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1.對鎢極的要求
在TIG焊工藝中,用什么鎢極材料作電極是一個重要的問題,它對鎢極材料的損耗電弧的穩定性和焊接質量都有很大的影響。對鎢極的要求,一般應滿足三個條件:①引弧及穩弧性能好;②耐高溫、不易損耗;③電流容量大
鎢(W)的電子逸出功為4.54ev(1eV=1.602×10?1?J,下同),高于鋁、鉀等材料,與鐵相當,這對電子發射不利,但因為熔點(3653K)比其他金屬高,在高溫時有強烈的電子發射能力,因此是一種目前最好的非熔化電極的材料。鎢的純度約99.5%(質量分數),當在鎢中加入微量逸出功較小的稀土元素,如釷(Th)、鈰(Ce)、鋯(Zr)等,或它們的氧化物,如氧化釷(ThO2)和氧化鈰(CeO)等,則能顯著地提高電子發射能力。釷鎢極的逸出功為2.7eV,鈰鎢極為2.4eV,既易于引弧和穩弧,又可提高其電流的承載能力。
鎢極是TIG焊焊槍中的易耗材料。焊接時,通常在鎢極端部要達到3000K以上的高溫,本身受高溫蒸發和緩慢氧化均會產生燒損。鎢極的燒損及形狀的變化會帶來如下幾方面的問題:①焊縫的夾鎢,這對重要構件是不允許的;②形狀的變化會帶來電弧形態的改變,影響電弧力及對母材的熱輸入;③影響引弧性能和電極使用壽命,需要頻換電極。因此,如何維持鎢極形狀的穩定,減少鎢極燒損是很重要的,這就需要合理選擇鎢極材料。
2.鎢極材料
(1)純鎢電極 與釷鎢極、鋯電極相比,純鎢電極要發射出等量的電子,需要有較高的工作溫度,在電弧中的消耗也較多,需要經常重新研磨。純鎢電極一般在交流TIG焊中使用,雖然是交流電弧,亦很穩定。在正常使用狀態下,前端在熔化狀態下呈現較好的半球狀,隨后的形狀保持比較容易。純鎢材料自身熔點最高,在交流負半波更能抗燒損,因此,當鎢電極不需要保持一定的前端角度形狀時可以使用純鎢極。
2)釷鎢極 雖然釷(Th)的熔點不是很高(2008K),但是ThO?的熔點為3327K,接近鎢的熔點。釷鎢極是在鎢材料中加入質量分數為1%-2%的ThO?,這使電子發射所需要的能量顯著降低。與純鎢極比較,能夠在較低的溫度下發射出同等程度的電子數目,用因而電弧容易引燃,并且電極的許用電流值增加,即相同直徑的電極可以流過較大的電流,一般用于TIG直流正接焊接。電極前端的熔化、燒損也少于純鎢極。然而,在直流反接或交流焊接中,釷鎢極效果不明顯,在鋁合金交流焊接中,還會增加直流分量。由于釷元素具有一定的放射性,因此在應用上受到一定限制。
(3)鈰鎢極 在純鎢材料中加入少量微放射性稀土元素鈰(Ce)的氧化物(CeO2)就做成了鈰鎢極,CeO2的加入量通常質量分數為1%-2%。鈰鎢極是我國首先試制并應用的。國際標準化組織焊接材料分委員會根據我國應用鈰鎢極的情況,已經把鈰鎢極列入非熔化極標準中,并確定其代號為WCe。它的使用性能在某些方面優于鈰鎢極,表現如下:①在相同參數下,弧束較細長,光亮帶較窄,溫度更集中;②直流焊接時,陰極壓降降低10%,比鈰鎢極更容易引弧,電弧穩定性也好;③在小電流下有著極佳的起弧性能。其缺點是不適合于大電流條件下使用,因為在這種條件下氧化物會快速地移動到高熱區,即電極的頂端,這樣對氧化物的均勻度造成破壞,致使由于氧化物的均勻分布所帶來的好處將不復存在。
(4)其他電極 這里包括鋯鎢極、鑭鎢極和釔鎢極等。鋯鎢極中氧化鋯(Zr0)的質量分數為0.15%~0.40%,通常是以燒結的方式制造成棒材,然后對表面進行化學研磨或機械研磨。它具有適當的硬度、均勻的直徑和清潔的表面。鋯鎢極在電弧中的燒損較小,在需要特別防止電極對母材產生污染時可以選用鋯鎢電極。錯鴿電極也適合于在交流焊接中使用,因為鋯鎢電極形狀的保持性良好。此外,人們正在研制的電極還有鑭鎢極(W+1%LaO2)、釔鎢極(W+2%Y2O3)等,也適合于在中、大電流和交流焊接中使用,具有燒損小的特點。