CN102909492A

CN102909492A - X100管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂及其制备方法

Info

Publication number: CN102909492A
Application number: CN2012103939205A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 陈飞绸; 李继红
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2012-10-17
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-10-17
Also published as: CN102909492B

Abstract

本发明公开了一种X100管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，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%。由各矿石粉携带加入的SiO₂，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

X100管线钢埋弧焊用高焊速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管线钢用高焊速埋弧焊焊剂，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。X100管线钢埋弧焊用焊丝的研究也已进入试验阶段，并已取得了初步成效，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管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，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管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，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，0.8%~1.2%的Re，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100%。

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：

1）称取如下矿物粉料：萤石、电熔镁、硅灰石、铝矾土、锰矿、SiFe及轻稀土氧化物；

2）将称取的各物质置于同一容器中，进行混合，使得按照质量百分比各物质含量为：19%~25%的CaF₂，25%~29%的MgO，5%~8%的CaO，21%~25%的Al₂O₃，4%~8%的MnO，1%~2.5%的，0.8%~1.2%的Re，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100%；

3）混合均匀后，按全部组分质量的22%~25%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8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250℃，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8~40目的筛子过筛，便得到焊剂。

其中SiO₂是通过矿物粉携带加入，且焊剂成品中SiO₂含量应不大于20%。

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1.75m/min的高焊速、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管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，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，0.8%~1.2%的Re，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100%。

本发明还提供上述焊剂的制备方法，按照以下步骤实施：

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。

Re在焊缝金属中起到净化杂质、变质夹杂和微合金化作用，更多的是有利于改善韧塑性，可综合发挥Mo、Ti、B的强化效果和Re改善韧塑性的作用。轻稀土元素加入焊缝之后，会富集在硅酸盐夹杂物中，使夹杂物球化，并以弥散状态分布，从而有利于AF的形核，抑制了PF，使焊缝组织得到细化。稀土是很强的脱氧剂，在焊接中除使用稀土脱氧外，还使稀土起脱氮、吸氢、合金化及孕育剂等作用，降低熔敷金属的扩散氢含量，从而提高了焊缝金属的抗裂性能，提高熔敷金属低温冲击韧性。但当焊缝中稀土元素加入量过多时,会污染焊缝晶界，使之失去抑制晶界先共析铁素体的作用，从而降低了焊缝金属的低温冲击韧性。因此，稀土的加入量应控制在0.8~1.2%之间。

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1.75m/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）本发明的原料大都易于获得，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：

a．焊缝的抗拉强度σb≥720Mpa，冲击韧性（-10℃）平均值≥185J，剪切面积（-10℃）平均值≥88%；

b．焊缝的组织为块状铁素体（QF）复合粒状贝氏和弥散分布的黑色点状析出物，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1.6~1.8m/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。

实施例1

按照质量百分比用天平分别称取25%的CaF₂，29%的MgO，5%的CaO，25%的Al₂O₃，8%的MnO，2.5%的SiFe，0.8%的Re，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25%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8目的筛子，将造好粒的焊剂，在室温通风条件下放置5小时，进行晾干。然后放入烘干炉中进行烘干，温度控制在250℃，烘干后，将焊剂放入烧结炉中加热到900℃，烧结时间不小于2小时，烧结好的焊剂通过30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1.75m/min，所得焊缝组织参见图1。

具体焊接工艺参数如下表所示：

Figure 2012103939205100002DEST_PATH_IMAGE001

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，1%的Re，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23%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8目的筛子，将造好粒的焊剂，在室温通风条件下放置4小时，进行晾干。然后放入烘干炉中进行烘干，温度控制在250℃左右，烘干后，将焊剂放入烧结炉中加热到750℃，烧结时间不小于2小时，烧结好的焊剂通过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1.75m/min，所得焊缝组织参见图2，具体焊接工艺参数如下表所示：

Figure 2012103939205100002DEST_PATH_IMAGE002

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CaF₂，25%的MgO，8%的CaO，21%的Al₂O₃，4%的MnO，1%的SiFe，1.2%的Re，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22%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8目的筛子，将造好粒的焊剂，在室温通风条件下放置6小时，进行晾干。然后放入烘干炉中进行烘干，温度控制在250℃左右，烘干后，将焊剂放入烧结炉中加热到800℃，烧结时间不小于2小时，烧结好的焊剂通过8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1.70m/min，所得焊缝组织参见图3。

具体焊接工艺参数如下表所示：

Figure 2012103939205100002DEST_PATH_IMAGE003

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：

Claims

1.一种X100管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，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，0.8%～1.2%的Re，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100%。

2.一种权利要求1所述焊剂的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：

2）将称取的各物质置于同一容器中，进行混合，使得按照质量百分比各物质含量为：19%~25%的CaF₂，25%~29%的MgO，5%~8%的CaO，21%~25%的Al₂O₃，4%~8%的MnO，1%~2.5%的，0.8%～1.2%的Re，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100%；

3.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述SiO₂是通过矿物粉携带加入，且焊剂成品中SiO₂含量应不大于20%。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钾钠水玻璃中钾钠的摩尔比为2.6：1。