单面埋弧焊用焊剂的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种能够得到健全的表层焊道形状和机械的性能的单面埋弧焊用焊剂。使焊剂成为如下组成：含有Si、Si合金以及Si氧化物(SiO2换算值)：合计6～12质量％、CaO：3～9质量％、MgO：15～35质量％、TiO2：10～23质量％、CaF2：2～9质量％、Al2O3：5～20质量％、CO2：2～9质量％、Na2O：1～3质量％、B2O3：0.1～1质量％、Mo：0.2～1质量％、铁粉：10～30质量％，并且限制为Mn：0.9质量％以下、Ti：1质量％以下、Al：3质量％以下，并且满足下述算式(I)和算式(II)。16≤[TiO2+Al2O3]≤35 …(I)[TiO2+Al2O3]≥－7.5×([MgO]/[T.SiO2])+43.5 …(II)
【专利说明】单面埋弧焊用焊剂
【技术领域】
[0001] 本发明涉及使用1或2个以上的电极进行的单面埋弧焊所用的焊剂。更详细地说， 是涉及含有铁粉的单面埋弧焊用焊剂的焊道外观改善技术。
【背景技术】
[0002] 在单面埋弧焊中，通常，为了确保熔敷量，在大线能焊接仍实现稳定的焊道形成， 而使用添加有铁粉的焊剂（例如，参照专利文献1、2。）。但是，在专利文献1所述这样的含 有铁粉的现有的单面埋弧焊用焊剂中，存在表层焊道的表面容易发生微小的铁粒突起物这 样的问题。另外，即使作为专利文献2所述的焊剂组成时，也不能充分抑制铁粒突起物。
[0003] 这样的表层焊道表面的突起物，在涂装工序中成为障碍。例如在造船领域， 以船体的长寿命化和易维修化为目的，由国际海事组织（International Maritime Organization)，修订了以全部船舶的压载箱和散货船的双重船侧部为对象的涂装标准，例 如，确定了焊接时发生的飞溅和焊道表面污点这样虽然阻碍涂装性，但会实施除去的要件。 因此，在船舶的建造工序中，为了除去铁粒突起物，不得不跨越焊道全线而进行磨光处理。
[0004] 因此，迄今为止，在单面埋弧焊用焊剂中，提出有用于抑制铁粒突起物的发生的技 术（参照专利文献3、4。）。例如，专利文献3所述的单面埋弧焊用焊剂，通过使粒径和表观 密度处于特定的范围，以实现焊道的健全化。另外，在专利文献4所述的埋弧焊用粘结焊剂 中，为了抑制铁粒突起的发生，将Fe成分的含量限制在5质量％以下。
[0005] 【专利文献】
[0006] 【专利文献1】日本特开平11 一 267883号公报
[0007] 【专利文献2】日本特开2000 - 107885号公报 [0008]【专利文献3】日本特开平6 - 277878号公报 [0009]【专利文献4】日本特开2006 - 272348号公报
[0010] 但是，如专利文献3所述的技术，只通过限制焊剂的粒径和表观密度，对于铁粒突 起的发生抑制效果小。另外，如专利文献4所述的埋弧焊用粘结焊剂，若限制Fe含量，则在 厚板的拼板焊接中难以确保充分的熔敷量，此外在大线能焊接中，焊道形状劣化。如此，在 现有的焊道外观改善技术下，在单面埋弧焊中，尚未达到一边维持铁粉向焊剂中的添加效 果，一边抑制铁粒突起的发生，使焊道外观健全化的水平。
【发明内容】
[0011] 因此，本发明其主要目的在于，提供一种能够得到健全的表层焊道形状和机械的 性能的单面埋弧焊用焊剂。
[0012] 本
【发明者】们，为了解决前述的课题，在使用了 1或2个以上的电极的单面埋弧焊 中，为了确保表层焊道的健全性而进行了锐意实验研究，其结果发现，在抑制铁粒突起的发 生中，有效的是使焊剂中的Si、Si合金和Si氧化物的总含量、MgO含量、Al 2O3含量和TiO2 含量处于特定的范围，从而完成了本发明。
[0013] 即，本发明的单面埋弧焊用焊剂，具有如下组成：含有从Si、Si合金和Si氧化物所 构成的群中选择的至少一种（SiO 2换算值）：合计6?12质量％、CaO :3?9质量％、MgO : 15 ?35 质量％、Ti02 :10 ?23 质量％、CaF2 :2 ?9 质量％、A1203 :5 ?20 质量％、C02 :2 ? 9质量％、似20:1?3质量％、8203:0.1?1质量％、]?〇 :0.2?1质量％、铁粉：10?30质 量*%，并且Mn :限制在0. 9质量以下、Ti :限制在1质量以下、Al :限制在3质量以下， 设TiO2和Al2O3的总含量（质量％ )为[Ti02+Al203]，设Si、Si合金和Si氧化物的总含量 的SiO 2换算值（质量％ )为[T. SiO2]，设MgO的含量（质量％ )为[MgO]时，满足下述算 式1和算式2。
[0014] 【算式1】
[0015] 16 彡[Ti02+Al203]彡 35
[0016] 【算式2】
[0017] [Ti02+Al203] 7. 5 X ([MgO]/[T. SiO2] )+43. 5
[0018] 在本发明的单面埋弧焊用焊剂中，通过使TiO2和Al2O 3的总含量处于特定的范围， 并且特定其总含量与MgO含量和SiO2含量的关系，从而在焊缝凝固的温度域，使熔渣内积 极地生成Mg · Al · Ti系氧化物。若Mg · Al · Ti系氧化物在熔渣内被生成，则熔渣内的铁 粒在沉积在凝固的焊道表面之前便与该氧化物结合，因此在焊道表面的微小突起物的生成 受到抑制。
[0019] 该单面埋弧焊用焊剂，也能够成为TiO2和Al2O 3的总含量（[Ti02+Al203])，和Si、 Si合金和Si氧化物的总含量（[T. SiO2]),和MgO含量（[MgO])的关系，满足下述算式3的 组成。
[0020] 【算式3】
[0021] [Ti02+Al203] 7. 5 X ([MgO]/[T. SiO2] )+46. 5
[0022] 另外，MgO含量也能够为20?35质量％。
[0023] 此外，TiO2含量也能够为12?23质量％。
[0024] 另一方面，也可以在0. 1?1质量％的范围含有Ti。
[0025] 另外，也可以在0· 1?0.9质量％的范围含有Μη。
[0026] 此外，也可以在0.7?3质量％的范围含有Α1。
[0027] 根据本发明，因为特定了焊剂成分及其含量，所以在使用了单电极或多电极的单 面埋弧焊中，不论衬垫构造，都能够得到健全的焊道形状和机械的性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是单面埋弧焊过程中的铁粒发生举动的推测图。
[0029] 图2是表示本发明的实施例中使用的钢板的坡口形状的剖面图。
[0030] 符号说明
[0031] 1, 10 母材
[0032] 2 焊接金属
[0033] 2a焊道表面
[0034] 3 未熔融的焊剂
[0035] 4 熔融·凝固中的焊剂（熔渣）
[0036] 5 铁粉
[0037] 6 铁粉的凝集
[0038] 7 凝集铁粉（铁粒）
【具体实施方式】
[0039] 以下，就用于实施本发明的方式详细地进行说明。还有，本发明不受以下说明的实 施方式限定。
[0040] 图1是单面埋弧焊过程中的铁粒发生举动的推测图。如图1所示，在单面埋弧焊 中，使用现有的含有铁粉5的焊剂3时，推测在熔融/凝固中的焊剂（熔渣）4内，铁粉5凝 集（铁粉的凝集6)，该凝集铁粉（铁粒）7沉降，附着在母材1的焊接部所形成的焊接金属2 的表面（焊道表面2a)，微小的突起物发生。因此，本
【发明者】们，想要通过改善焊剂的特性， 解决铁粒突起发生的问题。
[0041] 具体来说，本发明的实施方式的焊剂，被用于单面埋弧焊，至少具有如下组成：以 特定量含有从Si、Si合金和Si氧化物所构成的群中选择的至少一种、Ca0、Mg0、Ti0 2、CaF2、 A1203、C02、Na20、B20 3、Mo和铁粉，并且将Si、Μη、Ti和Al限制在特定量以下。
[0042] 而且，在该焊剂中，使TiO2和Al2O3的总含量为16?35质量％，并使TiO 2和Al2O3 的总含量与MgO含量，与Si、Si合金和Si氧化物的总含量的关系，以满足下述算式4的方 式进行调整。还有，在下述算式4中，[Ti0 2+Al203]是1102和八120 3的总含量（质量％)， [MgO]是MgO含量（质量％ )，[T. SiO2]是Si、Si合金和Si氧化物的总含量的SiO2换算值 (质量％ )。
[0043]【算式4】
[0044] [Ti02+Al203] 7. 5 X ([MgO]/[T. SiO2] )+43. 5
[0045] 以下，对于本实施方式的焊剂的组成限定理由进行说明。
[0046] [Si, Si合金和Si氧化物的总含量：6?12质量％ ]
[0047] Si和Fe - Si等的Si合金,具有脱氧作用，与焊接金属中的氧发生反应而生成 SiO2，该SiO2作为粘结剂和熔渣造渣剂发挥作用。另外，Si氧化物也一样，作为熔渣造渣剂 发挥作用。
[0048] 但是，若Si、Si合金和Si氧化物的总含量以SiO2换算超过12质量％，则熔融渣 整体的粘性增加，熔渣的流动性降低。于是，在高速单面埋弧焊时，表层焊道宽度无法展开， 并且变得不稳定，因此容易发生咬边。此外，铁粒容易发生。另一方面，Si、Si合金和Si氧 化物的总含量以SiO 2换算低于6质量％时，熔融渣的凝固温度变得过高，因此得不到良好 的表层焊道形状。
[0049] 因此，Si、Si合金和Si氧化物的总含量以SiO2换算为6?12质量％。还有，在 本实施方式的焊剂中，含有Si、Si合金和Si氧化物之中的至少一种即可。
[0050] [Ca0:3 ?9 质量％]
[0051] CaO使熔融渣的粘度降低，提高熔渣的流动性，具有扩展表层焊道宽度的效果。但 是，若CaO含量超过9质量％，则熔融渣的凝固温度变得过高，表层焊道形状受损。另一方 面，CaO含量低于3质量％时，得不到熔融渣的流动性提高效果，表层焊道宽度不足，因此容 易发生咬边。因此，CaO含量为3?9质量％。
[0052] [MgO :15 ?35 质量 ％ ]
[0053] MgO与前述的CaO -样，使熔融渣的粘度降低，提高熔渣的流动性，具有扩展表层 焊道宽度的效果。但是，MgO的含量低于15质量％时，得不到熔融渣的流动性提高效果，表 层焊道宽度不足，容易发生咬边。
[0054] 另一方面，由于MgO是高熔点的成分，所以若添加超过35质量％，则焊剂整体的熔 融性受损，不能确保稳定的焊道，容易成为中凸焊道。在此，所谓"中凸焊道"，是相对于焊接 方向，表层焊道中央部呈凸状的焊道，是涂装不良的要因之一。因此，MgO含量为15?35质 量％。还有，优选MgO含量为20质量％以上，由此，能够提高熔融渣的流动性，使表层焊道 形状更健全化。
[0055] [TiO2 :10 ?23 质量％ ]
[0056] TiO2在单面焊接的熔渣剥离性的改善上是特别有效的成分。但是，若其含量超过 23质量％，则表层焊道的焊波变粗。另外，TiO 2含量低于10质量％时，得不到前述的熔渣 剥离性的改善效果，此外铁粒容易发生。因此，TiO2含量为10?23质量％。还有，从表层 焊道形状的健全化的观点出发，优选TiO 2含量为12质量％以上。
[0057] [Al2O3 :5 ?20 质量％ ]
[0058] Al2O3是中性成分，是对于调整熔渣的粘性和凝固温度有效的成分。但是，Al2O 3含 量低于5质量％时，熔渣的粘性和凝固温度降低，焊道宽度不整齐。另一方面，若添加 Al2O3 超过20质量％，则熔渣的凝固温度变得过高，焊道难以扩展，焊道形状成为凸型。因此， Al2O3含量为5?20质量％。
[0059] [Ti02+Al203 :16 ?35 质量％ ]
[0060] 如前述，TiO2和Al2O3是对铁粒发生和焊道形状产生影响的成分，其总含量低于16 质量％时，铁粒发生。另一方面，若TiO2和Al2O3的总含量超过35质量％，则焊道容易变成 中凸形状。因此，TiO2和Al2O3的总含量为16?35质量％。
[0061] [CaF2 :2 ?9 质量％ ]
[0062] CaF2是使焊剂整体的熔融性良好的成分，特别是在像单面埋弧焊这样，必须在短 时间内熔化焊剂，生成熔渣的焊接方法中，更是不可欠缺的成分。但是，若CaF 2含量超过9 质量％，则电弧稳定性劣化，容易发生断弧。另一方面，CaF2含量低于2质量％时，得不到焊 剂的熔融性改善效果，焊道蛇行发生。因此，CaF 2含量为2?9质量％。
[0063] [CO2 :2 ?9 质量％ ]
[0064] CO2在抑制氮向焊接金属的侵入和减少扩散性氢量上是有效的成分，作为金属碳 酸盐添加到焊剂中。但是，CO 2含量低于2质量％时，焊接金属中的扩散性氢量变高，耐低温 裂纹性劣化。另一方面，若CO2含量超过9质量％，则气体发生量过大，在表层焊道发生麻 点。因此，CO 2含量为2?9质量％。
[0065] [Na2O :1 ?3 质量 ％ ]
[0066] Na2O是用于确保电弧稳定性所需要的成分。具体来说，Na2O含量低于1质量％时， 电弧极不稳定，断弧发生，焊道形状和熔深不均匀。另一方面，若Na 2O含量超过3质量％， 则耐吸湿性降低，耐低温裂纹性劣化。因此，Na2O含量为1?3质量％。
[0067] [B2O3 :0· 1 ?1 质量％ ]
[0068] B2O3在焊接中被还原，在焊接金属中作为B存在，对于韧性的确保有效地发挥作 用。但是，B2O3含量低于0.1质量％时，这一效果无法充分地发挥，韧性劣化。另一方面，若 B2O3含量超过1质量％，则强度过大，高温裂纹发生。因此，B2O 3含量为0. 1?1质量％。
[0069] [Mo :0· 2 ?1 质量 ％ ]
[0070] Mo是对淬火性提高有效的成分，除Mo单体以外，还以Fe - Mo等的合金的形态添 加到焊剂中。但是，Mo含量低于0.2质量％时，焊接金属的组织粗大化，韧性劣化。另一方 面，若添加 Mo超过1质量％，则焊接金属的强度过大，高温裂纹发生。因此，Mo含量为0. 2? 1质量％。
[0071] [铁粉：10?30质量％ ]
[0072] 铁粉一度在需要大量的熔敷金属的单面埋弧焊中是必须的添加成分。而且，铁粉 含量低于10质量％时，得不到弥补熔敷金属量的效果，并且焊剂的表观密度变小，因此抗 吹动性劣化。另一方面，若超过30质量％使铁粉含有，则在熔融/凝固中的焊剂内，铁粉容 易凝集，凝集铁粉沉降的量变多，铁粒容易附着在焊道表面。而且，焊剂的表观密度变高，不 能确保焊道宽度。因此，铁粉的含量为10?30质量％。
[0073] [Ti :1 质量％ 以下]
[0074] Ti与前述的Si同样，是对于减少焊接金属中的氧量有效的成分，但该效果可以通 过Si的添加等而充分达成，因此在本实施方式的焊剂中，Ti不是必须的成分。另外，若Ti 含量超过1质量％，则熔渣发热粘着在焊道表面，熔渣剥离性劣化。因此，Ti含量限制在1 质量％以下。
[0075] 另一方面，Ti含有0. 1质量％以上，则焊接金属的脱氧效果进一步实现，能够实现 韧性的提高。因此，在本实施方式的焊剂中，根据需要，能够在0. 1?1质量％的范围内含 有Ti。还有，Ti除了 Ti单体以外，还以Fe - Ti等的合金的形态添加到焊剂中。
[0076] [Mn :0· 9 质量％ 以下]
[0077] Mn与前述的Mo同样，具有使淬火性提高的效果，在强度和韧性的提高上是有效的 成分，但若Mn含量超过0. 9质量％，则熔渣发热粘着在焊道表面，熔渣剥离性劣化。另外， 在本实施方式的焊剂中，因为通过添加 Mo,由此能够取得淬火性的效果，所以Mn含量限制 在0. 9质量％以下。
[0078] 另一方面，若含有Mn达0. 1质量％以上，则可实现淬火性的进一步提高，韧性改 善。因此，在本实施方式的焊剂中，根据需要，能够在0. 1?0.9质量％的范围内含有Μη。 还有，Mn除了 Mn单体以夕卜，还以Fe - Mn等的合金的形态添加到焊剂中。
[0079] [Al :3 质量％ 以下]
[0080] Al使焊接金属的组织微细，是对韧性的提高有效的成分。但是，这一效果可以通 过添加其他成分而充分达成，因此在本实施方式的焊剂中，Al不是必须的成分。另外，若Al 含量超过3质量％，则淬火过度，强度上升，低温裂纹发生。因此，Al含量限制在3质量％ 以下。
[0081] [TiOjPAl2O3的总含量，与MgO含量，与Si、Si合金和Si氧化物的总含量的关系]
[0082] 以满足上述算式4的方式，调整Ti02、A120 3、MgO、Si、Si合金和Si氧化物的添 加量，可以在焊缝凝固的温度附近，使熔渣内积极地形成Mg · Al · Ti系氧化物。还有，该 Mg · Al · Ti系氧化物不限定为单相，也可以复相生成。
[0083] 另外，若Mg · Al · Ti系氧化物在焊缝凝固附近的温度在熔渣内生成，则能够使熔 渣内的铁粒在降落到焊道表面之前停留在熔渣内。其结果是，能够抑制焊道表面的微小突 起物的发生。但是，TiO2和Al2O3的总含量，与MgO含量，与Si、Si合金和Si氧化物的总含 量的关系，不满足上述算式4时，焊接时熔渣内无法生成Mg · Al · Ti系氧化物，因此在焊缝 凝固附近的温度下熔渣内的铁粒凝固，降落到焊道表面而发生微小突起物。
[0084] 还有，TiO2和Al2O3的总含量，与MgO含量，与Si、Si合金和Si氧化物的总含量的 关系，优选满足下述算式5,由此，能够进一步提高铁粒突起的发生抑制效果。
[0085] 【算式5】
[0086] [Ti02+Al203] 7. 5 X ([MgO]/[T. SiO2] )+46. 5
[0087] [其他的成分]
[0088] 本实施方式的焊剂的上述以外的成分，是FeO、ZrO2和K2O等。
[0089] [制造方法]
[0090] 制造本实施方式的焊剂时，例如，调合原料粉，使之成为前述的组成，与粘合剂一 起混匀后，进行造粒，烧成。这时，作为粘合剂（binder)，例如，能够使用聚乙烯醇等的水溶 液和水玻璃。另外，造粒法没有特别限定，但优选使用滚动式造粒机和挤出式造粒机等的方 法。
[0091] 此外，造粒的焊剂，优选进行去粉尘和粗大粒的破碎等的整粒处理，使粒径成为 2. 5_以下。另一方面，造粒后的烧成，能够用回转窑、固定式箱式炉和带式烧成炉等进行。 这时的烧成温度优选为400?650°C。
[0092] 如以上详述，本实施方式的焊剂，从微小突起物的发生机理出发而进行创意筹划， 以新的视点特定焊剂成分和含量，因此在使用了单电极或多电极的单面埋弧焊，不论衬垫 构造，都能够获得健全的焊道形状和机械的性能。
[0093] 具体来说，使Si、Si合金和Si氧化物的总含量成为比以往少的6?12质量％，并 且使Al 2O3和TiO2的总含量为16?35质量％，此外，特定TiO2和Al 2O3的总含量与MgO含 量以及Si、Si合金和Si氧化物的总含量的关系，因此能够抑制熔融/凝固中的焊剂内的铁 粉的凝集和生成的铁粒向表层焊道的附着。由此，在单面埋弧焊中，可以形成机械的性质优 异，没有铁粒突起的健全的表层焊道。
[0094] 还有，本实施方式的焊剂，主要在单面埋弧焊方法中使用，关于其衬垫方法，没有 特别限定，以焊剂和铜为衬垫材料的焊剂铜衬垫法，只以焊剂为衬垫材料的焊剂衬垫法，使 用了固形焊剂的衬垫法等任意一种方法都能够适用。另外，关于衬垫焊剂，也没有特别限 定，可以直接应用现有的焊剂。
[0095]【实施例】
[0096] 以下，列举本发明的实施例和比较例，对于本发明的效果具体地加以说明。在本实 施例中，使用下述表1所示的钢板和表2所示的焊丝，根据下述表3所示的焊接条件和图2 所示的钢板（母材10)的坡口形状，实施单面埋弧焊，对于下述表4所示的实施例的焊剂和 下述表5所示的比较例的焊剂，评价其性能。还有，在本实施例中，调合原料使之成为下述 表4和表5所示的组成，与粘合剂（水玻璃）一起混匀后，进行造粒，再使用回转窑以400? 650°C烧成，进行整粒，得到粒径为2. 5mm以下的焊剂。
[0097]【表1】
[0098]
【权利要求】
1. 一种单面埋弧焊用焊剂，其中，含有从Si、Si合金及Si氧化物所构成的群中选择的 至少一种：以3102换算值计合计为6?12质量％、CaO :3?9质量％、MgO :15?35质量％、 Ti02 :10 ?23 质量％、CaF2 :2 ?9 质量％、A1203 :5 ?20 质量％、C02 :2 ?9 质量％、Na20 : 1?3质量％、B203 :0? 1?1质量％、Mo :0? 2?1质量％、铁粉：10?30质量％，并且，Mn : 限制在0. 9质量以下、Ti :限制在1质量以下、A1 :限制在3质量以下， 并且，在设Ti02和A1203的质量百分比总含量为[Ti02+Al 203]，Si、Si合金和Si氧化物 的质量百分比总含量的3102换算值为[T. Si02]，Mg0的质量百分比含量为[MgO]时，满足下 式⑴和（II)， 16 彡[Ti02+Al203]彡 35 ... (I) [Ti02+Al203] 7. 5X ([MgO]/[T. Si02])+43. 5 ... (II)。
2. 根据权利要求1所述的单面埋弧焊用焊剂，其特征在于，Ti02和A1A的总含量 [Ti02+Al203]，与Si、Si合金和Si氧化物的总含量[T. Si02]，与MgO含量[MgO]的关系，满 足下式（III)， [Ti02+Al203] 7. 5X ([Mg0]/[T. Si02])+46. 5 ... (Ill)。
3. 根据权利要求1或2所述的单面埋弧焊用焊剂，其特征在于，还满足以下（1)?（4) 中的至少1个： (1) MgO含量为20?35质量％ ; (2) Ti02含量为12?23质量％ ; ⑶含有Ti :0? 1?1质量％ ; (4)含有Mn为0? 1?0? 9质量％。
【文档编号】B23K35/362GK104339101SQ201410384327
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2013年8月7日
【发明者】村西良昌, 太田诚, 幸村正晴, 石田齐, 堀口元宏, 岛本正树 申请人:株式会社神户制钢所