专利名称：X80管线钢埋弧焊焊丝的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种焊丝，尤其是涉及一种石油天然气输送管道用X80高强度高韧性焊管的埋弧焊用焊丝。
背景技术：
管道输送是长距离运输石油天然气最合理的运输方式，具有经济、安全、高效、节能、不间断，以及对环境破坏程度小等显著特点。因而，世界各国高度重视管道输送技术的发展，许多国家不惜花费大量财力和物力，大力发展管道运输业。管道运输已成为继公路、铁路、水路和航空运输之后的第五大运输业。
管线建设的发展趋势是向长距离、高压力、大口径发展，使其强度要求越来越高；另外，由于从油气产地到消费地往往长达数千公里，沿途地质条件复杂、气候多变，对管线钢韧性也提出越来越高的要求。目前，国外管线建设普遍采用X70钢级管线钢，部分长距离管线建设开始采用X80管线钢，但全世界累计长度仅为1750km。而国内西气东输二线天然气管道干线全长约4800km，该工程干线所需正在研发的X80、Φ1219×18.4mm螺旋埋弧焊管和X80、Φ1219×22、26.4、33mm直缝埋弧焊管是填补国内外空白的。
高强度高韧性钢管生产的主要过程包括成型和焊接，而焊接方式主要采用埋弧自动焊接。在高强度焊管制造过程中，其最难解决的是焊缝金属及热影响区的强度及韧性的降低，如何控制焊缝的性能是高强度焊管开发急需解决的关键问题。
众所周知热影响区的机械性能与焊接工艺有关，而焊缝金属及熔合区的强度、韧性等性能指标，与焊丝、焊剂以及母材的成分有着直接的关系。X80管线钢是一种专用钢板，钢板的主要化学成分包括C、Mn、Si，另外还焊有Nb、Cr、Ti、Mo等微量合金元素，以及P、S、N、H和O等有害元素。输送石油天然气的管道要求具有高强度和高的韧性，所以X80管线钢是一种低合金高强度钢，其碳当量Ceq大致在0.43左右。如此高的碳当量给焊接带来一定的难度，而且其焊接成管道后焊缝的性能也应该达到规定的技术要求，这使焊接的难度进一步增加，所以必须要有专用的焊接材料才能保证良好的焊接工艺和焊接后的良好的机械性能。但是目前还没有一种完全针对X80管线钢进行焊接的埋弧焊丝。在现有公开的技术资料中，专利号为92105621.4的中国专利曾公开了一种焊丝，但它是针对我国八十年代末开始研发的X60管线钢的焊丝；X65管线钢我国于97年才开始研制，X70我国于2001年开始研制；X80管线钢我国是2006年开始研制的。92105621.4的中国专利的焊丝的化学成分为C0.03～0.10％、Mn1.2～1.6％、Mo0.2～0.4％、Ti 0.02～0.08％、B0.001～0.008％，它属于MnMoTiB合金系埋弧焊丝，对X80钢不适用。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种专门用于焊接X80管线钢的埋弧焊焊丝，其焊接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。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是 本发明焊丝的化学成分及重量百分比为C0.06～0.10％，Mn1.5～1.8％，Si 0.25～0.35％，P≤0.016％，S≤0.005％，Mo0.3～0.4％，Cu≤0.08％，Ti 0.1～0.2％，B0.004～0.008％，N≤0.006％，H≤0.003％，O≤0.003％。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是 利用上述成分的焊丝焊接X80管线钢时，通过使用合理的焊接工艺和X80管线钢的化学成分的匹配，能够使焊缝金属的化学成分和组织达到最佳，焊缝金属组织为针状铁素体+贝氏体组织，具有合理的拉伸强度、冲击值、弯曲性能、抗裂性能、硬度等机械性能指标，并且焊缝内部气孔、夹渣和裂纹，以及外观边缘过度和咬边等满足标准要求。
与专利号为92105621.4的MnMoTiB合金系埋弧焊丝相比，本发明的焊丝的所有化学元素要求均有较大差异。92105621.4专利埋弧焊丝是针对八十年代末，中国才开始的X60管线钢一起进行研究开发的。本发明的焊丝中的各元素及其含量的匹配合理，对X80管线钢的焊接组织和焊缝的机械性能起到了良好的作用，现说明如下 碳(C)是使钢材获得高强度的最经济的化学元素，但它同时也显著地降低延伸率和冲击韧性值，碳含量不适宜将会带来成本高或质量不能满足要求等问题。当碳小于0.06％时，随着C含量的减少，焊缝高温裂纹的敏感性和降需要的成本将不断增加；当碳大于0.10时，随着C含量的增加，焊缝高温裂纹的敏感性将不断增加。故此，确定焊丝碳含量为0.06～0.10％。与专利号为92105621.4埋弧焊丝相比，该焊丝适度增加了碳含量确保了高强钢X80的强度和经济性。0.03～0.05％的C无法保证X80钢的焊缝金属的拉伸强度、焊材匹配的经济性和高温裂纹的敏感性。
锰(Mn)是获得强度和韧性较经济的化学元素，提高Mn、即Mn/Si含量可以减少S引起热裂纹倾向，但高Mn带来降低抗腐蚀性能等问题。因此本发明的焊丝中Mn含量控制在1.5～1.8％。与专利号为92105621.4埋弧焊丝相比，该焊丝的猛含量的增加比较适度，从而避免了过低的Mn、即Mn/Si引起的S引起热裂纹倾向，以及高Mn所带来的降低抗腐蚀性能等问题，确保了高强度和高韧性X80钢的焊缝的强度和夏比冲击性，以及焊材匹配的经济性。
硅(Si)可以脱氧，有镇静溶池、消除气孔的作用。但含量太多时会明显地降低焊缝塑性和韧性。因此本发明的焊丝中Si含量适宜控制在0.25～0.35％。专利号为92105621.4的埋弧焊丝中没有对Si含量作出要求，本发明的焊丝中的硅Si含量起到了脱氧，镇静溶池、消除气孔的作用。同时避免了含量较多时明显地降低焊缝塑性和韧性的可能，确保高强度和高韧性X80钢的焊缝的质量。
硫(S)是有害元素，是引起热裂纹的主要元素，但降低S含量将增加炼钢成本。实验表明，当焊缝金属S含量越高，焊缝的夏比冲击值越低。综合考虑焊接过程中会使焊缝含S量增加，以及我国目前技术装备较好的钢铁企业比较容易实现的S含量控制水平，以及钢厂为了保证S含量合格，实际控制会留有一定余量，确定焊丝的S含量不大于0.005％。专利号为92105621.4的埋弧焊丝中没有对S含量作出要求，本发明的焊丝中S的含量要求，避免了高硫可能引起的热裂纹倾向、降低焊缝的夏比冲击值以及过低S含量将增加炼钢成本等问题，确保高强度和高韧性X80钢的焊缝的夏比冲击性，以及焊材匹配的经济性。
磷(P)是有害元素，是引起热裂纹的主要元素，但降低磷含量将增加炼钢成本。综合考虑焊接过程中会使焊缝P含量增加，以及我国目前技术装备较好的钢铁企业比较容易实现的P含量控制水平，以及钢厂为了保证P含量合格，实际控制会留有一定余量，确定焊丝的P含量不大于0.016％。专利号为92105621.4的埋弧焊丝中没有对P含量也作出要求，本发明的焊丝中P含量要求避免了可能引起的热裂纹，也不会过多的增加炼钢的成本。确保了高强度和高韧性X80钢的焊缝的质量，以及焊材匹配的经济性。
钼(Mo)可以有效提高焊缝金属的拉伸强度，Mo对获得焊缝的最佳的针状铁素体显微组织、提高韧性有利，但同时也会提高焊缝金属的硬度，因此本发明的焊丝中Mo含量控制在0.3～0.4％比较适宜。与专利号为92105621.4埋弧焊丝相比，该焊丝中的钼(Mo)含量确保了高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的拉伸强度和高韧性。当Mo含量为0.2～0.3％时，无法保证X80钢的焊缝金属的拉伸强度和韧性。
铜(Cu)是有害元素，但降低Cu含量将增加炼钢成本。综合考虑焊丝镀铜过程中会使焊缝Cu含量增加，以及我国目前技术装备较好的钢铁企业比较容易实现的Cu含量控制水平，确定焊丝的含Cu量不大于0.08％。92105621.4专利埋弧焊丝对Cu含量没有要求。
钛(Ti)可以有效防止焊缝金属的晶粒变粗，对促进焊缝针状铁素体显微组织，提高韧性有利。可以使焊缝获得较高的冲击值。因此本发明的焊丝中Ti含量控制在0.1～0.2％比较适宜。该焊丝中钛含量确保了高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性，如果Ti含量过低如含量为0.02～0.08％，则不能保证高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性。
硼(B)可以有效提高焊缝金属的强度，对促进焊缝针状铁素体显微组织提高韧性有利。但同时也会提高焊缝金属的硬度。因此本发明的焊丝中B含量控制在0.004～0.008％是比较适宜的。与专利号为92105621.4的埋弧焊丝相比，该焊丝中B含量确保了高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性。如果硼含量为0.001～0.003％，则不能保证高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性。
氮(N)是有害元素，严重降低焊缝金属的塑性和冲击韧性值，但降低N含量将增加炼钢成本。实验表明，当焊缝金属N含量超过60PPm时，焊缝的夏比冲击值下降的非常明显，因此，要求焊缝金属N含量不超过60PPm。综合考虑焊接过程中会使焊缝含氮量增加，以及我国目前技术装备较好的钢铁企业比较容易实现的氮含量控制水平，以及钢厂为了保证含氮量合格，实际控制会留有一定余量，确定焊丝的N含量不大于0.006％。该焊丝中的N含量要求确保了高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性和合理的成本。92105621.4专利的埋弧焊丝对N含量没有要求，无法确保高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性。
另外钢材中不可能不含有氢(H)、氧(O)等有害元素。氢(H)会使塑性严重下降，在焊接接头中促使产生冷裂纹等缺陷，但降低H含量将增加炼钢成本。焊接过程中也会使焊缝含H量大幅度增加，因此焊丝的H含量不大于30PPm。氧能促使晶粒长大，严重降低焊缝金属的强度、塑性和冲击韧性，但降低氧含量将增加炼钢成本。实验表明，当焊缝金属含氧量超过300PPm时，焊缝的夏比冲击值下降的非常明显，因此，要求焊缝金属含氧量不超过300PPm。综合考虑焊接过程中会使焊缝含氧量大幅度增加，以及我国目前技术装备较好的钢铁企业比较容易实现的氧含量控制水平，确定焊丝的含氧量不大于30PPm。本发明的焊丝中氢(H)和氧(O)含量要求确保了高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性和焊材匹配的经济性。92105621.4专利的埋弧焊丝对氢(H)和氧(O)含量没有要求，无法确保高强度和高韧性X80钢的焊缝金属的高韧性。
具体实施例方式 下面结合实施例对本发明做进一步详细说明 实施例1 本实施例的焊丝的化学成分如表1所示。X80、Φ1219×22mm直缝埋弧焊管焊接所采用的X80、22mm钢板的实际化学成分和标准成分如表2所示，焊剂的成分如表3所示，焊接工艺参数如表4所示。表5给出了焊缝化学成分的分析结果，表6、7、8给出了钢管实物的性能检测结果。由表可知，X80高强度高韧性Φ1219×22mm直缝埋弧焊管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、弯曲和低硬度等技术要求。特别是能够满足世界瞩目的填补国内外空白的西气东输二线天然气管道工程用埋弧焊管技术标准要求。
表1 焊丝化学成分表 单位％ 表2 X80、22mm钢板的主要化学成分单位％ 表3 焊剂的化学成分 单位％ 表4 X80、Φ1219×22mm钢管焊接工艺参数表
表5 X80、Φ1219×22mm钢管焊缝化学成分 ％ 表6 X80、Φ1219×22mm钢管拉伸试验的平均值
表7 X80、Φ1219×22mm钢管夏比冲击试验结果
表8 X80、Φ1219×22mm钢管焊接接头显微硬度单位HV10
实施例2 本实施例的焊丝的化学成分如表9所示。X80、Φ1219×26.4mm直缝埋弧焊管焊接所采用的X80钢板的实际化学成分和标准成分如表10所示，焊剂的成分如表11所示，焊接工艺参数如表12所示。表13给出了焊缝化学成分的分析结果，表14、15、16给出了钢管实物的性能检测结果。由表可知，X80高强度高韧性Φ1219×26.4mm直缝埋弧焊管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、弯曲和低硬度等技术要求。特别是能够满足世界瞩目的填补国内外空白的西气东输二线天然气管道工程用埋弧焊管技术标准要求。
表9 焊丝化学成分表 单位％ 表10 X80、26.4mm钢板的主要化学成分 单位％ 表11 焊剂的化学成分 单位％ 表12 焊接工艺参数表
表13 焊缝化学成分 ％ 表14X80、Φ1219×26.4mm钢管拉伸试验的平均值
表15X80、Φ1219×26.4mm钢管夏比冲击试验结果
表16X80、Φ1219×26.4mm钢管焊接接头显微硬度 单位HV10
实施例3 本实施例的焊丝的化学成分如表17所示。X80、Φ1219×33mm直缝埋弧焊管焊接所采用的X80钢板的实际化学成分和标准成分如表18所示，焊剂的成分如表19所示，焊接工艺参数如表20所示。表21给出焊缝化学成分分析结果，表22、23、24给出了钢管实物的性能检测结果。由表可知，X80高强度高韧性Φ1219×33mm直缝埋弧焊管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、弯曲和低硬度等技术要求。特别是能够满足世界瞩目的填补国内外空白的西气东输二线天然气管道工程用埋弧焊管技术标准要求。
表17 焊丝化学成分表 单位％ 表18 X80、33mm钢板的主要化学成分 单位％ 表19焊剂的化学成分 单位％ 表20 焊接工艺参数表
表21 焊缝化学成分 ％ 表22X80、Φ1219×33mm钢管拉伸试验的平均值
表23X80、Φ1219×33mm钢管夏比冲击试验结果
表24X80、Φ1219×33mm钢管焊接接头显微硬度 单位HV10
实施例4 本实施例的焊丝的化学成分如表25所示。X80、Φ1219×18.4mm埋弧焊管焊接所采用的X80卷板的实际化学成分和标准成分如表26所示，焊剂的成分如表27所示。表28、29给出了钢管实物的性能检测结果。Φ1219×18.4mm螺旋埋弧焊管硬度在210～260Hv10之间，符合标准要求硬度的≤275Hv10。由此可知，X80高强度高韧性Φ1219×18.4mm螺旋埋弧焊管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、弯曲和低硬度等技术要求。特别是能够满足世界瞩目的填补国内外空白的西气东输二线天然气管道工程用埋弧焊管技术标准要求。
表26 X80卷板的实际化学成分和标准成
表27焊剂的成分 表28Φ1219×18.4mm螺旋埋弧焊管拉伸性能
表29Φ1219×18.4mm螺旋埋弧焊管夏比冲击试验
上述四个实施例的弯曲试验均合格，弯曲角度为180°，弯曲直径为壁厚的六倍。
权利要求
1、X80管线钢埋弧焊焊丝，其特征在于焊丝的化学成分和重量百分比为C 0.06～0.10％，Mn1.5～1.8％，Si 0.25～0.35％，P≤0.016％，S≤0.005％，Mo 0.3～0.4％，Cu≤0.08％，Ti 0.1～0.2％，B0.004～0.008％，N≤0.006％，H≤0.003％，0≤0.003％。
全文摘要
本发明公开了一种X80管线钢埋弧焊焊丝。它应用于焊接输送石油天然气用的X80高强度高韧性管线钢的埋弧焊接。焊丝的化学成分和重量百分比为C 0.06～0.10％，Mn 1.5～1.8％，Si 0.25～0.35％，P≤0.016％，S≤0.005％，Mo 0.3～0.4％，Cu≤0.08％，Ti 0.1～0.2％，B 0.004～0.008％，N≤0.006％，H≤0.003％，0≤0.003％。采用该焊丝焊接X80高强度高韧性埋弧焊管时，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。特别是能够满足世界瞩目的西气东输二线天然气管道工程用埋弧焊管技术标准要求。
文档编号B23K9/18GK101254575SQ200710139338
公开日2008年9月3日 申请日期2007年9月4日 优先权日2007年9月4日
发明者李延丰, 任景辉, 旭 王, 申立群, 张远生, 曾志超, 明廷泽, 海 郑 申请人:华北石油钢管厂, 四川大西洋焊接材料股份有限公司