一种高强度管线用埋弧焊缝金属的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料领域，涉及一种低温韧性优异的高强度埋弧焊缝金属，特别 是涉及一种适用于API XlOO级别管线焊管制造的焊缝金属。
【背景技术】
[0002] 经济和社会发展带动了能源需求，进而带动了输油气管道建设热潮。西气东输二 线工程已建成投产，西气东输三线工程正在建设中。目前工程采用X80级钢管，其配套钢 板、焊接材料和制管技术较为成熟。为缓解能源需求急剧增加带来的压力，高钢级管线钢如 X90-X100将逐步取代X80以减薄钢管壁厚、提高输送压力，从而提高输送效率。
[0003] 针对X90/100钢管所需的钢板、埋弧焊接材料等都在研发中，未见工程应 用。关于埋弧焊接材料，国内专利 201110176764. 2、201010526958. 6、200910303842. 3、 200510018993. 6、201010580933· 4 和 201310025309. 1 等采用 NiCrMoTiB 的埋弧焊丝 成分设计；国外专利 JP2003133905A、JP25426585AJP2000256779A、JP2001355039A 和 JP2002115032A也同样采用了 MoTiB成分设计。上述技术搭配碱度为1. 4-1. 8焊剂、在焊接 速度I. 5-1. 8m/min条件下制得的钢管可满足相关要求的钢管接头及其焊缝金属。虽然焊 缝金属的强度和低温冲击韧性满足要求，但由于含B焊丝钢成品中B含量波动大，这将导致 焊缝金属中B含量同样波动大，导致焊接接头的焊缝力学性能不稳定，从而影响成品钢管 的合格率。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种性能稳定可靠的高强度埋弧焊熔敷金属，该种焊接熔 敷金属综合性能优良，抗拉强度多780MPa，-60°C的冲击韧性> 100J，满足API对XlOO的技 术要求并具有优异的低温韧性。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 一种高强度管线钢用埋弧焊缝金属，其化学成分为（质量百分比，wt%): C 0. 02-0. 08, Si 0. 05-0. 20, Mn 1. 6-1. 9, S ^ 0. 005, P^O. 010, Ni 1. 2-1. 6, Mo 0.6-0. 8, Cu 0.35-0. 55, Zr 0.01-0. 05, Ce 0.02-0.06,0 0.026-0.040,且 Ni/ Cu:2. 5-3. 5, Zr+Ce:0. 04-0. 10。余量为铁及不可避免的杂质。匹配焊剂碱度为1. 33-1. 38， 采用多丝高速埋弧焊的方法制得。制得的焊缝金属抗拉强度多780MPa，-60°C低温韧性> IOOJo
[0007] C是保证焊缝强度的重要因素，C含量过低会导致合金成本增加，但过高C含量会 增加焊接过程中焊缝金属的冷裂倾向，本发明中将C含量控制在0. 02-0. 08%。
[0008] Mn在焊缝中通过细化焊缝组织，从而提高焊缝金属的强度和韧性。但过高的Mn含 量会使焊缝韧性降低，并增加焊缝的裂纹敏感性，因此优选Mn含量为1. 6-1. 9%。
[0009] Si有较强的固溶强化作用，能够有效提高焊缝强度，并且与Mn起到联合脱氧的作 用。此外，Si与Mn同样，在含量过高时会对焊缝韧性不利，并会增加焊缝裂纹敏感性，所以 Si含量不宜过高，控制Si含量在0. 05-0. 20%。
[0010] Mo元素添加可有效降低焊缝金属相转变温度，从而细化焊缝组织，提高强度和低 温冲击韧性。优选其含量为0. 6-0. 8%。
[0011] Ni会通过韧化铁素体基体提高焊缝金属的低温冲击韧性。另一方面过高Ni含量 会降低焊缝金属流动性，对焊缝成形不利，同时也会造成成本大幅上升，因此，设置Ni含量 为 1. 2-1. 6%〇
[0012] Cu是本发明中重要的元素之一，一方面利用其细化焊缝金属组织，另一方面利用 其细小的析出相来同时提高焊缝金属的强度和低温冲击韧性。在本发明的NiMoCu合金设 计中，焊缝金属的低碳贝氏体生成区间较大，降低了其对焊接工艺的敏感性，从而确保了焊 接微观组织和力学性能的波动性。
[0013] 另一方面Cu的添加提高了焊缝金属的抗氢致裂纹（HIC)能力，Cu可以促进钝化膜 的形成，减少氢的侵入，所以加入一定量的Cu使焊缝金属具有一定的抗HIC性能。但Cu含 量过高会增加焊缝的热脆性，控制其含量0. 35-0. 55%，同时本发明中也添加了部分Ni来 消除其不利影响。控制Ni/Cu比例在2. 5-3. 5之间时，可有效消除Cu添加引起的钢坯热脆 裂纹问题，从而确保焊接接头质量。
[0014] Zr是强脱氧剂、脱氮剂，适量Zr的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化 合物粒子，促进针状铁素体形核，细化焊缝组织，有效增加焊缝的强度及韧性，但过高的Zr 含量会导致焊缝韧性恶化，优选其含量〇. 01-0. 05%。
[0015] Ce作为稀土元素中的一种，其可与S形成CeS，在净化焊缝金属的同时，也提供了 晶内形核的质点、从而细化焊缝金属组织，有利于强度和低温冲击韧性提高，但当Ce超过 一定含量时，会造成焊缝金属塑性下降，因此优选Ce含量0. 02-0. 06 %。另外，焊缝金属 在高温阶段形成的含Ce的氧化物和硫化物离子的分布状态对随后的相转变行为有直接影 响，由于S主要分布于晶界处，因此含Ce的硫化物也主要分布于晶界处，但与Zr复合添加 时，会形成复合硫化物，或者复合的氧硫化物，从而改善其分布状态、降低晶界处的侧板条 或者魏氏体组织生成几率，从而提高焊缝组织的低温冲击韧性。为保证Zr+Ce复合添加能 够达到以上作用，并避免出现含量过高时所带来的焊缝金属韧性与塑性的恶化，优选Zr+Ce 的含量 〇· 04-0. 10%。
[0016] 0是本发明中重要的元素之一。其含量是由焊接熔池中的冶金反映决定的，直接决 定了焊缝金属中氧化物的数量，并与添加的脱氧剂共同决定了焊缝金属中氧化物类粒子的 种类和分布，从而间接对焊缝金属的强度和韧性产生影响。同时，其含量多少也影响埋弧制 管中的焊缝成型质量，从而影响焊接效率和质量。综合本发明的NiMoCu合金设计，以及弱 碱性焊剂的高效焊接要求，优选其含量为〇. 026-0. 040%。
[0017] S，P对焊缝的低温韧性不利，应作为杂质元素控制在合理范围，此外，S含量的增 加会使焊缝中存在大量形态各异的MnS夹杂，此类夹杂是增加材料氢致裂纹的敏感性的主 要因素，严格控制S含量在较低水平，可以大大降低焊缝中的MnS夹杂，并使MnS形态趋于 球形，从而降低焊缝氢致裂纹的形成。P易在焊缝中心发生偏析，这种偏析也将促进氢致裂 纹的形成，所以P含量也应得到严格的控制。
[0018] 本发明中对匹配焊剂的碱度（Basicity Index)做出要求，主要是因为通过控制焊 剂碱度一方面可以控制冶金还原反应，另一方面也需控制焊缝成型性能。冶金还原反应可 以控制焊缝氧含量在合理范围，有利于在焊缝金属中形成细小、密集的夹杂物，此类夹杂物 有利于针状铁素体形核，使焊缝具有较高比例的针状铁素体，对焊缝的低温韧性和强度有 利。同时，高碱度会使焊缝金属黏度提高，降低焊缝金属及熔化焊剂的流动性，影响焊缝成 形，也易造成夹渣和气孔等焊接缺陷，因此将焊剂的碱度范围设置为1. 35-1. 40。其中，焊剂 碱度按如下公式计算：
[0019]
【主权项】
1. 一种高强度管线用埋弧焊缝金属，其特征在于：焊缝金属按质量百分比组成包括：C 0. 02-0. 08%, Si 0. 05-0. 20%, Mn 1. 6-1. 9%, S ^ 0. 005%, P ^ 0. 010%, Ni 1.2-1.6%, Mo 0.6-0. 8%，Cu 0.35-0. 55%，Zr 0.01-0. 05%，Ce 0.02-0. 06%，00. 026-0. 040%，且 Ni/Cu:2. 5-3. 5, Zr+Ce:0. 04-0. 10%。
2. 根据权利要求1所述的高强度管线用埋弧焊缝金属，其特征在于：焊缝金属抗拉强 度彡780MPa，-60°C低温韧性> 100J。
3. 根据权利要求1所述的高强度管线用埋弧焊缝金属，其特征在于：该焊缝金属采用 碱度为1. 33?1. 38的弱碱性焊剂配合焊接获得。
【专利摘要】本发明涉及一种高强度管线用埋弧焊缝金属，其化学成分(质量百分比，wt％)：C0.02-0.08，Si0.05-0.20，Mn1.6-1.9，S≤0.005，P≤0.010，Ni1.2-1.6，Mo0.6-0.8，Cu0.35-0.55,Zr0.01-0.05,Ce0.02-0.06,O0.026-0.040，且Ni/Cu:2.5-3.5,Zr+Ce:0.04-0.10。本发明焊缝金属金属通过多丝高速埋弧焊方法获得，具有优良的综合性能，焊缝抗拉强度≥780MPa，-60℃冲击功＞100J。该焊缝金属适用于高强度级别钢板的焊接接头，低温韧性优异，特别适用于API X100级别的管线焊管的制造。
【IPC分类】B23K35-30
【公开号】CN104607822
【申请号】CN201410752053
【发明人】张宇, 潘鑫, 董利明, 张红, 郭振其
【申请人】江苏省沙钢钢铁研究院有限公司, 中国石油集团渤海石油装备制造有限公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月10日