三元复合稀土钨电极的加工工艺研究
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摘要
摘要
本论文深入研究了三元复合稀土钨电极的加工工艺参数、显微组织和加工性能
之间的关系，确定了电极在塑性加工中需要控制的关键工序和关键加工工艺参数，
为制定合理的复合稀土钨电极加工工艺，提高产品的成品率提供依据。
三元复合稀土钨电极是一种新开发的绿色电极产品，具有优异的综合焊接性能，
因此最有希望替代有放射性污染的 W-Th 电极，但由于复合添加了三种稀土成分，给
工业生产的加工工艺带来了一些新的问题，尤其是使得电极在旋锻开坯和拉丝加工
工序中的产品成品率显著下降。为此，在本论文研究中按照旋锻加工的温度和道次
变形量的不同，设计了两种加工工艺，并在工业生产的条件下进行了加工工艺试验，
得到不同的加工成品率。在电极塑性加工过程的各个阶段综合运用光学金相显微术、
扫描电子显微术及 X 射线衍射分析等手段对加工得到的电极材料进行了显微组织的
分析，发现在两种加工工艺中形成了具有不同特征的纤维组织。其中加工性能好的
加工工艺中，纤维化组织的纤维宽度均匀，纤维之间排列整齐。在加工性较差的工
艺中，得到的纤维组织中纤维宽度差别较大，且排列不整齐。所以，加工参数的不
同形成了不同的显微组织，从而具有不同的加工性能和成品率。
通过调整旋锻加工的工艺参数，提高了三元复合稀土钨电极生产的成品率。对
工业生产的电极进行了焊接性能测试，结果表明达到了实验室研究的水平，可以作
为替代 W-Th 电极的新型绿色电极产品应用在惰性气体保护焊接和等离子体技术等
领域。因此本论文的研究结论认为，通过制定合理的加工工艺可以实现三元复合稀
土钨电极的工业生产和应用，产生良好的经济效益和社会效益。
In this thesis, the relationship among the processing parameters of the tungsten
electrode doped with three rare-earth oxides, microstructure and its deforming ability is
carefully studied. Reasonable processing technology is determined, so that the rate of
failure of processing is decreased.
The tungsten electrode doped with three rare-earth oxides has outstanding hot electron
emission ability and has no radioactivity harm, so that it can be used as a kind of green
welding material. However, due to its different compound from other traditional weld
materials, some difficulties have to be overcome in the processing under the condition of
industry. In this research, two processing routes are designed according to the difference
of the processing temperature and deforming rate, which are proved to be different in the
processing failure rate. And the different microstructures are discovered in the electrodes
produced according to different processing parameters by means of OM, SEM, XRD,
EDAX. The character of the microstructure of the electrode which has lower failure rate is
that the fabric-shape grains are long and orderly arranged. The experiments showed that
the processing parameters can affect the microstructure and the processing failure rate as
well.
Through our research, the processing failure rate is significantly decreased by
adjusting the processing parameters. And the arc properties of the tungsten electrode
doped with three rare-earth oxides produced in the factory are tested under the condition
of national standard. The study proved that the tungsten electrode doped with three
rare-earth oxides can be produced and applied in industry.
本论文深入研究了三元复合稀土钨电极的加工工艺参数、显微组织和加工性能
之间的关系，确定了电极在塑性加工中需要控制的关键工序和关键加工工艺参数，
为制定合理的复合稀土钨电极加工工艺，提高产品的成品率提供依据。
三元复合稀土钨电极是一种新开发的绿色电极产品，具有优异的综合焊接性能，
因此最有希望替代有放射性污染的 W-Th 电极，但由于复合添加了三种稀土成分，给
工业生产的加工工艺带来了一些新的问题，尤其是使得电极在旋锻开坯和拉丝加工
工序中的产品成品率显著下降。为此，在本论文研究中按照旋锻加工的温度和道次
变形量的不同，设计了两种加工工艺，并在工业生产的条件下进行了加工工艺试验，
得到不同的加工成品率。在电极塑性加工过程的各个阶段综合运用光学金相显微术、
扫描电子显微术及 X 射线衍射分析等手段对加工得到的电极材料进行了显微组织的
分析，发现在两种加工工艺中形成了具有不同特征的纤维组织。其中加工性能好的
加工工艺中，纤维化组织的纤维宽度均匀，纤维之间排列整齐。在加工性较差的工
艺中，得到的纤维组织中纤维宽度差别较大，且排列不整齐。所以，加工参数的不
同形成了不同的显微组织，从而具有不同的加工性能和成品率。
通过调整旋锻加工的工艺参数，提高了三元复合稀土钨电极生产的成品率。对
工业生产的电极进行了焊接性能测试，结果表明达到了实验室研究的水平，可以作
为替代 W-Th 电极的新型绿色电极产品应用在惰性气体保护焊接和等离子体技术等
领域。因此本论文的研究结论认为，通过制定合理的加工工艺可以实现三元复合稀
土钨电极的工业生产和应用，产生良好的经济效益和社会效益。
In this thesis, the relationship among the processing parameters of the tungsten
electrode doped with three rare-earth oxides, microstructure and its deforming ability is
carefully studied. Reasonable processing technology is determined, so that the rate of
failure of processing is decreased.
The tungsten electrode doped with three rare-earth oxides has outstanding hot electron
emission ability and has no radioactivity harm, so that it can be used as a kind of green
welding material. However, due to its different compound from other traditional weld
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industry. In this research, two processing routes are designed according to the difference
of the processing temperature and deforming rate, which are proved to be different in the
processing failure rate. And the different microstructures are discovered in the electrodes
produced according to different processing parameters by means of OM, SEM, XRD,
EDAX. The character of the microstructure of the electrode which has lower failure rate is
that the fabric-shape grains are long and orderly arranged. The experiments showed that
the processing parameters can affect the microstructure and the processing failure rate as
well.
Through our research, the processing failure rate is significantly decreased by
adjusting the processing parameters. And the arc properties of the tungsten electrode
doped with three rare-earth oxides produced in the factory are tested under the condition
of national standard. The study proved that the tungsten electrode doped with three
rare-earth oxides can be produced and applied in industry.
引文
1 刘学悫. 阴极电子学. 北京, 科学出版社，1980，4-7
2 国家自然科学基金委. 等离子体物理学. 北京科学出版社，1998
3 贾佐诚. 钨电极材料的发展. 全国第五届钨钼学术交流会论文集（第一分册）. 湖
南长沙，1989.12
4 《稀有金属应用》编写组. 稀有金属应用（上）. 冶金工业出版社，1984
5 《稀有金属应用》编写组. 稀有金属应用（下）. 冶金工业出版社，1984
6 聂祚仁，周美玲等.稀土钨电极研究与应用.稀有金属材料与工程 27 卷，1998，
10
7 Albert A.sadek, Masao Ushio, Fukuhisa Matsuda. Gas-Tungsten-Arc Cathode and
Related Phenomina. Transaction of JWRI. 1987, 16(1):195-210
8 Fukuhisa Mstsuda et. Roles and Behaviors of Rare Earth Metal Oxides During the
Operation of Tungsten Doped Eletrodes. Trans. Japan Welding Sociaty. 1990, 21(2):
3-12
9 Fukuhisa Mstsuda et. Temperature and Work Function Measurements with Different
GTA Electrodes. Trans. Japan Welding Sociaty.1991, 22 (1):3-9
10 Alber Alphonse Sadek. Development of New Tungsten Electrode by Rare Earth
Metal Oxide Additions for InertGas DcArc Welding. Osaka University, 1989
11 Alber A. Sadek ect. New Cathode Materials for Inert and Oxidizing Atmosphere
Plasma Application. Collock of Physic. 1990: 402-410
12 Isao Masumoto etc. Development and Application of New Oxide-activated Tungsten
Electrode in Japan. Commission on Welding Processes of the Japan Welding Society
Working Group on Electrode Testing. July 1988
13 Ushio M., Sadek A.A., Matsuda F.. Comparison of Temperature and Word Funtion
Measurements Obtained with Different GTA Electrodes. Plasma Chemistry and
Plasma Processing. 1991, 11(1): 81-101
14 Suga y., Matsumoto H., Proc.First Int. Offshore Polar Eng. Conf. (ISOPE),USA,
1991：319—324
15 Suga Y., Ogawwa K., Matsumoto H., J. light Met. Weld and Construction,
46
参考文献
1991, 29(10): 455-461
16 Yamamoto H., Harada S., Yamamoto Y., etc. J. light Met. Weld and construction,1990,
28(4):145—152
17 Matsuda F., Ushio M., Fujii H., ect. Quartrtly J. Japan Weld Soc.. 1988, 6(2):9
18 Ushio M.Matsuda F., Fujii H., ect. Quartrtly J. Japan Weld Soc.. 1993, 24(2):15
19 Hinata F., Ushio M., etc. Trans. Japan Weld Soc., 1993,24(2):15
20 M.Ushio and K. Tanaka. Study on Tungsten at Higher Current Operation.
Symposium Proceedings, Symposium on Plasma Science for Materials. 1993,
SPSM-6: 251-257
21 新型钨电极材料的研究（技术鉴定文件）.中国有色金属工业总公司. 1991，10
22 杨扬，周美玲等. 稀土 La、Y 对蓝钨还原的影响. 稀有金属材料与工程.
1994,23(10)
23 Yang Y.，Zhou M. L., Li H.G. J. CS Ins. Of Min. and Mtal..1993, 24(1):69-76
24 周美玲，聂祚仁等. 多元复合稀土钨材的热电子发射性能. 稀有金属材料与工
程. 1998,27(10):41
25 新型稀土钨电极材料系列化开发及焊接性能研究（鉴定材料）. 北京钨钼材料
厂. 北京工业大学. 12，1997
26 孙丽梅. 用轨道杂化理论分析钨的高熔点特性. 包头石油化工. 2004，1：46-47
27 郭建军，孙洪志. 钨的性能、加工及其应用. 稀有金属快报. 1997，7：11-12
28 刘孙和. 三元稀土钨电极材料的研制. 中南大学硕士学位论文. 2002：6
29 师昌绪，柯俊等. 材料科学与技术丛书.8 卷，1999
30 贾佐诚. W –Ce 合金的烧结和加工缺陷的研究.铁研究学报.1994,Vol6
31 聂祚仁等.复合稀土氧化物在 W 电极种的分布规律和作用机理. 金属学报.
Sept.,1999,Vol35，
32 陈颖. 新型稀土钨电极材料研究. 北京工业大学硕士学位论文.1998:5
33 印协世. 钨丝生产原理工艺及性能. 冶金工业出版社, 1998
34 李淑霞, 魏光明, 朱瑞. 镧钨电极材料. 中国钨业. 1998，6：42-44
35 张文禄. 对钨铈坯条加工中常见质量缺陷的探讨. 稀有金属与硬质合金. 1998，
01：37-39
36 安藤弘平等. 焊接电弧现象. 施雨湘译. 机械工业出版社, 1985：147-150
47
北京工业大学工学硕士学位论文
37祝树燕等.电极因素对 TIG 弧的物理特性及焊接工艺性的影响. 太原工业大学
学报.1994，Vol 25（1）：52-57
38樊晓武. 新型钨电极材料结构与性能研究. 北京工业大学硕士论文. 北京，1999
39崔信昌. 等离子焊接和切割. 国防工业出版社, 1980，6
40过增元. 电弧和热电过离子体. 科学出版社, 1986
41 聂祚仁等. 稀土钨电极材料及稀土氧化物的作用. 稀有金属材料与工程. 1997,
V26(6): 1-6
2 国家自然科学基金委. 等离子体物理学. 北京科学出版社，1998
3 贾佐诚. 钨电极材料的发展. 全国第五届钨钼学术交流会论文集（第一分册）. 湖
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25 新型稀土钨电极材料系列化开发及焊接性能研究（鉴定材料）. 北京钨钼材料
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26 孙丽梅. 用轨道杂化理论分析钨的高熔点特性. 包头石油化工. 2004，1：46-47
27 郭建军，孙洪志. 钨的性能、加工及其应用. 稀有金属快报. 1997，7：11-12
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32 陈颖. 新型稀土钨电极材料研究. 北京工业大学硕士学位论文.1998:5
33 印协世. 钨丝生产原理工艺及性能. 冶金工业出版社, 1998
34 李淑霞, 魏光明, 朱瑞. 镧钨电极材料. 中国钨业. 1998，6：42-44
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36 安藤弘平等. 焊接电弧现象. 施雨湘译. 机械工业出版社, 1985：147-150
47
北京工业大学工学硕士学位论文
37祝树燕等.电极因素对 TIG 弧的物理特性及焊接工艺性的影响. 太原工业大学
学报.1994，Vol 25（1）：52-57
38樊晓武. 新型钨电极材料结构与性能研究. 北京工业大学硕士论文. 北京，1999
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41 聂祚仁等. 稀土钨电极材料及稀土氧化物的作用. 稀有金属材料与工程. 1997,
V26(6): 1-6