专利名称：高强度管线钢用埋弧焊焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多元合金化的高强度管线钢用埋弧焊焊丝，具体地说是一种与碱性烧结焊剂匹配焊接时，焊接熔敷金属抗拉强度高于650MPa的高强度管线钢及其它低合金高强度钢用埋弧焊焊丝。
背景技术：
随着先进钢铁生产技术的应用，低合金高强钢性能不断提高。管线钢则代表了当今低合金高强钢的先进水平。API X80钢是国际上主要管线钢品种，在我国也将逐步得到应用。管线钢含S量越来越低，钢质越来越纯。金相组织为铁素体加贝氏体，晶粒直径达到数微米。管线钢强度及韧性得到同时提高，而其碳当量及Pcm值仍控制在较低水平，甚至有所降低。
焊接接头强韧性是由焊缝化学成分及焊接热循环等条件决定，焊缝合金化则是焊缝强韧化的主要途径。常见的合金化元素有Mn、Ni、Cr及Mo等，微合金化元素为Ti及B等。对于不同强韧性的钢种采用相应的合金组合和合金含量，达到所需要的强韧性。
随着钢种强度的提高，焊接接头产生淬硬组织的倾向也随之增加。为降低焊接应力，有时需要对焊接接头进行焊后热处理。另外，大口径管线往往采用多丝及前后焊丝焊接工艺，后道焊缝对前道焊缝有热影响作用。焊缝应该具有较好的热处理性能。对于有抗硫化物应力腐蚀性能要求的管线钢焊接接头，还必须具有较高的冲击韧性，较低的硬度即≤248Hv10合适的焊缝组织，其主要以针状铁素体为主及较低的焊缝硫含量即S≤0.005％。
X80钢种，要求抗拉强度最小值为620MPa，实物值则达到690MPa，-20℃冲击韧性也达到200～300J。现有用于X70钢种的埋弧焊丝抗拉强度为550～620MPa，其使用的焊丝如中国专利其专利号为92 1 05621.4及专利号97 1 04393.0的两项专利，如要与X80钢强度匹配，焊丝焊缝金属抗拉强度达670～740MPa，且具有优良的韧性，显然存在不匹配性。中国专利专利号为ZL 01 106520.6的专利，其含有Cu、Zr，虽然其焊缝金属抗拉强度可达到590Mpa，且具有较高韧性，但其不足Cu对钢种的冲击韧性不利，存在沉淀硬化现象，而导致焊缝热处理后热脆性增加，对焊缝热处理性能不利，并且微量元素含的种类较多，不利与冶炼工艺的控制，增加了冶炼难度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种Ti、B微合金化、以Ni、Cr、Mo为主要元素合金化的，且与X80管线钢及其它要求强度级别在620~740MPa的钢相匹配、有优良焊后热处理性能的高强度管线钢用埋弧焊焊丝。
本发明为了达到上述目的，焊丝的化学成分重量百分比为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，余量为Fe。
其在于Ni的重量百分比为0.25～0.50。
其在于Ni的重量百分比为0.3～0.45。
其在于Cr的重量百分比为0.25～0.50。
其在于Cr的重量百分比为0.30～0.45。
其在于Ti的重量百分比为0.06～0.12。
其在于Ti的重量百分比为0.08～0.10。
其在于B的重量百分比为0.004～0.01。
其在于B的重量百分比为0.006～0.008。
本发明焊丝与碱性烧结焊剂CHF101或SJ101、CHF101、CHF105匹配进行埋弧焊接。
各种主要合金元素对焊缝金属性能的作用及影响分析如下。
C元素含量对焊缝的强韧性及其组织组成有较大的影响。当C含量较低时，焊缝强度较低，焊缝金属中铁素体比例较高。当C含量过高时，焊缝韧性下降，焊缝中珠光体比例增加。因此C含量过高或过低均会影响焊缝中针状铁素体含量。焊丝中C的重量百分比为0.04～0.12范围内。
Si元素在焊缝中的含量控制在的重量百分比0.3下时，韧化效果较好，裂纹敏感性较低。由于焊剂及母材含Si量一般较高，焊丝中的含Si量应控制在较低水平。焊丝中Si的重量百分比含量控制在0.005～0.100范围内。
Mn是焊缝强韧化的有效元素，在焊缝中有利于脱氧，防止引起热裂纹的铁硫化物的形成。焊缝中含有较高的Mn时，焊缝针状铁素体的转变起始温度低，转变温度范围大，最终可提高焊缝中针状铁素体体积比。焊丝中Mn的重量百分比控制在1.20～2.00。
Ni有利于提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性，降低脆性转变温度。Ni能减少先共析铁素体含量并改善焊缝韧性。Ni含量太高时，焊丝强度及硬度过高，含量超过3.5％时，低温冲击韧性显著下降。Ni含量过高还导致焊缝与母材成分差别大，同时焊丝成本增加。焊丝中Ni的重量百分比含量为0.10～0.60，Cr元素有利于提高焊缝中针状铁素体含量，减少先共析铁素体，并有细化铁素体晶粒的作用，提高焊缝强韧性。Cr还有助于保持焊缝热处理后性能维持在较高的水平。焊丝中Cr的重量百分比含量为0.10～0.60。
Mo元素能有效提高焊缝的强度。但是当焊缝中Mo的重量百分比含量超过0.6时，低温冲击韧性将明显下降。
焊缝中含有Ni、Mo及Cr能有效提高焊缝抗酸选择性腐蚀性能。
Ti、B元素焊缝中适量的Ti可形成大量弥散分布的细小TiN或Ti2O3质点，这些质点可以作为焊缝凝固时针状铁素体的非均质形核核心，促使焊缝中形成大量细针状铁素体。焊丝中加入Ti可以细化焊缝金属组织。为使焊缝金属中Ti的重量百分比含量在0.01～0.04，考虑到一定的过渡系数，焊丝中的Ti的重量百分比含量可提高为0.04～0.15。
焊丝中加入重量百分比为0.002～0.012的B，可使焊缝中B的重量百分比含量控制在0.001～0.004，固溶的B在奥氏体晶界聚集降低晶界能量，抑制先共析铁素体和侧板条马氏体的形成。B还能推迟奥氏体→铁素体相转变温度，有利于晶粒内针状铁素体的形成，并细化二次晶粒。
S、P元素是焊缝中的主要有害元素，它们显著降低焊缝金属低温冲击韧性。同时为了保证管线钢焊缝有较高的抗H2S应力腐蚀性能，焊缝中S的重量百分比含量应小于0.005。焊丝与低S含量的碱性类焊剂如自贡大西洋焊接材料有限公司产的CHF101、CHF105类焊剂匹配使用，焊接低S管线钢，焊接冶金反应过程能进一步降低焊缝中的S含量。
本发明焊丝采用电炉冶炼，冶炼时控制焊丝中的气体含量。
总之，本发明焊丝采用Ni、Mo、Cr合金化及Ti、B微合金化，扩大了焊缝针状铁素体转变的区域，从而有效提高了焊缝中针状铁素体含量，提高了焊缝强度，使焊缝的冲击韧性尤其是低温冲击韧性仍保持在较高水平。尽量降低焊缝中的S、P等有害元素的含量，严格控制焊缝中的气体含量。通过上述方法，从焊缝成分及焊缝组织方面保证了焊缝优良的强韧性及耐腐蚀性能。
本发明高性能管线钢埋弧焊焊丝具有如下优点1、本发明焊丝在焊缝中产生以针状铁素体为主的组织结构。针状铁素体是通过形核和生长反应在奥氏体内部生成的，其内部包含有大密度的位错。铁素体针非常细小，平均尺寸约为1μm，且铁素体针取向自由，呈大角度晶界，具有较强的抗裂纹扩展能力。
2、本发明焊丝用于X80管线钢及其它相应强度级别的高强度钢(抗拉强度620～740MPa)的埋弧焊接，焊缝具有优良的强韧性，综合性能性完全能满足高性能基材焊接技术条件。
3、本发明焊丝焊缝具有优良焊后热处理性能，能适用于有焊后热处理要求的焊接结构，能适应管线钢双丝或多丝、前后丝及内外丝高速焊接工艺。
4、本发明焊丝采用价格较便宜的Ni、Cr作为主合金化元素，能保证焊缝较高的强韧性，且有效地控制了焊丝成本。本发明焊丝与碱性烧结焊剂匹配焊接，焊后焊缝抗拉强度达690MPa，X80管线钢焊缝-20℃焊缝冲击功达144J，-40℃达118J。焊缝硬度≤240HV10；焊缝S、P含量低，纯净度高，能保证具有优良的抗腐蚀性能。
5、本焊丝钢冶炼工艺稳定易于实现，钢坯的轧制及焊丝的拉拨、镀铜等性能较好。
具体实施例方式
下面用实施例进一步详述本发明焊丝
实施例1用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝，其化学成分重量百分比为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，余量为Fe。本发明焊丝与CHF101或CHF105焊剂匹配，焊接17.5mm厚X80管线钢板，试板为双V型坡口，钝边5mm，单侧坡口角度40°。钢的化学成分重量百分比为C0.045，Si0.27，Mn1.79，Ni0.28，Mo0.35，Cu0.23及其它微合金化元素Ti及Nb。钢的力学性能为Rel＝615Mpa，Rm＝680MPa，Akv(-20℃)为330J。填充焊道焊接工艺参数为焊接电流约630A，焊接电压约33V，焊速约0.8cm/min。焊接道次为七道。与CHF101匹配，焊缝拉伸性能Rel＝680MPa，Rm＝740MPa，A＝21.5％，Z＝73.5％，-20℃冲击功焊缝为144J，热影响区为98J；与CHF105匹配，焊缝拉伸性能Rel＝690MPa，Rm＝730MPa，A＝25.5％，Z＝75.0％，-20℃冲击功焊缝为127J，热影响区为257J，-40℃焊缝为118J，热影响区为198J。焊接接头拉伸试验断于基材，冷弯试验d＝2a，120°完好。焊缝硬度为220～238HV10。焊接接头综合机械性能完全满足X80钢技术要求。焊接接头组织为针状铁素体加先共析铁素体，母材组织为贝氏体。
焊接接头经580℃+1h热处理后，焊缝金相组织为针状铁素体加先共析铁素体，硬度与基材相近，焊缝强度ReL＝720MPa，Rm＝770MPa，高于未进行热处理的焊缝的强度。热处理后-20℃冲击功焊缝为104J，熔合线为119J，热影响区为149J。
实施例2用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝，其化学成分重量百分比为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，余量为Fe。本发明焊丝与CHF101焊剂匹配，采用较大线能量焊接17.5mm厚X80管线钢板，试板为双V型坡口，钝边10mm，坡口角度80°。填充焊道焊接焊接电流～750A，焊接电压32V，焊速0.6cm/min。焊缝力学性能为Rel＝620MPa，Rm＝700MPa，A＝21.0％，Z＝75.0％。焊接接头拉伸试验断于基材。焊接接头冲击功焊缝Akv(-20℃)175J，熔合线192J，热影响区188J。采用较大线能量，焊接坡口显著减少，焊接道次为三道。大大减少焊接填充量，提高焊接效率。
实施例3用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝，其化学成分重量百分比为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，余量为Fe。与CHF101匹配，焊接15mm厚X80钢。焊接试板为双V型坡口，钝边8mm，单侧坡口角度40°。焊接工艺参数为焊接电流700A，焊接电压31V，焊速60cm/min。焊缝力学性能为Rel＝690MPa，Rm＝735MPa，A＝23％，Z＝72％，Akv(-20℃)＝170J，Akv(-40℃)＝135J。焊缝冲击功有较大富余。焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体，母材组织回火索氏体。
实施例4用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝，其化学成分重量百分比为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，余量为Fe。与SJ101匹配，焊接19mm厚HG70钢。钢的化学成分重量百分比为C 0.090，Si 0.27，Mn 0.99，P 0.013，S 0.005，Mo0.28，Cr0.41。钢板热处理状态为调质状态。钢的力学性能为Rel≥590MPa，Rm≥690MPa，Akv(-20℃)≥27。焊接试板为V型坡口，钝边5mm，单侧坡口角度30°。焊接工艺参数为焊接电流600A，焊接电压31V，焊速32cm/min。焊缝力学性能为Rel＝700MPa，Rm＝750MPa，A＝24％，Z＝69％，Akv(-20℃)＝82J。焊接接头冲击韧性满足该钢(HG70钢)对韧性的要求Akv(-20℃)≥27J。焊缝冲击功有较大富余。焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体，母材组织回火索氏体。
实施例5用0.5吨电炉冶炼本发明焊丝，其化学成分重量百分比为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，余量为Fe。与CHF101匹配，焊接14mm厚的WQK590钢。钢的化学成分重量百分比为C 0.090，Si 0.27，Mn 0.99，P 0.013，S 0.005，Mo0.28，Cr0.41。钢板热处理状态为调质状态。钢的力学性能为Rel＝645MPa，Rm＝720MPa。焊接试板为V型坡口，钝边5mm，单侧坡口角度30°。焊接工艺参数为焊接电流600A，焊接电压31V，焊速32cm/min。焊缝力学性能为Rel＝575MPa，Rm＝690MPa，A＝27％，Z＝67％，Akv(-20℃)＝120J。焊接接头冲击韧性满足WQK590钢对韧性的要求Akv(-20℃)≥27J。焊缝冲击功有较大富余。焊缝组织为针状铁素体+先共析铁素体，母材组织回火索氏体。
权利要求
1.高强度管线钢用埋弧焊焊丝，其特征在于焊丝的化学成分重量百分比为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，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于Ni的重量百分比为0.25～0.50。
3.根据权利要求1或2所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于Ni的重量百分比为0.3～0.45。
4.根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于Cr的重量百分比为0.25～0.50。
5.根据权利要求1或4所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于Cr的重量百分比为0.3～0.45。
6.根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于Ti的重量百分比为0.06～0.12。
7.根据权利要求1或6所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于Ti的重量百分比为0.08～0.10。
8.根据权利要求1所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于B的重量百分比为0.004～0.01。
9.根据权利要求1或8所述的高强度管线钢用埋弧焊丝，其特征在于B的重量百分比为0.006～0.008。
全文摘要
本发明涉及高强度管线钢用埋弧焊焊丝，其解决的问题由于Cu存在沉淀现象，导致在冶炼及热处理中，易使Cu产生析出并使钢种硬化，且微量元素含的较多，不利于冶炼工艺控制等。技术措施其化学成分重量百分比为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，余量为Fe。本发明与碱性烧结焊剂匹配焊接，焊缝的抗拉强度高于650MPa。焊接X80管线钢，焊缝强度达740MPa，－20℃冲击功高于120J，焊缝S、P含量低，纯净度高，适用于X80高强度管线钢及其它相应强度级别低合金钢抗拉强度在620～740MPa的埋弧焊接。
文档编号B23K35/30GK1709634SQ20051001899
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月28日 优先权日2005年6月28日
发明者黄治军, 缪凯, 曹修悌, 王玉涛, 刘吉斌, 张小枫, 陈浮 申请人:武汉钢铁(集团)公司