X100超高强度管线钢用埋弧焊烧结焊剂研制*

赵红波 ，牛 辉 ， 付宏强 ，周 云

（1.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008；2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡721008）

0 前 言

石油、天然气作为当前影响我国国民经济发展的重要资源，对国民生产意义重大。但随着石油、天然气需求量的日益增大，对管线输送能力的要求也不断提高，高钢级、大直径输送钢管的开发成为目前管线输送的重要课题。近几年，国内各钢管制造企业竞相围绕X100钢级管线钢管进行了试验研究，但受原材料本身性能的制约，焊接所需焊材既要具有良好的熔敷性、抗气孔性、焊接性，又要确保焊缝力学性能满足X100焊管强韧性匹配要求。而现有焊材应用于X100焊接过程中存在冲击韧性低、焊缝强度不能达到标准要求等质量问题，成为X100管线管开发的瓶颈。为此，研制了一种适用于X100管线钢管焊接的氟碱型烧结焊剂，进行了合理的渣系、碱度及配方设计，并通过配合使用宝鸡石油钢管有限责任公司自主研发的BG-H06H2专用焊丝，解决了高强度焊丝在X100管线钢管埋弧焊接应用中的难题。该焊剂的应用完全可以在保证良好的工艺性能基础上，使焊缝具有优良的冲击韧性、并实现焊缝与母材的等强匹配。

1 焊缝技术指标要求

采用研制的氟碱型焊剂匹配专用焊丝，在1.5～1.8 m/min的焊速下X100管线钢焊缝性能应满足指标要求。

1.1 焊缝工艺性能要求

焊剂要具有良好的脱渣性，不粘渣，不夹渣，易脱落；焊道边缘规整，焊缝表面光滑，不得有表面气孔、麻点、压痕和裂纹等缺陷，不得有深度超过0.5mm的咬边；焊缝和母材过渡平滑，焊道表面无鱼脊。

1.2 焊缝力学性能要求

（1）－10℃冲击性能： CV≥80 J；

（2）拉伸性能（焊缝横向拉伸板状试样）：Rm=695～915 MPa；

2 焊剂的设计

2.1 焊剂夹杂物控制要求

（1）焊剂含水量≤0.10% ；

（2） 焊剂中w（S）≤0.060%， w（P）≤0.080%。

2.2 渣系选择

一般说来，酸性渣系中含有较多的SiO2和TiO2等酸性氧化物，焊剂氧化性强，易氧化熔池中的合金元素，所以韧性很差，但焊接工艺性较好；而碱性渣系中酸性氧化物含量较少，焊剂氧化性弱，抗气孔能力强，焊缝金属韧性高，且有利于去除非金属夹杂物，有较好的脱 S和P的能力。H作为导致焊缝冷裂纹及金属塑性下降主要因素之一，应进行严格限制。试验研究表明，在提高碱度的基础上加入CaF2，有利于焊缝中扩散H含量的明显下降，可以明显地提高焊缝的抗裂性能。鉴于此，焊剂设计采用CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2氟碱型为主要渣系。

2.3 各个组分确定及含量

CaF2在自然界中为矿物质萤石的主要成分，是低H型烧结焊剂中的一种重要组分，在碱性渣里，可以促进CaO熔化，降低熔渣的黏度，并与自由的SiO2及液态金属表面的H2O发生化学反应形成不溶于钢液的稳定氢化物HF，减少氢在金属中的溶解度。

Al2O3是一种高温下很稳定的氧化物，属于高熔点物质，在焊剂中主要作为造渣剂，在焊接过程中起着调整熔渣的熔点及黏度的作用，另外，由于在高温下有利于提高电弧的集中程度，可保证双丝焊接过程中后丝电弧的稳定性。随着Al2O3含量增加，可使焊缝的鱼鳞纹将更加细密，焊缝表面更加光滑。但由于其在高温下不易分解，熔点较高，加入过多的Al2O3会恶化焊道外观形貌，所以含量不宜过高。

MgO属于一种碱性材料，在焊剂中作为良好的造渣剂，并与CaO，TiO等碱性材料对焊剂碱度的调节起着至关重要作用。MgO含量高低对于焊缝形貌有很大影响，当MgO含量少时，熔渣氧化性较大，焊缝被氧化为蓝色，含量过高时，熔渣的流动性较差，焊缝中间易出现鱼脊，恶化脱渣性及焊缝外观质量。

CaO作为碱性渣系的主要成分，一般以硅灰石形式加入，其具有直线膨胀系数小，结晶相变温度低等特点，可增加熔渣的表面张力和熔渣与金属的界面张力，提高脱渣能力，改善焊缝的工艺性能。

SiO2主要起造渣作用，能降低渣的碱度，并与液态金属发生置换反应使焊缝增硅；另外由于SiO2能与熔渣中大部分的碱性氧化物结合形成复合物，含量过高，容易引起熔渣的黏度增大，恶化焊缝外观形貌，应进行严格控制。

（Si-Fe）/（Mn-Fe）在管线钢焊接过程中可起脱氧及合金过渡作用，有效地降低熔池中氧含量，减少焊接过程中的合金元素的烧损，并有效地控制焊接熔池中的夹杂物，对于获得高强度高韧性的焊接接头至关重要。

另外由于本次研制的焊剂SiO2等酸性物质含量较高，容易引起焊缝中Si的增加，导致焊缝韧性的下降。因此，考虑在焊剂中加入Mn-Fe，调节 Si-Fe和 Mn-Fe比例以便达到降低SiO2的活度，更好地保护焊缝中的合金元素。

通过大量试验及配方调整，确定出工艺性能及力学性能较为优良的CaF2-MgO-Al2O3-CaOSiO2氟碱型渣系配方，见表1。

按国际焊接学会（IIW）推荐的公式进行计算可知，本次研制的焊剂碱度控制在1.8～2.0，属高碱度焊剂。

表1 氟碱型焊剂成分配比%

3 焊接试验

3.1 焊接材料及工艺参数

为了检验研制焊剂的焊接稳定性及不同焊接工艺下的适应性和焊缝性能，制定了3种焊接工艺，分别采用X100原料进行平板双丝内外埋弧焊接。X100板材化学成分见表2。接头采用X形坡口，焊接参数见表3。

3.2 焊接工艺性

通过对3种工艺下焊接过程中电弧燃烧情况进行考察，采用本焊剂后电弧燃烧声音平稳、柔和。在3种工艺下进行焊接后，渣壳都能从起弧端、熄弧端自动翘起，脱渣性较好，无粘渣现象存在，且焊缝外观规整、与母材过渡良好，金属光泽性较好，结果满足GB/T 12470—2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》标准要求，如图1所示。

表2 X100板材力学性能

表3 焊接参数

图1 研制焊剂焊接后焊缝形貌

3.3 焊缝力学性能

3.3.1 焊缝拉伸及弯曲试验

按照API SPEC 5L版标准及X100钢管技术条件要求，对采用研制的焊剂匹配专用焊丝焊接后的试板，分别进行拉伸及弯曲试验检测，试验结果见表4。

由表4可见，拉伸试验结果符合API SPEC 5L版标准及X100钢管技术条件要求，且对焊缝进行正、反弯曲后，焊缝表面均未出现肉眼可见缺陷。

3.3.2 焊缝冲击韧性试验

依据API SPEC 5L版标准及X100钢管技术条件要求，V形缺口试样尺寸为10mm×10mm×55mm，采用德国ZWICK PSW750J示波冲击试验机，试验冷却介质为液氮与工业酒精，试验温度为-10℃，保温时间为5 min，结果见表5。

由表5可见，采用3种工艺进行焊接之后，-10℃焊缝冲击韧性良好，符合API SPEC 5L标准及X100钢管技术条件要求。

3.3.3 焊缝微观组织

焊接后从试板中部截取焊缝试样，并以焊缝为中心加工成尺寸为25mm×32mm金相试样，经砂纸打磨、抛光后，使用20%的硝酸酒精腐蚀，采用奥林巴士PMG3金相显微镜观察焊缝微观组织，如图2所示。并采用日立S-3700N扫描电镜对于焊缝冲击断口进行SEM分析，如图3所示。

表4 焊缝拉伸及弯曲试验结果

表5 焊缝冲击韧性试验结果

由图2可以看出，外焊、内焊焊缝区组织为粒状贝氏体和针状铁素体，其中铁素体组织都以“篮筐编结”状态的存在，晶态大小不等，分布均匀，晶粒细小，且外焊与内焊焊缝显微组织相差不大。由图3可以看出，焊缝夏比冲击断口为韧性断裂，韧窝细小均匀，未发现明显的夹杂物存在。

图2 焊缝微观组织

图3 焊缝冲击断口SEM照片

4 结 语

结合管线钢特殊要求，确定本次研制焊剂碱度范围为1.8～2.0，高碱度CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2氟碱型为主要渣系。采用所研制焊剂对X100钢板进行焊接后，脱渣性良好，焊缝表面光滑，过渡良好，通过力学性能检测，焊缝冲击韧性较高，强度完全达到X100管线钢标准要求。

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