1.低溫鋼概述
1）低溫鋼的技術要求一般為：在低溫環境下有足夠的強度和足夠的韌性，良好的焊接性能、加工性能和耐腐蝕性能等。擴展是最重要的因素。因此，各國通常規定一定的最低溫度下的衝擊韌性值。
2）低溫鋼的成分中，一般認為碳、矽、磷、硫、氮等元素使低溫韌性劣化，其中磷的危害最大，因此應早期低溫脫磷。錳、鎳等元素可提高低溫韌性。鎳含量每增加1%，脆性臨界轉變溫度可降低約20℃。
3）熱處理過程對低溫鋼的金相組織和晶粒尺寸有決定性影響，也影響鋼的低溫韌性。經調質處理後，低溫韌性明顯提升。
4）依熱成型方法的不同，低溫鋼可分為鑄鋼及軋鋼。根據成分和金相組織的不同，低溫鋼可分為：低合金鋼、6%鎳鋼、9%鎳鋼、鉻錳或鉻錳鎳奧氏體鋼和鉻鎳奧氏體不銹鋼等待。低合金鋼一般在-100℃左右的溫度範圍內用於製造冷凍設備、運輸設備、乙烯基儲藏室和石油化學設備。在美國、英國、日本等國家，9%鎳鋼廣泛應用於196℃的低溫結構，如儲存和運輸液化沼氣和甲烷的儲槽、儲存液態氧的設備等，以及製造液態氧和液態氮。奧氏體不銹鋼是一種很好的低溫結構材料。具有良好的低溫韌性、優良的焊接性能、低導熱率。廣泛應用於液氫液氧運輸槽車、儲槽等低溫領域。但由於含有較多的鉻、鎳，因此價格較貴。
2.低溫鋼焊接施工概述
在選擇低溫鋼的焊接施工方法和施工條件時，問題的重點是以下兩個方面：防止焊接接頭低溫韌性的惡化和防止焊接裂縫的發生。
1）斜角加工
低溫鋼焊接接頭的坡口形式與普通碳鋼、低合金鋼或不銹鋼的坡口形式原則上沒有區別，可照常處理。但對於9Ni鋼來說，溝槽的張開角度最好不要小於70度，鈍邊最好不要小於3mm。
所有低溫鋼都可以用氧乙炔割炬切割。只是氣割9Ni鋼時的切割速度比氣割普通碳結構鋼時稍慢。若鋼材厚度超過100mm，氣割前可將切割刃預熱至150-200℃，但不得超過200℃。
氣割對受焊接熱影響的區域沒有不利影響。但由於含鎳鋼的自硬特性，切割面會變硬。為了確保焊接接頭有滿意的性能，焊接前最好用砂輪將切割面打磨乾淨。
如果在焊接施工過程中要去除焊道或母材，則可以使用電弧氣刨。然而，在重新塗抹之前，凹口表面仍應打磨乾淨。
不應使用氧乙炔火焰氣刨，因為有使鋼材過熱的危險。
2）焊接方法的選擇
適用於低溫鋼的典型焊接方法包括電弧焊、埋弧焊和熔化極氬弧焊。
電弧焊是低溫鋼最常用的焊接方法，可在各種焊接位置進行焊接。焊接熱輸入約18-30KJ/cm。如果使用低氫型焊條，可以獲得完全令人滿意的焊接接頭。不僅機械性能好，而且缺口韌性也相當好。另外，弧焊機結構簡單、價格低廉，設備投資小，且不受位置和方向的影響。優點，例如限制。
低溫鋼埋弧焊的熱輸入約為10-22KJ/cm。由於其設備簡單、焊接效率高、操作方便而廣泛應用。但由於焊劑的隔熱作用，冷卻速度會減慢，產生熱裂紋的傾向較大。此外，雜質和Si通常可能從焊劑中進入焊縫金屬，這將進一步助長這種趨勢。因此，在使用埋弧焊時，請注意焊絲和焊劑的選擇並小心操作。
CO2氣體保護焊接的接頭韌性較低，不宜用於低溫鋼焊接。
鎢極氬弧焊（TIG焊）通常以手工進行，其焊接熱輸入限制在9-15KJ/cm。因此，雖然焊接接頭具有完全令人滿意的性能，但當鋼材厚度超過12mm時就完全不適用了。
MIG焊接是低溫鋼焊接中應用最廣泛的自動或半自動焊接方法。其焊接熱輸入為23-40KJ/cm。依液滴傳遞方式可分為短路傳遞過程（較低熱輸入）、噴射傳遞過程（較高熱輸入）及脈衝噴射傳遞過程（最高熱輸入）三種。短路過渡MIG焊接有熔深不足的問題，可能會出現熔合不良的缺陷。其他 MIG 焊劑也有類似問題，但程度不同。為了讓電弧更集中，達到滿意的熔深，可在純氬氣中滲入百分之幾至百分之幾十的CO2或O2作為保護氣體。適當的百分比應透過對所焊接的特定鋼材進行測試來確定。
3）焊接材料的選擇
焊接材料（包括焊條、焊絲和焊劑等）一般應根據所採用的焊接方法而定。接頭形式和溝槽形狀以及其他必要的特性可供選擇。對於低溫鋼來說，最要注意的是使焊縫金屬具有足夠與母材相匹配的低溫韌性，並儘量減少其中擴散氫的含量。
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(1)鋁脫氧鋼
鋁脫氧鋼是對焊接後冷卻速度的影響非常敏感的鋼種。鋁脫氧鋼手工電弧焊所用焊條多為Si-Mn低氫焊條或1.5%Ni、2.0%Ni焊條。
為了減少焊接熱輸入，鋁脫氧鋼一般只採用≤￠3~3.2mm的薄電極多層焊接，以便利用焊接上層的二次熱循環來細化晶粒。
使用Si-Mn系列焊條焊接的焊縫金屬的衝擊韌性在50℃時隨著熱輸入的增加而急劇下降。例如，當熱輸入從18KJ/cm增加到30KJ/cm時，韌性將損失60%以上。 1.5%Ni系列和2.5%Ni系列焊條對此較不敏感，因此最好選擇此類焊條進行焊接。
埋弧焊是鋁脫氧鋼常用的自動焊接方法。埋弧焊所用的焊絲最好是含鎳1.5～3.5％、鉬0.5～1.0％的焊絲。
根據文獻報告，採用2.5%Ni—0.8%Cr—0.5%Mo或2%Ni焊絲，配合適當的焊劑，焊縫金屬在-55℃時的平均夏比韌性值可達56～70J（5.7 ~7.1 Kgf.m）。即使採用0.5%Mo焊絲和錳合金基礎焊劑，只要將熱輸入控制在26KJ/cm以下，仍能產生νΣ-55=55J（5.6Kgf.m）的焊接金屬。
選擇焊劑時應注意焊縫金屬中Si、Mn的匹配。測試證明。焊接金屬中Si、Mn含量的不同會大幅改變夏比韌性值。韌性值最佳的Si、Mn含量為0.1~0.2%Si、0.7~1.1%Mn。選擇焊絲和焊接時要注意這一點。
鎢極氬弧焊和金屬氬弧焊在鋁脫氧鋼中應用較少。上述埋弧焊用焊絲也可用於氬弧焊。
(2)2.5Ni鋼和3.5Ni鋼
2.5Ni鋼和3.5Ni鋼的埋弧焊或MIG焊一般可採用與母材相同的焊絲進行焊接。但如威爾金森公式（5）所示，Mn是低鎳低溫鋼的熱裂紋抑制劑元素。保持焊縫金屬中錳含量在1.2%左右，對於防止電弧坑裂紋等熱裂紋非常有利。選擇焊絲和焊劑的組合時應考慮這一點。
3.5Ni鋼容易回火脆化，因此經過焊後熱處理（例如620℃×1小時，然後爐冷）消除殘餘應力後，νΣ-100將從3.8 Kgf.m急劇下降到2.1Kgf.m已經不能滿足要求了。採用4.5%Ni-0.2%Mo系列焊絲焊接形成的焊縫金屬回火脆化傾向小得多。使用此焊絲可以避免上述困難。
(3)9Ni鋼
9Ni鋼通常採用淬火回火或兩次正火回火進行熱處理，以最大限度地提高其低溫韌性。但該鋼的焊接金屬不能進行上述熱處理。因此，如果採用鐵基焊材，很難獲得具有與母材相當的低溫韌性的焊接金屬。目前主要採用高鎳焊接材料。由這種焊接材料熔敷的焊縫將是完全奧氏體的。雖然它具有比9Ni鋼母材強度低、昂貴的缺點，但脆性斷裂對它來說已不再是一個嚴重的問題。
由上可知，由於焊縫金屬完全是奧氏體，因此用焊條和焊絲焊接的焊縫金屬的低溫韌性完全與母材相當，但抗拉強度和屈服點低於母材金屬。含鎳鋼具有自硬性，因此大多數焊條和焊絲都注意限制碳含量，以達到良好的焊接性。
Mo是焊接材料中重要的強化元素，Nb、Ta、Ti、W是重要的增韌元素，在焊接材料的選擇中已被充分重視。
當使用相同焊絲進行焊接時，埋弧焊焊縫金屬的強度和韌性比MIG焊差，這可能是由於焊縫冷卻速度減慢以及可能有雜質或Si滲入造成的。
3、A333-GR6低溫鋼管焊接
1）A333-GR6鋼的焊接性分析
A333–GR6鋼屬於低溫鋼，最低使用溫度為-70℃，通常以正火或正火加回火狀態供貨。 A333-GR6鋼含碳量較低，因此淬硬傾向和冷裂傾向都比較小，材料具有良好的韌性和塑性，一般不易產生淬硬和裂紋缺陷，並具有良好的焊接性。 ER80S-Ni1氬弧焊絲可與W707Ni焊條配合，採用氬電聯合焊，或採用ER80S-Ni1氬弧焊絲，採用全氬弧焊，確保焊接接頭良好的韌性。氬弧焊絲和焊條的品牌也可以選擇性能相同的產品，但必須經過業主同意才能使用。
2）焊接工藝
詳細的焊接工藝方法請參閱焊接工藝說明書或WPS。焊接時，直徑小於76.2公釐的管道採用I型對接、全氬弧焊；對於直徑大於76.2毫米的管道，製作V形坡口，採用氬弧打底、多層填充的氬電組合焊接方法或全氬弧焊方法。具體方法是根據業主批准的WPS中管徑和管壁厚度的差異來選擇相應的焊接方法。
3）熱處理工藝
(1)焊前預熱
當環境溫度低於5℃時，銲接件需要預熱，預熱溫度為100-150℃；焊縫兩側預熱範圍為100mm；以氧乙炔焰（中性焰）加熱，測溫筆在距焊接中心50-100mm處測溫，測溫點分佈均勻，較能控制溫度。
(2)焊後熱處理
為了提高低溫鋼的缺口韌性，一般採用的材料都經過調質處理。焊後熱處理不當往往會使其低溫性能惡化，應引起足夠的重視。因此，除銲接件厚度較大或約束條件非常嚴格的情況外，低溫鋼通常不進行焊後熱處理。例如，中海殼牌新建液化石油氣管道的焊接不需要焊接後熱處理。如果某些工程確實需要進行焊後熱處理，則焊後熱處理的升溫速度、恆溫時間、冷卻速度必須嚴格依照下列規定：
當溫度升至400℃以上時，升溫速率不得超過205×25/δ℃/h，且不得超過330℃/h。 每25毫米壁厚恆溫時間應為1小時，且不少於15分鐘。恆溫期間，最高溫度與最低溫度的溫差應低於65℃。
恆溫後冷卻速度不應大於65×25/δ℃/h，且不得大於260℃/h。 400℃以下允許自然冷卻。 TS-1型微機控制熱處理設備。
4）注意事項
(1)嚴格依規定預熱，控制層間溫度，層間溫度控制在100-200℃。每條焊縫應一次施銲，若間斷，應採取緩冷措施。
(2)嚴禁銲件表面被電弧刮傷。電弧坑應填平，收弧時用砂輪打磨缺陷。多層焊縫層間應錯開。
(3)嚴格控制線能量，採用小電流、低電壓、快速焊接。每個直徑3.2毫米的W707Ni焊條的焊接長度必須大於8公分。
(4)必須採用短弧、無擺動的運轉方式。
(5)必須採用全焊透工藝，並嚴格依照焊接工藝規範及焊接工藝卡的要求進行。
(6)焊縫補強0～2mm，焊縫各邊寬度≤2mm。
(7)焊縫外觀檢查合格後至少24小時後方可進行無損檢測。管道對接焊縫應符合JB 4730-94的規定。
（8）《壓力容器：壓力容器無損檢測》標準，二級合格。
(9)焊補應在焊後熱處理前進行。熱處理後如需修復，修復後焊縫應重新加熱。
(10)焊接表面幾何尺寸超過標準時，允許修磨，修磨後的厚度不得小於設計要求。
(11)對於一般焊接缺陷，最多允許修復兩次。若兩次修復仍不合格，則必須將焊縫切斷，並以完整的焊接工藝重新焊接。
發佈時間：2023年6月21日
