A333—Cr6及A333—3低温钢管道的焊接

A333—Cr6及A333—3低温钢管道的焊接

化工部十二化建公司李滨

近几年，国外进口的特种材料增多，但有关这些材料的资料却较少，本文介绍的是：山西化肥厂合成氨系统，两种低温用钢管A333—Cr6和A333—3的焊接特点。这两种材料同属美国ANSI/ASTM，A333低温用钢标准，虽然这两种材料以及选用的焊接材料，在化学成分上和机械性能有差别，但它们的焊接特点很相近，因此本文合并介绍。

一、低温钢的特性及焊接材料的选用

A333—Cr6是铝脱氧细晶粒低温韧性钢，A333—Cr3是以铁素体为基的低温钢。使用适宜温度前者200～—45℃，后者常温—85℃。

1、母材特性：

我们所说的低温钢，就是钢中含Ni和不含Ni的低合金材料，在较低温度条件下使用时，具有良好的抗低温脆性断裂性能。对于低温钢来说，常常对强度要求不是很主要的，而是希望层强比（δs/δb）不要偏高。其主要是化学成分和组织状态，必须保证具有足够的低温韧性。表1是两种低温钢的化学成分。

表1 低温钢化学成分%

我们知道在钢中加入少量的Ni，能细化金属组织，有利于提高钢的韧性，但一般不超过2.5%，当钢中Ni的含量较高时，焊缝组织很容易出现粗大的板条状贝氏体和马氏体，使韧性下降，而且含碳量越高，韧性下降越明显。也就是说，当钢中汗Ni 量达到一定程度后，钢的韧性不是随含Ni量增加而增高的。

从表1中我们看到A333—Cr3钢，Ni含量较高，但其含碳量较低只有0.10%，只要在焊接过程中方法得当，就可能获得理想的低温韧性。

2、焊接材料：

低温钢的焊接，焊接材料的选用，同其它类别的钢焊接一样是非常重要的，表2是我们针对A333—Cr3和A333—Cr6两种低温钢选用的不同焊条化学成分。

表2 焊条化学成分% AWS 标准

表2中E8018-C3焊条Ni的含量在0.96%对细化焊缝金属晶粒，提高低温钢韧性是有利的。而A333—Cr3钢选用的E310-15系25.20奥氏体焊条，这主要考虑到奥氏体有较低的层强比，而且焊后可不进行热处理。

二、低温钢焊接工艺特点

在低温钢的焊接中，影响其焊接接头韧性的原因很多，但归纳起来主要有四个方面：

1、焊接材料的选用。

2、焊接线能量的控制。

3、焊接顺序。

4、焊接残余应力。

这四个方面是低温钢焊接最重要的环节，对焊接接头的低温韧性影响很大。

（1）焊接线能量的控制与焊接顺序

低温钢的焊接接头的薄弱环节，往往是熔合区及焊缝这两部分，热影响区的低温韧性有时高于母材，要改善焊缝和熔合区的低温韧性，必须合理的选择焊接电流、电压，采用多层多道焊接顺序，来提高焊接速度。把焊接能量控制在最小范围内。多层多道焊，能有效地减小焊缝过热，利用后一焊道对前一焊道的热作用，使焊缝金属产生细化晶粒的效果。为了适当增加焊道数目，合理地扩大焊缝坡口角度是有好处的。如图（1）较通常坡口增加了10～15°，图（2）表示焊接时的焊道顺序。

图（1）

图（2）

实践证明，采用多层多道焊接，是能很好地控制焊接线能量的。但层间温度必须控制在200℃以下。表（3）是在焊接A333—Cr3和A333—Cr6两种低温用钢，采用的不同焊接顺序，所得线能量及它们的低温冲击韧性。

从表（3）中我们明显地看到，焊接接头的各个区域由于多层多道焊线能量控制的小，比多层多道焊的低温冲击韧性值高出了近2倍，由其热区的冲击值变化较大。

当采用多层单道焊时，焊接熔池较大，要想在单位时间内给焊缝填充足够焊肉，以满足熔池的需要，必然加大电流，这时由于熔池温度很高，很容易造成合金元素的烧损。在实际生产中，焊条直径有限，因而焊接电流不可能加大的很多，适当地放慢焊接速度填足焊缝，线能量也响应地增大了。造成了焊缝金属组织晶粒粗大，从而降低了焊接接头的低温韧性。

反之，采用多层多道焊时，焊接过程中熔池较小，焊接电流相应地小一些，焊速也增快了，加之后一焊道对前一焊道的热作用，产生了细化晶粒的效果，提高了低温韧性。

A333—Cr3低温钢，由于Ni含量较高，就是线能量控制在13—15KJ/cm内，熔线处组织中仍有针状马氏体。

（2）焊前预热与焊后热处理

低温钢的焊接，在一般情况下，焊前不需预热，但也不是说任何情况下都不需焊前预热。在下面两种情况下，焊前要进行预热。

a、当环境温度≥85%，焊前要进行预热，这时主要是减小母材表面水分，减少在焊接过程中产生气孔的机会。

b、当环境温度在0～—5℃时，焊前必须预热，这时由于环境温度较低，焊缝和近缝区的温度回迅速下降，使焊缝和熔线的淬硬度增大。再加之焊接过程中的热不均匀性，会使焊缝残余应力更加不均匀，易产生冷裂。

焊前预热温度为80～100℃，当环境温度＜—5℃时，最好不进行焊接。

在低温钢的焊接中，由于线能量控制的较低，因而使焊缝冷却速度较快，在金属组织转变过程中，总是产生一些应力。焊缝中应力的存在会使焊缝的脆性增加从而降低了焊缝的塑性和韧性。而低温钢的焊缝中是不希望有残余应力的存在的，只有焊后进行回火热处理才能清除残余应力。

A333—Cr3材质，由于采用奥氏体不锈钢焊条焊接，焊后不进行热处理，这因为母材和焊缝组织的金属热物理性能有差异，虽在加热到高温时，借助于松弛过程能降低焊接应力，但在随后冷却过程中，不可避免地又产生了新的残余应力，所以焊后热处理并不能消除残余应力，它只能引起应力的重新分布，这对焊接接头的使用更为有害。奥氏体能获得较小的层强比，低温韧性较好。

A333—Cr6低温钢中虽不含Ni，但为了提高焊缝的低温韧性细化焊缝组织，采用了含Ni在0.96%的E8018-C3焊条，焊缝金属Ni含量对低温韧性的影响，是与焊后是否进行回火处理有很大关系，只有经回火处理后，才能使焊缝具有细化了的金属组织，以获得较好的低温韧性。

图（3）为A333—Cr6低温钢，焊接头热处理曲线。

图（3）