1、低温钢概述
1）低温钢的技术要求一般为：在低温环境下有足够的强度和足够的韧性，良好的焊接性能、加工性能和耐腐蚀性能等。其中，低温韧性，即能力防止低温脆性断裂的发生和扩展是最重要的因素。因此，各国通常规定一定的最低温度下的冲击韧性值。
2）低温钢的成分中，一般认为碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性劣化，其中磷的危害最大，因此应早期低温脱磷。在冶炼过程中进行。锰、镍等元素可提高低温韧性。镍含量每增加1%，脆性临界转变温度可降低约20℃。
3）热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒尺寸有决定性影响，也影响钢的低温韧性。经调质处理后，低温韧性明显提高。
4）根据热成型方法的不同，低温钢可分为铸钢和轧制钢。根据成分和金相组织的不同，低温钢可分为：低合金钢、6%镍钢、9%镍钢、铬锰或铬锰镍奥氏体钢和铬镍奥氏体不锈钢等待。低合金钢一般在-100℃左右的温度范围内用于制造制冷设备、运输设备、乙烯基储藏室和石油化工设备。在美国、英国、日本等国家，9%镍钢广泛应用于196℃的低温结构，如储存和运输液化沼气和甲烷的储罐、储存液氧的设备等，以及制造液氧和液氮。奥氏体不锈钢是一种很好的低温结构材料。具有良好的低温韧性、优良的焊接性能、低导热率。广泛应用于液氢液氧运输罐车、储罐等低温领域。但由于含有较多的铬、镍，因此价格较贵。
2、低温钢焊接施工概述
选择低温钢的焊接施工方法和施工条件时，问题的重点是以下两个方面：防止焊接接头低温韧性的恶化和防止焊接裂纹的发生。
1）斜角加工
低温钢焊接接头的坡口形式与普通碳钢、低合金钢或不锈钢的坡口形式原则上没有区别，可照常处理。但对于9Ni钢来说，沟槽的张开角度最好不小于70度，钝边最好不小于3mm。
所有低温钢都可以用氧乙炔割炬切割。只是气割9Ni钢时的切割速度比气割普通碳结构钢时稍慢。如果钢材厚度超过100mm，气割前可将切割刃预热至150-200℃，但不超过200℃。
气割对受焊接热影响的区域没有不利影响。但由于含镍钢的自硬特性，切割面会变硬。为了保证焊接接头有满意的性能，焊接前最好用砂轮将切割面打磨干净。
如果在焊接施工过程中要去除焊道或母材，则可以使用电弧气刨。然而，在重新涂抹之前，凹口表面仍应打磨干净。
不应使用氧乙炔火焰气刨，因为存在使钢材过热的危险。
2）焊接方法的选择
适用于低温钢的典型焊接方法包括电弧焊、埋弧焊和熔化极氩弧焊。
电弧焊是低温钢最常用的焊接方法，可在各种焊接位置进行焊接。焊接热输入约为18-30KJ/cm。如果使用低氢型焊条，可以获得完全令人满意的焊接接头。不仅力学性能好，而且缺口韧性也相当好。另外，弧焊机结构简单、价格低廉，设备投资小，且不受位置和方向的影响。优点，例如限制。
低温钢埋弧焊的热输入约为10-22KJ/cm。由于其设备简单、焊接效率高、操作方便而得到广泛应用。但由于焊剂的隔热作用，冷却速度会减慢，因此产生热裂纹的倾向较大。此外，杂质和Si常常可能从焊剂中进入焊缝金属，这将进一步助长这种趋势。因此，在使用埋弧焊时，要注意焊丝和焊剂的选择并小心操作。
CO2气体保护焊焊接的接头韧性较低，不宜用于低温钢焊接。
钨极氩弧焊（TIG焊）通常采用手工进行，其焊接热输入限制在9-15KJ/cm。因此，虽然焊接接头具有完全令人满意的性能，但当钢材厚度超过12mm时就完全不适用了。
MIG焊是低温钢焊接中应用最广泛的自动或半自动焊接方法。其焊接热输入为23-40KJ/cm。根据液滴传递方式可分为短路传递过程（较低热输入）、喷射传递过程（较高热输入）和脉冲喷射传递过程（最高热输入）三种类型。短路过渡MIG焊存在熔深不足的问题，可能会出现熔合不良的缺陷。其他 MIG 焊剂也存在类似问题，但程度不同。为了使电弧更加集中，达到满意的熔深，可在纯氩气中渗入百分之几至百分之几十的CO2或O2作为保护气体。适当的百分比应通过对所焊接的特定钢材进行测试来确定。
3）焊接材料的选择
焊接材料（包括焊条、焊丝和焊剂等）一般应根据所采用的焊接方法而定。接头形式和沟槽形状以及其他必要的特性可供选择。对于低温钢来说，最要注意的是使焊缝金属具有足够与母材相匹配的低温韧性，并尽量减少其中扩散氢的含量。
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(1)铝脱氧钢
铝脱氧钢是对焊后冷却速度的影响非常敏感的钢种。铝脱氧钢手工电弧焊所用焊条多为Si-Mn低氢焊条或1.5%Ni、2.0%Ni焊条。
为了减少焊接热输入，铝脱氧钢一般只采用≤￠3~3.2mm的薄电极多层焊接，以便利用焊缝上层的二次热循环来细化晶粒。
使用Si-Mn系列焊条焊接的焊缝金属的冲击韧性在50℃时随着热输入的增加而急剧下降。例如，当热输入从18KJ/cm增加到30KJ/cm时，韧性将损失60%以上。1.5%Ni系列和2.5%Ni系列焊条对此不太敏感，因此最好选择此类焊条进行焊接。
埋弧焊是铝脱氧钢常用的自动焊接方法。埋弧焊所用的焊丝最好是含镍1.5～3.5％、钼0.5～1.0％的焊丝。
据文献报道，采用2.5%Ni—0.8%Cr—0.5%Mo或2%Ni焊丝，配合适当的焊剂，焊缝金属在-55℃时的平均夏比韧性值可达56～70J（5.7 ~7.1Kgf.m）。即使采用0.5%Mo焊丝和锰合金基础焊剂，只要将热输入控制在26KJ/cm以下，仍能产生νΣ-55=55J（5.6Kgf.m）的焊缝金属。
选择焊剂时应注意焊缝金属中Si、Mn的匹配。测试证明。焊缝金属中Si、Mn含量的不同会极大地改变夏比韧性值。韧性值最佳的Si、Mn含量为0.1~0.2%Si、0.7~1.1%Mn。选择焊丝和焊接时要注意这一点。
钨极氩弧焊和金属极氩弧焊在铝脱氧钢中应用较少。上述埋弧焊用焊丝也可用于氩弧焊。
(2)2.5Ni钢和3.5Ni钢
2.5Ni钢和3.5Ni钢的埋弧焊或MIG焊一般可采用与母材相同的焊丝进行焊接。但正如威尔金森公式（5）所示，Mn是低镍低温钢的热裂纹抑制剂元素。保持焊缝金属中锰含量在1.2%左右，对于防止电弧弧坑裂纹等热裂纹非常有利。选择焊丝和焊剂的组合时应考虑到这一点。
3.5Ni钢容易回火脆化，因此经过焊后热处理（例如620℃×1小时，然后炉冷）消除残余应力后，νΣ-100将从3.8 Kgf.m急剧下降到2.1Kgf.m已经不能满足要求了。采用4.5%Ni-0.2%Mo系列焊丝焊接形成的焊缝金属回火脆化倾向小得多。使用该焊丝可以避免上述困难。
(3)9Ni钢
9Ni钢通常采用淬火回火或两次正火回火进行热处理，以最大限度地提高其低温韧性。但该钢的焊缝金属不能进行上述热处理。因此，如果采用铁基焊材，很难获得具有与母材相当的低温韧性的焊缝金属。目前主要采用高镍焊接材料。由这种焊接材料熔敷的焊缝将是完全奥氏体的。虽然它具有比9Ni钢母材强度低、价格非常昂贵的缺点，但脆性断裂对它来说已不再是一个严重的问题。
由上可知，由于焊缝金属完全是奥氏体，因此用焊条和焊丝焊接的焊缝金属的低温韧性完全与母材相当，但抗拉强度和屈服点低于母材金属。含镍钢具有自硬性，因此大多数焊条和焊丝都注意限制碳含量，以达到良好的焊接性。
Mo是焊接材料中重要的强化元素，Nb、Ta、Ti、W是重要的增韧元素，在焊接材料的选择中已得到充分重视。
当使用相同的焊丝进行焊接时，埋弧焊焊缝金属的强度和韧性比MIG焊差，这可能是由于焊缝冷却速度减慢以及可能有杂质或Si渗入造成的。从通量。
3、A333-GR6低温钢管焊接
1）A333-GR6钢的焊接性分析
A333–GR6钢属于低温钢，最低使用温度为-70℃，通常以正火或正火加回火状态供货。A333-GR6钢含碳量较低，因此淬硬倾向和冷裂倾向都比较小，材料具有良好的韧性和塑性，一般不易产生淬硬和裂纹缺陷，并具有良好的焊接性。ER80S-Ni1氩弧焊丝可与W707Ni焊条配合，采用氩电联合焊，或采用ER80S-Ni1氩弧焊丝，采用全氩弧焊，保证焊接接头良好的韧性。氩弧焊丝和焊条的品牌也可以选择性能相同的产品，但必须征得业主同意后才能使用。
2）焊接工艺
详细的焊接工艺方法请参阅焊接工艺说明书或WPS。焊接时，直径小于76.2毫米的管道采用I型对接、全氩弧焊；对于直径大于76.2毫米的管道，制作V形坡口，采用氩弧打底、多层填充的氩电组合焊方法或全氩弧焊方法。具体方法是根据业主批准的WPS中管径和管壁厚度的差异选择相应的焊接方法。
3）热处理工艺
(1)焊前预热
当环境温度低于5℃时，焊件需要预热，预热温度为100-150℃；焊缝两侧预热范围为100mm；采用氧乙炔焰（中性焰）加热，测温笔在距焊缝中心50-100mm处测温，测温点分布均匀，更好控制温度。
(2)焊后热处理
为了提高低温钢的缺口韧性，一般采用的材料都经过调质处理。焊后热处理不当往往会使其低温性能恶化，应引起足够的重视。因此，除焊件厚度较大或约束条件非常严格的情况外，低温钢通常不进行焊后热处理。例如，中海壳牌新建液化石油气管道的焊接不需要焊后热处理。如果某些工程确实需要进行焊后热处理，则焊后热处理的升温速度、恒温时间、冷却速度必须严格按照下列规定：
当温度升至400℃以上时，升温速率不应超过205×25/δ℃/h，且不应超过330℃/h。 每25毫米壁厚恒温时间应为1小时，且不少于15分钟。恒温期间，最高温度与最低温度的温差应低于65℃。
恒温后冷却速度不应大于65×25/δ℃/h，且不应大于260℃/h。400℃以下允许自然冷却。TS-1型微机控制热处理设备。
4）注意事项
(1)严格按规定预热，控制层间温度，层间温度控制在100-200℃。每条焊缝应一次性施焊，若间断，应采取缓冷措施。
(2)严禁焊件表面被电弧划伤。电弧坑应填平，收弧时用砂轮打磨缺陷。多层焊缝层间应错开。
(3)严格控制线能量，采用小电流、低电压、快速焊接。每个直径为3.2毫米的W707Ni焊条的焊接长度必须大于8厘米。
(4)必须采用短弧、无摆动的运行方式。
(5)必须采用全焊透工艺，并严格按照焊接工艺规范和焊接工艺卡的要求进行。
(6)焊缝补强0～2mm，焊缝各边宽度≤2mm。
(7)焊缝外观检查合格后至少24小时后方可进行无损检测。管道对接焊缝应符合JB 4730-94的规定。
(8)《压力容器：压力容器无损检测》标准，二级合格。
(9)焊补应在焊后热处理前进行。热处理后如需修复，修复后焊缝应重新加热。
(10)焊缝表面几何尺寸超过标准时，允许修磨，修磨后的厚度不应小于设计要求。
(11)对于一般焊接缺陷，最多允许修复两次。若两次修复仍不合格，则必须将焊缝切断，按完整的焊接工艺重新焊接。
发布时间：2023年6月21日
