Verzeichnis
Kapitel 1 Einleitung
1.1 Definition und Überblick über Thorium-Wolfram-Elektroden
1.2 Die Bedeutung der Thorium-Wolfram-Elektrode in der Schweißindustrie
1.3 Hintergrund der Forschung und Anwendung
Kapitel 2 Arten von Thorium-Wolfram-Elektroden
2.1 Thorium-Wolfram-Elektroden werden nach dem Thoriumoxid-Gehalt klassifiziert
2.1.1 WT10 (gelbe Farbe)
2.1.2 WT20 (rote Farbe)
2.1.3 WT30 (Lila Farbe)
2.1.4 WT40 (orange Farbe)
2.2 Thorium-Wolfram-Elektroden werden nach Anwendungsszenarien klassifiziert
2.2.1 Thorium-Wolfram-Elektrode zum Gleichstromschweißen
2.2.2 Thorium-Wolfram-Elektrode zum AC-Schweißen (Sonderszene)
2.3 Vergleich der Thorium-Wolfram-Elektrode mit anderen Wolfram-Elektroden
2.3.1 Reine Wolframelektrode
2.3.2 Cer-Wolfram-Elektrode
2.3.3 Lanthan-Wolfram-Elektrode
2.3.4 Zirkonium-Wolfram-Elektrode
2.3.5 Yttrium-Wolfram-Elektrode
Kapitel 3 Eigenschaften der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.1 Physikalische Eigenschaften der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.1.1 Hoher Schmelzpunkt und thermische Stabilität der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.1.2 Elektronenarbeit der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.1.3 Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.2 Chemische Eigenschaften der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.2.1 Oxidationsbeständigkeit der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.2.2 Chemische Stabilität der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.3 Schweißleistung der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.3.1 Lichtbogeninitiierungsleistung der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.3.2 Lichtbogenstabilität der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.3.3 Elektroden-Ausbrennrate der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.3.4 Verhalten der Thorium-Wolfram-Elektrode bei hohen Lastströmen
3.4 Radioaktive Eigenschaften der Thorium-Wolfram-Elektrode
3.4.1 Spurenradioaktivität von Thoriumoxid
3.4.2 Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt
3.4.3 Vergleich der Thorium-Wolfram-Elektrode mit der nicht-radioaktiven Elektrode
3.5 Thorium-Wolfram-Elektroden-Sicherheitsdatenblatt von CTIA GROUP LTD
Kapitel 4 Vorbereitungs- und Herstellungstechnologie der Thorium-Wolfram-Elektrode
4.1 Vorbereitung der Rohstoffe für die Thorium-Wolfram-Elektrode
4.1.1 Auswahl und Reinigung von Wolframpulver
4.1.2 Thoriumoxid-Dotierungsverfahren
4.2 Pulvermetallurgischer Prozess der Thorium-Wolfram-Elektrode
4.2.1 Mischen und Pressen
4.2.2 Sinterprozess
4.2.3 Wärmebehandlung und Getreidekontrolle
4.3 Walz- und Schleifprozess der Thorium-Wolfram-Elektrode
4.3.1 Formen von Elektrodenstäben
4.3.2 Oberflächenpolitur und Präzisionskontrolle
4.4 Qualitätskontrolle der Thorium-Wolfram-Elektrode
4.4.1 Prüfung der Gleichmäßigkeit der Inhaltsstoffe
4.4.2 Prüfung der Maß- und Oberflächengüte
4.5 Prävention und Kontrolle der radioaktiven Kontamination der Thorium-Wolfram-Elektrode
4.5.1 Entsorgung radioaktiver Abfälle im Produktionsprozess
4.5.2 Schutzmaßnahmen und Anforderungen an die Ausrüstung
4.5.3 Behandlung von Abwässern und festen Abfällen
Kapitel 5 Verwendung der Thorium-Wolfram-Elektrode
5.1 Anwendung der Thorium-Wolfram-Elektrode im Bereich des Schweißens
5.1.1 Schweißen mit Wolfram-Inertgas (WIG)
5.1.2 Plasmaschweißen
5.1.3 Gleichstrom-Anodenschweißen (Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Nickellegierung, Titanlegierung usw.)
5.2 Anwendung der Thorium-Wolfram-Elektrode in anderen Branchen
5.2.1 Kathodenmaterialien in der Vakuumelektronik
5.2.2 Lichtbogenschneiden und Lichtbogeninitiierung
5.3 Einschränkungen von Anwendungsszenarien für Thorium-Wolfram-Elektroden
5.3.1 Szenarien für die Verwendung radioaktiver Energie
5.3.2 Anwendungstrends alternativer Elektroden
Kapitel 6 Produktionsausrüstung für Thorium-Wolfram-Elektroden
6.1 Rohstoffverarbeitungsausrüstung für Thorium-Wolfram-Elektroden
6.1.1 Wolframpulver-Schleif- und Siebanlagen
6.1.2 Thoriumoxid-Dotierungsgeräte
6.2 Pulvermetallurgie-Ausrüstung für Thorium-Wolfram-Elektroden
6.2.1 Mischer
6.2.2 Pressen
6.2.3 Hochtemperatur-Sinterofen
6.3 Form- und Verarbeitungsausrüstung für Thorium-Wolfram-Elektroden
6.3.1 Kalander
6.3.2 Schleif- und Poliergeräte
6.4 Strahlenschutzausrüstung für Thorium-Wolfram-Elektroden
6.4.1 Spezielles Schleif- und Staubentfernungssystem
6.4.2 Gehäuse und Lüftungseinrichtungen
6.4.3 Entsorgungsanlagen für radioaktive Abfälle
6.5 Prüfgeräte für Thorium-Wolfram-Elektroden
6.5.1 X-γ-Strahlungsdosisleistungs-Detektor
6.5.2 α, β Detektor für Oberflächenkontamination
Kapitel 7 In- und ausländische Normen für Thorium-Wolfram-Elektroden
7.1 Internationale Normen für Thorium-Wolfram-Elektroden
7.1.1 ISO 6848:2015 (Klassifizierung und Anforderungen an Wolframelektroden)
7.1.2 AWS A5.12/A5.12M (Spezifikation für Wolframelektroden des American Welding Institute)
7.1.3 EN 26848 (Europäische Norm für Wolframelektroden)
7.2 Inländische Normen für Thorium-Wolfram-Elektroden
7.2.1 GB/T 4187-2017 (Nationale Norm für Wolframelektroden)
7.2.2 GB 18871-2002 (Grundnorm für den Schutz vor ionisierender Strahlung und die Sicherheit von Strahlenquellen)
7.2.3 Maßnahmen zur Überwachung der Umweltstrahlung und zur Offenlegung von Informationen von Unternehmen zur Erschließung und Nutzung von assoziierten radioaktiven Mineralien (zur versuchsweisen Durchführung)
7.3 Radioaktive Sicherheitsnormen für Thorium-Wolfram-Elektroden
7.3.1 Thorium-232-ausgenommene Aktivitätskonzentration (1 Bq/g)
7.3.2 Schutzanforderungen bei Herstellung und Verwendung
Kapitel 8 Nachweismethoden der Thorium-Wolfram-Elektrode
8.1 Nachweis der chemischen Zusammensetzung der Thorium-Wolfram-Elektrode
8.1.1 Analyse des Thoriumoxid-Gehalts
8.1.2 Erkennung des Verunreinigungsgehalts
8.2 Prüfung der physikalischen Eigenschaften der Thorium-Wolfram-Elektrode
8.2.1 Dichte- und Härteprüfung
8.2.2 Analyse der Kornstruktur
8.3 Radioaktivitätsdetektion der Thorium-Wolfram-Elektrode
8.3.1 X-γ Detektion der Strahlendosisleistung
8.3.2 α, β Erkennung von Oberflächenverunreinigungen
8.3.3 Überwachung der Umweltstrahlung
8.4 Schweißleistungstest der Thorium-Wolfram-Elektrode
8.4.1 Leistungstest des Lichtbogens
8.4.2 Prüfung der Lichtbogenstabilität und der Brenngeschwindigkeit
8.5 Prüfausrüstung und Kalibrierung der Thorium-Wolfram-Elektrode
8.5.1 Anforderungen an die Kalibrierung von Prüfgeräten
8.5.2 Testumgebung und Betriebsspezifikationen
Kapitel 9 Vor- und Nachteile der Thorium-Wolfram-Elektrode
9.1 Vorteile der Thorium-Wolfram-Elektrode
9.1.1 Hervorragende Schweißleistung
9.1.2 Hohe Temperaturfestigkeit und Verschleißfestigkeit
9.2 Nachteile der Thorium-Wolfram-Elektrode
9.2.1 Risiko einer radioaktiven Kontamination
9.2.2 Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit
Kapitel 10 Lagerung, Transport und Sicherheitsmanagement von Thorium-Wolfram-Elektroden
10.1 Anforderungen an die Lagerumgebung und -bedingungen
10.2 Verpackungsnormen und Schutzmaßnahmen
10.3 Sicherheitsvorkehrungen während des Transports
10.4 Praktiken des Sicherheitsmanagements für radioaktive Stoffe
10.5 Notfallbehandlung und Unfallverhütung
Kapitel 11 Zukünftige Entwicklungstrends und Herausforderungen der Thorium-Wolfram-Elektrode
11.1 Fortschritt der Forschung und Entwicklung alternativer Materialien für Thorium-Wolfram-Elektroden
11.2 Umweltschutz und radiologischer Sicherheitsdruck
11.3 Neue Zubereitungsprozesse und umweltfreundliche Fertigung
11.4 Verbesserungsrichtung der Leistung von Thorium-Wolfram-Elektroden
11.5 Veränderungen der Marktnachfrage und Entwicklung der Industriekette
11.6 Auswirkungen von Richtlinien und Vorschriften sowie Compliance-Entwicklung
Anhang
- Glossar
- Verweise
Kapitel 1 Einleitung
1.1 Definition und Übersicht der Thoriumwolframelektrode
Die Thorium-Wolfram-Elektrode ist eine Legierungselektrode mit hochreinem Wolfram als Matrix, die mit einer geringen Menge Thoriumoxid (ThO₂, normalerweise zwischen 0,9 % und 4,2 %) dotiert ist und in hochpräzisen Schweißprozessen wie dem Wolfram-Schutzgasschweißen (WIG-Schweißen) weit verbreitet ist. Sein Hauptbestandteil, Wolfram, hat einen extrem hohen Schmelzpunkt (ca. 3422 °C) und eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, während die Zugabe von Thoriumoxid die Elektronenarbeit der Elektrode (ca. 2,63 eV) erheblich reduziert und dadurch die Lichtbogeneinleitungsleistung und Lichtbogenstabilität verbessert. Thorium-Wolfram-Elektroden werden in der Regel nach unterschiedlichen Thoriumoxid-Gehalten klassifiziert, und zu den weltweit gebräuchlichsten Modellen gehören WT10 (0,9-1,2 % ThO₂, gelbe Beschichtung), WT20 (1,8-2,2 % ThO₂, rote Beschichtungsspitze), WT30 (2,8-3,2 % ThO₂, violetter Applikator) und WT40 (3,8-4,2 % ThO₂, orange-gelber Applikator). Diese Modelle sind farbcodiert, um eine einfache Unterscheidung in Produktion und Verwendung zu ermöglichen.
Das Aussehen von Thoriumwolframelektroden ist stabförmig, normalerweise zwischen 0,5 mm und 10 mm Durchmesser, und die Länge beträgt im Allgemeinen 150 mm oder 175 mm, und die Oberfläche ist präzisionsgeschliffen und poliert, um die Stabilität während des Schweißprozesses zu gewährleisten. Seine einzigartigen Eigenschaften beruhen auf dem hohen Schmelzpunkt von Wolfram und der thermischen Elektronenemissionsfähigkeit von Thoriumoxid, die es ihm ermöglicht, bei hohen Strombelastungen einen stabilen Lichtbogen aufrechtzuerhalten und gleichzeitig das Durchbrennen der Elektrode zu reduzieren. Die Dotierung von Thoriumoxid erhöht nicht nur die hohe Temperaturbeständigkeit der Elektrode, sondern macht sie auch hervorragend für das Schweißen von Gleichstromanoden (DCEN) geeignet, besonders geeignet für das Schweißen von Kohlenstoffstahl, Edelstahl, Nickellegierungen und Titanlegierungen.
Thoriumwolframelektroden zeichnen sich jedoch aufgrund ihres Thoriumoxidgehalts durch Spuren von Radioaktivität (hauptsächlich α und β Teilchenstrahlung aus, wodurch sie besondere Vorsichtsmaßnahmen bei der Herstellung, Lagerung und Verwendung erfordern. Trotz seiner geringen Radioaktivitätswerte (Thorium-232 hat eine ausgenommene Aktivitätskonzentration von 1 Bq/g) kann eine Langzeitexposition immer noch potenzielle Auswirkungen auf die Gesundheit und die Umwelt haben. Daher sind in den letzten Jahren nach und nach nicht-radioaktive Elektroden wie Cerwolfram und Lanthanwolfram zu Substitutionen geworden, aber Thoriumwolframelektroden nehmen aufgrund ihrer hervorragenden Schweißeigenschaften in bestimmten Bereichen immer noch eine wichtige Position ein.
1.2 Die Bedeutung von Thoriumwolframelektroden in der Schweißindustrie
Thorium-Wolfram-Elektroden sind in der Schweißindustrie von unersetzlicher Bedeutung, insbesondere bei hochpräzisen Prozessen wie dem Wolfram-Argon-Lichtbogenschweißen (WIG-Schweißen) und dem Plasmaschweißen. Das WIG-Schweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem ein Inertgas (z. B. Argon oder Helium) zum Schutz des Lichtbogens und des Schweißbades verwendet wird, und das in der Luft- und Raumfahrt, der Nuklearindustrie, im Automobilbau und im Schiffbau weit verbreitet ist. Thorium-Wolfram-Elektroden haben sich aufgrund ihrer hervorragenden Lichtbogeneinleitungsleistung und Lichtbogenstabilität zum bevorzugten Elektrodenmaterial für das WIG-Schweißen entwickelt.
Zunächst einmal eignet sich die Thorium-Wolfram-Elektrode gut beim DC-Anodenschweißen. Durch die geringe Elektronenaustrittsleistung kann die Elektrode leicht einen Lichtbogen auslösen, und der Lichtbogen bleibt bei hohen Strömen stabil, wodurch Spritzer und Schweißfehler reduziert werden. Dies ist besonders wichtig beim Schweißen von Metallen mit hohen Schmelzpunkten, wie z. B. Titanlegierungen und Edelstählen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie beispielsweise, wo das Schweißen von Titanbauteilen eine extrem hohe Präzision und Oberflächenqualität erfordert, sorgen Thoriumwolframelektroden für Gleichmäßigkeit und Festigkeit der Schweißnaht. Darüber hinaus verlängert die geringe Ausbrennrate von Thoriumwolframelektroden bei hohen Strombelastungen die Lebensdauer der Elektroden und senkt die Produktionskosten.
Zweitens eignen sich Thoriumwolframelektroden aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und thermischen Stabilität für das Schweißen einer Vielzahl von Materialien, darunter Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Kupferlegierungen und Nickelbasislegierungen. Elektroden mit unterschiedlichen Thoriumoxid-Gehalten, wie z. B. WT20 und WT40, können je nach Schweißstrom und Materialtyp ausgewählt werden, um unterschiedliche Prozessanforderungen zu erfüllen. Beispielsweise wird WT20 aufgrund seines moderaten Thoriumoxidgehalts (1,8-2,2 %) am häufigsten beim Mittelstromschweißen eingesetzt, während WT40 eher für Hochstrom- und Hochleistungsindustrieszenarien geeignet ist.
Darüber hinaus haben Thorium-Wolfram-Elektroden auch wichtige Anwendungen beim Plasmaschweißen und Lichtbogenschneiden. Beim Plasmaschweißen muss die Elektrode in einer Hochtemperatur- und Hochdruck-Plasmaumgebung stabil bleiben, und die Hochtemperaturbeständigkeit von Thoriumwolframelektroden macht sie zur idealen Wahl. Beim Lichtbogenschneiden können Thoriumwolframelektroden einen hochfesten Lichtbogen liefern, um die Schneideffizienz und -präzision zu gewährleisten. Diese Eigenschaften machen Thoriumwolframelektroden in der modernen Industrie unverzichtbar, und obwohl ihre Radioaktivitätsprobleme zur Erforschung alternativer Materialien geführt haben, sind ihre Vorteile in bestimmten Szenarien mit hoher Nachfrage immer noch schwer vollständig zu ersetzen.
1.3 Hintergrund der Forschung und Anwendung
Die Entwicklung und Anwendung von Thorium-Wolfram-Elektroden begann im frühen 20. Jahrhundert und entwickelte sich allmählich mit dem Aufkommen der Lichtbogenschweißtechnologie. Wolfram ist aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit eine ideale Wahl für Elektrodenmaterialien, aber die Schwierigkeit der Lichtbogeninitiierung und die Lichtbogeninstabilität von reinen Wolframelektroden bei hohen Strömen schränken seine Anwendung ein. In den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts fanden Forscher heraus, dass die Leistung von Wolframelektroden durch die Dotierung einer kleinen Menge Thoriumoxid deutlich verbessert werden konnte. Die Entdeckung, dass die geringe Elektronenarbeit von Thoriumoxid die für die Lichtbogenzündung erforderliche Energie reduziert und gleichzeitig die Haltbarkeit der Elektrode bei hohen Temperaturen verbessert, hat zu einer weit verbreiteten Anwendung von Thoriumwolframelektroden geführt.
In den folgenden Jahrzehnten wurde der Herstellungsprozess von Thoriumwolframelektroden immer besser. Die Einführung der Pulvermetallurgie-Technologie hat es ermöglicht, eine gleichmäßige Verteilung des Thoriumoxids zu erreichen, was die Qualität und Konsistenz der Elektroden verbessert. In den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts, mit der Popularisierung der WIG-Schweißtechnologie, wurden Thoriumwolframelektroden zu den Mainstream-Materialien in der Schweißindustrie, und es wurden auch internationale Standards (wie ISO 6848 und AWS A5.12) formuliert, um ihre Herstellung und Verwendung zu regeln.
Die Radioaktivität von Thorium-Wolfram-Elektroden hat jedoch nach und nach Aufmerksamkeit erregt. Thorium-232 in Thoriumoxid ist ein natürlich vorkommendes radioaktives Element, bei dessen Zerfall α Teilchen und geringe Mengen an β und γ Strahlung freigesetzt werden. Trotz seiner geringen Radioaktivität kann es während der Herstellung und Verwendung immer noch ein potenzielles Risiko für die Gesundheit der Arbeiter und die Umwelt darstellen, z. B. durch Staub, der beim Elektrodenschleifen entsteht. Seit den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts haben europäische und amerikanische Länder begonnen, die Forschung und Entwicklung von nicht-radioaktiven Elektroden zu fördern, und Cer-Wolfram-Elektroden (WC20) und Lanthan-Wolfram-Elektroden (WL20) sind nach und nach auf den Markt gekommen. Diese alternativen Elektroden stehen Thorium-Wolfram-Elektroden in ihrer Leistungsfähigkeit nahe und bergen kein radioaktives Risiko, so dass sie in einigen Bereichen nach und nach Thorium-Wolfram-Elektroden ersetzen.
Trotzdem haben Thorium-Wolfram-Elektroden in einigen anspruchsvollen Bereichen immer noch einzigartige Vorteile. So sind beispielsweise in der Nuklearindustrie und in der Luft- und Raumfahrt Thorium-Wolfram-Elektroden aufgrund ihrer hervorragenden Lichtbogenstabilität und hohen Temperaturbeständigkeit nach wie vor das Material der Wahl. In den letzten Jahren hat sich der Schwerpunkt der Forschung auf die Optimierung des Produktionsprozesses von Thoriumwolframelektroden verlagert, um die radioaktive Kontamination zu reduzieren, und gleichzeitig neue Dotierungsmaterialien zu erforschen, um die Leistung weiter zu verbessern. Darüber hinaus werden die Produktion und Verwendung von Thoriumwolframelektroden durch immer strengere Umweltauflagen immer eingeschränkt, was die Industrie dazu veranlasst, sicherere und umweltfreundlichere Alternativen zu entwickeln.
Weltweit wird die Anwendung und Forschung von Thoriumwolframelektroden fortgesetzt. Als bedeutendes Land bei den Wolframressourcen nimmt China eine wichtige Position bei der Produktion und dem Export von Thoriumwolframelektroden ein, und die damit verbundenen Unternehmen verbessern weiterhin ihre Produktionsprozesse, um internationalen Standards zu entsprechen. Gleichzeitig ist die Nachfrage nach Thorium-Wolfram-Elektroden in der internationalen Schweißindustrie nach wie vor hoch, insbesondere in Entwicklungsländern und in bestimmten Industriesektoren. In Zukunft kann sich die Rolle der Thoriumwolframelektroden mit der Weiterentwicklung neuer Materialien und Verfahren ändern, aber ihre wichtige Stellung in der Geschichte der Schweißtechnik ist unbestreitbar.
MEHR LESEN: Enzyklopädie der Thorium-Wolfram-Elektrode
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