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/T 26314) 标准，同年国家能源局发布了 《锆制压力容器》(NB/T 47011) 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》(TSG 21—2016) 也将 NB/T 47011 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 ASME SB—551 标 准 的 要 求，SB—551R60702 锆相当于我国 GB/T 26314—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/T 47011) 标准与 《锆及锆合金熔焊指南》(AWS G2.5) 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，AWS G2.5 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AWS A5.24 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/T 47013 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/T 47011) 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/T 47011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/T 47011 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/T 4340.1) 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/T 26955—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，三个宏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/T 26955—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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