一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接材料領(lǐng)域，具體涉及一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥 芯焊絲，尤其適用于高鋼級(jí)管道(X80，X90，X100)的全位置自保護(hù)焊接用藥芯焊絲。
【背景技術(shù)】
[0002] 自保護(hù)藥芯焊絲自問世以來經(jīng)過了近50年的發(fā)展，已經(jīng)從最初的以追求工藝性能 為主發(fā)展到目前的高強(qiáng)、高韌且能夠進(jìn)行全位置焊接的高品質(zhì)自保護(hù)藥芯焊絲。作為一種 高效、便捷、經(jīng)濟(jì)的新型焊接材料，自保護(hù)藥芯焊絲在油氣管道、海洋平臺(tái)等領(lǐng)域得到了廣 泛應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。自保護(hù)藥芯焊絲除具有藥芯焊絲的特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu) 點(diǎn):①不需外加保護(hù)氣源，可以使用現(xiàn)有氣體保護(hù)焊接設(shè)備改裝，降低了設(shè)備更新成本并更 便于操作;②具有優(yōu)良的抗風(fēng)能力，通常能在4級(jí)風(fēng)下順利施焊;③優(yōu)良的抗銹能力。自保護(hù) 藥芯焊絲作為一種高效及適合室外作業(yè)的焊接材料，在石油管道、船舶、鉆井平臺(tái)等焊接領(lǐng) 域備受青睞，尤其是在我國(guó)西氣東輸管道工程中管線鋼的環(huán)縫焊接相當(dāng)一部份采用自保護(hù) 藥芯焊絲半自動(dòng)焊完成。
[0003] 但是，由于自保護(hù)藥芯焊絲是在沒有外加氣體保護(hù)下的一種焊接材料，導(dǎo)致焊縫 金屬中氧、氮等含量較高，往往使得管線管焊接接頭的韌性經(jīng)常出現(xiàn)較大波動(dòng)。本發(fā)明的一 種高韌性自保護(hù)藥芯焊絲及焊縫組織相比于常規(guī)焊絲大幅提高了 Ni含量，并優(yōu)化了其他合 金元素含量，焊縫中自由氮含量有效降低，顯微組織得到的是一種細(xì)化的板條貝氏體加少 量粒狀貝氏體的混合組織，該組織中MA顆粒呈細(xì)化、彌散分布，有效改善了焊縫質(zhì)量，提高 了焊縫金屬韌性，尤其能滿足戶外大管徑管線鋼的野外作業(yè)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，該焊絲 的焊接工藝性能及力學(xué)性能優(yōu)異，可滿足高強(qiáng)高韌管線鋼的焊接要求。
[0005] 本發(fā)明所采用的一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，包括低碳鋼 帶的焊絲外皮和藥芯，該焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分及質(zhì)量百分含量為:C: 0.01~0.08wt %、 Si:0~0.5wt%、Mn:0.5~2.0wt%、P: <0.02wt%、S: <0.01wt%、Al:0.5~1.5wt%、Ni: 3.0~4.5wt%，其余為Fe及不可避免雜質(zhì)。另根據(jù)具體性能要求，還有適當(dāng)少量的V:0~ 0 · 08wt %、Co: 0~0 · 5wt %、Zr: 0~0 · 06wt %、稀土Ce: 0~0 · 02wt % 等合金元素中的一種或 幾種。
[0006] 該焊絲焊縫金屬中的自由氮含量降低到150ppm以下，焊縫凝固態(tài)組織為細(xì)化的板 條貝氏體組織和少量粒狀貝氏體混合組織，MA組元細(xì)化、彌散分布，可有效改善自保護(hù)焊縫 沖擊韌性。
[0007] 本發(fā)明的一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，通過優(yōu)化的合金設(shè) 計(jì)，可使焊縫中的氮大部分以固溶氮的形式存在，極大程度地降低了焊縫中自由氮的存在， 減少了氮的局部集聚，降低了氮對(duì)韌性的危害。
[0008] 本發(fā)明的一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，通過調(diào)整焊絲中合 金元素含量，使焊縫的凝固組織為細(xì)化的板條貝氏體組織，熱影響粗晶區(qū)的組織為板條貝 氏體和少量粒狀貝氏體的混合組織，并且整個(gè)焊縫顯微組織中MA組元呈細(xì)化、彌散分布，有 效降低了脆性相Μ島對(duì)韌性的破壞作用。
[0009] 本發(fā)明的一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，其熔敷金屬中幾種 主要組分的作用如下：
[0010] Α1是自保護(hù)藥芯焊絲中常用的脫氧劑和固氮?jiǎng)?，具有有效的脫氧、固氮作用。可?有效防止焊縫中氣孔的產(chǎn)生，起到很好的保護(hù)作用。鋁又是強(qiáng)固氮?jiǎng)?，鋁能夠與氮作用生成 穩(wěn)定的氮化物而不溶于液態(tài)的鋼，從而有效防止了熔敷金屬中過飽和的Ν集結(jié)成Ν2氣泡，杜 絕了熔敷金屬產(chǎn)生氣孔。
[0011] Μη是奧氏體化穩(wěn)定元素，能夠降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度。隨著Μη含量的增 加，針狀鐵素體的數(shù)量增加，先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體的數(shù)量減少，并且使針狀鐵素體 的晶粒度變得更加細(xì)小，Μη提高焊縫金屬韌性的同時(shí)，還可提高焊縫金屬的強(qiáng)度。焊絲中的 Μη還可以起到脫氧的作用，而且能夠與硫反應(yīng)生成穩(wěn)定MnS，從而降低低熔點(diǎn)相FeS的生成， 有利于提高焊縫金屬的抗熱裂紋及層狀撕裂的能力。
[0012] Ni是奧氏體穩(wěn)定化元素，Ni無限固溶于γ -Fe，在焊縫金屬中也起固溶強(qiáng)化作用， 能提高奧氏體淬透性，降低相變溫度，促進(jìn)板條貝氏體形成，優(yōu)化MA組元的形態(tài)和分布。降 低脆性的硬化相Μ組元的韌性的破壞作用。從而有效改善焊縫的沖擊韌性。
[0013] Zr為典型彌散相元素，抑制金屬再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，從而細(xì)化晶粒強(qiáng)化合金性能。 Zr或固溶于基體中，或在加入Zr后生成A13Zr，ZrN，ZrC細(xì)小質(zhì)點(diǎn)彌散，開$成條狀分布在鐵素 體枝晶上，與基體共格釘扎位錯(cuò)，阻礙枝晶長(zhǎng)大及晶界迀移，生成細(xì)化的枝晶和細(xì)晶粒。
[0014] 稀土元素 Ce能夠提高焊縫純凈度，改變焊縫中夾雜物（主要為氧化物）的分布形 態(tài)，從而提高焊縫的強(qiáng)度和沖擊韌性。
[0015] 本發(fā)明的適用于高鋼級(jí)管道焊接的高Ni自保護(hù)藥芯焊絲在焊接過程中不會(huì)生成 大量煙塵及有害氣體，改善焊縫質(zhì)量，有效提高焊縫沖擊韌性。尤其能滿足戶外大管徑管線 鋼的野外作業(yè)需求。
[0016] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于，藥芯焊絲在焊接過程中不會(huì)生成大量煙塵及有害氣體，熔池中 氮、氧含量較低，焊縫金屬中的自由氮含量可降低到150ppm以下，焊縫凝固態(tài)組織為細(xì)化的 板條貝氏體組織和粒狀貝氏體組織，MA組元細(xì)化、彌散分布;該焊絲可適用于高鋼級(jí)管道的 全位置焊接，有效改善自保護(hù)焊縫沖擊韌性，尤其能滿足戶外大管徑管線鋼的野外作業(yè)需 求。
【附圖說明】
[0017] 圖1為焊縫一次凝固顯微組織圖。
[0018] 圖2為焊縫熱影響粗晶區(qū)顯微組織圖。
[0019] 圖3為本實(shí)施案例熔敷金屬柱狀晶區(qū)組織圖。
[0020] 圖4為本實(shí)施案例熔敷金屬粗晶區(qū)組織圖。
[0021 ]圖5為本實(shí)施案例熔敷金屬細(xì)晶區(qū)組織圖。
[0022]圖6為對(duì)比焊絲熔敷金屬柱狀晶區(qū)組織圖。
[0023] 圖7為對(duì)比焊絲熔敷金屬粗晶區(qū)組織圖。
[0024] 圖8為對(duì)比焊絲熔敷金屬細(xì)晶區(qū)組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面列舉具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，有必要在此指出的是以下具體實(shí)施步驟 只用于對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，不代表對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，其他人根據(jù)本發(fā)明做出 的一些非本質(zhì)的修改和調(diào)整仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]下面是本發(fā)明的具體實(shí)施例：
[0027]實(shí)施例：
[0028] -種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲及焊縫組織，其采用普通市售 的冷乳低碳鋼鋼鋼帶為原材料，根據(jù)具體施焊管線鋼的不同，分別按照一定的比例制備藥 芯粉末，120~300°C烘干處理后，混合均勻并按照21~24%的填充率加至以冷乳鋼帶為外 皮的焊絲中。共制備了6批焊絲，焊絲直徑均為2.0mm。
[0029] 表1為本發(fā)明焊絲制備過程中所用低碳冷乳鋼帶化學(xué)成分表，表2為本發(fā)明的適用 于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分表，表3為本發(fā)明實(shí)施例所 用藥芯焊絲施焊母材及焊接工藝表，圖3和圖4分別為本發(fā)明實(shí)施例施焊后熔敷金屬各區(qū)域 典型的顯微組織及對(duì)比焊絲焊縫的顯微組織，表4為采用本發(fā)明實(shí)施例施焊后的熔敷金屬 性能。
[0030] 表1本發(fā)明焊絲的冷乳鋼帶化學(xué)成分(重量％ )
[0032]表2本發(fā)明的適用于管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲熔敷金屬化學(xué)成分表，余量 為Fe(重量％)
[0034] 表3本發(fā)明實(shí)施例所用藥芯焊絲施焊母材及焊接工藝表
[0035]
[0037]表4采用本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比例施焊后熔敷金屬的性能對(duì)比表
[0039]由此可見，與常規(guī)自保護(hù)藥芯焊絲對(duì)比，通過提高熔敷金屬中的Ni含量，一方面使 焊縫顯微組織細(xì)化，另一方面使顯微組織中板條貝氏體比例明顯增加，尤其是MA組元數(shù)量 與對(duì)比焊絲相比明顯降低，MA島細(xì)化、彌散分布于基體中；同時(shí)由于提高了Ni含量，焊縫中 自由氮含量也明顯降低，顯著提高了焊縫金屬的沖擊韌性，不僅平均值提高20J以上，沖擊 韌性數(shù)值穩(wěn)定性也顯著提升。另外，在焊接過程中，熔渣的粘度和凝固特性良好，可全位置 焊接，尤其適合立向下焊。焊接工藝性好，電弧穩(wěn)定、穿透力強(qiáng)，操作容易，焊縫成型美觀。脫 渣好，飛濺小。
[0040]綜上所述，本發(fā)明的適用于高鋼級(jí)管道全位置焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲焊接工 藝性能良好，焊縫MA組元細(xì)化、彌散，有效降低了焊縫中的自由氮含量你，沖擊韌性有效改 善，尤其能滿足戶外大管徑管線鋼的野外作業(yè)需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，該自保護(hù)藥芯焊絲由鋼帶和藥 芯粉末組成，其特征在于，該焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分及質(zhì)量百分含量為：C: 0.01~ 0.08wt%、Si:0~0.5wt%、Mn:0.5~2.0wt%、P:<0.02wt%、S:<0.01wt%、Al:0.5~ 1.5wt%、Ni:3.0~4.5wt%，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)；還有V:0~0.08wt%、C〇:0~ 0 · 5wt%、Zr: 0~0 · 06wt%、稀土Ce: 0~0 · 02wt%合金元素中的一種或幾種。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，其特征在于，該焊絲焊縫金屬中的自由 氮含量降低到150ppm以下，焊縫凝固態(tài)組織為細(xì)化的板條貝氏體組織和少量粒狀貝氏體混 合組織，Μ組元細(xì)化、彌散分布，可有效改善自保護(hù)焊縫沖擊韌性。
【專利摘要】一種適用于高鋼級(jí)管道焊接的高韌自保護(hù)藥芯焊絲，屬于焊接材料領(lǐng)域。該自保護(hù)藥芯焊絲由鋼帶和藥芯粉末組成，其特征在于，該焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分及質(zhì)量百分含量為：C：0.01～0.08wt％、Si：0～0.5wt％、Mn：0.5～2.0wt％、P：≤0.02wt％、S：≤0.01wt％、Al：0.5～1.5wt％、Ni：3.0～4.5wt％，余量為Fe及不可避免雜質(zhì)；還有V：0～0.08wt％、Co：0～0.5wt％、Zr：0～0.06wt％、稀土Ce：0～0.02wt％合金元素中的一種或幾種。優(yōu)點(diǎn)在于，藥芯焊絲在焊接過程中不會(huì)生成大量煙塵及有害氣體，熔池中氮、氧含量較低，焊縫金屬中的自由氮含量可降低到150ppm以下，焊縫凝固態(tài)組織為細(xì)化的板條貝氏體組織和粒狀貝氏體組織，MA組元細(xì)化、彌散分布，有效改善自保護(hù)焊縫沖擊韌性。
【IPC分類】B23K35/30, B23K101/10
【公開號(hào)】CN105414796
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510921282
【發(fā)明人】劉清友, 姜志陽, 隋永莉, 李箕福, 寇偉祥, 辛萌, 范玉然, 賈書君, 盧軍華, 宋衛(wèi)臣, 吳江橋, 汪兵
【申請(qǐng)人】鋼鐵研究總院, 中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司, 中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院, 安泰科技股份有限公司
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年12月11日