用于mag焊的保护气体、mag焊方法和焊接的结构的制作方法

专利名称：用于mag焊的保护气体、mag焊方法和焊接的结构的制作方法
技术领域：
本文描述的实施方案大体上涉及用于高Cr钢的MAG焊的保护气体、MAG焊方法和焊接的结构。
背景技术：
近年来，倾向于在高温和高压下使用发电机例如发电涡轮、锅炉等，以改善其热效率。因此，已开发出在高温下具有优异强度的高Cr钢(例如，9Cr钢和12Cr钢)，作为发电机的构成材料。焊接可用于制造发电机，并且现已开发出高Cr钢焊接技术。例如，开发了通过将稀土金属包含入用于高Cr钢的MAG焊的焊接材料中来改善在焊接时电弧的稳定性的技术 (JP-A 2001-219292)。但是，当上述焊接材料包含优选的稀土金属含量时未必易于生产上述焊接材料， 且与普通的高Cr钢MAG焊材料相比，其成本变高，并且难以保证窄间隙焊质量。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于MAG焊的保护气体，MAG焊方法、以及窄间隙焊质量得到改善的焊接的结构。根据一个实施方案，用于MAG焊的保护气体是用于通过使用包含8重量％至13重量％ Cr的固体线材对包含8重量％至13重量％ Cr的高Cr钢一层一次地(one layer-one pass)进行窄间隙焊的MAG焊的保护气体，其包含5体积％至17体积％的二氧化碳气、30 体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气体。根据该实施方案，本文提供了用于MAG焊的保护气体、MAG焊方法，以及窄间隙焊质量得到改善的焊接结构。


图1是显示窄间隙形状的实例的剖面图。图2是显示普通间隙形状的实例的剖面图。图3是显示窄间隙的焊接状态的剖面图。图4是显示实施例1的结果的表格。图5是显示实施例3 (通过使用He-Ar-(X)2三元保护气体焊接)的测试样本的横截面的照片。图6是显示比较例1 (通过使用Ar-(X)2 二元保护气体焊接)的测试样本的横截面的照片。图7是显示用于计算焊接持续时间的参数值的表格。图8是显示实施例2的结果的表格。
具体实施例方式根据一个实施方案，用于MAG焊的保护气体是用于通过使用包含8重量％至13重量％ Cr的固体线材对包含8重量％至13重量％ Cr的高Cr钢一层一次地进行窄间隙焊的 MAG焊的保护气体，其包含5体积％至17体积％的二氧化碳气、30体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气体。以下描述了所述实施方式。本发明人已研究了用于高Cr钢的MAG焊的保护气体。结果发现He-Ar-(X)2的三元保护气体可用于实施具有优异的电弧稳定性、焊接金属可湿性和间隙末端渗透性的MAG 焊，即使在窄间隙中也是如此。MAG焊是一种类型的电弧焊。电弧焊在基材和电极(焊条)之间产生电弧放电，以通过在电弧的高温下将所述基材和焊条熔化而将它们连接。MAG焊通过惰性气体和二氧化碳气的保护气体混合物覆盖由电极(焊条)产生的电弧。结果，稳定了电弧，并且防止空气混入熔化的金属中。窄间隙焊是指对具有小角度的间隙的电弧焊，所述具有小角度的间隙通过例如将厚板的末端相对放置或相接触，使所述末端之间具有相对于所述板厚度而言小的间隔而形成。特别注意，在本文中，窄间隙的多层焊接在每层中进行，每层进行一次(一层一次)。应注意，所述“一次”是指沿焊接线(用于指示由焊接形成的焊道(bead)的线，假设其为一条线)的一次焊接操作(从焊接线起点到终点的一次连续焊接)。换而言之，一层一次焊接是指通过沿焊接线的单次焊接操作形成一个焊道层。多层焊接(多层堆积焊接) 是指用于堆叠复数个焊道层的焊接。换而言之，多层焊接重复了通过电弧放电熔化固体线材和在窄间隙中形成一个焊道层的过程，以在窄间隙中形成复数个焊道层。图1是显示窄间隙形状的实例的剖面图。设置例如厚板的基材11和12的端面，以使其底部末端相接触，其间具有间隙13。在间隙13底部，基材11和12之间的间隔Wl (例如，20mm或更小)相对于基材11和12的厚度Hl (例如，50mm)较小(Wl < Hl)。并且，确定由间隙13的壁面(基材11和12的端面)形成的角度θ 1小，例如10° 或更小。图2是显示普通间隙形状的实例的剖面图。设置例如厚板的基材21和22的端面，以使其彼此相对，其间具有间隙23。在此实施例中，间隙23的壁面(基材21和22的端面)之间形成的角度在θ 21和θ 22两个阶段变化。在本文中，当图1中基材11和12的厚度Hl与间隔Wl的比例(W1/H1)为0. 4或更小，且角度Θ1为10°或更小时，所述间隙被称作窄间隙。此外，厚度Hl和间隔Wl还可满足以下条件。当Hl < 200mm时，Wl < 20mm ；且当 Hl > 200mm 时，Wl 彡 30mm。如图2所示，当角度θ 1不恒定时(例如，当其在复数个阶段变化时)，将实际上最大的角度确定为角度θ 1。在图1中，基材11和12的底部末端相互接触，但是，即使基材11和12的底部末端没有相互接触，该间隙也可以被称作窄间隙。图3是显示窄间隙的焊接的状态的剖面图。设置例如厚板的基材31和32的端面， 以使其间具有间隙33。将背衬板34设置在基材31和32的底部。焊道41至43设置在间隙33中。设置焊道41至43以使一层中有一个焊道(在图纸中的垂直方向)，从而使该焊接在各层中为三层焊接，且一层一次。人们认为，当焊道41至43具有的宽度W31相对于基材31和32之间的间隔W30 足够大时，基材31和32之间的焊接具有充足的渗透深度。在图3中，焊线的方向与图纸垂直，间隙的方向指向图纸上方。该高Cr钢是包含作为主要成分的铁和相对较高浓度的Cr (8-13质量％ )的合金材料。Cr是对于改善金属材料的耐腐蚀性、抗氧化性和抗蠕变强度而言重要的元素。当Cr 少于8重量％时，其提供耐腐蚀性等的作用较低。并且，当Cr为13重量％或更多时，δ铁素体结晶化，且强度和脆性下降。因此，在用于发电机(发电锅炉和涡轮部分)等的高温高压下使用的高Cr钢通常包含8-13%的Cr。更优选地，高Cr钢包含8. 5-11重量％的Cr含量。根据下文所述的实施方案，用于MAG焊的保护气体可优选施用于包含8. 5-11重量％ Cr的高Cr钢的MAG焊。对于高Cr钢焊接，使用类似组成金属(相同类型的金属)的包含8-13重量％ (或 8. 5-11重量％ ) Cr的线材(焊条)(类似组成金属焊接)。但是，与低碳钢等相比，高Cr钢的焊接不一定易于实施，窄间隙焊(特别是窄间隙中的多层(堆积)焊接)是困难的。考虑通过使用用于MAG焊的普通保护气体(氩气中包含20体积％二氧化碳气的混合气)而进行的高Cr钢的窄间隙焊。在这种情况下，高Cr钢的溶渣过于坚硬，从而难以从间隙末端除去熔渣，并且熔渣在下一次焊接时不浮起，易于在间隙末端产生夹渣。并且，由于焊道的可湿性差，焊道易于具有凸起的形状，并且易于产生焊接缺陷例如熔合缺陷等。根据实施方案，用于MAG焊的保护气体包括5体积％至17体积％的二氧化碳气、 30体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气。下文描述了限定用于MAG焊的保护气体的成分的原因。为了 MAG焊的电弧稳定性，重要的是在保护气体中包含氧化气体，例如氧气或二氧化碳气。在MAG焊中为了稳定电弧，重要的是稳定地形成电弧的阴极斑点，而当阳极侧存在氧化物时，更容易地产生阴极斑点。当保护气体仅由惰性气体例如氩气或氦气组成时，阳极侧的气氛不包含氧化气体，因此焊池表面上及附近的氧化物的形成不佳，且难以稳定阴极斑点。结果是电弧行为变得不稳定，导致电弧的过度伸展、电弧不稳定等。特别地，电弧在窄间隙中过度伸展，或电弧在间隙壁上爬升，并且电弧易于变得不稳定。当电弧变得不稳定时，发生焊接缺陷或问题，例如间隙末端的熔合缺陷、焊道形状缺陷或溅出物生成等。当保护气体包含二氧化碳气时，通过二氧化碳气的氧化能力产生成为阴极斑点的起因的氧化物，并稳定阴极斑点。通过包含二氧化碳气，电弧本身通过热收缩效应而收缩， 且电弧刚性和方向性也得到改善。因此，当保护气体包含二氧化碳气时，电弧稳定性得到改善，溅出物生成减少，并且能够有效地熔化间隙的末端。因为电弧稳定性不充分，因此如果二氧化碳气浓度低于5体积％则是不优选的； 并且因为溅出增加，因此如果其超过17体积％则是不优选的。换而言之，如果二氧化碳气含量过大，则电弧受到过度地收缩，液滴从焊条的分离受到干扰，电弧变得不稳定，且溅出增加。根据所述实施方案，所述保护气体的二氧化碳气含量小于用于MAG焊的普通保护气体(氩气中包含20体积％二氧化碳气的混合气)。因此，保护气体的氧化力稍稍变弱，焊道的氧化以及焊道表面上熔渣的生成减少。当使用氧气作为氧化气体时，其氧化力过大，且焊接外观和向基材内的渗透并不一定好。因此，根据所述实施方案，不使用氧气作为用于MAG焊的保护气体的氧化气体。与氩气相比，氦气具有大的电势梯度，从而使电弧电压在焊接时变大，并且由电弧导致的产热增加。结果，进入基材的热输入增加，促进了基材的熔化，基材熔化量增加，并且渗透变深。在窄间隙的情况下，间隙末端也可充分熔化，从而获得充分的渗透，且熔合缺陷减少。当基材的熔化量增大时，还促进从熔池产生金属蒸汽，其可有效改善电弧的稳定性， 从而也在一定程度上改善了电弧稳定性。因为由电弧导致的产热增加，基材也通过热传导被加热，由低氦气密度导致的在电弧放电时熔池表面上的电弧力下降还起到改善焊接金属 (焊道)的可湿性的作用。当氦气浓度低于30体积％时，渗透的增加及可湿性的改善不充分。同时，当氦气浓度超过80体积％时，在焊接开始时变得难以产生电弧(电弧起始性变差)，且氦气密度低，因此对抗大气的保护性质变差(大气变得容易混入熔化的金属)。如上所述，作为用于高Cr钢的窄间隙焊的保护气体，适合地使用5体积％至17体积％的二氧化碳气、30体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气体。所述三元混合气体可用于使用MAG焊的高Cr钢的窄间隙焊。优选在包括以下的焊接条件下实施脉冲MAG焊350-500A的峰电流、40-100A的基线电流和100-400HZ的脉冲频率。可通过使用脉冲MAG焊减少溅出物和烟。峰电流有助于保证电磁箍缩力以及液滴从焊条的分离。当峰电流小于350A时，由于电磁箍缩力弱，因此在液滴变大前，液滴难以从焊条分离。结果，由于偏离了一脉冲-一液滴转移(one pulse-one droplet transfer)，可能产生大量的溅出物和烟。并且，当峰电流超过500A时，推高液滴的电弧力变强，从而使液滴从焊条的有规律地分离变得困难，导致一脉冲-复数个液滴转移。基线电流通过延续电弧而有助于稳定的液滴成形。当基线电流小于40A时，存在电弧消失或发生短路的趋势。当基线电流超过100A时，有助于液滴转移的电弧力变大，液滴摇动且稳定的液滴成形变得困难。脉冲频率影响每个脉冲的液滴大小以及脉冲和液滴转移之间的同步率。当脉冲频率低于IOOHz时，每个脉冲的液滴变的过大，并且倾向于在液滴和熔池直接发生短路。并且，当脉冲频率超过400Hz时，液滴的转移偏离一脉冲-一液滴转移，并且不与脉冲同步。脉冲焊接条件影响液滴转移的模式，且因此影响溅出物和烟的产生以及焊接缺陷的产生。换而言之，当平均电流过小时，窄间隙焊对间隙末端中的渗透变差，并且发生熔合缺陷等。当平均电流过大时，熔池的冷却速率变慢且出现过热裂缝。如上所述，对于用于高Cr钢的脉冲MAG焊条件，350-500A的峰电流、40-100A的基线电流和100-400HZ的脉冲频率是适合的。通过使用三元混合气体，更易于在高Cr钢的MAG焊中的所有位置安排焊接姿势。 所述所有位置是向下平位、侧位、站立直位和向上位的集合术语。
通常，在侧位、站立直位和向上位中，特别是在向上位中，熔池受到重力的下垂作用，可湿性下降，并且焊道倾向于具有凸起的形状。当使用多层堆积焊接以在凸起形焊道上进行焊接时，导致焊接缺陷例如熔合缺陷。因此，当使用三元混合气体时，甚至可以通过所有位置焊接进行焊接而不损害焊接金属的可湿性。向下位是指焊线方向基本水平，并且间隙方向向上(工人的方向向下)。向上位是指焊线方向基本水平，并且间隙方向向下(工人的方向向上)。侧位是指焊线方向基本水平，并且间隙方向基本水平(工人的方向为横向)。且站立直位是指焊线方向基本垂直。如上所述，当通过使用包含8重量％至13重量％ Cr的固体线材对包含8重量％ 至13重量％ Cr的高Cr钢一层一次地进行窄间隙焊时，期望使用5体积％至17体积％的二氧化碳气、30体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气体作为保护气体。即使在窄间隙中，仍可实施具有优异的电弧稳定性、焊接金属可湿性和间隙末端渗透性的焊接。下文参考实施例描述了根据实施方案的适合用于高Cr钢的MAG焊的保护气体。实施例实施例1为了确认实施方案的保护气体的特征和效果，对各种特征进行验证试验。通过使用9Cr钢板在窄间隙中进行MAG焊。使用He气、(X)2气和Ar气的三元混合气体作为保护气体，且其组成(体积％)变化。对电弧稳定性、氧化程度、熔渣生成量、可湿性、溅出物生成量和渗透深度进行评价。测试中的焊接条件如下。<焊接条件>*焊接方法窄间隙MAG焊，每层一次*焊接基材等同于A182 F91 (ASTM)* 焊条等同于 AWS A5. 28ER90S-B9，直径 1. 2mm* 峰电流400-500A* 基线电流50-70A* 脉冲频率100-200Hz* 焊接电压 J8-32V为了阐明通过使用实施方案的保护气体的MAG焊获得的特征，通过使用常规用作 MAG焊的保护气体的在Ar气中包含20体积％ CO2气的混合气体和Ar-He 二元混合气体进行焊接，作为比较例。评价各个测试项目，并分成四个等级极好(“G3”)、好(“G2”)、良(“G1”)和差(“GO，，)。(1)电弧稳定性在焊接时目测观察电弧，根据电弧的时间变化判断其稳定性。(2)氧化程度目测观察焊接后的焊道外观，并根据焊道的变色程度判断氧化程度。(3)熔渣生成量目测观察焊接后的焊道外观，并根据占据焊道的熔渣的面积判断熔渣生成量。(4)可湿性
目测观察焊接后的焊道外观，并根据间隙中的焊道形状判断可湿性。当焊道具有凹入的形状时，间隙中焊道的可湿性好；而当焊道具有凸起的形状(凸起焊道)时，间隙中焊道的可湿性差。(5)溅出物生成量目测观察焊接后的焊道外观，并根据占据焊道的溅出物的面积判断溅出物生成量。(6)渗透深度基于图3中焊道41至43的宽度W31与基材31和32之间的间隔W30的比例(W31/ W30)将渗透深度评价为四个等级。将宽度W31确定为焊道41和42之间的边界在水平方向上的宽度。评价结果显示于图4中。由于添加二氧化碳气，与Ar-He的二元保护气体相比较，实施方案的He-Ar-(X)2三元保护气体的电弧稳定性大大改善。Ar-He的二元保护气体不包含氧化气体，因此其氧化程度和熔渣生成量好，但阴极斑点变得不稳定，电弧不稳定，并且溅出物的量相当大。当二氧化碳气为约3体积％时，电弧稳定性不足，但当二氧化碳气为5体积％或更多时，电弧稳定性好。根据实施方案，He-Ar-CO2三元保护气体具有15体积％或更少的二氧化碳气含量，且二氧化碳含量小于具有80体积％ Ar和20体积％ CO2的保护气体。在使用实施方案的三元保护气体时，氧化程度、熔渣生成量和溅出物生成量变少。当溅出物生成量大时，制造并不理想，这不仅是因为质量差，而且是因为接触端、保护气体喷嘴等严重磨损， 导致其更换频率增加。此外，由于He是惰性气体，其对焊接金属的机械性质影响小，焊接金属的抗拉强度与使用80体积％ Ar和20体积％ CO2的气体焊接的焊接金属相同。并且，因为焊接金属中氧的量较小，因此可以认为当使用实施方案的He-Ar-(X)2三元保护气体时，韧性通常改善得更多。图5和图6是显示通过实施例3 (He-Ar-CO2三元保护气体)和比较例1 (Ar-O)2 二元保护气体)焊接的测试样本的横截面的照片。在实施例3和比较例1中一层一次地形成三层焊道BOl至B03和Bll至B13。如图5所示，在实施例3中，可湿性好(焊道B03在其顶部具有凹入的形状)，没有观察到夹渣，且渗透深度好。由图6可见，在比较例1中，可湿性差(焊道B13在其顶部具有凸起的形状)，由于夹渣，在间隙末端出现焊接缺陷Sl和S2，并且间隙中的渗透也不好。 如图6所示，当焊道具有凸起的形状(可湿性不好)时，在焊道的外周部Al中形成凹面，从而产生焊接缺陷例如夹渣等的起因。另一方面，如图5所示，当焊道具有凹入的形状(可湿性好)时，焊道的外周部AO中不易形成凹面，并且不容易导致焊接缺陷例如夹渣等。实施例2下文描述了使用实施方案的He-Ar-(X)2三元保护气体在以发电锅炉和涡轮为代表的结构上的焊接工作的实例。近年来，为了改善热效率，倾向于在高温和高压下使用发电机例如发电涡轮、锅炉等。因此，对于发电机的构成材料，现已开发出在高温下具有优异强度的高Cr钢(例如9Cr 钢或12Cr钢)。发电机组成元件的典型实例包括涡轮管道(其为锅炉中产生的高温和高压蒸汽的通道)、阀门、涡轮喷嘴等。通常，当上述高Cr钢焊接的结构在工厂中制造及其在现场安装时，其通常通过具有良好的焊接可加工性和质量的自动保护金属极电弧焊或TIG焊接来焊接。但上述焊接方法的焊接效率与MAG焊相比较差。因此，使用实施方案的He-Ar-(X)2三元保护气体使得可能通过具有良好的焊接可加工性和质量的MAG焊来焊接上述高Cr钢结构，并且能够降低制造成本。并且还能够通过将间隙设计为窄间隙来进一步降低制造成本。为了定量评价制造成本的降低，以实施例的方式描述涡轮管道的全方位焊接。选择自动保护金属极电弧焊、自动TIG焊接以及使用实施方案的He-Ar-(X)2三元保护气体的自动MAG焊作为焊接方法。并且比较通过上述三种方法获得的结果。涡轮管道的大小确定为500A且厚度为50t，其用于主蒸汽导管等。图7显示了用于计算焊接持续时间的参数值。在图1和图2中，实施例中的窄间隙和普通间隙确定为具有角度θ1 = 1-6°、 θ 21 = 60-90° 且 θ 22 = 10-30°，间隔 Wl = 4-12mm 且 W2 = 2_6mm，且厚度 Hl = H2 = 50mm。窄间隙(图1)和普通间隙(图2)具有约500mm2和约1500mm2的间隙横截面面积。对于TIG焊接，选择广泛用于进行所有位置自动TIG管道焊接的窄间隙。并且， 对于MAG焊，选择与用于TIG焊接的窄间隙相同的窄间隙(通常，具有窄间隙的高Cr钢的所有位置自动焊接的可湿性和间隙末端渗透差，并且其难以实施，但通过使用实施方案的 He-Ar-CO2三元保护气体使得可以实施窄间隙焊)。在自动保护金属极电弧焊中，间隙横截面面积确定为比窄间隙横截面面积大3倍。并且，选择沉积量、沉积效率和电弧时间比例， 使其为本焊接工作的各种焊接方法中使用的通用数值。图8显示了根据图7的参数计算的焊接持续时间。用于计算所需焊接量(以mm3 计)的焊线长度确定为约800mm。如图8所示，使用实施方案的He-Ar-(X)2三元保护气体的自动MAG焊的应用使得能够在自动保护金属极电弧焊持续时间的约1/13和TIG焊接持续时间的约1/4内进行焊
接工作。尽管已经描述了某些实施方案，但是这些实施方式仅以实施例的方式提出，并且并非意图限制本发明的范围。实际上，本文所述的新实施方案可以以多种其他形式体现；此外，可以以本文所述实施方式的形式进行各种省略、取代和改变而不脱离本发明的精神。所附的权利要求书及其等同物意图覆盖落入本发明的范围和精神之内的所述形式或修改。
权利要求
1.用于MAG焊的保护气体，其中所述MAG焊用于通过使用包含8重量％至13重量％ Cr的固体线材对包含8重量％至13重量％ Cr的高Cr钢一层一次地进行窄间隙焊，其中所述保护气体包含5体积％至17体积％的二氧化碳气、30体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气体。
2.MAG焊方法，其包括制备一对由包含8重量％至13重量％ Cr的高Cr钢制成的基材，并将其设置以使其间具有窄间隙；和通过使用包含5体积％至17体积％的二氧化碳气、30体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气体的保护气体，和包含8重量％至13重量％的Cr的固体线材对所述一对基材进行电弧焊。
3.如权利要求2所述的MAG焊方法，其中所述电弧焊步骤包括通过重复使用电弧放电熔化所述固体线材从而在所述窄间隙中形成单个焊道层的步骤而在所述窄间隙中形成复数个焊道层的步骤。
4.如权利要求3所述的MAG焊方法，其中在焊道层形成步骤中，通过沿焊线仅扫描一次而形成所述单个焊道层。
5.如权利要求2所述的MAG焊方法，其中所述电弧焊步骤包括在350-500A的峰电流、40-100A的基线电流和100_400Hz的脉冲频率下，通过电弧放电而脉冲MAG焊所述一对基材的步骤。
6.如权利要求2所述的MAG焊方法，其中所述电弧焊步骤中的焊接姿势是所有位置。
7.如权利要求6所述的MAG焊方法，其中所述焊接姿势是侧位、站立直位和向上位中的一个。
8.如权利要求2所述的MAG焊方法，其中在所述窄间隙中所述一对基材之间形成的角度为10°或更小。
9.通过使用如权利要求1所述的用于MAG焊的保护气体制造的焊接的结构。
10.通过使用如权利要求2所述的MAG焊方法制造的焊接的结构。
全文摘要
根据一个实施方案，用于MAG焊的保护气体是用于通过使用包含8重量％至13重量％Cr的固体线材对包含8重量％至13重量％Cr的高Cr钢一层一次地进行窄间隙焊的MAG焊的保护气体，并且所述用于MAG焊的保护气体包含5体积％至17体积％的二氧化碳气、30体积％至80体积％的氦气和余量的氩气的三元混合气体。
文档编号B23K9/16GK102211243SQ20111009023
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月8日 优先权日2010年4月9日
发明者上条康仁, 和田胜则, 浅井知, 高桥诚 申请人:大阳日酸株式会社, 株式会社东芝