《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》國家標(biāo)準(zhǔn)解析

王蘆燕 ，于月光 ，彭 鷹 ，李曹兵 ，張宇晴

（1.北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083；2.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100070；3.北礦新材科技有限公司，北京 102206）

1 標(biāo)準(zhǔn)制定的背景和依據(jù)

1.1 鎢電極行業(yè)概況及標(biāo)準(zhǔn)制定背景

鎢電極是一類廣泛應(yīng)用于氬弧焊、等離子體焊接、噴涂、切割技術(shù)和冶金工業(yè)的關(guān)鍵熱源材料，用于航空航天、兵器、化工等行業(yè)，全球年消耗達(dá)2000 t左右，并不斷增長。該領(lǐng)域最早采用的是純鎢電極，電子逸出功4.5 eV。1913年，釷鎢電極的發(fā)明，使電子逸出功降低到2.63 eV，大大提高了鎢電極性能，該產(chǎn)品逐漸在全球范圍內(nèi)得到應(yīng)用。然而釷是天然放射性元素，半衰期長達(dá)1.39×1010年，發(fā)射的α粒子射程短、電離能力強(qiáng)，若吸入、食入或通過傷口進(jìn)入人體內(nèi)，可引起體內(nèi)污染、中毒或急性放射病，所以釷鎢電極在加工和使用時(shí)極易對(duì)人體和環(huán)境造成放射性污染，危害環(huán)境和人類健康[1-2]。鑒于此，在小電流焊接等領(lǐng)域中稀土摻雜的鎢電極已經(jīng)取代釷鎢電極。但由于釷鎢電極的逸出功低，電子發(fā)射性能以及耐電弧燒蝕性能優(yōu)良，在大電流氬弧焊、等離子體焊接中仍然使用釷鎢電極，目前市場(chǎng)上70%左右仍使用具有放射性污染的釷鎢電極[3]。

替代釷鎢電極是國內(nèi)外科研人員不斷努力探索的方向。20世紀(jì)60年代國外開始研究單元稀土鎢電極，蘇聯(lián)在60年代已有研制新型電極材料的報(bào)道，Tashkent大學(xué)的Euralnik N.L.等研究了單元稀土鎢電極的熱電子發(fā)射性能。日本從20世紀(jì)80年代中期開始在研制新型稀土鎢電極材料方面開展了大量的工作，先后研究了單元稀土鎢電極、二元和三元復(fù)合稀土鎢電極材料[4-6]。國外對(duì)稀土摻雜鎢電極的研究較多，但限于鎢與稀土資源缺乏，在產(chǎn)業(yè)化方面報(bào)道相對(duì)較少。

我國鎢資源具有優(yōu)勢(shì)地位，儲(chǔ)量居世界第一，大約占世界儲(chǔ)量的47%左右，目前世界上80%的鎢消費(fèi)量由我國供應(yīng)原料或半成品。釷鎢電極的危害一直受人們關(guān)注，我國在20世紀(jì)70年代開始了稀土氧化物摻雜取代釷鎢電極的研究工作，北京鎢鉬材料廠（現(xiàn)為北礦新材科技有限公司）、上海燈泡廠于20世紀(jì)70年代首先研制出鈰鎢電極；80年代以后，北礦新材科技有限公司率先成功研制La-W電極材料，90年代我國開始生產(chǎn)鋯鎢等單元稀土鎢電極，并部分應(yīng)用，適用于小電流工況。為了進(jìn)一步改進(jìn)稀土鎢電極的綜合性能，又開始對(duì)三元復(fù)合稀土鎢電極材料進(jìn)行了研究[7]。21世紀(jì)初，多元復(fù)合稀土鎢電極研制成功，經(jīng)國家焊接材料質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心檢測(cè)和用戶使用證明，比現(xiàn)行釷鎢和單元稀土鎢電極性能優(yōu)越，能夠滿足工業(yè)使用要求，無污染，并能在性能和工況條件上全面替代釷鎢電極。該電極受到了市場(chǎng)的青睞，主要出口注重環(huán)保的歐盟等地區(qū)，開始逐漸替代釷鎢電極。綜上所述，由于市場(chǎng)對(duì)鎢電極使用性能和環(huán)保需求的提升，經(jīng)過多年研究和產(chǎn)業(yè)化工作，鎢電極牌號(hào)得到大幅擴(kuò)充。

國家標(biāo)準(zhǔn)《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》制定之前，鎢電極產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要有國際標(biāo)準(zhǔn) ISO6848—2004（E）《電弧焊和切割.非自耗鎢電極.分類》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10743—1996《惰性氣體保護(hù)電弧焊和等離子焊、切割用鎢鈰電極》，近年來不斷涌現(xiàn)出一批環(huán)保鎢電極新產(chǎn)品，如釔鎢、多元復(fù)合稀土鎢電極等，在航空航天、冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，但在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)均未涵蓋到此類新產(chǎn)品。在目前國內(nèi)外鎢電極市場(chǎng)需求日益增加，而釷鎢電極逐漸被淘汰的趨勢(shì)下，制定系列稀土鎢電極標(biāo)準(zhǔn)，可以更好地發(fā)揮我國的資源優(yōu)勢(shì)，規(guī)范環(huán)保產(chǎn)品的使用，實(shí)現(xiàn)我國鎢產(chǎn)品的迅速增值化、規(guī)范化生產(chǎn)。

國家標(biāo)準(zhǔn)《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》中匯集鎢電極品種齊全，比此前相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)及我國的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更為全面，能夠有效指導(dǎo)國內(nèi)外鎢電極（尤其是新型綠色環(huán)保電極）的規(guī)范生產(chǎn)和使用，更好地規(guī)范和滿足我國鎢電極的生產(chǎn)和使用要求。因此，該產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定和推廣能夠指導(dǎo)產(chǎn)品的生產(chǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量，規(guī)范供需雙方貿(mào)易過程，對(duì)于大力推廣此類產(chǎn)品環(huán)保新型號(hào)在行業(yè)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)制定依據(jù)

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)綜合 [2013]90號(hào)文件《國家標(biāo)準(zhǔn)委關(guān)于下達(dá)2013年第二批國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂計(jì)劃的通知》下達(dá)了編制《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)，項(xiàng)目編號(hào)為20132100-T-610。確定了北礦新材科技有限公司為負(fù)責(zé)起草單位，北京工業(yè)大學(xué)、北京天龍鎢鉬科技股份有限公司、山東華業(yè)鎢鉬股份有限公司、北京礦冶研究總院（現(xiàn)更名為北京礦冶科技集團(tuán)有限公司）為參加起草單位。

該標(biāo)準(zhǔn)力求規(guī)范、客觀、公正、嚴(yán)謹(jǐn)，是在充分調(diào)研和廣泛協(xié)商基礎(chǔ)上制定的。標(biāo)準(zhǔn)制定過程主要采用了書面調(diào)查和反饋方式，反復(fù)征詢和協(xié)調(diào)了國內(nèi)有關(guān)設(shè)計(jì)、制造和使用的企業(yè)、研究院所、高校的專家意見，并由有色標(biāo)委會(huì)組織有關(guān)專家進(jìn)行了多次研討。國家標(biāo)準(zhǔn)《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》（GB/T 31908—2015）于 2016年 6月 1日正式實(shí)施，成為我國鎢電極的第一個(gè)全系列產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，至今已實(shí)施滿三年，實(shí)施情況良好。

2 主要內(nèi)容釋義及論據(jù)

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極材料的要求、試驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存、質(zhì)量證明書及訂貨單（或合同）內(nèi)容。文章將重點(diǎn)介紹產(chǎn)品的要求及其確定依據(jù)。

2.1 產(chǎn)品分類及標(biāo)識(shí)

此要求規(guī)定了鎢電極的分類方法及產(chǎn)品標(biāo)識(shí)方法，相關(guān)情況分別說明如下。

2.1.1 按供應(yīng)狀態(tài)分類

產(chǎn)品根據(jù)目前行業(yè)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)、銷售情況，按照供應(yīng)狀態(tài)，將鎢電極分為“光桿”和“黑桿”兩種。光桿是采用磨光、拋光等表面處理，表面是金屬光澤；黑桿則是在塑性加工后未經(jīng)過表面處理，表面有氧化層或拉絲石墨乳等。

2.1.2 按化學(xué)成分分類

鎢電極產(chǎn)品牌號(hào)按化學(xué)成分分類，共16個(gè)牌號(hào)，其化學(xué)成分及標(biāo)識(shí)應(yīng)符合表1規(guī)定。供需雙方需要其他牌號(hào)、顏色標(biāo)識(shí)時(shí)，由供需雙方協(xié)商確定后在訂貨單（或合同）中具體注明。

該分類確定依據(jù)主要為國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及近年來鎢電極領(lǐng)域供需情況。ISO6848—2004（E）《電弧焊和切割.非自耗鎢電極.分類》中僅包括釷鎢、鈰鎢、鑭鎢等傳統(tǒng)類型，包含WP、WCe20、WLa10、WLa15、WLa20、WTh10、WTh20、WTh30、WZr3、WZr8共10種牌號(hào)。國家標(biāo)準(zhǔn)《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》與之相比，增加了WT40、WY20、WX10、WX20、WX30、WX40 共 6 個(gè)牌號(hào)，并分別規(guī)定了摻雜類別、含量和顏色標(biāo)識(shí)。SJ/T 10743—1996《惰性氣體保護(hù)焊和等離子焊、切割用鎢鈰電極》中僅涉及鈰鎢電極一種類型，包含WCe10、WCe15、WCe20、WCe30、WCe40 五種牌號(hào)。

除這16種牌號(hào)成分以外，供需雙方也可以根據(jù)合同約定，采用其他鎢電極牌號(hào)的成分要求，體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的開放性。

2.1.3 牌號(hào)表示方法

第一個(gè)字母表示鎢電極的主要元素鎢，標(biāo)識(shí)符號(hào)為大寫字母W；第二個(gè)字母表示摻雜的氧化物類別，標(biāo)識(shí)符號(hào)一般為摻雜元素名稱的首字母大寫，純鎢電極不含其他添加物則為P，多種稀土氧化物組成的多元復(fù)合稀土鎢電極為X；符號(hào)中數(shù)字表示鎢電極中摻雜氧化物含量的千分值。如鈰鎢電極WC20，W代表主含量為鎢；C表示摻雜稀土元素為鈰；20說明稀土氧化物摻雜量為20‰左右。

表1 名稱、牌號(hào)、摻雜類別及含量、顏色標(biāo)識(shí)Tab.1 Name,grade,doping type and content,color identification

2.1.4 標(biāo) 識(shí)

對(duì)于光桿鎢電極須在其任意一端用顏色標(biāo)識(shí)，色標(biāo)長度為10.0 mm±1.0 mm。色標(biāo)長度也可按供需雙方協(xié)議標(biāo)識(shí)。

SJ/T 10743—1996《惰性氣體保護(hù)焊和等離子焊、切割用鎢鈰電極》中未提及顏色標(biāo)識(shí)。ISO6848—2004（E）《電弧焊和切割.非自耗鎢電極.分類》中規(guī)定色標(biāo)寬度≤3 mm。根據(jù)我國鎢電極供需現(xiàn)狀，規(guī)定為10.0 mm±1.0 mm。與國際標(biāo)準(zhǔn)相比，國家標(biāo)準(zhǔn)《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》增加并明確規(guī)定了顏色標(biāo)識(shí)長度。

2.2 化學(xué)成分

稀土摻雜物含量，考慮到鎢電極材料，應(yīng)盡量保證其焊接性能要求，而摻雜物主要作用是提高其焊接性能。因此，應(yīng)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合廣大用戶需求，將摻雜物含量3‰、8‰、10‰、15‰、20‰、30‰、40‰的各類鎢電極均作出明確的規(guī)定。

根據(jù)目前廣大用戶的意見，要求產(chǎn)品有較高的純度。通過長期生產(chǎn)測(cè)試分析的結(jié)果，規(guī)定了雜質(zhì)含量值“≤0.1%”。

2.3 產(chǎn)品規(guī)格及尺寸公差

此項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)實(shí)際市場(chǎng)需求和產(chǎn)品生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合國際標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)而確定的。對(duì)每一批產(chǎn)品，在出廠前企業(yè)都要對(duì)產(chǎn)品外形尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的抽樣檢測(cè)。通過隨機(jī)抽取一定量北礦新材科技有限公司常用規(guī)格的合格產(chǎn)品及部分市售產(chǎn)品，進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表2所示。

ISO6848—2004（E）《電弧焊和切割.非自耗鎢電極.分類》中規(guī)定直徑0.25～0.5 mm產(chǎn)品，公差為±0.02 mm；1.0～2.0 mm 產(chǎn)品，公差為±0.05 mm；2.4～10.0 mm產(chǎn)品，公差為±0.1 mm，長度規(guī)定見表3。

SJ/T 10743—1996《惰性氣體保護(hù)焊和等離子焊、切割用鎢鈰電極》中規(guī)定直徑和長度公差見表4。

根據(jù)表2反映的實(shí)際生產(chǎn)控制水平和目前用戶使用要求，結(jié)合表3國際標(biāo)準(zhǔn)和表4國內(nèi)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尺寸及允許偏差見表5。

表2 產(chǎn)品直徑和長度實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical data of product diameter and length

表3 國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6848—2004（E）中產(chǎn)品長度公差Tab.3 Product length tolerance in international standard ISO6848-2004（E）

表5 產(chǎn)品規(guī)格及尺寸公差 mmTab.5 Product specifications and dimensional tolerances

2.4 外觀

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，表面缺陷主要有電極端頭有臺(tái)階、不平齊；涂頭顏色不均勻、長度不一致；表面有毛刺、明顯疤痕、劃痕、裂紋、夾雜物、凹凸不平、氧化、油脂等，部分缺陷形貌如圖1所示，合格產(chǎn)品如圖2。

圖1 典型外觀不合格產(chǎn)品圖Fig.1 Picture of typically unqualified product

圖2 合格產(chǎn)品圖Fig.2 Picture of qualified products

涂頭顏色不均勻、長度不一致、斷面不平齊，影響產(chǎn)品美觀。毛刺、劈裂、疤痕是旋錘、拉絲過程中留下的缺陷，在使用過程中易引起炸裂或局部過熔，影響使用性能。

上述缺陷會(huì)影響產(chǎn)品美觀、使用性能等問題，一般用戶會(huì)提出明確要求。

因此，規(guī)定電極端面應(yīng)是平直的切面，光桿鎢電極涂頭色標(biāo)顏色及長度應(yīng)均勻一致。光桿鎢電極表面應(yīng)通過磨光或拋光處理，外觀均勻一致，不得有氧化、油脂及因處理而帶來的沾污雜質(zhì)，不允許有毛刺及明顯可見的缺陷。黑桿鎢電極表面應(yīng)無不良斑痕、無外來夾雜物、無劈裂斷痕、無凹凸不平及其他肉眼可見的缺陷。

2.5 直線度

通過隨機(jī)抽取一定量北礦新材科技有限公司合格產(chǎn)品及部分其他鎢電極廠家市售產(chǎn)品，進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 產(chǎn)品直線度實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistical table of actual test data for product linearity

電極產(chǎn)品如果彎曲，易導(dǎo)致電極裝卡障礙或焊接弧束偏移，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致沒法進(jìn)行焊接操作。因此，為提高產(chǎn)品的使用性能，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電極應(yīng)是平直的，每100 mm長（或長度更短）的電極，其直線偏離度不得超過0.5 mm。

2.6 內(nèi)在質(zhì)量

產(chǎn)品加工過程中，易出現(xiàn)疏松、夾雜、斷層、裂紋等缺陷。這些缺陷使得電極產(chǎn)品在使用過程中，出現(xiàn)起弧不穩(wěn)定、焊接抗燒損性能降低等，導(dǎo)致最終焊接成品質(zhì)量波動(dòng)或工件報(bào)廢。因此，需用探傷的方式，對(duì)電極產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，并規(guī)定電極不應(yīng)存在內(nèi)部缺陷（疏松、夾雜、斷層、裂縫）。

2.7 焊接性能

鎢電極主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹附宇I(lǐng)域，因此焊接性能是鎢電極產(chǎn)品主要使用性能的表征。國家標(biāo)準(zhǔn)參照ISO6848—2004（E）《電弧焊和切割.非自耗鎢電極.分類》，對(duì)不同直徑電極的工作許用負(fù)載進(jìn)行規(guī)定。

表7 鎢電極工作允許負(fù)載表Tab.7 Allowable load table for tungsten electrode operation

3 同類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

國家標(biāo)準(zhǔn)制定前，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性查詢，國內(nèi)外關(guān)于鎢電極的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾個(gè)：

標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，國際標(biāo)準(zhǔn)有ISO6848—2004（E）《電弧焊和切割.非自耗鎢電極.分類》，日本、歐盟等國家或地區(qū)參照其制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該類標(biāo)準(zhǔn)涉及產(chǎn)品類型較少，僅包括釷鎢、鈰鎢、鑭鎢等傳統(tǒng)類型。因此該標(biāo)準(zhǔn)不能涵蓋現(xiàn)行產(chǎn)品牌號(hào)，也不能反映行業(yè)最新發(fā)展趨勢(shì)。在該標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批后，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO6848進(jìn)行了第三版修訂，新標(biāo)準(zhǔn)為ISO6848—2015（E），對(duì)牌號(hào)進(jìn)行了擴(kuò)充，并進(jìn)行了部分指標(biāo)調(diào)整[8-16]。

我國現(xiàn)有的關(guān)于鎢電極產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只有1996年發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10743—1996《惰性氣體保護(hù)焊和等離子焊、切割用鎢鈰電極》，該標(biāo)準(zhǔn)為GB4191—84降級(jí)而來。該標(biāo)準(zhǔn)僅涉及鈰鎢電極，主要規(guī)定了含有氧化鈰摻雜的鎢鈰電極的技術(shù)要求。

通過比較，以上標(biāo)準(zhǔn)均不能適應(yīng)鎢電極產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品類型不齊全、部分指標(biāo)要求較低。

鎢電極產(chǎn)品類型較多，包括純鎢電極；鈰鎢、釷鎢、鑭鎢、鋯鎢、釔鎢等單元稀土鎢電極；二元及多元復(fù)合稀土鎢電極。尤其是無放射性的電極領(lǐng)域的新產(chǎn)品，根據(jù)文獻(xiàn)檢索表明，目前國內(nèi)外還沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)尤其是我國的行標(biāo)內(nèi)容不齊全，未能真實(shí)反映當(dāng)前鎢電極行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31908—2015填補(bǔ)了我國鎢電極國家標(biāo)準(zhǔn)的空白，該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋產(chǎn)品更為齊全，可更好的規(guī)范和滿足我國鎢電極的生產(chǎn)和使用需求。國家標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比見表8。

表8 國家標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比[8-11]Tab.8 Comparison between national standards with relevant international standards and industry standards

4 結(jié)語

（1）國家標(biāo)準(zhǔn)《電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極》（GB/T31908—2015）在編制時(shí)參考了國際標(biāo)準(zhǔn) ISO6848—2004（E）《電弧焊和切割.非自耗鎢電極.分類》和我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 10743—1996《惰性氣體保護(hù)焊和等離子焊、切割用鎢鈰電極》，修改了化學(xué)成分、產(chǎn)品分類及焊接性能等方面的內(nèi)容，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。而且該標(biāo)準(zhǔn)具有一定的前瞻性，與ISO6848最新版（第三版）相比，仍具有一定的先進(jìn)性。

（2）該標(biāo)準(zhǔn)較準(zhǔn)確地反映出國內(nèi)外新材料、新工藝和新技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用，并具有很強(qiáng)的實(shí)用性，體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性和實(shí)用性，具有對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的指導(dǎo)作用，體現(xiàn)了鎢電極的質(zhì)量控制要求。

（3）該標(biāo)準(zhǔn)為國內(nèi)首次制定，作為電弧焊和等離子焊接、切割用鎢電極的國家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定與發(fā)布將對(duì)指導(dǎo)我國鎢電極生產(chǎn)和使用起到重要作用，滿足我國相關(guān)鎢電極產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量控制和環(huán)保型鎢電極產(chǎn)品替代釷鎢產(chǎn)品的科研開發(fā)工作需求，體現(xiàn)了新型電極的環(huán)保理念。