淺析低溫鋼的焊接方法

2020-12-03 威爾鼎王

在－20～－253℃低溫下工作的焊接結構專用鋼材稱為低溫鋼。通常其含碳量較低.淬硬傾向較小,焊接接頭近縫區具有較好的素性和韌性,不易出現硬化組織和冷裂紋,總的來說,其焊接性較好。低溫用鋼的最主要的特點是在低溫工作條件下,具有足夠的韌性,並且鋼材的脆性轉變溫度低於最低工作溫度。常用低溫鋼的機械力學性能見圖1。

低溫鋼實質上是屬於中等強度的低碳低合金鋼,其焊接的關鍵是保證焊縫和粗晶區的低溫韌性。常用的焊接方法是:手工焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊等。那麼哪些因素會影響到低溫韌性呢?

焊前準備

為了能徹底焊透,一般坡口要開稍大些,坡口角約為70～80°但總的指導思想是儘量減少填充量;焊前必須對工件坡口及坡口兩側20～30mm範圍內的水汽、油汙、鏽蝕、氧化皮等進行清理，打磨出金屬光澤。焊前焊條要進行350～400℃烘1h,隨用隨取。

焊接電流

焊接電流的影響應從焊接熱輸入的角度來考慮；當焊接電流增大時，也應加大焊接速度，否則由於焊接電流的增大，使焊接熱量輸入加大，從而導致熔敷金屬化學成分發生變化，引起焊縫金屬的力學性能下降。

焊接電壓

在焊接速度不變的條件下，加大電弧電壓，會使焊接熱量輸入加大，焊接熱影響區加寬，焊縫晶粒易粗大，同樣導致焊縫力學性能的降低。

焊接速度

焊接過程中，在焊接電流不變的條件下，隨著焊接速度的加大，焊接熱量輸入減少，每道焊縫的厚度變薄，焊縫的焊道數就要增多；而後面的焊接加熱作用使焊縫晶粒細化的區域增大，有利於低溫韌性的提高。

焊接熱的控制

在低溫鋼焊接過程中，除了要防止出現裂紋外，關鍵是要保證焊縫和熱影響區的低溫韌性，這是制定低溫鋼焊接工藝的根本出發點。低溫韌性除了與熱輸入有關外，最根本的還是取決於焊縫成分的選擇。比如：鋁鎮靜鋼焊接時熱輸入應控制在20～40kJ/cm；用MIG和TIG焊時熱輸入應控制在28～45kJ/cm;埋弧焊時，熱輸入應控制在28～45kJ/cm;屈服點≥490MPa的低溫鋼用焊條電弧焊時，熱輸入應控制在15～35kJ/cm。

用焊條電弧焊焊接3.5Ni低溫鋼時，熱輸入應控制20～25kJ/cm；埋弧焊時δ＜20mm時，熱輸入應控制在≤30kJ/cm;δ＝25mm時熱輸入應控制在≤40kJ/cm;9Ni鋼焊條電弧焊時，熱輸入應控制在10～35kJ/cm。

焊接層數

低溫鋼進行多層焊或多層多道焊時前一層焊道對後一層焊道起到預熱作用，而後一層焊道對前一層焊道有細化晶粒的熱處理作用，對提高焊縫金屬的韌性和塑性有很大好處。要注意的是，每層焊道焊縫不能太厚，應小於2～3mm,否則會使焊縫金屬組織晶粒變粗，降低低溫鋼的力學性能。

操作手法

在低溫鋼焊條電弧焊焊接過程中，焊條不做橫向擺動，因為焊條的橫向擺動不僅使焊接接頭的熱影響區變寬，也使焊接熱輸入增多，焊接接頭晶粒就會變得粗大，造成焊縫低溫衝擊韌度降低。在多層焊中儘量使每個焊道平坦，防止應力集中現象發生。

低溫鋼採用奧氏體鋼材料焊接時，焊縫中產生熱裂紋是個普遍問題。這種熱烈傾向是隨著焊縫中的含Ni量的增加而增加的，該裂紋主要產生在焊縫的頭部和弧坑處。所以，在根部焊道等拘束度較大的部位焊接時，必須用小電流，低焊速；收弧時，必須填滿弧坑。9Ni鋼是一種強磁性材料，採用直流焊機進行焊條電弧焊時，容易產生磁偏吹現象，影響焊接質量，一般宜用交流電源。

常用低溫鋼的焊接參數見圖2

焊前預熱

低溫鋼焊前預熱是避免產生淬硬組織、減小焊接應力、防止產生焊接裂紋的有效措施之一。預熱溫度必須合適，如果預熱溫度不夠高，近縫區的金屬仍會產生淬硬組織，甚至還會有冷裂紋產生；相反，如果預熱溫度過高，又會因為焊縫晶粒粗大而引起該鋼材的塑性、韌性急劇下降。預熱溫度應根據板厚決定，當δ≥16mm時，預熱溫度約為100～200℃。

焊後熱處理

低溫鋼的焊後熱處理,不僅可使焊縫組織晶粒細化、改善焊接接頭的組織與性能、增加焊縫抗應力腐蝕的能力,而且還可消除焊接殘餘應力,從而提高焊縫衝擊韌度。凡需熱處理的焊件,必須先經過無損探傷檢查合格後進行,最好採用整體熱處理操作,這樣可以使溫度分布均勻,熱處理的效果更好。

常用低溫鋼的焊前預熱和焊後熱熱處理見圖3

焊條選用

選擇低溫鋼焊接用的焊條時,按照使用性能,如強度、塑性、韌性、耐蝕性、抗氧化性等,應考慮的因素有:低溫鋼的化學成分、性能、焊接特點;焊接結構的設計要求和工作條件;焊接結構接頭形式和結構剛性拘束度大小;焊接方法和工藝特點等。

不同鋼號的低溫鋼焊接在一起時,應選擇與低溫韌性較高鋼材相匹配的焊條焊接;當鐵素體、馬氏體和奧氏體型三類不同組織的低溫鋼相互焊接在一起時,為防止成分的差異而在熔合區產生脆性帶,使該區的韌性急劇下降,可選擇鎳基合金焊條或在坡口上堆焊過渡層等。

常見低溫鋼焊接用焊材見圖4

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