CN1028501C - 用于等离子弧炬的电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
在等离子弧炬上维持一个电弧的电极，包括一个金属电极座，有一前端和一个在前端上的空腔，和电极头组件，包括一个发射电极头，电极头组件包括一个套管，套管在前端有至少0.01英寸的径向厚度，并由逸出功大于发射电极头材料逸出功的金属构成，套管由一种金属构成，金属材料包括：银、金、铂、铑、铱、钯、镍，以及合金，合金组分的至少50%由一种或多种所述金属构成。
Description
本发明涉及一种等离子弧炬，更具体地说，涉及一种用于等离子弧炬的新型电极及其制造方法，它能提高使用寿命。
等离子弧炬通常用于金属加工，包括切割、焊接、表面处理、熔化，和热处理。这种炬包括一个电极，它能维持一个电弧，在转移弧操作方式时，电弧从电极延伸至工件。通常旋转涡流气体围绕电弧，并且在一些炬的设计中，通常用旋转的水射流围绕气体和电弧。
用于所述类型的普通炬的电极一般包括一个细长的管形件，它由具有高导热性的材料构成，例如铜或铜合金。管形电极的前端或放射端包括一个底端壁，一个发射电极头嵌在该处用于维持电弧。电极头由具有较低的逸出功的材料构成。逸出功在本技术中的定义是电位差，它是由电子伏特来测定的，它能在给定的温度下从金属的表面发射热离子。由于它的低逸出功，所以当提供一个电位时，电极头能容易地发射电子，普通使用的电极头材料包括铪、锆和钨等。
所述类型的炬所存在的一个重要问题是电极的使用寿命短，尤其是在炬与氧化性电弧气体，例如氧化或空气一起使用时，更具体地说，气体易于使铜快速氧化，并且随着铜的氧化，其逸出功下降
了。于是，围绕电极头的氧化铜开始优先于电极头而维持电弧。当这种情况产生时，铜氧化物和支承铜熔化了，导致了电极过早地损坏和失效。
所以，本发明的目的是提供一种电极，它适用上述类型的等离子弧炬，在炬使用在氧化气氛中时，能显著地提高其使用寿命。
本发明的另一个目的是提供制造具有上述特征的电极的有效方法。
本发明提供了一种适用于在等离子弧炬上维持一个电弧的电极，包括一个金属电极座，它有一前端和一个在所述前端上的空腔，和装在所述空腔中的电极头组件，它包括一个由具有较低逸出功的金属材料构成的发射电极头，所述电极头组件还包括一个围绕发射电极头将其与所述电极座隔开的套管，所述套管在所述前端有至少0.01英寸的径向厚度，并由一种其逸出功大于发射的电极头材料逸出功的金属材料构成，所述套管由一种金属构成，该金属由一组材料中选出，该组材料包括：银、金、铂、铑、铱、钯、镍、以及合金，该合金组分的至少50%由一种或多种所述金属构成。
还提供了一个金属电极座，它有一前端和一个在所述前端上的空腔，和装在所述空腔中的电极头组件，它包括一个由具有较低逸出功的金属材料构成的发射电极头，所述电极头组件还包括一个围绕发射电极头将其与所述电极座隔开的套管，所述套管在所述前端有至少0.01英寸的径向厚度，并由一种其逸出功大于发射
电极头材料逸出功的金属材料构成，所述套管由一种合金构成，该合金包括铜和第二种金属，第二种金属从一组材料中选出，该组材料包括：银、金、铂、铑、铱、钯、镍，及它们的合金，其中，所述第二种金属至少占铜和第二种金属的合金的大约10%。
所述电极座包括一种金属，该金属从包括铜和铜合金的一组材料中选出。
所述发射的电极头包括一种金属，该金属从包括铪、锆、钨及其合金的一组材料中选出。
所述电极座是大致管形时，它有一封闭所述前端的横端壁，所述发射的电极头形成一个外部前端面，其中，所述发射的电极头有一外端面，该端面处于所述电极座前端面的平面上，所述套管有一外环表面，该表面也处于所述电极座前端面的平面上，并围绕所述电极头的所述端面。
所述套管的外环表面的直径至少等于所述发射的电极头外端面最大尺寸的大约两倍。
所述套管的材料具有至少4.3电子伏特的逸出功。
本发明还提供了一种制造适用于在等离子弧炬上维持一个电弧的电极的方法，包括如下步骤：
准备一具有一前面和一相对后面的金属的第一毛坯，
在所述第一毛坯的所述前面上形成一空腔，
形成一金属的第二毛坯，它具有可紧密放置于所述空腔中的
形状和尺寸，
将第二毛坯定安装在所述空腔中，
在所述第二毛坯中形成一与所述前面垂直的孔，
在所述第二毛坯的所述孔中固定安装一发射电极头，所述发射电极头由一种其逸出功小于所述第二毛坯的材料的逸出功的金属材料制成，从而适于在应用于其上的电位的作用下发射电子，和
对第一毛坯的前面进行机精加工以形成一光滑的外表面，该表面包括第一毛坯，所述发射电极头和一将所述电极头与所述第一毛坯分开的所述第二毛坯的圆环。
还包括一个步骤：即将所述第一毛坯的所述相对后面形成为一开口杯形结构并在所述后面钻孔从而形成一同轴地围绕金属毛坯的一部分和所述电极头及所述第二毛坯的轴向长度的一部分的内开口圆环。
将发射的电极头固定安装在所述第二毛坯的所述孔中的步骤包括将由铜焊材料构成的片插入所述空腔中，然后将所述第二毛坯插入所述空腔中，然后加热该组件以熔化铜焊材料，同时将第二毛坯压入所述空腔中。
本发明和现有技术相比，确定能显著地提高电极的使用寿命。下面结合附图对本发明进行详细描述。
图1是体现本发明特征的等离子弧炬的侧剖视图。
图2是等离子弧炬下部的局部放大剖视图，显示了炬的喷咀组
件的第二实施例。
图3-7是示显示了本发明电极制造方法的步骤示意图。
图8是图7所示电极的端视图。
图9-12是本发明电极的其他实施例的侧剖视图。
先参照图1所示的实施例，其中示出了一个等离子弧炬10，它包括一个喷咀组件12和一个管形电极14，电极14最好由铜或铜合金制造，它包括一个上部管件15和一个下部杯形件或电极座16。更具体地说，上部管件15是一细长的开口管形结构，它限定了炬的纵轴。管件15也包括一个带内螺纹的下端部17。电极座16也为一管形结构，它包括一下部前端和一上部后端，如图1和2所示，一个横向端壁18（图2）封闭了电极座16的前端。横端壁18限定了前部外端面20。电极座后端有外螺纹，并以螺纹与上管件的下端部分17相连。
电极座16的后端是开口的，使电极座具有杯形结构，并形成一内腔22（图6）。电极座的前端壁18包括一圆柱形墩23，它沿纵轴向后延伸进入内腔22，另外，在端壁18的前端面20形成一空腔24，它沿纵轴向后延伸进入圆柱形墩23的长度部分。空腔24通常是圆柱形的，它包括一个扩大的或沉孔形的环状外端部分25，它用于下述目的。
一个电极头组件26装在空腔中，包括一个大致圆柱形的发射的电极头28，它沿纵轴同轴设置，它有一处于电极座前端面20的
平面的圆形外端面29。电极头28也包括一圆形内端面30，该面置于空腔24中，与外端面29相对。另外，发射的电极头28由具有较低逸出功的金属材料构成。其范围是在大约2.7至4.2电子伏特（eV）之间，以致在向其提供一个电位时，它能容易地放射电子，这种合适的材料包括例如：铪，锆，钨，及它们的合金。
一个相对地非放射的套管32位于空腔24之中，它同轴地围绕着发射的电极头28，套管32有一周壁和一个封闭的底壁34，底壁用冶金方法熔焊在空腔的壁上。另外，套管32包括一环形突缘35，它位于空腔的沉孔形外端部分25，以致限定一个处于电极座的前端面20的平面上的外环表面。并且，套管在其前端面20和沿其全长至少有大约0.01英寸的径向厚度。在前端面20的环形表面的外径最好至少为发射的电极头28的直径的大约两倍。作为一个具体的例子，电极头28典型地具有大约0.080英寸的直径和大约0.160英寸的轴向长度，套管32的环形突缘35典型地具有大约0.254英寸的外径。套管32的其余部分的外径典型地为大约0.157英寸。
套管由一种其逸出功大于所述电极座材料的逸出功也大于发射的电极头材料的逸出功的金属材料构成，关于这一点，套管最好由其逸出功至少大约为4.3电子伏（eV）的金属材料构成。几种金属和合金可用于本发明的非发射的套管。下面是几种合适材料的有关性能的一览表。
导热性 抗氧化性 熔点 逸出功
（BUT-FT/FT2-BroF） （°F） （eV）
银 242 高 1761 4.5
金 172 很高 1945 4.9
铂 42 很高 3217 5.3
铑 50 高 3560 4.8
铱 34 高 4429 5.4
钯 41 好 2826 4.9
镍 53 好 2647 5.0
理想的套管材料应该具有高导热性，高抗氧化性，高熔点，高逸出功，和低成本，没有一种材料具有所有这些特性，但是银的很高的导热性使其成为一种优先选用的材料，只要电极被很好地冷却，由于银的高导热性而使其温度比其他材料低的多。因为在高温时氧化和电子放射都增强了。所以银的低熔点和低逸出功不太重要。
除了上面例举的金属，含有至少50%的上述一种或多种金属组分的合金也适用于制造非发射的套管。另外，套管可以由一种合金构成，该合金包括铜和从上述金属及其合金中选出的第二金属，其中，第二金属至少占套管材料的大约10%。
在图示的实施例中，电极14装在等离子弧炬体38中，该体38中分别有气体和液体通道40和42，一个外绝缘套44围绕着炬体38。
一个管体46悬装在电极14的中心孔48中，用于使液体介质例如水循环通过电极结构14。管件46的直径小于孔48的直径，以致提供一个间隙49，用于水从管件46中排出时的流动。来自一个水源（未显示）的水流流经管件46，沿着圆柱墩23，返回经过空隙49到达炬体38上的开口52，然后流至一个排水软管（未显示）。通道42引导喷射水进入喷咀组件12，在该处水转变成旋转涡流用于围绕等离子弧，如在下面将要详述的。气体通道40从一个适当的
气源（未显示）导入气体，流经一个由任何合适的高温陶瓷材料制的普通气体导流体54，通过入孔58进入一个气体增压腔56。如众所周知的，入孔58的布置使气体以旋流的方式进入增压腔56。气体从增压腔56经过喷咀组件12的电弧压缩同轴的孔60和62流出。与炬体38相连的电极14将陶瓷气体导流体54和一个高温塑料绝缘件55固定在位。元件55使喷咀件12与电极14绝缘。
喷咀组件12包括一个上喷咀件63和一个下喷咀件64，所述元件63和64分别包括第一和第二孔60、62。虽然上、下喷咀件可以都是金属的，但下喷咀件最好是陶瓷材料，例如矾土制的。
通过一个塑料间隔件65和一个水涡流环66将上喷咀件63与下喷咀件64隔开。在上、下喷咀件63、64之间的空间形成一个水腔67、上喷咀件63的孔60与炬电极14的纵轴轴向对准。并且，孔60是圆柱形的，它有一个与增压腔56相邻的带倒角的上端，其倒角角度是大约45°。
下喷咀件64包括一圆柱体部分70，它限定了一个前（或下）端部分和一个后（或上）端部分，孔62同轴地延伸穿过喷咀件。一个环形安装突缘71定位于后端部分，一个截锥面72形成于前端部分的外部，以致于它与第二孔62同轴。环形突缘71由一个帽74下端的朝向内的突缘73从下面支承，帽74通过内螺纹可拆卸地装在外壳件44上。并且一个垫圈75位于两个突缘71和73之间。
下喷咀件64上的电弧压缩孔62是圆柱形的，它通过一个任
何合适的塑料材料的对中套环78与上喷咀件63上的电弧压缩孔60保持轴向对准。对中套环78的上端有一凸缘，它可拆卸地固定在上喷咀件63的一个环槽中。对中套环78从上喷咀件延伸，对下喷咀件64产生偏压接合。在下喷咀件64插入套环78之前就将涡流环66和间隔件65装好。来自通道42的水流通过套环78上的开口85流至涡流环66上的喷孔87，然后将水喷入水腔67。喷孔87是绕涡流环66切向地设置，使水在水腔67中呈旋转的方式流动。水经过下喷咀件64上的电弧压缩孔62排出水腔67。
一个电源（未显示）与炬电极14相连，与金属工件成串联关系。工件一般是接地的。工作中，在炬10的发射的电极头和工件之间建立起一个等离子弧。电极头是作为电弧的负极端，工件与电源的正极相连，工件位于下喷咀件64的下面。通过电极14和喷咀组件12之间建立一个瞬间诱导弧的普通方式而引起一个等离子弧，然后等离子弧分别通过电弧压缩孔60和62转移到工件上。每个电弧压缩孔60和62有助于电弧的增加和对准。当等离子弧通过下通道62时，水的旋转涡流包围它。
图2是根据本发明的炬的第二实施例的局部视图。在该实施例中，提供了不同设计的喷咀组件，但炬在其他方面与图1中所示的相同。具体地说，喷咀组件包括一个上喷咀件90，它有一大致为截锥形的孔91，和一个较平的下喷咀件92，它有一圆柱形孔93。
图3-7显示了制造本发明的电极座的优选方法。如图3所
示，提供一个铜或铜合金的圆柱形毛坯94，它有一前端面95和一相对的后端面96。然后，在前端面通过例如钻孔方法形成一个沉孔空腔它形成了上面所述的空腔22，和环形的外端部分25。
作出一个第二毛坯98，它可以例如主要由银构成。其形或大小应大致适合于装入空腔22，该银毛坯98可以机加成型，但最好用与普通制造钉子的方法相同的冷顶锻工艺来制作它。
其次，毛坯98是通过冶金方法焊接在空腔22中，其中序最好是先将一个银铜焊材料的片99插入空腔。在一个实例中，铜焊材料包括由71%的银，1/2%的镍，和剩余部分由铜构成的合金。也可以包括少量的焊剂。以致能从铜表面去除氧化物。在将片99插入空腔之后，再将银坯98插入，如图4所示，然后将该组件加热至一个仅能足以熔化铜焊材料的温度，与其他元件相比，铜焊材料有较低的熔化温度。在加热工序期间，将银坯98向下压入空腔22，这使熔化的铜焊材料向上流动，覆盖了银坯98和空腔之间的全部接触面。经过冷却，铜焊提供了一个较薄的敷层，它用于将毛坯98焊接在空腔中，该敷层的厚度大约在0.001至0.005英寸之间。
为了完成电极座16的制造，在银坯98上轴向钻孔100，如图6所示。然后将一个圆柱形发射的电极头28压入所形成的孔。然后最好对组件的前端面进行机精加工（如图7的虚线所示），以提供一个光滑的外表面，它包括电极头的圆形外端面29，环绕其所形成的银套管32的环，和电极座的金属外环。
作为最后的步骤，在金属毛坯94的后表面96钻孔，使毛坯94形成一个开口的杯形结构，如图6所示。钻孔作业包括形成一个内开口环102，它同轴地围绕金属毛坯的一部分，于是形成了上面所述的圆柱形墩23。开口圆环也同轴地围绕发射的电极头28和银坯98的轴向长度的一部分。这种结构便于如上面所述的通过循环水将热量排出。然后可以根据需要将毛坯94的外周边加工成型，包括在后端形成外螺纹104。
图9-12显示了本发明电极的其他实施例。更具体地说，图9显示了一个电极座16a，其中，空腔22a和围绕电极头28a的非发射的套管32a具有截锥体外形。在图10中，电极座16b的下壁上有一通孔，非发射的电极头32b延伸穿过该孔并露出，以致能直接接触在电极座内的冷却水。图11显示了一个细长的整体电极16c，它有一延伸穿过其全长的纵向孔，一个细长的电极头28c和围绕电极头的非发射的套管32c也延伸至电极的全长。电极16d具有相似结构，但在每一端包括一截锥形空腔，电极头28d，和截锥形套管32d。
在本说明书和附图中，已提出了本发明的最佳实施例，虽然使用了特殊的措词，但它们仅用于一般的描述上的理解，而不具有限定的目的。
Claims (10)
1、一种适用于在等离子弧炬上维持一个电弧的电极；包括
一个金属电极座(16)，它有一前端(20)和一个在所述前端上的空腔(24)，和装在所述空腔中的电极头组件(26)，它包括一个由具有较低逸出功的金属材料构成的发射电极头(28)，其特征在于，所述电极头组件(26)还包括一个围绕发射电极头将其与所述电极座隔开的套管(32)，所述套管在所述前端有至少0.01英寸的径向厚度，并由一种其逸出功大于发射电极头材料逸出功的金属材料构成，所述套管由一种金属构成，该金属由一组材料中选出，该组材料包括：银、金、铂、铑、铱、钯、镍，及其合金，该合金组分的至少50%由一种或多种所述金属构成。
2、一种适用于在等离子弧炬上维持一个电弧的电极，包括：
一个金属电极座（16），它有一前端（20）和一个在所述前端上的空腔（24），和装在所述空腔中的电极头组件（26），它包括一个由具有较低逸出功的金属材料构成的发射电极头（28），其特征在于：所述电极头组件（26）还包括一个围绕发射电极头将其与所述电极座隔开的套管（32），所述套管在所述前端有至少0.01英寸的径向厚度，并由一种其逸出功大于发射电极头材料逸出功的金属材料构成，所述套管由一种合金构成，该合金包括铜和第二种金属，第二种金属从一组材料中选出，该组材料包括：银、金、铂、铑、铱、钯、镍，及它们的合金，其中，所述第二种金属至少占铜和第二种金属的合金的大约10%。
3、如权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述电极座包括一种金属，该金属从包括铜和铜合金的一组材料中选出。
4、如权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述发射的电极头包括一种金属，该金属从包括铪，锆，钨及其合金的一组材料中选出。
5、如权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述电极座是大致管形的，它有一封闭所述前端的横端壁（18），所述发射的电极头形成一个外部前端面，其中，所述发射的电极头有一外端面，该端面处于所述电极座前端面的平面上，所述套管有一外环表面，该表面也处于所述电极座前端面的平面上，并围绕所述电极头的所述端面。
6、如权利要求5所述的电极，其特征在于，所述套管的外环表面的直径至少等于所述发射的电极头外端面最大尺寸的大约两倍。
7、如权利要求1或2所述的电极，其特征在于，所述套管的材料具有至少4.3电子伏特的逸出功。
8、一种制造适用于在等离子弧炬上的维持一个电弧的电极的方法，其特征在于：包括如下步骤
准备一具有一前面和一相对后面的金属的第一毛坯（94），
在所述第一毛坯的所述前面上形成一空腔（22），
形成一金属的第二毛坯（98），它具有可紧密放置于所述空腔（22）中的形状和尺寸，
将第二毛坯定安装在所述空腔（22）中，
在所述第二毛坯中形成一与所述前面垂直的孔（100），
在所述第二毛坯的所述孔中固定安装一发射电极头（28），所述发射电极头由一种其逸出功小于所述第二毛坯的材料的逸出功的金属材料制成，从而适于在应用于其上的电位的作用下发射电子，和
对第一毛坯的前面进行机精加工以形成一光滑的外表面，该表面包括第一毛坯，所述发射电极头和一将所述电极头与所述第一毛坯分开的所述第二毛坯的圆环。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于：还包括一个步骤：即将所述第一毛坯（94）的所述相对后面形成为一开口杯形结构，并在所述后面钻孔从而形成一同轴地围绕金属毛坯的一部分和所述电极头及所述第二毛坯的轴向长度的一部分的内开口圆环。
10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，将发射的电极头固定安装在所述第二毛坯的所述孔中的步骤包括将由铜焊材料构成的片（99）插入所述空腔中，然后将所述第二毛坯插入所述空腔中，然后加热该组件以熔化铜焊材料，同时将第二毛坯压入所述空腔中。
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