CN101879669B - 气保焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气保焊丝，用于抗压抗冲击耐腐蚀的高等级管道，该焊丝的冷裂纹敏感指数Pcm用公式Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B计算下的范围为0.15％~0.25％，组成该焊丝的化学成分中的有Cr、Ni、Mo、Ti、V、B六种合金元素重量百分比之和控制在0.6~1.2％之间，其他元素中Mn、Si及P成分的重量配比按Mn/(Si+P)计算的比值范围为1.7~4.0，余量为Fe和S等其他不可避免的夹杂。本发明具有与高等级管道的高强度、高压力、高要求接头性能相匹配的高强度，高的低温冲击吸收功，焊接电弧稳定，全位置焊接工艺性优良。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料焊接用的气体保护焊丝材料，尤其适用于抗压抗冲击、且具有耐腐蚀性能的高等级管道用的气体保护焊丝。
背景技术
目前，我国的机械工业和运输业正处于高速发展时期，随着工程机械新钢种强度与韧性的不断提高，现有焊丝焊缝强韧性与基材相比差距较大，我国每年都要进口大量高强度系列焊接材料以满足工程机械、石油管线、压力容器、汽车制造、军工舰船等新一代高性能工程结构用钢等行业其他保护焊接材料的需求，管线用钢是目前发展比较快和使用性能要求较高的钢种之一，管线钢具有高强度和相当高的低温冲击韧性水平才可能满足油、气管线对使用性能的要求。例如目前正在进行的西气东输二线工程与目前国内已建管道相比，具有设计压力最高、输气量最大、距离最长、所使用的钢材等级最高、需适应复杂地质结构和严酷环境等特点，因此采用管径1219毫米的X80级管道钢，这对管道连接的要求是非常高的，所以选用匹配的焊材来保证管道接头质量是最重要的关键点，要求焊丝应具备高强、高韧和良好的焊接工艺性，以及与钢管相匹配的耐腐蚀性。中国专利公开号为CN1043680介绍了一种“焊接用焊丝”的专利，该焊丝材料是采用CO2气体进行保护施焊的，虽然施焊出的熔敷金属抗拉强度可达800Mpa ,但是低温冲击韧性却很低，不能满足施焊钢以及低温服役下的适用要求；日本专利P2000-218391A介绍了一种气体保护焊丝，该焊丝的焊接金属具有良好的低温冲击韧性，但不足之处是抗拉强度不能稳定达到700Mpa；中国专利公开号为CN1413795A的“超低碳高强度气体保护焊丝材料”专利，虽然其焊丝能与700～800Mpa的高强钢匹配使用，但其不足在于Ni含量较高，在焊丝的拉拔中易拉断，也未能解决耐腐蚀问题。由此可见，摆脱依赖进口材料的局面，开发抗压抗冲击，并且耐蚀的高等级管道用焊接材料很有必要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有高强度、高冲击吸收功、耐腐蚀、焊接效果好的气保焊丝。
为实现上述目的，本发明提出一种气保焊丝，用于抗压抗冲击耐腐蚀的高等级管道，所述气保焊丝的冷裂纹敏感指数Pcm用公式Pcm＝C+Si/30 +(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B计算下的范围为0.15%~0.25%，组成该焊丝的化学成分中的有Cr、Ni、Mo、Ti、V、B六种合金元素重量百分比之和控制在0.6~1.2%之间，其他元素中Mn、Si及P成分的重量配比按Mn/(Si+P)计算的比值范围为1.7~4.0，余量为Fe和S等其他不可避免的夹杂。
上述焊丝中加入的有效合金元素重量百分比范围为：Cr≤0.60%，Ni≤0.60%，Mo≤0.50%，Ti≤0.2%,V≤0.15%，B≤0.008%。
上述焊丝在以上六种合金元素的选材中，Cr和Ni至少选择一种，Ti、Mo、V、B中至少选择其中一种。
所述焊丝的一种优选化学成分组合方式（质量百分比）为：C:0.05～0.10；Si:0.30～0.70；Mn:1.20～1.60；P ≤0.020；S≤0.015；Ni:0.25～0.50；Mo:0.10～0.50；Ti:0.08～0.15；Cu≤0.10，余量为Fe和其他不可避免的夹杂。
所述焊丝的另一种优选化学成分组合方式（质量百分比）为：C: 0.05～0.10；Si: 0.20～0.60；Mn:1.40～1.80；P: ≤0.020；S≤0.015；Ni:0.50～1.00；Ti:0.08～0.20；Cu≤0.20；B:0.003～0.005，余量为Fe和其他不可避免的夹杂。
焊丝中加入合适的Ni、Cr、B、Ti、V、Mo等微量合金元素，可以促使在焊缝金属中产生大量高密度位错的细针状铁素体组织，本发明的冷裂纹敏感指数限定范围和合金元素组分设计原理如下；
1）冷裂纹敏感指数Pcm：低的裂纹敏感指数Pcm能有效抵制应力腐蚀，应力腐蚀是在拉应力作用下产生的脆性破断。降低裂纹敏感指数会加大材料的塑性储备，从焊接的角度上说，Pcm数值大，在焊接时焊接接头容易产生淬硬组织，其硬度较高，淬硬组织对腐蚀环境特别敏感，容易出现应力腐蚀，从而产生焊缝破裂。通过对Pcm的确定，可以衡量低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，从而确定诸如预热、焊后热处理、线能量等等的焊接工艺条件。
高等级管道材料的可焊性可用两种判别指标，一种是影响可焊性的许多化学元素，普通的材料一般用碳当量来判别其可焊性的优劣，高等级材质可用Pcm判别。经过反复试验证明用于输油管线的Pcm以0.20～0.25为易。用于输气管线的以0.15～0.23为易。二是焊接热影响区的硬度，Pcm≥0.30时，Pcm数值越高冷却速度越快，热影响区的硬度越高，从800℃到300℃的冷却速度影响热影响区的显微组织，冷却速度加快会使热影响区的硬度增加，组织变脆；从300℃到100℃的冷却速度影响焊接金属中氢的扩散，会降低热影响区的韧性和增加对裂纹的敏感性。
2）合金元素：
Ni：Ni是合金钢中一个重要元素，它作为合金钢元素特意加入钢内可增加钢的弹性、延展性、抗蚀性，使钢具有极高的机械性能：可使钢具有韧性、防腐抗酸性、高导磁性，并使晶粒细化，提高淬透性，增加硬度等；
Cr：Cr能提高钢的机械性能和耐磨性，增加钢淬火的变形能力，增加钢的硬度、弹性、抗磁性、耐蚀性和耐热性等；
Mo：Mo在钢中可增强钢的强度而不减其可塑性及韧性,同时能使钢在高温下有足够的强度和改善钢的耐蚀性和冷脆性；
Ti：Ti防止钢中产生气泡及改善钢的品质和提高其机械性能。另外Ti在焊缝中保护B不被氧化,因此,B可作为原子状态偏聚于晶界,这些聚集在y晶界的B原子,降低了晶界能,抑制了先公析铁素体(包括粒界铁素体GBF和侧板条铁素体FSP)的形核与生长,从而促进生成针状铁素体,改善了焊缝组织的韧性。
V：微量的V能提高钢的强度、弹性、冲击韧性，尤其是提高高温强度。
B：微量的B能提高钢的淬透性，提高钢的高温强度，强化晶界的作用。
本发明中Ni、Mo、Ti、V、B等成份之和的范围为：0.60～1.20％。通过加入Ni、Mo、Ti、V、B等合金元素中的两种或两种以上的组合来提高和改善焊缝的强度、韧性、耐蚀性等等相关性能，经过试验总结得出合适的组合加入量不应小于0.60%；同时为了控制Pcm数值，Ni、Mo、Ti、V、B的含量又不应大于1.20%。
3）Mn、Si、P之间的最佳比例Mn/(Si+P)的值为1.7～4.0:
Mn、Si、P等元素在焊接过程中是碳主要的还原剂，尤其是Mn、Si元素是焊缝的主要脱氧剂，有利于减少焊缝中气孔的产生，从而提高焊接接头的质量；Mn在炼钢及焊接时也是脱硫剂。Mn可以和S反应作用以防止热脆并提高钢的可锻性。同时Mn、Si也是保证焊缝强度的主要元素，尤其是Mn元素能显著提高焊缝的强度，Mn含量超过1.0%时可明显提高强度，特别耐磨，适量的Si也可以提高焊缝的强度，并且增加焊接时焊缝铁水的流动性能；P也能使钢的强度及硬度显著提高，但使塑性及韧性下降，特别是使钢的脆性转变随温度升高，提高了钢的冷脆性；所以会被严格控制上限值范围。
Mn在钢中主要成MnS状态存在，当生成MnS后有多余的锰时，也可组成Mn3C2外，还有其他状态如MnSi、FeMnSi等。在Mn、Si脱氧还原的过程中 Si比Mn更难还原，需要消耗更多的热量。为保证焊接时脱硫所需热量，经过实验证明Si的含量不应大于1.0%比较好。
另外Mn和Si对焊接接头韧性的影响也比较复杂。经研究表明，低合金钢气保焊丝焊缝Mn、Si含量过多，韧性下降，只有当锰硅有合适的比例时，低温冲击吸收功最佳，硅与锰的含量可以降低焊缝中的含氧量，但这里更重要的是改变了焊缝的组织，因而对韧性有很大的影响。
单纯采用增加Mn、Si含量来提高焊缝的韧性是有限的，特别是在大线能量进行焊接时，仍难以避免产生粗大先共析铁素体和侧板条铁素体。因此向焊缝中加入细化晶粒的合金元素如Ni、Mo、Ti、V、B等其中的一种或多种元素的组合能进一步改善组织，提高焊缝的韧性。
本发明具有以下特点：
（1）本发明提供的气保焊丝具有与高等级管道的高强度、高压力、高要求接头性能相匹配的高强度，高的低温冲击吸收功，抗拉强度可达700MPa以上，能够满足焊接石油管线、高强度工程结构钢、海洋舰船的焊接技术要求。
（2）本发明提供的气保焊丝具有优良的焊接可操作性，能提高电弧稳定性，提高焊接操作效率，且适合于多位置的焊接，焊缝接头成型优良。
具体实施方式
（实施例1）
以下对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和试验数据，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
选用一种Pcm为0.226，镍+钼+钛为0.69％，Mn/(Si+P)为2.58的气保焊丝，其具体成份百分含量表示为：C:0.10；Si:0.58；Mn:1.53；P:0.013；S:0.005；Cr:0.032；Ni:0.337；Mo:0.271； Ti:0.083；Cu:0.08；V:0.0011；B:0.0002；Al:0.033；Co:0.0021。用该焊材试验用于材质为API X80，直径φ1219mm，壁厚18.4mm的管道。焊接方法熔化极气体保护焊（GMAW），焊接方向向下，分别用于根焊、热焊、填充焊、盖面焊。焊接参数如下：
外观检测与射线探伤：
| 项 目 | 结 论 | 项 目 | 结 论 |
| 宽 度 | 12.5-13.5mm | 气 孔 | 无 |
| 余 高 | 1.8mm | 内咬边 | 无 |
| 错 边 | 0.6mm | 外咬边 | 无 |
| 裂 纹 | 无 | 内 凹 | 无 |
| 未焊透 | 无 | 烧 穿 | 无 |
| 未熔合 | 无 | 焊 瘤 | 无 |
| 探 伤 | 未见缺陷 | 综 合 | 合格 |
破坏性试验：
1．与焊缝垂直的横向拉伸试验：
2．弯曲试验（试验规格：230Х壁厚Х13mm）：
| 取样位置 | 试验类别 | 检验结果 | 取样位置 | 试验类别 | 检验结果 |
| 0-3点 | 侧弯 | 无缺欠 | 0-3点 | 面弯 | 无缺欠 |
| 3-6点 | 侧弯 | 无缺欠 | 3-6点 | 背弯 | 无缺欠 |
| 6-9点 | 侧弯 | 无缺欠 | 6-9点 | 面弯 | 无缺欠 |
| 9-12点 | 侧弯 | 无缺欠 | 9-12点 | 背弯 | 无缺欠 |
3. 刻槽锤断试验（试验规格：230Х壁厚Х25mm，刻槽方式：三面刻槽）：
| 取样位置 | 检验记录 | 备注 |
| 0-3点 | 未见缺陷 | － |
| 3-6点 | 未见缺陷 | － |
| 6-9点 | 未见缺陷 | － |
| 9-12点 | 未见缺陷 | － |
4．冲击试验（试验规格：50Х10Х10mm；缺口类型：Ｖ）：
5. 硬度检测(试验类型：HV10):
6. 宏观低倍（照相）分析结果：
| 取样位置 | 检验记录 | 备注 |
| 0点 | 未见缺陷 | － |
| 3点 | 未见缺陷 | － |
| 6点 | 未见缺陷 | － |
| 9点 | 未见缺陷 | － |
（实施例2）
选用一种Pcm为0.223，镍+钛+硼为0.87％，Mn/(Si+P)为3.32的气保焊丝，其具体成份百分含量表示为：C:0.07；Si:0.53；Mn:1.8；P:0.013；S:0.006；Cr:0.024；Ni:0.75；Mo:0.008； Ti:0.108；Cu:0.17；V:0.001；B:0.0045；Al:0.018；Co:0.002。用该焊材试验用于材质为API X80，直径φ1219mm，壁厚18.4mm的管道。焊接方法熔化极气体保护焊（GMAW），焊接方向向下，分别用于根焊、热焊、填充焊、盖面焊。焊接参数如下：
外观检测与射线探伤：
| 项 目 | 结 论 | 项 目 | 结 论 |
| 宽 度 | 13-13.5mm | 气 孔 | 无 |
| 余 高 | 1.7mm | 内咬边 | 无 |
| 错 边 | 0.5mm | 外咬边 | 无 |
| 裂 纹 | 无 | 内 凹 | 无 |
| 未焊透 | 无 | 烧 穿 | 无 |
| 未熔合 | 无 | 焊 瘤 | 无 |
| 探 伤 | 未见缺陷 | 综 合 | 合格 |
破坏性试验：
1．与焊缝垂直的横向拉伸试验：
2．弯曲试验（试验规格：230Х壁厚Х13mm）：
| 取样位置 | 试验类别 | 检验结果 | 取样位置 | 试验类别 | 检验结果 |
| 0-3点 | 侧弯 | 无缺欠 | 0-3点 | 面弯 | 无缺欠 |
| 3-6点 | 侧弯 | 无缺欠 | 3-6点 | 背弯 | 无缺欠 |
| 6-9点 | 侧弯 | 无缺欠 | 6-9点 | 面弯 | 无缺欠 |
| 9-12点 | 侧弯 | 无缺欠 | 9-12点 | 背弯 | 无缺欠 |
3. 刻槽锤断试验（试验规格：230Х壁厚Х25mm，刻槽方式：三面刻槽）：
| 取样位置 | 检验记录 | 备注 |
| 0-3点 | 未见缺陷 | － |
| 3-6点 | 未见缺陷 | － |
| 6-9点 | 未见缺陷 | － |
| 9-12点 | 未见缺陷 | － |
4．冲击试验（试验规格：50Х10Х10mm；缺口类型：Ｖ）：
5. 硬度检测(试验类型：HV10):
6. 宏观低倍（照相）分析结果：
| 取样位置 | 检验记录 | 备注 |
| 0点 | 未见缺陷 | － |
| 3点 | 未见缺陷 | － |
| 6点 | 未见缺陷 | － |
| 9点 | 未见缺陷 | － |
Claims (2)
1.一种气保焊丝，用于抗压抗冲击耐腐蚀的高等级管道，其特征在于：所述气保焊丝的冷裂纹敏感指数Pcm用公式Pcm＝C+Si/30 +(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B计算下的范围为0.15%~0.25%，组成该焊丝的化学成分中的有Cr、Ni、Mo、Ti、V、B六种合金元素重量百分比之和控制在0.6~1.2%之间，其他元素中Mn、Si及P成分的重量配比按Mn/(Si+P)计算的比值范围为1.7~4.0，所述焊丝的化学成分组合方式（质量百分比）为：C:0.05～0.10；Si:0.30～0.70；Mn:1.20～1.60；P ≤0.020； S≤0.015；Ni:0.25～0.50；Mo:0.10～0.50；Ti:0.08～0.15；Cu≤0.10，余量为Fe和其他不可避免的夹杂。
2.一种气保焊丝，用于抗压抗冲击耐腐蚀的高等级管道，其特征在于：所述气保焊丝的冷裂纹敏感指数Pcm用公式Pcm＝C+Si/30 +(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B计算下的范围为0.15%~0.25%，组成该焊丝的化学成分中的有Cr、Ni、Mo、Ti、V、B六种合金元素重量百分比之和控制在0.6~1.2%之间，其他元素中Mn、Si及P成分的重量配比按Mn/(Si+P)计算的比值范围为1.7~4.0，所述焊丝的化学成分组合方式（质量百分比）为：C: 0.05～0.10；Si: 0.20～0.60；Mn:1.40～1.80；P: ≤0.020；S≤0.015；Ni:0.50～1.00；Ti:0.08～0.20；Cu≤0.20；B:0.003～0.005，余量为Fe和其他不可避免的夹杂。
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