北京时代科技股份有限公司焊接工艺实验室 张自祥
1 锆材性能概述
锆是化学性质非常活泼的元素，在高温下极易与大气中的各种气体发生反应，耐腐蚀，在石油、化工、核能等行业都有使用。在锆焊接时，焊缝和热影响区易被空气中的氧、氢、氮等元素污染，生成硬而脆的化合物，并产生脆性的针状组织，使焊接接头的硬度、强度升高，塑性下降，耐蚀性能也大幅下降。因此锆焊接时应对熔池、焊缝和热影响区进行充分的保护以完全隔绝空气。锆材的焊接一般用钨极惰性气体保护焊，其他的焊接方法包括：电子束焊、等离子弧焊和电阻焊等。它的焊接性能和钛金属焊接比较接近，由于锆的热膨胀系数和弹性模量小，因而焊接变形和焊缝残余应力比较小。在不受污染的情况下，焊缝不易出现结晶裂纹和冷裂纹。锆在高温下一般容易与大气发生反应，在
2 焊材的选用与焊接环境要求
2.1 焊材的选择
锆与锆合金采用的钨极氩弧焊焊接选用的焊丝一般与母材相同。其外观必须光滑、圆整，不允许存在毛刺、皱皮、重叠、裂纹、孔隙等缺陷，必要时进行金相微观检查，不允许存在偏析、夹渣等缺陷。下表是常用锆与锆合金焊接推荐选用的焊丝。
表1 常用锆与锆合金焊接推荐选用的焊丝
序号
母材牌号（sb658）
焊丝牌号(aws)
1
r60702
erzr2
2
r60704
erzr3
3
r60705
erzr4
2.2 施工环境要求
(1) 设立专用的预制场地，同时焊接场所应保持清洁、干燥。
(2) 环境温度应大于
(3) 焊接场所严禁有黑色金属焊接、切割、打磨等工作。
(4) 现场焊接时应有防风，防雨措施，当风速大于
3 施工准备
3.1 人员
从事锆材施工的人员必须掌握锆材的特殊物理性能和化学性能的知识，并在此基础上正确从事锆材的搬运、切割、组对等工作。
3.2 焊件的坡口型式和组对
在一般情况下坡口型式和尺寸的选用应重点考虑，遵守易于保证焊接接头质量，减少填充金属量，便于操作和减少焊接变形等原则。当设计无规定时焊件的坡口型式和尺寸可参照图1。
图1 锆材焊接坡口型式
3.3 锆材的清理
锆材管子切割前应核对材质和规格，并做好材质标记的移植工作。应使用无腐蚀的记号笔，严禁打钢印。锆材切割应使用机械方法，若使用等离子或砂轮切割，切割时管子转动，使其始终处于最佳位置，采用等离子切割时应采取措施保护管子内外表面，以防表面被火花灼伤，并用机械方法去除污染层。经常清理工具上的污物，每次使用前应清洁，无任何杂物。锆材管子无论用机械加工或锯切后，还应使用锉刀修磨切口，然后用不锈钢刷或电动不锈钢丝轮等工具，进一步加工，使坡口表面平整光滑，无毛刺、凹坑、沙粒等缺陷。管子、管件最对过程中，不允许强力组对，严禁锤击或划伤材料表面。
3.4 定位焊
由于锆材焊接时液态金属流动性特别好，管子坡口组对装配时钝边、间隙应严格按工艺指导书规定，以免焊接时烧穿。管子管件定位焊的工艺措施及焊接材料应与正式焊接一致，点焊高度不得超过管壁厚的2/3，定位焊的焊缝不得有裂纹、气孔或不允许存在的氧化变色等缺陷，否则应打磨。
4 焊接
4.1 焊前清理
锆材的切割和坡口加工，可以采用机械方法，也可以采用氧-乙炔焰、等离子弧等热切割方法，但热切割会产生强烈的火烟，切口周边材料被严重污染，必须打磨清除，造成浪费。因此在切割工件时，尽可能采用机械方法，如锯、车、铣、钻、刨等加工方法，配合水冷却液降温，避免温升造成材料损伤。坡口周边
填充焊丝使用前应用溶剂清除表面上的油脂，残留润滑剂和灰尘等污物，清理好的焊丝应放在干燥和干净的场所保存
4.2 焊接工艺参数
见表1。
表1 锆及锆合金钨极氩弧焊工艺参数
母材厚度（mm）
钨极直
径（mm）
焊丝直径
（mm）
喷嘴孔径
（mm）
焊接电流
（a）
氩气流量（l/min）
焊速(m/h)
备注
喷嘴
拖罩
背面
0.8
1.6
1.2
10
45~55
8~10
------
6~8
手工钨极氩弧焊
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
自动焊
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） 焊接用气体为纯氩，氩气纯度应达到99.99%，当瓶装氩气压力低于0.1 mpa时，应停止使用。
（2） 钨极在施焊前应修磨成如图2所示的形状。
图2 钨极磨制的形状
（3） 钨极氩弧焊电源采用直流正接。
（4） 板材焊接时应尽可能在平焊位置。管材焊接时尽量采用转动焊。
（5） 当母材温度低于
（6） 钨极氩弧焊采用高频引弧和熄弧电流衰减措施，注意引弧和收弧质量。在起弧之前，先给焊枪送几秒钟的气体（拖尾保护送气时间可长些时间），熄弧应通过电流衰减来完成，在终止电流之后，焊矩应继续保持在焊接熔池之上，直到金属冷却，拖尾和背面保护送气应继续进行，直到焊缝和热影响区冷却到
（7） 对于手工送丝来说，焊丝应连续地送入熔池。断续送丝可能导致从保护的惰性气体中得出热焊丝端头，如果焊丝不注意从保护的惰性气体中取出，则该端头应剪去
（8） 如果熔敷焊缝金属呈银白色，则不要求层间清洗，淡黄色或淡蓝色应使用干净的奥氏体不锈钢刷擦去。在继续进行焊接之前，污染的焊缝应采用打磨和仔细的清洗法全部擦去。对污染严重的焊缝必须铲除干净，并进行必要的修复方可进行下一步焊接工作。
（9） 保护装置及拖罩的结构和尺寸应根据接头形式和构件尺寸确定。用导热性能较好的材料制成，形状宜与焊件边缘相似并能够贴近焊件表面。
（10） 应用独立的气路提供各区域的保护气体，保护气输送时应保持均匀，非絮流并不相互干扰，气路中不允许残留水分和任何泄漏，气路管道不允许采用橡胶管或其他吸潮材料管子。
（11） 焊接过程中，若钨极碰触焊丝或焊缝，应停止焊接，铲除污染的焊肉、修磨或更换钨极。
（12） 若需双面焊接时，应采用机械方法清除焊根，直至显露出没有任何缺陷的焊缝金属。
4.4 焊缝背面及焊接区域高于
管道焊缝背面气体保护一般采用管堵造成密闭气室，管堵应留有进气孔和出气孔，以便进气和排气，管堵应与内壁贴合无缝隙，并尽量将焊接时高于
图3 堵管形成保护气体小室
图4 板对接焊缝背面保护
4.5 焊缝后拖保护装置
焊缝后拖保护一般采用拖罩，小型轻便拖罩可以和焊枪连在一起，焊接时可以直接起到保护作用，也可由另外一个人单独手持拖罩跟踪操作保护。拖罩应由导热性能好的材料制成，如铜、铝等，拖罩的形状、尺寸、曲率半径应根据管径、焊口形式制作，不得有缝隙，四周应圆滑。必要时罩内可增加通水冷却散热，具体形式见下图5。
图5 焊缝后拖保护装置
5 锆管焊接实例
（1）坡口形式。如图6。
图6 锆管焊接坡口
图7 焊枪喷嘴的保护
（2）焊接电源。北京时代钨极脉冲氩弧焊机，该焊机具有高频引弧，电流衰减及提前送气和延时断气等功能。焊接时采用直流正接方式。焊接用电极为φ2.4铈钨极，锆焊接时，电极伸出过长，会影响主保护效果，在不影响观察熔池的情况下，电极伸出应尽量缩短，电极伸长限制在
（3）热态焊缝和邻近母材的保护装置。在熔池之后的热态焊缝和邻近的母材需要用辅助的气体保护装置进行保护。保护装置设计不仅要能够达到良好的保护，而且要方便操作，这是锆焊接的技术诀窍之一，如图8。
图8 焊接管道尾部拖罩保护图
（4）焊接电流。锆熔点比钛高，焊接电流相应要高。由于锆焊接速度很快，电流如果小，焊丝熔化不开，焊道成形会较差，往往会造成未熔合缺陷。此外，提高电流也有利于气体从熔池中逸出，减少焊缝中气孔形成倾向。但电流过大，焊缝在高温阶段停留时间过长，给保护带来困难，焊缝和热影响区晶粒也变大。
（5）焊接速度。焊接速度是关系到施焊区是否会变色的关键因素，应根据保护效果选择合适的焊接速度。
（6）层间温度。层间温度高，焊缝冷却速度就会慢，焊缝氧化的可能性增大。
表2 锆管焊接工艺参数
管子及
焊接位置
层次
焊丝直径
（mm）
焊接电流
（a）
氩气流量（l/min）
喷嘴
侧保护
背面
φ48×3.5
水平转动
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
水平转动
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 焊后质量检验
（1）锆焊缝可采用液体渗透探伤、x射线进行检验，应没有裂纹、咬边、未焊透和超标的气孔存在。
（2）暴露在空气中的锆，在不同的温度下，表面将形成zro或zr2o3或zro2等氧化膜，从而呈现不同的表面颜色，如表面形成氧化膜很薄，用不锈钢丝刷清除即可，对性能影响不大。从深蓝色到灰白或白粉末状则表明焊缝金属受到严重的污染，必须全部铲掉焊缝金属和临近的母材。对于焊缝表面的颜色，比如银白色仅仅是拖尾保护有效性的一种显示，而不能保证焊矩保护是适当的。淡黄到淡蓝色通常表示焊缝保护温度低于约
下面的颜色表示污染程度增加：
淡黄色
深黄色 表面氧化皮：用钢丝刷刷去
淡蓝色
深蓝色 金属污染
灰蓝色 采用打磨除去并补焊
灰 色
白 色 （松散的附着物）
一般的说，一直到淡蓝色的颜色可以用钢丝刷来除去。深蓝色的颜色一般表示污染程度比较严重。如果想要使焊缝获得一个有效的延展性，必须打磨掉焊缝污染的表面及金属相邻的区域并补焊。灰色或白色是焊炬或拖尾保护失效的一种显示，而且必须除去。
表面颜色仅仅给出了表面氧化层的厚度，但由于锆氧化层在高温下（超过
（3）焊炬保护。建议用取掉附加保护气体试验来检查焊炬保护。这种检验应在每个工作日的开始和焊接期间定期地进行。在一块干净的废的锆材上起弧，并稳定地保持电弧直到小的熔池在焊炬喷咀下形成为止。然后通过降低电流或开关来熄弧，熄弧之后焊炬保持不动直到熔池冷却为止。焊炬气体中来自空气或漏水的杂质，或不纯或干扰的保护气体将会导致热影响区变色。
（4）弯曲试验。检验延展性的一种简单的弯曲试验，在焊缝污染的检验中也是有效的。虽然可以采用面弯和背弯等复杂的方法，也可加工一条两个锆窄条之间简单的对接焊缝，然后将其固定在一个台钳上用弯轴进行弯曲。良好延展性的焊缝在五倍半径弯轴范围内弯曲180°且无裂纹。如果焊道明显地比母材金属厚，在弯曲之前，应将其打磨或机加到与母材金属相齐平。
（5）硬度。去污染焊缝的布氏硬度与母材硬度相比不得超过30hb。如果超过，则说明污染严重，与焊缝表面或根部颜色无关。焊缝硬度比母材硬度高30hb,无论焊缝表面颜色如何，都认为焊缝已经受到严重的污染。
（6）返修。对于焊缝的返修，应在返修前用机械方法清除缺陷，并用目视和液体渗透检查确保缺陷消除干净，返修的焊接上述的要求一致。返修的部位应重新进行规定的检验。同一部位的返修次数不宜超过两次。
（来源：《焊接技术能手绝技绝活》２－１１）
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