低温钢的焊接

基础知识

一、低温钢简介

人们通常把–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：

（1）按使用温度等级分类 低温钢分为–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。

二、低温钢的焊接性

低温钢由于碳的质量分数、塑性和韧性好，焊后淬硬倾向和冷裂纹倾向小，具有良好的焊接性。虽然低温钢具有良好的焊接性，但由于焊件结构及元素的不同，仍会出现焊接缺陷。

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%，焊接性良好，淬硬倾向较小，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。这类钢焊接性分析时应注意以下问题：

（1）热影响区晶粒长大和降低韧性。

（2）回火脆性。

（3）含氮的铁素体低温钢接头某些区域会发生热应变脆化，使该区的塑性和韧性下降。

2.含Ni低温钢的焊接性特点

含Ni较低的2.5Ni和3.5Ni低温钢，虽然由于Ni的加入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。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。

任务实施

低温钢的焊接工艺

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，这是制订低温钢焊接工艺的一个根本出发点。

1.坡口加工

低温钢接头的坡口形式跟普通碳素钢、低合金钢或者不锈钢的并没有什么原则区别，可以按常规处理。但对9Ni钢来讲，坡口角度最好不小于70°，钝边最好不少于3 mm，所有低温钢材都可以用氧乙炔焰来切割。

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、熔化极板弧焊、钨极氩弧焊等。电弧焊是低温钢最常见的焊接方法。低温钢焊接中常用的自动或半自动焊接方法，主要有理弧焊和气体保护焊。CO2保护焊所焊成的接头韧性较低，在低温钢焊接中不予采用。钨极氢弧焊通常都是手工操作，其焊接热输入量局限在9～15 k J/cm范围内。因此，虽然焊接接头有完全令人满意的性能，但当钢材厚度超过12 mm时就不完全适用了。

3.焊接材料的选择

（1）焊条的选择 根据低温焊接结构的工作条件，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9-9。

表9-9 几种常用低温钢焊接材料的选用

（2）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，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，见表9-10。

表9-10 常用低温钢埋弧焊时焊剂与焊丝的组合

4.焊接工艺要点

为避免焊缝金属及近缝区形成粗晶组织而降低低温韧性，焊接时要求采取如下工艺措施：

（1）采用小的热输入，控制焊接电流大小，焊条尽量不摆动，采用窄焊道，快速焊。

（2）采用多层多道焊，通过多道焊，后续焊道的重热作用细化晶粒。

（3）当板厚较大或拘束较大时，可考虑预热。严格控制道间温度，以减轻焊道过热，一般道间温度不大于200℃～300℃。

（4）为消除应力，提高焊接接头抗低温脆性断裂的能力，可采取焊后消除应力热处理。

（5）避免产生焊接欠缺，确保焊缝中不存在弧坑、未焊透、咬边和形成不良等缺陷，否则，低温时容易因钢材对缺欠和应力集中的敏感性增大而增大接头低温脆性破坏的倾向。

拓展提高

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。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。焊接电压如果增大较多，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，降低接头区的低温韧性。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。

2.熔化极氢弧焊（MIG）

应控制焊接热输入不宜太大，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。