耐氣候性鋼用氣體保護電弧焊實芯焊絲及使用它的氣體保護電弧焊方法

專利名稱：耐氣候性鋼用氣體保護電弧焊實芯焊絲及使用它的氣體保護電弧焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐氣候性鋼用氣體保護電弧焊實芯焊絲(solid wire)及氣體保護電弧焊方法，特別涉及用于火車等的車輛用、對耐氣候性鋼進行氣體保護電弧焊的耐氣候性鋼用氣體保護電弧焊實芯焊絲及使用了它的氣體保護電弧焊方法。
背景技術(shù)：
歷來，作為耐氣候性鋼規(guī)定有JIS G3114。該JIS G3114即使處于暴露狀態(tài)，因銹穩(wěn)定而形成致密的狀態(tài)構(gòu)成保護膜，從而具有阻止腐蝕進行的性質(zhì)。另外，耐氣候性鋼作為其化學(xué)成分有Cu和Cr，還以適量添加了Cu、Cr和Ni為特長。作為適用于這種鋼材的實芯焊絲有JIS Z3315規(guī)定的“耐氣候性鋼用二氧化碳氣體保護電弧焊實芯焊絲”。這些耐氣候性鋼和耐氣候性鋼用實芯焊絲，被使用在設(shè)計耐久年度長、維護的減輕效果大的橋梁等上的情況較多。
近年來，為了使這樣的耐氣候性鋼的優(yōu)點適用為大廈建筑，還開發(fā)了賦予耐火鋼以耐氣候性機能的焊絲(例如特開來4-294891號公報，特開平5-200582號公報)。另外，還開發(fā)了以橋梁的高效率施工為目的，即使在高熱能、高軋道間溫度仍能夠得到高強度、高韌性的二氧化碳氣體保護電弧焊用的耐氣候性鋼芯心焊絲(例如特開2000-71091號公報)。此外，以防止設(shè)施在海岸附近的橋梁的鹽害腐蝕為目的，還開發(fā)了極力使Cr的含量降低，并且大量添加了Ni的焊絲(例如特開2003-311471號公報，特開2000-141081號公報)。
另外，作為火車等的車輛的臺車用，作為鋼材有舊國鐵規(guī)格JRS 51304-2耐氣候性鋼，作為此JRS 51304-2耐氣候性鋼的焊接材料，使用一般的JIS Z3315規(guī)格材。
然而，在歷來使用的耐氣候性鋼所用的作為焊接材料的焊絲中，存在以下表現(xiàn)出的問題。
作為大量采用耐氣候性鋼的領(lǐng)域，除了橋梁和建筑領(lǐng)域以外，還有火車等的車輛的臺車，不過上述各專利文獻所述的作為焊接材料的焊絲是面向橋梁和建筑領(lǐng)域開發(fā)的，另外因為以二氧化碳氣體焊接法為前提，所以容易發(fā)生飛濺。為此在使用這種焊絲對火車等的車輛的臺車進行焊接時便存在如下等問題(1)因為焊接部的外觀可以看到，所以飛濺的發(fā)生非常不利；(2)與C含量高達0.20質(zhì)量％以上的鑄鐵、鑄鋼的不同材質(zhì)的接頭多，在高強度的焊接材料的使用和熔合度深、母材稀釋高的二氧化碳氣體保護電弧焊中容易產(chǎn)生裂紋的問題；(3)在不同材質(zhì)接頭中若發(fā)生劇烈的成分變化，則腐蝕會選擇性地擴展，因此焊接金屬也需要一定程度的耐氣候性；(4)由于通常曝露于疲勞狀態(tài)下，因此需要與母材的融合性良好需要高韌性；(5)為了防止相同的疲勞破壞，根據(jù)需要應(yīng)消除殘留應(yīng)力而進行焊接后應(yīng)力除去退火(SR)，但是作為焊絲設(shè)計卻未被考慮。
另外，最近從二氧化碳氣體保護電弧焊發(fā)展到大量使用以Ar為主體的混合氣體的焊接法。于是，特別是由于能夠在海外將鐵道架設(shè)向寒冷地和高海拔高地推進，因此為了在這樣的地域也要提高事故時的車輛的碰撞安全性，根據(jù)現(xiàn)有的0～-20℃左右的溫度環(huán)境下的韌性要求，還要求低溫的-45℃左右的溫度環(huán)境下的低溫韌性。
但是，上述各專利文獻所述的焊接材料的焊絲，因為以二氧化碳焊接法為前提，另外不具備低溫韌性，所以存在不能滿足這些要求的問題。
另外，作為火車等的車輛的臺車用的耐氣候性鋼的焊接材料，使用一般JIS Z3315規(guī)格材，但是在JIS Z3315中，沒有規(guī)定保護氣體的區(qū)分，韌性規(guī)定也只是0℃～-5℃。為此在這些焊絲中就存在不能滿足所述要求這樣的問題。
因此就存在以Ar系混合氣體為前提，低溫韌性優(yōu)異且也具備耐氣候性的焊絲尚未開發(fā)的現(xiàn)實狀況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于這些狀況而開發(fā)的技術(shù)，其目的在于提供一種氣體保護電弧焊實芯焊絲和使用了它的氣體保護電弧焊方法，該氣體保護電弧焊實芯焊絲在從室溫至-45℃左右的環(huán)境下也具有高韌性，同時具有優(yōu)異的低飛濺性，不同材質(zhì)接頭也具有良好的耐氣候性、耐裂紋性及強度。
為了解決所述課題，本第一發(fā)明的焊接實芯焊絲，所述實芯焊絲由鋼合金制的焊絲線材構(gòu)成，含有C0.01～0.12質(zhì)量％、Si0.20～1.00質(zhì)量％、Mn1.00～2.00質(zhì)量％、P0.007～0.030質(zhì)量％、S0.025質(zhì)量％以下、Cu0.30～0.60質(zhì)量％、Cr0.50～0.80質(zhì)量％、Al0.020質(zhì)量％以下、Ti0.05～0.17質(zhì)量％、Mo0.10質(zhì)量％以下、N0.0090質(zhì)量％以下、及O0.0150質(zhì)量％以下，設(shè)C的含量為C，P的含量為P時，由C×P×104計算出的系數(shù)為22以下。
根據(jù)如此的構(gòu)成，通過抑制析出元素Ti、Al以外還抑制O、N，能夠防止SR時的焊接金屬的韌性降低，通過Al抑制，能夠取得低飛濺化。另外，除了Cu、Cr以外，對通常不添加的P進行規(guī)定范圍的添加，從而即使在與非耐氣候性鋼的不同材質(zhì)的接頭的情況也確保著耐氣候性能，防止局部腐蝕，從而能夠確保焊接金屬的耐氣候性。另外，通過規(guī)定C和P的影響焊接金屬的耐裂紋性的相關(guān)參數(shù)的上限范圍，既能夠確保焊接金屬的耐氣候性，又能夠防止裂紋。此外，以規(guī)定量含有C、Si、Mn并抑制Mo，能夠使焊接金屬的強度提高，通過以規(guī)定量含有S能夠提高與母材的融合性。
本第二發(fā)明的焊接實芯焊絲，是所述實芯焊絲在鋼合金制的焊絲線材的表面設(shè)有Cu鍍層，其含有C0.01～0.12質(zhì)量％、Si0.20～1.00質(zhì)量％、Mn1.00～2.00質(zhì)量％、P0.007～0.030質(zhì)量％、S0.025質(zhì)量％以下、Cu0.30～0.60質(zhì)量％、Cr0.50～0.80質(zhì)量％、Al0.020質(zhì)量％以下、Ti0.05～0.17質(zhì)量％、Mo0.10質(zhì)量％以下、N0.0090質(zhì)量％以下、及O0.0150質(zhì)量％以下，所述Cu鍍層的Cu含量為0.25質(zhì)量％以下，設(shè)C的含量為C，P的含量為P時，由C×P×104計算出的系數(shù)為22以下。
根據(jù)如此的構(gòu)成，通過抑制析出元素Ti、Al以外還抑制O、N，能夠防止SR時的焊接金屬的韌性降低，通過Al的抑制，能夠取得低飛濺化。另外，除了Cu、Cr以外，對通常不添加的P進行規(guī)定范圍的添加，即使在與非耐氣候性鋼的不同材質(zhì)的接頭的情況也能確保耐氣候性能，防止局部腐蝕，從而能夠確保焊接金屬的耐氣候性。另外，通過規(guī)定C和P的影響焊接金屬的耐裂紋性的相關(guān)參數(shù)的上限范圍，既能夠確保焊接金屬的耐氣候性，又能夠防止裂紋。此外，以規(guī)定量含有C、Si、Mn并抑制Mo，能夠使焊接金屬的強度提高，通過以規(guī)定量含有S能夠提高與母材的融合性。
另外，通過施加Cu鍍層，焊絲的拉絲性優(yōu)異，另外能夠使耐銹性和接頭的耐磨損性提高。在施加Cu鍍層時，通過將鍍敷的Cu規(guī)定得很低而能夠得到焊接金屬的低飛濺化。
在上述本第一發(fā)明和本第二發(fā)明中，焊接實芯焊絲也可以還含有如下之中的至少1種Ni0.05～0.80質(zhì)量％、B0.0005～0.0030質(zhì)量％、K0.5～20ppm。
根據(jù)如此的構(gòu)成，通過以規(guī)定量含有Ni、B、K，能夠進一步促進焊接金屬的耐氣候性的提高、低溫韌性的提高、低飛濺化。
本發(fā)明的氣體保護電弧焊方法，是使用所述記載的焊接實芯焊絲，對耐氣候性鋼彼此或者耐氣候性鋼與碳鋼進行氣體保護電弧焊，作為保護氣體，使用如下任意一種混合氣體Ar75～95體積％且余量為CO2；Ar90～98體積％且余量為O2；及Ar75～95體積％且余量為CO2+O2。
根據(jù)如此的構(gòu)成，作為保護氣體使用Ar+CO2、Ar+O2或者Ar+CO2+O2的混合氣體，通過使這些氣體組成處于規(guī)定范圍，能夠得到耐氣孔(blowhole)性、低飛濺性、高韌性、焊珠(bead)形狀改善優(yōu)異的焊接金屬。
根據(jù)本發(fā)明的焊接實芯焊絲，通過將實芯焊絲的成分規(guī)定在規(guī)定范圍而得到的焊接金屬，在進行車輛的臺車等的焊接中所適合的耐氣候性鋼彼此的氣體保護電弧焊、或者進行耐氣候性鋼與鑄鐵·鑄鋼等的碳鋼這種不同材質(zhì)接頭的氣體保護電弧焊的任意一種中，耐氣候性、低溫韌性、強度及耐裂紋性均優(yōu)異，同時低飛濺性、焊珠形狀、耐氣孔性、焊絲送進性等均優(yōu)異。
另外，根據(jù)本發(fā)明的氣體保護電弧焊方法，通過將保護氣體的組成控制在規(guī)定范圍，從而能夠得到耐氣孔性、低飛濺性、低溫韌性、焊珠形狀優(yōu)異的焊接金屬，在耐氣候性鋼彼此、或耐氣候性鋼與鑄鐵·鑄鋼等的碳鋼這種不同接頭的任意一種情況下，都能夠進行良好的焊接。
因而，利用本發(fā)明的焊絲和焊接方法，能夠有助于車輛等的安全性、耐久性、疲勞特性、美觀等的提高。


圖1是表示接頭坡口剖面形狀的模式圖。
具體實施例方式
以下就本發(fā)明的實施的方式進行詳細地說明。
本發(fā)明是一種將實芯焊絲的成分規(guī)定在規(guī)定范圍為特征的耐氣候性鋼用氣體保護電弧焊實心焊絲，以及使用了這種焊絲、將保護氣體的組成控制在規(guī)定范圍為特征的氣體保護電弧焊方法。
因為至今為止耐氣候性用焊絲只以橋梁、建筑領(lǐng)域為對像進行開發(fā)、使用，所以其成分設(shè)計是以CO2焊接為前提，且只假定了同種金屬接頭。但是本發(fā)明的目的在于，考慮到低溫的高韌性、低飛濺性、不同材質(zhì)接頭耐氣候性、經(jīng)SR處理的性能穩(wěn)定性等，最適合作為Ar混合氣體(Ar+CO2、Ar+O2、Ar+CO2+O2)用的耐氣候性實芯焊絲。
實芯焊絲由鋼合金制的焊絲線材構(gòu)成，含有規(guī)定量的C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Al、Ti、Mo、N、O，余量是Fe和不可避免的雜質(zhì)，并規(guī)定C和P影響焊接金屬的耐裂紋性的相關(guān)參數(shù)的上限。
另外，也可以在此焊絲線材的表面設(shè)置Cu鍍層。
本發(fā)明者們除了得到低飛濺化的目的以外，為了防止SR時的韌性降低，發(fā)現(xiàn)在抑制析出元素Ti和Al量的同時也要抑制O、N的必要性。還發(fā)現(xiàn)為了確保耐氣候性，除了Cu、Cr還有根據(jù)需要而添加的Ni以外，還以規(guī)定的范圍添加通常不添加的P，由此確保在與非耐氣候性鋼為不同材質(zhì)的接頭的情況下確保耐氣候性，防止局部腐蝕。還指出若積極添加P，則一般來說耐裂紋性會降低，但是這與C和P對耐裂紋性的影響相關(guān)，通過規(guī)定此相關(guān)參數(shù)的上限范圍，以成為既確保耐氣候性又防止裂紋的范圍。另一方面，在實施Cu鍍時，考慮到在Ar+CO2焊接中的熔滴過渡特性，而分別對于焊絲全部量和鍍敷量規(guī)定Cu量，由此得到更進一步的低飛濺化。根據(jù)這些方法能夠制成滿足優(yōu)異的低溫韌性、低飛濺性、耐氣候性、耐裂紋性等的焊絲。
以下，就實心焊絲的成分限定理由進行說明。
(C0.01～0.12質(zhì)量％)C是用于確保焊接部的強度所需要的元素。在車輛和橋梁領(lǐng)域為了取得作為最通用的鋼材強度的490N/mm2以上的強度，需要C含量最低為0.01質(zhì)量％。因此C含量為0.01質(zhì)量％以上。另一方面，若C含量超過0.12質(zhì)量％，則容易發(fā)生高溫裂紋、低溫裂紋和因CO爆發(fā)導(dǎo)致的飛濺。因此，C的含量為0.12質(zhì)量％以下。還有，因為從耐腐蝕性方面出發(fā)而優(yōu)選少，所以更優(yōu)選為0.08質(zhì)量％以下。
(Si0.20～1.00質(zhì)量％)Si是脫氧反應(yīng)中需要的元素。當(dāng)Si含量低于0.20質(zhì)量％時，脫氧不足而有氣孔發(fā)生，另外強度不足。因此Si含量為0.20質(zhì)量％以上，更優(yōu)選為0.40質(zhì)量％以上。另一方面，若Si含量超過1.00質(zhì)量％，則韌性降低，飛濺大?；以黾?。因此Si含量為1.00質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.60質(zhì)量％以下。
(Mn1.00～2.00質(zhì)量％)Mn也是脫氧反應(yīng)中需要的元素，也是用于確保強度所必需的。當(dāng)Mn含量低于1.00質(zhì)量％時，會因脫氧不足而發(fā)生氣孔，另外韌性不足，強度不足。因此Mn含量為1.00質(zhì)量％以上。另一方面，若Mn含量超過2.00質(zhì)量％，則焊接部的強度上升過多而引起低溫裂紋。因此Mn含量為2.00質(zhì)量％以下，從低飛濺性的觀點出發(fā)，更優(yōu)選為1.80質(zhì)量％以下。
(P0.007～0.030質(zhì)量％)P一般是作為使耐裂紋性劣化的元素而知名，對于一般的鋼材來說越少越好，但是P有提高耐氣候性的效果，在本發(fā)明中是必須的。不只是耐氣候性鋼之間，而是與不具備耐氣候性功能的鑄鐵和鑄鋼這種鋼材的不同材質(zhì)接頭的情況下，Cu和Cr以外的具有耐氣候機能的成分被稀釋，焊接金屬的耐氣候性功能容易降低。因此，通過添加一定程度的P能夠確保耐氣候性功能。P在微量的含量下有效，不過最低需要0.007質(zhì)量％，因此P含量為0.007質(zhì)量％以上。另一方面，若P含量超過0.030質(zhì)量％，則耐裂紋性劣化。因此P含量為0.030質(zhì)量％以下。
(S0.025質(zhì)量％以下)S也是使耐裂紋性劣化的元素，并使韌性降低，但在0.025質(zhì)量％以下沒有問題。因此S含量為0.025質(zhì)量％以下。另一方面，S可提高與母材的融合性，具有使疲勞強度提高的效果，優(yōu)異S含量為0.005質(zhì)量％以上，如此則既能夠耐裂紋性又使外觀和接頭疲勞性能提高。不過由于S越少越為優(yōu)選，所以不設(shè)定下限。
(Cu0.30～0.60質(zhì)量％)這里的Cu是焊絲線材中的Cu含量和對焊絲施加鍍敷時該鍍敷部分的Cu附著量的合計。
Cu是用于提高耐氣候性所需要的元素，Cu含量作為焊絲的整體來說最低需要0.30質(zhì)量％。因此Cu含量為0.030質(zhì)量％以上。另一方面，若超過0.60質(zhì)量％，則容易發(fā)生高溫裂紋，因此Cu含量為0.60質(zhì)量％以下。
(Cr0.50～0.80質(zhì)量％)Cr也是用于提高耐氣候性所需要的元素。雖然在耐鹽害腐蝕性上Cr是有害的，但是作為車輛用和一般橋梁使用時因為無需耐鹽害腐蝕性，所以為了得到作為一般的耐氣候性鋼用的性能而積極添加。為了提高耐氣候性，最低需要0.50質(zhì)量％。因此Cr含量為0.50質(zhì)量％以上。另一方面，若超過0.80質(zhì)量％，則強度過高而容易發(fā)生低溫裂紋，并且韌性也降低。因此Cr含量為0.80質(zhì)量％以下。
(Al0.020質(zhì)量％以下)Al是在SR時使低溫韌性劣化，并使飛濺增加的元素。若Al含量超過0.020質(zhì)量％，則韌性降低顯著，飛濺也變多。現(xiàn)在在熔煉時為了提高潔凈度大多進行被稱為鋁鎮(zhèn)靜(aluminum-killed)的脫氧、脫氮處理，但這種情況下，Al含量大多超過0.020質(zhì)量％。因此應(yīng)該積極地注意使Al含量處于0.020質(zhì)量％以下而進行制鋼處理。還有，因為Al越少越為優(yōu)選，所以不設(shè)定下限。
(Ti0.05～0.17質(zhì)量％)Ti有很強的氧化物，與保護氣體中的O2和CO2這樣的氧化性氣體結(jié)合，一部分殘留在熔渣中，一部分殘留在焊接金屬中。焊接金屬中的Ti適量能夠使結(jié)晶粒微細化從而得到高韌性。但是若變得過剩，則成為粗大的析出物而成為脆性破壞的起點。特別是在SR處理中韌性降低顯著。與使用二氧化碳氣體相比，由于Ar混合氣體氧化性氣體的分壓低，所以Ti的少量添加能夠使焊接金屬的結(jié)晶粒微細化而得到高韌性。具體來說，若Ti含量超過0.17質(zhì)量％，則韌性降低，因此Ti的含量為0.17質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.14質(zhì)量％以下。此外若在0.10質(zhì)量％以下，則在SR時的韌性也提高，并且飛濺小?；附幼鳂I(yè)性優(yōu)異。另一方面，當(dāng)Ti含量低于0.05質(zhì)量％時沒有結(jié)晶粒微細化的效果，不適合在-45℃左右的溫度下使用。另外，因為比較小粒的飛濺大量發(fā)生，所以優(yōu)選Ti含量為0.05質(zhì)量％以上，從提高電弧穩(wěn)定性的觀點出發(fā)更優(yōu)選為0.07質(zhì)量％以上。還有，耐氣候性鋼用實芯焊絲的JIS規(guī)格Z3315中沒有規(guī)定Ti。一般來說作為二氧化碳氣體用，作為高電流用而添加Ti0.18～0.25質(zhì)量％，作為短路焊接的低電流用而不添加的情況較多。但是本發(fā)明作為Ar混合氣體用而優(yōu)選進行少量的添加。
(Mo0.10質(zhì)量％以下)Mo一般來說是用于提高焊接金屬的高強度化的元素。但是因為在車輛中如上述與C含量多的鑄鐵、鑄鋼為不同材質(zhì)的接頭也多，所以焊接金屬強度容易變得過剩，過剩強度會引起低紋裂紋的發(fā)生。因此對于鋼材來說需要避免過剩的強度匹配過度(overmatching)。若Mo的含量超過0.10質(zhì)量％，則容易發(fā)生強度過剩造成的裂紋。因此Mo含量為0.10質(zhì)量％以下，優(yōu)選為0.05質(zhì)量％以下。還有，因為Mo越少越為優(yōu)選，所以不設(shè)定下限。
(N0.0090質(zhì)量％以下)N是使韌性降低的元素。因為在保護不良時也會有氮從大氣混入，所以需要管理，優(yōu)選極力從焊絲中使其降低。若N含量超過0.0090質(zhì)量％，則韌性顯著降低，因此N含量優(yōu)選為0.0090質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.0070質(zhì)量％以下。還有，因為N越少越為優(yōu)選，所以不設(shè)定下限。
(O0.0150質(zhì)量％以下)焊絲表面和熔滴表面的氧量因為多會改善熔滴過渡特性而優(yōu)選，但是若氧進入焊接金屬則形成氧化物，在SR時析出會使之脆化。為此作為焊絲整體優(yōu)選為少。因此O含量為0.0150質(zhì)量％以下，優(yōu)選為0.0100質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.0050質(zhì)量％以下。還有因為O越少越為優(yōu)選，所以不設(shè)定下限。
(不可避免的雜質(zhì))作為不可避免的雜質(zhì)，認為含有例如Nb、V、Zr等，但在不妨礙本發(fā)明的效果的范圍內(nèi)允許含有它們，其含量優(yōu)選為0.050質(zhì)量％以下。
(由C×P×104計算出的系數(shù)22以下)如上所述，C有助于強度的增強，P有助于在接頭材質(zhì)不同時補助耐氣候性功能，但是由于含有它們也會增大高溫裂紋敏感性。但是，設(shè)C的含量為C及設(shè)P的含量為P時，通過將由C×P×104計算出的系數(shù)規(guī)定在22以下，能夠防止高溫裂紋。就是說需要把C、P規(guī)定在各自的范圍，同時滿足本式。還有更優(yōu)選為17以下。
在本發(fā)明的耐氣候性鋼用氣體保護電弧焊接實芯焊絲中，也可以在焊絲線材的表面設(shè)置Cu鍍層。
(鍍層的Cu0.25質(zhì)量％以下)通過施加Cu鍍層，焊絲的拉絲性優(yōu)異，因此能夠以低成本生產(chǎn)。另外，能夠使耐銹性和接頭的耐磨損性提高。
為了確保熱延展性而在線材中不添加Cu，所添加的全部規(guī)定量的Cu僅是鍍敷在焊絲上的鍍敷部分，而此方法在本發(fā)明中不可用。其理由是因為如果在目前的CO2焊接法中使用，則無助于熔滴過渡的穩(wěn)定性，但在本發(fā)明的Ar+CO2焊接的情況下，噴霧熔滴過渡的穩(wěn)定性受到焊絲和熔滴表面附近的氧量很強的影響。即，因為Cu為非氧化性，所以若鍍Cu厚則焊絲表面的氧量低，熔滴表面附近的氧化反應(yīng)不會推進。其結(jié)果是熔滴的氧量被抑制得很低，表面張力和粘性小，熔滴脫離性降低。就是說大粒的飛濺發(fā)生并成為滯動的原因，使焊接作業(yè)性降低。因此，鍍層的Cu含量越低越為優(yōu)選，如果是0.25質(zhì)量％以下，則對于飛濺量抑制來說處于允許范圍。因此鍍層的Cu含量為0.25質(zhì)量％以下，更優(yōu)選為0.20質(zhì)量％以下。還有，鍍層的Cu的含量為0質(zhì)量％，也就是不鍍敷也沒有問題。
在此，優(yōu)選焊絲成分含有Ni、B、K之中的1種以上。以下，就其限定理由進行說明。
(Ni0.05～0.80質(zhì)量％)Ni在用于使耐氣候性提高方面有效。因為僅是Cu、Cr、P難以無涂裝規(guī)格，所以要涂裝使用，但是通過適量添加Ni便能夠成為無涂裝規(guī)格。當(dāng)Ni的含量低于0.05質(zhì)量％時，其效果無法發(fā)揮，因此優(yōu)選為0.05質(zhì)量％以上，更優(yōu)選為0.15質(zhì)量％以上。另一方面，若Ni的含量超過0.80質(zhì)量％，則不僅耐氣候性的效果飽和，而且熔滴的粘性過高，飛濺發(fā)生量容易增加，同時焊珠變成凸?fàn)疃菀琢踊Ａ硗?，Ni為昂貴的元素而容易使成本過大。因此Ni含量優(yōu)選為0.80質(zhì)量％以下。
(B0.0005～0.0030質(zhì)量％)B通過微量的添加而促進結(jié)晶粒微細化，具有使低溫韌性提高的效果。如果B含量最低不是0.0005質(zhì)量％，則微細化的效果無法發(fā)揮，因此優(yōu)選為0.0005質(zhì)量％以上，更優(yōu)選0.0010質(zhì)量％以上。另一方面，B也有容易引起高溫裂紋的缺點。若B含量超過0.0030質(zhì)量％，則容易發(fā)生裂紋。因此，B含量優(yōu)選為0.0030質(zhì)量％以下，若考慮與C含量多的鑄鐵、鑄鋼為不同材質(zhì)接頭，則更優(yōu)選0.0020質(zhì)量％以下。
(K0.5～20ppm)K在Ar為主元素的混合氣體焊接時使電弧穩(wěn)定，作為減少飛濺的元素有效。在二氧化碳焊接中一般這樣的效果不起作用。因為K在熔煉時添加困難，所以一般來說通過如下方法來添加(1)在拉絲工序中使用有碳酸鉀等的K摻入的拉絲潤滑劑，使之殘留在表面；(2)浸漬在含有K的溶液后進行退火，使K在焊絲表面的晶界或粒內(nèi)擴散；(3)通過采用氰化鉀溶液實施銅鍍這樣的方法使K存在于表面附近。其效果是從0.5ppm有效，因此K含量優(yōu)選為0.5ppm以上。另一方面，若K含量超過20ppm，則電弧穩(wěn)定效果飽和，并且焊絲表面的潤滑性喪失，容易使焊絲送進性低劣，另外，鍍敷緊貼性變差而銅鍍剝離，仍是會損害焊絲送進性。因此K含量優(yōu)選為20ppm以下。
接下來，就氣體保護電弧焊方法進行說明。
本發(fā)明的氣體保護電弧焊方法，是使用上述的耐氣候鋼用氣體保護電弧焊實芯焊絲，對耐氣候性鋼之間焊接或者焊接耐氣候性鋼和碳鋼，作為保護氣體使用Ar+CO2、Ar+O2或者Ar+CO2+O2的混合氣體。
(保護氣體組成Ar+CO2、Ar+O2、Ar+CO2+O2)保護氣體是以Ar為主體，與少量的氧化性氣體CO2或O2混合的組成為前提。Ar+CO2的情況下，Ar為75～95體積％且余量為CO2，Ar+O2的情況下，Ar為90～98體積％且余量為O2，Ar+CO2+O2的情況下，Ar為75～95體積％且余量為CO2+O2。
保護氣體為Ar+CO2、Ar+CO2+O2的情況下，Ar低于75體積％時，Ar+O2的情況下，Ar低于90體積％時，熔滴過渡不能維持噴霧狀態(tài)，飛濺發(fā)生，另外因為熔融池的過剩氧化，所以韌性降低。此外焊珠形狀也成為融合性差的焊瘤(overlap)狀。
保護氣體為Ar+CO2、Ar+CO2+O2的情況下，若Ar為95體積％，Ar+O2系的情況下，若Ar超過98體積％，則成為過剩的噴射電弧(sprayarc)狀態(tài)，因卷入Ar而發(fā)生氣孔。另外，若熔融池的粘性變得過高而焊珠變成凸?fàn)?，再有若氧源過少，則母材側(cè)陰極點不穩(wěn)定，電弧發(fā)生方向振蕩，飛濺也大量發(fā)生。
(耐氣候性鋼)作為所應(yīng)用的耐氣候性鋼，一般采用的有Cu-Ni系、Cu-Cr系、Cu-Cr-Ni系的400～490N/mm2級鋼。另外，也適于這些耐氣候性鋼與鑄鋼、鑄鐵等碳鋼的不同材質(zhì)的焊接。適于車輛用途領(lǐng)域，因為作為一般耐氣候性用沒有問題，因此在橋梁等其他領(lǐng)域中使用完全沒有問題。
實施例接下來，將滿足本發(fā)明必要條件的實施例與不滿足本發(fā)明的必要條件的比較例進行比較，就本發(fā)明的實芯焊絲具體加以說明。
首先，使用具有表1～3所示組成的焊絲，根據(jù)表4所示的焊接條件焊接鋼材。在焊接中，使用表1～3所示的保護氣體組成的保護氣體。還有在比較例中，對于不滿足本發(fā)明的構(gòu)成，以在數(shù)值上畫出下線來表示。
作為鋼材使用表5所示的490N/mm2級耐氣候性鋼(a)和鑄鋼(b)，進行耐氣候性鋼(a)之間(以下為(a)/(a))的接頭及耐氣候性鋼(a)和鑄鋼(b)(以下為(a)/(b))的不同材質(zhì)接頭的兩種焊接實驗。
圖1是表示接頭坡口剖面形狀的模式圖。如圖1所示，具有傾斜的端面，板厚為19mm的鋼材1(耐氣候性鋼(a))和板厚為25mm的鋼材2(耐氣候性鋼(a)或鑄鋼(b))的2片鋼材1、2，使其傾斜端面相對，使端面的前端以間隔5mm的狀態(tài)配置。然后對于所形成的坡口進行氣體保護電弧焊，由此形成焊接金屬3。
表1


表2


表3


表4


表5


接下來，對于得到的焊接金屬，按以下所示進行強度、低溫韌性、耐氣候性、耐裂紋性、低飛濺性的試驗，并且進行耐氣孔性、焊珠形狀、焊絲送進性的功能評價。
(強度)關(guān)于強度，對焊接金屬實施維護620℃×1小時的SR處理，進行對(a)/(a)接頭和(a)/(b)接頭的拉伸試驗。
拉伸試驗在(a)/(a)接頭中以490N/mm2以上的抗拉強度為合格。
(低溫韌性)關(guān)于低溫韌性，通過擺錘沖擊試驗測定(a)/(a)接頭和(a)/(b)接頭的-45℃、0℃的擺錘吸收能量。
擺錘吸收能量(a)/(a)接頭和(a)/(b)接頭均以在-45℃下為27J以上為合格。
(耐氣候性)關(guān)于耐氣候性，在(a)/(a)接頭和(a)/(b)接頭中實施耐氣候性能評價試驗。作為耐氣候性能評價試驗，采用JSSC(日本鋼構(gòu)造協(xié)會)推薦的作為腐蝕加速試驗法的發(fā)露型腐蝕試驗。該腐蝕試驗條件在表6中顯示。腐蝕減量在(a)/(a)接頭的情況下為80mg/cm2以下，作為不同材質(zhì)接頭的(a)/(b)接頭在100mg/cm2以下，耐氣候性能為合格。
(耐裂紋性、耐氣孔性、焊珠形狀、焊絲送進性)確認(a)/(a)和(a)/(b)接頭的經(jīng)X射線透射試驗及超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的裂紋(高溫裂紋及低溫裂紋)和氣孔的有無，進行其焊接時的焊珠形狀和焊絲送進性的功能評價。裂紋和氣孔以無缺陷為合格，焊珠形狀無需進行用于防止融合不良的砂輪(grinder)整形時，或者堆高與母材表面的融合性判斷為良好時為合格(○)，需要進行用于防止融合不良的砂輪整形時，或者堆高與母材表面的融合性判斷為不良時為不合格(×)。焊絲送進性在沒有發(fā)生因送進不良造成的斷弧時為合格(○)，在發(fā)生了因送進不良造成的斷弧時為不合格(×)。
(低飛濺性)關(guān)于低飛濺性，是在焊接中、焊接后回收附著在保護焊噴嘴上的飛濺，測定其重量，根據(jù)飛濺發(fā)生量進行評價。附著量為2.0g以下為低飛濺性的范圍，低飛濺性為合格。
這些試驗結(jié)果在表7～8中顯示。
還有，(a)/(b)接頭的抗拉強度，和(a)/(a)接頭及(a)/(b)接頭的0℃的吸收能量作為參考值顯示。
另外，關(guān)于低飛濺性、耐氣孔性、焊珠形狀、焊絲送進性針對(a)/(a)接頭表示。
表6


表7


表8

如表7所示，實施例No.1～32，因為全部的焊絲成分及保護氣體組成滿足本發(fā)明的范圍，所以在(a)/(a)(耐氣候性鋼之間)的接頭、(a)/(b)(耐氣候性鋼與鑄鋼)的不同材質(zhì)接頭中，從0℃至-45℃的低溫域的擺錘吸收能量和耐氣候性、耐裂紋性均優(yōu)異，抗拉強度也確保在母材規(guī)格的下限以上。另外，在(a)/(a)接頭中，完全沒有發(fā)生氣孔、焊珠形狀不良等。另外，低飛濺性和焊絲送進性也優(yōu)異。
另一方面，如圖8所示，比較例33因為C的含量低于下限，所以強度不足。比較例No.34因為C的含量超過上限，所以高溫裂紋發(fā)生，強度高還發(fā)生了低溫裂紋，并且飛濺也多。比較例No.35因為Si低于下限，所以不僅強度不足，而且脫氧不足，還發(fā)生了氣孔。比較例No.36因為Si超過上限，所吸收能量低，飛濺也多。比較例No.37因為Mn低于下限，所以不僅強度不足，而且脫氧不足，還發(fā)生了氣孔，另外吸收能也低。比較例No.38因為Mn超過上限，所以強度過高而發(fā)生低溫裂紋，另外也增加了飛濺。比較例No.39、40因為P均低于下限，所以在有不同材質(zhì)接頭時耐氣候性喪失，腐蝕減量多。比較例No.41因為P超過上限，所以發(fā)生高溫裂紋。
比較例No.42、43、44雖然C、P分別在單獨的范圍內(nèi)滿足規(guī)定，但是因為C×P×104超過本發(fā)明的范圍，所以發(fā)生高溫裂紋。比較例No.45因為S超過上限，所以發(fā)生高溫裂紋。另外盡管在耐氣候性鋼之間吸收能量勉強滿足，但是在不同材質(zhì)接頭的情況下不滿足。比較例No.46雖然只由鍍敷成分構(gòu)成銅成分，但是因為其值低于下限值，所以腐蝕減量多，耐氣候性不足。比較例No.47因為Cu超過上限，所以發(fā)生高溫裂紋。比較例No.48因為銅鍍覆量超過上限值，所以熔滴形成時的表面氧化被抑制，因此表面張力高而熔滴脫離性差，飛濺多。比較例No.49因為Cr低于下限，所以腐蝕減量多，耐氣候性不足。比較例No.50因為Cr超過上限，所以吸收能量不足。另外在不同材質(zhì)接頭中因強度過剩而發(fā)生低溫裂紋。比較例No.51因為Al超過上限，所以吸收能量不足，飛濺也多。
比較例No.52因為Ti低于下限，所以結(jié)晶粒粗大，吸收能量低。另外電弧穩(wěn)定性也差，飛濺多。比較例No.53為JIS Z3315YGA-50W，在整個焊絲中不含Ti。因此同樣結(jié)晶粒粗大，吸收能量低，另外電弧穩(wěn)定性也差，飛濺多。比較例No.54是CO2用焊絲，Ti超過上限。因此SR處理時有過剩的Ti氧化物析出，因此吸收能量降低。比較例No.55因為Mo超過上限，所以不同材質(zhì)接頭時強度過剩而發(fā)生低溫裂紋。比較例No.56因為N超過上限，所以氣孔發(fā)生，為此抗拉強度也低。另外脆化而吸收能量也低。比較例No.57因為O超過上限，所以熔融池中的脫氧被促進，吸收能量降低。No.58因為Ni超過上限，所以飛濺變多，并且熔融池的粘性過剩，從而焊珠呈現(xiàn)為凸?fàn)睢榇诵枰獙γ亢傅肋M行研磨整形。No.59因為B超過上限，所以發(fā)生高裂紋。No.60因為K超過上限，所以焊絲表面的潤濕性受損，焊絲送進性差，電弧不穩(wěn)定。
比較例No.61其保護氣體是Ar+CO2系，但是Ar比率低于下限，因此熔滴過渡不能維持噴霧狀態(tài)，飛濺發(fā)生量多。另外因為熔融池的過剩氧化，吸所以收能量也低。再有焊珠形狀融合性也差而成為焊瘤狀。比較例No.62是Ar+CO2系，但是因為Ar比率超過上限，所以成為過剩的噴射電弧狀態(tài)，因卷入Ar而發(fā)生氣孔。另外熔融池的粘性過高而焊珠形狀變凸。比較例No.63其保持氣體為Ar+O2系，但是因為Ar比率低于下限，所以熔滴過渡不能維持噴霧狀態(tài)，飛濺發(fā)生量多。另外因為熔融池的過剩氧化，所以吸收能也低。此外焊珠形狀融合性也差，成為焊瘤狀。比較例No.64是Ar+O2系，但是因為Ar比率超過上限，所以成為過剩的噴射電弧狀態(tài)，因卷入Ar而發(fā)生氣孔。另外熔融池的粘性變得過高而焊珠形狀變凸。此外氧源過少，母材側(cè)陰極點不穩(wěn)定，電弧發(fā)生方向振蕩，飛濺也大量發(fā)生。
比較例No.65是Ar+CO2+O2系，但是因為Ar比率低于下限，所以熔滴過渡不能維持噴霧狀態(tài)，飛濺發(fā)生量多。另外因為熔融池的過剩氧化，吸所以收能也低。再有焊珠形狀融合性也差而成為焊瘤狀。比較例No.66是Ar+CO2+O2系，但是因為Ar比率超過上限，所以成為過剩的噴射電弧狀態(tài)，因卷入Ar而發(fā)生氣孔。另外熔融池的粘性過高而焊珠形狀變凸。比較例No.67是CO2用焊絲的一種和CO2氣體的組合例。因此飛濺發(fā)生量非常多，焊珠形狀融合性差而成為焊瘤狀。存在吸收能低，不同材質(zhì)接頭時的熔入過剩從而發(fā)生低溫裂紋、高溫裂紋，不同材質(zhì)接頭時的耐氣候性低這樣很多的缺點。
No.68雖然C、P分別在單獨的范圍內(nèi)滿足規(guī)定，但是因為C×P×104超過本發(fā)明的范圍，所以發(fā)生高溫裂紋。No.69是CO2用焊絲，Ti超過上限。因此在SR處理時有過剩的Ti氧化物析出，由此吸收能量降低。No.70保護氣體是Ar+CO2系，但是因為Ar比率低于下限，所以熔滴過渡不能維持噴霧狀態(tài)，飛濺發(fā)生量多。另外因為熔融池的過剩氧化，所以吸收能量也低。再有焊珠形狀融合性也差而成為焊瘤狀。No.71是Ar+CO2系，但是因為Ar比率超過上限，所以成為過剩的噴射電弧狀態(tài)，因卷入Ar而發(fā)生氣孔。另外熔融池的粘性過高而焊珠形狀變凸。此外氧源過少，母材側(cè)陰極點不穩(wěn)定，電弧發(fā)生方向振蕩，飛濺也大量發(fā)生。
以上關(guān)于本發(fā)明的最佳實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不限定于所述實施方式，在不脫離本發(fā)明的范圍下能夠加以變更。
權(quán)利要求
1.一種焊接實芯焊絲，其特征在于，所述實芯焊絲由鋼合金制的焊絲線材構(gòu)成，其含有C0.01～0.12質(zhì)量％、Si0.20～1.00質(zhì)量％、Mn1.00～2.00質(zhì)量％、P0.007～0.030質(zhì)量％、S0.025質(zhì)量％以下、Cu0.30～0.60質(zhì)量％、Cr0.50～0.80質(zhì)量％、Al0.020質(zhì)量％以下、Ti0.05～0.17質(zhì)量％、Mo0.10質(zhì)量％以下、N0.0090質(zhì)量％以下、及O0.0150質(zhì)量％以下，在設(shè)C含量為C、P含量為P時，由C×P×104計算出的系數(shù)為22以下。
2.一種焊接實芯焊絲，其特征在于，所述實芯焊絲在鋼合金制的焊絲線材的表面設(shè)有Cu鍍層，其含有C0.01～0.12質(zhì)量％、Si0.20～1.00質(zhì)量％、Mn1.00～2.00質(zhì)量％、P0.007～0.030質(zhì)量％、S0.025質(zhì)量％以下、Cu0.30～0.60質(zhì)量％、Cr0.50～0.80質(zhì)量％、Al0.020質(zhì)量％以下、Ti0.05～0.17質(zhì)量％、Mo0.10質(zhì)量％以下、N0.0090質(zhì)量％以下、及O0.0150質(zhì)量％以下，所述Cu鍍層的Cu含量為0.25質(zhì)量％以下，在設(shè)C含量為C、P含量為P時，由C×P×104計算出的系數(shù)為22以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接實芯焊絲，其特征在于，還含有Ni0.05～0.80質(zhì)量％、B0.0005～0.0030質(zhì)量％、K0.5～20ppm中的至少一種。
4.一種使用權(quán)利要求1～3中任一項所述的焊接實芯焊絲進行氣體保護電弧焊的方法，其特征在于，作為保護氣體使用Ar75～95體積％且余量為CO2、Ar90～98體積％且余量為O2、及Ar75～95體積％且余量為CO2+O2中的任一種混合氣體，對耐氣候性鋼之間、或者對耐氣候性鋼和碳鋼進行氣體保護電弧焊。
全文摘要
一種使用Ar和CO
文檔編號B23K35/38GK101062534SQ200710091650
公開日2007年10月31日 申請日期2007年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者鈴木勵一, 中野利彥 申請人:株式會社神戶制鋼所