专利名称：焊丝及用此焊丝的焊接方法
技术领域：
本发明涉及能形成高温强度和耐焊接裂纹性优异的焊接部的焊丝及利用该焊丝的焊接方法。
背景技术：
在进行对焊、填角焊等焊接时，由于焊接金属晶粒粗大，在焊接时会发生高温裂纹。因此，人们一直致力于使焊接部的晶粒细化。
例如，日本特许公开公报平5-138394号公开了通过在焊丝中添加Ti以在焊接时生成细微的TiN粒子，而使其分散在焊接部上，将该TiN粒子作为晶核，形成焊接金属的细微晶粒的方法。
另外，日本特许公开公报平9-225680号公开了在焊丝中适量添加Al和Mg以使焊接部的晶粒等轴晶化和微粒化的方法。
但是，利用上述之类的已有技术，不能满足人们日益提高耐焊接裂纹性和高温强度的要求。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种能够形成具有优异高温强度和耐焊接裂纹性的焊接部的焊丝及利用该焊丝的焊接方法。
本发明提供一种具有如下特征的焊丝C0.025质量％以下；Si1.3质量％以下Mn2.0质量％以下；Cr10-25质量％；N0.04-0.2质量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的杂质，上述Al及Ti量(质量％)满足下式(1)关系，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>(式中，x和y分别表示Al和Ti的含量(质量％))，上述0量(质量％)满足下式(2)关系，z＜(x+y-0.01)/0.5(2)(式中，z表示焊丝中的全氧量(质量％)，x和y与上式(1)中所定义的一样)。
本发明还提供一种使用上述焊丝、具有如下特征的气体保护的焊接方法采用含有Ar和O2及CO2中至少一种的保护气体，在分别用p及q(p和q不能同时为零)来表示O2及CO2的体积％时，该保护气体满足p≤10，q≤50和式(3)的关系，p+q≤(x+y-0.01-0.5z)/0.0006 (3)(式中，x和y如上面式(1)中所定义的一样，z如上面式(2)中所定义的一样)。
图1为焊丝Al含量和焊接部晶体粒度的关系曲线图。
图2为焊丝Ti含量和焊接部晶体粒度的关系曲线图。
图3是说明本发明中焊丝的T型焊接裂纹试验的图。
具体实施例方式
本发明者着眼于如下事实若将Ti和Al掺入不锈钢焊丝中，在焊接时，这些成分则会形成微小氮化物粒子而分散在焊接部中，并具有作为形成微小晶粒晶核的功能。而且，研究了焊丝中Al和Ti的含量和焊接部晶粒度的关系，结果发现两者间有后叙的关联。
同时，还得知上述Al和Ti的功能受焊丝中的氧量和气体保护焊接时所用的保护气体中的氧及二氧化碳量的影响。
因此，基于这些发现，开发出本发明的焊丝和采用该焊丝的焊接方法。
本发明的不锈钢焊丝除了上述的Al、Ti及O以外，还含有C0.025质量％以下；Si1.3质量％以下；Mn2.0质量％以下；Cr10-25质量％；N0.04-0.2质量％；首先只对设定这些成分的上述含量的理由进行说明。在本发明焊丝中，C为提高焊接部强度特性的成分。若过量添加时，在Al及Ti之间则会生成碳化物而妨碍Al氮化物和Ti氮化物的生成，所以将该含量设定在0.025质量％以下。
Si具有作为脱氧剂的功能，另外，还能促进耐焊接裂纹性的提高。但是，若过量添加，会导致焊接部晶粒的粗大化，所以设定该含量在1.3质量％以下。
Mn也具有作为脱氧剂的功能，但是若过量添加时，因会导致焊接部的耐腐蚀性，尤其是耐氧化性低劣，所以将该含量设定在2.0质量％以下。
Cr为能促进焊接部强度特性的提高、同时保证耐腐蚀性的成分，将该含量规定为10-25质量％。这是因为，若含量小于10质量％时，则不能发挥上述效果；相反，若超过25质量％时，上述的效果达到了饱和，导致无谓的高成本。
N是为生成具有晶核功能的AlN和TiN的必需成分，将其含量规定为0.04-0.2质量％。这是因为，在含量少于0.04质量％的情况下，AlN和TiN的生成量变少，就较难实现焊接部的晶粒的细化；相反若含量多于0.2质量％的情况下，作为晶核的上述AlN和TiN凝集而数目减少，也降低了晶粒的细化的效果。
下面，就本发明焊丝中的最重要成分，即Al、Ti及O和这些成分含量间的关系进行说明。
无论是Al，还是Ti都可以形成为微小的氮化物粒子而均匀分散于焊接部中，利用作为晶核的功能，对焊接部的金属组织进行晶粒的微细化。
这里，将其他成分的含量定为几乎一定的状态，例如，C0.01质量％；Si1.00质量％；Mn0.50质量％；Cr.19.0质量％；N0.10质量％，并使Al含量x和Ti含量y(都用质量％)变化，制得焊丝。然后，使用该焊丝并利用由Ar98体积％；O22体积％组成的保护气体在钢板上进行气体保护焊接。
对形成后的焊接部的晶粒度进行测定的结果表示在图1和图2中。图1为Al含量和晶粒度的关系图，图2为Ti含量和晶粒度的关系图。这里的晶粒度(号的单位)是根据JIS G0552来测定的。数字越大，粒径越小。
如图1和图2所示，晶粒度柱状图的峰值存在于Al含量x为0.05质量％，Ti含量y为0.08质量％的位置上。
在x小于0.05质量％以及y小于0.08质量％时，随着x和y变小，AlN和TiN粒子的生成个数变少，焊接部晶粒粗大。另一方面，在x大于0.05质量％以及y大于0.08质量％时，随着x和y的变大，AlN和TiN分别进行凝集，结果观察到粒子的个数减少，焊接部晶粒粗大。
因此，根据这些发现，设定了exp{-800(x-0.05)2}及exp{-300(y-0.08)2}之类的参数(分别称为参数(1a)及参数(1b))，将通过各x和y计算出的值分别表示在图1和图2的右边。
从两图可知，当参数(1a)和参数(1b)为1时，晶粒度(号的单位)为最大的10号(粒径最小)，随着参数接近0时，晶粒度变小。
在本发明中，以如上所述式(1)所示，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>Al和Ti的各含量x和y(均用质量％表示)设定为使上述2个参数的参数(1a)和参数(1b)的积在0.5以上的量。
这里，因为上述2个参数的最大值都为1，所以为了使参数(1a)和参数(1b)的积在0.5以上，必须其中的一个参数要在0.5以上。因此，x值可大致为0.02-0.08质量％，y值大致为0.05-0.11质量％。
如上所述，为了解释上述Al和Ti的功能还受焊丝中的氧量的影响，在本发明中，将焊丝中的0量z(质量％)设定为上述式(2)z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)(x和y分别为Al和Ti的含量)。
Al、Ti和O的含量之间，必须要满足式(1)和式(2)的关系。当这些关系都成立的时候，微小AlN和TiN的粒子会量多且均匀地在焊接部生成，该焊接部上的晶粒则会微细化。
本发明的焊丝还可以含有如下物质中的至少一种Nb1.0质量％以下；Zr0.1质量％以下；B0.1质量％以下；Mo5.0质量％以下以及W5.0质量％以下。
Nb、Zr及B都为有助于AlN和TiN微小粒子在焊接部上生成，并能促进焊接部晶粒的微细化的成分，但若过量添加后，则会妨碍焊弧的稳定性，焊道不完整，所以将Nb的含量限制在1.0质量％以下，而且Zr和B的含量都限制在0.1质量％以下。
另外，虽然Mo和W都为能提高固熔焊接部强度特性的成分，但是若过量添加后，会析出而成为焊接部脆化的原因，所以都将其含量限制在5.0质量％以下。
下面，就使用上述的焊丝来进行气体保护焊接时的保护气体进行说明。
本发明所用的保护气体包含Ar和O2及CO2中的至少一种，分别用p及q来表示O2及CO2的体积％时，该保护气体满足p≤10，q≤50且式(3)的关系，p+q≤(x+y-0.01-0.5z)/0.0006 (3)(式中，x和y按照上面式(1)中所定义的，z按照上面式(2)中所定义的)。
若p超过10体积％时，焊接部的氧化程度变高。另外，晶粒向粗大化发展。另一方面，在q超过50体积％的情况下，也会导致晶粒的粗大化。
若保护气体中只含有Ar时，即p和q都为0时，焊弧变得不稳定，不能形成完整的焊道，所以本发明排除了这样的情况。
式(3)的右边意味着因保护气体而产生氧化物和碳化物的频率，若p+q的值大于右边的值时，氧化物和碳化物的生成量过多，将其凝集，引起晶粒的粗大，所以应该避免。
本发明的保护气体还可以包含N2或He或将两者混合起来的气体。此时，若过量混合，焊弧就会不稳定而不能形成完整的焊道，另外，还会产生晶粒粗大的问题，所以在所用保护气体的整个体积中，将N2限制在30体积％以下，He为50体积％以下。
实施例在熔炼成对应于下述表1(实施例1-12)和表2(比较例1-10)所示化学成分组成的钢后，经轧制及拉丝加工成直径为1.2mm的焊丝，制得实施例1-12以及比较例1-10的焊接用不锈钢焊丝。
表1焊丝的组成和参数值
表2焊丝的组成和参数值
对于这些焊丝，采用下述表3和表4所示组成的保护气体来进行对焊焊接。然后，根据JIS G0552来测定所形成的焊接部的晶粒度。
沿着焊接部的焊接线方向采取圆棒形试验片，使之全部是熔敷金属，根据JISG0567对各试验片进行温度为950℃的高温拉伸试验。
另外，进行如下所述的T形的焊接裂纹的试验。如图3所示，从侧面看，在平钢板1上以反T字形竖着同样的平钢板2，利用实施例1-12和比较例1-10的焊丝在两平钢板的连接处的一侧进行填角焊，形成焊道3以固定两平钢板。然后，在焊道3的相反一侧进行填角焊，形成焊道4，利用着色探伤(color-check)来观察此时的焊道4有无焊接裂纹。
该结果表示在表3(实施例1-12)和表4(比较例1-10)中。
表3保护气体的组成和焊接的试验结果
表4保护气体的组成和焊接的试验结果
从表3和表4可知，在采用比较例1-10的焊丝时，焊接部的晶粒度为1号或2号，成为粗大的晶粒，950℃的高温拉伸强度也在26MPa以下，较差。另外，在T形焊接裂纹的试验中，全部有裂纹。
相反，采用全满足了式(1)和式(2)的条件的实施例1-12的焊丝，并且利用满足了式(3)的条件组成的保护气体所进行的气体保护焊接的焊接部的金属组织的晶粒度在5号以上，微细化了。另外，高温强度也在35MPa以上，和比较例相比，有显著的优异性。再者，即使进行T形的焊接裂纹的试验，也完全未发现有焊接裂纹。
如上文说明显示的一样，若采用本发明的焊丝和使用本发明的保护气体来进行气体保护焊接时，就不会在焊接部上出现由于晶粒的粗大而产生的焊接部的裂纹，并且能够形成高温强度强的焊接部。
因此，在利用本发明的保护气体来进行气体保护的焊接时，因本发明的焊丝的Al和Ti能形成细微的氮化物粒子而分散在焊接部上，具有作为晶核的功能，所以焊接部的晶粒变得微细。其结果是耐焊接裂纹性增强，焊接部的高温强度也提高。
权利要求
1.一种焊丝，其特征在于，由下述成分构成C0.025质量％以下；Si1.3质量％以下；Mn2.0质量％以下；Cr10-25质量％；N0.04-0.2质量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的杂质，上述Al及Ti量(质量％)满足下式(1)关系，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>式中，x和y分别表示Al和Ti的含量(质量％)；上述0的量(质量％)满足下式(2)关系，z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)式中，z表示焊丝中的全氧量(质量％)，x和y与上式(1)中所定义的一样。
2.根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于，还含有Nb1.0质量％以下；Zr0.1质量％以下；B0.1质量％以下；Mo5.0质量％以下以及W5.0质量％以下中的至少一种。
3.一种焊接方法，其特征在于，包括如下三个工序准备具有如下成分焊丝的工序；准备满足如下关系的保护气体的工序；提供上述保护气体给上述焊丝周围、同时进行气体保护焊接的工序，焊丝的构成成分为C0.025质量％以下；Si1.3质量％以下；Mn2.0质量％以下；Cr10-25质量％；N0.04-0.2质量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的杂质，上述Al及Ti的量(质量％)满足下式(1)关系，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>式中，x和y分别表示Al和Ti的含量(质量％)，上述0的量(质量％)满足下式(2)关系，z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)式中，z表示焊丝中的全氧量(质量％)，x和y与上式(1)中所定义的一样；保护气体满足如下关系该保护气体为含有Ar和O2以及CO2中至少一种的保护气体，在分别用p及q(p和q不能同时为零)来表示O2及CO2的体积％时，该保护气体满足p≤10，q≤50和下式(3)的关系，p+q≤(x+y-0.01-0.5z)/0.0006(3)式中，x和y如上式(1)所定义的一样，z如上式(2)所定义的一样。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述的焊丝还含有Nb1.0质量％以下；Zr0.1质量％以下；B0.1质量％以下；Mo5.0质量％以下以及W5.0质量％以下中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述保护气体还含有N230体积％以下及He50体积％以下中的任一种或同时含有两者。
全文摘要
提供具有如下特征的焊丝C0.025质量％以下；Si1.3质量％以下；Mn2.0质量％以下；Cr10－25质量％；N0.04－0.2质量％；Al及Ti；O；以及余量的Fe和不可避免的杂质；上述Al(x)及Ti(y)的量(质量％)满足
文档编号B23K9/16GK1490122SQ0317873
公开日2004年4月21日 申请日期2003年7月17日 优先权日2002年9月20日
发明者乾圭吾, 南川裕隆, 野田俊治, 治, 隆 申请人:大同特殊钢株式会社