低溫鋼的焊接工藝特點及其應用

應利

摘要：近年來，綠色能源——天然氣逐步受到各國的重視，采用低溫鋼制造的液化天然氣儲罐的需求增加，而且不斷向大型化方向發展。低溫鋼是指在低溫特殊環境中應用的低合金鋼，是為了適應石油、化工等產業的需要而迅速發展起來的專用鋼。低溫鋼具有優異的低溫韌性，具有良好加工性能和耐蝕性，在石化、天然氣等工業部門得到了廣泛的應用。本文將結合教學實踐，主要探討低溫鋼的焊接工藝特點及其應用。

關鍵詞：低溫鋼；焊接工藝；特點中圖分類號：G718文獻標識碼：B文章編號：1672-1578（2014）18-0283-01《焊接結構生產》是焊接專業學習的一門主干課程。它的主要任務是使學生具備焊接生產的基礎知識和基本技能，為今后從事焊接專業或相關專業的工作打下基礎。本教材根據課程的教學需要，編入了焊接結構的基本知識和焊接結構生產工藝過程的專業理論知識，并以焊接結構、接頭形式、焊接變形和焊接應力為基礎，全面介紹了焊接結構零件的加工工藝、裝配與焊接工藝及其所用工藝裝備、典型產品加工工藝過程、焊接結構生產組織與安全技術等方面的知識。同時安排了與之有關的技能訓練[1]。

1.工程實例

板厚15mm的9Ni鋼大型儲罐，工作溫度為-190℃。儲罐為平板對接的立焊焊縫，采用單面自動TIG焊，且背面不清根。選用鎳基焊絲70Ni．Mo．W，直徑為1.2mm，焊接電流200～240A，焊接電壓11～13V，焊接速度4.3～5cm/min，氬氣流量20～30L/min，焊后不進行消除應力熱處理。

2.低溫鋼焊接工藝分析

2.1低溫鋼的特點及應用。通常把-10～-196℃的溫度范圍稱為"低溫"(我國從-40℃算起)，低于-196℃(直到-273℃)時稱為"超低溫"。低溫鋼主要是為了適應能源、石油化工等產業部門的需要而發展起來的一種專用鋼。低溫鋼要求在低溫工作條件下具有足夠的強度、塑性和韌性，同時應具有良好的加工性能，主要用于制造在-20～-253℃低溫下工作的焊接結構，如儲存和運輸各類液化氣體的容器等[2]。

主要是一些含Ni或無Ni的低合金鋼，一般在正火或調質狀態使用，主要用于各種低溫裝置(-40～-196℃)和在嚴寒地區的一些工程結構，如液化石油氣、天然氣的儲存容器等。與普通低合金鋼相比，低溫鋼必須保證在相應的低溫下具有足夠高的低溫韌性，對強度無特殊要求。低溫鋼可根據使用的溫度等級(分為-10～-40℃、-50～-90℃、-100～-120℃和-196～-273℃等)、合金含量和組織(分為低合金鐵素體低溫鋼、中合金低溫鋼和高合金奧氏體低溫鋼；或者按有無Ni、Cr元素分類)、熱處理方法(分為非調質低溫鋼和調質低溫鋼)等進行分類。

2.2低溫鋼的焊接性能分析

2.2.1鐵素體型低溫鋼的焊接特點。鐵素體型低溫鋼含碳量大都在0.06%～0.20%范圍內，合金元素總含量≤5%，其碳當量在0.27%～0.57%之間。由于碳當量不高，淬硬傾向較小，室溫下焊接時，不易形成冷裂紋；鋼中S、P等雜質元素的含量控制較低，也不易產生熱裂紋。鐵素體型低溫鋼的焊接性良好。通常，板厚在25mm以下時不需預熱，當板厚超過25mm或焊接接頭剛性拘束較大時，則應考慮預熱，以防產生焊接裂紋。但是，若預熱溫度過高，會使熱影響區晶粒長大，并在晶界可能析出氧化物和碳化物而降低韌性。大多數鐵素體型低溫鋼通過加入細化晶粒的合金元素以及正火處理提高其低溫韌性，韌性指標一般能得到保證。對于含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的鋼種，在進行消除應力熱處理時，當加熱溫度處于回火脆性敏感溫度區間時，會析出脆性相，使低溫韌性顯著下降。因此，要合理地選擇焊后熱處理工藝，以保證接頭的低溫韌性。

2.2.2低碳馬氏體型低溫鋼的焊接特點。9Ni鋼是典型的低碳馬氏體型低溫鋼，含有較多的Ni，具有一定的淬硬性。焊前均進行正火后再高溫回火或900℃水淬后再570℃回火處理，其組織為低碳板條馬氏體。這種鋼具有較高的低溫韌性，其焊接性能優于一般低合金高強鋼。板厚50mm以下的結構，可以不預熱，焊后也可不進行消除應力熱處理[3]。但是，必須嚴格控制鋼的化學成分，尤其是S、P的含量，否則容易產生焊接熱裂紋，尤其是弧坑裂紋。若鋼中的S含量偏高，可形成低熔點共晶體Ni-NisSz(644℃)；P的含量超標，也可能形成Ni-Ni3P2(880℃)共晶體，這均易造成結晶裂紋。

3.教學實例

教學過程中，一是要針對基礎知識的教學，組織學生進行現場參觀教學，或通過多媒體教學手段，讓學生對焊接結構生產的全過程有一定的感性認識；二是在理論教學中，配合每一種能力目標要求，精心進行課堂設計，加強實踐意識和應用能力的培養；除此以外，還應結合專業知識的教學，加強與焊接結構有關的新知識、新技術、新工藝和新設備的介紹，積極開闊學生的視野和開發學生的專業創新思維[4]。從焊接角度研究不同材料的基本特性(包括焊接性特點、焊接工藝、焊接材料等)，闡述材料的焊接性和材料焊接的基本理論與概念，分析不同材料的焊接性特點和工藝要點。針對具體材料焊接結構的要求，掌握焊接材料選擇和制訂焊接工藝的基本原則及方法。通過本課程的學習，培養學生對專業基本概念的理解，通過理論聯系實際的訓練，啟發學生思考，培養和加強學生獨立歸納整理和分析的能力，使學生結合具體材料掌握一些基本的焊接工藝，初步具備分析和解決焊接工程問題的能力。本課程實際執行過程中可根據各院校的具體情況，對教學內容進行適當增減或指導學生自學。每章應有明確的教學主題和講述重點，各院校可根據各自的教學特點安排和分配學時。單從材料本身的化學成分、物理性能和力學性能，不足以判斷它在焊接過程中可能出現的問題以及焊接后能否滿足使用要求，這就要求從焊接性的角度出發來分析和研究材料的某些特定的性能，也就是材料的焊接性問題。參考文獻：

[1]SA203Gr. D低溫鋼多道焊焊接性能試驗研究[J].鍋爐技術，2014，02：52-54+80.

[2]朱霞，董俊慧. 低溫鋼的焊接性能及其應用[J].鑄造技術，2013，11：1538-1540.

[3]李籍. 低溫鋼A333 Gr.6的焊接[J].工程建設與設計，2013，04：131-133.

[4]丁全有，楊菀娜，任世宏，張凱翔，張建曉.甲醇裝置用16MnDR低溫鋼的焊接[J]. 電焊機，2013，07：37-38.