低温钢的技术要求、成分影响及热处理工艺

1. 低温钢概述

1）低温钢的技术要求一般为：低温环境下足够的强度和韧性、良好的焊接工艺性能、加工性能和耐腐蚀性能等。其中，低温韧性，即在低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。因此，各国通常规定最低温度下的某一冲击韧性值。

2）低温钢的成分中，一般认为碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危害最大，因此在冶炼早期应进行低温脱磷。锰、镍等元素可提高低温韧性。镍含量每增加1%，脆性临界转变温度可降低20℃左右。

3）热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒大小有决定性的影响，从而也影响钢的低温韧性。经淬火、回火处理后，低温韧性有明显改善。

4）按热加工成形方法不同，低温钢可分为铸钢和轧制产品。按成分和金相组织的不同，低温钢可分为：低合金钢、6%镍钢、9%镍钢、铬锰或铬锰镍奥氏体钢和铬镍奥氏体不锈钢。低合金钢一般在100℃左右的温度范围内使用，用于制造制冷设备、运输设备、乙烯地面储藏室和石油化工设备等。在美国、英国、日本等国家，9%镍钢广泛用于196℃的低温结构，如储存和运输液化沼气和甲烷的储罐、液氧的储存以及制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是非常好的低温结构材料，具有良好的低温韧性、优良的焊接性能和较低的热导率。 广泛应用于低温领域，用于液氢、液氧运输槽车、储罐，但因含铬、镍较多，价格相对较高。

2.低温钢焊接施工概述

在选择低温钢的焊接施工方法和施工条件时，问题的重点在于两个方面：防止焊接接头低温韧性的恶化和防止焊接裂纹的产生。

1）坡口加工

低温钢焊接接头的坡口形式原则上与普通碳钢、低合金钢或不锈钢无异，可按通常方法加工。但对于9Ni钢，坡口角度不应小于70度，钝边不应小于3mm。

所有低温钢都可以用氧乙炔火焰切割。但切割9Ni钢时，切割速度应比切割一般碳素结构钢时稍慢。若钢材厚度超过100mm，气割前可将切割刃预热到150-200℃，但不得超过200℃。

气割对焊接热影响区域没有不良影响。但由于含镍钢的自硬特性，切口表面会硬化。为确保焊缝具有满意的性能，焊接前最好用砂轮将切口表面打磨平整、清洁。

如果在焊接过程中需要去除焊缝或母材，可以采用电弧气刨。但再次施工前仍应将切口表面打磨干净。

不应使用氧乙炔火焰刨削，因为存在钢材过热的危险。

2）焊接方法的选择

低温钢的典型焊接方法包括电弧焊、埋弧焊和氩弧焊。

电弧焊是低温钢最常用的焊接方法，可采用各种焊接位置，焊接热输入量约为18-30KJ/cm。若采用低氢焊条，可获得完全满意的焊接接头，不仅力学性能良好，而且缺口韧性也相当好。另外，电弧焊还具有焊接机简单便宜，设备投资少，不受位置和方向限制等优点。

低温钢埋弧焊的热输入量约为10-22KJ/cm，由于设备简单，焊接效率高，操作方便，被广泛应用。但由于焊剂的隔热作用，会使冷却速度减慢，因此产生热裂纹的倾向也较大。另外，焊剂中的杂质、Si等有可能进入焊缝金属中，会进一步促进这种倾向。因此，采用埋弧焊时，应注意焊丝和焊剂的选择，并小心操作。

CO2气体保护焊焊接的接头韧性较低，不用于低温钢焊接。

钨极惰性气体保护焊（TIG焊）通常为手工操作，其焊接热输入限制在9-15KJ/cm，因此，虽然焊接接头具有完全令人满意的性能，但当钢材厚度超过12mm时，它是完全不适用的。

熔化极氩弧焊（MIG焊）是低温钢焊接中应用最广泛的自动或半自动焊接方法，其焊接热输入为23-40KJ/cm。根据熔滴过渡方式可分为短路过渡过程（热输入较低）、射流过渡过程（热输入较大）和脉冲射流过渡过程（热输入最高）三种。短路过渡MIG焊存在熔深不足的问题，可能造成熔合不良缺陷，其它MIG焊液也有类似问题，只是程度不同。为了使电弧更集中，获得满意的熔深，可在纯氩气中渗入百分之几到几十的CO2或O2，具体比例应根据被焊钢材的不同，通过实验确定。

3）焊接材料的选择

焊接材料（包括焊条、焊丝和焊剂等）通常应根据焊接方法、接头形式、坡口形状和其他必要的特性来选择。对于低温钢，最重要的是使焊缝金属具有与母材匹配的低温韧性，并尽量减少扩散氢的含量。

（1）铝脱氧钢

铝脱氧钢是对焊接后冷却速度十分敏感的一类钢，用于铝脱氧钢手工电弧焊的焊条多为Si-Mn系低氢焊条或1.5%Ni系、2.0%Ni系焊条。

为了减少焊接热输入，铝脱氧钢一般只采用≤¢3～3.2mm的薄焊条进行多层焊。这样可以利用上层焊缝的二次热循环来细化晶粒。

Si-Mn系焊条焊接的焊缝金属在50℃时的冲击韧性会随着热输入量的增加而急剧下降，如当热输入量由18KJ/cm增大到30KJ/cm时，韧性会损失60%以上。1.5%Ni系、2.5%Ni系焊条对此不太敏感，所以最好选用该类型焊条进行焊接。

埋弧焊是铝脱氧钢常用的自动焊接方法，埋弧焊所用焊丝最好是含镍1.5~3.5%、含钼0.5~1.0%的焊丝。

据文献报道，采用2.5%Ni-0.8%Cr-0.5%Mo或2%Ni焊丝，配合适当的焊剂，焊缝金属在-55℃时的平均夏比韧性值可达56～70J（5.7～7.1Kgf.m）。即使采用0.5%Mo焊丝和锰合金基础焊剂，只要控制热输入量在26KJ/cm以下，仍能得到ν∑-55=55J（5.6Kgf.m）的焊缝金属。

选择焊剂时应注意焊缝金属中Si和Mn的搭配。实验表明，焊缝金属中不同的Si和Mn含量会大大改变其夏比韧性值。具有最佳韧性值的Si和Mn含量为0.1~0.2％Si和0.7~1.1％Mn。选择焊丝和焊剂时应注意这一点。

铝脱氧钢较少采用钨极惰性气体保护焊和冶金惰性气体保护焊，上述埋弧焊用焊丝也可用于氩弧焊。

（2）2.5Ni钢和3.5Ni

2.5Ni钢和3.5Ni钢的埋弧焊或MIG焊一般可用与母材相同材质的焊丝进行。但如威尔金森公式（5）所示，Mn对低镍低温钢具有热裂纹抑制剂的作用。焊缝金属中锰含量保持在1.2%左右对防止弧坑裂纹等热裂纹十分有利。选择焊丝和焊剂的组合时应考虑到这一点。

3.5Ni钢的回火脆化倾向较大，因此经焊后热处理（如620℃×1小时，炉冷）消除残余应力后，ν∑-100会由3.8Kgf.m急剧下降到2.1Kgf.m，已不能满足规定。而用4.5%Ni-0.2%Mo焊丝焊接的焊缝金属的回火脆化倾向就小得多，使用此焊丝可避免上述困难。

（3）9Ni钢

9Ni钢通常采用淬火+回火或两次正火+回火的热处理，以最大程度地提高其低温韧性。但该钢的焊缝金属不能进行上述热处理。因此，如果采用铁基焊材，很难获得与母材相当的低温韧性的焊缝金属。目前主要使用高镍基焊材。用此类焊材焊接的焊缝将完全为奥氏体。虽然它具有强度低于9Ni钢母材且价格非常昂贵的缺点，但脆性断裂对它来说已不再是一个严重的问题。

由上可知：由于焊缝金属完全为奥氏体组织，焊条、焊丝熔敷的焊缝金属的低温韧性可与母材完全相同

含镍钢具有自硬化性，因此大多数焊条和焊丝都注意限制碳含量，以获得良好的焊接性。

 Mo是焊接材料中重要的强化元素，Nb、Ta、Ti、W是重要的强韧化元素。

充分重视选择和搭配。

 采用同一种焊丝进行焊接时，埋弧焊焊缝金属的强度和韧性比MIG焊差，这可能是由于

这是由于焊缝冷却速度慢以及焊剂中杂质或Si可能渗入造成的。

3.A333-GR6低温钢管道焊接

1）A333-GR6钢焊接性分析

A333-GR6钢属于低温钢，最低使用温度为-70℃，通常以正火或正火加回火状态供货。A333-GR6钢含碳量较低，因而淬硬倾向和冷裂倾向都较小，材料韧性和塑性都较好，一般不易产生淬硬、裂纹缺陷。焊接性良好。可选用ER80S-Ni1氩弧焊丝和W707Ni焊条，采用氩电焊，也可以选用ER80S-Ni1氩弧焊丝，采用全氩弧焊，以保证焊接接头有良好的韧性。氩弧焊丝、焊条的牌号也可选用性能相当的产品，但必须经业主同意使用。

2）焊接工艺

详细焊接工艺方法请参考焊接工艺指导书（WPS）。焊接时，直径小于76.2mm的管道采用I型对接接头、全氩弧焊；直径大于76.2mm的管道开V型坡口，采用氩弧打底多层填充氩电焊或全氩弧焊。具体方法根据业主批准的WPS中的不同管径、管壁厚选择相应的焊接方法。

3）热处理工艺

（1）焊前预热

当环境温度低于5℃时，焊件需预热100～150℃；预热范围为焊缝两侧各100mm；采用氧乙炔火焰（中性焰）加热，用测温笔在距焊缝中心50～100mm处测温。测温点应分布均匀，以更好地控制温度。

（2）焊后热处理

为了提高低温钢的缺口韧性，一般所用材料均已进行过淬火和回火处理。焊后热处理不当往往会恶化其低温性能，应引起足够的重视。因此，除焊件厚度较大或约束条件十分苛刻的情况外，低温钢通常不进行焊后热处理。例如中海壳牌新增LPG管道的焊接，就不需要进行焊后热处理。如果某些工程确需进行焊后热处理，则焊后热处理的升温速度、恒温时间和冷却速度必须严格按下列规定执行：

 当温度升至400℃以上时，升温速度不大于205×25/δ℃/h，且不大于330℃/h。 恒温时间每25mm壁厚为1小时，且不小于15分钟。恒温期间最大与最小温差应小于

65℃。

 恒温后冷却速度不大于65×25/δ℃/h，且不大于260℃/h，400℃以下可自然冷却。采用微机控制的TS-1型热处理设备。

4）注意事项

（1）严格按规定预热，控制层间温度。层间温度应控制在100～200℃。每条焊缝应一次焊完。

若中断，应采取缓冷措施。

（2）严禁电弧划伤焊件表面。熄弧时应填平弧坑，用砂轮磨去缺陷。多层焊的层间接头应错开。

（3）严格控制线能量，采用小电流、低电压、快速焊接，每根直径3.2mm的W707Ni焊条的焊接长度必须

必须大于8厘米。

（4）必须采用短弧、无摆动运行方式。

（5）必须采用全焊透焊接，并严格按照焊接工艺指导书及焊接工艺卡的要求进行。

（6）焊缝余高0～2mm，每侧焊缝宽度≤2mm。

（7）焊缝外观检查合格后，至少应间隔24小时才能进行无损检测。管道对接焊缝应符合JB 4730-94的规定。

（8）《压力容器：压力容器无损检测》标准，Ⅱ级合格。

（9）焊缝修复应在焊后热处理之前进行。若热处理后需修复，则焊缝修复后应再次进行热处理。

（10）焊缝表面几何尺寸超过标准时，允许修磨，修磨后的厚度不得小于设计要求。

（11）一般焊接缺陷，最多允许修补两次，经两次修补后缺陷仍不合格时，必须将焊缝切除，并按完整的焊接工艺重新焊接。