双电极焊接法的制作方法

专利名称：双电极焊接法的制作方法
技术领域：
本发明涉及双电极焊接法,其在气体保护的串列多弧焊法(tandem welding)中，线能量附近的熔敷效率高，焊接金属的机械的性能优异，此外通过大幅降低历来无法避免的电极间电弧干扰的问题，能够减少飞溅的发生。
背景技术：
气体保护电弧焊法是现在最通用且普及的焊接技术，但要求更高效率化。气体保护电弧焊大致分为熔化极式的MAG(Metal Active Gas :熔化极活性气体保护焊)、MIG (Metal Inert Gas :熔化极隋性气体保护焊)焊接法,和非熔化极式的TIG (TungstenInert Gas :钨极惰性气体保护焊)焊接法。其中，虽然在效率方面MG、MIG焊接法优异得 多，但其进行的是各自高效率化的开发。在此，为了达成在实现高效率化上效果最显著的高熔敷化带来的焊道数的削减，需要在短时间内送给更多的焊丝并使之熔融。在MAG、MIG焊接法中，若以单电极焊丝提高其送给速度，则焊丝过剩发热而在电弧到达前熔融，造成悬垂液滴不稳定，使飞溅大量发生。另外，送丝辊的转速变高，速度本身变得不稳定，会对电弧造成影响。此外，高电流化导致电弧力过剩，熔池被深挖而呈现熔汤流动不良，发生咬边和驼峰缺陷，引起焊道的扩展劣化等的问题。因此，提高送给速度存在局限。因此，一直以来，以下所示的焊接法也被进行。〈1-1:串联电弧焊〉考虑有串联电弧焊法，其是使电极数为2个而分别使电弧发生，以增多焊丝熔融量的合计，该方法目前普及(例如，参照专利文献I 4)。但是，2个电极靠近这样的焊接法，存在电弧干扰这样的严峻课题。即，在电流流动的导线的周围发生旋转方向的磁场，若2个电极靠近，则互相干扰，由此导致电流的正、负方向为同方向时靠近，逆方向时排斥力起作用。因此电弧的方向也受到影响，指向方向不稳定，从焊丝过渡到熔池的熔滴也受其影响而吹散，大量的飞溅发生。为了减轻这一问题而设计出如下等对策，对于电流使用脉冲，并且调节相位，或者通过电压调整来缩短电弧长度。但是，这些对策无法成为根本性的改善策略，飞溅的问题依然没得到解决。另外，如果扩展极间距离，则电弧干扰减少，飞溅降低，但却存在如下问题对于弯曲的焊接物不能追随；使焊接装置大型化而不能进入狭窄部；在焊接始端终端部，熔敷不足部增加。另夕卜，从使用方便的观点出发，极间距离越接近，焊接装置越小型化，因此优选。此外，如果在双电极之中降低单侧的电流，则对高电流侧的电弧造成的影响变小，飞溅降低，但反之，低电流侧的电弧不但电弧力变弱，而且还会受到高电流侧的强烈的电弧干扰，因此飞溅反而增大。因此，作为飞溅的合计量来说，没有实现飞溅的降低。如上，在串联电弧焊法中，至今还没有改善因电弧干扰造成的飞溅的问题。另一方面，从给焊接金属的性能带来的影响面看，也不优选串联电弧焊法。S卩，因为从两条焊丝发生电弧，所以施加到母材上电弧热总量多，焊接金属部的冷却速度下降，结晶组织粗大化，强度、韧性等容易降低。〈1-2:热丝 TIG 焊〉另一方面，在作为发生电弧的电极、即钨电极与填充焊丝分开的TIG焊接法中，若为了提高焊丝熔融速度而提高TIG的电弧电流，则由于钨电极的加热导致前端熔融而损耗。因此，不能那么提高熔融能量。因此，为了易于熔化作为焊丝的填充料，通常设计的方案是，对于不带电的焊丝和焊接棒进行通电，以其电阻发热提高温度而使熔融特性提高(例如，参照专利文献5、6)。在此，TIG具有大体上不发生飞溅的长处。但是却存在以下这样的课题，即TIG的电弧电流不怎么高，因此若对填充料通电，则在其磁干扰下，TIG电弧容易丧失指向性，变得不稳定，容易发生未焊透。另外，TIG焊接法因为是非熔化极式的，所以在原理上熔敷速度低，不管熔化填充料怎么容易，也无法给MAG、MIG焊接带来效率，还是要期望由MAG、MIG焊接实现更高效率化。〈1-3:热丝 MAG>
因此设计出如下技术，其是将对于TIG中的填充材料进行填充料通电化的技术应用于MAG、MIG焊接的技术(例如，参照专利文献7 9)。因为填充料的熔融在熔池内进行，所以在电弧内不形成熔滴，由此，不论通电电流的高低都不会发生飞溅。因此期望的是提高通电电流而使填充焊丝的温度进一步上升，从而提高熔融速度。但是，与TIG的情况相同，由于填充料通电电流，还是会导致先行电极的电弧受到影响。因此，虽然像串联电弧焊法这样，飞溅从两电极都没有发生，但是电弧极还是存在飞溅发生增大这样的课题。针对这一课题设计的对策是，使电弧极和通电填充料极脉冲化等，但依然达到不显著改善。另外，关于线能量，因为填充料极不发生电弧，所以若与串联电弧相比，虽然线能量上升得到抑制，但尽管如此，若为了高效率化而提高填充料通电电流，则总热量还是会变高，强度、韧性等仍然容易降低。〈1-4:双丝焊〉在热丝MAG中，在双电极之中以单侧作为通电填充料的方法中，使用的是以独立的2台焊接机分别向电弧极和填充料极供给电流的方法。在此，作为热丝MAG的相似技术，除了以2台焊接机进行电流供给的方法以外，还设计有利用简单装置的执行方法，即，使用I台焊接机，使先行电极的电弧电流的一部分流而供给到后行电极的通电填充料(例如，参照专利文献10、11)。但是，本方法也与上述同样地存在电弧干扰的问题，即先行电极的电弧受到干扰，飞溅发生。除此之外，因为分流配电到后行电极的填充料上的电流不是固定值，而是在先行电极的电流中占一定比例，所以直接受到先行电极的电流的变动的影响。因此，电流达不到固定而不稳定，填充料容易有未熔合的问题。另外，在原理上先行电极的电弧极与后行电极的填充料极的电流方向的相位相反，例如在先行电极中，如果焊丝为“ + ”，并且母材为则后行电极，焊丝为并且母材为“ + ”。如果电流方向的相位像这样相反，则彼此相互排斥的干扰力起作用，先行电极的电弧将朝向焊接行进方向前方。如果电弧朝向前方，则将正下方的熔池推向前方，使挖掘力衰减，因此存在未焊透的问题容易发生这样的课题。另外，因为飞溅不是朝向熔池的，而是朝向前方的未焊接部飞散，所以也有对工件的附着飞溅量增加的问题。关于线能量，与热丝MAG同样，因为填充料极不发生电弧，所以若与串联电弧相比，则线能量上升得到抑制，但尽管如此，若为了高效率化而提高填充料通电电流，则总热量还是会变高，强度、韧性等仍然容易降低。〈1-5:焊丝的种类〉一般由双电极形成一个熔池的上述焊接法的情况下，从其使用方便的方面出发，大部分是适用同样的焊丝。但是，先行电极为电弧极，后行电极为填充料极的这种类型的双电极法的情况下，因为先行电极所要求的功能与后行电极所要求的功能不同，所以若适用同样的焊丝，则有发生问题的情况。例如，电弧极、填充料极均为实芯焊丝时，填充料极其焊丝难以熔融，容易发生熔化残留这一不良现象。另外，因为填充料极不存在电弧，所以在高温电弧空间中发生的气氛气体与熔滴(即，焊丝熔融液体)的接触引起的氧化反应几乎不会发生(参照图5(a)、(b))。因此，若将含有Ti这样的氧亲和性强的还原元素的、电弧极用最优化的组成的焊丝适用于填充料极，则由于不经过“在还原元素氧化之后，作为熔渣被排出”这样的过程，所以其在焊接金属内作为过剩的夹杂物(即Ti粒子)残留，使韧性显著 劣化。另一方面，若要使焊接金属高强度化和高韧性化，则一般需要从焊丝添加提高淬火性的Mo和B这样的元素。但是，若将这些元素添加到实芯焊丝中，则焊丝的拉丝性降低，因此在其制造工序中产生反复退火/酸洗的需要，有造成高成本的问题。如果是药芯焊丝，则能够添加这些元素而不对拉丝性造成影响，但是若将这样的药芯焊丝作为电弧极使用，则与实芯焊丝，有熔透深度浅的缺点。专利文献I特开2004-1033号公报专利文献2特开2003-053545号公报专利文献3专利第4089755号公报专利文献4特开2006-247695号公报专利文献5专利第2610819号公报专利文献6专利第4151777号公报专利文献7特开2004-148369号公报专利文献8专利第3185071号公报专利文献9特开平2-169183号公报专利文献10特开平3-275280号公报专利文献11国际公开WO02/018086号公报

发明内容
如此，历来关于气体保护电弧焊公开有各种焊接法。但是如前述，在各种焊接法中分别有问题点。另外，关于焊丝的种类也有问题。因此，期望解决这些问题的焊接法得到开发。本发明是鉴于这些状况而开发的技术，其课题在于，提供一种完全满足如下事项的革新性的焊接法(a)由双电极熔化极式带来高熔敷速度化；(b)通过减少电弧干扰抑制总飞溅量；(C)通过缩短电极间距离改善使用便利性；(d)确实的焊丝熔融；(e)结晶组织微细而健全的、即高韧性的焊接金属的生成；(f)低线能量并且高熔敷。其课题在于，提供一种焊接法，还优选(g)能够得到夹杂物少的健全的焊接金属；(h)能够采用廉价的焊丝；(i)能够达成大的熔透深度。
本发明的双电极焊接法，具有从单体的焊接电源分别供给电流的焊丝状的2个熔化极式电极，由作为行进方向先行的电极的先行电极的先行电极焊丝形成熔池，将作为行进方向后行的电极的后行电极的后行电极焊丝插入所述熔池而形成I个熔池，在所述双电极焊接法中，其特征在于，所述先行电极进行使电弧发生而使所述先行电极焊丝熔融的气体保护电弧焊，所述后行电极是通电填充料，其不使电弧发生，而是利用通电形成的电阻发热使所述后行电极焊丝的温度上升，在所述熔池中插入所述后行电极焊丝后，借助所述熔池的热传导而使所述后行电极焊丝熔融，在所述后行电极中，配备有引导线(引导线)或引导嘴(力' 4 K千'y 7° )，其没有通电功能，只有决定向所述熔池插入的插入位置的功能，所述后行电极焊丝，从所述引导线 或所述引导嘴突出，并且，从所述引导线或所述引导嘴的设于焊接机侧的位置的通电嘴通电，所述通电嘴的被焊接面侧的前端与所述被焊接面上的距离队为IOOmm以上、1500mm以下，所述被焊接面上的所述先行电极与所述后行电极的极间距离De为IOmm以下，所述先行电极的电流为250A以上，所述后行电极的电流为IOA以上，并且相对于所述先行电极的电流为50%以下，所述后行电极焊丝的送给速度是所述先行电极焊丝的送给速度的20%以上、50%以下。根据这一焊接方法，在以先行电极为电弧极，以后行电极为填充料极的双电极焊接法中，使通电嘴的被焊接面侧的前端与所述被焊接面上的距离队为IOOmm以上、1500mm以下，不会对焊丝送给造成障碍，并且在低电流下，电阻发热量也很大，后行电极焊丝得到充分地加热。另外，使极间距离叫为IOmm以下，后行电极焊丝的熔融速度提高。此外，使先行电极的电流为250A以上，不会使飞溅增加，又能够得到为了使后行电极焊丝熔融而取得充分的熔池的厚度的电弧力。而且，使后行电极的电流为IOA以上，不会产生加热不均匀，后行电极焊丝确实地熔融，使之相对于先行电极的电流为50%以下，则先行电极的电弧难以受到后行电极的磁干扰对其的影响，飞溅的发生得到降低。另外，使后行电极焊丝的送给速度为先行电极焊丝的送给速度的20%以上，熔池的冷却效果充分，熔融金属的韧性提高，而在50%以下，则后行电极焊丝的熔化残留的发生得到抑制。本发明的双电极焊接法，优选所述先行电极焊丝和所述后行电极焊丝的电流极性，相对于母材均为正，或者均为负。若是如此，则飞溅的发生得到进一步降低，并且熔深变深。另外，优选所述先行电极焊丝为实芯焊丝或药芯焊丝，所述后行电极焊丝为药芯焊丝，并且所述后行电极焊丝的焊剂率为10质量％以上。若是如此，通过使后行电极焊丝为药芯焊丝，使焊剂率为10质量％以上，则后行电极焊丝容易熔融。此外，在所述先行电极焊丝的组成之中，设Ti量(质量％)为[Ti]y在所述后行电极焊丝的组成之中，设Ti量(质量％)为[打1时，优选[Ti]L+3*[Ti]TS0. 10以上O. 50以下。若是如此，则焊接金属内不会过剩地存在夹杂物，焊接金属的韧性提高。而且，所述[Ti]L优选为O. 10质量％以上、O. 50质量％以下。若是如此，则能够进一步降低飞溅的发生。另外，作为所述后行电极焊丝的组成，以焊丝总质量换算，优选含有B :0. 0020质量％以上、O. 0500质量％以下，Mo :0. 10质量％以上、I. 00质量％以下之中的一种以上。
若是如此，则不会使制造成本上升，而能够实现焊接金属的高强度化、高韧性化。根据本发明 ，能够使熔敷速度高速化，能够使焊接效率提高。另外，能够降低飞溅发生量，此外还能够得到高韧性的焊接金属。另外，能够达成确实的焊丝熔融，以及实现焊接装置的小型化。此外，通过成为优选的方式，能够实现大的熔透深度，以及实现廉价焊丝的采用。


图I是模式化地表示用于进行本发明的双电极焊接法的焊接装置的一例的概略的模式图，(a)表示关于在后行电极中配备引导线的结构，(b)表示关于在后行电极中配备引导嘴的结构。图2是表示先行电极的电流和后行电极的电流的关系标绘图。图3是表示先行电极的焊丝送给速度和后行电极的焊丝送给速度的关系的标绘图。图4是表示先行电极焊丝的Ti量[TiL和后行电极焊丝的Ti量[Ti]T的关系的标绘图。图5是用于对焊丝的熔融进行说明的模式图，(a)表示关于焊丝的电弧熔融，(b)表示关于焊丝的填充料熔融。
具体实施例方式以下，对于本发明的实施的方式进行详细说明。本发明的双电极焊接法，是具有从单体的焊接电源分别供给电流的焊丝状的2个熔化极式电极，由作为行进方向先行的电极、即先行电极(以下适宜称为电弧极)的先行电极焊丝形成熔池，将作为行进方向后行的电极、即后行电极(以下适宜称为填充料极)的后行电极焊丝(以下适宜称为填充焊丝)插入所述熔池而形成I个熔池的焊接法。首先，就用于进行本发明的双电极焊接法的焊接装置的概略进行说明。[焊接装置]如图1(a)、(b)所示，焊接装置I (la、Ib)主要具有如下送丝辊2a、2b ;焊接电源(即焊接机)3a,3b ;从前端供给作为先行电极的焊丝、即先行电极焊丝4a的先行电极焊炬5a ;从前端供给作为后行电极的焊丝、即后行电极焊丝4b的后行电极焊炬5b。送丝辊2a是用于将先行电极焊丝4a送给到先行电极焊炬5a的装置，送丝辊2b是用于将后行电极焊丝4b送给到后行电极焊炬5b的装置。虽未图示，但送丝辊2a、2b经由焊接控制装置，分别与焊接电源3a、3b连接。于是，若焊接控制装置将指令信号输出到焊接电源3a，则送丝辊2a受到焊接电源3a驱动，先行电极焊丝4a被送给到先行电极焊炬5a。另外，若焊接控制装置将指令信号输出到焊接电源3b，则送丝辊2b受到焊接电源3b驱动，后行电极焊丝4b被送给到后行电极焊炬5b。焊接电源3a，向送出先行电极焊丝4a的送丝辊2a输出旋转控制信号而进行驱动，并且是用于向先行电极焊丝4a供给焊接电流的电源。焊接电源3b，向送出后行电极焊丝4b的送丝辊2b输入旋转控制信号而进行驱动，并且是用于向后行电极焊丝4b供给填充料电流的电源。
先行电极焊炬5a，通过送丝辊2a的驱动，对于母材(即被焊接构件)W供给先行电极焊丝4a。其构成为，在先行电极焊炬5a内部设有通电嘴6a，来自焊接电源3a的焊接电流经由该通电嘴6a被供给到先行电极焊丝4a。后行电极焊炬5b，是通过送丝辊2b的驱动，对于熔池M供给后行电极焊丝4b的装置。其构成为，在后行电极焊炬5b设有引导线7或引导嘴8，其没有通电功能，只有决定向熔池M插入的插入位置的功能，后行电极焊丝4b，从引导线7或引导嘴8的被焊接面侧突出。然后，在引导线7或引导嘴8的焊接机侧的位置，S卩，后行电极的被焊接面的相反侧(图I中为焊接电源3b侧)的位置，设有通电嘴6b，来自焊接电源3b的填充料电流经由该通电嘴6b被供给到后行电极焊丝4b。实施方式的双电极焊接法，能够大致区分为如下工序由先行电极焊丝4a形成熔池M的第一工序；将后行电极焊丝4b插入熔池M的第二工序。
在第一工序中，通过先行电极，使用保护气体G，在先行电极焊丝4a和母材W之间使电弧A发生而使先行电极焊丝熔融，形成熔池M。由此进行气体保护电弧焊。在第二工序中，将进行了通电加热的后行电极焊丝4b插入熔池M。后行电极是通电填充料，不会使电弧发生。在后行电极中，首先，借助通电带来的电阻发热而使后行电极焊丝4b的温度上升。而后，在熔池M中插入后行电极焊丝4b后，通过熔池M的热传导使后行电极焊丝4b熔融。经过这2个工序，利用2个熔化极式电极，结果形成I个熔池。然后，本发明规定，在进行该双电极焊接法时，将后行电极的通电嘴6b的被焊接面侧的前端和被焊接面上的距离(即，填充料极的通电距离)Dl规定IOOmm以上、1500mm以下，将被焊接面上的先行电极和后行电极的极间距离De规定为IOmm以下，将先行电极的电流规定为250A以上，将后行电极的电流规定为IOA以上，并且相对于先行电极的电流为50%以下，将后行电极焊丝4b的送给速度规定为先行电极焊丝4a的送给速度的20%以上、50%以下。此外作为优选的方式，对焊丝的种类和焊丝的组成进行规定。在此所谓“被焊接面上”，如图I所示，就是母材或下层焊接金属W的上表面(即，在母材或下层焊接金属W被焊接之处的上表面)，在形成有熔池M之处，是指没有形成熔池M之处的母材或下层焊接金属W的上表面的水平线上的位置。于是，通电距离队为，从通电嘴6b的被焊接面侧(即母材或下层焊接金属W侧)的前端，至后行电极焊丝4b的向被焊接面侧的延长线与母材或下层焊接金属W的上表面的水平线交叉的位置的长度。另外，极间距离De为，从先行电极焊丝4a的向被焊接面侧的延长线与母材或下层焊接金属W的上表面的水平线交叉的位置，至后行电极焊丝4b的向被焊接面侧的延长线与母材或下层焊接金属W的上表面的水平线交叉的位置的长度。还有，之所以为“母材或下层焊接金属W”，是因为在焊接金属的第二层以后，使该层形成时，其下层的焊接金属表面成为填充料极的通电距离队的新的基准面。接着，对于本发明中如此规定的原委进行说明，之后对于各限定理由、其他事项进行说明。[2-1 :关于低飞溅化方法的事项]因为以I个电极焊丝提高熔敷量存在局界，所以使用2个电极焊丝是无可避免的必须技术。此外，为了提高焊丝熔融速度，不论电弧极、填充料极均进行通电加热也是必须技术。在这一前提的情况下，靠近的双电极间的电磁力的相互干扰被认为是无法避免的，为了使其影响最小化，认为需要采取如下二阶段的方法(I)削弱干扰力；(2)即使受到干扰也要避免飞溅。对于(2)来说，由于飞溅就是在电弧空间中过渡的熔滴发生了飞散，所以不形成熔滴的熔融/供给手段，即以熔池的热传导最终使之液体化的填充料方式最适当。但是，为了形成熔池，需要最低有I个电极使电弧发生，因此以先行电极为气体保护电弧极，以后行电极为填充料极。而且，为了使各极的电流不受其他电极的电流稳定性的影响，各极的电流应该由独立的焊接电源分别供给。至此为止是现有技术的范围。其次，因为先行电极为电弧极，所以受到磁干扰，由此需要(I)的削弱干扰力的方法。干扰力随着电流越高，而且随着电极间距离(即极间距离)越近而越强烈地发挥作用。为了追随弯曲的焊接线，物理上期望极间距离De小的方法，为了得到这一效果，电流的低下必不可少。为了使之实现，将现有的导电嘴(contact tip)所承担的效果分配给后述的2 个机器，使填充料极的通电距离Dl为IOOmm以上，比20 30mm这样现有的长度飞跃性地延长。随着增长通电距离队，电阻增大，能够以很小的电流将填充焊丝加热至融点附近。而且如果电流小，则能够缩小极间距离De。据此，以往15 40mm的距离，在本发明中可以缩小至IOmm以下。用于增长通电距离队的具体的方法如下。历来，导电嘴具有(I)通电、(2)焊丝目标位置固定化这两个功能。如果直接增长通电距离，则焊嘴前端与母材间距离变长，由于焊丝的缠绕卷曲，导致焊丝目标位置变得不稳定。其结果是焊道的蛇行等的形状和未焊透发生。相对于此，在本发明中，通过分成有单独功能的2个部分来对其加以克服，即分为(I)没有通电功能，限定于焊丝目标位置的固定化这一功能的引导线或引导嘴；(2)只有通电功能，不具有焊丝目标位置的固定化功能的通电嘴。另外，作为先行电极的电弧极，从得到使后行电极的填充焊丝熔融所需充分的熔池的厚度的电弧力，和低飞溅性的观点出发，发现使电流的下限值为250A。其次，发现了先行电极的电弧难以受到磁干扰的填充料通电电流的上限值的关系(参照图2)。然后可知，作为后行电极的电流、即填充料通电电流It的上限需要在先行电极的电流k的50%以下。更优选为30%以下。还有，图2中的“是没有发生后行电极的熔融不良，并且先行电极的飞溅的少的点，其中，“ ◎ ”是飞溅特别少的点。另外，“ X ”是先行电极的飞溅增加，以及后行电极的熔融不良等发生的点。电流极性也有影响，在磁力线的方向的影响下，如果靠近的两电极间沿同方向流动电流，则相互的电弧彼此牵引，反之，如果沿不同方向流动，则有互相排斥的性质。如果先行电极和后行电极彼此牵引，则从电弧极飞出的飞溅冲进熔池的概率变高，作为飞散飞溅量比较少。另一方面，如果先行电极和后行电极相互排斥，则从电弧极飞出的飞溅全部向焊接线前方飞出而成为飞散飞溅，因此不良影响大。因此，优选两电极间沿同方向流动电流，期望两电极均为+或均为_，母材侧为其相反的组合。此外，还使先行电极的电弧的熔滴生长成大粒，从而使之受到磁干扰却不会吹飞，这适合低飞溅化，作为用于实现的方法，是使电弧极用的焊丝的组成含有O. 10 O. 50质量％的Ti，这适合进一步的低飞溅化。[2-2 :关于焊丝熔融的确实化的事项]将填充料插入熔池的焊接法的重大问题与电弧熔融不同，因为不能目视观察焊丝的熔融，所以，即使为过剩的条件，送给速度也不容易搞清楚，从而发生未熔融的焊丝残留在焊接金属内的缺陷。由于填充料在熔池内经过热传导达到熔点并发生熔融，所以熔池的保有热量和深度很重要。因此，如下两点不可或缺(I)得到使后行电极的填充料熔融所需充分的熔池的厚度；(2)限定确实熔融的填充料送给速度和通电条件范围。研究的结果判明，(I)如上述，作为电弧极的电流需要为250A，在(2)中，后行电极的填充焊丝的送给速度必须处于先行电极的焊丝的送给速度的50%以下。若超过50%，则无论填充料通电电流It和通电距离Dt怎样组合，仍发生熔化残留(参照图3参照)。还有，图3中的“是未发生填充料的熔化残留，并且也没有发生焊接金属的性能不足和焊接的效率不足的点，其中“◎”是焊接金属的性能和焊接效率特别优异的点。另外，“ X ”是填充料的熔化残留、焊接金属的性能不足和焊接的效率不足等发生的点。作为通过上述的技术而能够使极间距离De狭小的效果是，不仅后行电极能够自体电阻发热，而且也能够有效地接收先行电极的电弧的辐射热而提高熔融性。还有，在“2-1”项中记述，填充料通电电流It设有上限，而从熔融的确实化这一点考虑，也需要设定下限。具体来说，在低于IOA时，不论通电距离队，稳定性均差，会发生加热不均或熔融速度无法提 高。当然，不通电时，填充料熔融速度极小，在后述的“2-3”项中阐述的焊丝的送给速度达不到需要下限(参照图2的It 0 IOA区域)。作为更优选的方法，是使后行电极的填充焊丝为药芯焊丝。至今为止，作为填充焊丝，关于其熔融性完全未予考虑。药芯焊丝在其截面中，通电部只限于周围的带钢(7 —7°)部，中心的焊剂部大体为绝缘性。因此，由于通电面积小，所以与实芯焊丝相比，更容易自体电阻发热，进入熔池后也会迅速地进行热传递而更容易熔融。另外如果对焊剂进行成分调整，则熔融性很难受到组成的影响。[2-3 :关于健全的焊接金属的形成的事项]填充料的熔融因为受到来自熔池的热传导而发生，所以由先行电极的电弧形成的熔池，会因后行电极的填充料的进入而被冷却。这对于后行电极为电弧极的焊接法，也带来冶金学上巨大的效果。一般可知，焊接金属在冷却过程中的冷却速度越大，晶粒的生长越受到抑制而越微细化，从而能够得到高强度、高韧性。对于单电极电弧焊法来说，不仅为了追求效率，而且为了得到韧性等机械的性能优异的焊接金属，填充焊丝的送给速度过小，其冷却效果不充分，需要加大填充焊丝的送给速度。另外，如果是单纯地效率提高的效果小，则双电极化的成本效益无法体现。基于这些点，后行电极的填充焊丝的送给速度必须在先行电极的焊丝的20%以上(参照图3)。此外，通过焊接材料的最佳化，能够使焊接金属的健全性进一步提高。为了低飞溅化，优选作为先行电极的电弧极含有Ti为O. 10 O. 50质量％，这在“2-1”项中进行了阐述，但后行电极焊丝中的Ti如有关图5的事项中已经阐述的，由于氧化反应不足导致在焊接金属内过剩地产出，成为夹杂物而容易使焊接金属的韧性降低。为了得到夹杂物少的健全的焊接金属，考虑到电弧极和填充料极对夹杂物化的贡献度而必须决定总量(参照图4)。还有，图4中的“是韧性优异的地方，其中“◎”是韧性特别优异，并且飞溅少的地方。另外，“ X ”是韧性的低下和飞溅的增加等发生的点。具体来说，填充料极中的Ti其容易夹杂物化的程度是电弧极中的Ti的3倍。因此，设填充料极中的Ti量为[Ti]T，电弧极中的Ti量为[TiL时，定义“[TiL+3· [Ti]/’这样的参数，使这一计算结果为O. 50以下时，可知能够得到高韧性。此外，如果在O. 25以下，韧性更优异。另一方面，若低于O. 10，则晶粒的核生成位点不足，晶粒的总数减少，各粒粗大生长，成为低韧性的焊接金属。因此，关于这一计算结果，优选以O. 10为下限。还有，[Ti]L低于O. 10质量％，并且[Ti]f3 · [Ti]TS0. 10 O. 50的区域，虽然飞溅多，但却是焊接金属的韧性良好的区域。[2-4 :关于熔透深度和成本抑制的事项]为了实现焊接金属的高强度化、高韧性化，一般进行的是，由焊丝将Mo和B适量地添加到焊接金属中。作为其具体的方法，若添加到实芯焊丝中，则其浇铸坯段和粗径原线也当然高强度化，因此拉丝性劣化，用于形成焊丝的生产率大幅降低。另一方面，作为药芯焊丝，如果在焊剂中添加Mo和B，则对拉丝性不会造成不良影响。但是药芯焊丝其熔透深度比实芯焊丝小，因此作为电弧极也未必适合。 在本发明中，使后行电极的填充焊丝作为药芯焊丝加以采用，可以单独从药芯焊丝供给先行电极形成的熔池所需要的成分量。即，先行电极的实芯焊丝固定为不含Mo和B的廉价的软质钢种时，由制造成本未因组成而下降的后行电极的药芯焊丝进行Mo和B的成分调整。由此，与单独采用实芯焊丝的焊接法相比，达成了更低成本。另外，使先行电极的焊丝为实芯焊丝，也可以加深熔透深度。另外，在“2-1”项中阐述，极间距离De小的方法对焊接线的追随性优异而优选，在“2-2”项中阐述，同样是极间距离De小的方法，因为填充焊丝的熔融性提高而优选。但是，另一方面，随着极间距离De缩小，会争夺电弧的能量，导致熔透深度变浅。存在加深熔透深度的必要性时，极间距离De优选为2mm以上。另外，极性如一般已知的，电弧为逆极性(焊丝+、母材_)的对于深熔深化有效。关于后行电极，如“1-4”项中也阐述的，若两极性成为逆向，则电弧相互排斥，熔深变浅，因此一致的极性符合深熔深。接着，对于各限定理由、其他的事项进行说明。[没有通电功能，只有决定向熔池插入的插入位置这一功能的引导线或引导嘴(参考2-1)]后行电极的通电由设于焊接电源侧的通电嘴进行。于是为了控制填充焊丝向熔池的插入位置，还需要另行具有这一功能。例如，可以使用定义为引导线的、比焊丝直径稍粗一些的管，也可以挪用定义为引导嘴的、通常作为电弧电极使用的铜合金制的导电嘴。但是，它们必须与通电嘴电绝缘。引导线其设置方式为，以规定的长度覆盖后行电极焊丝，在后行电极的被焊接面侧，使后行电极焊丝以规定的长度露出。另外，在被焊接面侧的相反侧设有通电嘴，与引导线密接(参照图1(a))。引导嘴其设置方式为，在后行电极的被焊接面侧的规定位置覆盖后行电极焊丝，使后行电极焊丝在被焊接面侧以规定的长度露出(参照图1(b))。还有，引导线或引导嘴的前端与被焊接面上的距离，与通常的单电极电弧焊法相同，优选为10 30mm。如此比这一距离短，则产生飞溅容易附着的问题，以及产生与电弧过近而有加热熔融的可能性这样的问题。反之如果比这一距离长，则使插入位置固定化的作用减弱。[后行电极的通电嘴的被焊接面侧的前端与被焊接面上的距离队:100mm以上、1500mm以下(参考2-1)]后行电极为了抑制对先行电极的电弧的磁干扰，优选尽可能的低电流化。但是，反之为了高效率化而优选填充焊丝的送给速度高。为了满足此相反的性质，应该利用焊丝电阻，使通电距离^比现有的焊接法大幅地延长。通过使通电距离^为IOOmm以上，即使在低电流下，电阻发热量也大，能够充分加热填充料。如果在150mm以上,或进一步在200mm以上，或进一步在250mm以上，则低电流化效果更大而优先。另一方面，若过度地延长，则焊丝高温软化，送给中在路径内发生纵弯曲，焊丝将不能送给。因此设定上限，为1500mm。更优选为IOOOmm以下,进一步优选为800mm以下。还有，先行电极的通电嘴前端与被焊接面上的距离像以往一样，以10 30mm为宜。这是由于在通常的控制中，若在电弧焊中增长先行电极的通电嘴前端与被焊接面上的距离，则电流值下降，由电弧力确保熔深的功能降低，更甚者是电弧的维持本身成为不可能。另外，使插入位置固定化的作用也降低。因此作为实用的上限为30mm。另一方面，低于IOmm时，飞溅容易附着，由于电弧的辐射热使焊嘴前端熔融，产生后行电极难以插入这样的问题。[被焊接面上的先行电极与后行电极的极间距离De为IOmm以下(参考2_1、2_2、2-4)]在多电极焊接法中，其极间距离很重要，短的方法在对于焊接线的弯曲变化的追随，减少开始部/结束部的熔敷不足部长度的点上有利。另外，在本发明这样的后行电极为填充料极的方法中，接近先行电极的电弧的一方被加热，熔融速度高。另一方面，随着靠近，磁干扰在电极间更强烈地发生，来自电弧极的飞溅发生变多。在本发明中，因为具有将 填充料通电电流It抑制得比以往低的机构，所以能够比以往的15 40mm缩短。具体来说为IOmm以下。如果进一步在7mm以下,更进一步在5mm以下则优选。另一方面,若成为过短的极间，则熔深变浅。需要深熔深时，优选使下限为2mm。[先行电极的电流250A以上(参考2-1)]先行电极的电弧，从得到使后行电极的填充料熔融所需充分的熔池的厚度的电弧力，和低飞溅性的观点出发，需要使电流的下限值为250A。更优选为300A以上，进一步优选为350A以上。没有特别存在限制上限的理由。一般来说由焊丝送给电机的转速的上限，或焊接机的电流上限保证值等物理性地决定。[后行电极的电流IOA以上，并且相对于先行电极的电流为50%以下(参考2-1、2-2)]后行电极的电流越高，对于先行电极的电弧施加磁干扰的影响越强，使飞溅大量发生。在发现难以受到磁干扰的填充料通电电流It的上限值的关系时，发现需要抑制在先行电极的50%以下。如果进一步抑制在30%以下则更优选。另一方面，在IOA时，不论通电距离^，稳定性均差，发生加热不均匀或熔融速度无法提高，不能保证确实的熔融。因此下限为10A。开优选为25A以上。[后行电极焊丝的送给速度先行电极焊丝的送给速度的20%以上、50%以下(参考 2_2、2_3)]为了确实地使填充焊丝熔融，送给速度存在上限。若后行电极焊丝的送给速度超过先行电极焊丝的送给速度的50%，则无论填充料通电电流It和通电距离Dt怎样组合，仍发生熔化残留。因此，为先行电极焊丝的送给速度的50%是上限。更优选为40%以下。另一方面，若后行电极焊丝的送给速度过小，则不能期望伴随着熔池的冷却效果而来的焊接金属的韧性提高。为了实现晶粒微细化，需要后行焊丝送给速度是先行电极焊丝的送给速度的20%以上。如果进一步达到30%以上则更优选。还有，先行电极和后行电极的焊丝直径不同时，作为熔敷速度(g/min)而对于“送给速度先行电极的20 50%”进行换算并加以规定即可。[先行电极焊丝和后行电极焊丝的电流极性，相对于母材均为正“+ ”或均为负 (参考 2-1)]在磁力线的方向的影响下，如果靠近的双电极间在同方向上流动电流，则相互的电弧彼此牵引，反之，如果沿不同方向流动，则有互相排斥的性质。如果先行电极与后行电极互相牵引，则从作为先行电极的电弧极飞出的飞溅冲进熔池概率变高，作为飞散飞溅量比较少。另一方面，如果先行电极与后行电极互相排斥，则从作为先行电极的电弧极飞出的飞溅全部向焊接线前方飞出而成为飞散飞溅，所以不良影响大。因此，优选双电极间沿相同方向流动电流，优选两电极均为+或均为-，母材侧为其相反的组合。电流极性对熔深也造成影响，若为不同的方向，则熔深变浅，若为一致的方向则变深，对于未焊透的防止有效。还有，在高电流的气体保护电弧焊法中，虽然积极地使用交流电极性的情况少，但即使在作为先行电极的电弧极或作为后行电极的填充料极上应用交流电，也没有特别的问题，因此可 以适用。还有，在交流电中，电流的方向性事实上等于没有，由于也不发生磁干扰，所以另一方的电极为直流时，不需要关注其极性。[先行电极焊丝为实芯焊丝或药芯焊丝(参考2-4)]在一般的气体保护电弧焊法用的焊丝中，有实心铁丝状的实芯焊丝，和周围是金属的筒，以之包裹中心的焊剂的药芯焊丝。焊剂一般由铁粉、非铁金属粉、氧化物粉、各种化合物的粉末构成。作为本焊接法的电弧极用，哪种都能够适用。还有，实芯焊丝一方虽然熔深深，但飞溅稍多，药芯焊丝多具有其相反的特性，在本发明中也是以相同的基准，可以根据目的进行选择。另外，实芯焊丝、药芯焊丝大多均对表面实施镀铜，但是否镀铜，对本申请的主要作用没有影响。另外，在药芯焊丝中，有在表面筒部有缝(接缝)和无缝型的，但同样，其有无对于作为本申请的主要作用没有影响。此外其焊剂率(单位焊丝长度中的焊剂质量/总质量比)也没有限定的必要性。[后行电极焊丝为药芯焊丝，其焊剂率为10质量％以上(参考1-5、2-2、2_4)]作为填充料极的焊丝，优选药芯焊丝。药芯焊丝因为截面通电面积小，所以与实芯焊丝相比，更容易自体电阻发热，在进入熔池后也会迅速地热传递而更容易熔融。因此，适合作为填充料极的焊丝。另外如果以焊剂进行成分调整，熔融性难以受到组成的影响，成分设计的自由度高。相比作为实芯焊丝而添加非铁添加元素，作为药芯焊丝进行添加的方法，也有成本上更低廉的情况。如果使先行电极为实芯焊丝，使后行电极为药芯焊丝，则能够使深熔深和添加低成本的合金元素形成熔池并立。还有，药芯焊丝的焊剂率优选为10质量％以上。这是由于焊剂率低于10质量％时，通电截面积变大，自体电阻发热不足，进入熔池后难以熔融。但是，并不是限定为10质量％以上。还有，上限不需要特别限定，但从制造稳定性的方面出发，一般认为药芯焊丝的焊剂率其上限为28%左右。[[Ti]L+3 · [Ti]T 0. 10 以上 O. 50 以下(参考 1_5、2_3)]因为填充料极不存在电弧，所以在高温电弧空间发生的气氛气体和熔滴(即，焊丝熔融液体)的接触造成的氧化反应几乎不会发生。因此可知，若将含有Ti这样氧亲和性强的还原元素的、电弧用最优化的组成的焊丝适用于填充料极，则由于不经历“还原元素发生氧化后，作为熔渣被排出”这样的过程，所以其在焊接金属内作为过剩的夹杂物残留，使韧性大幅劣化。详细地说，填充料极中的Ti其容易夹杂物化的程度是电弧极中的Ti的3倍，所以定义[Ti]f3*[Ti]T这样的参数，可知使其计算结果在O. 50以下时，能够得到高韧性。如果进一步在O. 25以下，则在高韧性方面更优异。另一方面，若低于O. 10，则晶粒的核生成位点不足，晶粒的总数减少和各粒粗大地生长，成为低韧性焊接金属。因此，优选以O. 10为下限。但是，并不是限定为O. 10以上、O. 50以下。还有，焊丝为药芯焊丝时，即使Ti以Fe · Ti, TiO2, FeTiO3等的化合物添加，作为其总Ti换算值的浓度也定义为[Ti]。[[ ] :0. 10质量％以上、O. 50质量％以下(2-1参考)]使先行电极的电弧的熔滴生长成大粒，从而使之受到来自后行电极的磁干扰而不会吹飞，这适合低飞溅化。作为用于实现的方法，优选使电弧极用的焊丝的组成含有0.10质量％以上的Ti。另一方面，如果Ti的上限以“ [Ti]L+3 · [Ti]T 0. 10以上、O. 50以下”规定为优先，则必然为O. 50质量％。另外，若超过O. 50质量％而进行添加，则过于大粒化，熔
滴过渡不稳定，伴随着该大粒熔滴向周围的飞散，对母材的附着和去除难度变大。因此，以O. 50质量％为上限。但是,并不限定为O. 10质量％以上、O. 50质量％以下。还有,更优选为O. 25质量％以下。[作为后行电极焊丝的组成，以焊丝总质量换算，含有B:0. 0020质量％以上、O. 0500质量％以下，Mo 0. 10质量％以上、I. 00质量％以下之中一种以上(参考2_4)]为了实现焊接金属的高强度、高韧性化，一般进行的是从焊丝将Mo和B适量添加到焊接金属中。作为其具体的方法，若添加到实芯焊丝中，则其浇铸坯段和粗径原线也当然高强度化，因此拉丝性劣化，用于形成焊丝的生产率大幅降低。另一方面，作为药芯焊丝，如果在焊剂中添加Mo和B，则对拉丝性不会造成不良影响。在本发明中，优选使后行电极的填充料为药芯焊丝而加以采用，单独从药芯焊丝供给由先行电极形成的熔池所需要的成分量。即，先行电极的实芯焊丝固定为不含Mo和B的廉价的软质钢种，由制造成本未因组成而下降的后行电极的药芯焊丝进行成分调整。为了从后行电极主要添加B和Mo而形成优异的焊接金属组成，依照焊丝送给速度比而添加B :0. 0020质量％以上、O. 0500质量％以下，Mo :0. 10质量％以上、I. 00质量％以下的一种以上即可。但是,添加B、Mo时,其添加量并不限定为B :0. 0020质量％以上、O. 0500质量％以下，Mo :0. 10质量％以上、I. 00质量％以下。[其他]焊接电源的种类不需要特别规定，但作为先行电极的电弧极，最期望使用使焊丝送给速度和电弧长度固定的机构的定电压特性。另一方面，作为后行电极的填充料极，最期望使用能够固定通电电流值的具有定电流特性或下垂特性的机种。还有，作为波形，也可以两方均应用脉冲。保护气体不变，为用于一般的单电极气体保护电弧焊的保护气体，可以适用只有CO2的保护气体，或者在Ar中混合有CO2或O2达3体积％以上的混合气体。若Ar混合比更高，则气孔缺陷容易发生，或电弧不稳定，这些点与现来的焊接法相比没有改变。还有，需要深熔深时，则提高CO2比率。气体流量可以与只有作为单电极的电弧电极的情况相同。这是由于后行电极中没有电弧发生，所以不需要关注大气进入到电弧气氛。另外，相对于需要从两个系统使保护气体流动的现有的双电极气体保护串联电弧焊法(参照1-1项)，在气体成本的降低这一点上，本发明也有利。还有，单电极气体保护电弧焊法的气体流量以25L/min左右为目标。焊丝的详细成分不需要特别限定，但作为一般的碳钢用焊丝，能够使用如下组成，即，以适当量的如下元素为基本“0. 01 O. 15质量％的(、0. 10 I. 00质量％的Si、O. 50 2. 50质量％的Mn、不添加S或积极添加O. 050质量％以下的S、余量Fe”，与一般的气体保护电弧焊法用焊丝同样，根据需要的功能，将Ti、Al、Mo、B、Cr、Ni等添加到焊接金属中。还有，阻碍拉丝性和电弧稳定性的元素，优选使后行电极为药芯焊丝，将其添加到后行电极焊丝中。焊丝直径作为先行电极的电弧极用为I. 2 2. 0_Φ，在熔敷效率的高度、形成足以使后行电极的填充料充分熔融的熔池和热能、和该能量的发生、电弧的稳定性、低飞溅性这些点上，这一直径合适。另一方面，作为填充焊丝直径，因此直径越粗， 热传导性越差而越难以熔融，因此适合比电弧极用稍细一些。具体来说优选为I. O 1.6mmΦ。但是，并不需要使后行电极焊丝一方一定要比先行电极焊丝细。实施例以下，将满足本发明的要件的实施例和不满足本发明的要件的比较例进行比较而具体说明。使用以图1(a)的构成为基本的焊接装置，以同一焊接条件，进行如下焊接的(I)板厚12mm的平板上的单道焊(双电极焊接法中的所谓I-RUN焊)；⑵板厚20mm的V45° &根部间隙12mm坡口的依据JIS Z3312 :1999的多层焊。还有，使线能量以两电极合计为40kJ/cm的方式，进行电流、电压、速度的选定。焊接条件的参数和焊丝的成分等显示在表I 4中。还有，在表I 4中、不含有这一成分和不存在这一数值等，另外，对于不满足既定的规定的，对数值等引下划线进行表示。此外，在保护气体组成中，保护气体的合计为100体积％ (即，例如，“co2”意味着“100体积％ C02”，“Ar+20% C02”意味着“80体积％ Ar+20体积％ C02”)。还有，焊丝直径，先行电极、后行电极均为I. 2πιπιΦ，先行电极的焊接电源使用直流的定电压特性焊接机，后行电极的电源使用定电流特性的直流或交流焊接机。表中“ΕΡ”表示直流，电极为正(+)并且母材为负(_)，“ΕΝ”表示直流，电极为负㈠并且母材为正(+)，“AC”表示交流。有引导线时，被焊接面侧的前端与被焊接面上的距离为25mm。
权利要求
1.一种双电极焊接法，其特征在于，具有从单体的焊接电源分别供给电流的焊丝状的2个熔化极式电极，由作为行进方向先行的电极即先行电极的先行电极焊丝形成熔池，将作为行进方向后行的电极即后行电极的后行电极焊丝插入所述熔池而形成I个熔池，在该双电极焊接法中， 所述先行电极进行使电弧发生而使所述先行电极焊丝熔融的气体保护电弧焊， 所述后行电极是通电填充料，其不使电弧发生，而是利用通电产生的电阻发热使所述后行电极焊丝的温度上升，在所述熔池中插入所述后行电极焊丝后，通过所述熔池的热传导而使所述后行电极焊丝熔融， 在所述后行电极中配备有引导线或引导嘴，所述引导线或引导嘴没有通电功能，只有决定向所述熔池插入时的插入位置的功能， 所述后行电极焊丝从所述引导线或所述引导嘴突出，并且，从所述引导线或所述引导嘴的设于焊接机侧的位置的通电嘴通电， 所述通电嘴的被焊接面侧的前端到所述被焊接面上的距离DL为IOOmm以上但在1 500mm 以下， 所述被焊接面上的所述先行电极与所述后行电极的极间距离DE为IOmm以下， 所述先行电极的电流为250A以上， 所述后行电极的电流为IOA以上，并且相对于所述先行电极的电流为50%以下， 所述后行电极焊丝的送给速度是所述先行电极焊丝的送给速度的20%以上但在50%以下。
2.根据权利要求I或2所述的双电极焊接法，其特征在于，所述先行电极焊丝和所述后行电极焊丝的电流极性相对于母材均为正，或者均为负。
3.根据权利要求I或2所述的双电极焊接法，其特征在于，所述先行电极焊丝为实芯焊丝或药芯焊丝，所述后行电极焊丝为药芯焊丝，并且所述后行电极焊丝的焊剂率为10质量％以上。
4.根据权利要求I 3中任一项所述的双电极焊接法，其特征在于，在所述先行电极焊丝的组成中，以质量％计设Ti量为[Ti]y在所述后行电极焊丝的组成中，以质量％计设Ti量为[Ti]T时，[Ti]L+3 · [Ti]T为O. 10以上但在O. 50以下。
5.根据权利要求4所述的双电极焊接法，其特征在于，所述[TiL为O.10质量％以上但在O. 50质量％以下。
6.根据权利要求I 5中任一项所述的双电极焊接法，其特征在于，作为所述后行电极焊丝的组成，以焊丝总质量换算含有B :0. 0020质量％以上但在O. 0500质量％以下，Mo O.10质量％以上但在I. 00质量％以下之中的一种以上的元素。
全文摘要
本发明是双电极溶极法，其特征在于，先行电极进行气体保护电弧焊，后行电极是通电填充料，后行电极焊丝从引导线或引导嘴突出，引导线或引导嘴没有通电功能，只有决定向熔池插入的插入位置的功能，并且，通电由通电嘴进行，通电嘴和被焊接面上的距离为100mm以上、1500mm以下，极间距离为10mm以下，先行电极的电流为250A以上，后行电极的电流为10A以上，且相对于先行电极的电流为50％以下，后行电极焊丝的送给速度为先行电极焊丝的送给速度的20％以上、50％以下。
文档编号B23K9/173GK102814578SQ20121018397
公开日2012年12月12日 申请日期2012年6月5日 优先权日2011年6月9日
发明者铃木励一, 山崎圭 申请人:株式会社神户制钢所