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、熔點高、線膨脹系數(shù)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，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，焊接過程不易過熱；表面張力大等特點；從物理性能方面，鋯的焊接性與鉻鎳鋼沒有明顯的差別，只是熱膨脹系數(shù)特別低，熱變形量較小，相變時產(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，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，焊接過程中微量氧化，可能導致脆性開裂，造成隨后冷加工時的裂紋形成；鋯主要作為耐蝕金屬使用，如此鋯焊接既要保證結(jié)構(gòu)良好的力學性能，同時保證焊接接頭具有良好的耐腐蝕性能，其焊接性特點如下：

（1） 焊接區(qū)易受空氣污染

鋯在焊接加熱時，由于鋯的化學性質(zhì)很活潑，焊接區(qū)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，（長時間與空氣接觸）；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，焊接過程中，焊接區(qū)保護不好時，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，同時加強焊接區(qū)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，可通過表面顏色變化來簡單判別焊接質(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(qū)易形成介穩(wěn)相影響接頭性能

焊接過程的不平衡結(jié)晶，致使焊縫和熱影響區(qū)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(xù)分布，焊縫金屬所受的影響比熱影響區(qū)小。

在熱影響區(qū)中α相晶粒間有呈片狀連續(xù)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(qū)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 0.10%時，形成 ZrC，產(chǎn)生優(yōu)先腐蝕；焊縫及熱影響區(qū)組織的形成如下：

890℃以下區(qū)域為α相和金屬間化合物；

890-950℃溫度區(qū)域，為α相組織；

950-980℃溫度區(qū)域，為α+β相組織；

980℃以上溫度區(qū)域，為β相組織；

這些介穩(wěn)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，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題，鋯更容易出現(xiàn)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

接過程保護；

c）調(diào)整保護氣流量；

d）選擇適當?shù)暮附与娏鳎瑴p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，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(nèi)有大顆粒的第二相，整個晶粒由α相亞晶組成；熱影響區(qū)為α片狀過熱組織；在單層氬弧焊時，接頭組織很少發(fā)現(xiàn)析出物，多層焊時，其焊縫中產(chǎn)生較為細小的金屬間化合物 Zr(Ni\Fe\Cr)。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(qū)的片狀α相中，在片間存有連續(xù)分布的第二相沉淀物 Zr(Fe\Cr)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。

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。可以用熔焊（如惰性氣體保護

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

接，

（2）焊前準備

鋯的焊前清理是焊接鋯金屬的一個主要內(nèi)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(nèi)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、圓整無毛刺、無皺皮、無裂紋、無氣孔、無夾層/渣等缺陷；

焊絲選用時應確保焊絲的主要化學成分與母材成分相近，并嚴格控制焊

絲中的雜質(zhì)含量不可超過標準的上限；

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

通用的焊絲化學成份如下表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；由于鋯熔點高，熱導率比鋯高 10%，選擇電流時應比焊鋯時增加 30-50%，一般偏大一些電流，以提高焊接速度，同時加強冷卻速度，控制在 60℃/S，有利于防止過熱和產(chǎn)生脆性相。即大電流快速焊。 

焊接最主要的問題是加強對焊接高溫區(qū)的保護，對焊接時，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(jié)構(gòu)和尺寸應稍大一些，噴嘴和拖罩內(nèi)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；

焊接時焊絲熱端必須在保護氣體中加熱和送進，不得外移；

鋯焊接不用進行焊前預熱，采用多層多道；焊焊接過程中為了防止熱影響區(qū)過熱，層間溫度應控制在 100℃以內(nèi)；

焊接過程中焊縫受到污染或氧化，應清理干凈后在進行焊接；鋯的氬

弧焊參考規(guī)范如下表3：

表3 鋯及合金板鎢極氬弧焊焊接規(guī)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(shù)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(shè)計中，鋯提供了優(yōu)異的耐蝕性與傳熱性的結(jié)合。當壁厚大于等于 25.4mm 時，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焊接；

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

當需要時，可采用銀或釩對鋯和鋼的焊縫進行密封焊； 

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