專利名稱：氣體保護電弧焊用藥芯焊絲的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于船舶、橋梁、鋼筋等鋼結構制造的低碳鋼、高強度鋼及低合金鋼用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲(以下，稱為藥芯焊絲)，特別涉及為提高焊接工作效率而在大電流焊接條件下使用時也具有良好焊接操作性的角焊用及全位置焊接用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲。
用于角焊的藥芯焊絲在例如日本專利公開公報昭61-147993號、日本專利公開公報平3-294092號等中提出各種方案，但人們希望平角焊能進一步提高速度。一般，用于角焊的藥芯焊絲對于為達到鋼結構在制造過程中防銹的目的而涂布的底漆產生的凹坑、氣槽采取了防止措施。但是問題是，涂布在鋼板上的底漆種類、膜厚對高速平角焊的影響日益增大，有一個耐底漆性問題。而且，在速度加快的同時，為了確保目標焊腳長度，必然會采用大電流焊接條件，這樣就會出現焊道凸出，焊道焊趾的熔合性不佳，因咬邊、焊渣燒結而產生的外觀不佳及焊渣剝離性劣化等問題。
由于全位置焊接用藥芯焊絲可用于平焊、橫焊、仰焊、立焊等位置的焊接，所以使用的范圍最廣。特別在大電流焊接條件下使用時，希望能夠防止立焊的金屬垂滴，并適用于較大的焊接條件范圍。如果在立焊時出現金屬垂滴的現象，就會使焊道焊趾的熔合性、外觀、焊渣剝離性產生問題。
因此，本發明的目的是提供在大電流焊接條件下、用于高速平角焊的具備良好耐底漆性、焊道形狀、外觀和焊渣剝離性的角焊用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，以及在包括大電流區域的較大焊接條件范圍內可使用的、以立焊的防止金屬垂滴性良好為特色的各種焊接操作性俱佳的全位置焊接用藥芯焊絲。
為了改善在大電流焊接條件下進行高速平角焊及立焊時出現的前述焊接操作性問題，本發明者們試制了各種藥芯焊絲，并進行了詳細的探討。
首先，為了提高平角焊用藥芯焊絲的耐底漆性，除了控制焊渣形成劑、控制氟化物的添加和焊絲中的氫含量之外，在大電流焊接條件下使用時的電弧狀態穩定性也是很重要的。即，如果在焊接時能夠維持穩定的電弧狀態，則浮在熔池表面的熔融焊渣就會在電弧力的作用下迅速、連續地向后方移動，由于從熔池產生的氫氣連續地釋放，所以，不會產生凹坑和氣槽。另一方面，如果焊絲的熔融狀態較紊亂，電弧狀態不穩定，則熔融焊渣的后移變得不連續，此時，容易在凝固焊渣較厚部位出現凹坑。
另外，為改善大電流焊接條件下使用時的焊道形狀、外觀和焊渣剝離性，綜合調整熔融焊渣的流動性和凝固溫度等，以及保持上述穩定的電弧狀態，保持充分的焊渣包覆性也是很重要的。焊渣包覆性不充分時，會出現焊道凸出、因咬邊、焊渣燒結而產生的外觀不佳及焊渣剝離性差等問題。
此外，對于在大電流焊接條件下將全位置焊接用藥芯焊絲用于立焊時的耐金屬垂滴性來說，使上述電弧狀態穩定也是必須條件。
進行向下立焊時，一邊利用電弧力的作用將熔融焊渣穩定在熔池表面的上方，一邊向下進行焊接，如果保持穩定的電弧狀態，就能夠將熔融焊渣平穩壓向熔池上方，使其迅速凝固，所以不會出現金屬垂滴現象。此時，所有焊道被焊渣包覆，焊趾的熔合性良好，形成了平滑的焊道，沒有出現焊渣燒結和夾渣的現象，剝離性良好。反之，如果電弧狀態不穩定，就會使熔融焊渣在瞬間垂滴，焊道出現凹凸，出現因夾渣而產生的缺陷和因夾渣部分產生的裂縫。在向上立焊的大電流情況下和焊接條件范圍擴大時，電弧狀態和焊渣的包覆性同樣對金屬垂滴、焊道焊趾熔合性及焊渣剝離性有影響。
本發明者們發現，含有一定量以上的前述特定鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末，對共同改善上述藥芯焊絲的焊接操作性有重要影響的電弧狀態和焊渣包覆性的穩定化極其有效，而且，將焊渣形成劑和氟化物作為必須成分加以限定的藥芯焊絲能夠達到所希望的目的。
本發明的主要內容如下。
(1)在鋼質外管內填入焊劑而形成的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn(式1)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有2.0～7.0％的TiO2、0.2～1.5％的SiO2、0.1～1.2％的ZrO2、0.01～0.3％的氟化物(F換算值)。
(2)在鋼質外管內填入焊劑而形成的角焊用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn(式1)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有2.0～5.0％的TiO2、0.2～1.2％的SiO2、0.1～1.2％的ZrO2、0.01～0.3％的氟化物(F換算值)。
(3)在鋼質外管內填入焊劑而形成的角焊用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，30％以下的Ni，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn-0.062Ni(式2)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn-Ni合金粉末，而且，含有2.0～5.0％的TiO2、0.2～1.2％的SiO2、0.1～1.2％的ZrO2、0.01～0.3％的氟化物(F換算值)。
(4)在鋼質外管內填入焊劑而形成的全位置焊接用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn(式1)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有4.0～7.0％的TiO2、0.3～1.5％的SiO2、0.3～1.2％的ZrO2、1種或2種0.1～1.5％的Al(1.5％以下)或Mg(0.8％以下)、0.01～0.2％的氟化物(F換算值)。
(5)在鋼質外管內填入焊劑而形成的全位置焊接用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，30％以下的Ni，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn-0.062Ni(式2)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有4.0～7.0％的TiO2、0.3～1.5％的SiO2、0.3～1.2％的ZrO2、1種或2種0.1～1.5％的Al(1.5％以下)或Mg(0.8％以下)、0.01～0.2％的氟化物(F換算值)。
(6)上述鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的相對磁導率(μ)在1.10以下的上述(1)～(5)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲。
(7)對應于全部焊絲重量，鐵粉含量在10％以下的上述(1)～(6)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲。
(8)對應于全部焊絲重量，焊絲的氫含量在0.007％以下的上述(1)～(7)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲。
(9)對應于全部焊絲重量，焊絲的氮含量在0.010％以下的上述(1)～(8)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲。
以下，對本發明的藥芯焊絲中所含的鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的作用效果及其限定理由進行說明。
藥芯焊絲的鋼質外管材料一般采用Si、Mn含量較少、且拉絲加工性能良好的低碳鋼材料，因此，為確保焊接金屬的機械性質而填充在焊劑中的作為脫氧及合金劑的Si、Mn原料粉末的配比較高。作為上述原料粉末，以往都是使用金屬Si、金屬Mn、硅鋼、錳鐵、硅錳合金等。此外，高強度鋼用和低溫鋼用等的含Ni藥芯焊絲中使用的是鎳鐵合金粉末或Ni粉末。
但是，如圖3(a)、(b)所示，觀察含有大量上述金屬粉末原料的藥芯焊絲的長軸方向剖面，將異常部分放大，如圖3(a)模擬所示，可看到外管部1中較薄的部分5和包含在焊劑2內的焊劑原料粉末6(金屬粉末、合金粉末)嵌在外管部分1中的部分7。如果這樣外管部分壁厚不均勻的程度較大，則即使含有電弧穩定劑，也會造成焊絲熔融狀態的紊亂，不能夠確保穩定的電弧狀態和焊渣的包覆狀態。
上述外管部分壁厚的變化如下進行，即在進行拉絲加工的同時，使外管部分連續地向焊劑部分施加壓力，依次壓縮成堅固的狀態，焊劑原料的每個粒子的移動都受阻，使對應于外管部分伸展的焊劑部分的跟蹤性變差，這樣外管部分壁厚就發生了變化。
而與此不同，圖3(b)是本發明的藥芯焊絲長軸方向剖面的焊劑填充狀態的模擬圖。外管部分1的壁厚較均勻，未發現包含在焊劑2內的焊劑原料粉末有鑲嵌的現象，這樣的藥芯焊絲的電弧狀態和焊渣包覆狀態極穩定。
外管部分壁厚的均勻是通過被分散在焊劑中的作為本發明特定的焊劑原料粉末的鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末8(放大圖)的鐵合金粉來完成。本發明所用的鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末是限定了C、Si和Mn的含量，還限定了Si下限和C、Mn的關系或和C、Mn、Ni的關系(式1或式2)而獲得的極脆的鐵合金粉(ferroalloy粉)。而且，還將粒徑限定在212μm以下，通過工業粉碎而制得的粒徑如此小的鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的每個粒子都有微小的龜裂(裂縫)。在拉絲加工時，上述裂縫使粒子容易粉碎，有利于外管部分壁厚均勻。
即，填充焊劑后，一般利用模具群或軋輥群使絲徑縮小，每縮小一次，就對焊劑部分施壓，此時如果原料粉末非常脆，則其粒子因不能夠抵抗壓力而破碎。而且，有裂縫的一個一個粒子的粉碎性極好，每縮徑一次就反復進行粉碎，其結果是，使鐵合金粉本身及其周圍的焊劑粒子容易移動，到細徑階段為止，焊劑部分對外管伸展部分保持良好的跟蹤性。
使用粒徑超過212μm的較粗的鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末時，由于混入不易粉碎的粒子，而且，粒子不能夠充分分散在焊劑中，拉絲加工中的粉碎效果較差，焊劑部分的跟蹤性不夠充分，所以，容易導致外管部分壁厚不均勻。另一方面，如果粒徑在212μm以下，則要考慮制得的焊絲的直徑、填充焊劑中的含量及填充焊劑的形狀(造粒、非造粒、嵩密度等)等，較好是選擇最適當的粒徑。
此外，含有鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末對防止焊絲組成的偏析、改善焊渣包覆性也是有效的。即，作為Si、Mn的原料，用可同時滿足作為目標的Si、Mn組成的鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末進行摻合與以Si、Mn為原料的以往組合摻合使用的Si粉、Mn粉、硅鋼合金、錳鐵合金、硅錳合金等相比，能夠減少焊絲中的焊劑組分的變動。而且，鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末中的Si、Mn含量比一般使用的硅錳合金(JISG 2304-1986)少得多，而且，由于其粒徑限制在212μm以下，能夠使Si、Mn的質量較差的粒子充分分散在焊劑中，所以，能夠有效防止Si和Mn的偏析。例如，如果在焊絲長軸方向發生Si和Mn的偏析，則它們的脫氧反應生成的SiO2、MnO會使焊渣生成量、流動性等發生一些變化，并使焊渣包覆性變差，也會對焊道形狀、外觀、焊渣剝離性、甚至耐底漆性產生不良影響。
為了最大限度地發揮防止偏析的效果，最好是使作為焊絲組成的焊劑中含有可滿足必須的規定總量的Si、Mn及Ni的鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末。


圖1表示后述實施例1的平角焊試驗用藥芯焊絲的鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的含量和出現凹坑的情況及外管部分壁厚均勻性的關系。由圖可知，由于焊絲中含有1.0％以上的鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末，所以，外管部分壁厚的均勻性較好，產生凹坑的個數大幅度減少，同時焊渣包覆性也得到了改善。(比較試驗No.1～7和No.14、15)。全位置焊接用藥芯焊絲也是如此，由于焊絲中含有1.0％以上的鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末，所以，能夠提高立焊的大電流使用性。另一方面，考慮藥芯焊絲整個絲所允許的Si(1.5％以下)和Mn(5％以下)含量，鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的含量上限最好在10～15％左右。
此外，如圖3(a)所示，將焊絲長20mm(不連續地任意從3處取)連續放大50倍拍攝，觀察照片上的最小壁厚部分的壁厚T2和平均壁厚T1之比(T2/T1的最小值)，可對外管部分壁厚的均勻性進行評估。
鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的組分限定理由如下。
C是改善拉絲加工中鐵合金粉的粉碎性、并使鐵合金粉非磁性化的有效組分，其含量需在0.40％以上。鐵系Si-Mn合金粉末中的C如果不足0.40％，則在拉絲加工中難以粉碎，不能夠獲得壁厚均勻的外管部分。另一方面，即使C超過1.20％，對鐵合金粉的粉碎性及非磁性化的作用也幾乎沒有變化，所以，將1.20％定為上限。此外，鐵系Si-Mn-Ni合金粉末中的Ni有利于粉碎性和非磁性化，所以，C的下限可放寬至0.30％。
為了改善拉絲加工中的粉碎性，Si含量需在5％以上。如果Si含量不足5％，就不能夠充分發揮粉碎效果，不能夠改善外管部分壁厚的均勻性。另一方面，由于Si含量即使超過12％，對粉碎性也沒有多大效果，所以，為了含有更多的Fe組分，將Si含量的上限定為12％。Si、C及Mn的含量的關系是Si≥11.89-2.92C-0.077Mn(式1)。組成只要滿足式1就不會很脆，而且，大部分粒子會發生龜裂，拉絲加工中的粉碎性良好。
為了改善拉絲加工中的粉碎性及非磁性化，Mn含量需在19％以上。即使Mn含量超過42％，對粉碎性及非磁性化的效果也沒有多大變化，所以，為了更多地含有Fe組分，將Mn含量的上限定為42％。
Ni含量在30％以下的鐵系Si-Mn-Ni合金粉末在拉絲加工中的粉碎性良好，而且，能夠確保真正的非磁性化。含有Ni的藥芯焊絲的外管部分壁厚均勻性和縫焊性均良好。
C、Si及Mn之外的組分實際上就為Fe，但只要不影響拉絲加工中的粉碎性、非磁性化及焊接金屬的機械性質，還可添加Al、Ti、P、S及B等。另外，從焊接金屬的韌性方面考慮，使N含量盡可能少為好，但它是對于粉碎性及非磁性化有效的組分，也需適當添加。
以下，對作為本發明的藥芯焊絲的必須組分的焊渣形成劑、氟化物及強脫氧劑的限定理由進行說明。
TiO22.0～7.0％TiO2可改善焊渣包覆性，有利于形成平滑形狀及外觀的焊道，對焊渣剝離性及全位置焊接時保持熔融金屬狀態都有用，是焊渣形成劑的主要組分。
當作為角焊用藥芯焊絲時，如果TiO2含量不足2.0％，則會造成焊渣生成量不足，出現焊渣包覆性不夠充分的問題，還會使焊道凸出，容易出現咬邊。而且，由于焊道部分露出的焊渣或焊道表面燒結，導致了外觀不佳和焊渣剝離性不良的問題。另一方面，如果TiO2含量超過5.0％，則焊渣生成量過多，使從熔池產生的底漆燃燒氣體的釋放受阻，易生成凹坑、氣槽。此外，圖6表示立板9和平板10的角焊焊道12與平板的熔合性，如圖6(b)所示，過剩的TiO2使立板9和平板10的角焊焊道12的焊道焊趾13膨脹，這樣就破壞了其與平板10的熔合性。
當作為全位置焊接用藥芯焊絲時，如果TiO2含量不足4.0％，則焊渣生成量不足，熔融焊渣的粘合性變小，不利于向上立焊和仰焊。另一方面，如果TiO2含量超過7.0％，則焊渣生成量過多，立焊時容易出現金屬垂滴、焊道焊趾形狀不佳、夾渣、焊道表面出現裂縫等問題。TiO2的原料可以是金紅石、鈦渣等，其含量是它們的TiO2換算值。
SiO20.2～1.5％SiO2賦予熔融焊渣以適當的粘性，可防止在大電流焊接條件下使用時的焊渣包覆性劣化，對改善焊道形狀有用，還可防止焊渣燒結。
當作為角焊用藥芯焊絲時，如果SiO2含量不足0.2％，則在大電流焊接條件下使用時，熔融焊渣的粘性不夠，焊渣包覆性變差，這樣就會使焊道凸出，而且，不易從焊道立板側除去的焊渣殘留有較薄的一層，在焊道中央出現因焊渣燒結而產生的麻點狀痕跡。另一方面，如果SiO2含量超過1.2％，則焊渣生成量過多，易產生凹坑、氣槽。而且，熔融焊渣的粘性過大，使焊道焊趾的熔合性變差。
當作為全位置焊接用藥芯焊絲時，如果SiO2含量不足0.3％，則焊渣包覆性變差，向上立焊時易出現金屬垂滴，而且，焊道形狀和焊渣剝離性劣化。另一方面，如果SiO2含量超過1.5％，則立焊時熔融焊渣的凝固變慢，易出現焊道焊趾不整齊、金屬垂滴、夾渣等現象。SiO2的原料最好是硅砂和鋯石砂等。
ZrO20.1～1.2％ZrO2可改善焊渣包覆性，可使焊道形狀整齊，是進行全位置焊接時的必須組分。
當作為角焊藥芯焊絲時，如果ZrO2含量不足0.1％，則在大電流焊接條件下使用時，熔融焊渣的凝固變慢，形成焊趾膨脹的焊道。而且，焊渣包覆性變差，出現焊道露出或焊渣燒結。另一方面，如果ZrO2含量超過1.2％，則熔池變小，底漆燃燒氣體的釋放受阻，易出現凹坑和氣槽。此外，如果焊道寬度變窄、形成凸出狀、焊趾熔合性變差，此時的焊渣剝離性也劣化。
當作為全位置焊接用藥芯焊絲時，如果ZrO2含量不足0.3％，則幾乎不能夠進行向上立焊。另一方面，如果ZrO2含量超過1.2％，則進行立焊時易發生金屬垂滴。ZrO2的原料最好是鋯石砂和氧化鋯等。
氟化物(F換算值)0.01～0.3％F賦予電弧適當的聚集性，在提高半自動焊接時的焊絲操作性的同時，能夠利用其攪拌作用促進進入熔池的氫氣的釋放，防止凹坑和氣槽的產生。而且，能夠調整熔融焊渣的流動性，改善焊渣包覆性。
當作為角焊用藥芯焊絲時，如果F含量在0.01％以上，則可改善耐底漆性和焊道形狀，如果超過0.3％，則出現熔融焊渣粘性過小，焊道凸出，焊渣燒結等問題。
當作為全位置焊接用藥芯焊絲時，如果F含量超過0.01％，則同樣能夠防止凹坑和氣槽的產生，有利于焊渣包覆性，但如果超過0.2％，則立焊時易出現金屬垂滴，F的原料最好是氟化鋰、氟化鈉、硅氟化鉀、冰晶石等氟化物，其含量為F換算值。
1種或2種Al(1.5％以下)或Mg(0.8％以下)0.1～1.5％當作為全位置焊接用藥芯焊絲時，作為強脫氧劑的必須組分的Al和Mg如果含量在0.1％以上，則有利于減少焊接金屬的含氧量，以改善機械性質，而且，可顯著減少立焊時的金屬垂滴。但是，如果Al含量超過1.5％或Mg含量超過0.8％，或1種或2種Al和Mg的合計含量超過1.5％時，則熔融焊渣中的Al2O3和MgO過大，易出現金屬垂滴。另外，當作為角焊用藥芯焊絲時，Al、Mg對焊道形成有用，廉價的Al2O3和MgO也可作為焊渣形成劑使用，可獲得較好的焊道形狀，所以，可適當添加。
不論是角焊用還是全位置焊接用藥芯焊絲都是一樣的，要盡量減少焊絲的含氫量，這對提高耐底漆性和耐裂性是有效的。圖2(a)、(b)所示的外管部分1內含有焊劑的剖面結構為無縫型的藥芯焊絲在制造階段可在高溫下進行脫氫處理，而且，開封后在使用中無吸濕現象，所以，能夠使焊絲的含氫量非常少。這種剖面結構的藥芯焊絲如圖2(a)所示，一般在鋼管中填入焊劑而制得；或如圖2(b)所示，利用例如日本專利公報平4-72640號、日本專利公報平-62838號及日本專利公開公報平5-31594號等提出的方案，在帶鋼形成為管狀體作為外管部分1的階段，填入焊劑2后，通過縫焊4使帶鋼接縫連在一起的方法制得。
特別是通過縫焊將帶鋼接縫連在一起而制得的無縫型藥芯焊絲的焊劑中如果含有強磁性原料粉末，則該粉末被吸附在縫焊處，易出現微小的外管裂縫，會對焊接性能產生不良影響。所以，為了提高通過縫焊將帶鋼接縫連在一起而制得的無縫型藥芯焊絲的焊接性能，最好使焊劑中含有前述拉絲加工中粉碎性良好的鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末，且實質上是非磁性的材料。
已經證實，只要是鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的相對磁導率(μ)在1.10以下的鐵系合金粉，焊接部分就不會發生熔融不佳的現象，就可穩定地進行縫焊，在焊接中形成穩定的焊絲熔融狀態，不會出現凹坑，不會對焊道形狀和外觀產生不良影響。相對磁導率(μ)在1.10以下的值，是具有鐵素體的量幾乎消失、只略帶磁性性質的界限值，可以說實質上是非磁性的。相對磁導率(μ)用振動磁強計測定。
本發明的藥芯焊絲由于還含有Fe粉，所以，熔融量較多，且操作效率有所提高，而且，電弧狀態極穩定，能夠擴大熔池。
當作為角焊用藥芯焊絲時，電弧狀態的穩定和熔池的擴大加快了底漆燃燒氣體的釋放，進一步改善了耐底漆性和焊道焊趾的熔合性。當作為全位置焊接用藥芯焊絲時，使立焊時的耐金屬垂滴性有所提高。
本發明中含有Fe粉的情況下，對應于全部焊絲重量，將其含量限定在10％以下。這是考慮到若焊劑中含有較多金屬粉末，則提高了焊劑填充率，這樣整個外管部分壁厚就變薄，在焊絲制造過程中容易出現斷線。
由于鐵粉是強磁性體，所以，在通過縫焊將帶鋼接縫連在一起時，為了不使其吸附在縫焊處，在考慮縫焊速度和縫焊時的管狀體尺寸、縫焊處附近的裝置等的同時，最好添加水玻璃或糊精等粘合劑，使原先的原料粉末非造粒焊劑轉變為造粒焊劑狀態。
由于使焊絲的含氫量在0.007％以下，所以本發明的藥芯焊絲的耐底漆性進一步提高。吸附在焊絲表面的水分和油性潤滑劑、鋼制外管中的氫及所填充的焊劑的水分等藥芯焊絲本身具有的氫提高了電弧氛圍氣中的氫分壓，使進入熔池的氫量增加，是形成凹坑和氣槽的原因。所以，為無縫型藥芯焊絲時，選擇填充前的焊劑干燥及燒成、盡可能減少含氫量的中間退火條件是很重要的。而與無縫型焊絲不同，為圖2(c)、(d)所示的在外管部分1具有接縫3的剖面結構的藥芯焊絲時，最好通過耐吸濕處理和在不使內部焊劑2變質的溫度下進行燒成等，以盡量減少焊絲的含氫量。另外，利用使整個焊絲熔融而進行的惰性氣體溶解熱傳導法來測定焊絲含氫量。
為了確保焊接金屬的沖擊韌性，應將本發明藥芯焊絲中的含氮量至少控制在0.010％以下，特別是要求-40℃以下的低溫韌性時，最好是控制在0.005％以下。焊絲中的氮包括鋼制外管、鐵系Si-Mn合金粉末、鐵系Si-Mn-Ni合金粉末及其他焊劑原料粉末中所含的氮，以及制造過程中與焊劑一起卷入的空氣中的氮。必須要考慮到這些情況，盡可能降低其含量。
焊絲中的其他組分包括Al2O3、MgO、FeO、Fe2O3、MnO、MnO2、FeS2等焊渣形成劑，MnCO3、CaCO3等氣體發生劑，C、Ti、Zr等脫氧劑，Cr、Mo、Nb、V、B等合金劑，Bi、Bi2O3等焊渣剝離助劑，其含量只要對本發明的效果無影響即可。
其中，當作為角焊用藥芯焊絲時，含有Al2O3和MgO，FeO、Fe2O3等鐵氧化物作為焊渣形成劑可改善焊道形狀和耐底漆性。但是，如果Al2O3含量超過1.0％，則平角焊時，可發現熔融焊渣的凝固不均勻，焊道表面有凹凸，焊道焊趾不整齊等焊道形狀、外觀劣化，焊渣剝離性變差等。如果MgO含量超過1.0％，則耐底漆性變差。如果鐵氧化物超過1.0％，則出現焊渣生成量較多，耐底漆性劣化，焊渣粘性過小，焊渣包覆性不佳及平板側焊道焊趾的熔合性不佳，焊渣除去性不佳等問題。如果全位置焊接用藥芯焊絲中含有Al2O3，則有利于向上立焊，但由于進行向上立焊時，容易造成金屬垂滴，所以，應適當添加。
從焊絲拉絲加工性方面考慮，鋼制外管可用以往的藥芯焊絲一般采用的低碳鋼材料，如果使用Si和Mn含量較高的合金鋼材，就可利用其高熔融性。
為了獲得高熔敷性和高效率，焊劑填充率應在10％以上，另一方面，如果填充率的上限過高，則外管部分壁厚變薄，在焊絲制造階段容易發生斷線，所以，最好在25％以下。
絲徑為1.0～2.0mm的細絲時的熔敷性較好。焊絲的剖面構造可與圖2所示的以往的藥芯焊絲的一般結構相同。
與本發明的藥芯焊絲一起使用的保護氣體可以為CO2，也可使用Ar系混合氣體。
以下，通過實施例對本發明的效果進行更為具體的說明。
實施例1表1表示實施例所用的鋼管、帶鋼尺寸及化學組分。表1
將表1所示低碳鋼制鋼管(P1)的直徑縮小至可獲得規定填充率的填充直徑，利用振動填充方式從鋼管一端填入焊劑(造粒焊劑)后，利用軋輥群和拉絲模具群進行拉絲加工。為了進行脫氫處理及緩解加工硬化，以3.2mm的絲徑進行中間退火(650℃×2小時)，制得圖2(a)所示的焊絲剖面結構為無縫型的角焊用藥芯焊絲(符號W1～W17，絲徑1.6mm)。表2表示鐵系Si-Mn合金粉末或鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的組成及相對磁導率。表3表示制得的焊絲的詳細情況。表4表示通過觀察所得焊絲的剖面而獲得的外管部分壁厚的均勻性檢測結果和平角焊試驗結果。表2
備注相對磁導率(μ)，*表示FA1～3、FA8被磁石吸引。
式1Si≥11.89-2.92C-0.077Mn式2Si≥11.89-2.92C-0.077Mn-0.062Ni
表3(全部焊絲重量比、重量％)
備注(1)氟化物硅氟化鉀(2)電弧穩定劑鉀長石、鈦酸蘇打、水玻璃固形組分(硅酸鉀)
表4
角焊的要領、焊道形狀評估標準的余高率、焊道焊趾角的測定要領如圖4～圖6所示。
試制焊絲的外管部分的均勻性評估與前述圖3的說明相同，焊劑原料的鑲嵌(T2/T1)不足0.90，表示有鑲嵌現象。
平角焊試驗如圖4所示，將立板9和平板10形成倒T字型直角，安裝時兩者間無縫隙，然后在兩側對T字型角焊接縫同時進行自動焊接，得到角焊焊道12。用于試驗的立板9和平板10是表面涂布了底漆11的無機涂鋅鋼板(鋼種SM490、板厚12mm×長度150cm、底漆膜厚約為20μm、立板和平板間無縫隙)。焊接條件是焊接電流為350A、電弧電壓為32～33V、焊接速度為80cm/min、噴嘴·母材間距離為25mm、保護氣體為CO2氣體(流量是25L/min)。
電弧穩定性、焊渣包覆性、耐底漆性、焊道形狀、外觀及焊渣剝離性的評估記號是◎表示極好，○表示良好，△表示較差，×表示差。焊渣燒結的評估記號是○表示未出現，△表示出現較少，×表示經常出現。
耐底漆性的評估是未出現氣槽、出現的凹坑個數在3個/m以下的為良好。氣槽用產生氣槽的總長和焊接的焊道長之比表示。
圖5是表示熔池表面的測定方法的剖面圖。如圖5所示，設立板9和平板10所成角度為90°，由上焊腳長x和下焊腳長y求得的斜線表示的三角形剖面積為S0，隆起在上下焊道焊趾間以上的焊道余高部分的剖面積為S1，則熔池表面(％)由式{S1/(S0+S1)}×100求得。
圖6(a)、(b)為焊道焊趾角測定法的剖面。如圖6所示，從立板9和平板10的角焊焊道12的平板10的焊道上升部分即焊道焊趾13引出焊道剖面的切線L1或L2，焊道焊趾角是該切線L與平板10形成的角度α1或α2。圖6(a)是焊道焊趾熔合性良好的例子，圖6(b)是焊道焊趾膨脹、熔合性不佳的例子。所以，圖6(a)的焊趾角(α)大于圖6(b)。
焊道形狀良好的評估標準是利用圖5所示測定方法測得的熔池表面在20％以下，且利用圖6所示測定方法測得的焊道焊趾角(α)在120℃以上，目視觀察到的焊道焊趾很整齊，無咬邊，整體很平滑。
試驗No.1～7是使用了本發明的藥芯焊絲(W1～7)的情況，外管部分壁厚變化較小，具有穩定的電弧狀態和焊渣包覆狀態，還獲得了良好的耐底漆性、焊道形狀、外觀和焊渣剝離性。相對于此，No.8～17為比較例。
試驗No.8(W8)是使用TiO2過少的焊絲的情況，試驗No.9(W9)是使用TiO2較多但不含有氟化物的焊絲的情況，試驗No.10(W10)是使用SiO2過少的焊絲的情況，試驗No.11(W11)是使用SiO2及ZrO2過多的焊絲的情況，試驗No.12(W12)是使用不含有ZrO2的焊絲的情況，試驗No.13(W13)是使用氟化物過多的焊絲的情況，試驗No.14(W14)是使用鐵系Si-Mn合金粉末(FA4)過少的焊絲的情況，試驗No.15(W15)是使用鐵系Si-Mn-Ni合金粉末(FA8)過少的焊絲的情況，試驗No.16(W16)是使用不含有本發明特定的鐵系Si-Mn合金粉末的焊絲的情況，試驗No.17(W17)是使用不含有本發明特定的鐵系Si-Mn合金粉末的焊絲的情況。如圖4所示，上述情況都存在電弧穩定性或焊渣包覆性劣化、產生凹坑和氣槽、焊道形狀不佳、焊渣剝離性不佳等問題。
實施例2與實施例1同樣，利用振動填充方式在前述表1所示低碳鋼制鋼管(P1)中填入焊劑，制得圖2(a)所示的焊絲剖面結構為無縫型的全位置焊接用藥芯焊絲(符號W18～W30、絲徑為1.2mm)。表5表示所得焊絲的詳細情況。表6、表7表示通過觀察試制焊絲的剖面而獲得的外管部分壁厚的均勻性檢測結果和向下焊及向上立焊試驗結果。表6、表7中同時所述了實施例2和3的焊接試驗結果。立焊試驗是將無機涂鋅鋼板(鋼種SM490、板厚12mm×長度50cm、底漆膜厚約為20μm、立板和平板間無縫隙)形成T字直角接縫，進行半自動焊接。
表5(全部焊絲重量比，重量％)<t
>備注(1)氟化物硅氟化鉀(2)電弧穩定劑鉀長石、鈦酸蘇打、水玻璃固形組分(硅酸鉀)
表6
表7
試驗No.18～26是使用不含Ni焊絲、能否進行大電流立焊的檢測結果。向下立焊在焊接電流為280～310A、電弧電壓為30～33V、焊接速度約為50～60cm/min的條件下進行。向上立焊在焊接電流為280A、電弧電壓為26～28V、焊接速度約為15cm/min、噴嘴·母材間距為20～25mm、保護氣體為CO2氣體(流量是25L/min)的條件下進行。
表6所述的電弧穩定性、焊渣包覆性、焊道焊趾熔合性及焊渣剝離性的評估符號是◎表示極好、○表示良好、△表示較差、×表示差。
試驗No.18～20(表6)是使用了本發明的藥芯焊絲(W18～20)的情況，外管部分壁厚變化較小，在穩定的電弧狀態和焊渣包覆狀態下，未出現金屬垂滴和夾渣等現象，焊道形狀和焊渣剝離性良好。可進行大電流向下立焊(300A)，而且向上立焊結果也良好。相對于此，No.21～26為比較例。
試驗No.21(W21)是使用TiO2過多的焊絲的情況，試驗No.22(W22)是使用SiO2過多的焊絲的情況，試驗No.23(W23)是使用SiO2較少且不含有ZrO2的焊絲的情況，試驗No.24(W24)是使用ZrO2較多但不含有氟化物的焊絲的情況，試驗No.25(W25)是使用不含有Al、Mg的焊絲的情況，試驗No.26(W26)是使用鐵系Si-Mn合金粉末(FA4)過少的焊絲的情況。如表6所示，存在的問題有，向下立焊、向上立焊的電弧穩定性或焊渣包覆性劣化，金屬垂滴，焊道焊趾熔合性較差，夾渣和焊渣剝離性不佳等。
試驗No.27～30(表7)是使用含有Ni的藥芯焊絲對向上立焊性能進行檢測的結果。焊接條件是180A-22～23V、280A-26～27V、焊接速度約為15～20cm/min、噴嘴母材間距為20～25mm、保護氣體為CO2氣體(流量為25L/min)。
試驗No.27和28是使用了本發明的藥芯焊絲(W27、28)的情況，外管部分壁厚變化較小，低電流及大電流焊接條件下電弧狀態和焊渣包覆狀態穩定，未出現金屬垂滴現象，焊道形狀和焊渣剝離性良好。
相對于此，試驗No.29(W29)是使用強脫氧劑(Al、Mg)過多的焊絲的情況，試驗No.30(W30)是使用鐵系Si-Mn-Ni合金粉末(FA9)過少的焊絲的情況。如表7所示，電弧穩定性或焊渣包覆性劣化，出現金屬垂滴現象，焊道焊趾熔合性和焊渣剝離性也不佳。
實施例3在將前述表1所示低碳鋼制帶鋼(H2)形成為管狀體階段，在其中填入焊劑(造粒焊劑)后，利用高頻感應加熱對管狀體相對的邊緣面進行縫焊(縫焊時的管狀體外徑約為22mm、焊接速度為10～30m/min)，然后，利用軋輥群連續地縮小直徑，直到絲徑為3.2mm，再進行鍍銅處理。接著，利用拉絲模具群進行拉絲加工，制得圖2(b)所示的焊絲剖面結構為無縫型的藥芯焊絲(符號W31～W36，絲徑為1.6mm，W37～W44，絲徑為1.2mm)。
W31、34、35、37、40、41、44是使用非磁性鐵系Si-Mn合金粉末(FA4、FA6、FA7)及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末(FA9、FA10)，且全部焊絲的相對磁導率(μ)在1.10以下，提高縫焊的熱輸入量，以30m/min的焊接速度制得。其他焊絲由于不含鐵粉，所以限制縫焊的熱輸入量，以約15m/min的焊接速度制得，因此未發現其外管有裂縫產生。此外，為了在進行拉絲加工的同時緩解加工硬化和脫氫，以10.7mm和3.2mm的絲徑進行中間退火。
表8表示所得焊絲的詳細情況。表6、表7和表9表示試驗結果。表9中同時所述了實施例3和4的焊接試驗結果。外管部分壁厚的均勻性測定方法、焊接試驗條件等與實施例1和2相同。表6和表7如前述。
表8(全部焊絲重量比、重量％)
備注(1)氟化物硅氟化鉀(2)電弧穩定劑鉀長石、鈦酸蘇打、水玻璃固形組分(硅酸鉀)
表9
<p>試驗No.31～36(表9)是使用了本發明的角焊用藥芯焊絲(W31～36)的情況。任何一種情況都獲得了良好的耐底漆性、焊道形狀、外觀及焊渣剝離性。使用了含有鐵粉的W32、W36及含有大量鐵系Si-Mn合金粉末(FA4)的W34的試驗No.32、34、36可在極穩定的電弧狀態及焊渣包覆狀態下獲得良好的耐底漆性、焊道形狀、外觀及焊渣剝離性。
試驗No.37～43(表6、表7)是使用了本發明的全位置焊接用藥芯焊絲(W37～43)的情況，都能夠實現大電流向下立焊，并能夠擴大向上立焊的條件范圍。
實施例4將前述表1所示低碳鋼制帶鋼(H1)制成U型，在槽內填入焊劑(非造粒焊劑)后，將帶鋼兩端對接在一起形成管狀體，然后，利用軋輥群及拉絲模具群進行拉絲加工，制得圖2(c)所示的焊絲剖面結構的藥芯焊絲(符號W45～47，絲徑為1.6mm)。使用了表2所示鐵系Si-Mn合金粉末(FA2)。表10表示制得的焊絲的詳細情況。表9表示試制焊絲的試驗結果。表2及表9如前述。
表10
備注(1)氟化物硅氟化鉀(2)電弧穩定劑鉀長石、鈦酸蘇打試驗No.45、46(W45、46)是使用了本發明的藥芯焊絲的情況，獲得了良好的耐底漆性、焊道形狀、外觀及焊絲剝離性。
試驗No.47(W47)為比較例，由于焊絲制造階段的低氫化處理不夠充分，焊絲中的含氫量過多，所以，容易出現凹坑、氣槽。
實施例5表11表示全位置焊接用藥芯焊絲的焊著金屬試驗結果(根據JIS Z 313)。焊接條件是焊接電流為280A、電弧電壓為31V、焊接速度為35cm/min、噴嘴·母材間距為25mm、保護氣體為CO2氣體(流量為25L/min)。
表11
試驗No.48(W37)、No.49(W40)是使用了本發明的藥芯焊絲的情況，作為490N/mm2級的高強度鋼用焊絲，獲得了很高的強度和沖擊韌性。
試驗No.50(W25)是使用了不含Al和Mg的焊絲的比較例，焊著金屬的含氧量有所增加，沖擊韌性下降。
試驗No.51(W41)是使用了焊絲含氮量較高的焊絲的比較例，焊著金屬的含氮量有所增加，沖擊韌性下降。
如上所述，本發明提供了即使在大電流焊接條件下用于高速平角焊，也能夠獲得良好耐底漆性、焊道形狀、外觀及焊渣剝離性的角焊用氣體保護電弧焊藥芯焊絲，以及在包括大電流區域的較大的焊接條件范圍內可使用的、以立焊的耐金屬垂滴性良好為特色的各種焊接操作性俱佳的全位置焊接用藥芯焊絲。提高了焊接操作效率及焊接部位的質量。
圖1表示包括本發明在內的藥芯焊絲中的鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的含量和出現凹坑的情況、外管部分壁厚的均勻性的關系。
圖2是藥芯焊絲剖面構造例的模擬圖。
圖3是藥芯焊絲長軸方向的剖面構造例的模擬圖。
圖4是用于實施例的平角焊試驗的試驗體及焊接后的焊道的模擬圖。
圖5是實施例的平角焊試驗焊道的余高率的測定方法的模擬圖。
圖6實施例的平角焊試驗的焊道焊趾形狀的測定方法的模擬圖。
以下，對圖中符號進行說明。
1為外管，2為焊劑，3為外管部分的結合部，4為縫焊部分，5為外管部分壁厚較薄的部分，6為焊劑原料粉末，7為焊劑原料粉末的鑲嵌部分，8為鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末、9為立板、10為平板、11為底漆、12為焊道、13為焊道焊趾、x為上焊腳長、y為下焊腳長、L1和L2為切線、α1和α2為焊道焊趾角。
權利要求
1.一種氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征在于，在鋼質外管內填入焊劑而形成的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn(式1)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有2.0～7.0％的TiO2、0.2～1.5％的SiO2、0.1～1.2％的ZrO2、0.01～0.3％的氟化物(F換算值)。
2.一種氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征在于，在鋼質外管內填入焊劑而形成的角焊用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn(式1)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有2.0～5.0％的TiO2、0.2～1.2％的SiO2、0.1～1.2％的ZrO2、0.01～0.3％的氟化物(F換算值)。
3.一種氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征在于，在鋼質外管內填入焊劑而形成的角焊用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，30％以下的Ni，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn-0.062Ni(式2)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn-Ni合金粉末，而且，含有2.0～5.0％的TiO2、0.2～1.2％的SiO2、0.1～1.2％的ZrO2、0.01～0.3％的氟化物(F換算值)。
4.一種氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征在于，在鋼質外管內填入焊劑而形成的全位置焊接用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn(式1)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有4.0～7.0％的TiO2、0.3～1.5％的SiO2、0.3～1.2％的ZrO2、1種或2種0.1～1.5％的Al(1.5％以下)或Mg(0.8％以下)、0.01～0.2％的氟化物(F換算值)。
5.一種氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征在于，在鋼質外管內填入焊劑而形成的角焊用氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中，以重量％計，含有0.40～1.20％的C、5～12％的Si、19～42％的Mn，30％以下的Ni，其余為Fe，且滿足Si≥11.89-2.92C-0.077Mn-0.062Ni(式2)，對應于全部焊絲重量，含有1.0％以上的粒徑在212μm以下的鐵系Si-Mn合金粉末，而且，含有4.0～7.0％的TiO2、0.3～1.5％的SiO2、0.3～1.2％的ZrO2、1種或2種0.1～1.5％的Al(1.5％以下)或Mg(0.8％以下)、0.01～0.2％的氟化物(F換算值)。
6.如權利要求(1)～(5)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征還在于，上述鐵系Si-Mn合金粉末及鐵系Si-Mn-Ni合金粉末的相對磁導率(μ)在1.10以下。
7.如權利要求(1)～(6)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征還在于，對應于全部焊絲重量，鐵粉含量在10％以下。
8.如權利要求(1)～(7)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征還在于，對應于全部焊絲重量，焊絲的氫含量在0.007％以下。
9.如權利要求(1)～(8)的任一項所述的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲，其特征還在于，對應于全部焊絲重量，焊絲的氮含量在0.010％以下。
全文摘要
角焊用氣體保護電弧焊藥芯焊絲,在大電流焊接條件下用于高速平角焊也能獲得良好耐底漆性、焊道形狀、外觀及焊渣剝離性;全位置焊接用藥芯焊絲,在較大焊接條件范圍內可使用、立焊的耐金屬垂滴性良好、各種焊接操作性俱佳。該焊絲的特征是在鋼質外管內填入焊劑而形成的氣體保護電弧焊用藥芯焊絲中,以重量%計,含有0.40～1.20%C、5～12%Si、19～42%Mn,其余為Fe,且滿足Si≥11.89－2.92C－0.077Mn,對應于全部焊絲重量,含有1.0%以上粒徑&lt; 212μm的鐵系Si－Mn合金粉末,且含有2.0～7.0%TiO
文檔編號C22C38/00GK1271634SQ9911817
公開日2000年11月1日 申請日期1999年8月25日 優先權日1999年4月23日
發明者鐮田政男, 高山力也, 足立武夫, 森和夫, 洼田晴敏 申請人:日鐵溶接工業株式會社