CN115916445A - 气体保护电弧焊方法、结构物的制造方法和保护气体 - Google Patents

气体保护电弧焊方法、结构物的制造方法和保护气体 Download PDF

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Abstract

提供一种不论焊接材料和焊接母材等的条件，电弧稳定性都高，且能够抑制未熔合的气体保护电弧焊方法、利用该焊接方法的结构物的制造方法以及该焊接方法所使用的保护气体。气体保护电弧焊所使用的保护气体，相对于保护气体总体积，含有CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下、和H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下，余量是Ar和不可避免的杂质，设CO2的含量相对于保护气体总体积以体积％计为[CO2]，设H2的含量相对于保护气体总体积以体积％计为[H2]时，满足下式(1)和式(2)。1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1) 0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)。

Description

气体保护电弧焊方法、结构物的制造方法和保护气体
技术领域
本发明涉及使用以Ar为主要成分的保护气体进行焊接的气体保护电弧焊方法、结构物的制造方法和保护气体。
背景技术
在气体保护电弧焊中，为了保护熔融金属(以下，也称为熔池)免受大气中的氮和氧的不利影响而使用保护气体。保护气体的组成，根据所使用的焊丝和焊接母材(以下，也简称为“母材”或“工件”)的钢种、和所制造的结构物的用途而进行各种最佳化。例如，以不锈钢等高合金钢作为焊丝使用时，出于抑制焊接后的焊接金属的氧含量，确保优异的力学特性，尤其是韧性的目的，一般使用以Ar为主要成分，并含有少量的O2或CO2的混合气体作为保护气体。
这样，使用以Ar作为主要成分的混合气体作为保护气体时，若使保护气体中的Ar的含量增加，则可以确保优异的韧性。另一方面，则熔透性能差，产生未熔合这样的焊接缺陷发生的课题。这是因为，由于Ar的电位斜率低这一性质，导致保护气体中的Ar的比率越高，电弧越容易扩散，电流密度变小，下压熔池的力(以下，也称为电弧力)降低。
为了解决这样的课题，在专利文献1中公开有一种药芯焊丝，其以不锈钢或镍合金为外皮，并由金属氧化物、碳酸盐、金属氟化物和金属粉构成，上述专利文献1所述的药芯焊丝，其特征在于，作为焊剂成分，相对于焊丝总重量而含有1～30重量％的金属粉混合物，其中TiO2为5～10重量％，SiO2为0～1.5重量％，碳酸盐为0.1～1重量％，金属氟化物以氟量换算为0.05～0.5重量％和硅量为0.1～1.5重量％。而且还公开有通过使用上述药芯焊丝，即便使保护气体组成为80％Ar+20％CO2而进行焊接时，也可以与使用100％CO2保护气体的情况同样地进行焊接，也不会发生缺陷。
另外，在专利文献2中公开有一种用于使用含有8重量％以上且13重量％以下的Cr的实芯焊丝对含有8重量％以上且13重量％以下的Cr的高Cr钢进行焊接的MAG焊(熔化极活性气体保护电弧焊)用保护气体。上述MAG焊用保护气体，具体来说，是以单层单道，用于焊接一对母材的厚度H1与此母材间的坡口的间隔W1之比为0.4以下，该坡口的角度θ1为10°以下的窄坡口的气体。另外，在上述专利文献2中公开有上述保护气体，其特征在于，由17容量％以下的二氧化碳、30容量％以上且80容量％以下的氦气、余量氩气这3种混合气体构成，可改善熔深。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001－25893号公报
专利文献2：日本特开2013－46932号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，在专利文献1中，只设想了Ar气为80％以下的保护气体，而未考虑到焊接金属的韧性。另外，所使用的焊接材料限定于药芯焊丝，关于实芯焊丝未予以考虑。
例如，使用药芯焊丝时，焊剂本身大量含有功函低的氧化物，因为该氧化物作为发射电子的阴极点起作用，所以能够得到高电弧稳定性。
相对于此，使用实芯焊丝时，保护气体中的Ar比率越高，在熔融金属表面越难以形成阴极点，因此电弧偏转多发，电弧变得不稳定。因此，使用实芯焊丝时，在高Ar气氛中，相比使用药芯焊丝的情况而言，更容易发生未熔合。
另外，专利文献2所述的保护气体，由二氧化碳(CO2)、氦气(He)和氩气(Ar)这3种混合气体构成，但He气的含量为30～80容量％，成为He气占据了保护气体一大半的组成。
但是可知近期以来，He气世界性的供给不足，是高成本的气体，因此说不上能够普遍使用。另外，专利文献2所述的保护气体适用的焊接条件是单层单道，限定为对于一对母材的厚度H1与此母材间的坡口的间隔W1之比为0.4以下，该坡口的角度θ1为10°以下的窄坡口的焊接用。因此，需要开发出一种焊接方法，其能够不使用He气，另外，不特别限定焊接条件就能够实施焊接。
本发明鉴于这样的问题点提出，其目的在于，提供一种以通用的气体Ar作为主成分，不论焊接材料和焊接母材的种类和形状等条件，电弧稳定性都高，且能够抑制未熔合的气体保护电弧焊方法，利用该焊接方法的结构物的制造方法以及该焊接方法所使用的保护气体。
解决问题的手段
本发明人等为了解决上述课题反复锐意研究的结果发现，作为以Ar为主要成分的保护气体，使用如下的保持气体有效：减少CO2和O2等具有氧原子的分子性气体，并且，CO2和H2的含量及其相对比率得到恰当控制的保护气体。
即，本发明的上述目的，可通过气体保护电弧焊方法的下述[1]的构成达成。
[1]一种气体保护电弧焊方法，其特征在于，是使用焊丝作为电极，一边使保护气体在焊接母材的被焊接区域流动一边进行焊接的气体保护电弧焊方法，其中，
所述保护气体，相对于保护气体总体积，含有
CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下、和
H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下，
余量是Ar和不可避免的杂质，
设所述CO2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[CO2]，设所述H2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[H2]时，满足下式(1)和式(2)。
1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1)
0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)
另外，气体保护电弧焊方法的本发明的优选实施方式，涉及下述[2]～[6]。
[2]根据[1]所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，设所述Ar的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[Ar]时，满足下式(3)。
57.0≤0.5×[Ar]+1.5×[CO2]+10×[H2]≤80.0…(3)
[3]根据[1]或[2]所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述焊丝中，相对于焊丝总质量，含有
Cr：18质量％以上且28.5质量％以下、和
Ni：8.0质量％以上且37.0质量％以下，
具有基于DeLong组织图以铁素体百分率计为15.3％以下的组织。
[4]根据[3]所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述焊丝中，相对于所述焊丝总质量，具有
C：0.20质量％以下(含0质量％)、
Si：1.00质量％以下(含0质量％)、
Mn：4.8质量％以下(含0质量％)、
P：0.03质量％以下(含0质量％)、
S：0.03质量％以下(含0质量％)、
Cu：4.0质量％以下(含0质量％)、
Mo：4.0质量％以下(含0质量％)、
Nb：1.0质量％以下(含0质量％)、及び、
N：0.30质量％以下(含0质量％)。
[5]根据[1]～[4]中任一项所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述焊接母材的被焊接区域具有坡口，
所述坡口具有从V形、レ形、I形、K形、X形、J形和U形中选择的一种坡口形状，
所述坡口的坡口角度为0～90°。
[6]根据[1]～[5]中任一项所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述保护气体的气体流量Q为10～30(升/分钟)以下，
所述焊丝的突出长度L为10～30(mm)以下，
所述气体流量Q(升/分钟)与所述突出长度L(mm)之比，满足下式(4)。
0.5≤Q/L≤2.2…(4)
另外，本发明的上述目的，可通过结构物的制造方法的下述[7]的构成达成。
[7]一种结构物的制造方法，其特征在于，是由使用焊丝和保护气体的气体保护电弧焊制造的结构物的制造方法，其中，
所述保护气体，相对于保护气体总体积，含有
CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下、和
H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下，
余量是Ar和不可避免的杂质，
设所述CO2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[CO2]，设所述H2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[H2]时，满足下式(1)和式(2)。
1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1)
0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)
另外，本发明的上述目的，可通过保护气体的下述[8]的构成达成。
[8]一种保护气体，其特征在于，是用于气体保护电弧焊的保护气体，其中，
相对于保护气体总体积，含有
CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下、和
H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下，
余量是Ar和不可避免的杂质，
设所述CO2的含量计体积％计相对于所述保护气体总体积为[CO2]，设所述H2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[H2]时，满足下式(1)和式(2)。
1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1)
0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)
发明效果
根据本发明的气体保护电弧焊方法，不论焊接材料和焊接母材的种类和形状等条件，电弧稳定性都高，且能够抑制未熔合。另外，根据本发明的结构物的制造方法，能够制造可抑制未熔合发生的良好的接头。
附图说明
图1是以纵轴为镍当量(％)、以横轴为铬当量(％)时的DeLong组织图。
图2是表示能够在本发明中使用的焊接装置的例的示意图。
图3是表示试验No.T1的试料No.B1(焊接电流150A)的焊接金属的截面的绘图代用照片。
图4是表示试验No.T16的试料No.B16(焊接电流150A)的焊接金属的截面的绘图代用照片。
图5是表示由本发明方法实施焊接的试验板的焊道外观的绘图代用照片。
图6是表示由本发明方法实施焊接的试验板的焊接金属的截面的绘图代用照片。
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的方式详细说明。还有，本发明不受以下说明的实施方式限定。另外，说明书中，所谓“～”是秉承包括其前后所述数值在内作为下限值和上限值的意思使用。
[气体保护电弧焊方法]
本发明的气体保护电弧焊方法，为一边经由焊炬送给消耗电极(以下，也称为焊丝)，并使保护气体在焊接母材的被焊接区域流动，一边进行焊接的方法。本发明也涉及在上述焊接方法中使用的保护气体，因此，首先对于本发明的保护气体进行说明。
[保护气体]
本发明的保护气体，含有CO2(二氧化碳)和H2(氢)，余量由Ar(氩)和不可避免的杂质构成。如上述，保护气体用于保护熔融金属免受大气中的氮和氧的不利影响，但另一方面，如果保护气体中包含CO2和O2这样具有氧原子的分子性气体时，则保护气体所含的氧原子进入到熔融金属中。为了确保作为本发明前提的优异的焊接金属的韧性，焊接金属的低氧化成为条件。因此，本发明的保护气体，要极力减少具有氧原子的分子性气体，而以通用的惰性气体Ar气作为主要成分。
此外，如前述，Ar气占大部分的保护气体带来的课题是，由于电弧偏转造成的电弧不稳定和电弧力降低，会导致未熔合发生。相对于此，在本发明中，通过恰当控制CO2气和H2气的含量，并且使余量为例如95体积％以上的Ar气，则能够在维持焊接金属低氧性的同时，保持电弧稳定性和电弧力，达成未熔合的抑制。
还有，如后述，CO2气是有助于电弧稳定性的气体，H2气是有助于电弧力的气体。以下，对于各气体组成和恰当范围详细说明。
＜CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下＞
CO2在电弧中容易解离成原子状，从电弧抢夺解离热，因此有助于电弧的紧缩效果。还有，以空气作为1时的CO2的电位斜率之比为1.5。另外，解离的O(氧原子)与熔池上的脱氧元素反应，在熔池表面形成氧化物，该氧化物作为阴极点起作用，抑制电弧偏转，使电弧稳定。但是，若解离的O进入熔融金属中，则结果是焊接金属的氧量有增加的可能性，因此需要适当控制保护气体中的CO2。
若CO2含量低于0.5体积％，主要不能确保电弧稳定效果。因此，保护气体中的CO2含量，相对于保护气体总体积为0.5体积％以上，优选为0.6体积％以上，更优选为0.9体积％以上。
另一方面，若CO2含量高于2.0体积％而过度包含，则氧混入到熔融金属中、以及由于过度的电弧紧缩，导致熔滴过渡成为粗滴过渡形式，其结果是，电弧容易变得不稳定。因此，保护气体中的CO2含量，相对于保护气体总体积，为2.0体积％以下。另外，保护气体中的CO2含量，相对于保护气体总体积，优选为1.5体积％以下，更优选为1.1体积％以下，若是如此，则能够进一步抑制氧进入到熔融金属，由此能够确保更优异的韧性。
还有，如果保护气体中含有CO2，则在解离时发生C(碳)或CO(一氧化碳)，会起到还原吸附在熔池表面的O的作用，因此，虽然是具有氧原子的分子性气体，却又能够极力抑制氧进入到熔融金属中。CO2的这一效果，是其他具有氧原子的分子性气体，例如，焊接中作为通用气体被列举的O2所不能替代的。这是由于，保护气体含有O2时，O2在解离后，O无法被还原而吸附在熔池表面，氧进入到熔融金属中，其结果是，发生焊接金属的氧量变多，或焊接后焊道表面的光泽性变差这样的弊病。因此，在本发明中，作为既可抑制焊接金属的氧量增加和维持良好的焊道外观，又可确保电弧稳定性的具有氧原子的分子性气体，选择CO2。
＜H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下＞
H2与其他分子比较也是电位斜率高的分子，以空气作为1时的H2的电位斜率之比为10。其主要原因是H2的解离电压极低，因为会抢夺大量的解离热，所以非常有助于电弧的紧缩效果。另外，H2也有还原效果，还有抑制氧进入熔融金属中的效果。若H2含量低于0.5体积％，则得不到电弧紧缩效果，电流密度降低，电弧力减小，因此未熔合发生。因此，保护气体中的H2含量，相对于保护气体总体积，为0.5体积％以上，优选为0.8体积％以上，更优选为1.0体积％以上。
另一方面，若H2含量高于3.0体积％，则电弧的紧缩效果作用过度，导致熔滴过渡成为粗滴过渡形式。粗滴过渡是熔滴被电弧力推动，丝径以上的粗大熔滴不定期离脱的现象，因此电弧不稳定。因此，保护气体中的H2含量，相对于保护气体总体积，为3.0体积％以下，优选为2.8体积％以下。
＜余量：Ar和不可避免的杂质＞
(Ar：95体积％以上且98.5体积％以下)
Ar是单原子分子，具有无法形成稳定的化学键的特性，Ar气也被称为惰性气体或稀有气体。在焊接中，保护气体中包含的Ar气，即惰性气体的比例越大，越能够抑制氧等从保护气体进入到熔融金属中，能够实现焊接金属的低氧化。因此，本发明的保护气体，含有上述CO2和H2，余量是Ar和不可避免的杂质，关于Ar含量没有特别限制。还有，若Ar含量在95体积％以上，则能够降低焊接金属的氧量，确保优异的韧性。因此，保护气体中的Ar含量，相对于保护气体总体积，优选为95体积％以上，更优选高于95体积％，进一步优选为96体积％以上。
另一方面，若Ar含量为98.5体积％以下，则能够防止电弧的电位斜率，即每一单位距离的电压降低，在适当电弧电压时，能够恰当保持电弧长和电弧的扩散，增大电流密度。其结果是，能够抑制电弧力的降低，防止未熔合发生。另外，能够防止阴极点不稳定造成的电弧偏转，使电弧稳定化。因此，保护气体中的Ar含量，相对于保护气体总体积，优选为98.5体积％以下，更优选为98.1体积％以下。
还有，以空气作为1时的Ar的电位斜率之比为0.5。
(不可避免的杂质)
作为本发明的保护气体中能够含有的不可避免的杂质，可列举氧、氮和水等。上述不可避免的杂质之中，氧的含量越少越好，保护气体中的O2含量，如果相对于保护气体总体积为0.02体积％以下，则不妨碍本发明的效果。另外，关于其他不可避免的杂质的含量，也越少越好，保护气体中的O2以外的各成分的含量，如果相对于保护气体总体积，分别在0.03体积％以下，则不妨碍本发明的效果。还有，保护气体所含有的不可避免的杂质的合计量，相对于保护气体总体积，优选为限制在0.05体积％以下，更优选限制在0.03体积％以下即可。
＜1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40＞
如上述，CO2和H2均是有着有助于电弧紧缩效果，并且使电弧稳定性提高效果的成分，在本发明中，关于其合计量也限定在最佳范围。
相对于保护气体总体积，设CO2含量以体积％计为[CO2]，设H2含量以体积％计为[H2]时，若[CO2]+[H2]低于1.30，则无法取得利用电弧紧缩效果来抑制未熔合的效果和提高电弧稳定性的效果的任意一方或两方的效果。
另一方面，若[CO2]+[H2]高于4.40，则电弧的紧缩效果变得过剩，电弧不稳定发生。
因此，CO2含量和H2含量满足下式(1)。还有，由[CO2]+[H2]得到的值优选为1.50以上，更优选为1.90以上，优选为4.30以下，更优选为3.90以下。
1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1)
＜0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74＞
H2非常有助于电弧紧缩效果，因此在本发明中，关于H2含量相对于CO2含量和H2含量的合计量的比率，也限定在最佳范围。即，只有在CO2含量和H2含量的合计量满足上式(1)，并且H2相对于此合计量的比率满足下式(2)的情况下，才能发挥同时满足本发明效果的未熔合抑制和电弧稳定性的效果。
若H2含量相对于CO2含量和H2含量的合计量的比率低于0.35，则电弧紧缩效果小，未熔合有可能发生。
另一方面，若上述比率高于0.74，则无法发挥CO2的电弧稳定效果，而且由于过度的电弧紧缩效果，导致熔滴过渡成为粗滴过渡形式，因此电弧更加不稳定。因此，CO2含量和H2含量满足下式(2)。还有，由[H2]/([CO2]+[H2])得到的值优选为0.40以上，更优选为0.47以上，优选为0.70以下，更优选为0.67以下。
0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)
＜57.0≤0.5×[Ar]+1.5×[CO2]+10×[H2]≤80.0＞
如上述，在本发明中，通过恰当控制保护气体中的CO2含量、H2含量和Ar含量，能够抑制未熔合的发生，并且能够使电弧稳定性提高。此各种气体对于抑制未熔合和电弧稳定性提高的影响，由空气作为1时的电位斜率比决定。
相对于保护气体总体积，设Ar含量以体积％计为[Ar]，设CO2含量以体积％计为[CO2]，设H2含量以体积％计为[H2]时，若由0.5×[Ar]+1.5×[CO2]+10×[H2]得到的值在57.0以上且80.0以下的范围，则能够兼顾电弧紧缩效果、电弧稳定效果。
因此，在本发明中，优选满足下式(3)。还有，由0.5×[Ar]+1.5×[CO2]+10×[H2]取得的值更优选为59.0以上，进一步优选为63.0以上，更优选为79.0以下，进一步优选为78.0以下。
57.0≤0.5×[Ar]+1.5×[CO2]+10×[H2]≤80.0…(3)
本发明的保护气体，为CO2含量和H2含量得到恰当控制，余量由Ar和不可避免的杂质构成的混合气体，但在其使用中，优选的方法是，使用封入预制好的混合气体的气体用储瓶(以后也称为储气瓶)的方法，或使用气体混合器将这些气体混合使用的方法，为了取得本发明的效果，更优选使用储气瓶或混合器，将经过混合的气体从一个喷嘴喷出的方法。
另一方面，使用外侧与内侧两个喷嘴的双重保护气体方式，在熔融金属附近进行混合的方法，气体的组成变得不均匀，有本发明的效果不起作用的可能性。另外，在双重保护气体方式中，例如，使外侧为Ar，使内侧为CO2和H2气时，因为活性气体局部性地存在，所以有可能对融合或光泽性造成不利影响。因此，在熔融金属附近混合的方法，存在不能充分发挥本发明效果的可能性，因此希望不采用。
接着，对于与本发明的气体保护电弧焊方法中使用的保护气体组合使用的焊丝的优选方式进行说明。
[焊丝]
在本发明的焊接方法中使用的焊丝的方式无关紧要，可以是实芯焊丝，也可以是药芯焊丝。
实芯焊丝是焊丝截面是实心的铁丝状的焊丝。实芯焊丝可以对其表面实施镀铜，也可以不实施，哪种方式都可以。
药芯焊丝由呈筒状的外皮、和填充在该外皮内侧的焊剂构成。还有，药芯焊丝可以是在外皮上无接缝的无缝型、或外皮上有接缝的有缝型的任意方式。另外，药芯焊丝可以在焊丝表面(外皮的外侧)实施镀铜，也可以不实施。外皮的材质无关紧要，可以是软钢，也可以是不锈钢，对于焊丝总质量的组成，能够根据焊接结构物所需特性选择，没有特别限制。
以下，详细说明本发明中能够使用的焊丝的优选方式。还有，以下所示的焊丝为药芯焊丝时，所谓焊丝总质量，是指外皮与焊剂中的成分量的总和。另外，作为外皮、例如、可列举普通钢、SUH409L(JIS G 4312：2001年)、SUS430、SUS304L、SUS316L、SUS310S(均为JISG 4305：2012年)等。
＜Cr：18质量％以上且28.5质量％以下，Ni：8.0质量％以上且37.0质量％以下＞
Cr是提高焊接金属耐腐蚀性的成分。另外，Ni使焊接金属的奥氏体组织稳定，是使低温下的韧性提高的成分，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。
在本发明中，作为焊丝，优选奥氏体系不锈钢。另外，优选焊丝中的Cr含量和Ni含量，都在JIS Z3321：2013(焊接用不锈钢焊条、实芯焊丝和钢带)或JIS Z3323：2007(不锈钢电弧焊药芯焊丝和焊条)所规定的范围内。具体来说，焊丝中的Cr含量，优选相对于焊丝总质量为18质量％以上且28.5质量％以下。
另外，优选焊丝中的Ni含量相对于焊丝总质量为8.0质量％以上且37.0质量％以下。
图1是以纵轴为镍当量(％)、以横轴为铬当量(％)时的DeLong组织图。基于由JISZ3119－2017规定的图1所示的DeLong组织图，若焊丝具有以铁素体百分率计为15.3％以下的组织，则即便使用奥氏体系的母材，并在保护气体中含有氢时，也能够抑制焊接金属发生裂纹，因此优选。还有，在本发明中能够使用的焊丝中，在超出图1所示的DeLong组织图所述的镍当量和铬当量范围的区域，基于DeLong组织图所述直线，将其外插而应用。
另外，基于DeLong组织图，焊丝是只由奥氏体构成的组织、或由奥氏体和铁素体构成的组织，若具有以铁素体百分率计为15.3％以下的组织，则能够更进一步防止焊接金属的裂纹，因此优选。
此外，能够在本发明中使用的焊丝，除了前述的Cr和Ni以外，作为任意元素，也可以根据需要含有C、Si、Mn、P、S、Cu、Mo、Nb和N。还有，如上述，适合与本发明的保护气体组合的焊丝的钢种，是奥氏体系不锈钢。因此，这些任意元素含量的优选范围，在JIS Z3321：2013(焊接用不锈钢焊条、实芯焊丝和钢带)或JIS Z3323：2007(不锈钢电弧焊药芯焊丝和焊条)所规定的各元素含量的最大值以下。另外，更优选焊丝含有这些任意元素，余量是Fe不可避免的杂质。
以下，对于本发明中能够使用的焊丝的成分量更优选的数值范围与其限定理由一起具体说明。
＜C：0.20质量％以下(含0质量％)＞
C是对焊接金属的强度或耐腐蚀性造成影响的成分，焊丝中的C含量越低，耐腐蚀性越好，因此焊丝中的C含量越少越优选，也可以是0质量％。为了调整所得到的焊接金属的力学特性，而在焊丝中作为任意元素含有C，在此情况下，具体来说，焊丝中的C含量相对于焊丝总质量更优选为0.20质量％以下。
＜Si：1.00质量％以下(含0质量％)＞
Si是使焊接金属的强度提高的成分元素，但另一方面，也是使韧性劣化的成分，因此焊丝中的Si含量也可以是0质量％。为了调整所得到的焊接金属的力学特性，而在焊丝作为任意元素含有Si，在此情况下，具体来说，焊丝中的Si含量相对于焊丝总质量更优选为1.00质量％以下。
＜Mn：4.8％质量以下(含0％)＞
Mn是使焊接金属的强度提高的成分，但在本发明中，焊丝中的Mn含量也可以是0质量％。为了调整所得到的焊接金属的力学特性，而在焊丝作为任意元素而含有Mn，在此情况下，具体来说，焊丝中的Mn含量相对于焊丝总质量更优选为4.8质量％以下。
＜P：0.03％质量以下(含0％)＞
＜S：0.03％质量以下(含0％)＞
P和S在焊接金属中的含量越多，抗裂纹性就越降低，因此焊丝中的P含量和S含量均越少越优选，也可以是0质量％。具体来说，焊丝中的P含量和S含量，相对于焊丝总质量，分别更优选为0.03质量％以下。
＜Cu：4.0％质量以下(含0％)＞
Cu是使焊接金属的强度和耐腐蚀性提高的成分，但在本发明中，焊丝中的Cu含量也可以是0质量％。为了调整所得到的焊接金属的力学特性和耐腐蚀性，有在焊丝中作为任意元素含有Cu的情况，或出于提高焊接时的通电性等目的而在表面实施镀Cu的情况，具体来说，焊丝中和所镀的Cu含量的合计相对于焊丝总质量更优选为4.0质量％以下。
＜Mo：4.0％质量以下(含0％)＞
Mo是使高温强度和耐腐蚀性提高的成分，但另一方面，其也是助长σ相脆化的成分，因此焊丝中的Mo含量也可以是0质量％。为了调整所得到的焊接金属的力学特性和耐腐蚀性，而在焊丝中作为任意元素含有Mo，在此情况下，具体来说，焊丝中的Mo含量相对于焊丝总质量更优选为4.0质量％以下。
＜Nb：1.0质量％以下(含0％)＞
Nb具有通过生成碳化物而使C稳定的效果，是抑制Cr氧化物生成而使耐腐蚀性提高的成分。还有，这里所说的碳化物，也包括碳硫化物、碳氮化物等含C的复合化合物。另一方面，若Nb在焊丝中含有太多，则在结晶晶界生成低熔点化合物，使抗裂纹性劣化，因此焊丝中的Nb含量也可以为0质量％。为了调整所得的焊接金属的耐腐蚀性，而在焊丝中作为任意元素含有Nb，这种情况下，具体来说，焊丝中的Nb含量相对于焊丝总质量优选为1.0质量％以下。还有，作为Nb的代用，也可以在Nb相同范围内含有Ti。
＜N：0.30质量％以下(含0％)＞
N在晶体结构内进行填隙型固溶而使强度提高，并且是提高抗点蚀性的成分。另一方面，N也成为在焊接金属中使气孔和凹坑这样的气孔缺陷发生的原因，因此焊丝中的N含量可以为0质量％。为了调整所得到的焊接金属的力学特性和抗点蚀性，而在焊丝中作为任意元素含有N，这种情况下，具体来说，焊丝中的N含量相对于焊丝总质量优选为0.30质量％以下。
本发明的气体保护电弧焊方法能够使用的焊丝中，除了上述元素以外，作为不可避免的杂质，还含有V、Sn、Na、Co、Ca、Li、Sb、W和As等。还有，作为上述不可避免的杂质被例举的各元素，作为氧化物包含在焊丝中时，作为杂质也包括O。
〔焊接装置〕
接下来，对于本发明的气体保护电弧焊方法中能够使用的焊接装置进行说明。作为焊接装置，只要是进行气体保护电弧焊的焊接装置便没有特别限定，能够使用历来气体保护电弧焊所用的焊接装置。例如，可列举半自动焊接装置、使用移动台车等的自动焊接装置、焊接机器人系统等。
图2是表示能够在本发明中使用的焊接装置一例的示意图。
例如，如图2所示，焊接装置1具备：在前端安装焊炬11，使该焊炬11沿着工件W的焊接线移动的机器人10；向焊炬11供给焊丝的焊丝供给部(未图示)；经由焊丝供给部向消耗电极供给电流，在消耗电极与被焊接材之间使电弧发生的焊接电源部30。另外，焊接装置还具备机器人控制部20，其控制用于使焊炬11移动的机器人动作，此外还具备示教器40，其是用于向机器人控制部20输出来自操作者的指令的接口。
此外，再对于能够在本发明的气体保护电弧焊方法中适用的各种条件详细说明。
(焊炬)
焊炬的姿势可以相对于母材垂直，也可以倾斜。使焊炬朝向焊接行进方向相反侧倾斜时，将相对于母材的垂线与该焊炬的夹角称为前进角，使之朝向该焊接行进方向倾斜时，将相对于母材的垂线与该焊炬的夹角称为后退角。通过对焊炬赋予前进角，可以更有效地提高电弧焊中的保护性。另外，通过对电极赋予后退角，能够保护焊道后方，因此能够抑制刚焊接完之后的焊道氧化反应。在本发明中，为了在焊接线上得到适当的熔深和良好的焊道形状，也可以根据需要变更前进角和后退角的条件。
＜保护气体流量Q：10～30(升/分钟)＞
保护气体流量Q，有助于防护熔融金属免受大气影响的保护性。若保护气体流量Q为10(升/分钟)以上，则能够确保充分的保护性。另外，若保护气体流量Q为30(升/分钟)以下，则气体的流动可抑制紊流，成为稳定的层流。因此，从确保保护性的观点出发，保护气体流量Q优选为10～30(升/分钟)，从进一步确保焊道的融合和光泽性的观点出发，保护气体流量Q优选为15～25(升/分钟)。
＜焊丝的突出长度L：10～30mm＞
焊丝的突出长度L，也有助于保护熔融金属免受大气影响的保护性。若焊丝的突出长度L为30mm以下，则能够抑制因大气卷入导致气体组成变化，确保充分的保护性。另外，若焊丝的突出长度L为10mm以上，则能够抑制电弧热造成的导电嘴和保护气体喷嘴的损伤。因此，从确保保护性和抑制装置损伤的观点出发，焊丝的突出长度L优选为10～30mm，在抑制热损伤，确保长时间的焊接性方面，从进一步确保电弧稳定性、焊道的融合和光泽性的观点出发，焊丝的突出长度L更优选为15～20mm。
＜0.5≤保护气体流量Q/焊丝的突出长度L≤2.2＞
在本发明中，优选恰当控制上述保护气体流量Q和焊丝的突出长度L，并且控制保护气体流量Q与突出长度L之比。如果Q/L为0.5以上，则能够确保更优选的保护性，如果在2.2以下，则保护气体的流动能够在更稳定的层流状态下保护电弧区域。因此，保护气体流量Q与突出长度L之比，优选满足下式(4)。
0.5≤Q/L≤2.2…(4)
＜坡口形状·坡口角度＞
在本发明的气体保护电弧焊方法中，焊接母材的坡口形状没有特别限定，例如，能够为从V形、レ形、I形、K形、X形、J形和U形中选择的一种坡口形状。
另外，对于坡口角度也没有限定，但能够应用I形的坡口形状，因此坡口角度优选为0°以上。另一方面，如果坡口角度为90°以下，则能够适当调整焊丝和保护气体的消耗量，因此优选。因此，坡口角度优选为0～90°。
[结构物的制造方法]
本发明，还涉及通过使用焊丝和如上述这样组成得到控制的保护气体的气体保护电弧焊所制造的结构物的制造方法。还有，关于焊丝，也优选如上述这样控制组成的焊丝。
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的宗旨的范围加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
按照下述所示的焊接试验方法和焊接条件进行焊接，对于熔融性能、融合、光泽性和熔滴过渡，分别根据下述所示的方法进行评价。
＜焊接试验方法以及焊接条件＞
对于不锈钢的母材，使用各种组成的保护气体，以各种焊接条件，实施单层单道的平板堆焊。在本发明例和比较例中，通用的焊接条件的详情显示在下述表1中，保护气体的组成显示在下述表2中。还有，表1所示的电弧长，是使用高速摄像机拍摄电弧，以达到标准长度6mm的方式，适宜变更焊接电源的电压调整器而进行调整。在所使用的高速摄像机的镜头部应用适宜的滤光器，以便能够观察电弧光。
另外，通过在焊接时观察熔滴过渡，评价电弧稳定性，并且以焊接得到的焊道作为试料，对其进行观察，据此评价熔融性能、融合和光泽性。各评价方法的测量方法和评价标准显示在下述表3～表9中。另外，下述表1所示的条件以外的焊接条件显示在下述表10中，评价结果显示在下述表11中。
【表1】
表1
Figure BDA0003999314890000171
【表2】
Figure BDA0003999314890000172
〔试验方法和评价标准〕
＜使焊接电流为100A时的熔融性能试验方法＞
使焊接电流为100A的低电流的焊接条件，通常是适用于立焊和仰焊等的困难焊接姿势的条件。这样的姿势下的焊接，通常由于焊接速度非常慢，所以焊接线能量高，因此不易发生未熔合缺陷。在本实施例中，简易地进行平焊。
＜使焊接电流为100A时的熔融性能评价标准＞
熔融性能通过测量焊道宽度和焊道高度，计算焊道宽度与焊道高度之比(焊道宽度/焊道高度)来评价。使焊接电流为100A时，如果(焊道宽度/焊道高度)所得到的值为2.3以上，则判断为进行坡口施工时也能够防止未熔合发生，为合格。
＜使焊接电流为150A时的熔融性能试验方法＞
使焊接电流为150A的高电流的焊接条件，是适用于平焊的条件，在本试验中得到的焊道形状很重要。
＜使焊接电流为150A时的熔融性能评价标准＞
与焊接电流为100A的情况同样，通过测量焊道宽度和焊道高度，计算焊道宽度与焊道高度之比(焊道宽度/焊道高度)来进行评价。使焊接电流为150A时，如果由(焊道宽度/焊道高度)得到的值为3.3以上，则判断为能够防止未熔合发生，为合格。评价方法显示在下述表3中。还有，焊道宽度、焊道高度分别以游标尺进行测量。
侧面角，如果在下一道的施工中成为角焊缝接头这样的形状的90°以上，则可以使焊接缝边部熔融，创建不存在未熔合的接头。因此，作为留有宽余量，能够防止缺陷的范围，如果由(焊道宽度/焊道高度)得到的值在上述范围内则为合格。
【表3】
表3
Figure BDA0003999314890000191
＜融合性的评价试验方法·评价标准＞
关于融合性，进行使焊接电流为100A和150A两种情况下的官能评价。还有，各焊接电流的融合性为1～5的5个等级评价，综合评价焊接电流为100A时的融合性的分数，和焊接电流为150A时的融合性的分数的合计。融合性的评价标准显示在下述表4中，融合性的综合评价的评价标准显示在下述表5中。
【表4】
表4
Figure BDA0003999314890000192
【表5】
表5
Figure BDA0003999314890000201
＜光泽性的评价试验方法·评价标准＞
关于光泽性，也进行使焊接电流为100A和150A两种情况下的官能评价。还有，各焊接电流下的光泽性为1～3的3个等级评价，综合评价焊接电流为100A时的光泽性的分数、和焊接电流为150A时的光泽性的分数的合计。光泽性的评价标准显示在下述表6中，光泽性的综合评价的评价标准显示在下述表7中。
【表6】
表6
Figure BDA0003999314890000202
【表7】
表7
Figure BDA0003999314890000203
＜熔滴过渡的评价试验方法·评价标准＞
关于熔滴过渡，在使焊接电流为100A和150A两种情况下，通过高速摄像机进行观察，以1～3的3个等级评价各焊接电流下的熔滴过渡。另外，基于焊接电流为100A时的熔滴过渡的分数、和焊接电流为150A时的熔滴过渡的分数，进行电弧稳定性的综合评价。熔滴过渡的评价标准显示在下述表8中，电弧稳定性的综合评价的评价标准显示在下述表9中。
【表8】
表8
Figure BDA0003999314890000211
【表9】
表9
Figure BDA0003999314890000212
〔评价结果〕
如下述表10～表12所示，试验No.T1～T13，因为保护气体的组成在本发明的范围内，并且满足根据CO2含量和H2含量得到的式(1)和式(2)，所以熔融性能、电弧稳定性、融合性和光泽性任意一个项目，都为优异的结果。
【表10】
表10
Figure BDA0003999314890000221
【表11】
表11
Figure BDA0003999314890000231
【表12】
表12
Figure BDA0003999314890000241
图3是表示试验No.T1的试料No.B1(焊接电流150A)的焊接金属的截面的绘图代用照片。使用图3，表示熔融性能试验为合格的一例。试验No.T1(试料No.B1)，焊接电流是150A，由(焊道宽度/焊道高度)得到的值为5.2，侧面角为155°。在可形成这种光滑的焊道缝边的施工中，对于未熔合缺陷的抵抗性判断为极其良好。
另外，在试验No.T2～T13中，能够得到与试验No.T1同样优异的熔融性能。还有，使用气体No.G1的试验No.T1～T6之中，特别是试验No.T1～T3、T5和T6，因为焊丝的突出长度L在本发明更优选的范围，所以未因大气卷入造成气体组成变化，能够得到优异的电弧稳定性。
使用各不相同的气体的试验No.T7～T13之中，试验No.T7、T8、T11和T12，因为根据保护气体中使用CO2含量和H2含量的式(2)得到的值超出本发明更优选的下限值，所以能够得到优异的电弧稳定性。
另外，试验No.T13，因为保护气体中的CO2含量在本发明范围内处于高值，所以能够得到优异的电弧稳定性。
另一方面，试验No.T14，因为保护气体中的H2含量超出本发明范围的上限，并且超过由CO2含量和H2含量得到的式(1)和式(2)所规定的上限，所以电弧稳定性降低。
试验No.T15，因为保护气体中的CO2含量低于本发明范围的下限，并且超过根据CO2含量和H2含量得到的式(2)所规定的上限，所以熔融性能低。
试验No.T16，因为保护气体中的H2含量低于本发明范围的下限，并且低于根据CO2含量和H2含量得到的式(1)和式(2)所规定的下限，所以熔融性能低。
图4是表示试验No.T16的试料No.B16(焊接电流150A)的焊接金属的截面的绘图代用照片。使用图4，表示熔融性能试验为不合格的一例。试验No.T16(试料No.B16)，焊接电流是150A，由(焊道宽度/焊道高度)得到的值为3.2，侧面角为125°。形成这样的焊道缝边之后进行下一个焊道施工时，认为电弧没有触及缝边部时有可能发生未熔合缺陷，因此作为留有宽余量的判断而进行不合格的判定。
试验No.17，因为保护气体中的CO2含量超出本发明范围的上限，并且低于根据CO2含量和H2含量得到的式(2)所规定的下限，所以熔融性能低。
试验No.18因为保护气体中的H2含量低于本发明范围的下限，并且低于根据CO2含量和H2含量得到的式(1)和式(2)所规定的下限，所以熔融性能低。
图5是表示由本发明方法实施焊接的试验板的焊道外观的绘图代用照片。另外，图6是表示图5所示的试验板的焊接金属的截面的绘图代用照片。还有，图5和图6所示的试验板，是以板厚为12mm的SUS304L作为焊接母材，使坡口角度为45°，基本应用上述试验No.T1的条件，进行3层3道的立焊。如图5和图6所示，由本发明方法得到的接头，能够得到充分的熔深和光滑的焊道形状。
以上，一边参照附图一边对于各种实施方式进行了说明，但本发明当然不受这样的示例限定。如果是本领域技术人员，则显然能够在专利要求的范围所述的范畴内，想到各种变更例或修改例，关于这些，当然理解为也属于本发明的技术范围。另外，在不脱离发明的宗旨的范围，也可以使上述实施方式中的各构成要素任意组合。
还有，本申请基于2020年6月29日申请的日本专利申请(特愿2020－111997)，其内容在本申请之中作为参照援引。
符号说明
1 焊接装置
10 机器人
11 焊炬
20 机器人控制部
30 焊接电源部
40 示教器

Claims (8)

1.一种气体保护电弧焊方法，其特征在于，是使用焊丝作为电极，一边使保护气体在焊接母材的被焊接区域流动一边进行焊接的气体保护电弧焊方法，其中，
所述保护气体，相对于保护气体总体积，含有：
CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下、和
H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下，
余量是Ar和不可避免的杂质，
设所述CO2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[CO2]，设所述H2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[H2]时，满足下式(1)和式(2)，
1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1)
0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)。
2.根据权利要求1所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
设所述Ar的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[Ar]时，满足下式(3)，
57.0≤0.5×[Ar]+1.5×[CO2]+10×[H2]≤80.0…(3)。
3.根据权利要求1或2所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述焊丝，相对于焊丝总质量，含有：
Cr：18质量％以上且28.5质量％以下、和
Ni：8.0质量％以上且37.0质量％以下，
具有以基于DeLong组织图的铁素体百分率计为15.3％以下的组织。
4.根据权利要求3所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述焊丝相对于所述焊丝总质量为如下：
C：0.20质量％以下且含0质量％、
Si：1.00质量％以下且含0质量％、
Mn：4.8质量％以下且含0质量％、
P：0.03质量％以下且含0质量％、
S：0.03质量％以下且含0质量％、
Cu：4.0质量％以下且含0质量％、
Mo：4.0质量％以下且含0质量％、
Nb：1.0质量％以下且含0质量％、和
N：0.30质量％以下且含0质量％。
5.根据权利要求1或2所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述焊接母材的被焊接区域具有坡口，
所述坡口具有从V形、レ形、I形、K形、X形、J形和U形中选择的一种坡口形状，
所述坡口的坡口角度为0～90°。
6.根据权利要求1或2所述的气体保护电弧焊方法，其特征在于，
所述保护气体的气体流量Q为10～30升/分钟以下，
所述焊丝的突出长度L为10～30mm以下，
所述气体流量Q与所述突出长度L之比，满足下式(4)，其中，所述Q的单位为升/分钟，所述L的单位为mm，
0.5≤Q/L≤2.2…(4)。
7.一种结构物的制造方法，其特征在于，是通过使用了焊丝和保护气体的气体保护电弧焊制造的结构物的制造方法，其中，
所述保护气体，相对于保护气体总体积，含有：
CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下、和
H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下，
余量是Ar和不可避免的杂质，
设所述CO2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[CO2]，设所述H2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[H2]时，满足下式(1)和式(2)，
1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1)
0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)。
8.一种保护气体，其特征在于，是用于气体保护电弧焊的保护气体，其中，
相对于保护气体总体积，含有：
CO2：0.5体积％以上且2.0体积％以下、和
H2：0.5体积％以上且3.0体积％以下，
余量是Ar和不可避免的杂质，
设所述CO2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[CO2]，设所述H2的含量相对于所述保护气体总体积以体积％计为[H2]时，满足下式(1)和式(2)，
1.30≤[CO2]+[H2]≤4.40…(1)
0.35≤[H2]/([CO2]+[H2])≤0.74…(2)。
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