CN1005694B - 用于电弧切割金属的带芯管式电极和方法 - Google Patents

Abstract

用于气体辅助切割或刨削金属工件的带芯管式金属弧电极。该电极包括一可锻金属管和一密实的芯，芯主要由颗粒状碳素材料和含有占芯总重量的大约0至20％的添加剂组成，选用的添加剂包括稳弧剂，助熔剂和造气剂。

Description

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，它可合有造蒸气剂、脱氧剂和造气剂等，它能在切割和刨削过程中产生热，以增加电弧提供的热量。而且，这种电极没有碳极的缺点。

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，其特征在于它能形成稳定的电弧，它在切割过程中是自熔的，而且在电弧切割或刨削过程中自身产生热。

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，芯主要由与能起放热反应的金属氧化物混合的颗粒状反应金属和含有约为芯总重量的0至30％的材料(添加剂)组成，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℃(298.16°K)下，对应每克原子氧的生成自由能至少约为100,000卡，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。

芯的重量最好占电极总重量的大约5％至30％，芯本身主要由重量约为10％至70％的反应金属和重量约为90％至30％的金属氧化物组成，还含有重量约为0至20％(例如0.5％至10％)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。

本发明的另一实施例是用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，芯主要由与能起放热反应的金属氧化物混合的颗粒状反应金属组成，并含有约占芯总重量30％以下的颗粒性材料，选用的这种材料包括稳弧剂、助熔剂、脱氧剂和造气剂。如前所述，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，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。

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优点是：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。与碳极不同，金属电极使用方便，而且不会像碳极那样过热。

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，空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、金属喷涂等-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、清理角和槽焊缝、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一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。

如上所述，芯中可包括致少一种添加剂，选用的这种添加剂包括稳弧剂、助熔剂和造气剂。

稳弧剂包括碱金属和碱土金属成分，这种成分包括硅酸盐、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氧化物和硅酸盐。

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。

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。

用直轻为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(例如空气辅助刨削)，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。而用气助碳极却未必能作到这一点。

在厚钢板上用摆动和不摆动方法在很宽的参数范围内进行了刨削试验。管式电极丝的直径为7/64英寸。在不摆动方法中，刨削是沿直线方向进行的，刨槽比较窄；而在横向摆动方法中，刨削随着左右摆动向前进行，从而形成较宽的刨槽。

本发明的带芯管式电极所显示的优点如下：

(1)形成了光亮的刨槽；

(2)金属刨削与电极消耗之比明显超过1比1，例如2比1或3比1；

(3)方便一致地加工出了理想形状的刨槽；

(4)本发明的管式电极能加工深刨槽；

(5)便于清除任何残渣毛刺。

当送丝速度为每分钟50至150英寸(ipm)时，每消耗单位重量的带芯电极丝能够清除更多的金属。

对直径为1/16英寸的由1008钢制成并含有天然石墨形式的密实的碳的带芯电极进行了试验。石墨为含有大约94％碳的狄克松(Dixon)1104号，颗粒状石墨的粒径为100％通过20目(美国标准)，大约50％大于50目筛孔。管式电极中的石墨约占电极总重量的8％，钢管占带芯电极总重量的92％。

直径为1/16英寸的带芯电极丝能够在相当大的送丝速度范围内工作。

在用直径为1/16英寸的带芯电极丝切割16号钢板(0.062英寸)时，发现在电压约为16至20伏特时，送丝速度为每分钟50英寸/分(ipm)即已足够，尽管送丝速度从50英寸/分变化到80英寸/分。这些试验如下：

当枪的角度为90度时，采用的移动速度约为14至25英寸/分。电弧时间一般在14至21秒之间变化。在一定的情况下，切口长度约为3.8英寸至4.8英寸。切口的下面呈现有一些残渣附着物。但是这些残渣可以清除。电极与切割工件距离比较近时，则切口侧边大致平行，而且残渣最少。

注意到在电压16伏特、电流100安培时形成带有喷射过渡式稳定嗡嗡声的细小的电弧，90°的切割角对于切割干净笔直的边缘最为有效。手工移动电弧的典型切割速度为15至30英寸/分，热输入约为3至12KJ/in(每英寸切口千焦耳)。

最佳切割参数归纳如下：

17伏特

50英寸/分(送丝速度)

100安培

60至100磅/英寸²空气压力

20英寸/分移动速度(可手动增加到36英寸/分)

5千焦/英寸热输入

每小时露出75英寸²(设负载持续率100％)

每小时消耗2磅电极丝(设负载持续率100％)

在平均切口宽度为1/8英寸时，每小时清除约10英寸³(设负载持续率100％)

每小时清除金属约3磅(设负载持续率100％)

金属与所用电极丝之比1.5∶1

负载持续率100％这个参数指全部利用切割操作过程从开始到结束的时间，虽然切割操作在电压约为16至25伏特范围内是有效的，但是较低的电压往往能形成更好质量的切口。

在实际验证中，本发明的带芯管式电极成功地用于切割典型的汽车门，例如清除点焊、零件等使用时的电压约为17至20伏特，送丝速度为50英寸/分，供给的空气压力为60磅/英寸²表压，获得了干净狭窄的切口，板基本上设有变形，油漆也没有哪怕是很小的损坏。

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；可容许并实际应用大范围的工作参数。

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，把气体(例如压缩空气)送到切割区域，以吹除熔化金属。空气可在表压大约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。

用本发明的直径1/16

带芯管式电极切割18号钢

☆☆在不同电压下的切割并不总是影响手工移动电弧的切割速度。

Claims (13)

1.一种包括一个碳弧切割金属电极或一个管式焊丝电极的管式电极，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碳素材料和含有约占芯重量的0至20％的添加剂组成，选用的添加剂包括稳弧剂，助熔剂和造气剂。

2.按照权利要求1的带芯管式电极，其特征在于芯约占电极总重量的3％至20％。

3.按照权利要求2的带芯管式电极，其特征在于芯的碳素材料至少含碳大约75％。

4.按照权利要求1的带芯管式电极，其特征在于选用的所述碳素材料包括石墨、碳、无烟煤、烟煤和褐煤。

5.按照权利要求4的带芯管式电极，其特征在于碳素材料是天然石墨并至少含碳大约85％。

6.按照权利要求2的带芯管式电极，其特征在于芯占电极总重量的大约5％至10％。

7.按照权利要求5的带芯管式电极，其特征在于可锻金属管是碳钢。

8.按照权利要求1的带芯管式电极，其特征在于可锻管式电极的外径为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，其特征在于可锻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可锻金属管和一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碳素材料和含有约占芯重量的0至20％的添加剂组成，选用的添加剂包括稳弧剂，助熔剂和造气剂，其特征在于，在电极端部与在要切割的金属工件之间形成电弧，并向切割或刨削区提供加压气流，同时进行连续的切割和刨削。

11.按照权利要求10的方法，其特征在于所述的加压气流是沿电极长度方向向切割或刨削区提供的。

12.按照权利要求"的方法，其特征在于所述的沿电极长度方向的加压气流是在喷嘴压力约为10至150磅/英寸²的表压下提供的。

13.按照权利要求12的方法，其特征在于所述的加压气流围绕所述电极以环形套的方式提供的。

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