本發(fā)明涉及窄坡口氣體保護電弧焊方法，特別是涉及能夠用于兩個厚鋼材的對焊的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法。

本發(fā)明中，“窄坡口”是指坡口角度為25°以下并且成為被焊接件的鋼材間的最小坡口寬度為該鋼材的板厚的50％以下。

背景技術(shù)：

用于鋼的焊接施工的氣體保護電弧焊一般是將單獨的CO₂氣體、或Ar與CO₂的混合氣體用于熔融部的保護的自耗電極式，在汽車、建筑、橋梁以及電氣設(shè)備等的制造領(lǐng)域中廣泛使用。

然而近年來，伴隨著鋼構(gòu)造物的大型化/厚壁化，制作過程中的焊接特別是鋼材的對焊的熔敷量增大，而且焊接施工需要較多的時間，從而導(dǎo)致施工成本的增大。

作為改善這種情況的方法，可以考慮利用弧焊法對相對于板厚較小的間隙的坡口進行多層焊的窄坡口氣體保護電弧焊的應(yīng)用。該窄坡口氣體保護電弧焊與通常的氣體保護電弧焊相比，熔敷量少，因此能夠?qū)崿F(xiàn)焊接的高效率化/節(jié)能化，進而可期待施工成本的減少。

另一方面，立式的高效率焊接通常應(yīng)用電渣焊，但1道次高熱輸入焊接是基本的，對于板厚超過60mm的焊接而言擔憂熱量輸入過多、韌性降低。另外，1道次焊接存在板厚的極限，特別是板厚超過65mm的焊接現(xiàn)狀是仍無法確立技術(shù)。

因此，期望開發(fā)將窄坡口氣體保護電弧焊用于立式焊接的高品質(zhì)且高效率的焊接方法。

作為將這樣的窄坡口氣體保護電弧焊應(yīng)用于立式焊接的焊接方法，例如，專利文獻1公開有以雙面U型坡口接頭作為對象的兩側(cè)多層焊方法。該焊接方法中，進行基于使用了惰性氣體的TIG焊接的層疊焊接，通過使用惰性氣體抑制熔渣、濺射的產(chǎn)生，從而防止層疊缺陷。

然而，作為非自耗電極式的TIG焊接與使用作為自耗電極的鋼線的MAG焊接、CO₂焊接比較，焊接法本身效率顯著變差。

另外，專利文獻2公開有，為了抑制濺射、融合不良而進行焊炬的擺動(weaving)的窄坡口的立式焊接方法。

但是，在該焊接方法中，焊炬的擺動方向不是坡口深度方向，而是鋼板表面方向，因此需要在熔融金屬垂下來之前使焊炬擺動，使焊接電流成為150A左右的低電流，需要抑制每1道次的熔敷量(≈熱量輸入量)。

因此，在將該焊接方法應(yīng)用于板厚較厚的厚鋼材的焊接的情況下，成為少量多道次的層疊焊接，除了焊透不良等層疊缺陷較多之外，焊接效率也顯著降低。

另外，專利文獻3與專利文獻2相同，公開有為了抑制融合不良而進行焊炬的擺動的立式焊接方法。

這里公開的面角度(坡口角度)范圍較寬為26.3～52°，但這里的焊炬的擺動也相對于坡口深度方向進行，因此能夠使每1道次的熔敷量比較多。

但是，坡口深度方向的擺動量小，另外未考慮焊接金屬以及焊絲組成，因此需要抑制每1道次的熔敷量(≈熱量輸入量)，每1道次的焊接深度較淺為10mm左右。

因此，在將該焊接方法用于板厚較厚的厚鋼材的焊接的情況下，還是成為少量多道次的層疊焊接，除了焊透不良等層疊缺陷較多之外，焊接效率也降低。

另外，專利文獻4公開有能夠進行極厚材料的1道次焊接的雙電極的氣體保護電焊裝置。

通過該雙電極的氣體保護電焊裝置的使用，能夠進行直至板厚：70mm左右的厚鋼材的接合，但由于雙電極化使熱量輸入量大幅增加為360kJ/cm左右，因此對鋼板的熱影響較大，在接頭需要較高的特性(強度、韌性)的情況下，滿足這樣的特性是非常困難的。

另外，對于該雙電極的氣體保護電焊裝置而言，在坡口，在背面?zhèn)仍O(shè)置陶瓷的墊板、并在表面(焊接機側(cè))設(shè)置水冷式的銅墊板金屬的按壓機構(gòu)是不可缺少的，雖沒有熔融金屬垂下的擔心，但焊接裝置變復(fù)雜。

另外，對于該雙電極的氣體保護電焊裝置而言，在表面(焊接機側(cè))設(shè)置銅墊板金屬的按壓機構(gòu)是不可缺少的，因此1道次焊接是基本，作為多道次的層疊焊接難以實現(xiàn)低熱量輸入化。

專利文獻1:日本特開2009-61483號公報

專利文獻2:日本特開2010-115700號公報

專利文獻3:日本特開2001-205436號公報

專利文獻4:日本特開平10-118771號公報

如上述那樣，現(xiàn)狀是能夠用于厚鋼材的焊接的高品質(zhì)且高效率的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法還未被開發(fā)。

另一方面，焊接自動化技術(shù)(焊接機器人)的輕型/高功能/高精度化正在發(fā)展，能夠成為適于至今為止困難的坡口形狀與焊接姿勢的焊炬的擺動，通過將其活用，能夠成為適于鋼材、坡口形狀、焊接姿勢以及焊接材料(焊絲)的焊接施工(條件設(shè)定)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

木發(fā)明的目的在于提供一種通過將高功能且高精度的焊接自動化技術(shù)活用并進行與坡口形狀、焊接姿勢等對應(yīng)的精密的焊炬的擺動從而能夠應(yīng)用于厚鋼材特別是板厚為40mm以上的厚鋼材的焊接的高品質(zhì)且高效率的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法。

因此，發(fā)明者們?yōu)榱私鉀Q上述的課題，對在厚鋼材應(yīng)用立式窄坡口氣體保護電弧焊的情況的焊接條件，進行了專心研究。

其結(jié)果可知，在進行厚鋼材的立式的窄坡口氣體保護電弧焊時，為了在焊接金屬以及熱影響部得到所希望的機械特性并且實現(xiàn)焊接的高效率化，作為2道次以上的多層焊并抑制每1道次的焊接熱量輸入量，并使初層焊接的接合深度(焊接深度)成為20mm以上50mm以下很重要。

而且，作為上述的2道次以上的多層焊，抑制每1道次的焊接熱量輸入量，針對用于得到初層焊接的規(guī)定的接合深度的焊接條件，進一步進行了研究。其結(jié)果，在使坡口條件成為規(guī)定的條件的基礎(chǔ)上，適當?shù)乜刂瞥鯇拥暮附訔l件特別是焊炬角度以及擺動條件，從而實現(xiàn)包括立式焊接中成為問題的熔融金屬的垂下的抑制的焊珠形狀的穩(wěn)定化與防止焊接缺陷的產(chǎn)生，并且能夠?qū)崿F(xiàn)上述的初層焊接的接合深度。由此可知，即使是板厚為40mm以上的厚鋼材，也能夠進行高品質(zhì)且高效率的立式窄坡口氣體保護電弧焊。

本發(fā)明是立足于上述觀點的。

即，本發(fā)明的主旨結(jié)構(gòu)如以下那樣。

1.一種通過使用擺動的立式多層焊將坡口角度為25°以下、坡口間隙為20mm以下、板厚為40mm以上的兩個厚鋼材接合的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法，

在初層焊接時，在使焊炬的角度相對于水平方向為25°以上75°以下，焊接熱量輸入為30kJ/cm以上170kJ/cm以下，并且朝板厚方向的擺動深度為15mm以上50mm以下，并且初層焊接的焊珠寬度為W的情況下，在使朝板厚方向以及與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度成為(W-6)mm以上Wmm以下的范圍，進行焊炬的擺動，

使上述初層焊接的接合深度成為20mm以上50mm以下。

2.根據(jù)上述1所述的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法，在上述初層焊接的擺動中，從焊接線方向觀察的焊炬的擺動類型為コ字形。

3.根據(jù)上述1或2所述的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法，上述初層焊接的焊接金屬的S量以及O量的合計為450質(zhì)量ppm以下并且N量為120質(zhì)量ppm以下。

4.根據(jù)上述1～3中任一項所述的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法，上述初層焊接所使用的焊絲的Si量以及Mn量的合計為1.5質(zhì)量％以上3.5質(zhì)量％以下。

5.根據(jù)上述1～4中任一項所述的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法，上述初層焊接所使用的焊絲的Ti量、Al量以及Zr量的合計為0.08質(zhì)量％以上0.5質(zhì)量％以下。

6.根據(jù)上述1～5中任一項所述的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法，作為保護氣體使用含有20體積％以上的CO₂氣體的氣體。

7.根據(jù)上述1～6中任一項所述的立式窄坡口氣體保護電弧焊方法，在上述初層焊接中，平均焊接電流為270A以上360A以下的范圍。

根據(jù)本發(fā)明，在焊接板厚為40mm以上的厚鋼材的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)包括抑制立式焊接中成為問題的熔融金屬的垂下的焊珠形狀的穩(wěn)定化與防止焊接缺陷，從而能夠?qū)嵤└咂焚|(zhì)且高效率的窄坡口氣體保護電弧焊。

而且，本發(fā)明的焊接方法與通常的氣體保護電弧焊相比熔敷量少，基于焊接的高效率化的節(jié)能化也能夠?qū)崿F(xiàn)，因此焊接施工成本能夠大幅度減少。

另外，本發(fā)明的焊接方法中，不需要專利文獻4所示的氣體保護電焊裝置那樣的防止熔融金屬的垂落的水冷式的銅墊板金屬的按壓機構(gòu)，因此能夠避免裝置的復(fù)雜化，而且通過多道次的焊接施工能夠抑制每1道次的焊接熱量輸入，因此在焊接金屬以及鋼材熱影響部容易確保所希望的機械特性。

附圖說明

圖1示出本發(fā)明的焊接方法的各種坡口形狀。

圖2示出在V形的坡口形狀中，通過本發(fā)明的焊接方法而實施初層焊接時的施工要領(lǐng)。

圖3示出在V形的坡口形狀中，通過本發(fā)明的焊接方法實施了初層焊接后的坡口剖面。

圖4示出初層焊接的擺動中的從焊接線方向觀察的焊炬的擺動類型，圖4的(a)是コ字形，圖4的(b)是梯形，圖4的(c)是V字形，圖4的(d)是三角形。

圖5是在本發(fā)明的發(fā)明例(No.7)中，通過本發(fā)明的焊接方法實施了初層焊接后的照片，圖5的(a)示出整體的外觀，圖5的(b)是坡口剖面。

具體實施方式

以下，對本發(fā)明具體地進行說明。

圖1的(a)～(c)示出本發(fā)明的焊接方法中成為對象的各種坡口形狀。圖中，附圖標記1是厚鋼材，2是厚鋼材的坡口面，3是(Y形坡口的)鋼材下段部的坡口，符號θ表示坡口角度，G表示坡口間隙，t表示板厚，h表示(Y形坡口的)鋼材下段部的坡口高度。

如該圖所示的那樣，本發(fā)明的焊接方法的坡口形狀也能夠成為V形坡口(包括I形坡口以及レ形坡口)以及Y形坡口的任一個，另外如圖1的(c)所示也能夠成為多段的Y形坡口。

此外，本發(fā)明中，如圖1的(b)以及圖1的(c)所示，使Y形坡口的情況下的坡口角度以及坡口間隙成為鋼材下段部的坡口的坡口角度、坡口間隙。此處，鋼材下段部的坡口是指焊接時從成為背面(使焊接裝置(焊炬)側(cè)的面成為表面，其相反的一側(cè)的面成為背面)的鋼材面直至板厚的20～40％左右的區(qū)域。

另外，圖2示出在V形的坡口形狀中，實施本發(fā)明的焊接方法的初層焊接時的施工要領(lǐng)。圖中，附圖標記4是焊炬，5是焊絲，6是墊板，φ是焊炬相對于水平方向的角度。此外，焊接線、熔池以及焊珠省略圖示。

此處，如圖2所示，本發(fā)明的焊接方法是使成為規(guī)定的板厚的兩個厚鋼材對上并通過使用擺動的立式焊接將上述厚鋼材彼此接合的氣體保護電弧焊，使行進方向向上的向上焊接成為基本。

此外，此處將V形的坡口形狀作為例子進行了示出，但其他的坡口形狀也相同。

另外，圖3示出在V形的坡口形狀中，通過本發(fā)明的焊接方法實施了初層焊接后的坡口剖面。圖中，附圖標記7是焊珠，用符號D表示初層焊接的接合深度，用W表示初層焊接的焊珠寬度(初層焊接后的坡口間的間隙)。

此外，初層焊接的接合深度D被定義為以焊接時成為背面的鋼材面為起點的情況下的初層焊珠高度的最小值(距起點的鋼材面最近(低)的初層焊珠高度)。

此時，以V形的坡口形狀為例子進行了示出，但其他的坡口形狀，D以及W相同。

接下來，針對本發(fā)明的焊接方法中將底部坡口角度、底部坡口間隙以及鋼材的板厚限定為上述的范圍的理由進行說明。

坡口角度θ：25°以下

鋼材的坡口部越小而能夠越快地成為高效率的焊接，但容易產(chǎn)生融合不良等缺陷。另外，坡口角度超過25°的情況下的焊接在以往的施工方法中也能夠?qū)嵤?。因此，本發(fā)明中，將以往的施工方法中施工困難并且可預(yù)料進一步的高效率化的坡口角度：25°以下的情況作為對象。

此外，V形坡口中，坡口角度為0°的情況稱為所謂的I形坡口，從熔敷量的面來說該0°的情況下效率最高，但由于焊接熱變形使焊接中坡口關(guān)閉，因此據(jù)此估計，優(yōu)選設(shè)定與板厚t(其中，Y形坡口的情況下鋼材下段部的坡口高度h)對應(yīng)的坡口角度。

具體而言，優(yōu)選坡口角度為(0.5×t/20)～(2.0×t/20)°的范圍，進一步優(yōu)選為(0.8×t/20)～(1.2×t/20)°的范圍。例如在板厚t為100m的情況下，坡口角度優(yōu)選2.5～10°的范圍，進一步優(yōu)選4～6°的范圍。

但是，若板厚t超過100mm，則優(yōu)選范圍的上限超過10°，但該情況下的優(yōu)選范圍的上限成為10°。

坡口間隙G：20mm以下

鋼材的坡口部越小，能夠越快成為高效率的焊接。另外，對于坡口間隙超過20mm的情況下的焊接而言，熔融金屬容易垂下從而施工困難。其對策需要較低地抑制焊接電流，但容易產(chǎn)生熔渣卷入等焊接缺陷。因此，坡口間隙將20mm以下的情況作為對象。優(yōu)選為4mm以上12mm以下的范圍。

板厚t：40mm以上

鋼材的板厚成為40mm以上。這是因為只要鋼材的板厚不足40mm，則使用以往的焊接方法例如專利文獻4的氣體保護電焊之類的1道次焊接，也能夠抑制焊接熱量輸入量。

例如，在板厚t：35mm、坡口角度：20°、坡口間隙：8mm的V形坡口的情況下，由使用了專利文獻4的氣體保護電焊的1道次焊接引起的熱量輸入量成為150kJ/cm左右。

此外，在將一般的滾軋鋼材作為對象的情況下，板厚一般100mm是上限。因此，本發(fā)明中成為對象的鋼材的板厚的上限優(yōu)選為100mm以下。

此外，作為本發(fā)明中成為對象的鋼種，高張力鋼(例如，造船用極厚YP460MPa級鋼(拉伸強度570MPa級鋼)、建筑用TMCP鋼SA440(拉伸強度590MPa級鋼))特別適用。因為高張力鋼焊接熱量輸入限制較嚴，除了焊接金屬容易產(chǎn)生破裂之外，由于焊接熱影響而無法得到要求的接頭強度、韌性。相對于此，在本發(fā)明中，在熱量輸入量：170kJ/cm以下能夠進行高效的焊接，也能夠進行590MPa級高張力鋼板、成為高合金系的590MPa級耐腐蝕鋼的焊接。當然，軟鋼也能夠無問題地對應(yīng)。

以上，在本發(fā)明的焊接方法中，對將坡口角度、坡口間隙以及鋼材的板厚限定的理由進行了說明，但在本發(fā)明中，為了以適于窄坡口的熱量輸入量對厚鋼材高效地進行焊接而成為2道次以上的多層焊，適當?shù)乜刂瞥鯇雍附訔l件并且使初層焊接的接合深度成為規(guī)定的范圍是重要的。

以下，對這些初層焊接的接合深度的限定理由以及初層焊接條件進行說明。

初層焊接的接合深度D：20mm以上50mm以下

對于通過2道次以上的多層焊對本發(fā)明中成為對象的板厚：40mm以上的厚鋼材進行焊接而言，需要使初層焊接的接合深度成為20mm以上。若初層焊接的接合深度不足20mm，則焊接熱集中，因此產(chǎn)生熔融金屬的垂下。另一方面，若初層焊接的接合深度超過50mm，則除了焊接熱量輸入容易過多之外，還產(chǎn)生因高溫破裂、焊接中的熱分散而引起的坡口面的融合不良、熔渣卷入等焊接缺陷。因此，初層焊接的接合深度成為20mm以上50mm以下。優(yōu)選為25mm以上40mm以下。

焊炬(供電焊嘴前端)的角度φ：相對于水平方向25°以上75°以下

焊炬的角度相比垂直更靠近水平，從而電弧相比焊珠表面更朝向背面，從而能夠抑制熔融金屬的垂下。此處，若焊炬的角度相對于水平方向不足25°則焊珠的形成困難，若焊炬的角度相對于水平方向超過75°則難以抑制熔融金屬的垂下。因此，焊炬的角度需要相對于水平方向成為25°以上75°以下。優(yōu)選為30°以上45°以下。

焊接熱量輸入量：30kJ/cm以上170kJ/cm以下

多層焊中，通過增大每1道次的熱量輸入量(＝熔敷量)來減少道次數(shù)，從而能夠減少焊接層疊缺陷。但是，若焊接熱量輸入量過大，則除了難以確保焊接金屬的強度、韌性之外，鋼材熱影響部的軟化抑制、因結(jié)晶粒粗大化引起的韌性的確保也變困難。特別是若焊接熱量輸入量超過170kJ/cm，則用于確保焊接金屬的特性而考慮了鋼材稀釋的專用線是不可缺少的，并且，鋼材是耐受焊接熱量輸入的設(shè)計的鋼材也是不可缺少的。另一方面，為了確保熔融金屬、得到?jīng)]有焊接缺陷的焊接部，焊接熱量輸入量越高越有利，若窄坡口中焊接熱量輸入不足30kJ/cm則坡口面的熔融不足，無法避免層疊缺陷的產(chǎn)生。

因此，焊接熱量輸入量成為30kJ/cm以上170kJ/cm以下。優(yōu)選為90kJ/cm以上160kJ/cm以下。

焊炬的擺動的朝板厚方向的擺動深度L：15mm以上50mm以下

本發(fā)明的焊接方法進行焊炬的擺動，但適當?shù)乜刂圃摵妇娴臄[動朝板厚方向的擺動深度L、以及朝后述的板厚方向以及與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度M是重要的。

此外，各種擺動類型的朝板厚方向的擺動深度L以及朝板厚方向以及與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度M如圖4的(a)～(d)所示。

此處，在本發(fā)明的焊接方法成為基本的立式向上焊接中，接合深度與板厚方向的擺動寬度成為相同程度，因此若朝板厚方向的擺動深度不足15mm，則使初層焊接的接合深度成為20mm以上是困難的。另一方面，若朝板厚方向的擺動深度超過50mm，則不僅使初層焊接的接合深度成為50mm以下成為困難，而且焊接熱量輸入量過多，在焊接金屬、鋼材的熱影響部中得到所希望的機械特性成為困難，除此之外因高溫破裂、焊接中的熱分散而引起的坡口面的融合不良、熔渣卷入等焊接缺陷容易產(chǎn)生。

因此，朝板厚方向的擺動深度成為15mm以上50mm以下。優(yōu)選為25mm以上35mm以下的范圍。

焊炬的擺動的朝板厚方向以及朝與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度M：(W-6)mm以上Wmm以下(W：初層焊接的焊珠寬度)

為了防止坡口面的未熔融，需要使朝板厚方向以及與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度成為(W-6)mm以上。另一方面，若朝板厚方向以及與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度超過Wmm，則導(dǎo)致熔融金屬垂下而焊接不成立。

因此，超板厚方向以及與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度成為(W-6)mm以上Wmm以下的范圍。優(yōu)選為(W-4)mm以上(W-1)mm以下的范圍。

另外，焊炬的擺動類型未被特別限定，但如圖4的(a)～(d)所示，從焊接線方向(與焊接行進方向一致，通常是垂直方向)觀察能夠成為コ字形、V字形、梯形以及三角形等。此外，圖4的(a)～(d)中，在焊炬的方向改變的各點(圖4的(a)中的B點以及C點)的焊炬的軌跡可以有棱角，也可以帶圓度。

但是，在立式向上焊接中，在靠近焊接表面一側(cè)的位置的擺動容易產(chǎn)生熔融金屬的垂落，并且若焊炬動作與坡口面錯開，則無法得到坡口面的均勻的熔融，從而容易產(chǎn)生融合不良等焊接缺陷。特別是，對于不需要反轉(zhuǎn)動作的一般的梯形以及三角形的擺動類型而言，雖裝置負荷小，但由于在靠近焊接表面一側(cè)的位置的焊炬動作(圖4的(b)的梯形擺動類型的D點→A點，圖4的(d)的三角形擺動類型的C點→A點)，容易產(chǎn)生熔融金屬的垂落。因此，從抑制熔融金屬的垂落的觀點出發(fā)，優(yōu)選成為沒有在焊接表面一側(cè)的焊炬動作的コ字形或者V字形的擺動類型。

另外，對于V字形、三角形的擺動類型而言，在坡口間隙大的(例如6mm以上)情況下，導(dǎo)致焊炬動作與坡口面錯開(例如，圖4的(c)的A點→B點的動作中，焊炬前端的軌跡不與坡口面(靠近焊炬一側(cè))平行等)，無法得到坡口面的均勻的熔融，容易產(chǎn)生融合不良等焊接缺陷。因此，在這樣的情況下，成為能夠使焊炬與坡口面平行地動作的コ字形的擺動類型為最佳。

此外，板厚方向的擺動時的焊炬前端的最深點(例如，圖4的(a)、(b)的B點以及C點，圖4的(c)、(d)的B點)距鋼材背面的距離a通常為2～5mm左右。

另外，相對于本發(fā)明中成為對象的坡口形狀，在應(yīng)用コ字形擺動、梯形擺動的情況下，圖4的(a)、(b)中的M₁、M₂、M₃分別成為2～18mm、0～10mm、0～10mm左右。

另外，擺動時的頻率、停止時間(圖4所示的A點等各點的停止時間)未被特別限定，例如頻率為0.25～0.5Hz(優(yōu)選0.4～0.5Hz)，停止時間為0～0.5秒(優(yōu)選為0.2～0.3秒)左右即可。

以上，對基本條件進行了說明，但在本發(fā)明的焊接方法中，通過進一步滿足以下的條件，能夠抑制特別是立式焊接中成為問題的熔融金屬的垂下，能夠?qū)崿F(xiàn)焊珠形狀的進一步的穩(wěn)定化。

初層焊接的焊接金屬的S量以及O量的合計量：450質(zhì)量ppm以下

為了實現(xiàn)穩(wěn)定的立式向上焊接，需要防止熔融金屬的垂下，并且需要得到穩(wěn)定的焊珠形狀(沒有凹凸的平滑的焊珠)，特別是為了防止熔融金屬的垂下，較低地管理使熔融金屬的表面張力、粘性降低的S量以及O量是重要的。

此處，若焊接金屬的S量以及O量的合計量超過450質(zhì)量ppm(以下，也僅稱為ppm)，則除了表面張力與粘性的降低之外，焊接金屬的對流在表面成為朝外，高溫的焊接金屬從中央朝向周邊成為對流，熔融金屬具有擴張性，容易產(chǎn)生熔融金屬的垂下。因此，支配熔融金屬的表面張力與粘性、熔融金屬流動性的焊接金屬的S量以及O量優(yōu)選這些的合計量成為450ppm以下。更優(yōu)選為400ppm以下。

另外，對于焊絲，由于降低表面張力、使焊珠平坦化的目的，通常S包含0.010～0.025質(zhì)量％。對于焊接金屬的S量的減少，除了這樣的焊絲本身的S量的減少之外，降低鋼材中的S量是有效的。

另外，焊接金屬的O量由于保護氣體中的CO₂的氧化而增加。例如，在作為保護氣體而使用100％CO₂氣體的情況下，焊接金屬中的O量增加0.040～0.050質(zhì)量％左右。對于這樣的焊接金屬的O量的減少，除了焊絲本身通常包含0.003～0.006質(zhì)量％左右的O的減少之外，向焊絲添加Si以及Al是有效的。另外，提高焊接電流以及電弧電壓，充分進行熔融金屬中的熔渣金屬反應(yīng)(脫氧反應(yīng))與熔渣的凝結(jié)、朝焊珠表面的浮上也是有效的。

初層焊接的焊接金屬的N量：120ppm以下

焊接金屬中的氮(N)凝固時從焊接金屬排出而成為氣泡。該氣泡的產(chǎn)生導(dǎo)致熔融金屬表面的振動，成為熔融金屬的垂下的原因。特別是，若焊接金屬中的N量超過120ppm，則容易產(chǎn)生熔融金屬的垂下，因此優(yōu)選初層焊接的焊接金屬的N量成為120ppm以下。進一步優(yōu)選60ppm以下。

另外，通常焊絲作為雜質(zhì)包含50～80ppm氮(N)，因此，由于保護氣體的雜質(zhì)與大氣的混入，焊接金屬中的N量增加20～120ppm左右。另一方面，通常，弧焊的噴嘴內(nèi)徑為16～20mm左右，因此，完全保護使用這樣的噴嘴而成為超過該噴嘴內(nèi)徑的接合深度的焊接金屬部分是困難的，結(jié)果也存在焊接金屬中的N量超過200ppm的情況。

防止這樣的N量的增加，使初層焊接的焊接金屬的N量為120ppm以下，進一步成為60ppm以下，設(shè)置與通常的弧焊的噴嘴不同的其它的氣體保護系統(tǒng)，由此有效抑制大氣混入焊接金屬。

此外，通過焊接時的鋼材稀釋，S、O以及N從鋼材向焊接金屬溶出，因此使用S：0.005質(zhì)量％以下、O：0.003質(zhì)量％以下以及N：0.004質(zhì)量％以下的鋼材在抑制上述的初層焊接的焊接金屬的S量、O量以及N量上適用。

初層焊接所使用的焊絲的Si量以及Mn量的合計：1.5質(zhì)量％以上3.5質(zhì)量％以下

為了防止上述的熔融金屬的垂下并且得到穩(wěn)定的焊珠形狀的外觀，形成適當量的熔渣是重要的。熔渣主要由SiO₂和MnO構(gòu)成，該熔渣量較大程度上被焊絲的Si量以及Mn量的合計所左右。

此處，若焊絲的Si量以及Mn量的合計不足1.5質(zhì)量％，則無法得到足夠防止熔融金屬的垂下的熔渣量。另一方面，若焊絲的Si量以及Mn量的合計超過3.5質(zhì)量％，則存在熔渣成為塊而對下一層以下的焊接帶來妨礙的情況。因此，初層焊接所使用的焊絲的Si量以及Mn量的合計優(yōu)選為1.5質(zhì)量％以上3.5質(zhì)量％以下。進一步優(yōu)選為1.8質(zhì)量％以上2.8質(zhì)量％以下。

初層焊接所使用的焊絲的Ti量、Al量以及Zr量的合計：0.08質(zhì)量％以上0.5質(zhì)量％以下

對防止上述的熔融金屬的垂下并且得到穩(wěn)定的焊珠形狀的外觀起到重要的作用的熔渣的物性(粘性)有較大影響的是TiO₂、Al₂O₃、Zr₂O₃。

此處，若焊絲的Ti量、Al量以及Zr量的合計不足0.08質(zhì)量％，則無法得到有效的防止熔融金屬的垂下的熔渣的粘性。另一方面，若焊絲的Ti量、Al量以及Zr量的合計超過0.5質(zhì)量，則熔渣的除去、再熔融成為困難，對下一層以下的焊接產(chǎn)生妨礙。

因此，初層焊接所使用的焊絲的Ti量、Al量以及Zr量的合計優(yōu)選為0.08質(zhì)量％以上0.5質(zhì)量％以下。進一步優(yōu)選為0.15質(zhì)量％以上0.25質(zhì)量％以下。

此外，上述以外的焊絲的成分根據(jù)焊接的厚鋼材的成分適當?shù)剡x擇即可，但從抑制上述的焊接金屬中的S量、O量以及N量的觀點考慮，優(yōu)選使用S：0.03質(zhì)量％以下、O：0.01質(zhì)量％以下、N：0.01質(zhì)量％以下，而且Si：0.05～0.80質(zhì)量％、Al：0.005～0.050質(zhì)量％的范圍的焊絲(例如，JIS Z 3312 YGW18、JIS Z 3319 YFEG-22C等)。

保護氣體組成：使CO₂氣體成為20體積％以上

焊接部的熔透通過由電弧本身引起的刨削效果與處于高溫狀態(tài)的焊接金屬的對流被支配。在焊接金屬的對流向內(nèi)的情況下，高溫的焊接金屬沿從上向下的方向?qū)α饕虼穗娀≌路降娜弁冈黾?。另一方面，在焊接金屬的對流向外的情況下，高溫的焊接金屬沿從中央向左右方向?qū)α?，焊珠具有擴張性并且坡口面的熔透增加。因此，在成為本發(fā)明的目標的厚鋼材的立式多層氣體保護電弧焊中，為了抑制熔融(焊接)金屬的垂下并得到均勻的焊珠形狀，優(yōu)選使焊接金屬的對流成為向內(nèi)。

此處，從減少支配焊接金屬的熔融金屬流動的氧(O)的觀點來說，則在較低地抑制CO₂氣體方面有利，CO₂氣體由于分解吸熱反應(yīng)使電弧本身緊縮，具有使焊接金屬的對流進一步成為向內(nèi)的效果。

因此，作為保護氣體組成，優(yōu)選使CO₂氣體成為20體積％以上。更優(yōu)選為60體積％以上。此外，CO₂氣體以外的殘留部使用Ar等惰性氣體即可。另外，也可以是CO₂氣體：100體積％。

另外，焊接部的熔透也影響電弧的指向性以及刨削效果。因此，焊接的極性優(yōu)選為比電弧的指向性以及刨削效果更大的焊絲減(正極性)。

上述以外的條件不需要特別規(guī)定，對于不足平均焊接電流270A而言，熔池小，在表面一側(cè)，成為以焊炬擺動為單位反復(fù)熔融與凝固的多層焊那樣的狀態(tài)從而容易產(chǎn)生融合不良、熔渣卷入。另一方面，若平均焊接電流超過360A，則除了容易產(chǎn)生熔融(焊接)金屬的垂下之外，由于焊接煙塵與濺射難以進行電弧點的確認，因此施工中的調(diào)整變難。因此，平均焊接電流優(yōu)選270～360A。另外，通過使平均焊接電流成為270～360A，可抑制焊接煙塵、濺射的產(chǎn)生并且得到穩(wěn)定的焊透，因此在進行本發(fā)明的焊接上更有利。

這以外的條件根據(jù)通用辦法即可，例如，焊接電壓：32～37V(與電流共同上升)，焊接速度(向上)：3～15cm/分(優(yōu)選為4～9cm/分)，焊絲長度：20～45mm，焊絲徑：1.2～1.6mm左右即可。

此外，初層以外的各層的焊接條件未特別限定，基本上與上述的初層的焊接條件相同即可。

另外，直至焊接結(jié)束的層疊數(shù)從防止層疊缺陷觀點考慮優(yōu)選為2～4層左右。此外，本發(fā)明的焊接方法中，每1層1道次的層疊焊接成為基本。

實施例

通過表2所示的焊接條件在成為表1所示的坡口形狀的兩個鋼材實施窄坡口的立式向上多層氣體保護電弧焊。

此處，鋼材均使用S：0.005質(zhì)量％以下，O：0.003質(zhì)量％以下，N：0.004質(zhì)量％以下的鋼材。此外，鋼材的坡口加工使用氣體切斷，坡口面不進行磨削等修理。

另外，焊絲使用鋼材強度用或者在它一個級別以上用的等級的1.2mmφ的實芯焊絲。此外，使用的焊絲中的成分組成均為S：0.005質(zhì)量％以下，O：0.003質(zhì)量％以下，N：0.005質(zhì)量％以下，Si：0.6～0.8質(zhì)量％，Al：0.005～0.03質(zhì)量％。

另外，焊接電流為270～360A，焊接電壓為32～37V(與電流共同上升)，平均焊接速度為3～15cm/分(在焊接中調(diào)整)，平均的焊絲長度為30mm，焊接長度為400mm。另外，除了No.11，設(shè)置與通常的電弧焊的噴嘴不同的其他的氣體保護系統(tǒng)，進行焊接。

此外，初層以外的各層的焊接基本上成為與初層焊接相同的熱量輸入條件。

初層焊接后，通過任意選出的5點的剖面顯微組織觀察，測定了焊珠寬度以及接合深度。此外，焊珠寬度將測定的值的最大值作為初層焊珠寬度W，接合深度將測定的值的最小值作為初層焊接接合深度D。

另外，通過目視觀察如以下那樣評價初層焊接時的熔融金屬的垂下。

◎：無焊接金屬的垂下

○：焊接金屬的垂下在兩個位置以下

×：焊接金屬的垂下在五個位置以上或者焊接中斷

另外，針對最終得到的焊接接頭，實施超聲波探傷檢查，如以下那樣評價。

◎：無檢測缺陷

○：檢測缺陷長度僅為3mm以下的合格缺陷

×：檢測缺陷長度超過3mm的缺陷

這些結(jié)果也一并如表2所示。

[表1]

表1

[表2]

如表2所示那樣，在作為發(fā)明例的No.1～14中，初層焊接金屬的垂下沒有或者有而在兩個位置以下。另外，在超聲波探傷檢查中，沒有檢測缺陷或者有而缺陷長度為3mm以下。

另一方面，作為比較例的No.15～19檢測出存在五個位置以上的焊接金屬的垂下和/或超聲波探傷檢查中缺陷長度超過3mm的缺陷。

另外，圖5的(a)示出作為發(fā)明例的No.7的初層焊接后的表面(焊接施工側(cè))的外觀照片，圖5的(b)示出剖面顯微組織照片的一個例子。通過該圖可知，在適當?shù)乜刂茢[動條件等的No.7的發(fā)明例中，可得到初層焊接的接合深度D為28mm左右和所希望的接合深度。另外，同時也可得到穩(wěn)定的焊珠形狀。

附圖標記的說明

1...厚鋼材；2...厚鋼材的坡口面；3...鋼材下段部的坡口；4...焊炬；5...焊絲；6...墊板；7...焊珠；θ...坡口角度；G...坡口間隙；h...鋼材下段部的坡口高度；t...板厚；φ...焊炬相對于水平方向的角度；D...初層焊接的接合深度；W...初層焊接的焊珠寬度；L...朝板厚方向的擺動深度；M...朝板厚方向以及與焊接線成直角的方向的擺動最大幅度。