1、前言
目前，鋯材的焊接對我公司來講尚屬首次，我們對其材質的焊接特性了解甚少。為掌握鋯材的焊接技術，查閱了ASME標準、鋯材的焊接等相關資料，進行了鋯材的焊接性能分析研究，并在焊試室多次焊接試驗，最終制定出可行的焊接工藝。
從試驗結果來看，總體上鋯材的焊接性尚好，裂紋敏感性較低，但焊接保護要求較高，用氬氣純度必須保證99.999％。鋯材焊接時，應采用小電流、較快的焊接和冷卻速度(必要時可采用水冷)以及在溫度高于200"(2的部位，通過采用噴嘴、托罩和背面三重氬氣保護使焊縫及其兩側的受熱區不被氧化，從而保證焊接接頭的性能。鋯管的焊接成功，為我公司今后的焊接技術培iJillH管道施工提供了技術保障。
2、鋯材性能及焊接性分析
2.1 材料性能
鋯是化學陛質非常活潑的稀貴金屬，具有比重較輕、比強高、耐腐蝕、加工性能優異、原子吸收截面小等特點，還具有良好的耐酸、堿腐蝕性能，近年來在化工工程中多用在環境苛刻、不銹鋼及鈦合金不能適用的場合。
鋯材主要物理性能如下：
熔點：1852"(2；沸點：3577"(2；相變溫度：862"(2。在相變溫度以上時為體心立方晶格(D相)，在相變溫度以下時為密集六方晶格(Of．相)。
鋯在各溫度時的一些物理性能見表1。
2.2 焊接性
鋯的熱膨脹系數小，因此焊接變形小；鋯的彈性模量小，因此焊接殘余應力小。鋯對裂紋敏感性低，液態鋯流動性很好，但是，鋯是化學性質非常活潑的元素，鋯在高溫下化學活性大，極易與大氣發生反應，200"(2開始吸氧，300℃開始吸氫，400"(2開始吸氮，溫度越高反應越加劇烈，這些元素存在焊縫中，使得焊縫金屬中脆性的針狀組織增加，此外，鋯在400℃以上與碳或碳的化合物反應形成碳化物，使得焊縫疏松、變脆和易于晶間腐蝕。因此，鋯與鋯合金焊接性良好，但鋯材的焊接保護是重中之重。
3、焊接試驗
3.1環境要求
3.1.1
設立專用的預制場地，同時保持焊接場所清潔、干燥。
3.2溫度應西℃。
3 1
3焊接場所嚴禁進行黑色金屬焊接、切
割、打磨等工作。
3 14當風速大于O 5m／s，相對濕度大干80％
時，禁止施焊。
3．2人員
從事锫材的施工的人員必須掌握鋯材的特殊物理性能和化學性能知識，井在此基礎上正確從事鋯材的搬運、切割、組對、焊接等工作。
33焊前準備
3．3 1坡口加工與接頭設計
鋯材管道的切割與坡口加工應盡量采用機械加工，如車、刨、鋸等加工方法，并配合水冷卻液降溫，也可采用砂輪機打磨焊件坡口。為防止鋯材表面溫度過高，保證焊件表面不變色，應用較低的轉速進行打磨。避免有火花飛出，打磨部位周圍的母材應用東西掩蓋。
坡口型式應執行ASME標準或設計要求。根據多次試驗，認為單邊加。±5 9坡口角度能夠使噴嘴容易接近坡口根部，選到較薄的根部焊層，從而降I氐熱輸入，滿足了錯管焊接需要。另外，保留適當的鈍邊和根部間隙，有利于打底焊時背面邊緣整齊、容易操作及防止背凹。
本次試驗接頭形式和尺寸如圖l所示。
3.3 2焊前清理
焊前應進行認真清理坡口及其周圍，以去除一切有可能的雜質污染。需清除的雜質包括氧化膜，機械加工坡口表面微裂紋內的吸附物、材料表面的油脂及污物。
清理程序：首先用銼刀去掉機械加工產生的毛刺．然后用角向磨光機和內磨機打磨坡口內外側50ram范圍內的金屬艘之露出金屬光澤，之后用不銹鋼絲輪或刮刀清理、拋光輪拋光，最后用丙酮清洗。焊絲用砂紙打磨，并用丙酮清洗干凈。
清理好焊IJ后，應放置在膠皮或木扳上存放，不得與其他金屬接觸。如清洗后4d,時來焊，焊前應重新清洗。操作人員接觸清理過的坡I=l和焊絲時，必須戴干凈的手套，以避免污物和手印污染，導致焊縫氧化及氣孔形成。
使用溶劑清洗或冷卻焊縫表面溫度時，應配帶好勞動防護用品，特別是使用丙酮、無水酒精時，應帶好防護罩等保護用品。焊絲清洗圖見圖2。
3.4 焊接材料的選用
鋯與鋯合金采用的鎢極氬弧焊焊接選用的焊絲一般與母材的化學成份相同。但焊絲含氧量應比母材規定值低，一般在o 10％左右。不同牌號的鋯材相焊時．接耐蝕性能較好和強度級別較低的母材選擇焊絲，或按圖樣規定。本次焊絲選用Ⅱt恥。
焊絲須經外觀檢查或金相檢查，其外觀必須光滑、圓整，不允許存在毛刺、皺皮、重疊、裂紋、孔隙、偏析、夾遣等內外缺陷，必要時進行金相微觀檢查，不兜許存在偏析、夾渣等缺陷，并應保持清潔、干燥，施焊前應切除端部已被氧化的部分。焊絲表面如有氧化應進行化學清洗。因為這些很難消除的缺陷容易截流污染物質，造成焊接特性和焊縫性能變差。常用鋯與鋯臺金焊接推薦選用的焊絲見表2。
3．5焊接方法和焊接設備選用
鋯材由于其特殊性．根據現場的化工工藝管道情況，焊接采用手工鎢極氬弧焊，配合管道內外高純度氣體保護的焊接方法。
焊機應有自動引弧、熄弧、電流衰減、提前送氣和滯后斷氣程序控制，以便點焊時有足夠的延氣時間來保護點焊點。奉次試驗采用的焊機型號為：YC一300TSPHGE。焊接電源采用直渲正接，焊接鋯材時，熔深大．電弧穩定和電極消耗小，消除鎢極和大氣對焊縫污染，焊槍的結構尺寸應能保證接近焊縫，從噴嘴中流出的保護氣體呈均勻態，為擴大保護面積，增強保護效果，噴嘴內徑選擇應比焊接其它材料的要大，可為12～22ram。
3．6鎢極的選擇
選用鈰鎢極，焊前電極應打磨成平底錐形。
3 7焊接保護
保護氣體采用99 999％的高純氬，露點不高于一50℃，井符合GB／T4842—2006《氬》標準的規定。3瓶一組，采用尾隨托罩加背面通氣保護方式。氧氣瓶出廠前必須進行徹底置換。并進行逐瓶復驗，焊接之前應打開閥門放氣，以排除浮在氣瓶上部的雜質。焊接過程中要時刻注意壓力的變化，當壓力低干3MPa時應馬上換氣，以免焊縫顏色發生變化。
3．8保護托罩
原有管道焊接保護拖罩與焊槍連為一體，一方面焊接拖曳較笨重，焊工勞動強度大I另一方面焊搶的走動使保護拖罩與工件貼臺不夠嚴密，會產生空氣擾動造成保護不良。再加上特殊結構保護罩不僅制作難度較大，規格型號多、數量大，而且保護效果不佳．有時單人持槍。焊接根本無法進行。
基于這種情況，我們使焊搶與保護拖罩分離，采用兩人配合操作，一人持焊槍焊接，一人把持保護拖罩，使拖罩與工件貼合嚴密．保護效果有較大改善，焊接質量更能保證，焊工勞動強度低．工作效率高。拖罩應由導熱性能好的材料制成。如銅、鋁等，拖罩的形狀、尺寸、曲率半徑應根據管徑、焊口形式制作，不得有縫隙，四周應圓滑。圖3是我們在工藝試驗時用的拖罩。
3．9定位焊
將清理過的鋯管放于平穩位置進行定位焊，定位焊采用與正式焊接時相同的焊絲和焊接工藝。定位焊點在一側打底焊完成后磨掉并重新清洗。
3．10焊接工藝參數
焊接采用手工鎢極氬弧焊，鎢極直徑為巾2．0mm，焊絲直徑為巾1．6mm。焊接工藝參數見表3。
3．11焊接要求
3．11．1鋯材焊接應在空氣清潔、無塵、無煙、通風的工作環境下進行，焊接場所應為獨立區域。
3．11．2鎢極氬弧焊采用高頻引弧和熄弧電流衰減措施，注意引弧和收弧質量。在起弧之前，先給焊槍送幾秒鐘的氣體(拖罩保護送氣時間可長些)，熄滅弧應通過電流衰減來完
成，在終止電流之后，焊炬應繼續保持在焊接熔池之上，直到金屬冷卻，拖罩和背面保護應繼續送氣，直到焊縫和熱影響區冷卻N200℃以下為止。如果送氣時間不夠，焊縫將是淡黃色或藍色。
3．11．3當母材溫度低于15℃時，應對母材進行預熱，預熱溫度為20。C左右，焊接時層間溫度應控制在100。C以下。
3．11．4采用短弧擺動焊，使用稍大的電流配合快焊速和較大氣流量來保證整個接頭的熱輸入控制在較低水平。
3．11．5對于手工送絲來說，焊絲應連續地送入熔池。斷續送絲可能導致從保護的惰性氣體中伸出熱焊絲端頭，如果焊絲不注意從保護的惰性氣體中取出，則該端頭應剪去25mm左右，清除污染的金屬后，才能繼續施焊，否則影響焊接質量。
3．1 1．6焊后焊縫應清理干凈，不得存在夾渣、氣孔、裂紋、咬邊、熔合性飛濺和超過規定的顏色變化。
3．11．7鋯材焊縫和熱影響區按焊接完工原始狀態的表面顏色進行檢驗，按下表的規定，判斷是否合格與進行處理。
3 11
8焊接過程中，若鎢極碰觸焊絲或焊縫，應停止焊接，鏟除污染的焊肉，修磨或更換鎢極。
3 1I 9在每次更換氬氣瓶或氣帶后，必須檢查氫氣純度。氬氣帶必須保持干燥，確保氫氣純度。托罩要事先就位并通氣進行置換，通氣量不應小于氣腔體積的6倍。托罩要保護接頭溫度降至200℃以下再撤除。
3．11 10焊接完畢，不允許錘擊。
3 11
11焊接完后須經100％射線檢查．對不舍格的焊縫，返修前應認真檢查，制定返修方塞，通過滲透檢測．確定缺陷完壘清除，并清洗干凈后方可補焊，同一部位返修不得超過兩次，否則割口重焊。
3 II 12鋯材焊接保護至關重要，因此對保護氣體的純度、保護氣體流量大小、主噴嘴直徑大小、尾部拖罩、側保護罩的保護效果等均應隨時進行檢查以達到良好的保護效果，獲得成形良好的焊接接頭。
4、焊接接頭檢驗
4l外觀檢查
焊縫外表面呈明亮的銀白色，表面渡紋細密，熱影響區單側不變色最小寬度>10ram，結果合格。
4．2
X射線檢測
按JB4730 2—2005標準進行X射線檢測，結果為Ⅱ級，合格。
4．3力學性能試驗
拉伸和彎曲試驗的結果符合ASME第Ⅸ的規定。兩次拉伸試驗測得的抗拉強度的平均值為482 5MPa，斷裂發生在焊縫處，結果判定為合格(見圖4)。
5結論
5 l鋯管焊接性能良好，焊接變形小，不容易出現裂紋等缺陷。但氬弧焊打底時，由于其熔點較高，熔池凝固較快，控制不好容易出現背凹等焊接缺陷。
5．2鋯材在焊接前，對保護氣體的純度、保護氣體捷量大小、主噴嘴直徑、尾部拖罩及側保護罩的保護效果進行合理控制，才能獲得良好的焊接接頭。
5．3由于鋯是極易在高溫下氧化、氨化，因此要求有高質量的焊接清理、較小的熱輸八，并控制層問溫度不高于10012。
5．4焊槍與拖罩要相互配合，避免出現空檔及相互干擾情況。焊接時尤其要注意電弧兩側的受熱區不被氧化。
5 5依此試驗所編制的焊接工藝評定報告及其參數，可指導現場施焊，并確像現場焊接施工質量。
參考文獻
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