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锆材及锆合金之氩弧焊 焊接技术重点

2017-12-21 14:16:34      点击:

锆及锆合金具有优良的抗酸、碱等腐蚀的能力 ,在某些介质中,甚至超过了铌、钛等防腐蚀性能很好的金属 ,能在钛所不能胜任的腐蚀介质下工作 ,所以锆及锆合金以其良好的抗腐蚀性能近年来逐渐被用作抗腐蚀性较强的化工行业的设备和管道等结构材料 。锆及锆合金本身具有很强的高温化学活性 ,在高温下就能与空气中多种元素发生反应 ,从而破坏了锆及锆合金的机械特性, 所以 ,在锆及锆合金焊接过程中, 选择洁净的操作环境 ,加强焊缝及热影响区部位的隔离保护是保证焊接质量的关键。

       

1、锆及锆合金的基本特性

锆及锆合金材料主要有 R60702、 R60704、R60705三个级别。锆及锆合金焊接性能较好 ,在常温下的化学性能比较稳定 ,但其高温化学性能非常活泼,对环境气体中的氧、氮、氢以及操作环境中的粉尘、湿度等污染都有很强的亲和力。随着温度的升高 ,其化学活性急剧增强,与氢在 200 ℃下生成 ZrH 2 ;与氧在 300℃下, 可以生成 ZrO 3 ;在 550 ℃以上 , 与空气中的氧反应生成多孔的脆性氧化膜 ;在 600 ℃下,锆吸收氮生成 ZrN; 在 700 ℃以上 ,吸收氧而使材料严重脆化,随着温度的增加, 其吸收能力和反应速度随之增强。锆及锆合金的优良的抗腐蚀性能来源于其表面形成的氧化膜 ,并取决于氧化膜的完整性和牢固性 ,当锆及锆合金在吸收了一定数量的氧 、氮、氢等气体杂质后, 其力学性能及抗腐蚀性能将急剧下降 。反应生成多孔的脆性氧化膜 ,所以,对环境粉尘、湿度及热影响区表面、焊缝背面加强保护是焊接过程中质量管控的关键要素。


2、 影响锆及锆合金焊接质量的因素和注意事项

2.1 在大量焊口焊接预制阶段,需要设置专门的封闭式洁净场地,并严格控制环境的粉尘污染和空气湿度,例如进入施工场地须换穿干净的劳保鞋等措施,以确保焊接环境的洁净。在室外安装环境下,制作临时操作室,达到洁净条件。


2.2 加强对焊接接头坡口、坡口两侧 70 mm范围内及焊丝表面清洁度的要求,是保证焊接质量的重要因素。


2.3 锆及锆合金焊接过程中,气孔是最容易产生的缺陷。气孔多集中在融合线、焊缝中心线附近。防止焊接气孔缺陷产生最关键的环节就是加强对焊接环境洁净度 、湿度的控制及加强坡口 、焊材表面的清理 ,提高焊缝区高纯氩的内外保护质量。


2.4 焊接裂纹倾向

由于锆及锆合金热膨胀系数低 , 热变形量以及相变时产生的体积变化均很小 ,本身硫 、磷 、碳等杂质含量很低 ,焊接过程中没有形成裂纹的明显趋势 。但当焊接过程焊缝吸收一定数量的氧 、氮 、氢气体杂质时, 焊缝及热影响区的性能将变脆 ,如果焊缝在组对等环节有应力存在,将会产生焊接冷裂纹 。同时,氢原子具有向较低温度的热影响区内的高应力部位扩散及聚集的性能 ,促使这些部位形成较为薄弱的环节 ,因此可能导致焊接延迟裂纹的产生。

2.5  在焊接试验中,应选用了焊接线能量低 ,便于进行焊缝气体保护的手工钨极氩弧焊;利用较大口径的焊枪喷嘴和焊缝外表面保护托罩及管道内部充氩的方式进行空气隔离, 以达到焊缝不被氧化和吸收有害气体的目的 。


2.6  焊接材料的选择

   锆及锆合金焊接采用的填充焊丝应依据与母材成分相匹配的原则来选择。焊丝表面不得有重皮、裂纹、氧化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。


2.7 保护气体的选择

锆及锆合金钨极氩弧焊采用纯度不得小于99.999%的高纯氩, 其杂质含量符合GB/T4842现行标准的要求 。由于对焊接保护气体纯度的极高要求,所以焊接过程需要连续充气 ,中途不能中断 ,否则需重新置换充氩。因而,使用普通的单瓶氩气直接供气的方法不能满足保护要求 ,需要将多瓶氩气串联增加供气能力, 通过分气缸满足多个焊工同时作业,如下图1所示。

2.8坡口形式的选择及坡口的加工清理

2.8.1 坡口形式 : 锆及锆合金管道的焊缝坡口形式如图 2所示。

图2坡口的形式


2.8.2 坡口的加工及清理

1)坡口的加工:坡口表面应光滑,组对尺寸控制要好 ,易清理。安装现场焊口 ,可以采用专用砂轮机加工 。

2)坡口清理。管道组对施焊前 , 须采用不锈钢丝刷或不锈钢锉刀等 , 对焊接坡口及两侧不小于70 mm范围内的切削物、氧化膜 、毛刺等进行清理 。清理工具应专用并保持清洁,防止交叉污染,影响焊缝质量 。油脂等污染物采用丙酮清洗, 并用棉布进行擦拭 ,施焊前确认干燥 (空气湿度相对较大的环境下需用烘干机烘干)情况 。

2.9  焊丝的清理

锆及锆合金管道焊接前 ,应采用机械或化学的方法对使用的焊丝进行彻底的清理, 锆及锆合金焊丝的清理方法和要求与坡口清理方法完全相同 。

2.10焊缝的组对和点固焊

2.10.1焊缝组对应严格控制组对间隙及错边量 , 对于不同厚度的两个组对件 , 需要采用加工内坡口的形式 ,保证内部错边量符合要求。焊缝须无应力组对 。

2.10.2焊缝的点固焊

   锆及锆合金管口组对点焊间距一般为 100 ~150 mm,点焊的长度以 10 ~ 15 mm为宜。

2.11焊接管口内、外部气体的置换和保护

2.11.1焊接管口内部气体的置换和保护

管口组对完成后, 应先对管口内部的气体进行置换。为保证管内气体置换质量,节省氩气,提高效率 ,对预制阶段的管口或便于在管口内部进行隔离的情况下,采用在管道内部设置堵头 ,局部充氩的方式 如图 3。

图3

局部充氩示意图


对于现场焊口或不易于在管口内部进行堵头式隔离的情况下,焊口组对前 ,在焊缝两侧分别设置易溶纸,组对后从焊缝组对缝隙适当的位置充入氩气进行置换,或者根据现场具体情况,利用焊缝两侧的法兰或可拆卸位置拆开后, 安装堵头 ,进行充氩置换。


3.11.2 焊接管口外部气体的置换和保护

由于锆及锆合金高温化学性能非常活泼 ,在焊接过程中仅依赖氩弧焊焊枪喷嘴供应的氩气对熔池和高温焊道及热影响区进行保护是无法保证焊接质量的 。为了确保满足高温区气体隔离、延长氩气保护时间的要求 ,必须增加特制的管道外部气体保护装置 ,对在高温状态下的焊接熔池 、高温焊道及热影响区进行高纯氩隔离保护 ,如图4所示。

图4

 管口内部局部充氩隔离示意图


采用气体保护托罩 ,托罩的规格随管道的规格变化。气体托罩由外壳 、不锈钢或铜丝网 、输氩管嘴配合焊炬等构成。使用时,配备相应的输氩软管,随焊炬的拖动随之移动。


4. 焊接技术要点:

4.1严格控制焊接线能量 ,以减少焊接热输入 ,减少每层焊接厚度,有利于控制区域的温度及冷却速度 ,接层间温度不得大于 100 ℃。


4.2焊接过程中必须确认内部充氩置换彻底 , 制作并正确使用焊道外保护罩 , 确保保护氩气纯度不低于 99.999%,同时选择焊炬喷嘴直径在 20 ~ 25 mm之间, 并检查喷嘴溢出的氩气流量保持稳定,从而使焊接的熔池 、焊缝 、热影响区得到良好的保护 , 从隔离方面保证焊接质量 。


4.3起弧时 ,焊枪必须先送气, 以使焊丝熔化之前就处在氩气保护之中, 并采用高频引弧 ;熄弧时 , 应使用电流衰减装置 ,焊接弧坑必须填满 ;


4.4焊接过程中 ,粘贴在坡口处高温胶带应随着焊接进程而揭开 。焊接过程中 ,填充焊丝的熔化端须始终处在高纯氩的保护之中 ,熄弧后应待熔化端冷却后,才可从保护中取出 ,焊丝头如被污染或氧化 ,其污染或氧化部分须予以彻底切除 。


4.5施工过程中, 应严格控制打磨量和表面温度 ,防止坡口表面氧化 。安装焊口现场作业时, 针对大气环境及灰尘等实际情况 ,采取必要的防风防污染措施 。现场采用制作帆布蓬,以将焊接区域与外部环境临时隔离开来, 产生一个有利于焊接操作的空间,保证焊缝焊接质量 。


4.6焊缝返修对焊缝表面氧化现象或无损检测发现的不合格部位 , 必须进行返修 。返修前 ,应根据具体情况, 分析缺陷产生的原因, 并制定针对性的返修方案。焊缝同一部位的返修不得超过两次 。


5、 焊接质量的检查

5.1焊接表面检查:焊后表面以银白色为最佳 ,其次为淡黄或金黄色。但在多层 、多道焊时, 不能只凭表面焊缝的颜色来判断接头部位的保护效果,应以每层焊道的合格为标准,否则需要采取不同的处理措施。


5.2 无损探伤:应对焊缝100%的 X射线无损探伤,无损检测发现的不合格部位 ,必须进行返修 。


5.3 力学性能测试:对焊接试件进行力学性能测试,比较基体和焊缝力学性能的差异。