CN108500435A - 用于等离子割炬的钎焊电极 - Google Patents

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Abstract

披露了一种银‑铜切割电极组件及其制造方法，其具有允许获得改善的耐用性、完整性以及可制造性的优化属性。电极具有钎焊至铜本体部分上的银端头部分，其中银部分和连结部具有特定的结构关系。

Description

用于等离子割炬的钎焊电极
发明背景
技术领域
本发明的系统和方法涉及等离子切割、并且更具体地涉及一种用于电弧等离子切割的钎焊电极。
背景技术
在不同行业中对等离子切割系统的使用已经得到发展，并且因此，对于增加炬及其部件的耐用性和寿命存在不断增长的需要。关于如电极等一些内部炬零件而言尤其如此。如通常已知的，等离子切割涉及使用高电流的等离子射流，该等离子射流在切割过程中产生大量的热量并且在刺穿或起弧过程中可能产生飞溅。这种高热量和飞溅不利地影响炬中部件的运行寿命，于是需要将其更换，从而造成停工时间。因此，需要改进来减少这种停工时间并增加炬部件的运行寿命。
通过将常规的、传统的和所提出的方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，这些方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。
发明内容
本发明的实施例包括一种钎焊电极以及制造具有银端头部分和铜本体的钎焊电极的方法，其中银部分钎焊至铜本体上。使用银改善了电极的散热特征，并且钎焊允许更容易地制造复合电极并且允许其具有最佳的散热特征。
附图说明
通过参考附图来详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在附图中：
图1是可以利用在此所描述的电极的炬头组件的示例性实施例的图示表示；
图2A是本发明的在此所描述的示例性电极、示例性喷嘴的初始制造阶段的图示表示；
图2B是如在此所描述的成品电极的示例性实施例的图示表示；
图3A是图2A所示的初始阶段电极的截面的图示表示；
图3B是图2B所示的成品电极的截面的图示表示；并且
图4是在此所描述的完成的示例性电极的截面的图示表示。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明的示例性实施例。所描述的示例性实施例旨在帮助理解本发明、而不旨在以任何方式限制本发明的范围。贯穿全文，类似参考号表示类似的要素。
应注意的是，出于下文讨论的目的，在此所讨论的电极实施例将作为可以用于机械化等离子电弧切割系统中的液体冷却电极来进行描述。然而，示例性实施例不限于用在这种电弧切割系统中，并且实施例可以用在手持切割系统以及空气冷却系统中。因此，以下讨论旨在是示例性和告知性的。进一步地，以下讨论将使用诸如“远侧”和“下游”的术语。在此申请的上下文中，应理解的是，这些术语指的是更靠近炬的发射等离子的末端。例如，炬的远端是炬的发射等离子射流以执行切割的末端。进一步地，如果某物是另一个部件的“下游”，则它更靠近炬的远端。类似地，使用术语“上游”总体上将表明某物更加远离炬的远端。
因为电弧割炬的制造、组装和使用是本领域技术人员总体上已知的，其组件及其部件的细节在此将不再进行阐述。
现在转向图1，图1描绘了本发明的实施例可以使用的示例性炬头301的截面。如一般已知的，炬头301具有防护帽303，该防护帽通过外固位盖307保持在位。在防护帽303内部的是喷嘴200，该喷嘴通过内固位盖409保持到位。在内固位盖409与防护帽303之间的是保护气体涡流器407，该保护气体涡流器输送并对保护气体赋予流动，该保护气体在内固位件盖409与防护帽303之间被引导。
在喷嘴200的上游是电极500和冷却管401，这两者共同地插入到喷嘴200的空腔中。等离子电弧是由电极500产生的，并且冷却管401用于将冷却流体引导至电极500以将其保持在可接受的运行温度。在电极500与喷嘴200之间是等离子气体涡流环405，该等离子气体涡流环对等离子气体赋予涡流，这有助于在切割过程中维持稳定的电弧并使喷嘴200冷却。等离子气体涡流环405具有远端表面405’，该远端表面在喷嘴200的内入座表面240上入座。
本发明的实施例涉及将在以下更详细描述的电极500。
一般已知的是，在等离子切割电极中使用银可以增加其切割寿命。然而，由于银的成本，使用银的电极的长度往往于比铜电极短的多。因此，这些电极的使用者必须携带两个不同的炬头组件以使它们可以适配使用银电极和铜电极。本发明的实施例通过利用复合的银-铜电极避免了适配两种不同电极长度的需要，该复合的银-铜电极实现了使用银的益处，而不存在伴随银电极所需的成本和大小调整。
然而复合电极的使用也是已知的，这些电极是用非常复杂的制造工艺(例如热粘合或摩擦焊接)来制造的。这些工艺是昂贵的且难以恰当制造。本发明的实施例缓解了这些问题。
现在转向图2A，示出了处于未完成状态下的示例性电极500’。也就是说，示出了在以下进一步解释的钎焊以及最终机加工之前的电极500’。在本发明的示例性实施例中，电极500’包括铜本体部分503’以及银远端部分501’(或端头部分)，其中该铜本体部分具有空腔507’，该空腔在本体部分503’的上游端上是开放的并且在该远端上是开放的，使得银部分501’的表面与空腔507’交接，如图所示。该本体部分具有限定空腔部分的壁。这允许在操作期间额外冷却银部分501’。铜部分503’的远端具有肩台部分513，使得银部分501’插入该肩台部分中。也就是说，本体503’中肩台部分513的直径大于空腔507’的直径。并且，部分501’在其远端面(其最远表面)上具有空腔，铪插入件505’有待插入该空腔中。肩台513和银部分501’中的每一个被制造且配置成使得银部分501’的最上游面/表面510倚靠在肩台表面511上/与之产生接触，如图2A所示。这些部件倚靠在彼此上使得当组装这些部件时表面510/511之间不存在空隙。然而，当组装在一起时，在银部分501’的肩台部分515与铜部分的肩台部分513之间存在空隙G。(如图所见，肩台部分515具有与本体503的远端表面相对应的表面以及从该表面向上游延伸以延伸至该端头部分的最上游端511并且与本体部分503的肩台部分513上的相似表面相对应的表面)。这个空隙G沿着这些肩台部分的水平和竖直邻近表面两者延伸。这个空隙G存在以允许恰当钎焊这些部件。也就是说，如图所示，朝本体部分503’/503的远端面延伸的壁表面从本体503的最上游表面510延伸。
也就是说，在制造过程中，如图所示和所描述的，铜部分和银部分中的每一者彼此组装。银部分501’相对于铜部分503’尽可能地居中，使得肩台部分周围的空隙G是总体上均匀/均称的。应注意的是，在一些实施例中，水平面和垂直面的每一者中的空隙G距离可以是相同的。然而，在其他示例性实施例中，水平空隙可以大于、或者在一些实施例中小于竖直空隙G。空隙几何形状应当被选择为使结构完整性和钎焊流最大化，如下所述。此外，如图所示，银部分501’可以在空隙G的外边缘处呈倒角以影响钎焊流进入空隙G中。
在将铪插入件505’插入银部分501’中之前，将银部件和铜部件钎焊至彼此。这可以使用以银为主要成分的银钎焊和适当的焊剂来完成，以确保恰当的钎焊流进入空隙G中。钎焊可以经由已知的方法、例如感应加热器来完成。钎焊操作应完成为使得整个空隙G填充有钎焊并且接触表面510/511保持彼此接触。
在钎焊操作结束之后，可以将铪插入件505’插入银部分501’中的空腔中。通过在钎焊之后插入，在钎焊操作期间不存在破坏或折损铪的风险。一旦进行钎焊并组装，就可以将组件500机加工成其最终尺寸，如图2B所示。确切地，组件500的外表面被机加工成实现电极500的最终外部尺寸和形状。另外，空腔507也如图所示被机加工成该空腔的最终直径。在一些示例性实施例中，空腔延伸部分517(被成形为环形物)可以被形成为增大电极500的银部分501的暴露表面积。当实现最终尺寸时，组件500以大大降低的成本和铜电极尺寸提供了具有银电极性能的电极。
图3A是图2A所示的组件的放大视图。如图所示，表面510/511彼此接触，同时沿着竖直部分和水平部分两者存在空隙G，如这个附图中所示，在这个实施例中，沿着水平部分的空隙G大于竖直空隙。在一些示例性实施例中，水平表面上的平均空隙G在0.01英寸至0.006英寸的范围内。另外，在多个示例性实施例中，竖直空隙在0.02英寸至0.0035英寸的范围内。在任何事件中，空隙尺寸应被选择为促进部件的恰当钎焊。应注意的是，虽然端头和本体中的每一者的肩台部分的表面被示为水平和竖直的、并且以直角相接，但是多个实施例不限于此并且拐角可以是成角度的。
图3B描绘了图2B所示的成品电极500的放大视图。如图所示，成品电极500的远端具有最大外直径D(可能不一定是电极500的最大外直径)，并且铜部分具有W的壁厚度(邻近于空腔507)。在多个示例性实施例中，壁厚度W在直径D的10％至40％内的范围内，并且在其他实施例中，壁厚度W在直径D的14％至25％的范围内。此外，银部分501具有插入部分520，如图所示，该插入部分是插入铜部分503中的部分，如图所示。在一些实施例中，插入部分520具有小于厚度W的壁厚度SW。在多个示例性实施例中，壁厚度SW在厚度W的35％至65％的范围内。另外，在多个示例性实施例中，该插入部分520的壁厚度在厚度W的40％至55％的范围内。通过这些比率，空腔507的壁的热性能提供了最佳热性能、结构完整性、同时具有相比已知解决方案显著改善了的制造复杂性和成本。
图4描绘了示例性电极500的截面。虽然如图所示描绘了上游端530，但是多个示例性实施例不限于这种构型，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以使用其他构型。如图所示，电极500具有总长度L，该长度包括银部分501的远端面以及铜部分503的最上游端。该铜部分具有从其远端面延伸至其最上游端的长度SL，该最上游端是插入部分520的端面。在示例性实施例中，长度SL在总长度L的10％至20％的范围内。在其他示例性实施例中，长度SL在长度L的12％至17％的范围内。这些比率允许组件获得期望的热性能以及最大的结构完整性。例如，如果银部分501的长度太短，则银与铜之间的钎焊连结部将出现在距切割操作期间的热梯度足够距离处，使得所述钎焊连结部在操作期间不会被热包含。如果这些连结部太靠近，钎焊连结部可能会弱化并且致使组件失效。此外，如果长度太长，则组件的结构完整性可能折损，并且制造和材料的成本较高。例如，较长的银长度可能导致在组装期间钎焊渗透无法达到期望，从而留下可能产生热应力集中、或以其他方式对部件之间的导热性造成不利影响的空隙。当然，可以根据设计构型来实现与上述范围的微小偏差，但是必须考虑上述考虑因素以确保恰当的持续操作。特别地，银部分501应具有一定长度，该长度足以将钎焊连结部的大部分或全部保持在持续切割期间将实现的较高温度梯度和带之外。可接受的是，连结部的某些部分处于某些温度梯度带内，但是这些连结部不应存在于较高的温度梯度带内。当然，这还可以受所使用的钎焊材料的影响。在本发明的示例性实施例中，炬操作期间钎焊连结部经受的最大温度小于235℃，并且贯穿该连结部(在邻近材料之间)的温差不超过50℃。因此，本发明的实施例具有的构造优化了电极寿命并且在其构造下优化了其热效率。
鉴于上述，本发明的实施例提供了高性能的切割电极，即，易于制造并且成本相对于已知的银电极和银复合电极有显着改进。
尽管已参考本发明示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本发明不限于这些实施例。本领域普通技术人员将理解的是，可以在此做出形式上和细节上的多种不同改变而不脱离如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种复合等离子切割电极，包括：
由第一材料制成的本体部分，所述本体部分具有限定空腔的壁部分以及远端，所述远端具有远端面和从所述远端面向上游延伸的第一肩台接合部分，其中所述肩台部分包括第一表面和第二表面；以及
由第二材料制成的端头部分，所述端头部分具有远端面、位于所述远端面中的端头空腔、上游端面、以及第二肩台接合部分，其中发射插入件被布置在所述端头空腔中，所述第二肩台接合部分从所述上游端面向下游延伸、具有第一表面和第二表面，
其中所述端头部分的所述上游端面与所述第一肩台接合部分的所述第一表面产生物理接触；
其中所述第一肩台接合部分的所述第二表面邻近于所述第二肩台部分的所述第二表面，使得在所述相应的第二表面之间存在第一空隙，
其中所述第二肩台接合部分的所述第一表面邻近于所述本体部分的所述远端面，使得在所述第二肩台接合部分的所述第一表面与所述本体部分的所述远端面之间存在第二空隙，并且
其中所述第一空隙和所述第二空隙各自填充有钎焊材料，所述钎焊材料固使所述本体部分连结至所述端头部分上。
2.如权利要求1所述的电极，其中，所述第二空隙大于所述第一空隙。
3.如权利要求1所述的电极，其中，所述第一空隙在0.001英寸至0.006英寸的范围内。
4.如权利要求1所述的电极，其中，所述第二空隙在0.002至0.0035 的范围内。
5.如权利要求1所述的电极，其中，所述壁部分在所述第一肩台接合部分上游具有第一厚度并且在所述第一肩台接合部分的所述第二表面下游具有第二厚度，其中所述第二厚度在所述第一厚度的35％至65％的范围内。
6.如权利要求1所述的电极，其中，所述壁部分在所述第一肩台接合部分上游具有第一厚度并且在所述第一肩台接合部分的所述第二表面下游具有第二厚度，其中所述第二厚度在所述第一厚度的40％至55％的范围内。
7.如权利要求1所述的电极，其中，所述第一材料是铜，所述第二材料是银，并且所述钎焊材料包含银。
8.如权利要求1所述的电极，其中，所述电极组件具有总长度L，并且所述端头部分具有长度SL，其中SL在L的10％至20％的范围内。
9.如权利要求1所述的电极，其中，所述电极组件具有总长度L，并且所述端头部分具有长度SL，其中SL在L的12％至17％的范围内。
10.一种用于制造复合电极的方法，包括：
提供由第一材料制成的本体部分，所述本体部分具有限定空腔的壁部分以及远端，所述远端具有远端面和从所述远端面向上游延伸的第一肩台接合部分，其中所述肩台部分包括第一表面和第二表面；
提供由第二材料制成的端头部分，所述端头部分具有远端面、位于所述远端面中的端头空腔、上游端面、以及第二肩台接合部分，其中发射插入件被布置在所述端头空腔中，所述第二肩台接合部分从所述上游端面向下游延伸、具有第一表面和第二表面，
将所述端头部分插入所述本体部分的所述远端中，使得所述端头部分的所述上游端面与所述第一肩台接合部分的所述第一表面产生物理接触，其中所述第一肩台接合部分的所述第二表面邻近于所述第二肩台部分的所述第二表面，使得在所述相应的第二表面之间存在第一空隙，并且其中所述第二肩台接合部分的所述第一表面邻近于所述本体部分的所述远端面，使得在所述第二肩台接合部分的所述第一表面与所述本体部分的所述远端面之间存在第二空隙；并且
使用钎焊材料将所述端头部分钎焊至所述本体部分上以将所述本体部分与所述端头部分连结，其中所述第一空隙和所述第二空隙各自填充有所述钎焊材料。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述第二空隙大于所述第一空隙。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一空隙在0.001英寸至0.006英寸的范围内。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述第二空隙在0.002至0.0035的范围内。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述壁部分在所述第一肩台接合部分上游具有第一厚度并且在所述第一肩台接合部分的所述第二表面下游具有第二厚度，其中所述第二厚度在所述第一厚度的35％至65％的范围内。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述壁部分在所述第一肩台接合部分上游具有第一厚度并且在所述第一肩台接合部分的所述第二表面下游具有第二厚度，其中所述第二厚度在所述第一厚度的40％至55％的范围内。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一材料是铜，所述第二材料是银，并且所述钎焊材料包含银。
17.如权利要求10所述的方法，其中，所述电极组件具有总长度L，并且所述端头部分具有长度SL，其中SL在L的10％至20％的范围内。
18.如权利要求10所述的方法，其中，所述电极组件具有总长度L，并且所述端头部分具有长度SL，其中SL在L的12％至17％的范围内。
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