CN101352790A

CN101352790A - 焊接金属及二氧化钛系药芯焊丝

Info

Publication number: CN101352790A
Application number: CNA2008101302130A
Authority: CN
Inventors: 岛本正树; 石田齐; 石崎圭人; 坂本浩一
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2028-06-16
Also published as: CN101352790B; JP2009028765A; KR20090012045A; JP5345770B2

Abstract

提供一种二氧化钛系药芯焊丝，其能够取得具有与实芯焊丝同等或在其之上的耐高温裂纹性能的焊接金属，以及能够以高焊接作业性(全姿势焊接)得到该焊接金属。由二氧化钛系药芯焊丝焊接的焊接金属，C的含量为0.029％以上，以相对于焊接金属总质量的质量％计，分别设B、C、Mn、N、P、S、Si、Ti的含量为[B]、[C]、[Mn]、[N]、[P]、[S]、[Si]、[Ti]时，由下述数式定义的固相线温度Ts为1355℃以上，如此含有前述各成分。Ts＝1538－8903×[B]－982×[C]－6.64×[Mn]－511×[N]－368×[P]－3603×[S]－47.0×[Si]－205×[Ti]－17。

Description

焊接金属及二氧化钛系药芯焊丝

技术领域

本发明涉及由TiO₂(二氧化钛)系药芯焊丝(以下称FCW：Flux coredwire)焊接的焊接金属及此二氧化钛系药芯焊丝，特别涉及将焊接金属的耐高温裂纹性改善得与实芯焊丝同等或在其之上的技术。

背景技术

在造船、桥梁等制作大型焊接结构物的领域中，为了实现焊接的效率化，当进行由中板厚板钢板构成的对焊接头的焊接时，要实现接头的狭坡口化，另一方面，要增多每1层焊道的的熔敷量，以1～3层焊道左右的尽可能少的焊道数完成焊接，因此采用在借助气体保护电弧焊的少焊道高热能输入下实施的高效率焊接法。在这种高效率焊接法中，对于焊接用焊丝而言，比起实芯焊丝，多采用熔敷速度大的FCW。

此二氧化钛系的全姿势用FCW，不仅能够以1根焊丝进行全姿势焊接，而且还具有良好的焊接作业性、高效率性及良好的焊接金属性能等特征(专利文献1)。

但是，作为二氧化钛系FCW的缺点之一可列举的一点是，二氧化钛系FCW与实芯焊丝相比，其耐高温裂纹性能、特别是坡口初层部及狭窄部在焊接时的耐高温裂纹性能差。在这样的现状下，关于焊接金属的高温裂纹性能的提高就受到研究(例如，非专利文献1)。在该非专利文献1的出版物中，记述有P、S及B等元素使耐高温裂纹性显著劣化，另外还记述作为该高温裂纹的防止，Mn的添加有效等。这些P、S及B等的元素，被推测为在焊接金属凝固时最终凝集在凝固部，成为低熔点的共晶。该共晶的部分以熔融状态残留，并受到来自周围的凝固收缩，在凝固结束后使裂纹发生。

另一方面，在专利文献2中，是对于焊接金属添加Nb造成组成的过冷，以及添加Al和Ti带来核生成催化效果，利用这两种复合效果而使焊接金属中央部的柱状晶等轴晶化，由此抑制高温裂纹。

【专利文献1】特开2002-137090号公报

【专利文献2】特开2004-358552号公报

【非专利文献1】焊接学会志第49卷(1980年)第1号第19～23页及第44卷(1975年)第7号第20～25页等

【非专利文献2】金属材料，Vol.17，No.7，18～24页

然而，如前述，非专利文献1所公开的二氧化钛系FCW，无法满足最近对于二氧化钛系药芯焊丝的耐高温裂纹性能的要求。近来，作为耐高温裂纹性能，具体来说要求具有与实芯焊丝同等的耐高温裂纹性能。

另外在专利文献2中，要过剩地添加Al，而这种过剩的Al添加会成为焊接金属的延性降低的原因，因此不为优选。

如此，具有良好的作业性，并具有实芯焊丝水平的耐高温裂纹性能的二氧化钛系FCW目前尚不存在。

发明内容

本发明鉴于这一问题点而做，其目的在于提供一种二氧化钛系药芯焊丝，其能够取得具有与实芯焊丝同等或在其之上的耐高温裂纹性能的焊接金属，以及能够以高焊接作业性(全姿势焊接)得到该焊接金属。

本发明的焊接金属其特征为，在由二氧化钛系药芯焊丝焊接的焊接金属中，C的含量为0.029％以上，以相对于焊接金属总质量的质量％计，分别设B、C、Mn、N、P、S、Si、Ti的含量为[B]、[C]、[Mn]、[N]、[P]、[S]、[Si]、[Ti]时，由下述数式1定义的固相线温度Ts为1355℃以上，如此来含有前述各成分。

【数式1】

Ts＝1538-8903×[B]-982×[C]-6.64×[Mn]-511×[N]-368×

[P]-3603×[S]-47.0×[Si]-205×[Ti]-17

本发明的焊接金属，优选具有如下组成：含有B：0.005质量％以下(不含0)、N：0.0045～0.02质量％、Ti：0.025～0.1质量％、Mn：1.0～1.7质量％、Si：0.2～0.7质量％、C：0.05～0.09质量％及O：0.05～0.09质量％，此外还含有Cu、Ni、Cr、Mo、Al、Nb及V之中的至少1种元素0.5质量％以下(不含0)，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

本发明的二氧化钛系药芯焊丝，是在钢制外皮之中填充焊剂而成，以普通钢为焊接对象，是用于得到权利要求1～3中任一项所述的焊接金属的二氧化钛系药芯焊丝，其中，每焊丝总质量中，含有N：0.001～0.022质量％、TiO₂：5～7质量％、Mn：2.30～3.75质量％及C：0.030～0.055质量％，此外，以相对于焊丝总质量的含量(质量％)计，分别设B、C、Mn、N、P、S、Si、Ti、TiO₂的含量为[B]、[C]、[Mn]、[N]、[P]、[S]、[Si]、[Ti]、[TiO₂]时，由下述数式2定义的固相线温度Ts为1355℃以上，如此来含有前述各成分。

【数式2】

Ts＝1538-2938×[B]-1640×[C]-3.05×[Mn]-327×[N]-261×

[P]-2594×[S]-26.3×[Si]-17.5×[Ti]-1.95×[TiO₂]-25.5

在该二氧化钛系药芯焊丝中，优选还含有B：0.0155质量％以下(不含0)、Si：0.85质量％以下(不含0)或Ti：0.60质量％以下(不含0)。

在本发明中，通过以焊接金属成分的含量为基础由数式1计算的固相线温度为1355℃以上，，能够改善焊接金属的耐高温裂纹性能。

根据本发明，能够得到耐高温裂纹性能优异的焊接金属，并且作为用于得到该焊接金属的二氧化钛系药芯焊丝，能够得到合姿势焊接中的焊接作业性得到提高的药芯焊丝。

附图说明

图1是表示耐高温裂纹性试验中使用的焊接母材的坡口形状的剖面图。

图2是表示比较例1～5、实施例6～23的固相线温度和裂纹率的关系的曲线图。

符号的说明

1：母材

2：耐火材

3：铝带

具体实施方式

以下，参照附图对于本发明进行具体地说明。首先，就本发明的焊接金属的成分添加理由及组成限定理由进行说明。

“B：0.005质量％以下(不含0)”

P作为使焊接金属部的韧性提高的元素而被添加，但B的含量若超过0.005质量％，则耐高温裂纹性差，因此优选为0.005质量％以下。

“N：0.0045～0.02质量％”

N是确保焊接金属部的强度的元素。另外，N将B作为BN固化，从而具有改善耐高温裂纹敏感性的效果。但是，这些效果在N低于0.0045质量％时其效果不充分。另一方面，若N含量超过0.02质量％，则使焊接金属部的韧性显著降低。因此，N优选为0.0045～0.02质量％。

“Ti：0.025～0.1质量％”

Ti作为脱氧剂以及用于提高作业性而添加，但是当Ti低于0.025质量％时，其效果不充分，反之若含有Ti超过0.1质量％，则焊接金属的韧性降低。因此，Ti优选为0.025～0.1质量％。

“Mn：1.0～1.7质量％”

Mn作为脱氧剂以及用于调整焊接金属的机械的性质而添加，但是当Mn低于1.0质量％时，焊接金属的韧性(冲击值)低。另外，若Mn超过1.7质量％，则焊接金属的强度过高。因此，Mn量优选为1.0～1.7质量％。

“Si：0.2～0.7质量％”

Si作为脱氧剂以及用于调整焊接金属的流动性以优化焊道的熔合而添加。但是，当Si低于0.2质量％时，焊道容易变成凸状焊道，另外因脱氧不足导致的气泡(气孔)多发。另一方面，若Si超过1.7质量％，则焊接金属的强度过高，焊接金属的韧性显著降低，并且耐高温裂纹性恶化。因此，Si量优选为0.2～0.7质量％。

“C：0.029质量％以上，优选C：0.05～0.09质量％”

C是使焊接金属的强度增加的元素，因此需要添加0.029质量％以上。另外，当C低于0.05质量％时，则不能获得期望的强度。另一方面，若C超过0.09质量％，则焊接金属的韧性降低，因此不为优选。因此优选C为0.05～0.09质量％。

“O：0.05～0.09质量％”

一般来说，钢中的氧有着使韧性及延展性特性降低的倾向，优选使O为0.09质量％以下。另一方面与之相对的是，在焊接金属内含有0.05质量％以上的氧，微细分散的夹杂物被形成，从而能够得到良好的韧性。根据以上，氧含量优选为0.05～0.09质量％。

“Ts≤1355℃”

在关于焊接金属的高温裂纹性能的研究(例如非专利文献2)中，对焊接金属的高温裂纹的发生机理有如下公开。若焊接金属开始凝固，同在凝固中存在延性极的凝固脆性温度区域(BTR)，在固相和液相混杂的该温度域(BTR)中，低熔点元素在液相中偏析，由于在该凝固结束之前存在的低熔点元素的液相区域无法对抗收缩应变，从而导致裂纹发生。因此，作为高温裂纹抑制方法，认为有效的是缩小凝固脆性温度区域(BTR)。

但是，来自本发明者等的实验研究的结果判明，在根据焊接金属部的组成来估计液相的熔点的手法中，依据偏析等的影响实际上并不能正确地评价高温裂纹发生的凝固结束部的液相的熔点。其结果是，不能得到正确的高温裂纹抑制指标，存在不能开发出耐高温裂纹性得以改善的焊丝的现状。因此本发明者在对焊接头这样以少焊道高热能输入进行的气体保护电弧焊中，为了改善初层焊道的耐高温裂纹性而进行各处的实验，另外，考虑焊接金属部的冷却速度及焊接金属成分的扩散、固相和液相之间的成分的分配、焊接金属的柱状晶的凝固形态，计算焊接金属成分的偏析程度，其结果发现，由数式1定义的参数Ts(固相线温度)是对初层焊道的耐高温裂纹性造成影响的参数。而且，以该参数Ts为基础进行了各种实验，其结果发现，将Ts控制在1355℃以上的范围，对于改善初层焊道的耐高温裂纹性极其有效。

“Cu、Ni、Cr、Mo、Al、Nb、V：0.5质量％以下(不含0)”

另外在本发明中，为了调整焊接金属的强度及韧性，如果使Cu、Ni、Cr、Mo、Al、Nb、V的至少1种以上在0.5质量％以下的范围内，则不会对固相线温度Ts造成影响，因此也可以含有。

“P：0.015质量％以下”

P是杂质元素，但是若P含量超过0.015质量％，则而高温裂纹性显著变差，因此P优选为0.015质量％以下。

“S：0.015质量％以下”

S是杂质元素，但是若S含量超过0.015质量％，则而高温裂纹性显著变差，因此S优选为0.015质量％以下。

其次，对于本发明的二氧化钛系药芯焊丝进行说明。该二氧化钛系药芯焊线具有的组成为，B：0.0155质量％以下(不含0)、P：0.025质量％以下、S：0.021质量％以下、N：0.002～0.022质量％、Ti：0～0.60质量％、TiO₂：5～7质量％、Mn：2.30～3.75质量％、Si：0.85质量％以下(不含0)、C：0.030～0.055质量％。

还有，在药芯焊丝中，作为B源，有Fe-B、Fe-Si-B、B₂O₃等。P、S来自钢制外皮及焊剂原料的杂质，并包含在焊丝中。N源来自钢制外皮及氮化铬、氮化钛、焊剂原料的杂质等，并包含在焊丝中。作为Ti源，有金属Ti、Fe-Ti等。TiO₂源有金红石(rutile)、钛酸钾玻璃及ルコキシン(矿产名)等。还有，若TiO₂比此下限值(5％)低，则立向的作业性劣化，若超过上限值(7％)，则焊接金属的氧量处于高的倾向。作为Mn源，有钢制外皮中的Mn、焊剂中的金属Mn、Fe-Mn、Fe-Si-Mn等。作为Si源，有钢制外皮中的Si、焊剂中的Fe-Si、Fe-Si-Mb、Fe-Si-B、Fe-Si-Mg、REM-Ca-Si等。作为C源有钢制外皮中的C、焊剂中的C单体、铁粉及金属粉的C等。

本发明的焊丝中的Fe含有80％以上，该Fe外皮、铁粉、Fe合金中的Fe等。其他余量，含有作为前述的B、P、S、N、Ti、TiO₂、Mn、Si、C源使用的原料的该成分以外的成分，和金属Cu、Ni、Cr、Mo、Al、Nb、Mg、V、Ca、Zn等不可避免的杂质，以及熔渣生成剂。还有，作为熔渣生成剂，有SiO₂、CaO、Na₂O、ZrO₂、K₂O、Al₂O₃、Li₂O、Bi₂O₃、K₂SiF₆、CaF₂、BaF₂、NaF、V₂O₅、FeO、Nb₂O₅、Cr₂O₃、Fe₂O₃、SnO₂、SrF₂、AlF₃、MgF₂、LiF、CaCO₃、MgCO₃、BaCO₃、Li₂CO₃、Na₂CO₃、Sr₂CO₃等。另外，药芯焊丝的焊剂填充率为焊丝总质量的10～20质量％。

还有，焊接对象母材例如为焊接结构用轧制钢板(SM400B、SM490A)或造船用钢板(AH32、DH36)等的普通钢。这些钢种的组成的一例显示在下述表1中。

【表1】

【实施例】

其次，将本发明的实施例的特性与脱离本发明的范围的比较例进行比较，对于本发明的效果进行说明。

焊接条件如下。

焊接姿势：下向

保护气体：100体积％CO₂

焊接电流：240A

焊接电压：30V

焊接速度：375mm/分

焊丝直径：1.2mm

供试钢板：SM400B

坡口形状：35°V坡口

坡口间隙＝4mm

还有，焊接速度375mm/分为目标值，在实际的焊接试验中，会产生一些速度差。各实施例、比较例中的焊接速度显示在表2-2中。但是，该表2-2所示程度的焊接速度的波动对试验结果造成的影响很小。还有，试验对象的钢种为SM400B钢(组成参照表1)。

由此焊接试验得到的焊接金属的组成(质量％)表示在下述表2-1、2-2中。另外，使用的二氧化钛系药芯焊丝的组成显示在下述表3-1、3-2中。

【表2-1】

【表2-2】

【表3-1】

【表3-2】

图1是表示耐高温裂纹性能试验中使用的焊接母材的坡口形状的剖面图。如图1所示，焊接母材1具有V形的坡口，在该V形的坡口部的背面，配置有作为衬材的耐火物2，该耐火物2由铝带3粘贴在母材1的背面。该V形的坡口角度为35°，配置有衬材

的部分的根部间隔为4mm。而且，焊接电流240A，运条方法为直线，重复数为2次，进行单面焊接，对此初层焊接通过X射线透射试验(JISZ3104)确认内部裂纹，测定其全长。裂纹率根据裂纹率W＝(裂纹总长)/(焊接长)×100计算。

该焊接试验的耐高温裂纹性能的结果一起显示在前述的表2-1、2-2中。在表2-1、2-2的耐高温裂纹性的栏中，对裂纹率W低于5.0％，比现有的品质最高的通用焊丝裂纹率小的附加“○”，对裂纹率W在5.0质量％以上，与现有的通用焊丝为同程度的附加“×”，从而表示评价结果。

如表2-1、2-2所示，固相线温度Ts低于1355℃的比较例1～5，裂纹率均超过5％，耐高温裂纹性差。还有，比较例4、5是现有的通用焊丝，其裂纹率分别为8.0％、9.0％。作为比较例虽然并不突出，但在现有的通用焊丝之中，即使使用品质最高的焊丝，其裂纹率仍以5.0％为界限。

另外，图2横轴设为固相线温度Ts，纵轴设为裂纹率，将表2-1、2-2及表3-1、3-2所示的关系(实施例6～23和比较例1～5的全部的数据)曲线化。如该图2所示，固相线温度Ts为1355℃以上的情况，与在此之外的情况相比较，其裂纹率极小。

Claims

1.一种焊接金属，是由二氧化钛系药芯焊丝焊接而成的焊接金属，其特征在于，含有如下各成分：C的含量为0.029质量％以上，以相对于焊接金属总质量的质量％计，在分别将B、C、Mn、N、P、S、Si、Ti的含量定为[B]、[C]、[Mn]、[N]、[P]、[S]、[Si]、[Ti]时，由下式定义的固相线温度Ts为1355℃以上，

Ts＝1538-8903×[B]-982×[C]-6.64×[Mn]-511×[N]-368×[P]-3603×[S]-47.0×[Si]-205×[Ti]-17。

2.根据权利要求1所述的焊接金属，其特征在于，含有N：0.0045～0.02质量％、Ti：0.025～0.1质量％、Mn：1.0～1.7质量％、Si：0.2～0.7质量％、C：0.05～0.09质量％及O：0.05～0.09质量％，还含有0.5质量％以下但不含0质量％的从Cu、Ni、Cr、Mo、Al、Nb及V中选出的至少1种元素，余量由Fe及不可避免的杂质构成。

3.根据权利要求2所述的焊接金属，其特征在于，含有B：0.005质量％以下但不含0质量％。

4.一种二氧化钛系药芯焊丝，其在钢制外皮中填充焊剂而成，以普通钢为焊接对象，用于得到权利要求3所述的焊接金属，其特征在于，含有如下各成分：以焊丝总质量计，含有N：0.001～0.022质量％、TiO₂：5～7质量％、Mn：2.30～3.75质量％及C：0.030～0.055质量％，并且，以相对于焊丝总质量的质量百分比含量计，在分别将B、C、Mn、N、P、S、Si、Ti、TiO₂的含量定为[B]、[C]、[Mn]、[N]、[P]、[S]、[Si]、[Ti]、[TiO₂]时，由下式定义的固相线温度Ts为1355℃以上，

Ts＝1538-2938×[B]-1640×[C]-3.05×[Mn]-327×[N]-261×[P]-2594×[S]-26.3×[Si]-17.5×[Ti]-1.95×[TiO₂]-25.5。

5.根据权利要求4所述的二氧化钛系药芯焊丝，其特征在于，还含有B：0.0155质量％以下但不含0质量％、Si：0.85质量％以下但不含0质量％、或Ti：0.60质量％以下但不含0质量％。