鎢電極的起源與發(fā)展

1913年平奇(Pintsch)發(fā)現(xiàn)了W- ThO2電極材料，在純鎢中添加2%（質(zhì)量分數(shù)）左右的ThO2，其逸出功率降低近一半而減小至2.63eV（純鎢為4.55eV），大大提高了發(fā)射效率，可達50mA/W~70mA/W（經(jīng)碳化的純鎢電極只有25mA/W~40mA/W）.而且W- ThO2的引弧和穩(wěn)定性能也比純鎢大大提高。但是釷屬于天然放射性元素，其α射線的半衰期長達1.4×1014年，在生產(chǎn)和使用中的放射性污染對環(huán)境和人體健康造成危害；日益高漲的環(huán)保意識限制了它的發(fā)展，而且W- ThO2電極的電弧穩(wěn)定性和耐久性也不能滿足日益發(fā)展的焊接技術(shù)的需求，因此各國材料工作者都一直在進行研究和開發(fā)新的代釷鎢電極材料。

鈰鎢是為了取代具有放射性污染的釷鎢材料而發(fā)展起來的新型鎢電極材料，前蘇聯(lián)在上世紀60年代已有研制新型電極材料的報道，我國上海燈泡廠在1973年開始研究W- CeO2電極，首先試制成功并應(yīng)用，并已被國際標準化組織列入非熔化極標準中。目前國外大多采用純鎢粉與鈰化合物直接混合的方法制取鈰鎢粉末。國內(nèi)則通過采用藍鎢濕法摻雜二氧化鈰，一次性還原、酸洗、等靜壓成型、軋制開坯等工藝所研制的鈰鎢電極，經(jīng)檢測和使用表明，所研制的鈰鎢粉末純度高，壓制性能和燒結(jié)性能好；鈰鎢坯的鈰含量均勻，加工性能良好。電極一致性好，起弧性能佳，贏得了用戶的廣泛好評。實踐證明，鈰鎢電極在小規(guī)格焊接用鎢電極方面成功取代了釷鎢，但在交流氬弧焊電極、氣體放電光源等方面尚不能完全取代釷鎢，而且鈰鎢電極還存在引弧較差，使用壽命較短等不足之處。

在我國90年代，為了制取性能優(yōu)良且無污染的鎢電極，在三氧化鎢粉末中添加氧化鑭，經(jīng)過還原、壓制、垂熔、旋鍛、拉伸制得了鑭鎢電極。經(jīng)分析，鑭鎢電極的電性能明顯優(yōu)于鈰鎢和釷鎢電極，鑭鎢中的氧化鑭的遷移速率和蒸發(fā)速率低，能形成較好的燕尾搭接金相組織，具有良好的高溫抗蠕變性能。采用高能球磨和真空熱壓燒結(jié)工藝制備出塊體納米晶w-La2O3電極材料，研究了不同La2O3含量對納米晶鎢電極材料電性能的影響，同時用掃描電鏡和能譜儀測定了燃弧后電極尖端La的分布及顯微組織。結(jié)果表明：納米晶W-La2O3電極的電性能優(yōu)于傳統(tǒng)的粉末冶金粗晶鎢電極。當La2O3。含量在6％～8％時，其熱電子發(fā)射能力和穩(wěn)定性最好，但是隨著稀土La2O3含量的增大，鑭鎢電極的成型性和加工性更加困難。

東芝公司Y．Ishiwata和Y．Itoh采用粉末冶金的方法制出彌散氧化釔與鎢的復合材料，并對Y2O3／W 的燒結(jié)性能，抗熔融金屬腐蝕性能和其他獨特性能進行了研究，他們認為氧化釔的加入對于鎢材的燒結(jié)致密性有明顯的改善作用，且燒結(jié)時出現(xiàn)液態(tài)的Y2(WO4)3，可抑制熔融金屬滲浸到鎢晶界中，從而提高鎢對熔融金屬的抗腐蝕性。低逸出功的Y2O3化合物覆蓋了電極表面，從而電極燒損很小。

隨著焊接工業(yè)的不斷進步與發(fā)展，對電極材料的可靠性和穩(wěn)定性提出了更為苛刻的要求。多元稀土氧化物以其高熔點，低電子逸出功，優(yōu)良的熱電子發(fā)射性能，成為代替釷鎢的主要材料，并在小規(guī)格焊接用鎢電極方面成功地取代了釷鎢；但在交流氬弧焊時仍存在引弧較差、使用壽命短等不足之處。一般來說，復合稀土鎢電極的燃弧特性均優(yōu)于單元稀土鎢電極，而復合稀土鎢電極中，三元復合又好于二元復合。

上世紀80年代后期，一批日本學者在研制氬弧焊機新型鎢電極材料方面取得了一些進展，特別是研究了一系列復合稀土鎢電極材料。在電極成分設(shè)計、性能比較和機理探討方面做了大量工作，發(fā)現(xiàn)二元復合稀土能改善鎢電極的性能。大阪大學的學者們對復合(二元、三元)的稀土鎢電極也進行了研究，初步研究表明：對二元稀土鎢電極而言，CeO2：Y2O3=1：3(W -CeO2=0．5％，W- Y2O3=1．5％)；CeO2：La2O3=1：1；La2O3：Y2O3=1：3，這三種成份的鎢電極性能較為突出，尤其是耐久性，其中1：3的(La2O3+ Y2O3)鎢電極燃弧4h(180A)仍具良好的性能，燃弧10h的性能耐久性也可接受，這比單元稀土鎢電極的耐久性要強得多。對于三元稀土鎢電極來說，最佳的稀土氧化物比例是CeO2：La2O3：Y2O3=1：1：3，這種電極的良好操作性能可持續(xù)10 h(180A)，較其它二元電極和單元w- La2O3電極(10 h熔化嚴重)的端部形狀保持得更好。在復合稀土氧化物鎢電極中，此類電極的工作溫度最低，發(fā)射效率最高：電子逸出功最低，即發(fā)射本領(lǐng)最高，綜合性能較為突出。北京工業(yè)大學和北京鎢鉬材料廠合作研究二元復合稀土鎢電極，以及三元復合稀土鎢電極，認為復合鎢電極的焊接電弧和工藝均優(yōu)于單稀土鎢電極和釷鎢電極。