CN110181195B

CN110181195B - 一种x100管线钢用埋弧焊接用材料

Info

Publication number: CN110181195B
Application number: CN201910453674.XA
Authority: CN
Inventors: 裴新军
Original assignee: Yangjiang Polytechnic
Current assignee: Yangjiang Polytechnic
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-05-28
Also published as: CN110181195A

Abstract

本发明提供一种X100管线钢用埋弧焊接用材料，所述焊丝由如下质量百分比的组分组成：C 0.04～0.10、Si 0.10～0.30、Mn 1.50～2.10、Cr 0.20～0.50、Ni 2.00～3.00、P≤0.010、S≤0.005、Mo 0.60～1.00、Cu≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质；所述焊剂包括矿物干粉和粘结剂，所述矿物干粉由如下质量百分比的组分组成：镁砂25～35、大理石5～20、萤石15～25、氧化铝10～20、硅灰石10～25、石英2～10、合金剂1～3，所述粘结剂的质量为矿物干粉总质量的20～30％。本发明提供的X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂匹配X100管线钢焊丝焊接X100管线钢，获得的焊缝具有较好的抗冷裂纹敏感性和抗气孔性，其熔敷金属具有优良的机械性能，特别是低温冲击韧性较好。

Description

一种X100管线钢用埋弧焊接用材料

技术领域

本发明涉及焊接材料领域，更具体地，涉及一种X100管线钢用埋弧焊接用材料。

背景技术

为了节省能耗和造价，国外开发了X100管线钢及X120管线钢，并且建设了X120管道试验线。国内宝钢等钢铁公司也研发出了X100管线钢。目前，X100及以上级别管线钢的焊接材料由外国公司提供。为了提高我国焊材的研发和制造水平，国内也有很多焊材公司和科研院所正在进行X100管线钢焊接材料的研发。管线钢铺设线路长，历经路径地理环境复杂多变，有些地方极寒温度低达-60°甚至更低，恶劣的自然环境对管线钢的低温冲击韧性提出了很高的要求。因而采用的埋弧焊丝和焊剂匹配焊接所得熔敷金属也必须具有高强、高韧的特性。

X100管线钢是具有超细晶粒的钢，它通过化学成分设计以及采取控轧、控冷的工艺(TMCP)得到由粒状贝氏体、针状铁素体和马氏体组成的显微组织。并通过合金化完成细化晶粒的目的。粒状贝氏体的晶粒度为2～3mm。在针状铁素体的晶界，具有细小的M-A组元。这种细晶组织具有高强度的同时，还具有优良的韧性指标。由于X100管线钢的特点，在焊接这种级别的钢材时，尤其需要注意采用适宜的焊接材料。

为了获得强韧性与X100管线钢相近的接头，采用成分与母材相近的焊接材料的方法不一定是最优选择。焊接接头组织为铸态组织，采用和母材成分近似的焊材时，由于焊接过程中母材的稀释，焊接接头强度可以达到母材的强度，但韧性往往达不到要求。如果采用合金成分比母材高、碳含量又适当低的焊接材料，即使焊接后被母材稀释，也能得到强高、韧性良好的接头。因此，很有必要研发一种所得熔敷金属的焊接强度高、韧性好的X100管线钢用埋弧焊接用材料。

现有的X100管线钢的埋弧焊接材料中，通常都是在焊丝中添加Ti、B、V、Nb等微合金元素，焊丝中添加微量合金元素，增加了焊丝的冶炼和后续的加工费用。本发明通过焊剂过渡所需要的Ti和B等微量合金元素，利用焊剂过渡微合金元素具有灵活方便的特点，可以有效降低埋弧焊丝的制造费用，提高本发明的竞争力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中熔敷金属的焊接强度低、韧性差的不足，提供一种X100管线钢用埋弧焊接用材料，本发明提供的X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂匹配X100管线钢焊丝焊接X100管线钢，获得的焊缝具有较好的抗冷裂纹敏感性和抗气孔性，其熔敷金属具有优良的机械性能，特别是低温冲击韧性较好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种X100管线钢用埋弧焊接用材料，包括焊丝和焊剂，

所述焊丝由如下质量百分比的组分组成：C 0.04～0.10、Si 0.10～0.30、Mn 1.50～2.10、Cr 0.20～0.50、Ni 2.00～3.00、P≤0.010、S≤0.005、Mo 0.60～1.00、Cu≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述焊剂包括矿物干粉和粘结剂，所述矿物干粉由如下质量百分比的组分组成：镁砂25～35、大理石5～20、萤石15～25、氧化铝10～20、硅灰石10～25、石英2～10、合金剂1～3，所述粘结剂的质量为矿物干粉总质量的20～30％。

在本发明提供的焊丝组分中，

C元素含量对焊缝的强度和韧性具有较大的影响：当C含量较低时，焊缝强度较低，铁素体比例增加，韧性较高；当C含量较高时，焊缝强度增加，珠光体比例增加，焊缝韧性下降。因此，将C含量控制在0.04～0.10％，用来提高焊缝的韧性。

Mn可以起脱氧作用，防止导致热裂纹产生的碳化铁夹杂物形成，促使铁素体晶粒和碳化物细化，从而提高焊缝的强度和韧性。将Mn含量控制在较高的水平，可以提高焊缝强度，弥补低C造成的强度损失。因此，本发明的焊丝中Mn含量控制在1.50～2.20％。

加入适量Si，在本发明中，将Si含量控制在0.10～0.30％。

Mo是较强的固溶强化元素，可以提高焊缝强度。另外Mo元素推迟奥氏体的转变温度，抑制先共析铁素体和侧板条铁素体的形成，促进晶内针状铁素体的形成，提高焊缝低温韧性。在本发明中，将Mo含量控制在0.60～1.00％。

Cr有利于提高焊缝中针状铁素体含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝的强度和韧性。在本发明中，将Cr含量控制在0.20～0.50％。

Ni是固溶于铁素体的合金元素，在一定范围内可以提高焊缝的强度和韧性。加入一定含量的Ni主要目的在于提高焊缝的低温韧性，降低脆性转变温度。在本发明中，将Ni含量控制在2.00～3.00％。

S、P是焊缝中的主要有害元素，将会降低焊缝金属的低温韧性。同时也会降低焊缝的抗H2S应力腐蚀性能，尽量控制在一个较低的水平。在本发明中，S含量小于0.005％，P含量小于0.01％。

在本发明提供的焊剂的矿物干粉组分中：

镁砂是碱性氧化物，有调节熔渣碱度、粘度、流动性和改善焊缝成形的作用。镁砂含量过高会增加熔渣的熔点，影响脱渣性和焊缝成形；含量过低，则降低焊剂碱度，使得焊缝金属纯净度降低。

萤石熔点较低，能够降低熔渣表面张力和提高熔渣流动性；萤石有调节碱度的作用，含量过低时，会使焊剂碱度不够；含量过高时，会导致电弧不稳和焊缝波纹粗大。

氧化铝是调节熔渣熔点和粘度的有效成分，能使熔渣具有良好的流动性，焊缝金属与母材过渡平滑，焊缝成形美观。含量过低时上述效果不明显，含量过高时导致熔渣流动性变差。

大理石的成分为CaCO₃，高温加热分解为CaO和CO₂，CaO是碱性氧化物，性质与MgO相似，随着CaO含量增加，焊剂熔渣变得酥脆，有利于脱渣。大理石含量多了，焊接过程中会产生烟尘，其量控制在20％以内。

硅灰石由CaO和SiO₂组成，是很好的造渣成分，具有调节焊剂碱度及熔渣酥脆性的作用，随着硅灰石含量的增加，焊剂的碱度增加，焊剂熔渣变得酥脆。

石英是酸性氧化物，在焊剂中起调节焊剂酸碱度、粘度、流动性和改善焊缝成形的作用。石英含量增加，焊剂碱度降低，焊缝中氧含量增加，同时向焊缝中过渡的Si含量增多。

本发明提供的焊剂的合金剂有脱氧、补充有效合金Mn、Cr烧损及过渡微量合金元素钛、硼的的作用。

B的原子半径很小，会大量偏析到奥氏体晶粒边界，提高晶界能量，抑制晶界铁素体和侧板条铁素体的形成，提高焊缝韧性。在本发明中，将荣熔敷金属中的B含量控制在0.001～0.008％。

Ti与奥氏体中的N反应生成TiN颗粒，TiN具有很低的溶解度，在焊缝中形成很细的弥散物，可以有效的阻止晶粒长大。同时成为针状铁素体的形核核心，大大提高焊缝的韧性。在本发明中，将熔敷金属中的Ti含量控制在0.010～0.015％。

利用B原子提高先共析铁素体的形核能，防止边界铁素体和侧板条铁素体的形成，提高韧性。在此基础上，利用Ni在低温条件下的优良性能，质量百分比为2.00～3.00的Ni可以显著的降低焊缝韧脆转变温度，提高焊缝的低温韧性和稳定性，使得焊缝金属即使在-60℃也具有非常高的冲击值。另外通过Mo和Cr的固溶、沉淀、析出强化保证焊缝强度达到760MPa以上。同时采用低S、P提高焊接接头的抗H₂S应力腐蚀性能。

优选地，所述焊丝的表面经过镀铜处理。

优选地，镀层厚度不小于1.25μm。更为优选地，所述镀层厚度为1.25～1.55μm。

优选地，所述粘结剂为20℃时模数M＝2.8～3.0，浓度40～42°Be的钾钠水玻璃。

优选地，所述焊剂的制备方法如下：

称取矿物干粉中各组分并混合均匀，然后加入粘结剂进行造粒，经250～300℃低温烘焙40～60min，780～800℃高温烧结30～50min，出炉冷却、过筛即得所述焊剂。

优选地，所述筛的目数为12～60目。

优选地，所述焊丝由如下质量百分比的组分组成：C 0.04～0.10、Si 0.10～0.30、Mn 1.50～2.10、Cr 0.20～0.50、Ni 2.00～3.00、P≤0.010、S≤0.005、Mo 0.60～1.00、Cu≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选地，所述焊剂包括矿物干粉和粘结剂，所述矿物干粉由如下质量百分比的组分组成：镁砂25～35、大理石5～20、萤石15～25、氧化铝10～20、硅灰石10～25、石英3～8、合金剂1～3，所述粘结剂的质量为矿物干粉总质量的20～30％。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂匹配X100管线钢焊丝焊接X100管线钢，能够获得适应X100管线钢焊接接头要求的焊缝，焊接过程稳定，焊缝成形美观，坡口内脱渣性能好，具有较好的抗冷裂纹敏感性和抗气孔性，其熔敷金属具有优良的机械性能，特别是低温冲击韧性较好。其中，抗拉强度大于760MPa，熔敷金属-60℃冲击功不小于77J。本发明提供的焊接用材料适用于管线钢的内外埋弧焊接，焊前不需预热，焊后不用热处理。本发明中提供的焊接材料能够通过焊剂过渡合金元素，使得本发明具有灵活调整熔敷金属中合金元素的特点，有助于拓宽焊丝的使用范围，同时也降低了焊丝的加工费用。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。表1为本发明提供的焊丝的化学成分：C 0.04～0.10、Si 0.10～0.30、Mn 1.50～2.10、Cr 0.20～0.50、Ni 2.00～3.00、P≤0.010、S≤0.005、Mo 0.60～1.00、Cu≤0.20，余量为Fe。焊丝的直径为直径4mm。除非特别说明，本发明采用的原料、方法和设备为本技术领域常规原料、方法和设备。

除非特别说明，本发明所用原材料均为市购。

实施例1

一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，包括矿物干粉组分及粘结剂，所述矿物干粉组分中各成分及其质量百分比为：镁砂30、大理石6、萤石25、氧化铝19、硅灰石11、石英8、合金剂1；粘结剂占矿物干粉组分总重量的20～30％。

上述X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂的制备方法如下：

将矿物干粉组分中各成分按上述比例称取混合均匀，在搅拌均匀的物料中加入20℃时模数M＝2.8～3.0，浓度为40～42°Be的钠水玻璃作为粘结剂进行造粒，然后经250～300℃低温烘焙40～60min，780～800℃高温烧结30～50min，出炉冷却，过12～60目筛，制成烧结焊剂成品。

实施例2

一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，包括矿物干粉组分及粘结剂，所述矿物干粉组分中各成分及其质量百分比为：镁砂35、大理石5、萤石20、氧化铝20、硅灰石13.5、石英5、合金剂1.5；粘结剂占矿物干粉组分总重量的20～30％。

本实施例提供的X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂的制备方法与实施例1相同。

实施例3

一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，包括矿物干粉组分及粘结剂，所述矿物干粉组分中各成分及其质量百分比为：镁砂25、大理石15、萤石23、氧化铝20、硅灰石10、石英5、合金剂2；粘结剂占矿物干粉组分总重量的20～30％。

实施例4

一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，包括矿物干粉组分及粘结剂，所述矿物干粉组分中各成分及其质量百分比为：镁砂30、大理石10、萤石15、氧化铝18、硅灰石20、石英4、合金剂3％；粘结剂占矿物干粉组分总重量的20～30％。

实施例5

一种X100管线钢用埋弧焊烧结焊剂，包括矿物干粉组分及粘结剂，所述矿物干粉组分中各成分及其质量百分比为：镁砂25、大理石20、萤石15、氧化铝12、硅灰石24、石英3、合金剂1；粘结剂占矿物干粉组分总重量的20～30％。

按照上述五个实施例制成的埋弧焊烧结焊剂，分别对应与如下表1组分的焊丝匹配焊接，进行熔敷金属化学成分分析、熔敷金属力学性能测试。

焊接规范：焊接热输入为19～21KJ/cm，道间温度150～250℃。熔敷金属的焊丝化学成分见表1，熔敷金属化学成分见表2，熔敷金属的力学性能见表3。

表1焊丝化学成分(wt.％)

表2熔敷金属化学成分(wt.％)

	C	Si	Mn	P	S	Ti	Mo	Cr	Ni	B	Cu
												1	0.043	0.30	1.75	0.008	0.005	0.015	0.94	0.30	2.3	0.0063	0.15
2	0.055	0.27	1.66	0.009	0.0046	0.013	0.83	0.22	2.9	0.0060	0.13
												3	0.053	0.25	1.65	0.010	0.004	0.01	0.75	0.27	2.9	0.0078	0.15
4	0.057	0.21	1.55	0.008	0.0042	0.012	0.64	0.35	2.0	0.0026	015
												5	0.062	0.18	1.50	0.009	0.005	0.010	0.71	0.35	2.3	0.0018	0.17

表3熔敷金属(焊态)的力学性能

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种X100管线钢用埋弧焊接用材料，包括焊丝和焊剂，其特征在于，

所述焊丝由如下质量百分比的组分组成：C 0 .04～0 .10、Si 0 .10～0 .30、Mn 1.50～2 .10、Cr 0 .20～0 .50、Ni 2 .00～3 .00、P≤0 .010、S≤0 .005、Mo 0 .60～1.00、Cu≤0 .20，余量为Fe及不可避免的杂质；

所述焊剂包括矿物干粉和粘结剂，所述矿物干粉由如下质量百分比的组分组成：镁砂25～35、大理石5～20、萤石15～25、氧化铝10～20、硅灰石15～25、石英2～10、合金剂1～3，所述粘结剂的质量为矿物干粉总质量的20～30；

所述合金剂有脱氧、补充有效合金Mn、 Cr烧损及过渡微量合金元素钛、硼的作用；

所述焊剂的制备方法如下：

2.根据权利要求1所述X100管线钢用埋弧焊接用材料，其特征在于，所述焊丝的表面经过镀铜处理。

3.根据权利要求2所述X100管线钢用埋弧焊接用材料，其特征在于，镀层厚度不小于1.25μm。

4.根据权利要求3所述X100管线钢用埋弧焊接用材料，其特征在于，所述镀层厚度为1.25～1 .55μm。

5.根据权利要求1所述X100管线钢用埋弧焊接用材料，其特征在于，所述粘结剂为20℃时模数M＝2.8～3.0，浓度40～42°Be的钾钠水玻璃。

6.根据权利要求1所述X100管线钢用埋弧焊接用材料，其特征在于，所述筛的目数为12～60目。

7.根据权利要求1所述X100管线钢用埋弧焊接用材料，其特征在于，所述焊丝由如下质量百分比的组分组成：C 0 .04～0 .07、Si 0 .1～0 .25、Mn 1 .6～2.05、Cr 0 .25～0.5、Ni 2.2～3.0、P≤0.01、S≤0.005、Mo 0.65～0.90、Cu≤0.20，余量为Fe及不可避免的杂质。

8.根据权利要求1所述X100管线钢用埋弧焊接用材料，其特征在于，所述焊剂包括矿物干粉和粘结剂，所述矿物干粉由如下质量百分比的组分组成：镁砂25～35、大理石7～18、萤石15～25、氧化铝10～18、硅灰石10～24、石英2～8、合金剂1～3，所述粘结剂的质量为矿物干粉总质量的22～28％。