CN100542732C

CN100542732C - 高等级管线钢用埋弧焊焊剂材料

Info

Publication number: CN100542732C
Application number: CNB2007100172012A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 刘斌
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2027-01-05
Also published as: CN100999043A

Abstract

本发明提供了一种高等级管线钢用埋弧焊焊剂材料，按重量百分比由以下组分组成：CaF₂15%～25%，MgO 15～25%，Al₂O₃15%～20%，MnO 5%～10%，TiO₂5%～10%，SiO₂10%～15%，CaO 5～10%，Na₂O 1.0%～2.5%，B₂O₃1.5%～3.0%，Re(Mg)0.2%～0.4%，ZrO₂3%～5%。采用烧结法制得的本发明焊剂材料与HO8C焊丝匹配使用时，具有焊缝强度高，有较好的抗H₂S应力腐蚀和较好的低温韧性等性能，焊缝强度及韧性完全能与高等级管线钢的母材匹配，适用于σ_s≥550MPa及以上强度级别管线钢和其它结构钢焊接。

Description

高等级管线钢用埋弧焊焊剂材料

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种焊剂材料，具体涉及一种高等级管线钢用埋弧焊焊剂材料。

背景技术

石油、天然气输送管道通常位于环境比较恶劣的地区，如极寒冷区、地震带或海洋地区，对输送管道的高强度和低温韧性要求日益增高，这就促使了高等级管线钢(X80管线钢)的开发成功，X80管线钢被工业发达国家誉为21世纪天然气输送管道用钢。高强度管线钢要求高强度、较好的低温韧性，与之匹配的高质量的焊接材料也成为了关注的焦点之一，为提高长输管线强度和韧性，对高强度管线钢焊接接头的基本要求有：1)硬度小于HRC22或Hv248；2)含S量小于0.002％；3)减少C、P、Si，以防止偏析和减少偏析区硬度；4)通过Ti、B、稀土Re的添加，以形成针状铁素体，提高焊缝的韧性。因此，高强度管线钢焊接接头组织必须是低碳条件下的致密的针状铁素体和少量的贝氏体组织，且焊接接头要有较低的硬度，还有一个特点是低S。对高强度管线钢焊接接头来说，这三个因素是必需全部做到。如伺保证焊接接头的强度和低温韧性，专利号87102041《高碱度烧结焊剂》(专利权人：冶金工业部钢铁研究总院，公开号CN87102741，公开日1988年7月13日)公开了一种高强度低合金钢的埋弧焊剂，其渣系为BaO-MgO-CaF₂-Al₂O₃，由Na₃AlF₆和Li₂O等组成的烧结焊剂，生产工艺上采用750～900℃高温烧结。专利号94106381.x《超低氢高碱度烧结焊剂》，(专利权人：冶金工业部钢铁研究总院，公开号CN1107770，公开日1995年9月6日)，公开了一种超低氢高碱度烧结焊剂，其渣系为CaCO₃-MgO-SiO₂-Al₂O₃-CaF₂-BaCO₃，由Li₂O，K₂O，Na₂O，Re(Mg)等组成的烧结剂。这些焊剂材料不足之处在于焊缝中有针状铁素体的含量较少，不容易提高焊缝的韧性，尤其是低温韧性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高等级管线钢用的埋弧焊焊剂材料，与高强韧性H08C焊丝匹配使用来焊接高强度管线钢，焊后焊缝能满足高强度管线钢的强度、低温韧性的要求，解决了现有高强度管线钢焊接焊缝中针状铁素体的含量较少，不容易提高焊缝韧性的问题。

本发明所采用的技术方案是，高等级管线钢用埋弧焊焊剂材料，按重量百分比由以下组分组成：CaF₂ 15％～25％，MgO 15～25％，Al₂O₃ 15％～20％，MnO 5％～10％，TiO₂ 5％～10％，SiO₂ 10％～15％，CaO 5～10％，Na₂O1.0％～2.5％，B₂O₃ 1.5％～3.0％，Re(Mg)0.2％～0.4％，ZrO₂ 3％～5％，各组分的重量百分比之和为100％。

本发明焊剂材料与H08C焊丝匹配使用，可进行焊接工艺参数为电流500～700A，焊接电压32～35V，焊速23～30m/h的大线能量焊接，所得熔敷金属强度高，有较好的抗H₂S应力腐蚀和较好的低温韧性等性能，焊缝强度及韧性完全能与高等级管线钢的母材匹配。

本发明具有以下特点：

1、本发明焊剂原料易于获得，原料来源渠道多，所有原料都是国内储量较丰富的材料。

2、本发明焊剂用

，为500～550Mpa及以上强度级别管线钢和其它结构钢焊接，焊缝强度高，低温冲击韧性满足高强度管线钢的要求，焊缝强度及韧性完全能与高强度管线钢的母材匹配。

3、采用本发明焊剂施焊能适应管线钢双丝焊或多丝焊及前后、内外丝高速焊接的工艺特点。

4、本发明焊剂焊缝金属组织形态为针状铁素体和贝氏体组织，以及较少量的先共析铁素体，因此具有较高的强度和较好的低温韧性。

附图说明

附图是用本发明进行焊接焊缝的金相组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明的高等级管线钢用埋弧焊焊剂材料，按重量百分比由以下组分组成：CaF₂ 15％～25％，MgO 15～25％，Al₂O₃ 15％～20％，MnO 5％～10％，TiO₂5％～10％，SiO₂ 10％～15％，CaO 5～10％，Na₂O 1.0％～2.5％，B₂O₃ 1.5％～3.0％，Re(Mg)0.2％～0.4％，ZrO₂ 3％～5％，各组分的重量百分比之和为100％。

在本发明的焊剂材料中CaF₂控制在15％～25％，CaF₂能提高熔渣的导电性和流动性，并使焊接时产生的氟气，降低了电弧气氛中的[H]分压，代替通常碱性焊剂采用的碳酸盐产生的效果，并抑制熔渣中的还原氧向熔化金属的过渡，以及对焊接工艺性能的影响；MgO控制在15％～25％，MgO作为调整熔渣碱度的主要造渣剂，能保证焊缝金属的纯净度和改善脱渣性；Al₂O₃控制在15％～20％，Al₂O₃能改善焊道表面抗氧化性，并调整熔渣的粘度，保证焊缝表面质量；MnO控制在5％～10％，通过MnO降低熔渣的熔点，改善熔渣的流动性，有利于焊缝成形，降低表面张力，且MnO能调整熔敷金属中的含Mn量，影响熔敷金属中Mn的过渡。

将焊剂材料中TiO₂控制在5％～10％，目的是TiO₂可降低渣的熔化温度，改善熔渣的流动性，促使焊缝金属还原产物的聚集并排除到熔渣中，且TiO₂可以代替SiO₂做酸性氧化物造渣剂加入焊剂中，高温时能与CaF₂反应生存TiF₄，有抗氢气孔的作用。B₂O₃控制在1.5％～3.0％，B为活性元素，焊丝钢冶炼过程中烧损严重，而通过焊剂向焊缝金属中加入B最为合理，向焊剂中加入B2O3(硼砂)会产生还原反应，且B₂O₃易于还原为B，这有利于焊缝熔敷金属中针状铁素体的获得。

焊剂材料中SiO₂控制在10％～15％，SiO₂即是造渣剂，同时又具有稳定电弧的重要作用，焊剂中SiO2含量过多会使粘度增加，降低电弧的稳定性，但焊接时SiO₂会使熔敷金属中的夹杂含量增加，降低冲击韧性，因此控制在较低的10％～15％范围内。

焊剂材料中加入CaO 5％～10％，目的是CaO是高碱度烧结焊剂的主要造渣剂，对S、P的结合能力较强，可以排除焊缝金属中S、P的含量。

焊剂材料中Na₂O控制在1.0％～2.5％，目的是Na₂O的电离能很低，可以提高电弧电压，降低阴极斑点活化能，使电子易于激发，从而使电弧容易引燃和稳定燃烧。但是Na⁺与氧的亲和能力很强，往往使OH^-阴离子破坏与氧结合，增加氢的浓度，使焊缝中形成气孔。本发明渣系为CaF₂-MgO-Al₂O₃-MnO，焊剂材料添加1.0％～2.5％Na₂O是用来稳弧和提高焊剂工艺性能。

焊剂材料中Re(Mg)控制在0.2％～0.4％，Re(Mg)元素是表面活性元素，可以降低表面张力，因而降低了形成临界晶核所需要的形核功，从而使晶核增多，且弥散的质点阻止了晶粒的长大；另一方面，Re(Mg)元素形成了高熔点的稳定物质，而生成极微的异质晶核提供了针状铁素体形核的条件，从而起到了促进针状铁素体形成的作用。

焊剂材料中加入3％～5％的ZrO₂是为了改善高碱性焊剂脱渣的问题，ZrO₂具有两种变体，一种是1000℃以下稳定的单斜晶体，另一种为高于1000℃时稳定的正方晶体。ZrO₂由一种晶体转变为另一种晶体时体积发生约7％的变化，利用这一特性可以起到改善脱渣性能，有利于熔渣脱落。

本发明的焊剂材料可采用常规的烧结工艺制得，步骤如下：

1)配料

按化学组分配料，并将其置于同一容器中。

2)干混

搅动使粉末混合均匀。

3)湿混

加入水玻璃(180～230毫升/公斤)均匀混合。

4)造粒

将搅拌均匀的湿料在容器中来回揉动成粒，用50目和14目过筛网去掉过大和过小颗粒。

5)烘干

在烘箱中进行烘干，在2～3小时内将焊剂缓慢升温至150～200℃进行烘干。

6)烧结

在电炉中进行高温烧结，进一步消除焊剂中的结晶水，将烘干的焊剂颗粒放入炉中加热到750～900℃，烧结时间约为2～3小时。

7)过筛

烧结好的焊剂通过14和50目的过筛网，清除体积过大和过小的颗粒。

实施例1

按重量百分比取20％的CaF₂，24％的MgO，13％的Al₂O₃，8％的MnO，8％的TiO₂，12％的SiO₂，6％的CaO，2.5％的Na₂O，1.9％的B₂O₃，0.2％的Re(Mg)，4.4％的ZrO₂，添加矿石粉机械混合物，用常规电炉烧结法烧结，烧结温度750℃。

该焊剂与H08C焊丝匹配，焊接7.9mm厚X80级管线钢，钢的化学成分按重量百分比计主要含有C0.063％，Mn1.83％，Si0.28％，Mo0.22％，Ni0.03％，Cr0.03％，Nb0.04％，Ti0.016％，B0.0006％，V0.059％，Nb0.061，S0.006％，P0.011％。H08C焊丝的化学成分按重量百分比计主要含有C0.87％，Mn1.44％，Si0.147％，Cu0.22％，Mo0.34％，P0.02％，S0.004％。焊接工艺为不开坡口，正反面各焊一道，反面清根，焊接工艺参数为焊接电流第一面520A，第二面550A，焊接电压32V，焊速26m/h。所得焊缝的金相组织见附图。

焊接接头按API5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表1所示，冲击检验结果如表2所示。

表1 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验

项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)
项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)	匹配H08C	557.3～596.1	644.9～676.9	0.86～0.88	14.7～17.8	229～240
要求	≥551	620～827	≤0.93	≥18	≤240	匹配H08C	557.3～596.1	644.9～676.9	0.86～0.88	14.7～17.8	229～240

表2 X80级管线钢焊接接头冲击试验

实施例2

按重量百分比取22％的CaF₂，20％的MgO，16％的Al₂O₃，8％的MnO，8％的TiO₂，10％的SiO₂，8％的CaO，1.8％的Na₂O，2％的B₂O₃，0.2％的Re(Mg)，4％的ZrO₂，添加矿石粉机械混合物，用常规电炉烧结法烧结，烧结温度750℃。

该焊剂与H08C焊丝匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表3所示，冲击检验结果如表4所示。

表3 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验

项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)
项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)	匹配H08C	560.0～588.5	630.7～680.9	0.86～0.88	16.7～19.3	229～240
要求	≥551	620～827	≤0.93	≥18	≤240	匹配H08C	560.0～588.5	630.7～680.9	0.86～0.88	16.7～19.3	229～240

表4 X80级管线钢焊接接头冲击试验

实施例3

按重量百分比取20％的CaF₂，23％的MgO，16％的Al₂O₃，8％的MnO，8％的TiO₂，10％的SiO₂，8％的CaO，1％的Na₂O，2.6％的B₂O₃，0.4％的Re(Mg)，3％的ZrO₂，添加矿石粉机械混合物，用常规电炉烧结法烧结，烧结温度750℃。

该焊剂与H08C焊丝匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表5所示，冲击检验结果如表6所示。

表5 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验

项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)
项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)	匹配H08C	570.0～593.5	640.7～677.9	0.88～0.89	15.5～19.2	220～240
要求	≥551	620～827	≤0.93	≥18	≤240	匹配H08C	570.0～593.5	640.7～677.9	0.88～0.89	15.5～19.2	220～240

表6 X80级管线钢焊接接头冲击试验

实施例4

按重量百分比取15％的CaF₂，15％的MgO，20％的Al₂O₃，5％的MnO，10％的TiO₂，15％的SiO₂，10％的CaO，1.6％的Na₂O，3％的B₂O₃，0.4％的Re(Mg)，5％的ZrO₂，添加矿石粉机械混合物，用常规电炉烧结法烧结，烧结温度750℃。

该焊剂与H08C焊丝匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表7所示，冲击检验结果如表8所示。

表7 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验

项目

σS(Mpa)

σb(Mpa)

σS/σb

δ5/％

硬度(Hv10)

匹配H08C	560.0～588.5	640.7～677.9	0.86～0.89	15.5～19.2	220～240
匹配H08C	560.0～588.5	640.7～677.9	0.86～0.89	15.5～19.2	220～240	要求	≥551	620～827	≤0.93	≥18	≤240

表8 X80级管线钢焊接接头冲击试验

实施例5

按重量百分比取25％的CaF₂，23％的MgO，15％的Al₂O₃，10％的MnO，5％的TiO₂，10％的SiO₂，5％的CaO，2.2％的Na₂O，1.5％的B₂O₃，0.3％的Re(Mg)，3％的ZrO₂，添加矿石粉机械混合物，用常规电炉烧结法烧结，烧结温度750℃。

该焊剂与H08C焊丝匹配，焊接7.9mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表9所示，冲击检验结果如表10所示。

表9 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验

项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)
项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)	匹配H08C	560.0～596.5	644.7～677.9	0.86～0.89	14.5～19.2	220～240
要求	≥551	620～827	≤0.93	≥18	≤240	匹配H08C	560.0～596.5	644.7～677.9	0.86～0.89	14.5～19.2	220～240

表10 X80级管线钢焊接接头冲击试验

实施例6

按重量百分比取23％的CaF₂，25％的MgO，15％的Al₂O₃，8％的MnO，5％的TiO₂，10％的SiO₂，5％的CaO，2.2％的Na₂O，1.5％的B₂O₃，0.3％的Re(Mg)，5％的ZrO₂，添加矿石粉机械混合物，用常规电炉烧结法烧结，烧结温度750℃。

该焊剂与H08C焊丝匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表11所示，冲击检验结果如表12所示。

表11 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验

项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)
项目	σ<sub>S</sub>(Mpa)	σ<sub>b</sub>(Mpa)	σ<sub>S</sub>/σ<sub>b</sub>	δ<sub>5</sub>/％	硬度(Hv10)	匹配H08C	560.0～588.5	640.7～677.9	0.86～0.89	15.5～19.2	220～240
要求	≥551	620～827	≤0.93	≥18	≤240	匹配H08C	560.0～588.5	640.7～677.9	0.86～0.89	15.5～19.2	220～240

表12 X80级管线钢焊接接头冲击试验

由上述各表中的数值可以看出，本发明高强度管线钢用的埋弧焊焊剂材料是一种高强度、高韧性、综合性能优良的埋弧焊焊剂，特别适用于微合金化控轧控冷的σ_S≥500Mpa高强度管线钢的埋弧焊接，同时适用于相应强度级别高强度低合金的埋弧焊接。

Claims

1.一种高等级管线钢用埋弧焊焊剂材料，按重量百分比由以下组分组成：CaF₂ 15％～25％，MgO 15～25％，Al₂O₃ 15％～20％，MnO 5％～10％，TiO₂5％～10％，SiO₂ 10％～15％，CaO 5～10％，Na₂O 1.0％～2.5％，B₂O₃ 1.5％～3.0％，Re(Mg)0.2％～0.4％，ZrO₂ 3％～5％，各组分的重量百分比之和为100％。