鋯材性能概述
鋯是化學性質非常活潑的元素，在高溫下極易與大氣中的各種氣體發生反應，耐腐蝕，在石油、化工、核能等行業都有使用。在鋯焊接時，焊縫和熱影響區易被空氣中的氧、氫、氮等元素汙染，生成硬而脆的化合物，並產生脆性的針狀組織，使焊接接頭的硬度、強度升高，塑性下降，耐蝕性能也大幅下降。因此鋯焊接時應對熔池、焊縫和熱影響區進行充分的保護以完全隔絕空氣。鋯材的焊接一般用鎢極惰性氣體保護焊，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，由於鋯的熱膨脹係數和彈性模量小，因而焊接變形和焊縫殘餘應力比較小。在不受汙染的情況下，焊縫不易出現結晶裂紋和冷裂紋。鋯在高溫下一般容易與大氣發生反應，在200℃就開始吸收氧，300℃吸收氫，400℃吸收氮，溫度越高反應的強度越劇烈。鋯焊接的另一個主要問題就是焊縫容易過於軟化而導致焊件錯動，根部焊道容易燒穿，因此焊接鋯時，應合適地固定焊件並儘量採用雙面焊。除鈦、鈮、銀、釩之外，鋯不能和其它金屬直接焊接。
焊材的選用與焊接環境要求
焊材的選擇
鋯與鋯合金採用的鎢極氬弧焊焊接選用的焊絲一般與母材相同。其外觀必須光滑、圓整，不允許存在毛刺、皺皮、重疊、裂紋、孔隙等缺陷，必要時進行金相微觀檢查，不允許存在偏析、夾渣等缺陷。下表是常用鋯與鋯合金焊接推薦選用的焊絲。
表1 常用鋯與鋯合金焊接推薦選用的焊絲
施工環境要求
(1) 設立專用的預製場地，同時焊接場所應保持清潔、乾燥。
(2) 環境溫度應大於5℃
(3) 焊接場所嚴禁有黑色金屬焊接、切割、打磨等工作。
(4) 現場焊接時應有防風，防雨措施，當風速大於0.5m/s，相對溼度大於80%，禁止施焊。
施工準備
人員
從事鋯材施工的人員必須掌握鋯材的特殊物理性能和化學性能的知識，並在此基礎上正確從事鋯材的搬運、切割、組對等工作。
焊件的坡口型式和組對
在一般情況下坡口型式和尺寸的選用應重點考慮，遵守易於保證焊接接頭質量，減少填充金屬量，便於操作和減少焊接變形等原則。當設計無規定時焊件的坡口型式和尺寸可參照圖1。
圖1 鋯材焊接坡口型式
鋯材的清理
鋯材管子切割前應核對材質和規格，並做好材質標記的移植工作。應使用無腐蝕的記號筆，嚴禁打鋼印。鋯材切割應使用機械方法，若使用等離子或砂輪切割，切割時管子轉動，使其始終處於最佳位置，採用等離子切割時應採取措施保護管子內外表面，以防表面被火花灼傷，並用機械方法去除汙染層。經常清理工具上的汙物，每次使用前應清潔，無任何雜物。鋯材管子無論用機械加工或鋸切後，還應使用銼刀修磨切口，然後用不鏽鋼刷或電動不鏽鋼絲輪等工具，進一步加工，使坡口表面平整光滑，無毛刺、凹坑、沙粒等缺陷。管子、管件最對過程中，不允許強力組對，嚴禁錘擊或劃傷材料表面。
定位焊
由於鋯材焊接時液態金屬流動性特別好，管子坡口組對裝配時鈍邊、間隙應嚴格按工藝指導書規定，以免焊接時燒穿。管子管件定位焊的工藝措施及焊接材料應與正式焊接一致，點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，否則應打磨。
焊接
焊前清理
鋯材的切割和坡口加工，可以採用機械方法，也可以採用氧-乙炔焰、等離子弧等熱切割方法，但熱切割會產生強烈的火煙，切口周邊材料被嚴重汙染，必須打磨清除，造成浪費。
因此在切割工件時，儘可能採用機械方法，如鋸、車、銑、鑽、刨等加工方法，配合水冷卻液降溫，避免溫升造成材料損傷。坡口周邊25mm內外表面較厚的氧化膜，可使用銼刀、電磨、砂輪機進行清理。坡口表面應光潔，無毛刺、凹坑、殘存沙粒等缺陷，最後還應使用不鏽鋼鋼絲刷仔細清理。
加工使用的工具應為專用，保持清潔。加工產生的屑、沫堆積在空氣中會產生自燃，應存放在盛水的容器中。
另外在加工完成的坡口周邊75mm範圍內外表面，還應使用合適的溶劑（丙酮、酒精）擦洗，出去油脂、水分、灰塵，擦洗應採用乾淨的海綿或白綢布，不得使用毛巾，棉紗。不允許帶橡膠手套。清洗過程中應反覆擦拭焊件直到海綿上無汙色為止。清洗好的焊件應立即焊接，焊件置放時間不得超過8h，否則應再次清理。
填充焊絲使用前應用溶劑清除表面上的油脂，殘留潤滑劑和灰塵等汙物，清理好的焊絲應放在乾燥和乾淨的場所保存
焊接工藝參數
表1 鋯及鋯合金鎢極氬弧焊工藝參數
施工過程中應注意的事項
（1）焊接用氣體為純氬，氬氣純度應達到99.99%，當瓶裝氬氣壓力低於0.1 Mpa時，應停止使用。
（2）鎢極在施焊前應修磨成如圖2所示的形狀。
圖2 鎢極磨製的形狀
（3）鎢極氬弧焊電源採用直流正接。
（4）板材焊接時應儘可能在平焊位置。管材焊接時儘量採用轉動焊。
（5）當母材溫度低於15℃時，應對母材進行預熱，預熱溫度為20℃左右，焊接時層間溫度應控制在100℃以下。
（6）鎢極氬弧焊採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（拖尾保護送氣時間可長些時間），熄弧應通過電流衰減來完成，在終止電流之後，焊矩應繼續保持在焊接熔池之上，直到金屬冷卻，拖尾和背面保護送氣應繼續進行，直到焊縫和熱影響區冷卻到300℃以下為止。如果送氣時間不夠，焊縫將是淡黃色或藍顏色。
（7）對於手工送絲來說，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得出熱焊絲端頭，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左右清除汙染的金屬，才能繼續施焊。
（8）如果熔敷焊縫金屬呈銀白色，則不要求層間清洗，淡黃色或淡藍色應使用乾淨的奧氏體不鏽鋼刷擦去。在繼續進行焊接之前，汙染的焊縫應採用打磨和仔細的清洗法全部擦去。對汙染嚴重的焊縫必須剷除乾淨，並進行必要的修複方可進行下一步焊接工作。
（9）保護裝置及拖罩的結構和尺寸應根據接頭形式和構件尺寸確定。用導熱性能較好的材料製成，形狀宜與焊件邊緣相似並能夠貼近焊件表面。
（10）應用獨立的氣路提供各區域的保護氣體，保護氣輸送時應保持均勻，非絮流並不相互幹擾，氣路中不允許殘留水分和任何洩漏，氣路管道不允許採用橡膠管或其他吸潮材料管子。
（11）焊接過程中，若鎢極碰觸焊絲或焊縫，應停止焊接，剷除汙染的焊肉、修磨或更換鎢極。
（12）若需雙面焊接時，應採用機械方法清除焊根，直至顯露出沒有任何缺陷的焊縫金屬。
焊縫背面及焊接區域
焊縫背面及焊接區域高於300℃以上的部位保護的方式
管道焊縫背面氣體保護一般採用管堵造成密閉氣室，管堵應留有進氣孔和出氣孔，以便進氣和排氣，管堵應與內壁貼合無縫隙，並儘量將焊接時高於300℃區域焊縫區域全部包括，具體形式見下圖3 。板對接焊縫背面氣體保護採用墊板，具體結構形式見下圖4。
圖3 堵管形成保護氣體小室
圖4 板對接焊縫背面保護
焊縫後拖保護裝置
焊縫後拖保護一般採用拖罩，小型輕便拖罩可以和焊槍連在一起，焊接時可以直接起到保護作用，也可由另外一個人單獨手持拖罩跟蹤操作保護。拖罩應由導熱性能好的材料製成，如銅、鋁等，拖罩的形狀、尺寸、曲率半徑應根據管徑、焊口形式製作，不得有縫隙，四周應圓滑。必要時罩內可增加通水冷卻散熱，具體形式見下圖5。
圖5焊縫後拖保護裝置
鋯管焊接實例
（1）坡口形式。如圖6。
圖6 鋯管焊接坡口
圖7 焊槍噴嘴的保護
（2）焊接電源。北京時代鎢極脈衝氬弧焊機，該焊機具有高頻引弧，電流衰減及提前送氣和延時斷氣等功能。焊接時採用直流正接方式。焊接用電極為φ2.4鈰鎢極，鋯焊接時，電極伸出過長，會影響主保護效果，在不影響觀察熔池的情況下，電極伸出應儘量縮短，電極伸長限制在12mm以下。電弧長度約為2mm左右。噴嘴可用輔助保護氣體進行相關的保護，見圖7。主噴嘴直徑大小將直接影響熔池金屬保護效果。分別採用φ12mm,φ18mm和φ30mm內徑的噴嘴在鋯板上進行點焊試驗，發現φ18mm比φ12mm噴嘴對熔池保護的範圍要大，效果也好，當進一步增大到φ30mm時，影響不大。最後採用噴嘴內徑為φ18mm。為了使保護氣體分布均勻和形成層流形式，在噴嘴內設置了兩層80目鐵絲網。
（3）熱態焊縫和鄰近母材的保護裝置。在熔池之後的熱態焊縫和鄰近的母材需要用輔助的氣體保護裝置進行保護。保護裝置設計不僅要能夠達到良好的保護，而且要方便操作，這是鋯焊接的技術訣竅之一，如圖8。
圖8 焊接管道尾部拖罩保護圖
（4）焊接電流。鋯熔點比鈦高，焊接電流相應要高。由於鋯焊接速度很快，電流如果小，焊絲熔化不開，焊道成形會較差，往往會造成未熔合缺陷。此外，提高電流也有利於氣體從熔池中逸出，減少焊縫中氣孔形成傾向。但電流過大，焊縫在高溫階段停留時間過長，給保護帶來困難，焊縫和熱影響區晶粒也變大。
（5）焊接速度。焊接速度是關係到施焊區是否會變色的關鍵因素，應根據保護效果選擇合適的焊接速度。
（6）層間溫度。層間溫度高，焊縫冷卻速度就會慢，焊縫氧化的可能性增大。90℃以下層間溫度對焊縫表面顏色沒有明顯的影響，超過100℃層間溫度時，焊縫表面有微黃出現。為此中層間溫度限制在90℃以下。表2為鋯管焊接實例焊接工藝參數。
表2 鋯管焊接工藝參數
焊後質量檢驗
（1）鋯焊縫可採用液體滲透探傷、X射線進行檢驗，應沒有裂紋、咬邊、未焊透和超標的氣孔存在。
（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，從而呈現不同的表面顏色，如表面形成氧化膜很薄，用不鏽鋼絲刷清除即可，對性能影響不大。從深藍色到灰白或白粉末狀則表明焊縫金屬受到嚴重的汙染，必須全部鏟掉焊縫金屬和臨近的母材。對於焊縫表面的顏色，比如銀白色僅僅是拖尾保護有效性的一種顯示，而不能保證焊矩保護是適當的。淡黃到淡藍色通常表示焊縫保護溫度低於約538℃，這種顏色在繼續進行焊接之前必須用鋼絲刷刷去。
下面的顏色表示汙染程度增加：
淡黃色
深黃色 表面氧化皮：用鋼絲刷刷去
淡藍色
深藍色 金屬汙染
灰藍色 採用打磨除去並補焊
灰 色
白 色 （鬆散的附著物）
一般的說，一直到淡藍色的顏色可以用鋼絲刷來除去。深藍色的顏色一般表示汙染程度比較嚴重。如果想要使焊縫獲得一個有效的延展性，必須打磨掉焊縫汙染的表面及金屬相鄰的區域並補焊。灰色或白色是焊炬或拖尾保護失效的一種顯示，而且必須除去。
表面顏色僅僅給出了表面氧化層的厚度，但由於鋯氧化層在高溫下（超過649℃）被金屬熔解掉，厚的氧化層是焊縫本身受到汙染的一種很好的顯示。
（3）焊炬保護。建議用取掉附加保護氣體試驗來檢查焊炬保護。這種檢驗應在每個工作日的開始和焊接期間定期地進行。在一塊乾淨的廢的鋯材上起弧，並穩定地保持電弧直到小的熔池在焊炬噴咀下形成為止。然後通過降低電流或開關來熄弧，熄弧之後焊炬保持不動直到熔池冷卻為止。焊炬氣體中來自空氣或漏水的雜質，或不純或幹擾的保護氣體將會導致熱影響區變色。
（4）彎曲試驗。檢驗延展性的一種簡單的彎曲試驗，在焊縫汙染的檢驗中也是有效的。雖然可以採用面彎和背彎等複雜的方法，也可加工一條兩個鋯窄條之間簡單的對接焊縫，然後將其固定在一個臺鉗上用彎軸進行彎曲。良好延展性的焊縫在五倍半徑彎軸範圍內彎曲180°且無裂紋。如果焊道明顯地比母材金屬厚，在彎曲之前，應將其打磨或機加到與母材金屬相齊平。
（5）硬度。去汙染焊縫的布氏硬度與母材硬度相比不得超過30HB。如果超過，則說明汙染嚴重，與焊縫表面或根部顏色無關。焊縫硬度比母材硬度高30HB,無論焊縫表面顏色如何，都認為焊縫已經受到嚴重的汙染。
（6）返修。對於焊縫的返修，應在返修前用機械方法清除缺陷，並用目視和液體滲透檢查確保缺陷消除乾淨，返修的焊接上述的要求一致。返修的部位應重新進行規定的檢驗。同一部位的返修次數不宜超過兩次。
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