专利名称：等离子焰炬焊枪的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子焰炬焊枪(plasma torch)，它可用于等离子电弧焊接或切割中。
在许多技术领域中，人们因等离子电弧焊接技术的独特优点而对之进行了大量研创工作。因为等离子电弧焊接操作可只从接受点焊的这类工件的一边进行，因此，发现该焊接技术在应用于点焊工艺时可焊接大工件和结构复杂的工件。此外，等离子电弧焊接技术在应用于缝合焊接时，其生产率可比钨极惰性气体保护焊(TIG)高出好几倍。
日本已公开实用新型No.Hei 01-135174公开了一种典型的现有等离子焰炬焊枪。
如图1所示，这种常规的等离子焰炬焊枪的结构包括构作成管状电导体的一基体a；紧固在基体a的前端上的一芯片c，该芯片c构作成其上有一开口b的电导体，该开口b与基体a的内部空间相通；一电极定位件d，它为一紧固到基体a的靠底端一边上的绝缘体；以及一用电极定位件d定位在上述芯片c的开口b的中心轴线上的电极杆e。在从基体a的内部空间到芯片c的开口部的至少一部分空间中形成有使等离子气流沿着电极杆e流动的第一气道f以及从该第一气道f分流的若干第二气道g供涡流状的等离子气流流经电极杆e前端部四周。
虽然具有上述结构，但现有常规的等离子焰炬焊枪的电弧稳定性很差，这是由于下列事实造成的尽管在刚形成涡流的部位涡流足够强，从而防止电极杆e发生高频泄漏，但在轴向气流的影响下涡流在电极e前端处会变弱而无法防止电极杆e发生高频泄漏。
为克服这类等离子电弧焰炬焊枪构造的这一困难，需要电极杆e的前端始终保持很尖。但这一要求使得在电极杆e前端处形成的阴极点(或阳极点)随着时间的推移而变圆，从而缩短电极的寿命并造成焊接质量的不稳定。
本发明人对上述结构的现有常规等离子焰炬焊枪在下表1中的焊接条件下进行了寿命测试，以便研究随着时间的推移电极和喷嘴是如何烧蚀的、焊接质量是如何变化的。
表1喷嘴直径 2.4mm焊接电流 90A焊接持续时间 7秒等离子气体Ar；1.8L/min屏蔽气体 Ar＋7％H2；7L/min喷射距离 4.5mm焊口处理(后热处理)无研究结果表明，在进行到第一个100个点焊时电极前端的形状开始恶化，然后对点焊焊接质量至关重要的熔池的大小开始变化，而且，继续进行寿命测试而当进行到1000个点焊时，发现因热量输入过多而形成，一穿透工件的孔。可相信过量的热量输入是由于电弧电压升高而致，而电弧电压的升高是由于下列事实造成电极烧蚀使其形状改变(即变圆)而使电弧不稳定；电极长度减小使得电极与工件之间的距离变大。
与这类现有低质量等离子焰炬焊枪相反，本发明人研创出图2所示改进的等离子焰炬焊枪。该改进的焊枪这样制成把一用水冷却的铜制电极架h的前端变平，在该前端的一轴向部位中埋置一用钨之类高熔点金属制成的电极i，在离电极i一定间距处用喷嘴j圈住该电极i，从而在电极i与喷嘴j之间形成一供等离子气体的涡流m横向流过的气道k。应该看到，上述电极架h的内壁和上述喷嘴j的外壁用水冷却。
在上一自然段所述的等离子焰炬焊枪构造中，电极架h的外部底面与喷嘴j之间的距离最短，但人们发现在电极架h的外部底面与喷嘴j之间会形成一先导电弧(pilot arc)n，这一电弧n被涡流m带动到电极i部位而移入主电弧。然而，由于电极架h用铜之类低熔点金属制成，因此人们发现会产生一个问题生成先导电弧n的部位因熔化或汽化而使该部位表面变得粗糙或凹凸不平。而且，由于从电极i生成的金属蒸汽是由水冷却的喷嘴j冷却的，从而形成沉积在喷嘴j内表面上的浮渣o，已发现该浮渣如积累到一定程度就会使电极i和喷嘴j之间产生桥接或短路，从而使可接受的电弧无法点火。
本发明即是要解决这些现有问题，其目的是提供一种等离子焰炬焊枪，它能防止在电极架上形成凹凸不平的表面、防止在喷嘴内表面上沉积起金属浮渣，从而防止上述桥接现象；该等离子焰炬焊枪的电极与具有前部尖端的现有电极相比，其形状随着时间的推移变化极小，从而大大提高电弧的稳定性和焊接质量。
为了实现上述目的，按照本发明，提供了一种等离子气体涡流型等离子焰炬焊枪，其中设有一具有一前端部的电极体和一围住该电极体的所述前端部并与该电极体前端部相距一环形等离子气道的喷嘴，其特征在于，所述电极体至少在供先导电弧点火的部位或是由高熔点材料制成，或是用所述高熔点材料与功函数低的一种物质或所述物质的氧化物的混合物制成。
按照上述结构，即除了使用以涡流形式流过的等离子流外，至少是供先导电弧点火的电极体部位、比方说电极体的所述前端部的一部位也即与喷嘴相距最短的部位或是用高熔点材料制成，或是用所述高熔点材料与一种低功函数的物质或所述物质的氧化物的混合物制成，因此可以看到，先导电弧形成在电极体的至少是部分地由所述高熔点材料制成的所述前端部与所述喷嘴之间，同时主电弧形成在所述前端部与工件之间，从而在所述前端部之外的区域不再有电弧阴极点(或电弧阳极点)，而该区域用低熔点材料制成。这就可以有效地防止在所述前端部之外的区域、比方说电极架上形成凹凸不平表面，同时防止所述电极体与所述喷嘴发生桥接(或短路)，从而防止它们无法使可接受的电弧点火。
与上述有联系地，可看到，所述电极体可由一用高热导率的材料制成的电极架和一紧固到所述电极架前端上、或是用高熔点材料制成、或是用所述高熔点材料与一种低功函数的物质或所述物质的氧化物的混合物制成的电极构成。同时还可以看出，整个所述电极体可以或是用高熔点材料制成，或是用所述高熔点材料与一种低功函数物质或所述物质的氧化物的混合物制成。
还应看到，可用火焰喷涂或蒸发涂敷将或是高熔点材料、或是所述高熔点材料与一种低功函数的物质或所述物质的氧化物的混合物涂敷在所述电极体表面上；也可在所述电极架表面上涂上银镀层等等。
在上述段落所述结构中，还应看到，即使在无法把所述电极体与所述喷嘴之间位于所述电极与所述喷嘴之间的间距设计成最短的情况下，也能有效地防止因形成所述凹凸不平表面或因电极与喷嘴之间桥接而造成的可接受的电弧无法正常点火。
同时，还可看到，若所述电极体的所述前端部(即电极部)为平面或球面形，则所述电极部随着时间的推移其质量恶化可减小，从而所述电极部性能(即焊接质量)随时间推移而发生的变动大大减小。
同时，可以看到，若在所述电极体的前端形成一凹座或一突起，则可把电弧阴极点(或电弧阳极点)固定在电极体的所述前端的中心部位，从而稳定电弧而大大提高焊接质量。
此外，还可看到，若设置有一个用来围住所述喷嘴且与该喷嘴相距一环形屏蔽气体气道的屏蔽帽以及设置一个用来在所述屏蔽气体气道中产生一屏蔽气体涡流的环，则即使在等离子气体以涡流形式流动的情况下，也可产生一个在该等离子焰炬焊枪轴向上有效工作的等离子气流。
从下述详细说明以及示出本发明一些例示性实施例的说明书附图中可更好地理解本发明。在这里应看到，附图所示各实施例决非对本发明作出限制，而是便于说明和理解本发明。
在附图中
图1为一现有等离子焰炬焊枪主要部分的剖视图；图2为另一现有等离子焰炬焊枪主要部分的剖视图；图3为本发明等离子焰炬焊枪的第一实施例主要部分的剖面图；图4A-4C每个都是上述第一实施例中的电极体各变形例的剖面图；图5A-5F每个都是其前端为平面形的电极体的各变形例的剖面图；图6A-6E每个都是其前端为球面形的电极体的各变形例的剖面图；图7为电极体一变形实施例的剖面图，它的整个表面有一涂层；以及图8为电极体一变形实施例的剖面图，其中，电极架上有一涂层。
下面结合附图对本发明等离子焰炬焊枪的优选实施例进行说明。
下面结合图3以及图3之后的诸
本发明一些实施例。
从这些附图中可看到，标号1表示其内部有一冷却水通道2的电极架，该电极架的前端上钎焊有一电极3，它在压力下嵌入并埋置在该前端中，该电极架1和电极3构成电极体15。标号4表示设计成围住电极体15前端部的一喷嘴，它与电极体15相间距而形成一与电极体15同轴的环形等离子气道5，其上有一等离子电弧喷出口6。标号7表示一围住喷嘴4外边的屏蔽帽，它与喷嘴4相间距而形成一与喷嘴4同轴的环形屏蔽气道8。
也可以看出，上述等离子气道5的上游部有一旋流器9，它构作成其涡流通道9a对齐在一与电极架1的轴线垂直的平面中；也可构作成稍稍向其前端部倾斜，从而在涡流通道9a中产生一很强的气体涡流。
而且还可看到，上述屏蔽气道8内还有一环10。从该环10中吹出的气体的方向在这里取决于有待焊接在一起的一对工件的材料和厚度。若由环10造成的屏蔽气涡流方向与由旋流器9造成的等离子气体的方向相同，就会使等离子电弧(即喷射焰炬)大大收缩，这对切割工件或把一对工件焊接在一起将是有效的，因此时需要有一高能量密度的等离子电弧。而若这两种气体以相反方向旋动，则等离子电弧具有的涡流分量(即喷射焰炬)减弱，从而在焊接时可有效地把熔池保持在稳定状态，从而可有效地进行其中需要有一大焊核的点焊操作或其中需要有一宽焊珠的缝合焊接操作。
应该看到，上述电极架1用铜之类高热导率的材料制成，并用流过冷却水通道2的冷却水冷却。此外，电极3用钨之类高熔点材料制成。
还应看到，电极3的大小须足以占据电极架1的整个前端部，而电极3的前周边部与喷嘴4的内表面之间的距离S设计成电极架1与包括电极3在内的电极部之间的最短距离，从而当电极3通电时，在电极3的前周边部产生一先导电弧。
虽然上述电极架1和电极3可如图3那样构造并连接在一起而把整个电极3嵌入在电极架1的前端部中，但应看到，电极3也可如图4A和4B所示固定安装在电极架1的前端面上。
同时，如图4C所示，应该看到，整个电极体15可用钨之类高熔点材料制成，也可用高熔点材料与一种低功函数物质或该物质的氧化物的混合物制成，并且其内部设有冷却空间(例如用水冷却的空间)。
下面结合电极体15的各种例子作出说明。
例1如图5A所示，紧固在电极架1前端上的电极3有一平面形前端。
电极架的材料铜电极的材料含有2％氧化钍的钨喷嘴的材料铜电极前端平面部的直径2mm喷嘴直径4mm已发现，电极3前端平面部的直径d必须小于喷嘴直径D(即d≤D)。若电极前端平面部的直径d大于喷嘴直径D，结果就会在电弧点火时生成双重电弧。还已发现，若电极前端做成平面形，其随着时间推移的变形(即质量下降)可减至最小。
例2如图5B所示，电极3的平面前端上有一边缘部11。
电极架的材料铜电极的材料含有2％氧化钍的钨喷嘴的材料铜电极前端平面部的直径2mm该边缘部(即一钻孔)的直径1.5 mm喷嘴直径4 mm可以看到，可用钻床或铣床在电极前端钻出或铣出一孔而形成该边缘部11。由于电极上有这样一个边缘形部，因此可使先导电弧平缓地移入主电弧，这是因为在电弧放电的一刹那温度迅速提高从而防止产生异常电弧，从而可提高电极3的寿命。而且还发现，一个优点是，由于电弧的阴极点容易固定，因此由先导电弧转移成的主电弧变得稳定。
应该看到，图5B所示具有上述作用的电极形状也可做成如图5C所示在电极3前端形成一弧形孔11a、如图5D所示在电极3前端形成一台阶形孔11b、如图5E所示在电极3前端上形成一圆柱形突起11b或如图5F所示在其上形成一圆锥形突起11c。在这方面，还发现，在图5D所示实施例中，由于外孔的边缘部不再耗损，因此电弧的阴极点会固定在内孔的边缘，从而进一步提高电极的寿命。
例3如图6A所示，电极3′的前端为球面形。
电极架材料铜电极材料含有2％氧化铈的钨喷嘴材料铜喷嘴直径4mm电极球形前端的半径3,5mm若电极3′的前端为球形，已发现，在电极球面上生成的先导电弧可迅速转移生成主电弧并顺利移到电极球面端点处。即使等离子气体涡流较弱也能毫无困难地发生的这一现象，可非常有效地用于用低流率等离子气流焊接一对工件之时。
例4如图6B所示，电极3′的球面前端上有一边缘部11′。
电极架材料铜电极材料含有2％氧化铈的钨边缘部(即一钻孔)的直径1.5mm喷嘴材料铜喷嘴直径4mm电极球形前端的半径3.5mm由于把电极3′前端做成球形，已发现，在电极球面上产生的先导电弧就会迅速转移生成主电弧并顺利移到电极的球面端点处。即使等离子气体涡流较弱也能毫无困难地发生的这一现象，可很有效地用于用低流率等离子气流焊接一对工件之时。
而且还发现，电极前端若有一边缘部，可提高作为主电弧的电弧的稳定性。
应该看到，如图6B所示具有上述作用的电极形状也可做成如图6C所示在电极3′前端上形成一弧形孔11a′，如图6D所示在电极3′前端上形成一圆柱形突起11b′或如图6E所示在其上形成一圆锥形突起11c′。
在这里，还发现，电极B可用上述材料之外的含有2％氧化镧的钨制成。
例5如图7所示，其一表面部位埋置有电极12的电极架1也即电极体15的整个表面用火焰喷涂或蒸发涂敷上一层高熔点材料或该高熔点材料与一种高功函数物质或该物质的氧化物的混合物的涂层13。
电极架的材料铜电极材料含有2％氧化钍的钨电极涂层材料含有2％氧化钍的钨喷嘴材料铜喷嘴直径4mm因此，在无法把电极体15与喷嘴4之间的位于电极12与喷嘴之间的间距设计成最短的情况下，应该看到，可用与电极12的材料相似的高熔点材料(例如含有2％氧化钍的钨)涂在电极架1的整个前端表面上，包括电极12的表面。已发现，这样就可防止电极架1因蒸发等原因而质量下降，同时防止电极架1表面成为凹凸不平表面并防止因电极12与喷嘴4桥接而无法点火。
如图8所示，还应看到，可在电极架1表面涂一银镀层14。在这种情况下，凹凸不平只会出现在电极1的前端部。这是因为电弧具有当其阴极点位于一个氧化物上时才稳定的特性，由于银在高温下使氧化物减少，因此阴极点很难存在在镀银电极架上而会移向电极12，从而使电弧集中在电极前端部，因而防止电极架1的表面成为凹凸不平。
在上述各例中用来制成电极架和喷嘴的高热导率材料除铜之外，也可使用银、金、铝和这些金属的合金。
同样，用来制成电极的高熔点材料除钨之外，也可使用钽、钼、锇、铼、镥、铱以及这些金属的合金。
此外，添加到上述高熔点材料中的低功函数物质可以是氧化钍、钡、铯、氧化铈、氧化镧、钇和锆。
在上述各例中，对结合图5B的例2进行了疲劳试验而获得如下结果。
试验梗概为了防止电弧因电极与喷嘴发生桥接而无法点火，对电极形状作出了改进。通过把电极做成下述形状，已发现可获得良好结果。
1)为了在钨材料上生成先导电弧，电极在电极与喷嘴之间的最短距离处用钨材料制成。
2)为了便于稳定电弧，电极前端中心处有一边缘部。
然后对这种构型的电极的疲劳寿命进行研究。
目标值把代表接触点焊机中电极寿命的电弧点火数设定成50000次。
疲劳寿命测试结果达到50000次的寿命。可把无法把先导电弧转移成主电弧时的该点火数作为该寿命。
在直到50000次点焊前，焊接质量随着时间推移看不出有任何改变。
试验内容反复进行如下操作1)和2)直到完成50000个点焊。
1)按表2所列条件和顺序把电弧喷射到一水冷铜靶上，该顺序反复10000次，以试验电极的消耗。
2)按表3所列条件在一80mm×40mm的板上进行焊接后对所得质量进行评估。该实验中使用的电极与喷嘴间的关系如图5B所示。
表2
表3<
试验结果电极和喷嘴外观随时间推移的变化以及焊接质量总结如下1)电极的凹凸不平损耗小到不必担心电极与喷嘴会发生桥接。
2)几乎看不出焊接质量随时间推移而有所变化。
因此，可以看到，使用图5B所示结构可完成代表电极寿命的50000次点焊。请注意，图2所示现有结构的电极寿命仅为3600次。因此电极寿命提高十几倍。而且焊接质量的稳定性以其电极与喷嘴之间的绝缘都无问题。
尽管上面结合某些例示性实施例说明了本发明，但熟悉本技术领域的人显然明白，在本发明的精神和范围内可对本发明作出种种变动和增减。因此，应该指出，本发明并不限于上述具体实施例，而是包括在由后附权利要求书专门限定的特征所构成的范围内的所有可能实施例，从而包括所有本发明的等同物。
权利要求
1.一种等离子气体涡流型等离子焰炬焊枪，其中设有一具有一前端的电极体和一围住该电极所述前端部并与该前端部相间距而形成一环形等离子气流通道的喷嘴，其特征在于，所述电极体至少在供先导电弧点火的部位或是用高熔点材料制成，或是用所述高熔点材料与一种低功函数物质或所述物质的氧化物的混合物制成。
2.按权利要求1所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，所述电极体包括一用高热导率材料制成的电极架；以及一紧固到该电极架所述前端部上、或是用高熔点材料制成、或是用所述高熔点材料与一种低功函数物质或所述物质的氧化物的混合物制成的电极。
3.按权利要求1所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，整个所述电极体或是用高熔点材料制成，或是用所述高熔点材料与一种低功函数物质或所述物质的氧化物的混合物制成。
4.按权利要求1或2所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，所述电极体的表面上利用火焰喷涂或蒸发涂敷覆以或是高熔点材料，或是所述高熔点材料与一种低功函数物质或所述物质的氧化物的混合物。
5.按权利要求2所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，所述电极架表面上涂有银镀层。
6.按权利要求1-5中的任一项所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，电极体的所述前端部呈平面形。
7.按权利要求1-5中的任一项所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，所述前端部呈球面形。
8.按权利要求1-5中的任一项所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，所述前端部上有一凹口或一突起而形成边缘。
9.按上述任一项权利要求所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，有一屏蔽帽围住所述喷嘴并与喷嘴相间距而形成一环形屏蔽气道，并且有一用来在所述屏蔽气道中产生屏蔽气体涡流的环。
10.按权利要求9所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，所述屏蔽气体的涡流方向与所述等离子气体的涡流方向相同。
11.按权利要求9所述的等离子焰炬焊枪，其特征在于，所述屏蔽气体的涡流方向与所述等离子气体的涡流方向相反。
全文摘要
公开了一种等离子气体涡流型等离子焰炬焊枪，其中设有一具有一前端的电极体和一围住该电极所述前端部并与该前端部相间距而形成一环形等离子气流通道的喷嘴，其特征在于，所述电极体至少在供先导电弧点火的部位或是用高熔点材料制成，或是用所述高熔点材料与一种低功函数物质或所述物质的氧化物的混合物制成。
文档编号H05H1/34GK1134217SQ94193999
公开日1996年10月23日 申请日期1994年11月2日 优先权日1993年11月2日
发明者北桥正光, 黑川岩, 箕西干夫, 德永裕之 申请人:株式会社小松制作所