一种承重真空高压电极的制作方法

1.本发明涉及一种可应用于等离子场的热处理或表面处理装备的高压电输入电极，尤其是一种承重真空高压电极，属于材料表面处理工艺装备技术领域。


背景技术：

2.由电离放电基础理论可知，源气体在高频或直流电场作用下电离后的电子和正离子将分别向阳极和阴极运动，并集聚在两极附近形成空间电荷区。正离子因质量大而漂移速度远小于电子，故正离子空间电荷区的电荷密度比电子空间电荷区大得多，结果使得整个极间电压几乎全部集中在阴极附近的狭窄区域内，一旦空间电荷达到阈值时，会发生辉光放电现象。辉光放电的发光分布从阴极到阳极的分布如附图1所示，分为阿斯顿暗区a、阴极辉区b、阴极暗区c、负辉区d、法拉第暗区e、正柱区f、阳极暗区g、阳极辉区h等几个辉光亮度和电压位降不同的区域。阿斯顿暗区、阴极辉区和阴极暗区称为阴极位降区，为辉光放电的特征区域，阴极位降区的厚度称为dk。
3.真空高压电引入电极作为热等离子处理装备的关键部件，作用是将高压电通过与工件具有相反电极性的炉底座输送给待处理工件，要求其具有输电、绝缘、密封、防止弧光放电以及一定的承重能力，并且需要在受热状态下长期工作，其设计可靠性对保证表面改性处理过程能否稳定工作的十分重要。现有技术的电极结构如图2（结合图4，图中1’料盘，2’支柱，3’护间隙外套，4’护间隙内套，5’陶瓷管，6’电极柱，7’拖座，8’底座，9’o型橡胶密封圈，10’陶瓷垫套，11’压紧螺母，12’陶瓷套筒，13’滑环，14’输电板，15’固定螺母，16’灭弧间隙）所示，电极柱6’穿过由陶瓷管5’、陶瓷垫套10’以及陶瓷筒套12’组成的绝缘组件通过输电板14’对料盘上的工件输电。绝缘组件将电极柱6’与拖座7’及底座8’等电隔离，使工件处于电悬浮状态。
4.实际应用过程中，上述现有技术反映出以下缺点：1）由于热等离子体的溅射，裸露在外的陶瓷管5’需要定期打磨外表面，清除因溅射而沉积的金属膜，以避免因金属膜聚集导致陶瓷管5’表面导电，清理维护复杂；2）电极柱6’除了对料盘输电外，还承担所有工件的重量，长期承重状态下的热冲击过程容易发生偏载，严重时会导致紧贴电极柱6’的陶瓷管5’破碎引起阴阳极间的短路；3）o型橡胶密封圈9’在长期输电过程中发热老化会导致真空泄漏，因此需要定期更换，多有不便；4）仅通过护隙调整外套3’以及护隙调整内套4’之间的间隙灭弧，一旦该间隙因落入异物等外力因素发生形变时，灭弧间隙即会失效，并导致该部位出现弧光放电现象；5）绝缘组件中任一个部件损坏都会导致电隔离失效、引起阴阳极短路。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，通过结构改进，提出一种承载能力强、可以有效防止短路故障，并且显著延长检修维护周期的承重真空高压电极。
6.为了达到以上目的，本发明承重真空高压电极的基本技术方案为：由组合电极柱、
电极密封模块以及电极支撑模块组成。
7.所述组合电极柱包括位于绝缘套筒内的上段外螺杆和下段封装电极，所述外螺杆的下端和封装电极的上端通过内螺套连接；所述绝缘套筒下端插装在法兰套管中，所述封装电极的下端螺纹头延伸出绝缘套筒和法兰套管；所述绝缘套筒和法兰套管被邻近封装电极下端的陶瓷封装头封装；所述电极密封模块包括借助紧固件与所述法兰套管的上端法兰固连的刀口法兰，以及由刀口法兰朝上延伸的金属管，所述金属管的上端与炉底封闭固连；所述法兰套管的上端法兰具有嵌装密封圈的中部凹陷，所述刀口法兰与法兰套管的上端法兰的对合端面具有直径大于所述中部凹陷的环槽，所述环槽内形成带周圈刃口的凸台；组装时，所述周圈刃口接触所述密封圈的端面并使其产生塑性形变；所述电极支撑模块包括下端与炉底密封固连的下部支柱、位于下部支柱上的至少一级过渡支柱、以及通过与所述外螺杆上端连接扣在最上一级过渡支柱上的顶部支柱；相邻支柱的相对端面中部分别具有嵌装支撑垫圈的沉窝，且周圈分别具有由支撑垫圈圆周面朝外形成z字形间隙的凸凹起伏；所述z字形间隙的两处横向间隙以及两处横向间隙之间的纵向间隙小于辉光厚度。
8.本发明的上述组合模块化结构设计可以方便根据实际需要调整电极以及支撑模块的高度；通过道口法兰以及密封圈实现电极的密封，承重以及耐高温性能良好并且不会出现老化的问题，因此也无需定期更换密封圈；绝缘套筒以及支撑垫圈内置，不会沉积金属膜，无需定期维护；通过电极支撑模块实现电极与底座的隔离，多层隔离措施，在正常使用条件下，可以杜绝因某只支撑垫圈破碎而出现的阴阳极短路问题；各支柱之间的横向及纵向间隙，在实现电隔离的同时，亦可有效防止辉光进入，避免缝隙内部温度过高而导致弧光放电等异常情况。
9.本发明进一步的完善是：所述陶瓷封装头下端具有与所述封装电极紧配的缩径口，所述缩径口朝上延伸出包覆在法兰套管外的包覆段。
10.本发明更进一步的完善是：所述封装电极对应缩径口处通过环槽与缩径口紧配。
11.本发明再进一步的完善是：所述电极过渡支柱包括位于下部支柱上的中间支柱和位于中间支柱上的上部支柱。
12.本发明还进一步的完善是：相邻的在下支柱与在上支柱的相对端面中部分别具有嵌装中间支撑垫圈的沉窝；所述在下支柱的上端周圈具有缩径台阶中部朝上延伸形成的凸台，所述在上支柱下端具有中部凹陷周边朝下延伸形成的凸环。
13.本发明又进一步的完善是：所述在下支柱和在上支柱组装后由中间支撑垫圈的外圆朝外形成z字形间隙。
14.本发明仍进一步的完善是：所述外螺杆和各密封圈采用紫铜制作；所述绝缘套筒和各支撑垫圈采用氧化铝陶瓷制作。
15.总之，本发明承重性能好、可靠性高，可以杜绝真空泄漏以及阴阳极之间的短路，基本实现了免维护。
附图说明
16.图1为辉光放电发光分布示意图。
17.图2为现有技术真空高压电输入电极结构示意图。
18.图3为本发明一个实施例的结构示意图。
19.图4为图2中a处放大结构示意图。
20.图5为图3实施例的b处放大结构示意图。
21.图6为图3实施例的c处放大结构示意图。
具体实施方式
22.以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
23.本实施为一种安置于真空热处理炉底的承重真空高压电极，其结构如图3所示，由组合电极柱1、电极密封模块2以及电极支撑模块3组成。
24.其中组合电极柱1包括位于绝缘套筒1-4内的上段外螺杆1-3和下段封装电极1-1，外螺杆1-3的下端和封装电极1-1的上端通过内螺套1-2连接。绝缘套筒1-4采用氧化铝材质，其下端插装在法兰套管1-5中，封装电极1-1的下端螺纹头延伸出绝缘套筒1-4和法兰套管1-5，与输入电缆e电连接。绝缘套筒1-4和法兰套管1-5被邻近封装电极1-1下端的陶瓷封装头1-1’封装。该陶瓷封装头1-1’下端具有与封装电极1-1紧配的缩径口，并从该缩径口朝上延伸出包覆在法兰套管1-5外的包覆段。封装电极1-1对应缩径口处通过两道环槽与缩径口紧配。这样，组合电极柱易于通过内螺套连接结构按需调整整体高度，以适配电极支撑模块的支撑高度。
25.电极密封模块2包括借助一组外六角螺栓连接副2-3与法兰套管1-5上端法兰固连的刀口法兰2-1，以及由刀口法兰2-1密封焊接朝上延伸的不锈钢管2-4。该不锈钢管2-4的上端与炉底d的下表面封闭焊接。参见图5，法兰套管1-5的上端法兰具有嵌装密封圈2-2的中部凹陷，该密封圈2-2由质地脚软的紫铜制作；刀口法兰2-1与法兰套管1-5上端法兰的对合端面具有直径大于其中部凹陷的环槽2-1’，环槽2-1’内形成带周圈刃口2-1”的凸台。组装时，六角螺栓连接副2-3的压力作用将使周圈刃口2-1”接触密封圈2-2的端面并使其产生塑性形变而达到理想的真空密封效果，可以始终保证炉内的真空环境与本实施例承重真空高压电极的内部空间连通。虽然电极在输送高压大电流的过程中由于本身电阻会显著发热，但由于铜质密封圈不仅耐高温性能良好、无需额外冷却措施，而且强度高、承载性能好，不会老化，因此相比于传统橡胶密封圈，可以大大延长检修维护周期。
26.电极支撑模块3包括下端与炉底d上表面密封固连的下部支柱3-1、位于下部支柱3-1上的中间支柱3-3、位于中间支柱3-3上的上部支柱3-5以及通过与外螺杆1-3上端螺纹连接扣在上部支柱3-5上的顶部支柱3-7。顶部支柱3-7上支撑料盘p。相邻支柱的相对端面中部分别具有嵌装支撑垫圈的沉窝，且周圈分别具有由支撑垫圈圆周面朝外形成z字形间隙的凸凹起伏。具体参见图6，中间支柱3-3与上部支柱3-5的相对端面中部分别具有嵌装中间支撑垫圈3-4的沉窝，中间支柱3-3上端周圈具有缩径台阶中部朝上延伸形成的凸台、上部支柱3-5下端具有中部凹陷周边朝下延伸形成的凸环，组装后由中间支撑垫圈3-4的外圆表面朝外形成截面z字形的间隙。下部支柱3-1与中间支柱3-3的相对端面中部分别具有嵌装下部支撑垫圈3-2的沉窝，下部支柱3-1上端周圈具有缩径台阶中部朝上延伸形成的凸台、中间支柱3-3下端具有中部凹陷周边朝下延伸形成的凸环，组装后由下部支撑垫圈3-2周面朝外形成z字形间隙。上部支柱3-5与顶部支柱3-7安装上部支撑垫圈3-6的情形类推。
27.z字形间隙的两处横向间隙d1以及两处横向间隙之间的纵向间隙d2相等，且小于辉光厚度dk，即d1=d2＜dk。由于辉光放电的特性是dk小于阈值时辉光即自行熄灭，而通常热等离子处理的辉光厚度dk大于2mm，因此，选取d1=d2=0.7-1.0mm。
28.本实施例中，顶部支柱3-7与输入电极电连接，通电时其表面会被辉光g所覆盖，但由于d1=d2＜dk，因此表面辉光会在间隙处熄灭（参见图6），从而避免了弧光放电现象。相反，如果d1=d2≥dk，辉光会进入缝隙内部，离子剧烈轰击缝隙内部表面并产生应激活性原子，在缝隙内反复反弹，离子以及活性原子数量会急速增加，该部位温度会持续升高，当温度上升到一定程度，该区域会发生热电子发射，使碰撞电离及输入电极的二次电子发射急剧增加，导致极间气体导电，形成弧光放电现象，并且电隔离失效。
29.考虑到需要承载料盘上被处理工件的全部重量，并且在工艺处理过程中有可能承受一定的热冲击，各支撑垫圈均采用氧化锆陶瓷制作。本实施例采用了多级支柱、分段绝缘的结构，即使某一处的支撑垫圈意外碎裂而短路，其它各处的支撑垫圈依然可以保证电隔离作用。由于氧化锆陶瓷机械性能及耐高温性能良好，可以有效避免支撑垫圈的破碎，而各处支撑垫圈同时意外损坏的概率极低，因此客观上杜绝了阴阳极的短路。
30.在借助本实施例进行化学热处理时，通常工件接阴极，炉壳等接阳极，抽真空精辟输入工艺气体（如离子渗氮则在炉内通入氨气或是氮、氢混合气，电离后形成含氮的正离子；如离子渗碳则在炉内输入甲烷，电离后得到碳离子），在400～800v电压下，炉内气体辉光放电，产生等离子体。大量的正离子轰击工件，将正离子的动能转化为热能，使工件温度升高，同时进入工件表面并向内部扩散形成渗层。
31.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。