CN112917041B - X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C≤0.08％、Si：0.10‑0.30％、Mn：0.5‑1.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：3.5‑5.0％、Cr：0.05‑0.10％、Cu≤0.02％、Nb≤0.02％、V：0.005‑0.01％、Ti：0.01‑0.08％、Al：0.05‑0.08％、B：0.010‑0.020％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。能够用于焊接X100管线钢，该金属型药芯焊丝在气体保护下施焊，电弧稳定性好，飞溅少，接头性能满足标准要求。还提供了该焊丝的制备方法。

Description

X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝及其制备方法
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X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝，本发明还涉及该X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝的制备方法。
背景技术
随着人类对石油、天然气需求量的日益增加，采用高压、大口径、长距离管线输送是当前油气输送的主要发展趋势。众所周知，随着钢的强度的增加，在同样输气量下，壁厚减薄可以节省用钢量，随之带来的减少制造运输费用和现场施工费用，有较好的经济效益，由此对管线钢提出了高强度高韧性的要求。
近年来中国的钢铁冶炼和制管水平大幅度提升，X80管线钢已经在中国的西气东输复线工程上得到广泛应用，X100管线钢的研制开发已获得成功，它们的应用可分别使长距离油气管线成本节约5％-12％和5％-18％，未来X100管线钢在石油天然气运输管道以及其他相应领域将会得到更广泛的应用。
药芯焊丝电弧焊具有焊缝成形美观，电弧稳定性好，焊接各种钢材适应性强，焊丝熔敷速度快，熔敷效率较高，生产效率高，可连续焊接等优点，已广泛应用于工程机械、铁路桥梁、管道以及高压容器等大型重要结构件的焊接生产。
由于X100管线钢其本身的性能特点，对金属型药芯焊丝的焊接工艺性能、焊缝金属强度与韧性的匹配性要求很高，目前国内有关X100管线钢的金属型药芯焊丝品种较少，而且冲击韧性较差，往往导致其在工程应用中失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝，能够用于焊接X100管线钢，该金属型药芯焊丝在气体保护下施焊，电弧稳定性好，飞溅少，接头性能满足标准要求。
本发明的另一个目的是提供一种X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C≤0.08％、Si：0.10-0.30％、Mn：0.5-1.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：3.5-5.0％、Cr：0.05-0.10％、Cu≤0.02％、Nb≤0.02％、V：0.005-0.01％、Ti：0.01-0.08％、Al：0.05-0.08％、B：0.010-0.020％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于：
焊皮为低碳钢带；低碳钢带的宽度为7mm，厚度为0.3mm。
药芯焊丝中药芯粉末的填充率为15wt％-20wt％。
本发明所采用的另一个技术方案是，X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取：C≤0.08％、Si：0.10-0.30％、Mn：0.5-1.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：3.5-5.0％、Cr：0.05-0.10％、Cu≤0.02％、Nb≤0.02％、V：0.005-0.01％、Ti：0.01-0.08％、Al：0.05-0.08％、B：0.010-0.020％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃-220℃下保温2h-3h；
步骤3：将低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的混合后的药芯粉末放入U型槽中，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝。
本发明的特点还在于，
步骤3中，低碳钢带的宽度为7mm，厚度为0.3mm。
步骤3中，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为15wt％-20wt％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明一种X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝，采用药芯焊丝电弧焊，可以实现自动焊接和半自动焊接，提高X100管线钢焊接生产效率；本发明药芯焊丝焊接过程中飞溅少、电弧稳定，焊缝成型美观、基本无塌陷现象、焊缝表面光洁，无气孔无夹渣。
(2)本发明焊丝基于药芯焊丝电弧焊，使用金属型药芯焊丝焊接的X100管线钢焊接接头具有优良的力学性能，尤其是低温(-45℃)韧性好。
(3)本发明一种X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝的制备方法，生产效率高，可以实现连续焊接生产，可以用于X100管线钢焊接。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的药芯焊丝焊接接头熔敷金属金相组织；
图2为本发明实施例2制备的药芯焊丝焊接接头冲击断口形貌。
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X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C≤0.08％、Si：0.10-0.30％、Mn：0.5-1.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：3.5-5.0％、Cr：0.05-0.10％、Cu≤0.02％、Nb≤0.02％、V：0.005-0.01％、Ti：0.01-0.08％、Al：0.05-0.08％、B：0.010-0.020％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％。
焊皮为低碳钢带；低碳钢带的宽度为7mm，厚度为0.3mm。
药芯焊丝中药芯粉末的填充率为15wt％-20wt％。
现将本发明焊丝化学成分设计的依据叙述如下：
X100级管线钢的组织状态属针状铁素体、粒状贝氏体以及板条贝氏体，其针状铁素体含量与X80钢相比有所下降，粒状贝氏体含量有所上升。针对X80管线钢，目前的研究多采用Mo-Ti-B或Mn-Ni-Mo针状铁素体系合金系，所以X100管线钢的成分设计思想是采用Mn-Ni-Mo合金系，降低C、Si元素的含量并添加Mn，Mo元素来降低裂纹敏感指数和保证强度，在低碳的基础上添加Ti、Nb、B等合金元素来提高低温韧性和抗硫化氢腐蚀能力。加入Mn、Cr、Mo元素，一方面通过固溶强化提高焊缝金属的强度，另一方面Mn、Mo元素可以推迟奥氏体组织的转变温度，促进针状体素体的形成，细化焊缝金属组织，提高焊缝金属的低温冲击韧性。加入少量的Ti元素可以进一步细化焊缝组织，Ti与O、N形成的TiO和TiN，作为针状体素体形核质点，促进了奥氏体组织晶粒内针状体素体的形成。Ni的加入可以提高焊缝金属的冲击韧性，特别是低温冲击韧性。少量的Cu不仅可以固溶强化焊缝金属，而且提高了焊缝金属的耐腐蚀性能。焊丝中的Si作为主要的脱氧元素，控制Mn、Si含量还可以改善焊接工艺性能。Al在焊接过程中会形成Al2O3，针状体素体以Al2O3夹杂物为核心进行多维形核并呈放射状生长，随着Al含量的增加，针状铁素体先增加后减少，保证了焊缝的冲击韧性。S、P作为杂质元素，含量偏高时会严重影响焊缝金属的韧性，应尽量降低。
本发明还提供一种X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝的制备方法，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取：C≤0.08％、Si：0.10-0.30％、Mn：0.5-1.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：3.5-5.0％、Cr：0.05-0.10％、Cu≤0.02％、Nb≤0.02％、V：0.005-0.01％、Ti：0.01-0.08％、Al：0.05-0.08％、B：0.010-0.020％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃-220℃下保温2h-3h；
步骤3：将低碳钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的混合后的药芯粉末放入U型槽中，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝。
步骤3中，低碳钢带的宽度为7mm，厚度为0.3mm。
步骤3中，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为15wt％-20wt％。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取：Si：0.15％、Mn：0.5％、Ni：4.62％、Cr：0.087％、Cu：0.018％、Nb：0.02％、V：0.005％、Ti：0.045％、Al：0.058％、B：0.013％，S、P的含量为P≤0.003％、S≤0.003％，其余为Fe，以上组分的质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃下保温2h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15-20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝。
实施例1制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为200A，电压为22V，保护气体为CO2。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔；所得到的焊接接头-45℃的冲击功为170J，性能满足X100管线钢的使用要求。
实施例2
步骤1：按质量百分比分别称取：Si：0.25％、Mn：0.75％、Ni：4.25％、Cr：0.075％、Cu：0.018％、Nb：0.02％、V：0.01％、Ti：0.062％、Al：0.065％、B：0.01％，S、P的含量为P≤0.003％、S≤0.003％，其余为Fe，以上组分的质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在220℃下保温3h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15-20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝。
实施例2制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为240A，电压为28V，保护气体为CO2。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔；所得到的焊接接头-45℃的冲击功为180J，性能满足X100管线钢的使用要求。对接头进行金相组织观察(如图1所示)，发现焊缝中心组织以针状铁素体为主，组织细小。冲击断口的扫描电镜图片如图2所示，断口表面分布着大量韧窝形貌。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取：Si：0.10％、Mn：1.0％、Ni：3.87％、Cr：0.05％、Cu：0.018％、Nb：0.02％、V：0.0087％、Ti：0.08％、Al：0.08％、B：0.017％，S、P的含量为P≤0.003％、S≤0.003％，其余为Fe，以上组分的质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在210℃下保温2h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15-20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝。
实施例3制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为220A，电压为26V，保护气体为CO2。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔；所得到的焊接接头-45℃的冲击功为174J，性能满足X100管线钢的使用要求。
实施例4
步骤1：按质量百分比分别称取：Si：0.20％、Mn：1.25％、Ni：3.5％、Cr：0.062％、Cu：0.018％、Nb：0.02％、V：0.0062％、Ti：0.028％、Al：0.073％、B：0.013％，S、P的含量为P≤0.003％、S≤0.003％，其余为Fe，以上组分的质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃下保温2h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15-20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝。
实施例4制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为230A，电压为27V，保护气体为CO2。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔；所得到的焊接接头-45℃的冲击功为175J，性能满足X100管线钢的使用要求。
实施例5
步骤1：按质量百分比分别称取：Si：0.30％、Mn：1.5％、Ni：5.0％、Cr：0.10％、Cu：0.018％、Nb：0.02％、V：0.0075％、Ti：0.01％、Al：0.05％、B：0.02％，S、P的含量为P≤0.003％、S≤0.003％，其余为Fe，以上组分的质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃下保温2h。
步骤3：将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在15-20wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝。
实施例5制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用药芯焊丝电弧焊焊(FCAW)，焊接电流为240A，电压为22V，保护气体为CO2。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔；所得到的焊接接头-45℃的冲击功为168J，性能满足X100管线钢的使用要求。
表1实施例中1-5所使用的低碳钢带化学成分(质量分数％)
C Mn S P Fe
0.021 0.15 0.003 0.003 余量
本发明方法制备得到的药芯焊丝与实心焊丝相比，药芯焊丝通过钢皮里面的药芯在焊接过程中将合金元素过渡到焊缝中，因此调整合金成份的含量很方便，实芯焊丝每调整一次合金成分需要重新冶炼；并且实芯焊丝在拉拔过程中，有的钢锭拉拔性很差，不易拉拔成所需要的焊丝。
本发明焊丝采用FCAW焊，其电弧稳定，熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成形性好，焊缝金属熔敷率高，生产效率高，焊缝中不易产生夹渣，且成本较低，适合自动化生产。本发明专利实施例所得到X100管线钢焊接接头-45℃的冲击功范围为168-180J，性能满足X100管线钢的使用要求。

Claims (2)

1.X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝，其特征在于，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：C≤0.08％、Si：0.10-0.30％、Mn：0.5-1.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：3.5-5.0％、Cr：0.05-0.10％、Cu≤0.02％、Nb≤0.02％、V：0.005-0.01％、Ti：0.01-0.08％、Al：0.05-0.08％、B：0.010-0.020％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％；
焊皮为低碳钢钢带；低碳钢钢带的宽度为7mm，厚度为0.3mm；
药芯焊丝中药芯粉末的填充率为15wt％-20wt％。
2.X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：按质量百分比分别称取：C≤0.08％、Si：0.10-0.30％、Mn：0.5-1.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：3.5-5.0％、Cr：0.05-0.10％、Cu≤0.02％、Nb≤0.02％、V：0.005-0.01％、Ti：0.01-0.08％、Al：0.05-0.08％、B：0.010-0.020％，其余为Fe，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个原料药芯粉末混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃-220℃下保温2h-3h；
步骤3：将低碳钢钢带放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的混合后的药芯粉末放入U型槽中，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，得到X100管线钢用气保护金属型药芯焊丝；
步骤3中，低碳钢钢带的宽度为7mm，厚度为0.3mm；
步骤3中，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为15wt％-20wt％。
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