CN1701904A - 新型微合金化结构钢用h06c系列埋弧焊丝 - Google Patents

Abstract

本发明提供了新型微合金化结构钢中(即含C量≤0.12％，更加均质、更加洁净，采用控制轧制+加速冷却工艺生产的钢，也即TMCP+AcC钢中)，不同系列等级、不同厚度的中、厚板材用，如：屈服强度为360MPa、420MPa、460MPa、500MPa和560MPa的船舶用钢板、桥梁用钢板、压力容器用钢板、通用结构用钢板、海山(洋)采油气平台用钢板、特别是石油、天然气输送管道用钢板(如API Spec 5L X52、X60、X65、X70和X80)对其焊接接头的母材和焊缝金属的焊接性能和低温韧性等要求很高的钢板。它可以采用于大线能量、高速焊接，焊前可不预热，焊后可不后热，适用单层或多层，单面或双面等多种焊接工艺要求。焊缝金属具有较高的强度和良好的低温冲击韧性。焊丝的价格较低。

Description

新型微合金化结构钢用 H06C系列埋弧焊丝

本专利属于焊接材料。主要适用于新型微合金化结构钢(即控制轧制+加速冷却钢，也即TMCP+AcC钢)中不同系列等级、不同厚度的中、厚板材用，如：屈服强度为：360MPa、420MPa、460MPa、500MPa和560MPa等级的船舶用钢板、桥梁用钢板、压力容器用钢板、通用结构用钢板、海山(洋)采油气平台用钢板、特别是石油、天然气输送管道用钢板(如APISpec 5L X52、X60、X65、X70和X80)等对其焊接接头的母材和焊缝金属的焊接性能和低温韧性等要求很高的钢板。

背景技术

以这些钢板中综合性能要求最高的油、气输送管道用钢板为例，它承受着油、气的压力和温度及介质的作用，同时还遭受所通过地带的各种自然环境和人为因素的影响，在使用过程中，可能发生各种各样的破断或断裂事故，造成严重的经济和生命财产的损失，同时，还会污染环境。为此，除从设计、施工和操作三方面防止上述事故外，合理地选材(包括母材及焊接材料)特别重要。而能大规模生产这些新型中、厚钢板的钢铁冶金企业只有把传统的生产技术进行全面改造，从产品原材料开始形成自动化、基本智能化的专家系统生产流程质保体系，采用TMCP+AcC生产工艺才有能力大量生产这种优质低价的低碳、微合金化、细晶粒中、厚板结构钢材。而中国在1990年开始能源工程中“西部长输管道”到“西气东输”工程建设后带动了这些钢材的研发和生产。

由于制管厂家采用上述钢板(主要用板卷型钢板和宽厚型钢板等)选用配套的埋弧焊丝和烧结焊剂，在螺旋焊机或直缝焊机生产线上焊接加工成螺旋焊管或直缝焊管。因此为适应这种快速生产焊接的能力，对埋弧焊丝提出了特殊要求，即要求能采用大线能量、高速焊接；能不预热、不后热；可以不开或小开坡口、从而适应母材稀释率达60∽70％时，焊缝韧性不降低；此外，还要求抗H₂S腐蚀。最后，用户必然要求保证焊接性好，低温韧性高的优质低价。

本人研发、发明的“低碳微合金化埋弧焊丝”(市场名称：H08C)在“西气东输”工程建设制钢厂家中采用，达到了100％国产化。由于鞍钢、宝钢、武钢等钢厂已具有能力采用这种TMCP+AcC工艺大规模生产各种中、厚钢板，标志了大规模使用低碳、微合金化埋弧焊专利焊丝的市场已经在中国到来，因而激发和带动了我在20年前的专利设计思想和参加推广应用经验的基础上，改进、扩大、发现新的设计思路，从而形成新的发明专利焊丝，即 新型微合金化结构钢用H06C系列埋弧焊丝，以迎接和适应新型结构钢材的制造行业对实旋、生产、推广和应用这种新型系列专利产品市场需求的到来。

在研发适应中、厚板材的焊接材料的设计思想中，国内外至今仍然是适应传统的低合金高强度钢材焊接材料的思想，即采用低碳和控制碳当量、同时选用合金元素设计焊丝的化学成分使之形成焊缝的力学性能，一般不考虑母材对焊缝稀释的影响。因而在焊丝的化学成分设计中追求配套合金元素来使焊缝强度水平和母材匹配。由于中国镍铬资源缺少，所以在中国研发生产的焊接材料经常少加或不加镍铬元素，这些焊接材料至今一直在我国大量使用。但在发达国家由于不象中国那样缺少镍铬元素，所以在低合金钢，特别在新型微合金化结构钢中没有不加镍铬元素的埋弧焊丝，出口到中国，必然很贵(3∽5万元/吨)。

进行热轧或正火+回火工艺生产的低合金结构钢板，延用到今仍在中国大量使用的350MPa强度等级的16锰钢，就是典型事例。由于16锰钢板一开始就因为焊接性不佳没有在中国南京长江大桥，以后的武汉长江大桥中采用焊接技术建造。在低合金结构钢设计思想的基础上中国研发生产的400MPa、450MPa、500MPa等也存在同样的问题。目前国内市场大量流动的这种低合金结构钢板所采用的低碳低合金钢埋弧焊丝有：H10Mn2、H10MbSi、H08Mn2Si、H08Mn2SiA、H08MnMoA、H08CrMoVA、H08CrNi2MoA、H08CrNi3MoA、H13Mn2CrA、H18CrMoA等；从国外进口的瑞典伊萨、美国林肯等以含NiCr为主的埋弧焊丝有：OK15.17、L60、LNS130、LNS162、LNS167。但这类埋弧焊丝低温韧性并不很高，但价格反而很高。

从国外专利情况看，近十几年来，国内外可以查到有关研发的同样的埋弧焊丝，如美国CHEMICAL ABSTRACTS 119：100807n、B“micro-alloyedsteel wire for sub merged-arc welding”Xu，Zuze；et al.(Ministry ofMetallurgical Industry，Iron & Steel Generation Institute)；英国DERWENT(93、11、04)90、06、90SE-002061 B65H 63/00，51/22、D06H 3/08IRON-IRON & STEEL GEN INST H03 M2S“Low carbon：micro alloyedsubmerged-arc welding wire-contains carbon、manganese、titanium、boron、molybdenum、yttrium and iron used hor welding of oil and gas transmissionpipeline No Abstract 93-387128/49 by Xu Zuze；日本科学技术文献速报：669：621、791、04 69、18溶接材科与冶金研发动向(b、2)“Trends ofdevelopment of welding consmables and metallurgy”。XU Z(Central Iron &Steel Research Institute)：B0369C Gangtie(CHN)28(6)67-72(’93)；专利JP067205、JP153659、JP108883等都主要是为了用于油气管道焊管钢板的埋弧焊丝。上述专利所提及的埋弧焊丝虽然有其特点，但都不能理解和扩大延伸到国内外都已在大规模采用的新型TMCP+AcC工艺生产的微合金化、350MPa∽560MPa强度级别的中、厚钢板的焊接中去。

发明内容

本人为油、气输送焊管用的埋弧焊丝研发了发明专利“低碳微合金化埋弧焊丝”(专利号：ZL 92 1 05621、4；中国发明专利号：26854号)，已在国内制管厂家成功的应用了12年，除在“西气东输”等工程中达到100％国产化外，所制造的焊管已经出口输送到国外，达到国际先进水平。本人可在此设计理念的基础上，进一步改进、扩大，产生新的具有新颖性和创造性的理念，设计了这种专利焊丝可被应用到目前中国市场急需的低碳微合金化、采用TMCP+AcC工艺生产的新型结构钢材必须的埋弧焊丝中去，完全可以得到实用性的证明。主要的设计思想表现在：

1、新的焊缝设计思想

传统的热轨(或+热处埋)工艺生产的低合金结构钢材所用的埋弧焊丝的化学成分，一般采用与母材同样的化学成分匹套，而为了防止焊缝的低温韧性下降，多类采用降低碳含量和增加镍铬钼等元素的含量，其中发达国家考虑增可镍铬钼的加入或不加入，与中国缺少镍铬资源的思想不一致。然而，这种原先适用低合金钢的埋弧焊丝的设计思想是不适应新型TMCP+AcC工艺生产的钢材的市场需求的。

由于焊缝不能用TMCP+AcC工艺细化焊缝的晶粒形成优异的强度和韧性，所以，必须充分、全面考虑焊接工艺、母材、焊丝、母材和焊丝镕化后形成的化学成分产生焊缝的成分、组织和性能的特点；

2、快速经济效益的焊接工艺

快速经济效益的高速和大线能量焊接时，使母材熔化到焊缝中的稀释率高，因而能带动焊丝设计的成分的强度水平达到母材的水平；

3、快速经济效益的焊接工艺形成焊缝的组织和性能

为了维持乃至提高焊缝的低温韧性水平，焊接过程中适应制管厂家对焊接工艺设计时必须考虑的高速、大线能量焊接时可能形成奥氏体的晶粒长大、侧板条铁素体和M-A-C细元，先共析铁素体等的可能性。而同时考虑不预热、不后热等的要求，可适应焊管现场铺设采用手工焊时的小线能焊接时形成奥氏体转变为马氏体的可能性。总而言之，本人设计这种埋弧焊丝的化学成分时，以焊后形成的组织为贝氏体或针状铁素体为追求目标；

4、焊缝保持与母材的低碳、低碳当量(低CE和Pcm)、低硫、磷和杂质元素含量接近、尽量保持焊缝成分洁净和均质；

5、选用对焊缝性能有用的微合金元素，如Ti、B、Mo、稀土等元素，控制H₂、O、N，尽量少加或不加镍和铬等合金元素，降低焊丝成本；

6、必须考虑多层焊和现场焊时，前次焊接产生的焊缝能成为后次焊接的热影响区(HAZ)所造成的组织和性能；

7、由于结构钢材的力学强度水平达到560MPa级别后(如API5L X80等为例)，钢厂出于成本考虑而多加锰，以至于超过1、80％。这对母材及热影响区的力学性能没有影响，但对焊缝的性能影均很大。所以一般母材和焊丝的含锰量限制在1、60％以下，因为过高的含锰量对抗SSCC不利。而且，由于锰的偏析引起组织中的局部硬化，在焊接接头进行“焊缝导向弯曲”检测时(STTM A370-2002)，产生背弯不合格，有时弯心直径为91.8mm时，反弯角度为20°则发生裂纹(正常时为180°不裂，合格)。为了防止钢材生产厂家和焊管制造厂家产生在技术和经济效益利害关系的不友好的纠纷，本专利在焊丝系列设计中，专为钢板母材含锰量高达1、80％时，设计了专用系列焊丝。

以上七条是本人从MoBTi系列专利焊丝12年实施应用的经验中产生的新的发明构思，作为设计新的H06C系列埋弧焊丝的技术基础，进一步为改进、扩大、推广、应用到新型TMCP+AcC工艺生产的低碳、微合金化、细晶粒中、厚钢板中去。与现有技术相比，其发明具有以下特点：

(1)改善了 H08C埋弧焊丝的配套性能，扩大专利焊丝的选择余地；

(2)适用不同国家、不同厂家、不同炉号、不同等级、不同标准可选用不同等级 H06C系列的埋弧焊丝；

(3)可适用于对低温韧性要求多类不如管线钢的高、焊接速度不如管线钢的快的船舶、桥梁、压力器容、采油平台等厂家要求的埋弧焊丝；

(4)可适用于对含碳量的要求高于管线钢的结构钢材；

(5)焊丝设计的含锰量降低，加入镍元素等，以适应含锰量接近极限的钢板；

(6)稀土元素Y有时可以栅除；

(7)设计了含N量更低的焊丝；

(8)适用于已改进后的烧结焊剂(从原先配用的SJ-101，改为SJ-101G)。

附表内容及具体实施方式

                         表1、实旋例焊丝的化学成分(重量％)

系列号/成分，％	C	Si	Mn	S	P	Mo	B	Ti	Ni	Al	Cu	N	O
														H06C.a(X52，360MPa)	≤0.12	≤0.4	1.20 ∽ 1.30	≤0.01	≤0.02	0.20∽0.40	0.001∽0.008	0.02∽0.08	/	/	/	＜0.008
H06C.b(X60，420MPa)	≤0.12	≤0.4	1.30 ∽ 1.40	≤0.01	≤0.02	0.20∽0.40	0.001∽0.008	0.02∽0.08	/	/	/	＜0..008
														H06C.c(X65，460MPa)	≤0.12	≤0.4	1.40 ∽ 1.60	≤0.01	≤0.02	0.20∽0.40	0.001∽0.008	0.02∽0.08	/	/	/	＜0..008
H06C.d(X70，490MPa，)	≤0.12	≤0.4	1.50 ∽ 1.60	≤0.01	≤0.02	0.20∽0.40	0.001∽0.008	0.02∽0.08	/	≤ 0.0 55	/	＜0..008
														H06C.e(X80，560MPa)	≤0.09	≤0.4	1.50∽1.70/1.3 0∽ 1.50	≤ 0.00 5	≤0.022	0.20∽0.40	0.001∽0.008	0.02∽0.08	0.3 0	≤ 0.0 55	0.3 0	＜0..008/0..0 06	≤0.02

                    表2、实旋例所得焊缝金属冲击韧性

系列号	钢级	焊缝平均冲击功(J)试验温度(-20℃)	生产钢管重量(吨)	工程名称
					H06C.a	360MPa(即X52等级的结构钢材)	156	约5000多吨	西部管线、
H06C.b	420MPa(即X60等级的结构钢材)	143、155	2500、8000及国外约48000多吨	忠武输气管线、复线印度管线、苏丹管线等
					H06C.c	460MPa(即X65等级的结构钢材)	197、190	10000、6000	广东LNG管线番禺/惠州低管线
H06C.d	490MPa(即X70等级的结构钢材)	193、180、180	146000、80000	西气东输管道、陕京二线管道
					H06C.e	560MPa(即X80等级的结构钢材)	228	1000	冀宁联络线

Claims (5)

1、H06C系列化学成分在下列成分中，其特征在于化学成分(重量％)为：

C：≤0、12∽0、03；Mn：1、00∽1、80；Mo：0、20∽0、40；B：0、001∽0、008；Ti：0、02∽0、08；Al：≤0、055；N：＜0、008；Ni：0、30；Cu：0、30；余为Fe。

2、根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于化学成分中，Si≤0、40，

S≤0、01，P≤0、02。

3、根据权利要求1所述的焊丝，其特征在于Y：0.2∽0、4，为冶炼时加入量。

4、 B元素在冶炼时的加入量和控制工艺另有 No-How资料。

5、根据权利要求1所述的焊丝，配套的绕结焊剂为 SJ101G。