CN1978123B - 气体保护电弧焊用药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体保护电弧焊用药芯焊丝的焊剂，在所述焊剂中，在按相对焊丝总质量的成分比率计算时，作为金属的Zr源按Zr换算为0.10至0.30质量％，ZrO2为0.30至1.0质量％，TiO2为1.0至5.0质量％，SiO2为0.30至1.0质量％，金属Al源按Al换算为0.10至0.30质量％，作为碱金属源的Na和K中的至少一方，按Na2O和K2O的换算总量为0.04至0.10质量％，K2O/Na2O的比值为1.0至3.0。本发明的药芯焊丝，在水平角焊工艺等方面，高速焊接性和耐气孔性优异，同时提高了熔渣包覆性及熔渣剥离性。

Description

气体保护电弧焊用药芯焊丝
技术领域
本发明涉及金属外皮成分是软钢的气体保护焊接用药芯焊丝，尤其涉及自动或半自动的电弧焊接所使用的气体保护电弧焊用药芯焊丝。
背景技术
一般来说，在造船及铁架桥梁的领域，多用可进行焊接构造物的高能率的焊接工艺的气体保护电弧焊用药芯焊丝。尤其，在重视高能率的情况下，广泛采用利用2电极1组(group)法等的高速焊接工艺法，使用在特开平11-5193号公报、特开2000-42787号公报、特开平10-314985号公报、特公平6-69633号公报及特开2000-71096号公报中所记载的焊接用焊丝等。这些以往的药芯焊丝是由以提高高速焊接时的耐气孔性为目的的熔渣成分系设计的，此外在焊道的跑合等形状面也优异。
但是，在是造船及铁架桥梁的半自动·自动的水平角焊工艺的情况下，与耐气孔性同样重要的评价点，是焊接熔渣均匀地包覆在焊道整面(熔渣包覆性)上。因为，在熔渣非均匀包覆焊道表面的情况下，熔渣薄的部分的剥离性差，难进行熔渣剥离工序。另外是因为，在熔渣剥离性差的部分粘着熔渣，呈花斑模样，结果有损焊道外观。
在以往的2电极1组法用的药芯焊丝中，尤其在对软钢低Si·低Mn材的母材(被焊接材)进行焊接时，与焊接高张力钢时相比，通过降低熔渣中的MnO、SiO2浓度，熔渣粘性下降，并且熔渣量也减少。因此，不仅熔渣对焊道的包覆状态极不均匀，而且在熔渣薄的部分出现熔渣在焊道烧结的现象，严重恶化焊道外观。另外，焊道形状呈凸型。此外，在焊接表面具有氧化膜的钢板时，由于在熔渣中多含FeO、Fe2O3，熔渣粘性下降，所以也出现同样的结果。尤其如果焊接速度超过150cm/min，就会劣化。
另外，在因熔渣的烧结而熔渣剥离性劣化时，为得到合格的焊接部而进行的熔渣除去作业，需要多余的人力，也成为增加工时和增加成本分的原因。
但是，在上述各现有文献记载的以往的焊丝中，尽管其高速焊接性和耐气孔性优异，但是在焊接熔渣的包覆性这点上，未必能得到满足。
例如，在特开平11-5193号公报、特开2000-42787号公报及特公平6-69633号公报中所记载的焊丝中，其目的在于提高在涂底钢板的单一焊接(焊接速度大约100cm/分钟)时的耐气孔性和作业性，但是在用于双串联高速焊接(焊接速度＝150～180cm/分钟)时，在母材成分偏向低Si及低Mn侧的情况下，因熔渣发生量减小，而存在焊道表面的熔渣包覆性劣化，形成焊道形状及焊道外观为非优选的焊道的问题。另外，在钢板不是涂底钢板，而是黑皮钢板的情况下，采用上述以往技术，也存在耐气孔性劣化的问题。
此外，在特开平10-314985号公报中记载的焊丝中，由于以防止横向焊接时的焊道下垂，提高焊接金属的粘性为目的，所以即使原状用于在涂底钢板或黑皮钢板上的双串联高速焊接(焊接速度＝150～180cm/分钟)，不仅粘性高、高速性差，而且耐气孔性也严重劣化。
此外，在特开2000-71096号公报中记载的焊丝，是改进了涂底钢板的采用双串联焊接的作业性的发明，尤其以减少烟尘量及飞溅量为目的，但在用于黑皮钢板时，或者用于双串联高速焊接(焊接速度＝150～180cm/分钟)时，耐气孔性及高速焊接性劣化.
发明内容
本发明是鉴于以上的问题而提出的，其目的在于提供一种气体保护电弧焊用药芯焊丝，其在水平角焊工艺等方面，在焊接表面被镀锌涂装的、或用黑皮覆盖的低Si、低Mn材及高张力钢时，高速焊接性和耐气孔性优异，同时提高熔渣包覆性及熔渣剥离性。
根据本发明的气体保护电弧焊用药芯焊丝，是在软钢制外皮内填充有焊剂的气体保护电弧焊用药芯焊丝，其特征在于：在所述焊剂中，按相对焊丝总质量的成分比率计算时，作为金属的Zr源按Zr换算为0.10至0.30质量％、ZrO2为0.30至1.0质量％、TiO2为1.0至5.0质量％、SiO2为0.30至1.0质量％、金属Al源按Al换算为0.10至0.30质量％，作为碱金属源的Na以Na2O换算的总量和作为碱金属源的K以K2O换算的总量之和为0.04至0.10质量％，(K2O换算总量/Na2O的换算总量)的比值为1.0至3.0。
此处，所谓作为金属的Zr源，是包括Zr及合金Zr的Zr源。如此，在本说明书中，在称为“作为金属的”的时候，都是包含金属及合金的。
此外，在有关上述焊丝的成分的规定中，关于Na和K，按Na2O换算总量和K2O换算总量规定。这是将焊剂中含有的所有Na化合物、K化合物分别换算成Na2O、K2O。即，这些构成所有Na化合物、K化合物的Na、K，是假设都成为Na2O、K2O时的、该Na2O、K2O的重量。
在上述的本发明的气体保护电弧焊用药芯焊丝中，作为金属的Zr源，例如，是从由金属锆、锆铁(Fe-Zr)及锆硅铁(Fe-Si-Zr)构成的组中选择的至少一种。
此外，作为金属的Al源，例如，是由从金属铝及铝铁(Fe-Al)构成的组中选择的至少一种。
另外，优选，作为金属的Zr源按Zr换算为0.15至0.25质量％，ZrO2为0.35至0.55质量％，Zr/ZrO2为0.20至0.35。
本发明是基于在用于涂底钢板或黑皮钢板的双串联高速焊接(焊接速度＝150～180cm/分钟)中，作为维持良好的熔渣包覆性的焊剂组成，必须掌握ZrO2、TiO2、SiO2这3种成分的配合平衡的见解完成的。此外，除此以外，本发明，其特征在于：在称为涂底钢板或黑皮钢板的母材的表面状态及成分的条件下，为实现良好的耐气孔性，添加作为金属的Al源和Zr源。尤其，意义在于不是添加作为焊剂中的氧化物的Al2O3及ZrO2，而是作为金属成分添加上述成分。即，本发明人等发现，在电弧下的焊接金属内，对于来自钢板表面状态及钢板成分的变动的氧化物成分的变动，作为金属成分添加的一方，配合的自由度大，能够自动生成恰当的熔渣量，无论是涂底钢板还是黑皮钢板，良好的熔渣包覆性和耐气孔性都能两立。本发明是基于如此的见解而形成的。
根据本发明，通过上述的组成，在水平角焊中，能够提高熔渣包覆性和熔渣剥离性，同时能够得到以往具有优点的耐气孔性和焊道外观形状都优异的气体保护电弧焊用药芯焊丝。
具体实施方式
以下，参照附图具体说明本发明的实施方式.首先，说明本发明的气体保护电弧焊用药芯焊丝的焊剂组成及其成分限定理由.另外，下述的焊剂组成，是相对于焊丝整体的质量的重量比例(质量％).
“Zr源：0.10至0.30质量％(Zr换算值)”
Zr源是脱氧剂，是为了降低熔融金属中的氧量，通过提高熔融金属的粘性抑制熔融金属的下垂，并且使熔渣的粘性最佳化，提高熔渣的包覆性而添加的。该Zr源，如果按Zr换算值超过0.30质量％，残留在焊接金属中的Mn及Si的量增加，强度过高。此外，如果Zr源低于0.10质量％，脱氧的效果低。更优选Zr源为0.15至0.25质量％。该金属Zr源，只要在0.15至0.25质量％的范围，即使在母材钢板的脱氧成分变动的时候，由于在熔融池内使熔融金属氧量保持在适当的范围，所以不易受母材成分及母材黑皮的有无等的影响，能够维持良好的熔渣包覆性和耐气孔性。
“ZrO2：0.30至1.00质量％”
ZrO2是熔渣形成剂，是为调整熔融熔渣的凝固温度及粘性，提高焊道形状而添加的。如果ZrO2超过1.00质量％，熔渣的熔点上升，由于熔渣的粘性上升，所以熔渣包覆性及耐气孔性劣化。如果ZrO2低于0.30质量％，熔化熔渣的凝固缓慢，熔渣包覆性和耐气孔性劣化。更优选，ZrO2为0.35至0.55质量％。只要ZrO2在0.35至0.55质量％的范围，就能够保持良好的熔渣包覆性和耐气孔性。因此，即使在超过150cm/min的高速焊接时，用能够维持良好的熔渣包覆性和耐气孔性。
“TiO2：1.00至5.00质量％”
TiO2是熔渣形成剂，是为提高电弧的稳定性，同时均匀地包覆焊道表面，提高焊道外观而添加的。如果TiO2超过5.00质量％，熔渣的生成量过多，由于熔融熔渣的粘性提高，所以耐气孔性劣化。如果TiO2低于1.00质量％，由于熔渣生成量不足，所以熔渣包覆性及熔渣剥离性劣化。
“SiO2：0.30至1.00质量％”
SiO2是熔渣形成剂，是为提高熔渣包覆性和焊道外观的光泽而添加的。如果SiO2超过1.00质量％，熔融熔渣的粘性过高，耐气孔性劣化。另外，如果SiO2低于0.30质量％，熔渣的粘性不足，熔渣包覆性劣化，同时焊道形状劣化。
“金属Al源：0.10至0.30质量％(Al换算值)”
金属Al源作为脱氧剂发挥作用，是为了降低熔融金属中的氧量，调整电弧的扩展及熔融金属的流动性而添加的。如果金属Al源超过0.30质量％，熔融熔渣的凝固速度过快，发生凝固不均，焊道形状及耐气孔性劣化。另外，如果金属Al源低于0.10质量％，因脱氧不足，焊接金属的粘性降低，耐气孔性劣化。
“作为碱金属源的Na和K，按Na2O换算总量和K2O的换算总量之和为0.04至0.10质量％”
Na和K，具有使电弧稳定的效果，并且是为降低熔渣的粘性，易于气孔的上浮，促进向外部的逸散而添加的。Na和K，如果按Na2O换算总量和K2O的换算总量的和，超过0.10质量％，熔融熔渣的粘性过高，焊道形状劣化。相反，如果低于0.04质量％，电弧稳定性没有效果，焊道形状不良。
“K2O换算总量/Na2O的换算总量比：1.00至3.00”
如果K2O换算总量/Na2O的换算总量比超过3.00，电弧变得过强，飞溅增加，此外，焊道形状不良.此外，如果K2O换算总量/Na2O的换算总量比低于1.00，电弧变弱，焊道形状不良。
“Zr/ZrO2：0.20至0.35”
优选，金属Zr源和ZrO2的比Zr/ZrO2为0.20至0.35。只要Zr/ZrO2比在0.20至0.35的范围，几乎不受母材成分变动及母材表面的黑皮或涂底涂装的有无等的影响，能够同时实现最好的熔渣包覆性和耐气孔性。
本发明的药芯焊丝的通量率(flux rate)，适合采用通常的药芯焊丝所用的10％～30％。如果低于10％，难只从焊剂添加所需的合金元素。从外皮添加这些元素导致原材料成本上升，此外添加合金使外皮强度增加，从而使丝拉伸性劣化，由此导致制造成本上升。超过30％的通量率，外皮变薄，容易断线，丝拉伸性劣化，由此导致制造成本上升。
作为除所述各焊剂成分以外焊剂可含有的成分，有后面实施例中所述的成分，以及Al2O3、Mg等。
[实施例]
下面，说明用于证实本发明的效果的实施例及比较例。下表1示出使用的焊丝的外皮(软钢)组成(质量％)。表2示出填充在该外皮内的焊剂组成。在表2中，K2O及Na2O，分别表示K2O换算总量和Na2O换算总量。下表3示出焊接工艺条件。另外，下表4示出焊接结果。
另外，各焊丝的通量率为14～16％。此外，表2列举的成分以外的焊剂成分，有作为合金成分·脱氧剂的Fe-Mn、Fe-Si，作为熔渣成分的MgO，另外是K2SiF6及铁粉。
表1
  C   Si   Mn   P   S   Ti   Al
  外皮环带   0.01～0.04   ～0.08   0.10～0.40   ～0.030   ～0.030   ～0.050   0.010～0.080
表2
Figure G2006101356502D00071
实施例No.8使用黑皮钢板。
表3
供试钢板   SS400(化学成分，C：0.10％、Si：0.05％、Mn：0.3％)厚12mm×宽85mm×长600mm无机锌底漆涂布(涂装膜厚30μm)部黑皮钢板
  接头形状   T型角焊缝接头
供试钢板   SS400(化学成分，C：0.10％、Si：0.05％、Mn：0.3％)厚12mm×宽85mm×长600mm无机锌底漆涂布(涂装膜厚30μm)部黑皮钢板
焊接姿势   利用从两侧的2电极1组法的水平角焊(两侧的移动量：0mm)
  保护气体组成流量   100％-CO<sub>2</sub> 25(升/分钟)
  电极特性   直流电线+
  突出长度   25mm
电流·电压   先行电极：380A-29V后行电极：330A-29V
  焊接速度   130cm/分钟
目标位置   先行电极：焊根目标后行电极：从焊根1mm目标
  电极间距离   25mm
  焊枪角度   先行电极：50°后行电极：50°
  前进·后退角   先行电极：后退角7°后行电极：前进角7°
  焊接长   600mm
  目标焊脚长度   6mm
表4
实施例No.8使用黑皮钢板。
另外，表4的评价项目中的“熔渣包覆性”，按焊道的未被熔渣包覆的部分的处数评价。该未被熔渣包覆的部分的处数为0处时表示为◎，有1处时表示为○，有2～3处时表示为△，有4处以上时表示为×。此外，“熔渣剥离性”用锤一次轻敲熔渣，敲打的周围的熔渣完全剥离时表示为◎，2～3次敲打剥离时表示为○，4～6次敲打剥离时表示为△，7次以上敲打剥离时表示为×。“耐气孔性”，按相对于焊接长600mm的坑数评价。坑数为0时表示为◎，1个时表示为○，2个时表示为△，3个以上时表示为×。“焊道外观形状”，关于焊道外观，将焊道焊缝边界部的跑合及仿行作为评价判断材料，关于焊道形状，进行微观断面观察以焊道形状是否是凸形为判断基准，综合评价这些焊道外观及焊道形状。焊道焊缝边界部的跑合良好，仿行不乱，焊道形状不是凸形时表示为◎，按照这些各项目恶化程度，表示为○、△、×。
从表2及表4看出，在本发明的实施例1至10中，熔渣包覆性、熔渣剥离性、耐气孔性及焊道外观形状等全部优异。相反，比较例1由于Zr少，比较例3、4由于ZrO2在本发明的范围以外，比较例5由于TiO2少，比较例7由于SiO2少，比较例11由于Na2O+K2O少，所以熔渣包覆性及熔渣剥离性差。此外，比较例2由于Zr过多，比较例4由于ZrO2过多，比较例6由于TiO2过多，比较例8由于SiO2过多，比较例9、10由于Al在本发明的范围以外，比较例12由于Na2O+K2O过多，所以耐气孔性差。另外，比较例13、14由于K2O/Na2O在本发明的范围以外，所以焊道形状差。

Claims (6)

1.一种在软钢制外皮内填充有焊剂的气体保护电弧焊用药芯焊丝，其特征在于，在所述焊剂中，按相对焊丝总质量的成分比率计算时，作为金属的Zr源按Zr换算为0.10至0.30质量％、ZrO2为0.30至1.0质量％、TiO2为1.0至5.0质量％、SiO2为0.30至1.0质量％、金属Al源按Al换算为0.10至0.30质量％，作为碱金属源的Na以Na2O换算的总量和作为碱金属源的K以K2O换算的总量之和为0.04至0.10质量％，K2O换算总量/Na2O换算总量的值为1.0至3.0。
2.如权利要求1所述的气体保护电弧焊用药芯焊丝，其特征在于，作为金属的Zr源是选自由金属锆、锆铁Fe-Zr及锆硅铁Fe-Si-Zr构成的组中的至少一种。
3.如权利要求1所述的气体保护电弧焊用药芯焊丝，其特征在于，作为金属的Al源是选自由金属铝及铝铁构成的组中的至少一种。
4.如权利要求1所述的气体保护电弧焊用药芯焊丝，其特征在于，所述作为金属的Zr源按Zr换算为0.15至0.25质量％。
5.如权利要求1所述的气体保护电弧焊用药芯焊丝，其特征在于，所述ZrO2为0.35至0.55质量％。
6.如权利要求1所述的气体保护电弧焊用药芯焊丝，其特征在于，所述Zr与所述ZrO2的比Zr/ZrO2为0.20至0.35。
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