引言

在極端苛刻服役環(huán)境中，材料微小缺陷常引發(fā)設(shè)備突發(fā)性失效。鋯合金因卓越抗腐蝕性能，成為強(qiáng)腐蝕工況下核心設(shè)備關(guān)鍵部位首選用材。但焊接接頭作為結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，是鋯合金構(gòu)件性能最薄弱環(huán)節(jié)，亦是失效高發(fā)部位。質(zhì)量不達(dá)標(biāo)將致結(jié)構(gòu)承載能力顯著降低，引發(fā)早期失效;嚴(yán)重時(shí)可致設(shè)備報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失與安全隱患。故鋯合金焊接須全流程精細(xì)化管控，杜絕疏漏。

1、鋯材焊接工藝概述

1.1鋯材特性

金屬鋯的物理冶金特性及綜合性能與常規(guī)工業(yè)金屬存在本質(zhì)差異，具有獨(dú)特應(yīng)用優(yōu)勢。其具備同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，當(dāng)溫度升至相變溫度點(diǎn)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生固態(tài)相變，完成晶格類型轉(zhuǎn)變。鋯的低密度與低線膨脹系數(shù)使其在交變溫度工況下尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異，熱變形傾向小;彈性模量適配性良好，兼具優(yōu)異塑性與結(jié)構(gòu)剛性，成型加工性能優(yōu)良。化學(xué)性能方面，鋯具有卓越鈍化能力與耐蝕特性，氧化環(huán)境中表面可自發(fā)形成致密、連續(xù)且與基體結(jié)合牢固的氧化鈍化膜，有效抵御強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及含氯介質(zhì)侵蝕，耐全面腐蝕性能優(yōu)異，對點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕形式抵抗力強(qiáng)，高溫水蒸氣工況下性能穩(wěn)定，腐蝕損耗低，抗應(yīng)力腐蝕開裂能力突出。

1.2焊接方法分類

選擇鋯材的焊接方法，主要是結(jié)合它化學(xué)活性高、對雜質(zhì)敏感的特性來確定。其中，氣體保護(hù)焊應(yīng)用最廣泛，尤其是鎢極惰性氣體保護(hù)焊，因其電弧穩(wěn)定、熱量集中、保護(hù)效果好，在實(shí)際焊接中使用最為普遍。這種方法采用非熔化鎢極，用惰性氣體做保護(hù)，能精準(zhǔn)控制熱輸入。另外一種常用的是熔化極惰性氣體保護(hù)焊，用連續(xù)送進(jìn)的焊絲當(dāng)電極，焊接效率高，適合較厚板材的焊接。對于特殊結(jié)構(gòu)和精密部件，會用到等離子弧焊和電子束焊，它們能量密度高、熱影響區(qū)窄;電阻焊、激光焊等先進(jìn)方法，也會在特定場景中使用，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的焊接連接。

1.3焊接材料選擇

焊接材料的選擇直接影響鋯焊接頭的成分、組織與性能。焊絲是最常用的填充材料，其選擇的首要原則是化學(xué)成分與母材相匹配，通常采用與母材同牌號或成分相近的專用焊絲，以確保焊縫金屬的耐腐蝕性能與母材相當(dāng)。焊絲的規(guī)格需根據(jù)接頭形式、坡口尺寸和焊接位置合理選擇。除了實(shí)心焊絲，藥芯焊絲在特定條件下也有應(yīng)用。保護(hù)氣體的選擇至關(guān)重要，高純氬氣(純度≥99.999%)是最常用的保護(hù)氣體，有時(shí)會添加少量氦氣以改變電弧特性、增加熔深。

2、工業(yè)設(shè)備中鋯材焊接工藝流程

2.1焊前準(zhǔn)備工作

焊前準(zhǔn)備是鋯材焊接成功的基礎(chǔ)，核心就是打造潔凈、干燥、可控的焊接環(huán)境，把待焊區(qū)域處理到位。首先要劃定焊接區(qū)域，這個區(qū)域必須保持高度清潔，不能有灰塵、油污、水分等任何可能污染焊縫的雜質(zhì)。對待焊工件的坡口及兩側(cè)足夠?qū)挾鹊谋砻?，要徹底清理干凈，通常先用機(jī)械方法去除氧化皮，再用專用化學(xué)溶劑脫脂清洗，最后用白布擦到?jīng)]有任何殘留。焊絲也得經(jīng)過嚴(yán)格清潔，接頭裝配要保證組對間隙均勻，錯邊量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，用和母材成分匹配的定位塊點(diǎn)固。焊接工裝夾具要設(shè)計(jì)合理，盡量不干擾氣體保護(hù)流;還要檢查焊接設(shè)備、送氣系統(tǒng)是否正常，確保保護(hù)氣體的純度和流量符合工藝要求，為正式焊接做好所有準(zhǔn)備。

2.2焊接操作要點(diǎn)

焊接操作必須嚴(yán)格按照工藝規(guī)程來，精準(zhǔn)控制各項(xiàng)參數(shù)，才能保證焊縫質(zhì)量。操作時(shí)，焊槍要保持合適角度，移動速度要穩(wěn)定，確保電弧在焊接區(qū)域均勻平穩(wěn)移動。惰性氣體保護(hù)要充分且連續(xù)，正面保護(hù)氣罩要蓋住熔池和附近的高溫區(qū)域，背面保護(hù)裝置也要同步正常工作，防止空氣從焊縫根部進(jìn)入。通常使用拖罩進(jìn)行保護(hù)，拖罩內(nèi)鋪設(shè)銅網(wǎng)使氬氣均勻噴散，氬氣流量為25-30L/min。如下圖:

熱輸入控制很關(guān)鍵，要根據(jù)母材厚度、接頭形式，選合適的焊接電流、電壓和焊接速度，避免熱輸入過高導(dǎo)致晶粒粗大，或過低造成未熔合等缺陷。多層多道焊時(shí)，要仔細(xì)清理層間焊道表面，控制好層間溫度;焊絲填充要均勻穩(wěn)定，注意觀察熔池形態(tài)和焊縫成形。整個操作過程，要求焊工技術(shù)熟練，熟悉鋯材焊接特性，才能應(yīng)對可能出現(xiàn)的工藝波動。

2.3焊接質(zhì)量控制

焊接質(zhì)量控制要貫穿整個焊接流程，通過系統(tǒng)的檢查和測試，確保焊接接頭符合規(guī)定要求。質(zhì)量控制首先要審核焊工的資格，確認(rèn)焊接工藝評定文件是否有效。焊接過程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄焊接參數(shù)，比如電流、電壓、焊接速度、氣體流量等;定期檢驗(yàn)保護(hù)氣體的純度，同時(shí)檢查層間清理是否到位、層間溫度是否符合要求。焊后，先對焊縫進(jìn)行外觀檢查，看其焊縫顏色，對照如下表。

表1 焊縫顏色與合格標(biāo)準(zhǔn)對照表

看其成形是否均勻連續(xù)，有沒有表面裂紋、咬邊、未焊滿等缺陷。內(nèi)部質(zhì)量則靠射線檢測、超聲檢測等無損檢測技術(shù)，排查焊縫內(nèi)部是否有氣孔、夾渣、未熔合等問題;重要構(gòu)件還可能需要做滲透檢測，查找表面開口缺陷。所有檢驗(yàn)結(jié)果都要詳細(xì)記錄，形成可追溯的質(zhì)量文件，確保每一步都有依據(jù)。

2.4焊接后處理措施

焊接后處理是整個焊接工藝的收尾工作，核心目的是優(yōu)化接頭性能、消除殘余應(yīng)力，做好最終清潔。焊后處理主要包括焊后熱處理和焊縫區(qū)域的最終清理，至于是否需要做、怎么做焊后熱處理，要根據(jù)具體的材料牌號、構(gòu)件設(shè)計(jì)要求和焊接工藝評定結(jié)果來定。有些情況下，為了提升接頭韌性、消除焊接殘余應(yīng)力，會要求做去應(yīng)力退火，這時(shí)候必須嚴(yán)格控制熱處理溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度，還要保證熱處理環(huán)境干凈，防止構(gòu)件氧化。熱處理后，要仔細(xì)清理焊縫和熱影響區(qū)，去除熱處理時(shí)可能產(chǎn)生的氧化色和污染物，通常用酸洗或機(jī)械拋光的方法，恢復(fù)鋯材本身的銀白色金屬光澤和潔凈表面。最后，對所有焊縫做最終檢驗(yàn)和標(biāo)識，把相關(guān)質(zhì)量文件整理歸檔好。

3、鋯材焊接工藝在工業(yè)設(shè)備中的應(yīng)用案例

3.1化工設(shè)備應(yīng)用

鋯材焊接工藝在化工設(shè)備制造中作用非常關(guān)鍵，核心就是利用鋯材出色的耐腐蝕性能，應(yīng)對化工生產(chǎn)中苛刻的化學(xué)介質(zhì)環(huán)境。實(shí)際應(yīng)用中，主要用來制造各類反應(yīng)器、塔器、熱交換器、容器和管道系統(tǒng)。在醋酸、硝酸、尿素、氯堿等強(qiáng)酸或含氯離子的生產(chǎn)流程中，設(shè)備的關(guān)鍵內(nèi)構(gòu)件或整個殼體，常會采用鋯材或鋯復(fù)合板制造。比如高壓法醋酸生產(chǎn)用的反應(yīng)器和精餾塔，與腐蝕性介質(zhì)接觸的內(nèi)壁就用鋯材，通過嚴(yán)格的焊接工藝，保證設(shè)備長期運(yùn)行的密封性和安全性。鋯制管殼式熱交換器能有效抵抗冷卻介質(zhì)或工藝流體的侵蝕，保障傳熱效率。

3.2電力設(shè)備應(yīng)用

在電力工業(yè)中，尤其是核能發(fā)電領(lǐng)域，鋯材焊接工藝的作用是不可替代的，有著特殊且重要的價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用中，它主要集中在核燃料組件的結(jié)構(gòu)部件焊接上，比如燃料棒端塞焊接、格架焊接，還有相關(guān)組件里鋯合金部件的連接工作。核級鋯合金用來做燃料元件的包殼材料，它的焊接質(zhì)量好不好，直接關(guān)系到核燃料的密封是否完整、反應(yīng)堆運(yùn)行是否安全，以及放射性物質(zhì)能否被有效包容。焊接工藝必須做到，讓接頭在高溫高壓水或蒸汽環(huán)境中，腐蝕速率降到最低，同時(shí)具備良好的抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性。核電站的部分輔助系統(tǒng)，像一些需要耐腐蝕的閥門、泵體或管道，也會用到鋯材焊接件。

3.3冶金設(shè)備應(yīng)用

在冶金工業(yè)的特定環(huán)節(jié)，鋯材焊接工藝主要用于制造能耐受極端腐蝕環(huán)境的設(shè)備部件。濕法冶金中，尤其是涉及硫酸、鹽酸等強(qiáng)酸浸出、萃取或電解的工序，設(shè)備腐蝕問題特別突出。實(shí)際應(yīng)用中，鋯材常用來制造浸出槽、電解槽、陽極籃、攪拌器軸與槳葉、泵閥過流部件，以及相關(guān)的管道系統(tǒng)。在鋅濕法冶煉中，鋯材制備的硫酸介質(zhì)換熱器與管路，可顯著延長設(shè)備使用壽命，減少意外停機(jī)和檢修次數(shù)。鋯制設(shè)備在稀有金屬濕法提煉中廣泛應(yīng)用，其焊接接頭需兼具耐蝕性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保長期可靠服役。

3.4其他行業(yè)應(yīng)用

高端制藥裝備對用材潔凈性、耐蝕穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)可靠性要求嚴(yán)苛，焊接質(zhì)量管控是制造核心環(huán)節(jié)。焊縫若存在表面不連續(xù)、未焊透、夾雜等缺陷，易致制藥介質(zhì)滯留、微生物滋生及局部腐蝕失效，直接影響藥品質(zhì)量合規(guī)與用藥安全，為領(lǐng)域核心風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。海洋工程工況更苛刻，深海裝備長期處于高靜水壓力與強(qiáng)氯離子腐蝕耦合環(huán)境，常規(guī)金屬易快速腐蝕失效;鋯及鋯合金耐海水全浸腐蝕、高比強(qiáng)度且韌性良好，是深海耐壓殼體優(yōu)選用材。光學(xué)玻璃熔煉需超高溫環(huán)境，工裝用材須具高溫尺寸穩(wěn)定性與化學(xué)惰性，不與熔融玻璃反應(yīng);鋯及鋯合金高溫力學(xué)性能優(yōu)異、化學(xué)特性穩(wěn)定，可充分適配此類極端工況。

4、結(jié)束語

總之，要將鋯及鋯合金的優(yōu)異性能充分轉(zhuǎn)化為設(shè)備的實(shí)際服役效能，核心在于對焊接工藝的深入掌握與規(guī)范化應(yīng)用。在工程實(shí)踐中，只有嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)化的焊接作業(yè)規(guī)程，杜絕不規(guī)范操作，對焊接全流程的關(guān)鍵細(xì)節(jié)執(zhí)行全周期質(zhì)量管控，才能穩(wěn)定保障焊接接頭的綜合性能，確保焊接質(zhì)量持續(xù)達(dá)標(biāo)。

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（注，原文標(biāo)題：工業(yè)設(shè)備中鋯材焊接工藝的應(yīng)用_張輝）