专利名称：用于焊接x100级管线钢的焊接材料及焊接工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于钢铁领域，特别涉及ー种用于焊接XlOO级管线钢的焊接材料及焊接ェ艺。
背景技术：
目前国际上对天然气的需求保持快速增长的趋势，应用XlOO或更高等级的管线钢建造长距离运输管道有着重要的意义。它不仅可以提高天然气管道的运输压力，还可以通过降低管体厚度和減少环焊缝横向焊接耗材节约原材料成本。由于XlOO级管线钢尚处于研发阶段，国内外均没有生产出性能稳定的XlOO级管体材料，对XlOO级管线钢的现场焊接问题也没有形成较为系统合理的基础理论，更没有生产出能够实际应用的性能稳定的焊丝和相对成熟的焊接エ艺。由于XlOO级管线钢是通过细晶強化、位错强化获得的低碳高强钢，其焊接冷裂纹敏感性较大。现场焊接时出现焊接热影响区软化、焊缝接头低温韧性较差，对现场焊接环境要求苛刻，焊接エ艺较窄等特点。因此，XlOO级管线钢的现场焊接问题一直是难以解决的难题。从XlOO级管线铺设和服役角度，还必须考虑以下两个问题:(I)在满足焊缝高强度的基础上，焊缝的低温韧性一直是难以解决的问题。必须开发出适用于现场施焊的气体保护焊丝，以保证焊缝区域强度满足要求的基础上，具有良好的低温韧性(180j-20°c)，同时具备良好的焊接性；(2)由于XlOO级管线钢以细晶强化和位错强化为主，因此必须采取合理的焊接エ艺防止出现焊接热影响区软化和焊接热影响区韧性下降问题。目前，国内还没有开发出合格的针对XlOO级管线钢现场焊接的专用焊丝。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高XlOO级管线钢焊缝的抗拉强度和低温冲击韧性的用于焊接XlOO级管线钢的焊接材料及焊接エ艺。为解决上述技术问题，本发明ー个方面提供了ー种用于焊接XlOO级管线钢的焊接材料，其化学成分质量百分比为:C:0.05 0.10%, S1:0.20 0.45%, Mn:1.10 1.45%, P 彡 0.015%, S 彡 0.003%,Cr:0.20-0.40%, Mo:0.20 0.50%, N1:1.0 3.50%, Ceq:0.38 0.48%, Pcm:0.18 0.23%，余
量为Fe和微量元素。本发明的另ー个方面提供了ー种使用上述焊接材料焊接XlOO级管线钢的焊接エ艺，包括:在对管线钢管体进行对接环焊时，采用上述焊接材料先进行填充焊，然后进行盖面焊；所述焊接材料的強度级别为X100，管径为0)813mnri219mm，管壁厚度为14.3mm 30mmo进ー步地，当使用所述管径为の8131111]1、管壁厚度为14.3mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊3適，然后进行盖面焊I適。
进ー步地，所述进行填充焊时，焊接的电流为22(T280A，电压18 24V，焊接速度为2d 35cm/min ；所述进行盖面焊时，焊接的电流为18(T260A，电压为18 22V，焊接速度为22 32cm/min。进ー步地，当使用所述管径为①1016mm、管壁厚度为18.6mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊5適，然后进行盖面焊I適。进ー步地，所述进行填充焊时，焊接的电流为20(T260A，电压18 22V，焊接速度为22 32cm/min ；所述进行盖面焊时，焊接的电流为18(T240A，电压为18 22V，焊接速度为20 30cm/min。进ー步地，当使用所述管径为On219mm、管壁厚度为23.5mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊7適，然后进行盖面焊I適。进ー步地，所 述进行填充焊时，焊接的电流为20(T260A，电压18 24V，焊接速度为22 32cm/min ；所述进行盖面焊时，焊接的电流为18(T240A，电压为18 24V，焊接速度为20 30cm/min。进ー步地，所述管线钢焊接后得到焊缝和热影响区在-20°C时韧性大于180J，焊缝的抗拉强度大于760MPa。本发明提供的ー种用于焊接XlOO级管线钢的焊接材料及焊接エ艺，使XlOO级管线钢现场焊缝的力学性能分别达到:焊缝的抗拉强度大于760MPa，-20°C低温冲击韧性大于 180J。
具体实施例方式本发明提供的ー种用于焊接XlOO级管线钢的焊接材料，其化学成分质量百分比为:C:0.05 0.10%, S1:0.20 0.45%, Mn:1.10 1.45%, P 彡 0.015%, S 彡 0.003%, Mo:
0.20 0.50%, N1:1.0 3.50%, Cu:0.12 0.50%, Ceq:0.38 0.48%, Pcm:0.18 0.23%,
余量为Fe和微量元素。本发明的埋弧焊丝以C-Mn合金系为基础，在此基础上加入了 Cr、Mo、Ni等元素来提高热处理后焊缝的强韧性。本发明的埋弧焊丝的主要成分特点如下:本发明设计的焊丝中C控制在0.05、.10%。为了提高金属的焊接性及低温韧性，焊接材料中将尽量降低焊缝中的含碳量，这时焊缝金属的强度将主要依靠Mn、N1、Mo、Cr等合金元素来保证。但是考虑到必需保留一定的碳含量以保证与微合金元素交互作用，碳含量的确定应充分考虑铁素体中碳的溶解度，即0.01% 0.04%。焊丝中含碳量的增加，可以増加焊缝中针状铁素体的含量，減少先共析铁素体的含量，进而提高焊缝强度。但是，焊缝中过多的含碳量，会促进焊缝中下贝氏体和马氏体的形成，导致焊缝的强度过高的同时，焊缝的韧性和抗裂性下降。本发明焊丝中Si的含量控制在0.20 0.45%。Si是缩小Y区的元素，作为合金元素可以起到固溶強化的作用。焊缝中Si通过与0反应形成Si02，起到脱氧的作用。在Mn与Si比例合适时，其脱氧效果极佳，有助于改善韧性。过多的Si含量会对焊缝的韧性产生不利的影响。本发明焊丝中Mn的含量控制在1.10 1.45%。Mn是奥氏体稳定化元素，能够降低奥氏体向铁素体的转变温度。焊缝金属中Mn充当固溶强化组元，増加Mn含量有助于细化晶粒，増加针状铁素体的含量，同时减少晶界先共析铁素体和侧板条铁素体的含量，从而改善焊缝金属的韧性。在焊缝金属中Mn还可以起到脱氧的作用，而且能够与硫反应生成稳定的MnS，从而防止低熔点相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。但过多的Mn含量时，易于在晶界偏析，从而导致残余奥氏体、马氏体等组织产生。本发明焊丝中Ni的含量控制在1.(T3.50%o Ni可以使Y区扩展，与Y -Fe形成无限固溶体，与a -Fe形成有限固溶体。Ni的加入由于减小了奥氏体与铁素体的自由能差，使得Y — a的转变温度明显降低，对贝氏体转变有较大的推迟作用。在焊缝金属中Ni作为强化组元，通过晶粒细化和固溶強化获得强化效果。Ni也是最好的韧化组元，作为合金元素能够显著改善焊缝金属的低温韧性。为了发挥Ni的有利作用，在増加其含量的同时，应严格限制S、P含量。本发明焊丝中Cr和Mo的含量分别控制在0.20-0.40%和0.20^0.50%。铬和钥元素都是固溶強化元素，可以有效提高焊缝的淬透性。与Mn元素相似，可以增加焊缝中针状铁素体含量，減少先共析铁素体含量。但当超过一定数量吋，会导致贝氏体或马氏体的形成。S、P是必须严格限制的杂质元素，尽量降低其含量有利于焊接性和韧性的改善，要获得高韧性高強度的XlOO管线钢的焊接接头，必须严格控制硫、磷含量，现代冶金技术可以控制为P彡0.015%，S彡0.003%。本发明焊丝中含有较高的Ni元素，所以必须严格控制S含量，以防止大热输入情况下焊缝的抗热裂能力降低。P元素本身是ー种低温脆化元素，应尽可能加以限制。本发明提供的ー种使用上述焊接材`料焊接XlOO级管线钢的焊接エ艺，包括:在对管线钢管体进行对接环焊时，采用上述焊接材料先进行填充焊，然后进行盖面焊。焊接材料的强度级别为X100,管径为0813mm 1219mm,管壁厚度为14.3mm 30mm。当使用管径为の813mm、管壁厚度为14.3mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊3適，然后进行盖面焊I適。进行填充焊时，焊接的电流为220 280A，电压18 24V，焊接速度为25 35cm/min ;进行盖面焊时，焊接的电流为180 260A，电压为18 22V，焊接速度为22 32cm/min。当使用管径为の1016謹、管壁厚度为18.6mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊5適，然后进行盖面焊I適。进行填充焊时，焊接的电流为200 260A，电压18 22V，焊接速度为22 32cm/min ;进行盖面焊时，焊接的电流为18(T240A，电压为18 22V，焊接速度为2(T30cm/min。当使用管径为の1219mm、管壁厚度为23.5mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊7適，然后进行盖面焊I適。进行填充焊时，焊接的电流为20(T260A，电压18 24V，焊接速度为22 32cm/min ;进行盖面焊时，焊接的电流为18(T240A，电压为18 24V，焊接速度为2(T30cm/min。管线钢焊接后得到焊缝和热影响区在-20°C时韧性大于180J，焊缝的抗拉强度大于760MPa。以下通过具体实施例来对本发明的具体实施方式
进行说明。实施例一:
本实施例提供的焊接材料的化学成分质量百分比为C:0.055%, S1:0.21%，Mn:1.11%, P:0.0015%, S:0.001%, Mo:0.22%, N1:1.5%, Cu:0.13%, Ceq:0.385%, Pcm:0.185%，余量为Fe和微量元素。焊接材料的管径为0>813mm、管壁厚14.3mm。目前采用E80100>3.2mm焊条进行根焊，焊接电流为10(T130A，电压2(T26V，焊接速度为8 12cm/min。填充焊和盖面焊道均采用本实施例提供的专用焊丝，其中填充焊为3適，盖面焊为I適。其中填充焊接的电压为22(T280A，电压18 24V，焊接速度为25 35cm/min，盖面焊接的电压为18(T260A，电压为18 22V，焊接速度为22 32cm/min。其焊缝组织的力学性能，经过性能检测，由表I可见，其性能达到XlOO级管道API Spec5L/IS03183:2007相关技术标准要求。实施例ニ:本实施例提供的焊接材料的化学成分质量百分比为C:0.10%, S1:0.45%，Mn:1.45%, P:0.015%, S:0.003%, Mo:0.50%, N1:3.50%, Cu:0.50%, Ceq:0.48%, Pcm:0.23%，余量为Fe和微量元素。焊接材料的管径为￠1016mm、管壁厚18.6mm。目前采用E8010 0>3.2mm焊条进行根焊，焊接电流为10(Tl30A，电压2(T26V，焊接速度为8 12cm/min。而如果填充焊和盖面焊道均采用本实施例提供的专用焊丝，其中填充焊为5適，盖面焊为I遍。其中填充焊接的电压为20(T260A，电压18 22V，焊接速度为22 32cm/min，盖面焊接的电压为18(T240A，电压为18 22V，焊接速度为2(T30cm/min。其焊缝组织的力学性能，经过性能检測，由表I可见，其性能达到XlOO级管道相关技术标准，由表I可见，其性能达到XlOO级管道API Spec 5L/IS03183:2007相关技术标准要求。实施例三:本实施例提供的焊接材料的化学成分质量百分比为C:0.85%，S1:0.35%，Mn:
1.30%, P:0.010%, S:0.0003%, Mo:0.38%, N1:2.55%, Cu:0.36%, Ceq:0.42%, Pcm:0.211%，余量为Fe和微量元素 。焊接材料的管径为0>1219臟、管壁厚23.5mm。目前采用E80100>3.2mm焊条进行根焊，焊接电流为10(T130A，电压2(T26V，焊接速度为8 12cm/min ;填充焊和盖面焊道均采用我们试制的专用焊丝，其中填充焊为7遍，盖面焊为I適。其中填充焊接的电压为20(T260A，电压18 24V，焊接速度为22 32cm/min，盖面焊接的电压为18(T240A，电压为18 24V，焊接速度为2(T30cm/min。其焊缝组织的力学性能，经过性能检测，由表I可见，其性能达到XlOO级管道API Spec 5L/IS03183:2007相关技术标准要求。表I焊缝组织的力学性能表
权利要求
1.ー种用于焊接Xioo级管线钢的焊接材料，其特征在于，其化学成分质量百分比为:C:0.05^0.10%, S1:0.20 0.45%, Mn:1.10 1.45%, P 彡 0.015%, S 彡 0.003%, Cr:0.20-0.40%, Mo:0.20 0.50%, N1:1.0 3.50%, Ceq:0.38 0.48%, Pcm:0.18 0.23%，余量为Fe和微量兀素。
2.ー种使用权利要求1所述的焊接材料焊接XlOO级管线钢的焊接エ艺，其特征在于: 在对管线钢管体进行对接环焊时，采用权利要求1所述的焊接材料先进行填充焊，然后进行盖面焊； 所述焊接材料的强度级别为X100,管径为(D813mm 1219mm,管壁厚度为14.3mm 30mmo
3.如权利要求2所述的焊接エ艺，其特征在于: 当使用所述管径为の813mm、管壁厚度为14.3mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊3適，然后进行盖面焊I適。
4.如权利要求3所述的焊接エ艺，其特征在于: 所述进行填充焊时，焊接的电流为220 280A，电压18 24V，焊接速度为25 35cm/min ； 所述进行盖面焊时，焊接的电流为180 260A，电压为18 22V，焊接速度为22 32cm/min。
5.如权利要求2所述的焊接エ艺，其特征在于: 当使用所述管径为の1016mm、管壁厚度为18.6mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊5適，然后进行盖面焊I適。
6.如权利要求5所述的焊接エ艺，其特征在于: 所述进行填充焊时，焊接的电流为200 260A，电压18 22V，焊接速度为22 32cm/min ； 所述进行盖面焊时，焊接的电流为180 240A，电压为18 22V，焊接速度为20 30cm/mino
7.如权利要求2所述的焊接エ艺，其特征在于: 当使用所述管径为の1219mm、管壁厚度为23.5mm的焊接材料对管线钢管体进行对接环焊时，先进行填充焊7適，然后进行盖面焊I適。
8.如权利要求7所述的焊接エ艺，其特征在于: 所述进行填充焊时，焊接的电流为200 260A，电压18 24V，焊接速度为22 32cm/min ； 所述进行盖面焊吋，焊接的电流为180 240A，电压为18 24V，焊接速度为20 30cm/mino
9.如权利要求2 8任ー项所述的焊接エ艺，其特征在于: 所述管线钢焊接后得到焊缝和热影响区在_20°C时韧性大于180J，焊缝的抗拉强度大于 760MPa。
全文摘要
本发明公开了一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料，其化学成分质量百分比为C0.05~0.10%，Si0.20～0.45%，Mn1.10～1.45%，P≤0.015%，S≤0.003%，Cr0.20-0.40%，Mo0.20~0.50%，Ni1.0~3.50%，Ceq0.38～0.48%，Pcm0.18~0.23%，余量为Fe和微量元素。本发明还公开了一种使用上述焊接材料焊接X100级管线钢的焊接工艺。本发明提供的一种用于焊接X100级管线钢的焊接材料及焊接工艺，使X100级管线钢现场焊缝的力学性能分别达到焊缝的抗拉强度大于760MPa，-20℃低温冲击韧性大于180J。
文档编号B23K35/30GK103121148SQ20131004372
公开日2013年5月29日 申请日期2013年2月4日 优先权日2012年10月23日
发明者齐丽华, 池强, 吉玲康, 王鹏, 李炎华, 王海涛, 黄呈帅, 胡美娟 申请人:中国石油天然气集团公司