專利名稱：等離子電弧焊炬用電極的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種等離子電弧焊炬用電極。
背景技術：
等離子電弧焊炬通常應用于包括切割、焊接、表面處理、熔化和退火加工的金屬加工。作為用于金屬切割加工的一種等離子電弧焊炬，通常具有如

圖1所示的結構。
在圖1中，標引數(shù)字13為焊炬體，數(shù)字1a為由焊炬體13支承的一電極夾持體，數(shù)字1則指置于電極夾持體1a內且與其連接的電極。數(shù)字2是通過一噴嘴支承件3由焊炬體13支承的噴嘴，使其環(huán)繞電極1且置于電極1的前端。數(shù)字4指由焊炬體13支承的噴嘴蓋，其環(huán)繞著噴嘴2前端部分以外的其余部分，且其前端固緊于噴嘴2的前端部。數(shù)字5是由焊炬體13支承的噴嘴保護蓋，它環(huán)繞著噴嘴蓋4的外側。
等離子氣體通道6形成于電極1的外周部分，使其從該外周部分與噴嘴2連通。還有冷卻水通道7形成于噴嘴2與噴嘴蓋4之間。此外，第二氣體通道8形成在噴嘴蓋4和噴嘴保護蓋5之間，以便通向噴嘴2的前端側。
噴嘴保護蓋5與噴嘴蓋4電絕緣。電極體1a上制有冷卻電極用的冷卻水腔9，腔9與冷卻水通道7連通。冷卻水腔9連接到冷卻水流入通道10，冷卻水通道7則連接于冷卻水流出通道10a。另一方面，等離子氣體流入通道11連接到等離子氣體通道6，第二級氣體流入通道12也與第二級氣體通道8連接。
焊炬體13用于支承上述各件和各部分，而且與電極1和噴嘴2電絕緣，噴嘴保護蓋5則用螺紋連接于焊炬體13。
考慮到高溫條件下的壽命，用于這種等離子電弧焊炬的電極1是用如鉿(Hf)，鋯(Zr)，鈦(Ti)等同族元素的耐熱材料制作的，并將電極1采用釬焊與電極體1a連接，電極體1a由銅(Cu)制作。
如在日本專利No平5-70250所公開的那樣，電極1與電極體1a的連接采用不同于釬焊的方法進行，該專利指出，將由如銀制作的一套件插入電極體1a中，然后將電極1再插入套件中并固定在套件上。但是在這種結構中，電極1及電極體1a兩者的待連接的表面是不規(guī)則的，這會形成導熱阻抗，因此，這種方法并不合適。
為了避免此種現(xiàn)象，在用釬焊將電極1與電極體1a連接時，將那些不規(guī)則表面用釬焊材料灌封，即使電極1是用導熱性能差的鉿制作時，這樣也可在兩個連接件間提供優(yōu)異的導熱性能和改進的冷卻效果。
根據(jù)如上所述，用釬焊將電極1與電極體1a連接，采用了銀料(Ag)作釬焊材料，銀料中包含百分之幾至百分之幾拾的銅(Cu)，以降低其熔點。
圖2展示在鉿電極1和銅電極體1a用包含30％的銅的銀材料(Ag+30％Cu)作釬料連接在一起的情況下的連接部分狀況，用作電極材料的鉿及含在釬料14中的銅形成的混合晶體層15(Hf-Cu混合晶體層)構成了電極1與釬料14之間的臨界面。
鉿-銅混合晶體層15是由一種高脆性的極硬材料構成的。例如，根據(jù)本發(fā)明人測量，這種鉿-銅混合晶體層15具有的維氏硬度約500-600，而另一方面，鉿電極1和銀釬料14的維氏硬度分別為約200和100。
在使用處于這種連接狀態(tài)下的電極1反復引弧/滅弧的情況下，在鉿電極1與鉿-銅混合晶體層之間的臨界面前端部分會產(chǎn)生裂縫16。
產(chǎn)生這種裂縫的主要原因考慮是，引弧時由于急速升溫產(chǎn)生的熱應力。在電極1連接表面上產(chǎn)生這種裂縫16時，該部分反映出冷卻效果較低，而且在這部分的電極材料消耗迅速增大，從而使等離子電弧焊炬電極的壽命極短。
雖然在上述的實例中是用鉿作電極1，但已確認在用鋯或鈦作電極1，用含銅釬料進行連接的情況下，分別由電極材料與釬料組份構成的混合晶體層，也在電極與釬料間形成臨界面。這樣的混合晶體層與上述鉿-銅混合晶體層15一樣，具有較大的硬度和脆性。
本發(fā)明考慮了上述事實及問題，認為其基本原因在于，具有大脆性的銅混合晶體層是形成于接觸電極的部分，因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種其壽命特別長的等離子電弧焊炬用電極，甚至通過在電極和釬料之間沒有產(chǎn)生構成脆性層的銅混合晶體層的條件下反復引弧/滅弧，在電極外周部分也不會產(chǎn)生裂縫。
發(fā)明技術方案為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種等離子電弧焊炬用電極，在該焊炬中，由同族元素鉿、鋯、鈦或這些元素的混合材料制作的電極鑲嵌入電極體前端部，并用一種釬料將其釬焊和連接于電極體上，該電極的特征在于，電極和電極體是用一種非銅組份的釬料釬焊的。
在此實施例中，最好連接電極的電極體前端部由含如銀或銀合金那樣的非銅組份的材料制作。
此外，在此實施例中，最好將由具有高熔點和含有如鎳一類的非銅組份制作的隔離件，通過該釬料與含銅的電極體連接，包含銅的電極體及電極通過隔離件連接，隔離件則通過釬料與電極連接。
根據(jù)上述結構，當將電極嵌入電極體中并用釬焊與其連接時，在電極的連接表面上不會形成任何銅混合晶體層。
因此，由于沒有脆性的混合晶體層形成于電極連接表面，從而即使在反復引弧/滅弧的情況下也不在電極外周部分產(chǎn)生裂縫，于是顯著地延長了電極壽命。
附圖簡要說明通過結合本發(fā)明推薦實施例的附圖所進行的詳細介紹，將會進一步理解本發(fā)明。此外應該指出，展示于附圖中的實施例不是用于限定本發(fā)明，而是用于更容易地解釋和理解本發(fā)明。
附圖中圖1是一剖視圖，展示切割用等離子電弧焊炬主要部分的一實例；圖2是剖視簡圖，展示傳統(tǒng)結構的等離子電弧焊炬電極的主要部分；圖3A和3B分別展示本發(fā)明實施例的等離子電弧焊炬的電極連接部分狀況的簡圖；圖4A、4B及4C分別展示本發(fā)明實施例的電極結構的剖視圖；圖5是一圖表，表示穿透數(shù)與消耗深度的關系；圖6A和6B是本發(fā)明另一實施例的等離子電弧焊炬用電極的剖視圖。
實施發(fā)明的最佳方式下面參照附圖3-6介紹本發(fā)明的等離子電弧焊炬用電極的實施例。
圖3A示出連接部分中的連接狀況。其中由鉿制作的電極1在真空氣氛中，用(Ag+3.9Li％)的釬料14a釬焊在由銅制作的電極體1a上。在這種情況下，雖然釬料14a并不包含銅組份，但在電極體1a中的一部分銅在連接過程中被熔化，并擴散入釬料14a。擴散的銅組份17浮懸在熔化的釬料14a中，并到達電極1的表面，由此在電極1表面上形成鉿-銅混合晶體層15。
此外如上述情況一樣，圖3B示出連接部分的連接狀況。其中由鉿制作的電極1在真空氣氛中，用(Ag+3.9Li％)的釬料14a釬焊由銀制作的電極體1a上。在這種情況下，因為無銅組份存在于任何部分中，所以根本不形成鉿-銅混合晶體層。
對圖3A和3B所示的兩種電極(連接的電極)進行壽命試驗，從試驗的結果看出，雖然圖3A所示實施例提供了比圖2所示傳統(tǒng)的實施例明顯延長的壽命，但是圖3B展示的實施例提供了更長的壽命。
圖4A、4B及4C示出了使用不同材料制作電極體1a的實施例。
圖4A的實施例采用了與傳統(tǒng)實施例一樣的銅制電極體1a，圖4B的實施例使用了全部由銀制作的電極體1a，圖4C的實施例使用了其基部1b用銅制作，連接于基部1b的前端部1c用銀制作的電極體1a。由鉿制作的電極1用(Ag+3.9Li％)的釬料14a進行釬焊，以便將它們連接到這些電極體1a上。
而且，在圖4C的實施例中，電極體1a的基部1b和其前端部1C是在真空加熱爐中，在約800℃溫度下通過用熱擴散連接方法連接。電極體1a與電極1間的連接是在約760℃條件下真空氣氛環(huán)境中進行的。
對圖4A，4B及4C所代表的實施例，進行了壽命試驗，用于檢驗各電極1相對穿透數(shù)的消耗深度，其結果示出圖5。壽命試驗是對1.6毫米的炭鋼板，在27安培焊弧電流切割2秒鐘的條件下重復的方式進行的。
參看圖5，大寫字母A代表圖4A所示結構的情況，在這種情況中，在切割約700-800次后消耗深度達1.1-1.2毫米。圖5中的大寫字母B代表圖4B所示的全用銀制作的電極體1a的情況，在此情況中，經(jīng)2500次切割后消耗深度為0.8-0.9毫米。在圖5中大寫字母C代表圖4C所示實施例的情況，在此情況中，經(jīng)2500次切割后，消耗深度達1.4毫米。
圖4B和4C所示實施例在同樣切割2500次后，出現(xiàn)消耗厚度0.8-0.9毫米及1.4毫米這樣不同數(shù)值的原因是，在圖4C所示實施例中基部1b與前端1c連接在一起，在其連接部分產(chǎn)生導熱阻抗，從而使得在這兩部分中產(chǎn)生了不同的冷卻效果。
圖5中大寫字母D代表圖3A所示實施例的試驗結果，其中電極1用包含非銅組份的釬料14a連接于銅電極體1a，經(jīng)過約1400次切割后其消耗深度達1.1毫米。就這一實施例來說，其使用壽命與傳統(tǒng)結構相比也得到了延長。
從上述試驗結果可清楚地看到，從釬焊的和連接的表面上除去鉿-銅混合晶體層的效果得到了確認。
圖6A和6B示出了不同于上述實施例的本發(fā)明的其它實施例。
在圖6A所示的實施例中，將一個用深拉伸工藝預制作的厚0.1毫米的鎳蓋套18，置于電極1與銅電極體1a之間。蓋套18和電極體1a用公知的含銅(Cu)釬料14釬焊，蓋套18和電極1之間用不含銅的如(Ag+3.9％Li)那樣的釬料14a釬焊連接。在這種情況下，使用釬料14和不含銅的釬料14a均不成問題。
而且，在這種情況下，制作蓋套18的鎳有遠遠高于釬料14、14a的熔點1455℃，從而使熔化的銅料不能侵入蓋套18的外側面，亦即不能從電極體側面侵入電極1。
而且正如圖6A所示，電極1和蓋套18相對電極體1a的連接是這樣進行的，在它們之間分別放有型塊形式的釬料14和14a，并將它們推入電極體1a中同時加熱。熔化的釬料14，14a散布在整個連接表面，然后就被牢固地連接起來。
在圖6B所示實施例中，一種由有高熔點材料如鎳或鉻制成的鍍層19，形成于銅電極體1a的表面，通過該鍍層19將電極1用如(Ag+3.9％Li)那樣的不含銅釬料14a與電極體1a連接。
在本實施例中，鍍層19基本上起到如圖6A所示實施例中的蓋套18同樣的功能，因而不含銅的混合晶體層形成于電極1的連接表面上。
在圖6A，6B的各實施例中，采用鉿、鋯、鈦其中之一的材料作為電極1的材料，在采用這些材料中的任何一種時，在電極1的連接表面上不形成由電極1的材料和其他金屬材料構成的混合晶體層。
而且，在上面的各實施例中，雖然銀被用作構成電極體1a的材料，選擇銀來代替銅是考慮到成本和導電性方面，因此，除銀和銀合金以外，而更多地使用銀合金或其它含銅的金屬材料。
根據(jù)本發(fā)明，可將由鉿、鋯、鈦或其它類似金屬制作的電極1連接到電極體1a的連接表面，而不會在該表面上形成混合晶體層，尤其是不會形成含銅的混合晶體層。
因此，由于電極連接表面上不產(chǎn)生由混合晶體層構成的脆性層，即使反復進行引弧/滅弧運作也不會在電極1周面產(chǎn)生裂縫，從而能顯著地延長電極使用壽命。
雖然本發(fā)明已結合示例性的實施例進行了說明，但很明顯，對于本領域的熟練人員來說，在不背離本發(fā)明的范圍和構思條件下，可以對所公開的上述實施例作出各種改型、變化、刪減、增添或其它變化。因此應理解，本發(fā)明不只限于所述實施例，而是包括在權利要求中引證的內容所確定的范圍及其等同物。
權利要求
1.一種等離子電弧焊炬用電極，其中由同族元素鉿、鋯或鈦中之一元素或這些元素的混合材料制作的電極嵌入電極體前端部，然后用釬料將其釬焊并連接于該端部，其特征在于，電極與電極體只用一種含非銅組份的釬料釬焊連接。
2.如權利要求1所述的等離子電弧焊炬用電極，其中，連接電極的電極體前端部是由如銀或銀合金那樣的含非銅組份的材料制作。
3.如權利要求1所述的等離子電弧焊炬用電極，其中，一種如由鎳那樣有高熔點、含非銅組份的材料制作的隔離件，用釬料與含銅電極體連接，而且該含銅電極體和電極通過隔離件連接，隔離件則通過釬料連接到電極。
4.如權利要求3所述的等離子電弧焊炬用電極，其中，隔離件是一蓋套。
5.如權利要求3所述的等離子電弧焊炬用電極，其中，隔離件是一鍍層。
全文摘要
采用由同族元素鉿、鋯、鈦中選出的一種元素或這些元素的混合物制作的電極(1),埋入電極體(1a)的端部,電極(1)是用一種不含銅的釬焊填料(14a)釬焊到電極體(1a)上。
文檔編號H05H1/26GK1187931SQ96194675
公開日1998年7月15日 申請日期1996年4月18日 優(yōu)先權日1996年4月18日
發(fā)明者櫻木俊一, 鶴卷直哉 申請人:株式會社小松制作所