CN112792479B - X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝及其制备方法 - Google Patents

X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及焊接材料技术领域，公开了X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝及其制备方法，气保焊实心焊丝的化学成分按重量百分比计，包括：C:0.06~0.12%，Si:0.45~0.80%，Mn:1.30~1.80%，Ni:0.80~1.20%，Cr:≤0.10%，Mo:0.20~0.60%，S:0.006~0.010%，P:≤0.01%，Ti:0.03~0.10%，酸可溶Ti:≤0.03%，O:0.004~0.008%，Al:≤0.010%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.5~3.5。本申请的高强高韧气保焊实心焊丝，采用Ar+20%CO2富氩气体保护焊接X90级管线钢，焊缝金属具有优良的强度及低温韧性，全位置操作性优良。适用于大口径、厚壁管道的多层多道焊及环焊缝的半自动焊接，焊缝成型美观。

Description

X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，具体地说，涉及X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝及其制备方法，适用于X90级管线钢管全位置焊接，也可焊接强度级别相同的其它结构。
背景技术
X90钢金相组织以准多边形铁素体、板条贝氏体为主，具有高的强韧性及低的屈强比，低的韧脆转变温度，抗拉强度可达800MPa，在韧性方面性能优于X100，在使用上拥有较大的市场。在油气管道建设过程中，焊接工艺的选择通常是结合当地当时的人文环境、地质形貌及气候条件，当前埋弧焊及自保护药芯焊丝半自动手工焊应用略广。
实心焊丝具有生产效率高，焊接过程中不用清渣，可连续焊接等优点，广泛应用于工程机械、煤矿机械、铁路桥梁、建筑及高压容器等大型重要结构件的焊接。实心焊丝气体保护焊因电弧穿透力强，焊缝熔深大，熔敷率高，施工质量稳定，更适合大口径、厚壁管道的多层多道焊及全位置焊缝的半自动焊接。因而，其在高强度级别的管道钢管中应用前景更好。
X90管线钢含碳量约0.06%，并含有较多的合金元素，淬硬倾向增大，焊接容易产生冷裂纹。因而，焊材选用需考虑两方面的问题：其一，焊缝不易产生缺陷；其二，满足使用性能的要求。同时，由于管线钢管因距离长，壁厚大，残余应力比较严重，必须选用韧性良好的焊材，同时考虑适应高寒服役环境要求，焊材需在-40℃具有良好的冲击韧性。
当前，我国目前成熟的X90管线钢配套焊材较少或应用范围限制，制约了配套钢材的应用，因而急需性能良好的焊材与之匹配。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝，采用Ar+20%CO2富氩气体保护焊接X90级管线钢，焊缝金属具有优良的强度及低温韧性，全位置操作性优良。适用于大口径、厚壁管道的多层多道焊及环焊缝的半自动焊接，焊缝成型美观。
具体地，
一种X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝，化学成分按重量百分比计，包括：C:0.06~0.12%，Si:0.45~0.80%，Mn:1.30~1.80%，Ni:0.80~1.20%，Cr:≤0.10%，Mo:0.20~0.60%，S:0.006~0.010%，P:≤0.010%，Ti:0.03~0.10%，酸可溶Ti:≤0.03%，O:0.004~0.008%，Al:≤0.01%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.5~3.5。
该发明中，高强高韧气保焊实心焊丝的化学成分范围设定理由如下：
（C:0.06~0.12%）
C是微合金焊缝金属中最重要的合金元素，随着碳含量的增加，原奥氏体晶粒的平均宽度减少，同时先共析铁素体减少，针状铁素体增加，并且其比例发生改变，焊缝金属的硬度、屈服点、拉伸强度均随之增加；同时碳含量的增加使焊丝熔敷金属粘度大幅降低从而流动性变好，满足全位置焊接。但碳含量增加，会显著增加熔敷金属的焊接裂纹敏感性；同时碳含量的增加会降低熔敷金属的延伸率，且不利于焊丝钢的拉拔生产。因此，限制C含量的范围为0.06~0.12%。
（Si:0.45%~0.80%）
为确保焊接过程中的冶金脱氧过程的顺利进行，焊丝中Si的添加量需≥0.45%，否则会影响焊接接头质量；当其含量≥0.80%时，会显著促进魏氏体组织和侧板条铁素体的生成，从而恶化焊缝金属的冲击韧性。因此，控制Si含量在0.45%~0.80%范围内。
（Mn:1.30%~1.80%）
Mn是一方面可作为脱氧剂，另一方面具有细化晶粒和固溶强化功能，能够降低奥氏体转变温度，在高温下抑制共析铁素体和板条铁素体的析出，起到强韧化作用。但过高的含量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性。因此，控制Mn含量在1.30~1.80%范围内。
同时，还需限定Mn/Si在2.5~3.5之间，以保证焊缝针状铁素体含量，晶粒细化，使焊缝具有良好力学性能。
（Ni:0.80~1.20%）
Ni是奥氏体稳定化元素，是保证焊缝金属低温韧性的主要元素，利用Ni改善铁素体抗解理断裂能力来韧化焊缝金属基体，同时与Mn、Mo交互作用影响焊缝强韧性。过高的Ni含量，易导致长期服役于含硫化氢介质中的油气管道焊缝产生应力腐蚀裂纹。因此，控制Ni含量在0.80~1.20%范围内。
（Cr:≤0.10%）
Cr能够增加焊丝熔滴表面张力及黏度，如果焊丝含有较高的Cr将损伤添加S降低表面张力进而细化熔滴的作用。因此，Cr不需要特意添加，控制Cr含量在0.10%范围以下。
（Mo:0.20~0.60%）
Mo能强烈地抑制珠光体的形核与长大，促进贝氏体组织的生成，可以使焊缝在很宽的冷却温度范围内获得中温转变组织。过高的 Mo含量会缩小γ相区，缩短相变温度区间，产生置换固溶强化，引起晶格畸变，使材料冲击韧性下降，因而Mo含量过高会对焊缝韧性不利。因此，控制Mo含量在0.20~0.60%范围内。
（S:0.006~0.010%）
为了保证焊接接头较高的韧性和抗H2S应力腐蚀性能，控制材料中的杂质S在0.010%以下。同时，微量S的存在在焊接过程中可细化熔滴，降低熔滴表面张力，利于熔池铺展，为了充分发挥S在焊接过程中有益的影响，控制S含量下限在0.006%，因此，控制S含量在0.006~0.010%。
（P:≤0.010%）
P是有害元素，降低上平台韧性和提高韧脆转变温度，导致氢致开裂，焊缝中要严格控制P含量。因此，控制P含量在0.010%范围以下。
（Ti:0.03~0.10%）
（酸可溶性Ti:≤0.03%）
Ti一方面使强度略有提高，与O形成的Ti2O3具有较高的熔点，可以作为针状铁素体的形核核心，并能阻碍奥氏体晶界迁移和晶粒互相吞并长大，细化晶粒。微量的Ti就能显著改善焊缝组织，提高低温韧性，保证抗裂性。因此，控制Ti含量在0.03~0.10%范围内。同时，焊丝中Ti以酸可溶性Ti形式存在的含量过高时，将容易产生焊丝硬弯、增加焊接飞溅，不利于管道现场全位置焊接。因此，控制酸可溶性Ti含量在0.03%范围以下。
（O:0.004~0.008%）
焊丝中适量的氧与Ti在焊接过程中反应生成细小Ti2O3夹杂作为细小针状铁素体形核核心，有效提高焊缝低温冲击韧性。同时，O是很强的表面活性物质，很少量的O就能使焊丝熔滴表面张力大幅下降而起到细化熔滴的作用。但过低或过高的氧含量均会使焊缝冲击韧性急剧下降。因此，控制O含量在0.004~0.008%范围内。
（Al:≤0.01%）
为保证上述Ti与O联合控制获得足够细小的Ti2O3，还必须减少与氧有很强亲和力的元素Al。因此，控制Al含量在0.01%范围以下。
不可避免的杂质，是熔炼时不可避免混入的杂质，能够在不妨碍气保焊丝的特性的范围内包含。
本发明进一步地目的在于，提供X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝的制备方法，按照上述配方比例，经真空感应炉冶炼、再经锻造、热轧、退火、拉拔、镀铜、层绕、包装等工序后，即可完成焊丝的制造过程。
本发明的有益效果表现在：
本申请的适用于X90管线钢焊接的高强高韧气保焊实心焊丝，采用Ar+20%CO2富氩气体保护焊接X90级管线钢，焊缝金属具有优良的强度及低温韧性，全位置操作性优良。适用于大口径、厚壁管道的多层多道焊及环焊缝的半自动焊接，焊缝成型美观。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一，本发明提供了一种X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝，化学成分按重量百分比计，包括：C:0.06~0.12%，Si:0.45~0.80%，Mn:1.30~1.80%，Ni:0.80~1.20%，Cr:≤0.10%，Mo:0.20~0.60%，S:0.006~0.010%，P:≤0.01%，Ti:0.03~0.10%，酸可溶Ti:≤0.03%，O:0.004~0.008%，Al:≤0.01%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.5~3.5。
优选地，化学成分按重量百分比计，包括：C:0.09%，Si:0.60%，Mn:1.65%，Ni:0.85%，Cr: 0.07%，Mo:0.25%，S:0.009%，P: 0.009%，Ti:0.08%，酸可溶Ti:0.022%，O:0.005%，Al:0.003%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.75。
优选地，化学成分按重量百分比计，包括：C:0.06%，Si:0.51%，Mn:1.53%，Ni:0.91%，Cr: 0.03%，Mo:0.24%，S:0.006%，P: 0.006%，Ti:0.05%，酸可溶Ti:0.018%，O:0.0049%，Al:0.0049%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:3。
优选地，化学成分按重量百分比计，包括：C:0.07%，Si:0.48%，Mn:1.40%，Ni:1.10%，Cr: 0.05%，Mo:0.45%，S:0.008%，P: 0.007%，Ti:0.03%，酸可溶Ti:0.026%，O:0.0058%，Al:0.005%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.92。
优选地，化学成分按重量百分比计，包括：C:0.10%，Si:0.52%，Mn:1.32%，Ni:0.80%，Cr: 0.04%，Mo:0.52%，S:0.010%，P: 0.005%，Ti:0.06%，酸可溶Ti:0.023%，O:0.0067%，Al:0.007%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.54。
优选地，化学成分按重量百分比计，包括：C:0.12%，Si:0.47%，Mn:1.30%，Ni:0.93%，Cr: 0.04%，Mo:0.52%，S:0.010%，P: 0.005%，Ti:0.06%，酸可溶Ti:0.019%，O:0.0067%，Al:0.004%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.76。
第二，本发明提供了一种X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝的制备方法，按比例称取各组分，依次经真空感应炉冶炼、锻造、热轧、退火、拉拔、镀铜、层绕工序，即可得到成品。
具体地，经真空感应炉冶炼，再经锻造、热轧、退火制成盘条。盘条回厂后，首先检测盘条的化学成分和盘条的强度，预估盘条一次拉拔变形率，成分合格后可拉拔生产。第一步，采用机械或化学方法去除盘条表面的氧化皮；第二步，拉拔工序，分为粗拉和精拉，拉拔过程中依据拉拔情况进行退火，拉拔到需要的直径；第三步，镀铜工序，镀铜前确保焊丝表面洁净，以免影响镀铜质量，镀后进行水洗及烘干工序；第四步，焊丝经层绕、包装。
第三，本发明提供一种X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝的焊接方法，适用于对管线钢的焊接；以80体积%Ar + 20体积%CO2作为保护气体进行焊接。
<实施例>
实施例1-5
高强高韧气保焊实心焊丝的化学成分见表1。实施例用E表示。
表1 各样品的化学成分表（质量%，余量Fe及不可避免的杂质）
化学成分 E1 E2 E3 E4 E5
C 0.09 0.06 0.07 0.10 0.12
Mn 1.65 1.53 1.40 1.32 1.30
Si 0.60 0.51 0.48 0.52 0.47
Mn/Si 2.75 3.00 2.92 2.54 2.76
S 0.009 0.006 0.008 0.010 0.007
P 0.009 0.006 0.007 0.005 0.008
Cr 0.07 0.03 0.05 0.04 0.06
Mo 0.25 0.24 0.45 0.52 0.26
Ni 0.85 0.91 1.10 0.80 0.93
Ti 0.08 0.05 0.03 0.06 0.04
酸可溶性Ti 0.022 0.018 0.026 0.023 0.019
O 0.0050 0.0049 0.0058 0.0067 0.0042
Al 0.003 0.005 0.005 0.007 0.004
<性能分析>
将表1中的各焊丝样品，经锻造、热轧、退火、拉拔、镀铜、层绕等工序，加工成直径1.0mm的成品焊丝。各组焊丝采用Ar+20%CO2气体保护焊接，焊接参数为：焊接电流为220A，电压为21V，熔敷金属力学性能见表2。
表2 焊丝熔敷金属力学性能
实施例 抗拉强度 Rm/MPa 屈服强度 ReL/MPa 延伸率 A/% -20℃冲击功（J） -40℃冲击功（J）
E1 786 719 23 135 101
E2 701 649 24 138 110
E3 774 692 25 125 95
E4 752 683 24 122 89
E5 760 698 25 131 99
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (2)

1.一种X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝，其特征在于，焊丝选择任意一种组分：
组分一，焊丝的化学成分按重量百分比计，包括：C:0.09%，Si:0.60%，Mn:1.65%，Ni:0.85%，Cr: 0.07%，Mo:0.25%，S:0.009%，P: 0.009%，Ti:0.08%，酸可溶Ti:0.022%，O:0.005%，Al:0.003%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.75；或
组分二，焊丝的化学成分按重量百分比计，包括：C:0.06%，Si:0.51%，Mn:1.53%，Ni:0.91%，Cr: 0.03%，Mo:0.24%，S:0.006%，P:0.006%，Ti:0.05%，酸可溶Ti:0.018%，O:0.0049%，Al:0.0049%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:3；或
组分三，焊丝的化学成分按重量百分比计，包括：C:0.07%，Si:0.48%，Mn:1.40%，Ni:1.10%，Cr: 0.05%，Mo:0.45%，S:0.008%，P: 0.007%，Ti:0.03%，酸可溶Ti:0.026%，O:0.0058%，Al:0.005%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.92；或
组分四，焊丝的化学成分按重量百分比计，包括：C:0.10%，Si:0.52%，Mn:1.32%，Ni:0.80%，Cr: 0.04%，Mo:0.52%，S:0.010%，P: 0.005%，Ti:0.06%，酸可溶Ti:0.023%，O:0.0067%，Al:0.007%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.54；或
组分五，焊丝的化学成分按重量百分比计，包括：C:0.12%，Si:0.47%，Mn:1.30%，Ni:0.93%，Cr: 0.04%，Mo:0.52%，S:0.010%，P: 0.005%，Ti:0.06%，酸可溶Ti:0.019%，O:0.0067%，Al:0.004%，余量为Fe以及不可避免的杂质；其中，Mn/Si:2.76。
2.一种如权利要求1所述的X90管线钢用高强高韧气保焊实心焊丝的制备方法，其特征在于，按比例称取各组分，依次经真空感应炉冶炼、锻造、热轧、退火、拉拔、镀铜、层绕工序，即可得到成品。
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