氩弧焊T91小口对接焊的焊接工艺
摘要：为了使SA213T91钢材在现场复杂环境下成功焊接。防止产生焊接过程中或结束后容易产生焊接缺陷和裂纹等问题。焊接前应充分做好焊口预热，打磨，打底冲氩，填层盖面的层间温度，焊后缓冷，热处理等焊接工艺，最终获得优良的焊口合格率。
关键词:SA213T91小管 氩弧焊 焊接性 热处理
前言
原先广泛用于这些高温高合金耐热钢不能满足要求。T91钢以其优良的高温性能在电厂高温过热器，高温再热器，主蒸汽管道上起到了广泛应用。本文将对T91的焊接工艺进行描述，以获得性能焊接接头。火力发电是我国的主要发电方式之一，制造燃煤机组，660WM机组成为电网的主要机组，锅炉的高温过热器，高温再热器，最高温度已超过600摄氏度，其焊接难度相对较高。本文将对T91现场实际焊接工艺进行描述。
1 T91化学成分分析
T91是高温（＜625℃）高压耐热钢，金相组织为马氏体，主要用于热电厂的小口径管道系统以及其他高压耐热场合。其主要化学成分如下
表1 T91化学成分表（%）
C S P Si Mn Cr Ni Mo Nb V
0.01 0.003 0.008 0.29 0.36 9.48 0.12 0.87 0.056 0.19
钢中固溶强化作用比较明显的元素，当含碳量在增加过程中，钢的短时强度会上升，并且塑性与軔性下降。 对于T91这类马氏体钢，含碳量的上升会降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。
T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两方面，一方面起固溶强化作用，增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，氮能与T91钢中的Al其形成A1N,能起到较好的弥散 强化作用。
耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力的提升，会在铬的加入下，得到有效提升，一般情况下，含铬量达5%时，就具有良好的抗氧化性。钒与铌属于强碳化物形成元素，当将这些加如后，就会与炭产生反应，然后形成合金碳化物，且比较稳定。为保证在使用过程中温度的提升，让各碳化物能在钢中慢慢的析出，所以就要对V含量进行有效控制，且含量不能超过0.25%。C可以在微量Nb的添加下，能让C固定下来，固定的形式为NbC，这样就可以提升温度的强度。
高Cr铁素体耐热钢高温蠕变断裂强度会受到Mo的影响，作为影响元素中的重要合金元素，在其含量较高，固溶强化作用比较明显，同时碳化物（M23C6, M6C)及金属间化合物 (Fe2 Mo )析出强化作用。
2 T91焊接性分析
(1)焊接裂纹敏感性。钢中合金元素种类多，总含量达10％左右，具有相当高的空淬特性，热影响区由于淬硬倾向大，冷裂纹敏感性仍较大；同时钢中含有C、Nb等促进热裂的元素，因此该钢还有一定的热裂倾向。
(2)热影响区塑性降低。由于受焊接热循环的影响，HAZ晶粒长大倾向较大，使该区的塑性降低。
(3) 热影响区的软化。由于受焊接热循环的影响，HAZ出现软化层，恶化了该区的力学性能。
(4)焊缝金属韧性的恶化。晶粒是无法被细化的，主要是由于焊缝金属没有经过控轧和形变热处理；焊缝中的Nb、V元素在冷却期间，C、N化合物的析出是难以通过细微的方式实现的，所以相比于母材，焊缝的韧性更低。
3 焊接工艺流程
3.1焊前准备
焊接钢材期间会受到施工现场环境的影响，且环境越恶劣，就越能增加焊接的难度，因此在对钢材进行焊接前，要做好准备工作，避免对风雨对钢材造成影响。环境是影响焊接施工的重要因素，所以施工单位要确保施工环境的可靠性，减少施工环境造成的影响。需要彻底清理干净坡口的油、锈，焊接期间要避免出现裂纹与气孔。 所以，工作人员需要在施工前，要将油、锈彻底清理干净，需要打磨坡口及其附近的金属。对电路与气进行检查，确保其是通常的，检查附件和焊机设备，保证其拥有良好的运行状态。为有效避免钢材的根部出现氧化情况，需要将氩气充入到钢管内壁，这样才能在焊接期间有效保护钢管，氩气纯度要保证在99.99%以上。充入氩气的方法需要结合实际情况进行确定，氩气的充入速度一般为4.65~25L/min。观察底层的颜色，对流速进行控制。流速一定要均匀，不宜过多或者过小，过大会造成表面出现凹陷，过小则难以将空气排出，且无法对钢材进行保护。
3.2焊接工艺
（1）焊接方法
T91钢多用于薄壁小管，因此采用氩弧焊接。
（2）层间温度与预热温度
在SA213-T91焊接期间，焊缝韧性会受到层间温度和热输入的影响，一般情况下层间温度要控制在250℃以下，在预热时，温度以控制在200℃以上。
（3）焊接材料
P91钢钨极氩弧焊的焊丝：ER90S-B9，直径Φ2.4mm；
钨棒：宜选用铈钨极，直径Φ2.5mm。
（4）焊接参数的选择
表2 T91钢管TIG焊接参数选择
焊接方法 焊材 规格（mm） 电流（A） 电压（V） 焊接速度（mm/min）
GTAW ER90S-B9 φ2.4 120-130 10-12 50-60
（5）TIG焊接过程控制
操作方法：在现场对钢管焊接期间，受到场地空间的限制，会增加焊接难度，所以为对焊缝面产生内凹的情况进行有效避免，需要在钢材底层的焊接部位填丝，然后开始焊接。将氩气充满到钢管内，等空气被完全排除后，开始焊接，在电弧的弧区或者与钨极，是不能让焊丝进入进行接触的，避免出现电弧失稳等问题，为避免对焊丝造成氧化情况，焊丝的底部要抽出保护区。焊接时，钨极均需要与钢管轴线平行，这样才能保证不管在哪一个部位，都能更好的控制熔池大小以及对熔池进行保护。钨极底部要与焊件保持2cm的距离，在高溫容池中送入焊丝，焊丝会沿着管道内表面熔化。当焊接的稳定稳定之后，使用第一滴焊丝熔化金属。在另一端的凹槽对金属熔化时需要使用第二个滴焊丝。熔化的金属需要在电弧稳定后连在一起，这样就可以形成一个焊缝基础，稍微摆动一下航向，这样焊线两侧就可以被送到熔池中，然后开始焊接。为不影响氩气流量，需要在填丝期间，停止施焊，熔池就可以被氩气进行保护，这样焊缝就不会出现氧化的情况。熔化半圈后，将焊接电弧应用于仰焊件的部位，当出现熔体孔后便可以送焊丝，为防止接头凹凸的出现，需要在焊线点前两滴。在焊接只剩一小半时，需要将内部保护气体流量快速减少，这样能有效避免焊缝的内凹出现。为确保焊接质量，需要对底层质量进行检查，当有缺陷或者问题时，需要及时处理，确保焊接的整体质量。
①相比于铬钼钢，T91钢材的淬硬性更大，所以在焊接期间，需要对扩散氢的含量及冷却速度进行有效控制，扩散氢含量进行控制的有效手段是焊前预热，同时也要对冷却速度进行控制的有效手段。所以预热是焊接前必须做的工作。
②为确保在下一道焊缝焊接前，上一道焊缝已转变为马氏体组织以利下一道焊接时，能对上一道焊缝进行部分回火，达到改善马氏体组织的焊缝的性能，所以要对层间温度进行有效控制。
③“小规范”焊接是焊接期间采用的主要方法，在小电流快速焊的应用下，确保电流大小符合一致，速度合理，确保热量在焊接时的输入保持合理，且能适当减少。
④盖面焊接一般是在打完底后，焊缝冷却到预热温度后才可以进行，也就是至少两遍成形。否则容易产生焊缝背面“氧化” 甚至“过烧”。
4 热处理工艺
SA213-T91钢焊接过程热处理是关键步骤之一，焊接后热处理是否得到会对焊缝产生直接影响。层间温度、热处理参数等可以在远红外温控仪的应用下进行有效控制，且接头的残余应力能有效减小，同时也可以对焊缝的性能、组织等进行提升，确保焊缝金属的质量符合要求。热处理加热技术的提高，能保证焊缝两侧与内外壁的温度保持均匀，这样就可以在恒温环境下，加热需控制在一定范围，这时任意两测点间温差要控制在45℃以内。焊口焊接完毕后，冷却T91钢小径管焊接接头，温度需控制在100℃以内，经过热处理，焊后热处理的升、降温速度以每小时小于150摄氏度为宜，降温至300摄氏度以下时，可在保温层内冷却至室温。
结论
以T91钢作为研究对象，对其焊接性工艺分析试验和应用，结果表明：91钢淬硬倾向大，对氢致裂纹非常敏感，所以在焊接时，需要选择合适的工艺参数与热处理方式等，防止发生各类焊接缺陷，确保焊接接头的可靠性。在焊接T91期间，需要控制好下面几个方面的工作：①在焊接前，需要清除干净杂物；②保证焊丝干净，上面没有油污；③在焊接过程中，焊件的干燥清洁，能对热处理进行有效控制；④确保焊接工艺在应用中的可靠性，需要对预热温度进行有效控制；当处于焊接状态时，接头不能承受重大的热作用或其他外加载荷；⑦回火处理需要遵循热处理工艺曲线。以上焊接工艺做好660WM机组锅炉过热器全氩T91小口径焊口数212只焊口检测合格，合格率98%.
参考文献
[1]《火力发电厂金属材料手册》编委会•火力发电厂金属材 料手册[M] •北京：中国电力出版社，2001.
[2 ]赵钦新，朱丽慧•超临界锅炉耐热钢研究[M ] •北京:机械 工业出版社，2009 .
[3] ASME锅炉及压力容器委员会材料分委员会.ASME锅 炉及压力容器规范（国际性规范）n材料A篇铁基材料 [M ] •北京：中国石化出版社，2015 .
[4] 陈祝年•焊接工程师手册[M] •北京：机械工业出版社， 2002．
[5] 刘万举，王文义，王小迎.SA213-T91钢焊接工艺理论分 析及焊接过程控制[J] •陕西电力，2006，34(7) :55-58 .
