CN112176254A - 一种高冲击韧性低温钢及其焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高冲击韧性低温钢及其焊接工艺，属于化工机械领域。该低温钢的化学成分及其质量百分比为：C：≤0.17％，Si：0.2‑0.6％，Mn：0.6‑1％，Ni：3.25‑3.75％，V：0.1‑0.2％，S：≤0.005％，P：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。该工艺包括(1)母材接头坡口设计；(2)焊前清理和准备工作；(3)对焊前母材进行固溶处理；(4)采用手工电弧焊对固溶强化后的母材进行焊接；(5)对焊后母材进行热处理。该工艺在采用该低温钢的基础上，通过制订独特的工艺措施及焊后热处理，能够在保证焊缝金属强度和塑性的同时，使焊缝获得良好的冲击韧性，从而令最终的成品容器性能有效提高。

Description

一种高冲击韧性低温钢及其焊接工艺
技术领域
本发明属于化工机械领域，更具体地说，涉及一种高冲击韧性低温钢及其焊接工艺。
背景技术
在压力容器制造领域，特别在能源、石油等化工行业中，为了贮存和运输各类液化气体，经常要使用低温压力容器，现有技术中，低温压力容器一般采用低温合金钢制造。我国通常把适合在-40—-196℃范围内使用的钢称为低温钢。
在实际使用过程中，温度对低温钢的性能影响很大。一般来说，随着温度的降低，钢的屈服强度会增加，韧性则有所降低。当温度降至某一范围内，低温钢的缺口冲击试样的断裂形式就会由韧性断裂转变为脆性断裂。
目前常用的低温钢以C-Mn系列为主，主要典型代表为16MnDR低温钢。该钢材的交货状态一般为正火，温度-40℃时其冲击韧性≥34.5J。该种钢虽然有较好的低温韧性，但随着使用该种钢制备的压力容器的服役温度进一步下降，譬如在-101℃时，该种钢就不能满足压力容器的使用要求。具体的，采用该种钢制备的压力容器存在下列不足：
1)使用温度不能满足要求，在更低温如-101℃时的低温韧性较差，使用受到影响；
2)该种钢的屈服比(σs/σb)较大，为0.65，而屈强比越大，表明塑性变形能力越小，易发生脆性断裂；
3)焊后热处理仅为消除应力，对焊缝的韧性没有明显改善，对压力容器的整体性能影响较大。
中国专利申请号为：CN201410082366.8，公开日为：2014年7月2日的专利文献，公开了一种大厚度Ni系低温容器用钢板及其生产方法，其由下述质量百分比的组分熔炼而成：C 0.07％～0.10％，Si 0.15％～0.30％，Mn 0.68％～0.80％，P≤0.008％，S≤0.003％，Ni 3.60％～3.70％，Cr 0.18％～0.25％，Mo 0.09％～0.12％，Nb 0.010％～0.020％，Ti 0.010％～0.020％，Alt 0.020％～0.050％，余量为Fe和微量不可避免的杂质；所述钢板的厚度为100mm～150mm。本钢板采用Ni-Cr-Mo-Nb-Ti系铁素体钢，生产出符合低温压力容器要求的100mm～150mm厚08Ni3DR(3.5Ni)钢板，将其应用于低温设备如甲醇洗涤塔、甲醇捕雾器、H2S浓缩塔等的制作，具有良好的焊接性能和低温冲击性能。
该钢板虽然具有良好的低温冲击韧性，但是其采用了多种合金元素，导致该钢板的制备成本较高且材料准备和制备过程较为复杂，另外，该方案中并没有对使用该钢板制备容器时的焊接工艺进行描述，而焊接工艺对于成品容器的质量的影响是十分明显的，因此该方案在低温容器的制备上并不完整。
中国专利申请号为：CN201810552518.4，公开日为：2018年10月26日的专利文献，公开了一种温卷压力容器筒体用Q345R钢板焊后热处理方法，所述焊后热处理方法包括钢板加热、保温、冷却工序。本发明通过对焊后热处理加热速度、保温时间、冷却速度等工序的控制，保证了钢板的良好力学性能，解决了压力容器筒体用Q345R(HIC)钢板温卷后内部显微组织粗化、不均现象，消除了内部缺陷，从而保证了钢板及焊接热影响区的力学性能和耐腐蚀性能。
中国专利申请号为：CN201810439435.4，公开日为：2018年9月4日的专利文献，公开了一种超厚超宽钢板及其模焊热处理方法，所述钢板化学成分组成及其质量百分含量为：C≤0.25％、Si：0.13～0.45％、Mn：0.84～1.62％、P≤0.015％、S≤0.010％、Cr+Mo+Ni+Cu≤0.75％、Al≥0.020％、N≤0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质元素；所述热处理方法包括正火和回火工序。
上面两种方案均为钢板焊后的热处理方法，但是，二者的钢板焊后热处理并不是针对低温钢制备压力容器时的焊接工艺，属于消除应力的常规热处理方式，对提高焊缝韧性意义不大。尽管其也可以用于采用低温钢制备压力容器时的情况，但是其很可能达不到想要的工艺效果，无法改善低温钢焊接后的性能。
为了解决在-101℃服役时，钢材能获得良好的冲击韧性，本发明专利将采用一种新型低温钢(3.5％Ni)材料，通过制订合理的工艺措施及焊后热处理，在保证焊缝金属强度和塑性的同时，焊缝获得良好的冲击韧性。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有的压力容器所用低温钢在较低温度即101℃时的冲击韧性较差的问题，本发明提供一种高冲击韧性低温钢，通过对低温钢的组成成分进行独特地设计，有效地提高了低温钢在低温环境尤其是101℃时的冲击韧性，方便后续制备低温容器时进行焊接。
本发明还提供一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，对上述一种高冲击韧性低温钢进行焊接，通过制订独特的工艺措施及焊后热处理，能够在保证焊缝金属强度和塑性的同时，使焊缝获得良好的冲击韧性，从而令最终的成品容器性能有效提高。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种高冲击韧性低温钢，其化学成分及其质量百分比为：C：≤0.17％，Si：0.2-0.6％，Mn：0.6-1％，Ni：3.25-3.75％，V：0.1-0.2％，S：≤0.005％，P：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
一种上述高冲击韧性低温钢的焊接工艺，包括以下步骤：
(1)母材接头坡口设计；
(2)焊前清理和准备工作；
(3)对焊前母材进行固溶处理；
(4)采用手工电弧焊对固溶强化后的母材进行焊接；
(5)对焊后母材进行热处理。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤(4)中，采用多层多道焊对坡口进行焊接，保持每层焊道焊接过程连续，控制层间温度为150-200℃。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤(4)中，焊接时控制焊接线能量为20-25KJ/cm。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤(4)中，焊接电流为90-130A，电弧电压为18-22V，焊接速度为11-13cm/min。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤(5)热处理包括以下步骤：
(5.1)正火：使焊后母材在加热炉中加热，加热温度为890±20℃，保温45-60min后取出空冷，空冷速度为33.3-43.5℃/S；
(5.2)回火：使焊后母材在加热炉中加热，加热温度为600±20℃，保温1-2h后随炉缓冷，冷却速度为5.6-8.2℃/S。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤(3)中，固溶处理的温度为950-1050℃，冷却方式为水冷，水冷速度为138.8-140℃/S。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤(1)中，接头坡口中的坡口角度为55-65°，对接间隙为1-3mm。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤(2)包括以下步骤：
(2.1)清理杂质：焊接前，对坡口两侧20mm范围内的油污及水分氧化物进行清理；
(2.2)焊条烘干：焊接前对焊条进行烘干，烘干温度为300-350℃，烘干后保温1-2h。
作为技术方案的进一步改进，还包括步骤(2.3)母材预热：当母材厚度大于12mm时，对母材进行焊前预热，预热温度为120-150℃。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明一种高冲击韧性低温钢，其组成成分进行了独特合理的设计，有效地提高了低温钢在低温环境尤其是-101℃时的冲击韧性，从而提高了后续制备的压力容器在低温环境下的冲击韧性，另外，其通过加入适当的强碳化物形成元素V，一方面可以细化晶粒，提高低温钢的韧性，另一方面可以适当降低C的含量，提高低温钢的可焊性，尤其是，其采用的合金元素种类较少，采用常见的合金元素即可制备，成本较低，材料的准备和制备过程较为简便，提高了材料的制备效率；
(2)本发明一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，采用手工电弧焊对低温钢母材进行焊接处理，焊接时的整体过程稳定，且其在焊前对母材进行固溶处理，使合金元素Ni与Fe以互溶形式存在于α和γ铁相中，从而通过晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒，提高了钢的冲击韧性；
(3)本发明一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，采用小电流、短弧焊、快速焊及多层多道焊对母材进行焊接，同时对焊接过程中的线能量和层间温度进行合理的控制，其中，采用快速焊和多道焊能够减少焊道过热的情况，防止出现粗大的铁素体和马氏体组织，降低母材强度和韧性，而采用多层焊则使得后面工序的焊道对前面工序的焊道能够起到预热作用，从而细化组织晶粒，提高韧性；
(4)本发明一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，对母材进行了正火加回火的焊后热处理，其中，正火能够细化奥氏体晶粒，使组织更均匀，回火则可以消除正火冷却中产生的残余应力，得到由铁素体和弥散分布于其中的细粒渗碳体组成的回火索氏体组织，使得母材的低温韧性得到显著改善，另外，本工艺还对正火和回火的工艺参数进行了与上述低温钢成分相匹配的独特设定，这是由于采用常规的焊后热处理工艺对本发明的低温钢进行焊后热处理时，虽然能够改善低温钢的韧性，但是低温钢的强度却会有所降低，而采用本工艺的焊后热处理，母材和焊缝的伸长率提高了50％，冲击韧性提高了100％，但是母材的强度并没有降低甚至还有所提高，大大提高了母材和焊缝的综合性能；
(5)本发明一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，焊前将坡口两侧20mm范围内的油污及水分氧化物清理干净，防止焊接时出现缺陷，保证了焊接过程顺利，且其焊条在使用前进行了烘干保温，降低了焊条的含氢量，提高了焊缝质量；
(6)本发明一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，由于本发明的低温钢的含C量较低，因此冷裂倾向不严重，焊接壁厚小于12mm的薄板可以不预热，而当低温钢的壁厚大于12mm时则对母材进行焊前预热，防止母材出现焊接裂纹。
附图说明
图1为母材和焊缝在不同含镍量下的冲击韧性的折线图，位于上方的折线为母材，位于下方的折线为焊缝；
图2为不同冷却方式和冷却速度下的马氏体转变图；
图3为本发明中的热处理工艺图；
图4为母材的接头坡口示意图；
图5为焊接后对母材进行正火后的母材组织图；
图6为焊接后对母材进行回火后的母材组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
实施例1
一种高冲击韧性低温钢，其化学成分及其质量百分比为：C：≤0.17％，Si：0.2-0.6％，Mn：0.6-1％，Ni：3.25-3.75％，V：0.1-0.2％，S：≤0.005％，P：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
Ni为钢中的固溶元素，当对该低温钢进行固溶处理时，Ni与Fe以互溶形式存在于α和γ铁相中，通过晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧性。但是，随着Ni含量的增加，低温钢易产生热裂倾向，且Ni也是扩大奥氏体形成元素，它可使相变点降低，提高钢的淬透性，易使钢中出现粗大的板条贝氏体和马氏体，如果Ni含量过多的话，反而会降低低温钢的韧性尤其是在低温环境下的冲击韧性。因此，需要适当控制Ni的含量，本实施例控制在3.25-3.75％之间。
本实施例的碳含量较低，因此其冷裂倾向不严重，焊接壁厚小于12mm的薄板可以不预热，而当低温钢的壁厚大于12mm时则对母材进行焊前预热，防止母材出现焊接裂纹。
S和P属于低温钢中的杂质元素，其会严重增加钢的脆性，因此需要将S和P的含量控制在≤0.005％以下，本实施例通过适当提高Si和Mn含量起到了脱S、脱O的功效。
V属于强碳化物形成元素，其一方面可以细化晶粒，提高低温钢的韧性，另一方面可以适当降低C的含量，提高低温钢的可焊性。
本实施例的低温钢通过对组成成分进行了独特合理的设计，有效地提高了低温钢在低温环境尤其是-101℃时的冲击韧性，从而提高了后续制备的压力容器在低温环境下的冲击韧性，尤其是，其采用的合金元素种类较少，采用常见的合金元素即可制备，成本较低，材料的准备和制备过程较为简便，提高了材料的制备效率。
制备压力容器时，需要对多块低温钢钢板之间进行焊接，其焊接工艺对最终制得的产品的性能同样会起到十分重要的影响，下面就对该低温钢的焊接工艺进行描述，该工艺包括如下步骤：
(1)母材接头坡口设计
如图4所示，接头坡口中的坡口角度为55-65°，对接间隙为1-3mm，本实施例的坡口角度为60°，对接间隙为2mm。
(2)焊前清理和准备工作
该阶段主要分为以下三个步骤：
(2.1)清理杂质
焊接前，对坡口两侧20mm范围内的油污及水分氧化物进行清理，防止焊接时出现缺陷，保证了焊接过程顺利。
(2.2)焊条烘干
焊接前对焊条进行烘干，烘干温度为300-350℃，烘干后保温1-2h，烘好的焊条放在保温桶中以备取用。该步骤降低了焊条的含氢量，提高了焊缝质量。
(2.3)母材预热
当母材厚度小于12mm时不进行预热，当母材厚度大于12mm时，对母材进行焊前预热，防止母材出现焊接裂纹，预热温度为120-150℃。
(3)对焊前母材进行固溶处理
如图3所示，固溶处理的温度一般为950-1050℃，以便形成亚稳的奥氏体组织，冷却方式为水冷，水冷速度为138.8-140℃/S，硬度保持在200HB，使母材保持在可以进行机加工或焊接的状态。
固溶处理的原理为：利用某些沉淀析出的元素在高温下溶解度大、低温下溶解度小的特点，通过高温加热，使可沉淀元素充分溶解于基体组织中，保证组织在快速冷却过程中处于过饱和状态。因合金元素Ni为钢中的的固溶元素，在固溶处理过程中，它与铁以互溶形式存在于α和γ铁相中，通过晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒提高了钢的冲击韧性。
(4)采用手工电弧焊对固溶强化后的母材进行焊接
采用小电流、短弧焊、快速焊及多层多道焊对坡口进行焊接，同时对焊接过程中的线能量和层间温度进行合理的控制。
具体的，通过调整电流、电压和焊接速度来控制焊接线能量，焊接电流为90-130A，电弧电压为18-22V，焊接速度为11-13cm/min，并根据经验公式J＝60IU/v进行计算，控制焊接线能量为20-25KJ/cm。
在进行多道焊和多层焊时，保持每层焊道的焊接过程连续，如果因为意外而中断焊接，一定要对焊道采取保温措施并进行缓冷，防止焊接过程中焊缝出现粗大的马氏体或贝氏体组织，降低焊缝韧性。层间温度控制在150-200℃之间，在需要对母材进行预热时，层间温度通常比母材的预热温度高30-50℃。另外，焊接完成后，冷却方式应该同样采用缓冷，缓冷速度为6.5-7.8℃/s，缓冷方式可以根据实际情况进行选择，如随炉缓冷、装入缓冷坑进行缓冷等。
本实施例中，采用快速焊和多道焊能够减少焊道过热的情况，防止出现粗大的铁素体和马氏体组织，降低母材强度和韧性。而采用多层焊则使得后面工序的焊道对前面工序的焊道能够起到预热作用，防止前面工序的焊道过快冷却，起到缓冷的作用，从而细化组织晶粒，提高焊缝韧性。
焊接步骤中，焊条的含Ni量与母材保持相同或略高于母材，使得焊缝组织和性能尽量与母材保持一致，保证焊后产品的整体性能稳定性。但是，并非焊条的含Ni量高焊缝韧性就一定好，如图1所示，当焊缝中含Ni量超过2.5％以后，焊缝中会出现粗大的板条贝氏体和马氏体，韧性反而下降。因此，为了改善焊缝韧性，焊后必须进行正火+高温回火处理，从而提高焊缝韧性。
(5)对焊后母材进行热处理。
如图2和图3所示，其中，图3内的V1、V2和V3分别表示不同形式的冷却方式和冷却速度，V3为固溶处理时的水冷，V2为正火后的空冷，V1为回火后的随炉缓冷，V3>V2>V1。该焊后热处理阶段依次分为以下两个步骤进行：
(5.1)正火
将焊后母材置于加热炉中进行加热，加热温度为890±20℃，保温45-60min后将其从加热炉中取出进行空冷，空冷速度为33.3-43.5℃/S。
(5.2)回火：将焊后母材置于加热炉中进行加热，加热温度为600±20℃，保温1-2h后使母材在炉中随炉缓冷，冷却速度为5.6-8.2℃/S。
其中，正火能够细化奥氏体晶粒，使组织更均匀，如图5所示，其冷却至室温的母材组织为铁素体和珠光体，综合机械性能较好。回火则可以消除正火冷却中产生的残余应力，得到如图6所示的由铁素体和弥散分布于其中的细粒渗碳体组成的回火索氏体组织，使得母材的低温韧性得到显著改善。另外，本工艺还对正火和回火的工艺参数进行了与上述低温钢成分相匹配的独特设定，包括加热温度、加热时间以及冷却方式和冷却速度，其中，冷却方式和冷却速度的设定是本发明工艺参数的主要独特之处。
这是由于采用常规的焊后热处理工艺对本发明的低温钢进行焊后热处理时，虽然能够改善低温钢的韧性，但是低温钢的强度却会有所降低，而发明人经过大量的实验总结时发现，当以本发明的低温钢作为焊后热处理的对象时，如果分别将正火和回火后的冷却速度限制在本实施例设定的范围内，母材和焊缝的韧性在得到显著改善的同时，母材的强度基并不会降低。具体的，采用本工艺的焊后热处理，母材和焊缝的伸长率提高了50％，冲击韧性提高了100％，但是母材的强度并没有降低甚至还有所提高，大大提高了母材和焊缝的综合性能。
综上所述，本实施例的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，对本实施例的低温钢进行焊接，通过制订独特的工艺措施及焊后热处理，能够在保证焊缝金属强度和塑性的同时，使焊缝获得良好的冲击韧性，从而令最终的成品容器性能有效提高。
实施例2
本实施例的工艺步骤与实施例1的焊接工艺基本相同，在本实施例中，以某大型化工厂的低温压力容器为例，容器的材质为实施例1中的低温钢，使用温度-101℃，壁厚12mm，具体化学成分和机械性能分别见表1和表2。
表1低温钢化学成分(％)
C Si Mn S P Ni V
≤0.17 0.2-0.6 0.6-1 ≤0.005 ≤0.005 3.25-3.75 0.1-0.2
表2低温钢机械性能
Figure BDA0002694257290000081
焊接前，准备W907Ni(E5515-C2)低氢纳型药皮含Ni的低温钢焊条，焊条规格为直径2.5mm或3.2mm。焊接设备采用ZX7-315逆变焊机，极性为直流反接。焊条的化学成分和机械性能分别见表3和表4，对比表1和表2可以明显看出，焊条的化学成分和机械性能与母材基本相匹配。
表3 W907Ni低温钢焊条化学成分(％)
C Si Mn S P Ni
≤0.12 ≤0.60 ≤1.25 ≤0.035 ≤0.035 3.0-3.75
表4 3.5％Ni低温钢焊条机械性能
σ0.2(MPa) σb(MPa) δ(％) A<sub>kv</sub>(J)
≥380 ≥540 18-22 50-60
(1)母材接头坡口设计
如图4所示，接头坡口中的坡口角度为为60°，对接间隙为2mm。
(2)焊前清理和准备工作
该阶段主要分为以下三个步骤：
(2.1)清理杂质
焊接前，对坡口两侧20mm范围内的油污及水分氧化物进行清理，防止焊接时出现缺陷，保证了焊接过程顺利。
(2.2)焊条烘干
焊接前对焊条进行烘干，烘干温度为300-350℃，烘干后保温1-2h，烘好的焊条放在保温桶中以备取用。该步骤降低了焊条的含氢量，提高了焊缝质量。
(2.3)母材预热
对母材进行焊前预热，防止母材出现焊接裂纹，预热温度为120-150℃。
(3)对焊前母材进行固溶处理
如图3所示，固溶处理的温度一般为950-1050℃，以便形成亚稳的奥氏体组织，冷却方式为水冷，水冷速度为138.8-140℃/S，硬度保持在200HB，使母材保持在可以进行机加工或焊接的状态。
(4)采用手工电弧焊对固溶强化后的母材进行焊接
采用小电流、短弧焊、快速焊及多层多道焊对坡口进行焊接，同时对焊接过程中的线能量和层间温度进行合理的控制。
具体的，通过调整电流、电压和焊接速度来控制焊接线能量，焊接电流为90-130A，电弧电压为18-22V，焊接速度为11-13cm/min，并根据经验公式J＝60IU/v进行计算，控制焊接线能量为20-25KJ/cm。
在进行多道焊和多层焊时，保持每层焊道的焊接过程连续，如果因为意外而中断焊接，一定要对焊道采取保温措施并进行缓冷，防止后续焊接无法进行。层间温度控制在150-200℃之间，在需要对母材进行预热时，层间温度通常比母材的预热温度高30-50℃。
如表5所示，为进行四层焊道焊接时的工艺参数表。
表5焊接工艺参数
Figure BDA0002694257290000091
(5)对焊后母材进行热处理。
如图2和图3所示，其中，图3内的V1、V2和V3分别表示不同形式的冷却方式和冷却速度，V3为固溶处理时的水冷，V2为正火后的空冷，V1为回火后的随炉缓冷，V3>V2>V1。该焊后热处理阶段依次分为以下两个步骤进行：
(5.1)正火
将焊后母材置于加热炉中进行加热，加热温度为890±20℃，保温45-60min后将其从加热炉中取出进行空冷，空冷速度为33.3-43.5℃/S。
(5.2)回火：将焊后母材置于加热炉中进行加热，加热温度为600±20℃，保温1-2h后使母材在炉中随炉缓冷，冷却速度为5.6-8.2℃/S。
表6为热处理前后母材及焊缝机械性能对比值，表7则为在不同的冷却速度下，母材的强度值变化。表6的测试环境为-101℃。
表6热处理前后母材及焊缝的机械性能
Figure BDA0002694257290000101
表7不同冷却速度下母材的组织和强度变化值
Figure BDA0002694257290000102
从表6和表7可以明显看出，母材和焊缝的机械性能得到了明显改善，尤其在伸长率和冲击韧性上的改善尤其明显，且当采用本工艺特定的焊后冷却方式和冷却速度范围时，母材的强度不仅没有下降，还得到了一些提高，大大提高了母材和焊缝的综合性能。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高冲击韧性低温钢，其特征在于：所述低温钢的化学成分及其质量百分比为：C：≤0.17％，Si：0.2-0.6％，Mn：0.6-1％，Ni：3.25-3.75％，V：0.1-0.2％，S：≤0.005％，P：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述的高冲击韧性低温钢的焊接工艺，包括以下步骤：
(1)母材接头坡口设计；
(2)焊前清理和准备工作；
(3)对焊前母材进行固溶处理；
(4)采用手工电弧焊对固溶强化后的母材进行焊接；
(5)对焊后母材进行热处理。
3.根据权利要求2所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：所述步骤(4)中，采用多层多道焊对坡口进行焊接，保持每层焊道焊接过程连续，控制层间温度为150-200℃。
4.根据权利要求3所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：所述步骤(4)中，焊接时控制焊接线能量为20-25KJ/cm。
5.根据权利要求3所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：所述步骤(4)中，焊接电流为90-130A，电弧电压为18-22V，焊接速度为11-13cm/min。
6.根据权利要求2所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：所述步骤(5)热处理包括以下步骤：
(5.1)正火：使焊后母材在加热炉中加热，加热温度为890±20℃，保温45-60min后取出空冷，空冷速度为33.3-43.5℃/S；
(5.2)回火：使焊后母材在加热炉中加热，加热温度为600±20℃，保温1-2h后随炉缓冷，冷却速度为5.6-8.2℃/S。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：所述步骤(3)中，固溶处理的温度为950-1050℃，冷却方式为水冷，水冷速度为138.8-140℃/S。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：所述步骤(1)中，接头坡口中的坡口角度为55-65°，对接间隙为1-3mm。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：所述步骤(2)包括以下步骤：
(2.1)清理杂质：焊接前，对坡口两侧20mm范围内的油污及水分氧化物进行清理；
(2.2)焊条烘干：焊接前对焊条进行烘干，烘干温度为300-350℃，烘干后保温1-2h。
10.根据权利要求9所述的一种高冲击韧性低温钢的焊接工艺，其特征在于：还包括步骤(2.3)母材预热：当母材厚度大于12mm时，对母材进行焊前预热，预热温度为120-150℃。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1053835A (ja) * 1996-08-08 1998-02-24 Nippon Steel Corp 高靱性極厚高張力鋼材及びその製造方法
JP2006274403A (ja) * 2005-03-30 2006-10-12 Jfe Steel Kk 疲労き裂伝播特性と靱性に優れた厚鋼板及びその製造方法
CN102794574A (zh) * 2012-07-23 2012-11-28 宁夏共享集团有限责任公司 一种马氏体耐热钢的焊接工艺
CN102806405A (zh) * 2011-05-31 2012-12-05 武汉东海石化重型装备有限公司 国产08Ni3DR钢薄层多道焊焊接工艺
CN104607821A (zh) * 2014-12-09 2015-05-13 北京国电富通科技发展有限责任公司 A387 Gr11 CL2钢焊接材料及其使用方法
CN106350654A (zh) * 2015-07-17 2017-01-25 四川迪瑞机电设备有限公司 一种使钢质焊接接头硬度均匀的处理方法
CN108251749A (zh) * 2018-04-02 2018-07-06 舞阳钢铁有限责任公司 460MPa级低屈强比核电配管用钢板及其生产方法
CN110293287A (zh) * 2019-07-16 2019-10-01 安徽马钢工程技术集团有限公司 一种超高强度沉淀硬化不锈钢的焊接工艺

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1053835A (ja) * 1996-08-08 1998-02-24 Nippon Steel Corp 高靱性極厚高張力鋼材及びその製造方法
JP2006274403A (ja) * 2005-03-30 2006-10-12 Jfe Steel Kk 疲労き裂伝播特性と靱性に優れた厚鋼板及びその製造方法
CN102806405A (zh) * 2011-05-31 2012-12-05 武汉东海石化重型装备有限公司 国产08Ni3DR钢薄层多道焊焊接工艺
CN102794574A (zh) * 2012-07-23 2012-11-28 宁夏共享集团有限责任公司 一种马氏体耐热钢的焊接工艺
CN104607821A (zh) * 2014-12-09 2015-05-13 北京国电富通科技发展有限责任公司 A387 Gr11 CL2钢焊接材料及其使用方法
CN106350654A (zh) * 2015-07-17 2017-01-25 四川迪瑞机电设备有限公司 一种使钢质焊接接头硬度均匀的处理方法
CN108251749A (zh) * 2018-04-02 2018-07-06 舞阳钢铁有限责任公司 460MPa级低屈强比核电配管用钢板及其生产方法
CN110293287A (zh) * 2019-07-16 2019-10-01 安徽马钢工程技术集团有限公司 一种超高强度沉淀硬化不锈钢的焊接工艺

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