CN101905391B - 一种高强管线钢埋弧焊丝 - Google Patents
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Abstract
一种高强管线钢埋弧焊丝，该焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：C≤0.10，Si≤0.6，Mn1.3～1.8，Ni1.4～2.5，Mo0.25～0.55，Ti≤0.12，V≤0.05，Cr≤0.35，B0.0005～0.005，S≤0.015，P≤0.015，余量为Fe及其它不可避免的杂质。本发明提供的一种高强管线钢埋弧焊丝，熔敷金属屈服强度大于690MPa，抗拉强度大于785Mpa；焊接后，焊缝成形美观，无裂纹、咬边等缺陷，强度高、韧性好、抗裂性好，与X100级管线钢板具有良好的匹配效果，满足了压力较高情况下油气输送管道焊接要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料焊接用埋弧焊丝，尤其是一种用于石油天然气输送管道焊接的高强管线钢埋弧焊丝。
背景技术
石油天然气长输管道采用高钢级输送具有良好的经济效益。近年来国际上X100级管线钢板在天然气长输管线的应用不断增加，该钢管韧性好，强度高，延伸率较高，能承受较大的应力，具有良好的抗震及气密性。由于钢管的高强度及高韧性，因而要求与之相匹配的焊丝也应具有相应的强度和高韧性。而现有的焊接材料尚不能满足X100级管线钢板的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高强管线钢埋弧焊丝，熔敷金属屈服强度大于690 MPa，抗拉强度大于785 Mpa；焊接后，焊缝成形美观，无裂纹、咬边等缺陷，强度高、韧性好、抗裂性好，与X100级管线钢板具有良好的匹配效果，满足了压力较高情况下油气输送管道焊接要求。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高强管线钢埋弧焊丝，该焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：
C≤0.10，Si≤0.6，Mn 1.3～1.8 ，Ni 1.4～2.5，Mo 0.25～0.55，Ti≤0.12，V≤0.05，Cr≤0.35，B 0.0005～0.005，S≤0.015，P≤0.015，余量为Fe及其它不可避免的杂质。
焊丝材料组成的化学成分中，控制Mn/Si=2.5～3.0。
焊丝表面镀有铜，焊丝最终含铜的重量百分比为Cu≤0.20。
本发明采用Mn-Mo-Ni-Cr-Ti-V-B合金设计，并配合Si元素，使得钢种在强韧性、耐腐蚀、加工型等综合性能得到全面提升。
铬是抗腐蚀性的基本元素，能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性；又能显著提高强度、硬度和耐磨性，但过量的铬含量将会引起碳化物偏析，将导致降低冲击韧性，因此本焊丝中的铬的重量含量应在≤0.35%。
镍能提高钢的强度，又能保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，能提高钢的抗疲劳性能，减少钢对缺口的敏感性，降低钢的低温脆性转变温度，因此本焊丝中的镍的重量含量应在1.4～2.5%。
钼产生固溶强化，能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，可抑制合金钢由于回火而引起的脆性，因此本焊丝中的钼的重量含量应在0.25～0.55%。
钛是碳氮化物的形成元素，是钢中的强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能，因此本焊丝中的钛的重量含量应在≤0.12 %。
锰是硬化元素，同时还起到了脱氧和脱硫的作用，但过高的锰容易造成Mn的偏析，从而降低金属的韧性，因此本焊丝中锰的含量应在1.3～1.8 %。
硼可以降低固溶氮的含量，因此加入微量的硼可以提高材料的韧性。
钒是碳氮化合物的形成元素，是钢的优良脱氧剂。添加少量的钒可以细化组织晶粒，促进针状铁素体微结构的形成，从而从整体上提高焊接金属的韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钛与钒复合使用可获得更加细小的晶粒度，而无需在热轧中通过控制来降低精轧温度。
S、P有害元素，会对加工性能产生一些不利影响，主要会降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹，还会降低钢的耐腐蚀性能。因此这些元素必须尽可能控制在最小范围内。本焊丝中S、P的重量含量控制为S≤0.015%，P≤0.015%。
本发明提供的一种高强管线钢埋弧焊丝，有益效果如下：
1、本焊丝通过对化学成分进行合理的设计，质量稳定，其熔敷金属屈服强度大
于690 MPa，抗拉强度大于785 Mpa，焊接后，焊缝成形美观，无裂纹、咬边等缺陷，强度高、韧性好、抗裂性好，与X100钢板具有良好的匹配效果，满足了压力较高情况下油气输送管道焊接要求。
2、在开发本产品时，采用了正交试验法考察C、Mn、Mn/Si、Ti、Mo、Ni、Cr
七个成分因素，及这七个成分因素影响中强度气体保护焊丝熔敷金属的强度及韧性位级表。S、P元素没有列入正交试验表，因其成分保持在一定的水平（如≤0.020%）是焊材行业通行的做法。通过试验，按照极差R的大小，把各合金元素对熔敷金属的强化及韧化的作用以大小顺序排列出来，结论是，强化效果最显著的是C，其次是Cr、Mo和Mn,再次是Mn/Si和Ni,最弱的是Ti；韧化效果最显著的是Ti，其次是Ni，再次Mn/Si,较弱的是C、Mn、Ni、Mo。显然，Mn/Si在对焊缝金属的强化和韧化过程中起着非常重要的作用，试验证明，Mn/Si为3时，焊缝金属的强度及韧性指标最好，考虑到金属中Mn、Si的还原反应产物MnO和SiO2如果残留在金属内部将为形成非金属夹渣物缺陷。研究表明，如采用Mn、Si共同脱氧，当Mn、Si的比例合适时，则可得到FeO- MnO-SiO2氧化物溶液，其熔点比液态金属低很多，流动性好，可在液态金属凝固之前浮出表面，不会产生非金属夹渣。而这个Mn/Si在1.5以上，因而确定Mn/Si控制在2.5～3.0时，能较好地控制焊缝金属的强度及韧性指标。
3、焊丝表面镀铜是为了提高焊丝在焊接过程中的导电性，铜元素的存在，使焊丝的导电性能大幅提高，这样，焊丝在使用过程中送丝顺畅，而且焊接过程电弧稳定，但铜元素残存在焊缝中，将造成焊缝脆，韧性下降，一般来说，焊缝中铜元素含量超过0.8%，将导致焊缝“V”型缺口冲击功急骤下降，为此，在焊材行业标准中均控制Cu≤0.50%，本产品为埋弧焊丝，焊丝埋在焊剂下电弧进行焊接燃烧，因而铜的烧损较气保焊时少，因而延用较高要求的埋弧焊丝铜含量的控制要求，控制焊丝基体及镀铜总量≤0.20%。
4、本发明的焊丝合金体系适合，其盘条冶炼、轧制及焊丝拉拔工艺容易实现，质量稳定，焊丝的成本低，可广泛用于机械工程、铁路桥梁、海洋设施、高压容器、油气输送管等大型、重要结构低合金高强钢的焊接。
具体实施方式
一种高强管线钢埋弧焊丝，焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：
C≤0.10，Si≤0.6，Mn 1.3～1.8 ，Ni 1.4～2.5，Mo 0.25～0.55，Ti≤0.12，V≤0.05，Cr≤0.35，B 0.0005～0.005，S≤0.015，P≤0.015，余量为Fe及其它不可避免的杂质。
焊丝材料组成的化学成分中，Mn/Si=2.5～3.0。
焊丝表面镀有铜，焊丝最终含铜的重量百分比为Cu≤0.20。
实施例1
采用90吨电炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Φ4.0mm的焊丝。该焊丝的化学成分按重量百分比计为：C 0.076，Si 0.52，Mn 1.46，Ni1.45，Mo 0.35， Ti 0.06，V 0.02，Cr 0.25，B 0.003， S 0.005，P 0.010，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.12%。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂按GB/T12470-2003进行熔敷金属力学性能试验，母材为X100,焊接规范为：焊接电流500A，焊接电压29V，焊接速度25±1.5cm/min，层间温度150±15℃，熔敷金属抗拉强度为815 MPa，屈服强度为725 MPa,延伸率为28%，-20℃冲击吸收功为129J，达到了X100钢板屈服强度大于690 MPa的要求。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂进行焊接接头试验。试验时采用两X100级管线钢板对接，15mm厚。
接头型式：X；
衬垫：无；
钝边= 5mm；
坡口角度= 内45°，外45°；
对接间隙=0mm；
焊缝高度= 0.5～2.5 mm。
焊接规范为：焊接电流650～900A，焊接电压39V，焊接线能量为30.5KJ/cm，，气保打底，内三丝外三丝埋弧焊，焊接后焊缝成形美观，无裂纹咬边等缺陷。接头拉伸强度为800、795MPa，断母材，弯轴直径90mm、180度弯曲时面弯背弯均完好；-10℃冲击吸收功焊缝为120J，热影响区为155J。试验是根据“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）”和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求进行试件的准备、焊接和试验的，其试验结果满足“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）” 和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求。
实施例2
采用90吨电炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Φ4.0mm的 焊丝。该焊丝的化学成分为按重量百分比计为：C 0.083，Si 0.32，Mn 1.58，Ni1.55，Mo 0.38，Ti 0.08，V 0.03，Cr 0.28，B 0.003，S 0.003，P 0.013，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.12%。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂按GB/T12470-2003进行熔敷金属力学性能试验，母材为X100,焊接规范为：焊接电流500A，焊接电压29V，焊接速度25±1.5cm/min，层间温度150±15℃，熔敷金属抗拉强度为835 MPa，屈服强度为735 MPa,延伸率为27%，-20℃冲击吸收功为141J，达到了X100钢板屈服强度大于690 MPa的要求。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂进行焊接接头试验。试验时采用两X100级管线钢板对接，15mm厚。
接头型式：X；
衬垫：无；
钝边= 5mm；
坡口角度= 内45°，外45°；
对接间隙=0mm；
焊缝高度= 0.5～2.5 mm。
焊接规范为：焊接电流650～900A，焊接电压39V，焊接线能量为30.5KJ/cm，，气保打底，内三丝外三丝埋弧焊，焊接后焊缝成形美观，无裂纹咬边等缺陷。接头拉伸强度为800、795MPa，断母材，弯轴直径90mm、180度弯曲时面弯背弯均完好；-10℃冲击吸收功焊缝为140J，热影响区为180J。试验是根据“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）”和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求进行试件的准备、焊接和试验的，其试验结果满足“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）” 和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求。
实施例3
采用90吨电炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Φ4.0mm的 焊丝。该焊丝的化学成分按重量百分比计为：C 0.063，Si 0.32，Mn 1.36，Ni1.42，Mo 0.26， Ti 0.06，V 0.02，Cr 0.18，B 0.002， S 0.002，P 0.010，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.12%。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂按GB/T12470-2003进行熔敷金属力学性能试验，母材为X100,焊接规范为：焊接电流500A，焊接电压29V，焊接速度25±1.5cm/min，层间温度150±15℃，熔敷金属抗拉强度为805 MPa，屈服强度为710 MPa,延伸率为30%，-20℃冲击吸收功为139J，达到了X100钢板屈服强度大于690 MPa的要求。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂进行焊接接头试验。试验时采用两X100级管线钢板对接，15mm厚。
接头型式：X；
衬垫：无；
钝边= 5mm；
坡口角度= 内45°，外45°；
对接间隙=0mm；
焊缝高度= 0.5～2.5 mm。
焊接规范为：焊接电流650～900A，焊接电压39V，焊接线能量为30.5KJ/cm，气保打底，内三丝外三丝埋弧焊，焊接后焊缝成形美观，无裂纹咬边等缺陷。接头拉伸强度为805、785MPa，断母材，弯轴直径90mm、180度弯曲时面弯背弯均完好；-10℃冲击吸收功焊缝为116J，热影响区为135J。试验是根据“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）”和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求进行试件的准备、焊接和试验的，其试验结果满足“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）” 和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求。
实施例4
采用90吨电炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Φ4.0mm的 焊丝。该焊丝的化学成分按重量百分比计为：C 0.0094，Si 0.58，Mn 1.74，Ni 2.42，Mo 0.51，Ti 0.10，V 0.03，Cr 0.31，B 0.003， S 0.003，P 0.011，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.10%。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂按GB/T12470-2003进行熔敷金属力学性能试验，母材为X100,焊接规范为：焊接电流500A，焊接电压29V，焊接速度25±1.5cm/min，层间温度150±15℃，熔敷金属抗拉强度为835 MPa，屈服强度为720 MPa,延伸率为28.5%，-20℃冲击吸收功为117J，达到了X100钢板屈服强度大于690 MPa的要求。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂进行焊接接头试验。试验时采用两X100级管线钢板对接，15mm厚。
接头型式：X；
衬垫：无；
钝边= 5mm；
坡口角度= 内45°，外45°；
对接间隙=0mm；
焊缝高度= 0.5～2.5 mm。
焊接规范为：焊接电流650～900A，焊接电压39V，焊接线能量为30.5KJ/cm，，气保打底，内三丝外三丝埋弧焊，焊接后焊缝成形美观，无裂纹咬边等缺陷。接头拉伸强度为805、790MPa，断母材，弯轴直径90mm、180度弯曲时面弯背弯均完好；-10℃冲击吸收功焊缝为136J，热影响区为121J。试验是根据“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）”和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求进行试件的准备、焊接和试验的，其试验结果满足“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）” 和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求。
实施例5
采用90吨电炉，选用低S、P的钢坯进行焊丝钢冶炼，精冶炼出焊丝用钢，再轧制成焊接用钢盘条，经过拉丝、镀铜、绕线工序制成Φ4.0mm的 焊丝。该焊丝的化学成分按重量百分比计为：C 0.086，Si 0.56，Mn 1.40，Ni1.42，Mo 0.35， Ti 0.06，V 0.02，Cr 0.25，B 0.003， S 0.003，P 0.010，余量为铁和不可避免的杂质。在经过拉拔制成焊丝后表面镀铜，焊丝铜含量为0.12%。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂按GB/T12470-2003进行熔敷金属力学性能试验，母材为X100,焊接规范为：焊接电流500A，焊接电压29V，焊接速度25±1.5cm/min，层间温度150±15℃，熔敷金属抗拉强度为815 MPa，屈服强度为710 MPa,延伸率为28%，-20℃冲击吸收功为125J，达到了X100钢板屈服强度大于690 MPa的要求。
采用上述Φ4.0mm焊丝，配合SJ101G焊剂进行焊接接头试验。试验时采用两X100级管线钢板对接，15mm厚。
接头型式：X；
衬垫：无；
钝边= 5mm；
坡口角度= 内45°，外45°；
对接间隙=0mm；
焊缝高度= 0.5～2.5 mm。
焊接规范为：焊接电流650～900A，焊接电压39V，焊接线能量为30.5KJ/cm，，气保打底，内三丝外三丝埋弧焊，焊接后焊缝成形美观，无裂纹咬边等缺陷。接头拉伸强度为800、795MPa，断母材，弯轴直径90mm、180度弯曲时面弯背弯均完好；-10℃冲击吸收功焊缝为125J，热影响区为155J。试验是根据“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）”和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求进行试件的准备、焊接和试验的，其试验结果满足“焊接和钎焊评定规范（ASME IX）” 和API SPEC 5L“管线钢管规范（44版）”的要求。
Claims (1)
1.一种高强管线钢埋弧焊丝，其特征在于焊丝材料组成的化学成分重量百分比为：
C≤0.10，Si≤0.6，Mn 1.3～1.8 ，Ni 1.4～2.5，Mo 0.25～0.55，Ti≤0.12，V≤0.05，Cr≤0.35，B 0.0005～0.005，S≤0.015，P≤0.015，余量为Fe及其它不可避免的杂质；焊丝材料组成的化学成分中，Mn/Si=2.5～3.0，焊丝表面镀有铜，焊丝最终含铜的重量百分比为Cu≤0.20。
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