專利名稱：高性能管線鋼埋弧焊焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能管線鋼埋弧焊焊絲，更具體地說是一種與堿性燒結(jié)焊劑匹配使用，用于焊接控軋控冷微合金化管線鋼的焊絲，焊后焊縫能滿足輸送濕含H2S天然氣抗腐蝕性能的要求。
石油工業(yè)的發(fā)展已給管線鋼、焊接材料及焊接技術(shù)提出了新的要求。國內(nèi)管線焊接一般使用按國標(biāo)生產(chǎn)的焊接材料，近來也開發(fā)了微合金化管線焊絲。國內(nèi)外用于管線鋼埋弧焊焊絲有82年英國申請的GB 2 090 615 A“微鉬或無鉬的焊接材料”，其合金系為C-Mn-Cr-(Mo)-Ti-B；92年冶金部鋼鐵研究總院等申請了“低碳微合金化埋弧焊絲”，專利號92 105621.4，其合金系為C-Mn-Mo；這些焊絲不足之處在于難以同時保證高的強(qiáng)度及韌性；當(dāng)管線鋼板厚增加時，需要進(jìn)行大線能量多層焊，焊縫強(qiáng)度及韌性均有明顯下降。97年武漢鋼鐵(集團(tuán))公司開發(fā)了“低合金高強(qiáng)度高韌性埋弧焊絲”，專利號97 104393.0，該焊絲與傳統(tǒng)焊絲相比，性能有了較大的提高，但也僅較為適宜590MPa及以下強(qiáng)度級別鋼的焊接。
本發(fā)明的目的是提供一種高性能管線鋼埋弧焊焊絲，能克服上述焊絲之不足，適宜于590MPa及以上強(qiáng)度級別管線鋼的焊接，與堿性燒結(jié)焊劑匹配，焊后焊縫抗拉強(qiáng)度≥590MPa，-20℃焊縫沖擊功≥150J，焊縫硬度≤240 Hv10；焊縫S、P含量低，純凈度高，能滿足輸送濕含H2S天然氣抗腐蝕性能的要求。
本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，設(shè)計了一種高性能管線鋼埋弧焊焊絲，其特征是焊絲的化學(xué)成分(按重量％)含有C 0.05～0.12,Si 0.005～0.100,Mn1.20～1.90,Ni 0.10～0.50,Cr 0.10～0.50,Ti 0.04～0.12,B 0.002～0.012,余量為Fe和不可避免的S、P。
本發(fā)明的焊絲成分設(shè)計與所施焊的管線鋼母材材質(zhì)及匹配的堿性燒結(jié)焊劑密切相關(guān)，焊絲合金元素對焊縫性能有很大的影響作用。
對于管線鋼而言，隨著油氣資源轉(zhuǎn)向海洋、山丘、沙漠、高原及高寒地帶，管線用鋼的強(qiáng)度和韌性不斷提高。590MPaX70鋼是管線鋼主導(dǎo)鋼種，更高強(qiáng)度級別的管線鋼逐步開發(fā)應(yīng)用。X70鋼的性能如表1所示。
表1 X70鋼力學(xué)性能
輸送含腐蝕介質(zhì)的天然氣管線鋼要求較高的抗應(yīng)力腐蝕尤其是抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能。影響管線鋼焊接接頭抗H2S應(yīng)力腐蝕性能的主要因素有1)被輸氣體壓力和含水度；2)焊接接頭的硬度；3)焊接接頭的殘余應(yīng)力；4)焊接接頭的組織；5)焊絲含S量。為了滿足這些要求，管線鋼焊接接頭必須具有較高的沖擊韌性，較低的硬度(≤240 Hv10)、焊縫組織應(yīng)以針狀鐵素體為主、焊縫中的硫含量不大于0.005％。
本發(fā)明設(shè)計的焊絲中C控制在0.05～0.12％，C元素含量對焊縫的強(qiáng)韌性及其組織組成有較大的影響。當(dāng)C含量較低時，焊縫強(qiáng)度較低，焊縫金屬中鐵素體比例較高。當(dāng)C含量較高時，焊縫韌性下降，焊縫中珠光體比例增加。因此C含量過高或過低均會影響焊縫中針狀鐵素體含量。
本發(fā)明焊絲中Si控制在0.005～0.100％，才能使焊縫中含Si量控制在0.3％以下。由于管線鋼焊縫中母材金屬所占比重大，焊劑及母材含Si量較高，焊絲中的含Si量應(yīng)控制在較低水平。
本發(fā)明的焊絲中Mn控制在1.20～1.90％，Mn是焊縫強(qiáng)韌化的有效元素，在焊縫中有利于脫氧，防止引起熱裂紋的鐵硫化物的形成。當(dāng)焊縫中Mn含量在1.00～1.60％時，焊縫強(qiáng)韌性達(dá)到較佳的匹配。
本發(fā)明的焊絲中Ni為0.10～0.50％，Ni有利于提高焊縫金屬的韌性尤其是低溫沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。Ni含量太高時，焊絲強(qiáng)度及硬度過高，Ni含量導(dǎo)致焊縫與母材成分差別大，在濕含H2S介質(zhì)中抗腐蝕性能大大降低，焊絲成本增加。
本發(fā)明的焊絲中含有Cr 0.10～0.50％，焊縫中含一定的Cr元素有利于提高焊縫中針狀鐵素體含量，減少先共析鐵素體，并有細(xì)化鐵素體晶粒的作用，提高焊縫強(qiáng)韌性。Cr還有助于保持焊縫熱處理后性能維持在較高的水平。
本發(fā)明的焊絲中加入Ti可以細(xì)化焊縫金屬組織。Ti與N具有極高的親和力，Ti與N結(jié)合成TiN質(zhì)點，作為晶核，促使焊縫中針狀鐵素體的形成。為使焊縫金屬中Ti的含量在0.01～0.04％，考慮到一定的過渡系數(shù)，焊絲中的Ti含量可提高為0.04～0.12％。
本發(fā)明的焊絲中加入0.002～0.012％B，可使焊縫中B含量控制在0.001～0.004％，固溶的B在奧氏體晶界聚集降低晶界能量，能控制先共析鐵素體的析出，B還能推遲奧氏體→鐵素體相轉(zhuǎn)變溫度，有利于晶粒內(nèi)針狀鐵素體的形成。
S、P元素是焊縫中的主要有害元素，它們顯著降低焊縫金屬低溫沖擊韌性。為了保證管線鋼焊縫有較高的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能，焊縫中S含量應(yīng)低于0.005％。S是焊絲中不可避免的元素，焊絲鋼冶煉時應(yīng)盡量降低S含量。本發(fā)明焊絲與低S含量的堿性類焊劑如自貢大西洋焊接材料有限公司產(chǎn)的CHF101、CHF105類焊劑匹配使用，焊接低S管線鋼，焊接冶金反應(yīng)過程能進(jìn)一步降低焊縫中的S含量。
管線鋼焊接接頭要求較好的機(jī)械性能，特別是較高的低溫沖擊韌性、焊后熱處理性能及有較好的抗H2S腐蝕性能。本焊絲在化學(xué)成分設(shè)計上充分考慮了這些要求，因此選配堿性燒結(jié)焊劑作為最佳匹配焊劑。焊絲中C、Mn、Ni保證焊縫足夠的強(qiáng)度，提高焊縫的韌性；適量的Cr對焊縫有強(qiáng)化作用，并能增加焊縫對焊后熱處理的適應(yīng)性。微量Ti、B有利于抑制焊縫中奧氏體晶粒長大，推遲奧氏體到鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度，促使焊縫金屬晶內(nèi)針狀鐵素體的形成，細(xì)化二次晶粒。低S、P含量提高焊縫純凈度和性能，保證焊縫較好的抗H2S應(yīng)力腐蝕性能。
本發(fā)明焊絲采用電爐冶煉，冶煉時控制焊絲中的氣體含量。
含有本發(fā)明焊絲的化學(xué)成分還可制成其它形式焊接用填充金屬，如焊條、氣保焊絲和焊接帶極。
本發(fā)明高性能管線鋼埋弧焊焊絲具有如下優(yōu)點1、本焊絲鋼冶煉工藝穩(wěn)定易于實現(xiàn)，鋼坯的軋制及焊絲的拉撥、鍍銅等性能較好。
2、本發(fā)明焊絲用于590MPa及以上強(qiáng)度級別管線鋼和其它結(jié)構(gòu)鋼焊接，焊縫強(qiáng)度高，沖擊韌性優(yōu)于現(xiàn)有焊絲，具有較好抗H2S應(yīng)力腐蝕等性能；焊縫強(qiáng)度及韌性完全能與高性能的基材匹配。
3、采用本發(fā)明焊絲施焊能適應(yīng)管線鋼雙絲或多絲及前后及內(nèi)外絲高速焊接的工藝特點。
下面用實施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明焊絲實施例1用電爐冶煉本發(fā)明焊絲，其化學(xué)成分(按重量％)為C 0.053,Si 0.054,Mn 1.41,Ni 0.36,Cr 0.29,Ti 0.086,B 0.005,P 0.013,S 0.008,余量為Fe。焊絲與錦州焊劑廠生產(chǎn)的SJ1O1焊劑匹配，焊接10mm厚590MPa管線鋼，鋼的化學(xué)成分(按重量％)主要含有C 0.090,Si 0.238,Mn 1.335,Ni 0.012,Ti 0.016,B 0.0047,P 0.012,S 0.007。焊接工藝為I型坡口，正反面各焊一道，反面不清根。焊接工藝參數(shù)為焊接電流第一面680 A，第二面800 A，焊接電壓第一面32 V，第二面34 V，焊速1.1 m/min。
焊接接頭按API5LS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗，冷彎性能合格，焊縫沖擊功Akv(-30℃)=161J。焊接接頭在580℃×1h條件下熱處理后，焊縫沖擊功Akv(-30℃)=108J。本發(fā)明焊絲對焊接線能量有較強(qiáng)的適應(yīng)性，焊接接頭熱處理后仍能保持較好的強(qiáng)韌性。
實施例2用電爐冶煉本發(fā)明焊絲，其化學(xué)成分(按重量％)C 0.058,Si 0.091,Mn 1.76,Ni 0.40,Cr 0.416,Ti 0.049,B 0.0047,P 0.006,S 0.0045,余量為Fe。焊絲與CHF101或CHF105焊劑匹配，焊接10mm厚X70H管線鋼板，焊接工藝及檢驗標(biāo)準(zhǔn)與前述相同。焊接接頭冷彎性能合格，拉伸和硬度檢驗結(jié)果如表2所示。焊縫沖擊檢驗結(jié)果如表3所示。
表2 X70管線鋼焊接接頭拉伸驗
表3焊接接頭沖擊檢驗
實施例3用實施例2的焊絲、鄭州焊劑廠生產(chǎn)的GXHJ-1焊劑，采用雙絲和多絲內(nèi)外焊工藝焊接管線鋼，焊接武鋼產(chǎn)的X70管線鋼，焊后檢驗接頭σb為640MPa，Akv(-20℃)=240 J。對寶鋼產(chǎn)的X70管線鋼進(jìn)行雙絲埋弧焊，焊后檢驗接頭σb為695MPa，Akv(-20℃)=158 J。本發(fā)明焊絲對焊劑及焊接工藝適應(yīng)性較強(qiáng)。焊接接頭抗H2S腐蝕性能如表4及表5所示。
表4對接接頭抗SSC性能
表5對接接頭抗HIC性能
SSC檢驗的Sc值均大于12，滿足抗SSC要求。
CLR(裂紋長度率)、CTR(裂紋厚度率)、CSR(裂紋敏感率)均低于目前國際上輸送濕含H2S油氣管道廣泛采用的抗HIC指標(biāo)，即CLR≤15％,CTR≤3％,CSR≤1.5％。
綜上所述，本發(fā)明是一種高強(qiáng)度、高韌性、綜合性能優(yōu)良的埋弧焊焊絲，特別適合于微合金化控軋控冷的590MPa及以上強(qiáng)度級別高性能管線鋼的埋弧焊接，同時適用于相應(yīng)強(qiáng)度級別高強(qiáng)度低合金鋼的埋弧焊接。
權(quán)利要求
1.一種高性能管線鋼埋弧焊焊絲，其特征是焊絲的化學(xué)成分(按重量％)含有C 0.05～0.12,Si 0.005～0.100,Mn 1.20～1.90,Ni 0.10～0.50,Cr0.10～0.50,Ti 0.04～0.12,B 0.002～0.012,余量為Fe和不可避免的S、P。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高性能管線鋼埋弧焊焊絲,其化學(xué)成分(按重量%)含有:C0.05～0.12,Si0.005～0.100,Mn1.20～1.90,Ni0.10～0.50,Cr0.10～0.50,Ti0.04～0.12,B0.002～0.012,與堿性燒結(jié)焊劑匹配焊接管線鋼,能適應(yīng)雙絲或多絲前后及內(nèi)外絲高速埋弧焊工藝。焊縫的抗拉強(qiáng)度≥590MPa,－20℃沖擊功≥150J,硬度≤240Hv10,S、P含量低,純凈度高,最適合焊接輸送濕含H
文檔編號B23K35/24GK1305879SQ01106520
公開日2001年8月1日 申請日期2001年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月28日
發(fā)明者黃治軍, 繆凱, 曹修悌, 王玉濤, 劉吉斌, 朱學(xué)剛 申請人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司