CN115213581A - 一种高韧性的x80级管线钢用焊条 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：包括碳钢焊芯及裹覆于碳钢焊芯表面的药皮；药皮粉料包括如下重量份数的组分，大理石39～44份﹑萤石10～15份、金红石5～10份、硅微粉2～5份、硅铁2～5份、电解金属锰3～8份、氟铝酸盐14～25份、镍粉4～7份、金属铬0.5～1.5份、钼粉0.5～1.5份、铁粉5～9份、CMC纤维素0.5～1.5份。本发明所述焊条，全位置焊接工艺性能优秀，焊缝低温冲击韧性高，抗裂性能强。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料技术领域，尤其是涉及一种高韧性的X80级管线钢用焊条。
背景技术
近年来，中国经济迅速发展、工业化快速推进，与此同时，对油气资源的消费也日益攀升。管道运输因其运力大、安全、不间断的特点，管道运输已成为长距离运输石油、天然气最经济合理的运输方式。目前国内管线网络建设还不够完善，未来管道建设将向拓展资源进口通道和提高国内管网覆盖率方向发展，而中东、俄罗斯等能源经济型国家则主要致力于发展能源外输管道，油气管道在未来具有相当大的发展潜力。
油气管道建设与清洁能源、国民生计、经济发展紧密相关。长距离、大口径、高钢级、高压力的油气管道建设是未来行业发展的方向。经过十几年的发展，国内管线建设技术水平有了长足的发展，油气输运管线钢从X60普遍提高至X70，并逐渐向X80级升级。如中俄东线天然气管道工程采用X80级钢建设。
X80级管线钢常在高寒地区服役，如中俄东线天然气管道工程服役的俄罗斯、中国东北地区环境温度可达到零下40度以下。因此，也要求其焊接焊缝应具有良好的低温冲击韧性，同时管线钢焊条电弧焊一般为野外作业，立向上位置焊接，对焊条性能要求苛刻。目前，国内低氢焊条达到的技术水平与油气管道建设需求存在一定的偏差。存在焊缝强度低、立焊冲击韧性差等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高韧性的X80级管线钢用焊条，以克服现有技术的不足，实现焊条具有适应管线钢全位置焊接的同时，焊缝金属具有良好的力学性能，焊缝金属达到与管线钢本体相近的高强度、高韧性，能够与X80级管线钢良好匹配,满足管线现场焊接要求。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高韧性的X80级管线钢用焊条，包括碳钢焊芯及裹覆于碳钢焊芯表面的药皮；药皮粉料包括如下重量份数的组分，大理石39～44份﹑萤石10～15份、金红石5～10份、硅微粉2～5份、硅铁2～5份、电解金属锰3～8份、氟铝酸盐14～25份、镍粉4～7份、金属铬0.5～1.5份、钼粉0.5～1.5份、铁粉5～9份、CMC纤维素0.5～1.5份。
优选的，大理石中CaCO3质量含量≥97％、S质量含量≤0.020、P质量含量≤0.010；萤石中CaF2质量含量≥96％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；金红石中TiO2质量含量≥95.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；硅微粉中SiO2质量含量≥97.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；硅铁中SiO2质量含量44-46％；S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；电解金属锰中Mn质量含量≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；镍粉中Ni≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；金属铬中Cr≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；钼粉中Mo≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；铁粉中Fe≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％。
优选的，所述碳钢焊芯采用低S、P的H08GX盘条制成；焊芯成分重量百分比(％)计的组分：C：0.04-0.08、Mn：0.30-0.60、Si：≤0.030、P：≤0.010、S：≤0.010、Cr：≤0.020、Ni：≤0.030、Mo：≤0.020、余量为Fe与不可避免的杂质。
优选的，所述碳钢焊芯直径为2.5-5.0mm。
优选的，焊条熔敷金属采用Mn-Cr-Ni-Mo合金系，熔敷金属化学成分质量百分比组成：C:0.40-0.80％，Mn：1.00-2.0％，Si：0.10-0.30％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni：1.60-2.30％，Cr：≤0.20-0.50％，Mo：0.20-0.50％，余量为Fe，各组分的重量百分比之和为100％。
优选的，所述药皮占焊条总重量的28-32％。
优选的，药皮还包括粘结剂，所述粘结剂为高模钾钠水玻璃，模数3.0-3.1、钾钠比1.5-2.5、浓度42-43°，添加量为粉料总重量的20-25％。
本发明还提供如上所述的高韧性的X80级管线钢用焊条在X80级石油或天然气管线钢的焊接中的应用。
焊条包括焊芯和药皮，药皮的配方设计是决定焊条性能的主要因素，其中药皮中重要组分作用原理如下：
大理石中的主要成分CaCO3在电弧热的作用下分解成CaO和CO2，是焊条中主要的造渣造气材料，起到气渣联合保护熔池的作用。分解产生大量CO2气体保证了焊接时的电弧吹力。分解产生的CaO属于碱性氧化物，提高熔渣碱度，提高熔敷金属纯净度，降低夹杂物量，稳定电弧，增大熔渣与金属界面张力和表面张力，改善脱渣。过多的大理石提高熔渣的凝固温度，降低熔渣的粘度，使套筒变短，吹力增大，同时飞溅增大，焊缝成形不好，使焊接工艺性能变坏。
萤石中的主要成分CaF2在碱性渣系中主要用于造渣和改善熔渣的物化性能。它可降低碱性熔渣的熔点、粘度和表面张力，增加熔渣的流动性，有利于降低焊缝金属的气体杂质。适量的CaF2可以改善熔渣对液体金属的保护效果，因而亦可减少液体金属的吸氢量。但CaF2加入量过多时，将影响焊接电弧的稳定性，使焊接过程中的熔滴直径增大，飞溅增加，短路时间增长，焊条药皮熔化性能变坏，熔渣对焊缝金属的覆盖性能变差。
硅微粉的作用是造渣和改善熔渣流动性，改善焊缝金属表面成形，提高电弧电压，细化熔滴，提高焊条熔化系数。但加入量过多时，降低熔渣的碱度，使焊接冶金性能变坏，不利于获得力学性能优良的焊缝金属。
在碱性渣系中加入金红石可平静熔池，熔渣覆盖好，焊后脱渣容易，减小焊接飞溅。过多加入会造成力学性能下降。
加入氟铝酸盐，具有更强的去氢能力，降低熔敷金属扩散氢含量及提高低温冲击韧性。相比于萤石，其不会降低焊接电弧稳定性，反而提高焊接电弧稳定性，从而可相对提高药皮中氟化物加入量。但过多加入会药皮熔点降低，药皮熔化过快。
CMC纤维素的加入提高电弧稳定性，并显著改善了焊条的压涂性能。加入过多导致粉料粘度过大，反而恶化压涂性能。
铁粉：铁粉能净化溶池，同时它又能细化晶粒，提高焊缝冲击韧性，但过多会使其它元素稀释。
本发明技术方案所采用焊芯化学成份及药皮组份硅铁、电解金属锰、镍粉、金属铬、钼粉的依据，为使焊缝熔敷金属中主要合金的化学成份控制在理想范围内，即：
Mn是获得强度和韧性较经济的化学元素，确保焊缝具有一定的抗拉强度，并可以起到很强的脱硫作用，大大减少热裂纹的倾向。当把Mn和Si按适当比例加入金属中进行联合脱氧时，可以得到较好的脱氧效果。当Mn含量过高时，由于淬透性增强，组织可能变为贝氏体或马氏体，硬度提高，裂纹敏感性上升。Si不宜过高，否则将引起焊缝金属塑性和韧性的下降。
Ni含量控制在1.60％-2.30％范围内。Ni是提高低温冲击韧性的主要元素，具有细化晶粒，减小偏析，促进针状铁素体形成的作用，可降低焊缝、热影响去低温脆性转变温度，过多Ni将导致热裂纹倾向增大，生产成本过高。
Mo含量控制在0.20—0.50％适宜。Mo可以使焊缝金属中先共析铁素体量逐渐减少，增加针状铁素体比例，晶粒细化，从而提高焊缝的抗拉强度和屈服强度，实现焊条可做较大线能量下焊接。但随着Mo含量的增加，焊缝韧性会降低，所以Mo含量不宜过多。
Cr是碳化物形成元素，有提高熔敷金属强度作用，但其在多道焊接时对低温韧性和抗裂性有不利的影响。
以Mn-Ni-Cr-Mo为主的合金系通过合理的比例设计，得到了理想的熔敷金属拉伸强度和较高的低温韧性。同时药粉经济，生产成本低。
S、P都是有害元素，在熔池凝固时S容易发生偏析，以低熔点共晶的形式呈片状或链状分布于晶界，增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性。P与Fe和Ni可以形成低熔点共晶，在熔池快速凝固时，容易发生偏析，常分布于晶界，减弱了晶粒之间的结合力，同时它本身既硬又脆，易增加焊缝金属的冷脆性，降低冲击韧度降低，脆性转变温度升高。因此将硫(S)含量控制在不大于0.015％，同时磷(P)含量控制在不大于0.025％。
相对于现有技术，本发明所述的高韧性的X80级管线钢用焊条，具有以下优势：
本发明焊条，全位置焊接工艺性能优秀，焊接时电弧稳定柔和，焊接飞溅小，脱渣容易，不易粘条，焊道成型平整美观。
本发明焊条，焊缝金属强度高，韧性高。熔敷金属抗拉强度≥690MPa，屈服强度≥600MPa，断后伸长率≥20％，包含立焊位置的-50℃低温冲击吸收能量达到120J以上。熔敷金属性能能够与X80级管线钢良好匹配，各项性能均能满足X80级管线钢焊接需要。尤其适合高寒地区X80级管线钢焊接。
本发明焊条熔敷金属扩散氢含量低，使用水银法或热导法试验，熔敷金属扩散氢含量≤3ml/100g，达到超低氢水平，焊缝裂纹敏感性小。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供的实施例中，采用H08GX碳钢盘条制成直径φ3.2mm焊芯。以重量百分比(％)计，焊芯化学成分为：C:0.050、Mn:0.45、Si:0.015、S:0.005、P:0.007、Cr:0.010、Ni:0.010、Mo:0.005、余量为Fe与不可避免的杂质，各组分的重量百分比之和为100％。
按比例取药皮各成分粉料；将粉料混合均匀后，加入药粉总成分质量25％的高模钾钠水玻璃作为药皮粘结剂搅拌混合均匀。水玻璃模数3.08、钾钠比2.2、浓度42.8°，送入焊条压涂机内将其裹覆于焊芯上，再经低温及高温烘焙，制造成长350mm、焊芯规格为3.2mm的焊条。所述药皮占焊条总重量的比例为30％。
本发明提供的实施例中，药皮的组分中：大理石中CaCO3质量含量≥97％、S质量含量≤0.020、P质量含量≤0.010；萤石中CaF2质量含量≥96％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；金红石中TiO2质量含量≥95.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；硅微粉中SiO2质量含量≥97.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；硅铁中SiO2质量含量44-46％；S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；电解金属锰中Mn质量含量≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；镍粉中Ni≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；金属铬中Cr≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；钼粉中Mo≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；铁粉中Fe≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％。
以下实施例中1份数为1Kg，或者其他单位重量。
实施例1
一种高韧性的X80级管线钢用焊条，药皮粉料，包括如下质量百分比的组分，大理石40份﹑萤石14份、金红石6份、硅微粉5份、硅铁2份、电解金属锰7份、氟铝酸盐14份、镍粉5份、金属铬0.6份、钼粉0.8份、铁粉8份、CMC纤维素1.5份。
实施例2
一种高韧性的X80级管线钢用焊条，药皮粉料，包括如下质量百分比的组分，大理石41份﹑萤石13份、金红石8份、硅微粉3份、硅铁5份、电解金属锰4份、氟铝酸盐份16、镍粉5份、金属铬1份、钼粉1.2份、铁粉7份、CMC纤维素1份。
实施例3
一种高韧性的X80级管线钢用焊条，药皮粉料，包括如下质量百分比的组分，大理石39份﹑萤石12份、金红石5份、硅微粉5份、硅铁4份、电解金属锰5份、氟铝酸盐23份、镍粉6份、金属铬0.8份、钼粉1.2份、铁粉5份、CMC纤维素1.5份。
对比例1
一种低氢焊条，药皮粉料，包括如下重量份数的组分，大理石31份﹑萤石20份、钛白粉4份、长石4份、硅铁6份、电解金属锰5份、镍粉4份、钛铁8份、钼铁0.6份、铁粉15份。
将实施例1-3、对比例所得的焊条进行焊接工艺性能试验，电弧稳定，飞溅很小，易脱渣，平焊、立焊、仰爬坡焊接均易操作，焊道成型美观。对比例焊条电弧稳定性、立焊铁水流动性欠佳。
表一 本发明各实施例、对比例焊条所得熔敷金属化学成分：
将以上实施例对比例、所得的焊条按照GB 32533-2016方法进行熔敷金属力学性能试验，采用立焊焊接位置。焊接电流110A，焊接电压22-26V，焊接线能量15-25KJ/cm。
焊条力学性能试验母材采用X80级钢管。管体力学性能：抗拉强度695MPa；屈服强度600MPa；断后伸长率32％；-10℃冲击功平均值260J。-45℃冲击功平均值150J。
表二 本发明各实施例、对比例焊条所得熔敷金属力学性能：
将以上实施例对比例、所得的焊条按照GB 3965-2012方法进行熔敷金属扩散氢试验。结果如下。
表三 本发明各实施例、对比例焊条所得熔敷金属扩散氢含量
| 扩散氢含量(ml/100g) | |
| 实施例1 | 2.3 |
| 实施例2 | 2.2 |
| 实施例3 | 1.8 |
| 对比例1 | 4.9 |
上述试验所得数据说明：实施例所得的焊条焊缝金属力学性能与X80管线钢本体相近，能够与X80管线钢良好匹配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (8)
1.一种高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：包括碳钢焊芯及裹覆于碳钢焊芯表面的药皮；药皮粉料包括如下重量份数的组分，大理石39～44份﹑萤石10～15份、金红石5～10份、硅微粉2～5份、硅铁2～5份、电解金属锰3～8份、氟铝酸盐14～25份、镍粉4～7份、金属铬0.5～1.5份、钼粉0.5～1.5份、铁粉5～9份、CMC纤维素0.5～1.5份。
2.根据权利要求1所述的高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：大理石中CaCO3质量含量≥97％、S质量含量≤0.020、P质量含量≤0.010；萤石中CaF2质量含量≥96％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；金红石中TiO2质量含量≥95.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；硅微粉中SiO2质量含量≥97.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；硅铁中SiO2质量含量44-46％；S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；电解金属锰中Mn质量含量≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；镍粉中Ni≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；金属铬中Cr≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；钼粉中Mo≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％；铁粉中Fe≥99.0％、S质量含量≤0.010％、P质量含量≤0.010％。
3.根据权利要求1所述的高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：所述碳钢焊芯采用低S、P的H08GX盘条制成；焊芯成分重量百分比(％)计的组分：C：0.04-0.08、Mn：0.30-0.60、Si：≤0.030、P：≤0.010、S：≤0.010、Cr：≤0.020、Ni：≤0.030、Mo：≤0.020、余量为Fe与不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：所述碳钢焊芯直径为2.5-5.0mm。
5.根据权利要求1所述的高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：焊条熔敷金属采用Mn-Cr-Ni-Mo合金系，熔敷金属化学成分质量百分比组成：C:0.40-0.80％，Mn：1.00-2.0％，Si：0.10-0.30％，S≤0.015％，P≤0.025％，Ni：1.60-2.30％，Cr：≤0.20-0.50％，Mo：0.20-0.50％，余量为Fe，各组分的重量百分比之和为100％。
6.根据权利要求1所述的高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：所述药皮占焊条总重量的28-32％。
7.根据权利要求1所述的高韧性的X80级管线钢用焊条，其特征在于：药皮还包括粘结剂，所述粘结剂为高模钾钠水玻璃，模数3.0-3.1、钾钠比1.5-2.5、浓度42-43°，添加量为粉料总重量的20-25％。
8.根据权利要求1～7任一项所述的高韧性的X80级管线钢用焊条在X80级石油或天然气管线钢的焊接中的应用。
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