CN102808192B - 锆材焊接用水基清洗剂及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种锆材焊接用水基清洗剂及使用方法，属于锆材焊接技术领域。该清洗剂成分组成按照质量百分比为：聚乙二醇辛基苯基醚0.5~2%；脂肪醇聚氧乙烯醚5~8%；4A分子筛0.5~2%；偏硅酸钠2~6%；乙二醇丁酯3~5%；5-氯-2甲基-4-异噻唑啉-3-酮0.1~0.2%；去余量为离子水。使用方法如下：1、将锆材焊接件坡口放入上述水基清洗剂浸泡；2、使用水砂纸打磨焊接面；3、用去离子水超声处理焊接坡口；4、用去离子水喷淋焊接坡口；5、烘干；6、施焊。应用本发明，既可减少环境污染，又能显著提高焊接坡口的清洗效果，防止在焊缝处形成焊接缺陷，提高焊接件焊缝的耐腐蚀性。

Description

锆材焊接用水基清洗剂及使用方法

技术领域

本发明涉及一种锆材焊接用水基清洗剂及其使用方法，采用本发明中的水基清洗剂及其使用方法对工业锆材焊接件焊接坡口进行焊接前表面处理，可保障锆材焊接件焊缝质量，提高锆材焊接件焊缝的耐腐蚀性能，属于焊接技术领域。

背景技术

    工业锆材是指铪含量低于5%的锆合金，具有密度低、比强高、耐腐蚀、加工性能优异等特点，因而广泛应用于核能、化工、储氢、光学、医药卫生等诸多领域，常作为压力容器等化工设备的首选材料。在工业实际中，由于常使用的是锆材的焊接件，而锆在高温下的活性较高，焊接时，如果焊接坡口处理不干净，易与焊接件坡口表面残存的金属氧化物、油污等发生反应，形成金属间化合物、夹杂、气孔等焊接缺陷，严重影响锆材焊接件的焊接质量，从而导致锆材压力容器或管路设备在焊缝处发生腐蚀、破裂现象，造成严重安全事故和重大经济损失。

    锆材焊接件坡口传统的焊接前表面处理方法是酸洗。常用的酸洗溶液是由工业氢氟酸HF，工业硝酸HNO₃和水H₂O，按照体积比为1:5:4的比例配置而成。焊接件坡口酸洗后再经磨光机打磨、不锈钢钢丝轮清理、抛光轮抛光处理，最后使用丙酮或无水乙醇清洗，完成焊接前的表面处理工作。由于传统的酸洗方法中使用大量的强酸类恶性物质，不仅对环境造成极大污染，而且焊接件表面易残留油污和金属化合物，在后续焊接过程中形成焊接缺陷，严重影响焊缝质量，降低了焊缝的耐腐蚀性能，制约了工业锆材的应用和发展。

发明内容

本发明的目的，在于针对工业锆材焊接件焊接前传统酸洗表面处理方法存在的问题，提出了一种锆材焊接件焊接用水基金属清洗剂及使用方法，用于锆材焊接件焊接前的表面处理。应用本发明，既可减少环境污染，又能显著提高焊接坡口的清洗效果，防止在焊缝处形成焊接缺陷，提高焊接件焊缝的耐腐蚀性。 

本发明提出的锆材焊接件焊接用水基清洗剂，按照质量百分比包括如下组分：

聚乙二醇辛基苯基醚       0.5~2%；

脂肪醇聚氧乙烯醚          5~8%；

     4A分子筛            0.5~2%；

     偏硅酸钠              2~6%；

    乙二醇丁酯             3~5%；

                5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮      0.1~0.2%；

                        去离子水              余量。

按照上述比例准备各组分，加热至40~50°C搅拌至完全溶解，即为本发明的锆材焊接用水基清洗剂。

按照上述水基清洗剂的配方，配制适合工业锆材焊接前表面处理的的水基清洗剂，按照以下方法使用：

步骤1、将待焊接的工业锆材焊接件放入上述所得水基清洗剂中浸泡5~15min；

步骤2、用200~400#水砂纸打磨焊接坡口，打磨过程均应在水基清洗剂中进行，使焊接坡口出现金属光泽且粗糙度小于Ra6.3；

步骤3、将经过上述处理后的焊接坡口放入装有去离子水的超声波清洗器中进行超声处理，控制去离子水的温度为40~50°C，超声波频率为50~70KHz，超声波处理时间为1~3min；

步骤4、将经超声波清洗后的焊接件取出，使用去离子水喷淋焊接坡口表面，时间为1~3min；

步骤5、将经喷淋处理后的锆材焊接件放入真空干燥箱内进行烘干，温度控制为100~140°C，时间为20~40min，处理结束。

处理结束后即可对锆材焊接件进行施焊。

本发明所述的一种锆材焊接件焊接用水基清洗剂及使用方法，解决了工业锆材焊接件因焊接坡口表面清洗不干净，导致在焊缝处易产生焊接缺陷这一技术难题，适用于钨极氩弧焊、等离子弧焊、激光焊等焊接工艺的坡口焊接前表面处理。与传统的酸洗工艺相比，操作方便，对人体和周围环境影响小。

本发明的特点是利用表面活性剂的协同作用，通过与工业锆材表面的油污发生润湿、渗透作用，使得油污在工业锆材表面的附着力减弱或抵消，再通过超声波振荡和喷刷的方法，加速油污脱离锆材表面而进入清洗剂中被乳化、分散，从而达到清洗目的。

    本发明采用的聚乙二醇辛基苯基醚、脂肪醇聚氧乙烯醚均为清洗剂行业熟知的化学成分。其中聚乙二醇辛基苯基醚是一种非离子型表面活性剂，具有优异的乳化、润湿、扩散、去油性能。脂肪醇聚氧乙烯醚的生物降解能力好，能够在低温、低泡、硬水的环境下使用，适合用作乳化剂、分散剂、去污效果显著； 4A分子筛、乙二醇丁酯、偏硅酸钠作为水基金属清洗剂中常用的助洗剂，起到螯合、缓蚀、消泡、增溶、稳定清洗剂等作用。其中4A分子筛具有很多空穴，因而有很大的吸附表面，对非离子表面活性剂的吸附力极强，在溶液中呈碱性有一定的缓冲作用。同时该材料对人体、鱼、藻类安全无毒，避免了含磷化合物的清洗剂由于废水处理不当导致水体富营养化这一问题；加之该水基金属清洗剂与5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮防腐剂相结合，从而使得工业锆材在实际生产中的耐酸、耐碱、抗硬水以及微生物腐蚀的性能显著提高，从而达到提高工业锆材耐腐蚀性的目的。

    综上所述，本发明与已有传统技术相比，具有优点如下：（1）、去污力强，抗硬水，使用时不受温度限制。（2）、清洗剂中无强碱、磷、亚硝酸钠等助洗剂，安全无害，对环境友好。（3）、对金属不腐蚀且缓蚀防锈效果好，显著提高工业锆材焊接件的耐腐蚀性。所以该水基清洗剂是一种适合工业锆材焊接前进行表面处理的环保型水基清洗剂。

附图说明

图1 母材和焊丝牌号、规格和化学成分；

图2钨极氩弧焊主要焊接工艺参数。

图3 水基清洗剂检验结果；

图4 按照传统酸洗工艺清洗锆材，所得焊接件焊缝处的金相组织；

图5 按照实施例1中水基清洗剂配方清洗锆材，所得焊接件焊缝处的金相组织；

    图6 按照传统酸洗工艺清洗锆材，所得焊接件焊缝处的极化曲线；

图7 按照实施例1中水基清洗剂配方清洗锆材，所得焊接件焊缝处的极化曲线。

具体实施方式

    下述实施例中所用工业锆材的牌号是R60702，焊接件的大小是长×宽×高为200×60×3mm的板材，所用焊丝为ERZr2，直径2.4mm。焊接所用母材和焊丝的牌号及化学成分见图1。

实验中采用的焊接方式为钨极氩弧焊（即TIG焊）。选用ZX7-400STGⅢ焊机对锆R60702板材进行TIG焊焊接。焊接前使用本发明的水基清洗剂清洗待焊试样表面，

并在30min内完成焊接。施焊时选用组对点焊，保证组对间隙为1mm左右。将锆板试样放至拼焊平台，用工装将焊口两端压紧，便于放入保护拖罩，焊接时背面及正面使用拖罩保护，采用单面焊双面成型。焊接时所选用的保护气体为高纯度氩气，含量大于99.99%。钨极氩弧焊主要焊接工艺参数见图2。

对实施例中配制所得的水基清洗剂按照据国家通用水基金属净洗剂QB/T2117-95标准，对其各项技术性能指标进行检测；并对经水基清洗剂清洗后的锆材焊接件，按照QJ1665-95标准检验焊缝强度是否达标；同时检测锆材焊接件在100°C的75%H₂SO₄中反应100小时的耐腐蚀性，计算腐蚀速率。

实施例1

本实施例中所采用新型锆材焊接件焊接用水基清洗剂配方及使用方法：

（1）配制适合工业锆材焊接前表面处理的的水基清洗剂，其各组分按照质量百分比如下：

聚乙二醇辛基苯基醚      1%；

 脂肪醇聚氧乙烯醚       7%；

4A分子筛            1%；

    偏硅酸钠             4%；

   乙二醇丁酯            4%；

                  5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮    0.15%；

                         去离子水            余量。

按照上述比例准备各组分,加热至45°C搅拌至完全溶解，即为本发明的锆材焊接用水基清洗剂。

（2）将已制备好的2块200×60×3mm的锆板（待焊接件）放入上述所得水基清洗剂中浸泡10min，再用200-400#水砂纸打磨焊接坡口表面，打磨过程均在清洗液中进行，直至，使焊接坡口表面出现金属光泽且粗糙度小于Ra6.3；

（3）将经过上述处理后的焊接件放入超声波清洗器中进行超声处理，控制清洗器中去离子水的温度为45°C，超声频率为60KHz，超声时间为2min；

（4）将经超声处理后的焊接件取出，使用去离子水喷淋焊接件坡口表面，时间为2min；

（5）将经喷淋处理后的工业锆材焊接件放入真空干燥箱内进行烘干，温度控制为120°C，时间为30min；

（6）将经过上述清洗后的2块锆板材焊接件进行施焊。

实施例2

本实施例中所采用新型锆材焊接件焊接用水基清洗剂配方及使用方法：

（1）配制适合工业锆材焊接前表面处理的的水基清洗剂，其各组分按照质量百分比如下：

聚乙二醇辛基苯基醚      2%；

 脂肪醇聚氧乙烯醚       5%；

      4A分子筛          0.5%；

    偏硅酸钠            6%；

   乙二醇丁酯           5%；

                   5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮   0.1%；

                          去离子水           余量。

按照上述比例准备各组分，加热至40°C搅拌至完全溶解，即为本发明的锆材焊接用水基清洗剂。

（2）将已制备好的2块200×60×3mm的锆板（待焊接件）放入上述所得水基清洗剂中浸泡5min，再用200-400#水砂纸打磨焊接坡口表面，打磨过程均在清洗液中进行，直至，使焊接坡口表面出现金属光泽且粗糙度小于Ra6.3；

（3）将经过上述处理后的焊接件放入超声波清洗器中进行超声处理，控制清洗器中去离子水的温度为50°C，超声频率为70KHz，超声时间为3min；

（4）将经超声处理后的焊接件取出，使用去离子水喷淋焊接件坡口表面，时间为3min；

（5）将经喷淋处理后的工业锆材焊接件放入真空干燥箱内进行烘干，温度控制为100°C，时间为40min；

（6）将经过上述清洗后的2块锆板材焊接件进行施焊。

实施例3

本实施例中所采用新型锆材焊接件焊接用水基清洗剂配方及使用方法：

（1）配制适合工业锆材焊接前表面处理的的水基清洗剂，其各组分按照质量百分比如下：

聚乙二醇辛基苯基醚      0.5%；

 脂肪醇聚氧乙烯醚       8%；

4A分子筛            2%；

    偏硅酸钠             2%；

   乙二醇丁酯           3%；

                  5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮    0.2%；

                           去离子水          余量。

按照上述比例准备各组分，加热至50°C搅拌至完全溶解，即为本发明的锆材焊接用水基清洗剂。

（2）将已制备好的2块200×60×3mm的锆板（待焊接件）放入上述所得水基清洗剂中浸泡15min，再用200-400#水砂纸打磨焊接坡口表面，打磨过程均在清洗液中进行，直至，使焊接坡口表面出现金属光泽且粗糙度小于Ra6.3；

（3）将经过上述处理后的焊接件放入超声波清洗器中进行超声处理，控制清洗器中去离子水的温度为40°C，超声频率为50KHz，超声时间为1min；

（4）将经超声处理后的焊接件取出，使用去离子水喷淋焊接件坡口表面，时间为1min；

（5）将经喷淋处理后的工业锆材焊接件放入真空干燥箱内进行烘干，温度控制为140°C，时间为20min；

（6）将经过上述清洗后的2块锆板材焊接件进行施焊。

实施例清洗效果分析

按照实施例1~3中所述清洗剂配方所得水基清洗剂是一种浅黄色的半透明状液体。使用该清洗剂对待焊锆材进行清洗后，在射灯下通过放大镜观察锆材坡口，发现无明显油污、加工碎屑、粉尘颗粒等污染物。依据国家通用水基金属净洗剂QB/T2117-95检验标准，对该清洗剂的各项技术性能指标进行检测，其结果如图3所示。

    再对所得锆材焊接件进行检验，得焊缝强度达到QJ1666-95的焊缝要求；再在100°C的75%H₂SO₄中反应100小时检测焊接件的耐腐蚀性，计算测试三个实施例所得焊接件的腐蚀速率分别为：0.05、0.08、0.09mm/a。说明使用本发明的水基清洗剂大大提高了锆材焊接件的综合质量。

对比例：采用传统酸洗溶液及使用方法

（1）配制传统酸洗溶液，各组分按照体积百分比如下：

                 氢氟酸HF：硝酸HNO₃：水H₂O=1:5:4

（2）将已制备好的2块200×60×3mm的锆板（待焊接件）放入上述酸洗溶液中浸泡10分钟。

（3）再将焊接坡口在磨光机上打磨、用不锈钢钢丝轮清理、抛光轮抛光处理。

（4）使用丙酮或无水乙醇清洗。

（5）将经过上述清洗后的2块锆板材焊接件进行施焊。

分别从金相形貌、腐蚀速率、电化学性能三个方面，将对比例（传统酸洗溶液及使用方法）和实施例1（采用新型锆材焊接件焊接用水基金属清洗剂及使用方法）所得焊接件进行比较。

（1）金相形貌比较

图4和图5是两种不同清洗方法所得工业锆材焊接件焊缝处的金相组织对比；其中图4代表按照传统酸洗工艺清洗锆材，所得焊接件焊缝处的金相组织，图5代表按照实施例1中水基清洗剂配方清洗锆材，所得焊接件焊缝处的金相组织。对比两种不同清洗方法处理工业锆材所得焊接件焊缝处的金相组织形貌，如图4、图5所示。从图中可以看出，传统酸洗条件下所得焊接件焊缝处的组织呈现为典型的树枝晶形貌，但其中部分的枝晶发生重熔或在其根部被熔断等现象。同时可观察到在树枝晶的枝间存在夹杂物、气孔等焊接缺陷，这是由于焊接前表面处理不彻底造成。按照本发明的水基清洗剂处理所得焊接件焊缝处的组织形貌呈现出光滑的树枝晶，无任何焊接缺陷，说明焊接件表面清洗彻底。

（2）耐化学腐蚀性能比较

对比两种不同清洗方法处理工业锆材所得焊接件在腐蚀介质为：100°C的75%H₂SO₄中反应100小时后的腐蚀速率。其中按照传统酸洗工艺所得工业锆材焊接件在该腐蚀条件下的腐蚀速率为0.51mm/a，而按照本发明的水基清洗剂处理后的工业锆材焊接件在相同的腐蚀条件下的腐蚀速率仅为0.05mm/a。

（3）电化学性能比较

    图6和图7是两种不同清洗方法所得工业锆材焊接件焊缝处的极化曲线对比；其中  图6是按照传统酸洗工艺清洗锆材，所得焊接件焊缝处的极化曲线，图7是按照实施例1中水基清洗剂配方清洗锆材，所得焊接件焊缝处的极化曲线。通过比较两种不同清洗工艺处理工业锆材所得焊接件焊缝处的极化曲线如图6、图7所示，对比二者的耐腐蚀性差异。从图中可以得到，按照传统工艺所得焊接件焊缝的极化曲线，其自腐蚀电位E=-0.1120V，自腐蚀电流logi=-8.0485；而经过本发明的水基清洗剂处理的工业锆材焊接件焊缝处的极化曲线，其自腐蚀电位E=0.1333V，自腐蚀电流logi=-9.1648。根据极化曲线判断材料耐腐蚀性好坏的方法：自腐蚀电位越大，自腐蚀电流越小，耐腐蚀性越好，可以看出经本发明的水基清洗剂处理后的工业锆材焊接件的耐腐蚀性好。

综合以上可以看出，使用本发明的水基清洗剂及其使用方法来处理工业锆材焊接件，与传统酸洗溶液及其使用方法比较，对焊接件表面油污处理彻底，同时可大幅度提高工业锆材焊接件的耐腐蚀性。

Claims (3)

1.一种锆材焊接用水基清洗剂，其特征在于成分组成按照质量百分比为：

 聚乙二醇辛基苯基醚      0.5~2%；

 脂肪醇聚氧乙烯醚        5~8%；

      4A分子筛            0.5~2%；

     偏硅酸钠             2~6%；

   乙二醇丁酯            3~5%；

   5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮  0.1~0.2%；

去离子水              余量。

2.根据权利要求1所述的锆材焊接用水基清洗剂，其特征在于成分组成按照质量百分比为：

 聚乙二醇辛基苯基醚      1%；

  脂肪醇聚氧乙烯醚       7%；

   4A分子筛             1%；

    偏硅酸钠             4%；

   乙二醇丁酯            4%；

5-氯-2-甲基-4-异噻唑啉-3-酮    0.15%；

   去离子水               余量。

3.权利要求1所述锆材焊接用水基清洗剂的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将待焊接的工业锆材焊接件放入上述水基清洗剂中浸泡5~15min，

步骤2、用200~400#水砂纸打磨焊接坡口，打磨过程均在上述水基清洗剂中进行，使焊接坡口出现金属光泽且粗糙度小于Ra6.3；

步骤3、将经过上述处理后的焊接坡口放入装有去离子水的超声波清洗器中进行超声处理，控制去离子水的温度为40~50°C，超声波频率为50~70KHz，超声波处理时间为1~3min；

步骤4、将经超声波清洗后的焊接件取出，使用去离子水喷淋焊接坡口表面，时间为1~3min；

步骤5、将经喷淋处理后的锆材焊接件放入真空干燥箱内进行烘干，温度控制为100~140°C，时间为20~40min，处理结束。

Images