CN102069320B - 一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法。其技术方案是：该埋弧焊焊丝的组分是：C为0.04～0.06wt％，Mn为1.40～2.00wt％，Mo为0.70～1.10wt％，Ni为2.00～2.60wt％，Cr为0.80～1.20wt％，Cu为0.10～0.30wt％，B≤0.0005wt％，S≤0.01wt％，P≤0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；其制备工艺为：按照上述组分在冶炼中加入0.01～0.5wt％的复合添加剂，浇注成方坯，热轧成Φ5.5～Φ7.5mm盘条，去除表面氧化皮，拉拔成Φ3.2～Φ4.0mm的焊丝，镀铜。复合添加剂以包芯线的方式加入。本发明所制备的焊丝与SJ105焊剂匹配焊接，焊缝金属抗拉强度σ_b≥910MPa；焊缝金属-30℃冲击韧性A_kv≥84J，适合于X120超高强管线钢的埋弧焊接。

Description

一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法

技术领域

本发明属于埋弧焊焊丝技术领域。具体涉及一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法

背景技术

随着我国能源结构调整和环保需求，对天然气的需求不断增加。为满足未来天然气管线建设的需要，近年来，我国投入了大量的人力物力进行管线钢的研制、开发和生产。目前已研制生产出X60、X65、X70、X80等各种强度等级的管线钢，并成功运用到西气东输一线及二线等工程中。研究数据表明，超高强度管线钢在恒定输量下，相比于低强度级别，可大大减少壁厚及质量。如用X120管线钢替代X70管线钢，可使成本降低38％左右。超高强度管线钢(如X100、X120)的应用，在节约材料、提高输送压力和运输量、减少施工量、降低维护费用等方面都具有较高的经济效益。因此，X120超高强度管线钢及其焊丝的研发为本领域技术人员所关注。

管线钢需经过成型工艺、焊接工艺制造成钢管，才能运用到天然气管线的建设中。制管过程中，通常采用的焊接方法为埋弧焊。现有的有关管线钢埋弧焊焊丝的技术中：“低碳微合金化埋弧焊丝”(ZL92105621.4)专利技术是与X60管线钢相匹配的埋弧焊丝；“管线钢用高韧性埋弧焊丝”(ZL200710303639.7)专利技术是与X60～X70管线钢相匹配的埋弧焊焊丝；“低合金高强度高韧性埋弧焊丝”(ZL97104393.0)专利技术、“高性能管线钢埋弧焊焊丝”(ZL01106520.6)的专利技术是与X70管线钢配套的埋弧焊焊丝；“高强度管线钢用埋弧焊焊丝”(ZL200510018993.6)专利技术、“管线钢用埋弧焊丝”(ZL200610145593.6)专利技术、“X80管线钢埋弧焊焊丝”(ZL200710139338.5)专利技术、“高等级管线钢用高强度高韧性高焊速埋弧焊丝”(ZL200810005040.X)专利技术、“X80管线钢用埋弧焊焊丝材料及其制备方法”(ZL200910022437.4)专利技术均是与X80管线钢相匹配的埋弧焊丝。以上专利技术所发明的埋弧焊焊丝，其焊缝金属的最高抗拉强度不超过750MPa。到目前为止，还没有公开的、抗拉强度超过900MPa、适用于X120管线钢焊接的埋弧焊焊丝的发明专利。

发明内容

本发明旨在弥补现有技术的不足，目的是提供一种适用于X120超高强度管线钢用埋弧焊焊丝的制备方法；用该方法制备的焊丝，其焊接接头力学性能与X120超高强度管线钢相匹配，能满足对其焊接钢管高强度、高韧性的技术要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.04～0.06wt％，Mn为1.40～2.00wt％，Mo为0.70～1.10wt％，Ni为2.00～2.60wt％，Cr为0.80～1.20wt％，Cu为0.10～0.30wt％，B≤0.0005wt％，S≤0.01wt％，P≤0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

该埋弧焊焊丝的制备工艺为：先按照上述化学组分进行冶炼，冶炼过程中加入该组分0.01～0.5wt％的复合添加剂，再浇注成方坯，然后热轧成Φ5.5～Φ7.5mm盘条，去除表面氧化皮，拉拔成Φ3.2～Φ4.0mm的焊丝，最后镀铜。

复合添加剂以包芯线的方式加入，复合添加剂的化学组分及其含量是：Si为45～70wt％，Ti为10～30wt％，Zr为15～35wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

由于采用了上述技术方案，本发明适当降低碳含量，以保持同母材相当的碳含量，适当提高Mn及Cr、Mo元素的含量以弥补碳含量减少而引起强度的降低；提高Mn含量既能弥补因较低的碳含量而引起的强度下降，又可在一定范围内提高针状铁素体的体积分数，减少先共析铁素体数量，容易得到低碳贝氏体组织；Mo元素、Ni元素与Mn元素共同作用，可降低γ→α相变温度，使铁素体与贝氏体转变温度区相分离，在较宽的温度范围内获得针状铁素体和贝氏体；Cr元素起到提高强度的作用，另外可抑制先共析铁素体的生成，增加焊缝金属中针状铁素体的含量，从而提高焊缝金属的强韧性；复合添加剂促进了焊缝金属中针状铁素体的形成，增加针状铁素体的数量，以提高焊缝金属的冲击韧性。添加Ni、B元素，限制S、P等杂质元素的含量，以提高焊缝金属的强韧性；B元素可在晶界形成偏析，控制奥氏体迁移，从而控制针状铁素体与贝氏体的组成相比例；S和P元素显著降低焊缝金属的低温冲击韧性，应严格限制这两种元素在焊丝中的含量，以保证焊缝金属中S、P元素控制在较低的水平。Cu元素在细化晶粒的同时，可提高抗大气腐蚀能力；焊丝在制造过程中通常要镀铜，以防锈和增强焊接过程的导电性和送丝稳定性；焊丝表面镀的铜会在焊接过程中过渡到焊缝中，因此焊丝中的铜含量相对低一些。

本发明以多个元素按目标成分做成复合添加剂，用包芯线的方式加入，一次性达到脱氧与合金化的目的，具有工艺过程简单、时间短、易于命中Si、Ti、Zr元素目标成分的特点。

因此，本发明所制备的埋弧焊焊丝，经与SJ105焊剂配套使用，焊接X120超高强管线钢后，焊缝金属组织为针状铁素体+贝氏体组织。强韧性较好的贝氏体组织保证了焊缝金属的强度，针状铁素体提高了焊缝金属的韧性，该双相组织使焊缝金属具备了较高的抗拉强度，同时具有较高的冲击韧性，抗拉强度达到≥910MPa，-30℃冲击韧性达到≥84J，远远高于现有专利技术制备的埋弧焊焊丝，实现了与X120超高强管线钢的力学性能匹配。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制：

实施例1

一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法，该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.04～0.05wt％，Mn为1.80～2.00wt％，Mo为0.90～1.00wt％，Ni为2.00～2.20wt％，Cr为0.80～0.90wt％，Cu为0.20～0.30wt％，B≤0.0005wt％，S≤0.01wt％，P≤0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

复合添加剂以包芯线的方式加入，复合添加剂的化学组分及其含量是：Si为45～50wt％，Ti为20～25wt％，Zr为30～35wt％，其余为Fe及不可避免的杂质

该埋弧焊焊丝的制备工艺为：先按照上述化学组分进行冶炼，冶炼过程中加入该组分0.01～0.5wt％的复合添加剂，再浇注成方坯，然后热轧成Φ5.5～Φ7.5mm盘条，去除表面氧化皮，拉拔成Φ3.2～Φ4.0mm的焊丝，最后镀铜。

本实施例所制备的埋弧焊焊丝与SJ105焊剂匹配，采用三丝埋弧焊焊接方法，焊接16mm厚的X120管线钢板。该钢板的化学组分是：C为0.05～0.09wt％，Si为0.10～0.30wt％，Mn为0.50～2.00wt％，Mo为0.20～0.80wt％，Ni为0.00～2.00wt％，Cr为0.00～0.50wt％，Cu为0.10～0.30wt％，Nb为0.01～0.08wt％，V为0.02～0.10wt％，B≤0.0004wt％，S≤0.008wt％，P≤0.012wt％；该钢板的力学性能是：屈服强度为620～860MPa，抗拉强度为960～1140MPa，-30°冲击韧性功为250～300J。试板坡口型式为双V型，单侧坡口角度为45°。焊接电流为550～640A，电弧电压为28～32V，焊接热输入约为21kJ/cm。

焊后进行焊接接头力学性能及焊缝金属显微组织分析：焊缝金属抗拉强度为985MPa，伸长率A＝13％，-30℃时焊缝金属冲击功A_kv(-30℃)＝121J、-30℃时热影响区粗晶区冲击功A_kv(-30℃)＝152J。焊接接头拉伸试验断于母材。冷弯试验d＝2a，弯曲角度120°，合格。焊缝金属硬度为306(HV10)。焊缝金属组织为贝氏体+针状铁素体。实验结果表明：采用本实施例焊丝，经埋弧焊后，其焊接接头力学性能完全满足X120超高强度管线钢的技术要求。

实施例2

一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法，该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.04～0.05wt％，Mn为1.40～1.60wt％，Mo为1.00～1.10wt％，Ni为2.20～2.40wt％，Cr为1.10～1.20wt％，Cu为0.10～0.20wt％，B≤0.0005wt％，S≤0.01wt％，P≤0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

复合添加剂以包芯线的方式加入，复合添加剂的化学组分及其含量是：Si为55～60wt％，Ti为25～30wt％，Zr为25～30wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的制备工艺、所制备的焊丝焊接工艺和所焊接的钢板同实施例1。

焊后进行焊接接头力学性能及焊缝金属显微组织分析：焊缝金属抗拉强度998MPa，伸长率A＝15％，-30℃时焊缝金属冲击功A_kv(-30℃)＝127J、-30℃时热影响区粗晶区冲击功A_kv(-30℃)＝166J。焊接接头拉伸试验断于母材，冷弯试验d＝2a，弯曲角度为120°，合格。焊缝金属硬度为280(HV10)。焊缝金属组织为贝氏体+针状铁素体。实验结果表明，本发明焊丝焊接完成的焊接接头，其力学性能完全满足X120超高强度管线钢的技术要求。

实施例3

一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法，该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.05～0.06wt％，Mn为1.60～1.80wt％，Mo为0.80～0.90wt％，Ni为2.00～2.20wt％，Cr为0.90～1.00wt％，Cu为0.20～0.30wt％，B≤0.0005wt％，S≤0.01wt％，P≤0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

复合添加剂以包芯线的方式加入，复合添加剂的化学组分及其含量是：Si为60～70wt％，Ti为10～15wt％，Zr为15～20wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的制备工艺、所制备的焊丝焊接工艺和所焊接的钢板同实施例1。

焊后进行焊接接头力学性能及焊缝金属显微组织分析：焊缝金属抗拉强度1005MPa，伸长率A＝16％，-30℃时焊缝金属冲击功A_kv(-30℃)＝106J、-30℃热影响区粗晶区冲击功A_kv(-30℃)＝189J。焊接接头拉伸试验断于母材，冷弯试验d＝2a，弯曲角度为120°，合格。焊缝金属硬度为325(HV10)。焊缝金属组织为贝氏体+针状铁素体。实验结果表明，本发明焊丝焊接完成的焊接接头，其力学性能完全满足X120超高强度管线钢的技术要求。

实施例4

一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝及其制备方法，该埋弧焊焊丝的化学组分是：C为0.05～0.06wt％，Mn为1.80～2.00wt％，Mo为0.70～0.80wt％，Ni为2.40～2.60wt％，Cr为1.00～1.10wt％，Cu为0.10～0.20wt％，B≤0.0005wt％，S≤0.01wt％，P≤0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

复合添加剂以包芯线的方式加入，复合添加剂的化学组分及其含量是：Si为50～55wt％，Ti为15～20wt％，Zr为20～25wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的制备工艺、所制备的焊丝焊接工艺和所焊接的钢板同实施例1。

焊后进行焊接接头力学性能及焊缝金属显微组织分析：焊缝金属抗拉强度985MPa，伸长率A＝12％，-30℃时焊缝金属冲击功A_kv(-30℃)＝120J、-30℃热影响区粗晶区冲击功A_kv(-30℃)＝158J。焊接接头拉伸试验断于母材。冷弯试验d＝2a，弯曲角度为120°，合格。焊缝金属硬度为290(HV10)。焊缝金属组织为贝氏体+针状铁素体。实验结果表明，本发明焊丝焊接完成的焊接接头，其力学性能完全满足X120超高强度管线钢的技术要求。

本具体实施方式适当降低碳含量，以保持同母材相当的碳含量，适当提高Mn及Cr、Mo元素的含量以弥补碳含量减少而引起强度的降低；提高Mn含量即可弥补因较低的碳含量而引起的强度下降，又可在一定范围内提高针状铁素体的体积分数，减少先共析铁素体数量，容易得到低碳贝氏体组织；Mo元素、Ni元素与Mn元素共同作用，可降低γ→α相变温度，使铁素体与贝氏体转变温度区相分离，在较宽的温度范围内获得针状铁素体的贝氏体；Cr元素起到提高强度的作用，另外可抑制先共析铁素体的生成，增加焊缝金属中针状铁素体的含量，从而提高焊缝金属的强韧性；添加Ni、B元素，限制S、P等杂质元素的含量，以提高焊缝金属的强韧性；B元素可在晶界形成偏析，控制奥氏体迁移，从而控制针状铁素体与贝氏体的组成相比例；S和P元素显著降低焊缝金属的低温冲击韧性，应严格限制这两种元素在焊丝中的含量，以保证焊缝金属中S、P元素控制在较低的水平。Cu元素在细化晶粒的同时，可提高抗大气腐蚀能力；焊丝在制造过程中通常要镀铜，以防锈和增强焊接过程的导电性和送丝稳定性；焊丝表面镀的铜会在焊接过程中过渡到焊缝中，因此焊丝中的铜含量相对低一些。

本具体实施方式以多个元素按目标成分做成复合添加剂，用包芯线的方式加入，一次性达到脱氧与合金化的目的，具有工艺过程简单、时间短、易于命中Si、Ti、Zr元素目标成分的特点。复合添加剂促进了焊缝金属中针状铁素体的形成，增加针状铁素体的数量，以提高焊缝金属的冲击韧性。

因此，本具体实施方式所制备的埋弧焊焊丝，经与SJ105焊剂配套使用，焊接X120超高强管线钢后，焊缝金属组织为针状铁素体+贝氏体组织。强韧性较好的贝氏体组织保证了焊缝金属的强度，针状铁素体提高了焊缝金属的韧性，该双相组织使焊缝金属具备了较高的抗拉强度，同时具有较高的冲击韧性，抗拉强度达到≥910MPa，-30℃冲击韧性达到≥84J，远远高于现有专利技术制备的埋弧焊焊丝，实现了与X120超高强管线钢的力学性能匹配。

Claims (2)

1.一种超高强度管线钢用埋弧焊焊丝的制备方法，其特征在于该埋弧焊焊丝的制备工艺是先按照下述化学组分进行冶炼：C为0.04～0.06wt％，Mn为1.40～2.00wt％，Mo为0.70～1.10wt％，Ni为2.00～2.60wt％，Cr为0.80～1.20wt％，Cu为0.10～0.30wt％，B≤0.0005wt％，S≤0.01wt％，P≤0.01wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；

冶炼过程中加入该组分0.01～0.5wt％的复合添加剂，再浇注成方坯，然后热轧成Φ5.5～Φ7.5mm盘条，去除表面氧化皮，拉拔成Φ3.2～Φ4.0mm的焊丝，最后镀铜；

复合添加剂以包芯线的方式加入，复合添加剂的化学组分及其含量是：Si为45～70wt％，Ti为10～30wt％，Zr为15～35wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的超高强度管线钢用埋弧焊焊丝的制备方法所制备的超高强度管线钢用埋弧焊焊丝。