添加La-Ce-Y对钨电极焊接性能的影响研究

袁德林，郭春平，普建，王玉香，文小强

（赣州有色冶金研究所，江西 赣州 341000）

钨金属熔点为3410℃，理论密度为19.35g/cm3，在高温环境下仍具有较高的强度和硬度，同时还具有耐腐蚀、低热膨胀系数等特性。在电极领域中，钨电极主要用于钨极惰性气体保护焊，其不仅适用碳钢等常规金属材料焊接，还适用于有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金以及难熔的活性金属等的焊接工况，在航空航天、机加工、化工等行业都具有广泛的应用[1]。近年来，我国的钨电极行业发展极快，钨极氩弧焊几乎已经全面取代传统的手工电弧焊。目前，TIG焊中主要使用的电极材料是钍钨电极，天然放射性元素钍的α射线半衰期为1.4×1013年，不可避免会在生产使用中给人们和环境带来放射性危害[2]。采用稀土氧化物替代钨钍电极中的钍元素，获得的稀土钨电极仍具有良好的焊接性能，同时不存在放射性污染[3]。但市场销售数据表明，单元稀土钨电极在钨电极领域仅占20%-30%，这主要是由于单元稀土钨电极材料在抗烧蚀性能等方面与钍钨材料相比仍有差距。因此，研究人员将目光瞄准了多元复合稀土钨电极，希望能弥补单元稀土钨电极抗烧蚀性能的方面不足，达到全面替代钨钍电极的目的。

1 实验

1.1 原料

采用赣州华茂钨材料有限公司生产的FW-20钨粉，其W含量大于99.9%，费氏粒度2-3μm。氧化铈粉末根据项目组专利《一种采用吸附隔离剂制备纳米氧化铈的系统》（ZL2014 20688283.9）自制获得，其纯度大于99.9%，形貌为球形，粒度均约为0.1μm，氧化铈SEM图片如图1所示。氧化镧、氧化钇粉末制备方法与形貌与氧化铈类似。

图1 氧化铈粉末 SEM 图

1.2 制备过程

将原料按表1的比例配置好后，置于酒精中超声分散使物料混合均匀，然后进行真空干燥。将干燥后的粉末在200Mpa压力下进行等静压成型，获得压坯置于真空碳管炉中烧结，烧结温度为2100℃～2200℃，保温时间为4-6h，获的La-Ce-Y三元复合钨合金。通过加工获得与市场出售钨钍电极尺寸相同的电极试样。

表1 各样品成分

图2 样品 SEM 图

图3 1号试样能谱图

1.3 组织观察及性能测试

项目采用蔡司EVO18型扫描电镜及附带能谱仪观测样品的组织与成份，采用氧弧焊机验证样品的焊接性能，并以焊接性能作为主要评价方法，焊接性能主要包括起弧性能、起弧稳定性、抗烧损性能三个方面，其中焊接性能中起弧性能和起弧稳定性属于定性评价，因焊接实验人员的焊接水平在一定程度上影响评价结果，试样与商品钨钍电极皆由同一焊接经验丰富的焊工进行起弧性能和起弧稳定性评价。抗烧损性能为定量评价，在焊接电流160A，氩气流量10L/min的工况下考察焊接20分钟后样品质量的变化。

2 实验结果与分析

2.1 组织观察

从图2与图3可以看出，钨晶粒内部不含稀土元素，三种稀土氧化物共同均匀的分布在钨晶界的位置，因此可以认为三种稀土元素是复合在一起共同对钨电极的焊接性能产生影响。

2.2 焊接性能

从表2中可以看出，添加稀土氧化物不会影响电极的起弧性能和起弧稳定性，能够满足焊接的工作需要，在抗烧损性能方面，三元复合稀土钨电极表现均优于钨钍电极。氧化钇的主要作用是细化经钨电极高温焊接过程后的再结晶晶粒，而细晶粒又会使得氧化镧和氧化铈的迁移受阻，获得较好的稳定性，减少氧化镧和氧化铈在高温焊接时的高温蒸发损耗，达到提高电极使用寿命的目的。在氧化铈：氧化镧：氧化钇配比2：1：2的条件下，电极的抗烧损性能最佳，是三种稀土氧化物效果互补的结果，其机理还有待进一步验证与分析。

表2 多元稀土钨电极焊接性能

3 结论

La-Ce-Y三元复合稀土钨电极焊接性能表现优异，起弧性能和起弧稳定性能与同规格钨钍电极相当，抗烧损性能较大幅度优于钨钍电极。