专利名称：使用低相变温度焊接材料的焊接方法
技术领域：
本申请发明涉及使用低相变温度焊接材料的焊接方法，更具体地，第一，涉及能同时提高焊接疲劳强度和夏比(Charpy)值的使用低相变温度焊接材料的焊接方法。
而且，第二，本申请发明涉及在需要大的焊接疲劳强度的焊接构件的加强焊接中使用低相变温度焊接材料以抑制发生焊接裂纹的焊接方法。
背景技术：
已有的焊接方法存在以下问题由于焊接后伴随冷却产生的热收缩，在焊接部引起拉伸残留应力，从而焊接部的疲劳强度降低，产生焊接裂纹。为解决该问题，本申请的发明者们使用在焊接结束时的室温或者接近室温的温度完成马氏体相变膨胀的焊接材料和含有二氧化碳的保护气体，在被焊接金属上进行电弧焊接，提出了使用所谓的低相变温度焊接材料的新“焊接方法”。
该方法已经进行专利登记(日本专利第3010211号)。
但是，按照所提出的新“焊接方法”，虽然焊接疲劳强度显著提高了，但是存在着夏比值(冲击强度值)不够高的情况。因此，其适用范围受到限制。
因此，该申请发明的任务是，在使用低相变温度焊接材料的焊接方法中，提供能同时提高焊接疲劳强度和夏比值的新焊接方法。
但是，按照该申请发明者们提出的前述使用低相变温度焊接材料的焊接方法(日本专利第3010211号)，虽然焊接构件的疲劳强度得到显著改善，但是当由于通过加强焊接向焊接部附近引入压缩残留应力而使疲劳强度提高时，则存在着在加强部位反复高温加热时产生焊接裂纹的问题。
在已有的一般焊接方法中，由于使用即使重复加热也不产生焊接裂纹的焊接材料，虽然考虑到焊接后焊接部的形状，但几乎不关心焊接材料的反复加热。因此，即使在以改善焊接疲劳强度为目使用低相变温度焊接材料时，焊接方法照样采用了和已有焊接方法相同的对焊接材料反复加热的方法。这时，通过使用低相变温度焊接材料，尽管焊接疲劳强度能预期地提高，但由于在焊接部发生焊接裂纹，产生不能充分发挥其效果的情况。
因此，鉴于以上情况，本申请发明的任务在于提供一种新的加强焊接方法，该方法能有效地利用发明者们提出的能得到实际优良效果的低相变温度焊接材料的特点，能抑制焊接裂纹产生并确实提高焊接部的疲劳强度。
发明内容
首先为解决同时提高上述焊接疲劳强度和夏比值的问题，第一，本申请发明提供了一种使用低相变温度焊接材料的焊接方法，其特征在于，仅使用稀有气体作为保护气体进行电弧焊接。而且，第二，本申请发明提供了一种使用低相变温度焊接材料的焊接方法，其特征在于，使用稀有气体和氧气的混合气体作为保护气体进行电弧焊接；第三，提供了一种焊接方法，其特征在于，包含作为上述保护气体的体积比为8％以下的氧气；而且，第四，提供了一种焊接方法，该方法为TIG焊接。
其次，如上所述，为了解决在加强焊接时抑制焊接裂纹的产生且确实使焊接部的疲劳强度提高的问题，第五，本发明提供了一种使用低相变温度焊接材料的焊接方法，在低相变温度焊接材料上一面避免由焊接温度造成的受热过程，一面进行加强焊接。而且，第六，提供了一种使用低相变温度焊接材料的焊接方法，其特征在于，从水平附加构件端部的焊接中止端部的上侧经过侧面到下侧进行加强焊接。第七，提供了一种焊接方法，其特征在于，边使焊接线呈直线状移动边进行加强焊接。第八，提供了一种焊接方法，其特征在于，是使用低相变温度焊接材料的电弧焊接。
而且，第九，提供一种仅使用稀有气体作为保护气体进行电弧加强焊接的方法。第十，提供一种使用稀有气体和氧气的混合气体作为保护气体进行电弧加强焊接的方法。第十一，提供一种氧气体积比为8％以下的方法。
图1是表示根据本申请发明对附加构件进行焊接的状态的截面图。
图2是从正面看到的本申请发明的加强焊接路径的模式图。
图3是表示已有方法焊接附加构件的状态的截面图。
图4是从正面看到的已有方法的加强焊接路径的模式图。
具体实施例方式
如上所述的本申请发明是作为发明者专门讨论的结果得到的，是基于对不可预料的优良作用效果的认识来完成的。
即，首先说明用于同时使焊接疲劳强度和夏比值提高的、使用低相变温度焊接材料的本申请发明的电弧焊接方法。
过去，作为在电弧焊接中使用的保护气体，已知MIG焊接(金属惰性气氛焊接)或MAG焊接(金属活性气氛焊接)，MIG焊接一般使用氩气、氦气等惰性气体，MAG焊接使用单独二氧化碳气、或者使用将如氧气或二氧化碳气这样的活性气体与氩、氦等惰性气体混合的混合气体。但是，在过去，通常最普遍地使用廉价且容易得到的二氧化碳气作为保护气体。
在本申请发明所依据的在先发明的“焊接方法”(日本专利第3010211号)中，作为保护气体也使用二氧化碳气或二氧化碳气和其它气体的混合气体。
可是，在使用该低相变温度焊接材料的电弧焊接中，虽然发明者们改变材料组成或焊接温度等条件重新研究，但使高焊接疲劳强度和焊接金属的夏比值同时提高仍存在着困难。
因此，在重新研究的过程中，在使用氩气或氦气或它们的混合气等稀有气体，或者稀有气体和氧气的混合气体代替二氧化碳气作为保护气体时，能使焊接金属的夏比值提高，并且也呈现出疲劳强度良好的情形。这完全是预料之外的情形，由过去的知识、经验完全不能预期。
另外，在这里，在稀有气体以及与其混合的氧气中，当然容许存在不可避免包含的杂质成分。
而且，在以本申请发明的单独稀有气体或稀有气体和氧气的混合气体作为保护气体且使用低相变温度焊接材料的方法中，作为电弧焊接当然可以采用通常的气体金属电弧焊接法，但也可以使用所谓的TIG焊接法(钨惰性气体焊接法)，该方法使用钨作为电极，用惰性气体保护在该钨电极和母材之间产生的电弧周围，利用电弧热熔融从其它途径供给的焊填金属并将其投放在母材上。
关于与稀有气体混合的氧气，其混合比例以体积比计优选在10％以下，而且更优选在8％以下。氧气的添加有利于提高电弧的稳定性。
按照本申请发明，由于利用了使用单独稀有气体或少量氧气与稀有气体混合的保护气体这样简单的手段，就能同时提高疲劳强度和焊接金属的夏比值，因此可以扩大其在过去受到限制的用途的适用范围。
例如，按照先前的“焊接方法”(日本专利第3010211号)，在使用低相变温度焊接材料和以二氧化碳作为主要成分的保护气体的焊接方法中，焊接金属的夏比值是24J，但作为本申请发明一个实施方式的使用由98％氩气和2％氧气的混合气体构成的保护气体进行焊接时，能确认得到的焊接金属的夏比值提高到54J。另外，使用相同的保护气体进行TIG焊接(钨惰性气氛焊接法)时，能确认夏比值为72J。
另外，关于本申请发明中使用的“低相变温度焊接材料”，能使用由发明者提交的在先发明(日本专利第3010211号)中规定的各种组成。在后述的加强焊接的情况下也同样。
即，关于焊接材料，使用在焊接结束时的室温或其附近温度完成马氏体相变膨胀的材料。作为这样的焊接材料，以包含Ni和Cr的合金材料作为更适当例子举出。通常，希望是这样的铁基合金，其化学组成为(重量％)Ni2-20％，Cr2-20，C(碳素)0.5以下，Si0.8以下，Mn2.0以下，Mo0.5以下。
当然根据需要，也可以添加0.5％以下的Nb，Ti，Al，W，Ta，V，Hf，Zr等。但是，除Ni和Cr以外，金属元素的总比例希望在5.0％以下。
下面示出实施例，并详细说明本申请发明。当然，以下的例子不对本发明起限制作用。
表1例示作为焊丝使用的低相变温度焊接材料的含量组成(Fe以外)。
表1
表2是表示保护气体组成和焊接条件的一览表。用实验序号1和2表示使用表1的低相变温度焊接材料的已有发明的方法，实验序号3和4表示本申请发明的方法。
作为已有方法，使用由100％二氧化碳气构成的保护气体(实验序号1)，和使用由80％氩气和20％二氧化碳气的混合气体(实验序号2)构成的两种保护气体。
而且，作为本申请发明的保护气体，使用由98％氩气和2％氧气(实验序号3)构成的保护气体。
并且，使用用于调整TIG焊接适应性的100％氩气(实验序号4)的保护气体。
表2
*1.从和电极本身同心的喷嘴流出惰性气体，边保护电弧不受外部空气影响边进行焊接的方法。
*2.在GMA焊接法中，使用使氧气或二氧化碳气等活性气体与惰性气体混合的保护气体的焊接方法。
*3.在惰性气氛中，在钨电极和母材之间产生电弧，边使母材和焊填金属熔融边进行焊接的方法。
而且，在以这样的焊接条件进行焊接后，测定焊接金属的夏比值，结果在表3中示出。如表3所示，用实验序号1和2表示的已有方法的焊接金属的夏比值分别是20(J)和24(J)，与此相对，利用本申请发明方法进行焊接则夏比值是54(J)，焊接金属的夏比值显著地提高。另外，在应力范围为350MPa的条件下评价SM570Q钢的19mm方钢T形接头的疲劳寿命，结果示于表3中。
而且，在TIG焊接中的焊接金属的夏比值是72(J)，可以确认本申请发明能有效地适用于TIG焊接。
反向散射结果如图5所示(样本尺寸10)。示出的点是从0％到15％HCT。在这个区域中，数据应该是线性的。直线相关性为0.932。这指出在反向散射和HCT之间具有良好的相关性但是没有和声速或衰减的强。
在修正温度和保存性之后，使用反向线性回归分析结果。使用这个线性回归，以90％置信区间计算预测给定声速和衰减系数的HCT、血色素浓度(HGB)，和红细胞计数(RBC)的精确性。结果(如表1所示)表明具有关于声速和HCT及和HGB的精确相关性和设计衰减系数及反向散射和HCT及和HGB的相关性。识别出能够实质上减少试验误差源，从而显著提高精确性。
表1-相关性不确定性RBC的期望精确性假定声速和衰减被同时测量并且用于计算HCT和MCV。在这个情况下可以更为精确地计算RBC，因为它使用的MCV是计算值而不是假定值。
已知的影响相关性精确性的主要误差源包括A.基准细胞计数的不精确性(要求+/-2％)B.测试固定器的空间精确，C.血样的实际量和保存类型中的改变利用已有的加强焊接方法，在边左右摆动焊接线3边上升的过程中，由于一度将要冷却的下侧焊接部材料被通过其上侧的焊接线3反复加热，因此，成为在加强焊接部产生裂纹9的原因。
在此，示出了优选实施方式，在本申请发明中，和已有方法相反，从水平构件(B)的焊接部的上侧开始焊接，边使焊接线呈直线状下降边进行焊接，在最后焊接下侧，以便尽量不经受在焊接时的受热过程。
之所以从上侧向下侧焊接，是因为利用低相变温度焊接材料的粘性高难于熔落的性质，该方法操作简单且散热效果良好。
图1和2例示了本申请发明的焊接方法。水平附加构件(B)的周围用已焊接部材料1进行焊接，该已焊接部材料1周围用由低相变温度焊接材料构成的加强焊接部材料2覆盖。与图4所示的已有焊接方法相反，利用本申请发明的焊接方法，在焊接完水平附加构件(B)的上侧8后，如焊接线3的箭头方向所示，沿附加构件6的侧面向下进行直线状焊接，焊接线3到达附加构件的下侧端部5后，再加强焊接下侧4。
即，按照本申请发明的焊接方法，不是象已有焊接方法那样从下侧开始焊接、边向铁道的Z形转向线那样左右摆动焊接线边使焊接线上升、顺次堆积焊接材料的焊接方法，由于是从上方向下方呈直线状焊接，所以不会产生针对低相变温度焊接材料的受热过程，能防止焊接裂纹。
而且，由于使用低相变温度焊接材料，利用在焊接部附近引发的压缩残留应力的效果，能实现疲劳强度的提高。
例如，实际上，在使用JISSM 570Q钢作为垂直构件(A)、使用和此相同的材料作为水平附加构件(B)及使用焊接材料JISYGW21进行焊接的情况中，按照本申请发明，使用其组成(wt％)为C0.025，Si0.32，Mu0.75，Ni10.0，Cr10.0，Mo0.13，余量为Fe的材料作为加强材料进行加强焊接。
在加强焊接中，焊接电压为28V，焊接电流为180-200A，焊接速度为50-60cm/min，以80％氩气和20％二氧化碳气作为保护气体并以25l/min的流量供给，进行电弧焊接。
其结果是，加强焊接前的疲劳极限是40MPa，加强焊接后变为85MPa。
另一方面，在用前述已有方法进行焊接时，会产生裂纹。
不言而喻，虽然用以上的例子说明了使用保护气体的电弧焊接，但即使在不使用保护气体的被覆电弧焊接的情况下，利用本申请的方法也获得大致相同的效果。
另外，在以上的说明中，出现了“上侧”、“下侧”，这是假设焊接结构为如图1和3所示的将水平附加构件(B)焊接到垂直构件(A)上的情况而规定的。
从而，不言而喻，即使在将该图1和3的结构作为整体旋转设置的焊接结构中，或者在水平附加构件(B)不正交地倾斜焊接的焊接结构中，通过也象图1和3的配置那样考虑，可以适用本申请发明。
在使用低相变温度焊接材料的电弧焊接方法中，可以同时提高焊接疲劳强度和夏比值。
而且，在需要高焊接强度的焊接构件的加强焊接中，提供了能提高疲劳强度同时防止产生焊接裂纹的加强焊接方法。
权利要求
1.一种使用低相变温度焊接材料的焊接方法，其特征在于仅使用稀有气体作为保护气体进行电弧焊接。
2.一种使用低相变温度焊接材料的焊接方法，其特征在于使用稀有气体和氧气的混合气体作为保护气体进行电弧焊接。
3.如权利要求2记载的焊接方法，其特征在于以体积比计，氧气为8％以下。
4.如权利要求1～3中任一项记载的焊接方法，其特征在于是TIG焊接方法。
5.一种使用低相变温度焊接材料的焊接方法，其特征在于在低相变温度焊接材料上，一面避免由于焊接温度引起的受热过程，一面进行加强焊接。
6.如权利要求5记载的使用低相变温度焊接材料的焊接方法，其特征在于从水平附加构件端部的焊接中止端部的上侧经过侧面到下侧进行加强焊接。
7.如权利要求5或6记载的焊接方法，其特征在于边使焊接线呈直线状移动边进行加强焊接。
8.如权利要求5-7中任一项记载的焊接方法，其特征在于是使用低相变温度焊接材料的电弧焊接。
9.如权利要求8记载的焊接方法，其特征在于只使用稀有气体作为保护气体。
10.如权利要求8记载的焊接方法，其特征在于使用稀有气体和氧气的混合气体作为保护气体。
11.如权利要求10记载的焊接方法，其特征在于氧气的体积比在8％以下。
全文摘要
在使用低相变温度焊接材料的电弧焊接方法中，为了同时提高焊接疲劳强度和夏比值，仅使用稀有气体或者使用稀有气体和少量氧气的混合气体作为保护气体，而且，在使用低相变温度焊接材料的加强焊接中，为了同时提高疲劳强度和防止焊接裂纹，通过使焊接线呈直线状移动抑制低相变温度焊接材料的受热过程。
文档编号B23K35/38GK1681616SQ0382135
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月9日 优先权日2002年9月9日
发明者太田昭彦, 铃木直之, 前田芳夫 申请人:独立行政法人物质·材料研究机构