CN86106357A

CN86106357A - 用于电弧切割金属的带芯管式电极和方法

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Publication number: CN86106357A
Application number: CN86106357.0A
Authority: CN
Inventors: 爱德华·R·加姆伯格
Original assignee: Eutectic Corp
Current assignee: Eutectic Corp
Priority date: 1985-09-25
Filing date: 1986-09-24
Publication date: 1987-05-13
Also published as: IT1195173B; GB2181329B; BR8604787A; AT391437B; SE8604003L; AU6263786A; NL8602314A; DE3632467A1; CA1254955A; CN1005694B; AR245900A1; GB8622937D0; JPS6281292A; ES2002764A6; IN168476B; SE8604003D0; BE905456A; FR2594369A1; GB2181329A; KR870002894A

Abstract

用于气体辅助切割或刨削金属工件的带芯管式金属弧电极。该电极包括一可锻金属管和一密实的芯，芯主要由颗粒性碳素材料和含有占芯总重量的大约0至20％的添加剂组成，选用的添加剂包括稳弧剂，助熔剂和造气剂。

Description

本发明涉及用于电弧切割或刨削金属的带芯管式电极和方法。

人们已知利用电弧热以相当高的速度对钢板等进行切割、刨削和倒棱。一种方法就是利用空气流吹除熔化金属，对金属进行碳弧切割。

在用空气碳弧切割时，电弧在碳-石墨电极和将欲熔化的金属工件之间产生。压缩空气气流被连续地送到熔化位置，以吹出熔化的金属。

随着碳弧在切割中的前进，利用空气碳弧方法可连续除去金属。这种方法用于割断和刨削、这种刨削往往用于加工焊接坡口和用于清理焊根或焊接区缺陷。

电极的工作端即电极头被电弧电流加热到高温而不熔化。电极在切割过程中消耗，碳由于电极头的氧化作用或升华作用而损失。空气碳弧切割需要电极夹、切割电极、电源和空气源。这种方法可用人工或机械实现。

连续加热和熔化金属工件或作用物，同时沿电极工作端的夹持面一侧输送高速的空气流，把熔化金属从切口强行吹除。在适当的操作条件下，空气流在电极头下面扫过。电弧长度应当具有使空气流连续进入切口的足够间隙。空气流最好与电极轴平行。这样，当空气流从电极和金属工件之间通过时，高速空气流的力大到足以有效地从电弧下面吹除熔化金属，并随着电极的消耗产生均匀的刨削作用。

用电极轻触工件，然后根据所需的电弧电压离开适当距离以引发电弧。刨削不同于电弧焊接，刨削是除去而不是熔敷金属。沿切割方向以能够跟上金属去除的速度移动电极，以保持适当的弧长。

传统的空气辅助碳弧刨削和切割方法有下列固有缺点：

（1）碳弧往往不稳定，而且常会产生难以忍受的噪声水平;

（2）在一定的条件下，会在坡口处出现碳质沉积，从而使工件的坡口部分产生不希望有的渗碳;

（3）碳极在使用过程中易于碎断;

（4）会产生烟尘，对工人和周围地区造成危害。

至于覆铜碳极，铜会熔敷并对其后的操作起不利作用。

需要提供一种金属电弧切割电极，它能形成稳定的电弧，它是自熔的，有助于获得清洁的切口，它可含有造蒸气剂、脱氧剂和造气剂等，它能在切割过程中产生热，以增加电弧提供的热量。

本发明的一个目的是提供一种用于切割和刨削金属的空气金属弧电极。

本发明的另一个目的是提供一种利用空气金属弧电极切割或刨削金属的方法。

参照以下说明和附图可以更清楚地了解本发明的这些和其它目的，附图中：

图1是卷绕状态的电极的一实施例的三维视图;

图2所示为一根棒形电极;

图3是取自图2中3-3线的剖面。

本发明的一个实施例是一种用于气体（例如空气）辅助切割和刨削金属工件的带芯管式金属弧电极，它包括金属管和芯，芯主要由密实的颗粒性碳素材料和含有约占芯总重量的0至20%的材料（添加剂）组成，选用的添加剂包括稳弧剂、助熔剂和造气剂。选用的颗粒性碳素材料可包括石墨、碳、无烟煤、烟煤和褐煤。碳素材料的优点是它至少含有重量约占75%的碳。天然石墨特别优越，它至少含有约85%的碳。

芯可占电极总重量的大约3%至20%，例如大约5%至15%或大约5%至10%。

本发明的另一实施例是一种用于电弧切割或刨削金属工件的方法，该方法包括提供至少一根加工成金属管和芯的带芯管式金属弧电极，芯主要由碳素材料和含有占芯总重量的大约0至20%的颗粒性材料组成，选用的这种颗粒性材料包括稳弧剂、助熔剂和造气剂。

这种方法包括在电极端部和欲进行切割或刨削的金属工件之间形成电弧，向切割或刨削区供给加压气（例如空气）流，和在连续向切割或刨削区供给加压气流的同时连续切割或刨削。

带芯管式金属电极的特征是：与传统的气助碳极相比，明显地改进了气助刨削和切割性能。

这种电极丝能精确地控制使用直流电源的电弧，电极最好接电源正极并在恒定电压下工作。电弧产生的热量使母材和电极局部熔化，形成一个金属熔池，熔化金属立即被空气流吹除，气流适当地集中到切割或刨削区。

采用本发明的新颖的电极丝，能在操作者预期的部位获得一致的和可复现的光洁的刨削槽。这种电极丝能以非常快的移动速度进行非常高精度的作业。本发明的一个优点是，经过采用本发明的加工，后序作业-例如焊接、油漆、金属喷除等-所需要的二次刨削加工极少。

这种电极丝优于碳极的另一点是：如果需要，它可传导非常大的电流。为适用于同样范围的工作电流值，碳极的直径至少需要是本发明的电极丝的三倍或三倍以上。

本发明的电极丝能用于精密的刨削和切割，例如拆铆钉、清除点焊、在薄板上切割把手或开口板、清除角和槽焊缝、切割板材、清理附件、清除堆焊和硬质表面、清除裂纹和缺陷，以及其它用途。

本发明的连续式电极特别有用，由于使用了金属（例如软钢）管与脆性的碳极相比，本发明的连续式电极能以最少的停机时间连续切割或刨削金属。此外，通过选用稳弧剂、助熔剂、造气剂等，能够使稳定的电弧保持到连续式电极用完或在切割或刨削完成以后电弧中断为止。

图1所示为连续式电极的一实施例，其中绘有用于半自动或全自动方法的绕成卷10的管式金属弧电极12。这种电极的外径约为-例如-0.025至3/8吋，或最好为大约1/16至1/8吋，其壁厚将随外径而变化。带芯管的一个实施例的外径约为0.05吋，壁厚约为0.008至0.015吋或0.01至0.02吋。

电极的管13可用软钢-例如1030钢-制成。虽然可以采用其它锻钢，但优先选用低碳钢。

电极12可这样制作：使厚约0.012吋、宽约0.475吋的1030带钢通过连续成形辊，加工成U形槽。把芯材料14送入槽内，然后，成形机逐渐把带钢合拢成圆管。之后，把带有芯材料的管12拉细，在拉延过程中，管子尺寸的减小使芯材料固结或致密。图3是成品管的横截面。

图2表示预定长度的带芯管式电极，它包括管12A，管12A除以棒或条形供手工使用以外，与图1的连续管式电极12相同，管子的开口端在15处压紧或收拢。

如上所述，芯中可包括至少一种添加剂，选用的这种添加剂包括稳弧剂、助熔剂和造气剂。

稳弧剂包括碱金属和碱土金属成份，这些成分包括硅酸盐、氧化物、碳酸盐等，碳酸盐的优点在于它可作造气剂。

助熔剂包括氧化铁、铁碳酸盐、TiO₂、CaCO₃、ZrO₂以及碱金属和碱土金属氟化物和硅酸盐。

造气剂可包括铁碳酸盐、有机物（例如纤维素）、水合矿物（膨润土、漂白土、云母等），以及其它物质。这些物质在电弧中产生气体，例如CO₂和蒸汽，有助于从刨削区吹除熔化金属。造蒸气剂也可用作添加剂，例如ZnO，低熔氟化物等。

电极的管最好由可锻软钢（例如1008、1010、1020、1030、1040、1060、1080钢，也称作碳钢）制成。优先选用低碳钢。电极的管也可用能加工成带形、能形成具有足够机械强度的管式电极并能用传统的送丝装置操纵的其它可锻金属制成。

用直径为1/16吋的本发明的带芯电极丝进行试验的结果表明显著地改进了作为输入电流的函数的金属清除速度。一般说来，能够供给电极的电流值是有限的，尤其是碳极，碳极往往会过热。在气助刨削中（例如空气辅助刨削），利用本发明的管式电极，可显著地增大电流值，从而显著地改进了金属的清除。而用气助碳极却未必能作到这一点。

在厚钢板上用摆动和不摆动方法在很宽的参数范围内进行了刨削试验。管式电极丝的直径为7/64吋。在不摆动方法中，刨削是沿直线方向进行的，刨槽比较窄;而在横向摆动方法中，刨削随着左右摆动向前进行，从而形成较宽的刨槽。

本发明的带芯管式电极所显示的优点如下：

（1）形成了光亮的刨槽;

（2）金属刨削与电极消耗之比明显超过1比1，例如2比1或3比1;

（3）方便一致地加工出了理想形状的刨槽;

（4）本发明的管式电极能加工深刨槽;

（5）便于清除任何残渣毛刺。

当送丝速度为每分钟50至150吋（ipm）时，每消耗单位重量的带芯电极丝能够清除更多的金属。

对直径为1/16吋的由1008钢制成并含有天然石墨形式的密实的碳的带芯电极进行了试验。石墨为含有大约94%碳的狄克松（Dixon）1104号，颗粒性石墨的粒径为100%通过20目（美国标准），大约50%大于50目筛孔，管式电极中的石墨约占电极总重量的8%，钢管占带芯电极总重量的92%。

直径为1/16吋的带芯电极丝能够在相当大的送丝速度范围内工作。

在用直径为1/16吋的带芯电极丝切割16号钢板（0.062吋）时，发现在电压约为16至20伏特时，送丝速度为每分钟50吋/分（ipm）即已足够，尽管送丝速度从50吋/分变化到80吋/分。这些试验如下：

用本发明的直径1/16吋

带芯管式电极切割16号钢

试验号送丝速度安培（近似值）伏特空气压力总评

（吋/分）（磅/吋²）

1 50 100 15 60 电压低，

能切割

2 50 100 16 60 合格

3 50 100 17 60 合格

4 50 100 16.5 60 合格

5 50 100 15.5 60 电压低

6 50 100 16 60 合格

7 50 100 16.2 60 好

8 50 100 16.2 60 好

9 50 100 16.2 60 好

10 60 100 16.2 60 好

11 70 100 16.2 60 好

12 70 100 17 60 很好

13 70 100 17.5 60 很好

14 80 135 18 80 很好

15 80 135 19 80 很好

16 80 135 20 80 很好

17 80 135 21 80 很好

18 80 135 22 80 很好

19 50 100 15 80 电压太低

20 50 100 16 80 合格

21 50 100 17 80 很好

22 50 100 18 80 很好

23 50 100 18 80 枪角度小

不太有效

24 50 100 18 80 枪角垂直

使边缘干净

25 50 100 19 80 很好

26 50 100 20 80 高电压切割

有效但对切

口质量不利

27 50 100 21 80 ″

28 50 100 21 80 ″

29 50 100 22 80 ″

30 50 100 23 80 ″

31 50 100 24 80 ″

32 50 100 25 80 ″

33 50 100 16 80 切口光滑、窄

34 50 100 25 80☆☆ 较高电压不

能使移动速

度增大

35 50 100 25 80☆☆ ″

☆☆在不同电压下的切割并不总是影响手工移动电弧的切割速度。

当枪的角度为90度时，采用的移动速度约为14至25吋/分。电弧时间一般在14至21秒之间变化。在一定的情况下，切口长度约为3.8吋至4.8吋。切口的下面呈现有一些残渣附着物。但是这些残渣可以清除。电极与切割工件距离比较近时，则切口侧边大致平行，而且残渣最少。

注意到在电压16伏特、电流100安培时形成带有喷射过渡式稳定嗡嗡声的细小的电弧。90°的切割角对于切割干净笔直的边缘最为有效。手工移动电弧的典型切割速度为15至30吋/分，热输入约为3至12KJ/in（每吋切口千焦耳）。

最佳切割参数归纳如下：

17伏特

50吋/分（送丝速度）

100安培

60至100磅/吋²空气压力

20吋/分移动速度（可手动增加到36吋/分）

5千焦/吋热输入

每小时露出75吋²（设负载持续率100%）

每小时消耗2磅电极丝（设负载持续率100%）

在平均切口宽度为1/8吋时，每小时清除约10吋³（设负载持续率100%）

每小时清除金属约3磅（设负载持续率100%）

金属与所用电极丝之比1.5∶1

负载持续率100%这个参数指全部利用切割操作过程从开始到结束的时间。虽然切割操作在电压约为16至25伏特范围内是有效的，但是较低的电压往往能形成更好质量的切口。

在实际验证中，本发明的带芯管式电极成功地用于切割典型的汽车门，例如清除点焊、零件等，使用时的电压约为17至20伏特，送丝速度为50吋/分，供给的空气压力为60磅/吋²表压。获得了干净狭窄的切口，板基本上设有变形，油漆也没有哪怕是很小的损坏。

本发明的带芯钢电极丝优于覆铜碳极之处在于：可获得更高的刨削和切割速度;可容许并实际应用大范围的工作参数。

如前所述，管式电极的套管最好用碳钢或其它黑色金属制成，但也可以采用能加工成具有足够的机械强度的管式电极，并能易于由传统的送丝装置操纵的其它型号的可锻金属。

本发明的带芯电极可用于切割或刨削多种金属，例如黑色金属（钢、铸铁、铁类合金等）、铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、镍基合金以及钴基合金。

在切割或刨削金属时，把气体（例如压缩空气）送到切割区域，以吹除熔化金属。空气可在表压大约10至150磅/吋²压力下沿电极的长度方向即围绕电极以套的形式吹出，即多股气流皆绕电极同心排列，或以分开的气流吹出。气流的焦点不必相同，只要气流的流动方式适当即可。

虽然结合优选实施例描述了本发明，但是应当指出，那些熟悉本领域技术的人可能会很容易地懂得如何在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，利用本发明的改型和变更。这种改型和变更属于本发明和从属权利要求的权限和范围之内。

Claims

1、一种用于气体辅助切割和刨削金属工件的带芯管式金属弧电极，包括一可锻金属管和一密实的芯，芯主要由颗粒性碳素材料和含有约占芯总重量的0至20%的添加剂组成，选用的添加剂包括稳弧剂、助熔剂和造气剂。

2、权利要求1的带芯电极，其中芯约占电极总重量的3%至20%。

3、权利要求2的带芯电极，其中芯的碳素材料至少含碳大约75%。

4、权利要求1的带芯电极，其中选用的所述碳素材料包括石墨、碳、无烟煤、烟煤和褐煤。

5、权利要求4的带芯电极，其中碳素材料是天然石墨并至少含碳大约85%。

6、权利要求2的带芯电极，其中芯占电极总重量的大约5%至10%。

7、权利要求5的带芯电极，其中可锻金属管是碳钢。

8、权利要求1的带芯电极，其中可锻管式电极的外径约为0.025至3/8吋，壁厚约为0.005至0.05吋。

9、权利要求8的带芯电极，其中可锻管式电极的外径约为1/16至1/8吋，壁厚约为0.008至0.015吋。

10、一种用于电弧切割或刨削金属工件的方法，包括：

提供至少一根加工成一金属管和一密实芯的带芯管式金属弧电极，芯主要由颗粒性碳素材料和含有约占芯总重量的0至20%的添加剂组成，选用的所述添加剂包括稳弧剂、助熔剂，脱氧剂和造气剂。

向切割或刨削区供给加压气流，

在连续向切割或刨削区供给加压气流的同时连续切割或刨削。

11、权利要求10的方法，其中气流是沿电极的长度方向加压送至切割和刨削区域的。

12、权利要求10的方法，其中芯占电极总重量的大约3%至20%。

13、权利要求12的方法，其中芯占电极总重量的大约5%至10%。

14、权利要求10的方法，其中芯的碳素材料含碳至少约为75%。

15、权利要求10的方法，其中选用的碳素材料包括石墨、碳、无烟煤、烟煤和褐煤。

16、权利要求10的方法，其中可锻金属管是碳钢。

17、权利要求10的方法，其中可锻管式电极的外径约为0.025至3/8吋，壁厚约为0.005至0.05吋。

18、权利要求17的方法，其中可锻管式电极的外径约为1/16至1/8吋，壁厚约为0.008至0.015吋。

19、权利要求16的方法，其中气体是在表压约为10至150磅/吋²的喷嘴压力下沿电极的长度方向送出的。

20、权利要求19的方法，其中气体围绕所述电极以环形套的形式吹出。

21、权利要求15的方法，其中碳素材料是含碳至少约为85%的石墨。