锆及锆合金的焊接工艺

1 、应用

它的化学符号是Zr,   它的原子序数是40,是一种银白色的 高熔点金属之一，呈浅灰色。密度6.49克/厘米3。熔点1852±2℃,沸点4377℃。故外观与钢相似。有耐腐蚀性，可溶于氢氟酸和王水；高温时，可与非金属元素和许多金 属元素反应，生成固体溶液化合物。

锆(Zr)作为稀有的“钛族”元素，有非常突出的核性能，主 要用于核工业反应堆材料(不吸收中子),工业上纯锆主要 作为化工，农药等工业的耐蚀材料。

醋酸扩能装置，锆材质管材壁厚为4 mm~6mm,    管径范围 为DN15~DN300,     锆管线系统介质为原醋酸、稀酸、催化 剂、甲醇等腐蚀性较强的物料。

2 锆材的焊接性分析

1) 强的氧化性

锆的化学活性很强，它们很易与空气中的氮、氧等气体发生反应，如锆与氧在200℃时开始反应，与氢在300℃时开始反应，与氮在400℃时开始反应，当焊缝金属中的含氧量增至0.5%时，即生成脆性的化合物，此化合物导致焊接接头的塑性显著降低，强度增高，并使焊接接头耐高温、高压的腐蚀性能下降，以致影响到整个焊接结构的服役期限。因此在焊接锆材时应采用严格的焊前清理程序，以及高纯度的氩气保护焊缝金属和热影响区。

2 )接头易脆化

在焊件冷却过程中热影响区金属有可能析出复杂的金属间 化合物(如ZrCr2 和Zr2Fe)、   氧化物、氮化物等，这些脆 性析出物将导致焊缝及热影响区金属的强化，而塑性显著 降低，为此，在焊接工艺上应采取保护措施，使焊缝金属 避免受到污染。

3)气孔敏感性强

锆焊接时气孔是经常碰到的一个问题，产生气孔的原因主 要有两点，其一是氩气、母材、焊丝中的H2 、O2 、 及

H₂O 含量提高会明显使焊缝气孔增加；其二，锆及其合金 坡口附近及焊丝表面常受到外部杂质的污染，包括水份、 油脂、氧化物、尘埃等，这此杂质如不彻底清除，会导致 焊接接头形成气孔和裂纹。因此焊接锆时应采用严格的焊 前清理程序及采用高纯度的氩气。

3   焊接方法

锆材焊接最常用的焊接方法钨极氩弧焊，直流正极性；主 要是通过焊枪喷嘴加拖尾保护罩及管内通氩气进行保护， 防止焊缝和热影响区氧化；并应在清洁间内焊接，或在安 装口施工时，采用临时的防风棚，减少焊缝内可能出现的 气孔缺陷。

4  焊接材料

1 ) 氩 气

锆材焊接采用高纯氩气(氩气纯度≥99.999%)    作为保护气 体；由于锆对氧气的敏感性，锆材焊接须采用集气管，把 几瓶氩气并联起来使用，以增大氩气的供应量，用适当加 大氩气量的方法来隔离氧气、氮气。在正式焊接、更换氩 气瓶或集气管时，须检查氩气纯度。

2 )焊丝

焊丝成分与母材化学成分相同，型号为ErZr-2;  所用焊丝 必须有质量证明书或材质合格证；

焊丝使用前，必须用丙酮或酒精去除表面的油脂等杂物， 严禁使用四氯化碳一类氯化烃做为脱脂溶剂，清洁后的焊 丝拿放须戴洁净手套；

清理完30 分钟内必须用完，否则用前应重新清理

5  坡口制备

焊接接头采用V型坡口，坡口间隙2-3 mm 。焊件切割及坡 口加工宜采用机械方法，当采用等离子切割时，应采用砂 轮机打磨坡口清理其加工表面，坡口须打磨光滑，露出金 属光泽；因锆粉末易燃，所以用无齿锯切割时，要在其前  方放置一水盆，使切割的粉末落到水盆内。

6  焊前清理

1)焊前应对坡口及其附近区域进行认真的清理。在焊口组

对前采用丙酮等溶剂清除坡口两侧75 mm 范围内的水及污 物，再用不锈钢刷或细锉刀等工具去除距焊缝至少25 mm 以上的氧化物.

2 ) 焊丝使用前，必须用丙酮或酒精去除表面的油脂等杂物， 严禁使用四氯化碳一类氯化烃做为脱脂溶剂，清洁后的焊  丝拿放须戴洁净手套。清理完30 分钟内必须用完，否则用 前应重新清理。

3)  用于锆材工具严禁与清理其它金属的工具接触。

7  焊接保护

1)锆材质管道焊接时应温度超过350 ℃的焊缝及热影响区正反面进 行保护，通常反面采用充氩保护，正面采用拖罩及喷嘴进行保护(根 据管径的大小选用不同尺寸的拖罩),各种形式的保护拖罩见图1。

2  )焊接时尽量采用大直径的喷嘴保护熔池，喷嘴的直径一  般取12mm～25mm,    喷出的氩气应保持稳定的层流状态， 且焊接时喷嘴距焊件的距离要尽可能小，以提高保护效果；

3)  采用氩气拖罩保护热态焊缝及热影响区，拖罩固定在焊 炬喷嘴上，随着焊炬一起移动进行保护；拖罩形式应根据 管径大小和壁厚制作不同长度，随着管径和壁厚的增大拖 罩相应加长加宽，拖罩宽一般为25mm～60mm,    长为

40mm～100mm。

8 焊接要点：

1 )锆材焊接在焊缝内引弧，每层、每道焊缝接头处错开

50mm 以上，根部焊缝尽量一次性连续焊接完。

2 )焊接时，采用回焊法，以减少起弧时，磁嘴处氩气纯度

不够造成的焊接缺陷；

3严格控制层间温度，层间温度不得高于100℃。

4)  在焊接锆材金属过程中焊工应将焊丝的摆动严格控制在  最小范围内，将焊丝的端头在焊接过程中全部时间均处于 气体保护中，用过焊丝继续使用时，须将端头剪掉。

5)焊接完毕时，焊丝不要抽出，仍要置于氩气的保护之下，

直至完全冷却；在正式焊接前的充氩时间为焊接不锈钢时 的5~10 倍，确保把空气置换干净；

6)对于焊缝，其熔敷焊道表面出现的缺陷应在施焊下道焊  道时去除，特别应注意火口裂纹和熔痕。同时避免电弧在 接头外面的母材上造成划痕。

5  质量控制

5.1  焊缝外观成型良好，外型平滑过度，焊缝宽度以盖过坡口边缘2 mm 为宜，焊缝母材不得低于母材表面。

5.2  焊缝表面不允许有裂纹、未熔合、气孔、夹渣等杂质。

5.3  颜色检查：

焊接完毕，浅黄色到淡蓝色表明焊缝已被氧化，需要用不锈钢丝刷清除，银白色表示保护良好，各种颜色代表的保护效果如下：

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