角焊接头及气体保护弧焊方法

专利名称：角焊接头及气体保护弧焊方法
技术领域：
本发明涉及在碳钢的角焊时，廉价且不伴随产生焊接裂纹的危险性而能够提高疲劳强度的角焊接头及气体保护弧焊方法。
背景技术：
近年来，以提高燃料利用率为目的而在机动车或造船等的输送设备中，为了减轻质量而使用高张力钢板的动向越发活跃。虽然高张力钢板也与软钢同样地进行弧焊，但焊接接头的疲劳强度仅能确保为与软钢同程度，从而存在焊接部的疲劳强度比母材下降而无法发挥高张力钢板本来的性能的问题。作为焊接部的疲劳强度比母材下降的原因，考虑有⑴终端部的应力集中、(2)因热的膨胀、收缩而产生的拉伸残留应力这两个主要原因，到目前为止通过多个方法尝试着进行了改善。关于这些情况，以下，对应力集中的缓和及拉伸残留应力的下降进行说明。〈应力集中的缓和〉为了缓和焊接终端部的应力集中，而考虑了减少接触角、增大终端半径的所谓使焊道形状平滑的方法。例如在专利文献1 4中，示出了通过钢板成分的限定、添加有降低表面张力的特殊成分的焊丝的使用、电压等焊接条件的限定等得以实现的情况。然而，在这些方法中对于条件的限制多，缺乏通用性。并且到目前为止，事实上还没有仅通过单纯地进行焊接就能显著地改善终端形状的技术，而且在发明者们的确认实验结果中可知，仅进行应力集中的缓和的话，疲劳强度改善效果差。即，不能说是仅改善应力集中就能够提高疲劳强度。〈拉伸残留应力的下降(由焊接金属的屈服应力的下降、延展性的提高所引起)>在专利文献5、6中，提出有为了使残留应力下降而使焊接金属容易塑性变形的思想。然而，在专利文献5中未提出具体的焊接方法而无法实际应用，在专利文献6中关于焊丝，由于过度地减少脱氧成分而强度下降，因此存在因脱氧不足而容易产生气孔缺陷的问题、或适用于高强度钢板时静态的接头拉伸强度不足等问题。〈拉伸残留应力的下降(由应力除去退火所引起)>作为一直以来最众所周知的残留应力的除去方法，有在退火炉中进行高温保持的应力除去退火(PWHT)。然而，在处理的钢材以比较薄的情况为主的输送设备业界中，具有设备的厂商几乎没有，即使引入设备，生产效率也会显著下降，而导致高成本化。〈拉伸残留应力的下降(由强化效应所引起)>此外也有通过所谓喷丸强化或锤击强化、超声波强化的方法在焊接后施加压缩应力的方法，这在专利文献7中也有提示。然而这种情况也需要引入设备，且生产效率显著下降，而导致高成本化。<拉伸残留应力下降(由低温相变焊接材料所引起)>因此作为最近引起关注的方法，使焊接金属的马氏体相变温度(Ms点)下降而在室温时施加膨胀相变的压缩残留应力或减少拉伸残留应力的方法引人注目。例如在专利文献8中提出有通过将高Cr和高M合在一起的焊接金属使Ms点下降的方法。随后，作出了基于多个相同方法的提案。例如在专利文献9 16中，具有高Cr、高附、或高Mn系的焊接金属或焊丝的规定。在专利文献17中提出有使用0. 45 0. 7质量％的高C的低温焊丝使Ms点达到 200 350°C的低温，且将焊透深度限制为板厚的2/3以下的薄板的重叠角焊方法。而且在专利文献18中提出有仍然使用0. 35 0. 7质量％的高C的低温焊丝而使Ms点达到250 400°C的低温，且将焊透深度限制为板厚的1/2以下，而且焊道终端部比钢板表面凹陷的薄板的重叠角焊方法。另一方面，在专利文献19中提出有将Ms点设定为475 550°C的比较高的温度， 改善焊接金属的耐裂纹性或吸收能量，使焊透深度为板厚的1/3以下并使限制度为4000N/ mm · mm的角焊方法。专利文献1日本特开平6-340947号公报专利文献2日本特开平8-25080号公报专利文献3日本特开2002-361480号公报专利文献4日本特开2002-361481号公报专利文献5日本特开平7-171679号公报专利文献6日本特开平9-227987号公报专利文献7日本特开2004-136312号公报专利文献8日本特开昭54-130451号公报专利文献9日本特开2000-288728号公报专利文献10日本特开2001-246495号公报专利文献11日本特开2002-273599号公报专利文献12日本特开2004-98108号公报专利文献13日本特开2004-98109号公报专利文献14日本特开2004-98113号公报专利文献15日本特开2004-98114号公报专利文献16日本特开2005-238305号公报专利文献17日本专利第4173957号公报专利文献18日本特开2004-136313号公报专利文献19日本专利第4173999号公报然而，在以往的角焊接头及角焊方法中，存在如下所示的问题。在专利文献8 16所记载的发明中，都添加多量的高价的元素，而且使用实芯焊丝时的拉丝性差，从而成为高成本的焊接材料。此外，作为实际使用上的最大的缺点，有伴随Ms点的下降而成为高硬度金属、发生延迟裂纹(即，加氢裂化)的担心不可避免地增大的问题。即使由于板厚薄且限制小而在刚焊接之后不发生裂纹，根据之后的运用环境也存在腐蚀引起的氢进入、脆化的可能性，从而延迟裂纹的担心始终存在。为了将其避免，而需要在焊接前后进行加热焊接体而使扩散性氢逃散的热处理，但在如输送设备那样大量生产很多的接头时，从成本方面出发事实上并不现实。而且，马氏体组织越成为主体而通常金属越脆，容易引起脆性破坏。需要说明的是，作为此种特性的一般性指标，夏比冲击吸收能量下降。在专利文献17、18所记载的发明中，由于C的浓度高，因而如上所述的延迟裂纹容易发生，且高温裂纹(即，凝固裂纹)也容易发生。而且夏比冲击吸收能量也低。此外，在实际的生产中，难以管理焊透深度或焊道的凹陷量。在专利文献19所记载的发明中，管理焊透深度或限制度的情况在实际的生产中仍然困难，对应于Ms点升高，疲劳强度改善效果也相应地减小。如上所述，依赖于低温相变引起的拉伸残留应力的下降的方法并不现实。

发明内容
本发明鉴于上述状況而作出，其课题在于提供一种不过分地依赖于焊接材料对终端部的压缩残留应力的施加，通过改善应力集中而具有高疲劳强度且没有裂纹、韧性优异的角焊接头、及用于得到该角焊接头的气体保护弧焊方法。本发明的角焊接头是通过弧焊形成的钢的角焊接头，其中，焊接金属的马氏体相变开始温度(Ms点)为400°C以上且550°C以下，焊接终端部的终端半径P除以母材的板厚t的值(P /t)，S卩，终端半径P与母材的板厚t的比率P /t为0. 25以上，并且满足式 Ms (°C ) ( 375X [p/t]+320... (1)，且没有裂纹缺陷。根据上述结构，通过使焊接金属的Ms点为400°C以上且550°C以下，而使耐裂纹性及韧性不下降地产生膨胀相变，拉伸残留应力减小且产生压缩残留应力。而且，通过使P/ t为0.25以上，而应力集中显著缓和且疲劳强度提高。此外，通过满足式(1)，而能起到应力集中缓和及残留拉伸应力缓和的复合效果。另外，本发明的角焊接头是通过使用纯Ar气体作为保护气体并使用药芯焊丝作为焊丝的弧焊而形成的钢的角焊接头，其中，所述焊丝使用带钢或钢管作为外皮，以焊丝总质量换算，含有0. 08 0. 32质量％的C、0. 40 3. 00质量％的Si、1. 00 5. 00质量％的 Μη、0. 030质量％以下的P、0. 030质量％以下的S，并将氧化物的总计量抑制成1. 0质量％ 以下(包含0质量％ )，而且，使相对于焊丝的总焊剂质量比为7 30质量％，并使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形而形成，且没有裂纹缺陷。根据所述结构，通过使用纯Ar气体作为保护气体而增大焊接终端部的终端半径 P，通过使用药芯焊丝作为焊丝而能够进行纯Ar气体下的焊接。而且，通过含有规定量的 C、Mn而提高淬火性，通过含有规定量的Si而提高母材与焊道的适应性，通过将P、S抑制成规定量以下而抑制凝固裂纹的发生。此外，通过将氧化物的总计量抑制成规定量以下，而不会妨碍电弧稳定性，焊道形状正常，应力集中也缓和。并且，通过限定相对于焊丝的总焊剂质量比，能够在纯Ar保护气体中适度地使电弧稳定化，而且，适当地进行阶段性熔融。而且，通过使用脉冲波形，而与平均电流无关地能够一直使用高的电流域的作用，因此施加夹紧力，实现正确规律的熔滴脱离。另外，本发明的角焊接头是通过使用纯Ar气体作为保护气体并使用药芯焊丝作为焊丝的弧焊而形成的钢的角焊接头，其中，所述焊丝使用带钢或钢管作为外皮，以焊丝总质量换算，含有0. 08 0. 32质量％的C、0. 40 3. 00质量％的Si、1. 00 5. 00质量％的 Μη、0. 030质量％以下的P、0. 030质量％以下的S，并将氧化物的总计量抑制成1. 0质量％以下，而且，相对于焊丝的总焊剂质量比为7 30质量％，并使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形而形成，焊接金属的马氏体相变开始温度(Ms点)为400°C以上且550 °C以下，焊接终端部的终端半径P除以母材的板厚t的值(p/t)为0.25以上，并且满足式 Ms (°C ) ( 375X [p/t]+320... (1)，且没有裂纹缺陷。根据所述结构，通过使用纯Ar气体作为保护气体而增大焊接终端部的终端半径 P，通过使用药芯焊丝作为焊丝而能够进行纯Ar气体下的焊接。而且，通过含有规定量的 C、Mn而提高淬火性，通过含有规定量的Si而提高母材与焊道的适应性，通过将P、S抑制成规定量以下而抑制凝固裂纹的发生。此外，通过将氧化物的总计量抑制成规定量以下，而不会妨碍电弧稳定性，焊道形状正常，应力集中也缓和。并且，通过限定相对于焊丝的总焊剂质量比，在纯Ar保护气体中适度地使电弧稳定化，而且，适当地进行阶段性熔融。而且，通过使用脉冲波形，而与平均电流无关地能够一直使用高的电流域的作用，因此施加夹紧力， 实现正确规律的熔滴脱离。此外，通过使焊接金属的Ms点为400°C以上且550°C以下，而使耐裂纹性及韧性不下降地产生膨胀相变，拉伸残留应力减小且产生压缩残留应力。而且，通过使P/t为0.25 以上，而应力集中显著缓和且疲劳强度提高。此外，通过满足式(1)，而能起到应力集中缓和及残留拉伸应力缓和的复合效果。另外，在本发明的角焊接头中，所述焊丝以焊丝总质量换算还可以含有0.80质量％ 以下的 Ti、Zr、Al、Mg 的总计(Ti+Zr+Al+Mg)。通过含有这些成分，而熔滴的表面张力上升，焊丝前端熔融部的长度变短，并改善纯Ar气体气氛下的电弧稳定性。另外，在本发明的角焊接头中，所述焊丝以焊丝总质量换算，还可以含有3.0质量％以下的附、3.0质量％以下的0、3.0质量％以下的临中的至少1种。通过含有这些成分，不会使韧性下降，而使Ms点下降且淬火性提高。另外，在本发明的角焊接头中，也可以将所述式⑴形成为式Ms (°C )彡375X [ P / t]+250... (2)。根据上述结构，能进一步起到应力集中缓和及残留拉伸应力缓和的复合效果。另外，在本发明的角焊接头中，进行所述弧焊的母材的板厚也可以为6mm以下。根据上述结构，若为相同终端半径P，则板厚t小的应力集中效果更容易消失，因此通过使板厚为6mm以下，而容易使应力集中效果消失。本发明的气体保护弧焊方法是使用了所述记载的药芯焊丝的气体保护弧焊方法， 其中，使用纯Ar气体作为保护气体，使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形。根据上述焊接方法，由于使用纯Ar气体作为保护气体并使用所述记载的焊丝作为焊丝，因此焊接终端部的终端半径P增大，而且，淬火硬化性或母材与焊道的适应性提高，并抑制凝固裂纹的发生。此外，不会妨碍电弧稳定性，焊道形状正常，应力集中也缓和。 并且，通过使用脉冲波形而实现正确规律的熔滴脱离。通过这些作用，焊接金属使Ms点、 P/t成为规定值，并使它们具有规定的关系。本发明的角焊接头的疲劳强度高，因此能够延长角焊的制造物的寿命。此外，无需多量地含有以往为了使Ms点较大下降所需的Ni等高价的合金元素，从而成本方面优异。
本发明的气体保护弧焊方法通过限定焊丝组成及保护气体组成并配合焊接电流波形，而大幅提高接头的疲劳强度，因此能够延长角焊的制造物的寿命。而且，不会发生延迟裂纹或凝固裂纹等焊接裂纹。此外无需多量地含有M等高价的合金元素，在成本方面优
已


图1是表示重叠角焊接头中的P /t与应力集中系数kt的关系的图形。图2是对P/t和Ms点的本发明范围与现有技术范围进行比较的图形。图3(a) (C)是用于说明气体保护弧焊中的熔滴过渡的图，是表示焊接部的截面形状的示意图。图4是用于说明实施例中的重叠角焊的条件的示意图，(a)是立体图，(b)是(a) 的A-A剖视图。图5是表示实施例中的终端半径P的测定方法及Ms点测定用试验片的选取要领的示意图。图6是表示实施例中的疲劳试验片的形状和尺寸的示意图。
具体实施例方式以下，对本发明的实施方式进行详细说明。首先，参照图1 3，说明本发明者们完成的本发明的角焊接头及气体保护弧焊方法的原理。通常应力集中系数处于和终端半径P与板厚t的比率P /t相反的关系，例如终端半径P越大，应力集中系数越小，即应力集中减弱。通过实验确认该关系时，成为图1所示的结果。即，在P/t为0.20以下的区域中，应力集中系数显著上升，疲劳强度显著下降。 在使用了 CO2气体、或Ar与CO2的混合气体(以下，适当称为Ar+C02)的通常的气体保护弧焊法中可知，关于终端半径P，无论采取到目前为止讨论的任何方法，P/t都仅能在0以上 0. 20以下的区域内进行改善，因而疲劳强度改善效果不显著。另一方面，在P/t为0.25以上的区域中，相对于P/t的变化而应力集中系数的变化不敏感，成为接近平板的应力集中系数即ι. O的值。因此，只要能够将ρ /t改善到该区域，则可以期待应力集中显著缓和且疲劳强度改善的情况。关于疲劳强度下降的另一个主要原因即拉伸残留应力的影响，如到目前为止的各个文献中报告所述，对疲劳强度的影响没有差异。由于到目前为止还没有基于终端形状的改善的疲劳强度的改善方法，因此提出了最大限度地利用在室温冷却时拉伸变化为压缩的体积膨胀相变的方法。然而，膨胀相变即马氏体相变具有高硬度且脆化的特性，并作为氢引起的延迟裂纹最容易发生的金属组织而周知。在此，焊接金属的硬度与马氏体相变开始温度(Ms点)相关，Ms点越低，其越成为高硬度。并且硬度越高，延迟裂纹的感受性越高，而且吸收能量越下降。即，Ms点低的焊接金属在耐延迟裂纹性、韧性的点上缺乏实用性。从上述理由出发，得出了如下的结论优选通过对使Ms点下降到无预热且不发生延迟裂纹的范围所产生的拉伸残留应力的减少、及用于弥补疲劳强度改善的不足的改善终端形状所产生的应力集中缓和效果进行组和的混合(复合)作用来实现改善了疲劳强度的富有实用性的焊接接头。需要说明的是，若不需要使Ms点过度下降，则不需要高价的合金， 因此在成本方面更增添实用性。具体而言，需要使焊接金属的Ms点为400°C以上。如果Ms点为400°C以上，仅通过少许的膨胀相变即贝氏体相变或低变形区域的马氏体相变程度就可解决，延迟裂纹感受性不会升高，即使考虑焊接后的运用时的环境也可以忽视裂纹担心。而且吸收能量也收敛于实用的范围。另一方面，Ms点超过550°C时，实质上膨胀相变不再发生，不能期待终端部的压缩残留应力。并且，无论怎样缓和应力集中，在应力集中缓和的单独效果下都无法较大地改善疲劳强度。此外，在本发明的范围中，在p/t比较小的区域中，为了使通过让Ms点下降而施加压缩残留应力所产生的复合效果达到必要最大限度，设置基于1次式的相关区域。具体而言，必须满足“Ms(°C )彡375X[p/t]+320···⑴”。而且更优选满足 “Ms(°C)彡375X[p/t]+250…⑵”。上述Ms点与一次式的关系如图2所示。需要说明的是，图中，式(1)的范围包含式(2)的范围。由该终端形状和Ms点构成的领域由于至今没有创新的终端半径的改善方法，因此实用方法并不存在。然而，本发明者们开发了能够满足该领域的实用的弧焊法。接下来参照图3，对气体保护弧焊中的熔滴过渡进行说明。图3(a)是表示将以往的焊丝和以往的保护气体组合时的熔滴过渡和焊道形状的示意图，(b)是表示将以往的焊丝和纯Ar保护气体组合时的熔滴过渡和焊道形状的示意图，(c)是表示将本发明规定的焊丝和纯Ar保护气体组合时的熔滴过渡和焊道形状的示意图。通常的气体保护弧焊法在保护气体中使用CO2或Ar+C02的氧化性气体。这例如在上述的全部在先技术文献中有记载。其理由是，如图3(a)所示，氧化性气体在电弧Ila中进行热分解时产生的吸热反应使电弧Ila紧缩，作为所谓夹紧力发挥作用，挤压而切断焊丝前端的熔融部(以下，适当称为焊丝前端熔滴部)12a而具有使电弧Ila稳定地移动的作用。由此，电弧Ila具有挺度，使电弧Ila集中在一定的狭窄区域中，从而实现深的焊透和稳定的熔滴过渡(参照熔滴13a)。然而，根据发明者们的研究，查明了该电弧Ila及熔滴过渡部位的集中也存在成为焊道形状的凸化或终端部的浸润性下降的主要原因的缺点(参照熔池14a)。相对于此，进一步研究的结果是，通过将本发明规定的药芯焊丝和以往消耗电极式气体保护弧焊法中不适合的纯Ar组成的保护气体、以及脉冲焊接机进行组合，而发明了能得到以往不可能的P /t为0. 25以上的优异的焊道终端形状的实用化方法。如图3(b)所示，通常使用纯Ar作为保护气体时，不产生夹紧力，因此不可能将焊丝前端熔滴部12b切断而使其向熔池14b移动。因而，电弧lib极其不稳定且无法形成正常的焊道(参照熔池14b)。而且还产生溅射15。然而，如图3(c)所示可知，仅在限定了化学成分或氧化物量、焊剂率等的本发明所规定的药芯焊丝中，能够防止焊丝前端熔融部12c的延伸，且熔滴13c能够向熔池14c过渡，并且通常与没有氧化物成为基点的母材侧阴极点的情况相伴的母材侧电弧发生点的适度的不稳定性具有显著地扩展熔池14b的作用。由此，能够改善终端部的适应性，并明显地增大终端半径P。而且，脉冲焊接机具有与电流域无关地改善电弧稳定性的效果，而且有助于终端部形状的改善、稳定化。
如此，通过使焊接金属的Ms点尽可能适度，将焊丝的化学成分调整为最佳，并将 Ar保护气体和脉冲焊接机组合，而能够进行以往未得到的同时控制残留应力和向终端部的应力集中的情况。以下，对本发明的角焊接头及气体保护弧焊方法进行说明。《角焊接头》[第一实施方式]本发明的角焊接头是通过弧焊所形成的钢的角焊接头，焊接金属的马氏体相变开始温度(Ms点)为400°C以上且550°C以下，焊接终端部的终端半径P除以母材的板厚t的值(p/t)，即，终端半径P与母材的板厚t的比率P/t为0.25以上，且满足式 Ms (°C ) ( 375X [p/t]+320... (1)，且没有裂纹缺陷。以下，对各构成进行说明。<Ms 点400°C 以上且 550°C 以下〉焊接金属的Ms点越低，在室温附近越容易引起膨胀相变，拉伸残留应力被抵消而减小。进一步转变而产生压缩残留应力，使疲劳强度获得改善。该作用在Ms点不是550°C 以下时没有效果。另一方面，Ms点越低而压缩残留应力越大，但促进变形大的马氏体组织而发生裂纹，因此不实用。而且，夏比冲击吸收能量也下降，不耐冲击。在本发明中，由于终端形状改善所产生的应力集中的缓和有效地起作用，因此无需过度地降低Ms点，而将形成在一般性的施工中耐裂纹性及韧性没有问题的焊接金属的400°C作为下限。在此，Ms点能够通过例如从焊接金属的截面中央部切出Ms点测定用试验片并利用相变点测定装置测定该试验片的Ms点而算出。<p/t:0.25 以上〉表示应力集中的程度的应力集中系数与终端半径P和母材的板厚t的比率P /t 成反比例。即，在终端半径P为恒定的焊接终端中，板厚越小而p/t越高，应力集中缓和显著，随着板厚增大而p/t降低，从而存在应力集中变强而疲劳强度降低的倾向。在本发明的规定范围的Ms点的焊接终端部的残留应力区域中，只要P /t为0. 25以上就能够较大地改善因应力集中引起的疲劳强度下降。因此，P/t为0.25以上。在此，终端半径P能够通过如下方法算出，即，例如将焊接后的焊道长度方向中央部垂直切断而作成截面宏观试验片后，将其放在光学显微鏡下，放大焊接金属表面与母材表面的会合部即所谓终端部，抵上圆周，将其半径定义为终端半径P而算出。<Ms (°C )彡 375 X [ P /t] +320〉如上所述，对于本目的来说必须满足Ms点和P /t这双方，但在P /t的下限侧和 Ms点的上限侧的区域中，它们的复合效果不足，因此需要对Ms点与P /t的关系设置规定的限制。关于该限制，只要满足包含这双方的参数的式Ms(°C) ^ 375X[p/t]+320-(l)的关系，应力集中缓和与残留拉伸应力缓和的复合效果就有效。即，能改善疲劳强度。需要说明的是，为了进一步提高效果，而更优选将所述式(1)的切片缩窄成 “+250”，从而形成为 Ms (°C ) ( 375X [p/t]+250... (2)。另外，进行弧焊的母材的板厚优选6mm以下。<母材的板厚6_以下>终端半径P与板厚t的比率P /t和应力集中系数相关，其值越大而应力集中系数越接近1，即越接近平面，应力集中效果消失的机理如前所述。而且，通过焊接法增大终端半径P的方法也如前所述，但可知在相同终端半径P下，板厚t越小越有效果。S卩，板厚越小，本发明的疲劳强度改善效果越大。并且，在板厚为6mm以下，通过与本发明的终端半径P的改善范围的组合，其效果更为显著。因此，板厚优选为6mm以下。[第二实施方式]本发明的角焊接头是通过使用纯Ar气体作为保护气体并使用药芯焊丝作为焊丝的弧焊所形成的钢的角焊接头，所述焊丝使用带钢或钢管作为外皮，以焊丝总质量换算，含有规定量的C、Si、Mn、P、S，并将氧化物的总计量抑制成规定量以下。此外，规定了相对于焊丝的总焊剂质量比。并且，该角焊接头使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形而形成， 且没有裂纹缺陷。此外，焊丝以焊丝总质量换算，既可以含有规定量的Ti、Zr, Al, Mg的总计 (Ti+Zr+Al+Mg)，也可以含有规定量的Ni、Cr、Mo中的一种以上。以下，对各构成进行说明。〈保护气体纯Ar〉作为形成本发明的角焊接头的结构的焊接方法的一个必须条件，需要将焊接时的保护气体形成为纯Ar。通过形成为在以往铁系的消耗电极式焊接法中未使用的纯Ar，相对于添加了氧化性气体的一般性的保护气体，能够创新性地使焊道的终端形状平坦化，即增大终端半径P。使用了氧化性气体的保护气体无法改善终端半径P。需要说明的是，本发明中的“纯Ar”的表述不是数学上的100体积％的Ar，而是作为工业制品的纯Ar。在此，在JIS K1105中规定了工业用Ar，l级为纯度99.99体积％以上，2级为纯度99. 90体积％以上，作为本焊接的组合都能够毫无问题地使用。<焊丝方式外皮为带钢或钢管的药芯焊丝>实现本发明的角焊接头的焊丝为了能够进行纯Ar气体下的焊接，其结构不是实芯焊丝，而必须为药芯焊丝。但是，作为药芯焊丝的结构与以往相同。即使使用实芯焊丝， 终端半径P也不增大，P/t降低，从而无法得到应力集中改善效果。药芯焊丝的制造方法包括沿带钢的长度方向撒播焊剂后，以包入的方式成形为圆形截面并进行拉丝的方法、或将焊剂填充到粗径的钢管中而进行拉丝的方法，这些方法都不影响本发明，因此可以通过这些方法进行制造。而且还包括有接缝和无接缝的方法，但这些方法均可。关于外皮的成分，无需作任何限定，但从成本方面和拉丝性的方面出发，通常使用软钢的材质。而且，还存在对表面实施镀铜的情况，但是否存在镀敷没有关系。<C :0. 08 0. 32 质量％ >C是具有降低Ms点而提高淬火性的效果的元素。为了使Ms点下降到本发明的上限即550°C而需要0. 08质量％以上。另一方面，随着含C量升高而Ms点下降，但硬度也上升且容易发生延迟裂纹。而且，由于相变图中的固液共存温度区域扩大，因此也容易引起凝固裂纹。此外，韧性也下降。作为不发生延迟裂纹的Ms点，在本发明中将下限形成为400°C， 但为了实现这种情况，并防止高温裂纹，确保韧性，而需要将含C量抑制成0. 32质量％以下。需要说明的是，从耐高温裂纹性、韧性的观点出发，进一步优选0.25质量％以下。〈Si :0. 40 3. 00 质量％ >Si是具有使熔池的表面张力下降，并使母材与焊道的适应性提高的作用的元素。为了改善终端部的应力集中，而需要为0. 40质量％以上。另一方面，超过3. 00质量％时， 熔池的粘性上升，相反地适应性劣化。而且韧性也下降。因此，含Si量需要抑制成3. 00质
量％以下。〈Mn :1. 00 5. 00 质量 ％ >Mn是具有降低Ms点而提高淬火性的效果的元素。为了将Ms点下降到本发明中的上限即550°C，而需要1.00质量％以上。另一方面，随着含Mn量升高，而Ms点下降，但硬度上升而容易发生延迟裂纹。而且韧性也下降。作为不发生延迟裂纹的Ms点，在本发明中将下限设置为400°C，但为了得以实现并确保韧性，而需要将含Mn量抑制成5. 00质量％以下。〈P、S:分别为0.030质量％以下〉P、S都是容易产生凝固裂纹的元素。通常没有必要故意添加。然而，只要分别在
0.030质量％以下则即便含有在实用上也没有问题，因此分别将0. 030质量％作为容许上限。需要说明的是，关于S，由于具有降低表面张力而提高母材与焊道的适应性的作用，因此更优选控制成0. 007质量％以上。〈氧化物的总计1.0质量％以下(包含0质量)>一般性的氧化性气体用药芯焊丝大多为了电弧的软化、熔渣剥离性的提高、熔渣覆盖性的确保这一目的而积极添加TiOx、SiOx, MnOx, &0x、MgOx (式中，χ为数目)这些金属氧化物。然而，为了实现本发明的角焊接头所需的药芯焊丝需要在组合的纯Ar气体中进行最优化，在纯Ar气氛中，相反地氧化物的存在会妨碍电弧稳定性。其结果是，无法得到正常的焊道形状，也未得到应力集中缓和的效果。因此，氧化物越少越优选。氧化物的总计为
1.0质量％以下时不良影响不显著，因此将1. 0质量％作为上限。<焊剂的其余部分为铁粉>焊剂除了合金元素之外，基本上由铁粉构成。需要说明的是，作为铁粉的定义，是 Fe浓度为95质量％以上且粒度为500μπι以下的粉体。但是，在电弧稳定性的进一步改善目的下，微量添加碱金属或碱土金属、或它们的化合物的情况对于本发明的目的来说并不会成为缺点，因此容许。而且，在焊剂中，作为其它成分，含有微量的不可避免的杂质。需要说明的是，不可避免的杂质的成分不会影响本发明的目的。<总焊剂质量比:7 30质量％ >相对于焊丝的总焊剂质量比是焊丝每单位长度的焊剂质量，表示总焊剂质量比越小而截面积中的中心部的焊剂专有面积越小的情况。在纯Ar保护气体中为了适度地使电弧稳定，而需要焊剂与外皮钢的双层结构，当总焊剂质量比小于7质量％时，实际上双层结构的效果消失，与实芯焊丝同样地，整个截面均勻地发生熔融而焊丝前端熔融部成为细长， 从而熔滴过渡、焊道形状都不稳定。为了缩短焊丝前端熔融部而需要将总焊剂质量比形成为7质量％以上。另一方面，若超过30质量％，则不仅外皮钢变薄而难以制造焊丝，而且电流流过的外皮钢的过热变得激烈，仅外皮钢在比电弧靠上部发生熔融，依然无法进行适当的阶段性熔融，因而电弧不稳定。因此相对于焊丝的总焊剂质量比为30质量％是上限。<将脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形>在脉冲焊接法中，与平均电流无关地，总是使用高电流域的作用来施加夹紧力，从而能够实现正确规律的熔滴脱离。在无法得到氧化性气体的热分解产生的热的夹紧力的纯Ar气体焊接法中，尤其需要增大基于电流波形的夹紧力。若不是正确规律的熔滴过渡， 则会对焊道形状产生坏影响，进而无法改善应力集中。为了得到本发明中规定的终端形状而必须为脉冲波形。关于脉冲的设定并未特别限定，但通常使用350 600A的峰值电流， 30 100A的基值电流，1峰值(从上升开始经过峰值稳定期，到下降结束)的期间为0.8 5. Omsec0<Ti+Zr+Al+Mg 0. 80 质量％ 以下 >Ti、Zr、Al、Mg是使熔滴的表面张力上升，缩短焊丝前端熔融部的长度，并改善纯 Ar气体气氛下的电弧稳定性的元素。这些元素以金属本身(例如，Ti、Zr、Al、Mg)或它们的铁合金(例如，钛铁合金、铁锆合金、铝铁合金)、及各自的合金(例如，铝镁合金)的方式作为焊剂使用。此外，如上所述，氧化物形式的添加不优选。无论采用何种方式，在Ti、Zr、 Al、Mg的换算下通过总计0. 80质量％以下的积极添加都能改善电弧稳定性，但超过0. 80质量％时成为过剩，焊接终端部的适应性劣化而妨碍应力集中改善。因此，添加Ti+&+Al+Mg 时，总计0. 80质量％是上限。〈Ni、Cr、Mo 分别为3.0质量％以下〉Ni、Cr、Mo是具有降低Ms点而提高淬火性的效果的元素。即使不添加它们，也能够使Ms点下降到本发明中的上限即550°C，但能够代替C或Mn这些提高淬火性的元素的一部分。然而，随着它们的添加量升高，而Ms点下降，但硬度上升而容易发生延迟裂纹。而且韧性也下降。作为不发生延迟裂纹的Ms点，在本发明中使下限为400°C，但为了得以实现并确保韧性，而在添加它们时，需要分别抑制成3. 0质量％以下。另外，进行弧焊的母材的板厚优选6mm以下。关于板厚，如所述第一实施方式中说明所述，在此省略说明。[第三实施方式]本发明的角焊接头是通过使用纯Ar气体作为保护气体并使用药芯焊丝作为焊丝的弧焊而形成的钢的角焊接头，所述焊丝使用带钢或钢管作为外皮，以焊丝总质量换算，含有规定量的C、Si、Mn、P、S，并将氧化物的总计抑制成规定量以下。此外，规定了相对于焊丝的总焊剂质量比。并且，该角焊接头使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形而形成。另外，焊接金属的马氏体相变开始温度(Ms点)为400°C以上且550°C以下，焊接终端部的终端半径P除以母材的板厚t的值(p/t)，即，终端半径P与母材的板厚t的比率p/t为0.25以上，且满足式Ms (°C)彡375X [p/t]+320··· (1)，且没有裂纹缺陷。需要说明的是，所述式(1)更优选形成为Ms(°C) ^ 375X[p/t]+250-(2)o此外，焊丝以焊丝总质量换算，既可以含有规定量的Ti、Zr, Al, Mg的总计 (Ti+Zr+Al+Mg)，也可以含有规定量的Ni、Cr、Mo中的任一种。并且，进行弧焊的母材的板厚优选6mm以下。关于第三实施方式的各构成，如第一实施方式及第二实施方式中说明所述，在此省略说明。《气体保护弧焊方法》本发明的气体保护弧焊方法是使用了上述记载的药芯焊丝的气体保护弧焊方法， 使用纯Ar气体作为保护气体，并使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形。S卩，通过使用纯Ar气体作为保护气体，使用上述说明的药芯焊丝作为焊丝，并使用上述说明的脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形进行焊接而形成的角焊接头成为上述记载的本发明的角焊接头。即，通过该气体保护弧焊方法，能够得到上述第一实施方式、 上述第二实施方式、上述第三实施方式的角焊接头。需要说明的是，关于本焊接方法中使用的纯Ar气体、药芯焊丝、脉冲波形，如上述说明所述，在此省略说明。如以上说明所述，本发明的角焊接头及气体保护弧焊方法不过分依赖于焊接材料进行的终端部的压缩残留应力施加，通过创新性地改善应力集中，即同时改善残留应力控制和终端形状，而提高接头疲劳强度，并能够排除延迟裂纹等的危险性、吸收能量的下降， 从而能够实现高能率、低风险、低成本。S卩，通过规定焊丝组成及保护气体组成，并将其与焊接电流波形组合，而能够显著地改善焊道终端形状，且适当地调整影响拉伸残留应力的Ms点，而且只要满足板厚，就能够大幅提高接头的疲劳强度而延长制造物的寿命。而且，能得到不产生因现有技术的方法即使Ms点下降到室温附近所引起的焊接裂纹发生的危险性这一显著的效果。此外，无需含有多量的为了大幅降低Ms点所需的M等高价合金元素，在成本方面也是实用的技术。实施例接下来，对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本发明的角焊接头及气体保护弧焊方法。[第一实施例]第一实施例与所述第一实施方式的角焊接头相关。如图4(a)、(b)所示，将板厚按样品进行变化的母材即钢板50、50彼此重叠角焊， 确认了以下的项目。本焊接条件如下所述。焊丝直径1.2mm保护气体流量201itter/min焊炬前进后退角无(即，与焊接线方向呈直角)焊接电流、焊接电压、焊接速度根据板厚取最优值(在此为纵板侧脚长到达上板的情况)表1表示母材的组成和拉伸强度。而且，药芯焊丝外皮的组成如表2所示，焊丝方式、焊丝的成分组成、保护气体组成、焊接机的条件、电弧稳定性如表3 5所示。在此，作为焊丝方式，No.48、49、55、58、61使用了实芯焊丝(表中，记载为Solid)，在成分组成栏中记录了实芯焊丝的组成。其它使用了药芯焊丝(表中，记载为FCW)。需要说明的是，在表 3 5中，“一”表示不含成分或数值不存在，而且，关于不满足规定的范围的情况，对数值等标注下线来表示。此外，纯Ar使用依据JIS K1105的Ar气体，在表中，记载为Arl00%。
表1
权利要求
1.一种角焊接头，是通过弧焊形成的钢的角焊接头，其中，焊接金属的马氏体相变开始温度即Ms点为400°C以上且550°C以下，焊接终端部的终端半径P除以母材的板厚t的值即P /t为0. 25以上，并且满足下式 Ms (°C )彡 375 X [ P /t] +320... (1)， 而且没有裂纹缺陷。
2.一种角焊接头，是通过使用纯Ar气体作为保护气体并使用药芯焊丝作为焊丝的弧焊而形成的钢的角焊接头，其中，所述焊丝使用带钢或钢管作为外皮，以焊丝总质量换算，含有0. 08 0. 32质量％的〇、 0. 40 3. 00质量％的Si、l. 00 5. 00质量％的Μη、0. 030质量％以下的P、0. 030质量％ 以下的S，并将氧化物的总计量抑制成1.0质量％以下，而且，相对于焊丝的总焊剂质量比为7 30质量％，使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形，由此形成所述角焊接头，且所述角焊接头没有裂纹缺陷。
3.一种角焊接头，是通过使用纯Ar气体作为保护气体并使用药芯焊丝作为焊丝的弧焊而形成的钢的角焊接头，其中，所述焊丝使用带钢或钢管作为外皮，以焊丝总质量换算，含有0. 08 0. 32质量％的〇、 0. 40 3. 00质量％的Si、l. 00 5. 00质量％的Μη、0. 030质量％以下的P、0. 030质量％ 以下的S，并将氧化物的总计量抑制成1. 0质量％以下，而且，相对于焊丝的总焊剂质量比为7 30质量％，使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形，由此形成所述角焊接头，其中， 焊接金属的马氏体相变开始温度即Ms点为400°C以上且550°C以下，焊接终端部的终端半径P除以母材的板厚t的值即P /t为0. 25以上，并且满足下式 Ms (°C )彡 375 X [ P /t] +320... (1)， 而且没有裂纹缺陷。
4.根据权利要求2所述的角焊接头，其中，所述焊丝以焊丝总质量换算，还含有Ti、Zr、Al、Mg的总计量Ti+Zr+Al+Mg为0. 80质量％以下。
5.根据权利要求2所述的角焊接头，其中，所述焊丝以焊丝总质量换算，还含有3. 0质量％以下的Ni、3. 0质量％以下的Cr、3. 0 质量％以下的Mo中的至少1种。
6.根据权利要求1所述的角焊接头，其中， 满足下式Ms (°C )彡 375 X [ P /t] +250... (2)。
7.根据权利要求1所述的角焊接头，其中， 进行所述弧焊的母材的板厚为6mm以下。
8.一种气体保护弧焊方法，使用药芯焊丝，其中，所述焊丝使用带钢或钢管作为外皮，以焊丝总质量换算，含有0. 08 0. 32质量％的〇、 0. 40 3. 00质量％的Si、l. 00 5. 00质量％&Μη、0. 030质量％以下的Ρ、0. 030质量％ 以下的S，并将氧化物的总计量抑制成1.0质量％以下，而且，相对于焊丝的总焊剂质量比为7 30质量％，使用纯Ar气体作为保护气体，使用脉冲波形作为焊接机的电流或电压波形。
9.根据权利要求8所述的气体保护弧焊方法，其中，所述焊丝以焊丝总质量换算，还含有Ti、Zr、Al、Mg的总计量Ti+Zr+Al+Mg为0. 80质量％以下。
10.根据权利要求8所述的气体保护弧焊方法，其中，所述焊丝以焊丝总质量换算，还含有3. 0质量％以下的Ni、3. 0质量％以下的Cr、3. 0 质量％以下的Mo中的至少1种。
全文摘要
本发明提供一种不过分地依赖于焊接材料对终端部的压缩残留应力的施加，通过改善应力集中而具有高疲劳强度且没有裂纹、韧性优异的钢的角焊接头、及用于得到该角焊接头的气体保护弧焊方法。在本发明的角焊接头中，焊接金属的马氏体相变开始温度(Ms点)为400℃以上且550℃以下，焊接终端部的终端半径ρ除以母材的板厚t的值(ρ/t)为0.25以上，并且满足式Ms(℃)≤375×[ρ/t]+320…(1)，且没有裂纹缺陷。
文档编号C22C38/00GK102310254SQ201110181450
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月27日 优先权日2010年7月1日
发明者杵渊雅男, 河西龙, 铃木励一 申请人:株式会社神户制钢所