鋯是一種發(fā)展前景廣闊的稀有貴金屬，不僅應用在一般的冶金、石油化工等方面，而且被原子能工業(yè)使用，尤其是在醋酸、醋酐擴能裝置方面的應用更為廣泛。 鋯在高溫下極易與大氣中的氧、氫、氮發(fā)生反應，大約在200 ℃時開始吸收氧形成ZrO，350 ℃左右吸收氫形成ZrH，400 ℃左右吸收氮形成ZrN。 并且隨著溫度的升高，反應發(fā)生的程度會更加強烈，鋯反應生成的ZrO、ZrH和ZrN是脆性化合物，嚴重影響鋯材的性能，尤其對塑性和韌性影響更加敏感，因此在進行鋯材料焊接時必須采取有效的保護措施。 鑒于此，針對鋯材的焊接，研發(fā)出一種“盒內(nèi)保護”措施，并對保護盒的制作及焊前準備進行了介紹。

引言

隨著化工業(yè)的不斷發(fā)展，我國幾個重點化工單位開發(fā)了新的項目，如醋酐、醋酸等新品種。 這兩種物質(zhì)的酸性極強，也就是說它們有著非常強的腐蝕性，如果要生產(chǎn)醋酐和醋酸，必須要用到鋯材料制造的設備。 早在30～50年前，西方國家就已經(jīng)能夠生產(chǎn)和使用鋯材設備。 我國對于鋯材的認識和使用只有十幾年的時間，對于鋯材料的使用存在一定的局限性，基本是用于航天、核電，民用并不多見。 鋯材的價格非常昂貴，制造上難點多，尤其是焊接方面，更是存在諸多難點。 鋯是化學性質(zhì)非常活躍的元素，在高溫下非常容易和空氣中的各種氣體發(fā)生反應。 鋯在焊接時，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，使焊接接頭的硬度和強度升高、塑性下降，耐蝕性能也大幅度下降。 因此在鋯材焊接時必須對熔池、焊縫及熱影響區(qū)進行充分而有效的保護，盡量隔絕空氣，避免鋯的氧化。 本文主要描述的是小口徑鋯管的焊接及保護，鋯管直徑范圍在DN25～DN100，壁厚范圍在2～3 mm。

1、鋯材的基本性能

鋯在元素周期表中屬副族金屬，表面呈銀灰色，其熔點為1 852 ℃，沸點為3 580 ℃，密度為6.5 g/cm3。 鋯加入Sn、Nb、Mg、Ni、Gr和Th等合金元素可形成鋯合金，相比其他材料，鋯合金的比強更高，耐熱性更好，是原子反應堆工程常用的重要的結(jié)構性材料，如原子反應堆芯、核燃料棒外殼、壓力容器等結(jié)構。 鋯在還原介質(zhì)如鹽酸、硝酸、醋酸等極強的酸與堿中，具有一般材料所無法比擬的優(yōu)良的耐腐蝕性。 鋯的力學性能及化學成分如表1、表2所示。

2、鋯管的焊接與保護

根據(jù)上述鋯材料的性能及其氧化后產(chǎn)生的危害，在焊接鋯材料時必須做好保護工作。 鋯管在焊接時，保護氣體的純度為99.999%，對溫度超過200 ℃的焊縫、熱影響區(qū)正面和反面都需要進行有效的保護。 我們根據(jù)鋯材料焊接后的顏色來判定焊接的氧化程度，分為四種顏色，具體為銀白色（非常好）、淡黃色（正常）、藍色（氧化不合格）、灰色（嚴重氧化）。

通常情況下焊接鋯管時采用的是內(nèi)部充氬保護，正面焊接區(qū)域采用焊槍自有的噴嘴（噴嘴直徑16～25 mm）和拖罩保護。 對于正面的拖罩保護（根據(jù)不同的管口徑采用不同形狀及尺寸的拖罩），一般情況下拖罩尺寸為寬25～60 mm、長40～100 mm。 這種保護罩保護的措施對于大口徑鋯管的焊接保護是適合的、有效的，但對于小口徑鋯管的焊接，采用這種保護方法效果并不是很好，往往拖罩不能完全使焊縫和熱影響區(qū)的溫度控制在200 ℃以下，焊縫和熱影響區(qū)的顏色會呈藍色，屬氧化（圖1）。

另外，還有部分企業(yè)采用的是在真空箱中焊接小直徑的鋯管，在實際操作過程中發(fā)現(xiàn)在真空箱內(nèi)進行管子焊接，質(zhì)量也不盡如人意。 由于真空箱內(nèi)部的溫度下降得比較緩慢，在焊縫表面會呈現(xiàn)黃色或淡黃色，也沒有達到理想的銀白色。

為了提高小直徑鋯管的焊接質(zhì)量，我們總結(jié)了多年的經(jīng)驗，研發(fā)出另外一種保護措施“盒內(nèi)保護”，也就是在保護盒內(nèi)進行焊接的方法。 保護盒形狀及管子內(nèi)壁保護裝置如圖2所示。

3、保護盒的制作

保護盒需采用紫銅薄板制作， 厚度為1.5～2.0 mm， 其原因是銅相比其他材料，例如不銹鋼，其散熱性能更好。 根據(jù)鋯管直管徑的不同，兩端采用不同孔徑的封板，用鉸接與主體連接。 主體采用圓筒的型式，圓筒由上下兩半組成，用鉸接連接。 圓筒上開有兩個孔，其中一個為視窗孔，另一個為焊槍孔，內(nèi)部安裝準8 mm紫銅細管，通水加速盒內(nèi)冷卻。 焊接時保護盒內(nèi)的溫度過高，如果只是通過氬氣保護是不夠的， 所以內(nèi)部加了通水的細管。 

圓筒的上端開有出氣孔，下端有進氣孔，使筒內(nèi)充滿流動的氬氣，焊接時將需要焊接的管子從保護盒的一端放入盒內(nèi)，固定好后，開始充氬氣。待保護盒內(nèi)部的空氣排出后進行焊接。保護盒可以做成固定的，也可以做成隨著焊接方向旋轉(zhuǎn)的，大部分采用保護盒用底座固定的設計，焊接時一人旋轉(zhuǎn)管子，一人焊接。

4、焊前準備

鋯表面覆蓋著一層致密的氧化膜，焊前必須進行清理。 通常采用機械法對管進行坡口加工。 焊前在管子坡口兩側(cè)各25 mm內(nèi)用不銹鋼拋輪或合金磨頭打磨去除表面的氧化膜，然后用無紡布蘸丙酮清洗，焊接處不能留有棉紗之類物質(zhì)。 通常對壁厚小于2 mm的管子不開坡口，采用I形直接自熔焊接；

壁厚大于2 mm，開V型坡口，坡口尺寸如圖6所示。

焊接時，先對管內(nèi)和保護盒進行充氬（氬氣含量99.999%）。

預充2 min后，開始焊接（圖7）。

焊接采用GTAW法，焊接材料為ERZr2，準1.6或準2.0。 具體參數(shù)如表3所示。

管子點焊也需放在保護盒內(nèi)進行，點焊后開始焊接。 從表3中可以看到焊槍的氣體流量較小，主要原因是如果焊槍中氣體流量過大會與保護盒內(nèi)氣體產(chǎn)生紊流，使焊縫區(qū)域氣體不穩(wěn)定，起不到保護作用。 加上保護盒內(nèi)已充滿氬氣，故焊槍氣流量可以減小。 焊接時，焊絲端頭一直要保持在保護盒內(nèi)進行送進，不允許將焊絲端頭移出保護盒，否則要將氧化的部分剪去。 焊接鋯管時，采用熔孔焊。 因為鋯在液態(tài)時表面張力要比碳鋼、不銹鋼大，因此當出現(xiàn)熔孔時再填加焊絲，同時鎢極盡可能靠近焊縫根部，這樣才能保證根部焊透，有效防止未焊透產(chǎn)生。第一層焊接結(jié)束后，待管子在保護盒內(nèi)冷卻至80 ℃以下時，方可焊接第二層。全部焊接完成后，待管子冷卻至200 ℃以下方能移出保護盒。

5 結(jié)論

鋯管在保護盒內(nèi)焊接，既保證了焊縫內(nèi)部質(zhì)量（RT檢測，合格率在98%以上），同時還保證了焊縫的耐蝕性，焊縫表面呈銀白色，得到了良好的焊縫（圖8）。

鋯材價格比較昂貴，焊好每一條焊縫都比較重要，做好焊接時的保護就是給企業(yè)節(jié)約了成本。 所以，小口徑的鋯管在保護盒內(nèi)焊接的方法是值得推廣和應用的。

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