CN101870045A - 药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供耐高温裂纹性、焊接作业性以及焊接金属的机械性质优异的药芯焊丝。该药芯焊丝是在钢制外皮内填充有焊剂的药芯焊丝，其中，焊剂相对于焊丝总质量的填充率为10～25质量％，相对于焊丝总质量，含有C：0.03～0.08质量％、Si：0.10～1.00质量％、Mn：2.4～3.7质量％、Ti：0.15～1.00质量％、TiO2：5.0～8.0质量％、Al：0.20～0.50质量％、Al2O3：0.05～0.50质量％、B：0.003～0.020质量％，余量是铁和不可避免的杂质，并且，满足(4×Ti+10×Al-3×Si)≥1.0的关系式，在所述关系式中，(Ti)是根据所述焊丝中含有的所述Ti和所述TiO2中的所述Ti算出的Ti量。

Description

药芯焊丝
技术领域
本发明涉及适用于由软钢、高张力钢构成的钢板的气体保护电弧焊的药芯焊丝。
背景技术
历来，在适用于气体保护电弧焊的药芯焊丝中，提出了如下的构成。例如，在专利文献1中提出了如下的气体保护电弧焊用药芯焊丝，相对于焊丝总质量含有规定量的TiO2、SiO2、ZrO2、CaO、Na2O、K2O、F、C、Si、Mn、Al、Mg、P、S、B、Bi，余量时Fe和不可避免的杂质，并且，Na2O+K2O、Mn/Si、Al+Mg为规定量。
专利文献1：特开2006-289404号公报
但是，专利文献1中记载的焊丝不含有Ti，另外，Mn的含量也少，因此，在钢板的单面对接接头焊中，存在初层焊接发生高温裂纹的问题。另外，由于焊丝不含有Al2O3，所以存在水平角焊的焊道形状差，或者立向上焊中发生焊道下垂等全姿势焊接中焊接作业性差的问题。另外，由于焊丝的Mn量和B量少，所以还有焊接金属的机械性质(韧性)差的问题。
发明内容
本发明鉴于上述情况而形成，其目的在于提供耐高温裂纹性、焊接作业性以及焊接金属的机械性质优异的药芯焊丝。
为了解决上述课题，本发明的药芯焊丝是在钢制外皮内填充有焊剂的药芯焊丝，其中，焊剂相对于焊丝总质量的填充率为10～25质量％，相对于焊丝总质量，含有C：0.03～0.08质量％、Si(根据焊丝中所含的全部的Si源算出的Si量的总和)：0.10～1.00质量％、Mn(根据焊丝中所含的全部的Mn源算出的Mn量的总和)：2.4～3.7质量％、Ti：0.15～1.00质量％、TiO2：5.0～8.0质量％、Al：0.20～0.50质量％、Al2O3：0.05～0.50质量％、B：0.003～0.020质量％，余量是铁和不可避免的杂质，并且，满足(4×Ti+i0×Al-3×Si)≥1.0的关系，在所述关系式中，(Ti)是根据所述焊丝中含有的所述Ti和所述TiO2中的所述Ti算出的Ti量。
根据所述构成，焊剂相对于焊丝总质量的填充率为规定量，即相对于焊丝总质量，含有规定量的C、Si、Mn、Ti、TiO2、Al、Al2O3和B，由此，在焊接时，能够抑制飞溅的发生，抑制烟尘的发生，改善焊渣剥离性，并且，提高焊接接头(焊接金属)的机械性质，并且，抑制初层焊接部的高温裂纹。另外，Ti量、Al量和S i量满足规定的关系，即满足(4×Ti+10×Al-3×Si)≥1.0，由此，焊接时Ti有助于脱氧反应，能够将焊接金属中产生的夹杂物的组成控制为对核生成有促进效果的Ti系氧化物组成。其结果，能够使焊接金属的凝固组织微细化，提高高温裂纹的抑制作用。
根据本发明的药芯焊丝，焊剂填充率为规定量，即含有规定量的C、Si、Mn、Ti、TiO2、Al、Al2O3、B，并且药芯焊丝中所含的Ti量、Al量和Si量满足规定的关系，由此，单面对接接头焊的初层焊接部中的耐高温裂纹性优异，并且，全姿势焊接中的焊接作业性(包括焊道外观)以及焊接金属的机械特性优异。其结果是能够提供品质优异的焊接制品。
附图说明
图1(a)～(d)是表示本发明的药芯焊丝的构成的截面图。
图2是表示用于耐高温裂纹性的评价的焊接母材的坡口形状的截面图。
符号的说明
1药芯焊丝(焊丝)
2钢制外皮
3焊剂
4接头
5焊接母材
6耐火物
7铝带
具体实施方式
对本发明的药芯焊丝进行详细说明。图1(a)～(d)是表示药芯焊丝的构成的截面图。
如图1(a)～(d)所示，药芯焊丝(以下称为焊丝)1由形成为筒状的钢制外皮2和填充在该筒内的焊剂3构成。另外，焊丝1可以是图1(a)所示的在无缝钢制外皮2的筒内填充有焊剂3的无缝型，也可以是图1(b)～(d)所示的在有接缝4的钢制外皮2的筒内填充有焊剂3的有缝型。
而且，焊丝1的焊剂填充率为规定量，即含有规定量的C、Si、Mn、Ti、TiO2、Al、Al2O3和B，余量是铁和不可避免的杂质，并且，Ti量、Al量和Si量满足规定的关系(具体地说，(4×Ti+10×Al-3×Si)为规定值以上)。
以下，对焊丝成分(焊剂填充率和成分量)的数值范围及其限定理由进行说明。焊丝填充率以填充在钢制外皮2内的焊剂3的质量相对于焊丝1(钢制外皮2+焊剂3)的总质量的比率进行规定。另外，成分含量以钢制外皮2和焊剂3的成分量的总和表示，以焊丝1(钢制外皮2十焊剂3)中所含的各成分的质量相对于焊丝1的总质量的比率规定。还有，在构成焊丝1的成分中，C、Si、Mn、Ti、TiO2、Al、Al2O3、和B无论从钢制外皮2添加，还是从焊剂3添加，只要在钢制外皮2和焊剂3的至少一个中添加即可。
(焊剂填充率：10～25质量％)
在焊剂填充率低于10质量％时，电弧稳定性变差，飞溅产生量增加，焊接作业性降低。另外，在焊剂填充率超过25质量％时，焊丝的断线等发生，生产性显著劣化。
(C：0.03～0.08质量％)
C为了确保焊接部的淬火性而添加。C量低于0.03质量％时，由于淬火性不足，所以焊接部的强度(抗拉强度)、韧性(吸收能)不足。另外，低C量会导致焊接部(初层焊接部)发生高温裂纹。C量超过0.08质量％时，焊接时的飞溅发生量或烟尘发生量增加，焊接操作性降低。另外，作为被焊接材的钢材的C量多时，焊接部(焊接金属)的C量变多。而且，C成为引起包晶反应的区域时，焊接部(初层焊接部)容易发生高温裂纹。还有，作为C源，例如使用钢制外皮、Fe-Mn等的合金粉、铁粉等。(Si：0.10～1.00质量％)
Si为了确保焊接部的延展性，维持焊道形状而添加。Si量低于0.10质量％时，焊接部的延展性(拉伸率)不足。另外，焊道形状变差，特别是立向上焊时焊道下垂，焊接作业性降低。Si量超过1.00质量％时，焊接部(初层焊接部)发生高温裂纹。在此，所谓Si量是根据焊丝1中含有的全部的Si源算出的Si量的总和。还有，作为Si源例如使用钢制外皮、Fe-Si、Fe-Si-Mn等合金，K2SiF6等的氟化物，锆砂，硅砂，长石等的氧化物。
(Mn：2.4～3.7质量％)
Mn为了确保焊接部的淬火性而添加。Mn量低于2.4质量％时，焊接部的淬火性不足，韧性下降。另外，与作为不可避免的杂质含有的S结合而得到的MnS量也变少。MnS产生的高温裂纹的抑制作用变小，在焊接部(初层焊接部)发生高温裂纹。Mn量超过3.7质量％时，焊接部的强度过大，韧性不足。林外，在焊接部发生低温裂纹。在此，所谓Mn量是根据焊丝1中含有的全部的Mn源算出的Mn量的总和。还有，作为Mn源例如使用钢制外皮、Mn金属粉、Fe-Mn、Fe-Si-Mn等合金。
(Ti：0.15～1.00质量％，优选为0.20～1.00质量％)
Ti(金属Ti)为了改善焊接部(初层焊接部)的耐高温裂纹性而添加。Ti(金属Ti)在焊接时有助于脱氧反应，能够将焊接金属中的夹杂物控制为Ti系氧化物组成，其结果，能够使焊接部(焊接金属)的凝固组织微细，改善焊接部(初层焊接部)的高温裂纹抑制作用。Ti量(金属Ti)低于0.15质量％时，焊接部(初层焊接部)发生高温裂纹。Ti量(金属Ti)超过1.00质量％时，焊接金属再热部容易成为硬且脆的贝氏体、马氏体，韧性下降。另外，焊接时的飞溅发生量变多，焊接作业性降低。还有，作为Ti源，例如使用钢制外皮、Fe-Ti等的合金粉。
(TiO2：5.0～8.0质量％)
TiO2(Ti氧化物)为了确保全姿势焊接性而添加。TiO2量(Ti氧化物)低于5.0质量％时，在立向上焊中焊道下垂，焊接作业性降低。TiO2量(Ti氧化物)超过8.0质量％时，焊接时的焊渣剥离性劣化，焊接作业性降低。另外，焊剂3的体积比重变小，生产性劣化。还有，作为TiO2源例如使用金红石等。
(Al：0.20～0.50质量％，优选为0.20～0.40质量％)
Al是强脱氧剂，从焊接接头(焊接金属)中生成的夹杂物中还原由比Al脱氧性弱的Si构成的SiO2，能够将夹杂物的组成控制为对核生成有促进效果的Ti系氧化物组成的夹杂物。其结果，能够使焊接金属的凝固组织微细。另外，使焊接金属的氧量下降，Mn的存留量稳定，改善焊接部(初层焊接部)的高温裂纹抑制作用，韧性也稳定化。Al量低于0.20质量％时，脱氧不充分，焊接部(初层焊接部)发生高温裂纹。另外，韧性也降低。Al量超过0.50质量％时，焊接时的飞溅发生量变多，焊接作业性下降。还有，作为Al源例如使用钢制外皮、Al金属粉、Fe-Al、Al-Mg等的合金粉。
(Al2O3：0.05～0.50质量％，优选为0.05～0.40质量％)
Al2O3是为了水平角焊姿势的焊道形状，防止立向上姿势的焊道下垂而添加。Al2O3量低于0.05质量％时，水平角焊姿势的焊道形状变差，另外，立向上焊的焊道下垂发生，焊接作业性降低。Al2O3量超过0.50质量％时，焊接时的焊渣剥离性劣化，焊接作业性降低。还有，作为Al2O3源例如使用氧化铝和长石等的复合氧化物。
(B：0.003～0.020质量％)
B中的溶存B在γ晶界偏析，具有抑制初析铁素体的生成的效果，对于改善焊接金属的韧性有效。B量低于0.003质量％时，大部分的B形成BN固定化为氮化物，抑制初析铁素体的生成的效果丧失，不能得到改善韧性的效果。B量超过0.020质量％时，焊接金属的高温裂纹容易发生。还有，作为B源例如使用Fe-B、粉化B等的合金。
((4×Ti+10×Al-3×Si)≥1.0)
通过将焊丝1中所含的Ti量(金属Ti)控制在规定的范围内，在焊接时Ti(金属Ti)有助于脱氧反应，能够将焊接接头(焊接金属)中生成的夹杂物的组成控制为对核生成促进有效的Ti系氧化物组成。其结果，能够使焊接金属的凝固组织微细，能够显著改善高温裂纹抑制作用。另外，对于对核生成促进有效的Ti系氧化物组成，优选不含有降低夹杂物融点的SiO2。另外，Al是强脱氧剂，还原由比Al脱氧性弱的S i构成的SiO2，具有能够将夹杂物的组成控制为对核生成有促进效果的Ti系氧化物组成的夹杂物的效果。为此，通过规定焊丝1中所含的Ti量(金属Ti)、Al量以及Si量的关系，能够将Ti系氧化物组成通过凝固组织微细化控制为有效的组成，对于焊接金属的凝固组织在高温裂纹抑制作用的改善中也能够形成优选的形态。
(4×Ti+10×Al-3×Si)＜1.0时，焊接接头的凝固组织不会微细化。因此，(4×Ti+10×Al-3×Si)≥1.0。
在此，(Ti)是根据所述焊丝1中含有的所述Ti和所述Ti O2中的所述Ti(金属Ti)算出的Ti量，不包括根据焊丝1中所含的所述TiO2算出(换算)的Ti量。
另外，所谓(Si)是根据焊丝1中含有的全部的所述Si源算出的Si量的总和。还有，所述SiO2作为Si源使用，例如包含于锆砂、硅砂、长石等的氧化物。
(Fe)
余量Fe相当于构成钢制外皮2的Fe，和/或在焊剂3中添加的铁粉、合金粉的Fe。
(不可避免的杂质)
作为余量的不可避免的杂质，能够例举S、P、Ni、O、Zr等，可以在不妨碍本发明的效果的范围内含有。S量、P量、Ni量、O量、Zr量分别优选为0.050质量％以下，是钢制外皮2和焊剂3中的各成分量的总和。
还有，钢制外皮2和焊剂3以焊丝制作时所述焊丝成分(成分量)在所述范围内的方式选择钢制外皮2和焊剂3的各成分(各成分量)。
另外，可以在焊丝1的表面镀Cu，相对于焊丝总质量，可以含有0.35质量％以下的Cu。
实施例
对于本发明的药芯焊丝，比较满足本发明的要件的实施例和不满足本发明的要件的比较例具体地进行说明。
在钢制外皮(钢使用的是含有C：0.03质量％、Si：0.02质量％、Mn：0.25质量％、P：0.10质量％、S：0.007质量％，余量是Fe和不可避免的杂质)的内侧填充焊剂，制成由表1、2中所示的焊丝成分构成的焊丝径1.2mm的图1(b)所示的焊丝1(实施例：No.1～19，比较例：No.20～40)。
还有，焊丝成分通过如下的测定方法测定、算出。
C量通过“红外线吸收法”测定。Si量、Mn量和B量是将焊丝全量溶解，通过“ICP发光分光分析法”测定。
TiO2量(作为TiO2等存在，不含Fe-Ti等)通过酸分解法测定。在酸分解法中使用的溶剂使用王水，溶解焊丝全量。由此，焊丝1中所含的Ti源(Fe-Ti等)溶解于王水，但由于TiO2源(TiO2等)不溶于王水，所以残留。使用过滤器(滤纸为5C的细度)将该溶液滤过，将过滤器中的残渣转移到镍制的甘锅，用气体加热器加热、灰化。接着添加碱性溶剂(氢氧化钠和过氧化钠的混合物)，再次用气体加热器加热溶解残渣。接着，添加18质量％盐酸使熔解物溶液化后，转移到烧瓶中，再加入纯水混合得到分析液。通过“ICP发光分光分析法”测定分析液中的Ti浓度。将该Ti浓度换算成TiO2量，算出TiO2量。
Ti量(作为Fe-Ti等存在，不含TiO2等)通过“酸分析法”，在王水中溶解焊丝全量，过滤不溶的TiO2源(TiO2等)，将该溶液作为焊丝1中所含的Ti源(Fe-Ti等)，通过“ICP发光分光分析法”求得存在的Ti量(Fe-Ti等)。
Al2O3量(作为氧化铝和长石等的复合氧化物存在，不包括Al金属粉等的合金粉)通过“酸分析法”测定。在酸分解法中使用的溶剂使用王水，溶解焊丝全量。由此，焊丝1中所含的Al源(Al金属粉等的合金粉)溶于王水，但由于Al2O3源(氧化铝和长石等的复合氧化物)不溶于王水，所以残留。使用过滤器(滤纸为5C的细度)将该溶液滤过，将过滤器中的残渣转移到镍制的甘锅，用气体加热器加热、灰化。接着添加碱性溶剂(氢氧化钠和过氧化钠的混合物)，再次用气体加热器加热溶解残渣。接着，添加18质量％盐酸使熔解物溶液化后，转移到烧瓶中，再加入纯水混合得到分析液。通过“ICP发光分光分析法”测定分析液中的Al浓度。将该Al浓度换算成Al2O3量，算出Al2O3量。
Al量(作为Al金属粉等的合金粉存在，不含氧化铝和长石等的复合氧化物)通过“酸分析法”，在王水中溶解焊丝全量，过滤不溶的Al2O3源(氧化铝和长石等的复合氧化物)，将该溶液作为焊丝1中所含的Al源(Al金属粉等的合金粉)，通过“ICP发光分光分析法”求得存在的Al量(Al金属粉等的合金粉)。
表1
余量是Fe和不可避免的杂质。
表2
Figure GSA00000088645200091
余量是Fe和不可避免的杂质。
使用制作成的焊丝1，用如下的方法对耐高温裂纹性、机械特性(抗拉强度、吸收能)、焊接作业性进行评价。基于该评价结果进行实施例和比较例的焊丝1的综合评价。
(耐高温裂纹性)
将由JIS G3106SM400B钢(含有C：0.12质量％、Si：0.2质量％、Mn：1.1质量％、P：0.008质量％、S：0.003质量％，余量是Fe和不可避免的杂质)构成的焊接母材，以表3所示的焊接条件进行单面焊接(向下对接焊)。
表3
Figure GSA00000088645200101
图2是表示用于耐高温裂纹性的评价的焊接母材的坡口形状的截面图。如图2所示，焊接母材11具有V形坡口，在该V形坡口的背面设有由陶瓷制的耐火物12和铝带13等构成的衬垫材。而且，坡口角度为35°配置有衬垫材的部分的根间距为4mm。
焊接结束后，对初层焊接部(除去焊口部)通过X射线透过试验(JISZ3104)确认有无内部裂纹，测定裂纹发生部分的总长，算出裂纹率。在此，裂纹率是通过裂纹率W＝(裂纹发生部分的总长)/(初层焊接部长度(除去焊口部))×100而算出。用该裂纹率评价耐高温裂纹性。其结果在表4、5中显示。
还有，评价基准为，焊接电流240A时裂纹率为0％且焊接电流260A时裂纹率为0％时，为“优异：◎”，焊接电流240A时裂纹率为0％且焊接电流260A时裂纹率为10％以下时，为“良好：○”，焊接电流240A时有裂纹且焊接电流260A时有裂纹时，为“差：×”。
(机械特性)
基于JISZ3313评价抗拉强度、0℃吸收能(韧性)。其结果在表4、5中显示。
还有，抗拉强度的评价基准为490MPa以上640MPa以下时为“优异：○”，低于490MPa或者超过640MPa时为“差：×”。另外，0℃吸收能的评价基准为60J以上时为“优异：○”，低于60J时为“差：×”。另外，基于JISZ3313评价拉伸率时，其评价基准为在22％以上时为“优异：○”，低于22％时为“差：×”。
(焊接作业性)
使用与耐高温裂纹性同样的焊接母材，进行向下角焊、水平角焊、立向上角焊、立向下角焊4中焊接，评价作业性。在此，向下角焊试验、水平角焊试验和立向下角焊试验的焊接条件与所述耐高温裂纹性同样(参照表3)。立向上角焊试验的焊接条件为焊接电流200～220A，电弧电压24～27V。其结果在表4、5中显示。
还有，评价基准为在飞溅发生、烟尘发生、焊道下垂、焊道外观等的焊接不良不发生时为“优异：○”，焊接不良发生时为“差：×”。
(综合评价)
综合评价的评价基准为，在所述评价项目中，耐高温裂纹性为“◎”且机械特性和焊接作业性为“○”时，为“优异：◎”，耐高温裂纹性为“○”且机械特性和焊接作业性为“○”时，为“良好：○”，所述评价项目至少一个为“×”时，为“差：×”。
其结果在表4、5中显示。
表4
Figure GSA00000088645200111
表5
如表1、4所示，实施例(No.1～19)由于全部的焊丝满足本发明的范围，所以耐高温裂纹性、机械特性和焊接作业性全部优异(或良好)，综合评价也优异(或良好)。
如表2、5所示，比较例(No.20)由于C量低于下限值，所以耐高温裂纹性和机械特性差，综合评价也差。比较例(No.2)由于C量超过上限值，所以耐高温裂纹性和焊接作业性差，综合评价也差。比较例(No.22)由于Si量低于下限值，所以焊接作业性和机械特性(拉伸率)差，综合评价也差。比较例(No.23)由于Si量超过上限值，所以耐高温裂纹性差，综合评价也差。
比较例(No.24)由于Mn量低于下限值，所以耐高温裂纹性和机械特性差，综合评价也差。比较例(No.25)由于Mn量超过上限值，所以机械特性和焊接作业性差，综合评价也差。比较例(No.26)由于Ti量低于下限值，所以耐高温裂纹性差，综合评价也差。比较例(No.27)由于Ti量超过上限值，所以机械特性和焊接作业性差，综合评价也差。
比较例(No.28)由于TiO2量低于下限值，所以焊接作业性差，综合评价也差。比较例(No.29)由于TiO2量超过上限值，所以焊接作业性差，综合评价也差。比较例(No.30)由于Al量低于下限值，所以耐高温裂纹性和机械特性差，综合评价也差。比较例(No.31)由于Al量超过上限值，所以焊接作业性差，综合评价也差。
比较例(No.32)由于Al2O3量低于下限值，所以焊接作业性差，综合评价也差。比较例(No.33)由于Al2O3量超过上限值，所以焊接作业性差，综合评价也差。比较例(No.34)由于B量低于下限值，所以机械特性差，综合评价也差。比较例(No.35)由于B量超过上限值，所以耐高温裂纹性差，综合评价也差。比较例(No.36～38)由于(4×Ti+10×Al-3×Si)低于下限值，所以耐高温裂纹性差，综合评价也差。比较例(No.39)由于焊剂填充率低于下限值，所以焊接作业性差，综合评价也差。比较例(No.40)由于焊剂填充率超过上限值，所以在焊丝生产中发生断线，综合评价差。
根据以上的结果确认到，实施例(No.1～19)与比较例(No.20～40)相比，作为药芯焊丝1优异。

Claims (1)

1.一种药芯焊丝，是在钢制外皮内填充有焊剂的药芯焊丝，其特征在于，
焊剂相对于焊丝总质量的填充率为10～25质量％，
相对于焊丝总质量，含有C：0.03～0.08质量％、Si：0.10～1.00质量％、Mn：2.4～3.7质量％、Ti：0.15～1.00质量％、TiO2：5.0～8.0质量％、Al：0.20～0.50质量％、Al2O3：0.05～0.50质量％、B：0.003～0.020质量％，余量是铁和不可避免的杂质，其中，所述Si是根据焊丝中所含的全部的Si源算出的Si量的总和，所述Mn是根据焊丝中所含的全部的Mn源算出的Mn量的总和，
并且，满足(4×Ti+10×Al-3×Si)≥1.0的关系式，在所述关系式中，(Ti)是根据所述焊丝中含有的所述Ti和所述TiO2中的所述Ti算出的Ti量。
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