CN113042928A

CN113042928A - 一种低合金钢管的制备方法

Info

Publication number: CN113042928A
Application number: CN202110437062.9A
Authority: CN
Inventors: 张敏; 张�林; 赵伟玲; 何晓宇; 王博玉; 王雯静; 王怡; 张千玺
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2041-04-22
Also published as: CN113042928B

Abstract

本发明公开了一种低合金钢管的制备方法，采用金属型药芯焊丝为原材料，焊丝按照质量百分比由以下组分组成，硅铁0.72％，锰1.3％，镍7.2‑9％，铬4.2‑5.6％，钼1.3％，钒铁0.85％，硼0.03‑0.08％，钛铁3％，铝0.5％，锆0.08‑0.12％，稀土1％，其余为铁，以上组分含量的质量百分比之和为100％；本发明使用金属型药芯焊丝为原料制备低合金钢管与传统的钢管制备，具有以下优点：生产效率高，管件成形性好，钢管制备过程中不需要过多的设备，成本较低；同时其增材制造用金属型药芯焊丝也可用于国防、能源、石油、化工、宇航和生物工程领域中相似结构件的增材制造。

Description

一种低合金钢管的制备方法

技术领域

本发明属于丝材-电弧增材制造技术领域，具体涉及一种低合金钢管的制备方法。

背景技术

低合金钢因其良好的强度、韧性、焊接性等综合性能，被广泛应用于国防、能源、石油、化工、宇航和生物工程等领域。尤其是低合金管道在石油、化工、能源和市政建设等国民经济的重要部门有着更广泛的应用，在输送石油、天然气以及易燃、易爆、有毒和具有腐蚀性酸、碱介质等重要任务中发挥着举足轻重的作用。因此，保证管道工业的安全运行与发展是与国计民生息息相关的大事，国内外目前都十分重视管道工业。

钢管根据加工方法不同分为无缝钢管和焊接管。无缝钢管是通过穿孔法和高速挤压法得到的。穿孔法是用穿孔机穿孔，并同时用轧辊滚乳，最后用芯棒轧管机定径压延平整成型；高速挤压法是在挤压机中直接挤压成型。焊接管是先将板材卷成管形，然后用电阻焊或埋弧自动焊加工成型，对于厚壁大口径管也可由钢锭经锻造、轧制等工艺加工而成。根据上述管道制造工艺可知，在制造管道时，工艺繁琐，设备需求多，制造成本高。

丝材-电弧增材制造(WAAM)采用熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊或等离子焊为热源，在预先规划的路径上熔化金属丝材，逐层堆积形成金属结构件，然后再通过少量机械加工或不需要后续加工即可满足使用要求，与传统的管道制备工艺相比，不需要过多设备，且生产周期短、成本低、材料的利用率高、自动化程度高。因此研制出一种用于增材制造低合金钢管的金属型药芯焊丝，对管道的制备具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低合金钢管的制备方法，其制备的钢管具有优良的拉伸性能。

本发明所采用的技术方案是：一种低合金钢管的制备方法，具体操作步骤如下：

步骤1、按照质量百分比分别称取硅铁粉0.72％，锰粉1.3％，镍粉7.2-9％，铬粉4.2-5.6％，钼粉1.3％，钒铁粉0.85％，硼粉0.03-0.08％，钛铁粉3％，铝粉0.5％，锆粉0.08-0.12％，稀土1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％；

步骤2、将步骤1称取的合金粉在惰性气体氛围中加热并保温，得到药芯粉末；

步骤3、将步骤2得到的药芯粉末填入低碳钢钢带U型槽内，经过闭合成型轧辊后制成2.50mm的焊丝，并通过逐级减径的方法最终制成1.2mm的金属型药芯焊丝；

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源，采用螺旋上升形成管件的方式进行增材制造，得到低合金钢管。

本发明的特点还在于，

步骤2中惰性气氛为氩气。

步骤2中加热温度为200～300℃，保温时间为2～3h。

步骤4中MAG焊的工艺参数为：焊接速度0.21m/min～0.25m/min；每层焊枪提升4mm～6mm，保护气体为90％Ar+10％CO₂。

本发明金属型焊丝化学成分设计的依据下：

焊丝成分设计思想是采用Cr-Ni-Mo合金系，降低焊丝中C元素的含量，在低碳的基础上添加Cr、Ni、Mo、Mn、Ti、Nb、B等合金元素来降低裂纹敏感指数、保证强度、提高低温韧性。加入Cr、Mo、Mn元素，一方面通过固溶强化提高焊缝金属的强度，另一方面Mo、Mn元素可以推迟奧氏体组织的转变温度，促进针状体素体的形成，细化焊缝金属组织，提高焊缝金属的低温冲击韧性。其中Mn为奧氏体稳定化元素，使奥氏体相变区移向较低的温度，从而使共析反应在较低的碳浓度和温度下进行，抑制其在较高温度下向多边形铁素体相变。同时Cr对强度的提高有一定的作用，可以使钢在具有氧化性的介质中产生一种与基体组织牢固结合的铬铁氧化物的钝化膜，适量的铬元素能提高焊缝金属的强韧性；Mo能提高钢的强度、硬度，细化晶粒，防止回火脆性和过热倾向，提高高温强度、蠕变强度及持久强度，且能够推迟先共析铁素体转变而有利于形成贝氏体结构，少量加入即能够大大提高熔敷金属的强度。Ni的加入可以提高焊缝金属的冲击韧性，特别是低温冲击韧性。镍是奥氏体区无限扩大的元素，在焊接冷却过程中可以大大降低奧氏体的转变温度，从而抑制块状先共析铁素体的形成，有利于促进针状铁素体的形成，且较低的相转变温度也可以保证均匀细小的针状铁素体析出，所以，镍是一种可以促进奥氏体含量并且改善成形件韧性的元素。加入Ti元素可以进一步细化焊缝组织，Ti与O、N形成的TiO和TiN，作为针状体素体形核质点，促进了奧氏体组织晶粒内针状体素体的形成。焊丝中的Si作为主要的脱氧元素，控制Mn、Si含量还可以改善焊接工艺性能。Al在焊接过程中会形成Al₂O₃，针状体素体以Al₂O₃夹杂物为核心进行多维形核并呈放射状生长，随着Al含量的增加，针状铁素体先增加后减少，保证了焊缝的冲击韧性。适量的Zr会与氧结合生成高密度分布细小的ZrO₂，可以为针状铁素体提供了大量的形核点，并在小氛围形成了有利于针状铁素体的转变的夹杂分布，改善冲击韧性，同时这些细小的含锆氧化物和氮化物在热循环过程中能够通过钉扎作用抑制奥氏体晶粒长大，提高冲击韧性。通过加入稀土元素起到变质以及净化的作用。

本发明的有益效果是：

1.本发明采用一种金属型药芯焊丝作为制备钢管的原料，其制备周期短，生产效率高，可以实现连续生产，其可以用于低合金钢管的增材制造。

2.本发明提供了一种以MAG焊为热源，金属型药芯焊丝为原材料，基于增材制造技术制备低合金钢管的方法；使用增材制造低合金钢管，效率高，所需设备少，生产成本低；本发明增材制造过程中飞溅少、电弧稳定，焊缝成型美观、基本无塌陷现象；本发明基于MAG焊，使用金属型药芯焊丝增材制造的低合金钢管具有优良的力学性能(抗拉强度为576Mpa)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

一种金属型药芯焊丝，按质量百分比由以下成分组成：硅铁0.72％，锰1.3％，镍7.2-9％，铬4.2-5.6％，钼1.3％，钒铁0.85％，硼0.03-0.08％，钛铁3％，铝0.5％，锆0.08-0.12％，稀土1％，其余为铁，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

本发明基于金属型药芯焊丝为原料制备低合金钢管的方法，具体按照以下方法制备：

步骤1、按照质量百分比分别称取硅铁粉0.72％，锰粉1.3％，镍粉7.2-9％，铬粉4.2-5.6％，钼粉1.3％，钒铁粉0.85％，硼粉0.03-0.08％，钛铁粉3％，铝粉0.5％，锆粉0.08-0.12％，稀土1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

步骤2、将步骤1得到的组分混匀后置于管式炉中，持续通入氩气，并在200℃～300℃下，保温2h～3h。

步骤3、将宽度为7mm、厚度0.3mm的低碳钢钢带(成分如表1中所示)放置在焊丝成型机的放带机上，通过成型机的压槽将低碳钢钢带轧制成U型槽，将步骤2得到的药芯粉末放入U型槽中，药芯粉末的填充率控制在20-25wt％，然后用成型机使U型槽碾压闭合，用丙酮或无水乙醇擦拭干净再进行拉拔，直至直径为1.2mm，用蘸有丙酮或无水乙醇的棉布擦拭焊丝上的油污，最终经拉丝机把焊丝拉直、盘成圆盘、密封包装，完成金属型药芯焊丝制备。

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的低合金钢管，其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.21～0.25m/min；每层焊枪提升4～6mm；保护气体为90％Ar+10％CO₂。

实施例1

步骤1：按质量百分比分别称取硅铁粉0.72％，锰粉1.3％，镍粉7.2％，铬粉4.2％，钼粉1.3％，钒铁粉0.85％，硼粉0.03％，钛铁粉3％，铝粉0.5％，锆粉0.08％，稀土1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀并置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在200℃下保温2h。

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的低合金钢管，其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.25m/min；每层焊枪提升4mm；保护气体为90％Ar+10％CO₂。

本发明制备的低合金钢管的抗拉强度为516.4Mpa。

实施例2

步骤1：按质量百分比分别称取硅铁粉0.72％，锰粉1.3％，镍粉8％，铬粉5％，钼粉1.3％，钒铁粉0.85％，硼粉0.05％，钛铁粉3％，铝粉0.5％，锆粉0.1％，稀土1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在230℃下保温3h。

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的低合金钢管，其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.23m/min；每层焊枪提升5mm；保护气体为90％Ar+10％CO2。

本发明制备的低合金钢管的抗拉强度为576Mpa。

实施例3

步骤1：按质量百分比分别称取硅铁粉0.72％，锰粉1.3％，镍粉9％，铬粉5.6％，钼粉1.3％，钒铁粉0.85％，硼粉0.08％，钛铁粉3％，铝粉0.5％，锆粉0.12％，稀土1％，其余为铁粉，以上组分含量的质量百分比之和为100％。

步骤2：将步骤1称取的所有原料混合均匀，置于管式炉中，持续通入氩气的条件下，在250℃下保温2.5h。

步骤4、将制备好的金属型药芯焊丝装入全自动焊接机器人，并规划焊接路径、确定层高并编写程序输入至焊接机器中，运行焊接机器命令，采用MAG焊为热源进行增材制造即得到本发明的低合金钢管，其中焊接工艺的具体参数为：焊接速度为0.21m/min；每层焊枪提升6mm；保护气体为90％Ar+10％CO₂。

本发明制备的低合金钢管抗拉强度为562.4Mpa。

表1实施例中1-3所使用的低碳钢带化学成分(质量分数％)

C	Mn	S	P	Fe
					0.021	0.15	0.008	0.009	余量

本发明的技术方案，所采用的药芯焊丝与实心焊丝相比，药芯焊丝通过钢皮里面的药芯在焊接过程中将合金元素过渡到焊缝中，因此调整合金成份的含量很方便，实芯焊丝每调整一次合金成分需要重新冶炼；并且实芯焊丝在拉拔过程中，有的钢锭拉拔性很差，不易拉拔成所需要的焊丝。

本发明采用MAG焊作为制备低合金钢管的热源，与CO₂气体保护焊相比，MAG焊电弧稳定，熔滴过渡稳定，焊接飞溅少，焊缝成形性好；与TIG焊相比，MAG焊采用焊丝作为电极，焊丝和电流密度大，焊丝熔化效率高，焊接变形小，生产率高，适合自动化生产，且TIG焊在焊接过程中钨级有少量的熔化和蒸发，钨微粒进入熔池会造成夹钨，影响焊接质量。

基于MAG焊，本发明使用金属型药芯焊丝为原料制备低合金钢管，具有以下优点：生产效率高，管件成形性好，钢管制备过程中不需要过多的设备，成本较低；焊接过程中飞溅小，熔滴过渡稳定。本发明专利实例所制备的低合金钢管的抗拉强度为516.4Mpa～576Mpa。

Claims

1.一种低合金钢管的制备方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种低合金钢管的制备方法，其特征在于，步骤2中惰性气氛为氩气。

3.根据权利要求1所述的一种低合金钢管的制备方法，其特征在于，步骤2中加热温度为200～300℃，保温时间为2～3h。

4.根据权利要求1所述的一种低合金钢管的制备方法，其特征在于，步骤4中MAG焊的工艺参数为：焊接速度0.21m/min～0.25m/min；每层焊枪提升4mm～6mm，保护气体为90％Ar+10％CO₂。