前言
鋯及鋯合金是一種十分重要的新型結(jié)構(gòu)材料，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)新型材料的需要，材料及其相關(guān)技術(shù)也隨之得到迅猛的發(fā)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(diǎn)高(1850℃)、密度適中和具有良好的塑性和強(qiáng)度的配合。鋯在大多數(shù)有機(jī)和礦物酸、強(qiáng)堿和一些融鹽中有優(yōu)異的耐蝕性。在大多數(shù)應(yīng)用中，鋯獨(dú)特的耐蝕性能大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，進(jìn)而降低維修費(fèi)用并使停產(chǎn)時(shí)間最短化。因此，鋯及鋯合金是一種優(yōu)秀的化工耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料。鋯的熱中子吸收截面小，是原子能工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。由于鋯及鋯合金具有上述優(yōu)良性能，因此在原子能及化工等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。鋯及鋯合金共有5種牌號(hào)，它們中的每一種都具有優(yōu)良的耐蝕性能，這幾種牌號(hào)材料的物理和力學(xué)性能僅有略微差別。在化工中廣泛應(yīng)用的是zr702和Zr705兩種；Zr702是工業(yè)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(fù)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(qiáng)度，是核應(yīng)用的理想材料。
鋯合金以其優(yōu)異的核性能被用作核電站水冷反應(yīng)堆的燃料包殼材料和其它堆芯結(jié)構(gòu)材料及核反應(yīng)堆的壓力管材料，在核工業(yè)上典型的商業(yè)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(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，被ASTM列為核工業(yè)應(yīng)用的成熟合金[4]。目前關(guān)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(jié)構(gòu)材料的制造工藝，鋯材料的焊接技術(shù)是結(jié)構(gòu)制造工程中的重要環(huán)節(jié)。目前對(duì)鋯及其合金焊接方面鮮有報(bào)道，還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)工藝及規(guī)范。文中重點(diǎn)研究了鋯及鋯合金的焊接技術(shù)及焊縫的組織和性能。
1、試驗(yàn)材料
文中所用焊接母材是國(guó)產(chǎn)鑄態(tài)Zr702，具體母材的化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接用焊材依據(jù)母材匹配的原則，選擇符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ERZr2焊絲，具體焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表2。
2、試驗(yàn)方法
2.1焊接方法
鋯具有高溫下化學(xué)性質(zhì)非常活潑的特點(diǎn)，鋯在固態(tài)下就具有很強(qiáng)的吸收空氣中的氧、氮、氫、水分、粉塵等能力并發(fā)生反應(yīng)，其吸收能力和反應(yīng)速度隨著溫度的升高而增強(qiáng)陽(yáng)[8]，當(dāng)鋯及其合金在吸收一定數(shù)量的氧、氮、氫等氣體雜質(zhì)后，其力學(xué)性能急劇下降。所以在焊接過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)環(huán)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(duì)焊縫及熱影響區(qū)實(shí)行有效的氣體保護(hù)是保證焊接質(zhì)量的重要因素。
在焊接試驗(yàn)中選用了較低的焊接熱輸入、便于進(jìn)行氣體保護(hù)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(hù)拖罩及底部充氬的措施進(jìn)行焊縫保護(hù)，以隔離空氣達(dá)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(huì)形成一層氧化膜，不同保護(hù)條件下所形成的氧化膜的顏色不同，通過(guò)對(duì)表面顏色的判斷可控制焊接過(guò)程中焊縫及熱影響區(qū)的保護(hù)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(shí)應(yīng)以每層每道顏色合格為標(biāo)準(zhǔn)。層間溫度必須不高于規(guī)定值且經(jīng)檢驗(yàn)合格
后才能進(jìn)行繼續(xù)施焊。
2.2焊接工藝規(guī)范
2.2.1焊前準(zhǔn)備
(1)按照?qǐng)D1的兩種方式加工坡口，坡口及過(guò)渡區(qū)應(yīng)避免尖角和拐角。
(2)待焊區(qū)域使用電動(dòng)或風(fēng)動(dòng)硬質(zhì)合金刀打磨清理，清理范圍為待焊區(qū)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(qū)表面及其邊緣20mm的母材。
(4)焊絲表面應(yīng)潔凈無(wú)氧化皮、油污及其它污物。在使用前要進(jìn)行拋磨、清洗，用丙酮擦洗和干燥。
(5)保護(hù)氣體的純度為99.99％的高純氬。
(6)焊接應(yīng)用合理的保護(hù)裝置，采用焊槍拖罩以保證對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行可靠地保護(hù)。
2.2.2焊接參數(shù)
(1)環(huán)境溫度：焊接現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度不低于5℃。焊接環(huán)境清潔，無(wú)灰塵、煙霧、不潮濕。
(2)層間溫度：焊接時(shí)層間溫度不高于150℃。
(3)焊縫區(qū)溫度：焊縫在冷卻不高于150℃以下時(shí)可停止保護(hù)。
(4)焊接參數(shù)見(jiàn)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(wú)缺陷后再焊下一層。
(2)鎢極尖端應(yīng)磨成15°~40°的角度，如果鎢極焊接過(guò)程中尖端形狀發(fā)生變化，應(yīng)及時(shí)磨制鎢極至規(guī)定的形狀。
(3)焊接過(guò)程要適時(shí)觀察焊縫的顏色，以便及時(shí)根據(jù)焊縫顏色變化來(lái)判斷焊接保護(hù)情況。如果焊縫氧化，應(yīng)按表4處理，不得重新焊接以改善焊縫的外觀，應(yīng)清除氧化色。
(4)焊接時(shí)焊絲熔化的端頭應(yīng)始終處于氬氣可靠的保護(hù)之下。如果發(fā)現(xiàn)端頭污染變色，在焊接時(shí)應(yīng)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(shí)，每層焊縫金屬表面都應(yīng)按要求進(jìn)行檢查和清理，對(duì)于在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的夾鎢、超標(biāo)氧化、裂縫等缺陷應(yīng)按焊前要求清理后才能繼續(xù)焊接。
(6)起弧時(shí)焊槍及保護(hù)拖罩必須先送氣以使焊絲融化之前就處在氬氣保護(hù)之中。息弧后待熔化端冷卻后才可從氬氣保護(hù)中取出。
3、試驗(yàn)結(jié)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(duì)焊縫的及熱影響區(qū)和母材進(jìn)行了分析，金相試樣經(jīng)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(jié)果如圖2～4所示。
鋯在固態(tài)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(jié)構(gòu)，在865℃溫度以上轉(zhuǎn)變?yōu)楸R相的體心立方結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)變過(guò)程的理論分析可知[9]，鋯的β相向α相的轉(zhuǎn)變，不能細(xì)化晶粒，也不易消除織構(gòu)，這一點(diǎn)與鋼的轉(zhuǎn)變不同。這可能與鋯的2個(gè)同素異構(gòu)體比容差別大小(0.17％)有關(guān)。當(dāng)加熱溫度超過(guò)β相變點(diǎn)后，β相長(zhǎng)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(shí)如果采用較高的熱輸入量，造成焊縫在高溫保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且冷卻緩慢，將使焊縫組織中的β相長(zhǎng)大傾向增大而使晶粒變粗，造成焊縫金屬的各項(xiàng)力學(xué)性能下降。
由圖2的金相組織看出，焊縫及熱影響區(qū)在焊接過(guò)程中無(wú)缺陷產(chǎn)生，焊縫區(qū)組織呈細(xì)密小條狀α相，熔合線處與基體熔合完好。圖3中熱影響區(qū)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?yàn)楹侠淼暮附右?guī)范使得焊接溫度控制適宜，避免了高溫保持時(shí)間，從而抑制了晶粒的長(zhǎng)大而獲得了細(xì)密的焊縫組織。而從圖4母材的基體組織觀察可見(jiàn)，其鑄態(tài)組織呈現(xiàn)高溫口相向低溫同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中具有粗針狀或長(zhǎng)條狀粗大α相組織。通過(guò)對(duì)焊縫及熱影響區(qū)和母材進(jìn)行金相分析，看出在該試驗(yàn)的過(guò)程中獲得的焊縫的金相組織明顯優(yōu)于鑄態(tài)母材的金相組織。
3.2焊接焊縫的力學(xué)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)GB／T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；沖擊試驗(yàn)是沿焊縫縱向取樣，同拉伸試樣一樣在3個(gè)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(yàn)機(jī)上依據(jù)GB／T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，每組結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值；硬度試驗(yàn)是在HB一3000型布氏硬度計(jì)進(jìn)行，其結(jié)果取每個(gè)試樣所測(cè)3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。焊縫的常溫拉伸試驗(yàn)的力學(xué)性能和硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。
從表5的常溫拉伸試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)的結(jié)果看出，由于焊接過(guò)程的嚴(yán)格控制及氬氣的可靠充分的保護(hù)措施，焊縫的硬度比基體的稍有提高，抗拉強(qiáng)度由母材試驗(yàn)結(jié)果的平均值428.3MPa提高到平均值為606MPa，屈服強(qiáng)度由356.5MPa提高到550MPa，其塑性指標(biāo)的斷后伸長(zhǎng)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(tài)Zr702提高了1倍。
由此可見(jiàn)，焊縫和母材的力學(xué)性能試驗(yàn)的結(jié)果與上述金相組織分析的結(jié)論相吻合，這一結(jié)果說(shuō)明了焊接方法和焊接工藝規(guī)范得當(dāng)。因此鋯及鋯合金只要針對(duì)其材料特點(diǎn)，采取合理的工藝措施并進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)施焊接過(guò)程是完全可以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫的性能。
4、結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)鋯及鋯合金的特性分析，針對(duì)其特點(diǎn)采取合適的焊接方法，進(jìn)行充分的焊前準(zhǔn)備、制定合理的焊接參數(shù)、進(jìn)行可靠的氬氣保護(hù)等焊接全過(guò)程的嚴(yán)格控制是鋯及鋯合金的焊接質(zhì)量及獲得優(yōu)質(zhì)性能的關(guān)鍵。
(2)Zr702鑄態(tài)材料的焊縫組織中的α相的分布及形態(tài)決定了焊縫的力學(xué)性能。焊縫區(qū)組織呈細(xì)密小條狀α相的分布所具有的性能明顯優(yōu)于α相呈粗大片條狀分布的組織。
(3)金相分析和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，采用文中的Zr702的手工鎢極氬弧焊工藝規(guī)范焊接的焊縫的組織細(xì)密，強(qiáng)度、塑性及韌性均提高且無(wú)缺陷產(chǎn)生。在實(shí)際工程方面該工藝將具有重要的使用價(jià)值。
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作者簡(jiǎn)介：林慶選，1957年出生，高級(jí)工程師，主要從事金屬材料及工藝的研究。
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