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(dǎo)致脆化。對環(huán)境氣體中的氧、氮、氫等氣體都有很強(qiáng)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(yīng)。在室溫下就能與空氣里的氧氣反應(yīng)，形成一層氧化物保護(hù)膜。這層保護(hù)膜給了鋯及合金極強(qiáng)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(diǎn)高、線膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)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(yīng)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(diǎn)；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(xué)反應(yīng)，微量的雜質(zhì)，特別是氮、氧、碳和氫等即可導(dǎo)致鋯嚴(yán)重的脆化。所以的焊接具有與鋯相似的特點(diǎn)，但對雜質(zhì)元素具有更高的敏感性，有更嚴(yán)的保護(hù)要求；鋯具有缺口敏感性，焊接過程中微量氧化，可能導(dǎo)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(xué)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(diǎn)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(xué)性質(zhì)很活潑，焊接區(qū)處于高溫條件下，如保護(hù)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(yīng)溫度均低于鋯與上述氣體反應(yīng)的初始溫度，焊接過程中，焊接區(qū)保護(hù)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(yīng)嚴(yán)格控制碳和氮的含量，同時加強(qiáng)焊接區(qū)的清理和保護(hù)，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(hù)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(fù)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?zé)嵊绊憛^(qū)β相晶界和α相間片狀晶界侵入，優(yōu)先腐蝕；當(dāng)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(dǎo)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(xì)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(hù)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(rèn)真徹底的清理干凈；

b）加強(qiáng)焊

接過程保護(hù)；

c）調(diào)整保護(hù)氣流量；

d）選擇適當(dāng)?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(xì)小的金屬間化合物 Zr(NiFeCr)。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(FeCr)化合物，它使接頭韌性下降。

（6）具有低變形、低應(yīng)力的焊接特點(diǎn)。

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(hù)

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(jìn)行焊

接，

（2）焊前準(zhǔn)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(xì)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(jī)械方法清理后，采用丙酮擦洗或酸洗，清理后應(yīng)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(yán)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(yīng)確保焊絲的主要化學(xué)成分與母材成分相近，并嚴(yán)格控制焊

絲中的雜質(zhì)含量不可超過標(biāo)準(zhǔn)的上限；

自動鎢極氬弧焊、等離子焊等機(jī)械焊接方法所用的焊絲，應(yīng)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(xué)成份如下表2：

表2 鋯焊絲成分

（4）保護(hù)氣體

保護(hù)氣體的純度要高，水分低，露點(diǎn)一般不可大于-50℃；鋯焊接保護(hù)氣體可采用工業(yè)純度達(dá)到以上的 99.99%Ar、氦氣、或氬/氦混合氣體進(jìn)行，采用高純氬比純度較低的氬氣具有更好的焊縫保護(hù)效果，但焊接接頭性能相當(dāng)；

（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(diǎn)高，熱導(dǎo)率比鋯高 10%，選擇電流時應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)對焊接高溫區(qū)的保護(hù)，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(hù)之下，噴嘴尺寸要大，應(yīng)注意拖罩、背保護(hù)罩的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)稍大一些，噴嘴和拖罩內(nèi)多加銅絲網(wǎng)，增強(qiáng)氣篩作用，鋯表面可加銅壓板，背面加水冷銅墊板加強(qiáng)焊接冷卻作用；

焊接時焊絲熱端必須在保護(hù)氣體中加熱和送進(jìn)，不得外移；

鋯焊接不用進(jìn)行焊前預(yù)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(yīng)控制在 100℃以內(nèi)；

焊接過程中焊縫受到污染或氧化，應(yīng)清理干凈后在進(jìn)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(yīng)為純鋯、襯鋯和鋯爆炸復(fù)合板制成，襯里可用機(jī)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(dāng)壁厚大于等于 25.4mm 時，可采用鋯鋼復(fù)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(fù)合板的焊接

鋯鋼復(fù)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(jìn)行鋼基層焊接；基層焊接前應(yīng)采用機(jī)加工方法進(jìn)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(jìn)行覆層的焊接；

當(dāng)需要時，可采用銀或釩對鋯和鋼的焊縫進(jìn)行密封焊； 

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