CN107009051A

CN107009051A - 一种高强管线钢全位置焊接用低氢高韧自保护药芯焊丝

Info

Publication number: CN107009051A
Application number: CN201710445455.8A
Authority: CN
Inventors: 王银柏; 李小宝; 朱光远
Original assignee: Haining Ruiao Metal Technology Co Ltd
Current assignee: Haining Ruiao Metal Technology Co Ltd
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2017-08-04

Abstract

本发明涉及一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝，焊丝由药芯和外皮构成，药芯按照质量百分比有以下成分构成：氟化物 35‑50%，氧化物 8‑18%，碳酸盐 1‑5%，Al‑Mg合金粉 5‑10%，低碳锰铁 4‑10%，Ni粉 5‑15%，Cr粉1‑3%，Ti 1.0‑2.5%，Zr 0.2‑1.5%，Mo粉 2‑5%，钒铁 0.07‑0.15%，稀土氧化物 0.5‑1.5%，药粉填充率18%‑25%，适用于高强度管线钢的自动或半自动环焊作业，烟尘少，飞溅小，焊道成型美观，低扩散氢，机械性能优异。

Description

一种高强管线钢全位置焊接用低氢高韧自保护药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种全位置焊接材料，属于焊接材料领域，特别是涉及一种适用于高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝。

背景技术

自保护药芯焊丝作为一种新型焊接材料，已在世界各国得到越来越广泛的应用，具有广阔的发展前景。自保护药芯焊丝除具有药芯焊丝的特点外，还具有以下优点：①不需外加保护气源，可以使用现有气体保护焊接设备改装，降低了设备更新成本并更便于操作；②具有优良的抗风能力，通常能在4级风下顺利施焊，尤其适用于野外焊接作业；③优良的抗锈能力。自保护药芯焊丝作为一种高效及适合室外作业的焊接材料，在石油管道、船舶、钻井平台等焊接领域备受青睐，尤其是在我国西气东输管道工程中管线钢的环缝焊接相当一部份采用自保护药芯焊丝半自动焊完成。

但是目前国内的自保护药芯焊丝存在以下几个技术问题：①随着X90/X100等级管线钢的出现，以及中俄管线等低温环境的运行的石油管线工程的建设，对于相应强度级别及耐低温(-40℃～-60℃)韧性优异的自保护药芯焊丝的需求日益迫切；②目前自保护药芯焊丝多采用大量的氟化物作为造气剂和造渣剂的同时添加一些合金粉和氧化物来改善渣系和焊缝金属性能，与此同时随着氟化物的含量的增加会是的药芯焊丝会出现吸潮的现象，从而使得焊丝抗裂性能变差并且使的焊缝金属中扩散氢含量增加使得焊缝金属韧性降低等问题。

如专利200710056680、200910244818、201410181951、201410363688、20151092150等技术表述了一种氟化物含量高的高强钢用自保护药芯焊丝，但是对于其焊缝金属的低温韧性没有描述，而且对于焊缝金属的扩散氢也没有描述。专利技术200710057073描述了一种含有聚偏氟乙烯树脂的自保护药芯焊丝，对于氟化物的含量作出调整且能够降低焊丝的吸潮性能，但是其低温韧性不能满足-40℃及更低温度的韧性要求。

发明内容

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种高强度高韧性低扩散氢的全位置自保护有缝药芯焊丝。为了实现上述的发明目的本发明采用如下所述的技术方案：

一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝，其特征在于，焊丝由药芯和外皮构成，外皮由低碳冷轧钢带作为原材料制备而成，药芯按照质量百分比有以下成分构成：氟化物35-50％，氧化物8-18％，碳酸盐1-5％，Al-Mg合金粉5-10％，低碳锰铁4-10％，Ni 5-15％，Cr 1-3％，Ti 1.0-2.5％，Zr 0.2-1.5％，Mo 2-5％，钒铁0.07-0.15％，稀土氧化物0.5-1.5％，药粉占焊丝比重18-25％。

一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝，其特征还在于：氟化物由碱金属氟化物，聚氟乙烯(PVF)以及碱土氟化物构成，其中碱金属氟化物为LiF，LiBaF₃，NaF的一种或以上组成，碱土氟化物为CaF₂、BaF₂、SrF₂的一种或以上构成，三者的含量比为1:1：(1/10-1/2)。

一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝，其特征还在于：氧化物由MgO、Al₂O₃、Ti₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃、MnO中的一种或以上构成。

一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝其特征还在于，碳酸盐由Li₂CO₃和Na₂CO₃混合构成的。

上述药粉化学成分中，各个组分的作用机制如下：

氟化物：主要目的在于造气和造渣，加入聚氟乙烯是为了降低药粉中其他碱金属或者碱土金属氟化物的含量从而降低药粉的吸潮性能，与此同时能够降低焊接过程中产生的烟尘及有害气体保障操作人员的健康安全。碱金属氟化物(LiF，LiBaF₃，NaF)的添加是为了快速化渣，加入碱土金属氟化物(CaF₂、BaF₂、SrF₂)支持短渣，有利于实现全位置焊接，氟化物的含量低于35％时起不到保护熔池的作用，超过50％时电弧稳定性降低，因此其最优含量为：35-50％。

氧化物：MgO、Al₂O₃、Ti₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃、MnO等氧化物的添加目的是为了改善熔渣特性，过度元素等，为焊缝金属提供针状体素体形核改善焊缝金属的低温韧性。但其含量低于8％时起不到调节熔渣的作用，不利于全位置焊接操作，其含量超过18％时焊渣粘度变大，容易出现夹渣，融合不好等问题，因此其优选含量为：8-18％。

碳酸盐：碳酸盐的加入其目的是为了提高气保护效果和增强电弧吹力，从而有利于提高熔深和焊缝成形，避免产生未熔合、夹渣等缺陷。碳酸盐加入量低于1％时达不到上述有益目的，但加入量不应超过5％，否则焊接过程中飞溅明显增多，恶化操作环境，因此碳酸盐加入量应控制在1％-5％之间。

Al-Mg粉：Al-Mg的加入其目的在于脱氧和脱氮，同时还能够助燃提高电弧稳定性。其脱氧、脱氮产物进入渣中能够进一步改善渣特性，并且为焊缝金属的铁素体形核提供质点，提高焊缝金属的低温韧性。当其含量低于5％时，脱氧不足造成电弧燃烧不稳定，出现大量飞溅，气孔率增加等焊接问题，当其含量超过10％时，焊接烟尘增大，对焊接环境造成危害，影响操作者健康。因此其优选含量为5-10％。

低碳锰铁：其目的降低焊缝金属中的S含量，通过固溶强化提高焊缝金属强度，是奥氏体化稳定元素，能够降低奥氏体向铁素体转变的温度。其优选含量为：4-10％。

Ni：Ni元素的作用是提高焊缝金属的强度及低温韧性，同时能够增加焊缝金属的耐腐蚀性能，可以促进针状铁素体的析出，细化组织。当其含量低于5％时，提高强韧化效果不明显，当其含量超过10％时，会降低焊缝金属的韧性，同时增加经济成本。因此其优选含量为5-10％。

Cr：其作用是促进铁素体形成，提高焊缝金属的强度和韧性，增加焊缝金属的耐腐蚀性能，其优选含量为1-3％。

Ti、V：作为脱氧脱氮的元素，能够使焊缝金属中样的含量降低，形成Ti、V的氧化物和氮化物，促进针状铁素体形核，提高焊粉金属韧性。其优选含量分别为：1.0-2.5％，0.07-0.15％。

Zr：主要作用是细晶强化作用，提高焊缝金属的强度和韧性，达到强韧匹配的作用，其优选含量为：0.5-1.2％。

Mo：是铁素体形成元素，能够抵抗氯离子产生点蚀，同时Mo的添加可以增加钢的强度而不降低韧性，其作用是改善耐蚀性、低温力学性能，高温强度和回火稳定性，其优选含量为：2-5％。

稀土氧化物：净化焊缝金属中的氧含量，提高焊缝金属纯净度，提高焊缝金属的韧性，其优选含量为：0.5-1.5％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.可以减少氟化物的使用量，降低焊接过程中产生的有毒气体和烟尘，使得焊接过程的环境更加安全。

2.加入聚氟乙烯，可以减少碱金属氟化物的用量，降低焊丝药粉的吸潮性，从而很好的控制焊缝金属的扩散氢含量，降低焊接裂纹率，适合户外特殊环境的作业。

3.Ni-Cr-Mo-Ti的合金化，配以V，Zr微合金调控，很好的保证焊缝金属的强度和韧性，满足高强管线的各方面的性能。

具体实施方法

以下结合实施例对本发明的优选方案作进一步说明。

以下实施例所采用的焊丝外皮均为低碳冷轧钢带卷制而成各实施例药粉成

分见表1

表1实施例焊丝要分组成表(％wt)

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						聚氟乙烯	14	16.5	19	21	23
LiBaF₃	10.5	7.5	11.5	13	15
						LiF	-	1.5	3.5	5.5	8
NaF	3.5	7.5	4	2.5	-
						CaF₂	2.5	2.0	1.5	0.8	-
BaF₂	-	1.0	1.5	2.5	5
						SrF₂	4.5	2.5	1.5	1.0	-
MgO	2.5	1.5	1.0	0.5	-
						Al₂O₃	4.5	2.0	1.5	1.0	0.5
Ti₂O₃	9	7.2	6.5	6	5.5
						SiO₂	-	1.5	2.5	3	4.0
Fe₂O₃	-	2.0	2.5	3.5	5
						MnO	1.5	1	0.5	-	-
Li₂CO₃	1.2	1.5	2.0	2.5	3
						Na₂CO₃	-	1.7	2.0	2.2	1.7
Al-Mg粉	5	6.5	8	9.5	10
						低碳锰铁	4	5.5	7	8.5	9
Ni粉	5	6.5	7.4	8.9	10
						Cr粉	1	1.5	2.0	2.5	3.0
Ti粉	1	1.3	1.6	1.9	2.5
						V粉	0.07	0.09	0.11	0.13	0.15
Zr粉	0.5	0.65	0.80	1.02	1.5
						Mo粉	2	2.6	3.2	3.8	5.0
稀土氧化物	0.5	0.65	0.80	0.95	1.5

焊接试板为板厚为33.8mm的X100管线钢，通过实验所得到的焊缝金属的力学性能见表2。

表2力学性能汇总表

Claims

1.一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝，其特征在于，焊丝由药芯和外皮构成，外皮由低碳冷轧钢带作为原材料制备而成，药芯按照质量百分比有以下成分构成：氟化物 35-50%，氧化物 8-18%，碳酸盐 1-5%，Al-Mg合金粉 5-10%，低碳锰铁 4-10% ，Ni 5-15%，Cr 1-3%，Ti 1.0-2.5%，Zr 0.2-1.5%，Mo 2-5%，钒铁 0.07-0.15%，稀土氧化物 0.5-1.5%，药粉占焊丝比重18-25%。

2.如权利要求1所述的一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝，其特征还在于：氟化物由碱金属氟化物，聚氟乙烯（PVF）以及碱土氟化物构成，其中碱金属氟化物为LiF，LiBaF₃，NaF的一种或以上组成，碱土氟化物为CaF₂、BaF₂、SrF₂的一种或以上构成，三者的含量比为1:1:（1/10-1/2）。

3.如权利要求1所述的一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝，其特征还在于：氧化物由MgO、Al₂O₃、Ti₂O₃、SiO₂、Fe₂O₃、MnO中的一种或以上构成。

4.如权利要求1所述的一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝其特征还在于，碳酸盐由Li₂CO₃和Na₂CO₃混合构成的。

5.如权利要求1-4所述的一种高强度管线钢全位置焊接用低氢高韧性自保护药芯焊丝其特征还在于，焊接所得焊缝金属-60℃冲击功值≥80J，扩散氢≤4mL/100g。