专利名称：X80管线钢用埋弧焊焊丝材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种焊丝材料，特别涉及一种石油天然气输送管道用钢X80级管线钢用的埋弧焊焊丝材料，本发明还涉及该焊丝材料的制备方法。
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。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 MATERIALS CONTAINING LITTLEMOLYBDENUM》，公开号GB2090615，
公开日期14.07.1982，Patent Granted witheffect from 24.10.1984(Section 25(1))with title.WELDING MATERIALSCONTAINING 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。2007年华北石油钢管厂开发了《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)，其合金系为C-Mn-Mo-Ti-B，其焊缝和热影响区质量能够满足石油天然气输送对焊接钢管高强度、高韧性和低硬度等技术要求，但本发明中的焊丝的化学成分与其相比具有较大差异。
发明内容
为了解决X80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X80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X80级管线钢的强韧性、低温韧性和抗H2S腐蚀性能的要求。
本发明的另一目的是提供上述焊丝材料的制备方法。
本发明所采用的技术方案是X80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0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.20％～0.300％的Cu，余量为Fe，各组分的重量之和为100％。
本发明所采用的另一技术方案是X80管线钢用埋弧焊焊丝材料的制备方法，该焊丝材料，按重量百分比由以下组分组成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，余量为Fe，各组分的重量之和为100％，该焊丝材料采用电炉冶炼法制得，其中Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe在精炼时加入，控制出钢温度为1550±20℃。
本发明的焊丝材料具有以下特点 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ReL≥555MPa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X80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是用本发明的焊丝材料进行焊接焊缝的金相组织照片。
具体实施例方式 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的焊丝材料，按重量百分比由以下组分组成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.20％～0.300％的Cu，余量为Fe，各组分的重量之和为100％。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％。
上述组方的组分和含量中 焊丝中C含量在0.04％～0.06％之间，冶炼成本小，易于控制； 在C含量为0.04％～0.06％时，Mn控制在1.7％～2.0％的范围内，保证高韧性的获得，Mn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； Si控制在0.01％～0.20％，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； Ni控制在0.5％～1.0％，由于Ni可提高铁素体基体的韧性和促进针状铁素体形成，所以Ni可改善抗冷裂性能和提高低温冲击韧性； Mo控制在0.200％～0.700％，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； Cr是扩大γ相区的元素，降低γ→α相变临界温度，使奥氏体转变在较低的温度下进行，便于生成针状铁素体； Cu控制在0.2％～0.3％，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Cu是抵抗大气腐蚀性最有效的元素之一，即抗H2S腐蚀； Ti控制在0.005％～0.040％，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； 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。
以下以具体实例来验证本发明的效果。
实施例1 按重量百分比取0.043％的C，0.200％的Si，1.800％的Mn，0.890％的Ni，0.700％的Mo，0.500％的Cr，0.210％的Cu，0.012％的Ti，0.100％的Ce，余量为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600A，第二面700A，焊接电压32V，焊速26m/h。所得焊缝的金相组织参见图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1所示，冲击检验结果如表2所示。
表1X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 表2X80级管线钢焊接接头冲击试验
实施例2 按重量百分比取0.040％的C，0.030％的Si，1.700％的Mn，0.500％的Ni，0.200％的Mo，0.340％的Cr，0.300％的Cu，0.030％的Ti，0.220％的Ce，余量为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3所示，冲击检验结果如表4所示。
表3X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 表4X80级管线钢焊接接头冲击试验
实施例3 按重量百分比取0.051％的C，0.010％的Si，1.810％的Mn，1.000％的Ni，0.470％的Mo，0.600％的Cr，0.200％的Cu，0.005％的Ti，0.150％的Ce，余量为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5所示，冲击检验结果如表6所示。
表5X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 表6X80级管线钢焊接接头冲击试验
实施例4 按重量百分比取0.060％的C，0.130％的Si，2.000％的Mn，0.620％的Ni，0.420％的Mo，0.200％的Cr，0.280％的Cu，0.040％的Ti，0.250％的Ce，余量为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7X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 表8X80级管线钢焊接接头冲击试验
实施例5 按重量百分比取0.055％的C，0.180％的Si，2.000％的Mn，1.000％的Ni，0.370％的Mo，0.310％的Cr，0.240％的Cu，0.028％的Ti，0.220％的Ce，余量为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9所示，冲击检验结果如表10所示。
表9X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 表10X80级管线钢焊接接头冲击试验
实施例6 按重量百分比取0.04％的C，0.014％的Si，1.880％的Mn，0.770％的Ni，0.540％的Mo，0.340％的Cr，0.270％的Cu，0.035％的Ti，0.170％的Ce，余量为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11X80级管线钢焊接接头拉伸和硬度试验 表12X80级管线钢焊接接头冲击试验
C是焊缝金属中最重要的合金元素，是使钢材获得高强度的最经济的化学元素。但由于C对钢的淬硬性的强烈影响，为了防止氢致裂纹和焊缝发生脆性断裂，焊缝中C含量通常保持很低的水平。焊缝金属的硬度、屈服强度、抗拉强度均随C含量的增加而提高，但焊缝的冲击韧性则随C含量的增加而减小，同时，随着C含量的升高，焊接性变差，因此本次研究的焊丝C含量在0.04％～0.06％之间，当C含量小于0.04％时，其冶炼成本大大增加，而0.04％～0.06％之间的成本差距不大，易于控制。该焊丝确保了焊接过程中的工艺性能，降低了焊缝的氢致裂纹和淬硬性倾向； 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1.7％～2.0％的范围内，可以保证高韧性的获得。与《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝相比，焊丝中Mn的含量较高，由于Mn在焊接过程中极易烧损，较高的Mn含量可以保证其向焊缝中的过渡； Si控制在0.01％～0.20％，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。与《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝相比，降低了Si的含量，由于在埋弧焊接过程中焊剂能向焊缝过渡Si，而过高的Si含量容易产生粗大的碳化物对焊缝韧性不利； Ni控制在0.5％～1.0％，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。《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝没有加入Ni； Mo控制在0.200％～0.700％，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。与《X80管线钢埋弧焊焊丝》，专利申请号(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝相比，两者Mo含量相差不大，Mo含量在0.700％以下时焊缝的韧脆转变温度都较低，且较多的Mo能促进贝氏体相变，有利于提高焊缝强度； Cr是扩大γ相区的元素，降低γ→α相变临界温度，使奥氏体转变在较低的温度下进行，便于生成针状铁素体。《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝没有加入Cr； 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Cu是抵抗大气腐蚀性最有效的元素之一。与《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝相比，本焊丝Cu含量较高。
Ti控制在0.005％～0.040％，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。与《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝相比，本焊丝中控制了Ti的加入量，这是为了控制使其Ti/N不大于3.4，当Ti/N超过3.4时，增加的Ti会形成碳化物，从而恶化管线钢的焊接热影响区韧性； 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。《X80管线钢埋弧焊焊丝》(申请号200710139338.5，公开号CN101254575，
公开日期2008.09.03)埋弧焊丝没有加入Ce。
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600～800A，焊接电压32～35V，焊速26～30m/h的大线能量焊接。
本发明的高等级管线钢焊接接头显微组织是低碳下的致密的针状铁素体和贝氏体组织，焊接接头具有较低的硬度，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。本发明的埋弧焊焊丝具备高强度、高韧性、综合性能优良等特点，特别适用与微合金化控轧控冷的ReL≥555MPa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X80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0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，余量为Fe，各组分的重量之和为100％。
2.按照权利要求1所述的焊丝材料，其特征在于，控制材料中的杂质S低于0.005％，P低于0.015％。
3.一种权利要求1所述焊丝材料的制备方法，其特征在于，该焊丝材料，按重量百分比由以下组分组成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，余量为Fe，各组分的重量之和为100％，该焊丝材料采用电炉冶炼法制得，其中Cu、Ce、Ti-Fe、Mo-Fe在精炼时加入，控制出钢温度为1550±20℃。
全文摘要
一种X80级管线钢用的埋弧焊焊丝材料，按重量百分比由以下组分组成0.040％～0.060％的C，0.010％～0.200％的Si，1.700％～2.000％的Mn，0.500％～1.000％的Ni，0.200％～0.700％的Mo，0.200％～0.600％的Cr，0.005％～0.040％的Ti，0.100％～0.250％的Ce，0.200％～0.300％的Cu，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ReL≥555MPa及以上强度级别管线钢和其它结构钢焊接。
文档编号C22C33/00GK101549443SQ20091002243
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月8日 优先权日2009年5月8日
发明者敏 张, 超 王, 李继红 申请人:西安理工大学