1、鋯的基本屬性

鋯是一種活性金屬，對雜質(zhì)元素的存在十分敏感，微量的雜質(zhì)就可能導致脆化。對環(huán)境氣體中的氧、氮、氫等氣體都有很強的親和力。高溫下，鋯合金很容易被氣體污染發(fā)生氧化反應。在室溫下就能與空氣里的氧氣反應，形成一層氧化物保護膜。這層保護膜給了鋯及合金極強的防腐蝕能力。室溫下，鋯是密排六方晶格金屬，為α鋯。有良好的綜合性能。加熱和冷卻過(guò)程中有相變，Zr702 在相變溫度（865℃）和 Zr705 在相變溫度（865℃）以上，鋯是體心立方晶格金屬，為β鋯。相變時(shí)產(chǎn)生的體積變化也很小。

2、物理性能

與其他金屬相比鋯具有彈性模量低、熔點(diǎn)高、線(xiàn)膨脹系數小、熱導率高、比熱容低，鋯的這些優(yōu)異的物理性能使鋯焊接時(shí)，需要更高的焊接熱輸入，但具有焊接應力小、焊接變形小、焊件散熱好，焊件吸收熱量小，焊接過(guò)程不易過(guò)熱；表面張力大等特點(diǎn)；從物理性能方面，鋯的焊接性與鉻鎳鋼沒(méi)有明顯的差別，只是熱膨脹系數特別低，熱變形量較小，相變時(shí)產(chǎn)生的體積變化也很小，特別利于焊接要求的低變形。

3、鋯的焊接性

鋯是高活性金屬，在焊接高溫下，與空氣以及其他很多元素和化合物能發(fā)生化學(xué)反應，微量的雜質(zhì)，特別是氮、氧、碳和氫等即可導致鋯嚴重的脆化。所以的焊接具有與鋯相似的特點(diǎn)，但對雜質(zhì)元素具有更高的敏感性，有更嚴的保護要求；鋯具有缺口敏感性，焊接過(guò)程中微量氧化，可能導致脆性開(kāi)裂，造成隨后冷加工時(shí)的裂紋形成；鋯主要作為耐蝕金屬使用，如此鋯焊接既要保證結構良好的力學(xué)性能，同時(shí)保證焊接接頭具有良好的耐腐蝕性能，其焊接性特點(diǎn)如下：

（1） 焊接區易受空氣污染

鋯在焊接加熱時(shí)，由于鋯的化學(xué)性質(zhì)很活潑，焊接區處于高溫條件下，如保護不好，易受空氣污染，這些氣體被鋯吸收后就可分別產(chǎn)生脆性化合物，使接頭塑性下降。氧與鋯在 204℃生成 ZrO，在 400℃生成白色的 ZrO 氧化皮，（長(cháng)時(shí)間與空氣接觸）；氮與鋯在 370℃溫度下生成 ZrN，在 300℃生成 ZrH。上述這些反應溫度均低于鋯與上述氣體反應的初始溫度，焊接過(guò)程中，焊接區保護不好時(shí)，比焊接鋯合金更容易被污染，使接頭脆化。氧、氮、氫氣體的濃度越大，硬化程度越大；碳和氮對焊縫金屬的抗腐蝕損害很大。一般應嚴格控制碳和氮的含量，同時(shí)加強焊接區的清理和保護，防止焊縫污染，焊縫污染后其抗腐蝕性能將降低，接頭性能變脆。鋯焊接時(shí)，可通過(guò)表面顏色變化來(lái)簡(jiǎn)單判別焊接質(zhì)量，其保護效果與顏色關(guān)系如下表1：

表1 焊接質(zhì)量與焊縫表面顏色

（2）焊接區易形成介穩相影響接頭性能

焊接過(guò)程的不平衡結晶，致使焊縫和熱影響區有可能析出復雜的金屬間化合物，如 Zr(FeCr)2，Zr2Fe，ZrO，ZrN，ZrH，Zr-Ni，Zr-Fe，Zr-Cr 等金屬間化合物，這些化合物多停留于晶界，降低接頭塑性，增加脆性；焊縫金屬的柱狀晶界存在脆性相或二次相，多呈不連續分布，焊縫金屬所受的影響比熱影響區小。

在熱影響區中α相晶粒間有呈片狀連續分布的 Zr(FeCr)2脆性相，如受腐蝕介質(zhì)作用，往往沿熱影響區β相晶界和α相間片狀晶界侵入，優(yōu)先腐蝕；當含碳量超過(guò) 0.10%時(shí)，形成 ZrC，產(chǎn)生優(yōu)先腐蝕；焊縫及熱影響區組織的形成如下：

890℃以下區域為α相和金屬間化合物；

890-950℃溫度區域，為α相組織；

950-980℃溫度區域，為α+β相組織；

980℃以上溫度區域，為β相組織；

這些介穩相和脆性相，使接頭性能降低，接頭塑性均有所下降，鋯的導熱性差，比熱小、電阻大、焊接加熱時(shí)，組織晶粒粗大促使接頭塑性降低； 

（3）易產(chǎn)生氣孔

氣孔是鋯焊接中的主要問(wèn)題，鋯更容易出現氣孔，多產(chǎn)生在焊縫上，呈細小針孔，主要原因有：

a）受空氣中氫、氮和氧的污染；

b）鋯工件表面焊絲在焊前清理的程度不夠；

c）保護氣中有雜質(zhì)和水分；

d）母材和焊材

中雜質(zhì)元素含量過(guò)高，致使鋯可能產(chǎn)生氣孔。

防止氣孔的措施：

a）焊件表面必須認真徹底的清理干凈；

b）加強焊

接過(guò)程保護；

c）調整保護氣流量；

d）選擇適當的焊接電流，減小焊接速度，可有效防止氣孔； 

（4）焊接裂紋

純鋯與鋯合金的焊接沒(méi)有形成裂紋的明顯趨勢。

（5）接頭組織

鋯焊接接頭為鑄造組織，粗大的部分α相和部分β相。冷卻速度大時(shí)，α相變成馬氏體組織，在晶界上有彌散分布的小顆粒為第二相沉淀物，在晶內有大顆粒的第二相，整個(gè)晶粒由α相亞晶組成；熱影響區為α片狀過(guò)熱組織；在單層氬弧焊時(shí)，接頭組織很少發(fā)現析出物，多層焊時(shí)，其焊縫中產(chǎn)生較為細小的金屬間化合物 Zr(NiFeCr)。這些化合物可以加熱到 870以上，然后水冷固溶處理，使金屬間化合物溶解于α相，在熱影響區的片狀α相中，在片間存有連續分布的第二相沉淀物 Zr(FeCr)化合物，它使接頭韌性下降。

（6）具有低變形、低應力的焊接特點(diǎn)。

4、鋯及合金的焊接工藝

（1）焊接方法

鋯在一定工藝條件下焊接性是良好的?？梢杂萌酆福ㄈ缍栊詺怏w保護

焊、等離子弧焊、電子束焊、激光焊等）、釬焊、固態(tài)焊等多種方法進(jìn)行焊

接，

（2）焊前準備

鋯的焊前清理是焊接鋯金屬的一個(gè)主要內容，表面清理主要是仔細清除

鋯焊接坡口和焊絲表面的氧化物或油污，清理內容有：

①清除表面氧化膜（ZrO）

②清除油污及污垢；

③清除焊件和焊絲表面污物；

表面清理方法：機械方法清理后，采用丙酮擦洗或酸洗，清理后應將焊件和焊絲烘干后才能焊接；

（3）焊絲選擇

為保證鋯的焊接質(zhì)量，必須合理選擇鋯焊絲。對焊絲質(zhì)量的要求較為嚴格：

焊絲必須表面光滑、清潔、圓整無(wú)毛刺、無(wú)皺皮、無(wú)裂紋、無(wú)氣孔、無(wú)夾層/渣等缺陷；

焊絲選用時(shí)應確保焊絲的主要化學(xué)成分與母材成分相近，并嚴格控制焊

絲中的雜質(zhì)含量不可超過(guò)標準的上限；

自動(dòng)鎢極氬弧焊、等離子焊等機械焊接方法所用的焊絲，應成盤(pán)密排層層繞好，焊絲不可有打結，小直彎和受污染現象；

通用的焊絲化學(xué)成份如下表2：

表2 鋯焊絲成分

（4）保護氣體

保護氣體的純度要高，水分低，露點(diǎn)一般不可大于-50℃；鋯焊接保護氣體可采用工業(yè)純度達到以上的 99.99%Ar、氦氣、或氬/氦混合氣體進(jìn)行，采用高純氬比純度較低的氬氣具有更好的焊縫保護效果，但焊接接頭性能相當；

（5）鎢極氬弧焊和等離子弧焊焊接工藝

焊接電源和極性一般為直流正接；由于鋯熔點(diǎn)高，熱導率比鋯高 10%，選擇電流時(shí)應比焊鋯時(shí)增加 30-50%，一般偏大一些電流，以提高焊接速度，同時(shí)加強冷卻速度，控制在 60℃/S，有利于防止過(guò)熱和產(chǎn)生脆性相。即大電流快速焊。 

焊接最主要的問(wèn)題是加強對焊接高溫區的保護，對焊接時(shí)，焊接接頭溫度高于 300℃的部位及背面都必須在惰性氣體的保護之下，噴嘴尺寸要大，應注意拖罩、背保護罩的結構和尺寸應稍大一些，噴嘴和拖罩內多加銅絲網(wǎng)，增強氣篩作用，鋯表面可加銅壓板，背面加水冷銅墊板加強焊接冷卻作用；

焊接時(shí)焊絲熱端必須在保護氣體中加熱和送進(jìn)，不得外移；

鋯焊接不用進(jìn)行焊前預熱，采用多層多道；焊焊接過(guò)程中為了防止熱影響區過(guò)熱，層間溫度應控制在 100℃以?xún)龋?/p>

焊接過(guò)程中焊縫受到污染或氧化，應清理干凈后在進(jìn)行焊接；鋯的氬

弧焊參考規范如下表3：

表3 鋯及合金板鎢極氬弧焊焊接規范 

5、鋯與其他金屬的焊接

鋯除和鋯、釩、鈮、鉭等金屬之外，不能與大多數其他金屬直接熔化焊接，因此一般用鋯的容器應為純鋯、襯鋯和鋯爆炸復合板制成，襯里可用機械方法固定在鋼殼體上，在使用襯里的容器設計中，鋯提供了優(yōu)異的耐蝕性與傳熱性的結合。當壁厚大于等于 25.4mm 時(shí)，可采用鋯鋼復合板制造容器。 

對于封閉形狀，鋯管與熱膨脹率較大的金屬管連接，可采用滑動(dòng)配合，加熱和釬焊連接方式。

6、鋯鋼復合板的焊接

鋯鋼復合板焊接采用的是鋼基層和鋯覆層各自分開(kāi)焊接；

采用正常的基層鋼的焊接工藝進(jìn)行鋼基層焊接；基層焊接前應采用機加工方法進(jìn)行去除基層焊接邊緣一定寬度的覆層鋯，防止鋼基層焊接時(shí)造成鋼與鋯互溶，基層焊接結束后，采用墊板和蓋板形式進(jìn)行覆層的焊接；

當需要時(shí)，可采用銀或釩對鋯和鋼的焊縫進(jìn)行密封焊； 

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