CN101084701B - 具有带内部通道的电极的等离子电弧焊炬 - Google Patents

Abstract

一种用于等离子电弧切削焊炬的电极，它最小化高发射率材料在喷嘴上的沉积、减少电极磨损并改进切削质量。电极具有带有第一端、相对于第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面的主体。主体具有设置于第二端上的端面。电极也包括从主体中的第一开口延伸到端面中的第二开口的至少一个通道。控制器可根据等离子电弧焊炬参数控制电极气体流过通道。公开了用于操作具有此电极的等离子电弧切削焊炬的方法。

Description

具有带内部通道的电极的等离子电弧焊炬

技术领域

本发明一般涉及等离子电弧焊炬系统和工艺的领域，尤其涉及用于等离子电弧焊炬中的经改进电极和制造这种电极的方法。

背景技术

诸如等离子电弧焊炬和激光器的材料加工装置被广泛地用于金属材料的切削。等离子电弧焊炬通常包括：焊炬主体；安装于主体内的电极；具有中心出口孔的喷嘴；电源接头；用于冷却和电弧控制流体的通道；控制流体流型的涡流圈；以及电源。用在焊炬中的气体可以是非活性的(例如氩或氮)、或活性的(氧或空气)。焊炬产生等离子电弧，该电弧是具有高温和高动量的等离子电弧的收缩电离射流。

等离子电弧切削焊炬产生具有电流密度一般在20,000到40,000安培/平方英寸范围内的转移等离子电弧。高分解力焊炬通过具有通常约为60,000安培/平方英寸的较高电流密度的较窄射流来表征。高分解力焊炬产生窄切削口和方形切削角。这种焊炬具有较稀薄的热影响区，并且对产生无结瘤切削和驱散熔融金属中更有效。

在金属工件的等离子电弧切削的过程中，首先在电极(阴极)与喷嘴(阳极)之间生成引导电弧。该引导电弧电离通过喷嘴出口孔的气体。在电离气体减小了电极与工件之间的电阻之后，接着电弧从喷嘴转移到工件。焊炬以转移等离子电弧模式操作用于切削工件，该模式通过电离气体从电极到工件的传导流来表征。

在使用活性等离子气体的等离子电弧焊炬中，通常使用具有高热离子发射率材料嵌入物的铜电极。该嵌入物压配合到电极的底端，从而露出限定一发射表面的嵌入物的端面。嵌入物的外露表面与电极的端面共面。电极的端面通常是平面的，但在一些情形中也可以是例如椭圆形、抛物面、球形或截头圆锥形。嵌入物通常由铪或锆制成，并呈圆柱形。发射表面通常是平面的。

在所有等离子电弧焊炬中，尤其是使用了活性等离子气体的那些，随着时间的流逝电极在嵌入物所露出的发射表面上出现通常为凹坑形式的磨损。凹坑是由于从嵌入物喷出熔融发射率材料而形成的。当首先生成电弧时，发射表面液化，并且在电弧的稳态期间，从高发射率材料的熔池中发射出电子。然而，在焊炬工作的三个阶段：(1)开始电弧，(2)电弧的稳态，和(3)停止电弧的期间，从发射表面喷出熔融材料。大量的材料沉积在喷嘴的内表面和喷嘴孔上。

在等离子电弧开始和停止阶段期间喷嘴内表面上高发射率材料的沉积通过共同转让给新罕布什尔州Hanover的HyperthermInc.的美国专利No.5,070,227和5,166,494来解决。已发现高发射率材料在电弧稳态期间沉积的迄今为止尚未解决的问题不仅缩短了电极寿命而且导致喷嘴磨损。

用于等离子电弧焊炬的喷嘴通常由良好导电率和导热性的铜制成。喷嘴被设计成传导持续时间短、电流小的引导电弧。同样地，喷嘴磨损的一共同原因是对喷嘴的非期望电弧附着，该电弧附着通常熔化喷嘴孔上的铜。

双弧现象，即从电极跳跃到喷嘴然后从喷嘴跳跃到工件的电弧，导致了非期望电弧附着。双弧现象具有许多公知成因，并且导致喷嘴磨损和/或喷嘴故障的增加。喷嘴上高发射率嵌入材料的沉积也会导致双弧现象，并缩短喷嘴的寿命。

发明内容

因此，本发明的一个主要目的是通过在切削处理期间最小化喷嘴上的高发射率材料的沉积来减少喷嘴磨损。

本发明的另一个主要目的是通过最小化从电极嵌入物喷出的熔融发射率材料来减少喷嘴磨损。

本发明的又一个主要目的是向等离子电弧焊炬提供一种增加等离子电弧柱的轴向动量从而支持更快和更好的切削性能的电极。

本发明的另一个主要目的是向等离子电弧焊炬提供一种获得改进切削质量的电极。

本发明的又一个主要目的是维持电极的寿命，同时减少喷嘴磨损。

在一方面中，本发明以一种用于等离子切削焊炬、使高发射率材料在喷嘴上的沉积最小化的经改进电极为特征。在另一方面中，本发明通过使从电极嵌入物喷出的熔融发射率材料最小化来减少电极磨损。在又一方面中，电极增加了等离子电弧柱的轴向动量，从而促成更快和更好的切削性能。

在一个实施例中，本发明以一种用于等离子电弧焊炬的电极为特征。电极包括具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面的主体。该主体具有设置于该主体的第二端上的端面。电极也包括从主体中的第一开口延伸到端面中的第二开口的至少一个通道。

第二开口可与电极主体中的孔相邻。主体第二端的端面可横切主体的纵轴。电极主体的第二端可包括椭圆形、抛物面、球形或截头圆锥形。电极的主体可以是细长的主体。电极的主体可以是诸如铜的高导热率材料。

电极的至少一个通道可相对于主体的纵轴定位成一角度(例如斜角或锐角)。电极的至少一个通道可平行于电极主体的纵轴。主体中的第一开口可位于该主体的外表面中或主体第一端的端面中。该至少一个通道可将气流从第一开口导向第二端中的第二开口。该至少一个通道可将气流从第一开口径向并轴向地导向第二开口。该至少一个通道可将气流从第一开口径向地导向主体的径向轴、并轴向地导向第二开口。在一个实施例中，该至少一个通道对流出通道的气流赋予切向速度分量。在另一个实施例中，该至少一个通道将气流从第一开口径向、轴向和/或切向地导向第二开口。流出第二开口的气流可以是涡流。

电极可包括由高热离子发射率材料(例如铪)制成的、位于设置在主体的第二端中的孔内的嵌入物，其中该嵌入物的端面被设置成与第二开口相邻。该主体的第二端可包括外沿和位于该外沿与嵌入物的端面之间的凹陷区。该第二开口可位于凹陷区中。

电极可包括位于主体的第二端上的盖子，其中至少一个通道由盖子和主体来限定。电极的主体可包括位于主体的第二端上的法兰。第一和第二开口可处于法兰之中。电极的主体可包括至少两个元件，当至少这两个元件组合时可形成至少一个通道。该至少两个元件可通过诸如通过铜焊、锡焊、焊接或接合的装配方法来组合。该至少两个元件可包括啮合螺纹。

电极可包括多个通道。多个通道各自可从电极主体中的相应第一开口延伸到电极主体的第二端中的相应第二开口。多个通道可围绕电极主体的直径以相同的角度彼此间隔开。该主体第二端的端面可包括凹槽。第二开口可位于凹槽中。

在本发明的另一个实施例中，电极以具有第一端和相对于该第一端隔开的第二端的主体为特征。主体具有设置于主体的第二端上的端面。电极也包括延伸贯穿主体的至少一个通道。该至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导气流进入与主体的第二端相邻的第一开口，并从主体第二端的端面中的第二开口排出。

在本发明的又一个实施例中，电极包括限定了从其第一端延伸到其第二端的纵轴的主体，该具有端面的主体设置于第二端上。电极也包括形成于主体中、从主体中的第一开口延伸到主体中的第二开口的至少一个通道。第二开口对从至少一个通道流出的气流赋予至少一轴向速度分量。电极也可包括由高热离子发射率材料制成的、位于设置在主体的第二端中的孔内的嵌入物。嵌入物的端面可定位成与第二开口相邻。

在本发明的另一个实施例中，电极包括具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面的主体。该主体具有设置于第二端上的端面。电极也包括形成于主体中、从主体外表面中的第一开口延伸到主体第二端的端面中的第二开口的至少个一轴向和径向导向的通道。第二开口可与电极主体的第二端中的孔相邻。

在本发明的又一个实施例中，电极包括具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端以及从第一端延伸到第二端的外表面的主体。该主体限定了设置于主体的第二端中的孔。电极也包括从主体中的第一开口延伸到与主体第二端中的孔相邻的第二开口的至少一个通道。

通常，在另一个实施例中本发明涉及制造用于根据本发明一方面的等离子电弧焊炬的电极的方法。该方法涉及形成具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面的主体。该主体具有设置于第二端上的端面。该方法还涉及形成从主体中的第一开口延伸到端面中的第二开口的至少一个通道。第二开口可与电极主体的第二端中的孔相邻。

电极的第二端可位于在主体第二端的的端面中。电极的主体可以是诸如铜的高导热率材料。至少一个通道可相对于主体的纵轴定位成一角度(例如斜角或锐角)。第一开口可位于主体的外表面中。至少一个通道可通过铜焊、锡焊、焊接或接合至少两个元件来形成。该至少一个通道可通过接合至少两个元件来形成，其中这两个元件具有啮合螺纹。该至少一个通道可通过组合盖子和电极的主体来形成。

用于制造电极的方法可包括：形成高热离子发射率材料(例如铪)的嵌入物；以及将该嵌入物嵌入到设置于主体第二端中的孔。

在本发明的另一个实施例中，电极包括具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面的主体。该主体具有设置于第二端上的端面。电极也包括用于引导来自主体第二端上的端面中的开口的气流的装置。

在另一方面中，本发明以用于制造或切削工件的等离子电弧焊炬为特征。焊炬包括具有用于将等离子气体引导到其中形成等离子电弧的等离子室的等离子流路径的焊炬主体。该焊炬也包括安装于焊炬主体中的电极。电极包括具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面的电极主体。电极的电极主体具有设置于该电极主体的第二端上的端面。电极也包括从电极主体中的第一开口延伸到电极主体的第二端上的端面中的第二开口的至少一个通道。第二开口可与电极主体中的孔相邻。

焊炬可包括相对于该焊炬主体中的电极安装的喷嘴以限定等离子室。至少一个通道可相对于电极主体的纵轴定位成一角度(例如斜角或锐角)。该至少一个通道可将气流从第一开口导向第二开口。焊炬也包括由高热离子发射率材料(例如铪)制成的、位于设置在电极主体的第二端中的孔内的嵌入物，其中该嵌入物的端面可定位成与第二开口相邻。

焊炬可包括位于电极的电极主体的第二端面上的盖子，其中至少一个通道通过盖子和电极主体来限定。电极的主体可包括至少两个元件，当这两个元件组合时形成至少一个通道。

焊炬的电极可包括多个通道。该多个通道可围绕电极主体的直径以相同的角度彼此隔开。多个通道可各自从电极主体中的相应第一开口延伸到电极主体的第二端中的相应第二开口。焊炬可包括用于向多个通道提供气流的气体源(例如，氧、空气、氢、氩、甲烷、二氧化碳或氮的至少之一)。

在另一方面中，本发明以用于制造或切削工件的等离子电弧焊炬为特征。焊炬包括具有用于将等离子气体引导到其中形成等离子电弧的等离子室的等离子流路径的焊炬主体。焊炬也包括安装于焊炬主体中的电极。电极包括具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面的电极主体。电极主体具有设置于该电极主体的第二端上的端面。焊炬也包括安装于焊炬主体中、限定了至少一个通道的元件。该通道具有第一开口和第二开口。第二开口对从至少一个通道的第二开口流出的气流赋予一轴向速度分量。电极可包括由高热离子发射率材料(例如铪)制成的、位于设置在电极主体的第二端中的孔内的嵌入物。嵌入物的端面可定位成与至少一个通道的第二开口相邻。

在又一方面中，本发明以用于制造或切削工件的等离子电弧焊炬为特征。焊炬包括具有用于将等离子气体引导到其中形成等离子电弧的等离子室的等离子流路径的焊炬主体。焊炬也包括安装于焊炬主体中的电极。电极包括具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端以及从第一端延伸到第二端的外表面的电极主体。电极主体具有设置于该电极主体的第二端上的端面。焊炬也包括安装于焊炬主体中、限定了至少一个通道的元件。通道具有第一开口和第二开口。通道引导从与电极主体的第二端相邻的第二开口排出的气流。

在另一方面中，本发明以用于制造和切削工件的等离子电弧焊炬中的组件为特征。该组件包括相对于焊炬主体中的电极安装的喷嘴。该组件也包括相对于喷嘴安装的元件，该元件限定了至少一个通道，该至少一个通道具有第一和第二开口，而且该至少一个通道引导从与电极中的嵌入物相邻的第二开口排出的气流。该至少一个通道可以是锥形孔。

在又一方面中，本发明以等离子电弧焊炬的焊炬喷头为特征。等离子电弧焊炬具有包括其中形成等离子电弧的等离子室的空心焊炬主体。焊炬喷头包括具有一电极主体的电极，该电极主体具有第一端、相对于该第一端隔开的第二端和从第一端延伸到第二端的外表面。电极主体具有设置于该电极主体的第二端上的端面。电极也包括从电极主体中的第一开口延伸到电极主体第二端上的端面中的第二开口的至少一个通道。第二开口可与电极主体中的孔相邻。焊炬喷头也包括相对于焊炬主体中的电极安装以限定等离子室的喷嘴。焊炬喷头可包括护罩。

在另一方面中，本发明以包括连接到电源的焊炬主体和具有带至少一个通道的电极主体的电极的等离子电弧焊炬系统为特征。通道的至少之一的第二端设置在电极主体的第二端上。电极和喷嘴安装成彼此隔开，以在焊炬主体的第一端形成等离子室。等离子气体流过等离子室。控制器根据等离子电弧焊炬参数控制电极气体流过通道的至少之一。

本发明也以包括连接到电源的焊炬主体的等离子电弧焊炬为特征。焊炬包括用于将等离子气体引导到其中形成等离子电弧的等离子室的等离子流径。具有带至少一个通道的电极主体的电极安装于焊炬主体中。控制器设置于焊炬主体内。控制器是用来根据等离子电弧焊炬参数控制电极气体流过至少一个通道。或者，用于连接控制器的连接器设置于焊炬主体内。控制器可连接到等离子电弧焊炬，从而与等离子电弧焊炬分离，或者设置在等离子电弧焊炬上。

在一个实施例中，控制器控制电极气阀系统以使电极气体能流过通道的至少之一。可选地或另外，控制器控制等离子气阀系统以使等离子气体能流过等离子室。电极气体可以是比如氮、氩、氢、氦、烃类燃料或其任意混合的非氧化气体。在一个实施例中，等离子气体包括氧而电极气体包括氮。在一个实施例中，等离子气体和电极气体在等离子室中彼此接触。等离子气体和电极气体在它们于等离子室中彼此接触之前可以是分开的气流。在一个实施例中，等离子气体和电极气体在等离子室的上游混合。

等离子电弧焊炬参数包括例如等离子电弧电流、电压、压力、流量、定时序列或这些的任意组合。在一个实施例中，等离子电弧焊炬参数是预定电流、预定电压、预定压力、预定流速或这些的任意组合。

在等离子电弧循环中的任意点期间，控制器可提供电极气流。例如，在启动等离子电弧之前、启动等离子电弧时、等离子电弧输送期间、熄灭等离子电弧之前或熄灭等离子电弧时，控制器提供电极气流。控制器可位于例如电源之外或之内。

在一个实施例中，等离子电弧焊炬系统包括安装于焊炬主体上的抵盖，并且基本上包围喷嘴的外表面。在另一个实施例中，具有中心圆形开口的护罩与喷嘴对齐。在另一个实施例中，孔设置于电极主体的第二端内，而嵌入物位于孔内。嵌入物的端面可定位成与至少一个通道的第二开口相邻。控制器可提供围绕嵌入物的电极气体。可任选地，电极气体围绕嵌入物的至少一部分。嵌入物可由比如钨或铪的高热离子发射率材料制成。

在另一方面中，本发明以用于操作等离子电弧焊炬系统的方法为特征。该方法包括提供由电极和喷嘴限定的等离子室。电极安装成与喷嘴彼此隔开。电极主体具有至少一个通道。该方法包括引导等离子气体通过其中形成等离子电弧的等离子室。该方法也包括引导电极气体通过通道的至少之一，并根据等离子电弧焊炬参数控制电极气体流过通道的至少之一。在一个实施例中，受控的电极气体围绕位于设置在电极的第二端中的孔内的嵌入物流动。例如，电极气体围绕例如嵌入物的至少一部分流过。

在另一个实施例中，该方法包括控制电极气阀系统以使电极气体能流过通道的至少之一。可选地或另外，该方法包括控制等离子气阀系统以使等离子气体能流过等离子室。

根据以下描述和权利要求，本发明的前述以及其它目的、方面、特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

当参考并非必然按比例绘制的附图阅读以下示例性描述时，将更全面地理解本发明的前所述与其它目的、特征和优点以及本发明自身。

图1是常规等离子电弧切削焊炬的一个示例的横截面视图。

图2A是图1焊炬的部分横截面视图，示出了在焊炬的操作期间形成的电极嵌入物的凹陷形发射表面的。

图2B是图1焊炬的部分横截面视图，示出了在焊炬的操作期间因喷嘴上的电极嵌入物材料的沉积所导致的双弧现象和喷嘴磨损。

图3A是根据本发明一示例性实施例的电极的横截面视图。

图3B是图3A电极的端视图。

图4是根据本发明一示例性实施例的电极的横截面视图。

图5是根据本发明一示例性实施例的电极的横截面视图。

图6是根据本发明一示例性实施例的电极的横截面视图。

图7是根据本发明一示例性实施例的电极的横截面视图。

图8是根据本发明一示例性实施例的电极的横截面视图。

图9是根据本发明一示例性实施例的电极的横截面视图。

图10是用在等离子电弧焊炬中、结合了本发明原理的一组件的部分横截面。

图11A是根据本发明的一电极实施例的分解立体图。

图11B是根据本发明的一电极实施例的组合视图。

图12是根据本发明一示例性实施例、安装于焊炬喷头中的电极和喷嘴的简化横截面视图。

图13A是结合了本发明电极的等离子电弧焊炬的部分横截面。

图13B是结合了本发明电极的等离子电弧焊炬的部分横截面。

图14A是自动等离子电弧焊炬系统的一示意图。

图14B是自动等离子电弧焊炬系统的一示意图。

具体实施方式

图1示出了典型等离子电弧切削焊炬10的简化示意形式，该焊炬表示由Hypertherm Inc.在新罕布什尔州Hanover的办事处出售的各种焊炬模型的任一种。焊炬10具有通常为圆柱形、在下端16有出口孔14的主体12。等离子电弧18，即电离射流，穿过出口孔14并附着于要切削的工件19。焊炬10被设计成以转移电弧模式穿透并切削特别是软钢的金属或其它材料。在切削软钢中，焊炬10使用诸如氧或空气的活性气体作为等离子气体28进行操作以形成转移等离子电弧18。

焊炬主体12支承具有一般圆柱形主体21的铜电极20。铪嵌入物22压配合到电极20的下端21a，从而暴露出平面发射面22a。焊炬主体12也支承与电极20隔开的喷嘴24。喷嘴24具有限定了出口孔14的中心孔。安装到焊炬主体12的涡流圈26具有一组径向偏移(或斜置)配气孔26a，这些孔对等离子气流赋予切向速度分量，从而使其形成涡流。这种涡流产生收缩电弧18并在嵌入物22上稳定电弧18的位置的涡流。焊炬也具有护罩60。护罩60(例如带螺纹)在其上侧壁60a耦合到绝缘环64。绝缘环64(例如带螺纹)在其上侧壁64a耦合到螺纹连接于焊炬主体12的盖子76。护罩60被配置成与喷嘴24分隔开，以便于限定气流通道68。护罩60的正面60b具有与喷出孔14对齐的出口孔72。

在工作中，等离子气体28流过进气管29和涡流圈26中的配气孔26a。这样，等离子气体28流入等离子室30并通过出口孔14和出口孔72流出焊炬10。首先在电极20与喷嘴24之间生成引导电弧。引导电弧电离通过喷出孔14和护罩出口孔72的气体。然后，电弧从喷嘴24转移到工件19以便于切削工件19。注意：焊炬10的包括元件排列、气体的导向和冷却流体流以及提供电连接的具体构造细节可采用多种多样的形式。

参看图2A，已发现在例如图1焊炬10的常规等离子电弧焊炬工作期间，等离子室30中的等离子电弧18和涡旋气流31事实上迫使铪嵌入物22的发射表面22a的形状通常在稳态下形成凹陷。因为在常规焊炬中，发射表面22a具有通常为平面的初始形状，所以在焊炬工作期间熔融铪从嵌入物22喷出直到发射表面22a具有通常凹陷的形状。因而，嵌入物22的发射表面22a的形状迅速改变，直到在稳态达到强迫凹陷形状。结果是在嵌入物22中形成凹坑34。

已经确定：凹陷形表面32的曲率是焊炬的电流电平、嵌入物22的直径(A)和焊炬10的等离子室30中的涡旋气流31的流型的函数。因而，对固定嵌入物直径增加电流电平导致发射表面22a具有较深的凹陷形凹坑。类似地，增大铪嵌入物22的直径或气流31的涡流强度，同时保持恒定电流电平导致较深的凹陷形状。

铪嵌入物22的发射表面22a上的涡旋气流31通常导致熔融铪从嵌入物22中喷出。在嵌入物22中所形成的相应凹坑会导致切削质量的退化，以及最终导致消耗品服务寿命的终结。通常期望降低铪嵌入物的消耗(即熔融铪的喷出)以延长可供消耗的寿命。

参看图2B，也已发现：在焊炬10工作期间，从嵌入物22喷出的熔融铪36沉积在喷嘴24上，从而导致双弧38，该双弧损坏喷嘴孔14的边缘，并增加了喷嘴磨损和铪嵌入物22的发射表面上的凹坑。在引导电弧转移之后，通常通过冷气体层来使喷嘴24与等离子电弧隔离。然而，这种隔离通常受到喷入气体层的熔融铪的破坏，从而导致喷嘴24成为经转移等离子电弧的较容易路径。结果就是如图所示的双弧现象38。

根据本发明，用于等离子电弧切削焊炬的经改进电极100减少了电极磨损，并最小化电极嵌入物材料(例如铪)在喷嘴上的的沉积。图3A和3B示出了结合本发明原理的电极100的一个实施例。电极100具有通常为圆柱形、由诸如铜的高导热率材料制成的细长主体104。电极主体104沿电极100的纵轴106延伸，当焊炬中安装了电极100时该纵轴与焊炬(未示出)共用。电极100具有沿着该电极100的纵轴106延伸的空心内部118。电极主体104具有第一端108和第二端112、以及位于第一端108与第二端112之间的外表面116。第一端108具有限定了横切电极100的纵轴106的平面表面的端面120。第二端112具有限定了横切电极100的纵轴106的平面表面110的端面124。在此实施例中，端面124通常为截头圆锥形。或者，第二端112和/或端面124可具有例如椭圆形、抛物线或球形的不同形状。

在电极主体104的第二端112中沿着电极100的纵轴106形成孔128。由高热离子发射率材料(例如铪)制成的通常为圆柱形的嵌入物132压配合到孔128中。嵌入物132的发射表面136位于孔128内，从而通过发射表面136限定的端面通常与电极主体104的第二端112的端面124的平面表面110共面。端面124具有边缘126。例如，边缘126可具有圆角边或锐边。在此实施例中，电极主体104也具有绕着电极100的主体104的第二端112的外径延伸的凹槽134(例如环形凹槽)。

如图所示，电极100具有贯穿电极100的主体104延伸的多个(例如八个)通道140a、140b、140c、140d、140e、140f、140g、140h(统称为140)。每个通道140具有位于凹槽134中的相应第一开口(统称为144)。每个通道140具有相应的第二开口(统称为148)。例如，通道140a具有位于主体104的第二端112的凹槽134中的第一开口144a和位于主体112的第二端112的端面124中的第二开口148a。该第二开口148a被定位成与嵌入物132的发射表面136相邻。通道140能将电极气体从相应的第一开口144导向第二开口148。流过各个通道140的气体被称为电极气体。第二开口148对流出通道140的气流赋予至少一轴向速度分量。在一些实施例中，通道140的第一开口144部分地位于凹槽134内。在一些实施例中，第一开口144并不位于凹槽134内。在一些实施例中，电极100没有凹槽134。

通常，流过通道140的气体称为电极气体，而形成等离子电弧的气体称为等离子气体。经引导通过通道140的电极气流可以是例如用于生成等离子电弧的诸如氧或空气的气体。或者，电极气流可以是一种或多种气体(例如氧、空气、氢以及氮、氩、甲烷和二氧化碳)的气流。电极气体可由用来在工作中提供生成经转移等离子电弧的等离子气体的相同气源来供应。在一些实施例中，一替代气源经由例如一个或多个软管或管道、或者焊炬中通向第一开口144的通道来向通道140提供电极气流。

已确定：在电极附近(例如嵌入物132的发射表面136)的氧化气体(例如空气或氧)会使电极100的寿命变短，尤其在焊炬启动期间。因此，在一些实施例中，引导其它非活性气体(例如氮)或者包含氧化和非氧化气体的组合的气体作为电极气体通过通道140，从而通过例如在嵌入物132的区域中降低氧化气体(例如等离子气体)的百分比来改进电极100的寿命。在一个实施例中，阀门(未示出)控制通过通道140的非氧化电极气体(例如氮)的流量。在一个实施例中，引导电极气体通过通道以便与启动和/或熄灭等离子电弧一致。通道140的第二开口148对排出第二开口148的电极气体赋予基本为轴向(即沿着纵轴106)的速度分量。在一些实施例中，电极气体的流量的控制在时间上被设定成与例如输送给焊炬的电流、等离子气压的增大或减小、启动等离子电弧和熄灭等离子电弧的一个或多个一致。可采用控制器(未示出)来控制电极气体流过电极100中的一个或多个通道140。例如，采用了具有一个或多个通道140的电极100的等离子电弧焊炬或等离子电弧焊炬系统可包括控制器以控制电极气体流动。在一个实施例中，控制器用于根据等离子焊炬参数控制电极气体流过至少一个通道140。等离子电弧焊炬参数包括例如电流、电压、流量、预定定时序列或这些参数的任意组合。

通道140相对于电极100的纵轴106定位成一角度152(例如锐角或斜角)。例如可选择角度152、通道140的数量和通道140的直径，以便减小从嵌入物132的发射表面136所发射出的电弧的区域中的等离子气体的涡流强度。例如，减小涡流强度减少从嵌入物132喷出的熔融发射率材料，这因为流出通道140的气流的轴向速度分量减小了作用在嵌入物132上的空气动力。作为示例，可根据焊炬的工作电流电平、嵌入物132的直径和焊炬中的等离子气体的流型和/强度来选择角度152、通道140的数量和通道140的直径。在一些实施例中，通道140定位成与电极100的纵轴106平行。

作为说明，进行实验以证明电极嵌入物的发射表面中的磨损的减少。在例如图3A和3B的电极100的电极的主体中形成八个通道140。这些通道各自具有约为1.04mm的直径，并且相对于电极100的纵轴106定位成一约为22°的角度152。在焊炬工作时，对于相同的工作条件，采用了通道的电极在发射表面中显示出比没有通道的电极更少的磨损。

其它数量和几何形状的通道140也落在本发明的范围内。作为示例，例如当从图3B的端视图方向观看时，通道140a可具有圆形、椭圆形、其它曲线或者直线横截面形状。然而，在一些实施例中，通道140被定向为同样对从通道140流出的气流赋予切向速度分量，从而产生涡流。用此方法，通道140能引导来自第二开口148的、具有轴向、径向和切向速度分量的电极气流。例如，通道140可被类似地定向到涡流圈中(例如径向偏移或斜置)的通道，以对电极气流赋予切向速度分量。

在图4所示的本发明的另一实施例中，电极100具有多个通道140(140a和140e示出；140b、140c、140d、140f、140g和140h未示出)。电极100的主体104在该主体104的第二端112的端面124中具有环形凹槽区180。通道140各自从主体104的外表面116中相应的第一开口144延伸到主体104的第二端112的端面124的凹槽180中相应的第二开口148。

在图5所示的本发明的另一个实施例中，电极100具有多个通道140(140a和140e示出；140b、140c、140d、140f、140g和140h未示出)。通道140各自从电极100的主体104的第一端108的端面120中相应的第一开口144延伸到主体104的第二端112的端面124中相应的第二开口148。第二开口148被定位成与嵌入物132的发射表面136相邻。在此实施例中，通道140一般与电极100的纵轴106平行。或者，通道140可定向为相对于电极100的纵轴106成一角度。

在图6所示的本发明的另一个实施例中，电极100具有多个通道140(140a和140e示出；140b、140c、140d、140f、140g和140h未示出)。在此实施例中，通道140各自在电极100的主体104的第二端112中具有相应的第一开口144，并在主体104的第二端112中具有相应的第二开口148。通道140引导电极气流径向地朝着电极100的纵轴106、然后轴向地朝着第二开口148进入第一开口144。

在图7所示的本发明的另一个实施例中，电极100具有位于该电极100的主体104的第二端112上的法兰184。该主体具有位于法兰184中的多个通道140(140a和140e示出；140b、140c、140d、140f、140g和140h未示出)。通道140的每一个都具有也位于法兰184中的相应第一开口144和相应第二开口148。

在图8所示的本发明的又一个实施例中，电极100具有多个通道140(140a和140e示出；140b、140c、140d、140f、140g和140h未示出)。电极100具有与该电极100的主体104的第二端112的内表面146相邻的空心内部118。通道140各自从主体104的第二端112的内表面146中相应的第一开口144延伸到主体104的第二端112的端面124中相应的第二开口148。

在图9所示的本发明的另一个实施例中，电极100具有由高导热性材料制成、通常为圆柱形的细长主体104。电极主体104沿着电极100的纵轴106延伸。电极100的主体104的第二端112具有相对于主体104的第一端108的外表面116直径减小的区域168(例如轴肩)。电极100也具有带两个通道140(140a和140e)的元件160。其它数量和几何形状的通道140也落在本发明的范围内。元件160具有沿着电极100的纵轴106延伸、通常为圆柱形的主体164。元件160具有也沿着公共纵轴106延伸的中心孔172。通道140a和140e各自从第一开口144(分别为144a和144e)穿过元件160的主体164延伸到第二开口148(分别为148a和148e)。以本文前述的类似方式，电极气流通过通道140引导到与位于电极100的孔128内的嵌入物132相邻的位置。

在此实施例中，元件160具有位于该元件160的孔172内的内表面176上的环形凹槽170。o型环186部分位于凹槽172内。当装配时，o型环186部分地与电极100的主体104的区域168接触。这样，元件160经由o型环186耦合到电极100的主体104的区域168。

作为示例，元件160可由高导热率材料(例如铜)制成。在一些实施例中，元件160可由陶瓷、复合物、塑料和金属材料制成。在一些实施例中，元件160可由一个或多个块构成。在一些实施例中，元件160可与电极100的主体104进行压配合或接合。在一些实施例中，元件160不与电极100接触，而是相反例如耦合到处于与电极100的第二端112相邻的位置中的焊炬喷嘴(未示出)。这样，元件160仍能将电极气流引导到与电极100的嵌入物132相邻的位置。在一些实施例中，元件160耦合到焊炬的焊炬主体(未示出)。形成于元件160中的通道140将电极气流引导到与电极100的嵌入物132相邻的位置。第二开口148对从通道140流出的电极气流赋予至少一轴向速度分量。

在一些实施例中，通道140形成于焊炬的喷嘴(未示出)中，并且第二开口148被定位成与电极的第二端112相邻。这样，通道140将电极气流引导到与电极100的嵌入物132相邻的位置。在其它实施例中，通道140形成于焊炬主体中并将电极气流引导到与电极100的嵌入物132相邻的位置。

图10是用于采用了本发明原理的等离子电弧焊炬中的组件200的一个示例。该组件200包括安装于焊炬的焊炬主体(未示出)中的喷嘴260。喷嘴260具有出口孔280。组件200也包括安装于焊炬主体中的电极100。电极100包括压配合到该电极100的孔中的嵌入物132。组件200也包括相对于喷嘴260安装于焊炬主体中的元件160。元件160限定了至少一个通道272。通道272具有第一开口264和第二开口268。在此实施例中，通道272是锥形孔，它从第一开口264向第二开口268逐渐变细。通道272将电极气流从第一开口264朝着第二开口268引导到与电极100的嵌入物132相邻的位置。在此实施例中，喷嘴260、元件160、和电极100关于纵轴106共线地设置，从而喷出孔280、通道272和电极的嵌入物132彼此同轴。

在图11A和11B所示的本发明的另一个实施例中，电极100通过将盖190连接到主体104来形成。盖190具有通常为圆柱形的主体194。主体194具有限定了第一开口(未示出)的第一端198和限定了第二开口206的第二端202。主体194是具有从第一开口(未示出)延伸到第二开口206的通道210的空心主体。作为示例，盖190可由耐高温材料(例如石墨)或高导热性材料(例如铜)制成。在此实施例中，盖190也具有位于盖190的通道210的壁部分上的一系列螺纹(未示出)。

参看图11A，电极100的主体104在电极100的主体104的第二端112的外表面218上具有四个通道：214a、214b、214c和214d(统称为214)。在此实施例中，当从主体104的第二端112的端面124观看时，通道214具有圆形截面形状。或者，当从主体104的第二端112的端面124观看时，通道214可具有不同形状。例如，当从端面124观看时，通道214可具有三角形、方形截面或椭圆形截面的形状。通道214a、214b、214c和214d各自分别具有第一开口222a、222b、222c和222d(统称为222)。为了清晰说明起见，开口222b、222c和222d未示出。第一开口222位于主体的第二端112上。通道214a、214b、214c和214d也各自分别具有第二开口226a、226b、226c和226d(统称为226)。第二开口226位于电极100的主体104的第二端112的端面124中。主体104在该主体104的外表面116上具有一系列螺纹230。螺纹230被定位成与主体104的第二端112相邻。螺纹230能与位于盖190的通道210的壁上的螺纹相啮合。

参看图11B，盖190旋在主体104的第二端112上，从而通过主体104上的螺纹230与盖190的通道210的壁上的匹配螺纹的结合将盖190固定到主体104。盖190和主体104可被调节尺寸，从而由主体104的端面124所限定的平面表面基本上与由盖190的开口206所限定的平面共面。通过将盖190连接到主体104，在电极100中形成通道。通道基本上类似于例如图3A和3B的通道140。

图12是采用了本发明的原理、处于等离子电弧焊炬的经转移电弧模式中的等离子电弧焊炬喷头300的一个示例。这个模式表征为经转移的等离子电弧324从诸如图3A和3B的电极100的电极的嵌入物132的发射表面136发射到工件320。等离子电弧324穿过喷嘴304的出口孔312和护罩308的护罩孔316，从而与工件320形成电接触。喷嘴304、护罩308和电极100关于纵轴106共线地设置，从而喷出孔312、护罩孔316和位于电极100中的嵌入物132的发射表面136彼此同轴。

参看图12，电极100在该电极100的主体104中具有八个通道140(140a和140b示出；140c、140d、140e、140f、140g、140h未示出)。各个通道140在主体104中具有相应的第一开口144，而在电极100的主体104的第二端112中具有相应的第二开口148。通道140使得电极气体容易地通过电极100的主体104流到与嵌入物132的发射表面136相邻的位置。在此实施例中，电极气流基本上朝着等离子电弧324而不是喷嘴304的内壁328引导。将电极气流导入喷嘴304内的开口336中、并导出喷出孔312。

已确定：从通道140流出的电极气体增大了等离子电弧324的轴向动量。增加等离子电弧324的轴向动量已经显示了促成更快的切削和更好的切削质量。因此，在一些实施例中，与本发明相关联的各种参数(例如通道形状和数量以及气流速率)被选择成增大从通道140流出的电极气体的轴向动量。例如，在一些实施例中，通道140的数量和第二开口148的位置被选择成增大等离子电弧324的轴向动量。这样，操作人员可例如提高速度，在此速度下等离子焊炬被用来切削金属块，同时保持和/改进切削质量。

在电极100的端面124与喷嘴孔340的入口336之间的喷嘴-电极间隙332可被选择成例如增加电极寿命、改进切削质量和/或减少喷嘴的孔的磨损。作为说明，进行实验以证明改变喷嘴-电极间隙332的长度的影响。八个通道140形成于例如图3A和3B的电极100的电极的主体中。通道140各自具有约为1.04mm的直径，并相对于电极100的纵轴106定位成一约为22°的角度。在焊炬工作时，对于相同的工作条件，与约为2.3mm的喷嘴-电极间隙相比，约为3.0mm和约为3.8mm的喷嘴-电极间隙呈现出更少的喷嘴孔磨损和更长的电极寿命。

图13A示出了可被用来实践本发明的高分解力等离子电弧焊炬400的一部分。焊炬400具有通常为圆柱形的主体404，该主体包括电连接、用于冷却液和电弧控制液的通道。阳极块408被固定在主体404中。喷嘴412被固定在阳极块408中，并具有中心通道416和电弧通过它可转移到工件(未示出)的出口通道420。诸如图3A和3B的电极100的电极被固定在相对于喷嘴412隔开的阴极块424中，以便限定等离子室428。在等离子室428中电离从涡流圈432流出的等离子气体422以形成电弧。水-冷却盖436被旋到阳极块408的下端上，而辅助盖440被旋到焊炬主体404上。辅助盖440在钻孔或切削操作期间用作预防溅泼金属的机械护罩。也称为保护气体的辅助气体靠近辅助盖440流入。

冷却剂管444设置于电极100的空心内部448中。当电极100被安装到焊炬400中时，管444沿着电极100和焊炬400的中心线或纵轴106延伸。管444位于阴极块424中，从而管444通常沿着焊炬400的纵轴106的方向自由移动。管444的顶端452与冷却剂源(未示出)流体连接。冷却剂流穿过通道141并从位于管444的第二端456上的开口排出。冷却剂撞击到电极100的第二端112的内表面460上，并沿着电极主体104的内表面流动。

在工作时，电极气流142沿着通道140被引导到位于电极100的主体104中的第一开口144中，并且从位于电极100的主体104的第二端112中的第二开口148流出。电极气体142从与发射嵌入物132的发射表面136相邻的第二开口148流出。电极气流142被导向等离子电弧(未示出)并通过中心通道416和喷嘴412的出口通道420，并且通过护罩的出口孔被导向工件(未示出)。如图13A所示，电极气体142流过通道140，而来自相同源的等离子气体422是单独气体。在其它实施例中，电极气体和等离子气体各自具有不同的源，并且可任选地为不同气体或具有不同气体浓度。

在电极100的附近、例如嵌入物132的发射表面136附近的氧化气体(例如空气或氧)使得电极的寿命变短。为了提高电极100的寿命，其它非活性气体、氧化和非氧化气体的组合、作为氧化和非氧化气体的混合的气体被作为电极气体142引导通过通道140。例如，在其中氧化和非氧化气体被作为电极气体142引导的一个实施例中，非氧化气体流过通道140a，而氧化气体流过通道140e。适当的非活性气体包括比如氮、氩、氢、氦、烃类燃料或这些的任意组合。烃类燃料包括例如甲烷和丙烷。

图13B示出了高分解力等离子电弧焊炬400的一部分，其中诸如图5和8的电极100的电极被固定在相对于喷嘴421隔开的阴极块424中以限定等离子室428。冷却剂管444设置于电极100的空心内部448中。当电极100被安装到焊炬400中时，管444沿着电极100和焊炬400的中心线或纵轴106延伸。管444位于阴极块424中，从而管444通常沿着焊炬400的纵轴106的方向自由移动。管444的顶端452与冷却剂源(未示出)流体连接。冷却剂流穿过通道141并从位于管444的第二端456上的开口排出。冷却剂撞击到通道140(例如140a和140e)的壁143上，并在管444的壁与通道140的壁143之间流动。

在工作时，电极气流142沿着通道140被引导到位于电极100的主体104中的第一开口144中，并且从位于电极100的主体104的第二端112中的第二开口148流出。电极气体142从与发射嵌入物132的发射表面136相邻的第二开口148流出。电极气流142被导向等离子电弧(未示出)并通过中心通道416和喷嘴412的出口通道420，以及通过护罩的出口孔被导向工件(未示出)。电极气体142和等离子气体422可以是相同的气体或可以彼此不同。电极气体142和等离子气体422可从相同源(例如导管或线路)(未示出)流出。在一个实施例中，流过通道140的电极气体142具有一个源，而等离子气体422具有另一个源(未示出)。电极气体142流过通道140，而等离子气体422并不流过通道140。

可采用通道140来排出增压气体426。通道140排出增压气体426，并且所排出的增压气体从第二开口148流到第一开口144。通道140可在气源(未示出)或其附近排出增压气体426。或者，通道140可在气源与等离子室428(未示出)之间的一个或多个位置上排出增压气体426。在一个实施例中，电极100的特征是：多个通道140和通道140的一部分使电极气体142从第一开口144流到第二开口148，同时其它的通道140并发地排出等离子电弧焊炬中(例如等离子室428中)的增压气体426。

在另一个实施例中，通道140的一个或多个使电极气体142从第一开口144流到第二开口148。在熄灭等离子电弧时，通道140的一个或多个排出增压气体426，该气体从第二开口148流向第一开口144。

为了使通道140能排气，一个或多个排气阀和/或阀塞使通道140暴露于压力比例如增压气体426的压力低的大气。适当的低压可包括例如大气压或真空压力。

增压气阀系统可以是阻止增压气体426排出和使该增压气体426能通过通道140排出的机械阀。或者，增压气阀系统可以是计量增压气体426以便能获得期望排气速率的比例阀。控制器可控制增压气体从等离子电弧焊炬经由一个或多个通道140的排出。例如，控制器控制当排气阀打开时，排气阀打开多大，和/或通过通道140所排出的增压气体426的流量有多大。控制器可控制增压气体426以多快的速度从等离子电弧焊炬排出通道140。

使等离子电弧焊炬暴露于相对高压会对电极和喷嘴寿命产生不利影响。经由通道140将增压气体426从电极排出到低压系统可提高电极和喷嘴寿命。

等离子电弧系统被广泛地用来切削金属材料，并可自动化成用于自动切削金属工件。在一个实施例中，参看图13A、13B、14A和14B，等离子电弧焊炬系统包括计算机数字控制器(CNC)552、显示屏553、电源510、自动过程控制器536、焊炬高度控制器538、驱动系统540、切削台542、台架526、气源(未示出)、控制器500、定位装置(未示出)和等离子电弧焊炬400。等离子电弧焊炬系统可任选地包括阀门控制台520。等离子电弧焊炬400的焊炬主体404包括喷嘴410和具有一个或多个通道140的电极100。在工作时，等离子电弧焊炬400的喷头通过定位装置靠近工件530定位。

控制器500控制通过电极100中的一个或多个通道140的电极气体的流量。该控制器可设置于电源510上，例如参看图14B，控制器可装在电源510内。或者，控制器500可设置于电源510外壳的外部，例如在电源外壳的外面。在一实施例中，参看图14A，控制器500被连接到例如电源5 10的元件。类似地，阀门控制台520可设置于电源510上，例如参看图14B，阀门控制台520可装在电源510内。阀门控制台520也可设置于电源510外壳的外部，例如在电源外壳的外面。在一个实施例中，参看图14A，阀门控制台520被连接到例如电源510的元件。阀门控制台520可保护用于使例如等离子气体、电极气体、保护气体和其它气体流入和/或排出的阀门。

在工作时，用户将工件530放置在切削台542上，并将等离子电弧焊炬400安装于定位装置上，以便在该等离子电弧焊炬400的喷头与工件530之间提供相对运动，从而沿着加工轨迹引导等离子电弧。焊炬高度控制538关于工件530设定焊炬400的高度。用户向CNC 552提供启动命令以开始切削过程。驱动系统540从CNC 552处接收命令信号以在切削台542上沿x或y方向移动等离子电弧焊炬400。切削台542支承工件530。等离子电弧焊炬400被安装到焊炬高度控制器538，该控制器安装于台架526。驱动系统540相对于台542移动台架526，并沿着台架526移动等离子电弧焊炬400。

CNC 552引导等离子电弧焊炬400和/或切削台542的运动，以便使工件530能被切削成期望图案。CNC 552与定位装置进行通信。该定位装置使用来自CNC552的信号沿着期望切削路径引导焊炬400。定位信息从定位装置返回到CNC 552，以便允许CNC 552与定位装置交互操作，从而获得精确的切削路径。

电源510提供生成等离子电弧所必需的电流。电源510的主通断开关可进行本地控制或通过CNC 552远程控制。可任选地，电源510也装有用于冷却焊炬400的冷却系统。

控制器500根据等离子电弧焊炬400的参数控制电极气流。等离子电弧焊炬参数包括等离子电弧电流、电压、等离子气压、保护气压、电极气压、增压气压、等离子气体流量、保护气体流量、电极气体流量、增压气体流量、定时序列、或这些的任意组合。等离子电弧焊炬参数可以是一上升、下降或稳态阈值。

控制器可结合手工焊炬、机械化焊炬或其它适当的等离子电弧焊炬来使用。在一个实施例中，等离子电弧焊炬系统包括设置于手工焊炬电源上的控制器，例如，在电源的外壳内，或者在通过例如导线连接到手工焊炬的电源的外壳的外部。在另一个实施例中，等离子电弧焊炬系统包括通过例如电源与手工焊炬之间的一条或多条导线连接到手工焊炬的控制器500。

等离子电弧焊炬参数可以是预定电流和/或在等离子电弧周期中任一点期间的电流。例如，等离子电弧焊炬参数可以是在启动等离子电弧之前的电流、启动等离子电弧时的电流、输送等离子电弧期间(例如稳态时)的电流、熄灭等离子电弧之前的电流、熄灭等离子电弧时的电流或这些的任意组合。

等离子电弧焊炬参数可以是预定电压和/或在等离子电弧周期中的任意点期间的电压。例如，等离子电弧焊炬参数可以是在启动等离子电弧之前的电压、启动等离子电弧时的电压、输送等离子电弧期间的电压、熄灭等离子电弧之前的电压、熄灭等离子电弧时的电压或这些的任意组合。

等离子电弧焊炬参数可以是预定压力和/或在等离子电弧周期中任一点期间的压力。压力可以是等离子气体的压力、保护气体的压力、电极气体的压力、增压气体的压力或这些的一个或多个的组合的压力。例如，等离子电弧焊炬参数可以是在启动等离子电弧之前的压力、启动等离子电弧时的压力、输送等离子电弧期间的压力、熄灭等离子电弧之前的压力、熄灭等离子电弧时的压力或这些的任意组合。

等离子电弧焊炬参数可以是预定流速和/或在等离子电弧周期中任一点期间的流速。流速可以是等离子气体流速、保护气体流速、电极气体流速、包括当其从等离子电弧焊炬排出时的增强气体的流速的增压气体流速或这些的一个或多个的组合的流速。例如，等离子电弧焊炬参数可以是在启动等离子电弧之前的流速、启动等离子电弧时的流速、输送等离子电弧期间的流速、熄灭等离子电弧之前的流速、熄灭等离子电弧时的流速或这些的任意组合。

等离子电弧焊炬参数可以是预定定时序列，比如编程到控制器中的时间间隔。或者，定时序列可根据查找表或指示定时序列的其它基准来确定。定时序列可以是等离子电弧周期中的任一点之前或之后的许多秒，比如启动等离子电弧之前、启动等离子电弧时、输送等离子电弧期间、熄灭等离子电弧之前、熄灭等离子电弧时或这些的任意组合。在一个实施例中，定时序列的定时取决于例如启动信号所启动的预定定时序列。等离子电弧焊炬参数可以是由用户根据具体焊炬、电源、工件、工件设计、工件材料特性(例如厚度)、切削速度和/或气体类型(例如等离子、电极、保护气体、或一种或多种气体的组合)所定义的序列，并且被编程到控制器中。适当的等离子电弧焊炬参数根据例如选定的焊炬、切削应用和/或电源来确定。

控制器500可在等离子电弧周期的任一点下提供通过一个或多个通道140的电极气流。例如，控制器500在启动等离子电弧之前、启动等离子电弧时、输送等离子电弧期间、熄灭等离子电弧之前、熄灭等离子电弧时或这些的组合提供电极气流。在一个实施例中，控制器500控制电极气阀系统(未示出)，该系统阻止电极气体流动并使电极气体能流过一个或多个通道140。电极气阀系统可以是阻止电极气体流动并使电极气体能流过通道140的机械阀门。或者，电极气阀系统可以是计量流量以便能获得期望流速的比例阀。

控制器500使能和/或控制电极100的一端112周围的电极气体的流量。例如，控制器500使能和/或控制电极气体在嵌入物132周围流动。可任选地，电极气体围绕嵌入物132的至少一部分。在一些实施例中，电极气体形成围绕电极的一端112(例如嵌入物132)的电极气体包络。

现在参看图12和13A，电极100可安装成彼此隔开，以便在焊炬主体404的一端形成等离子室428。在另一个实施例中，比如水冷却盖436的抵盖安装于焊炬主体404上。该抵盖包围喷嘴412的外表面的至少一部分。例如，抵盖基本上包围喷嘴412的外表面。在另一个实施例中，辅助盖440用作护罩并具有与喷嘴412对齐的中心圆形开口。在一个实施例中，孔128设置在电极主体100的第二端112中，嵌入物132位于该孔128内，并且嵌入物132的端面124被定位成与通道140的至少之一的第二开口148相邻。

现在参看图13A和14B，在一个实施例中，控制器500控制阻止电极气体流动并使电极气体能流过等离子室428的等离子气阀系统(未示出)。等离子气阀系统可以是阻止电极气体流动并使电极气体能流过等离子室428的机械阀门。或者，等离子气阀系统可以是计量流量以便能获得期望流速的比例阀。等离子气体可以是例如氧化气体的活性气体，而电极气体可以是例如非氧化气体的非活性气体。在一个实施例中，等离子气体和电极气体在等离子室428中彼此接触。等离子气体和电极气体在它们于等离子室428中彼此接触之前是分开的流。在一个实施例中，等离子气体和电极气体在进入等离子室428之前彼此接触。

在一个实施例中，等离子电弧焊炬包括连接到电源510的焊炬主体404。焊炬主体404包括用于将等离子气体引导到其中形成等离子电弧的等离子室428中的等离子流路径。安装于焊炬主体中的电极100包括从位于电极100的主体104中的第一开口144延伸到位于电极100的第二端112上的第二开口148的至少一个通道140。控制器500根据等离子电弧焊炬参数控制通过通道140的至少之一的电极气流。电极气体从第一开口144流到第二开口148。喷嘴416可相对于电极100安装于焊炬主体404中，以限定等离子室428。在一个实施例中，孔128设置于电极主体100的第二端112内，而嵌入物132位于该孔128内。嵌入物132的端面124被定位成与第二开口148相邻。

在一个实施例中，嵌入物132由例如钨或铪的高热离子发射率材料制成。控制器500使能和/或控制电极气体围绕嵌入物132流动。可任选地，电极气体围绕嵌入物132的至少一部分，并在一些实施例中形成围绕例如嵌入物132的电极气体包络。控制器500可控制电极气阀系统以使电极气体能流过通道的至少之一。可选地或另外，控制器500可控制等离子气阀系统以使等离子气体能流过等离子室428。

一种用于操作等离子电弧焊炬系统的方法包括提供与喷嘴412彼此隔开安装的电极100，从而电极100和喷嘴412限定了等离子室428。电极100具有从主体104中的第一开口144延伸到电极的端面中的第二开口148的至少一个通道140。该方法也包括：引导等离子气体通过其中形成等离子电弧的等离子室428、引导电极气体通过通道140的至少之一、和根据等离子电弧焊炬参数控制电极气体流过通道140的至少之一。

在一个实施例中，电极气体围绕位于设置在电极100的第二端112中的孔128内的嵌入物132流过。可任选地，电极气流围绕电极的第二端112的至少一部分。例如，电极气流围绕嵌入物132的至少一部分。

在另一个实施例中，方法包括控制电极气阀系统(未示出)以使电极气体能流过通道140的至少之一。可选地或另外，该方法包括控制等离子气阀系统以使等离子气体能流过等离子室。等离子气体可包括例如诸如氧或空气的氧化气体的活性气体。电极气体可包括例如诸如氮、氩、氢、氦、烃类燃料或这些的任意混合的非氧化气体的非活性气体。电极气体也可包括非活性气体和活性气体的混合物。在一些实施例中，非活性气体流过一个通道140a，而活性气体或活性和非活性气体的混合物流过电极100中的另一个通道140e。

电极气体可通过例如气体电离能来选择。在一个实施例中，电极气体电离能通过等离子电弧焊炬的循环来改变。例如，在焊炬启动时，选择具有相对低电离能的电极气体，并使其流过一个或多个通道140。可任选地，当等离子电弧焊炬输送等离子电弧时，选择相对较高电离能的电极气体，并使其流过一个或多个通道140。流过通道140的各个电极气体的电离能会影响等离子电弧焊炬的能量需求。例如，降低所需能量会延长焊炬喷嘴、护罩、涡流圈和其它可供消耗的焊炬部件的寿命。多种电极气体可在极性通道140之前进行混合。可选地或另外，一种电离能级的气体流过一个通道(例如140a)，而另一种电离能级的气体流过另一个通道(例如140e)。通过在选定电离能级的气体流过通道140之后组合它们，可在工件上获得期望电离能级。具有适当电离能级的气体包括例如氧、空气和比如氦、氖或氩的惰性气体。

等离子电弧焊炬、具有通道140的电极100、控制器以及本文所描述的其它方面可在切削系统、焊接系统、喷涂系统和本领域普通技术人员所公知的其它适当系统中实现。普通技术人员可对本文所述内容进行改变、更改和其它实现而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明并非仅受前述示例性说明限制。

Claims (97)

1.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

主体，它具有第一端和相对于所述第一端隔开的第二端，所述主体被配置成允许第一气体围绕所述主体流动，所述主体具有设置于所述第二端上的端面，所述端面限定了一边缘； 

发射表面设置于所述主体的第二端中的嵌入物，所述嵌入物限定了一周边；以及 

延伸穿过所述主体的至少一个通道，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导气流进入与所述主体的第二端相邻的第一开口，并从所述主体的第二端的所述端面中的第二开口排出，所述第二开口位于所述周边与所述边缘之间。 

2.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

主体，它具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端和从所述第一端延伸到所述第二端的外表面，所述主体具有设置于所述第二端上的端面，所述主体被配置成允许涡旋第一气体围绕所述主体流动；以及 

至少一个轴向和径向形成在所述主体中的定向的通道，它从所述主体的外表面中的第一开口延伸到所述主体的第二端的所述端面中的第二开口，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导第二气流排出所述第二开口。 

3.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

主体，它具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端和从所述第一端延伸到所述第二端的外表面，所述主体具有设置于所述第二端上的孔； 

设置于所述孔中的具有发射表面的嵌入物；以及 

至少一个通道，从所述主体中的第一开口延伸到与所述主体的第二端中的所述孔相邻的第二开口，其中所述第二开口基本上与所述嵌入物的所述发射表面共面。 

4.一种用于制造或切削工件的等离子电弧焊炬，所述等离子电弧焊炬包括： 

焊炬主体，包括用于将等离子气体引导到其中形成等离子电弧的等离子室的等离子流路径；以及 

安装于所述焊炬主体中的电极，所述电极包括：电极主体，它具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端、从所述第一端延伸到所述第二端的外表面、 以及至少一个通道，所述电极主体具有设置于所述电极主体的所述第二端上的端面，所述电极主体被配置成允许涡旋等离子气体围绕所述主体流动；发射表面设置于所述主体的第二端的嵌入物；并且所述至少一个通道从所述电极主体中的第一开口延伸到所述电极主体的第二端上的端面中的第二开口，其中所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导气流排出所述第二开口。 

5.如权利要求4所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，包括相对于所述焊炬主体中的电极安装以限定所述等离子室的喷嘴。 

6.如权利要求4所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述至少一个通道定位成相对于所述电极主体的纵轴成一锐角。 

7.如权利要求4所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述至少一个通道将第二气流从所述第一开口导向所述第二开口。 

8.如权利要求4所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，包括位于所述电极主体的第二端上的盖子，其中所述至少一个通道由所述盖子和所述电极主体来限定。 

9.如权利要求4所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述电极主体包括至少两个元件，当所述至少两个元件装配时形成所述至少一个通道。 

10.如权利要求4所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述至少一个通道是多个通道。 

11.如权利要求10所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述多个通道围绕所述电极主体的轴以相同角度彼此隔开。 

12.如权利要求10所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述多个通道各自从所述电极主体中相应的第一开口延伸到所述电极主体的第二端中相应的第二开口。 

13.如权利要求4所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，包括用于向所述至少一个通道提供第二气流的气源。 

14.如权利要求13所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述气源提供选自由氧、空气、氢、氮、氩、甲烷和二氧化碳组成的组的至少一气流。 

15.一种用在用于制造和切削工件的等离子电弧焊炬中的元件，所述元件包括： 

限定了至少一个通道的主体，所述至少一个通道具有第一和第二开口，并且所述至少一个通道引导气流从与电极中的嵌入物相邻的所述第二开口排出，其中所述第二开口基本上与所述嵌入物的发射表面共面。 

16.如权利要求15所述的元件，其特征在于，所述至少一个通道是锥形孔。 

17.如权利要求15所述的元件，其特征在于，包括相对于所述主体和焊炬主体中的电极安装的喷嘴。 

18.一种用于等离子电弧焊炬的焊炬喷头，所述等离子电弧焊炬具有包括其中形成等离子电弧的等离子室的空心焊炬主体，所述焊炬喷头包括： 

电极，它包括：电极主体，具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端、从所述第一端延伸到所述第二端的外表面，以及至少一个通道，所述电极主体具有在所述电极主体的第二端上的端面，发射表面设置于所述电极主体的所述第二端中的嵌入物；并且所述至少一个通道从所述电极主体中的第一开口延伸到所述电极主体的所述第二端上的端面中的第二开口，其中所述第二开口基本上与所述嵌入物的所述发射表面共面；以及 

喷嘴，相对于所述焊炬主体中的电极安装以限定所述等离子室。 

19.如权利要求18所述的焊炬喷头，其特征在于，包括护罩。 

20.一种等离子电弧焊炬系统包括： 

电源； 

焊炬主体，连接到所述电源； 

喷嘴和电极，它们彼此隔开安装以便在所述焊炬主体的第一端上形成等离子室，等离子气体流过所述等离子室，所述电极具有：从第一端延伸到第二端的主体；设置于所述第二端上的端面，所述主体被配置成使涡旋等离子气体围绕所述主体流动，以及至少一个通道，它从所述主体中的第一开口延伸到所述端面中的第二开口并且使电极气体通过它流动，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导电极气流排出所述第二开口；以及 

控制器，用于根据等离子电弧焊炬参数控制所述电极气流通过所述通道的至少之一。 

21.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述等离子电弧焊炬参数包括等离子电弧电流、电压、压力、流量、定时序列或其任意组合。 

22.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述控制器提供所述电极气流： 

(a)在启动所述等离子电弧之前； 

(b)启动所述等离子电弧时； 

(c)在等离子电弧输送期间； 

(d)在熄灭所述等离子电弧之前；或 

(e)熄灭所述等离子电弧时。 

23.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述等离子电弧焊炬参数包括预定的： 

(a)电流； 

(b)电压； 

(c)压力；或 

(d)流速。 

24.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述系统还包括安装于所述焊炬主体上并基本上围绕所述喷嘴的外表面的抵盖。 

25.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述系统还包括具有与所述喷嘴对齐的中心圆形开口的护罩。 

26.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述电极气体包括选自氮、氩、氢、氦、烃类燃料或其任意混合的非氧化气体。 

27.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，还包括： 

孔，设置于所述电极主体的所述第二端中；以及 

位于所述孔内的嵌入物。 

28.如权利要求27所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述控制器提供围绕所述嵌入物的所述电极气体。 

29.如权利要求27所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述电极气体围绕所述嵌入物的至少一部分。 

30.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，所述控制器设置于所述电源上。 

31.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，还包括电极气阀系统，其中所述控制器控制所述电极气阀系统以使所述电极气体能流过所述通道的至少之一。 

32.如权利要求20所述的等离子电弧焊炬系统，其特征在于，还包括等离子气阀系统，其中所述控制器控制所述等离子气阀系统以使等离子气体能流过所述等离子室。 

33.一种等离子电弧焊炬，包括： 

连接到电源的焊炬主体，所述焊炬主体包括用于将等离子气体引导到其中形 成等离子电弧的等离子室的等离子流路径； 

安装于所述焊炬主体中的电极，所述电极包括：电极主体，具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端，所述电极主体被配置成允许所述等离子气体围绕所述电极主体流动，所述电极主体具有设置于所述电极主体的所述第二端上的端面，所述端面限定了一边缘，发射表面设置于所述电极主体的所述第二端上的嵌入物，所述嵌入物限定了一周边；以及至少一个通道，它从所述电极主体中的第一开口延伸到所述电极主体的第二端上的端面中的第二开口，所述第二开口位于所述周边与所述边缘之间，所述通道的至少之一用于在其间流过电极气体；以及 

设置于所述焊炬主体内的控制器，所述控制器用于根据等离子电弧焊炬参数控制电极气流通过所述通道的至少之一。 

34.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，还包括相对于所述焊炬主体中的所述电极安装以限定所述等离子室的喷嘴。 

35.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述电极气体包括选自氮、氩、氢、氦、烃类燃料或其任意混合的非氧化气体。 

36.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，还包括： 

孔，设置于所述电极主体的所述第二端中；以及 

位于所述孔内的嵌入物。 

37.如权利要求36所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述嵌入物由高热离子发射率材料制成。 

38.如权利要求37所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述高热离子发射率材料包括钨。 

39.如权利要求36所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述控制器提供围绕所述嵌入物的所述电极气体。 

40.如权利要求36所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述电极气体围绕所述嵌入物的至少一部分。 

41.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述等离子气体包括氧，而所述电极气体包括氮。 

42.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述控制器设置于所述电源上。 

43.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，还包括电极气阀系 统，其中所述控制器控制所述电极气阀系统以使电极气体能流过所述通道的至少之一。 

44.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，还包括等离子气阀系统，其中所述控制器控制所述等离子气阀系统以使所等离子气体能流过所述等离子室。 

45.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述等离子电弧焊炬参数包括等离子电弧电流、电压、压力、流量、定时序列或其任意组合。 

46.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述控制器提供所述电极气流： 

(a)在启动所述等离子电弧之前； 

(b)启动所述等离子电弧时； 

(c)在等离子电弧输送期间； 

(d)在熄灭所述等离子电弧之前；或 

(e)熄灭所述等离子电弧时。 

47.如权利要求33所述的等离子电弧焊炬，其特征在于，所述等离子电弧焊炬参数包括预定的： 

(a)电流； 

(b)电压； 

(c)压力；或 

(d)流速。 

48.一种用于操作等离子电弧焊炬系统的方法，包括： 

提供具有由电极和喷嘴限定的等离子室的等离子电弧焊炬，所述电极具有：从第一端延伸到第二端的主体，设置于所述第二端上的端面，所述主体被配置成允许涡旋等离子气体围绕所述主体流动，以及从所述主体中的第一开口延伸到所述端面中的第二开口、并被配置成引导电极气流排出所述第二开口的至少一个通道，所述电极与所述喷嘴彼此隔开安装； 

引导等离子气体通过其中形成等离子电弧的所述等离子室； 

引导所述电极气流通过所述通道的至少之一；以及 

根据等离子电弧焊炬参数控制所述电极气流通过所述通道的至少之一。 

49.如权利要求48所述的方法，其特征在于，电极气体包括选自氮、氩、氢、氦、烃类燃料或其任意混合的非氧化气体。 

50.如权利要求48所述的方法，其特征在于，所述电极气体围绕位于设置在所述电极的第二端中的孔内的嵌入物流动。 

51.如权利要求48所述的方法，其特征在于，所述电极气体围绕位于设置在所述电极的第二端中的孔内的嵌入物的至少一部分。 

52.如权利要求48所述的方法，其特征在于，还包括控制电极气阀系统以使所述电极气体能流过所述通道的至少之一。 

53.如权利要求48所述的方法，其特征在于，还包括控制所述等离子气阀系统以使所述等离子气体能流过所述等离子室。 

54.如权利要求49所述的方法，其特征在于，所述等离子气体包括氧，而所述电极气体包括氮。 

55.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

主体，它具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端和从所述第一端延伸到所述第二端的外表面，所述主体被配置成允许涡旋第一气流围绕所述主体流动，所述主体具有设置于所述第二端上的端面，所述端面限定了一边缘； 

嵌入物，其发射表面设置于所述主体的所述第二端中，所述嵌入物限定了一周边；以及 

至少一个通道，它通过所述主体从所述主体中的第一开口延伸到所述端面中的第二开口，所述第二开口位于所述周边与所述边缘之间。 

56.如权利要求55所述的电极，其特征在于，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导第二气流进入第一开口，并排出所述第二开口。 

57.如权利要求55所述的电极，其特征在于，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导第二气流排出所述第二开口，所述第二气流具有轴向速度分量。 

58.如权利要求57所述的电极，其特征在于，所述第一气流包括涡流强度，并被配置成围绕所述主体流动。 

59.如权利要求55所述的电极，其特征在于，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导第二气流排出所述第二开口，所述第二气流具有轴向、径向和切向速度分量的一个或多个。 

60.如权利要求59所述的电极，其特征在于，所述第一气流包括涡流强度，并被配置成围绕所述主体流动。 

61.如权利要求60所述的电极，其特征在于，所述第一气流和所述第二气流由同一气源提供。 

62.如权利要求56所述的电极，其特征在于，所述第一气流包括涡流强度，并且所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导所述第二气流排出所述第二开口，所述第二气流具有影响所述第一气流的所述涡流强度的轴向速度分量。 

63.如权利要求56所述的电极，其特征在于，所述第二气流包括非氧化气体。 

64.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

主体，它具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端和从所述第一端延伸到所述第二端的外表面，所述主体具有设置于所述第二端上的端面，所述主体被配置成允许涡旋第一气体围绕所述主体流动；以及 

至少一个通道，它从所述主体中的第一开口通过所述主体延伸到所述端面中的第二开口，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导第二气流排出所述第二开口。 

65.如权利要求64所述的电极，其特征在于，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导所述第二气流排出所述第二开口，所述第二气流具有轴向、径向和切向速度分量的一个或多个。 

66.如权利要求64所述的电极，其特征在于，所述第一气流和所述第二气流由同一气源提供。 

67.如权利要求64所述的电极，其特征在于，所述第二气流包括轴向速度分量。 

68.如权利要求64所述的电极，其特征在于，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导所述第二气流排出所述第二开口，所述第二气流具有轴向速度分量。 

69.如权利要求64所述的电极，其特征在于，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导所述第二气流排出所述第二开口，所述第二气流具有影响所述第一气流的所述涡流强度的轴向速度分量。 

70.如权利要求64所述的电极，其特征在于，所述第二气流包括非氧化气体。 

71.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

主体，它具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端和从所述第一端延伸到所述第二端的外表面，所述主体具有设置于所述第二端上的端面，所述主体被配置成允许涡旋第一气流围绕所述主体流动；以及 

至少一个通道装置，它延伸穿过所述主体，而且经尺寸调节并被配置成引导第二气流排出所述至少一个通道装置的第二开口。 

72.一种等离子电弧焊炬系统，包括： 

电源； 

焊炬主体，连接到所述电源； 

喷嘴和电极，它们彼此隔开安装以便在所述焊炬主体的第一端上形成等离子室，等离子气体流过所述等离子室，所述电极具有：从第一端延伸到第二端的主体，在所述第一端与所述第二端之间延伸的外表面，设置于所述第二端上的端面，发射表面设置于所述主体的所述第二端中的嵌入物；以及至少一个通道，它从所述主体中的第一开口延伸到所述端面中的第二开口，其中所述第二开口基本上与所述嵌入物的所述发射表面共面并使电极气体流过其间；以及 

控制器，用于根据等离子电弧焊炬参数控制电极气流通过所述通道的至少之一。 

73.一种等离子电弧焊炬，包括： 

焊炬主体，连接到电源，所述焊炬主体具有用于将等离子气体引导到其中形成等离子电弧的等离子室的等离子流路径； 

安装于所述焊炬主体中的电极，所述电极包括：电极主体，具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端，所述电极主体具有设置于所述电极主体的所述第二端上的端面，在所述第一端与所述第二端之间延伸的外表面，所述主体被配置成允许涡旋等离子气体围绕所述主体流动；以及至少一个通道，它从所述电极主体中的第一开口延伸到所述电极主体的第二端上的所述端面中的第二开口，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导流过其间的电极气体排出所述第二开口；以及 

设置于所述焊炬主体中的控制器，所述控制器用于根据等离子电弧焊炬参数控制电极气流通过所述通道的至少之一。 

74.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

主体，它具有第一端、相对于所述第一端隔开的第二端，所述主体被配置成允许来自第一气源的氧化等离子气体围绕所述主体流动； 

嵌入物，其发射表面设置于所述第二端中；以及 

至少一个通道，它从所述主体中的第一开口通过所述主体延伸到所述端面中的第二开口，所述至少一个通道经尺寸调节并被配置成引导来自第二气源的非氧化气流排出所述第二开口。 

75.一种等离子切削系统，包括： 

具有氧化气体的第一气源； 

耦合到所述第一气源的电极，所述电极具有：第一端和与所述第一端隔开的第二端，在所述第一端与所述第二端之间延伸的外表面，并且所述第二端被配置成允许所述氧化气体围绕所述外表面流动，设置于所述第二端上的端面，以及设置于所述第二端中的嵌入物；以及 

至少一个通道，它从所述电极中的第一开口延伸到所述端面中的第二开口，所述通道耦合到具有非氧化气体的第二气源、并被配置成允许所述非氧化气体流过所述至少一个通道。 

76.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

电极主体，它具有第一端和第二端、设置在所述电极主体的第二端的端面以及位于所述第二端内的嵌入物； 

所述嵌入物位于所述第二端内用于发射等离子电弧；以及 

至少一个通道，它形成在所述电极主体内以提供在操作所述焊炬期间实质上围绕所述嵌入物的电极气流，以减少等离子电弧区域内的等离子气体流动的涡旋力。 

77.如权利要求76所述的等离子电弧焊炬的电极，其特征在于，所述嵌入物由高热离子发射率材料制成。 

78.如权利要求77所述的等离子电弧焊炬的电极，其特征在于，所述高热离子发射率材料包括钨。 

79.一种用于等离子电弧焊炬的电极，包括： 

具有第一端和第二端的电极主体，所述电极主体具有设置在所述第二端的端面，所述电极主体的第二端具有限定一边缘的端面； 

包括设置在所述电极主体的第二端内的发射表面的嵌入物，所述嵌入物限定一周边，以便在操作所述电极期间，从所述周边发射出等离子电弧；以及 

从所述电极主体内的第一开口延伸到所述端面内的第二开口的至少一个通道，在所述周边和所述边缘之间设置所述通道的第二开口使得当电极气体流过所述至少一个通道时，所述电极气体实质上围绕所述嵌入物且所述电极气体从所述第二开口排出。 

80.如权利要求79所述的电极，其特征在于，所述嵌入物由高热离子发射率材料制成。 

81.如权利要求80所述的电极，其特征在于，所述高热离子发射率材料包括 钨。 

82.如权利要求79所述的电极，其特征在于，所述电极气体包括非氧化气体。 

83.如权利要求82所述的电极，其特征在于，所述非氧化气体包括氮、氩、氢、氦或烃类燃料。 

84.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

具有第一端和第二端的电极主体，所述电极主体的第二端具有限定一边缘的端面； 

设置在所述第二端内的孔，所述孔限定一周边； 

设置在所述孔内并具有发射表面的嵌入物，所述发射表面设置在所述孔的周边内；以及 

从所述电极主体内的第一开口延伸到所述端面内的第二开口的至少一个通道，所述第二开口位于所述孔内的周边之外。 

85.如权利要求84所述的电极，其特征在于，所述嵌入物的所述发射表面实质上与所述端面共面。 

86.如权利要求84所述的电极，其特征在于，所述嵌入物由高热离子发射率材料制成。 

87.如权利要求84所述的电极，其特征在于，所述嵌入物完全设置在所述孔内。 

88.如权利要求84所述的电极，其特征在于，所述高热离子发射率材料包括钨。 

89.一种用于等离子电弧焊炬的电极，所述电极包括： 

具有第一端和第二端的电极主体，所述电极主体的第二端具有一端面； 

设置在所述第二端内的孔，所述孔具有一周边； 

至少部分设置在所述孔内并由发射率材料制成的嵌入物，以便在操作所述电极期间，从所述孔的所述周边内的发射率材料中发射出等离子电弧；以及 

至少一个通道，它形成在所述电极主体内以提供在操作所述焊炬期间实质上围绕所述嵌入物的电极气流，由此通过减少发射率材料的消耗来延长所述嵌入物的寿命。 

90.如权利要求89所述的电极，其特征在于，所述发射率材料是高热离子发射率材料。 

91.如权利要求90所述的电极，其特征在于，所述高热离子发射率材料包括 钨。 

92.如权利要求89所述的电极，其特征在于，电极气体包括非氧化气体。 

93.如权利要求92所述的电极，其特征在于，所述非氧化气体包括氮、氩、氢、氦或烃类燃料。 

94.一种用于操作等离子电弧焊炬的电极的方法，所述电极包括从第一端延伸到第二端的电极主体，所述第二端具有限定一边缘的端面，以及设置在所述第二端的嵌入物，所述嵌入物限定一周边且具有发射表面，其改进包括： 

引导电极气流通过形成在所述电极主体内的至少一个通道，所述通道从所述电极主体内的第一开口延伸到所述端面内的第二开口，所述第二开口位于所述周边和所述边缘之间，以便所述电极气流实质上当其从所述第二开口排出时围绕所述嵌入物，所述电极气流减少所述等离子电弧发射区域内的第二气体流动的涡旋力。 

95.如权利要求94所述的方法，其特征在于，电极气体包括非氧化气体。 

96.如权利要求95所述的方法，其特征在于，所述非氧化气体包括氮、氩、氢、氦或烃类燃料。 

97.如权利要求94所述的方法，其特征在于，所述嵌入物由发射率材料制成，且所述电极气体实质上围绕所述嵌入物流动，以通过减少等离子气体流动的涡旋力来减少所喷射的发射率材料。 

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