1、前言
目前，锆材的焊接对我公司来讲尚属首次，我们对其材质的焊接特性了解甚少。为掌握锆材的焊接技术，查阅了ASME标准、锆材的焊接等相关资料，进行了锆材的焊接性能分析研究，并在焊试室多次焊接试验，最终制定出可行的焊接工艺。
从试验结果来看，总体上锆材的焊接性尚好，裂纹敏感性较低，但焊接保护要求较高，用氩气纯度必须保证99.999％。锆材焊接时，应采用小电流、较快的焊接和冷却速度(必要时可采用水冷)以及在温度高于200"(2的部位，通过采用喷嘴、托罩和背面三重氩气保护使焊缝及其两侧的受热区不被氧化，从而保证焊接接头的性能。锆管的焊接成功，为我公司今后的焊接技术培iJillH管道施工提供了技术保障。
2、锆材性能及焊接性分析
2.1 材料性能
锆是化学陛质非常活泼的稀贵金属，具有比重较轻、比强高、耐腐蚀、加工性能优异、原子吸收截面小等特点，还具有良好的耐酸、碱腐蚀性能，近年来在化工工程中多用在环境苛刻、不锈钢及钛合金不能适用的场合。
锆材主要物理性能如下：
熔点：1852"(2；沸点：3577"(2；相变温度：862"(2。在相变温度以上时为体心立方晶格(D相)，在相变温度以下时为密集六方晶格(Of．相)。
锆在各温度时的一些物理性能见表1。
2.2 焊接性
锆的热膨胀系数小，因此焊接变形小；锆的弹性模量小，因此焊接残余应力小。锆对裂纹敏感性低，液态锆流动性很好，但是，锆是化学性质非常活泼的元素，锆在高温下化学活性大，极易与大气发生反应，200"(2开始吸氧，300℃开始吸氢，400"(2开始吸氮，温度越高反应越加剧烈，这些元素存在焊缝中，使得焊缝金属中脆性的针状组织增加，此外，锆在400℃以上与碳或碳的化合物反应形成碳化物，使得焊缝疏松、变脆和易于晶间腐蚀。因此，锆与锆合金焊接性良好，但锆材的焊接保护是重中之重。
3、焊接试验
3.1环境要求
3.1.1
设立专用的预制场地，同时保持焊接场所清洁、干燥。
3.2温度应西℃。
3 1
3焊接场所严禁进行黑色金属焊接、切
割、打磨等工作。
3 14当风速大于O 5m／s，相对湿度大干80％
时，禁止施焊。
3．2人员
从事锫材的施工的人员必须掌握锆材的特殊物理性能和化学性能知识，井在此基础上正确从事锆材的搬运、切割、组对、焊接等工作。
33焊前准备
3．3 1坡口加工与接头设计
锆材管道的切割与坡口加工应尽量采用机械加工，如车、刨、锯等加工方法，并配合水冷却液降温，也可采用砂轮机打磨焊件坡口。为防止锆材表面温度过高，保证焊件表面不变色，应用较低的转速进行打磨。避免有火花飞出，打磨部位周围的母材应用东西掩盖。
坡口型式应执行ASME标准或设计要求。根据多次试验，认为单边加。±5 9坡口角度能够使喷嘴容易接近坡口根部，选到较薄的根部焊层，从而降I氐热输入，满足了错管焊接需要。另外，保留适当的钝边和根部间隙，有利于打底焊时背面边缘整齐、容易操作及防止背凹。
本次试验接头形式和尺寸如图l所示。
3.3 2焊前清理
焊前应进行认真清理坡口及其周围，以去除一切有可能的杂质污染。需清除的杂质包括氧化膜，机械加工坡口表面微裂纹内的吸附物、材料表面的油脂及污物。
清理程序：首先用锉刀去掉机械加工产生的毛刺．然后用角向磨光机和内磨机打磨坡口内外侧50ram范围内的金属艘之露出金属光泽，之后用不锈钢丝轮或刮刀清理、抛光轮抛光，最后用丙酮清洗。焊丝用砂纸打磨，并用丙酮清洗干净。
清理好焊IJ后，应放置在胶皮或木扳上存放，不得与其他金属接触。如清洗后4d,时来焊，焊前应重新清洗。操作人员接触清理过的坡I=l和焊丝时，必须戴干净的手套，以避免污物和手印污染，导致焊缝氧化及气孔形成。
使用溶剂清洗或冷却焊缝表面温度时，应配带好劳动防护用品，特别是使用丙酮、无水酒精时，应带好防护罩等保护用品。焊丝清洗图见图2。
3.4 焊接材料的选用
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的化学成份相同。但焊丝含氧量应比母材规定值低，一般在o 10％左右。不同牌号的锆材相焊时．接耐蚀性能较好和强度级别较低的母材选择焊丝，或按图样规定。本次焊丝选用Ⅱt耻。
焊丝须经外观检查或金相检查，其外观必须光滑、圆整，不允许存在毛刺、皱皮、重叠、裂纹、孔隙、偏析、夹遣等内外缺陷，必要时进行金相微观检查，不兜许存在偏析、夹渣等缺陷，并应保持清洁、干燥，施焊前应切除端部已被氧化的部分。焊丝表面如有氧化应进行化学清洗。因为这些很难消除的缺陷容易截流污染物质，造成焊接特性和焊缝性能变差。常用锆与锆台金焊接推荐选用的焊丝见表2。
3．5焊接方法和焊接设备选用
锆材由于其特殊性．根据现场的化工工艺管道情况，焊接采用手工钨极氩弧焊，配合管道内外高纯度气体保护的焊接方法。
焊机应有自动引弧、熄弧、电流衰减、提前送气和滞后断气程序控制，以便点焊时有足够的延气时间来保护点焊点。奉次试验采用的焊机型号为：YC一300TSPHGE。焊接电源采用直渲正接，焊接锆材时，熔深大．电弧稳定和电极消耗小，消除钨极和大气对焊缝污染，焊枪的结构尺寸应能保证接近焊缝，从喷嘴中流出的保护气体呈均匀态，为扩大保护面积，增强保护效果，喷嘴内径选择应比焊接其它材料的要大，可为12～22ram。
3．6钨极的选择
选用铈钨极，焊前电极应打磨成平底锥形。
3 7焊接保护
保护气体采用99 999％的高纯氩，露点不高于一50℃，井符合GB／T4842—2006《氩》标准的规定。3瓶一组，采用尾随托罩加背面通气保护方式。氧气瓶出厂前必须进行彻底置换。并进行逐瓶复验，焊接之前应打开阀门放气，以排除浮在气瓶上部的杂质。焊接过程中要时刻注意压力的变化，当压力低干3MPa时应马上换气，以免焊缝颜色发生变化。
3．8保护托罩
原有管道焊接保护拖罩与焊枪连为一体，一方面焊接拖曳较笨重，焊工劳动强度大I另一方面焊抢的走动使保护拖罩与工件贴台不够严密，会产生空气扰动造成保护不良。再加上特殊结构保护罩不仅制作难度较大，规格型号多、数量大，而且保护效果不佳．有时单人持枪。焊接根本无法进行。
基于这种情况，我们使焊抢与保护拖罩分离，采用两人配合操作，一人持焊枪焊接，一人把持保护拖罩，使拖罩与工件贴合严密．保护效果有较大改善，焊接质量更能保证，焊工劳动强度低．工作效率高。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。图3是我们在工艺试验时用的拖罩。
3．9定位焊
将清理过的锆管放于平稳位置进行定位焊，定位焊采用与正式焊接时相同的焊丝和焊接工艺。定位焊点在一侧打底焊完成后磨掉并重新清洗。
3．10焊接工艺参数
焊接采用手工钨极氩弧焊，钨极直径为巾2．0mm，焊丝直径为巾1．6mm。焊接工艺参数见表3。
3．11焊接要求
3．11．1锆材焊接应在空气清洁、无尘、无烟、通风的工作环境下进行，焊接场所应为独立区域。
3．11．2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(拖罩保护送气时间可长些)，熄灭弧应通过电流衰减来完
成，在终止电流之后，焊炬应继续保持在焊接熔池之上，直到金属冷却，拖罩和背面保护应继续送气，直到焊缝和热影响区冷却N200℃以下为止。如果送气时间不够，焊缝将是淡黄色或蓝色。
3．11．3当母材温度低于15℃时，应对母材进行预热，预热温度为20。C左右，焊接时层间温度应控制在100。C以下。
3．11．4采用短弧摆动焊，使用稍大的电流配合快焊速和较大气流量来保证整个接头的热输入控制在较低水平。
3．11．5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伸出热焊丝端头，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25mm左右，清除污染的金属后，才能继续施焊，否则影响焊接质量。
3．1 1．6焊后焊缝应清理干净，不得存在夹渣、气孔、裂纹、咬边、熔合性飞溅和超过规定的颜色变化。
3．11．7锆材焊缝和热影响区按焊接完工原始状态的表面颜色进行检验，按下表的规定，判断是否合格与进行处理。
3 11
8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。
3 1I 9在每次更换氩气瓶或气带后，必须检查氢气纯度。氩气带必须保持干燥，确保氢气纯度。托罩要事先就位并通气进行置换，通气量不应小于气腔体积的6倍。托罩要保护接头温度降至200℃以下再撤除。
3．11 10焊接完毕，不允许锤击。
3 11
11焊接完后须经100％射线检查．对不舍格的焊缝，返修前应认真检查，制定返修方塞，通过渗透检测．确定缺陷完垒清除，并清洗干净后方可补焊，同一部位返修不得超过两次，否则割口重焊。
3 II 12锆材焊接保护至关重要，因此对保护气体的纯度、保护气体流量大小、主喷嘴直径大小、尾部拖罩、侧保护罩的保护效果等均应随时进行检查以达到良好的保护效果，获得成形良好的焊接接头。
4、焊接接头检验
4l外观检查
焊缝外表面呈明亮的银白色，表面渡纹细密，热影响区单侧不变色最小宽度>10ram，结果合格。
4．2
X射线检测
按JB4730 2—2005标准进行X射线检测，结果为Ⅱ级，合格。
4．3力学性能试验
拉伸和弯曲试验的结果符合ASME第Ⅸ的规定。两次拉伸试验测得的抗拉强度的平均值为482 5MPa，断裂发生在焊缝处，结果判定为合格(见图4)。
5结论
5 l锆管焊接性能良好，焊接变形小，不容易出现裂纹等缺陷。但氩弧焊打底时，由于其熔点较高，熔池凝固较快，控制不好容易出现背凹等焊接缺陷。
5．2锆材在焊接前，对保护气体的纯度、保护气体捷量大小、主喷嘴直径、尾部拖罩及侧保护罩的保护效果进行合理控制，才能获得良好的焊接接头。
5．3由于锆是极易在高温下氧化、氨化，因此要求有高质量的焊接清理、较小的热输八，并控制层问温度不高于10012。
5．4焊枪与拖罩要相互配合，避免出现空档及相互干扰情况。焊接时尤其要注意电弧两侧的受热区不被氧化。
5 5依此试验所编制的焊接工艺评定报告及其参数，可指导现场施焊，并确像现场焊接施工质量。
参考文献
111(ASME龋Pa压力$8规范(圆R性规范)>*九善，焯接和许接i艺，蚌I钎接1焊接和奸捶棰作It评宅标准(2007版)
【2]《锆“压∞客8》《审璃㈣锆管的焊接论￡苄
