CN103480985A

CN103480985A - 一种焊接材料、焊缝金属及其应用

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Publication number: CN103480985A
Application number: CN201310445220.0A
Authority: CN
Inventors: 张盘
Original assignee: Individual
Current assignee: Haining Ruiao Metal Technology Co ltd
Priority date: 2013-09-23
Filing date: 2013-09-23
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-23
Also published as: CN103480985B

Abstract

本发明公开了一种焊接材料、焊缝金属及其应用，以重量百分比计焊接材料及焊缝金属的化学成分组成为：C≤0.10%，Si 0.2～0.6%，Mn 1.5～2.0%，P≤0.008%，S≤0.006%，Ni 1.5～4.5%，Cr 0.3～1.0%，Ti 0.05～0.2%，V 0.05～0.2%，余量为Fe及不可避免杂质。使用本发明焊接材料所得的焊缝金属屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830MPa，断后延伸率≥19%，-60℃冲击功≥80J。采用手工电弧焊，或者气体保护焊，可在较大的工艺范围内获得无缺陷、高质量焊缝，为大厚度690MPa级别平台用钢的焊接加工制造提供解决方案。

Description

一种焊接材料、焊缝金属及其应用

技术领域

本发明涉及一种高强度高韧性厚板的焊接材料及焊缝金属，特别涉及一种屈服强度690MPa级厚板的焊接材料及焊缝金属，属于海洋钻采油平台用钢配套焊接材料领域。

背景技术

全球经济不断发展带动了能源需求不断增长，尤其是石油和天然气的需求量不断加大。随着陆地资源相继枯竭，油气勘探逐渐转移到深海领域。过去10年，海上油气钻采平台的建设数量的年均增长率约80%，而且这一趋势在未来的20年内不会改变。钻采油平台的桩腿、齿条等承重部件需要屈服强度690MPa、且能够抵抗-60℃冲击功要求的钢板，以确保结构的安全；根据承载不同，钢板的厚度在30～220mm之间。

建造现场条件和结构决定了该类焊接结构件的焊接拘束应力大、多位置焊接等特点，对焊接材料的工艺性能和抗裂性能提出了高要求；另一方面，由于屈服强度超过690MPa，又要求确保-60冲击韧性，因此对焊接材料提出了更高的要求，即要同时满足高焊接工艺性能、高强度、高韧性和抗裂性能。

目前的配套焊接材料主要采用镍钼系和镍钼铬系，焊缝金属的典型合金元素包括2～4.5%镍，0.5%钼或者0.3～0.6%铬。但由于焊接材料的镍和钼含量高，因此提高了焊接加工成本，给该类焊接材料及高强钢板的应用带来了障碍。

因此，行业迫切需求低成本、高工艺性能、能够满足技术要求的焊接材料和焊缝金属。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了低成本、高韧性的屈服强度690MPa钻采油平台钢的焊接材料及焊缝金属。采用手工电弧焊、气保焊接等焊接方法，能够得到无缺陷的焊接接头，且焊缝金属的屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830MPa，延伸率≥19%，-60℃冲击功≥80J。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种屈服强度690MPa级别钻采油平台钢的焊接材料，所述焊接材料以重量百分比计的化学成分组成如下：C≤0.10%，Si 0.2～0.6%，Mn 1.5～2.0%，P≤0.008%，S≤0.006%，Ni 1.5～4.5%，Cr 0.3～1.0%，Ti 0.05～0.2%，V 0.05～0.2%，余量为Fe及不可避免杂质。

所述的焊接材料可为焊条、实芯焊丝或药芯焊丝。

所述的焊接材料，在690MPa级钻采油平台用钢焊接中的用途。

一种屈服强度690MPa级钻采油平台用钢的焊缝金属，所述焊缝金属以重量百分比计的化学成分组成如下：C≤0.10%，Si 0.2～0.6%，Mn 1.5～2.0%，P≤0.008%，S≤0.006%，Ni 1.5～4.5%，Cr 0.3～1.0%，Ti 0.05～0.2%，V 0.05～0.2%，余量为Fe及不可避免杂质。

采用手工电弧焊、或者气体保护焊，所述的焊接材料在制造高强高韧焊缝金属中的应用，所得焊缝金属屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830MPa，断后延伸率≥19%，-60℃冲击功≥80J。

本发明的焊接材料可以通过常规的制造工艺即可获得。

本发明中各元素的作用和含量限定的理由详述如下：

C：高的C含量对铁基材料的低温冲击韧性和焊接性能不利，本发明C含量控制为≤0.10%。

Si：是焊缝金属中不可或缺的脱氧元素、能够有效提高焊缝金属强度的元素之一，因此其含量应该≥0.2%；另一方面当其含量超过0.6%会导致焊缝金属中的侧板条铁素体体积含量增多、导致低温冲韧性下降。因此，本发明Si含量在0.2～0.6%。

Mn：是焊缝金属中的主要脱氧元素之一，同时也能提高钢板和焊缝金属强度最有效的元素之一，因此其含量应该≥1.5%；但同时超过2.0%的Mn含量会显著降低焊缝金属低温冲击韧性。因此，本发明Mn含量控制为1.5～2.0%。

Ni：可有效提高铁素体基体的低温韧性，也是低温钢及其焊接材料中常用的元素。虽然可以通过固溶强化机理来提高焊缝金属强度，但当其含量超过1.5%后，对于焊缝金属的强度贡献不明显；但是1.5～4.5%之间的镍含量对于提高焊缝金属的铁素体基体的低温韧性效果明显，因此，镍含量为1.5～4.5%。

Cr：是有效提高焊缝金属淬透性的元素之一，从而提高焊缝金属强度；但是但当其含量超过1.0%后，会显著促进侧板条铁素体和贝氏体的生产，对低温韧性不利，因此，其含量为0.3～1.0%。

Ti：是本发明最重要的元素之一，一方面可有效改善焊接工艺性能、通过改善熔滴过度形态达到提高焊道形貌和焊接表面质量，可同时满足钻采油平台焊接结构的大拘束度、大厚度和多位置焊接等特点带来的焊接工艺难题。

另一方面，钛通过析出强化等手段可有效提高焊缝金属强度，同时焊缝中大量形成的氧化钛可有效促进针状铁素体的形成，可有效提高焊缝金属的低温冲击韧性。正是由于钛的加入对于焊缝金属低温韧性的有益作用，可将镍含量降低到1.0～1.5%。因此，钛含量为0.05～0.2%。

V：通过V(C，N)析出来提高焊缝金属的强度，同时对焊缝金属的低温韧性没有损伤；当其含量低于0.05时，强化效果不明显；当其含量超过0.2%时，其强化作用不再明显，同时对低温冲击韧性不利。因此，优选含量为0.05～0.2%。

P：本发明中作为杂质元素，其含量控制为≤0.008%。

S：作为杂质元素，其含量控制为≤0.006%。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

1、提供了一种低成本、焊接工艺性能优良的钻采油平台高强钢的焊接材料及焊缝金属，为该类高强度高韧性大厚度的钢结构的焊接加工提供了解决方案。

2、焊接材料及焊缝金属抗裂性能好，可适应多位置、不同焊接工艺条件焊接，并能得到高质量焊缝金属，其屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830J，-60℃冲击功≥80J，能够满足技术条件要求。

附图说明

图1为本发明实施例1焊缝金属的微观组织图片。

具体实施方式

以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

焊接试板采用国产60mm厚平台钢板，其屈服强度710MPa，抗拉强度855MPa，延伸率22%，-60℃冲击功185J。

选用直径1.2mm实芯焊丝，采用80%Ar+20%CO₂的混合气体作为保护气体，进行热输入量16kJ/cm的气保焊接。以重量百分比计焊丝化学成分组成，0.09C，0.55Si，1.90Mn，0.006P，0.004S，3.6Ni，0.75Cr，0.16Ti，0.14V，其余为Fe及杂质元素。

焊接坡口为双V，坡口角度为60°，钝边为3～5mm，间隙为1～3mm。焊前预热温度120℃。单面焊满10道次后，即在反面清根，然后进行10～20道次的焊接，然后再转到另一面直至焊满，然后到另一面焊满。正反两面共计焊85道次。焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现缺陷。

以重量百分比计焊接接头焊缝金属的化学成分组成，0.06C，0.35Si，1.75Mn，0.007P，0.005S，2.8Ni，0.55Cr，0.12Ti，0.08V，其余为Fe及杂质元素。机械性能测试结果表明：焊缝屈服强度745MPa，抗拉强度为860MPa，延伸率为19%，-60℃冲击功分别为102，124和118J，平均值为115J。

实施例2：焊接试板采用国产40mm厚平台钢板，其屈服强度725MPa，抗拉强度875MPa，延伸率21%，-60℃冲击功205J。

选用直径5.0mm焊条进行手工焊条电弧焊接。焊接坡口为单V，坡口角度为50°，钝边为2～4mm，间隙为1～2mm。以重量百分比计焊条的表皮药粉的化学成分组成，0.06C，0.55Si，1.75Mn，0.0068P，0.0052S，4.2Ni，0.95Cr，0.18Ti，0.20V，其余为Fe及杂质元素。

焊前钢板的预热温度为150℃。单面焊满8道次后，即在反面清根；然后进行10～20道次的焊接，然后再转到另一面直至焊满，然后到另一面焊满。正反两面共计焊35道次。焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现缺陷。

以重量百分比计焊接接头焊缝金属的化学成分组成，0.08C，0.25Si，1.55Mn，0.006P，0.004S，3.5Ni，0.75Cr，0.07Ti，0.11V，其余为Fe及杂质元素。机械性能测试结果表明：焊缝的屈服强度748MPa，抗拉强度为860MPa，延伸率为19%，-60℃冲击功分别为123，124和136J，平均值为128J。

实施例3：焊接试板采用120mm厚平台钢板，其屈服强度718MPa，抗拉强度868MPa，延伸率20%，-60℃冲击功195J。

选用直径1.2mm药芯焊丝，采用85%Ar+15%CO₂的混合气体作为保护气体，进行热输入量15kJ/cm的气保焊接。以重量百分比计药芯焊丝中药粉的化学成分组成，0.07C，1.95Mn，0.0075P，0.0045S，2.8Ni，1.2Cr，0.15Ti，0.16V，其余为Fe及杂质元素。

焊接坡口为双V，坡口角度为65°，钝边为2～5mm，间隙为1～3mm。焊前预热温度为150℃。单面焊满8道次后，即在反面清根；然后进行10～20道次的焊接，然后再转到另一面直至焊满，然后到另一面焊满。正反两面共计焊165道次。焊后采用X射线和超声波对焊接接头进行探伤，未发现缺陷。

以重量百分比计焊接接头焊缝金属的化学成分组成，0.05C，0.20Si，1.90Mn，0.007P，0.003S，1.9Ni，0.9Cr，0.15Ti，0.12V，其余为Fe及杂质元素。机械性能测试结果表明：焊缝屈服强度742MPa，抗拉强度为875MPa，延伸率为19%，-60℃冲击功分别为118，114和126J，平均值为119J。

采用本发明技术可得到无缺陷的低温管线的埋弧焊接接头，且焊缝金属屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830MPa，断后延伸率≥19%，-60℃冲击吸收功≥100J，给屈服强度690MPa级别钻采油平台钢的焊接加工带来了解决方案。

Claims

1.一种焊接材料，其特征在于，所述焊接材料以重量百分比计的化学成分组成如下：C≤0.10%，Si 0.2～0.6%，Mn 1.5～2.0%，P≤0.008%，S≤0.006%，Ni1.5～4.5%，Cr 0.3～1.0%，Ti 0.05～0.2%，V 0.05～0.2%，余量为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的焊接材料，其特征在于：焊接材料可为焊条、实芯焊丝或药芯焊丝。

3.根据权利要求1或2所述的焊接材料，其特征在于：在690MPa级钻采油平台用钢焊接中的用途。

4.一种使用权利要求1所述的焊接材料制得的焊缝金属，其特征在于，所述焊缝金属以重量百分比计的化学成分组成如下：C≤0.10%，Si 0.2～0.6%，Mn1.5～2.0%，P≤0.008%，S≤0.006%，Ni 1.5～4.5%，Cr 0.3～1.0%，Ti 0.05～0.2%，V0.05～0.2%，余量为Fe及不可避免杂质。

5.根据权利要求1所述的焊接材料在制造高强高韧焊缝金属中的应用，所得焊缝金属屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥830MPa，断后延伸率≥19%，-60℃冲击功≥80J。