低温钢焊接注意事项

一、 低温钢的定义

通常把用于-20℃—-253℃低温工作的焊接结构的专用钢称为低温钢，低温钢的重要特性是在低温工作条件下具有足够的强度、塑性等性能外，对于低温冲击韧性值一般钢种是达不到这个数值的。同时应具有良好的制造性能，对应变时效脆性和回火脆性的敏感性要小，以便在构件制成后，使钢材和焊接接头的脆性转变温度低于最低工作温度，具备足够的抗断能力，达到安全使用的要求。 二、 低温钢的分类

低温钢通常可按使用温度、合金含量和组织以及合金系统中有无镍、铬元素进行分类。 1. 按使用温度分，低温钢一般以使用温度分级，可分为-40℃、-70℃、-100℃、-196℃和

-253℃等级。各种不同温度等级的低温钢，适用于各种液化气体的容器。

2. 按合金含量和组织分，低温钢可分为三类，一是低合金铁素体型低温钢，其合金元素总

含量不超过5%，组织是铁素体加少量贝氏体，使用温度范围为-110℃以上，例16MnR（-40℃）、09Mn2VR（-70℃）二是中合金低碳马氏体型低温钢，其合金元素总含量在5-10%组织和热处理方法有关。通常淬火后的组织是低碳马氏体，正常化后的组织为低碳马氏体、铁素体以及少量奥氏体，回火后的组织是含镍铁素体和少量富碳奥氏体。典型的钢种是9Ni钢。9Ni钢的使用温度可达-196℃，冲击韧性优异。三是高合金奥氏体型低温钢，其合金元素总含量大于10%，组织为奥氏体。奥氏体组织稳定，低温冲击韧性优良，使用温度可达-196℃-269℃。

3. 按有无镍、铬元素低温钢可分为二类。含镍、铬的低温钢，工作温度可低于-50℃。大

陆研制成的无镍、铬的低温钢，有16MnR（-40℃），09Mn2V，09MnTiCr（-70℃），06MnNb（-90℃），06AlNbCuN（-110℃），15Mn26Al4（-253℃） 三、 低温钢的焊接特点

低温钢焊接的主要问题是保证焊接接头具有良好的低温冲击韧性，低温钢母材的含碳量一般都较低，且材质的韧性和塑性均很好。焊接接头的薄弱环节通常是在熔合线和焊道这两个部位。低温钢焊接时具有以下几个特点：

1. 晶粒细化。不论是奥氏体型还是铁素体型的低温钢，它们的晶粒尺寸对低温韧性有着很

大的影响，晶粒越细，韧性越好，低温钢焊接就是要获得细晶粒的组织。所以焊接时要用小入热量进行，要控制道间温度，不宜过高，防止金属过热而引起韧性下降的现象。 2. 异材焊道，对于含Ni的低温钢，通常采用异材焊接材料进行焊接其结果就是焊接金属

的成分和组织不同于母材。控制焊接金属成分就能控制焊道的低温韧性。采用高Ni焊条，可使焊接金属含Ni量高，能使焊道中奥氏体组织比例扩大，且稳定奥氏体组织，晶粒也细化，可获得较理想的效果。

3. 热裂纹，当焊接金属含有较高的Ni量时，由于Ni和S、P、B都能形成低熔共晶体，其

中Ni+Ni3S2共晶体的熔点为645℃，远低于钢的熔点，就是在焊缝结晶过程中形成低熔杂质的液态薄膜，这就要导致热裂纹的产生，尤其容易引起弧坑裂纹。

4. 未熔合，未焊透，如果采用异质材料，焊接材料的熔点和母材熔点不一，在焊接过程中

两者就难以熔融，这就可能产生熔深不足，熔合不良缺陷。 5. 焊接应力和变形大，焊接材料和母材异质，焊道和母材的导热系数与膨胀系数也有差异，

焊接时由于两者膨胀收缩不同，这必然导致有较大的应力和变形。另一方面，这类构件，就是焊后热处理也不能完全消除残留应力，而只能应力重新分布。

6. 稀释，用异质焊接材料焊接时，焊道的合金元素含量高，而母材含量低，形成焊道后，

在熔合线附近焊接金属的合金元素被稀释，而母材中的碳则向熔合线和焊道边移，其结果，可能在熔合线附近形成马氏体或马氏体+奥氏体组织，促使熔合线的韧性下降。

四、5Ni钢（12Ni19）低温钢的焊接要领 1.5Ni钢的化学成分

表1-15Ni钢化学成分% C 0.048 Mn 0.428 Si 0.181 S 0.0015 P 0.0014 N 0.007 Ni 5.142 Mo 0.024 Al 0.021 O 0.0015 从表中可知钢中镍含量达5%，又称5Ni钢。它在-110℃以下也具有良好的冲击韧性，因此称为低温用钢。目前主要用于制造液化天然气储罐，化工容器等。

5Ni钢出厂都经热处理，以提高钢的强度和低温韧性、其供货状态有正常化、正常化+退火调质。

5Ni钢是细晶粒铁素体类钢。 2.5Ni钢配用的电焊条

5Ni钢目前主要焊接方法之一是手工电弧焊，配用的焊条TN-11O是由天泰制造。该焊条操作性良好，焊接时飞溅极少，焊条熔敷系数高，脱渣容易，各种焊接位置均有良好的作业性，但容易产生弧坑等热裂纹。该焊条规格（AWS A5.11-86/11M-97：ENiCrMo-6）

TN-110 的熔填金属化学成分% C 0.029 Mn 2.52 Si 0.53 Ni 67.1 Cr 14.4 Mo 7.27 Nb 0.93 W 1.66 Fe 5.51 TN-110是镍基焊条，焊芯为纯镍，熔填金属组织是奥氏体。 2.1 TN-110 焊条的干燥、使用和安全要求

① 使用前再干燥350℃-400℃ 1小时，烘干前的炉温超过150℃以上不得将焊条放入。 ②烘干后放置于低温（110℃-150℃）干燥箱内或置于手提式保温桶内，桶内温度至少应保持在50℃-160℃。

③焊条置于大气中超过4小时，必须再放置与烘干炉中再干燥，再干燥不能超过一次。 ④应注意储存保管事项

3. 提高低温冲击韧性的措施 3.1 预热

由于5Ni钢的碳含量控制比较低，镍含量比较富有，淬硬性不明显，即使采用比较小的入热量5Ni+TN-110组合繁荣焊道热影响区硬度也很低（HV在200左右）。如果预热温度过高就会造成晶粒粗大，并在晶界上析出氧化物，从而使韧性下降。因此焊前除了清除槽内水分等特殊情况外，应避免预热。 3.2 道间温度

对于5Ni钢是依靠提高镍含量以及热处理来保证低温性能的，如果提高道间温度，t 8/5时间变长，焊道及热影响区高温停留时间延长，使用TN-110镍基焊条的焊道及接头热影响区低温冲击韧性比母材低的多。因此希望5Ni+TN-110组合的道间温度低些好，最好控制在100℃以下，但太低会影响焊接生产效率。 3.3线能量控制

线能量与电流电压成正比，与焊接速度成反比，增加焊接电流减少焊接速度都使焊道及热影响区温度上升，高温停留时间增长，其结果导致5Ni+TN-110组合的焊道奥氏体单向柱状晶粗大，偏析严重增大产生热裂纹，弧坑裂纹的可能性；而热影响区范围扩大晶粒长大，母材与焊道熔合比增大稀释作用就明显，使得焊接接头低温冲击韧性下降。反之减少入热量，因冷却过快造成热影响区特别是熔合线淬硬倾向不明显，为保障其低温时具有一定强度和较高的低温韧性，5Ni+TN-110入热量控制得比较低。 平均入热量：

平焊E=12.5KJ/cm

横焊E=10.2KJ/cm 立焊E=22.4KJ/cm 仰焊E=

个别焊道允许最大入热量Emax=35KJ/cm 3.4 焊条熔敷长度

在实际施工过程中，比较确实有效的控制入热量的方法是测定每根焊条的熔敷长度。 各种焊接位置焊条熔敷最小长度表 每根焊条最小熔敷长度（mm） 焊接位置 焊条直径 2.6 平（1G） 3.2 4.0 5.0 2.6 横（2G） 3.2 4.0 立（3G） 仰（4G） 2.6 3.2 2.6 3.2 焊接电流 110-120 140-150 190-200 280-290 115-125 140-150 185-195 80-90 110-120 95-105 115-125 入热量 20KJ/cm 80 160 270 340 85 140 255 70 100 80 100 入热量 35KJ/cm 45 90 155 195 50 80 145 40 55 45 55 4.0 裂纹 4.1 热裂纹

热裂纹的形成与焊接接头中存在低熔点共晶和接头所处的应力状态有关。由于5Ni+TN-110组合焊接接头中C、S、P含量控制的相当低，焊接金属中有添加部分Mo、W。通常这种组合的焊接接头产生结晶裂纹和液化裂纹可能性不大。但不能有效防止弧坑裂纹。 4.2弧坑裂纹

镍是强烈稳定奥氏体元素，用TN-110镍基焊条焊接时，焊缝一次结晶为方向性强的单向奥氏体柱状晶，有利于低熔点杂质偏析，促使形成晶液态夹层。由于奥氏体焊缝的导热系数小和线膨胀系数大，即使焊接接头拘束度很小的情况下，但在焊接局部加热和冷却条件下也会产生较大内应力，使得焊缝产生热裂纹。当焊接规范增大时，这种倾向越严重具体呈现在焊缝收尾，特别是开槽间隙较大的第一层打底焊的弧坑裂纹。目前尚无彻底解决弧坑裂纹的方法。一方面向焊接金属中添加Mo、W以形成碳化物粒子分布在奥氏体晶粒中使偏析受阻，从而达到减轻裂纹的目的。另一方面减少入热量，防止粗柱状晶产生，采用多道焊打散柱状晶分布方向，以及减少焊接应力都对防止弧坑裂纹的产生是有利的。 在实际操作中最有效的方法是用砂轮机打磨消除弧坑裂纹，有必要时，需把每个弧坑都打磨掉。

5.0残留应力和焊接变形

5Ni+TN-110组合的焊缝和母材是异种金属材料组合，这种奥氏体焊缝与铁素体母材组合的导热系数，线膨胀系数相差甚远。因此焊接时常常产生很大的应力，而这种残留应力不能用热处理方法来消除。这是因为异种钢接头在热处理加热过程中焊接应力即然得到松弛。但在随后的冷却过程中，由于这两种材料的热物理性能的差异不可避免地又产生新的残留应力，所以焊后热处理不能消除残留应力，它只会引起应力的重新分布。此外，奥氏体焊缝再热造成韧性降低，腐蚀性能下降。尽管本组合选用线膨胀系数与母材接近的填料金属但接头

的内应力状态还是相当大。因此焊接工艺上尽可能降低焊接规范以减少入热量，同时还采用一些减少应力的措施。

同样原因5Ni+TN-110组合焊后变形量要远大于其它组合的焊接接头，而且变形量随着焊道数增加而增大。为了防止变形技术上常常采用刚性固定例如铁码，但5Ni钢在强钢性条件下焊接，有可能使接头低温冲击韧性下降应加以重视。 6.0 焊道熔合不良及未熔合

TN-110焊接金属熔点比5Ni钢熔点要低100-150℃，故使母材熔深浅，容易产生熔合不良及未熔合，甚至在多道焊的层与层之间产生夹渣等缺陷。增加焊接电流尽管能获得足够熔深但焊缝成形不良，还会影响接头低温冲击韧性下降，因此受到限制。 7.0 剩磁问题

5Ni钢是磁性材料，钢板在切割，砂轮打磨，清根以及搬运过程中都会增加钢板带磁机会，当钢板剩磁50-100高斯时就会引起焊接磁偏吹（偏弧），最严重时无法焊接，因此焊缝反面亦要求用交流电源清根，用直流电源清根，钢板一定要消磁后焊接。在焊接接缝两端，丁字拼缝特别是开槽过深，开槽夹角过小时更易产生偏弧。因此亦采用交流焊接。 8.0 焊接要领总结： ①尽量采用小电流，窄焊道快速焊接。控制较低的入热量和道间温度来保证焊接接头的低温韧性。

②厚板宜用多道多层焊，避免大焊道焊接，焊条摆动宽度立焊、仰焊最大不应大于3倍焊芯直径。

③严格控制角变形和开槽板厚高低差量，避免高拘束度下焊接，防止断裂韧性下降。 ④加强层与层、道与道中间各层的清渣打磨工作，防止产生夹渣，未熔合几熔合不良等缺陷。 ⑤采用 增加熔池厚度，减少熔池尺寸的收尾操作方法，以及加强熔池打磨，加强清根开槽的染色探伤，防止弧坑等裂纹。 ⑥清根和焊接宜选用交流电源。