第5章 钨极和保护气体
5.1 钨极
钨极氩弧焊是采用钨极作为电极，在电极与工件之间形成焊接电弧。钨的熔点为3410℃，沸点高达5900℃，在各种金属中是熔点最高的一种。钨在焊接过程中一般不易熔化，所以是较理想的TIG焊电极材料。
5.1.1 钨极的型号及特点
目前，国产氩弧焊或等离子弧焊所用的钨极的型号、规格及化学成分见表5-1。
表5-1 钨极型号、规格及化学成分
（1）纯钨极
纯钨的熔点为3410℃，在焊接过程中，纯钨极端部为球形尖头，能在小电流时保持电弧稳定，当电流低至5A时，仍可很好地焊接铝、镁及其合金。但纯钨极在发射电子时要求电压较高，所以要求焊机具有较高的空载电压。此外，当采用大电流或进行长时间焊接时，纯钨的烧损较明显，熔化后落入熔池中使焊缝形成夹钨；熔化后的钨极末端变为大圆球状，造成电弧飘移不稳。因而，纯钨极只能作为焊接某些黑色金属的焊接电极。使用纯钨极时，最好选择直流焊接电源，并采用正接法，即便这样，其载流能力还是不佳。
（2）钍钨极
钍钨极含氧化钍1.0％～1.3％，其熔点为3477℃。钍能均匀地分布在钨中，但其成本要比纯钨提高许多；在焊接过程中，钍钨极能较好地保持球状端头，比纯钨极具有更大的载流能力（约比纯钨极大50％），从而增加了焊缝金属的熔透性。采用WTh-10钍钨极，可焊接铜及铜合金。为满足铜合金具有低熔点和较快的热传递能力的要求，焊接时，钍钨极端部需要修磨成尖头状，并在更高温度下保持尖头形状。
采用直流电源时，可焊接较多种类的金属材料。但钍钨极中的氧化钍，是一种放射性物质，所以近年来已经很少使用。
（3）铈钨极
铈钨极是近年研发的一种新型电极材料。铈钨极是在纯钨极的基础上，加入了质量分数为1.8％～2.2％的氧化铈，其他杂质含量不超过0.1％。铈钨极的最大优点是没有放射性及抗氧化能力强。铈钨极的电子逸出功比钍钨极的低，如表5-2所示。所以铈钨极引弧更容易，电弧的稳定性好，化学稳定性强，阴极斑点小，压降低，电极的烧损少，是目前应用最为广泛的焊接用电极。
表5-2 不同电极金属材料的电子逸出功比较
5.1.2 钨极的许用电流和电弧电压
在钨极氩弧焊时，约有2/3的电弧热作用在阳极上，1/3的电弧热作用在阴极上。因此，相同直径的钨极在直流正接条件下，可承受的电流要比直流反接时大得多，也比交流电承载的能力大。另外，钨极的电流承载能力，还受焊枪形式、电极伸出长度、焊接位置、保护气体种类等的影响。各种规格的钨极的许用电流值见表5-3。
表5-3 钨极的许用电流
由表5-3中可看出，尽管在钨极材料中增添了钍、锆、铈等抗氧化材料，提高了电子的发射能力，降低了钨极端部温度，但承载电流能力还是没有得到太多的提高。这是由于承载能力受到电阻热的限制。当电流过大时，钨极就要产生过热而熔化。
此外，钨极的引弧还对焊机的空载电压有一定的要求，如果不能满足，将会影响引弧的质量。不同电极材料对引弧电压的要求见表5-4。
表5-4 不同电极材料对引弧电压的要求
5.1.3 钨极的形状及制备
钨极氩弧焊的电弧电压，主要受焊接电流、保护气体和钨极端头形状的影响。为了在焊接过程中控制电弧电压的相对稳定，一般都要认真修整钨极端头形状。各种钨极端头形状对电弧电压的影响见表5-5。
表5-5 钨极端头形状对电弧电压的影响（直流时）
注：表中钨极尺寸为：L=（2～4）D；
。
钨极的端头形状是一个很重要的工艺参数。当采用直流电时，端头应为圆锥形；采用交流电源时，端头应为球形。端头的角度太小，还会影响钨极的许用电流、引弧及稳弧性能等工艺参数。小电流焊接时，选用小的钨极直径和小的端头角度，使电弧易燃和稳定；大电流时，用大直径钨极和大的端头角度，这样可避免钨极端头过热、烧损；影响阴极斑点的飘移，防止电弧向上扩展。此外，端头的角度也会影响熔深和熔宽，减小锥角，能使焊缝的熔深减小，熔宽增大。
钨极端头形状和电流范围见表5-6。
表5-6 钨极端头形状和电流范围
注：此表电流为直流正接。
在采用大电流焊接厚工件或采用交流电源焊接铝、镁等合金时，焊前应预热钨极，使其端头球化。球化后的钨极端头直径，应不大于钨极直径的1.5倍，太大时端头的球状体容易坠落，造成夹钨缺陷。球面形成后要观察表面颜色，正常时应发出亮光，无光则是已经被氧化；若呈蓝色或紫色甚至黑色时，则表示保护气体滞后或流量不足。
铈钨极及钍钨极的耐热性和载流能量比纯钨极好，其端头可采用圆锥形，使电弧集中。一般锥角要在30°～120°之间，以获得较窄的焊缝和更深的熔透性。
修磨钨极端头应采用砂轮打磨。打磨时，切记应使钨极处于纵向，绝不应采用横向打磨，这样会使焊接电流受到一定的约束，使电弧飘移。打磨所用的砂轮应为优质的氧化铝或氧化硅砂轮。
5.1.4 钨极的选用
钨极氩弧焊在实用过程中，焊接各种金属材料选用什么样的钨极比较合适，是人们最关注的问题。钨极选用的型号、规格和端头形状等，要取决于被焊材料种类和厚度规格。钨极太细，容易被电弧熔化造成焊缝夹钨；钨极太粗会使电弧不稳定。所以，选择钨极直径首先是根据焊接电流的大小，然后根据焊接接头的设计和电流种类来确定钨极端头形状。各种金属材料氩弧焊时应配置的钨极见表5-7。
表5-7 各种金属材料氩弧焊时应配置的钨极
在生产中使用手工钨极氩弧焊时，对选用的钨极，还应注意以下几点。
①按要求打磨钨极端头，防止钨极端头形成锯齿形而引起双弧或电弧飘移、过热。
②焊后不要急于抬起焊枪，使钨极保持在氩气保护中，冷却后才能切断供气。
③一般应减小钨极伸出长度，以减少钨极接触空气，受到污染。
④经常检查钨极的对中和直度，发现弯曲时可采用热矫正法矫直。
⑤钨极、夹头和喷嘴的规格应相匹配，喷嘴内径一般约为钨极的3倍。
⑥钨极表面必须光洁，无裂纹或划痕、缺损等，否则将使导电、导热性能变差。