MIG焊接方法与流程

mig焊接方法
技术领域
1.本发明涉及一种mig焊接方法，该mig焊接方法使用ar气体作为保护气体，通过电弧的热将碳钢彼此接合。这里，上述ar气体的组成是指ar以体积分率计超过99.0％。也将由上述ar气体构成的保护气体称为ar保护气体。


背景技术：

2.在以碳钢作为对象的mag焊接中，保护气体中包含的o2或co2如式(2)、(3)所示因电弧的热而分解，生成的氧溶解于熔融金属。如此溶解的氧在焊接金属凝固时生成气孔，或者与铁发生氧化反应，由此使焊接金属的机械性能劣化。因此，一般而言，在母材钢板、焊丝中添加有si、mn或ti之类的非铁元素作为脱氧剂。由此，焊接金属中的氧以由sio2、mno、tio2等构成的熔渣的形式被排出。
3.o2→
2[o]
…
(2)
[0004]
co2→
co+[o]
…
(3)
[0005]
另一方面，在使用上述ar保护气体的mig焊接中，氧向焊接金属的溶解极少，因此不需要添加仅以脱氧为目的的元素。由此，焊接接头的设计变得容易，并且可预期焊接材料的制造成本的降低。另外，由于不生成作为氧化物的熔渣，因此针对由焊接金属表面的熔渣的凝聚
·
附着引起的涂装性状的不良，可期待改善效果。进而，能够大幅降低已知为温室效应气体的co2的使用量，因此对环境保护也具有很大的优势。
[0006]
然而，在以碳钢作为对象的mig焊接中，存在焊接极不稳定这样的课题。mag焊接或mig焊接一般而言是以电极作为阳极的逆极性焊接，因此在母材表面以如氧化物那样功函数低且容易发生电子释放的部位作为起点而形成阴极辉点。在母材表面具有牢固的氧化皮膜的铝合金中，以焊接线上的氧化皮膜作为起点，稳定地形成阴极辉点，因此能够进行良好的焊接。但是，在氧化皮膜较薄或者不具有氧化皮膜的碳钢，且与mag焊接不同而不生成来自o2或co2的氧化物的mig焊接中，阴极辉点不确定，寻求功函数低的部位而阴极辉点在母材表面剧烈地来回移动。因此，焊接不稳定，焊道成为蛇行的形状或波浪的形状。
[0007]
针对该课题，例如提出了通过专利文献1～3的技术来改善课题。专利文献1中记载了如下的焊接方法：通过使保护气体中的co2比例降低至不产生电弧摆动的极限为止，与以往的mag焊接相比，可得到改善了疲劳特性的接头。
[0008]
专利文献2中记载了如下焊接方法：通过tig焊接与mig焊接的复合化，使mig焊接的电弧稳定化，可得到没有蛇行焊道的良好的接头。
[0009]
专利文献3中记载了如下焊接方法：通过使用药芯焊丝，进行使钢制外皮早期熔融、使助焊剂延迟熔融的2个阶段的熔融，从而防止焊丝截面均匀地熔融，即使在mig焊接中也实现规则的熔滴过渡。
[0010]
现有技术文献
[0011]
专利文献
[0012]
专利文献1：日本专利第6373549号公报
[0013]
专利文献2：日本特开昭53－034653号公报
[0014]
专利文献3：日本专利第5205115号公报


技术实现要素：

[0015]
但是，在专利文献1中公开的焊接方法中，对于保护气体中包含的氧化性气体，在co2的情况下以体积％计包含3％以上，在o2的情况下以体积％计包含1％以上，在由co2和o2这两者构成的情况下以体积％计包含3％以上，因此，虽然少量但生成熔渣，无法避免以该熔渣作为起点的接头特性的劣化。进而，担心伴随钢板、焊丝的超高强度化的添加合金元素的增加促进熔渣生成量的增加。
[0016]
专利文献2的焊接方法中，由于同时进行tig焊接和mig焊接，因此焊接装置、特别是焊炬变得复杂且大型，焊接条件等参数的管理变多，并且难以应用于三维形状的接头，因此缺乏实用性。
[0017]
专利文献3的焊接方法中，为了使阴极辉点稳定，使在表面吸附有氧或者被氧化的铁粉混入到助焊剂中。但是，认为在氧供给量过多的情况下，即使保护气体为ar气体，焊接金属的氧含量也增加。另外，需要调整焊丝组成，因此难以说能够在多种多样的所有钢板中应用专利文献3的焊接方法。
[0018]
本发明是鉴于这些课题而作出的，其目的在于提供一种在使用特殊的装置，且稳健性高，能够防止氧向焊接金属的混入，抑制熔渣的生成，并且能够稳定地得到焊接形状良好的焊接接头的mig焊接方法。
[0019]
根据基于焊接实验的电弧动作观察，本发明人等认为在以碳钢为对象的mig焊接中被视为问题的焊道的蛇行
·
波形现象的主要原因是不稳定的熔滴过渡。
[0020]
具体而言，在焊接电流值为300a以下的条件下，在mig焊接的熔滴过渡中混合存在焊丝熔融并从细长的液柱连续地向熔池输送的形态以及在焊丝前端生成大的熔滴且通过其滴落或者短路而向熔池输送的形态。为了抑制该不稳定的熔滴过渡，认为有效的是使熔滴从焊丝前端规则地脱离。但是，在保护气体为ar气体的情况下，作用于焊丝的电磁收缩力小，熔滴的脱离变得困难，因此，在本发明中，通过使焊丝前端短路，从而使熔滴过渡稳定化。
[0021]
本发明基于上述见解，其主旨如下。
[0022]
[1]一种mig焊接方法，是使用ar保护气体的碳钢的mig焊接方法，焊丝与母材发生短路，焊接中的平均短路频率为20～300hz，且最大短路周期为1.5s以下。
[0023]
[2]根据[1]所述的mig焊接方法，其中，所述mig焊接方法的焊接电流为脉冲电流，由下述的式(1)计算的值x满足50≤x≤250。
[0024]
x＝i
p
t p
/l+(i
p
+ib)(t
up
+t
down
)/(2l)
‥‥
(1)
[0025]
这里，(1)式的i
p
：峰值电流(a)、ib：基极电流(a)、t
p
：峰值期间(ms)、t
up
：上升期间(ms)、t
down
：下降期间(ms)，l：接触片与母材间的距离(mm)。
[0026]
[3]根据[1]或[2]所述的mig焊接方法，其中，所述焊丝为实心焊丝。
[0027]
[4]根据[3]所述的mig焊接方法，其中，所述实心焊丝具有如下焊丝组成：含有c：0.020～0.150质量％、si：0.20～1.00质量％、mn：0.50～2.50质量％、p：0.020质量％以下、s：0.03质量％以下，剩余部分为fe和不可避免的杂质。
[0028]
[5]根据[4]所述的mig焊接方法，其中，除了上述焊丝组成之外，还含有ni：0.02～3.50质量％、cr：0.01～1.50质量％、ti：0.15质量％以下、mo：0.8质量％以下中的1种或2种以上。
[0029]
根据本发明，能够稳定地得到焊道形状良好的焊接接头。而且，由于不将以往的mag焊接或mig焊接中使用的焊接装置变更为特别的规格而直接使用，因此能够在确保与以往同等的稳健性的状态下抑制氧向焊接金属的混入和熔渣的生成。另外，起到能够实现可稳定地得到耐腐蚀性和疲劳特性优异的焊接接头的mig焊接的效果。
附图说明
[0030]
图1是表示本发明的实施方式的一个例子的示意图。
[0031]
图2的(a)和图2的(b)是表示基于以往的mig焊接的熔滴过渡的情形的示意图。
[0032]
图3的(a)和图3的(b)是表示本发明的短路过渡的情形的示意图。
[0033]
图4是表示本发明的mig焊接的脉冲电流波形的示意图。
[0034]
图5是对本发明的实施例的焊道缝边部的侧面角进行说明的示意图。
具体实施方式
[0035]
以下，参照附图具体地说明本发明。图1是表示本发明的实施方式的一个例子的示意图。该例子中，作为代表示出了搭接接头的角焊，但在本发明中，焊接接头形状和焊接位置没有限定。
[0036]
本发明中，例如如图1所示，将穿过焊炬2的中心部并从焊炬2向母材3(详细而言例如由将作为钢板的母材3重叠2片而形成的台阶的角部构成的焊接线)连续地送给的焊丝1作为阳极，将母材3作为阴极，从焊接电源(未图示)施加焊接电压。通过从焊炬2内供给的ar保护气体(未图示)的一部分进行电离
·
等离子体化，从而在焊丝1与母材3之间形成电弧5。另外，上述ar保护气体中不产生电离而从焊炬2向母材3流动的部分具有将电弧5和母材3熔融而形成的熔池(图1中未图示)从外部空气阻断的作用。通过电弧5的热，焊丝1的前端部熔融而成为熔滴，该熔滴通过电磁力、重力等向熔池输送。该现象伴随焊炬2或母材3的移动而连续地产生，在焊接线的后方，熔池凝固，形成焊道6。因此，实现了至少2片钢板的接合。
[0037]
另一方面，在以碳钢作为对象的情况下，在以往的mig焊接中，存在焊接极不稳定的课题。mag焊接或mig焊接中，由于是将电极(焊丝)作为阳极的逆极性焊接，因此在母材表面以如氧化物那样功函数低且容易发生电子释放的部位作为起点而形成阴极辉点。在母材表面具有牢固的氧化皮膜的铝合金中，以焊接线上的氧化皮膜作为起点，稳定地形成阴极辉点，因此能够进行良好的焊接。然而，在氧化皮膜较薄或者不具有氧化皮膜的碳钢，且与mag焊接不同而不生成来自o2或co2的氧化物的mig焊接中，阴极辉点不确定，寻求功函数低的部位而阴极辉点在母材表面剧烈地来回移动。因此，焊接不稳定，焊道成为蛇行的形状或波浪的形状。
[0038]
针对该现象，本发明人等实施基于焊接实验的电弧举动观察，认为将碳钢作为对象的mig焊接中被视为问题的焊道的蛇行
·
波浪形状的主要原因是不稳定的熔滴过渡。
[0039]
图2的(a)和图2的(b)中示出对基于以往的mig焊接的熔滴过渡的情形进行说明的示意图。具体而言，在焊接电流值为300a以下的条件下，在以往的mig焊接的熔滴过渡中混
合存在如图2的(a)所示焊丝1熔融并从细长的液柱连续地向熔池8输送的形态以及如图2的(b)所示在焊丝1前端生成大的熔滴7且通过其滴落或短路而向熔池8输送的形态。为了抑制该不稳定的熔滴过渡，认为有效的是从焊丝1前端使熔滴7规则性地脱离，但在ar保护气体的情况下，作用于焊丝1的电磁压缩力小，熔滴7的脱离变得困难。
[0040]
因此，在本发明中，发现作为使熔滴过渡稳定化的方法，有效的是通过在焊丝1前端与母材3之间规则地重复图3的(a)的非短路状态与图3的(b)的短路状态，在短路状态时熔滴7向母材3过渡的所谓短路过渡，从而完成接合。
[0041]
焊丝1前端的熔滴7的体积过小或过大均使焊接不稳定化，因此通过一次短路向熔池8输送的焊丝1前端的熔滴7的体积优选为与焊丝直径相同直径的球的体积程度。因此，在本发明中，短路过渡的平均频率(平均短路频率)f(hz)为20～300hz。除此之外，为了得到良好的焊道形状，优选周期性地产生短路，最大短路周期t
cyc
(s(秒))为1.5s以下。
[0042]
这里，最大短路周期t
cyc
未必每次恒定，是指一个焊接路径中的短路周期中最大的周期。因此，最大短路周期为1.5s以下与每次的短路周期不超过1.5s含义相同。因此，即使是使用ar保护气体的mig焊接，也可实现规则的熔滴过渡，得到稳定的焊道。
[0043]
平均短路频率f在f＜20hz时，射流过渡的混合存在变得显著，熔滴过渡变得不规则性，在f＞300hz时，因伴随短路的电弧的再起弧而熔池紊乱。因此，在任一情况下均难以消除焊道的蛇行
·
波浪。应予说明，优选f为40～280hz。
[0044]
另外，即使在平均短路频率f满足20≤f(hz)≤300的条件下，在最大短路周期为t
cyc
＞1.5s时，也会产生电弧的摆动，得不到良好的焊道。应予说明，优选为t
cyc
＜1.0s。更优选为0.2s以下。
[0045]
这里，短路过渡的平均频率(平均短路频率)f(hz)例如可以通过如下操作进行测定：利用示波器监视焊接进行中的电弧电压的推移，对其成为零的次数进行计数，用计数除以监视时间而求出每秒的计数。如果上述监视时间过短，则上述计数的偏差变大，因此优选为10s以上。通过以平均短路频率f的测定值成为目标值的方式调节焊接条件，从而能够实现20≤f(hz)≤300。
[0046]
应予说明，作为焊接条件的优选的范围，例如可举出焊接电流＝150～300a、电弧电压＝20～35v、接触片与母材间的距离(以下，也称为ctwd)＝5～30mm、ar保护气体流量＝15～25l/min。应予说明，焊接电流、电弧电压是各焊接路径内的平均值。
[0047]
另外，使平均短路频率和最大短路周期为上述范围的方法没有特别限定。例如赋予如图4所示的基于脉冲电流的电流波形控制，将峰值电流设为i
p
(a)，将基极电流设为ib(a)，将峰值期间设为t
p
(ms)，将上升期间设为t
up
(ms)，将下降期间设为t
down
(ms)，将ctwd设为l(mm)时，通过由下述的式(1)计算的x(a
·
s/m)的值满足50≤x≤250，从而能够更有效地得到本发明的效果。
[0048]
x＝i
p
t
p
/l+(i
p
+ib)(t
up
+t
down
)/(2l)
‥‥
(1)
[0049]
如果x变得过小，小于50a
·
s/m，则存在产生以往的mig焊接中被视为课题的电弧的摆动、熔滴过渡的不稳定化的情况。另外，如果x变得过大，超过250a
·
s/m，则存在焊丝插入熔池，或者生长的熔滴在短路时飞散，产生焊道形状的劣化、溅射附着等的情况。应予说明，x(a
·
s/m)的值更优选为60≤x≤230。
[0050]
另外，式(1)中，如果l过小，则焊炬的损耗剧烈，焊接不稳定化，如果过大，则产生
电弧的摆动。因此，l优选为5～30mm，更优选为8～20mm。
[0051]
如果i
p
过小，则无法确保充分的热输入，产生焊道形状的劣化，如果过大，则产生烧穿，导致溅射增加，因此优选为250～600a。i
p
更优选为400a以上，更优选为500a以下。
[0052]
如果ib过小，则电弧不稳定化，如果过大，则产生烧穿，优选为30～120a。ib更优选为40a以上，更优选为100a以下。
[0053]
如果t
p
过小，则无法充分地确保热输入，如果过大，则引起烧穿，优选为0.1～5.0ms。t
p
更优选为1.0ms以上，更优选为4.5ms以下。
[0054]
如果t
up
和t
down
过小，则引起电弧的摆动，如果过大，则导致焊道形状的劣化，因此分别优选为0.1～3.0ms。t
up
和t
down
分别更优选为0.5ms以上，更优选为2.5ms以下。
[0055]
应予说明，如果将基值期间设为tb(ms)，则如果tb过小，则熔滴变得过小，如果过大，则熔滴变得过大，因此，在任一情况下，焊接均不稳定化。因此，tb优选为0.1～10.0ms。更优选为1.0ms以上，更优选为8.0ms以下。
[0056]
应予说明，本发明中，不需要在脉冲电流的每个周期发生1次短路，只要在1次～几次脉冲产生1次短路即可。另外，只要能够在1次～几次脉冲中产生1次短路，则脉冲电流的脉冲频率没有特别限定。
[0057]
本发明中，导入脉冲电流的目的在于，通过在基值期间形成低电流，从而抑制电弧的摆动的同时促进熔滴的稳定生长，从峰值期间到下降期间，不是利用电磁力、ar保护气体的剪切力使生长的熔滴从焊丝脱离，而是将生长的熔滴向熔池按压，从而促进短路。
[0058]
本发明的上述mig焊接的稳定化方法中，不需要氧的供给、特别的元素的添加。因此，通过使用比药芯焊丝更廉价的实心焊丝作为焊丝，从而能够实现工艺的低成本化。
[0059]
本发明中，使用的实心焊丝的焊丝组成(焊丝的成分组成)没有特别限定。作为优选的焊丝组成，例如可举出如下焊丝组成：含有c：0.020～0.150质量％、si：0.20～1.00质量％、mn：0.50～2.50质量％、p：0.020质量％以下、s：0.03质量％以下，剩余部分为fe和不可避免的杂质。如果为该焊丝组成，则能够通过适当的成分调整而应用于软钢～超高强度的广范围的钢种的mig焊接。
[0060]
这里，c是为了确保焊接金属的强度所需的元素，具有使熔融金属的粘性降低而提高流动性的效果。但是，如果c含量小于0.020质量％，则无法确保焊接金属的强度。另一方面，如果c含量超过0.150质量％，则焊接金属的韧性降低。因此，c含量优选为0.020～0.150质量％。
[0061]
si是具有脱氧作用，另一方面，通过适当量的添加而提高焊接金属的淬透性，有助于焊接金属的韧性、强度提高的元素。mig焊接中，能够通过ar保护气体来抑制氧向焊接金属的混入。基于si的脱氧作用虽然没有特别需要，但如果si含量小于0.20质量％，则在焊接施工时熔滴、熔池摇动，大量产生溅射。另一方面，如果si含量超过1.00质量％，则焊接金属的韧性降低。因此，si含量优选为0.20～1.00质量％。
[0062]
mn是与si同样地具有脱氧作用，并且提高焊接金属的机械性质的元素。但是，如果mn含量小于0.50质量％，则在焊接金属中残留的mn量不足而得不到充分的强度和韧性。另一方面，如果mn含量超过2.50质量％，则焊接金属的韧性降低。因此，mn含量优选为0.50～2.50质量％。
[0063]
p是在制钢工序和铸造工序中作为杂质混入钢中的元素，是降低焊接金属的耐高
温破裂性的元素，优选尽可能减少。尤其是如果p含量超过0.020质量％，则焊接金属的耐高温破裂性显著降低。因此，p含量优选为0.020质量％以下。
[0064]
s是钢裸线中不可避免地含有的杂质，是降低焊接金属的耐高温破裂性的元素，优选尽可能减少。尤其是如果s含量超过0.03质量％，则容易产生焊接金属的高温破裂。因此，s含量优选为0.03质量％以下。
[0065]
应予说明，作为上述不可避免的杂质，特别记载了n、cu。n是在熔炼钢材的阶段、制造钢裸线的阶段不可避免地混入的杂质，由于对焊接金属的韧性造成不良影响，因此其含量优选抑制在0.01质量％以下。cu是钢裸线中不可避免地含有的杂质，是降低焊接金属的韧性的元素，尤其是如果其含量超过3.0质量％，则焊接金属的韧性显著降低。因此，cu含量优选为3.0质量％以下。
[0066]
另外，除了上述组成之外，还可以适当地添加ni、cr、ti、mo中的1种或2种以上。
[0067]
ni是增加焊接金属的强度，提高耐候性的元素。但是，如果ni含量小于0.02质量％，则得不到这样的效果。另一方面，如果ni含量超过3.50质量％，则导致焊接金属的韧性降低。因此，在添加ni的情况下，ni含量优选为0.02～3.50质量％。
[0068]
cr是与ni同样地增加焊接金属的强度，提高耐候性的元素。但是，如果cr含量小于0.01质量％，则得不到这样的效果。另一方面，如果cr含量超过1.50质量％，则导致焊接金属的韧性降低。因此，在添加cr的情况下，cr含量优选为0.01～1.50质量％。
[0069]
ti是作为脱氧剂发挥作用，且使焊接金属的强度与韧性提高的元素。另外，ti也具有使电弧稳定而减少溅射的效果。但是，如果ti含量超过0.15质量％，则在焊接施工时熔滴变得粗大，不仅产生大粒的溅射，而且焊接金属的韧性显著降低。因此，在添加ti的情况下，ti含量优选为0.15质量％以下。
[0070]
mo是提高焊接金属的强度的元素，如果其含量超过0.8质量％，则焊接金属的韧性降低。因此，在添加mo的情况下，mo含量优选为0.8质量％以下。
[0071]
实施例
[0072]
以下，对本发明的实施例进行说明。本实施例中，作为供试钢板，使用具有表1所示的钢板组成的板厚2.6mm的钢板，在表2所示的mig焊接条件下进行搭接接头的角焊。作为焊丝，使用具有表3所示的焊丝组成的直径1.2mm的实心焊丝。
[0073]
将评价焊接后的焊道形状而得的结果示于表2。
[0074]
表2所示的“符号
◎”
是“焊道宽度的最小值(w
min
)除以焊道宽度的最大值(w
max
)而得到的值(w
min
/w
max
)为0.7以上”且“侧面角(θ)为120
°
以上”的情况。
[0075]“符号〇”是“焊道宽度的最小值除以焊道宽度的最大值而得到的值(w
min
/w
max
)为0.7以上”且“侧面角(θ)为100
°
以上且小于120
°”
的情况或者“焊道宽度的最小值除以焊道宽度的最大值而得到的值(w
min
/w
max
)为0.6以上且小于0.7”，并且“侧面角(θ)为120
°
以上”的情况。
[0076]“符号
△”
是“焊道宽度的最小值除以焊道宽度的最大值而得到的值(w
min
/w
max
)为0.6以上且小于0.7”且是“侧面角(θ)为100
°
以上且小于120
°”
的情况。
[0077]“符号
×”
是与“焊道宽度的最小值除以焊道宽度的最大值而得到的值(w
min
/w
max
)小于0.6”和“侧面角(θ)小于100
°”
中至少一个相当的情况。
[0078]
应予说明，焊道宽度的最小值和焊道宽度的最大值如下测定：对焊道6的除焊道始
终端部(各长度15mm)的区域的表面进行拍摄，对所得到的照片进行解析。在焊道6的长度小于130mm的情况下，对除焊道始终端部之外的全长的表面进行拍摄。在焊道6的长度为130mm以上的情况下，除了焊道始终端部之外对任意的部位(长度100mm)的表面进行拍摄。
[0079]
另外，侧面角通过形状测定而求出。图5中示出了焊道缝边部和其周边的示意图，图5中的角度α(
°
)为焊道缝边部的侧面角。
[0080]
应予说明，上述“w
min
/w
max”是表示焊道的蛇行和波浪程度的指标。
[0081]
根据表2，表示评价的符号为
◎
、〇、
△
的本发明例(no.5～21)的平均短路频率f为20hz～300hz，且最大短路周期t
cyc
满足1.5s以下。其结果焊道形成很稳定，焊道的蛇行
·
波浪少，得到侧面角(θ)大且缝边形状平滑的焊道。在符号为〇的本发明例中，上述效果显著，在符号为
◎
的本发明例中，上述效果更显著。
[0082]
与此相对，在表2所示的评价的符号为
×
的比较例(no.1～4、22)中，平均短路频率f小于20hz，或者最大短路周期t
cyc
为1.5s以上，焊道形成不稳定。其结果，出现焊道的蛇行
·
波浪大和侧面角(θ)小的凸焊道中的至少一个
[0083]
另外，根据符号为
◎
的本发明例(no.5、7～9、11、12、15、20)，确认了即使使用软钢用(表3中的焊丝符号w1)～超高强度用(表3中的焊丝符号w2)中的任一种焊丝，也可得到稳定的焊道。
[0084]
[表1]
[0085][0086]
[表2]
[0087][0088]
[表3]
[0089][0090]
符号说明
[0091]1ꢀꢀ
焊丝
[0092]2ꢀꢀ
焊炬
[0093]3ꢀꢀ
母材
[0094]5ꢀꢀ
电弧
[0095]6ꢀꢀ
焊道
[0096]7ꢀꢀ
熔滴
[0097]8ꢀꢀ
熔池
[0098]9ꢀꢀ
焊接金属
[0099]
10 焊接缝边部