CN1709634A - 高强度管线钢用埋弧焊焊丝 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高强度管线钢用埋弧焊焊丝,其解决的问题:由于Cu存在沉淀现象,导致在冶炼及热处理中,易使Cu产生析出并使钢种硬化,且微量元素含的较多,不利于冶炼工艺控制等。技术措施:其化学成分重量百分比为:C 0.04~0.12,Si 0.005~0.10,Mn 1.20~2.00,Ni 0.10~0.60,Cr 0.10~0.60,Mo 0.10~0.50,Ti 0.04~0.15,B 0.002~0.012,P≤0.015,S≤0.01,余量为Fe。本发明与碱性烧结焊剂匹配焊接,焊缝的抗拉强度高于650MPa。焊接X80管线钢,焊缝强度达740MPa,-20℃冲击功高于120J,焊缝S、P含量低,纯净度高,适用于X80高强度管线钢及其它相应强度级别低合金钢抗拉强度在620~740MPa的埋弧焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种多元合金化的高强度管线钢用埋弧焊焊丝,具体地说是一种与碱性烧结焊剂匹配焊接时,焊接熔敷金属抗拉强度高于650MPa的高强度管线钢及其它低合金高强度钢用埋弧焊焊丝。
背景技术
随着先进钢铁生产技术的应用,低合金高强钢性能不断提高。管线钢则代表了当今低合金高强钢的先进水平。API X80钢是国际上主要管线钢品种,在我国也将逐步得到应用。管线钢含S量越来越低,钢质越来越纯。金相组织为铁素体加贝氏体,晶粒直径达到数微米。管线钢强度及韧性得到同时提高,而其碳当量及Pcm值仍控制在较低水平,甚至有所降低。
焊接接头强韧性是由焊缝化学成分及焊接热循环等条件决定,焊缝合金化则是焊缝强韧化的主要途径。常见的合金化元素有Mn、Ni、Cr及Mo等,微合金化元素为Ti及B等。对于不同强韧性的钢种采用相应的合金组合和合金含量,达到所需要的强韧性。
随着钢种强度的提高,焊接接头产生淬硬组织的倾向也随之增加。为降低焊接应力,有时需要对焊接接头进行焊后热处理。另外,大口径管线往往采用多丝及前后焊丝焊接工艺,后道焊缝对前道焊缝有热影响作用。焊缝应该具有较好的热处理性能。对于有抗硫化物应力腐蚀性能要求的管线钢焊接接头,还必须具有较高的冲击韧性,较低的硬度即≤248Hv10合适的焊缝组织,其主要以针状铁素体为主及较低的焊缝硫含量即S≤0.005%。
X80钢种,要求抗拉强度最小值为620MPa,实物值则达到690MPa,-20℃冲击韧性也达到200~300J。现有用于X70钢种的埋弧焊丝抗拉强度为550~620MPa,其使用的焊丝如中国专利其专利号为92 1 05621.4及专利号97 1 04393.0的两项专利,如要与X80钢强度匹配,焊丝焊缝金属抗拉强度达670~740MPa,且具有优良的韧性,显然存在不匹配性。中国专利专利号为ZL 01 106520.6的专利,其含有Cu、Zr,虽然其焊缝金属抗拉强度可达到590Mpa,且具有较高韧性,
但其不足:Cu对钢种的冲击韧性不利,存在沉淀硬化现象,而导致焊缝热处理后热脆性增加,对焊缝热处理性能不利,并且微量元素含的种类较多,不利与冶炼工艺的控制,增加了冶炼难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足,提供一种Ti、B微合金化、以Ni、Cr、Mo为主要元素合金化的,且与X80管线钢及其它要求强度级别在620~740MPa的钢相匹配、有优良焊后热处理性能的高强度管线钢用埋弧焊焊丝。
本发明为了达到上述目的,焊丝的化学成分重量百分比为:C 0.04~0.12,Si 0.005~0.100,Mn 1.20~2.00,Ni 0.10~0.60,Cr 0.10~0.60,Mo 0.10~0.50,Ti 0.04~0.15,B 0.002~0.012,P≤0.015,S≤0.01,余量为Fe。
其在于Ni的重量百分比为0.25~0.50。
其在于Ni的重量百分比为0.3~0.45。
其在于Cr的重量百分比为0.25~0.50。
其在于Cr的重量百分比为0.30~0.45。
其在于Ti的重量百分比为0.06~0.12。
其在于Ti的重量百分比为0.08~0.10。
其在于B的重量百分比为0.004~0.01。
其在于B的重量百分比为0.006~0.008。
本发明焊丝与碱性烧结焊剂CHF101或SJ101、CHF101、CHF105匹配进行埋弧焊接。
各种主要合金元素对焊缝金属性能的作用及影响分析如下。
C元素含量对焊缝的强韧性及其组织组成有较大的影响。当C含量较低时,焊缝强度较低,焊缝金属中铁素体比例较高。当C含量过高时,焊缝韧性下降,焊缝中珠光体比例增加。因此C含量过高或过低均会影响焊缝中针状铁素体含量。焊丝中C的重量百分比为0.04~0.12范围内。
Si元素在焊缝中的含量控制在的重量百分比0.3下时,韧化效果较好,裂纹敏感性较低。由于焊剂及母材含Si量一般较高,焊丝中的含Si量应控制在较低水平。焊丝中Si的重量百分比含量控制在0.005~0.100范围内。
Mn是焊缝强韧化的有效元素,在焊缝中有利于脱氧,防止引起热裂纹的铁硫化物的形成。焊缝中含有较高的Mn时,焊缝针状铁素体的转变起始温度低,转变温度范围大,最终可提高焊缝中针状铁素体体积比。焊丝中Mn的重量百分比控制在1.20~2.00。
Ni有利于提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性,降低脆性转变温度。Ni能减少先共析铁素体含量并改善焊缝韧性。Ni含量太高时,焊丝强度及硬度过高,含量超过3.5%时,低温冲击韧性显著下降。Ni含量过高还导致焊缝与母材成分差别大,同时焊丝成本增加。焊丝中Ni的重量百分比含量为0.10~0.60,
Cr元素有利于提高焊缝中针状铁素体含量,减少先共析铁素体,并有细化铁素体晶粒的作用,提高焊缝强韧性。Cr还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。焊丝中Cr的重量百分比含量为0.10~0.60。
Mo元素能有效提高焊缝的强度。但是当焊缝中Mo的重量百分比含量超过0.6时,低温冲击韧性将明显下降。
焊缝中含有Ni、Mo及Cr能有效提高焊缝抗酸选择性腐蚀性能。
Ti、B元素:焊缝中适量的Ti可形成大量弥散分布的细小TiN或Ti2O3质点,这些质点可以作为焊缝凝固时针状铁素体的非均质形核核心,促使焊缝中形成大量细针状铁素体。焊丝中加入Ti可以细化焊缝金属组织。为使焊缝金属中Ti的重量百分比含量在0.01~0.04,考虑到一定的过渡系数,焊丝中的Ti的重量百分比含量可提高为0.04~0.15。
焊丝中加入重量百分比为0.002~0.012的B,可使焊缝中B的重量百分比含量控制在0.001~0.004,固溶的B在奥氏体晶界聚集降低晶界能量,抑制先共析铁素体和侧板条马氏体的形成。B还能推迟奥氏体→铁素体相转变温度,有利于晶粒内针状铁素体的形成,并细化二次晶粒。
S、P元素是焊缝中的主要有害元素,它们显著降低焊缝金属低温冲击韧性。同时为了保证管线钢焊缝有较高的抗H2S应力腐蚀性能,焊缝中S的重量百分比含量应小于0.005。焊丝与低S含量的碱性类焊剂如自贡大西洋焊接材料有限公司产的CHF101、CHF105类焊剂匹配使用,焊接低S管线钢,焊接冶金反应过程能进一步降低焊缝中的S含量。
本发明焊丝采用电炉冶炼,冶炼时控制焊丝中的气体含量。
总之,本发明焊丝采用Ni、Mo、Cr合金化及Ti、B微合金化,扩大了焊缝针状铁素体转变的区域,从而有效提高了焊缝中针状铁素体含量,提高了焊缝强度,使焊缝的冲击韧性尤其是低温冲击韧性仍保持在较高水平。尽量降低焊缝中的S、P等有害元素的含量,严格控制焊缝中的气体含量。通过上述方法,从焊缝成分及焊缝组织方面保证了焊缝优良的强韧性及耐腐蚀性能。
本发明高性能管线钢埋弧焊焊丝具有如下优点:
1、本发明焊丝在焊缝中产生以针状铁素体为主的组织结构。针状铁素体是通过形核和生长反应在奥氏体内部生成的,其内部包含有大密度的位错。铁素体针非常细小,平均尺寸约为1μm,且铁素体针取向自由,呈大角度晶界,具有较强的抗裂纹扩展能力。
2、本发明焊丝用于X80管线钢及其它相应强度级别的高强度钢(抗拉强度620~740MPa)的埋弧焊接,焊缝具有优良的强韧性,综合性能性完全能满足高性能基材焊接技术条件。
3、本发明焊丝焊缝具有优良焊后热处理性能,能适用于有焊后热处理要求的焊接结构,能适应管线钢双丝或多丝、前后丝及内外丝高速焊接工艺。
4、本发明焊丝采用价格较便宜的Ni、Cr作为主合金化元素,能保证焊缝较高的强韧性,且有效地控制了焊丝成本。本发明焊丝与碱性烧结焊剂匹配焊接,焊后焊缝抗拉强度达690MPa,X80管线钢焊缝-20℃焊缝冲击功达144J,-40℃达118J。焊缝硬度≤240HV10;焊缝S、P含量低,纯净度高,能保证具有优良的抗腐蚀性能。
5、本焊丝钢冶炼工艺稳定易于实现,钢坯的轧制及焊丝的拉拨、镀铜等性能较好。
具体实施方式
下面用实施例进一步详述本发明焊丝:
实施例1:用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝,其化学成分重量百分比为C 0.066,Si 0.08,Mn 1.78,Ni 0.15,Cr 0.10,Ti 0.05,Mo0.30,B 0.004,P 0.013,S 0.008,余量为Fe。本发明焊丝与CHF101或CHF105焊剂匹配,焊接17.5mm厚X80管线钢板,试板为双V型坡口,钝边5mm,单侧坡口角度40°。钢的化学成分重量百分比为:C0.045,Si0.27,Mn1.79,Ni0.28,Mo0.35,Cu0.23及其它微合金化元素Ti及Nb。钢的力学性能为Rel=615Mpa,Rm=680MPa,Akv(-20℃)为330J。填充焊道焊接工艺参数为焊接电流约630A,焊接电压约33V,焊速约0.8cm/min。焊接道次为七道。与CHF101匹配,焊缝拉伸性能Rel=680MPa,Rm=740MPa,A=21.5%,Z=73.5%,-20℃冲击功焊缝为144J,热影响区为98J;与CHF105匹配,焊缝拉伸性能Rel=690MPa,Rm=730MPa,A=25.5%,Z=75.0%,-20℃冲击功焊缝为127J,热影响区为257J,-40℃焊缝为118J,热影响区为198J。焊接接头拉伸试验断于基材,冷弯试验d=2a,120°完好。焊缝硬度为220~238HV10。焊接接头综合机械性能完全满足X80钢技术要求。焊接接头组织为针状铁素体加先共析铁素体,母材组织为贝氏体。
焊接接头经580℃+1h热处理后,焊缝金相组织为针状铁素体加先共析铁素体,硬度与基材相近,焊缝强度ReL=720MPa,Rm=770MPa,高于未进行热处理的焊缝的强度。热处理后-20℃冲击功焊缝为104J,熔合线为119J,热影响区为149J。
实施例2:用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝,其化学成分重量百分比为:C 0.064,Si 0.091,Mn 1.70,Ni 0.22,Cr0.33,Ti 0.08,Mo0.29,B 0.006,P 0.012,S 0.006,余量为Fe。本发明焊丝与CHF101焊剂匹配,采用较大线能量焊接17.5mm厚X80管线钢板,试板为双V型坡口,钝边10mm,坡口角度80°。填充焊道焊接焊接电流~750A,焊接电压32V,焊速0.6cm/min。焊缝力学性能为Rel=620MPa,Rm=700MPa,A=21.0%,Z=75.0%。焊接接头拉伸试验断于基材。焊接接头冲击功焊缝Akv(-20℃)175J,熔合线192J,热影响区188J。采用较大线能量,焊接坡口显著减少,焊接道次为三道。大大减少焊接填充量,提高焊接效率。
实施例3:用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝,其化学成分重量百分比为:C 0.052,Si 0.070,Mn 1.70,Ni 0.40,Cr 0.45,Ti 0.10,Mo0.35,B 0.008,P 0.012,S 0.006,余量为Fe。与CHF101匹配,焊接15mm厚X80钢。焊接试板为双V型坡口,钝边8mm,单侧坡口角度40°。焊接工艺参数为焊接电流700A,焊接电压31V,焊速60cm/min。焊缝力学性能为Rel=690MPa,Rm=735MPa,A=23%,Z=72%,Akv(-20℃)=170J,Akv(-40℃)=135J。焊缝冲击功有较大富余。焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体,母材组织回火索氏体。
实施例4:用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝,其化学成分重量百分比为:C 0.08,Si 0.075,Mn 1.78,Ni0.50,Cr 0.52,Ti 0.12,Mo0.45,B 0.010,P 0.012,S 0.006,余量为Fe。与SJ101匹配,焊接19mm厚HG70钢。钢的化学成分重量百分比为:C 0.090,Si 0.27,Mn 0.99,P 0.013,S 0.005,Mo0.28,Cr0.41。钢板热处理状态为调质状态。钢的力学性能为Rel≥590MPa,Rm≥690MPa,Akv(-20℃)≥27。焊接试板为V型坡口,钝边5mm,单侧坡口角度30°。焊接工艺参数为焊接电流600A,焊接电压31V,焊速32cm/min。焊缝力学性能为Rel=700MPa,Rm=750MPa,A=24%,Z=69%,Akv(-20℃)=82J。焊接接头冲击韧性满足该钢(HG70钢)对韧性的要求Akv(-20℃)≥27J。焊缝冲击功有较大富余。焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体,母材组织回火索氏体。
实施例5:用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝,其化学成分重量百分比为:C 0.042,Si 0.091,Mn 1.50,Ni 0.59,Cr 0.60,Ti 0.15,Mo0.50,B 0.011,P 0.012,S 0.006,余量为Fe。与CHF101匹配,焊接14mm厚的WQK590钢。钢的化学成分重量百分比为:C 0.090,Si 0.27,Mn 0.99,P 0.013,S 0.005,Mo0.28,Cr0.41。钢板热处理状态为调质状态。钢的力学性能为Rel=645MPa,Rm=720MPa。焊接试板为V型坡口,钝边5mm,单侧坡口角度30°。焊接工艺参数为焊接电流600A,焊接电压31V,焊速32cm/min。焊缝力学性能为Rel=575MPa,Rm=690MPa,A=27%,Z=67%,Akv(-20℃)=120J。焊接接头冲击韧性满足WQK590钢对韧性的要求Akv(-20℃)≥27J。焊缝冲击功有较大富余。焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体,母材组织回火索氏体。
Claims (9)
1、高强度管线钢用埋弧焊焊丝,其特征在于焊丝的化学成分重量百分比为:C 0.04~0.12,Si 0.005~0.100,Mn 1.20~2.00,Ni 0.10~0.60,Cr 0.10~0.60,Mo0.10~0.50,Ti 0.04~0.15,B 0.002~0.012,P≤0.015,S≤0.01,余量为Fe。
2、根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于Ni的重量百分比为:0.25~0.50。
3、根据权利要求1或2所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于Ni的重量百分比为:0.3~0.45。
4、根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于Cr的重量百分比为:0.25~0.50。
5、根据权利要求1或4所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于Cr的重量百分比为:0.3~0.45。
6、根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于Ti的重量百分比为:0.06~0.12。
7、根据权利要求1或6所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于Ti的重量百分比为:0.08~0.10。
8、根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于B的重量百分比为:0.004~0.01。
9、根据权利要求1或8所述的高强度管线钢用埋弧焊丝,其特征在于B的重量百分比为:0.006~0.008。
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