钛及钛合金真空自耗电弧熔炼自耗电极“破断”原因分析

1、 钛及钛合金真空自耗电弧熔炼自耗电极“破断”原因分析摘要：本文分析了钛及钛合金真空自耗电弧熔炼中自耗电极“破断”的各种原因：电极块疏松、自耗电极组焊不牢靠、熔炼前炉内焊接不牢靠、熔炼参数及应急操作，提出了解决方案。通过实践总结，对原料混合均匀，采取合适的压力及保压时间，电极块致密性好，且组焊的电极间接触紧密，焊点熔池深度达3mm以上，用加强筋加固电极焊缝处，以及保证焊接时的导电面积及焊接面积达到70%以上、选取合适的熔炼参数，短弧操作，不仅可以避免发生破断事故，而且提高了规模化生产中钛及钛合金大规格铸锭的质量及生产效率。关键词：钛及钛合金 真空自耗电弧熔炼 破断1 概述目前，生产钛及钛合金铸锭

2、的基本方法仍为真空自耗电弧 (vacuum arc remehing，var) 熔炼，此方法不仅能提供致密的铸锭，而且在不同程度上可以将金属材料提纯。由于当前工业对大型锻件的需求，大规格铸锭也应运而生，国外工业发达国家熔炼钛铸锭吨位多为815t1，国内最高达12吨。用var法熔炼大规格钛合金过程中，由于自耗电极强度不能承受自重及熔炼升降震动的影响2，从未熔化部分的某处或从辅助电极与自耗电极的焊接面断裂掉入熔池，导致电弧熄灭，自耗熔炼过程被迫中断的一种熔炼现象称之为“破断”。首先，自耗电极破断会导致铸锭内部冶金缺陷夹杂。其次，可能引起边弧，导致坩埚被击穿进水，达到一定条件后发生氢气爆炸，破坏炉体

3、，甚至摧毁厂房，发生严重的安全事故。最后，若在生产中发生破断，一般的处理办法是将自耗电极重熔，且重熔前需经过车床扒皮，除掉自耗电极表层氧化物，再进行炉内焊接、熔炼等工序，这样势必会延误生产，降低生产效率。本文主要对钛及钛合金真空自耗电弧熔炼中自耗电极破断的原因进行了分析，并提出了相应的解决办法，提高了规模化生产中钛及钛合金大规格铸锭的质量及生产效率。2 var法熔炼自耗电极“破断”原因分析及解决办法2.1 电极块疏松 熔炼钛及钛合金的原材料海绵钛粒度一般为0.8312.7mm及0.8325.4mm，用油压机压制的电极块密度一般大于3.3g/cm3。海绵钛的海绵度是影响自耗电极强度的主要因素，海

4、绵度好、颗粒细小的海绵钛在压制过程中电极块致密性好，表面不易掉渣，制作的电极质量较高，不易断裂。反之，海绵度差、颗粒较大的海绵钛在压制过程中，由于塑性差，难于成型，制备的电极块密度小，表面有裂纹和虚角，强度差，易断裂。此外，由于近几年海绵钛的价格起伏较大，在价格较高时，有不少生产企业为了节约成本，对于一些民用产品，会在生产过程中添加部分钛屑，经实践证明，在控制好加入量的前提下，适量的加入不会影响钛产品的成分，但是屑状料的加入势必对电极块的密度产生影响，导致电极块疏松，容易引发破断事故。基于以上问题，在规模化的生产中，为了保证产品的质量，对海绵度和颗粒有差异的海绵钛用自动称重混布料系统操作，使原

5、料混合均匀，这样可以压制出致密性好的电极块；对于原料中加入钛屑的情况，可以要求钛屑尺寸尽可能细小，使其与原料混合均匀，保证压制的电极块不疏松。此外，在压制添加钛屑的原料时，采取合适的压力及保压时间，可以提高电极块的密度。解决了以上问题，这样就可以压制出致密、质量满足要求的电极块。2.2 自耗电极组焊不牢靠 钛是高活性金属，在高温下会与氧、氢、氮等气体发生剧烈反应，在空气中熔焊会使它的焊缝完全脆化，因此钛及钛合金在防止与气体剧烈反应的条件下才具有可焊性，由于保护不善造成的吸气会影响钛及钛合金的焊接性能。此外，钛焊缝中的冷裂纹是过量氢化物造成的，冷裂纹有时会延迟较长时间出现3，最终导致焊缝开裂。鉴

6、于以上原因，为了保证焊缝的强度，要严格控制焊接材料中的有害杂质，尤其是氢、氧、碳、氮等间隙元素的含量，在焊接前对焊接材料、设备进行严格清理。自耗电极的组焊强度是影响电极质量的最关键因素。在生产过程中经常会出现因压制模具变形导致电极块端面不平整、边角有较多毛刺的现象，如果不加以处理或处理不完全，会出现电极块在组焊时彼此不能紧密接触，或容易在焊接时出现虚焊的现象，这就会直接影响电极的焊缝强度。电极块在组焊时彼此不能紧密接触，还会引起熔炼时电极导电、导热性差，从而导致电极从焊缝处断裂，发生“破断”事故。自耗电极组焊方式见图1。为了防止此现象的发生，有以下两种解决办法：电极组焊前，仔细检查电极块的端面

7、是否平整，去除边角毛刺，敲平凸起处，将电极块在摆料架上摆放整齐，且在焊料架上固定、夹紧，使每个电极块的轴线都重合，这样才能保证电极块间接触紧密。保证组焊焊点的熔池深度达到3mm以上，且无氧化、无夹杂，这样才能保证焊缝的强度大于母材，避免焊缝氧化后发生脆裂。此外，还可以通过在电极两侧焊接同种牌号的钛板条加强筋， 钛板条可采用钛板的边角余料，这样既加固了电极，又利用了部分钛残料，节约了成本，达到了钛材循环使用的目的，而且焊缝周围的熔融金属与电极块的接触面积进一步增多，焊缝强度得到很大提高，自耗电极导电、导热性明显改善，从而避免了自耗电极因焊缝强度不高或导电导热不良造成的断裂掉块。但值得注意的是，焊

8、接时用板条做加强筋时，需用等离子焊枪，而不是钨极氩弧焊枪，主要是由于氩弧焊会造成钨极垂熔，玷污物料，导致产品钨夹杂。2.3 熔炼前炉内焊接不牢靠 一般生产过程中，电极装炉完成后，进行封炉抽空，当炉内真空度达到工艺要求后，进行炉内焊接，即辅助电极的下端面与自耗电极的上端面起弧后熔化，然后短路焊接，待接头冷凝后检查焊缝质量，清除焊瘤。因为每个辅助电极的下端面平整度都有一定差异，这对焊接质量会产生一定的影响。辅助电极下端面较平整时，焊接质量高，若下端面不平，焊接时间会相应增加，熔池容易溢出，而导致焊缝处局部焊空，降低焊缝强度。其次，两支一次锭焊接前，一次锭飞边及需焊接的焊接面上，氧化物、挥发物的清理

9、若不彻底，也会影响焊接后的焊缝强度。对于以上情况，有以下几种解决办法：辅助电极的断面直径与自耗电极的断面直径之比范围在1:2和1:3之间为好，焊接面积达到70%以上，焊缝的强度就可以保证支撑起电极的重量；焊接前在自耗电极的上端面中部加少量起弧料，使起弧瞬间的能量能集中在中心。通过用车床平面、倒角等方式，保证辅助电极的下端面较为平整；采用大电流-短弧-短时间-快速焊接，或小电流-长时间-快速焊接两种方式，时间上的控制以电弧燃烧稳定以后，缓升电流，弧光由弱变强，电极端面边缘开始发红且有较多金属液流出，即可焊接为准，这样会使辅助电极与自耗电极焊接牢靠。对于合金，在两支一次锭炉内焊接完，冷却较短时间后

10、，避免将电极直接置于大气下，这样会使焊缝边部和心部的冷却速率不一致，热胀冷缩导致焊缝开裂，或因焊缝内部积聚的残余应力导致焊缝开裂。在成品锭焊接前，将一次锭的飞边车平整，且无台阶，保证焊接时的导电面积。2.4 熔炼参数及应急操作的影响 电弧电压和电流都是真空电弧熔炼的重要参数，电弧电压主要反映电弧长度及其稳定性，而电流与熔速是成直线关系的，即电弧电流愈大，熔化速率愈快。在熔炼过程中，当电流过大，熔速快，电极温度过高，会降低焊缝强度，导致电极破裂而引发“破断”。经实践经验得知，熔炼中针对不同的合金及规格选取合适的电流，短弧操作，控制电弧电压波动，如果发生短路，迅速提升电极杆，避免因电极与熔液粘连，

11、而降低焊点、焊缝的强度，从而保证熔炼过程的稳定性和可控性。3 结论综上所述，在钛及钛合金var熔炼过程中，提高自耗电极的强度是避免“破断”的先决条件，在操作过程中可以通过以下几个关键点进行控制：3.1 原料混合均匀、且原料中加入的钛屑尺寸细小，压制时采取合适的压力及保压时间，可以保证电极块致密性好。3.2 焊接前对焊接材料、设备进行严格清理；保证组焊电极块间接触紧密；焊点熔池深度达3mm以上；用加强筋加固电极焊缝处。3.3 辅助电极的下端面平整，焊接面积达到70%以上；焊接前使用少量起弧料；采用合适的焊接方式；合金锭熔炼前焊接完成后，在短时间冷却后避免直接置于大气下，引起焊缝开裂；焊接前一次锭飞边平整、无台阶、端面干净，保证导电面积