CN106488825B

CN106488825B - 立式窄坡口气体保护电弧焊方法

Info

Publication number: CN106488825B
Application number: CN201580025908.0A
Authority: CN
Inventors: 片冈时彦; 早川直哉
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2014-06-02
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2019-01-08
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: CN106488825A; KR101888780B1; JP5884209B1; KR20160144494A; WO2015186544A1; JPWO2015186544A1

Abstract

本发明涉及立式窄坡口气体保护电弧焊方法。本发明的目的在于提供一种通过将高功能且高精度的焊接自动化技术活用而进行与坡口形状、焊接姿势等对应的精密的焊炬的摆动，由此能够应用于厚钢材特别是板厚为40mm以上的厚钢材的焊接的高品质且高效率的立式窄坡口气体保护电弧焊方法。作为规定的坡口条件，在通过使用摆动的立式多层焊将板厚：40mm以上的两个厚钢材接合的气体保护电弧焊方法中，适当地控制初层焊接条件，特别是焊炬角度、焊接热量输入量、摆动条件，使初层焊接的接合深度成为20mm以上50mm以下。

Description

立式窄坡口气体保护电弧焊方法

技术领域

本发明涉及窄坡口气体保护电弧焊方法，特别是涉及能够用于两个厚钢材的对焊的立式窄坡口气体保护电弧焊方法。

本发明中，“窄坡口”是指坡口角度为25°以下并且成为被焊接件的钢材间的最小坡口宽度为该钢材的板厚的50％以下。

背景技术

用于钢的焊接施工的气体保护电弧焊一般是将单独的CO₂气体、或Ar与CO₂的混合气体用于熔融部的保护的自耗电极式，在汽车、建筑、桥梁以及电气设备等的制造领域中广泛使用。

然而近年来，伴随着钢构造物的大型化/厚壁化，制作过程中的焊接特别是钢材的对焊的熔敷量增大，而且焊接施工需要较多的时间，从而导致施工成本的增大。

作为改善这种情况的方法，可以考虑利用弧焊法对相对于板厚较小的间隙的坡口进行多层焊的窄坡口气体保护电弧焊的应用。该窄坡口气体保护电弧焊与通常的气体保护电弧焊相比，熔敷量少，因此能够实现焊接的高效率化/节能化，进而可期待施工成本的减少。

另一方面，立式的高效率焊接通常应用电渣焊，但1道次高热输入焊接是基本的，对于板厚超过60mm的焊接而言担忧热量输入过多、韧性降低。另外，1道次焊接存在板厚的极限，特别是板厚超过65mm的焊接现状是仍无法确立技术。

因此，期望开发将窄坡口气体保护电弧焊用于立式焊接的高品质且高效率的焊接方法。

作为将这样的窄坡口气体保护电弧焊应用于立式焊接的焊接方法，例如，专利文献1公开有以双面U型坡口接头作为对象的两侧多层焊方法。该焊接方法中，进行基于使用了惰性气体的TIG焊接的层叠焊接，通过使用惰性气体抑制熔渣、溅射的产生，从而防止层叠缺陷。

然而，作为非自耗电极式的TIG焊接与使用作为自耗电极的钢线的MAG焊接、CO₂焊接比较，焊接法本身效率显著变差。

另外，专利文献2公开有，为了抑制溅射、融合不良而进行焊炬的摆动(weaving)的窄坡口的立式焊接方法。

但是，在该焊接方法中，焊炬的摆动方向不是坡口深度方向，而是钢板表面方向，因此需要在熔融金属垂下来之前使焊炬摆动，使焊接电流成为150A左右的低电流，需要抑制每1道次的熔敷量(≈热量输入量)。

因此，在将该焊接方法应用于板厚较厚的厚钢材的焊接的情况下，成为少量多道次的层叠焊接，除了焊透不良等层叠缺陷较多之外，焊接效率也显著降低。

另外，专利文献3与专利文献2相同，公开有为了抑制融合不良而进行焊炬的摆动的立式焊接方法。

这里公开的面角度(坡口角度)范围较宽为26.3～52°，但这里的焊炬的摆动也相对于坡口深度方向进行，因此能够使每1道次的熔敷量比较多。

但是，坡口深度方向的摆动量小，另外未考虑焊接金属以及焊丝组成，因此需要抑制每1道次的熔敷量(≈热量输入量)，每1道次的焊接深度较浅为10mm左右。

因此，在将该焊接方法用于板厚较厚的厚钢材的焊接的情况下，还是成为少量多道次的层叠焊接，除了焊透不良等层叠缺陷较多之外，焊接效率也降低。

另外，专利文献4公开有能够进行极厚材料的1道次焊接的双电极的气体保护电焊装置。

通过该双电极的气体保护电焊装置的使用，能够进行直至板厚：70mm左右的厚钢材的接合，但由于双电极化使热量输入量大幅增加为360kJ/cm左右，因此对钢板的热影响较大，在接头需要较高的特性(强度、韧性)的情况下，满足这样的特性是非常困难的。

另外，对于该双电极的气体保护电焊装置而言，在坡口，在背面侧设置陶瓷的垫板、并在表面(焊接机侧)设置水冷式的铜垫板金属的按压机构是不可缺少的，虽没有熔融金属垂下的担心，但焊接装置变复杂。

另外，对于该双电极的气体保护电焊装置而言，在表面(焊接机侧)设置铜垫板金属的按压机构是不可缺少的，因此1道次焊接是基本，作为多道次的层叠焊接难以实现低热量输入化。

专利文献1:日本特开2009-61483号公报

专利文献2:日本特开2010-115700号公报

专利文献3:日本特开2001-205436号公报

专利文献4:日本特开平10-118771号公报

如上述那样，现状是能够用于厚钢材的焊接的高品质且高效率的立式窄坡口气体保护电弧焊方法还未被开发。

另一方面，焊接自动化技术(焊接机器人)的轻型/高功能/高精度化正在发展，能够成为适于至今为止困难的坡口形状与焊接姿势的焊炬的摆动，通过将其活用，能够成为适于钢材、坡口形状、焊接姿势以及焊接材料(焊丝)的焊接施工(条件设定)。

发明内容

木发明的目的在于提供一种通过将高功能且高精度的焊接自动化技术活用并进行与坡口形状、焊接姿势等对应的精密的焊炬的摆动从而能够应用于厚钢材特别是板厚为40mm以上的厚钢材的焊接的高品质且高效率的立式窄坡口气体保护电弧焊方法。

因此，发明者们为了解决上述的课题，对在厚钢材应用立式窄坡口气体保护电弧焊的情况的焊接条件，进行了专心研究。

其结果可知，在进行厚钢材的立式的窄坡口气体保护电弧焊时，为了在焊接金属以及热影响部得到所希望的机械特性并且实现焊接的高效率化，作为2道次以上的多层焊并抑制每1道次的焊接热量输入量，并使初层焊接的接合深度(焊接深度)成为20mm以上50mm以下很重要。

而且，作为上述的2道次以上的多层焊，抑制每1道次的焊接热量输入量，针对用于得到初层焊接的规定的接合深度的焊接条件，进一步进行了研究。其结果，在使坡口条件成为规定的条件的基础上，适当地控制初层的焊接条件特别是焊炬角度以及摆动条件，从而实现包括立式焊接中成为问题的熔融金属的垂下的抑制的焊珠形状的稳定化与防止焊接缺陷的产生，并且能够实现上述的初层焊接的接合深度。由此可知，即使是板厚为40mm以上的厚钢材，也能够进行高品质且高效率的立式窄坡口气体保护电弧焊。

本发明是立足于上述观点的。

即，本发明的主旨结构如以下方案那样。

1.一种通过使用摆动的立式多层焊将坡口角度为25°以下、坡口间隙为20mm以下、板厚为40mm以上的两个厚钢材接合的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，

在初层焊接时，在使焊炬的角度相对于水平方向为25°以上75°以下，焊接热量输入为30kJ/cm以上170kJ/cm以下，并且朝板厚方向的摆动深度为15mm以上50mm以下，并且初层焊接的焊珠宽度为W的情况下，在使朝与板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度成为(W-6)mm以上Wmm以下的范围，进行焊炬的摆动，

使上述初层焊接的接合深度成为20mm以上50mm以下。

2.根据上述方案1所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，在上述初层焊接的摆动中，从焊接线方向观察的焊炬的摆动类型为コ字形。

3.根据上述方案1或2所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，上述初层焊接的焊接金属的S量以及O量的合计为450质量ppm以下并且N量为120质量ppm以下。

4.根据上述方案1～3中任一项所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，上述初层焊接所使用的焊丝的Si量以及Mn量的合计为1.5质量％以上3.5质量％以下。

5.根据上述方案1～4中任一项所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，上述初层焊接所使用的焊丝的Ti量、Al量以及Zr量的合计为0.08质量％以上0.5质量％以下。

6.根据上述方案1～5中任一项所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，作为保护气体使用含有20体积％以上的CO₂气体的气体。

7.根据上述方案1～6中任一项所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，在上述初层焊接中，平均焊接电流为270A以上360A以下的范围。

根据本发明，在焊接板厚为40mm以上的厚钢材的情况下，也能够实现包括抑制立式焊接中成为问题的熔融金属的垂下的焊珠形状的稳定化与防止焊接缺陷，从而能够实施高品质且高效率的窄坡口气体保护电弧焊。

而且，本发明的焊接方法与通常的气体保护电弧焊相比熔敷量少，基于焊接的高效率化的节能化也能够实现，因此焊接施工成本能够大幅度减少。

另外，本发明的焊接方法中，不需要专利文献4所示的气体保护电焊装置那样的防止熔融金属的垂落的水冷式的铜垫板金属的按压机构，因此能够避免装置的复杂化，而且通过多道次的焊接施工能够抑制每1道次的焊接热量输入，因此在焊接金属以及钢材热影响部容易确保所希望的机械特性。

附图说明

图1示出本发明的焊接方法的各种坡口形状。

图2示出在V形的坡口形状中，通过本发明的焊接方法而实施初层焊接时的施工要领。

图3示出在V形的坡口形状中，通过本发明的焊接方法实施了初层焊接后的坡口剖面。

图4示出初层焊接的摆动中的从焊接线方向观察的焊炬的摆动类型，图4的(a)是コ字形，图4的(b)是梯形，图4的(c)是V字形，图4的(d)是三角形。

图5是在本发明的发明例(No.7)中，通过本发明的焊接方法实施了初层焊接后的照片，图5的(a)示出整体的外观，图5的(b)是坡口剖面。

具体实施方式

以下，对本发明具体地进行说明。

图1的(a)～(c)示出本发明的焊接方法中成为对象的各种坡口形状。图中，附图标记1是厚钢材，2是厚钢材的坡口面，3是(Y形坡口的)钢材下段部的坡口，符号θ表示坡口角度，G表示坡口间隙，t表示板厚，h表示(Y形坡口的)钢材下段部的坡口高度。

如该图所示的那样，本发明的焊接方法的坡口形状也能够成为V形坡口(包括I形坡口以及レ形坡口)以及Y形坡口的任一个，另外如图1的(c)所示也能够成为多段的Y形坡口。

此外，本发明中，如图1的(b)以及图1的(c)所示，使Y形坡口的情况下的坡口角度以及坡口间隙成为钢材下段部的坡口的坡口角度、坡口间隙。此处，钢材下段部的坡口是指焊接时从成为背面(使焊接装置(焊炬)侧的面成为表面，其相反的一侧的面成为背面)的钢材面直至板厚的20～40％左右的区域。

另外，图2示出在V形的坡口形状中，实施本发明的焊接方法的初层焊接时的施工要领。图中，附图标记4是焊炬，5是焊丝，6是垫板，φ是焊炬相对于水平方向的角度。此外，焊接线、熔池以及焊珠省略图示。

此处，如图2所示，本发明的焊接方法是使成为规定的板厚的两个厚钢材对上并通过使用摆动的立式焊接将上述厚钢材彼此接合的气体保护电弧焊，使行进方向向上的向上焊接成为基本。

此外，此处将V形的坡口形状作为例子进行了示出，但其他的坡口形状也相同。

另外，图3示出在V形的坡口形状中，通过本发明的焊接方法实施了初层焊接后的坡口剖面。图中，附图标记7是焊珠，用符号D表示初层焊接的接合深度，用W表示初层焊接的焊珠宽度(初层焊接后的坡口间的间隙)。

此外，初层焊接的接合深度D被定义为以焊接时成为背面的钢材面为起点的情况下的初层焊珠高度的最小值(距起点的钢材面最近(低)的初层焊珠高度)。

此时，以V形的坡口形状为例子进行了示出，但其他的坡口形状，D以及W相同。

接下来，针对本发明的焊接方法中将底部坡口角度、底部坡口间隙以及钢材的板厚限定为上述的范围的理由进行说明。

坡口角度θ：25°以下

钢材的坡口部越小而能够越快地成为高效率的焊接，但容易产生融合不良等缺陷。另外，坡口角度超过25°的情况下的焊接在以往的施工方法中也能够实施。因此，本发明中，将以往的施工方法中施工困难并且可预料进一步的高效率化的坡口角度：25°以下的情况作为对象。

此外，V形坡口中，坡口角度为0°的情况称为所谓的I形坡口，从熔敷量的面来说该0°的情况下效率最高，但由于焊接热变形使焊接中坡口关闭，因此据此估计，优选设定与板厚t(其中，Y形坡口的情况下钢材下段部的坡口高度h)对应的坡口角度。

具体而言，优选坡口角度为(0.5×t/20)～(2.0×t/20)°的范围，进一步优选为(0.8×t/20)～(1.2×t/20)°的范围。例如在板厚t为100m的情况下，坡口角度优选2.5～10°的范围，进一步优选4～6°的范围。

但是，若板厚t超过100mm，则优选范围的上限超过10°，但该情况下的优选范围的上限成为10°。

坡口间隙G：20mm以下

钢材的坡口部越小，能够越快成为高效率的焊接。另外，对于坡口间隙超过20mm的情况下的焊接而言，熔融金属容易垂下从而施工困难。其对策需要较低地抑制焊接电流，但容易产生熔渣卷入等焊接缺陷。因此，坡口间隙将20mm以下的情况作为对象。优选为4mm以上12mm以下的范围。

板厚t：40mm以上

钢材的板厚成为40mm以上。这是因为只要钢材的板厚不足40mm，则使用以往的焊接方法例如专利文献4的气体保护电焊之类的1道次焊接，也能够抑制焊接热量输入量。

例如，在板厚t：35mm、坡口角度：20°、坡口间隙：8mm的V形坡口的情况下，由使用了专利文献4的气体保护电焊的1道次焊接引起的热量输入量成为150kJ/cm左右。

此外，在将一般的滚轧钢材作为对象的情况下，板厚一般100mm是上限。因此，本发明中成为对象的钢材的板厚的上限优选为100mm以下。

此外，作为本发明中成为对象的钢种，高张力钢(例如，造船用极厚YP460MPa级钢(拉伸强度570MPa级钢)、建筑用TMCP钢SA440(拉伸强度590MPa级钢))特别适用。因为高张力钢焊接热量输入限制较严，除了焊接金属容易产生破裂之外，由于焊接热影响而无法得到要求的接头强度、韧性。相对于此，在本发明中，在热量输入量：170kJ/cm以下能够进行高效的焊接，也能够进行590MPa级高张力钢板、成为高合金系的590MPa级耐腐蚀钢的焊接。当然，软钢也能够无问题地对应。

以上，在本发明的焊接方法中，对将坡口角度、坡口间隙以及钢材的板厚限定的理由进行了说明，但在本发明中，为了以适于窄坡口的热量输入量对厚钢材高效地进行焊接而成为2道次以上的多层焊，适当地控制初层焊接条件并且使初层焊接的接合深度成为规定的范围是重要的。

以下，对这些初层焊接的接合深度的限定理由以及初层焊接条件进行说明。

初层焊接的接合深度D：20mm以上50mm以下

对于通过2道次以上的多层焊对本发明中成为对象的板厚：40mm以上的厚钢材进行焊接而言，需要使初层焊接的接合深度成为20mm以上。若初层焊接的接合深度不足20mm，则焊接热集中，因此产生熔融金属的垂下。另一方面，若初层焊接的接合深度超过50mm，则除了焊接热量输入容易过多之外，还产生因高温破裂、焊接中的热分散而引起的坡口面的融合不良、熔渣卷入等焊接缺陷。因此，初层焊接的接合深度成为20mm以上50mm以下。优选为25mm以上40mm以下。

焊炬(供电焊嘴前端)的角度φ：相对于水平方向25°以上75°以下

焊炬的角度相比垂直更靠近水平，从而电弧相比焊珠表面更朝向背面，从而能够抑制熔融金属的垂下。此处，若焊炬的角度相对于水平方向不足25°则焊珠的形成困难，若焊炬的角度相对于水平方向超过75°则难以抑制熔融金属的垂下。因此，焊炬的角度需要相对于水平方向成为25°以上75°以下。优选为30°以上45°以下。

焊接热量输入量：30kJ/cm以上170kJ/cm以下

多层焊中，通过增大每1道次的热量输入量(＝熔敷量)来减少道次数，从而能够减少焊接层叠缺陷。但是，若焊接热量输入量过大，则除了难以确保焊接金属的强度、韧性之外，钢材热影响部的软化抑制、因结晶粒粗大化引起的韧性的确保也变困难。特别是若焊接热量输入量超过170kJ/cm，则用于确保焊接金属的特性而考虑了钢材稀释的专用线是不可缺少的，并且，钢材是耐受焊接热量输入的设计的钢材也是不可缺少的。另一方面，为了确保熔融金属、得到没有焊接缺陷的焊接部，焊接热量输入量越高越有利，若窄坡口中焊接热量输入不足30kJ/cm则坡口面的熔融不足，无法避免层叠缺陷的产生。

因此，焊接热量输入量成为30kJ/cm以上170kJ/cm以下。优选为90kJ/cm以上160kJ/cm以下。

焊炬的摆动的朝板厚方向的摆动深度L：15mm以上50mm以下

本发明的焊接方法进行焊炬的摆动，但适当地控制该焊炬的摆动朝板厚方向的摆动深度L、以及朝与后述的板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度M是重要的。

此外，各种摆动类型的朝板厚方向的摆动深度L以及朝与板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度M如图4的(a)～(d)所示。

此处，在本发明的焊接方法成为基本的立式向上焊接中，接合深度与板厚方向的摆动宽度成为相同程度，因此若朝板厚方向的摆动深度不足15mm，则使初层焊接的接合深度成为20mm以上是困难的。另一方面，若朝板厚方向的摆动深度超过50mm，则不仅使初层焊接的接合深度成为50mm以下成为困难，而且焊接热量输入量过多，在焊接金属、钢材的热影响部中得到所希望的机械特性成为困难，除此之外因高温破裂、焊接中的热分散而引起的坡口面的融合不良、熔渣卷入等焊接缺陷容易产生。

因此，朝板厚方向的摆动深度成为15mm以上50mm以下。优选为25mm以上35mm以下的范围。

焊炬的摆动的朝与板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度M：(W-6)mm以上Wmm以下(W：初层焊接的焊珠宽度)

为了防止坡口面的未熔融，需要使朝与板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度成为(W-6)mm以上。另一方面，若朝与板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度超过Wmm，则导致熔融金属垂下而焊接不成立。

因此，朝与板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度成为(W-6)mm以上Wmm以下的范围。优选为(W-4)mm以上(W-1)mm以下的范围。

另外，焊炬的摆动类型未被特别限定，但如图4的(a)～(d)所示，从焊接线方向(与焊接行进方向一致，通常是垂直方向)观察能够成为コ字形、V字形、梯形以及三角形等。此外，图4的(a)～(d)中，在焊炬的方向改变的各点(图4的(a)中的B点以及C点)的焊炬的轨迹可以有棱角，也可以带圆度。

但是，在立式向上焊接中，在靠近焊接表面一侧的位置的摆动容易产生熔融金属的垂落，并且若焊炬动作与坡口面错开，则无法得到坡口面的均匀的熔融，从而容易产生融合不良等焊接缺陷。特别是，对于不需要反转动作的一般的梯形以及三角形的摆动类型而言，虽装置负荷小，但由于在靠近焊接表面一侧的位置的焊炬动作(图4的(b)的梯形摆动类型的D点→A点，图4的(d)的三角形摆动类型的C点→A点)，容易产生熔融金属的垂落。因此，从抑制熔融金属的垂落的观点出发，优选成为没有在焊接表面一侧的焊炬动作的コ字形或者V字形的摆动类型。

另外，对于V字形、三角形的摆动类型而言，在坡口间隙大的(例如6mm以上)情况下，导致焊炬动作与坡口面错开(例如，图4的(c)的A点→B点的动作中，焊炬前端的轨迹不与坡口面(靠近焊炬一侧)平行等)，无法得到坡口面的均匀的熔融，容易产生融合不良等焊接缺陷。因此，在这样的情况下，成为能够使焊炬与坡口面平行地动作的コ字形的摆动类型为最佳。

此外，板厚方向的摆动时的焊炬前端的最深点(例如，图4的(a)、(b)的B点以及C点，图4的(c)、(d)的B点)距钢材背面的距离a通常为2～5mm左右。

另外，相对于本发明中成为对象的坡口形状，在应用コ字形摆动、梯形摆动的情况下，图4的(a)、(b)中的M₁、M₂、M₃分别成为2～18mm、0～10mm、0～10mm左右。

另外，摆动时的频率、停止时间(图4所示的A点等各点的停止时间)未被特别限定，例如频率为0.25～0.5Hz(优选0.4～0.5Hz)，停止时间为0～0.5秒(优选为0.2～0.3秒)左右即可。

以上，对基本条件进行了说明，但在本发明的焊接方法中，通过进一步满足以下的条件，能够抑制特别是立式焊接中成为问题的熔融金属的垂下，能够实现焊珠形状的进一步的稳定化。

初层焊接的焊接金属的S量以及O量的合计量：450质量ppm以下

为了实现稳定的立式向上焊接，需要防止熔融金属的垂下，并且需要得到稳定的焊珠形状(没有凹凸的平滑的焊珠)，特别是为了防止熔融金属的垂下，较低地管理使熔融金属的表面张力、粘性降低的S量以及O量是重要的。

此处，若焊接金属的S量以及O量的合计量超过450质量ppm(以下，也仅称为ppm)，则除了表面张力与粘性的降低之外，焊接金属的对流在表面成为朝外，高温的焊接金属从中央朝向周边成为对流，熔融金属具有扩张性，容易产生熔融金属的垂下。因此，支配熔融金属的表面张力与粘性、熔融金属流动性的焊接金属的S量以及O量优选这些的合计量成为450ppm以下。更优选为400ppm以下。

另外，对于焊丝，由于降低表面张力、使焊珠平坦化的目的，通常S包含0.010～0.025质量％。对于焊接金属的S量的减少，除了这样的焊丝本身的S量的减少之外，降低钢材中的S量是有效的。

另外，焊接金属的O量由于保护气体中的CO₂的氧化而增加。例如，在作为保护气体而使用100％CO₂气体的情况下，焊接金属中的O量增加0.040～0.050质量％左右。对于这样的焊接金属的O量的减少，除了焊丝本身通常包含0.003～0.006质量％左右的O的减少之外，向焊丝添加Si以及Al是有效的。另外，提高焊接电流以及电弧电压，充分进行熔融金属中的熔渣金属反应(脱氧反应)与熔渣的凝结、朝焊珠表面的浮上也是有效的。

初层焊接的焊接金属的N量：120ppm以下

焊接金属中的氮(N)凝固时从焊接金属排出而成为气泡。该气泡的产生导致熔融金属表面的振动，成为熔融金属的垂下的原因。特别是，若焊接金属中的N量超过120ppm，则容易产生熔融金属的垂下，因此优选初层焊接的焊接金属的N量成为120ppm以下。进一步优选60ppm以下。

另外，通常焊丝作为杂质包含50～80ppm氮(N)，因此，由于保护气体的杂质与大气的混入，焊接金属中的N量增加20～120ppm左右。另一方面，通常，弧焊的喷嘴内径为16～20mm左右，因此，完全保护使用这样的喷嘴而成为超过该喷嘴内径的接合深度的焊接金属部分是困难的，结果也存在焊接金属中的N量超过200ppm的情况。

防止这样的N量的增加，使初层焊接的焊接金属的N量为120ppm以下，进一步成为60ppm以下，设置与通常的弧焊的喷嘴不同的其它的气体保护系统，由此有效抑制大气混入焊接金属。

此外，通过焊接时的钢材稀释，S、O以及N从钢材向焊接金属溶出，因此使用S：0.005质量％以下、O：0.003质量％以下以及N：0.004质量％以下的钢材在抑制上述的初层焊接的焊接金属的S量、O量以及N量上适用。

初层焊接所使用的焊丝的Si量以及Mn量的合计：1.5质量％以上3.5质量％以下

为了防止上述的熔融金属的垂下并且得到稳定的焊珠形状的外观，形成适当量的熔渣是重要的。熔渣主要由SiO₂和MnO构成，该熔渣量较大程度上被焊丝的Si量以及Mn量的合计所左右。

此处，若焊丝的Si量以及Mn量的合计不足1.5质量％，则无法得到足够防止熔融金属的垂下的熔渣量。另一方面，若焊丝的Si量以及Mn量的合计超过3.5质量％，则存在熔渣成为块而对下一层以下的焊接带来妨碍的情况。因此，初层焊接所使用的焊丝的Si量以及Mn量的合计优选为1.5质量％以上3.5质量％以下。进一步优选为1.8质量％以上2.8质量％以下。

初层焊接所使用的焊丝的Ti量、Al量以及Zr量的合计：0.08质量％以上0.5质量％以下

对防止上述的熔融金属的垂下并且得到稳定的焊珠形状的外观起到重要的作用的熔渣的物性(粘性)有较大影响的是TiO₂、Al₂O₃、Zr₂O₃。

此处，若焊丝的Ti量、Al量以及Zr量的合计不足0.08质量％，则无法得到有效的防止熔融金属的垂下的熔渣的粘性。另一方面，若焊丝的Ti量、Al量以及Zr量的合计超过0.5质量，则熔渣的除去、再熔融成为困难，对下一层以下的焊接产生妨碍。

因此，初层焊接所使用的焊丝的Ti量、Al量以及Zr量的合计优选为0.08质量％以上0.5质量％以下。进一步优选为0.15质量％以上0.25质量％以下。

此外，上述以外的焊丝的成分根据焊接的厚钢材的成分适当地选择即可，但从抑制上述的焊接金属中的S量、O量以及N量的观点考虑，优选使用S：0.03质量％以下、O：0.01质量％以下、N：0.01质量％以下，而且Si：0.05～0.80质量％、Al：0.005～0.050质量％的范围的焊丝(例如，JIS Z 3312 YGW18、JIS Z 3319 YFEG-22C等)。

保护气体组成：使CO₂气体成为20体积％以上

焊接部的熔透通过由电弧本身引起的刨削效果与处于高温状态的焊接金属的对流被支配。在焊接金属的对流向内的情况下，高温的焊接金属沿从上向下的方向对流因此电弧正下方的熔透增加。另一方面，在焊接金属的对流向外的情况下，高温的焊接金属沿从中央向左右方向对流，焊珠具有扩张性并且坡口面的熔透增加。因此，在成为本发明的目标的厚钢材的立式多层气体保护电弧焊中，为了抑制熔融(焊接)金属的垂下并得到均匀的焊珠形状，优选使焊接金属的对流成为向内。

此处，从减少支配焊接金属的熔融金属流动的氧(O)的观点来说，则在较低地抑制CO₂气体方面有利，CO₂气体由于分解吸热反应使电弧本身紧缩，具有使焊接金属的对流进一步成为向内的效果。

因此，作为保护气体组成，优选使CO₂气体成为20体积％以上。更优选为60体积％以上。此外，CO₂气体以外的残留部使用Ar等惰性气体即可。另外，也可以是CO₂气体：100体积％。

另外，焊接部的熔透也影响电弧的指向性以及刨削效果。因此，焊接的极性优选为比电弧的指向性以及刨削效果更大的焊丝减(正极性)。

上述以外的条件不需要特别规定，对于不足平均焊接电流270A而言，熔池小，在表面一侧，成为以焊炬摆动为单位反复熔融与凝固的多层焊那样的状态从而容易产生融合不良、熔渣卷入。另一方面，若平均焊接电流超过360A，则除了容易产生熔融(焊接)金属的垂下之外，由于焊接烟尘与溅射难以进行电弧点的确认，因此施工中的调整变难。因此，平均焊接电流优选270～360A。另外，通过使平均焊接电流成为270～360A，可抑制焊接烟尘、溅射的产生并且得到稳定的焊透，因此在进行本发明的焊接上更有利。

这以外的条件根据通用办法即可，例如，焊接电压：32～37V(与电流共同上升)，焊接速度(向上)：3～15cm/分(优选为4～9cm/分)，焊丝长度：20～45mm，焊丝径：1.2～1.6mm左右即可。

此外，初层以外的各层的焊接条件未特别限定，基本上与上述的初层的焊接条件相同即可。

另外，直至焊接结束的层叠数从防止层叠缺陷观点考虑优选为2～4层左右。此外，本发明的焊接方法中，每1层1道次的层叠焊接成为基本。

实施例

通过表2所示的焊接条件在成为表1所示的坡口形状的两个钢材实施窄坡口的立式向上多层气体保护电弧焊。

此处，钢材均使用S：0.005质量％以下，O：0.003质量％以下，N：0.004质量％以下的钢材。此外，钢材的坡口加工使用气体切断，坡口面不进行磨削等修理。

另外，焊丝使用钢材强度用或者在它一个级别以上用的等级的1.2mmφ的实芯焊丝。此外，使用的焊丝中的成分组成均为S：0.005质量％以下，O：0.003质量％以下，N：0.005质量％以下，Si：0.6～0.8质量％，Al：0.005～0.03质量％。

另外，焊接电流为270～360A，焊接电压为32～37V(与电流共同上升)，平均焊接速度为3～15cm/分(在焊接中调整)，平均的焊丝长度为30mm，焊接长度为400mm。另外，除了No.11，设置与通常的电弧焊的喷嘴不同的其他的气体保护系统，进行焊接。

此外，初层以外的各层的焊接基本上成为与初层焊接相同的热量输入条件。

初层焊接后，通过任意选出的5点的剖面显微组织观察，测定了焊珠宽度以及接合深度。此外，焊珠宽度将测定的值的最大值作为初层焊珠宽度W，接合深度将测定的值的最小值作为初层焊接接合深度D。

另外，通过目视观察如以下那样评价初层焊接时的熔融金属的垂下。

◎：无焊接金属的垂下

○：焊接金属的垂下在两个位置以下

×：焊接金属的垂下在五个位置以上或者焊接中断

另外，针对最终得到的焊接接头，实施超声波探伤检查，如以下那样评价。

◎：无检测缺陷

○：检测缺陷长度仅为3mm以下的合格缺陷

×：检测缺陷长度超过3mm的缺陷

这些结果也一并如表2所示。

[表1]

表1

[表2]

如表2所示那样，在作为发明例的No.1～14中，初层焊接金属的垂下没有或者有而在两个位置以下。另外，在超声波探伤检查中，没有检测缺陷或者有而缺陷长度为3mm以下。

另一方面，作为比较例的No.15～19检测出存在五个位置以上的焊接金属的垂下和/或超声波探伤检查中缺陷长度超过3mm的缺陷。

另外，图5的(a)示出作为发明例的No.7的初层焊接后的表面(焊接施工侧)的外观照片，图5的(b)示出剖面显微组织照片的一个例子。通过该图可知，在适当地控制摆动条件等的No.7的发明例中，可得到初层焊接的接合深度D为28mm左右和所希望的接合深度。另外，同时也可得到稳定的焊珠形状。

附图标记的说明

1...厚钢材；2...厚钢材的坡口面；3...钢材下段部的坡口；4...焊炬；5...焊丝；6...垫板；7...焊珠；θ...坡口角度；G...坡口间隙；h...钢材下段部的坡口高度；t...板厚；φ...焊炬相对于水平方向的角度；D...初层焊接的接合深度；W...初层焊接的焊珠宽度；L...朝板厚方向的摆动深度；M...朝与板厚方向以及焊接线成直角的方向的摆动最大幅度。

Claims

1.一种立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其为通过使用摆动的立式多层焊将坡口角度为25°以下、坡口间隙为20mm以下、板厚为40mm以上的两个厚钢材接合的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其中，

使所述初层焊接的接合深度成为20mm以上50mm以下。

2.根据权利要求1所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其中，

在所述初层焊接的摆动中，从焊接线方向观察的焊炬的摆动类型是コ字形。

3.根据权利要求1或2所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其中，

所述初层焊接的焊接金属的S量以及O量的合计为450质量ppm以下并且N量为120质量ppm以下。

4.根据权利要求1或2所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其中，

所述初层焊接所使用的焊丝的Si量以及Mn量的合计为1.5质量％以上3.5质量％以下。

5.根据权利要求1或2所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其中，

所述初层焊接所使用的焊丝的Ti量、Al量以及Zr量的合计为0.08质量％以上0.5质量％以下。

6.根据权利要求1或2所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其中，

作为保护气体使用含有20体积％以上的CO₂气体的气体。

7.根据权利要求1或2所述的立式窄坡口气体保护电弧焊方法，其中，

在所述初层焊接中，平均焊接电流为270A以上360A以下的范围。