钨极的选用及优化策略

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：钨极材料应满足以下要求。钨极端部形状变化，会带来电弧形态的改变，影响电弧力及对母材的热输入。钨极加入氧化钍后电子逸出功显著降低，电子发射能力大大增强。但是，钍钨极中所含钍元素具有微量的放射性，应用范围受到一定限制，钍质量分数为2%的钍钨极已极少采用。钍钨极在使用过程中若不注意保护，对焊工的健康是有害的。铈钨极是我国首先试制并应用的。表1-6-7为常用钨极的许用电流值。

1.对钨极材料的要求

TIG焊用钨极材料，对TIG焊电弧的稳定性、钨极材料损耗和焊接质量都有很大的影响。钨极材料应满足以下要求。

（1）发射电子能力强钨极材料的电子逸出功要小，特别是在高温时具有较强的热电子发射能力，使引弧及稳弧性能好。

（2）耐高温在正常焊接过程中钨极材料不熔化烧损。

（3）载流能力大要求钨极材料具有良好的导电性和导热性。能承载较大电流而不会过热。

焊接时，钨极端部要达到3000K以上的高温，钨极受高温蒸发和缓慢氧化均会产生烧损。钨极的烧损使焊缝夹钨，这对重要构件是不允许的。钨极端部形状变化，会带来电弧形态的改变，影响电弧力及对母材的热输入。同时也影响电极的使用寿命，需要频繁更换电极。因此，合理选择钨极材料，减少钨极烧损是很重要的。

2.钨极材料

钨极材料有纯钨极材料和钨的合金材料。在纯钨的基础上加入微量逸出功较小的稀土元素，如钍（Th）、铈（Ce）、锆（Zr）等，或它们的氧化物，如氧化钍（ThO₂）和氧化铈（CeO₂）等，对钨极发射电子非常有利。经常使用的钨合金材料有钍钨极和铈钨极。

（1）纯钨极钨是较好的电极材料，它的熔点很高，为3380～3600℃，沸点为5900℃，强度大（850～1100MPa），不易熔化和蒸发。钨的电子逸出功为4.31～5.16eV，高于铝（3.95eV）、钾（2.02eV）等材料电子逸出功，这对电子发射不利，但钨的熔点高，在高温时有强烈的电子发射能力，一旦电弧引燃，电弧还是很稳定的。与钍钨极（逸出功为2.7eV）、铈钨极（逸出功为2.4eV）相比，纯钨极要发射出等量的电子，需要有较高的工作温度，在电弧中的消耗也较多，需要经常重新研磨。纯钨极自身熔点最高，在交流负半波更能抗烧损，因此，纯钨极一般在交流TIG焊中使用。这时纯钨极前端在熔化状态下呈现较好的半球状，随后的形状保持比较容易。

（2）钍钨极钍钨极是在纯钨材料中加入质量分数为1%～2%的氧化钍（ThO₂）制成。ThO₂的熔点为3327K，接近钨的熔点。钨极加入氧化钍后电子逸出功显著降低，电子发射能力大大增强。钍钨极与纯钨极比较其优点是：能够在较低的温度下发射出同等程度的电子数目，因而容易引弧和稳弧，延长电极使用寿命，并且电极的载流能力增加，即相同直径的电极可以流过较大的电流。TIG直流正接焊接时，常采用钍钨极。这时电极的前端熔化、烧损少于纯钨极。但是，钍钨极中所含钍元素具有微量的放射性，应用范围受到一定限制，钍质量分数为2%的钍钨极已极少采用。钍钨极在使用过程中若不注意保护，对焊工的健康是有害的。

（3）铈钨极在纯钨材料中加入少量微放射性稀土元素铈（Ce）的氧化物（CeO₂）就做成了铈钨极，CeO₂的加入量通常质量分数为1%～2%。实践证明，铈钨极能明显降低电子逸出功，提高电极的引弧和稳弧性能，基本能满足TIG焊要求。铈钨极是我国首先试制并应用的。国际标准化组织焊接材料分委员会根据我国应用铈钨极的情况，已经把铈钨极列入非熔化极标准中，并确定其代号为WCe。铈钨极的优点表现如下：

1）使用更加安全，铈钨极与钍钨极相比降低了电极的放射性。

2）直流焊接时，阴极压降降低10%，比钍钨极更容易引弧，电弧稳定性也好。

3）化学稳定性好，对保护气体纯度的要求比钍钨极略低。

4）允许的电流密度大，最大许用电流密度比钍钨极提高5%～8%。

5）电极烧损率下降，修磨次数减少，使用寿命延长。

（4）其他电极这里包括锆钨极、镧钨极和钇钨极等。锆钨极含质量分数为1%左右的氧化锆（ZrO₂），载流能力强，抗母材污染性好，在电弧中的烧损较小，保持电极端部形状（半球形）的功能强，不易使焊缝夹钨。锆钨极也适合于在交流焊接中使用。此外，人们正在研制的电极还有镧钨极（W+LaO₂1%）（质量分数，下同）、钇钨极（W+Y₂O₃2%）等，进一步提高了钨极的性能。这些电极也适合于在中、大电流和交流焊接中使用，具有烧损小的特点。

以上几种TIG焊常用电极的化学成分见表1-6-6。成分中含有的SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃等为杂质，这些杂质存在会降低电极熔点，影响电极使用性能，应予以限制。

表1-6-6 TIG焊常用电极的化学成分

3.电流容量

钨电极承载电流能力除了与电极材料有关系外，还与电极直径、电流的种类和极性、电极伸出长度和冷却程度等因素有关系。一定直径的钨电极对应有相应的极限电流。超过极限电流值，钨极将过热、熔化或蒸发，引起电弧不稳，焊缝夹钨。直流反接时，钨极发热量比正接时大，所以电流容量比正接要小。交流焊接时，极性是在变化的，电流容量介于直流正接和反接之间。为了防止电弧烧毁喷嘴和不影响操作者的视线，钨极端部应伸出喷嘴以外。如果钨极伸出过长，气体保护效果变差，钨极受电弧热和电阻热增加，降低了钨极许用电流值。因此钨极伸出喷嘴长度一般为5～10mm。表1-6-7为常用钨极的许用电流值。

表1-6-7 常用钨极的许用电流值

4.电极端部形状

电极端部形状对电弧的稳定性有一定影响。直流TIG焊接时，一般采用直流正接。因为钨极为负极时发热量小。为了使电弧集中，燃烧稳定，电极端部一般修磨成圆锥形状。电极端部形状如图1-6-20a所示。在小电流时，为了提高电弧热量集中性，一般采用较小的电极锥角α，如30°。在较大的焊接电流时，如果电极锥角过小，则会增加电极上的电压降，增加电极的产热，降低电极使用寿命，对焊接过程的稳定性不利。这时电极锥角α一般取较大值，如90°。交流TIG焊时，由于兼有正、负极性，为了增强电极端部的抗热能力，避免负极性半周钨极过快烧损，电极端部一般修磨成半圆球形状。如图1-6-20b所示。钨极端部必须修磨光滑，否则，凹凸不平的电极端部使得电弧既不集中也不稳定。

钨极的选用及优化策略

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