CN110076432A - 多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪以及使用其的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在多电极埋弧焊接中，即便在第一电极使用细径焊丝的情况下等，特别是在以焊丝进给速度较快的焊接条件进行焊接的情况下、在对粉芯焊丝进行矫直后缠卷痕迹仍较大的情况下也能够稳定地进行焊接的技术。本发明还提供特征在于在焊枪中具有使配置于供电焊嘴与供电电缆的连接部的中间的管状的导电体与电极焊丝绝缘的机构的多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪以及使用其的多电极埋弧焊接方法。

Description

多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪以及使用其的焊接方法
本申请是申请日为2013年03月07日、申请号为201380011055.6、发明名称为“多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪以及使用其的焊接方法”的发明申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及适用于大径钢管(large-diameter steel pipe)的缝焊(seamwelding)等用途的厚钢板的多电极埋弧焊接(multiple-electrode submerged arcwelding)用的第一电极用焊枪(torch)以及使用它的多电极埋弧焊接方法。
背景技术
埋弧焊接具有如下特征：焊接部的品质优良；焊道外观漂亮；而且最具特征的是，由于熔池(molten pool)被熔渣(slag)保护，所以能够实现大热量输入(large heatinput)下的焊接。因此，对于焊接线为直线且较长的厚钢板的焊接，一般应用两个电极以上的多电极埋弧焊接，从而进行高品质且高效率的焊接施工。
为了提高厚钢板的焊接效率，需要增大焊透深度(penetration depth)与熔敷速度(deposition rate)，其中，焊透深度是以从钢板表面到焊接金属下端为止的距离来定义的。对于埋弧焊接而言，由于其与气体保护电弧焊接相比能够应用大电流(large weldingcurrent)，所以能够得到较深的焊透，从而适于提高厚钢板的焊接效率。然而，存在如下问题：较之能够实现大电流的大热量输入焊接这一优点，过于重视焊接效率(weldingefficiency)与缺陷抑制(夹渣(slag inclusion)防止等)，从而导致焊接输入热量过度，进而使焊接部、特别是热影响区(Heat Affected Zone:HAZ)的韧性(toughness)变差。
在抑制焊接输入热量的情况下，熔敷量(amount of deposit metal)必然会减少，所以需要与熔敷量的减少量相匹配地减少坡口截面积(cross-section area of groove)。因此，若不进行进一步的深焊透(deep penetration)焊接，则会产生未焊透(lack ofpenetration)的情况。因此，为了解决上述问题，需要处理兼顾焊接输入热量的减少与焊透深度的增大这一较难的课题。
针对该课题，例如在专利文献1中，提出了一种低热量输入(low heat input)多电极埋弧焊接方法，其构成为：使比最后方电极先行的至少一根先行电极(leadingelectrode)焊丝直径与最后方电极相比为细径(thinner wire)，并且对先行电极的至少一极使用直流电源(direct-current power source)。由此，焊丝的电流密度(currentdensity)变高且焦耳热增大，从而熔敷量增加，从而能够在确保以往那样的焊透深度的同时有效地减少焊接输入热量。然而，即便如此，熔敷量增加所带来的焊接输入热量的减少效果并不充分，另外，若焊接材料的强度等级升高，则在细径焊丝的制造工序即拉丝(wiredrawing)、中间退火(annealing)中，存在成本增加这一问题。
与此相对，在专利文献2中，公开了如下埋弧焊接方法：作为先行的第一电极，使用焊丝直径为3.2mm以下的粉芯焊丝(flux cored wire)。对于粉芯焊丝而言，由于焊丝中包含粉体的填充材料(filling powder)，所以与相同的焊丝直径的实芯焊丝(solid wire)相比，截面积上的金属部分较少。因此，实际的电流密度变高，从而能够提高焊丝熔融速度(wire melting rate)并增加单位焊接输入热量的熔敷量，因此，能够以低热量输入焊接实现较高的熔敷速度。
在这一点上，对于实芯焊丝，即便是相同的直径，但由于金属部分的截面积较大而无法避免电流密度的降低，所以无法得到充分的效果。此外，在上述技术中，为了得到高熔敷速度，优选包含于粉体的金属成分为粉体重量的80mass％以上。特别是在高强度等级下，细径的粉芯焊丝与相同的细径的实芯焊丝相比具有能够以低成本进行制造这一优点。
这样，对于细径的粉芯焊丝而言，由于能够提高焊丝熔融速度从而增加单位焊接输入热量的熔敷量，因此能够以低热量输入焊接实现较高的熔敷速度。特别是在高强度等级下有低成本制造的优点。但是，与实芯焊丝相比，存在矫直(wire straightening)后的弯曲痕迹(winding)较大这一问题。
通常，埋弧焊接焊枪是由配置于供电焊嘴(contact tip)5与供电电缆1的连接部2的中间的管状的导电体(延伸式喷嘴:extension nozzle)3构成的。在轴芯部设置有焊丝插通孔，通过使焊丝4插通于该插通孔并使焊丝4与供电焊嘴5接触来向焊丝供给电力。但是，若弯曲痕迹较大，则如图1所示，焊丝与比供电焊嘴更靠近前的导电体(conductor)的插通孔内部接触。其结果是，供电点(feeding point)不恒定，到焊丝的前端为止的长度亦即焊丝突出长度(wire extension)不恒定。特别是在焊丝进给速度(wire feeding speed)较快的焊接条件的情况下，存在焊接中焊丝供给速度进一步增大、电弧电压(arc voltage)不稳定这一问题。
为了避免这样的状况，需要强化焊丝矫直来确保焊丝的直线性，从而使焊丝不与插通孔内部存在物理性的接触，或使插通孔内部与焊丝电气绝缘。
然而，若依靠强化焊丝矫直的方法，则焊丝进给马达负荷变大。特别是在如粉芯焊丝那样焊丝强度较低的情况下，会产生焊丝自身变形的担忧。另外，从包装桶(pail pack)抽出后的缠卷痕迹为螺旋状且是三维的，特别是在粉芯焊丝的情况下，不易对其进行直线性矫直。
在专利文献3以及4中，公开了一种与焊枪相关的技术，该焊枪的特征在于在插通孔内部配置有绝缘管(insulation pipe)。但是，上述技术的目的在于，通过使比供电点(feeding point)更靠前的插通孔内部绝缘来增加焊丝突出长度，从而增大焦耳热(jouleheat)，进而提高熔敷速度。因此，在焊接电流较大的埋弧焊接中，无法抑制不稳定的焊丝供给速度增大、电弧电压上升。另外，与此相伴，会产生夹渣(slag inclusion)等焊接缺陷(weld flaw)，或存在焊丝的熔融量不恒定、焊透形状(penetration shape)不均匀的情况。
另外，在专利文献5以及6中，公开了如下技术：为了消除延伸式喷嘴内的短路(short circuit)并实现稳定的高速焊接，使供电点位于距供电焊嘴前端50mm～100mm的上方，并经由绝缘体使该供电点(feeding point)与延伸式喷嘴连接。但是，需要特殊的绝缘夹具与绝缘体，并且在多个电极的电极角度的设定、供电焊嘴的更换时存在作业性差这一问题。另外，由于使供电点位于距供电焊嘴前端50mm～100mm的上方而与焊接部接近，所以存在因辐射热(radiant heat)较大而导致供电电缆的耐老化性成为问题的情况。
专利文献1：日本特开昭52-82652号公报
专利文献2：日本特开2007-260692号公报
专利文献3：日本特开昭63-80978号公报
专利文献4：日本专利3529043号公报
专利文献5：日本特开平8-155649号公报
专利文献6：日本特开平8-257754号公报
发明内容
因此，本发明提供在多电极埋弧焊接中，即便在第一电极使用细径焊丝的情况下等，特别是在以焊丝进给速度较快的焊接条件进行焊接的情况下、在对粉芯焊丝进行矫直后缠卷痕迹仍较大的情况下，也能够进行稳定的焊接的多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪以及使用其的多电极埋弧焊接方法。
发明者们为了解决上述课题而进行了深入研究，其结果发现：使配置于供电焊嘴与供电电缆的连接部的中间的管状的导电体与焊丝绝缘，或/且使供电点距供电焊嘴前端100mm～200mm对电弧稳定化是有效的，从而发明者们完成了本发明。即，本发明的主旨构成如下所述。
[1]一种多电极埋弧焊接用的第一电极(leading electrode)用焊枪，其特征在于，在焊枪中具有使配置于供电焊嘴与供电电缆的连接部的中间的管状的导电体与电极焊丝绝缘的机构。
[2]根据上述[1]所记载的多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪，其特征在于，与上述电极焊丝绝缘的机构是配置于上述管状的导电体的内壁的具有耐磨损性(wear andabrasion proof)的绝缘管。
[3]根据上述[1]所记载的多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪，其特征在于，在焊枪中，供电焊嘴前端与供电电缆的连接部的距离为100mm～200mm。
[4]根据上述[2]所记载的多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪，其特征在于，在焊枪中，供电焊嘴前端与供电电缆的连接部的距离为100mm～200mm。
[5]一种多电极埋弧焊接方法，其特征在于，使用上述[1]、[2]、[3]或者[4]所记载的多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪，使第一电极焊丝为粉芯焊丝且使该粉芯焊丝的直径为3.2mm以下来进行焊接。
[6]根据上述[5]所记载的多电极埋弧焊接方法，其特征在于，使第一电极的焊接电流为800A以上来进行焊接。
由于本发明形成为上述结构，所以起到以下所记载那样的优异的效果。
a)在多电极埋弧焊接中，即便在第一电极使用细径焊丝的情况下等，特别是在以焊丝进给速度较快的焊接条件进行焊接时、在对粉芯焊丝进行矫直后缠卷痕迹还较大的情况下，也能够进行稳定的焊接。其结果是，能够得到高品质的焊接金属。
另外，根据本发明，由于确立多电极埋弧焊接下的基于利用细径焊丝的低热量输入焊接技术(low heat input welding technology)，所以能够享有以下的效果。
b)能够在维持适当的焊透深度的同时大幅度地减少焊接输入热量，其结果是，能够在焊接金属以及焊接热影响部得到优异的低温韧性。
c)由于能够抑制在高强度钢管中成为问题的焊接热影响部的软化(HAZsoftening)，所以能够得到稳定的接头强度(weld joint strength)。
d)通过应用粉芯焊丝，能够大幅度地抑制在将细径焊丝用于第一电极而进行焊透深度相对于焊道宽度的比率较大的焊接的情况下容易产生的夹渣等焊接缺陷。其结果是，能够得到高品质的焊接金属。
附图说明
图1是对焊丝的弯曲痕迹较小的情况图1(a)与较大的情况图1(b)进行比较的图。
图2是使插通孔内部与电极焊丝绝缘的机构的示意图。
图3是表示在相同的焊接条件下使焊丝直径进行各种变化的情况下的、焊接电流与熔敷速度的关系的图。
具体实施方式
以下，对本发明进行具体说明。如上所述，多电极埋弧焊接用的焊枪是由配置于供电焊嘴与供电电缆的连接部的中间的管状的导电体(也称为“延伸式喷嘴”)构成的。在轴芯部设置有焊丝插通孔，通过使焊丝插通于该插通孔并使电极焊丝(有时也简称为“焊丝”。)与供电焊嘴接触来向电极焊丝供给电力。
在本发明中，使插通孔内部与焊丝绝缘的方法在能够可靠地抑制来自供电焊嘴前端以外的部位的供电而不会对焊丝施加物理上的力这一点上存在优点。
在图2中，示出了使插通孔内部与焊丝绝缘的方法的示意图。使插通孔内部与焊丝绝缘的中空的绝缘管的材质·尺寸并不局限于此。但是，从始终处于与焊丝摩擦的环境来看，优选使用具有耐磨损性的绝缘管6。为了确保耐磨损性，优选绝缘管的硬度在维氏硬度HV1条件下为8GPa以上。具体而言，具有耐磨损性的绝缘管6可以举出陶瓷制的管。进一步具体而言，是莫来石、氮化硅、氧化铝、以及氧化锆制的管。
与使用绝缘管的情况不同，在限制供电焊嘴前端与供电电缆的距离的情况下，若焊丝与插通孔内部接触则会产生分流(shunt current)。然而，和供电焊嘴前端与供电电缆的距离较长的情况相比，由于分流点减少或由于分流路径变长(绕远)而使电阻变大，所以分流变小。考虑到这方面，因此，推断难以产生由供电点差异引起的电弧电压不稳定。
并且，若供电焊嘴前端与供电电缆的连接部的距离不足100mm，则存在来自焊接部的辐射热较大而导致供电电缆的耐老化性成为问题的情况，因此确保上述距离在100mm以上。若供电焊嘴前端与供电电缆的连接部的距离超过200mm，则焊丝与插通孔内部接触而导致电弧电压不稳定，因此优选使上述距离为200mm以下。
根据上述效果，在多电极埋弧焊接中，即便在将细径焊丝用于第一电极的情况下等，特别是在进行焊丝进给速度较快的焊接的情况下、对粉芯焊丝进行矫直后缠卷痕迹仍较大的情况下，也能够进行稳定的焊接。其结果是，能够得到高品质的焊接金属。如上所述，对于粉芯焊丝而言，由于焊丝中包含粉体的填充材料，所以与相同的焊丝直径的实芯焊丝相比，截面积上的金属部分较少。因此，实际的电流密度变高。由此，能够提高焊丝熔融速度并增加单位焊接输入热量的熔敷量，因此，能够以低热量输入焊接实现较高的熔敷速度。
此处，优选第一电极焊丝的直径为3.2mm以下。此处，所谓第一电极是指多电极之中在焊接进行方向上位于前端的电极。若焊丝直径超过3.2mm，则不能期望充分的电流密度的提高，甚至是焊透深度以及熔敷速度的增大，因此优选第一电极焊丝的直径为3.2mm以下。此外，优选第一电极焊丝的直径的下限为1.6mm。若焊丝直径不足1.6mm，则焊丝进给速度过快而难以进行稳定的控制。另外，这是因为：由于焊丝的焦耳热(joule heat)变得过大而使焊丝过熔，所以存在电弧长不恒定而使焊接条件不稳定的情况。
另外，作为粉芯焊丝中所包含的粉体成分，并不局限于此。但是，为了得到高熔敷速度，优选使粉体所包含的金属成分为粉体重量的90mass％以上。在包含金属氧化物成分的情况下，优选其含有量为2mass％～10mass％。
此外，在本发明中，对于第一电极以外的电极，没有特别地限制，可以使用通常的实芯焊丝。另外，即便对其他的电极使用粉芯焊丝也不会降低本发明的效果。另外，对焊丝直径也没有特别地限制，可以使用一直以来使用的直径为4.0mm～6.4mm的焊丝。
接下来，在图3中，示出了当在相同的焊接条件下焊丝直径产生了变化的情况下的、对焊接电流与熔敷速度的关系进行调查的结果。如该图所示，焊丝直径越细，相同的焊接电流值下的熔敷量就越大，该趋势在焊接电流为800A以上时变显著。因此，若使用直径为3.2mm以下的细径的焊丝并以800A以上的焊接电流进行焊接，则即便在减少坡口截面积并减少总的熔敷量的情况下，也能够得到较深的焊透，且能够实现低焊接输入热量下的焊接。优选焊接电流为1000A以上。此外，若焊接电流过大，则无法避免焊接输入热量的增大，从而会对HAZ部韧性造成负面影响，因此优选焊接电流的上限为1400A。
实施例
在表1所示的焊接条件下，对具有API(American Petroleum Institute：美国石油学会)-X65相当的成分组成的外径34inch、厚31.2mm的管，实施基于多电极埋弧焊接的焊接长度为10m的堆焊试验。第一电极全部使用焊丝直径为2.4mm的粉芯焊丝。此处，使用粉体成分为100％金属成分的粉芯焊丝。软钢的外皮与被填充的粉体的重量比率为3∶1。作为第二电极的焊接焊丝，使用包含C：0.19mass％、Mo：0.5mass％以及0.1mass％Ti的的实芯焊丝。作为第三电极、第四电极的焊接焊丝，使用含有C：0.05mass％、以及0.2mass％Ti的的实芯焊丝。
表1
表1基于埋弧焊接的堆焊试验的焊接条件与焊接成效
Ext：母材-焊嘴间距离 电流(ave)：电流的平均值
实施例中，以0.1秒的取样间距对使用细径焊丝的第一电极的焊接成效进行监视(瞬时值)，并且目标在于使其电流变动的标准偏差σ为15A以下。焊接电压也是如此。求得电流变动的标准偏差是为了评价焊接时的焊接电流的稳定度。此处，焊接电流不稳定是指电流值的标准偏差σ为超过15A的情况。另外，电压不稳定是指电压值的标准偏差σ为超过1.5V的情况。
在表中，“焊枪绝缘”是指有无使配置于供电焊嘴与供电电缆的连接部的中间的管状的导电体与电极焊丝绝缘的机构。“-”表示没有与该部分绝缘的机构的情况。“莫来石管”以及“Si3N4管”分别是指记载了陶瓷材料的种类名的绝缘管。“供电距离”是指供电焊嘴前端与供电电缆的中心的距离。
另外，为了调查有无以夹渣为中心的焊接缺陷，遍及焊接长度全长地实施X射线穿透试验(radiographic examination)，并统计超过的缺陷个数。
如表1所示，在使用没有绝缘管的焊枪的情况下，在焊接电流为1050A以下的情况下，未观察到焊接电弧的不稳定状态。但是，在焊接电流升高为1150A以上且焊丝进给速度变大的情况下，电弧电压变动增大且电流也变得不稳定。若焊接电流或者焊接电压不稳定，则可知夹渣也存在随之增加的趋势。另一方面，通过对使用细径粉芯焊丝的第一电极使用本发明的配有绝缘管的焊枪，则即便在焊丝进给速度变大的1300A的高电流条件下进行多电极埋弧焊接的情况下，也能够抑制电流变动，从而使标准偏差σ为15A以下。由此也能够抑制焊接缺陷，从而得到高品质的焊接金属。此外，对于实施例No.18而言，虽然供电距离缩短到70mm的焊接较稳定，但是由于焊接辐射热会使供电电缆损伤，所以其在发明范围外。
附图标记的说明：
1…供电电缆；2…供电电缆的连接部；3…配置于中间的管状的导电体(延伸式喷嘴)；4…电极焊丝；5…供电焊嘴；6…绝缘管。

Claims (1)

1.一种多电极埋弧焊接方法，其特征在于，
使用多电极埋弧焊接用的第一电极用焊枪，其具有使配置于供电焊嘴与供电电缆的连接部的中间的管状的导电体与电极焊丝绝缘的机构，
与所述电极焊丝绝缘的机构是配置于所述管状的导电体的内壁的整个表面的具有耐磨损性的陶瓷制的绝缘管，该绝缘管始终与焊丝摩擦，且硬度在维氏硬度HV1条件下为8GPa以上，
供电焊嘴前端与供电电缆的连接部的距离为100mm～200mm，
使第一电极焊丝为粉芯焊丝且该粉芯焊丝的直径为1.6mm以上且3.2mm以下，并使第一电极的焊接电流为1000A～1400A来进行焊接。
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