專利名稱：焊絲及用此焊絲的焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能形成高溫強(qiáng)度和耐焊接裂紋性優(yōu)異的焊接部的焊絲及利用該焊絲的焊接方法。
背景技術(shù)：
在進(jìn)行對(duì)焊、填角焊等焊接時(shí)，由于焊接金屬晶粒粗大，在焊接時(shí)會(huì)發(fā)生高溫裂紋。因此，人們一直致力于使焊接部的晶粒細(xì)化。
例如，日本特許公開(kāi)公報(bào)平5-138394號(hào)公開(kāi)了通過(guò)在焊絲中添加Ti以在焊接時(shí)生成細(xì)微的TiN粒子，而使其分散在焊接部上，將該TiN粒子作為晶核，形成焊接金屬的細(xì)微晶粒的方法。
另外，日本特許公開(kāi)公報(bào)平9-225680號(hào)公開(kāi)了在焊絲中適量添加Al和Mg以使焊接部的晶粒等軸晶化和微?；姆椒ā?br> 但是，利用上述之類的已有技術(shù)，不能滿足人們?nèi)找嫣岣吣秃附恿鸭y性和高溫強(qiáng)度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠形成具有優(yōu)異高溫強(qiáng)度和耐焊接裂紋性的焊接部的焊絲及利用該焊絲的焊接方法。
本發(fā)明提供一種具有如下特征的焊絲C0.025質(zhì)量％以下；Si1.3質(zhì)量％以下Mn2.0質(zhì)量％以下；Cr10-25質(zhì)量％；N0.04-0.2質(zhì)量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，上述Al及Ti量(質(zhì)量％)滿足下式(1)關(guān)系，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>(式中，x和y分別表示Al和Ti的含量(質(zhì)量％))，上述0量(質(zhì)量％)滿足下式(2)關(guān)系，z＜(x+y-0.01)/0.5(2)(式中，z表示焊絲中的全氧量(質(zhì)量％)，x和y與上式(1)中所定義的一樣)。
本發(fā)明還提供一種使用上述焊絲、具有如下特征的氣體保護(hù)的焊接方法采用含有Ar和O2及CO2中至少一種的保護(hù)氣體，在分別用p及q(p和q不能同時(shí)為零)來(lái)表示O2及CO2的體積％時(shí)，該保護(hù)氣體滿足p≤10，q≤50和式(3)的關(guān)系，p+q≤(x+y-0.01-0.5z)/0.0006 (3)(式中，x和y如上面式(1)中所定義的一樣，z如上面式(2)中所定義的一樣)。


圖1為焊絲Al含量和焊接部晶體粒度的關(guān)系曲線圖。
圖2為焊絲Ti含量和焊接部晶體粒度的關(guān)系曲線圖。
圖3是說(shuō)明本發(fā)明中焊絲的T型焊接裂紋試驗(yàn)的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明者著眼于如下事實(shí)若將Ti和Al摻入不銹鋼焊絲中，在焊接時(shí)，這些成分則會(huì)形成微小氮化物粒子而分散在焊接部中，并具有作為形成微小晶粒晶核的功能。而且，研究了焊絲中Al和Ti的含量和焊接部晶粒度的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者間有后敘的關(guān)聯(lián)。
同時(shí)，還得知上述Al和Ti的功能受焊絲中的氧量和氣體保護(hù)焊接時(shí)所用的保護(hù)氣體中的氧及二氧化碳量的影響。
因此，基于這些發(fā)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)出本發(fā)明的焊絲和采用該焊絲的焊接方法。
本發(fā)明的不銹鋼焊絲除了上述的Al、Ti及O以外，還含有C0.025質(zhì)量％以下；Si1.3質(zhì)量％以下；Mn2.0質(zhì)量％以下；Cr10-25質(zhì)量％；N0.04-0.2質(zhì)量％；首先只對(duì)設(shè)定這些成分的上述含量的理由進(jìn)行說(shuō)明。在本發(fā)明焊絲中，C為提高焊接部強(qiáng)度特性的成分。若過(guò)量添加時(shí)，在Al及Ti之間則會(huì)生成碳化物而妨礙Al氮化物和Ti氮化物的生成，所以將該含量設(shè)定在0.025質(zhì)量％以下。
Si具有作為脫氧劑的功能，另外，還能促進(jìn)耐焊接裂紋性的提高。但是，若過(guò)量添加，會(huì)導(dǎo)致焊接部晶粒的粗大化，所以設(shè)定該含量在1.3質(zhì)量％以下。
Mn也具有作為脫氧劑的功能，但是若過(guò)量添加時(shí)，因會(huì)導(dǎo)致焊接部的耐腐蝕性，尤其是耐氧化性低劣，所以將該含量設(shè)定在2.0質(zhì)量％以下。
Cr為能促進(jìn)焊接部強(qiáng)度特性的提高、同時(shí)保證耐腐蝕性的成分，將該含量規(guī)定為10-25質(zhì)量％。這是因?yàn)?，若含量小?0質(zhì)量％時(shí)，則不能發(fā)揮上述效果；相反，若超過(guò)25質(zhì)量％時(shí)，上述的效果達(dá)到了飽和，導(dǎo)致無(wú)謂的高成本。
N是為生成具有晶核功能的AlN和TiN的必需成分，將其含量規(guī)定為0.04-0.2質(zhì)量％。這是因?yàn)?，在含量少?.04質(zhì)量％的情況下，AlN和TiN的生成量變少，就較難實(shí)現(xiàn)焊接部的晶粒的細(xì)化；相反若含量多于0.2質(zhì)量％的情況下，作為晶核的上述AlN和TiN凝集而數(shù)目減少，也降低了晶粒的細(xì)化的效果。
下面，就本發(fā)明焊絲中的最重要成分，即Al、Ti及O和這些成分含量間的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。
無(wú)論是Al，還是Ti都可以形成為微小的氮化物粒子而均勻分散于焊接部中，利用作為晶核的功能，對(duì)焊接部的金屬組織進(jìn)行晶粒的微細(xì)化。
這里，將其他成分的含量定為幾乎一定的狀態(tài)，例如，C0.01質(zhì)量％；Si1.00質(zhì)量％；Mn0.50質(zhì)量％；Cr.19.0質(zhì)量％；N0.10質(zhì)量％，并使Al含量x和Ti含量y(都用質(zhì)量％)變化，制得焊絲。然后，使用該焊絲并利用由Ar98體積％；O22體積％組成的保護(hù)氣體在鋼板上進(jìn)行氣體保護(hù)焊接。
對(duì)形成后的焊接部的晶粒度進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果表示在圖1和圖2中。圖1為Al含量和晶粒度的關(guān)系圖，圖2為Ti含量和晶粒度的關(guān)系圖。這里的晶粒度(號(hào)的單位)是根據(jù)JIS G0552來(lái)測(cè)定的。數(shù)字越大，粒徑越小。
如圖1和圖2所示，晶粒度柱狀圖的峰值存在于Al含量x為0.05質(zhì)量％，Ti含量y為0.08質(zhì)量％的位置上。
在x小于0.05質(zhì)量％以及y小于0.08質(zhì)量％時(shí)，隨著x和y變小，AlN和TiN粒子的生成個(gè)數(shù)變少，焊接部晶粒粗大。另一方面，在x大于0.05質(zhì)量％以及y大于0.08質(zhì)量％時(shí)，隨著x和y的變大，AlN和TiN分別進(jìn)行凝集，結(jié)果觀察到粒子的個(gè)數(shù)減少，焊接部晶粒粗大。
因此，根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，設(shè)定了exp{-800(x-0.05)2}及exp{-300(y-0.08)2}之類的參數(shù)(分別稱為參數(shù)(1a)及參數(shù)(1b))，將通過(guò)各x和y計(jì)算出的值分別表示在圖1和圖2的右邊。
從兩圖可知，當(dāng)參數(shù)(1a)和參數(shù)(1b)為1時(shí)，晶粒度(號(hào)的單位)為最大的10號(hào)(粒徑最小)，隨著參數(shù)接近0時(shí)，晶粒度變小。
在本發(fā)明中，以如上所述式(1)所示，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>Al和Ti的各含量x和y(均用質(zhì)量％表示)設(shè)定為使上述2個(gè)參數(shù)的參數(shù)(1a)和參數(shù)(1b)的積在0.5以上的量。
這里，因?yàn)樯鲜?個(gè)參數(shù)的最大值都為1，所以為了使參數(shù)(1a)和參數(shù)(1b)的積在0.5以上，必須其中的一個(gè)參數(shù)要在0.5以上。因此，x值可大致為0.02-0.08質(zhì)量％，y值大致為0.05-0.11質(zhì)量％。
如上所述，為了解釋上述Al和Ti的功能還受焊絲中的氧量的影響，在本發(fā)明中，將焊絲中的0量z(質(zhì)量％)設(shè)定為上述式(2)z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)(x和y分別為Al和Ti的含量)。
Al、Ti和O的含量之間，必須要滿足式(1)和式(2)的關(guān)系。當(dāng)這些關(guān)系都成立的時(shí)候，微小AlN和TiN的粒子會(huì)量多且均勻地在焊接部生成，該焊接部上的晶粒則會(huì)微細(xì)化。
本發(fā)明的焊絲還可以含有如下物質(zhì)中的至少一種Nb1.0質(zhì)量％以下；Zr0.1質(zhì)量％以下；B0.1質(zhì)量％以下；Mo5.0質(zhì)量％以下以及W5.0質(zhì)量％以下。
Nb、Zr及B都為有助于AlN和TiN微小粒子在焊接部上生成，并能促進(jìn)焊接部晶粒的微細(xì)化的成分，但若過(guò)量添加后，則會(huì)妨礙焊弧的穩(wěn)定性，焊道不完整，所以將Nb的含量限制在1.0質(zhì)量％以下，而且Zr和B的含量都限制在0.1質(zhì)量％以下。
另外，雖然Mo和W都為能提高固熔焊接部強(qiáng)度特性的成分，但是若過(guò)量添加后，會(huì)析出而成為焊接部脆化的原因，所以都將其含量限制在5.0質(zhì)量％以下。
下面，就使用上述的焊絲來(lái)進(jìn)行氣體保護(hù)焊接時(shí)的保護(hù)氣體進(jìn)行說(shuō)明。
本發(fā)明所用的保護(hù)氣體包含Ar和O2及CO2中的至少一種，分別用p及q來(lái)表示O2及CO2的體積％時(shí)，該保護(hù)氣體滿足p≤10，q≤50且式(3)的關(guān)系，p+q≤(x+y-0.01-0.5z)/0.0006 (3)(式中，x和y按照上面式(1)中所定義的，z按照上面式(2)中所定義的)。
若p超過(guò)10體積％時(shí)，焊接部的氧化程度變高。另外，晶粒向粗大化發(fā)展。另一方面，在q超過(guò)50體積％的情況下，也會(huì)導(dǎo)致晶粒的粗大化。
若保護(hù)氣體中只含有Ar時(shí)，即p和q都為0時(shí)，焊弧變得不穩(wěn)定，不能形成完整的焊道，所以本發(fā)明排除了這樣的情況。
式(3)的右邊意味著因保護(hù)氣體而產(chǎn)生氧化物和碳化物的頻率，若p+q的值大于右邊的值時(shí)，氧化物和碳化物的生成量過(guò)多，將其凝集，引起晶粒的粗大，所以應(yīng)該避免。
本發(fā)明的保護(hù)氣體還可以包含N2或He或?qū)烧呋旌掀饋?lái)的氣體。此時(shí)，若過(guò)量混合，焊弧就會(huì)不穩(wěn)定而不能形成完整的焊道，另外，還會(huì)產(chǎn)生晶粒粗大的問(wèn)題，所以在所用保護(hù)氣體的整個(gè)體積中，將N2限制在30體積％以下，He為50體積％以下。
實(shí)施例在熔煉成對(duì)應(yīng)于下述表1(實(shí)施例1-12)和表2(比較例1-10)所示化學(xué)成分組成的鋼后，經(jīng)軋制及拉絲加工成直徑為1.2mm的焊絲，制得實(shí)施例1-12以及比較例1-10的焊接用不銹鋼焊絲。
表1焊絲的組成和參數(shù)值
表2焊絲的組成和參數(shù)值
對(duì)于這些焊絲，采用下述表3和表4所示組成的保護(hù)氣體來(lái)進(jìn)行對(duì)焊焊接。然后，根據(jù)JIS G0552來(lái)測(cè)定所形成的焊接部的晶粒度。
沿著焊接部的焊接線方向采取圓棒形試驗(yàn)片，使之全部是熔敷金屬，根據(jù)JISG0567對(duì)各試驗(yàn)片進(jìn)行溫度為950℃的高溫拉伸試驗(yàn)。
另外，進(jìn)行如下所述的T形的焊接裂紋的試驗(yàn)。如圖3所示，從側(cè)面看，在平鋼板1上以反T字形豎著同樣的平鋼板2，利用實(shí)施例1-12和比較例1-10的焊絲在兩平鋼板的連接處的一側(cè)進(jìn)行填角焊，形成焊道3以固定兩平鋼板。然后，在焊道3的相反一側(cè)進(jìn)行填角焊，形成焊道4，利用著色探傷(color-check)來(lái)觀察此時(shí)的焊道4有無(wú)焊接裂紋。
該結(jié)果表示在表3(實(shí)施例1-12)和表4(比較例1-10)中。
表3保護(hù)氣體的組成和焊接的試驗(yàn)結(jié)果
表4保護(hù)氣體的組成和焊接的試驗(yàn)結(jié)果
從表3和表4可知，在采用比較例1-10的焊絲時(shí)，焊接部的晶粒度為1號(hào)或2號(hào)，成為粗大的晶粒，950℃的高溫拉伸強(qiáng)度也在26MPa以下，較差。另外，在T形焊接裂紋的試驗(yàn)中，全部有裂紋。
相反，采用全滿足了式(1)和式(2)的條件的實(shí)施例1-12的焊絲，并且利用滿足了式(3)的條件組成的保護(hù)氣體所進(jìn)行的氣體保護(hù)焊接的焊接部的金屬組織的晶粒度在5號(hào)以上，微細(xì)化了。另外，高溫強(qiáng)度也在35MPa以上，和比較例相比，有顯著的優(yōu)異性。再者，即使進(jìn)行T形的焊接裂紋的試驗(yàn)，也完全未發(fā)現(xiàn)有焊接裂紋。
如上文說(shuō)明顯示的一樣，若采用本發(fā)明的焊絲和使用本發(fā)明的保護(hù)氣體來(lái)進(jìn)行氣體保護(hù)焊接時(shí)，就不會(huì)在焊接部上出現(xiàn)由于晶粒的粗大而產(chǎn)生的焊接部的裂紋，并且能夠形成高溫強(qiáng)度強(qiáng)的焊接部。
因此，在利用本發(fā)明的保護(hù)氣體來(lái)進(jìn)行氣體保護(hù)的焊接時(shí)，因本發(fā)明的焊絲的Al和Ti能形成細(xì)微的氮化物粒子而分散在焊接部上，具有作為晶核的功能，所以焊接部的晶粒變得微細(xì)。其結(jié)果是耐焊接裂紋性增強(qiáng)，焊接部的高溫強(qiáng)度也提高。
權(quán)利要求
1.一種焊絲，其特征在于，由下述成分構(gòu)成C0.025質(zhì)量％以下；Si1.3質(zhì)量％以下；Mn2.0質(zhì)量％以下；Cr10-25質(zhì)量％；N0.04-0.2質(zhì)量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，上述Al及Ti量(質(zhì)量％)滿足下式(1)關(guān)系，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>式中，x和y分別表示Al和Ti的含量(質(zhì)量％)；上述0的量(質(zhì)量％)滿足下式(2)關(guān)系，z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)式中，z表示焊絲中的全氧量(質(zhì)量％)，x和y與上式(1)中所定義的一樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊絲，其特征在于，還含有Nb1.0質(zhì)量％以下；Zr0.1質(zhì)量％以下；B0.1質(zhì)量％以下；Mo5.0質(zhì)量％以下以及W5.0質(zhì)量％以下中的至少一種。
3.一種焊接方法，其特征在于，包括如下三個(gè)工序準(zhǔn)備具有如下成分焊絲的工序；準(zhǔn)備滿足如下關(guān)系的保護(hù)氣體的工序；提供上述保護(hù)氣體給上述焊絲周圍、同時(shí)進(jìn)行氣體保護(hù)焊接的工序，焊絲的構(gòu)成成分為C0.025質(zhì)量％以下；Si1.3質(zhì)量％以下；Mn2.0質(zhì)量％以下；Cr10-25質(zhì)量％；N0.04-0.2質(zhì)量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)，上述Al及Ti的量(質(zhì)量％)滿足下式(1)關(guān)系，e-800(x-0.05)2×e-300(y-0.08)2≥0.5---(1)]]>式中，x和y分別表示Al和Ti的含量(質(zhì)量％)，上述0的量(質(zhì)量％)滿足下式(2)關(guān)系，z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)式中，z表示焊絲中的全氧量(質(zhì)量％)，x和y與上式(1)中所定義的一樣；保護(hù)氣體滿足如下關(guān)系該保護(hù)氣體為含有Ar和O2以及CO2中至少一種的保護(hù)氣體，在分別用p及q(p和q不能同時(shí)為零)來(lái)表示O2及CO2的體積％時(shí)，該保護(hù)氣體滿足p≤10，q≤50和下式(3)的關(guān)系，p+q≤(x+y-0.01-0.5z)/0.0006(3)式中，x和y如上式(1)所定義的一樣，z如上式(2)所定義的一樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述的焊絲還含有Nb1.0質(zhì)量％以下；Zr0.1質(zhì)量％以下；B0.1質(zhì)量％以下；Mo5.0質(zhì)量％以下以及W5.0質(zhì)量％以下中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述保護(hù)氣體還含有N230體積％以下及He50體積％以下中的任一種或同時(shí)含有兩者。
全文摘要
提供具有如下特征的焊絲C0.025質(zhì)量％以下；Si1.3質(zhì)量％以下；Mn2.0質(zhì)量％以下；Cr10－25質(zhì)量％；N0.04－0.2質(zhì)量％；Al及Ti；O；以及余量的Fe和不可避免的雜質(zhì)；上述Al(x)及Ti(y)的量(質(zhì)量％)滿足
文檔編號(hào)B23K9/16GK1490122SQ0317873
公開(kāi)日2004年4月21日 申請(qǐng)日期2003年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月20日
發(fā)明者乾圭吾, 南川裕隆, 野田俊治, 治, 隆 申請(qǐng)人:大同特殊鋼株式會(huì)社