CN102240865A - 超高强管线钢用高强度高韧性埋弧焊丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高强管线钢用高强度高韧性埋弧焊丝，适应于高压油、气输送管线用X120超高强度管线钢的埋弧焊接。其化学成分按重量％为：C≤0.10；Si0.10-0.30；Mn1.80-3.00；P<0.010；S<0.010；Mo0.40-0.80；Ti0.05-0.30；B0.003-0.010；Ni1.00-2.50；Cr0.2-0.6；Zr0.002-0.015；余量为Fe。该焊丝与JH-SJ101G焊剂和其它管线钢专用焊剂匹配能得到最佳的焊缝强韧性，焊缝金属抗拉强度σb≥9150Mpa，焊缝金属-20℃冲击功AkV≥100J，适合于X120超高管线钢的埋弧焊接。

Description

超高强管线钢用高强度高韧性埋弧焊丝
技术领域
本发明涉及一种超高强管线钢用高强度高韧性埋弧焊丝，属于焊接材料领域，特别适用于X120级超高强管线钢的埋弧焊接。
背景技术
随着世界经济的快速增长，对石油天然气等能源的需求也相应增加，而油气资源大都分布在极地、深海、沙漠等地质环境复杂的边缘地区，油气输送管线的发展趋势是长距离、高压力及大输量输送，这就决定管线钢向高钢级、大口径、大壁厚方向发展。采用高强度、长距离管线高压输送油气，可以节约钢材，大幅度降低管线的建设成本和运行成本，增加管线的运行效益。正是由于此原因，X120级管线钢已成为国内外的研发热点，国外X120级超高强管线钢已有1.6km试验段，国内宝钢、济钢相继成功开发出X120中厚板管线钢，太钢、首钢先后开发出X120热轧板卷管线钢，但制管过程中使用的埋弧焊丝国内仍是空白。与X120级超高强管线钢的强韧性相比，X120管线钢埋弧焊丝熔敷金属的强韧性很难达到要求，必须通过合金元素和微合金元素的最佳匹配，以及焊丝的纯净化，才能确保焊丝熔敷金属达到X120超高强管线钢的使用要求。由于X120超高强管线钢的碳含量已达到低于0.06％的超低碳水平，其金属组织是以贝氏体为主，要求焊缝金属与其相匹配，因此焊缝组织也应以贝氏体为主，所以焊接X120超高强管线钢埋弧焊丝的碳含量不能太高，应采用低的碳含量；但随着碳含量的降低，熔敷金属和焊缝金属的强度也降低，因此必需添加不影响熔敷金属和焊缝金属韧性的固溶强化元素来保证焊缝金属的强韧性，另外考虑到焊丝的成本，应尽量减少价格很高的Ni、Mo等贵重合金元素的加入，以降低焊丝的成本。本发明开发了一种低碳含量、低成本X120超高强管线钢埋弧焊丝，填补了国内X120超高强管线钢埋弧焊丝的空白。
发明内容
本发明目的就是要提供一种适用于X120超高强管线钢焊接的高强度、高韧性、低成本的埋弧焊丝。
实现本发明目的所涉及的X120超高强管线钢埋弧焊丝：其化学成分按重量％为：C≤0.10；Si 0.10-0.30；Mn 1.80-3.00；P＜0.010；S＜0.010；Mo 0.40-0.80；Ti 0.05-0.30；B 0.003-0.010；Ni 1.00-2.50；Cr0.2-0.6；Zr 0.002-0.015；余量为Fe。
本发明从成分设计上，适当降低碳含量，由碳含量减少而引起强度的降低，通过提高Mn含量来弥补，同时添加Mo、Ni、Cr、Ti、B等微合金元素，限制S、P等元素的含量，来确保焊缝金属的强韧性。
Mn是奥氏体化稳定元素，在一定范围内，焊缝中增加Mn不仅可提高针状铁素体的体积分数，减少先共析铁素体数量，同时容易得到低碳贝氏体组织，锰含量的增加既可提高钢材韧性，又可提高钢材强度。
Mo可降低相变温度，抑制先共析铁素体的生成，并能提高碳氮化物的沉淀强化效果，因而Mo可提高强度，细化晶粒，降低韧脆转变温度。
Cr降低γ→α相变临界温度，抑制先共析铁素体的生成，增加焊缝金属中针状铁素体和贝氏体的含量，从而提高焊缝金属的强韧性。焊缝金属的硬度随Cr含量的增加而渐增，在低Mn含量时基本上呈线性增加，但在高Mn含量时则呈非线性。Cr含量超过0.5％时，随Cr含量的增加，生成带第二相的侧板条铁素体，而使焊缝的韧性恶化，对于韧性要求较高的焊缝，Cr的添加应慎重。
Ni是奥氏体稳定化元素，Ni无限固溶于γ-Fe，在焊缝金属中也起固溶强化作用，能增加针状铁素体析出，细化组织。在焊缝金属的整个冷却速度范围内，Ni都可以使相变温度降低，在焊缝金属中含有Mn时，Ni的这种效果更有利于针状铁素体的形成。
Ti是缩小γ相区的元素，为强脱氧剂及Ti(C，N)形成元素，在焊缝金属中加入Ti，一方面可降低焊缝金属中自由N的含量，另一方面生成的Ti(C，N)、TiO夹杂物颗粒，这些高熔点化合物质点可以作为结晶核心，促使奥氏体晶内针状铁素体的形核，细化焊缝晶粒。
B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，使铁素体转变曲线明显右移，同时使贝氏体转变曲线变得扁平，较大的冷却范围内就能得到贝氏体组织。随着焊缝中B含量的增加，先共析铁素体量减少，侧板条铁素体消失，针状铁素体数量增加，从而得到细小的焊缝显微组织。B和Ti之间存在强烈的交互作用，焊缝中没有足够的Ti，B的有利影响不大；相反，没有B存在，Ti对促进焊缝中针状铁素体形成效果也不佳。
Zr具有较高的活性，与某些气体杂质有较大的亲合力，用Zr对焊缝金属进行微合金化，促进针状铁素体的形核，不仅能使焊缝组织变得细小，而且使组织的均匀性提高，还能使晶粒边界净化，避免了非金属夹杂和异类相的存在，并且使得大块状的FeS与MnS等硫化物变成球状，焊缝组织的细化和均匀性的提高，促使焊缝金属韧性得以改善。
S和P是有害元素，严重恶化焊缝的性能，主要表现在降低上平台韧性和提高韧脆转变温度，导致氢致开裂，由于奥氏体转变可在夹杂物上形核，因而导致相变温度升高。在含量相同的情况下，S的有害作用4倍于P，碳钢中增加S后冲击吸收功之所以下降，是由于缺口附近的显微组织出现了珠光体，使其抗解理断裂性能下降。P可使焊缝金属的硬度和强度增加，对缺口冲击韧性几乎没有影响。因此焊缝中要严格控制S、P的含量，尤其是S的含量，限制它们的危害作用。
有益效果：
A、本发明的埋弧焊丝与JH-SJ101G等管线钢专用焊剂匹配，熔敷金属的屈服强度σs≥830MPa，熔敷金属的抗拉强度σb≥915MPa，并具有较高的低温韧性。
B、本发明的埋弧焊丝焊接国产X120超高强管线钢得到的焊缝性能如下：
①焊缝金属的抗拉强度σb≥9150Mpa；焊缝金属-20℃下的冲击功Akv≥100J。
②焊缝金属组织以针状铁素体AF和贝氏体B为主。
C、本发明的埋弧焊丝具有良好的焊接工艺性能，焊速在1.5-2.0m/min时，X120埋弧焊管具有较高的焊缝强度及良好的冲击韧性，且很稳定。
具体实施方式：
采用脱硫铁水，控制入炉铁水硫含量，采用转炉炼钢，选用S、P含量低的原材料，采用顶底复合吹炼工艺，将冶炼终点的C、S、P控制在较低的水平，经脱氧合金化后，采用LF炉等炉外精炼工艺，冶炼出成分符合要求的钢水，钢水经160mm2方坯铸全保护浇铸成连铸坯，连铸坯经高速无扭轧机轧制成Φ5.5mm的盘条。
盘条经剥壳-酸洗-涂硼砂-拔丝-镀铜制成Φ4mm或Φ3.2mm成品焊丝。
下面用实施例对本发明焊丝作进一步详述：
实施例1：采用(铁水脱硫)→转炉冶炼→LF炉精炼→160mm2方坯铸机全保护浇注。将160mm2方坯热轧成Φ5.5mm盘条，经过去除表面氧化皮、拔丝、镀铜处理，制成Φ4mm焊丝，焊丝的化学成分(按重量％)：C0.04、Si0.10、Mn2.50、Mo0.45、Ti0.08、B0.003、Cr0.3、Ni1.80、Zr0.014，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明焊丝与JH-SJ101G焊剂匹配进行熔敷金属焊接，试板为Q235，厚度为24mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。规范为：焊接电流500～540A，焊接电压28～30V，焊接速度24m/h，焊接线能量23KJ/cm，控制层间温度≤150℃。熔敷金属的力学性能：σs＝835Mpa，σb＝935Mpa，δ5＝27％，-20℃冲击功AkV＝101J，-40℃冲击功AkV＝45J。
本发明焊丝与JH-SJ101G焊剂匹配进行X120级管线钢双丝、双面埋弧焊平板对接试验，试板尺寸为15mm×300mm×500mm，开X型坡口，坡口角度60°。规范为：内焊第1根丝，焊接电流1000～1050A，焊接电压31～33V，内焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V；外焊第1根丝1050～1150A，焊接电流，焊接电压31～33V，外焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V。焊缝金属的抗拉强度为σb＝940Mpa，焊缝金属-20℃冲击功121J。
实施例2：采用(铁水脱硫)→转炉冶炼→LF炉精炼→160mm2方坯铸机全保护浇注。将160mm2方坯热轧成Φ5.5mm盘条，经过去除表面氧化皮、拔丝、镀铜处理，制成Φ4.0mm焊丝，焊丝的化学成分(按重量％)：C0.06、Si0.20、Mn2.30、Mo0.55、Ti0.12、B0.005、Ni1.60、Cr0.4、Zr0.011，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明焊丝与JH-SJ101G焊剂匹配进行熔敷金属焊接，试板为Q235，厚度为24mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。规范为：焊接电流500～540A，焊接电压28～30V，焊接速度24m/h，焊接线能量23KJ/cm，控制层间温度≤150℃。熔敷金属的力学性能：σs＝850Mpa，σb＝950Mpa，δ5＝25％，-20℃冲击功AkV＝112J，-40℃冲击功AkV＝63J。
本发明焊丝与JH-SJ101G焊剂匹配进行X120级管线钢双丝、双面埋弧焊平板对接试验，试板尺寸为15.3mm×300mm×500mm，开X型坡口，坡口角度60°。规范为：内焊第1根丝，焊接电流1000～1050A，焊接电压31～33V，内焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V；外焊第1根丝1050～1150A，焊接电流，焊接电压31～33V，外焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V。焊缝金属的抗拉强度为σb＝955Mpa，焊缝金属-20℃冲击功135J。
实施例3：采用(铁水脱硫)→转炉冶炼→LF炉精炼→160mm2方坯铸机全保护浇注。将160mm2方坯热轧成Φ5.5mm盘条，经过去除表面氧化皮、拔丝、镀铜处理，制成Φ4.0mm焊丝，焊丝的化学成分(按重量％)：C0.08、Si0.25、Mn2.00、Mo0.65、Ti0.18、B0.008、Ni1.50、Cr0.6、Zr0.008，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明焊丝与CHF105GX焊剂匹配进行熔敷金属焊接，试板为Q235，厚度为24mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。规范为：焊接电流500～540A，焊接电压28～30V，焊接速度24m/h，焊接线能量23KJ/cm，控制层间温度≤150℃。熔敷金属的力学性能：σs＝860Mpa，σb＝965Mpa，δ5＝23％，-20℃冲击功AkV＝118J，-40℃冲击功AkV＝70J。
本发明焊丝与CHF105GX焊剂匹配进行X120级管线钢双丝、双面埋弧焊平板对接试验，试板尺寸为15.3mm×300mm×500mm，开X型坡口，坡口角度60°。规范为：内焊第1根丝，焊接电流1000～1050A，焊接电压31～33V，内焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V；外焊第1根丝1050～1150A，焊接电流，焊接电压31～33V，外焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V。焊缝金属的抗拉强度为σb＝976Mpa，焊缝金属-20℃冲击功154J。
实施例4：采用(铁水脱硫)→转炉冶炼→LF炉精炼→160mm2方坯铸机全保护浇注。将160mm2方坯热轧成Φ5.5mm盘条，经过去除表面氧化皮、拔丝、镀铜处理，制成Φ4.0mm焊丝，焊丝的化学成分(按重量％)：C0.08、Si0.15、Mn2.90、Mo0.40、Ti0.25、B0.010、Ni1.20、Cr0.5、Zr0.005，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明焊丝与CHF105GX焊剂匹配进行熔敷金属焊接，试板为Q235，厚度为24mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。规范为：焊接电流500～540A，焊接电压28～30V，焊接速度24m/h，焊接线能量23KJ/cm，控制层间温度≤150℃。熔敷金属的力学性能：σs＝865Mpa，σb＝977Mpa，δ5＝22％，-20℃冲击功AkV＝123J，-40℃冲击功AkV＝65J。
本发明焊丝与CHF105GX焊剂匹配进行X120级管线钢双丝、双面埋弧焊平板对接试验，试板尺寸为15.3mm×300mm×500mm，开X型坡口，坡口角度60°。规范为：内焊第1根丝，焊接电流1000～1050A，焊接电压31～33V，内焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V；外焊第1根丝1050～1150A，焊接电流，焊接电压31～33V，外焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V。焊缝金属的抗拉强度为σb＝987Mpa，焊缝金属-20℃冲击功147J。
实施例5：采用(铁水脱硫)→转炉冶炼→LF炉精炼→160mm2方坯铸机全保护浇注。将160mm2方坯热轧成Φ5.5mm盘条，经过去除表面氧化皮、拔丝、镀铜处理，制成Φ4.0mm焊丝，焊丝的化学成分(按重量％)：C0.09、Si0.20、Mn1.90、Mo0.43、Ti0.20、B0.007、Ni 2.30、Cr0.4、Zr0.007，余量为铁及不可避免的杂质。
本发明焊丝与SJSTBH-1焊剂匹配进行熔敷金属焊接，试板为Q235，厚度为24mm，坡口角度30°，根部间隙为12mm。规范为：焊接电流500～540A，焊接电压28～30V，焊接速度24m/h，焊接线能量23KJ/cm，控制层间温度≤150℃。熔敷金属的力学性能：σs＝855Mpa，σb＝955Mpa，δ5＝24％，-20℃冲击功AkV＝119J，-40℃冲击功AkV＝67J。
本发明焊丝与SJSTBH-1焊剂匹配进行X120级管线钢双丝、双面埋弧焊平板对接试验，试板尺寸为15.3mm×300mm×500mm，开X型坡口，坡口角度60°。规范为：内焊第1根丝，焊接电流1000～1050A，焊接电压31～33V，内焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V；外焊第1根丝1050～1150A，焊接电流，焊接电压31～33V，外焊第2根丝，焊接电流380～420A，焊接电压34～36V。焊缝金属的抗拉强度为σb＝956Mpa，焊缝金属-20℃冲击功147J。

Claims (1)

1.一种超高强管线钢用高强度高韧性埋弧焊丝，其化学成分按重量％为：C≤0.10；Si 0.10-0.30；Mn 1.80-3.00；P＜0.010；S＜0.010；Mo 0.40-0.80；Ti0.05-0.30；B 0.003-0.010；Ni 1.00-2.50；Cr 0.2-0.6；Zr 0.002-0.015；余量为Fe。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20111116