鎢電極種類及其主要應用領域

鎢作為熱電子發射材料在工業中得到了廣泛應用，作為燈絲應用于照明行業中。但是純鎢作為電極材料，其發射效率低、逸出功高（4.52eV）、電流容量小，在大電流下燒損比較嚴重，在高溫條件下長時間工作會發生再結晶現象，形成等軸狀晶粒組織，使材料變脆而發生斷裂。純鎢電極不添加任何稀土氧化物，電子發射能力最小，所以只適合于交流大負荷條件下的焊接，如鋁和鋁鎂合金的焊接等。

釷鎢電極材料的發明始于1913年，是在純鎢中摻雜了 2%左右的二氧化釷（ThO2）。釷鎢電極具有起弧容易、電弧穩定、載流量高、抗焊縫污染等優點，其逸出功比純鎢降低一半即 2.62eV。釷鎢電極是傳統電極，有著優異的焊接性能，通常用于碳鋼、不銹鋼、鎳合金和鈦金屬的直流焊接。但釷是天然放射性元素，在加工使用以及材料廢品的回收再利用時極易對人體和環境造成放射性污染，從而對環境和人體帶來危害。目前國內外單用于氬弧焊的鎢電極材料每年消耗量已達上千噸，處理不當很可能造成嚴重的環境污染。美國、歐盟的相關生產商由于政府限制，已經停止釷鎢材料的生產或將生產轉移到發展中國家。隨著各國對環境保護和職業健康的日益關注，全球停止釷鎢的生產和使用是必然趨勢。

近20年以來，隨著科技的不斷發展，焊接技術、切割材料的品種、規格及形狀日趨繁多，在現代TIG(鎢極惰性氣體保護焊)和 PLASMA(等離子)等領域內正興起自動焊、等離子噴焊、等離子切割和高精度焊接等一系列新技術、新工藝，對電極材料的可靠性和穩定性提出了更高的要求。同時，為了與人類社會文明發展相適應，關于鎢電極材料在生產、使用過程中對環境造成的影響也有了更高、更為苛刻的要求。為此，各國材料研究人員正致力于研制各種新型鎢電極材料。至今為止，在替代放射性釷鎢電極方面的進展，基本都集中在稀土(鈰、鑭、釔及其復合稀土氧化物)鎢電極材料方面。

目前，在不含放射元素釷的電極產品中，使用較多的電極是鈰鎢電極。自 20世紀七八十年代，我國上海燈泡廠、北京鎢鉬材料廠等先后投入鈰鎢材料的開發和生產，鈰鎢電極己被國際標準化組織列入非熔化極國際標準中。鈰鎢電極具有起弧效果佳、耐燒損、壽命長等優點。由于鈰鎢電極是為了取代放射性釷鎢材料而發展起來的，在國內外有較廣的應用市場，尤其是在小規格焊接用鎢電極方面成功地取代了釷鎢電極，贏得了用戶的廣泛好評。但在交流氫弧焊電極、大功率超高壓球形氛燈的陰極材料等方面尚不能完全取代釷鎢電極，仍存在焊接電流不穩定的情況。同時，鈰鎢電極還存在引弧性能較差、使用壽命較短等不足。

20世紀 80年代，科研人員將稀土氧化物三氧化二釔（Y2O3）直接摻雜到氧化鎢里，經過還原、燒結及加工制備成各種規格的釔鎢電極。釔鎢電極在工作狀態下，電弧弧束細長、壓縮程度大，尤其在中、大電流工作條件下熔深最大，目前主要用于軍工和航空航天工業領域。通過對釔鎢電極材料的引弧性能、電弧靜特性、抗燒損能力以及焊接工藝試驗，發現該類電極只能局限于小電流焊接，在大電流負荷下電極燒損嚴重，電子發射穩定性差。

20世紀 90年代以來，經研究發現添加氧化鑭的鎢絲比釷鎢絲具有更低的使用溫度及更高的電子發射能力，而比添加其他稀土氧化物的鎢絲具有更長的使用壽命，鑭鎢電極中氧化鑭的遷移速率和蒸發速率低，容易形成燕尾搭接金相組織，從而改善高溫抗蠕變性能。除此之外，鑭鎢電極耐用電流高、燒損率最小，但其加工性能和電弧穩定性不夠。目前，鑭鎢電極主要用于直流焊接。由于鑭鎢電極的電性能最接近 2%的釷鎢電極，氬弧焊操作人員不需要改變焊接操作程序就可以快捷地使用這種電極替代釷鎢電極而免受釷的放射性危害，這種轉變在交流條件和直流條件下均可行。目前，鑭鎢電極在歐洲和日本成為最受歡迎的釷鎢電極替代品。

鋯鎢電極中含少量的二氧化鋯(ZrO2)。 鋯鎢電極的焊接特能位于純鎢電極和釷鎢電極之間，是為了改善純鎢電極在高負荷焊接條件下容易自身熔化進而污染工件的弊端而研制的鎢電極產品。鋯鎢電極在交流電流條件下表現良好，焊接時電極尖端能保持圓球狀，而且電弧比純鎢電極穩定。鋯鎢電極最大的特點是，在高負載電流的情況下焊接時，這種電極圓球狀結構能夠減少滲鎢現象，并具有良好的抗腐蝕能力。鋯鎢電極適用于鎂鋁及其合金的交流焊接，采用稀土氧化物作為彌散強化的第 2相加入鎢基體中，可以提高鎢電極的再結晶溫度、降低電子逸出功、延長使用壽命、提高材料綜合性能，特別是多種稀土復合添加，可使電極承載電流范圍更寬，焊接性能優于釷鎢電極。應用實踐證明，單元稀土鎢電極材料的焊接綜合特性尚不能與釷鎢電極相媲美，只能應用在小電流焊接等場合，目前不可能完全取代釷鎢材料。