CN112705880B - 一种x80管线钢用低温高韧焊丝及制备方法 - Google Patents

一种x80管线钢用低温高韧焊丝及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种X80管线钢用低温高韧焊丝，按质量百分比由以下组分组成：C≤0.06％，Si 0.15～0.27％，Mn 1.30～1.50％，P≤0.003％，S≤0.003％，Ni 1.20～2.40％，Cr 0.02～0.08％，Cu 0.03～0.05％，Nb 0.02～0.05％，V 0.005～0.010％，Ti 0.06～0.10％，Mo 0.10～0.20％，Al 0.01～0.02％，B≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％。该焊丝解决了焊缝低温韧性不足的问题。本发明还公开了一种X80管线钢用低温高韧焊丝的制备方法。

Description

一种X80管线钢用低温高韧焊丝及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种X80管线钢用低温高韧焊丝，本发明还涉及该焊丝的制备方法。
背景技术
油气输送管道是石油、天然气输送的重要工具之一，而随着石油及天然气管道的高压、长距离、大管径输送技术的发展，对管线钢的要求也逐步提高，主要表现在强度和韧性方面。为节省管线工程的建设成本，采用高强度等级的管线钢更加经济合理。
X80是一种典型的低合金高强度钢，广泛应用于油气管道的输送。在一些偏僻的石油、天然气产地，自然环境十分恶劣，部分油气输送管道要经过极寒地带，所以除了对管线钢的高强度、高韧性有要求外，还对其低温韧性提出了一定的要求。管线钢焊缝的低温韧性是衡量其低温服役能力的重要指标，直接影响管线钢的使用范围。目前，X80母材通过控轧控冷技术可以获得优异的低温韧性，其组织以针状铁素体、粒状贝氏体为主。然而，由于焊接过程的瞬时、高温、不平衡等特点，导致其接头的低温韧性较差。因此，开发X80管线钢用低温性能优异的焊丝，具有重要的工程实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种X80管线钢用低温高韧焊丝，解决了焊缝低温韧性不足的问题。
本发明的另一个目的是提供一种X80管线钢用低温高韧焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种X80管线钢用低温高韧焊丝，按质量百分比由以下组分组成：C≤0.06％，Si 0.15～0.27％，Mn 1.30～1.50％，P≤0.003％，S≤0.003％，Ni1.20～2.40％，Cr 0.02～0.08％，Cu 0.03～0.05％，Nb 0.02～0.05％，V 0.005～0.010％，Ti 0.06～0.10％，Mo 0.10～0.20％，Al 0.01～0.02％，B≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种X80管线钢用低温高韧焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取如下原料粉末：C≤0.06％，Si 0.15～0.27％，Mn1.30～1.50％，P≤0.003％，S≤0.003％，Ni 1.20～2.40％，Cr 0.02～0.08％，Cu 0.03～0.05％，Nb 0.02～0.05％，V 0.005～0.010％，Ti 0.06～0.10％，Mo 0.10～0.20％，Al0.01～0.02％，B≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成方坯料，再在一定温度下轧制成
Figure BDA0002840413190000021
Figure BDA0002840413190000022
的盘条；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用。
本发明的特征还在于，
步骤2中，冶炼的温度1500℃-1800℃，时间1h-3h；精炼的温度为1100～1200℃，时间为30～60min。
步骤3中，方坯料的尺寸规格为：50mm×50mm×50mm。
步骤3中，轧制成
Figure BDA0002840413190000031
的盘条所需温度为600～700℃。
本发明的有益效果是：
(1)本发明焊丝直径比较小，丝径为1.2mm的焊丝适用广泛，该焊丝既可用于TIG焊，又可用于MIG焊；
(2)本发明的X80管线钢用低温高韧焊丝，解决了现有技术在焊接X80管线钢时焊缝低温韧性不足的问题。
(3)焊丝配合保护气体(Ar，CO2+Ar混合气体等)进行焊接，焊接过程电弧稳定，熔池流动性较好，飞溅较少，焊缝成形美观。焊后接头平均抗拉强度为680MPa，-45℃下的平均低温韧性值为160J，低温韧性波动较小。
(4)焊前不预热，焊后不需要缓冷，既适合于单层多层，也适用于单面或双面焊接。
(5)本发明的焊丝采用微合金化的设计原理，研制工艺简单，成本低廉，便于进行大规模批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的焊丝焊接后焊缝中心的金相组织图；
图2为本发明实施例2制备的焊丝焊接后焊缝中心的金相组织图；
图3为本发明实施例2制备的焊丝焊接后焊缝的冲击断口扫描电镜形貌图；
图4为本发明实施例3制备的焊丝焊接后焊缝中心的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种X80管线钢用低温高韧焊丝，按质量百分比由以下组分组成：C≤0.06％，Si 0.15～0.27％，Mn 1.30～1.50％，P≤0.003％，S≤0.003％，Ni 1.20～2.40％，Cr 0.02～0.08％，Cu 0.03～0.05％，Nb 0.02～0.05％，V 0.005～0.010％，Ti 0.06～0.10％，Mo 0.10～0.20％，Al 0.01～0.02％，B≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％。
焊丝中各组分的作用和功能如下：
C是钢中强化元素，也是影响钢材焊接性的最为敏感的元素；低的碳含量有助于改善钢的低温韧性和焊接性；
Mn具有固溶强化以及细化铁素体晶粒的作用，并可以改善焊缝材料的微观组织，还可以改善焊缝的韧性；
Mo可以提高钢的强度，抑制共析铁素体的形成并促进针状铁素体的形成；
Ni是碳化物形成元素，能提高钢的淬透性，产生固溶强化；Ni可以提高钢的低温韧性，还可以大幅度降低韧脆转变温度。
Cu是降低奥氏体相变温度的元素，可以增加过冷奥氏体的稳定性，降低马氏体开始转变的温度。焊缝中Cu含量在0.03％～0.05％范围内时，随着Cu含量的增加，针状铁素体数量减少，晶界铁素体数量增加，晶粒细化。Cu在低合金高强钢中的主要作用是用来提高抗大气腐蚀性。
Nb、V、Ti等微合金元素，即使含量在0.1％左右，也会对钢的微观组织和性能有显著影响。Nb、V、Ti这些元素同时也是强碳、氮化物形成元素。Nb是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，在控轧控冷过程中可以显著细化晶粒；Nb可以延迟奥氏体的再结晶，Nb的拖拽作用可以抑制铁素体的生长，促使形成更多的贝氏体以及M/A组元，进一步提高钢的强度；Nb还有细化晶粒和弥散强化的作用。Ti具有沉淀强化和晶粒细化的作用，并且可进一步改善钢的焊接性能。
B可以明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核，促进产生贝氏体组织，从而提高焊缝的强度。
本发明还提供一种X80管线钢用低温高韧焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取如下原料粉末：C≤0.06％，Si 0.15～0.27％，Mn1.30～1.50％，P≤0.003％，S≤0.003％，Ni 1.20～2.40％，Cr 0.02～0.08％，Cu 0.03～0.05％，Nb 0.02～0.05％，V 0.005～0.010％，Ti 0.06～0.10％，Mo 0.10～0.20％，Al0.01～0.02％，B≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤2中，冶炼的温度1500℃-1800℃，时间1h-3h；精炼的温度为1100～1200℃，时间为30～60min；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成方坯料，再在一定温度下轧制成
Figure BDA0002840413190000051
Figure BDA0002840413190000052
的盘条；
步骤3中，方坯料的尺寸规格为：50mm×50mm×50mm(长×宽×高)；
步骤3中，轧制成
Figure BDA0002840413190000053
的盘条所需温度为600～700℃；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用。
实施例1
步骤1:按质量百分比分别称取如下原料粉末：C 0.06％，Si 0.15％，Mn 1.30％，P0.003％，S 0.003％，Ni 1.20％，Cr 0.02％，Cu 0.03％，Nb 0.02％，V 0.005％，Ti0.06％，Mo 0.10％，Al 0.01％，B 0.005％，N 0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤2中，冶炼的温度1500℃，时间3h；精炼的温度为1100℃，时间为30min；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成50mm×50mm×50mm的方坯料，再在600℃下轧制成
Figure BDA0002840413190000062
的盘条；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲等工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用。
用实施例1制备的X80管线钢用低温高韧焊丝焊接X80试板，试板开对称X型坡口，两侧坡口角度均为60°，焊接工艺参数如表1所示。
表1焊接工艺参数
Figure BDA0002840413190000061
经测试，焊接接头-45℃下的冲击韧性值为80J。对接头进行金相组织观察(如图1所示)，组织以块状的先共析铁素体为主，存在少量的针织铁素体，这种组织特征抵抗低温冲击载荷的能力较低。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取如下原料粉末：C 0.02％，Si 0.20％，Mn 1.40％，P0.003％，S 0.003％，Ni 2.0％，Cr 0.05％，Cu 0.03％，Nb 0.02％，V 0.010％，Ti 0.08％，Mo 0.20％，Al 0.02％，B 0.005％，N 0.002％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤2中，冶炼的温度1600℃，时间2h；精炼的温度为1200℃，时间为60min；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成50mm×50mm×50mm的方坯料，再在700℃下轧制成
Figure BDA0002840413190000072
的盘条；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲等工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用。
用实施例2制备的X80管线钢用低温高韧焊丝焊接X80试板，试板开对称X型坡口，两侧坡口角度均为60°，焊接工艺参数如表2所示。
表2焊接工艺参数
Figure BDA0002840413190000071
Figure BDA0002840413190000081
经测试，焊接接头-45℃下的冲击韧性值为160J。对接头进行金相组织观察(如图2所示)，发现焊缝中心组织以针状铁素体为主，呈现一种混杂分布形式，组织细小。研究发现，这种无规则彼此互相交错分布的细小片状条束可以有效提高焊缝的冲击韧性，尤其是低温韧性。冲击断口的扫描电镜图片如图3所示，断口表面分布着大量轫窝形貌。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取如下原料粉末：C 0.05％，Si 0.27％，Mn 1.50％，P0.003％，S 0.003％，Ni 2.40％，Cr 0.08％，Cu 0.05％，Nb 0.05％，V 0.010％，Ti0.10％，Mo 0.20％，Al 0.02％，B 0.005％，N 0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤2中，冶炼的温度1800℃，时间1h；精炼的温度为1150℃，时间为40min；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成50mm×50mm×50mm的方坯料，再在650℃下轧制成
Figure BDA0002840413190000082
的盘条；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲等工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用。
用实施例3制备的X80管线钢用低温高韧焊丝焊接X80试板，试板开对称X型坡口，两侧坡口角度均为60°，焊接工艺参数如表3所示。
表3焊接工艺参数
Figure BDA0002840413190000091
经测试，焊接接头-45℃下的冲击韧性值为70J。对接头进行金相组织观察(如图4所示)，发现焊缝中心组织以板条贝氏体为主，板条束清晰可见。研究发现，这种粗大的板条束对接头的低温冲击韧性有害。
实施例4
步骤1:按质量百分比分别称取如下原料粉末：C 0.06％，Si 0.25％，Mn 1.40％，P0.002％，S 0.002％，Ni 1.30％，Cr 0.05％，Cu 0.04％，Nb 0.03％，V 0.008％，Ti0.09％，Mo 0.15％，Al 0.02％，B 0.003％，N 0.002％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤2中，冶炼的温度1600℃，时间3h；精炼的温度为1200℃，时间为50min；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成50mm×50mm×50mm的方坯料，再在630℃下轧制成
Figure BDA0002840413190000092
的盘条；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲等工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用。
用实施例4制备的X80管线钢用低温高韧焊丝焊接X80试板，试板开对称X型坡口，两侧坡口角度均为60°，焊接工艺参数如表4所示。
表4焊接工艺参数
Figure BDA0002840413190000101
经测试，焊接接头-45℃下的冲击韧性值为120J。对接头进行金相组织观察，发现焊缝中心组织主要由针状铁素体和板条贝氏体组成。
实施例5
步骤1:按质量百分比分别称取如下原料粉末：C 0.06％，Si 0.25％，Mn 1.30％，P0.002％，S 0.002％，Ni 1.30％，Cr 0.04％，Cu 0.035％，Nb 0.04％，V 0.009％，Ti0.08％，Mo 0.18％，Al 0.015％，B 0.002％，N 0.003％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤2中，冶炼的温度1500℃，时间2h；精炼的温度为1120℃，时间为45min；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成50mm×50mm×50mm的方坯料，再在660℃下轧制成
Figure BDA0002840413190000102
的盘条；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲等工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用。
用实施例5制备的X80管线钢用低温高韧焊丝焊接X80试板，试板开对称X型坡口，两侧坡口角度均为60°，焊接工艺参数如表5所示。
表5焊接工艺参数
Figure BDA0002840413190000111
经测试，焊接接头-45℃下的冲击韧性值为100J。对接头进行金相组织观察，发现焊缝中心组织主要由针状铁素体和板条贝氏体组成。
经优化，当焊丝中合金元素的质量百分比为C 0.02％，Si 0.20％，Mn 1.40％，P0.003％，S 0.003％，Ni 2.0％，Cr 0.05％，Cu 0.03％，Nb 0.02％，V 0.010％，Ti 0.08％，Mo 0.20％，Al 0.02％，B 0.005％，N 0.002％，余量为Fe的情况下，焊接X80母材，保护气体为氩气，所得到的焊缝低温韧性优异。

Claims (2)

1.一种X80管线钢用低温高韧焊丝，其特征在于，按质量百分比由以下组分组成：C≤0.06％，Si 0.15～0.27％，Mn 1.30～1.50％，P≤0.003％，S≤0.003％，Ni 1.20～2.40％，Cr 0.02～0.08％，Cu 0.03～0.05％，Nb 0.02～0.05％，V 0.005～0.010％，Ti 0.06～0.10％，Mo 0.10～0.20％，Al 0.01～0.02％，B≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％。
2.一种X80管线钢用低温高韧焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取如下原料粉末：C≤0.06％，Si 0.15～0.27％，Mn 1.30～1.50％，P≤0.003％，S≤0.003％，Ni 1.20～2.40％，Cr 0.02～0.08％，Cu 0.03～0.05％，Nb 0.02～0.05％，V 0.005～0.010％，Ti 0.06～0.10％，Mo 0.10～0.20％，Al0.01～0.02％，B≤0.005％，N≤0.005％，余量为Fe，上述各组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的原料粉末一起置于真空感应加热炉中进行冶炼、精炼，得到钢锭材料；
步骤3：将浇铸完的钢锭首先锻造成方坯料，再在一定温度下轧制成的盘条；
步骤4：将盘条依次进行机械剥壳-酸洗-烘干-粗拉丝-卷曲-热处理-精拉丝-卷曲-抛光-卷曲工序，最终得到焊丝直径为1.2mm；
步骤5：焊丝拉拔完毕后，经绕丝机缠绕在焊丝盘上，最终密封在焊丝真空包装袋内待用；
步骤2中，冶炼的温度1500℃-1800℃，时间1h-3h；精炼的温度为1100～1200℃，时间为30～60min；
步骤3中，方坯料的尺寸规格为：50mm×50mm×50mm；
步骤3中，轧制成的盘条所需温度为600～700℃。
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