用於等離子弧焊槍的電極的製作方法
2023-12-07 20:02:11 5
專利名稱：用於等離子弧焊槍的電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種等離子弧焊槍，更具體地說，涉及一種用於等離子弧焊槍的新型電極，它能提高使用壽命。
等離子弧焊槍通常用於金屬加工，包括切割，焊接，表面處理、熔化，和熱處理。這種焊槍包括一個電極，它能維持一個電弧，在轉移弧操作方式時，電弧從電極延伸至工件。通常用旋轉渦流氣體圍繞電弧，並且在一些焊槍的設計中，通常用旋轉的水射流圍繞氣體和電弧。
用於所述類型的普通焊槍的電極一般包括一個細長的管形件，它由具有高導熱性的材料構成，例如銅或銅合金。管形電極的前端或放射端包括一個底端壁，一個放射電極頭嵌在該處用於維持電弧。電極頭由具有較低的逸出功(work function)的材料構成。逸出功在本技術中的定義是電位差，它是由電子伏特來測定的，它能在給定的溫度下從金屬的表面發射熱離子。由於它的低逸出功，所以當提供一個電位時，電極頭能容易地發射電子，普通使用的電極頭材料包括鉿，鋯和鎢等。
所述類型的焊槍所存在的一個重要問題是電極的使用壽命短，尤其是在焊槍與氧化電弧氣體，例如氧氣或空氣一起使用時，更具體地說，氣體易於使銅快速氧化，並且隨著銅的氧化，其逸出功下降了。於是，圍繞電極頭的氧化銅開始優先於電極頭而維持電弧。當這種情況產生時，銅氧化物和支承銅熔化了，導致了電極過早地損壞和失效。
所以，本發明的目的是提供一種電極，它適用上述類型的等離子弧焊槍，在焊槍使用在氧化氣氛中時，能顯著地提高其使用壽命。
本發明的另一個目的是提供製造具有上述特徵的電極的有效方法。
在所描述的實施例中的電極構造能達到本發明的上述和其他目的和優點。該電極包括一個金屬的管狀電極座，它有一前端和一後端，和一個封閉前端的橫向端壁。橫向端壁限定了一個外部前端面，在前端面中形成一個空腔。一個電極頭組件裝在空腔中，包括一個發射電極頭，它由一種具有較低逸出功的金屬材料構成，以致在提供一個電壓到該處時，它能容易地發射電子。一個套管圍繞發射電極頭，以致能將電極頭與電極座隔開。套管在電極座的前端至少有大約0.01英寸的徑向厚度，該套管由一種金屬材料構成，該材料的逸出功大於發射電極頭材料的逸出功。
發射電極頭有一外端面，該端面位於電極座外部前端面的平面上。套管有一位於電極座前端面平面上的外環形面，它圍繞電極頭的端面。套管的外環形面的直徑最好至少等於所述發射電極頭外端面的最大尺寸的大約兩倍。
在本推薦實施例中，套管有一周邊表面和一封閉的底壁，該底壁能用冶金方法熔焊在形成於電極座前外部端面的空腔的內壁上。於是，套管將電極頭與電極座的金屬完全隔開了。
圍繞發射電極頭的環狀套管最好由一種金屬材料，例如銀所構成，銀具有高的抗氧化性。因為銀和任何所形成的氧化層都是非常差的發射體，還可以增加電極的使用壽命。於是，電弧可以從發射電極頭連續地發射(而不是從銅電極座或套管發射)，這就增加了其使用壽命。
本發明也包括製造上述電極的方法，包括製備一個金屬的第一毛坯的步驟，第一毛坯有一前端面，在該端面形成有一空腔。還形成一個第二毛坯，它基本上由例如銀構成，其形狀和尺寸應使其能緊密地被容納在空腔中。然後第二毛坯被固定地裝在空腔中。通過例如鑽孔的方法使第二毛坯上形成一個開口，開口垂直於前端面，然後將一個發射電極頭固定地裝在第二毛坯的開口中。
然後，金屬毛坯的前端面最好被精加工，形成一個大致平表的面。它包括金屬的第一毛坯，發射電極頭，和將電極頭與該金屬毛坯隔開的第二毛坯的圈環。
上面已陳述了本發明的一些目的和優點，其餘的將參照附圖在下面進行描述。
圖1是體現本發明特徵的等離子弧焊槍的側剖視圖。
圖2是等離子弧焊槍下部的局部放大剖視圖，顯示了焊槍的噴咀組件的第二實施例。
圖3-7是顯示了本發明電極製造方法的步驟示意圖。
圖8是圖7所示電極的端視圖。
圖9-12是本發明電極的其他實施例的側剖視圖。
先參照圖1所示的實施例，其中示出了一個等離子弧焊槍10，它包括一個噴咀組件12和一個管形電極14，電極14最好由銅或銅合金製造，它包括一個上部管件15和一個下部環形件或電極座16。更具體地說，上部管件15是一細長的開口管形結構，它限定了焊槍的縱軸。管件15也包括一個帶內螺紋的下端部17。電極座16也為一管形結構，它包括一下部前端和一上部後端，如圖1和2所示。一個橫向端壁18(圖2)封閉了電極座16的前端。橫端壁18限定了前部外端面20。電極座的後端有外螺紋，並以螺紋與上管件的下端部分17相連。
電極座16的後端是開口的，使電極座具有杯形結構，並形成一內腔22(圖6)。電極座的前端壁18包括一圓柱形墩23，它沿縱軸向後延伸進入內腔22，另外，在端壁18的前端面20形成一空腔24，它沿縱軸向後延伸進入圓柱形墩23的長度部分。空腔24通常是圓柱形的，它包括一個擴大的或沉孔形的環狀外端部分25，它用於下述目的。
一個電極頭組件26裝在空腔中，包括一個大致圓柱形的發射電極頭28，它沿縱軸同軸設置，它有一處於電極座前端面20的平面的圓形外端面29。電極頭28也包括一圓形內端面30，該面置於空腔24中，與外端面29相對。另外，發射電極頭28由具有較低逸出功的金屬材料構成。其範圍是在大約2.7至4.2電子伏特(eV)之間，以致在向其提供一個電位時，它能容易地放射電子，這種合適的材料包括例如鉿，鋯，鎢，及它們的合金。
一個相對地非放射套管32位於空腔24之中，它同軸地圍繞著發射電極頭28，套管32有一周壁和一封閉的底壁34，底壁用冶金方法熔焊在空腔的壁上。另外，套管32包括一環形突緣35，它位於空腔的沉孔形外端部分25，以致限定一個處於電極座的前端面20的平面上的外環表面。並且，套管在其前端面20和沿其全長至少有大約0.01英吋的徑向厚度。在前端面20的環形表面的外徑最好至少為發射電極28的直徑的大約兩倍。作為一個具體的例子，電極頭28典型地具有大約0.080英吋的直徑和大約0.160英吋的軸向長度，套管32的環形突緣35典型地具有大約0.254英吋的外徑。套管32的其餘部分的外徑典型地為大約0.157英吋。
套管由一種其逸出功大於所述電極座材料的逸出功也大於發射電極頭材料的逸出功的金屬材料構成，關於這一點，套管最好由其逸出功至少大約為4.3電子伏(ev)的金屬材料構成。幾種金屬和合金可用於本發明的非發射套管。下面是幾種合適材料的有關性能的一覽表
和一個高溫塑料絕緣件55固定在位。元件55使噴咀組件12與電極14絕緣。
噴咀組件12包括一個上噴咀件63和一個下噴咀件64，所述元件63和64分別包括第一和第二孔60、62。雖然上、下噴咀件可以都是金屬的，但下噴咀件最好是陶瓷材料，例如礬土製的。
通過一個塑料間隔件65和一個水渦流環66將上噴咀件63與下噴咀件64隔開。在上、下噴咀件63、64之間的空間形成一個水腔67。上噴咀件63的孔60與焊槍電極14的縱軸軸向對準。並且，孔60是圓柱形的，它有一個與增壓腔56相鄰的帶倒角的上端，其倒角角度是大約45°。
下噴咀件64包括一圓柱體部分70，它限定了一個前(或下)端部分和一個後(或上)端部分，孔62同軸地延伸穿過噴咀件。一個環形安裝突緣71定位於後端部分，一個截錐面72形成於前端部分的外部，以致於它與第二孔62同軸。環形突緣71由一個帽74下端的朝向內的突緣73從下面支承，帽74通過內螺紋可拆卸地裝在外殼件44上。並且一個墊圈75位於兩個突緣71和73之間。
下噴咀件64上的電弧壓縮孔62是圓柱形的，它通過一個任何合適的塑料材料制的對中套環78與上噴咀件63上的電弧壓縮孔60保持軸向對準。對中套環78的上端有一凸緣，它可拆卸地固定在上噴咀件63的一個環槽中。對中套環78從上噴咀件延伸，對下噴咀件64產生偏壓接合。在下噴咀件64插入套環78之前就將渦流環66和間隔件65裝好。來自通道42的水流通過套環78上的開口85流至渦流環66上的噴孔87，然後將水噴入水腔67。噴孔87是繞渦流環66切向地設置，使水在水腔67中呈旋轉的方式理想的套管材料應該具有高導熱性，高抗氧化性，高熔點，高逸出功，和低成本，沒有一種材料具有所有這些特性，但是銀的很高的導熱性使其成為一種優先選用的材料，只要電極被很好地冷卻，由於銀的高導熱性而使其溫度比其他材料低的多。因為在高溫時氧化和電子放射都增強了。所以銀的低熔點和低逸出功不太重要。
除了上面例舉的金屬，含有至少50%的上述一種或多種金屬組分的合金也適用於製造非發射套管，另外，套管可以由一種合金構成，該合金包括銅和從上述金屬及其合金中選出的第二金屬，其中，第二金屬至少佔套管材料的大約10%。
在圖示的實施例中，電極14裝在等離子弧焊槍體38中，該體38中分別有氣體和液體通道40和42，一個外絕緣套44圍繞著焊槍體38。
一個管件46懸裝在電極14的中心孔48中，用於使液體介質例如水循環通過電極結構14。管件46的直徑小於孔48的直徑，以致提供一個間隙49，用於從水管件46中排出時的流動。來自一個水源(未顯示)的水流流經管件46，沿著園柱墩23，返回經過空隙49到達焊槍體38上的開口52，然後流至一個排水軟管(未顯示)。通道42引導噴射水進入噴咀組件12，在該處水轉變成旋轉渦流用於圍繞等離子弧，如在下面將要詳述的。氣體通道40從一個適當的氣源(未顯示)導入氣體，流經一個由任何合適的高溫陶瓷材料制的普通氣體導流體54，通過入孔58進入一個氣體增壓腔56。如眾所周知的，入孔58的布置應使氣體以旋流的方式進入增壓腔56。氣體經過噴咀組件12的電弧壓縮同軸孔60和62從增壓腔56中流出。與焊槍體38相連的電極14將陶瓷氣體導流體54流動。水經過下噴咀件64上的電弧壓縮孔62排出水腔67。
一個電源(未顯示)與焊槍電極14相連，與金屬工件成串聯關係。工件一般是接地的。工作中，在焊槍10的發射電極頭和工件之間建立起一個等離子弧。電極頭是作為電弧的負極端，工件與電源的正極相連，工件位於下噴咀件64的下面。通過在電極14和噴咀組件12之間建立一個瞬間誘導弧的普通方式而引起一個等離子弧，然後等離子弧分別通過電弧壓縮孔60和62轉移到工件上。每個電弧壓縮孔60和62有助於電弧的增加和對準。當等離子弧通過下通道62時，水的旋轉渦流包圍它。
圖2是根據本發明的焊槍的第二實施例的局部視圖。在該實施例中，提供了不同設計的噴咀組件，但焊槍在其他方面與圖1中所示的相同。具體地說，噴咀組件包括一個上噴咀件90，它有一大致為截錐形的孔91，和一個較平的下噴咀件92，它有一圓柱形孔93。
圖3-7顯示了製造本發明的電極座的推薦方法。如圖3所示，提供一個銅或銅合金的圓柱形毛坯94，它有一前端面95和一相對的後端面96。然後，在前端面通過例如鑽孔方法形成一個沉孔空腔它形成了上面所述的空腔22，和環形的外端部分25。
作出一個第二毛坯98，它可以例如主要由銀構成。其形狀或大小應大致適合於裝入空腔22，該銀毛坯98可以機加成型，但最好用與普通製造釘子的方法相同的冷頂鍛工藝來製作它。
其次，銀坯98是通過冶金方法焊接在空腔22中，其工序最好是先將一個銀銅焊材料的片99插入空腔。在一個實例中，銅焊材料包括由71%的銀，1/2%的鎳，和剩餘部分由銅構成的合金。也可以包括少量的焊劑。以致能從銅表面去除氧化物。在將片99插入空腔之後，再將銀坯98插入，如圖4所示，然後將該組件加熱至一個僅能足以熔化銅焊材料的溫度，與其他元件相比，銅焊材料有較低的熔化溫度。在加熱工序期間，將銀坯98向下壓入空腔22，這使熔化的銅焊材料向上流動，覆蓋了銀坯98和空腔之間的全部接觸面。經過冷卻，銅焊提供了一個較薄的敷層，它用於將毛坯98焊接在空腔中，該敷層的厚度大約在0.001至0.005英吋之間。
為了完成電極座16的製造，在銀坯98上軸向鑽孔100，如圖6所示。然後將一個圓柱形發射電極頭28壓入所形成的孔。然後最好對組件的前端面進行機精加工(如圖7的虛線所示)，以提供一個光滑的外表面，它包括電極頭的圓形外端面29，環繞其所形成的銀套管32的環，和電極座的金屬外環。
作為最後的步驟，在金屬毛坯94的後表面96鑽孔，使毛坯94形成一個開口的杯形結構，如圖6所示。鑽孔作業包括形成一個內開口環102，它同軸地圍繞金屬毛坯的一部分，於是形成了上面所述的圓柱形墩23。開口圓環也同軸地圍繞發射電極頭28和銀坯98的軸向長度的一部分。這種結構便於如上面所述的通過循環水將熱量排出。然後可以根據需要將毛坯94的外周邊加工成型，包括在後端形成外螺紋104。
圖9-12顯示了本發明電極的其他實施例。更具體地說，圖9顯示了一個電極座16a，其中，空腔22a和圍繞電極頭28a的非發射套管32a具有截錐體外形。在圖10中，電極座16b的下壁上有一通孔，非發射電極頭32b延伸穿過該孔並露出，以致能直接接觸在電極座內的冷卻水。圖11顯示了一個細長的整體電極16c，它有一延伸穿過其全長的縱向孔，一個細長的電極頭28c和圍繞電極頭的非發射套管32c也延伸至電極的全長。電極16d具有相似結構，但在每一端包括一截錐形空腔，電極頭28d，和截錐形套管32d。
在本說明書和附圖中，已提出了本發明的最佳實施例，雖然使用了特殊的措詞，但它們僅用於一般的和描述上的理解，而不具有限定的目的。
權利要求
1.一種適用於在等離子弧焊槍上維持一個電弧的電極，包括一個金屬電極座，它有一前端，和一個在所述前端上的空腔，和裝在所述空腔中的電極頭組件，它包括一個發射電極頭，它由具有較低逸出功的金屬材料構成，和一個圍繞發射電極頭將其與所述電極座隔開的套管，所述套管在所述前端有至少大約0.01英吋的徑向厚度，套管由一種其逸出功大於發射電極頭材料逸出功的金屬材料構成。
2.如權利要求1所述的電極，其特徵在於所述套管由至少具有大約4.3電子伏特的逸出功的材料構成。
3.如權利要求2所述的電極，其特徵在於所述套管由一種金屬構成，該金屬由一組材料中選出，該組材料包括銀、金、鉑、銠、銥、鈀、鎳，以及合金，該合金組分的至少50%由一種或多種所述金屬構成。
4.如權利要求2所述的電極，其特徵在於所述套管由一種合金構成，該合金包括銅和第二種金屬，第二種金屬從一組材料中選出該組材料包括銀、金、鉑、銠、銥、鈀、鎳，及它們的合金，其中，所述第二種金屬至少包括大約10%的銅和第二種金屬的合金。
5.如權利要求1所述的電極，其特徵在於所述電極座包括一種金屬，該金屬從包括銅和銅合金的一組材料中選出。
6.如權利要求1所述的電極，其特徵在於所述發射電極頭包括一種金屬，該金屬從包括鉿，鋯，鎢及其合金的一組材料中選出。
7.如權利要求1所述的電極，其特徵在於所述電極座是大致管形的，它有一封閉所述前端的橫端壁，所述橫端壁形成一個外部前端面，其中，所述發射電極頭有一外端面，該端面處於所述電極座前端面的平面上，所述套管有一外環表面，該表面也處於所述電極座前端面的平面上，並圍繞所述電極頭的所述端面。
8.如權利要求7所述的電極，其特徵在於所述套管的外環表面的直徑至少等於所述發射電極頭外端面最大尺寸的大約兩倍。
9.一種適用於在一個等離子弧焊槍中維持一個電弧的電極，包括一個限定了一個縱軸的金屬管形電極座，它有一個前端和一個後端，和一個封閉了所述前端的橫向端壁，所述橫向端壁具有大致平的與所述縱軸垂直的外部前端面和在該前端面上形成的空腔，空腔沿縱軸向後延伸，一個電極頭組件裝在所述空腔內，它包括(a)一個沿所述縱軸同軸設置的大致圓柱形的發射電極頭，它有一處於所述電極座前端面平面的外端面，所述發射電極頭由具有較低逸出功的金屬材料構成，以致向該處理提供一個電位時它能容易地發射電子，和(b)一個套管，它圍繞所述發射電極頭同軸地定位於所述空腔中，所述套管在其前端至少具有大約0.01英吋的徑向厚度，套管由一種金屬材料構成。該材料的逸出功大於所述電極座材料的逸出功，也大於所述發射電極頭材料的逸出功。
10.如權利要求9所述的電極，其特徵在於所述套管具有外周表面，它能焊接在所述空腔的壁上，還具有一個處於所述電極座前端面平面上的外環表面，該表面圍繞所述電極頭的所述端面，其外徑至少為所述發射電極頭直徑的大約兩倍。
11.如權利要求10所述的電極，其特徵在於所述發射電極頭包括在所述空腔中的內端面，該端面與所述外端面相對，其中，所述套管具有封閉的底壁，它能焊接在所述空腔的相鄰壁上，它覆蓋在所述電極頭的內端面上，以致能將所述內端面與空腔的相鄰壁隔開。
12.如權利要求11所述的電極，其特徵在於所述套管有一個其位置限定了所述外環表面的環形突緣，所述突緣的外徑比套管其餘部分的外徑大的多。
13.如權利要求12所述的電極，其特徵在於所述管形電極座的後端是開口的，以致電極座具有環形結構，並形成了一內腔。
14.如權利要求13所述的電極，其特徵在於所述電極座的橫端壁包括一圓柱形墩，它沿所述縱軸向後延伸進入所述內腔，所述空腔，所述發射電極頭和所述套管的縱向長度的一部分延伸進入所述墩。
15.如權利要求9所述的電極，其特徵在於所述電極座基本上由銅構成。
16.一種等離子弧焊槍，包括一電極，它有一細長的金屬管形電極座，該座限定了一縱軸並具有一橫向前端壁，所述橫向前端壁有一個垂直於所述縱軸的大致平的外前端面，一個沿縱軸在所述前端面上形成的空腔，和一個裝在所述空腔中的電極頭組件，它包括(a)一個沿所述縱軸同軸設置的大致圓柱形的發射電極頭，它有一處於所述電極座前端面平面上的外端面，所述發射電極頭由具有較低逸出功的金屬材料構成，以致當向該處提供一個電位時，它能容易地發射電子;和(b)，一個位於空腔內同軸地圍繞著所述電極發射電極頭的套管，所述套管在其前端面至少有大約0.01英吋的徑向厚度，套管由一種金屬材料構成，該材料的逸出功大於所述發射電極頭材料的逸出功，所述套管還有一處於所述電極座前端面平面上的外環表面，該表面圍繞所述電極頭端面;一個相鄰於所述電極的橫向前端壁安裝的噴咀裝置，它有一通過該處的與所述縱軸對齊的孔;用於產生一個電弧的裝置，電弧從所述電極的發射電極頭，經過所述孔到達相鄰於所述噴咀裝置的工件，和一個用於在所述電極和噴咀裝置之間產生一個氣體旋流的裝置，以致產生一個向外穿過所述孔到達工件的等離子流。
17.如權利要求16所述的等離子弧焊槍，其特徵在於所述噴咀裝置包括一個上噴咀件，它相鄰於所述電極的橫向前端壁安裝，具有一個穿過該處的第一孔，該孔與所述縱軸對齊;和一個下噴咀件，它相鄰於所述上噴咀件與電極相對的另一側安裝，它具有穿過該處與所述縱軸對齊的第二孔，所述焊槍還包括用於在所述上、下噴咀件之間引導液體射流的裝置，使當所述等離子體穿過所述第二孔時，射流能包裹等離子體。
全文摘要
用於等離子弧焊槍的電極和製造電極的方法，電極有一銅電極座，它有一裝有發射電極頭的下端，工作時電極頭作為產生電弧的陰極端。焊槍用於氧化氣氛中，銅電極座易於氧化，電弧易於附著在氧化銅上而不是電極頭上，這引起電極座的迅速破壞。為防止這種破壞本發明裝有銀或具有較高逸出功的其他金屬制的套管，它圍繞電極頭，在電極座下端面形成一個環，圍繞發射電極頭的暴露端面，該環用於阻止來自銅電極座的跳火，使電弧能保持在電極頭上。
文檔編號H05H1/34GK1053380SQ90107140
公開日1991年7月31日 申請日期1990年8月22日 優先權日1990年1月17日
發明者韋恩·斯坦利·塞維倫斯 申請人:Esab焊機產品公司