CN106232287A - 高Cr系CSEF钢的初层埋弧焊方法 - Google Patents

高Cr系CSEF钢的初层埋弧焊方法 Download PDF

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Abstract

提供一种在高Cr系CSEF钢的埋弧焊中，不用增大工序·劳动强度就能够抑制初层高温裂纹发生的焊接方法。其特征在于，将含有C：0.10质量％以下、Si：0.50质量％以下、Mn：1.50质量％以下、P：0.025质量％以下、S：0.025质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成的金属粉末或钢线粒21f，向母材10的坡口内填充至散布高度h：1.0～4.0mm，进行初层焊接。在初层焊接中，由所述金属粉末等21f抑制焊接金属的熔点下降，能够防止高温裂纹。

Description

高Cr系CSEF钢的初层埋弧焊方法
技术领域
本发明涉及高Cr系CSEF(Creep Strength-Enhanced Ferritic steel：蠕变强度增强的铁基钢)钢的埋弧焊方法，特别是涉及初层焊方法。
背景技术
火力发电锅炉和汽轮机、脱硫和改质(重油分解)用的化学反应容器(反应器)因为均在高温、高压下运转，所以作为材料，适用1.25Cr-0.5Mo钢、2.25Cr-1.0Mo钢、2.25Cr-1.0Mo-V钢等。近年来，在重油的有效利用和石油精炼中，要求进一步的高能效化，含有8质量％以上的Cr的高Cr系CSEF钢的应用得到研究。在高Cr系CSEF钢中，有ASTM(AmericanSociety for Testing and Materials：美国材料试验协会)规格和ASME(AmericanSociety of Mechanical Engineers：美国机械协会)规格所规定的SA387Gr.91、SA213Gr.T91等。
火力发电锅炉、汽轮机、反应器是将锻环、锻管和弯曲加工钢板适宜组合，经焊接而组装的。在此，例如锻环也会成为板厚150～450mm，最大外径7m弱，总长数～数10m。作为焊接方法，可使用保护电弧焊、TIG(Tungsten Inert Gas：钨极惰性气体保护焊)焊、埋弧焊，特别是由于埋弧焊与其他的焊接方法相比较为高能效，所以多被采用。可是，若对高Cr系CSEF钢进行埋弧焊，则初层焊接中容易发生高温裂纹。
作为埋弧焊的初层焊接的高温裂纹防止技术，例如在专利文献1中公开的是，在作为高碳钢的C含量0.27质量％的JIS SF50和ASTM A148的窄坡口埋弧焊中，作为隔离物，使C含量0.10质量％以下的低碳钢和焊接金属所构成的异物·异材介于母材间的接头中，具体来说是介于V坡口或X坡口的初层位置的技术。在该专利文献1中记述，在高碳钢材的窄坡口焊接中，之所以在其初层焊缝容易发生高温裂纹，是因记述母材稀释造成的母材的C向焊接金属的增加。即，由于焊接金属的C浓度变高而熔点降低，导致高温裂纹容易发生。因此，在专利文献1中公开的是，在初层焊中，通过在低碳的钢材和焊接金属所构成的异物·异材的隔离物上进行焊接，会缓和来自母材的增碳的影响，防止高温裂纹。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭58-68481号公报
发明要解决的课题
在此，高Cr系CSEF钢中，关于C含量，例如ASTM A182F91为0.08～0.12质量％，即最大为0.12质量％，与现有的1.25Cr-0.5Mo钢、2.25Cr-1.0Mo钢、2.25Cr-1.0Mo-V钢为同程度。但是，与高Cr系CSEF钢为同样材料所构成的焊丝比1.25Cr-0.5Mo钢、2.25Cr-1.0Mo钢、2.25Cr-1.0Mo-V钢的电阻高，因此焦耳发热高，如果焊接电流的大小相同，则更容易熔融。因此，在高Cr系CSEF钢的焊接中，熔敷金属的量(熔敷量)变多，此外熔敷金属的凝固收缩量比1.25Cr-0.5Mo钢、2.25Cr-1.0Mo钢、2.25Cr-1.0Mo-V钢大，所以高温裂纹的抑制越发困难。
另外，为了以高能效焊接厚板，有效的是提高焊接线能量，即加大焊接电流，提高电弧电压，降低焊接速度。但是，若提高焊接线能量，则特别是窄坡口时焊道形状容易成为梨形，高温裂纹的发生风险变高。这样作为问题的高温裂纹，是在熔敷金属中所含的P、S、Si、Nb等的低熔点化合物在凝固时，在枝晶间和奥氏体结晶晶界偏析，再加上焊接收缩应变而发生的裂纹。因此，作为高温裂纹的抑制对策之一，有效的是将焊线的成分，具体来说，是经超高纯度(EHP：Extra High Purity)熔炼将P、S等杂质抑制在100ppm以下。但是，由于超高纯度熔炼不得不使用电子束熔炼和专用的特殊炉壁耐火材，所以经济上存在难点。因此，要求在一般的杂质水平下也能够抑制高温裂纹发生的技术。
此外，为了应用专利文献1所述的隔离物，会发生堆焊隔层或隔离物的设置、固定、精度管理等的极大的工序·劳动强度。另外，因为将成分与母材大不相同的异物·异材作为隔离物，所以也包括焊接部在内，有可能不满足所要求的接头性能的安全水平。在专利文献1中记述了焊接后通过刨削除去衬垫金属，但没有记载被焊接的隔离物当然要除去该焊接金属。即专利文献1考虑的是，以允许作为异物·异材的隔离物在接头内部的残留的用途为对象。因此，以异物·异材作为隔离物的专利文献1的焊接方法，从生产率·经济性·接头性能的安全水平这样的视点出发，很难适用于火力发电锅炉等。
发明内容
本发明鉴于所述问题点而形成，其课题在于，提供一种在高Cr系CSEF钢的埋弧焊中，不用增大工序·劳动强度，就能够抑制初层高温裂纹发生的初层埋弧焊方法。
用于解决课题的手段
本发明人等经过潜心研究，其结果想到，通过在坡口填充规定的成分的填充剂，从而抑制初层的焊接金属的熔点下降。
即，本发明的初层埋弧焊方法的特征在于，以高Cr系CSEF钢为母材，将含有C：0.10质量％以下、Si：0.50质量％以下、Mn：1.50质量％以下、P：0.025质量％以下、S：0.025质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成的金属粉末或钢线粒，以1.0～4.0mm的散布高度填充到所述母材的坡口内而进行焊接。
根据这一方法，用C含量控制在规定值以下的填充剂可抑制母材稀释，焊接金属的熔点不会降低，可防止初层高温裂纹。
在本发明的初层埋弧焊方法中，优选焊丝含有C：0.03～0.13质量％、Si：0.05～0.50质量％、Mn：0.50～2.20质量％、P：0.015质量％以下、S：0.010质量％以下、Ni：高于0.20质量％并在1.00质量％以下、Cr：8.00～10.50质量％、Mo：0.20～1.20质量％、V：0.05～0.45质量％、Nb：0.020～0.080质量％、N：0.02～0.08质量％，余量是Fe和不可避免的杂质。
根据这一方法，能够更确实地防止初层高温裂纹。
在本发明的初层埋弧焊方法中，优选焊丝还含有从Cu：1.70质量％以下、B：0.005质量％以下、W：2.0质量％以下和Co：3.0质量％以下所构成的组中选择的至少1个以上。
根据这一方法，能够抑制焊接金属中的δ-铁素体的残留造成的韧性劣化或提高蠕变断裂强度。
在本发明的初层埋弧焊方法中，优选用于焊接的焊剂由下式表示的碱度为1.0～3.3。
碱度＝(CaF2+CaO+MgO+SrO+Na2O+Li2O+1/2(MnO+FeO))/(SiO2+1/2(Al2O3+TiO2+ZrO2))
在此，各化合物表示焊剂总质量中的各化合物的含量(质量％)。
根据这一方法，能够抑制焊接金属的氧量，并且能够抑制焊道的外观和形状的不良发生。
在本发明的初层埋弧焊方法中，优选初层埋弧焊方法是初层单丝埋弧焊方法，其以如下条件进行焊接：使焊丝送给速度(V)为50～120g/min，焊接速度(v)为20～60cm/min，由所述焊丝送给速度与所述焊接速度之比求得的每单位焊接长度的熔敷量(V/v)为1.8～4.5g/cm。
根据这一方法，能够更确实地抑制未熔合和夹渣，另外能够更确实地抑制高温裂纹的发生。
在本发明的初层埋弧焊方法中，优选初层埋弧焊方法是初层串联埋弧焊方法，其以如下条件进行焊接：使先行极的焊丝送给速度VL为45～90g/min，后行极的焊丝送给速度VT为60～110g/min，焊接速度v为30～55cm/min，每单位长度的熔敷量为2.8～3.8g/cm。
根据这一方法，能够抑制焊接效率的降低，另外能够更确实地抑制高温裂纹的发生。
在本发明的初层埋弧焊方法中，优选喷嘴/母材间距离为20～40mm。
根据这一方法，能够抑制熔敷量过剩，另外能够抑制喷嘴前端受到电弧熔损。
在本发明的初层埋弧焊方法中，关于喷嘴角度，优选后倾角α为0°至60°的范围，前倾角β为0°至60°的范围。
根据这一方法，能够容易地使焊丝供给速度稳定化。
在本发明的初层埋弧焊方法中，优选喷嘴形状为直管状或弯头状。
根据这一方法，能够容易地使焊丝供给速度稳定化。
在本发明的初层埋弧焊方法中，初层埋弧焊方法是初层串联埋弧焊方法，先行极与后行极之间的极间距离为15mm～25mm。
根据这一方法，能够获得良好的焊道形状。
发明效果
根据本发明的初层埋弧焊方法，在高Cr系CSEF钢的焊接中，不用增大工序·劳动强度，就能够抑制初层高温裂纹的发生。
附图说明
图1是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图2是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图3是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图4是表示本发明的埋弧焊方法的串联方式的焊嘴的状态的正视图。
图5是表示本发明的初层埋弧焊方法的母材的窄坡口的形状和初层焊接金属的剖面图。
图6是表示本发明的埋弧焊方法的母材的窄坡口的形状和串联方式形成的焊接金属的层叠要领的剖面图。
图7是表示本发明的初层埋弧焊方法的焊接前的填充剂的散布状态的剖面图，相当于图5的局部放大图。
图8是用于本发明的埋弧焊方法的焊嘴的正视图。
图9是图8所示的焊嘴的侧视图。
图10是图8所示的焊嘴内插的焊丝突出侧的端面图，是相对于图9的底视图。
图11是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图12是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图13是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图14是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图15是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
图16是表示本发明的埋弧焊方法的单丝方式的焊嘴的状态的正视图。
具体实施方式
以下，对于本发明的实施的方式详细地加以说明。
本发明的初层埋弧焊方法(以下，本发明的初层焊方法)是高Cr系CSEF钢的埋弧焊的初层焊的方法，单丝、串联的任意一种方式均可适用。单丝埋弧焊中，例如图1～3所示，使用内插有焊丝12的焊嘴11，以电弧焊对于母材10进行焊接，使1台焊嘴11的角度(喷嘴角度)相对于焊接方向前倾(图1)或后倾(图2)或者垂直(图3)。另一方面，串联埋弧焊中，如图4所示，是同时使用2台分别内插有焊丝12a、12b的先行极(焊嘴)11a和后行极(焊嘴)11b进行焊接。此外埋弧焊中，单丝、串联的各方式均使用未图示的焊剂。另外，关于喷嘴/母材间距离、喷嘴形状、喷嘴角度，后述加以说明。
本发明的初层焊方法是适用于第一焊层，即初层焊的埋弧焊方法。通过初层焊，如图5所示，初层焊接金属21在坡口内的槽底凝固。其后，通过使焊层反复，如图6示，新的焊接金属22(沿图中的白色镂空箭头方向)被层叠到上面。
(母材)
本发明的初层焊方法中，作为母材(被焊接材)，以高Cr系CSEF钢为对象。高Cr系CSEF钢有各种规格，例如，ASTM规格和ASME规格所规定的SA387Gr.T91，EN规格(Europeanstandards：欧洲规格)所规定的X10CrMoVNb9-1，火力技术标准所规定的火SFVAF28、火SFVAF29、火STBA28、火STPA28火、SCMV28。
作为母材的成分，优选含有C：0.07～0.14质量％、Si：0.50质量％以下、Mn：0.70质量％以下、Ni：0.50质量％以下、Cr：8.00～11.50质量％、Mo：0.25～1.10质量％、V：0.15～0.35质量％、Nb：0.04～0.10质量％、P：0.025质量％以下、S：0.015质量％以下、N：0.03～0.10质量％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，此外，也可以还含有Cu：1.70质量％以下、B：0.060％以下、W：2.50％以下、Co：3.0质量％以下。
在本发明的初层焊方法中，优选使所述成分的母材与后述的焊丝和焊剂加以组合。此外在本发明的初层焊方法中，如图7所示，将以下的规定成分的填充剂21f以规定的散布高度h填充到坡口内而进行焊接。
(填充剂)
在本发明的初层焊方法中，将含有C：0.10质量％以下、Si：0.50质量％以下、Mn：1.50质量％以下、P：0.025质量％以下、S：0.025质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成的金属粉末或钢线粒作为填充剂，以1.0～4.0mm的散布高度填充到母材的坡口内而进行焊接。以下，对于填充剂更详细地加以说明。
(C：0.10质量％以下)
C在熔敷金属中，使熔点降低而引起高温裂纹。为了防止熔敷金属的熔点下降，填充剂的C含量还考虑到母材稀释，为0.10质量％以下，优选为0.05质量％以下。
(Si：0.50质量％以下)
Si调节熔融金属的粘性，具有整理焊道形状的作用。另一方面，若高于0.50质量％，则熔渣烧粘发生，熔渣除去困难。因此，填充剂的Si含量为0.50质量％以下，优选为0.30质量％以下。
(Mn：1.50质量％以下)
Mn调节熔融金属的粘性，具有整理焊道形状的作用。另一方面，若高于1.50质量％，则熔渣烧粘发生，熔渣除去困难。因此，填充剂的Mn含量为1.50质量％以下，优选为1.30质量％以下。
(P：0.025质量％以下、S：0.025质量％以下)
P、S在熔敷金属中，分别使熔点降低，引起高温裂纹。因此，填充剂的P、S的各含量为0.025质量％以下，优选为低于0.025质量％。
填充剂中，作为不可避免的杂质，也可以含有Cu、Cr、Mo、Ni、Nb、V、W、Co、N等各0.5质量％以下，合计0.8质量％以下。
(散布高度：1.0～4.0mm)
填充剂的散布高度低于1.0mm时，填充剂的量不足，不能抑制初层的熔敷金属的C的稠化，结果是，熔敷金属的C浓度过剩，不能抑制高温裂纹。因此，填充剂中，使其散布高度为1.0mm以上，优选为1.5mm以上。另一方面，若高于散布高度4.0mm而填充填充剂，则填充剂的量变得过剩，焊缝形状成为凸焊道，引起未熔合和夹渣。因此，对于填充剂而言，散布高度为4.0mm以下，优选为3.5mm以下。
填充剂适用所述成分的金属粉末、钢线粒的任意一种都可以。金属粉末优选平均粒径为1mm以下，钢线粒优选丝径和长度(切割长度)分别优选为1mm以下。
还有，在也包括第二焊层以后的全部的焊接完毕之后，填充剂形成的焊接部(图5所示的初层焊接金属21)也可以根据所要求的接头性能的安全水平而除去。除去方法能够适用刨削、机械加工等公知的方法。
(焊丝)
本发明的初层焊方法中使用的焊丝，优选含有C：0.03～0.13质量％、Si：0.05～0.50质量％、Mn：0.50～2.20质量％、Ni：高于0.20质量％并在1.00质量％以下、Cr：8.00～10.50质量％、Mo：0.20～1.20质量％、V：0.05～0.45质量％、Nb：0.020～0.080质量％、P：0.015质量％以下、S：0.010质量％以下、N：0.02～0.08质量％，余量由Fe和不可避免的杂质构成，此外，也可以含有Cu：1.70质量％以下、B：0.005质量％以下、W：2.0质量％以下、Co：3.0质量％以下。
C和N一起，与Cr、Mo、W、V、Nb、B结合而析出各种碳氮化物，具有使蠕变断裂强度提高的效果。为了充分地得到这一效果，焊丝的C含量优选为0.03质量％以上，更优选为0.04质量％以上。另一方面，若过剩地添加C，具体来说若C含量高于0.13质量％，则耐高温裂纹性劣化。因此，焊丝的C含量优选为0.13质量％以下，更优选为0.12质量％以下。
Si作为脱氧剂起作用，减少熔敷金属中的氧量，具有改善焊接金属的韧性的效果。为了充分地得到这一效果，焊丝的Si含量优选为0.05质量％以上，更优选为高于0.05质量％。另一方面，Si为铁素体生成元素，若过剩地添加，具体来说若Si含量高于0.50质量％，则引起焊接金属中的δ-铁素体的残留，焊接金属的韧性劣化。因此，焊丝的Si含量优选为0.50质量％以下，更优选为0.48质量％以下，进一步优选为0.45质量％以下。
Mn作为脱氧剂起作用，减少熔敷金属中的氧量，具有改善韧性的效果。另外，Mn是奥氏体生成元素，具有抑制因焊接金属的δ-铁素体的残留导致的韧性劣化的效果。为了充分地得到这些效果，焊丝的Mn含量优选为0.50质量％以上，更优选为0.55质量％以上。另一方面，Mn含量高于2.20质量％，焊接金属的韧性也会劣化。因此，焊丝的Mn含量优选为2.20质量％以下，更优选为2.15质量％以下。
Ni与Mn同样是奥氏体生成元素，具有抑制因焊接金属的δ-铁素体的残留造成的韧性劣化的效果。为了充分地得到这一效果，焊丝的Ni含量优选高于0.20质量％，更优选为0.25质量％以上，进一步优选为0.30质量％以上。另一方面，Ni含量高于1.00质量％，焊接金属的韧性也会劣化。因此，焊丝的Ni含量优选为1.00质量％以下，更优选为0.95质量％以下。
此外，若Mn和Ni的合计含量高于1.50质量％，则焊接金属的韧性劣化，并且熔敷金属的Ac1相变点降低而不可以高温回火，不能进行组织的稳定化处理。因此，焊丝的Mn和Ni的合计含量进一步优选为1.50质量％以下。
Cr是本发明的初层焊方法中作为被焊接材(母材)的高Cr系CSEF钢的主要元素，是用于确保耐氧化性和高温强度不可欠缺的元素。为了充分地得到这一效果，焊丝的Cr含量优选为8.00质量％以上，更优选为8.05质量％以上。另一方面，Cr是铁素体生成元素，若过剩地添加，具体来说若Cr含量高于10.50质量％，则引起δ-铁素体的残留，焊接金属的韧性劣化。因此，焊丝的Cr含量优选为10.50质量％以下，更优选为10.45质量％以下。
Mo是固溶强化元素，具有使蠕变断裂强度提高的效果。为了充分地得到这一效果，焊丝的Mo含量优选为0.20质量％以上，更优选为0.22质量％以上。另一方面，因为Mo是铁素体生成元素，所以若过剩地添加，具体来说，若使Mo的含量高于1.20质量％，则引起焊接金属中的δ-铁素体的残留，焊接金属的韧性劣化。因此，焊丝的Mo含量优选为1.20质量％以下，更优选为1.18质量％以下。
V是析出强化元素，作为碳氮化物析出而具有使蠕变断裂强度提高的效果。为了充分地得到这一效果，焊丝的V含量优选为0.05质量％以上，更优选为0.10质量％以上。另一方面，V也是铁素体生成元素，若过剩地添加，具体来说，若V含量高于0.45质量％，则引起焊接金属中的δ-铁素体的残留，焊接金属的韧性劣化。因此，焊丝的V含量优选为0.45质量％以下，更优选为0.40质量％以下。
Nb进行固溶强化和作为氮化物析出，是有助于蠕变断裂强度的稳定化的元素。为了充分地得到这一效果，焊丝的Nb含量优选为0.020质量％以上，更优选为0.022质量％以上。另一方面，Nb也是铁素体生成元素，若过剩地含有，具体来说，若Nb含量高于0.080质量％，则引起焊接金属中的δ-铁素体的残留，焊接金属的韧性劣化。因此，焊丝的Nb含量优选为0.080质量％以下，更优选为0.078质量％以下。
P和S分别是提高高温裂纹敏感性的元素。P含量高于0.015质量％时或S含量高于0.010质量％时，耐高温裂纹性劣化。因此，优选焊丝的P含量限制在0.015质量％以下，更优选为0.010质量％以下。另外，优选焊丝的S含量限制在0.010质量％以下，更优选为0.009质量％以下。
N和C一起，与Cr、Mo、W、V、Nb、B结合而析出各种碳氮化物，具有使蠕变断裂强度提高的效果。为了充分地得到这一效果，焊丝的N含量优选为0.02质量％以上，更优选为0.03质量％以上。另一方面，若过剩地含有N，具体来说，若N含量高于0.08质量％，则熔渣剥离性劣化。因此，焊丝的N含量优选为0.08质量％以下，更优选为0.07质量％以下。
Cu是奥氏体生成元素，具有抑制焊接金属中的δ-铁素体的残留造成的韧性劣化的效果。另一方面，若过剩地含有，具体来说，若Cu含量高于1.70质量％，则引起高温裂纹。因此，焊丝的Cu含量优选为1.70质量％以下，更优选为1.00质量％以下，进一步优选为0.50质量％以下。Cu的含有方法也可以通过对焊丝表面进行镀覆。
B通过微量含有而使碳化物分散·稳定化，是具有提高蠕变断裂强度的效果。另一方面，若过剩地含有，具体来说，若B含量高于0.005质量％，则引起高温裂纹。因此，焊丝的B含量优选为0.005质量％以下，更优选为0.003质量％以下，进一步优选为0.0015质量％以下。
W是通过基体的固溶强化和微细碳化物析出，有助于蠕变断裂强度的稳定化的元素。另一方面，W也是铁素体生成元素，因此若过剩地含有，具体来说，若W含量高于2.0质量％，则引起焊接金属中的δ-铁素体的残留，焊接金属的韧性劣化。因此，焊丝的W含量优选为2.0质量％以下，更优选为1.8质量％以下，进一步优选为1.7质量％以下。
Co是抑制δ铁素体残留的元素。另一方面，若Co过剩地含有，具体来说，若Co含量高于3.0质量％，则降低Ac1点，因此不可以高温回火，不能进行组织的稳定化处理。因此，焊丝的Co含量优选为3.0质量％以下，更优选为2.0质量％以下，进一步优选为1.8质量％以下。
焊丝中，作为不可避免的杂质，也可以含有Ti、Al等各0.02质量％以下，合计0.04质量％以下。
焊丝优选丝径为3～5mm。这是由于丝径低于3mm时，不能获得充分的熔敷量，有损失焊接能效的情况。另一方面，若丝径高于5mm，则熔敷量变得过剩，即使用本发明的初层焊方法，仍有难以抑制初层的高温裂纹的情况。
(焊剂)
优选本发明的初层焊方法中使用的焊剂的由下式表示的碱度为1.0～3.3。碱度＝[CaF2+CaO+MgO+SrO+Na2O+Li2O+1/2(MnO+FeO)]/[SiO2+1/2(Al2O3+TiO2+ZrO2)]
在此，上式中的各化合物表示该化合物在焊剂中的含量(质量％)。
焊剂的碱度低于1.0时，焊接金属中的氧量无法充分减少，焊接金属的韧性降低。因此，焊剂优选碱度为1.0以上，更优选为1.3以上。另一方面，若焊剂的碱度高于3.3，则焊道的外观和形状容易不良。因此，焊剂优选碱度为3.3以下，更优选为3.2以下。还有，本发明的初层焊方法中使用的焊剂，只要碱度满足这一范围，构成该焊剂的化合物的各含量等其他的构成，则没有特别规定。
〔单丝埋弧焊条件〕
本发明的初层焊方法，在单丝焊接的情况下，优选适用以下的条件。
(喷嘴/母材间距离)
如图1～3、图11～16所示，喷嘴/母材间距离是焊丝12从焊嘴11最终突出的部分与母材10之间的距离L。如前所述，与母材为同样材料的、即由高Cr系CSEF钢构成的焊丝比低Cr系CSEF钢的电阻高，因此焦耳发热量大，即使在同样大小的焊接电流下，熔敷量也变多。在此，焦耳发热量随着喷嘴/母材间距离变长而变大。具体来说，若喷嘴/母材间距离高于40mm，则熔敷量过剩。另一方面，喷嘴/母材间距离低于20mm时，喷嘴前端存在被电弧熔损的危险性。因此，喷嘴/母材间距离优选在20～40mm的范围内进行管理，更优选为25～35mm的范围。
(喷嘴形状)
喷嘴形状为图1～3所示的直管状、图8～10所示的弯头状、或日本特公昭62-58827号公报的Fig.3b所示这样的形状都可以，从确保焊丝送给性和给电位置稳定化的观点出发适宜选择。特别是图8～10所示这样的、使焊丝12突出(参照图11～16)的喷嘴前端部(图8、图9的下端)不阻碍焊丝送给的范围内弯曲的弯头状喷嘴，使给电位置稳定化，结果是使焊丝送给速度稳定化。
(喷嘴角度)
如图1～3、图11～16所示，喷嘴角度是指相对于母材10的表面而垂直的线、与焊丝12从焊嘴11最终突出的部分的轴线形成的角度。喷嘴角度影响焊接电弧对焊丝的加热程度，结果是使焊丝送给速度增减。详细地说，如果是相同的焊接电流，相同的喷嘴/母材间距离L，则喷嘴角度为前倾角β(参照图2、图12、图15)的一方相比后倾角α(参照图1、图11、图14)，焊丝送给速度有所增加。因此，喷嘴角度在后倾角α截止到60°的范围，前倾角β截止到60°的范围内进行管理，会使焊丝送给速度稳定化，因此优选。
(焊丝的送给速度V：50～120g/min)
焊丝的送给速度低于50g/min时，焊接电流过低而电弧不稳定，容易发生未焊透。因此，焊丝的送给速度优选为50g/min以上，更优选为55g/min以上。另一方面，若焊丝的送给速度高于120g/min，则熔敷量变得过剩而容易发生高温裂纹，另外，熔渣剥离性也劣化。因此，焊丝的送给速度优选为120g/min以下，更优选为115g/min以下。
(焊接速度v：20～60cm/min)
焊接速度低于20cm/min时，熔敷量变得过剩而容易发生高温裂纹。因此，焊接速度优选为20cm/min以上，更优选为25cm/min以上。另一方面，若焊接速度高于60cm/min，则来不及供给熔融金属，焊道形状不稳定而容易发生未熔合和夹渣。因此，焊接速度优选为60cm/min以下，更优选为55cm/min以下。
(每单位焊接长度的熔敷量：1.8～4.5g/cm)
每单位焊接长度的熔敷量是焊丝的送给速度/焊接速度。每单位焊接长度的熔敷量低于1.8g/cm时，熔敷量不足，焊道形状不稳定而发生未熔合和夹渣。因此，每单位焊接长度的熔敷量优选为1.8g/cm以上，更优选为2.0g/cm以上。另一方面，若每单位焊接长度的熔敷量高于4.5g/cm，则熔敷量变得过剩，熔融金属的凝固收缩量过大且熔深形状也变成梨形，因此凝固收缩发生的方向相对于最终凝固部为垂直，高温裂纹容易发生。因此，每单位焊接长度的熔敷量优选为4.5g/cm以下，更优选为4.3g/cm以下。
焊接电流和电弧电压，作为将所述的焊丝送给速度控制在适当范围的一个手段进行调整。电源特性是下降特性、恒压特性均可。在此，所谓下降特性，就是即使电弧长度变动，电流的变化也少，能够稳定焊接的电源的特性。具体来说，电弧长度长时，通过暂时地加快焊丝的送给速度，电弧长度短时，通过放慢焊丝的送给速度，从而保持不变地使电流稳定化。电源极性为DCEP(Direct Current Electrode Positive)、AC(Alternating Current)均可。
〔串联埋弧焊条件〕
本发明的初层焊方法在串联焊接中也可以适用，优选适用以下的条件。还有，喷嘴形状与单丝焊接同样，从图4所示的直管状、图8～10所示的弯头状、或日本特公昭62-58827号公报的Fig.3b所示这样的形状中适宜选择。
(喷嘴/母材间距离)
如图4所示，与单丝焊接同样，喷嘴/母材间距离是焊丝12a(12b)从焊嘴11a(11b)最终突出的部分与母材10之间的距离L，优选为20～40mm的范围。还有，对于喷嘴/母材间距离而言，也可以先行极11a和后行极11b不同。另外，焊嘴11a、11b的喷嘴形状为图8～10所示的弯头状时的喷嘴/母材间距离如在图11～16中焊嘴11与母材10之间的距离L所示。先行极11a和后行极11之间的极间距离优选为15mm～25mm。只要在15mm～25mm的范围内，则能够获得良好的焊道形状。
(喷嘴角度)
如图4所示，与单丝焊接同样，喷嘴角度是相对于母材10的表面垂直的线、与焊丝12a(12b)从焊嘴11a(11b)最终突出的部分的轴线构成的角度α(β)。先行极11a、后行极11b的喷嘴角度(后倾角α、前倾角β)均在±60°(后倾角60°至前倾角60°)的范围内进行管理，这为了使焊丝送给速度而优选。还有，焊嘴11a、11b的喷嘴形状是图8～10所示的弯头状时的喷嘴角度α、β在图11～16中由焊嘴11的喷嘴角度α、β所示。
(焊丝的送给速度先行极VL：45～90g/min，后行极VT：60～110g/min)
焊丝的送给速度中，先行极低于45g/min时或后行极低于60g/min时，焊接电流过小而电弧不稳定，容易发生未焊透。另一方面，若焊丝的送给速度中，先行极高于90g/min或后行极高于110g/min，则熔敷量变得过剩而容易发生高温裂纹，另外，熔渣剥离性也恶化。还有，在串联焊接中，优选使先行极的焊丝的送给速度比后行极慢。通过先行极形成的熔敷金属量更少，能够减小焊道深度，增大焊道宽度，难以发生高温裂纹。因此，对于焊丝的送给速度而言，先行极优选为45～90g/min，后行极优选为60～110g/min的范围。
(焊接速度v：30～55cm/min)
焊接速度低于30cm/min时，熔敷量变得过剩，高温裂纹容易发生。另一方面，若焊接速度高于55cm/min，则来不及供给熔融金属，焊道形状不稳定，未熔合和夹渣容易发生。因此，焊接速度优选为30～55cm/min的范围。
(每单位焊接长度的熔敷量：2.8～3.8g/cm)
每单位焊接长度的熔敷量为(先行极的焊丝的送给速度+后行极的焊丝的送给速度)/焊接速度。每单位焊接长度的熔敷量低于2.8g/cm时，熔敷量不足而焊接效率降低。另一方面，若每单位焊接长度的熔敷量高于3.8g/cm，则熔敷量变得过剩，熔融金属的凝固收缩量过大且熔深形状变成梨形，因此凝固收缩发生的方向相对于最终凝固部垂直而容易发生高温裂纹。因此，每单位焊接长度的熔敷量优选为2.8～3.8g/cm的范围。
电源特性与单丝焊接同样，下降特性、恒压特性均可。另外，极性也是DCEP、AC均可适用。另外，也可以适用于V形结线、斯科特结线。
本发明的初层焊方法也可以适用于板厚低于150mm的母材。另外，不排除面向X坡口的应用。应用于X坡口时，在对背面侧的焊接中，与表面侧同样，将填充剂填充在坡口内而进行初层焊接。另外，由本发明的初层焊方法进行初层焊接之后的第二焊层以后，除了填充剂，可以在与所述焊接条件同样或不同条件下，以埋弧焊进行焊接或者也可以适用气体保护电弧焊等的焊接方法。
实施例
以上，对于用于实施本发明的方式进行了阐述，以下，将确认到本发明的效果的实施例与不满足本发明的要件的比较例加以对比，具体地进行说明。还有，本发明不受该实施例限制，在技术方案所示的范围内也可以加以变更实施，这些均包含在本发明的技术范围内。
〔制作试验体〕
准备由表1所示的成分的高Cr系CSEF钢构成的、板厚t为250mm的板材，通过机械加工，形成坡口的槽底的曲率半径R为10mm、坡口角度θ为4°的窄坡口而作为母材(参照图5)。另外，准备表4所示的形状(金属粉末、钢线粒)和成分的填充剂，在母材的坡口内，填充至表4所示的散布高度h(参照图7)。还有，关于填充剂，金属粉末为平均粒径75μm，钢线粒为丝径1mm，切割长度1mm。
使用表2所示的成分且丝径4mm的焊丝、以及表3所示的粒度和成分的焊剂，对于母材的坡口，利用前端弯曲喷嘴(参照图8～10)在以下的条件下进行单层单道埋弧焊，制作图5所示的试验体20。
(焊接条件)
喷嘴/母材间距离：30mm
喷嘴角度：0°
电极特性：下降特性
电极极性：AC单丝
焊接姿势：向下
焊接电流：400A
焊接电压：31V
焊丝的送给速度：80g/min
焊接速度：40cm/min
每单位焊接长度的熔敷量：2.0g/cm
[表1]
※含不可避免的杂质
[表2]
※含不可避免的杂质
[表3]
※BaO，SrO，Na2O，Li2O，K2O，MnO，FeO，TiO2的至少一种
〔评价〕
(焊接部的健全性)
在制作的试验体的除去焊缝的起始、结束部之外的300mm的范围，在每50mm的断面，通过目视观察宏观组织，观察有无焊接缺陷(夹渣、熔渣剥离性、熔渣烧粘、未熔合、未焊透)。还有，关于熔渣剥离性，用锤子对于附着在焊接结束后的焊道表面的焊剂敲打3次，熔渣容易剥离的为合格，未剥离的为不合格。没有任何焊接缺陷的在表4中以“○”表示，发生了焊接缺陷的将其内容显示在表4中。
在观察所述焊接缺陷后，目视观察焊道形状。详细地说，观察在熔渣剥离性的评价中熔渣剥离的痕迹的表面外观，焊道形状稳定的为合格，以“○”显示在表4中，不稳定的为不合格，以“×”显示在表4中。
(抗高温裂纹性)
对于试验体，在除去焊缝的起始部和结束部的长度300mm的范围，每50mm切断5处，观察断面的宏观组织。5个断面全部没有发生裂纹的为合格，以“○”显示在表4中，1个以上发生裂纹的为不合格，以“×”显示在表4中。
[表4]
如表4所示，试验体No.1～3的填充剂的成分和坡口的散布高度在本发明的范围内，焊接部的健全性和抗高温裂纹性良好。
相对于此，试验体No.4因为填充剂的C含量过剩，所以焊接金属的C稠化导致高温裂纹发生。试验材No.5因为填充剂的Si含量过剩，试验材No.6因为填充剂的Mn含量过剩，所以熔渣烧粘发生。试验材No.7因为填充剂的P含量过剩，试验材No.8因为填充剂的S含量过剩，所以高温裂纹发生。
试验体No.9因为填充剂的散布高度过剩，所以焊缝形状为凸焊道，因此未熔合和夹渣发生。试验体No.10因为填充剂的散布高度不足，所以不能抑制焊接金属的C稠化，高温裂纹发生。
本申请基于申请日为2014年7月18日的日本国专利申请，以专利申请第2014-147996号为基础申请的优先权主张。专利申请第2014-147996号通过参照而编入本说明书。
符号说明
10 母材(被焊接材)
11 焊嘴
11a 先行极(焊嘴)
11b 后行极(焊嘴)
12，12a，12b 焊丝
20 试验体
21 初层焊接金属
21f 填充剂
22 焊接金属

Claims (13)

1.一种初层埋弧焊方法，其特征在于，是以高Cr系CSEF钢为母材的初层埋弧焊方法，将含有C：0.10质量％以下、Si：0.50质量％以下、Mn：1.50质量％以下、P：0.025质量％以下、S：0.025质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成的金属粉末或钢线粒，向所述母材的坡口内填充至散布高度1.0～4.0mm而进行焊接。
2.根据权利要求1所述的初层埋弧焊方法，其中，用于所述焊接的焊丝含有C：0.03～0.13质量％、Si：0.05～0.50质量％、Mn：0.50～2.20质量％、P：0.015质量％以下、S：0.010质量％以下、Ni：高于0.20质量％并在1.00质量％以下、Cr：8.00～10.50质量％、Mo：0.20～1.20质量％、V：0.05～0.45质量％、Nb：0.020～0.080质量％、N：0.02～0.08质量％，余量是Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的初层埋弧焊方法，其中，所述焊丝还含有从Cu：1.70质量％以下、B：0.005质量％以下、W：2.0质量％以下和Co：3.0质量％以下所构成的组中选择的至少一个以上。
4.根据权利要求2或3所述的初层埋弧焊方法，其中，用于所述焊接的焊剂由下式表示的碱度为1.0～3.3，
碱度＝(CaF2+CaO+MgO+SrO+Na2O+Li2O+1/2(MnO+FeO))/(SiO2+1/2(Al2O3+TiO2+ZrO2))
在此，各化合物表示焊剂总质量中的各化合物的质量百分比含量。
5.根据权利要求4所述的初层埋弧焊方法，其中，所述初层埋弧焊方法是初层单丝埋弧焊方法，以如下条件进行焊接：使焊丝送给速度V为50～120g/min，焊接速度v为20～60cm/min，由所述焊丝送给速度与所述焊接速度之比求得的每单位焊接长度的熔敷量V/v为1.8～4.5g/cm。
6.根据权利要求4所述的初层埋弧焊方法，其中，所述初层埋弧焊方法是初层串联埋弧焊方法，以如下条件进行焊接：使先行极的焊丝送给速度VL为45～90g/min，后行极的焊丝送给速度VT为60～110g/min，焊接速度v为30～55cm/min，每单位焊接长度的熔敷量为2.8～3.8g/cm。
7.根据权利要求5所述的初层埋弧焊方法，其中，喷嘴/母材间距离为20～40mm。
8.根据权利要求7所述的初层埋弧焊方法，其中，喷嘴角度中，后倾角α为0°至60°的范围，前倾角β为0°至60°的范围。
9.根据权利要求8所述的初层埋弧焊方法，其中，喷嘴形状是直管状或弯头状。
10.根据权利要求6所述的初层埋弧焊方法，其中，喷嘴/母材间距离为20～40mm。
11.根据权利要求10所述的初层埋弧焊方法，其中，喷嘴角度中，后倾角α为0°至60°的范围，前倾角β为0°至60°的范围。
12.根据权利要求11所述的初层埋弧焊方法，其中，喷嘴形状为直管状或弯头状。
13.根据权利要求1所述的串联初层埋弧焊方法，其中，所述初层埋弧焊方法是初层串联埋弧焊方法，先行极和后行极之间的极间距离为15mm～25mm。
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