CN107081508A - 厚度在15‑20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法 - Google Patents
厚度在15‑20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法 Download PDFInfo
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Abstract
厚度在15‑20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法:焊接母材位X70钢;焊缝的坡口形式为双V形,单边角度为30°或35°,钝边为5.5~6.5mm,大面深度在5.5~8mm,小面深度在4~5.5mm;匹配的焊接材料:焊剂为SJ101;前焊丝采用Mn‑Ni体系,后焊丝采用Mn‑Ni‑Mo‑Cr体系;焊接条件及工艺:前焊丝与后焊丝为同熔池并同步移动;先焊接小面,小面焊缝冷却后再焊接大面。本发明由于不同焊丝的双丝埋弧焊接,且匹配弱碱性烧结焊剂及匹配的焊接工艺参数,使经济型X70石油天然气管线钢的焊接接头冲击韧性‑10℃KV2达到140J以上,强度高于母材,硬度不高于230HV10,焊接接头性能非常理想。
Description
技术领域
本发明申请涉及一种埋弧焊工艺,具体地说是针对高性能超快冷X70钢,通过选配两种不同焊丝及合适的焊接工艺进行双丝埋弧焊,使X70钢埋弧焊接头性能满足要求。
背景技术
在2014年之前,我国X70管线钢的成分体系一般采用Mn-Mo-Mn-Cu,且Mo+Mn+Cu≥0.55%。制管时采用前后焊丝相同的双丝埋弧焊工艺,即是在前后丝相同的情况下,在内外面或正反面各焊接一道的埋弧焊接工艺。其焊丝采用Mn-Mo成分体系,其成分为(wt%)C0.05~0.10,Si≤0.15,Mn1.40~1.60,Mo0.15~0.30,P≤0.015,S≤0.010。双丝埋弧焊是用于厚度在15~20mm中等厚度的管线钢的主要焊接方法。
然而,随着世界经济的高速发展,对石油、天然气等能源资源的需求与日俱增,石油、天然气长输管道和城市管网的建设得到蓬勃发展。为提高长输管道和城市管网的输送效率和运行的经济性,近年来,管道的输送压力和管径不断增加,对所采用管线钢原材料的强韧性要求越来越高,我国管线工程焊接技术条件要求更是高于美国API标准。
目前X70钢是国内外长输管道主力钢种,但是,现有的X70管线钢中含有昂贵的Ni、Cu、Mo等元素,且铸坯的加热温度较高,导致能耗高,钢板的内应力较大,使钢板的平直度较差,所以降低合金元素含量成为当前钢铁品种的发展方向。随着钢铁轧制工艺的不断改进,出于降低合金成本的考虑,近来开发了高强钢的超快冷轧制工艺。在降低Ni, Mo, Cu等昂贵的主合金元素含量的情况下,添加Nb等微合金化元素,提高奥氏体再结晶温度,在适于变形的温度区间完成连续大变形和应变积累,得到硬化的奥氏体。轧后立即进行超快冷,使轧件迅速通过奥氏体相区,保持轧件奥氏体硬化状态。在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却,相变前奥氏体中析出相来不及长大和再析出,相变前碳元素扩散因超快速冷却被抑制,析出相更为细小和弥散,实现钢的细晶强化和韧化。
基于以上思路钢企开发了合金元素含量较低的经济型X70管线钢,较贵重合金(如Ni, Mo, Cu)被减少或取代。其钢板的力学性能为抗拉强度≥570MPa,硬度不高于240HV10,-10℃KV2平均值不低于80J,-10℃KV2单个值不小于60J。不同钢厂、不同时期生产的管线钢,其合金元素有明显的差别。由于成分发生了很大的变化,如若采用现有焊丝及同成分双焊丝的埋弧焊接工艺,则无法满足焊接技术要求,在试验中发现要么焊缝强度不够,要么使焊缝的强度偏高、硬度超标而不能满足要求。对于焊接接头的强度,接头拉伸试验断于母材是最理想的情况;有时也允许断于焊缝,但抗拉强度必须高于基材强度下限,并希望有充足的富裕量。
中国专利公开号为CN103357995A的文献,公开了一种“耐热钢直缝焊管焊接方法”,其主要针对耐热钢制定了双丝埋弧焊的工艺,侧重于设备装置。中国专利公开号为CN104384678A的文献,公开了一种“螺旋埋弧焊的新型焊接工艺”, 主要涉及双丝埋弧焊的工艺过程。而关于高性能超快冷X70钢双丝埋弧焊焊材及工艺尚未有报道。
双丝埋弧焊为焊丝的合理匹配带来可能。管线钢的双丝埋弧焊一般采用焊丝一前一后双弧同熔池的方式,焊接熔池金属由两种焊丝及母材熔合共同组成。当钢板较薄时(如低于10mm),焊缝金属中母材占主导;当钢板较厚时(如大于15mm),焊接处开坡口,焊缝金属中焊丝的贡献增加。对于双丝焊,通过选用不同成分体系的焊丝作为前后丝,可使焊缝成分及性能得到良好匹配。
本发明针对新开发的厚度为15~20mm的X70钢,由于其合金元素含量下降,若前后丝均采用Mn-Mo焊丝,或采用Mn-Ni焊丝(wt%):C0.06~0.09%,Si≤0.07,Mn1.50~1.90%,Ni0.25~0.50%,则焊缝碳当量CE处于0.37%以下,强度不理想,且与钢中含Cr不相匹配。若采用Mn-Ni-Cr-Mo焊丝(wt%)C0.06~0.09%,Si≤0.15%,Mn1.50~1.90%,Cr0.30~0.50%,Mo 0.30~0.50%,Ni0.25~0.50%,X70钢焊缝碳当量CE达到0.44%,则焊缝硬度偏高,韧性也受到影响。另外焊材成本也增加。
为了解决上述存在的问题,本申请人经过大量试验研究,采用了前焊丝为Mn-Ni成分体系,后丝采用Mn-Ni-Cr-Mo成分体系的不同双丝埋弧焊接工艺,且匹配弱碱性烧结焊剂,使新开发的焊接接头冲击韧性-10℃KV2达到140J以上,强度高于基材,硬度不高于230HV10,焊接接头性能非常理想。
发明内容
本发明的目的在于克服上述文献中存在的不足,提供一种通过前丝为Mn-Ni成分体系、后丝为Mn-Ni-Cr-Mo成分体系的不同双丝埋弧焊接工艺,匹配弱碱性烧结焊剂,使厚度在15~20mm的超快冷经济型X70石油天然气管线钢的焊接接头冲击韧性-10℃KV2达到140J以上,抗拉强度高于基材,硬度不高于230HV10;相对于X70钢技术条件要求有一定的富裕量。
实现上述目的的措施:
厚度在15-20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法,其步骤:
1)焊接母材:X70钢,其组分及重量百分比含量:C≤0.08%,Si≤0.30%, Mn≤1.70%,P≤0.15%,S≤0.002%,其余为Fe及不可避免的杂质;其控制Cr+Ni+Mo≤0.45%,Nb+V+Ti≤0.15%,Pcm≤0.18;力学性能在:抗拉强度≥570MPa,-10℃KV2平均值不低于80J,-10℃KV2单个值不小于60J;
1)焊缝的坡口形式:双V形,单边角度为30°或35°,钝边为5.5~6.5mm,大面深度在5.5~8mm,小面深度在4~5.5mm;
2)匹配的焊接材料:焊剂为SJ101;前焊丝采用Mn-Ni体系成分的焊丝,焊丝直径为3.2或4mm;后焊丝采用Mn-Ni-Mo-Cr体系成分的焊丝,焊丝直径为4mm;得到的焊缝与母材成分体系及强度级别相匹配;
3)焊接条件及工艺:前焊丝与后焊丝为同熔池并同步移动;先焊接小面,其焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在600~750A,电压在33~34V;后丝焊接电流在530~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在24~33kJ/cm;小面焊缝冷却后再焊接大面,大面焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在750~900A,电压在33~34V;后焊丝焊接电流在600~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在28~38kJ/cm;
焊接后的焊接接头力学性能:-10℃KV2≥140J,抗拉强度高于母材,硬度≤230HV10。
其在于:大面及小面各自焊接线能量、坡口深度与钢板的厚度成正相关关系。
其在于:所述前焊丝即Mn-Ni体系焊丝的组分及重量百分比含量:C:0.06~0.09%,Si≤0.07,Mn:1.50~1.90%,Ni:0.25~0.50%,其余为Fe。
其在于:所述后焊丝采用Mn-Ni-Cr-Mo体系的焊丝。
其在于:所述的Mn-Ni-Cr-Mo体系的焊丝成分及重量百分比含量为:C:0.06~0.09%,Si≤0.15%,Mn:1.50~1.90%,Cr:0.30~0.50%,Mo:0.30~0.50%,Ni:0.25~0.50%,其余为Fe。
本发明中各元素在低合金焊缝中的作用及主要工艺的机理说明如下:
Mn是焊缝强韧化的有效元素,有利于焊缝中针状铁素体的形成,防止引发热裂纹的铁硫化物的形成。Ni有利于提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性,降低脆性转变温度。Ni能减少先共析铁素体含量并改善焊缝韧性,但Ni含量过高会增加焊丝成本。Cr是一种有效的强化元素,并有细化铁素体晶粒的作用,但过高的Cr会降低焊缝的韧性。Mo是一种有效的强化元素,并有细化铁素体晶粒的作用,但过高的Mo会降低焊缝的韧性,并显著增加焊丝的成本。Cu含量在一定范围内时,能固溶于焊缝,提高焊缝强度和韧性,Cu含量过高会增加焊丝成本。
本申请之所以在前焊丝采用Mn-Ni成分体系,其原因在于:在双丝埋弧焊中,前后焊丝都对焊缝合金化发挥作用。但从焊缝成形上讲,前丝后丝所起的作用各有侧重。前丝主要作用是取得较大熔深保证焊透,所以前丝一般采用大电流、低电压,焊丝直径比后丝小或与后丝相等;后丝主要作用是得到较大焊缝宽度,所以后丝一般采用小电流、高电压。因此总体上讲,前丝线能量一般高于后丝,也就是说对于焊缝合金化,前丝起到的作用大于后丝。可以说,在双丝埋弧焊中,前丝是主焊丝。如前所述,对于传统含有较高合金元素的X70钢,采用Mn-Ni系焊丝就可以满足要求。所以对于新型X70钢,虽然单纯使用Mn-Ni焊丝焊缝强度不够,但作为双丝焊的前丝是合适的。
本申请之所以在后焊丝采用Mn-Ni-Cr-Mo体系,其原因在于:单纯使用Mn-Ni焊丝焊缝强度不够,需要采用合金含量更多的Mn-Ni-Mo-Cr系焊丝为后丝,这样才能向焊缝中过渡更多的合金元素Cr及Mo,从而保证新的X70钢焊缝具有足够的强度。
本发明对Mn-Ni系焊丝及Mn-Ni-Mo-Cr系焊丝各元素含量作了限定,其主要目的是使各合金元素的含量在较合适的范围内,X70钢焊缝的碳当量CE控制在0.37~0.42%,使焊缝的强韧性处于与X70钢匹配的最佳范围。
本申请之所以采用的焊剂为SJ101,原因在于:随着焊剂碱性的提高,焊缝中的氧含量、扩散氢量下降,焊缝韧性提高;但另一方面焊接工艺性能变差,尤其是焊速较高时焊缝成形较差。SJ101是一种弱氟碱性烧结焊剂,其碱度约为1.8,与合适的焊丝匹配,既有优良的焊接工艺性能,又能获得较高的焊缝韧性。
本申请先焊接小面,冷却后再焊接大面。其原因在于:小面坡口深度较小,一次焊满线能量比大面要小,不会烧穿焊接处。小面焊接时,焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在600~750A,电压在33~34V;后丝焊接电流在530~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在24~33kJ/cm。这样的焊接参数使小面焊接时既有足够的熔深,又不至于烧穿,焊缝表面成形优良。
小面冷却后焊接大面,焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在750~900A,电压在33~34V;后焊丝焊接电流在600~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在28~38kJ/cm;这样的焊接参数使大面焊接时有足够的熔深,对小面焊缝根部产生一定的重熔,大面焊缝与小面焊缝产生一定的重叠,整体焊缝成形优良。
本发明与现有技术相比,由于采用前焊丝为Mn-Ni成分体系,后丝采用Mn-Ni-Cr-Mo成分体系的不同双丝埋弧焊接,且匹配弱碱性烧结焊剂及匹配的焊接工艺参数,使经济型X70石油天然气管线钢的焊接接头冲击韧性-10℃KV2达到140J以上,强度高于母材,硬度不高于230HV10,焊接接头性能非常理想。
附图说明
图1为本发明母材钢厚度方向的焊板单侧坡口形式示意图;
图中:t—为板厚,c—为钝边量,h1—为小面侧深度,h2—为大面侧深度,α—为坡口角度。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述:
表1为本发明各实施例及对比例的焊接坡口尺寸列表;
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表;
表3为本发明各实施例及对比例焊丝化学成分列表;
表4为本发明各实施例及对比例焊缝化学成分列表;
表5为本发明各实施例及对比例焊接接头拉伸及冲击试验结果列表。
本发明各实施例按照以下步骤进行焊接:
1)焊接母材:X70钢,其组分及重量百分比含量:C≤0.08%,Si≤0.30%, Mn≤1.70%,P≤0.15%,S≤0.002%,其余为Fe及不可避免的杂质;其控制Cr+Ni+Mo≤0.45%,Nb+V+Ti≤0.15%,Pcm≤0.18;力学性能在:抗拉强度≥570MPa,-10℃KV2平均值不低于80J,-10℃KV2单个值不小于60J;
4)焊缝的坡口形式:双V形,单边角度为30°或35°,钝边为5.5~6.5mm,大面深度在5.5~8mm,小面深度在4~5.5mm;
5)匹配的焊接材料:焊剂为SJ101;前焊丝采用Mn-Ni体系成分的焊丝,焊丝直径为3.2或4mm;后焊丝采用Mn-Ni-Mo-Cr体系成分的焊丝,焊丝直径为4mm;得到的焊缝与母材成分体系及强度级别相匹配;
6)焊接条件及工艺:前焊丝与后焊丝为同熔池并同步移动;先焊接小面,其焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在600~750A,电压在33~34V;后丝焊接电流在530~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在24~33kJ/cm;小面焊缝冷却后再焊接大面,大面焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在750~900A,电压在33~34V;后焊丝焊接电流在600~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在28~38kJ/cm。
需要说明的是:在本发明中:所述的大面系指坡口相对深侧的面;所述的小面系指坡口相对浅侧的面。
表1 本发明各实施例及对比例的焊接坡口尺寸列表
表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表
表3 本发明各实施例及对比例焊丝化学成分取值列表(wt%)
表4 本发明各实施例及对比例焊缝化学成分列表
表5 本发明各实施例及对比例焊接接头拉伸及冲击试验结果列表
注:表5中的扩号内为平均值。
实施例1~8实施例采用了双丝埋弧焊,前后焊丝不同,钢板厚度15~20mm,坡口钝边5.5~6.5mm,角度30°或35°,焊接线能量24~38kJcm。前丝采用合金元素含量较低的Mn-Ni系焊丝、后丝采用合金元素含量较高的Mn-Ni-Cr-Mo焊丝,可以保证焊缝中含有一定的Ni,Cr, Mo合金元素,其焊接接头均有较好的强度及冲击韧性,接头抗拉强度635MPa~665MPa,硬度不高于230HV10,-10℃KV2冲击韧性(平均)焊缝达到140J以上,焊接热影响区达到260J以上。相对于X70钢技术条件要求有一定富裕量。
另外,进行了3例对比实验。对比例1前后丝采用同一种Mn-Ni系焊丝,采用与实例1相同的焊接工艺参数进行双丝埋弧焊,焊接后焊缝合金元素含量较少,焊缝强度不合格。对比例2前后丝采用同一种Mn-Mo系焊丝,焊接工艺与实例1相同,焊缝强度不合格。对比例3前后丝采用同一种Mn-Ni-Cr-Mo系焊丝,焊接工艺与实例1相同,焊缝硬度超标。
可见,本发明申请采用不同的前后丝,成功实现了X70钢双丝埋弧焊,焊接接头强韧性优良。
上述实施例仅为最佳例举,而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (5)
1.厚度在15-20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法,其步骤:
1)焊接母材:X70钢,其组分及重量百分比含量:C≤0.08%,Si≤0.30%, Mn≤1.70%,P≤0.15%,S≤0.002%,其余为Fe及不可避免的杂质;其控制Cr+Ni+Mo≤0.45%,Nb+V+Ti≤0.15%,Pcm≤0.18;力学性能在:抗拉强度≥570MPa,-10℃KV2平均值不低于80J,-10℃KV2单个值不小于60J;
焊缝的坡口形式:双V形,单边角度为30°或35°,钝边为5.5~6.5mm,大面深度在5.5~8mm,小面深度在4~5.5mm;
匹配的焊接材料:焊剂为SJ101;前焊丝采用Mn-Ni体系成分的焊丝,焊丝直径为3.2或4mm;后焊丝采用Mn-Ni-Mo-Cr体系成分的焊丝,焊丝直径为4mm;得到的焊缝与母材成分体系及强度级别相匹配;
焊接条件及工艺:前焊丝与后焊丝为同熔池并同步移动;先焊接小面,其焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在600~750A,电压在33~34V;后丝焊接电流在530~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在24~33kJ/cm;小面焊缝冷却后再焊接大面,大面焊接速度在85~100cm/min;前丝焊接电流在750~900A,电压在33~34V;后焊丝焊接电流在600~650A,电压在36~37V;并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在28~38kJ/cm;
焊接后的焊接接头力学性能:-10℃KV2≥140J,抗拉强度高于母材,硬度≤230HV10。
2.如权利要求1所述的厚度在15-20mm的X70钢的双丝埋弧焊接方法,其特征在于:大面及小面各自焊接线能量、坡口深度与钢板的厚度成正相关关系。
3.如权利要求1所述的厚度在15-20mm的X70钢的双丝埋弧焊接方法,其特征在于:所述前焊丝即Mn-Ni体系焊丝的组分及重量百分比含量:C:0.06~0.09%,Si≤0.07,Mn:1.50~1.90%,Ni:0.25~0.50%,其余为Fe。
4.如权利要求1所述的厚度在15-20mm的X70钢的双丝埋弧焊接方法,其特征在于:所述后焊丝采用Mn-Ni-Cr-Mo体系的焊丝。
5.如权利要求1所述的厚度在15-20mm;的X70钢的双丝埋弧焊接方法,其特征在于:所述的Mn-Ni-Cr-Mo体系的焊丝成分及重量百分比含量为:C:0.06~0.09%,Si≤0.15%,Mn:1.50~1.90%,Cr:0.30~0.50%,Mo:0.30~0.50%,Ni:0.25~0.50%,其余为Fe。
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