CN104942475A - 一种x90/x100管线钢用高强度金属芯埋焊丝及其制备方法 - Google Patents

一种x90/x100管线钢用高强度金属芯埋焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝及其制备方法，属于焊接材料领域。采用低碳钢带为外皮；焊丝中各元素成分范围如下：C0.02～0.10％,Mn1.40～2.40％,Si0.20～0.60％,Cr0.06～0.40％,Mo0.20～1.00％,Ni1.60～2.80％,Ce0.01～0.06％,Zr0.003～0.01％,Ti0.005～0.01％,V≤0.04％,Al≤0.10％,Cu≤0.03,B≤0.006,P≤0.012％,S≤0.010％,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明焊丝具有较好的焊接工艺性能，焊缝成型美观，高强度，高韧性，与同等强度的钢材具有非常好的匹配效果。

Description

一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高强度金属芯埋弧焊丝，属于焊接材料领域，尤其是用于石油天然气输送管道焊接的管线钢金属芯埋弧焊丝。
背景技术
为满足国内石油和天然气的需求，西气东输工程“一线”和“二线”已经全部完工。在已经建成的西气东输“一线”和“二线”工程中，大规模的使用X80及以下级别的管线钢。
目前管线钢的发展趋势是在同样的输送量下提高输送压力，缩小管材直径，减轻管材重量，降低管材成本。随着输送油气管道压力的逐渐提高，更高级别的管线钢得到开发。X90/100管线钢是当今世界高强度管线钢，也是国内外开发的热点之一，国内外的各大钢厂已开发出了X90/100管线钢，但市场鲜有配套的金属芯埋弧焊接材料。
目前，国内的X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝大都是实芯焊丝，此专利填补了国内X90/X100管线钢用高强度金属芯埋弧焊丝的空白。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种高强度管线钢金属芯埋弧焊丝。具有较好的焊接工艺性能，焊缝成型美观，高强度，高韧性，与同等强度的钢材具有非常好的匹配效果，熔敷金属Pcm为0.2～0.3，先共析铁素体转变温度Tsta≤850K,抗拉强度σb≥829MPa。
本发明X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，解决了现有技术焊完X90/X100管线钢后采取焊后热处理等措施来降低焊接缺陷制造周期长的缺陷。焊丝与型号为AWS A5.23M F76A4-EM4-M4焊剂(颗粒度10—60目)配合使用，焊后焊缝金属强韧性较好；研制工艺简单，易于工业化生产。
本发明金属芯焊丝采用常规药芯焊丝制备技术制得。
为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，焊丝或堆焊熔敷金属中各元素的化学成分范围(重量百分比)如下：
C0.02～0.10％，Mn1.40～2.40％，Si0.20～0.60％，Cr0.00～0.40％，Mo0.20～1.0％，Ni1.60～2.80％，Ce0.01～0.06％，Zr0.003～0.01％，Ti0.005～0.01％，V≤0.04％，Al≤0.10％，Cu≤0.03％，B≤0.006％，P≤0.012％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步优选，金属芯埋焊丝或堆焊熔敷金属中Ce/Zr(wt.％)的比值在3～8之间。
堆焊熔敷金属中(Ce+Zr)/Ti(wt.％)的比值在2～8之间，Mn/Si(wt.％)的比值在4～8之间。
上述优选金属芯埋焊丝的粉芯材料主要包括：锰铁，硅铁合金，镍粉，钼粉，金属铬，锆硅合金，钛铁，二氧化铈，铁粉。采用低碳钢作为金属外皮。
上述金属芯埋焊丝粉芯材料中还含有氟化钠，优选其所占金属芯质量百分含量2％，粉芯材料中还可以包含微量金属铌，用以进一步提高强度，由于在最后的堆焊熔敷金属中几乎测不到铌元素，可以忽略不计。
上述：粉芯材料的粒径优选为60～100目。如锰铁：60～100目，硅铁合金：60～100目，金属铬粉：60～100目，金属镍粉：60～100目，金属钼粉：60～100目，锆硅合金：60～100目，氟化物：60～100目，二氧化铈：60～100目，钛铁：60～100目，铁粉：60～100目。
本发明其合金系设计原则如下：
将碳降至超低碳水平，以适应埋弧焊大热输入焊接，用Mn，Mo元素含量来弥补降低碳带来的强度损失。在此基础上加入适量微合金元素锆、钛、铈，可以作为脱氧剂和脱氮剂去除熔敷金属中的氧和氮，尤其可以形成并细化焊缝金属夹杂物，进一步诱导针状铁素体的形核，提高熔敷金属的低温冲击韧性。
本发明的金属芯焊丝的成分特点如下：
C:适当降低碳含量，焊缝中过多的碳含量，会增大焊缝中的碳当量，焊缝强度增加，珠光体比例增加，焊缝韧性、抗裂性下降。所以，将焊丝中的C控制在0.02～0.10wt.％
Mn：确保熔敷金属低碳造成的强度损失和降低氧、硫含量，降低熔敷金属固态相变温度，细化晶粒，提高熔敷金属强度及低温冲击韧性。所以，将焊丝中的Mn控制在1.4～2.4wt.％
Si：增加电弧稳定性。作为脱氧剂阻止O和B结合，确保熔敷金属的强度和降低氧含量，可以细化晶粒，提高焊缝韧性。含量过高则使熔敷金属塑性和冲击韧性降低。所以，将Si含量控制在0.2～0.6wt.％。
Cr：扩大奥氏体相区的元素，同时降低熔敷金属相变温度，起到明显的固溶强化作用，促进贝氏体形核。但Cr含量增高易导致低温韧性急剧降低。所以，将Cr的含量控制在0.00～0.40wt.％。
Ni：可以扩大奥氏体相区，使CCT曲线右移，通过细化晶粒和固溶强化获得强化效果，同时也是最好的韧化元素，作为合金元素能够显著改善焊缝金属的低温韧性，但Ni的成本较高，考虑到实际因数，将Ni的含量应控制在1.60～2.80wt.％。
Zr：强碳、氮化物形成元素，也是强氧化物形成元素，可以阻止奥氏体晶粒的长大，与氧结合可以形成ZrO2非金属夹杂物，可以促进针状铁素体的形核，提高针状铁树铁素体的比例，细化针状铁素体组织，提高熔敷金属的低温韧性。
Ti：脱氮元素，能够有效的减少自由氮的数量，减轻氮对位错的钉扎作用，从而提高熔敷金属的冲击韧性。此外与Zr相似，也是强氧化物形成元素，能够起到促进针状铁素体形核的作用。
Ce：脱氧脱硫元素，可以细化熔敷金属中的夹杂物，诱导针状铁素体的形核，增加熔敷金属中针状铁素体的含量，抑制先共析铁素体的形成，细化熔敷金属晶粒，从而提高熔敷金属的低温韧性。
S、P是焊缝中的有害元素，将会严重降低焊缝中的低温韧性，在焊接过程中，硫容易与氧结合，生成二氧化硫气体而逸出，致使焊缝产生微气孔，增加了焊缝裂纹的敏感性，因此，应该严格控制其含量，保证S含量小于0.01wt.％、P含量小于0.012wt.％。
另外，为保证熔敷金属具有综合的优良性能，要求熔敷金属的Pcm为0.2～0.3，先共析铁素体转变温度Tsta<850K，抗拉强度σb≥829MPa。其中计算公式如下：
σb＝-49.9+240.4Mn+68.8Ni+290.2Cr+382.8Mo+335.2Si+3271.3C-141MnSi-112.4MnCr-58.3MnMo-23.2NiMo-1800.8MoC(MPa)；Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B；Tsta＝AC3＝910-203√C-30Mn-152Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+400Ti(k)；
上述公式中各金属代表的是其在熔敷金属中的质量百分含量；
本发明具有的有益效果：
本发明的金属芯埋弧焊丝与型号为AWS A5.23M F76A4-EM4-M4焊剂(颗粒度10—60目)匹配所获得的熔敷金属具有很高的强度和极好的低温冲击韧性。熔敷金属的抗拉强度σb≥829MPa，-40℃冲击韧性≥63J。
本发明与型号为AWS A5.23M F76A4-EM4-M4焊剂(颗粒度10—60目)配合使用。
本发明X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝与同一级别的实芯焊丝相比：适应性强，可以根据焊接需要灵活的调整药芯粉的各个组分配比，更容易获得所需焊缝组织；工艺性能好，熔渣覆盖均匀，焊后脱渣容易，焊缝成型美观细致；熔敷速度快，生产效率高，在相同的焊接电流下其熔化速度快，熔敷效率高达90％；不需要镀铜，对环境保护更有利。
具体实施方式
本发明采用如下生产工艺生产：选用16×0.8mm的低碳钢带，通过拉丝成型机，将其扎成U形，向U形槽中加入混合均匀的合金药粉，将U形槽对接合口，使合金药粉严密包裹在U形槽中，之后依次拉拔，最终将焊丝的直径减径至4.0mm，药粉填充率控制在25％～26％，焊接用试板为Q235，长宽高为300mm×150mm×20mm；焊接坡口尺寸、取样位置以及试验方法均按国标GB/T12470-2003执行。
金属锰粉：60～100目，硅铁合金：60～100目，金属铬粉：60～100目，金属镍粉：60～100目，金属钼粉：60～100目，锆硅合金：60～100目，氟化物：60～100目，钛铁：60～100目，铁粉：60～100目。优选的锆硅合金中锆含量为40-45(重量)％。
下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
实施例1
X90/X100管线钢用高强度金属芯埋弧焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表2中所示)，钢带尺寸为16×0.8mm；以拉拔2000克金属芯焊丝为例：锰铁150g，硅铁合金28g，镍粉220g，钼粉36g，锆硅合金20g，钛铁10g，氟化钠40g，金属铌2g，二氧化铈20g，铁粉1494g。其中药粉的填充率为：26.1％，焊丝直径4mm，焊接工艺参数如表4：
实施例2
X90/X100管线钢用高强度金属芯埋弧焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表3中所示)，钢带尺寸为16×0.8mm；以拉拔2000克金属芯焊丝为例：锰铁140g，硅铁合金28g，镍粉220g，钼粉36g，金属铬4g，锆硅合金20g，钛铁10g，氟化钠40g，金属铌2g，二氧化铈40g，铁粉1480g。其中药粉的填充率为：25.8％，焊丝直径4mm，焊接工艺参数如表4：
实施例3，
X90/X100管线钢用高强度金属芯埋弧焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表2中所示)，钢带尺寸为16×0.8mm；以拉拔2000克金属芯焊丝为例：锰铁170g，硅铁合金28g，镍粉220g，钼粉36g，金属铬4g，锆硅合金20g，钛铁10g，氟化钠40g，金属铌2g，二氧化铈20g，铁粉1470g。其中药粉的填充率为：26.1％，焊丝直径4mm，焊接工艺参数如表4：
实施例4
X90/X100管线钢用高强度金属芯埋弧焊丝采用低碳钢带为外皮(成分如表2中所示)，钢带尺寸为16×0.8mm；以拉拔2000克金属芯焊丝为例：锰铁146g，硅铁合金28g，镍粉220g，钼粉36g，金属铬8g，锆硅合金20g，钛铁10g，氟化钠40g，金属铌2g，二氧化铈40g，铁粉1490g。其中药粉的填充率为：26.1％，焊丝直径4mm，焊接工艺参数如表4：
表1熔敷金属化学成分(重量)％
其他的V≤0.04％，Al≤0.10％，Cu≤0.03％，B≤0.006％，S≤0.010％。
表2实施例中1—4所使用的低碳钢带的化学成分(重量％)
C Si Mn S P
0.025～0.035 ≤0.02 ≤0.35 ≤0.010 ≤0.012
表3熔敷金属力学性能
表4焊接工艺参数
因此，本具体实施方式所制备的金属芯埋弧焊丝，与型号为AWSA5.23M F76A4-EM4-M4焊剂(颗粒度10—60目)配套使用，多层多道焊获得熔敷金属组织后，焊缝金属组织为板条贝氏体(BL)、针状铁素体(AF)和粒状贝氏体(GB)的复相组织，强韧性较好的BL、GB依靠致密排布的细小组织以及板条组织内部的高密度位错强化保证足够的强度；较高温度形核的少量AF、GB有效的分割原奥氏体晶粒，限制后续相变组织的长大空间，达到细化板条类组织并使原奥氏体晶粒内亚组织取向多样化的作用。该复相组织使焊缝金属具备了较高的抗拉强度，同时具有较高的冲击韧性，具体为熔敷金属的抗拉强度σb≥829MPa，-40℃冲击韧性≥63J。

Claims (8)

1.一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，焊丝或堆焊熔敷金属中各元素的化学成分范围(重量百分比)如下：C0.02～0.10％，Mn1.40～2.40％，Si0.20～0.60％，Cr0.00～0.40％，Mo0.20～1.0％，Ni1.60～2.80％，Ce0.01～0.06％，Zr0.003～0.01％，Ti0.005～0.01％，V≤0.04％，Al≤0.10％，Cu≤0.03％，B≤0.006％，P≤0.012％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.按照权利要求1的一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，金属芯埋焊丝或堆焊熔敷金属中Ce/Zr(wt.％)的重量含量比值在3～8之间。
3.按照权利要求1的一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，堆焊熔敷金属中(Ce+Zr)/Ti(wt.％)的比值在2～8之间。
4.按照权利要求1的一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，堆焊熔敷金属中Mn/Si(wt.％)的比值在4～8之间。
5.按照权利要求1的一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，金属芯埋焊丝的粉芯材料主要包括：锰铁，硅铁合金，镍粉，钼粉，金属铬，锆硅合金，钛铁，二氧化铈，铁粉。采用低碳钢作为金属外皮。
6.按照权利要求5的一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，上述金属芯埋焊丝粉芯材料中还含有氟化钠，其所占金属芯质量百分含量2％，粉芯材料中还包含微量金属铌。
7.按照权利要求5的一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，粉芯材料的粒径优选为60～100目。
8.按照权利要求1的一种X90/X100管线钢用高强度金属芯埋焊丝，其特征在于，元素成分满足公式如下：
σb＝-49.9+240.4Mn+68.8Ni+290.2Cr+382.8Mo+335.2Si+3271.3C-
141MnSi-112.4MnCr-58.3MnMo-23.2NiMo-1800.8MoC(MPa)；
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B；
Tsta＝AC3＝910-203√C-30Mn-152Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+400Ti(k)；
使得Pcm为0.2～0.3，先共析铁素体转变温度Tsta<850K，抗拉强度σb≥829MPa。
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