专利名称：碳钢用药芯焊丝和电弧焊方法
技术领域：
本发明涉及碳钢用药芯焊丝和使用了该药芯焊丝的电弧焊方法。更详细地说，是涉及以纯氩气为保护气体的电弧焊所使用的药芯焊丝及使用了它的碳钢的电弧焊方法。
背景技术：
一般来说，在对于碳钢进行电弧焊时的保护气体中，使用CO2这样的氧化性气体或氩(Ar)和氧化性气体的混合气体。但是，若使用这样的保护气体进行焊接，则存在保护气体中的氧化性气体与钢板和焊丝中所含的Si和Mn等的元素发生反应，在焊道表面发生大量的熔渣，焊道外观显著劣化这样的问题点。因此，历来将CO2用于保护气体的MAG (熔化极活性气体保护焊:Metal Active Gas)焊接中，为了抑制熔渣发生量，提出有使焊丝中的Si量和Mn量的比(Si/Mn)处于特定的范围的焊接用焊丝(参照专利文献I)。另外，若在焊道表面发生熔渣，则对于焊接的接头进行涂装时，只有熔渣部分没有附着涂装，或随着熔渣的剥离而来的涂装剥落，尽管实施了涂装处理，但腐蚀仍从该剥离部进行。这一问题特别是在进行电沉积涂装这样的需要导电性的涂装方法时容易发生。作为焊道表面的涂装性改善技术，例如，提出有通过在焊剂中添加石墨而实现熔渣发生量减少的金属系药芯焊丝(参照专利文献2)。此外，如果不使用氧化性气体，而是将Ar气用于保护气体，则虽然熔渣的发生受到抑制，但历来认为，对于碳钢使用纯Ar气进行焊接实质上是不可能的。其理由在于，电弧焊所使用的碳钢用实芯焊丝，得不到随着保护气体中的活性气体的分解而来的热的收缩力，熔滴细长地延伸，其在电磁力等作用下而摇摆，因此形成旋转射流过渡(rotatingtransfer),不能形成正常的焊道。另一方面，在T IG(鹤极惰性气体保护焊:Tungsten Inert Gas)焊接等利用非消耗式电极的焊接方法中，可以使用纯Ar气进行碳钢的焊接。但是，这样的焊接方法，因为没有焊丝的电阻发热，所以相比以焊丝为电极的MAG焊接和MIG(金属极惰性气体保护焊:Metal Inert Gas)焊接,焊丝熔融速度慢,焊接速度必然也变慢,操作效率显著降低。另外，以往还提出有将纯Ar用于保护气体的MIG电弧焊方法(参照专利文献3)。在该专利文献3所述的焊接方法中，通过使焊剂中特定量含有石墨和铁粉，可以进行纯Ar气中的焊接，由此抑制熔渣和烟尘的发生。先行技术文献专利文献专利文献I特开平11-320178号公报专利文献2特开2006-272405号公报专利文献3特开2009-255125号公报但是，在前述的现有技术中，有得不到优异的焊道外观这样的问题点。具体来说，专利文献I所述的技术，因为是含有氧化性气体的MAG焊，所以不能避免熔渣的发生，另外，发生的熔渣只会凝集而散布在焊道表面，因此无法预见焊道外观的改善。另外，专利文献I所述的焊丝是实心焊丝，因此如前述，由于旋转射流过渡导致难以进行纯Ar气中的焊接。另一方面，在专利文献2所述的焊接方法中，虽然使用药芯焊丝，但该技术对于熔渣发生量的抑制不过是达到与实心焊丝同等水平，并不能避免熔渣的发生本身。另外，专利文献2所述的药芯焊丝，因为焊丝中的C量多，接头的强度变得过高，因此不适宜一般碳钢。相对于此，在专利文献3所述的技术中，虽然能够抑制熔渣的发生，但是，多有由于钢板表面的氧化物等形成的氧化皮膜分散形成于焊道表面的情况，外观上存在问题。另夕卜，专利文献3所述的药芯焊丝，因为大量含有石墨，所以焊接金属部的强度高，虽然适于780MPa级高张力钢板以上的钢板，但作为一般碳钢(软钢 590MPa级)用则强度过高而不适宜。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于，提供一种在碳钢的电弧焊中，能够得到优异的焊道外观的碳钢用药芯焊丝和电弧焊方法。本发明者们，为了解决前述课题，进行了锐意实验研究，结果是得到了以下所示的结论。为了以纯Ar保护气体进行焊接，从熔滴过渡的形态出发，需要使用药芯焊丝，而不使用实心焊丝。另外，在前述的专利文献3所述的技术中，以高温下稳定的石墨作为电弧发生源使用，但对于碳钢等的软钢进行焊接时，因为焊接部强度过大，所以不使用石墨。因此，本发明者们，就用于消除焊接部的强度过大，并且，使电弧稳定的方法进行了研究。具体来说，就是对于能够改变外皮和焊剂的熔点，错开它们的熔融时期的材料进行了研究，发现通过在焊剂中添加特定量的S来替代石墨，会给外皮与焊剂的熔融时期带来差异。即，不是对焊丝整体均等地添加S，而是只在焊剂中添加S，使焊剂和外皮中的S含量不同。因为S的熔点低，所以通过成为这样的构成，可以使焊剂比外皮先熔融。S是构成高温裂纹原因的元素，因此通常不会积极地添加。但是，通过抑制在裂纹发生的可能性低的量下而添加，则不会明显改变接头强度，而能够使熔滴稳定。此外还得出的结论是，S还具有使熔池对流变化而在表层建立与通常逆向的流动，将氧化皮膜聚集在弧坑中的作用。于是，基于这样的结论，发现通过使用控制了 S的添加量，将焊丝成分调整到特定的范围的药芯焊丝，即使在碳钢等的软钢中，也不会像TIG焊接这样牺牲操作效率，而可以进行纯Ar气下的MIG焊接，从而达成了本发明。S卩，本发明的碳钢用药芯焊丝，是在碳钢外皮内填充有焊剂的碳钢焊接用药芯焊丝，以焊丝总质量计含有C:0.02 0.15质量％、Si:0.30 1.50质量％、Mn:0.70 2.30质量％、S:0.010 0.100质量％、Ti:0.01 0.18质量％、并且限制为P:0.030%质量以下、Cr:0.15%质量以下，焊剂率为10.0 30.0质量％，所述焊剂中的S含量为0.030
0.600质量％，设焊剂中的S含量(质量％ )为[Sf]，外皮中的S含量(质量％ )为[Sh]时，[Sf] > ([Sh]+0.010)，在以纯Ar为保护气体的电弧焊中使用。在本发明中，因为使焊丝成分处于特定的范围，所以熔池的粘性和表面张力降低，在熔池表面产生与通常相反的(追随电弧)对流。由此，浮在熔池表面的氧化皮膜聚集在弧坑部的效果显现，焊道外观提高。在该药芯焊丝中，也可以使焊剂中的S含量为0.060 0.350质量％。本发明的电弧焊方法，使用如下药芯焊丝，其外皮由碳钢构成，以焊丝总质量计含有 C:0.02 0.15 质量％、S1:0.30 1.50 质量％、Mn:0.70 2.30 质量％、S:0.010
0.100质量％、Ti:0.01 0.18质量％，并且限制为P:0.030质量％以下、Cr:0.15质量％以下，焊剂率为10.0 30.0质量％，所述焊剂中的S含量为0.030 0.600质量％，设焊剂中的S含量(质量％)为[Sf]，外皮中的S含量(质量％)为[Sh]时，[Sf] > ([Sh]+0.010),并以纯Ar气为保护气体，以峰值电流为340 540A，峰值电流期间为0.7 2.5ms (毫秒)的脉冲电流作为焊接电流，对于碳钢进行电弧焊。在本发明中，因为保护气体为纯Ar气，所以熔渣的发生得到抑制。另外，因为使用添加有S的焊剂，所以焊道表面的氧化皮膜汇聚在弧坑部中，焊道外观提高。通过该药芯焊丝和纯Ar保护气体的组合，即使不在焊剂添加石墨，也可以进行稳定的焊接。此外，若应用脉冲电流的焊接，则飞溅发生量比现有的实心焊丝有所减少，作业环境得到改善。根据本发明，因为使用特定组成的药芯焊丝，所以即使以纯Ar保护气体对碳钢进行电弧焊，也能够得到优异的焊道外观。
图1(a)和(b)是表示焊道外观的评价标准的图，(a)表示焊道外观不良的情况，(b)表示焊道外观良好的情况。图2是表示在横轴上取峰值时间，在纵轴上取峰值电流，脉冲条件与飞溅量的关系的图。符号说明I 焊缝2弧坑部3金属基底4氧化被膜
具体实施例方式以下，对于用于实施本发明的方式进行详细说明。还有，本发明并不受以下说明的实施方式限定。(第一实施方式)首先，对于本发明的第一实施方式的药芯焊丝进行说明。本实施方式的药芯焊丝，被用于以纯Ar作为保护气体的电弧焊，为在碳钢外皮内填充有焊剂的构成。而且，在本实施方式的药芯焊丝中，在由外皮和焊剂构成的焊丝整体中，特定量含有C、S1、Mn、S和Ti，将P和Cr的含量限制在特定量以下。另外，本实施方式的药芯焊丝，焊剂率为10.0 30.0质量％，焊剂中的S含量为
0.030 0.600质量％，并且，设焊剂中的S含量(质量％ )为[Sf]，外皮中的S含量(质量％ )为[Sh]时，满足下述算式(I)。算式I[Sf] > ([Sh]+0.010) (I)[C:0.02 0.15 质量％ ]C对焊接金属的强度造成影响，因此需要含有适合一般碳钢的一定程度的量。具体来说，在焊丝总质量中，C含量低于0.02质量％时，不能确保充分的强度。另一方面，若C含量超过0.15质量％，则即使保护气体使用纯Ar气，飞溅仍多发。因此，C含量在焊丝总质量中为0.02 0.15质量％。还有，在本实施方式的药芯焊丝中，不需要积极地添加C源，能过调整构成外皮的钢板，和硅铁合金和锰铁合金等的焊剂中所含的C，就可以使之处于前述的范围。[S1:0.30 1.50 质量％ ]本实施方式的药芯焊丝，因为被用于使用了纯Ar保护气体的电弧焊，所以不需要添加Si作为脱氧剂。但是，从确保适合碳钢的强度和改善焊道缝边的融合的观点出发，需要添加一定程度的Si。具体来说，在焊丝总质量中，Si含量低于0.30质量％时，得不到焊道的融合改善效果。另一方面，若Si含量超过1.50质量％，则焊接部的硬度等变得过高，健全性受损。因此，Si含量在焊丝总质量中为0.30 1.50质量％。还有，Si含量从与母材的平衡的观点出发，优选为0.50质量％以上。另外，为了抑制熔池的粘性的上升，稳定取得后述的通过S的添加得到的氧化皮膜凝集效果，优选使Si含量处于1.20质量％以下。[Mn:0.70 2.30 质量％ ]本实施方式的药芯焊丝，因为被用于使用了纯Ar保护气体的电弧焊，所以不需要添加Mn作为脱氧剂，但是从确保强度的观点出发而添加Mn。但是，Mn含量在焊丝总质量中低于0.70质量％时，焊接金属脆化，因此焊接部的健全性受损。另一方面，若Mn含量超过
2.30质量％，则粘性过度上升，后述的来自S的添加的效果降低。因此，Mn含量在焊丝总质量中为0.70 2.30质量％。还有，Mn含量优选为1.00质量％以上，由此能够改善焊道形状。另外，若Mn含量超过2.10质量％ ,则Mn与S反应而形成硫化物，S的添加效果降低，因此Mn含量优选为2.10质量％以下。[S:0.010 0.100 质量％ ]S在本实施方式的药芯焊丝是重要的元素。具体来说，S具有的效果是，使熔池的粘性和表面张力降低，使熔池的对流变化，在表层制造出追随电弧这样的向前的流动，使表面的氧化皮膜聚集到弧坑部。但是，S含量在焊丝总质量中低于0.010质量％时，该效果不显现。另一方面，若过剩地添加S，具体来说，就是S含量超过0.100质量％，高温裂纹的危险性提高，即使能过其他的元素调整也不能防止高温裂纹。因此，S含量在焊丝总质量中为0.010 0.100质量％。还有，S含量优选在焊丝总质量中为0.015 0.060质量％，由此，既能够抑制高温裂纹的发生，又能够使前述的效果充分显现。另外，因为S是低熔点元素，所以主要在焊剂中添加，降低焊剂的熔点，从而能够使其熔融时期与外皮错开。由此，使焊丝截面阶段性地熔融，因此可以防止呈现过长的熔滴的不稳定的射流过渡，即使在纯Ar保护气体中也可以稳定焊接。因此，在本实施方式的药芯焊丝中，除了前述的焊丝整体的含量以外，还规定了焊剂中的S含量。具体来说，焊剂中的S含量为0.030 0.600质量％。在此，焊剂中的S含量低于0.030质量％时，使熔池的对流变化的作用弱，将氧化皮膜聚集在弧坑部的效果不充分，因此在固定部有氧化皮膜残留，招致焊道外观的劣化。另一方面，若焊剂中的S含量超过0.600质量％，则有可能发生高温裂纹。还有，焊剂中的S含量优选为0.060 0.350质量％，由此，既能够减少高温裂纹的风险，又能够使对流变化效果呈现。此外，为了使焊剂比外皮更早熔融，需要使焊剂中的S成分比外皮中的S成分多得足够充分。因此，在本实施方式的药芯焊丝中，焊剂中的S含量[Sf](质量％)和外皮中的S含量[Sh](质量％ )的关系满足算式(I)。[T1:0.01 0.18 质量％ ]Ti具有使表面张力和粘性上升的作用，但若以特定量添加，则熔滴的失稳减少，电弧稳定。具体来说，Ti含量在焊丝总质量中低于0.01质量％时该效果不显现，另外，若过剩地添加而超过0.18质量％，则裂纹发生，或电弧反而不稳定。因此，Ti含量在焊丝总质量中为0.01 0.18质量％。还有，Ti含量优选为0.02 0.09质量％，由此，能够进一步提闻电弧的稳定性。[P:0.030%质量以下]P使耐高温裂纹性劣化，因此优选极力使之降低，不需要主要添加。因此，在本实施方式的药芯焊丝，从工业的生产率的观点出发，将P含量在焊丝总质量中限制在0.030质
量％以下。[Cr:0.15%质量以下]Cr与Ti同样，具有提高表面张力和粘性的作用，因此若在焊丝含有Cr，则S的添加效果有可能减少。因此，Cr不需要积极地添加，在本实施方式的药芯焊丝中，将Cr含量在焊丝总质量中限制在0.15质量％以下。[余量]本实施方式的药芯焊丝的成分组成的余量是Fe和不可避免的杂质。还有，本实施方式的药芯焊丝，除了前述的各成分以外，也可以含有通常的药芯焊丝所含的脱氧剂和氟化物等。[焊剂率:10.0 30.0质量% ]若焊剂率不在特定的范围内，则前述的错开焊剂和外皮的熔融时期，使熔滴稳定过渡的原理无法很好地发挥作用，带来电弧不稳定和飞溅增加。具体来说，若焊剂率低于
10.0质量％，则焊丝截面积中所占的外皮的截面积多，比焊剂后熔化的外皮的量变多，因此熔滴变大，飞溅增加。另一方面，若焊剂率超过30.0质量％，则外皮的截面积变少，因此外皮的电阻变高，容易熔融。其结果是，错开焊剂和外皮的熔融时期的效果薄弱，熔滴过渡变得不稳定。因此，焊剂率为10.0 30.0质量％。还有，本实施方式的药芯焊丝的焊丝截面形状、焊丝直径等的条件没有特别限定，能够根据用途和焊接条件等适宜选择。如以上详述，在本实施方式的药芯焊丝中，使焊丝成分处于前述的范围，因此不会像TIG焊接这样牺牲操作效率，可以进行纯Ar气下的MIG焊。而且，通过使用纯Ar作为保护气体，能够抑制熔渣的发生。另外，在本实施方式的药芯焊丝中，因为在焊剂中添加有特定量的S，所以，在现有的焊接法中能够抑制相对大的电弧力带来的熔池的流动，并且使由于温度平衡的不均匀而发生的对流的方向变化，使焊道表面发生的氧化皮膜汇聚在弧坑部中。由此，固定部的焊道外观显著提高。如此，为了改善焊道外观而使氧化皮膜凝集在弧坑部的技术，在以往是不存在的。
此外，S是低熔点材料，通过在焊剂中添加S，本实施方式的药芯焊丝其设计为，错开外皮和焊剂的熔融时期，进行阶段性地熔融。因此，不会一下子熔融而成为不稳定的射流过渡。其结果是，即使不像前述专利文献3所述的技术那样在焊剂中添加石墨，也可以进行稳定的焊接。(第二实施方式)其次，对于本发明的第二实施方式的电弧焊方法进行说明。在本实施方式的电弧焊方法中，使用前述的第一实施方式的药芯焊丝，以纯Ar保护气体，对碳钢进行电弧焊。这时，以峰值电流为340 540A，峰值电流期间为0.7 2.5ms (毫秒)的脉冲电流作为焊接电流。在此，使焊接电流为脉冲电流的理由，是为了操作性和焊道外观，具体来说就是减少飞溅。但是，峰值电流低于340A时，则在峰值期间中熔滴离脱没有完毕，因此在落下时下一个峰值到来，飞溅增加。另一方面，若峰值电流超过540A，则熔滴变得过大，飞溅增加。另夕卜，峰值电流期间低于0.7ms时，在离脱前峰值结束，在落下时下一个峰值到来，飞溅增加。另一方面，若峰值电流期间超过2.5ms，则在离脱后还有峰值，因此飞溅增加。因此，脉冲的峰值电流为340 540A，峰值电流期间为0.7 2.5ms。在本实施方式的电弧焊方法中，因为保护气体使用纯Ar，所以能够抑制熔渣的发生。另外，与纯Ar保护气体一起，还使用前述的第一实施方式的药芯焊丝，因此即使焊剂中不添加石墨，也可以进行稳定的焊接。此外，在第一实施方式的药芯焊丝中，因为在焊剂中添加有S，所以焊道表面的氧化皮膜汇聚到弧坑部，能够得到优异的焊道外观。实施例
以下，列举本发明的实施例和比较例，对于本发明的效果具体加以说明。(第一实施例)首先，作为本发明的第一实施方式所对应的第一实施例，改变焊丝组成和保护气体，对于碳钢进行电弧焊，对于焊道外观和飞溅量进行评价。这时，在母材中，将作为碳钢的SS400磨光除去黑皮而加以使用，焊接条件为，上焊道(Η —卜''才 >)、突出长度(Ext) 15mm、焊接速度:60cm/min,焊丝供给速度:10m/min,气体流量:25L/min。另外，焊接电流和焊接电压为，纯Ar保护气体+药芯焊丝:260A_23V，纯Ar保护气体+实心焊丝:280A-23V，Ar/C02混合保护气体+药芯焊丝:280A_28V，Ar/C02混合保护气体+实心焊丝:290A-28V。此外，焊接电流为脉冲电流，使其峰值电流为450A，峰值期间为1.2ms。< 评价 >图1(a)和(b)是表示焊道外观的评价标准的图。焊道外观的评价，如图1(a)所示，氧化皮膜4或熔渣在焊缝I的固定部(金属基底3)散布有3处以上时为X，如图1(b)所示，没有氧化皮膜4和熔渣时或聚集在终端时为O。还有，弧坑部2的氧化皮膜4因为对焊道外观没有影响，所以从评价对象中除外。另外，飞派量的评价,0.6g/min以下时为〇，超过0.6g/min时为X。还有，以在本发明的范围内制作的药芯焊丝，使用纯Ar保护气体，不使用脉冲电流而进行电弧焊时的飞溅量为0.7 0.8g/min左右。以上的结果一并显示在下述表I 4中。还有，下述表I 4所示的“S量判定”，是焊剂中的S含量[Sf]与外皮中的S含量[Sh]的关系是否满足算式
权利要求
1.一种药芯焊丝，其特征在于，被用于以纯Ar作为保护气体的电弧焊，是在碳钢外皮内填充焊剂而成的碳钢焊接用药芯焊丝，其中，以焊丝总质量计含有C:0.02 0.15质量％、S1:0.30 1.50 质量％、Mn:0.70 2.30 质量％、S:0.010 0.100 质量 ％、Ti:.0.01 0.18质量％，并且，限定P:0.030质量％以下、Cr:0.15质量％以下， 并且，焊剂率为10.0 30.0质量％，所述焊剂中的S含量为0.030 0.600质量％， 并且，在设焊剂中的S的质量百分比含量为[Sf]，外皮中的S的质量百分比含量为[Sh]时，[Sf] > ([Sh]+0.010)。
2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述焊剂中的S含量为0.060 .0.350 质量％。
3.一种电弧焊方法，其中，以纯Ar气作为保护气体，将峰值电流为340 540A、峰值电流期间为0.7 2.5ms的脉冲电流作为焊接电流，对碳钢进行电弧焊，并且，使用如下的药芯焊丝: 外皮由碳钢构成，以焊丝总质量计含有C:0.02 0.15质量％、S1:0.30 1.50质量％、Mn:0.70 2.30 质量％、S:0.010 0.100 质量％、T1:0.01 0.18 质量％，并且，限定P:0.030质量％以下、Cr:0.15质量％以下， 并且，所述药芯焊丝的焊剂率为10.0 30.0质量％，所述焊剂中的S含量为0.030 .0.600 质量 ％， 并且，在设焊剂中的S的质量百分比含量为[Sf]，外皮中的S的质量百分比含量为[Sh]时，[Sf] > ([Sh]+0.010)。
全文摘要
本发明提供一种在碳钢的电弧焊中，能够得到优异的焊道外观的碳钢用药芯焊丝和电弧焊方法。使用如下药芯焊丝，其外皮由碳钢构成，在焊丝总质量中，含有C0.02～0.15质量％、Si0.30～1.50质量％、Mn0.70～2.30质量％、S0.010～0.100质量％、Ti0.01～0.18质量％，并且限制为P0.030质量％以下、Cr0.15质量％以下，焊剂率为10.0～30.0质量％，焊剂中的S含量为0.030～0.600质量％，焊剂中的S含量[Sf]和外皮中的S含量[Sh]的关系为[Sf]＞([Sh]+0.010)，以峰值电流为340～540A、峰值电流期间为0.7～2.5ms的脉冲电流作为焊接电流，以纯Ar保护气体进行电弧焊。
文档编号B23K9/23GK103182611SQ20121056436
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月21日 优先权日2011年12月27日
发明者河西龙, 铃木励一 申请人:株式会社神户制钢所