CN1005693B - 用于电弧切割金属的带芯管式电极和方法 - Google Patents

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Abstract

用于气助切割和刨削金属工件的带芯管式金属弧电极，该电极包括金属管和密实的芯，芯主要由与可起放热反应的金属氧化物混合的颗粒状反应金属组成，芯还含有约占芯总重量的０至３０％的添加剂，选用的添加剂包括稳弧剂、助熔剂、脱氧剂和造气剂。颗粒状反应金属其氧化物在２５℃下，对应每克原子氧的生成自由能至少约为１００，０００卡，混合的可起放热反应的金属氧化物。在２５℃下，对应每克原子氧的生成自由能不超过约９０，０００卡。

Description

用于电弧切割金属的带芯管式电极和方法
本发明涉及用于电弧切割或刨削金属的带芯管式电极和方法。
管式电极已用于金属焊接，如美国专利3805016和4149063已公开了两种用金属管做外壳，芯部为各种稳弧剂、助熔剂和各种金属的管式电极用于焊接，但这种管式电极尚未用于金属切割。
人们已知利用电弧热以相当高的速度对钢板等进行切割、刨削和倒棱。一种方法就是利用空气流吹除熔化金属，对金属进行碳弧切割。
在用空气碳弧切割时，电弧在碳-石墨电极和将欲熔化的金属工件之间产生。压缩空气气流被连续地送到熔化位置，以吹出熔化的金属。
随着碳弧在切割中的前进，利用空气碳弧方法可连续除去金属。这种方法用于割断和刨削、这种刨削往往用于加工焊接坡口和用于清理焊根或焊接区缺陷。
电极的工作端即电极头被电弧电流加热到高温而不熔化。电极在切割过程中消耗，碳由于电极头的氧化作用或升华作用而损失。空气碳弧切割需要电极夹、切割电极、电源和空气源。这种方法可用人工或机械实现。
连续加热和熔化金属工件或作用物，同时沿电极工作端的夹持面一侧输送高速的空气流，把熔化金属从切口强行吹除。在适当的操作条件下空气流在电极头下面扫过。电弧长度应当具有使空气流连续进入切口的足够间隙。空气流最好与电极轴平行。这样，当空气流从电极和金属工件之间通过时，高速空气流的力大到足以有效地从电弧下面吹除熔化金属，并随着电极的消耗产生均匀的刨削作用。
用电极轻触工件，然后根据所需的电弧电压离开适当距离以引发电弧。刨削不同于电弧焊接，刨削是除去而不是熔敷金属。沿切割方向以能够跟上金属去除的速度移动电极，以保持适当的弧长。
传统的空气辅助碳弧刨削和切割方法有下列固有缺点：
（1）碳弧往往不稳定，而且常会产生难以忍受的噪声水平;
（2）在一定的条件下，会在坡口处出现碳质沉积，从而使工件的坡口部分产生不希望有的渗碳;
（3）碳极在使用过程中易于碎断;
（4）会产生烟尘，对工人和周围地区造成危害。
至于覆铜碳极，铜会熔敷并对其后的操作起不利作用。
需要提供一种金属电弧切割电极，它能形成稳定的电弧，它是自熔的，有助于获得清洁的切口，它可含有造蒸气剂、脱氧剂和造气剂等，它能在切割过程中产生热，以增加电弧提供的热量。
本发明的一个目的是提供一种用于切割和刨削金属的空气金属弧电极。
本发明的另一个目的是提供一种利用空气金属弧电极切割或刨削金属的方法。
参照以下说明和附图可以更清楚地了解本发明的这些和其它目的，附图中：
图1是卷绕状态的电极的一实施例的三维视图;
图2所示为一根棒形电极;
图3是取自图2中3-3线的剖面。
本发明的一个实施例是一种用于气体（例如空气）辅助切割和刨削金属工件的带芯管式金属弧电极，它包括金属管和芯，芯主要由密实的颗粒性碳素材料和含有约占芯总重量的0至20%的材料（添加剂）组成，选用的添加剂包括稳弧剂、助熔剂和造气剂。选用的颗粒性碳素材料可包括石墨、碳、无烟煤、烟煤和褐煤。碳素材料的优点是它至少含有重量约占75%的碳。天然石墨特别优越，它至少含有约85%的碳。
芯可占电极总重量的大约3%至20%，例如大约5%至15%或大约5%至10%。
本发明的另一实施例是一种用于电弧切割或刨削金属工件的方法，该方法包括提供至少一根加工成金属管和芯的带芯管式金属弧电极，芯主要由碳素材料和含有占芯总重量的大约0至20%的颗粒性材料组成，选用的这种颗粒状材料包括稳弧剂、助熔剂和造气剂。
这种方法包括在电极端部和欲进行切割或刨削的金属工件之间形成电弧，向切割或刨削区供给加压气（例如空气）流，和在连续向切割或刨削区供给加压气流的同时连续切割或刨削。
带芯管式金属电极的特征是：与传统的气助碳极相比，明显地改进了气助刨削和切割性能。
这种电极丝能精确地控制使用直流电源的电弧，电极最好接电源正极并在恒定电压下工作。电弧产生的热量使母材和电极局部熔化，形成一个金属熔池，熔化金属立即被空气流吹除，气流适当地集中到切割或刨削区。
采用本发明的新颖的电极丝，能在操作者预期的部位获得一致的和可复现的光洁的刨削槽。这种电极丝能以非常快的移动速度进行非常高精度的作业。本发明的一个优点是，经过采用本发明的加工，后序作业-例如焊接、油漆、金属喷除等-所需要的二次刨削加工极少。
这种电极丝优于碳极的另一点是：如果需要，它可传导非常大的电流。为适用于同样范围的工作电流值，碳极的直径至少需要是本发明的电极丝的三倍或三倍以上。
本发明的电极丝能用于精密的刨削和切割，例如拆铆钉、清除点焊、在薄板上切割把手或开口板、清除角和槽焊缝、切割板材、清理附件、清除堆焊和硬质表面、清除裂纹和缺陷，以及其它用途。
本发明的连续式电极特别有用，由于使用了金属（例如软钢）管与脆性的碳极相比，本发明的连续式电极能以最少的停机时间连续切割或刨削金属。此外，通过选用稳弧剂、助熔剂、造气剂等，能够使稳定的电弧保持到连续式电极用完或在切割或刨削完成以后电弧中断为止。
图1所示为连续式电极的一实施例，其中绘有用于半自动或全自动方法的绕成卷10的管式金属弧电极12。这种电极的外径约为-例如-0.025至3/8英寸，或最好为大约1/16至1/8英寸，其壁厚将随外径而变化。带芯管的一个实施例的外径约为0.05英寸，壁厚约为0.008至0.015英寸或0.01至0.02英寸。
电极的管13可用软钢-例如1030钢-制成。虽然可以采用其它锻钢，但优先选用低碳钢。
电极12可这样制作：使厚约0.012英寸、宽约0.475英寸的1030带钢通过连续成形辊，加工成U形槽。把芯材料14送入槽内，然后，成形机逐渐把带钢合拢成圆管。之后，把带有芯材料的管12拉细，在拉延过程中，管子尺寸的减小使芯材料固结或致密。图3是成品管的横截面。
图2表示预定长度的带芯管式电极，它包括管12A，管12A例如-0.025至3/8英寸，或最好为大约1/16至1/8英寸。其壁厚将随外径而变化。带芯管的一个实施例的外径约为0.05时，壁厚约为0.008至0.015英寸或0.01至0.02英寸。
电极的管13可用软钢-例如1030钢-制成。虽然可以采用其它锻钢，但优先选用低碳钢。
电极12可这择制作：使厚约0.012英寸，宽约0.475英寸的1030带钢通过连续成形辊，加工成U形槽。把芯材料14送入槽内，然后，成形机逐渐把带钢合拢成圆管。之后，把带有芯材料的管12拉细，在拉延过程中，管子尺寸的减小使芯材料固结或致密。图3是成品管的横截面。
图2表示预定长度的带芯管式电极，它包括管12A，管12A除以棒或条形供手工使用以外，与图1的连续管式电极12相同，管子的开口端在15处压紧或收拢。
如前所述，芯材料主要包括与能产生放热反应的金属氧化物混合的颗粒状反应金属，并含有约为芯总重量的0至30%的材料（添加剂），选用的材料即添加剂包括稳弧剂、助熔剂、脱氧剂和造气剂。芯混合物中的反应金属最好占大约10%至70%（例如：约20%至50%或约25%至35%），它与约占30%至90%（例如：约50%至80%或约65%至75%）的金属氧化物混合，选用约占0至20%的所述添加剂。
如前所述，反应金属的氧化物在25℃下，对应每克原子氧的生成自由能至少约100，000卡，选用的反应金属包括镁、铝、锆、钛和至少两种上述金属的合金。金属氧化物最好是铁族金属氧化物，例如氧化铁、氧化镍等。
优先选用的反应金属是Mg-Al合金，这种合金最好占芯重量的大约20%至50%。金属氧化物可以是氧化铁，例如Fe2O3、Fe3O4等。举例说，反应物Mg-Al合金可包括重量各约50%的镁和铝，它与氧化铁的混合物包括约占芯重30%的Mg-Al合金和约占芯重70%的氧化铁。在这种情况下，省略了添加剂，过量的氧化铁与氧化的反应金属是良好的助熔剂。
为了保证电极的全面最佳性能，至少可选用一种添加剂用于芯中，这些添加剂包括稳弧剂、助熔剂、脱氧剂和造气剂。
稳弧剂包括碱金属和碱土金属成分，这些成分包括硅酸盐、氧化物、碳酸盐等，碳酸盐的优点在于它可作造气剂。
助熔剂包括氧化铁、铁碳酸盐、TiO2、CaCO3、ZrO2以及碱金属和碱土金属氟化物和硅酸盐。
典型的脱氧剂是Si、Mg、Al、Mn、Ti及其铁合金，例如硅铁、镁铁、铝铁、锰铁和钛铁。
造气剂可包括铁碳酸盐、有机物（例如纤维素）、水合矿物（膨润土、漂白土、云母等），以及其它物质。这些物质在电弧中产生气体，例如CO2和蒸汽，有助于从刨削区吹除熔化金属。造蒸气剂也可用作添加剂，例如ZnO，低熔氟化物等。
如上所述，芯中的过量氧化铁在芯中的铝和镁氧化成相应的氧化物（例如Al2O3和MgO）时的造渣是有用的。
电极的管最好由可锻软钢（例如1008、1010、1020、1030、1040、1060、1080钢、也称作碳钢）制成。优先选用低碳钢。电极的管也可用能加工成带形、能形成具有足够机械强度的管式电极并能用传统的送丝装置操纵的其它可锻金属制成。
芯重可为电极总重量的大约5%至30%（或约8%至20%），反应金属最好占芯的大约20%至50%，金属氧化物占大约20%至70%，芯的其余部分可包括0至大约20%或30%-例如大约0.5%和10%以下-重量的添加剂。
在此所述的电极的管的外径可为大约0.025至3/8英寸，壁厚大约0.005至0.05英寸。优选的电极外径约为1/16至1/8英寸，壁厚约为0.008至0.015英寸或约为0.01至0.02英寸。
用直径为1/16英寸的本发明的带芯电极丝进行试验的结果表明，显著地改进了作为输入电流的函数的金属清除速度。一般说来，能够供给电极的电流值是有限的，尤其是碳极，碳极往往会过热。在气助刨削中利用本发明的管式电极，可显著地增大电流值，从而显著地改进了金属的清除。
对含有以下芯成分的直径为1/16英寸的带芯电极进行了试验：
（1）重量约占29%的大致为50/50的粉末状Ag/Al含金，混合有：
（2）重量约占71%的Fe3O4（轧制铁鳞）。
所用的Fe3O4含有占氧化铁重量大约4%的SiO2。芯混合物占电极总重量的大约20%，钢套管占大约80%。套管是1008钢。
表1是一组试验所得的结果。
表1
用直径1/16时的
带芯电极丝的气助刨削
试验号 电流 电压 空气压力 金属清除速度
（安培） （伏特） （磅/英寸2表压） （磅/小时）
1 150 30 85～90 4.8
2 250 35 85～90 7.3
3 350 40 85～90 13.3
4 380 42 85～90 17.4
如表中所示，由于使用本发明的带芯电极丝增大了电流，从而明显地增大了金属清除速度，同时避免了电极丝的过热。
对直径为0.062英寸（1/16英寸）的带芯电极丝进行了另外的试验，这种电极丝芯的组成与上述试验中相同，只是电极中芯重量约占12%，软钢套管（1008钢）占有其余重量即大约88%。在做此试验时，测定了下列各项的变化;（a）空气压力;（b）电弧电压;（c）送丝速度;（d）每小时清除的金属重量。试验是在空气压力从100磅/英寸2下降到40磅/英寸2的四个值的条件下进行的。试验结果在下列表2、2A、2B和2C中给出（表见后）：
表2C（空气压力40磅/英寸2）
用本发明的直径0.062英寸
带芯电极丝刨削软钢板
试验号 送丝速度 电流 电压 金属清除速度
（英寸/分） （安培） （伏特） （磅/小时）
1 500 350 45 23
2 450 320 45 20.6
3 400 300 45 13.5
4 350 275 45 11.9
5 300 250 45 11.9
6 400 300 35 12.4
7 350 275 35 11.9
8 300 250 35 13.5
9 250 225 35 8.7
10 200 200 35 7.1
以上试验表明，在电压约为35至45伏特，电流约为200至350安培，送丝速度每分钟200至450英寸条件下，当电流约为300至350安培，送丝速度约为每分钟400至450英寸时，可得到由金属清除量（即从钢板刨削的金属量）确定的最佳结果。可以看出，提高电弧电压增加了金属的清除。在较低的空气压力下刨削时，为了有效地清除金属，一般需要较慢的移动速度。
在空气压力约为40至100磅/英寸2时，最佳结果是在送丝速度约为每分钟450英寸，电压约为40伏特条件下，此时金属清除速度约为20至21.5磅/小时。电压约为30至45伏特时，每小时清除金属约为13至23磅。在刨削过程中，空气流应适当集中。
在另一组试验中，用1/4英寸气助碳弧和本发明的直径1/16英寸气助带芯钢电极清除水平放置的3/4英寸厚的热轧钢板上的大型单道软钢角焊缝。试验结果列于表3中。
表3
碳弧刨削（1/4英寸）
试 清除 清除 伏特 安培 移动 压力 功率
验 长度 速度 速度（磅/英寸2）（千瓦）
号 （磅/小时） （英寸/分）
14 未定 45 350 18.5 60 15.8
26 12.0 40 600 16.0 100 24.0
36 3.6 40 250 11.0 100 10.0
46 13.0 40 550 17.0 ＞120 22.0
1/16英寸带芯钢电极丝（发明）
56 未定 38 300 33.0 60 11.4
66 17.0 39 300 32.0 60 11.7
76 18.5 45 350 33.0 60 15.8
86 21.0 45 350 40.0 100 15.8
尽管本发明的带芯钢电极丝直径只有碳极的四分之一，但其试验结果却显著优于碳极。一般地，当电弧电压升高时，噪声水平也升高，用碳弧刨削时，操作者一拉长电弧，就出现噪声＊值。但是，采用本发明，不管操作者的技术如何，电弧长度（电弧电压）相当稳定，因此，噪声水平极低。
如表3中所示，使用带芯钢电极丝清除的金属量明显大于用1/4英寸碳极清除的金属量。按平均数计算，本发明的带芯钢电极消耗的电力（千瓦）较少。
用本发明的带芯钢电极丝（29% 50/50Mg/Al合金和71%Fe3O4）刨削各种合金都获得了非常好的结果，刨削的金属包括钎焊熔敷金属、304号不锈钢高锰钢（13%Mn）、黄铜和铝。
用一根直径1/8英寸的裸碳极与一根直径5/32英寸的覆铜碳极在60磅/英寸2压力下进行比较。在62至63伏特和大约40至55安培下，保持电弧约20至35秒，从钢板上清除金属的速度为1.25至2.85磅/小时。1/8英寸的碳极在电流超过60安培时会被加热至明亮的橙黄色并开始迅速氧化。因此，电流保持在60安培以下。
5/32英寸直径的覆铜碳极能承受较大的电流，因为覆铜层增大了其导电性。这样，这种电极能在45至58伏特电压和80至190安培的高得多的电流下工作。在电流为80至150安培时，从钢板清除金属的速度为2.43至9磅/小时，而在电流为160至190安培（58伏特）时，金属清除速度为11至13。8磅/小时。如上所述，气助碳极的空气压力为60磅/英寸2。
本发明的带芯钢电极丝优于覆铜碳极之处在于：可获得更高的刨削和切割速度;可容许并实际应用更大范围的工作参数。
对直径为1/14英寸的碳极和直径为1/1＊英寸的本发明的带芯电极丝（29% 50/50Mg/Al合金和71%Fe3O4）进行的比较表明，本发明的电极在从钢板清除金属方面明显占优势。
表4
气助电极 电源 金属切除速度
碳极 150安培 8～9磅/小时
54伏特
本发明 150安培 10.3磅/小时
54伏特
本发明 200安培 15磅/小时
54伏特
从表中可明显看出，本发明的金属切除速度高于碳极。
对本发明电极的其它成分举例如下：
如前所述，管式电极的套管最好用碳钢或其它黑色金属制成，但也可以采用能加工成具有足够的机械强度的管式电极并能易于由传统的送丝装置操纵的其它型号的可锻金属。
本发明的带芯电极可用于切割或刨削多种金属，例如黑色金属（钢、铸铁、铁类合金等）。铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、镍基合金以及钴基合金。
在切割或刨削金属时，把压缩空气送到切割区域，以吹除熔化金属。空气可在大约10至150磅/英寸2压力下沿电极的长度方向即围绕电极以套的形式吹出，即多股气流皆绕电极同心排列，或以分开的气流吹出。气流的焦点不必相同，只要气流的流动方式适当即可。
虽然结合优选实施例描述了本发明，但是应当指出，那些熟悉本领域技术的人可能会很容易地懂得如何在不脱离本发明的主旨和范围的情况下利用本发明的改型和变更。这种改型和变更属于本发明和从属权利要求的权限和范围之内。
表2（空气压力100磅/吋2）
用本发明的直径0.062吋
带芯电极丝刨削软钢板
试验号 送丝速度 电流 电压 金属清除速度 空气压力
（吋/分） （安培） （伏特） （磅/小时） （磅/吋2表压）
1 500 360 45 21.4 100
2 450 330 45 23.0 100
3 400 300 45 19.8 100
4 350 280 45 17.4 100
5 300 250 45 17.4 100
6 500 340 40 19 100
7 450 335 40 21.4 100
8 400 355 40 19.8 100
9 350 340 40 18.2 100
10 300 300 40 15.8 100
11 400 300 35 15.8 100
12 350 275 35 12.7 100
13 300 265 35 16.6 100
14 300 260 30 12.7 100
15 250 230 30 11.9 100
16 200 200 30 10.3 100
表2A（空气压力80磅/吋2）
用本发明的直径0.062吋
带芯电极丝刨削软钢板
试验号 送丝速度 电流 电压 金属清除速度
（吋/分） （安培） （伏特） （磅/小时）
1 500 350 45 20.6
2 450 320 45 20.6
3 400 300 45 18.2
4 350 275 45 15.0
5 300 250 45 11.9
6 500 350 40 15.0
7 150 320 40 19.8
8 400 300 40 21.4
9 350 275 40 17.4
10 300 250 40 13.5
11 400 300 35 18.2
12 350 275 35 18.2
13 300 250 35 12.7
14 250 225 35 11.1
15 200 200 35 8.7
16 300 250 30 11.1
17 250 225 30 10.3
18 200 200 30 10.3
表2B（空气压力60磅/吋2）
用本发明的直径0.062吋
带芯电极丝刨削软钢板
试验号 送丝速度 电流 电压 金属清除速度
（吋/分） （安培） （伏特） （磅/小时）
1 500 350 45 21.4
2 450 320 45 20.6
3 400 300 45 17.4
4 350 275 45 15.0
5 300 250 45 13.5
6 500 350 40 19.8
7 450 320 40 21.4
8 400 300 40 19.8
9 350 275 40 16.6
10 300 250 40 11.9
11 400 300 35 16.6
12 350 275 35 19.8
13 300 250 35 16.6
14 250 225 35 11.1
15 200 200 35 10.3

Claims (15)

1、一种包括一种碳弧切割金属电极或一种管状焊丝电极的带芯管式电极，其特征在于用于气体辅助切割和刨削金属的一个带芯管式金属弧电极包括一可锻金属管和一密实的芯，所述的芯主要由颗粒状反应金属与能起放热反应的金属氧化物组成，还有占芯总重量约0至30%的添加剂，选用的添加剂包括稳弧剂、助熔剂、脱氧剂和造气剂。
所述的颗粒状反应金属，其氧化物在25℃下对应每克原子氧的生成自由能至少约为100，000卡，
所述的与颗粒状反应金属混合的能起放热反应的金属氧化物在25℃下对应每克原子氧的生成自由能不超过约90，000卡。
2、按照权利要求1的带芯管式电极，其特征在于芯占电极总重量的大约5%至30%。
3、按照权利要求2的带芯管式电极，其特征在于芯主要由重量约占10%至70%的所述反应金属，重量约占30%至90%的所述金属氧化物和重量约占0至20%的所述添加剂组成，选用的所述添加剂包括稳弧剂、助溶剂、脱氧剂和造气剂。
4、按照权利要求3的带芯管式电极，其特征在于选用的所述反应金属包括镁、铝、锆、钛和至少两种上述金属的合金。
5、按照权利要求4的带芯管式电极，其特征在于反应金属是Mg-Al合金，其中金属氧化物是铁族金属氧化物。
6、按照权利要求5的带芯管式电极，其特征在于Mg-Al合金占芯重量的大约20%至50%，其中铁族金属氧化物是占50%至80%的氧化铁。
7、按照权利要求6的带芯管式电极，其特征在于Mg-Al合金中Mg和Al大约各占50%，其中合金占芯重量的大约30%，氧化铁占芯重量的大约10%。
8、按照权利要求5的带芯管式电极，其特征在于管式电极的外径约为0.025至3/8英寸，壁厚约为0.005至0.05英寸。
9、按照权利要求8的带芯管式电极，其特征在于管式电极的外径约为1/16至1/8英寸，壁厚约为0.008至0.015英寸。
10、一种使用用于碳弧切割和刨削金属的带芯管式电极的方法，这种管式电极包括一个由金属管和密实的芯组成的带芯管式金属弧电极，所述的芯主要由颗粒状反应金属和能起放热反应的金属氧化物组成，还有占芯重量约为0至30%的添加剂，选用的添加剂包括稳弧剂、助熔剂、脱氧剂和造气剂，所述的颗粒状反应金属其氧化物在25℃下对应每克原子氧的生成自由能至少约为10，000卡，所述的与颗粒状反应金属混合的能起放热反应的金属氧化物在25℃下对应每克原子氧的生成自由能不超过约90，000卡。
其特征在于该方法包括在所述的电极的端部和所述金属之间形成电弧，以切割或刨削该金属工件;把加压的气流送到切割或刨削区;在把所述加压的气流连续送到所述区域的同时，连续进行所述的切割或刨削。
11、按照权利要求10的方法，其特征在于所述的气体是以大约10-150磅/英寸2的喷嘴压力沿电极的长度方向传送的。
12、按照权利要求11的方法，其特征在于所述的气体是以围绕所述电极的环形套的形式传送的。
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