CF62鋼鍛件與L485管材焊接工藝研究

楊永良，張丹丹，郭 丹，王晨華，趙 祥

（1.西安泵閥總廠有限公司，西安 710025； 2.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞 721008）

1 概 述

絕緣接頭是鋼質管道陰極保護系統中不可缺少的重要承壓部件，其作用是保護管線免受電化學腐蝕，延長管線的使用壽命。

西安泵閥總廠有限公司承接了中俄東線天然氣管道項目黑河—長嶺段供應絕緣接頭產品的合同任務，其中DN1000、PN12.0 絕緣接頭的法蘭組件由CF62 鋼鍛件和L485 接管焊接而成，結構如圖1 所示。 該產品輸送的介質為天然氣，設計壓力 12 MPa，設計溫度－20 ℃～+50 ℃。 輸送介質壓力高且具有高的可燃性，如果焊縫的強度或韌性不足，會導致整個焊接結構提前失效，天然氣泄漏，甚至造成災難性后果。

圖1 絕緣接頭法蘭組件

焊接部位外徑1 016 mm，壁厚 23 mm，焊接工作量大，要兼顧質量和效率，必須采取以自動焊為主的焊接方法。 根據現有的設備和技術條件，為實現根部焊縫單面焊雙面成形，擬采用手工氬弧焊 （GTAW） 進行打底焊。 為了盡量減小熔合比，有效控制熱輸入和層間溫度，防止變形，避免焊接接頭產生粗大組織，擬采用細絲埋弧焊 （SAW），以多層多道焊形式進行填充、蓋面焊。 采用GTAW+SAW 工藝進行CF62 鋼鍛件與L485 管材的焊接，在公開的文獻報道中，無先例可循。 為了保證焊縫性能的安全可靠，保證重點工程的質量和進度，按NB/T 47014—2011要求，進行了焊接工藝評定試驗。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

焊接件為CF62 鋼鍛件和L485 管材，規格為 Φ711 mm×22 mm，長度 130 mm，各 1 件，其化學成分和力學性能見表1 和表2，焊接接頭形狀及尺寸如圖2 所示。

表1 CF62 鋼鍛件和L485 管材的化學成分

表2 CF62 鋼鍛件和L485 管材的力學性能

圖2 焊接接頭形狀及尺寸

2.2 焊接性分析及預熱溫度、層間溫度確定

CF62 鋼是一種鍛造調質鋼，其組織是鐵素體+珠光體。 該鋼的碳含量低（w （C） ≤0.09%），通過加入Cr、Mo、V 等的碳化物形成元素的彌散強化以及添加B 等淬透性強的元素，并進行鍛造、淬火、高溫回火處理，實現高強度、高韌性的力學性能。 該鋼的碳含量較低，S 和P 雜質元素含量較低，含Mn 量較高，高的 Mn/S 比使該鋼材正常情況下焊接時焊縫不會出現熱裂紋。該鋼的碳當量為0.359%，焊接時淬硬傾向較小。作為低碳調質鋼，焊后以適當的速度冷卻，使生成的馬氏體進行一次 “自回火” 處理，可以避免冷裂紋的產生。 但如果在馬氏體轉變時冷卻速度太快，可能產生冷裂紋。 如果在焊接熱循環中受熱過多，一方面高溫側的粗晶熱影響區會發生晶粒長大及上貝氏體大量析出，從而導致該區韌性下降； 另一方面在處于退火溫度區的熱影響區會發生軟化，導致強度不足。 為此，應選用 S、P含量低的焊材，并采用合適的預熱溫度、層間溫度及線能量，防止冷裂紋，防止熱影響區脆化和軟化造成強度和韌性的下降。

L485 鋼是一種微合金控軋鋼，其組織是針狀鐵素體+珠光體。 這種鋼在軋制狀態下相當于正火鋼的質量，具有高韌性、高強度的特點。L485 管線鋼中加入了一些沉淀強化和固溶強化元素，這些元素提高了鋼的淬硬性。 從碳當量來看，該鋼的碳當量為0.38%，冷裂傾向不大。 但是，由于鋼管直徑較大、壁厚較厚，加快了焊縫的冷卻速度，焊接時拘束應力大，使該管線鋼具有一定的冷裂傾向。 焊接時，如果線能量過大或層間溫度過高，將導致熱影響區粗晶區脆化和多層焊時粗晶區再臨界脆化，韌性降低。 為避免上述冷裂、脆化問題的出現，應選用S、P 含量低的焊材，并采用合適的預熱溫度、層間溫度及合適的線能量。

CF62 鋼與L485 鋼的焊接，屬于珠光體類異種鋼的焊接。 由于金相組織相近，它們之間熱物理性能沒有很大差異，只是鋼中合金化程度不同。 從這兩種鋼的化學成分、力學性能、Ceq 與焊接性分析情況可以看出，這兩種鋼的焊接性接近，共熔性較好，應考慮的問題基本一致。 由于這兩種鋼的強度高，壁厚大，焊接接頭承受的拘束應力大，存在一定的脆裂傾向，焊接時應注意： ①選用S 和P 含量低的焊材以避免焊縫出現熱裂紋； ②確定適當的預熱溫度、層間溫度及線能量，以避免出現冷裂紋； ③避免采用過大的線能量，降低熔合比，減小熔化的母材對焊縫的稀釋作用，防止焊縫及熱影響區出現粗大組織及軟化區。

為了促進焊縫和熱影響區中氫的擴散逸出，防止產生近縫區裂紋，減小焊接應力，焊前應對工件進行預熱。 根據參考文獻[5]，珠光體類異種鋼焊接時，預熱溫度的估算如下：

對于CF62：

[C]化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13≈0.246

[C]總=[C]化（1+0.005t）=0.273

預熱溫度 T0=350（[C]總－0.25）0.5≈53.1 ℃

對于L485：

[C]化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13≈0.268

[C]總=[C]化（1+0.005t）= 0.297

預熱溫度 T0=350（[C]總－0.25）0.5≈76.3 ℃

其中，t 為鋼管壁厚。

根據以上估算，結合參考文獻[1]～[4]的有關介紹，對于CF62 鋼與 L485 鋼的焊接，將預熱溫度定為 100 ℃，道間溫度定為 100～150 ℃。若焊接過程發生中斷，應使焊件保溫后緩冷，再施焊時按原要求重新進行預熱。 預熱和層間溫度不應過高，否則可能會造成焊接接頭組織粗大，塑性和韌性變差。

2.3 焊接方法

焊接方法為鎢極氬弧焊 （GTAW） 及埋弧焊（SAW）。 GTAW 設備為奧太 WSM－400 型氬弧焊機，電源外特性為陡降特性。 SAW 設備為LMGS－5500 型環縫細絲埋弧焊專機，電源外特性為平特性。

2.4 焊接材料

異種鋼焊接材料的選擇，應從以下幾個方面考慮：

（1） 熔敷金屬的抗拉強度不低于兩種母材規定值的較低者。

（2） 所選擇的焊接材料必須保證焊接接頭的使用性能，即保證焊縫金屬、過渡區、熱影響區等接頭區域具有良好的力學性能和綜合性能； 保證焊接接頭具有良好的焊接性能。

（3） 焊接材料的 S、P 含量低，合金成分少。

（4） 焊接材料應經濟，貨源充足，同時具有良好的工藝性能，焊縫成形美觀。

根據以上焊接材料選擇原則，尤其考慮強度匹配和保證焊縫低溫韌性，此次工藝評定選用大西洋牌 CHG－55C1R 氬弧焊焊絲 （直徑 2.5 mm），以及大西洋牌CHW－H08C/CHF101GX 埋弧焊焊絲/焊劑組合，其化學成分和力學性能分別見表3 和表 4。 從表 3 和表 4 的數據來看，所選焊材的S、P 含量較低，低溫沖擊韌性好，熔敷金屬抗拉強度能夠達到對CF62 鋼和L485 鋼母材的要求。

在焊接過程中，為了盡可能的減小焊接熱輸入，防止焊接接頭組織粗大，同時保證良好的塑性和韌性，控制焊接變形，減小熔合比，有利于采用多層多道焊工藝，埋弧焊焊絲選用細絲，焊絲直徑為1.6 mm。

表3 焊接材料的化學成分

表4 焊接材料熔敷金屬的力學性能

3 焊接工藝評定試驗

焊接工藝評定試驗按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》 進行。

3.1 工藝評定試件的焊接

工藝評定試件由鋼管和鍛環組成。 鋼管材質為 L485 鋼，尺寸為 Φ711 mm×22 mm×130 mm；鍛環材質為CF62 鋼，將尺寸加工為Φ711 mm×22 mm×130 mm。

工藝評定試件焊接采用手工氬弧焊打底+埋弧焊填充蓋面的方法，焊接位置為水平轉動。 焊接規范采用適中的工藝參數，預熱溫度100 ℃，控制道間溫度100～150 ℃。

為了改善焊縫金屬與近縫區的組織和力學性能，降低焊接接頭的殘余應力，促使擴散氫逸出，防止產生冷裂紋及焊接變形，工藝評定試件進行600 ℃×1.5 h 的焊后回火處理。

焊接工藝評定時，試件焊接主要焊接參數見表 5。 焊縫共焊了 10 層、18 道次，焊接順序如圖3 所示。 工藝評定焊接試件焊縫照片如圖4所示。

表5 工藝評定主要焊接參數

圖3 工藝評定焊接順序示意圖

圖4 工藝評定焊接試件焊縫照片

3.2 工藝評定試件性能檢測

焊接完成24 h 后，對工藝評定試件焊縫進行了外觀檢查和X 射線檢測，結果均符合NB/T 47014—2011 標準要求。 試件進行焊后回火去應力處理之后，加工力學性能檢測試樣，按GB/T 228.1—2010 進行焊接接頭拉伸試驗，按GB/T 2653—2008 進行焊接接頭彎曲試驗，按GB/T 229—2007 進行焊接接頭低溫 （－20 ℃） 沖擊試驗。 工藝評定主要性能檢測結果見表6。

表6 工藝評定主要性能檢測結果

3.3 焊接接頭的金相組織和晶粒度測定

依據 GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2017，對焊接接頭試樣進行金相組織和晶粒度測定，焊接接頭的顯微組織如圖5 所示，焊接接頭的顯微組織及晶粒度見表7。

圖5 CF62 鋼鍛件與L485 管材焊接接頭的顯微組織

表7 CF62 鋼鍛件與L485 管材焊接接頭的金相組織及晶粒度

3.4 焊接接頭的硬度檢測

按 GB/T2654—2008 進行焊接接頭硬度檢測，采用顯微維氏硬度計測定，載荷10 kg，保壓時間10 s，測定結果見表8。 焊接接頭硬度測試位置如圖6 所示，硬度分布如圖7 所示。 檢測結果表明，焊縫、熱影響區及母材區域內，未發現硬度值分布異常情況，硬度值均小于265HV10，滿足設計規范要求。

表8 焊接接頭硬度檢測結果

圖6 焊接接頭硬度測試位置示意圖

圖7 焊接接頭硬度分布

4 焊接工藝評定試驗結果分析

從表6 工藝評定主要性能試驗結果可以看出，焊接接頭的抗拉強度達到了NB/T 47014—2011 標準的要求 （不低于母材規定的抗拉強度最低值，即570 MPa），接頭強度不存在問題。焊接接頭彎曲180°后受拉面完好，表明接頭的延塑性良好。 焊縫及熱影響區在－20 ℃低溫下的夏比沖擊功滿足≥31 J 的要求，說明焊接接頭有充足的韌性儲備。 可見，擬定的焊接工藝能夠保證焊接接頭的綜合力學性能要求。

從圖5 和表7 的結果來看，焊接接頭各部位的晶粒尺寸細小，熱影響區未見脆硬組織，能夠保證焊接接頭對低溫韌性的要求。 這一結果與表6的低溫沖擊試驗結果相吻合。

設計要求焊縫及熱影響區硬度≤265 HV10。從表8 的檢測結果來看，焊接接頭硬度滿足要求，也證明了沒有脆硬組織，這與表6、表7 的檢測結果是一致的。

可見，擬定的焊接工藝規程正確，焊接工藝參數適當，評定結果滿足相關標準和設計規范的要求，焊接接頭性能優良。

5 產品焊接

應用評定合格的焊接工藝，編制針對產品的焊接工藝規程，進行了 DN1000、PN12.0 絕緣接頭法蘭 （CF62 鋼） 與接管 （L485 鋼） 的焊接，焊縫順利通過了射線檢測和硬度檢測。焊縫射線檢測一次合格率98%。 產品整機已通過了氣密性試驗、強度試驗和水壓+彎矩試驗等各項性能試驗。 絕緣接頭水壓+彎矩試驗過程如圖8 所示。 強度試驗和水壓+彎矩試驗合格后，焊接接頭進行超聲檢測和液體滲透檢測，達到了NB/T47013—2015 標準的Ⅰ級要求。

圖8 絕緣接頭水壓+彎矩試驗

6 結 論

針對CF62 鋼與L485 鋼異種鋼焊接，擬定GTAW 打底+SAW 填充、蓋面焊工藝。 焊接完成后，經力學性能試驗，拉伸、彎曲、沖擊、硬度檢測結果均符合焊接工藝評定標準及產品設計規范要求，達到了預期的目的。 力學性能及金相檢測結果證明，焊接工藝方法及焊材選擇是合理的，預熱溫度、層間溫度控制及焊后熱處理等工藝措施是得當的。 經過本次研究，歸納出一種針對CF62 鋼與L485 鋼的焊接工藝方法，要點如下：

（1） 采用直徑 2.5 mm 的 CHG－55C1R 焊絲進行手工氬弧焊打底，采用CHW－H08C 焊絲（直徑1.6 mm） 及CHF101GX 焊劑組合進行埋弧焊填充、蓋面。

（2） 焊接過程控制預熱溫度 100 ℃，層間溫度 100～150 ℃。

（3） 使用表5 中的焊接工藝參數進行焊接。

（4） 焊接完成，焊縫外觀檢查及射線檢測合格后，對焊接接頭進行600 ℃×1.5 h 的回火去應力處理。