锆及合金的焊接性研究+文献综述(2)
本课题以此为出发点，利用等离子焊接技术进行了锆60702等离子焊接探索性试验，通过对焊接工艺和机理的分析研究，以及焊接接头的力学性能测试和接头各区域微观组织的观察，为锆及其合金的焊接探索提供了理论参考和实践经验。
1.2 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、湿度等的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, 在固态下就有很强的吸收空气中的氧、氮、氢、水分、粉尘等的能力,并发生反应: 与氢在200℃下生成ZrH2; 与氧在300℃下, 可以生成ZrO3;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[6]。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。
1.3 锆及锆合金焊接性能特点分析
锆具有熔点高、热容量小、导热系数小等特点，特别是锆在高温下的化学性质活泼，锆比钛对氧、氢等气体的亲和力更强，焊接溶池和冷却中的焊缝必须严密地置于惰性气体的保护之下，而且保护气体纯度和表面清理好坏直接影响了锆材的焊接质量[7]。因此，锆及其复合板焊接难度大、技术要求高，其焊接性特点如下：
(1) 焊接高温区易受空气污染锆化学性质很活泼，焊接时，焊接高温区如果在焊前清理不干净或保护不良，比钛焊接时更容易受空气或杂质污染。这些气体或杂质被锆吸收产生脆性化合物，使接头塑性韧性下降，耐蚀性能下降，氧、氮、氢气体浓度越大，硬化程度越大，脆化程度越大，碳和氮对焊缝金属抗腐蚀损害很大。一般应严格控制碳和氮含量，加强焊接区清理和保护，防止焊接区污染。当焊接气体纯度较低，或清理不彻底，均能使高温区脆化加重[8]。锆焊接时，可通过表面颜色变化来简单判别焊接质量: 一般银白色或浅黄色为合格，蓝色为可用但保护效果较差，黑色或淡紫色为氧化严重，焊接质量差。
(2) 易产生气孔,气孔是锆焊接中的主要问题。锆焊接时，由于受空气污染，工件、焊丝中杂质元素含量过高或表面清理不干净，保护气纯度不够等原因，使锆很容易在焊缝上产生细小针孔。试验证明, 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[6,13]。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。
(3) 焊接区易形成介稳相，影响接头性能。由于焊接过程为不平衡结晶，当焊缝和热影响区受杂质元素影响时，会使焊缝和热影响区析出复杂的金属间化合物，如Zr ( FeCr) 2、Zr-Fe、Zr-Cr、ZrO 等，这些化合物多为介稳相和脆性相，停留于晶界，降低接头塑性，增加脆性[9]。焊缝金属柱状晶界存在的脆性相或二次相，多呈不连续分布，对焊缝金属性能的影响比热影响区小。焊接加热时，组织晶粒粗也能促使接头塑性降低。
（4）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[10]。焊接裂纹焊接前，当工件坡口两侧能按要求严格清理，确保焊缝和热影响区没有杂质、污物，焊接气体纯度符合焊接要求，焊接保护良好的条件下，纯锆与锆合金焊接没有形成裂纹的明显趋势[13]。
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