CN111432970B - 用于焊炬或割炬的电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于焊炬(17)或割炬的电极(16)，所述电极(16)包括主体(1)以及布置在所述主体(1)的端接表面(2)上的尖端(3)。所述主体(1)被设计成至少在一侧开口的中空的主体。所述主体(1)具有：在与所述尖端(3)相对的一侧上的开口(4)，所述开口(4)用于将冷却介质引入至所述主体(1)的内部空间(7)；所述内部空间(7)中的至少两个区域(5，6)，所述至少两个区域(5，6)的两个内径互不相同；以及过渡区域(8)，所述过渡区域(8)位于所述两个区域(5，6)之间并且具有朝所述尖端(3)的方向减小的内径。

Description

用于焊炬或割炬的电极

技术领域

本发明涉及用于焊炬或割炬的电极，涉及具有所述类型的电极的焊炬或割炬、以及涉及使用所述电极的方法。

背景技术

在电弧焊接方法中，工件借助于电弧至少部分地熔化。在这里，典型的情况是工件用作阳极并且焊炬的钨电极用作阴极。

文献DE 10 2015 001 456 A1公开了一种方法，其中钨电极形成阳极，并且工件形成阴极，从而可以溶解位于工件上的氧化物层。然而，在这种情况下，钨电极的热负荷比在用作阴极的情况下高得多，并且这需要改进的冷却。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种用于焊炬或割炬的电极，该电极避免了所述缺点，即表现出改善的冷却。

根据本发明，所述目的通过如权利要求1所述的电极来实现。在从属权利要求中描述了有利的实施方式和改进。

用于焊炬或割炬的电极具有主体和布置在主体的端接表面上的尖端。主体形成为至少在一侧开口的中空的主体，并且在与尖端相对的一侧具有用于将冷却介质引入至主体的内部空间中的开口。此外，主体具有在内部空间中的至少两个区域，这至少两个区域具有彼此不同的两个内径。此外，在主体的内部空间中形成位于这两个区域之间的过渡区域，该过渡区域具有朝尖端的方向减小的内径。

通过在一侧上开口的中空的主体的设计，冷却介质（通常是水或其它流体）可以通过该开口引入冷却主体中。通过具有至少三个区域的内部空间的设计（其中直径从开口的直径开始朝端接表面和尖端的方向变窄），产生了有利的流动几何形状，其中冷却介质的流体以足够高的速度入射并且可以相应地散热。因此，电极的热负荷大大降低。

尖端通常由与主体的材料不同的材料形成，尽管也可以将类似或相同的材料用于主体和尖端。然而，通常，应当使用至少两种不同的材料，即使这些材料以合金形式或作为衬底材料或复合材料存在。

主体本身可以由铜或由某种其它金属形成，以便利用该材料的相应高的热导率和电导率。优选地，主体由Cu-HCP（即具有低残留磷含量的脱氧铜）构成，或由具有改进的可切割性的含硫铜Cu-S构成。

优选地，尖端由钨形成，但是也可以由具有掺杂物（例如，具有氧化镧或氧化铈的掺杂物）的钨形成，以增加阳极处的电子发射。还可以提供用于降低由钨组成的尖端中的氧亲和力的掺杂物。这种掺杂物通常具有钇或锆。

然而，主体和尖端也可以形成为由混合的铜和钨组成的一体部件或一体件，并且可能具有所描述的添加剂。

通常，主体和尖端形成为一体部件，以确保机械稳定的构造。

可以设置成，主体在围绕开口的外表面或侧表面上配备有螺纹，其中，优选地，螺纹的直径大于端接表面的直径。这使得主体可以更容易地拧入焊炬或割炬中，并且有助于改善冷却介质的流动引导。螺纹的直径可以比端接表面的直径大至少15%、优选地大至少30%至70%、特别优选地大至少40%至60%。例如为了改进电流的传输，可以根据DIN 13-21将所述螺纹设计成细螺纹。

具有相互不同的内径的内部空间的两个区域通常设置有圆形的横截面，也就是说具有圆柱形的体积。然而，横截面也可以设置成多边形的，例如六边形或八边形。在这种情况下也可以限定直径，然而也可以将直径理解为宽度。

主体可以具有在其内部空间中的与开口相对的端表面，优选地，该端表面被设计成平面的端表面并且通常平行于端接表面定向。借助于闭合的平面的或平坦的端表面，也就是说没有明显的凸起或凹陷的表面，通过形成期望的入射流来促进热量的散发。因此，主体形成为在一侧开口的中空的主体。可替选地，端表面也可以具有凸起，该凸起通常居中布置。例如，凸起可以是圆锥形或圆柱形的。

然而，也可以将主体设置成在两侧均开口的中空的主体，并且将尖端布置在端接表面的开口处，该端接表面现在不再作为闭合表面存在。通常，在这种情况下，尖端也伸入电极的内部空间，以帮助散热。

在端表面处，主体可以具有在其内部空间中的至少0.5 mm的拐角半径，通过该拐角半径可以防止死水区域的形成，并且从而有助于连续流动。

可以设置成，位于主体的端接表面与端表面之间的腹板具有最多等于尖端的原始高度的40%的厚度。在这里，表述“原始高度”应当理解为是指在输送状态下的高度，该高度在操作期间可以减小。在这种情况下，端接表面和端表面都是以闭合的表面的形式。在这里，意图将尖端的高度限定为尖端的从背离端接表面的一侧上的点（该点具有到端接表面的最大间距）与尖端的与端接表面直接物理接触的点（作为第一点在端接表面上的垂直投影）之间的间距。通常，所述原始高度（即在执行焊接过程之前的高度）在1.2 mm至5 mm之间。这种几何形状首先确保了足够的机械稳定性，其次确保了足够的散热。

可替选地或附加地，尖端可以具有在其背离主体的表面处的无边缘和/或无台阶的凸面。该凸面由于连续的表面轮廓，允许电弧的更均匀的形成。

主体可以具有在其外侧上的至少一个定心表面，借助于该定心表面，可以促进将主体安装到焊炬或割炬中。通常，优选地，以对应于内部空间中的不同内径的两个区域的方式，在外侧上还具有这种情况：第一外部区域被设置为该第一外部区域的外径小于第二外部区域的外径，因此该第二外部区域具有相对较大的外径。在所述第一外部区域和第二外部区域之间，可以设置外部过渡区域，在该外部过渡区域中，外径朝向第二外部区域增大。通常，定心表面形成为外部过渡区域的终止部。

优选地，内部过渡区域中的内径和外部过渡区域中的外径都以连续的方式变化，也就是说，没有突然的变化、台阶或边缘。

主体在其外侧可以具有凹部，通常将密封环插入该凹部中。密封环可以由弹性材料制成，特别地由塑料制成，优选地由聚四氟乙烯或金属制成。可替选地或附加地，密封环也可以由聚四氟乙烯或金属材料形成。通过具有密封环的凹部，可以在将其安装至焊炬或割炬内之后实现不透流体的密封。

尖端可以通过钎焊连接或焊接连接固定至连接表面，以便确保牢固的保持作用。

通常，焊炬或割炬具有包括所述特征的电极，该电极用作阳极。然而，不言而喻，该电极也可以用作焊炬或割炬中的阴极。同样地，焊炬或割炬也可以利用交流电来操作。

焊炬或割炬可以形成为钨极惰性气体焊炬或钨极惰性气体割炬。在本文的上下文中，惰性气体主要理解为氩气和氦气以及这两种气体的混合物。然而，此外，所述气体与诸如氧气、氢气和/或二氧化碳的活性气体的混合物也应当被理解为惰性气体。在这种情况下，通常，活性气体在惰性气体中的浓度按质量计小于5%。

在用于焊接、优选地用于钨极惰性气体焊接的方法中，具有所述特征的焊炬或割炬（即特别是具有上述特征的电极作为阳极并且工件作为阴极）通过将焊接电流施加至阳极和阴极，可以在电极的尖端和工件的机加工区域之间形成电弧。

在该方法中，除了通常在钨极惰性气体焊接中使用的保护气体之外，还可以将聚焦气体引导至工件的机加工区域上。为此目的，通常，焊炬或割炬具有两个不同的进气通道，其中，优选地，用于聚焦气体的进气通道布置在电极和用于保护气体的进气通道之间。

附图说明

在附图中示出了本发明的示例性的实施方式，并且下面将基于图1至图5进行讨论。

在附图中：

图1示出了电极的截面图；

图2示出了现有技术中已知的钨极惰性气体保护焊接方法的示意图；

图3示出了对应于图2的使用该电极的钨极惰性气体焊接方法的图示；

图4示出了对应于图1的具有几何修整后的端部表面的图示；

图5示出了对应于图1的具有突出至内部空间内的尖端的图示。

具体实施方式

图1以截面图示出了电极16。电极16具有由铜制成的主体1，该主体设计为在一侧开口的中空的主体，也就是说形成为中空的电极。诸如水的冷却介质可以通过开口4引入至主体1的内部空间7内。在所示的示例性实施方式中，开口4是圆形的并且具有7 mm的直径。然而，在其它示例性的实施方式中，也可以使用一些其它形状和/或一些其它直径的开口4。图1中给出的尺寸规格同样仅被视为示例，并且在其它示例性的实施方式中也明显可以具有不同的值。

由钨构成的尖端3被施加至沿主体1的纵向轴线与开口4位置相对的端接表面2或端表面，所述尖端通过钎焊连接固定至所述端接表面2。在图1中所示的示例性的实施方式中，端接表面2和尖端3的底表面以对齐的方式彼此叠置，端接表面2和尖端3的底表面中的每个都是圆形的，并且具有5 mm的直径。然而，在其它示例性的实施方式中，直径也可以高达9 mm。此外，端接表面2相对于主体1的周围外表面以90°的角度布置。也可以设置成，主体1和尖端3之间的过渡部设置成半径为5 mm。所述半径应当至少大于0.5mm。因此，端接表面2沿用于机加工的工件的方向定向，该端接表面也可以称为在弧侧。

在所示的示例性的实施方式中，尖端3具有3 mm至5 mm的原始高度。主体1的腹板11的厚度通常在0.5 mm至2 mm之间，该腹板在主体1的外侧上的端接表面2和端表面10之间延伸，该端表面10与端接表面2相对应并且平行于端接表面2延伸，端表面10在主体1的内侧上。

尖端3在其原始状态下（即在进行焊接过程之前或在输送状态下）具有通常无边缘的表面，该表面在其远离主体1的前端部处被平面化并且因此在所述区域中平行于端接表面2延伸。所述端部同样可以具有作为到尖端3的表面的其余部分的过渡的半径。在所示的示例性的实施方式中，该半径达到2 mm，但是应当大于0.5 mm。由于这种圆顶形的尖端3，或者具有类似曲率参数的自由形式的表面的尖端3，可以实现在时间上尽可能恒定的电弧特性。

在主体1的内部空间7中，设置内部空间7中的第一区域5、内部空间7的第二区域6和内部过渡区域8，第一区域5具有4-5 mm的内径，第二区域6具有7 mm的内径，也就是说，第二区域6的内径恰好对应于邻接第二区域6的开口4的直径，在内部过渡区域8中，内径从第一区域5开始以圆锥形逐渐增大至第二区域6的内径。在过渡区域8中，梯度达到5°至30°之间，优选地在10°至20°之间。通过该内径，实现了在电极尖端处的高流速，并且因此有助于散热，而在还布置有开口4的电极柄处，产生了较低的流速，较低的流速表现出较低的流阻和较低的压降。

类似地，主体1的外侧被划分成三个区域。在第一外部区域中，在所示的示例性实施方式中，外径对应于尖端3的直径，但是在第二区域中，外径对应于布置在围绕开口4的侧表面上的公制螺纹23的直径，该螺纹被设计有M 10 x 0.75的外径，并且根据DIN 13-21至DIN 13-23进行配置。另外，可以设置插入辅助件9，在该情况下，在主体1的背离尖端3的端部与螺纹23之间设置有1 mm至5 mm的长度的自由空间。

外径的扩大则在外部过渡区域中发生。在所述区域中的梯度可以达到在5°至30°之间，优选地在10°至20°之间。如图1中所示，在内部过渡区域和外部过渡区域中，内径和外径可以连续地变化，也就是说没有台阶地变化。螺纹23的外径通常比端接表面2的直径大至少15%。

此外，与主体1的外侧上的外部过渡区域邻接处设置有定心表面12，该定心表面12面向第二外部区域（也就是开口4），该定心表面同样用于电极16的简化的固定。因此，焊炬可以具有相对于电极保持件的定心表面12的对应的配对表面，该配对表面形成间隙配合H7g7或H7f7。沿开口4的方向与定心表面12邻接处，主体1在其外侧还配置有凹部13，由弹性塑料构成的密封环14插入该凹部13中。在所示的示例性的实施方式中，定心表面12与尖端3的端部之间的间隔达到19 mm。根据该实施方式，密封环14可以布置在定心表面12的左侧或右侧，也就是说，布置在定心表面12和开口4之间，或者布置在定心表面12和尖端3之间。

为了确保冷却介质在主体1的内部空间7中的最佳流动分布，端表面10设置有1 mm的拐角半径25，然而，在其它示例性的实施方式中，拐角半径25也可以在0.25 mm至2 mm之间，优选地在0.5 mm至1.5 mm之间。端表面10也可以形成为逐渐变细至点，并且两个分支的打开角度在150°至210°之间，其中，在图1所示的示例性的实施方式中，特别实现180°的打开角度。

为了有效的冷却，第一区域5的长度与所述区域中的内径之比可以在0.5至1.5之间。

上述电极16通常在焊炬中用作阳极。因此，可以进行钨极惰性气体焊接，并且因此在这种情况下焊炬是钨极惰性气体焊炬。在其它示例性的实施方式中，也可以使用配备有上面和下面描述的电极的割炬来代替焊炬。

为了将尖端3附接至主体1，通常可以使用钎焊方法或焊接方法将接合过程所需的温度限制到工件（即主体1）的直接接合区域，并且因此在电极16的其余部分中保持了加工硬化材料的特性（特别是相对较高的强度），这对于切削加工特别重要。因此，可能的方法是摩擦焊接（例如旋转摩擦焊接、惯性摩擦焊接、直接驱动摩擦焊接）、冲击焊接（例如电容器放电焊接）、超声焊接、爆炸焊接、扩散焊接和/或电阻焊接。作为钎焊方法，可以使用自生钎焊、感应焊接、保护气体焊接、真空焊接、激光焊接和/或红外焊接。可替选地或另外地，作为焊料，可以使用具有用于诸如锰或镍的硬金属的润湿促进剂的特殊含银硬焊料和/或具有用于降低热应力的铜添加剂的夹层焊料。

图2以示意性侧视图示出了现有技术中已知的传统的钨极惰性气体焊接方法。焊炬21具有形成电弧19的电极18，并且因此对工件15进行机加工。电极18用作阴极，并且保护气体20被传导至工件15的待机加工的表面上。在该附图和以下的附图中，重复的特征由相同的附图标记表示。

图3以对应于图2的视图示出了高性能的正极钨极惰性气体焊接方法。现在，焊炬17具有上述特征的电极16，该电极16居中地安装在焊炬17中，但是现在用作阳极。通过在电极16和工件15之间施加电焊接电流，电弧19形成在工件15的机加工区域上。除了通常作为惰性气体（例如氦气或氩气）的保护气体20外，聚焦气体22（例如具有100-1000 ppm氧气的惰性气体，优选具有300 ppm氧气的氩气）通过焊炬17引导到工件15的机加工区域上。

依次地，图4示出了对应于图1的图示的电极16的横截面，然而，其中端表面10不是平面的而是具有居中布置的凸起24。在所示的示例性的实施方式中，凸起24的高度小于凸起24的侧表面到内部空间7的围绕凸起24的壁之间的间距。凸起24以结合连接与主体1形成一体件，并且用于改善热量从尖端3到内部空间7的传递，使得所产生的热量也可以更容易地散布在内部空间7中。

因此，图5示出了示例性的实施方式，其中，端接表面2不是闭合的而是具有开口，尖端3插入该开口中。因此，主体是在两侧开口的中空的主体，其中该两个开口位置彼此相对。现在，尖端3同样具有锥形凸起24，该锥形凸起指向内部空间7，并且通过该锥形凸起24实现了改善的热传递。

仅在示例性的实施方式中公开的各种实施方式的特征可以彼此组合并且被分别要求保护。

Claims (16)

1.一种用于焊炬（17）或割炬的电极（16），所述电极（16）具有：

主体（1），以及

布置在所述主体（1）的端接表面（2）上的尖端（3），

其中，所述主体（1）形成为至少在一侧开口的中空的主体，

所述主体（1）具有在与所述尖端（3）相对的一侧上的开口（4），所述开口（4）用于将冷却介质引入至所述主体（1）的内部空间（7），以及

所述主体（1）具有在所述内部空间（7）中的至少两个区域（5，6）以及位于所述至少两个区域（5，6）之间的过渡区域（8），所述至少两个区域（5，6）具有两个互不相同的内径，所述过渡区域（8）具有朝所述尖端（3）的方向减小的内径，

其中，所述主体（1）配置有在围绕所述开口（4）的外表面上的螺纹（23），其中所述螺纹（23）的直径大于所述端接表面（2）的直径，并且

其中，所述螺纹（23）的直径比所述端接表面（2）的直径大至少15%。

2.根据权利要求1所述的电极（16），其特征在于，所述螺纹（23）的直径比所述端接表面（2）的直径大30%至70%。

3.根据权利要求2所述的电极（16），其特征在于，所述螺纹（23）的直径比所述端接表面（2）的直径大40%至60%。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电极（16），其特征在于，所述尖端（3）由与所述主体（1）的材料不同的材料形成。

5.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电极（16），其特征在于，所述主体（1）在所述内部空间（7）中具有与所述开口（4）相对的端表面（10），所述端表面（10）平行于所述端接表面（2）取向。

6.根据权利要求5所述的电极（16），其特征在于，所述端表面（10）为平面。

7.根据权利要求5所述的电极（16），其特征在于，所述主体（1）在所述内部空间（7）中具有在所述端表面（10）处的至少一个拐角半径（25），所述至少一个拐角半径（25）为至少0.5mm。

8.根据权利要求5所述的电极（16），其特征在于，位于所述主体（1）的所述端接表面（2）和所述端表面（10）之间的腹板（11）具有最多等于所述尖端（3）的原始高度的40%的厚度。

9.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电极（16），其特征在于，所述尖端（3）具有在其背离所述主体（1）的一侧的无边缘和/或无台阶的凸面。

10.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电极（16），其特征在于，所述主体（1）具有在其外侧上的至少一个定心表面（12）。

11.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电极（16），其特征在于，所述主体（1）具有在其外侧上的凹部（13），密封环（14）插入所述凹部中。

12.根据前述权利要求1至3中任一项所述的电极（16），其特征在于，所述尖端（3）通过钎焊连接或焊接连接固定至所述端接表面（2）。

13.一种具有用作阳极的根据权利要求1至12中任一项所述的电极的焊炬（17）或割炬。

14.根据权利要求13所述的焊炬（17）或割炬，其特征在于，所述焊炬（17）被设计为钨极惰性气体焊炬或钨极惰性气体割炬。

15.一种用于焊接的方法，其中，通过根据权利要求13和14中任一项所述的焊炬（17）或割炬，将根据权利要求1至12中任一项所述的电极（16）用作阳极并且工件（15）用作阴极，通过将电焊接电流施加至所述阳极和所述阴极，在所述电极（16）的尖端（3）和所述工件（15）的机加工区域之间形成电弧（19）。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，除了保护气体（20）之外，还将聚焦气体（22）通过所述焊炬（17）或所述割炬引导至所述工件（15）的机加工区域。

Images