一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药 芯焊丝，尤其适用于高钢级管道(X80，X90，X100)的全位置自保护焊接用药芯焊丝。
【背景技术】
[0002] 自保护药芯焊丝自问世以来经过了近50年的发展，已经从最初的以追求工艺性能 为主发展到目前的高强、高韧且能够进行全位置焊接的高品质自保护药芯焊丝。作为一种 高效、便捷、经济的新型焊接材料，自保护药芯焊丝在油气管道、海洋平台等领域得到了广 泛应用，具有广阔的发展前景。自保护药芯焊丝除具有药芯焊丝的特点外，还具有以下优 点:①不需外加保护气源，可以使用现有气体保护焊接设备改装，降低了设备更新成本并更 便于操作;②具有优良的抗风能力，通常能在4级风下顺利施焊;③优良的抗锈能力。自保护 药芯焊丝作为一种高效及适合室外作业的焊接材料，在石油管道、船舶、钻井平台等焊接领 域备受青睐，尤其是在我国西气东输管道工程中管线钢的环缝焊接相当一部份采用自保护 药芯焊丝半自动焊完成。
[0003] 但是，由于自保护药芯焊丝是在没有外加气体保护下的一种焊接材料，导致焊缝 金属中氧、氮等含量较高，往往使得管线管焊接接头的韧性经常出现较大波动。本发明的一 种高韧性自保护药芯焊丝及焊缝组织相比于常规焊丝大幅提高了 Ni含量，并优化了其他合 金元素含量，焊缝中自由氮含量有效降低，显微组织得到的是一种细化的板条贝氏体加少 量粒状贝氏体的混合组织，该组织中MA颗粒呈细化、弥散分布，有效改善了焊缝质量，提高 了焊缝金属韧性，尤其能满足户外大管径管线钢的野外作业需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝，该焊丝 的焊接工艺性能及力学性能优异，可满足高强高韧管线钢的焊接要求。
[0005] 本发明所采用的一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝，包括低碳钢 带的焊丝外皮和药芯，该焊丝的熔敷金属化学成分及质量百分含量为: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%，其余为Fe及不可避免杂质。另根据具体性能要求，还有适当少量的V:0~ 0 · 08wt %、Co: 0~0 · 5wt %、Zr: 0~0 · 06wt %、稀土Ce: 0~0 · 02wt % 等合金元素中的一种或 几种。
[0006] 该焊丝焊缝金属中的自由氮含量降低到150ppm以下，焊缝凝固态组织为细化的板 条贝氏体组织和少量粒状贝氏体混合组织，MA组元细化、弥散分布，可有效改善自保护焊缝 冲击韧性。
[0007] 本发明的一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝，通过优化的合金设 计，可使焊缝中的氮大部分以固溶氮的形式存在，极大程度地降低了焊缝中自由氮的存在， 减少了氮的局部集聚，降低了氮对韧性的危害。
[0008] 本发明的一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝，通过调整焊丝中合 金元素含量，使焊缝的凝固组织为细化的板条贝氏体组织，热影响粗晶区的组织为板条贝 氏体和少量粒状贝氏体的混合组织，并且整个焊缝显微组织中MA组元呈细化、弥散分布，有 效降低了脆性相Μ岛对韧性的破坏作用。
[0009] 本发明的一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝，其熔敷金属中几种 主要组分的作用如下：
[0010] Α1是自保护药芯焊丝中常用的脱氧剂和固氮剂，具有有效的脱氧、固氮作用。可以 有效防止焊缝中气孔的产生，起到很好的保护作用。铝又是强固氮剂，铝能够与氮作用生成 稳定的氮化物而不溶于液态的钢，从而有效防止了熔敷金属中过饱和的Ν集结成Ν2气泡，杜 绝了熔敷金属产生气孔。
[0011] Μη是奥氏体化稳定元素，能够降低奥氏体向铁素体转变的温度。随着Μη含量的增 加，针状铁素体的数量增加，先共析铁素体和侧板条铁素体的数量减少，并且使针状铁素体 的晶粒度变得更加细小，Μη提高焊缝金属韧性的同时，还可提高焊缝金属的强度。焊丝中的 Μη还可以起到脱氧的作用，而且能够与硫反应生成稳定MnS，从而降低低熔点相FeS的生成， 有利于提高焊缝金属的抗热裂纹及层状撕裂的能力。
[0012] Ni是奥氏体稳定化元素，Ni无限固溶于γ -Fe，在焊缝金属中也起固溶强化作用， 能提高奥氏体淬透性，降低相变温度，促进板条贝氏体形成，优化MA组元的形态和分布。降 低脆性的硬化相Μ组元的韧性的破坏作用。从而有效改善焊缝的冲击韧性。
[0013] Zr为典型弥散相元素，抑制金属再结晶和晶粒长大，从而细化晶粒强化合金性能。 Zr或固溶于基体中，或在加入Zr后生成A13Zr，ZrN，ZrC细小质点弥散，开$成条状分布在铁素 体枝晶上，与基体共格钉扎位错，阻碍枝晶长大及晶界迀移，生成细化的枝晶和细晶粒。
[0014] 稀土元素 Ce能够提高焊缝纯净度，改变焊缝中夹杂物（主要为氧化物）的分布形 态，从而提高焊缝的强度和冲击韧性。
[0015] 本发明的适用于高钢级管道焊接的高Ni自保护药芯焊丝在焊接过程中不会生成 大量烟尘及有害气体，改善焊缝质量，有效提高焊缝冲击韧性。尤其能满足户外大管径管线 钢的野外作业需求。
[0016] 本发明优点在于，药芯焊丝在焊接过程中不会生成大量烟尘及有害气体，熔池中 氮、氧含量较低，焊缝金属中的自由氮含量可降低到150ppm以下，焊缝凝固态组织为细化的 板条贝氏体组织和粒状贝氏体组织，MA组元细化、弥散分布;该焊丝可适用于高钢级管道的 全位置焊接，有效改善自保护焊缝冲击韧性，尤其能满足户外大管径管线钢的野外作业需 求。
【附图说明】
[0017] 图1为焊缝一次凝固显微组织图。
[0018] 图2为焊缝热影响粗晶区显微组织图。
[0019] 图3为本实施案例熔敷金属柱状晶区组织图。
[0020] 图4为本实施案例熔敷金属粗晶区组织图。
[0021 ]图5为本实施案例熔敷金属细晶区组织图。
[0022]图6为对比焊丝熔敷金属柱状晶区组织图。
[0023] 图7为对比焊丝熔敷金属粗晶区组织图。
[0024] 图8为对比焊丝熔敷金属细晶区组织图。
【具体实施方式】
[0025] 下面列举具体实施例对本发明进行说明，有必要在此指出的是以下具体实施步骤 只用于对本发明作进一步说明，不代表对本发明保护范围的限制，其他人根据本发明做出 的一些非本质的修改和调整仍属于本发明的保护范围。
[0026]下面是本发明的具体实施例：
[0027]实施例：
[0028] -种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝及焊缝组织，其采用普通市售 的冷乳低碳钢钢钢带为原材料，根据具体施焊管线钢的不同，分别按照一定的比例制备药 芯粉末，120~300°C烘干处理后，混合均匀并按照21~24%的填充率加至以冷乳钢带为外 皮的焊丝中。共制备了6批焊丝，焊丝直径均为2.0mm。
[0029] 表1为本发明焊丝制备过程中所用低碳冷乳钢带化学成分表，表2为本发明的适用 于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝熔敷金属的化学成分表，表3为本发明实施例所 用药芯焊丝施焊母材及焊接工艺表，图3和图4分别为本发明实施例施焊后熔敷金属各区域 典型的显微组织及对比焊丝焊缝的显微组织，表4为采用本发明实施例施焊后的熔敷金属 性能。
[0030] 表1本发明焊丝的冷乳钢带化学成分(重量％ )
[0032]表2本发明的适用于管道焊接的高韧自保护药芯焊丝熔敷金属化学成分表，余量 为Fe(重量％)
[0034] 表3本发明实施例所用药芯焊丝施焊母材及焊接工艺表
[0035]
[0037]表4采用本发明与现有技术对比例施焊后熔敷金属的性能对比表
[0039]由此可见，与常规自保护药芯焊丝对比，通过提高熔敷金属中的Ni含量，一方面使 焊缝显微组织细化，另一方面使显微组织中板条贝氏体比例明显增加，尤其是MA组元数量 与对比焊丝相比明显降低，MA岛细化、弥散分布于基体中；同时由于提高了Ni含量，焊缝中 自由氮含量也明显降低，显著提高了焊缝金属的冲击韧性，不仅平均值提高20J以上，冲击 韧性数值稳定性也显著提升。另外，在焊接过程中，熔渣的粘度和凝固特性良好，可全位置 焊接，尤其适合立向下焊。焊接工艺性好，电弧稳定、穿透力强，操作容易，焊缝成型美观。脱 渣好，飞溅小。
[0040]综上所述，本发明的适用于高钢级管道全位置焊接的高韧自保护药芯焊丝焊接工 艺性能良好，焊缝MA组元细化、弥散，有效降低了焊缝中的自由氮含量你，冲击韧性有效改 善，尤其能满足户外大管径管线钢的野外作业需求。
【主权项】
1. 一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝，该自保护药芯焊丝由钢带和药 芯粉末组成，其特征在于，该焊丝的熔敷金属化学成分及质量百分含量为：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%，余量为Fe及不可避免杂质；还有V:0~0.08wt%、C〇:0~ 0 · 5wt%、Zr: 0~0 · 06wt%、稀土Ce: 0~0 · 02wt%合金元素中的一种或几种。2. 根据权利要求1所述的高韧自保护药芯焊丝，其特征在于，该焊丝焊缝金属中的自由 氮含量降低到150ppm以下，焊缝凝固态组织为细化的板条贝氏体组织和少量粒状贝氏体混 合组织，Μ组元细化、弥散分布，可有效改善自保护焊缝冲击韧性。
【专利摘要】一种适用于高钢级管道焊接的高韧自保护药芯焊丝，属于焊接材料领域。该自保护药芯焊丝由钢带和药芯粉末组成，其特征在于，该焊丝的熔敷金属化学成分及质量百分含量为：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％，余量为Fe及不可避免杂质；还有V：0～0.08wt％、Co：0～0.5wt％、Zr：0～0.06wt％、稀土Ce：0～0.02wt％合金元素中的一种或几种。优点在于，药芯焊丝在焊接过程中不会生成大量烟尘及有害气体，熔池中氮、氧含量较低，焊缝金属中的自由氮含量可降低到150ppm以下，焊缝凝固态组织为细化的板条贝氏体组织和粒状贝氏体组织，MA组元细化、弥散分布，有效改善自保护焊缝冲击韧性。
【IPC分类】B23K35/30, B23K101/10
【公开号】CN105414796
【申请号】CN201510921282
【发明人】刘清友, 姜志阳, 隋永莉, 李箕福, 寇伟祥, 辛萌, 范玉然, 贾书君, 卢军华, 宋卫臣, 吴江桥, 汪兵
【申请人】钢铁研究总院, 中石化石油工程设计有限公司, 中国石油天然气管道科学研究院, 安泰科技股份有限公司
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月11日