等離子焰炬焊槍的制作方法

專利名稱：等離子焰炬焊槍的制作方法
技術領域：
本發明涉及等離子焰炬焊槍(plasma torch)，它可用于等離子電弧焊接或切割中。
在許多技術領域中，人們因等離子電弧焊接技術的獨特優點而對之進行了大量研創工作。因為等離子電弧焊接操作可只從接受點焊的這類工件的一邊進行，因此，發現該焊接技術在應用于點焊工藝時可焊接大工件和結構復雜的工件。此外，等離子電弧焊接技術在應用于縫合焊接時，其生產率可比鎢極惰性氣體保護焊(TIG)高出好幾倍。
日本已公開實用新型No.Hei 01-135174公開了一種典型的現有等離子焰炬焊槍。
如圖1所示，這種常規的等離子焰炬焊槍的結構包括構作成管狀電導體的一基體a；緊固在基體a的前端上的一芯片c，該芯片c構作成其上有一開口b的電導體，該開口b與基體a的內部空間相通；一電極定位件d，它為一緊固到基體a的靠底端一邊上的絕緣體；以及一用電極定位件d定位在上述芯片c的開口b的中心軸線上的電極桿e。在從基體a的內部空間到芯片c的開口部的至少一部分空間中形成有使等離子氣流沿著電極桿e流動的第一氣道f以及從該第一氣道f分流的若干第二氣道g供渦流狀的等離子氣流流經電極桿e前端部四周。
雖然具有上述結構，但現有常規的等離子焰炬焊槍的電弧穩定性很差，這是由于下列事實造成的盡管在剛形成渦流的部位渦流足夠強，從而防止電極桿e發生高頻泄漏，但在軸向氣流的影響下渦流在電極e前端處會變弱而無法防止電極桿e發生高頻泄漏。
為克服這類等離子電弧焰炬焊槍構造的這一困難，需要電極桿e的前端始終保持很尖。但這一要求使得在電極桿e前端處形成的陰極點(或陽極點)隨著時間的推移而變圓，從而縮短電極的壽命并造成焊接質量的不穩定。
本發明人對上述結構的現有常規等離子焰炬焊槍在下表1中的焊接條件下進行了壽命測試，以便研究隨著時間的推移電極和噴嘴是如何燒蝕的、焊接質量是如何變化的。
表1噴嘴直徑 2.4mm焊接電流 90A焊接持續時間 7秒等離子氣體Ar；1.8L/min屏蔽氣體 Ar＋7％H2；7L/min噴射距離 4.5mm焊口處理(后熱處理)無研究結果表明，在進行到第一個100個點焊時電極前端的形狀開始惡化，然后對點焊焊接質量至關重要的熔池的大小開始變化，而且，繼續進行壽命測試而當進行到1000個點焊時，發現因熱量輸入過多而形成，一穿透工件的孔。可相信過量的熱量輸入是由于電弧電壓升高而致，而電弧電壓的升高是由于下列事實造成電極燒蝕使其形狀改變(即變圓)而使電弧不穩定；電極長度減小使得電極與工件之間的距離變大。
與這類現有低質量等離子焰炬焊槍相反，本發明人研創出圖2所示改進的等離子焰炬焊槍。該改進的焊槍這樣制成把一用水冷卻的銅制電極架h的前端變平，在該前端的一軸向部位中埋置一用鎢之類高熔點金屬制成的電極i，在離電極i一定間距處用噴嘴j圈住該電極i，從而在電極i與噴嘴j之間形成一供等離子氣體的渦流m橫向流過的氣道k。應該看到，上述電極架h的內壁和上述噴嘴j的外壁用水冷卻。
在上一自然段所述的等離子焰炬焊槍構造中，電極架h的外部底面與噴嘴j之間的距離最短，但人們發現在電極架h的外部底面與噴嘴j之間會形成一先導電弧(pilot arc)n，這一電弧n被渦流m帶動到電極i部位而移入主電弧。然而，由于電極架h用銅之類低熔點金屬制成，因此人們發現會產生一個問題生成先導電弧n的部位因熔化或汽化而使該部位表面變得粗糙或凹凸不平。而且，由于從電極i生成的金屬蒸汽是由水冷卻的噴嘴j冷卻的，從而形成沉積在噴嘴j內表面上的浮渣o，已發現該浮渣如積累到一定程度就會使電極i和噴嘴j之間產生橋接或短路，從而使可接受的電弧無法點火。
本發明即是要解決這些現有問題，其目的是提供一種等離子焰炬焊槍，它能防止在電極架上形成凹凸不平的表面、防止在噴嘴內表面上沉積起金屬浮渣，從而防止上述橋接現象；該等離子焰炬焊槍的電極與具有前部尖端的現有電極相比，其形狀隨著時間的推移變化極小，從而大大提高電弧的穩定性和焊接質量。
為了實現上述目的，按照本發明，提供了一種等離子氣體渦流型等離子焰炬焊槍，其中設有一具有一前端部的電極體和一圍住該電極體的所述前端部并與該電極體前端部相距一環形等離子氣道的噴嘴，其特征在于，所述電極體至少在供先導電弧點火的部位或是由高熔點材料制成，或是用所述高熔點材料與功函數低的一種物質或所述物質的氧化物的混合物制成。
按照上述結構，即除了使用以渦流形式流過的等離子流外，至少是供先導電弧點火的電極體部位、比方說電極體的所述前端部的一部位也即與噴嘴相距最短的部位或是用高熔點材料制成，或是用所述高熔點材料與一種低功函數的物質或所述物質的氧化物的混合物制成，因此可以看到，先導電弧形成在電極體的至少是部分地由所述高熔點材料制成的所述前端部與所述噴嘴之間，同時主電弧形成在所述前端部與工件之間，從而在所述前端部之外的區域不再有電弧陰極點(或電弧陽極點)，而該區域用低熔點材料制成。這就可以有效地防止在所述前端部之外的區域、比方說電極架上形成凹凸不平表面，同時防止所述電極體與所述噴嘴發生橋接(或短路)，從而防止它們無法使可接受的電弧點火。
與上述有聯系地，可看到，所述電極體可由一用高熱導率的材料制成的電極架和一緊固到所述電極架前端上、或是用高熔點材料制成、或是用所述高熔點材料與一種低功函數的物質或所述物質的氧化物的混合物制成的電極構成。同時還可以看出，整個所述電極體可以或是用高熔點材料制成，或是用所述高熔點材料與一種低功函數物質或所述物質的氧化物的混合物制成。
還應看到，可用火焰噴涂或蒸發涂敷將或是高熔點材料、或是所述高熔點材料與一種低功函數的物質或所述物質的氧化物的混合物涂敷在所述電極體表面上；也可在所述電極架表面上涂上銀鍍層等等。
在上述段落所述結構中，還應看到，即使在無法把所述電極體與所述噴嘴之間位于所述電極與所述噴嘴之間的間距設計成最短的情況下，也能有效地防止因形成所述凹凸不平表面或因電極與噴嘴之間橋接而造成的可接受的電弧無法正常點火。
同時，還可看到，若所述電極體的所述前端部(即電極部)為平面或球面形，則所述電極部隨著時間的推移其質量惡化可減小，從而所述電極部性能(即焊接質量)隨時間推移而發生的變動大大減小。
同時，可以看到，若在所述電極體的前端形成一凹座或一突起，則可把電弧陰極點(或電弧陽極點)固定在電極體的所述前端的中心部位，從而穩定電弧而大大提高焊接質量。
此外，還可看到，若設置有一個用來圍住所述噴嘴且與該噴嘴相距一環形屏蔽氣體氣道的屏蔽帽以及設置一個用來在所述屏蔽氣體氣道中產生一屏蔽氣體渦流的環，則即使在等離子氣體以渦流形式流動的情況下，也可產生一個在該等離子焰炬焊槍軸向上有效工作的等離子氣流。
從下述詳細說明以及示出本發明一些例示性實施例的說明書附圖中可更好地理解本發明。在這里應看到，附圖所示各實施例決非對本發明作出限制，而是便于說明和理解本發明。
在附圖中
圖1為一現有等離子焰炬焊槍主要部分的剖視圖；圖2為另一現有等離子焰炬焊槍主要部分的剖視圖；圖3為本發明等離子焰炬焊槍的第一實施例主要部分的剖面圖；圖4A-4C每個都是上述第一實施例中的電極體各變形例的剖面圖；圖5A-5F每個都是其前端為平面形的電極體的各變形例的剖面圖；圖6A-6E每個都是其前端為球面形的電極體的各變形例的剖面圖；圖7為電極體一變形實施例的剖面圖，它的整個表面有一涂層；以及圖8為電極體一變形實施例的剖面圖，其中，電極架上有一涂層。
下面結合附圖對本發明等離子焰炬焊槍的優選實施例進行說明。
下面結合圖3以及圖3之后的諸


本發明一些實施例。
從這些附圖中可看到，標號1表示其內部有一冷卻水通道2的電極架，該電極架的前端上釬焊有一電極3，它在壓力下嵌入并埋置在該前端中，該電極架1和電極3構成電極體15。標號4表示設計成圍住電極體15前端部的一噴嘴，它與電極體15相間距而形成一與電極體15同軸的環形等離子氣道5，其上有一等離子電弧噴出口6。標號7表示一圍住噴嘴4外邊的屏蔽帽，它與噴嘴4相間距而形成一與噴嘴4同軸的環形屏蔽氣道8。
也可以看出，上述等離子氣道5的上游部有一旋流器9，它構作成其渦流通道9a對齊在一與電極架1的軸線垂直的平面中；也可構作成稍稍向其前端部傾斜，從而在渦流通道9a中產生一很強的氣體渦流。
而且還可看到，上述屏蔽氣道8內還有一環10。從該環10中吹出的氣體的方向在這里取決于有待焊接在一起的一對工件的材料和厚度。若由環10造成的屏蔽氣渦流方向與由旋流器9造成的等離子氣體的方向相同，就會使等離子電弧(即噴射焰炬)大大收縮，這對切割工件或把一對工件焊接在一起將是有效的，因此時需要有一高能量密度的等離子電弧。而若這兩種氣體以相反方向旋動，則等離子電弧具有的渦流分量(即噴射焰炬)減弱，從而在焊接時可有效地把熔池保持在穩定狀態，從而可有效地進行其中需要有一大焊核的點焊操作或其中需要有一寬焊珠的縫合焊接操作。
應該看到，上述電極架1用銅之類高熱導率的材料制成，并用流過冷卻水通道2的冷卻水冷卻。此外，電極3用鎢之類高熔點材料制成。
還應看到，電極3的大小須足以占據電極架1的整個前端部，而電極3的前周邊部與噴嘴4的內表面之間的距離S設計成電極架1與包括電極3在內的電極部之間的最短距離，從而當電極3通電時，在電極3的前周邊部產生一先導電弧。
雖然上述電極架1和電極3可如圖3那樣構造并連接在一起而把整個電極3嵌入在電極架1的前端部中，但應看到，電極3也可如圖4A和4B所示固定安裝在電極架1的前端面上。
同時，如圖4C所示，應該看到，整個電極體15可用鎢之類高熔點材料制成，也可用高熔點材料與一種低功函數物質或該物質的氧化物的混合物制成，并且其內部設有冷卻空間(例如用水冷卻的空間)。
下面結合電極體15的各種例子作出說明。
例1如圖5A所示，緊固在電極架1前端上的電極3有一平面形前端。
電極架的材料銅電極的材料含有2％氧化釷的鎢噴嘴的材料銅電極前端平面部的直徑2mm噴嘴直徑4mm已發現，電極3前端平面部的直徑d必須小于噴嘴直徑D(即d≤D)。若電極前端平面部的直徑d大于噴嘴直徑D，結果就會在電弧點火時生成雙重電弧。還已發現，若電極前端做成平面形，其隨著時間推移的變形(即質量下降)可減至最小。
例2如圖5B所示，電極3的平面前端上有一邊緣部11。
電極架的材料銅電極的材料含有2％氧化釷的鎢噴嘴的材料銅電極前端平面部的直徑2mm該邊緣部(即一鉆孔)的直徑1.5 mm噴嘴直徑4 mm可以看到，可用鉆床或銑床在電極前端鉆出或銑出一孔而形成該邊緣部11。由于電極上有這樣一個邊緣形部，因此可使先導電弧平緩地移入主電弧，這是因為在電弧放電的一剎那溫度迅速提高從而防止產生異常電弧，從而可提高電極3的壽命。而且還發現，一個優點是，由于電弧的陰極點容易固定，因此由先導電弧轉移成的主電弧變得穩定。
應該看到，圖5B所示具有上述作用的電極形狀也可做成如圖5C所示在電極3前端形成一弧形孔11a、如圖5D所示在電極3前端形成一臺階形孔11b、如圖5E所示在電極3前端上形成一圓柱形突起11b或如圖5F所示在其上形成一圓錐形突起11c。在這方面，還發現，在圖5D所示實施例中，由于外孔的邊緣部不再耗損，因此電弧的陰極點會固定在內孔的邊緣，從而進一步提高電極的壽命。
例3如圖6A所示，電極3′的前端為球面形。
電極架材料銅電極材料含有2％氧化鈰的鎢噴嘴材料銅噴嘴直徑4mm電極球形前端的半徑3,5mm若電極3′的前端為球形，已發現，在電極球面上生成的先導電弧可迅速轉移生成主電弧并順利移到電極球面端點處。即使等離子氣體渦流較弱也能毫無困難地發生的這一現象，可非常有效地用于用低流率等離子氣流焊接一對工件之時。
例4如圖6B所示，電極3′的球面前端上有一邊緣部11′。
電極架材料銅電極材料含有2％氧化鈰的鎢邊緣部(即一鉆孔)的直徑1.5mm噴嘴材料銅噴嘴直徑4mm電極球形前端的半徑3.5mm由于把電極3′前端做成球形，已發現，在電極球面上產生的先導電弧就會迅速轉移生成主電弧并順利移到電極的球面端點處。即使等離子氣體渦流較弱也能毫無困難地發生的這一現象，可很有效地用于用低流率等離子氣流焊接一對工件之時。
而且還發現，電極前端若有一邊緣部，可提高作為主電弧的電弧的穩定性。
應該看到，如圖6B所示具有上述作用的電極形狀也可做成如圖6C所示在電極3′前端上形成一弧形孔11a′，如圖6D所示在電極3′前端上形成一圓柱形突起11b′或如圖6E所示在其上形成一圓錐形突起11c′。
在這里，還發現，電極B可用上述材料之外的含有2％氧化鑭的鎢制成。
例5如圖7所示，其一表面部位埋置有電極12的電極架1也即電極體15的整個表面用火焰噴涂或蒸發涂敷上一層高熔點材料或該高熔點材料與一種高功函數物質或該物質的氧化物的混合物的涂層13。
電極架的材料銅電極材料含有2％氧化釷的鎢電極涂層材料含有2％氧化釷的鎢噴嘴材料銅噴嘴直徑4mm因此，在無法把電極體15與噴嘴4之間的位于電極12與噴嘴之間的間距設計成最短的情況下，應該看到，可用與電極12的材料相似的高熔點材料(例如含有2％氧化釷的鎢)涂在電極架1的整個前端表面上，包括電極12的表面。已發現，這樣就可防止電極架1因蒸發等原因而質量下降，同時防止電極架1表面成為凹凸不平表面并防止因電極12與噴嘴4橋接而無法點火。
如圖8所示，還應看到，可在電極架1表面涂一銀鍍層14。在這種情況下，凹凸不平只會出現在電極1的前端部。這是因為電弧具有當其陰極點位于一個氧化物上時才穩定的特性，由于銀在高溫下使氧化物減少，因此陰極點很難存在在鍍銀電極架上而會移向電極12，從而使電弧集中在電極前端部，因而防止電極架1的表面成為凹凸不平。
在上述各例中用來制成電極架和噴嘴的高熱導率材料除銅之外，也可使用銀、金、鋁和這些金屬的合金。
同樣，用來制成電極的高熔點材料除鎢之外，也可使用鉭、鉬、鋨、錸、镥、銥以及這些金屬的合金。
此外，添加到上述高熔點材料中的低功函數物質可以是氧化釷、鋇、銫、氧化鈰、氧化鑭、釔和鋯。
在上述各例中，對結合圖5B的例2進行了疲勞試驗而獲得如下結果。
試驗梗概為了防止電弧因電極與噴嘴發生橋接而無法點火，對電極形狀作出了改進。通過把電極做成下述形狀，已發現可獲得良好結果。
1)為了在鎢材料上生成先導電弧，電極在電極與噴嘴之間的最短距離處用鎢材料制成。
2)為了便于穩定電弧，電極前端中心處有一邊緣部。
然后對這種構型的電極的疲勞壽命進行研究。
目標值把代表接觸點焊機中電極壽命的電弧點火數設定成50000次。
疲勞壽命測試結果達到50000次的壽命。可把無法把先導電弧轉移成主電弧時的該點火數作為該壽命。
在直到50000次點焊前，焊接質量隨著時間推移看不出有任何改變。
試驗內容反復進行如下操作1)和2)直到完成50000個點焊。
1)按表2所列條件和順序把電弧噴射到一水冷銅靶上，該順序反復10000次，以試驗電極的消耗。
2)按表3所列條件在一80mm×40mm的板上進行焊接后對所得質量進行評估。該實驗中使用的電極與噴嘴間的關系如圖5B所示。
表2

表3<

試驗結果電極和噴嘴外觀隨時間推移的變化以及焊接質量總結如下1)電極的凹凸不平損耗小到不必擔心電極與噴嘴會發生橋接。
2)幾乎看不出焊接質量隨時間推移而有所變化。
因此，可以看到，使用圖5B所示結構可完成代表電極壽命的50000次點焊。請注意，圖2所示現有結構的電極壽命僅為3600次。因此電極壽命提高十幾倍。而且焊接質量的穩定性以其電極與噴嘴之間的絕緣都無問題。
盡管上面結合某些例示性實施例說明了本發明，但熟悉本技術領域的人顯然明白，在本發明的精神和范圍內可對本發明作出種種變動和增減。因此，應該指出，本發明并不限于上述具體實施例，而是包括在由后附權利要求書專門限定的特征所構成的范圍內的所有可能實施例，從而包括所有本發明的等同物。
權利要求
1.一種等離子氣體渦流型等離子焰炬焊槍，其中設有一具有一前端的電極體和一圍住該電極所述前端部并與該前端部相間距而形成一環形等離子氣流通道的噴嘴，其特征在于，所述電極體至少在供先導電弧點火的部位或是用高熔點材料制成，或是用所述高熔點材料與一種低功函數物質或所述物質的氧化物的混合物制成。
2.按權利要求1所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，所述電極體包括一用高熱導率材料制成的電極架；以及一緊固到該電極架所述前端部上、或是用高熔點材料制成、或是用所述高熔點材料與一種低功函數物質或所述物質的氧化物的混合物制成的電極。
3.按權利要求1所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，整個所述電極體或是用高熔點材料制成，或是用所述高熔點材料與一種低功函數物質或所述物質的氧化物的混合物制成。
4.按權利要求1或2所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，所述電極體的表面上利用火焰噴涂或蒸發涂敷覆以或是高熔點材料，或是所述高熔點材料與一種低功函數物質或所述物質的氧化物的混合物。
5.按權利要求2所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，所述電極架表面上涂有銀鍍層。
6.按權利要求1-5中的任一項所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，電極體的所述前端部呈平面形。
7.按權利要求1-5中的任一項所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，所述前端部呈球面形。
8.按權利要求1-5中的任一項所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，所述前端部上有一凹口或一突起而形成邊緣。
9.按上述任一項權利要求所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，有一屏蔽帽圍住所述噴嘴并與噴嘴相間距而形成一環形屏蔽氣道，并且有一用來在所述屏蔽氣道中產生屏蔽氣體渦流的環。
10.按權利要求9所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，所述屏蔽氣體的渦流方向與所述等離子氣體的渦流方向相同。
11.按權利要求9所述的等離子焰炬焊槍，其特征在于，所述屏蔽氣體的渦流方向與所述等離子氣體的渦流方向相反。
全文摘要
公開了一種等離子氣體渦流型等離子焰炬焊槍，其中設有一具有一前端的電極體和一圍住該電極所述前端部并與該前端部相間距而形成一環形等離子氣流通道的噴嘴，其特征在于，所述電極體至少在供先導電弧點火的部位或是用高熔點材料制成，或是用所述高熔點材料與一種低功函數物質或所述物質的氧化物的混合物制成。
文檔編號H05H1/34GK1134217SQ94193999
公開日1996年10月23日 申請日期1994年11月2日 優先權日1993年11月2日
發明者北橋正光, 黑川巖, 箕西干夫, 德永裕之 申請人:株式會社小松制作所