CN101541465B - 具有优化水冷却的等离子弧切割焊炬部件 - Google Patents

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Abstract

用于等离子弧焊炬的喷嘴或固定帽，喷嘴包括外表面，其限定用来与相邻焊炬部件进行热交换的传导接触部分。相邻的焊炬部件可以是固定帽、电极或喷嘴。喷嘴或固定帽的表面也可以至少部分地限定具有曲线表面的冷却通道。密封材料部分可设置在传导接触部分和冷却通道之间。密封材料部分可以在冷却通道和传导部分之间形成或建立流体屏障。

Description

具有优化水冷却的等离子弧切割焊炬部件
技术领域
本发明总的涉及金属材料的高温处理，包括使用等离子弧切割焊炬来切割材料。具体来说，本发明涉及可提高等离子焊炬和其部件特性或寿命的改进设计和冷却技术。
背景技术
等离子弧焊炬广泛用于工件的加工处理，例如，切割、穿透和/或标记金属材料(例如，基本材料、金属合金等)。等离子弧焊炬一般地包括安装在焊炬体(例如焊炬本体)内的电极、也安装在焊炬体内的具有等离子出口部分(有时也称之为出口孔、出口钻孔或出口端口)的喷嘴、电气连接件、冷却流体的流体通道、屏蔽流体和弧控制流体、控制形成在电极和喷嘴之间的等离子腔室中流体流动型式的漩涡环，以及电源。焊炬产生等离子弧，该等离子弧是具有高温和高动量的等离子气体的压缩离子喷射(例如，离子化的等离子气体流)。用于等离子弧焊炬中的气体可以是非氧化的(例如，氩气或氮气)或氧化的(例如，氧气或周围空气)。
在操作中，首先，在电极(例如，阴极)和喷嘴(例如，阳极)之间产生引导弧。引导弧的产生可借助于连接到DC电源和等离子弧焊炬的高频、高电压信号，或者各种接触起动方法中的任何一种。在某些结构中，屏蔽件安装到焊炬体上，以在加工过程中防止从工件溅出的金属(有时称之为熔渣)积聚在焊炬部件上(例如，喷嘴或电极)。一般来说，屏蔽件包括允许等离子射流通过其中的屏蔽出口部分(也称之为屏蔽孔)。该屏蔽件可相对于喷嘴同轴地安装，以使等离子出口部分与屏蔽件出口部分对准。
为了达到具有良好切割质量的高的等离子切割速度，通常需要促进高电流密度的喷嘴设计。通过减小喷嘴孔的尺寸(例如，直径)和/或延伸喷嘴端口长度以收缩等离子弧的流动面积而增加等离子弧的能量密度(amps/in2)。具有相对高电流密度和/或相对高的长度/直径比的喷嘴遭遇到等离子弧在喷嘴孔内造成的相对高的热通量。较高的热通量还可导致喷嘴过热、喷嘴材料(例如，铜)氧化腐蚀，或喷嘴材料局部熔化。较高的热通量还可导致双弧，其中，喷嘴、电极和工件之间连续的起弧致使喷嘴被腐蚀掉。过热和双弧引起喷嘴的损坏，由于喷嘴形状收缩不够可致使等离子射流或弧放宽和/或发散，导致切割质量的缺陷，例如，角度变化加大、气割切缝变宽以及过度的熔渣。
一般地，喷嘴孔处的腐蚀速率受喷嘴孔冷却效率的影响。该部位的有效冷却可有助于保持相对低的温度，温度低可导致腐蚀速率降低。对于高电流等离子焊炬中使用的水冷喷嘴，冷却可包括通过固体金属的热传导，或通过在喷嘴外表面上或流过的冷却剂的热对流。在某些设计中，还可使用在喷嘴外表面上的屏蔽气体来提供附加的冷却，例如，新罕布什尔州(New Hampshire)州汉诺威(Hanover)市人工发热器公司(Hypertherm，Inc).的HPRTM焊炬设计以及南卡罗来纳(South Carolina)州佛罗伦萨(Florence)市ESAB所出售的焊炬都实现了该种附加冷却，两者都采用相当高的电流。通常，用气流冷却喷嘴比用水或其它液体冷却喷嘴来得弱或效率低。
靠近出口孔(大部分在孔壁)的喷嘴末端所吸收的热量需要被排走。排除热量有两种方法，即，热传导以及在喷嘴上部的水对流和/或用屏蔽气体的热对流(如果用气体进行喷嘴冷却不可忽略的话)。在大多数情形中，气体冷却功能与水冷却相比可以忽略，于是，通过喷嘴的总热传递的全部或大部分通过水冷却来实施。在这些情形中，从喷嘴孔到冷却水的传热率主要受以下几方面控制：喷嘴末端的温度梯度(例如，靠近喷嘴出口孔)、固体/液体交界面之间的温差(例如，铜那样的喷嘴材料和水那样的冷却液体之间)及初始冷却水，以及对流传热系数。这可用两个控制的关系式来描述，即，热传导方程(下面方程1)和热对流方程(下面方程2)。
Q A Orifice = - k T S / L - T Orifice ΔX     (方程1)
其中：Q是喷嘴孔处的总热通量，假定热量仅通过喷嘴孔壁传递；
      AOrifice是喷嘴孔的表面面积；
      k是喷嘴材料的热传导率；
      TS/L是喷嘴和冷却流体(例如，水)交界面处的温度；
TOrifice是喷嘴孔处的温度，假定温度为均匀；以及
ΔX是从喷嘴孔到固体液体交界面的有效距离。
Q A S / L = h ( T S / L - T 0 )     (方程2)
其中：AS/L是喷嘴和冷却流体交界面的面积；
      h是喷嘴材料的对流传热系数；
      TS/L是喷嘴和冷却流体交界面处温度；以及
      T0是冷却流体的初始温度。
传统的喷嘴冷却的设计方法是使冷却剂材料尽可能靠近喷嘴出口孔，例如，可通过减小其间距离，即，方程1中ΔX项来实现。然而，减小冷却剂和喷嘴出口孔之间距离会受到将固体/液体交界面温度保持在可接受水平的热对流能力的限制。有几种方法来进行冷却剂密封。
图1示出用来冷却喷嘴110末端105的某一系统100的典型设计的局部截面图。该系统100一般地表示南卡罗来纳(South Carolina)州查尔斯顿(Charleston)市的卡里布恩(Kaliburn)公司出售的Proline2200TM，200-amp喷嘴。系统100包括喷嘴110和喷嘴固定帽115，固定帽115可拆卸地安装在焊炬体(未示出)上，以便相对于焊炬体固定喷嘴110。系统100的全横截面图可包括关于中心线或纵向轴线A成对称设置的系统100部件的镜面对称图形。末端105形成出口孔部分120，等离子射流(未示出)通过该出口孔部分120流出喷嘴110。末端105还形成凹陷部分125，密封部件130(例如，O形环)设置在该凹陷部分内，以在喷嘴110和喷嘴固定帽115之间形成液密的密封。末端105还形成第一台肩部分135，该第一台肩部分构造成与喷嘴固定帽115的对应平坦部分140匹配，以在两者之间形成金属-金属交界面143。交界面143提供喷嘴110和喷嘴固定帽115之间的热传导路径。喷嘴110的后部145与喷嘴固定帽115的对应后部150协作，以形成冷却流体(未示出)流过其中的腔室155。
交界面143将喷嘴110固定到焊炬，并相对于纵向轴线A定位喷嘴110。系统100通常用德国芬斯特沃德(Finsterwalde)市的科杰尔堡电极和机器有限公司(Kjellberg Elektroden und Maschinen GmbH)出售的PBS-75/PBS-76喷嘴代表。对于该系统100存在着若干缺点。例如，系统100的结构导致喷嘴末端105冷却不够充分。凹陷部分125过热，导致密封部件130过热和/或烧毁。密封部件的失效可致使喷嘴110和喷嘴固定帽115之间不能形成液密密封，导致冷却流体泄漏，喷嘴110或喷嘴固定帽115过早地失效，和/或图1A中未示出的其它焊炬部件(例如，焊炬电极或屏蔽件)损坏。此外，凹陷部分125导致喷嘴110和喷嘴固定帽115之间的金属-金属接触减少，这减小了两者之间实体接触的表面面积。
系统100还导致交界面143附近腔室155中的“滞留区域”158。“滞留区域”158中流体的流动比腔室155其它部分中流得慢，导致“滞留区域”158附近对流的冷却减小。“滞留区域”158显示出流体流动阻力，该阻力阻碍相对较冷的流体流入“滞留区域”158内，这降低流体的对流冷却效果。
图1B是用来冷却喷嘴110’末端105’的第二个或替代的系统160设计的局部截面图。系统160包括喷嘴110’和喷嘴固定帽115’。系统160的全横截面图可包括关于中心线或纵向轴线A成对称设置的系统160部件的镜面对称图形。末端105’限定出口孔部分120’，等离子射流(未示出)通过该出口孔部分120’流出喷嘴110’。末端105’包括密封部分165，其与喷嘴固定帽115’的对应部分170实体地接触，以在两者之间形成金属-金属交界面175。喷嘴110’的后部180与喷嘴固定帽115’的对应后部185协作，以形成冷却流体(未示出)流过其中的腔室155’。
交界面175将喷嘴110’固定到焊炬，并相对于纵向轴线A定位喷嘴110’。交界面175通常也起作流体密封，用来阻碍腔室155’内流动的冷却流体泄漏出来。对于该系统160存在着若干缺点。例如，为在金属-金属交界面175处实现液密密封而制造或加工喷嘴110’和/或喷嘴固定帽115’时，存在着诸多困难。其结果，在操作过程中(例如，当喷嘴110’和末端105’的运行温度增加时)，交界面175趋于泄漏冷却流体。在喷嘴110’和喷嘴固定帽115’之间形成泄漏之后，通常它们必须都更换掉。此外，如密封175那样交界面的失效可导致焊炬电极(未示出)和屏蔽件(未示出)损坏，这通常也需要进行更换。
一般地，喷嘴110’和喷嘴固定帽115’用不同材料制造。例如，喷嘴110’常用铜或铜合金制造，而喷嘴固定帽115’通常用黄铜制造。不同材料具有不同热膨胀系数，这影响到喷嘴110’和喷嘴固定帽115’在加热过程中(例如，焊炬操作过程中)多快速地膨胀以及收缩(例如，在冷却或热松弛过程中)。交界面175趋于对金属粉尘和/或喷嘴110’或喷嘴固定帽115’的表面光洁度敏感。
发明内容
因此，喷嘴和喷嘴末端需要有改进的冷却，同时又保持液密密封，以防止喷嘴或喷嘴固定帽灾难性失效。这里所述概念着力于通过设计来解决上述问题，该设计优化了喷嘴的传导和对流冷却，同时保持喷嘴和喷嘴固定帽之间的液密密封。
总的来说，本发明一个方面涉及一种用于等离子弧焊炬的喷嘴。喷嘴包括外表面，该外表面限定用来与相邻焊炬部件进行热交换的传导接触部分。相邻的焊炬部件可以是固定帽或电极。喷嘴外表面也可以至少部分地限定具有曲线表面的流体流动路径。该流体流动路径可以对流地将热从喷嘴传递到流体流动路径内流动的流体。曲线表面可以是喷嘴外表面的一部分。密封材料部分可定位在传导接触部分和流体流动路径之间。密封材料部分可包括弹性体密封件，其至少部分地设置在定位在喷嘴外表面上的槽内。包括弹性体密封件和槽的密封剂部分可形成密封部件或密封元件。槽可定位成使密封部件在流体流动路径和传导部分之间形成或建立流体屏障。在某些实施例中，密封材料部分也可包括适用密封件或垫片中的至少一种。
在另一方面，有用于等离子弧焊炬的固定帽。该固定帽包括内表面，内表面限定传导接触部分，其与相邻焊炬部件进行热交换。相邻焊炬部件可以是喷嘴。固定帽的内表面可以至少部分地限定具有曲线表面的流体流动路径。弯曲表面可以是固定帽内表面的至少一部分。密封材料槽可以定位在传导接触部分和流体流动路径之间。密封材料槽还可包括弹性体密封件，其至少部分地设置在密封件内，以形成密封部件或密封元件。在某些实施例中，密封材料部分也可包括适用密封件或垫片中的至少一种。
在本发明的另一方面，用于等离子弧焊炬的对流冷却结构可设置在等离子弧焊炬的喷嘴和固定帽中的至少一个内。对流冷却结构包括凹陷的曲线部分和凸出的曲线部分，前者限定通道的至少一部分，后者用来促进流体流入凹陷的曲线部分内。切向连接部分设置在凸出的和凹陷的曲线部分之间。
在本发明的另一方面，冷却和密封结构用来联接相邻等离子弧部件之间并提供热传递，该结构包括用来提供与相邻焊炬部件接触交界面的台肩部分。接触交界面可传导地在相邻焊炬部件之间传热。该结构还可包括对流的冷却通道，其包括凸出的曲线部分、凹陷的曲线部分，以及设置在凸出和凹陷曲线部分之间的切向连接部分。密封的或密封材料部分可以定位在台肩部分和对流冷却通道之间。密封部分可包括设置在焊炬部件例如喷嘴或固定帽内的槽，以及至少部分地设置在该槽内的弹性体密封件。槽可以定位成使密封件不暴露于极端的热量面前。在某些实施例中，密封部分靠近或相邻于对流冷却通道定位。
在另一方面，本发明涉及一种用于流体冷却的等离子焊炬的喷嘴。该喷嘴可包括本体，该本体具有的外直径部分地形成一流体通道，本体可包括端面，其中，端面垂直于部件的纵向轴线。在某些实施例中，槽至少部分地延伸通过端面，而弹性体密封件可设置在槽内以在等离子气体流和流体通道之间提供屏障。槽和密封件可在焊炬的等离子气体区域和焊炬的水冷区域之间提供流体密封。在某些实施例中，槽和设置在喷嘴端面内的密封件可提供保护性屏障，该屏障加强和补充设置在喷嘴外表面内的密封部件。
本发明另一方面涉及用来连接和提供等离子焊炬部件之间传热的冷却和密封结构。在某些实施例中，该结构包括用来在相邻焊炬部件之间进行传导冷却的装置。该用于传导冷却的装置可包括焊炬部件的接触部分。接触部分可包括喷嘴的台肩或台肩表面或固定帽的内表面。在某些实施例中，台肩表面可以是方形的、曲线的或角度的切口，而在某些实施例中，台肩表面具有阶梯外形。冷却和密封结构也可包括提供一部分等离子焊炬的对流冷却而不造成冷却流体的滞留的装置。用于对流冷却的该装置可包括冷却通道或流体腔室，其至少部分地由曲线表面限定。在某些实施例中，冷却通道可具有球根形状。在某些实施例中，对流冷却装置可以围绕等离子焊炬或等离子喷嘴的纵向轴线呈环形形。冷却和密封结构还可包括提供流体密封的密封装置。流体密封可以至少部分地由设置在喷嘴外表面内的槽形成。在某些实施例中，该槽可位于固定帽的内表面内。
在本发明的另一方面，流体冷却的等离子弧焊炬喷嘴包括前部和后部。前部可包括限定出口孔的前表面。喷嘴还可包括传导的台肩部分和流体冷却部分，该台肩部分的尺寸设置成轴向地与相邻的部件对准，流体冷却部分则设置在台肩部分和后部之间。在某些实施例中，密封构件可以设置在液体冷却部分和传导的台肩部分之间。
本发明另一方面涉及一种用来将相邻部件定位在等离子焊炬内的对准结构。在某些实施例中，该结构包括台阶元件和密封元件，台阶元件在两个相邻部件之间提供轴向对准，而密封元件与倾斜或弯曲表面协作以提供两个相邻部件之间的径向对准。在某些实施例中，该对准结构还可包括带有曲线部分的对流冷却通道。曲线部分可具有球根或环形形中至少一种形状的表面。
本发明的另一方面包括等离子弧焊炬系统，该系统包括电源、连接到电源的焊炬体，以及设置在焊炬体内的电极。在某些实施例中，等离子弧焊炬系统包括焊炬部件和对流冷却结构，焊炬部件具有限定传导接触部分的表面，以便与相邻焊炬部件进行热交换，而对流冷却结构包括凹陷曲线部分，该曲线部分限定冷却通道的至少一部分。在某些实施例中，焊炬系统可包括控制气体到电极流动的控制器。在某些实施例中，焊炬系统包括第一冷却装置、第二冷却装置以及密封装置，第一冷却装置用于相邻焊炬部件之间的传导冷却，第二冷却装置用于提供等离子焊炬一部分的对流冷却而没有冷却流体流的滞留，密封装置设置在第一冷却装置和第二冷却装置之间以提供流体的密封。在某些实施例中，等离子弧焊炬系统可包括控制器和气体控制台。
在本发明的另一方面，一种冷却等离子焊炬部件的方法包括热交换，其通过传导接触部分从第一焊炬部件与与相邻的焊炬部件进行热交换。在某些实施例中，该方法可包括通过具有曲线表面的冷却通道使冷却流体流动，该曲线表面构造成阻止流体滞留。在某些实施例中，该方法还可包括提供屏障，该屏障包括介于传导接触部分和冷却通道之间的密封部件。
本发明的一个方面还涉及一种制造等离子焊炬部件的方法，其包括在第一焊炬部件上形成限定传导接触部分的表面，以与相邻焊炬部件进行热交换。制造等离子弧焊炬部件的方法还可包括形成冷却通道的形状部分，该部分至少部分地由第一焊炬部件或相邻焊炬部件之一限定，该形状部分具有曲线表面，并定位介于表面和形状部分之间的密封材料槽。
本发明的另一方面可包括用于等离子弧切割焊炬的喷嘴，其中，该喷嘴可具有能够接纳电极的大致中空的本体。喷嘴还可包括外表面，该外表面包括具有曲线外形的部分，其至少部分地限定用于冷却流体的流动路径。
本发明的还有一方面涉及一种用于等离子弧切割焊炬的固定帽，该固定帽构造成将喷嘴固定在焊炬内。在某些实施例中，固定帽包括内表面，内表面包括具有曲线外形的部分，其至少部分地限定用于冷却流体的流动路径。
以上的任何方面可包括如下的一个或多个特征。喷嘴可包括一个或多个位于喷嘴外表面内的密封材料槽。弹性体密封件可以至少部分地设置在密封材料槽内。密封材料槽还可位于喷嘴或焊炬部件后部的表面上。密封部件或密封材料元件可以设置在喷嘴或固定帽后面上。密封材料槽和弹性体密封件可形成密封部件。在某些实施例中，弹性体密封件构造成可变形，以在至少两个相邻焊炬部件之间提供围绕倾斜或弯曲表面的流体密封。弹性体密封元件还可包括O形环。在某些实施例中，密封部件可包括O形环和弹性体密封件中的至少一个。在某些实施例中，密封部件位于焊炬部件或相邻焊炬部件中的至少一个上。且在某些实施例中，台阶形元件和密封元件相对于彼此设置以形成单个对齐元件。在某些实施例中，密封部件的尺寸和结构应可设置成提供传导接触部分和对流冷却结构之间的流体密封。
以上的任何方面可包括如下的一个或多个特征。流体流动路径可至少由电极或固定帽的表面限定。流体流动路径可形成环形腔室的至少一部分。流体流动路径还可包括流体腔室的至少一部分，流体腔室包括凸出曲线部分和凹陷曲线部分，凸出曲线部分促进流体流入凹陷曲线部分内。
以上的任何方面还可包括如下的一个或多个特征。传导接触部分可限定弯曲的或倾斜的接触表面。在某些实施例中，该接触表面提供喷嘴与相邻焊炬部件的轴向和径向的对准。传导接触部分可包括一层设置在其上的传导金属或金属氧化物。
以上的任何方面还可包括如下的一个或多个特征。台肩部分可提供至少两个相邻焊炬部件之间的径向和轴向对准。在某些实施例中，台肩部分包括一层沿着固体对固体的交界面的传导材料。对流的冷却通道可包括球根部分。且在某些实施例中，对流的冷却通道可包括环形形状。在某些实施例中，传导接触部分、对流冷却通道以及弹性体密封件是单个等离子焊炬部件的部分。在某些实施例中，台阶形元件和倾斜的或弯曲的表面元件中至少一个可包括一层设置在其上的热传导材料。
以上的任何方面可包括如下的一个或多个特征。冷却结构可至少部分地设置在喷嘴内。且在某些实施例中，冷却结构至少部分地设置在固定帽内。在某些实施例中，通道设置在等离子弧焊炬的喷嘴内。而在某些实施例中，通道挤入到喷嘴壁厚内。在某些实施例中，通道构造成减少流体流动的滞留。
以上的任何方面可包括如下的一个或多个特征。喷嘴可包括前部和后部，前部包括限定出口孔的前表面、尺寸设置成提供与相邻部件的传导热传递的台肩部分，以及设置在台肩部分和后部之间的弹性体密封，其中，弹性体密封件发生变形而提供与相邻部件的流体密封。在某些实施例中，相邻的焊炬部件包括喷嘴和固定帽。
以上的任何方面可包括如下的一个或多个特征。某些实施例包括传导冷却的装置、提供对流冷却的装置，而密封装置至少部分地位于单个等离子焊炬部件上。提供有效对流冷却的装置可以限定在相邻焊炬部件之间。而用于传导冷却的装置还可提供相邻焊炬部件之间径向或轴向对准中的至少一种对准。在某些实施例中，对流或传导的冷却装置可包括环形的形状。在某些实施例中，流体冷却的部分包括环形的形状。
从以下说明书和权利要求书中，将会更加明白本发明的上述和其它目的、方面、特征和优点。
附图说明
结合附图参照以下详细说明书，将会更完整地理解上述的和其它的特征，附图是说明性的且不一定成比例。
图1A示出某一已知设计的用来冷却喷嘴末端的系统的局部截面图。
图1B示出某一第二设计的用来冷却喷嘴末端的已知系统的局部截面图。
图2是已知焊炬设计的视图。
图3A是用于等离子弧焊炬的喷嘴的侧视图。
图3B是包括图3A喷嘴的焊炬末端的剖切立体图。
图4是包括带有用于弹性体密封的多个槽的喷嘴的焊炬末端的截面图。
图5是焊炬末端的截面图。
图6是两件组装喷嘴的侧视截面图。
图7是焊炬末端的侧视截面图，该焊炬末端包括设置在固定帽内的弹性体密封件。
图8A-8E是用于等离子弧焊炬的喷嘴的侧视截面图。
图9是自动等离子弧焊炬系统的示意图。
图10是自动等离子弧焊炬系统的示意图。
具体实施方式
图2示出现有技术等离子弧切割焊炬10的简化示意形式，它由公司地点在新罕布什尔州(New Hampshire)州汉诺威(Hanover)市人工发热器公司(Hypertherm，Inc)出售的各种焊炬型号中的任何一种型号代表。焊炬10具有本体12，其通常呈圆柱形，在下端16处有出口孔14。等离子弧18即离子化气体射流，穿过出口孔14并附连到被切割的工件19上。焊炬10设计成在传递弧模式中穿透并切割金属，特别是低碳钢，或其它材料。在切割低碳钢时，焊炬10用诸如氧气或空气那样的反应气体作为等离子气体28进行操作来形成传递的等离子弧18。
焊炬体12支承铜电极20，电极20具有大致的圆柱形本体21。铪材料的插入件22可压配到电极20的下端21a内，以暴露出平面的发射表面22a。焊炬体12还支承喷嘴24，该喷嘴24与电极20间隔开。喷嘴24具有限定出口孔14的中心孔。在某些实施例中，安装在焊炬体12上的漩涡环26具有一组径向偏移(或斜置)的气体分配孔26a，它们赋予等离子气体流以切向速度分量而致使气流形成漩涡。该漩涡产生涡流，涡流使弧18收缩并将弧18的位置稳定在插入件22上。焊炬还具有屏蔽件60。屏蔽件60在其上侧壁60a处连接(例如，螺纹连接)到绝缘环64。绝缘环64在其上侧壁64a处连接(例如，螺纹连接)到帽76，该帽螺纹连接到焊炬体12上。屏蔽60构造成与喷嘴24间隔开以形成气体流动通道68。屏蔽件60的前表面60b具有与喷嘴出口孔14对准的出口孔72。
在操作中，等离子气体28流过气体入口管29和漩涡环26内的气体分配孔26a。从那里开始，等离子气体28流入等离子腔室30，并通过出口孔14和出口孔72流出焊炬10。首先在电极20和喷嘴24之间产生引导弧。引导弧使通过喷嘴出口孔14和屏蔽出口孔72的气体离子化。然后弧从喷嘴24传递到工件19以切割工件19。应该指出的是，焊炬10特定的构造细节，包括部件的结构布置、引导气体和冷却流体流以及提供电气的连接等可以采用各种形式。
图3A是用于代表本发明实施例的等离子弧焊炬的喷嘴200的侧视图。喷嘴200包括前面或向前部分202和后部204。如上所述，前部202和后部204形成一体(例如，用同一块材料制造)。在某些实施例中，前部202和后部204可用不同材料形成，然后联接在一起(例如，通过焊接固定在一起，或在焊炬内安装时保持协作的关系)。
前部202包括延伸部分206，其限定出口孔(未示出)，等离子射流(未示出)通过出口孔流出喷嘴200。前部202还限定台肩部分208。如图所示，该台肩部分208包括表面210。表面210关于中心线A对称地倾斜或斜切。如图所示，表面210相对于延伸部分206设置，但也可能有其它的结构。台肩部分208和表面210用来与相邻部件(未示出)传导地传热。表面210可以是实体地、面对面地与相邻部件对应表面(未示出)接触，以进行传导地传热。在某些实施例中，介质(未示出)设置在表面210和相邻部件之间，以使面对面的接触不发生，但达到了热力学上的连接。例如，介质可以是密封部件或涂层。
所示喷嘴200还限定设置在前部202和后部204之间的槽212。在某些实施例中，槽212设置在台肩部分208和冷却通道255的对流冷却部分附近。槽212可容纳弹性体密封件，例如，O形环或斜度的O形环(未示出)。弹性体密封件也可以是密封垫片或涂层。当喷嘴200和相邻部件安装在等离子弧焊炬上时，表面210和相邻部件的对应表面之间的面对面接触使弹性体密封件变形，以在喷嘴200和相邻部件之间提供液密密封。该液密密封可有助于防止对流冷却区域失效，而对流冷却区域失效可造成流体从喷嘴200的冷却通道255中泄漏出来。
喷嘴200还包括对流部分214。对流部分214设置在槽212和喷嘴200的后部204之间。当喷嘴200安装在焊炬内时，该对流部分设置在密封件和后部204之间。在某些实施例中，密封件靠近或相邻于冷却通道255定位。传导部分214提供流体流动路径，该路径允许流体在喷嘴200外表面216上流过。流体(未示出)在焊炬操作过程中促进喷嘴200的对流冷却。在某些实施例中，流体流动路径至少部分地由曲线表面限定。曲线表面可以是喷嘴或固定帽表面的一部分。
喷嘴200的对流传热部分214的形状设置成促进对流地冷却和减少流动流体的滞留。例如，对流传热部分214包括成形部分218。在某些实施例中，成形部分218的尺寸和构造设置成具有曲线表面。成形部分218可限定沿中心线A对中的环形形腔室220的至少一部分。在操作过程中，流体流过和沿着环形形腔室以促进喷嘴的对流性冷却。在某些实施例中，冷却流体进入环形形通道的一侧，围绕流体腔室256内喷嘴的前部流动，并在喷嘴相对侧上流出。通过减少冷却流体(例如，液体或气体)的滞留，此外，还通过成形部分218，促进对流性冷却，在某些实施例中，形状的部分218放大或延展暴露于冷却液体中的表面面积，该形状的部分218包括凹陷曲线部分222和相邻于凹陷曲线部分222的凸出曲线部分224。成形部分218可通过铸造工艺(例如，在模具中形成喷嘴200)来形成，或通过使用合适的切削工具的切削工艺(例如，在制造过程中，在金属车床上切削掉一部分喷嘴材料)来形成。在某些实施例中，喷嘴对流传热部分的构造和尺寸设置成允许冷却流体对流地从喷嘴中移去热量。在某些实施例中，热量可通过喷嘴从喷嘴的前部到后部传导地传热，同时从喷嘴与冷却流体对流地传热。包括如上所述的一个或多个曲线部分在内的成形部分，可关于喷嘴纵向轴线径向地形成对称。因此，横截面外形可具有如上所述的形状，或如附图中所示。
喷嘴200包括相邻于对流传热部分214的槽224。槽224增加喷嘴表面面积并促进对流冷却，还通过将某些湍流引入到流动的流体中来减少滞留。喷嘴200还包括设置在后部204内的通道226。
图3B是包括图3A喷嘴200的焊炬末端240截面立体图。该焊炬末端240包括固定帽244。固定帽244将喷嘴200固定到等离子弧焊炬，并相对于中心线A径向地和/或轴向地定位喷嘴200。固定帽244限定开口246，该开口构造成与喷嘴延伸部分206相匹配。喷嘴200的延伸部分206限定等离子出口端口248，等离子射流(未示出)通过出口端口248从等离子腔室250流出喷嘴。固定帽244限定外表面252和内表面254。如图所示和以上所述，内表面254倾斜而与喷嘴200的台肩208的表面210匹配。内表面254和表面210之间的接触促进喷嘴200和固定帽244之间的热传导。表面210形成一斜面，其沿着喷嘴200前部202的台肩部分208延伸。通过放大面对面的接触，可提高喷嘴200和固定帽244之间的热传导。提高两个或两个以上焊炬部件之间的热传导，可改进喷嘴的冷却，这可延长喷嘴的寿命。在某些实施例中，一层诸如银(未示出)那样的传导材料层附于表面210、254上，它们提供面对面的接触面积。传导材料可促进相邻焊炬部件之间的传热。
当弹性体密封部件(未示出)定位在槽212内时，固定帽244和喷嘴200之间的协作使弹性体密封部件变形以形成液密的交界面。内表面254与喷嘴200的成形部分214和后部204协作以形成流体腔室256。
喷嘴200的后部204还包括限定表面258内槽260的表面258。当喷嘴200安装在等离子弧焊炬内时，弹性体密封部件(未示出)可设置在槽260内。槽258内的密封部件当设置在槽224或通道226内的密封部件失效时提供备用的密封。在某些实施例中，或采用槽258内的密封，或采用槽226中的密封。此外，槽258内的密封部件并不因安装喷嘴200(或其它喷嘴)和从焊炬中拆卸喷嘴时在焊炬体(通常用黄铜制成)侧壁造成刮伤而受到损害。相反，槽258内的密封部件密封焊炬内部的后表面。与焊炬内侧壁相比，喷嘴内部的后表面不太可能因重复改变喷嘴而被刮伤。槽258内的密封部件提供软交界面并减小喷嘴200和焊炬体之间金属对金属的接触。重复地连接和拆卸消耗部件可刮伤和擦伤焊炬连接，所述消耗部件例如包括喷嘴、固定帽、电极等。刮伤和擦伤可损害等离子弧焊炬的流体冷却区域和等离子气体区域之间的密封。当该两个区域之间的密封受到损害时，用于冷却的流体可泄漏到等离子气体区域内，反之亦然。槽258内的密封部件提供一致性的密封，该密封保护流体冷却区域(流体流动路径)避开等离子气体区域，所述流体冷却区域可包括冷却通道255。在某些实施例中，密封部件变形而提供两个焊炬区域之间的密封。
表面258形成第一平面B。表面210形成第二平面C。两个平面B和C位于用来冷却液体的流动路径内(未示出)。
图4示出本发明另一实施例，其包括喷嘴200和固定帽244。喷嘴200限定流体腔室256，其中喷嘴200的成形部分214包括凸出曲线部分224、凹陷曲线部分222。切向部分连接两个曲线部分。在某些实施例中，流体腔室256可由其它构造的一个或多个曲线表面限定。曲线部分的表面构造成没有尖角以防止产生滞留区域。在某些实施例中，凸出曲线部分224促进流体朝向凹陷曲线部分222流动。成形部分214包括如上所述的一个或多个曲线部分，该成形部分可关于喷嘴纵向轴线径向地对称。在某些实施例中，成形表面可具有球根形状。因此，横截面外形可具有如上所述的或如图所示的形状。
图4所示喷嘴200的台肩208具有台阶外形。在某些实施例中，该台阶形外形包括尖角或方角。台肩208的台阶外形增加了促进从喷嘴到固定帽244传导性传热的表面面积。在某些实施例中，台肩208和成形部分214构造成使喷嘴壁具有足够的厚度，足以从靠近等离子出口端口248的喷嘴200的前部202传导地传热到喷嘴200的后部204。
图4的喷嘴200也可包括密封部件，其阻止流体从流体腔室256流动到相邻于喷嘴200延伸部分206的喷嘴前部202。密封部件(未示出)可部分地设置在槽212内，且该槽可切割到喷嘴外表面216内。槽212可沿着喷嘴表面位于任何地方。在某些实施例中，密封部件可以设置成使密封机构不暴露于升高的温度前，尤其是，对于包括布纳(Buna)材料的密封部件，不暴露于高于约250至300℉的高温，对于包括硅树脂(Silicone)材料的密封部件，不暴露于高于约400℉的高温。带有曲线或方边缘的槽212可切入到喷嘴内。在某些实施例中，带有相关密封部件的一个或多个槽切入到喷嘴表面内。在一实施例中，密封部件沿着斜面定位。在某些实施例中，密封部件沿着喷嘴的台肩定位。密封部件可以位于冷却通道附近，在某些实施例中，槽定位成使流体腔室底部和槽212顶部沿着喷嘴外表面216毗邻。
在某些实施例中，喷嘴的延伸部分206可延伸通过固定帽244的开口246。在图5中，例如，延伸部分206延伸通过固定帽244的开口246。固定帽244的开口246和喷嘴200的相邻台肩208可以协作而提供相邻焊炬部件的径向和轴向对准。
在焊炬操作过程中，包括斜面的延伸部分206从喷嘴200前部202朝向喷嘴200后部204传导地传热。在某些实施例中，喷嘴和固定帽的接触部分的尺寸和结构设置成能在相邻焊炬部件之间传导地传热。在某些实施例中，接触部分是台肩208的表面210和固定帽的内表面254。相邻焊炬部件之间面对面的接触便于传导地进行传热。在某些实施例中，热量可从喷嘴的台肩部分208传导地传热到固定帽244。台肩208的表面210可具有方形边缘。在某些实施例中，台肩208的表面210可以倾斜或弯曲。在某些实施例中，台肩208的表面210限定斜面。
密封部件可相对于喷嘴200的台肩208间隔开设置。密封部件可至少部分地设置在台肩208的表面210内。在某些实施例中，密封部件可包括槽212和一至少部分地设置在槽212内的弹性体密封件(未示出)。在某些实施例中，密封部件是定位在喷嘴200表面和固定帽244内表面254之间的弹性体密封件。如果台肩是倾斜、弧形或直的边缘，则该槽可切入台肩的表面内。在某些实施例中，密封部件是介于接触表面之间的金属对金属的交界面。不管如何定位，密封部件总试图阻止流体在传导的台肩208和对流的冷却通道255之间流动，对流的冷却通道255例如流体腔室256。
对流的冷却通道255可包括流体腔室256，该冷却通道可由喷嘴和相邻焊炬部件的外表面216限定。在某些实施例中，相邻焊炬部件可以是固定帽244。对流的冷却通道255旨在将冷却流体的滞留减到最小。在某些实施例中，流体在冷却通道内的流动将没有滞留。在某些实施例中，与带有尖角或方角边缘或表面的冷却通道内的流体滞留相比，没有滞留也可意味着降低滞留或将滞留减到最小。
如图6所示，本发明实施例包括等离子焊炬部件，该焊炬部件包括具有两个部分的喷嘴，其中，喷嘴的前部202和后部204是形成为不同的块，然后联接在一起。在某些实施例中，前部202可包括斜面。喷嘴200也可具有台肩208部分，该部分包括台阶外形。斜面和台肩可以一起使用或个别地使用，以使喷嘴200与相邻焊炬部件(例如，固定帽或屏蔽件)径向地和轴向地对准。斜面也可传导地从喷嘴200的等离子出口端口248的周围区域传走热量。
喷嘴200的前部202和喷嘴200的后部204构造成：热量从喷嘴200的前部202传导地传热到后部204。喷嘴200后部204的外表面可至少部分地限定冷却通道255或流体腔室256，由此，冷却通道对流地从喷嘴200的后部204移走热量。流体腔室256可由形成在喷嘴200后部204内的曲线表面和相邻焊炬部件的表面限定，所述焊炬部件放置成与喷嘴200的后部204间距开。在某些实施例中，冷却通道255的至少一部分形成为螺线管形或球根状。冷却通道可以相对于喷嘴200后部204的外表面216凹入，在某些实施例中，该冷却通道将包括凹陷部分和由切向部分连接的凸出部分。冷却通道包括一个或多个如上所述的曲线部分，该冷却通道可关于部件的纵向轴线径向地呈对称。因此，横截面的外形可具有如上所述或如图所示的形状。
图7是包括本发明特征的焊炬末端实施例的侧视图。所示焊炬末端包括带有固定帽244和屏蔽件262的喷嘴200。固定帽244的内表面254可限定成形部分。在某些实施例中，喷嘴外表面216也可限定成形部分；该成形部分是曲线表面。固定帽244的成形部分和喷嘴200的外表面216限定冷却通道。在某些实施例中，固定帽244的成形部分构造有促进流体流过冷却通道的凹陷表面。在某些实施例中，冷却通道具有球根形状，而在某些实施例中，该通道是围绕固定帽纵向轴线的环形形。冷却通道构造成尽可能减小或降低流体腔室256内流体的滞留。固定帽244的成形部分可以这样形成：它使从喷嘴200和固定帽244到冷却流体的对流传热为最大。在某些实施例中，冷却通道的前端将形成为凸出形或球根形。成形部分214可以关于固定帽纵向轴线径向地呈对称。因此，横截面的外形可具有如上所述或如图所示的形状。
喷嘴200可具有前部202和后部204。喷嘴200的前部202限定延伸部分206和等离子出口端口248。固定帽244可以与喷嘴200间隔开设置，以使固定帽244的开口246与喷嘴200延伸部分206轴向地和径向地对准。在某些实施例中，位于喷嘴200的前部202上的台肩部分208可使喷嘴200能够与固定帽244轴向地和径向地对准。
台肩部分208可限定表面210，该表面构造成提供与相邻焊炬部件的传导方式传热。台肩部分208的表面210可以是斜切、锥形或弯曲表面。在某些实施例中，相邻焊炬部件是固定帽244。固定帽244具有内表面区域254和外表面区域252。固定帽244的内表面区域254和台肩部分208的表面210之间的接触，允许热量从喷嘴200的前部202对流地传热到固定帽244。
固定帽244的内部254可形成槽212；弹性体密封件或某些其它的密封部件可以至少部分地设置在槽212内。密封部件可以设置成：固定帽244和喷嘴200之间的接触表面允许能充分地进行传导方式的传热。在某些实施例中，密封部件旨在阻止流体从流体腔室(流体腔室也可称之为冷却通道)256流到固定帽244内表面254和喷嘴200延伸部分之间的固体对固体的接触面。在某些实施例中，密封部分可以位于台肩部分208和对流的流体腔室256之间。
密封部件的位置不局限于与限定流体腔室256和阻止流体滞留的曲线表面相同的焊炬部件。在某些实施例中，防止或将流体流动滞留减到最小的弯曲表面位于一个焊炬部件上，而包括槽和弹性体密封件的密封部件位于相邻的焊炬部件上。例如，在某些实施例中，密封部件可以位于喷嘴200上，而流体腔室256至少部分地由固定帽244的弯曲内表面254限定。在某些实施例中，密封部件可以位于固定帽244上，而喷嘴200的曲线表面至少部分地限定冷却通道并防止和使流过冷却通道的流体滞留最小。
在图8A-8E中示出具有变化的冷却通道结构的其它实施例。冷却通道的曲线部分可包括不同形状的曲线表面，它们至少部分地限定冷却通道。冷却通道相对于喷嘴和固定帽的位置也可变化以将滞留减到最小。在某些实施例中，冷却通道的位置和结构尺寸设置成使从喷嘴移走的热量为最大。
等离子弧焊炬系统被广泛地用于金属材料的切割，并可实现自动化以便可自动地切割金属工件。在一实施例中，参照图9和10，等离子弧焊炬系统包括计算机化的数字控制器(CNC)552、显示器屏553、电源510、自动处理控制器536、焊炬高度控制器538、驱动系统540、切割工作台543、龙门架526、气体供给源(未示出)、控制器500、定位装置(未示出)以及等离子弧焊炬400。等离子弧焊炬系统还可选项地包括阀控制台520。等离子弧焊炬400的焊炬体404包括喷嘴410和固定帽244。在操作中，等离子弧焊炬400的末端通过定位装置靠近工件530定位。
控制器可设置在电源510上，例如，控制器可容纳在电源510内，见图10。或者，控制器500可设置在电源510外壳的外面，例如，设置在电源外壳的外部上。在一实施例中，见图10所示，控制器500连接到部件上，例如，连接到电源510上。控制器可控制送到焊炬或焊炬系统的信号。同样地，阀控制台520可设置在电源510上，例如，阀控制台520可容纳在电源510内，见图10。阀控制台520也可设置在电源510外壳的外面，例如，设置在电源外壳的外部上。在一实施例中，见图9所示，阀控制台520连接到部件上，例如，连接到电源510上。阀控制台520可包含各种阀门，以便流入和/或流出例如等离子气体、电极气体、屏蔽气体和其它的气体。
在操作中，使用者将工件530放置在切割工作台542上，并将等离子弧焊炬400安装在定位装置上，以提供等离子弧焊炬400末端和工件530之间的相对运动，从而沿着加工路径引导等离子弧。焊炬高度控制器538设定焊炬400相对于工件530的高度。使用者对CNC552提供起动指令而启动切割过程。驱动系统540从CNC552中接受指令信号，在切割工作台542上沿x或y方向移动等离子弧焊炬400。切割工作台542支承工件530。等离子弧焊炬400安装到焊炬高度控制器538上，而焊炬高度控制器538安装在龙门架526上。驱动系统540相对于工作台542移动龙门架526，并沿龙门架526移动等离子弧焊炬400。
CNC552引导等离子弧焊炬400和/或切割工作台542的运动，以使工件530能按要求的图形进行切割。CNC552与定位装置连通。定位装置使用来自于CNC552的信号来沿着要求的切割路径引导焊炬400。位置信息从定位装置返回到CNC552，以使CNC552与定位装置互动地操作而获得精确的切割路径。
电源510提供产生等离子弧所需要的电流。CNC552可就地或遥控地控制电源510的主开关。可供选择地，电源510还容纳冷却焊炬400的冷却系统。该冷却系统可通过导管(未示出)与焊炬连接。导管将冷却流体从冷却系统传送到焊炬400。当冷却系统进入焊炬400时，冷却系统通过由喷嘴外表面216和固定帽内表面限定的冷却通道。设置在喷嘴后表面上的密封部件提供屏障，该屏障阻止冷却流体泄漏到焊炬的等离子气体区域内。在某些实施例中，固定帽的内表面可具有曲线部分。在某些实施例中，喷嘴外表面216的至少一部分可以是曲线的，例如，喷嘴外部可具有凹陷的或凸出的部分。在某些实施例中，喷嘴表面的突出部分促进流体流过喷嘴表面的凹陷部分。冷却通道提供等离子弧出口孔附近喷嘴的对流方式冷却。冷却通道表面的曲线部分可以构造成使流体滞留减到最小或没有滞留。冷却通道内滞留达到最小，提高了以对流方式从喷嘴前部移走热量。
控制器可结合手持焊炬、机械焊炬或其它合适的等离子弧焊炬一起使用。在一实施例中，等离子弧焊炬系统包括设置在手持焊炬电源上的控制器，例如，设置在电源外壳内，或设置在通过引线连接到手持焊炬的电源外壳外面。在另一实施例中，等离子弧焊炬系统包括控制器500，该控制器通过电源和手持焊炬之间一个或多个引线连接到手持焊炬。
现参见图10，在一实施例中，控制器500控制等离子气体阀系统(未示出)，其阻止等离子气体流动并能使等离子气体能够流过等离子腔室428。等离子气体阀系统可以是机械阀，其阻止等离子气体流动并能使等离子气体流动到等离子腔室428。或者，等离子气体阀系统可以是比例阀，其计量流体的流动以能达到要求的流率。
在一实施例中，等离子弧焊炬包括连接到电源510的焊炬体404。焊炬体404包括等离子流动路径，以引导等离子气体流到形成等离子弧的等离子腔室428。喷嘴416可相对于电极100安装在焊炬体404内以限定等离子腔室428。在一实施例中，孔128设置在电极体100的第二端112内，而插入件132位于该孔128内。在一实施例中，插入件132由热电子高发射率的材料制成，例如，钨或铪。
在一实施例中，本发明包括一种冷却等离子焊炬部件的方法。冷却等离子焊炬部件的方法包括通过传导的接触部分使来自于第一焊炬部件的热量与相邻焊炬部件进行热交换。第一焊炬部件可以是喷嘴或固定帽，而第二焊炬部件可包括喷嘴或固定帽。该方法还可包括使冷却流体流过具有曲线表面的冷却通道。在某些实施例中，该曲线表面可构造成防止流体滞留。流体通过冷却通道的流动可包括：流体从焊炬部件第一侧周围流动通过流体腔室；在焊炬部件的相对侧上，流体流出冷却通道。在某些实施例中，使流体流动可包括使冷却流体的气体或液体流动通过冷却通道。等离子焊炬部件的冷却还可包括提供屏障，其包括介于传导接触部分和冷却通道之间的密封部件。提供屏障可包括密封槽，该槽带有至少部分地设置在槽内的密封部件。在某些实施例中，提供密封件可包括适用的密封件或垫片或密封部件。密封部件可以是O形环或弹性体密封件和/或倾斜的O形环。
在一实施例中，本发明包括一种制造等离子焊炬部件的方法。制造等离子焊炬部件的方法可包括在第一焊炬部件上形成一表面，该表面限定传导的接触部分，以便与相邻焊炬部件进行热交换。形成该表面可包括模制、铸造工艺，或使用合适工具和材料的切削工艺。该方法还可包括形成冷却通道的成形部分，所述成形部分至少部分地由第一焊炬部件或相邻焊炬部件之一限定，该成形部分具有曲线表面；并将密封材料部分定位在该表面和成形部分之间。密封材料部分可包括槽或密封材料部件。密封部分还可包括面对面的密封件或垫片。在某些实施例中，弹性体密封件也可以是密封部分的至少一部分。
尽管本发明已经参照特定实施例具体地进行显示和描述，但这里所述的其它方面也可实施在切割系统、焊接系统、喷溅涂敷系统，以及本技术领域内的技术人员公知的其它合适系统中。本技术领域内的技术人员应该理解到，在形式和细节上可以作出各种变化，而不脱离由附后权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (37)

1.一种用于等离子弧焊炬的喷嘴，包括：
外表面，所述外表面限定用来与相邻焊炬部件进行热交换的传导接触部分；
曲线表面，所述曲线表面具有凹陷曲线部分，所述凹陷曲线部分限定流体流动路径以减小流动流体的滞留；以及
密封材料部分，所述密封材料部分设置在所述传导接触部分和所述流体流动路径之间。
2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴包括设置在密封材料部分内的弹性体密封件。
3.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，还包括位于喷嘴后部表面上的面密封件。
4.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述流体流动路径形成至少一部分的环形腔室。
5.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述流体流动路径包括至少一部分的流体腔室，所述流体腔室包括凸出曲线部分，所述凸出曲线部分促进流体流入所述凹陷曲线部分。
6.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述传导接触部分限定弯曲的或倾斜的接触表面。
7.如权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，所述接触表面提供喷嘴与相邻焊炬部件的轴向和径向对准。
8.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述传导接触部分包括一层设置在其上的传导金属或金属氧化物。
9.一种用于等离子弧焊炬的固定帽，所述固定帽包括：
内表面，所述内表面限定用来与相邻焊炬部件进行热交换的传导接触部分；
流体流动路径，所述流体流动路径具有曲线表面，所述曲线表面具有凹陷曲线部分，所述凹陷曲线部分限定所述流体流动路径以减小流动流体的滞留；以及
密封材料槽，所述密封材料槽设置在所述传导接触部分和所述流体流动路径之间。
10.一种冷却和密封结构，用来联接相邻等离子焊炬部件并提供相邻等离子焊炬部件之间的热传递，所述冷却和密封结构包括：
台肩部分，所述台肩部分用来提供与相邻焊炬部件的接触交界面；
对流冷却通道，所述对流冷却通道包括凸出曲线部分、凹陷曲线部分、以及设置在凸出和凹陷曲线部分之间的切向连接部分，所述凹陷曲线部分限定流体流动路径以减小流动流体的滞留；以及
密封部分，所述密封部分设置在所述台肩部分和所述对流冷却通道之间。
11.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述台肩部分提供至少两个相邻焊炬部件之间的径向和轴向对准。
12.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述台肩部分是沿着所述接触交界面的传导材料，并且所述接触交界面是固体对固体的交界面。
13.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述对流冷却通道包括球根形部分。
14.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述对流冷却通道包括环形形状。
15.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述密封部分构造成可变形，以在至少两个相邻焊炬部件之间提供围绕倾斜或弯曲表面的流体密封。
16.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述台肩部分、所述对流冷却通道以及所述密封部分是单个等离子焊炬部件的一部分。
17.一种用于等离子弧焊炬的对流冷却结构，所述对流冷却结构设置在所述等离子弧焊炬的喷嘴和固定帽中的至少一个内，所述对流冷却结构包括：
凹陷曲线部分，所述凹陷曲线部分限定通道的至少一部分；
凸出曲线部分，所述凸出曲线部分用来促进流体流入凹陷曲线部分内以减小流体流动的滞留；以及
切向连接部分，所述切向连接部分设置在所述凸出和凹陷曲线部分之间。
18.如权利要求17所述的对流冷却结构，其特征在于，所述冷却结构至少部分地设置在所述喷嘴内。
19.如权利要求18所述的对流冷却结构，其特征在于，所述冷却结构至少部分地设置在所述固定帽内。
20.如权利要求17所述的对流冷却结构，其特征在于，所述通道设置在所述等离子弧焊炬的喷嘴内。
21.如权利要求20所述的对流冷却结构，其特征在于，所述通道挤入所述喷嘴的壁厚内。
22.如权利要求17所述的对流冷却结构，其特征在于，所述通道构造成减小流体流动的滞留。
23.一种用于流体冷却的等离子焊炬的喷嘴，所述喷嘴包括：
本体，所述本体具有部分地限定流体通道的外周界，所述流体通道具有曲线表面，所述曲线表面具有凹陷曲线部分，所述凹陷曲线部分限定流体流动路径以减小流动流体的滞留，所述本体包括端面，其中，所述端面垂直于部件的纵向轴线；
槽，所述槽至少部分地延伸通过所述端面；
弹性体密封件，所述弹性密封件设置在所述槽内，以在等离子气体流和所述流体通道之间提供屏障。
24.如权利要求23所述的喷嘴，其特征在于，所述弹性体密封元件包括O形环。
25.如权利要求23所述的喷嘴，其特征在于，还包括：前部和后部，所述前部包括限定出口孔的前表面；台肩部分，所述台肩部分的尺寸设置成提供与相邻部件的对流传热；以及弹性体密封件，所述弹性体密封件设置在所述台肩部分和所述后部之间，其中，所述弹性体密封件变形而提供与所述相邻部件的流体密封。
26.一种用来将相邻部件定位在等离子焊炬内的对准结构，所述对准结构包括：
台阶元件，所述台阶元件在两个相邻部件之间提供轴向对准；
密封元件，所述密封元件与倾斜或弯曲表面协作以提供所述两个相邻部件之间的径向对准；以及
带有凹陷曲线部分的对流冷却通道，所述凹陷曲线部分限定流体流动路径以减小流动流体的滞留。
27.如权利要求26所述的对准结构，其特征在于，所述台阶元件和密封元件相对于彼此设置成形成单个对准元件。
28.如权利要求26所述的对准结构，其特征在于，所述台阶元件和倾斜或弯曲表面元件中至少一个包括一层设置在其上的热传导材料。
29.一种流体冷却的等离子弧焊炬喷嘴，包括：
前部和后部，所述前部包括限定出口孔的前表面；
传导的台肩部分，所述台肩部分的尺寸设置成与相邻部件轴向地对准；
流体冷却部分，所述流体冷却部分设置在所述台肩部分和所述后部之间，其中，流体冷却部分包括曲线表面，所述曲线表面具有凹陷曲线部分，所述凹陷曲线部分限定流体流动路径以减小流动流体的滞留；以及
密封元件，所述密封元件设置在所述液体冷却部分和所述传导的台肩部分之间。
30.如权利要求29所述的喷嘴，其特征在于，所述流体冷却的部分包括环形形状。
31.一种等离子弧焊炬系统，包括：
电源；
焊炬体，所述焊炬体连接到所述电源；
电极，所述电极设置在所述焊炬体内；
焊炬部件和对流冷却结构，所述焊炬部件具有限定传导接触部分的表面，以便与相邻焊炬部件进行热交换，而所述对流冷却结构包括凹陷曲线部分，所述凹陷曲线部分限定流体流动路径以减小流动流体的滞留。
32.如权利要求31所述的等离子弧焊炬系统，其特征在于，还包括密封部件，所述密封部件的尺寸和结构设置成提供所述传导接触部分和所述对流冷却部分之间的流体密封。
33.如权利要求31所述的等离子弧焊炬系统，其特征在于，所述密封部件位于所述焊炬部件或相邻焊炬部件中的至少一个上。
34.如权利要求31所述的等离子弧焊炬系统，其特征在于，还包括控制器和气体控制台。
35.一种制造等离子焊炬部件的方法，包括：
在第一焊炬部件上形成一表面，所述表面限定用于与相邻焊炬部件进行热交换的传导接触部分；
形成冷却通道的成形部分，所述成形部分至少部分地由所述第一焊炬部件或所述相邻焊炬部件之一限定，所述成形部分具有凹陷曲线表面，所述凹陷曲线表面限定流体流动路径以减小流动流体的滞留；以及
在所述表面和所述成形部分之间设置密封材料槽。
36.一种用于等离子弧切割焊炬的喷嘴，所述喷嘴具有能够接纳电极的大致中空的本体，所述喷嘴包括：
外表面，所述外表面包括具有曲线外形的部分，所述曲线外形至少部分地限定用于冷却流体的流动路径，所述曲线外形具有凹陷曲线部分以减小流动流体的滞留。
37.一种用于等离子弧切割焊炬的固定帽，该固定帽构造成将喷嘴固定在所述焊炬内，所述固定帽包括：
内表面，所述内表面包括具有凹陷曲线外形的部分，所述曲线外形至少部分地限定流动路径以减小冷却流体的滞留。
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Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8513565B2 (en) 2008-04-10 2013-08-20 Hypertherm, Inc. Nozzle head with increased shoulder thickness
JP2011177743A (ja) * 2010-03-01 2011-09-15 Honda Motor Co Ltd プラズマ溶接トーチ、及びプラズマ溶接トーチを用いた溶接方法
KR101132925B1 (ko) * 2010-06-07 2012-04-27 현대중공업 주식회사 수동 플라즈마 용접기의 토치
AU2012223462B2 (en) * 2011-02-28 2015-03-05 Victor Equipment Company High current electrode for a plasma arc torch
KR101316317B1 (ko) * 2011-09-30 2013-10-08 주식회사 포스코 노즐 장치 및 이를 구비한 주편 절단 장치
KR101349949B1 (ko) * 2012-10-16 2014-01-15 현대삼호중공업 주식회사 플라즈마 토치용 노즐 및 이를 포함하는 플라즈마 토치
CN103447675B (zh) * 2013-08-13 2016-08-10 杨勇 等离子切割机的冷却结构
US9686848B2 (en) * 2014-09-25 2017-06-20 Lincoln Global, Inc. Plasma cutting torch, nozzle and shield cap
JP6636249B2 (ja) 2015-01-30 2020-01-29 株式会社小松製作所 プラズマトーチ用交換部品ユニット
US9867268B2 (en) * 2015-06-08 2018-01-09 Hypertherm, Inc. Cooling plasma torch nozzles and related systems and methods
KR101686540B1 (ko) * 2015-06-16 2016-12-14 황원규 수랭식 플라즈마 토치
WO2017024155A1 (en) * 2015-08-04 2017-02-09 Hypertherm, Inc. Cartridge for a liquid-cooled plasma arc torch
CN107454730B (zh) * 2016-04-11 2020-03-03 海别得公司 包括回旋环的等离子体电弧切割系统和有关运行方法
JP7149954B2 (ja) * 2017-03-16 2022-10-07 エリコン メテコ（ユーエス）インコーポレイテッド プラズマガン用のニュートロードスタックの最適化された冷却
JP6549685B2 (ja) * 2017-12-18 2019-07-24 小池酸素工業株式会社 プラズマ切断トーチに沿わせて水流を供給する装置
CZ308964B6 (cs) * 2018-09-30 2021-10-20 B&Bartoni, spol. s r.o. Sestava trysky s adaptérem pro použití v kapalinou chlazeném dvouplynovém plazmovém hořáku
CN109454314B (zh) * 2018-11-28 2021-03-02 江苏科技大学 一种空心钨极高深熔tig焊接厚板焊接方法
EP3782760A1 (en) * 2019-08-22 2021-02-24 Linde GmbH Torch for arc welding or cutting and method using said torch

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2591371Y2 (ja) * 1993-02-24 1999-03-03 株式会社小松製作所 プラズマアークトーチ
IT241780Y1 (it) * 1996-07-18 2001-05-17 Trafimet Spa Torcia per taglio al plasma con raffreddamento ad acqua della testadell'elettrodo
US6268583B1 (en) * 1999-05-21 2001-07-31 Komatsu Ltd. Plasma torch of high cooling performance and components therefor
JP2005118816A (ja) * 2003-10-16 2005-05-12 Koike Sanso Kogyo Co Ltd プラズマトーチ用のノズル
US7126080B1 (en) * 2005-07-07 2006-10-24 Thermal Dynamics Corporation Plasma gas distributor with integral metering and flow passageways

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Conclusion of examination: Declare partial invalidity of invention patent right No. 2008800002014, and maintain the validity of the patent right on the basis of claims 9-22, 26-28, 31-35, and 37

Decision date of declaring invalidation: 20230830

Decision number of declaring invalidation: 563520

Denomination of invention: Plasma arc cutting torch components with optimized water cooling

Granted publication date: 20121114

Patentee: HYPERTHERM, Inc.