CN102218623B

CN102218623B - X100管线钢埋弧焊用焊剂及其生产方法

Info

Publication number: CN102218623B
Application number: CN 201110139942
Authority: CN
Inventors: 曾志超; 毛兴贵; 郑海
Original assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Current assignee: SICHUAN ATLANTIC CHINA WELDING CONSUMABLES Inc
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-05-26
Also published as: CN102218623A

Abstract

该发明公开了一种X100管线钢埋弧焊用焊剂及其生产方法。焊剂包括(重量百分比含量)：SiO₂5-13％，MgO 26-40％，Al₂O₃ 15-24％，CaF₂ 18-25％，CaO 1-4％，MnO 4-8％，Na₂O 1-2％，K₂O 1-2％，TiO₂ 1.0-6.0％的主成份及其总量15-20wt％的粘结剂：将主成份按比例混合均匀后加入粘结剂造粒，再经低温烘烤、高温烧结、筛分即成。该发明焊剂与专用焊丝CHW-SG10配用其焊缝具有与X100级钢管本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能，并能进行单、多丝焊及内、外高速焊；多丝大线能量焊接速度可达120m/h，且其焊缝性能，焊缝的气孔、夹渣、裂纹以及外观边缘和咬边等亦均完全满足X100等级管线钢埋弧焊技术标准的要求等特点。

Description

X100管线钢埋弧焊用焊剂及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接生产过程中配套用焊剂及其生产方法，采用该焊剂配合专用焊丝既能对X100等级钢进行单丝焊、多丝焊及内、外高速焊，又能满足焊接成管道(体)后焊缝具有与管道(体)本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能。

背景技术

天然气作为一种高效清洁的能源正日益受到人们的重视。由于天然气田一般位于远离消费市场的荒漠地区，如何安全、经济的将天然气输送到消费市场一直是天然气产业发展的关键问题之一。管道输送是长距离运输石油天然气最理想的运输方式，具有经济、安全、高效、节能、不间断，以及对环境破坏程度小等显著特点。通过技术创新及采用更高压力和更高强度的管道，是降低天然气长距离输送成本最有效的途径，世界各国高度重视管道输送技术的发展，越来越多国家不惜花费大量财力和物力，大力发展管道运输业。

X80级管线钢已被应用在石油天然气输送管道工程中，但由于X80级管线钢材受所能承受的压力和强度的限制，其管线建设和运行成本难以进一步降低。石油天然气输送管道的发展趋势是向长距离、高压力、大口径发展，对此人们又将开发目标集中在X100及以上高强级管线钢上。宝钢、鞍钢等国内各大钢厂已陆续开发出X100级管线钢，但相应的埋弧焊用焊剂仍处于空白。申请人在公开号为CN101444877A、发明名称为《X80等级钢油、气输送管埋弧焊用焊剂》的专利文献中公开其主成份中各成份重量百分比含量为：SiO₂ 14-17％，MgO 20-25％，Al₂O₃ 24-26％，CaF₂ 27-33％，CaO 3-6％，MnO 1-3％，Na₂O 2-5％，TiO₂ 1.0-2.0％的焊剂，该焊剂及与之配套的埋弧焊丝用于对X80等级钢油、气输送管的焊接，其焊缝虽然具有与X80级与管道本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能；但若用于X100级管线钢的焊接、其焊缝成份与与管道(体)本体成份相差较大、远不能满足X100级管线钢对焊缝强度、韧性、抗腐蚀性等性能的要求。

发明内容

本发明的目的是研究设计一种X100管线钢埋弧焊用焊剂及其生产方法，以便与相应的专用焊丝配套，达到焊接成管道后焊缝的性能与X100管线钢材的性能更理想地匹配，使焊缝具有与管道本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能，并能进行单丝焊、多丝焊以及内、外高速焊等目的。

本发明的解决方案是根据X100等级钢及所采用焊丝成份配制其焊剂，本发明焊剂主成份中各成份重量百分比含量为：SiO₂ 5-13％，MgO 26-40％，Al₂O₃ 15-24％，CaF₂ 18-25％，CaO 1-4％，MnO 4-8％，Na₂O 1-2％，K₂O 1-2％，TiO₂ 1.0-6％，以及占主成份总量15-20wt％的粘结剂。

以上所述粘结剂为钠水玻璃或钾水玻璃、或钾钠水玻璃。

本发明所述X100管线钢埋弧焊用焊剂的生产方法，其方法为：将重量百分比含量分别为：SiO₂ 5-13％，MgO 26-40％，Al₂O₃ 15-24％，CaF₂ 18-25％，CaO 1-4％，MnO 4-8％，Na₂O 1-2％，K₂O 1-2％，TiO₂ 1.0-6.0％的主成分(均为粉料)按比例混合均匀后、再加入主成份总量15-20wt％的粘结剂造粒，再经100-200℃低温烘烤、600-800℃高温烧结、筛分，即制得本发明焊剂制品。

本发明焊剂主成份中：

CaF₂是一种多成因的矿物质，属于碱性氟化物，在埋弧焊剂中作为造渣剂、稀释剂并能起到去氢作用，CaF₂在焊接电弧作用下电离出F^-，能降低电弧气氛中氢的分压；同时CaF₂的分解能降低熔敷金属中氧的含量，有利于提高焊缝金属的低温冲击韧性，CaF₂熔点较低，还能有效降低熔渣高温粘度，改善熔渣流动性，并提高导电性，改善焊缝成形，对改善焊接工艺，提高熔敷金属机械性能有很大的作用，合理的CaF₂含量能起到稳定电弧的作用，但如果CaF₂过高则电弧稳定性变差，熔渣变硬，交流可焊性变差；试验证明在本发明中、CaF₂在18-25wt％时效果较好；

MgO是一种强碱性物质，也是一种优良的造渣材料且对焊缝形状的控制有良好的效果；对于碱性渣系，MgO能提高焊缝金属冲击韧性，降低扩散氢；但MgO熔点较高，增大熔渣粘度，提高熔渣凝固温度，抑制渣的流动性使焊缝成形变差，焊道中央凸起，熔渣变硬，脱渣困难；本次发明为了保证焊缝性能、权衡其利弊，通过多次试验故将MgO加入量控制在26-40wt％范围；

CaO是碱性氧化物，在焊剂中起造渣和提高焊剂碱度作用，它能有效提高焊剂抗大电流能力，改善焊缝力学性能，本发明焊剂将其加入量控制在1-4wt％

Al₂O₃是两性氧化物，Al₂O₃具有增大熔渣表面张力的作用，是熔渣粘度的调整剂，通过大量的对比试验认为增加一定量的Al₂O₃会减少压坑及其倾向，但过高的Al₂O₃含量会使焊缝弧度更尖且不平滑，易产生气孔和麻点，渣壳变硬；而Al₂O₃含量过低又使焊缝表面凹凸不平，出现压坑及咬边等缺陷，影响焊缝成形，所以将其用量控制在15-24wt％最为有利；

SiO₂是一种酸性物质，可降低焊剂碱度，焊剂中与CaF₂搭配，能有效抑制焊结过程中气孔的产生、提高焊剂的抗气孔性能；同时SiO₂参与造渣，可调整渣的凝固点、表面张力及熔渣高温粘度，对焊缝成形的控制非常重要；在本发明中，结合X100管线钢的特点，过高的SiO₂含量会造成焊丝烧损过度，过大地降低焊剂碱度，使焊缝回Si增加，低温冲击韧性下降，为了确保良好的工艺性和机械性能，我们采用少量的SiO₂含量，为此，将SiO₂含量定在5-13wt％；

MnO在焊接过程中与SiO₂结合成复合的硅酸盐，形成良好的焊渣，保护熔敷金属，使熔敷金属不受空气中N和O的影响，而且被还原的锰元素是焊缝中主要合金成分，能提高焊缝强度和冲击韧性，同时，被还原的锰与焊缝中的S化合，形成MnS又会起到脱S的作用，减少焊缝产生热裂纹倾向，为此，本发明中MnO含量为4-8wt％；

Na₂O和K₂O是低电离度氧化物，能提高焊剂碱度，适量的含量能提高电弧稳定性，在焊剂中加入量都控制在1-2wt％；

TiO₂是酸性氧化物，能改善渣的物理性能，把长渣变为短渣，使熔渣随温度的变化快，使焊缝成型良好，改善脱渣性，在加入时总量控制在1.0-6.0wt％；

此外，为了满足焊缝的脱渣性、脱氧性、焊缝表面成形和良好的机械性能等要求，我们选择了Si、Ca、Mn联合脱氧并渗[Mn]的脱氧剂，而且锰的加入可以提高强度和韧性，也是一种很好的脱硫剂，Ca的加入对脱磷也有很好的作用，焊剂中各成份合理匹配，对焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用。

因而本发明焊剂配合专用焊丝及适当的焊接工艺、用以焊接X100管线钢具有焊缝与管道本体化学成分的匹配性好，能够使焊缝具有与X100等级钢本体相近的高强度、高韧性、较好的抗腐蚀性及较低的硬度等优良性能，并能进行单丝焊、多丝焊及内、外高速焊；多丝大线能量高速焊接达120m/h时，其焊缝性能为：焊接接头抗拉强度780-830Mpa，硬度为200-266HV10，焊缝金属-10℃冲击功Akv≥150J，剪切面积为60-70，且焊接后焊缝气孔、夹渣、裂纹以及外观边缘和咬边等均完全满足X100等级管线钢埋弧焊技术标准的要求等特点。

具体实施方式

实施例1：将SiO₂ 13kg，MgO 34kg，Al₂O₃ 20kg，CaF₂ 20kg，CaO 2.0kg，MnO 6.0kg，Na₂O 2.0kg，K₂O 1.5kg，TiO₂ 3.0kg的工业纯粉料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入16kg钠水玻璃混合造粒，再经150℃低温烘烤、700℃高温烧结、筛分，即得焊剂碱度为2.5的焊剂，该焊剂配合专用焊丝，其焊丝成份(按重量百分比计)为：C 0.082％、Mn 1.77％、Si 0.22％、S 0.003％、P 0.003％、Cr 0.037％、Ni 0.827％、Mo 0.54％、Cu 0.11％、Ti 0.055％、B 0.006％，余量为Fe的焊丝组合，对14.5mm厚的X100等级钢管进行双丝高速埋弧焊焊接实验，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊接接头抗拉强度785-815Mpa，焊缝的硬度为207-238HV10，焊缝的夏比冲击功为Akv(-10℃)＝205-230J、剪切面积为60-70；热影响区的夏比冲击功为Akv(-10℃)＝180-220J、剪切面积为60-70，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为壁厚的六倍)。

该实验用X100等级钢的化学成份为：C 0.06％、Mn 1.98％、Si 0.16％、Cr 0.13％、Ni 0.44％、Nb 0.08％、Cu 0.23％、Ti 0.01％、Mo 0.28％、S 0.002％、P 0.008％、N 0.006％、Al 0.029％、余量为Fe及微量的杂质。

实施例2：将SiO₂ 12kg，MgO 36kg，Al₂O₃ 24kg，CaF₂ 22kg，CaO 3.0kg，MnO 8.0kg，Na₂O 1.5kg，K₂O 2.0kg，TiO₂ 2.0kg的工业纯粉料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入20kg钠水玻璃混合造粒，再经150℃低温烘烤、700℃高温烧结、筛分，即得焊剂碱度为2.6的焊剂，该焊剂配合专用焊丝，对15mm厚的X100等级钢管进行三丝高速埋弧焊焊接实验，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊接接头抗拉强度800-820Mpa，焊缝的硬度为213-256HV10，焊缝的夏比冲击功为Akv(-10℃)＝185-210J、剪切面积为60-70；热影响区的夏比冲击功为Akv(-10℃)＝217-238J、剪切面积为60-70，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为壁厚的六倍)。

该实验用X100等级钢的化学成份为：C 0.07％、Mn 2.01％、Si 0.17％、Cr 0.13％、Ni 0.42％、Nb 0.07％、Cu 0.23％、Ti 0.01％、Mo 0.26％、S 0.002％、P 0.009％、N 0.007％、Al 0.029％、余量为Fe及微量的杂质。

实施例3：将SiO₂ 11kg，MgO 31kg，Al₂O₃ 22kg，CaF₂ 25kg，CaO4.0kg，MnO 5.0kg，Na₂O 1.5kg，K₂O 1.5kg，TiO₂ 4.0kg的工业纯粉料置于混合器内、搅拌混合均匀后，加入18kg钠水玻璃混合造粒，再经150℃低温烘烤、700℃高温烧结、筛分，即得焊剂碱度为2.7的焊剂，该焊剂配合专用焊丝，对15mm厚的X100等级钢管进行三丝高速埋弧焊焊接实验，工艺性能优良，经检测焊缝的性能为：焊接接头抗拉强度790-820Mpa，焊缝的硬度为230-265HV10，焊缝的夏比冲击功为Akv(-10℃)＝200-233J、剪切面积为60-70；热影响区的夏比冲击功为Akv(-10℃)＝221-210J、剪切面积为60-70，弯曲试验亦均合格(弯曲角度为180°，弯曲直径为壁厚的六倍)。

该实验用X100等级钢的化学成份为：：C 0.07％、Mn 2.01％、Si 0.17％、Cr 0.13％、Ni 0.42％、Nb 0.07％、Cu 0.23％、Ti 0.01％、Mo 0.26％、S 0.002％、P 0.009％、N 0.007％、Al 0.029％、余量为Fe及微量的杂质。

上述各项实验其性能均满足X100管线钢对焊缝的技术要求。

Claims

1.一种X100管线钢埋弧焊用焊剂，包括主成份及粘结剂，其特征在于主成份中各成份重量百分比含量分别为：SiO₂5-13％，MgO 26-40％，Al₂O₃ 15-24％，CaF₂ 18-25％，CaO 1-4％，MnO 4-8％，Na₂O 1-2％，K₂O 1-2％，TiO₂ 1.0-6.0％以及占主成份总量15-20wt％的粘结剂。

2.按权利要求1所述X100管线钢埋弧焊用焊剂，其特征在于粘结剂为钠水玻璃或钾水玻璃、或钾钠水玻璃。

3.按权利要求1所述X100管线钢埋弧焊用焊剂的生产方法，其方法为：将重量百分比含量分别为：SiO₂5-13％，MgO 26-40％，Al₂O₃ 15-24％，CaF₂ 18-25％，CaO 1-4％，MnO 4-8％，Na₂ O 1-2％，K₂O 1-2％，TiO₂ 1.0-6.0％的主成分按比例混合均匀后、再加入主成份总量15-20wt％的粘结剂造粒，再经100-200℃低温烘烤、600-800℃高温烧结、筛分，即制得焊剂制品。