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1、摘要：本文论述手工氩弧焊对P91钢管进行表面处理。从母材成分性能分析、焊接方法选择和分析、手工氩弧焊与手工电弧焊工艺设计、焊接技术要求与说明等几个方面进行的论述。并在此基础上制定了一套手工氩弧焊的设计工艺，包括材料的焊接性能分析、焊接设备描述、焊条、焊丝、焊剂的选择，手工氩弧焊与手工电弧焊的各项工艺参数、焊接前的准备、焊后处理以及焊接检验。关键词：91钢管 ；手工氩弧焊；手工电弧焊；焊接工艺设计；焊后处理； 一、 母材成分性能分析 1.1 化学成分下表为P91合金管的化学成分质量分数（%）：牌号含量成分CMSiCrMoSPNVANiNP910.08 0.120.3 0.60.2 0.58.0
2、9.50.85 1.050.010.020.06 0.10.18 0.250.040.400.03 0.07P91合金管的力学性能：牌号力学性能(Mpa)(Mpa)(%)(%) (J)P914155852040391.2 P91钢的焊接性能分析P91钢管是一种高合金强度马氏体耐热钢，源于化学名称，与其它的耐热钢相比较，其优点有：（1）有很高的耐热度，允许工作壁温600(即蒸汽温度可超过600）；（2）有很高的强度，在壁温600时能满足亚临界压力的安全运行；（3）有较小的弹性模量，作为主蒸汽管有较小的热应力。P91钢材的焊接性能较差，在不预热的情况下焊接裂纹100%，在预热200以下焊接时，街头
3、表面和内部都会产生裂纹，有较大的冷裂倾向。（4）具有很好的耐高温强度和蠕变性能。它的抗腐蚀性和抗氧化性能高于22等级的钢，与其它奥氏体钢相比有较好的热传导性和较低的膨胀率。在合适的预热温度下焊接时，如表层温度控制不严仍然会产生裂纹，并影响机械性能。采取预热措施防止产生裂纹后，如热处理不当，其机械性能试验不会合格，只有焊接规范适当时,才能保证良好的熔合比和焊缝形状系数。这不仅对防止产生裂纹等缺陷是必要的,而且对保证接头性能也是十分重要的。除了控制热输入外,还要控制焊接电流、电弧电压及焊接速度、使之保持在一定的范围内。此外,预热温度和层间温度的控制也是焊接P91钢时的重要因素焊缝不能承受高温高压。
4、焊接过程中，必须一次焊成，在常温和亚于热状态下没有返修可能。预热，焊接和焊后热处理是本功法的关键。1.3热处理P91合金钢具有较大的冷裂倾向，因此必须进行热处理工艺，T91钢的Ms点约为400,预热温度一般选在200250。预热温度不能太高,否则接头冷却速度降低,可能在焊接接头中引起晶界处碳化物析出和形成铁素体组织,从而大大降低该钢材焊接接头在室温时的冲击韧性。层间温度不得低于预热温度下限,但如同预热温度的选取一样,层间温度也不能过高。T91焊接时层间温度一般控制在200300。 P91的最终热处理为正火+高温回火,正火温度为1 040,保温时间不少于10min,回火温度为730780,保温时
5、间不少于1h,最终热处理后的组织为回火马氏体。二、 焊接方法选择和分析焊接方法 手工钨极氢弧焊打底+手工电弧焊填充盖面联合工艺方法。2.1手工钨极氩弧焊与手工电弧焊 钨极氩弧焊是采用钨棒作为电极，利用氩气作为保护气体进行焊接的一种气体保护焊方法，通过钨极与工件之间产生电弧，利用从焊枪喷嘴中喷出的氩气流在电弧区形成严密封闭的气层，使电极和金属熔池与空气隔离，以防止空气的侵入。同时利用电弧热来熔化基本金属和填充焊丝形成熔池。液态金属熔池凝固后形成焊缝。由于氩气是一种惰性气体，不与金属起化学反应，所以能充分保护金属熔池不被氧化。同时氩气在高温时不溶于液态金属中，所以焊缝不易生成气孔。因此，氩气的保护
6、作用是有效和可靠的，可以获得较高质量的焊缝。焊接时钨极不熔化，所以钨极氩弧焊又称为非熔化极氩弧焊。根据所采用的电源种类，钨极氩弧焊又分为直流、交流和脉冲三种。 手工电弧焊是利用电弧产生的热量熔化被焊金属的一种手工操作焊接方法。由于它所需的设备简单，操作灵活，对空间不同位置、不同接头形成的焊缝均能方便地进行焊接，因此，目前它仍被广泛使用。手工电弧焊的焊接过程是从电弧引燃时开始的。炽热的电弧将焊条端部和电弧下面的工件表面熔化,在焊件上形成具有一定几何形状的液体金属部分叫做熔池,熔化的焊条芯以滴状通过电弧过渡到熔池中,与熔化的工件互相熔合,冷却凝固后即形成焊缝。显然,熔池金属是由熔化了的焊件与焊芯共
7、同组成。焊接时焊条药皮分解,熔化后形成气体与熔渣,对焊接区起到保护作用,并使熔池金属脱氧、净化。随着电弧沿焊接方向前移,工件和焊芯不断熔化而形成新的熔池,原有熔池则因电弧远离而冷却,凝固后形成焊缝,从而将两个分开的焊件连接成一体。2.2手工乌极电弧焊与手工电弧焊的特点： 1)氩弧焊与其他电弧焊相比具有的优点 a 保护效果好，焊缝质量高氩气不与金属发生反应，也不溶于金属，焊接过程基本上是金属熔化与结晶的简单过程，因此能获得较为纯净及质量高的焊缝。b 焊接变形和应力小由弧受氩气流的压缩和冷却作用，电弧热量集中，热影响区很窄，焊接变形与应力均小，尤其适于薄板焊接。c 易观察、易操作由于是明弧焊，所以
8、观察方便，操作容易，适用于全位置焊接。 d 稳定 电弧稳定，飞溅少，焊后不用清渣。e 控制熔池尺寸由于焊丝和电极是分开的，焊工能够很好的控制熔池尺寸和大小。f 对接头的装配要求较低 由于手弧焊过程由手工操纵,焊接时焊工可根据接缝处的变化适时调整电弧位置和运条手势,修正焊接工艺参数,以保证跟踪接缝和焊透。g 可焊材料广 手弧焊不仅可以焊接低碳钢、低合金结构钢,还可用于高合金的不锈钢、耐热钢以及有色金属的焊接。此外,利用手弧焊堆焊技术,还可以制造出具有耐蚀或耐磨等特点。i 生产率高、劳动强度大 手弧焊由于受焊条长度、直径与焊接电流的限制,生产率比其它电弧熔化焊要低些,劳动强度也较大。 2)手工钨极
9、氩弧焊的缺点 设备成本较高。 b 氩气电离势高，引弧困难，需要采用高频引弧及稳弧装置。 c 氩弧焊产生的紫外线是手弧焊的530倍，生成的臭氧对焊工有危害，所以要加强防护。 d 焊接时需有防风措施。 3） 手工电弧焊的特点(1)操作灵活。手弧焊所用设备简单,便于移动且焊钳轻巧,不受操作场地条件限制。凡是焊条能够到达的任何位置接头,都可以用手弧焊焊接。(2)对接头的装配要求较低。由于手弧焊过程由手工操纵,焊接时焊工可根据接缝处的变化适时调整电弧位置和运条手势,修正焊接工艺参数,以保证跟踪接缝和焊透。(3)可焊材料广。手弧焊不仅可以焊接低碳钢、低合金结构钢,还可用于高合金的不锈钢、耐热钢以及有色金属
10、的焊接。此外,利用手弧焊堆焊技术,还可以制造出具有耐蚀或耐磨等特殊性能的表面层。(4)生产率高、劳动强度大。手弧焊由于受焊条长度、直径与焊接电流的限制,生产率比其它电弧熔化焊要低些,劳动强度也较大。2.3 工作原理手工电弧焊的工作原理：手工电弧焊是利用焊条与焊件之间的电弧热，使焊条金属与母材熔化形成缝的一种焊接方法。焊接时，母材为一电极，焊条为另一电极。电弧是在焊条母材之间的空隙内通过外加电压引燃。 由于开始弧时，两电极及其间的气隙尚未充分加热电离，为了加强气体的电离作用，电极之间应有较高的电压，这个电压称为空载电压。一般直流电焊机的空载电压为40-90伏，交流电焊机为5080伏。当电弧稳定燃
11、烧后，维持电弧燃烧所需要的电压较低，一般为1635伏，这个电压称为工作电压。钨极氩弧焊的工作原理：钨极氩弧焊是采用钨棒作为电极，利用氩气作为保护气体进行焊接的一种气体保护焊方法，如下图所示。通过钨极与工件之间产生电弧，利用从焊枪喷嘴中喷出的氩气流在电弧区形成严密封闭的气层，使电极和金属熔池与空气隔离，以防止空气的侵入。同时利用电弧热来熔化基本金属和填充焊丝形成熔池。液态金属熔池凝固后形成焊缝。2.3影响焊接电弧稳定的因素实际生产中，焊接电弧可能由于各种原因而发生燃烧不稳定的现象，如电弧经常间断，不能连续燃烧，电弧偏离焊条轴线方向或电弧摇摆不稳等。而焊接电弧能否稳定，直接影响到焊接质量的优劣和焊
12、接过程的正常进行。影响电弧稳定的因素，除操作者技术不熟练外，大致可归为以下几个方面。a) 焊接电源的种类、极性及性能的影响。一般来说，用直流焊机比用交流焊机电弧稳定，反接比正接电弧稳定，空载电压较高的焊机较之空载电压较低的焊机电弧稳定。b) 焊接区清洁度和气流影响。焊接区若油漆、油脂、水分及污物过多时，会影响电弧的稳定性。在风较大的情况下露天作业，或在气流速度大的管道中焊接，气流能把电弧吹偏而拉长，也会降低电弧的稳定性。c) 磁偏吹的影响。在焊接时，会发生电弧不能保持在焊条轴线方向，而偏向一边，这种现象称为电弧的偏吹。引起电弧偏吹原因除焊条偏心，电弧周围气流影响外，在采用直流电焊接时，还会发生
13、因焊接电流磁场所引起的磁偏吹。磁偏吹使焊工难以掌握，电弧对接缝处的集中加热，使焊缝焊偏，严重时会使电弧熄灭。三 焊接的工艺参数选择 3.1 焊接P91钢的焊接设备 应选用焊接特性良好、稳定可靠的递变式或整流式焊机。其容量应能满足焊接规范参数的要求。弧焊整流器的制造质量的提高正越来越被应用，本工艺也采用弧焊直流焊接整流式焊机。型号为：WS-160，电机的一些参数如下：电流调节范围为5160A，额定焊接电流：160A，额定负载持续率：35A，空载电压：70V，引弧方式：高频引弧，电源类型：MOSFET逆变型，质量：13KG。 3.1.1 焊接电流 电流过大容易产生烧穿或焊缝下陷、咬边等缺陷，还会引
14、起钨极烧损或产生夹钨缺陷；电流过小，电弧燃烧不稳定甚至发生偏吹。焊接电流选择为160A。 3.1.2 电弧电压钨极端部越尖，电压越高。过高影响气体保护效果，也会使焊缝氧化或产生焊透不匀等缺陷。应在保证良好视线的前提下短弧操作。焊接时的焊机电压选择1632V。3.2 氩弧焊工器具 3.2.1 氩弧焊枪选用气冷式，焊枪选择型号为QQ-85/150-1。它的头部倾斜角度为85。 3.2.2 输送氩气的管线应选用质地柔软、耐磨和无裂痕的胶管，且无漏气现象。 3 2.3 氩弧焊导电线应采用柔软多股铜线，其与夹具应接触良好。 3.3 焊接材料 3.3.1 选用的氩弧焊丝、焊剂应与钢材匹配。因此采用的焊丝牌号为。下表为焊丝的化学成分（GB/T14957-1994）：牌号化学成分（质量分数）（%）CMnSiNiCrMoVCu TiPSH08Mn2MoVA0.08 0.131.7 2.0 0.25 0.3 0.20.50 0.700.06 0.120.20.150.030.03 选用的焊剂应该与被焊接材料，焊丝匹配，由于被焊接材料的材料成分可以选择出焊剂的型号为：HJ430，其类型为高锰高硅低氟类型。组成物的化学成分如下表：焊剂 牌号组成物的质量分数（%）MnOCaOFeOSPHJ4303845384761.80.060.08595由所选择的焊丝、焊剂的牌号的化学成分及P
