多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍以及使用其的焊接方法
【專利摘要】本發明提供一種在多電極埋弧焊接中，即便在第一電極使用細徑焊絲的情況下等，特別是在以焊絲進給速度較快的焊接條件進行焊接的情況下、在對粉芯焊絲進行矯直后纏卷痕跡仍較大的情況下也能夠穩定地進行焊接的技術。本發明還提供特征在于在焊槍中具有使配置于供電焊嘴與供電電纜的連接部的中間的管狀的導電體與電極焊絲絕緣的機構的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍以及使用其的多電極埋弧焊接方法。
【專利說明】多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍以及使用其的焊接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及適用于大徑鋼管(large-diameter steel pipe)的縫焊(seamwelding)等用途的厚鋼板的多電極埋弧焊接(multiple-electrode submerged arcwelding)用的第一電極用焊槍(torch)以及使用它的多電極埋弧焊接方法。
【背景技術】
[0002]埋弧焊接具有如下特征:焊接部的品質優良；焊道外觀漂亮；而且最具特征的是，由于熔池(molten pool)被熔洛(slag)保護,所以能夠實現大熱量輸入(large heatinput)下的焊接。因此，對于焊接線為直線且較長的厚鋼板的焊接，一般應用兩個電極以上的多電極埋弧焊接，從而進行聞品質且聞效率的焊接施工。
[0003]為了提高厚鋼板的焊接效率,需要增大焊透深度(penetrat1n depth)與熔敷速度(exposit1n rate)，其中，焊透深度是以從鋼板表面到焊接金屬下端為止的距離來定義的。對于埋弧焊接而言，由于其與氣體保護電弧焊接相比能夠應用大電流(large weldingcurrent)，所以能夠得到較深的焊透，從而適于提高厚鋼板的焊接效率。然而，存在如下問題:較之能夠實現大電流的大熱量輸入焊接這一優點，過于重視焊接效率(weldingefficiency)與缺陷抑制(夾洛(slag inclus1n)防止等)，從而導致焊接輸入熱量過度，進而使焊接部、特別是熱影響區(Heat Affected Zone:HAZ)的韌性(toughness)變差。
[0004]在抑制焊接輸入熱量的情況下,熔敷量(amount of deposit metal)必然會減少，所以需要與熔敷量的減少量相匹配地減少坡口截面積(cross-sect1n area of groove)。因此，若不進行進一步的深焊透(deep penetrat1n)焊接，貝U會產生未焊透(lack ofpenetrat1n)的情況。因此，為了解決上述問題，需要處理兼顧焊接輸入熱量的減少與焊透深度的增大這一較難的課題。
[0005]針對該課題，例如在專利文獻I中，提出了一種低熱量輸入(low heat input)多電極埋弧焊接方法，其構成為:使比最后方電極先行的至少一根先行電極(leadingelectrode)焊絲直徑與最后方電極相比為細徑(thinner wire),并且對先行電極的至少一極使用直流電源(direct-current power source)。由此，焊絲的電流密度(currentdensity)變高且焦耳熱增大，從而熔敷量增加，從而能夠在確保以往那樣的焊透深度的同時有效地減少焊接輸入熱量。然而，即便如此，熔敷量增加所帶來的焊接輸入熱量的減少效果并不充分，另外，若焊接材料的強度等級升高，則在細徑焊絲的制造工序即拉絲(wiredrawing)、中間退火(annealing)中，存在成本增加這一問題。
[0006]與此相對，在專利文獻2中，公開了如下埋弧焊接方法:作為先行的第一電極，使用焊絲直徑為3.2mm以下的粉芯焊絲(flux cored wire)。對于粉芯焊絲而言，由于焊絲中包含粉體的填充材料(filling powder),所以與相同的焊絲直徑的實芯焊絲(solid wire)相比，截面積上的金屬部分較少。因此，實際的電流密度變高，從而能夠提高焊絲熔融速度(wire melting rate)并增加單位焊接輸入熱量的熔敷量,因此,能夠以低熱量輸入焊接實現較高的熔敷速度。
[0007]在這一點上，對于實芯焊絲，即便是相同的直徑，但由于金屬部分的截面積較大而無法避免電流密度的降低，所以無法得到充分的效果。此外，在上述技術中，為了得到高熔敷速度，優選包含于粉體的金屬成分為粉體重量的SOmass%以上。特別是在高強度等級下，細徑的粉芯焊絲與相同的細徑的實芯焊絲相比具有能夠以低成本進行制造這一優點。
[0008]這樣，對于細徑的粉芯焊絲而言，由于能夠提高焊絲熔融速度從而增加單位焊接輸入熱量的熔敷量，因此能夠以低熱量輸入焊接實現較高的熔敷速度。特別是在高強度等級下有低成本制造的優點。但是，與實芯焊絲相比，存在矯直(wire straightening)后的彎曲痕跡(winding)較大這一問題。
[0009]通常，埋弧焊接焊槍是由配置于供電焊嘴(contact tip)5與供電電纜I的連接部2的中間的管狀的導電體(延伸式噴嘴！extens1n nozzle) 3構成的。在軸芯部設置有焊絲插通孔，通過使焊絲4插通于該插通孔并使焊絲4與供電焊嘴5接觸來向焊絲供給電力。但是，若彎曲痕跡較大，則如圖1所示，焊絲與比供電焊嘴更靠近前的導電體(conductor)的插通孔內部接觸。其結果是，供電點(feeding point)不恒定，到焊絲的前端為止的長度亦即焊絲突出長度(wire extens1n)不恒定。特別是在焊絲進給速度(wire feeding speed)較快的焊接條件的情況下，存在焊接中焊絲供給速度進一步增大、電弧電壓(arc voltage)不穩定這一問題。
[0010]為了避免這樣的狀況，需要強化焊絲矯直來確保焊絲的直線性，從而使焊絲不與插通孔內部存在物理性的接觸，或使插通孔內部與焊絲電氣絕緣。
[0011]然而，若依靠強化焊絲矯直的方法，則焊絲進給馬達負荷變大。特別是在如粉芯焊絲那樣焊絲強度較低的情況下，會產生焊絲自身變形的擔憂。另外，從包裝桶(pail pack)抽出后的纏卷痕跡為螺旋狀且是三維的，特別是在粉芯焊絲的情況下，不易對其進行直線性矯直。
[0012]在專利文獻3以及4中，公開了一種與焊槍相關的技術，該焊槍的特征在于在插通孔內部配置有絕緣管(insulat1n pipe)。但是,上述技術的目的在于,通過使比供電點(feeding point)更靠前的插通孔內部絕緣來增加焊絲突出長度,從而增大焦耳熱(jouleheat)，進而提高熔敷速度。因此，在焊接電流較大的埋弧焊接中，無法抑制不穩定的焊絲供給速度增大、電弧電壓上升。另外，與此相伴，會產生夾洛(slag inclus1n)等焊接缺陷(weld flaw),或存在焊絲的熔融量不恒定、焊透形狀(penetrat1n shape)不均勻的情況。
[0013]另外，在專利文獻5以及6中，公開了如下技術:為了消除延伸式噴嘴內的短路(short circuit)并實現穩定的高速焊接,使供電點位于距供電焊嘴前端50mm?100mm的上方，并經由絕緣體使該供電點(feeding point)與延伸式噴嘴連接。但是,需要特殊的絕緣夾具與絕緣體，并且在多個電極的電極角度的設定、供電焊嘴的更換時存在作業性差這一問題。另外，由于使供電點位于距供電焊嘴前端50mm?10mm的上方而與焊接部接近，所以存在因輻射熱(radiant heat)較大而導致供電電纜的耐老化性成為問題的情況。
[0014]專利文獻1:日本特開昭52-82652號公報
[0015]專利文獻2:日本特開2007-260692號公報
[0016]專利文獻3:日本特開昭63-80978號公報
[0017]專利文獻4:日本專利3529043號公報
[0018]專利文獻5:日本特開平8-155649號公報
[0019]專利文獻6:日本特開平8-257754號公報
【發明內容】
[0020]因此，本發明提供在多電極埋弧焊接中，即便在第一電極使用細徑焊絲的情況下等，特別是在以焊絲進給速度較快的焊接條件進行焊接的情況下、在對粉芯焊絲進行矯直后纏卷痕跡仍較大的情況下，也能夠進行穩定的焊接的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍以及使用其的多電極埋弧焊接方法。
[0021]
【發明者】們為了解決上述課題而進行了深入研究，其結果發現:使配置于供電焊嘴與供電電纜的連接部的中間的管狀的導電體與焊絲絕緣，或/且使供電點距供電焊嘴前端10mm?200mm對電弧穩定化是有效的，從而
【發明者】們完成了本發明。S卩，本發明的主旨構成如下所述。
[0022][I] 一種多電極埋弧焊接用的第一電極(leading electrode)用焊槍,其特征在于，在焊槍中具有使配置于供電焊嘴與供電電纜的連接部的中間的管狀的導電體與電極焊絲絕緣的機構。
[0023][2]根據上述[I]所記載的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，其特征在于，與上述電極焊絲絕緣的機構是配置于上述管狀的導電體的內壁的具有耐磨損性(wear andabras1n proof)的絕緣管。
[0024][3]根據上述[I]所記載的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，其特征在于，在焊槍中，供電焊嘴前端與供電電纜的連接部的距離為10mm?200mm。
[0025][4]根據上述[2]所記載的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，其特征在于，在焊槍中，供電焊嘴前端與供電電纜的連接部的距離為10mm?200mm。
[0026][5] 一種多電極埋弧焊接方法，其特征在于，使用上述[I]、[2]、[3]或者[4]所記載的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，使第一電極焊絲為粉芯焊絲且使該粉芯焊絲的直徑為3.2mm以下來進行焊接。
[0027][6]根據上述[5]所記載的多電極埋弧焊接方法，其特征在于，使第一電極的焊接電流為800A以上來進行焊接。
[0028]由于本發明形成為上述結構，所以起到以下所記載那樣的優異的效果。
[0029]a)在多電極埋弧焊接中，即便在第一電極使用細徑焊絲的情況下等，特別是在以焊絲進給速度較快的焊接條件進行焊接時、在對粉芯焊絲進行矯直后纏卷痕跡還較大的情況下，也能夠進行穩定的焊接。其結果是，能夠得到高品質的焊接金屬。
[0030]另外，根據本發明，由于確立多電極埋弧焊接下的基于利用細徑焊絲的低熱量輸入焊接技術(low heat input welding technology),所以能夠享有以下的效果。
[0031]b)能夠在維持適當的焊透深度的同時大幅度地減少焊接輸入熱量，其結果是，能夠在焊接金屬以及焊接熱影響部得到優異的低溫韌性。
[0032]c)由于能夠抑制在高強度鋼管中成為問題的焊接熱影響部的軟化(HAZsoftening),所以能夠得到穩定的接頭強度(weld joint strength)。
[0033]d)通過應用粉芯焊絲，能夠大幅度地抑制在將細徑焊絲用于第一電極而進行焊透深度相對于焊道寬度的比率較大的焊接的情況下容易產生的夾渣等焊接缺陷。其結果是，能夠得到高品質的焊接金屬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是對焊絲的彎曲痕跡較小的情況圖1(a)與較大的情況圖1(b)進行比較的圖。
[0035]圖2是使插通孔內部與電極焊絲絕緣的機構的示意圖。
[0036]圖3是表示在相同的焊接條件下使焊絲直徑進行各種變化的情況下的、焊接電流與熔敷速度的關系的圖。
【具體實施方式】
[0037]以下，對本發明進行具體說明。如上所述，多電極埋弧焊接用的焊槍是由配置于供電焊嘴與供電電纜的連接部的中間的管狀的導電體(也稱為“延伸式噴嘴”)構成的。在軸芯部設置有焊絲插通孔，通過使焊絲插通于該插通孔并使電極焊絲(有時也簡稱為“焊絲”。)與供電焊嘴接觸來向電極焊絲供給電力。
[0038]在本發明中，使插通孔內部與焊絲絕緣的方法在能夠可靠地抑制來自供電焊嘴前端以外的部位的供電而不會對焊絲施加物理上的力這一點上存在優點。
[0039]在圖2中，示出了使插通孔內部與焊絲絕緣的方法的示意圖。使插通孔內部與焊絲絕緣的中空的絕緣管的材質.尺寸并不局限于此。但是，從始終處于與焊絲摩擦的環境來看，優選使用具有耐磨損性的絕緣管6。為了確保耐磨損性，優選絕緣管的硬度在維氏硬度HVl條件下為SGPa以上。具體而言，具有耐磨損性的絕緣管6可以舉出陶瓷制的管。進一步具體而言，是莫來石、氮化硅、氧化鋁、以及氧化鋯制的管。
[0040]與使用絕緣管的情況不同，在限制供電焊嘴前端與供電電纜的距離的情況下，若焊絲與插通孔內部接觸則會產生分流(shunt current)。然而,和供電焊嘴前端與供電電纜的距離較長的情況相比，由于分流點減少或由于分流路徑變長(繞遠)而使電阻變大，所以分流變小。考慮到這方面，因此，推斷難以產生由供電點差異引起的電弧電壓不穩定。
[0041 ] 并且，若供電焊嘴前端與供電電纜的連接部的距離不足100mm，則存在來自焊接部的輻射熱較大而導致供電電纜的耐老化性成為問題的情況，因此確保上述距離在10mm以上。若供電焊嘴前端與供電電纜的連接部的距離超過200mm，則焊絲與插通孔內部接觸而導致電弧電壓不穩定，因此優選使上述距離為200mm以下。
[0042]根據上述效果，在多電極埋弧焊接中，即便在將細徑焊絲用于第一電極的情況下等，特別是在進行焊絲進給速度較快的焊接的情況下、對粉芯焊絲進行矯直后纏卷痕跡仍較大的情況下，也能夠進行穩定的焊接。其結果是，能夠得到高品質的焊接金屬。如上所述，對于粉芯焊絲而言，由于焊絲中包含粉體的填充材料，所以與相同的焊絲直徑的實芯焊絲相比，截面積上的金屬部分較少。因此，實際的電流密度變高。由此，能夠提高焊絲熔融速度并增加單位焊接輸入熱量的熔敷量，因此，能夠以低熱量輸入焊接實現較高的熔敷速度。
[0043]此處，優選第一電極焊絲的直徑為3.2mm以下。此處，所謂第一電極是指多電極之中在焊接進行方向上位于前端的電極。若焊絲直徑超過3.2mm，則不能期望充分的電流密度的提高，甚至是焊透深度以及熔敷速度的增大，因此優選第一電極焊絲的直徑為3.2mm以下。此外，優選第一電極焊絲的直徑的下限為1.6mm。若焊絲直徑不足1.6mm，則焊絲進給速度過快而難以進行穩定的控制。另外，這是因為:由于焊絲的焦耳熱(joule heat)變得過大而使焊絲過熔，所以存在電弧長不恒定而使焊接條件不穩定的情況。
[0044]另外，作為粉芯焊絲中所包含的粉體成分，并不局限于此。但是，為了得到高熔敷速度，優選使粉體所包含的金屬成分為粉體重量的90maSS%以上。在包含金屬氧化物成分的情況下，優選其含有量為Zmass1^N 1mass%。
[0045]此外，在本發明中，對于第一電極以外的電極，沒有特別地限制，可以使用通常的實芯焊絲。另外，即便對其他的電極使用粉芯焊絲也不會降低本發明的效果。另外，對焊絲直徑也沒有特別地限制，可以使用一直以來使用的直徑為4.0mm?6.4mm的焊絲。
[0046]接下來，在圖3中，示出了當在相同的焊接條件下焊絲直徑產生了變化的情況下的、對焊接電流與熔敷速度的關系進行調查的結果。如該圖所示，焊絲直徑越細，相同的焊接電流值下的熔敷量就越大，該趨勢在焊接電流為800A以上時變顯著。因此，若使用直徑為3.2mm以下的細徑的焊絲并以800A以上的焊接電流進行焊接，則即便在減少坡口截面積并減少總的熔敷量的情況下，也能夠得到較深的焊透，且能夠實現低焊接輸入熱量下的焊接。優選焊接電流為1000A以上。此外，若焊接電流過大，則無法避免焊接輸入熱量的增大，從而會對HAZ部韌性造成負面影響，因此優選焊接電流的上限為1400A。
[0047]實施例
[0048]在表I所示的焊接條件下，對具有API (American Petroleum Institute:美國石油學會)_X65相當的成分組成的外徑34inch、厚31.2mm的管,實施基于多電極埋弧焊接的焊接長度為1m的堆焊試驗。第一電極全部使用焊絲直徑為2.4mm的粉芯焊絲。此處，使用粉體成分為100%金屬成分的粉芯焊絲。軟鋼的外皮與被填充的粉體的重量比率為3:
I。作為第二電極的焊接焊絲，使用包含C:0.19mass%>Mo:0.Smass1^以及0.1mass% Ti的
4.0mmtp的實芯焊絲。作為第三電極、第四電極的焊接焊絲，使用含有C:0.05mass%、以及0.2mass% Ti的4.0ιπιηφ的實芯焊絲。
[0049]表I
[0050]表I基于埋弧焊接的堆焊試驗的焊接條件與焊接成效
[0051]
第一電極第二電極第三電極第鋝電極焊接輸入第一電板的焊接成故值焊接缺陷邏—Ext 也波電壓J焊槍絕續供電距離電流電段電號龜芨電流電屈速■度熱量電洗(ave,)電波(σ)電廟(ave.)電壓_(<7) 個數備汶
M0.mmmm AV j__mm__AVAV__A_ V mm/tnin kJ/cmA__AVV個/1m__
12.43060030 J -500540364804042040125Q35.3@154.631.Q0,35Q參考倒
22Λ3075030 -500680365304045040125041,47485.331.30.380,參考例
32.430900SO -50081036630AlS4042125050,5§156,231.50.45O參考例
42.430t05030 -5009503S7404263042125080.1104012.332.71.290參考例
52.430Π5030 -500103040800446904412S067.8?13316.932.41,62S比較例
62.4301t5D30 莫來石管 5W1030408004463044?25067.8114113,535.21.27O發明例T2.430115030 ShN^f500103040SOO4463044125067.8114013.335.30.98 'O發明例
82.430120030 -5001080408404472044125071.0115230.836.62.497比較例
92.425120030 -500108040840447204412S071.0117428.Θ32.92.234比較例
102.4301 20034 -5001 080408404472044125073.3116426.533.52.054比較例
112.430120030 莫來石管爾O; 406404472044125071.0115513.334,21,22O發明例
122.430120030 Si3M4 管1080408404472044125071.0117813.235.11.25D發明例
132.430123030 - 1~5^~Π2540875447504412S073.9122342,333,22.788m較例
142.430125030 莫來石管 50011254087§4475044125073.9123114J32.51.25O發明例
152,430130030 -5TO11704091044 ,73044125076.9127447.333,82.9010圯較倒
162.430130030 莫來石管 5001170409104478044125078.9127614.734.11.31O發明倒
172.4301?50303001Q304000044690441250S7.8113815,733.11.62S比較例
182.43011SO30 -701Q3Q408004469044125087,8114210.833.71,03O比較例
192.430115030 奠來石管120103040800446&0441250S7.81135Π.732.40,83O發明例
Ext:母材…焊嘴間距離電流Uve);電流的平均值
[0052]在本實施例中，以0.1秒的取樣間距對使用細徑焊絲的第一電極的焊接成效進行監視(瞬時值)，并且目標在于使其電流變動的標準偏差σ為15Α以下。焊接電壓也是如此。求得電流變動的標準偏差是為了評價焊接時的焊接電流的穩定度。此處，焊接電流不穩定是指電流值的標準偏差σ為15Α以上的情況。另外，電壓不穩定是指電壓值的標準偏差σ為1.5V以上的情況。
[0053]在表中，“焊槍絕緣”是指有無使配置于供電焊嘴與供電電纜的連接部的中間的管狀的導電體與電極焊絲絕緣的機構。表示沒有與該部分絕緣的機構的情況。“莫來石管”以及“Si3N4管”分別是指記載了陶瓷材料的種類名的絕緣管。“供電距離”是指供電焊嘴前端與供電電纜的中心的距離。
[0054]另外，為了調查有無以夾渣為中心的焊接缺陷，遍及焊接長度全長地實施X射線穿透試驗(rad1graphic examinat1n),并統計超過2mm(p的缺陷個數。
[0055]如表I所示，在使用沒有絕緣管的焊槍的情況下，在焊接電流為1050A以下的情況下，未觀察到焊接電弧的不穩定狀態。但是，在焊接電流升高為1150A以上且焊絲進給速度變大的情況下，電弧電壓變動增大且電流也變得不穩定。若焊接電流或者焊接電壓不穩定，則可知夾渣也存在隨之增加的趨勢。另一方面，通過對使用細徑粉芯焊絲的第一電極使用本發明的配有絕緣管的焊槍，則即便在焊絲進給速度變大的1300A的高電流條件下進行多電極埋弧焊接的情況下，也能夠抑制電流變動，從而使標準偏差σ為15Α以下。由此也能夠抑制焊接缺陷，從而得到高品質的焊接金屬。此外，對于實施例N0.18而言，雖然供電距離縮短到70_的焊接較穩定，但是由于焊接輻射熱會使供電電纜損傷，所以其在發明范圍外。
[0056]附圖標記的說明:
[0057]I…供電電纜；2…供電電纜的連接部；3…配置于中間的管狀的導電體(延伸式噴嘴)；4…電極焊絲；5…供電焊嘴；6…絕緣管。
【權利要求】
1.一種多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，其特征在于， 在焊槍中，具有使配置于供電焊嘴與供電電纜的連接部的中間的管狀的導電體與電極焊絲絕緣的機構。
2.根據權利要求1所述的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，其特征在于， 與所述電極焊絲絕緣的機構是配置于所述管狀的導電體的內壁的具有耐磨損性的絕緣管。
3.根據權利要求1所述的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，其特征在于， 在焊槍中，供電焊嘴前端與供電電纜的連接部的距離為10mm?200mm。
4.根據權利要求2所述的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，其特征在于， 在焊槍中，供電焊嘴前端與供電電纜的連接部的距離為10mm?200mm。
5.一種多電極埋弧焊接方法，其特征在于， 使用權利要求1、2、3或4所述的多電極埋弧焊接用的第一電極用焊槍，使第一電極焊絲為粉芯焊絲且該粉芯焊絲的直徑為3.2mm以下來進行焊接。
6.根據權利要求5所述的多電極埋弧焊接方法，其特征在于， 使第一電極的焊接電流為800A以上來進行焊接。
【文檔編號】B23K9/18GK104159694SQ201380011055
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年3月7日 優先權日:2012年3月8日
【發明者】橫田智之, 早川直哉, 川井啟治, 矢埜浩史 申請人:杰富意鋼鐵株式會社