CF62钢锻件与L485管材焊接工艺研究

杨永良，张丹丹，郭 丹，王晨华，赵 祥

（1.西安泵阀总厂有限公司，西安 710025； 2.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）

1 概 述

绝缘接头是钢质管道阴极保护系统中不可缺少的重要承压部件，其作用是保护管线免受电化学腐蚀，延长管线的使用寿命。

西安泵阀总厂有限公司承接了中俄东线天然气管道项目黑河—长岭段供应绝缘接头产品的合同任务，其中DN1000、PN12.0 绝缘接头的法兰组件由CF62 钢锻件和L485 接管焊接而成，结构如图1 所示。 该产品输送的介质为天然气，设计压力 12 MPa，设计温度－20 ℃～+50 ℃。 输送介质压力高且具有高的可燃性，如果焊缝的强度或韧性不足，会导致整个焊接结构提前失效，天然气泄漏，甚至造成灾难性后果。

图1 绝缘接头法兰组件

焊接部位外径1 016 mm，壁厚 23 mm，焊接工作量大，要兼顾质量和效率，必须采取以自动焊为主的焊接方法。 根据现有的设备和技术条件，为实现根部焊缝单面焊双面成形，拟采用手工氩弧焊 （GTAW） 进行打底焊。 为了尽量减小熔合比，有效控制热输入和层间温度，防止变形，避免焊接接头产生粗大组织，拟采用细丝埋弧焊 （SAW），以多层多道焊形式进行填充、盖面焊。 采用GTAW+SAW 工艺进行CF62 钢锻件与L485 管材的焊接，在公开的文献报道中，无先例可循。 为了保证焊缝性能的安全可靠，保证重点工程的质量和进度，按NB/T 47014—2011要求，进行了焊接工艺评定试验。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

焊接件为CF62 钢锻件和L485 管材，规格为 Φ711 mm×22 mm，长度 130 mm，各 1 件，其化学成分和力学性能见表1 和表2，焊接接头形状及尺寸如图2 所示。

表1 CF62 钢锻件和L485 管材的化学成分

表2 CF62 钢锻件和L485 管材的力学性能

图2 焊接接头形状及尺寸

2.2 焊接性分析及预热温度、层间温度确定

CF62 钢是一种锻造调质钢，其组织是铁素体+珠光体。 该钢的碳含量低（w （C） ≤0.09%），通过加入Cr、Mo、V 等的碳化物形成元素的弥散强化以及添加B 等淬透性强的元素，并进行锻造、淬火、高温回火处理，实现高强度、高韧性的力学性能。 该钢的碳含量较低，S 和P 杂质元素含量较低，含Mn 量较高，高的 Mn/S 比使该钢材正常情况下焊接时焊缝不会出现热裂纹。该钢的碳当量为0.359%，焊接时淬硬倾向较小。作为低碳调质钢，焊后以适当的速度冷却，使生成的马氏体进行一次 “自回火” 处理，可以避免冷裂纹的产生。 但如果在马氏体转变时冷却速度太快，可能产生冷裂纹。 如果在焊接热循环中受热过多，一方面高温侧的粗晶热影响区会发生晶粒长大及上贝氏体大量析出，从而导致该区韧性下降； 另一方面在处于退火温度区的热影响区会发生软化，导致强度不足。 为此，应选用 S、P含量低的焊材，并采用合适的预热温度、层间温度及线能量，防止冷裂纹，防止热影响区脆化和软化造成强度和韧性的下降。

L485 钢是一种微合金控轧钢，其组织是针状铁素体+珠光体。 这种钢在轧制状态下相当于正火钢的质量，具有高韧性、高强度的特点。L485 管线钢中加入了一些沉淀强化和固溶强化元素，这些元素提高了钢的淬硬性。 从碳当量来看，该钢的碳当量为0.38%，冷裂倾向不大。 但是，由于钢管直径较大、壁厚较厚，加快了焊缝的冷却速度，焊接时拘束应力大，使该管线钢具有一定的冷裂倾向。 焊接时，如果线能量过大或层间温度过高，将导致热影响区粗晶区脆化和多层焊时粗晶区再临界脆化，韧性降低。 为避免上述冷裂、脆化问题的出现，应选用S、P 含量低的焊材，并采用合适的预热温度、层间温度及合适的线能量。

CF62 钢与L485 钢的焊接，属于珠光体类异种钢的焊接。 由于金相组织相近，它们之间热物理性能没有很大差异，只是钢中合金化程度不同。 从这两种钢的化学成分、力学性能、Ceq 与焊接性分析情况可以看出，这两种钢的焊接性接近，共熔性较好，应考虑的问题基本一致。 由于这两种钢的强度高，壁厚大，焊接接头承受的拘束应力大，存在一定的脆裂倾向，焊接时应注意： ①选用S 和P 含量低的焊材以避免焊缝出现热裂纹； ②确定适当的预热温度、层间温度及线能量，以避免出现冷裂纹； ③避免采用过大的线能量，降低熔合比，减小熔化的母材对焊缝的稀释作用，防止焊缝及热影响区出现粗大组织及软化区。

为了促进焊缝和热影响区中氢的扩散逸出，防止产生近缝区裂纹，减小焊接应力，焊前应对工件进行预热。 根据参考文献[5]，珠光体类异种钢焊接时，预热温度的估算如下：

对于CF62：

[C]化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13≈0.246

[C]总=[C]化（1+0.005t）=0.273

预热温度 T0=350（[C]总－0.25）0.5≈53.1 ℃

对于L485：

[C]化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13≈0.268

[C]总=[C]化（1+0.005t）= 0.297

预热温度 T0=350（[C]总－0.25）0.5≈76.3 ℃

其中，t 为钢管壁厚。

根据以上估算，结合参考文献[1]～[4]的有关介绍，对于CF62 钢与 L485 钢的焊接，将预热温度定为 100 ℃，道间温度定为 100～150 ℃。若焊接过程发生中断，应使焊件保温后缓冷，再施焊时按原要求重新进行预热。 预热和层间温度不应过高，否则可能会造成焊接接头组织粗大，塑性和韧性变差。

2.3 焊接方法

焊接方法为钨极氩弧焊 （GTAW） 及埋弧焊（SAW）。 GTAW 设备为奥太 WSM－400 型氩弧焊机，电源外特性为陡降特性。 SAW 设备为LMGS－5500 型环缝细丝埋弧焊专机，电源外特性为平特性。

2.4 焊接材料

异种钢焊接材料的选择，应从以下几个方面考虑：

（1） 熔敷金属的抗拉强度不低于两种母材规定值的较低者。

（2） 所选择的焊接材料必须保证焊接接头的使用性能，即保证焊缝金属、过渡区、热影响区等接头区域具有良好的力学性能和综合性能； 保证焊接接头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） 焊接材料应经济，货源充足，同时具有良好的工艺性能，焊缝成形美观。

根据以上焊接材料选择原则，尤其考虑强度匹配和保证焊缝低温韧性，此次工艺评定选用大西洋牌 CHG－55C1R 氩弧焊焊丝 （直径 2.5 mm），以及大西洋牌CHW－H08C/CHF101GX 埋弧焊焊丝/焊剂组合，其化学成分和力学性能分别见表3 和表 4。 从表 3 和表 4 的数据来看，所选焊材的S、P 含量较低，低温冲击韧性好，熔敷金属抗拉强度能够达到对CF62 钢和L485 钢母材的要求。

在焊接过程中，为了尽可能的减小焊接热输入，防止焊接接头组织粗大，同时保证良好的塑性和韧性，控制焊接变形，减小熔合比，有利于采用多层多道焊工艺，埋弧焊焊丝选用细丝，焊丝直径为1.6 mm。

表3 焊接材料的化学成分

表4 焊接材料熔敷金属的力学性能

3 焊接工艺评定试验

焊接工艺评定试验按NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》 进行。

3.1 工艺评定试件的焊接

工艺评定试件由钢管和锻环组成。 钢管材质为 L485 钢，尺寸为 Φ711 mm×22 mm×130 mm；锻环材质为CF62 钢，将尺寸加工为Φ711 mm×22 mm×130 mm。

工艺评定试件焊接采用手工氩弧焊打底+埋弧焊填充盖面的方法，焊接位置为水平转动。 焊接规范采用适中的工艺参数，预热温度100 ℃，控制道间温度100～150 ℃。

为了改善焊缝金属与近缝区的组织和力学性能，降低焊接接头的残余应力，促使扩散氢逸出，防止产生冷裂纹及焊接变形，工艺评定试件进行600 ℃×1.5 h 的焊后回火处理。

焊接工艺评定时，试件焊接主要焊接参数见表 5。 焊缝共焊了 10 层、18 道次，焊接顺序如图3 所示。 工艺评定焊接试件焊缝照片如图4所示。

表5 工艺评定主要焊接参数

图3 工艺评定焊接顺序示意图

图4 工艺评定焊接试件焊缝照片

3.2 工艺评定试件性能检测

焊接完成24 h 后，对工艺评定试件焊缝进行了外观检查和X 射线检测，结果均符合NB/T 47014—2011 标准要求。 试件进行焊后回火去应力处理之后，加工力学性能检测试样，按GB/T 228.1—2010 进行焊接接头拉伸试验，按GB/T 2653—2008 进行焊接接头弯曲试验，按GB/T 229—2007 进行焊接接头低温 （－20 ℃） 冲击试验。 工艺评定主要性能检测结果见表6。

表6 工艺评定主要性能检测结果

3.3 焊接接头的金相组织和晶粒度测定

依据 GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2017，对焊接接头试样进行金相组织和晶粒度测定，焊接接头的显微组织如图5 所示，焊接接头的显微组织及晶粒度见表7。

图5 CF62 钢锻件与L485 管材焊接接头的显微组织

表7 CF62 钢锻件与L485 管材焊接接头的金相组织及晶粒度

3.4 焊接接头的硬度检测

按 GB/T2654—2008 进行焊接接头硬度检测，采用显微维氏硬度计测定，载荷10 kg，保压时间10 s，测定结果见表8。 焊接接头硬度测试位置如图6 所示，硬度分布如图7 所示。 检测结果表明，焊缝、热影响区及母材区域内，未发现硬度值分布异常情况，硬度值均小于265HV10，满足设计规范要求。

表8 焊接接头硬度检测结果

图6 焊接接头硬度测试位置示意图

图7 焊接接头硬度分布

4 焊接工艺评定试验结果分析

从表6 工艺评定主要性能试验结果可以看出，焊接接头的抗拉强度达到了NB/T 47014—2011 标准的要求 （不低于母材规定的抗拉强度最低值，即570 MPa），接头强度不存在问题。焊接接头弯曲180°后受拉面完好，表明接头的延塑性良好。 焊缝及热影响区在－20 ℃低温下的夏比冲击功满足≥31 J 的要求，说明焊接接头有充足的韧性储备。 可见，拟定的焊接工艺能够保证焊接接头的综合力学性能要求。

从图5 和表7 的结果来看，焊接接头各部位的晶粒尺寸细小，热影响区未见脆硬组织，能够保证焊接接头对低温韧性的要求。 这一结果与表6的低温冲击试验结果相吻合。

设计要求焊缝及热影响区硬度≤265 HV10。从表8 的检测结果来看，焊接接头硬度满足要求，也证明了没有脆硬组织，这与表6、表7 的检测结果是一致的。

可见，拟定的焊接工艺规程正确，焊接工艺参数适当，评定结果满足相关标准和设计规范的要求，焊接接头性能优良。

5 产品焊接

应用评定合格的焊接工艺，编制针对产品的焊接工艺规程，进行了 DN1000、PN12.0 绝缘接头法兰 （CF62 钢） 与接管 （L485 钢） 的焊接，焊缝顺利通过了射线检测和硬度检测。焊缝射线检测一次合格率98%。 产品整机已通过了气密性试验、强度试验和水压+弯矩试验等各项性能试验。 绝缘接头水压+弯矩试验过程如图8 所示。 强度试验和水压+弯矩试验合格后，焊接接头进行超声检测和液体渗透检测，达到了NB/T47013—2015 标准的Ⅰ级要求。

图8 绝缘接头水压+弯矩试验

6 结 论

针对CF62 钢与L485 钢异种钢焊接，拟定GTAW 打底+SAW 填充、盖面焊工艺。 焊接完成后，经力学性能试验，拉伸、弯曲、冲击、硬度检测结果均符合焊接工艺评定标准及产品设计规范要求，达到了预期的目的。 力学性能及金相检测结果证明，焊接工艺方法及焊材选择是合理的，预热温度、层间温度控制及焊后热处理等工艺措施是得当的。 经过本次研究，归纳出一种针对CF62 钢与L485 钢的焊接工艺方法，要点如下：

（1） 采用直径 2.5 mm 的 CHG－55C1R 焊丝进行手工氩弧焊打底，采用CHW－H08C 焊丝（直径1.6 mm） 及CHF101GX 焊剂组合进行埋弧焊填充、盖面。

（2） 焊接过程控制预热温度 100 ℃，层间温度 100～150 ℃。

（3） 使用表5 中的焊接工艺参数进行焊接。

（4） 焊接完成，焊缝外观检查及射线检测合格后，对焊接接头进行600 ℃×1.5 h 的回火去应力处理。