1 绪 论焊接技术自20世纪初期以后，几十年 来获得迅猛发展，目前焊接结 构已经基本上取代了铆接结构，并部分代替铸造和锻造结构。焊接结构 的用材量占钢产量的近50 %,已广泛地应用于航空、航天、原子能、化 工、 造船、 海洋工程、 电子技术、 建筑、 机械制造等工业部门。不锈钢产品之所以会迅速增长, 与1950 年以后采用 宽幅的森吉 米尔轧机、AOD和VOD精炼技术的开发、连铸等技术的进步是密不可分的， 通过先进设备和技术的应用 , 降低了不锈钢大批量生产的成本, 在诸如 厨房器具等耐久消费品领域的应用开始普及, 并且新领域的需求不断增 长。不锈钢的发展与市场需求、 产品和生产技术的开发及生产技术的进 步相关。从 1996 年 日 本 、 北 美 、 欧 洲 的 不 锈 钢 需 求 构 成 特 点 看 , 在 日 本 不锈钢用 于厨房器具的比率较高, 紧随其后的是建筑和产业机械领域； 在北美, 不锈钢用于汽车的比率较高, 建筑和食品器具类次之；在欧洲 不锈钢用 于产业机械的比率较高, 其次是管道制品和金属加工制品。不 管是在哪个地区, 不锈钢被广泛用于建筑、 运输、 厨房、 电气、 产业机 械等各种领域, 这是因为不锈钢所具有的耐久性、 耐蚀性、 美观性等优 点能被世界所广泛认可, 从而扩大了不锈钢的应用领域。在高压容器、 锅炉中, 不锈钢焊接构件得到越来越广泛的应用 , 它 不但能满足不同工作条件对材质的要求, 而且通过焊接的方法连接成不 同几何形状的零部件，生产、修复简便而且成本低。如0Crl8Ni9钢是我 国在80年代末引进外国的配方研制的。低温钢适于在0 C以下应用的合金钢。能在-196 C以下使用的， 称为深冷钢或超低温钢。低温钢主要应具有如下的性能：韧性一脆 性转变温度低于使用温度；满足设计要求的强度；在使用温度下 组织结构稳定；良好的焊接性和加工成型性；某些特殊用途还要 求极低 的 磁导率、冷 收缩率等。低 温钢 按晶体点阵类型一般可分为体 心立方的 铁素体低 温钢 和 面心立方的 奥氏体低温钢 两大类。铁素体低 温钢 一般存在 明显的 韧性脆性转变温度， 当温 度降低 至某个临界值（或区间）会出现韧性的 突然下降。 附图表示含 碳0.2碳钢 冲击值与温度的 关系,其转变温度在 -20C 左右。因此铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素， 降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等, 使铁素体钢的韧性-脆性转变温度降低（见金属的强化）。铁素体低温钢按成分分为三类：低碳锰钢（co. 05 0. 28 % , Mn0. 62 % ）。使Mn/C 10,降低氧、氮、硫、磷等有害杂质， 有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。 这类钢最低使用 温度为一60 C左右。低合金钢。主要有低镍钢（Ni24 % ）、锰镍钼 钢（Mn0. 6 1. 5 % ,Ni0. 2 1. 0 % , Mo0. 4 0. 6 % , CW0. 25% ）、镍铬 钼钢 （Ni0. 7 3. 0 % , Cr0. 4 2. 0 % , Mo0. 2 0. 6 % , CW0. 25% ）。 这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达-110 C左右。中国研 制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。中（高）合金钢。主 要有6 % Ni钢、9 % Ni钢、36 % Ni钢，其中9 % Ni钢是应用较广的深冷 用钢。这类高镍钢的使用温度可低至-196 C。奥氏体低温钢 具有较高的低温韧性, 一般没有韧性脆性 转变温度。按合金成分不同，可分为三个系列：Fe-Cr-Ni系。主要 为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好, 已不同程度地应用于各种深冷（-150269 C ）技术中。Fe-Cr-Ni-Mn 和Fe-Cr-Ni-Mn-N系。这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。 氮还有强化作用,使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏 体组织, 适用 于作超低温无磁钢 （ 即材料的磁导率很小） 。 如 0Cr21Ni6Mn9N和0Cr16Ni2 2Mn9Mo2等 在-269 C 作无 磁结构 部件。 Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢。是中国研制的节约铬、镍的新钢种， 如15Mn26Al4等可部分代替铬镍奥氏体钢，用于-196 C以下的极低温 区。 如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力, 还可扩大其应用范围。使用范围 低温钢在石油气深冷分离设备中, 绝大部分的最低使 用温度为-110 C ,个别设备中达-150 C ,可分别采用低合金钢、36 % 镍钢或9 %镍钢。在空气分离设备中，最低工作温度达-196 C , 一般 采用9 %镍钢或奥氏体低温钢。工作温度为-253 C的液氢生产、贮运 设备，工作温度为-269 C的液氦设备，均应采用组织结构稳定的奥氏 体低温钢。而某些特殊设备如超导磁体或超导电机，宜采用在工作温 度以下除有稳定的奥氏体组织外，还要能保持极低磁导率（m）W 1. 01 或更低） 的钢种。2.低温高 压 容器 介绍及 焊 接特 点和 方法2.1 前 言随着我国低温液化气体贮运需求的加大，国内多家具有A级、C级 压力容器制造资质的企业， 生产了质量优良的低温绝热液化气体贮运设 备， 在我国气体应用的领域服役。目前我国制造低温绝热液化气体贮运 设备罐体内 胆的低温材料， 基本是18-8 型奥氏体不锈钢，其 代表钢种是 0Cr18Ni9 。为提高低温罐体内胆主体焊缝的施焊效率， 减轻焊工的劳动 强度，保证其焊接接头的低温韧性。对d三10mm的0Crl8Ni9 奥氏体不 锈钢， 采用埋弧焊工艺方法， 开展了一系列工艺性试验， 取得了满意的 效果， 并已应用于低温绝热压力容器的生产中。2.2 低 温绝热 压力容器 的使用 特点及对 其内胆 主体焊 接接头的 质量要 求2.2.1 低温绝 热压力容 器的使 用特点低温绝热型压力容器是用于盛装液氩、 液氢、 液氮、 液氧、 液化天 然气等超低温液化气体的受压容器。表2-1 列出几种常用的工业气体或燃 气的压力在1 0 1.325KPa 下的沸点温度。表 2-1 常用的工业气体或燃气的压力在 101.32 5KP a 下的沸点温度液化气体名称化学式沸点C氧02-182.83氩Ar-185.71氮N2-195.65氢H2-252.77天燃气CH4混合气-161.3 165.32.2.2 内胆 主体焊接 接头的 质量要 求低温液化气体温度在0 C,压力在101.325KPa 下汽化为气体时，体积 会迅速膨胀。表2-2给出温度0 C、压力在101.325KPa 条件下，单位体积 低温液体生成的气体体积。 在密闭内胆(内表1 工业气体或燃气的压力 在101.325KPa下的沸点温度内，同体积膨胀使压力升高表2-2 0 C和10 1.3 25K Pa条件下单位体积生成的气体体积/( m 3/ m3 )液氧液氩液氮液化天然气800780647568 590综上超低温、受压的使用特点，对低温绝热压力容器内胆的主体焊缝焊接接头保证其低温韧性， 是满足安全使用的主要要素。材质方面通常产品设计上采用耐低温使用的0Crl8Ni9 钢，其最低使 用温度-196 C， 而如何选择适合此钢种的焊接材料是焊接合格焊接接头 的 重 点 。按GB150-1998 附录C及JB4708-2000 的有关规定，包括焊缝及热影 响区的低温夏比冲击试验的冲击功平均值Akv鼻31J ,才是合格的焊接接 头的 重 点 。2.3 试 验 准备据国内一些资料介绍，对于0Cr18Ni9不锈钢，采用焊条电弧焊和手 工氩弧焊，因其焊接线能量较低，很容易实现焊缝金属的低温韧性要求 但是上述焊接方法焊接效率太低。考虑选择焊接效率较高的埋弧焊工艺 其焊接线能量比焊条电弧焊和手工氩弧焊高些， 但是合理的选择焊接材 料及制定合理的焊接工艺参数，也是能够实现0Cr18Ni9 焊接接头的低温 韧 性 要 求 的 。焊接方法已经选定采用埋弧焊工艺， 接下来要考虑的就是填充金属 材料的选择， 焊接坡口形式的确定， 焊接参数的确定。 这些影响焊缝金 属冲击韧性的因素需要通过工艺试验及理化试验确定其正确性。首先分析了 0Cr18Ni9 钢焊接，从填充金属的材料选择上要考虑所选 择的焊接材料应确保所熔敷的焊缝金属有与母材接近的成分， 因此选择 H0Cr20Nil0Ti 以及H0Cr21Nil0 两种焊丝作为试验用焊丝。焊剂选择，从查阅资料上得到信息，要想焊缝金属得到低温下的较 高韧性，必须选用碱性焊剂。因为碱性焊剂的碱度大易于减少焊缝金属 的夹杂物含量，夹杂物含量低，则焊缝金属的低温韧性就好。因此选择 与焊接材料 匹配 的 SJ601 焊剂作为 试 验用焊剂。坡口形式的选择，根据本厂产品的特点和本厂已具备的板材厚度， 选定1 16mm 作为本 试验的试件 厚度 。埋弧焊 所需的坡 口 可以开坡口 ，也 可不开坡口，但是为了试验不同坡口形式下的焊接参数，最终达到试验 要求，为此我们把两种坡口均作为试验坡口。焊接参数的选择，考虑不 锈钢焊接性的特点，奥氏体钢导热性较低，电阻率较高，因此奥氏体钢 焊接尽量采用较小的焊接线能量。下面列举了试验数据。2.4 埋 弧焊工 艺试验2.4.1 确定试验方案（见表 2-3 ）2.5 选择焊 接材料2.5.1 确定试 验 用材的 化 学成 分埋弧焊的焊丝与焊剂的选配时，应 考虑到埋弧焊的工艺特点和冶金特 性。焊剂在埋弧焊中的主要作用时造渣。以 隔绝空气对溶池金属的污染，控制焊缝金属的化学成分，保证焊缝金属的力学性能，防止气孔、裂纹和夹渣等缺陷的产生。2.5.2 确定试验用材的力学性能（见表 2-6 ）2.6 工艺参 数试验对于工艺参数的选择，为了获得良好的焊接热循环，在保证焊接良 好的成形基础上，尽量选用小的焊接电流，适中的电流电压和尽可能大 的焊速，为此试件均采用两种坡口型式（见图2-1 ）进行试验。图 2- 1 试 件 坡 口 形 式+12.6.1 选择试件的焊接工艺规范（见表 2-7 ）表 2-7 试件 的焊接 工艺 规范2.6.2 对施 焊完成的 试板进 行检验（1）外观质量检验四组焊接试件经X射线检测，均达到J B /T4730.2-2005, 100% II级合格标准。（3）晶间腐蚀检测表2-9晶间腐蚀检测试件编号试件1试件2H01没有晶间腐蚀倾向没有晶间腐蚀倾向H02没有晶间腐蚀倾向没有晶间腐蚀倾向H03没有晶间腐蚀倾向没有晶间腐蚀倾向H04没有晶间腐蚀倾向没有晶间腐蚀倾向晶间腐蚀按GB/T4334.2-2000 标准,测试结果显示两种焊丝焊接结果均未有晶间腐蚀倾向。2.6.3 试验结 果试件HOI、H03冷弯后均有裂纹产生，且-196 C冲击功焊缝和热影响 区均较低。而H02、H04无裂纹产生。按GB150-1998 附录C规定，奥氏 体不锈钢低温容器的焊接接头在-196 C Akv应鼻31J （三个试件的平均 值）。而试件HOI、H03热影响区低温冲击功平均值未达到标准要求。而 试件H02、H04达到了要求，并且试件H04