CN116917075A - 气体保护电弧焊方法、焊接接头及焊接接头的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种气体保护电弧焊方法、焊接接头及其制造方法。本发明在进行厚钢板的单面对接焊接的气体保护电弧焊中，在坡口的底面安装陶瓷制的背衬材料，并且将焊接电流I设为200～450A，将焊接电压V设为25～50V，将焊接输入热量Q控制在下述的式1的范围内，以1道次进行初层焊接。0.4×G‑1≤Q≤0.6×G+1··(式1)，其中，式1所示的G是根部间隙(mm)。

Description

气体保护电弧焊方法、焊接接头及焊接接头的制造方法
技术领域
本发明涉及气体保护电弧焊方法、使用该方法得到的焊接接头及该焊接接头的制造方法。本发明特别涉及厚钢板的气体保护电弧焊的初层焊接方法。
背景技术
近年来，建筑结构物具有高层化和大跨度化的倾向，伴随于此，作为建筑用厚钢板，要求极厚、高强度的厚钢板。另一方面，为了确保建筑物的健全性，防止钢结构物的脆性破坏是重要的，特别是焊接部的机械特性的确保成为较大的课题。通常，在厚钢板的焊接中，板厚越大，坡口面积越变大。因此，为了利用熔敷金属填充坡口并得到充分的熔深所需的焊接输入热量增大，焊接部的冷却速度降低，成为焊接部的机械性特性降低的原因。
为了降低焊接输入热量，由多层多道次焊接产生的焊接输入热量的降低是有效的，但焊接道次数越是增加，则施工效率越降低。因此，在单面对接焊接中，为了降低焊接输入热量并减少焊接道次数，重要的是通过减小坡口角度、根部间隙等来减小坡口面积。然而，若减小坡口角度、根部间隙，则存在容易产生坡口壁的熔合不良等焊接缺陷的课题。
针对这样的课题，例如在专利文献1中公开了通过具有焊丝相对于焊炬倾斜的机构和旋转的焊丝进给管的焊接装置来抑制熔合不良的技术。另外，在专利文献2中公开了通过磁振荡和电流波形控制的组合来抑制熔合不良的技术。这些焊接方法对于抑制窄坡口焊接中的熔合不良有效，但需要导入专用的特殊装置。另一方面，在专利文献3中公开了如下技术：将焊接线划分为多个区间，通过在焊接线方向上使电极振荡来抑制熔合不良。但是，在该焊接方法中，无法连续地对焊接全长进行焊接，因此在作业效率方面存在课题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭53-81453号公报
专利文献2：日本特开昭62-118975号公报
专利文献3：日本特开2000-141031号公报
发明内容
发明所要解决的课题
如上所述，在实施厚钢板的单面对接焊接时，在以往的焊接方法中，在兼具施工效率、焊接部质量以及装置的简易性方面存在课题。本发明的目的在于提供一种在厚钢板的单面对接焊接中不使用特殊的装置等就能够得到优异的施工效率和优异的焊接部质量的气体保护电弧焊方法中的初层焊接方法、使用该方法进行焊接而制造的健全性优异的焊接接头及其制造方法。
用于解决课题的技术方案
本发明人在使用了气体保护电弧焊的厚钢板的单面对接焊接中，在各种试验条件下制造焊接接头，评价了焊接部质量和焊接部特性。其结果发现，通过将陶瓷制的背衬材料应用于坡口的底面，并且根据坡口形状选择适当的初层焊接条件，能够得到优异的焊接部质量和焊接部特性。
本发明是基于该见解进一步进行研究而完成的，本发明的主旨如下。
〔1〕一种气体保护电弧焊方法，进行厚钢板的单面对接焊接，其中，
所述气体保护电弧焊方法在初层焊接中，在坡口的底面安装陶瓷制的背衬材料，并且将焊接电流I(A)设为200～450A，将焊接电压V(V)设为25～50V，使焊接输入热量Q(kJ/mm)在下述的式1的范围内，以1道次进行初层焊接。
0.4×G-1≤Q≤0.6×G+1···(式1)
其中，式1所示的G是根部间隙(mm)。
〔2〕在〔1〕所述的气体保护电弧焊方法中，将所述坡口的角度θ设为35°以下。
〔3〕在〔1〕或〔2〕所述的气体保护电弧焊方法中，将所述坡口的角度θ设为20°以下，将所述根部间隙G(mm)设为7～15mm。
〔4〕在〔1〕至〔3〕中任一项所述的气体保护电弧焊方法中，在所述初层焊接中，使用含有0.015～0.100质量％的稀土类元素(REM)的焊丝，将极性设为正极性来进行焊接。
〔5〕一种焊接接头，所述焊接接头使用〔1〕至〔4〕中任一项所述的气体保护电弧焊方法焊接而成。
〔6〕一种焊接接头的制造方法，所述焊接接头的制造方法使用〔1〕至〔4〕中任一项所述的气体保护电弧焊方法。
发明效果
根据本发明，无需在进行厚钢板的单面对接焊接的气体保护电弧焊方法的初层焊接中使用特殊的装置等，就能够以1道次焊接得到优异的施工效率和优异的焊接部质量，在产业上起到显著的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的坡口形状的示意剖视图。
图2是表示本发明的一个实施方式的初层焊接金属形状的示意剖视图。
图3是表示本发明中的焊接输入热量Q与根部间隙G之间的相关关系的相关图。
具体实施方式
首先，对本发明的气体保护电弧焊方法的一个实施方式进行说明。
本发明是进行厚钢板的单面对接焊接的气体保护电弧焊方法。在该焊接方法中，使成为规定的板厚的两张厚钢板对接，通过气体保护电弧焊(以下有时也仅称为“焊接”)来接合这些厚钢板。本发明规定了对该焊接方法中的初层焊接进行施工时的焊接条件。
具体而言，在初层焊接中，在厚钢板的坡口的底面安装陶瓷制的背衬材料，之后，以焊接电流I(A)为200～450A、焊接电压V(V)为25～50V、以及使焊接输入热量Q(kJ/mm)在下述的式1的范围内的方式(满足式1的方式)进行控制，以1道次进行初层焊接。
以下，对与本发明的构成要件相关的实施方式进行具体说明。
[厚钢板]
本发明中应用的厚钢板是用于建筑物、船舶等钢铁结构物的厚钢板。作为钢板的强度，可举出490MPa级钢板、550MPa级钢板、590MPa级钢板、780MPa级钢板等作为示例。
厚钢板的板厚t(mm)优选为20～100mm的范围。
[坡口角度θ]
图1表示对使两张厚钢板对接的厚钢板的坡口形状进行说明的板厚方向剖视图。如图1所示，对接的厚钢板1彼此的坡口面所成的角度为坡口角度(坡口的角度)θ(°)。
在本发明中，对接坡口角度θ没有特别限定，但从焊接效率的观点出发，优选设为35°以下的窄坡口。若坡口角度θ超过35°，则坡口截面积变大，其结果是，后续道次中的焊接道次数增加，得不到高的施工效率。在坡口角度θ小于0°(即，坡口上部比坡口底部窄的情况)的情况下，发生坡口底部的熔合不良，因此坡口角度θ的下限为0°。
此外，通过使用添加有稀土类元素(REM)的焊丝，并且将极性设为正极性，能够进一步缩窄坡口角度，能够进一步提高施工效率。具体而言，更优选将坡口角度θ设为0°以上且20°以下。坡口角度θ优选为0°以上且10°以下。
[根部间隙G]
如图1所示，在本发明中，用G(mm)表示对接的厚钢板1的坡口部分的最窄的下部间隙即根部间隙。在将坡口角度θ设为0°以上且20°以下的情况下，优选将本发明中的根部间隙G设为7～15mm。这是因为，若G小于7mm，则无法将电极插入于坡口内，另一方面，若G超过15mm，则难以以1道次焊接进行初层焊接。G更优选为8mm以上，更优选为14mm以下。
[陶瓷制的背衬材料]
在本发明的气体保护电弧焊中，作为用于防止烧穿的背衬材料，使用在焊接后可拆卸的陶瓷制的背衬材料。作为陶瓷制的背衬材料，只要能够防止烧穿并形成熔透焊道，就没有特别限定。陶瓷制的背衬材料例如可以使用以质量％计的SiO2：30～70％、Al2O3：10～50％、MgO：3～20％的组成的背衬材料。进而，也可以使用在陶瓷制背衬材料上层叠玻璃纤维而成的材料。
此外，使用陶瓷制的背衬材料的理由如下。这是因为，若在母材与背衬材料之间存在间隙，则该间隙成为应力集中部，成为疲劳裂纹、脆性破坏的起点，但通过使用陶瓷制的背衬材料形成熔透焊道，能够消除母材与背衬材料之间的间隙。
[焊接电流I]
若初层焊接的焊接电流I(A)低于200A，则电弧压力变低，坡口底部难以熔化。另一方面，若初层焊接的焊接电流I(A)高于450A，则焊丝的送给性变得不稳定，焊接变得不稳定。因此，初层焊接的焊接电流I(A)设为200～450A。上述焊接电流I(A)优选为200～350A。
[焊接电压V]
另外，若初层焊接的焊接电压V(V)低于25V，则无法稳定地维持电弧，焊接变得不稳定，并且焊道容易成为凸形状。另一方面，若初层焊接的焊接电压V(V)高于50V，则电弧压力变低，坡口底部难以熔化。因此，初层焊接的焊接电压V(V)设为25～50V。上述焊接电压V(V)优选为28～40V，更优选为30～40V。
[焊接速度S]
初层焊接的焊接速度S的范围优选为50～300mm/min。若焊接速度S过慢，则坡口底部的熔深减少。另一方面，若焊接速度S过快，则容易产生咬边。上述焊接速度S更优选为100mm/min以上且250mm/min以下。上述焊接速度S能够通过焊接电流I与焊接电压V的平衡在该范围内适当选定。
[焊接输入热量Q]
进而，若初层焊接的焊接输入热量过低，则坡口底部难以熔化。另一方面，若初层焊接的焊接输入热量过高，则焊接金属的高度相对于焊接金属的宽度相对变大，容易引起焊接金属的高温破裂。因此，以根部间隙G(mm)与焊接输入热量Q(kJ/mm)之间的关系满足下述的式1的方式设定初层焊接的焊接输入热量Q。
0.4×G-1≤Q≤0.6×G+1· · · (式1)
在此，式1所示的“G”是根部间隙(mm)。
此外，若设为I：焊接电流(A)、V：焊接电压(V)、S：焊接速度(mm/min)，则式1所示的焊接输入热量Q(kJ/mm)的值能够根据〔I×V×60/S/1000〕的式子求出。本发明中的焊接输入热量Q(kJ/mm)更优选满足上述式1且为1～12kJ/mm。
上述式1所示的Q优选为(0.4×G-0.5)以上，优选为(0.6×G+0.5)以下。
[焊接时的极性]
焊接时(初层焊接时)的极性可以选择正极性(将钢材作为正极，将焊丝作为负极进行连接)以及反极性(将钢材作为负极，将焊丝作为正极进行连接)中的任意一个。但是，在坡口角度θ小、根部间隙G小的情况下，电弧容易朝向坡口面，坡口底部变得难以熔化。因此，通过将焊接时的极性设为正极性，并且使用后述的REM添加焊丝(焊丝)进行焊接，电弧容易集中于坡口底部，能够稳定地将坡口底部熔融，因此优选。
[焊丝]
可列举焊丝的成分以质量基准(质量％)计含有C：0.05～0.15％、Si：0.10～1.00％、Mn：0.80～2.60％、P：0.030％以下、S：0.030％以下，余量为Fe及不可避免的杂质的焊丝。此外，只要没有特别说明，质量％就仅记为“％”。
C：0.05～0.15％
C是为了确保焊接金属的强度而重要的元素，进而具有使钢液的粘性降低而提高流动性的效果。C含量小于0.05％时，得不到这样的效果。另一方面，C含量超过0.15％时，不仅熔滴和熔池的动作变得不稳定，还会导致焊接金属的韧性降低。因此，C含量优选为0.05～0.15％。C含量更优选为0.05～0.10％。
Si：0.10～1.00％
Si具有脱氧作用，是对于焊接金属的脱氧来说不可缺少的元素。进而具有抑制正极性焊接中的电弧的扩散、增大熔滴的过渡次数的作用。Si含量低于0.10％时，得不到这样的效果。另一方面，若Si含量超过1.00％，则电弧变得不稳定，飞溅增加。因此，Si含量优选为0.10～1.00％。Si含量更优选为0.30～1.00％。
Mn：0.80～2.60％
Mn与Si同样地具有脱氧作用，是对于焊接金属的脱氧来说不可缺少的元素。Mn含量低于0.80％时，脱氧不足，焊接金属产生气孔缺陷。另一方面，Mn含量超过2.60％时，焊接金属的韧性降低。因此，Mn含量优选为0.80～2.60％。Mn含量更优选为1.00～2.00％。
P：0.030％以下
P含量超过0.030％时，在正极性二氧化碳气体保护电弧焊中，使钢液的粘性降低，电弧变得不稳定，小粒的飞溅增加。而且，焊接金属产生高温破裂的危险性增大。因此，P含量优选为0.030％以下。P含量更优选为0.020％以下。
S：0.030％以下
S含量超过0.030％时，小粒的飞溅增加，并且焊接金属的韧性降低。因此，S含量优选为0.030％以下。S含量更优选为0.020％以下。
在本发明中，使用在这些成分中添加了稀土类元素(REM)的焊丝，将极性设为正极性进行焊接。由此，熔滴成为喷射过渡，能够抑制飞溅向坡口面的附着，此外即使在坡口角度小且根部间隙小的坡口，也能够抑制向坡口面的电弧产生，稳定地将坡口底部熔融。其结果是，能够进一步缩小坡口面积，提高施工效率。
作为REM，可列举Sc、Y、La、Ce等元素。在向焊丝的REM含量的总计量过少的情况下，得不到上述的效果。在REM含量过多的情况下，有时在焊丝的制造工序中产生破裂。REM含量低于0.015％时，得不到上述效果。若REM含量超过0.100％，则阻碍电弧的稳定化，导致焊丝的熔融速度的降低。因此，REM含量优选为REM中所含的各元素的总计为0.015～0.100％。REM含量更优选为0.020～0.050％。
如上所述，适合用于本发明的焊接的焊丝为以质量％计含有REM：0.015～0.100％、C：0.05～0.15％、Si：0.10～1.00％、Mn：0.80～2.60％、P：0.030％以下、S：0.030％以下，余量由Fe及不可避免的杂质构成的成分组成。
进而，本发明中的焊丝可以使用各种规格的焊丝。例如，可列举按照JIS Z 3312分类的YGW11、YGW18、G59JA1UC3M1T、G78A2UCN4M4T等。焊丝直径φ优选为0.6～2.0mm等。
[焊接保护气体]
作为焊接保护气体的组成，为了使电弧稳定，优选使用含有20体积％以上的CO2气体、剩余为Ar等非活性气体的混合气体。若考虑焊接操作性，则更优选为CO2气体100体积％。此外，气体流量优选以10～50L/min进行。
[多层焊接]
此外，本发明适用于厚钢板的多层焊接的初层焊接，在实施本发明时，初层焊接以后的后续道次的焊接条件适当设定。关于继初层焊接之后的第二层以后的焊接的层数，取决于钢材的板厚等，但如果是前述的板厚即20～100mm，则优选为5～30层。初层焊接以后的焊接条件例如优选为焊接电流：250～350A、焊接电压：30～42V、焊接速度：200～600mm/min。另外，在本发明的焊接方法中，初层焊接设为1层1道次，第二层以后设为1层2道次以上。
接着，对本发明的焊接接头及其制造方法的一个实施方式进行说明。
本发明的焊接接头(气体保护电弧焊接头)是对接的两张厚钢板使用上述的气体保护电弧焊方法焊接而成的焊接接头。
本发明的焊接接头的制造方法具备：对接工序，以两张厚钢板的坡口面成为规定的坡口角度θ的方式对接；以及焊接工序，使用上述的焊丝，在特定的焊接条件下对该厚钢板进行多层焊接，形成焊道。由此，将对接的两张厚钢板接合，制造焊接接头。在该制造方法中的焊接工序中的多层焊接的初层焊接中，适用上述的气体保护电弧焊方法。初层焊接以后的后续道次的焊接条件适当设定，例如也可以与初层焊接的焊接条件相同。另外，厚钢板、焊接条件等的说明与上述说明相同，因此省略。
如以上说明的那样，根据具有上述的初层焊接的本发明的焊接方法，在实施初层焊接时，不使用特殊的装置等，通过1道次焊接能够得到优异的施工效率，并且在初层焊接后得到的焊接接头能够得到优异的焊接部质量。
在此，“优异的施工效率”是指能够在坡口角度θ为35°以下的狭窄的坡口实施焊接。
另外，“优异的焊接部质量”是指如下内容。具体而言，是指在通过后述的实施例中记载的方法测定的“熔深稳定性”中，截面宏观样品10个截面中的熔深宽度最大的截面与最小的截面之差为2.0mm以下，并且是指在通过该实施例中记载的方法检查的“高温破裂”中不发生作为焊接缺陷的高温破裂。此外，除此以外，在利用该实施例中记载的方法评价的“飞溅”中，不发生飞溅向坡口壁的附着作为焊接部质量是更优选的。
实施例
在本实施例中，如图1所示，将板厚50mm的两张厚钢板对接而形成坡口，在规定的焊接条件下通过单面气体保护电弧焊来制造焊接接头。如上所述，作为陶瓷制的背衬材料，以质量％计，使用SiO2：30～70％、Al2O3：10～50％、MgO：3～20％的组成的背衬材料。另外，表1示出所使用的焊丝的成分值，表2示出初层焊接中的焊接条件等试验条件。
在焊接保护气体中，使用含有20体积％以上的CO2气体、剩余为Ar等非活性气体的混合气体、或者CO2气体100体积％，并且在气体流量：10～50L/min的范围内适当设定。
对于得到的焊接接头，实施截面宏观样品10个截面的目视检查，进行评价焊接部质量的试验。
进而，对于各焊接接头，采取10个截面的截面宏观样品，如图2所示，测定了各截面宏观样品的坡口底部位置处的焊接金属的宽度W。并且，将从坡口底部位置处的焊接金属的宽度W减去根部间隙G的长度而得到的值除以2所得到的值定义为“熔深宽度”。
上述的截面宏观样品是指在焊接长度500mm中从焊接开始侧在100mm、130mm、160mm、190mm、220mm、250mm、280mm、310mm、340mm和370mm的各位置采取的截面宏观。
将焊接部质量和熔深的评价结果示于图3和表2。
关于表2的“熔深稳定性”，将通过上述方法测定出的截面宏观样品10个截面中的、熔深宽度最大的截面和最小的截面之差为2.0mm以下的情况设为“良”，将该差超过2.0mm的情况设为“不良”。
另外，作为评价焊接部质量的试验，实施通过上述方法采取的截面宏观样品10个截面的目视检查，评价了焊接接头中的“高温破裂”的有无。表2的“高温破裂”将产生一个以上作为焊接缺陷的高温破裂的情况设为“有”，将一个高温破裂都没有产生的情况设为“无”。
另外，在初层焊接后，熔深评价根据在坡口壁有无附着粒径500μm以上的飞溅来评价。表2的“飞溅”将发生了上述粒径的飞溅向坡口壁的附着的情况标记为“有”，将未发生上述粒径的飞溅的附着的情况标记为“无”。
[表1]
*余量：铁及不可避免的杂质
[表2]
在实施例中，在坡口的底面安装陶瓷制的背衬材料2、将初层焊接的焊接电流I设为200～450A、将初层焊接的焊接电压V设为25～50V、初层焊接的焊接输入热量Q以满足前述的式1的方式设定的本发明例中，能够抑制熔深不良、高温破裂并得到稳定的熔深宽度。另外，在使用实施例中添加了REM的焊丝(记号W2、W3、W4、W6)、以正极性实施了焊接的本发明例(编号12～19、30)中，即使使坡口角度θ和根部间隙G更窄也能够得到良好的焊接部质量，进而，能够抑制飞溅附着于坡口壁。
在此，在图3中示出了将实施例的数据在初层焊接的各条件下整理并绘制的相关图。图3的纵轴设为焊接输入热量Q(kJ/mm)，图3的横轴设为根部间隙G(mm)。
如图3的相关图所示，在满足了上述初层焊接的条件的实施例(△标记)中，能够兼顾良好的熔深稳定性和高温破裂抑制。在此所说的“上述初层焊接的条件”具体而言是指，作为初层焊接，使用陶瓷制的背衬材料，且焊接电流I：200～450A、焊接电压V：25～50V、焊接输入热量Q在上述式1的范围内，以1道次进行初层焊接。
除了该上述的初层焊接的条件以外，还满足了坡口角度θ：35°以下、根部间隙G：7～15mm、焊丝(REM含量：0.015～0.100质量％)且以正极性进行焊接的全部条件的实施例(○标记)中，既能够兼顾良好的熔深稳定性和高温破裂抑制，又能够抑制飞溅向坡口壁的附着。
另一方面，图3的相关图中所示的×标记的实施例是比较例。编号20是焊接电流I、焊接电压V且焊接输入热量Q在上述初层焊接条件下进行，但是不使用背衬材料的示例，不能保持熔融金属，其结果是，不能进行焊接。
编号21、编号22在上述初层焊接的条件中的焊接输入热量Q过低，其结果是，坡口底部难以熔化，成为熔深不良。编号23、编号24在上述初层焊接的条件中焊接输入热量Q过高，其结果是，焊接金属的高度相对于焊接金属的宽度变大，发生高温破裂。
编号25在上述初层焊接的条件中焊接电流I过低，其结果是，坡口底部难以熔化，成为熔深不良。编号26在上述初层焊接的条件中焊接电流I过高，其结果是，熔深不稳定。
编号27在上述初层焊接的条件中焊接电压V过低，其结果是，熔深不稳定。编号28在上述初层焊接的条件中焊接电压V过高，其结果是，坡口底部难以熔化，成为熔深不良。
标号说明
1 厚钢板
2 背衬材料
3 焊接金属。

Claims (6)

1.一种气体保护电弧焊方法，进行厚钢板的单面对接焊接，其中，
所述气体保护电弧焊方法在初层焊接中，在坡口的底面安装陶瓷制的背衬材料，并且将焊接电流I(A)设为200～450A，将焊接电压V(V)设为25～50V，使焊接输入热量Q(kJ/mm)在下述的式1的范围内，以1道次进行初层焊接，
0.4×G-1≤Q≤0.6×G+1· · · (式1)
其中，式1所示的G是根部间隙(mm)。
2.根据权利要求1所述的气体保护电弧焊方法，其中，
将所述坡口的角度θ设为35°以下。
3.根据权利要求1或2所述的气体保护电弧焊方法，其中，
将所述坡口的角度θ设为20°以下，将所述根部间隙G(mm)设为7～15mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体保护电弧焊方法，其中，
在所述初层焊接中，使用含有0.015～0.100质量％的稀土类元素(REM)的焊丝，将极性设为正极性来进行焊接。
5.一种焊接接头，所述焊接接头使用权利要求1至4中任一项所述的气体保护电弧焊方法焊接而成。
6.一种焊接接头的制造方法，所述焊接接头的制造方法使用权利要求1至4中任一项所述的气体保护电弧焊方法。
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