X100超高強(qiáng)度管線鋼用埋弧焊燒結(jié)焊劑研制*

趙紅波 ，牛 輝 ， 付宏強(qiáng) ，周 云

（1.國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721008；2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008）

0 前 言

石油、天然氣作為當(dāng)前影響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，對(duì)國(guó)民生產(chǎn)意義重大。但隨著石油、天然氣需求量的日益增大，對(duì)管線輸送能力的要求也不斷提高，高鋼級(jí)、大直徑輸送鋼管的開(kāi)發(fā)成為目前管線輸送的重要課題。近幾年，國(guó)內(nèi)各鋼管制造企業(yè)競(jìng)相圍繞X100鋼級(jí)管線鋼管進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但受原材料本身性能的制約，焊接所需焊材既要具有良好的熔敷性、抗氣孔性、焊接性，又要確保焊縫力學(xué)性能滿(mǎn)足X100焊管強(qiáng)韌性匹配要求。而現(xiàn)有焊材應(yīng)用于X100焊接過(guò)程中存在沖擊韌性低、焊縫強(qiáng)度不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求等質(zhì)量問(wèn)題，成為X100管線管開(kāi)發(fā)的瓶頸。為此，研制了一種適用于X100管線鋼管焊接的氟堿型燒結(jié)焊劑，進(jìn)行了合理的渣系、堿度及配方設(shè)計(jì)，并通過(guò)配合使用寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司自主研發(fā)的BG-H06H2專(zhuān)用焊絲，解決了高強(qiáng)度焊絲在X100管線鋼管埋弧焊接應(yīng)用中的難題。該焊劑的應(yīng)用完全可以在保證良好的工藝性能基礎(chǔ)上，使焊縫具有優(yōu)良的沖擊韌性、并實(shí)現(xiàn)焊縫與母材的等強(qiáng)匹配。

1 焊縫技術(shù)指標(biāo)要求

采用研制的氟堿型焊劑匹配專(zhuān)用焊絲，在1.5～1.8 m/min的焊速下X100管線鋼焊縫性能應(yīng)滿(mǎn)足指標(biāo)要求。

1.1 焊縫工藝性能要求

焊劑要具有良好的脫渣性，不粘渣，不夾渣，易脫落；焊道邊緣規(guī)整，焊縫表面光滑，不得有表面氣孔、麻點(diǎn)、壓痕和裂紋等缺陷，不得有深度超過(guò)0.5mm的咬邊；焊縫和母材過(guò)渡平滑，焊道表面無(wú)魚(yú)脊。

1.2 焊縫力學(xué)性能要求

（1）－10℃沖擊性能： CV≥80 J；

（2）拉伸性能（焊縫橫向拉伸板狀試樣）：Rm=695～915 MPa；

2 焊劑的設(shè)計(jì)

2.1 焊劑夾雜物控制要求

（1）焊劑含水量≤0.10% ；

（2） 焊劑中w（S）≤0.060%， w（P）≤0.080%。

2.2 渣系選擇

一般說(shuō)來(lái)，酸性渣系中含有較多的SiO2和TiO2等酸性氧化物，焊劑氧化性強(qiáng)，易氧化熔池中的合金元素，所以韌性很差，但焊接工藝性較好；而堿性渣系中酸性氧化物含量較少，焊劑氧化性弱，抗氣孔能力強(qiáng)，焊縫金屬韌性高，且有利于去除非金屬夾雜物，有較好的脫 S和P的能力。H作為導(dǎo)致焊縫冷裂紋及金屬塑性下降主要因素之一，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格限制。試驗(yàn)研究表明，在提高堿度的基礎(chǔ)上加入CaF2，有利于焊縫中擴(kuò)散H含量的明顯下降，可以明顯地提高焊縫的抗裂性能。鑒于此，焊劑設(shè)計(jì)采用CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2氟堿型為主要渣系。

2.3 各個(gè)組分確定及含量

CaF2在自然界中為礦物質(zhì)螢石的主要成分，是低H型燒結(jié)焊劑中的一種重要組分，在堿性渣里，可以促進(jìn)CaO熔化，降低熔渣的黏度，并與自由的SiO2及液態(tài)金屬表面的H2O發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成不溶于鋼液的穩(wěn)定氫化物HF，減少氫在金屬中的溶解度。

Al2O3是一種高溫下很穩(wěn)定的氧化物，屬于高熔點(diǎn)物質(zhì)，在焊劑中主要作為造渣劑，在焊接過(guò)程中起著調(diào)整熔渣的熔點(diǎn)及黏度的作用，另外，由于在高溫下有利于提高電弧的集中程度，可保證雙絲焊接過(guò)程中后絲電弧的穩(wěn)定性。隨著Al2O3含量增加，可使焊縫的魚(yú)鱗紋將更加細(xì)密，焊縫表面更加光滑。但由于其在高溫下不易分解，熔點(diǎn)較高，加入過(guò)多的Al2O3會(huì)惡化焊道外觀形貌，所以含量不宜過(guò)高。

MgO屬于一種堿性材料，在焊劑中作為良好的造渣劑，并與CaO，TiO等堿性材料對(duì)焊劑堿度的調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要作用。MgO含量高低對(duì)于焊縫形貌有很大影響，當(dāng)MgO含量少時(shí)，熔渣氧化性較大，焊縫被氧化為藍(lán)色，含量過(guò)高時(shí)，熔渣的流動(dòng)性較差，焊縫中間易出現(xiàn)魚(yú)脊，惡化脫渣性及焊縫外觀質(zhì)量。

CaO作為堿性渣系的主要成分，一般以硅灰石形式加入，其具有直線膨脹系數(shù)小，結(jié)晶相變溫度低等特點(diǎn)，可增加熔渣的表面張力和熔渣與金屬的界面張力，提高脫渣能力，改善焊縫的工藝性能。

SiO2主要起造渣作用，能降低渣的堿度，并與液態(tài)金屬發(fā)生置換反應(yīng)使焊縫增硅；另外由于SiO2能與熔渣中大部分的堿性氧化物結(jié)合形成復(fù)合物，含量過(guò)高，容易引起熔渣的黏度增大，惡化焊縫外觀形貌，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

（Si-Fe）/（Mn-Fe）在管線鋼焊接過(guò)程中可起脫氧及合金過(guò)渡作用，有效地降低熔池中氧含量，減少焊接過(guò)程中的合金元素的燒損，并有效地控制焊接熔池中的夾雜物，對(duì)于獲得高強(qiáng)度高韌性的焊接接頭至關(guān)重要。

另外由于本次研制的焊劑SiO2等酸性物質(zhì)含量較高，容易引起焊縫中Si的增加，導(dǎo)致焊縫韌性的下降。因此，考慮在焊劑中加入Mn-Fe，調(diào)節(jié) Si-Fe和 Mn-Fe比例以便達(dá)到降低SiO2的活度，更好地保護(hù)焊縫中的合金元素。

通過(guò)大量試驗(yàn)及配方調(diào)整，確定出工藝性能及力學(xué)性能較為優(yōu)良的CaF2-MgO-Al2O3-CaOSiO2氟堿型渣系配方，見(jiàn)表1。

按國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的公式進(jìn)行計(jì)算可知，本次研制的焊劑堿度控制在1.8～2.0，屬高堿度焊劑。

表1 氟堿型焊劑成分配比%

3 焊接試驗(yàn)

3.1 焊接材料及工藝參數(shù)

為了檢驗(yàn)研制焊劑的焊接穩(wěn)定性及不同焊接工藝下的適應(yīng)性和焊縫性能，制定了3種焊接工藝，分別采用X100原料進(jìn)行平板雙絲內(nèi)外埋弧焊接。X100板材化學(xué)成分見(jiàn)表2。接頭采用X形坡口，焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2 焊接工藝性

通過(guò)對(duì)3種工藝下焊接過(guò)程中電弧燃燒情況進(jìn)行考察，采用本焊劑后電弧燃燒聲音平穩(wěn)、柔和。在3種工藝下進(jìn)行焊接后，渣殼都能從起弧端、熄弧端自動(dòng)翹起，脫渣性較好，無(wú)粘渣現(xiàn)象存在，且焊縫外觀規(guī)整、與母材過(guò)渡良好，金屬光澤性較好，結(jié)果滿(mǎn)足GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖1所示。

表2 X100板材力學(xué)性能

表3 焊接參數(shù)

圖1 研制焊劑焊接后焊縫形貌

3.3 焊縫力學(xué)性能

3.3.1 焊縫拉伸及彎曲試驗(yàn)

按照API SPEC 5L版標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求，對(duì)采用研制的焊劑匹配專(zhuān)用焊絲焊接后的試板，分別進(jìn)行拉伸及彎曲試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合API SPEC 5L版標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求，且對(duì)焊縫進(jìn)行正、反彎曲后，焊縫表面均未出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)缺陷。

3.3.2 焊縫沖擊韌性試驗(yàn)

依據(jù)API SPEC 5L版標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求，V形缺口試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，采用德國(guó)ZWICK PSW750J示波沖擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)冷卻介質(zhì)為液氮與工業(yè)酒精，試驗(yàn)溫度為-10℃，保溫時(shí)間為5 min，結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，采用3種工藝進(jìn)行焊接之后，-10℃焊縫沖擊韌性良好，符合API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)及X100鋼管技術(shù)條件要求。

3.3.3 焊縫微觀組織

焊接后從試板中部截取焊縫試樣，并以焊縫為中心加工成尺寸為25mm×32mm金相試樣，經(jīng)砂紙打磨、拋光后，使用20%的硝酸酒精腐蝕，采用奧林巴士PMG3金相顯微鏡觀察焊縫微觀組織，如圖2所示。并采用日立S-3700N掃描電鏡對(duì)于焊縫沖擊斷口進(jìn)行SEM分析，如圖3所示。

表4 焊縫拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表5 焊縫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可以看出，外焊、內(nèi)焊焊縫區(qū)組織為粒狀貝氏體和針狀鐵素體，其中鐵素體組織都以“籃筐編結(jié)”狀態(tài)的存在，晶態(tài)大小不等，分布均勻，晶粒細(xì)小，且外焊與內(nèi)焊焊縫顯微組織相差不大。由圖3可以看出，焊縫夏比沖擊斷口為韌性斷裂，韌窩細(xì)小均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物存在。

圖2 焊縫微觀組織

圖3 焊縫沖擊斷口SEM照片

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合管線鋼特殊要求，確定本次研制焊劑堿度范圍為1.8～2.0，高堿度CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2氟堿型為主要渣系。采用所研制焊劑對(duì)X100鋼板進(jìn)行焊接后，脫渣性良好，焊縫表面光滑，過(guò)渡良好，通過(guò)力學(xué)性能檢測(cè)，焊縫沖擊韌性較高，強(qiáng)度完全達(dá)到X100管線鋼標(biāo)準(zhǔn)要求。

［1］張清輝，吳憲平，洪波.焊接材料研制理論與技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社.2002

［2］蘇仲鳴.焊劑的性能與使用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：102-106.

［3］王效蓮，馬明亮，王青云.不銹鋼埋弧焊燒結(jié)焊劑研制［J］.材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2012，27（01）：21-24.

［4］唐伯鋼，尹士科，王玉榮.低碳鋼與低合金高強(qiáng)度鋼焊接材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［5］楊曉溶，姚成云，馬德勝.高強(qiáng)度低合金鋼埋弧焊縫成分和顯微組織分布特征［J］.熱加工工藝，2011（11）：139-140.

［6］許昌玲，任德亮，胡連海.燒結(jié)焊劑的熔化特性在其配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.焊接，2005（12）：26-29.

［7］蔣瑞珊.船用碳鋼埋弧焊用高韌性燒結(jié)焊劑的研究［J］.鎮(zhèn)江船舶學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，4（01）：26-32.

［8］張敏，姚成武，李繼紅，等.X80管線鋼埋弧焊用燒結(jié)焊劑的研制［J］.焊接學(xué)報(bào)，2006，27(10)：29-32.

［9］馬彩玲，何少卿.硅灰石在燒結(jié)焊劑中的應(yīng)用研究［J］.非金屬礦，2004，27（02）：23-25.

［10］任得亮，廖波，肖福仁，等.高韌性埋弧焊燒結(jié)焊劑［J］.熱加工技術(shù)，2005（04）：34-36.

［11］唐伯鋼，尹士科.低碳低合金高強(qiáng)度鋼焊接材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985：73-76.

［12］國(guó)旭明，錢(qián)百年，張艷，等.焊劑堿度對(duì)管線鋼埋弧焊熔敷金屬顯微組織和韌性的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2001，13（05）：51-54.

［13］蔣瑞珊.燒結(jié)焊劑的脫渣性研究［J］.鎮(zhèn)江船舶學(xué)院學(xué)報(bào).1991，5（04）：6-13.

［14］何少卿，張尤紅，楊慧，等.SJ403耐磨堆焊燒結(jié)焊劑的研制［J］.焊接技術(shù)，1994（04）：7-10.

［15］張敏，姚成武，呂振林.X80管線鋼埋弧焊匹配焊絲試驗(yàn)［J］.焊接技術(shù)，2006（04）：64-68.