引言
我国是世界上锆资源最丰富的国家之一，它的耐蚀性极强，与铌、钽相似，用于强酸和强碱交替的介质中效果是非常理想的[1]，特别是在高温盐酸中，比钼、钨、钛、镍都更加适用。相对于标准氢电极电位，锆的标准电极电位为-1.53V，研究表明，在℃以下的空气、二氧化碳、氮气和氧气中，锆的表面能够形成一层致密且稳定的氧化膜，对基体金属具有自愈和保护作用，从而使其不受化学腐蚀的侵害，这就是锆材具有超强的耐腐蚀性能的主要原因所在。当然，也正是由于这种超高的活性及与环境气体极强的亲和力，造成了锆材焊接的特殊性。
从金属活性和焊接性来看，锆与钛存在一定的相似性，且比钛的活性更高。因此，在锆制换热管板焊接时，公司转换思维，结合锆材本身的特性，在工业纯钛焊接工艺的基础上，做出了进一步的优化，最终得到了较好的锆材焊接质量。
1锆特殊的焊接性
应该特别控制焊接母材及焊丝中氮、氧、碳、氢这些元素的含量，而且也要注意焊接部件和焊丝在焊前的清理工作，以防间隙式溶解的元素进入。锆材焊接时，保护气体的纯度应不低于99.％，而且在～℃以上温度时，焊接熔池、冷却中的HAZ区和焊接背部都应置于惰性气体保护之下。锆的氧化物在锆中有较高的溶解度，在焊缝中一般不太会产生夹渣，但是锆的焊缝存在产生气孔和焊接裂纹的可能性，应该避免焊接时的污染。与其他各种工程金属相比，锆的线膨胀系数是最低的，只有5.8×10-6/℃，而钛、铁素体钢和奥氏体钢分别是锆的1.5倍、3倍和4倍，因而采用锆材的焊接件的变形量非常小。锆的弹性模量也很小，仅为GPa左右，大约是钢和镍的一半，因而采用锆材的焊接件的残余应力也较小。概括来说，锆的焊接性特点有以下几点[2-7]：焊接高温区容易受到空气的污染，容易产生气孔和焊接裂纹，具有低变形和低应力。对于锆材的焊接，焊前清理和气体保护都是至关重要的。
2工艺优化
2.1焊接方法
考虑到换热管的直径小、壁薄，而换热板的厚度相对较大，焊接时最好采用焊接热输入较小的焊接方法，所以，管板接头的焊接选定为非熔化极钨极氩弧焊[8]。焊机采用管板自动氩弧焊机，见图1，设备简单，易于操作，仅需采取适当且有效的防护措施便能确保焊接接头的质量。
图1管板自动焊机
锆R的对接、管板焊接接头常采用钨极氩弧焊（国际称TIG焊、国内称GTAW焊），其焊接性能良好，电弧稳定无波动，并且较小的焊接线能量，可以避免焊接裂纹，接头组织会更好。采用GTAW焊锆R，熔深一般都比较小，还不到碳钢的1/2，所以操作时应注意防止根部未焊透。
GTAW焊的保护气体一般为氩气、氦气或两者的混合气体，由于氩气热导率极其小，其又是单原子的气体，在高温条件下不易分解吸热，所以氩气中燃烧的电弧很少会损失热量，一旦电弧引燃了便稳定了，各类保护气体中它的稳定性是最好的，因此，钨极氩弧焊中被用最多的气体也是氩气，用于锆R的氩气纯度应不低于99.99%。
焊接过程中选用铈钨极，钨极直径为2.4mm，钨极需要打磨成圆锥形，锥度为20～25度，打磨长度大约为钨极直径的2～3倍。在相同参数下，铈钨极弧束较为细长，光亮带较为狭窄，温度更加集中，特别是在直流焊接过程中，阴极的压降降低10%，比钍钨极会更加容易引弧，电弧的稳定性也好[9]。
除此之外，焊接前要仔细清理焊件和焊丝，以免生成气孔。同时，焊接我们沿用了之前焊接钛材的气体保护箱的方法，设计了新的气体保护罩，用以保证在℃以上的受热区域能够被有效的进行保护。
2.2优化方向
锆R的主要优化方向在于焊接过程中对焊缝和周边母材的有效保护，影响保护效果的因素可分为如下几点，通过分析这些因素也可以使我们接下来更好的选择焊接工艺参数。
（1）保护气体的纯度。试验选用不低于的99.99%高纯氩保护气体是应用最为广泛的，也是锆材钨极氩弧焊的最佳气体。目前，国内所生产的氩气基本上能够满足锆及锆合金的焊接。气体中微量水分的含量，或称之为湿量，通常以“露点”表示，为了保证氩气的低含水量，对氩气提出了“露点”的要求，一般“露点”≯-40℃。一般保护气体流量越大，层流抵抗流动动气影响能力越强，但也要防止主喷嘴或保护罩内的流量过大而产生的相互间的干扰，气流由层流变成紊流，破坏掉焊接过程的正常进行，因此罩内与主喷嘴氩气流量要互相配合。
（2）喷嘴的形状。通过实践证明：锥形部分的喷嘴可起到对气体的缓冲，对保护的作用起到改善。它的直径与气体流量同时增加，那么保护区一定增大，其保护的效果也会好。但采用过大直径的喷嘴，就达不到焊接位置根部，将难以达到或者将影响焊工的视线，同样无法保证焊接质量。锆材焊炬上主喷嘴的内孔应大于不锈钢、铝及铝合金氩弧焊用的喷嘴内孔，但不超过22mm。喷嘴离工件的距离越远，保护效果越差。而距离太近的话则会影响操作者的视线。为了保护可靠，通常会取8～14mm，以10mm左右为佳。
（3）钨极外伸的长度越大，保护效果越差，而反之就越好。伸出的长度应以焊接规范来加以调整，原则是在便于操作的情况下，尽可能地保护好焊缝以及熔池，一般选取钨极直径的1.5～2倍。
（4）焊接的电流对保护效果也会稍有影响，直流正极性氩弧焊比交流氩弧焊稳定，气体保护效果良好，焊缝较为狭窄。交流氩弧焊时，焊缝金属容易被大气所污染。
（5）焊接速度发生改变时，通常对保护效果的影响不大，但在焊接锆材这类化学活泼性强的金属时，焊速不应该太快，否则易使正在凝固和冷却的焊缝母材被氧化致使变色。
3焊接工艺参数
接头形式为平缝焊接，按照图2要求将管板装配完好，换热管允许的最大伸出长度为1.5mm，换热板管孔处在加工过程中要开2×45°的坡口，手工定位焊两点使之固定，通常选择十二点和六点方面。主要焊接参数见表1。
图2管板装备及其剖面图
表1焊接工艺参数
4焊后组织评价
焊缝及热影响区金相组织如图3所示。
图3金相组织
从图3中可以看出焊缝组织为细板条状α相，HAZ组织为片状α相，组织的结构状态与冷却速度有关，从高温慢冷时，获得稍粗大的板条状α相，快速冷却时，获得细板条状α相，这两种结构应该均为锆马氏体，但它们的形态却不同，虽然这种α相有一定硬脆性，在一定程度上使接头硬度提高，是一种有害相，但这种组织强化作用较小，不会使接头韧性和塑性有明显降低现象[10]。
此外，我们利用TESCANVEGA3LM扫描电子显微镜对侵蚀好的焊缝熔合区进行了观察，熔合线清晰可见，如图4。
图4金相组织熔合区扫描电镜图
5总结
随着锆制换热器的成功制造，豪迈已经拥有了包括镍基合金、钛、锆在内的多种有色金属的加工制造能力。未来随着制造业的不断发展，我们有信心能够做的更好。
参考文献
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