低温钢的焊接
低温钢的焊接
通常把-10~-196℃的温度范围称为“低温”（我国从-40℃算起），低于-196℃时称为“超低温”。低温钢主要是为了适应能源、石油化工等产业部门的需要而迅速发展起来的一种专用钢。低温钢要求在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时应具有良好的加工性能，主要用于制造-20~-253℃低温下工作的焊接结构，如贮存和运输各类液化气体的容器等。
低温钢的分类、成分及性能
1.低温锅的分类
（1）按使用温度等级分类分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃和
-196~-273℃等级的低温钢。
（2）按合金含量和组织分类分为低合金铁素体低温钢、中合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。
（3）按有无镍、铬元素分类分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。
（4）按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。
2.低温钢的化学成分和组织
（1）低合金低温钢（无Ni低温钢）铝镇静Mn-Si低温钢是先用Mn 、Si进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒，明显提高其低温韧性，多用于一4O℃以上的结构。
低合金铁素体低温钢是在Si-Mn优质钢基础上，加人少量合金元素（如Nb、V 、Ti、Al 、Cu、RE等）得到的低温钢组织为铁素体加少量珠光体。其中Mn、Ni以及能促使晶粒细化的微量元素都有利于提高低温韧性。为了保证良好的综合力学性能和
焊接性，一般要求低C和低S、P。这种钢具有高的塑性和韧性，多用于-50℃以上的结构。
（2）中合金低温钢（含Ni低温钢）合金元素总的质量分数为5%~10%，其组织与热处理工艺有关。其中5NI钢、9Ni钢是典型的中合金低温钢。
Ni是发展低温钢的一个重要元素。为了提高钢的低温性能，可加人Ni元素，形成含Ni的铁素体低温钢。在提高Ni的同时，应降低含碳量和严格限制S、P
含量及N、H、O的含量，防止产生时效脆性和回火脆性等。这类钢的热处理条件为正火、正火十回火和淬火+回火等。
5Ni钢通过化学成分调整和热处理控制组织，在-162~-196℃的低温下具有良好的低温韧性。若加人质量分数为0.25%的Mo，可增加析出奥氏体的数量并使之稳定化，还可起到细化晶粒的作用。采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织，使5Ni钢具有高的强度、塑性和低温韧性。9Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P含量的增加而显著增大，因此应严格控制9Ni钢中的P含量。9Ni低温钢由于Ni含量较高，具有很高的低温韧性，能用于-196℃的环境，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适宜制造贮存液化气的大型容器。
3.低温钢的力学性能
对低温钢的性能要求，首先应满足低温下的力学性能，特别是低温条件下的缺口韧性。这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。在一些重要结构上，为了防止意外事故的发生，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能，即一旦
出现脆性破坏后可以停止继续破坏。安全角度考虑，希望低温钢的屈强比不要太高，因为屈强比是衡量低温缺口敏感性的指标之一。屈强比大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂。
对于低碳铝镇静钢，最低使用温度下的V形缺口冲击吸收功（纵向取样）保证值规定为20.5J；对于屈强比较高的低温钢，要提高到34.5J；对屈强比更高的调质钢，希望提高到47J。无论是无Ni或含Ni的低温钢，在冲击韧性上都可以满足规定低温下的使用要求，但是无Ni低温钢的屈强比不如含Ni低温钢的用强比高。
除了面心立方金属外（如奥氏体钢、铝、铜等），所有体心立方或六方晶格的金属均有低温脆化现象。可以通过细化晶粒、合金化和提高纯净度等措施来改善铁素体钢的低温韧性。Mn-Si系钢中各种氮化物细化奥氏体晶粒的效果如图
3-39所示。可见，Ti、AL、Nb等有很好的细化晶粒作用。
低温钢的含碳量不高，在常温下具有较好的塑性和韧性，冷或热加工均可采用。铁素体低温钢的加工性能与低碳钢及低合金钢相近；奥氏体低温钢的加工性能与奥氏体不锈钢相近。
对于具有一定时效脆性敏感性和回火脆性敏感性的低温钢，须正确选择加工方法和工艺参数，控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量，防止变形量过大而造成低温韧性下降。具有一定回火脆性敏感性的钢种，回火后低温韧性明显下降，因此应合理地选择回火温度和回火时间。
低温钢的焊接性分析
1.无Ni低温钢的焊接性特点
不含Ni元素的铁素体低温钢碳的质量分数约为0.06%~0.2%，合金元素总的质量分数≤5%，碳当量为0 .27%-- 0 .57 %，焊接性良好。由于碳当量不高，悴硬倾向较小，室温焊接时不易形成冷裂纹；钢中S、P等杂质元素的含量较低，也不易产生热裂纹。这类钢在用铝脱氧时形成了稳定的AIN，阻止了接头区脆化。
铁素体低温钢通过加人细化晶粒的合金元素（Ti 、Al、Ni等）以及正火处理提高低温韧性，韧性指标一般能得到保证。这类钢焊接性分析时应注意以下问题：1）严格控制焊接热输人和层间温度，目的是使接头不受过热的影响，避免热影响区晶粒长大和降低韧性。
2）控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。板厚大于15rnm的低温钢焊接结构，焊后应采用消除应力热处理。含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种，在进行消除应力热处理时，当加热温度处于回火脆性敏感温度区时会析出脆性相，使低温韧性下降。应合理地择焊后热处理工艺，以保证接头的低温韧性。
3）含氮的铁素体低温钢不仅对焊接热循环敏感，而且对焊接应力应变循环也很敏感，接头某些区域会发生热应变脆化，使该区钓塑性和韧性下降。热应变区的温度范围为200~600℃。热应变量越大，脆化程度也越大。采用小的焊接热输人可以减小热影响区的热塑性应变量，有利于减轻热应变脆化程度。
焊接这类钢时，通常板厚小于25mm不需预热，当板厚大于25 mm或焊接接头拘束度较大时，应考虑预热，以防止产生焊接裂纹。预热温度过高会使热影响区晶粒长大，在晶界处可能析出氧化物和碳化物而降低韧性，所以预热温度一般在100~150℃，最高不超过200℃。
2.含Ni低温钢的俘接性特点
含Ni较低的2.5Ni和3.5Ni低温钢，虽然由于Ni的加人提高了钢材的淬透性，但由于含碳量限制得较低，冷裂纹倾向并不严重，薄板焊接时可不预热，厚板焊
接时需进行100℃预热。含Ni高的9Ni钢，淬硬性很大，在超过临界点的焊接热影响区得到的是淬火组织。但由于含碳最很低，并采用了奥氏体焊接材料，因此冷裂纹倾向并不大。
对9Ni钢进行焊接性分析时应注意以下几个问题：
1）正确选择焊接材料。9Ni钢具有较大的线膨胀系数，在选择焊接材料时，必须使焊缝与母材的线膨胀系数大致相近，以防止因线膨胀系数差异太大而引起焊接裂纹。
2）避免磁偏吹现象。9Ni钢是一种强磁性材料，采用直流电源时易产生磁偏吹现象，影响焊接质量。一般做法是焊前避免接触磁场，选用适于交流电源焊接的焊条（如镍基合金焊条）。
3）严格控制焊接热输人和层间温度，避免焊前预热。这样可避免接头过热和晶粒长大，保证接头的低温韧性。
焊接厚度5Omm以下的9Ni钢时不需要预热。由于Ni能提高钢材的热裂纹倾向，因此
焊接这类含Ni钢时要注意液化裂纹的何题。在低温钢中由于含碳量和杂质S、P 的含量控制得都很严格，所以液化裂纹在这类钢中不很明显。但仍须严格控制钢的化学成分，尤其是S、P含量，否则可能出现焊接热裂纹。含Ni钢中的另一个问题是回火脆性，为此要注意这类钢焊后回火时的温度和冷却速度的控制。
9Ni钢是典型的低碳马氏体低温钢，含有较多的镍，具有一定的淬硬性。焊前应进行正火+高温回火或900℃水淬+ 570℃回火处理，其组织为低碳板条马氏体。这种钢具有较高的低温韧性，其焊接性能优于一般低合金高强钢。板厚小于50mm的焊接结构可以不预热，焊后可不进行消除应力热处理口
对这类易淬火的低温钢通常采用控制层间温度及焊后缓冷等工艺措施，可降低冷却速度，避免淬硬组织。采用较小的焊接热输入，使热影响区的晶粒不至于过分长大，达到防止冷裂纹及改善热影响区韧性的目的。
低温钢的焊接工艺特点
低温钢焊接时，除了要防止出现裂纹外，关键是要保证焊缝和热影响区的低温韧性，这是制定低温钢焊接工艺的一个根本出发点。解决热影响区韧性主要是通过控制焊接热输入，而焊缝韧性除了与热输人有关外，还取决于焊缝成分的选择。由于焊缝金属是铸态组织，性能低于同样成分的母材，故焊缝成分不能与母材完全相同。由于对低温条件的要求不同。应针对不同类型低温钢选择不同的焊接材料和不同的焊接热输人。
焊接铝镇静钢时，可选择成分与母材相似的低碳钢和C-Mn钢焊条，焊缝性能在-30℃时具有足够的冲击韧性。低Ni钢焊接时，所用焊条的Ni含量应与母材相同或高于母材，但并非Ni含量高的焊缝韧性一定好。为了改善3.5Ni钢焊缝的韧性，除了降低C含量和S、P等含量外，应对焊缝中的Si和Mn含量加以限制。因为Si 、Mn高时会形成明显的条状组织，韧性差。
但是，Si、Mn含量太低，会导致焊缝含氧量增加。另外，在3.5Ni焊丝中添加微量Ti可细化晶拉.改善焊缝的低温韧性。当焊缝Ni含量增加时，回火脆性也会增加，加人少量Mo有利于减小回火脆性。
9Ni钢具有优良的低温韧性，但用与9Ni钢相似的铁素体焊材时所得焊缝的韧性很差。这除了与铸态焊缝组织有关外，主要与焊缝中的含氧量有很大关系。与9Ni钢同质的l lNi铁素体焊材，只有在钨极氛弧焊时才能获得良好的低温韧性。因为此时能使焊缝金属中氧的质量分数降低到与母材相同的0. 005%以下。
采用奥氏体焊接材料时，热裂纹倾向随着焊缝中的Ni含星提高而增加。热裂纹主要产生在焊缝的起始部和弧坑处。一般情况下弧坑裂纹很难避免。尤其是在多层焊的根部焊缝和前几道焊缝中。因此，应采取一些工艺措施来防止弧坑裂纹，如收弧时要注意填满弧坑等。焊接9Ni钢时，为了保证接头的低温韧性，应将热输人控制在10~35kJ/cm。
焊接坡口及坡口两侧10~20mrn范围的水、油、锈、氧化皮等须清理干净。装配好的工件应及时焊接。焊接环境温度不得低于允许的最低施焊温度，通常不得在小于-5℃或-10℃温度下施焊。雨天或天气十分潮湿（相对湿度在90%以上），遇有强风或风速在10mls以上时，不得在现场施焊，除非采取适当的防护措施，如升温、防潮、防风等。
低温钢焊接时，焊条电弧焊和氢弧焊的应用较广，埋弧焊的应用受到限制，一般不采用气焊和电渣焊。为使焊接接头具有良好的低温韧性，焊接热描人不能过大。通常采用快速多道焊，并通过多层焊的再热作用细化晶粒。
1.低温钢的焊条电弧焊
(1)焊条的选用根据低温焊接结构的工作条件，所选焊条应使焊缝达到不低于母材经过焊接后的最低韧性水平。承受交变载荷或冲击载荷的结构，焊缝金属应具有较好的抗疲劳断裂性能、良好的塑性和抗冲击性能。接触腐蚀介质的结构，应使焊缝金属的化学成分与母材大致相同，或用能保证焊缝及熔合区的抗腐蚀性能不低于母材的焊条。
几种常用低温钢焊接材料的选用见表3-40。
（2）焊接工艺要点 16MnDR钢是制造-40℃低温设备用的细晶粒钢。09Mn2VDR 也属细晶粒钢，正火状态下使用，主要用于制造一7D℃的低温设备，如冷冻设备、液化气贮罐、石油化工低温设备等。06MnNbDR是具有较高强度的-90℃用细晶粒低温钢
低温钢焊接要求采用较小的焊接热输人，选用的焊条直径一般不大于4mm对于开坡口的对接焊缝、丁字焊缝和角接焊缝，为获得良好的熔透和背面成形，封底焊时应选用小直径焊条，一般不超过3.2.mm。尽量用较小的焊接电流，以减小焊接热输人，保证接头有足够的低温韧性。低温钢焊条电弧焊平焊时的焊接参数见表3-41。横焊、立焊和仰焊时使用的焊接电流应比平焊时小10%。应采用多层多道焊，每一焊道焊接时采用快速不摆动的操作方法。
应在坡口内擦划引弧，不允许工件表面有电弧擦伤。避免采用慢速大幅度摆动的操作方法，通常采用快速直线焊。在横焊、立焊和仰焊时，为保证获得良好的焊缝成形并与母材充分熔合，可作必要的摆动，可采用“之”字形运条方法，但应控制坡口两侧停留的时间。收弧时要将熔池填满，避免产生较深的弧坑。
2.低温钢的埋弧焊
（1）焊材（焊丝和焊剂）的选择所用焊丝应严格控制含C量，P、S含量应尽量低。常选用烧结焊剂配合Mn-Mo或含Ni焊丝。由于碱性焊剂所得焊缝的含氧量低，可得到高韧性的焊缝，以保证焊缝金属的低温韧性。
低温钢焊接时也可采用中性熔炼焊剂配合含Mo的C-Mn焊丝或采用碱性熔炼焊剂配合含Ni焊丝。表3-42给出了常用低温钢埋弧焊时焊剂与焊丝的组合。
对于2.5Ni钢、3.5Ni钢选用，Ni2.5%焊丝和Ni3.5%焊丝。9Ni钢一般选用镍基焊丝。低温钢用埋弧焊焊剂常采用碱性焊剂或中性焊剂，以使焊缝金属具有良好的低温韧性。
（2）焊接工艺埋弧焊的热量输人比焊条电弧焊大，故焊缝及热影响区的组织也比焊条电弧焊的粗大。为了保证焊接接头的韧性，一般采用直流焊接电源（焊丝接正极）。对于-40~-105℃低温钢，应将焊接热输人控制在20~25kJ/cm以下；对于-196℃低碳9Ni钢，应将焊接热输人控制在35~40kJ/cm以下。
焊接低温用的低合金高强钢时，在保证焊缝具有足够的低温韧性的前提下，还要考虑到与母材相匹配的强度要求。用于焊接这类钢的材料中除了含有质量分数为1%~3%的Ni外，还含有0.2%~0.5%的Mo，有时还含有少量的Cr。
由于受焊接热输人的限制，低温钢焊接中一般不采用单面焊双面成形技术，通常采用加衬垫的单面焊技术。对接接头坡口为单面V形或U形坡口。先用焊条电弧焊或TIG焊封底，然后再用埋弧焊焊接。第一层封底焊时，若出现裂纹必须铲除重焊。为减小焊接热输入，通常采用细丝多层多道焊接，而且应严格控制层间温度，不可过热。
3.低温钢的氩弧焊
（1）钨极氢弧焊（TIG）低温钢TIG焊可填充焊丝，也可不填充焊丝。一般采用直流正接法，主要用于焊接薄板和管子，以及进行封底焊接。低温钢TIG焊的喷嘴直径为8 ~20mm；钨极伸出长度为3~10mm；喷嘴与工件间的距离为5~12mm。焊接电流根据工件厚度及对热输入的要求而定。若电流过大，易产生烧穿和咬边等缺陷，并且使接头过热而降低低温韧性。焊接电压如增大较多，易形成未焊透，并影响气体保护效果。
手工TIG焊时，应保持焊接速度均匀。焊速过快，易造成未焊透，焊接过程不稳定；焊速过慢，易形成气孔并使焊接接头过热，降低接头区低温韧性。应在保证熔透、具有一定熔深且不影响气体保护效果的前提下，尽量采用较快的焊接速度。保证接头的韧性不降低。MIG和TIG焊时，要选用质量分数为1.5%~2.5%的含Ni焊丝。
氢弧焊常用的保护气体是纯氩气，还有Ar + He、Ar + O2、Ar + CO2等混合气体。对于C- Mn钢，可选用Ni-Mo焊丝，3.5Ni钢可选用4NiNMo焊丝。9Ni钢可选用镍基焊丝。例如，9Ni钢贮罐板的立焊，仰焊，多采用自动TIG焊，而且是单面焊，背面不再清根。
自动TIG焊立焊的焊接参数为：焊丝φI.2mm，焊接电流200~250A，焊接电压11~13V，焊接速度3~5cm/min，氩气流量20~30L/min。单面焊时，焊接电流200~240A，焊接电压11~13V，焊接速度4.3~5cm/min，氩气流量20~30L/min，焊接热输人
26~30kJ/cm。
（2）熔化极氢弧焊（MIG）应控制焊接热输人不宜太大。MIG焊对熔池的保护效果要求较高，保护不良时焊缝表面易氧化，故喷嘴直径及氢气流量比TIG焊大。常用的喷嘴直径为22~30mm，氩气流量为30~60L/min。若熔池较大而焊接速度又很快时，可采用附加喷嘴装置，或用双层气流保护，也可采用椭圆喷嘴。
根据焊接热循环对母材的敏感程度、熔滴过渡形式决定焊接电流和焊接电压的大小，同时应考虑工件厚度、坡口形式、焊接位置等。为获得优良的低温钢焊接接头，要合理地控制焊接热输人，焊丝直径一般在3mm以下。
MIG焊时要选择适当的焊接参数，以获得所需要的熔滴过渡形式（多采用射流过波），使焊缝成形良好、熔深合适。在各种不同位置进行多层多道焊时，应注意各层焊道的合理布置和焊接顺序，根部焊道的焊接参数不同于中间焊道和盖面层焊道。为保证根部焊道的质量，可采用控制焊炬与工件夹角及摆动焊炬的方法进行焊接。