專利名稱：高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊焊絲的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多元合金化的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊焊絲，具體地說(shuō)是一種與堿性燒結(jié)焊劑匹配焊接時(shí)，焊接熔敷金屬抗拉強(qiáng)度高于650MPa的高強(qiáng)度管線鋼及其它低合金高強(qiáng)度鋼用埋弧焊焊絲。
背景技術(shù)：
隨著先進(jìn)鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，低合金高強(qiáng)鋼性能不斷提高。管線鋼則代表了當(dāng)今低合金高強(qiáng)鋼的先進(jìn)水平。API X80鋼是國(guó)際上主要管線鋼品種，在我國(guó)也將逐步得到應(yīng)用。管線鋼含S量越來(lái)越低，鋼質(zhì)越來(lái)越純。金相組織為鐵素體加貝氏體，晶粒直徑達(dá)到數(shù)微米。管線鋼強(qiáng)度及韌性得到同時(shí)提高，而其碳當(dāng)量及Pcm值仍控制在較低水平，甚至有所降低。
焊接接頭強(qiáng)韌性是由焊縫化學(xué)成分及焊接熱循環(huán)等條件決定，焊縫合金化則是焊縫強(qiáng)韌化的主要途徑。常見(jiàn)的合金化元素有Mn、Ni、Cr及Mo等，微合金化元素為T(mén)i及B等。對(duì)于不同強(qiáng)韌性的鋼種采用相應(yīng)的合金組合和合金含量，達(dá)到所需要的強(qiáng)韌性。
隨著鋼種強(qiáng)度的提高，焊接接頭產(chǎn)生淬硬組織的傾向也隨之增加。為降低焊接應(yīng)力，有時(shí)需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理。另外，大口徑管線往往采用多絲及前后焊絲焊接工藝，后道焊縫對(duì)前道焊縫有熱影響作用。焊縫應(yīng)該具有較好的熱處理性能。對(duì)于有抗硫化物應(yīng)力腐蝕性能要求的管線鋼焊接接頭，還必須具有較高的沖擊韌性，較低的硬度即≤248Hv10合適的焊縫組織，其主要以針狀鐵素體為主及較低的焊縫硫含量即S≤0.005％。
X80鋼種，要求抗拉強(qiáng)度最小值為620MPa，實(shí)物值則達(dá)到690MPa，-20℃沖擊韌性也達(dá)到200～300J?，F(xiàn)有用于X70鋼種的埋弧焊絲抗拉強(qiáng)度為550～620MPa，其使用的焊絲如中國(guó)專利其專利號(hào)為92 1 05621.4及專利號(hào)97 1 04393.0的兩項(xiàng)專利，如要與X80鋼強(qiáng)度匹配，焊絲焊縫金屬抗拉強(qiáng)度達(dá)670～740MPa，且具有優(yōu)良的韌性，顯然存在不匹配性。中國(guó)專利專利號(hào)為ZL 01 106520.6的專利，其含有Cu、Zr，雖然其焊縫金屬抗拉強(qiáng)度可達(dá)到590Mpa，且具有較高韌性，但其不足Cu對(duì)鋼種的沖擊韌性不利，存在沉淀硬化現(xiàn)象，而導(dǎo)致焊縫熱處理后熱脆性增加，對(duì)焊縫熱處理性能不利，并且微量元素含的種類較多，不利與冶煉工藝的控制，增加了冶煉難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種Ti、B微合金化、以Ni、Cr、Mo為主要元素合金化的，且與X80管線鋼及其它要求強(qiáng)度級(jí)別在620~740MPa的鋼相匹配、有優(yōu)良焊后熱處理性能的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊焊絲。
本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，焊絲的化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。
其在于Ni的重量百分比為0.25～0.50。
其在于Ni的重量百分比為0.3～0.45。
其在于Cr的重量百分比為0.25～0.50。
其在于Cr的重量百分比為0.30～0.45。
其在于Ti的重量百分比為0.06～0.12。
其在于Ti的重量百分比為0.08～0.10。
其在于B的重量百分比為0.004～0.01。
其在于B的重量百分比為0.006～0.008。
本發(fā)明焊絲與堿性燒結(jié)焊劑CHF101或SJ101、CHF101、CHF105匹配進(jìn)行埋弧焊接。
各種主要合金元素對(duì)焊縫金屬性能的作用及影響分析如下。
C元素含量對(duì)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(shí)，焊縫強(qiáng)度較低，焊縫金屬中鐵素體比例較高。當(dāng)C含量過(guò)高時(shí)，焊縫韌性下降，焊縫中珠光體比例增加。因此C含量過(guò)高或過(guò)低均會(huì)影響焊縫中針狀鐵素體含量。焊絲中C的重量百分比為0.04～0.12范圍內(nèi)。
Si元素在焊縫中的含量控制在的重量百分比0.3下時(shí)，韌化效果較好，裂紋敏感性較低。由于焊劑及母材含Si量一般較高，焊絲中的含Si量應(yīng)控制在較低水平。焊絲中Si的重量百分比含量控制在0.005～0.100范圍內(nèi)。
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。焊縫中含有較高的Mn時(shí)，焊縫針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變起始溫度低，轉(zhuǎn)變溫度范圍大，最終可提高焊縫中針狀鐵素體體積比。焊絲中Mn的重量百分比控制在1.20～2.00。
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能減少先共析鐵素體含量并改善焊縫韌性。Ni含量太高時(shí)，焊絲強(qiáng)度及硬度過(guò)高，含量超過(guò)3.5％時(shí)，低溫沖擊韌性顯著下降。Ni含量過(guò)高還導(dǎo)致焊縫與母材成分差別大，同時(shí)焊絲成本增加。焊絲中Ni的重量百分比含量為0.10～0.60，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。焊絲中Cr的重量百分比含量為0.10～0.60。
Mo元素能有效提高焊縫的強(qiáng)度。但是當(dāng)焊縫中Mo的重量百分比含量超過(guò)0.6時(shí)，低溫沖擊韌性將明顯下降。
焊縫中含有Ni、Mo及Cr能有效提高焊縫抗酸選擇性腐蝕性能。
Ti、B元素焊縫中適量的Ti可形成大量彌散分布的細(xì)小TiN或Ti2O3質(zhì)點(diǎn)，這些質(zhì)點(diǎn)可以作為焊縫凝固時(shí)針狀鐵素體的非均質(zhì)形核核心，促使焊縫中形成大量細(xì)針狀鐵素體。焊絲中加入Ti可以細(xì)化焊縫金屬組織。為使焊縫金屬中Ti的重量百分比含量在0.01～0.04，考慮到一定的過(guò)渡系數(shù)，焊絲中的Ti的重量百分比含量可提高為0.04～0.15。
焊絲中加入重量百分比為0.002～0.012的B，可使焊縫中B的重量百分比含量控制在0.001～0.004，固溶的B在奧氏體晶界聚集降低晶界能量，抑制先共析鐵素體和側(cè)板條馬氏體的形成。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，并細(xì)化二次晶粒。
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。同時(shí)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的重量百分比含量應(yīng)小于0.005。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(guò)程能進(jìn)一步降低焊縫中的S含量。
本發(fā)明焊絲采用電爐冶煉，冶煉時(shí)控制焊絲中的氣體含量。
總之，本發(fā)明焊絲采用Ni、Mo、Cr合金化及Ti、B微合金化，擴(kuò)大了焊縫針狀鐵素體轉(zhuǎn)變的區(qū)域，從而有效提高了焊縫中針狀鐵素體含量，提高了焊縫強(qiáng)度，使焊縫的沖擊韌性尤其是低溫沖擊韌性仍保持在較高水平。盡量降低焊縫中的S、P等有害元素的含量，嚴(yán)格控制焊縫中的氣體含量。通過(guò)上述方法，從焊縫成分及焊縫組織方面保證了焊縫優(yōu)良的強(qiáng)韌性及耐腐蝕性能。
本發(fā)明高性能管線鋼埋弧焊焊絲具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明焊絲在焊縫中產(chǎn)生以針狀鐵素體為主的組織結(jié)構(gòu)。針狀鐵素體是通過(guò)形核和生長(zhǎng)反應(yīng)在奧氏體內(nèi)部生成的，其內(nèi)部包含有大密度的位錯(cuò)。鐵素體針?lè)浅＜?xì)小，平均尺寸約為1μm，且鐵素體針取向自由，呈大角度晶界，具有較強(qiáng)的抗裂紋擴(kuò)展能力。
2、本發(fā)明焊絲用于X80管線鋼及其它相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別的高強(qiáng)度鋼(抗拉強(qiáng)度620～740MPa)的埋弧焊接，焊縫具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，綜合性能性完全能滿足高性能基材焊接技術(shù)條件。
3、本發(fā)明焊絲焊縫具有優(yōu)良焊后熱處理性能，能適用于有焊后熱處理要求的焊接結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)管線鋼雙絲或多絲、前后絲及內(nèi)外絲高速焊接工藝。
4、本發(fā)明焊絲采用價(jià)格較便宜的Ni、Cr作為主合金化元素，能保證焊縫較高的強(qiáng)韌性，且有效地控制了焊絲成本。本發(fā)明焊絲與堿性燒結(jié)焊劑匹配焊接，焊后焊縫抗拉強(qiáng)度達(dá)690MPa，X80管線鋼焊縫-20℃焊縫沖擊功達(dá)144J，-40℃達(dá)118J。焊縫硬度≤240HV10；焊縫S、P含量低，純凈度高，能保證具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。
5、本焊絲鋼冶煉工藝穩(wěn)定易于實(shí)現(xiàn)，鋼坯的軋制及焊絲的拉撥、鍍銅等性能較好。
具體實(shí)施例方式
下面用實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明焊絲
實(shí)施例1用0.5噸電爐冶煉本發(fā)明焊絲，其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。本發(fā)明焊絲與CHF101或CHF105焊劑匹配，焊接17.5mm厚X80管線鋼板，試板為雙V型坡口，鈍邊5mm，單側(cè)坡口角度40°。鋼的化學(xué)成分重量百分比為C0.045，Si0.27，Mn1.79，Ni0.28，Mo0.35，Cu0.23及其它微合金化元素Ti及Nb。鋼的力學(xué)性能為Rel＝615Mpa，Rm＝680MPa，Akv(-20℃)為330J。填充焊道焊接工藝參數(shù)為焊接電流約630A，焊接電壓約33V，焊速約0.8cm/min。焊接道次為七道。與CHF101匹配，焊縫拉伸性能Rel＝680MPa，Rm＝740MPa，A＝21.5％，Z＝73.5％，-20℃沖擊功焊縫為144J，熱影響區(qū)為98J；與CHF105匹配，焊縫拉伸性能Rel＝690MPa，Rm＝730MPa，A＝25.5％，Z＝75.0％，-20℃沖擊功焊縫為127J，熱影響區(qū)為257J，-40℃焊縫為118J，熱影響區(qū)為198J。焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷于基材，冷彎試驗(yàn)d＝2a，120°完好。焊縫硬度為220～238HV10。焊接接頭綜合機(jī)械性能完全滿足X80鋼技術(shù)要求。焊接接頭組織為針狀鐵素體加先共析鐵素體，母材組織為貝氏體。
焊接接頭經(jīng)580℃+1h熱處理后，焊縫金相組織為針狀鐵素體加先共析鐵素體，硬度與基材相近，焊縫強(qiáng)度ReL＝720MPa，Rm＝770MPa，高于未進(jìn)行熱處理的焊縫的強(qiáng)度。熱處理后-20℃沖擊功焊縫為104J，熔合線為119J，熱影響區(qū)為149J。
實(shí)施例2用0.5噸電爐冶煉本發(fā)明焊絲，其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。本發(fā)明焊絲與CHF101焊劑匹配，采用較大線能量焊接17.5mm厚X80管線鋼板，試板為雙V型坡口，鈍邊10mm，坡口角度80°。填充焊道焊接焊接電流～750A，焊接電壓32V，焊速0.6cm/min。焊縫力學(xué)性能為Rel＝620MPa，Rm＝700MPa，A＝21.0％，Z＝75.0％。焊接接頭拉伸試驗(yàn)斷于基材。焊接接頭沖擊功焊縫Akv(-20℃)175J，熔合線192J，熱影響區(qū)188J。采用較大線能量，焊接坡口顯著減少，焊接道次為三道。大大減少焊接填充量，提高焊接效率。
實(shí)施例3用0.5噸電爐冶煉本發(fā)明焊絲，其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。與CHF101匹配，焊接15mm厚X80鋼。焊接試板為雙V型坡口，鈍邊8mm，單側(cè)坡口角度40°。焊接工藝參數(shù)為焊接電流700A，焊接電壓31V，焊速60cm/min。焊縫力學(xué)性能為Rel＝690MPa，Rm＝735MPa，A＝23％，Z＝72％，Akv(-20℃)＝170J，Akv(-40℃)＝135J。焊縫沖擊功有較大富余。焊縫組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體，母材組織回火索氏體。
實(shí)施例4用0.5噸電爐冶煉本發(fā)明焊絲，其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。與SJ101匹配，焊接19mm厚HG70鋼。鋼的化學(xué)成分重量百分比為C 0.090，Si 0.27，Mn 0.99，P 0.013，S 0.005，Mo0.28，Cr0.41。鋼板熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)。鋼的力學(xué)性能為Rel≥590MPa，Rm≥690MPa，Akv(-20℃)≥27。焊接試板為V型坡口，鈍邊5mm，單側(cè)坡口角度30°。焊接工藝參數(shù)為焊接電流600A，焊接電壓31V，焊速32cm/min。焊縫力學(xué)性能為Rel＝700MPa，Rm＝750MPa，A＝24％，Z＝69％，Akv(-20℃)＝82J。焊接接頭沖擊韌性滿足該鋼(HG70鋼)對(duì)韌性的要求Akv(-20℃)≥27J。焊縫沖擊功有較大富余。焊縫組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體，母材組織回火索氏體。
實(shí)施例5用0.5噸電爐冶煉本發(fā)明焊絲，其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。與CHF101匹配，焊接14mm厚的WQK590鋼。鋼的化學(xué)成分重量百分比為C 0.090，Si 0.27，Mn 0.99，P 0.013，S 0.005，Mo0.28，Cr0.41。鋼板熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)狀態(tài)。鋼的力學(xué)性能為Rel＝645MPa，Rm＝720MPa。焊接試板為V型坡口，鈍邊5mm，單側(cè)坡口角度30°。焊接工藝參數(shù)為焊接電流600A，焊接電壓31V，焊速32cm/min。焊縫力學(xué)性能為Rel＝575MPa，Rm＝690MPa，A＝27％，Z＝67％，Akv(-20℃)＝120J。焊接接頭沖擊韌性滿足WQK590鋼對(duì)韌性的要求Akv(-20℃)≥27J。焊縫沖擊功有較大富余。焊縫組織為針狀鐵素體+先共析鐵素體，母材組織回火索氏體。
權(quán)利要求
1.高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊焊絲，其特征在于焊絲的化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于Ni的重量百分比為0.25～0.50。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于Ni的重量百分比為0.3～0.45。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于Cr的重量百分比為0.25～0.50。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于Cr的重量百分比為0.3～0.45。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于Ti的重量百分比為0.06～0.12。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于Ti的重量百分比為0.08～0.10。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于B的重量百分比為0.004～0.01。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊絲，其特征在于B的重量百分比為0.006～0.008。
全文摘要
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊焊絲，其解決的問(wèn)題由于Cu存在沉淀現(xiàn)象，導(dǎo)致在冶煉及熱處理中，易使Cu產(chǎn)生析出并使鋼種硬化，且微量元素含的較多，不利于冶煉工藝控制等。技術(shù)措施其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe。本發(fā)明與堿性燒結(jié)焊劑匹配焊接，焊縫的抗拉強(qiáng)度高于650MPa。焊接X(jué)80管線鋼，焊縫強(qiáng)度達(dá)740MPa，－20℃沖擊功高于120J，焊縫S、P含量低，純凈度高，適用于X80高強(qiáng)度管線鋼及其它相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別低合金鋼抗拉強(qiáng)度在620～740MPa的埋弧焊接。
文檔編號(hào)B23K35/30GK1709634SQ20051001899
公開(kāi)日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者黃治軍, 繆凱, 曹修悌, 王玉濤, 劉吉斌, 張小楓, 陳浮 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司