CN102601491A - 气体保护电弧焊用耐火材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体保护电弧焊用耐火材料，在气体保护电弧焊中，不受所使用的二氧化钛系药芯焊丝的成分限定，而能够提高耐高温裂纹性。本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，是在使用二氧化钛系药芯焊丝的气体保护电弧焊中作为衬垫材料使用的气体保护电弧焊用耐火材料，相对于耐火材料总质量，含有N(氮化物中的N)：0.001～0.100质量％、SiO₂：30～60质量％、Al₂O₃：15～40质量％、MgO：5～25质量％，余量是不可避免的杂质。

Description

气体保护电弧焊用耐火材料

技术领域

本发明涉及在使用了二氧化钛系药芯焊丝的气体保护电弧焊中，作为衬垫材料使用的气体保护电弧焊用耐火材料。

背景技术

在以造船业界为首的各种业界的焊接施工中，对于钢板进行只从单面(单侧)焊接的单面焊。在此单面焊中，伴随着狭窄坡口化的焊接速度的提高和来自钢板的强约束力，导致在初层焊接部分发生的高温裂纹被视为问题。

为了抑制该焊接金属的高温裂纹，提出有以下这样的焊接方法。

例如，作为改善耐高温裂纹性的方法，提出有降低焊接速度，降低焊接电流等特定了焊接手段的方法(例如专利文献1)。另外，作为改善耐高温裂纹性的方法，提出有降低焊接金属中的B量或S量这样特定B、S量的方法(例如专利文献1)。

但是，根据前述的特定焊接手段的方法，会使焊接操作的时间大幅增加，牺牲焊接效率。另外，根据前述的特定焊接金属中的B、S量的方法，降低B量时，会产生不能确保低温韧性这样的问题，另一方面，降低S量时，存在S等杂质元素的降低存在限度这样的障碍。

因此，作为既避免前述这样的问题，又改善耐高温裂纹性的方法，提出有以下这样的气体保护电弧焊方法，其使用了由规定的成分构成的药芯焊丝和由规定的成分构成的耐火材料。

详细地说，在专利文献2中公开有一种技术，其作为药芯焊丝，使用的是各成分相对于焊丝总质量的质量比(质量％)为如下的药芯焊丝：Sn≤0.010质量％、B≤0.005质量％、Bi+Pb≤0.005质量％、2.5≤Mn≤3.0质量％、7.0≤TiO₂+ZrO₂+SiO₂≤8.0质量％以下，作为耐火材料，使用的是相对于耐火材料总质量的质量比(质量％)，P≤0.10质量％、S≤0.10质量％的耐火材料。

【专利文献1】特开昭54-130452号公报

【专利文献2】特开2003-311416号公报

但是，专利文献2所公开的技术中，关于焊丝和耐火材料双方，需要使分别构成它们的各成分在规定的范围内，并且各成分的规定的范围为狭窄的限定范围。因此，为了得到焊接金属的耐高温裂纹性的提高这一效果，需要挑选各成分适合狭窄限定范围的焊丝和耐火材料这双方加以使用。

特别是关于焊丝，在二氧化钛系药芯焊丝之中，也只限于满足7.0≤TiO₂+ZrO₂+SiO₂≤8.0质量％以下这样极其狭窄成分范围的焊丝，在使用不满足该条件的二氧化钛系药芯焊丝时，不能确保焊接金属的耐高温裂纹性的提高。

发明内容

本发明鉴于前述的问题而做，其课题在于，提供一种气体保护电弧焊用耐火材料，在气体保护电弧焊中，不受所使用的二氧化钛系药芯焊丝的成分限定，而能够提高焊接金属的耐高温裂纹性。

本发明者们着眼于TiN对焊接金属的凝固组织的微细化有效这一点。于是，得出如下认识：控制耐火材料中的成分，在焊接金属中使TiN生成，能够显著改善耐高温裂纹性，同时能够保持良好的焊道形状(没有咬边、气孔、凹坑这样的缺陷焊道形状)。

即，为了解决前述课题，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，其特征在于，是在使用二氧化钛系药芯焊丝的气体保护电弧焊中作为衬垫材料使用的气体保护电弧焊用耐火材料，其中，相对于耐火材料总质量，含有N(氮化物中的N)：0.001～0.100质量％、SiO₂：30～60质量％、Al₂O₃：15～40质量％、MgO：5～25质量％，余量是不可避免的杂质。

如此，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，因为含有规定量的N(氮化物中的N)，所以该N与二氧化钛系药芯焊丝中的Ti源发生反应，从而生成在焊接金属中对核生成促进有效的TiN。其结果是，焊接金属的凝固组织微细化，能够使焊接金属的耐高温裂纹性提高。

另外，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，通过含有规定量的SiO₂、Al₂O₃、MgO，能够保持良好的焊道形状(没有咬边、气孔、凹坑这样的缺陷焊道形状)。

而且，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，作为更优选的范围，优选所述N(氮化物中的N)为0.003～0.050质量％。

如此，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，通过含有更优选的量的N，能够确保在焊接金属中由TiN生成带来的耐高温裂纹性的提高。

而且，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，此外还优选，相对于耐火材料总质量含有TiO₂：5～40质量％。

如此，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，通过含有规定量的TiO₂，该TiO₂成为焊接金属凝固的核生成点，并且与N反应，在焊接金属中确实地生成TiN，因此能够确保焊接金属的耐高温裂纹性的提高。

而且，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，作为更优选的范围，优选所述TiO₂为10～30质量％。

如此，本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，通过含有更优选的量的TiO₂，能够确保在焊接金属中生成TiN所带来的耐高温裂纹性的提高。

本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，因为含有规定量的N(氮化物中的N)，所以该N与二氧化钛系药芯焊丝中的Ti发生反应，从而在焊接金属中生成TiN，能够使焊接金属的耐高温裂纹性提高。

另外，通过含有规定量的SiO₂、Al₂O₃、MgO，能够保持良好的焊道形状(没有咬边、气孔、凹坑这样的缺陷焊道形状)。

此外，根据本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，如果使用的焊丝含有Ti，则能够在焊接金属中生成TiN。因此，如果使用的焊丝为二氧化钛系药芯焊丝，则不用特别地受成分限定，就能够得到焊接金属的耐高温裂纹性提高这样的效果。因此，即使不重新制作二氧化钛系药芯焊丝，而是通过使用市场销售的二氧化钛系药芯焊丝，也能够使焊接金属的耐高温裂纹性提高。

附图说明

图1是本发明的气体保护电弧焊用耐火材料(衬垫材料)的剖面图。

图2是将本发明的气体保护电弧焊用耐火材料(衬垫材料)排列在铝带表面的状态的模式图。

符号说明

1耐火材料(衬垫材)

2铝带

具体实施方式

以下，对于用于实施本发明的气体保护电弧焊用耐火材料的方式详细地进行说明。

《气体保护电弧焊用耐火材料》

首先，对于本发明的气体保护电弧焊用耐火材料(以下适宜称为耐火材料)进行说明。

本发明的耐火材料，是在使用二氧化钛系药芯焊丝的气体保护电弧焊中作为衬垫材料使用的气体保护电弧焊用耐火材料，其中，含有规定量的N、SiO₂、Al₂O₃、MgO，余量是不可避免的杂质。

还有，对于本发明的耐火材料(衬垫材料)1的形状没有特别限定，可以是具有规定厚度的大体板状，如图1所示，为了使焊接金属的背面焊道形状良好，也可以在上表面形成凹槽。另外，在使用本发明的耐火材料1时，在铝带2上排列耐火材料1(参照图2)，对于焊接母材的坡口部分，从与进行单面焊接的面相反侧粘贴使用即可。还有，使之与焊接母材的长度一致，由此来决定排列在铝带2上的耐火材料1的数量即可。

以下，对于本发明的耐火材料所含的各成分的数值限定理由进行说明。

<N(氮化物中的N)：0.001～0.100质量％>

通过使耐火材料含有N，可从耐火材料向初层焊接金属间接地添加N，该N与二氧化钛系药芯焊丝中的Ti反应，从而培养出对核生成促进有效的TiN。其结果是，焊接金属凝固组织微细化，焊接金属的耐高温裂纹性提高。N(氮化物中的N)量低于0.001质量％时，上述效果无法充分获得，若N(氮化物中的N)量超过0.100质量％，则在焊接金属中确认到气孔的发生。因此，N(氮化物中的N)量为0.001～0.100质量％。

在此，所谓N(氮化物中的N)，不表示氮化物全体，而是只表示氮化物之中的N。而且所谓该氮化物，例如有N-Cr、Fe-N-Cr、N-Si、N-Mn、N-Ti、N-Al等。

<SiO₂：30～60质量％>

SiO₂是耐火材料的主要构成成分。SiO₂量低于30质量％时，耐热冲击性差，因此背面焊道突出，若SiO₂超过60质量％，则生成熔焊的流动性过大，均匀的背面焊道劣化。因此，SiO₂量为30～60质量％。

还有，作为SiO₂源，使用二氧化硅、叶蜡石(ろぅ石pyrophyllite)、耐火粘土、堇青石、莫来石等即可。

<Al₂O₃：15～40质量％>

Al₂O₃提高耐火材料的熔点，并且提高生成熔渣的粘性，在调整背面焊道形状上是不可欠缺的成分。Al₂O₃量低于15质量％时，热冲击性差，上述特性无法体现，若Al₂O₃量超过40质量％，则耐火性过度提高，因此背面焊道劣化，生成熔渣的粘性过大，除气变差，容易产生凹坑和气孔等缺陷。因此，Al₂O₃量为15～40质量％。

还有，作为Al₂O₃源，使用氧化铝、长石、云母、耐火粘土、堇青石、莫来石、叶蜡石等即可。

<MgO：5～25质量％>

MgO具有作为耐火性调节材的机能，并且还是具有改善熔渣剥离性的效果的成分。为了体现该效果，需要使耐火材料中含有MgO为5质量％以上。但是，若MgO量超过25质量％，则耐火度过度提高，生成熔渣的粘性过大，除气变差，容易产生凹坑和气孔等缺陷。因此，MgO量为5～25质量％。

还有，作为MgO源，使用氧化镁、滑石、白云石、尖晶石、镁橄榄石等即可。

<不可避免的杂质>

作为其余的不可避免的杂质，可列举P、S、W、Ta、Cr、Cu、Nb、V等，允许在不妨碍本发明的效果的范围内含有。P量优选为0.1质量％以下，S量优选为0.1质量％以下，W量优选为1.0质量％以下，Ta量优选为0.1质量％以下，Cr量优选为0.5质量％以下，Cu量优选为1.0质量％以下，Nb量优选为0.1质量％以下，V量优选为0.1质量％以下。这是由于，若P、S超过上限值，则耐高温高裂纹性劣化，若W、Ta、Cr、Cu、Nb、V超过上述值，则焊接金属的强度变大，韧性降低。

另外，除了上述耐火材料的成分以外，优选还含有规定量的TiO₂。

<TiO₂：5～40质量％>

通过使耐火材料中含有TiO₂，会从耐火材料向初层焊接金属中间接地添加TiO₂，该TiO₂成为焊接金属凝固的核生成点，并且在焊接中与N反应而生成TiN。其结果是，焊接金属的凝固组织进一步微细化，焊接金属的耐高温裂纹性提高。TiO₂量低于5％时，上述效果不充分，若TiO₂量超过40％，则耐火性过度提高，因此背面焊道难以出来，生成熔渣的粘性过大，除气变差，容易产生凹坑和气孔等的缺陷。因此，使耐火材料中含有TiO₂时，优选TiO₂量为5～40质量％。

还有，作为TiO₂源，例如使用金红石等即可。

另外，在所述耐火材料中含有的N(氮化物中的N)、TiO₂之中至少一个优选为下述量。

<N(氮化物中的N)：0.003～0.050质量％，TiO₂：10～30质量％>

N(氮化物中的N)为0.003～0.050质量％，TiO₂为10～30质量％满足其中至少一个，就能够使焊接金属中生成充分量的TiN。其结果是，焊接金属的凝固组织微细化，能够确保焊接金属的耐高温裂纹性的提高。

其次，对于实施本发明时使用的二氧化钛系药芯焊丝和焊接母材进行说明。

《二氧化钛系药芯焊丝》

所谓二氧化钛系药芯焊丝，是含有TiO₂的药芯焊丝。如果含有Ti源，则通过与耐火材料的N反应，而在焊接金属中形成TiN，因此能够使焊接金属的耐高温裂纹性提高。因此，如果使用的焊丝是二氧化钛系药芯焊丝，则能够得到焊接金属的耐高温裂纹性提高这样的效果，因此对于其他的组成没有特别限定。例如，能够使用JIS Z3313T49J0T1-1CA-U规格分类的焊丝等。

二氧化钛系药芯焊丝的焊剂填充率没有特别限定，可以考虑焊丝的生产率，例如成型和拉丝时的断线等而适宜设定。另外，二氧化钛系药芯焊丝的剖面形状没有特别限定，例如可以有接缝，也可以没有。

《焊接母材》

焊接母材的组成没有特别限定，不过，例如能够使用下述表1中显示化学成分例这样的JIS G3106SM400A～C钢等。

【表1】

接着对于本发明的气体保护电弧焊用耐火材料的制造方法，和气体保护电弧焊进行说明。

《气体保护电弧焊用耐火材料的制造方法》

关于耐火材料的制造方法没有特别限定。例如，调配原料粉末，添加粘结剂混合均匀，对混合物进行挤压成形。然后，使挤压成形物干燥后，进行适于氮化物的烧成方法，制造耐材料即可。

《气体保护电弧焊》

关于焊接方法，若考虑到焊接效率等，则优选进行气体保护电弧焊。

气体保护电弧焊的方法没有特别限定，能够采用通常使用的方法。例如，作为保护气体，除了100％的CO₂气以外，还使用Ar气和CO₂气的混合气体，Ar气和O₂气的混合气体，Ar气、CO₂气和O₂气的三种混合气体等。

但是，本发明所使用的焊接方法，不仅限定于上述气体保护电弧焊法，例如金属被覆电弧焊、钨极惰性气体保护电弧焊、埋弧焊等任意一种焊接方法都可以适用。

以上，对于本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于前述实施方式，在不脱离权利要求范围所述的本发明的要旨的范围内，可以适宜设计变更。

【实施例】

以下，就本发明的气体保护电弧焊用耐火材料，将满足本发明的要件的实施例(No.1～42)和不满足本发明的要件的比较例(No.43～60)进行对比，具体地加以说明。

调配原料粉末，添加粘结剂混合均匀，将混合物挤压成形并使之干燥后，进行适于氧化物的烧成方法，制作耐火材料。

根据前述方法，制作表2所示的满足本发明的要件的耐火材料(No.1～21)和表3所示的不满足本发明的要件的耐火材料(耐火材料No.22～30)。

【表2】

【表3】

本发明范围外

使用表4所示的二氧化钛系药芯焊丝(JIS Z3313 T49J0T1-1CA-U的规格分类的焊丝)，对于由JIS G3106 SM400B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，使用表2、3所示的耐火材料，以表5所示的焊接条件，进行单面焊接(向下对接焊)。

【表4】

【表5】

(耐高温裂纹性)

焊接结束后，在初层焊接部(除去弧坑部)，以X射线透射试验(JISZ3104)，确认内部有无裂纹，测量裂纹发生部分的总长度，计算裂纹率。在此，裂纹率根据如下方式计算：裂纹率W＝(裂纹发生部分的总长度)/(焊接部长度(除去弧坑部))×100。以该裂纹率评价耐高温裂纹性。

还有，评价标准为，焊接电流240A，裂纹率为0％，并且焊接电流260A，裂纹率为0％时，为“更优异：◎”，焊接电流240A，裂纹率为0％，并且焊接电流260A，裂纹率在5％以下时，为“优异：○～◎”，焊接电流240A，裂纹率为0％，并且焊接电流260A，裂纹率超过5％时，为“良好：○”，焊接电流240A有裂纹，并且焊接电流260A有裂纹时，为“差：×”。

(焊道形状)

焊接结束后，对于初层焊接部(除去弧坑部)，实施焊道形状的评价(目视观察)。背面焊道形状没有缺陷时为“良好：○”，发生咬边、凹坑、气孔等缺陷时为“差：×”。

(综合评价)

综合评价的评价标准是，前述评价项目之中，耐高温裂纹性为“◎”，焊道形状为“○”时，为“更优异：◎”，耐高温裂纹性为“○～◎”，焊道形状为“○”时，为“优异：○～◎”，耐高温裂纹性为“○”，焊道形状为“○”时，为“良好：○”，所述评价项目之中至少一个为“×”时，综合评价为“差：×”。

【表6】

【表7】

如表6所示，实施例No.1～42因为满足本发明的范围，因此在耐高温裂纹性、焊道形状合部为“良好”以上的结果。特别是使用了含有规定量TiO₂的耐火材料No.15的实施例No.15、36，为耐高温裂纹性的评价“优异”的结果。另外，使用了含有规定量TiO₂，并且N量、TiO₂量某一项在最佳范围内的耐火材料No.16、17、18、19、20的实施例No.16、17、18、19、20、37、38、39、40、41，为耐高温裂纹性的评价“优异”的结果。此外，使用了N量、TiO₂量均在最佳范围内的耐火材料No.21的实施例No.21、42，为耐高温裂纹性的评价“更优异”的结果。

另一方面，如表7所示，比较例No.43～60，因为不满足本发明规定的某一要件，所以没有成为良好的结果。

具体来说，比较例No.43、52，因为耐火材料的N量低于下限值，所以耐高温裂纹性差。另一方面，比较例No.44、53，因为耐火材料的N量超过上限值，所以发生气孔，不得不中止焊接。

比较例No.45、54，因为耐火材料的SiO₂量低于下限值，所以焊接中耐火材料破裂。另一方面，比较例No.46、55，因为耐火材料的SiO₂量超过上限值，所以发生咬边，焊道形状差。

比较例No.47、56，因为耐火材料的Al₂O₃量低于下限值，所以焊接中耐火材料破裂。另一方面，比较例No.48、57，因为耐火材料的Al₂O₃量超过上限值，所以发生咬边，焊道形状差。

比较例No.49、58，因为耐火材料的MgO量低于下限值，所以焊接中耐火材料破裂。另一方面，比较例No.50、59，因为耐火材料的MgO量超过上限值，所以发生咬边，焊道形状差。

比较例No.51、60，因为耐火材料的TiO₂量超过上限值，所以发生咬边和凹坑，焊道形状差。

由以上结果可确认，满足本发明的要件的实施例(No.1～42)，与不满足本发明的要件的比较例(No.43～60)相比，综合评价(耐高温裂纹性/焊道形状)优异。

另外可知，若使用本发明的耐火材料，则使用成分不同的二氧化钛系药芯焊丝(焊丝No.1、2)时，在耐高温裂纹性和焊道形状上，也能够得到同样良好的结果。

Claims (4)

1.一种气体保护电弧焊用耐火材料，其特征在于，是在使用二氧化钛系药芯焊丝的气体保护电弧焊中作为衬垫材料使用的气体保护电弧焊用耐火材料，其中，相对于耐火材料总质量，含有N：0.001～0.100质量％、SiO₂：30～60质量％、Al₂O₃：15～40质量％、MgO：5～25质量％，余量是不可避免的杂质，其中，所述N是指氮化物中的N。

2.根据权利要求1所述的气体保护电弧焊用耐火材料，其特征在于，所述N为0.003～0.050质量％。

3.根据权利要求1或2所述的气体保护电弧焊用耐火材料，其特征在于，相对于耐火材料总质量，还含有TiO₂：5～40质量％。

4.根据权利要求3所述的气体保护电弧焊用耐火材料，其特征在于，所述TiO₂为10～30质量％。

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