前言

鋯及鋯合金是一種十分重要的新型結構材料，隨著工業技術的發展及其對新型材料的需要，材料及其相關技術也隨之得到迅猛的發展。鋯是元素周期表中Ⅳ一B族元素，是一種銀白色稀有金屬，具有熔點高(1850℃)、密度適中和具有良好的塑性和強度的配合。鋯在大多數有機和礦物酸、強堿和一些融鹽中有優異的耐蝕性。在大多數應用中，鋯獨特的耐蝕性能大大延長了設備的使用壽命，進而降低維修費用并使停產時間最短化。因此，鋯及鋯合金是一種優秀的化工耐腐蝕結構材料。鋯的熱中子吸收截面小，是原子能工業的重要結構材料。由于鋯及鋯合金具有上述優良性能，因此在原子能及化工等領域獲得了廣泛的應用[1-2]。鋯及鋯合金共有5種牌號，它們中的每一種都具有優良的耐蝕性能，這幾種牌號材料的物理和力學性能僅有略微差別。在化工中廣泛應用的是zr702和Zr705兩種；Zr702是工業純鋯，它是由95.5％～99.2％的Zr和Hf組成；Zr705是含有2.5％Nb的鋯合金。鋯及鋯合金材料目前有箔材、帶材、鋯板材、復合板、管材、線材、鋯棒材和鑄件、鍛件等[3]。鋯的熱中子吸收截面和良好的強度，是核應用的理想材料。

鋯合金以其優異的核性能被用作核電站水冷反應堆的燃料包殼材料和其它堆芯結構材料及核反應堆的壓力管材料，在核工業上典型的商業化Zr-2合金用于沸水堆(BWR)，Zr-4合金用于壓力堆(PwR)，取得了長期的運行經驗，被ASTM列為核工業應用的成熟合金[4]。目前關于鋯及鋯合金的研究方面介紹的較多的主要在其熔煉、耐腐蝕性及表面改性等方面[5-7]。而作為重要結構材料的制造工藝，鋯材料的焊接技術是結構制造工程中的重要環節。目前對鋯及其合金焊接方面鮮有報道，還沒有形成標準工藝及規范。文中重點研究了鋯及鋯合金的焊接技術及焊縫的組織和性能。

1、試驗材料

文中所用焊接母材是國產鑄態Zr702，具體母材的化學成分見表1。焊接用焊材依據母材匹配的原則，選擇符合ASTM標準規定的ERZr2焊絲，具體焊絲化學成分見表2。

2、試驗方法

2.1焊接方法

鋯具有高溫下化學性質非常活潑的特點，鋯在固態下就具有很強的吸收空氣中的氧、氮、氫、水分、粉塵等能力并發生反應，其吸收能力和反應速度隨著溫度的升高而增強陽[8]，當鋯及其合金在吸收一定數量的氧、氮、氫等氣體雜質后，其力學性能急劇下降。所以在焊接過程中加強對環境粉塵、濕度等的控制，保證坡口和坡口周圍表面及焊絲表面較高的清潔度要求，對焊縫及熱影響區實行有效的氣體保護是保證焊接質量的重要因素。

在焊接試驗中選用了較低的焊接熱輸入、便于進行氣體保護的手工鎢極氬弧焊的方法，利用大口徑的焊槍噴嘴和焊縫外保護拖罩及底部充氬的措施進行焊縫保護，以隔離空氣達到焊縫不被氧化和避免吸收有害氣體的目的。鋯及鋯合金在高溫作用下，表面會形成一層氧化膜，不同保護條件下所形成的氧化膜的顏色不同，通過對表面顏色的判斷可控制焊接過程中焊縫及熱影響區的保護效果，焊后表面以銀白色為最佳，其次為淡黃色或金黃色。多層焊或多道焊時應以每層每道顏色合格為標準。層間溫度必須不高于規定值且經檢驗合格

后才能進行繼續施焊。

2.2焊接工藝規范

2.2.1焊前準備

(1)按照圖1的兩種方式加工坡口，坡口及過渡區應避免尖角和拐角。

(2)待焊區域使用電動或風動硬質合金刀打磨清理，清理范圍為待焊區及其邊緣20mm以上的母材，清理至露出光亮金屬表面，不得有鑄造黑皮、水跡、污垢、金屬粉末、塵埃等。

(3)臨焊前依次用不銹鋼刷和丙酮(酒精)清理待焊區表面及其邊緣20mm的母材。

(4)焊絲表面應潔凈無氧化皮、油污及其它污物。在使用前要進行拋磨、清洗，用丙酮擦洗和干燥。

(5)保護氣體的純度為99.99％的高純氬。

(6)焊接應用合理的保護裝置，采用焊槍拖罩以保證對焊接區進行可靠地保護。

2.2.2焊接參數

(1)環境溫度：焊接現場的環境溫度不低于5℃。焊接環境清潔，無灰塵、煙霧、不潮濕。

(2)層間溫度：焊接時層間溫度不高于150℃。

(3)焊縫區溫度：焊縫在冷卻不高于150℃以下時可停止保護。

(4)焊接參數見表3。

2.2.3操作要求

(1)采用窄焊道多層焊的方法，每焊完一層要清理檢查，無缺陷后再焊下一層。

(2)鎢極尖端應磨成15°~40°的角度，如果鎢極焊接過程中尖端形狀發生變化，應及時磨制鎢極至規定的形狀。

(3)焊接過程要適時觀察焊縫的顏色，以便及時根據焊縫顏色變化來判斷焊接保護情況。如果焊縫氧化，應按表4處理，不得重新焊接以改善焊縫的外觀，應清除氧化色。

(4)焊接時焊絲熔化的端頭應始終處于氬氣可靠的保護之下。如果發現端頭污染變色，在焊接時應除去該污染變色段，并清除用污染端頭焊接的焊縫金屬。

(5)多層焊時，每層焊縫金屬表面都應按要求進行檢查和清理，對于在焊接過程中產生的夾鎢、超標氧化、裂縫等缺陷應按焊前要求清理后才能繼續焊接。

(6)起弧時焊槍及保護拖罩必須先送氣以使焊絲融化之前就處在氬氣保護之中。息弧后待熔化端冷卻后才可從氬氣保護中取出。

3、試驗結果及分析

3.1金相組織及分析

在焊接完成的兩種形式試板上在垂直于焊縫方向截取試樣，用NF-30型金相顯微鏡對焊縫的及熱影響區和母材進行了分析，金相試樣經拋光后用氫氟酸和硝酸(1:3)的混合水溶液腐蝕后觀察其金相組織，結果如圖2～4所示。

鋯在固態有兩種同素異晶體，即體心立方晶格的口相和密排六方晶格α相，鋯Zr702在865℃以下具有(α+少量β相)混合晶體結構，在865℃溫度以上轉變為盧相的體心立方結構。從鋯的體心立方的盧晶格改圖4基體組織組為密排六方的僅晶格轉變過程的理論分析可知[9]，鋯的β相向α相的轉變，不能細化晶粒，也不易消除織構，這一點與鋼的轉變不同。這可能與鋯的2個同素異構體比容差別大小(0.17％)有關。當加熱溫度超過β相變點后，β相長大傾向甚大，極易在隨后的冷卻后使β相晶粒粗大造成材料的性能惡化。因此在焊接時如果采用較高的熱輸入量，造成焊縫在高溫保持時間過長且冷卻緩慢，將使焊縫組織中的β相長大傾向增大而使晶粒變粗，造成焊縫金屬的各項力學性能下降。

由圖2的金相組織看出，焊縫及熱影響區在焊接過程中無缺陷產生，焊縫區組織呈細密小條狀α相，熔合線處與基體熔合完好。圖3中熱影響區的α相組織比焊縫稍粗且由熔合線處至基體逐漸變粗至與基體一致，這是因為合理的焊接規范使得焊接溫度控制適宜，避免了高溫保持時間，從而抑制了晶粒的長大而獲得了細密的焊縫組織。而從圖4母材的基體組織觀察可見，其鑄態組織呈現高溫口相向低溫同素異構轉變的轉變產物中具有粗針狀或長條狀粗大α相組織。通過對焊縫及熱影響區和母材進行金相分析，看出在該試驗的過程中獲得的焊縫的金相組織明顯優于鑄態母材的金相組織。

3.2焊接焊縫的力學性能

在焊接完成的V形坡口的試板上沿焊縫方向切取l組試樣，在雙U形坡口試板焊縫的正反面上沿焊縫方向各切取1組試樣，將3組試樣加工為8mm的縱向拉伸試樣，在WE-600型液壓萬能試驗機上依據GB／T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行拉伸試驗；沖擊試驗是沿焊縫縱向取樣，同拉伸試樣一樣在3個位置各取1組試樣，每組3件，采用V形缺口試樣，缺口方向垂直于試板表面，在JB一300型沖擊試驗機上依據GB／T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》進行試驗，每組結果取3個試樣的平均值；硬度試驗是在HB一3000型布氏硬度計進行，其結果取每個試樣所測3個數據的平均值。焊縫的常溫拉伸試驗的力學性能和硬度試驗結果見表5。

從表5的常溫拉伸試驗和硬度試驗的結果看出，由于焊接過程的嚴格控制及氬氣的可靠充分的保護措施，焊縫的硬度比基體的稍有提高，抗拉強度由母材試驗結果的平均值428.3MPa提高到平均值為606MPa，屈服強度由356.5MPa提高到550MPa，其塑性指標的斷后伸長率由15.8％提高到21.6％，斷面收縮率由25.3％提高到40.6％，而焊縫的沖擊吸收能量值比基體鑄態Zr702提高了1倍。

由此可見，焊縫和母材的力學性能試驗的結果與上述金相組織分析的結論相吻合，這一結果說明了焊接方法和焊接工藝規范得當。因此鋯及鋯合金只要針對其材料特點，采取合理的工藝措施并進行嚴格的實施焊接過程是完全可以獲得優質的焊縫的性能。

4、結論

(1)通過對鋯及鋯合金的特性分析，針對其特點采取合適的焊接方法，進行充分的焊前準備、制定合理的焊接參數、進行可靠的氬氣保護等焊接全過程的嚴格控制是鋯及鋯合金的焊接質量及獲得優質性能的關鍵。

(2)Zr702鑄態材料的焊縫組織中的α相的分布及形態決定了焊縫的力學性能。焊縫區組織呈細密小條狀α相的分布所具有的性能明顯優于α相呈粗大片條狀分布的組織。

(3)金相分析和力學性能試驗結果表明，采用文中的Zr702的手工鎢極氬弧焊工藝規范焊接的焊縫的組織細密，強度、塑性及韌性均提高且無缺陷產生。在實際工程方面該工藝將具有重要的使用價值。

參考文獻

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[8]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：材料的焊接[M].北京：機械工業出版社，2001.

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作者簡介：林慶選，1957年出生，高級工程師，主要從事金屬材料及工藝的研究。

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