CN104339073A - 用于气体冷却等离子弧焊炬的装置和相关系统和方法 - Google Patents

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Abstract

在一些方面，用于等离子焊炬的喷嘴可包括喷嘴主体，所述喷嘴主体具有界定出喷嘴主体长度和纵向轴的近端和远端。所述主体可包括喷口，所述喷口由所述远端界定；增压腔从所述近端延伸至增压腔底板，从所述增压腔底板至所述远端的距离限定了增压腔底板厚度，并且从所述增压腔底板至所述近端的距离限定了近端高度；以及穿孔，所述穿孔从所述增压腔底板延伸至所述喷口，所述穿孔具有穿孔长度和穿孔宽度。所述喷嘴主体在横交于所述纵向轴的方向上具有喷嘴宽度。所述喷嘴主体长度大于所述宽度，并且所述近端高度与所述增压腔底板厚度的比率小于2.0。

Description

用于气体冷却等离子弧焊炬的装置和相关系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年7月25日提交的标题为“Plasma Arc Torch Nozzles,Shields and Retaining Caps(等离子弧焊炬喷嘴、护罩和护帽)”的美国临时专利申请序列号61/858,235的权益，该申请的内容全部以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明整体上涉及热切割焊炬(例如，等离子弧焊炬)，并且更特别地涉及用于气体冷却等离子弧焊炬的装置和相关系统和方法。
背景技术
现代常规等离子弧焊炬的基本部件包括焊炬主体、安装于该主体内的电极(例如，阴极)、具有中心孔的喷嘴(例如，阳极)、相关电连接和冷却通路、以及弧控制流体，该喷嘴可对电极产生引弧来激发合适气体(例如，空气、氮气或氧气)流中的等离子弧。该引弧可通过联接至直流电源和等离子弧焊炬的高频高压信号或任何多种接触启动方法而产生。在一些结构中，护罩安装至焊炬主体来防止在加工过程中从工件溅射的金属(有时称为渣)积聚在焊炬零件(例如，喷嘴或电极)上。一般地，护罩包括护罩出口部(也称为护罩孔)，该护罩出口部允许等离子射流穿过其中。护罩可相对于喷嘴共轴地安装，以使得等离子出口部对齐护罩出口部。
冷却能力已经是涉及等离子弧焊炬的先前设计的一个限制。例如，先前设计要求使用气体以外或作为气体补充的冷却介质(例如，冷却水或液体)，用于高电流水平(例如，100或200安培或更大)下的焊炬。这些冷却方法中的大多数能要求焊炬之外的冷却系统(例如，该冷却系统可包括供水、贮水池、热交换设备、供应泵，等等)。外部冷却系统可能增加相关设备费用，可能要求更多维护，可能为易溢漏的，并且在一些情况下，可能要求处理冷却介质。等离子弧焊炬的冷却问题对于较高电流系统是更为严重的，因为较高电流系统可产生更多热量并具有更大的冷却需求。事实上，可商购获得的在大于约100安培下操作的等离子焊炬切割系统通常采用了利用液体冷却剂(例如，水或乙二醇)的冷却系统。然而，其它系统是可能的。
发明内容
在一些方面，用于气体冷却等离子焊炬的喷嘴可包括大致圆柱形的中空主体，该主体具有界定出纵向轴的第一端和第二端，该主体的第二端界定出喷嘴喷口；形成于该第一端中在该圆柱形主体的内壁和外壁之间的气体通道，该气体通道引导气体流周向地围绕该主体的至少一部分；入口通路，该入口通路形成为大体上穿过该外壁的径向表面并且流体地连接至该气体通道；和出口通路，该出口通路至少大体上对齐纵向轴并且流体地连接至该气体通道。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，入口通路可包括形成为穿过该主体的径向表面的入口端口。在一些情况下，出口通路可包括在喷嘴的第二端和入口端口之间的、形成为穿过该主体的第二外部径向表面的出口端口。
在一些实施例中，喷嘴包括若干个(例如，多个)入口通路。在一些情况下，各自入口通路之间的径向角为约120°。在一些实施例中，喷嘴包括若干个出口通路。在一些情况下，各自出口通路之间的径向角为约120°。在一些实施例中，喷嘴包括多个入口通路和多个出口通路。在一些情况下，入口通路与出口通路径向偏离。
在一些实施例中，沿着气体通道的圆周气体流围绕着喷嘴的整个圆周延伸。
在一些实施例中，一部分的喷嘴壁被构造成配合涡流环的外表面。在一些情况下，该涡流环形成气体通道的一部分。
在一些方面，用于气体冷却等离子弧焊炬的喷嘴可包括大致圆柱形的中空主体，该主体具有界定出纵向轴的第一端和第二端，该主体的第二端界定出喷嘴喷口；增压腔区域，该增压腔区域被界定于该主体内并引导等离子气体；冷却气体通道，该冷却气体通道形成于该第一端中在该圆柱形主体的内壁和外壁之间，该冷却气体通道将冷却气体从等离子气体隔离；大体上径向取向的入口通路流体地连接至该气体通道；以及大体上纵向取向的出口通路流体地连接至该气体通道。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，径向取向的入口通路还包括形成为穿过该主体的径向表面的入口端口。在一些实施例中，纵向取向的出口通路还包括在喷嘴的第二端和入口端口之间的、形成为穿过该主体的径向表面的出口端口。在一些实施例中，喷嘴包括多个径向取向的入口通路。在一些情况下，各自入口通路之间的径向角为约120°。在一些实施例中，喷嘴还包括若干个出口通路。在一些情况下，各自出口通路之间的径向角为约120°。在一些实施例中，喷嘴包括多个入口通路和多个出口通路。在一些情况下，入口通路与出口通路径向偏离。
在一些实施例中，沿着气体通道的周向气体流围绕着喷嘴的整个周向延伸。在一些实施例中，一部分的喷嘴壁被构造成与涡流环的外表面相配合。例如，该涡流环可形成气体通道的一部分。
在一些实施例中，等离子气体和冷却气体在喷嘴的喷口处结合在一起。
在一些方面，用于冷却等离子弧焊炬喷嘴的方法可包括：提供喷嘴，该喷嘴具有中空主体，该主体具有第一端和第二端，该主体的该第二端界定出喷嘴喷口，形成于该主体的第一端中的气体通道，大体上径向取向的入口通路流体地连接至该气体通道，并且大体上纵向取向的出口通路流体地连接至该气体通道；使冷却气体穿过该入口通路流入该气体通道；沿着该气体通道引导该冷却气体；并将该冷却气体从该气体通道排出至该出口通路。
在一些方面，用于气体冷却等离子弧焊炬的喷嘴可包括具有第一端和第二端的主体，第一端和第二端界定出纵向轴；大体上形成于该主体内的增压腔区域，该增压腔区域从该主体的第一端延伸并被构造成接收等离子气体流；喷口，该喷口位于该主体的第二端并且与纵向轴大体上共轴地取向，该喷口流体地连接至该增压腔区域；和该主体的外表面上的特征，该特征被构造成通过接收大体在沿着该主体长度的纵向轴的方向上以高速率流动的冷却气体流而增加冷却效果，该特征的冲击表面被构造成在相对于该冲击表面的大体垂直方向上接收该冷却气体流并且重新引导该冷却气体流来促进冷却和均一的护罩流。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，将该特征围绕着喷嘴主体的外表面的周向设置。
在一些实施例中，大体垂直方向相对于冲击表面可在约45°和90°之间。
在一些实施例中，该特征的冲击表面的横截面包括大体平坦表面，该大体平坦表面布置成大体上垂直于冷却气体流。在一些实施例中，该特征的冲击表面包括大体锥形表面。在一些实施例中，该特征在喷嘴上定位成相邻于护罩部件的对应特征。在一些情况下，该对应特征为混合室。
在一些实施例中，高速率为至少300米/秒。
在一些实施例中，该特征包括至少一部分的室，该室的尺寸足以通过实施为缓冲室来减小冷却气体流瞬变而增加冷却气体的流均匀性。在一些情况下，该室围绕喷嘴的外表面的周向延伸。
在一些实施例中，喷嘴包括相邻于冲击表面的尖锐拐角，以在冷却气体流中产生紊流。
在一些方面，等离子弧焊炬的喷嘴冷却系统可包括喷嘴，该喷嘴具有主体，该主体具有界定出纵向轴的第一端和第二端；增压腔区域，该增压腔区域大体上形成于该主体内，该增压腔区域从该主体的第一端延伸并被构造成接收等离子气体流；喷口，该喷口位于该主体的第二端并且与纵向轴大体上共轴地取向，该喷口流体地连接至该增压腔区域；以及该主体的外表面上的特征，该特征被构造成通过接收大体在沿着该主体长度的纵向轴的方向上以高速率流动的冷却气体流而增加冷却效果，该特征的冲击表面被构造成在相对于该冲击表面的大体垂直方向上接收该冷却气体流并且重新引导该冷却气体流来促进冷却和均一的护罩流；以及喷嘴护帽，该喷嘴护帽包括大致圆柱形主体和固定凸缘，该护帽的固定凸缘包括多个护罩气体供应端口，该护罩气体供应端口以一定角度沿着该喷嘴的纵向轴整体上成角度，该角度大体上垂直于喷嘴的特征的冲击表面。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，喷嘴护帽可包括约10个护罩气体供应端口。
在一些方面，喷嘴护罩冷却系统可包括喷嘴，该喷嘴具有主体，主体带有界定出纵向轴的第一端和第二端；大体上形成于该主体内的增压腔区域，该增压腔区域从该主体的第一端延伸并被构造成接收等离子气体流；喷口，该喷口位于该主体的第二端并且与纵向轴大体上共轴地取向，该喷口流体地连接至该增压腔区域；以及该主体的外表面上的特征，该特征被构造成通过接收大体在沿着该主体长度的纵向轴的方向上以高速率流动的冷却气体流而增加冷却，该特征的冲击表面被构造成在相对于该冲击表面的大体垂直方向上接收该冷却气体流并且重新引导该冷却气体流来促进冷却和均一的护罩流，以及等离子弧焊炬的护罩，该护罩包括大致锥形主体和具有护罩喷口的端面，该护罩的内表面界定有混合室，该混合室处在喷嘴被组装在一起时对应于喷嘴的冲击表面的位置，该混合室具有入口边缘，该入口边缘定位成将该冷却气体从冲击特征引导入该混合室中。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，该混合室和入口边缘围绕护罩的内表面的周向延伸。在一些实施例中，该入口边缘的轮廓为锐角。在一些实施例中，该入口边缘朝向喷嘴主体的第一端延伸。该入口边缘还可朝向喷嘴主体的第二端延伸。
在一些实施例中，该护罩具有至少两个入口边缘特征。
在一些实施例中，混合室具有球根状横截面。在一些实施例中，该混合室的体积足以通过实施为缓冲室来减小冷却气体流瞬变而增加冷却气体的流均匀性。
在一些方面，空气冷却等离子弧焊炬的护罩可包括主体，该主体具有近端和远端，该近端被构造成与该等离子弧焊炬的焊炬主体相配合；喷口，该喷口形成于该主体的该远端内；和该护罩的内部，该护罩的内部界定出形成护罩气体流通道一部分的护罩流表面，该护罩气体流通道沿着该内部护罩流表面在流动方向上将护罩气体流从近端引导至该主体远端处的喷口，该护罩的内部还限定出设置于该内部护罩流表面上的流特征，该流特征在近端和喷口之间围绕该主体的内部而周向地形成，该流特征被构造成逆转该护罩气体流通道内的护罩气体流的流方向。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，内部护罩流表面包括混合室，该混合室在相邻于对应喷嘴的冲击特征的护罩气体流通道的一部分处围绕着该主体而周向地形成，该混合室包括入口边缘，该入口边缘定位成将护罩气体导向到该混合室中。在一些情况下，流特征还限定了重组合区域，该重组合区域在喷口和混合室之间。
在一些实施例中，流特征限定了重组合区域，该重组合区域在一组护罩通风端口和喷口之间。
在一些实施例中，流特征可包括突出部和凹部，该突出部和凹部协同以逆转流方向。在一些情况下，该突出部相邻于该凹部。在一些实施例中，流特征包括突出部，以使得该突出部为环绕着内部护罩流表面的圆周延伸的凸棱。在一些实施例中，流特征包括凹部，以使得该凹部为环绕着内部护罩流表面的圆周延伸的凹槽。在一些情况下，流特征包括突出部，以使得该突出部在凹槽和喷口之间。该流特征可设置于护罩主体的锥形部分上。该流特征可设置于护罩主体的远端的端面上。该流特征可包括突出部，以使得该突出部设置在内部护罩流表面上的某个位置，在将护罩附接至等离子弧焊炬时，该位置对应于相邻焊炬喷嘴的互补特征。例如，喷嘴的互补特征可为凸起。
在一些实施例中，在组装时，喷嘴的突出部和互补特征的横截面均可平行于等离子弧焊炬的焊炬主体的纵向轴。在一些实施例中，喷嘴的突出部和互补特征形成曲折的流路径。
在一些方面，空气冷却等离子弧焊炬的喷嘴可包括主体，该主体具有近端和远端，该近端被构造成与该等离子弧焊炬的焊炬主体相配合；孔口，该孔口形成于该主体的该远端内；和该喷嘴的外部，该喷嘴的外部包括喷嘴流表面，该喷嘴流表面形成护罩气体流通道的一部分，该护罩气体流通道沿着该外部喷嘴流表面在流动方向上将护罩气体流从近端引导至该主体的远端处的孔口，该喷嘴外部还具有设置于该外部喷嘴流表面上的流特征，该流特征在近端和孔口之间围绕着该主体的外部而周向地形成，该流特征被构造成逆转该护罩气体流通道内的护罩气体流的流方向。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，喷嘴包括该喷嘴主体的外部喷嘴流表面上的特征，该特征被构造成，通过接收大体在喷嘴主体的纵向轴的方向上并且沿着该主体长度以高速率流动的护罩气体流的至少一部分而增加该主体的冷却效果，该特征的冲击表面被构造成在相对于该冲击表面的大体垂直方向上接收该冷却气体流的至少一部分并且重新引导该冷却气体流来促进冷却和均一的护罩流。
在一些实施例中，外部喷嘴流表面包括混合室，该混合室在相邻于冲击特征的护罩气体流通道的一部分处围绕着该主体而周向地形成。
在一些实施例中，流特征可包括突出部和凹部，该突出部和凹部协同以逆转流方向。在一些情况下，该突出部相邻于该凹部。在一些实施例中，流特征包括突出部，以使得该突出部为环绕着外部喷嘴流表面的圆周延伸的凸棱。
在一些实施例中，流特征可包括凹部，以使得该凹部为环绕着外部喷嘴流表面的圆周延伸的凹槽。在一些实施例中，流特征可包括突出部，以使得该突出部在凹部和孔口之间。该流特征可设置于护罩主体的锥形部分上。该流特征可设置于护罩主体的远端的端面上。在一些实施例中，该流特征可包括突出部，以使得该突出部设置在外部喷嘴流表面上的某个位置，在将喷嘴安装至等离子弧焊炬时，该位置对应于相邻焊炬护罩的互补特征。在一些情况下，护罩的互补特征可为凸起。
在一些方面，空气冷却等离子弧焊炬系统的耗材组可包括具有护罩主体的护罩，该护罩主体具有近端和远端，该近端被构造成与该等离子弧焊炬的焊炬主体相配合；喷口，该喷口形成于该主体的该远端内；和该护罩的内部，该护罩的内部具有形成护罩气体流通道的一部分的护罩流表面，该护罩气体流通道沿着该内部护罩流表面在流动方向上将护罩气体流从近端引导至该主体的远端处的喷口，该护罩的内部还具有设置于该内部护罩流表面上的流特征，该流特征在近端和喷口之间围绕着该主体的内部而周向地形成，该流特征被构造成逆转该护罩气体流通道内的护罩气体流的流方向；和喷嘴，该喷嘴由导电材料制成，该喷嘴包括喷嘴主体，该喷嘴主体具有限定出纵向轴的第一端和第二端；增压腔区域，该增压腔区域大体上形成于该主体内，该增压腔区域从喷嘴主体的第一端延伸并被构造成接收等离子气体流，该增压腔区域流体地连接至喷口；和该喷嘴主体的外表面上的特征，该特征被构造成通过接收大体在沿着该喷嘴主体长度的纵向轴的方向上以高速率流动的冷却气体流而增加喷嘴冷却效果，该特征的冲击表面被构造成在相对于该冲击表面的大体垂直方向上接收该冷却气体流的至少一部分并且重新引导该冷却气体流来促进冷却和均一的护罩流，以使得至少一部分的冷却气体流在该孔口处从冲击表面排出焊炬。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，内部护罩流表面还可包括混合室，该混合室在相邻于冲击特征的护罩气体流通道的一部分处围绕着护罩主体而周向地形成。
在一些方面，用于冷却风冷等离子弧焊炬的喷嘴的方法可包括：以大体垂直的角度将护罩气体供应至喷嘴的外部特征；将护罩气体从该喷嘴的外部特征重新引导至相邻于该特征的混合室；和使该护罩气体沿着护罩气体流通道从该混合室流动至该护罩的喷口，该喷嘴的外部表面至少部分地限定该护罩气体流通道。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，该方法还可包括：使护罩气体从混合室流动穿过设置于喷嘴和护罩之间的重组合区域以在喷口处产生大体上均匀的护罩气体流，该重组合区域包括至少一个流重新引导构件。在一些情况下，重组合区域可在混合室的下游并且可包括该护罩的内表面上的挡板和喷嘴的外表面上的挡板。在一些情况下，在将护罩和喷嘴组装至焊炬时，该护罩挡板和该喷嘴挡板彼此相邻。
在一些实施例中，至少一部分的混合室可设置于喷嘴的外表面上。在一些实施例中，至少一部分的混合室可设置于相邻护罩的内表面上。在一些实施例中，至少一部分的混合室可设置于喷嘴的外表面上，并且至少一部分的混合室可设置于相邻护罩的内表面上。
在一些方面，用于将均匀护罩气体流提供至气冷等离子弧焊炬的方法可包括：将护罩气体供应至由喷嘴的外表面和护罩的内表面限定的护罩气体流通道；使该护罩气体沿着护罩气体流通道流动；利用重组合区域逆转该护罩气体沿着该护罩气体流通道的流动，该重组合区域包括至少一个流逆转构件；和使该护罩气体从混合区域流动至该护罩的喷口，从而在喷口处产生大体上均匀的护罩气体流。
在一些方面，一种用于气体冷却等离子弧焊炬的喷嘴可包括喷嘴主体，该喷嘴主体具有近端和远端，所述近端和远端界定出喷嘴主体长度和纵向轴。该主体包括喷口，该喷口由该喷嘴主体的远端限定；该喷嘴主体内的增压腔，该增压腔从该喷嘴主体的近端延伸至增压腔底板，从该增压腔底板至该远端的距离限定了增压腔底板厚度，并且从该增压腔底板至该喷嘴主体的近端的距离限定了近端高度；和穿孔，该穿孔从该增压腔底板延伸至喷口，该穿孔具有穿孔长度和穿孔宽度，其中该喷嘴主体在横交于纵向轴的方向上具有喷嘴宽度，其中该喷嘴主体长度大于该喷嘴宽度，并且其中近端高度对该增压腔底板厚度的比率小于2.0。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，喷嘴在喷嘴主体的近端处还可包括主体凸缘，该喷嘴的总长度由从该喷嘴主体凸缘的近端至该喷嘴的远端处的端面的距离限定，以使得该喷嘴的总长度大于喷嘴主体长度。在一些情况下，该主体凸缘在喷嘴增压腔上方延伸约0.05至约0.5英寸。在一些情况下，近端高度包括主体凸缘。
穿孔的长度对应于增压腔底板厚度。该穿孔可包括倒角或沉孔。穿孔的宽度可沿其长度变化。该穿孔在其长度的每一端可具有倒角或沉孔。
在一些实施例中，喷口可在喷嘴的端面处。
在一些实施例中，穿孔的长度与喷嘴主体长度之比可大于约0.32。
在一些实施例中，增压腔的侧壁厚度可在该增压腔的内径和该增压腔的外径之间，并且该增压腔侧壁厚度与该喷嘴主体的宽度之比可为约0.15至约0.19。在一些实施例中，该增压腔的侧壁可包括一个或多个冷却气体通路。
在一些实施例中，喷嘴的尺寸适于在等离子弧焊炬中以至少100安培的电流操作。在一些实施例中，喷嘴可以大于170安培/英寸的电流与喷嘴主体长度之比操作。
在一些实施例中，近端高度对增压腔底板厚度之比小于约1.4。
在一些方面，构造成以大于100安培操作的空气冷却等离子弧焊炬的喷嘴可包括喷嘴主体，该喷嘴主体具有界定有导管的远侧部，该导管与该喷嘴主体的纵向轴大体上对齐，该导管具有导管长度并且成形为引导等离子气体流；和近侧部，该近侧部联接至远侧部并具有近侧部长度，该近侧部界定出流体地连接至该导管的增压腔，其中该近侧部的长度与导管长度之比可小于约2.0，并且其中该喷嘴可被构造成允许以大于约170安培/英寸的电流与喷嘴主体长度之比操作。
实施例可包括下述特征中的一个或多个。
在一些实施例中，喷嘴在喷嘴主体的近侧部的近端处可包括主体凸缘，该喷嘴的总长度由从喷嘴主体凸缘的近端至该喷嘴的远端处的端面的距离限定，以使得该喷嘴的总长度大于喷嘴主体长度。在一些实施例中，喷嘴的主体凸缘可包括流通道。
在一些实施例中，导管长度可对应于增压腔底板厚度。在一些实施例中，导管可包括倒角或沉孔。在一些实施例中，导管的宽度可沿导管长度变化。在一些实施例中，导管在其长度的每一端可具有倒角或沉孔。
在一些实施例中，增压腔的侧壁厚度可为该增压腔的内径和该增压腔的外径之间，并且该增压腔侧壁厚度与喷嘴主体宽度之比可为约0.15至约0.19。在一些实施例中，增压腔的侧壁可包括一个或多个冷却气体通路。
在一些实施例中，冷却气体通路的尺寸适于允许喷嘴在等离子弧焊炬中以至少100安培的电流操作。在一些实施例中，冷却气体通路的尺寸适于允许该喷嘴以大于170安培/英寸的电流与喷嘴主体长度之比操作。
在一些实施例中，近侧部的长度对导管长度的比率可小于约1.4。
本文所描述的实施例可具有下述特征中的一个或多个。
在一些方面，相比于不具有类似气体通道的其它耗材部件，如本文所描述的具有形成于内(例如，内部)壁和外(例如，外部)壁之间的气体冷却通道的耗材部件(例如，喷嘴)可具有更大的冷却能力。导致冷却能力的增加，部分地因为在喷嘴内形成额外冷却气体接触表面积，热量通过该冷却气体接触表面积可传递并且可由冷却气体带走。增加的冷却能力可导致更佳的切割性能，例如，有助于形成更稳定的等离子弧和更长的可用耗材寿命。更长的可用耗材寿命可导致较少的耗材更换需求，这可导致成本降低和系统停机时间减少。
另外，在喷嘴的外壁内形成气体冷却通道可使得气体冷却通道与等离子气体流路径更佳地分离(例如，隔离)，这可导致冷却能力的增加而基本上不会干扰等离子气体的输送和/或控制。
此外，具有一个或多个水平(即，大体上垂直于喷嘴的纵向轴)入口和一个或多个垂直(即，大体上纵向)出口的气体冷却通道可有助于提供气体流对喷嘴的不同表面的冲击，该垂直出口从该水平入口周向地偏离。冲击流可有助于形成额外增加冷却的紊流。
在一些方面，本文中所描述的具有沿其外表面布置的特征的喷嘴可具有相对于一些其它常规喷嘴的增加的喷嘴冷却能力，该特征限定了接收冷却气体流(例如，高速冷却气体流)的冲击表面。如本文所讨论，冲击表面可相对于喷嘴的一个或多个其它外表面成角度，使得冷却气体流大体上垂直于冲击表面接触(即，冲击)该冲击表面，这可导致冷却能力的增加。例如，如本文所讨论，成角度的冲击表面其通常形成的角度设置为大体上垂直于成角度的冷却气体流通道，该冷却气体流通道提供冷却气体流并限定于喷嘴护帽内。
另外，混合通道内带角度的冲击表面的布置可有助于产生高气体流混合速率，例如，部分地因为该气体流对该冲击表面的大体上垂直冲击，这相对于无此类特征的一些其它常规喷嘴可增加冷却能力。在一些情况下，该特征和冲击表面有助于在混合通道内形成紊流，该紊流进一步协助冷却。此外，在一些情况下，混合通道可有助于环绕着该喷嘴混合和分布(例如，均匀地分布)该冷却护罩气体流，以使得该气体流可更均匀地输送。更均匀输送的护罩气体可形成更稳定的等离子弧，这可导致切割速度和一致性的改善。
在一些方面，替代地或额外地，喷嘴的特征可结合形成于其它耗材部件(诸如护罩)上的对应特征(例如，凹槽或凸缘)起作用以改变(例如，干扰、扰乱，和/或部分地阻塞、重新引导或重新分布)喷嘴和护罩之间流动的护罩气体流。例如，如本文所讨论，一些喷嘴可包括凹部，护罩的凸缘在使用过程中可部分地设置于该凹部中。设置于凹部中的凸缘的结构可促使流动护罩气体被暂时地重新引导至(例如，引导远离并然后引导回)焊炬的远端。此类重新引导可有助于环绕着护罩喷口环形地混合和分布该护罩气体流，以使得排出焊炬的护罩气体的分布相比于在一些其它常规焊炬系统中可更均匀地分布。通过减少或限制不一致，而改变环绕着等离子弧的气体流，更均匀地分布的护罩气体可用于帮助形成更稳定的等离子弧。类似地，本文所描述的其它特征，诸如由喷嘴和/或护罩的特征表面所形成的互补混合通道(下文参考图3所讨论)，也可有助于接收从多个离散通道输送的气体流，并且环绕着该喷嘴周向地分布该气体流以帮助形成更均匀地分布的气体流和更一致的等离子弧。
在一些方面，本文所描述的喷嘴相对于不具有此类修改特征的一些其它常规喷嘴可产生更大的冷却效果，其中本文所描述的喷嘴被设计、按比例缩放和构造为更短的(即，纵向更短的近端高度)、更宽的(即，具有更厚的喷嘴顶端(例如，更宽的或更大的端面)和/或更厚的增压腔侧壁)，和/或具有更长的穿孔(即，更厚的远侧区域)。在一些情况下，预期的是，这些比例导致喷嘴在远侧区域具有集中的顶端质量增加(例如，相对于喷嘴的其余部分增加顶端质量与体积之比)，这可导致冷却能力的增加。特别地，位于喷嘴的远侧顶端处的材料质量和体积的增加，特别地环绕着喷口的径向定位的材料增加可提供更大的热传递路径，喷嘴内的热量通过该热传递路径可向外行进并在近端离开焊炬顶端。
附图简述
图1为等离子弧焊炬实例的横截面视图，其界定有不同气体流通道用于将护罩或冷却气体输送至焊炬顶端。
图2为等离子弧焊炬喷嘴实例的剖面图，该喷嘴包括界定于内壁和外壁之间的气体通道以用于环绕着该喷嘴的主体周向地引导气体流。
图3为等离子弧焊炬的横截面视图，该等离子弧焊炬具有由沿其喷嘴和护罩形成的特征和元件所限定的喷嘴冷却系统和流分布系统。
图4为图3的喷嘴冷却系统的放大横截面视图，示出了喷嘴内或环绕着喷嘴的冷却气体流实例。
图5为图3的流分布系统的放大横截面视图，示出了沿喷嘴和护罩形成的特征，用于围绕着该喷嘴环形地重新引导和大体上均匀地分布护罩气体流。
图5A为流分布系统另一个实例的放大横截面视图，示出了沿喷嘴和护罩形成的特征，用于围绕着该喷嘴环形地重新引导和大体上均匀地分布护罩气体流。
图6为等离子弧焊炬的喷嘴实例的横截面视图，该喷嘴具有更宽的端面和远端区域，用于分布热量和增加喷嘴冷却。
图7为模拟气体流模型，描绘了进入和离开图2的气体通道的气体流。
具体实施方式
在一些方面，喷嘴相比于不具有此类修改特征的一些其它常规喷嘴可产生更大的冷却效果，前者被配比为更短的、更宽的，和/或具有更长的穿孔(即，更厚的远侧区域)。
图1示出了实例等离子焊炬50，等离子焊炬50可与本文所描述的等离子弧焊炬冷却系统、装置和方法的各个方面和实施例一起使用。参考图1，等离子焊炬50可包括电极60、喷嘴100和护罩150。焊炬50可与电源(未示出)电连通(例如，利用载流电缆(未示出))，并且从电源接收电流。从电源接收的电流通过电流路径转移至朝向喷嘴100的电极60。
在使用过程中，将气体(例如，等离子气体)引导至限定于电极60和喷嘴100之间的等离子增压腔80。该等离子气体可在等离子增压腔80内被加速(例如，可将该等离子气体进行加热，随着形成等离子，这减少了气体的密度，增加了其体积和速率)，以经由在电极60和喷嘴100之间形成的等离子弧产生等离子流。
实验研究表明，使用过程中的喷嘴温度(例如，和喷嘴可保持冷却的程度)对电极寿命可具有显著影响。特别地，由于在高电流的空气冷却等离子弧切割中较高的操作温度可显著地增加材料磨损和腐蚀，其电极和喷嘴寿命可能比低电流的空气冷却等离子弧切割系统低。因此，加大冷却可为延伸或延长电极和/或风冷喷嘴的可用寿命的一种有用技术。冷却可通过将气体(例如，空气、氮气或氧气)引导穿过电极和/或喷嘴表面来实现。穿过这些元件(例如，电极或喷嘴)的气体流可沿着内表面和/或外表面引导。在一些情况下，等离子弧焊炬可为空气冷却焊炬，该空气冷却焊炬通过将一种或多种高速冷却气体流(例如，约20标准立方英尺/小时(scfh)至约250scfh下的空气)引导穿过界定于焊炬顶端内的各种通道而被冷却。
本文中描述的一些实施例可增加(例如，显著地增强)焊炬耗材，诸如焊炬喷嘴的冷却(即，甚至不使用冷却液体)，从而改善使用寿命。在一些实施例中，喷嘴冷却可通过采用护罩流并允许护罩流直接地流向喷嘴的一个或多个表面来实现。例如，在一些实施例中，护罩流可经引导使得其冲击(例如，垂直地流向)喷嘴表面。
在一些方面，该焊炬内使用的某些耗材部件(例如，喷嘴)可包括各种特征或元件中的一个或多个，诸如冷却流通道，以有助于增加喷嘴的冷却能力并因此增加其性能和可用寿命。
例如，参考图2，在一些方面，喷嘴200可形成主体202。在一些实施例中，主体202由金属材料制成，诸如铜。如所示，主体202可为大致圆柱形的中空主体的形式，该主体具有限定有纵向轴208的第一端204和第二端206。该中空主体限定了中空增压腔区域201，中空增压腔区域201被构造成接收和容纳电极并将等离子气体引导至电极和喷嘴之间。第一端204通常形成为和被构造成配合焊炬的一个或多个特征或元件。例如，在一些实施例中，喷嘴可经构造以配合布置于该焊炬内的涡流环或护帽。该圆柱形主体还包括整体环形地形成的圆柱形壁(例如，增压腔侧壁)210，圆柱形壁210从限定于第二端206的基础结构(例如，增压腔底板)212向上延伸。第二端206通常限定大致圆柱形穿孔(例如，流管道)214，圆柱形穿孔214形成为大体上轴向地穿过增压腔底板。在使用过程中，等离子气体穿过穿孔214并通过喷口215离开喷嘴。喷嘴喷口215沿着沿第二端206形成的喷嘴端面限定于穿孔214的远端处。
关于冷却以及流分布，气体通道(例如，冷却气体流通道)216可形成于该主体的一部分(诸如增压腔侧壁)内的第一端204处，特别地形成于内壁218和外壁220之间，以环绕这该圆柱形主体引导气体流。例如，气体通道216可为设置于内壁218和外壁220之间的大致环形(例如，圆形)通道，以围绕着该主体的至少一部分周向地引导该气体流。如上文所讨论，在一些情况下，内壁218和/或外壁220可被构造成，与设置于该焊炬内的其他部件，诸如涡流环，接合和配合，以适当地定位和安装喷嘴或将气体流引导至流通道或引导至流通道内。因此，在一些情况下，涡流环可被构造成连同内壁和外壁一起形成气体通道216的一部分(例如，上部)，尤其形成围绕着该喷嘴的流导管。
喷嘴壁相对于该焊炬内的其它部件的构造有助于使该流动通道与该焊炬内的一些其它气体通道相分离并密封。例如，喷嘴被构造成将流通道内流动的护罩/冷却气体与增压腔区域内流动的等离子气体相隔离。然而，等离子气体和护罩/冷却气体通常在它们排出该焊炬时(即，在该喷嘴的喷口处)组合在一起。
喷嘴200包括流体地连接至气体通道216的一个或多个入口通路222和一个或多个出口通路224，以将气体提供至该气体通道或和从该气体通道提供气体。入口通路和出口通路可为被构造成包含气体和将气体输送至该气体通道或从该气体通道输送气体的各种结构上合适的特征的任意形式。例如，通路可为喷嘴主体之中或之上的孔、通道、管、导管、管道或类似特征。如下文所讨论，通路也可包括沿着喷嘴的不同表面形成的一个或多个端口(例如，开口)，气体通过该端口可进入和退出喷嘴主体以输送至该气体通道或从该气体通道输送气体。
入口通路通常大体上垂直于气体流通道的至少一个表面而形成，以使得从该入口通路排出进入流通道的气体冲击该通道内的喷嘴表面以在该流通道内产生紊流。此类冲击和其中产生的紊流预期用于增加喷嘴冷却性能。为实现入口通路相对于流通道的这种布置，可能有许多不同构造。例如，如所示，入口通路222可形成为穿过外壁220，并且在安装于焊炬中时可流体连通该焊炬的护罩气体供应。如所示，入口通路222可水平地布置(即，相对于焊炬水平地，该焊炬定位成使得其纵向轴为垂直的)，以使得进入该流通道的气体可撞击该流通道的相对表面上的内壁(即，内壁218的外表面)。在一些实例中，术语相对表面是指该流通道中，相对于该流通道的中央区域从入口通路横越的区域。在一些实施例中，入口通路222可在喷嘴中径向地布置(即，朝向其中央纵向轴208向内延伸)。
在图2所示的实施例中，喷嘴可包括多个入口通路222，例如，三个入口通路222。如所示，在一些实施例中，入口通路222可环绕着气体通道216大体上均匀地布置(例如，均匀地分离)。例如，在包括三个入口通路时，它们可彼此分离约120°。在一些情况下，入口通路222的更均匀分布可形成进入气体通道216的更均匀的冷却气体流。
在一些实施例中，一个或多个入口通路包括沿着该主体的径向表面限定的入口端口，该入口端口将入口通路暴露于该喷嘴周围的环境。在使用过程中，气体(例如，护罩气体或冷却气体)可通过该入口端口进入入口通道并行进至气体通道。例如，如所示，入口端口223可为沿着喷嘴的外壁220的外表面限定的孔的形式。
出口通路224通常形成为至少部分地通过增压腔侧壁210，以将气体流输送远离气体通道。在一些情况下，出口通路224穿过增压腔侧壁210的布置也可有助于通过在该增压腔侧壁内产生额外的热传递表面积而冷却侧壁。如所示，出口通路224可纵向地形成(例如，至少大体上对齐(例如，大致平行于)纵向轴208)。
出口通路通常也大体上垂直于喷嘴(或另一个耗材部件)的至少一个外表面形成，以使得从该出口通路排出的气体冲击外部喷嘴表面以进一步冷却该喷嘴。在一些实施例中，出口通路224可形成于(例如，纵向地形成于)增压腔侧壁210内，以使得其靠近沿着喷嘴的外表面限定的凹部或凸缘，来自流通道的气体可接触(例如，冲击)该凹部或凸缘以更好地冷却。例如，如所示，出口通路224可垂直地(例如，大体上纵向地)布置，以使得退出该流通道的气体可碰撞喷嘴的外表面(例如，流冲击表面)252。即，在一些实施例中，出口通路224可大体上平行于纵向轴布置(例如，纵向取向的)。
在图2所示的实施例中，喷嘴通常包括多个出口通路224，例如，三个出口通路。如所示，在一些实施例中，出口通路224可环绕气体通道216大体上均匀地布置。例如，在包括三个出口通路时，它们可彼此分离约120°。在一些情况下，出口通路224的更均匀分布可形成来自气体通道216的更均匀的气体流。这可通过利用额外出口通路，例如四个(或更多个)出口通路彼此以90°取向来实现。
在一些实施例中，出口通路包括出口端口，该出口端口通过喷嘴的第二端(例如，远端)206和入口端口之间的该主体的径向和/或轴向表面形成，其中入口端口将入口通道连接至该喷嘴周围的环境并且该出口端口类似地将出口通道连接至该喷嘴周围的环境。例如，气体可从气体通道216流入形成于增压腔侧壁内的出口通路224和通过限定于该增压腔侧壁的外表面内的出口端口225流出该增压腔侧壁。
在一些实施例中，入口通路222和出口通路224环绕着流通道而彼此偏离(例如，径向地偏离)。例如，入口通路和出口通路可彼此大体上均匀地周向地偏离。即，在一些情况下，出口通路224中的一个或多个可布置(例如，等间距地)于入口通路22中的两个之间(例如，在具有三个入口通路和三个出口通路的实施例中，间隔为60°)。简要地参考图7，图7示出了穿过入口通路222、气体通道216至出口通路224的模拟气体流，此类布置可增加流体和喷嘴之间的暴露，并且通过提供更长的距离有助于增加气体通道216内的流体混合，该距离为气体通常在入口通路和相邻出口通路之间的气体通道内行进的距离。至少部分地基于该增加的混合，该流可经引导使得流通道内的气体可环绕着该主体而周向地流动。在一些情况下，该流可以完全环绕着该流通道(例如，至少360°环绕)的方式周向地引导。还如图7中所示，穿过入口通路222和出口通路224的流速通常高于别处环绕着气体通道216的气体流。另外，随着空气排出入口通路222并冲击气体通道216的内表面，穿过入口通路222所增加的流速可有助于产生紊乱气体流和冷却效果。
在一些实施例中，冷却气体通路(例如，入口通路222和主要出口通路224)的尺寸和构造为允许喷嘴在等离子弧焊炬中以至少75安培(例如，至少100安培)的电流操作。此外，在一些实施例中，冷却气体通路经调整和构造以允许喷嘴在大于150安培/英寸(例如，大于170安培/英寸)的电流对喷嘴主体长度的比率操作。
该电流可有助于以更快的切割速度切割材料。例如，在一些情况下，焊炬可以大于100英寸/分钟(ipm)的切割速度切割半英寸的低碳钢。
虽然入口通路和出口通路已经大体上描述为多个离散圆孔，但是其它构造是可能的。例如，在一些实施例中，喷嘴可包括仅一个入口通路和一个出口通路以将气体输送至流通道或从该流通道输送气体。替代地，在一些情况下，入口通路和/或出口通路可为环绕着喷嘴主体形成的一个或多个大致环形(例如，部分或完全环形)开口的形式。
焊炬系统可额外地或替代地包括布置于该焊炬内的一个或多个区域处的其它类型的耗材冷却系统，诸如喷嘴冷却系统或喷嘴和护罩冷却系统。例如，耗材冷却系统可包括形成于一个或多个耗材(例如，喷嘴、护罩和/或喷嘴或护罩的护帽)之中或之上的特征，用于接收和引导气体流(例如，高速冷却气体流)以增加该焊炬的耗材和切割性能中的一个或多个的冷却效果。
例如，参考图3，在一些方面，焊炬300可包括喷嘴冷却系统310和/或喷嘴及护罩冷却系统320，其可各自单独地或彼此组合地实施以冷却焊炬的部件。
在一些实施例中，为增加焊炬300的气体冷却性能，喷嘴冷却系统310可包括焊炬护帽330，焊炬护帽330具有被构造成将冷却气体流朝向喷嘴350的气体接收表面引导的特征。特别地，护帽330通常由整体上圆柱形主体332形成，圆柱形主体332具有固定凸缘334以将喷嘴350保持在该焊炬内。在通常相对于凸缘334的端部，护帽330通常包括连接区域(例如，螺纹连接)335以将护帽330(和因此也将喷嘴350)固定至焊炬主体。
如下文详细地讨论，固定凸缘334限定了允许气体流动穿过护帽并流动至喷嘴350进行冷却的一个或多个气孔或开口(例如，气体供应端口)336。如所示，气体供应端口336通常相对于护帽和焊炬纵向布置。另外，气体供应端口336位于固定凸缘334内，通常大体上垂直于喷嘴350的气体接收表面(例如，冲击表面)352。例如，在一些实施例中，气体供应端口336相对于纵向轴成角度(例如，朝向喷嘴或纵向轴向内布置或引导)以将冷却气体流引导至冲击表面352。
护帽通常包括环绕着固定凸缘334布置的多个供应端口336(例如，在图3所示的实例中为十个)。在一些实施例中，供应端口336可环绕着固定凸缘334大致均匀地布置以将气体大致均匀地输送至喷嘴。例如，当包括十个供应端口时，它们可彼此分离约36°。在一些情况下，供应端口336的更均匀分布可从护罩气体供应产生更均匀的气体流。
如上文所提及，喷嘴350包括沿其外表面限定的外特征(例如，凹部)354以接收和重新引导冷却气体流(例如，从护帽330接收的高速气体流)来增加冷却能力。例如，如所示，特征354可限定冷却气体接收表面(例如，冲击表面)352，冷却气体接收表面352定位成大致垂直于各个气体供应端口336的纵向轴。如上文所讨论，冲击表面352相对于气体供应端口336的大致垂直定位通过产生紊乱气体流有助于至少部分地增加冷却能力。在一些情况下，朝向冲击表面352穿过供应端口336的气体流以约200scfh(例如，约66986英尺/分钟的速度)被输送。
虽然冲击表面352已描述并示出为限定于凹部内的表面的形式，但是其它构造是可能的。例如，在一些实施例中，喷嘴可限定从其外表面(例如，沿着凸缘)延伸而不是沿着喷嘴主体形成于凹部内的冲击表面。此外，在一些情况下，冲击表面可为喷嘴的外表面，该外表面具有与喷嘴的外表面的其余部分大致类似的形状和外形。即，在一些情况下，喷嘴可被构造成沿其外表面接收冷却流，而无需具有接收该冷却气体流的额外的实质性修改的特征(例如，冲击表面352、特征354，等等)。
虽然喷嘴350的某些特征或方面已相对于图3中的实例进行描述，但应注意，与上文所描述的冷却系统不一致的或受到冷却系统影响的喷嘴350的一些其它特征可大致类似于上文所描述的喷嘴200的那些。
替代地或结合喷嘴冷却系统310，焊炬还可包括喷嘴护罩冷却系统320，以有助于冷却设置在焊炬300的顶端处的护罩380来保护喷嘴免受从工件喷射的熔融材料(例如，溅出物)损伤。例如，在一些实施例中，喷嘴护罩冷却系统320包括限定于护罩360和/或喷嘴350内的凹部或轮廓(例如，混合通道)322，凹部或轮廓322用于在护罩360和喷嘴350之间引导和循环冷却气体流。如所示，混合通道322可靠近地限定于喷嘴冷却系统310的一个或多个部件内(例如，特征354或冲击表面352附近)。在一些情况下，混合通道322成形为具有大致弯曲轮廓(例如，球根轮廓)以促进其内的循环流。
在此类构造中，在使用过程中，冷却气体流可偏转远离喷嘴350，例如部分地因为冲击表面352的角形布置，并偏转进入待循环的混合通道322中。如上所述，通过气体所产生的紊乱混合流从冲击表面352(或护罩的喷嘴的其它流偏转表面)偏转入混合通道中可增加喷嘴护罩冷却系统320和/或喷嘴冷却系统310的冷却能力。
混合通道322通常沿着护罩360的表面限定的边缘(例如，入口边缘(例如，尖锐入口边缘))324部分地形成，以捕获例如来自冲击表面352的冷却气体流并将其重新引导至混合通道322中进行循环和冷却。边缘324通常形成为捕获和重新引导朝向焊炬顶端流入混合通道322中的冷却气体流。例如，边缘324可包括尖锐边缘(例如，由互相定位成锐角的两个表面限定)，该尖锐边缘远离焊炬顶端指向以拦截冷却气体流。
替代地或额外地，在一些实施例中，混合通道322可由沿着喷嘴350的表面限定的边缘(例如，入口边缘(例如，尖锐的入口边缘))324A(即，冲击表面352和从该冲击表面352延伸垂直(纵向)表面之间的边缘)部分地形成，以从供应端口336捕获冷却气体流并将其朝向混合通道322向外重新引导。
混合通道322，并且在一些情况下还有混合通道边缘324，通常围绕着喷嘴至少部分地延伸。在一些情况下，混合通道322和边缘324限定于护罩的内表面内并且完全环绕着护罩360的内表面延伸。在一些情况下，混合边缘324A限定于喷嘴350的外表面内并且完全环绕着喷嘴350的外表面延伸。
在一些实施例中，护罩可包括用于引导流的额外特征(例如，多个边缘)。例如，护罩可包括多个边缘以在混合通道内引导流。这些边缘可向上地取向(例如，324)或向下地取向(未示出)。额外地或替代地，护罩可包括多个额外边缘以将流引导至形成于该护罩内的多个额外流通道(例如，多个额外冷却或流引导通道)中。
虽然上文所描述的冷却系统(例如，喷嘴冷却系统310和喷嘴护罩冷却系统320)已描述为主要提供有益的冷却性质，但通过它们的实施方式可获得其它有利的性能。例如，除了如上文所讨论的增加的冷却能力或者作为其替代，限定于护罩和/或喷嘴上的特征可增加气体流的特性，以使得可将更为均一和均匀分布的护罩气体流输送至焊炬顶端。即，在一些情况下，这些特征(例如，混合通道或冲击表面)可作为一个或多个流分布(例如，流缓冲)室，用于使流瞬变(flow transients)平滑。如上文所讨论，此类均匀分布的流通过有助于产生更稳定的等离子弧可增加材料的加工性能。
此外，虽然某些特征在上文中已描述为包括在特定部件上，诸如混合通道322沿着护罩360的内表面限定，但是其它构造是可能的。例如，在一些情况下，混合通道可形成于喷嘴的外表面内。替代地，混合通道可部分地同时形成于喷嘴和护罩两者中，部分混合通道据此在两个部分混合通道之间引导流以实现所需冷却和流分布性质。
参考图4，在一些方面，焊炬可包括限定出如上文相对于图2所述气体通道216的喷嘴，以及上文相对于图3所述的喷嘴冷却系统310和/或喷嘴护罩冷却系统320。在一些情况下，由焊炬主体所提供的护罩气体可分布和引导至被布置成冷却护罩和喷嘴的各个通道和通路中的一个或多个。如图4中利用箭头所示和所指出，气体流(例如，冷却/护罩气体流)101可首先在护帽固定凸缘附近输送。在到达护帽的固定凸缘334和喷嘴的外壁220后，该气体流可在喷嘴入口通道222和形成穿过固定凸缘的气体端口336之间分开和分布。替代地，在焊炬不包括带冷却流气体通道216或喷嘴冷却系统310或喷嘴护罩冷却系统320的喷嘴的实施例中，气体流101可改为仅引导至基于该焊炬中存在的各种部件的后续流通道中的一个(例如，仅引导至气体端口336或仅引导至入口通路222)。
第一部分流101A，如上文所讨论，穿过入口端口223引导至一个或多个入口通路222，可引导至气体通道216。该气体流可在气体通道216内循环以混合并冷却喷嘴，并且随后循环至一个或多个出口通路224(以虚线示出)以用于分布并冷却喷嘴350。流101A可例如在出口端口225处从出口通路224排出，以使得其可继续在喷嘴350和护罩360之间作为护罩和喷嘴之间且环绕着等离子弧的护罩气体而排出。
第二部分流101B，流动至一个或多个气体端口336，可朝向喷嘴引导(例如，以高速)以冷却喷嘴。如上文所讨论，气体流可沿着喷嘴的外表面被引导至冲击表面352。第二部分流101B可以大致垂直角度撞击冲击表面352以产生紊流行为并增加冷却效果。额外地或替代地，从出口端口225排出的第一部分流101A也可碰撞冲击表面352上以进行冷却并有助于产生紊流。
在从冲击表面352偏转之后，气体流(例如，第一部分流101A和/或第二部分流101B)可向外流动并流入混合通道322中进行循环且有助于冷却护罩，以及在混合通道322内混合和周向分布。如上文所提及，在一些情况下，边缘324可有助于拦截气体流并且将其引导至混合通道322。在混合通道322内混合和形成紊流之后，将气体引导至布置于喷嘴350和护罩360之间的环形通路(例如，护罩气体流通路)175以从焊炬顶端排出。
用于指示通路内的气体流(例如，第一部分流101A和第二部分流101B)的所示箭头仅用于示出简化实例流模式。应注意，流通路内，特别地混合通道内的实际气体流模式通常具有紊流并且为高度不稳定的。因此，通路内的实际流可不同于所示的实例箭头。
虽然图4示出的焊炬具有组合在一起的多个耗材部件冷却特征和系统，但是也可能采用其它构造。
即，例如，在一些方面，焊炬可包括设置于喷嘴内的气体通道216，其结合有起到冷却喷嘴作用的相关通路和流引导特征。然而，焊炬可省略本文所描述的其它部件冷却系统中的一个或多个(例如，喷嘴冷却系统310和/或喷嘴护罩冷却系统320)。类似地，在一些方面，焊炬可包括本文所描述的部件冷却系统中的一个或多个，这些部件冷却系统利用限定于护罩、喷嘴和/或护帽中的特征和流路径(例如，喷嘴冷却系统310和/或喷嘴护罩冷却系统320)，但该焊炬可包括不具有气体通道216和相关流通路的喷嘴。
此外或替代上文所描述的各种部件冷却系统和方面，本文所描述的焊炬可包括耗材部件，这些耗材部件包括可实施以提供更均匀的从焊炬顶端发出的护罩气体流。因为护罩中存在的通气孔(例如，图3和图5中所示的通气孔362)可造成护罩气体流不均匀，用于增强护罩通气孔和护罩喷口之间的流均匀性的定位特征可导致围绕着排出护罩的等离子的气体流均匀性增加，从而产生改善的切割性能并导致焊炬耗材的磨损降低。
例如，返回参考图3，焊炬300也可包括护罩气体流分布系统380，护罩气体流分布系统380可包括喷嘴350和护罩360中的一个或多个特征，这些特征彼此结合起作用以使得气流围绕大致周向的护罩气体流通道175分布。例如，流分布系统380可限定交替流通道，该交替流通道以交替(例如，Z字形、S形或弯曲流路径)方式引导或干扰该护罩气体流以形成紊流并使气流环绕着喷嘴周向地分布。如上文所讨论，更均匀分布的护罩气体流可有助于产生更好切割性能的更稳定等离子弧。
特别地，在一些实施例中，流分布系统380可通过从护罩(例如，从护罩的内表面)延伸出来的流引导特征382来形成，以改变(例如，扰乱、重新引导或逆行)穿过护罩气体通路175的护罩气体流。流引导特征382可构造成，与限定于喷嘴的外表面内的互补流接收特征390相结合而起作用，从而在限定于流分布系统380内的混合区域(例如，重新组合区域)396中形成改变的、逆行的护罩气体流路径175A。穿过护罩气体流分布系统380的护罩气体的至少一部分流产生逆行是理想的。
参考图3和图5，流引导特征382可包括各种物理要素的任一种，这些物理要素在结构上适于部分地阻塞(例如，引导、重新引导、逆行或以其它方式改变)流动穿过护罩气体通道175的护罩气体流。例如，流引导特征382可为延伸远离护罩360的内表面的突出部(例如，凸缘、挡板、突起、尖锐凸块、隆起或其它合适物理要素)383的形式。在一些实施例中，流引导特征382可形成弯曲流路径。通常，如图3和图5中所示，流引导特征382从护罩360在与护罩气体流通道175朝向焊炬顶端的整体流动不一致的方向上(例如，反向)延伸。例如，在一些实施例中，突出部383可朝向焊炬的近端(例如，远离焊炬顶端)延伸。即，突出部383在使用过程中可被导向在护罩气体和等离子气体整体行进的反向上。
例如，更具体地参考图5，流引导特征可被定位成，使得随着气体流动穿过护罩气体流通道并碰撞流引导特征382，该气体通常接触冲击表面384，该冲击表面384形成于从护罩内表面向外延伸的流引导构件(例如，突出部)中。由于这种构造，流引导特征382(例如，突出部383)扰乱护罩气体流，并且暂时地将其向上引导入喷嘴(例如，流接收特征390)中。
流引导特征382的各种要素(例如，突出部383或冲击表面384)各自可连续地形成，或大致周向地环绕着护罩360以一个或多个区段地形成。在一些实施例中，流引导特征382可具有围绕着护罩的大致均匀高度。
流接收特征390通常包括适于与流引导特征382的要素(例如，突出部383和/或冲击表面384)互补的一个或多个要素，以将护罩气体流引导至喷嘴和护罩，并且均匀地将护罩气体分布成均匀地环绕着穿孔314。如图5中所示，在一些实施例中，流接收特征390包括从喷嘴的外表面向外延伸的部分(例如，流特征，诸如凸棱、凸缘、挡板、突起、尖锐凸块、隆起或其它合适物理要素)392以引导护罩气体流。例如，凸棱392可朝向护罩向外引导护罩气体流。特别地，凸棱392可互补地定位成将护罩气体流引导入护罩的冲击表面384。虽然业已描述和说明某些构造，但是其它构造是可能的。例如，如图5A中所示，所述沿着喷嘴设置的一些或所有特征(例如，流接收特征390)可替代为沿着护罩的表面设置，并且所述沿着护罩设置的一些或所有特征(例如，流引导特征382)可替代为沿着喷嘴的表面设置。
额外地或替代地，喷嘴350也可包括喷嘴流接收特征(例如，凹部或凹槽)394，用以接收和重新引导通过护罩冲击表面384和突出部383被朝近端引导而远离焊炬顶端的气体流。特别地，凹部394可形成于喷嘴的外表面内，并且可限定出喷嘴冲击表面398以接收和重新引导护罩气体流。
流接收特征390的各个要素(例如，突出部392、凹部394或冲击表面398)各自可连续地形成，或大致周向地环绕着喷嘴350以一个或多个区段地形成。
在焊炬的使用过程中，护罩气体流101通常在形成于喷嘴350和护罩360之间的护罩气体流通道175中被引导朝向焊炬顶端。在一些情况下，护罩气体流101环绕着环形护罩气体流通道175并不一致地在周向上流动，例如，由于该气体流穿过环绕着喷嘴350形成的一个或多个离散流通道(例如，端口336)而提供。为帮助缓解不一致性，可将流101引导至护罩冲击表面384和突出部383，它们将流101向上(即，远离护罩穿孔314)偏转和重新引导入喷嘴凹部394和喷嘴冲击表面398。在一些情况下，喷嘴突出部392有助于捕获冲击护罩冲击表面384的一些或所有气体流，以帮助限制护罩气体流101在护罩气体流通道175内意外地向上游行进。相反，喷嘴突出部392可帮助气体流继续向下游(例如，进入喷嘴凹部394)和朝向护罩穿孔314引导。
将护罩气体流101向上引导入凹部394(例如，并且引导入界定于此处的混合区域396)对该气体流可具有一种或多种效果。沿着喷嘴和护罩的这些特征，限定出混合区域396，也可帮助将该护罩气体更均匀地分布于周向上环绕着穿孔314的护罩气体流通道175内。例如，流101可冲击护罩冲击表面384和突出部383并且可向上引导，流101可填充喷嘴凹部394并且在其中环形地分布(例如，可周向地流动)。随着凹部394和混合通道396填充有护罩气体流101，那么更均匀分布的流通过喷嘴冲击表面398可向下游引导并且通过护罩穿孔314离开护罩气体流通道175以环绕等离子弧。在一些情况下，排出混合通道的护罩气体流环绕着喷嘴大体上均匀地环形地分布。
流分布系统380通常布置于靠近护罩穿孔(例如，喷口)314的远端(例如，焊炬的顶端)附近，以环绕着该护罩来分布气体流，帮助产生更均匀的、离开护罩穿孔314的护罩气体流。为帮助限制护罩或喷嘴的其它流特征的影响，流分布系统380通常被布置成比大多数(例如，所有)的其它流改变特征更靠近于护罩穿孔314。例如，在一些实施例中，流分布系统380(即，以及因此护罩和喷嘴上与流分布系统380关联的相关特征)通常被布置于护罩穿孔314和护罩通气端口(例如，计量孔)362之间以限制不一致流动，该不一致流动可由气体通过通气端口362逸出护罩气体流通道175而造成。此外，在焊炬还包括混合通道322的实施例中，混合区域396通常被布置于护罩穿孔(例如，喷口)314和混合通道322之间。
虽然上文相对于图5所描述的特征已主要地描述为，提供流分布以形成更均匀流，但是这些特征也可提供增加的冷却能力。例如，随着从护罩的内表面延伸出来的流特征的引导，进入喷嘴的外表面上的凹部特征中的气体流可冷却该喷嘴，至少部分地因为该凹部特征内所产生的循环紊流。
在其它方面，使用于焊炬内的喷嘴可经尺寸调整、成比例缩放和构造成，单独地或结合本文所讨论的任何冷却系统或技术而具有增加的冷却能力。特别地，喷嘴可经设计、成比例缩放和构造成，相对于喷嘴的其余部分，顶端具有增加的质量体积比。即，喷嘴在其远侧顶端(例如，环绕穿孔或穿孔附近)可具有更高的质量集中度，对于气冷焊炬实施例而言，这可帮助促进喷嘴的传导冷却。特别地，在远侧顶端或喷嘴处增加的材料质量，尤其远离纵向轴径向地延伸的材料增加可提供更大的热传递路径，热量通过该热传递路径可在该喷嘴内向外行进并远离焊炬顶端。需要额外的热传导流面积来防止高电流(例如，大于100安培)焊炬的风冷焊炬的过早失效，增加耗材或切割寿命，和维持高速下的高切割品质，这些可基于更好的冷却特性来实现。
例如，在一些实施例中，喷嘴可具有纵向更短的近端高度、更宽的喷嘴顶端(例如，更大的端面)、更厚的增压腔侧壁，和/或具有更长的穿孔(即，更厚的增压腔底板)，这些可通过提供增加的质量来为冷却带走热量，从而产生更大的冷却效果。
在一些实施例中，参考图6，气体冷却等离子弧焊炬的喷嘴500通常包括主体(例如，大致圆柱形中空主体)502。在一些实施例中，主体502由金属材料制成，诸如铜。主体502具有第一近端504和第二远端506以及纵向轴508，纵向轴508穿过圆柱形主体502大体上在中央延伸。主体502通常由整体呈环形的圆柱形壁(例如，增压腔侧壁)510形成，该壁从限定于第二端506处的基础结构512向上延伸。增压腔侧壁510限定有开口，以容纳组装于焊炬中的电极。增压腔侧壁的宽度(例如，径向宽度)，在文中是指增压腔侧壁厚度511。
基础结构512通常限定出穿孔(例如，圆柱形孔或导管)509，穿孔509在中央形成于增压腔底板516和沿着远端506设置的喷嘴端面518之间。在一些实施例中，增压腔底板516沿着靠近电极接触喷嘴以启动等离子弧位置(例如，接触启动区域)的表面或特征定位。穿孔509通常具有宽度(例如，直径)509A和长度(例如，导管长度)509B，并且经由开口(例如，中央喷嘴喷口)514延伸穿过端面518。如所示，在一些实施例中，穿孔509沿着其一个或多个角落的可包括表面改进，该表面改进包括在其长度的每一端(例如，其近端和/或远端)处的沉孔、倒角、截头锥形区域和/或圆角。在一些情况下，穿孔509在每一端具有倒角或沉孔。额外地或替代地，穿孔509的宽度可沿其长度变化，或甚至沿其长度具有不均一的形状。
增压腔底板516和端面518之间的距离在本文中是指增压腔底板厚度(例如，远侧部长度)517。穿孔长度509B通常对应于(例如，可等于)增压腔底板厚度517。在一些情况下，表面改进，诸如沉孔、角度特征、倒角或圆角，可包括在增压腔底板厚度517中。增压腔底板516和近端504之间的距离在本文中是指近端长度515。在使用过程中，等离子气体可流动穿过穿孔，并且可在喷口514处从喷嘴排出。
近端504通常形成为并被构造成配合焊炬的一个或多个特征或部件。例如，在一些实施例中，喷嘴近端504可被构造成与布置于该焊炬内的涡流环相配合。
在一些实施例中，喷嘴具有喷嘴主体长度520，由其喷嘴部限定(即，如图6中所示可包括的凸缘部被排除在外)，并且在垂直于(横交于)纵向轴和长度的方向上具有喷嘴宽度522。即，喷嘴长度520可包括近端长度515和远侧部长度517，但不包括与附加凸缘相关联的长度(例如，下文所讨论的喷嘴主体凸缘530)，这些附加凸缘可被布置成用于安装喷嘴。
喷嘴在近端也可包括主体凸缘530，主体凸缘530可用于定位喷嘴或用于实施各种冷却特征和技术。在一些实施例中，近端长度515A包括增压腔底板516与包含凸缘530在内的喷嘴端部之间的距离。因此，喷嘴主体总长度524可由从喷嘴主体凸缘530的近端至端面518的距离限定。在一些实施例中，喷嘴可被设计成使得该喷嘴的总喷嘴主体长度524大于喷嘴主体长度520。在一些实施例中，主体凸缘(例如，凸缘530)可在喷嘴增压腔上方延伸。在一些实施例中，主体凸缘(例如，凸缘530)可在喷嘴增压腔上方延伸一段较小的百分比(例如，约5％至约40％)。在一些实施例中，主体凸缘(例如，凸缘530)可在喷嘴增压腔上方延伸约0.05至约0.5英寸。
如上文所讨论，喷嘴可具有特定尺寸和比例，这些尺寸和比例被设计成和预期用于产生增加的冷却能力。例如，喷嘴主体通常具有大于其喷嘴主体宽度522的喷嘴主体长度520，并且其中近端长度515A与增压腔底板厚度517之比小于约2(例如，小于约1.4)。在一些实施例中，第二近侧部504的长度(例如，至少部分由近端长度515A限定)与导管长度509B之比小于约2(例如，小于约1.4)。这些比例预期用于允许更大的热量通过喷嘴(例如)向外(例如，远离穿孔509)和向上(例如，远离其端面518)传递。
其它等离子焊炬喷嘴，例如，先前由新罕布什尔州汉诺威的海别得公司(Hypertherm of Hanover,N.H.)所制造的喷嘴，其尺寸和比例已经过调整，使得其近端长度与增压腔底板厚度(或穿孔长度)之比大于2。例如，一个此类喷嘴(即，被标为零件号2-014的40安培喷嘴)的近端长度与穿孔长度之比为约2.98。类似地，另一个喷嘴(即，被标为零件号3-007的0.059喷嘴)的近端长度与穿孔长度之比为约2.44。
在一些实施例中，穿孔509B的长度与喷嘴主体长度524之比大于约0.25(例如，大于0.30、大于0.32或大于0.35)。具有这些比例的喷嘴，其穿孔长度(例如，509B)和因此在一些情况下远侧部长度的厚度与喷嘴主体长度(例如，喷嘴主体长度520或喷嘴主体长度524)相比是较大的，从而可具有集中在远端处的增加质量，这可有助于增加冷却效果。即，布置于远端处的材料的增加量预期用于提供更大的热传导性，通过该热传导性可传递热量远离顶端以进行冷却。
在一些实施例中，导管长度(例如，穿孔长度)509B与喷嘴主体长度524之比大于约0.25(例如，大于0.30、大于0.32或大于0.35)的喷嘴也可被构造成，允许以大于约170安培/英寸的电流与喷嘴主体长度524之比来操作。
其它等离子焊炬喷嘴，例如先前由新罕布什尔州汉诺威的海别得公司(Hypertherm of Hanover,N.H.)所制造的喷嘴，其尺寸和比例已经过调整，以使得其导管(或穿孔)长度与喷嘴主体长度之比处于该范围的低端。例如，一个此类喷嘴(即，被标识为零件号2-014的40安培喷嘴，参考上文)的导管(或穿孔)长度与喷嘴主体长度之比为约0.25。类似地，另一个喷嘴(即，被标识为零件号3-007的0.059喷嘴，参考上文)的导管(或穿孔)长度与喷嘴主体长度之比为约0.29。
喷嘴(例如，喷嘴500)可包括上文相对于图2至图5所讨论的特征或元件中的一个或多个，这些特征或元件可实施以进一步增加该喷嘴的冷却能力。例如，在一些实施例中，凸缘530可包括冷却流通道(例如，大体上类似于上文所描述的气体通道216)。此外，喷嘴(例如，凸缘530和/或增压腔侧壁510)可包括入口通路和出口通路，这些通路用于将气体流提供至该流通道或从该流通道提供气体流，如相对于图2所描述的。
在一些实施例中，增压腔的侧壁厚度(例如，增压腔侧壁厚度511)在该增压腔的内径和该增压腔的外径之间，并且该增压腔侧壁厚度与喷嘴主体宽度(例如，喷嘴主体宽度522)之比为约0.15至约0.19。
虽然喷嘴500已说明并描述为具有特定设计和特征，但是其它构造是可能的。即，在不脱离本文相对于图6所描述的基本尺寸和比例以及提供增加的冷却性质的情况下，喷嘴可包括如上文相对于图2至图5所描述的流特征和元件中的一个或多个。
虽然本文已描述了系统和方法的某些实施例和构造，但是其它构造是可能的。也就是说，所描述的各种冷却和流分布系统和装置(包括气体通道216(和相关通路和表面)、喷嘴冷却系统310、喷嘴护罩冷却系统320、流分布系统380、以及具有如相对于图6中所示实例所述尺寸的成比例喷嘴500)可以这些系统和特征的一个或多个的任意组合在焊炬系统内实施。在一些实例中，焊炬系统可包括气体通道216(和相关通路和表面)、喷嘴冷却系统310、喷嘴护罩冷却系统320、流分布系统380，和/或具有图6比例尺寸的喷嘴。
虽然本文中已经描述了各种实施例，但是应理解，它们已仅通过举例的方式提出和描述，并且不将随之提出的权利要求限制于任何具体构造或结构部件。因此，优选实施例的广度和范围不应由任何上述示例性结构或实施例进行限制，而应仅根据所附权利要求书和其等同物进行限定。其它实施例属于所附权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种用于气体冷却等离子弧焊炬的喷嘴，所述喷嘴包括：
喷嘴主体，所述喷嘴主体具有近端和远端，所述近端和远端界定出喷嘴主体长度和纵向轴，所述主体包括：
喷口，所述喷口由所述喷嘴主体的所述远端界定；
所述喷嘴主体内的增压腔，所述增压腔从所述喷嘴主体的所述近端延伸至增压腔底板，从所述增压腔底板至所述远端的距离限定了增压腔底板厚度，并且从所述增压腔底板至所述喷嘴主体的所述近端的距离限定了近端高度；和
穿孔，所述穿孔从所述增压腔底板延伸至所述喷口，所述穿孔具有穿孔长度和穿孔宽度，
其中所述喷嘴主体在与所述纵向轴横交的方向上具有喷嘴宽度，其中所述喷嘴主体长度大于所述喷嘴宽度，并且其中所述近端高度与所述增压腔底板厚度之比小于2.0。
2.根据权利要求1所述的喷嘴，所述喷嘴在所述喷嘴主体的所述近端还包括主体凸缘，所述喷嘴的总长度由从所述喷嘴主体凸缘的近端至所述喷嘴的所述远端处的端面的距离限定，以使得所述喷嘴的所述总长度大于所述喷嘴主体长度。
3.根据权利要求2所述的喷嘴，其中所述主体凸缘在所述喷嘴增压腔上方延伸约0.05至约0.5英寸。
4.根据权利要求2所述的喷嘴，其中所述近端高度包括所述主体凸缘。
5.根据权利要求1所述的喷嘴，其中所述穿孔的所述长度对应于所述增压腔底板厚度。
6.一种用于空气冷却等离子弧焊炬的喷嘴，所述喷嘴被构造成以大于100安培操作，所述喷嘴包括：
喷嘴主体，所述喷嘴主体具有界定有导管的远侧部，所述导管大体上与所述喷嘴主体的纵向轴对齐，所述导管具有导管长度并成形为引导等离子气体流；和
近侧部，所述近侧部联接至所述远侧部并具有近侧部长度，所述近侧部界定出流体地连接至所述导管的增压腔，
其中所述近侧部的长度与所述导管长度之比小于约2.0，并且其中所述喷嘴被构造成允许以大于约170安培/英寸的电流与喷嘴主体长度之比来操作。
7.根据权利要求6所述的喷嘴，所述喷嘴在所述喷嘴主体的所述近侧部的近端还包括主体凸缘，所述喷嘴的总长度由从所述喷嘴主体凸缘的近端至所述喷嘴的所述远端处的端面的距离限定，以使得所述喷嘴的所述总长度大于所述喷嘴主体长度。
8.根据权利要求6所述的喷嘴，其中所述喷嘴的所述主体凸缘还包括流通道。
9.根据权利要求6所述的喷嘴，其中所述导管长度对应于增压腔底板厚度。
10.根据权利要求6所述的喷嘴，其中所述导管包括倒角或沉孔。
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