CN103192196A - 一种适用于x90/x100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂，其成分重量百分比为：15≤CaF₂≤20；20≤MgO≤25；15≤Al₂O₃≤20；10≤CaO≤15；1≤MnO≤5；25≤SiO₂≤30；3≤Y₂O₃≤8；1≤还原剂≤4；本发明确保X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接速度在1.5m/min～1.8m/min的高焊速下，焊缝具有良好的工艺性能，且焊缝强度达到780MPa以上，韧性值平均达到130J，熔敷金属强度达到760MPa以上，扩散氢含量为6.0ml/100g(水银法)以下，属于低氢焊材，可实现超高强度管线钢管的埋弧焊缝的高强度、高韧性匹配。

Description

一种适用于X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂

技术领域：

本发明属于超高强度管线钢管埋弧焊接材料。是针对于当前油气管线发展需要，开发一种的适用于X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速焊剂。采用本发明焊剂，配合相应的焊丝与国产X90/X100超高强的管线钢焊接后，可保证较高焊速下，焊缝具有较高强度的同时，还具有较高的冲击韧性，并完全达到API-5L-44版标准要求。

背景技术：

油气输送管道作为石油、天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，近几年来，随着管道建设工程的不断发展和提升，长距离输气管线的修建将成为未来油气输送的主要趋势。为了使远离消费地区的天然气资源开发得到有效的投资及运行，根据研究，在同一输量下，可通过提高钢级来进一步提升管线输送压力，并确保在较小的管径小，有效的减少管材投入费用及施工建设费用，为了适应管道建设发展形势，因此X90/X100超高强度管材开发应用被提上了未来的建设议程。

X90/X100超高强度管线钢和制管技术国外已经在很早以前就开始了的研究，并有部分管线已经采用超高强度管线钢进行了工程化建设应用。但国内现阶段还只是处于试验室的研究及少量的试验阶段，还未进行工程化应用。而随着我国钢管制造技术日益提高，和未来高压油气管道工程发展，X90/X100钢级钢管的应用将成为主流，所以大力开展超高强度焊剂的研制很有必要。为了提高X90/X100的强度等级，在管线钢原材料中加入了大量的Mn、Ni、Cr、Cu、Mo等合金元素，使碳当量提高。为了使埋弧焊缝与母材实现等强等韧匹配，采用普通的焊接材料已经无法满足工艺和焊缝性能要求。应采用一种新型的焊剂，尽可能降低焊缝中的S、P、O等有害夹杂物，提高其纯净度；使熔渣中有较低的氧含量，保证焊接过程中合金成分达到有效的过渡，确保其具有较好的强韧性，同时调整焊剂其它组分，实现焊接工艺的优化和高速焊接。而现阶段使用的X80焊剂已经远远不能满足焊缝性能及工艺要求，所以需要进行X90/X100超高强度管线钢用烧结焊剂的开发。

发明内容：

本发明是设计开发一种适用于X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂，与相应的焊丝及原料匹配，使焊缝在交直流双丝高速焊接下，在满足一定工艺性能情况下，焊缝达到与母材等强匹配，并具有较高的低温度韧性。

本发明焊剂成分重量百分比为：15≤CaF₂≤20；20≤MgO≤25；15≤Al₂O₃≤20；10≤CaO≤15；1≤MnO≤5；25≤SiO₂≤30；3≤RE_xO_y≤8；2≤还原剂≤4。

所述还原剂为加入了硅铁和Mn-Fe。

所述稀土元素RE_xO_y为加入了Y₂O₃。

焊剂的制造工艺为：将含有一定成分的原料，按照一定配比进行干混，并搅拌均匀后，按照总混合物质量的一定百分比加入适量的粘接剂(钾钠水玻璃)进行湿混，然后用簸箕或造粒机进行造粒，按照GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金钢用焊丝和焊剂》标准要求，将焊剂粒度控制在10-60目之间，之后进行200-250℃低温烘干，再在800-900℃进行高温烧结后，经过10-60目的筛选后使用具有防潮性能的包装袋进行包装。

本发明采用数值优化处理方法，对于CaF₂、MgO、Al₂O₃、SiO₂、MnO进行优化组合，并添加相应的Si-Fe或Si-Fe/Mn-Fe及稀土，在较高的碱度(1.7以上)下，对焊缝进行脱氧及合金弥补，保证焊接后合金成分的有效过渡，并通过异质化处理将熔渣中的夹杂物变成焊缝结晶过程中的有效质点，而确保焊缝晶粒度得到细化，以此提高焊缝冲击韧性。另外通过在高碱度下，加入CaO来减少焊缝中的P、S等有害物质，确保焊缝具有稳定的性能及较好的纯净度；适当的调整MnO、SiO₂及MgO、Al₂O₃含量而达到焊接过程中熔渣具有适当的粘度、表面张力及熔化特性，而使得在1.5m/min～1.8m/min高焊速下，保证焊缝熔池高速结晶过程中熔渣与母材具有合理熔点，而达到焊接过程中对熔池的保护。

CaF₂可有效的降低碱性熔渣的黏度和表面张力，提高熔渣的润湿能力，改善熔渣对熔滴、熔池的覆盖性，增加熔渣的流动性，并有利于减少液态金属同电弧气氛中原子氢的直接接触，可很大程度的减少金属的吸氢量，并降低焊缝中的气体杂质，提高焊缝的纯净度；

MgO能提高熔渣的碱度、降低酸性渣的粘度、增加熔渣的透气性和降低扩散氢含量。在焊剂中提高(CaO+MgO)/SiO₂的比例(不大于3)焊接时候能增加熔池的脱S能力。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，可达到有效的控制焊缝工艺性能作用；

CaO为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。可避免焊缝晶界处开裂而降低焊缝冲击韧性；

Al₂O₃作为的玻璃体造渣材料，其熔点较高，具有提高电弧集中性的作用。在烧结焊剂中可作为熔渣粘度的调整剂，能调整熔渣的流动性，具有增大熔渣表面张力的作用，一般的Al₂O₃含量增加愈多，焊缝鱼鳞波纹愈细小，脱渣愈容易。针对螺旋制管焊接施焊特征，通过加入一定量的后，通过调整焊剂的熔点而保证焊缝在不同位置下的表面成型性；

MnO、SiO₂作为脱氧作用及对熔渣各种物理特性调整而存在。其中，SiO₂能降低渣的碱度，并由于其能与熔渣中大部分的碱性氧化物结合形成复合物，所以随着其含量升高，容易引起熔渣的黏度增大，但随着它在焊剂中的含量提高，会引起碱度下降，而出现向焊缝熔池中过渡Si的现象，引起焊缝冲击韧性下降；MnO可以降低熔渣的熔点，改善熔渣的流动性，降低表面张力，有利于焊缝成形。在高碱度下其冶金反应，还原产物向焊缝中过渡Mn，起到提高焊缝强度及韧性的作用，并可与S结合形成MnS，起到一定的脱硫作用。

加入适量的Y₂O₃，可有效的过渡到焊缝中，易于聚集到晶界处，通过阻碍晶粒的长大而对起焊缝晶粒的细化作用，另外细小的高熔点Y₂O₃氧化物夹杂物在焊缝结晶过程中成为非自发形核质点，可有效地增加焊缝中针状铁素体和细晶铁素体的比例；

Si-Fe或Si-Fe/Mn-Fe在熔渣中主要起脱氧及合金过渡作用。Mn、Si形成氧化物，减少焊缝中氧含量和有害物质。同时部分Mn、Si过渡到焊缝中，可起到提高焊缝冲击韧性及强度的作用；

通过以上各个成分的有效调整，埋弧焊管焊接时不出现熔池流失、淌渣、焊道表面光滑，达到高速焊接时焊缝有良好的成型性，并有效地减少了合金烧损，去除焊缝中的有害夹杂物。

本发明与相应的高强度焊丝配合进行试验室及X90/X100钢管埋弧焊接后，焊缝表面光滑、过渡良好，且在低温下韧性较高，强度完全达到X90/X100强度要求。

本发明有以下优点：

1、本发明配合相应的焊丝及X90/X100原料进行1.7m/min以上焊速及较大参数焊接后，焊缝工艺性能良好，焊缝表面光滑，过渡良好，，力学性能优良，焊缝强度达到780MPa以上，韧性值平均达到130J，实现超高强度管线钢管的埋弧焊缝的高强度、高韧性匹配。

2、匹配国内多家钢厂原料进行焊接后，焊缝力学性能及工艺性能稳定、优良且不发生突变。

3、配合合金含量较高的高强焊丝焊接后，焊缝中合金成分过渡良好，合金元素烧损较少，且对S、P等夹杂物得到了较好的控制；

4、进行熔敷金属性能测试后，熔敷金属较低温度下(-20℃、-40℃下)冲击韧性在40J以上，强度达到760MPa以上；

具体实施例；

实施例1：

1)焊剂组分(wt％)：MgO 21.5，CaF₂20.1，Al₂O₃20.8，CaO6.2，稀土5.3，MnO6.5，SiO₂26.5，S0.014，P0.029，加入脱氧剂Si-Fe1～2，Mn-Fe3～4；

2)将含有一定成分的原料，按照一定配比进行干混，并搅拌均匀后，按照总混合物质量的一定百分比加入适量的粘接剂(钾钠水玻璃)进行湿混，然后用簸箕或造粒机进行造粒，按照GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金钢用焊丝和焊剂》标准要求，将焊剂粒度控制在10-60目之间，之后进行200-250℃低温烘干，再在800-900℃进行高温烧结后，经过10-60目的筛选后使用具有防潮性能的包装袋进行包装。

3)焊缝熔敷金属试验力学性能

4)焊接试验及性能测试(配合高钢级焊丝BG-H06H2-2及相应的管线钢原料)

本发明实例2：

1)焊剂组分(wt％)：MgO24.8，CaF₂21.5，Al₂O₃21.5，CaO6.5，Y₂O₃5.3，MnO6.8，SiO₂24.5，S0.012，P0.021，加入脱氧剂Si-Fe2～3；

2)与例1制造工艺相同

3)焊缝熔敷金属试验力学性能

4)焊接试验及性能测试(配合高钢级焊丝BG-H06H2-2及相应的管线钢原料)

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更改或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种适用于X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂，其特征在于，该焊剂重量百分比组成为：15≤CaF₂≤20；20≤MgO≤25；15≤Al₂O₃≤20；10≤CaO≤15；1≤MnO≤5；25≤SiO₂≤30；3≤RE_xO_y≤8；2≤还原剂≤4。

2.根据权利要求1所述的高韧性高焊速烧结焊剂，其特征在于：所述还原剂为加入了硅铁及Mn-Fe。

3.根据权利要求1所述的高韧性高焊速烧结焊剂，其特征在于：所述RE_xO_y稀土元素为加入了Y₂O₃。

4.如权利要求1、2或3所述高韧性高焊速烧结焊剂的制备方法，其特征在于：将所述原料进行配比进行干混，并搅拌均匀后，加入粘接剂进行湿混，然后用簸箕或造粒机进行造粒，按照GB/T 12470-2003标准要求，将焊剂粒度控制在10-60目之间，之后进行200-250℃低温烘干，再在800-900℃进行高温烧结后，经过10-60目的筛选后获得。

5.如权利要求4所述制备方法，其特征在于：所述粘接剂为钾钠水玻璃。