一种X100级管线钢高焊速埋弧焊用高韧性烧结焊剂

摘要

本发明公开了一种X100级管线钢高焊速埋弧焊用高韧性烧结焊剂，由以下组分组成：23％～26％的CaF2，13％～19％的MgO，4％～8％的CaO，28％～33％的Al2O3，2.5％～5％的MnO，1％～3％的SiFe，1％～2.5％，余量为SiO2，以上各组份的质量百分比总和为100％。采用烧结法制得的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，焊接工艺性能优异，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，焊缝强度及韧性较高，完全能与高等级管线钢的基材匹配，适用于ReL≥630MPa及以上强度级别管线钢的焊接。

说明书

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X100级管线钢高焊速埋弧焊用高韧性烧结焊剂，本发明还涉及该焊剂材 料的制备方法。

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X100也已经取得了阶段性成果，2006年7月，鞍 钢成功研制开发X100管线钢宽厚板；2007年8月，武钢开发成功X100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X100管线钢。但没有与之相匹配的埋弧焊用焊接材料的研究， 必须研究X100埋弧焊用焊接材料，以保证焊缝具有高强度、高韧性及焊接 所要求的良好工艺性，尤其是高的低温冲击韧性。

发明内容

本发明的目的是提供一种X100级管线钢高焊速埋弧焊用高韧性烧结焊 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X100级管线钢高焊速埋弧焊用高韧 性烧结焊剂，按重量百分比由以下组分组成：23％～26％的CaF₂，13％～19％ 的MgO，4％～8％的CaO，28％～33％的Al₂O₃，2.5％～5％的MnO，1％～3％的 SiFe，1％～2.5％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

本发明的特点还在于，

SiO₂含量不高于各组份质量总和的15％。

本发明的有益效果是，与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配使用，进行平板对 接Y型坡口双丝双面焊接，焊接工艺性能优异，且所得熔敷金属强度高，低 温冲击韧性好，焊缝强度和韧性完全能与高强度管线钢的母材匹配。

附图说明

图1是使用本发明实施例1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X100级管线钢高焊速埋弧焊用高韧性烧结焊剂，按重 量百分比由以下组分组成23％～26％的CaF₂，13％～19％的MgO，4％～8％的 CaO，28％～33％的Al₂O₃，2.5％～5％的MnO，1％～3％的SiFe，1％～2.5％，余 量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

其中SiO₂通过各矿石粉携带加入，且其加入量不高于各组份质量总和的 15％。

本发明的焊剂制备方法，按照以下步骤实施：

按照重量百分比用天平分别称取23％～26％的CaF₂，13％～19％的MgO， 4％～8％的CaO，28％～33％的Al₂O₃，2.5％～5％的MnO，1％～3％的SiFe， 1％～2.5％，余量为SiO₂，以上各组份的质量百分比总和为100％。

将称取好的各组份置于同一容器中进行混合，混合均匀后，按全部组分 质量的18％～20％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为2.6∶ 1，进行湿搅拌均匀成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过10 目的筛子，之后在室温通风条件下放置4～6小时进行晾干，然后放入烘干炉 中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热到700℃～900℃进行 烧结，烧结时间不小于2小时，然后通过10～50目的筛子过筛，便制成焊剂。

实施例1

按照重量百分比用天平分别称取23％的CaF₂，13％的MgO，7％的CaO， 33％的Al₂O₃，5％的MnO，3％的SiFe，1％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组 份的质量百分比总和为100％。

将称取好的各组份置于同一容器中进行混合，混合均匀后，按全部组分 质量的18％～20％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为2.6∶ 1，进行湿搅拌均匀成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过10 目的筛子，之后在室温通风条件下放置4～6小时进行晾干，然后放入烘干炉 中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热到700℃～900℃进行 烧结，烧结时间不小于2小时，然后通过10～50目的筛子过筛，便制成焊剂。

本实施例焊剂材料与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，焊接15.3mm的X100 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1.8m/min，所得焊缝组织参见图1，具体焊接工艺参数如下表所示：

焊接接头力学性能如下表所示：

熔敷金属力学性能如下表所示：

实施例2

按照重量百分比用天平分别称取26％的CaF₂，419％的MgO，8％的CaO， 28％的Al₂O₃，2.5％的MnO，1％的SiFe，2.5％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上 各组份的质量百分比总和为100％。

将称取好的各组份置于同一容器中进行混合，混合均匀后，按全部组分 质量的18％～20％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为2.6∶ 1，进行湿搅拌均匀成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过10 目的筛子，之后在室温通风条件下放置4～6小时进行晾干，然后放入烘干炉 中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热到700℃～900℃进行 烧结，烧结时间不小于2小时，然后通过10～50目的筛子过筛，便制成焊剂。

本实施例焊剂材料与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，焊接15.3mm的X100 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1.7m/min，所得焊缝组织参见图2，具体焊接工艺参数如下表所示：

焊接接头力学性能如下表所示：

熔敷金属力学性能如下表所示：

实施例3

按照重量百分比用天平分别称取25％的CaF₂，18％的MgO，4％的CaO， 31％的Al₂O₃，4％的MnO，2％的SiFe，2％的ZrO₂，余量为SiO₂，以上各组 份的质量百分比总和为100％。

将称取好的各组份置于同一容器中进行混合，混合均匀后，按全部组分 质量的18％～20％加入钾钠水玻璃作为粘结剂，钾钠水玻璃的钾钠比为2.6∶ 1，进行湿搅拌均匀成为半固态，然后在容器盆中来回搓动成粒，并通过10 目的筛子，之后在室温通风条件下放置4～6小时进行晾干，然后放入烘干炉 中以200℃的温度进行烘干，烘干后放入烧结炉中加热到700℃～900℃进行 烧结，烧结时间不小于2小时，然后通过10～50目的筛子过筛，便制成焊剂。

本实施例焊剂材料与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，焊接15.3mm的X100 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1.7m/min，所得焊缝组织参见图3，具体焊接工艺参数如下表所示：

焊接接头力学性能如下表所示：

熔敷金属力学性能如下表所示：

在保证焊接工艺性的条件下，尽量提高焊剂的碱度，使焊剂渣系具有较 小的氧化性，以保证焊丝合金成分较小的烧损和焊缝合金的过渡，为此选取 具有较低分压的氧化物CaO、MgO、Al₂O₃。由Al₂O₃来改善焊道表面抗氧 化性，并调整熔渣的粘度，保证焊缝表面质量，因此，在本发明中其加入量 控制在28％～33％之间；MgO作为调整熔渣碱度的主要造渣剂，保证焊缝金 属的纯净度和改善脱渣性，其加入量控制在13％～19％之间；由CaO提高渣 的碱度，增强焊缝脱S、P的效果而净化焊缝金属，将其加入4％～8％；由一 定的CaF₂来提高熔渣的导电性和流动性，并使焊接时产生的氟气，降低了 电弧气氛中的[H]分压，代替通常碱性焊剂采用的碳酸盐产生的效果，并抑 制熔渣中的还原氧向熔化金属的过渡，以及对焊接工艺性能的影响，在本发 明中将CaF₂的加入控制在23％～26％；MnO是以调整熔敷金属中的含Mn量 为目的而添加的，对于脱渣和熔敷金属的韧性有着重要的影响，将其加入 2.5％～5％；ZrO₂具有两种变体，由一种晶体转变为另一种晶体时体积发生约 7％的变化，利用这一性能可以改善焊剂的脱渣性能，有利于脱渣，本发明 中其加入量控制在1％～2.5％。

Si是作为脱氧元素加入焊缝金属的合金元素，它缩小γ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1～3％，并 以SiFe的形式加入。

最后加入粘结剂钾钠水玻璃来向焊剂中添加少量的K₂O及Na₂O以达 到稳弧的目的。

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1.8m/min，焊接工艺性能 优异，且所得熔敷金属强度高，低温冲击韧性好，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：

1本发明的原料易于获得，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X100级管线钢焊接 得到的焊缝性能如下：

1)焊缝的抗拉强度σb≥735Mpa，冲击韧性(-10℃)平均值≥168J， 剪切面积(-10℃)平均值≥79％；

2)焊缝的组织为针状铁素体与少量P和弥散分布的黑色点状碳化物， 其中大量为针状铁素体。

3本发明与H03MnNi3MoTiB焊丝匹配，具有良好的工艺性能。在X100 高级别管线钢，15mm以上大壁厚钢管焊接中，焊速可达1.75～1.9m/min，内 外焊焊道金属光泽好，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。