工業(yè)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(shù)小、熱中子吸收截面小、耐腐蝕等優(yōu)點[1]，是核反應(yīng)堆的重要結(jié)構(gòu)材料，在核工業(yè)中得到大量應(yīng)用。近年來，鋯棒、鋯管等鋯及鋯合金逐步進入化學工業(yè)，作為設(shè)備關(guān)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(yīng)用[2]。

在鋯及鋯合金設(shè)備的加工制造過程中，焊接成為必不可少的關(guān)鍵工藝及技術(shù)。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(yōu)良的焊接性能對設(shè)備的使用壽命和可靠性至關(guān)重要[2-9]以下在分析鋯及鋯合金焊接特性的基礎(chǔ)上，綜述了鋯及鋯合金焊接工藝、接頭力學性能、殘余應(yīng)力分布、耐蝕性能和腐蝕機理等方面的研究現(xiàn)狀．并展望了鋯及鋯合金在核工業(yè)和化學工業(yè)的應(yīng)用前景

1、鋯及鋯合金的焊接特性

鋯及鋯合金的液態(tài)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(yīng)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(fā)生反應(yīng)：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(zhì)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(shù)，選擇清潔的操作環(huán)境．加強焊縫及熱影響區(qū)的隔離保護是保證焊接質(zhì)量的關(guān)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(yīng)力、耐蝕性能及腐蝕機理等，按ASMEIX標準檢驗焊接接頭質(zhì)量。

2.1力學性能

大多數(shù)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(shù)。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(zhì)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(qū)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(jié)果與文獻[11]的研究結(jié)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(zhì)量均合格，接頭抗拉強度高達496MPa。李為衛(wèi)[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(qū)域(母材、焊縫和熱影響區(qū))的硬度分布結(jié)果均符合標準．說明焊縫及熱影響區(qū)沒有受到污染而導致的硬化和脆化現(xiàn)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(yīng)用。焊后拉伸性能下降，是因為焊后熔區(qū)及熱影響區(qū)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(guī)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(yīng)力

金屬材料在傳統(tǒng)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(chǎn)生殘余應(yīng)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(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在可能造成材料脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕破壞及降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等[16-17]。

目前，測定殘余應(yīng)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(yīng)力進行了測定，結(jié)果如圖2所示。由于焊件中殘余應(yīng)力的不良影響．應(yīng)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(yīng)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(jīng)熱處理后殘余應(yīng)力的分布趨勢沒有發(fā)生變化．但縱向應(yīng)力的平均值由(220+40)MPa減小到(140±40)MPa，減小了40％。除焊縫區(qū)之外的其他區(qū)域獲得了平衡壓應(yīng)力：橫向應(yīng)力從(60±40)MPa減小至(30±40)MPa：法向應(yīng)力平衡應(yīng)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(shù)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(xù)通氮。測定了母材、焊縫和熱影響區(qū)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(jié)果表明，熱影響區(qū)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(jié)果與文獻[19]研究結(jié)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(qū)Fe，Sn和Cr合金元素的揮發(fā)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(fā)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(fā)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(qū)耐蝕性明顯得到改善：在鋯合金中添加質(zhì)量分數(shù)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(wěn)相β-Zr分解為耐蝕性更高的穩(wěn)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(zhì)量增量；C為常數(shù)；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(xiàn)轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)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(xiàn)灰白色腐蝕產(chǎn)物．氧化膜增厚較快。一般地說，經(jīng)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(jīng)27d的腐蝕，也不會出現(xiàn)白色腐蝕產(chǎn)物。

目前，關(guān)于工業(yè)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(yè)應(yīng)用的角度來講．應(yīng)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(jié)合．模擬多耦合場下的工況條件。為鋯及鋯合金工程應(yīng)用提供必要的基礎(chǔ)評價數(shù)據(jù)。從科學研究的角度來講．應(yīng)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(shù)酸、強堿和一些熔融鹽中都具有優(yōu)異的耐蝕性，特別適合制造腐蝕嚴重的關(guān)鍵化工設(shè)備，可以很好地解決化工設(shè)備腐蝕問題[22]。目前化工裝置中的強腐蝕設(shè)備正越來越多地使用工業(yè)級鋯材醋酸制造業(yè)是工業(yè)級鋯材在化工行業(yè)中應(yīng)用的第一大市場。尤其醋酸行業(yè)正面臨重新洗牌，降低醋酸行業(yè)的生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率是當務(wù)之急鋯材在醋酸行業(yè)中的應(yīng)用可大大提高設(shè)備使用壽命和可靠性。進而提高經(jīng)濟效益。寶雞鈦業(yè)集團有限公司是我國鋯材生產(chǎn)、研發(fā)的龍頭企業(yè)，已經(jīng)建立了一條完整的工業(yè)級鋯材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)體系，實現(xiàn)工業(yè)級鋯材國產(chǎn)化，填補了我國有色金屬工業(yè)空白。這些都為鋯材在化工行業(yè)廣泛應(yīng)用提供了有利條件．鋯材焊接在我國核工業(yè)和化學工業(yè)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]郭春芳，董云會．金屬鋯制備方法的研究進展[J]．稀有金屬與硬質(zhì)合金，2008，36(2)：63—67．

[2]左小濤，王國平，雍文佳，等．鋯R60702焊接接頭在有機酸中的腐蝕性能研究[J1．金屬功能材料，2011，18(4)：47—50．

[3]周遜．醋酸工業(yè)中幾種典型耐蝕材料特性及應(yīng)用探討[J]．化工設(shè)計，2004，14(5)：19—23

[4]左小濤．鋯R60702焊接接頭性能研究[D]．安徽合肥：合肥工業(yè)大學．2011．

[5]吳宏偉，杭逸夫，徐宇皓，等．鋯R60702TIG焊焊接工藝及接頭性能研究[J]．熱加工工藝，2008，37(5)：83—84．

[6]ShankarARavi，RajuVR，RanMNarayana，eta1．CorrosionofZircaloy-4anditsweldsinnitricacidmedium[J]．CorrosionSei-ence，2007(49)：3527-3538．

[7]凌壟，王正東．TIG焊對工業(yè)純鋯R60702接頭腐蝕性能研究[J]．核動力工程，2013，34(3)：37-40．

[8]CarrDG，RipleyMI，HoldenTM，eta1．Residualstressmea-surementsinazircaloy-4weldbyneutrondiffraction[J3．ActaMa-terialia，2004，52(14)：4083-4091.

[9]CarDG，Rip|eyMI，BrownDW，eta1．Residualstressmeasure-mentsonastressrelievedZircaloy-4weldbyneutrondiffraction[J]．JournalofNuclearMaterials，2006，359(3)：202-207．

[10]王慧智，范秋如，李青文，等．鋯管的焊接[J]．中國化工裝備，2007(3)：44—48．

[11]劉慶忠，姜靜威，倪來興，等．鋯管的焊接[J]．焊接生產(chǎn)應(yīng)用，2007(10)：54—56．

[12]高振杰．鋯管的焊接[C]//中國石油天然氣集團公司首期焊接技能專家培訓班論文專刊．2010：59—60．

[13]李為衛(wèi)，劉亞旭，艾建玲，等．錯702管環(huán)焊縫的性能和組織分析[J]．稀有金屬材料與工程，2007，36(7)：1275一l278．

[14]田鋒，李中奎．張建軍．等．Zr-Sn-Nb-Fe-Cr合金的電子束焊接性能研究[J]．稀有金屬，2006(S1)：137—139．

[15]高振宇，陳美全，張偉．鋯板等離子弧焊接[J]．壓力容器，2008．25(8)：45-49．

[16]何小東，張建勛．鞏水利．等．鈦合金薄板激光和鎢極氬弧焊殘余應(yīng)力測試研究[J]．材料工程，2003(2)：7-10．

[17]王訓宏．王快社．沈洋．等．攪拌摩擦焊和鎢極氬弧焊焊接接頭的殘余應(yīng)力[J]．機械工程材料，2007，31(1)：26-28．

[18]羅利偉，付小超．焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其消除方法[J]．山西建筑，2008，34(20)：134-135．

[19]陳鶴鳴，張繼中，白新德．純鋯在25℃、20％硫酸溶液中電化學腐蝕機理[J]．稀有金屬合金加工，1980(3)：l一7．

[20]周邦新，李強，苗志，等．真空電子束焊接對鋯合金耐腐蝕性能的影響[J]．核動力工程，2003(3)：236—240．

[21]彭海青，廖琪．Zr-4合金電子束焊接試樣抗腐蝕性能研究[J]．稀有金屬材料與工程，2001，30(1)：107—110．

[22]李軍獻，王鎬，文志剛．等．工業(yè)級鋯在化學工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析[J]．世界有色金屬，2012(7)：57—59．

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。