专利名称：高等级管线钢用埋弧焊焊丝材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种焊丝材料，特别涉及一种高等级管线钢用的埋弧焊焊丝材料。
背景技术：
石油、天然气输送管道通常位于环境比较恶劣的地区，如极寒冷区、地震带或海洋地区，对输送管道的高强度和低温韧性要求日益增高，这就促使了高等级管线钢(X80管线钢)的开发成功，X80管线钢被工业发达国家誉为21世纪天然气输送管道用钢。高等级管线钢要求高强度、较好的低温韧性和抗腐蚀性能，与之匹配的高质量的焊接材料也成为了关注的焦点之一，为提高长输管线、尤其是输气管线的抗应力腐蚀和抗氢致裂纹的能力，对抗腐蚀管线钢焊接接头的基本要求有1)硬度小于HRC22或Hv248；2)含S量小于0.002％；3)焊接接头的组织；4)减少C、P、Si，以防止偏析和减少偏析区硬度；5)通过Cu、Ni的添加，以形成钝化膜，防止氢的侵入。因此，高等级管线钢焊接接头必须是低碳下的致密的针状铁素体和少量的贝氏体组织，焊接接头较低的硬度，还有一个特点是低硫，对高等级管线钢焊接接头来说，这三个因素是必需全部做到，不然抗硫化氢性能就不能保证，高强度和低温韧性也很难获得。如何保证焊接接头的强韧性和低温韧性，国内外用于管线钢埋弧焊丝有1982年英国申请的GB2090615《微钼或无钼的焊接材料》《WELDING MATERIALSCONTAINING LITTLE MOLYBDENUM》，公开号GB2090615，
公开日期14.07.1982，Patent Granted with effect from 24.10.1984(Section 25(1))with titleWELDING MATERIALS CONTAINING LITTLE MOLYBDENUM)，其合金系为C-Mn-Cr-(Mo)-Ti-B；92年冶金部钢铁研究总院等申请了《低碳微合金化埋弧焊丝》，专利号ZL92105621.4，公开号1068528，
公开日期1993.02.03，其合金系为C-Mn-Mo；这些专利文献公开的焊丝材料不足之处在于焊缝中有珠光体的生成，降低了韧性，强度也不能满足高等级管线钢的使用要求。1997年武汉钢铁(集团)公司开发了《低合金高强度高韧性埋弧焊丝》，专利号ZL97104393.0，公开号1200317，
公开日期1998.12.02。2001年武汉钢铁(集团)公司开发了《高性能管线钢埋弧焊丝》，专利号ZL01106520.6，公开号1305879，
公开日期2001.08.01，其合金系为C-Mn-Cr-Ni-Ti-B，该焊丝与传统焊丝相比，性能有了较大幅度的提高，但仅靠焊缝针状铁素体组织很难形成钝化膜抵抗H2S中氢的侵入，以及屈服强度难以满足X80级别管线钢的要求。
发明内容
为了解决高等级管线钢焊接接头的强韧性和低温韧性，本发明的目的是提供一种高等级管线钢用的埋弧焊焊丝材料，与碱性烧结焊剂匹配使用，焊接高等级管线钢，焊后焊缝能满足高等级管线钢的强韧性、低温韧性和抗H2S腐蚀性能的要求。
本发明所采用的技术方案是高等级管线钢用埋弧焊焊丝材料，按重量百分比该材料由以下组分组成0.030％～0.080％的C，0.010％～0.200％的Si，1.500％～2.000％的Mn，1.000％～1.500％的Ni，0.200％～0.300％的Mo，0.200％～0.300％的Cu，0.020％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，余量为Fe，各组分的重量之和为100％。
本发明的有益效果是 1.焊丝材料中C控制在0.03％～0.08％，Mn控制在1.5％～2.0％，C能促使针状铁素体的形成，并且减少晶界铁素体，Mn是保证强度的主要合金元素之一，该元素能有效地降低γ→α的转变温度，抑制晶界先共析铁素体的形成，促使焊缝中形成针状铁素体组织。在C含量为0.03％～0.08％，Mn在1.5％～2.0％的范围内，可以保证高韧性的获得； 2.Si控制在0.01％～0.15％，Mn、Si同时存在时，可作为脱氧剂，随Si元素含量增加，可使连续冷却时的相变温度逐渐降低、组织细化； 3.Ni控制在1.0％～1.5％，Ni可改善抗冷裂性能和提高低温冲击韧性，这主要是由于Ni可提高铁素体基体的韧性和促进针状铁素体形成； 4.Mo控制在0.2％～0.3％，含Mn焊缝中添加Mo，先共析铁素体数量逐渐减少，针状铁素体比例开始增加，随后减少；粗晶区和细晶区普遍晶粒细化，不完全相变区形成铁素体与碳化物束团，焊缝的硬度、屈服点和抗拉强度均得到提高； 5.Cu控制在0.2％～0.3％，含Cu焊缝组织的特点是含有高比例的针状铁素体(AF)，Cu对针状铁素体的主要影响是显著细化针状铁素体，另一个特点是提高二次相的体积百分数； 6.Ti控制在0.02％～0.04％，焊缝金属中加入Ti，使强度略有提高，含钛的氧化性夹杂物(TiO)促进了在奥氏体晶粒内形核，有利于晶内针状铁素体的生成，而TiN有很高的高温稳定性，有效地抑制在高热输入下的奥氏体晶界迁移和晶粒相互吞并的长大过程，可保证焊缝金属具有优良的夏比冲击功和COD值； 7.Ce稀土控制在0.1％～0.25％，在Ce稀土元素加入焊缝之后，会富集在硅酸盐夹杂物中，使夹杂物球化，并以弥散状态分布，从而有利于针状铁素体(AF)的形核，抑制了先共析铁素体(PF)，使焊缝组织得到细化； 为了保证焊接接头有较高的韧性和抗H2S应力腐蚀性能，控制材料中的杂质S低于0.005％，P低于0.015％。
本发明焊丝采用常规的电炉冶炼法制得，冶炼时注意Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe在精炼时加入，控制出钢温度为1550±20℃。
本发明焊丝与碱性烧结焊剂匹配使用，可进行焊接工艺参数为电流800～1000，焊接电压32～35V，焊速26～30m/h的大线能量焊接。
本发明具有以下特点 1、本发明焊丝钢冶炼工艺稳定易于实现，钢坯的轧制及焊丝的拉拔、镀铜等性能较好。
2、本发明焊丝用于σs≥550Mpa及以上强度级别管线钢和其它结构钢焊接，焊缝强度高，冲击韧性和低温性能满足高等级管线钢的要求，焊缝具有较好抗H2S应力腐蚀等性能，焊缝强度及韧性完全能与高等级管线钢的基材匹配。
3、采用本发明焊丝施焊能适应管线钢双丝焊或多丝焊及前后、内外丝高速焊接的工艺特点。
4、本发明焊丝焊缝金属组织焊态为针状铁素体和贝氏体组织，因此具有高强度和较好的低温韧性。
图1是本发明焊丝的金相组织； 图2是用本发明进行焊接焊缝的金相组织。
具体实施例方式 下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1 按重量百分比取0.038％的C，0.040％的Si，1.800％的Mn，1.460％的Ni，0.270％的Mo，0.240％的Cu，0.025％的Ti，0.150％的Ce，95.977％的Fe，用常规电炉冶炼法冶炼，精炼时加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出钢温度为1550℃，控制材料中杂质S低于0.005％，P低于0.015％，制得的焊丝金相组织参见图1。
该焊丝与SJ101G焊剂匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分按重量百分比计主要含有0.06％的C，1.57％的Mn，0.24％的Si，0.29％的Mo，0.14％的Ni，0.045％的Cu，0.04％的Nb，0.013％的Ti，0.0006％的B，0.01％的V，0.005％的S，0.033％的P。焊接工艺为不对称X型坡口，正反面各焊一道，反面清根，焊接工艺参数为焊接电流第一面580A，第二面650A，焊接电压32V，焊速26m/h。所得焊缝的金相组织参见图2。
焊接接头按API 5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表1所示，冲击检验结果如表2所示。表1 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验项目σs(Mpa)σb(Mpa) σs/σb δ5％ 断裂地 点 硬度 (Hv10)匹配SJ101G566～625674～723 0.84～0.87 23～25 HAZ 193～238要求≥551620～827 ≤0.93 ≥18 / ≤240 表2 X80级管线钢焊接接头冲击试验 项目 温度焊缝热影响区 (℃) Akv/J DWTT/SA，％ Akv/J DWTT/SA，％ 匹配 SJ101G 室温 206～221 90～97 220～245 97～100 -20 172～196 85～93 175～201 90～98 要求 -20 Akv值，单个最小≥90，平均≥120 实施例2 按重量百分比取0.030％的C，0.100％的Si，2.000％的Mn，1.330％的Ni，0.200％的Mo，0.300％的Cu，0.040％的Ti，0.250％的Ce，95.750％的Fe，用常规电炉冶炼法冶炼，精炼时加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出钢温度为1570℃，控制材料中杂质S低于0.005％，P低于0.015％。
该焊丝与SJ101G焊剂匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API 5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表3所示，冲击检验结果如表4所示。
表3 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 项目 σs(Mpa) σb(Mpa) σs/σb δ5％ 断裂地 点 硬度 (Hv10) 匹配 SJ101G 584～635 692～744 0.84～0.87 22～24 HAZ 201～240 表4 X80级管线钢焊接接头冲击试验 项目 温度 (℃) 焊缝 热影响区 Akv/J DWTT/SA，％ Akv/J DWTT/SA，％ 匹配 SJ101G 室温 196～219 90～96 215～246 96～100 -20 169～193 85～92 170～210 90～97 实施例3 按重量百分比取0.053％的C，0.010％的Si，1.500％的Mn，1.030％的Ni，0.280％的Mo，0.200％的Cu，0.030％的Ti，0.100％的Ce，96.797％的Fe，用常规电炉冶炼法冶炼，精炼时加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出钢温度为1560℃，控制材料中杂质S低于0.005％，P低于0.015％。
该焊丝与SJ101G焊剂匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API 5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表5所示，冲击检验结果如表6所示。
表5 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 项目 σs(Mpa)σb(Mpa) σs/σb δ5％ 断裂地 点 硬度 (Hv10) 匹配 SJ101G 588～615689～751 0.84～0.87 23～25 HAZ 199～238表2 X80级管线钢焊接接头冲击试验 项目 温度 (℃) 焊缝 热影响区 Akv/J DWTT/SA，％ Akv/J DWTT/SA，％ 匹配 SJ101G 室温 196～224 90～98 230～258 97～100 -20 172～196 85～93 180～214 90～98 实施例4 按重量百分比取0.080％的C，0.150％的Si，1.600％的Mn，1.200％的Ni，0.250％的Mo，0.260％的Cu，0.022％的Ti，0.200％的Ce，96.238％的Fe，用常规电炉冶炼法冶炼，精炼时加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出钢温度为1530℃，控制材料中杂质S低于0.005％，P低于0.015％。
该焊丝与SJ101G焊剂匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API 5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表7所示，冲击检验结果如表8所示。
表7 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 项目 σs(Mpa) σb(Mpa)σs/σb δ5％ 断裂地 点 硬度 (Hv10) 匹配 SJ101G 594～645 689～7430.84～0.87 21～23 HAZ 212～240 表8 X80级管线钢焊接接头冲击试验 项目 温度 (℃)焊缝 热影响区Akv/J DWTT/SA，％ Akv/J DWTT/SA，％ 匹配 SJ101G 室温195～222 89～98 202～234 97～100 -20165～189 85～93 170～195 90～95 实施例5 按重量百分比取0.070％的C，0.200％的Si，1.930％的Mn，1.000％的Ni，0.220％的Mo，0.220％的Cu，0.020％的Ti，0.250％的Ce，96.090％的Fe，用常规电炉冶炼法冶炼，精炼时加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出钢温度为1540℃，控制材料中杂质S低于0.005％，P低于0.015％。
该焊丝与SJ101G焊剂匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API 5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表9所示，冲击检验结果如表10所示。表9 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 项目 σs(Mpa) σb(Mpa) σs/σb δ5％ 断裂地 点 硬度 (Hv10) 匹配 SJ101G 584～642 690～735 0.84～0.87 20～22 HAZ 209～236 表10 X80级管线钢焊接接头冲击试验 项目 温度 (℃) 焊缝 热影响区 Akv/J DWTT/SA，％ Akv/J DWTT/SA，％ 匹配 SJ101G 室温 204～232 95～99 202～219 97～100 -20 188～202 86～94 182～203 89～96 实施例6 按重量百分比取0.045％的C，0.019％的Si，1.700％的Mn，1.500％的Ni，0.300％的Mo，0.290％的Cu，0.035％的Ti，0.230％的Ce，95.881％的Fe，用常规电炉冶炼法冶炼，精炼时加入Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe，控制出钢温度为1550℃，控制材料中杂质S低于0.005％，P低于0.015％。
该焊丝与SJ101G焊剂匹配，焊接15mm厚X80级管线钢，钢的化学成分和焊接工艺同实施例1。焊接接头按API 5L标准进行检验，冷弯性能合格，拉伸和硬度检验结果如表11所示，冲击检验结果如表12所示。表11 X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 项目 σs(Mpa) σb(Mpa) σs/σb δ5％ 断裂地 点 硬度 (Hv10) 匹配 SJ101G 563～615 668～716 0.84～0.87 23～25 HAZ 196～230 表12 X80级管线钢焊接接头冲击试验 项目 温度 (℃) 焊缝 热影响区 Akv/J DWTT/SA，％ Akv/J DWTT/SA，％ 匹配 SJ101G 室温 224～242 94～98 220～245 97～100 -20 212～220 89～96 175～200 90～98 本发明是一种高强度、高韧性、综合性能优良的埋弧焊焊丝，特别适用与微合金化控轧控冷的σs≥550Mpa高等级管线钢的埋弧焊接，同时适用于相应强度级别高强度低合金的埋弧焊接，本发明焊丝的化学成分还可制成其它形式焊接用填充金属，如焊条、气保焊丝和焊接带极。
权利要求
1.一种高等级管线钢用埋弧焊焊丝材料，其特征在于，按重量百分比该材料由以下组分组成0.030％～0.080％的C，0.010％～0.200％的Si，1.500％～2.000％的Mn，1.000％～1.500％的Ni，0.200％～0.300％的Mo，0.200％～0.300％的Cu，0.020％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，余量为Fe，各组分的重量之和为100％。
全文摘要
一种高等级管线钢用埋弧焊焊丝材料，按重量百分比该材料由以下组分组成0.030％～0.080％的C，0.010％～0.200％的Si，1.500％～2.000％的Mn，1.000％～1.500％的Ni，0.200％～0.300％的Mo，0.200％～0.300％的Cu，0.020％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，余量为Fe，各组分的重量之和为100％。采用电炉冶炼法制得的本发明焊丝材料与碱性烧结焊剂匹配使用时，具有焊缝强度高，有较好的抗H2S应力腐蚀和较好的低温韧性等性能，焊缝强度及韧性完全能与高等级管线钢的基材匹配，适用于σs≥550MPa及以上强度级别管线钢和其它结构钢焊接。
文档编号B23K35/30GK1623719SQ20041007335
公开日2005年6月8日 申请日期2004年12月6日 优先权日2004年12月6日
发明者张敏, 张前进, 姚成武 申请人:西安理工大学, 张前进