低温钢的焊接

低温钢的焊接

一、低温钢概述

CB150—2011规定，凡设计温度低于-20℃的压力容器，均属于低温容器。而低温用钢就是适用于低温下工作的容器、管道和钢结构的钢种。

钢材在低温条件下工作时具有冷脆性，衡量低温钢性能的主要指标是低温韧性。钢的成分和组织对低温性能都有显著影响，磷、碳、硅使钢的脆性转变温度提高，而锰和镍会使脆性转变温度降低，对低温韧性有利。钢中含镍量增加时，可以使其在更低的温度下保持相当高的冲击韧性。一般来说，具有面心立方的金属，其韧性随温度的变化极小，奥氏体不锈钢就是如此。此外，钢的晶粒越细，低温冲击韧性越好。

低温用钢就是通过严格控制钢材中的碳、硫、磷含量或加入一些钒、铝、钛和镍等合金元素，达到固溶强化、晶粒细化的目的，并通过正火加回火处理来细化晶粒，使组织均匀化或使钢具有面心立方晶格，从而使钢在低温下具有足够的低温韧性及抵抗脆性破坏的能力，以保证设备在低温条件下能安全运行。

低温钢按组织可分为铁素体类低温钢和奥氏体类低温钢。一般碳钢、碳锰钢均属于前一类，如16MnDR。而奥氏体不锈钢属于后一类。按含镍量可分为不含镍低温钢和含镍低温钢两大类。不含镍钢属于铁素体类低温钢，一般是通过合金元素的固溶强化、晶粒细化，并通过正火或正火加回火处理细化晶粒、均匀组织而获得良好的低温韧性。含镍钢中当含镍量较低时，属于铁素体类低温钢，当含镍量增高到18-8型不锈钢的成分时，则为奥氏体类低温钢。对于铁素体类含镍低温钢，按其含镍量不同有0.5Ni钢、1.5Ni钢、2.5Ni钢、3.5Ni钢、5Ni 钢和9Ni钢。

二、低温钢的焊接特点

对不含镍的低温钢而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也较少，故其淬硬倾向和冷裂倾向都小，如 07MnCrMoVR钢的焊接冷裂纹敏感性指数就较低，因而具有良好的焊接性能，一般可不预热或用较低的预热温度来进行焊接，当板材较厚或低温环境下焊接时，才需要一定的预热温度。所以，这一类钢的焊接时，只要选择相匹配的焊接材料和合适的工艺，保证焊缝及热影响区的低温韧性是可以的。

含镍低温钢由于添加了镍，虽然对冷裂纹倾向影响不显著，但却增大了热裂纹的倾向，必须严格控制钢及焊材中的碳、硫、磷含量，采用合适的焊接规范，使焊缝有较大的焊缝成形系数，即避免形成窄而深的焊道成形截面，就可以有效地避免热裂纹的产生。

总之，保证焊缝和粗晶区的低温韧性是低温用钢焊接时的技术关键。

三、低温钢焊接材料的选用

（一）焊接低温钢的焊条选用

焊件的工作温度不同，设计所用的材料也不相同。焊条的选用首先是根据焊件工作温度要求来进行的，焊接时需选用温度等级相适应的焊条。焊接含镍低合金低温钢所用焊条的含镍量应与母材相当或稍高，但在焊态下的焊缝，其含镍量大于2.5% 时，焊缝组织中出现大量粗大的板条贝氏体或马氏体，且韧性较低;只有焊后经调质处理，焊缝的韧性才能随其含镍量的增加而提高。

低温钢焊条执行GB/T 5117-2012《非合金钢及细晶粒钢焊条》的规定，焊条的选择具体可参考本书第二章第二节及表4-1。

（二）低温钢埋弧焊焊剂及焊丝的选用

低温钢埋弧焊时，主要考虑如何保证焊缝金属的韧性。首先，焊丝成分要控制得当，碳、硅

的含量要低些，硫、磷等有害杂质含量要尽可能降低。可选用中性熔炼焊剂配合Mn-Mo系焊丝或碱性熔炼焊剂配合含镍焊丝。目前在大多数情况下，通常选用烧结焊剂配合Mn-Mo或含镍焊丝。根据使用温度的不同，焊丝中可加入不同数量的镍。使用温度越低，加入的镍越多。镍可能增大热裂纹倾向，应严格控制钢材及焊缝金属中的碳、硫、磷的含量。为了不使焊缝强度过高而影响低温韧性，一般当焊丝含镍量低时，锰量可适当高些;当含镍量高时，锰量要适当降低。为了消除回火脆性，还应加入0.3%左右的钼。当采用碳-锰系焊丝时、需通过烧结焊剂向焊缝金属过渡合金元素（如钛、硼、镍等），以确保焊缝金属具有良好的低温韧性。

低温钢焊丝及焊剂执行CB/T12470—2003《埋弧焊用低合金钢焊丝及焊剂》的规定，焊丝的选择具体可参考本书第二章第二节及表4-1。

（三）低温钢气体保护焊焊丝的选用

在焊丝的选配上，无论是实心焊丝还是药芯焊丝，大都采用与母材含镍量相当的镍合金化的低合金钢焊丝，并尽量降低焊丝中碳、硫、磷及杂质含量。近年来，开发了向焊缝中添加微量钛和硼的焊丝，充分利用钛和硼细化晶粒的效果，可以在不受后续焊道影响的条件下，保证焊缝结晶的本质细晶粒化，从而得到稳定的高韧性焊缝。

四、低温钢焊接工艺要点

（一）采用小的焊接热输入

为避免焊缝及热影响区形成粗大组织而使其冲击韧性严重降低，焊接时必须采用较小的焊接热输入量。具体要求是，焊接电流不宜过大，焊条电弧焊焊条尽量不摆动，采用窄焊道、多层多道焊和快速多道焊以减小焊道过热，并通过多层焊的重复加热作用细化晶粒。多层焊时要严格控制层间温度。焊条焊时热输人控制在20kJ/cm以内，气体保护焊时控制在25kJ/cm以内，埋弧焊应控制在28～45kJ/cm。

（二）选择合适的与钢材相匹配的焊材

选择合适的与钢材相匹配的焊材，以保证焊缝也具有较高的低温冲击韧性。如焊接含镍的低温钢时，所选择的焊材含镍量应与母材相当或稍高一些。

（三）选择适当的焊接速度

对含镍低温钢进行埋弧焊时，不能通过提高焊接速度来获得较低的焊接热输入。这是因为当焊接速度较高时，由于熔池形成典型的雨滴状，且焊道成形变成窄而深的截面形状，此时就易产生焊道中心的热裂纹。所以，这类钢焊接时，焊接速度要特别选择适当，不可过小，也不可过大。

（四）避免咬边缺陷

低温钢焊接时应注意避免弧坑、未焊透及咬边等缺陷，这些缺陷在低温条件下，有应力作用时，都会造成较大的应力集中而引起脆性破坏。所以对于低温压力容器而言，不允许有任何尺寸的咬边缺陷存在。