CN106392265A - 气电焊方法和气电焊装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种不损害焊接操作性而加快焊接速度，而且能够确保焊接热影响部的韧性而改善焊接金属的机械性质的气电焊方法和气电焊装置。在气电焊中，将单数或多数的焊接吹管(21、23)的吹管前端，插入一对被焊接板(15A、15B)的坡口11内，经由3m以上的长度的电力电缆流通焊接电流，在保护气体气氛下进行立向对接焊。焊丝25、26使用具有15～30％的焊剂率的药芯焊丝，保护气体使用CO2浓度为50％以上的气体，作为焊接电流使用脉冲电流。脉冲电流至达到峰电流值的上升时间为0.1～5.0ms，脉冲的频率为20～200Hz。

Description

气电焊方法和气电焊装置
技术领域
本发明涉及气电焊方法和气电焊装置。
背景技术
一般来说，作为焊接厚壁钢板等的手法，已知有气电焊(参照专利文献1、2)。在该气电焊中，使一对被焊接板的端部彼此相对配置，将坡口朝向上下方向，使滑动板抵接在形成有坡口的被焊接板的表面侧。另外，使固定的衬垫材抵接在背面侧。然后，向滑动板和衬垫材之间供给保护气体，使送给到焊接吹管的前端的焊丝的周围处于保护气体气氛中。以此状态在焊丝与被焊接板之间使电弧产生，一边使焊丝熔融，一边使滑动板向上方滑动。由此，一对被焊接板以立向姿势被进行对接焊。
上述的气电焊与其他的焊接方法相比，由于可达成高效率焊接，所以在船舶、石油储罐和桥梁等广泛的领域被采用。特别是在船舶领域，对于集装箱船的舷顶列板和舱口围板部等这样的板厚在45mm以上的极厚板的焊接，也可适用气电焊。
在上述的专利文献1中，记述有一种使板厚为45～75mm的2张钢板相对，用1根焊丝对其进行单焊层的立向对接焊的单电极气电焊方法，其中，是使焊丝直径低于2mm，使焊丝的突出长度为70mm以上，另外，使坡口每单位体积的线能量满足16～27kJ/cm3的焊接方法。此外，还记述有一种使板厚为65～95mm的2张钢板相对，以2根焊丝对其进行单焊层的立向对接焊的双电极气电焊方法，其中，是使焊丝直径低于2mm，使至少1根焊丝的突出长度为70mm以上，另外，使坡口每单位体积的线能量满足15～24kJ/cm3的焊接方法。
专利文献2的焊接方法中，为了使上述的线能量降低，将熔敷量增加用的热丝直接供给到熔池。这种情况下的焊接装置由焊接电源、焊丝送给装置、电极吹管和焊丝构成，焊接电源的一极与电极吹管连接，另一极与被焊接板连接。作为用于使熔敷量增大的热丝供给机构，由通电加热电源、热丝送给装置、通电吹管和热丝构成的结构，与焊接装置相互独立配置。在此结构中，热丝通过热丝送给装置和通电吹管，被送给到使电弧产生而形成熔池的焊丝与被焊接板的坡口面之间。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2008-30044号公报
专利文献2：特开2007-237263号公报
发明要解决的课题
但是，近年来的船舶的大型化的倾向显著，随之而来的，特别是适用于被焊接板的钢板的板厚不断增加。因此，被焊接板更加厚壁化时，需要防止焊丝的熔敷量不足，和焊接材料、被焊接板的未焊透发生等焊接缺陷的发生。
另外，上述的气电焊的焊接每单位长度的线能量(焊接线能量[kJ/mm])，能够通过由焊丝投入的热量(焊接电流×焊接电压)除以焊接速度而取得。因此，投入热量一定时，被焊接板的板厚增加，并且焊接速度降低，焊接线能量增加。
若焊接线能量增加，则被焊接板曝露在高温下的时间变长，另外，曝露在高温下的被焊接板和焊接接头部的冷却速度降低。因此，在焊接后的被焊接板中，发生受到焊接热的影响而组织软化的区域，即焊接热影响部(HAZ：Heat-Affected Zone)，在该区域得不到需要的接头特性。另外近年来，虽然会使用YP(Yield Point)390N/mm2以上的高强度材，但一般来说，越是高强度材料，焊接接头强度的降低幅度有越大的倾向。因此，为了确保焊接热影响部的韧性，需要减低焊接线能量，使被焊接板受到的热量减少。
此外，TMCP(Thermomechanical Control Process)钢这样的利用调质技术提高强度的高张力钢板容易发生焊接热影响部的性能降低，强度有可能降低。这样的机械强度的降低，由于金属组织的肥大化造成的影响而发生，因此从这一点出发，也期望使焊接线能量减低。
在专利文献1的焊接方法中，为了使焊接线能量减低，而增长焊丝的突出长度，以提高电阻放热量，加快焊丝的熔融速度。但是，焊丝的过剩的突出成为电弧变得不稳定的原因，会成为使飞溅大量发生的要因。总之，焊接操作性有可能降低。另外，若增长焊丝的突出长度来进行焊接，则可以减低焊接线能量，但容易发生未焊透等焊接缺陷。例如，若焊丝的突出长度为70mm，则由于焊丝的扭转特性，焊丝的目标位置容易发生偏移。
在专利文献2的焊接方法中，通过将热丝供给到坡口，从而加快熔敷速度(每单位时间的熔敷金属量)，使实质上的焊接线能量降低。但是，因为热丝是不产生电弧的金属丝，所以若供给位置不恰当，则在坡口部有可能发生未焊透。另外，弧长变化时，线能量有所增减，因此供给到坡口的热丝的熔敷量发生变动。其结果是，焊接品质容易发生波动。
另外，由于焊接条件，导致焊丝前端的熔滴难以离脱，熔滴过渡变得不稳定。特别是使用药芯焊丝时，焊剂的飞散发生，焊接操作性降低。
如以上，在各专利文献的焊接方法中，存在飞溅发生量的增大和未焊透发生，焊接品质和焊接操作性降低的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述事项而形成的，其目的在于，提供一种不损害焊接操作性而加快焊接速度，而且能够确保焊接热影响部的韧性，改善焊接金属的机械性质的气电焊方法和气电焊装置。
用于解决课题的手段
本发明提供下述气电焊方法。
一种气电焊方法，其特征在于，其是使一对被焊接板的端部以如下方式彼此相对配置，配置方式为：使坡口沿上下方向延伸，表面侧比背面侧宽度更宽，使沿着所述坡口可以向上方滑动的滑动板抵接于一对所述被焊接板的所述坡口形成的部位的所述表面侧，使固定的衬垫材抵接于所述被焊接板的所述背面侧，使单数或多数的焊接吹管的吹管前端插入到所述坡口内而配置，
在所述焊接吹管与焊接电源部之间，以及所述被焊接板与所述焊接电源部之间，连接3m以上的长度的电力电缆，
向从所述焊接吹管插入到所述坡口内的焊丝与一对所述被焊接板之间，施加电弧电压而流通焊接电流，一边使所述滑动板向上方滑动，一边在保护气体气氛下进行立向对接焊，
所述焊丝使用具有15～30％的焊剂率的药芯焊丝，所述保护气体使用CO2浓度为50％以上的气体，作为所述焊接电流使用脉冲电流，
所述脉冲电流至达到峰电流值的上升时间为0.1～5.0ms，脉冲的频率为20～200Hz。
根据此气电焊方法，能够使保护气体组成、药芯焊丝、焊接电流的条件最佳化，使药芯焊丝前端的熔滴过渡稳定。由此，能够减低线能量而使焊接部的韧性提高，而且，能够抑制飞溅的发生而提高操作性。还有，本说明书中的所谓“A～B”的范围，意思是含A和B的值的范围。
另外，优选将所述脉冲电流设定为如下条件：脉冲峰电流IP为400～800A，脉冲峰值期间tp为1.0～4.0ms，基值电流IB为100～200A。
根据该气电焊方法，在脉冲基值期间可稳定离脱的熔滴能够在脉冲峰值期间形成，通过使熔滴过渡稳定，能够使操作性更加良好。
另外，优选一对所述被焊接板的板厚为45～100mm，对所述坡口的焊接线能量为20～75kJ/mm。
根据该气电焊方法，焊接线能量被抑制在既定范围，能够减小因被焊接板的HAZ软化造成的强度降低。
另外，作为所述焊丝，优选使用直径为1.2～2.0mm的焊丝。
根据该气电焊方法，焊接线能量的减低效果和焊丝的熔融带来的焊接金属的供给效果的平衡良好。
另外，作为所述焊丝，优选使用如下药芯焊丝，其在焊剂总质量中含有Mn：1.50～2.50质量％、SiO2：0.1～1.0质量％、Ni：0.5～3.0质量％、Ti：0.1～0.5质量％、B：0.004～0.020质量％。
根据该气电焊方法，焊接部的韧性提高，能够提高焊接部的机械性能。
另外，优选所述焊丝内含的焊剂中的铁粉的比例相对于所述焊剂的总重量为40～90％。
根据该气电焊方法，焊丝容易熔融，能够抑制焊剂的飞散。
另外，优选在所述坡口内插入多个所述焊接吹管，将所述焊接吹管的至少1根配置在所述表面侧，将至少1根配置在所述背面侧，使施加于在所述表面侧配置的焊接吹管的电流，与施加于在所述背面侧配置的焊接吹管的电流的极性相反。
根据该气电焊方法，从各个焊接吹管发出的电弧被吸引，除了使电弧靠近焊接吹管间的中央侧以外，还将飞溅也引至与电弧相同的方向。因此，能够整体上进行稳定的焊接。
另外，多个所述焊接吹管之中，优选从最靠近所述被焊接板的背面的焊接吹管的吹管前端突出的所述焊丝的前端配置在距所述被焊接板的背面的以水平距离计为15～25mm的位置。
根据该气电焊方法，能够以需要量熔化被焊接板，能够防止未焊透。
此外，本发明提供一种气电焊装置，其特征在于，其是使一对被焊接板的端部以如下方式彼此相对配置，配置方式为：使坡口沿上下方向延伸，表面侧比背面侧宽度更宽，使沿着所述坡口可以向上方滑动的滑动板抵接于一对所述被焊接板的所述坡口形成的部位的所述表面侧，使固定的衬垫材抵接于所述被焊接板的所述背面侧，使单数或多数的焊接吹管的吹管前端插入到所述坡口内而配置，
在所述焊接吹管与焊接电源部之间，以及所述被焊接板与所述焊接电源部之间，连接3m以上的长度的电力电缆，
向从所述焊接吹管插入到所述坡口内的焊丝与一对所述被焊接板之间，施加电弧电压而流通焊接电流，一边使所述滑动板向上方滑动，一边在保护气体气氛下进行立向对接焊，
所述焊丝是具有15～30％的焊剂率的药芯焊丝，
所述保护气体是CO2浓度为50％以上的气体，
所述焊接电源部是能够供给如下脉冲电流作为在所述焊丝与一对所述被焊接板之间流通的所述焊接电流的电源，所述脉冲电流至达到峰电流值的上升时间为0.1～5.0ms，脉冲的频率为20～200Hz。
根据该气电焊装置，保护气体组成、药芯焊丝、焊接电流的条件得到最佳化，能够使药芯焊丝前端的熔滴过渡稳定。由此，能够减低线能量而使焊接部的韧性提高，而且，能够抑制飞溅的发生而提高操作性。
发明效果
根据本发明，能够不损害焊接操作性而加快焊接速度，而且能够确保焊接热影响部的韧性而改善焊接金属的机械性质。
附图说明
图1是第一结构例的气电焊装置的示意性的整体结构图。
图2是示意性地表示气电焊的情况的说明图。
图3是表示被焊接板的坡口形状的板压方向的剖面图。
图4是表示每种保护气体中在脉冲电流下由焊丝生成的熔滴的状态的说明图。
图5是表示以脉冲模式驱动焊接电源部时，焊接电流的波形的一例的图形。
图6是焊丝在坡口内的目标位置的说明图。
图7是第二结构例的焊接装置的示意性的整体结构图。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施方式，参照附图详细地加以说明。
<第一结构例>
图1是第一结构例的气电焊装置的示意性的整体结构图，图2是示意性地表示气电焊的情况的说明图。
图1、图2所示的气电焊装置100，是对于使一对被焊接板的端部彼此相对的坡口11(参照图2)沿着上下方向配置的被焊接板15A、15B进行立向对接焊的焊接装置。在此使用的被焊接板15A、15B，例如，是板厚为45～100mm的厚板钢板，例如，可以使用YP390N/mm2以上的高张力钢板。在以下的说明中，将气电焊装置仅简称为焊接装置。
焊接装置100中，如图2所示，使一对被焊接板15A、15B的端部以如下方式彼此相对配置，其配置方式为：使坡口11沿上下方向延伸，宽度从背面侧向表面侧变宽，在一对被焊接板15A、15B的坡口11形成的部位的表面侧，抵接配置有沿着坡口11可以向上方滑动的铜制的滑动板17。
在被焊接板15A、15B的滑动板17配置侧的相反侧，抵接配置有陶瓷制或铜制的衬垫材19。衬垫材19固定在被焊接板15A、15B的背面侧。在由滑动板17、和被焊接板15A、15B、和衬垫材19包围的坡口11内，从上方插入配置有多根焊接吹管21、23。还有，图示例的焊接装置100是有2根吹管的双电极焊接装置，但也可以是有3根以上吹管的焊接装置，也可以是详情后述的只有1根吹管的焊接装置。
如图1所示，焊接装置100具备如下：将焊丝25送给到焊接吹管21的焊丝供给部35；将焊丝26送给到焊接吹管23的焊丝供给部37；向填充于焊接吹管21、23的焊丝25、26供给焊接电流的焊接电源部39。
本结构的焊接电源部39具备向被焊接板15A、15B与焊丝25之间供给焊接电流的第一焊接电源41，和向被焊接板15A、15B与焊丝26之间供给焊接电流的第二焊接电源43。第一焊接电源41和第二焊接电源43分别具有可以输出脉冲状的焊接电流的脉冲控制电路。还有，在本例中，虽然是每条焊丝使用各自的焊接电源的结构，但也可以是只设置1台能够向多条焊丝输出不同条件的焊接电流的焊接电源的结构。
焊丝供给部35使焊丝25在焊接吹管21中通过，朝向焊接吹管21的前端供给。焊丝供给部37使焊丝26在焊接吹管23中通过，朝向焊接吹管23的前端供给。在此所用的焊丝25、26是直径为2.0mm以下的药芯焊丝。
在从焊接吹管21的前端突出的焊丝25与被焊接板51A、15B之间，以及焊接吹管23的吹管前端的焊丝26与被焊接板51A、15B之间，分别由焊接电源部39施加电弧电压，流通焊接电流。
该焊接电源部39选择性地设定输出脉冲电流的脉冲模式和恒电压控制的恒压(CV)模式。在脉冲模式下，脉冲状变化的脉冲电流被输出，在CV模式下，不具有特殊形状的电流波形被输出。脉冲模式与CV模式的切换可以手动进行，也可以根据来自连接于焊接装置100的未图示的控制装置的指令进行。另外，焊接电源部39也可以是只由脉冲模式驱动的电源。
上述的焊接吹管21、23和滑动板17以及焊丝供给部35、37，由未图示的升降架可自由升降地支承。升降架使滑动板17、焊接吹管21、23、焊丝供给部35、37随着焊接的进行一起，沿着图1所示的箭头P一体地以相同速度上升驱动。由此，滑动板17和被焊接板15A、15B的表侧面一边滑动一边上升。
焊接吹管23的吹管前端插入到被焊接板15A、15B的坡口11内。该焊接吹管23经由未图示的摆动装置安装在升降架上。
摆动装置使焊接吹管23向被焊接板15A、15B的板厚方向S(参照图6)摇动。该摆动装置只要是能够使焊接吹管23沿板厚方向S摇动的机构即可，也可以是将电机的旋转动作转换成前进动作的利用凸轮机构的结构，也可以是借助线性致动器，使焊接吹管23直接地进行前进动作的结构。
供给到焊接吹管21、23的吹管前端的焊丝25、26从吹管前端以既定的一定长度分别突出。来自焊接电源部39的焊接电流被供给到突出而露出的焊丝25、26和被焊接板15A、15B之间，产生电弧。
还有，从吹管前端突出的焊丝25、26的突出长度，即，吹管前端和作为母材的被焊接板15A、15B之间的距离为30～50mm的固定量。若突出长度高于50mm，则由于焊丝的扭转特性，导致目标位置容易发生偏移。另外，电阻放热增大，焊丝25、26的熔融量成为适合值以上。因此，熔融熔滴肥大化，大粒的飞溅多发。另外，若突出低于30mm，则熔敷效率降低，焊接速度慢。
滑动板17为了防止因焊接热而自身发生熔化，通过使冷却水在滑动板内循环而加以冷却。在本结构中，在滑动板17的下部，设有使冷却水W循环的冷却水流路27。在该冷却水流路27上，连接有冷却水的供给口29和排出口31，从供给口29供给的冷却水W流通至冷却水流路27中。
在滑动板17的上部，设有喷出保护气体G的气体喷出部33。保护气体将坡口11内的焊接金属与大气阻断，对坡口11进行保护。
图3是表示被焊接板15A、15B的坡口形状的板压方向的剖面图。对于被焊接板15A、15B的坡口11而言，使被焊接板15A、15B的表面侧比背面侧宽度加宽。被焊接板15A、15B的坡口11的形状例如为，被焊接板15A、15B的板厚t为80mm，坡口角度θ为20°，坡口间隙长度GAP为10mm。在该坡口11内，一边使焊丝25、26的周围处于保护气体气氛下，一边使从焊接吹管21、23突出而露出的2根焊丝25、26分别产生电弧，以进行气电焊。
从焊丝25、26产生的电弧使焊丝25、26自身熔融，并且也使被焊接板15A、15B的一部分熔融。由此，在坡口11内形成熔融金属47。该熔融金属47凝固而形成填补坡口11的焊接金属49。
<焊丝、保护气体、焊接电流的条件>
接着，对于用于上述构成的焊接装置100的焊丝、保护气体、焊接电流进行说明。
作为一般的线能量减低的手段，例如可列举使用药芯焊丝、使焊接电流脉冲化等。如果焊接电流值相同，则药芯焊丝比实芯焊丝的熔敷效率高。因此，药芯焊丝相比实芯焊丝，可以降低线能量。还有，焊丝的焊剂率(焊丝中焊剂量/焊丝总重量之比)越大，越能够取得线能量的减低效果。但是，药芯焊丝因其丝芯由焊剂形成，所以在焊接中的焊丝前端，焊剂容易飞散而变成飞溅，焊接操作性劣化。该操作性的劣化，在焊剂率高时和应用脉冲焊接时显著。
另外，关于丝径，若焊丝25粗，则焊丝25的电阻降低。因此，从焊接吹管21、23的吹管前端突出的焊丝25、26需要流通更高的焊接电流。因此，焊丝越粗，焊接线能量越大。
因此，在本结构的焊接装置100中，即使焊丝使用药芯焊丝时，也要使焊丝、保护气体、焊接电流的条件最佳化，从而减低焊接的线能量，并且使焊丝前端的熔滴过渡稳定，以实现焊接部的机械性质的改善。以下，对于其最佳化条件详细地加以说明。
<焊丝的性状>
(1)焊剂率
在实芯焊丝中，如气电焊，由于电力电缆细长而脉冲电流的波形变钝时，因为收缩力不足，所以熔滴难以从焊丝前端周期性地离脱，熔滴过渡不稳定。但是，通过使用药芯焊丝作为焊丝，将焊剂率规定为15～30％，即使在脉冲电流的波形变钝时，熔滴仍容易发生颈缩。还有，若焊剂率低于15％，则对于熔滴的离脱，无法取得充分的收缩力，因此熔滴过渡变得不稳定，焊接操作性劣化。另一方面，若焊剂率高于30％，则焊剂开始飞散，焊接操作性劣化。还有，这里所说的波形的“钝”，是指峰值波形的上升、下落放缓的状态。
(2)组成
通过将焊丝所含的Mn、Ni、B、Ti、SiO2在焊剂总质量中的含有率(质量％)规定在以下的范围，焊接热影响部的韧性和焊接操作性进一步提高。
Mn：1.50～2.50质量％
焊丝中的Mn发挥作为脱氧剂或捕硫剂的效果，优选为了确保焊接金属的强度和韧性而添加。为了确保韧性，更优选使之含有1.50质量％以上。另一方面，若处于2.50质量％以下，则能够抑制因过剩强度造成的焊接金属的韧性降低。因此，优选Mn的含量规定为1.50～2.50质量％的范围。
Ni：0.5～3.0质量％
Ni优选为了确保焊接金属的强度和韧性而添加。更优选为了确保韧性确保而使之含有0.5％以上。另一方面，若处于3.0质量％以下，则能够抑制由于过剩强度造成的焊接金属的韧性降低。因此，Ni的含量优选规定为0.5～3.0质量％的范围。
Ti：0.1～0.5质量％
Ti是强脱氧元素，形成稳定的氧化物、碳化物、氮化物，是有助于晶粒的微细化等的元素，因此优选为了确保焊接金属的强度和韧性而添加。更优选为了确保韧性而使之含有0.1质量％以上。另一方面，若处于0.5质量％以下，则能够抑制由于过剩强度造成的焊接金属的韧性降低。因此，Ti的含量优选规定为0.1～0.5质量％的范围。
B：0.004～0.020质量％
B形成稳定的氮化物，是有助于晶粒的微细化等的元素，因此优选为了确保焊接金属的强度和韧性而添加。更优选为了确保韧性而使之含有0.004质量％以上。另一方面，若处于0.020质量％以下，则能够抑制由于过剩强度造成的焊接金属的韧性降低和裂纹。因此，B的含量优选规定为0.004～0.020质量％的范围。
SiO2：0.1～1.0质量％
SiO2作为形成于熔池表面的阴极点，优选用于稳定电弧而添加。为了使电弧稳定化而优选以0.1～1.0质量％添加。还有，添加Ti时，Ti成为稳定的氧化物，与SiO2同样，在熔池表面上作为阴极点起作用。SiO2和Ti氧化物因热电子发射性能不同，所以作为电弧稳定而有效地起作用的比率，更优选Ti/SiO2为0.5～3.0。
(3)铁粉比率
焊丝中内含的焊剂中的铁粉的比例相对于焊剂总重量而优选为40～90％。在此范围内，铁粉容易熔融，因此能够抑制焊接电流的峰电流期间的焊剂的飞散。另外，能够提高后述的CO2气体的优点。
<保护气体>
焊接装置100所使用的保护气体是CO2浓度为50％以上的混合气体或100％的CO2气。还有，在以下的说明中，将上述的CO2浓度为50％以上的气体、100％的CO2气仅称为CO2气。对于气电焊特有的长电缆形成的脉冲波形的平钝，利用恰当设定的脉冲形状和含有上述CO2气的保护气体的电弧紧缩效果，能够在焊丝前端形成在脉冲基值期间可离脱的最佳大小的熔滴。其结果是，焊丝前端的熔滴过渡稳定。
还有，保护气体的流量优选为40L/min以上。这是由于，在造船领域的焊接中，由于坡口断面大，所以与通常的气体保护焊相比，需要大量的气体。
图4是表示每种保护气体中在脉冲电流下由焊丝生成的熔滴的状态的说明图。
在该图中，从点线所示的通常的脉冲波形变钝的脉冲电流的波形由实线表示。时刻t1的脉冲电流成为缓和上升途中的电流值E1。
保护气体是CO2浓度为50％以上的气体时，在时刻t1的状态下，由于电弧的紧缩，在焊丝25、26、28的前端，熔滴51生长。由于该熔滴的形成，能够防止焊剂的飞散。而后，若变成时刻t2，则脉冲电流达到通常的脉冲波形的峰电流值。达到该峰电流E2时，缓和生长的液滴从焊丝25、26、28离脱。由此，能够实现规则的液滴的离脱，能够使焊丝前端的熔滴过渡稳定。因此，能够消除作为前述课题的焊接操作性的降低。
另一方面，保护气体是富Ar气时，电弧在焊丝侧蠕升，熔滴以没有在焊丝前端充分形成的状态离脱，因此焊剂柱露出，焊剂飞散，焊接操作性降低。
<焊接电流>
焊接电源部39，能够分别独立输出向焊丝25输出的驱动电力和向焊丝26输出的驱动电力。在本结构的焊接电源部39中，向焊丝25、26的至少一个输出脉冲模式的脉冲电流。
图5是表示以脉冲模式驱动焊接电源部39时，焊接电流的波形的一例的图形。该图所示的焊接电流的波形是在焊丝25、26的前端与被焊接板15A、15B之间的焊接部位实际流通的焊接电流的波形，在双电极气电焊中，是使焊丝送给速度为14.8m/min而进行焊接时的脉冲电流波形。这时的从焊接电源部输出的焊接电流的电流波形是矩形波。上述焊接电流中，脉冲峰电流IP为600A，脉冲峰值期间tp为4.5ms，基值电流IB为180A，基值期间tB为5.0ms。另外，该焊接电流的脉冲的频率f是111Hz。还有，脉冲峰值期间tp含上升和下落的期间。
在本构成的焊接装置100中，优选脉冲峰电流IP为400～800A，脉冲峰值期间tp为1.0～4.0ms，基值电流IB为100～200A的矩形波。
另外，在吹管前端的焊丝25、26与被焊接板15A、15B之间流通的脉冲电流，使达到焊接吹管的峰电流值的上升时间和脉冲的频率满足以下的条件。
(1)上升时间
脉冲电流中，使达到峰电流值的上升时间为0.1～5.0ms。该上升时间0.1～5.0ms的范围，是在保护气体为CO2气，并使用药芯焊丝时使熔滴稳定的最佳条件。而后，在该电流值缓和增加的期间进行焊接。上升时间低于0.1ms时，药芯焊丝受到急剧的收缩力，焊丝中的焊剂飞散，操作性劣化。上升时间高于5.0ms时，峰值期间中发生熔滴离脱，1mm以上的大颗的飞溅发生。
(2)脉冲的频率
使脉冲电流的脉冲的频率为20～200Hz。通常的MAG(Metal ActiveGas)焊接为了使熔滴过渡稳定化而需要高于200Hz的频率。另一方面，在本结构的气电焊中，低于20Hz时或高于200Hz时，熔滴过渡的规则性打乱，飞溅发生量增加。即，通过使用作为本发明的构成要件的药芯焊丝、CO2浓度为50％以上的气体、和20～200Hz的频率的脉冲电流，能够使焊丝的熔滴过渡稳定。
<焊丝、保护气体、焊接电流的最佳化效果>
一般来说，使用脉冲电流时，会进行使实芯焊丝和Ar80％以上的富Ar的保护气体加以组合，使脉冲的频率为200～300Hz。在此条件下，能够达成由脉冲电流的1个脉冲在焊丝前端生成1个液滴的一脉一滴。由此，能够得到飞溅被抑制的优异的焊接操作性，也可实现线能量的减低。
上述效果在组合使用实芯焊丝和富Ar的保护气体的情况以外无法获得。例如，将实芯焊丝变更为药芯焊丝时，不论保护气体使用富Ar气体还是使用CO2气体，或是使用脉冲电流，在峰电流时焊剂都会飞散，焊接操作性降低。另外，将富Ar的保护气体变更为CO2气时，只要脉冲电流不是特殊的波形，则焊丝的液滴过渡的形态不同，焊接操作性降低。
此外，气电焊的情况下，连接焊接电源部和焊接吹管间的电力电缆长，脉冲电流的波形变钝。因为该脉冲波形的变钝，所以一般来说，气电焊不使用脉冲电流。假如使用脉冲电流，即使组合使用实芯焊丝和富Ar的保护气体时，焊丝的熔滴过渡也会紊乱。这是因为电力电缆长，发生脉冲波形变钝的现象，因此得不到由脉冲峰电流的急剧上升带来的收缩力效果，脱离了一脉一滴的形态。其结果是，发生飞溅，焊接操作性劣化。另外，使用CO2气，使脉冲电流为特殊波形时，具有电流值高的第一峰电流和比第一峰电流低的第二峰电流的特殊波形的脉冲电流，由于电流特别低的第二峰电流的衰减导致波形变钝，仍不能进行任意的熔滴过渡控制。因此，无论哪种情况下，都不能达成本来的线能量减低和焊接操作性提高的效果。
本构成的焊接装置100通过以上述焊丝、保护气体、焊接电流的条件进行焊接，可以使用至今为止在气电焊中不能使用的脉冲电流，实现焊丝前端的稳定的熔滴过渡。其结果是，能够减低线能量，提高焊接热影响部的韧性等的机械性能。另外，由于熔滴过渡的稳定化，从而能够减少飞溅的发生，提高焊接操作性。
此外，根据本结构的焊接装置100，在对被焊接板15A、15B进行气电焊时，能够使坡口11的焊接线能量处于20～75kJ/mm。焊接线能量在20kJ/mm以上时，焊接效率提高，焊接线能量在75kJ/mm以下时，强度降低受到抑制。
而且，在本结构的焊接装置100中，对焊接吹管21的焊丝25和焊接吹管23的焊丝26分别施加焊接电流时，优选使各自的电流的极性互不相同。在图示例中，焊接吹管21的焊丝25与直流正极性(DC-EN)连接，焊接吹管23的焊丝26与直流逆极性(DC-EP)连接。通过使各自的电流的极性互不相同，飞溅减少，焊接操作性更良好。
此外，为了抑制飞溅的发生，也可以运用将施加于各焊接吹管的脉冲峰值周期错开等手法。
另外，像双电极气电焊这样的使用多个电极的焊接法的情况下，如果使各个焊接吹管处于DC-EN和DC-EP，则从各个焊接吹管产生的电弧稳定，在焊接吹管间发生的飞溅减少。此外，优选使焊接吹管间隔处于20mm～40mm，从而电弧更稳定，将能够进行操作性良好的焊接。
在现有的气电焊法中，焊丝25距衬垫材19以水平距离计离开20～30mm而配置。但是，在本气电焊法中，若形成同样的焊丝26的配置，则因为线能量低，所以在背面侧的焊接金属与衬垫材19之间产生间隙等，有可能发生未焊透。另外，相比CV模式的情况，脉冲模式的情况下，焊接电流值较低。因此，在脉冲模式和CV模式下，若使焊丝的目标位置相同，则即使在CV模式下也可进行良好的焊接，而在脉冲模式下焊接时，也难以出现根部焊道，得不到良好的焊道外观。因此，在脉冲模式的情况下，将最靠近被焊接板15A、15B的背面的焊丝25的目标位置配置在距衬垫材19的以水平距离计15～25mm的位置。由此，焊丝25接近距衬垫材19为15～25mm的位置，能够以需要量熔化被焊接板，能够防止未焊透。
图6是焊丝25、26的坡口11内的目标位置的说明图。若焊接吹管23(参照图1)借助前述的摆动装置被摇动，则焊丝26沿着板厚方向S摇动。摆动装置带来的焊丝26的横摆幅度，为距被焊接板15A、15B的表面侧距离L4的位置P1、与距位置P1距离L3的位置P2之间的距离。另外，焊接吹管21的焊丝25配置在距位置P2进一步只距离L2的朝向被焊接板15A、15B的背面侧的位置P3。上述的距离L1～L4，设定为下述表1所示的尺寸。表中的各电极位置PO1、PO2、PO3的任意一个均能够防止未焊透的发生。
【表1】
表1 双电极焊接中的焊丝的位置
如以上说明，作为供给到焊接吹管21、23的焊接电流，采用矩形波脉冲电流，由此，即使在因长电缆导致焊接电流波形容易变钝的状況下，也能够确实地低线能量化。在使用药芯焊丝，且由CO2气体保护进行的脉冲焊接这样的电弧常常不稳定的条件下，通过将各个焊接吹管设置为相反的极性，能够避免电弧干扰，而且，能够得到各自的电弧稳定化的效果。因此，能够一边实现低线能量化，一边形成没有未熔合等焊接缺陷的焊接金属。
还有，在本结构的焊接装置100中，优选使配置在被焊接板15A、15B的背面侧的焊丝25不摇动，而只使配置在表面侧的焊丝26通过摆动装置摇动。只使焊丝26摇动的情况下，电弧稳定性提高，能够减少飞溅发生量。由此，即使对于细长而坡口11的尺寸偏差大的实际焊接施工，也能够确保良好的焊接操作性。另外，也可以在焊丝25侧组装摆动装置摇动焊丝25，以之代替使焊丝26摇动，也可以同时摇动焊丝25和焊丝26二者。这种情况下，如果以一个摆动装置摇动焊丝25、26，则能够使焊接装置100的机器构成简单。
<第二结构例>
接着，说明气电焊装置的第二结构例。
图7是第二结构例的焊接装置的示意性的整体结构图。在以后的说明中，对于相同的构件和部位附加相同的符号，其说明省略或简化。
本结构的焊接装置200，是设有单一的焊丝供给部38的单电极的结构，以之取代图1所示的焊接装置100的具有一对焊丝供给部35、37的双电极的结构。另外，随之而来的是，焊接电源部40成为设有单一的焊接电源44的结构，以之取代第一焊接电源41、第二焊接电源43。其他的结构，与前述的焊接装置100同样。另外，焊丝28也可以由未图示的摆动装置摇动。
根据本结构的焊接装置200，即使是单一的焊丝供给部38，仍与前述的焊接条件同样进行气电焊。由此，即使被焊接板15A、15B的板厚低于45mm的板厚时，也能够得到与前述同样的作用效果。总之，不论焊接吹管是单数、多数的任一种情况，如上述，通过焊丝使用药芯焊丝，保护气体使用CO2气，作为焊接电流使用脉冲电流，可实现气电焊的最佳化。
实施例
将使用图1所示的焊接装置100和图7所示的焊接装置200，并使用表2所示的焊丝进行焊接的实验例1～56的评价结果显示在表3、表4中。
<焊接条件>
焊接速度：20mm/min
板厚(单电极)：45mm
板厚(双电极)：80mm
根部间隙：10mm
坡口角度：20°
<评价标准>
(1)关于焊道外观，通过目视评价咬边或下垂有无发生。评价标准为，A良好，B有外观不良。
(2)关于未熔合，通过超声波探伤(UT：Ultrasonic Testing)试验(JISZ 3060：2002)，根据未焊透有无发生进行评价。评价标准为，A无未焊透，B有未焊透。
(3)关于飞溅操作性，由高速摄影机拍摄，按下述标准，以A、B、C这3个等级评价每10秒之中发生的飞溅的数量。
A：低于100个
B：100个以上且低于200个
C：200个以上
(4)关于韧性，与利用实芯焊丝进行的恒电压的气电焊的试样的摆锤冲击试验(JIS Z 2242：2005)的结果比校，按下述标准，以A、B、C这3级进行评价。
A：100以上且120以下
B：60以上且低于100
C：低于60
【表2】
【表3】
【表4】
如实验例45～47，若保护气体中的Ar比率增加，则熔滴过渡时焊剂飞散，操作性恶化。
如实验例48、49，若电缆长低于3m，则波形的平钝不会发生，因此脉冲电流的上升低于0.1ms，药芯焊丝与CO2气组合时，熔滴过渡不稳定，发生飞溅而使操作性劣化。
如实验例50、51，若电缆长变成100m，则波形过度平钝，脉冲电流的上升高于5.0ms，操作性恶化。
如实验例52，若药芯焊丝的焊剂率低于15％，则对于熔滴的离脱而得不到充分的收缩力，因此熔滴过渡不稳定，焊接操作性劣化。
另一方面，如实验例53，若焊剂率高于30％，则焊剂开始飞散，焊接操作性劣化。
实验例54是使实芯焊丝、CO2气和脉冲电流组合的焊接方法。这种情况下，熔滴过渡变得不稳定，焊道外观不良以及焊接操作性劣化。
实验例55是上升时间超过5.0ms，频率低于20Hz的情况。这种情况下，峰值期间中发生熔滴离脱，1mm以上的大颗的飞溅发生，焊接操作性劣化。
实验例56是频率高于200Hz的情况。这种情况下，药芯焊丝受到急剧的收缩力，焊丝中的焊剂飞散，因此焊接操作性劣化。
符号说明
11 坡口
15A、15B 被焊接板
17 滑动板
19 衬垫材
25、26、28 焊丝
39、40 焊接电源部
100，200 气电焊装置

Claims (9)

1.一种气电焊方法，其特征在于，其是使一对被焊接板的端部以如下方式彼此相对配置，配置方式为：使坡口沿上下方向延伸，表面侧比背面侧宽度更宽，
使沿着所述坡口可以向上方滑动的滑动板抵接于一对所述被焊接板的所述坡口形成的部位的所述表面侧，使固定的衬垫材抵接于所述被焊接板的所述背面侧，使单数或多数的焊接吹管的吹管前端插入到所述坡口内而配置，
在所述焊接吹管与焊接电源部之间，以及所述被焊接板与所述焊接电源部之间，连接3m以上的长度的电力电缆，
向从所述焊接吹管插入到所述坡口内的焊丝与一对所述被焊接板之间，施加电弧电压而流通焊接电流，一边使所述滑动板向上方滑动，一边在保护气体气氛下进行立向对接焊，
所述焊丝使用具有15～30％的焊剂率的药芯焊丝，所述保护气体使用CO2浓度为50％以上的气体，作为所述焊接电流使用脉冲电流，
所述脉冲电流至达到峰电流值的上升时间为0.1～5.0ms，脉冲的频率为20～200Hz。
2.根据权利要求1所述的气电焊方法，其特征在于，将所述脉冲电流设定为如下条件：脉冲峰电流IP为400～800A，脉冲峰值期间tp为1.0～4.0ms，基值电流IB为100～200A。
3.根据权利要求1所述的气电焊方法，其特征在于，一对所述被焊接板的板厚为45～100mm，对所述坡口的焊接线能量为20～75kJ/mm。
4.根据权利要求1所述的气电焊方法，其特征在于，作为所述焊丝使用直径为1.2～2.0mm的焊丝。
5.根据权利要求1所述的气电焊方法，其特征在于，作为所述焊丝，使用在焊剂总质量中含有Mn：1.50～2.50质量％、SiO2：0.1～1.0质量％、Ni：0.5～3.0质量％、Ti：0.1～0.5质量％、B：0.004～0.020质量％的药芯焊丝。
6.根据权利要求1所述的气电焊方法，其特征在于，使所述焊丝中内含的焊剂中的铁粉的比例相对于所述焊剂的总重量为40～90％。
7.根据权利要求1～至权利要求6中任一项所述的气电焊方法，其特征在于，在所述坡口内插入多个所述焊接吹管，将所述焊接吹管的至少1根配置在所述表面侧，将至少1根配置在所述背面侧，使施加于配置在所述表面侧的焊接吹管的电流和施加于配置在所述背面侧的焊接吹管的电流的极性相反。
8.根据权利要求7所述的气电焊方法，其特征在于，多个所述焊接吹管之中，从最靠近所述被焊接板的背面的焊接吹管的吹管前端突出的所述焊丝的前端配置在距所述被焊接板的背面的以水平距离计为15～25mm的位置。
9.一种气电焊装置，其特征在于，其是使一对被焊接板的端部以如下方式彼此相对配置，配置方式为：使坡口沿上下方向延伸，表面侧比背面侧宽度更宽，
使沿着所述坡口可以向上方滑动的滑动板抵接于一对所述被焊接板的所述坡口形成的部位的所述表面侧，使固定的衬垫材抵接于所述被焊接板的所述背面侧，使单数或多数的焊接吹管的吹管前端插入到所述坡口内而配置，
在所述焊接吹管与焊接电源部之间，以及所述被焊接板与所述焊接电源部之间，连接3m以上的长度的电力电缆，
向从所述焊接吹管插入到所述坡口内的焊丝与一对所述被焊接板之间，施加电弧电压而流通焊接电流，一边使所述滑动板向上方滑动，一边在保护气体气氛下进行立向对接焊，
所述焊丝是具有15～30％的焊剂率的药芯焊丝，
所述保护气体是CO2浓度为50％以上的气体，
所述焊接电源部是能够供给如下脉冲电流作为在所述焊丝与一对所述被焊接板之间流通的所述焊接电流的电源，所述脉冲电流至达到峰电流值的上升时间为0.1～5.0ms，脉冲的频率为20～200Hz。
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