CN101745754B

CN101745754B - 一种用于x80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝

Info

Publication number: CN101745754B
Application number: CN2009102448187A
Authority: CN
Inventors: 李午申; 张占伟; 邸新杰; 冯灵芝
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2009-12-16
Filing date: 2009-12-16
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-12-16
Also published as: CN101745754A

Abstract

本发明公开了一种自保护药芯焊丝，以低碳钢钢带为焊丝外皮，低碳钢钢带化学成分的重量百分比为：C为0.03％、Si为0.01％、Mn为0.21％、S为0.005％、P为0.01％、其余为Fe；药芯粉按照重量百分比由氟化物45％-60％、氧化物10％-20％、碳酸盐2％-8％、金属铝2％-6％、铝镁合金12％-18％、金属锰3％-6％、金属镍5％-13％和金属锆0.1％-0.4％组成。这种自保护药芯焊丝具有良好的焊接工艺性能和全位置焊接适应性，而且焊缝具有较高的强韧性匹配，可用于X80管线钢环焊缝的焊接。

Description

一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝

技术领域

本发明涉及一种用于金属焊接的焊接材料，更确切地说，涉及一种用于X80管线钢焊接的自保护药芯焊丝。

背景技术

自保护药芯焊丝是一种焊接时无需外加保护措施，仅靠药芯组分对焊接过程进行保护的焊接材料，具有设备简单、抗风能力强、熔敷效率高、焊缝质量好等特点，尤其适合野外作业及气源不易到达的场合，是管线钢野外施工的主要焊接材料之一。我国石油天然气资源多分布在西部偏远地区，而消费多集中在中、东部地区，因此要经过长距离的运输，管道运输具有高效、安全、可靠、经济、单向、连续、环保等诸多优点，是长距离输送石油天然气的重要运输方式。油气管道尤其是天然气管道发展的一个重要趋势是长距离、大口径、高压力和选用更高钢级的管材。相同的输气量当采用高压输送时可减少管径，应用高钢级管材可减小壁厚和重量，减少运输费用和焊接时间，从而降低建设成本。目前正在施工的“西气东输”二线工程干线使用了X80管线钢，较“西气东输”一线工程使用的X70管线钢，年输气能力提高了1.5倍。由于X80管线钢强度级别更高，对配套焊接材料强韧性提出了更高的要求。本发明针对X80管线钢开发出一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝。

本发明的一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝，以低碳钢钢带为焊丝外皮，低碳钢钢带化学成分的重量百分比为：C为0.03％、Si为0.01％、Mn为0.21％、S为0.005％、P为0.01％、其余为Fe；药芯粉按照重量百分比由氟化物45％-60％、氧化物10％-20％、碳酸盐2％-8％、金属铝2％-6％、铝镁合金12％-18％、金属锰3％-6％、金属镍5％-13％和金属锆0.1％-0.4％组成。

所述氟化物为氟化钡和氟化锂的组合物，其中氟化钡和氟化锂的重量比为(5∶1)-(13∶1)。

所述氟化物为氟化钡、氟化锂和氟化铈的组合物，其中氟化钡和氟化锂的重量比为(5∶1)-(13∶1)，氟化铈的加入量为药芯粉总重量的3％-8％。

所述氧化物为Fe₂O₃或者CaFe₂O₄。

所述氧化物为Fe₂O₃和CaFe₂O₄的组合物，其中Fe₂O₃和CaFe₂O₄的重量比为(1∶1)-(5∶1)。

所述氧化物为Fe₂O₃和CeO₂的组合物，其中Fe₂O₃和CeO₂的重量比为(3∶1)-(4∶1)。

所述氧化物为CaFe₂O₄和CeO₂的组合物，其中CaFe₂O₄和CeO₂的重量比为(4∶1)-(7∶1)。

所述碳酸盐为CaCO₃或者Li₂CO₃。

所述碳酸盐为CaCO₃和Li₂CO₃的组合物，其中CaCO₃和Li₂CO₃的重量比为(1∶1)-(1∶2)。

所述铝镁合金为铝镁元素质量比为1∶1的合金。

所述药芯粉的粒度为60-150目。

药芯粉占焊丝总重量的比例即焊丝的填充率为19％-23％。

在上述药粉的化学成分中，各个组分的作用机制如下：

(1)药芯粉中加入氟化物的主要目的在于造气和造渣，焊接过程中氟化物在电弧热作用下部分气化，形成笼罩着熔滴和熔池的动态气囊，降低了空气对熔滴和熔池的侵害，从而降低焊接气孔敏感性。另外，氟化物还起到造渣保护的作用，在电弧热的作用下低熔点的氟化物熔化成液态，包裹着焊丝端部形成的熔滴向熔池过渡，随后熔渣浮在熔池表面，电弧移开后形成渣壳保护着尚处于高温的焊缝免受氧化。由于不同氟化物的气化温度不同，因此选择多种氟化物可提高气保护效果。选用氟化钡为主要氟化物的主要组成是因为，首先，氟化钡支持短渣，可有效防止立下向焊接时熔渣下坠，有利于改善焊丝的全位置焊接适应性；另外氟化钡支持短电弧焊接，则缩短了熔滴过渡过程中与空气的接触时间，从而减少空气对熔滴的侵害。氟化物的总加入量低于45％时，造气、造渣不足，容易产生气孔和熔渣覆盖不全的缺陷，但当氟化物总量超过60％时，电弧稳定性变差且熔渣粘度偏低，不利于全位置焊接，因此氟化物的加入量应控制在45％-60％之间。

(2)药芯粉中加入氧化物目的在于造渣、过渡合金元素和调节焊缝金属中残留铝的作用。氟化物熔渣熔点低、粘度小，通过加入适量的氧化物可调整熔渣的熔点、粘度和表面张力等物化性能，可改善焊缝成形、脱渣性及全位置焊接适应性。通过加入CeO₂可向焊缝金属中过渡一定量的Ce，则有利于提高焊缝金属的低温韧性。另外，Fe₂O₃、CaFe₂O₄还具有降低焊缝金属中残留铝的作用。氧化物的总加入量低于10％时，起不到上述的有益作用，但加入量超过20％时，药芯的熔点明显提高，焊接飞溅明显增多，而且由于熔渣粘度大容易出现气孔，因此氧化物的加入量应控制在10％-20％之间。

(3)药芯粉中加入碳酸盐的目的在于提高气保护效果和增强电弧吹力，从而有利于提高熔深和焊缝成形，避免产生未熔合、夹渣等缺陷。碳酸盐加入量低于2％时达不到上述有益目的，但加入量不应超过8％，否则焊接过程中飞溅明显增多，恶化操作环境，因此碳酸盐加入量应控制在2％-8％之间。

(4)铝是强脱氧、固氮元素，焊接过程中通过铝的脱氧、固氮反应可消除空气中的氧、氮对熔滴和熔池的侵害，可有效消除氧气孔和氮气孔。铝的加入量低于2％时，脱氧、固氮能力不够，焊接时仍会出现气孔，当铝含量超过6％时，焊缝金属中会残留大量的残留铝，严重影响焊缝组织转变，容易形成骨骼状的δ铁素体而显著恶化焊缝低温韧性，因此铝含量应控制在2％-6％之间。

(5)药芯粉中加入镁的目的是造气、脱氧、助燃。镁的沸点低，在电弧热的作用下形成镁蒸气，保护着熔滴和熔池。镁也是强脱氧元素，可形成稳定的脱氧产物MgO进入熔渣。另外，镁的助燃作用可显著提高电弧稳定性，降低焊接飞溅。由于镁的沸点低、还原性强，以金属镁的形式加入时，由于反应剧烈使得电弧暴躁、飞溅增大，而以铝镁合金的形式加入可避免此不足。铝镁合金的加入量低于12％时，脱氧不足且电弧不能稳定燃烧，容易产生气孔、飞溅增大的问题，而如果铝镁合金的加入量超过18％，焊接烟尘明显增多，污染操作环境。因此铝镁合金的加入量应控制在12％-18％之间。

(6)药芯粉中加入锰、镍和锆目的在于向焊缝中过度适量的合金元素。在铝、镁的脱氧保护下锰、镍、锆几乎完全过渡到焊缝中。锰可有效降低焊缝金属的含硫量和强化金属基体，因此可有效提高焊缝的强度和韧性，锰的适用范围是3％-6％，加入量太低时起不到提高强度的目的，太高时焊缝强度提高但韧性降低；与锰相似，适量的镍可韧化基体、提高强度，结合X80管线钢的强度级别，镍的适用范围在5％-13％，加入量过低时不利于提高焊缝强韧性，加入量过高则会使强度提高而韧性降低；适量的锆含量可细化晶粒，从而提高焊缝金属的强韧性，适用范围是0.1％-0.4％，加入量过少起不到有益作用，过多时韧性降低，且脱渣困难。

本发明自保护药芯焊丝不仅具有良好的焊接工艺性能和全位置焊接适应性，而且焊缝具有较高的强韧性匹配，可用于X80管线钢环焊缝的焊接。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明自保护药芯焊丝实施方式如下：调整药芯粉组成含量，见表1所示，制备10种不同药芯组成的焊丝，药芯粉的粒度为60-150目，选用镁铝元素质量比为1∶1的镁铝合金，实施例焊丝药芯填充率为21.5±0.2％。

本发明自保护药芯焊丝的制备方法如下：选择普通低碳钢钢带，钢带化学成分见表2所示，钢带规格为：带厚×带宽＝0.5mm×10mm。在普通药芯焊丝生产线上用上述所选钢带分别经过超声清洗、烘干、钢带轧制成U形、加粉、轧制封口、减径、校直、缠盘、包装等工序制备出焊丝。本发明自保护药芯焊丝焊丝端面采用对接的“O”型，成品焊丝直径为Φ2.0mm。

表1本发明实施例中自保护药芯焊丝的药芯粉化学组成(重量％)

表2本发明实施例的自保护药芯焊丝选用钢带化学成分

成分

C

Si

Mn

S

P

Fe

含量％

0.03

0.01

0.21

0.005

0.01

余量

1-10号实施例焊丝进行熔敷金属性能试验，熔敷金属焊接试板选用Q235钢，焊接工艺参数为：焊接电压19-20V，焊接电流310-350A，层间温度150-160℃，极性DCEN。

11-17号实施例焊丝进行X80钢管环焊缝性能试验，试验钢管为X80高钢级管线钢，钢管直径1219mm，钢管壁厚22mm，焊接工艺参数为：焊接电压19-20V，焊接电流270-320A，预热温度70-100℃，层间温度50-80℃，极性DCEN。

1-10号实施例根据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T 2650-2008《焊接接头冲击试验方法》进行力学性能测试，11-17号实施例根据Q/SY-GJX 0110-2007《西气东输二线管道工程线路焊接技术规范》对焊接接头性能进行测试。熔敷金属力学性能见表3所示，X80管线钢环焊缝性能见表4所示。

表3为本发明1-10号实施例熔敷金属力学性能

表4本发明11-17号实施例焊接X80管线钢环焊缝性能

上述实施例焊丝焊接过程电弧稳定，易脱渣，可进行全位置焊接，具有优良的强韧性匹配，适合X80管线钢环焊缝的焊接。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝，以低碳钢钢带为焊丝外皮，其特征在于，所述低碳钢钢带化学成分的重量百分比为：C为0.03％、Si为0.01％、Mn为0.21％、S为0.005％、P为0.01％、其余为Fe；药芯粉按照重量百分比由氟化物45％-60％、氧化物10％-20％、碳酸盐2％-8％、金属铝2％-6％、铝镁合金12％-18％、金属锰3％-6％、金属镍5％-13％和金属锆0.1％-0.4％组成，其中

所述氟化物为氟化钡和氟化锂的组合物，其中氟化钡和氟化锂的重量比为(5∶1)-(13∶1)；或者为氟化钡、氟化锂和氟化铈的组合物，其中氟化钡和氟化锂的重量比为(5∶1)-(13∶1)，氟化铈的加入量为药芯粉总重量的3％-8％，

所述氧化物为Fe₂O₃；或者CaFe₂O₄；或者Fe₂O₃和CaFe₂O₄的组合物，其中Fe₂O₃和CaFe₂O₄的重量比为(1∶1)-(5∶1)；或者Fe₂O₃和CeO₂的组合物，其中Fe₂O₃和CeO₂的重量比为(3∶1)-(4∶1)；或者CaFe₂O₄和CeO₂的组合物，其中CaFe₂O₄和CeO₂的重量比为(4∶1)-(7∶1)，

所述碳酸盐为CaCO₃；或者Li₂CO₃；或者CaCO₃和Li₂CO₃的组合物，其中CaCO₃和Li₂CO₃的重量比为(1∶1)-(1∶2)。

2.根据权利要求1所述的一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述铝镁合金为铝镁元素质量比为1∶1的合金。

3.根据权利要求1所述的一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝，其特征在于，所述药芯粉的粒度为60-150目。

4.根据权利要求1所述的一种用于X80管线钢全位置焊接的自保护药芯焊丝，其特征在于，焊丝的填充率为19％-23％。