CN112917042B - 用于x80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝及制备方法 - Google Patents

用于x80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝，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％～0.12％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.7％～2.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：2.5％～3.5％、Cr：0.03％～0.05％、Cu：0.06％～0.08％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.015％～0.035％、Ti：0.15％～0.30％、Al：0.07％～0.09％、B≤0.007％，其余为铁粉，以上组分含量百分比之和为100％。该焊丝适用于X80管线钢的全位置焊接，在低温状态下仍能保证其具有较高的韧性。还提供了该焊丝的制备方法。

Description

用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝，还涉及该种用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝的制备方法。
背景技术
近年来，随着石油、天然气消费的日益增长，管道运输正向着长距离、大口径、高压力的趋势发展，世界管道正向着高强度级别管线钢的方向发展。我国国内的管线钢的生产起步较晚，到20世纪90年代开始生产X52-X65级管线钢。2005年，X80管线钢在西气东输冀宁联络线工程的试验段建成，长度共7.9km。2008年，X80管线钢正式在西气东输二线工程应用并取得了良好的效果，大大降低了管道铺设的成本，同时具有安全可靠、输送量大等特点。由于X80管线钢的使用环境复杂多变，因此对于管线钢的现场焊接质量也很难保证，影响X80管线钢焊接接头的组织和性能的因素较多，所以针对已知的影响因素选择合理的焊接工艺，并通过选择合适的焊材得到强韧性俱佳的焊缝组织是一个巨大的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝，该焊丝适用于X80管线钢的全位置焊接，在低温状态下仍能保证其具有较高的韧性。
本发明的另一个目的是提供一种用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝，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％～0.12％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.7％～2.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：2.5％～3.5％、Cr：0.03％～0.05％、Cu：0.06％～0.08％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.015％～0.035％、Ti：0.15％～0.30％、Al：0.07％～0.09％、B≤0.007％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。
本发明的特征还在于，
焊皮为低碳钢带。
药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％。
本发明所采用的第二个技术方案是，用于X80管线钢的高韧性气保护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％～0.12％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.7％～2.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：2.5％～3.5％、Cr：0.03％～0.05％、Cu：0.06％～0.08％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.015％～0.035％、Ti：0.15％～0.30％、Al：0.07％～0.09％、B≤0.007％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤4：然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；
步骤7：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。
本发明的特征还在于，
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。
步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％。
本发明的有益效果是：
(1)本发明药芯焊丝用于X80管线钢的焊接，在低温下仍可得到具有较高强度和良好韧性的焊接接头，满足外界环境要求。
(2)本发明药芯焊丝具有很好的焊接工艺性，稳弧性好，焊接飞溅少，焊缝成形美观，适合全位置焊接。
(3)本发明药芯焊丝的制备方法，工艺简洁、可操作性强、成本低适合批量化生产。
附图说明
图1是本发明中采用实施例2制备得到的气保护药芯焊丝焊接管线钢的焊缝区熔敷金属金相组织图；
图2是本发明中采用实施例2制备得到的气保护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。
本发明提供用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝，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％～0.12％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.7％～2.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：2.5％～3.5％、Cr：0.03％～0.05％、Cu：0.06％～0.08％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.015％～0.035％、Ti：0.15％～0.30％、Al：0.07％～0.09％、B≤0.007％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。
焊皮为低碳钢带，低碳钢带尺寸为14mm×0.8mm。
药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％。
药芯粉末中各个组分的作用是：
C：一般增加C含量将损害其韧性,为了获得良好韧性的焊缝，C含量应尽可能的低，又考虑到工业降C会增加其冶金成本，故C含量应控制在合理范围内。
Mn：可以增加奥氏体的稳定性，在焊缝金属冷却时，Mn元素会抑制奥氏体向珠光体转变，细化组织晶粒，从而增加焊缝金属的屈服强度和抗拉强度。
Ni：镍元素是扩大γ相区的元素，能降低位错运动的抗力和位错与间隙元素交互作用的能量，促进应力松弛，从而减小应力断裂倾向，保证在较高抗拉强度下具有较好的韧性。
Si：硅元素具有脱氧和提高熔敷金属强度的作用，但是Si的固溶强化作用较强，会导致熔敷金属的低温韧性下降，因此加入Si的含量要合理控制。
S、P：合金中磷和硫为杂质元素，在焊缝金属中过多存在时，使焊缝金属的韧性和延展性恶化，容易诱发高温裂纹，所以要尽量减少这两个元素的含量。
Cr：Cr元素可以使焊缝熔敷金属的疲劳强度升高，但Cr含量超标会使得焊缝金属过度硬化，导致抗裂纹性和韧性的降低。
Cu：低合金钢中Cu含量从0.025％开始即可提高耐蚀性，至0.1％为止，加入更多的Cu并不能继续提高钢的耐蚀性，故Cu控制在0.06％～0..08％。
Nb：Nb在焊缝固态相变中因为与C结合形成细小的Nb(C，N)而降低C在奥氏体中的扩散系数，从而显著推迟了先共析铁素体的析出与长大。
V：V是强碳化物形成元素，也可少量溶于钢的基体中。钒在钢中形成稳定的V4C3或VC，并在基体上呈细小弥散分布，起到沉淀强化的作用。
Ti：钛元素为高熔点化合物结晶核心，细化焊缝晶粒，当焊缝中加入与氮元素亲和力极高的钛元素时，钛元素便会和自由氮发生结合，降低了氮含量同时还可以生成Ti(C,N)、TiO2夹杂物，有利于奥氏体晶内AF的形核。
Al：铝元素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，随着铝元素含量的增加，针状铁素体先增加后减少，保证了焊缝的冲击韧性。
B：适量B元素添加，在熔敷金属中偏聚于奥氏体晶界，降低晶界能，促进针状铁素体形成。但是过量B元素的添加，将影响针状铁素体形核，在焊缝组织中形成组织粗大的上贝氏体组织，严重影响熔敷金属的强韧性。
本发明还提供一种用于X80管线钢的高韧性气保护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％～0.12％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.7％～2.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：2.5％～3.5％、Cr：0.03％～0.05％、Cu：0.06％～0.08％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.015％～0.035％、Ti：0.15％～0.30％、Al：0.07％～0.09％、B≤0.007％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
步骤4：然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％；低碳钢带尺寸为14mm×0.8mm(长×宽)。
步骤7：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。
实施例1
步骤1：按质量百分比分别称取0.12％的C、0.35％的Si、2.5％的Mn、3.5％的Ni、0.05％的Cr、0.08％的Cu、0.08％的Nb、0.035％的V、0.30％的Ti、0.09％的Al、0.007％的B，0.003％的S、0.003％的P，其余为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
步骤4：然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％；
步骤7：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。
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(FCAW)，焊接电流为280A，电压为30V，保护气体为纯氩气。该焊丝焊接时电弧稳定、飞溅小、焊道平滑光亮、无气孔、适合全位置焊接所得到的焊接接头抗拉强度为600MPa，-45℃下冲击功为155J,性能满足X80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0.10％的C、0.32％的Si、2.3％的Mn、3.3％的Ni、0.042％的Cr、0.075％的Cu、0.07％的Nb、0.03％的V、0.25％的Ti、0.085％的Al、0.005％的B、S、P的含量为S≤0.003％、P≤0.003％，其余为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
步骤4：然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为16.5wt％；
步骤7：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。
实施例2制备的药芯焊丝的焊接工艺为：采用的药芯焊丝电弧焊(FCAW)，焊接电流为260A，电压为30V，保护气体为纯氩气。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接，所得到的焊接接头抗拉强度为610MPa，-45℃下冲击功为170J，性能满足X80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，冲击断口的扫描电镜图片如图2所示，断口表面以轫窝形貌为主。
实施例3
步骤1：按质量百分比分别称取0.088％的C、0.28％的Si、2.0％的Mn、2.8％的Ni、0.036％的Cr、0.068％的Cu、0.055％的Nb、0.02％的V、0.20％的Ti、0.076％的Al、0.003％的B，S、P的含量为S≤0.003％、P≤0.003％，其余为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
步骤4：然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为16wt％；
步骤7：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。
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(FCAW)，焊接电流为280A，电压为28V，不加保护气体。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接，所得到的焊接接头抗拉强度为560MPa，-45℃下冲击功为164J，性能满足X80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0.08％的C、0.25％的Si、1.7％的Mn、2.5％的Ni、0.03％的Cr、0.06％的Cu、0.04％的Nb、0.015％的V、0.15％的Ti、0.07％的Al、0.002％的B，S、P的含量为S≤0.003％、P≤0.003％，其余为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
步骤4：然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％；
步骤7：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。
实施例4制备的药芯焊丝的焊接工艺为:采用的药芯焊丝电弧焊(FCAW)，焊接电流为260A，电压为28V，保护气体为纯氩气。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接，所得到的焊接接头抗拉强度为560Mpa，-45℃下冲击功为154J，性能满足X80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0.10％的C、0.25％的Si、1.7％的Mn、2.5％的Ni、0.03％的Cr、0.06％的Cu、0.04％的Nb、0.015％的V、0.15％的Ti、0.07％的Al、0.002％的B，S、P的含量为S≤0.003％、P≤0.003％，其余为铁粉，以上组分质量百分比之和为100％。
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h。
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
步骤4：然后将混合均匀的原料药粉加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取200μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％；
步骤7：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。
实施例5制备的药芯焊丝的焊接工艺为:采用的药芯焊丝电弧焊(FCAW)，焊接电流为270A，电压为26V，保护气体为纯氩气。该焊丝焊接时电弧稳定，飞溅小，焊道平滑光亮，无气孔，适合全位置焊接，所得到的焊接接头抗拉强度为560Mpa，-45℃下冲击功为153J，性能满足X80管线钢的使用要求。

Claims (4)

1.用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝，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％～0.12％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.7％～2.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：2.5％～3.5％、Cr：0.03％～0.05％、Cu：0.06％～0.08％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.015％～0.035％、Ti：0.15％～0.30％、Al：0.07％～0.09％、B≤0.007％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；
焊皮为低碳钢钢带；
药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％。
2.用于X80管线钢的高韧性气保护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％～0.12％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.7％～2.5％、P≤0.003％、S≤0.003％、Ni：2.5％～3.5％、Cr：0.03％～0.05％、Cu：0.06％～0.08％、Nb：0.04％～0.08％、V：0.015％～0.035％、Ti：0.15％～0.30％、Al：0.07％～0.09％、B≤0.007％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；
步骤2：将步骤1称取的各个原料粉末在惰性气体氛围中加热并保温一段时间；
步骤3：将步骤2加热后的各个原料粉末在混料机中进行干混，混合均匀；
步骤4：然后将混合均匀的原料粉末加入适量的黏结剂进行造粒；造粒的粒径控制在124～420μm；
步骤5：造粒完成后药粉颗粒在700℃烧结并保温2h，然后冷却、进行破碎，筛分并选取150～250μm的药粉颗粒；
步骤6：通过药芯焊丝制丝机把步骤5筛分后药粉颗粒包裹在低碳钢钢带内，并采用成型机将低碳钢钢带闭合，得到焊丝半成品，用丙酮擦拭干净再进行拉拔，拉拔至直径为1.2mm；
步骤7：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；
步骤2中，使用的惰性气氛为氩气；加热温度为：200℃；保温时间为：2h；
药芯焊丝中药芯的填充率为15.5wt％～16.5wt％。
3.根据权利要求2所述的用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤3中，各个原料粉末的粒径不大于124μm。
4.根据权利要求2所述的用于X80管线钢的高韧性气保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，步骤4中，黏结剂与混合均匀的原料粉末的质量比为：5：95；黏结剂为钾钠水玻璃。
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