低温钢：技术要求、成分元素与热处理工艺对低温韧性的影响

1. 低温钢概述

低温钢的技术要求通常为：在低温环境中具备足够的强度以及充分的韧性，还需具备良好的焊接工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。在这些要求中，低温韧性是最为重要的因素，它指的是在低温情况下防止脆性破坏发生和扩展的能力。正因如此，各国通常都会规定出在最低温度下应具备的一定冲击韧性值。

在低温钢的成分里，通常认为碳、硅、磷、硫、氮等元素会让低温韧性变差，在这些元素当中，磷的危害是最大的，因此在冶炼过程中应该尽早进行低温脱磷。而锰、镍等元素能够使低温韧性得到提升。每增加 1%的镍含量，脆性临界转变温度大概可以降低 20℃左右。

热处理工艺对低温钢的金相组织有影响，对晶粒度也有影响。因为这两者的影响，所以也影响了钢的低温韧性。经过调质处理之后，低温韧性有了明显的提高。

低温钢根据热加工成型方式的不同，可分为铸钢和轧材这两种。同时，依据成分和金相组织的区别，低温钢又可分为低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬—锰或铬—锰—镍奥氏体钢以及铬—镍奥氏体不锈钢等。其中，低合金钢通常在一100℃左右的温区内被使用，可用于制造冷冻设备、运输设备、乙烯地上贮藏室和石油化工设备等。在美国等国家，9％镍钢在一 196℃的低温结构方面有广泛应用。例如，用于保存、运输液化沼气和甲烷的贮罐，以及贮存液氧、制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是低温用的结构材料，性能优良，低温韧性好，焊接性能佳，导热率低，在低温领域得到广泛应用，像液氢、液氧的运输罐车和贮罐等都有使用。但是，由于它含铬、镍较多，因而比较昂贵。

2. 低温钢焊接施工概述

选择低温钢的焊接施工方法和施工条件时，问题的焦点集中在以下两方面：其一，要防止焊接接头的低温韧性恶化；其二，要防止焊接裂纹发生。

1) 坡口加工

低温钢焊接接头的坡口形式与普通碳素钢、低合金钢以及不锈钢的坡口形式相比，没有原则性的差别，能够按照常规方式进行处理。然而对于 9Ni 钢而言，坡口的张角最好是不小于 70 度，钝边最好是不少于 3mm。

所有低温钢材都能够用氧炔焰进行切割。气割 9Ni 钢时，其切割速度比气割普通碳素结构钢时要稍微放慢一些。如果钢材的厚度超过 100mm，在气割之前可以将割口预热到 150—200℃，不过不能超过 200℃。

气割不会对受焊接热影响的区域产生不良影响。然而，因为含镍钢具有自硬特性，所以割口表层会变硬。为了保证焊接接头能有令人满意的性能，在施焊之前最好用砂轮把割口表层打磨得平整且干净。

在焊接施工过程中，若需要除掉焊道或母材，能够运用电弧气刨这种方式。然而，在进行重新施工之前，依然应该将槽口表面打磨得干干净净。

氧炔焰气刨不能采用，因为它有使钢材过热的危险性。

2) 焊接方法的选用

低温钢可用的典型焊接方法有电弧焊、埋弧焊、熔化极氩弧焊等。

电弧焊是低温钢常用的焊接方法，能在各种焊接位置施焊。其焊接热输入量约为 18—30KJ/cm。若使用低氢型电焊条，可得到完全令人满意的焊接接头，机械性能好且缺口韧性优良。同时，电弧焊具有焊机简单便宜、设备投资少、可不受位置和方向限制等优点。

低温钢埋弧焊的热输入量在 10 到 22KJ/cm 左右。这种焊接方式设备较为简单，焊接效率较高，操作也较为方便。正因如此，它被广泛应用。因为焊剂有隔热作用，所以会让冷却速度变慢，这样产生热裂纹的倾向就比较大。并且从焊剂中常常可能有杂质和 Si 进入焊缝金属，这会助长这种倾向。所以在采用埋弧焊时，要注意焊丝、焊剂的选配，还要慎重仔细地进行操作。

CO2 气体保护焊焊成的接头韧性比较低。因此，在低温钢焊接时，这种焊接方法不被采用。

钨极氩弧焊（TIG 焊）通常是通过手工进行操作的。它的焊接热输入量被限制在 9 至 15KJ/cm 这个范围内。所以，尽管焊接接头能有完全令人满意的性能，然而当钢材的厚度超过 12mm 时，这种焊接方式就完全不适用了。

熔化极氩弧焊（MIG 焊）在目前低温钢焊接中应用广泛，可用于自动或半自动焊接。其焊接热输入量为 23—40KJ/cm。按照熔滴过渡方式划分，有短路过渡工艺，此工艺热输入量较低；有射流过渡工艺，该工艺热输入量较高；还有脉冲射流过渡工艺，此工艺热输入量最高。短路过渡 MIG 焊存在熔深不够的情况，可能会出现熔合不良的缺陷。其他方式的 MIG 焊液存在类似问题，不过程度不一样。要让电弧更加集中从而获得满意的熔深，就可以在充当保护气体的纯氩中掺入百分之几到百分之几十的 CO2 或 O2 。合适的百分数需要针对所焊接的具体钢种进行试验来确定。

3) 焊接材料的选择

焊接材料包含电焊条、焊丝和焊剂等。通常需要根据所采用的焊接方法来进行选择，同时也要考虑接头形式、坡口形状以及其他必须具备的特性。对于低温钢而言，最为重要的是要让焊缝金属具备足够与母材相匹配的低温韧性，并且要尽量降低其中扩散氢的含量。

（1） 铝脱氧钢

铝脱氧钢是一个对焊后冷却速度影响极为敏感的钢种。铝脱氧钢进行手工电弧焊时，所用电焊条大多为 Si—Mn 系低氢型电焊条，也有 1.5% Ni 系、2.0% Ni 系电焊条。

铝脱氧钢为了降低焊接热输入量，一般只采用直径≤￠3～3.2mm 的细焊条进行多层敷焊。这样做的好处是可以借助上层焊道的二次热循环，从而使晶粒得以细化。

用 Si-Mn 系电焊条敷焊的焊缝金属，在 50℃时，其冲击韧性会随着热输入量的增大而急剧降低。比如，当热输入量从 18KJ/cm 增加到 30KJ/cm 时，韧性会损失 60%以上。而 1.5%Ni 系电焊条和 2.5%Ni 系电焊条对此不太敏感。所以，最好选用这种焊条来进行施焊。

埋弧焊是常用于铝脱氧钢的自动焊接法。用于埋弧焊的焊丝通常是含镍 1.5%至 3.5%且含钼 0.5%至 1.0%的那种。

文献介绍称，使用 2.5%Ni—0.8%Cr—0.5%Mo 焊丝或者 2%Ni 焊丝，将其与合适的焊剂相配合，在-55℃的环境下，焊缝金属的却贝韧性值平均能够达到 56 - 70J（5.7~7.1Kgf.m）。在采用 0.5%Mo 焊丝和锰合金碱性焊剂的情况下，只要将热输入量控制在 26KJ/cm 以下，就能够制出焊缝金属，且这种焊缝金属具有 ν∑-55=55J(5.6Kgf.m)。

焊剂选择时需注意焊缝金属中 Si 与 Mn 的匹配。试验表明，焊缝金属中不同的 Si、Mn 含量会导致其却贝韧性值出现很大变动。具备最佳韧性值的 Si 含量为 0.1%至 0.2%，Mn 含量为 0.7%至 1.1%。在选用焊丝和焊剂时应留意这一点。

钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊在铝脱氧钢中的使用较少。上述供埋弧焊使用的焊丝能够供氩弧焊使用。

（2） 2.5Ni钢与3.5Ni

2.5Ni 钢与 3.5Ni 进行埋弧焊或 MIG 焊时，通常可以使用与母材材质相同的焊丝来进行焊接。然而，正如 wilkinson 公式（5）所表明的那样，Mn 是低镍低温钢的热裂抑制元素。让焊缝金属中的含锰量保持在 1.2%左右，对于防止弧坑裂纹等热裂纹是非常有利的。在选择焊丝和焊剂的配合时，应当对这一点予以重视。

3.5Ni 钢的回火脆化倾向较大。所以在进行焊后热处理（比如 620℃×1 小时，接着炉冷）以消除残余应力之后，ν∑-100 会从 3.8Kgf.m 急剧下降到 2.1Kgf.m，进而无法再满足规定。而用 4.5%Ni—0.2%Mo 系焊丝敷焊成的焊缝金属，其回火脆化倾向要小很多。采用这种焊丝就能避免上述出现的困难。

（3） 9Ni钢

9Ni 钢一般需通过淬火一回火或两次正火一回火热处理，这样能最大限度提升其低温韧性。然而，这种钢材的焊缝金属无法像上述那样进行热处理。所以，如果使用铁素体系焊接材料，就很难得到低温韧性足以与母材相抗衡的焊缝金属。当下主要采用的是高镍系焊接材料。这样的焊缝是由焊接材料敷焊而成的，其组织完全为奥氏体。这种焊缝虽然存在强度比 9Ni 钢母材低以及价格非常昂贵的缺点，然而对于它而言，脆性破断已不再是一个严重的问题。

从以上可知：焊缝金属完全是奥氏体组织，因此所用焊条和焊丝敷焊的焊缝金属，其低温韧性能够跟母材相媲美。不过，这种焊缝金属的抗拉强度与屈服点比母材要低。含镍钢具有自硬性，所以绝大多数焊条和焊丝都注重限制含碳量，目的是谋求良好的可焊性。

Mo 在焊接材料中是重要的强化元素，Nb、Ta、Ti 和 W 是重要的韧化元素，在焊接材料的选配方面都已被充分重视。

当使用同一种焊丝进行焊接时，埋弧焊焊缝金属的强度比 MIG 焊的差一些，同时埋弧焊焊缝金属的韧性也比 MIG 焊的差一些。这或许是因为焊缝冷却速度变慢了，也有可能是因为有杂质或者 Si 从焊剂中渗入到了焊缝中而导致的。

3. A333-GR6低温钢管道焊接

1) A333-GR6 钢的可焊性分析

A333–GR6 钢属于低温钢。它的最低使用温度是-70℃。这种钢通常是以正火或正火加回火的状态进行供货的。A333-GR6 钢的含碳量较低，所以其淬硬倾向较小，冷裂倾向也较小。这种钢的材质韧性较好，塑性也较好，一般情况下不容易产生硬化和裂纹缺陷。它的可焊性良好，可以选用 ER80S-Ni1 氩弧焊丝与 W707Ni 焊条，通过氩电联焊的方式进行焊接；也可以选用 ER80S-Ni1 氩弧焊丝，采用全氩弧焊的方式进行焊接，这样能够保证焊接接头具有良好的韧性。氩弧焊焊丝的品牌可以选用性能相同的产品，焊条的品牌也可以选用性能相同的产品，不过都必须得到业主的同意才能使用。

2) 焊接工艺

具体的做法是根据业主批准的 WPS 中管径和管壁厚度的不同，选用相应的焊接方法。

3) 热处理工艺

（1） 焊前预热

当环境温度处于 5℃以下时，要对焊件进行预热。预热的温度在 100 至 150℃之间。预热的范围是焊缝两侧各 100mm。使用氧乙炔焰（中性焰）来进行加热。用测温笔在距离焊缝中心 50 至 100mm 的地方测量温度。测温点要均匀分布，这样能更好地控制温度。

（2） 焊后热处理

为了提升低温钢的缺口韧性，一般所采用的材料都经过了调质处理。如果焊后热处理不当，常常会导致低温性能变差，这一点应当引起足够的重视。所以，除了焊件厚度较大或者拘束条件非常严酷的情况之外，低温钢通常都不会进行焊后热处理。例如 CSPC 新增的 LPG 管线的焊接就不需要进行焊后热处理。如果在某些项目中确实需要进行焊后热处理，那么焊后热处理的加热速率、恒温时间以及冷却速率必须严格按照以下规定来执行：

4) 注意事项

按照规定进行严格预热，要把层间温度控制好，层间温度需控制在 100 到 200 摄氏度之间。每条焊缝都应该一次性焊完，如果中途中断了，就应该采取缓慢冷却的措施。

焊件表面不允许有电弧擦伤。收弧时要将弧坑填满，并且用砂轮把缺陷磨掉。多层焊的各层之间的接头需要错开。

要严格控制线能量，使用小电流、低电压并且快速焊接。每根直径 3.2mm 的 W707Ni 焊条的焊接长度必须要大于 8cm。

（4） 必须采用短弧、不摆动的操作方式。

必须使用全焊透的工艺，并且要依据焊接工艺说明书以及焊接工艺卡的要求来进行操作。

（6） 焊缝余高0 ～ 2mm， 焊缝每侧增宽≤2mm。

焊缝外观检测合格之后，需要等待至少 24 小时才可以进行无损检测。并且管道对接焊缝要执行 JB 4730-94 这个标准。

（8） 《压力容器：压力容器无损检测》标准， Ⅱ级合格。

焊缝返修需在焊后热处理之前进行。倘若热处理之后必须进行返修，那么在返修之后，焊缝需要再次进行热处理。

若焊缝的表面成形在几何尺寸方面超标了，那么是允许进行修磨的。并且在修磨之后，其厚度不能比设计要求的还要小。

一般的焊接缺陷最多可以返修两次。如果两次返修后仍然不合格，就需要切除这道焊缝，然后按照完整的焊接工艺重新进行施焊。