CN108247234A - 一种高强度钢用埋弧焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度钢用埋弧焊丝及其制备方法，属于焊丝领域。所述焊丝的化学成分按重量百分比为：C：0.05～0.09，Mn：0.6～1，Si≤0.10，P＜0.01，S≤0.005，Cu：0.5～1，Ni：0.5～1，Cr：0.3～0.5，Mo：0.1～0.2，Ti：0.03～0.05，B：0.0025～0.005，其余为铁和不和避免的杂质，该焊丝同时还满足Ti/B：9～11，Ni/Cu＞1。通过本发明所提供的高强度钢用埋弧焊丝的制备方法而获得的埋弧焊丝对钢构件进行焊接以后，该钢结构经过520～650℃回火后的焊缝的抗拉强度大于或等于700MPa，‑20℃冲击功平均值大于120J，且回火后的低温韧性比较稳定。

Description

一种高强度钢用埋弧焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及焊丝领域，特别涉及一种适用于高强钢焊后回火的埋弧焊丝及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，低合金高强钢在石油天然气管线、压力容器及工程机械等领域中得到广泛应用。其中，利用低合金高强钢制备的钢结构一般需要采取焊接工序以实现连接目的，而为消除焊接应力或满足相关工艺要求，焊接后的钢结构需要高温回火。低合金高强钢采用常规MoTiB焊丝(焊接热输入大于40kJ)进行焊接，焊接后的焊缝低温韧性良好，但是焊缝回火后韧性明显下降，直接影响这些钢结构的质量和安全性，而焊缝及热影响区是最薄弱的部位，因此提高焊缝韧性对于管线和其他类型的钢结构的安全性至关重要。

X80以上钢级的低合金高强钢热煨弯管的生产，普遍采用直缝埋弧焊管作为母管，母管焊接后的直管段和弯曲段都必须经过在线感应加热装置加热到相变温度以上后快速冷却，再进行高温回火处理，从而保证弯管具有较好的强韧性。上述弯管的生产要先整体进行淬火，然后再整体进行高温回火，主要原因是若直接进行回火，回火后的焊缝韧性下降明显且波动大，不能满足标准要求，故只能先淬火后再回火才能使焊缝满足标准要求，但这使生产效率降低30％以上，生产成本增加25％以上。

海洋隔水套管通常采用高强度直缝埋弧焊管进行生产，作为从海上钻井平台下到海底浅层的套管，在钻完井施工过程中，其强度及安全性对于海上钻井作业安全至关重要，因此需经回火处理消除残余应力，以保证钢管尺寸精度和强度。采用国内目前市场上的各种埋弧焊丝焊接钢管时，常常出现回火后焊缝的低温韧性波动和明显下降。目前解决的办法是降低焊接热输入至20kJ以下，焊缝回火的韧性稳定性勉强满足标准要求，但是低热输入焊接降低生产效率， 提高生产成本。

目前，低合金高强钢焊接用埋弧焊丝的种类比较多，如专利文献CN 102233493 A提供了一种高强度低温钢用埋弧焊丝，其焊接后的钢结构只进行高温回火，但回火后的钢结构的抗拉强度只有480～660MPa；专利文献CN 102009285 A提供了一种X80管件用埋弧焊丝，其焊接后的钢结构依次进行淬火工艺与高温回火工艺，提高了生产成本、降低了生产效率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种高强度钢用埋弧焊丝及其制备方法。用以解决现有技术中焊接后的钢结构只进行回火，但其强度不够以及焊接后的钢结构既要进行淬火工艺又进行回火工艺才能满足强度要求的问题。

一方面，本发明提供了一种高强度钢用埋弧焊丝，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.05～0.09，Mn：0.6～1，Si≤0.10，P＜0.01，S≤0.005，Cu：0.5～1，Ni：0.5～1，Cr：0.3～0.5，Mo：0.1～0.2，Ti：0.03～0.05，B：0.0025～0.005，其余为铁和不和避免的杂质，该焊丝同时还满足Ti/B：9～11，Ni/Cu＞1。

优选地，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.06，Mn：0.6，Si：0.08，P：0.007，S：0.005，Cu：0.55，Ni：0.7，Cr：0.3，Mo：0.13，Ti：0.05，B：0.005，其余为铁和不和避免的杂质。

优选地，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.08，Mn：0.7，Si：0.05，P：0.009，S：0.003，Cu：0.7，Ni：0.8，Cr：0.38，Mo：0.15，Ti：0.03，B：0.0033，其余为铁和不和避免的杂质。

优选地，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.05，Mn：0.95，Si：0.08，P：0.009，S：0.003，Cu：0.8，Ni：0.95，Cr：0.45，Mo：0.18，Ti：0.03，B：0.0029，其余为铁和不和避免的杂质。

另一方面，本发明提供了一种高强度钢用埋弧焊丝的制备方法，所述方法包括：

采用真空电炉冶炼出元素含量如上述高强度钢用埋弧焊丝所示的钢水，将所述钢水经过浇铸热轧成盘条，再将所述盘条依次经过剥壳、酸洗、冷拔以及镀铜工序制成焊丝。

具体地，所述盘条的直径为5～8mm。

具体地，所述焊丝的直径为2.5～4mm。

具体地，所述酸洗工序所用的溶液为稀硫酸或盐酸。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本发明所提供的高强度钢用埋弧焊丝的制备方法而获得的埋弧焊丝对钢结构进行焊接以后，该钢结构经过520～650℃回火后的焊缝的抗拉强度大于或等于700MPa，-20℃冲击功平均值大于120J，且焊缝回火后的低温韧性比较稳定。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明的第一方面，本发明提供了一种高强度钢用埋弧焊丝，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.05～0.09，Mn：0.6～1，Si≤0.10，P＜0.01，S≤0.005，Cu：0.5～1，Ni：0.5～1，Cr：0.3～0.5，Mo：0.1～0.2，Ti：0.03～0.05，B：0.0025～0.005，其余为铁和不和避免的杂质，该焊丝同时还满足Ti/B：9～11，Ni/Cu＞1。

本发明提供的高强度钢用埋弧焊丝的原理为：

高强度钢用埋弧焊丝的化学成分设计原则是采用低C低Mn多元复合合金化的方式，从而达到焊缝与母材的化学成份及理化性能的最佳匹配。

其中，若C含量过高会恶化焊接性，增加冷裂纹倾向，可使二次加热焊缝组织中马奥岛(由马氏体和奥氏体组成的形态像岛状的组织)含量增加，从而损害焊缝的冲击韧性；又考虑到焊缝强度及焊接过程中C的烧损和后续焊缝的回火处理，本发明将焊丝中的C含量控制在0.05％～0.09％之间；

Mn能有效增加焊缝强度和脱氧效果，有利于细化焊缝晶粒，增加针状铁素体含量，同时减少晶界先共析铁素体和侧板条铁素体的含量，从而改善焊缝的韧性；但Mn和S结合易形成MnS，产生带状偏析，从而使焊缝易于表现出高 硬度，易产生裂纹，而降低Mn和S含量可以明显降低MnS数量和大小，但如果Mn含量过少，焊缝中先共析铁素体的数量会大幅度增加，针状铁素体的数量会显著减少而且也变得更粗大，导致焊缝夏比冲击韧性低；由于增加Ni含量可以弥补降低Mn带来的副作用，过故本发明降低Mn含量，控制Mn含量在0.6％～1.0％之间，减少了高Mn导致的Mn偏析，从而也解决了MnS偏析带导致焊缝回火韧性不稳定的问题；

若P含量过高的话，易产生P偏聚，导致焊缝回火韧性不稳定，故降低P含量至0.01％以下，以减轻P偏聚导致焊缝回火韧性不稳定的问题；

增加Ni和Cu含量主要用来调节焊缝强度和韧性，若单纯降低Mn含量会使焊缝强度与韧性都明显降低，单纯增加Ni含量可以改善焊缝韧性，但焊缝强度不能满足要求，故可加入含量大于0.5％的Cu，使其高温回火时能析出ε-Cu，即可明显提高焊缝强度又不影响焊缝低温韧性；另外，控制Ni/Cu含量比大于1可以避免焊缝凝固时产生低熔点Cu而产生裂纹；

Si元素主要在焊缝金属中起到脱氧作用，通过镇静熔池、增加熔池流动性来消除气孔的作用提高焊接性。但焊接及热处理时，如果Si含量过高，会增加焊缝中块状铁素体含量，使焊缝韧性恶化。因此，本发明焊丝中的Si含量控制在0.1％以下；

较高的Mo，能增加材料的淬透性和冲击韧性，故本发明中的Mo的含量控制在0.1％～0.2％之间；

适当的Ti和B含量能达到细化针状铁素体的目的，使焊缝获得良好的强韧性，本发明降低了Ti含量并控制Ti/B在9～11之间，保证了焊缝韧性显著改善了在回火时减少钛氮氧化物析出和B偏聚影响焊缝韧性。

由原理可知，本发明提供的高强度钢用埋弧焊丝，即能保证钢结构的焊缝具有良好的韧性，又能使焊接后的钢结构只通过回火工艺就能满足焊缝对强度与韧性的要求。

在本发明的另外一方面，本发明提供了一种高强度钢用埋弧焊丝的制备方法，该制备方法为：采用真空电炉冶炼出元素含量如高强度钢用埋弧焊丝所示的钢水，将上述钢水经过浇铸热轧成盘条，再将上述盘条依次经过剥壳、酸洗、冷拔以及镀铜工序制成焊丝。

具体为：本发明先采用电炉冶炼手段，在炼钢过程中通过调整各合金的含 量即：降低C、Mn、Si、P、S含量；控制、增加Ni、Cu含量并控制Ni/Cu大于1；降低Ti、B含量并控制Ti/B等元素方式，得到低C、Mn、P、S含量的多元钢水；

再将具有一定温度的钢水经过连铸或浇铸工序获得方坯，然后再将该方坯经过热轧工艺轧制成直径为5～8mm的盘条；

上述盘条再经过剥壳(剥除盘条表面的氧化膜)、酸洗(其酸洗溶液为稀硫酸或盐酸)、冷拔以及镀铜工序制成直径为2.5～4mm的焊丝。

利用本发明所提供的高强度钢用埋弧焊丝的制备方法而获得的埋弧焊丝与SJ102D高碱度烧结焊剂进行匹配，其焊接热输入能大于40kJ，从而可以提高焊接效率、减少焊接成本，其中，焊接热输入＝(电压×电流)/(焊接速率)；另外，利用本发明所提供的高强度钢用埋弧焊丝的制备方法而获得的埋弧焊丝对钢结构进行焊接以后，该钢结构经过520～650℃回火后的焊缝的抗拉强度大于或等于700MPa，-20℃冲击功平均值大于120J，且焊缝回火后的低温韧性比较稳定。

实施例1

采用真空电炉冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成直径为5.5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗(酸洗溶液为稀硫酸)、拔丝、镀铜后制成直径为4.0mm焊丝。采用上述方法制得直径为4mm的埋弧焊丝成分按重量百分比为：C：0.06，Mn：0.6，Si：0.08，P：0.007，S：0.005，Cu：0.55，Ni：0.7，Cr：0.3，Mo：0.13，Ti：0.05，B：0.005，其余为铁和不和避免的杂质；其中，Ni/Cu为1.27，Ti/B为10。

该焊丝与SJ102D高碱度烧结焊剂进行匹配，对厚度为30.8mm的X80钢管(X80钢管的屈服强度为555Mpa以上)进行埋弧焊接，焊接速度为1.5m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，其热输入分别为61kJ/cm和62kJ/cm。

将焊接后的X80钢管放入加热炉中加热至600℃、并保温2个小时，然后在空气中冷却。其中，焊接后的X80钢管经过回火后，其焊缝性能参见表1。

实施例2

采用真空电炉冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成直径为5.5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗(酸洗溶液为稀硫酸)、拔丝、镀铜后制成直径为4.0mm焊丝。采用上述方法制得直径为4mm的埋弧焊丝成分按重量百分比为：C：0.08，Mn：0.7，Si：0.05，P：0.009，S：0.003，Cu：0.7，Ni：0.8，Cr：0.38，Mo：0.15，Ti：0.03，B：0.0033，其余为铁和不和避免的杂质；其中，Ni/Cu为1.14，Ti/B为9.1。

该焊丝与SJ102D高碱度烧结焊剂进行匹配，对厚度为15.875mm的X80钢管进行埋弧焊接，焊接速度为1.2m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，热输入分别为35kJ/cm和36kJ/cm。

将焊接后的X80钢管整体放入加热炉中加热至580℃、并保温1.5个小时，然后在空气中冷却。其中，焊接后的X80钢管经过回火后，其焊缝性能参见表1。

实施例3

采用真空电炉冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成直径为5.5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗(酸洗溶液为稀硫酸)、拔丝、镀铜后制成直径为4.0mm焊丝。采用上述方法制得直径为4mm的埋弧焊丝成分按重量百分比为：C：0.05，Mn：0.95，Si：0.08，P：0.009，S：0.003，Cu：0.8，Ni：0.95，Cr：0.45，Mo：0.18，Ti：0.03，B：0.0029，其余为铁和不和避免的杂质；其中，Ni/Cu为1.19，Ti/B为10.3。

该焊丝与SJ102D结焊剂匹配，对厚度为35mm的高强度钢板(高强度钢板的抗拉强度为690MPa以上)进行埋弧焊接，焊接速度为1.1m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，其热输入分别为68kJ/cm和70kJ/cm。

将焊接后的高强度钢管放入加热炉中加热至620℃、并保温2.5个小时，然后在空气中冷却。其中，焊接后的高强度钢管经过回火后，其焊缝性能参见表1。

对比例1

采用真空电炉冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成直径为5.5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗(酸洗溶液为稀硫酸)、拔丝、镀铜后制成直径为4.0mm焊丝。采用上述方法制得直径为4mm的埋弧焊丝成分按重量百分比为：C：0.06，Si：0.2，Mn：1.47，S：0.006，P：0.011，Ni：0.3，Cu：0.1，Cr：0.05，Mo：0.35，Ti：0.05，B：0.003，其余为Fe和不可避免的杂质。

该焊丝与SJ102D高碱度烧结焊剂进行匹配，对厚度为30.8mm的X80钢管进行埋弧焊接，焊接速度为1.5m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，热输入分别为61kJ/cm和62kJ/cm。

将焊接后的X80钢管整体放入加热炉中加热至600℃、并保温2个小时，然后采取空冷进行缓慢冷却。其中，焊接后的X80钢管经过回火后，其焊缝性能参见表1。

对比例2

采用真空电炉冶炼后浇铸成方坯，经高速无扭轧机轧制成直径为5.5mm的盘条，盘条经剥壳、酸洗(酸洗溶液为稀硫酸)、拔丝、镀铜后制成直径为4.0mm焊丝。采用上述方法制得直径为4mm的埋弧焊丝成分按重量百分比为：C：0.06，Si：0.2，Mn：1.65，S：0.005，P：0.01，Ni：0.05，Cu：0.06，Mo：0.3，Ti：0.1，B：0.006、其余为铁和不和避免的杂质。

该焊丝与SJ102D高碱度烧结焊剂进行匹配，对厚度为30.8mm的高强度钢板进行埋弧焊接，焊接速度为1.1m/min，内外侧均为单道次四丝焊接，热输入分别为68kJ/cm和70kJ/cm。

将焊接后的高强度钢管整体放入加热炉中加热至620℃、并保温2.5个小时，然后采取空冷进行缓慢冷却。其中，焊接后的高强度钢管经过回火后，其性能参见表1。

表1实施例1-3与对比例1-2钢管焊缝回火后的机械性能

从表1中可以看出，通过本发明所提供的高强度钢用埋弧焊丝焊接的钢管回火后的焊缝的抗拉强度大于700MPa，-20℃冲击功平均值都大于120J；且与对比例1与2相比，本发明中钢管焊缝回火后的-20℃冲击功最小值与-20℃冲击功平均值波动不大，其低温韧性比较稳定，故本发明所提供的高强度钢用埋弧焊丝能使钢管回火后的焊缝具有较高的机械性能。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.05～0.09，Mn：0.6～1，Si≤0.10，P＜0.01，S≤0.005，Cu：0.5～1，Ni：0.5～1，Cr：0.3～0.5，Mo：0.1～0.2，Ti：0.03～0.05，B：0.0025～0.005，其余为铁和不和避免的杂质，该焊丝同时还满足Ti/B：9～11，Ni/Cu＞1。

2.根据权利要求1所述的高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.06，Mn：0.6，Si：0.08，P：0.007，S：0.005，Cu：0.55，Ni：0.7，Cr：0.3，Mo：0.13，Ti：0.05，B：0.005，其余为铁和不和避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.08，Mn：0.7，Si：0.05，P：0.009，S：0.003，Cu：0.7，Ni：0.8，Cr：0.38，Mo：0.15，Ti：0.03，B：0.0033，其余为铁和不和避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的高强度钢用埋弧焊丝，其特征在于，该焊丝的化学成分按重量百分比为：

C：0.05，Mn：0.95，Si：0.08，P：0.009，S：0.003，Cu：0.8，Ni：0.95，Cr：0.45，Mo：0.18，Ti：0.03，B：0.0029，其余为铁和不和避免的杂质。

5.一种高强度钢用埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：采用真空电炉冶炼出元素含量如权利要求1中高强度钢用埋弧焊丝所示的钢水，将所述钢水经过浇铸热轧成盘条，再将所述盘条依次经过剥壳、酸洗、冷拔以及镀铜工序制成焊丝。

6.根据权利要求5所述的高强度钢用埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，所述盘条的直径为5～8mm。

7.根据权利要求5所述的高强度钢用埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，所述焊丝的直径为2.5～4mm。

8.根据权利要求5所述的高强度钢用埋弧焊丝的制备方法，其特征在于，所述酸洗工序所用的溶液为稀硫酸或盐酸。