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1、(10)申请公布号 CN 103350289 A (43)申请公布日 2013.10.16 CN 103350289 A *CN103350289A* (21)申请号 201310248272.9 (22)申请日 2013.06.21 B23K 35/24(2006.01) B23K 9/18(2006.01) (71)申请人 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司 地址 215625 江苏省苏州市张家港市锦丰镇 永新路沙钢钢铁研究院 (72)发明人 潘鑫 张宇 王银柏 (54) 发明名称 一种低温韧性优异的高强度埋弧焊丝熔敷金 属 (57) 摘要 本发明涉及一种低温韧性优异的高强度埋弧 焊丝熔敷金属，。
2、 以重量百分比计， 其化学成分为 ： C0.02 0.10%， Si0.1 0.5%， Mn1.5 3.0%， S 0.006%， P 0.012%， Ni0.1 1.0%， Cr0.1 0.5%， Mo0.2 0.8%， Cu0.1 0.5%， V0.01 0.1%， Nb0.01 0.1%， Ti0.005 0.1%， B0.001 0.01%， Ca0.002 0.005%， 余量为 Fe 及不可避免 的杂质。本发明熔敷金属具有优良的综合性能， 抗拉强度 760MPa， -60冲击功 100J， 并且通 过控制 S， Ca 含量， 使其具有较好的抗氢致裂纹 （HIC） 性能， 能够适应含。
3、 H2S 的服役环境。该熔敷 金属适用于高强度级别钢板的焊接接头， 低温韧 性优异， 特别适用于高级别焊管的制造。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 (10)申请公布号 CN 103350289 A CN 103350289 A *CN103350289A* 1/1 页 2 1. 一种低温韧性优异的高强度埋弧焊丝熔敷金属， 其特征在于 ： 以重量百分比计， 其 化学成分为 ： C0.02 0.10， Si0.1 0.5， Mn1.5 3.0， S 0.006， P 0.012， N。
4、i0.1 1.0， Cr0.1 0.5， Mo0.2 0.8， Cu0.1 0.5， V0.01 0.1， Nb0.01 0.1， Ti0.005 0.1， B0.001 0.01， Ca0.002 0.005， 余量为 Fe 及不可避免的 杂质。 2. 根据权利要求 1 所述的一种低温韧性优异的高强度埋弧焊丝熔敷金属， 其特征在 于 ： 熔敷金属 Pcm 为 0.24 0.30， 其中 Pcm C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+V/10+Mo/15+Ni/60+5B。 3. 根据权利要求 1 所述的一种低温韧性优异的高强度埋弧焊丝熔敷金属， 其特征在 于 ： 熔敷金属屈服强度 69。
5、0MPa， 抗拉强度 760MPa， -60低温韧性 100J。 权 利 要 求 书 CN 103350289 A 2 1/5 页 3 一种低温韧性优异的高强度埋弧焊丝熔敷金属 技术领域 0001 本发明涉及一种埋弧焊丝熔敷金属， 特别是涉及一种低温韧性优异的高强度埋弧 焊丝熔敷金属， 属于焊接材料领域。 背景技术 0002 目前， 为提高天然气的输送效率， 降低输送管线的建造投入和运营成本， 级别较高 的管线钢如X90X100逐步有了其市场需求， 国内各大钢企也已经积极开展此类钢板的研 发， 争取抢先进入市场。高钢级管线钢的大力研发， 势必需要合适的焊接材料与之相匹配， 以满足其高强度， 高。
6、韧性的性能， 而且在输送天然气过程中， H2S 对钢管的侵蚀产生氢， 扩散 至钢材内部将造成氢致裂纹 （HIC） ， 所以钢管的焊缝应和管体同样具有良好的抗氢致裂纹 （HIC） 能力。 0003 目前直缝焊管均采用埋弧焊的方法将钢板制成焊管， 多丝焊接、 焊接速度快、 焊接 热输入高的特点要求有专用的焊接材料与之匹配， 且该种接头焊缝金属熔合比高达 70% 左 右， 因此不能仅依靠焊丝成分来保证焊缝性能， 而应设定熔敷金属的成分， 最终使焊缝满足 性能要求。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种低温韧性优异的高强度埋弧焊丝熔敷金属， 该熔敷金 属综合性能优良， Pcm 为 0.24 0。
7、.30， 屈服强度 690MPa， 抗拉强度 760MPa， -60的冲 击韧性 100J， 并具有良好的抗 HIC 性能， 满足 API 对 X100 的技术要求。 0005 为实现上述发明目的， 本发明采用如下技术方案 ： 0006 一种低温韧性优异的高强度埋弧焊丝熔敷金属， 以重量百分比计， 其化学成分为 ： C0.02 0.10%， Si0.1 0.5%， Mn1.5 3.0%， S 0.006%， P 0.012%， Ni0.1 1.0%， Cr0.1 0.5%， Mo0.2 0.8%， Cu0.1 0.5%， V0.01 0.1%， Nb0.01 0.1%， Ti0.005 0.1。
8、%， B0.001 0.01%， Ca0.002 0.005%， 余量为 Fe 及不可避免的杂质。匹配的焊剂碱度 为 1.5 3.5， 采用多丝高速埋弧焊的方法制得， 熔敷金属 Pcm 为 0.24 0.30。 0007 本发明熔敷金属化学成分设计原则如下 ： 0008 C 是保证焊缝强度的重要因素， 因此 C 含量不宜过低， 但过高的 C 含量会恶化焊接 性， 增加冷裂倾向， 本发明中将 C 含量控制在 0.02 0.10%。 0009 Mn 在焊缝中是有效的强度增加元素和脱氧元素， 有利于细化焊缝组织。但过高的 Mn 含量会使焊缝韧性降低， 并增加焊缝的裂纹敏感性， 因此 Mn 含量为 1。
9、.5 3.0%。 0010 Si 有较强的固溶强化作用， 能够有效提高焊缝强度， 并且与 Mn 起到联合脱氧的作 用。此外， Si 与 Mn 同样， 在含量过高时会对焊缝韧性不利， 并会增加焊缝裂纹敏感性， 所以 Si 含量不宜过高， 控制 Si 含量在 0.1 0.5%。 0011 Ni 元素的加入在不影响焊缝强度和塑性的同时增加焊缝的韧性， 但过高的 Ni 含 量会降低焊缝金属的流动性， 对焊缝成形不利， 也易造成焊缝夹渣及气孔等缺陷， 且高含量 说 明 书 CN 103350289 A 3 2/5 页 4 的 Ni 元素会造成制造成本大幅上升， 因此， 设置 Ni 含量为 0.1 1.0。
10、%。 0012 Cr 元素的加入可提高焊缝针状铁素体的含量， 以提高焊缝强度和低温韧性， 另外 Cr 有利于提高焊缝的耐腐蚀性能。但过高的 Cr 含量会提高脆性转变温度， 因此， 控制其含 量为 0.1 0.5%。 0013 Mo 元素通过析出强化作用提高焊缝的强度， 在焊接热输入较高的情况下添加 Mo 元素更能体现该作用， 但当 Mo 超过一定含量时， 焊缝裂纹倾向增加， 设置 Mo 含量为 0.2 0.8%。 0014 Cu 的固溶强化作用能提高焊缝的强度， 且在合金元素中， Cu 对抗氢致裂纹 （HIC） 的作用最为明显， Cu 可以促进钝化膜的形成， 减少氢的侵入， 所以加入一定量的 。
11、Cu 使焊缝 金属具有一定的抗 HIC 性能， 但含量过高会增加焊缝的热脆性， 控制其含量为 0.1 0.5%。 0015 V 的析出强化作用能够适当提高焊缝强度， 在焊缝中可细化焊缝金属的铸态组织， 并可防止热影响区晶粒过分长大， 提高韧性。 可适量添加该元素， 但过高也会增加焊缝的裂 纹倾向， 控制其含量为 0.01 0.1%。 0016 Nb 可细化晶粒， 提高焊缝的强度， 在 C-Mn 系焊缝中会促进侧板条铁素体的产生， 恶化韧性， 但在含有 Ti， B 的焊缝中， Nb 能够促进细小均匀的针状铁素体的产生， 提高焊缝 的韧性， 因此可适量加入该元素， 控制其含量为 0.01 0.1%。
12、。 0017 Ti 是强脱氧剂、 脱氮剂， 适量 Ti 的加入能在焊缝中形成细小难溶且弥散分布的化 合物 （TiO2， TiN） 质点， 促进针状铁素体形核， 细化焊缝组织， 有效增加焊缝的强度及韧性， 但过高的 Ti 含量会导致焊缝韧性恶化， 控制 Ti 含量 0.005 0.1%。 0018 B 固溶 B 在奥氏体晶界偏聚， 降低了晶界能， 有利于抑制晶界上先共析铁素体的形 成及粗化。B 与 Ti 同时加入的情况下， Ti 的强脱氧性保护固溶 B 在凝固过程中不被氧化。 另外， B 在热输入较大的焊接过程中会向临近熔合线的粗晶区扩散， 有助于细化粗晶区组 织， 提高粗晶区的韧性。控制其含量。
13、为 0.001 0.01%。 0019 S， P 对焊缝的低温韧性不利， 应作为杂质元素控制在合理范围， 此外， S 含量的增 加会使焊缝中存在大量形态各异的 MnS 夹杂， 此类夹杂是增加材料氢致裂纹的敏感性的主 要因素， 严格控制 S 含量在较低水平， 可以大大降低焊缝中的 MnS 夹杂， 并使 MnS 形态趋于 球形， 从而降低焊缝氢致裂纹的形成。P 易在焊缝中心发生偏析， 这种偏析也将促进氢致裂 纹的形成， 所以 P 含量也应得到严格的控制。本发明中， 控制 S 0.006%， P 0.012%。同 时， 焊缝金属通过焊剂的合金过渡应含有一定量的 Ca， Ca 元素在熔池的冶金反应中起。
14、到改 善夹杂物形态的作用， 并且能够通过形成CaS来固定S， 抑制MnS的形成， 从而降低氢致裂纹 的形成。控制焊缝金属中 Ca 元素含量为 0.002 0.005%。 0020 本发明中对匹配焊剂的碱度 （Basicity Index） 做出要求， 主要是因为提高焊剂碱 度可以控制焊缝氧含量在合理范围， 有利于在焊缝金属中形成细小、 密集的夹杂物， 此类夹 杂物有利于针状铁素体形核， 使焊缝具有较高比例的针状铁素体， 对焊缝的低温韧性和强 度有利。 但过高的焊剂碱度会使焊缝金属黏度提高， 降低焊缝金属及熔化焊剂的流动性， 影 响焊缝成形， 也易造成夹渣和气孔等焊接缺陷， 因此将焊剂的碱度范围。
15、设置为 1.5 3.5。 其中， 焊剂碱度按如下公式计算 ： 0021 说 明 书 CN 103350289 A 4 3/5 页 5 0022 另外， 为保证焊缝具有足够的强度， 要求焊缝熔敷金属的Pcm范围为0.240.30。 其中， Pcm 按如下公式计算 ： 0023 Pcm=C+(Mn+Cr+Cu)/20+Si/30+V/10+Mo/15+Ni/60+5B 0024 同现有技术相比， 本发明的有益效果至少在于 ： 0025 1、 本发明采用低 C 高 Mn 设计， 加入适量的 Ni， Cr， Mo， V 元素， 保证熔敷金属性能 满足API X100的要求， 并同时加入微量Ti， B元。
16、素， 使其在线能量较高的多丝高速焊接条件 下熔敷金属具有较好低温韧性。另外， 通过限制焊丝 S 含量在较低水平， 避免产生大量 MnS 夹杂， 并添加适量 Cu 元素提高了焊缝金属的抗 HIC 性能。 0026 2、 本发明熔敷金属通过采用合适的焊丝、 焊剂搭配， 获得的熔敷金属的 Pcm 范围 0.24 0.30， 具有优良的综合性能， 屈服强度 690MPa， 抗拉强度 760MPa， -60低温韧 性在 100J 以上。焊缝组织主要由针状铁素体组成， 其含量占 80% 以上， 且尺寸小于 2m。 具体实施方式 0027 以下结合优选实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。 0028 采用。
17、表 1 中的焊丝， 并搭配不同碱度的焊剂， 试验钢板采用国产 16.3mm 厚 API X100 管线钢板， 其化学成分见表 2， 采用双面焊接， 各焊一道， 焊接参数见表 3。实施例的焊 缝熔敷金属由80%以上的细小针状铁素体以及少量岛状的马氏体-残余奥氏体 （M-A） 组成， 熔敷金属成分及性能见表 4 5。 0029 对以上实施例焊接接头进行抗HIC试验， 试验参照NACE TM0284进行， 采用含饱和 H2S 的氯化钠醋酸溶液 （5%NaCl+0.5%CH3COOH+ 饱和 H2S 蒸馏水溶液） ， 试验时间为 96 小时。 根据标准， 材料抗HIC的能力由裂纹敏感率 （CSR） ，。
18、 裂纹长度率 （CLR） 和裂纹厚度率 （CTR） 三 个裂纹指标来表征。材料的 CSR， CLR 和 CTR 平均值越接近于零， 则材料的抗 HIC 能力就越 强。试验结果见表 6， 试验结果表明实施例熔敷金属的抗 HIC 性能强。 0030 表 1 焊丝成分 （重量百分比， 其中 S， P 单位为 ppm） 0031 0032 表 2 母材 X100 管线钢板的化学成分 （重量百分数比） 0033 CSiMnNi+Cr+MoTi其它Pcm X1000.05 0.202.121.040.014 0.50.22 0034 表 3 焊接工艺参数 0035 工艺 (a) 双丝焊参数 说 明 书 CN 103350289 A 5 4/5 页 6 0036 0037 工艺 (b) 四丝焊参数 0038 0039 表 4 熔敷金属成分 （重量百分数比， 其中 S， P， B， Ca， O， N 单位为 ppm） 0040 0041 说 明 书 CN 103350289 A 6 5/5 页 7 0042 表 5 熔敷金属及焊接接头性能 0043 0044 表 6 焊接接头抗 HIC 试验结果 0045 序号abcde CSR(%) 00000 CLR(%) 00000 CTR(%) 00000 说 明 书 CN 103350289 A 7 。