厚度在15‑20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法

摘要

厚度在15‑20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法：焊接母材位X70钢；焊缝的坡口形式为双V形，单边角度为30°或35°，钝边为5.5~6.5mm，大面深度在5.5~8mm，小面深度在4~5.5mm；匹配的焊接材料：焊剂为SJ101；前焊丝采用Mn‑Ni体系，后焊丝采用Mn‑Ni‑Mo‑Cr体系；焊接条件及工艺：前焊丝与后焊丝为同熔池并同步移动；先焊接小面，小面焊缝冷却后再焊接大面。本发明由于不同焊丝的双丝埋弧焊接，且匹配弱碱性烧结焊剂及匹配的焊接工艺参数，使经济型X70石油天然气管线钢的焊接接头冲击韧性‑10℃KV

说明书

技术领域

本发明申请涉及一种埋弧焊工艺，具体地说是针对高性能超快冷X70钢，通过选配两种不同焊丝及合适的焊接工艺进行双丝埋弧焊，使X70钢埋弧焊接头性能满足要求。

背景技术

在2014年之前，我国X70管线钢的成分体系一般采用Mn-Mo-Mn-Cu，且Mo+Mn+Cu≥0.55%。制管时采用前后焊丝相同的双丝埋弧焊工艺，即是在前后丝相同的情况下，在内外面或正反面各焊接一道的埋弧焊接工艺。其焊丝采用Mn-Mo成分体系，其成分为(wt%)C0.05~0.10，Si≤0.15，Mn1.40~1.60，Mo0.15~0.30，P≤0.015，S≤0.010。双丝埋弧焊是用于厚度在15~20mm中等厚度的管线钢的主要焊接方法。

然而，随着世界经济的高速发展，对石油、天然气等能源资源的需求与日俱增，石油、天然气长输管道和城市管网的建设得到蓬勃发展。为提高长输管道和城市管网的输送效率和运行的经济性，近年来，管道的输送压力和管径不断增加，对所采用管线钢原材料的强韧性要求越来越高，我国管线工程焊接技术条件要求更是高于美国API标准。

目前X70钢是国内外长输管道主力钢种，但是，现有的X70管线钢中含有昂贵的Ni、Cu、Mo等元素，且铸坯的加热温度较高，导致能耗高，钢板的内应力较大，使钢板的平直度较差，所以降低合金元素含量成为当前钢铁品种的发展方向。随着钢铁轧制工艺的不断改进，出于降低合金成本的考虑，近来开发了高强钢的超快冷轧制工艺。在降低Ni, Mo, Cu等昂贵的主合金元素含量的情况下，添加Nb等微合金化元素，提高奥氏体再结晶温度，在适于变形的温度区间完成连续大变形和应变积累,得到硬化的奥氏体。轧后立即进行超快冷,使轧件迅速通过奥氏体相区,保持轧件奥氏体硬化状态。在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却，相变前奥氏体中析出相来不及长大和再析出，相变前碳元素扩散因超快速冷却被抑制，析出相更为细小和弥散，实现钢的细晶强化和韧化。

基于以上思路钢企开发了合金元素含量较低的经济型X70管线钢，较贵重合金(如Ni, Mo, Cu)被减少或取代。其钢板的力学性能为抗拉强度≥570MPa，硬度不高于240HV₁₀，-10℃KV₂平均值不低于80J，-10℃KV₂单个值不小于60J。不同钢厂、不同时期生产的管线钢，其合金元素有明显的差别。由于成分发生了很大的变化，如若采用现有焊丝及同成分双焊丝的埋弧焊接工艺，则无法满足焊接技术要求，在试验中发现要么焊缝强度不够，要么使焊缝的强度偏高、硬度超标而不能满足要求。对于焊接接头的强度，接头拉伸试验断于母材是最理想的情况；有时也允许断于焊缝，但抗拉强度必须高于基材强度下限，并希望有充足的富裕量。

中国专利公开号为CN103357995A的文献，公开了一种“耐热钢直缝焊管焊接方法”，其主要针对耐热钢制定了双丝埋弧焊的工艺，侧重于设备装置。中国专利公开号为CN104384678A的文献，公开了一种“螺旋埋弧焊的新型焊接工艺”， 主要涉及双丝埋弧焊的工艺过程。而关于高性能超快冷X70钢双丝埋弧焊焊材及工艺尚未有报道。

双丝埋弧焊为焊丝的合理匹配带来可能。管线钢的双丝埋弧焊一般采用焊丝一前一后双弧同熔池的方式，焊接熔池金属由两种焊丝及母材熔合共同组成。当钢板较薄时（如低于10mm），焊缝金属中母材占主导；当钢板较厚时(如大于15mm)，焊接处开坡口，焊缝金属中焊丝的贡献增加。对于双丝焊，通过选用不同成分体系的焊丝作为前后丝，可使焊缝成分及性能得到良好匹配。

本发明针对新开发的厚度为15~20mm的X70钢，由于其合金元素含量下降，若前后丝均采用Mn-Mo焊丝，或采用Mn-Ni焊丝(wt%)：C0.06~0.09%，Si≤0.07，Mn1.50~1.90%，Ni0.25~0.50%，则焊缝碳当量CE处于0.37%以下，强度不理想，且与钢中含Cr不相匹配。若采用Mn-Ni-Cr-Mo焊丝(wt%)C0.06~0.09%，Si≤0.15%，Mn1.50~1.90%，Cr0.30~0.50%，Mo 0.30~0.50%，Ni0.25~0.50%，X70钢焊缝碳当量CE达到0.44%，则焊缝硬度偏高，韧性也受到影响。另外焊材成本也增加。

为了解决上述存在的问题，本申请人经过大量试验研究，采用了前焊丝为Mn-Ni成分体系，后丝采用Mn-Ni-Cr-Mo成分体系的不同双丝埋弧焊接工艺，且匹配弱碱性烧结焊剂，使新开发的焊接接头冲击韧性-10℃KV₂达到140J以上，强度高于基材，硬度不高于230HV₁₀，焊接接头性能非常理想。

发明内容

本发明的目的在于克服上述文献中存在的不足，提供一种通过前丝为Mn-Ni成分体系、后丝为Mn-Ni-Cr-Mo成分体系的不同双丝埋弧焊接工艺，匹配弱碱性烧结焊剂，使厚度在15~20mm的超快冷经济型X70石油天然气管线钢的焊接接头冲击韧性-10℃KV₂达到140J以上，抗拉强度高于基材，硬度不高于230HV₁₀；相对于X70钢技术条件要求有一定的富裕量。

实现上述目的的措施：

厚度在15-20mm的高性能超快冷X70钢的双丝埋弧焊接方法，其步骤：

1）焊接母材：X70钢，其组分及重量百分比含量：C≤0.08%，Si≤0.30%， Mn≤1.70%，P≤0.15%，S≤0.002%，其余为Fe及不可避免的杂质；其控制Cr+Ni+Mo≤0.45%，Nb+V+Ti≤0.15%，Pcm≤0.18；力学性能在：抗拉强度≥570MPa，-10℃KV₂平均值不低于80J，-10℃KV₂单个值不小于60J；

1）焊缝的坡口形式：双V形，单边角度为30°或35°，钝边为5.5~6.5mm，大面深度在5.5~8mm，小面深度在4~5.5mm；

2）匹配的焊接材料：焊剂为SJ101；前焊丝采用Mn-Ni体系成分的焊丝，焊丝直径为3.2或4mm；后焊丝采用Mn-Ni-Mo-Cr体系成分的焊丝，焊丝直径为4mm；得到的焊缝与母材成分体系及强度级别相匹配；

3）焊接条件及工艺：前焊丝与后焊丝为同熔池并同步移动；先焊接小面，其焊接速度在85~100cm/min；前丝焊接电流在600~750A，电压在33~34V；后丝焊接电流在530~650A，电压在36~37V；并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在24~33kJ/cm；小面焊缝冷却后再焊接大面，大面焊接速度在85~100cm/min；前丝焊接电流在750~900A，电压在33~34V；后焊丝焊接电流在600~650A，电压在36~37V；并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在28~38kJ/cm；

焊接后的焊接接头力学性能：-10℃KV₂≥140J，抗拉强度高于母材，硬度≤230HV₁₀。

其在于：大面及小面各自焊接线能量、坡口深度与钢板的厚度成正相关关系。

其在于：所述前焊丝即Mn-Ni体系焊丝的组分及重量百分比含量：C：0.06~0.09%，Si≤0.07，Mn：1.50~1.90%，Ni：0.25~0.50%，其余为Fe。

其在于：所述后焊丝采用Mn-Ni-Cr-Mo体系的焊丝。

其在于：所述的Mn-Ni-Cr-Mo体系的焊丝成分及重量百分比含量为：C：0.06~0.09%，Si≤0.15%，Mn：1.50~1.90%，Cr：0.30~0.50%，Mo：0.30~0.50%，Ni：0.25~0.50%，其余为Fe。

本发明中各元素在低合金焊缝中的作用及主要工艺的机理说明如下：

Mn是焊缝强韧化的有效元素，有利于焊缝中针状铁素体的形成，防止引发热裂纹的铁硫化物的形成。Ni有利于提高焊缝金属的韧性尤其是低温冲击韧性，降低脆性转变温度。Ni能减少先共析铁素体含量并改善焊缝韧性，但Ni含量过高会增加焊丝成本。Cr是一种有效的强化元素，并有细化铁素体晶粒的作用，但过高的Cr会降低焊缝的韧性。Mo是一种有效的强化元素，并有细化铁素体晶粒的作用，但过高的Mo会降低焊缝的韧性，并显著增加焊丝的成本。Cu含量在一定范围内时，能固溶于焊缝，提高焊缝强度和韧性，Cu含量过高会增加焊丝成本。

本申请之所以在前焊丝采用Mn-Ni成分体系，其原因在于：在双丝埋弧焊中，前后焊丝都对焊缝合金化发挥作用。但从焊缝成形上讲，前丝后丝所起的作用各有侧重。前丝主要作用是取得较大熔深保证焊透，所以前丝一般采用大电流、低电压，焊丝直径比后丝小或与后丝相等；后丝主要作用是得到较大焊缝宽度，所以后丝一般采用小电流、高电压。因此总体上讲，前丝线能量一般高于后丝，也就是说对于焊缝合金化，前丝起到的作用大于后丝。可以说，在双丝埋弧焊中，前丝是主焊丝。如前所述，对于传统含有较高合金元素的X70钢，采用Mn-Ni系焊丝就可以满足要求。所以对于新型X70钢，虽然单纯使用Mn-Ni焊丝焊缝强度不够，但作为双丝焊的前丝是合适的。

本申请之所以在后焊丝采用Mn-Ni-Cr-Mo体系，其原因在于：单纯使用Mn-Ni焊丝焊缝强度不够，需要采用合金含量更多的Mn-Ni-Mo-Cr系焊丝为后丝，这样才能向焊缝中过渡更多的合金元素Cr及Mo，从而保证新的X70钢焊缝具有足够的强度。

本发明对Mn-Ni系焊丝及Mn-Ni-Mo-Cr系焊丝各元素含量作了限定，其主要目的是使各合金元素的含量在较合适的范围内，X70钢焊缝的碳当量CE控制在0.37~0.42%，使焊缝的强韧性处于与X70钢匹配的最佳范围。

本申请之所以采用的焊剂为SJ101，原因在于：随着焊剂碱性的提高，焊缝中的氧含量、扩散氢量下降，焊缝韧性提高；但另一方面焊接工艺性能变差，尤其是焊速较高时焊缝成形较差。SJ101是一种弱氟碱性烧结焊剂，其碱度约为1.8，与合适的焊丝匹配，既有优良的焊接工艺性能，又能获得较高的焊缝韧性。

本申请先焊接小面，冷却后再焊接大面。其原因在于：小面坡口深度较小，一次焊满线能量比大面要小，不会烧穿焊接处。小面焊接时，焊接速度在85~100cm/min；前丝焊接电流在600~750A，电压在33~34V；后丝焊接电流在530~650A，电压在36~37V；并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在24~33kJ/cm。这样的焊接参数使小面焊接时既有足够的熔深，又不至于烧穿，焊缝表面成形优良。

小面冷却后焊接大面，焊接速度在85~100cm/min；前丝焊接电流在750~900A，电压在33~34V；后焊丝焊接电流在600~650A，电压在36~37V；并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在28~38kJ/cm；这样的焊接参数使大面焊接时有足够的熔深，对小面焊缝根部产生一定的重熔，大面焊缝与小面焊缝产生一定的重叠，整体焊缝成形优良。

本发明与现有技术相比，由于采用前焊丝为Mn-Ni成分体系，后丝采用Mn-Ni-Cr-Mo成分体系的不同双丝埋弧焊接，且匹配弱碱性烧结焊剂及匹配的焊接工艺参数，使经济型X70石油天然气管线钢的焊接接头冲击韧性-10℃KV₂达到140J以上，强度高于母材，硬度不高于230HV₁₀，焊接接头性能非常理想。

附图说明

图1为本发明母材钢厚度方向的焊板单侧坡口形式示意图；

图中：t—为板厚，c—为钝边量，h1—为小面侧深度，h2—为大面侧深度，α—为坡口角度。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的焊接坡口尺寸列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例焊丝化学成分列表；

表4为本发明各实施例及对比例焊缝化学成分列表；

表5为本发明各实施例及对比例焊接接头拉伸及冲击试验结果列表。

本发明各实施例按照以下步骤进行焊接：

1）焊接母材：X70钢，其组分及重量百分比含量：C≤0.08%，Si≤0.30%， Mn≤1.70%，P≤0.15%，S≤0.002%，其余为Fe及不可避免的杂质；其控制Cr+Ni+Mo≤0.45%，Nb+V+Ti≤0.15%，Pcm≤0.18；力学性能在：抗拉强度≥570MPa，-10℃KV₂平均值不低于80J，-10℃KV₂单个值不小于60J；

4）焊缝的坡口形式：双V形，单边角度为30°或35°，钝边为5.5~6.5mm，大面深度在5.5~8mm，小面深度在4~5.5mm；

5）匹配的焊接材料：焊剂为SJ101；前焊丝采用Mn-Ni体系成分的焊丝，焊丝直径为3.2或4mm；后焊丝采用Mn-Ni-Mo-Cr体系成分的焊丝，焊丝直径为4mm；得到的焊缝与母材成分体系及强度级别相匹配；

6）焊接条件及工艺：前焊丝与后焊丝为同熔池并同步移动；先焊接小面，其焊接速度在85~100cm/min；前丝焊接电流在600~750A，电压在33~34V；后丝焊接电流在530~650A，电压在36~37V；并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在24~33kJ/cm；小面焊缝冷却后再焊接大面，大面焊接速度在85~100cm/min；前丝焊接电流在750~900A，电压在33~34V；后焊丝焊接电流在600~650A，电压在36~37V；并控制前焊丝与后焊丝的总焊接线能量在28~38kJ/cm。

需要说明的是：在本发明中：所述的大面系指坡口相对深侧的面；所述的小面系指坡口相对浅侧的面。

表1 本发明各实施例及对比例的焊接坡口尺寸列表

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

表3 本发明各实施例及对比例焊丝化学成分取值列表（wt%）

表4 本发明各实施例及对比例焊缝化学成分列表

表5 本发明各实施例及对比例焊接接头拉伸及冲击试验结果列表

注：表5中的扩号内为平均值。

实施例1~8实施例采用了双丝埋弧焊，前后焊丝不同，钢板厚度15~20mm，坡口钝边5.5~6.5mm，角度30°或35°,焊接线能量24~38kJcm。前丝采用合金元素含量较低的Mn-Ni系焊丝、后丝采用合金元素含量较高的Mn-Ni-Cr-Mo焊丝，可以保证焊缝中含有一定的Ni,Cr, Mo合金元素，其焊接接头均有较好的强度及冲击韧性，接头抗拉强度635MPa~665MPa，硬度不高于230HV₁₀，-10℃KV₂冲击韧性(平均)焊缝达到140J以上，焊接热影响区达到260J以上。相对于X70钢技术条件要求有一定富裕量。

另外，进行了3例对比实验。对比例1前后丝采用同一种Mn-Ni系焊丝，采用与实例1相同的焊接工艺参数进行双丝埋弧焊，焊接后焊缝合金元素含量较少，焊缝强度不合格。对比例2前后丝采用同一种Mn-Mo系焊丝，焊接工艺与实例1相同，焊缝强度不合格。对比例3前后丝采用同一种Mn-Ni-Cr-Mo系焊丝，焊接工艺与实例1相同，焊缝硬度超标。

可见，本发明申请采用不同的前后丝，成功实现了X70钢双丝埋弧焊，焊接接头强韧性优良。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。