低温钢的焊接性能

低温钢的焊接性能

王海朋

(冰山冷热科技股份有限公司 生产革新部)

摘要：低温钢材焊接时随着温度降低而降低，之后会有一个韧性突热降低的温度区间，在这个温度区间的存在着上下两个缓慢降低的平台，叫做“韧脆转变温度”。脆性温度区间容易出现热裂纹。热裂纹的预防措施。验证低温材料焊接时冲击性能。

关键字：韧脆转变温度、裂纹、热输入、线能量

钢材所处温度对性能的影响很大，尤其是对力学性能的影响，往往决定了材料的使用价值。一般来说，在低于室温的低温条件下，随着温度降低，钢铁材料的强度会升高，而塑性和韧性会下降。尤其韧性，将随着温度降低而降低，之后会有一个韧性突热降低的温度区间，在这个温度区间的存在着上下两个缓慢降低的平台，叫做“韧脆转变温度”。在这两个平台上不仅显示出韧性的不同，更重要的是显示出材料断裂形式的不同。通常，在上平台显示出延迟断裂，而在下平台显示出脆性断裂。在工作条件下，显示出脆性断裂的材料，及有可能突然出现脆性断裂，造成不可估量的损失。影响生命安全和国家财产。因此，在低温条件下的工作材料，其低温韧性是最重要的力学性能指标。

一、焊接裂纹

按照裂纹在结构中的位置可分为三类：穿透裂纹、表面裂纹、埋藏裂纹

裂纹在外力作用下的扩展方式有三种：

1、张开型  在垂直于裂纹面的拉应力在作用下，使裂纹张开扩展（图1）

2、滑开行  在平行于裂纹面而垂直于裂纹前缘的切应力的作用下，使裂纹滑开而扩展（图2）

3、撕开型  在平行于裂纹面又平行于裂纹前缘的切应力的作用下，使裂纹撕裂而扩展（图3）

如果三种裂纹同时存在，称为复合型裂纹。

            图1                      图2                    图3

从大多数结构断裂时应力作用方向与裂纹之间的关系出发，还是张开型裂纹较多，而这种形态的试验条件也容易实现。

在高温阶段金属中存在两个“脆性温度区间”（如图4所示）与此对应，也可以见到两类焊接热裂纹：

1、与液膜有关的热裂纹产生于I区

2、与液膜无关的热裂纹，产生在II区

位于奥氏体在结晶温度Tr附近。两类裂纹各有各的特征。

                                    图4

热裂纹是焊接生产中比较常见的一种裂纹缺陷，它是在焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的，固称为热裂纹，从焊接过程中都有产生热热裂纹的可能。

产生热裂纹的原因：电源嫌小、焊缝尺寸小、热应力大、焊接过快、焊条直径太大、晶间易熔硫化物相、削弱晶界结合力、预热不足或未预热、高拘束、坡口准备不良、装配不良、焊缝形成不良、热输入不合格、运条操作不良。

热裂纹的预防措施：降低焊速、焊条直径减小、改善接头设计及装配质量、选用低硫钢、增加Mn-提高Mn/S球化硫化物相-提高热塑性、减小拘束、适当减小电流、预热充分、热输入适当。

二、低温用碳钢的焊接性能及焊接工艺要点

低温用钢碳钢的碳含量较低，属于低碳钢范围。合金元素含量较低，淬硬性不大，因此焊接性能良好，若采用合适的焊接材料和正确的焊接工艺，就可以得到满意的焊接接头。

1、焊接方法及热输入的选择

常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊及熔化极气体保护焊等。低合金低温用钢焊接时，为避免焊缝金属及近缝区形成粗大组织而使焊缝及其热影响区的韧性恶化，焊条尽量不大摆动，采用窄焊道，多道多层焊，焊接电流不宜过大，宜采用快速多道的焊接方法以减轻焊道过热，并通过多层焊的重热作用细化晶粒。多道焊时，要控制层间温度，应减小热出入。如果需要预热时，应严格控制预热温度及多层多道焊的层间温度。

2、焊后检查与处理
焊接低温用钢产品，应注意避免弧坑、米熔透及焊缝成形不良等缺陷。焊后应认真检查内在及表面缺陷，并及时修复。低温下由缺陷引起的应力集中将增大结构低温脆性破坏倾向。焊后消除应力处理可以降低低合金低温用钢焊接产品的脆断危险性。

三、焊接接头冲击强度

冲击载荷作用下，金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。金属韧性常用冲击韧度指标进行衡量。将被试的金属材料按规定制成一定形状和尺寸的试样放在专门的冲击试验机上加上一定的冲击载荷将试样打断，以测定材料冲击韧度的试验方法称为冲击试验。冲击试验的试样有夏比U形缺口和夏比V形缺口两种式。U形缺口试样由于缺口太钝，对缺口韧性的反应不敏感，不能充分反映焊件上裂纹等尖锐缺陷破坏的特征，目前已很少采用。而V形缺口试样对缺口韧性的反应和实际 结构破坏之间的关系比U形好，特别是用来测定材料的脆性转变温度时，其反应比U形缺口要明显得多，是目前广 泛使用的一种冲击试样。焊接接头的冲击试验可用来测定焊接接头的冲击韧度和 缺口敏感性，作为评定材料断裂韧度和冷作时效敏感性的一个指标。

冲击强度（寿命）是表征零件或结构承受冲击载荷的能力，或叫做“抵抗冲击的寿命”。它与夏比冲击韧性试验得到的冲击韧度值不同，冲击韧度是强度和塑性综合作用的性能指标。零件或结构在工作中承受的冲击载荷不同，有时在大能量工作下承受一次或几次的冲击载荷便失效，这种情况通常较少。多数情况是在较小的冲击载荷下，承受较长时间且多次的冲击载荷才做断。这种破断是多次冲击载荷所造成逐渐积累的损伤，不能用一次冲击来说明，于是出现了表征材料承受冲击载荷的能力，叫做“抵抗冲击的寿命”。

总结：

低温材料的焊接性能焊接性主要从分析焊接裂纹、低温用碳钢的焊接性能及焊接工艺要点、焊接接头冲击强度。分析低温钢的应用情况。在低温钢应用中应当控制线能力，提高抵抗冲击的寿命。避免使用中出现脆性断裂的情况。
低温用钢的应用大大推动了相关产业的发展，促进了科学技术的进步，提高了人们的生活质量，减少和消除了灾害事故的发生，具有较大的经济意义和社会意义。

参考文献：《低温用钢的焊接》于启湛 丁成钢  史春元编

         《焊接手册》第2卷 中国机械工程学会焊接学会编