CN106271212A

CN106271212A - 一种低温用高强高韧埋弧焊丝及应用方法

Info

Publication number: CN106271212A
Application number: CN201610893877.7A
Authority: CN
Inventors: 尚成嘉; 张宇; 王学林; 王学敏; 王智权
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2016-10-13
Publication date: 2017-01-04

Abstract

一种低温用高强高韧埋弧焊丝及应用方法，以重量百分比计焊丝的化学成分组成为：C 0.06‑0.11％，Si 0.08‑0.22％，Mn 1.0‑3.0％，Ni 1.0‑3.0％，Mo 0.1‑0.4％，Ti 0.01‑0.05％，B 0.002‑0.006％，P≤0.011％，S≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质，并按照常规焊丝生产工艺制备所得。利用本发明焊丝，搭配碱度1.0‑2.5的烧结焊剂，在电流600‑1200A，电压33‑42V，总热输入量40‑65kJ/cm的条件下制得的焊缝金属屈服强度为550‑700MPa，抗拉强度为680‑780MPa，延伸率≥20％。采用Mn/Ni/Mo不同配比研发的焊丝其突出优点为低温韧性，‑80℃V型缺口冲击功在100J以上，焊缝金属组织为超细晶针状铁素体。本发明焊丝可为第三代高级别管线钢及极寒地区用钢提供匹配的焊接材料。

Description

一种低温用高强高韧埋弧焊丝及应用方法

技术领域

本发明属于金属材料焊接用实芯焊丝领域，特别涉及一种低温用高强高韧埋弧焊丝及应用方法，适用于极寒地区油气输送管线焊接工程。该焊丝与碱性焊剂匹配时能够获得适用于高级别管线钢焊接接头要求的焊缝金属，其屈服强度可达550-700MPa，抗拉强度达到680-780MPa，总延伸率不低于20％，焊缝金属-80℃V型缺口Charpy冲击功在100J以上。

背景介绍

世界管道建设发展迅速，在管道施工建设中常常遇到恶劣的自然环境，如：沙漠、高原戈壁、大江大河、碱滩、沼泽地、地震活动区、大落差地带和极寒地区，这些都对管道建设和管道建成后的安全运行提出了更高的要求。目前，在极寒地区铺设的管线越来越多，如美国横穿阿拉斯加的管道，途经冻土地区，气温低达-70℃。前苏联1985年所建的西西伯利亚-中央输气管线，途经常年冻土区，气温低达-63℃，积雪达70-90cm厚，在全长4451km的线路中，有959km通过沼泽，794km通过水障碍。中亚管线建设时的环境温度达到了-30℃以下，俄罗斯远东管线建设时的环境温度已达到了-40℃以下。在建设西气东输工程、西气东输二线工程和北部管线时，也经常遇到-20℃以下的低温环境。如此恶劣的自然环境，对材料的抗脆性起裂、止裂能力是一个严峻的挑战。

从油气输送钢管的发展趋势、管线的服役条件、主要失效形式和失效原因的综合评价，提出了对高强管线钢的主要性能要求是高强度、高韧性、良好的焊接性和耐蚀性。其中重点和难点是高的低温韧性，对于低温下的焊接接头，更要考核其低温焊接性及低温的力学性能。以前，对于管线所处的极低温和穿过冻土、湿地、沼泽、森林等地带的管道焊接研究的较少。在焊接材料、焊接方法、焊接工艺、施工措施等研究上缺乏经验。

中国专利CN1919524焊丝抗拉强度达到了X100大于760MPa的要求，但该类焊丝-40℃冲击功≥47J，低温冲击韧性偏低。专利CN103231156、CN103084752焊丝强度同样达到X90、X100要求，焊缝金属-40℃冲击功分别大于110和150J，能满足部分低温区管道建设需求，但并未对-40℃以下极寒地区用焊接材料韧性进行评价，无法适用极寒环境用钢的焊接。专利CN101722353为一种低温高韧埋弧焊丝，其焊缝金属-70℃冲击功为120-170J，但该类焊丝强度级别适用于抗拉强度小于620MPa级别的铌微合金钢，在一定程度上不能满足高强高韧需求。

随着国内第三代高强度、高韧性和高塑性钢的发展，开发匹配高性能钢材的焊接材料也是必要的。本发明提供的焊丝具有优良的极低温冲击韧性，强度高，能满足极寒地区550-700MPa级别管线钢的焊接工程。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温用高强高韧埋弧焊丝及应用方法。采用本发明制造的焊丝与碱性焊剂匹配时能获超低温韧性优异且强度级别达到550-700MPa级别的极寒地管线钢焊缝，其抗拉强度达到680-780MPa，延伸率大于20％，-80℃冲击功大于100J，解决了极寒地区油气输送管线的韧性不足问题。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术设计：

一种低温用高强高韧埋弧焊丝及应用方法，以重量百分比计焊丝的化学成分组成为：C 0.06-0.11％，Si 0.08-0.22％，Mn 1.0-3.0％，Ni 1.0-3.0％，Mo 0.1-0.4％，Ti0.01-0.05％，B 0.002-0.006％，P≤0.011％，S≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明各化学元素的限定理由分别叙述如下：

C：焊缝金属强度保障的重要因素，随C含量的增加，屈服强度和抗拉强度升高；但过高的C含量将促进高碳马氏体形成，严重危害焊缝金属低温韧性降低和抗裂性能。因此，本发明在保障强度、高的低温韧性和抗裂性能的前提下，将C含量控制为0.06-0.11％。

Si：主要作为脱氧剂，在焊接过程能保障焊缝金属充分脱氧，避免其他氧化物夹杂形成；此外Si还可以增加焊缝金属的强度，但当焊缝金属中Si含量大于0.6％时会严重影响焊缝金属低温韧性。为此，本发明控制焊丝中Si含量在Si0.08-0.22％之间。

Mn：具有良好的脱氧和脱硫作用，同时也是保证强度的主要合金元素之一，其强化能力仅次于C元素。添加Mn元素能有效降低γ→α相变温度，添加1.0-1.5％的Mn可使γ→α相变温度降低50℃，能抑制晶界先共析铁素体的形成，促进焊缝金属中针状铁素体的形成。此外，Fe-Mn相图与Fe-Ni相图相近，可在一定程度上以Mn代Ni来提高焊缝金属低温韧性。但过高的Mn含量将导致淬透性大幅提升，马氏体含量增加，不利于低温韧性和抗裂性能。因此，本发明将焊丝中的Mn含量控制为Mn 1.0-3.0％。

Ni：本发明中重要的元素之一，一方面能保障焊缝金属的强度，另一方面能提高焊缝金属低温韧性。Ni可无限固溶于γ-Fe中，是扩大γ相区的元素，添加Ni能促进针状铁素体的形成，提高焊缝金属韧性，降低韧脆转变温度。考虑到经济成本，本发明将Ni含量定为1.0-3.0％。

Mo：中强碳化物形成元素，可提高焊缝金属强度。此外，Mo可推迟先共析铁素体的转变，并强烈抑制珠光体转变，促进针状铁素体形成，可提高焊缝金属低温韧性。Mo含量在0-1.1％之间变化时，焊缝组织为先共析铁素体、侧板条铁素体和针状铁素体，韧性和强度同时增加，但也促进了M-A组元和贝氏体形成，同时屈强比和延伸率下降。因此，本发明控制Mo含量为0.1-0.4％。

Ti：脱氧元素，且与氮有很强的亲和力。Ti与奥氏体中N反应生成TiN颗粒，可作为针状铁素体的形核核心，能有效阻止晶粒长大，提高焊缝金属低温韧性。本发明将Ti含量控制为Ti 0.01-0.05％

B：在Ti元素的保护下，B在奥氏体晶界偏析，提高晶界能，可有效抑制晶界铁素体和侧板条铁素体的形成，对提高韧性有益。本发明将B含量控制为0.002-0.006％。

P、S：有害元素，可显著降低焊接性能。会降低焊缝金属的低温韧性和抗H₂S应力腐蚀性能，应尽量将P、S控制在一个较低的水平。本发明将其含量控制为P≤0.011％，S≤0.005％。

其余为Fe及不可避免的杂质。

本发明焊丝制备采用行业内通用的常规生产制造工艺，没有特定要求。按上述比例取各组分混合均匀后，经真空炉冶炼，锻造、热轧、拔丝、镀铜、缠轴、包装等工序，即得到焊丝。

上述低温用高强高韧埋弧焊丝化学成分中Mo含量为0.1-0.3％时，Mn:Ni＝3:2-3:7；Mo含量为0.3-0.4％时，Mn:Ni＝4:1-4:3。

一种采用上述低温用高强高韧埋弧焊丝焊接金属的方法，其特征在于：所述的焊丝搭配碱度1.0-2.5烧结焊剂，在电流600-1200A，电压33-42V，总热输入量40-65kJ/cm的条件下制得焊缝金属。焊缝金属组织为超细的交错式针状铁素体，焊缝金属屈服强度为550-700MPa，抗拉强度为680-780MPa，延伸率≥20％，-80℃V型缺口冲击功在100J以上。

与国内现有焊丝相比，本发明的特点至少在于：

1.本发明焊丝成分简单、易于控制，且与碱性烧结焊剂匹配，适用于高级别管线钢(屈服强度达到550-700MPa)的多丝内外埋弧焊接，焊前不需预热，焊后不用热处理，可用于直缝焊管制备的高速埋弧自动焊接，焊接速度可达0.5m/min-3m/min。

2.新型的Mn/Ni/Mo系合金设计确保了焊缝金属强度和极低温冲击韧性的稳定性。对高级别管线钢进行焊接，所得焊缝金属具有很高的强度和极低温冲击韧性，焊缝金属屈服强度达到550-700MPa，抗拉强度达到680-780MPa，-80℃冲击功大于100J，能满足国内各极寒地区油气输送管线建设的需求。

附图说明

图1是焊接的钢板组合厚度为30.8mm+30.8mm的坡口结构示意图；

图2是采用本发明焊丝实施例获得的焊接接头宏观形貌示意图；

图3是发明实施例获得的焊缝金属的金相显微组织图；

图4是发明实施例获得的焊缝金属的韧脆转变温度示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合附图及具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。

以下各实施例均为真空冶炼后经锻造、轧制制成Φ5.0mm盘条，盘条经剥壳-酸洗-拉拔-镀铜制成Φ4.0mm或者其他规格的成品焊丝。

实施例

用本发明所设计的焊丝成分体系冶炼成两种成分焊丝(规格Φ4.0mm)，记为焊丝A1和A2，其化学成分见表1；均搭配碱度1.0-2.5烧结焊剂；用于本发明焊丝与焊剂配合焊接，焊接具体工艺规范为：

1.焊接设备及焊接材料

焊接设备选用全自动6丝多功能钢管焊接试验机。采用单丝Ar+CO₂气体保护焊进行打底焊接，采用4丝高速埋弧焊进行内外焊缝的焊接。

2.焊接试样准备

分别对两块厚度为30.8mm的600MPa级管线钢板的对接接头处开X型非对称坡口，坡口角度为60°，钝边为7mm。

3.焊接工艺及参数

1)在室温条不预热条件下进行焊接，打底焊采用单丝Ar+CO₂气体保护焊，配用直径3mm的H08C实芯焊丝，匀速焊接，中途不停歇。焊接试验工艺参数详见表2。

2)在室温条不预热条件下进行焊接，内外焊采用四丝埋弧焊接，搭配碱度1.0-2.5烧结焊剂，高速自动焊接，焊丝直径为4mm。焊接试验工艺参数详见表3。

采用本发明焊丝进行的管线钢焊接试验，焊后焊接接头外观平整光洁且表面无裂纹。焊缝金属组织为超细的交错式针状铁素体，焊缝金属性能详见表4。

表1：发明的低温用高强高韧埋弧焊丝A1和A2实施例成分

表2：打底焊焊接试验工艺参数

表3：埋弧焊焊接试验工艺参数

表4：发明的低温高韧高强埋弧焊丝A1和A2焊缝金属性能

以上所述，仅是本发明的较佳实例而已。本发明的埋弧焊丝可用于焊接第三代550-700MPa级别低合金高强钢，可焊厚度达30.8mm及以上规格。焊后焊缝成型美观，焊缝金属力学性能满足要求，优异的极低温冲击韧性能满足极寒地区输油气管线及建筑等焊接工程需求。

Claims

1.一种低温用高强高韧埋弧焊丝，其特征在于：以重量百分比计焊丝的化学成分组成为：C 0.06-0.11％，Si 0.08-0.22％，Mn 1.0-3.0％，Ni 1.0-3.0％，Mo 0.1-0.4％，Ti0.01-0.05％，B 0.002-0.006％，P≤0.011％，S≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种低温用高强高韧埋弧焊丝，其特征在于：焊丝化学成分中Mo含量为0.1-0.3％时，Mn:Ni＝3:2-3:7；Mo含量为0.3-0.4％时，Mn:Ni＝4:1-4:3。

3.一种采用权利要求1或2所述焊丝焊接金属的方法，其特征在于：所述的焊丝搭配碱度1.0-2.5烧结焊剂，在电流600-1200A，电压33-42V，总热输入量40-65kJ/cm的条件下制得焊缝金属。

4.根据权利要求3所述的焊接金属的方法，其特征在于：焊缝金属组织为超细的交错式针状铁素体。

5.根据权利要求3所述的焊接金属的方法，其特征在于：焊缝金属屈服强度为550-700MPa，抗拉强度为680-780MPa，延伸率≥20％，-80℃V型缺口冲击功在100J以上。