北京時(shí)代科技股份有限公司焊接工藝實(shí)驗(yàn)室  張自祥 

 

 

1  鋯材性能概述

鋯是化學(xué)性質(zhì)非常活潑的元素，在高溫下極易與大氣中的各種氣體發(fā)生反應(yīng)，耐腐蝕，在石油、化工、核能等行業(yè)都有使用。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(duì)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。鋯材的焊接一般用鎢極惰性氣體保護(hù)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(shù)和彈性模量小，因而焊接變形和焊縫殘余應(yīng)力比較小。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(kāi)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。鋯焊接的另一個(gè)主要問(wèn)題就是焊縫容易過(guò)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。

2  焊材的選用與焊接環(huán)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(shí)進(jìn)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(hào)

母材牌號(hào)（sb658）

焊絲牌號(hào)(aws)

1

r60702

erzr2

2

r60704

erzr3

3

r60705

erzr4

 2.2  施工環(huán)境要求

(1)      設(shè)立專用的預(yù)制場(chǎng)地，同時(shí)焊接場(chǎng)所應(yīng)保持清潔、干燥。

(2)      環(huán)境溫度應(yīng)大于5℃

(3)      焊接場(chǎng)所嚴(yán)禁有黑色金屬焊接、切割、打磨等工作。

(4)      現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)應(yīng)有防風(fēng)，防雨措施，當(dāng)風(fēng)速大于0.5m/s，相對(duì)濕度大于80%，禁止施焊。

3   施工準(zhǔn)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(xué)性能的知識(shí)，并在此基礎(chǔ)上正確從事鋯材的搬運(yùn)、切割、組對(duì)等工作。

3.2  焊件的坡口型式和組對(duì)

在一般情況下坡口型式和尺寸的選用應(yīng)重點(diǎn)考慮，遵守易于保證焊接接頭質(zhì)量，減少填充金屬量，便于操作和減少焊接變形等原則。當(dāng)設(shè)計(jì)無(wú)規(guī)定時(shí)焊件的坡口型式和尺寸可參照?qǐng)D1。

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(yīng)核對(duì)材質(zhì)和規(guī)格，并做好材質(zhì)標(biāo)記的移植工作。應(yīng)使用無(wú)腐蝕的記號(hào)筆，嚴(yán)禁打鋼印。鋯材切割應(yīng)使用機(jī)械方法，若使用等離子或砂輪切割，切割時(shí)管子轉(zhuǎn)動(dòng)，使其始終處于 佳位置，采用等離子切割時(shí)應(yīng)采取措施保護(hù)管子內(nèi)外表面，以防表面被火花灼傷，并用機(jī)械方法去除污染層。經(jīng)常清理工具上的污物，每次使用前應(yīng)清潔，無(wú)任何雜物。鋯材管子無(wú)論用機(jī)械加工或鋸切后，還應(yīng)使用銼刀修磨切口，然后用不銹鋼刷或電動(dòng)不銹鋼絲輪等工具，進(jìn)一步加工，使坡口表面平整光滑，無(wú)毛刺、凹坑、沙粒等缺陷。管子、管件 對(duì)過(guò)程中，不允許強(qiáng)力組對(duì)，嚴(yán)禁錘擊或劃傷材料表面。

3.4  定位焊

由于鋯材焊接時(shí)液態(tài)金屬流動(dòng)性特別好，管子坡口組對(duì)裝配時(shí)鈍邊、間隙應(yīng)嚴(yán)格按工藝指導(dǎo)書(shū)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(guò)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。

4  焊接

4.1  焊前清理

鋯材的切割和坡口加工，可以采用機(jī)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的火煙，切口周邊材料被嚴(yán)重污染，必須打磨清除，造成浪費(fèi)。因此在切割工件時(shí)，盡可能采用機(jī)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25mm內(nèi)外表面較厚的氧化膜，可使用銼刀、電磨、砂輪機(jī)進(jìn)行清理。坡口表面應(yīng)光潔，無(wú)毛刺、凹坑、殘存沙粒等缺陷， 后還應(yīng)使用不銹鋼鋼絲刷仔細(xì)清理。加工使用的工具應(yīng)為專用，保持清潔。加工產(chǎn)生的屑、沫堆積在空氣中會(huì)產(chǎn)生自燃，應(yīng)存放在盛水的容器中。另外在加工完成的坡口周邊75mm范圍內(nèi)外表面，還應(yīng)使用合適的溶劑（丙酮、酒精）擦洗，出去油脂、水分、灰塵，擦洗應(yīng)采用干凈的海綿或白綢布，不得使用毛巾，棉紗。不允許帶橡膠手套。清洗過(guò)程中應(yīng)反復(fù)擦拭焊件直到海綿上無(wú)污色為止。清洗好的焊件應(yīng)立即焊接，焊件置放時(shí)間不得超過(guò)8h，否則應(yīng)再次清理。

填充焊絲使用前應(yīng)用溶劑清除表面上的油脂，殘留潤(rùn)滑劑和灰塵等污物，清理好的焊絲應(yīng)放在干燥和干凈的場(chǎng)所保存

4.2      焊接工藝參數(shù)

見(jiàn)表1。

 

表1 鋯及鋯合金鎢極氬弧焊工藝參數(shù)

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(dòng)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

4.3  施工過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)

（1）      焊接用氣體為純氬，氬氣純度應(yīng)達(dá)到99.99%，當(dāng)瓶裝氬氣壓力低于0.1 mpa時(shí)，應(yīng)停止使用。

（2）      鎢極在施焊前應(yīng)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(shí)應(yīng)盡可能在平焊位置。管材焊接時(shí)盡量采用轉(zhuǎn)動(dòng)焊。

（5）      當(dāng)母材溫度低于15℃時(shí)，應(yīng)對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為20℃左右，焊接時(shí)層間溫度應(yīng)控制在100℃以下。

（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(zhì)量。在起弧之前，先給焊槍送幾秒鐘的氣體（拖尾保護(hù)送氣時(shí)間可長(zhǎng)些時(shí)間），熄弧應(yīng)通過(guò)電流衰減來(lái)完成，在終止電流之后，焊矩應(yīng)繼續(xù)保持在焊接熔池之上，直到金屬冷卻，拖尾和背面保護(hù)送氣應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，直到焊縫和熱影響區(qū)冷卻到300℃以下為止。如果送氣時(shí)間不夠，焊縫將是淡黃色或藍(lán)顏色。

（7）      對(duì)于手工送絲來(lái)說(shuō)，焊絲應(yīng)連續(xù)地送入熔池。斷續(xù)送絲可能導(dǎo)致從保護(hù)的惰性氣體中得出熱焊絲端頭，如果焊絲不注意從保護(hù)的惰性氣體中取出，則該端頭應(yīng)剪去25mm左右清除污染的金屬，才能繼續(xù)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(lán)色應(yīng)使用干凈的奧氏體不銹鋼刷擦去。在繼續(xù)進(jìn)行焊接之前，污染的焊縫應(yīng)采用打磨和仔細(xì)的清洗法全部擦去。對(duì)污染嚴(yán)重的焊縫必須鏟除干凈，并進(jìn)行必要的修復(fù)方可進(jìn)行下一步焊接工作。

（9）      保護(hù)裝置及拖罩的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)根據(jù)接頭形式和構(gòu)件尺寸確定。用導(dǎo)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(yīng)用獨(dú)立的氣路提供各區(qū)域的保護(hù)氣體，保護(hù)氣輸送時(shí)應(yīng)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(guò)程中，若鎢極碰觸焊絲或焊縫，應(yīng)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(shí)，應(yīng)采用機(jī)械方法清除焊根，直至顯露出沒(méi)有任何缺陷的焊縫金屬。

4.4  焊縫背面及焊接區(qū)域高于300℃以上的部位保護(hù)的方式

管道焊縫背面氣體保護(hù)一般采用管堵造成密閉氣室，管堵應(yīng)留有進(jìn)氣孔和出氣孔，以便進(jìn)氣和排氣，管堵應(yīng)與內(nèi)壁貼合無(wú)縫隙，并盡量將焊接時(shí)高于300℃區(qū)域焊縫區(qū)域全部包括，具體形式見(jiàn)下圖3 。板對(duì)接焊縫背面氣體保護(hù)采用墊板，具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)下圖4。

 

圖3  堵管形成保護(hù)氣體小室

圖4  板對(duì)接焊縫背面保護(hù)

 

4.5  焊縫后拖保護(hù)裝置

   焊縫后拖保護(hù)一般采用拖罩，小型輕便拖罩可以和焊槍連在一起，焊接時(shí)可以直接起到保護(hù)作用，也可由另外一個(gè)人單獨(dú)手持拖罩跟蹤操作保護(hù)。拖罩應(yīng)由導(dǎo)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(yīng)根據(jù)管徑、焊口形式制作，不得有縫隙，四周應(yīng)圓滑。必要時(shí)罩內(nèi)可增加通水冷卻散熱，具體形式見(jiàn)下圖5。

 　　　　　　　

　　　　　　　　　　 圖5  焊縫后拖保護(hù)裝置

5  鋯管焊接實(shí)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(hù)

（2）焊接電源。北京時(shí)代鎢極脈沖氬弧焊機(jī)，該焊機(jī)具有高頻引弧，電流衰減及提前送氣和延時(shí)斷氣等功能。焊接時(shí)采用直流正接方式。焊接用電極為φ2.4鈰鎢極，鋯焊接時(shí)，電極伸出過(guò)長(zhǎng)，會(huì)影響主保護(hù)效果，在不影響觀察熔池的情況下，電極伸出應(yīng)盡量縮短，電極伸長(zhǎng)限制在12mm以下。電弧長(zhǎng)度約為2mm左右。噴嘴可用輔助保護(hù)氣體進(jìn)行相關(guān)的保護(hù)，見(jiàn)圖7。主噴嘴直徑大小將直接影響熔池金屬保護(hù)效果。分別采用φ12mm,φ18mm和φ30mm內(nèi)徑的噴嘴在鋯板上進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)φ18mm比φ12mm噴嘴對(duì)熔池保護(hù)的范圍要大，效果也好，當(dāng)進(jìn)一步增大到φ30mm時(shí)，影響不大。 后采用噴嘴內(nèi)徑為φ18mm。為了使保護(hù)氣體分布均勻和形成層流形式，在噴嘴內(nèi)設(shè)置了兩層80目鐵絲網(wǎng)。

   （3）熱態(tài)焊縫和鄰近母材的保護(hù)裝置。在熔池之后的熱態(tài)焊縫和鄰近的母材需要用輔助的氣體保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)裝置設(shè)計(jì)不僅要能夠達(dá)到良好的保護(hù)，而且要方便操作，這是鋯焊接的技術(shù)訣竅之一，如圖8。

圖8  焊接管道尾部拖罩保護(hù)圖

（4）焊接電流。鋯熔點(diǎn)比鈦高，焊接電流相應(yīng)要高。由于鋯焊接速度很快，電流如果小，焊絲熔化不開(kāi)，焊道成形會(huì)較差，往往會(huì)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(guò)大，焊縫在高溫階段停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，給保護(hù)帶來(lái)困難，焊縫和熱影響區(qū)晶粒也變大。

（5）焊接速度。焊接速度是關(guān)系到施焊區(qū)是否會(huì)變色的關(guān)鍵因素，應(yīng)根據(jù)保護(hù)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(huì)慢，焊縫氧化的可能性增大。90℃以下層間溫度對(duì)焊縫表面顏色沒(méi)有明顯的影響，超過(guò)100℃層間溫度時(shí)，焊縫表面有微黃出現(xiàn)。為此中層間溫度限制在90℃以下。表2為鋯管焊接實(shí)例焊接工藝參數(shù)。

表2  鋯管焊接工藝參數(shù)

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(cè)保護(hù)

背面

φ48×3.5

水平轉(zhuǎn)動(dòng)

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(zhuǎn)動(dòng)

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(zhì)量檢驗(yàn)

  （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(méi)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(duì)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(duì)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)摹５S到淡藍(lán)色通常表示焊縫保護(hù)溫度低于約538℃，這種顏色在繼續(xù)進(jìn)行焊接之前必須用鋼絲刷刷去。

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(lán)色

深藍(lán)色     金屬污染

灰藍(lán)色     采用打磨除去并補(bǔ)焊

灰  色

白  色  （松散的附著物）

一般的說(shuō)，一直到淡藍(lán)色的顏色可以用鋼絲刷來(lái)除去。深藍(lán)色的顏色一般表示污染程度比較嚴(yán)重。如果想要使焊縫獲得一個(gè)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(qū)域并補(bǔ)焊。灰色或白色是焊炬或拖尾保護(hù)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(guò)649℃）被金屬熔解掉，厚的氧化層是焊縫本身受到污染的一種很好的顯示。

（3）焊炬保護(hù)。建議用取掉附加保護(hù)氣體試驗(yàn)來(lái)檢查焊炬保護(hù)。這種檢驗(yàn)應(yīng)在每個(gè)工作日的開(kāi)始和焊接期間定期地進(jìn)行。在一塊干凈的廢的鋯材上起弧，并穩(wěn)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(guò)降低電流或開(kāi)關(guān)來(lái)熄弧，熄弧之后焊炬保持不動(dòng)直到熔池冷卻為止。焊炬氣體中來(lái)自空氣或漏水的雜質(zhì)，或不純或干擾的保護(hù)氣體將會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)變色。

（4）彎曲試驗(yàn)。檢驗(yàn)延展性的一種簡(jiǎn)單的彎曲試驗(yàn)，在焊縫污染的檢驗(yàn)中也是有效的。雖然可以采用面彎和背彎等復(fù)雜的方法，也可加工一條兩個(gè)鋯窄條之間簡(jiǎn)單的對(duì)接焊縫，然后將其固定在一個(gè)臺(tái)鉗上用彎軸進(jìn)行彎曲。良好延展性的焊縫在五倍半徑彎軸范圍內(nèi)彎曲180°且無(wú)裂紋。如果焊道明顯地比母材金屬厚，在彎曲之前，應(yīng)將其打磨或機(jī)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(guò)30hb。如果超過(guò)，則說(shuō)明污染嚴(yán)重，與焊縫表面或根部顏色無(wú)關(guān)。焊縫硬度比母材硬度高30hb,無(wú)論焊縫表面顏色如何，都認(rèn)為焊縫已經(jīng)受到嚴(yán)重的污染。

（6）返修。對(duì)于焊縫的返修，應(yīng)在返修前用機(jī)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(yīng)重新進(jìn)行規(guī)定的檢驗(yàn)。同一部位的返修次數(shù)不宜超過(guò)兩次。

（來(lái)源：《焊接技術(shù)能手絕技絕活》２－１１）

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