一、低温焊接的基本概念与特点
低温工程工艺焊接特指在低于常温（通常低于 - 50℃）的环境下进行的焊接操作，其核心特征在于极端低温环境对焊接过程的显著影响。低温环境会导致材料的物理性能发生剧烈变化，如金属材料的屈服强度升高、塑性和韧性下降，这对焊接接头的质量和可靠性提出了远超常温焊接的严苛要求。
在低温焊接过程中，热输入的控制至关重要。由于低温环境下热量散失速度极快，若热输入不足，会导致焊接接头未熔合、未焊透等缺陷；而热输入过高，则可能引起焊接变形、晶粒粗大等问题，降低接头的低温性能。此外，低温环境还会加剧焊接残余应力的产生，增加焊接裂纹的风险，尤其是冷裂纹的发生率显著提高。
与常温焊接相比，低温焊接对焊接材料的低温韧性、焊接工艺的稳定性以及焊接设备的精度都有更高的要求。焊接接头不仅需要满足常温下的强度指标，更要在低温服役环境中保持良好的韧性和密封性，以确保低温设备的安全运行。
二、低温焊接常用材料及性能
（一）金属材料
9% 镍钢是低温焊接中常用的结构材料之一，其在 - 196℃的液氮温度下仍具有优异的韧性和强度。该材料的低温冲击韧性可达 100J 以上，能有效抵抗低温环境下的脆性断裂。9% 镍钢的化学成分中，镍元素的加入显著改善了钢的低温韧性，使其在低温下不易发生脆化。
在焊接 9% 镍钢时，需注意选择匹配的焊接材料，如低氢型焊条 E5015-G，以减少焊接过程中的氢致裂纹。同时，焊接前应进行预热，预热温度一般为 150-200℃，以降低焊接残余应力。焊接后还需进行消应力热处理，温度控制在 600-650℃，进一步提高焊接接头的韧性。
奥氏体不锈钢在低温环境下具有良好的塑性和韧性，其低温力学性能几乎不随温度降低而下降，是低温容器、管道等设备焊接的理想材料。常用的奥氏体不锈钢牌号有 304、316 等，其中 316 不锈钢因含有钼元素，具有更好的耐腐蚀性和高温强度，在一些特殊低温环境中应用更为广泛。
奥氏体不锈钢的焊接通常采用氩弧焊（GTAW）或熔化极气体保护焊（GMAW）。焊接过程中，应严格控制焊接线能量，避免过热导致晶粒粗大。同时，为防止焊接接头出现晶间腐蚀，焊接后可进行固溶处理，将焊接接头加热至 1050-1100℃，保温一段时间后快速冷却，使碳化物充分溶解并均匀分布。
（二）焊料
Sn-In 合金焊料具有较低的熔点（约 117℃），在低温电子元件焊接中应用广泛。该焊料在低温环境下具有良好的导电性和导热性，且热膨胀系数与电子元件材料匹配性较好，能减少因温度变化产生的热应力。
在使用 Sn-In 合金焊料进行焊接时，需注意控制焊接温度和时间，避免焊料过热导致成分偏析。同时，焊接环境应保持清洁，防止杂质污染焊料，影响焊接接头的性能。
Al-Si-Zn-Ge 钎料是一种新型低温钎料，具有较低的熔点和良好的焊接性能，适用于铝及铝合金的低温焊接。该钎料在 - 253℃的超低温环境下仍能保持较高的强度和密封性，在航天领域的液氧 / 液氢储罐焊接中具有广阔的应用前景。
三、低温焊接工艺方法
（一）PAW+GTAW 组合焊技术
PAW（等离子弧焊）+GTAW（钨极氩弧焊）组合焊技术是低温容器焊接中常用的高效焊接方法。该技术结合了等离子弧焊能量集中、焊接速度快和钨极氩弧焊焊缝成形好、焊接质量稳定的优点，能有效提高焊接效率和焊接接头质量。
其工艺原理是：首先采用等离子弧焊进行打底焊接，利用等离子弧的高能量密度实现对工件的快速熔透，保证焊缝根部的成形质量；然后采用钨极氩弧焊进行填充和盖面焊接，通过精确控制焊接参数，确保焊缝的外观质量和力学性能。
在操作过程中，需重点控制等离子弧的电流、离子气流量和焊接速度，以及钨极氩弧焊的电流、电弧电压和保护气体流量。对于 9% 镍钢等材料的焊接，等离子弧打底焊接时的热输入应控制在≤15KJ/cm，钨极氩弧焊填充和盖面时的热输入应控制在≤20KJ/cm，以避免焊接接头过热。
该技术适用于厚度较大的低温容器壳体、管道等部件的焊接，如 LNG 储罐的焊接，能显著提高焊接效率和焊接接头的低温性能。
（二）脉冲热压焊
脉冲热压焊是一种通过脉冲电流加热实现焊接的方法，主要用于低温电子元件的焊接。其工艺原理是：将待焊工件置于上下电极之间，施加一定的压力，然后通过脉冲电流使电极发热，热量通过工件接触表面传递，使焊料熔化并润湿工件表面，形成焊接接头。
脉冲热压焊的关键工艺参数包括脉冲电流、脉冲时间、焊接压力和焊接温度。通过精确控制这些参数，可将焊点空洞率控制在 1% 以下，热影响区缩小至 0.1mm 内，有效保护热敏元件。
该技术适用于微电子器件、传感器等精密电子元件的低温焊接，如心脏起搏器电极的焊接，能确保焊接接头的可靠性和生物兼容性。
（三）真空回流焊
真空回流焊是在真空环境下进行的回流焊工艺，适用于对焊接质量要求较高的低温焊接场合。其工艺原理是：将涂覆有焊膏的待焊工件放入真空焊接炉中，在真空环境下（真空度通常为 0.1kPa 以下）进行加热，使焊膏熔化并完成焊接。
真空环境能有效去除焊接过程中产生的气体，减少焊点空洞和气孔等缺陷，提高焊接接头的密封性和可靠性。同时，真空环境还能防止工件在高温下氧化，保证焊接质量。
真空回流焊适用于低温密封器件、航天部件等的焊接，如液氧 / 液氢储罐的管道连接等。
四、低温焊接质量控制
（一）焊点空洞率控制
焊点空洞是低温焊接中常见的缺陷之一，会降低焊接接头的强度和密封性。为控制焊点空洞率，可采取以下措施：
确保焊料和工件表面清洁，去除油污、氧化层等杂质，提高焊料的润湿性。
优化焊接工艺参数，如焊接温度、时间和压力等，使焊料充分熔化和流动，减少气体的产生和滞留。
采用真空焊接环境，如真空回流焊，能有效去除焊接过程中产生的气体，降低焊点空洞率。
（二）热影响区控制
热影响区是指焊接过程中受到热作用而发生组织和性能变化的区域。在低温焊接中，热影响区过大会导致材料的低温韧性下降，影响焊接接头的性能。控制热影响区的措施包括：
采用能量集中的焊接方法，如等离子弧焊、激光焊等，减少热输入量，缩小热影响区。
优化焊接参数，如降低焊接电流、提高焊接速度等，减少热量的传递和积累。
对焊接区域进行强制冷却，如采用水冷或气冷等方式，加快热量的散失，缩小热影响区。
（三）焊接残余应力控制
焊接残余应力会导致焊接接头产生裂纹，影响低温设备的安全运行。控制焊接残余应力的方法有：
焊接前进行预热，降低工件的温度梯度，减少焊接残余应力的产生。
采用合理的焊接顺序，如对称焊接、分段焊接等，使焊接应力均匀分布。
焊接后进行消应力热处理，如高温回火等，消除部分焊接残余应力。
五、低温焊接在各领域的应用
（一）能源领域
在能源领域，低温焊接广泛应用于 LNG 储罐、液态空气储能设备等的制造。例如，青海格尔木 60MW 液态空气储能项目中，中杰特装采用 PAW+GTAW 组合焊技术制造的液氮储罐，其焊接接头在 - 196℃的低温下仍具有良好的强度和密封性，支撑了全球最大储能系统的稳定运行。
（二）航天领域
航天领域对低温焊接技术的要求极高，液氧 / 液氢储罐、液甲烷发动机燃料罐等部件的焊接都需要采用先进的低温焊接技术。如我国载人登月计划中，液甲烷发动机燃料罐采用新型 Al-Si-Zn-Ge 钎料进行焊接，实现了 - 253℃超低温下的高密封性焊接，确保了燃料罐的安全运行。
（三）医疗领域
在医疗领域，低温焊接技术主要用于心脏起搏器、人工关节等精密医疗器件的制造。例如，Sn-In 焊料在心脏起搏器电极焊接中，通过精确控制焊接工艺参数，使热变形量从 0.3mm 降至 0.05mm，确保了心脏起搏器的生物兼容性和长期可靠性。
六、低温焊接技术的发展趋势
（一）新材料研发
未来，低温焊接材料的研发将更加注重提高材料的低温韧性、耐腐蚀性和焊接性能。新型合金材料、复合材料等将不断涌现，以满足不同低温环境下的焊接需求。例如，研发具有更高低温韧性的镍基合金和钛合金，以及成本更低、性能更优的钎料等。
（二）新工艺创新
随着科技的不断进步，低温焊接工艺将向高效、精密、智能化方向发展。激光焊、电子束焊等高能束焊接技术将在低温焊接中得到更广泛的应用，其具有能量密度高、焊接速度快、热影响区小等优点，能进一步提高焊接质量和效率。同时，智能化焊接设备和控制系统的研发将实现焊接过程的自动化和精准化控制，提高焊接的稳定性和一致性。
（三）应用领域拓展
低温焊接技术将在更多领域得到应用，如量子计算机超导部件、深海探测设备等。随着这些领域的不断发展，对低温焊接技术的需求将日益增长，推动低温焊接技术的不断创新和进步。
总之，低温工程工艺焊接技术是一门综合性的技术学科，涉及材料科学、焊接工艺、质量控制等多个领域。随着各行业对低温设备需求的不断增加，低温焊接技术将不断发展和完善，为低温工程的发展提供有力的技术支持。
