一种适用于X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂

摘要

本发明公开了一种适用于X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂，其成分重量百分比为：15≤CaF2≤20；20≤MgO≤25；15≤Al2O3≤20；10≤CaO≤15；1≤MnO≤5；25≤SiO2≤30；3≤Y2O3≤8；1≤还原剂≤4；本发明确保X90/X100超高强度管线钢管埋弧焊接速度在1.5m/min～1.8m/min的高焊速下，焊缝具有良好的工艺性能，且焊缝强度达到780MPa以上，韧性值平均达到130J，熔敷金属强度达到760MPa以上，扩散氢含量为6.0ml/100g(水银法)以下，属于低氢焊材，可实现超高强度管线钢管的埋弧焊缝的高强度、高韧性匹配。

说明书

技术领域：

本发明属于超高强度管线钢管埋弧焊接材料。是针对于当前油 气管线发展需要，开发一种的适用于X90/X100超高强度管线钢管埋 弧焊接的高韧性高焊速焊剂。采用本发明焊剂，配合相应的焊丝与国 产X90/X100超高强的管线钢焊接后，可保证较高焊速下，焊缝具有 较高强度的同时，还具有较高的冲击韧性，并完全达到API-5L-44版 标准要求。

背景技术：

油气输送管道作为石油、天然气的一种经济、安全、不间断的 长距离输送工具，近几年来，随着管道建设工程的不断发展和提升， 长距离输气管线的修建将成为未来油气输送的主要趋势。为了使远离 消费地区的天然气资源开发得到有效的投资及运行，根据研究，在同 一输量下，可通过提高钢级来进一步提升管线输送压力，并确保在较 小的管径小，有效的减少管材投入费用及施工建设费用，为了适应管 道建设发展形势，因此X90/X100超高强度管材开发应用被提上了未 来的建设议程。

X90/X100超高强度管线钢和制管技术国外已经在很早以前就开 始了的研究，并有部分管线已经采用超高强度管线钢进行了工程化建 设应用。但国内现阶段还只是处于试验室的研究及少量的试验阶段， 还未进行工程化应用。而随着我国钢管制造技术日益提高，和未来高 压油气管道工程发展，X90/X100钢级钢管的应用将成为主流，所以 大力开展超高强度焊剂的研制很有必要。为了提高X90/X100的强度 等级，在管线钢原材料中加入了大量的Mn、Ni、Cr、Cu、Mo等合 金元素，使碳当量提高。为了使埋弧焊缝与母材实现等强等韧匹配， 采用普通的焊接材料已经无法满足工艺和焊缝性能要求。应采用一种 新型的焊剂，尽可能降低焊缝中的S、P、O等有害夹杂物，提高其 纯净度；使熔渣中有较低的氧含量，保证焊接过程中合金成分达到有 效的过渡，确保其具有较好的强韧性，同时调整焊剂其它组分，实现 焊接工艺的优化和高速焊接。而现阶段使用的X80焊剂已经远远不 能满足焊缝性能及工艺要求，所以需要进行X90/X100超高强度管线 钢用烧结焊剂的开发。

发明内容：

本发明是设计开发一种适用于X90/X100超高强度管线钢管埋 弧焊接的高韧性高焊速烧结焊剂，与相应的焊丝及原料匹配，使焊缝 在交直流双丝高速焊接下，在满足一定工艺性能情况下，焊缝达到与 母材等强匹配，并具有较高的低温度韧性。

本发明焊剂成分重量百分比为：15≤CaF₂≤20；20≤MgO≤25； 15≤Al₂O₃≤20；10≤CaO≤15；1≤MnO≤5；25≤SiO₂≤30；3≤RE_xO_y≤8；2≤还原剂≤4。

所述还原剂为加入了硅铁和Mn-Fe。

所述稀土元素RE_xO_y为加入了Y₂O₃。

焊剂的制造工艺为：将含有一定成分的原料，按照一定配比进 行干混，并搅拌均匀后，按照总混合物质量的一定百分比加入适量的 粘接剂(钾钠水玻璃)进行湿混，然后用簸箕或造粒机进行造粒，按 照GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金钢用焊丝和焊剂》标准要求， 将焊剂粒度控制在10-60目之间，之后进行200-250℃低温烘干，再 在800-900℃进行高温烧结后，经过10-60目的筛选后使用具有防潮 性能的包装袋进行包装。

本发明采用数值优化处理方法，对于CaF₂、MgO、Al₂O₃、SiO₂、 MnO进行优化组合，并添加相应的Si-Fe或Si-Fe/Mn-Fe及稀土，在较 高的碱度(1.7以上)下，对焊缝进行脱氧及合金弥补，保证焊接后 合金成分的有效过渡，并通过异质化处理将熔渣中的夹杂物变成焊缝 结晶过程中的有效质点，而确保焊缝晶粒度得到细化，以此提高焊缝 冲击韧性。另外通过在高碱度下，加入CaO来减少焊缝中的P、S等有 害物质，确保焊缝具有稳定的性能及较好的纯净度；适当的调整MnO、 SiO₂及MgO、Al₂O₃含量而达到焊接过程中熔渣具有适当的粘度、表 面张力及熔化特性，而使得在1.5m/min～1.8m/min高焊速下，保证焊 缝熔池高速结晶过程中熔渣与母材具有合理熔点，而达到焊接过程中 对熔池的保护。

CaF₂可有效的降低碱性熔渣的黏度和表面张力，提高熔渣的润 湿能力，改善熔渣对熔滴、熔池的覆盖性，增加熔渣的流动性，并有 利于减少液态金属同电弧气氛中原子氢的直接接触，可很大程度的减 少金属的吸氢量，并降低焊缝中的气体杂质，提高焊缝的纯净度；

MgO能提高熔渣的碱度、降低酸性渣的粘度、增加熔渣的透气 性和降低扩散氢含量。在焊剂中提高(CaO+MgO)/SiO₂的比例(不大 于3)焊接时候能增加熔池的脱S能力。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，可达到有效的控制焊缝工艺性 能作用；

CaO为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。可避免焊缝晶界处开裂而降低焊缝 冲击韧性；

Al₂O₃作为的玻璃体造渣材料，其熔点较高，具有提高电弧集中 性的作用。在烧结焊剂中可作为熔渣粘度的调整剂，能调整熔渣的流 动性，具有增大熔渣表面张力的作用，一般的Al₂O₃含量增加愈多， 焊缝鱼鳞波纹愈细小，脱渣愈容易。针对螺旋制管焊接施焊特征，通 过加入一定量的后，通过调整焊剂的熔点而保证焊缝在不同位置下的 表面成型性；

MnO、SiO₂作为脱氧作用及对熔渣各种物理特性调整而存在。 其中，SiO₂能降低渣的碱度，并由于其能与熔渣中大部分的碱性氧化 物结合形成复合物，所以随着其含量升高，容易引起熔渣的黏度增大， 但随着它在焊剂中的含量提高，会引起碱度下降，而出现向焊缝熔池 中过渡Si的现象，引起焊缝冲击韧性下降；MnO可以降低熔渣的熔 点，改善熔渣的流动性，降低表面张力，有利于焊缝成形。在高碱度 下其冶金反应，还原产物向焊缝中过渡Mn，起到提高焊缝强度及韧 性的作用，并可与S结合形成MnS，起到一定的脱硫作用。

加入适量的Y₂O₃，可有效的过渡到焊缝中，易于聚集到晶界处， 通过阻碍晶粒的长大而对起焊缝晶粒的细化作用，另外细小的高熔点 Y₂O₃氧化物夹杂物在焊缝结晶过程中成为非自发形核质点，可有效地 增加焊缝中针状铁素体和细晶铁素体的比例；

Si-Fe或Si-Fe/Mn-Fe在熔渣中主要起脱氧及合金过渡作用。Mn、 Si形成氧化物，减少焊缝中氧含量和有害物质。同时部分Mn、Si过渡 到焊缝中，可起到提高焊缝冲击韧性及强度的作用；

通过以上各个成分的有效调整，埋弧焊管焊接时不出现熔池流 失、淌渣、焊道表面光滑，达到高速焊接时焊缝有良好的成型性，并 有效地减少了合金烧损，去除焊缝中的有害夹杂物。

本发明与相应的高强度焊丝配合进行试验室及X90/X100钢管 埋弧焊接后，焊缝表面光滑、过渡良好，且在低温下韧性较高，强度 完全达到X90/X100强度要求。

本发明有以下优点：

1、本发明配合相应的焊丝及X90/X100原料进行1.7m/min以上 焊速及较大参数焊接后，焊缝工艺性能良好，焊缝表面光滑，过渡良 好，，力学性能优良，焊缝强度达到780MPa以上，韧性值平均达到 130J，实现超高强度管线钢管的埋弧焊缝的高强度、高韧性匹配。

2、匹配国内多家钢厂原料进行焊接后，焊缝力学性能及工艺性 能稳定、优良且不发生突变。

3、配合合金含量较高的高强焊丝焊接后，焊缝中合金成分过渡 良好，合金元素烧损较少，且对S、P等夹杂物得到了较好的控制；

4、进行熔敷金属性能测试后，熔敷金属较低温度下(-20℃、-40 ℃下)冲击韧性在40J以上，强度达到760MPa以上；

具体实施例；

实施例1：

1)焊剂组分(wt％)：MgO 21.5，CaF₂20.1，Al₂O₃20.8，CaO 6.2，稀土5.3，MnO6.5，SiO₂26.5，S0.014，P0.029，加入脱氧剂 Si-Fe1～2，Mn-Fe3～4；

2)将含有一定成分的原料，按照一定配比进行干混，并搅拌均 匀后，按照总混合物质量的一定百分比加入适量的粘接剂(钾钠水玻 璃)进行湿混，然后用簸箕或造粒机进行造粒，按照GB/T 12470-2003 《埋弧焊用低合金钢用焊丝和焊剂》标准要求，将焊剂粒度控制在 10-60目之间，之后进行200-250℃低温烘干，再在800-900℃进行高 温烧结后，经过10-60目的筛选后使用具有防潮性能的包装袋进行包 装。

3)焊缝熔敷金属试验力学性能

4)焊接试验及性能测试(配合高钢级焊丝BG-H06H2-2及相应 的管线钢原料)

本发明实例2：

1)焊剂组分(wt％)：MgO24.8，CaF₂21.5，Al₂O₃21.5，CaO 6.5，Y₂O₃5.3，MnO6.8，SiO₂24.5，S0.012，P0.021，加入脱氧剂 Si-Fe2～3；

2)与例1制造工艺相同

3)焊缝熔敷金属试验力学性能

4)焊接试验及性能测试(配合高钢级焊丝BG-H06H2-2及相应 的管线钢原料)

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何 形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以 限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范 围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更改或修饰为 等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据 本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修 饰，仍属于本发明技术方案的范围内。