低温钢的焊接工艺特点及其应用

应利

摘要：近年来，绿色能源——天然气逐步受到各国的重视，采用低温钢制造的液化天然气储罐的需求增加，而且不断向大型化方向发展。低温钢是指在低温特殊环境中应用的低合金钢，是为了适应石油、化工等产业的需要而迅速发展起来的专用钢。低温钢具有优异的低温韧性，具有良好加工性能和耐蚀性，在石化、天然气等工业部门得到了广泛的应用。本文将结合教学实践，主要探讨低温钢的焊接工艺特点及其应用。

关键词：低温钢；焊接工艺；特点中图分类号：G718文献标识码：B文章编号：1672-1578（2014）18-0283-01《焊接结构生产》是焊接专业学习的一门主干课程。它的主要任务是使学生具备焊接生产的基础知识和基本技能，为今后从事焊接专业或相关专业的工作打下基础。本教材根据课程的教学需要，编入了焊接结构的基本知识和焊接结构生产工艺过程的专业理论知识，并以焊接结构、接头形式、焊接变形和焊接应力为基础，全面介绍了焊接结构零件的加工工艺、装配与焊接工艺及其所用工艺装备、典型产品加工工艺过程、焊接结构生产组织与安全技术等方面的知识。同时安排了与之有关的技能训练[1]。

1.工程实例

板厚15mm的9Ni钢大型储罐，工作温度为-190℃。储罐为平板对接的立焊焊缝，采用单面自动TIG焊，且背面不清根。选用镍基焊丝70Ni．Mo．W，直径为1.2mm，焊接电流200～240A，焊接电压11～13V，焊接速度4.3～5cm/min，氩气流量20～30L/min，焊后不进行消除应力热处理。

2.低温钢焊接工艺分析

2.1低温钢的特点及应用。通常把-10～-196℃的温度范围称为"低温"(我国从-40℃算起)，低于-196℃(直到-273℃)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，主要用于制造在-20～-253℃低温下工作的焊接结构，如储存和运输各类液化气体的容器等[2]。

主要是一些含Ni或无Ni的低合金钢，一般在正火或调质状态使用，主要用于各种低温装置(-40～-196℃)和在严寒地区的一些工程结构，如液化石油气、天然气的储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢必须保证在相应的低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。低温钢可根据使用的温度等级(分为-10～-40℃、-50～-90℃、-100～-120℃和-196～-273℃等)、合金含量和组织(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；或者按有无Ni、Cr元素分类)、热处理方法(分为非调质低温钢和调质低温钢)等进行分类。

2.2低温钢的焊接性能分析

2.2.1铁素体型低温钢的焊接特点。铁素体型低温钢含碳量大都在0.06%～0.20%范围内，合金元素总含量≤5%，其碳当量在0.27%～0.57%之间。由于碳当量不高，淬硬倾向较小，室温下焊接时，不易形成冷裂纹；钢中S、P等杂质元素的含量控制较低，也不易产生热裂纹。铁素体型低温钢的焊接性良好。通常，板厚在25mm以下时不需预热，当板厚超过25mm或焊接接头刚性拘束较大时，则应考虑预热，以防产生焊接裂纹。但是，若预热温度过高，会使热影响区晶粒长大，并在晶界可能析出氧化物和碳化物而降低韧性。大多数铁素体型低温钢通过加入细化晶粒的合金元素以及正火处理提高其低温韧性，韧性指标一般能得到保证。对于含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种，在进行消除应力热处理时，当加热温度处于回火脆性敏感温度区间时，会析出脆性相，使低温韧性显著下降。因此，要合理地选择焊后热处理工艺，以保证接头的低温韧性。

2.2.2低碳马氏体型低温钢的焊接特点。9Ni钢是典型的低碳马氏体型低温钢，含有较多的Ni，具有一定的淬硬性。焊前均进行正火后再高温回火或900℃水淬后再570℃回火处理，其组织为低碳板条马氏体。这种钢具有较高的低温韧性，其焊接性能优于一般低合金高强钢。板厚50mm以下的结构，可以不预热，焊后也可不进行消除应力热处理[3]。但是，必须严格控制钢的化学成分，尤其是S、P的含量，否则容易产生焊接热裂纹，尤其是弧坑裂纹。若钢中的S含量偏高，可形成低熔点共晶体Ni-NisSz(644℃)；P的含量超标，也可能形成Ni-Ni3P2(880℃)共晶体，这均易造成结晶裂纹。

3.教学实例

教学过程中，一是要针对基础知识的教学，组织学生进行现场参观教学，或通过多媒体教学手段，让学生对焊接结构生产的全过程有一定的感性认识；二是在理论教学中，配合每一种能力目标要求，精心进行课堂设计，加强实践意识和应用能力的培养；除此以外，还应结合专业知识的教学，加强与焊接结构有关的新知识、新技术、新工艺和新设备的介绍，积极开阔学生的视野和开发学生的专业创新思维[4]。从焊接角度研究不同材料的基本特性(包括焊接性特点、焊接工艺、焊接材料等)，阐述材料的焊接性和材料焊接的基本理论与概念，分析不同材料的焊接性特点和工艺要点。针对具体材料焊接结构的要求，掌握焊接材料选择和制订焊接工艺的基本原则及方法。通过本课程的学习，培养学生对专业基本概念的理解，通过理论联系实际的训练，启发学生思考，培养和加强学生独立归纳整理和分析的能力，使学生结合具体材料掌握一些基本的焊接工艺，初步具备分析和解决焊接工程问题的能力。本课程实际执行过程中可根据各院校的具体情况，对教学内容进行适当增减或指导学生自学。每章应有明确的教学主题和讲述重点，各院校可根据各自的教学特点安排和分配学时。单从材料本身的化学成分、物理性能和力学性能，不足以判断它在焊接过程中可能出现的问题以及焊接后能否满足使用要求，这就要求从焊接性的角度出发来分析和研究材料的某些特定的性能，也就是材料的焊接性问题。参考文献：

[1]SA203Gr. D低温钢多道焊焊接性能试验研究[J].锅炉技术，2014，02：52-54+80.

[2]朱霞，董俊慧. 低温钢的焊接性能及其应用[J].铸造技术，2013，11：1538-1540.

[3]李籍. 低温钢A333 Gr.6的焊接[J].工程建设与设计，2013，04：131-133.

[4]丁全有，杨菀娜，任世宏，张凯翔，张建晓.甲醇装置用16MnDR低温钢的焊接[J]. 电焊机，2013，07：37-38.