由于锆具有优异的耐腐蚀性，锆在醋酸、PTA、醋酐、聚甲醛以及氯化聚乙烯等装置中得到了大量的应用[1-4]。近年来，随着我国工业技术的发展以及对锆材的深入研究，从海绵锆的冶炼到板材、锻件、管材的生产均实现了国产化[5-6]。

随着我国化工行业大型化的发展，锆材的使用量也随之增多，国内也完善了自己的材料标准及设计制造标准。2010年，国家质量监督检验检疫总局与国家标准化委员会共同发布了《锆及锆合金牌号和化学成分》（GB/T26314）标准，同年国家能源局发布了《锆制压力容器》（NB/T47011）标准，为锆制容器设备的设计制造提供规范化及标准化标准，《固定式压力容器安全技术监察规程》（TSG21—2016）也将NB/T47011标准列入协调标准中。

锆材的焊接是设备制造过程中的关键工艺，合格的焊接接头质量是保证设备安全使用的关键。

1、R60702锆性能介绍

1.1物理性能

锆的活性高，极易受空气的氧化，在锆的表面形成一层致密的氧化膜，提高其耐腐蚀性。锆的密度为6.49g/cm³，熔点为1845℃，其熔点高于钛、镍、钢、铜、铝等材料。锆在常温时的热导率约为20.8Ｗ／（ｍ·Ｋ），比铜、铝、镍都低，与钛和奥氏体不锈钢相接近。锆的室温热膨胀系数比钛更低，约为5.8×10^-6℃。锆的弹性模量较低，室温时约为99.3GPa，仅为钢的一半，在同样的应力作用下，锆的弹性变形量约为钢的两倍[7]。

1.2化学成分及力学性能

R60702锆为工业级锆，其化学成分及力学性能满足ＡＳＭＥＳＢ—551标准的要求，ＳＢ—551R60702锆相当于我国GB/T26314—2010标准中的Zr-3。R60702锆由于其良好的耐腐蚀性与力学性能，常用于非核能级压力容器的选材，其具体的化学成分及力学性能见表1、表2。

1.3晶体结构

R60702锆在常温下为密排六方晶体结构，即α-Ｚｒ结构。R60702锆在865℃时发生相变，从α相（密排六方晶格）结构转变为β相（体心立方晶格）结构。

R60702锆中的氧元素、氮元素为α相稳定化元素，提高α相到β相转变的温度[8]。

2、锆的焊接

2.1锆的焊接性

锆的焊接性较好，但由于其熔点较高，焊接时需要采用较大的焊接电流施焊，又由于锆的导热性差，电弧停留时间过长，会导致热影响区粗晶，因此锆的焊接应采用适当的大电流快速焊工艺。在高温下，锆与氢、氧、氮、碳等间隙元素发生反应，产生脆性化合物，导致沿晶开裂。

为避免氢的吸附，必须将所有湿气从锆的表面清除，焊接保护气体露点温度应在－50℃或更低。氧、氮主要来源于大气，焊接时必须做好保护，避免焊缝吸氧、吸氮。碳通常来自清洁过程中没有被完全去除的污垢或油脂，同时焊接区域清理得不干净也会增加焊接气孔的倾向。

2.2锆的焊接保护

锆焊接时，ＧＴＡＷ焊应采用99.999％的高纯度氩气进行保护，保护喷嘴应采用大直径的喷嘴，最好使用带有气体均匀化丝网的透镜喷嘴，如图1所示。

锆焊接时，除焊接熔池需要保护外，背面焊缝及尾部焊缝也同时需要保护，氩弧焊枪要带有尾部拖罩，如图2所示。拖罩使温度高于400℃的焊接接头置于惰性气体的保护之下，避免高温时与空气接触，受到空气污染。

2.3锆焊接保护效果的要求

锆的焊缝和热影响区的表面颜色是锆焊缝验收的重要指标，《锆制压力容器》（NB/T47011）标准与《锆及锆合金熔焊指南》（ＡＷＳＧ2.5）标准均对锆焊接保护效果提出了要求，锆焊缝和热影响区表面颜色的规定见表3。对于锆的焊接表面颜色的要求，ＡＷＳＧ2.5标准采用了更为直观的图片形式表达，如图3所示。

对于图3（ａ）中的银白色为正确保护后的颜色，图3（ｂ）中的金黄色表明受到轻微的污染，但可以接受，其表面的金黄色可采用洁净的不锈钢刷去除。图3（ｃ）、（ｄ）中的深蓝色、紫色表明焊缝及热影响区受到中度污染，需要将表面焊缝去除。

图3（ｅ）、（ｆ）中的黄灰色、灰色表明焊缝及热影响区受到严重的污染，不仅需要将表面焊缝去除掉，还需要将焊缝每侧的热影响区去除掉。

2.4锆的焊接环境

锆的焊接应在空气洁净、无污染、无烟、无金属粉尘的洁净环境下进行，焊接场所应为独立的区域，须避免与碳钢材料接触，防止被铁锈污染。焊工衣着鞋帽手套等应清洁无污染、鞋底干净。

3、焊接试验

R60702锆焊接后通常不需要进行焊后热处理，但制作过程中受部件的冷加工变形率过大的影响，焊缝需要随部件进行消应热处理，或者因成形工艺的需要，部分部件焊后采用了热成形的工艺，因此根据设备制造的需要，进行了焊态、550℃×6ｈ热处理以及620℃×6ｈ热处理的工艺评定试验，试验对应编号分别为G-1、G-2、G-3。

3.1坡口制备

焊接过程中由于焊接应力的作用，不可避免会产生焊接变形，为了减小试板的焊接变形，试板的坡口设计成双面坡口形式，试验所用的R60702锆板材厚度为13.5mm，具体的坡口形式如图4所示。为了保证焊接坡口精度与质量，坡口加工采用铣床机械加工的方法。

3.2焊材的选用

工艺评定试验采用与R60702锆化学成分及力学性能相匹配的ＥＲＺｒ-2焊丝进行焊接，焊丝满足ＡＷＳＡ5.24标准要求。ＥＲＺｒ-2焊丝焊后得到的焊缝金属具有良好的强度和塑性，其抗拉强度值≥380ＭＰａ[11]。

3.3试板的焊接

试板焊接前，采用电动合金磨头对坡口及其两侧25mm的母材进行刮磨，去除坡口及母材表面的氧化膜，并采用丙酮对坡口面及坡口两侧的母材进行清洗，以保证焊接区域无油污。试板焊接采用ＧＴＡＷ焊接方法，焊枪喷嘴直径为Φ20mm，焊枪尾部带有保护拖罩，背面氩气保护罩长度与试板长度相同，保护气体均为99.999％高纯度氩气，试板具体的焊接规范参数见表4。试板焊后焊缝及热影响区表面颜色为银白色，表明焊接过程中保护良好，未受到污染，试板焊后表面颜色如图5所示。

3.4试板焊后无损检测

试板焊接后，按照NB/T47013标准对G-1、G-2、G-3焊接试板进行100％渗透检测以及100％射线检测。渗透检测后未发现表面缺陷，射线检测后，试板内部未发现裂纹、气孔、未熔合、未焊透等缺陷，渗透检测及射线检测结果满足标准的要求。

3.5焊后热处理

G-2、G-3焊接试板采用电炉进行焊后热处理，热处理时每块试板布置2支热电偶，具体的热处理工艺见图6、图7。

4、试验结果与分析

G-1、G-2、G-3焊接试板按照《锆制压力容器》（NB/T47011）标准的附录Ｂ进行焊接工艺评定试验，每个试板进行拉伸试验2件、面弯及背弯试验各2件，同时又增加了硬度、宏观金相、微观金相等试验。

4.1拉伸试验

对G-1、G-2、G-3焊接试板按照NB/T47011附录Ｂ图Ｂ.6制取紧凑型板接头带肩板形拉伸试样，在万能拉伸试验机上进行试验，拉伸试验结果见表5。从表5的拉伸试验结果来看，拉伸试验的抗拉强度值均大于R60702母材标准的下限值380ＭＰａ，满足标准的要求。

4.2弯曲试验

弯曲试验按照NB/T47011附录Ｂ图Ｂ.10（ａ）、（ｂ）图样，每个试板取2个面弯试样和2个背弯试样。 经180°弯曲后，均无裂纹。

焊接接头经过弯曲变形后，表面没有任何开裂，这表明焊接接头在焊态和经历过550℃×6ｈ、620℃×6ｈ热处理态后均具有良好的致密性和塑性。

4.3硬度试验

硬度是锆焊接的一个重要性能指标，焊缝及热影响区硬度的升高除受自身微观组织的影响外，还和焊接保护效果有关。

锆焊接过程中如保护不当，造成焊缝及热影响区吸收了氢、氧、氮元素，也会导致硬度升高。

硬度试验按照《金属材料—维氏硬度试验》（GB/T4340.1）标准对G-1、G-2、G-3试板的焊缝、热影响区、母材进行硬度试验，硬度试验结果（ＨＶ10）见表6。

G-1、G-2、G-3试板焊缝及热影响区的硬度与各自母材硬度之差均不超过50ＨＶ10，满足工程规范的要求，这进一步证明在焊接过程中，焊接保护良好，焊缝及热影响区未造成污染。

4.4宏观金相试验

宏观金相试验按照《金属材料焊缝破坏性试验—焊缝宏观和微观检验》（GB/T26955—2011）标准对G-1、G-2、G-3试板的焊接接头进行试验。

G-1、G-2、G-3宏观金相如图8～图10所示，三个观金相试样的焊缝金属与母材熔合良好，无裂纹、道间未熔合、未焊透等缺陷，证明R60702锆采用ＧＴＡＷ焊接方法，焊接接头质量可靠稳定。

4.5微观金相试验

微观金相试验按照《金属材料焊缝破坏性试验—焊缝宏观和微观检验》（GB/T26955—2011）标准对G-1、G-2、G-3试板的焊缝、热影响区、母材进行试验。

微观金相试样在电子显微镜下放大200倍观察，焊缝及热影响区未见显微缺陷，微观金相如图11～图13所示。

从图11（ａ）、图12（ａ）、图13（ａ）母材的微观组织来看，均为α相等轴晶。图11（ｂ）与图12（ｂ）热影响区的微观组织，图11（ｃ）与图12（ｃ）焊缝的微观组织基本一致，热影响区与焊缝均为片状α′相（即锆的马氏体相）。

图11（ｂ）、图11（ｃ）与图12（ｂ）、图12（ｃ）微观组织的一致性也表明了焊接接头在经历了550℃×6ｈ的热处理后，组织上未

发生明显的再结晶。图13（ｂ）、图13（ｃ）焊接热影响区及焊缝微观组织同样为片状的α′相，但相对于图11（ｂ）、图11（ｃ），图12（ｂ）、图12（ｃ）的微观组织其晶粒组织更加细小，表明经过620℃×6ｈ的焊后热处理后，焊缝及热影响区发生了再结晶。

锆的相变点温度为865℃，在相变温度之上锆的组织为β相，受焊接热源的作用，焊缝及热影响区的温度均高于865℃，焊后高温状态的焊缝和热影响区从β相快速冷却至室温时，组织的晶格结构发生切变，形成片状的马氏体，致使焊缝和热影响区的组织形态最终为马氏体组织。

4.6综合分析

相对比G-1试板焊态的抗拉强度，G-2试板550℃×6ｈ以及G-3试板620℃×6ｈ热处理后的抗拉强度均有所下降，这表明焊后热处理会导致焊接接头强度下降。通过G-2试板与G-3试板拉伸试验数据对比，550℃×6ｈ热处理后的抗拉强度下降要比620℃×6ｈ热处理后的抗拉强度下降明显。

从G-2试板与G-3试板焊接接头的微观组织对比来看，经过620℃×6ｈ焊后热处理后的组织发生了再结晶，晶粒得到了细化，因此G-3试板焊接接头抗拉强度下降较少。通过对微观组织的观察，焊缝及热影响区硬度的升高主要是由于焊缝、热影响区与母材的组织差异性导致的。相对于母材的α相而言，α′相其硬度相对较高，焊缝及热影响区α′相的生成使焊缝和热影响区硬度升高。从硬度数据的结果可以看出，α′相导致的硬度升高是有限的，从弯曲试验的结果来看，α′相的产生并不会导致焊接接头塑性有明显的下降。

5、结语

本文通过对R60702锆的物理性能、化学成分、力学性能、焊接性能进行分析，并根据上述一系列试验结果及相关分析，可以得出以下4个结论：

（1）R60702锆采用钨极氩弧焊焊接，焊枪采用尾部拖罩保护，背面也采用氩气保护罩进行保护，可获得银白色的焊缝金属。无损检测的合格性以及宏观金相试验的合格性，均表明采用钨极氩弧焊焊接方法质量可靠稳定。

（2）R60702锆采用钨极氩弧焊焊接，焊材采用ＥＲＺｒ-2焊丝，在焊态、550℃×6ｈ热处理态、620℃×6ｈ热处理态下的抗拉强度与弯曲性能均能满足标准的要求。与焊态相比，经历550℃×6ｈ热处理后的焊接接头其抗拉强度下降明显，经历620℃×6ｈ热处理后的焊接接头其组织发生了再结晶，晶粒得到了细化，抗拉强度下降不明显。

（3）焊缝及热影响区的硬度值不高于母材硬度值50ＨＶ10，满足工程规范的要求，证明焊接时保护良好，焊缝及热影响区未受到氢、氧、氮的污染。焊缝及热影响区硬度的升高，主要是由于微观组织中生成的α′相导致的。

（4）R60702锆焊态及550℃×6ｈ、620℃×6ｈ热处理后的焊缝及热影响区组织均为片状α′相，但经历620℃×6ｈ热处理后的焊缝及热影响区发生了再结晶，组织得到了细化。

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