1、前言
目前，鋯材的焊接對(duì)我公司來(lái)講尚屬首次，我們對(duì)其材質(zhì)的焊接特性了解甚少。為掌握鋯材的焊接技術(shù)，查閱了ASME標(biāo)準(zhǔn)、鋯材的焊接等相關(guān)資料，進(jìn)行了鋯材的焊接性能分析研究，并在焊試室多次焊接試驗(yàn)，最終制定出可行的焊接工藝。
從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，總體上鋯材的焊接性尚好，裂紋敏感性較低，但焊接保護(hù)要求較高，用氬氣純度必須保證99.999％。鋯材焊接時(shí)，應(yīng)采用小電流、較快的焊接和冷卻速度(必要時(shí)可采用水冷)以及在溫度高于200"(2的部位，通過(guò)采用噴嘴、托罩和背面三重氬氣保護(hù)使焊縫及其兩側(cè)的受熱區(qū)不被氧化，從而保證焊接接頭的性能。鋯管的焊接成功，為我公司今后的焊接技術(shù)培iJillH管道施工提供了技術(shù)保障。
2、鋯材性能及焊接性分析
2.1 材料性能
鋯是化學(xué)陛質(zhì)非常活潑的稀貴金屬，具有比重較輕、比強(qiáng)高、耐腐蝕、加工性能優(yōu)異、原子吸收截面小等特點(diǎn)，還具有良好的耐酸、堿腐蝕性能，近年來(lái)在化工工程中多用在環(huán)境苛刻、不銹鋼及鈦合金不能適用的場(chǎng)合。
鋯材主要物理性能如下：
熔點(diǎn)：1852"(2；沸點(diǎn)：3577"(2；相變溫度：862"(2。在相變溫度以上時(shí)為體心立方晶格(D相)，在相變溫度以下時(shí)為密集六方晶格(Of．相)。
鋯在各溫度時(shí)的一些物理性能見(jiàn)表1。
2.2 焊接性
鋯的熱膨脹系數(shù)小，因此焊接變形小；鋯的彈性模量小，因此焊接殘余應(yīng)力小。鋯對(duì)裂紋敏感性低，液態(tài)鋯流動(dòng)性很好，但是，鋯是化學(xué)性質(zhì)非常活潑的元素，鋯在高溫下化學(xué)活性大，極易與大氣發(fā)生反應(yīng)，200"(2開(kāi)始吸氧，300℃開(kāi)始吸氫，400"(2開(kāi)始吸氮，溫度越高反應(yīng)越加劇烈，這些元素存在焊縫中，使得焊縫金屬中脆性的針狀組織增加，此外，鋯在400℃以上與碳或碳的化合物反應(yīng)形成碳化物，使得焊縫疏松、變脆和易于晶間腐蝕。因此，鋯與鋯合金焊接性良好，但鋯材的焊接保護(hù)是重中之重。
3、焊接試驗(yàn)
3.1環(huán)境要求
3.1.1
設(shè)立專用的預(yù)制場(chǎng)地，同時(shí)保持焊接場(chǎng)所清潔、干燥。
3.2溫度應(yīng)西℃。
3 1
3焊接場(chǎng)所嚴(yán)禁進(jìn)行黑色金屬焊接、切
割、打磨等工作。
3 14當(dāng)風(fēng)速大于O 5m／s，相對(duì)濕度大干80％
時(shí)，禁止施焊。
3．2人員
從事锫材的施工的人員必須掌握鋯材的特殊物理性能和化學(xué)性能知識(shí)，井在此基礎(chǔ)上正確從事鋯材的搬運(yùn)、切割、組對(duì)、焊接等工作。
33焊前準(zhǔn)備
3．3 1坡口加工與接頭設(shè)計(jì)
鋯材管道的切割與坡口加工應(yīng)盡量采用機(jī)械加工，如車、刨、鋸等加工方法，并配合水冷卻液降溫，也可采用砂輪機(jī)打磨焊件坡口。為防止鋯材表面溫度過(guò)高，保證焊件表面不變色，應(yīng)用較低的轉(zhuǎn)速進(jìn)行打磨。避免有火花飛出，打磨部位周圍的母材應(yīng)用東西掩蓋。
坡口型式應(yīng)執(zhí)行ASME標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)要求。根據(jù)多次試驗(yàn)，認(rèn)為單邊加。±5 9坡口角度能夠使噴嘴容易接近坡口根部，選到較薄的根部焊層，從而降I氐熱輸入，滿足了錯(cuò)管焊接需要。另外，保留適當(dāng)?shù)拟g邊和根部間隙，有利于打底焊時(shí)背面邊緣整齊、容易操作及防止背凹。
本次試驗(yàn)接頭形式和尺寸如圖l所示。
3.3 2焊前清理
焊前應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真清理坡口及其周圍，以去除一切有可能的雜質(zhì)污染。需清除的雜質(zhì)包括氧化膜，機(jī)械加工坡口表面微裂紋內(nèi)的吸附物、材料表面的油脂及污物。
清理程序：首先用銼刀去掉機(jī)械加工產(chǎn)生的毛刺．然后用角向磨光機(jī)和內(nèi)磨機(jī)打磨坡口內(nèi)外側(cè)50ram范圍內(nèi)的金屬艘之露出金屬光澤，之后用不銹鋼絲輪或刮刀清理、拋光輪拋光，最后用丙酮清洗。焊絲用砂紙打磨，并用丙酮清洗干凈。
清理好焊IJ后，應(yīng)放置在膠皮或木扳上存放，不得與其他金屬接觸。如清洗后4d,時(shí)來(lái)焊，焊前應(yīng)重新清洗。操作人員接觸清理過(guò)的坡I=l和焊絲時(shí)，必須戴干凈的手套，以避免污物和手印污染，導(dǎo)致焊縫氧化及氣孔形成。
使用溶劑清洗或冷卻焊縫表面溫度時(shí)，應(yīng)配帶好勞動(dòng)防護(hù)用品，特別是使用丙酮、無(wú)水酒精時(shí)，應(yīng)帶好防護(hù)罩等保護(hù)用品。焊絲清洗圖見(jiàn)圖2。
3.4 焊接材料的選用
鋯與鋯合金采用的鎢極氬弧焊焊接選用的焊絲一般與母材的化學(xué)成份相同。但焊絲含氧量應(yīng)比母材規(guī)定值低，一般在o 10％左右。不同牌號(hào)的鋯材相焊時(shí)．接耐蝕性能較好和強(qiáng)度級(jí)別較低的母材選擇焊絲，或按圖樣規(guī)定。本次焊絲選用Ⅱt恥。
焊絲須經(jīng)外觀檢查或金相檢查，其外觀必須光滑、圓整，不允許存在毛刺、皺皮、重疊、裂紋、孔隙、偏析、夾遣等內(nèi)外缺陷，必要時(shí)進(jìn)行金相微觀檢查，不兜許存在偏析、夾渣等缺陷，并應(yīng)保持清潔、干燥，施焊前應(yīng)切除端部已被氧化的部分。焊絲表面如有氧化應(yīng)進(jìn)行化學(xué)清洗。因?yàn)檫@些很難消除的缺陷容易截流污染物質(zhì)，造成焊接特性和焊縫性能變差。常用鋯與鋯臺(tái)金焊接推薦選用的焊絲見(jiàn)表2。
3．5焊接方法和焊接設(shè)備選用
鋯材由于其特殊性．根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的化工工藝管道情況，焊接采用手工鎢極氬弧焊，配合管道內(nèi)外高純度氣體保護(hù)的焊接方法。
焊機(jī)應(yīng)有自動(dòng)引弧、熄弧、電流衰減、提前送氣和滯后斷氣程序控制，以便點(diǎn)焊時(shí)有足夠的延氣時(shí)間來(lái)保護(hù)點(diǎn)焊點(diǎn)。奉次試驗(yàn)采用的焊機(jī)型號(hào)為：YC一300TSPHGE。焊接電源采用直渲正接，焊接鋯材時(shí)，熔深大．電弧穩(wěn)定和電極消耗小，消除鎢極和大氣對(duì)焊縫污染，焊槍的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)能保證接近焊縫，從噴嘴中流出的保護(hù)氣體呈均勻態(tài)，為擴(kuò)大保護(hù)面積，增強(qiáng)保護(hù)效果，噴嘴內(nèi)徑選擇應(yīng)比焊接其它材料的要大，可為12～22ram。
3．6鎢極的選擇
選用鈰鎢極，焊前電極應(yīng)打磨成平底錐形。
3 7焊接保護(hù)
保護(hù)氣體采用99 999％的高純氬，露點(diǎn)不高于一50℃，井符合GB／T4842—2006《氬》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。3瓶一組，采用尾隨托罩加背面通氣保護(hù)方式。氧氣瓶出廠前必須進(jìn)行徹底置換。并進(jìn)行逐瓶復(fù)驗(yàn)，焊接之前應(yīng)打開(kāi)閥門(mén)放氣，以排除浮在氣瓶上部的雜質(zhì)。焊接過(guò)程中要時(shí)刻注意壓力的變化，當(dāng)壓力低干3MPa時(shí)應(yīng)馬上換氣，以免焊縫顏色發(fā)生變化。
3．8保護(hù)托罩
原有管道焊接保護(hù)拖罩與焊槍連為一體，一方面焊接拖曳較笨重，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大I另一方面焊搶的走動(dòng)使保護(hù)拖罩與工件貼臺(tái)不夠嚴(yán)密，會(huì)產(chǎn)生空氣擾動(dòng)造成保護(hù)不良。再加上特殊結(jié)構(gòu)保護(hù)罩不僅制作難度較大，規(guī)格型號(hào)多、數(shù)量大，而且保護(hù)效果不佳．有時(shí)單人持槍。焊接根本無(wú)法進(jìn)行。
基于這種情況，我們使焊搶與保護(hù)拖罩分離，采用兩人配合操作，一人持焊槍焊接，一人把持保護(hù)拖罩，使拖罩與工件貼合嚴(yán)密．保護(hù)效果有較大改善，焊接質(zhì)量更能保證，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度低．工作效率高。拖罩應(yīng)由導(dǎo)熱性能好的材料制成。如銅、鋁等，拖罩的形狀、尺寸、曲率半徑應(yīng)根據(jù)管徑、焊口形式制作，不得有縫隙，四周應(yīng)圓滑。圖3是我們?cè)诠に囋囼?yàn)時(shí)用的拖罩。
3．9定位焊
將清理過(guò)的鋯管放于平穩(wěn)位置進(jìn)行定位焊，定位焊采用與正式焊接時(shí)相同的焊絲和焊接工藝。定位焊點(diǎn)在一側(cè)打底焊完成后磨掉并重新清洗。
3．10焊接工藝參數(shù)
焊接采用手工鎢極氬弧焊，鎢極直徑為巾2．0mm，焊絲直徑為巾1．6mm。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。
3．11焊接要求
3．11．1鋯材焊接應(yīng)在空氣清潔、無(wú)塵、無(wú)煙、通風(fēng)的工作環(huán)境下進(jìn)行，焊接場(chǎng)所應(yīng)為獨(dú)立區(qū)域。
3．11．2鎢極氬弧焊采用高頻引弧和熄弧電流衰減措施，注意引弧和收弧質(zhì)量。在起弧之前，先給焊槍送幾秒鐘的氣體(拖罩保護(hù)送氣時(shí)間可長(zhǎng)些)，熄滅弧應(yīng)通過(guò)電流衰減來(lái)完
成，在終止電流之后，焊炬應(yīng)繼續(xù)保持在焊接熔池之上，直到金屬冷卻，拖罩和背面保護(hù)應(yīng)繼續(xù)送氣，直到焊縫和熱影響區(qū)冷卻N200℃以下為止。如果送氣時(shí)間不夠，焊縫將是淡黃色或藍(lán)色。
3．11．3當(dāng)母材溫度低于15℃時(shí)，應(yīng)對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為20。C左右，焊接時(shí)層間溫度應(yīng)控制在100。C以下。
3．11．4采用短弧擺動(dòng)焊，使用稍大的電流配合快焊速和較大氣流量來(lái)保證整個(gè)接頭的熱輸入控制在較低水平。
3．11．5對(duì)于手工送絲來(lái)說(shuō)，焊絲應(yīng)連續(xù)地送入熔池。斷續(xù)送絲可能導(dǎo)致從保護(hù)的惰性氣體中伸出熱焊絲端頭，如果焊絲不注意從保護(hù)的惰性氣體中取出，則該端頭應(yīng)剪去25mm左右，清除污染的金屬后，才能繼續(xù)施焊，否則影響焊接質(zhì)量。
3．1 1．6焊后焊縫應(yīng)清理干凈，不得存在夾渣、氣孔、裂紋、咬邊、熔合性飛濺和超過(guò)規(guī)定的顏色變化。
3．11．7鋯材焊縫和熱影響區(qū)按焊接完工原始狀態(tài)的表面顏色進(jìn)行檢驗(yàn)，按下表的規(guī)定，判斷是否合格與進(jìn)行處理。
3 11
8焊接過(guò)程中，若鎢極碰觸焊絲或焊縫，應(yīng)停止焊接，鏟除污染的焊肉，修磨或更換鎢極。
3 1I 9在每次更換氬氣瓶或氣帶后，必須檢查氫氣純度。氬氣帶必須保持干燥，確保氫氣純度。托罩要事先就位并通氣進(jìn)行置換，通氣量不應(yīng)小于氣腔體積的6倍。托罩要保護(hù)接頭溫度降至200℃以下再撤除。
3．11 10焊接完畢，不允許錘擊。
3 11
11焊接完后須經(jīng)100％射線檢查．對(duì)不舍格的焊縫，返修前應(yīng)認(rèn)真檢查，制定返修方塞，通過(guò)滲透檢測(cè)．確定缺陷完壘清除，并清洗干凈后方可補(bǔ)焊，同一部位返修不得超過(guò)兩次，否則割口重焊。
3 II 12鋯材焊接保護(hù)至關(guān)重要，因此對(duì)保護(hù)氣體的純度、保護(hù)氣體流量大小、主噴嘴直徑大小、尾部拖罩、側(cè)保護(hù)罩的保護(hù)效果等均應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行檢查以達(dá)到良好的保護(hù)效果，獲得成形良好的焊接接頭。
4、焊接接頭檢驗(yàn)
4l外觀檢查
焊縫外表面呈明亮的銀白色，表面渡紋細(xì)密，熱影響區(qū)單側(cè)不變色最小寬度>10ram，結(jié)果合格。
4．2
X射線檢測(cè)
按JB4730 2—2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X射線檢測(cè)，結(jié)果為Ⅱ級(jí)，合格。
4．3力學(xué)性能試驗(yàn)
拉伸和彎曲試驗(yàn)的結(jié)果符合ASME第Ⅸ的規(guī)定。兩次拉伸試驗(yàn)測(cè)得的抗拉強(qiáng)度的平均值為482 5MPa，斷裂發(fā)生在焊縫處，結(jié)果判定為合格(見(jiàn)圖4)。
5結(jié)論
5 l鋯管焊接性能良好，焊接變形小，不容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。但氬弧焊打底時(shí)，由于其熔點(diǎn)較高，熔池凝固較快，控制不好容易出現(xiàn)背凹等焊接缺陷。
5．2鋯材在焊接前，對(duì)保護(hù)氣體的純度、保護(hù)氣體捷量大小、主噴嘴直徑、尾部拖罩及側(cè)保護(hù)罩的保護(hù)效果進(jìn)行合理控制，才能獲得良好的焊接接頭。
5．3由于鋯是極易在高溫下氧化、氨化，因此要求有高質(zhì)量的焊接清理、較小的熱輸八，并控制層問(wèn)溫度不高于10012。
5．4焊槍與拖罩要相互配合，避免出現(xiàn)空檔及相互干擾情況。焊接時(shí)尤其要注意電弧兩側(cè)的受熱區(qū)不被氧化。
5 5依此試驗(yàn)所編制的焊接工藝評(píng)定報(bào)告及其參數(shù)，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施焊，并確像現(xiàn)場(chǎng)焊接施工質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
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【2]《鋯“壓∞客8》《審璃㈣鋯管的焊接論￡芐
