CN103231156B

CN103231156B - 一种x90管线钢制造的快速埋弧焊方法

Info

Publication number: CN103231156B
Application number: CN201310121524.1A
Authority: CN
Inventors: 李亚江; 王娟; 张永兰
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2033-04-09
Also published as: CN103231156A

Abstract

本发明公开了一种X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，根据高强度管线钢制造中环焊缝的焊接特点，采用800MPa高强高韧性实芯焊丝对管线钢内焊缝进行Ar+CO₂混合气体保护焊，采用800MPa高强高韧性焊丝配合CaO-CaF₂-Al₂O₃系碱性烧结焊剂，对管线钢外焊缝进行双丝快速埋弧自动焊。为了实现X90管线钢的双丝快速埋弧焊，采用高强高韧性焊丝，配合碱性烧结焊剂。焊接速度、焊接电流与电弧电压的临界范围严格匹配。本发明在不预热条件下快速焊接X90管线钢，能保证整个焊接接头具有较高的塑韧性储备，防止焊接裂纹的产生，具有很高的焊接生产效率。本发明的这种焊接工艺具有生产成本低、操作简便、适用性强的特点，具有很好的应用前景。

Description

一种X90管线钢制造的快速埋弧焊方法

技术领域

本发明涉及一种X90管线钢制造的高速埋弧焊方法，尤其涉及一种用于高强度管线钢的焊前不预热、快速埋弧自动焊方法，属于焊接技术领域。

背景技术

输送石油、天然气的高强度管线钢是在低合金控轧钢基础上发展起来的。针对输送石油、天然气的大直径高强度管线钢，自20世纪60年代中期开发X52管线钢以来，已发展到后期的X70、X80、X90管线钢。钢中的碳含量由0.1%～0.14%下降到0.01%～0.04%，碳当量相应地由0.45%下降到0.35%以下。显微组织由铁素体+珠光体发展为针状铁素体，使管线钢抗裂纹的能力有很大提高。

强度级别600MPa至900MPa的针状铁素体型管线钢X60～X90为第二代微合金管线钢，也是今后10～20年天然气输送管线工程的主流钢种。X70和X80管线钢是目前世界各国进行天然气管线建设的首选级别和品种。从制造成本上看，X80和X90管线钢将会成为未来新一轮管线建设的重要需求。较高强度级别的X90管线钢在石油、天然气长输管线建设中具有广阔的应用前景。

目前针对X90管线钢的制造和生产，焊接中仍存在一些问题，如淬硬性大，有明显的冷裂纹倾向，焊缝强韧性匹配、焊接效率等。

发明内容

本发明针对X90高强度管线钢焊接的工艺不足，提出一种适用于抗拉强度900MPa的X90管线钢的不预热、不进行焊后热处理的快速焊接方法。获得的焊缝表面光洁美观，焊缝金属的显微组织以细小的针状铁素体为主，这种组织具有很强的阻止裂纹产生和扩展的能力。

本发明提供的一种快速焊接生产X90高强管线钢的焊接方法，该方法适用于X90管线钢的不预热、不进行焊后热处理的焊接。根据高强度管线钢制造中环焊缝的焊接特点，采用埋弧自动焊或气体保护焊。为了实现X90管线钢的快速埋弧焊，须采用高强高韧性焊丝，配合CaO-CaF₂-Al₂O₃系碱性烧结焊剂。焊接速度、焊接电流与电弧电压的临界范围也必须严格匹配。

通过焊材（焊丝+焊剂）的强韧性匹配和控制焊接热输入可使焊接接头区获得组织性能良好的金相组织，可以避免焊接裂纹的产生。获得的焊接接头抗拉强度和焊缝金属0℃条件下的冲击吸收功满足其使用要求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，步骤如下：

（1）在待焊工件接头处开双面V形坡口；

（2）用钢丝刷清理坡口及坡口两侧30～40mm的表面，去除其油污和铁锈，直至露出金属光泽；

（3）采用800MPa高强高韧性实芯焊丝对管线钢内焊缝进行Ar+CO₂混合气体保护焊，焊接参数为：焊接电压30～35V，焊接电流310～420A，焊接热输入控制在12～24kJ/cm，保护气体流量20～30L/min。为了实现Ar+CO₂混合气体高效焊接，焊丝伸出长度从常规的15～20mm增加到25～35mm，进一步提高熔敷率并使熔滴轴向喷射过渡和旋转喷射过渡更趋稳定。焊接电流与电弧电压的临界范围也必须严格匹配。焊接之后用硅酸铝板保温材料覆盖工件的焊接接头区，施以缓慢冷却。

（4）采用800MPa高强高韧性焊丝配合碱性烧结焊剂，对管线钢外焊缝进行双丝快速埋弧自动焊，焊接参数为：焊丝直径4mm，直流反极性；第一丝：焊接电压36～40V，焊接电流1050A～1250A；第二丝：焊接电压40～46V，焊接电流950A～1150A；焊接速度110cm/min～130cm/min，焊接热输入控制在18kJ/cm～30kJ/cm，焊丝伸出长度30mm～50mm，焊丝按反转方向移动离顶点距离80～100mm，焊丝前倾角15～25°，两丝间距20mm～26mm。焊接工艺要点是减小稀释率，提高根部焊道的抗裂性。

所述步骤（1）中，单面坡口角度为20°～30°，钝边6mm～8mm。

上述的X90高强管线钢焊接方法中：所述焊接过程连续快速施焊，中途不得停歇；焊前不预热，也不进行焊后热处理。

其中：步骤（3）所述800MPa高强高韧实芯焊丝优选直径为1.2mm的MK·GHS80-G；施焊前对焊丝进行清理。

其中：步骤（3）所述800MPa高强高韧实芯焊丝，其熔敷金属化学成分以质量百分比计为：C≤0.10%，Si0.4%～0.8%，Mn1.2%～1.90%，Mo0.3%～0.6%，Ni0.75%～1.15%，Cu≤0.5%，N0.03%～0.07%，Nb:0.02%～0.1%；熔敷金属力学性能为：抗拉强度≥850MPa，屈服强度750～840MPa，伸长率≥18%，-20℃冲击吸收功≥100J。

其中：步骤（3）所述Ar+CO₂混合气体保护焊采用的Ar与CO₂的体积比优选为80%～85%：15%～20%，且两者体积之和为100%。

其中：步骤（3）所述Ar+CO₂混合气体保护焊所用喷嘴直径优选为10mm，气体流量优选为25L/min～30L/min。

其中：步骤（4）所述800MPa高强高韧焊丝的直径为4.0mm的H08CrNi2MoA，其化学成分以质量百分比计为：C0.05%～0.10%，Cr0.70%～1.00%，Ni1.40%～1.80%，Mo0.20%～0.40%，Si0.10%～0.30%，Mn0.50%～0.85%，Cu0.10%～0.20%；熔敷金属力学性能为：抗拉强度≥880MPa，屈服强度≥790MPa，伸长率≥16%，-40℃冲击吸收功≥110J。

其中：步骤（4）所述烧结焊剂为粒度1.25mm～0.45mm（14目～40目）的抗吸潮CaO-CaF₂-Al₂O₃系碱性烧结焊剂，交直流两用。烧结焊剂的成分组成（质量百分含量）为：CaO+MgO25%～35%，Al2O₃+MnO20%～30%，CaF₂15%～25%，SiO₂+TiO₂20%～30%，S≤0.06%，P≤0.08%。

其中：步骤（4）所述烧结焊剂焊前须经过300℃～350℃、2h烘焙。

本发明所述X90管线钢高速焊接工艺的技术方案是：管线钢内焊缝采用800MPa高强高韧性实芯焊丝，采用Ar+CO₂混合气体保护焊；外焊缝采用800MPa高强高韧性焊丝配合高碱度烧结焊剂进行快速埋弧自动焊；焊接过程严格控制焊接热量输入（18kJ/cm～30kJ/cm），控制焊缝扩散氢在超低氢水平（不超过5mL/100g）。

采用上述不预热、不进行焊后热处理的工艺快速焊接X90管线钢，可获得无内部裂纹的焊接接头，接头区平整光洁，焊缝金属的显微组织以细小的针状铁素体为主，这种组织具有很强的阻止裂纹产生和扩展的能力。焊缝金属的室温抗拉强度大于900MPa，试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功为大于160J，满足了高强管线钢具有较高承载能力的使用要求。

本发明的有益效果是，在不预热条件下焊接X90管线钢，能保证整个焊接接头具有较高的塑韧性储备，防止焊接裂纹的产生，具有很高的焊接生产效率。因此，本发明的这种焊接工艺具有生产成本低、操作简便、焊接效率高、适用性强的特点，具有很好的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

厚度为16mm的X90高强管线钢的快速焊接，两块试板尺寸均为500mm×1200mm×16mm。采用Ar+CO₂混合气体保护焊进行焊接内焊缝焊接，Ar和CO₂气体的体积比为85%：15%。采用快速埋弧焊进行外焊缝的焊接。

（1）焊接设备及焊接材料

焊接设备选用动特性良好的逆变式焊机和直流埋弧焊机。混合气体保护焊采用直径1.2mm的800MPa高强高韧性实芯焊丝，埋弧焊用直径4.0mm的800MPa焊丝配合高碱度烧结焊剂，焊前去除焊丝表面的油、锈等脏物。

（2）焊前准备

分别对两块厚度16mm的X90管线钢板的对接接头处采用砂轮打磨的方式开V形坡口，坡口角度单边20°，钝边6mm。将坡口及接头处内、外两侧30mm范围的锈蚀、油垢等清理干净，直至露出金属光泽。

两块试板对接装配，用混合气体保护焊800MPa实芯焊丝点固焊。

（3）焊接工艺及参数

1）在室温不低于20℃的不预热条件下施焊，内焊缝采用85%Ar+15%CO₂混合气体保护焊，配用直径1.2mm的800MPa高强高韧性实芯焊丝（MK·GHS80-G），单道连续焊，中途不得停歇。焊接参数为：焊接电压32V，焊接电流360A，焊接热输入12～18kJ/cm，保护气体流量25L/min，焊丝伸出长度30mm。焊接之后用硅酸铝板保温材料覆盖工件的焊接接头区，施以缓慢冷却。

2）采用800MPa高强高韧性焊丝（H08CrNi2MoA）配合碱性烧结焊剂，对管线钢外焊缝进行快速埋弧自动焊，焊接参数为：焊丝直径4mm，直流反极性；第一丝：焊接电压38V，焊接电流1080A～1190A；第二丝：焊接电压42V，焊接电流960A～1060A；焊接速度125cm/min，焊接热输入控制在19kJ/cm～24kJ/cm，焊丝伸出长度38mm，焊丝按反转方向移动离顶点距离80mm，焊丝前倾角25°，两丝间距22mm。

焊后接头外观平整光洁，无表面和根部裂纹。获得的焊接接头力学性能为：抗拉强度920MPa，伸长率20%，试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功大于140J，能满足使用性能要求。

实施例2：

厚度20mm的X90高强管线钢的高速焊接。两块试板尺寸均为800mm×1600mm×20mm，平板对接焊。采用85%Ar+15%CO₂混合气体保护焊方法焊接内焊缝，用高速埋弧自动焊进行外焊缝的焊接。

（1）焊接设备及焊接材料

（2）焊前准备

分别对两块厚度20mm的X90管线钢板的对接接头处采用砂轮打磨的方式开V形坡口，坡口角度单边20°，钝边8mm。将坡口及接头处内、外两侧30mm范围的锈蚀、油垢等清理干净，直至露出金属光泽。

（3）焊接工艺及参数

1）在室温不低于20℃的不预热条件下施焊，内焊缝采用85%Ar+15%CO₂混合气体保护焊，配用直径1.2mm的800MPa高强高韧性实芯焊丝（MK·GHS80-G），单道连续焊，中途不得停歇。焊接参数为：焊接电压34V，焊接电流390A，焊接热输入13～19kJ/cm，保护气体流量28L/min，焊丝伸出长度34mm。焊接之后用硅酸铝板保温材料覆盖工件的焊接接头区，施以缓慢冷却。

2）采用800MPa高强高韧性焊丝（H08CrNi2MoA）配合碱性烧结焊剂，对管线钢外焊缝进行快速埋弧自动焊，焊接参数为：焊丝直径4mm，直流反极性；第一丝：焊接电压40V，焊接电流1150A～1250A；第二丝：焊接电压46V，焊接电流1020A～1130A；焊接速度120cm/min，焊接热输入控制在20kJ/cm～28kJ/cm，焊丝伸出长度42mm，焊丝按反转方向移动离顶点距离85mm，焊丝前倾角15°，两丝间距25mm。

焊后管线钢接头外观平整光洁，无表面和根部裂纹。获得的焊接接头力学性能为：抗拉强度910MPa，伸长率20%，试验温度0℃的焊缝金属V形缺口冲击吸收功大于130J，能满足使用性能要求。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，其特征是，步骤如下：

(1)在待焊工件接头处开双面V形坡口；

(2)用钢丝刷清理坡口及坡口两侧的表面，去除其油污和铁锈，直至露出金属光泽；

(3)采用800MPa高强高韧性实芯焊丝对管线钢内焊缝进行Ar+CO₂混合气体保护焊，焊接参数为：焊接电压30～35V，焊接电流310～420A，焊接热输入控制在12～24kJ/cm，保护气体流量20～30L/min；

(4)采用800MPa高强高韧性焊丝配合CaO-CaF₂-Al₂O₃系碱性烧结焊剂，对管线钢外焊缝进行双丝快速埋弧自动焊，焊接参数为：焊丝直径4mm，直流反极性；第一丝：焊接电压36～40V，焊接电流1050A～1250A；第二丝：焊接电压40～46V，焊接电流950A～1150A；焊接速度110cm/min～130cm/min，焊接热输入控制在18kJ/cm～30kJ/cm，焊丝伸出长度30mm～50mm，焊丝按反转方向移动离顶点距离80～100mm，焊丝前倾角15～25°，两丝间距20mm～26mm；

所述步骤(4)中，所述800MPa高强高韧焊丝的直径为4.0mm的H08CrNi2MoA，其化学成分以质量百分比计为：C0.05％～0.10％，Cr0.70％～1.00％，Ni1.40％～1.80％，Mo0.20％～0.40％，Si0.10％～0.30％，Mn0.50％～0.85％，Cu0.10％～0.20％；熔敷金属力学性能为：抗拉强度≥880MPa，屈服强度≥790MPa，伸长率≥16％，-40℃冲击吸收功≥110J；

所述步骤(4)中，所述烧结焊剂为粒度1.25mm～0.45mm的抗吸潮CaO-CaF₂-Al₂O₃系碱性烧结焊剂，焊前经过300℃～350℃、2h烘焙。

2.如权利要求1所述的X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，其特征是，所述步骤(1)中，单面坡口角度为20°～30°，钝边6mm～8mm。

3.如权利要求1所述的X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，其特征是，所述焊接过程快速连续施焊。

4.如权利要求1所述的X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，其特征是，所述步骤(3)中，焊丝伸出长度25～35mm，焊接之后覆盖工件的焊接接头区，施以缓慢冷却。

5.如权利要求1所述的X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，其特征是，所述步骤(3)所述Ar+CO₂混合气体保护焊采用的Ar与CO₂的体积比为80％～85％：15％～20％。

6.如权利要求1所述的X90高强管线钢的不预热快速焊接方法，其特征是，所述步骤(3)中，所述Ar+CO₂混合气体保护焊所用喷嘴直径为10mm，气体流量为25L/min～30L/min。