锆制容器筒体环焊缝焊接方法探讨

1 备焊容器筒体；2 等离子焊炬；3 激光头；4 上保护罩；5 下保 护罩；6 输气（水）管；7 支座圈；8 输气（水）管夹头；9 支撑
杆；10 重锤；11 输气（水）软管
图 5 等离子弧焊焊接筒体环缝工装示意图
4.3 焊接接头型式选择 锆采用穿透型等离子弧焊，对于板厚小于 8mm（对于 SAF 机，厚度还可大些，以下同）的 板材，其对接坡口一般加工成“I”型；对于大于 8mm 的金属板材，一般采用经改进的新“Y”坡 口。传统的“Y”型坡口，由于在加工过程中，钝 边高度不容易准确测量，会导致局部地方钝边高 度超标，即使钝边高度不超标，筒体在旋转过程 中会产生纵向窜动，一般情况下人们认为等离子
弯曲试验 D=10a、α =180°
结论
GTAW PAW+GTAW
8~12.7
440~450 430~440
≥380 标准
侧弯 侧弯
合格 合格
表 4 等离子弧焊 + 氩弧焊锆焊缝背面氩气保护和水冷保护焊接接头力学性能对比表
焊缝背面 保护方式 氩气保护 水冷保护
板厚 （mm）
8～14.3
力学性能
抗拉强度 Rm（MPa）
为适应大型锆制压力容器的焊接，我们对锆 材的焊接，进行了手工氩弧焊、自动等离子弧焊 和自动等离子弧焊 + 氩弧焊盖面的对比试验。在 相同的保护气氛条件下，对这几种焊接方法进行 了焊接工艺评定，对焊接质量、焊接接头的力学 性能、工效进行了对比（详见表 1、表 2）。
表 1 手工氩弧焊、自动氩弧焊和自动等离子弧焊锆材焊接适应范围及工艺参数表
3.3 对于板厚大于 8mm 的锆板对接焊缝，我 们采用自动等离子弧焊 + 氩弧焊盖面；等离子弧 焊焊接时，对锆焊缝背面采用氩气保护，氩弧焊 盖面时采用水冷保护进行了对比试验，水冷保护 可更加有效地保护焊缝免受污染，且可大量节约 氩气，成本明显降低。其焊接质量和焊接接头的 力学性能仍符合要求（见表 3、表 4、表 5）。
焊接方式
手工氩弧焊 自动氩弧焊 自动等离子弧焊
熔敷金属厚度 （mm） 2~3 1~2 5~10
电流(A) 160~280 170~180 220~300
工艺参数
电压(V) 10~18 12~14 28~36
焊接速度 mm/min 120~150 180~200 200~250
焊接方法
GTAW PAW PAW+GTAW
3 焊接方法的试验及选择 对于锆材熔焊，目前大都采用氩弧焊，使用 纯度不低于 99.999％的氩气或氦气保护。对于小
尺寸的工件（或产品），可采用将被焊工件放入充 满氩或氦的可控气氛操作室（箱、袋）内进行焊 接；尺寸大的产品（如大型压力容器、塔器等）的 焊接，由于可控气氛操作室的建造成本太高，一 般采用局部保护。
图 6 等离子弧焊焊接筒体环缝图
弧很窄，没有宽度，但实际上等离子弧是有一定 宽度，所以在焊接过程中会熔掉非钝边坡口上的 材料，导致焊接厚度的增加。所以一旦筒体发生 窜动，焊枪不能及时跟随移动时就会产生弧柱偏 移焊道，从而使焊接厚度增加，产生未焊透、气 孔等缺陷，甚至使焊接过程中断。
为此，我们通过 5 种不同焊接接头型式的试 验，最终选定对于板厚大于 8mm 的，采用了如图 7 的新“Y”型坡口型式，对 8mm 以上的 B 部分，
图 1 等离子弧焊正面焊缝
图 2 氩弧焊正面焊缝
图 3 镍基合金等离子弧焊背面一次成形焊缝
图 4 锆等离子弧焊背面一次成形焊缝
锆焊缝颜色 保护效果 焊缝质量
检验结果
银白 优良 优良
金黄 良好 可用
可接受
表 5 保护效果对焊缝质量的影响
浅蓝
深蓝
青紫
暗灰
尚好
一般
较差
特差
尚好
一般
严重氧化、塑性显著下降 完全氧化焊接区脆化
材料
Zr-R60702 N10276
厚度 mm 14.3 14
电流 A
270~290 270~290
电压 V
29~32 27~28
表 8 焊接工艺参数
速度 cm/min 22~25 25~27
保护工质流量 L/min 氩气 冷却水 45~55 44~50 35~40 44~50
离子气 L/min 7.8~8.5 8.2~8.5
道位置发生偏移时，利用在等离子弧焊机头上的 左右移动微调开关，调节等离子弧焊枪的位置，使
护罩（见表 7），使温度在 300℃以上的焊缝都能够 得到保护气体的保护。
等离子弧焊枪的等离子弧柱始终对准焊道。将原
型号 NERTAMATIC 450
表 6 450 AC/DC 型全自动等离子弧焊机技术参数表
电源
表 2 手工氩弧焊、自动等离子弧焊锆焊接材料消耗对比表
试板规格
气体量
焊接材料
（mm）
（L）
（Kg）
1440
0.5
500 × 250 × 8
620
980
0.15
工时 （min）
18.5 3.3 5.8
表 3 手工氩弧焊、等离子弧焊 + 氩弧焊锆材焊接接头力学性能对比表
焊接方法
板厚 （mm）
力学性能
抗拉强度 Rm（MPa）
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自动等离子弧焊和自动等离子弧焊+氩弧焊盖面， 对容器筒体纵焊缝采用拖罩保护，效果良好，工 装也简便。但对于容器筒体环焊缝的焊接，因受 到筒体圆度和错边量影响，钨极与工件之间的距 离处于不断变化中，采用拖罩保护，实施比较困 难，保护效果很不理想，保护气体浪费很大，质 量也不稳定。而压力容器焊接过程中，环焊缝的 焊接量约占整个焊缝焊接量的 3/4，对于锆制大型 压力容器，不仅体积大，且筒体壁厚较厚，如果 纵、环焊缝焊接都使用传统的焊接方法（GTAW）， 工效较低，很难满足生产工期要求。
化工装备
问题与对策
锆制容器筒体环焊缝焊接方法探讨
王坚 杨俊 顾绍珏 左占科（云南大为化工装备制造有限公司，曲靖 655338）
摘 要：本文根据锆材的焊接特点，采用几种焊接方法进行了焊接试验和对比分析，对等离子焊机做了局部改装，设 计并制作了专用保护工装，结合锆材的焊接性能和自动等离子焊机的特点确定了焊接工艺参数，实现了对大型锆、镍基合 金容器筒体环焊缝自动焊接。
弯曲试验 D=10a、α =180°
440～450 460～480
≥ 380 标准
侧弯 侧弯
结论
合格 合格
从以上对比试验的结果分析： 3.1 3种焊接方法都可对锆材进行焊接，只要 保护措施得当，焊接接头的力学性能无差别。但 对于厚板的对接接头，在同等板厚（8mm）的条
件下，其焊接速度及焊接工效，等离子弧焊是手 工氩弧焊和自动氩弧焊的 4~6 倍，可以节约焊丝 70% 以上，节约保护气体 30% 以上。
关键词：锆制容器 焊接 筒体环焊缝
1 前言 锆具有优良的耐腐蚀性能，在某些腐蚀介质 中，其耐腐蚀性能甚至超过铌和钛。因此，在化 工设备中，常用于要求耐腐蚀极强的设备制造，如 国家发改委《“十一五”重大技术装备研制和重大 产业技术开发专项规划》中的大型甲醇低压羰基 合成醋酸成套设备专项，由于羰基化制醋酸生产 过程中，其介质中含有大量的碘甲烷、碘化氢、醋 酸、水等混合物，且温度较高。特别是碘甲烷，对 金属材料的腐蚀性极强，一般的不锈钢根本无法 使用, 不锈钢材料在醋酸中很容易产生腐蚀，因此 采用了锆、镍基合金及其复合板材料。云南大为 化工装备制造有限公司开发制造的 20 万吨 / 年醋 酸关键设备中就有特种材料设备 20 台（种），其中 锆（Zr-R60702）材料设备 12 台，锆钢复合板材料 设备 3 台，镍基合金（N10675、N010276）材料设 备 5 台。 锆材料虽然有良好的焊接性能，但锆非常活 泼，焊接时很容易与氢、氧、氮发生化学反应。所 以对锆材料设备的焊接，重点是对焊接部位进行 保护，防止焊接部位发生化学反应，影响锆设备 质量。锆焊接的保护主要采用局部保护。对于氩 弧焊，保护方法比较简单，一般采用拖罩充氩气 进行保护。但手工氩弧焊焊接大型锆制压力容器， 效率很低，质量也不稳定。云南大为化工装备制 造有限公司在锆制大型压力容器的焊接中，采用
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化工装备
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问题与对策
采用氩弧焊填充、盖面，有效地解决了这个问题， 取得了满意的效果。
图 7 锆板对接新“Y”坡口示意图
4.4 焊接工艺参数 4.4.1 根据我公司生产产品的情况，我们对板 厚为 14.3mm 的锆材（Zr-R60702）和 14mm 的镍 基合金（N10276）按规定进行了焊接工艺评定，确 定等离子弧焊的焊接工艺参数，如表 8。 4.4.2 保护气体：焊缝正面：采用 99.999％氩 气；焊缝背面：等离子弧焊焊接时，采用 99.999 ％氩气，在氩弧焊填充、盖面时采用自来水。
焊接板厚 mm
离子气 L/min
流量（L/min）
氩气
冷却水
230V、55A
1～10
10（Max）
15～20
5
实用焊接对象 锆（Zr-R60702） 镍基合金（N10276）
表 7 改进的大保护罩尺寸表
上、下保护罩
长
宽
尺寸（mm）
880
120
尺寸（mm）
380
80
高
弧度
30
同筒体内外弧度
30
同筒体内外弧度
3.2 用等离子弧焊封底可以减少焊道层数，焊
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化工装备
问题与对策
接热量输入小，减少填丝量和焊接变形，提高生 产效率。因为等离子弧焊接利用等离子弧能量集 中、温度高、离子流冲力大、刚直性好的特点，将 工件完全熔透，并将工件穿透形成小孔，随着小 孔的弥合形成“单面焊双面成形”焊缝（见图 3、 图4）。氩弧焊和等离子弧焊的焊缝外观见图1～图 4。
表面打磨 去除深蓝部分 后使用 焊缝金属后重焊
整条焊缝清除重焊
4 技术方案 由于本次焊接的产品尺寸大，焊缝总长度达 1000 多米，焊接工作量大，工期紧。我们选用了 焊接精度和焊接效率高的等离子弧焊 + 氩弧焊接 设备，并对其进行了改进，设计和制作了气体保 护罩，使保护罩始终对准焊缝的环焊缝工装，焊
喷嘴直径 mm 3.0 3.0
钨极直径 mm 3.2 3.2
内缩量 mm 1.8 1.8
4.5 焊前工件精度控制 为使焊接工作顺利进行和保证焊接质量，需 要对焊前工件精度进行控制。其方案是： 4.5.1 采用水切割下料，机械加工坡口，人工 对坡口修磨，保证下料精度。 4.5.2 利用数控卷板机进行筒节的卷制和校 圆，筒节的圆度误差进行了更加严格的控制，以 便于筒体的组对。为防止筒节两端直径增大影响 组装精度，对卷制和校圆的滚压次数进行了严格 的限制，确保了筒节质量。利用筒体组对工装对 筒体进行组对，控制组对精度，避免环焊缝焊接 时，因筒体的圆度和组对质量控制不好，筒体在 焊接滚轮架上转动时，出现较大的筒体环焊缝的 焊道上下跳动或轴向窜动而影响环焊缝的焊接质 量，使等离子弧焊无法正常实施。
4.2 环焊缝背面气体或水冷保护工装 环焊缝背面气体或水冷保护工装见图5，他主 要由带可伸缩的支座和下保护罩5组成，保护罩通 过保护罩座与输气管（输水管）6 连接，输气管由
可在支座圈 7 上自由转动的输气管装夹头 8 固定， 在输气管的另一端装有重锤10，保证下保护罩5始 终对准焊缝，氩气或冷却水通过输气（水）管和 保护罩对焊缝进行适时的保护。
本文就我公司在锆制大型压力容器的焊接中， 采用自动等离子弧焊和自动等离子弧焊 + 氩弧焊 盖面在焊接工装，焊接保护等，对筒体环焊缝的 焊接方法进行探讨。
2 锆的焊接性能分析 锆具有良好的焊接性能，可熔焊、钎焊、固 态焊等。但锆是非常活泼的金属，锆及锆合金 对环境中的氢、氧、氮等都有很强的亲和力。特 别是在高温下，锆容易与上述气体发生化学反 应，与氢在 200℃可生成氢化锆（ZrH2），在大 约 3 1 5 ℃的氢气氛中，锆会吸收氢而导致氢脆；与 氧在 300℃可生成氧化锆（ZrO3），在 550℃及以 上，与空气中的氧反应生成多孔的脆性氧化膜，在 700℃以上，锆吸收氧而使材料严重脆化；与氮在 600℃时，锆就会吸收氮生成氮化锆（ZrN）。而且，
缝正面采用氩气保护；对锆焊缝背面，等离子弧 焊时采用氩气保护，氩弧焊填充、盖面时采用水 冷保护的方案。
4.1 焊接设备选择及改进 焊接设备为法国 SAF 公司生产的 450 AC/DC 型全自动等离子弧焊机，技术参数见表 6。在焊机
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化工装备
问题与对策
头上加装了能始终瞄准焊道的激光跟踪仪，当焊 装于焊机焊枪上的气体保护罩改为尺寸较大的保
化工装备
问题与对策
由于锆金属的物理特性：熔点高（1852℃），导热 性差（在 100℃时为 5.67 × 10 － 3W/m·K，300℃ 时为 5.19 × 10 － 3W/m·K），热容量小（在 1000～ 1500℃时为 473J/kg·K）。与钢、铝、铜等的焊接 相比，锆的焊接熔池积聚的热量多，尺寸大，停 留时间长、冷却速度慢，容易生产焊缝污染。因 此在焊接过程中，不仅熔池要保护，而且焊后正 在冷却中的焊缝正面和背面都要得到很好的保护。