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鋯材的焊接技術與操作技法
北京時代科技股份有限公司焊接工藝實驗室 張自祥
1 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、氮等元素污染，生成硬而脆的化合物，并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，由于鋯的熱膨脹系數和彈性模量小，因而焊接變形和焊縫殘余應力比較小。在不受污染的情況下，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
2 焊材的選用與焊接環境要求
2.1 焊材的選擇
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
序號
母材牌號（sb658）
焊絲牌號(aws)
1
r60702
erzr2
2
r60704
erzr3
3
r60705
erzr4
2.2 施工環境要求
(1) 設立專用的預制場地，同時焊接場所應保持清潔、干燥。
(2) 環境溫度應大于
(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，當風速大于
3 施工準備
3.1 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，并在此基礎上正確從事鋯材的搬運、切割、組對等工作。
3.2 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，遵守易于保證焊接接頭質量，減少填充金屬量，便于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
3.3 鋯材的清理
鋯材管子切割前應核對材質和規格，并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，使其始終處于 佳位置，采用等離子切割時應采取措施保護管子內外表面，以防表面被火花灼傷，并用機械方法去除污染層。經常清理工具上的污物，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后，還應使用銼刀修磨切口，然后用不銹鋼刷或電動不銹鋼絲輪等工具，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 對過程中，不允許強力組對，嚴禁錘擊或劃傷材料表面。
3.4 定位焊
由于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。
4 焊接
4.1 焊前清理
鋯材的切割和坡口加工，可以采用機械方法，也可以采用氧-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污染，必須打磨清除，造成浪費。因此在切割工件時，盡可能采用機械方法，如鋸、車、銑、鉆、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
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污物，清理好的焊絲應放在干燥和干凈的場所保存
4.2 焊接工藝參數
見表1。
表1 鋯及鋯合金鎢極氬弧焊工藝參數
母材厚度（mm）
鎢極直
徑（mm）
焊絲直徑
（mm）
噴嘴孔徑
（mm）
焊接電流
（a）
氬氣流量（l/min）
焊速(m/h)
備注
噴嘴
拖罩
背面
0.8
1.6
1.2
10
45~55
8~10
------
6~8
手工鎢極氬弧焊
1.6
2.0
1.6
10
50~60
8~10
14~16
6~8
2.0
3.0
2.0
12
60~70
8~10
14~16
6~8
3.0
3.0
2.0
14
95~120
12~14
16~18
12~14
4.0
4.0
2.0
16
140~150
12~14
16~18
12~14
5.0
4.0
2~3
18~20
165~175
12~14
16~18
12~14
6.0
4.0
2~3
18~20
165~185
14~16
16~18
14~16
12.0
4.0
3.0
18~20
170~200
18~20
20
14~16
0.5
1.6
1.2
10
40~50
8~10
--------
6~8
40~50
自動焊
1.0
2.0
1.2
12
60~70
8~10
--------
6~8
38.4
1.6
3.0
1.6
14
70~80
8~10
14~16
6~8
38.4
（1） 焊接用氣體為純氬，氬氣純度應達到99.99%，當瓶裝氬氣壓力低于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 鎢極磨制的形狀
（3） 鎢極氬弧焊電源采用直流正接。
（4） 板材焊接時應盡可能在平焊位置。管材焊接時盡量采用轉動焊。
（5） 當母材溫度低于
（6） 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，在終止電流之后，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
（7） 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
（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干凈的奧氏體不銹鋼刷擦去。在繼續進行焊接之前，污染的焊縫應采用打磨和仔細的清洗法全部擦去。對污染嚴重的焊縫必須鏟除干凈，并進行必要的修復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制成，形狀宜與焊件邊緣相似并能夠貼近焊件表面。
（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，非絮流并不相互干擾，氣路中不允許殘留水分和任何泄漏，氣路管道不允許采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，鏟除污染的焊肉、修磨或更換鎢極。
（12） 若需雙面焊接時，應采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。
4.4 焊縫背面及焊接區域高于
管道焊縫背面氣體保護一般采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，并盡量將焊接時高于
圖3 堵管形成保護氣體小室
圖4 板對接焊縫背面保護
4.5 焊縫后拖保護裝置
焊縫后拖保護一般采用拖罩，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。必要時罩內可增加通水冷卻散熱，具體形式見下圖5。
圖5 焊縫后拖保護裝置
5 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。北京時代鎢極脈沖氬弧焊機，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。焊接時采用直流正接方式。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，電極伸出應盡量縮短，電極伸長限制在
（3）熱態焊縫和鄰近母材的保護裝置。在熔池之后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。由于鋯焊接速度很快，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，提高電流也有利于氣體從熔池中逸出，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。焊接速度是關系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。
表2 鋯管焊接工藝參數
管子及
焊接位置
層次
焊絲直徑
（mm）
焊接電流
（a）
氬氣流量（l/min）
噴嘴
側保護
背面
φ48×3.5
水平轉動
1
φ1.6
90~100
10~12
65~70
8~18
2
φ2.4
100~120
10~12
65~70
10~18
φ48×3.5
水平固定
1
φ1.6
80~90
10~12
65~70
8~18
2
φ2.4
100~110
10~12
65~70
18
φ114×5.9
水平轉動
1
φ2.4
140~150
10~12
75~80
12~26
2
φ3.2
160~170
10~12
75~80
26
3
φ3.2
180~190
10~12
75~80
26
φ114×5.9
水平固定
1
φ2.4
130~140
10~12
75~80
12~26
2
φ3.2
150~160
10~12
75~80
26
3
φ3.2
150~160
10~12
75~80
26
6 焊后質量檢驗
（1）鋯焊縫可采用液體滲透探傷、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，用不銹鋼絲刷清除即可，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于約
下面的顏色表示污染程度增加：
淡黃色
深黃色 表面氧化皮：用鋼絲刷刷去
淡藍色
深藍色 金屬污染
灰藍色 采用打磨除去并補焊
灰 色
白 色 （松散的附著物）
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污染程度比較嚴重。如果想要使焊縫獲得一個有效的延展性，必須打磨掉焊縫污染的表面及金屬相鄰的區域并補焊。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，但由于鋯氧化層在高溫下（超過
（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。在一塊干凈的廢的鋯材上起弧，并穩定地保持電弧直到小的熔池在焊炬噴咀下形成為止。然后通過降低電流或開關來熄弧，熄弧之后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，或不純或干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，在焊縫污染的檢驗中也是有效的。雖然可以采用面彎和背彎等復雜的方法，也可加工一條兩個鋯窄條之間簡單的對接焊縫，然后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范圍內彎曲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。去污染焊縫的布氏硬度與母材硬度相比不得超過30hb。如果超過，則說明污染嚴重，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污染。
（6）返修。對于焊縫的返修，應在返修前用機械方法清除缺陷，并用目視和液體滲透檢查確保缺陷消除干凈，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。
（來源：《焊接技術能手絕技絕活》２－１１）
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【看看鋯材的焊接技術與操作技法的收錄情況】
0731-85579057 ，
