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锆及锆合金的焊接

锆及锆合金的焊接

锆及锆合金具有优良的抗酸、碱等介质腐蚀的能力，能在

奥氏体不锈钢、钛及钛合金、镍及镍合金所不能胜任的腐蚀介

质下工作，因此在化工行业醋酸工程中锆材被广泛使用。锆

Zr和钛在化学元素周期表中同居于第Ⅳ类元素，都是很活泼

的金属，对C、O2、H2、N2有很强的亲和力，锆的焊接性能

和钛相近，但在工艺措施和焊接过程中的保护要求比钛更严更

高。

锆及锆合金的焊接性能比较好，在常温下其化学成分比较

稳定，但在高温下化学性能就变得非常活泼，高温固态的锆与

环境空气中的多种元素及灰尘、水分、湿度都有很强的亲和力

并会发生化学反应，从而破坏了锆及锆合金的机械性能和耐腐

蚀能力，所以在锆及锆合金的焊接过程中洁净的焊接环境、焊

缝及热影响区的保护、冷却是保证焊接质量的关键。

锆及锆合金的焊接性能良好，产生裂纹的倾向很小，最关

键的是要对焊缝及热影响区做好保护。固态的锆及其合金在

590℃以上对O2、H2、N2有脆性敏感，因此在高温下应对其

进行保护，防止其受大气污染。在焊接过程中锆及锆合金必须

与大气隔离，并一直要隔离保护到590℃以下。焊接时所用的

焊丝必须干燥、无氧化、无油渍、无污物。

锆及其合金的熔点高于钛，密度比钛大，而比热较钛低，

因此焊接时热输入可比钛焊接时略大一些，即焊接电流可比钛

略大一些。锆及其合金的热导率比钛略大，但比铁要小得多，

与Cr-Ni奥氏体不锈钢接近，属于导热性能差的材料，为防止

焊接区高温停留时间长，应采取小的焊接线能量。锆的膨胀系

数比钛小，比其他材料也低得多，因此焊接时变形小，应力小，

利于焊接。

锆和钛的母材和焊材对杂质的控制指标存在差异。锆无缝

管和焊材的控制指标如下：C≤0.05%、N2≤0.025%、

H2≤0.005%、O2≤0.16%。钛无缝管和焊材的控制指标如下：

C≤0.08%、N2≤0.03%、H2≤0.015%、O2≤0.25%。需要注意的

是，在焊接过程中锆及锆合金的杂质控制也非常重要。

从表中可以看出，锆对O2和H2的控制指标都高于钛，

尤其是对O2的要求几乎高一个数量级，因此焊接时的保护要

求和焊接工艺及措施要比钛的焊接更严格。

锆及锆合金的材料有R、R、R三个级别，其化学成分和

力学性能如表2所示。焊接工艺评定依据包括ASTM标准号、

ASME第九卷焊接与钎焊中的焊接工艺评定和SH/T3502钛和

锆管道施工验收规范。

由于锆及锆合金材料本身对氧、氢、氮等气体杂质非常敏

感，高温亲和力非常强，常用的氩电联焊的焊接方法不适用于

锆及锆合金的焊接。因此选用焊接线能量低，便于进行焊缝气

体保护的手工钨极氩弧焊对锆及锆合金管道的焊接，利用较大

直径的焊枪瓷喷嘴和焊缝外表面保护托罩及管道内充氩内保护，

进行空气隔离，以达到焊缝不被氧化和吸收有害气体的目的。

锆及锆合金采用的焊丝应与母材化学成分相匹配。醋酸工

程中所用的锆材牌号是R.焊丝表面不得有裂纹、氧化等现象

及金属或非金属夹杂物等缺陷存在，焊丝在使用前应进行清洗

并干燥。表3列出了锆及锆合金焊丝的化学成分。

总之，针对锆及锆合金的焊接，需要严格控制氧、氢、氮

等气体杂质，选用合适的焊接方法和焊丝，并进行严格的保护

措施，以确保焊接质量。

锆及锆合金的焊接需要使用具备高频引弧、提前送气、衰

减电流、延时熄弧和延时停气功能的氩弧焊机。保护气体应使

用纯度不低于99.999%的高纯氩气，其杂质含量需符合

GB/T4842标准的要求。焊接热输入量、壁厚、焊丝直径、焊

接层数、钨极直径、喷嘴直径、层间温度、焊接电流、电弧电

压、焊接速度和氩气流量等参数应按照表4进行设置。焊道颜

色的检查应在焊后清理之前进行，表5列出了不同颜色的焊道

对应的保护效果、质量和处理方法。无损检测应按照

SH/T3502的要求进行，底层焊道应进行100%渗透检测，Ⅰ级

合格；对接焊缝应进行100%射线检测，Ⅱ级合格。试件应进

行拉伸、弯曲试验和耐腐蚀试验。为了获得优质的焊接质量，

应建立完整的质量体系，进行焊接工艺评定、指导书的宣传和

下发、焊工的培训和考核以及焊接过程的监控。在焊前准备阶

段，应做好材料的选择和准备工作。

在组对前，要对焊材、管件进行检查，确保其符合质量要

求。组对时要先进