CN104588916A - X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法 - Google Patents

X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法，该焊剂由一种碱度BIIW为0.7～1.4的低碱度渣系烧结焊剂和一种碱度BIIW为2.0～3.0的高碱度渣系烧结焊剂以1∶1～1∶3的质量比例均匀混合获得。在双丝高速埋弧焊条件下，工艺性能优良，接头抗拉强度大于820MPa，断裂于母材，在-20℃焊缝冲击韧性大于180J，满足X100高强管线钢的力学性能要求。

Description

X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法。
背景技术
随着长距离输油气管道向大口径、高压力方向发展，国内外钢铁企业加大了对X100超高强管线钢研发力度，已经于本世纪初开始了一系列X100管道试验段的建设。X100管线钢是目前高强度、高韧性输送管道钢材的发展方向，市场前景广阔，有望在西气东输的西四线、西五线大量应用。但是X100管线钢的实际工业化应用进展缓慢，国内现阶段还只是处于实验室的研究及少量的试验阶段，还未进行工程化应用，主要原因之一是由于管线钢强度级别的提高，目前现在使用的X80管线钢用埋弧焊烧结焊剂已经不能满足X100管线钢高速埋弧焊的焊缝强度和韧性等力学性能及工艺性能要求。经对现有技术的文献检索发现，专利号ZL200410097805.9公开了一份名称为“高等级管线钢用高强度高韧性高焊速埋弧焊剂”专利文件，该焊剂的重量百分比组成为：32％≤MgO≤40％，20％≤A12O3≤25％，15％≤SiO2≤25％，15％≤CaF2≤25％，3％≤稀土氧化物≤8％，S<0.04％，P<0.04％，焊速可达1.5～2.0m/min，焊接工艺性能优良，焊缝的抗拉强度≥700MPa，-10C的冲击韧性平均值≥100J。专利号ZL201210076252.公开了一份名称“高碱度高韧性低氢型烧结焊剂及其制备方法”专利文件，该焊剂的质量百分比组成为：18％≤MgO≤21.5％，33％≤CaF2≤35％，15％≤A12O3≤20％，17％≤SiO2≤21％，3.5％≤CaO≤8％，1％≤MnO≤5％，2％≤BaCO3≤5％，FeO≤3％，以上各组分的质量百分比总和为100％，熔渣碱度BIIW为2.4～2.6，焊接工艺性能优良，实现了内外4丝焊接，-40℃的冲击韧性平均值132～202J。该两种焊剂的工艺性能优良，能满足X8O管线钢的力学性能要求。
X100管线钢具有很高的洁净度、均匀性和超细化的晶粒，焊接的难题是如何实现焊缝金属的晶粒细化与纯净化，如何解决母材和焊缝金属强度韧性的匹配的矛盾等。因此必须开发一种新型高强高韧性焊剂，既能满足高速埋弧焊条件下的工艺性能，又能使焊缝具有优良的力学性能，满足未来管线建设的迫切要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法，该焊剂在单丝、双丝高速埋弧焊接条件下，工艺性能优良，焊缝力学性能达到技术规范规定的标准，尤其具有较高的低温冲击韧性。
本发明采用如下技术方案：
本发明的焊剂由一种低碱度渣系烧结焊剂(碱度BIIW为0.7～1.4)和一种高碱度渣系烧结焊剂(碱度BIIW为2.0～3.0)以1∶1～1∶3的质量比例均匀混合获得，其中低碱度渣系烧结焊剂组分质量百分比为：20％≤SiO2≤28％，5％≤ZrO2≤8％，16％≤A12O3≤28％，3％≤MnO2≤8％，9≤CaF2≤18，15％≤MgO≤24％，4％≤SrCO3≤10％，2％≤Mn-Fe≤6％，1％≤Y≤5％，以上各组分的质量百分比总和为100％，高碱度渣系烧结焊剂组分质量百分比为：8％≤SiO2≤18％，3％≤TiO2≤8％，10％≤A12O3≤18％，2％≤MnO2≤10％，18％≤CaF2≤28％，24％≤MgO≤33％，4％≤SrCO3≤8％，1％≤Si-Ca≤3％，2％≤Ti-Fe≤4％，1％≤Ni≤3％以上各组分的质量百分比总和为100％。所述Mn-Fe合金中，Mn的质量百分比为65％～85％，其余为Fe，所述Si-Ca合金中，Si的质量百分比为50％～65％，其余为Ca，所述Ti-Fe合金中，Ti的质量百分比为65％～75％，其余为Fe。
焊剂的制备方法，其步骤为：
(1)制造低碱度渣系焊剂，把粉状材料按低碱度渣系配方要求的比例混合，并在专用的混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总重量20％～24％的粘结剂，进行湿混搅拌，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到180℃～240℃并保温2～3小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到850℃～950℃并保温2～3个小时，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得低碱度渣系烧结焊剂；
(2)制造高碱度渣系焊剂，把粉状材料按高碱度渣系配方要求的比例混合，然后按照步骤(1)的方法制造高碱度渣系焊剂；
(3)将步骤(1)制造的低碱度渣系焊剂和步骤(2)制造的高碱度渣系焊剂按照1∶1～1∶3的质量比例均匀混合，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得双渣系焊剂。
本发明建立了一种创新性的设计方法，采用两种碱度不同的焊剂混合后获得的新型焊剂，与成分含量完全相同的单一渣系焊剂相比，形成的液态熔渣的高温物理性能具有显著的不同，在高速焊接条件下，由于焊剂熔化快，冷却快，双渣系焊剂将会形成高碱度熔渣和低碱度熔渣共存的混合状态，高碱度熔渣熔点高，粘度大，流动性差，低碱度熔渣熔点低，粘度小，流动性好，形成的双渣系焊剂熔渣克服了单一渣系焊剂熔渣的缺点，综合了两个渣系焊剂的优点，使得既具有低碱度渣系烧结焊剂工艺性能优良的特点，又具有高碱度渣系烧结焊剂力学性能较高的特点，尤其是低温冲击韧性。
本焊剂的组分众多，组分之间存在复杂的交互作用，本发明根据组分的作用，采用配方均匀设计对主要组分进行优化设计，配方成分分析如下：
SiO2主要作用是造渣，调整熔渣高温物理性能，降低熔渣的碱度及表面张力，有利于改善焊缝成形，但会导致冲击韧性下降。
TiO2主要作用是造渣，稳弧，调整熔渣高温物理性能，把长渣变为短渣，改善焊缝成形。
ZrO2为弱酸性氧化物，对焊缝金属的氧化性较少，有利于提高焊缝金属的冲击韧性，提高焊剂熔点，改善熔渣的高温物理性能。
A12O3主要作用是造渣，调整熔渣的粘度，增大熔渣表面张力。
MnO2主要是为了调整熔渣碱度、脱硫及弥补焊接过程中烧损的锰等。
CaF2具有提高熔渣碱度，降低熔渣熔点、粘度和表面张力，改善流动性的作用，并可有效地降低熔敷金属中扩散氢的含量，但不利于电弧稳定。
MgO主要起造渣、降低S和P作用，提高熔渣碱度、熔点、粘度和表面张力，能够降低扩散氢含量。
SrCO3焊接时分解出SrO和CO2，SrO是一种碱性氧化物，能提高脱硫磷等杂质的能力，产生的CO2气体能降低焊缝金属扩散氢含量，从而能够提高焊缝金属低温冲击韧性，但含量过多，产生的气体使焊接过程不稳定，焊缝成型变差。
Mn-Fe、Si-Ca和Ti-Fe合金主要起到联合脱氧的作用，Mn还具有脱S作用，Ca还具有脱P作用，Ti与O结合形成TiO2，具有细化晶粒和提高冲击韧性的作用。
Ni过渡到焊缝中，主要起到改善低温冲击韧性作用。
重稀土Y在焊缝金属中起到脱S、P、O等净化作用，降低熔敷金属的扩散氢含量，改善夹杂物形态，提高熔敷金属低温冲击韧性。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)焊接工艺性能优良，能够适用高速焊接条件，双丝埋弧焊接速度在1.6～2.2m/min时，焊接电弧稳定，双渣系熔渣具有非常好的流动性和铺展性，且熔渣凝固温度适中，脱渣性好，焊缝成形美观。
(2)满足X100超高强管线钢的焊缝高强高韧性匹配，接头抗拉强度大于820MPa，断裂于母材，在-20℃的焊缝冲击韧性大于180J。
附图说明
图1是采用本焊剂进行双丝埋弧焊接获得的焊缝金相组织；图2是采用本焊剂进行双丝埋弧焊接获得的熔渣和焊缝形貌。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
(1)制造低碱度渣系焊剂，按照质量百分比，分别称取20％的SiO2，5％的ZrO2，28％的A12O3，3％的MnO2，9％的CaF2，24％的MgO，4％的SrCO3，6％的Mn-Fe，1％的Y，把粉状材料在专用的混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量22％的粘结剂，进行湿混搅拌，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到240℃并保温2小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到900℃并保温2.5个小时，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得低碱度渣系烧结焊剂；
(2)制造高碱度渣系焊剂，按照质量百分比，分别称取18％的SiO2，8％的TiO2，10％的A12O3，2％的MnO2，20％的CaF2，33％的MgO，4％的SrCO3，1％的Si-Ca，2％的Ti-Fe，2％的Ni，然后按照步骤(1)的方法制造高碱度渣系焊剂；
(3)将步骤(1)制造的低碱度渣系焊剂和步骤(2)制造的高碱度渣系焊剂按照1∶3的质量比例均匀混合，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得双渣系焊剂。
焊接工艺参数如下表所示：
焊接接头力学性能如下表所示：
实施例2：
(1)制造低碱度渣系焊剂，按照质量百分比，分别称取28％的SiO2，8％的ZrO2，18％的A12O3，5％的MnO2，12％的CaF2，15％的MgO，10％的SrCO3，2％的Mn-Fe，2％的Y，把粉状材料在专用的混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量20％的粘结剂，进行湿混搅拌，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到180℃并保温3小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到850℃并保温3个小时，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得低碱度渣系烧结焊剂；
(2)制造高碱度渣系焊剂，按照质量百分比，分别称取14％的SiO2，5％的TiO2，14％的A12O3，4％的MnO2，28％的CaF2，24％的MgO，5％的SrCO3，2％的Si-Ca，3％的Ti-Fe，1％的Ni，然后按照步骤(1)的方法制造高碱度渣系焊剂；
(3)将步骤(1)制造的低碱度渣系焊剂和步骤(2)制造的高碱度渣系焊剂按照1：2的质量比例均匀混合，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得双渣系焊剂。
焊接工艺参数如下表所示：
焊接接头力学性能如下表所示：
实施例3：
(1)制造低碱度渣系焊剂，按照质量百分比，分别称取22％的SiO2，6％的ZrO2，16％的A12O3，8％的MnO2，18％的CaF2，17％的MgO，5％的SrCO3，3％的Mn-Fe，5％的Y，把粉状材料在专用的混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量24％的粘结剂，进行湿混搅拌，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到210℃并保温2.5小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到950℃并保温2个小时，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得低碱度渣系烧结焊剂；
(2)制造高碱度渣系焊剂，按照质量百分比，分别称取8％的SiO2，3％的TiO2，18％的A12O3，10％的MnO2，18％的CaF2，25％的MgO，8％的SrCO3，3％的Si-Ca，4％的Ti-Fe，3％的Ni，然后按照步骤(1)的方法制造高碱度渣系焊剂；
(3)将步骤(1)制造的低碱度渣系焊剂和步骤(2)制造的高碱度渣系焊剂按照1∶1的质量比例均匀混合，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得双渣系焊剂。
焊接工艺参数如下表所示：
焊接接头力学性能如下表所示：

Claims (4)

1.X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法，其特征在于，焊剂由一种低碱度渣系烧结焊剂(碱度BIIW为0.7～1.4)和一种高碱度渣系烧结焊剂(碱度BIIW为2.0～3.0)以1∶1～1∶3的质量比例均匀混合获得，低碱度渣系烧结焊剂组分质量百分比为：20％≤SiO2≤28％，5％≤ZrO2≤8％，16％≤A12O3≤28％，3％≤MnO2≤8％，9％≤CaF2≤18％，15％≤MgO≤24％，4％≤SrCO3≤10％，2％≤Mn-Fe≤6％，1％≤Y≤5％，以上各组分的质量百分比总和为100％，高碱度渣系烧结焊剂组分质量百分比为：8％≤SiO2≤18％，3％≤TiO2≤8％，10％≤A12O3≤18％，2％≤MnO2≤1O％，18％≤CaF2≤28％，24％≤MgO≤33％，4％≤SrCO3≤8％，1％≤Si-Ca≤3％，2％≤Ti-Fe≤4％，1％≤Ni≤3％，以上各组分的质量百分比总和为100％。
2.根据权利要求1所述的烧结焊剂，其特征在于，Mn-Fe合金中，Mn的质量百分比为65％～85％，其余为Fe，Si-Ca合金中，Si的质量百分比为50％～65％，其余为Ca，Ti-Fe合金中，Ti的质量百分比为65％～75％，其余为Fe。
3.根据权利要求1所述烧结焊剂的制备方法，其特征在于，按照以下步骤制备：
(1)把粉状材料按低碱度渣系配方要求的比例混合，并在专用的混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总质量20％～24％的粘结剂，进行湿混搅拌，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到180℃～240℃并保温2～3小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热到850℃～950℃并保温2～3个小时，然后依次通过1O目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得低碱度渣系烧结焊剂；
(2)把粉状材料按高碱度渣系配方要求的比例混合，然后按照步骤(1)的方法制造高碱度渣系焊剂；
(3)将步骤(1)制造的低碱度渣系焊剂和步骤(2)制造的高碱度渣系焊剂按照1∶1～1∶3的质量比例均匀混合，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控制在10～60目之间，从而获得双渣系焊剂。
4.根据权利要求3所述烧结焊剂的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃，模数为2.8～3.0，钾钠质量比为2∶1。
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