专利名称：等离子电弧焊炬用电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子电弧焊炬用电极。
背景技术：
等离子电弧焊炬通常应用于包括切割、焊接、表面处理、熔化和退火加工的金属加工。作为用于金属切割加工的一种等离子电弧焊炬，通常具有如
图1所示的结构。
在图1中，标引数字13为焊炬体，数字1a为由焊炬体13支承的一电极夹持体，数字1则指置于电极夹持体1a内且与其连接的电极。数字2是通过一喷嘴支承件3由焊炬体13支承的喷嘴，使其环绕电极1且置于电极1的前端。数字4指由焊炬体13支承的喷嘴盖，其环绕着喷嘴2前端部分以外的其余部分，且其前端固紧于喷嘴2的前端部。数字5是由焊炬体13支承的喷嘴保护盖，它环绕着喷嘴盖4的外侧。
等离子气体通道6形成于电极1的外周部分，使其从该外周部分与喷嘴2连通。还有冷却水通道7形成于喷嘴2与喷嘴盖4之间。此外，第二气体通道8形成在喷嘴盖4和喷嘴保护盖5之间，以便通向喷嘴2的前端侧。
喷嘴保护盖5与喷嘴盖4电绝缘。电极体1a上制有冷却电极用的冷却水腔9，腔9与冷却水通道7连通。冷却水腔9连接到冷却水流入通道10，冷却水通道7则连接于冷却水流出通道10a。另一方面，等离子气体流入通道11连接到等离子气体通道6，第二级气体流入通道12也与第二级气体通道8连接。
焊炬体13用于支承上述各件和各部分，而且与电极1和喷嘴2电绝缘，喷嘴保护盖5则用螺纹连接于焊炬体13。
考虑到高温条件下的寿命，用于这种等离子电弧焊炬的电极1是用如铪(Hf)，锆(Zr)，钛(Ti)等同族元素的耐热材料制作的，并将电极1采用钎焊与电极体1a连接，电极体1a由铜(Cu)制作。
如在日本专利No平5-70250所公开的那样，电极1与电极体1a的连接采用不同于钎焊的方法进行，该专利指出，将由如银制作的一套件插入电极体1a中，然后将电极1再插入套件中并固定在套件上。但是在这种结构中，电极1及电极体1a两者的待连接的表面是不规则的，这会形成导热阻抗，因此，这种方法并不合适。
为了避免此种现象，在用钎焊将电极1与电极体1a连接时，将那些不规则表面用钎焊材料灌封，即使电极1是用导热性能差的铪制作时，这样也可在两个连接件间提供优异的导热性能和改进的冷却效果。
根据如上所述，用钎焊将电极1与电极体1a连接，采用了银料(Ag)作钎焊材料，银料中包含百分之几至百分之几拾的铜(Cu)，以降低其熔点。
图2展示在铪电极1和铜电极体1a用包含30％的铜的银材料(Ag+30％Cu)作钎料连接在一起的情况下的连接部分状况，用作电极材料的铪及含在钎料14中的铜形成的混合晶体层15(Hf-Cu混合晶体层)构成了电极1与钎料14之间的临界面。
铪-铜混合晶体层15是由一种高脆性的极硬材料构成的。例如，根据本发明人测量，这种铪-铜混合晶体层15具有的维氏硬度约500-600，而另一方面，铪电极1和银钎料14的维氏硬度分别为约200和100。
在使用处于这种连接状态下的电极1反复引弧/灭弧的情况下，在铪电极1与铪-铜混合晶体层之间的临界面前端部分会产生裂缝16。
产生这种裂缝的主要原因考虑是，引弧时由于急速升温产生的热应力。在电极1连接表面上产生这种裂缝16时，该部分反映出冷却效果较低，而且在这部分的电极材料消耗迅速增大，从而使等离子电弧焊炬电极的寿命极短。
虽然在上述的实例中是用铪作电极1，但已确认在用锆或钛作电极1，用含铜钎料进行连接的情况下，分别由电极材料与钎料组份构成的混合晶体层，也在电极与钎料间形成临界面。这样的混合晶体层与上述铪-铜混合晶体层15一样，具有较大的硬度和脆性。
本发明考虑了上述事实及问题，认为其基本原因在于，具有大脆性的铜混合晶体层是形成于接触电极的部分，因此，本发明的主要目的是提供一种其寿命特别长的等离子电弧焊炬用电极，甚至通过在电极和钎料之间没有产生构成脆性层的铜混合晶体层的条件下反复引弧/灭弧，在电极外周部分也不会产生裂缝。
发明技术方案为了实现上述目的，本发明提供一种等离子电弧焊炬用电极，在该焊炬中，由同族元素铪、锆、钛或这些元素的混合材料制作的电极镶嵌入电极体前端部，并用一种钎料将其钎焊和连接于电极体上，该电极的特征在于，电极和电极体是用一种非铜组份的钎料钎焊的。
在此实施例中，最好连接电极的电极体前端部由含如银或银合金那样的非铜组份的材料制作。
此外，在此实施例中，最好将由具有高熔点和含有如镍一类的非铜组份制作的隔离件，通过该钎料与含铜的电极体连接，包含铜的电极体及电极通过隔离件连接，隔离件则通过钎料与电极连接。
根据上述结构，当将电极嵌入电极体中并用钎焊与其连接时，在电极的连接表面上不会形成任何铜混合晶体层。
因此，由于没有脆性的混合晶体层形成于电极连接表面，从而即使在反复引弧/灭弧的情况下也不在电极外周部分产生裂缝，于是显著地延长了电极寿命。
附图简要说明通过结合本发明推荐实施例的附图所进行的详细介绍，将会进一步理解本发明。此外应该指出，展示于附图中的实施例不是用于限定本发明，而是用于更容易地解释和理解本发明。
附图中图1是一剖视图，展示切割用等离子电弧焊炬主要部分的一实例；图2是剖视简图，展示传统结构的等离子电弧焊炬电极的主要部分；图3A和3B分别展示本发明实施例的等离子电弧焊炬的电极连接部分状况的简图；图4A、4B及4C分别展示本发明实施例的电极结构的剖视图；图5是一图表，表示穿透数与消耗深度的关系；图6A和6B是本发明另一实施例的等离子电弧焊炬用电极的剖视图。
实施发明的最佳方式下面参照附图3-6介绍本发明的等离子电弧焊炬用电极的实施例。
图3A示出连接部分中的连接状况。其中由铪制作的电极1在真空气氛中，用(Ag+3.9Li％)的钎料14a钎焊在由铜制作的电极体1a上。在这种情况下，虽然钎料14a并不包含铜组份，但在电极体1a中的一部分铜在连接过程中被熔化，并扩散入钎料14a。扩散的铜组份17浮悬在熔化的钎料14a中，并到达电极1的表面，由此在电极1表面上形成铪-铜混合晶体层15。
此外如上述情况一样，图3B示出连接部分的连接状况。其中由铪制作的电极1在真空气氛中，用(Ag+3.9Li％)的钎料14a钎焊由银制作的电极体1a上。在这种情况下，因为无铜组份存在于任何部分中，所以根本不形成铪-铜混合晶体层。
对图3A和3B所示的两种电极(连接的电极)进行寿命试验，从试验的结果看出，虽然图3A所示实施例提供了比图2所示传统的实施例明显延长的寿命，但是图3B展示的实施例提供了更长的寿命。
图4A、4B及4C示出了使用不同材料制作电极体1a的实施例。
图4A的实施例采用了与传统实施例一样的铜制电极体1a，图4B的实施例使用了全部由银制作的电极体1a，图4C的实施例使用了其基部1b用铜制作，连接于基部1b的前端部1c用银制作的电极体1a。由铪制作的电极1用(Ag+3.9Li％)的钎料14a进行钎焊，以便将它们连接到这些电极体1a上。
而且，在图4C的实施例中，电极体1a的基部1b和其前端部1C是在真空加热炉中，在约800℃温度下通过用热扩散连接方法连接。电极体1a与电极1间的连接是在约760℃条件下真空气氛环境中进行的。
对图4A，4B及4C所代表的实施例，进行了寿命试验，用于检验各电极1相对穿透数的消耗深度，其结果示出图5。寿命试验是对1.6毫米的炭钢板，在27安培焊弧电流切割2秒钟的条件下重复的方式进行的。
参看图5，大写字母A代表图4A所示结构的情况，在这种情况中，在切割约700-800次后消耗深度达1.1-1.2毫米。图5中的大写字母B代表图4B所示的全用银制作的电极体1a的情况，在此情况中，经2500次切割后消耗深度为0.8-0.9毫米。在图5中大写字母C代表图4C所示实施例的情况，在此情况中，经2500次切割后，消耗深度达1.4毫米。
图4B和4C所示实施例在同样切割2500次后，出现消耗厚度0.8-0.9毫米及1.4毫米这样不同数值的原因是，在图4C所示实施例中基部1b与前端1c连接在一起，在其连接部分产生导热阻抗，从而使得在这两部分中产生了不同的冷却效果。
图5中大写字母D代表图3A所示实施例的试验结果，其中电极1用包含非铜组份的钎料14a连接于铜电极体1a，经过约1400次切割后其消耗深度达1.1毫米。就这一实施例来说，其使用寿命与传统结构相比也得到了延长。
从上述试验结果可清楚地看到，从钎焊的和连接的表面上除去铪-铜混合晶体层的效果得到了确认。
图6A和6B示出了不同于上述实施例的本发明的其它实施例。
在图6A所示的实施例中，将一个用深拉伸工艺预制作的厚0.1毫米的镍盖套18，置于电极1与铜电极体1a之间。盖套18和电极体1a用公知的含铜(Cu)钎料14钎焊，盖套18和电极1之间用不含铜的如(Ag+3.9％Li)那样的钎料14a钎焊连接。在这种情况下，使用钎料14和不含铜的钎料14a均不成问题。
而且，在这种情况下，制作盖套18的镍有远远高于钎料14、14a的熔点1455℃，从而使熔化的铜料不能侵入盖套18的外侧面，亦即不能从电极体侧面侵入电极1。
而且正如图6A所示，电极1和盖套18相对电极体1a的连接是这样进行的，在它们之间分别放有型块形式的钎料14和14a，并将它们推入电极体1a中同时加热。熔化的钎料14，14a散布在整个连接表面，然后就被牢固地连接起来。
在图6B所示实施例中，一种由有高熔点材料如镍或铬制成的镀层19，形成于铜电极体1a的表面，通过该镀层19将电极1用如(Ag+3.9％Li)那样的不含铜钎料14a与电极体1a连接。
在本实施例中，镀层19基本上起到如图6A所示实施例中的盖套18同样的功能，因而不含铜的混合晶体层形成于电极1的连接表面上。
在图6A，6B的各实施例中，采用铪、锆、钛其中之一的材料作为电极1的材料，在采用这些材料中的任何一种时，在电极1的连接表面上不形成由电极1的材料和其他金属材料构成的混合晶体层。
而且，在上面的各实施例中，虽然银被用作构成电极体1a的材料，选择银来代替铜是考虑到成本和导电性方面，因此，除银和银合金以外，而更多地使用银合金或其它含铜的金属材料。
根据本发明，可将由铪、锆、钛或其它类似金属制作的电极1连接到电极体1a的连接表面，而不会在该表面上形成混合晶体层，尤其是不会形成含铜的混合晶体层。
因此，由于电极连接表面上不产生由混合晶体层构成的脆性层，即使反复进行引弧/灭弧运作也不会在电极1周面产生裂缝，从而能显著地延长电极使用寿命。
虽然本发明已结合示例性的实施例进行了说明，但很明显，对于本领域的熟练人员来说，在不背离本发明的范围和构思条件下，可以对所公开的上述实施例作出各种改型、变化、删减、增添或其它变化。因此应理解，本发明不只限于所述实施例，而是包括在权利要求中引证的内容所确定的范围及其等同物。
权利要求
1.一种等离子电弧焊炬用电极，其中由同族元素铪、锆或钛中之一元素或这些元素的混合材料制作的电极嵌入电极体前端部，然后用钎料将其钎焊并连接于该端部，其特征在于，电极与电极体只用一种含非铜组份的钎料钎焊连接。
2.如权利要求1所述的等离子电弧焊炬用电极，其中，连接电极的电极体前端部是由如银或银合金那样的含非铜组份的材料制作。
3.如权利要求1所述的等离子电弧焊炬用电极，其中，一种如由镍那样有高熔点、含非铜组份的材料制作的隔离件，用钎料与含铜电极体连接，而且该含铜电极体和电极通过隔离件连接，隔离件则通过钎料连接到电极。
4.如权利要求3所述的等离子电弧焊炬用电极，其中，隔离件是一盖套。
5.如权利要求3所述的等离子电弧焊炬用电极，其中，隔离件是一镀层。
全文摘要
采用由同族元素铪、锆、钛中选出的一种元素或这些元素的混合物制作的电极(1),埋入电极体(1a)的端部,电极(1)是用一种不含铜的钎焊填料(14a)钎焊到电极体(1a)上。
文档编号H05H1/26GK1187931SQ96194675
公开日1998年7月15日 申请日期1996年4月18日 优先权日1996年4月18日
发明者樱木俊一, 鹤卷直哉 申请人:株式会社小松制作所