专利名称：一种改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法
技术领域：
本发明涉及属于金属材料热处理领域，特别涉及一种改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法。
背景技术：
高频直缝焊(ERW)是利用高频电流的趋肤效应和邻近效应将成型好的管坯迅速地加热到焊接温度，在挤压辊的作用下完成焊接的一种焊接方法。ERW钢管的优点是焊接过程中不用添加填充金属，加热速度快、生产效率高。同时也有明显的缺点因为没有填充金属，不能利用填充合金元素的办法改善焊缝性能；加热温度高，冷却时间短，焊接区域温度梯度大，易产生硬化相和组织应力，所以焊后必须进行热处理，热处理过程是在流水生产线上进行，因此，热处理只能采用传统的退火和正火方式，加热方式为中频感应加热。ERW钢管的致命弱点是焊缝冲击值比较低，而且，这种状态采用普通热处理的方法改善效果不太明
Mo目前，铁塔用钢、管线钢广泛采用高频直缝焊，焊缝低温(_20°C -40°C )冲击韧性偏低是制约高频直缝焊应用范围的制约因素。通常，母材经过高频直缝焊接后，冲击韧性下降幅度很大，焊缝成为钢管韧性的薄弱环节，从而影响钢管的使用。用于高频直缝焊的低合金钢中，为了匹配母材的强韧性，一般在低合金钢中添加钼、铌、钒、钛、锰、铝等合金元素，这些合金元素加入后，通过轧制过程的控轧空冷，钢材的低温冲击韧性都很高，比如Q460E铁塔用钢板，在-40°C条件下，母材冲击值达到70J以上， 母材金相为铁素体+珠光体，见图1 ；冲击断口呈韧窝状，见图2 ；采用传统高频直缝焊接和热处理后，焊缝金相组织见图3 ；焊缝冲击值只有15J左右，而且波动范围很大，冲击断口呈解理断裂，见图4 ；X80管线用钢板在-40°C条件下，母材冲击值达到210J以上，冲击断口呈韧窝状，但采用高频直缝焊后，焊缝冲击值只有45J左右。焊缝低温冲击韧性差，浪费了母材冲击韧性的富余量，又限制了 ERW钢管的应用范围。在已有技术中，高频直缝焊焊接接头一般要经过退火、正火处理，退火温度一般在 600-720°C，正火温度一般在920-950°C，极限正火温度为1000°C，这种热处理工艺的文献报道比较多，这种热处理一般适用于合金含量比较低的钢中，比如Q235B、L245MB和X52等钢，但涉及到合金含量比较高的低合金钢，如Q460E和X80等钢，这种热处理工艺不适合，仍然不能改善焊缝低温冲击韧性差的缺点。
发明内容
为了克服现有技术中高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性差的缺点，本发明的目的在于提供一种能够改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法。本发明的发明人发现，虽然在用于高频直缝焊的低合金钢中添加钼、铌、钒、钛、 锰、铝等合金元素，可以显著提高母材的低温冲击韧性，但是大量的合金元素加入后，由于在ERW条件下，焊缝金属冷却速度很快，限制了钢材中合金元素的溶解与析出，母材和焊缝组织存在较大的区别，最终导致高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性偏低。基于上述认识，本发明提供了一种新的改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法，该方法包括对通过高频直缝焊方式焊接管坯后的焊管焊缝进行热处理，其中，所述热处理包括退火处理和退火处理后的正火处理，所述退火处理的温度为650-720°C，所述退火处理的时间为5-20s，所述正火处理的温度为1060-1100°C，所述正火处理的时间为 5-20so本发明提供的改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法通过在比常规正火温度(Ac3以上30 50°C )高出100°C的1060-1100°C的温度下对高频直缝焊焊管焊缝进行正火处理，保证了焊管焊缝在正火过程中组织充分奥氏体化，能够大大减小焊缝组织与母材组织的差别，显著提高焊管焊缝的低温冲击韧性，例如，本发明的实施例1采用本发明的方法对以Q460E铁塔用钢板为原料的焊管焊缝进行处理后，-40°C焊缝冲击值平均为 34J，而对比例1通过现有方法处理后的焊管焊缝的_40°C焊缝冲击值平均为19J。该方法不仅保证了合理利用母材中的合金资源，还能保证采用ERW焊接方式后，焊缝低温冲击韧性达到一个比较高的值，满足钢管在低温条件下使用，提供了一种提高低合金高强钢焊缝低温冲击韧性的重要途径。
图1是Q460E铁塔用钢母材组织的显微组织图片；图2是Q460E铁塔用钢母材冲击断口形貌的显微组织图片；图3是现有技术中Q460E铁塔用钢高频焊接焊缝组织的显微组织图片；图4是现有技术中Q460E铁塔用钢高频焊接焊缝冲击断口形貌的图片。
具体实施例方式本发明的改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法包括对通过高频直缝焊方式焊接管坯后的焊管焊缝进行热处理，其中，所述热处理包括退火处理和退火处理后的正火处理，所述退火处理的温度为650-720°C，所述正火处理的温度为1060-1100°C。按照本发明提供的方法，成型好的管坯在经过高频直缝焊焊接后，通过进行温度为1060-1100°C的高温正火处理，能够使焊缝组织在正火处理过程中充分奥氏体化，避免了马氏体和贝氏体的出现，改善了焊缝组织，从而减小管坯经过高频直缝焊后焊缝处的低温冲击韧性的下降幅度。为了保证用于高频直缝焊的钢材中的合金元素的均勻溶解和析出，在优选情况下，本发明的方法还可以包括在所述正火处理后，在所述正火处理的温度至800°C的温度范围内对所述焊管焊缝进行强制冷却，冷却速度可以为10-30°C /s，更优选为15-25°C /s。所述强制冷却的方式可以为风冷、水冷和油冷中的至少一种，可以通过对正火处理后的焊缝进行喷风、喷雾或喷油来控制轻质冷却的冷却速度。通过在正火处理的温度至800°C的温度范围内对焊管焊缝进行上述强制冷却，能够使焊缝处的碳化物析出并溶解到奥氏体中，保证焊缝组织的均勻性，提高焊缝低温冲击韧性。为了进一步提高高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性，在优选情况下，本发明的方法还可以包括在所述强制冷却后对焊管焊缝进行自然冷却。可以将通过强制冷却后的温度降至800°C以下的焊管焊缝放置在静止的空气中进行冷却至室温。对于本发明的方法中所使用的管坯没有特别的限定，只要是能够用于高频直缝焊的钢材即可。为了进一步提高高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性，在优选的情况下，所述管坯可以含有铁以及钼、铌、钒、钛、锰和铝中的至少一种的合金元素。在更优选的情况下， 以所述管坯的重量为基准，所述铁的含量为95-99重量％，所述合金元素的总含量为1-5 重量％，在进一步优选的情况下，所述铁的含量为96-98重量％，所述合金元素的总含量为 2-4重量％。含有上述合金元素的管坯不仅可提高母材的低温冲击韧性，在经过高频直缝焊后的焊管焊缝处，所含的合金元素经过1060-1100°C的高温正火处理后，能够很好地溶解和析出，从而显著提高焊管焊缝处的低温冲击韧性。在上述优选的情况下，充分利用了低合金高强钢中的合金元素，保证了采用高频直缝焊后焊缝具有良好的低温冲击韧性能。本发明提供的方法仅涉及高频直缝焊后的焊管焊缝的低温冲击韧性的改善，对于高频直缝焊的焊接方法，可以使用本领技术人员所熟知的各种方法。通常可以采用高频感应器对成型好的管坯进行焊接，焊接时，高频直缝焊如高频感应器的电流频率通常为 150-250kHzo本发明的改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法通过在温度为 1060-1100°C下对焊管焊缝进行高温正火处理、在正火处理的温度至800°C的温度范围内对焊管焊缝进行强制冷却以及在800°C以下的温度范围内将焊管焊缝自然冷却，可以显著改善焊管焊缝的低温冲击韧性，实施例以下通过实施例和对比例对本发明的改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法更详细地说明，但是本发明的改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法并不限定于以下各实施例。在以下各实施例和对比例中，-40°C焊缝冲击值为焊管焊缝在-40°C下按照管线钢管规范SPI Spec 5L进行低温冲击韧性试验测得的冲击功。实施例1以攀钢生产的Q460E铁塔用钢板为原料，其主要合金成分为0. 06重量％ C、0. 08 重量％ V、l. 49 重量％Μη、0. 008 重量％ S、0. 013 重量％P、0. 37 重量％ Si、0. 016 重量％ Ti、 0. 025重量％ Als ；截取尺寸为5X 10X55mm的钢板样品，经金相组织分析样品金相组织为铁素体和珠光体，-40°C条件下经低温冲击韧性试验测得的V型冲击值为70J。取三份同样的Q460E铁塔用钢板，通过高频感应器(成都多林电器有限公司，HFP-60型)对三份样品进行焊接，高频感应器的电流频率为200kHz，焊接速度为16m/min，通过电流频率为IkHz的中频感应器(成都多林电器有限公司，MFP-100型)将焊接后得到的焊管焊缝部分加热至 650°C进行退火处理，退火处理时间为6s，然后通过电流频率为IkHz的中频感应器将焊管焊缝部分加热至1060°C进行正火处理，正火处理时间为6s，自然冷却至室温后，对得到的三个样品焊管焊缝部分进行低温冲击韧性试验，在_40°C下的冲击值分别为34J、37J、32J， 低温冲击值符合国家标准的规定。对比例1以攀钢生产的Q460E铁塔用钢板为原料，其主要合金成分为0. 06重量％ C、0. 08 重量％ V、l. 49 重量％Μη、0. 008 重量％ S、0. 013 重量％P、0. 37 重量％ Si、0. 016 重量％ Ti、0. 025重量％ Als ；截取尺寸为5X 10X55mm的钢板样品，经金相组织分析样品金相组织为铁素体和珠光体，-40°C条件下经低温冲击韧性试验测得的V型冲击值为70J。取三份同样的Q460E铁塔用钢板，通过高频感应器(成都多林电器有限公司，HFP-60型)进行焊接，高频感应器的电流频率为200kHz，焊接速度为16m/min，通过电流频率为IkHz的中频感应器 (成都多林电器有限公司，MFP-100型)将焊接后得到的焊管焊缝部分加热至650°C进行退火处理，退火处理时间为6s，然后通过电流频率为IkHz的中频感应器将焊管焊缝部分加热至950°C进行正火处理，正火处理时间为6s，自然冷却至室温后，对得到的三个样品焊管焊缝部分进行低温冲击韧性试验，在-40°C下的冲击值分别为9J、15J、34J，低温冲击值不符合国家标准的规定。实施例2以攀钢生产的Q460E铁塔用钢板为原料，其主要合金成分为0. 06重量％ C、0. 08 重量％ V、l. 49 重量％Μη、0. 008 重量％ S、0. 013 重量％P、0. 37 重量％ Si、0. 016 重量％ Ti、 0. 025重量％ Als ；截取尺寸为5X 10X55mm的钢板样品，经金相组织分析样品金相组织为铁素体和珠光体，-40°C条件下经低温冲击韧性试验测得的V型冲击值为70J。取三份同样的Q460E铁塔用钢板，通过高频感应器(成都多林电器有限公司，HFP-60型)对三份样品进行焊接后，高频感应器的电流频率为200kHz，焊接速度为16m/min，通过电流频率为IkHz 的中频感应器(成都多林电器有限公司，MFP-100型)将焊接后得到的焊管焊缝部分加热至700°C进行退火处理，退火处理时间为6s，然后通过电流频率为IkHz的中频感应器将焊管焊缝部分加热至1080°C进行正火处理，正火处理时间为6s，正火处理后在1080-800°C温度范围内，采用喷风进行强制冷却，冷却速度为10°C /s，然后自然冷却至室温。对得到的三个样品焊管焊缝部分进行低温冲击韧性试验，在_40°C下的冲击值分别为35J、39J、33J，低温冲击值符合国家标准的规定。实施例3以攀钢生产的Q460E铁塔用钢板为原料，其主要合金成分为0. 06重量％ C、0. 08 重量％ V、l. 49 重量％Μη、0. 008 重量％ S、0. 013 重量％P、0. 37 重量％ Si、0. 016 重量％ Ti、 0. 025重量％ Als ；截取尺寸为5X 10X55mm的钢板样品，经金相组织分析样品金相组织为铁素体和珠光体，-40°C条件下经低温冲击韧性试验测得的V型冲击值为70J。取三份同样的Q460E铁塔用钢板，通过高频感应器(成都多林电器有限公司，HFP-60型)对三份样品进行焊接后，高频感应器的电流频率为250kHz，焊接速度为16m/min，通过电流频率为IkHz 的中频感应器(成都多林电器有限公司，MFP-100型)将焊接后得到的焊管焊缝部分加热至720°C进行退火处理，退火处理时间为20s，然后通过电流频率为IkHz的中频感应器将焊管焊缝部分加热至1100°C进行正火处理，正火处理时间为20s，正火处理后在1100-800°C 温度范围内，采用喷风进行强制冷却，冷却速度为30°C /s，然后自然冷却至室温。对得到的三个样品焊管焊缝部分进行低温冲击韧性试验，在_40°C下的冲击值分别为36J、39J、34J， 低温冲击值符合国家标准的规定。实施例4以攀钢生产的X80管线用钢板为原料，其主要合金成分为0.06重量％(、0.08 重量 ％ VU. 74 % 重量 Μη、0. 006 重量 ％ S、0. 013 重量 ％ P、0.沘3 重量 ％ Si、0. 02 重量％ Ti、0. 025重量％ Als,0. 21重量％ Cu、0. 25重量％ Cr、0. 19重量％ Mo ；截取尺寸为
610X10X 55mm的钢板样品，经金相组织分析样品的金相组织为针状铁素体和珠光体，"40°C 条件下经低温冲击韧性试验测得的V型冲击值为210J。取三份同样的Q460E铁塔用钢板，通过高频感应器(成都多林电器有限公司，HFP-60型)对三份样品进行焊接后，高频感应器的电流频率为150kHz，焊接速度为16m/min，通过电流频率为IkHz的中频感应器(成都多林电器有限公司，MFP-100型)将焊接后得到的焊管焊缝部分加热至650°C进行退火处理，退火处理时间为5s，然后通过电流频率为IkHz的中频感应器将焊管焊缝部分加热至1060°C 下进行正火处理，正火处理时间为5s，正火处理后在1060-800°C温度范围内，采用喷水进行强制冷却，冷却速度21°C /s，然后自然冷却至室温。对得到的三个样品焊管焊缝部分进行低温冲击韧性试验，在_40°C下冲击值为102J、114J、110J，低温冲击值符合国家标准的规定。
权利要求
1.一种改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法，该方法包括对通过高频直缝焊方式焊接管坯后的焊管焊缝进行热处理，其特征在于，所述热处理包括退火处理和退火处理后的正火处理，所述退火处理的温度为650-720°C，所述退火处理的时间为5-20S，所述正火处理的温度为1060-1100°C，所述正火处理的时间为5-20s。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括在所述正火处理后，在所述正火处理的温度至800°C的温度范围内对所述焊管焊缝进行强制冷却，强制冷却的速度为 10-30 0C /s。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述强制冷却的冷却速度为15-25°C/s。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述强制冷却的方式为风冷、水冷和油冷中的至少一种。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，该方法还包括在所述强制冷却后对焊管焊缝进行自然冷却。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述管坯含有铁以及钼、铌、钒、钛、锰和铝中的至少一种的合金元素。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，以所述管坯的重量为基准，所述铁的含量为 95-99重量％，所述合金元素的总含量为1-5重量％。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高频直缝焊的电流频率为150-250kHz。
全文摘要
本发明提供了一种新的改善高频直缝焊焊管焊缝的低温冲击韧性的方法，该方法包括对通过高频直缝焊方式焊接管坯后的焊管焊缝进行热处理，其中，所述热处理包括退火处理和退火处理后的正火处理，所述退火处理的温度为650-720℃，所述退火处理的时间为5-20s，所述正火处理的温度为1060-1100℃，所述正火处理的时间为5-20s。该方法通过在比常规正火温度(Ac3以上30～50℃)高出100℃的1060-1100℃的温度下对高频直缝焊焊管焊缝进行正火处理，保证了焊管焊缝在正火过程中组织充分奥氏体化，能够大大减小焊缝组织与母材组织的差别，显著提高焊管焊缝的低温冲击韧性。
文档编号C21D9/50GK102312075SQ20101021518
公开日2012年1月11日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者余腾义, 刘勇, 姜涛, 左军, 李军, 李正荣, 田道建, 覃柱 申请人:攀钢集团攀枝花钢钒有限公司, 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司, 攀钢集团研究院有限公司, 攀钢集团钢铁钒钛股份有限公司