鈦及鈦合金真空自耗電弧熔煉自耗電極“破斷”原因分析

摘要：本文分析了鈦及鈦合金真空自耗電弧熔煉中自耗電極“破斷”的各種原因：電極塊疏松、自耗電極組焊不牢靠、熔煉前爐內焊接不牢靠、熔煉參數(shù)及應急操作，提出了解決方案。通過實踐總結，對原料混合均勻，采取合適的壓力及保壓時間，電極塊致密性好，且組焊的電極間接觸緊密，焊點熔池深度達3mm以上，用加強筋加固電極焊縫處，以及保證焊接時的導電面積及焊接面積達到70%以上、選取合適的熔煉參數(shù)，短弧操作，不僅可以避免發(fā)生破斷事故，而且提高了規(guī)模化生產(chǎn)中鈦及鈦合金大規(guī)格鑄錠的質量及生產(chǎn)效率。

關鍵詞：鈦及鈦合金 真空自耗電弧熔煉 破斷

1 概述

目前，生產(chǎn)鈦及鈦合金鑄錠的基本方法仍為真空自耗電弧 (Vacuum Arc Remehing，VAR) 熔煉，此方法不僅能提供致密的鑄錠，而且在不同程度上可以將金屬材料提純。

由于當前工業(yè)對大型鍛件的需求，大規(guī)格鑄錠也應運而生，國外工業(yè)發(fā)達國家熔煉鈦鑄錠噸位多為8～15t[1]，國內最高達12噸。用VAR法熔煉大規(guī)格鈦合金過程中，由于自耗電極強度不能承受自重及熔煉升降震動的影響[2]，從未熔化部分的某處或從輔助電極與自耗電極的焊接面斷裂掉入熔池，導致電弧熄滅，自耗熔煉過程被迫中斷的一種熔煉現(xiàn)象稱之為“破斷”。首先，自耗電極破斷會導致鑄錠內部冶金缺陷——夾雜。其次，可能引起邊弧，導致坩堝被擊穿進水，達到一定條件后發(fā)生氫氣爆炸，破壞爐體，甚至摧毀廠房，發(fā)生嚴重的安全事故。最后，若在生產(chǎn)中發(fā)生破斷，一般的處理辦法是將自耗電極重熔，且重熔前需經(jīng)過車床扒皮，除掉自耗電極表層氧化物，再進行爐內焊接、熔煉等工序，這樣勢必會延誤生產(chǎn)，降低生產(chǎn)效率。本文主要對鈦及鈦合金真空自耗電弧熔煉中自耗電極破斷的原因進行了分析，并提出了相應的解決辦法，提高了規(guī)?；a(chǎn)中鈦及鈦合金大規(guī)格鑄錠的質量及生產(chǎn)效率。

2 VAR法熔煉自耗電極“破斷”原因分析及解決辦法

2.1 電極塊疏松 熔煉鈦及鈦合金的原材料——海綿鈦粒度一般為0.83～12.7mm及0.83～25.4mm，用油壓機壓制的電極塊密度一般大于3.3g/cm3。海綿鈦的海綿度是影響自耗電極強度的主要因素，海綿度好、顆粒細小的海綿鈦在壓制過程中電極塊致密性好，表面不易掉渣，制作的電極質量較高，不易斷裂。反之，海綿度差、顆粒較大的海綿鈦在壓制過程中，由于塑性差，難于成型，制備的電極塊密度小，表面有裂紋和虛角，強度差，易斷裂。

此外，由于近幾年海綿鈦的價格起伏較大，在價格較高時，有不少生產(chǎn)企業(yè)為了節(jié)約成本，對于一些民用產(chǎn)品，會在生產(chǎn)過程中添加部分鈦屑，經(jīng)實踐證明，在控制好加入量的前提下，適量的加入不會影響鈦產(chǎn)品的成分，但是屑狀料的加入勢必對電極塊的密度產(chǎn)生影響，導致電極塊疏松，容易引發(fā)破斷事故。

基于以上問題，在規(guī)?；纳a(chǎn)中，為了保證產(chǎn)品的質量，對海綿度和顆粒有差異的海綿鈦用自動稱重——混布料系統(tǒng)操作，使原料混合均勻，這樣可以壓制出致密性好的電極塊；對于原料中加入鈦屑的情況，可以要求鈦屑尺寸盡可能細小，使其與原料混合均勻，保證壓制的電極塊不疏松。此外，在壓制添加鈦屑的原料時，采取合適的壓力及保壓時間，可以提高電極塊的密度。解決了以上問題，這樣就可以壓制出致密、質量滿足要求的電極塊。

2.2 自耗電極組焊不牢靠 鈦是高活性金屬，在高溫下會與氧、氫、氮等氣體發(fā)生劇烈反應，在空氣中熔焊會使它的焊縫完全脆化，因此鈦及鈦合金在防止與氣體劇烈反應的條件下才具有可焊性，由于保護不善造成的吸氣會影響鈦及鈦合金的焊接性能。此外，鈦焊縫中的冷裂紋是過量氫化物造成的，冷裂紋有時會延遲較長時間出現(xiàn)[3]，最終導致焊縫開裂。鑒于以上原因，為了保證焊縫的強度，要嚴格控制焊接材料中的有害雜質，尤其是氫、氧、碳、氮等間隙元素的含量，在焊接前對焊接材料、設備進行嚴格清理。自耗電極的組焊強度是影響電極質量的最關鍵因素。在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)因壓制模具變形導致電極塊端面不平整、邊角有較多毛刺的現(xiàn)象，如果不加以處理或處理不完全，會出現(xiàn)電極塊在組焊時彼此不能緊密接觸，或容易在焊接時出現(xiàn)虛焊的現(xiàn)象，這就會直接影響電極的焊縫強度。電極塊在組焊時彼此不能緊密接觸，還會引起熔煉時電極導電、導熱性差，從而導致電極從焊縫處斷裂，發(fā)生“破斷”事故。自耗電極組焊方式見圖1。

為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生，有以下兩種解決辦法：①電極組焊前，仔細檢查電極塊的端面是否平整，去除邊角毛刺，敲平凸起處，將電極塊在擺料架上擺放整齊，且在焊料架上固定、夾緊，使每個電極塊的軸線都重合，這樣才能保證電極塊間接觸緊密。②保證組焊焊點的熔池深度達到3mm以上，且無氧化、無夾雜，這樣才能保證焊縫的強度大于母材，避免焊縫氧化后發(fā)生脆裂。此外，還可以通過在電極兩側焊接同種牌號的鈦板條加強筋， 鈦板條可采用鈦板的邊角余料，這樣既加固了電極，又利用了部分鈦殘料，節(jié)約了成本，達到了鈦材循環(huán)使用的目的，而且焊縫周圍的熔融金屬與電極塊的接觸面積進一步增多，焊縫強度得到很大提高，自耗電極導電、導熱性明顯改善，從而避免了自耗電極因焊縫強度不高或導電導熱不良造成的斷裂掉塊。但值得注意的是，焊接時用板條做加強筋時，需用等離子焊槍，而不是鎢極氬弧焊槍，主要是由于氬弧焊會造成鎢極垂熔，玷污物料，導致產(chǎn)品鎢夾雜。

2.3 熔煉前爐內焊接不牢靠 一般生產(chǎn)過程中，電極裝爐完成后，進行封爐抽空，當爐內真空度達到工藝要求后，進行爐內焊接，即輔助電極的下端面與自耗電極的上端面起弧后熔化，然后短路焊接，待接頭冷凝后檢查焊縫質量，清除焊瘤。

因為每個輔助電極的下端面平整度都有一定差異，這對焊接質量會產(chǎn)生一定的影響。輔助電極下端面較平整時，焊接質量高，若下端面不平，焊接時間會相應增加，熔池容易溢出，而導致焊縫處局部焊空，降低焊縫強度。其次，兩支一次錠焊接前，一次錠飛邊及需焊接的焊接面上，氧化物、揮發(fā)物的清理若不徹底，也會影響焊接后的焊縫強度。對于以上情況，有以下幾種解決辦法：①輔助電極的斷面直徑與自耗電極的斷面直徑之比范圍在1:2和1:3之間為好，焊接面積達到70%以上，焊縫的強度就可以保證支撐起電極的重量；②焊接前在自耗電極的上端面中部加少量起弧料，使起弧瞬間的能量能集中在中心。③通過用車床平面、倒角等方式，保證輔助電極的下端面較為平整；④采用大電流-短弧-短時間-快速焊接，或小電流-長時間-快速焊接兩種方式，時間上的控制以電弧燃燒穩(wěn)定以后，緩升電流，弧光由弱變強，電極端面邊緣開始發(fā)紅且有較多金屬液流出，即可焊接為準，這樣會使輔助電極與自耗電極焊接牢靠。⑤對于合金，在兩支一次錠爐內焊接完，冷卻較短時間后，避免將電極直接置于大氣下，這樣會使焊縫邊部和心部的冷卻速率不一致，熱脹冷縮導致焊縫開裂，或因焊縫內部積聚的殘余應力導致焊縫開裂。⑥在成品錠焊接前，將一次錠的飛邊車平整，且無臺階，保證焊接時的導電面積。

2.4 熔煉參數(shù)及應急操作的影響 電弧電壓和電流都是真空電弧熔煉的重要參數(shù)，電弧電壓主要反映電弧長度及其穩(wěn)定性，而電流與熔速是成直線關系的，即電弧電流愈大，熔化速率愈快。

在熔煉過程中，當電流過大，熔速快，電極溫度過高，會降低焊縫強度，導致電極破裂而引發(fā)“破斷”。經(jīng)實踐經(jīng)驗得知，熔煉中針對不同的合金及規(guī)格選取合適的電流，短弧操作，控制電弧電壓波動，如果發(fā)生短路，迅速提升電極桿，避免因電極與熔液粘連，而降低焊點、焊縫的強度，從而保證熔煉過程的穩(wěn)定性和可控性。

3 結論

綜上所述，在鈦及鈦合金VAR熔煉過程中，提高自耗電極的強度是避免“破斷”的先決條件，在操作過程中可以通過以下幾個關鍵點進行控制：

3.1 原料混合均勻、且原料中加入的鈦屑尺寸細小，壓制時采取合適的壓力及保壓時間，可以保證電極塊致密性好。

3.2 焊接前對焊接材料、設備進行嚴格清理；保證組焊電極塊間接觸緊密；焊點熔池深度達3mm以上；用加強筋加固電極焊縫處。

3.3 輔助電極的下端面平整，焊接面積達到70%以上；焊接前使用少量起弧料；采用合適的焊接方式；合金錠熔煉前焊接完成后，在短時間冷卻后避免直接置于大氣下，引起焊縫開裂；焊接前一次錠飛邊平整、無臺階、端面干凈，保證導電面積。

3.4 選取合適的電流，控制電弧電壓波動，短弧操作，避免造成電極與熔液粘連，保證熔煉過程的穩(wěn)定性和可控性。

參考文獻：

[1]曲銀化，劉茵琪，張俊旭.鈦及鈦合金熔煉技術的發(fā)展現(xiàn)狀[J].稀有金屬材料與工程，2008，37(3):135-140.

[2]馬勇軍，陳戰(zhàn)乾，喬璐.鈦合金VAR熔煉自耗電極破斷原因分析[J].稀有金屬快報，2008，27（12）：30-32.

[3]李青云.稀有金屬材料加工手冊[M]：北京：冶金工業(yè)出版社，1985：90.