鋯是一種昂貴的耐蝕金屬材料

具有優(yōu)良的抗酸堿等腐蝕的能力在某些介質(zhì)中甚至超過了鈮鈦等防腐蝕性能很好的金屬能在鈦所不能勝任的腐蝕介質(zhì)下工作所以鋯合金以其良好的抗腐蝕性能近年來逐漸被用作抗腐蝕性較強(qiáng)的化工行業(yè)的設(shè)備和管道等結(jié)構(gòu)材料

常用牌號(hào)有Zr702（UNSR60702）Zr704（UNSR60704）和Zr705（UNSR60705）三種在化工項(xiàng)目中Zr702（UNSR60702）應(yīng)用非常廣泛

（一）鋯合金焊接易出現(xiàn)的問題

高溫是鋯合金腐蝕性能巨變的天敵

在鋯焊接時(shí)焊縫和熱影響區(qū)易被空氣中的氧氫氮等元素污染生成硬而脆的化合物并產(chǎn)生脆性的針狀組織使焊接接頭的硬度強(qiáng)度升高塑性下降耐蝕性能也大幅下降因此鋯焊接時(shí)應(yīng)對熔池焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行充分的保護(hù)以完全隔絕空氣

鋯合金的焊接一般用鎢極惰性氣體保護(hù)電弧的焊接方法進(jìn)行焊接居多其他的焊接方法包括電子束焊等離子弧焊和電阻焊等它的焊接性能和鈦金屬焊接比較接近由于鋯的熱膨脹系數(shù)和彈性模量小因而焊接變形和焊縫殘余應(yīng)力比較小建議在1100°F（594℃）下焊縫的消除應(yīng)力時(shí)間為1小時(shí)/英寸厚度

在不受污染的情況下焊縫不易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋和冷裂紋

鋯在高溫下一般容易與大氣發(fā)生反應(yīng)在200℃就開始吸收氧300℃吸收氫400℃吸收氮溫度越高反應(yīng)的強(qiáng)度越劇烈由于鋯對氧氮和氫具活性施焊時(shí)必須使用高純度的惰性氣體保護(hù)或在良好的真空室里進(jìn)行焊接

鋯焊接的另一個(gè)主要問題就是焊縫中容易過于軟化而導(dǎo)致焊件錯(cuò)動(dòng)根部焊道容易燒穿因此焊接鋯時(shí)應(yīng)合適地固定焊件并盡量采用雙面焊除鈦鈮銀釩之外鋯不能和其它金屬直接焊接

所以在鋯合金焊接過程中選擇潔凈的操作環(huán)境加強(qiáng)焊縫及熱影響區(qū)部位的隔離保護(hù)是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵

（二）鋯合金的基本特性 

鋯合金焊接性能較好在常溫下的化學(xué)性能比較穩(wěn)定耐腐蝕性能突出但其高溫化學(xué)性能非?；顫?span id="k5jsp8a" class="myIcon">對環(huán)境氣體中的氧氮氫以及操作環(huán)境中的粉塵濕度等污染都有很強(qiáng)的親和力隨著溫度的升高其化學(xué)活性急劇增強(qiáng)與氫在200℃下生成ZrH2與氧在300℃下可以生成ZrO3在550℃以上與空氣中的氧反應(yīng)生成多孔的脆性氧化膜在600℃下鋯吸收氮生成ZrN在700℃以上吸收氧而使材料嚴(yán)重脆化隨著溫度的增加其吸收能力和反應(yīng)速度隨之增強(qiáng)故焊接產(chǎn)生的高溫環(huán)境和焊縫是制約化工設(shè)備的關(guān)鍵

鋯合金的優(yōu)良的抗腐蝕性能來源于其表面形成的氧化膜并取決于氧化膜的完整性和牢固性當(dāng)鋯合金在吸收了一定數(shù)量的氧氮氫等氣體雜質(zhì)后其力學(xué)性能及抗腐蝕性能將急劇下降反應(yīng)生成多孔的脆性氧化膜所以對環(huán)境粉塵濕度及熱影響區(qū)表面焊縫背面加強(qiáng)保護(hù)則是焊接過程中質(zhì)量管控的關(guān)鍵要素

（三）影響鋯合金焊接質(zhì)量的因素和注意事項(xiàng)

3.1在大量焊口焊接預(yù)制階段需要設(shè)置專門的封閉式潔凈場地并嚴(yán)格控制環(huán)境的粉塵污染和空氣濕度例如進(jìn)入施工場地須換穿干凈的勞保鞋等措施以確保焊接環(huán)境的潔凈在室外安裝環(huán)境下制作臨時(shí)操作室達(dá)到潔凈條件

3.2加強(qiáng)對焊接接頭坡口坡口兩側(cè)70mm范圍內(nèi)及焊絲表面清潔度的要求是保證焊接質(zhì)量的重要因素

3.3鋯合金焊接過程中氣孔是最容易產(chǎn)生的缺陷氣孔多集中在融合線焊縫中心線附近防止焊接氣孔缺陷產(chǎn)生最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是加強(qiáng)對焊接環(huán)境潔凈度濕度的控制及加強(qiáng)坡口焊材表面的清理提高焊縫區(qū)高純氬的內(nèi)外保護(hù)質(zhì)量

3.4焊接裂紋傾向

由于鋯合金熱膨脹系數(shù)低熱變形量以及相變時(shí)產(chǎn)生的體積變化均很小本身硫磷碳等雜質(zhì)含量很低焊接過程中沒有形成裂紋的明顯趨勢但當(dāng)焊接過程焊縫吸收一定數(shù)量的氧氮氫氣體雜質(zhì)時(shí)焊縫及熱影響區(qū)的性能將變脆如果焊縫在組對等環(huán)節(jié)有應(yīng)力存在將會(huì)產(chǎn)生焊接冷裂紋同時(shí)氫原子具有向較低溫度的熱影響區(qū)內(nèi)的高應(yīng)力部位擴(kuò)散及聚集的性能促使這些部位形成較為薄弱的環(huán)節(jié)因此可能導(dǎo)致焊接延遲裂紋的產(chǎn)生

3.5在焊接試驗(yàn)中應(yīng)選用了焊接線能量低便于進(jìn)行焊縫氣體保護(hù)的手工鎢極氬弧焊利用較大口徑的焊槍噴嘴和焊縫外表面保護(hù)托罩及管道內(nèi)部充氬的方式進(jìn)行空氣隔離以達(dá)到焊縫不被氧化和吸收有害氣體的目的

3.6焊接材料的選擇

鋯合金焊接采用的填充焊絲應(yīng)依據(jù)與母材成分相匹配的原則來選擇焊絲表面不得有重皮裂紋氧化現(xiàn)象及金屬或非金屬夾雜物等缺陷存在焊絲在使用前應(yīng)進(jìn)行清洗并干燥

常用鋯合金母材對應(yīng)焊絲牌號(hào)AWS

UNS R60702    ERZr2

UNS R60704    ERZr3

UNS R60705    ERZr4

3.7保護(hù)氣體的選擇

鋯合金鎢極氬弧焊采用純度不得小于99.999%的高純氬其雜質(zhì)含量符合GB/T4842現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求由于對焊接保護(hù)氣體純度的極高要求所以焊接過程需要連續(xù)充氣中途不能中斷否則需重新置換充氬因而使用普通的單瓶氬氣直接供氣的方法不能滿足保護(hù)要求需要將多瓶氬氣串聯(lián)增加供氣能力通過分氣缸滿足多個(gè)焊工同時(shí)作業(yè)

3.8坡口形式的選擇及坡口的加工清理

3.8.1坡口形式鋯合金管道的焊縫坡口形式如圖1所示

圖1坡口的形式

3.8.2坡口的加工及清理

1）坡口的加工坡口表面應(yīng)光滑組對尺寸控制要好易清理安裝現(xiàn)場焊口可以采用專用砂輪機(jī)加工

2坡口清理管道組對施焊前須采用不銹鋼絲刷或不銹鋼銼刀等對焊接坡口及兩側(cè)不小于70mm范圍內(nèi)的切削物氧化膜毛刺等進(jìn)行清理清理工具應(yīng)專用并保持清潔防止交叉污染影響焊縫質(zhì)量油脂等污染物采用丙酮清洗并用棉布進(jìn)行擦拭施焊前確認(rèn)干燥空氣濕度相對較大的環(huán)境下需用烘干機(jī)烘干情況

3.9　焊絲的清理

鋯合金管道焊接前應(yīng)采用機(jī)械或化學(xué)的方法對使用的焊絲進(jìn)行徹底的清理鋯合金焊絲的清理方法和要求與坡口清理方法完全相同

3.10焊縫的組對和點(diǎn)固焊

3.10.1焊縫組對應(yīng)嚴(yán)格控制組對間隙及錯(cuò)邊量對于不同厚度的兩個(gè)組對件需要采用加工內(nèi)坡口的形式保證內(nèi)部錯(cuò)邊量符合要求焊縫須無應(yīng)力組對

3.10.2焊縫的點(diǎn)固焊

鋯合金管口組對點(diǎn)焊間距一般為100～150mm點(diǎn)焊的長度以10～15mm為宜

3.11焊接管口內(nèi)外部氣體的置換和保護(hù)

3.11.1焊接管口內(nèi)部氣體的置換和保護(hù)

管口組對完成后應(yīng)先對管口內(nèi)部的氣體進(jìn)行置換為保證管內(nèi)氣體置換質(zhì)量節(jié)省氬氣提高效率對預(yù)制階段的管口或便于在管口內(nèi)部進(jìn)行隔離的情況下采用在管道內(nèi)部設(shè)置堵頭局部充氬的方式

對于現(xiàn)場焊口或不易于在管口內(nèi)部進(jìn)行堵頭式隔離的情況下焊口組對前在焊縫兩側(cè)分別設(shè)置易溶紙組對后從焊縫組對縫隙適當(dāng)?shù)奈恢贸淙霘鍤膺M(jìn)行置換或者根據(jù)現(xiàn)場具體情況利用焊縫兩側(cè)的法蘭或可拆卸位置拆開后安裝堵頭進(jìn)行充氬置換

3.11.2焊接管口外部氣體的置換和保護(hù)

由于鋯合金高溫化學(xué)性能非?；顫?span id="u3y3rby" class="myIcon">在焊接過程中僅依賴氬弧焊焊槍噴嘴供應(yīng)的氬氣對熔池和高溫焊道及熱影響區(qū)進(jìn)行保護(hù)是無法保證焊接質(zhì)量的為了確保滿足高溫區(qū)氣體隔離延長氬氣保護(hù)時(shí)間的要求必須增加特制的管道外部氣體保護(hù)裝置對在高溫狀態(tài)下的焊接熔池高溫焊道及熱影響區(qū)進(jìn)行高純氬隔離保護(hù)

采用氣體保護(hù)托罩托罩的規(guī)格隨管道的規(guī)格變化氣體托罩由外殼不銹鋼或銅絲網(wǎng)輸氬管嘴配合焊炬等構(gòu)成使用時(shí)配備相應(yīng)的輸氬軟管隨焊炬的拖動(dòng)隨之移動(dòng)

（四）焊接技術(shù)要點(diǎn)

4.1嚴(yán)格控制焊接線能量以減少焊接熱輸入減少每層焊接厚度有利于控制區(qū)域的溫度及冷卻速度接層間溫度不得大于100℃

4.2焊接過程中必須確認(rèn)內(nèi)部充氬置換徹底制作并正確使用焊道外保護(hù)罩確保保護(hù)氬氣純度不低于99.999%同時(shí)選擇焊炬噴嘴直徑在20～25mm之間并檢查噴嘴溢出的氬氣流量保持穩(wěn)定從而使焊接的熔池焊縫熱影響區(qū)得到良好的保護(hù)從隔離方面保證焊接質(zhì)量

4.3起弧時(shí)焊槍必須先送氣以使焊絲熔化之前就處在氬氣保護(hù)之中并采用高頻引弧熄弧時(shí)應(yīng)使用電流衰減裝置焊接弧坑必須填滿

4.4焊接過程中粘貼在坡口處高溫膠帶應(yīng)隨著焊接進(jìn)程而揭開焊接過程中填充焊絲的熔化端須始終處在高純氬的保護(hù)之中熄弧后應(yīng)待熔化端冷卻后才可從保護(hù)中取出焊絲頭如被污染或氧化其污染或氧化部分須予以徹底切除

4.5施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制打磨量和表面溫度防止坡口表面氧化安裝焊口現(xiàn)場作業(yè)時(shí)針對大氣環(huán)境及灰塵等實(shí)際情況采取必要的防風(fēng)防污染措施現(xiàn)場采用制作帆布蓬以將焊接區(qū)域與外部環(huán)境臨時(shí)隔離開來產(chǎn)生一個(gè)有利于焊接操作的空間保證焊縫焊接質(zhì)量

4.6焊縫返修對焊縫表面氧化現(xiàn)象或無損檢測發(fā)現(xiàn)的不合格部位必須進(jìn)行返修返修前應(yīng)根據(jù)具體情況分析缺陷產(chǎn)生的原因并制定針對性的返修方案特鋼100秒提醒焊縫同一部位的返修不得超過兩次

4.7由于鋯合金焊接時(shí)液態(tài)金屬流動(dòng)性特別好管子坡口組對裝配時(shí)鈍邊間隙應(yīng)嚴(yán)格按工藝指導(dǎo)書規(guī)定以免焊接時(shí)燒穿管子管件定位焊的工藝措施及焊接材料應(yīng)與正式焊接一致點(diǎn)焊高度不得超過管壁厚的2/3定位焊的焊縫不得有裂紋氣孔或不允許存在的氧化變色等缺陷否則應(yīng)打磨

（五）焊接質(zhì)量的檢查

所有焊接完成了對鋯材焊接部位進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)依然重要環(huán)節(jié)只有進(jìn)行完以下嚴(yán)格檢驗(yàn)的焊接部位才是最終成品特鋼100秒匯總?cè)缦?span id="fkyuaxp" class="myIcon">

1鋯焊縫可采用液體滲透探傷X射線進(jìn)行檢驗(yàn)應(yīng)沒有裂紋咬邊未焊透和超標(biāo)的氣孔存在

2暴露在空氣中的鋯在不同的溫度下表面將形成ZrO或Zr2O3或ZrO2等氧化膜從而呈現(xiàn)不同的表面顏色如表面形成氧化膜很薄用不銹鋼絲刷清除即可對性能影響不大從深藍(lán)色到灰白或白粉末狀則表明焊縫金屬受到嚴(yán)重的污染必須全部鏟掉焊縫金屬和臨近的母材對于焊縫表面的顏色比如銀白色僅僅是拖尾保護(hù)有效性的一種顯示而不能保證焊矩保護(hù)是適當(dāng)?shù)?span id="jao4hvs" class="myIcon">淡黃到淡藍(lán)色通常表示焊縫保護(hù)溫度低于約1000℉這種顏色在繼續(xù)進(jìn)行焊接之前必須用鋼絲刷刷去