锆及锆合金的焊接

锆及锆合金的焊接

一、锆的物理特性及应用

1．室温下，锆属密排六方格金属，为α-Zr结构。锆有良好的结合性能，加热和冷却过程中有相变，在相变温度（862℃）以上，锆是体心立方晶格金属，为β-Zr结构，锆的物理性质如（表一）：

(表一)

如果锆中加入锡，能提高转变温度。铁、镍、铬可使转变温度降低，一些锆合金有热处理效

(表二)

锆及锆合金的化学性能及抗腐蚀性，锆是非常活泼的金属，锆和锆合金对环境气体中的氧、氮、氢等气体都有很强的亲和力。锆的优异的抗腐蚀性实际上取决于表面氧化膜的完整性和牢固性。在高温下锆容易与上述气体反应，氢在200℃可生成ZrH2 ,在大约315℃的氢气氛中，锆会吸收氢而导致氢脆，锆表面存在氧化膜可以阻挡氢的吸收。氧在300℃可生成Zr03,在大约550℃以上，与空气中的氧反应生成多孔的脆性氧化膜，在700℃以上，锆吸收氧而使材料严重脆化，在600℃锆吸收氮可生成ZrN b.

2.锆及锆合金的用途

①反应堆结构材料：在中子辐射作用下，锆的强度和韧性实际上不发生改变，锆的热中子吸收截面只有0.18*105b,因此，锆及锆合金是其他任何材料不可替代的原子能高温水放应堆重要结构材料。

②化工类抗蚀材料：锆几乎和一样，具有优良的抗酸、碱以及液体金属（如Na,K）腐蚀能力。在某些腐蚀介质中，甚至超过了铌和钛等腐蚀性能很好的金属，它能在钛不能胜任的腐蚀介质中工作。

③储氢除气材料：锆在不太高的温度下就有吸收氧、氮和氢的能力，其反应温度分别为200℃、400℃、300℃，反映速度随温度增加而增加。固溶的氢以通过加热的方法去除。因此，锆的化合物被用作储氢材料，锆常作真空系统的除气剂。

二、锆及合金的焊接

用于核反应堆结构材料的锆合金要求其纯度很高，对焊缝的纯度要求亦较高，必须仔细清除锆及锆焊接坡口和焊丝表面的氧化物或油污。另外，也可对坡口进行喷沙处理，化学侵蚀有两个目的，一是去除表面油污，二是去除表面氧化物。经酸洗后的锆合金必须用清水冲净，烘干后焊接。

氩弧焊接锆及锆合金是普遍采用的方法之一。其原因是氩弧焊投资经费比较低，简单易行。

氩弧焊接锆及锆合金最重要的是对焊缝及温度高于400℃的热影响区与焊缝金属及背面等都要严加保护。保护方法有两种，即整体保护和局部保护。整体保护是将被焊工件整体放入充有保护氩，氮等焊接箱内。局部保护是在焊缝后端对400℃以上的热态金属罩上拖罩，进行保护，拖罩与焊接表面间的应尽量小，才有利于保护。加拖罩焊接时，焊矩喷嘴的内孔要根据实际情况适当选择得大一些，要求主喷嘴与拖罩的气体流量不能相互干涉，以免产生紊流导致保护效率差。

锆的焊接性能良好，就热物理性能而言，锆及锆合金的焊接与Cr-Ni铜没有明显差别，只是热膨胀系数特别低，热变形量较小以及相变时产生的体积变化也很小，特别有利于焊接将要求的低形变。纯锆与锆合金的焊接没有形成裂纹的明显趋势。

采用氩、氦弧焊接方法，还可以焊接锆与钛，锆与铌等异种材料。锆与钛两种材料的点阵类型相同，物理性能比较接近，因此焊接比较好。两种金属的熔点相差175℃，在焊接时要求电弧偏向熔点高的锆一侧，偏离的距离一般在2-4mm之间。锆与铌的物理性能，化学性能均有较大差别，锆与铌二者的热导率分别为21.9W/M*K和48.1W/M*K,而且熔点相差约640℃，焊接时，热源必须偏向熔点高的铌母材。

三、焊接缺陷及防止方法

①锆及锆合金的焊接由于易产生吸气问题，往往使氧、氮、氢等气体进入焊缝，导致焊缝脆性和抗腐蚀性能下降，焊接时必须防止这些气体进入焊缝，特别在高温条件下进入焊缝。在潮湿季节，对工作箱的内壁还要进行除火氛处理，另外焊前表面处理比较严格。

②除钛外，锆及锆合金与其他金属焊接一般比较困难，这是由于在接头区性形成脆性金属间化合物的缘故，在焊接时，寻找适合于两材料焊接的比较理想的方法，尽量避免或减少金属间的化合物的生成。