CN104607822B

CN104607822B - 一种高强度管线用埋弧焊缝金属

Info

Publication number: CN104607822B
Application number: CN201410752053.9A
Authority: CN
Inventors: 张宇; 潘鑫; 董利明; 张红; 郭振其
Original assignee: CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co Ltd; Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2014-12-10
Filing date: 2014-12-10
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: CN104607822A

Abstract

本发明涉及一种高强度管线用埋弧焊缝金属，其化学成分(质量百分比，wt％)：C0.02‑0.08，Si0.05‑0.20，Mn1.6‑1.9，S≤0.005，P≤0.010，Ni1.2‑1.6，Mo0.6‑0.8，Cu0.35‑0.55,Zr0.01‑0.05,Ce0.02‑0.06,O0.026‑0.040，且Ni/Cu:2.5‑3.5,Zr+Ce:0.04‑0.10。本发明焊缝金属金属通过多丝高速埋弧焊方法获得，具有优良的综合性能，焊缝抗拉强度≥780MPa，‑60℃冲击功＞100J。该焊缝金属适用于高强度级别钢板的焊接接头，低温韧性优异，特别适用于API X100级别的管线焊管的制造。

Description

一种高强度管线用埋弧焊缝金属

技术领域

本发明属于焊接材料领域，涉及一种低温韧性优异的高强度埋弧焊缝金属，特别是涉及一种适用于API X100级别管线焊管制造的焊缝金属。

背景技术

经济和社会发展带动了能源需求，进而带动了输油气管道建设热潮。西气东输二线工程已建成投产，西气东输三线工程正在建设中。目前工程采用X80级钢管，其配套钢板、焊接材料和制管技术较为成熟。为缓解能源需求急剧增加带来的压力，高钢级管线钢如X90-X100将逐步取代X80以减薄钢管壁厚、提高输送压力，从而提高输送效率。

针对X90/100钢管所需的钢板、埋弧焊接材料等都在研发中，未见工程应用。关于埋弧焊接材料，国内专利201110176764.2、201010526958.6、200910303842.3、200510018993.6、201010580933.4和201310025309.1等采用NiCrMoTiB的埋弧焊丝成分设计；国外专利JP2003133905A、JP25426585AJP2000256779A、JP2001355039A和JP2002115032A也同样采用了MoTiB成分设计。上述技术搭配碱度为1.4-1.8焊剂、在焊接速度1.5-1.8m/min条件下制得的钢管可满足相关要求的钢管接头及其焊缝金属。虽然焊缝金属的强度和低温冲击韧性满足要求，但由于含B焊丝钢成品中B含量波动大，这将导致焊缝金属中B含量同样波动大，导致焊接接头的焊缝力学性能不稳定，从而影响成品钢管的合格率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种性能稳定可靠的高强度埋弧焊熔敷金属，该种焊接熔敷金属综合性能优良，抗拉强度≥780MPa，-60℃的冲击韧性＞100J，满足API对X100的技术要求并具有优异的低温韧性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强度管线钢用埋弧焊缝金属，其化学成分为(质量百分比，wt％)：C 0.02-0.08，Si 0.05-0.20，Mn 1.6-1.9，S≤0.005，P≤0.010，Ni 1.2-1.6，Mo 0.6-0.8，Cu 0.35-0.55,Zr 0.01-0.05,Ce 0.02-0.06,O 0.026-0.040，且Ni/Cu:2.5-3.5,Zr+Ce:0.04-0.10。余量为铁及不可避免的杂质。匹配焊剂碱度为1.33-1.38，采用多丝高速埋弧焊的方法制得。制得的焊缝金属抗拉强度≥780MPa，-60℃低温韧性＞100J。

C是保证焊缝强度的重要因素，C含量过低会导致合金成本增加，但过高C含量会增加焊接过程中焊缝金属的冷裂倾向，本发明中将C含量控制在0.02-0.08％。

Mn在焊缝中通过细化焊缝组织，从而提高焊缝金属的强度和韧性。但过高的Mn含量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性，因此优选Mn含量为1.6-1.9％。

Si有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝强度，并且与Mn起到联合脱氧的作用。此外，Si与Mn同样，在含量过高时会对焊缝韧性不利，并会增加焊缝裂纹敏感性，所以Si含量不宜过高，控制Si含量在0.05-0.20％。

Mo元素添加可有效降低焊缝金属相转变温度，从而细化焊缝组织，提高强度和低温冲击韧性。优选其含量为0.6-0.8％。

Ni会通过韧化铁素体基体提高焊缝金属的低温冲击韧性。另一方面过高Ni含量会降低焊缝金属流动性，对焊缝成形不利，同时也会造成成本大幅上升，因此，设置Ni含量为1.2-1.6％。

Cu是本发明中重要的元素之一，一方面利用其细化焊缝金属组织，另一方面利用其细小的析出相来同时提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性。在本发明的NiMoCu合金设计中，焊缝金属的低碳贝氏体生成区间较大，降低了其对焊接工艺的敏感性，从而确保了焊接微观组织和力学性能的波动性。

另一方面Cu的添加提高了焊缝金属的抗氢致裂纹(HIC)能力，Cu可以促进钝化膜的形成，减少氢的侵入，所以加入一定量的Cu使焊缝金属具有一定的抗HIC性能。但Cu含量过高会增加焊缝的热脆性，控制其含量0.35-0.55％，同时本发明中也添加了部分Ni来消除其不利影响。控制Ni/Cu比例在2.5-3.5之间时，可有效消除Cu添加引起的钢坯热脆裂纹问题，从而确保焊接接头质量。

Zr是强脱氧剂、脱氮剂，适量Zr的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化合物粒子，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性，但过高的Zr含量会导致焊缝韧性恶化，优选其含量0.01-0.05％。

Ce作为稀土元素中的一种，其可与S形成CeS，在净化焊缝金属的同时，也提供了晶内形核的质点、从而细化焊缝金属组织，有利于强度和低温冲击韧性提高，但当Ce超过一定含量时，会造成焊缝金属塑性下降，因此优选Ce含量0.02-0.06％。另外，焊缝金属在高温阶段形成的含Ce的氧化物和硫化物离子的分布状态对随后的相转变行为有直接影响，由于S主要分布于晶界处，因此含Ce的硫化物也主要分布于晶界处，但与Zr复合添加时，会形成复合硫化物，或者复合的氧硫化物，从而改善其分布状态、降低晶界处的侧板条或者魏氏体组织生成几率，从而提高焊缝组织的低温冲击韧性。为保证Zr+Ce复合添加能够达到以上作用，并避免出现含量过高时所带来的焊缝金属韧性与塑性的恶化，优选Zr+Ce的含量0.04-0.10％。

O是本发明中重要的元素之一。其含量是由焊接熔池中的冶金反映决定的，直接决定了焊缝金属中氧化物的数量，并与添加的脱氧剂共同决定了焊缝金属中氧化物类粒子的种类和分布，从而间接对焊缝金属的强度和韧性产生影响。同时，其含量多少也影响埋弧制管中的焊缝成型质量，从而影响焊接效率和质量。综合本发明的NiMoCu合金设计，以及弱碱性焊剂的高效焊接要求，优选其含量为0.026-0.040％。

S，P对焊缝的低温韧性不利，应作为杂质元素控制在合理范围，此外，S含量的增加会使焊缝中存在大量形态各异的MnS夹杂，此类夹杂是增加材料氢致裂纹的敏感性的主要因素，严格控制S含量在较低水平，可以大大降低焊缝中的MnS夹杂，并使MnS形态趋于球形，从而降低焊缝氢致裂纹的形成。P易在焊缝中心发生偏析，这种偏析也将促进氢致裂纹的形成，所以P含量也应得到严格的控制。

本发明中对匹配焊剂的碱度(Basicity Index)做出要求，主要是因为通过控制焊剂碱度一方面可以控制冶金还原反应，另一方面也需控制焊缝成型性能。冶金还原反应可以控制焊缝氧含量在合理范围，有利于在焊缝金属中形成细小、密集的夹杂物，此类夹杂物有利于针状铁素体形核，使焊缝具有较高比例的针状铁素体，对焊缝的低温韧性和强度有利。同时，高碱度会使焊缝金属黏度提高，降低焊缝金属及熔化焊剂的流动性，影响焊缝成形，也易造成夹渣和气孔等焊接缺陷，因此将焊剂的碱度范围设置为1.35-1.40。其中，焊剂碱度按如下公式计算：

本发明的有益效果：

1.提供了一种低温冲击韧性优异、强度和低温冲击性能稳定的管线用埋弧焊缝金属，采用NiMoCu合金设计避免了现有技术MoTiB由于B元素含量波动和易于偏聚带来的性能波动，提高了成品管线钢管的合格率；

2.采用Zr，Ce复合添加的氧硫化物控制技术，一方面通过确保焊缝金属中针状铁素体的含量、从而稳定地低温冲击韧性；另一方面，也改善了焊缝金属中硫化物主要分布于晶界的缺点，降低了其对于HIC敏感性。

3.本发明熔敷金属通过采用合适的焊丝、焊剂搭配，使其在双丝、三丝或四丝高速埋弧焊接条件下获得的熔敷金属的抗拉强度≥780MPa，-60℃低温韧性在100J以上。

4.本发明熔敷金属能够应用于多丝、高速的焊接环境，尤其适合管线焊管制造过程的焊接。

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：

焊接试板采用厚度规格16.3mm的X100级管线钢板。采用双丝双面埋弧焊接，焊接热输入量为52kJ/cm，焊接速度2.0m/min，坡口为双Y型，正反面各焊一道次。选用直径为4.0mm的实芯焊丝，化学成分见表1；焊剂选用碱度为1.35弱碱性烧结焊剂，焊前将焊剂加热到350℃并保温2小时。

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。焊接接头焊缝金属化学成分见表2，力学性能检测结果见表3。

实施例2：

采用与实施例1中相同的钢板。采用三丝双面埋弧焊接，焊接热输入量为60kJ/cm，焊接速度为2.2m/min，坡口为双Y型，正反面各焊一道次。选用直径为3.2mm的焊丝，其成分化学成分见表2；焊剂选用碱度为1.38弱碱性烧结焊剂，焊前将焊剂加热到350℃并保温2小时。

实施例3：

焊接试板采用厚度规格19.0mm的X100级管线钢板。采用三丝双面埋弧焊接，焊接热输入量为65kJ/cm，焊接速度为2.1m/min，坡口为双Y型，正反面各焊一道次。选用直径为4.0mm的焊丝，其成分化学成分见表3；焊剂选用碱度为1.33弱碱性烧结焊剂，焊前将焊剂加热到350℃并保温2小时。

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。焊接接头的焊缝金属成分见表2，力学性能检测结果见表3。

实施例4：

采用与实施例3中相同的钢板。采用四丝双面埋弧焊接，焊接热输入两为68kJ/cm，坡口为双Y型，正反面各焊一道次。选用直径为3.2mm的焊丝，其化学成分见表3；焊剂选用碱度为1.37弱碱性烧结焊剂，焊前将焊剂加热到350℃并保温2小时。

通过上述实施例可知，通过多丝埋弧焊接工艺，得到了高强度管线用埋弧焊缝金属，其抗拉强度≥780MPa，-60℃冲击吸收功＞100J，适用于高强度X100钢级管线的焊接制管。本发明埋弧焊缝金属，强度和冲击韧性稳定、波动小。

表1实施例1#-4#采用的埋弧焊丝的化学成分(重量百分比，wt％)

	C	Si	Mn	P	S	Mo	Ni	Cu
									实施例1#	0.05	0.07	1.95	0.0077	0.0040	0.96	1.85	0.66
实施例2#	0.06	0.06	1.90	0.0062	0.0046	0.92	1.68	0.54
									实施例3#	0.08	0.05	1.78	0.0069	0.0043	0.82	1.51	0.60
实施例4#	0.08	0.05	1.90	0.0066	0.0037	0.86	1.53	0.59

表2实施例1#-4#焊缝金属化学成分(重量百分比，wt％)

	C	Si	Mn	P	S	Mo	Ni	Cu	Zr	Ce	O
												实施例1#	0.04	0.17	1.88	0.0076	0.0045	0.80	1.58	0.46	0.013	0.029	0.026
实施例2#	0.05	0.14	1.82	0.0063	0.0036	0.72	1.36	0.54	0.030	0.058	0.036
												实施例3#	0.08	0.12	1.63	0.0071	0.0036	0.61	1.22	0.36	0.044	0.046	0.032
实施例4#	0.07	0.13	1.83	0.0061	0.0030	0.68	1.20	0.42	0.048	0.021	0.040

表3实施例1#-4#焊缝金属的力学性能

	抗拉强度/MPa	断后延伸率/％	-60℃冲击功/J
				实施例1#	786	20.6	126,118,124
实施例2#	794	19.8	114,118,125
				实施例3#	788	20.7	148,134,143
实施例4#	798	19.5	133,129,146

Claims

1.一种高强度管线用埋弧焊缝金属，其特征在于：焊缝金属按质量百分比组成包括：C0.02-0.08％，Si 0.05-0.20％，Mn 1.6-1.9％，S≤0.005％，P≤0.010％，Ni 1.2-1.6％，Mo0.6-0.8％，Cu 0.35-0.55％，Zr 0.01-0.05％，Ce 0.02-0.06％，O 0.026-0.040％，且Ni/Cu:2.5-3.5，Zr+Ce:0.04-0.10％，余量为铁及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的高强度管线用埋弧焊缝金属，其特征在于：焊缝金属抗拉强度≥780MPa，-60℃低温韧性＞100J。

3.根据权利要求1所述的高强度管线用埋弧焊缝金属，其特征在于：该焊缝金属采用碱度为1.33～1.38的弱碱性焊剂配合焊接获得。