CN105473277A - 堆焊用药芯焊丝 - Google Patents

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Abstract

提供一种母材稀释率低，能够以较少的层数获得目标的焊接金属组成的堆焊用药芯焊丝。外皮内填充有焊剂的堆焊用药芯焊丝的组成如下：相对于焊剂总质量，将碱金属氟化物及碱土金属氟化物的总含量(F换算值)设为A(质量％)、将单独碱金属及单独碱土金属的总含量设为B(质量％)、将碱金属氧化物及碱土金属氧化物的总含量设为C(质量％)时，满足下述数学式(I)。0.3≤[A/{1+0.7×(B+2C)}]≤2.0···(I)。

Description

堆焊用药芯焊丝
技术领域
本发明涉及堆焊中使用的药芯焊丝。更详细而言，涉及使用了药芯焊丝的堆焊中的作业性改善技术。
背景技术
堆焊不是母材彼此接合、而是将相应于目的的金属熔敷在母材的表面的焊接方法。并且，在通过气体保护电弧焊进行堆焊时，主要使用药芯焊丝(例如，参照专利文献1。)。例如，专利文献1所述的金属系药芯焊丝中，通过添加适量的碱金属化合物、碱土金属化合物及碱土金属合金从而使电弧稳定、降低飞溅产生量。
另一方面，堆焊时，母材成分的稀释对焊接金属产生较大影响，因此优选施工时尽量不熔解母材。因此提出了一种药芯焊丝，其通过使用纯Ar作为保护气体，并且规定焊丝成分，从而在维持良好的焊接作业性的同时降低了母材成分的稀释率(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010－253516号公报
专利文献2:日本特开2012－55899号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，利用现有的药芯焊丝进行堆焊时，熔透(penetration)大、母材稀释率大，因此为了获得规定的焊接金属组成，需要形成3层以上的肉盛层。例如，专利文献1所述的药芯焊丝由于没有研究母材稀释，因此在以电子释放材料即氧化物形态中添加碱金属化合物、碱土金属化合物时，电弧的集中性高、熔透深度变深，母材稀释率会变大。
此外，专利文献2所述的技术中，使用纯Ar作为保护气体，在电弧正下方不形成氧化物，因此电弧气氛的电流密度极大地受焊丝中的成分的左右。并且，例如，在焊丝中大量添加电子释放材料时，熔透变大，有时无法获得低稀释的焊接金属。
因此，本发明的主要目的在于，提供一种母材稀释率低、能够以较少的层数获得目标的焊接金属组成的堆焊用药芯焊丝。
用于解决课题的手段
本发明的堆焊用药芯焊丝为在外皮内填充有焊剂的药芯焊丝，前述焊剂的填充率为10.0～35.0质量％，相对于前述焊剂总质量，将碱金属氟化物及碱土金属氟化物的总含量(F换算值)设为A(质量％)、将单独碱金属及单独碱土金属的总含量设为B(质量％)、将碱金属氧化物及碱土金属氧化物的总含量设为C(质量％)时，满足下述数学式1。
[数学式1]
0.3≤[A/{1+0.7×(B+2C)}]≤2.0···(1)。
前述焊剂中，可以将碱金属氟化物及碱土金属氟化物的总含量A设为以F换算值计为0.2～3.0质量％。此外，前述焊剂的组成还可以是：单独碱金属及单独碱土金属的总含量B(质量％)与碱金属氧化物及碱土金属氧化物的总含量C(质量％)的关系满足下述数学式2。
[数学式2]
(B+2C)≤6···(2)
进而，前述焊剂还可以将TiO2、SiO2及ZrO2的总含量限定为3质量％以下。
另一方面，本发明的药芯焊丝可以用奥氏体系不锈钢形成前述外皮，可以用于使用Ar气浓度为95体积％以上的保护气体的电弧焊。
此时，例如，可以设为如下组成：相对于焊丝总质量，含有Si：0.3～1质量％、Mn：0.5～2.5质量％、Cr：18～25质量％、Ni：9～14质量％，并规定C：0.04质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质组成。
进而，可以根据需要相对于焊丝总质量添加Mo：4质量％以下和/或Nb：1质量％以下。
本发明的药芯焊丝可以用Ni基合金形成前述外皮，可以用于使用Ar气浓度为95体积％以上的保护气体的电弧焊。
此时，可以设为如下组成：相对于焊丝总质量，含有Si：0.1～1质量％、Mn：0.3～10质量％、Cr：13～24质量％，余量由Ni和不可避免的杂质组成。
进而，可以根据需要相对于焊丝总质量添加选自由C：0.1质量％以下、Mo：17质量％以下、Nb：5质量％以下、Ti：0.75质量％以下、W：5质量％以下、V：0.3质量％以下及Fe：20质量％以下构成的群中的至少1种元素。
本发明的药芯焊丝还可以用于使用Ar气浓度为95体积％以上的保护气体的硬化堆焊。
此时，可以设为如下组成：相对于焊丝总质量，含有C：0.05～1.5质量％、Si：0.3～3.0质量％、Mn：0.3～3.0质量％及Cr：0.3～10质量％，余量由Fe和不可避免的杂质组成。
进而，还可以相对于焊丝总质量添加选自由Mo：9质量％以下、W：4质量％以下及V：2质量％以下构成的群中的至少1种元素。
发明的效果
根据本发明，由于规定了碱金属及碱土金属的添加形态的平衡，因此能够抑制母材的稀释、以较少的层数获得目标的焊接金属组成。
附图说明
图1为表示母材稀释率的测定方法的剖面图。
具体实施方式
以下，对于本发明的具体实施进行详细说明。需要说明的是，本发明并不受以下说明的实施方式限定。
本实施方式的药芯焊丝用于堆焊，为如下构成：在外皮内以相对于焊丝总质量为10.0～35.0质量％的范围的填充率填充满足下述数学式3的组成的焊剂。需要说明的是，下述数学式3中，A为碱金属氟化物及碱土金属氟化物的总含量的F换算值(质量％)、B为单独碱金属及单独碱土金属的总含量(质量％)、C为碱金属氧化物及碱土金属氧化物的总含量。此外，下述数学式3规定的A、B及C均为相对于焊剂总质量的值。
[数学式3]
0.3≤[A/{1+0.7×(B+2C)}]≤2.0···(3)。
Na、K、Ca及Mg等碱金属、碱土金属作为电弧稳定剂起作用，为了减少飞溅而添加到使用CO2、混合气体作为保护气体的焊接中所用的焊丝中。但是，根据本发明人的实验和研究获知，在Ar浓度高的气氛中，这些碱金属、碱土金属向焊丝中的添加形态对电弧的行为、熔透形状有较大影响。
例如，当以氟化物形式将碱金属、碱土金属添加到焊剂中时，有电弧的分布变大、减少熔透的效果。具体而言，金属氟化物在高温的电弧气氛中分解成金属离子和氟化物离子，通过该解离反应而生成的金属离子使电弧气氛的电阻降低、扩大电弧并降低熔透深度。
另一方面，当碱金属、碱土金属以合金成分、氧化物的形态添加到焊丝中时，形成电子释放材料，使电弧集中在熔融池上，产生过大的熔透。具体而言，碱金属氧化物及碱土金属氧化物由于功函数小、促进电子释放，因此具有提高电弧的集中性的作用。此外，单独的碱金属及碱土金属与熔融金属中的氧反应并生成碱金属氧化物及碱土金属氧化物，因此具有同样的作用。
因此，碱金属氧化物、碱土金属氧化物、单独碱金属及单独碱土金属若少量添加，则具有由提高焊道的的熔合所带来的降低融合不良的效果，但若过量添加，则会使熔透增大、加剧母材稀释。进而，碱金属及碱土金属为强脱氧材料，因此还具有提高熔融池的粘性、抑制熔融金属垂落的效果，但若过量添加，则导致焊渣产生量增加。
因此，本实施方式的药芯焊丝将碱金属及碱土金属的添加形态区分为氟化物、单独金属及氧化物，并规定了这些成分在焊剂中的含量关系。具体而言，焊剂组成满足上述数学式3。需要说明的是，上述数学式3中规定的[A/{1+0.7×(B+2C)}]小于0.3的情况下，与碱金属氟化物及碱土金属氟化物带来的电弧扩大效果相比，熔融池中产生的碱金属氧化物及碱土金属氧化物所带来的电弧的集中效果更大。其结果是，熔透增大、母材稀释加剧。
另一方面，当上述数学式3中规定的[A/{1+0.7×(B+2C)}]超过2.0时，碱金属氟化物及碱土金属氟化物带来的电弧扩大效果相对于在熔融金属表面生成的碱金属及碱土金属氧化物的电弧集中效果为过剩，无法将母材充分熔融。其结果是，变成凸形的熔合差的焊道形状，容易引起融合不良。此外，伴随着氟化物在电弧中分解、离子化，体积急激增加，因此成为大量飞溅的产生原因。
并且，本实施方式的药芯焊丝中，焊剂填充率相对于焊丝总质量也在10.0～35.0质量％的范围内。焊剂填充率相对于焊丝总质量小于10.0质量％的情况下，无法进行作为药芯焊丝的特征的基于焊剂的稳定的熔滴移动，电弧变得不稳定，不能进行良好的焊接。此外，当焊剂填充率相对于焊丝总质量超过35.0质量％时，难以在熔融池内充分地搅拌熔融焊剂，难以获得组成均一的焊接金属。
本实施方式的药芯焊丝中使用的焊剂优选将TiO2、SiO2及ZrO2的总含量规定为3质量％以下。通常，TiO2、SiO2及ZrO2等氧化物是出于提高电弧的稳定性及防止焊接金属的氧化的目的而添加到焊剂中的。
此外，焊丝中的合金元素在制造时、保管时被氧化是不可避免的，有时也会生成金属氧化物。但是，在使用作为非氧化性气体的Ar浓度为95体积％以上的保护气体的MIG焊接中，由于抑制了焊接金属的氧化，可获得足够完好的焊接金属，因此无需为了焊道表面的抗氧化而添加TiO2、SiO2及ZrO2。
另一方面，TiO2、SiO2及ZrO2等氧化物有可能在堆焊时由于熔融池的粘性降低而引起焊道的垂落、在自动焊接时产生焊渣除去时间、产生焊渣卷入等缺陷，因此其添加量优选为少的。具体而言，TiO2、SiO2及ZrO2的含量相对于焊剂总质量优选设为3质量％以下。由此，能够大幅降低焊渣产生量。
此外，本实施方式的药芯焊丝中，优选将碱金属氟化物及碱土金属氟化物的总含量A设为以F换算值计为0.2～3.0质量％。由此，能够抑制母材的稀释且获得良好的焊道形状，能够进行无缺陷的焊接。此外，通过将这些的总含量A抑制为3.0质量％以下，从而还能够抑制飞溅的产生量。
进而，本实施方式的药芯焊丝中，优选为单独碱金属及单独碱土金属的总含量B(质量％)与碱金属氧化物及碱土金属氧化物的总含量C(质量％)的关系满足下述数学式4的组成。由此，能够不会成为过度的熔透地形成熔合良好的焊道。
[数学式4]
(B+2C)≤6···(4)
并且，通过设为前述A为0.2～3.0质量％、B及C满足上述数学式4的范围，从而添加碱金属及碱土金属带来的脱氧作用有助于熔融金属的粘性的增加，能够有效地抑制焊道的垂落。
本实施方式的药芯焊丝中，对前述各成分以外的焊剂成分没有特别限定，可以列举例如C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo，这些成分不影响前述效果。
对本实施方式的药芯焊丝的外皮组成没有特别限定，可以适当选择，例如，使用Ar浓度为95体积％以上的保护气体的MIG焊接的情况下，可以用各种钢材、Ni基合金等来形成。特别是，本实施方式的药芯焊丝适合于能够对结构物表面赋予高耐腐蚀性的使用了奥氏体系不锈钢或Ni基合金的堆焊、及对结构物表面赋予高耐磨耗性的硬化堆焊。
奥氏体不锈钢是为了获得高耐腐蚀性而添加有Cr及Ni的钢材，作为焊接材料，使用在18％Cr中添加有9％Ni的SUS308等。需要说明的是，本实施方式的药芯焊丝的外皮不限于SUS308，也可以使用添加有Mo的SUS316、添加有Nb的SUS347等各种奥氏体不锈钢。
并且，在外皮中使用奥氏体不锈钢时，例如，可以设为如下组成：相对于焊丝总质量，含有Si：0.3～1质量％、Mn：0.5～2.5质量％、Cr：18～25质量％、Ni：9～14质量％，并且规定C：0.04质量％以下，根据需要在Mo：4质量％以下和/或Nb：1质量％以下的范围添加，余量由Fe和不可避免的杂质组成。通过将焊丝组成设为该范围，可以在进行耐腐蚀堆焊时，获得具有良好的耐腐蚀性的焊接金属。
此外，Ni基合金是为了获得比不锈钢更高的耐腐蚀性而将Ni含量设为50质量％以上的合金，还有镍铬铁耐热耐蚀合金、耐蚀耐热镍基合金这样的添加有Cr、Mo的合金。本实施方式的药芯焊丝中，可以使用各种Ni基合金，使用任一种都能够获得同样的效果。
在外皮中使用Ni基合金时，例如，可以设为如下组成：相对于焊丝总质量，含有Si：0.1～1质量％、Mn：0.3～10质量％及Cr：13～24质量％，根据需要添加C：0.1质量％以下、Mo：17质量％以下、Nb：5质量％以下、Ti：0.75质量％以下、W：5质量％以下、V：0.3质量％以下及Fe：20质量％以下中的1种或2种以上，余量由Ni和不可避免的杂质组成。通过将焊丝组成设为该范围，能够获得高温性能、耐腐蚀性优异的焊接金属。
另一方面，硬化堆焊是用于对结构物表面赋予耐摩耗性、高硬度的焊接方法，为了提高焊接金属的硬度，使用在通常的碳钢焊接材料中添加C、Cr、Mo及W等而提高了淬火性的材料作为焊接材料。
例如，在硬化堆焊中使用本实施方式的药芯焊丝时，可以设为如下组成：相对于焊丝总质量，含有C：0.05～1.5质量％、Si：0.3～3质量％、Mn：0.3～3.0质量％及Cr：0.3～10质量％，根据需要添加Mo：9质量％以下、W：4质量％以下及V：2质量％以下中的1种或2种以上，余量由Fe和不可避免的杂质组成。通过将焊丝组成设为该范围，能够在硬化堆焊时获得合适的硬度。
对使用本实施方式的药芯焊丝进行堆焊时的条件没有特别限定，例如，可以将焊接电流设为200～300A、将焊接速度设为20～50cm/分钟。
此外，对保护气体也没有特别限定，优选使用Ar浓度为95体积％以上的气体。保护气体中包含的CO2、O2会促进熔融金属的氧化、促进金属氧化物的生成。在熔融池表面生成的金属氧化物会作为电子释放材料而成为电子向电弧气氛释放的起点，具有提高电弧的集中性的作用，因此当保护气体含有CO2、O2时，熔透变深，母材稀释加剧。此外，还存在CO2、O2与焊剂中的氟化物、碳酸盐反应、产生大量飞溅的问题。
与此相对地，当保护气体的Ar浓度为95体积％以上时，能够抑制金属氧化物的生成，还能够减少飞溅量。其结果是，在抑制母材的稀释的同时还能够提高作业性。
根据上述的详细说明，本实施方式的药芯焊丝由于规定了碱金属及碱土金属的氟化物、单独金属以及氧化物的添加量的关系，因此能够降低母材的稀释及焊渣的产生量。其结果是，通过使用本实施方式的药芯焊丝，能够以较少的层数获得目标的焊接金属组成。
此外，本实施方式的药芯焊丝的垂落少，能够获得焊脚部整齐的良好的焊道外观。焊接金属的垂落带来用于获得必要形状的焊接时间、焊接材料的使用量、焊接后的成形时间的增大，因此通过使用本实施方式的药芯焊丝，能够改善作业效率。
实施例
以下列举本发明的实施例及比较例，对本发明的效果进行更具体的说明。本实施例中，使用表1所示的A～C的外皮、使用表2所示的No.1～5作为基本构成并将Fe的一部分变更为表3～5所示的成分而制作了No.1～74的药芯焊丝。这些药芯焊丝中，No.1～44为实施例、No.45～74为比较例。并且，使用实施例及比较例的各药芯焊丝进行堆焊，对母材稀释率、焊渣卷入、焊接不良及飞溅量进行评价。需要说明的是，下述表1所示的外皮的成分组成及下述表2所示的焊剂中的合金元素量中，余量中还包含了不可避免的杂质。
[表1]
[表2]
[表3]
[表4]
[表5]
＜焊接条件＞
焊接试验中使用SM490A作为供试材料，在其上进行1层5道次的堆焊。此时，焊接条件如下：焊接电流：250A、焊接速度：30cm/分钟，设为自动焊接，不进行道次间的焊渣除去而进行连续焊接。
＜评价方法＞
首先，对焊接后的试样进行X射线透过试验，确认有无焊渣卷入及融合不良。其结果，产生了焊渣卷入或融合不良者均评价为不可。
然后，进行焊接部的剖面宏观观察，观察熔透形状并测量母材稀释率。图1为表示母材稀释率的测定方法的剖面图。关于母材稀释率，对于图1所示的焊接金属2，求出比母材1的表面更上侧的部分2a的面积a和更下侧的部分2b的面积b，通过下述数学式5来算出。其结果，将母材稀释率为25％以下者评价为合格。
[数学式5]
母材稀释率(％)＝b/(a+b)···(5)
关于飞溅产生量，对飞散到周围的飞溅及附着在保护气体喷嘴上的飞溅进行捕集和测量。并且，对于飞溅产生量比通常的碳钢焊接多的硬化堆焊(焊丝No.1、2)，将捕集到的飞溅的量为1.5g/分钟以下者评价为“合格”、为1.0g/分钟以下者评价为“特别优异”。此外，对于利用了奥氏体系不锈钢焊丝(焊丝No.3、4)及Ni基合金焊丝(焊丝No.5)的耐腐蚀堆焊，将捕集到的飞溅的量为1.0g/分钟以下者评价为“合格”、为0.5g/分钟以下者评价为“特别优异”。
将以上的结果汇总并示于表6及表7。需要说明的是，在下述表6及表7中，也一并示出保护气体组成。没产生焊渣卷入者用“○”表示、产生者则用“×”表示。没产生融合不良者用“○”表示、产生者则用“×”表示。关于飞溅产生量，将“合格”和“特别优异”分别用“○”和“◎”表示。此外，将捕集到的飞溅的量超过1.5g/分钟者(不合格)用“×”表示。
[表6]
[表7]
上述表7中所示的No.45～74由于[A/{1+0.7×(B+2C)}]偏离了本发明的范围，因此母材稀释率、焊渣卷入或融合不良的产生、飞溅产生量中任意一个是不合格的。与此相对地，如上述表6所示，本发明的实施例No.1～44的焊丝的母材稀释率低、没有产生焊渣卷入、融合不良、飞溅产生量也少。
然后，对保护气体与焊丝组成的关系进行调查。具体而言，使用下述表8所示的药芯焊丝，改变保护气体的组成后进行堆焊，对母材稀释率、焊渣卷入、焊接不良及飞溅量进行评价。焊接条件及评价方法与前述实施例1相同。将其结果示于下述表9。
[表8]
[表9]
如上述表9所示，使用Ar气浓度小于95体积％的保护气体时，与表6所示的No.1～44的焊丝相比可见到飞溅量增加的倾向。由以上的结果可以确认：本发明的药芯焊丝对于使用Ar气浓度为95体积％以上的保护气体的堆焊特别有效。
符号的说明
1母材
2、2a、2b焊接金属

Claims (13)

1.一种堆焊用药芯焊丝，其为外皮内填充有焊剂的药芯焊丝，其中
所述焊剂的填充率为10.0～35.0质量％，
相对于焊剂总质量，
将以F换算值的碱金属氟化物及碱土金属氟化物的总含量设为A、
将单独碱金属及单独碱土金属的总含量设为B、
将碱金属氧化物及碱土金属氧化物的总含量设为C时，满足下述数学式(I)，A、B、C以质量％计，
0.3≤[A/{1+0.7×(B+2C)}]≤2.0···(I)。
2.根据权利要求1所述的堆焊用药芯焊丝，其中，所述焊剂中，碱金属氟化物及碱土金属氟化物的总含量A以F换算值计为0.2～3.0质量％。
3.根据权利要求1或2所述的堆焊用药芯焊丝，其中，所述焊剂中，单独碱金属及单独碱土金属以质量％计的总含量B与碱金属氧化物及碱土金属氧化物以质量％计的总含量C的关系满足下述数学式(II)，
(B+2C)≤6···(II)。
4.根据权利要求1或2所述的堆焊用药芯焊丝，其中，所述焊剂中，TiO2、SiO2及ZrO2的总含量被规定为3质量％以下。
5.根据权利要求1或2所述的堆焊用药芯焊丝，其中，所述外皮由奥氏体系不锈钢构成，
所述堆焊用药芯焊丝用于使用Ar气浓度为95体积％以上的保护气体的电弧焊中。
6.根据权利要求5所述的堆焊用药芯焊丝，其具有如下组成：
相对于焊丝总质量，含有：
Si：0.3～1质量％、
Mn：0.5～2.5质量％、
Cr：18～25质量％、
Ni：9～14质量％，并且规定C：0.04质量％以下，
余量由Fe和不可避免的杂质组成。
7.根据权利要求6所述的堆焊用药芯焊丝，其相对于焊丝总质量还含有Mo：4质量％以下和/或Nb：1质量％以下。
8.根据权利要求1或2所述的堆焊用药芯焊丝，其中，所述外皮由Ni基合金构成，
所述堆焊用药芯焊丝用于使用Ar气浓度为95体积％以上的保护气体的电弧焊中。
9.根据权利要求8所述的堆焊用药芯焊丝，其具有如下组成：
相对于焊丝总质量，含有：
Si：0.1～1质量％、
Mn：0.3～10质量％、
Cr：13～24质量％，
余量由Ni和不可避免的杂质组成。
10.根据权利要求9所述的药芯焊丝，相对于焊丝总质量，还含有选自由C：0.1质量％以下、Mo：17质量％以下、Nb：5质量％以下、Ti：0.75质量％以下、W：5质量％以下、V：0.3质量％以下及Fe：20质量％以下构成的群中的至少1种元素。
11.根据权利要求1或2所述的堆焊用药芯焊丝，其用于使用Ar气浓度为95体积％以上的保护气体的硬化堆焊中。
12.根据权利要求11所述的堆焊用药芯焊丝，其具有如下组成：
相对于焊丝总质量，含有：
C：0.05～1.5质量％、
Si：0.3～3.0质量％、
Mn：0.3～3.0质量％、
Cr：0.3～10质量％，
余量由Fe和不可避免的杂质组成。
13.根据权利要求12所述的药芯焊丝，相对于焊丝总质量，还含有选自由Mo：9质量％以下、W：4质量％以下及V：2质量％以下构成的群中的至少1种元素。
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