1. 低溫鋼概述

1) 對于低溫鋼的技術(shù)要求一般是：在低溫環(huán)境下具有足夠的強度和充分的韌性，具有良好的焊接工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等。其中低溫韌性，即低溫下防止脆性破壞發(fā)生和擴展的能力是最重要的因素。所以，各國通常都規定出最低溫度下的一定的沖擊韌性值。

2)在低溫鋼成分中，一般認為，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低溫韌性惡化，其中磷的危害最大，所以在冶煉中應早期低溫脫磷。錳、鎳等元素能使低溫韌性提高。每增加1%的鎳含量，脆性臨界轉變溫度約可降低20℃左右。

3) 熱處理工藝對低溫鋼的金相組織和晶粒度有決定性影響，從而也影響鋼的低溫韌性。經(jīng)過(guò)調質(zhì)處理后的低溫韌性有明顯的提高。

4) 根據熱加工成型方式的不同，低溫鋼可分為鑄鋼和軋材兩種。根據成分和金相組織的區別，低溫鋼可分為：低合金鋼、6％鎳鋼、9％鎳鋼、鉻—錳或鉻—錳—鎳奧氏體鋼以及鉻—鎳奧氏體不銹鋼等。低合金鋼一般在一100℃左右的溫區內使用，用于制造冷凍設備、運輸設備、乙烯地上貯藏室和石油化工設備等。在美國、英國、日本等國家，9％鎳鋼廣泛應用于一196℃的低溫結構上，如保存、運輸液化沼氣和甲烷的貯罐、貯存液氧、制造液氧和液氮的設備等。奧氏體不銹鋼是非常優(yōu)良的低溫用結構材料，它的低溫韌性好、焊接性能優(yōu)良、導熱率低，在低溫領(lǐng)域里得到廣泛應用，用于液氫、液氧的運輸罐車(chē)和貯罐等。但是，由于它含鉻、鎳較多，因而比較昂貴。

2. 低溫鋼焊接施工概述

選擇低溫鋼的焊接施工方法和施工條件時(shí)，問(wèn)題的焦點(diǎn)集中在這樣兩方面：防止焊接接頭的低溫韌性惡化，防止焊接裂紋發(fā)生。

1) 坡口加工

低溫鋼焊接接頭的坡口形式跟普通碳素鋼、低合金鋼或者不銹鋼的并沒(méi)有什么原則區別，可以按常規處理。但是對9Ni剛來(lái)講，坡口張角最好不小于70度，鈍邊最好不少于3mm。

所有低溫鋼材都可以用氧炔焰來(lái)切割。只是在氣割9Ni鋼時(shí)切割速度要比氣割普通碳素結構鋼時(shí)稍稍放慢一些。鋼材厚度若超過(guò)100mm，氣割前可將割口預熱到150—200℃，但不得超過(guò)200℃。

氣割對受焊接熱影響的區域并沒(méi)有什么不良的影響。但是由于含鎳鋼具有自硬特性，割口表層會(huì )硬化。為了確保焊接接頭能有令人滿(mǎn)意的性能，施焊前最好用砂輪將割口表層打磨平整干凈。

在焊接施工中倘若要除掉焊道或母材，可以采用電弧氣刨。但是在重新施工之前仍舊應當把槽口表面打磨干凈。

氧炔焰氣刨不能采用，因為它有使鋼材過(guò)熱的危險性。

2) 焊接方法的選用

低溫鋼可用的典型焊接方法有電弧焊、埋弧焊、熔化極氬弧焊等。

電弧焊是低溫鋼最常用的焊接方法，它可在各種焊接位置上施焊。其焊接熱輸入量約是18—30KJ/cm左右。倘若使用低氫型電焊條，可以得到完全令人滿(mǎn)意的焊接接頭，不但機械性能好，缺口韌性也相當優(yōu)良，此外，電弧焊還有焊機簡(jiǎn)單便宜，設備投資少，可不受位置、方向的限制等優(yōu)點(diǎn)。

低溫鋼埋弧焊的熱輸入量約有10—22KJ/cm。由于它設備簡(jiǎn)單，焊接效率高，操作方便，所以用得很廣泛。但是由于焊劑的隔熱作用，會(huì )使冷卻速度減慢，所以產(chǎn)生熱裂紋的傾向性也較大，加之從焊劑中?？赡苡须s質(zhì)和Si進(jìn)入焊縫金屬，這就會(huì )更助長(cháng)這種傾向，因此在采用埋弧焊時(shí)要注意焊絲、焊劑的選配和慎重仔細地進(jìn)行操作。

CO2氣體保護焊所焊成的接頭韌性較低，所以在低溫鋼焊接中不予采用。

鎢極氬弧焊（TIG焊）通常都是手工操作，其焊接熱輸入量局限在9—15KJ/cm范圍內。因此，雖然焊接接頭有完全令人滿(mǎn)意的性能，但當鋼材厚度超過(guò)12mm時(shí)就完全不適用了。

熔化極氬弧焊(MIG焊)是目前低溫鋼焊接中應用最廣的自動(dòng)或半自動(dòng)焊接方法。它的焊接熱輸入量23—40KJ/cm。根據熔滴過(guò)渡方式，它可分為短路過(guò)渡工藝（熱輸入量較低）、射流過(guò)渡工藝（熱輸入量較高）和脈沖射流過(guò)渡工藝（熱輸入量最高）三種。短路過(guò)渡MIG焊存在著(zhù)熔深不夠的問(wèn)題，可能出現熔合不良的缺陷。其他方式MIG焊液存在類(lèi)似問(wèn)題，只是程度有所不同。為了使電弧更為集中以取得滿(mǎn)意的熔深，可以在充當保護氣體的純氬中滲入百分之幾到百分之幾十的CO2 或O2。合適的百分數應針對所焊的具體鋼種通過(guò)試驗來(lái)加以確定。

3) 焊接材料的選擇

焊接材料（包括電焊條、焊絲和焊劑等），通常應當根據采用的焊接方法。接頭形式和坡口形狀以及其他必須的特性來(lái)選擇。對低溫鋼來(lái)講，最需要重視的是應使焊縫金屬具有足以跟母材相匹配的低溫韌性，盡量減少其中擴散氫的含量。

（1） 鋁脫氧鋼

鋁脫氧鋼是對焊后冷卻速度的影響十分敏感的一個(gè)鋼種。鋁脫氧鋼手工電弧焊所用電焊條大多采用Si—Mn系低氫型電焊條或者1.5% Ni系、2.0% Ni系電焊條。

為了減低焊接熱輸入量，鋁脫氧鋼一般只采用≤￠3～3.2mm的細焊條多層敷焊，這樣就可利用上層焊道的二次熱循環(huán)而使晶粒細化。

用Si-Mn系電焊條敷焊的焊縫金屬在50℃時(shí)的沖擊韌性會(huì )隨著(zhù)熱輸入量的增大而急劇的降低。例如熱輸入量從18KJ/cm增加的到30KJ/cm時(shí)，韌性就會(huì )損失60%以上。1.5%Ni系與2.5%Ni系電焊條則對此并不太敏感，因此最好選用這種焊條來(lái)施焊。

埋弧焊是鋁脫氧鋼常用的自動(dòng)焊接法。埋弧焊所用的焊絲組好是含1.5~3.5%與含鉬0.5~1.0%的那種。

根據文獻介紹，用2.5%Ni—0.8%Cr—0.5%Mo或2%Ni焊絲，跟適當的焊劑相配合，焊縫金屬在-55℃下的卻貝韌性值平均可達56-70J(5.7~7.1Kgf.m)。甚至在采用0.5%Mo焊絲和錳合金堿性焊劑時(shí)，只要熱輸入量控制在26KJ/cm一下，仍可制出具有ν∑-55=55J(5.6Kgf.m)的焊縫金屬。

焊劑選擇時(shí)，要注意到焊縫金屬中Si與Mn的匹配。試驗證明。焊縫金屬中不同的Si、Mn含量會(huì )使其卻貝韌性值有很大的變動(dòng)，具備最佳韌性值的Si、Mn含量是0.1~0.2%Si與0.7~1.1%Mn，在選用焊絲和焊劑時(shí)應注意這點(diǎn)。

鎢極氬弧焊與熔化極氬弧焊，在鋁脫氧鋼中用得較少。上述供埋弧焊使用的焊絲也可供氬弧焊使用。

（2） 2.5Ni鋼與3.5Ni

2.5Ni鋼與3.5Ni的埋弧焊或MIG焊，一般可以用跟母材材質(zhì)相同的焊絲來(lái)施焊。但是正像wilkinson公式（5）所示，Mn是低鎳低溫鋼的熱裂抑制元素。使焊縫金屬中含錳量保持在1.2%上下，對防止弧坑裂紋之類(lèi)的熱裂紋是十分有利的。在選擇焊絲和焊劑的配合時(shí)應當重視這點(diǎn)。

3.5Ni鋼回火脆化傾向較大，因此在為了消除殘余應力而進(jìn)行焊后熱處理（例如620℃×1小時(shí)，然后爐冷）之后，ν∑-100就會(huì )從3.8Kgf.m劇降到2.1Kgf.m從而不能再滿(mǎn)足規定，用4.5%Ni—0.2%Mo系焊絲敷焊成的焊縫金屬，回火脆化傾向就要小得多，采用這種焊絲就可避免上述困難。

（3） 9Ni鋼

9Ni鋼通常要通過(guò)淬火一回火或者兩次正火一回火熱處理，以最高限度地提高它的低溫韌性。但是這種鋼材的焊縫金屬就沒(méi)法像上述那樣進(jìn)行熱處理。因此倘若用鉄素體系焊接材料就很難獲得具有足以跟母材相匹敵的低溫韌性的焊縫金屬。目前采用的主要是高鎳系焊接材料。這樣的焊接材料敷焊的焊縫都市完全奧氏體組織的，雖然它存在強度比9Ni鋼母材低和價(jià)格非常昂貴的缺點(diǎn)，但是對它來(lái)講，脆性破斷已不再是嚴重的問(wèn)題。

從以上可知：由于焊縫金屬完全是奧氏體組織，所用焊條和焊絲敷焊的焊縫金屬，其低溫韌性完全可跟母材相媲美，只是抗拉強度與屈服點(diǎn)比母材低。含鎳鋼具有自硬性，所以絕大多數焊條和焊絲都注意了限制含碳量，以謀求良好的可焊性。

? 在焊接材料中Mo是重要的強化元素，而Nb、Ta、Ti和W則是重要的韌化元素，在焊接材料的選配上都已予以充分重視。

? 當采用同一種焊絲施焊時(shí)，埋弧焊焊縫金屬的強度和韌性都比MIG焊的差一些，這可能是由于焊縫冷卻速度減慢和可能有雜質(zhì)或Si從焊劑中滲入而造成的。

3. A333-GR6低溫鋼管道焊接

1) A333-GR6 鋼的可焊性分析

A333–GR6 鋼屬于低溫鋼， 最低使用溫度為-70 ℃， 通常以正火或正火加回火狀態(tài)供貨。A333-GR6 鋼含碳量較低，因此淬硬傾向和冷裂傾向都比較小， 材質(zhì)韌性和塑性較好， 一般不易產(chǎn)生硬化和裂紋缺陷，可焊性好，可選用ER80S-Ni1氬弧焊絲與W707Ni 焊條，采用氬電聯(lián)焊，或選用ER80S-Ni1氬弧焊絲，采用全氬弧焊焊接，以保證焊接接頭良好的韌性。氬弧焊焊絲與焊條的品牌也可選用性能相同的產(chǎn)品，但須得到業(yè)主的同意方可使用。

2) 焊接工藝

詳細的焊接工藝方法詳見(jiàn)焊接工藝指導書(shū)即WPS。焊接中， 對直徑小于76.2 mm 的管道采用I 型口對接， 全氬弧焊接； 對于直徑大于76.2 mm 的管道開(kāi)V 型坡口，采用氬弧打底多層填充的氬電聯(lián)焊的方法或全氬弧焊的方法。具體做法按照業(yè)主批準的WPS中管徑和管壁厚度的不同而選用相應的焊接方法。

3) 熱處理工藝

（1） 焊前預熱

當環(huán)境溫度低于5 ℃時(shí)需對焊件進(jìn)行預熱， 預熱溫度為100 ～ 150 ℃； 預熱范圍是焊縫兩側各100 mm； 用氧乙炔焰（中性焰） 加熱， 測溫筆在距焊縫中心50 ～ 100 mm 處測量溫度， 測溫點(diǎn)均勻分布， 以更好地控制溫度。

（2） 焊后熱處理

為了改善低溫鋼的缺口韌性，一般采用的材料都已經(jīng)調質(zhì)處理，焊后熱處理不當，常常會(huì )使其低溫性能變壞，應當引起足夠的重視。因此除了焊件厚度較大或拘束條件很?chē)揽岬臈l件外，低溫鋼通常都不進(jìn)行焊后熱處理。如CSPC新增LPG管線(xiàn)的焊接即不需進(jìn)行焊后熱處理。如在一些項目中確需進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理的加熱速率、恒溫時(shí)間及冷卻速率必須嚴格按按以下規定執行：

? 當溫度升至400 ℃以上時(shí)， 加熱速率不應大于205 × 25/δ ℃/h， 且不得大于330 ℃/h。 ? 恒溫時(shí)間應為每25 mm 壁厚恒溫1 h， 且不得小于15 min， 在恒溫期間最高與最低溫差應低于65 ℃。

? 恒溫后冷卻速率不應大于65 × 25/δ ℃/h，且不得大于260 ℃/h， 400 ℃以下可自然冷卻。采用電腦控制的TS-1 型熱處理設備。

4) 注意事項

（1） 按規定嚴格預熱， 控制層間溫度， 層間溫度控制在100 ～ 200 ℃。每條焊縫應一次焊完，若中斷， 應采取緩冷措施。

（2） 焊件表面嚴禁電弧擦傷， 收弧應將弧坑填滿(mǎn)并用砂輪磨去缺陷。多層焊的各層間接頭要錯開(kāi)。

（3） 嚴格控制線(xiàn)能量， 采用小電流、低電壓、快速焊。直徑3.2 mm 的W707Ni 焊條每根焊接長(cháng)度必須大于8cm。

（4） 必須采用短弧、不擺動(dòng)的操作方式。

（5） 必須采用全焊透工藝， 并嚴格按照焊接工藝說(shuō)明書(shū)和焊接工藝卡的要求進(jìn)行。

（6） 焊縫余高0 ～ 2mm， 焊縫每側增寬≤2mm。

（7） 焊縫外觀(guān)檢測合格后， 至少24 h 后方可進(jìn)行無(wú)損檢測。管道對接焊縫執行JB 4730-94

（8） 《壓力容器： 壓力容器無(wú)損檢測》標準， Ⅱ級合格。

（9） 焊縫返修應在焊后熱處理前進(jìn)行， 若熱處理后須返修， 則返修后， 焊縫要重新進(jìn)行熱處理。

（10） 若焊縫表面成形幾何尺寸超標， 允許修磨， 且修磨后其厚度不得小于設計要求。

（11） 對于一般的焊接缺陷最多允許兩次返修，若兩次返修仍不合格， 則需切除這道焊縫， 按照完整的焊接工藝重新施焊。

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