CN103563491A

CN103563491A - 具有改进的等离子喷嘴的等离子体喷枪系统

Info

Publication number: CN103563491A
Application number: CN201280025321.6A
Authority: CN
Inventors: 内森·杰拉尔德·雷特利兹
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2014-02-05
Also published as: BR112013024639A2; US20120241418A1; AU2012236904B2; MX356075B; WO2012135061A1; CN110087381A; EP2689641B1; CA2831285A1; AU2012236904A1; MX2013010979A; CA2831285C; US11160156B2; EP2689641A1

Abstract

提供一种用于等离子体喷枪的喷嘴以及利用这种喷嘴的等离子体喷枪系统。一个这种喷嘴可以包括主体，主体具有第一端、第二端、以及从第一端延伸至第二端的通道，第二端具有布置于其中的出口孔，通道适合于使得等离子气流从第一端，穿过通道至出口孔。大于或等于50％的主体总质量相对于主体的纵向长度分布于主体的第二端与中间点之间。

Description

具有改进的等离子喷嘴的等离子体喷枪系统

相关申请的交叉引用

该申请要求了2011年3月25日申请的，题为“具有增加的前向质量的改进的等离子喷嘴设计”的美国临时专利申请61/467,448的优先权，其通过引用合并在此。

背景技术

本发明通常涉及等离子切割系统，尤其涉及用于这种系统的等离子体喷枪的喷嘴。

很多当前行业依靠于用于建造各种结构，例如建筑物、桥梁、起重机、车辆等的金属的操作。由于很多金属的强度与耐用性，已经开发了各种各样能够操作这些材料的系统。一个这种系统为等离子切割系统，其产生用于切割金属或其他导电材料的等离子体(来自高温电离气体)。通常，在等离子切割系统中，电弧将气体(例如，压缩气)转化为等离子体，其足够热，以熔解金属工件，同时，气体的压力吹散熔融的金属。典型地在等离子体喷枪中启动电弧，并且气体流过喷枪。如此，使用等离子体喷枪引导并且控制等离子切割。因此，等离子体喷枪典型地包括各种各样的元件，例如等离子喷嘴或尖端，其将等离子气体聚焦在收缩电弧中，使得能够进行该引导与控制。当横跨工件拖动等离子体喷枪的尖端时，热的等离子体沿气矩喷嘴的路径切割工件。因为典型地以该方式使用等离子体喷枪喷嘴，所以经常由具有高热与导电性的金属，例如，铜加工喷嘴。不幸的是，在操作过程中，当前的等离子体喷枪喷嘴受到相当大的降解，并且必须在使用过程中替换喷嘴，因此增加了等离子切割过程的货币成本以及低效率。

发明内容

在一个实施例中，等离子体喷枪的喷嘴包括具有第一端的主体，第二端以及从第一端延伸至第二端的通道，第二端具有布置于其中的出口孔。通道使得等离子气体穿过通道从第一端流出，并且流至出口孔。大于或等于大约50％的主体总质量相对于主体的纵向长度分布于第二端与主体的中间点之间。

在另一个实施例中，等离子体喷枪的喷嘴包括主体，主体具有第一端以及第二端，第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔。从第一端至主体质量的中心的纵向距离大于或等于大约43％的主体的纵向长度。

在另一个实施例中，等离子体喷枪的喷嘴包括主体，主体具有第一端以及第二端，第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔。从第一端至主体质量的中心的纵向距离大于或等于大约48％的主体的纵向长度。

在另一个实施例中，等离子体喷枪的喷嘴包括主体，主体具有第一端、第二端、从第一端沿主体的纵向长度延伸的第一部分、从第二端沿主体的纵向长度延伸的孔部分，以及布置于第一部分与孔部分之间的中间部分，第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔。由通过孔部分的内径分开的孔部分的平均壁厚限定的开孔率大于或等于大约3.6。由通过中间部分的内径分开的中间部分的平均壁厚限定的中间部分比率大于或等于大约0.27。

在另一个实施例中，等离子体喷枪的喷嘴包括主体，主体具有第一端、第二端、从第二端沿主体的纵向长度延伸的孔部分，以及从第一端沿主体的纵向长度延伸至孔部分的第二部分，第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔。由通过孔部分的内径分开的孔部分的平均壁厚限定的开孔率大于或等于大约3.5。

在另一个实施例中，等离子体喷枪组件包括主体与布置于主体中，并且适合于接收功率的电极，以在电极与工件之间产生等离子体电弧。等离子体喷枪组件还包括具有喷嘴体的喷嘴，喷嘴体具有第一端与第二端，第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔。从第一端至喷嘴体的质量中心的纵向距离大于或等于大约48％的喷嘴体的纵向长度，并且电极的外表面与喷嘴的内环形壁限定了等离子弧室。

在另一个实施例中，等离子切割系统包括等离子体喷枪，等离子体喷枪具有带有主体的喷嘴，主体具有第一端与第二端，第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔。从第一端至主体质量中心的纵向距离大于或等于大约48％的主体纵向长度。该系统还包括电源，其适合于连接至等离子体喷枪，并且向等离子体喷枪提供电流，用于生成导引电弧并且保持等离子切割弧。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些以及其他特点、方面、以及优势将变得更好理解，贯穿附图，相同的特征表示相同的零部件，其中：

图1为根据本发明的实施例的等离子切割系统的透视图；

图2为靠近根据本发明的实施例的喷嘴出口孔处具有增加的质量集中的等离子体喷枪喷嘴的实施例的横截面视图；

图3为具有根据本发明的实施例的无削尖端部的图2的等离子体喷枪喷嘴的实施例的横截面视图；以及

图4为具有根据本发明的实施例的基本恒定直径的内环形壁的图2的等离子体喷枪喷嘴的实施例的横截面视图。

具体实施方式

如以下更加详细的描述，在此提供等离子体喷枪喷嘴的实施例，该喷嘴靠近喷嘴的出口孔处具有增加的质量集中。例如，在特定实施例中，喷嘴可以包括具有朝向喷嘴的出口孔部分分配的，大于或等于大约50％的主体总质量的主体。当前公开的实施例的前述特征可以提供超过传统系统的各种优势，传统系统不包括出口孔附近的增加的质量集中。例如，当前期望的实施例可以增加喷嘴的局部热容量，同时降低或消除操作过程中的喷嘴的过热可能性。也就是说，在等离子切割操作中使用时，可以将喷嘴的正面暴露在由等离子体电弧引起的高温，以及切割的熔化材料的回吹。通过围绕出口孔在喷嘴的前部集中主体质量，当前公开的喷嘴的实施例对由电弧造成的磨损更加鲁棒与抵抗，并且比传统设计更加喷溅。

现参照附图，图1为示例了便携式等离子切割系统10的实施例的透视图。示例的等离子切割系统10包括喷枪供电单元12，其分别经由喷枪电缆15与工件电缆17连接至等离子体喷枪14与工件夹16。如以下参照图2-4进一步描述的，等离子体喷枪14可以包括各种零部件，其提供改进的性能与耐久性以及更长的使用寿命。例如，等离子体喷枪14可以包括喷嘴19，其能够在等离子切割过程中将等离子气体聚焦于收缩电弧中。再则，值得注意的是，通过集中出口孔附近的等离子喷嘴的质量(即，在操作过程中更加靠近工件)，相比于传统设计，可以实现多种改进。

喷枪供电单元12可以经由电力电缆18连接至电源(例如，电网或电机驱动的发电机)。如以下进一步描述的，电源可以为喷枪14提供电流，用于启动，并产生导引电弧，并且用于保持等离子与切割电弧。例如，供电单元12可以配置成提供合适的电压与电流，以产生起始于单元12的电路，该电路沿电缆15至喷枪14，横跨喷枪14与工件之间的间隙(例如，电弧)，

穿过工件至夹具16，穿过电缆17返回至单元12。

在示例的实施例中，供电单元12包括外壳20，其限定出一般封闭的容积，以支撑各种电路、传感器零件、控制零件、以及供气零件(例如，空气压缩机)。例如，系统10可以包括传感器与控制器，以考虑各种条件而调节供电单元10，例如，高度、温度、压力等。示例的系统10还可以包括外壳20顶侧上的手柄22，以使得系统10的运输更加容易。示例的系统10还可以包括锁止机构24，其可以固定喷枪14、电缆17、夹具16和/或电缆18。外壳20还可以包括通风口28，以释放系统10内侧的热量和/或压力。值得注意的是，在其他实施例中，另外的通风口可以位于外壳20的其他面板上。

在示例的系统10中，控制面板38包含在供电单元12的一端。控制面板38可以包括各种控制输入、指示器、显示器、电输出、出气量等。在实施例中，用户输入40可以包括按钮、旋钮或开关，其配置成选择操作模式(例如，等离子切割、圆凿等)、通电/断电、输出电流水平、气体(例如，空气)流速、气体(例如，空气)压力、气体类型、工件类型、控制类型(例如，手动或自动反馈控制)、或其组合。控制面板34还可以包括各种指示器42，以提供用户反馈。例如，指示器42可以包括一个或多个发光二极管(LED)和/或液晶显示器(LCD)，以显示开启/关闭状态、电流水平、电压水平、气体(例如，空气)压力、气体(例如，空气)流、环境条件(例如，高度、温度、压力等)、或任意其他参数。此外，指示器42可以包括LED或LCD，如果系统10存在问题，则其显示问题或警告指示。控制面板38的实施例可以包括任意数量的输入与输出，例如焊接方法、空气压缩机设置、油压、油温、以及系统功率。

进一步，用户输出40与指示器42可以电连接至控制电路，并且使得用户设置与监控各种系统10的参数。例如，指示器42可以显示环境条件(例如，高度、温度、压力等)，其提示用户手动调节电流、电压、气体流速、气压、或其他操作参数、或其组合。

等离子体喷枪14包括手柄44与具有防护装置的触发器46以及喷嘴19，其可以符合各种特定于实现的零件，如以下参照图2-4描述的。夹具16包括具有示例的手柄50的导电材料夹紧部分48。电缆18包括用于连接至电源的插头52，以及壁式插座或电机驱动的发电机。插头52可以配置成与各种插座或出口一起工作，并且系统10可以接收不同的电源，例如AC50/60Hz、400Hz、单相或三相120V、230V、400V、460V、575V、这些电压之间的任意电压、超过上限电压的电压、在下限电压之下的电压等。

值得注意的是，示例的等离子切割系统10仅是例子，在其他实施例中，系统10受到各种特定于实现的修改，如本领域技术人员应该理解的。例如，在某些实施例中，供电单元12可以配置成固定的，而不是便携式的单元。此外，控制面板38可以包括更少或额外的按钮、旋钮等，如给定应用的需求所制定的。实际上，目前预期的是，此处所示并且描述的等离子体喷枪喷嘴能够与和任意等离子切割系统相关联的任意等离子切割喷枪一起使用。

图2为具有根据目前公开的实施例的改进的质量分配的等离子体喷枪喷嘴19的实施例的横截面视图。如示例的，喷嘴19包括具有第一端62与第二端64的主体。如所示的，出口孔66布置于主体60的第二端64中，其具有锥形边缘67。内部通道68从第一端62延伸至第二端64。在示例的实施例中，喷嘴19的内环形壁70限定出一系列沿主体60的纵向长度72的部分，其具有由中点长度75限定的中点73。

特别地，示例的主体60包括靠近第一端62，并且包含在第一端部78中的部分74、中间部分76、以及靠近第二端64的孔部分77。通过孔部分长度87限定的孔部分77的长度，通过中间部分长度89限定的中间部分76的长度、以及由第一端部长度91限定的第一端部78的长度。进一步，基本上垂直的环形台阶80包含在第一端部78中，同时，将嵌入式环形或成角度的台阶82设置在中间部分76中。如此，在示例的实施例中，前述结构限定出主体60的第一内径84、第二内径86、以及第三内径88。

如上面看到的，在特定实施例中，提供的等离子体喷枪喷嘴19可以包括一个或多个零件，其导致靠近喷嘴主体60的出口孔66质量集中的增加，并且因此，改进了在等离子切割操作中使用时对喷嘴19的热的鲁棒性与电阻率。特别地，在一个实施例中，相比于传统设计，可以改进主体60的平均壁厚与特定部分的内径的比率。更特别地，孔部分77的平均壁厚可以通过由孔长度87分开的图2中的阴影部分97指示的横截面积给出。孔部分77的该平均壁厚随后可以由孔部分77的内径分开，以给出平均壁厚与内径的开孔率。在一个实施例中，开孔率可以大于或等于大约3.25。在另一实施例中，开孔率可以大于或等于大约3.6。进一步，在其他实施例中，开孔率可以大于或等于大约3.25与大约4之间。

相似地，中间部分76的平均壁厚可以通过由中间部分长度89分开的图2中的阴影部分99指示的横截面积给出。中间部分76的该平均壁厚随后可以由中间部分76的内径分开，以给出平均壁厚与内径的中间部分比率。在一个实施例中，中间部分比率大于或等于大约0.25。在另一实施例中，开孔率可以大于或等于大约0.27。

如图2中的虚线93所指示的，喷嘴19包括质心，其位于沿喷嘴主体60的长度的72的质量中心93。因此，从主体60的第一端62至主体60的质量中心93限定质量中心距离95。在特定实施例中，质量中心93可以位于纵向中点73或其附近。例如，在一个实施例中，质量中心距离95可以大于或等于主体长度72的大约43％。在另一实施例中，质量中心距离95可以大于或等于主体长度72的大约48％。进一步，在其他实施例中，质量中心距离95可以大于或等于主体长度72的大约45％与大约55％之间。通过朝向第一端62，而不是第二端64移动质量中心93，目前公开的实施例可以增加围绕出口孔66的喷嘴的局部热容量，同时减少或消除操作过程中喷嘴19过热的可能性。也就是说，通过在喷嘴主体的前部以及围绕出口孔66集中主体的质量，喷嘴19目前公开的实施例可以比传统设计更加鲁棒，并且更加抵抗来自电弧与喷溅的磨损。

在某些实施例中，大于或等于大约50％的喷嘴主体60总质量相对于喷嘴主体60的纵向长度72分布于第二端64与主体60的中间点73之间。如此，在这些实施例中，环绕出口孔66的材料的厚度可以相比于传统喷嘴增加。如上提及的，在正常等离子切割事件以及将喷嘴19用作散热器的瞬时事件过程中，前述特征可以提供各种优势。例如，在导引电弧过程中，喷嘴19可以用作临时阳极，为了完成次级电路，电弧连接至临时阳极。因为，阳极在切割过程中承受来自电弧的大部分热量，具有大于50％的主体质量分布在喷嘴19的第二端64附近，导引电弧与之固定，可以增加喷嘴19的寿命。

进一步，在反向传递事件过程中，当喷嘴19可以进入电路，以变成临时阳极时，电源14将减少输出电流，以导引电流水平，降低或防止将要发生在喷嘴19上的损害的可能性。然而，在特定情况中，电源可以不改变切割电流，以足够快地导引，并且喷嘴19可以因此不得不在一定时间周期内导通大于导引电流量的电流。在这种情况中，主体60的质量在第二端64附近的集中可以使得更好地吸收并且耗散在这些瞬时过电流事件过程中产生的热，这种过电流事件典型地在反向传递事件过程中发生。

目前预期的等离子体喷枪喷嘴19的实施例可以由各种类型合适的材料制成。例如，喷嘴19可以局部或全部形成于金属材料，例如铜、或任意其他所需的导电材料。进一步，此处描述的喷嘴19的实施例可以是一次性的，而不是重复使用的，并且同样的，可以配置成等离子体喷枪组件的消耗元件。

图3与4示例了图2中所示的等离子体喷枪喷嘴19的另外的实施例。特别地，图3示例了具有靠近主体60的第二端64的非锥形或非带角边缘90的喷嘴19的实施例的横截面视图。也就是说，相比于图2的实施例，在该实施例中，围绕出口孔66集中了额外的主体质量。再则，大于或等于大约50％的喷嘴主体60总质量相对于喷嘴主体60的纵向长度72分布于相对于第二端64与主体60的中间点73之间。

在图4的示例的实施例中，喷嘴主体60包括具有孔长度87的孔部分77与具有部分长度105的部分94，但不包括阶梯式部分82。如此，在该实施例中，主体60仅包括两个内径84与86，其替代图2与3的实施例中的三个内径。如所示例的，在该实施例中，部分76与78为单个部分94。再则，孔部分77的平均壁厚可以由孔部分77的内径分开，以给出平均壁厚与内径的开孔率，并且开孔率可以大于或等于大约3.6。值得注意的是，当在图2与3的实施例中，电极可以由阶梯式部分82容纳，在图4的实施例中，可以提供可替换的容纳机构，并且电极可以例如靠在主体60的部分94中。

此处仅已经示例并且描述了本发明的特定特征，本领域技术人员将作出很多修改与改变。因此，应该理解的是，所附权利要求旨在覆盖落入本发明真实精神范围内的所有这些修改与改变。

Claims

1.一种等离子体喷枪的喷嘴，包括：

主体，其包括第一端、第二端，以及从所述第一端延伸至所述第二端的通道，所述第二端具有布置于其中的出口孔，所述通道配置成使得等离子气流从所述第一端，穿过所述通道至所述出口孔；并且

其中，大于或等于大约50％的所述主体总质量相对于所述主体的纵向长度分布于所述第二端部与所述主体的中间点之间。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述主体包括金属材料。

3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中，所述金属材料包括铜。

4.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述通道包括具有第一直径的第一部分与具有小于所述第一直径的第二直径的第二部分，并且其中，所述第一部分与所述第二部分经由阶梯式部分连接。

5.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述主体包括具有阶梯式直径的环形内壁。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其中，所述主体包括靠近所述第一端的第一部分，靠近所述第二端的第二部分，以及在所述第一部分与所述第二部分之间延伸，并且经由基本上垂直的台阶连接至所述第一部分，经由带角度的台阶连接至所述第二部分的中间部分。

7.根据权利要求6所述的喷嘴，其中，大于或等于大约25％的所述主体总质量贯穿所述第二部分分布。

8.一种等离子体喷枪的喷嘴，包括：

主体，其包括第一端与第二端，所述第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔，其中，从所述主体的所述第一端至质量中心的纵向距离大于或等于大约43％的所述主体的纵向长度。

9.根据权利要求8所述的喷嘴，其中，从所述主体的所述第一端至质量中心的所述纵向距离大于或等于大约48％的所述主体的纵向长度。

10.根据权利要求8所述的喷嘴，其中，所述主体包括铜。

11.一种等离子体喷枪的喷嘴，包括：

主体，其包括第一端以及第二端，所述第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔，其中，从所述主体的所述第一端至质量中心的纵向距离大于或等于大约48％的所述主体的纵向长度。

12.根据权利要求11所述的喷嘴，其中，所述主体包括靠近所述第一端的第一部分，靠近所述第二端的孔部分，以及在所述第一部分与所述孔部分之间延伸的中间部分，并且其中，所述孔部分的平均壁厚与所述孔部分的内径的比率大于或等于大约3.6。

13.根据权利要求12所述的喷嘴，其中，所述中间部分的平均壁厚与所述中间部分的内径的比率大于或等于大约0.27。

14.一种等离子体喷枪的喷嘴，包括：

主体，其包括第一端，第二端，从所述第一端沿所述主体的纵向长度延伸的第一部分，从所述第二端沿所述主体的纵向长度延伸的孔部分，以及布置于所述第一部分与所述孔部分之间的中间部分，所述第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔；

其中，通过由所述孔部分的内径分开的所述孔部分的平均壁厚限定的开孔率大于或等于大约3.6，并且通过由所述中间部分的内径分开的所述中间部分的平均壁厚限定的中间部分比率大于或等于大约0.27。

15.根据权利要求14所述的喷嘴，其中，所述孔部分包括环形锥形边缘。

16.根据权利要求14所述的喷嘴，其中，从所述主体的所述第一端至质量中心的纵向距离大于或等于大约48％的所述主体的所述纵向长度。

17.一种等离子体喷枪的喷嘴，包括：

主体，其包括第一端，第二端，从所述第二端沿所述主体的纵向长度延伸的孔部分，从所述第一端沿所述主体的纵向长度延伸的第二部分，所述第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔；

其中，通过由所述孔部分的内径分开的所述孔部分的平均壁厚限定的开孔率大于或等于大约3.5。

18.根据权利要求17所述的喷嘴，其中，所述主体包括铜。

19.一种等离子体喷枪组件，包括：

主体；

电极，其布置于所述主体中，并且配置成接收功率，以使得在所述电极与所述工件之间产生等离子电弧；以及

喷嘴，其包括喷嘴主体，包括第一端与第二端，所述第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔，其中，从所述主体的所述第一端至质量中心的纵向距离大于或等于大约48％的所述喷嘴主体的纵向长度，并且其中，所述电极的外表面与所述喷嘴的内环形壁限定出等离子电弧腔。

20.根据权利要求19所述的组件，其中，所述喷嘴的所述内环形壁包括嵌入式的阶梯式部分，所述电极的所述外表面包括第二阶梯式部分，其与所述第一阶梯式部分互补，并且其中，所述嵌入式阶梯式部分配置成容纳所述第二阶梯式部分。

21.一种等离子切割系统，包括：

等离子体喷枪，其包括喷嘴，所述喷嘴包括主体，所述主体具有第一端与第二端，所述第二端具有布置于其中的等离子气体出口孔，其中，从所述主体的所述第一端至质量中心的纵向距离大于或等于大约48％的所述主体的纵向长度；以及

电源，其配置成连接至所述等离子体喷枪，并且向所述等离子体喷枪提供电流，用于产生导引电弧，并且用于保持等离子切割电弧。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述等离子体喷枪包括布置于所述喷嘴的所述主体中的电极，并且其中，所述电极的外表面与所述喷嘴的内环形壁现定出等离子电弧腔。