专利名称：X100管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂及其制备方法
技术领域：
本发明属于材料加工技术领域，本发明涉及一种焊剂材料，特别涉及一种XlOO管线钢用高焊速埋弧焊焊剂，本发明还涉及该焊剂的制备方法。
背景技术：
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X80级钢板和配套焊丝已经开始在“西气东输”二线工程中使用，并取得了良好的效果。而更高强度级别的管线钢XlOO也已经取得了阶段性成果，2006年7月，鞍钢成功研制开发XlOO管线钢宽厚板；2007年8月，武钢开发成功XlOO板卷；另外，南钢、舞钢等也在高钢级管线钢的研发方面取得了很大进展，并相继研发成功XlOO管线钢。XlOO管线钢埋弧焊用焊丝的研究也已进入试验阶段，并已取得了初步成效， 但没有与之相匹配的埋弧焊用焊剂材料，以保证焊缝具有高强度、高韧性及焊接所要求的工艺性，尤其是低温冲击韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种XlOO管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，为高级别管线钢提供焊接材料，提高焊缝低温冲击韧性。本发明所采用的技术方案是，一种XlOO管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，按重量百分比该材料由以下组分组成19% 25%的CaF2, 25% 29%的MgO，5% 8%的CaO，21% 25%的Al2O3,4% 8%的MnO，1% 2. 5%的SiFe，O. 8% I. 2%的Re，余量为SiO2,以上各组份的质量百分比总和为100%ο本发明的另一目的是提供一种焊剂的制备方法，按照以下步骤实施I)称取如下矿物粉料萤石、电熔镁、硅灰石、铝矾土、锰矿、SiFe及轻稀土氧化物；2)将称取的各物质置于同一容器中，进行混合，使得按照质量百分比各物质含量为19% 25% 的 CaF2, 25% 29% 的 MgO, 5% 8% 的 CaO, 21% 25% 的 Al2O3,4% 8% 的 MnO, 1% 2. 5%的，O. 89Γ1. 2%的Re，余量为SiO2,以上各组份的质量百分比总和为100% ；3)混合均匀后，按全部组分质量的229Γ25%加入粘结剂，进行湿搅拌均匀，使之成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过8目的筛子，之后在室温通风条件下放置4飞小时，然后进行烘干，烘干温度为250°C，烘干后，再放入烧结炉中在750°C、00°C的温度下进行烧结，烧结时间不小于2小时，烧结好后通过8 40目的筛子过筛，便得到焊剂。其中SiO2是通过矿物粉携带加入，且焊剂成品中SiO2含量应不大于20%。其中粘结剂为钾钠水玻璃，且钾钠比为2. 6 :1。本发明的有益效果是，与H03MnNiMo焊丝匹配,在I. 75m/min的高焊速、双丝焊接条件下，焊后工艺性能和焊缝性能均能满足高级别管线钢的使用要求，达到了提高焊缝低温冲击韧性和焊接速度的目的。
图I是使用本发明实施例I制备出的焊剂进行焊接的焊缝的金相组织照片；图2是使用本发明实施例2制备出的焊剂进行焊接的焊缝的金相组织照片；图3是使用本发明实施例3制备出的焊剂进行焊接的焊缝的金相组织照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。本发明提供一种XlOO管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，按重量百分比该材料由以下组分组成19% 25%的CaF2, 25% 29%的Mg0，5% 8%的Ca0，21% 25%的Al2O3,4% 8%的MnO, 19Γ2. 5%的SiFe，0. 8% 1. 2%的Re，余量为SiO2,以上各组份的质量百分比总和为100%。本发明还提供上述焊剂的制备方法，按照以下步骤实施I)称取如下矿物粉料萤石、电熔镁、硅灰石、铝矾土、锰矿、SiFe及轻稀土氧化物；2)将称取的各物质置于同一容器中，进行混合，使得按照质量百分比各物质含量为19% 25% 的 CaF2, 25% 29% 的 MgO, 5% 8% 的 CaO, 21% 25% 的 Al2O3,4% 8% 的 MnO, 1% 2. 5%的，O. 89Γ1. 2%的Re，余量为SiO2,以上各组份的质量百分比总和为100% ；其中SiO2是通过矿物粉携带加入，且焊剂成品中SiO2含量应不大于20%。3)混合均匀后，按全部组分质量的229Γ25%加入粘结剂，进行湿搅拌均匀，使之成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过8目的筛子，之后在室温通风条件下放置4飞小时，然后进行烘干，烘干温度为250°C，烘干后，再放入烧结炉中在750°C、00°C的温度下进行烧结，烧结时间不小于2小时，烧结好后通过8 40目的筛子过筛，便得到焊剂。在本发明焊剂的组分中CaF2的熔点较低，具有稀释熔渣的作用，会降低熔渣的熔点，从而提高熔渣的导电性和流动性，CaF2在焊接中发生分解反应，生成的[F]捕捉熔渣中还原反应而产生的
，抑制[O]向熔敷金属中过渡，从而降低熔敷金属中的[O]氧含量，并且降低了电弧气氛中的[H]分压，改善焊缝的塑性和韧性以及焊接工艺性能，在本发明中CaF2的含量应控制在19% 25%之间。MgO是碱性氧化物，作为调整熔渣的碱度而加入的，具有提高熔敷金属冲击韧性、降低扩散氢含量的作用。MgO的熔点较高，提高熔渣的粘度，抑制了熔渣的流动性，但当加入量超过30%时，会使焊缝成型能力变差。MgO也是稳定的氧化物，不易分解，具有增大熔渣表面张力的作用，本发明中MgO含量控制在25°/Γ29%。Al2O3是一种稳定的中性氧化物，是焊剂成分常用的玻璃体造渣材料，其熔点为2050°C，具有提高电弧集中性的作用，对Mn和Si的氧化作用很小，可以有效抑制CO气孔。随着Al2O3的增加，脱渣越来越好，但焊缝表面呈蓝色，渣上气孔也越来越多，焊缝表面易出现麻点。同时Al2O3是熔渣粘度的调整剂，能调整熔渣的流动性，Al2O3具有增大熔渣表面张力的作用，所以加入量过多时，不利于改善脱渣，所以，将其含量控制在219Γ25%之间。CaO是高碱度烧结焊剂的主要造渣剂，对S、P的结合能力较强，可以排除焊缝金属中S、p的含量。在本发明中CaO以硅灰石的形式加入，代替加入CaCO3焊接时分解析出CO2带来的弊病，其加入量控制在5°/Γ8%之间较好。MnO是以调整熔敷金属中的含Mn量为目的而添加的，其降低熔渣熔点，改善熔渣的流动性，有利于焊缝成形，降低表面张力，对于脱渣和熔敷金属的韧性有着重要的影响，但MnO常以以锰矿、富锰渣、以及硅酸锰的形式加入，这些原料一般含有较高S、P含量，因此，本发明中其加入量控制在4°/Γ8%。Si是作为脱氧元素加入焊缝金属的，它缩小Y相区，是稳定α铁素体的元素，对Ms点几乎没有影响。尤其当Mn、Si同时存在时，对焊缝金属组织和性能都有重大的影响；随着Mn-Si含量的增加，可使连续冷却的相变温度逐渐降低、组织细化。但Si显著提高珠光体相变温度，是奥氏体转变移向较高的温度，促使了先共析铁素体的析出对韧性不利，但硅含量的降低，减少了马氏体和奥氏体的数量，有效地提高了焊缝的韧性，因此焊缝中应控制Si的含量。参阅相关资料及试验得出其含量应控制在广2. 5%，并以SiFe的形式加入。Re在焊缝金属中起到净化杂质、变质夹杂和微合金化作用，更多的是有利于改善 韧塑性，可综合发挥Mo、Ti、B的强化效果和Re改善韧塑性的作用。轻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AF的形核，抑制了 PF，使焊缝组织得到细化。稀土是很强的脱氧剂，在焊接中除使用稀土脱氧外，还使稀土起脱氮、吸氢、合金化及孕育剂等作用，降低熔敷金属的扩散氢含量，从而提高了焊缝金属的抗裂性能，提高熔敷金属低温冲击韧性。但当焊缝中稀土元素加入量过多时，会污染焊缝晶界，使之失去抑制晶界先共析铁素体的作用，从而降低了焊缝金属的低温冲击韧性。因此，稀土的加入量应控制在O. 8^1. 2%之间。本发明焊剂与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配使用，进行平板对接Y型坡口双丝双面焊接，前丝Φ4.0，后丝Φ3.2，焊速为1.75m/min，焊接工艺性能优异，且所得熔敷金属强度高，低温韧性好，焊缝强度和韧性完全能与高强度管线钢的母材匹配。本发明具有以下特点I)本发明的原料大都易于获得，原料来源渠道多，所需原料都是国内储备较丰富的原料；2)本发明与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，用于国产XlOO级管线钢焊接得到的焊缝性能如下a.焊缝的抗拉强度720Mpa，冲击韧性(-10°C)平均值彡185J，剪切面积(-10°C)平均值彡88% ；b.焊缝的组织为块状铁素体(QF)复合粒状贝氏和弥散分布的黑色点状析出物，其中大量为铁素体；3)本发明与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，具有良好的工艺性能。在XlOO高钢级，15mm以上大壁厚钢管焊接中，焊速可达I. 6^1. 8m/min，内、外焊道亮度较好，铺展、脱渣均较好；4)采用本发明焊剂施焊能适应高级别管线钢双丝、双面及大线能量下焊接的工艺特点。实施例I按照质量百分比用天平分别称取25%的CaF2, 29%的MgO，5%的CaO，25%的Al2O3,8%的MnO, 2. 5%的SiFe7O. 8%的Re，余量为SiO2,以上各组份的质量百分比总和为100%。
按配方用天平分别称出所需原材料置于同一容器中，各粉剂混合均匀后，加入25%的粘结剂(K-Na混合型水玻璃)，进行湿搅拌均匀成为半固态，将搅拌均匀的湿料在容器盆中来回搓动成粒，并通过8目的筛子，将造好粒的焊剂，在室温通风条件下放置5小时，进行晾干。然后放入烘干炉中进行烘干，温度控制在250°C，烘干后，将焊剂放入烧结炉中加热到900°C，烧结时间不小于2小时，烧结好的焊剂通过30目的筛子过筛便得到成品焊剂。该实施例制成的焊剂材料与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，焊接15. 3mm的XlOO级管线钢，采用美国林肯焊机，双丝、双面焊接，正面焊完后反面清理焊接，Y型坡口，内坡口60±3° ;外坡口 90±3°，其中前丝Φ4. 0，后丝Φ3. 2，焊速为1.75m/min，所得焊缝组织参见图I。具体焊接工艺参数如下表所示
权利要求
1.一种XlOO管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，其特征在于，按重量百分比该材料由以下组分组成19% 25% 的 CaF2, 25% 29% 的 MgO，5% 8% 的 CaO，21% 25% 的 Al2O3,4% 8% 的 MnO，1% 2. 5%的SiFe7O. 8% I. 2%的Re，余量为SiO2,以上各组份的质量百分比总和为100%。
2.—种权利要求I所述焊剂的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施 1)称取如下矿物粉料萤石、电熔镁、硅灰石、铝矾土、锰矿、SiFe及轻稀土氧化物； 2)将称取的各物质置于同一容器中，进行混合，使得按照质量百分比各物质含量为19% 25% 的 CaF2, 25% 29% 的 MgO，5% 8% 的 CaO，21% 25% 的 Al2O3,4% 8% 的 MnO，1% 2. 5% 的，0.8% I. 2%的Re，余量为SiO2,以上各组份的质量百分比总和为100% ； 3)混合均匀后，按全部组分质量的229Γ25%加入粘结剂，进行湿搅拌均匀，使之成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过8目的筛子，之后在室温通风条件下放置4飞小时，然后进行烘干，烘干温度为250°C，烘干后，再放入烧结炉中在750°C、00°C的温度下进行烧结，烧结时间不小于2小时，烧结好后通过8 40目的筛子过筛，便得到焊剂。
3.权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述SiO2是通过矿物粉携带加入，且焊剂成品中SiO2含量应不大于20%。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为钾钠水玻璃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述钾钠水玻璃中钾钠的摩尔比为,2. 6 I ο
全文摘要
本发明公开了一种X100管线钢埋弧焊用高焊速烧结焊剂，由以下组分组成19%~25%的CaF2，25%~29%的MgO，5%~8%的CaO，21%~25%的Al2O3，4%~8%的MnO，1%~2.5%的SiFe，1.5%~3%的ZrO2，余量为SiO2，以上各组份的质量百分比总和为100%。由各矿石粉携带加入的SiO2，采用烧结法制得焊剂材料与相匹配的焊丝在大线能量和高焊速(1.8m/min)下使用时，焊接工艺性优良，焊接接头具有高的低温冲击韧性，较好的焊缝强度及较好的脱S、P能力及过渡合金的作用等性能，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≥610MPa及以上强度级别管线钢的焊接。
文档编号B23K35/362GK102909492SQ201210393920
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者张敏, 陈飞绸, 李继红 申请人:西安理工大学