黃 明 莫仲海 余 洋

中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所

V5Cr5Ti電子束焊接作業(yè)活動(dòng)中的
釩氧化物控制*

黃 明 莫仲海 余 洋

中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所

真空環(huán)境下焊接釩合金可以有效控制氧氣的含量，從而避免V2O5、V2O3等有毒氧化物的大量產(chǎn)生，通過(guò)試驗(yàn)研究表明：真空電子束焊接時(shí)在真空度超過(guò)4×10-2Pa時(shí)焊接過(guò)程中釩及其氧化物的排放含量極低，不會(huì)超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定的接觸限值；焊接完畢后釩合金在得到充分冷卻的情況下與空氣接觸未檢測(cè)到釩氧化物的產(chǎn)生，采用真空電子束焊接工藝方法進(jìn)行釩合金焊接對(duì)人和環(huán)境都是安全的。

釩合金；氧化物；電子束焊接

作為較理想的聚變反應(yīng)堆材料，釩基系列合金V（4-5）Cr（4-5）Ti具有良好的尺寸穩(wěn)定性、高熱傳導(dǎo)性、較低的膨脹系數(shù)、較低的彈性模量以及低生物危害的安全性和環(huán)保特性、良好的加工性能、防腐性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天及高溫領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景［1-3］。

常溫下金屬釩的化學(xué)性能穩(wěn)定，無(wú)毒，但在高溫下能與氧、氮、碳、硫、硅、溴等非金屬元素生成有害有毒化合物。釩的氧化物以五氧化二釩最常見(jiàn)，在GBZ 73-2002《職業(yè)性急性化學(xué)物中毒性呼吸系統(tǒng)疾病診斷標(biāo)準(zhǔn)》中，將五氧化二釩列為直接損害呼吸系統(tǒng)的毒物，有降低人體內(nèi)血清膽固醇的能力，抑制磷及其它脂類(lèi)的合成，干擾ATP酶的合成，對(duì)人體有多種毒性作用，可引起呼吸器官損害如支氣管炎、肺炎、肺硬化等，也可影響造血系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)代謝［4-5］。GBZ 2-2002《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》規(guī)定五氧化二釩時(shí)間加權(quán)平均容許濃度為0.05mg/cm3。

金屬釩隨著溫度的升高，化學(xué)活性明顯增強(qiáng)，四川大學(xué)和核工業(yè)西南物理研究院等單位對(duì)V4Cr4Ti的高溫氧化特性研究表明，釩合金在300～400℃的氧化速率較低，而500～600℃氧化速率明顯加快，當(dāng)達(dá)到675℃以上，主要形成具有脆性和揮發(fā)性的氧化物V2O5

［5-6］。分別針對(duì)不同溫度下和真空環(huán)境下V5Cr5Ti的氧化進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

圖1為V5Cr5Ti合金試樣在530℃、700℃空氣中氧化5min后的表面狀態(tài)以及真空環(huán)境下高溫拉伸測(cè)試試樣的表面氧化情況。在大氣環(huán)境下530℃氧化時(shí)，合金表面產(chǎn)生氧化變色，由銀灰色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)灰色。在700℃氧化5min時(shí)，試樣表面出現(xiàn)較為致密的黑色固體物質(zhì)，為V2O5氧化物熔化后凝固形成（熔化溫度為675℃）；在真空環(huán)境下試件在400℃、900℃、1100℃溫度時(shí)氧化程度輕微。

在釩合金的焊接過(guò)程中溫度遠(yuǎn)超過(guò)700℃，控制焊接過(guò)程中釩氧化物的產(chǎn)生十分重要，因此釩合金焊接一般在真空環(huán)境或惰性氣體保護(hù)環(huán)境下進(jìn)行，主要用于隔絕空氣與高溫狀態(tài)下的釩合金接觸。本文主要針對(duì)真空電子束焊接工藝過(guò)程中可能產(chǎn)生釩氧化物的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和控制。

圖1　氧化對(duì)比試驗(yàn)

1　工藝過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)分析

為徹底隔絕空氣的影響，在焊接工藝上選用了真空環(huán)境下的電子束焊接方法，按照電子束的工藝要求，其焊接流程分為：焊前清洗、裝配、電子束焊接、冷卻等幾個(gè)主要過(guò)程。

在以上工藝流程中，焊前清洗和裝配是在常溫環(huán)境下進(jìn)行，不會(huì)產(chǎn)生釩氧化物。而焊接過(guò)程中，釩合金焊縫處溫度將超過(guò)熔點(diǎn)， 存在被氧化的可能，同時(shí)剛焊接完畢后焊縫仍處于高溫狀態(tài)，此時(shí)與氧接觸也存在被氧化的可能。

根據(jù)以上分析，在釩合金的焊接作業(yè)活動(dòng)中產(chǎn)生釩氧化物的主要環(huán)節(jié)在于焊接過(guò)程和焊后與氧氣接觸時(shí)的溫度。需要對(duì)焊接時(shí)的真空度和焊后冷卻時(shí)間進(jìn)行控制，以達(dá)到控制釩氧化物的產(chǎn)生。為證明控制有效，對(duì)控制措施進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2　釩氧化物控制試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為V5Cr5Ti，其化學(xué)成分，見(jiàn)表1。

表1　V5Cr5Ti主要化學(xué)成分（%）

2.2試驗(yàn)方法

真空電子束焊接過(guò)程是將被焊工件置于焊機(jī)真空室內(nèi)，抽真空至4×10-2Pa以上的真空度（焊機(jī)工作真空度），然后發(fā)射電子束轟擊工件，將電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能形成焊縫［7］。焊接完畢后需要泄真空取出工件。

根據(jù)分析，釩合金焊接過(guò)程和焊后短時(shí)間內(nèi)溫度較高，存在氧化可能性，針對(duì)這兩個(gè)環(huán)節(jié)，分別就不同工作真空度和不同焊后冷卻時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

電子束焊接過(guò)程中由于需要維持真空室內(nèi)的真空度，各真空泵一直處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，不停的將真空室內(nèi)的氣體抽出，排氣口處于排氣狀態(tài)，因此可以直接在不同的真空度下對(duì)排氣口排除的氣體進(jìn)行釩氧化物的測(cè)量。

針對(duì)焊后的冷卻時(shí)間采用了焊接過(guò)程的溫度循環(huán)數(shù)值模擬計(jì)算的方法，模擬計(jì)算了釩合金熔池在焊后的溫度與時(shí)間的關(guān)系，如圖2，可以看出在冷卻到300℃以下時(shí)至少需要5秒鐘時(shí)間，從安全角度出發(fā)，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)采用了分別冷卻10min和30min進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

圖2　焊接溫度循環(huán)數(shù)值模擬

同時(shí)考慮到焊后取出工件時(shí)需要打開(kāi)真空室門(mén)，若存在釩氧化物也可能污染工作場(chǎng)所，因此針對(duì)不同位置、不同焊接真空度和不同的焊后冷卻時(shí)間進(jìn)行了6組試驗(yàn)。

圖3是本次試驗(yàn)的研究平臺(tái)，采用了真空電子束焊接方法，通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程中及焊后泄真空時(shí)排放終端和工作場(chǎng)所指定位置（圖3中1#、2#位置）的氣體進(jìn)行檢測(cè)，確定釩氧化物的排放量。在泄真空時(shí)需要空氣進(jìn)入真空室內(nèi)，此時(shí)排氣口無(wú)排出氣體，需要打開(kāi)真空室門(mén)或進(jìn)行二次抽真空操作以排除氣體進(jìn)行檢測(cè)。具體做法為泄真空后打開(kāi)真空室門(mén)進(jìn)行直接測(cè)量（圖示1#位置），或泄真空后不打開(kāi)真空室門(mén)，再次進(jìn)行抽真空操作，對(duì)排放口的氣體進(jìn)行檢測(cè)（圖示2#位置）。

圖3　試驗(yàn)平臺(tái)

2.3釩氧化物排放濃度檢測(cè)

釩合金在空氣中的氧化行為［8］研究表明：釩合金在400～600℃空氣中的氧化后呈拋物線(xiàn)增重規(guī)律，形成了以V2O5為主的十余種氧化物，且氧化物增重與氧化時(shí)間平方根基本呈線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明在高溫環(huán)境下釩氧化物隨時(shí)間和溫度的增加而增加，且符合拋物線(xiàn)增重規(guī)律。

為使采樣結(jié)果準(zhǔn)確，分別采用了GBZ 159-2004《工作場(chǎng)所空氣中有害物質(zhì)檢測(cè)的采樣規(guī)范》、GBZ/T 160.24-2004《工作場(chǎng)所空氣中有毒物質(zhì)測(cè)定》和GB/T 16157-1996《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》的規(guī)定內(nèi)容進(jìn)行了釩及化合物含量的檢測(cè)，多采用的檢測(cè)設(shè)備分別為：IFC-2防爆型粉塵采樣儀、IRIS Intrepid發(fā)射光譜儀以及KC-6D大氣采樣器。

3　試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1釩氧化物檢測(cè)結(jié)果

表2針對(duì)不同的焊接真空環(huán)境和工件冷卻時(shí)間的數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果。

表2　釩氧化物檢測(cè)結(jié)果

3.2真空度對(duì)釩氧化物的影響

從表2中可以看出，當(dāng)環(huán)境真空度分別為4×10-2Pa和5×10-3Pa時(shí)，電子束焊接V5Cr5Ti時(shí)所產(chǎn)生釩氧化物都微乎其微，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》中所規(guī)定的含量，這表明在真空環(huán)境下對(duì)釩合金進(jìn)行焊接所產(chǎn)生的釩氧化物對(duì)人體和環(huán)境是安全的。

真空中相關(guān)的殘余氣體主要有H2O、O2、H2、CO、CO2及 N2等，其中水氣和氧氣是最普遍的殘余氣體，而氣體分子密度n與壓強(qiáng)p滿(mǎn)足方程p=nkT的關(guān)系［9］，當(dāng)溫度T一定時(shí)，可以推知真空環(huán)境下殘余氣體密度與壓強(qiáng)成正比關(guān)系，相對(duì)于大氣壓，焊接時(shí)的氣體壓強(qiáng)下降了7個(gè)數(shù)量級(jí)，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為氧分子數(shù)量也減少了7個(gè)數(shù)量級(jí)，使得焊接環(huán)境中的氧氣含量很低，與釩形成的氧化物含量也極低，這也是在真空環(huán)境下焊接過(guò)程中釩氧化物檢測(cè)含量低的原因。而當(dāng)真空度超過(guò)4×10-2Pa時(shí)，真空度的高低對(duì)釩合金焊接過(guò)程中的氧化影響不大。

3.3焊后冷卻時(shí)間對(duì)釩氧化物的影響

V5Cr5Ti的熔點(diǎn)為1890±10℃，焊接時(shí)的焊縫熔池溫度超過(guò)該溫度，即使熔池凝固后短時(shí)間溫度也超過(guò)700℃，此時(shí)進(jìn)行泄真空的話(huà)，大量的氧氣將進(jìn)入真空室內(nèi)，與高溫狀態(tài)下的釩反應(yīng)可能產(chǎn)生大量釩氧化物，為確保試驗(yàn)過(guò)程安全，分別測(cè)試了工件焊接后在真空狀態(tài)下冷卻10min和30min的釩氧化物含量檢測(cè)，結(jié)果，見(jiàn)表2。

可以看出泄真空后無(wú)論是排氣口還是工作場(chǎng)所中都未檢測(cè)出釩及化合物的存在，說(shuō)明只要被焊工件冷充分后再進(jìn)行泄真空操作將基本不會(huì)有釩氧化物的產(chǎn)生。

4　結(jié)論

（1）采用真空度高于4×10-2Pa的環(huán)境進(jìn)行V5Cr5Ti的電子束焊接，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的釩氧化物量極少，遠(yuǎn)小于GBZ 2-2002《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值》規(guī)定的五氧化二釩時(shí)間加權(quán)平均容許濃度0.05mg/cm3。

（2）在真空環(huán)境中工件焊后冷卻充分的情況下再進(jìn)行泄真空，空氣與工件接觸過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生釩氧化物。

（3）基于電子束焊接工藝方法的V5Cr5Ti焊接工藝對(duì)人體安全，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染。

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