CN110340554A - 一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法 - Google Patents

一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，将电极与钼螺旋进行焊接连接，还包括钼螺旋与陶瓷合金的焊接及陶瓷合金与铌杆的焊接步骤，制作得到四节陶瓷金卤灯电极。与现有技术相比，本发明制作得到的四节陶瓷金卤灯电极焊接强度与结点外观完全符合客户在后续装配、使用过程中的要求。能顺畅通过小孔径的陶瓷袖管，不易断裂。

Description

一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种电极制造方法，尤其是涉及一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法。
背景技术
陶瓷金卤灯是一种比较先进光源，其高超性能如高光效、高显色和长寿命已为人们所认同。
由于它的高显色性和较低的色温使之成为唯一的可以替代白炽灯和卤素灯的灯种。所以在这一方面小功率陶瓷金卤灯有着极为广阔的市场，技术也相对成熟。
大功率陶瓷金卤灯同样有着非常好的显色性，且光色非常稳定。寿命期间色温的变化为±200K，同时光通量的维持率也很好。寿终光衰可维持在80％以上，而一般石英金卤灯已衰退到50％。
由于大功率陶瓷金卤灯工作在高负载、高气压及保温性好的陶瓷材料的情况下，因此灯功率变化幅度较大时，相应的灯的色温和光效变化率较小，如配置调光镇流器时，可实现可靠地调光，而灯的光效和色温不会产生和大的变化。
因为具有这些良好的性能，大功率陶瓷金卤灯可以用在体育场馆照明、大型商场照明等需要高级照明的场合。在市中心城区繁华道路上采用陶瓷金卤灯照明业可以提高和空间的清晰度和舒适度，有利于车辆和人流的安全，利于城市的景观。
原先用于小功率陶瓷金卤灯的电极，其设计的结构是在铌杆前端为一绕有钼螺旋的较细钼杆，钼杆前端则为一段更细的钍钨丝杆，其前端绕有数圈钨丝。此种结构的电极直径较粗能填满电弧管的袖管，但又有相当柔性，不致因温度变化而给陶瓷袖管过大应力使之撑裂；这种电极有足够好的电导率，而热阻较大，从电极尖端或电极引线传向陶瓷袖管的热量较少，不致引起过高升温而影响封接可靠性。
然而，这样的设计在大功率陶瓷金卤灯上无法运用。铌杆、钼螺旋的直径加粗后，无法与陶瓷袖管达到合适的匹配，在点灯过程中出现陶瓷壳开裂的情况。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种焊接强度高、结点外观好、不易断裂的四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，将电极与钼螺旋进行焊接连接，还包括钼螺旋与陶瓷合金的焊接及陶瓷合金与铌杆的焊接步骤：
(1)陶瓷合金与钼螺旋的焊接
(1-1)送料：固定陶瓷合金和钼螺旋并送到指定位置；
(1-2)定位：陶瓷合金与钼螺旋的端面密合接触；
(1-3)放电：电源放电，通过夹钳传导电流，在陶瓷合金与钼螺旋的接触面产生电阻热；
(1-4)焊接：端面材料熔融，互相结合渗透，将陶瓷合金和钼螺旋连接在一起，完成焊接；
(2)陶瓷合金与铌杆的焊接
(2-1)铌杆送料：将铌杆送至指定位置及高度；
(2-2)陶瓷合金送料：陶瓷合金与铌杆端面接触并夹紧；
(2-3)定位：将陶瓷合金及铌杆送至激光出射位置；
(2-4)激光发射：激光发射器出光，光斑在陶瓷合金与铌杆接触面的中间，激光在接触面表面形成圆形焊斑，陶瓷合金与铌杆熔融结合，完成焊接。
所述的陶瓷合金的材料由45wt％的氧化铝和55wt％的钼组成，氧化铝是不导电材料，与钼金属混合制成的陶瓷合金，其导电性与金属合金材料完全不同。在大功率陶瓷金卤灯中，用于和陶瓷袖管封接的材料，其膨胀系数与陶瓷必须接近，一般小功率设计中会使用金属钼。但是，大功率陶瓷金卤灯电极封接丝的设计直径和袖管的设计直径之间间隙非常小，膨胀系数的差异会导致后续点灯过程中陶瓷壳开裂。因此，只能使用具有导电性能而膨胀系数又能与陶瓷更接近的陶瓷合金材料。但是这样的设计，也为电极的焊接加工增加了难度。
氧化铝的熔点为2054℃；钼的熔点为2610℃；铌的熔点为2468℃。从材料特性、产品使用特性、生产效率方面综合考虑，选择了不同的焊接方式。
要确保焊接的两个工件需要对材料表面、端面的处理、设备夹钳的材料与形式调整、逆变电源输出调整达到顺利焊接的效果，保证了产品的焊接牢度和焊接效率，其外观的平整度和直线度也与进口产品一致。
在步骤(1-3)进行放电前还对材料进行表面处理，使表面光滑，颜色均匀，无氧化、油污。具体来说，通过球磨、酸洗降低表面的粗糙度，并保持材料表面的清洁度，使夹钳与材料直接接触面积增大，减少焊接时能量的损失。工件的平整度是焊接成功最关键的因素。在焊接之前，对陶瓷合金材料的端面进行了平面磨床磨削处理。确保材料没有尖端、毛刺、斜角等缺陷，以便在后续焊接时与钼螺旋的端面能紧密贴合。
选用80％的钨与20％的铜合金作为夹钳的材料，在确保导电性的同时增加耐磨效果。V型下槽口的设计，使工件有3点式接触，增加了工件在焊接时的稳定性。保证对接的顺利进行。
步骤(1-3)中逆变直流电阻点焊电源放电，以毫秒级的时间精度响应和控制电流变化，在电源放电时采用七段式输出设置：
T1阶段：利用夹钳夹紧陶瓷合金与钼螺旋，夹钳向工件的接触面移动，使陶瓷合金和钼螺旋接触，该阶段时间控制为10-15ms；
T2阶段：夹钳继续向中心位置施加力，在陶瓷合金和钼螺旋接触面产生预压，并使压力稳定，该阶段时间控制为50-55ms，该阶段不放电；
T3阶段：电流缓慢提升，速率控制为17-20.5A/ms使电流柔顺变化，该阶段时间控制为35-40ms；
T4阶段：保持电流680-720A，通电加热，工件接触面之间产生熔融，通过压力使工件连接，该阶段时间控制为90-110ms；
T5阶段：电流缓慢下降，速率控制为22.6-28.2A/ms，减小冷却速度，该阶段时间控制为25-30ms；
T6阶段：保持50-55ms，保证熔融金属在电极压力作用下结晶冷却，防止焊接组织疏松造成结点脆化；
T7阶段：休止10ms，本轮焊接完成，准备开始下一轮焊接。
陶瓷合金与钼螺旋的焊接处，结点要求光滑、饱满、完整，强度要求高。因此选择接触面完全熔融的电阻焊进行焊接。由于陶瓷合金的截面单位面积上通过的电流密度不均匀，对焊时容易出现单点电流突然增大引起的“火花溅射”。由于陶瓷合金材料的不均匀导电性，使逆变电源放电时在结点产生的热量不一致，造成结点牢度偏差。
步骤(2-1)中用下夹模固定铌杆，送至指定位置，松开铌杆夹模定位至指定高度。
陶瓷合金与铌杆的焊接，结点位于陶瓷袖管的外端，在灯泡使用时温度较低。对结点的要求强度稍低。因此选择生产效率更高的激光焊进行焊接。
由于铌和钼都是难熔金属，且氧化铝的熔点也很高，要求激光输出的功率较大。然而陶瓷合金材料又是一种极其脆性的材料，因此选择了三激光束焊接的方式。
步骤(2-4)中采用三激光速焊接，三个激光出射头以120度夹角在同一水平面布置，平行光之间的距离为100mm，焦距为100mm。激光头设置16组连续脉冲波形，功率33％、脉宽38ms，在铌杆与陶瓷合金接触位置出光。
为了使材料在熔融后不至于因为热量过高而产生脆性断裂的情况，在95体积％N2与5体积％H2组成的保护气氛下进行激光焊接。
与现有技术相比，本发明制作得到的四节陶瓷金卤灯电极，其焊接强度与结点外观完全符合客户在后续装配、使用过程中的要求。能顺畅通过小孔径的陶瓷袖管，不易断裂。目前该产品已经得到多家客户的认可，成为了国内唯一一家可以提供四节陶瓷金卤灯电极的供应商。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
用于四节陶瓷金卤灯电极焊接的方法，将电极与钼螺旋进行焊接连接，还包括以下步骤：
1、陶瓷合金与钼螺旋的焊接：
1)送料：固定陶瓷合金和钼螺旋，将两种材料送到指定位置；
使用4.8MM钨铜压块，以1.2MMV型槽作为下压块，长方形上压块夹住工件；
夹钳1将陶瓷合金夹在距端面0.85MM处；夹钳2将钼螺旋夹在距离端面1.15MM处。
2)定位：使陶瓷合金与钼螺旋的端面密合接触；
第一夹钳将陶瓷合金送料旋转60度，固定至水平位置；第二夹钳将钼螺旋送至与陶瓷合金呈一直线放置的位置；
使用预压10N的压簧，在钼螺旋后段施加推力。使陶瓷合金和钼螺旋的端面密合接触。
3)放电：电源放电，通过夹钳传导电流。在陶瓷合金与钼螺旋的接触面产生电阻热；
逆变电源，按照7段式程序设置焊接时间与焊接电流：7段式输出设置，电流680-720A；
电源放电，通过钨铜夹钳传导电流，在陶瓷合金与钼螺旋的接触面上产生电阻热；
4)焊接：端面材料熔融，互相结合渗透，将两种材料连接在一起，完成焊接。
工件端面材料由于电阻热产生熔融，
预压弹簧继续施加推力，使接触面的材料互相结合渗透。两种材料的熔融物冷却后固化，将两工件连接在一起，完成焊接。
2、瓷合金与铌杆的焊接
1)铌杆送料：使用“尖型底部设计”的夹模，其中可分开夹持的下夹模用以固定铌杆。使用0.5MM丝径、1.5MM螺距、4MM外径、15MM长的弹簧进行施压紧固。
铌杆通过轨道送至下夹模中，呈垂直状态后夹紧。
铌杆移至下一工位，松开下夹模，将铌杆定位至指定高度，夹紧并检测确认工件。
2)陶瓷合金送料：分开夹持的上夹模用以固定陶瓷合金。同样以弹簧施压紧固。
陶瓷合金由轨道送至上夹模，使之与铌杆端面接触；
陶瓷合金调整到与铌杆呈同一直线状态，夹紧并检测确认工件。
3)模具定位：将模具送至激光出射位置。
3个激光出射头以120度夹角在同一水平面布置，调整平行光距离100mm，焦距100mm；
检测定位合格的工件与模具一起送至3个出射头中心位置；
使用5g自重滑块垂直方向对陶瓷合金进行预压，做焊接准备。
4)激光发射：激光发射器出光。激光在接触面表面形成圆形焊斑，陶瓷合金与铌杆熔融结合，完成焊接。
打开保护气体(95体积％N2与5体积％H2)阀门；
使用600W激光发生器分配三路激光出射头，采取三路激光同时发出模式；
设置16组连续脉冲波形，功率33％、脉宽38MS，在铌杆与陶瓷合金接触位置出光；
焊接完成，松开预压滑块，关闭保护气体，完成焊接。
本发明中所使用的陶瓷合金直径为1.45MM；与之焊接的钼螺旋芯丝为0.8MM，外绕丝为0.3MM；铌杆直径为1.4～1.5MM。四节陶瓷金卤灯电极适用于315W陶瓷金卤灯。
实施例2
一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，将电极与钼螺旋进行焊接连接，还包括钼螺旋与陶瓷合金的焊接及陶瓷合金与铌杆的焊接步骤，其中陶瓷合金的材料由45wt％的氧化铝和55wt％的钼组成：
(1)陶瓷合金与钼螺旋的焊接
(1-1)送料：固定陶瓷合金和钼螺旋并送到指定位置；
(1-2)定位：陶瓷合金与钼螺旋的端面密合接触；
(1-3)放电：电源放电，通过夹钳传导电流，在陶瓷合金与钼螺旋的接触面产生电阻热，电源放电时采用七段式输出设置：
T1阶段：利用夹钳夹紧陶瓷合金与钼螺旋，夹钳向工件的接触面移动，使陶瓷合金和钼螺旋接触，该阶段时间控制为10ms；
T2阶段：夹钳继续向中心位置施加力，在陶瓷合金和钼螺旋接触面产生预压，并使压力稳定，该阶段时间控制为50ms，该阶段不放电；
T3阶段：电流缓慢提升，速率控制为17A/ms使电流柔顺变化，该阶段时间控制为35ms；
T4阶段：保持电流680A，通电加热，工件接触面之间产生熔融，通过压力使工件连接，该阶段时间控制为90-110ms；
T5阶段：电流缓慢下降，速率控制为22.6A/ms，减小冷却速度，该阶段时间控制为25ms；
T6阶段：保持50ms，保证熔融金属在电极压力作用下结晶冷却，防止焊接组织疏松造成结点脆化；
T7阶段：休止10ms，本轮焊接完成，准备开始下一轮焊接；
(1-4)焊接：端面材料熔融，互相结合渗透，将陶瓷合金和钼螺旋连接在一起，完成焊接；
(2)陶瓷合金与铌杆的焊接
(2-1)铌杆送料：用下夹模固定铌杆，送至指定位置，松开铌杆夹模定位至指定高度；
(2-2)陶瓷合金送料：陶瓷合金与铌杆端面接触并夹紧；
(2-3)定位：将陶瓷合金及铌杆送至激光出射位置；
(2-4)激光发射：在95体积％N2与5体积％H2组成保护气氛下进行激光焊接，激光发射器出光，采用三激光速焊接，三个激光出射头以120度夹角在同一水平面布置，平行光之间的距离为100mm，焦距为100mm，激光头设置16组连续脉冲波形，功率33％、脉宽38ms，在铌杆与陶瓷合金接触位置出光，光斑在陶瓷合金与铌杆接触面的中间，激光在接触面表面形成圆形焊斑，陶瓷合金与铌杆熔融结合，完成焊接。
实施例3
一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，将电极与钼螺旋进行焊接连接，还包括钼螺旋与陶瓷合金的焊接及陶瓷合金与铌杆的焊接步骤，其中陶瓷合金的材料由45wt％的氧化铝和55wt％的钼组成：
(1)陶瓷合金与钼螺旋的焊接
(1-1)送料：固定陶瓷合金和钼螺旋并送到指定位置；
(1-2)定位：陶瓷合金与钼螺旋的端面密合接触，并对材料进行表面处理，控制材料表面光滑，颜色均匀，无氧化、油污；
(1-3)放电：电源放电，通过夹钳传导电流，在陶瓷合金与钼螺旋的接触面产生电阻热，电源放电时采用七段式输出设置：
T1阶段：利用夹钳夹紧陶瓷合金与钼螺旋，夹钳向工件的接触面移动，使陶瓷合金和钼螺旋接触，该阶段时间控制为12ms；
T2阶段：夹钳继续向中心位置施加力，在陶瓷合金和钼螺旋接触面产生预压，并使压力稳定，该阶段时间控制为52ms，该阶段不放电；
T3阶段：电流缓慢提升，速率控制为18A/ms使电流柔顺变化，该阶段时间控制为38ms；
T4阶段：保持电流700A，通电加热，工件接触面之间产生熔融，通过压力使工件连接，该阶段时间控制为100ms；
T5阶段：电流缓慢下降，速率控制为25A/ms，减小冷却速度，该阶段时间控制为28ms；
T6阶段：保持53ms，保证熔融金属在电极压力作用下结晶冷却，防止焊接组织疏松造成结点脆化；
T7阶段：休止10ms，本轮焊接完成，准备开始下一轮焊接；
(1-4)焊接：端面材料熔融，互相结合渗透，将陶瓷合金和钼螺旋连接在一起，完成焊接；
(2)陶瓷合金与铌杆的焊接
(2-1)铌杆送料：用下夹模固定铌杆，送至指定位置，松开铌杆夹模定位至指定高度；
(2-2)陶瓷合金送料：陶瓷合金与铌杆端面接触并夹紧；
(2-3)定位：将陶瓷合金及铌杆送至激光出射位置；
(2-4)激光发射：在95体积％N2与5体积％H2组成保护气氛下进行激光焊接，激光发射器出光，采用三激光速焊接，三个激光出射头以120度夹角在同一水平面布置，平行光之间的距离为100mm，焦距为100mm，激光头设置16组连续脉冲波形，功率33％、脉宽38ms，在铌杆与陶瓷合金接触位置出光，光斑在陶瓷合金与铌杆接触面的中间，激光在接触面表面形成圆形焊斑，陶瓷合金与铌杆熔融结合，完成焊接。
实施例4
一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，将电极与钼螺旋进行焊接连接，还包括钼螺旋与陶瓷合金的焊接及陶瓷合金与铌杆的焊接步骤，其中陶瓷合金的材料由45wt％的氧化铝和55wt％的钼组成：
(1)陶瓷合金与钼螺旋的焊接
(1-1)送料：固定陶瓷合金和钼螺旋并送到指定位置；
(1-2)定位：陶瓷合金与钼螺旋的端面密合接触，并对材料进行表面处理，控制材料表面光滑，颜色均匀，无氧化、油污；
(1-3)放电：电源放电，通过夹钳传导电流，在陶瓷合金与钼螺旋的接触面产生电阻热，电源放电时采用七段式输出设置：
T1阶段：利用夹钳夹紧陶瓷合金与钼螺旋，夹钳向工件的接触面移动，使陶瓷合金和钼螺旋接触，该阶段时间控制为15ms；
T2阶段：夹钳继续向中心位置施加力，在陶瓷合金和钼螺旋接触面产生预压，并使压力稳定，该阶段时间控制为55ms，该阶段不放电；
T3阶段：电流缓慢提升，速率控制为20.5A/ms使电流柔顺变化，该阶段时间控制为40ms；
T4阶段：保持电流720A，通电加热，工件接触面之间产生熔融，通过压力使工件连接，该阶段时间控制为90-110ms；
T5阶段：电流缓慢下降，速率控制为28.2A/ms，减小冷却速度，该阶段时间控制为30ms；
T6阶段：保持55ms，保证熔融金属在电极压力作用下结晶冷却，防止焊接组织疏松造成结点脆化；
T7阶段：休止10ms，本轮焊接完成，准备开始下一轮焊接；
(1-4)焊接：端面材料熔融，互相结合渗透，将陶瓷合金和钼螺旋连接在一起，完成焊接；
(2)陶瓷合金与铌杆的焊接
(2-1)铌杆送料：用下夹模固定铌杆，送至指定位置，松开铌杆夹模定位至指定高度；
(2-2)陶瓷合金送料：陶瓷合金与铌杆端面接触并夹紧；
(2-3)定位：将陶瓷合金及铌杆送至激光出射位置；
(2-4)激光发射：在95体积％N2与5体积％H2组成保护气氛下进行激光焊接，激光发射器出光，采用三激光速焊接，三个激光出射头以120度夹角在同一水平面布置，平行光之间的距离为100mm，焦距为100mm，激光头设置16组连续脉冲波形，功率33％、脉宽38ms，在铌杆与陶瓷合金接触位置出光，光斑在陶瓷合金与铌杆接触面的中间，激光在接触面表面形成圆形焊斑，陶瓷合金与铌杆熔融结合，完成焊接。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，将电极与钼螺旋进行焊接连接，其特征在于，还包括钼螺旋与陶瓷合金的焊接及陶瓷合金与铌杆的焊接步骤：
(1)陶瓷合金与钼螺旋的焊接
(1-1)送料：固定陶瓷合金和钼螺旋并送到指定位置；
(1-2)定位：陶瓷合金与钼螺旋的端面密合接触；
(1-3)放电：电源放电，通过夹钳传导电流，在陶瓷合金与钼螺旋的接触面产生电阻热；
(1-4)焊接：端面材料熔融，互相结合渗透，将陶瓷合金和钼螺旋连接在一起，完成焊接；
(2)陶瓷合金与铌杆的焊接
(2-1)铌杆送料：将铌杆送至指定位置及高度；
(2-2)陶瓷合金送料：陶瓷合金与铌杆端面接触并夹紧；
(2-3)定位：将陶瓷合金及铌杆送至激光出射位置；
(2-4)激光发射：激光发射器出光，光斑在陶瓷合金与铌杆接触面的中间，激光在接触面表面形成圆形焊斑，陶瓷合金与铌杆熔融结合，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，其特征在于，所述的陶瓷合金的材料由45wt％的氧化铝和55wt％的钼组成。
3.根据权利要求1所述的一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，其特征在于，在步骤(1-3)进行放电前还对材料进行表面处理，控制材料表面光滑，颜色均匀，无氧化、油污。
4.根据权利要求1所述的一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，其特征在于，步骤(1-3)在电源放电时采用七段式输出设置：
T1阶段：利用夹钳夹紧陶瓷合金与钼螺旋，夹钳向工件的接触面移动，使陶瓷合金和钼螺旋接触，该阶段时间控制为10-15ms；
T2阶段：夹钳继续向中心位置施加力，在陶瓷合金和钼螺旋接触面产生预压，并使压力稳定，该阶段时间控制为50-55ms，该阶段不放电；
T3阶段：电流缓慢提升，速率控制为17-20.5A/ms使电流柔顺变化，该阶段时间控制为35-40ms；
T4阶段：保持电流680-720A，通电加热，工件接触面之间产生熔融，通过压力使工件连接，该阶段时间控制为90-110ms；
T5阶段：电流缓慢下降，速率控制为22.6-28.2A/ms，减小冷却速度，该阶段时间控制为25-30ms；
T6阶段：保持50-55ms，保证熔融金属在电极压力作用下结晶冷却，防止焊接组织疏松造成结点脆化；
T7阶段：休止10ms，本轮焊接完成，准备开始下一轮焊接。
5.根据权利要求1所述的一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，其特征在于，步骤(2-1)中用下夹模固定铌杆，送至指定位置，松开铌杆夹模定位至指定高度。
6.根据权利要求1所述的一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，其特征在于，步骤(2-4)中采用三激光速焊接，三个激光出射头以120度夹角在同一水平面布置，平行光之间的距离为100mm，焦距为100mm。
7.根据权利要求1或6所述的一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，其特征在于，步骤(2-4)中的激光头设置16组连续脉冲波形，功率33％、脉宽38ms，在铌杆与陶瓷合金接触位置出光。
8.根据权利要求1所述的一种四节陶瓷金卤灯电极的焊接方法，其特征在于，步骤(2-4)中在保护气氛下进行激光焊接，所述的保护气氛由95体积％N2与5体积％H2组成。
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