工業級鋯棒鋯管等鋯及鋯合金焊接的最新研究進展

引言

鋯及鋯合金具有高熔點、高強度、膨脹系數小、熱中子吸收截面小、耐腐蝕等優點[1]，是核反應堆的重要結構材料，在核工業中得到大量應用。近年來，鋯棒、鋯管等鋯及鋯合金逐步進入化學工業，作為設備關鍵部位的重要材料，在一些腐蝕條件較為苛刻的場合得到應用[2]。

在鋯及鋯合金設備的加工制造過程中，焊接成為必不可少的關鍵工藝及技術。目前。鋯及鋯合金常用的焊接方法主要有：鎢極氬弧焊、等離子弧焊和電子束焊[3]。優良的焊接性能對設備的使用壽命和可靠性至關重要[2-9]以下在分析鋯及鋯合金焊接特性的基礎上，綜述了鋯及鋯合金焊接工藝、接頭力學性能、殘余應力分布、耐蝕性能和腐蝕機理等方面的研究現狀．并展望了鋯及鋯合金在核工業和化學工業的應用前景

1、鋯及鋯合金的焊接特性

鋯及鋯合金的液態金屬流動性好、裂紋敏感性低、彈性模量小、焊后變形小、殘余應力小，因此具有良好的焊接性能。但其高溫化學活性較好，焊接過程中易與空氣中的氫、氧、氮等氣體發生反應：315℃強烈吸氫；400℃強烈吸氧，生成ZrO2；800℃以上強烈吸氮，生成脆性化合物ZrN。其中，氧對材料的塑性和韌性影響較大，氮對材料的耐蝕性影響較大。當鋯及鋯合金吸收了一定量的氮、氫、氧等氣體雜質后，其力學性能及抗腐蝕性能急劇降低[4-5]。因此，在焊接鋯及鋯合金板材、管材時，對焊接工藝有嚴格要求。確定合理的工藝參數，選擇清潔的操作環境．加強焊縫及熱影響區的隔離保護是保證焊接質量的關鍵。

2、鋯及鋯合金焊接接頭性能研究

目前，對于焊接接頭性能的研究，主要集中于抗拉強度、硬度、彎曲強度、殘余應力、耐蝕性能及腐蝕機理等，按ASMEIX標準檢驗焊接接頭質量。

2.1力學性能

大多數研究者采用氬弧焊對鋯材進行焊接，選擇合適的焊槍噴嘴直徑、電弧電壓、焊接電流等工藝參數。焊后測定焊接接頭彎曲、抗拉強度和硬度。獲得力學性能均符合標準[10-15]。且抗拉強度顯著提高．主要原因是采取了嚴格的保護措施，高質量的清理，較小的熱輸入及在焊接過程中整個焊道和熱影響區都處于保護氣體的保護之中王慧智[10]等人將焊槍與保護拖罩分離，拖罩和焊件嚴密貼合：焊后抗拉強度達到482.5MPa．硬度以焊縫與母材的硬度值相差不超過HV30為合格，實測值均滿足要求此研究結果與文獻[11]的研究結果一致。高振杰[12]選用φ(Ar)99.9％的純氬為保護氣體，焊縫外觀、質量均合格，接頭抗拉強度高達496MPa。李為衛[13]等人采用一種新型的在線強制冷卻和保護裝置對Zr-2管進行焊接，強制冷卻裝置如圖1所示獲得接頭的抗拉強度均大于母材的抗拉強度(450MPa)，拉伸斷口位于母材處：接頭彎曲180~后受拉面完好，具有良好的塑性和致密性：接頭表面和橫截面上不同區域(母材、焊縫和熱影響區)的硬度分布結果均符合標準．說明焊縫及熱影響區沒有受到污染而導致的硬化和脆化現象。因此，增強保護和冷卻效果，對接頭力學性能有很大貢獻。

田鋒[H]等人對Zr-Sn-Nb-Fe-Cr電子束焊接接頭拉伸性能進行了研究．試樣在室溫和350℃的拉伸性能都略低于母材，性能可以滿足工程應用。焊后拉伸性能下降，是因為焊后熔區及熱影響區的晶粒長大所致高振宇[15]等人采用等離子弧焊打底+手工氬弧焊蓋面的焊接工藝分別對10mm和12.7mm這2種規格的板材進行焊接，接頭抗拉強度分別為529540MPa和533535MPa，破壞位置均在焊縫，合格；彎曲均合格。對比上述3種焊接方法可見，對鋯及鋯合金采用氬弧焊獲得接頭力學性能較電子束焊和等離子弧焊的好

2.2殘余應力

金屬材料在傳統的熔化焊接過程中，高度集中的瞬時熱輸入和隨后的快速冷卻，必然會使焊件產生殘余應力。即使是能量集中，焊接速度快的焊接法仍存在焊接殘余應力。殘余應力的存在可能造成材料脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕破壞及降低結構的穩定性等[16-17]。

目前，測定殘余應力的方法主要包括：取條法、切槽法、剝層法、鉆孑L法、射線衍射法、超聲法和磁性法

DGCarr[8-9]等人利用中子衍射法對Zr-4氬弧焊焊接接頭殘余應力進行了測定，結果如圖2所示。由于焊件中殘余應力的不良影響．應對其消除，主要消除方法有熱處理法、拉伸法、振動法和爆炸法等[18]。DGCaIT等人采用熱處理法消除Zr-4接頭殘余應力，具體工藝：從室溫以400℃／h的速率加熱至200℃．然后以50℃／h的速率從200℃加熱至475℃。在475℃保溫30min，最后隨爐冷卻。如圖2所示，經熱處理后殘余應力的分布趨勢沒有發生變化．但縱向應力的平均值由(220+40)MPa減小到(140±40)MPa，減小了40％。除焊縫區之外的其他區域獲得了平衡壓應力：橫向應力從(60±40)MPa減小至(30±40)MPa：法向應力平衡應力在-20MPa附近。

2.3耐蝕性能及腐蝕機理

目前．鋯及鋯合金焊接接頭耐蝕性能研究方法主要有電化學法、掛片失重法和高壓釜腐蝕試驗法、但掛片失重法測試所需試驗周期長。使用較少。

陳鶴鳴Il9]等人研究了純鋯氬弧焊焊接接頭在25℃，體積分數為0.2％的硫酸溶液中的耐蝕性能，采用電化學法進行測定，試驗前對硫酸溶液進行長時間充氮除氧，且在整個試驗過程中連續通氮。測定了母材、焊縫和熱影響區在25℃，φ(H2SO4)20％溶液中陽極極化曲線、尺極化阻力值及電偶腐蝕。結果表明，熱影響區腐蝕速度最大，焊縫次之，母材最耐蝕。左小濤研究了接頭在不同濃度醋酸和硝酸中的耐蝕性，研究結果與文獻[19]研究結果一致。

周邦新等人研究了Zr-4合金電子束焊接接頭耐蝕性，接頭耐蝕性較差，主要原因是熔區Fe，Sn和Cr合金元素的揮發損耗彭海青[21]等人采用高壓釜腐蝕試驗法，研究了Zr-4電子束焊接接頭耐蝕性能和腐蝕機理，其認為造成接頭耐蝕性降低原因除了合金元素的揮發外，還有一個原因是焊接過程中的污染。污染可通過焊前適當處理解決，針對合金元素的揮發問題．周邦新提出了補償法和熱處理法，采用Zr-4合金板與合金成分高于Zr-4合金板對接焊，熔區耐蝕性明顯得到改善：在鋯合金中添加質量分數為0.4％～0.5％的Nb，明顯改善焊縫的耐蝕性：對焊后接頭進行500～600℃退火處理．可使由于添加Nb元素后形成的亞穩相β-Zr分解為耐蝕性更高的穩定相α-Zr+β-Nb，以獲得耐蝕性更高的接頭組織。

Zr-4焊接接頭在高溫高壓下水蒸汽中腐蝕機理可以分為兩個階段[21]。在腐蝕初始階段，膜的生長速度與其厚度成反比，通常用拋物線方程式表示：

?m=ct^0.5，(1)

式中：?m 為質量增量；C為常數；t為時間。

此時的氧化膜附著力好，呈黑色．有光澤且平，這種氧化膜具有較好的抗腐蝕性能當膜厚度達到3μm時，腐蝕機理出現轉折，轉為線性定律的動力學，這種情況下的方程式為：

?m=ct。(2)

這樣的氧化膜進一步腐蝕時．逐漸出現灰白色腐蝕產物．氧化膜增厚較快。一般地說，經過72h的水蒸汽腐蝕后，如果膜厚度小于3m，即氧化膜為黑色氧化膜，那么，即使再經27d的腐蝕，也不會出現白色腐蝕產物。

目前，關于工業級鋯及鋯合金焊接接頭腐蝕行為和機理的研究還有待加強。從工業應用的角度來講．應將電化學快速腐蝕試驗方法和慢速掛片腐蝕試驗方法相結合．模擬多耦合場下的工況條件。為鋯及鋯合金工程應用提供必要的基礎評價數據。從科學研究的角度來講．應加強鋯及鋯合金焊縫鈍化行為、表面氧化膜破壞機理、氮元素對材料腐蝕破壞機理等方面的研究。

3、展望

鋯及鋯合金在大多數酸、強堿和一些熔融鹽中都具有優異的耐蝕性，特別適合制造腐蝕嚴重的關鍵化工設備，可以很好地解決化工設備腐蝕問題[22]。目前化工裝置中的強腐蝕設備正越來越多地使用工業級鋯材醋酸制造業是工業級鋯材在化工行業中應用的第一大市場。尤其醋酸行業正面臨重新洗牌，降低醋酸行業的生產成本、提高生產效率是當務之急鋯材在醋酸行業中的應用可大大提高設備使用壽命和可靠性。進而提高經濟效益。寶雞鈦業集團有限公司是我國鋯材生產、研發的龍頭企業，已經建立了一條完整的工業級鋯材產業化生產體系，實現工業級鋯材國產化，填補了我國有色金屬工業空白。這些都為鋯材在化工行業廣泛應用提供了有利條件．鋯材焊接在我國核工業和化學工業具有十分廣闊的應用前景。

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作者簡介：海敏娜

(1987一)，女，陜西寶雞人，西安建筑科技大學在校研究生。