鎢電極種類及其主要應(yīng)用領(lǐng)域

鎢作為熱電子發(fā)射材料在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，作為燈絲應(yīng)用于照明行業(yè)中。但是純鎢作為電極材料，其發(fā)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(yán)重，在高溫條件下長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，形成等軸狀晶粒組織，使材料變脆而發(fā)生斷裂。純鎢電極不添加任何稀土氧化物，電子發(fā)射能力最小，所以只適合于交流大負(fù)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(fā)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(wěn)定、載流量高、抗焊縫污染等優(yōu)點(diǎn)，其逸出功比純鎢降低一半即 2.62eV。釷鎢電極是傳統(tǒng)電極，有著優(yōu)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(shí)極易對(duì)人體和環(huán)境造成放射性污染，從而對(duì)環(huán)境和人體帶來(lái)危害。目前國(guó)內(nèi)外單用于氬弧焊的鎢電極材料每年消耗量已達(dá)上千噸，處理不當(dāng)很可能造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。美國(guó)、歐盟的相關(guān)生產(chǎn)商由于政府限制，已經(jīng)停止釷鎢材料的生產(chǎn)或?qū)⑸�產(chǎn)轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國(guó)家。隨著各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和職業(yè)健康的日益關(guān)注，全球停止釷鎢的生產(chǎn)和使用是必然趨勢(shì)。

近20年以來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)、切割材料的品種、規(guī)格及形狀日趨繁多，在現(xiàn)代TIG(鎢極惰性氣體保護(hù)焊)和 PLASMA(等離子)等領(lǐng)域內(nèi)正興起自動(dòng)焊、等離子噴焊、等離子切割和高精度焊接等一系列新技術(shù)、新工藝，對(duì)電極材料的可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。同時(shí)，為了與人類社會(huì)文明發(fā)展相適應(yīng)，關(guān)于鎢電極材料在生產(chǎn)、使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的影響也有了更高、更為苛刻的要求。為此，各國(guó)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(jìn)展，基本都集中在稀土(鈰、鑭、釔及其復(fù)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(chǎn)品中，使用較多的電極是鈰鎢電極。自 20世紀(jì)七八十年代，我國(guó)上海燈泡廠、北京鎢鉬材料廠等先后投入鈰鎢材料的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，鈰鎢電極己被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織列入非熔化極國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中。鈰鎢電極具有起弧效果佳、耐燒損、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。由于鈰鎢電極是為了取代放射性釷鎢材料而發(fā)展起來(lái)的，在國(guó)內(nèi)外有較廣的應(yīng)用市場(chǎng)，尤其是在小規(guī)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(píng)。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(wěn)定的情況。同時(shí)，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(jì) 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(jīng)過(guò)還原、燒結(jié)及加工制備成各種規(guī)格的釔鎢電極。釔鎢電極在工作狀態(tài)下，電弧弧束細(xì)長(zhǎng)、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(yè)領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)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(yàn)，發(fā)現(xiàn)該類電極只能局限于小電流焊接，在大電流負(fù)荷下電極燒損嚴(yán)重，電子發(fā)射穩(wěn)定性差。

20世紀(jì) 90年代以來(lái)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)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(fā)射能力，而比添加其他稀土氧化物的鎢絲具有更長(zhǎng)的使用壽命，鑭鎢電極中氧化鑭的遷移速率和蒸發(fā)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(wěn)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(zhuǎn)變?cè)诮涣鳁l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(fù)荷焊接條件下容易自身熔化進(jìn)而污染工件的弊端而研制的鎢電極產(chǎn)品。鋯鎢電極在交流電流條件下表現(xiàn)良好，焊接時(shí)電極尖端能保持圓球狀，而且電弧比純鎢電極穩(wěn)定。鋯鎢電極最大的特點(diǎn)是，在高負(fù)載電流的情況下焊接時(shí)，這種電極圓球狀結(jié)構(gòu)能夠減少滲鎢現(xiàn)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(qiáng)化的第 2相加入鎢基體中，可以提高鎢電極的再結(jié)晶溫度、降低電子逸出功、延長(zhǎng)使用壽命、提高材料綜合性能，特別是多種稀土復(fù)合添加，可使電極承載電流范圍更寬，焊接性能優(yōu)于釷鎢電極。應(yīng)用實(shí)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(yīng)用在小電流焊接等場(chǎng)合，目前不可能完全取代釷鎢材料。