CN105382387A - 用于等离子切割炬的多部件电极及包括该电极的切割炬 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方案针对等离子弧切割炬和用于所述切割炬的电极组件。所述电极组件包括高热离子发射嵌入件以及高导热和高功函数的壳，所述嵌入件嵌入所述壳中。所述壳在操作过程中帮助冷却所述嵌入件，并且还具有确保所述壳在所述电极组件的制造过程中保持在恰当位置的设计。

Description

用于等离子切割炬的多部件电极及包括该电极的切割炬

技术领域

符合本发明的设备、系统和方法涉及切割，更具体地，涉及与等离子弧切割炬及其部件(包括用于等离子弧切割炬的多部件电极)相关的设备、系统及方法。

技术背景

在许多切割、喷涂和焊接操作中，等离子电弧炬得到利用。通过这些炬，等离子气体射流被以高温发射进入环境空气中。射流从喷嘴中发射出来，并且当其离开喷嘴时，射流高度欠膨胀且非常集中。然而，由于与电离的等离子射流相关联的高温，炬的许多部件易遭受故障。这种故障可以显著地干扰炬的操作，并且在切割操作的开始妨碍恰当的电弧点火。除了铪嵌入件外，一些炬还利用具有嵌入件的电极，以试图解决这些问题。美国专利No.5097111公开了一个这种例子，其全部公开内容通过引用被并入本文。这项专利解释了电极之内的附加嵌入件的使用。然而，这一解决方案依然没有减轻前面探讨的故障问题。

通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺点将会变得明显。

发明内容

该发明的示例性实施方案是一种电极组件以及包含该电极组件的等离子炬，其中该电极组件包含发射嵌入件以及围绕该嵌入件的壳。所述壳由高导热材料和高功函数材料制成，以帮助冷却该嵌入件并且防止从该嵌入体到该电极本体的弧跳。所述壳也包含至少一个在其外表面上的槽，以确保所述壳在所述电极本体之内。

附图简要说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：

图1是本发明的示例性多部件电极的图示表征；

图2是图1的电极的一部分的图示表征；

图3是根据本发明的实施方案的示例性电极嵌入件的图示表征；

图4是利用图1的电极的示例性等离子电弧切割炬的图示表征；以及

图5是本发明的进一步的实施方案的图示表征。

详细描述

现在详细参照不同的可选择的示例性实施方案和附图，其中相似的数字代表基本上相同的结构要素。每一个实施例都以解释说明的方式被提供，而不是作为限制。事实上，对本领域的技术人员而言，在不背离该说明书和权利要求的范围和精神的情况下做出修改和变化是明晰的。例如，图示的或描述的作为一个实施方案的一部分的特征，可能被用在另一个实施方案上以产生更进一步的实施方案。因此，本说明书意在包括在所附的权利要求书及其等同内容的范围内的修改和变化。

本说明书总地涉及对空气和液体两者冷却的等离子电弧炬的有用的各种切割、焊接和喷涂操作。这些炬的构造和操作是一般地已知的，并且因此其详细构造和操作这里不再讨论。进一步地，本发明的实施方案可以被用于手持的或机械化的等离子切割操作。应当注意的是，为了简洁清晰的目的，下面的讨论将针对本发明的这样的示例性实施方案，所述实施方案是被液体冷却的并且可以被用于机械化和手持的切割操作两者。然而，本发明的实施方案不限于这方面，并且本发明的实施方案可以在不背离本发明的精神和范围的情况下用于其他类型的焊接和喷涂炬。进一步地，如果需要，炬的多种类型和尺寸可能处于变化的功率水平。这里描述的炬和部件可以被用于标记、切割或金属去除。此外，本发明的示例性实施方案可以与变化的电流和变化的功率水平一起使用。可以与本发明的实施方案一起使用的类型的冷却系统的构造和利用是已知的，并且不需要在此详细讨论。

现在转向图1，描述了本发明的示例性电极100。等离子切割电极的使用和构造是一般地已知的，并且这些细节不需要在此讨论。如图所示，电极100具有电极本体101，其典型地由铜或其他高导热材料(诸如银、金、镍等)构成。该电极100包括冷却腔107，在其中冷却介质可以被引导来帮助冷却电极100。在电极100的远侧端，在腔107之内，突伸部109延伸进入腔107，其中突伸部109从腔107的远侧端表面111延伸出来。如下面要进一步讨论的，突伸部109容纳嵌入件103的一部分并且增加电极100的腔107之内的表面冷却面积。

如上面提到的，电极100包括高热离子发射嵌入件103。在切割期间，等离子射流从这个嵌入件中发射出。通常这个嵌入件103由铪制成，但其他诸如锆和钨(和其他类似材料)等材料也可以使用。典型地，电极100的可使用寿命取决于嵌入件103的可使用寿命，嵌入件103在操作期间易于腐蚀。进一步地，如果嵌入件103和电极本体101的冷却不是最佳，对嵌入件103的腐蚀可能被加速。另外，产生的等离子射流可能具有从嵌入件103跳出并且与电极本体101的远侧端接触的趋势。这可能引起对电极本体101的损坏并且加速其故障。

因此，本发明的实施方案利用嵌入电极本体101的远侧端的壳型嵌入件105，其中嵌入件103被嵌入壳105的腔中。在本发明的示例性实施方案中，壳105由诸如银等高热传递/高功函数材料制成。通过具有高热传递率，壳105帮助优化嵌入件103的冷却，并且通过具有功函数，壳105帮助防止等离子射流在嵌入件103的末端与铜电极本体101之间形成电弧。因此，本发明的实施方案已经相对已知电极体提高了工作寿命。

图2描绘了上面描述的电极100的远侧端的更近视图。如图所示，壳105被固定在形成于电极100的远侧端的腔108中，以致壳105的远侧端表面和本体101是一般地共面的。壳105具有延伸进入电极本体101的突伸部109的突伸部104，并且具有主体部106，该主体部106具有比突伸部104大的直径d。突伸部和主体部两者具有一般地为圆柱状的外形。该主体部106如图中所示向外延伸，以致其直径d接近腔107的内直径d'。

应当注意的是，本发明的实施方案可以与电流和功率水平广泛变化的切割炬和切割系统一起使用。也就是说，本发明的实施方案可以被用于从低于100安培到高于400安培的切割系统。然而，由于在不同电流水平操作时对于消耗品的不同要求，本文讨论的部件中的一些的尺寸关系可以被优化以用于不同的电流水平。因此，对于一些此处讨论的物理关系，示例性的关系将在下面被一般地讨论。然而，如后面所示，更具体的用于不同电流水平的尺寸关系在表中被示出。

现在转向一些示例性尺寸关系，在示例性实施方案中，直径d在腔107的直径d'的90％至110％范围内。在其他实施方案中，直径d在腔107的直径d'的90％至100％范围内。另外，如图所示，主体部106的直径d是这样，以致电极100的表面区域的远侧面主要是壳105。例如，在本发明的示例性实施方案中，主体部106的直径d在电极100的远侧面112的直径D的80％至98％范围内，其中远侧面112是电极100的圆形平坦面。在其他示例性实施方案中，直径d在面112的直径D的85％至90％范围内。通过具有在电极远侧端面的更大直径的壳105，实施方案帮助防止电弧在嵌入件103与电极本体101之间跳跃。已知的电极不具有有如此大的相对直径的壳。

另外，如图所示，壳主体部106具有比已知电极配置厚得多的厚度t。也就是说，该主体部具有在厚度T的75％至95％范围内的厚度t——其从电极100的远侧面112测量到腔表面111。在其他示例性实施方案中，厚度t在79％至90％范围内。通过使用如此的大厚度，壳的总体积被优化，这优化了壳的热传导和电弧的稳定性。因此，获得了相对已知电极的工作寿命改进。

当装配/制造电极100的示例性实施方案时，嵌入件103被嵌入壳105中的腔305(见图3)中，并且壳105被嵌入电极本体101中的腔108中。然后径向引导的压缩力在远侧端被施加在电极本体101的侧面上，以致壳105和嵌入件103被压接在电极本体101中，并且被这种压接力保持就位。施加径向压接力以致电极本体101在压接力位置的外直径减小约3％至8％。

图3描绘本发明的壳105的示例性实施方案。如图所示，壳105的示例性实施方案具有在主体部106的外表面周围的若干个槽310。槽310帮助将壳106固定在电极本体101的腔108中，还帮助在壳105与电极本体101之间的热传导。如上面所描述的，在示例性实施方案中，壳105被压接在电极本体101中。这种压接操作由足够的力完成，以致电极本体内的任何具有已知配置的嵌入件/部件在制造过程中都有被挤压出电极本体的趋势。本发明的实施方案通过使用槽310来防止这个问题。也就是说，槽310与腔108的内壁接合，以致槽310帮助防止壳105在电极100的装配过程中被挤压出腔108。进一步地，槽310增加主体部106的总的表面面积。当电极本体101被压接在壳105上时，电极本体101的材料被压入槽310中。在一些实施方案中，所述压缩是这样的，以致在槽310处，在壳105与电极本体101之间没有空间剩余。当电极本体101的材料被压入槽310中时，这增加在壳105与电极本体101之间的整体表面接触。这增加接触表面面积，这因此增加在壳105与电极本体101之间的热传导，并因此帮助改进电极100的使用寿命。

在示例性实施方案中，槽310是分开的槽，所述槽基本上是围绕壳105的环形。然而，槽310不需要以这种方式被限定。例如，槽310可以是单螺旋或螺纹型槽。进一步地，其他槽配置可以在不背离本发明的精神或范围的情况下被使用。例如，槽310不需要是完全同心的，相反，槽可以是表面壳105上多个凹陷或缺口，所述凹陷或缺口仍然可以获得上述期望的功能。本发明的实施方案还可以针对槽310使用不同的截面形状。例如，槽310可以是V形、U形等。此外，在一些实施方案中，槽310可以具有相同的尺寸(深度、宽度等)，而在另外的示例性实施方案中，槽310的形状/尺寸可以变化。例如，在一些示例性实施方案中，离电极的远侧端最近的槽310可以比离该远侧端最远的槽310更深/更大。其他变化的配置可以在不背离本发明的精神或范围的情况下被使用。进一步地，应当注意的是，尽管以上讨论以“槽(复数grooves)”作为参照，但应当理解以上内容等同地适用于使用单个的、螺旋的槽310的实施方案，其中这样的槽可以具有沿其长度的不同的形状/尺寸。

在本发明的示例性实施方案中，壳105包含1至12个位于外表面上的分开的槽310。在进一步的示例性实施方案中，壳105包含4至10个分开的槽310。还应该注意的是，尽管图3的实施方案在壳105的表面上描绘槽310，在壳105的表面上可以形成多个凸起以获得上面讨论的益处。

在本发明的实施方案中，槽310具有在0.004"至0.012"范围内的深度。在进一步的示例性实施方案中，槽310具有在0.005"至0.008"范围内的深度。当然，其他的槽深度可以被使用，然而，如果槽深度太浅，则槽有可能无法提供上述的夹紧效用，或者如果槽深度太深，则电极本体101的铜可能无法在压接阶段中充分穿入槽中，并且可能留下空隙。在一些示例性实施方案中，全部槽310都具有相同的深度，而在另外的示例性实施方案中，槽的深度可以变化。

如图3所示，壳也可以包含如图所示的在主体部106的内部边缘上的倾斜的或成形的角部311。此角部311可以是倾斜的或圆形的。

此外，在本发明的示例性实施方案中，突伸部104具有在总高度H的55％至80％范围内的高度h。在另外的示例性实施方案中，高度h在60％至75％的范围内。进一步地，该壳的突伸部104的直径d"在该壳的总直径d的33％至60％范围内。在进一步的示例性实施方案中，直径d"在直径d的38％至50％范围内。采用这些整体尺寸，壳105的体积和整体性被优化，同时也确保将嵌入件103与电极本体101之间的电弧跳跃的可能性最小化。

进一步地，在本发明的示例性实施方案中，电极本体101由无氧的高导热率的铜制成。这样的铜合金典型地是重量不超过0.0005％的低含氧量的99.99％纯铜。如此的铜合金的实施例是C10100。此合金的铜提供期望的热传导特性，但也易于机加工和压接——以致于与壳中的槽一起被压接。

现在转向图4，示出应用本发明的示例性电极100的炬组件400。如前面提到的，炬400可以是已知的等离子电弧切割炬的任何类型，但不限于空气冷却、液体冷却、接触启动、非接触启动、高电流、低电流、手持的和/或机械化。本发明的实施方案不限于这方面。进一步地，由于这样的炬的一般构造和操作是已知的，这些细节不需要在此讨论。如图4所示，示例性炬400可以包括在此讨论的炬组件100，以及诸如防护帽415、喷嘴413、涡流环411、阴极体403等部件，电极100被固定到这些部件——通常通过电极组件100上的螺纹。炬也可以包括诸如隔离器结构409和固定帽组件417a-417c的部件，固定帽组件417a-417c帮助固定防护帽415和喷嘴413到炬400。如一般地所理解的，嵌入件103发射等离子射流/电弧，等离子射流/电弧穿过喷嘴413中的开口离开，之后穿过防护帽415中的开口出去。进一步地，保护气体可以被提供给该炬，保护气体之后从喷嘴413和防护帽415之间通过，以同样穿过在防护帽415的远侧端的开口被射出。

使用示例性电极组件100的炬组件400的操作与已知的炬的操作没有不同。然而，由于上面讨论的属性，电极组件100将具有比已知的电极更长的寿命，并且更易于以高水平的一致性来制造。因此，本发明的实施方案相对已知电极提供显著的改进。

在一些示例性实施方案中，例如与低电流切割操作一起使用的那些，壳不需要具有台阶设计。例如，如图5所示，示出本发明的电极500的进一步的示例性实施方案。如图所示，在这个实施方案中，壳505具有一般地为圆柱形的外形，并且不具有前面实施方案中示出的台阶。槽510如前面讨论地被用于壳505的外壁上。进一步地，如上述实施方案一样，嵌入件503被安置于壳505之内，壳505被插入本体501中，并且该本体被压接在壳505上，以致主体501的合金流入槽510中。相似地，本体501如上述讨论具有用于冷却的腔507。如此的实施方案可以被用于具有一般地低电流水平的操作中。例如，这个实施方案可以被用于使用100安培或更低的切割电流的实施方案中。

如前面讨论的，在此讨论的许多尺寸关系可以被优化用于不同的操作电流水平。这被反映在下面，其中下面的表格表征示例性实施方案。

关系	100A和更低	100A至400A	400A和以上
				d/d'	0.2至0.3	0.9至1.1	0.9至1.1
d/D	0.6至0.75	0.8至0.98	0.8至0.98
				t/T	0至0.5	0.75至0.9	0.8至0.95
h/H	0.5至1	0.65至0.8	0.55至0.7
				d"/d	0.75至1	0.35至0.6	0.33至0.6

此外，下面的表格表征进一步的示例性实施方案，其中公开的尺寸关系被进一步优化以提供相对已知的等离子炬显著地改进的性能。

关系	100A和更低	100A至400A	400A和以上
				d/d'	0.2至0.25	0.9至0.98	0.95至1
d/D	0.65至0.7	0.85至0.9	0.85至0.9
				t/T	0至0.3	0.79至0.85	0.85至0.9
h/H	0.75至1	0.7至0.75	0.6至0.65
				d"/d	0.85至1	0.4至0.5	0.38至0.45

通过使用上述的尺寸关系，伴随着在此描述的槽及其组合一起，可以获得相对已知炬改进的冷却和切割性能。

尽管已经参照某些实施方案描述了本申请所要求保护的主题，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离所要求保护的主题的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于所要求保护的主题的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将所要求保护的主题限于所公开的特定实施方案，而是意图所要求保护的主题将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.一种切割电极组件，所述电极组件包括：

电极本体，所述电极本体具有冷却腔和安置于所述电极本体的远侧端的第二腔；

导热壳，所述导热壳插入所述第二腔中，其中所述导热壳具有外壁表面和具有在所述导热壳的远侧端的开口的壳腔；以及

热离子发射嵌入件，所述热离子发射嵌入件安置于所述壳腔内，

其中，所述外壁表面具有多个与所述电极本体的所述第二腔接合的槽，以致构成所述电极本体的材料的至少一部分嵌入所述多个槽中。

2.如权利要求1所述的电极组件，其中所述导热壳具有第一部分和第二部分，并且所述外壁表面对应于所述第一部分，所述第二部分具有直径比所述第一部分小的第二外壁表面。

3.如权利要求1所述的电极组件，其中所述槽具有在0.04英寸至0.12英寸范围内的深度。

4.如权利要求1所述的电极组件，其中所述槽具有在0.005英寸至0.008英寸范围内的深度。

5.如权利要求1所述的电极组件，其中所述导热壳是由银制成的。

6.如权利要求2所述的电极组件，其中所述外壁表面的外直径在所述冷却腔的内直径的90％至110％范围之内。

7.如权利要求2所述的电极组件，其中所述电极本体的所述远侧端具有直径为D的平坦表面，并且其中外壁表面具有直径d，以致d在所述直径D的80％至98％范围内。

8.如权利要求2所述的电极组件，其中所述外壁表面的外直径在所述冷却腔的内直径的90％至110％范围之内，

其中，所述电极本体的所述远侧端具有直径为D的平坦表面，并且其中所述外壁表面具有直径d，以致d在所述直径D的80％至98％范围内，

其中，所述冷却腔具有远侧端表面，并且在所述冷却腔的所述远侧端表面与所述电极本体之间的距离具有在所述冷却腔远侧端表面与所述电极本体的远侧端之间的厚度T，并且所述壳的所述第一部分的厚度t在所述厚度T的75％至90％范围内，

其中，所述壳的所述第二部分具有高度h，以致所述高度h在所述壳的总高度H的65％至80％范围内，

其中，所述第二部分具有外直径d"，以致所述外直径d"在所述直径d的35％至60％范围内，并且

其中，所述电极组件用于具有在100安培至400安培范围内的切割电流的切割操作。

9.如权利要求2所述的电极组件，其中所述外壁表面的外直径在所述冷却腔的内直径的90％至98％范围之内，

其中，所述电极本体的所述远侧端具有直径为D的平坦表面，并且其中外壁表面具有直径d，以致d在所述直径D的85％至90％范围内，

其中，所述冷却腔具有远侧端表面，并且在所述冷却腔的所述远侧端表面与所述电极本体之间的距离具有在所述冷却腔远侧端表面与所述电极本体的远侧端之间的厚度T，并且所述壳的所述第一部分的厚度t在所述厚度T的79％至85％范围内，

其中，所述壳的所述第二部分具有高度h，以致所述高度h在所述壳的总高度H的70％至75％范围内，

其中，所述第二部分具有外直径d"，以致所述外直径d"在所述直径d的40％至50％范围内，并且

其中，所述电极组件用于具有在100安培至400安培范围内的切割电流的切割操作。

10.如权利要求2所述的电极组件，其中所述外壁表面的外直径在所述冷却腔的内直径的90％至110％范围之内，

其中，所述电极本体的所述远侧端具有直径D的平坦表面，并且其中所述外壁表面具有直径d，以致d在所述直径D的80％至98％范围内，

其中，所述冷却腔具有远侧端表面，并且在所述冷却腔的所述远侧端表面与所述电极本体之间的距离具有在所述冷却腔远侧端表面与所述电极本体的远侧端之间的厚度T，并且所述壳的所述第一部分的厚度t在所述厚度T的80％至95％范围内，

其中，所述壳的所述第二部分具有高度h，以致所述高度h在所述壳的总高度H的55％至70％范围内，

其中，所述第二部分具有外直径d"，以致所述外直径d"在所述直径d的33％至60％范围内，并且

其中，所述电极组件用于具有400安培或更高的切割电流的切割操作。

11.如权利要求2所述的电极组件，其中所述外壁表面的外直径在所述冷却腔的内直径的95％至100％范围之内，

其中，所述电极本体的所述远侧端具有直径为D的平坦表面，并且其中所述外壁表面具有直径d，以致d在所述直径D的85％至90％范围内，

其中，所述冷却腔具有远侧端表面，并且在所述冷却腔的所述远侧端表面与所述电极本体之间的距离具有在所述冷却腔远侧端表面与所述电极本体的远侧端之间的厚度T，并且所述壳的所述第一部分的厚度t在所述厚度T的85％至90％范围内，

其中，所述壳的所述第二部分具有高度h，以致所述高度h在所述壳的总高度H的60％至65％范围内，

其中，所述第二部分具有外直径d"，以致所述外直径d"在所述直径d的38％至45％范围内，并且

其中，所述电极组件用于具有400安培或更高的切割电流的切割操作。

12.一种切割炬，所述切割炬包括：

电极组件，其中所述电极组件包括：

电极本体，所述电极本体具有冷却腔和安置于所述电极本体的远侧端的第二腔；

导热壳，所述导热壳插入所述第二腔中，其中所述导热壳具有外壁表面和具有在所述导热壳的远侧端的开口的壳腔；以及

热离子发射嵌入件，所述热离子发射嵌入件安置于所述壳腔内，

其中，所述外壁表面具有多个与所述电极本体的所述第二腔接合的槽，以致构成所述电极本体的材料的至少一部分嵌入所述多个槽中。

13.如权利要求12所述的切割炬，其中所述导热壳具有第一部分和第二部分，并且所述外壁表面相当于所述第一部分，所述第二部分具有直径比所述第一部分小的第二外壁表面。

14.如权利要求12所述的切割炬，其中所述槽具有在0.04英寸至0.12英寸范围内的深度。

15.如权利要求12所述的切割炬，其中所述槽具有在0.005英寸至0.008英寸范围内的深度。

16.如权利要求12所述的切割炬，其中所述导热壳是由银制成的。

17.如权利要求13所述的切割炬，其中所述外壁表面的外直径在所述冷却腔的内直径的90％至110％范围之内。

18.如权利要求13所述的切割炬，其中所述电极本体的所述远侧端具有直径为D的平坦表面，并且其中外壁表面具有直径d，以致d在所述直径D的80％至98％范围内。

19.一种制作切割电极组件的方法，所述方法包括：

提供电极本体，所述电极本体具有冷却腔和安置在所述电极本体远侧端的第二腔；

提供导热壳，其中所述导热壳具有外壁表面和具有在所述导热壳的远侧端的开口的壳腔，并且其中所述外壁表面提供有多个槽；

将热离子发射嵌入件嵌入所述壳腔中；

将具有所述热离子发射嵌入件的所述壳嵌入所述电极本体的所述第二腔中，以及

提供作用在所述电极本体的外部上的径向内压力，以便减小所述电极本体的外直径并且导致所述电极本体的至少一些完全进入所述外壁表面上的所述多个槽中。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述槽具有在0.005英寸至0.008英寸范围内的深度。