CN117042907A - 气体保护电弧焊方法、焊接接头和焊接接头的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供气体保护电弧焊方法、焊接接头及其制造方法。本发明为利用窄坡口的多层焊对钢材进行接合的气体保护电弧焊方法，形成钢材的坡口角度θ为20°以下的坡口，将该坡口的下部的根部间隙G(mm)设为7～15mm，根部焊中，使用陶瓷制的垫板材料，并且，将焊接电流I(A)设为250～400A、将焊接电压V(V)设为25～45V，以使用通过规定的公式算出的焊接线能量Q(kJ/mm)除以根部间隙G(mm)而得的值[Q/G]达到0.32～0.70的范围的方式进行控制而以1道次进行。

Description

气体保护电弧焊方法、焊接接头和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和该焊接接头的制造方法。本发明尤其涉及钢材的窄坡口气体保护电弧焊的根部焊方法。
背景技术
近年来，伴随建筑物、船舶等钢铁结构物的大型化，存在钢板厚壁化的倾向。然而，板厚越大则坡口面积越大，因此，焊接道次变多，存在焊接施工需要费力费时的问题。另外，由于劳动人口的减少，也存在难以确保焊接技能者的问题。出于这些原因，期望提高钢铁结构物制造中的焊接施工效率。
作为使焊接施工效率提高的方法，可举出窄坡口化。通过窄坡口化使坡口面积变小，由此能够削减焊接道次数、缩短施工时间。然而，窄坡口焊中，容易在根部焊部发生熔合不良，因此正在进行确保熔融深度的研究。
例如，专利文献1中，作为窄坡口焊的方法，公开了如下的方法：将根部焊设为2道次以上从而将各道次分配给底部坡口间隙的两侧，进一步将从焊炬前端的供电焊嘴供给的焊丝的供给角度相对于垂线控制为5°以上且15°以下的范围。由此，能够将厚钢材的底部中的熔融深度确保为1.5mm以上。
另外，专利文献2中，作为窄坡口焊的方法，公开了如下的方法：在反复施加脉冲电压的同时，通过与焊接推进方向交差的方向上的焊炬的往复运动，在焊炬位于坡口内的两端部时，控制电弧长度以产生埋弧。由此，确保熔透深度。
上述专利文献1和专利文献2中公开了使用垫板金属的窄坡口焊方法。然而，该垫板金属从接头健全性的观点出发存在不优选的情况。即，母材与垫板金属之间的形状为尖锐的缺口，成为应力集中部。因此，使用了垫板金属的焊接接头中，存在由该缺口部产生疲劳裂纹、或者成为脆性断裂的起点的情况。因此，为了避免上述的缺口部的存在，认为下述焊接方法是优选的：设为不使用垫板金属的两面焊接、或者使用了在焊接后能够取下的陶瓷制垫板材料的单面焊接，来形成熔透焊道。但是，前者需要焊接接头的反转、清根作业，从施工效率的观点出发不能说是优良的焊接方法。另外，关于后者，公开了窄坡口焊方法的专利文献1和专利文献2的方法中，在使用了没有通电性(导电性)的陶瓷制垫板材料的情况下，无法确保焊接时的通电，存在无法实现稳定的焊接的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5861785号公报
专利文献2：日本专利第6568622号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明目的在于：为了在基于钢材的对接的气体保护电弧焊方法中，实现能够提高施工性的窄坡口焊、和不存在可能成为疲劳裂纹、脆性断裂的起点的垫板金属的焊接部，提供使用了陶瓷制垫板材料的窄坡口的单面对接的气体保护电弧焊方法。另外，本发明目的在于提供使用了该焊接方法的健全性优良的焊接接头及其制造方法。
用于解决问题的方法
本发明人对于在应用了无通电性的陶瓷制的垫板材料的情况下能够稳定施工的条件进行了研究。反复深入研究的结果是发现：在对焊接电流和焊接电压进行控制的同时，通过选择与根部间隙相匹配的焊接线能量，由此在电弧正下方形成用于确保通电性的熔池，从而能够实现稳定的焊接。进一步发现：可得到在根部焊部没有咬边的健全的熔透焊道。
另外，对于在将垫板材料设为陶瓷制的情况下无法确保通电性而无法起弧的问题，发现了如下的方法。具体发现了如下的方法：如图1和图2所示在带有陶瓷制垫板材料的接头的外侧安装带有钢制垫板材料的钢制引弧板，在该钢制引弧板部使电弧发生，或者如图3和图4所示在坡口内部的电弧发生位置散布切割焊丝而得的切断丝，由此确保通电性、进行起弧。
本发明基于上述发现并进一步进行研究而完成，本发明的主旨如下所示。
[1]一种气体保护电弧焊方法，其是利用窄坡口的多层焊对钢材进行接合的气体保护电弧焊方法，其中，
形成钢材的坡口角度θ为20°以下的坡口，将作为该坡口的下部的间隙的根部间隙G(mm)设为7～15mm，
根部焊中，使用陶瓷制的垫板材料，并且，将焊接电流I(A)设为250～400A、且将焊接电压V(V)设为25～45V，将用焊接线能量Q(kJ/mm)除以上述根部间隙G(mm)而得的值[Q/G]设为0.32～0.70的范围，以1道次进行，
在此，上述焊接线能量Q为Q＝I×V/S/1000，
式中所示的I为焊接电流(A)，V为焊接电压(V)，S为焊接速度(mm/秒)。
[2]根据[1]所述的气体保护电弧焊方法，其中，在要接合的上述钢材的端部外侧安装钢制引弧板，在该钢制引弧板使电弧发生。
[3]根据[1]所述的气体保护电弧焊方法，其中，在上述坡口的内部的电弧的发生部散布切割焊丝而得的切断丝后，使电弧发生。
[4]根据[1]～[3]中任一项所述的气体保护电弧焊方法，其中，上述根部焊中，使用包含非活性气体和20体积％以上的CO2气体的焊接保护气体。
[5]根据[4]所述的气体保护电弧焊方法，其中，上述焊接保护气体的气体流量为15～25L/分钟。
[6]一种焊接接头，其通过使用[1]～[5]中任一项所述的气体保护电弧焊方法进行根部焊而得到。
[7]一种焊接接头的制造方法，其使用了[1]～[5]中任一项所述的气体保护电弧焊方法的根部焊。
发明效果
根据本发明，在基于钢材的单面对接的气体保护电弧焊方法中，可实现能够提高施工性的窄坡口焊、和不存在可能成为疲劳裂纹、脆性断裂的起点的垫板金属的焊接部。由此，能够提供使用了陶瓷制垫板材料的窄坡口的单面对接的气体保护电弧焊方法、健全性优良的焊接接头及其制造方法，在产业上起到显著的效果。
附图说明
图1为本发明的一个实施方式的安装有钢制引弧板的焊接接头的示意立体图。
图2为图1所示的安装有钢制引弧板的焊接接头的示意后视图。
图3为本发明的另一实施方式的、将起弧方法设为切断丝散布情况下的焊接接头的示意立体图。
图4为图3所示的将起弧方法设为切断丝散布情况下的焊接接头的示意后视图。
图5为示出本发明的坡口形状的一例的示意剖面图。
图6为示出本发明中的焊接线能量Q与根部间隙G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。
本发明为进行钢材的单面对接焊接的气体保护电弧焊方法。该焊接方法中，将达到规定板厚的2片钢材对接以成为规定的坡口，将这些钢材利用气体保护电弧焊(以下也有时简称为“焊接”。)接合。本发明规定了实施该焊接方法中的根部焊时的焊接条件。
具体而言，一种气体保护电弧焊方法，其是利用窄坡口的多层焊对钢材进行接合的气体保护电弧焊方法，其中，形成钢材的坡口角度θ为20°以下的坡口，将作为该坡口的下部的间隙的根部间隙G设为7～15mm。另外，根部焊中，使用陶瓷制的垫板材料，并且，将焊接电流I设为250～400A、且将焊接电压V设为25～45V，以使用焊接线能量Q(kJ/mm)除以上述根部间隙G而得的值[Q/G]达到0.32～0.70的范围的方式进行控制而以1道次进行。
对于本发明的构成要件所涉及的实施方式，以下具体地进行说明。
[钢材]
本发明中应用的钢材为建筑物、船舶等钢铁结构物中使用的厚钢板。作为钢种，若为低碳钢，则无需特别限定。例如可举出400MPa级钢材、490MPa级钢材、550MPa级钢材、590MPa级钢材、780MPa级钢材等。
钢材的板厚t(mm)优选为20～100mm的范围。若板厚小于20mm，则即使将坡口形状设为以往的半V型坡口或V型坡口，通过减小根部间隙，根据情况，与本发明的坡口(后述窄坡口)相比坡口面积也变小，因此，无法得到本发明的坡口(后述窄坡口)的优点。需要说明的是，在将一般的压延钢材作为对象的情况下，板厚的上限一般为100mm，因此，本发明中作为对象的钢材的板厚的上限优选设为100mm以下。钢材的板厚t更优选为25mm以上。钢材的板厚t更优选为90mm以下，进一步优选为70mm以下。
[坡口角度θ]
图5中，作为一例，示出使2片钢材对接而成的坡口形状的板厚方向剖面图。如图5所示，所对接的钢材1之间的坡口面所成的角度为坡口角度θ(°)。在本发明中，将坡口角度θ为20°以下的坡口作为对象。本发明中，将该坡口角度θ为20°以下的坡口称为“窄坡口”。这是因为，若θ超过20°，作为呈窄坡口的优点的效率化被消减。
需要说明的是，由于厚钢板的坡口越小越能够实施高效率的焊接，因此，坡口角度θ即使为0°，也能够得到本发明的效果。坡口角度θ更优选为5°以上，进一步优选为10°以上。
[根部间隙G]
如图5所示，本发明中，将所对接的钢材1的坡口部分的最窄的下部的间隙即根部间隙用G(mm)表示。本发明中的根部间隙G为7～15mm。这是因为，若G小于7mm，则难以在坡口内放入焊炬，另一方面，若G超过15mm，则作为呈窄坡口的优点的效率化被消减。因此，G设为7～15mm。G优选为8mm以上，优选为13mm以下。
[陶瓷制的垫板材料]
在本发明的气体保护电弧焊中，作为用于防止烧穿的垫板材料，使用在焊接后能够取下的陶瓷制的垫板材料。作为陶瓷制的垫板材料，若为能够防止烧穿、形成熔透焊道的物质，则无需特别限定。陶瓷制的垫板材料例如可以使用以质量％计SiO2：30～70％、Al2O3：10～50％、MgO：3～20％、ZrO2：0～10％、选自NaO、K2O3和Li2O中的1种以上：合计为0.3～5％的组成的材料。
另外，也可以使用在陶瓷制的垫板材料上层叠玻璃纤维而得的材料。
[焊接电流I]
若根部焊的焊接电流I(A)低于250A，则电弧压力变低，在坡口底部产生未熔化部，从而产生咬边。另一方面，若根部焊的焊接电流I(A)高于400A，则电弧压力变强，会推开用于确保通导性的熔池，从而无法维持电弧。因此，根部焊的焊接电流I(A)设为250～400A。上述焊接电流I(A)优选为270A以上，更优选为280A以上。另外，上述焊接电流I(A)优选为380A以下，更优选为360A以下，进一步优选为350A以下。
[焊接电压V]
另外，若根部焊的焊接电压V(V)低于25V，则无法稳定地维持电弧，焊接变得不稳定的同时，焊道成为凸形状。另一方面，若根部焊的焊接电压V(V)高于45V，则电弧从高的位置发生，熔池的热难以到达坡口底部。结果，在坡口底部产生未熔化部，出现咬边。因此，根部焊的焊接电压V(V)设为25～45V。上述焊接电压V(V)优选为28V以上，更优选为30V以上。另外，上述焊接电压V(V)优选为40V以下，更优选为38V以下。
[焊接速度S]
根部焊的焊接速度S的范围优选为1～8mm/秒。
在焊接速度S脱离上述范围的情况下，即使为合适电流和合适电压，也会得到过大的线能量或过少的线能量，结果，产生焊接缺陷，电弧的持续变得困难。上述焊接速度S更优选为1.2mm/秒以上。上述焊接速度S更优选为6mm/秒以下。
上述焊接速度S可以根据焊接电流I与焊接电压V的平衡，在该范围内适当选定。
[焊接线能量Q]
进一步地，为了在电弧正下方确保用于确保通电性的熔池，并防止咬边，需要根据根部间隙G(mm)对焊接线能量Q(kJ/mm)进行调整。因此，将用焊接线能量Q除以根部间隙G而得的值[Q/G]调整为0.32～0.70的范围。
需要说明的是，若将I设为焊接电流(A)、将V设为焊接电压(V)、将S设为焊接速度(mm/秒)，则焊接线能量Q(kJ/mm)可以从[I×V/S/1000]式求出。
在上述Q/G的值小于0.32时，用于确保通电性的熔池小，焊炬领先熔池，因此无法维持电弧，焊接变得不稳定。另一方面，在上述Q/G的值大于0.70的情况下，熔池的液面变高，输入热无法达到坡口的下部。结果，在坡口底部产生未熔化部，出现咬边。因此，将上述Q/G的值限定于0.32～0.70的范围。上述Q/G的值优选为0.40以上，更优选为0.43以上。另外，上述Q/G的值优选为0.67以下，更优选为0.60以下，进一步优选为0.58以下。
[焊接时的极性]
根部焊的焊接时的极性可以选择正极性(将钢材设为正极并将焊丝设为负极地连接的情况)和反极性(将钢材设为负极并将焊丝设为正极地连接的情况)的任意一者。
[焊丝]
本发明中的焊丝可以使用各种规格的丝。例如可举出JIS Z 3312中分类的YGW11、YGW18、G59JA1UC3M1T、G78A2UCN4M4T、G49AP3M1T、G59JA1UMC1M1T、G78A4MN5CM3T等。丝径φ优选1.0～1.4mm。
[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CO2气体20体积％以上、其余为Ar等非活性气体的混合气体。考虑到焊接保护气体的成本，则更优选CO2气体为100体积％。需要说明的是，从使电弧稳定、或防止焊接缺陷发生的观点出发，优选在使气体流量为15～25L/分钟的条件下进行。
[起弧方法]
为了确保起弧时的通电性，例如可举出如下的2种方法。1种方法是：在要接合的钢材的焊接线方向的端部(端部外侧)安装钢制引弧板，并在该钢制引弧板使电弧发生。另1种方法是：在坡口的内部的电弧的发生部散布切割焊丝而得的切断丝后，使电弧发生。
具体地，如图1和图2所示，优选在成为焊接接头的钢材1的一端配置的、使用了钢制垫板材料3的钢制引弧板2的位置处进行起弧。或者，如图3和图4所示，优选使焊丝例如成为切割为长度3mm的切断丝，并将该切断丝2g设置在起弧部。
需要说明的是，钢制引弧板2是指：为了有效地进行钢材端部处的电弧发生而安装在钢材1的焊接线方向的端部(即，焊接线方向的起始端部)的钢制的构件。钢制垫板材料3是指：与该钢制引弧板2的底部侧邻接的构件。作为它们的材质，没有特别限定，可以使用一般的钢材(SM490等)。
如图1和图2所示的例子那样，上述“钢制引弧板2”是指：在1个钢制垫板材料3的上表面设置规定间隔地配置2个钢制引弧板2而成的构成。在2片钢材1的焊接线方向的起始端部各自配置钢制引弧板2。需要说明的是，如图2所示，在1对钢制引弧板2的背面配置钢制垫板材料3，并与其相邻地配置陶瓷制的垫板材料4。
另外，如上所述，切断丝是指将焊丝短切而得的物质。本发明中优选为通过将该切断丝散布于坡口的底部而能够容易地进行电弧发生的物质。如图3和图4所示的例子所示，起弧部为由2片钢材1的单面对接面、和以与2片钢材1的底面重叠的方式设置的陶瓷制的垫板材料4形成的区域。该区域中的陶瓷制的垫板材料4的上表面侧成为上述“坡口的底部”(参照图3)。
[多层焊]
需要说明的是，本发明应用于使用了陶瓷制的垫板材料的窄坡口的根部焊，在实施本发明时，根部焊之后的后续道次的焊接条件可适宜设定。对于继根部焊之后的第2层之后的焊接的层数，取决于钢材的板厚等，但若为上述的板厚即20～100mm，则优选3～16层。另外，根部焊之后的焊接条件例如优选设为焊接电流：180～400A、焊接电压：24～45V、焊接速度：1～10mm/秒。
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(气体保护电弧焊接接头)为使用上述气体保护电弧焊方法对对接的2片钢材进行根部焊而得的焊接接头。
本发明的焊接接头的制造方法具备：以使2片钢材的坡口面为规定的坡口角度θ，并且使坡口的下部的根部间隙G为规定距离的方式配置钢材而进行对接的工序；以及使用上述焊丝，对该钢材在特定的焊接条件下进行多层焊，形成焊道的焊接工序。由此，将对接的2片钢材接合，制造焊接接头。对该制造方法中焊接工序中的多层焊的根部焊应用上述气体保护电弧焊方法。
根部焊之后的后续道次的焊接条件可适宜设定，例如可以设为与根部焊的焊接条件同样，或者可以设为上述多层焊的项目中说明过的焊接条件。需要说明的是，厚钢板、焊接条件等的说明与上述说明同样，因此省略。
如以上所说明那样，根据具有上述根部焊的本发明的焊接方法，可以实现能够提高施工性的窄坡口焊、和不存在可能成为疲劳裂纹、脆性断裂的起点的垫板金属的焊接部，并且，可以得到健全性优良的焊接接头。本发明中，“健全性优良”是指：不存在咬边、焊瘤、熔合不良这样的焊接缺陷。
实施例
[实施例1]
如图5所示，使2片厚钢板(钢材1)对接而形成坡口，在坡口底面配置陶瓷制的垫板材料4，利用单面气体保护电弧焊来制造焊接接头。焊接保护气体使用100体积％的CO2气体。焊接保护气体的流量设为20L/分钟。
焊丝使用JIS Z 3312中被分类的YGW11、YGW18、G59JA1UC3M1T、G78A2UCN4M4T的φ1.2mm的丝。钢材1的板厚t、坡口角度θ和根部间隙G分别设为表1所示的条件。单面气体保护电弧焊的根部焊在表1所示的条件下进行。第2层之后的焊接在焊接电流：250～300A、焊接电压：28～35V、焊接速度：6～8mm/秒的范围内实施。如上所述，陶瓷制的垫板材料4使用以质量％计SiO2：30～70％、Al2O3：10～50％、MgO：3～20％、ZrO2：0～10％、选自NaO、K2O3和Li2O中的1种以上：合计为0.3～5％的组成的材料。表1所示的“极性”表示焊接时的极性，“丝负”是指为上述正极性，“丝正”是指为上述反极性。
关于试验条件及其评价方法，如下所示。
[焊接稳定性]
焊接稳定性如下所示地进行评价。在根部焊(1道次)中，对于400mm的焊接长度能够在中途不停止地一直焊接至最后的情况设为“合格”，无法一直焊接至最后的情况设为“不合格”。
[焊接缺陷]
另外，从所得到的焊接接头的焊接线方向中央位置获取截面宏观样本，使用该截面宏观样本，对于根部焊道的焊接缺陷的有无，利用光学显微镜进行观察并评价。光学显微镜的倍率设为10倍。根部焊道中不存在焊接缺陷(参照JIS Z 3001-4：2013)的样品设为“无”，存在咬边、焊瘤、熔合不良(参照JIS Z 3001-4：2013)这样的焊接缺陷的样品设为“有”。
汇总上述试验条件及其评价结果并示于表1。
需要说明的是，表1的接头No.14的起弧方法如下所示。具体地，在坡口的单侧下端部以280A-32V的条件使电弧发生，保持1秒，确保用于确保导电性的熔池，之后，使焊炬移动至坡口中央部，以焊接速度3.0mm/秒的条件进行焊接。
基于表1的结果，将根部间隙G与焊接线能量Q的相关关系示于图6。从该结果可知，根部焊的焊接电流I为250～400A、并且焊接电压V为25～45V、并且Q/G为0.32～0.70的范围内的本发明例即使在使用了陶瓷制的垫板材料的窄坡口中，焊接稳定性也均优良，并且均未发生焊接缺陷。
另一方面，Q/G虽然处于上述范围内、但根部焊的焊接电流I或焊接电压V脱离本发明的范围的比较例中，焊接稳定性差，或者产生焊接缺陷。
另外，Q/G为上述范围外的比较例中，焊接稳定性差，或者产生焊接缺陷。
[实施例2]
实施例2中，使用2片达到表2所示的板厚t的厚钢板，在表2所示的焊接保护气体和条件下进行单面气体保护电弧焊的根部焊，制造焊接接头。需要说明的是，其他条件和评价方法等与实施例1同样，因此省略说明。
如表2所示，本发明例中，焊接稳定性优良，并且也没有产生焊接缺陷。另一方面，比较例中，或许由于未在焊接保护气体的组成中混合20体积％以上的CO2气体、或气体流量不足，焊接稳定性差、和/或发生了焊接缺陷。
符号说明
1钢材
2钢制引弧板
3钢制垫板材料
4陶瓷制的垫板材料
5切断丝

Claims (7)

1.一种气体保护电弧焊方法，其是利用窄坡口的多层焊对钢材进行接合的气体保护电弧焊方法，其中，
形成钢材的坡口角度θ为20°以下的坡口，将作为该坡口的下部的间隙的根部间隙G(mm)设为7～15mm，
根部焊中，使用陶瓷制的垫板材料，并且，将焊接电流I(A)设为250～400A、将焊接电压V(V)设为25～45V、将用焊接线能量Q(kJ/mm)除以所述根部间隙G(mm)而得的值[Q/G]设为0.32～0.70的范围，以1道次进行，
在此，所述焊接线能量Q为Q＝I×V/S/1000，
式中所示的I为焊接电流(A)，V为焊接电压(V)，S为焊接速度(mm/秒)。
2.根据权利要求1所述的气体保护电弧焊方法，其中，在要接合的所述钢材的端部外侧安装钢制引弧板，在该钢制引弧板处使电弧发生。
3.根据权利要求1所述的气体保护电弧焊方法，其中，在所述坡口的内部的电弧的发生部散布切割焊丝而得的切断丝后，使电弧发生。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体保护电弧焊方法，其中，所述根部焊中，使用包含非活性气体和20体积％以上的CO2气体的焊接保护气体。
5.根据权利要求4所述的气体保护电弧焊方法，其中，所述焊接保护气体的气体流量为15～25L/分钟。
6.一种焊接接头，其通过使用权利要求1～5中任一项所述的气体保护电弧焊方法进行根部焊而得到。
7.一种焊接接头的制造方法，其使用了权利要求1～5中任一项所述的气体保护电弧焊方法的根部焊。
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