低温钢的焊接

低温钢的焊接

通常把-10~-196℃的温度范围称为“低温”（我国从-40℃算起），低于-196℃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迅速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-20~-253℃低温下工作的焊接结构，如贮存和运输各类液化气体的容器等。

低温钢的分类、成分及性能

1.低温锅的分类

（1）按使用温度等级分类分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃和-196~-273℃等级的低温钢。

（2）按合金含量和组织分类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。

（3）按有无镍、铬元素分类分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。

（4）按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。

2.低温钢的化学成分和组织

（1）低合金低温钢（无Ni低温钢）铝镇静Mn-Si低温钢是先用Mn 、Si进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒，明显提高其低温韧性，多用于一4O℃以上的结构。

低合金铁素体低温钢是在Si-Mn优质钢基础上，加人少量合金元素（如Nb、V 、Ti、Al 、Cu、RE等）得到的低温钢组织为铁素体加少量珠光体。其中Mn、

Ni以及能促使晶粒细化的微量元素都有利于提高低温韧性。为了保证良好的综合力学性能和

焊接性，一般要求低C和低S、P。这种钢具有高的塑性和韧性，多用于-50℃以上的结构。

（2）中合金低温钢（含Ni低温钢）合金元素总的质量分数为5%~10%，其组织与热处理工艺有关。其中5NI钢、9Ni钢是典型的中合金低温钢。

Ni是发展低温钢的一个重要元素。为了提高钢的低温性能，可加人Ni元素，形成含Ni的铁素体低温钢。在提高Ni的同时，应降低含碳量和严格限制S、P 含量及N、H、O的含量，防止产生时效脆性和回火脆性等。这类钢的热处理条件为正火、正火十回火和淬火+回火等。

5Ni钢通过化学成分调整和热处理控制组织，在-162~-196℃的低温下具有良好的低温韧性。若加人质量分数为0.25%的Mo，可增加析出奥氏体的数量并使之稳定化，还可起到细化晶粒的作用。采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织，使5Ni钢具有高的强度、塑性和低温韧性。9Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P含量的增加而显著增大，因此应严格控制9Ni钢中的P含量。9Ni低温钢由于Ni含量较高，具有很高的低温韧性，能用于-196℃的环境，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适宜制造贮存液化气的大型容器。

3.低温钢的力学性能

对低温钢的性能要求，首先应满足低温下的力学性能，特别是低温条件下的缺口韧性。这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。在一些重要结构上，为了防止意外事故的发生，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能，即一旦出现脆性破坏后可以停止继续破坏。安全角度考虑，希望低温钢的屈强比不要太

高，因为屈强比是衡量低温缺口敏感性的指标之一。屈强比大，表明塑性变形能力的储备越小，在应力集中部位的应力再分配能力越低，从而易于促使脆性断裂。

对于低碳铝镇静钢，最低使用温度下的V形缺口冲击吸收功（纵向取样）保证值规定为20.5J；对于屈强比较高的低温钢，要提高到34.5J；对屈强比更高的调质钢，希望提高到47J。无论是无Ni或含Ni的低温钢，在冲击韧性上都可以满足规定低温下的使用要求，但是无Ni低温钢的屈强比不如含Ni低温钢的用强比高。

除了面心立方金属外（如奥氏体钢、铝、铜等），所有体心立方或六方晶格的金属均有低温脆化现象。可以通过细化晶粒、合金化和提高纯净度等措施来改善铁素体钢的低温韧性。Mn-Si系钢中各种氮化物细化奥氏体晶粒的效果如图3-39所示。可见，Ti、AL、Nb等有很好的细化晶粒作用。

低温钢的含碳量不高，在常温下具有较好的塑性和韧性，冷或热加工均可采用。铁素体低温钢的加工性能与低碳钢及低合金钢相近；奥氏体低温钢的加工性能与奥氏体不锈钢相近。

对于具有一定时效脆性敏感性和回火脆性敏感性的低温钢，须正确选择加工方法和工艺参数，控制冷卷、冷压及其他冷加工时的变形量，防止变形量过大而造成低温韧性下降。具有一定回火脆性敏感性的钢种，回火后低温韧性明显下降，因此应合理地选择回火温度和回火时间。

低温钢的焊接性分析

1.无Ni低温钢的焊接性特点

不含Ni元素的铁素体低温钢碳的质量分数约为0.06%~0.2%，合金元素总的质量分数≤5%，碳当量为0 .27%-- 0 .57 %，焊接性良好。由于碳当量不高，悴硬倾向

较小，室温焊接时不易形成冷裂纹；钢中S、P等杂质元素的含量较低，也不易产生热裂纹。这类钢在用铝脱氧时形成了稳定的AIN，阻止了接头区脆化。

铁素体低温钢通过加人细化晶粒的合金元素（Ti 、Al、Ni等）以及正火处理提高低温韧性，韧性指标一般能得到保证。这类钢焊接性分析时应注意以下问题：1）严格控制焊接热输人和层间温度，目的是使接头不受过热的影响，避免热影响区晶粒长大和降低韧性。

2）控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。板厚大于15rnm的低温钢焊接结构，焊后应采用消除应力热处理。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时会析出脆性相，使低温韧性下降。应合理地择焊后热处理工艺，以保证接头的低温韧性。

3）含氮的铁素体低温钢不仅对焊接热循环敏感，而且对焊接应力应变循环也很敏感，接头某些区域会发生热应变脆化，使该区钓塑性和韧性下降。热应变区的温度范围为200~600℃。热应变量越大，脆化程度也越大。采用小的焊接热输人可以减小热影响区的热塑性应变量，有利于减轻热应变脆化程度。

焊接这类钢时，通常板厚小于25mm不需预热，当板厚大于25 mm或焊接接头拘束度较大时，应考虑预热，以防止产生焊接裂纹。预热温度过高会使热影响区晶粒长大，在晶界处可能析出氧化物和碳化物而降低韧性，所以预热温度一般在100~150℃，最高不超过200℃。

2.含Ni低温钢的俘接性特点

含Ni较低的2.5Ni和3.5Ni低温钢，虽然由于Ni的加人提高了钢材的淬透性，但由于含碳量限制得较低，冷裂纹倾向并不严重，薄板焊接时可不预热，厚板焊接时需进行100℃预热。含Ni高的9Ni钢，淬硬性很大，在超过临界点的焊接热