專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鋯管道現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接工藝，具體涉及一種鋯管道現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝。

背景技術(shù)：
隨著我國(guó)能源項(xiàng)目的不斷開(kāi)發(fā)，民用化工中醋酸工程在西部發(fā)展較快；在榆林醋酸項(xiàng)目中鋯管道作為工程重點(diǎn)，鋯材焊接就成為關(guān)鍵。
鋯作為一種活潑性很強(qiáng)的貴重金屬，在核能、航空航天等國(guó)家戰(zhàn)略行業(yè)應(yīng)用較多，化工裝置主要應(yīng)用其優(yōu)異的耐腐蝕性。
鋯是位于元素周期表第IVA副族元素，與金屬鈦相似；室溫下，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格金屬，為α-Zr結(jié)構(gòu)，其綜合性能良好，加熱、冷卻過(guò)程有相變。室溫下力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度380MPa，屈服強(qiáng)度205MPa伸長(zhǎng)率16％，相對(duì)鈦及鈦合金其塑性、韌性較差。鋯也屬于鈍化型金屬，其生成的致密鈍化膜能耐大多數(shù)有機(jī)酸、無(wú)機(jī)酸、強(qiáng)堿、熔融鹽、高溫水及液態(tài)金屬的腐蝕，常壓沸點(diǎn)溫度以下，對(duì)所有濃度的鹽酸有優(yōu)異的耐腐蝕性，但不能抵御氫氟酸的侵蝕。鋯材是反應(yīng)堆工程中常用材料，近年來(lái)由于其優(yōu)良的耐酸性，民用化工工程也被廣泛采用，但由于鋯金屬焊接的極易氧化性，給其結(jié)構(gòu)的焊接生產(chǎn)帶來(lái)了困難，尤其是化工工藝管道的現(xiàn)場(chǎng)安裝，防止焊接接頭的氧化需要采取特殊的保護(hù)措施和焊接工藝才能夠達(dá)到目的。
鋯的化學(xué)活性很高，與鈦相似，對(duì)環(huán)境氣體中的C、O、H、N等氣體都有很強(qiáng)的親和力。不僅使焊縫的塑性和韌性明顯變差，還會(huì)使焊接接頭抗腐蝕性下降，尤其是氮和碳應(yīng)嚴(yán)格控制；加熱到200℃、300℃、400℃時(shí)分別與氧、氫、氮開(kāi)始反應(yīng)。另外，其比較低的比熱0.28(J/g.K)和熱導(dǎo)率0.18(W/cm.K)延長(zhǎng)了接頭熱影響區(qū)與氫、氧、氮反應(yīng)時(shí)間，接頭溶解少量氫、氧、氮硬度強(qiáng)度提高明顯，塑性、韌性急劇下降。在高溫下還會(huì)與碳和碳化物及鐵離子起反應(yīng)，而增加脆性。氫還能夠使焊縫產(chǎn)生裂紋，并隨時(shí)間推移持續(xù)破裂。另一方面鋯的線(xiàn)膨脹系數(shù)低5.8×10-6(1/℃)和彈性模量小，有益于控制焊接變形，焊后殘余應(yīng)力?。缓附訒r(shí)熔池的流動(dòng)性好，熔池可控性良好，不易產(chǎn)生夾渣、未熔合等缺陷，易于焊接操作；采用氬弧焊，等離子焊，電子束焊等方法均可實(shí)現(xiàn)焊接。因此鋯管道焊接接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能取決于對(duì)氫、氧、氮、碳、鐵離子等浸入母材金屬量的控制，采取什么樣的保護(hù)措施、如何控制焊接熔池溫度是接頭質(zhì)量的關(guān)鍵，合理的保護(hù)措施及恰當(dāng)?shù)暮附硬僮魇谦@得滿(mǎn)意焊接接頭性能的保障。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述背景技術(shù)中的不足之處，提供一種鋯管道現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝，能有效的防止焊縫及熱影響區(qū)金屬受大氣污染，并在施工現(xiàn)場(chǎng)條件下，能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種鋯管道現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝，依次包括下述步驟 (1)焊件的預(yù)處理 選擇50～55°小于標(biāo)準(zhǔn)值的坡口形式，焊前先對(duì)焊件焊接部位采用機(jī)械方法去其表面的氧化膜，然后用3-7重量份HF+40-50重量份HNO2+50重量份水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將焊件烘干后開(kāi)始焊接； (2)焊接過(guò)程的保護(hù) 焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護(hù)，管內(nèi)壁保護(hù)時(shí)應(yīng)在通氣數(shù)秒后開(kāi)始焊接，整個(gè)焊接過(guò)始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后撤掉保護(hù)，正面保護(hù)采用移動(dòng)式保護(hù)拖罩； 上述過(guò)程中，焊接工藝參數(shù)的選擇及控制為 焊接時(shí)焊接熱輸入控制在0.8-1.5KJ/mm，控制層間溫度小于150℃。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和效果如下 1、本發(fā)明研究了鋯材在一般自然環(huán)境下的焊接特性。鋯具有很好的抗腐蝕性，但是由于其化學(xué)性能活潑，在中溫條件下即可與環(huán)境氣體中的C、O、H、N等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其化合物直接影響焊縫性能。鋯材焊接對(duì)環(huán)境的要求十分苛刻，理想狀態(tài)是在真空或純惰性氣體空間內(nèi)進(jìn)行。由于其焊接不易操作，直接限制了它的使用范圍，國(guó)內(nèi)還沒(méi)鋯材焊接標(biāo)準(zhǔn)。本焊接工藝在參照ASME標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)、分析、檢驗(yàn)，結(jié)果其焊接接頭的力學(xué)性能滿(mǎn)足并超過(guò)了ASME標(biāo)準(zhǔn)的要求。
2、本發(fā)明安全、可靠，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
3、本發(fā)明經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益可觀，值得在同行業(yè)推廣。

具體實(shí)施例方式 1.焊接方法 焊接方法采用非熔化極氬弧焊，為了能夠有效地控制熔池溫度，降低焊接區(qū)域的溫度，充分利用焊機(jī)脈沖可調(diào)性好，調(diào)節(jié)范圍寬的性能選擇參數(shù)，實(shí)現(xiàn)小熔池快速焊的目的。
2、焊接設(shè)備 焊接設(shè)備為進(jìn)口TETRIX421多功能脈沖氬弧焊機(jī)和國(guó)產(chǎn)Nebula500多功能數(shù)字焊機(jī)，都具備高頻脈沖引弧、熄弧、電流衰減、提前送氣、延時(shí)停氣、脈沖頻率及時(shí)間的調(diào)節(jié)等程序功能。
3、材料 試驗(yàn)管材采用了ASME SB551-2004標(biāo)準(zhǔn)中的三種規(guī)格的板卷制焊管和無(wú)縫管，分別是

化學(xué)成分、力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2 表1化學(xué)成分
表2力學(xué)性能
試驗(yàn)焊絲采用ASME SFA-5-24標(biāo)準(zhǔn)氬弧焊絲，規(guī)格、化學(xué)成分見(jiàn)表3 表3焊絲化學(xué)成分
選擇坡口形式時(shí)考慮到隨著焊接層數(shù)的增多，焊縫累計(jì)吸氣量增加，導(dǎo)至影響焊接接頭性能的可能性，本著盡量減少焊接層數(shù)、降低熱輸入的原則，選擇了50～55°小于標(biāo)準(zhǔn)值的坡口形式。焊前對(duì)焊件待焊接部位機(jī)械方法去除其表面的氧化膜，后用(3-7％)HF+(40-50％)HNO2+50％水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將水烘干后可開(kāi)始焊接。施焊位置為轉(zhuǎn)動(dòng)平位置焊接，單面焊雙面成型。
4、焊接過(guò)程的保護(hù) 針對(duì)鋯焊接易氧化的特性，結(jié)合產(chǎn)品特征，設(shè)計(jì)選用了不同的保護(hù)工裝(例如根據(jù)管徑不同，分別采用全保護(hù)和局部保護(hù)方式，既便于操作，又節(jié)約成本)；通過(guò)內(nèi)、外保護(hù)工裝及焊槍?zhuān)购附咏宇^得到了良好的保護(hù)；合適的工裝有效防止了接頭中、高溫區(qū)域的氧化，通過(guò)保護(hù)氣和內(nèi)、外及焊槍保護(hù)氣的統(tǒng)一合理調(diào)配，滿(mǎn)足了鋯材焊接的要求。焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護(hù)，管內(nèi)壁保護(hù)時(shí)應(yīng)在通氣數(shù)秒后開(kāi)始焊接，整個(gè)焊接過(guò)始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后才可撤掉保護(hù)。正面保護(hù)采用移動(dòng)式保護(hù)拖罩，拖罩的制作要求要能夠在焊接過(guò)程中始終保護(hù)150℃范圍的金屬受到高純氬的保護(hù)。
5、焊接工藝參數(shù)的選擇及控制 鋯金屬熔點(diǎn)較高(1845℃)劃類(lèi)為難熔金屬，應(yīng)當(dāng)選用較大的規(guī)范，但由于鋯金屬低的比熱和熱導(dǎo)率，焊接過(guò)程中熱量損失少，采用過(guò)高的熱輸入，工件的冷卻速度過(guò)慢，焊接影響區(qū)增寬，高溫狀態(tài)下接頭的氧化敏感性增加，焊接接頭的塑性指標(biāo)和抗腐蝕性能降低。因此，保證焊接接頭良好的塑性性能和抗腐蝕性，控制熱輸入是一個(gè)重要的方面，焊接試驗(yàn)時(shí)焊接熱輸入控制在0.8-1.5KJ/mm，控制層間溫度不能超過(guò)150℃，主要工藝參數(shù)見(jiàn)表4 表4鎢極氬弧焊主要工藝參數(shù) 6、工藝試驗(yàn)結(jié)果分析 焊接工藝試驗(yàn)評(píng)定采用ASME第IX卷及ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)，各項(xiàng)性能試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，通過(guò)對(duì)鋯材的物理性能特點(diǎn)的了解，基本確認(rèn)鋯材物理特性的變化主要受金屬高溫狀態(tài)下氧化程度的影響，除了從焊后外觀顏色上判斷氧化程度外，接頭的強(qiáng)度、彎曲塑性指標(biāo)也反映材料的氧化程度，基于這一點(diǎn)在ASME標(biāo)準(zhǔn)中僅規(guī)定了工藝評(píng)定合格的指標(biāo)是以拉伸強(qiáng)度和彎曲角度為判斷依據(jù)，通過(guò)對(duì)幾組保護(hù)效果不同試件進(jìn)行的物理試驗(yàn)，表現(xiàn)出了明顯的性能變化各組力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6 表5企業(yè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能測(cè)試值
表6ASME標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能測(cè)試值
從表5幾組式樣的力學(xué)指標(biāo)能夠看出無(wú)論接頭表面是否呈現(xiàn)出氧化其強(qiáng)度指標(biāo)都滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，且反映出隨著接頭氧化程度的增加，其強(qiáng)度值明顯增高的趨勢(shì)，符合鋯金屬隨金屬含氧量的增加強(qiáng)度增加的特性。同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也反映焊接接頭的氧化程度與彎曲值(塑性)有明顯的因果關(guān)系，氧化程度嚴(yán)重，彎曲拉伸面開(kāi)裂的程度也越嚴(yán)重，直至失去塑性，另一方面雖然8t彎軸直徑其彎曲拉伸面纖維延伸率已明顯大于母材標(biāo)準(zhǔn)值16％，但是當(dāng)金屬表面呈銀白色的最佳保護(hù)效果時(shí)，同樣可以獲得無(wú)缺陷的彎曲合格指標(biāo)。
從表6能夠看出當(dāng)采用不大于鋯金屬許用的延伸率16％即ASME標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10彎軸直徑試驗(yàn)時(shí)，同樣的試件盡管存在輕微的氧化，但仍能滿(mǎn)足試驗(yàn)對(duì)材料塑性的要求。
兩種試驗(yàn)條件都能夠反映出鋯材焊接接頭力學(xué)試驗(yàn)不僅可以測(cè)定出焊接接頭受熱影響后的力學(xué)性能變化，同時(shí)也能夠檢驗(yàn)焊接接頭受氫、氧、氮、碳及鐵離子侵蝕的影響。
7、結(jié)論 (1)了解了鋯金屬的性能特點(diǎn)和焊接特性，做好焊接前對(duì)工件的各項(xiàng)預(yù)處理工作，采取嚴(yán)格有效的保護(hù)措施和恰當(dāng)焊接工藝參數(shù)，是保證獲得優(yōu)良焊接接頭的關(guān)鍵。
(2)焊后通過(guò)對(duì)焊縫和熱影響區(qū)表面顏色的判斷，能夠準(zhǔn)確的判定焊接過(guò)程的保護(hù)效果，從而判定焊接接頭的綜合性能。鋯金屬焊后氧化程度判定見(jiàn)表7 表7焊縫表面顏色質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) (3)目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于鋯合金化工管道工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及針對(duì)鋯材抗腐蝕性的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，ASME標(biāo)準(zhǔn)也未規(guī)定抗腐蝕試驗(yàn)的要求，由于鋯材焊接接頭的抗腐蝕性能完全取決于焊接加工過(guò)程中母材受氫、氧、氮、碳及鐵離子侵蝕的程度，因此通過(guò)增加彎曲試驗(yàn)的苛刻性，反映焊接接頭的韌性的同時(shí)，也能間接的體現(xiàn)接頭的氧化程度。
權(quán)利要求
1.一種鋯管道現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝，其特征在于
(1)焊件的預(yù)處理
選擇50～55°小于標(biāo)準(zhǔn)值的坡口形式，焊前先對(duì)焊件焊接部位機(jī)械方法去除其表面的氧化膜，后用3-7重量份HF+40-50重量份HNO2+50重量份水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將水烘干后開(kāi)始焊接；
(2)焊接過(guò)程的保護(hù)
焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護(hù)，管內(nèi)壁保護(hù)時(shí)應(yīng)在通氣數(shù)秒后開(kāi)始焊接，整個(gè)焊接過(guò)始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后撤掉保護(hù)，正面保護(hù)采用移動(dòng)式保護(hù)拖罩；
(3)焊接工藝參數(shù)的選擇及控制
焊接時(shí)焊接熱輸入控制在0.8-1.5KJ/mm，控制層間溫度小于150℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋯管道現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝，其能有效的防止焊縫及熱影響區(qū)金屬受大氣污染；在施工現(xiàn)場(chǎng)條件下，能夠獲得優(yōu)良的焊接接頭。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為(1)焊件的預(yù)處理選擇50～55°小于標(biāo)準(zhǔn)值的坡口形式，焊前先對(duì)焊件焊接部位機(jī)械方法去除其表面的氧化膜，再用3-7重量份HF+40-50重量份HNO2+50重量份水溶液擦拭脫脂，然后清水清洗，將水烘干后開(kāi)始焊接；(2)焊接過(guò)程的保護(hù)焊接全部采用不低于99.999％高純氬保護(hù)，管內(nèi)壁保護(hù)時(shí)應(yīng)在通氣數(shù)秒后開(kāi)始焊接，整個(gè)焊接過(guò)始終保持背面充氣直至焊件溫度降至150℃后撤掉保護(hù)，正面保護(hù)采用移動(dòng)式保護(hù)拖罩。
文檔編號(hào)B23K9/095GK101758324SQ20091021893
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者龔固, 趙浩, 袁黎明, 李麗紅, 張來(lái)民, 黃明發(fā), 陳慶方, 邸亞秋, 宋華 申請(qǐng)人:陜西化建工程有限責(zé)任公司