低温钢焊接工艺和参数优化

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：低温钢焊接时，要选用低温韧性良好、特定合金系统和成分的焊条。焊接热输入低温钢焊接过程，除了要防止出现裂纹外，关键是要保证焊缝和热影响区的低温韧性，这是制定低温钢焊接工艺的根本出发点。常用低温钢的焊接参数见表7-18。

1.低温钢焊接性

低温钢实质上是属于屈服强度为350～400MPa的低碳低合金钢，焊接的关键是保证焊缝和粗晶区的低温韧性，为避免焊缝金属及近缝区，因形成粗晶组织而降低低温韧性，所以，焊接过程中要求采用小的焊接热输入，焊接电流不宜过大，适宜用快速多道焊以减小焊道过热，并通过多层焊的重复加热作用细化晶粒，多层焊时要控制好层间温度。

焊接16mm以下的钢材，一般不需预热和焊后热处理。焊接厚度为50mm以下的9Ni钢时，也不需要预热，但是，这类钢材焊后容易出现回火脆性，所以，焊后回火时要严格控制回火温度和冷却速度。厚板、大刚度焊接结构焊接时，可适当进行焊前预热和焊后消除应力回火热处理。

由于低温钢含碳量低，淬硬倾向小，所以，具有较好的韧性、塑性和焊接性。

2.焊接材料的选择

低温钢的焊接，目前以焊条电弧焊工艺方法为主，所以，正确选用焊条是保证焊接接头具有满足低温下使用性能的重要因素，而合金系统的选择和化学成分的确定，主要应以保证低温性能为依据。因此。低温钢焊接时，要选用低温韧性良好、特定合金系统和成分的焊条。该焊条还要向熔敷金属中加入一定数量的镍元素。

选择低温钢焊接用的焊条时，按照使用性能（强度、塑性、韧性、耐腐蚀性和抗氧化性等），应考虑如下因素：低温钢的化学成分、性能和焊接特点；焊接结构的设计要求和工作条件；焊接结构接头形式和结构刚性拘束度的大小；焊接方法和工艺特点等。

当前，为适应新的高性能、高效率钢材出现带来的变化，低温钢焊接时，多采用向焊缝金属添加Ti和B元素的办法，充分利用Ti和B的细化晶粒效果，保证焊缝金属结晶晶粒细化，从而获得稳定的高韧性焊缝。与以往采用的向焊接材料中加入Ni或Mo（或Ni和Mo都加）、同时利用焊道重叠再加热的效果，以保证焊缝冲击韧度的方法相比：加Ti和B元素的方法可以在不受后续焊道影响的条件下，能保证焊缝金属结晶晶粒细化，从而获得稳定的高韧度性焊缝。

Ti-B系或高韧性普通低合金钢焊条，在-45℃以上工作环境中，能满足低温钢焊接结构的使用性能；含镍的低温钢焊条，可以用在-60℃以下的低温钢焊接结构焊接；含3.5Ni或含有一定量Mo的高含Ni量的低温钢焊条，可以焊接在-100℃左右温度中工作的焊接结构；焊接低温用的低合金高强度钢时，在保证焊缝金属具有足够的低温韧性的前提下，还要考虑到与母材相适应的强度要求，因此，在这类钢的焊接材料中，除了含有w（Ni）为1%～3%外，还应含有w（Mo）为0.2%～0.5%；低Ni钢焊接时，所用的焊条含Ni量应与母材相等或略高于母材；焊接σ_s≥588MPa的低温钢时，所用的焊条中除含有Ni、Mo外、还应含有少量的Cr。

当不同钢号的低温钢焊接在一起时，应选择与低温韧性较高钢材相匹配的焊条焊接；当铁素体型、马氏体型、奥氏体型三类不同组织的低温钢相互焊接在一起时，为防止因成分的差异而在熔合区附近产生脆性带，使该区的韧性急剧下降，可选择镍基合金焊条焊接，或在坡口上堆焊过渡层等。

3.焊接参数的选择

低温钢焊后，影响焊缝金属低温韧性的因素很多，主要有：

（1）焊接电流焊接电流的影响应从焊接热输入的角度来考虑，当焊接电流增大时，也应加大焊接速度，否则，由于焊接电流的增大，使焊接热输入加大，从而导致熔敷金属化学成分发生变化，引起焊缝金属的力学性能下降。

（2）焊接速度焊接过程中，在焊接电流不变的情况下，随着焊接速度的加大，焊接热输入减小，每道焊缝的厚度变薄，焊缝的焊道数量就要增多，后面焊道的焊接加热作用，使焊缝晶粒细化的区域增大，有利于低温韧性的提高。

（3）电弧电压在焊接速度不变的情况下，加大电弧电压，会使焊接热输入加大，焊接热影响区变宽，焊缝晶粒易粗大，从而导致焊缝力学性能的降低。

（4）焊接热输入低温钢焊接过程，除了要防止出现裂纹外，关键是要保证焊缝和热影响区的低温韧性，这是制定低温钢焊接工艺的根本出发点。当前，主要是通过控制焊接热输入来保证热影响区韧性，而低温韧性除了与热输入有关外，最根本的还要取决于对焊缝成分的选择。

例如，铝镇静钢的焊接，用焊条电弧焊时，热输入应控制在20～40kJ/cm；用MIG和TIG焊时，热输入应控制在28～45kJ/cm；埋弧焊时，热输入应控制在28～45kJ/cm范围内。

σ_s≥490MPa的低温钢用焊条电弧焊时，热输入应控制在15～35kJ/cm。

3.5Ni低温钢焊条电弧焊时，热输入应控制在20～25kJ/cm；埋弧焊时，δ≤19mm时，热输入应控制在≤30kJ/cm；δ为25mm时，热输入应控制在≤40kJ/cm。9Ni钢焊条电弧焊时，热输入应控制在10～35kJ/cm。

（5）焊接层数低温钢进行多层焊或多层多道焊接时，前一层焊道对后一层焊道起到预热作用，而后一层焊道对前一层焊道有细化晶粒的热处理的作用，对提高焊缝金属的塑性和韧性有很大好处。但是，每层焊道焊缝不应太厚，不应大于2～3mm，否则，会使焊缝金属组织晶粒变粗，降低低温钢的力学性能。

（6）坡口形式和尺寸低温钢焊接时，坡口的设计，在满足焊缝根部焊透的情况下，坡口的角度及间隙不宜过大，应尽量减少焊缝金属的填充量，从而能避免由于焊接应力较大而引起裂纹。但也不宜过小，过小的坡口尺寸会在焊缝中产生未熔合、未焊透缺陷。正确选择焊缝坡口的形式和尺寸，将获得焊接热影响区较小而力学性能却较高的焊缝。

（7）常用低温钢的焊接参数低温钢焊接时，最重要的是保证焊缝区和粗晶区的低温韧性，为此，常采用小电流、快速焊、焊条不摆动、多层多道焊以减轻焊道过热。常用低温钢的焊接参数见表7-18。

表7-18 常用低温钢的焊接参数

4.焊前预热和层间温度

低温钢焊前预热是为了避免产生淬硬组织、减小焊接应力，也是防止产生焊接裂纹的有效措施之一。

（1）预热的目的

1）降低焊缝与母材的温度差，使焊件所受到的局部、不均匀的加热状态得到改善，从而减小温度应力的峰值。

2）预热可以减缓焊接接头的冷却速度，使焊缝熔池氢气得以扩散逸出，减少热影响区中氢的含量，防止冷裂纹的产生，同时还减少了淬硬倾向，避免了由淬硬组织的形成而导致产生裂纹。

3）预热可以减少焊接过程中的热输入，从而改善钢材的焊接性。

（2）选择预热温度必须注意选择的温度是否合适，如果预热温度不够高，近缝区的金属仍会产生淬硬组织，甚至还会有冷裂纹产生；如果预热温度过高，又会因为焊缝晶粒粗大而引起该钢材的塑性、韧性急剧下降。预热的温度应该根据板厚决定，当板厚≥16mm时，预热的温度以100～200℃为好。

（3）预热方法预热方法应根据焊件的结构形式选择，有条件的可以采用整体预热最好，当采用局部预热时，预热范围，从焊缝中心到坡口两侧各三倍以上的壁厚，并且不小于30mm。可以使用氧乙炔火焰、液化石油气火焰、煤气火焰、电阻热或中频感应等方法加热，在加热时要注意温度分布均匀，在露天或野外进行预热要注意防风，雨天应停止预热作业。

（4）预热温度测量在进行预热温度的数值测量时，每米长度内用温度计或测温笔最少测量两点，达到预热温度后即可进行焊接。

为了减少焊接接头热影响区硬化组织的产生，避免形成焊接裂纹，多层焊缝或多层多道焊缝应控制好层间温度，层间温度应与预热温度等同。

5.焊后热处理

低温钢的焊后热处理，不仅使焊缝组织晶粒细化、改善焊接接头的组织与性能，增加焊缝抗应力腐蚀的能力，而且还消除了焊接残余应力，从而提高了焊缝冲击韧度。

焊件焊后热处理时，最好采用整体热处理操作，这样可以使温度分布均匀，热处理的效果更好。如受条件限制只能在热处理炉内分段进行热处理时，被加热的各段至少应有1500mm长的重叠加热，而且在热处理炉外的部分还应进行绝热措施。凡需热处理的焊件，必须经过无损检测合格后再进行，否则，热处理会失去作用，因为热处理不可能消除焊缝中的各种缺陷，无损检测不合格的焊缝经返修后还得重新进行焊后热处理。

常用低温钢的焊前预热和焊后热处理，见表7-19。

表7-19 常用低温钢的焊前预热和焊后热处理

6.低温钢焊接操作的注意事项

（1）运条方法焊接过程中，焊条不作横向摆动，因为，焊条的横向摆动不仅使焊接接头的热影响区变宽，也使焊接热输入增多，焊接接头晶粒就会变得粗大，造成焊缝低温冲击韧度降低。

多层焊或多层多道焊时，尽量使每个焊道平坦，每层焊道厚度要薄，以2～3mm为宜，尽量减小焊接热输入，利用后一层焊道对前一层焊道的热循环作用，使焊缝组织晶粒细化，防止焊缝低温冲击韧度降低。

（2）裂纹和弧坑低温钢采用奥氏体材料焊接时，焊缝中产生热裂纹是一种普遍问题。这种热裂倾向是随着焊缝中的含Ni量的增加而增加的，该裂纹主要产生在焊缝的头部和弧坑处，所以在根部焊道等拘束度较大的部位进行焊接时，必须用小电流、低焊速。在多层焊时的根部焊缝和最初的几道焊缝中，弧坑裂纹是很难避免的，因此，在焊接收弧时，必须要填满弧坑。当弧坑裂纹不能消除时，要用砂轮打磨弧坑的方法来消除弧坑裂纹。

（3）磁偏吹 9Ni钢是一种强磁性材料，采用直流电源进行焊条电弧焊时，容易产生磁偏吹现象，影响焊接质量。

（4）焊件和焊条应保持低氢状态为防止焊缝中产生气孔，焊前应仔细清除待焊处的油、污、锈、垢，焊条要进行烘焙，在350～400℃烘焙1h，随用随取。

低温钢焊接工艺和参数优化

相关推荐