CN104722902B - 一种新型钎焊式等离子电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型钎焊式等离子电极制造方法，包括以下步骤：在铜电极主体上加工钎焊孔；将铜电极主体钎焊孔朝上，依次将钎料和铪颗粒自下而上放入钎焊孔，然后将铜电极主体倒置放在底部为水平的夹具中；将电极组合件放入真空炉、抽真空、分步加热到钎焊温度、钎焊、冷却、出炉。本发明避免高温时变形；不需要额外的压块，钎焊夹具比较简单，还提高了产品的合格率；夹具简化，可以最大程度的发挥真空炉的加热能力，保证钎料充分熔化，避免由于真空炉辐射热被阻挡致使钎料熔化不充分，需要延长加热时间，从而导致钎料流失，还节约电能。
Description
技术领域
本发明涉及等离子电极技术领域，具体涉及一种新型钎焊式等离子切割电极及其制造方法。
背景技术
现在市面上等离子切割电极主要采用两种方式完成电极主体与铪颗粒之间的连接，即过盈压配式和钎焊式。过盈压配式连接中，过盈量的大小极其重要，过盈量太大，材料不能承受，会出现开裂；过盈量太小，使得发热量大，不能良好的接触导致电阻过大，功能无法实现。而过盈量的大小不易掌控，过盈量大小也没有完善的标准来计算。钎焊式等离子切割工艺技术就效果方面已接近激光切割，但成本却远远低于激光切割，使得钎焊式等离子切割技术在各企业中得到了充分发展。而目前钎焊式等离子切割电极需专门定位夹具对钎焊间隙定位，且操作繁琐，等离子切割电极组合件结构复杂。且铜电极主体在钎焊温度情况下容易受热变形。
中国专利文献102430827A公开了一种等离子切割电极的真空钎焊方法，包括：组装等离子切割电极组合件、将组装件放入真空炉、抽真空、分步加热到钎焊温度、钎焊、冷却、出炉，等离子切割电极组合件是将钎料丝和铪丝自下而上依次放入铜套座里，然后将铜套座正置，放在底部为水平面的夹具中，该夹具由上板、下板和支撑杆组成，上板上设有固定支撑杆的固定孔和若干定位孔，下板上表面为平面，每个定位孔内放置一个组装好的等离子切割电极组合件，且冷却方式为随炉冷却。该方法简化了等离子电极真空钎焊工艺，电极结构简单，但存在以下缺陷：1)采用铜作为电极主体，高温时铜体容易软化，这种放置方式会导致铜体下端变形，特别是螺纹会被破坏从而导致产品无法使用；2)由于电极组合件是在铜套座中自下而上放入钎料丝和铪丝，并且正置放入真空炉，这种方式铪丝上端必须增加压块，以便借助外力帮助将铪丝压下与铜套座充分焊接，而压块与夹具上部间隙太小则会导致受热膨胀后并死失效，太大压块容易歪斜使得铪丝偏心而使产品失效；3)这种夹具结构会阻挡真空炉的加热能力(阻挡辐射热)，加热时间短则钎料丝不熔化，或熔化不充分，接头中容易形成空洞；时间长会导致钎料流失，接头中生成较多脆性化合物等，甚至出现裂纹，影响接头的性能，同时还浪费电，加大生产成本；4)由于真空炉内没有传导介质，随炉冷却速度非常慢，导致生产效率低下；5)由于此方法夹具和外加的压块结构复杂，无法批量化生产。
发明内容
本发明提供一种新型钎焊式等离子电极及其制造方法，该方法简单易行，适宜批量生产，所得电极具有较好的性能，电极不易变形。
解决上述技术问题的方案如下：
一种新型钎焊式等离子电极制造方法，包括以下步骤：
1)在铜电极主体上加工钎焊孔；
2)将铪丝通过车削或切断处理得到铪颗粒；
3)采用切断处理加工出钎料；
4)组装电极组合件：将铜电极主体钎焊孔朝上，依次将钎料和铪颗粒自下而上放入钎焊孔，然后将铜电极主体倒置放在底部为水平的夹具中即得电极组合件；
5)将步骤4)得到的电极组合件放入真空炉、抽真空、分步加热到钎焊温度、钎焊、冷却、出炉，要求真空度为1x10-2～8x10-3Pa。
进一步地，所述电极主体采用强化无氧铜制成，该强化无氧铜是在无氧铜中加入金属氧化物(含量0.3％-1.1％)，重新熔炼得到的，所述的金属为铬、铝、锆、铁中的一种或几种。采用上述方法高温时，由于电极组合件倒置放入水平夹具中，铜电极主体在上，可以避免因铜体下部特别是螺纹变形，而导致产品报废。另外由于铜电极主体在上，钎料融化后，电极主体在重力作用下下压，从而使铪颗粒和电极主体能很好的焊接在一起，不需要增加额外的压块，简化了生产工艺和生产夹具。且弥散铜具有很好的高温强度，进一步保障产品高温时不会软化变形。
进一步地，所述的铪颗粒的外径与钎焊孔内径相差0.02～0.3mm。因为这种温度的钎焊靠的是银融化后的毛细现象，孔径太小了流不出来，太大了铪颗粒与孔之间就不能形成毛细现象，导致填不满而虚焊。在这个范围内钎料流动好，能够将焊缝填充完整不会出现虚焊，过焊。
进一步地，所述的钎料的加工是依据铪颗粒的长度，孔径的差异，测算出需要钎料的体积并根据体积折算至焊料长度，钎焊材料直径小于钎焊孔直径，直径差不超过0.8mm。在钎焊材料的计算中，需要考虑以下几点：1，需考虑铪颗粒与铜体孔的极限体积差异。2，需考虑在一定温度下银钎料熔化后的漫流数量。3，需考虑银钎料在高温和真空状态下的损耗。4，需考虑焊缝成形过程中银钎料分别于铜体和铪颗粒的溶蚀体积。过多和过少都会影响产品性能。钎料体积可按照以下方法计算：
钎料体积＝(电极主体面积-铪丝面积)*焊丝孔深度+钻孔后底部圆锥体的体积。
进一步地，所述的夹具包括夹具套和垫片，所述夹具套呈圆筒状中空结构，所述的夹具套的下部筒壁上开设有多个拱形槽，相邻拱形槽之间形成齿部；所述垫片为陶瓷垫片，垫片表面设置一圈环形凹槽，环形凹槽与所述夹具套外径相匹配，夹具套下部的齿部与垫片上的凹槽卡接。焊接时，先将电极主体钎焊孔朝上，将焊料和铪颗粒依次自下而上装入电极主体的钎焊孔中，将装配好的电极组合件倒置放入所述夹具中，钎料孔端靠近垫片，夹具套固定电极主体，再将夹具水平放置在支撑板上，放入真空炉中进行钎焊。此夹具保证电极主体基本垂直放置，从而保证钎料和电极主体同轴。且夹具为单个主体，结构简单，并使钎焊部位尽可能暴露在真空炉中，从而可以充分受热，避免热辐射被阻隔而导致熔化不充分。每一层支撑板上可以布置多个夹具，尽可能的提高生产效率，适合批量化生产。
更进一步地，所述的分步加热是以15℃/min的速率，先加热到400±5℃，保温30～60min；然后加热到600±5℃，保温30～60min；再加热到770±5℃，保温40～80min；最后加热到钎焊温度,所述钎焊温度为790～880℃之间，钎焊保温时间为2～25min。由于真空炉内没有热传导介质，仅依靠辐射加热，炉内温度不均匀，采用分段加热的方式，加热到一定温度，进行保温，再加热，有利于使炉内温度更均匀，保证批量产品的质量统一。
更进一步地，所述的冷却为分段冷却，先从钎焊温度随炉冷却到550～450℃，再充氮气冷却至45～35℃。这样操作，炉内温度比较高时，随炉冷却，避免过早通入保护气体导致设备高温急冷，损伤设备；当炉内温度降到一定值，再通入氮气冷却，避免了工件在高温下被氧化，同时室温的氮气通入炉内可以加快冷却速度。
更进一步地，一种钎焊式等离子电极，包括铜电极主体、铪颗粒，所述的铜电极主体为弥散铜，电极主体头部具有钎焊孔，通过上述方法，钎焊材料将铪颗粒焊接于钎焊孔内，使得其与电极主体连接。
本发明的有益效果是：(1)组装好的电极组合件倒置放入夹具中，再进行钎焊，铜体在上，避免高温时变形；(2)由于铜体在上的倒置方式进行焊接，加热后，钎料熔化，借助铜体自重下压，将铜体和铪颗粒焊接在一起，不需要额外的压块，钎焊夹具比较简单，还提高了产品的合格率；(3)夹具简化，可以最大程度的发挥真空炉的加热能力，保证钎料充分熔化，避免由于真空炉辐射热被阻挡致使钎料熔化不充分，需要延长加热时间，从而导致钎料流失，还节约电能；(4)分步加热，保证炉内温度均匀，避免钎料受热不均，导致成批产品质量不统一；(5)分步冷却，既保证高温阶段不会因极冷而损伤设备，又可以加快冷却速度，且防止工件被氧化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明新型钎焊式等离子电极的结构示意图；
图2为本发明中夹具的结构示意图；
图中：1为铜电极主体，2为铪颗粒，3为夹具套，4为垫片，5为拱形槽，6为齿部，7为钎料。
具体实施方式
实施例1、一种新型钎焊式等离子电极制造方法，包括：在铜电极主体1上加工钎焊孔；所述的铜电极主体1采用弥散铜制成，将铪丝通过车削或切断处理得到铪颗粒2；所述的铪颗粒2的外径与钎焊孔内径相差0.02mm；采用切断处理加工出钎料7；所述的钎料7的加工是依据铪颗粒2的长度，孔径的差异，测算出需要钎料7的体积并根据体积折算至焊料长度，钎料直径小于钎焊孔直径，直径相差0.1mm；组装电极组合件：将铜电极主体1钎焊孔朝上，依次将钎料7和铪颗粒2自下而上放入钎焊孔，然后将铜电极主体1倒置放在底部为水平的夹具中；所述的夹具包括夹具套3和垫片4，所述夹具套3呈圆筒状中空结构，所述的夹具套3的下部筒壁上开设有多个拱形槽5，相邻拱形槽5之间形成齿部6；所述垫片4为陶瓷垫片，垫片4表面设置一圈环形凹槽，环形凹槽与所述夹具套3外径相匹配，夹具套3下部的齿部6与垫片4上的凹槽卡接。将电极组合件放入真空炉、抽真空、分步加热到钎焊温度、钎焊、冷却、出炉。所述的分步加热是以15℃/min的速率，先加热到400±5℃，保温30～60min；然后加热到600±5℃，保温30～60min；再加热到770±5℃，保温40～80min；最后加热到钎焊温度。所述钎焊温度为790℃，钎焊保温时间为25min。所述的冷却为分段冷却，先从钎焊温度随炉冷却到550℃，再充氮气冷却至45℃。抽真空要求真空度为1x10-2～8x10-3Pa。
实施例2、一种新型钎焊式等离子电极制造方法，包括：在铜电极主体1上加工钎焊孔；所述的铜电极主体1采用弥散铜制成，将铪丝通过车削或切断处理得到铪颗粒2；所述的铪颗粒2的外径与钎焊孔内径相差0.3mm；采用切断处理加工出钎料7；所述的钎料7的加工是依据铪颗粒2的长度，孔径的差异，测算出需要钎料7的体积并根据体积折算至焊料长度，钎料直径小于钎焊孔直径，直径相差0.8mm；组装电极组合件：将铜电极主体1钎焊孔朝上，依次将钎料7和铪颗粒2自下而上放入钎焊孔，然后将铜电极主体1倒置放在底部为水平的夹具中；所述的夹具包括夹具套3和垫片4，所述夹具套3呈圆筒状中空结构，所述的夹具套3的下部筒壁上开设有多个拱形槽5，相邻拱形槽5之间形成齿部6；所述垫片4为陶瓷垫片，垫片4表面设置一圈环形凹槽，环形凹槽与所述夹具套3外径相匹配，夹具套3下部的齿部6与垫片4上的凹槽卡接。将电极组合件放入真空炉、抽真空、分步加热到钎焊温度、钎焊、冷却、出炉。所述的分步加热是以15℃/min的速率，先加热到400±5℃，保温30～60min；然后加热到600±5℃，保温30～60min；再加热到770±5℃，保温40～80min；最后加热到钎焊温度。所述钎焊温度为880℃，钎焊保温时间为2min。所述的冷却为分段冷却，先从钎焊温度随炉冷却到450℃，再充氮气冷却至35℃。抽真空要求真空度为1x10-2～8x10-3Pa。
实施例3、一种新型钎焊式等离子电极制造方法，包括：在铜电极主体1上加工钎焊孔；所述的铜电极主体1采用弥散铜制成，将铪丝通过车削或切断处理得到铪颗粒2；所述的铪颗粒2的外径与钎焊孔内径相差0.2mm；采用切断处理加工出钎料7；所述的钎料7的加工是依据铪颗粒2的长度，孔径的差异，测算出需要钎料7的体积并根据体积折算至焊料长度，钎料直径小于钎焊孔直径，直径相差0.5mm；组装电极组合件：将铜电极主体1钎焊孔朝上，依次将钎料7和铪颗粒2自下而上放入钎焊孔，然后将铜电极主体1倒置放在底部为水平的夹具中；所述的夹具包括夹具套3和垫片4，所述夹具套3呈圆筒状中空结构，所述的夹具套3的下部筒壁上开设有多个拱形槽5，相邻拱形槽5之间形成齿部6；所述垫片4为陶瓷垫片，垫片4表面设置一圈环形凹槽，环形凹槽与所述夹具套3外径相匹配，夹具套3下部的齿部6与垫片4上的凹槽卡接。将电极组合件放入真空炉、抽真空、分步加热到钎焊温度、钎焊、冷却、出炉。所述的分步加热是以15℃/min的速率，先加热到400±5℃，保温30～60min；然后加热到600±5℃，保温30～60min；再加热到770±5℃，保温40～80min；最后加热到钎焊温度。所述钎焊温度为800℃，钎焊保温时间为10min。所述的冷却为分段冷却，先从钎焊温度随炉冷却到500℃，再充氮气冷却至40℃。抽真空要求真空度为1x10-2～8x10-3Pa。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种新型钎焊式等离子电极制造方法，包括以下步骤：
1)在铜电极主体上加工钎焊孔；
2)将铪丝通过车削或切断处理得到铪颗粒；
3)采用切断处理加工出钎料；
4)组装电极组合件：将铜电极主体钎焊孔朝上，依次将钎料和铪颗粒自下而上放入钎焊孔，然后将铜电极主体倒置放在底部为水平的夹具中即得电极组合件；
5)将步骤4)得到的电极组合件放入真空炉、抽真空、分步加热到钎焊温度、钎焊、冷却、出炉；
步骤4)中所述的夹具包括夹具套和垫片，所述夹具套呈圆筒状中空结构，所述的夹具套的下部筒壁上开设有多个拱形槽，相邻拱形槽之间形成齿部；所述垫片为陶瓷垫片，垫片表面设置一圈环形凹槽，环形凹槽与所述夹具套外径相匹配，夹具套下部的齿部与垫片上的凹槽卡接。
2.根据权利要求书1所述的一种新型钎焊式等离子电极制造方法，步骤1)中所述的铜电极主体采用强化无氧铜制成。
3.根据权利要求书1所述的一种新型钎焊式等离子电极制造方法，步骤2)中所述的铪颗粒的外径与钎焊孔内径相差0.02～0.3mm。
4.根据权利要求书1所述的一种新型钎焊式等离子电极制造方法，步骤3)中所述的钎料的加工是依据铪颗粒的长度，孔径的差异，测算出需要钎料的体积并根据体积折算至焊料长度，钎焊材料直径小于钎焊孔直径，直径差不超过0.8mm。
5.根据权利要求书1所述的一种新型钎焊式等离子电极制造方法，所述的钎料的体积计算方法如下：
钎料体积＝(电极主体面积-铪丝面积)*焊丝孔深度+钻孔后底部圆锥体的体积。
6.根据权利要求书1所述的一种新型钎焊式等离子电极制造方法，步骤5)中所述的分步加热是以15℃/min的速率，先加热到400±5℃，保温30～60min；然后加热到600±5℃，保温30～60min；再加热到770±5℃，保温40～80min；最后加热到钎焊温度,所述钎焊温度为790～880℃之间，钎焊保温时间为2～25min。
7.根据权利要求书1所述的一种新型钎焊式等离子电极制造方法，步骤5)中所述的冷却为分段冷却，先从钎焊温度随炉冷却到550～450℃，再充氮气冷却至45～35℃。
8.根据权利要求书1所述的一种新型钎焊式等离子电极制造方法，步骤5)中抽真空要求真空度为1x10-2～8x10-3Pa。
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