X100管线钢用双渣系高韧性高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种XlOO管线钢用双渣系高韧性高速 埋弧焊烧结焊剂及制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着长距离输油气管道向大口径、高压力方向发展，国内外钢铁企业加大了对 Xioo超高强管线钢研发力度，已经于本世纪初开始了一系列Xioo管道试验段的建设。Xioo 管线钢是目前高强度、高韧性输送管道钢材的发展方向，市场前景广阔，有望在西气东输的 西四线、西五线大量应用。但是XlOO管线钢的实际工业化应用进展缓慢，国内现阶段还只 是处于实验室的研究及少量的试验阶段，还未进行工程化应用，主要原因之一是由于管线 钢强度级别的提高，目前现在使用的X80管线钢用埋弧焊烧结焊剂已经不能满足XlOO管线 钢高速埋弧焊的焊缝强度和韧性等力学性能及工艺性能要求。经对现有技术的文献检索发 现，专利号ZL200410097805. 9公开了一份名称为"高等级管线钢用高强度高韧性高焊速埋 弧焊剂"专利文件，该焊剂的重量百分比组成为：32 % < MgO < 40 %，20 % < Al2O3 < 25 %， 15% 彡 SiO2 彡 25%，15% 彡 CaF2 彡 25%，3% 彡稀土氧化物彡 8%，S〈0. 04%，Ρ〈0· 04%， 焊速可达1.5?2. Om/min，焊接工艺性能优良，焊缝的抗拉强度彡700MPa，-IOC的冲击 韧性平均值> 100J。专利号ZL201210076252.公开了一份名称"高碱度高韧性低氢型 烧结焊剂及其制备方法"专利文件，该焊剂的质量百分比组成为：18%< MgO < 21. 5%， 33 % ^ CaF2 ^ 35 %, 15 % ^ Al2O3 ^ 20 %, 17 % ^ SiO2 ^21%, 3. 5%^ CaO ^8%,1% 彡MnO彡5 %，2 %彡BaCO3彡5 %，FeO彡3 %，以上各组分的质量百分比总和为100 %，熔渣 碱度Bnw为2. 4?2. 6,焊接工艺性能优良，实现了内外4丝焊接，-40°C的冲击韧性平均值 132?202J。该两种焊剂的工艺性能优良，能满足X80管线钢的力学性能要求。
[0003] XlOO管线钢具有很高的洁净度、均匀性和超细化的晶粒，焊接的难题是如何实现 焊缝金属的晶粒细化与纯净化，如何解决母材和焊缝金属强度韧性的匹配的矛盾等。因此 必须开发一种新型高强高韧性焊剂，既能满足高速埋弧焊条件下的工艺性能，又能使焊缝 具有优良的力学性能，满足未来管线建设的迫切要求。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种Xioo管线钢用双渣系高韧性 高速埋弧焊烧结焊剂及制备方法，该焊剂在单丝、双丝高速埋弧焊接条件下，工艺性能优 良，焊缝力学性能达到技术规范规定的标准，尤其具有较高的低温冲击韧性。
[0005] 本发明采用如下技术方案：
[0006] 本发明的焊剂由一种低碱度渣系烧结焊剂（碱度Bnw为0. 7?1. 4)和一种高碱 度渣系烧结焊剂（碱度Bnw为2. 0?3. 0)以I : 1?1 : 3的质量比例均匀混合获得， 其中低碱度渣系烧结焊剂组分质量百分比为=20%彡SiO2彡28%，5%彡ZrO 2彡8%，16% ^ Al2O3 ^ 28%, 3%^ MnO2 ^ 8%,9 ^CaF2 ^ 18,15%^ MgO ^ 24%, 4%^ SrCO3 ^ 10%, 2%彡Mn-Fe彡6%，1%彡Y彡5%，以上各组分的质量百分比总和为100%，高碱度渣系 烧结焊剂组分质量百分比为=8%彡SiO 2S 18%，3%彡TiO2S 8%，10%彡Al2O3彡18%， 2 % ^ MnO2 ^ 10 %, 18 % ^ CaF2 ^ 28 %, 24 % ^ MgO ^ 33 %, 4 % ^ SrCO3 ^ 8 %, 1 % 彡Si-Ca彡3%，2%彡Ti-Fe彡4%，1 %彡Ni彡3%以上各组分的质量百分比总和为 100%。所述Mn-Fe合金中，Mn的质量百分比为65%?85%，其余为Fe,所述Si-Ca合金中， Si的质量百分比为50 %?65 %，其余为Ca,所述Ti-Fe合金中，Ti的质量百分比为65 %? 75%，其余为Fe。
[0007] 焊剂的制备方法，其步骤为：
[0008] (1)制造低碱度渣系焊剂，把粉状材料按低碱度渣系配方要求的比例混合，并在 专用的混料机内干混搅拌均匀，然后在干料中加入占干粉总重量20%?24%的粘结剂，进 行湿混搅拌，将湿拌后的药粉送入造粒机进行造粒，将粒状焊剂放入低温烘干炉内，加热到 180°C?240°C并保温2?3小时，然后将烘干后的焊剂放入高温电阻炉内高温烧结，加热 到850°C?950°C并保温2?3个小时，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度 控制在10?60目之间，从而获得低碱度渣系烧结焊剂；
[0009] ⑵制造高碱度渣系焊剂，把粉状材料按高碱度渣系配方要求的比例混合，然后按 照步骤（1)的方法制造高碱度渣系焊剂；
[0010] ⑶将步骤⑴制造的低碱度渣系焊剂和步骤⑵制造的高碱度渣系焊剂按照 I : 1?1 : 3的质量比例均匀混合，然后依次通过10目和60目的筛子筛选，使得粒度控 制在10?60目之间，从而获得双渣系焊剂。
[0011] 本发明建立了一种创新性的设计方法，采用两种碱度不同的焊剂混合后获得的新 型焊剂，与成分含量完全相同的单一渣系焊剂相比，形成的液态熔渣的高温物理性能具有 显著的不同，在高速焊接条件下，由于焊剂熔化快，冷却快，双渣系焊剂将会形成高碱度熔 渣和低碱度熔渣共存的混合状态，高碱度熔渣熔点高，粘度大，流动性差，低碱度熔渣熔点 低，粘度小，流动性好，形成的双渣系焊剂熔渣克服了单一渣系焊剂熔渣的缺点，综合了两 个渣系焊剂的优点，使得既具有低碱度渣系烧结焊剂工艺性能优良的特点，又具有高碱度 渣系烧结焊剂力学性能较高的特点，尤其是低温冲击韧性。
[0012] 本焊剂的组分众多，组分之间存在复杂的交互作用，本发明根据组分的作用，采用 配方均匀设计对主要组分进行优化设计，配方成分分析如下：
[0013] SiO2主要作用是造渣，调整熔渣高温物理性能，降低熔渣的碱度及表面张力，有利 于改善焊缝成形，但会导致冲击韧性下降。
[0014] TiO2主要作用是造渣，稳弧，调整熔渣高温物理性能，把长渣变为短渣，改善焊缝 成形。
[0015] ZrO2为弱酸性氧化物，对焊缝金属的氧化性较少，有利于提高焊缝金属的冲击韧 性，提高焊剂熔点，改善熔渣的高温物理性能。
[0016] Al2O3主要作用是造渣，调整熔渣的粘度，增大熔渣表面张力。
[0017] MnO2主要是为了调整熔渣碱度、脱硫及弥补焊接过程中烧损的锰等。
[0018] CaF2具有提高熔渣碱度，降低熔渣熔点、粘度和表面张力，改善流动性的作用，并 可有效地降低烙敷金属中扩散氢的含量，但不利于电弧稳定。<