CN104057188B - 双丝气体保护电弧焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平角焊用的双丝气体保护电弧焊方法，其是使先行电极和后行电极均为逆极性，均使用100%二氧化碳气体，不会发生咬边，能够在低飞溅下得到良好的焊道形状，可以实现深熔深。由实芯焊丝构成的先行电极4的焊炬角度θ_L和由药芯焊丝构成的后行电极5的焊炬角度θ_T分别设定为“5°≤θ_L＜40°”和“40°≤θ_T≤60°”，作为两个电极的保护气体G使用100%二氧化碳气体。这时，作为先行电极（4）的焊接参数的焊接电压V_L为26～38（V），焊接电流I_L为350～550（A），焊接电压V_L（V）和焊接电流I_L（A）满足“56≤（V_L·10³/I_L）≤84”的关系。

Description

双丝气体保护电弧焊方法

技术领域

本发明涉及使用了多电极的气体保护电弧焊方法即双丝气体保护电弧焊方法。

背景技术

近年来，在桥梁和造船领域的水平角焊缝气体保护电弧焊中，除了焊接的高速化以外，还要求稳定的深熔深。例如，在专利文献1中，公开有关于以高电流且高速度的焊接条件进行的水平角焊缝气体保护电弧焊方法所使用的药芯焊丝的成分组成等。其结果是，通过使填充在药芯焊丝中的焊剂中含有在适当的范围的Si、Mn所构成的脱氧剂中包含Na₂O和TiO₂的合成物，单独或复合添加有Na₂O、TiO₂的电弧稳定剂，从而促进焊接时的熔滴的离脱而使熔滴的细粒化和过渡次数增加，使电弧稳定化，并且实现低飞溅化，此外通过降低焊剂填充率，使熔深变深。

另外，在多电极水平角焊缝气体保护电弧焊中，为了使熔融池的稳定性提高而提高焊接的高速化，例如，在专利文献2中公开有一种焊接方法，其使用气体保护电弧焊用药芯焊丝作为先行电极和后行电极，将填充焊丝插入作为先行电极和后行电极之间的熔融金属的熔融池中，一边使填充焊丝上流通正极性的电流（填充焊丝相对于熔融金属为负极性）一边进行焊接。在专利文献2所述的焊接方法中，能够使熔融池稳定化，因此即可在低飞溅下确保良好的焊道形状，又可进行高速焊接。

【先行技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】特开2003－71590号公报

【专利文献2】特开2004－261839号公报

但是，使用专利文献1所述的焊接方法，只要使用药芯焊丝，其深熔深效果就很微小，仍得不到显著的改善效果。

另外，在专利文献2所述的焊接方法中，在实现高速焊接的别一方面，与专利文献1所述的焊接方法一样，也有熔深变浅这样的问题。另外，以专利文献2所述的方法进行焊接时，为了确保良好的焊道形状和焊道外观，需要使先行电极和后行电极的焊炬角度都在40～60°的范围内保持相同的角度。在此，为了加深水平方向的熔深，若使焊炬角度比40°小，则如所述，焊道形状和焊道外观恶化，除此之外，还有下板容易发生咬边这样的问题。

发明内容

本发明鉴于这样的问题而创造，其目的在于，提供一种飞溅发生量少，不会发生咬边，可以实现深熔透化的水平角焊用的双丝气体保护电弧（gas shielded arc）焊方法。

为了解决所述课题，本发明的双丝（tandem）气体保护电弧焊方法，是使用了先行电极和后行电极的水平角焊用的双丝气体保护电弧焊方法，其中，使所述先行电极和所述后行电极都为逆极性，作为所述先行电极使用实芯焊丝（solid wire），并且作为该先行电极的保护气体使用二氧化碳气体，该先行电极的焊炬角度θ_L为5°＜θ_L＜40°，作为所述后行电极使用药芯焊丝（flux wire），并且作为该后行电极的保护气体使用二氧化碳气体，该后行电极的焊炬角度θ_T为40°≤θ_T≤60°，所述先行电极的焊接电压V_L（V）为26～38（V），所述先行电极的焊接电流I_L（A）为350～550（A），所述焊接电压V_L（V）和所述焊接电流I_L（A）的关系满足式（1）的条件。

【算式1】

$56\≤\frac{V_L\·{10}^3}{I_L}\≤84$ …式(1)

根据这一方法，通过使先行电极的焊炬角度θ_L为5°＜θ_L＜40°，可以实现深熔深。另外，后行电极的焊炬角度θ_T为40°≤θ_T≤60°，可修整先行电极造成的凸焊道形状，成为良好的焊道形状。而且，通过满足式（1）的焊接条件，尽管将先行电极的焊炬角度和后行电极的焊炬角度设定得不同，也能够使两极所进行的电弧焊对于熔融池的影响平衡，使该熔融池稳定化，抑制飞溅和咬边的发生，并且能够使良好的焊道形状和深熔深并立。

另外，本发明的双丝气体保护电弧焊方法，优选所述先行电极的焊接电流I_L（A）、焊接电压V_L（V）、焊丝熔融速度W_mL（g/min）、焊丝直径R_L（mm）和焊丝伸出长度E_L（mm），满足式（2）和式（3）的条件。

【算式2】

$5\≤\frac{E_L}{R_L}\≤20$ …式(2)

$38\≤\frac{{V_L}^2\·W_{\mathrm{mL}}\·{10}^3}{{I_L}^2\·E_L}\≤48$ …式(3)

通过满足式（2）和式（3）的焊接条件，能够使熔融池更稳定化，达到更深的熔深。

另外，本发明的双丝气体保护电弧焊方法，更优选所述焊丝直径R_L（mm）和所述焊丝伸出长度E_L（mm）满足式（2－2）的条件。

【算式3】

$5\≤\frac{E_L}{R_L}\≤15$ …式(2-2)

由此，能够使熔融池进一步稳定化，达到更深的熔深。

另外，本发明的双丝气体保护电弧焊方法，优选所述后行电极的焊丝伸出长度E_T，比所述先行电极的焊丝伸出长度E_L长。由此，可以更恰当地确保后行电极形成的熔敷量，即使在高速度下也可以得到没无咬边的良好的焊道形状。

另外，本发明的双丝气体保护电弧焊方法，优选所述先行电极的焊炬角度θ_L为5°＜θ_L≤25°。由此，可以更适当在由先行电极形成深熔深。

另外，本发明的双丝气体保护电弧焊方法，优选所述后行电极的焊接电流I_T（A）、焊接电压V_T（V）、焊丝送给速度W_fT（m/min）和焊丝半径r_T（mm）满足式（4）和式（5）的条件。

【算式4】

$5.00\≤\frac{I_T\·V_T\·{10}^{-8}}{W_{\mathrm{fT}}\·{{\mathrm{\πr}}_T}^2}\≤7.00$ …式(4)

$\frac{{I_T}^2\·{10}^{-3}}{V_T}\≤5.00$ …式(5)

由此，能够更适当地抑制后行电极造成的飞溅的发生，成为良好的焊道形状。

另外，在所述后行电极的药芯焊丝中，优选焊丝总质量中，TiO₂的含量和SiO₂的含量的合计为5.0～9.5质量%。

TiO₂和SiO₂均作为熔渣形成剂发挥作用。通过使TiO₂的含量和SiO₂的含量的合计为5.0以上，能够确保充分的熔渣量，得到良好的熔渣剥离性和包裹性，抑制焊道形状的恶化。另一方面，通过使TiO₂的含量和SiO₂的含量的合计在9.5质量%以下，熔渣生成量不会过剩，能够抑制咬边和焊瘤的发生。

此外，在所述后行电极的药芯焊丝中，优选焊丝总质量中，分别含有TiO₂为4.5～9.0质量%，SiO₂为0.5～0.8质量%，C为0.02～0.09质量%，Si为0.3～0.75质量%，Mn为2.0～3.0质量%。

通过使TiO₂的含量为4.5～9.0质量%以上，能够得到良好的熔渣剥离性和包裹性，并且熔渣生成量不会过剩，能够抑制咬边和焊瘤的发生。

另外，通过使SiO₂的含量为0.5～0.8质量%以上，能够得到良好的熔渣流动性，能够抑制焊道形状的恶化，并且焊道不容易过度下垂，能够抑制飞溅发生量的增加而防止焊接操作性的降低。

通过使C的含量在0.02～0.09质量%以上，能够确保焊接金属充分的强度，并且能够抑制焊接金属的强度过度上升而在低温下的韧性降低，另外，还能够抑制飞溅发生量的增加。

Si作为脱氧剂起作用，具有调整焊接金属的强度，和提高熔融金属的粘性的效果。通过使Si的含量为0.3～0.75质量%以上，能够确保焊接金属充分的强度，能够抑制焊道形状的恶化，并且能够抑制焊接金属的强度过度提高而在低温下的韧性降低。

Mn作为脱氧剂起作用，并且具有使焊接金属的强度以及低温下的韧性提高的效果。通过使Mn的含量在2.0～3.0质量%以上，能够充分地发挥这样的效果，并且能够抑制焊接金属的强度过度提高而在低温下的韧性降低，容易发生低温裂纹的问题。

根据本发明的双丝气体保护电弧焊方法，通过调整先行电极的焊接条件，即使作为两个电极的保护气体使用100%二氧化碳气体，另外使两个电极的焊炬角度设定得不同，也能够一边抑制飞溅和咬边的发生，维持良好的焊道形状，一边进行深熔深的水平角焊。

另外，根据本发明的双丝气体保护电弧焊方法，通过进一步限定焊接条件，能够更良好地进行深熔深的水平角焊。

附图说明

图1是用于说明本发明的实施方式的双丝气体保护电弧焊方法的模式化的概略图，（a）是正视图，（b）是俯视图，（c）是侧视图。

图2是在本发明的实施方式的双丝气体保护电弧焊方法中，说明电极配置与熔深和焊道形状的关系的从侧面看的模式化的剖面图，（a）是关于先行电极的说明图，（b）是关于后行电极的说明图。

图3是表示焊接部的熔深的例子的截面宏观照片图像，（a）表示成为凸焊道的情况，（b）表示焊道得到平坦化的情况，（c）表示发生了咬边的情况。

图4是使用了发明法和现有法的焊接方法的水平角焊的截面宏观照片图像，（a）是现有法1形成的，（b）是现有法2形成的，（c）是发明法形成的。

图5是表示双丝气体保护电弧焊的熔深的情况的模式化的侧视图，（a）表示熔透深度浅的情况，（b）表示熔透深度深的情况，（c）是用于说明熔深和焊道形状的评价方法的图。

图6是表示发明法和现有法1中，焊接速度与飞溅发生率的关系图形。

符号说明

1 下板（母材）

2 立板（母材）

3 焊道（焊接金属）

3_L 先行电极形成的焊接金属

3_T 后行电极形成的焊接金属

30 熔融池

4 先行电极

40 焊丝

5 后行电极

50 焊丝

A 电弧

G 保护气体

具体实施方式

以下，一边参照附图，一边对于本发明的实施方式的双丝气体保护电弧焊方法详细地进行说明。还有，出于说明的便利，有在附图中夸大显示构件的大小和形状的情况，并且有省略一部分的构成的描绘的情况。另外，在以下的说明中，有将双丝气体保护电弧焊简称为“双丝焊”进行说明的情况。另外，在以下的说明中，有分别将现有的双丝气体保护电弧焊方法简称为“现有法”，将本发明的双丝气体保护电弧焊方法简称为“发明法”而进行说明的情况。

首先，参照图1和图2，对于本发明的双丝气体保护电弧焊方法进行说明。

双丝气体保护电弧焊方法，是一边对于焊接部喷射保护气体G，一边通过由先行电极4和后行电极5构成的2个电极进行焊接的方法。如前述，在现有的双丝焊法中，先行电极4和后行电极5，配置为40～60°的范围内的相同的焊炬角度。在此，所谓焊炬角度，如图1（c）所示，是水平配置的下板1的上表面与先行电极4和后行电极5构成的角度θ_L、θ_T。

本发明的双丝焊法，如图1（c）所示，使先行电极4的焊炬角度θ_L比后行电极5的焊炬角度θ_T小，并且作为先行电极4的保护气体G（参照图1（a））和后行电极5的保护气体G，均使用100%二氧化碳气体，作为先行电极4的焊丝40使用实芯焊丝，作为后行电极5的焊丝50使用药芯焊丝。另外，为了在此条件下维持良好的焊道形状，不发生咬边，实现深熔透化和低飞溅化，使先行电极4的参数间以具有规定的关系的方式而进行设定。还有，关于参数间的规定的关系的详情后述。

先行电极4的焊丝40，使用不含稀土类元素等的高价元素的廉价的实芯焊丝，作为保护气体G，使用不含有高价的氩气等的惰性气体的100%二氧化碳气体。还有，在图1（b）、（c）中，省略保护气体G的记述。

先行电极4的中心线（作为焊丝40的前端部伸出部的中心线），与水平配置的下板1的上表面构成的角度、即焊炬角度θ_L比40°小，且为5°以上的角度，以加深立板2的厚度方向的熔深。另外，先行电极4相对于焊接方向的倾斜角（即，先行电极4的中心线与以焊接方向为法线的面构成的角度）φ_L没有特别限定，但考虑飞溅的发生量和焊道形状，优选设定为0°至15°的后退角。

还有，以焊接方向为法线的面，因为是与下板1的上表面正交的面，所以在图1（a）中，显示向下板1的上表面的垂线，代替以焊接方向为法线的面。关于其次说明的后行电极5也一样。

后行电极5的焊丝50，使用药芯焊丝，作为保护气体G，使用100%二氧化碳气体。

后行电极5的中心线（作为焊丝50的前端部的伸出部的中心线），与下板1的上表面构成的角度、即焊炬角度θ_T为40°以上、60°以下，优选为40°以上、50°以下的角度，从而使先行电极4所形成的凸焊道（参照图3（a））平坦化，修整成良好的焊道形状（参照图3（b））。另外，后行电极5相对于焊接方向的倾斜角（即，后行电极5的中心线与以焊接方向为法线的面构成的角度）φ_T没有特别限定，但考虑飞溅的发生量和焊道形状，优选设定为0°至25°的前进角。

另外，作为先行电极4的焊丝40前端和后行电极5的焊丝50的前端的距离的极间距离，没有特别限定，但考虑两极形成的电弧A的稳定性和熔融池30的稳定性，优选为20～60（mm）。

先行电极4和后行电极5，分别与未图示的焊接用电源连接，在其与作为母材的下板1和立板2之间，以规定的焊接电压和焊接电流供给电力，在各个电极的焊丝40、50与下板1和立板2之间形成电弧A。还有，向先行电极4和后行电极5供给电力时的极性为，两电极均为逆极性（使先行电极4和后行电极5与电源的阳极连接，使作为母材的下板1和立板2与电源的阴极连接）。

作为母材的下板1和立板2被电弧A熔融，与焊丝40、50熔融的熔敷金属融合而形成焊接部。另外，焊丝40、50，在电弧A的电弧热，还有因在焊丝40、50流通的焊接电流而产生的焦耳热的作用下熔融。

在此，参照图2，就先行电极4和后行电极5对于熔深和焊道形状起到的作用进行说明。

在本发明的双丝焊法中，如图2（a）所示，利用焊炬角度设定得小的先行电极4，十分有助于在立板2的厚度方向（水平方向）上的深熔深。另外，由先行电极4形成的焊道3_L，具有成为凸焊道的倾向。图3（a）中显示凸焊道的截面宏观照片图像的一例。

另外，如图2（b）所示，由先行电极4形成的凸形状的焊道3_L，被后行电极5平坦化，修整成良好的焊道形状。图3（b）中显示得到平坦化的焊道的截面宏观照片图像的一例。

即，先行电极4十分有助于深熔深，后行电极5十分有助于良好的焊道形状，其以此方式分担任务。

其次，对于各参数间的规定的关系，与达成本发明的考察的过程一起进行说明。

若以作为现有的双丝焊法的（a）Ar－CO₂混合气体和实芯焊丝组合的双丝脉冲MAG（Metal Active Gas）法、（b）100%CO₂气体和药芯焊丝组合的双丝CO₂焊接法进行板厚12mm的水平双面角焊，则如图4（a）、（b）所示，水平方向的合计熔深约为4～5mm，作为板厚的一半以上的约7mm未熔合。还有，在图4（a）、（b）中，与作为水平配置的一方的母材的下板1的上表面垂直，配置有作为另一方的母材的立板2。另外，从立板2的两面，以相同的条件进行角焊，建立焊道3。在图4（a）、（b）中，在置于立板2的两面的焊道3之间，水平方向看起来好象黑色的条纹状的地方，就是未熔合的区域。

因此，为了以现有的双丝焊法确保角焊缝接头部的静态强度，需要使喉部厚度（脚长）达到规定值以上。因此，尽管使用双丝焊法，仍有不能充分发挥本应有的高速化的效果这样的问题。

还有，在水平角焊中，所谓熔透深度深或浅，除非特别指出，否则就是指水平方向，即立板2的厚度方向的熔深。例如，图5（a）表示焊道3的水平方向的熔透深度浅的情况，图5（b）表示熔透深度深的情况。

（先行电极的条件）

在双丝焊法中，由先行电极4确保熔透的深度，由后行电极5修整焊道形状，如此由2个电极分担任务。因此，为了深熔透化，需要研究先行电极4的焊接条件。

在水平角焊中，为了通过现有的双丝焊法进行深熔透化，有效的手段是减小先行电极4的焊炬角度θ_L。但是，若减小焊炬角度θ_L、θ_T，则如先行文献2也有所记述的，下板1会发生咬边。图3（c）中显示使焊炬角度θ_L、θ_T为20°时，发生了咬边（参照虚线的圆内）的焊接部的截面宏观照片图像的一例。

为了使咬边不发生，需要将后行电极5的焊炬角度θ_T设定得大。但是，在双丝焊法中，若将两极设定为互不相同的焊炬角度θ_L、θ_T而进行焊接，则作用于在两极间所形成的熔融金属的堆叠部、即熔融池30的电弧力的方向失去平衡，熔融池30极难稳定，其结果是焊道形状也变差。因此，在现有的双丝焊法中，不得不使两极的焊炬角度θ_L、θ_T相同，且设定在40～60°的范围内而进行焊接。

在此，在水平角焊缝双丝焊中，在不发生咬边，实现低飞溅、良好的焊道形成、深熔深的基础上，极其重要的有如下三点：

1一边达到深熔深，一边形成稳定的熔融池30；

2即使在使用100%二氧化碳气体作为保护气体G的焊接中，仍达成低飞溅；

3即使减小焊炬角度θ_L，并且以大电流进行焊接也没有咬边发生。

一般来说，在使用了100%二氧化碳气体的焊接中，电弧从熔融的焊丝的前端所形成的熔滴的下方发生，因此熔滴难以从焊丝离脱而变得粗大。因此，成为熔融金属一边摇摆一边过渡的熔滴过渡。若产生熔滴过渡，则飞溅大量发生，对应熔滴过渡，焊接电流I_L也发生大幅变动。因此，电弧力也时时刻刻变动，熔融池也不稳定。另外，焊炬角度θ_L在40°以下时，若在形成熔滴过渡这样一般的焊接条件下进行焊接，则也会发生咬边。

因此，在本发明中发现，若焊接电压V_L（V）与焊接电流I_L（A）的比处于式（1）所示的范围内，则既可以确保深熔深，又可以实现低飞溅焊接，熔融池也稳定，即使减小焊炬角度θ_L，且以大电流进行焊接，也不会发生咬边。即，通过满足式（1），可以使电弧不在熔滴的下方形成，而是以包围熔滴的周围的方式形成，即使是100%二氧化碳气体焊接也能够形成喷射过渡，实现极低飞溅焊接。

【算式5】

$56\≤\frac{V_L\·{10}^3}{I_L}\≤84$ …式(1)

接下来，对于式（1）所示的“V_L·10³/I_L”值的上下限值的意义进行说明。

式（1）的各参数和焊接的特性之间存在如下关系。

（a1）焊接电压V_L过高时，不能维持喷射过渡而成为熔滴过渡，大量的飞溅发生。另外，咬边也容易发生。

（a2）焊接电流I_L过低时，先行电极4的电弧力变弱，熔深也变浅。

因此，使“V_L·10³/I_L”的值处于“84”以下，可以一边维持喷射过渡而减少飞溅，并且抑制咬边的发生，使熔融池30稳定而维持良好的焊道形状，一边实现深熔深。

另外，在式（1）的各参数和焊接的特性之间，存在如下的关系。

（b1）焊接电压V_L过低时，熔融池30变得不稳定，焊道形状也变差。

（b2）焊接电流I_L过高时，先行电极4的电弧力变得过强，熔融池30变得不稳定。

因此，使式（1）所示的“V_L·10³/I_L”的值在“56”以上，可以使熔融池30稳定，一边维持良好的焊道形状，一边实现深熔深。

接着，本发明的发明者们，根据式（1）的条件，发现了更优选的条件。这是包含焊接电流I_L和焊接电压V_L以外的参数的、影响着熔深和熔融池30的稳定性的新关系。首先，作为影响到焊接电流I_L和焊丝熔融速度W_mL这两方的参数，着眼于焊丝直径R_L和伸出长度E_L的关系。

在此，所谓伸出长度E_L，就是在先行电极4的前端部，从用于向焊丝40供给电流的导电嘴（未图示）至母材的长度。

就焊丝直径R_L和伸出长度E_L对于焊接电流I_L和焊丝熔融速度W_mL带来的影响进行说明。

例如，焊接电流I_L相同时，焊丝直径R_L越粗，另外伸出长度E_L越短，焊丝熔融速度W_mL越小，对深熔深越有利。

但是，若焊丝直径R_L过粗，或伸出长度E_L过短，则焊接电流I_L过大，熔融池30变得不稳定，焊道形状也变差。

因此，发现使伸出长度E_L和焊丝直径R_L的关系满足式（2）所示的条件，是深熔透化和形成稳定的熔融池30并立的必要条件。

【算式6】

$5\≤\frac{E_L}{R_L}\≤20$ …式(2)

另外发现，在满足式（2）的条件的基础上，若焊丝熔融速度W_mL与焦耳发热造成的焊丝熔融速度的比，和焊接电压V_L的平方的积处于式（3）所示的范围内，则可以一边确保深熔深，一边进行低飞溅焊接，熔融池也稳定，即使减小焊炬角度θ_L，且以大电流进行焊接，也不会发生咬边。通过满足式（3），可以使电弧不在熔滴之下形成，而是以包围熔滴的周围的方式形成，即使是100%二氧化碳气体焊接也能够形成喷射过渡，实现极低飞溅焊接。此外，通过满足式（3），相比一般的焊接条件，能够大幅降低先行电极电弧的能量密度，因此即使减小焊炬角度θ_L，也可抑制电弧对母材的过剩深挖，不会发生咬边。另外，因为形成喷射过渡，焊接电流I_L的变动极小，所以熔融池30也稳定。

即，发现通过满足式（2）和式（3）的条件，可以实现更低飞溅，不使咬边发生，以良好的焊道形状进行深熔深的焊接。

【算式7】

$38\≤\frac{{V_L}^2\·W_{\mathrm{mL}}\·{10}^3}{{I_L}^2\·E_L}\≤48$ …式(3)

其中，式（3）中的各参数的单位，焊接电流I_L为（A），焊接电压V_L为（V），焊丝熔融速度W_mL为（g/min），焊丝直径R_L为（mm），伸出长度E_L为（mm）。

接着，对于式（1）所示的“E_L/R_L”的值的上下限值的意义进行说明。

在式（2）的各参数和焊接的特性之间，存在如下关系。

（c1）伸出长度E_L过长时，焊丝熔融速度W_mL过大，熔融池30变得不稳定，熔深也变浅。

（c2）在焊丝熔融速度W_mL相同的情况下，焊丝直径R_L越小，焊接电流I_L越低。因此，焊丝直径R_L过小时，焊接电流I_L变低，电弧力变弱，不利于深熔深。

因此，使“E_L/R_L”的值在“20”以下，更优选为“15”以下，可以使熔融池30的稳定性和深熔深并立。

另外，在式（2）的各参数和焊接的特性之间存在如下关系。

（d1）若伸出长度E_L过短，则先行电极4的电弧力过强，因此熔融池30变得不稳定，焊道形状也变差。

（d2）若焊丝直径R_L过大，则焊接电流I_L过大，熔融池30变得不稳定，焊道形状也变差。

因此，使“E_L/R_L”的值在“5”以上，能够一边确保熔融池30的稳定性，一边实现深熔深。

接下来，对于式（3）所示的上下限值的意义进行说明。还有，以满足式（2）为前提。在式（3）的各参数和焊接的特性之间存在如下关系。

（e1）焊接电压V_L过高时，不能维持喷射过渡而成为熔滴过渡，大量的飞溅发生。另外，也容易发生咬边。

（e2）焊丝熔融速度W_mL过高时，熔融池30变得不稳定，熔深也变浅。

（e3）焊接电流I_L过低时，先行电极4的电弧力变弱，熔深也变浅。

（e4）伸出长度E_L过短时，若焊炬角度θ_L变小，则电弧在焊丝40的侧面和下板1之间发生，因此焊接变得不稳定。

（e5）若“W_mL/（I_L ²·E_L）”过低，则焊接电流I_L变得过大，咬边容易发生。

因此，使式（3）所示的“（V_L ²·W_mL·10³）/（I_L ²·E_L）”的值为“48”以下，可以一边维持喷射过渡而减少飞溅，并且抑制咬边的发生，使熔融池30稳定而维持良好的焊道形状，一边实现深熔深。

另外，在式（3）的各参数和焊接的特性之间存在如下关系。

（f1）焊接电压V_L过低时，熔融池30变得不稳定，焊道形状也变差。

（f2）焊丝熔融速度W_mL过低时，熔融池30的平衡打破，焊道形状也变差。

（f3）焊接电流I_L过高时，先行电极4的电弧力变得过强，熔融池30变得不稳定。

（f4）伸出长度E_L过长时，焊丝熔融速度W_mL变得过大，熔融池30变得不稳定，熔深也变浅。

（f5）若“W_mL/（I_L ²·E_L）”过高，则焊接电流I_L变低，熔深变浅。

因此，使式（3）所示的“（V_L ²·W_mL·10³）/（I_L ²·E_L）”的值在“38”以上，可以一边使熔融池30稳定而维持良好的焊道形状，一边实现深熔深。

如此，考虑到有关先行电极4的各参数对于焊接的影响，作为先行电极4的焊接条件，通过满足式（2）和式（3），即使作为焊丝40使用实芯焊丝，作为保护气体G使用100%二氧化碳气体，也能够使之进行喷射过渡，实现低飞溅化。另外，即使焊炬角度θ_L比40°小，使焊接电流I_L为大电流也不会发生咬边，能够得到良好的焊道形状。

（后行电极的条件）

规定了先行电极4的焊接条件的式（1），优选还满足式（2）和式（3）的条件，从而具有一边实现深熔透化一边大幅减少从先行电极4发生的飞溅的效果，但是在双丝气体保护电弧焊方法中，为了实现更为良好的焊道形状和低飞溅化，优选也适当地设定后行电极5的焊接条件。

因此，在本实施方式中，除了以所述方式设定先行电极4的焊接条件以外，作为后行电极5的焊接条件，后行电极5的焊接电流I_T（A）、焊接电压V_T（V）、焊丝送给速度WfT（g/min）和焊丝半径r_T（mm），以满足式（4）和式（5）的关系的方式设定。由此，能够恰当地保持该后行电极5的电弧长度，更好地修整焊道形状，并且能够减少飞溅。

【算式8】

$5.00\≤\frac{I_T\·V_T\·{10}^{-8}}{W_{\mathrm{fT}}\·{{\mathrm{\πr}}_T}^2}\≤7.00$ …式(4)

$\frac{{I_T}^2\·{10}^{-3}}{V_T}\≤5.00$ …式(5)

在此，对于式（4）的上下限值和式（5）的上限值的意义进行说明。

若式（4）所示的“（I_T·V_T·10^－8）/（WfT·πr_T ²）”的值超过“7”，则不能获得低飞溅且良好的焊道形状。即，若焊接电流I_T过大，则后行电极5形成的电弧A的电弧力变得过高，在2个电极间产生的熔融池30不稳定。因此，得不到正常的焊道形状。另外，若焊接电压V_T过大，则电弧长度过长，大量的飞溅发生，而且也容易发生咬边。

另外，式（4）所示的“（I_T·V_T·10^－8）/（WfT·πr_T ²）”的值低于“5”，也不能获得低飞溅且良好的焊道形状。即，若焊接电流I_T过小，则得不到对于电弧A的充分的电磁收缩力，从后行电极5发生的飞溅增大。另外，因为来自后行电极5的电弧A的电弧力过低，所以不能充分推开由先行电极4形成的熔融池，成为不整齐焊道形状。

此外，若焊接电压V_T过小，则电弧长度过短而使短路发生，飞溅多发，而且不能充分调整焊道形状。

另外，如式（5）所示，使“I_T ²·10^－3/V_T”的值的上限为“5”。该值直过“5”时，若焊接电流I_T过大，则熔融池30难以稳定，焊道形状也变差。另外，若焊接电压V_T过小，则不能充分调整由先行电极4凸出形成的焊道形状。

（后行电极的焊丝的成分）

另外，优选在后行电极5的药芯焊丝中，在焊丝总质量中，满足TiO₂的含量和SiO₂的含量的合计为5.0～9.5质量%的关系。

TiO₂和SiO₂均作为熔渣形成剂发挥作用。通过使TiO₂的含量和SiO₂的含量的合计为5.0质量%以上，能够确保充分的熔渣量，得到良好的熔渣剥离性和包裹性，抑制焊道形状的恶化。另一方面，能够使TiO₂的含量和SiO₂的含量的合计在9.5质量%以下，熔渣生成量不会过剩，能够抑制咬边和焊瘤的发生。

此外，在后行电极5的药芯焊丝中，优选焊丝总质量中，分别含有TiO₂为4.5～9.0质量%，SiO₂为0.5～0.8质量%，C为0.02～0.09质量%，Si为0.3～0.75质量%，Mn为2.0～3.0质量%。

通过使TiO₂的含量为4.5质量%以上，能够得到良好的熔渣剥离性和包裹性。另一方面，通过使TiO₂的含量为9.0质量%以下，熔渣生成量不会过剩，能够抑制咬边和焊瘤的发生。

另外，通过使SiO₂的含量为0.5质量%以上，能够得到良好的熔渣流动性，抑制焊道形状的恶化。另一方面，通过使SiO₂的含量为0.8质量%以下，焊道不容易过度下垂，能够抑制飞溅发生量的增加而防止焊接操作性的降低。

C是用于确保焊接金属的强度而优选添加的元素。使C的含量为0.02质量%以上，能够确保焊接金属充分的强度。另一方面，若使C的含量在0.09质量%以下，则能够抑制焊接金属的强度过度上升而在低温下的韧性降低，另外，还能够抑制飞溅发生量的增加。

Si作为脱氧剂起作用，具有调整焊接金属的强度，和提高熔融金属的粘性的效果。使Si的含量为0.3质量%以上，能够确保焊接金属充分的强度，能够抑制焊道形状的恶化。另一方面，使Si的含量在0.75质量%以下，能够抑制焊接金属的强度过度提高而在低温下的韧性降低。

Mn作为脱氧剂起作用，并且具有使焊接金属的强度以及低温下的韧性提高的效果。使Mn的含量在2.0质量%以上，能够充分地发挥这样的效果。另一方面，使Mn的含量在3.0质量%以下，能够抑制焊接金属的强度过高而在低温下的韧性降低，容易发生低温裂纹的问题。

【实施例】

接下来，就本发明的实施方式的双丝气体保护电弧焊方法，一边对比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一边进行说明。

＜第一实验和第二实验＞

首先，作为第一实验，使先行电极4的焊丝送给速度W_fL（m/min）、焊丝熔融速度W_mL（g/min）、焊丝直径R_L（mm）、伸出长度E_L［mm］、焊接电流I_L（A）和焊接电压V_L（V）变化，以包含式（1）、式（2）和式（3）的各计算值满足本发明的要件的试样和不满足的试样的方式，对焊接条件进行各种设定，对于板厚为12（mm）的母材（下板1和立板2）的立板2的单侧，进行同脚长的水平角焊，对于熔深（mm）、飞溅发生量（g/min）、焊道形状和咬边进行评价。

还有，焊丝熔融速度W_mL，通过使焊丝送给速度W_fL，和根据焊丝直径R_L和焊丝的密度计算出的单位长度的质量相乘而计算。另外，如图5（c）所示，熔深以立板2的厚度方向（水平方向）的熔透深度c作为评价的指标，焊道形状，如图5（c）所示，以焊道3的缝边间的距离b，与从连接缝边的直线至焊道3的凸部的前端的距离a的比a/b作为评价的指标。焊道形状的评价指标（a/b），是表示凸焊道的程度的评价指标，其越大表示凸状越显著。因此，该评价指标（a/b）越小越表示良好。

另外，在第一实验中，无论什么试样，关于后行电极5中，都以满足式（4）和式（5）的方式，设定焊丝送给速度WfT（m/min）、焊丝直径RT（mm）、焊接电流I_T（A）和焊接电压V_T（V）。另外，使焊接速度为100［cm/min］，极间距离（参照图1（a））为35（mm），后行电极5的伸出长度E_T为25（mm），作为先行电极4的焊丝40使用实芯焊丝，作为后行电极5的焊丝50使用FCW（FluxCored Wire；药芯焊丝）。另外，作为先行电极4和后行电极5的保护气体G，均使用100%二氧化碳气体。另外，无论哪种试样，先行电极4和后行电极5的焊丝直径R_L、R_T都相同。

另外，作为第二实验，使后行电极5的焊丝送给速度W_fT（m/min）、焊丝直径R_T（mm）、焊接电流I_T（A）和焊接电压V_T（V）变化，以包含式（4）和式（5）满足本发明的要件的试样和不满足的试样的方式，对于焊接条件进行各种设定，对于板厚为12（mm）的立板2的单侧，进行同脚长的水平角焊，对于熔深（mm）、飞溅发生量（g/min）、焊道形状和咬边进行评价。另外，使用4个评价指标进行综合评价。

另外，在第二实验中，无论哪种试样，关于先行电极4，都以满足式（1）、式（2）和式（3）的方式，设定焊丝送给速度W_fL（m/min）、焊丝熔融速度W_mL（g/min）、焊丝直径R_L（mm）、伸出长度E_L（mm）、焊接电流I_L（A）和焊接电压V_L（V）。极间距离与第一实验相同。

第一实验的结果显示在表1～表3中，第二实验的结果显示在表4中。各表均从左侧一栏开始，按顺序显示试样No.，关于先行电极4的焊丝送给速度W_fL（m/min），焊丝熔融速度W_mL（g/min），焊丝直径R_L（mm），伸出长度E_L（mm），焊接电流I_L（A），焊接电压V_L（V），式（1）、式（2）和式（3）的各计算值，关于后行电极5的焊丝送给速度W_fT（m/min），焊丝直径R_T（mm），焊接电流I_T（A），焊接电压V_T（V），式（4）和式（5）的各计算值，作为评价结果而显示熔深（mm）、飞溅发生量（g/min）、焊道形状（a/b）、咬边和综合评价。

【表1】

【表2】

【表3】

【表4】

表1（试样No.1～9）是使焊丝直径R_L为1.2（mm），使焊接电流I_L为450（A）邻域时的实验结果。

表2（试样No.10～38）是使焊丝直径R_L为1.4（mm），使焊接电流I_L为500（A）邻域（No.10～20），450（A）邻域（No.21～29）和400（A）邻域（试样No.30～38）时的实验结果。

表3（试样No.39～67）是使焊丝直径R_L为1.6（mm），使焊接电流I_L为500（A）邻域（No.39～48）、450（A）邻域（No.49～58）和400（A）邻域（试样No.59～67）时的实验结果。

表4（试样No.68～95）是使后行电极的焊丝直径RT变化为1.6（No.68～75）、1.4（No.76～87）和1.2（No.88～95）（mm），使焊接电流IT和焊接电压V_T发生变化时的实验结果。

另外，表1～表4所示的评价值和优良与否的判定的对应如下。还有，“◎”表示非常良好，“○”表示良好，“×”表示不良。

（1）飞溅发生量

◎：1.0g/min以下

○：1.0～3.0g/min（不含数值范围的两端）

×：3.0g/min以上

（2）熔深（图5（c）中以c表示的水平方向的熔深的深度）

◎：4.5mm以上

○：3.0～4.5mm（不含数值范围的两端）

×：3.0mm以下

（3）焊道形状（图5（c）所示的a与b的比（a/b））

◎：0.15以下

○：0.15～0.2（不含数值范围的两端）

×：0.2以上

（4）咬边评价

◎：有咬边

×：无咬边

（5）综合评价

◎：是评价项目（1）、（2）、（3）、（4）的全部为◎的情况

○：评价项目（1）、（2）、（3）、（4）的均没有×的情况（除了全部为◎）

×：评价项目（1）、（2）、（3）、（4）某一项有×的情况

（第一实验结果）

在表1～表3所示的第一实验的结果中，对于式（1）、式（2）和式（3）的各计算值脱离所述规定的范围的，对数值附加下划线表示。另外，在评价结果（熔深、飞溅发生量和焊道形状）中，对于判定为不良的数值附加下划线表示。

式（1）、式（2）或式（3）的各计算值的至少一个脱离规定的范围的试样，可知综合评价均判定为“×”（不良），式（1）、式（2）和式（3）的各计算值均为范围内的试样，可知综合评价均判定为“◎”（非常良好）或“○”（良好）。

（第二实验结果）

在表4所示的第二实验的结果中，对于式（4）和式（5）的各计算值脱离所述规定的范围的，对数值附加下划线表示。另外，在评价结果（熔深、飞溅发生量和焊道形状）中，对于判定为不良数值附加下划线表示。

式（4）或式（5）的计算值的至少一方脱离规定的范围的试样，可知综合评价均判定为“×”（不良），式（4）和式（5）的各计算值的均在范围内的试样，可知综合评价均判定为“◎”（非常良好）。

根据以上的2个实验能够确认，作为先行电极4满足式（1），优选满足式（2）和式（3）的条件，更优选作为后行电极5满足式（4）和式（5）的条件，如此设定焊接条件，可以抑制飞溅的发生，不会发生咬边，以良好的焊道形状进行深熔深的焊接。

＜第三实验＞

接着，通过发明法和现有的双丝气体保护电弧焊法（现有法1和现有法2）进行焊接，对于进行了熔深和飞溅发生量的比较的结果进行说明。

各焊接法，均使焊接速度为100［cm/min］，使水平方向和垂直方向的脚长相同而为7～7.5（mm），如此进行板厚为12（mm）的母材（下板1和立板2）的水平双面角焊。立板2的两面侧均以相同焊接条件进行焊接。

作为现有法1，使用双丝脉冲MAG（Metal Active Gas）法进行焊接。

两极作为焊丝均使用直径1.2（mm）的实芯焊丝，作为保护气体使用氩气和二氧化碳气体（20体积%）的混合气体。焊接电流和焊接电压，先行电极为300A，29.8V，后行电极为330A，31.0V。

还有，两极其焊炬角度均为45°。

作为现有法2，采用作为两极的保护气体使用了100%二氧化碳气体的双丝气体保护电弧焊进行焊接。

两极作为焊丝均使用直径1.6mm的FCW（药芯焊丝），作为保护气体使用100%二氧化碳气体。焊接电流和焊接电压，先行电极为450A，33.0V，后行电极为350A，31.0V。

还有，两极其焊炬角度均为45°。

作为发明法，以如下条件进行焊接。

先行电极，作为焊丝使用直径1.6mm的实芯焊丝，使焊丝的伸出长度为13mm，使焊炬角度为15°。另外，使焊接电流和焊接电压为510A，33.8V。

后行电极，作为焊丝使用直径1.4mm的FCW，使焊丝的伸出长度为25mm，使焊炬角度为45°。另外，使焊接电流和焊接电压为300A，31.0V。

另外，两极，作为保护气体均使用100%二氧化碳气体。

图4中显示由各焊接法形成的焊接部的截面宏观照片图像。

如图4（a）和图4（b）所示，在使用了现有法1和现有法2的焊接中，立板2有大约7mm的未焊接部分，相对于此，如图4（c）所示，可知在使用发明法的焊接中，可以实现没有未焊接部的完全熔透。一直以来，只有通过使用激光的焊接法才能够得到的深熔深效果，首次由本发明作为气体保护电弧焊接法实现了。

另外，图6中显示在所述焊接条件下，使焊接速度变化时，发明法、使用飞溅发生量最少的混合气体的现有法1的飞溅发生率。

在此，飞溅发生率由下式计算出。

飞溅发生率＝（飞溅发生量（g/min）/焊丝熔融速度（g/min））×100（%）

如图6所示，能够确认在发明法中，尽管两极作为保护气体均使用100%二氧化碳气体，但相比作为现有法1的双丝脉冲MAG法，飞溅发生率低，最大降低约50%。

＜第四实验＞

接着，作为第四实验，使后行电极5的焊丝的化学成分变化，以包含满足TiO₂和SiO₂的含量的合计为5.0～9.5质量%，TiO₂的含量为4.5～9.0质量%，SiO₂的含量为0.5～0.8质量%的条件的试样，和不满足这一条件的试样的方式进行设定，对于板厚为12（mm）的立板2的单侧，进行同脚长的水平角焊，对于咬边和焊道形状进行评价。

另外，关于TiO₂和SiO₂以外的成分，使“C”为0.02～0.09质量%，“Si”为0.3～0.75质量%，“Mn”为2.0～3.0质量%。另外，所述成分以外的焊丝的余量为“Fe”。

还有，各极的焊接条件，设定得与所述第一实验中的试样No.43（参照表3）相同。

第四实验的结果显示在表5中。表5中，从左侧一栏按顺序，显示试样No.，作为后行电极的焊丝的化学成分，显示关于“C”、“Si”、“Mn”、“TiO₂”、“SiO₂”和“TiO₂和SiO₂的合计（表5中由“a”表示）”的各含量［质量%］，接着，显示在咬边和焊道形状的评价结果。

还有，咬边和焊道形状，基于与第一实验和第二实验相同的标准评价。

【表5】

*a=[TiO₂]+[SiO₂]

在表5中，试样No.96～116，满足TiO₂和SiO₂的含量的合计为5.0～9.5质量%，TiO₂的含量为4.5～9.0质量%，SiO₂的含量为0.5～0.8质量%的条件，试样No.117～122是TiO₂和SiO₂的含量的合计不满足条件的试样。

如表5所示，满足所述焊丝成分的条件的试样，未发生咬边（由“◎”表示），焊道形状也非常良好（由“◎”表示）。另外，不满足焊丝成分的条件的试样，咬边或焊道形状的至少一方不良（由“×”表示）。

即，能够确认，在后行电极的焊丝的成分中，TiO₂和SiO₂的含量的合计，优选为TiO₂的含量和SiO₂的含量满足所述条件，从而未发生咬边，能够得到良好的焊道形状。

以上，对于本发明的实施方式的双丝气体保护电弧焊方法，通过用于实施发明的方式和实施例更具体地进行了说明，但本发明的宗旨不受这些记述限定，必须基于专利权利要求的范围的记述更广义地解释。另外，基地这些记述进行各种变更、改变等的内容当然也包含在本发明的宗旨中。

Claims (9)

1.一种双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，是使用了先行电极和后行电极的水平角焊用的双丝气体保护电弧焊方法，其中，

使所述先行电极和所述后行电极均为逆极性，

作为所述先行电极使用实芯焊丝，并且作为该先行电极的保护气体使用二氧化碳气体，该先行电极的焊炬角度θ_L为5°≤θ_L＜40°，

作为所述后行电极使用药芯焊丝，并且作为该后行电极的保护气体使用二氧化碳气体，该后行电极的焊炬角度θ_T为40°≤θ_T≤60°，

所述先行电极的焊接电压V_L为26～38V，所述先行电极的焊接电流I_L为350～550A，

所述焊接电压V_L和所述焊接电流I_L满足式(1)的条件，其中，所述焊接电压V_L的单位为V，所述焊接电流I_L的单位为A，

$56\≤\frac{V_L\·{10}^3}{I_L}\≤84$ ...式(1)。

2.根据权利要求1所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，所述先行电极的焊接电流I_L、焊接电压V_L、焊丝熔融速度W_mL、焊丝直径R_L和焊丝伸出长度E_L满足式(2)和式(3)的条件，其中，所述焊接电压V_L的单位为V，所述焊接电流I_L的单位为A，所述焊丝熔融速度W_mL的单位为g/min，所述焊丝直径R_L和焊丝伸出长度E_L的单位为mm，

$5\≤\frac{E_L}{R_l}\≤20$ ...式(2)

$38\≤\frac{{V_L}^2\·W_{mL}\·{10}^3}{{I_L}^2\·E_L}\≤48$ ...式(3)。

3.根据权利要求2所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，所述焊丝直径R_L和所述焊丝伸出长度E_L满足式(2－2)的条件，其中，所述焊丝直径R_L和所述焊丝伸出长度E_L的单位为mm，

$5\≤\frac{E_L}{R_L}\≤15$ ...式(2-2)。

4.根据权利要求1所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，所述先行电极的焊接电流I_L、焊接电压V_L、焊丝熔融速度W_mL、焊丝直径R_L和焊丝伸出长度E_L，满足式(2)和式(3)的条件，其中，所述焊接电压V_L的单位为V，所述焊接电流I_L的单位为A，所述焊丝熔融速度W_mL的单位为g/min，所述焊丝直径R_L和焊丝伸出长度E_L的单位为mm，

所述后行电极的焊丝伸出长度E_T，比所述先行电极的焊丝伸出长度E_L长，

$5\≤\frac{E_L}{R_L}\≤20$ ...式(2)

$38\≤\frac{{V_L}^2\·W_{mL}\·{10}^3}{{I_L}^2\·E_L}\≤48$ ...式(3)。

5.根据权利要求1所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，所述先行电极的焊接电流I_L、焊接电压V_L、焊丝熔融速度W_mL、焊丝直径R_L和焊丝伸出长度E_L，满足式(2)和式(3)的条件，

所述焊丝直径R_L和所述焊丝伸出长度E_L，满足式(2-2)的条件，其中，所述焊接电压V_L的单位为V，所述焊接电流I_L的单位为A，所述焊丝熔融速度W_mL的单位为g/min，所述焊丝直径R_L和焊丝伸出长度E_L的单位为mm，

所述后行电极的焊丝伸出长度E_T，比所述先行电极的焊丝伸出长度E_L长，

$5\≤\frac{E_L}{R_L}\≤20$ ...式(2)

$38\≤\frac{{V_L}^2\·W_{mL}\·{10}^3}{{I_L}^2\·E_L}\≤48$ ...式(3)

$5\≤\frac{E_L}{R_L}\≤15$ ...式(2-2)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，所述先行电极的焊炬角度θ_L为5°≤θ_L≤25°。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，所述后行电极的焊接电流I_T、焊接电压V_T、焊丝送给速度W_fT和焊丝半径r_T满足式(4)和式(5)的条件，其中，所述焊接电压V_T的单位为V，所述焊接电流I_T的单位为A，所述焊丝送给速度W_fT的单位为g/min，所述焊丝半径r_T的单位为mm，

$5.00\≤\frac{I_T\·V_T\·{10}^{-8}}{W_{fT}\·{{\mathrm{\πr}}_T}^2}\≤7.00$ ...式(4)

$\frac{{I_T}^2\·{10}^{-3}}{V_T}\≤5.00$ ...式(5)。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，在所述后行电极的药芯焊丝中，以焊丝总质量计，TiO₂的含量和SiO₂的含量的合计为5.0～9.5质量％。

9.根据权利要求8所述的双丝气体保护电弧焊方法，其特征在于，在所述后行电极的药芯焊丝中，以焊丝总质量计，分别含有TiO₂：4.5～9.0质量％、SiO₂：0.5～0.8质量％、C：0.02～0.09质量％、Si：0.3～0.75质量％、Mn：2.0～3.0质量％。