ES2382730T3

ES2382730T3 - Electrodo con separador soldado y método para fabricar el mismo

Info

Publication number: ES2382730T3
Application number: ES01308236T
Authority: ES
Inventors: Ding Quian; Tommie Zack Turner; Rue Allen Lynch; Larry Wade Stokes
Original assignee: ESAB Group Inc
Current assignee: ESAB Group Inc
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: ATE547925T1; US6452130B1

Abstract

Un método para fabricar un electrodo (14) adaptado para soportar un arco en una antorcha de plasma (10) que comprende los siguientes pasos: formar una cavidad frontal (24, 25) en una cara frontal generalmente plana (20) de un soporte metálico (16), extendiéndose la cavidad frontal a lo largo de un eje generalmente normal a la cara frontal; fijar firmemente un elemento emisivo (28) a la cavidad frontal (24, 25) del soporte metálico (16); situar un separador relativamente no emisivo (32) en la cavidad frontal del soporte metálico (16) de manera que el separador esté interpuesto coaxialmente entre y separando una parte del soporte metálico (16) del elemento emisivo en la cara frontal del soporte; y formar una cavidad trasera (22) en el soporte metálico de manera que una parte del separador (32) esté expuesta a la cavidad (22).

Description

Electrodo con separador soldado y método para fabricar el mismo Descripción

CAMPO DE LA INVENCIÓN [0001] La presente invención hace referencia a antorchas de arco de plasma y, más específicamente, a un electrodo para soportar un arco eléctrico en una antorcha de arco de plasma. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN [0002] Las antorchas de arco de plasma se utilizan comúnmente para el trabajo de los metales, incluyendo el corte, soldadura, tratamiento superficial, fusión y temple. Tales antorchas incluyen un electrodo que soporta un arco que se extiende desde el electrodo hasta la pieza de trabajo en el modo de operación de arco transferido. También es convencional rodear el arco con un flujo turbulento de gas, y en algunos diseños de la antorcha también es convencional envolver el gas y el arco con un chorro turbulento de agua. [0003] El electrodo que se utiliza en las antorchas convencionales del tipo descrito típicamente comprende un miembro tubular alargado compuesto de un material da alta conductividad térmica, como el cobre o la aleación de cobre. El extremo delantero o de descarga del electrodo tubular incluye una pared en el extremo inferior que tiene un elemento emisivo integrado en la misma que soporta el arco. El elemento está compuesto de un material que tiene una función de trabajo relativamente baja, que se define en la técnica como salto de potencial, medido en electrón-voltios (ev), que permite una emisión termoiónica desde la superficie de un metal a una temperatura dada. En vista de su función de trabajo baja, el elemento es capaz de emitir fácilmente electrones cuando se aplica un potencial eléctrico al mismo. Los materiales emisivos utilizados comúnmente incluyen hafnio, zirconio, tungsteno y sus aleaciones. El elemento emisivo está rodeado típicamente por un separador relativamente no emisivo, que actúa para evitar que el arco migre del elemento emisivo al soporte de cobre. [0004] Un problema asociado con las antorchas del tipo arriba descrito es la corta vida útil del electrodo, especialmente cuando la antorcha se utiliza con gas oxidante, como oxígeno o aire. Más en particular, el gas tiende a oxidar rápidamente el cobre del electrodo que rodea el elemento emisivo, y a medida que se oxida el cobre, su función de trabajo disminuye. Como resultado, se alcanza un punto en el que el cobre oxidado que rodea el elemento emisivo comienza a soportar el arco, en lugar del elemento. Cuando esto pasa, el óxido de cobre y el cobre de soporte se funden, lo que resulta en una destrucción y fallo tempranos del electrodo.

[0005] El cesionario de la presente solicitud ha desarrollado previamente un electrodo con una vida útil mejorada, como se describe en la patente estadounidense nº 5.023.425, y un método para fabricar tal electrodo, como se describe en la patente estadounidense nº 5.097.111. La patente ‘425 revela un electrodo que comprende un soporte tubular metálico que soporta un elemento emisivo en el extremo delantero del mismo, y tiene un separador o manguito relativamente no emisivo rodeando el elemento emisivo e interpuesto entre el elemento emisivo y el soporte metálico. El manguito separa así el elemento emisivo del soporte. La patente ‘425 describe el manguito como preferiblemente compuesto de plata, la cual tiene una alta resistencia a la formación de un óxido. La plata y cualquier óxido de la misma que se forme presentan una emisión pobre, y de ese modo, el arco continuará emitiendo desde el elemento emisivo en lugar de desde el manguito o el soporte metálico. De esta forma se alarga la vida útil de manera significativa. [0006] La patente ‘111 revela un método para fabricar un electrodo que incluye la fase de formar una sola cavidad en la cara frontal de una placa cilíndrica de cobre o una aleación de cobre, incluyendo la cavidad un extremo exterior anular para recibir un miembro no emisivo. En particular, se forma una placa de metal de un material relativamente no emisivo, preferentemente plata, para que encaje sustancialmente en la cavidad. La placa no emisiva se une entonces de modo metalúrgico a la cavidad insertando primero un disco de material de soldadura de plata en la cavidad, y después insertando la placa no emisiva. A continuación, se calienta el ensamblaje a una temperatura suficiente para fundir el material de soldadura, y durante el proceso de calentamiento, la placa no emisiva es presionada contra la cavidad, lo que provoca que el material de soldadura fluya hacia arriba y cubra la totalidad de la superficie de contacto entre la placa no emisiva y la cavidad. Después se enfría el ensamblaje, dando como resultado la unión metalúrgica del elemento a la placa no emisiva gracias al material de soldadura. A continuación, la placa no emisiva es perforada axialmente y se encaja a presión un elemento emisivo cilíndrico en la apertura resultante. Para completar la fabricación del electrodo, la cara frontal del ensamblaje se mecaniza para proporcionar una superficie exterior lisa, que incluye una cara del extremo exterior circular del elemento emisivo, un anillo anular circundante de la placa no emisiva, y un anillo exterior del metal del soporte. [0007] Además, las antorchas descritas en las patentes ‘425 y ‘111 definen una cavidad trasera que se extiende hacia delante hasta el extremo frontal del soporte, de manera que el elemento emisivo, el separador no emisivo, y una parte del soporte metálico formen un poste cilíndrico que se extiende hasta la cavidad trasera. Un medio de refrigeración, como el agua, circula en la cavidad trasera y por el poste cilíndrico de manera que se transfiera el calor desde el arco hasta el agua de refrigeración y fuera de la antorcha. Más específicamente, el calor se transfiere desde el arco a través del elemento emisivo, el separador no emisivo, el soporte de cobre, y cualquiera de las capas de material de soldadura entre ellos hasta el agua de refrigeración. A pesar de que este diseño permite una mayor transferencia de calor en comparación con los diseños sin cavidad trasera, deben cruzarse varios materiales y superficies de contacto de materiales, lo que hace disminuir su eficacia. [0008] Un diseño particular define una cavidad trasera en la que el poste cilíndrico no incluye ninguna parte del soporte de cobre de manera que el separador de plata queda expuesto directamente a la cavidad trasera y al agua de refrigeración que circula por la misma. Por ejemplo, la figura 10 mostrada en ambas patentes, la ‘425 y la ‘111, revela una antorcha de arco de plasma en la que el soporte 16b tiene un orificio en la pared inferior, y la pieza no emisiva insertada 32b se extiende a través del orificio y queda expuesto de manera que contacta directamente con el agua de refrigeración en la cavidad trasera del soporte. Este diseño resulta ventajoso por dos motivos: primero, la plata tiene una conductividad térmica mayor que el cobre, lo que aumenta la transferencia de calor entre el arco y el agua de refrigeración; segundo, la superficie de contacto entre el separador de plata y el soporte de cobre se elimina, lo que mejora aún más la transferencia de calor. Sin embargo, la antorcha mostrada en la figura 10 de las patentes ‘425 y ‘111 no se forman fácilmente ya que, además de formar una cavidad trasera en el soporte, la pared inferior del soporte es perforada y el separador no emisivo se inserta a presión en el orificio. [0009] Así, mientras que el electrodo descrito en la patente ‘425 y el método de fabricar un electrodo descrito en la patente ‘111 proporcionan progresos notables en la técnica, son deseables más mejoras. Específicamente, un método descrito por las patentes ‘425 y ‘111 prevé taladrar o perforar una parte de la placa no emisiva, que es normalmente plata, a lo largo de un eje central de manera que el elemento o pieza emisiva pueda introducirse mediante presión en la misma. A pesar de que proporciona un contacto de encaje ajustado entre el elemento emisivo y el separador no emisivo, este método tiene como resultado, de forma poco ventajosa, una pérdida de plata perforada del separador para acomodar el elemento emisivo. [0010] Otro método utilizado en la formación de antorchas convencionales prevé fijar el elemento emisivo en la placa no emisiva o separador mediante soldadura. Según este método, la temperatura del material de soldadura de aleación de plata debe ser superior a su punto de fusión, y de ese modo la temperatura del separador de plata o la aleación de plata se aumenta hasta casi su punto de fusión, lo que puede ablandar el material del separador. Sin embargo, si se probara este enfoque con relación al modo de realización de la figura 10 de la patente ‘425 o la patente ‘111, el separador de plata ablandado podría ser incapaz de retener radialmente y de forma adecuada el elemento emisivo cuando estuviera insertado en el separador de plata, lo que podría dar como resultado que el elemento emisivo se descentrara en relación con el eje longitudinal central del electrodo. RESUMEN DE LA INVENCIÓN [0011] La presente invención se desarrolló para mejorar los electrodos convencionales y los métodos de fabricación de electrodos, y más específicamente los electrodos y métodos de fabricación de electrodos revelados en las patentes ‘425 y ‘111 a las que se hace referencia arriba. Se ha descubierto que las dificultades de los electrodos descritas arriba, concretamente la pérdida de plata del separador relativamente no emisivo y la situación del elemento emisivo a lo largo del eje longitudinal central del electrodo, puede superarse situando el elemento emisivo en una soporte metálico antes de que se instale el separador.

[0012] La presente invención proporciona un método de fabricación de un electrodo adaptado para el soporte de un arco en una antorcha de plasma, que comprende los siguientes pasos:

formar una cavidad frontal en una cara frontal generalmente plana de un soporte metálico, extendiéndose la cavidad frontal a lo largo de un eje generalmente normal a la cara frontal; sujetar de manera fija un elemento emisivo a la cavidad frontal del soporte metálico; situar un separador relativamente no emisivo en la cavidad frontal del soporte metálico de manera que el separador se interponga coaxialmente entre, y separe, una parte del soporte metálico del elemento emisivo en la cara frontal del soporte; y formar una cavidad trasera en el soporte metálico de manera que una parte del separador quede expuesta a la cavidad.

[0013] La presente invención proporciona un electrodo adaptado para soportar un arco

eléctrico en una antorcha de arco de plasma, que comprende: un soporte metálico que tiene un extremo frontal y un extremo trasero, definiendo el extremo frontal una cavidad frontal y el extremo trasero definiendo una cavidad trasera; un separador relativamente no emisivo situado en la cavidad frontal, teniendo el separador una pared periférica exterior; y un elemento emisivo también situado en la cavidad frontal coaxialmente con el separador, teniendo el elemento emisivo una pared periférica exterior que solo

está en contacto parcialmente con el separador, en el que una parte de la

pared periférica exterior del separador está expuesta a la cavidad trasera. [0014] La presente invención proporciona una antorcha de arco de plasma, que comprende:

un electrodo que incluye:

un soporte metálico que tiene un extremo frontal y un extremo trasero,

definiendo el extremo frontal una cavidad frontal y el extremo trasero una

cavidad trasera; un separador relativamente no emisivo situado en la cavidad

frontal, teniendo el separador una pared periférica exterior; y

un elemento emisivo también situado en la cavidad frontal coaxialmente con el

separador, teniendo el elemento emisivo una pared periférica exterior que sólo

están en contacto de manera parcial con el separador;

una boquilla montada adyacente al extremo frontal del soporte y que tiene un

canal de flujo por el mismo que está alineado con el eje longitudinal;

un suministro eléctrico para crear un arco que se extiende desde el elemento

emisivo del electrodo a través del canal de flujo de la boquilla y hasta la pieza

de trabajo colocada adyacente a la boquilla; y

un suministro de gas para crear un flujo de un gas entre el electrodo y la

boquilla y para crear un flujo de plasma hacia fuera a través del canal de flujo

de la boquilla y hasta la pieza de trabajo. [0015] En un modo de realización ventajoso, la presente invención proporciona un electrodo y un método de fabricación de un electrodo que tenga un elemento emisivo y un separador generalmente no emisivo dispuesto en una cavidad frontal definida por el soporte metálico, por medio del cual se coloque un material de soldadura entre los mismos de manera que la posición del elemento emisivo a lo largo del eje longitudinal central no se vea afectada por el proceso de soldadura. La presente invención proporciona un electrodo y un método de fabricación de un electrodo en el que el soporte metálico también define una cavidad trasera que adopta el tamaño necesario para que una parte del separador esté expuesta a la cavidad trasera, lo que mejora así la transferencia de calor entre un arco y un fluido de refrigeración que circulan en la cavidad trasera. [0016] Más concretamente, según un modo de realización preferido de la invención, un electrodo para soportar un arco en una antorcha de arco de plasma comprende un soporte metálico que tiene un extremo frontal y extremo trasero, definiendo el extremo frontal una cavidad central. Un separador generalmente no emisivo se sitúa en la cavidad frontal e incluye una pared periférica interior. Se coloca también un elemento emisivo en la cavidad frontal e incluye una pared periférica exterior que está rodeada sólo parcialmente por la pared periférica interior del separador. Según un modo de realización, parte del material de soldadura está dispuesto entre el elemento emisivo y el separador, y también entre el separador y el soporte metálico. La capa de soldadura tiene una temperatura de fusión no superior a la temperatura de fusión del separador. Así, el separador y el elemento emisivo se unen metalúrgicamente de manera que el separador separa completamente el elemento emisivo del contacto con la superficie exterior del soporte metálico. [0017] El separador que rodea el elemento emisivo está compuesto preferentemente de un material metálico, como la plata, que tiene una alta resistencia a la formación de óxido. Esto sirve para aumentar la vida útil del electrodo, ya que la plata y cualquier óxido que se forme son emisores muy pobres. Como resultado, el arco continúa emitiendo desde el elemento emisivo, en lugar de desde el soporte metálico o el separador, lo que aumenta la vida útil del electrodo. [0018] En un modo de realización, el extremo trasero del soporte metálico define una cavidad trasera que se extiende hacia el extremo frontal del soporte para exponer el separador. La cavidad trasera puede formarse mediante trepanado u otro tipo de mecanizado, y el separador expuesto proporciona un medio mejorado para la transferencia de calor del arco a la cavidad, especialmente si un medio de enfriamiento, como el agua, se hace circular en la cavidad mientras la antorcha está en funcionamiento. [0019] La presente invención también incluye un método para fabricar el electrodo arriba descrito que comprende los pasos de formar una cavidad frontal en una cara frontal generalmente plana de una placa metálica y sujetar de forma fija un elemento emisivo en la cavidad frontal. Después, se sitúa un separador relativamente no emisivo en la cavidad frontal del soporte metálico de manera que el separador se interpone entre, y separa, el soporte metálico y el elemento emisivo en la cara frontal del soporte. En un modo de realización, el separador tiene una forma tubular y tal tamaño que el separador y el elemento emisivo tienen un contacto de encaje ajustado. Además, el elemento emisivo y el separador pueden soldarse utilizando un material de soldadura, como la plata. [0020] Preferentemente, la cara frontal del soporte metálico es después acabada para formar una superficie sustancialmente plana que incluye el soporte metálico, el elemento emisivo, y el separador. En un modo de realización, se forma una cavidad trasera en la cara trasera del soporte metálico de manera que el separador está expuesto a la cavidad. A este respecto, el soporte metálico es trepanado o mecanizado para eliminar una parte del soporte para exponer así el separador, lo que mejora la transferencia de calor del arco a la cavidad. Se puede hacer circular agua u otro medio de refrigeración dentro de la cavidad para conducir y eliminar en mayor medida el calor del electrodo. [0021] De ese modo, el electrodo de la presente invención proporciona un electrodo y un método para fabricar un electrodo con propiedades de transferencia de calor mejoradas sobre las antorchas de arco de plasma convencionales. Al situar el elemento emisivo en el soporte metálico antes de que el separador sea instalado, la posición del elemento emisivo no se ve afectada por el posterior proceso de soldadura. Además, al exponer el separador de plata mediante trepanado o mecanizado de la cavidad trasera, el extremo frontal del soporte no tiene que ser perforado y el separador de plata encajado a presión en el mismo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS [0022] Tras describir la invención en términos generales, se hará referencia ahora a los dibujos adjuntos, que no se encuentran realizados a escala necesariamente, en los que:

La figura 1 es una vista en alzado lateral y seccionada de una antorcha de arco

de plasma que presenta las características de la presente invención;

la figura 2 es una vista en perspectiva ampliada de un electrodo según la

presente invención;

la figura 3 es una vista lateral en sección ampliada de un electrodo según la

presente invención;

las figuras 4-8 son vistas esquemáticas que ilustran los pasos de un modo

preferido de fabricación de un electrodo según la invención;

la figura 9 es una vista en alzado de un extremo del electrodo acabado; y

la figura 10 es una vista lateral en sección ampliada de un electrodo según un

modo de realización alternativo de un electrodo según la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN [0023] La presente invención se describirá ahora más en detalle con relación a los dibujos adjuntos, en los que se muestran modos de realización preferidos de la invención. Sin embargo, esta invención puede ser puesta en práctica de muchas formas diferentes y no debería interpretarse como limitada a los modos de realización aquí expuestos; más bien, estos modos de realización se proporcionan para que la descripción sea exhaustiva y completa, y se pueda transmitir completamente el ámbito de la invención a aquellos expertos en la técnica. Los números iguales se refieren a los mismos elementos a lo largo del texto. [0024] En relación con la figura 1, se muestra una antorcha de arco de plasma 10 que incorpora las características de la presente invención. La antorcha 10 incluye una boquilla 12 y un electrodo tubular 14. Preferentemente, el electrodo 14 se realiza de cobre o una aleación de cobre, y se compone de un miembro tubular superior 15 y un miembro o soporte con forma de taza inferior 16. El miembro tubular superior 15 tiene una construcción tubular abierta alargada y define el eje longitudinal de la antorcha 10. El miembro tubular superior 15 incluye un extremo inferior enroscado internamente 17. El soporte 16 también es una construcción tubular, e incluye un extremo frontal inferior y un extremo trasero superior. Una pared del extremo transversal 18 cierra el extremo frontal del soporte 16, y la pared de extremo transversal 18 define una cara frontal exterior 20 (figura 2). El extremo trasero del soporte 16 se enrosca externamente y se une mediante rosca al extremo inferior 17 del miembro tubular superior 15. [0025] En relación con las figuras 2 y 3, el soporte 16 es abierto en el extremo trasero 19 del mismo de manera que el soporte tiene una configuración en forma de taza y define una cavidad interna 22. La cavidad interna 22 tiene una superficie 31 que incluye un poste cilíndrico 23 que se extiende hasta la cavidad interna a lo largo del eje longitudinal. De manera ventajosa, el poste cilíndrico 23 se forma para tener propiedades de transferencia de calor mejoradas en comparación con los diseños tradicionales, como se describe a continuación. Dos cavidades coaxiales 24, 25 se forman en la cara frontal 20 de la pared del extremo 18 y se extienden hacia la parte trasera a lo largo del eje longitudinal y hasta una parte del soporte 16. Las cavidades 24, 25 son generalmente cilíndricas, en las que la primera cavidad 24 tiene un diámetro menor que la segunda cavidad 25. Las cavidades 24, 25 incluyen superficies laterales internas 27a, 27b, respectivamente. [0026] Una pieza o elemento emisivo 28 se monta en la cavidad pequeña 24 y se dispone coaxialmente a lo largo del eje longitudinal. El elemento emisivo 28 tiene una cara del extremo exterior circular 29 que se encuentra en el plano de la cara frontal 20 del soporte 16. El elemento emisivo 28 también incluye una cara del extremo interior generalmente circular 30 que está dispuesta en la cavidad pequeña 24 y se encuentra frente a la cara de extremo exterior 29. Sin embargo, la cara del extremo interior 30 puede tener otras formas, como acabada en punta, poligonal, o esférica, para ayudar a fijar el elemento emisivo a la cavidad pequeña 24, como se discute a continuación. El elemento emisivo 28 está compuesto por un material metálico que tiene una función de trabajo relativamente baja, en un margen de aproximadamente 2,7 a 4,2 ev, de manera que se adapta para emitir fácilmente electrones cuando se le aplica una potencia eléctrica. Los ejemplos adecuados de tales materiales son hafnio, zirconio, tungsteno, y aleaciones de los mismos. Según un modo de realización, el elemento emisivo 28 se fija a la cavidad pequeña 24 mediante ajuste con apriete, aunque también se pueden utilizar otros medios de sujeción, como la presión o el prensado. [0027] Un separador relativamente no emisivo 32 se sitúa en la cavidad grande 25 coaxialmente sobre el elemento emisivo 28. El separador 32 tiene una pared periférica 33 (figuras 4-5) que se extiende por la longitud del elemento emisivo 28. La pared periférica 33 se ilustra con un diámetro exterior sustancialmente constante a lo largo de la longitud del separador, aunque se apreciará que otras configuraciones geométricas serían coherentes con el ámbito de la invención, como la forma frustocónica. [0028] El separador 32 también incluye una cara del extremo exterior 36 que generalmente queda enrasada con la cara del extremo exterior circular 29 del elemento emisivo 28, y también queda enrasada generalmente con la cara frontal 20 del soporte 16. El separador 32 tiene un grosor radial preferentemente de al menos unos 0,25 mm (0,01 pulgada) en la cara del extremo exterior 36 y a lo largo de su longitud, y preferentemente el diámetro de la pieza emisiva 28 es de aproximadamente un 30-80 por ciento del diámetro exterior de la cara del extremo 36 del separador 32. Como ejemplo específico, el elemento emisivo 28 tiene típicamente un diámetro de de unos 0.08” y una longitud de aproximadamente 0,25”, y el diámetro exterior del separador 32 es de aproximadamente 0,25”. [0029] El separador 32 está compuesto por un material metálico que tiene una función de trabajo que es superior a la del material del soporte 16, y también superior a la del material del elemento emisivo 28. Más específicamente, se prefiere que el separador esté compuesto de un material metálico con un función de trabajo de al menos aproximadamente 4,3 ev. En un modo de realización preferido, el separador 32 comprende plata como material principal, aunque se pueden usar también otros materiales metálicos, como oro, platino, rodio, iridio, paladio, níquel, y aleaciones de los mismos. [0030] Por ejemplo, en un modo de realización particular de la presente invención, el separador 32 está compuesto de plata aleada con aproximadamente de un 0,25 a un 10 por ciento de un material adicional seleccionado del grupo formado por cobre, aluminio, hierro, plomo, zinc, y aleaciones de los mismos. El material adicional puede encontrarse en forma de elemento o de óxido, y así el término “cobre” según el uso aquí realizado pretende referirse tanto a la forma de elemento como a la de óxido, y sucede lo mismo con los término “aluminio” y similares. [0031] En relación con la figura 1 de nuevo, el electrodo 14 se monta sobre un cuerpo de antorcha de plasma 38, que incluye pasillos de gas y de líquido 40 y 42, respectivamente. El cuerpo de la antorcha 38 está rodeado por una carcasa aislada exterior 44. Un tubo 46 se suspende dentro del orificio central 48 del electrodo 14 para hacer circular un líquido de refrigeración, como agua, a través del electrodo

14. El tubo 46 tiene un diámetro exterior más pequeño que el diámetro del orificio 48 de forma que existe un espacio 49 entre el tubo 46 y el orificio 48 para permitir que el agua fluya por el mismo al ser vertido desde el extremo inferior abierto del tubo 46. El agua fluye de una fuente (no mostrada) a través del tubo 46, dentro de la cavidad interna 22 y al soporte 16, y de vuelta a través del espacio 49 a una apertura 52 en el cuerpo de la antorcha 38 y a una manguera de desagüe (no mostrada). El pasillo 42 dirige el agua de inyección hasta la boquilla 12 donde se convierte en un vórtice giratorio para rodear el arco de plasma, como se explica en detalle a continuación. El pasillo de gas 40 dirige el gas desde una fuente adecuada (no mostrada), a través de un deflector de gas 54 de un material de alta temperatura adecuado hasta una cámara plénum de gas 56 a través de unos orificios de entrada 58. Los orificios de entrada 58 se disponen de manera que hacen que el gas entre en la cámara plénum 56 de modo turbulento. El gas sale de la cámara plénum 56 a través de los orificios coaxiales 60 y 62 de la boquilla 12. El electrodo 14 contiene el deflector de gas 54. Un aislante plástico de alta temperatura 55 aísla eléctricamente la boquilla 12 del electrodo 14. [0032] La boquilla 12 comprende un miembro de la boquilla superior 63 que define el primer orificio 60, y un miembro de la boquilla inferior 64 que define el segundo orificio

62. El miembro de la boquilla superior 63 es preferentemente un material metálico, y el miembro de la boquilla inferior 64 es preferentemente un material metálico o cerámico. El orificio 60 del miembro de la boquilla superior 63 se encuentra alineado de forma axial con el eje longitudinal del electrodo de la antorcha 14. [0033] El miembro de la boquilla inferior 64 está separado del miembro de la boquilla superior 63 por un elemento separador de plástico 65 y un anillo de remolino de agua

66. El espacio proporcionado entre el miembro de la boquilla superior 63 y el miembro de la boquilla inferior 64 forma una cámara de agua 67. [0034] El miembro de la boquilla inferior 64 comprende una parte de un cuerpo cilíndrico 70 que define una parte de extremo delantera o inferior y una parte de extremo trasera o superior, con el orificio 62 extendiéndose coaxialmente a través de la parte del cuerpo 70. Un reborde de montaje anular 71 se sitúa en la parte del extremo trasera, y se forma una superficie frustocónica 72 en el exterior de la parte de extremo delantera coaxial con el segundo orificio 62. El reborde anular 71 es soportado desde abajo por un reborde dirigido hacia el interior 73 en el extremo inferior de la taza 74, con la taza 74 montada de manera desmontable mediante la interconexión de roscas a la carcasa exterior 44. Se dispone una junta 75 entre los dos rebordes 71 y 73.

[0035] El orificio 62 en el miembro de la boquilla inferior 64 es cilíndrico, y se mantiene alineado de manera axial con el orificio 60 del miembro de la boquilla superior 63 mediante un manguito de centraje 78 de cualquier material plástico adecuado. El agua fluye desde el pasillo 42 a través de las aperturas 85 en el manguito 78 hasta los puertos de inyección 87 del anillo de remolino 66, que inyecta el agua en la cámara de agua 67. Los puertos de inyección 87 se encuentran dispuestos de manera tangencial alrededor del anillo de remolino 66, para impartir un componente del remolino de velocidad al flujo de agua en la cámara de agua 67. El agua sale de la cámara de agua 67 por el orificio 62. [0036] Se conecta una fuente de alimentación (no mostrada) al electrodo de la antorcha 14 en una relación de circuito en serie con una pieza de trabajo de metal, que normalmente está conectada a tierra. En funcionamiento, el arco de plasma se establece entre el elemento emisivo 28 del electrodo, que actúa como el terminal de cátodo para el arco, y la pieza de trabajo, que está conectada al ánodo de la fuente de alimentación y está situada bajo el miembro de la boquilla inferior 64. El arco de plasma se empieza de manera convencional estableciendo de manera momentánea un arco piloto entre el electrodo 14 y la boquilla 12, y después se transfiere el arco a la pieza de trabajo a través de los orificios 60 y 62. MÉTODO DE FABRICACIÓN [0037] La invención también proporciona un método simplificado para fabricar un electrodo del tipo descrito arriba. Las figuras 4-8 ilustran un método preferido de fabricación del electrodo según la presente invención. Como se muestra en la figura 4, se proporciona una placa cilíndrica 94 de cobre o aleación de cobre con una cara frontal 95 y una cara trasera opuesta 96. A continuación, se forman un par de orificios coaxiales generalmente cilíndricos, como por ejemplo mediante perforación, en la cara frontal 95 para formar la cavidad pequeña 24 y la cavidad grande 25, como se ha descrito arriba. El elemento emisivo 28 se sujeta entonces firmemente a la cavidad pequeña 24 mediante inserción a presión del elemento emisivo en la misma. Se pueden utilizar también otros métodos para fijar el elemento emisivo a la cavidad pequeña 24, como la embutición, compresión radial, o el uso de energía electromagnética. El elemento emisivo 28 se extiende hacia fuera desde la cavidad pequeña 24 hacia la cara frontal 95 de la placa cilíndrica 94 y define un espacio abierto 97 entre el elemento emisivo y la pared interior 27b de la cavidad grande 25. [0038] Como se ha descrito con anterioridad, el separador 32 está compuesto de material de aleación de plata. En un modo de realización, por ejemplo, el material de aleación de plata comprende plata aleada con de un 0,25 a un 10 por ciento de cobre aproximadamente. El separador 32 está configurado y tiene un tamaño tal para ocupar sustancialmente el espacio abierto 97 definido por la pared interior 27b de la cavidad grande 25 y el elemento emisivo 28. A este respecto, el separador 32 puede modelarse mediante mecanizado o formado. [0039] A continuación, como se muestra en la figura 5, el separador 32 se inserta en la cavidad grande 25 de manera que la pared periférica 33 del separador encaja de manera deslizable en la pared interior 27b de la cavidad grande, y la cavidad cilíndrica 35 definida por el separador está dispuesta sobre el elemento emisivo 28 para definir una superficie de contracto entre los mismos. En un modo de realización, el separador 32 se dispone sobre el elemento emisivo 28 mediante ajuste estrecho o ajuste con apriete, aunque son posibles otros métodos para sujetar el separador al elemento emisivo, como se describe a continuación. [0040] Según un modo de realización mostrado en la figura 6, una herramienta 98 que tiene una superficie de trabajo circular generalmente plana 100 se sitúa con la superficie de trabajo en contacto con las caras de los extremos 29 y 36 del elemento emisivo 28 y el separador 32, respectivamente. El diámetro exterior de la superficie de trabajo 100 es ligeramente menor que el diámetro de la cavidad grande 25 en la placa cilíndrica 94. La herramienta 98 se sostiene con la superficie de trabajo 100 generalmente coaxial con el eje longitudinal de la antorcha 10, y se aplica fuerza a la herramienta para impartir fuerzas de compresión axiales al elemento emisivo 28 y al separador 32 a lo largo del eje longitudinal. Por ejemplo, la herramienta 98 puede situarse en contacto con el elemento emisivo 28 y el separador 32 y después ser golpeado mediante un aparato adecuado, como el martillo de una máquina. Independientemente de la técnica específica utilizada, se imparte una fuerza suficiente para que el elemento emisivo 28 y el separador 32 se deformen radialmente hacia fuera de manera que el elemento emisivo sea sostenido firmemente y retenido por el separador, y el separador es sostenido firmemente y retenido por la cavidad grande 25, como se muestra en la figura 7. [0041] En un modo de realización preferido, el separador 32 se une metalúrgicamente al elemento emisivo 28. De manera ventajosa, el elemento emisivo 28 ya se encuentra sujeto a la cavidad pequeña 24 cuando se realiza la fase de soldadura (como se ha explicado arriba) de manera que el elemento emisivo permanece centrado a lo largo del eje longitudinal incluso si el separador se ablanda por las altas temperaturas asociadas con la soldadura. El proceso de soldadura se lleva a cabo preferentemente insertando en primer lugar un anillo 99 (figuras 5 y 7) de material de soldadura de plata en el elemento emisivo 28 después de que el elemento emisivo haya sido sujetado a la cavidad pequeña 24 de manera que el anillo ocupe una parte del espacio abierto 97 entre el elemento emisivo y la pared interior 27b de la cavidad grande 25. En un ejemplo, el material de soldadura comprende una aleación compuesta en su mayoría de plata con uno o más elementos diferentes, como níquel, litio, y/o cobre. También, puede incluirse una pequeña cantidad de fundente, como para eliminar óxidos de la superficie del cobre. [0042] El separador 32 se introduce después de que el anillo 99 se inserte en el espacio abierto 97, y el ensamblaje resultante se calienta entonces a una temperatura suficiente para fundir el material de soldadura, que tiene una temperatura de fusión no superior a la del separador 32. Sin embargo, con la presente invención, la temperatura no tiene que ser significativamente inferior a la temperatura de fusión del separador porque el elemento emisivo 28 es fijado a la cavidad pequeña 24 como se describe arriba. Durante el proceso de calentamiento, el separador 32 es presionado en la cavidad grande 25, lo que provoca que el material de soldadura fundido fluya hacia arriba y cubra toda la superficie de contacto entre el separador y el elemento emisivo 28 y entre la pared periférica 33 del separador 32 y la pared interior 27b de la cavidad grande 25. Al enfriarse, el material de soldadura proporciona una capa relativamente fina que sirve para unir el separador 32 al elemento emisivo 28, teniendo la capa un grosor del orden de entre 0,001 y 0,005 pulgadas aproximadamente. Alternativamente, la fase de soldadura puede llevarse a cabo fundiendo un disco de material de soldadura que se sitúa en el separador 32 y el elemento emisivo 28 una vez que los dos han sido prensados en las cavidades. De este modo, la acción capilar empuja el material de soldadura entre el separador 32 y el elemento emisivo 28 de manera que se dispone una capa relativamente fina entre ellos como se ha explicado arriba. [0043] Para completar la fabricación del soporte 16, la cara trasera 96 de la placa cilíndrica 94 se mecaniza para formar una configuración abierta en forma de taza mostrada en la figura 8 que define una cavidad 22 en la misma. De manera ventajosa, la cavidad 22 incluye un hueco anular interno 82 que define un poste cilíndrico 23 y rodea coaxialmente partes del separador 32 y el elemento emisivo 28. En particular, el hueco anular interno 82 incluye una superficie interna 83 que comprende una parte de la pared periférica 33 del separador 32. En otras palabras, el hueco anular interno 82 se forma, por ejemplo mediante trepanado u otra operación de mecanizado, de manera que una parte de la pared periférica 33 del separador 32 esté directamente expuesta a la cavidad 22. De este modo, el separador expuesto 32 mejora la transferencia de calor entre el medio de enfriamiento que circula en la cavidad 22 y en el arco. Además, el material de soldadura que rodea la pared periférica 33 del separador 32 en la superficie interna 83 del hueco anular 82 es preferentemente eliminado, mejorando de este modo aún más la transferencia de calor.

[0044] Las propiedades de transferencia de calor mejoradas arriba mencionadas son el resultado de dos circunstancias principalmente. Primero, la plata tiene una conductividad térmica superior a la del cobre, concretamente 4,29 W/(cm·K) frente a 4,01 W/(cm·K), respectivamente. Segundo, hay menos límites por los que deba pasar el calor. Más específicamente, al eliminar el límite o superficie de contacto entre el separador 32 y el material de soldadura (así como el límite entre el material de soldadura y la placa 94), el índice de transmisión del calor del electrodo según la presente invención es significativamente mayor al de los electrodos convencionales. Además, el camino que debe recorrer el calor es más corto que en los electrodos convencionales puesto que el separador 32 está expuesto directamente a la cavidad

22. [0045] Como se ha argumentado arriba, la superficie 31 de la cavidad interna 22 incluye un poste cilíndrico 23. En un modo de realización mostrado en las figuras 3 y 8, la superficie 31 incluye una parte en forma de tapa 92 de la placa 94 dispuesta sobre el elemento emisivo 28. La parte 92 está firmemente sujeta al elemento emisivo 28, aunque no directamente sujeto al resto de la placa 94. De este modo, la parte 92 se forma mediante una operación de trepanado para facilitar la fabricación, ya que al dejar la parte 92 el poste 23 tiene una forma cilíndrica uniforme. Sin embargo, la parte 92 también puede ser totalmente o parcialmente mecanizada para exponer el elemento emisivo 28 a la cavidad 22 (véase figura 10). [0046] A la periferia externa de la placa cilíndrica 94 también se le da la forma deseada, incluyendo la formación de roscas exteriores 102 en el extremo trasero 19 del soporte 16. Finalmente, la cara frontal 95 de la placa 94 y las caras de los extremos 29 y 36 del elemento emisivo 28 y el separador 32, respectivamente, son mecanizadas para que sean sustancialmente llanas y estén enrasadas unas con otras. Cualquier material de soldadura presente en la cara frontal 95 y en las caras de extremo 29 y 36 es eliminado durante el proceso de mecanizado. [0047] La figura 9 representa una vista en alzado de un extremo del soporte 16. Se puede apreciar que la cara del extremo 36 del separador 32 separa la cara del extremo 29 del elemento emisivo 28 de la cara frontal 20 del soporte 16. La cara del extremo 36 es anular con un perímetro interior 104 y un perímetro exterior 106. Puesto que el separador 32 está compuesto de material de aleación de plata con una función de trabajo más alta que la del elemento emisivo 28, el separador 32 sirve para evitar que el arco se despegue del elemento emisivo y se una al soporte 16. [0048] De este modo, la presente invención proporciona un electrodo 14 para su uso en una antorcha de arco de plasma y un método de fabricación de un electrodo en el que el elemento emisivo 28 está sujeto a lo largo del eje longitudinal y se evita así que se mueva mientras se suelda el elemento emisivo al separador 32. Además, el separador 32 tiene una forma tubular, eliminando así la necesidad de perforar una apertura en el separador, que resulta en una pérdida de plata. [0049] Se le podrán ocurrir numerosas modificaciones y otros modos de realización de la invención a los expertos en la técnica a la que pertenece esta invención, teniendo el beneficio de las enseñanzas presentadas en las descripciones precedentes y los dibujos asociados. Por ejemplo, el separador y/o el elemento emisivo pueden tener otras formas o configuraciones, como forma cónica o de remache, sin abandonar la esencia y el ámbito de la invención. Por lo tanto, se debe entender que la invención no debe quedar limitada a los modos de realización específicos aquí descritos y que las modificaciones y otros modos de realización pueden incluirse en el ámbito de las reivindicaciones anexas. Aunque se emplean aquí términos específicos, se usan de una manera genérica y descriptiva únicamente y no con fines limitativos.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Un método para fabricar un electrodo (14) adaptado para soportar un arco en

una antorcha de plasma (10) que comprende los siguientes pasos: formar una cavidad frontal (24, 25) en una cara frontal generalmente plana (20) de un soporte metálico (16), extendiéndose la cavidad frontal a lo largo de un eje generalmente normal a la cara frontal; fijar firmemente un elemento emisivo (28) a la cavidad frontal (24, 25) del soporte metálico (16); situar un separador relativamente no emisivo (32) en la cavidad frontal del soporte metálico (16) de manera que el separador esté interpuesto coaxialmente entre y separando una parte del soporte metálico (16) del elemento emisivo en la cara frontal del soporte; y formar una cavidad trasera (22) en el soporte metálico de manera que una parte del separador (32) esté expuesta a la cavidad (22).
2.

El método de la reivindicación 1, en el que el separador (32) se sitúa en la cavidad frontal (24, 25) del soporte (16) de manera que solo una parte del elemento emisivo (28) esté en contacto con el separador (32).
3.

El método de la reivindicación 1, en el que el elemento emisivo (28) se fija firmemente a la cavidad frontal del soporte mediante ajuste a presión.
4.

El método de la reivindicación 1, en el que la colocación del separador (32) comprende colocar un separador (32) con una forma tubular sobre el elemento emisivo (28) en una relación de ajuste estrecho.
5.

El método de la reivindicación 1, en el que la formación de las cavidades frontales (24, 25) y trasera (22) comprende el mecanizado del soporte metálico (16).
6.

El método de la reivindicación 1, en el que la formación de la cavidad trasera

(22) incluye exponer el elemento emisivo (28) a la cavidad trasera.
7.

El método de la reivindicación 1, en el que el paso de colocar el separador relativamente no emisivo (32) en la cavidad frontal (24, 25) comprende insertar el separador relativamente no emisivo (32) en la cavidad frontal del soporte metálico de manera que sólo una parte del elemento emisivo (28) esté en contacto con el separador; y también comprende el paso de introducir un material de soldadura (99) en la cavidad frontal (24, 25) de manera que parte del material de soldadura se encuentra entre el elemento emisivo (28) y el separador (32) y también entre el separador y el soporte metálico (16).
8.

El método de la reivindicación 7, en el que el material de soldadura (99) se introduce insertando un disco de material de soldadura por el elemento emisivo

(28) en la cavidad frontal (24, 25), calentando el material de soldadura hasta que se convierta al menos parcialmente en fluido, y presionando el separador (32) en la cavidad frontal.
9.

El método de la reivindicación 7, en el que el elemento emisivo (28) se fija firmemente en la cavidad frontal (24, 25) antes de insertar el separador (32) en la cavidad frontal.
10.

El método de la reivindicación 1, en el que los pasos de fijar firmemente el elemento emisivo (28) a la cavidad frontal (24, 25) y colocar el separador (32) en la cavidad frontal comprenden:

formar una apertura en el extremo frontal del soporte metálico (16), fijar el elemento emisivo (28) en la apertura del soporte de manera que una parte del elemento emisivo se extienda hacia delante desde el soporte, y fijar el separador relativamente no emisivo (32) sobre el elemento emisivo (28) en una posición de forma que el separador no emisivo y el elemento emisivo definan juntos al menos una parte de la cara frontal

(95) del electrodo (14) para soportar un arco.
11.

El método de la reivindicación 10, en el que el método hace que el elemento emisivo (28) esté expuesto al menos de manera parcial a la cavidad trasera (22).
12.

El método de la reivindicación 1, en el que el separador (32) define una apertura (35) en el mismo modelada para encajar alrededor del elemento emisivo (28); y en el que el soporte metálico (16) tiene una apertura frontal en el mismo, y el método comprende el paso de unir el separador no emisivo (32) al soporte (16) de manera que el elemento emisivo (28) se extiende desde el separador (32) y hasta la apertura (24) del soporte.
13.

El método de la reivindicación 12, en el que el método provoca que el elemento emisivo (28) quede también al menos parcialmente expuesto a la cavidad trasera (22).
14.

El método de la reivindicación 12, que además comprende eliminar al menos una parte del miembro no emisivo (32) para definir una cara frontal (20) donde el elemento emisivo (28) y el separador relativamente no emisivo son sustancialmente llanos y están enrasados unos con otros en la cara frontal del separador relativamente no emisivo.
15.

El método de la reivindicación 12, en el que dicho paso de unión comprende la unir térmicamente el separador relativamente no emisivo (32) al soporte (16).
16.

El método de la reivindicación 12, en el que dicho paso de unión comprende soldar el separador relativamente no emisivo al soporte.
17.

Un electrodo (14) adaptado para soportar un arco eléctrico en una antorcha de

arco de plasma (10), que comprende: un soporte metálico (16) que tiene un extremo frontal y un extremo trasero, definiendo el extremo frontal una cavidad frontal (24, 25) y el extremo trasero definiendo una cavidad trasera (22); un separador relativamente no emisivo (32) situado en la cavidad frontal, teniendo el separador una pared periférica exterior (33); y un elemento emisivo (28) también situado en la cavidad frontal (24, 25) de manera coaxial con el separador (32), caracterizado porque el elemento emisivo (28) tiene una pared periférica exterior que está sólo parcialmente en contacto con el separador (32), y una parte de la pared periférica exterior (33) del separador (32) está expuesta a la cavidad trasera (22).
18.

El electrodo (14) de la reivindicación 17, que además comprende: un material de soldadura (99) dispuesto entre el elemento emisivo (28) y el separador (32), y entre el separador y el soporte metálico (16).
19.

El electrodo (14) de la reivindicación 18, en el que una parte de la pared periférica exterior del elemento emisivo (28) queda libre de cualquier contacto con el material de soldadura (99).
20.

El electrodo (14) de la reivindicación 18, en el que la cavidad frontal (24, 25) comprende una parte proximal (24) y una parte distal (25), teniendo la parte proximal un diámetro más pequeño que el diámetro de la parte distal, estando dispuesto el material de soldadura (99) sólo en la parte distal de la cavidad.
21.

El electrodo (14) de la reivindicación 17 o la reivindicación 18, en el que el separador (32) se construye de plata aleada con un material adicional elegido del grupo compuesto por cobre, aluminio, hierro, plomo, zinc, y aleaciones de los mismos.
22.

El electrodo (14) de la reivindicación 17 o la reivindicación 18, en el que el elemento emisivo (28) tiene una forma cilíndrica y el separador (32) tiene una forma tubular.
23.

El electrodo de la reivindicación 17, en el que la cavidad frontal (24, 25) comprende una parte proximal (24) y una parte distal (25), teniendo la parte proximal un diámetro inferior al diámetro de la parte distal, en el que el elemento emisivo (28) y la parte proximal (24) de la cavidad frontal tienen un ajuste con apriete entre ellos.
24.

El electrodo de la reivindicación 17, en el que una parte del elemento emisivo (28) está expuesto a la cavidad trasera (22).
25.

El electrodo (14) de la reivindicación 17 o 18, definiendo el extremo frontal del soporte (16) una apertura frontal (24); estando situado el elemento emisivo (28) de manera que una parte del elemento emisivo se encuentre dentro de la apertura frontal (24) del soporte; y estando el separador (32) fijado a dicho soporte y rodeando una parte del elemento emisivo en una posición tal que el separador (32) y el elemento emisivo (28) definen juntos al menos parte de la cara frontal (95) del electrodo para soportar un arco.
26.

El electrodo (14) de la reivindicación 25, en el que al menos una parte del elemento emisivo (28) está también expuesto a la cavidad trasera (22).
27.

El electrodo (14) de la reivindicación 17, en el que el separador (32) define una apertura al menos parcialmente a través del mismo; el elemento emisivo (28) está situado en la apertura definida por el separador

(32) de manera que el elemento emisivo y el separador definen juntos al menos parte de la cara frontal (95) del electrodo (14) para soportar el arco.
28.

El electrodo (14) de la reivindicación 27, en el que el separador (32) se suelda al soporte.
29.

El electrodo de la reivindicación 27, en el que el separador no emisivo (32) está formado por plata o aleaciones de la misma y el material de soldadura (99) está formado por plata o aleaciones de la misma, y el separador no emisivo y el material de soldadura tienen puntos de fusión que son aproximadamente los mismos.
30.

Una antorcha de arco de plasma (10), que comprende:

un electrodo (14) que incluye: un soporte metálico (16) que tiene un extremo frontal y un extremo trasero, definiendo el extremo frontal una cavidad frontal (24, 25) y definiendo el extremo trasero una cavidad trasera (22); un separador relativamente no emisivo (32) situado en la cavidad frontal, teniendo el separador una pared periférica exterior (33); y un elemento emisivo (28) también situado en la cavidad frontal (24, 25) de manera coaxial con el separador (32); una boquilla (12) montada adyacente al extremo frontal del soporte (16) y que tiene un canal de flujo por el mismo (60, 62) que está alineado con el eje longitudinal; un suministro eléctrico para crear un arco que se extiende desde el elemento emisivo (28) del electrodo a través del canal de flujo de la boquilla y hasta la pieza de trabajo situada adyacente a la boquilla; y un suministro de gas para crear un flujo de un gas entre el electrodo (10) y la boquilla (12) y para crear un flujo de plasma hacia fuera a través del canal de flujo de la boquilla (60, 62) y hasta la pieza de trabajo caracterizada porque el elemento emisivo (28) tiene una pared periférica exterior que está en contacto sólo parcialmente con el separador (32), y la cavidad trasera (22) en el extremo trasero del soporte metálico (16) está modelado al menos parcialmente de forma que el separador (32) está expuesto al menos parcialmente a la cavidad trasera (22).
31.

La antorcha de arco de plasma (10) de la reivindicación 30, que además comprende una capa de soldadura (99) situada entre el elemento emisivo (28) y el separador (32), y entre el separador y el soporte metálico (16).
32.

La antorcha de arco de plasma (10) de la reivindicación 30, en la que una parte del elemento emisivo (28), estando la parte en contacto con el soporte metálico (16), está exenta sustancialmente de material de soldadura (99).
33.

La antorcha de arco de plasma (10) de la reivindicación 30, en la que el separador (32) está construido de plata aleada con un material adicional seleccionado del grupo compuesto por cobre, aluminio, hierro, plomo, zinc, y aleaciones de los mismos.
34.

La antorcha de arco de plasma (10) de la reivindicación 30, en la que el elemento emisivo (28) y el separador (32) están enrasados con el extremo frontal del soporte metálico (16).
35.

La antorcha de arco de plasma (10) de la reivindicación 30, en la que el soporte metálico (16) está modelado al menos parcialmente de manera que el elemento emisivo (28) esté expuesto al menos parcialmente a la cavidad trasera (22).