CN102642100A - 一种x100管线钢用埋弧焊烧结焊剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，由以下组分组成：19％～25％的CaF₂，25％～29％的MgO，5％～8％的CaO，21％～25％的Al₂O₃，4％～8％的MnO，1％～2.5％的SiFe，1.5％～3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。采用烧结法制得焊剂材料与相匹配的焊丝在大线能量和高焊速(1.8m/min)下使用时，焊接工艺性优良，焊接接头具有高的低温冲击韧性，较好的焊缝强度及较好的脱S、P能力及过渡合金的作用等性能，焊缝强度及韧性完全能与高等级管线钢的基材匹配，适用于R_eL≥610MPa及以上强度级别管线钢的焊接。

Description

一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂及其制备方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，本发明涉及一种焊剂材料，特别涉及一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，本发明还涉及该焊剂的制备方法。

背景技术

管线建设的发展趋势是向长距离、高压力、大口径发展，使其强度要求越来越高；另外，由于从油气产地到消费地往往长达数千公里，沿途地质条件复杂、气候多变，对管线钢韧性也提出越来越高的要求。目前X80级钢板和配套焊丝已经开始在“西气东输”二线工程中使用，并取得了良好的效果。而更高强度级别的管线钢X100也已经取得了阶段性成果，2006年7月，鞍钢成功研制开发X100管线钢宽厚板；2007年8月，武钢开发成功X100板卷；另外，南钢、舞钢等也在高钢级管线钢的研发方面取得了很大进展，并相继研发成功X100管线钢。但没有与之相匹配的埋弧焊用焊剂材料，以保证焊缝具有高强度、高韧性及焊接所要求的工艺性，尤其是低温冲击韧性。

发明内容

本发明的目的是提供一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，为高级别管线钢提供焊接材料，提高焊缝低温冲击韧性。

本发明所采用的技术方案是，一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，按重量百分比该材料由以下组分组成：19％～25％的CaF₂，25％～29％的MgO，5％～8％的CaO，21％～25％的Al₂O₃，4％～8％的MnO，1％～2.5％的SiFe，1.5％～3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

本发明的特点还在于，

其中SiO₂含量不低于各组份质量总和的10％。

本发明的另一目的是提供一种焊剂的制备方法，按照以下步骤实施：

按照质量百分比分别称取19％～25％的CaF₂，25％～29％的MgO，5％～8％的CaO，21％～25％的Al₂O₃，4％～8％的MnO，1％～2.5％的SiFe，1.5％～3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％，

将称取的各组分置于同一容器中，进行混合，混合均匀后，按全部组分质量的18％～20％加入粘结剂，进行湿搅拌均匀，使之成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，之后在室温通风条件下放置4～6小时，然后进行烘干，烘干温度为200℃，烘干后，再放入烧结炉中在750℃～900℃的温度下进行烧结，烧结时间不小于2小时，烧结好后通过10～40目的筛子过筛，便得到焊剂。

其中粘结剂为钾钠水玻璃，且钾钠比为2.6∶1。

本发明的有益效果是，与H03MnNiMo焊丝匹配，在高速、双丝焊接条件下，焊后工艺性能和焊缝性能均能满足高级别管线钢的使用要求，达到了提高焊缝低温冲击韧性和焊接速度的目的。

附图说明

图1是使用本发明实施例1制备出的焊剂进行焊接的焊缝的金相组织照片；

图2是使用本发明实施例2制备出的焊剂进行焊接的焊缝的金相组织照片；

图3是使用本发明实施例3制备出的焊剂进行焊接的焊缝的金相组织照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，按重量百分比该材料由以下组分组成：19％～25％的CaF₂，25％～29％的MgO，5％～8％的CaO，21％～25％的Al₂O₃，4％～8％的MnO，1％～2.5％的SiFe，1.5％～3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

其中SiO₂含量不低于各组份质量总和的10％。

本发明还提供上述焊剂的制备方法，按照以下步骤实施：

按照质量百分比用天平分别称取19％～25％的CaF₂，25％～29％的MgO，5％～8％的CaO，21％～25％的Al₂O₃，4％～8％的MnO，1％～2.5％的SiFe，1.5％～3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

将称取的各组分置于同一容器中，进行混合，混合均匀后，按全部组分质量18％～20％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为2.6∶1，进行湿搅拌均匀成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，之后在室温通风条件下放置4～6小时，然后放入烘干炉中进行烘干，烘干温度为200℃，烘干后，再放入烧结炉中在750℃～900℃的温度下进行烧结，烧结时间不小于2小时，烧结好后通过10～40目的筛子过筛，便得到焊剂。

实施例1

按照质量百分比用天平分别称取25％的CaF₂，25％的MgO，5％的CaO，25％的Al₂O₃，8％的MnO，2.5％的SiFe，1.5％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

按配方用天平分别称出所需原材料置于同一容器中，各粉剂混合均匀后，加入18％～20％的粘结剂(K-Na混合型水玻璃)，进行湿搅拌均匀成为半固态，将搅拌均匀的湿料在容器盆中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，将造好粒的焊剂，在室温通风条件下放置4～6小时，进行晾干。然后放入烘干炉中进行烘干，温度控制在200℃左右，烘干后，将焊剂放入烧结炉中加热到750℃～900℃，烧结时间不小于2小时，烧结好的焊剂通过10～40目的筛子过筛便得到成品焊剂。

该实施例制成的焊剂材料与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，焊接15.3mm的X100级管线钢，采用美国林肯焊机，双丝、双面焊接，正面焊完后反面清理焊接，Y型坡口，内坡口60±3°；外坡口90±3°，其中前丝Φ4.0，后丝Φ3.2，焊速为1.8m/min，所得焊缝组织参见图1，具体焊接工艺参数如下表所示：

焊接接头力学性能如下表所示：

熔敷金属力学性能如下表所示：

实施例2

按照质量百分比用天平分别称取23％的CaF₂，26％的MgO，6％的CaO，23％的Al₂O₃，6％的MnO，2％的SiFe，2％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

按配方用天平分别称出所需原材料置于同一容器中，各粉剂混合均匀后，加入18％～20％的粘结剂(K-Na混合型水玻璃)，进行湿搅拌均匀成为半固态，将搅拌均匀的湿料在容器盆中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，将造好粒的焊剂，在室温通风条件下放置4～6小时，进行晾干。然后放入烘干炉中进行烘干，温度控制在200℃左右，烘干后，将焊剂放入烧结炉中加热到750℃～900℃，烧结时间不小于2小时，烧结好的焊剂通过10～40目的筛子过筛便得到成品焊剂。

该实施例制成的焊剂材料与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，焊接15.3mm的X100级管线钢，采用美国林肯焊机，双丝、双面焊接，正面焊完后反面清理焊接，Y型坡口，内坡口60±3°；外坡口90±3°，其中前丝Φ4.0，后丝Φ3.2，焊速为1.7m/min，所得焊缝组织参见图2，具体焊接工艺参数如下表所示：

焊接接头力学性能如下表所示：

熔敷金属力学性能

实施例3

按照质量百分比用天平分别称取19％的CaF₂，29％的MgO，8％的CaO，21％的Al₂O₃，4％的MnO，1％的SiFe，3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

按配方用天平分别称出所需原材料置于同一容器中，各粉剂混合均匀后，加入18％～20％的粘结剂(K-Na混合型水玻璃)，进行湿搅拌均匀成为半固态，将搅拌均匀的湿料在容器盆中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，将造好粒的焊剂，在室温通风条件下放置4～6小时，进行晾干。然后放入烘干炉中进行烘干，温度控制在200℃左右，烘干后，将焊剂放入烧结炉中加热到750℃～900℃，烧结时间不小于2小时，烧结好的焊剂通过10～40目的筛子过筛便得到成品焊剂。

该实施例制成的焊剂材料与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，焊接15.3mm的X100级管线钢，采用美国林肯焊机，双丝、双面焊接，正面焊完后反面清理焊接，Y型坡口，内坡口60±3°；外坡口90±3°，其中前丝Φ4.0，后丝Φ3.2，焊速为1.8m/min，所得焊缝组织参见图3，具体焊接工艺参数如下表所示：

焊接接头力学性能如下表所示：

熔敷金属力学性能如下表所示：

在本发明焊剂的组分中：

CaF₂的熔点较低，具有稀释熔渣的作用，会降低熔渣的熔点，从而提高熔渣的导电性和流动性，CaF₂在焊接中发生分解反应，生成的[F]捕捉熔渣中还原反应而产生的[O]，抑制[O]向熔敷金属中过渡，从而降低熔敷金属中的[O]氧含量，并且降低了电弧气氛中的[H]分压，改善焊缝的塑性和韧性以及焊接工艺性能，在本发明中CaF₂的含量应控制在19％～25％之间。

MgO是碱性氧化物，作为调整熔渣的碱度而加入的，具有提高熔敷金属冲击韧性、降低扩散氢含量的作用。MgO的熔点较高，提高熔渣的粘度，抑制了熔渣的流动性，但当加入量超过30％时，会使焊缝成型能力变差。MgO也是稳定的氧化物，不易分解，具有增大熔渣表面张力的作用，本发明中MgO含量控制在25％～29％。

Al₂O₃是一种稳定的中性氧化物，是焊剂成分常用的玻璃体造渣材料，其熔点为2050℃，具有提高电弧集中性的作用，对Mn和Si的氧化作用很小，可以有效抑制CO气孔。随着A1₂O₃的增加，脱渣越来越好，但焊缝表面呈蓝色，渣上气孔也越来越多，焊缝表面易出现麻点。同时Al₂O₃是熔渣粘度的调整剂，能调整熔渣的流动性，Al₂O₃具有增大熔渣表面张力的作用，所以加入量过多时，不利于改善脱渣，所以，将其含量控制在21％～25％之间。

CaO是高碱度烧结焊剂的主要造渣剂，对S、P的结合能力较强，可以排除焊缝金属中S、P的含量。在本发明中CaO以硅灰石的形式加入，代替加入CaCO₃焊接时分解析出CO₂带来的弊病，其加入量控制在5％～8％之间较好。

MnO是以调整熔敷金属中的含Mn量为目的而添加的，其降低熔渣熔点，改善熔渣的流动性，有利于焊缝成形，降低表面张力，对于脱渣和熔敷金属的韧性有着重要的影响，但MnO常以以锰矿、富锰渣、以及硅酸锰的形式加入，这些原料一般含有较高S、P含量，因此，本发明中其加入量控制在4％～8％。

Si是作为脱氧元素加入焊缝金属的，它缩小γ相区，是稳定α铁素体的元素，对Ms点几乎没有影响。尤其当Mn、Si同时存在时，对焊缝金属组织和性能都有重大的影响；随着Mn-Si含量的增加，可使连续冷却的相变温度逐渐降低、组织细化。但Si显著提高珠光体相变温度，是奥氏体转变移向较高的温度，促使了先共析铁素体的析出对韧性不利，但硅含量的降低，减少了马氏体和奥氏体的数量，有效地提高了焊缝的韧性，因此焊缝中应控制Si的含量。参阅相关资料及试验得出其含量应控制在1～2.5％，并以SiFe的形式加入。

ZrO₂熔点为2715℃，具有两种变体，一种是1000℃以下稳定的单斜晶体，另一种为高于1000℃时稳定的正方晶体。由一种晶体转变为另一种晶体时体积发生约7％的变化，利用这一性能可以改善焊剂的脱渣性能，有利于脱渣。本发明中其加入量控制在1.5％～3％。

本发明焊剂与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配使用，进行平板对接Y型坡口双丝双面焊接，前丝Φ4.0，后丝Φ3.2，焊速为1.8m/min，焊接工艺性能优异，且所得熔敷金属强度高，低温韧性好，焊缝强度和韧性完全能与高强度管线钢的母材匹配。

本发明具有以下特点：

1.本发明的原料易于获得，原料来源渠道多，所需原料都是国内储备较丰富的原料；

2.本发明与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，用于国产X100级管线钢焊接得到的焊缝性能如下：

1)焊缝的抗拉强度σb≥700Mpa，冲击韧性(-10℃)平均值≥165J，剪切面积(-10℃)平均值≥75％；

2)焊缝的组织为针状铁素体及少量P和弥散分布的黑色点状碳化物，其中大量为铁素体；

3.本发明与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，具有良好的工艺性能。在X100高钢级，15mm以上大壁厚钢管焊接中，焊速可达1.6～1.9m/min，内、外焊道亮度较好，铺展、脱渣均较好；

4.采用本发明焊剂施焊能适应高级别管线钢双丝、双面及大线能量下焊接的工艺特点。

Claims (4)

1.一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，其特征在于，按重量百分比该材料由以下组分组成：19％～25％的CaF₂，25％～29％的MgO，5％～8％的CaO，21％～25％的Al₂O₃，4％～8％的MnO，1％～2.5％的SiFe，1.5％～3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

2.根据权利要求1所述的焊剂，其特征在于，所述SiO₂含量不低于各组份质量总和的10％。

3.一种权利要求1所述焊剂的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

按照质量百分比分别称取19％～25％的CaF₂，25％～29％的MgO，5％～8％的CaO，21％～25％的Al₂O₃，4％～8％的MnO，1％～2.5％的SiFe，1.5％～3％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％，

将称取的各组分置于同一容器中，进行混合，混合均匀后，按全部组分质量的18％～20％加入粘结剂，进行湿搅拌均匀，使之成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过10目的筛子，之后在室温通风条件下放置4～6小时，然后进行烘干，烘干温度为200℃，烘干后，再放入烧结炉中在750℃～900℃的温度下进行烧结，烧结时间不小于2小时，烧结好后通过10～40目的筛子过筛，便得到焊剂。

4.根据权利要求1所述的焊剂，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃，且钾钠比为2.6∶1。

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