所述这样的现有的附加焊接用焊接材料或由其形成的焊接金属，能够得到疲劳强度提高和残余应力降低的效果。但是，因为Cr和Ni的含量多，所以焊接金属会过度硬化，存在抗裂纹性和韧性劣化这样的问题。另外，因为Cr和Ni高价，所以若使其大量添加，则也有制造成本增大这样的问题。从这样的理由出发，要求一种抑制了Cr和Ni的添加量的附加焊接用焊接材料。
发明内容
[0010] 因此，本发明其主要目的在于，提供一种在附加焊接中，可以一边良好地维持焊接金属的抗裂纹性，一边提高焊接部的疲劳强度的药芯焊丝及焊接方法。
[0011] 本发明者为了解决前述课题而进行了锐意实验研究。其结果发现，提高了Mn含量的焊接材料，能够减少Cr和Ni的添加量，在附加焊接中，能够一边保证焊接金属的抗裂纹性和韧性，一边达成焊接部的疲劳强度提高，从而完成了本发明。
[0012] 即，本发明的附加焊接用药芯焊丝，是在钢制外皮内填充有焊剂的药芯焊丝，其具有如下组成：以焊丝总质量计，含有Si：0.2～1.0质量％、Mn：3.0～10.0质量％，并且C：限制在0.1质量％以下、P：限制在0.03质量％以下、S：限制在0.03质量％以下、Cr和/或Ni：合计限制在3.8质量％以下，且其用于对主焊接的焊接金属缝边部进行的附加焊接中。
本发明的药芯焊丝中，以焊丝总质量计，也可以为Ni：0.5～3.8质量％，并且，Mn：3～7质量％。
本发明的药芯焊丝中，以焊丝总质量计，也可以为Ni：0.5～3.8质量％，并且，Mn：3～7质量％。
[0013] 另外，设焊丝总质量中的Mn量(质量％)为[Mn]，Ni量(质量％)为[Ni]时，也能够成为满足下述算式1的组成。
[0014] 另一方面，Cr含量以焊丝总质量计，也可以为1.0质量％以下。
[0015] 本发明的药芯焊丝，以焊丝总质量计，还可以含有Al：0.1～0.5质量％。
[0016] [算式1]
[0017] 3＜[Mn]+0.5×[Ni]＜6
[0018] 本发明的焊接方法，使用前述的附加焊接用药芯焊丝，对由至少含有Mn：0.5～2.0质量％、Ni：3.5质量％以下(不含0)的钢所构成的主焊接的焊接金属缝边部实施附加焊接。
[0022] 图2表示疲劳试验方法的侧视图。
具体实施方式
[0023] 以下，就用于实施本发明的方式，详细地加以说明。还有，本发明不受以下说明的实施方式限定。
[0024] (药芯焊丝)
[0025] 本实施方式的药芯焊丝，在钢制外皮填充有焊剂，以焊丝总质量计，含有Si为0.2～1.0质量％，Mn为3.0～10.0质量％。同时，将C限制在0.1质量％以下，P限制在
0.03质量％以下，S限制在0.03质量％以下，Cr和/或Ni合计限制在3.8质量％以下。另外，本实施方式的药芯焊丝中，除了前述各成分以外，还能够特定量添加Al。
0.03质量％以下，S限制在0.03质量％以下，Cr和/或Ni合计限制在3.8质量％以下。另外，本实施方式的药芯焊丝中，除了前述各成分以外，还能够特定量添加Al。
[0026] 还有，本实施方式的药芯焊丝的外径，没有特别限定，例如为0.9～1.6mm。另外，焊剂充填率只要焊丝中的各成分在前述的范围内，则能够设定为任意的值，但从焊丝的拉丝性和焊接时的操作性(送给性等)的观点出发，优选为焊丝总质量的8～25质量％。
[0027] 接下来，对于本实施方式的药芯焊丝中含有的各成分的数值限定理由进行说明。
[0028] [Si：0.2～1.0质量％]
[0029] Si提高焊接金属的强度，并且使焊道的缝边形状光滑，具有减少应力集中的效果。但是，Si含量低于0.2质量％时，这些效果不充分。另一方面，若Si含量高于1.0质量％，则晶界偏析发生，容易发生高温裂纹。因此，Si含量，以焊丝总质量计，为0.2～1.0质量％。
[0030] 还有，作为本实施方式的药芯焊丝的Si源的具体例，可列举钢制外皮中含有的Si，焊剂中含有的Fe－Si、Fe－Si－Mn、Fe－Si－Mg、REM－Ca－Si、Fe－Si－B、SiO2、ZrSiO3、K2SiF6和MgSiO3等。
[0031] [Mn：3～10质量％]
[0032] Mn提高淬火性，使焊接金属的马氏体相变开始温度(Ms点)降低，具有向焊接金属缝边部提供压缩残余应力的效果。另外，Mn通过适量的添加，将对于焊接金属的耐高温裂纹性造成影响的S作为MnS固定，也有抑制高温裂纹的效果。但是，Mn含量低于3质量％时，这些效果不充分，另外，若Mn含量高于10质量％，则焊接金属过度硬化，高温裂纹容易发生，并且韧性也降低。因此，Mn含量以焊丝总质量计，为3～10质量％。
[0033] 还有，作为本实施方式的药芯焊丝的Mn源的具体例，可列举钢制外皮中含有的Mn，焊剂中含有的Fe－Mn、Si－Mn、MnO2等。
[0034] [C：0.1质量％以下]
[0035] C使焊接金属的强度提高，并且具有提高淬火性而使焊接金属的Ms点降低的效果，但也是容易诱发高温裂纹的元素。具体来说，若C含量高于0.1质量％，则焊接金属容易发生高温裂纹。因此，C含量以焊丝总质量计，限制在0.1质量％以下。
[0036] [P：0.03质量％以下]
[0037] P也是容易诱发高温裂纹的元素，若P含量高于0.03质量％，则焊接金属容易发生高温裂纹。因此，P含量以焊丝总质量计，限制在0.03质量％以下。
[0038] [S：0.03质量％以下]
[0039] S与前述的P同样，也是容易诱发高温裂纹的元素，若S含量高于0.03质量％，则焊接金属容易发生高温裂纹。因此，S含量以焊丝总质量，也限制在0.03质量％以下。
[0040] [Cr和Ni：合计为3.8质量％以下]
[0041] Cr使焊接金属的Ms点降低，具有使焊接部的疲劳强度提高的效果，但含有Cr的铁合金形成更硬的焊接金属，因此若大量添加Cr，则焊接金属过度硬化，招致抗裂纹性和韧性的降低。同样，Ni也有使焊接金属的Ms点降低的效果，通过适量添加，能够使焊接部的疲劳强度进一步提高，但若大量添加，则焊接金属的抗裂纹性和韧性降低。
[0042] 具体来说，Cr和Ni的总含量，以焊丝总质量计，若高于3.8质量％，则焊接金属的抗裂纹性和韧性降低，得不到作为目标的特性。因此，本实施方式的药芯焊丝，在添加Cr和/或Ni时，其总含量处于3.8质量％以下。在此，如果Cr和Ni在前述的范围，则也可以含有其双方，但也可以只含有任意一方，也可以两方均含有。
[0043] 此外，若添加Cr，则与添加Ni的情况相比，焊接金属的抗裂纹性和韧性容易降低，因此Cr含量，以焊丝总质量计，优选抑制在1.0质量％以下。
[0044] 另一方面，积极添加Ni时，优选使Ni含量为0.5～3.8质量％，并且，使Mn含量为3～7质量％。由此，能够得到韧性和耐高温裂纹性之两方均优异的焊接金属。
[0045] 另外，积极添加Ni时，优选Mn含量与Ni含量的关系满足下述算式2。还有，下述算式2中的[Mn]是焊丝总质量中的Mn量(质量％)，[Ni]是焊丝总质量中的Ni量(质量％)。如下述算式2所示，通过使Mn含量与Ni含量的1/2量之和，处于高于3并低于6的范围内，能够一边充分确保焊接金属的韧性，一边得到即使在高电流且高速焊接中，耐高温裂纹性也优异的焊接金属。
[0046] [算式2]
[0047] 3＜[Mn]+0.5×[Ni]＜6
[0048] [Al：0.1～0.5质量％]
[0049] Al具有使生成于焊道表面的熔渣均匀化的效果，因为使焊接金属的Ms点略有上升，所以在本实施方式的药芯焊丝中，根据需要添加。这时，若Al含量低于0.1质量％，则得不到前述的添加效果，另外，若Al含量高于0.5质量％，则焊接金属的韧性劣化，并且招致因Ms点上升造成的焊接部的疲劳强度降低。因此，添加Al时，以焊丝总质量计为0.1～0.5质量％。由此，能够遍及熔敷焊道的整体表面形成均匀的熔渣。
[0050] [余量]
[0051] 本实施方式的药芯焊丝的成分组成的余量是Fe和不可避免的杂质。作为本实施方式的药芯焊丝的不可避免的杂质，可列举Nb和V等。另外，前述各元素作为氧化物和氮化物添加时，在本实施方式的药芯焊丝的余量中也包含O和N。此外，在本实施方式的药芯焊丝中，除了前述的各成分以外，也可以添加Mo、Ti、Zr、Mg、K、Ca、Na和F等。
[0052] (焊接方法)
[0053] 本实施方式的药芯焊丝，用于对主焊接的焊接金属缝边部进行的附加焊接。这时，主焊接部的焊接金属组成，没有特别限定，但本实施方式的药芯焊丝，特别适合于主焊接部的焊接金属，是至少含有Mn：0.5～2.0质量％、Ni：3.5质量％以下(不含0)的钢情况。如果Mn含量和Ni含量处于此范围，则能够抑制因母材稀释造成的效果降低，能够形成抗裂纹性和疲劳强度优异的焊接接头。
[0054] 还有，主焊接部的焊接金属的Mn含量低于0.5质量％或Ni含量为0质量％时，疲劳强度不足。另外，若主焊接部的焊接金属的Mn含量高于2.0质量％，则抗裂纹性降低。另外，若主焊接部的焊接金属高于3.5质量％而含有Ni，则焊接金属的抗裂纹性降低，此外，制造成本也增大。
[0055] 另外，附加焊接的条件也没有特别限定，但通常使用气体保护电弧焊。这时，保护气体优选含有10体积％以上的CO2，更优选使用100％CO2气。通过使用含有CO2的保护气体，能够抑制熔合不良的发生。
[0056] 如以上详述，本实施方式的药芯焊丝，与以往相比，增加了Mn添加量，因此即使减少Ni和Cr的含量，在附加焊接中，也能够一边良好地维持焊接金属的抗裂纹性，一边提高焊接部的疲劳强度。
[0057] 实施例
[0058] 以下，列举本发明的实施例和比较例，对于本发明的效果具体地加以说明。图1是表示用于评价的双面角焊接头的立体图。在本实施例中，在由下述表1所示的组成的钢构成的外皮中填充焊剂，制作实施例和比较例的药芯焊丝。这时，焊丝的直径为1.2mm，焊剂的充填率，以焊丝总质量计，使之处于12～18质量％的范围。
[0059] [表1]
[0060]
[0061] 接着，对于下述表2所示的组成的母材1、2，使焊接电流为280A，焊接速度为45cm/分钟，以下焊角长度为6mm的方式进行主焊接。之后，对于主焊接的焊接金属3的焊缝边部，使用实施例和比较例的各药芯焊丝，保护气体使用CO2(100％)，使焊接电流为280A，焊接速度为45cm/分钟，以下焊角长度达到12mm的方式进行附加焊接，制作图1所示的双面角焊接头。
[0062] [表2]
[0063]
[0064] ＜熔渣张力＞
[0065] 对于制作的各接头，通过目视，观察附加焊接的焊接金属4表面的熔渣的状态。其结果是，附加焊接的焊接金属4表面的颜色均匀的为◎，斑驳的为○。
[0066] ＜疲劳试验＞
[0067] 图2是表示疲劳试验的方法的侧视图。疲劳强度，是由图1所示的双面角焊接头上，切下图2所示的试验片10，进行部分脉动三点弯曲疲劳试验而评价。这时，使用株式会社テークスグループ制200kN疲劳试验机(PA24901)，试验条件为，环境温度：室温，支点11间的距离：150mm，以正弦波进行载荷控制，频率：15Hz，应力比：0.1(部分脉动)。还有，图2所示的箭头x，表示载荷外加方向。
[0068] 然后，使重复次数为50万次，以其时间强度作为疲劳强度进行测量。其结果是，疲劳强度在300MPa以上的为◎(优)，250MPa以上、低于300MPa的为○(良)，低于250MPa的为×(差)。
[0069] ＜抗裂纹性＞
[0070] 焊接金属的抗裂纹性，基于JIS Z3155，进行C型拘束裂纹试验，根据其结果进行评价。这时，使焊接电流为280A，焊接速度为40、50、70cm/分钟。而后，在焊接后，进行X射线透射试验，在40cm/分钟时也发生了裂纹的评价为×(差)，仅在40cm/分钟时未发生裂纹的评价为△(合格)，在50cm/分钟以下的速度下未发生裂纹的评价为○(良)，在70cm/分钟时仍未发生裂纹的评价为◎(优)。
[0071] ＜韧性＞
[0072] 整个焊缝金属的韧性，基于JIS Z3111，进行0℃下的整个焊缝金属的冲击性能试验，根据其结果进行评价。然后，0℃下的冲击性能为60J以上的为◎(优)，47J以上、低于60J为○(良)。另外，通常，焊接接头部的机械性能，由主焊接部保证，因此对于附加焊接部不要求主焊接部那种程度的性能。因此，在本实施例中，即使0℃下的冲击性能低于47J，如果在10J以上，则在实用上也可以适用，因此10J以上且低于47J的为△(合格)。另一方面，0℃下的冲击性能低于10J的，焊接金属过度硬化，压力矫正时存在发生裂纹的可能性，因此为×(差)。
[0073] 以上的结果一并显示在下述表3和表4中。还有，下述表3和表4所示的附加焊接的焊丝组成中的余量，是Fe和不可避免的杂质。另外，Cr和Ni多在钢制外皮中作为不可避免的杂质存在。例如，表4所示的比较例的No.39中，含有Cr为0.07质量％，实施例的No.21、22中，含有Ni为0.03质量％，但其作为杂质被添加，并不是积极地添加。如此，在表3和表4所示的附加焊接用焊丝的Cr含量和Ni含量中，也包括作为不可避免的杂质添加的Cr和Ni。
[0074] [表3]
[0075]
[0076] [表4]
[0077] 如上述表4所示，Cr和Ni的总含量高于本发明的范围的比较例的No.30、31中，焊接金属的抗裂纹性差。Si含量不满足本发明的范围的比较例的No.32、和Mn含量不满足本发明的范围的比较例的No.34，焊接部的疲劳强度均差。另一方面，Si含量高于本发明的范围的比较例的No.33、和Mn含量高于本发明的范围的比较例的No.35，焊接金属的抗裂纹性均差。
[0078] Si含量和Mn含量这两者，不满足本发明的范围的比较例的No.36，焊接部的疲劳强度差。另外，Si含量和Mn含量这两者，高于本发明的范围的比较例的No.37、和Si含量低于本发明的范围而Mn含量高于本发明的范围的比较例的No.38，焊接金属的抗裂纹性均差，韧性也低。另一方面，Si含量高于本发明的范围且Mn含量低于本发明的范围的比较例的No.39，焊接金属的抗裂纹性差。
[0079] 未进行附加焊接的比较例的No.40、41，焊接部的疲劳强度差。还有，比较例的No.40、41因为没有进行附加焊接，所以未实施其他的评价。另外，使用大量添加有Cr和Ni的现有的药芯焊丝进行附加焊接的比较例的No.42～45，焊接金属的韧性和抗裂纹性差。
[0080] 相对于此，使用了在本发明的范围内制作的药芯焊丝的实施例的No.1～29，熔渣张力、焊接部的疲劳强度、焊接金属的韧性和抗裂纹性的全部的评价，均能够得到良好的结果。特别是使用了在0.1～0.5质量％的范围内含有Al的药芯焊丝的实施例的No.25～27，全部的项目能够得到优异的结果。
[0081] 由以上的结果可确认，根据本发明，在附加焊接中，可以一边良好地维持焊接金属的抗裂纹性，一边使焊接部的疲劳强度提高。
[0082] 符号的说明
[0083] 1、2 母材
[0084] 3 主焊接的焊接金属
[0085] 4 附加焊接的焊接金属
[0086] 10 试料片
[0087] 11 支点
[0088] x 载荷外加方向
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