X80管线钢匹配焊条的研制及其焊接接头性能分析

摘要

国内外油气输送管线的发展都趋向于高钢级、大口径管道的方向。X80管线钢管已经大规模应用于管道建设之中。本文针对国产X80管线钢的手工电弧焊接需求，探寻了改善低氢碱性焊条焊接工艺性能及焊接接头力学性能的途径。在此基础上研发出了一种能够与X80管线钢达到等强、等韧匹配的低氢碱性焊条，该焊条的焊接接头不仅具有高的强度(屈服强度σs≥550MPa，抗拉强度σb≥640MPa)，而且具有优良的低温韧性(AKV(0℃)≥160J)，满足了X80管线钢手工电弧焊对焊缝力学性能的要求。
　　在焊接工艺性能方面，通过严格的试验，研究了焊条药皮主要组分对焊条稳弧性、飞溅率、气孔率、脱渣性等焊接工艺性能的影响规律。研究结果表明:大理石与萤石配比的改变会使焊条整体工艺性能发生显著变化，当其含量配比为2.2左右时，焊条的综合工艺性能较佳;钛铁含量降低至8％时，焊条飞溅率可明显降低;添加高结晶水硅铝酸盐—云母的含量至6％时，可消除焊道表面氢气孔;锆英砂含量增加至4％时，即可明显改善焊条的脱渣性。当焊条熔渣碱度在1.6～2.0之间时，其整体工艺性能良好的几率增大。
　　在焊缝组织和力学性能方面，本文主要探讨了Ti、Mn、Si、Ni、Re等主要合金元素的影响。选择Mn、Si、Ni这三种元素来调整焊缝组织的相变温度和相变时间;选择Ti、Re形成碳、氮化物来细化晶粒，从而提高焊缝金属的力学性能。这五种元素中的Si、Mn、Ti是在原有焊条药皮脱氧剂的含量上进行调整，而Ni则通过纯镍粉的形式加入，Re则通过混合稀土的形式加入，其中包括20％的氧化钇，20％的氧化铈和60％的氧化镧。试验结果表明:当加入的锰铁与硅铁之比在5左右时，再加入1.0％～1.5％的Ni以及1.0％～1.5％的混合稀土，即可有效抑制先共析铁素体的析出，并细化晶粒，使焊缝获得细小、均匀的针状铁素体与粒状贝氏体的混合组织，从而提高焊缝的低温冲击韧性。
　　由此可知，应用均匀设计法设计焊条药皮配方及使用单因素实验法优化焊条药皮配方的思路是可行的。所研发的焊条与X80管线钢实际施工用J557焊条在焊接接头上相比具有更为优良的力学性能和工艺性能。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 国内外研究现状

1．1．1 管线钢的发展概况

1．1．2 X80管线钢的发展现状

1．2 管线钢的焊接技术

1．2．1 管线钢焊接中存在的问题

1．2．2 现场焊接方法及其特点

1．2．3 管线钢焊接材料

1．3 低氢碱性焊条研究进展

1．4 课题研究内容及技术路线

2 试验材料、试验设备与试验方法

2．1 试验材料

2．1．1 X80管线钢板

2．1．2 焊芯

2．1．3 焊条药皮原料

2．2 试验设备

2．3 试验方法

2．3．1 均匀设计与单因素优化实验设计法

2．3．2 焊条的制备

2．3．3 焊条工艺性能评定方法

2．3．4 焊接工艺的制定

2．3．5 微观组织与力学性能测试

3 焊条药皮基础配方的确定

3．1 焊条药皮类型的确定

3．2 焊条外径的确定

3．3 焊条药皮配方的均匀设计

3．3．1 低氢型焊条药皮主要组分的熔化特性

3．3．2 焊条药皮成分含量范围的初步确定

3．3．3 使用均匀设计法设计焊条药皮配方

3．4 焊条工艺性能试验结果

3．5 确定焊条药皮基础配方

3．6 小结

4 焊条工艺性能分析及优化

4．1 钛铁含量对焊条工艺性能的影响

4．2 大理石与萤石配比对焊条工艺性能的影响

4．3 云母含量对焊条工艺性能的影响

4．4 锆英砂含量对焊条工艺性能的影响

4．5 熔渣碱度对焊条工艺性能的影响

4．6 小结

5 焊接接头力学性能分析及优化

5．1 自制焊条焊接接头微观组织分析及力学性能测试

5．1．1 焊缝金属微观组织分析

5．1．2 硬度试验

5．1．3 拉伸试验

5．1．4 冲击试验

5．1．5 冲击断口SEM扫描及分析

5．2 焊接接头力学性能优化

5．2．1 焊缝组成相的确定

5．2．2 焊缝组织的转变与控制

5．2．3 焊缝合金系的确定

5．2．4 焊条药皮配方的力学性能优化设计

5．3 手弧焊接实验结果及分析

5．3．1 焊缝金属微观组织分析

5．3．2 硬度试验

5．3．3 拉伸试验

5．3．4 冲击实验

5．3．5 冲击断口SEM扫描及分析

5．4 J557焊条焊接接头微观组织及力学性能分析

5．4．1 焊缝金属微观组织分析

5．4．2 硬度试验

5．4．3 拉伸试验

5．4．4 冲击试验

5．4．5 冲击断口SEM扫描及分析

5．5 小结

6 结论

致谢

参考文献

作者在硕士论文期间撰写和发表的论文及成果