CN101204123B - 提供斜角屏蔽流喷射的等离子体弧气炬 - Google Patents

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Abstract

这里描述的等离子体弧气炬包括气炬端头，该气炬端头装有改进的喷嘴，这个喷嘴可喷射出斜角的屏蔽流。具体地说，该喷嘴可使流体(例如保护气体)以斜角/锥角撞击流经等离子体弧气炬的离子化的等离子体气体流。这里描述的几个气炬端头包括有圆锥形外部形状的喷嘴，这种形状的喷嘴与具有相配的内部几何形状的屏蔽组合起来而使得形成斜角的流体流。结果，包括这种改进的喷嘴的等离子体弧气炬在使用中的优点是：离子化的等离子体气体流更加稳定，可增强喷嘴的冷却，以及提供防飞渣保护。

Description

提供斜角屏蔽流喷射的等离子体弧气炬
技术领域
本发明总的涉及用于对金属进行切割、穿孔、在金属上做出标志的等离子体弧气炬，尤其涉及给等离子体弧提供斜角(例如圆锥形)屏蔽流喷射的等离子体弧气炬。
背景技术
当前，等离子体弧气炬广泛地用于对金属材料(例如单质金属、金属合金等)进行切割、穿孔和/或做出标志。等离子体弧气炬一般包括安装在气炬的本体(即，气炬本体)内的电极、也是安装在气炬本体内的有出口喷孔的喷嘴、电连接件、用于冷却流体、保护流体和弧控制流体的流体通路、控制形成在电极和喷嘴之间的等离子体腔室里的流体流动形态的旋转环、以及电源。这种气炬可产生等离子体弧，它是一种具有高温和高动量的被收缩的离子化的等离子体气体喷射流(也就是一种离子化的等离子体气体流)。用在等离子体弧气炬中的气体可以是非氧化的气体(例如氩气、氮气)或氧化的气体(例如氧气、空气)。
在操作中，首先在电极(即阴极)和喷嘴(即阳极)之间产生引导电弧。可以用连接于直流电源和等离子体弧气炬的高频高压信号或任何种类的接触触发方法产生引导电弧。
通常，电极、喷嘴、和流体通路构造成相互协同来提供用于切割、穿透、或标志金属材料的等离子体弧。参照图1的一种已知构造的等离子体弧气炬，它包括电极1、喷嘴2和屏蔽3，喷嘴和屏蔽安装成相互之间有间隔，因而在它们之间形成一个或多个通路，以供流体(例如保护气体)流经它们之间的空间。在这种已知的构造中，等离子体气体流4沿着气炬的纵向轴线流经气炬(例如围绕着电极，流经喷嘴，并流出喷嘴的出口喷孔)。保护气体5或其它流体流经所述一个或多个通路来冷却喷嘴，并在等离子体气体流流经喷嘴出口喷孔时以90度的角度撞击离子化的等离子体气体流。由于这种撞击，离子化的等离子体气体流可能遭到破坏(例如造成等离子体气体流的不稳定性)，这可能导致切割、穿孔或标志质量不良。
参照图2，在另一种已知的构造中，喷嘴2和屏蔽3是安装成能提供基本柱状的保护气体流5和离子化的等离子体气体流4。就是说，不是让保护气体流5以90度的角度撞击从喷嘴出口喷孔流出的离子化的等离子体气体流4，而是让保护气体流5以平行于等离子体气体流的方向(即柱状流)从流体通路喷射出去，如Lindsay的美国专利6,207,923中所述的那样。与那种让保护气体流5以90度的角度撞击等离子体气体流的等离子体气炬相比，采用这种构造的等离子体弧气炬的等离子体气体流的稳定性得到了改善。此外，包括柱状流的等离子体弧气炬容易做到大的喷嘴出口喷孔长度对其直径之比L/D(例如大于2.4)。某些研究者已经发现，大的L/D之比有利于切割较厚的金属工件以及提高切割速度。但是，一般地说，与采用90度角的保护气体流进行撞击的等离子体弧气炬相比，这种具有基本柱状的保护气体流和等离子体气体流的气炬在切割过程中难以实现喷嘴端头的冷却，以及不能很好地防止飞渣。
因此，需要提供一种这样的等离子体弧气炬，它能够做到喷嘴的有效冷却并能防止飞渣，同时也能提供稳定的等离子体气体流和大的L/D之比值。
发明内容
本发明在一个实施例中通过提供一种等离子体弧气炬可弥补现有技术的不足，这种等离子体弧气炬可提供有效的气炬喷嘴冷却和防飞渣保护，同时还能提供稳定的等离子体气体流。本发明的等离子体弧气炬可用于切割、穿透和/或标志金属材料。这种气炬包括气炬本体，该气炬本体有相对于电极安装在本体内而限定等离子体腔室的喷嘴。气炬本体包括等离子体流路径，用于把等离子体气体引导到等离子体腔室。这种气炬还包括固定于气炬本体的屏蔽。喷嘴、电极和屏蔽都是消耗性的零件，它们损耗了就需要更换。因此，这些零件是可拆的，并且在某些实施例中，是可重复拆装的，以便容易拆下来检查损耗和更换。
一方面，本发明特有一种用于等离子体弧气炬的喷嘴。该喷嘴包括喷嘴本体，其包括基本空心的内部部分和基本锥形的外部部分。基本锥形的外部部分有喷嘴半锥角，该喷嘴半锥角选自约20度到约60度的第一范围。喷嘴本体限定设置在喷嘴的端面上的出口喷孔。该出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义，其中，L/D的比值是大于或等于2.4，以及Φ1/D的比值是在约1.9到2.5的第二范围内。
本发明的这一方面的各实施例包括以下一个或多个特点。在某些实施例中，第一范围是在约30度到约50度之间。在某些实施例中，第一范围是在约34度到约44度之间，诸如是42.5度。在某些实施例中，L/D的比值是在约2.5到约3.0之间，例如是2.8。在某些实施例中，Φ1/D的比值是约2.1。本发明的喷嘴本体还包括固定机构，用于把喷嘴本体固定于等离子体弧气炬本体。固定机构的例子包括O形圈和螺纹。在某些实施例中，喷嘴本体是用导电材料制成，诸如铜、铝、或黄铜。
另一方面，本发明特有一种用于等离子体弧气炬的气炬端头。该气炬端头有一纵向轴线并包括喷嘴和屏蔽。气炬端头的喷嘴包括喷嘴本体，该喷嘴本体包括基本空心的内部部分和基本锥形的外部部分。基本锥形的外部部分有喷嘴半锥角，该喷嘴半锥角选自约20度到约60度的第一范围。喷嘴本体限定设置在喷嘴的端面上的出口喷孔。该出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义，其中，L/D的比值是大于或等于2.4。气炬端头的屏蔽包括基本锥形的内部部分，其有屏蔽半锥角，该半锥角基本等于喷嘴半锥角。屏蔽相对于气炬端头的纵向轴线安装成与喷嘴之间有间隔，从而在屏蔽的基本锥形的内部部分和喷嘴的基本锥形的外部部分之间的空间内形成流体通路。
这一方面的各实施例有以下一个或多个特点。在某些实施例中，屏蔽沿着纵向轴线以距离s间隔于喷嘴，以及流体通路的厚度由距离s乘以喷嘴半锥角的正弦值来限定。在某些实施例中，距离s的数值选择为由它形成的流体通路厚度可使屏蔽出口流体速度为约2,000英寸每秒到约6,000英寸每秒。在某些实施例中，距离s的数值选择为可形成约0.022英寸的流体通路厚度。喷嘴的Φ1/D的比值可以是在约1.9到约2.5的范围内，诸如2.1。在某些实施例中，该第一范围(即喷嘴半锥角的范围)可以是在约30度到约50度之间。在其它的实施例中，该第一范围是在约34度到约44度之间，例如42.5度。L/D的比值可以是在约2.5到约3.0之间，例如2.8。这种气炬端头的Φ2/Φ1的比值可在约0.8到约1.2之间。在某些实施例中，Φ2/Φ1的比值是大于1。在某些实施例中，屏蔽还包括一个或多个通风孔。在某些实施例中，屏蔽不包括任何通风孔。屏蔽以及喷嘴都可用导电材料来制成。在某些实施例中，喷嘴本体还包括固定机构，用于把喷嘴本体固定于等离子体弧气炬本体。
另一方面，本发明特有一种等离子体弧气炬。该等离子体弧气炬有一纵向轴线并包括等离子体弧气炬本体、喷嘴、以及屏蔽。等离子体弧气炬本体包括等离子体流动路径，用于把等离子体气体引导到等离子体腔室，而在其中形成等离子体弧。喷嘴包括喷嘴本体，其包括基本空心的内部部分和基本锥形的外部部分。基本锥形的外部部分有喷嘴半锥角，该喷嘴半锥角选自约20度到约60度的第一范围。喷嘴本体限定设置在喷嘴的端面上的出口喷孔。该出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义，其中，L/D的比值是大于或等于2.4。屏蔽包括屏蔽本体，其限定直径为Φ2的屏蔽出口喷孔。屏蔽本体包括基本锥形的内部部分，其有屏蔽半锥角，该半锥角基本等于喷嘴半锥角。屏蔽相对于等离子体弧气炬的纵向轴线安装成与喷嘴之间有间隔，从而在屏蔽的基本锥形的内部部分和喷嘴的基本锥形的外部部分之间的空间内形成流体通路。
这一方面的各实施例有以下一个或多个特点。在某些实施例中，屏蔽沿着纵向轴线以距离s间隔于喷嘴，以及流体通路的厚度由距离s乘以喷嘴半锥角的正弦值来限定。在某些实施例中，距离s的数值选择为由它形成的流体通路厚度可使屏蔽出口流体速度为约2,000英寸每秒到约6,000英寸每秒。在某些实施例中，距离s的数值选择为可形成约0.022英寸的流体通路厚度。喷嘴的Φ1/D的比值是在约1.9到约2.5的范围内，诸如2.1。在某些实施例中，该第一范围(即喷嘴半锥角的范围)可以是在约30度到约50度之间。在其它的实施例中，该第一范围是在约34度到约44度之间，例如42.5度。L/D的比值可以是在约2.5到约3.0之间，例如2.8。这种等离子体弧气炬的Φ2/Φ1的比值可在约0.8到约1.2之间。在某些实施例中，Φ2/Φ1的比值是大于1。在某些实施例中，屏蔽还包括一个或多个通风孔。在某些实施例中，屏蔽不包括任何通风孔。屏蔽以及喷嘴都可用导电材料来制成。在某些实施例中，喷嘴本体还可包括固定机构，用于把喷嘴本体固定于等离子体弧气炬本体。
另一方面，本发明特有一种用于等离子体弧气炬的喷嘴。该喷嘴包括喷嘴本体，该喷嘴本体包括基本空心的内部部分和有喷嘴半锥角的基本锥形的外部部分。喷嘴本体限定设置在喷嘴的端面上的出口喷孔。该出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义，其中喷嘴半锥角、L/D的比值、以及Φ1/D的比值是选择为给所述等离子体弧气炬提供有效的喷嘴冷却、有效的防飞渣保护、以及稳定的离子化的等离子体气体流。
另一方面，本发明特有一种用于等离子体弧气炬的气炬端头。这种气炬端头有一纵向轴线并包括喷嘴和屏蔽。喷嘴包括喷嘴本体，该喷嘴本体包括基本空心的内部部分和有喷嘴半锥角的基本锥形的外部部分。喷嘴本体限定设置在喷嘴的端面上的出口喷孔。该出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义。屏蔽包括屏蔽本体，其限定直径为Φ2的屏蔽出口喷孔。屏蔽本体包括基本锥形的内部部分，该内部部分有屏蔽半锥角，该屏蔽半锥角基本等于喷嘴半锥角。屏蔽相对于纵向轴线安装成与喷嘴之间有间隔，从而在屏蔽的基本锥形的内部部分和喷嘴的基本锥形的外部部分之间的空间内形成流体通路。喷嘴半锥角、L/D的比值、以及Φ2/Φ1的比值是选择为给所述等离子体弧气炬提供有效的喷嘴冷却、有效的防飞渣保护、以及稳定的离子化的等离子体气体流。
另一方面，本发明特有一种包括一纵向轴线的等离子体弧气炬。该等离子体弧气炬包括等离子体弧气炬本体、喷嘴和屏蔽。等离子体弧气炬本体包括等离子体流动路径，用于把等离子体气体引导到在其中形成等离子体弧的等离子体腔室。喷嘴相对于电极安装在等离子体弧气炬本体内以限定等离子体腔室。喷嘴包括喷嘴本体，而喷嘴本体包括基本空心的内部部分和有喷嘴半锥角的基本锥形的外部部分。喷嘴本体限定设置在喷嘴的端面上的出口喷孔。该出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义。屏蔽包括限定直径为Φ2的屏蔽出口喷孔的屏蔽本体。屏蔽本体包括有屏蔽半锥角的基本锥形的内部部分，这个屏蔽半锥角基本等于喷嘴半锥角。屏蔽相对于纵向轴线安装成与喷嘴之间有间隔，从而在屏蔽的基本锥形的内部部分和喷嘴的基本锥形的外部部分之间的空间内形成流体通路。喷嘴半锥角、L/D的比值、以及Φ2/Φ1的比值是选择为给等离子体弧气炬提供有效的喷嘴冷却、有效的防飞渣保护、以及稳定的离子化的等离子体气体流。
另一方面，本发明特有一种用于等离子体弧气炬的耗材。该耗材包括供离子化的等离子体流体流过的第一通路和供保护流体流过的第二通路。第一通路平行于所述耗材的纵向轴线。第一通路包括第一出口喷孔，用于喷射出离子化的等离子体流体。第二通路包括第二出口喷孔并设置成对第一通路有一角度，使得在喷射出去之后保护流体以这个角度撞击等离子体流体，这个角度选择为给等离子体弧气炬提供耗材的一部分的有效冷却、有效的防飞渣保护、以及稳定的离子化的等离子体流体流。
附图说明
图1是现有技术的等离子体弧气炬的一部分(即气炬端头)的剖视图，其采用常规的90度屏蔽喷射流，就是说，屏蔽流以90度角撞击等离子体气体流。
图2是另一现有技术的等离子体弧气炬的气炬端头的剖视图，其采用柱状的屏蔽喷射流，就是说，屏蔽流是同轴于等离子体气体流。
图3是本发明的一个实施例的气炬端头的剖视图，在图3中，该气炬端头可给等离子体气体流提供圆锥形的屏蔽喷射流。
图4A是本发明的一个实施例的气炬端头的端部的原理示意图。图4B-4D是本发明的另几个实施例的气炬端头的端部的原理示意图。
图5A和5B是图4的一部分的放大示意图。
图6是包括图3的气炬端头的等离子体弧气炬的剖视图。
图7是图2的气炬端头的一部分的剖视图，表示出了热分析的结果。
图8是图3的气炬端头的一部分的剖视图，表示出了热分析的结果。
具体实施方式
本发明采用圆锥形喷嘴的外部部分组合于对应的圆锥形屏蔽的内部部分来形成冷却流体(例如保护气体)对离子化的等离子体气体流的一种斜角的(例如锥形的)撞击。在数学上，可将这种斜角的屏蔽流撞击看成为两个分量(即圆柱分量或称X分量和垂直分量或称Y分量)。圆柱分量可有助于降低离子化的等离子体气体流的不稳定性，而垂直分量可提供防飞渣保护和有效的喷嘴冷却能力。通过调整斜角气流的角度，可使圆柱分量与垂直分量之比最佳化，从而提供高度稳定的离子化的等离子体气体流，以及提供有效的防飞渣保护和喷嘴冷却。
参照图3，气炬端头10包括喷嘴15和屏蔽20，它们沿着气炬端头10的纵向轴线25安装成相互之间有间隔。喷嘴15和屏蔽20都是用导电材料制成的。在某些实施例中，喷嘴15和屏蔽20是用同一种导电材料制成的，而在另一些实施例中，它们是用不同的导电材料制成的。适用于本发明的导电材料的例子包括铜、铝、以及黄铜。
流体通路30成形在喷嘴15和屏蔽20之间的空间里。在使用中，诸如保护气体的流体流经流体通路30以冷却喷嘴15。流经流体通路30的流体撞击流经喷嘴15的离子化的等离子体气体流。结果，给等离子体气体流提供了锥形屏蔽喷射流，或换言之，保护气体相对于等离子体气体有一角度。在图3中，等离子体气体流和保护气体流分别用箭头的附图标记4和5标示。就是说，等离子体气体流是以箭头4表示，而保护气体流是以箭头5表示。
如图3所示，屏蔽15可包括一个或多个通风孔32，用以给喷嘴15提供附加冷却(即通风)。但是，在某些实施例中，屏蔽15不包括任何通风孔。
参照图4A，它是气炬端头10的端部的示意图，喷嘴15包括喷嘴本体35，而喷嘴本体35包括基本圆锥形的外部部分40和基本空心的内部部分45。如图4A所示，圆锥形的外部部分40由喷嘴半锥角a即纵向轴线25和喷嘴15的外部部分40之间形成的角度来限定。通常，可以改变这个喷嘴半锥角a，使外部部分40的进而流体通路30的倾斜度也跟着改变。一般地说，选择较大的喷嘴半锥角a，在流经流体通路30的流体撞击离子化的等离子体气体流时，更容易引起不稳定性。因此，在某些实施例中，最好是把喷嘴半锥角a选择在约20度到约60度的范围内，以限制造成不稳定的离子化的等离子体气体流的可能性。
喷嘴15还包括设置在它的端面55上的出口喷孔50。在等离子体腔室里(即在电极和基本空心的内部部分45之间限定的空间里)产生的离子化的等离子体气体流从出口喷孔50喷出，进而流出屏蔽20而冲向导电材料的工件，去进行切割、标志和/或穿孔。出口喷孔50是由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义。
参照图4A、4B、4C和4D，喷孔长度L是穿过喷嘴15的腔孔(亦即通路)的总长度。就是说，L是等于从腔孔进口52到喷嘴15的端面55上的腔孔端口所定义的腔孔长度。喷嘴直径D，也称为水力学直径，是定义为围绕腔孔的壁的总面积除以腔孔的总长度L和pi的乘积。在某些实施例中，诸如在图4所示的实施例中，腔孔直径沿着总长度L保持为常数。于是，D可由下式来定义：
D＝(πD1L1)/πL；    其中L1＝L
但是，在其它实施例中，诸如在图4B所示的实施例中，其中腔孔有圆柱段(即在长度L1上直径为常数D1的那一段)和圆锥段(即直径从最小直径D1增大到最大直径D2的那一段)，D可由下式来定义：
D＝(πD1L1+π/2(D1+D2)sqrt(1/4(D2-D1)^2+(L-L1)^2))/πL
在图4C所示的实施例中，腔孔有两个不同的圆柱段。第一圆柱段延伸于长度L1，而第二圆柱段延伸于长度L2，其中L1+L2＝L。于是，D可由下式来定义：
D＝(πD1L1+πD2(L-L1))/πL
图4D表示出一个实施例，其中腔孔进口52处的直径大于腔孔出口或称喷嘴15的端面55处的直径。在这一实施例中，腔孔的几何形状包括第一段，其直径在腔孔进口52处是最大的D1，并在长度L1上减小到最小的直径D2。腔孔还包括第二段，其直径在其余的长度(即L-L1)上为常数。于是，D可由下式来定义：
D＝(π/2(D1+D2)sqrt(1/4(D2-D1)^2+(L1)^2)+πD2(L-L1))/πL
尽管图4A-4D表示出四种可能的腔孔几何形状，但是其它的几何形状也是可能的。
可以选择各数值D、L和Φ1中的每一个，来达到由等离子体弧气炬对导电材料的工件的最佳切割、标志和/或穿孔。例如，通过增大喷嘴15的L/D的比值就可提高切割速度和工件厚度。一般地说，L/D的比值等于或大于2.4对提高切割速度和切割厚度有利。但是，在采用圆柱形的或垂直的保护气体流进行撞击的常规喷嘴上，很难使L/D的比值达到大于或等于2.4，这是因为其可能导致喷嘴的过热(即过度损耗)或导致离子化的等离子体气体流的不稳定。用通风的或不通风的喷嘴进行冷却流体的斜角撞击可有效地减轻现有技术的喷嘴的这一问题，同时允许把L/D的比值增大到至少约2.4的数值。在某些实施例中，可将L/D的比值增大到约2.5到约3.0范围内，例如2.8。
通过实验和分析，已经确定了喷嘴端面直径Φ1和喷孔直径D之间的比值的最佳范围。Φ1/D的比值是重要的，因为它有助于确定流体流(例如保护气体流)与离子化的等离子体气体流的汇合点的位置。这个汇合点在图4中的M点，而M点到保护气体出口点P的距离将决定出口喷孔50附近流体的回流程度。随着回流量的增大，离子化的等离子体气体流的不稳定的可能性也增大。因此，在某些实施例中，可通过改变M点和P点的位置来达到工件的最佳切割、穿孔或标志。例如，随着Φ1/D的比值接近数值1(因而M点和P点之间的距离减小)，喷嘴的端面会变得太热进而限制喷嘴的寿命，这是不希望的。随着这一比值增大，喷嘴和喷嘴端面将趋于较冷，但保护气体流将由于M点和P点之间的距离的增大而受到不利的影响，从而导致离子化的等离子体气体流的不稳定性增大。在某些实施例中，Φ1/D的比值的最佳值已确定为在约1.9到约2.5的范围内。
屏蔽20有屏蔽本体60，其有基本锥形的内部部分65，这个内部部分有屏蔽半锥角b。屏蔽半锥角b基本等于喷嘴半锥角a(例如±5度)，这使得在沿着纵向轴线25把屏蔽安装成与喷嘴15有间隔时，喷嘴的基本锥形的外部部分40和屏蔽的基本锥形的内部部分65形成流体通路30的两个平行的壁面。由于流体通路30的几何形状，流经流体通路30的流体(例如保护气体)将流出并斜角地撞击离子化的等离子体气体流。
屏蔽本体60包括屏蔽出口喷孔70，其设置成毗邻于喷嘴15的出口喷孔50，使得离子化的等离子体气体流和保护气体流一起直接冲向工件。屏蔽出口喷孔是由屏蔽出口喷孔直径Φ2来限定的。在某些实施例中，为了形成顺畅的保护气体流，屏蔽出口喷孔可以有类似于喷嘴端面直径Φ1的尺寸。如果Φ2/Φ1的比值太小(例如0.5或更小)，可能导致出口喷孔50附近流体回流增加，结果，将会看到不稳定性增大。如果Φ2/Φ1的比值太大(例如大于1.5)，在气炬的使用中，由于屏蔽出口喷孔70过大，喷嘴端面55可能暴露于飞渣。在几个实施例中，Φ2/Φ1的比值可以是在0.8到1.2之间，以提供有效的防飞渣保护，同时仍能提供稳定的离子化的等离子体气体流。
在屏蔽20和喷嘴15之间流动的流体的速度同样对工件的切割、标志和穿孔结果有影响。例如，如果保护气体流的速度太低，气炬端头10的保护喷嘴15免受飞渣的能力就会被削弱。如果这一速度太高，将引起离子化的等离子体气体流的不稳定性。因此，在某些实施例中，流体在流体通路30里的流动速度最好是在约2,000英寸每秒到约6,000英寸每秒之间。流体的这一速度是部分地取决于流体通路30的厚度t。流体通路30的这一厚度又是取决于喷嘴15和屏蔽20沿着纵向轴线25的间隔距离。参照图5A和5B，流体通路30的厚度t是等于s×sin(a)，其中b＝a。流体(例如保护气体)在P点的速度等于流体的有效流量除以P点的面积。P点的面积等于π×t×(Φ1+t×cos(a))。这样，距离s以及最终通路的厚度t将决定流体在通路30里的流动速度。
参照图6，气炬端头10可附连至等离子体弧气炬100，而这个气炬包括气炬本体105、电极110、以及等离子体气体通路115。气炬端头10的喷嘴15可通过固定机构120，例如一对可变形的O形圈或加工在喷嘴15的表面130上的螺纹，直接地附连至气炬本体105。在某些实施例中，屏蔽20可通过固定机构，例如采用固定帽150，附连至等离子体弧气炬100。
下面举例进行说明，以便容易理解本发明。这些特定的例子是用于说明而不是限制本发明。
例子1
用气炬端头以达100英寸每分钟的不产生钢渣的切割速度切割3/4英寸厚的软钢板，这个气炬端头有基本锥形的外部喷嘴部分和基本锥形的内部屏蔽部分。还用这同一个气炬端头组合于等离子体弧气炬来穿透3/8英寸、1/2英寸、1英寸、以及11/4英寸厚的软钢板。基本锥形的外部喷嘴部分和基本锥形的内部屏蔽部分的半锥角都是42.5度。屏蔽和喷嘴都是用铜加工的并有O形圈把气炬端头固定于等离子体弧气炬。屏蔽上设有12个通风孔，以提供附加的冷却。
屏蔽和喷嘴沿着纵向轴线安装成相互之间有0.0326英寸的距离，从而在它们之间形成厚度为0.022英寸的通路。流出通路的保护气体在P点的速度是4,100英寸每秒。喷嘴的出口喷孔的长度L是0.235英寸，直径D是0.081英寸，喷嘴端面直径Φ1是0.18英寸。这样，喷嘴的L/D的比值是2.8，Φ1/D的比值是2.1。屏蔽出口喷孔的直径Φ2是0.185英寸。这样，这个气炬端头的Φ2/Φ1的比值是1.03。
将这一例子中描述的气炬端头用于由美国新罕布什尔州Hanover市的人工发热机有限公司(Hypertherm，Inc.)生产的HPR等离子体弧气炬。在几个不同厚度的软钢板上进行的各项试验的结果表明，与提供柱状撞击的气炬端头相比，这种提供斜角撞击的气炬端头的性能较好。事实上，在对厚度为1英寸或更大的工件进行穿孔时，那种提供柱状撞击的气炬端头很难冷却以致损坏了。
例子2
对有基本锥形的外部喷嘴部分和基本锥形的内部屏蔽部分的气炬端头进行了模型热分析，并将其结果与提供柱状流的常规气炬端头的模型进行了比较。参照图7和8，图7表示出提供柱状流的气炬端头的热分析结果，图8表示出提供42.5度斜角流的气炬端头的热分析结果。现有技术的气炬端头和本发明的气炬端头有相同的各比值，即L/D的比值是2.8，Φ1/D是2.1，以及Φ2/Φ1是1.03。
如图7所示，在相等的热负荷下，有柱状流的气炬端头经受了996℃的最高温度，而提供斜角流(图8)的气炬端头经受了696℃的最高温度。这说明，本发明的气炬端头在使用中喷嘴的向外传热较好。因此，本发明的喷嘴在使用中的损耗将是较小的，因而可降低需要的维护频度。
例子3
有基本锥形的外部喷嘴部分和基本锥形的内部屏蔽部分的气炬端头用于以达100英寸每分钟的无渣切割速度切割3/4英寸厚的软钢。基本锥形的外部喷嘴部分和基本锥形的内部屏蔽部分的半锥角都是30度。喷嘴和屏蔽都是用铜加工而成的并包括把这个气炬端头紧固于等离子体弧气炬的O形圈。屏蔽有设置在其上的12个通风孔，用以提供附加的冷却。
屏蔽和喷嘴沿着纵向轴线安装成相互之间有0.04英寸的距离，从而在它们之间形成厚度为0.020英寸的通路。从这一通路流出的保护气体(空气)在P点的速度是2,500英寸每秒。喷嘴的出口喷孔的长度L是0.234英寸、直径D是0.0867英寸、以及喷嘴端面直径Φ1是0.18英寸。照此，喷嘴的L/D的比值是2.7，以及Φ1/D是2.07。屏蔽的屏蔽出口喷孔直径Φ2是0.162英寸。这样，这个气炬端头的Φ2/Φ1的比值是0.9。
例子4
有基本锥形的外部喷嘴部分和基本锥形的内部屏蔽部分的气炬端头用于以达100英寸每分钟的无渣切割速度切割3/4英寸厚的软钢。基本锥形的外部喷嘴部分和基本锥形的内部屏蔽部分的半锥角都是47度。喷嘴和屏蔽都是用铜加工而成的并包括把这个气炬端头紧固于等离子体弧气炬的O形圈。屏蔽有设置在其上的12个通风孔，用以提供附加的冷却。
屏蔽和喷嘴沿着纵向轴线安装成相互之间有0.03英寸的距离，从而在它们之间形成厚度为0.022英寸的通路。从这一通路流出的保护气体(空气)在P点的速度是5,000英寸每秒。喷嘴的出口喷孔的长度L是0.234英寸、直径D是0.0867英寸、以及喷嘴端面直径Φ1是0.208英寸。照此，喷嘴的L/D的比值是2.7，以及Φ1/D是2.4。屏蔽的屏蔽出口喷孔直径Φ2是0.229英寸。这样，这个气炬端头的Φ2/Φ1的比值是1.1。
尽管已经讨论了若干示例性实施例，但其它的实施例也是可能的。例如，尽管喷嘴15和屏蔽20已被描述为单独的零件，但是在某些实施例中，可把喷嘴15和屏蔽20成形为单体的可更换的零件。这样，在按照本发明维护等离子体弧气炬的过程中，可把整个气炬端头10作为单体零件来更换。在其它实施例中，屏蔽20和喷嘴15都是单独的零件，并可根据它们的损耗程度分别地或在不同的时间进行更换。作为可能的实施例的另一个例子，可以用若干种不同的装置把气炬端头10连接于等离子体弧气炬100。例如喷嘴15和屏蔽都可包括可配接于气炬本体或包围外壳的螺纹的螺纹。在其它的实施例中，可以用可变形的元件诸如O形圈把屏蔽和喷嘴附连至等离子体弧气炬。此外，喷嘴15和屏蔽20可以用不同的装置附连至等离子体弧气炬100。
熟悉本领域的普通技术人员会想到并不脱离本发明的精神实质和范围的在此描述的变型、修改和其它实施方式。因此，本发明并不仅仅局限于前面的示例性描述。

Claims (41)

1.一种用于等离子体弧气炬的喷嘴，该喷嘴包括：
喷嘴本体，该喷嘴本体包括基本空心的内部部分和基本锥形的外部部分，所述基本锥形的外部部分有喷嘴半锥角，该喷嘴半锥角选自20度到60度的第一范围，所述喷嘴本体限定设置在所述喷嘴的端面上的出口喷孔，所述出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Ф1所定义，其中，L/D的比值是大于或等于2.4，以及Ф1/D的比值是在1.9到2.5的第二范围内。
2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述第一范围是在30度到50度之间。
3.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述第一范围是在34度到44度之间。
4.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴半锥角是42.5度。
5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述L/D的比值是在2.5到3.0之间。
6.如权利要求5所述的喷嘴，其特征在于，所述L/D的比值是2.8。
7.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述Ф1/D的比值是2.1。
8.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴本体还包括固定机构，用于把所述喷嘴本体固定于所述等离子体弧气炬的等离子体弧气炬本体。
9.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴本体是用导电材料制成的。
10.一种用于等离子体弧气炬的气炬端头，该气炬端头有纵向轴线并包括：
如权利要求1所述的喷嘴；以及
屏蔽，该屏蔽包括屏蔽本体，而该屏蔽本体限定具有屏蔽出口喷孔直径Ф2的屏蔽出口喷孔，所述屏蔽本体包括基本锥形的内部部分，而该内部部分有屏蔽半锥角，所述屏蔽半锥角基本等于所述喷嘴半锥角，所述屏蔽相对于所述气炬端头的纵向轴线安装成与所述喷嘴之间有间隔，从而在所述屏蔽的所述基本锥形的内部部分和所述喷嘴的所述基本锥形的外部部分之间的空间内形成流体通路。
11.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述屏蔽沿着所述纵向轴线以距离s相对所述喷嘴隔开，以及所述流体通路的厚度由这个距离s乘以所述喷嘴半锥角的正弦值来限定。
12.如权利要求11所述的气炬端头，其特征在于，所述距离s的数值是选择为由它形成的流体通路厚度使屏蔽出口流体速度为2000英寸每秒到6000英寸每秒。
13.如权利要求11所述的气炬端头，其特征在于，所述距离s的数值是选择为形成0.022英寸的流体通路厚度。
14.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述Ф1/D的比值是2.1。
15.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述第一范围是在30度到50度之间。
16.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述第一范围是在34度到44度之间。
17.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述喷嘴半锥角是42.5度。
18.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述L/D的比值是在2.5到3.0之间。
19.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述L/D的比值是2.8。
20.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述气炬端头的Ф2/Ф1的比值是在0.8到1.2之间。
21.如权利要求20所述的气炬端头，其特征在于，所述Ф2/Ф1的比值在1到1.2之间。
22.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述屏蔽本体还包括一个或多个通风孔。
23.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述喷嘴本体还包括固定机构，用于把所述喷嘴本体固定于所述等离子体弧气炬的等离子体弧气炬本体。
24.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述喷嘴本体是用导电材料制成的。
25.如权利要求10所述的气炬端头，其特征在于，所述屏蔽本体是用导电材料制成的。
26.一种有一纵向轴线的等离子体弧气炬，该等离子体弧气炬包括：
等离子体弧气炬本体，该等离子体弧气炬本体包括等离子体流动路径，用于把等离子体气体引导到在其中形成等离子体弧的等离子体腔室；
如权利要求1所述的喷嘴，所述喷嘴相对于电极安装在所述等离子体弧气矩本体内以限定所述等离子体腔室；以及
屏蔽，该屏蔽包括屏蔽本体，该屏蔽本体限定具有屏蔽出口喷孔直径Ф2的屏蔽出口喷孔，所述屏蔽本体包括基本锥形的内部部分，该内部部分有屏蔽半锥角，所述屏蔽半锥角基本等于所述喷嘴半锥角，所述屏蔽相对于所述等离子体弧气炬的纵向轴线安装成与所述喷嘴之间有间隔，从而在所述屏蔽的所述基本锥形的内部部分和所述喷嘴的所述基本锥形的外部部分之间的空间内形成流体通路。
27.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述屏蔽沿着所述纵向轴线以距离s相对所述喷嘴隔开，以及所述流体通路的厚度由这个距离s乘以所述喷嘴半锥角的正弦值来限定。
28.如权利要求27所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述距离s的数值是选择为由它形成的流体通路厚度使屏蔽出口流体速度为2000英寸每秒到6000英寸每秒。
29.如权利要求27所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述距离s的数值是选择为形成0.022英寸的流体通路厚度。
30.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述Ф1/D的比值是2.1。
31.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述第一范围是在30度到50度之间。
32.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述第一范围是在34度到44度之间。
33.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述喷嘴半锥角是42.5度。
34.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述L/D的比值是在2.5到3.0之间。
35.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述L/D的比值是2.8。
36.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述等离子体弧气炬的Ф2/Ф1的比值是在0.8到1.2之间。
37.如权利要求36所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述Ф2/Ф1的比值在1到1.2之间。
38.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述屏蔽本体还包括一个或多个通风孔。
39.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述喷嘴本体还包括固定机构，用于把所述喷嘴本体固定于所述等离子体弧气炬的等离子体弧气炬本体。
40.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述喷嘴本体是用导电材料制成的。
41.如权利要求26所述的等离子体弧气炬，其特征在于，所述屏蔽本体是用导电材料制成的。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Commission number: 4W115664

Conclusion of examination: Declare claims 1-9 of invention patent number 200680021824.0 invalid, and continue to maintain the validity of the patent on the basis of claims 10-41

Decision date of declaring invalidation: 20230907

Decision number of declaring invalidation: 563365

Denomination of invention: Provide a plasma arc torch with oblique shielded flow injection

Granted publication date: 20111005

Patentee: HYPERTHERM, Inc.