氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲及極低溫用鋼的焊接方法以及焊接接頭的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在LNG罐或化學(xué)車間等中使用的、極低溫用5. 5~9. 5% Ni鋼的氣體 保護(hù)電弧焊接中使用的填充焊劑金屬絲，特別是涉及可獲得低溫韌性優(yōu)良的焊接金屬、進(jìn) 而可以提高焊接施工效率且耐低溫?cái)嗔研詢?yōu)良的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲及 使用了該金屬絲的極低溫用鋼的焊接方法以及焊接接頭的制造方法。
[0002] 本申請(qǐng)基于2013年11月8日向世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織提交的PCT/JP2013/080284號(hào) 和2014年10月29日在日本提交的日本專利申請(qǐng)2014-220853號(hào)主張優(yōu)先權(quán)，在此援引它 們的內(nèi)容。
【背景技術(shù)】
[0003] 近年來(lái)，由于因地球溫室化的問(wèn)題所造成的二氧化碳排放量標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化，對(duì)與石油、 煤炭等相比二氧化碳的排放量更少的天然氣的需求提高，與之相伴，LNG罐建造的需要也在 世界范圍內(nèi)增高。對(duì)LNG罐中使用的鋼材要求確保-196°C的極低溫度下的韌性，因此使用 含有5. 5~9. 5% Ni的Ni系低溫用鋼。
[0004] 關(guān)于該Ni系低溫用鋼的焊接，從滿足嚴(yán)格的安全性的必要性出發(fā)，使用含有60~ 80%的Ni的Ni基合金焊接材料，但由于含有大量的Ni，因此該焊接材料極為昂貴。進(jìn)而， Ni基合金焊接材料由于熔融金屬的流動(dòng)性差，因此易于產(chǎn)生融合故障等焊接缺陷，為了防 止焊接缺陷，實(shí)施低線能量下的焊接，在焊接施工效率方面也存在課題。
[0005] 另外，以降低焊接材料的成本為目的，當(dāng)將Ni降低至與Ni系低溫用鋼并列的 5. 5~9. 5%左右時(shí)，由于焊接金屬變成非常硬的馬氏體組織，因此會(huì)產(chǎn)生低溫裂紋的問(wèn) 題。在焊接金屬的組織為奧氏體的Ni基合金焊接材料中不會(huì)產(chǎn)生低溫裂紋，用于抑制低溫 裂紋所實(shí)施的預(yù)熱操作成為焊接施工成本降低中的新課題。
[0006] 對(duì)于這種現(xiàn)狀，例如提出了以下的金屬絲作為極低溫用鋼的焊絲。
[0007] 專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了作為外皮使用了 Ni基合金材料的填充焊劑金屬絲，但含有 60~70%的Ni量，不能達(dá)成焊接材料的低成本化。
[0008] 專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了 Ni量為7. 5~12. 0%的焊接材料，但焊接方法由于是焊接施 工效率低的TIG焊接，因此不能提高焊接施工效率。
[0009] 專利文獻(xiàn)3中公開(kāi)了作為Ni量為8~13%的焊接材料、通過(guò)達(dá)成焊接材料成本降 低且適用埋弧焊而焊接施工效率優(yōu)良的金屬絲。但是，由于是埋弧焊，因此所得焊接金屬的 氧量高達(dá)250pp，與之相伴，-196°C的吸收能量變成低值，不能確保充分的低溫韌性。另外， 關(guān)于該Ni量下成為問(wèn)題的低溫裂紋，沒(méi)有進(jìn)行任何探討。
[0010] 非專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了下述技術(shù)：通過(guò)使用將Ni降低至約10%的鐵合金的實(shí)芯 金屬絲，進(jìn)行利用100% Ar保護(hù)氣體的MIG焊接，能夠獲得與TIG焊接同等程度的低氧的焊 接金屬。該技術(shù)中，由于顯著地降低上述金屬絲中的P和S量，因此會(huì)確保韌性，但根據(jù)本 發(fā)明人們的實(shí)驗(yàn)，有在利用非專利文獻(xiàn)1的方法獲得的焊接金屬中擴(kuò)散性氫量多、耐低溫 斷裂性差的缺點(diǎn)。另外，非專利文獻(xiàn)1所記載的金屬絲由于是需要Rem添加的實(shí)芯金屬絲， 因此有在焊接施工時(shí)飛濺劇烈、焊接操作性差的缺點(diǎn)。
[0011] 因此，作為極低溫用鋼的焊絲，強(qiáng)烈期待開(kāi)發(fā)除了焊接材料的低成本化、還可提高 焊接施工效率、且耐低溫?cái)嗔研砸矁?yōu)良的焊絲。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0013] 專利文獻(xiàn)
[0014] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開(kāi)2008-246507號(hào)公報(bào)
[0015] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)平09-253860號(hào)公報(bào)
[0016] 專利文獻(xiàn)3 :日本特開(kāi)2008-161932號(hào)公報(bào)
[0017] 非專利文獻(xiàn)
[0018] 非專利文獻(xiàn)1 :阿草一男、古生正昭等、川崎製鉄技報(bào)（川崎制鐵技報(bào)）、vol. 14、 No. 3 (1982)、9% Ni鋼? 73 >シ一;I/卜'、共金MIG溶接（9% Ni鋼的純氬氣保護(hù)同質(zhì)合金 MIG焊接）

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019] 發(fā)明要解決的課題
[0020] 在要獲得作為焊接施工效率優(yōu)良的消耗電極式氣體保護(hù)電弧焊接用的焊絲、即即 便降低Ni的含量、低溫韌性也優(yōu)良的焊接金屬的情況下，自保護(hù)氣體中含有的活性氣體侵 入到焊接金屬中的氧成為問(wèn)題。
[0021] 氣體保護(hù)電弧焊接中，作為保護(hù)氣體，通常使用Ar-IO~30% CO2 ( 即，以體積分率 計(jì)為10~30%的CO2、剩余部分為Ar的混合氣體）、100% 0)2或Ar-2% 0 2等，氣體中含有 2%以上的作為活性氣體的0)2或O2。作為其理由是因?yàn)?，僅利用不活潑性氣體時(shí)，電弧變 得不穩(wěn)定，不能獲得沒(méi)有焊接缺陷等的健全的焊接金屬。
[0022] 另一方面，這些活性氣體由于通過(guò)焊接電弧而產(chǎn)生電離、電離得到的陽(yáng)離子進(jìn)入 到焊接金屬內(nèi)，因此當(dāng)將活性氣體混合時(shí)，焊接金屬中的氧量增加。當(dāng)焊接金屬的氧量增加 時(shí)，韌性斷裂的吸收能量降低。
[0023] 作為極低溫用鋼的焊接材料，在使Ni量降低至與作為母材的5. 5~9. 5% Ni鋼同 等程度的焊接材料中，由于難以確保該韌性斷裂的吸收能量，因此需要可獲得氧量少的焊 接金屬的焊接方法。但是，仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)可通過(guò)使用降低了活性氣體的混合量的保護(hù)氣體或 者僅使用不活潑性氣體的氣體保護(hù)電弧焊接而獲得健全的焊接金屬的焊絲。
[0024] 通過(guò)非消耗電極式的TIG焊接，可獲得健全的焊接金屬，焊接金屬的氧量也低，但 TIG焊接具有與消耗電極式的氣體保護(hù)電弧焊接相比、焊接施工效率極低、焊接施工成本增 大的問(wèn)題。
[0025] 進(jìn)而，在Ni量降低至與5. 5~9. 5% Ni鋼同等程度的焊接材料中，由于焊接金屬 成為非常硬的馬氏體組織，因此具有低溫裂紋的問(wèn)題。
[0026] 為了抑制低溫裂紋，需要預(yù)熱操作。預(yù)熱操作也成為焊接施工效率降低的主要原 因，但現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于耐低溫?cái)嗔研酝耆珱](méi)有進(jìn)行探討。
[0027] 本發(fā)明鑒于上述【背景技術(shù)】的問(wèn)題，其課題在于提供通過(guò)Ni量降低至5. 5~9. 5% Ni鋼同等程度而大幅度地降低焊接材料成本、且即便適用焊接施工效率優(yōu)良的氣體保護(hù)電 弧焊接、也可獲得-196°C的低溫韌性優(yōu)良的焊接金屬的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬 絲。進(jìn)而，其課題還在于提供不需要用于抑制低溫裂紋的預(yù)熱操作或可顯著地降低預(yù)熱操 作的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲及使用了該金屬絲的極低溫用鋼的焊接方法。
[0028] 用于解決課題的手段
[0029] 本發(fā)明人們?yōu)榱私鉀Q上述課題進(jìn)行了深入研宄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在將Ni量減低至與 5. 5~9. 5% Ni鋼同等程度的填充焊劑金屬絲中，通過(guò)制成以氟化物為主體的熔渣成分組 成，（i)即便是使用純Ar氣體或純Ar氣體中的氧的比例小于2%的混合氣體作為保護(hù)氣體 的氣體保護(hù)電弧焊接，也可獲得電弧穩(wěn)定、健全且低氧量的焊接金屬；（ii)通過(guò)使用含有 6~16%的Ni的鋼制外皮，大幅度地降低填充于焊劑的合金成分，進(jìn)一步降低焊接金屬的 氧量，并將(：、3111!、其他的合金元素設(shè)成對(duì)于利用該焊接法獲得的焊接金屬為最適合的組 成，可獲得優(yōu)良的_196°C下的夏比沖擊試樣吸收功。
[0030] 進(jìn)而還發(fā)現(xiàn)了本發(fā)明的填充焊劑金屬絲可大幅度地降低焊接金屬的擴(kuò)散性氫。
[0031] 由此發(fā)現(xiàn)了，在5. 5~9. 5% Ni鋼的焊接中可獲得具有優(yōu)良的低溫韌性的焊接金 屬、且焊接施工效率高、且可以省略或簡(jiǎn)化為了抑制低溫裂紋而實(shí)施的預(yù)熱的填充焊劑金 屬絲，基于該發(fā)現(xiàn)加以進(jìn)一步探討，從而完成了本發(fā)明。
[0032] (1)本發(fā)明第一方式的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲是在鋼制外皮的內(nèi) 部填充有焊劑的填充焊劑金屬絲，在上述填充焊劑金屬絲中含有作為金屬氟化物的CaF 2、 8&匕、5迅、1^2及1^中的1種或2種以上，當(dāng)將它們的總含量設(shè)為€ [時(shí)，上述€[相對(duì)于 上述填充焊劑金屬絲的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)為2. 0~7. 0% ;在上述填充焊劑金屬絲中含有 作為金屬氧化物的Ti氧化物、Si氧化物、Mg氧化物、Al氧化物、Zr氧化物及Ca氧化物中 的1種或2種以上，當(dāng)將它們的總含量設(shè)為β時(shí)，上述β相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲的總 質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)為0. 2~0. 9% ;在上述填充焊劑金屬絲中含有作為金屬碳酸鹽的CaC03、 BaC03、SrC03、MgC03& Li 2C03中的1種或2種以上，它們的總含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬 絲的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)小于0. 6% ;上述CaF2的含量與上述α之比為0. 90以上，上述α 與上述β之比為3. 0以上且15. 0以下，上述Ti氧化物的含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬 絲的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)為0~0. 4%，上述Si氧化物的含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲的 總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)為0. 2~0. 5%，上述Ca氧化物的含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲的總 質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)小于0. 20%，上述焊劑中的電弧穩(wěn)定劑的含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲 的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)為0~0. 50%，上述焊劑中的鐵粉的含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲 的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)小于5 %，除了上述金屬氟化物、上述金屬氧化物及上述金屬碳酸鹽之 外的化學(xué)成分包含：相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)C :0. 003~0. 040%; Si :0· 05 ~0· 40% ;Mn :0· 2 ~0· 8% ;A1 :0· 003 ~0· 050% ;Ni :6. 0 ~16. 0% ;P :0· 02% 以下；S :0· 01% 以下；Cu :0 ~0· 5% ;Cr :0 ~0· 5% ;Mo :0 ~0· 5% ;V :0 ~0· 2% ;Ti :0 ~ 0· 1% ;Nb :0 ~0· 1% ;B :0 ~0· 01% ;Mg :0 ~0· 6% ;REM :0 ~0· 0500% ;剩余部分：Fe 及 雜質(zhì)；下述式a所定義的SM為0. 3~1. 0%，下述式b所定義的Ceq為0. 250~0. 525%。
[0033] SM = [Si]+ [Mn](式 a)
[0034] Ceq = [C] +1/24 [Si] +1/6 [Μη] +1/40 [Ni] +1/5 [Cr] +1/4 [Mo] +1/14 [V](式 b)
[0035] 其中，式a及式b的帶□的元素表示各個(gè)元素的含量（質(zhì)量％ )。
[0036] (2)上述⑴所記載的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲是在含有Ni的上述鋼 制外皮的內(nèi)部填充有上述焊劑的上述填充焊劑金屬絲，其中，上述鋼制外皮的上述Ni的含 量相對(duì)于上述鋼制外皮的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)可以為6~18%。
[0037] (3)上述⑴或⑵所記載的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲，其中，上述填 充焊劑金屬絲中的上述REM的含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲的總質(zhì)量以質(zhì)量％計(jì)可以 為0.0100%以下。
[0038] (4)上述（1)~（3)中任一項(xiàng)所記載的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲，其 中，上述填充焊劑金屬絲中的上述Ca氧化物的含量相對(duì)于上述填充焊劑金屬絲的總質(zhì)量 以質(zhì)量％計(jì)可以小于〇. 10%。
[0039] (5)上述⑴~（4)中任一項(xiàng)所記載的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬 絲，其中，在使用了上述填充焊劑金屬絲的氣體保護(hù)電弧焊接中，在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z3111 -2005所規(guī)定的焊接金屬的拉伸試驗(yàn)中，上述焊接金屬的抗拉強(qiáng)度可以為660~ 900MPa〇
[0040] (6)上述⑴~（5)中任一項(xiàng)所記載的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲，其 中，在上述鋼制外皮中可以具有狹縫狀的間隙。
[0041] (7)上述⑴~（5)中任一項(xiàng)所記載的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲，其 中，在上述鋼制外皮中可以沒(méi)有狹縫狀的間隙。
[0042] (8)上述⑴~（7)中任一項(xiàng)所記載的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲，其 中，在上述鋼制外皮的表面上可以涂布有全氟聚醚油。
[0043] (9)本發(fā)明第二方式的焊接方法為，使用上述（1)~⑶中任一項(xiàng)所記載的氣體保 護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲，使用純Ar氣體、Ar和1. 5體積％以下的02或CO 2的混合氣 體、純He氣體、He和1. 5體積％以下的02或CO 2的混合氣體中的任一種作為保護(hù)氣體來(lái)進(jìn) 行焊接。
[0044] (10)本發(fā)明第三方式的焊接接頭的制造方法為，使用上述（1)~⑶中任一項(xiàng)所 記在的氣體保護(hù)電弧焊接用填充焊劑金屬絲，使用純Ar氣體、Ar和1. 5體積％以下的02或 CO2的混合氣體、純He氣體、He和1. 5體積％以下的0 2