CN103121143A - 一种等离子切割焊炬的电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种等离子切割焊炬的电极及其制造方法，包括铜质基体和铪质电极发射体，所述的铜质基体的截面形状为“山”字型，铜质基体的底部设有环形槽，所述的铪质电极发射体为环状，且镶嵌在铜质基体的环形槽内。其制造方法是：将铜质基体、铪质电极发射体和钎焊剂，用艾特斯清洗剂浸洗后，放入丙酮中浸洗3—5分钟后，进行装配，得装配体；将钎焊剂放置在装配体的铜质基体上，将铜质基体和铪质发射体在真空度小于2×10-2P的条件下焊接，得焊接体，然后冷却后得产品。本发明具有间歇电阻低、电极发射体冷却效率高、使用寿命长等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子切割焊炬的电极；本发明还涉及该电极的制造方法。
背景技术
数控等离子切割机具有操作简单、精确度高、工作效率高、劳动强度低等优点，广泛应用于化工机械、汽车工业、通用工程机械等行业进行加工件切割。而等离子切割焊炬电极作为等离子切割机的关键消耗件之一，目前市场上一般由柱状离子发射体铪和铜基体镶嵌在一起，这种构造充分利用了铪抗氧化性能高，电子逸出功率低和铜的导热导电性能好的特性，使电极最大限度发射等离子弧的同时又能将热量传递出去，这样能保证发射体铪不会很快被烧损。但随着焊炬电极的频繁使用，存在如下缺点：1、因铪材料的纯度不高，易烧损，电极寿命就短；2、引弧次数的增多，由于两种材质铜和铪的热胀系数不同且相差悬殊，铜受热膨胀系数大，这样在高温下不可避免的形成间隙。甚至因为有间隙的产生在铜与铪的表面形成氧化膜层，铪的热量不易传递出去，这样电极头部导电导热性将会随之变差，从而电极前端温度就会很快升高，随之发射体铪就会很快熔化烧损，甚至铜基体也会熔化烧损。这样就造成电极损坏；3、因电极磨损，将产生不可控制的等离子弧，极易造成割炬的严重损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种间歇电阻低、电极发射体冷却效率高、使用寿命长的等离子切割焊炬的电极。
本发明所要解决的另一个问题在于提供上述电极的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明一种等离子切割焊炬的电极，包括铜质基体和铪质电极发射体，所述的铜质基体的截面形状为“山”字形，铜质基体的底部设有环形槽，所述的铪质电极发射体为环状，且镶嵌在铜质基体的环形槽内；以重量计，铜质基体的铜含量大于99.95%，氧含量小于0.002%，铪质电极发射体中的铪含量大于97%。
所述的环状铪质电极发射体的内外直径比值为0.3—0.6。
所述的环状铪质电极发射体的外径直径为2.0mm；内径直径为0.7mm。
所述的环状铪质电极发射体的外径直径为2.0mm，内径直径为1.1mm。
本发明一种等离子切割焊炬的电极制造方法，包括如下步骤：
a将铜加工成截面形状为“山”字形的铜质基体，在铜质基体的底部开环形槽，将铪加工成环状的铪质电极发射体；
b将a步的铜质基体、铪质电极发射体和钎焊剂，用艾特斯清洗剂浸洗，再用纯净水清洗后放入丙酮中浸洗；
c将b步的铜质基体、铪质电极发射体进行装配，两者之间的装配间隙小于0.05mm，得装配体；
d将钎焊剂放置在c步装配体的铜质基体上，将铜质基体和铪质发射体在真空度小于2×10-2 P的条件下焊接，焊接过程分两次升温和保温过程，第一次升温控制在760℃±30℃时，保温15分钟～30分钟；第二次升温控制在850℃±50℃时，又保温15分钟～30分钟，得焊接体；
e将d步焊接体冷却，即得等离子切割焊炬的电极。
本发明具有以下优点和特点：
1、电极发射体设置为环状，增加了电极发射体和基体的接触面积，加快铪的散热速度，铪的熔化烧损速度减慢，从而达到延长电极的使用寿命；
2、由于两种材质铜和铪的热胀系数不同，且相差悬殊，通过采用真空钎焊工艺，改善实验的工艺流程，减小高温下形成的间隙，有效消除电极发射体和基体的间歇电阻；另外，铪的热量很容易传递出去，提高电导热性，有效保护了电极头部；
4、通过银合金钎焊剂将铪质电极发射体焊接在铜质基体，提高整个焊缝处的导电和导热性，进而提高电极的冷却效果。
附图说明
图1是本发明一种等离子切割焊炬的电极的轴向剖面图；
图2是本发明中铪质电极发射体的横剖面图；
图3是真空焊接机曲线和时间曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种等离子切割焊炬的电极及其制造方法作进一步说明；
由图1、图2可知，本发明一种等离子切割焊炬的电极，包括铜质基体1和铪质电极发射体2，所述的铜质基体1的截面形状为“山”字形，铜质基体1的底部设有环形槽，所述的铪质电极发射体2为环状，且镶嵌在铜质基体1的环形槽内；以重量计，铜质基体1的铜含量大于99.95%，氧含量小于0.002%，铪质电极发射体2中的铪含量大于97%。
所述的环状铪质电极发射体2的内外直径比值为0.3—0.6。
本发明一种等离子切割焊炬的电极制造方法，包括如下步骤：
a将铜加工成截面形状为“山”字形的铜质基体1，在铜质基体1的底部开环形槽，将铪加工成环状的铪质电极发射体2，环状的铪质电极发射体2；
b将a步的铜质基体1、铪质电极发射体2和钎焊剂，用艾特斯清洗剂浸洗5～10分钟，再用纯净水超声清洗5分钟后，放入丙酮中浸洗3—5分钟，去氧化皮；
c将b步的铜质基体1、铪质电极发射体2进行装配，两者之间的装配间隙小于0.05mm，得装配体；
d将钎焊剂放置在c步装配体的铜质基体1上，将铜质基体1和铪质发射体2在真空度小于2×10-2 P的条件下焊接，焊接过程分两次升温和保温过程，第一次升温控制在760℃±30℃时，保温15分钟～30分钟；第二次升温控制在850℃±50℃时，又保温15分钟～30分钟，得焊接体；
e将d步焊接体冷却，即得等离子切割焊炬的电极。
在上述步骤中，所述的钎焊剂为银合金，冷却方式采取随炉冷却；日常工作中根据实际使用需要，也可采取充氮气急速冷却；通过艾特斯清洗剂浸洗达到除油污的目的，浸洗温度为15℃～30℃，浓度为5%～10%，艾特斯清洗剂的生产厂家为绵阳市宏润达科技有限公司。
实验取铪质发射体2外径直径为2.0mm；内径直径为0.7mm；另一个取铪质发射体2外径直径为2.0mm，内径直径为1.1mm。 并采用不同焊接曲线对样品进行钎焊；加热速度在10℃～15℃/min；保温时间15分钟～30分钟，冷却后得产品。
参见图3的真空焊接机曲线和时间曲线图，用电子万能试验机并配以工装进行室温剪切试验。采用金相显微镜和扫描认定钎料在铜中的固溶体，结合二元相图分析。钎料熔化后，由于浓度和温度的影响，钎料中的Ag向基体铜中的扩散，同时基体中的铜向钎料中扩散与熔解，随着温度上升和保温时间的加长，熔解程度不断深入，钎料中共晶成分变成亚共晶成分，基体中铜与液态的钎料达到近平衡状态。
随着钎焊温度的提高，钎料与铜基体之间的扩散加剧，液态钎料中铜含量增加，因此在后来的冷却过程中会吸收掉更多的液态钎料。使冷却后获得的共晶成份组织数量减少。
为了探讨焊缝中组织，对焊缝处结构进行扫描，从扫描结果中可以看出此区域有可能存在或含铪、银、铜金属化合物。然而不论此化合物存在是哪种方式存在，都会降低整个焊缝处的导电和导热性，进而影响电极的冷却好坏。
因此，应在保证焊缝良好结合强度的同时，尽可能地降低焊接温度以达到缩小结合区域，从而提高电极导电导热性，达到提高电极使用的寿命。
而保温时间的长短不同，焊缝里元素扩散情况也不同，焊缝里组织随着保温时间的延长，钎料同基体铜之间的扩散充分，液态钎料中铜含量增加，所以整个过程也是在冷却过程中将析出更多、更大的先共晶相，同时必然消耗更多的液态钎料使冷却后Ag-Cu共晶组织数量减少。
所以800～900℃的钎焊温度范围内获得焊缝组织致密而连续焊缝区。随着钎焊温度升高，焊缝中的组织会越来越大，铪银铜三种金属化合物区域会越来越宽，而中间Ag-Cu共晶成份会减少，因此在保证焊鏠良好结合强度的同时，尽可能地降低钎焊温度、缩短保温时间。从而提高焊缝区域的导电导热性能，以达到延长电极使用寿命。
按照本发明方法，采用铪质发射体2外径直径为2.0mm；内径直径为0.7mm制作出的电极，用于等离子切割机寿命试验时，切割寿命都能够达到10小时以上；采用铪质发射体2外径直径为2.0mm，内径直径为1.1mm制作出的电极，切割寿命9.5小时；比柱状铪质电极发射体制作的同类产品平均切割寿命6～8小时提高效率30%～60%。
Claims (5)
1.一种等离子切割焊炬的电极，包括铜质基体（1）和铪质电极发射体（2），其特征在于：所述的铜质基体（1）的截面形状为“山”字形，铜质基体（1）的底部设有环形槽，所述的铪质电极发射体（2）为环状，且镶嵌在铜质基体（1）的环形槽内；以重量计，铜质基体（1）的铜含量大于99.95%，氧含量小于0.002%，铪质电极发射体（2）中的铪含量大于97%。
2.根据权利要求1所述的等离子切割焊炬的电极，其特征是：所述的环状铪质电极发射体（2）的内外直径比值为0.3—0.6。
3. 根据权利要求2所述的等离子切割焊炬的电极，其特征是：所述的环状铪质电极发射体（2）的外径直径为2.0mm；内径直径为0.7mm。
4. 根据权利要求2所述的等离子切割焊炬的电极，其特征是：所述的环状铪质电极发射体（2）的外径直径为2.0mm，内径直径为1.1mm。
5. 一种如权利要求1所述的等离子切割焊炬的电极制造方法，包括如下步骤：
a将铜加工成截面形状为“山”字形的铜质基体（1），在铜质基体（1）的底部开环形槽，将铪加工成环状的铪质电极发射体（2）；
b将a步的铜质基体（1）、铪质电极发射体（2）和钎焊剂，用艾特斯清洗剂浸洗，再用纯净水清洗后放入丙酮中浸洗；
c将b步的铜质基体（1）、铪质电极发射体（2）进行装配，两者之间的装配间隙小于0.05mm，得装配体；
d将钎焊剂放置在c步装配体的铜质基体（1）上，将铜质基体（1）和铪质发射体（2）在真空度小于2×10-2 P的条件下焊接，焊接过程分两次升温和保温过程，第一次升温控制在760℃±30℃时，保温15分钟～30分钟；第二次升温控制在850℃±50℃时，又保温15分钟～30分钟，得焊接体；
e将d步焊接体冷却，即得等离子切割焊炬的电极。
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