CN113784816A - 药芯焊丝、焊接方法和焊接金属 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及药芯焊丝，用于正极性的气体保护电弧焊，焊剂含有一种或多种金属化合物粉，构成所述金属化合物粉的一种或多种金属元素，在作为高温环境下的稳定化合物时，所述稳定化合物的功函数的加权几何平均值(Φ)，相对于所述药芯焊丝的丝径(D)满足{1.00≤Φ≤－0.0908D2+0.5473D+1.547}的关系。

Description

药芯焊丝、焊接方法和焊接金属
技术领域
本发明涉及药芯焊丝，特别是涉及焊接效率优异的药芯焊丝。另外，本发明还涉及使用所述药芯焊丝的焊接方法和焊接金属。
背景技术
药芯焊丝由于施工方面中优异的效率和良好的焊接操作性，而成为广为普及的焊接材料。为此，以焊接技术的广泛领域为对象开发出各种药芯焊丝，而其中有以应用正极性(以下也记为“DCEN”。)进行焊接为特征的药芯焊丝。还有，所谓正极性，就是以焊丝作为阴极，以母材作为阳极的电极配置。
例如，在专利文献1中公开有一种可在广电流范围进行稳定喷弧，焊接操作性良好的气体保护电弧焊药芯焊丝。
另外，在专利文献2中公开有一种从低电流至中电流的焊接电流范围内，飞溅发生量少，全位置焊接性和韧性良好的药芯焊丝。还有，在专利文献2中所谓低电流至中电流的焊接电流范围是70～300A左右。
在专利文献3中也公开有从低电流至中电流的焊接电流范围内，全位置焊接操作性良好，韧性良好的药芯焊丝。还有，在专利文献3中所谓低电流至中电流的焊接电流范围是50～300A左右。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平02－055696号公报
专利文献2：日本特开平11－207491号公报
专利文献3：日本特开平11－058069号公报
但是，专利文献1～3所述的药芯焊丝虽说都关注所使用的焊接电流区域，但是却没有着眼于焊丝熔融速度。因此本发明者们着眼于药芯焊丝的熔融速度而进行了研究，其结果发现，这些药芯焊丝与大量含有一般氧化钛的药芯焊丝比较，其焊丝熔融速度明显要低。还有，所谓焊丝熔融速度，表示单位时间内的焊丝熔融长度。
另一方面，焊丝熔融速度与焊丝送给速度同义，因为与熔敷速度直接相关，所以成为焊接效率的重要支配因素。因此在本发明中，目的在于提供一种不用伴随焊接电流等热能的上升，就能够加快焊丝送给速度，在相同线能量下的施工效率优异，可以降低焊接施工的焊接成本的正极性的气体保护电弧焊用药芯焊丝。还有，所谓熔敷速度，表示单位时间内的焊接金属形成量。
发明内容
本发明者们锐意研究的结果发现，通过使构成药芯焊丝中的焊剂的金属化合物粉的功函数处于特定范围，便能够解决上述课题，从而完成了本发明。
即，本发明涉及以下的[1]～[11]。
[1]一种药芯焊丝，是用于正极性的气体保护电弧焊的药芯焊丝，其中，所述药芯焊丝的焊剂含有一种或多种的金属化合物粉，构成所述金属化合物粉的一种或多种的金属元素，作为高温环境下的稳定化合物时，所述稳定化合物的功函数的加权几何平均值，相对于所述药芯焊丝的丝径而满足以下的关系。
1.00≤Φ≤－0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ＝Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal…×Φm nm/ntotal
式中，D表示丝径(mm)，Φ表示稳定化合物的功函数的加权几何平均值(eV)，Φ1～Φm(m为自然数)表示m种稳定化合物的各功函数(eV)，n1～nm表示构成所述m种的稳定化合物的m种的金属元素在药芯焊丝总质量中的各含量(mol/g)，ntotal表示所述m种的金属元素在药芯焊丝总质量中的合计含量(mol/g)。
[2]根据所述[1]所述的药芯焊丝，其中，所述稳定化合物是氧化物或氧化物的混合物。
[3]根据所述[1]所述的药芯焊丝，其中，所述稳定化合物的功函数均为4.0eV以下。
[4]根据所述[1]所述的药芯焊丝，其中，所述金属化合物粉含有一种或多种金属氟化物粉，所述金属化合物粉中包含的金属氧化物粉的合计含量，相对于焊丝总质量为0.5质量％以下。
[5]根据所述[1]所述的药芯焊丝，其中，沸点1600℃以下的金属粉和无机化合物粉的至少任意一方，相对于焊丝总质量，合计含有1.0×10－4mol/g以上。
[6]根据所述[2]所述的药芯焊丝，其中，沸点1600℃以下的金属粉和无机化合物粉的至少任意一方，相对于焊丝总质量，合计含有1.0×10－4mol/g以上。
[7]根据所述[3]所述的药芯焊丝，其中，沸点1600℃以下的金属粉和无机化合物粉的至少任意一方，相对于焊丝总质量，合计含有1.0×10－4mol/g以上。
[8]根据所述[4]所述的药芯焊丝，其中，沸点1600℃以下的金属粉和无机化合物粉的至少任意一方，相以于焊丝总质量，合计含有1.0×10－4mol/g以上。
[9]根据所述[1]所述的药芯焊丝，其中，以纯Fe、Fe基合金或Ni基合金为外皮。
[10]一种焊接金属，其中，使用所述[1]～[9]中任一项所述的药芯焊丝通过焊接形成。
[11]一种焊接方法，其中，使用所述[1]～[9]中任一项所述的药芯焊丝和保护气体。
根据本发明的药芯焊丝和使用它的焊接方法，不用伴随焊接电流等的热能上升，就可以加快焊丝送给速度。因此，在相同线能量下的施工效率优异，可以使焊接操作的效率性提高，能够削减焊接成本。
附图说明
图1是表示钍钨电极温度变迁的图。
图2是表示每种丝径下，2300K下热电子产生的电流与功函数的关系的图。
图3是表示丝径与能够得到稳定的热阴极性的功函数这两者关系的图。
图4是表示稳定化合物的功函数的加权几何平均值与焊丝送给速度的关系的图。
具体实施方式
以下，就用于实施本发明的药芯焊丝，和使用了它的焊接方法以及焊接金属的方式(实施方式)进行说明。但是，本实施方式是一个示例，并不是限定本发明的。另外，在没有特别描述时，所谓“％”是“质量％”的意思。
《药芯焊丝》
本实施方式的药芯焊丝(以下，简称为“焊丝”。)，用于正极性的气体保护电弧焊，由呈筒状的外皮、和填充在该外皮内侧的焊剂构成。还有，所谓正极性，是电极侧为负，母材侧为正的电极配置。药芯焊丝可以是外皮无接缝的无缝型、外皮有接缝的有缝型的任意一种形态。另外，药芯焊丝可以对于作为外皮外侧的焊丝表面实施镀铜，也可以不实施。外皮的材质无关紧要，是软钢、不锈钢或Ni基合金均可，只要满足本发明的特征便没有特别限制。
本实施方式的药芯焊丝的焊剂，含有一种或多种金属化合物粉。
其特征在于，构成金属化合物粉的一种或多种金属元素，作为高温环境下的稳定化合物时，上述稳定化合物的功函数的加权几何平均值，相对于药芯焊丝的丝径满足以下的关系。
1.00≤Φ≤－0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ＝Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal…×Φm nm/ntotal
式中，D表示丝径(mm)，Φ表示稳定化合物的功函数的加权几何平均值(eV)，Φ1～Φm(m是自然数)表示m种稳定化合物的各功函数(eV)，n1～nm表示构成所述m种稳定化合物的m种金属元素在药芯焊丝总质量中的各含量(mol/g)，ntotal表示所述m种金属元素在药芯焊丝总质量中的合计含量(mol/g)。
＜药芯焊丝的送给速度提高机制＞
已知一般的药芯焊丝适合逆极性(以下，也称为“DCEP”。)的气体保护电弧焊。还有，所谓逆极性是以焊丝为阳极，以母材为阴极的电极配置。例如，丝径(D)为1.2mm的普通氧化钛系药芯焊丝的DCEP－200A下的焊丝送给速度为8.4m/分钟。另一方面，试制专利文献2所述的药芯焊丝，即Al含量2.3重量％、Mg含量0.6重量％、BaF2含量3重量％、Zr含量0.1重量％、焊剂填充率13重量％、及丝径1.2mm的药芯焊丝进行实验时，作为正极性时的DCEN－200A下的焊丝送给速度为5.3m/分钟。由此可知，相同电流下的焊丝送给速度实际上也会降低37％。像这样由现有技术公开的焊丝，与大量含有一般氧化钛的药芯焊丝比较，发现面对相同的焊接电流，焊丝送给速度明显偏低。其结果是，相同线能量下的施工效率差，可以说很大程度上影响了实际工序中的焊接成本。
鉴于以上这样的背景，本发明以适用正极性的药芯焊丝为对象，理清了对焊丝熔融特性造成重要影响的因素及其机制。
一般来说，若以正极性使用焊接焊丝，则可知电弧的稳定性差，不能实施良好的焊接。相对于此，若使用为正极性用而设计的专利文献1～3所公开的这种碱性的药芯焊丝，则即使在正极性下也能够得到稳定的电弧。另外，可知作为非自耗电极而使用钨电极，一般以正极性进行焊接的气体钨极电弧焊(以下，称为“GTAW”。)中，也能够得到稳定的电弧。以该GTAW其电弧稳定性优异这一理由为基础，在本发明中，阐明即使是药芯焊丝，也能够在正极性下得到稳定的电弧，不用伴随焊接电流等的热能的上升，就能够加快焊丝送给速度，从而熔敷性提高的机制。
首先，说明GTAW的机制。因为电极所使用的钨的熔点是3695K这样的高温，所以在焊接中电极不会熔融，而是以固体的状态被加热到非常高的温度。高温的物质遵循以下所示的Richardson－Dushmann公式发射热电子，焊接中的钨电极也被认为会发射热电子。
Richardson－Dushmann公式
Je＝A0T2exp(－eVw/kT)
Je：热电子发射引起的电流密度[A/cm2]，A0：理查森常数(120.4[A/cm2·K2])，T：绝对温度[K]，e：基本电荷(1.602×10－19[C])，Vw：功函数[eV]，k：玻尔兹曼常数(1.381×10－23[J/K])
在此例如是考虑200A的焊接电流流通的情况。已知GTAW的电极所广泛使用的钍钨电极的功函数(Vw)为2.63eV(参照安藤等，焊接电弧现象(修订版)，产报(1967))。这里，以电极前端角度60°，从距前端1.5mm的范围发生电弧时，电弧发生部表面积为4.71mm2。这种情况下，根据上述Richardson－Dushmann公式，可预测图1所示这样的钍钨电极温度的变迁。据此变迁，若电弧发生部被加热至2522K，则能够通过稳定的热电子发射提供200A的电流，可谓电弧稳定。相对于此，因为钨的熔点为3695K，所以即使是2522K这样的电弧稳定状态，也能够以固体状态维持电极。像这样，通过热电子发射供给放电所需电流的阴极的状态称为“热阴极”。在热阴极中，由于热电子发射导致电极失去能量，换言之就是被冷却，从而可维持电极温度。
基于上述，以下对于药芯焊丝研究。
药芯焊丝的焊丝外皮，根据作为被焊接材母材的种类和作为目标的接头性能而受到制约。其结果是，大多数情况下，焊丝外皮采用钢。因为钢的熔点约为1770K，所以，在固体或从焊丝前端脱离前的熔滴温度下提供Richardson－Dushmann公式所示的热电子，靠大量含有氧化钛的普通药芯焊丝所包含的组成是不可能的。还有，这种所谓普通的组成，是氧化钛(VW：3.87eV)、氧化硅(VW：5.00eV)(参照G.V.Samsonov，遠藤译，最新氧化物目录：物理的科学的性质，日苏通信社(1979))、铁和合金元素等。
因此在本发明中，考虑作为焊剂而使之含有可能达成低功函数的物质，使热电子发射活跃，由此药芯焊丝也能够成为热阴极。作为可能达成低功函数的物质，可列举BaF2(以下，也称为“氟化钡”。)。由于氟化钡在高温的氧存在下，氟游离，并且钡与氧的亲和性高，因此在氧存在下生成氧化钡。该氧化钡由于功函数为非常低的0.99eV，所以很容易判断热阴极性成立。
在药芯焊丝中若焊丝熔融，则焊丝外皮和焊剂中所含有的金属粉容易被混合。但是，金属粉与熔融部在高温环境下稳定的化合物(以后，也称为“稳定化合物”。)不会混合。还有，作为高温环境下稳定的化合物，可列举氧化物、碳化物、硫化物、氮化物等，但从亲和性的观点出发，认为像上述氧化钡这样成为氧化物的情况居多。该稳定化合物之间容易混合，但稳定金属化合物与熔融金属不混合。还有，所谓熔融金属，是指单一金属或合金熔融的状态。
因此，若以正极性使用焊丝，则熔融金属部和稳定化合物部之中，功函数低的地方成为阴极点，电弧发生。对此在熔融金属部，例如，铁的功函数(VW)为4.67～4.81e V，Ni的功函数(VW)为5.04～5.35eV(参照CRC Hand Book of Chemistry and Physics，78版，CRCPress(1998))，功函数比较高。因此，不能成为稳定的阴极点，正极性的电弧焊接中的稳定性，很大程度上依赖于稳定化合物的性质。
在焊剂中，作为金属化合物粉而添加氟化钡时，如上述，在焊接中的焊丝熔融部生成氧化钡。由于该氧化钡这样的稳定化合物很容易发射热电子，因此会成为非常稳定的热阴极。但是，若单独添加氟化钡，则受到强冷却效应，因此判定焊丝的熔融速度降低。
基于上述，本发明通过控制作为阴极点发挥作用的稳定化合物的功函数，抑制焊丝送给速度的降低，并且维持稳定的热阴极性，从而提供一种具有优异的电弧稳定性的焊丝。
以下，对于稳定化合物的功函数的控制进行说明。
在说明稳定化合物的功函数控制时，首先，假定以下的1.和2.。
1.稳定的MAG(metal active gas)焊接中的熔滴表面温度为2300K左右(参照山崎等，基于红外线双色辐射测温法的熔池表面温度测量，焊接学会论文集，Vol.27(2009))，以此作为基准。
2.电弧发生部的面积与焊丝截面积一致。
其次，根据Richardson－Dushmann公式，求得设想是来自焊丝前端的电弧放电，并设想为稳定化合物的功函数，和与之对应的2300K下的热电子产生的电流的关系。计算在丝径(D)1.0～2.0mm的范围进行。
计算的丝径之中，代表直径下的功函数与电流的关系显示在图2中。另外，根据计算结果求得的，与各丝径(D)对应的、由热电子产生的电流高于200A的功函数的值由图3的标绘表示。若以二次近似曲线拟合图3中的标绘，则能够得到下式的右边。可以说该右边的值，表示相对于丝径，能够得到稳定的热阴极性的稳定化合物的功函数值的上限。
y≤－0.0908x2+0.5473x+1.547
式中，x：表示丝径(mm)，y：能够得到表示稳定的热阴极性的金属稳定化合物的功函数值。
还有，在实际的焊接中，关于电弧发生部的温度、面积和焊丝熔融部的稳定化合物的功函数的准确测量有困难。因此，以所添加的金属化合物粉假定会生成的稳定化合物的功函数作为参考，根据实验结果讨论稳定化合物的组成。还有，稳定化合物在此作为氧化物进行说明。
其结果可知，对于构成焊丝中包含的一种或多种金属化合物粉的m种金属元素，由各金属元素的摩尔分率将高温环境下的m种稳定化合物的功函数加权的几何平均值(Φ)与焊丝送给速度，如图4所示这样高度相关。因此，认为该值能够作为稳定化合物的功函数代用。还有，所谓稳定化合物的功函数的加权几何平均值，由下式表示。
Φ＝Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal…×Φm nm/ntotal
式中，Φ表示稳定化合物的功函数的加权几何平均值(eV)，Φ1～Φm(m是自然数)表示m种稳定化合物的各功函数(eV)，n1～nm表示构成所述m种稳定化合物的m种金属元素在药芯焊丝总质量中的各含量(mol/g)，ntotal表示所述m种金属元素在药芯焊丝总质量中的合计含量(mol/g)。
将根据上式计算出的金属稳定化合物的功函数的加权几何平均值(Φ，eV)控制在1.00以上，且相对于丝径(D，mm)由(－0.0908D2+0.5473D+1.547)所表示的值以下，由此能够使正极性的电弧稳定和高熔敷速度并立。
除上述以外，判明了为了进一步提高电弧稳定性，将低沸点物质添加到药芯焊丝的焊剂中即可。以下，对于低沸点物质的效果进行说明。
通常，在MAG焊接的熔滴过渡中，一般被称呼为电磁收缩力的力，即在内部有电流流通的物质中想要朝该流动的中心方向收缩的力作用于熔融部分，焊丝前端的熔融部分脱离，成为熔滴落下。另一方面，如上述在正极性下能够得到稳定的电弧的药芯焊丝，因为电流主要从稳定化合物部流通，所以在焊丝前端的熔滴不会有大电流流通。因此，需要以电磁收缩力以外的形式施加熔滴过渡的驱动力，而这来自焊剂所含有的低沸点物质随气化而来的爆炸力。
对于低沸点物质要求在焊丝前端附近蒸发并对熔滴赋予爆炸力。换言之，就是低沸点物质的沸点优选为接近钢的熔点的1600℃以下，更优选为1300℃以下。
作为低沸点物质，可列举沸点为1600℃以下的金属粉或无机化合物粉，具体来说，可考虑Li、Mg、Zn、AlF3等。金属的情况下，即使是合金也可以充分期待蒸发，因此也可以由Al－Li合金、Al－Mg合金等的金属粉进行添加。另外，这里的所谓无机化合物粉，也包括在所述金属化合物粉之中，沸点为1600℃以下的粉末。
因为爆炸力取决于气化后的体积，所以低沸点物质的合计含量，以焊丝总质量中的物质量(mol)计，优选为1.0×10-4mol/g以上。
＜焊剂＞
以下，对于反映出上述机制，所设想的本实施方式的药芯焊丝的组成详细说明。还有，各成分的规定除非特别明示，否则焊丝，即外皮与焊剂的合计所包含的各成分的质量，均以相对于焊丝总质量的比例(％)规定。
·金属化合物粉
本实施方式的药芯焊丝，用于正极性的气体保护电弧焊，焊剂含有一种或多种的金属化合物粉。构成金属化合物粉的一种或多种的金属元素，作为高温环境下的稳定化合物时，稳定化合物的功函数的加权几何平均值，相对于药芯焊丝的丝径而满足以下的关系。
1.00≤Φ≤－0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ＝Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal…×Φm nm/ntotal
式中，D表示丝径(mm)，Φ表示稳定化合物的功函数的加权几何平均值(eV)，Φ1～Φm(m是自然数)表示m种的稳定化合物的各功函数(eV)，n1～nm表示构成所述m种的稳定化合物的m种的金属元素在药芯焊丝总质量中的各含量(mol/g)，ntotal表示所述m种的金属元素在药芯焊丝总质量中的合计含量(mol/g)。
所谓构成金属化合物粉的金属元素在高温环境下的稳定化合物，作为氧化物时，是指在1500～1600℃下氧化物的标准生成吉布斯能为－150kcal/molO2以下的、与氧的亲和性高的元素的氧化物。还有，所谓与氧的亲和性高的元素的氧化物，也是指稳定氧化物或稳定复合氧化物。
作为硫化物时，是指在1500～1600℃下硫化物的标准生成吉布斯能为－80kcal/molS2以下的、与硫的亲和性高的元素的硫化物。还有，所谓与硫的亲和性高的元素的硫化物，也是指稳定硫化物或稳定复合硫化物。
作为氮化物时，是指在1500～1600℃下氮化物的标准生成吉布斯能为－50kcal/molN2以下的、与氮的亲和性高的元素的氮化物。还有，与氮的亲和性高的元素的氮化物，也是指稳定氮化物或稳定复合氮化物。
作为碳化物时，是指在1500～1600℃下碳化物的标准生成吉布斯能为－20kcal/molC以下的、与碳的亲和性高的元素的碳化物。还有，与碳的亲和性高的元素的碳化物也是指稳定碳化物或稳定复合碳化物。
多数情况是，大部分元素其氧化物的形态是最稳定的状态，且稳定氧化物具有功函数较低的性质。因此，从稳定化合物容易控制，还有功函数的观点出发，稳定化合物优选为稳定氧化物或稳定复合氧化物。
例如，金属化合物粉为BaF2时，作为其金属元素的Ba在1500～1600℃下的稳定状态，即标准生成吉布斯能被认为最低的化合物是BaO的金属氧化物。其标准生成吉布斯能为－180～－185kcal/molO2，BaO的功函数为0.99eV。同样例如，金属元素是Mg、Al、Sr、Ca时，同温度域的稳定状态的化合物分别为MgO、Al2O3、SrO、CaO的金属氧化物，它们的功函数分别是3.31eV、3.90eV、1.27eV、1.77eV(参照安藤等，焊接电弧现象(修订版)，产报(1967))。另外，各金属元素的稳定化合物的功函数，由化合物特有的值惟一决定。
稳定化合物的功函数的加权几何平均值(Φ)相对于丝径(D)满足上述的关系。
在此，例如焊剂中包含的金属化合物粉为BaF2:CaF2:AlF3＝2.4:0.4:0.7(质量比)时，构成的金属元素有3种，即式中m＝3，它们的比为Ba:Ca:Al＝0.52:0.18:0.30(摩尔分率)。另外，这些稳定化合物分别为BaO(功函数0.99eV)、CaO(功函数1.77eV)、Al2O3(功函数3.90eV)，因此其加权几何平均值(Φ)为(0.990.52×1.770.18×3.900.30)＝1.66eV。还有，上述是相当于后述实施例2的组成。
如此得到的功函数的加权几何平均值(Φ)，从得到高焊丝送给速度，即高熔敷性的观点出发，为1.00eV以上，优选为1.02eV以上，更优选为1.04eV以上。另外，从得到电弧稳定性的观点出发为{－0.0908D2+0.5473D+1.547}以下。
从熔敷性提高的方面出发，优选由金属氟化物粉在焊丝熔融部生成的各稳定化合物的功函数均为4.0eV以下。
焊剂中包含的金属化合物粉，是含金属元素的化合物，不包括由金属单体或合金构成的金属粉。作为金属化合物粉，例如可列举金属氟化物粉、金属氧化物粉和金属碳酸盐粉，其中优选含一种或多种金属氟化物粉。
(金属氟化物粉)
作为金属氟化物粉，可列举BaF2、SrF2、CaF2、AlF3等。
BaF2在正极性的气体保护电弧焊中，通过稳定阴极点，并使电弧稳定化，从而能够减少飞溅发生量。BaF2的含量优选为1.0％以上，更优选为1.2％以上。
另外，使BaF2的含量为4.5％以下，能够抑制焊丝熔融部的功函数的过度降低，维持高熔敷性能。另外，从能够进一步提高高熔敷性能这一点出发，BaF2的含量优选为4.0％以下，更优选为3.0％以下。
SrF2、CaF2和AlF3均以BaF2为基础，通过添加这些，从而控制焊丝熔融部的功函数，由此能够使熔敷量增加。另一方面，若其含量过多，则功函数变得过高，电弧将不稳定。因此SrF2的含量优选为1.5％以下，更优选为1.3％以下。CaF2的含量优选为1.5％以下，更优选为1.3％以下。AlF3的含量优选为1.5％以下，更优选为1.2％以下。从抑制过度的氟发生，使熔滴过渡更加稳定化的观点出发，它们的合计含量优选为5.0％以下，更优选为2.0％以下。
另外，优选含有从SrF2、CaF2和AlF3所构成的群中选择的至少一种，从维持高熔敷性能的观点出发，优选它们的合计含量为0.1％以上，更优选为0.3％以上。
在焊剂中，也能够含有BaF2、SrF2、CaF2和AlF3以外的其他氟化物粉。作为其他氟化物粉，可列举LiF、NaF、MgF2、K2SiF6、KF等。
氟化物粉的合计含量，从阴极点的稳定化这一点出发，优选以相对于焊丝总质量的质量％计而高于2％，更优选为2.5％以上。另外，从熔滴过渡的稳定化这一点出发，氟化物粉的合计含量优选为6％以下，更优选为5％以下，进一步优选为4.5％以下。
相对于氟化物粉的合计含量，所述BaF2、SrF2、CaF2和AlF3的合计含量的比例{(BaF2+SrF2+CaF2+AlF3)/氟化物粉的合计}，从阴极点的稳定化这一点出发，优选为0.5以上，更优选为0.6以上。另外，上限也可以为1，即不包含其他的氟化物粉。
(其他的金属化合物粉)
作为金属氟化物粉以外的金属化合物粉，可列举金属氧化物粉、金属碳酸盐粉、金属氮化物粉等。
·金属粉
焊剂中也可以包含金属粉，金属粉可以是单体的金属粉，也可以是合金的金属粉，所含金属粉可以是一种也可以是多种。
构成金属粉的金属元素，可列举Fe、Mn、Si、Al、Mg、Zr、C、Ni、Li、Zn、Cr等。其中，优选含沸点在1600℃以下的金属粉，更优选含沸点在1300℃以下的低沸点金属粉。作为低沸点金属粉，例如可列举Li、Mg、Zn等，更优选为Mg粉、Zn粉，进一步优选为Mg粉。
另外，作为合金的形态，可更举Fe－Al、Al－Mg、Fe－Mn和Fe－Si－Mn等，但不限定于此。
作为金属粉的Al、Mg、Zr均作为强力的脱氧剂而使熔融金属中的氧量减少，提高熔融金属的表面张力，且在熔池表面使均匀的氧化膜形成。由此，具有抵抗全位置焊接中的重力影响而使焊道形状良好的效果。
作为其他的金属粉，Mn、Si、Ni、Cr对于确保焊接金属的强度和韧性这样的力学性能有效。
·无机化合物粉
焊剂中也可以包含无机化合物粉，优选包含沸点为1600℃以下的无机化合物粉，更优选沸点为1300℃以下的无机化合物粉。无机化合物粉可以是金属元素的化合物粉，也可以是硼等非金属元素的化合物粉。还有，上述金属化合物粉，作为金属元素的化合物粉，包含于无机化合物粉。
作为沸点1600℃以下的无机化合物粉，在上述金属氟化物粉之中，相当于AlF3、KF等。另外，作为氟化物以外的无机化合物粉，可列举Sb2O3等。
从电弧稳定性这一点出发，优选焊剂含有沸点为1600℃以下的、金属粉和无机化合物粉中的至少任意一方，更优选含有沸点为1300℃以下的、金属粉和无机化合物粉中的至少任意一方。另外，沸点为1600℃以下的金属粉和无机化合物粉的合计含量，从电弧稳定性方面出发，相对于焊丝总质量，优选为1.0×10－4mol/g以上，更优选为2.0×10－4mol/g以上，进一步优选为2.5×10－4mol/g以上。另外，从同样的观点出发，合计含量优选为5.0×10-4mol/g以下，更优选为4.5×10－4mol/g以下，进一步优选为4.0×10－4mol/g以下。
·其他的组成
另外，在不损害本发明效果的范围，焊剂中也可以其他的成分。
＜任意成分＞
所谓本实施方式的焊丝中包含的任意成分，以纯金属、合金、或氧化物、碳化物、氮化物等的化合物的形态被添加到焊剂或外皮中。
任意成分，也可以依照所需要的焊接金属的力学性能或焊接施工条件，含有规定量的C、Si、Mn、Ni、Mo、W、Nb、V、Cr、Ti、N、S、P、B、Cu、Ta、REM(稀土元素)等。另外，也可以根据需要，含有碱金属或其化合物。
还有，作为铁基时，优选余量由Fe和不可避免的杂质构成。
作为软钢用、高张力钢用、低温钢用、耐候钢用等所用的药芯焊丝的任意成分的组成，例如，以相对于焊丝总质量的质量分率计，优选还满足C：0.5％以下、Si：2.0％以下、Mn：3.0％以下、N i：5.0％以下、Mo：3.0％以下、W：3.0％以下、Nb：3.0％以下、V：3.0％以下、Cr：5.0％以下、Ti：3.0％以下、N：0.05％以下、S：0.05％以下、P：0.05％以下、B：0.0 5％以下、Cu：2.0％以下、Ta：3.0％以下、和REM：0.1％以下。也可以不包含这些元素。还有，一般作为软钢用、高张力钢用、低温钢用、耐候性钢用等所用的药芯焊丝以Fe基合金作为外皮。
除上述以外，也可以进一步含有由药芯焊丝中的一种或多种碱金属元素构成的金属粉和金属化合物，这时的碱金属元素作为电弧稳定剂发挥作用。还有，碱金属元素可列举K、Li、Na等。由碱金属元素构成的金属粉和金属化合物的合计含量，优选相对于焊丝总质量为3质量％以下，更优选为2质量％以下，另外，优选为余量是F e和杂质。
上述任意成分的组成，能够使用与铁基合金或依据JIS Z 3313：2009年的软钢、高张力钢或低温钢用，或者作为JISZ 3320：2012年的耐候钢用使用的药芯焊丝通常所用的组成同样的组成。
具体的优选方式如下。另外，这些元素也不一定要含有。
C是对焊接金属的强度产生影响的成分，含量越增加，强度越高。在软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的强度范围内，优选为0.5％以下，更优选为0.2％以下。另一方面，用于强度调整则优选为0.001％以上。
Si是对焊接金属的强度、韧性带来影响的成分。为了满足软钢、高张力钢或低温钢用等常用的钢种所要求的力学性能的范围，Si的含量优选为2.0％以下，更优选为1.2％以下。另一方面，Si的含量优选为0.1％以上。
Mn也与Si同样，是对焊接金属的强度、韧性造成影响的成分。为了满足软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的力学性能的范围，优选Mn的含量为3.0％以下，更优选为2.5％以下。另外，Mn的含量优选为0.5％以上。
Ni使焊接金属的奥氏体组织稳定化，是使低温下的韧性提高的成分，另外，是能够调整铁素体组织的结晶量的成分。Ni的含量优选为5.0％以下，更优选为3.0％以下。另外，用于低温钢等时，Ni的含量优选为0.20％以上。
Mo是使高温强度和耐点蚀性提高的成分。为了满足软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的力学性能的范围，Mo的含量优选为3.0％以下，更优选为2.0％以下。另外，用于高张力钢和耐热钢等时，Mo的含量优选为0.10％以上。
W是使高温强度和耐点蚀性提高的成分。适合软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的力学性能的范围的W的含量优选为3.0％以下，更优选为2.0％以下。
Nb是对于强度等力学性能造成影响的成分。为了满足软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的力学性能的范围，Nb的含量优选为3.0％以下，更优选为2.0％以下。
V发挥着使焊接金属的强度提高的效果，另一方面，使韧性和耐裂纹性降低。因此V的含量优选为3.0％以下，更优选为2.0％以下。
Cr是对于焊接金属的强度等力学性能造成影响的成分。为了满足软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的力学性能的范围，Cr的含量优选为5.0％以下，更优选为3.0％以下。另外，用于耐热钢等时，Cr的含量优选为0.10％以上。
Ti与C、N结合而有助于晶粒的微细化，主要是使焊接金属的韧性提高的成分。在软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种中，目标是提高韧性时，Ti的含量优选为3.0％以下，更优选为1.0％以下。另外，Ti的含量优选为0.01％以上。
N是填隙式固溶于晶体结构内而使强度提高的成分。另一方面，也成为使焊接金属发生气孔和凹坑这样的气孔缺陷的原因，因此，除了特别需要强度的情况以外，都不进行积极的添加。N的含量优选为0.05％以下，更优选为0.03％以下。另外，N的含量优选为0.0010％以上。
S在焊丝熔融时使熔滴的粘性和表面张力降低，使熔滴过渡顺利，从而使飞溅小粒化，发挥着提高焊接操作性的效果，另一方面，其是使耐裂纹性降低的元素。因此S的含量优选为0.05％以下，更优选为0.03％以下。另外，S的含量优选为0.0010％以上。
P使耐裂纹性和焊接金属的力学性质降低，因此P的含量优选抑制在0.05％以下，更优选在0.03％以下。
B防止焊接金属中的氮造成的韧性降低，另一方面，使耐裂纹性降低。因此B的含量优选为0.05％以下，更优选为0.03％以下。另外，在想要确保韧性时，B的含量优选为0.0005％以上。
Cu有助于焊接金属的强度和耐候性的提高。想要在软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的范围得到强度、耐候性时，Cu的含量优选为2.0％以下，更优选为1.0％以下。另外，想要确保焊接金属的强度和耐候性时，Cu的含量优选为0.01％以上。
Ta是对强度等力学性能造成影响的成分。用于满足软钢、高张力钢或低温钢用等常用钢种所要求的力学性能的范围的适宜的Ta含量，优选为3.0％以下，更优选为2.0％以下。
REM意思是稀土元素，可列举Ce和La等。REM与S的亲和性高，抑制S的晶界偏析，也发挥着抑制S导致的高温裂纹的效果。因此，希望电弧进一步稳定化时，REM的合计含量优选为0.1％以下，更优选为0.05％以下。
另外，余量优选为Fe和杂质。
作为余量的Fe的含量优选为80质量％以上，另外，优选为98质量％以下。
所谓杂质，意思是并非有意添加的元素，作为上述以外的元素，例如可列举Sn、Co、As等。另外，所述元素作为氧化物被包含时，O也包括在余量内。杂质的含量合计优选为0.5质量％以下，更优选为0.3质量％以下。
作为不锈钢用等所用的药芯焊丝的合金成分的组成，例如，以相对于焊丝总质量的质量分率计，优选进一步满足C：0.5％以下、Si：2.0％以下、Mn：3.0％以下、Ni：5.0～20.0％、M o：3.0％以下、W：3.0％以下、Nb：3.0％以下、V：3.0％以下、Cr：15.0～30.0％、Ti：3.0％以下、N：0.50％以下、S：0.05％以下、P：0.05％以下、B：0.05％以下、C u：2.0％以下、Ta：3.0％以下、和REM：0.1％以下。也可以不包含这些元素。
除上述以外，也可以再含有由药芯焊丝中的一种或多种碱金属元素构成的金属粉和金属化合物，这时的碱金属元素作为电弧稳定剂起作用。还有，碱金属元素可列举K、Li、Na等。由碱金属元素构成的金属粉和金属化合物的合计含量，相对于焊丝总质量优选为3质量％以下，更优选为2质量％以下。
上述合金成分的组成，能够在与铁基合金或依据JIS Z 3313：2007年的不锈钢所用的药芯焊丝通常使用的组成同样的组成下使用。
作为具体的优选方式，Ni、Cr、Mo、Nb、N以外的元素，与作为上述软钢用、高张力钢用、低温钢用、耐候性钢用等所用的药芯焊丝的合金成分的组成同样。
Ni是使焊接金属的奥氏体组织稳定化，使低温下的韧性提高的成分，另外，是出于调整铁素体组织的结晶量的目的而以一定量添加的成分。从这些性能的平衡出发，Ni的含量可以在与不锈钢通常含量同样的范围，优选为5.0％以上，更优选为9.0％以上。另外，Ni的含量优选为20％以下，更优选为16％以下。
Cr是使焊接金属的耐腐蚀性提高的成分，另一方面，若过量含有，则与氧化性保护气体反应而生成氧化物，是对熔渣成分组成的平衡产生影响的成分。从这些性能的平衡出发，Cr的含量可以在与不锈钢通常的含量同样的范围，优选为15％以上，更优选为17％以上。另外，Cr的含量优选为30％以下，更优选为25％以下。
Mo是使耐腐蚀性，特别是使耐点蚀性提高的成分，另一方面，是稀少且经济性差的成分。从这些性能的平衡出发，Mo的含量可以在与不锈钢通常的含量同样的范围，优选为5.0％以下，更优选为4.0％以下。
Nb是通过与C结合而固定化，抑制Cr碳化物的生成带来的耐腐蚀性劣化即抑制敏化，从而提高耐腐蚀性的成分，另一方面，是使耐裂纹性劣化的成分。因此，Nb的含量优选为3.0％以下，更优选为2.0％以下。用于抗敏化钢等之时，Nb的含量优选为0.2％以上。
N是发挥着使焊接金属的奥氏体组织稳定化，使焊接金属的强度提高，使耐点蚀性提高等效果的成分，另一方面，是招致气孔缺陷的成分。从这些性能的平衡出发，N的含量优选为0.5％以下，更优选为0.4％以下。另外，用于高耐腐蚀钢、极低温用钢等时，N的含量优选为0.1％以上。
作为Ni基合金用等所用的药芯焊丝的合金成分的组成，例如，以相对于焊丝总质量的质量分率计，优选还满足C：0.5％以下、Si：2.0％以下、Mn：4.0％以下、Fe：10.0％以下、Mo：2 0.0％以下、W：5.0％以下、Nb：4.5％以下、V：3.0％以下、Cr：10.0～35.0％、Co：2.5％以下、Ti：1.0％以下、N：0.50％以下、S：0.05％以下、P：0.05％以下、B：0.05％以下、Cu：2.0％以下、Ta：3.0％以下、和REM：0.1％以下。也可以不包含这些元素。
除上述以外，也可以还含有由药芯焊丝中的一种或多种碱金属元素构成的金属粉和金属化合物，这时的碱金属元素作为电弧稳定剂起作用。还有，碱金属元素可列举K、Li、Na等。由碱金属元素构成的金属粉和金属化合物的合计含量，相对于焊丝总质量优选为3质量％以下，更优选为2质量％以下，另外，余量优选为Ni和杂质。
上述合金成分的组成，能够在与Ni基合金或依据JIS Z3335：2014年的Ni基合金用所用的药芯焊丝通常使用的组成同样的组成下使用。
作为具体的优选方式，Fe、Co以外的元素，与作为不锈钢用等所用的药芯焊丝的合金成分的组成同样。
Fe是为了使焊接金属的经济性提高，而在不会对力学特性和耐腐蚀性等造成负面影响的程度下被添加的成分。为了发挥Ni基合金所求的耐腐蚀性、耐热性等，上限优选为10.0％以下。
Co与Ni同样，是使奥氏体组织稳定化的成分。另外，在通常的Ni原材中作为杂质被比较大量地含有，是不可避免被包含的成分。另一方面，Co经济性极差，不优选积极地添加。Co的含量优选为2.5％以下。
药芯焊丝的外皮也没有特别限定，例如，能够使用普通钢、SUH409L(JIS G 4312：2019年)、SUS430、SUS304L、SUS316L、SUS310S(均为JISG 4305：2012年)等，或Alloy600(UNSN06600)、Alloy625(UNS N06625)、Alloy22(UNS N06022)、Alloy276(UNS N10276)等。
药芯焊丝中，相对于外皮所形成的内部空隙来说，若焊剂量少，则焊接时难以形成焊剂柱。另外，焊丝内发生焊剂移动现象。这种情况下，有可能因焊丝制造线的振动状况等，导致焊丝在纵长方向的焊剂含有率(以下，也表述这焊剂填充率或焊剂率。)发生偏差，焊丝的品质有可能变得不稳定。因此，焊丝中的焊剂的含有率，以相对于焊丝总质量的质量分率，优选为10％以上，更优选为11％以上。
另一方面，为了用少量的外皮包裹大量的焊剂，虽然使用壁厚薄的外皮材即可，但是，如果外皮材极薄，则焊丝有可能在拉丝工序中外皮材发生破裂，焊丝有可能断裂。因此，焊丝中的焊剂的含有率优选为20％以下，更优选为18％以下。
药芯焊丝的丝径(D)没有特别限定，但若考虑到与普通焊接装置的组合和焊接操作性，则直径优选为0.9mm以上，更优选为1.0mm以上，进一步优选为1.2mm以上，另外，优选为2.0mm以下，更优选为1.6mm以下。
对于焊丝的截面形状也没有特别限定，能够用于外皮有接缝这种类型的焊丝，或没有该接缝的无缝型等。另外，无缝型的情况下，表面也可以实施镀Cu等处理。
《制造方法》
本实施方式的药芯焊丝，能够以现有同样的方法制造，没有特别限定。例如，在外皮内填充焊剂。这时，外皮的组成、焊剂的组成及含有率分别以处于前述范围的方式适宜调整。接着，对于外皮内填充有焊剂的焊丝实施轧制或拉丝，由此能够使之缩径，得到具有规定外径的药芯焊丝。
《焊接方法》
本实施方式的焊接方法，是使用正极性的上述药芯焊丝和保护气体的气体保护电弧焊。
保护气体没有特别限定，可以使用只有一种成分的单一保护气体，也可以使用两种以上的混合气体。例如，优选含有作为活性气体成分的CO2气60体积％以上，另外，也优选含有作为惰性气体成分的Ar气60体积％以上。
另外，在焊接时，适宜调整决定焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接姿势、保护气体流量等。
《焊接金属》
本实施方式的焊接金属，由使用了上述药芯焊丝的焊接形成。被焊接的母材，能够使用软钢、高张力钢、低温钢或Ni基合金等通常使用的材料。
通过焊接形成的焊接金属的组成，由于根据母材和焊丝的组成，或保护的种类等焊接条件不同而有所差异，所以不能一概而论，但焊丝送给速度快，相同线能量下的施工效率优异。
实施例
以下，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明不受这些实施例限定，可以在能够符合本发明宗旨的范围内加以变更，这些均包含在本发明的技术范围内。
＜评价方法＞
(高熔敷性评价)
由下述所示的焊接条件进行焊接，通过焊接中的焊丝送给速度的测量进行高熔敷性评价。
焊丝送给速度，以使用比较例1的药芯焊丝时的焊丝送给速度3.69(m/分钟)为标准进行评价，但若其改善率为5％以上，则可以说具有高熔敷性能。还有，所谓改善率，表示相对于比较例1的焊丝送给速度的增加比例。
(焊接条件)
焊接电流：240A
焊接电压：适当(20～23V。)
焊接速度：30cm/分钟
焊接姿势：平焊、平板堆焊
焊嘴－母材间距离：15mm
保护气体：CO2气100％
气体流量：25L/分钟
母材：SM490A(焊接结构用轧制钢材)
＜实施例1～17和比较例1＞
使用具有表1～3所示的组成的药芯焊丝，根据上述焊接条件实施焊接试验。还有，在焊剂的组成中，氧化物和碳酸盐未进行积极的添加，相对于焊丝总质量的含量，在全部药芯焊丝中均为0.5％以下。
另外，功函数的加权几何平均值与焊丝送给速度的关系显示在图4中，图4中的■表示比较例1的结果，◆表示实施例的结果。
[表1]
表1
Figure BDA0003318525990000211
[表2]
表2
Figure BDA0003318525990000221
[表3]
表3
Figure BDA0003318525990000231
相对于焊剂中包含的金属化合物粉只有BaF2这一种、功函数的加权几何平均值(Φ)低于1.00的比较例1的药芯焊丝，通过使该加权几何平均值(Φ)为1.00以上(－0.0908D2+0.5473D+1.547)以下，可见焊丝送给速度大幅改善，为熔敷性优异的结果。
详细并参照特定的实施方式说明了本发明，但能够不脱离本发明的精神和范围而施加各种变更和修改，这对于本领域技术人员来说显而易见。本申请基于2019年5月9日申请的日本专利申请(特愿2019－089014)，其内容在此作为参照编入。

Claims (11)

1.一种药芯焊丝，是被用于正极性的气体保护电弧焊的药芯焊丝，其中，
所述药芯焊丝的焊剂含有一种或多种的金属化合物粉，
构成所述金属化合物粉的一种或多种的金属元素，作为高温环境下的稳定化合物时，所述稳定化合物的功函数的加权几何平均值相对于所述药芯焊丝的丝径满足以下的关系，
1.00≤Φ≤－0.0908D2+0.5473D+1.547
Φ＝Φ1 n1/ntotal×Φ2 n2/ntotal…×Φm nm/ntotal
式中，D表示丝径，单位为mm；Φ表示稳定化合物的功函数的加权几何平均值，单位为eV；Φ1～Φm表示m种的稳定化合物的各功函数，单位为eV，m为自然数；n1～nm表示构成所述m种的稳定化合物的m种的金属元素在药芯焊丝总质量中的各含量，单位为mol/g；ntotal表示所述m种金属元素在药芯焊丝总质量中的合计含量，单位为mol/g。
2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其中，所述稳定化合物是氧化物或氧化物的混合物。
3.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其中，所述稳定化合物的功函数均为4.0eV以下。
4.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其中，所述金属化合物粉含有一种或多种的金属氟化物粉，
所述金属化合物粉中所包含的金属氧化物粉的合计含量相对于焊丝总质量为0.5质量％以下。
5.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其中，相对于焊丝总质量，含有合计为1.0×10－ 4mol/g以上的沸点1600℃以下的、金属粉和无机化合物粉中的至少任意一方。
6.根据权利要求2所述的药芯焊丝，其中，相对于焊丝总质量，含有合计为1.0×10－ 4mol/g以上的沸点1600℃以下的、金属粉和无机化合物粉中的至少任意一方。
7.根据权利要求3所述的药芯焊丝，其中，相对于焊丝总质量，含有合计为1.0×10－ 4mol/g以上的沸点1600℃以下的、金属粉和无机化合物粉中的至少任意一方。
8.根据权利要求4所述的药芯焊丝，其中，相对于焊丝总质量，含有合计为1.0×10－ 4mol/g以上的沸点1600℃以下的、金属粉和无机化合物粉中的至少任意一方。
9.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其中，以纯Fe、Fe基合金或Ni基合金作为外皮。
10.一种焊接金属，其中，使用权利要求1～9中任一项所述的药芯焊丝通过焊接形成。
11.一种焊接方法，其中，使用权利要求1～9中任一项所述的药芯焊丝和保护气体。
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