本發(fā)明涉及用于電弧切割或刨削金屬的帶芯管式電極和方法。

人們已知利用電弧熱以相當(dāng)高的速度對(duì)鋼板等進(jìn)行切割、刨削和倒棱。一種方法就是利用空氣流吹除熔化金屬，對(duì)金屬進(jìn)行碳弧切割。

在用空氣碳弧切割時(shí)，電弧在碳-石墨電極和將欲熔化的金屬工件之間產(chǎn)生。壓縮空氣氣流被連續(xù)地送到熔化位置，以吹出熔化的金屬。

隨著碳弧在切割中的前進(jìn)，利用空氣碳弧方法可連續(xù)除去金屬。這種方法用于割斷和刨削、這種刨削往往用于加工焊接坡口和用于清理焊根或焊接區(qū)缺陷。

電極的工作端即電極頭被電弧電流加熱到高溫而不熔化。電極在切割過(guò)程中消耗，碳由于電極頭的氧化作用或升華作用而損失。空氣碳弧切割需要電極夾、切割電極、電源和空氣源。這種方法可用人工或機(jī)械實(shí)現(xiàn)。

連續(xù)加熱和熔化金屬工件或作用物，同時(shí)沿電極工作端的夾持面一側(cè)輸送高速的空氣流，把熔化金屬?gòu)那锌趶?qiáng)行吹除。在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，空氣流在電極頭下面掃過(guò)。電弧長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)具有使空氣流連續(xù)進(jìn)入切口的足夠間隙。空氣流最好與電極軸平行。這樣，當(dāng)空氣流從電極和金屬工件之間通過(guò)時(shí)，高速空氣流的力大到足以有效地從電弧下面吹除熔化金屬，并隨著電極的消耗產(chǎn)生均勻的刨削作用。

用電極輕觸工件，然后根據(jù)所需的電弧電壓離開適當(dāng)距離以引發(fā)電弧。刨削不同于電弧焊接，刨削是除去而不是熔敷金屬。沿切割方向以能夠跟上金屬去除的速度移動(dòng)電極，以保持適當(dāng)?shù)幕￠L(zhǎng)。

傳統(tǒng)的空氣輔助碳弧刨削和切割方法有下列固有缺點(diǎn)：

（1）碳弧往往不穩(wěn)定，而且常會(huì)產(chǎn)生難以忍受的噪聲水平;

（2）在一定的條件下，會(huì)在坡口處出現(xiàn)碳質(zhì)沉積，從而使工件的坡口部分產(chǎn)生不希望有的滲碳;

（3）碳極在使用過(guò)程中易于碎斷;

（4）會(huì)產(chǎn)生煙塵，對(duì)工人和周圍地區(qū)造成危害。

至于覆銅碳極，銅會(huì)熔敷并對(duì)其后的操作起不利作用。

需要提供一種金屬電弧切割電極，它能形成穩(wěn)定的電弧，它是自熔的，有助于獲得清潔的切口，它可含有造蒸氣劑、脫氧劑和造氣劑等，它能在切割過(guò)程中產(chǎn)生熱，以增加電弧提供的熱量。

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于切割和刨削金屬的空氣金屬弧電極。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用空氣金屬弧電極切割或刨削金屬的方法。

參照以下說(shuō)明和附圖可以更清楚地了解本發(fā)明的這些和其它目的，附圖中：

圖1是卷繞狀態(tài)的電極的一實(shí)施例的三維視圖;

圖2所示為一根棒形電極;

圖3是取自圖2中3-3線的剖面。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是一種用于氣體（例如空氣）輔助切割和刨削金屬工件的帶芯管式金屬弧電極，它包括金屬管和芯，芯主要由密實(shí)的顆粒性碳素材料和含有約占芯總重量的0至20%的材料（添加劑）組成，選用的添加劑包括穩(wěn)弧劑、助熔劑和造氣劑。選用的顆粒性碳素材料可包括石墨、碳、無(wú)煙煤、煙煤和褐煤。碳素材料的優(yōu)點(diǎn)是它至少含有重量約占75%的碳。天然石墨特別優(yōu)越，它至少含有約85%的碳。

芯可占電極總重量的大約3%至20%，例如大約5%至15%或大約5%至10%。

本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種用于電弧切割或刨削金屬工件的方法，該方法包括提供至少一根加工成金屬管和芯的帶芯管式金屬弧電極，芯主要由碳素材料和含有占芯總重量的大約0至20%的顆粒性材料組成，選用的這種顆粒性材料包括穩(wěn)弧劑、助熔劑和造氣劑。

這種方法包括在電極端部和欲進(jìn)行切割或刨削的金屬工件之間形成電弧，向切割或刨削區(qū)供給加壓氣（例如空氣）流，和在連續(xù)向切割或刨削區(qū)供給加壓氣流的同時(shí)連續(xù)切割或刨削。

帶芯管式金屬電極的特征是：與傳統(tǒng)的氣助碳極相比，明顯地改進(jìn)了氣助刨削和切割性能。

這種電極絲能精確地控制使用直流電源的電弧，電極最好接電源正極并在恒定電壓下工作。電弧產(chǎn)生的熱量使母材和電極局部熔化，形成一個(gè)金屬熔池，熔化金屬立即被空氣流吹除，氣流適當(dāng)?shù)丶械角懈罨蚺傧鲄^(qū)。

采用本發(fā)明的新穎的電極絲，能在操作者預(yù)期的部位獲得一致的和可復(fù)現(xiàn)的光潔的刨削槽。這種電極絲能以非?？斓囊苿?dòng)速度進(jìn)行非常高精度的作業(yè)。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，經(jīng)過(guò)采用本發(fā)明的加工，后序作業(yè)-例如焊接、油漆、金屬噴除等-所需要的二次刨削加工極少。

這種電極絲優(yōu)于碳極的另一點(diǎn)是：如果需要，它可傳導(dǎo)非常大的電流。為適用于同樣范圍的工作電流值，碳極的直徑至少需要是本發(fā)明的電極絲的三倍或三倍以上。

本發(fā)明的電極絲能用于精密的刨削和切割，例如拆鉚釘、清除點(diǎn)焊、在薄板上切割把手或開口板、清除角和槽焊縫、切割板材、清理附件、清除堆焊和硬質(zhì)表面、清除裂紋和缺陷，以及其它用途。

本發(fā)明的連續(xù)式電極特別有用，由于使用了金屬（例如軟鋼）管與脆性的碳極相比，本發(fā)明的連續(xù)式電極能以最少的停機(jī)時(shí)間連續(xù)切割或刨削金屬。此外，通過(guò)選用穩(wěn)弧劑、助熔劑、造氣劑等，能夠使穩(wěn)定的電弧保持到連續(xù)式電極用完或在切割或刨削完成以后電弧中斷為止。

圖1所示為連續(xù)式電極的一實(shí)施例，其中繪有用于半自動(dòng)或全自動(dòng)方法的繞成卷10的管式金屬弧電極12。這種電極的外徑約為-例如-0.025至3/8吋，或最好為大約1/16至1/8吋，其壁厚將隨外徑而變化。帶芯管的一個(gè)實(shí)施例的外徑約為0.05吋，壁厚約為0.008至0.015吋或0.01至0.02吋。

電極的管13可用軟鋼-例如1030鋼-制成。雖然可以采用其它鍛鋼，但優(yōu)先選用低碳鋼。

電極12可這樣制作：使厚約0.012吋、寬約0.475吋的1030帶鋼通過(guò)連續(xù)成形輥，加工成U形槽。把芯材料14送入槽內(nèi)，然后，成形機(jī)逐漸把帶鋼合攏成圓管。之后，把帶有芯材料的管12拉細(xì)，在拉延過(guò)程中，管子尺寸的減小使芯材料固結(jié)或致密。圖3是成品管的橫截面。

圖2表示預(yù)定長(zhǎng)度的帶芯管式電極，它包括管12A，管12A除以棒或條形供手工使用以外，與圖1的連續(xù)管式電極12相同，管子的開口端在15處壓緊或收攏。

如上所述，芯中可包括至少一種添加劑，選用的這種添加劑包括穩(wěn)弧劑、助熔劑和造氣劑。

穩(wěn)弧劑包括堿金屬和堿土金屬成份，這些成分包括硅酸鹽、氧化物、碳酸鹽等，碳酸鹽的優(yōu)點(diǎn)在于它可作造氣劑。

助熔劑包括氧化鐵、鐵碳酸鹽、TiO2、CaCO3、ZrO2以及堿金屬和堿土金屬氟化物和硅酸鹽。

造氣劑可包括鐵碳酸鹽、有機(jī)物（例如纖維素）、水合礦物（膨潤(rùn)土、漂白土、云母等），以及其它物質(zhì)。這些物質(zhì)在電弧中產(chǎn)生氣體，例如CO2和蒸汽，有助于從刨削區(qū)吹除熔化金屬。造蒸氣劑也可用作添加劑，例如ZnO，低熔氟化物等。

電極的管最好由可鍛軟鋼（例如1008、1010、1020、1030、1040、1060、1080鋼，也稱作碳鋼）制成。優(yōu)先選用低碳鋼。電極的管也可用能加工成帶形、能形成具有足夠機(jī)械強(qiáng)度的管式電極并能用傳統(tǒng)的送絲裝置操縱的其它可鍛金屬制成。

用直徑為1/16吋的本發(fā)明的帶芯電極絲進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果表明顯著地改進(jìn)了作為輸入電流的函數(shù)的金屬清除速度。一般說(shuō)來(lái)，能夠供給電極的電流值是有限的，尤其是碳極，碳極往往會(huì)過(guò)熱。在氣助刨削中（例如空氣輔助刨削），利用本發(fā)明的管式電極，可顯著地增大電流值，從而顯著地改進(jìn)了金屬的清除。而用氣助碳極卻未必能作到這一點(diǎn)。

在厚鋼板上用擺動(dòng)和不擺動(dòng)方法在很寬的參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行了刨削試驗(yàn)。管式電極絲的直徑為7/64吋。在不擺動(dòng)方法中，刨削是沿直線方向進(jìn)行的，刨槽比較窄;而在橫向擺動(dòng)方法中，刨削隨著左右擺動(dòng)向前進(jìn)行，從而形成較寬的刨槽。

本發(fā)明的帶芯管式電極所顯示的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）形成了光亮的刨槽;

（2）金屬刨削與電極消耗之比明顯超過(guò)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狀的刨槽;

（4）本發(fā)明的管式電極能加工深刨槽;

（5）便于清除任何殘?jiān)獭?/p>

當(dāng)送絲速度為每分鐘50至150吋（ipm）時(shí)，每消耗單位重量的帶芯電極絲能夠清除更多的金屬。

對(duì)直徑為1/16吋的由1008鋼制成并含有天然石墨形式的密實(shí)的碳的帶芯電極進(jìn)行了試驗(yàn)。石墨為含有大約94%碳的狄克松（Dixon）1104號(hào)，顆粒性石墨的粒徑為100%通過(guò)20目（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)），大約50%大于50目篩孔，管式電極中的石墨約占電極總重量的8%，鋼管占帶芯電極總重量的92%。

直徑為1/16吋的帶芯電極絲能夠在相當(dāng)大的送絲速度范圍內(nèi)工作。

在用直徑為1/16吋的帶芯電極絲切割16號(hào)鋼板（0.062吋）時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電壓約為16至20伏特時(shí)，送絲速度為每分鐘50吋/分（ipm）即已足夠，盡管送絲速度從50吋/分變化到80吋/分。這些試驗(yàn)如下：

用本發(fā)明的直徑1/16吋

帶芯管式電極切割16號(hào)鋼

試驗(yàn)號(hào)送絲速度安培（近似值）伏特空氣壓力總評(píng)

（吋/分）（磅/吋2）

1501001560電壓低，

能切割

2501001660合格

3501001760合格

45010016.560合格

55010015.560電壓低

6501001660合格

75010016.260好

85010016.260好

95010016.260好

106010016.260好

117010016.260好

12701001760很好

137010017.560很好

14801351880很好

15801351980很好

16801352080很好

17801352180很好

18801352280很好

19501001580電壓太低

20501001680合格

21501001780很好

22501001880很好

23501001880槍角度小

不太有效

24501001880槍角垂直

使邊緣干凈

25501001980很好

26501002080高電壓切割

有效但對(duì)切

口質(zhì)量不利

27501002180″

28501002180″

29501002280″

30501002380″

31501002480″

32501002580″

33501001680切口光滑、窄

34501002580☆☆較高電壓不

能使移動(dòng)速

度增大

35501002580☆☆″

☆☆在不同電壓下的切割并不總是影響手工移動(dòng)電弧的切割速度。

當(dāng)槍的角度為90度時(shí)，采用的移動(dòng)速度約為14至25吋/分。電弧時(shí)間一般在14至21秒之間變化。在一定的情況下，切口長(zhǎng)度約為3.8吋至4.8吋。切口的下面呈現(xiàn)有一些殘?jiān)街?。但是這些殘?jiān)梢郧宄ｋ姌O與切割工件距離比較近時(shí)，則切口側(cè)邊大致平行，而且殘?jiān)钌佟?/p>

注意到在電壓16伏特、電流100安培時(shí)形成帶有噴射過(guò)渡式穩(wěn)定嗡嗡聲的細(xì)小的電弧。90°的切割角對(duì)于切割干凈筆直的邊緣最為有效。手工移動(dòng)電弧的典型切割速度為15至30吋/分，熱輸入約為3至12KJ/in（每吋切口千焦耳）。

最佳切割參數(shù)歸納如下：

17伏特

50吋/分（送絲速度）

100安培

60至100磅/吋2空氣壓力

20吋/分移動(dòng)速度（可手動(dòng)增加到36吋/分）

5千焦/吋熱輸入

每小時(shí)露出75吋2（設(shè)負(fù)載持續(xù)率100%）

每小時(shí)消耗2磅電極絲（設(shè)負(fù)載持續(xù)率100%）

在平均切口寬度為1/8吋時(shí)，每小時(shí)清除約10吋3（設(shè)負(fù)載持續(xù)率100%）

每小時(shí)清除金屬約3磅（設(shè)負(fù)載持續(xù)率100%）

金屬與所用電極絲之比1.5∶1

負(fù)載持續(xù)率100%這個(gè)參數(shù)指全部利用切割操作過(guò)程從開始到結(jié)束的時(shí)間。雖然切割操作在電壓約為16至25伏特范圍內(nèi)是有效的，但是較低的電壓往往能形成更好質(zhì)量的切口。

在實(shí)際驗(yàn)證中，本發(fā)明的帶芯管式電極成功地用于切割典型的汽車門，例如清除點(diǎn)焊、零件等，使用時(shí)的電壓約為17至20伏特，送絲速度為50吋/分，供給的空氣壓力為60磅/吋2表壓。獲得了干凈狹窄的切口，板基本上設(shè)有變形，油漆也沒有哪怕是很小的損壞。

本發(fā)明的帶芯鋼電極絲優(yōu)于覆銅碳極之處在于：可獲得更高的刨削和切割速度;可容許并實(shí)際應(yīng)用大范圍的工作參數(shù)。

如前所述，管式電極的套管最好用碳鋼或其它黑色金屬制成，但也可以采用能加工成具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度的管式電極，并能易于由傳統(tǒng)的送絲裝置操縱的其它型號(hào)的可鍛金屬。

本發(fā)明的帶芯電極可用于切割或刨削多種金屬，例如黑色金屬（鋼、鑄鐵、鐵類合金等）、鋁、鋁合金、銅、銅合金、鈦、鈦合金、鎳基合金以及鈷基合金。

在切割或刨削金屬時(shí)，把氣體（例如壓縮空氣）送到切割區(qū)域，以吹除熔化金屬。空氣可在表壓大約10至150磅/吋2壓力下沿電極的長(zhǎng)度方向即圍繞電極以套的形式吹出，即多股氣流皆繞電極同心排列，或以分開的氣流吹出。氣流的焦點(diǎn)不必相同，只要?dú)饬鞯牧鲃?dòng)方式適當(dāng)即可。

雖然結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)指出，那些熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人可能會(huì)很容易地懂得如何在不脫離本發(fā)明的主旨和范圍的情況下，利用本發(fā)明的改型和變更。這種改型和變更屬于本發(fā)明和從屬權(quán)利要求的權(quán)限和范圍之內(nèi)。