本發(fā)明申請(qǐng)涉及一種埋弧焊工藝，具體地說(shuō)是針對(duì)高性能超快冷x70鋼，通過(guò)選配兩種不同焊絲及合適的焊接工藝進(jìn)行雙絲埋弧焊，使x70鋼埋弧焊接頭性能滿足要求。

背景技術(shù)：

在2014年之前，我國(guó)x70管線鋼的成分體系一般采用mn-mo-mn-cu，且mo+mn+cu≥0.55%。制管時(shí)采用前后焊絲相同的雙絲埋弧焊工藝，即是在前后絲相同的情況下，在內(nèi)外面或正反面各焊接一道的埋弧焊接工藝。其焊絲采用mn-mo成分體系，其成分為(wt%)c0.05~0.10，si≤0.15，mn1.40~1.60，mo0.15~0.30，p≤0.015，s≤0.010。雙絲埋弧焊是用于厚度在15~20mm中等厚度的管線鋼的主要焊接方法。

然而，隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)石油、天然氣等能源資源的需求與日俱增，石油、天然氣長(zhǎng)輸管道和城市管網(wǎng)的建設(shè)得到蓬勃發(fā)展。為提高長(zhǎng)輸管道和城市管網(wǎng)的輸送效率和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，近年來(lái)，管道的輸送壓力和管徑不斷增加，對(duì)所采用管線鋼原材料的強(qiáng)韌性要求越來(lái)越高，我國(guó)管線工程焊接技術(shù)條件要求更是高于美國(guó)api標(biāo)準(zhǔn)。

目前x70鋼是國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道主力鋼種，但是，現(xiàn)有的x70管線鋼中含有昂貴的ni、cu、mo等元素，且鑄坯的加熱溫度較高，導(dǎo)致能耗高，鋼板的內(nèi)應(yīng)力較大，使鋼板的平直度較差，所以降低合金元素含量成為當(dāng)前鋼鐵品種的發(fā)展方向。隨著鋼鐵軋制工藝的不斷改進(jìn)，出于降低合金成本的考慮，近來(lái)開發(fā)了高強(qiáng)鋼的超快冷軋制工藝。在降低ni,mo,cu等昂貴的主合金元素含量的情況下，添加nb等微合金化元素，提高奧氏體再結(jié)晶溫度，在適于變形的溫度區(qū)間完成連續(xù)大變形和應(yīng)變積累,得到硬化的奧氏體。軋后立即進(jìn)行超快冷,使軋件迅速通過(guò)奧氏體相區(qū),保持軋件奧氏體硬化狀態(tài)。在奧氏體向鐵素體相變的動(dòng)態(tài)相變點(diǎn)終止冷卻，相變前奧氏體中析出相來(lái)不及長(zhǎng)大和再析出，相變前碳元素?cái)U(kuò)散因超快速冷卻被抑制，析出相更為細(xì)小和彌散，實(shí)現(xiàn)鋼的細(xì)晶強(qiáng)化和韌化。

基于以上思路鋼企開發(fā)了合金元素含量較低的經(jīng)濟(jì)型x70管線鋼，較貴重合金(如ni,mo,cu)被減少或取代。其鋼板的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度≥570mpa，硬度不高于240hv10，-10℃kv2平均值不低于80j，-10℃kv2單個(gè)值不小于60j。不同鋼廠、不同時(shí)期生產(chǎn)的管線鋼，其合金元素有明顯的差別。由于成分發(fā)生了很大的變化，如若采用現(xiàn)有焊絲及同成分雙焊絲的埋弧焊接工藝，則無(wú)法滿足焊接技術(shù)要求，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)要么焊縫強(qiáng)度不夠，要么使焊縫的強(qiáng)度偏高、硬度超標(biāo)而不能滿足要求。對(duì)于焊接接頭的強(qiáng)度，接頭拉伸試驗(yàn)斷于母材是最理想的情況；有時(shí)也允許斷于焊縫，但抗拉強(qiáng)度必須高于基材強(qiáng)度下限，并希望有充足的富裕量。

中國(guó)專利公開號(hào)為cn103357995a的文獻(xiàn)，公開了一種“耐熱鋼直縫焊管焊接方法”，其主要針對(duì)耐熱鋼制定了雙絲埋弧焊的工藝，側(cè)重于設(shè)備裝置。中國(guó)專利公開號(hào)為cn104384678a的文獻(xiàn)，公開了一種“螺旋埋弧焊的新型焊接工藝”，主要涉及雙絲埋弧焊的工藝過(guò)程。而關(guān)于高性能超快冷x70鋼雙絲埋弧焊焊材及工藝尚未有報(bào)道。

雙絲埋弧焊為焊絲的合理匹配帶來(lái)可能。管線鋼的雙絲埋弧焊一般采用焊絲一前一后雙弧同熔池的方式，焊接熔池金屬由兩種焊絲及母材熔合共同組成。當(dāng)鋼板較薄時(shí)（如低于10mm），焊縫金屬中母材占主導(dǎo)；當(dāng)鋼板較厚時(shí)(如大于15mm)，焊接處開坡口，焊縫金屬中焊絲的貢獻(xiàn)增加。對(duì)于雙絲焊，通過(guò)選用不同成分體系的焊絲作為前后絲，可使焊縫成分及性能得到良好匹配。

本發(fā)明針對(duì)新開發(fā)的厚度為15~20mm的x70鋼，由于其合金元素含量下降，若前后絲均采用mn-mo焊絲，或采用mn-ni焊絲(wt%)：c0.06~0.09%，si≤0.07，mn1.50~1.90%，ni0.25~0.50%，則焊縫碳當(dāng)量ce處于0.37%以下，強(qiáng)度不理想，且與鋼中含cr不相匹配。若采用mn-ni-cr-mo焊絲(wt%)c0.06~0.09%，si≤0.15%，mn1.50~1.90%，cr0.30~0.50%，mo0.30~0.50%，ni0.25~0.50%，x70鋼焊縫碳當(dāng)量ce達(dá)到0.44%，則焊縫硬度偏高，韌性也受到影響。另外焊材成本也增加。

為了解決上述存在的問(wèn)題，本申請(qǐng)人經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究，采用了前焊絲為mn-ni成分體系，后絲采用mn-ni-cr-mo成分體系的不同雙絲埋弧焊接工藝，且匹配弱堿性燒結(jié)焊劑，使新開發(fā)的焊接接頭沖擊韌性-10℃kv2達(dá)到140j以上，強(qiáng)度高于基材，硬度不高于230hv10，焊接接頭性能非常理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述文獻(xiàn)中存在的不足，提供一種通過(guò)前絲為mn-ni成分體系、后絲為mn-ni-cr-mo成分體系的不同雙絲埋弧焊接工藝，匹配弱堿性燒結(jié)焊劑，使厚度在15~20mm的超快冷經(jīng)濟(jì)型x70石油天然氣管線鋼的焊接接頭沖擊韌性-10℃kv2達(dá)到140j以上，抗拉強(qiáng)度高于基材，硬度不高于230hv10；相對(duì)于x70鋼技術(shù)條件要求有一定的富裕量。

實(shí)現(xiàn)上述目的的措施：

厚度在15-20mm的高性能超快冷x70鋼的雙絲埋弧焊接方法，其步驟：

1）焊接母材：x70鋼，其組分及重量百分比含量：c≤0.08%，si≤0.30%，mn≤1.70%，p≤0.15%，s≤0.002%，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)；其控制cr+ni+mo≤0.45%，nb+v+ti≤0.15%，pcm≤0.18；力學(xué)性能在：抗拉強(qiáng)度≥570mpa，-10℃kv2平均值不低于80j，-10℃kv2單個(gè)值不小于60j；

1）焊縫的坡口形式：雙v形，單邊角度為30°或35°，鈍邊為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：焊劑為sj101；前焊絲采用mn-ni體系成分的焊絲，焊絲直徑為3.2或4mm；后焊絲采用mn-ni-mo-cr體系成分的焊絲，焊絲直徑為4mm；得到的焊縫與母材成分體系及強(qiáng)度級(jí)別相匹配；

3）焊接條件及工藝：前焊絲與后焊絲為同熔池并同步移動(dòng)；先焊接小面，其焊接速度在85~100cm/min；前絲焊接電流在600~750a，電壓在33~34v；后絲焊接電流在530~650a，電壓在36~37v；并控制前焊絲與后焊絲的總焊接線能量在24~33kj/cm；小面焊縫冷卻后再焊接大面，大面焊接速度在85~100cm/min；前絲焊接電流在750~900a，電壓在33~34v；后焊絲焊接電流在600~650a，電壓在36~37v；并控制前焊絲與后焊絲的總焊接線能量在28~38kj/cm；

焊接后的焊接接頭力學(xué)性能：-10℃kv2≥140j，抗拉強(qiáng)度高于母材，硬度≤230hv10。

其在于：大面及小面各自焊接線能量、坡口深度與鋼板的厚度成正相關(guān)關(guān)系。

其在于：所述前焊絲即mn-ni體系焊絲的組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%，其余為fe。

其在于：所述后焊絲采用mn-ni-cr-mo體系的焊絲。

其在于：所述的mn-ni-cr-mo體系的焊絲成分及重量百分比含量為：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%，其余為fe。

本發(fā)明中各元素在低合金焊縫中的作用及主要工藝的機(jī)理說(shuō)明如下：

mn是焊縫強(qiáng)韌化的有效元素，有利于焊縫中針狀鐵素體的形成，防止引發(fā)熱裂紋的鐵硫化物的形成。ni有利于提高焊縫金屬的韌性尤其是低溫沖擊韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度。ni能減少先共析鐵素體含量并改善焊縫韌性，但ni含量過(guò)高會(huì)增加焊絲成本。cr是一種有效的強(qiáng)化元素，并有細(xì)化鐵素體晶粒的作用，但過(guò)高的cr會(huì)降低焊縫的韌性。mo是一種有效的強(qiáng)化元素，并有細(xì)化鐵素體晶粒的作用，但過(guò)高的mo會(huì)降低焊縫的韌性，并顯著增加焊絲的成本。cu含量在一定范圍內(nèi)時(shí)，能固溶于焊縫，提高焊縫強(qiáng)度和韌性，cu含量過(guò)高會(huì)增加焊絲成本。

本申請(qǐng)之所以在前焊絲采用mn-ni成分體系，其原因在于：在雙絲埋弧焊中，前后焊絲都對(duì)焊縫合金化發(fā)揮作用。但從焊縫成形上講，前絲后絲所起的作用各有側(cè)重。前絲主要作用是取得較大熔深保證焊透，所以前絲一般采用大電流、低電壓，焊絲直徑比后絲小或與后絲相等；后絲主要作用是得到較大焊縫寬度，所以后絲一般采用小電流、高電壓。因此總體上講，前絲線能量一般高于后絲，也就是說(shuō)對(duì)于焊縫合金化，前絲起到的作用大于后絲?？梢哉f(shuō)，在雙絲埋弧焊中，前絲是主焊絲。如前所述，對(duì)于傳統(tǒng)含有較高合金元素的x70鋼，采用mn-ni系焊絲就可以滿足要求。所以對(duì)于新型x70鋼，雖然單純使用mn-ni焊絲焊縫強(qiáng)度不夠，但作為雙絲焊的前絲是合適的。

本申請(qǐng)之所以在后焊絲采用mn-ni-cr-mo體系，其原因在于：?jiǎn)渭兪褂胢n-ni焊絲焊縫強(qiáng)度不夠，需要采用合金含量更多的mn-ni-mo-cr系焊絲為后絲，這樣才能向焊縫中過(guò)渡更多的合金元素cr及mo，從而保證新的x70鋼焊縫具有足夠的強(qiáng)度。

本發(fā)明對(duì)mn-ni系焊絲及mn-ni-mo-cr系焊絲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較合適的范圍內(nèi)，x70鋼焊縫的碳當(dāng)量ce控制在0.37~0.42%，使焊縫的強(qiáng)韌性處于與x70鋼匹配的最佳范圍。

本申請(qǐng)之所以采用的焊劑為sj101，原因在于：隨著焊劑堿性的提高，焊縫中的氧含量、擴(kuò)散氫量下降，焊縫韌性提高；但另一方面焊接工藝性能變差，尤其是焊速較高時(shí)焊縫成形較差。sj101是一種弱氟堿性燒結(jié)焊劑，其堿度約為1.8，與合適的焊絲匹配，既有優(yōu)良的焊接工藝性能，又能獲得較高的焊縫韌性。

本申請(qǐng)先焊接小面，冷卻后再焊接大面。其原因在于：小面坡口深度較小，一次焊滿線能量比大面要小，不會(huì)燒穿焊接處。小面焊接時(shí)，焊接速度在85~100cm/min；前絲焊接電流在600~750a，電壓在33~34v；后絲焊接電流在530~650a，電壓在36~37v；并控制前焊絲與后焊絲的總焊接線能量在24~33kj/cm。這樣的焊接參數(shù)使小面焊接時(shí)既有足夠的熔深，又不至于燒穿，焊縫表面成形優(yōu)良。

小面冷卻后焊接大面，焊接速度在85~100cm/min；前絲焊接電流在750~900a，電壓在33~34v；后焊絲焊接電流在600~650a，電壓在36~37v；并控制前焊絲與后焊絲的總焊接線能量在28~38kj/cm；這樣的焊接參數(shù)使大面焊接時(shí)有足夠的熔深，對(duì)小面焊縫根部產(chǎn)生一定的重熔，大面焊縫與小面焊縫產(chǎn)生一定的重疊，整體焊縫成形優(yōu)良。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用前焊絲為mn-ni成分體系，后絲采用mn-ni-cr-mo成分體系的不同雙絲埋弧焊接，且匹配弱堿性燒結(jié)焊劑及匹配的焊接工藝參數(shù)，使經(jīng)濟(jì)型x70石油天然氣管線鋼的焊接接頭沖擊韌性-10℃kv2達(dá)到140j以上，強(qiáng)度高于母材，硬度不高于230hv10，焊接接頭性能非常理想。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明母材鋼厚度方向的焊板單側(cè)坡口形式示意圖；

圖中：t—為板厚，c—為鈍邊量，h1—為小面?zhèn)壬疃龋琱2—為大面?zhèn)壬疃?，α—為坡口角度?/p>

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明予以詳細(xì)描述：

表1為本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例的焊接坡口尺寸列表；

表2為本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例的主要工藝參數(shù)列表；

表3為本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例焊絲化學(xué)成分列表；

表4為本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例焊縫化學(xué)成分列表；

表5為本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例焊接接頭拉伸及沖擊試驗(yàn)結(jié)果列表。

本發(fā)明各實(shí)施例按照以下步驟進(jìn)行焊接：

1）焊接母材：x70鋼，其組分及重量百分比含量：c≤0.08%，si≤0.30%，mn≤1.70%，p≤0.15%，s≤0.002%，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)；其控制cr+ni+mo≤0.45%，nb+v+ti≤0.15%，pcm≤0.18；力學(xué)性能在：抗拉強(qiáng)度≥570mpa，-10℃kv2平均值不低于80j，-10℃kv2單個(gè)值不小于60j；

4）焊縫的坡口形式：雙v形，單邊角度為30°或35°，鈍邊為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：焊劑為sj101；前焊絲采用mn-ni體系成分的焊絲，焊絲直徑為3.2或4mm；后焊絲采用mn-ni-mo-cr體系成分的焊絲，焊絲直徑為4mm；得到的焊縫與母材成分體系及強(qiáng)度級(jí)別相匹配；

6）焊接條件及工藝：前焊絲與后焊絲為同熔池并同步移動(dòng)；先焊接小面，其焊接速度在85~100cm/min；前絲焊接電流在600~750a，電壓在33~34v；后絲焊接電流在530~650a，電壓在36~37v；并控制前焊絲與后焊絲的總焊接線能量在24~33kj/cm；小面焊縫冷卻后再焊接大面，大面焊接速度在85~100cm/min；前絲焊接電流在750~900a，電壓在33~34v；后焊絲焊接電流在600~650a，電壓在36~37v；并控制前焊絲與后焊絲的總焊接線能量在28~38kj/cm。

需要說(shuō)明的是：在本發(fā)明中：所述的大面系指坡口相對(duì)深側(cè)的面；所述的小面系指坡口相對(duì)淺側(cè)的面。

表1本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例的焊接坡口尺寸列表

表2本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例的主要工藝參數(shù)列表

表3本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例焊絲化學(xué)成分取值列表（wt%）

表4本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例焊縫化學(xué)成分列表

表5本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例焊接接頭拉伸及沖擊試驗(yàn)結(jié)果列表

注：表5中的擴(kuò)號(hào)內(nèi)為平均值。

實(shí)施例1~8實(shí)施例采用了雙絲埋弧焊，前后焊絲不同，鋼板厚度15~20mm，坡口鈍邊5.5~6.5mm，角度30°或35°,焊接線能量24~38kjcm。前絲采用合金元素含量較低的mn-ni系焊絲、后絲采用合金元素含量較高的mn-ni-cr-mo焊絲，可以保證焊縫中含有一定的ni,cr,mo合金元素，其焊接接頭均有較好的強(qiáng)度及沖擊韌性，接頭抗拉強(qiáng)度635mpa~665mpa，硬度不高于230hv10，-10℃kv2沖擊韌性(平均)焊縫達(dá)到140j以上，焊接熱影響區(qū)達(dá)到260j以上。相對(duì)于x70鋼技術(shù)條件要求有一定富裕量。

另外，進(jìn)行了3例對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)比例1前后絲采用同一種mn-ni系焊絲，采用與實(shí)例1相同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行雙絲埋弧焊，焊接后焊縫合金元素含量較少，焊縫強(qiáng)度不合格。對(duì)比例2前后絲采用同一種mn-mo系焊絲，焊接工藝與實(shí)例1相同，焊縫強(qiáng)度不合格。對(duì)比例3前后絲采用同一種mn-ni-cr-mo系焊絲，焊接工藝與實(shí)例1相同，焊縫硬度超標(biāo)。

可見，本發(fā)明申請(qǐng)采用不同的前后絲，成功實(shí)現(xiàn)了x70鋼雙絲埋弧焊，焊接接頭強(qiáng)韌性優(yōu)良。

上述實(shí)施例僅為最佳例舉，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。