CS-Q钢焊接工艺方案制定
牛连山刘光云
王勇
中国石油管道焊接培训中心，廊坊
摘要：通过对CS-Q钢焊接性能的研究，制定了焊接工艺方案，并根据NB/T-《承压设备焊接工艺评定》标准进行试验。焊接工艺方案是采用熔化极气体保护焊进行焊接，焊接材料选用TUnionGM焊丝，保护气体用CO%+Ar80%。研究结果表明该焊接工艺方案符合有关标准的要求。
关键词：CS-Q；焊接性；焊接工艺
0.前言
某焊接结构主要部件选材为CS-Q钢，规格为Ф×14mm的无缝钢管，从材料的焊接性能上考虑，属于焊接性能较差的材料。为了保证焊接接头质量，本研究认真分析了材料的焊接性能及焊接过程中可能出现的问题，根据NB/T-《承压设备焊接工艺评定》标准进行试验,在焊接工艺评定的基础上，制定了具体的焊接工艺方案。
1.CS-Q钢焊接性能分析
CS-Q的主要化学成分见表1,力学性能见表2。CS-Q钢的供货状态是调质状态，组织是回火索氏体（图1）。CS-Q钢合金元素含量高、淬透性强，在淬火后获得低碳马氏体，再经高温回火（-℃），低碳马氏体由于碳的扩散析出形成回火索氏体。
图1CS-Q钢金相组织
表1CS-Q化学成分(wt%)（GB/T-）
元素名称
C
S
Si
Mn
P
Ni
Cr
Mo
Cu
V
标准值
0.20
0.
0.80
2.00
0.
2.00
1.50
0.70
0.50
0.12
实测值
0.16
0.
0.29
1.06
0.
1.16
0.54
0.47
0.04
0.02
表2CS-Q力学性能（GB/T-）
数据类型
屈服强度（MPa）
抗拉强度(MPa)
伸长率(%)
冲击功(-40℃)(J)
标准值
~
11
27
实测值
25
根据国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量：
（1）当Ceq0.40%时，钢材的硬倾向不明显，焊接性优良，焊接时不必进行预热，可直接施焊；
（2）当Ceq=0.40%～0.60%时，钢材的硬倾向逐渐明显，焊接性尚可，焊接时需采取焊前适当预热，焊后缓冷等工艺措施，控制其焊接热输入；
（3）当Ceq0.60%时，钢材的硬倾向较强，焊接性较差，属于较难焊接的钢种，焊接时必须采取较高的预热温度和严格的工艺措施，选取合适的焊接材料。
经计算得出，CS-Q钢的碳当量值Ceq=0.62%。由此可见，这种材料的焊接性不良，焊接时其淬硬倾向较大，热影响区热裂和冷裂倾向都会较大，尤其在调质状态下焊接，热影响区的冷裂倾向将会表现得很突出，所以应在选取合适焊接材料、合理焊接方法的基础上，采取较高的焊前预热温度、严格工艺措施和控制适当的层间温度的条件下，才能达到获得优质焊接结构的目的。
2.焊接方法及焊接材料
CS-Q高强钢用于重要的焊接结构，包括低温和承受动载荷的结构，对热影响区韧性要求较高，不宜采用大热输入的焊接方法，熔化极气体保护焊（CO2+Ar混合气体保护焊）是最合适的工艺方法，因此本试验的焊接方法采用熔化极气体保护焊进行焊接，保护气体成分为CO%+Ar80%。
焊接材料选用伯乐TUnionGM，这种焊丝属于高强钢焊丝，相当于AWSA5.28ERS-G焊丝，采用CO%+Ar80%气体保护,TUnionGM焊丝熔敷金属具有良好的低温冲击性能，抗冷裂纹性能优良；用于焊接低温使用的MPa级高强度钢的焊接，高强钢焊丝TUnionGM尤其是在-40℃低温服役钢结构焊接，如Q等。高强钢焊丝TUnionGM可用于焊接船舶、桥梁、工程机械、起重机械、矿山机械等重要结构。
伯乐TUnionGM焊丝的化学成分及熔敷金属的力学性能如表3、表4。
表3TUnionGM焊丝的化学成分（wt%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
V
Cu
Ti
Al
0.10
0.78
1.79
0.
0.
0.37
0.61
2.23
0.
0.
0.09
0.
表4TUnionGM焊丝熔敷金属的力学性能
屈服强度（MPa）
抗拉强度(MPa)
伸长率(%)
冲击功(-60℃)(J)
≥
-
≥15
≥47(32)
3.焊接工艺方案
3．1焊前准备
为了保证焊接质量，焊前对试件坡口两侧约20mm范围内必须清理干净，呈现金属光泽，不应残留油污、氧化皮、水分和灰尘等。
CS-Q钢的碳当量值Ceq=0.62%，淬硬倾向大，冷裂纹倾向较大，焊接时需要采取预热，预热温度为80~℃。
试验用焊接设备采用NBC-气保护焊机，气体为CO%+Ar80%，焊丝为TUnionGM（伯乐）、Ф1.2mm，水平自动焊转台。
3．2坡口形式
坡口是根据设计或工艺需要，在工件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽。可用机械、火焰或电弧加工坡口。开坡口的目的是为保证电弧能深入到焊缝根部并使其焊透，便于清渣，从而获得优良的焊缝。对于合金钢来说，坡口还能起到调节母材金属和填充金属比例的作用。
坡口形式直接影响焊接质量及生产成本。根据设计及相关资料，本试验采用的坡口形式为V型，壁厚δ=14mm，坡口角度为60±5°，坡口间隙b=2.0~3.0mm，钝边p=1.0~2.0mm，焊缝余高h=1.0~2.0mm，盖面焊缝宽度（w）比外表面坡口宽1.0~2.0mm。
3．3焊接工艺参数及措施
由于CS-Q钢的碳当量值Ceq=0.62%，淬硬倾向大，冷裂纹倾向较大，焊接时需要采取预热，本方案预热温度为80~℃。按表5的焊接工艺参数进行焊接，焊接完成后立即采取石棉布包裹缓冷，并且进行-℃×2h焊后热处理，然后进行焊缝外观检查及射线检测。
表5CS-Q钢的焊接工艺参数
焊道
焊材牌号
焊材规格(mm)
电源
极性
焊接电流(A)
电弧电压(V)
焊接速度(cm/min)
热输入
(kJ/cm)
根焊
TUnionGM
1.2
反接
85-90
17.5
8.8
10.1-10.7
填充1
TUnionGM
1.2
反接
-
21.8
25.8
10.2-11.4
填充2
TUnionGM
1.2
反接
-
21.5
46.5
6.1-6.9
填充3
TUnionGM
1.2
反接
-
21.7
40.4
7.4-7.8
盖面
TUnionGM
1.2
反接
-
21.7
34.0
8.9-9.7
注：填充2、填充3以及盖面均为排焊2道
3．4焊接工艺评定试验
经无损检测合格后，按照NB/T-进行拉伸、弯曲、冲击焊接工艺评定试验，其焊接工艺评定的试验数据见表6。
表6焊接接头的力学性能试验数据
抗拉强度（MPa）
冲击吸收功（平均值J）（-40℃）
弯曲
焊缝
热影响区
试验结果
1
75
71.5
62.5
.5
弯曲试验均未见明显裂纹、缺陷
69.5
母材力学性能
-
27
不得有单条长度＞3mm的开口缺陷
结论
合格
合格
合格
焊接接头的拉伸试样在拉伸试验时断裂处均在热影响区。另外，由表6中抗拉强度的数据可以看出，抗拉强度均高于母材，由此说明，本焊接工艺方案的焊接接头力学性能都满足要求。
3．5技术措施及环境要求
当焊完每一层后，应用钢丝刷和角向砂轮机清理干净焊道表面后才能进行下一层焊接；如果采用定位焊方式固定管口，则应采用与根焊相同的焊接材料和焊接方法，并且焊接参数也应与根焊相同；管口组对的定位焊缝长度为30-40mm，且沿圆周均布，在野外焊接时，施焊的环境应当符合风速小于2m/s的规定。
4．结论
（1）由于CS-Q钢淬硬倾向大，冷裂纹倾向较大，焊接时需要采取预热，预热温度为80~℃；焊后采用石棉布包裹缓冷，并进行-℃×2h小时焊后热处理。
（2）本文根据材料焊接性分析及按照NB/T-有关技术标准，提出了CS-Q钢的焊接工艺方案，采用熔化极气体保护焊，对于这种工艺的试件进行了工艺评定，结果为合格。
（3）本工艺方案已在大型履带式起重机臂架主旋管（Ф×14mm）焊接施工中成功应用，焊接质量符合技术要求。
参考文献：
1．吴红，易良刚，等.起重机臂架用高强韧性CS-Q无缝钢管的研发[J].钢管，（2）：31~34
2．张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，.
3．杜则裕.材料焊接科学基础[M].北京：机械工业出版社，.
4．中国机械工程学会焊接学会.焊接手册（第2卷）[M].3版，北京：机械工业出版社，.
5．陈祝年.焊接工程师手册[M].2版，北京：机械工业出版社，.
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