由于鋯具有優異的耐腐蝕性，鋯在醋酸、PTA、醋酐、聚甲醛以及氯化聚乙烯等裝置中得到了大量的應用［1-4］ 。近年來，隨著我國工業技術的發展以及對鋯材的深入研究，從海綿鋯的冶煉到板材、鍛件、管材的生產均實現了國產化 ［5-6］ 。隨著我國化工行業大型化的發展，鋯材的使用量也隨之增多，國內也完善了自己的材料標準及設計制造標準。2010 年，國家質量監督檢驗檢疫總局與國家標準化委員會共同發布了 《鋯及鋯合金牌號和化學成分》(GB/T 26314) 標準，同年國家能源局發布了 《鋯制壓力容器》(NB/T 47011) 標準，為鋯制容器設備的設計制造提供規范化及標準化標準，《固定式壓力容器安全技術監察規程》(TSG 21—2016) 也將 NB/T 47011 標準列入協調標準中。鋯材的焊接是設備制造過程中的關鍵工藝，合格的焊接接頭質量是保證設備安全使用的關鍵。
1 、R60702 鋯性能介紹
1.1 物理性能
鋯的活性高，極易受空氣的氧化，在鋯的表面形成一層致密的氧化膜，提高其耐腐蝕性。鋯的密度為 6.49g/cm3，熔點為 1845℃，其熔點高于鈦、鎳、鋼、銅、鋁等材料。鋯在常溫時的熱導率約為20.8W/(m·K)，比銅、鋁、鎳都低，與鈦和奧氏體不銹鋼相接近。鋯的室溫熱膨脹系數比鈦更低，約為 5.8 ×10－6 ℃。鋯的彈性模量較低，室溫時約為99.3GPa，僅為鋼的一半，在同樣的應力作用下，鋯的彈性變形量約為鋼的兩倍 ［7］ 。
1.2 化學成分及力學性能
R60702 鋯為工業級鋯，其化學成分及力學性能滿 足 ASME SB—551 標 準 的 要 求，SB—551R60702 鋯相當于我國 GB/T 26314—2010 標準中的Zr-3。R60702 鋯由于其良好的耐腐蝕性與力學性能，常用于非核能級壓力容器的選材，其具體的化學成分及力學性能見表 1、表 2。
1.3 晶體結構
R60702 鋯在常溫下為密排六方晶體結構，即α-Zr 結構。R60702 鋯在 865℃ 時發生相變，從 α相 (密排六方晶格) 結構轉變為 β 相 (體心立方晶格) 結構。R60702 鋯中的氧元素、氮元素為 α相穩定化元素，提高 α 相到 β 相轉變的溫度［8］ 。
2 、鋯的焊接
2.1 鋯的焊接性
鋯的焊接性較好，但由于其熔點較高，焊接時需要采用較大的焊接電流施焊，又由于鋯的導熱性差，電弧停留時間過長，會導致熱影響區粗晶，因此鋯的焊接應采用適當的大電流快速焊工藝。在高溫下，鋯與氫、氧、氮、碳等間隙元素發生反應，產生脆性化合物，導致沿晶開裂。為避免氫的吸附，必須將所有濕氣從鋯的表面清除，焊接保護氣體露點溫度應在 －50℃或更低。氧、氮主要來源于大氣，焊接時必須做好保護，避免焊縫吸氧、吸氮。碳通常來自清潔過程中沒有被完全去除的污垢或油脂，同時焊接區域清理得不干凈也會增加焊接氣孔的傾向。
2.2 鋯的焊接保護
鋯焊接時，GTAW 焊應采用 99.999% 的高純度氬氣進行保護，保護噴嘴應采用大直徑的噴嘴，最好使用帶有氣體均勻化絲網的透鏡噴嘴，如圖 1所示。鋯焊接時，除焊接熔池需要保護外，背面焊縫及尾部焊縫也同時需要保護，氬弧焊槍要帶有尾部拖罩，如圖 2 所示。拖罩使溫度高于 400℃的焊接接頭置于惰性氣體的保護之下，避免高溫時與空氣接觸，受到空氣污染。
2.3 鋯焊接保護效果的要求
鋯的焊縫和熱影響區的表面顏色是鋯焊縫驗收的重要指標， 《鋯制壓力容器》(NB/T 47011) 標準與 《鋯及鋯合金熔焊指南》(AWS G2.5) 標準均對鋯焊接保護效果提出了要求，鋯焊縫和熱影響區表面顏色的規定見表 3。對于鋯的焊接表面顏色的要求，AWS G2.5 標準采用了更為直觀的圖片形式表達，如圖 3 所示。對于圖 3 (a) 中的銀白色為正確保護后的顏色，圖 3 (b) 中的金黃色表明受到輕微的污染，但可以接受，其表面的金黃色可采用潔凈的不銹鋼刷去除。圖 3(c)、(d)中的深藍色、紫色表明焊縫及熱影響區受到中度污染，需要將表面焊縫去除。圖 3(e)、(f)中的黃灰色、灰色表明焊縫及熱影響區受到嚴重的污染，不僅需要將表面焊縫去除掉，還需要將焊縫每側的熱影響區去除掉。
2.4 鋯的焊接環境
鋯的焊接應在空氣潔凈、無污染、無煙、無金屬粉塵的潔凈環境下進行，焊接場所應為獨立的區域，須避免與碳鋼材料接觸，防止被鐵銹污染。焊工衣著鞋帽手套等應清潔無污染、鞋底干凈。
3 、焊接試驗
R60702 鋯焊接后通常不需要進行焊后熱處理，但制作過程中受部件的冷加工變形率過大的影響，焊縫需要隨部件進行消應熱處理，或者因成形工藝的需要，部分部件焊后采用了熱成形的工藝，因此根據設備制造的需要，進行了焊態、550℃ ×6h 熱處理以及 620℃ ×6h 熱處理的工藝評定試驗，試驗對應編號分別為 G-1、G-2、G-3。
3.1 坡口制備
焊接過程中由于焊接應力的作用，不可避免會產生焊接變形，為了減小試板的焊接變形，試板的坡口設計成雙面坡口形式，試驗所用的 R60702 鋯板材厚度為 13.5mm，具體的坡口形式如圖 4 所示。為了保證焊接坡口精度與質量，坡口加工采用銑床機械加工的方法。
3.2 焊材的選用
工藝評定試驗采用與 R60702 鋯化學成分及力學性能相匹配的 EＲZr-2 焊絲進行焊接，焊絲滿足AWS A5.24 標準要求。EＲZr-2 焊絲焊后得到的焊縫金屬具有良好的強度和塑性，其抗拉強度值≥380MPa ［11］ 。
3.3 試板的焊接
試板焊接前，采用電動合金磨頭對坡口及其兩側 25mm 的母材進行刮磨，去除坡口及母材表面的氧化膜，并采用丙酮對坡口面及坡口兩側的母材進行清洗，以保證焊接區域無油污。
試板焊接采用 GTAW 焊接方法，焊槍噴嘴直徑為 Φ20mm，焊槍尾部帶有保護拖罩，背面氬氣保護 罩 長 度 與 試 板 長 度 相 同，保 護 氣 體 均 為99.999%高純度氬氣，試板具體的焊接規范參數見表 4。試板焊后焊縫及熱影響區表面顏色為銀白色，表明焊接過程中保護良好，未受到污染，試板焊后表面顏色如圖 5 所示。
3.4 試板焊后無損檢測
試板焊接后，按照 NB/T 47013 標準對 G-1、G-2、G-3 焊接試板進行 100% 滲透檢測以及 100%射線檢測。滲透檢測后未發現表面缺陷，射線檢測后，試板內部未發現裂紋、氣孔、未熔合、未焊透等缺陷，滲透檢測及射線檢測結果滿足標準的要求。
3.5 焊后熱處理
G-2、G-3 焊接試板采用電爐進行焊后熱處理，熱處理時每塊試板布置 2 支熱電偶，具體的熱處理工藝見圖 6、圖 7。
4、 試驗結果與分析
G-1、G-2、G-3 焊接試板按照 《鋯制壓力容器》(NB/T 47011) 標準的附錄 B 進行焊接工藝評定試驗，每個試板進行拉伸試驗 2 件、面彎及背彎試驗各 2 件，同時又增加了硬度、宏觀金相、微觀金相等試驗。
4.1 拉伸試驗
對 G-1、G-2、G-3 焊接試板按照 NB/T 47011附錄 B 圖 B.6 制取緊湊型板接頭帶肩板形拉伸試樣，在萬能拉伸試驗機上進行試驗，拉伸試驗結果見表 5。從表 5 的拉伸試驗結果來看，拉伸試驗的抗拉強度值均大于 R60702 母材標準的下限值380MPa，滿足標準的要求。
4.2 彎曲試驗
彎曲試驗按照 NB/T 47011 附錄 B 圖 B.10(a)、(b) 圖樣，每個試板取 2 個面彎試樣和 2 個背彎試樣。經 180°彎曲后，均無裂紋。焊接接頭經過彎曲變形后，表面沒有任何開裂，這表明焊接接頭在焊態和經歷過 550℃ × 6h、620℃ × 6h 熱處理態后均具有良好的致密性和塑性。
4.3 硬度試驗
硬度是鋯焊接的一個重要性能指標，焊縫及熱影響區硬度的升高除受自身微觀組織的影響外，還和焊接保護效果有關。鋯焊接過程中如保護不當，造成焊縫及熱影響區吸收了氫、氧、氮元素，也會導致硬度升高。硬度試驗按照 《金屬材料—維氏硬度試驗》(GB/T 4340.1) 標準對 G-1、G-2、G-3試板的焊縫、熱影響區、母材進行硬度試驗，硬度試驗結果 (HV10) 見表6。G-1、G-2、G-3 試板焊縫及熱影響區的硬度與各自母材硬度之差均不超過50HV10，滿足工程規范的要求，這進一步證明在焊接過程中，焊接保護良好，焊縫及熱影響區未造成污染。
4.4 宏觀金相試驗
宏觀金相試驗按照 《金屬材料焊縫破壞性試驗—焊縫宏觀和微觀檢驗》(GB/T 26955—2011)標準對 G-1、G-2、G-3 試板的焊接接頭進行試驗。
G-1、G-2、G-3 宏觀金相如圖 8 ～ 圖 10 所示，三個宏觀金相試樣的焊縫金屬與母材熔合良好，無裂紋、道間未熔合、未焊透等缺陷，證明 R60702 鋯采用 GTAW 焊接方法，焊接接頭質量可靠穩定。
4.5 微觀金相試驗
微觀金相試驗按照 《金屬材料焊縫破壞性試驗—焊縫宏觀和微觀檢驗》(GB/T 26955—2011)標準對 G-1、G-2、G-3 試板的焊縫、熱影響區、母材進行試驗。微觀金相試樣在電子顯微鏡下放大200 倍觀察，焊縫及熱影響區未見顯微缺陷，微觀金相如圖 11 ～ 圖 13 所示。
從圖 11(a)、圖 12(a)、圖 13(a)母材的微觀組織來看，均為 α 相等軸晶。圖 11(b)與圖 12(b)熱影響區的微觀組織，圖 11(c)與圖 12(c)焊縫的微觀組織基本一致，熱影響區與焊縫均為片狀 α'相(即鋯的馬氏體相)。圖 11 ( b)、圖 11 ( c) 與圖 12(b)、圖 12(c)微觀組織的一致性也表明了焊接接頭在經歷了 550℃ ×6h 的熱處理后，組織上未發生明顯的再結晶。圖 13(b)、圖13(c)焊接熱影響區及焊縫微觀組織同樣為片狀的 α'相，但相對于圖11(b)、圖11(c)，圖12(b)、圖12(c)的微觀組織其晶粒組織更加細小，表明經過 620℃ ×6h 的焊后熱處理后，焊縫及熱影響區發生了再結晶。
鋯的相變點溫度為 865℃，在相變溫度之上鋯的組織為 β 相，受焊接熱源的作用，焊縫及熱影響區的溫度均高于 865℃，焊后高溫狀態的焊縫和熱影響區從 β 相快速冷卻至室溫時，組織的晶格結構發生切變，形成片狀的馬氏體，致使焊縫和熱影響區的組織形態最終為馬氏體組織。
4.6 綜合分析
相對比 G-1 試板焊態的抗拉強度，G-2 試板550℃ ×6h 以及 G-3 試板 620℃ ×6h 熱處理后的抗拉強度均有所下降，這表明焊后熱處理會導致焊接接頭強度下降。通過 G-2 試板與 G-3 試板拉伸試驗數據對比，550℃ ×6h 熱處理后的抗拉強度下降要比 620℃ × 6h 熱處理后的抗拉強度下降明顯。從G-2 試板與 G-3 試板焊接接頭的微觀組織對比來看，經過 620℃ ×6h 焊后熱處理后的組織發生了再結晶，晶粒得到了細化，因此 G-3 試板焊接接頭抗拉強度下降較少。
通過對微觀組織的觀察，焊縫及熱影響區硬度的升高主要是由于焊縫、熱影響區與母材的組織差異性導致的。相對于母材的 α 相而言，α'相其硬度相對較高，焊縫及熱影響區 α'相的生成使焊縫和熱影響區硬度升高。從硬度數據的結果可以看出，α'相導致的硬度升高是有限的，從彎曲試驗的結果來看，α'相的產生并不會導致焊接接頭塑性有明顯的下降。
5、 結語
本文通過對 R60702 鋯的物理性能、化學成分、力學性能、焊接性能進行分析，并根據上述一系列試驗結果及相關分析，可以得出以下4 個結論:
(1) R60702 鋯采用鎢極氬弧焊焊接，焊槍采用尾部拖罩保護，背面也采用氬氣保護罩進行保護，可獲得銀白色的焊縫金屬。無損檢測的合格性以及宏觀金相試驗的合格性，均表明采用鎢極氬弧焊焊接方法質量可靠穩定。
(2) R60702 鋯采用鎢極氬弧焊焊接，焊材采用 EＲZr-2 焊絲，在焊態、550℃ × 6h 熱處理態、620℃ ×6h 熱處理態下的抗拉強度與彎曲性能均能滿足標準的要求。與焊態相比，經歷 550℃ ×6h 熱處理后的焊接接頭其抗拉強度下降明顯，經歷620℃ ×6h 熱處理后的焊接接頭其組織發生了再結晶，晶粒得到了細化，抗拉強度下降不明顯。
(3) 焊縫及熱影響區的硬度值不高于母材硬度值 50HV10，滿足工程規范的要求，證明焊接時保護良好，焊縫及熱影響區未受到氫、氧、氮的污染。焊縫及熱影響區硬度的升高，主要是由于微觀組織中生成的 α'相導致的。
(4) R60702 鋯焊態及 550℃ ×6h、620℃ ×6h熱處理后的焊縫及熱影響區組織均為片狀 α'相，但經歷 620℃ ×6h 熱處理后的焊縫及熱影響區發生了再結晶，組織得到了細化。
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