金興林 ， 唐菊萍

（1.江陰天江藥業(yè)有限公司，江蘇 江陰 214400；2.江蘇省江陰中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇 江陰 214400）

低溫鋼一般指低溫工作環(huán)境（-253 ℃~-20 ℃）焊接結(jié)構(gòu)用鋼。應(yīng)用較廣的低溫鋼容器、管道和結(jié)構(gòu)件，如液化石油氣儲(chǔ)罐、石油化工低溫設(shè)備及其他冷凍設(shè)備等。低溫鋼的低溫韌性一般是通過(guò)合金元素的晶粒細(xì)化、固溶強(qiáng)化、正火或正火加回火處理以細(xì)化晶粒和均勻組織保證的。AB-VH32-60 鋼可用作-60 ℃低溫用鋼，控制碳含量并嚴(yán)格限制S、P 含量，可獲得較好的低溫韌性。根據(jù)該鋼特點(diǎn)，本試驗(yàn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了焊接坡口，進(jìn)行AB-VH32-60 低溫鋼FCAW焊接工藝試驗(yàn)。

1 低溫鋼的焊接性能

由于不含Ni的低溫用鋼其含碳量低、其他合金含量也不高，脆硬和冷裂紋的傾向小，因而具有良好的焊接性，一般可以不用預(yù)熱，但應(yīng)當(dāng)避免在低溫下焊接。含鎳低溫鋼由于添加了Ni，增大了鋼的淬硬性，但不顯著，冷裂紋傾向也不大；當(dāng)板厚較大時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)念A(yù)熱。Ni可能增大熱裂紋傾向，要嚴(yán)格控制鋼及焊接材料中的C、S 和P 的含量，采用合理的焊接工藝，以增大焊縫成形系數(shù)，可以避免產(chǎn)生熱裂紋。因此，保證焊縫和粗晶區(qū)的低溫韌性是焊接時(shí)的關(guān)鍵。

低溫鋼焊接的關(guān)鍵是要保證接頭具有良好的低溫沖擊韌性。由于母材含碳量較低且具有良好的韌性和塑性，其接頭的薄弱環(huán)節(jié)一般是在熔合線(xiàn)和焊道部位，因此低溫鋼焊接時(shí)應(yīng)注意晶粒細(xì)化問(wèn)題，晶粒越細(xì)，韌性越好。奧氏體和鐵素體的低溫鋼，其晶粒尺寸對(duì)低溫鋼韌性有較大的影響，通過(guò)對(duì)低溫鋼進(jìn)行焊接并獲得細(xì)晶粒的組織，一般要用小的預(yù)熱量進(jìn)行焊接，還要控制好道間溫度不宜過(guò)高，以防止金屬過(guò)熱而導(dǎo)致韌性下降情況的發(fā)生。

AB-VH32-60 低溫鋼的焊接性分析如下：

盡管AB-VH32-60 低溫鋼具有較好的焊接性，但是焊接操作不當(dāng)也會(huì)有導(dǎo)致一些問(wèn)題的發(fā)生[1-3]。該材料存在焊接時(shí)對(duì)焊縫裂紋不敏感，易產(chǎn)生氣孔和夾渣，尤其是焊接接頭的焊縫中心低溫沖擊韌性偏低。AB-VH32-60 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2 所示。

表1 AB-VH32-60鋼的化學(xué)成分 （%）

表2 AB-VH32-60鋼的力學(xué)性能

2 焊接工藝

2.1 材料和焊接方法

試驗(yàn)采用的母材為AB-VH32-60 鋼。試板的規(guī)格：500 mm×150 mm×16 mm 的板材6 塊，焊接材料、焊材化學(xué)成分、焊材力學(xué)性能如表3、表4 和表5所示。本試驗(yàn)采用山東奧泰公司的NBC-500 逆變式CO2氣體保護(hù)焊機(jī)進(jìn)行接頭試樣焊接。

表3 焊接材料

表4 Supercored 81-K2 焊材的化學(xué)成分 （%）

表5 Supercored 81-K2 焊材的力學(xué)性能

2.2 焊接接頭形式

設(shè)計(jì)的焊接接頭有橫對(duì)接、立對(duì)接和平對(duì)接+仰對(duì)接三種形式，坡口角度尺寸焊縫成形如圖1、圖2、圖3 所示。

圖1 橫對(duì)接

圖2 立對(duì)接

圖3 平對(duì)接+仰對(duì)接

2.3 焊接工藝要領(lǐng)

焊接前不需要預(yù)熱，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)，需要加熱溫度至20 ℃以上。采用多層多道焊，控制焊縫寬度在16 mm 以下，厚度在3 mm~4 mm[4-6]。對(duì)于影響焊接質(zhì)量的缺陷，應(yīng)用砂輪打磨清除。

焊接時(shí)焊條盡量不要擺動(dòng)。應(yīng)采取窄焊道、多層多道焊形式，焊接電流不宜過(guò)大，宜用快速多道焊以減輕焊道過(guò)熱的情況，并通過(guò)多層焊的回火焊道作用細(xì)化晶粒。多道焊時(shí)，要控制道間溫度，采取小熱輸入焊接，二氧化碳電弧焊的熱輸入應(yīng)控制在0.8 kJ/mm~2 kJ/mm范圍內(nèi)。

為控制焊接變形，采用反變形及分段退焊的焊接順序[7-10]。盡量采用兩人對(duì)稱(chēng)焊接，焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有變形，應(yīng)調(diào)整焊接順序，角變形一側(cè)凹陷就停止焊接，待凸一側(cè)焊接沒(méi)有發(fā)現(xiàn)形變?cè)龠M(jìn)行焊接。

AB-VH32-60 低溫鋼焊接的參數(shù)如表6、表7 和表8所示。

表6 橫對(duì)接焊接參數(shù)

表7 立對(duì)接焊接參數(shù)

表8 平對(duì)接+仰對(duì)接焊接參數(shù)

焊后處理。AB-VH32-60 低溫鋼焊接時(shí)應(yīng)注意避免弧坑、未焊透及焊縫成形不良等缺陷的產(chǎn)生。焊后應(yīng)認(rèn)真檢查并及時(shí)修復(fù)表面及內(nèi)在缺陷。低溫下缺陷引起的應(yīng)力集中將增大結(jié)構(gòu)低溫脆性破壞傾向。焊后消除能力處理可以降低合金低溫鋼焊接產(chǎn)品的脆斷危險(xiǎn)性。對(duì)于有弧坑裂紋的接頭，使用砂輪打磨接頭呈45°~60°的斜坡，并避免出現(xiàn)深而窄的坡口。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)試驗(yàn)中的橫、立對(duì)接縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。按照CB/T 3558—2011射線(xiàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100 %RT檢測(cè)，并按照CB/T 3958—2004滲透檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100 %PT檢測(cè)，試樣無(wú)裂紋、未焊透、氣孔等缺陷，試樣均為I級(jí)合格。

3.2 試板的力學(xué)性能測(cè)試

3.2.1 拉伸試驗(yàn)

根據(jù)勞氏船級(jí)社（LR）的標(biāo)準(zhǔn)，在試件的接頭部位截取部分作為試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。并在3 塊試板上分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，焊接試板的抗拉強(qiáng)度如表9所示。

表9 試板橫向拉伸結(jié)果

3.2.2 彎曲試驗(yàn)

按照勞氏船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)試板進(jìn)行力學(xué)方面的性能試驗(yàn)，其彎曲性能檢測(cè)結(jié)果表明，試板接頭的強(qiáng)度比母材的強(qiáng)度略高。橫向側(cè)彎12 組，彎軸直徑100 mm，彎角180°，試板厚度16 mm，彎曲試驗(yàn)到規(guī)定的角度后，焊接接頭沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)口缺陷，試板的橫向彎曲、拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果均符合勞氏船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的焊接試驗(yàn)可得，試驗(yàn)數(shù)值均符合試驗(yàn)前的預(yù)期結(jié)果。AB-VH32-60 構(gòu)件焊縫表面無(wú)可見(jiàn)的裂縫、氣孔和咬邊等缺陷情況，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)板料進(jìn)行MT和UT探傷，結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)合格率為100 %，工藝評(píng)定取得了挪威船級(jí)社（DNV）的認(rèn)可。對(duì)于A(yíng)B-VH32-60 這種特殊類(lèi)型LPG 船用低溫鋼材，其焊接性能一般?？梢?jiàn)該材料焊接的關(guān)鍵是要保證焊縫和粗晶區(qū)的-60 ℃低溫韌性。應(yīng)選取高質(zhì)量焊材并精確控制焊道間的層溫和熱輸入，以解決低溫鋼易產(chǎn)生裂紋和焊縫低溫沖擊韌性下降的技術(shù)難題。