450 440 4*0 %&! ’( ) * 与 "-’! ) * 焊接性能测试
焊接电弧是一种强烈持久的气体放电现象，不 同电极引弧的难易以及燃弧后的稳定性—— — 静特性 曲线以及电极的烧损率均可以反映不同电极的电子 发射能力。本实验用通常的 ’BC 焊接性能测试方法 在相同的试验条件下测定了各种电极的引弧性、稳 弧性及烧损率。 稀土是以氧化物形式掺入， 用 在 :;* )$ + , 中， 以改变钨的加工脆性。氧化物掺入的总量 7 质量分 *6 *6 4 引弧性能 4$ 种电极的电弧的临界起弧电压 !%& 见表 *。
第 !" # 期
周美玲等 $ 稀土钨、 钼电极电子发射性能研究与应用开发
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与钍钨在 2B!= " 2<==> 的蒸汽压相当； ? ’ @ 稀土元素确定： 从 %&’() 为 )C =D " !C =D ， 加工性能和电子发射性能进行优化，以质量分数为 AC =D %&’ () 含量最佳； ? ) @ 不同稀土元素的比较：制备质量分数为 AC =D 的 %&’ () ，-’ () ，%&’ () E -’ () ，和 %&’ () E FG’ () 等，测试 ! " # 曲线，发射效率以 %&’ () . 56 最好， 均高于 78(’ . ,。 -’ () . 56 的发射 -’() . 56 居中， 温度高于 %&’ () . 56， 最后 %&’ () . -’ () . 56 二极管 获得高的电流密度和发射效率。 !) $ 高镧含量钼丝的性能与结构 再结晶温度由纯钼的 2’B) " 2AB)H 提高到镧 钼的 2BB) " 2<B)H， 从室温到工作温度， 阴极丝均保 于烧损过快而损耗殆尽，此时电极也会象纯钨电极 一样， 电弧稳定性下降， 电极烧损加剧。 在 %&’ () 的钨酸盐和含氧钨酸盐的熔点都较高， 中小电流范围内其迁移和烧损能达到较好平衡。但 同 *+(’ —, 电极类似， 随着电流的升高和电极工作 时间的增加， 它的稳定性和持久性也会较低。 -’ () 的钨酸盐具有较低的熔点，而其含氧钨酸 盐具有最高的熔点， 燃弧过程中能够起互补作用， 使 迁移与烧损能够达到较好的平衡。所以， -’() — , 电极与前二者相比在整个电流范围内电弧稳定性 好， 大电流、 长时间工作时的耐久性突出。 高的 %&’ () 含量使 复合稀土 %& . *+ 组中的 /0， 是因为燃弧过程中， /0电极性能优于单元稀土电极， %&’ () 和 *+(’ 共同迁移，稳定性高的 %&’ () 弥补了 互补作用调节了烧损与迁移补充 *+(’ 较快的烧损， 的平衡。 在 %& . -1 *+ . - 的两组中， 由于 -’ () 稳定 性高， 可弥补 %&’ () 和 *+(’ 的烧损。所以含 -’ () 高 的 ! 和 2’ 具有明显的大电流、长时间的抗烧损性
共制备了 4* 种电极试样。 数 8 不大于 *6 *? ， 7 4 8 单元添加氧化物钨电极： ’()* + , -.* )$ + , /* )$ + , 50 40 *0
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!+ ,
"#$ 用系列 %&!’( ) * 电极研究
稀土氧化物成分配置 几种稀土氧化物的重要参数见表 4。
12)* + , $0 7 * 8 二元 :; 氧化物钨电极， 共三组， 每组成分 配比不相同： -. + / 组 -. + 12 组 / + 12 组 !+ ! 90 @0 !0 A0 #0 30
图 ! $%&’&( 组与 $%&(、 ’&( 的静特性曲线
在电流 6 1$5A 7 燃弧后烧损的 #+、 .+和 !1+的质量 减少最少， 实验结果与静特性实验结果相符。 综合上述焊接时电弧的引弧、稳弧性能及烧损 的实验结果可以明显得出以下结论：单元或复合 /01 2% ( 3 电极的电子发射性能均优于 9D21 ( 3 电 极， 添加氧化物不同而各有特点； 单元稀土钨电极中 图 # $%&*+&( 与单元 $%&(、 *+&( 静特性曲线 !+、1+性能优于 %+，1+电极有好的综合优势；二元的 /01 2% ( 3 综合性能优于单元 /01 2% ( 3，其中以 以 !1+高 4 含量的 4 ( )* 组合综合 #+、 .+、 !1+较好， 焊接性能最好。 !" # 分析讨论 电极工作时， 特别是在大电流工作中， 电弧的高 温必然引起电极尖端钨的蒸发、 氧化物烧损， 只有保 证稀土氧化物在烧损的同时，能及时从电极内部获 得源源不断的补充， 处于动态平衡， 电极才能长时间 稳弧工作。 根据电弧燃弧后 E/B 分析表明， 钨电极中的氧 化物添加剂在高温燃弧过程中， 将与钨起反应， 生成 图 ) ’&*+&( 组与单元 ’&(、 *+&( 静特性曲线 熔点低于氧化物的物质或盐类， 根据各自的熔点， 会 在某一温度范围熔化， 沿晶界从低温向高温区迁移， 扩散至电极表面很快蒸发烧损。它们各自的熔点等 图 % 中 &’ ( )* 组中各电极静特性曲线在整个 测试范围内高低分明，电子发射能力由差至好的顺 序为 % 、 也是二元的 /01 2% ( 3 优于单 !、 ,、 -、 .， 元的 /01 2% ( 3，以 . + 最优，尤其在小电流范围突
实验结果表明：单元和二元复合稀土钨电极的 起弧电压 !%& 均低于 ’()* + , 电极， 即引弧性能均 高于 ’()* + ,；而二元复合稀土钨电极的引弧性 能， 一般要好于单元稀土钨电极的引弧性能。-. + / 组中 #0最佳，-. + 12 组中 30最佳，/ + 12 组中 450、 而以 4*0最佳。 440、 4*0都比较好， *6 *6 * 电弧稳定性能 以 ! + " 静特性曲线表征稀土电弧的稳定性， 当测试条件相同、 在一定的电流下， 不同试样的电弧 电压 !.&% 的差异是由不同的稀土掺杂的电极阴极 压降不同引起。阴极压降越小 7 也即 !.&% 越小 8 ， 表 明电子发射能力越高。 特别是在曲线的小电流段， 也 能稳弧燃烧，更能体现出不同的稀土元素对电子发 射性能的影响。 9 组稀土电极稳态电压和电流间的 关系曲线—— — 静特性曲线见图 4 " 图 9。 由图 4 可以看出三种单元 :;* )$ + , 电极的热 电子发射能力均高于 ’()* + , 电极， 其中 *0电极在 大电流范围内表现出优良的稳弧性能。 万方数据 图 * 在 -. + / 组中小电流范围内各电极静特 性曲线由高到低的顺序排列 7 表明电子发射能力由 差至好的顺序 8 为 40、 二元的 :;* )$ + , *0、 !0、 90、 #0， 优于单元的 :;* )$ + ,。 #0电极在小电流范围内电弧 稳定性突出， !0在大电流时最好。
第 "# 卷第 $% # 期 &!!" ・ 年 "" 月 ・ #$
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稀土钨、 钼电极电子发射性能研究与应用开发
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性质将决定它们在电极燃弧时的行为。钨电极燃弧 时生成物的种类与性质见表 $。 由表 $ 可知 9D21 熔点最高， 难以熔化， 迁移的 速率低， 工作一定时间后， 电极尖端 9D21 与钨可以 反应生成纯 9D 而蒸发， 有如纯 3 的工作状态。 本实 验证实三种稀土氧化物中， )*21 的钨酸盐熔点最 低， 它迁移的速率最快， 在小电流时， 它能很快的补 充到电极的尖部表面，在短时间内可以达到与烧损 的平衡； 但与此同时， 它的烧损速率也很高， 随着电 流的增大和燃弧时间的增长，电极尖部的稀土会由
图 , 三种单元 %&—* 与 "-.* 的静特性曲线
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第 !" 卷
在 9:; 焊接中，钨电极的烧损主要是在高温下 钨的蒸发所至。 阴极的电子发射能力强 6 电子逸出功 低 7 ，在相同的电流时，工作温度就越低，电极损 耗小。取直径为 1 < $== 的各组 3 电极，氩气流 电弧电流 1$5A， 电极伸长度 !58 "==， 弧 量 -& > =?@， 长 -==， 稳定燃弧时间 15=?@。 用 BC ( !55 光学分析 天平测量了 !% 种电极燃弧前后的质量， 计算烧损后 质量的减少见表 %。
!
前
言
改善钨焊接电级的起弧和稳弧性能，把 +85$—4 材 ( +>?@AB9? C??9DB 料 引入 了钨 极惰 性 气体 保护 焊 +=, ) 焊接的电极。随着现代工业对高科技的 ,EA F9GHC?@ 发展，对高温热源的需求出现了 IJ0KL0 等离子体 技术， 切割、 热喷涂、 +85$—4 又成了等离子体焊接、 冶金等技术中等离子体发生器的最关键的阴极材 料。因而作为放电起弧应用的钨电极棒材已成了除 电光源钨丝以外的另一重要的国内外工业需求量大 的钨深加工制品。 钍属于天然放射元素，其 ! 射线的半衰期长达 !. 1&M !%!%年，从原料到制品的生产、使用过程以及 废弃的堆集都会对环境及人体造成放射性污染。而 且随着近十几年来工业的进步和发展，在现代 +=, 焊接和 IJ0KL0 等领域内，+85$’ 4 电极长时间工 作时的电弧稳定性和耐久性已越来越不能满足焊接 技术发展的要求，因而各国材料工作者相继进行了 取代钍的新型钨阴极的研究。基本的思路是以钨为 基材， 掺杂一些高熔点的氧化物， 如 ND5、 稀土 L@5、 氧化物等， 其中以稀土氧化物的掺杂最为有效。 !&/1 年上海灯泡厂黄菊珍研制成功 O95$ ’ 4 ) 电极， 获得了推广使用， 已被国际标准化组织( =K5 引入非熔化电极标准中，已部分取代 +85$ ’ 4 电 级。 但在 +=, 焊接中仍存在着反复起弧性能差， 不适 合大电流、交流焊接等问题。 $% 世纪 2% 年代以来， 日本、 俄罗斯等国已推出系列单元稀土钨电极产品， 我国也有很多厂家研制了 JE$51’ 4、P$51’ 4 等电