CN103567615A

CN103567615A - 加固焊嘴的方法以及焊嘴

Info

Publication number: CN103567615A
Application number: CN201310146216.4A
Authority: CN
Inventors: 宫坂四志男
Original assignee: Fuji Kihan Co Ltd
Current assignee: Fuji Kihan Co Ltd
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: JP5535280B2; JP2014018849A; CN103567615B; HK1189369A1; US20140021174A1

Abstract

为了以简单的方式延长焊嘴的寿命，通过以100m/s或更高的喷射速度将金属粉末颗粒至少喷在由铜、铜合金或分散有陶瓷的铜中的任一材料形成的焊嘴1（11、12）的内周表面上以形成表面加固层2。所述金属粉末颗粒的平均颗粒直径为40μm至150μm并且硬度等于或大于焊嘴1（11、12）的材料的硬度。随后，通过进一步以200m/s或更高的喷射速度将平均颗粒直径为10μm至100μm的且其上形成有氧化锡膜的锡粉末喷到表面加固层2上，以在表面加固层2上形成半导体膜3。

Description

加固焊嘴的方法以及焊嘴

技术领域

本发明涉及加固焊嘴的方法以及由所述方法加固的焊嘴。更具体而言，本发明涉及加固导电嘴和喷嘴的方法以及由该方法加固的焊嘴，所述导电嘴用于在电弧焊中通过焊条钢丝形成配电点，所述喷嘴用于在等离子焊中围绕电焊条外周的同时喷射等离子体（在本发明中导电嘴和喷嘴统称为“焊嘴”）。

背景技术

由于要求较高的生产速度，作为在汽车制造业等的焊接线中使用的焊接方法，电阻焊（例如，点焊和缝焊）通常为主流焊接方法。

然而，由于近年来要求降低燃料消耗，需要改善焊接部位的强度以降低汽车等的重量。因此，就此而言，已经使用优于电阻焊的电弧焊和等离子焊。

此外，近年来的电力供给缺乏情况等已成为考虑转向与电阻焊相比能耗更低的电弧焊和等离子焊的原因之一。

然而，电弧焊和等离子焊由于需要比电阻焊更长的工作时间而导致生产率较低。因此，为了采用这些焊接方法来代替电阻焊，需要改进焊接速度。

作为电弧焊的一个例子，现在描述MIG焊，MIG焊是一种使用电焊条作为填充金属的消耗型焊接方法。如图2所示，用于MIG焊的焊枪的前端部设置有气体喷嘴4，通过该气体喷嘴导入惰性气体。此外，作为焊嘴的导电嘴1（11）同中心地设置在气体喷嘴4中，作为填充金属的电焊条5在接触状态下***导电嘴11中，从而允许电流流至电焊条5。而且，在导电嘴11的外周和气体喷嘴4的内周之间形成惰性气体的通道。因此，通过工件W和***导电嘴11中的电焊条5之间产生的电弧热量熔化焊条5并馈送电焊条5来实施连续焊。

如图3所示，用于等离子焊的焊枪的前端部设置有电焊条6（例如，钨条）、设置在电焊条6的外周的喷嘴12和覆盖喷嘴12的外周的屏蔽环7。在电焊条6和喷嘴12之间产生的电弧（非转移弧）或在电焊条6和工件W之间产生的电弧（转移弧）使在电焊条6的外周和喷嘴12的内周之间引入的等离子气体凭借电弧的热量而膨胀，从而所述等离子气体通过设置在喷嘴12的前端的喷孔121高速喷出。使保护气体在喷嘴12的外周和屏蔽环7的内周之间流动，以控制等离子流的范围。

如上所述设置的焊嘴1（11，12）由于其结构在高温条件下与电焊条5的滑动接触或与等离子的接触而被磨损。此外，因为粘附物质通过喷溅等进行粘附会导致寿命较短，所以需要更换焊嘴。

具体而言，当使用如上所述的代替电阻焊的这些焊接方法提高生产速度时，经过较短的时间就需要更换焊嘴1（11，12）。

因此，通常的实践是在焊接线上引入昂贵的机器人，以通过汽车生产等中的全自动化来提高生产率。然而，例如，更换焊嘴1（11，12）需要定期地且频繁地（例如，每小时）关闭焊接线，并且需要手动更换工作。更换工作的这些要求是生产率显著降低的原因。

此外，因为待更换的焊嘴1（11，12）需要具有高导电性，铜、铜合金（例如，铬铜、分散有陶瓷的铜等等）被用作焊嘴1（11，12）的原料。这样的焊嘴是昂贵的。如果更换频率可以降低的话，那么可降低生产成本。

因为分散有陶瓷的铜与铬铜相比具有非常好的耐磨性等，所以使用分散有陶瓷的铜可降低更换频率。然而，分散有陶瓷的铜是铬铜的1.2倍至2倍的花费并且无法获得与价格差相应的效果。

因此，亟需相对简单且低成本，并且显著提高焊嘴的寿命。

为了提高这样的焊嘴的耐磨性等等，本发明的发明人已经提出如下想法：以100m/s或更高的喷射速度将颗粒直径为40μm至300μm的且硬度等于或高于喷嘴硬度的硬颗粒喷在由非铁金属制成的喷嘴的表面上，以使喷嘴表面附近的温度升高至重结晶温度或更高，从而在退火和重结晶过程中使喷嘴表面的金属结构小型化，从而得到具有改善的导电性和改善的表面硬度的喷嘴（日本专利公开(LOPI)H8-150483(JP8-150483A)）。

而且，与焊嘴相关加工技术无关，为了加固切割工具的滑动部件、金属模具、齿轮、轴等的表面以实现改善的耐磨性和较高的表面硬度，本发明的发明人还提出如下想法：以0.5MPa或更高的喷射压强或者以200m/s或更高的喷射速度将平均颗粒直径为10μm至100μm的、其表面上形成有氧化物膜的锡粉末喷在待加工的产品上，从而在待加工的产品表面上形成厚度为1μm或更小的氧化锡膜（日本专利公开(LOPI)2009-270176(JP2009-270176A)）。

如上所述，JP8-150483A已经公开了将具有一定颗粒直径且硬度等于或高于喷嘴硬度的颗粒以一定的喷射速度喷在喷嘴表面，以增加表面硬度，从而改善喷嘴的耐磨性。

然而，通过上述JP8-150483A描述的加工方法获得的焊嘴在硬度提高方面具有一定的稳定水平，并且仅通过JP8-150483A描述的加工方法获得的焊嘴的寿命改善有限。

因此，期望通过进一步提高焊嘴的寿命来降低焊嘴的更换频率，从而减小关闭焊接线的频率以进一步提高生产率。

本发明是根据上述JP8-150483A的发明的延续并且目的在于通过相对简单的方法以低成本提供一种持久的焊嘴，以满足上述市场中对延长寿命的需求，本发明的焊嘴与通过根据上述JP8-150483A的方法加工的焊嘴相比，具有进一步改善的耐磨性和抗磨损性，从而满足了上述市场中对延长寿命的需求。

如上述JP2009-270176A所介绍的，本发明的发明人还提出了一种用于改善耐磨性的方法，在所述方法中，将具有一定平均颗粒直径的、其上形成有氧化锡膜的锡粉末在一定喷射条件下喷在待加工的产品的滑动部位，以形成氧化锡膜，该氧化锡膜为滑动部位的表面的硬物质。

因此，当在根据JP8-150483A的方法进行表面加固之后通过根据JP2009-270176A的方法进一步形成所述氧化锡膜时，可通过两种发明的协同效应获得进一步改善的表面硬度。

然而，通过上述JP2009-270176A的方法在滑动部位的表面形成的膜的材料为氧化锡，即，“半导体”，其为在大约室温（25℃）条件下对诸如作为焊嘴基体材料的铜之类的导电材料具有非常高的电阻的物质。

因此，当这种氧化锡膜形成在需要具有高导电性的部位（例如，焊嘴的内周表面）上时，可使所需的特性丧失。因此，根据上述JP2009-270176A的发明具有阻止将氧化锡膜应用于需要具有导电性的部位（例如，焊嘴的内周表面）的理由（障碍因素）。

掺杂有锑的氧化锡（ATO）（其中添加了诸如锑之类的掺杂物的氧化锡）是表现出良好导电性的物质，例如用作显示面板的透明电极。因此，当企图在焊嘴的内周表面涂覆氧化锡而不损害导电性时，还可通过掺杂有锑的氧化锡形成膜。

然而，如果使用昂贵的掺杂有锑的氧化锡形成膜，那么得到的焊嘴也很昂贵，使其在市场上失去价格竞争力。而且，由于锑是一种对环境造成很大负担的物质，因此，如果可能的话，优选地是限制锑的使用。

鉴于上述观点，本发明的发明人试图在向焊嘴的内周表面喷射硬颗粒之后形成不添加杂质的氧化锡膜，尽管这与上述原因（障碍因素）相反。

结果，即使一旦表面硬度通过喷射硬颗粒而增加且随后形成氧化锡膜，表面硬度也不再增加。因此，不能获得预期的作为上述两个发明的结合的协同效应的改善的机械特性，例如进一步增加表面硬度。

另一方面，虽然不知道原因，但是如此加工的焊嘴的内周表面通过形成没有掺杂（添加杂质）的半导体膜具有所需的导电性，并且所述内周表面足以耐受用作焊嘴。而且，如此加工的焊嘴产生的磨损较少，虽然没有获得诸如提高硬度之类的改善的机械特性。此外，显著减低了焊接缺陷的产生，这提供了从上述常规技术的结合中无法预见的增强特性。

发明内容

结合优选的实施方式的详细描述中使用的附图标记，下面对解决上述问题的方法进行描述。附图标记意在澄清权利要求的描述和用于实施本发明的优选实施方式的描述之间的关系，并且不必说明，附图标记并不是以限定的方式用于理解本发明的技术范围。

如上所述，本发明是鉴于意料不到的效果所作出的，这样，上述两种方法的结合允许形成半导体膜而不损失导电性并且改善耐磨性等，尽管没有观察到硬度提高。

本发明的一种用于加固焊嘴1（11，12）的方法包括以下步骤：

通过以100m/s或更高的喷射速度将金属粉末颗粒至少喷在由铜、铜合金或分散有陶瓷的铜中的任一材料形成的焊嘴1（11,12）的内周表面上形成表面加固层2，所述金属粉末颗粒的平均颗粒直径为40μm至150μm并且硬度等于或高于焊嘴1（11，12）的材料的硬度；以及

通过进一步地以200m/s或更高的喷射速度将平均颗粒直径为10μm至100μm的、其上形成有氧化锡膜的锡粉末喷至在所述形成表面加固层的步骤中形成的表面加固层2上，以在表面加固层2上形成氧化锡半导体膜3。

在用于加固焊嘴的方法中，待加工的焊嘴1可为设置在用于惰性气体电弧焊或CO₂气体电弧焊的焊枪的前端的导电嘴11。

而且，在用于加固焊嘴的方法中，待加工的焊嘴1可为设置在用于等离子焊的焊枪的前端的喷嘴12。

在上述形成表面加固层的步骤中，可形成被给予成分加固、高硬度和压应力的表面加固层2，并且所述成分加固归因于金属粉末颗粒的成分扩散并渗透进入所述内周表面，所述高硬度归因于所述内周表面的表面附近的金属结构的小型化，以及伴随塑性形变的所述压应力归因于金属粉末颗粒的碰撞。

本发明的焊嘴1（11，12）包括：

表面加固层2，该表面加固层2是通过以100m/s或更高的喷射速度将金属粉末颗粒至少喷在由铜、铜合金或分散有陶瓷的铜中的任一材料形成的焊嘴1（11，12）的内周表面上而形成，所述金属粉末颗粒的平均颗粒直径为40μm至150μm且硬度等于或高于焊嘴1（11，12）的材料的硬度；以及

在表面加固层2上形成的氧化锡半导体膜3，该氧化锡半导体膜3是通过以200m/s或更高的喷射速度将平均颗粒直径为10μm至100μm、其上形成有氧化锡膜的锡粉末喷至表面加固层2上而形成。

焊嘴1可为具有与焊条的外周表面滑动接触的内周表面并且设置在用于电弧焊的焊枪的前端的导电嘴11。而且，焊嘴1可为具有界定用于导入等离子气体的空间的内周表面并且设置在用于等离子焊的焊枪的前端的喷嘴12。

金属粉末颗粒的成分扩散并渗透进入表面加固层2并且表面加固层2具有小型化的金属结构和压应力。

本发明上述结构使具有通过本发明的方法加固的表面的焊嘴具有下述突出效果。

通过上述方法在内周表面上形成表面加固层2和由氧化锡构成的半导体膜3使焊嘴寿命比未加工的焊嘴的寿命长7至8倍，比仅仅具有在其上形成表面加固层的常规焊嘴的寿命长2至3.5倍。

因为如上所述在焊嘴的内周表面上形成膜的氧化锡为半导体，所以，预见到，对于具有通过本发明的方法在内周表面上形成的由氧化锡构成的半导体膜3的焊嘴1而言，内周表面导电性能降低可引起电弧焊的导电嘴内电焊条的配电问题，以及在等离子焊的喷嘴中等离子产生等的问题，从而导致焊接缺陷或在一些情况下使焊接本身不能进行。然而，当通过本发明的方法在表面加固层2上形成氧化锡半导体膜3时，观察到焊嘴1表现出意想不到的性能，例如，良好的导电性，甚至无需任何掺杂，虽然原理还不清楚。

进一步，在普通铜焊嘴中，当在焊接过程中由于加热而温度上升时，电阻随温度的升高成比例地增加。这加速了焊嘴的磨损并且导致焊接缺陷频繁产生。然而，在具有通过本发明的方法加固的表面的焊嘴中，焊嘴温度升高反而使内周表面的电阻降低，这产生如下效果：焊接缺陷的产生显著降低，并且磨损速度没有加快。

简言之，因为导带中电荷载流子密度越大使诸如氧化锡之类的半导体中的电阻越小，所以，通常通过增加掺杂物原子向导带提供自由电子或在价带中产生空穴从而提高电荷载流子密度，由此，降低电阻（改善导电性）。在这样的半导体中，认为不论掺杂物的量多少，由热量激发的电荷载流子在高温条件下占大部分，并且电阻随温度升高以指数形式降低，

而且，氧化锡具有HV1650kg/mm²的高硬度和1630℃的高熔点，这提供了热阻。因此，即使当半导体膜3在高温条件下与电焊条等滑动接触时，也很难造成半导体膜3的剥离等。

如图4所示，当作为半导体的氧化锡的温度在空气中升高时，带有负电荷且吸附在氧化锡表面的氧的量增加。进一步，吸附的氧捕获氧化锡导电所需的电子以增加氧化锡表面上形成的电势耗尽层，从而使势垒提高以增加电阻。

然而，当本发明的焊嘴在非氧化环境下使用时，例如，当在引入诸如Ar之类的惰性气体的条件下使用惰性气体电弧焊的导电嘴时，当在引入二氧化碳等的条件下使用CO₂气体电弧焊的导电嘴时，以及当在引入诸如氩、氢、氮之类的等离子气体的条件下使用等离子焊的喷嘴时，可防止电阻随新的氧的负电荷吸附而增加，并且认为在这方面还可抑制导电性随温度的升高而降低。

附图说明

本发明的目的和优点通过结合附图对下面优选实施方式的详细描述而变得明显。

图1为图示本发明的焊嘴的示意性横截面图；

图2为图示用于气体保护电弧焊（MIG焊接）的焊枪的前端部的示意图；

图3为图示用于等离子焊的焊枪的前端部的示意图；以及

图4为图示电阻随吸附至氧化锡膜的氧而增加的机理的示意图。

具体实施方式

接下来，参考附图对本发明的实施方式进行描述。

制造方法概要

本发明的用于加固焊嘴的方法包括：通过将硬度比焊嘴的基体材料高的金属粉末颗粒至少喷在焊嘴的内周表面上以在焊嘴的内周表面附近形成表面加固层2的步骤，以及通过进一步将其上形成有氧化锡膜的锡粉末颗粒喷在表面加固层2上形成氧化锡半导体膜3的步骤。

待加工的对象

本发明中的待加工的焊嘴包括导电嘴11和喷嘴12，其中，导电嘴设置在如图2所示的用于电弧焊的焊枪中且通过电焊条5形成配电点，喷嘴12设置在如图3所示的用于等离子焊的焊枪中且覆盖电焊条6的外周。

根据焊接类型的不同，电弧焊的导电嘴包括各种不同类型的导电嘴，例如，用于埋弧焊的导电嘴、用于惰性气体电弧焊的导电嘴、和用于CO₂气体电弧焊的喷嘴，但是本发明的方法可适用于这些导电嘴中的任何一种。并且，在本发明的方法中，电焊条本身作为填充金属的消耗式焊接（例如MIG焊）的导电嘴和几乎不消耗电焊条本身的非消耗式焊接（例如TIG焊）的导电嘴均可用作待加工的对象。

因为用于电弧焊和等离子焊的焊嘴1（11，12）需要具有高导电性，所以，使用铜、铜合金和分散有陶瓷的铜作为材料，并且本发明可加工这些材料中的任何一种。

此外，铬铜、锆青铜等为常用于焊嘴的铜合金，并且本发明可适用于这些中的任何一种。而且，不限于这些，本发明还可适用于由其他铜合金制成的焊嘴。

加工设备

在根据本发明形成表面加固层的步骤和形成半导体膜的步骤中，可使用商业上可获得的、应用于已知的喷砂处理和喷丸处理的空气式喷砂设备。

作为空气式喷砂设备，已经提供了各种类型的喷砂设备，例如，重力型（吸扬式）和直压型。在本发明的加工方法中，任何喷砂设备只要能将喷射粉末可以一定的喷射速度通过压缩气体喷射，就可使用，并且只要使用空气式喷砂设备，就不特别限定喷射类型。

形成表面加固层的步骤

通过下述方式执行形成表面加固层的步骤：首先将硬度等于或大于焊嘴基体材料的金属粉末颗粒至少喷在内周表面上，优选地喷在上述焊嘴的内周表面和外周表面上，从而在喷射位置处的焊嘴的表面附近形成表面加固层2。

用于喷射的金属粉末颗粒的示例可包括高速钢和钨。除了这些之外，可使用各种类型的金属粉末颗粒，只要所述金属粉末颗粒由硬度等于或大于焊嘴的基体材料的金属材料形成。

此外，通过高速喷射的金属粉末颗粒与焊嘴的表面产生碰撞，金属粉末颗粒的成分的一部分可扩散并渗透进入焊嘴的表面附近。因此，例如，为了加固和改善作为焊嘴基体材料的铜或铜合金，当其他成分扩散并渗透于其中时，待扩散和渗透的成分可被包括在金属粉末颗粒中。

用于喷射的金属粉末颗粒的平均颗粒直径为40μm至150μm，并且以100m/s或更高的喷射速度喷射所述金属粉末颗粒。

金属粉末颗粒的直径为40μm至150μm的原因为：需要较小的颗粒直径以获得较高的喷射速度，使加工表面的表面粗糙度均匀并且调节所述表面粗糙度以产生不使电阻增加的接触表面。进一步，喷射速度为100m/s或更高的原因为：该喷射速度为在上述颗粒直径下使具有高散热的铜或铜合金的焊嘴的表面附近的温度升高至所需温度（例如，重结晶温度或更高）所要求的条件。

在这种方式中，当将金属粉末颗粒在上述条件下至少喷在焊嘴的内周表面时，通过焊嘴表面上的颗粒与颗粒的碰撞来重复进行加热和冷却，从而使碰撞部分的表面附近的结构小型化。同时，将压应力施加在碰撞部分，该碰撞部分随后被加固。

使金属粉末颗粒中的成分的一部分扩散并渗透进碰撞部分的表面附近，从而在如图1中放大图所示的在焊嘴的表面附近形成表面加固层2。

与焊嘴的未加工的内周表面的表面相比，以这种方式形成的表面加固层2获得了较高的导电性，这种较高的导电性归因于结构小型化。

形成半导体膜的步骤

通过下述方式执行形成半导体膜的步骤：进一步将锡粉末喷在由上述步骤形成的表面加固层2上，从而形成氧化锡的半导体膜3。

作为待喷射的锡粉末，使用表面上形成有氧化锡膜的锡粉末，并且将该氧化锡粘附、扩散和渗透至焊嘴的内周表面以形成上述半导体膜3。

覆盖有这样的氧化物膜的锡粉末可通过例如使用水雾法制造锡粉末而获得。在这种水雾法中，熔融的锡与高压水的碰撞使熔融的锡瞬间粉末化和快速固化，从而获得粉末。在由此方法获得的锡粉末中，其表面通过与水碰撞进行淬火而被氧化，这产生具有覆盖有氧化物膜的表面的锡粉末。

待使用的锡粉末的平均颗粒直径为10μm至100μm，优选地为20μm至50μm。为了通过与锡粉末碰撞在待加工产品的表面上形成膜，需要在碰撞时通过加热使锡粉末温度升高，并且该温度随锡粉末的碰撞速度成比例地升高。

颗粒直径在上述范围内的锡粉末易于通过由喷射时使用的压缩气体产生的空气流运送，并且可使喷射粉末与待加工产品的表面高速碰撞，从而合适地形成氧化锡膜。

待使用的喷射粉末的每个颗粒的形状可为球形、多边形或者还可以为这些形状的混合，并且颗粒的形状不受特别限制。

锡粉末以200m/s或更高的喷射速度喷射。锡粉末与待加工产品表面碰撞时产生的温度增高与速度成比例，并且需要锡粉末以高速喷射，从而使锡粉末合适地熔融并粘附于待加工产品的表面。

具体而言，在本发明的方法中使用的锡粉末具有在其表面上形成的氧化物膜。而且，该氧化物膜（氧化锡）具有比锡（未氧化的）更高的熔点，因此，需要以上述高喷射压力和高喷射速度喷射锡粉末。

如上所述，表面上形成有氧化物膜且平均颗粒直径为10μm至100μm，优选地为20μm至50μm的锡粉末以200m/秒或更高的相对高的速度喷射并且使所述锡粉末与焊嘴的内周表面碰撞。随后，喷射的锡粉末与焊嘴的内周表面碰撞，并且当喷射的锡粉末被弹回时，喷射的锡粉末的一部分熔融并粘附于或者扩散/渗透进入所述内周表面并且覆盖所述内周表面，以形成氧化锡膜。

当以上述高喷射压力或喷射速度将锡粉末高速喷在焊嘴的内周表面上时，通过与待加工产品表面碰撞前后的速度变化在锡粉末中产生热量。因为该热量仅仅在锡粉末碰撞变形的部分中产生，所以在锡粉末中以及焊嘴的内周表面附近局部温度升高，其中，所述锡粉末与所述焊嘴的内周表面附近碰撞。

因为温度随碰撞之前锡粉末的速度成比例地升高，所以喷射锡粉末的较高的喷射速度使锡粉末的温度和焊嘴的内周表面的温度升高至较高温度。这时，锡粉末在焊嘴的内周表面处被加热，由此，这种升高的温度使锡粉末的温度升高的部分被氧化。同时，认为喷射粉末的一部分（包括锡粉末的表面上形成的氧化物膜）通过所述升高的温度熔融并且粘附于、扩散并渗透进入焊嘴的内周表面上形成的表面加固层，或者覆盖焊嘴的内周表面上形成的表面加固层，从而形成半导体膜3。

作为金属的锡为软金属，其维氏硬度为约5kg/mm²。作为锡的氧化物的氧化锡为高硬度的物质，例如，最大维氏硬度为约1650kg/mm²。以这种方式形成的氧化锡膜的硬度足以形成一种比得上诸如氧化锆（约HV1100kg/mm²）、氧化铝（约HV1800kg/mm²）、碳化硅（约HV2200kg/mm²）和氮化铝（约HV1000kg/mm²）之类的陶瓷那样不易磨损的膜。

进一步，以这种方式形成的氧化锡膜不易由于电焊条等的滑动导致剥落等等。

而且，锡具有232℃的低熔点，但是氧化锡具有1630℃的高熔点。因此，即使在用于焊嘴时，焊嘴具有足以经受焊接期间加热的热特性。

未掺杂的氧化锡为具有高电阻的半导体，但是在通过上述方法在表面加固层2上形成氧化锡半导体膜3之后，焊嘴的内周表面表现出良好的导电性，尽管原理等等未知。

此外，在未根据本发明加工的焊嘴中，电阻随温度升高而增加，并且这样增加的电阻使得对电焊条的电力供应不足或者导致电力消耗增加。同时，增加的电阻还产生热量，并且在这种状态下焊嘴与电焊条的滑动接触导致磨损速度较高和寿命较短。这还导致基于电力供应缺乏或接触不良的焊接缺陷。在焊嘴的内周表面（在该表面上通过根据本发明的方法的表面加固加工形成半导体膜）中，半导体膜3的电阻随焊嘴温度的升高而降低。因此，在不存在基于电阻增加等的电力供应减少、电力消耗增加、温度进一步升高的条件下，甚至当焊嘴的温度在焊接期间加热而升高时，都维持良好的导电性。因此，焊嘴也几乎不通过与电焊条或等离子接触而磨损，并且几乎不产生焊接缺陷。

效果等等

如上所述，在通过本发明的方法加固的焊嘴中，通过喷射硬度等于或高于焊嘴的基体材料的颗粒形成高硬度的表面加固层2，并且进一步地在表面加固层2上形成具有热变电阻和高硬度的半导体膜3，由此，不仅没有观察到由半导体膜3的形成而预期的导电性降低，而且即使在焊嘴被加热至较高温度时，也表现出良好的导电性，未增加电阻。

因此，在经过本发明的表面加固加工的焊嘴中，即使将上述两种加工结合也没有使表面硬度增加，但是通过上述两种加工无法预见的电学特性的表现使焊嘴的寿命比未加工的焊嘴的寿命长7至8倍，比仅在其上形成有表面加固层2的焊嘴的寿命长2倍至3.5倍，并且同时，显著降低了焊接缺陷的产生。

对焊嘴进行的加固加工的实施例描述如下。下面示出了对焊嘴（对所述焊嘴实施各种加工）的特性的评估结果。

实施例1

在如下条件下对用于电弧焊的导电嘴（由铬铜制成，φ1.2mm）实施本发明的加固方法。

（1）表面加固加工

在下述条件下，将金属粉末分别喷在导电嘴的内周表面和外表面。

表1

在用于电弧焊的导电嘴上形成表面加固层的条件

（2）形成半导体膜的步骤

在上述条件下完成表面加固加工之后，在下述条件下，将锡粉末分别喷到导电嘴的内周表面和外表面。

表2

在用于电弧焊的导电嘴上形成半导体膜的条件

（3）性能评估

下面表3示出了本发明的导电嘴（实施例1，在所述导电嘴上，在上述条件下形成表面加固层和半导体膜）、未加工的导电嘴（对比例1）和仅对其进行表面加固加工的导电嘴（对比例2）的性能评估结果。

表3

用于电弧焊的导电嘴的性能评估

（4）实验结果

从上述结果可知，对比例1（未加工的）中表面硬度为HV139kg/mm²，而在对比例2中经过表面加固步骤的表面硬度为HV181kg/mm²，这说明金属成分的扩散作用显著改善硬度和压力，并且使寿命（耐久性）提高4倍。

因此，与经过表面加固加工的导电嘴相比，在本发明的对其进一步进行形成半导体膜的步骤的导电嘴中，没有观察到硬度和压力相对于仅仅对其进行表面加固加工的导电嘴（对比例2）得到改善，但是获得了寿命（耐久性）增加，例如所述增加的寿命比未加工的导电嘴（对比例1）长8倍，比仅对其进行表面加固加工的导电嘴（对例2）长2倍。

本发明认为本发明的导电嘴的寿命（耐久性）即使在相对于仅仅经过表面加固加工的导电嘴（对比例2）而言没有获得增加的表面硬度或压力的条件下也得以提高的原因在于半导体膜在高温下的高导电性的作用。

此外，因为这种方式中高温下导电性较高，所以，能够降低电力消耗，这是经济的，同时能够显著降低由不良电力供应导致的焊接缺陷的产生。而且，其上形成有半导体膜的喷嘴产生良好的焊丝滑动。同时，因为氧化锡半导体膜具有高熔点和高硬度，即使在高温下与焊条滑动接触也难以剥离，并且上述非常好的电学性能可在很长的时间段内连续获得。

具体而言，在该实施例中，还在导电嘴的外表面上形成所述表面加固层和氧化锡半导体膜。因此，在焊接过程中焊渣几乎不粘附于导电嘴的任何位置，并且当粘附时，能够容易地将其除去，从而防止寿命由于焊渣粘附而降低。

实施例2

本发明的表面加固加工在下列条件下在用于等离子焊的喷嘴（由铬铜制成，锻造产品，φ2.5mm）上进行，并且对加工后的喷嘴的特性进行评估。

（1）表面加固加工

在下列条件下，将金属粉末分别喷到喷嘴的内周表面和外表面。

表4

在用于等离子焊的喷嘴上形成表面加固层的条件

（2）形成半导体膜的步骤

在上述条件下完成表面加固加工之后，在下列条件下，将锡粉末分别喷到喷嘴的内周表面和外表面。

表5

在用于等离子焊的喷嘴上形成半导体膜的条件

（3）性能评估

下表6示出了对本发明的喷嘴（实施例2，在上述条件下在其上形成表面加固层和半导体膜）、未加工的喷嘴（对比例3）以及仅对其进行表面加固加工的喷嘴（对比例4）进行的性能评估的结果。

表6

等离子焊的喷嘴的性能评估

（4）实验结果

虽然用于等离子焊的喷嘴不与电焊条直接接触，不像上述用于电弧焊的导电嘴那样，但是通过喷嘴孔聚集由电焊条的外周和喷嘴的内周之间的电弧热量加热并膨胀的等离子气体并高速喷射该等离子气体。因此，用于等离子焊的喷嘴的磨损等等直接影响焊接的品质。

由铬铜构成且通过锻造制成的喷嘴（未加工的产品：对比例3）的表面硬度为HV174kg/mm²，而进行了表面加固加工的喷嘴（对比例4）的硬度增加至HV196kg/mm²。同时还观察到压力提升，但是寿命（耐久性）仅仅增加2倍。

另一方面，相对于仅仅对其进行表面加固加工的喷嘴（对比例4），本发明的在表面加固加工（实施例2）之后在其上进一步形成有半导体膜的喷嘴中没有观察到硬度和压力的改善，但是观察到寿命（耐久性）增加，例如，比未加工的产品（对比例3）的寿命长7倍，比表面加固产品的寿命长3.5倍。

甚至当与使用未加工的产品（对比例3）或表面加固的产品（对比例4）的情况相比时，证实了焊接缺陷的产生显著降低。

在该方法中，虽然形成半导体膜前后硬度和压力均未发生变化，但是，喷嘴寿命增加并且喷嘴中的焊接缺陷显著降低。因此，认为这些效果均是通过如下事实获得的：氧化锡半导体膜的形成防止导电性降低（确切的说是改善了导电性），甚至在高温条件下也防止导电性降低。

因此，随附的最广义的权利要求不涉及以特定方式设置的机器。相反，所述最广义的权利要求意在保护本突破性发明的核心或实质。本发明明显为新的且为有用的。而且，从将现有技术作为整体的角度来看，本发明在作出之时对于本领域普通技术人员不是显而易见的。

而且，从本发明的创新性角度来看，本发明明显为一个开创性的发明。这样，作为法律问题而言，随附的权利要求有权要求非常广义的解释以保护本发明的核心。

由此可见，上面列举的目的，以及从上述内容中可明显得出的那些目的得以有效地实现，并且因为可对上述结构做出一些改变而不偏离本发明的范围，所以，上述说明书所包含的以及附图所示的所有内容应被解释为示意性的，不具有限制意义。

还应理解的是，随附的权利要求意在覆盖本发明所述的全部上位特征和下位特征，并且，作为语言表述而言，本发明的范围内的所有陈述可落在所述上位特征和所述下位特征之间。

至此已完成对本发明的描述。

Claims

1.一种用于加固焊嘴的方法，所述方法包括下述步骤：

通过以100m/s或更高的喷射速度将金属粉末颗粒至少喷在焊嘴的内周表面上，形成表面加固层，所述焊嘴由铜、铜合金或分散有陶瓷的铜中的任一材料形成，所述金属粉末颗粒的平均颗粒直径为40μm至150μm并且硬度等于或高于所述焊嘴的材料的硬度；以及

通过进一步以200m/s或更高的喷射速度将平均颗粒直径为10μm至100μm并且其上形成有氧化锡膜的锡粉末喷至在所述形成表面加固层的步骤中形成的表面加固层上，以在所述表面加固层上形成氧化锡的半导体膜。

2.根据权利要求1所述的加固焊嘴的方法，其中，所述焊嘴为设置在用于惰性气体电弧焊或CO₂气体电弧焊的焊枪的前端的导电嘴。

3.根据权利要求1所述的加固焊嘴的方法，其中，所述焊嘴为设置在用于等离子焊的焊枪的前端的喷嘴。

4.根据权利要求1至3任一项所述的加固焊嘴的方法，其中，在所述形成表面加固层的步骤中，形成被给予成分加固、高硬度和压应力的表面加固层，所述成分加固归因于金属粉末颗粒的成分扩散并渗透进入所述内周表面，所述高硬度归因于所述内周表面的表面附近的金属结构的小型化，以及伴随塑性形变的所述压应力归因于金属粉末颗粒的碰撞。

5.一种焊嘴，所述焊嘴包括：

表面加固层，所述表面加固层是通过以100m/s或更高的喷射速度将金属粉末颗粒至少喷在焊嘴的内周表面上而形成，所述焊嘴由铜、铜合金或分散有陶瓷的铜中的任一材料形成，所述金属粉末颗粒的平均颗粒直径为40μm至150μm并且硬度等于或高于所述焊嘴的材料的硬度；以及

在所述表面加固层上形成的氧化锡半导体膜，所述氧化锡半导体膜是通过以200m/s或更高的喷射速度将平均颗粒直径为10μm至100μm且其上形成有氧化锡膜的锡粉末喷在所述表面加固层上而形成。

6.根据权利要求5所述的焊嘴，其中，所述焊嘴为具有与焊条的外周表面滑动接触的内周表面并且设置在用于电弧焊的焊枪的前端的导电嘴。

7.根据权利要求5所述的焊嘴，其中，所述焊嘴为具有界定用于导入等离子气体的空间的内周表面并且设置在用于等离子焊的焊枪的前端的喷嘴。

8.根据权利要求5至7任一项所述的焊嘴，其中，所述金属粉末颗粒的成分扩散并渗透进入所述表面加固层，并且所述表面加固层具有小型化的金属结构和压应力。