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1、(10)申请公布号 CN 103846571 A (43)申请公布日 2014.06.11 CN 103846571 A (21)申请号 201410117149.8 (22)申请日 2014.03.26 B23K 35/30(2006.01) B23K 9/18(2006.01) (71)申请人 锦州天鹅焊材股份有限公司 地址 121005 辽宁省锦州市太和区新兴里 1 号 (72)发明人 常敬 刘越 张庆红 刘慧 才艳秋 (74)专利代理机构 沈阳优普达知识产权代理事 务所(特殊普通合伙) 21234 代理人 张志伟 (54) 发明名称 一种高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝及其 应用 。
2、(57) 摘要 本发明属于焊丝材料领域， 具体涉及一 种高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝及其应 用。焊丝材料组成的化学成分重量百分比为 ： C0.01 0.05wt.% ； Mn1.4 2.1wt.% ； Si0.1 0.3wt.% ； Mo0.2 0.4wt.% ； Ti0.05 0.1wt.% ； B0.0030.005wt.% ； Cr0.10.4wt.% ； Cu0.2 0.3wt.% ； Ni0.3 0.6wt.% ； Nb0.03 0.08wt.% ； S0.005wt.% ； P0.005wt.% ； 余量 Fe。本发明埋 弧焊丝匹配 SJ101-100 焊剂熔敷金属具有优良。
3、的 综合力学性能， 其屈服强度大于 690MPa， 抗拉强 度大于780MPa， 在-20的冲击功大于108J ； 焊接 后， 焊缝成形美观， 无裂纹、 咬边等缺陷， 强度高、 韧性好、 抗裂性好， 与 X100 级管线钢板具有良好 的匹配效果， 焊丝作为主要的填充金属， 其对焊缝 金属的性能起到了决定性的作用， 本发明焊丝满 足了压力较高情况下油气输送管道焊接要求。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 2 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6页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103846571 A CN 。
4、103846571 A 1/1 页 2 1. 一种高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝， 其特征在于， 焊丝材料组成的化学成分重量 百分比为 ： C0.010.05wt.% ； Mn1.42.1wt.% ； Si0.10.3wt.% ； Mo0.20.4wt.% ； Ti0.05 0.1wt.% ； B0.003 0.005wt.% ； Cr0.1 0.4wt.% ； Cu0.2 0.3wt.% ； Ni0.3 0.6wt.% ； Nb0.03 0.08wt.% ； S0.005 ； P0.005 ； 余量 Fe。 2. 按照权利要求 1 所述的高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝， 其特征在。
5、于， 优选地， 焊丝材料组成的化学成分重量百分比为 ： C0.01 0.03wt.% ； Mn1.5 1.8wt.% ； Si0.1 0.2wt.% ； Mo0.25 0.35wt.% ； Ti0.06 0.08wt.% ； B0.003 0.005wt.% ； Cr0.25 0.4wt.% ； Cu0.25 0.3wt.% ； Ni0.3 0.5wt.% ； Nb0.04 0.06wt.% ； S0.005wt.% ； P0.005wt.% ； 余量 Fe。 3. 按照权利要求 1 所述的高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝， 其特征在于， 焊丝经过表 面镀铜， 镀层厚度不小于 1.25m。。
6、 4.一种权利要求13之一所述的高性能X100管线钢埋弧焊用焊丝的应用， 其特征在 于， 焊丝配合使用 SJ101-100 焊剂对 X100 管线钢进行埋弧焊接。 5. 按照权利要求 4 所述的高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝的应用， 其特征在于， 埋弧 焊接的熔敷金属屈服强度、 抗拉强度高和具有优异低温韧性， 其屈服强度大于 690MPa， 抗拉 强度大于 780MPa， 在 -20的冲击功大于 108J。 6. 按照权利要求 4 所述的高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝的应用， 其特征在于， 优 选地， 埋弧焊接的熔敷金属屈服强度 699 720MPa， 抗拉强度 780 800MP。
7、a， 断后伸长率 22.725%， 断面收缩率51.860.2%， 20冲击功135.4154.5J， -20冲击功108.6 120.8J。 权 利 要 求 书 CN 103846571 A 2 1/6 页 3 一种高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝及其应用 技术领域 0001 本发明属于材料成型的焊丝材料领域， 具体涉及一种高性能 X100 管线钢埋弧焊 用焊丝及其应用。 背景技术 0002 随着石油天然气等运输管道的不断建设和扩大， 尤其是在环境恶劣地区， 对管线 钢的要求更加严格， 为了满足其恶劣环境的要求以及降低生产成本， 近年来开发出了新的 高等级的管线钢及 X100 管线钢。然。
8、而， 与之相匹配的焊丝的研制还比较落后， 对于 X80 管 线钢埋弧焊丝的专利已经有很多， 相关专利申请如 ： 专利申请号为 200810005040.X 的 高 等级管线钢用高强度高韧性高焊速埋弧焊丝 、 专利申请号为 200610124514.3 的 低合金 超高强度钢用高韧性埋弧焊丝 、 200610145593.6 的 管线钢用埋弧焊丝 和专利申请号为 200510029245.8的 一种埋弧焊丝及盘条以及埋弧焊丝的制造方法 。 但这些焊丝的性能都 无法满足X100管线钢的要求， 而且其冶炼工艺主要采用电炉或转炉， 有的后面配有LF精炼 炉， 对杂质元素 （尤其是 S、 P、 O） 的。
9、控制要求程度较低。其中， 专利申请号为 200510029245.8 的 一种埋弧焊丝及盘条以及埋弧焊丝的制造方法 ， 其生产盘条时主要采用高速无扭轧机 轧制， 焊丝盘条在拉拔前或拉拔过程中， 进行退火热处理， 这无异增加了劳动强度和成本。 用于 X100 管线钢的埋弧焊丝也有一些， 如 ： 专利申请号为 201010263712.4 的 一种高强管 线钢埋弧焊丝 、 专利申请号为201010599902.3的 一种高强高韧性埋弧焊丝 、 专利申请号 为 201010526958.6 的 一种 X100 管线钢埋弧焊用焊丝及其制备方法 等。其中， 专利申请 号为 201010263712.4 。
10、的 一种高强管线钢埋弧焊丝 未添加 Cu， 而是依靠后期的镀铜来添 加， 这样很难控制Cu的含量 ； 专利申请号为201010599902.3的 一种高强高韧性埋弧焊丝 只是提到加入适当的 Ti， 并未明确其含量。 0003 X100 管线钢是具有超细晶粒的钢， 它通过化学成分设计以及采取控轧、 控冷的工 艺 (TMCP) 得到由粒状贝氏体、 针状铁素体和马氏体组成的显微组织。粒状贝氏体的晶粒度 为 2 3mm。在针状铁素体的晶界， 具有细小的 M-A 组元。这种细晶组织具有高强度的同 时， 还具有优良的韧性指标。通过合金化完成细化晶粒的目的。所以， 现有埋弧焊丝已无法 满足X100管线钢焊接。
11、要求， 急需开发适用于X100焊管焊接使用的新型埋弧焊丝， 本发明研 发了一种与 X100 管线钢相匹配的埋弧焊用焊丝。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝及其应 用， 熔敷金属屈服强度大于 690MPa， 抗拉强度大于 780MPa， 在 -20的冲击功大于 108J ； 焊 接后， 焊缝成形美观， 强度高、 韧性好、 抗裂性好， 与 X100 级管线钢板具有良好的匹配效果， 满足压力较高情况下油气输送管道焊接要求。 0005 为解决上述技术问题， 本发明所采用的技术方案为 ： 0006 一种高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝， 焊丝。
12、材料组成的化学成分重量百分比为 ： 说 明 书 CN 103846571 A 3 2/6 页 4 C0.01 0.05wt.% ； Mn1.4 2.1wt.% ； Si0.1 0.3wt.% ； Mo0.2 0.4wt.% ； Ti0.05 0.1wt.% ； B0.003 0.005wt.% ； Cr0.1 0.4wt.% ； Cu0.2 0.3wt.% ； Ni0.3 0.6wt.% ； Nb0.03 0.08wt.% ； S0.005wt.% ； P0.005wt.% ； 余量 Fe 及不可避免的杂质元素。 0007 优选地， 焊丝材料组成的化学成分重量百分比为 ： C0.01 0.03。
13、wt.% ； Mn1.5 1.8wt.% ； Si0.1 0.2wt.% ； Mo0.25 0.35wt.% ； Ti0.06 0.08wt.% ； B0.003 0.005wt.% ； Cr0.250.4wt.% ； Cu0.250.3wt.% ； Ni0.30.5wt.% ； Nb0.040.06wt.% ； S0.005wt.% ； P0.005wt.% ； 余量 Fe。 0008 所述的焊丝经过表面镀铜， 镀层厚度不小于 1.25m。 0009 所述的高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝的应用， 焊丝配合使用 SJ101-100（成分 见表 1） 焊剂对 X100 管线钢进行埋弧焊接。。
14、其中， 0010 表 1SJ101-100 的化学成分 （wt.%） 0011 萤石铝矾土 MnO2CaCO3耐火粘土粗镁砂 硅铁锰铁TiO2 221864.56.82944.75 0012 埋弧焊接的熔敷金属屈服强度、 抗拉强度高和具有优异低温韧性， 其屈服强度大 于 690MPa， 抗拉强度大于 780MPa， 在 -20的冲击功大于 108J。 0013 优选地， 埋弧焊接的熔敷金属屈服强度 699 720MPa， 抗拉强度 780 800MPa， 断 后伸长率 22.7 25%， 断面收缩率 51.8 60.2%， 20冲击功 135.4 154.5J， -20冲击 功 108.6 1。
15、20.8J。 0014 本发明的设计思路为 ： 0015 （1） 适当降低 C 含量， 适当提高 Mn 元素的含量以弥补碳含量减少而引起强度的降 低 ； 同时， 提高 Mn 含量既能弥补因较低的碳含量而引起的强度下降， 又可在一定范围内提 高针状铁素体的体积分数， 减少先共析铁素体数量， 容易得到低碳贝氏体组织。 0016 （2） 添加适当 Mo 元素、 Ni 元素与 Mn 元素共同作用， 可降低 -a 相变温度， 使铁素 体与贝氏体转变温度区相分离， 在较宽的温度范围内获得针状铁素体和贝氏体。 0017 （3） 添加 Cr 元素起到提高强度的作用， 另外可抑制先共析铁素体的生成， 增加焊 缝。
16、金属中针状铁素体的含量， 从而提高焊缝金属的强韧性。 0018 （4） 添加 Ni， B 元素， 限制 S， P 等杂质元素的含量， 以提高焊缝金属的强韧性 ； B 元 素可在晶界形成偏析， 控制奥氏体迁移， 从而控制针状铁素体与贝氏体的组成相比例 ； S 和 P 元素显著降低焊缝金属的低温冲击韧性， 应严格限制这两种元素在焊丝中的含量， 以保证 焊缝金属中 S， P 元素控制在较低的水平。 0019 （5） Cu 元素在细化晶粒的同时， 可提高抗大气腐蚀能力 ； 焊丝在制造过程中通常 要镀铜， 以防锈和增强焊接过程的导电性和送丝稳定性 ； 焊丝表面镀的铜会在焊接过程中 过渡到焊缝中， 因此焊。
17、丝中的铜含量相对低一些。 0020 （6） Ti 与奥氏体中的 N 反应生成 TiN 颗粒， TiN 具有很低的溶解度， 在焊缝中形成 很细的弥散物， 可以有效的阻止晶粒长大， 同时成为针状铁素体的形核核心， 大大提高焊缝 的韧性， 将其控制在 0.05% 0.1%。 0021 （7） 加入少量的 Nb 可以起到沉淀硬化的作用， 进一步提高焊缝的强度。 说 明 书 CN 103846571 A 4 3/6 页 5 0022 （8） Si 是缩小 相区的元素， 作为合金元素可以起到固溶强化的作用。焊丝中的 Si 通过与 O 反应形成 SiO2， 起到脱氧的作用。Si 能增加焊缝金属的强度， 但使。
18、焊缝金属的 韧性下降， 一般认为硅含量大于 0.40% 时， 对韧性有害， 焊缝中硅含量保持 0.25% 0.35% 时， 对焊缝的韧性有利。由于焊剂中含有一定量的 Si， 因此焊丝中的 Si 含量相应降低。 0023 本发明的优点及有益效果如下 ： 0024 1、 本发明 X100 管线钢埋弧焊用焊丝的熔敷金属屈服强度大于 690MPa， 抗拉强度 大于 780MPa， 在 -20的冲击功大于 108J ； 焊接后， 焊缝成形美观， 无裂纹、 咬边等缺陷， 强 度高、 韧性好、 抗裂性好， 与 X100 级管线钢板具有良好的匹配效果， 满足了压力较高情况下 油气输送管道焊接要求。 0025 。
19、2、 本发明 X100 管线钢埋弧焊用焊丝的表面镀铜是为了提高焊丝在焊接过程中的 导电性， 铜元素的存在， 使焊丝的导电性能大幅提高。这样， 焊丝在使用过程中送丝顺畅， 而且焊接过程电弧稳定， 但铜元素残存在焊缝中， 将造成焊缝脆、 韧性下降， 一般来说， 焊缝 中铜元素含量超过 0.8%， 将导致焊缝 “V” 型缺口冲击功急骤下降。为此， 在焊材行业标准 中均控制 Cu 0.50%， 本发明埋弧焊丝是埋在焊剂下电弧进行焊接燃烧， 因而铜的烧损较 气保焊时少， 因而延用较高要求的埋弧焊丝铜含量的控制要求， 控制焊丝基体及镀铜总量 0.20% 0.30%。 0026 3、 本发明的焊丝合金体系适。
20、合， 其盘条冶炼、 轧制及焊丝拉拔工艺容易实现， 质量 稳定， 焊丝的成本低， 可广泛用于机械工程、 铁路桥梁、 海洋设施、 高压容器、 油气输送管等 大型、 重要结构低合金高强钢的焊接。 附图说明 0027 图 1 为普通焊丝与 X100 焊丝的显微组织。其中， (a) 为普通焊丝的显微组织 ； (b) 为 X100 焊丝的显微组织。 0028 图 2 为实施例 1 熔敷金属微观组织。 0029 图 3 为实施例 2 熔敷金属微观组织。 0030 图 4 为实施例 3 熔敷金属微观组织。 具体实施方式 0031 本发明中， 高性能 X100 管线钢埋弧焊用焊丝的制备方法， 具体步骤如下 ： 。
21、0032 采用脱硫铁水， 控制入炉铁水硫含量， 选用 S， P 含量低的原材料， 采用转炉炼钢和 顶底复合吹炼工艺， 将冶炼终点的C， S， P控制在较低的水平， 经脱氧合金化后， 采用LF炉等 炉外精炼工艺添加微量元素， 冶炼出成分符合要求的钢水， 钢水经品种铸机全保护浇铸成 连铸胚， 连铸坯经高速无扭轧机轧制成 5mm 的盘条， 盘条机械剥壳酸洗去锈烘干 干法拉丝卷取热处理干法拉丝卷取化学镀铜抛光卷取缠绕成丝。 0033 实施例 1 ： 0034 本实施例中， 采用电炉冶炼本发明焊丝钢， 冶炼后将焊丝钢拉拔成规格为 5mm 的焊丝， 其化学成分 ( 按重量百分比计 ) 为， C ： 0.0。
22、3wt.%， Mn ： 1.6wt.%， Si ： 0.2wt.%， Mo ： 0.35wt.%， Ti ： 0.08wt.%， B ： 0.0035wt.%， Cr ： 0.3wt.%， Cu ： 0.25wt.%， Ni ： 0.4wt.%， Nb ： 0.06wt.%， S ： 0.0036wt.%， P ： 0.0044wt.%， 余量为Fe。 所述的焊丝， 经过表面镀铜 （镀层厚度 说 明 书 CN 103846571 A 5 4/6 页 6 不小于 1.25m） 后使用。 0035 本实施例中， 焊丝配合使用 SJ101-100 焊剂以及 X100 管线钢， 该 X100 管线钢厚。
23、度 为 15mm， 化学成分见表 2（余量为 Fe） 。焊接工艺参数为 ： 焊接电压 30V， 焊接电流 550A， 焊 速 44cm/min。 0036 表 2X100 管线钢的化学成分 （wt.%） 0037 CSiMnCrVTiNbCuNiMoAlSP 0.044 0.308 1.90 0.286 0.007 0.012 0.071 0.527 0.5750.343 0.017 0.0040.01 0038 X100 管线钢埋弧焊焊丝熔敷金属应满足 44 版 API5L 要求的强度级别， 见表 3， 在 H2S 环境中使用的 X100 管线钢最大允许硬度 (248HV10)。 0039 。
24、表 3X100 管线钢熔敷金属力学性能 0040 屈服强度 （MPa）抗拉强度 （MPa）断后伸长率 （%）冲击性能 （0）屈强比 690 840760 990 11.85 80J 0.97 0041 本实施例的 X100 管线钢埋弧焊用焊丝的力学性能数据见表 4、 表 5。 0042 表 4 焊丝熔敷金属力学性能 0043 0044 表 5 焊丝熔敷金属冲击性能 /J 0045 0046 如图 1 所示， 与普通焊丝相比， X100 焊丝的显微组织明显要细小的多， 众所周知， 组织越细小， 其综合性能越好。 0047 如图 2 所示， 从实施例 1 熔敷金属微观组织可以看出， 其含有针状铁素。
25、体、 块状先 共析铁素体和侧板条贝氏体混合组织。 0048 实施例结果表明， 本发明提供的一种 X100 管线钢埋弧焊用焊丝制备技术， 埋弧焊 丝匹配 SJ101-G 焊剂熔敷金属具有优良的综合力学性能， 其屈服强度大于 690MPa， 抗拉强 说 明 书 CN 103846571 A 6 5/6 页 7 度大于 780MPa， 在 -20的冲击功大于 108J ； 焊接后， 焊缝成形美观， 无裂纹、 咬边等缺陷， 强度高、 韧性好、 抗裂性好， 与 X100 级管线钢板具有良好的匹配效果， 焊丝作为主要的填充 金属， 其对焊缝金属的性能起到了决定性的作用， 本发明焊丝满足了压力较高情况下油气。
26、 输送管道焊接要求。 0049 实施例 2 ： 0050 与实施例 1 不同之处在于 ： 0051 本实施例中， 采用电炉冶炼本发明焊丝钢， 冶炼后将焊丝钢拉拔成规格为 5mm 的焊丝， 其化学成分 ( 按重量百分比计 ) 为， C ： 0.02wt.%， Mn ： 1.8wt.%， Si ： 0.12wt.%， Mo ： 0.35wt.%， Ti ： 0.06wt.%， B ： 0.0045wt.%， Cr ： 0.33wt.%， Cu ： 0.25wt.%， Ni ： 0.48wt.%， Nb ： 0.04wt.%， S ： 0.0025wt.%， P ： 0.0033wt.%， 余量为F。
27、e。 所述的焊丝， 经过表面镀铜 （镀层厚度 不小于 1.25m） 后使用。 0052 本实施例中， 焊丝熔敷金属力学性能和冲击性能如表 6、 表 7。 0053 表 6 焊丝熔敷金属力学性能 0054 0055 表 7 焊丝熔敷金属冲击性能 /J 0056 0057 如图 3 所示， 从实施例 2 熔敷金属微观组织可以看出， 其含有针状铁素体、 板条贝 氏体以及少量的粒状贝氏体组织， 针状铁素体和粒状贝氏体对贝氏体板条进行了有效分 割， 韧性较好。 0058 实施例 3 ： 0059 与实施例 1 不同之处在于 ： 0060 本实施例中， 采用电炉冶炼本发明焊丝钢， 冶炼后将焊丝钢拉拔成规格。
28、为 5mm 的焊丝， 其化学成分 ( 按重量百分比计 ) 为， C ： 0.012wt.%， Mn ： 1.62wt.%， Si ： 0.11wt.%， Mo ： 0.3wt.%， Ti ： 0.07wt.%， B ： 0.004wt.%， Cr ： 0.38wt.%， Cu ： 0.26wt.%， Ni ： 0.37wt.%， Nb ： 0.05wt.%， S ： 0.004wt.%， P ： 0.005wt.%， 余量为Fe。 所述的焊丝， 经过表面镀铜 （镀层厚度不 小于 1.25m） 后使用。 0061 本实施例中， 焊丝熔敷金属力学性能和冲击性能如表 8、 表 9。 0062 表 8。
29、 焊丝熔敷金属力学性能 0063 说 明 书 CN 103846571 A 7 6/6 页 8 0064 表 9 焊丝熔敷金属冲击性能 /J 0065 0066 如图 4 所示， 从实施例 3 熔敷金属微观组织可以看出， 其由针状铁素体、 粒状贝氏 体和少量的板条贝氏体组成， 其中， 针状铁素体和粒状贝氏体对贝氏体半条进行了有效的 分割， 组织细小， 因而具有良好的塑韧性。 说 明 书 CN 103846571 A 8 1/2 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103846571 A 9 2/2 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103846571 A 10 。