專利名稱：焊絲及用此焊絲的焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能形成高溫強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：
在進行對焊、填角焊等焊接時，由于焊接金屬晶粒粗大，在焊接時會發(fā)生高溫裂紋。因此，人們一直致力于使焊接部的晶粒細化。
例如，日本特許公開公報平5-138394號公開了通過在焊絲中添加Ti以在焊接時生成細微的TiN粒子，而使其分散在焊接部上，將該TiN粒子作為晶核，形成焊接金屬的細微晶粒的方法。
另外，日本特許公開公報平9-225680號公開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?。
但是，利用上述之類的已有技術，不能滿足人們日益提高耐焊接裂紋性和高溫強度的要求。

發(fā)明內容
鑒于上述問題，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質量％以下；Si1.3質量％以下Mn2.0質量％以下；Cr10-25質量％；N0.04-0.2質量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的雜質，上述Al及Ti量(質量％)滿足下式(1)關系，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(質量％))，上述0量(質量％)滿足下式(2)關系，z＜(x+y-0.01)/0.5(2)(式中，z表示焊絲中的全氧量(質量％)，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的焊接方法采用含有Ar和O2及CO2中至少一種的保護氣體，在分別用p及q(p和q不能同時為零)來表示O2及CO2的體積％時，該保護氣體滿足p≤10，q≤50和式(3)的關系，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系曲線圖。
圖2為焊絲Ti含量和焊接部晶體粒度的關系曲線圖。
圖3是說明本發(fā)明中焊絲的T型焊接裂紋試驗的圖。
具體實施例方式
本發(fā)明者著眼于如下事實若將Ti和Al摻入不銹鋼焊絲中，在焊接時，這些成分則會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系，結果發(fā)現兩者間有后敘的關聯。
同時，還得知上述Al和Ti的功能受焊絲中的氧量和氣體保護焊接時所用的保護氣體中的氧及二氧化碳量的影響。
因此，基于這些發(fā)現，開發(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質量％以下；Si1.3質量％以下；Mn2.0質量％以下；Cr10-25質量％；N0.04-0.2質量％；首先只對設定這些成分的上述含量的理由進行說明。在本發(fā)明焊絲中，C為提高焊接部強度特性的成分。若過量添加時，在Al及Ti之間則會生成碳化物而妨礙Al氮化物和Ti氮化物的生成，所以將該含量設定在0.025質量％以下。
Si具有作為脫氧劑的功能，另外，還能促進耐焊接裂紋性的提高。但是，若過量添加，會導致焊接部晶粒的粗大化，所以設定該含量在1.3質量％以下。
Mn也具有作為脫氧劑的功能，但是若過量添加時，因會導致焊接部的耐腐蝕性，尤其是耐氧化性低劣，所以將該含量設定在2.0質量％以下。
Cr為能促進焊接部強度特性的提高、同時保證耐腐蝕性的成分，將該含量規(guī)定為10-25質量％。這是因為，若含量小于10質量％時，則不能發(fā)揮上述效果；相反，若超過25質量％時，上述的效果達到了飽和，導致無謂的高成本。
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質量％。這是因為，在含量少于0.04質量％的情況下，AlN和TiN的生成量變少，就較難實現焊接部的晶粒的細化；相反若含量多于0.2質量％的情況下，作為晶核的上述AlN和TiN凝集而數目減少，也降低了晶粒的細化的效果。
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系進行說明。
無論是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，對焊接部的金屬組織進行晶粒的微細化。
這里，將其他成分的含量定為幾乎一定的狀態(tài)，例如，C0.01質量％；Si1.00質量％；Mn0.50質量％；Cr.19.0質量％；N0.10質量％，并使Al含量x和Ti含量y(都用質量％)變化，制得焊絲。然后，使用該焊絲并利用由Ar98體積％；O22體積％組成的保護氣體在鋼板上進行氣體保護焊接。
對形成后的焊接部的晶粒度進行測定的結果表示在圖1和圖2中。圖1為Al含量和晶粒度的關系圖，圖2為Ti含量和晶粒度的關系圖。這里的晶粒度(號的單位)是根據JIS G0552來測定的。數字越大，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質量％，Ti含量y為0.08質量％的位置上。
在x小于0.05質量％以及y小于0.08質量％時，隨著x和y變小，AlN和TiN粒子的生成個數變少，焊接部晶粒粗大。另一方面，在x大于0.05質量％以及y大于0.08質量％時，隨著x和y的變大，AlN和TiN分別進行凝集，結果觀察到粒子的個數減少，焊接部晶粒粗大。
因此，根據這些發(fā)現，設定了exp{-800(x-0.05)2}及exp{-300(y-0.08)2}之類的參數(分別稱為參數(1a)及參數(1b))，將通過各x和y計算出的值分別表示在圖1和圖2的右邊。
從兩圖可知，當參數(1a)和參數(1b)為1時，晶粒度(號的單位)為最大的10號(粒徑最小)，隨著參數接近0時，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(均用質量％表示)設定為使上述2個參數的參數(1a)和參數(1b)的積在0.5以上的量。
這里，因為上述2個參數的最大值都為1，所以為了使參數(1a)和參數(1b)的積在0.5以上，必須其中的一個參數要在0.5以上。因此，x值可大致為0.02-0.08質量％，y值大致為0.05-0.11質量％。
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(質量％)設定為上述式(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)的關系。當這些關系都成立的時候，微小AlN和TiN的粒子會量多且均勻地在焊接部生成，該焊接部上的晶粒則會微細化。
本發(fā)明的焊絲還可以含有如下物質中的至少一種Nb1.0質量％以下；Zr0.1質量％以下；B0.1質量％以下；Mo5.0質量％以下以及W5.0質量％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，并能促進焊接部晶粒的微細化的成分，但若過量添加后，則會妨礙焊弧的穩(wěn)定性，焊道不完整，所以將Nb的含量限制在1.0質量％以下，而且Zr和B的含量都限制在0.1質量％以下。
另外，雖然Mo和W都為能提高固熔焊接部強度特性的成分，但是若過量添加后，會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質量％以下。
下面，就使用上述的焊絲來進行氣體保護焊接時的保護氣體進行說明。
本發(fā)明所用的保護氣體包含Ar和O2及CO2中的至少一種，分別用p及q來表示O2及CO2的體積％時，該保護氣體滿足p≤10，q≤50且式(3)的關系，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10體積％時，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50體積％的情況下，也會導致晶粒的粗大化。
若保護氣體中只含有Ar時，即p和q都為0時，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氣體而產生氧化物和碳化物的頻率，若p+q的值大于右邊的值時，氧化物和碳化物的生成量過多，將其凝集，引起晶粒的粗大，所以應該避免。
本發(fā)明的保護氣體還可以包含N2或He或將兩者混合起來的氣體。此時，若過量混合，焊弧就會不穩(wěn)定而不能形成完整的焊道，另外，還會產生晶粒粗大的問題，所以在所用保護氣體的整個體積中，將N2限制在30體積％以下，He為50體積％以下。
實施例在熔煉成對應于下述表1(實施例1-12)和表2(比較例1-10)所示化學成分組成的鋼后，經軋制及拉絲加工成直徑為1.2mm的焊絲，制得實施例1-12以及比較例1-10的焊接用不銹鋼焊絲。
表1焊絲的組成和參數值
表2焊絲的組成和參數值
對于這些焊絲，采用下述表3和表4所示組成的保護氣體來進行對焊焊接。然后，根據JIS G0552來測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片，使之全部是熔敷金屬，根據JISG0567對各試驗片進行溫度為950℃的高溫拉伸試驗。
另外，進行如下所述的T形的焊接裂紋的試驗。如圖3所示，從側面看，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進行填角焊，形成焊道3以固定兩平鋼板。然后，在焊道3的相反一側進行填角焊，形成焊道4，利用著色探傷(color-check)來觀察此時的焊道4有無焊接裂紋。
該結果表示在表3(實施例1-12)和表4(比較例1-10)中。
表3保護氣體的組成和焊接的試驗結果
表4保護氣體的組成和焊接的試驗結果
從表3和表4可知，在采用比較例1-10的焊絲時，焊接部的晶粒度為1號或2號，成為粗大的晶粒，950℃的高溫拉伸強度也在26MPa以下，較差。另外，在T形焊接裂紋的試驗中，全部有裂紋。
相反，采用全滿足了式(1)和式(2)的條件的實施例1-12的焊絲，并且利用滿足了式(3)的條件組成的保護氣體所進行的氣體保護焊接的焊接部的金屬組織的晶粒度在5號以上，微細化了。另外，高溫強度也在35MPa以上，和比較例相比，有顯著的優(yōu)異性。再者，即使進行T形的焊接裂紋的試驗，也完全未發(fā)現有焊接裂紋。
如上文說明顯示的一樣，若采用本發(fā)明的焊絲和使用本發(fā)明的保護氣體來進行氣體保護焊接時，就不會在焊接部上出現由于晶粒的粗大而產生的焊接部的裂紋，并且能夠形成高溫強度強的焊接部。
因此，在利用本發(fā)明的保護氣體來進行氣體保護的焊接時，因本發(fā)明的焊絲的Al和Ti能形成細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。其結果是耐焊接裂紋性增強，焊接部的高溫強度也提高。
權利要求
1.一種焊絲，其特征在于，由下述成分構成C0.025質量％以下；Si1.3質量％以下；Mn2.0質量％以下；Cr10-25質量％；N0.04-0.2質量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的雜質，上述Al及Ti量(質量％)滿足下式(1)關系，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(質量％)；上述0的量(質量％)滿足下式(2)關系，z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)式中，z表示焊絲中的全氧量(質量％)，x和y與上式(1)中所定義的一樣。
2.根據權利要求1所述的焊絲，其特征在于，還含有Nb1.0質量％以下；Zr0.1質量％以下；B0.1質量％以下；Mo5.0質量％以下以及W5.0質量％以下中的至少一種。
3.一種焊接方法，其特征在于，包括如下三個工序準備具有如下成分焊絲的工序；準備滿足如下關系的保護氣體的工序；提供上述保護氣體給上述焊絲周圍、同時進行氣體保護焊接的工序，焊絲的構成成分為C0.025質量％以下；Si1.3質量％以下；Mn2.0質量％以下；Cr10-25質量％；N0.04-0.2質量％；Al及Ti；0；以及余量的Fe和不可避免的雜質，上述Al及Ti的量(質量％)滿足下式(1)關系，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(質量％)，上述0的量(質量％)滿足下式(2)關系，z＜(x+y-0.01)/0.5 (2)式中，z表示焊絲中的全氧量(質量％)，x和y與上式(1)中所定義的一樣；保護氣體滿足如下關系該保護氣體為含有Ar和O2以及CO2中至少一種的保護氣體，在分別用p及q(p和q不能同時為零)來表示O2及CO2的體積％時，該保護氣體滿足p≤10，q≤50和下式(3)的關系，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.根據權利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述的焊絲還含有Nb1.0質量％以下；Zr0.1質量％以下；B0.1質量％以下；Mo5.0質量％以下以及W5.0質量％以下中的至少一種。
5.根據權利要求3所述的焊接方法，其特征在于，所述保護氣體還含有N230體積％以下及He50體積％以下中的任一種或同時含有兩者。
全文摘要
提供具有如下特征的焊絲C0.025質量％以下；Si1.3質量％以下；Mn2.0質量％以下；Cr10－25質量％；N0.04－0.2質量％；Al及Ti；O；以及余量的Fe和不可避免的雜質；上述Al(x)及Ti(y)的量(質量％)滿足
文檔編號B23K9/16GK1490122SQ0317873
公開日2004年4月21日 申請日期2003年7月17日 優(yōu)先權日2002年9月20日
發(fā)明者乾圭吾, 南川裕隆, 野田俊治, 治, 隆 申請人:大同特殊鋼株式會社