鋯是一種發(fā)展前景廣闊的稀有貴金屬，不僅應(yīng)用在一般的冶金、石油化工等方面，而且被原子能工業(yè)使用，尤其是在醋酸、醋酐擴(kuò)能裝置方面的應(yīng)用更為廣泛。 鋯在高溫下極易與大氣中的氧、氫、氮發(fā)生反應(yīng)，大約在200 ℃時(shí)開(kāi)始吸收氧形成ZrO，350 ℃左右吸收氫形成ZrH，400 ℃左右吸收氮形成ZrN。 并且隨著溫度的升高，反應(yīng)發(fā)生的程度會(huì)更加強(qiáng)烈，鋯反應(yīng)生成的ZrO、ZrH和ZrN是脆性化合物，嚴(yán)重影響鋯材的性能，尤其對(duì)塑性和韌性影響更加敏感，因此在進(jìn)行鋯材料焊接時(shí)必須采取有效的保護(hù)措施。 鑒于此，針對(duì)鋯材的焊接，研發(fā)出一種“盒內(nèi)保護(hù)”措施，并對(duì)保護(hù)盒的制作及焊前準(zhǔn)備進(jìn)行了介紹。
引言
隨著化工業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)幾個(gè)重點(diǎn)化工單位開(kāi)發(fā)了新的項(xiàng)目，如醋酐、醋酸等新品種。 這兩種物質(zhì)的酸性極強(qiáng)，也就是說(shuō)它們有著非常強(qiáng)的腐蝕性，如果要生產(chǎn)醋酐和醋酸，必須要用到鋯材料制造的設(shè)備。 早在30～50年前，西方國(guó)家就已經(jīng)能夠生產(chǎn)和使用鋯材設(shè)備。 我國(guó)對(duì)于鋯材的認(rèn)識(shí)和使用只有十幾年的時(shí)間，對(duì)于鋯材料的使用存在一定的局限性，基本是用于航天、核電，民用并不多見(jiàn)。 鋯材的價(jià)格非常昂貴，制造上難點(diǎn)多，尤其是焊接方面，更是存在諸多難點(diǎn)。 鋯是化學(xué)性質(zhì)非常活躍的元素，在高溫下非常容易和空氣中的各種氣體發(fā)生反應(yīng)。 鋯在焊接時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)易被空氣中的氧、氫、氮等元素污染，生成硬而脆的化合物，使焊接接頭的硬度和強(qiáng)度升高、塑性下降，耐蝕性能也大幅度下降。 因此在鋯材焊接時(shí)必須對(duì)熔池、焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行充分而有效的保護(hù)，盡量隔絕空氣，避免鋯的氧化。 本文主要描述的是小口徑鋯管的焊接及保護(hù)，鋯管直徑范圍在DN25～DN100，壁厚范圍在2～3 mm。
1、鋯材的基本性能
鋯在元素周期表中屬副族金屬，表面呈銀灰色，其熔點(diǎn)為1 852 ℃，沸點(diǎn)為3 580 ℃，密度為6.5 g/cm3。 鋯加入Sn、Nb、Mg、Ni、Gr和Th等合金元素可形成鋯合金，相比其他材料，鋯合金的比強(qiáng)更高，耐熱性更好，是原子反應(yīng)堆工程常用的重要的結(jié)構(gòu)性材料，如原子反應(yīng)堆芯、核燃料棒外殼、壓力容器等結(jié)構(gòu)。 鋯在還原介質(zhì)如鹽酸、硝酸、醋酸等極強(qiáng)的酸與堿中，具有一般材料所無(wú)法比擬的優(yōu)良的耐腐蝕性。 鋯的力學(xué)性能及化學(xué)成分如表1、表2所示。
2、鋯管的焊接與保護(hù)
根據(jù)上述鋯材料的性能及其氧化后產(chǎn)生的危害，在焊接鋯材料時(shí)必須做好保護(hù)工作。 鋯管在焊接時(shí)，保護(hù)氣體的純度為99.999%，對(duì)溫度超過(guò)200 ℃的焊縫、熱影響區(qū)正面和反面都需要進(jìn)行有效的保護(hù)。 我們根據(jù)鋯材料焊接后的顏色來(lái)判定焊接的氧化程度，分為四種顏色，具體為銀白色（非常好）、淡黃色（正常）、藍(lán)色（氧化不合格）、灰色（嚴(yán)重氧化）。
通常情況下焊接鋯管時(shí)采用的是內(nèi)部充氬保護(hù)，正面焊接區(qū)域采用焊槍自有的噴嘴（噴嘴直徑16～25 mm）和拖罩保護(hù)。 對(duì)于正面的拖罩保護(hù)（根據(jù)不同的管口徑采用不同形狀及尺寸的拖罩），一般情況下拖罩尺寸為寬25～60 mm、長(zhǎng)40～100 mm。 這種保護(hù)罩保護(hù)的措施對(duì)于大口徑鋯管的焊接保護(hù)是適合的、有效的，但對(duì)于小口徑鋯管的焊接，采用這種保護(hù)方法效果并不是很好，往往拖罩不能完全使焊縫和熱影響區(qū)的溫度控制在200 ℃以下，焊縫和熱影響區(qū)的顏色會(huì)呈藍(lán)色，屬氧化（圖1）。
另外，還有部分企業(yè)采用的是在真空箱中焊接小直徑的鋯管，在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在真空箱內(nèi)進(jìn)行管子焊接，質(zhì)量也不盡如人意。 由于真空箱內(nèi)部的溫度下降得比較緩慢，在焊縫表面會(huì)呈現(xiàn)黃色或淡黃色，也沒(méi)有達(dá)到理想的銀白色。
為了提高小直徑鋯管的焊接質(zhì)量，我們總結(jié)了多年的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)出另外一種保護(hù)措施“盒內(nèi)保護(hù)”，也就是在保護(hù)盒內(nèi)進(jìn)行焊接的方法。 保護(hù)盒形狀及管子內(nèi)壁保護(hù)裝置如圖2所示。
3、保護(hù)盒的制作
保護(hù)盒需采用紫銅薄板制作， 厚度為1.5～2.0 mm， 其原因是銅相比其他材料，例如不銹鋼，其散熱性能更好。 根據(jù)鋯管直管徑的不同，兩端采用不同孔徑的封板，用鉸接與主體連接。 主體采用圓筒的型式，圓筒由上下兩半組成，用鉸接連接。 圓筒上開(kāi)有兩個(gè)孔，其中一個(gè)為視窗孔，另一個(gè)為焊槍孔，內(nèi)部安裝準(zhǔn)8 mm紫銅細(xì)管，通水加速盒內(nèi)冷卻。 焊接時(shí)保護(hù)盒內(nèi)的溫度過(guò)高，如果只是通過(guò)氬氣保護(hù)是不夠的， 所以內(nèi)部加了通水的細(xì)管。
圓筒的上端開(kāi)有出氣孔，下端有進(jìn)氣孔，使筒內(nèi)充滿流動(dòng)的氬氣，焊接時(shí)將需要焊接的管子從保護(hù)盒的一端放入盒內(nèi)，固定好后，開(kāi)始充氬氣。待保護(hù)盒內(nèi)部的空氣排出后進(jìn)行焊接。保護(hù)盒可以做成固定的，也可以做成隨著焊接方向旋轉(zhuǎn)的，大部分采用保護(hù)盒用底座固定的設(shè)計(jì)，焊接時(shí)一人旋轉(zhuǎn)管子，一人焊接。
4、焊前準(zhǔn)備
鋯表面覆蓋著一層致密的氧化膜，焊前必須進(jìn)行清理。 通常采用機(jī)械法對(duì)管進(jìn)行坡口加工。 焊前在管子坡口兩側(cè)各25 mm內(nèi)用不銹鋼拋輪或合金磨頭打磨去除表面的氧化膜，然后用無(wú)紡布蘸丙酮清洗，焊接處不能留有棉紗之類物質(zhì)。 通常對(duì)壁厚小于2 mm的管子不開(kāi)坡口，采用I形直接自熔焊接；
壁厚大于2 mm，開(kāi)V型坡口，坡口尺寸如圖6所示。
焊接時(shí)，先對(duì)管內(nèi)和保護(hù)盒進(jìn)行充氬（氬氣含量99.999%）。
預(yù)充2 min后，開(kāi)始焊接（圖7）。
焊接采用GTAW法，焊接材料為ERZr2，準(zhǔn)1.6或準(zhǔn)2.0。 具體參數(shù)如表3所示。
管子點(diǎn)焊也需放在保護(hù)盒內(nèi)進(jìn)行，點(diǎn)焊后開(kāi)始焊接。 從表3中可以看到焊槍的氣體流量較小，主要原因是如果焊槍中氣體流量過(guò)大會(huì)與保護(hù)盒內(nèi)氣體產(chǎn)生紊流，使焊縫區(qū)域氣體不穩(wěn)定，起不到保護(hù)作用。 加上保護(hù)盒內(nèi)已充滿氬氣，故焊槍氣流量可以減小。 焊接時(shí)，焊絲端頭一直要保持在保護(hù)盒內(nèi)進(jìn)行送進(jìn)，不允許將焊絲端頭移出保護(hù)盒，否則要將氧化的部分剪去。 焊接鋯管時(shí)，采用熔孔焊。 因?yàn)殇喸谝簯B(tài)時(shí)表面張力要比碳鋼、不銹鋼大，因此當(dāng)出現(xiàn)熔孔時(shí)再填加焊絲，同時(shí)鎢極盡可能靠近焊縫根部，這樣才能保證根部焊透，有效防止未焊透產(chǎn)生。第一層焊接結(jié)束后，待管子在保護(hù)盒內(nèi)冷卻至80 ℃以下時(shí)，方可焊接第二層。全部焊接完成后，待管子冷卻至200 ℃以下方能移出保護(hù)盒。
5 結(jié)論
鋯管在保護(hù)盒內(nèi)焊接，既保證了焊縫內(nèi)部質(zhì)量（RT檢測(cè)，合格率在98%以上），同時(shí)還保證了焊縫的耐蝕性，焊縫表面呈銀白色，得到了良好的焊縫（圖8）。
鋯材價(jià)格比較昂貴，焊好每一條焊縫都比較重要，做好焊接時(shí)的保護(hù)就是給企業(yè)節(jié)約了成本。 所以，小口徑的鋯管在保護(hù)盒內(nèi)焊接的方法是值得推廣和應(yīng)用的。
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