焊工焊接低温钢的操作方法

1. 低温钢概述

1) 对于低温钢的技术要求一般是：在低温环境下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的焊接工艺

性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。

2) 在低温钢成分中，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，所

以在冶炼中应早期低温脱磷。锰、镍等元素能使低温韧性提高。每增加1%的镍含量，脆性临界转变温度约可降低20℃左右。

3) 热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒度有决定性影响，从而也影响钢的低温韧性。经过调质处理

后的低温韧性有明显的提高。

4) 根据热加工成型方式的不同，低温钢可分为铸钢和轧材两种。根据成分和金相组织的区别，低温钢

可分为：低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬—锰或铬—锰—镍奥氏体钢以及铬—镍奥氏体不锈钢等。低合金钢一般在一100℃左右的温区内使用，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、英国、日本等国家，9％镍钢广泛应用于一196℃的低温结构上，如保存、运输液化沼气和甲烷的贮罐、贮存液氧、制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是非常优良的低温用结构材料，它的低温韧性好、焊接性能优良、导热率低，在低温领域里得到广泛应用，用于液氢、液氧的运输罐车和贮罐等。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，问题的焦点集中在这样两方面：防止焊接接头的低温韧性恶化，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。但是对9Ni刚来讲，坡口张角最好不小于70度，钝边最好不少于3mm。

所有低温钢材都可以用氧炔焰来切割。只是在气割9Ni钢时切割速度要比气割普通碳素结构钢时稍稍放慢一些。钢材厚度若超过100mm，气割前可将割口预热到150—200℃，但不得超过200℃。

气割对受焊接热影响的区域并没有什么不良的影响。但是由于含镍钢具有自硬特性，割口表层会硬化。为了确保焊接接头能有令人满意的性能，施焊前最好用砂轮将割口表层打磨平整干净。

在焊接施工中倘若要除掉焊道或母材，可以采用电弧气刨。但是在重新施工之前仍旧应当把槽口表面打磨干净。

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。

电弧焊是低温钢最常用的焊接方法，它可在各种焊接位置上施焊。其焊接热输入量约是18—30KJ/cm左右。倘若使用低氢型电焊条，可以得到完全令人满意的焊接接头，不但机械性能好，缺口韧性也相当优良，此外，电弧焊还有焊机简单便宜，设备投资少，可不受位置、方向的限制等优点。

低温钢埋弧焊的热输入量约有10—22KJ/cm。由于它设备简单，焊接效率高，操作方便，所以用得很广泛。但是由于焊剂的隔热作用，会使冷却速度减慢，所以产生热裂纹的倾向性也较大，加之从焊剂中常可能有杂质和Si进入焊缝金属，这就会更助长这种倾向，因此在采用埋弧焊时要注意焊丝、焊剂的选配和慎重仔细地进行操作。

CO2气体保护焊所焊成的接头韧性较低，所以在低温钢焊接中不予采用。

钨极氩弧焊（TIG焊）通常都是手工操作，其焊接热输入量局限在9—15KJ/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12mm时就完全不适用了。

熔化极氩弧焊(MIG焊)是目前低温钢焊接中应用最广的自动或半自动焊接方法。它的焊接热输入量23—40KJ/cm。根据熔滴过渡方式，它可分为短路过渡工艺（热输入量较低）、射流过渡工艺（热输入量较高）和脉冲射流过渡工艺（热输入量最高）三种。短路过渡MIG焊存在着熔深不够的问题，可能出现熔合不良的缺陷。其他方式MIG焊液存在类似问题，只是程度有所不同。为了使电弧更为集中以取得满意的熔深，可以在充当保护气体的纯氩中渗入百分之几到百分之几十的CO2 或O2。合适的百分数应针对所焊的具体钢种通过试验来加以确定。

3) 焊接材料的选择

焊接材料（包括电焊条、焊丝和焊剂等），通常应当根据采用的焊接方法。接头形式和坡口形状以及其他必须的特性来选择。对低温钢来讲，最需要重视的是应使焊缝金属具有足以跟母材相匹配的低温韧性，尽量减少其中扩散氢的含量。

（1） 铝脱氧钢

铝脱氧钢是对焊后冷却速度的影响十分敏感的一个钢种。铝脱氧钢手工电弧焊所用电焊条大多采用Si—Mn系低氢型电焊条或者1.5% Ni系、2.0% Ni系电焊条。

为了减低焊接热输入量，铝脱氧钢一般只采用≤￠3～3.2mm的细焊条多层敷焊，这样就可利用上层焊道的二次热循环而使晶粒细化。

用Si-Mn系电焊条敷焊的焊缝金属在50℃时的冲击韧性会随着热输入量的增大而急剧的降低。例如热输入量从18KJ/cm增加的到30KJ/cm时，韧性就会损失60%以上。1.5%Ni系与2.5%Ni系电焊条则对此并不太敏感，因此最好选用这种焊条来施焊。

埋弧焊是铝脱氧钢常用的自动焊接法。埋弧焊所用的焊丝组好是含镍1.5~3.5%与含钼0.5~1.0%的那种。

根据文献介绍，用2.5%Ni—0.8%Cr—0.5%Mo或2%Ni焊丝，跟适当的焊剂相配合，焊缝金属在-55℃下的却贝韧性值平均可达56-70J(5.7~7.1Kgf.m)。甚至在采用0.5%Mo焊丝和锰合金碱性焊剂时，只要热输入量控制在26KJ/cm一下，仍可制出具有ν∑-55=55J(5.6Kgf.m)的焊缝金属。

焊剂选择时，要注意到焊缝金属中Si与Mn的匹配。试验证明。焊缝金属中不同的Si、Mn含量会使其却贝韧性值有很大的变动，具备最佳韧性值的Si、Mn含量是0.1~0.2%Si与0.7~1.1%Mn，在选用焊丝和焊剂时应注意这点。

钨极氩弧焊与熔化极氩弧焊，在铝脱氧钢中用得较少。上述供埋弧焊使用的焊丝也可供氩弧焊使用。

（2） 2.5Ni钢与3.5Ni

2.5Ni钢与3.5Ni的埋弧焊或MIG焊，一般可以用跟母材材质相同的焊丝来施焊。但是正像wilkinson公式（5）所示，Mn是低镍低温钢的热裂抑制元素。使焊缝金属中含锰量保持在1.2%上下，对防止弧坑裂纹之类的热裂纹是十分有利的。在选择焊丝和焊剂的配合时应当重视这点。

3.5Ni钢回火脆化倾向较大，因此在为了消除残余应力而进行焊后热处理（例如620℃×1小时，然后炉冷）之后，ν∑-100就会从3.8 Kgf.m剧降到2.1Kgf.m从而不能再满足规定，用4.5%Ni—0.2%Mo系焊丝敷焊成的焊缝金属，回火脆化倾向就要小得多，采用这种焊丝就可避免上述困难。

（3） 9Ni钢

9Ni钢通常要通过淬火一回火或者两次正火一回火热处理，以最高限度地提高它的低温韧性。但是这种钢材的焊缝金属就没法像上述那样进行热处理。因此倘若用鉄素体系焊接材料就很难获得具有足以跟母材相匹敌的低温韧性的焊缝金属。目前采用的主要是高镍系焊接材料。这样的焊接材料敷焊的焊缝都市完全奥氏体组织的，虽然它存在强度比9Ni钢母材低和价格非常昂贵的缺点，但是对它来讲，脆性破断已不再是严重的问题。

从以上可知：由于焊缝金属完全是奥氏体组织，所用焊条和焊丝敷焊的焊缝金属，其低温韧性完全可跟母

材相媲美，只是抗拉强度与屈服点比母材低。含镍钢具有自硬性，所以绝大多数焊条和焊丝都注意了限制含碳量，以谋求良好的可焊性。

? 在焊接材料中Mo是重要的强化元素，而Nb、Ta、Ti和W则是重要的韧化元素，在焊接材料

的选配上都已予以充分重视。

? 当采用同一种焊丝施焊时，埋弧焊焊缝金属的强度和韧性都比MIG焊的差一些，这可能是由

于焊缝冷却速度减慢和可能有杂质或Si从焊剂中渗入而造成的。

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， 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，因此淬硬倾向和冷裂倾向都比较小， 材质韧性和塑性较好， 一般不易产生硬化和裂纹缺陷， 可焊性好，可选用ER80S-Ni1氩弧焊丝与W707Ni 焊条，采用氩电联焊，或选用ER80S-Ni1氩弧焊丝，采用全氩弧焊焊接，以保证焊接接头良好的韧性。氩弧焊焊丝与焊条的品牌也可选用性能相同的产品，但须得到业主的同意方可使用。

2) 焊接工艺

详细的焊接工艺方法详见焊接工艺指导书即WPS。焊接中， 对直径小于76.2 mm 的管道采用I 型口对接， 全氩弧焊接； 对于直径大于76.2 mm 的管道开V 型坡口，采用氩弧打底多层填充的氩电联焊的方法或全氩弧焊的方法。具体做法按照业主批准的WPS中管径和管壁厚度的不同而选用相应的焊接方法。

3) 热处理工艺

（1） 焊前预热

当环境温度低于5 ℃时需对焊件进行预热， 预热温度为100 ～ 150 ℃； 预热范围是焊缝两侧各100 mm； 用氧乙炔焰（中性焰） 加热， 测温笔在距焊缝中心50 ～ 100 mm 处测量温度， 测温点均匀分布， 以更好地控制温度。

（2） 焊后热处理

为了改善低温钢的缺口韧性，一般采用的材料都已经调质处理，焊后热处理不当，常常会使其低温性能变坏，应当引起足够的重视。因此除了焊件厚度较大或拘束条件很严酷的条件外，低温钢通常都不进行焊后热处理。如CSPC新增LPG管线的焊接即不需进行焊后热处理。如在一些项目中确需进行焊后热处理，焊后热处理的加热速率、恒温时间及冷却速率必须严格按按以下规定执行：

? 当温度升至400 ℃以上时， 加热速率不应大于205 × 25/δ ℃/h， 且不得大于330 ℃/h。 ? 恒温时间应为每25 mm 壁厚恒温1 h， 且不得小于15 min， 在恒温期间最高与最低温差应低于

65 ℃。

? 恒温后冷却速率不应大于65 × 25/δ ℃/h，且不得大于260 ℃/h， 400 ℃以下可自然冷却。采用电脑控制的TS-1 型热处理设备。

4) 注意事项

（1） 按规定严格预热， 控制层间温度， 层间温度控制在100 ～ 200 ℃。每条焊缝应一次焊完，若

中断， 应采取缓冷措施。

（2） 焊件表面严禁电弧擦伤， 收弧应将弧坑填满并用砂轮磨去缺陷。多层焊的各层间接头要错开。

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

须大于8cm。

（4） 必须采用短弧、不摆动的操作方式。

（5） 必须采用全焊透工艺， 并严格按照焊接工艺说明书和焊接工艺卡的要求进行。

（6） 焊缝余高0 ～ 2mm， 焊缝每侧增宽≤2mm。

（7） 焊缝外观检测合格后， 至少24 h 后方可进行无损检测。管道对接焊缝执行JB 4730-94

（8） 《压力容器： 压力容器无损检测》标准， Ⅱ级合格。

（9） 焊缝返修应在焊后热处理前进行， 若热处理后须返修， 则返修后， 焊缝要重新进行热处理。

（10） 若焊缝表面成形几何尺寸超标， 允许修磨， 且修磨后其厚度不得小于设计要求。

（11） 对于一般的焊接缺陷最多允许两次返修，若两次返修仍不合格， 则需切除这道焊缝， 按照完整

的焊接工艺重新施焊。