CN105798485A - X80管线钢用自保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X80管线钢用自保护药芯焊丝，由外皮和药芯组成，药芯按质量百分比由以下组分组成：电解金属锰8‑14％，镍粉6‑12％，钼粉1‑4％，硅铁2‑5％，铌铁1‑3％，氧化铈1‑3％，氟化钡20‑35％，金红石8‑13％，锆英沙7‑10％，氧化镁2‑5％，氧化铝2‑5％，氧化铁3‑5％，碳酸盐3‑8％，Al‑Mg合金粉6‑10％，以上组分质量百分比之和为100％。本发明自保护药芯焊丝施焊时不需外加保护气体，实现自保护焊接；该药芯焊丝用于X80管线钢的焊接，焊接时电弧稳定、飞溅少，焊后熔渣均匀覆满焊道，脱渣容易，焊道平滑光亮，无气孔，焊接接头具有较高的强度和优良的韧性。

Description

X80管线钢用自保护药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种X80管线钢用自保护药芯焊丝，本发明还涉及该药芯焊丝的制备方法。
背景技术
随着国民经济的发展，我国石油天然气长输管线也在飞速的发展。世界管道正向着高强度级别管线钢的方向发展，国外发达国家已经实验性的应用了X80管线钢，同时研制出了X100、X120级别管线钢。国内的管线钢的生产起步较晚，到20世纪90年代开始生产X52-X65级管线钢，2001年西气东输工程启动，生产出X70级管线钢。2005年，X80管线钢在西气东输冀宁联络线工程的试验段建成，长度共7.9km。2008年，X80管线钢正式在西气东输二线工程使用。由于从油气产地到消费地往往长达数千公里，沿途地质条件复杂、气候恶劣，所以在油气输送过程中对管线钢的综合性能要求越来越高。药芯焊丝具有电弧稳定、飞溅小、成形美观等优点，并且可以在不加保护气体条件下直接焊接，获得焊接工艺性能和力学性能良好的焊接接头。因此，研制出焊接工艺性能好、力学性能优、施工效率高以及能满足全位置焊接施工的X80管线钢用自保护药芯焊丝将极大解决匹配焊材的开发问题，提高X80管线钢的实际应用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种X80管线钢用自保护药芯焊丝，该药芯焊丝可在不加保护气体的情况下施焊，电弧稳定性好，脱渣性好，飞溅少，焊缝成形美观，接头强度和韧性均能满足标准要求。
本发明的另一个目的是提供该药芯焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，X80管线钢用自保护药芯焊丝，包括药芯和外皮，药芯按质量百分比由以下组分组成：电解金属锰8％-14％，镍粉6％-12％，钼粉1％-4％，硅铁2％-5％，铌铁1％-3％，氧化铈1％-3％，氟化钡20％-35％，金红石8％-13％，锆英沙7％-10％，氧化镁2％-5％，氧化铝2％-5％，氧化铁3％-5％，碳酸盐3％-8％，Al-Mg合金粉6％-10％，各组分的质量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于：
外皮材料为低碳钢钢带，宽度×厚度的尺寸采用：7mm×0.4mm。
药芯中的氧化镁和氧化铝的质量比为1：1。
药芯中的碳酸盐为碳酸钙和碳酸锂中的一种或两种的混合物。
该药芯焊丝中药芯的填充率(质量比)为16％-20％；该药芯焊丝的直径为1.2mm。
本发明所采用的另一个技术方案是，X80管线钢用自保护药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，按质量百分比分别称取电解金属锰8％-14％，镍粉6％-12％，钼粉1％-4％，硅铁2％-5％，铌铁1％-3％，氧化铈1％-3％，氟化钡20％-35％，金红石8％-13％，锆英沙7％-10％，氧化镁2％-5％，氧化铝2％-5％，氧化铁3％-5％，碳酸盐3％-8％，Al-Mg合金粉6％-10％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的氟化钡，氧化镁，氧化铝，氧化铁，碳酸盐混合均匀，加入水玻璃粘结剂进行造粒，粒径控制在1-2mm；
步骤3，将步骤2得到的颗粒放在通风处风干1h后，放入加热炉中烧结，然后碾碎过筛，筛选出粒度为60-120目的混合粉；
步骤4，将步骤1称得的电解金属锰，镍粉，钼粉，硅铁，铌铁，氧化铈，金红石，锆英砂，Al-Mg合金粉与步骤3制得的混合粉充分搅拌，混匀后放入加热炉，在200℃下烘2小时，得到药芯粉末；
步骤5，将低碳钢钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，经过钢带清洗设备，碱洗、温水清洗、烘干处理后进行轧U型槽，然后向U型槽中添加步骤4得到的药芯粉末，控制药芯粉末的填充率为16％-20％，再通过成型机将U型槽碾压闭合，并将其拉拔至1.2mm，得到药芯焊丝；
步骤6，最后用拉丝机将步骤5制备的药芯焊丝拉直，盘成圆盘，密封包装即可。
本发明的特点还在于，
步骤1中氧化镁和氧化铝的质量比为1：1；碳酸盐为碳酸钙和碳酸锂中的一种或两种的混合物。
步骤2中水玻璃粘结剂的添加量为药芯粉末总重量的25％。
步骤3中烧结的温度为700～800℃，保温1h后随炉冷却至200℃。
本发明的有益效果是，
1.本发明药芯焊丝施焊时不需外加保护气体，可实现自保护焊接。
2.该药芯焊丝用于X80管线钢的焊接，可得到具有较高强度和良好韧性的焊接接头。
3.该药芯焊丝具有很好的焊接工艺性，脱渣性好，稳弧性好，焊接飞溅少，焊缝成形美观，适合全位置焊接。
4.本发明药芯焊丝的制备方法，工艺简单，操作方便，适合批量化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明X80管线钢用自保护药芯焊丝，由外皮和药芯组成，药芯按质量百分比由以下组分组成：电解金属锰8％-14％，镍粉6％-12％，钼粉1％-4％，硅铁2％-5％，铌铁1％-3％，氧化铈1％-3％，氟化钡20％-35％，金红石8％-13％，锆英沙7％-10％，氧化镁2％-5％，氧化铝2％-5％，氧化铁3％-5％，碳酸盐3％-8％，，Al-Mg合金粉6％-10％，以上组分质量百分比之和为100％。
外皮材料为低碳钢钢带，宽度×厚度的尺寸采用：7mm×0.4mm。
药芯中的氧化镁和氧化铝的质量比为1：1；药芯中的碳酸盐为碳酸钙和碳酸锂中的一种或两种的混合物。
该药芯焊丝中药芯的填充率(质量比)为16％-20％；该药芯焊丝的直径为1.2mm。
上述X80管线钢用自保护药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，按质量百分比分别称取电解金属锰8％-14％，镍粉6％-12％，钼粉1％-4％，硅铁2％-5％，铌铁1％-3％，氧化铈1％-3％，氟化钡20％-35％，金红石8％-13％，锆英沙7％-10％，氧化镁2％-5％，氧化铝2％-5％，氧化铁3％-5％，碳酸盐3％-8％，Al-Mg合金粉6％-10％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的氟化钡，氧化镁、氧化铝、氧化铁，碳酸盐，在混粉机中混合均匀后放入造粒机中，加入粉体总重量25％的水玻璃粘结剂进行造粒，粒径控制在1-2mm；
步骤3，将步骤2得到的颗粒放在通风处风干1h后放入加热炉中烧结，烧结温度设为700-800℃，保温1h，然后随炉冷却至200℃取出，碾碎过筛，筛选粒度60-120目的混合粉；
步骤4，将步骤1称得的电解金属锰，镍粉，钼粉，硅铁，铌铁，氧化铈，金红石，锆英砂，Al-Mg合金粉与步骤3制得的混合粉充分搅拌，混匀之后放入加热炉，在200℃下烘2小时，得到药芯粉末；
步骤5，将低碳钢钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳钢钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4得到的药芯粉末，控制药芯粉末的填充率为16％-20％，再通过成型机将U型槽碾压闭合，并将其拉拔至1.2mm，得到药芯焊丝；
步骤6，最后用拉丝机将步骤5制备的药芯焊丝拉直，盘成圆盘，密封包装即可。
药芯中各个组分的作用：
1、Mn能增加过冷奥氏体的稳定性，降低奥氏体的相变温度，有利于抑制奥氏体在较高温度下向PF和SF相变，细化晶粒。
2、Ni是奥氏体稳定化元素，能抑制高温粗大铁素体形成，增加针状铁素体析出，细化组织，从而提高熔敷金属的强度和低温冲击韧性，但是加入量过多会使焊缝强度增大而韧性下降。
3、Mo是铁素体形成元素，在增加钢的强度的同时，而韧性并不降低。Mo主要作用是改善耐蚀性、低温力学性能、高温强度和回火稳定性。
4、Si元素具有脱氧和提高熔敷金属强度的作用，但是Si的固溶强化作用较强，会导致熔敷金属的低温韧性下降，所以SiFe的加入量要合理控制。
5、Nb在焊缝固态相变中因为与C结合形成细小的Nb(C，N)而降低C在奥氏体中的扩散系数，从而显著推迟了先共析铁素体的析出与长大。
6、CeO2在焊缝金属中起到净化杂质、变质夹杂和微合金化作用，轻稀土元素加入焊缝之后，会富集在硅酸盐夹杂物中，使夹杂物球化，呈弥散状态分布，从而有利于AF的形核，抑制了PF，使焊缝组织得到细化。
7、本发明中使用大量的BaF2作为主要造渣、造气剂，焊接时产生熔渣对熔池具有保护作用。以BaF2为主渣系的熔渣，凝固温度高，且凝固温度区间较小，有助于实现焊丝的全位置焊接。
8、金红石的主要成分为TiO2，可以降低渣的熔点，使熔渣的可塑性和流动性变好，从而对焊缝的成型起到良好的作用。
9、锆英砂的主要成分为SiO2和ZrO2。SiO2是造渣剂同时也是稳定电弧的重要成分，具有减少熔渣碱度，降低熔渣熔点，改善焊缝成型的作用；ZrO2具有两种变体，一种是1000℃以下稳定的单斜晶体，另一种是高于1000℃时稳定的正方晶体。在两种晶体的转变过程中，晶体的体积发生了变化，利于脱渣和焊缝成形。
10、CaCO3，Li2CO3具有造气的作用，焊接时产生二氧化碳气体，对熔池进行保护。
11、Al-Mg合金粉作为强还原剂，最重要的作用是通过先期脱氧、熔滴和熔池阶段的沉淀脱氧控制最终焊缝中的氧含量，避免由于焊缝氧含量过高而引起脆化等问题。
12、Fe2O3的主要作用是造渣和消耗焊缝金属中残留的铝，防止Al抑制奥氏体的转变使组织粗化，改善焊缝冲击韧性。
13、MgO和Al2O3都是是很好的造渣材料，MgO可以调整熔渣的碱度，提高熔敷金属冲击韧性、降低焊缝扩散氢含量，Al2O3能调整熔渣的粘度，使焊缝成形美观。但是MgO和Al2O3都属于高熔点氧化物，含量过高会导致熔渣粘度过大，覆盖不均匀，焊缝成形变差。通过大量实验发现当MgO和Al2O3在2％～5％的范围内以1：1的比例加入时，能充分发挥两者的有利作用。
实施例1
步骤1，按质量百分比分别称取电解金属锰100g，镍粉80g，钼粉30g，硅铁40g，铌铁30g，氧化铈20g，氟化钡200g，金红石130g，锆英砂80g，氧化镁50g，氧化铝50g，氧化铁50g，碳酸钙30g，碳酸锂50g，Al-Mg合金粉60g；
步骤2，将步骤1称取的氟化钡，氧化镁，氧化铝，氧化铁，碳酸钙，碳酸锂在混粉机中混合均匀后放入造粒机中，加入107.5g的水玻璃粘结剂进行造粒，粒径控制在1-2mm；
步骤3，将步骤2得到的颗粒放在通风处风干1h后放入加热炉中烧结，烧结温度设为700℃，保温1h，然后随炉冷却至200℃取出，碾碎过筛，筛选粒度60-120目的混合粉；
步骤4，将步骤1称得的电解金属锰，镍粉，钼粉，硅铁，铌铁，氧化铈，金红石，锆英砂，Al-Mg合金粉与步骤3制得的混合粉充分搅拌，混匀后放入加热炉，在200℃下烘2小时，得到药芯粉末；
步骤5，将低碳钢钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳钢钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4得到的药芯粉末，控制药芯粉末的填充率为18％，再通过成型机将U型槽碾压闭合，并将其拉拔至1.2mm，得到药芯焊丝；
步骤6，最后用拉丝机将步骤5得到的药芯焊丝拉直，盘成圆盘，密封包装即可。
实施例1制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为270A，电压为28V，不加保护气体。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，脱渣容易，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接。所得到的焊接接头抗拉强度为761Mpa，屈服强度为642Mpa，断面收缩率为19.2％，冲击功为147J，性能满足X80管线钢的使用要求。
实施例2
步骤1，按质量百分比分别称取电解金属锰80g，镍粉60g，钼粉40g，硅铁30g，铌铁20g，氧化铈30g，氟化钡350g，金红石90g，锆英砂100g，氧化镁20g，氧化铝20g，氧化铁30g，碳酸锂30g，Al-Mg合金粉100g；
步骤2，将步骤1称取的氟化钡，氧化镁，氧化铝，氧化铁，碳酸锂在混粉机中混合均匀后放入造粒机中，加入112.5g的水玻璃粘结剂进行造粒，粒径控制在1-2mm；
步骤3，将步骤2得到的颗粒放在通风处风干1h后放入加热炉中烧结，烧结温度设为730℃，保温1h，然后随炉冷却至200℃取出，碾碎过筛，筛选粒度60-120目的混合粉；
步骤4，将步骤1称得的电解金属锰，镍粉，钼粉，硅铁，铌铁，氧化铈，金红石，锆英砂，Al-Mg合金粉与步骤3制得的混合粉充分搅拌，混匀后放入加热炉，在200℃下烘2小时，得到药芯粉末；
步骤5，将低碳钢钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳钢钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4得到的药芯粉末，控制药芯粉末的填充率为20％，再通过成型机将U型槽碾压闭合，并将其拉拔至1.2mm，得到药芯焊丝；
步骤6，最后用拉丝机将步骤5得到的药芯焊丝拉直，盘成圆盘，密封包装即可。
实施例2制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为260A，电压为28V，不加保护气体。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，脱渣容易，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接。所得到的焊接接头抗拉强度为736Mpa，屈服强度为625Mpa，断面收缩率为18.4％，冲击功为138J，性能满足X80管线钢的使用要求。
实施例3
步骤1，按质量百分比分别称取电解金属锰120g，镍粉120g，钼粉10g，硅铁20g，铌铁15g，氧化铈15g，氟化钡300g，金红石80g，锆英砂90g，氧化镁30g，氧化铝30g，氧化铁40g，碳酸钙15g，碳酸锂30g，Al-Mg合金粉85g；
步骤2，将步骤1称取的氟化钡，氧化镁，氧化铝，氧化铁，碳酸钙，碳酸锂在混粉机中混合均匀后放入造粒机中，加入111.3g的水玻璃粘结剂进行造粒，粒径控制在1-2mm；
步骤3，将步骤2得到的颗粒放在通风处风干1h后放入加热炉中烧结，烧结温度设为760℃，保温1h，然后随炉冷却至200℃取出，碾碎过筛，筛选粒度60-120目的混合粉；
步骤4，将步骤1称得的电解金属锰，镍粉，钼粉，硅铁，铌铁，氧化铈，金红石，锆英砂，Al-Mg合金粉与步骤2制得的混合粉充分搅拌，混匀后放入加热炉，在200℃下烘2小时，得到药芯粉末；
步骤5，将低碳钢钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳钢钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4得到的药芯粉末，控制药芯粉末的填充率为16％，再通过成型机将U型槽碾压闭合，并将其拉拔至1.2mm，得到药芯焊丝；
步骤6，最后用拉丝机将步骤5得到的药芯焊丝拉直，盘成圆盘，密封包装即可。
实施例3制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为280A，电压为29V，不加保护气体。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，脱渣容易，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接。所得到的焊接接头抗拉强度为748Mpa，屈服强度为603Mpa，断面收缩率为17.8％，冲击功为134J，性能满足X80管线钢的使用要求。
实施例4
步骤1，按质量百分比分别称取电解金属锰140g，镍粉100g，钼粉20g，硅铁50g，铌铁10g，氧化铈10g，氟化钡250g，金红石100g，锆英砂70g，氧化镁40g，氧化铝40g，氧化铁40g，碳酸钙25g，碳酸锂35g，Al-Mg合金粉70g；
步骤2，将步骤1称取的氟化钡，氧化镁，氧化铝，氧化铁，碳酸钙，碳酸锂在混粉机中混合均匀后放入造粒机中，加入107.5g的水玻璃粘结剂进行造粒，粒径控制在1-2mm；
步骤3，将步骤2得到的颗粒放在通风处风干1h后放入加热炉中烧结，烧结温度设为800℃，保温1h，然后随炉冷却至200℃取出，碾碎过筛，筛选粒度60-120目的混合粉；
步骤4，将步骤1称得的电解金属锰，镍粉，钼粉，硅铁，铌铁，氧化铈，金红石，锆英砂，Al-Mg合金粉与步骤3制得的混合粉充分搅拌，混合之后放入加热炉，在200℃下烘2小时，得到药芯粉末；
步骤5，将冷轧低碳钢钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，通过成型机将低碳钢钢带轧制成U型槽，然后向U型槽中添加步骤4得到的药芯粉末，控制药芯粉末的填充率为17％，再通过成型机将U型槽碾压闭合，并将其拉拔至1.2mm，得到药芯焊丝；
步骤6，最后用拉丝机将步骤5得到的药芯焊丝拉直，盘成圆盘，密封包装即可。
实施例4制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为270A，电压为29V，不加保护气体。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，脱渣容易，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接。所得到的焊接接头抗拉强度为772Mpa，屈服强度为653Mpa，断面收缩率为20.6％，冲击功为154J，性能满足X80管线钢的使用要求。

Claims (9)

1.X80管线钢用自保护药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和外皮，药芯按质量百分比由以下组分组成：电解金属锰8％-14％，镍粉6％-12％，钼粉1％-4％，硅铁2％-5％，铌铁1％-3％，氧化铈1％-3％，氟化钡20％-35％，金红石8％-13％，锆英沙7％-10％，氧化镁2％-5％，氧化铝2％-5％，氧化铁3％-5％，碳酸盐3％-8％，Al-Mg合金粉6％-10％，各组分的质量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的X80管线钢用自保护药芯焊丝，其特征在于，外皮材料为低碳钢钢带，宽度×厚度的尺寸采用：7mm×0.4mm。
3.根据权利要求1所述的X80管线钢用自保护药芯焊丝，其特征在于，药芯中的氧化镁和氧化铝的质量比为1：1。
4.根据权利要求1所述的X80管线钢用自保护药芯焊丝，其特征在于，药芯中的碳酸盐为碳酸钙和碳酸锂中的一种或两种的混合物。
5.根据权利要求1所述的X80管线钢用自保护药芯焊丝，其特征在于，该药芯焊丝中药芯的填充率(质量比)为16％-20％。
6.X80管线钢用自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，按质量百分比分别称取电解金属锰8％-14％，镍粉6％-12％，钼粉1％-4％，硅铁2％-5％，铌铁1％-3％，氧化铈1％-3％，氟化钡20％-35％，金红石8％-13％，锆英沙7％-10％，氧化镁2％-5％，氧化铝2％-5％，氧化铁3％-5％，碳酸盐3％-8％，Al-Mg合金粉6％-10％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的氟化钡，氧化镁，氧化铝，氧化铁，碳酸盐混合均匀，加入水玻璃粘结剂进行造粒，粒径控制在1-2mm；
步骤3，将步骤2得到的颗粒放在通风处风干1h后，放入加热炉中烧结，然后碾碎过筛，筛选出粒度为60-120目的混合粉；
步骤4，将步骤1称得的电解金属锰，镍粉，钼粉，硅铁，铌铁，氧化铈，金红石，锆英砂，Al-Mg合金粉与步骤3制得的混合粉充分搅拌，混匀后放入加热炉，在200℃下烘2小时，得到药芯粉末；
步骤5，将低碳钢钢带放置在药芯焊丝成型机的放带机上，经过钢带清洗设备，碱洗、温水清洗、烘干处理后进行轧U型槽，然后向U型槽中添加步骤4得到的药芯粉末，控制药芯粉末的填充率为16％-20％，再通过成型机将U型槽碾压闭合，并将其拉拔至1.2mm，得到药芯焊丝；
步骤6，最后用拉丝机将步骤5制备的药芯焊丝拉直，盘成圆盘，密封包装即可。
7.根据权利要求6所述的X80管线钢用自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤1中氧化镁和氧化铝的质量比为1：1；碳酸盐为碳酸钙和碳酸锂中的一种或两种的混合物。
8.根据权利要求6所述的X80管线钢用自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤2中水玻璃粘结剂的添加量为药芯粉末总重量的25％。
9.根据权利要求6所述的X80管线钢用自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中烧结的温度为700～800℃，保温1h后随炉冷却至200℃。
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