CN105532077A - 用于固定等离子体焊炬电极的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于等离子体电弧焊炬的电极，其包含由导电材料形成的大体柱形的细长主体。细长主体包含连接到电源的近端底部和接收发射元件的远端端部。电极可以包含凸缘，凸缘围绕相对于细长主体的远端端部的表面被设置并从细长主体的表面径向地延伸，并且凸缘被用于围绕细长主体的远端端部建立等离子体气流的均匀气流分布。电极可以包含与电极的近端端部电连通的接触元件。接触元件包含底座部分，底座部分具有大于电极主体的最外层直径的外部宽度并且被配置成将接触元件定位在等离子体电弧焊炬内。

Description

用于固定等离子体焊炬电极的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于等离子体电弧焊炬电极的改进特征和用于促进在等离子体电弧焊炬中的对称等离子体气流以及在等离子体电弧焊炬内对准电极的方法。

背景技术

材料加工装置，比如焊炬系统（例如，等离子体焊炬系统）和激光广泛地用于通常被称为工件的材料的焊接、切割和标记。典型的等离子体焊炬系统可以包含具有安置在焊炬主体内的中心出口孔的喷嘴和电极、电连接、用于冷却的通道、用于电弧控制流体（例如，等离子体气体）的通道和电源这样的元件。

可以以各种方式生成等离子体电弧。例如，通过各种接触启动式方法中的任一种可以在电极和喷嘴之间生成电弧。接触启动式方法常常涉及在电极和碰嘴之间建立物理接触和/或电连通，并且在这两个元件（电极和喷嘴）之间创建电流路径。

电极和喷嘴常常被布置成使得它们在所述焊炬主体内创建气体腔。所述腔常常被布置成使得其能够接收压缩气体（等离子体气体）。在腔内的气体压力可以增大直到其达到一点，在该点处，气体压力足以分离电极和喷嘴之间的接触。此分离引起等离子体电弧在等离子体腔中的电极（阴极）和喷嘴（阳极）之间形成。

通常，等离子体电弧包含具有高温和高动量的气体的受限电离喷射。所述电弧电离等离子体气体以产生等离子体喷射，其可被转移到工件以进行材料加工。

材料加工设备（例如，等离子体电弧焊炬）的某些部件会由于使用随时间的推移而劣化。这些部件通常称为“消耗品”。典型的焊炬消耗品可以包含电极、涡流环、喷嘴和护罩。

此外，在启动等离子体电弧焊炬的过程中，所述消耗品可能变得未对准。这样的未对准可以缩短焊炬消耗品的预期寿命并且降低等离子体喷射位置的精度和可重复性。尽管这些可消耗部件可在现场被容易地替换，但是替换可消耗部件可能导致停工时间及降低的生产力。因此，电极在等离子体电弧焊炬内的恰当对准对于确保合理的可消耗寿命和切割精度是必要的。

进一步地，等离子体气流图案中的不一致可以通过降低焊炬切割速度和可消耗品预期寿命不利地影响焊炬性能。因此，维持对称的等离子体图案对实现合理的等离子体切割性能是重要的。

发明内容

在此描述的一些实施例涉及获得改进的焊炬性能以及通过利用促进等离子体气体的均匀气流分布的电极特征实现可消耗品预期寿命。

在一个方面中，用于等离子体电弧焊炬的电极包含大体柱形的细长主体、流动通道和凸缘。所述电极主体由导电材料形成并且包含近端端部和远端端部。所述电极主体的所述远端端部可包含发射插入物。所述流动通道围绕相对于所述细长主体的所述近端端部的第一表面被设置并且被布置成引导冷却气流围绕所述细长主体的所述第一表面。所述凸缘被设置在所述流动通道和所述细长主体的所述远端端部之间。所述凸缘从所述细长主体的第二表面径向地延伸并且被配置成围绕所述细长主体的所述远端端部建立等离子体气流的基本对称的气流分布。

在另一个方面中，用于等离子体电弧焊炬的电极可以包含由导电材料形成的大体柱形的细长主体、螺旋流动通道和径向延伸部。所述细长主体包含连接到的所述等离子体电弧焊炬的电源的前端端部和接收发射元件的后端端部。所述螺旋流动通道围绕相对于所述细长主体的所述前端端部的第一表面设置并且被配置成围绕所述细长主体的所述第一表面运送冷却气流。所述径向延伸部被设置在定位在所述螺旋流动通道和所述细长主体的所述后端端部之间的所述细长主体的第二表面上并且被配置成围绕所述细长主体的所述后端端部建立等离子体气流的基本均匀分布。

又在另一个方面中，用于等离子体电弧焊炬的电极可以包含由导电材料形成的大体柱形的细长主体和凸缘。所述细长主体可具有布置成连接到所述等离子体电弧焊炬的电源的近端端部和布置成接收发射元件的远端端部。所述凸缘围绕相对于所述细长主体的所述远端端部的表面设置。所述凸缘可以从所述细长主体的所述表面径向地延伸并且可被配置成围绕所述细长主体的所述远端端部建立等离子体气流的均匀气流分布。

在另一个方面中，描述了一种用于提高在用于等离子体电弧焊炬的电极的远端处的等离子体气流的均匀性的方法。供给气流邻近径向延伸部地被引入，所述径向延伸部被设置在靠近具有发射元件的电极主体的主体的远端端部的远端表面处。所述供给气流被分成等离子体气流和冷却气流。所述冷却气流被引导到流动通道，所述流动通道被设置在所述电极主体的近端表面上并且相对于所述电极主体的近端端部被定位。所述流动通道引导所述冷却气流围绕所述电极的所述近端表面以冷却所述电极的所述近端表面。所述等离子体气体在所述径向延伸部上流过，以将围绕所述电极的所述远端端部的所述等离子体气流的径向对称气流分布从所述冷却气流中分离出来。

在一个方面中，用于等离子体电弧焊炬的电极可以包含具有设置在第一端部和第二端部之间的中心轴线的导电主体和与所述导电主体的所述第一端部电连通的接触元件。所述导电主体是可以在中空焊炬构件内沿所述中心轴线移动，并且所述导电主体的所述第二端部可被配置成接收发射元件。所述接触元件可包含近端端部和远端端部。所述远端部分可被配置成向所述电极的所述导电主体的所述第一端部提供焊炬电流。所述近端端部可包含头部部分，所述头部部分在所述焊炬内从焊炬主体接收焊炬电流。所述接触元件的所述近端端部可以在所述头部部分的外周处具有特征部，所述特征部将所述电极固定在所述中空焊炬构件的端部处。所述接触元件的所述近端端部和所述特征部可以创建一表面，所述表面具有大于所述中空焊炬构件的内直径的直径。

在另一个方面中，用于等离子体电弧焊炬的电极可以包含导电主体和接触元件。所述导电主体可具有最外层直径、第一端部和第二端部。所述导电主体的所述第二端部可被配置成接收发射元件。所述接触元件与所述电极的所述导电主体的所述第一端部电连通并且包含近端端部、底座部分和远端部分。所述近端端部包含头部部分，其包含配置成从所述焊炬接收焊炬电流的焊炬主体接触表面。所述底座部分包含大于所述电极主体的最外层直径的外部宽度并且被配置成将所述接触元件定位在所述等离子体电弧焊炬内。所述远端部分包含配置成与所述电极主体可滑动地接合且向所述导电主体的所述第一端部提供所述焊炬电流的接触表面。

在又另一个方面中，用于等离子体电弧焊炬的涡流环可以包含具有第一端部和第二端部的中空主体。所述中空主体的尺寸可设计成接收用于所述等离子体电弧焊炬的电极。所述中空主体的所述第一端部可以靠近焊炬主体接触表面地被设置并且包含配置成符合所述电极的接触元件的表面并与其接合的嵌套区域以轴向地对准所述接触元件，并且所述中空主体的所述第二端部可以具有邻近所述电极主体的外部表面的内部表面。

在另一个方面中，突出了用于在等离子体电弧焊炬内对准电极的方法。所述电极包含接触元件和细长主体。所述电极可被插入到可替换部件的中空主体的第一端部中，使得所述细长主体延伸到所述中空主体中并且所述接触元件与所述第一端部接合。所述接触元件可以被固定在所述中空主体和焊炬结构之间。所述焊炬结构可具有延伸穿过其中的纵向轴线。所述接触元件被固定使得其通过使所述接触元件的表面与所述中空主体的对应表面能够配合接触导致所述细长主体沿所述纵向轴线对准。

在其他示例中，上述方面中的任一个，或本文中描述的任何装置或方法可以包含一个或多个下述特征。

所述流动通道可以包含围绕所述细长主体的所述第一表面设置的至少一个螺旋凹槽。由所述流动通道限定的径向高度可以大于由所述凸缘限定的径向高度。所述流动通道可以包含围绕所述细长主体的所述第一表面设置的一个或多个散热片。所述凸缘可被布置成充分地维持所述等离子体气流沿所述细长主体的压力。例如，所述凸缘可被布置成确保所述等离子体气流经历非常低（例如，零或近似为零）的压降穿过所述凸缘。

所述凸缘可被配置成沿所述细长主体的所述第二表面圆周地延伸。所述凸缘可以包含沿其表面的一个或多个间断。所述凸缘可以被布置成使所述冷却气体的非对称流动图案与基本上对称的等离子体气流分布中充分地隔离。

所述径向延伸部可以围绕所述细长主体的所述第二表面周向地延伸。所述螺旋流动通道可以包含两个或多个螺旋流动凹槽，并且所述流动凹槽可以绕所述电极主体的所述第一表面均匀地分布。所述径向延伸部可以用来使所述冷却气流的非对称流动图案与绕所述电极的所述远端端部循环的径向对称等离子体气流中充分地隔离。

所述接触元件的所述远端部分可以包含具有与所述导电主体的中心轴线对准的中心轴线的颈部部分。所述接触元件的所述颈部部分可以被配置成与所述导电主体可移动地接合。所述接触元件可以被固定在所述电极主体内。

所述特征部可以将所述接触元件和所述中空焊炬构件与电极主体的中心轴线对准。所述中空焊炬构件可以是涡流环。

所述接触元件的所述底座部分的外部宽度可以具有限定周向凸缘的外部直径。所述底座部分可以包含对准脊线、台阶、图案、键槽或狭缝中的至少一个。所述外部宽度的周界可以是非圆形的。

所述电极主体可以包含冷却结构，并且所述电极主体的最外层直径是所述冷却结构的外部直径。所述冷却结构可以包含螺旋凹槽。所述电极可以包含弹性元件，其定位成偏置所述接触元件远离所述导电电极主体。

所述嵌套表面可以将所述电极的所述接触元件固定地固定在所述中空主体的所述第一端部和所述焊炬主体接触表面之间。所述嵌套表面可以包含配置成径向对准所述接触元件的轮廓、台阶或凸缘。所述嵌套表面可以包含特征部，其被配置成促进所述等离子体电弧焊炬的部件与所述中空主体的纵向轴线对准。所述中空主体可以是所述等离子体电弧焊炬的可替换部件。所述可替换部件可以是涡流环。

所述接触元件可以通过附接保持帽被固定以将所述电极和可替换部件保持在所述等离子体电弧焊炬内。所述接触元件可以通过沿所述纵向轴线施加压力被固定，所述压力促进所述电极的横向对准。通过使所述接触元件的表面与所述中空主体的对应表面能够配合接触，可以在所述中空主体内径向地对准所述接触元件。

附图说明

通过参照结合附图的以下描述，可以更好的理解上文所描述的本发明的优点以及进一步的优点。附图不必然是按照比例绘制的，而是总体上应将重点放在说明本发明的原理上。

图1A是等离子体电弧焊炬的图示。

图1B是等离子体电弧焊炬的图示。

图1C是可用于接触启动式等离子体焊炬的电极的近端端部的图示。

图2A图示了具有螺旋流动通道的电极的示例。

图2B图示了图2A中所示的螺旋电极的仰视图。

图3A是根据本文中公开的一些实施例的电极的侧视图的说明性示例。

图3B图示了在图3A中示出的电极的仰视图。

图4A是根据本文中公开的一些实施例用于促进冷却气体对称的电极的侧视图的说明性示例。

图4B图示了在图4A中示出的示例电极的仰视图。

图5A是对比传统电极（例如，在图2A中所示的）的平均寿命期限和根据本文中公开的一些实施例开发的电极（例如，在图3A中所示的）的寿命期限的图表。

图5B是对比使用利用传统电极（例如，在图2A中所示的）的焊炬所获得的平均切割速度和使用利用根据本文中公开的一些实施例开发的电极（例如，在图3A中所示的）的焊炬所获得的平均切割速度的图表。

图6A图示了使用具有与在图3A中所描述的电极的特征类似的特征的电极可获得的等离子体流动图案。

图6B图示了在与获得图6A中示出的图案所利用的条件类似的条件下使用传统电极可获得的等离子体流动图案。

图6C图示了使用具有与在图3A中所描述的电极的特征类似的特征的电极可获得的等离子体流动图案。

图6D图示了在与获得图6C中示出的图案所利用的条件类似的条件下使用传统电极可获得的等离子体流动图案。

图6E图示了使用具有与在图3A中所描述的电极的特征类似的特征的电极可获得的等离子体流动图案。

图6F图示了在与获得图6E中示出的图案所利用的条件类似的条件下使用传统电极可获得的等离子体流动图案。

图7是具有根据本文中描述的某些实施例的具有电极的等离子体电弧焊炬的说明性示例。

图8包含根据本文中描述的一些实施例可在电极和涡流环之间建立的关系的示例的具体说明。

图9A是对比在使用传统电极时所观测到的电极未对准和在使用根据本文中公开的某些实施例配置的电极时所观测到的未对准的对照图表。

图9B是对比当使用传统电极时等离子体焊炬切割速度的标准差和在使用根据本文中公开的某些实施例配置的电极时所观测到的等离子体焊炬切割速度的标准差的对照图表。

具体实施方式

图1A是可以用于本文中公开的实施例的等离子体焊炬10的示例。焊炬10可以包含焊炬主体12并且具有内部部件12a和外部部件12b。

焊炬10的可消耗部件可以包含涡流环18、喷嘴20、电极22和护罩（帽）24。涡流环18可以被固定到内部主体部件12a的下部端部。喷嘴20可以具有中心等离子体电弧出口孔20a并且被布置成使得其可被护罩24捕获并且保持在适当位置。护罩24常常被拧在外部主体部件12b的下端。

所述电极22通常由导电材料制成并且被布置成可在涡流环18内移动，从而当处于起始位置（例如，在图1中所示的位置）时，电极的下部端部22a可以封闭喷嘴20，并且当处于提升的操作位置时，出口孔20a是打开的并且电极的上部端部22a"要么邻接要么接近内部主体部件12a的下部端部。可以利用流体力完成所述电极的提升移动。

具体地，在典型的等离子体电弧焊炬10中，压缩的等离子体供给气体26的流动被引导到位于电极22和喷嘴20之间的等离子体腔36中。例如，在图1中示出的焊炬中，压缩的等离子体气流26经由通道28、一个或多个端口30、环形通道32进入焊炬10、穿过倾斜端口34并且进入等离子体腔36。

电极22被涡流环18包围并且包含定位在电极22的外部侧表面上的气流通道48。流动通道48可以转移部分供给气流26通过电极以冷却所述电极。所转移的气体用作电极22的冷却气体并且最终被运送到在电极上面的区域，气体在该处被排放到大气。

电极流动通道48（例如，螺旋流动通道）可以包含在电极22的肩部部分22b的外部侧壁上形成的螺旋凹槽。所述螺旋凹槽被布置成引导冷却气流通过电极主体并且为电极22提供冷却效应。

因此，典型的等离子体电弧焊炬10可以包含至少两种类型的气流：受压的等离子体气体26和冷却气体。压缩的等离子体气体26沿着焊炬10在靠近电极的下部端部22a处被引导到等离子体腔36和喷嘴20。冷却气体26沿着焊炬10被引导通过电极22并且朝向电极的上部端部22a"。

图1B是在引弧操作之前的接触启动式等离子体电弧焊炬100的示例。受让给新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm有限公司的美国专利第8,115,136号中描述了类似的接触启动式等离子体焊炬，该专利的全部内容通过引用并入本文。焊炬100包含电极主体102、弹性导电元件104以及被安置在焊炬主体100内的电源接触件106。喷嘴144和涡流环146也被安置到焊炬主体100。电源接触件106相对于可移动电极主体102相对静止地被定位成与电极主体102的远端端部112相对（例如，在焊炬100的后部端部处）。

电极主体102的远端端部112包含相对于喷嘴144的出口孔150基本上被对准的发射元件148。发射元件148和出口孔150可以基本上以纵向轴线A为中心。涡流环146被布置成使得其可限制电极主体102在焊炬主体100内的径向运动。例如，涡流环146可以被制造成在涡流环146和电极主体102的一个或多个径向散热片152之间允许有相对小的间隙。

弹性导电元件104反作用于电极主体102的反应表面和电源接触件106的表面114以推动电极主体102与喷嘴144邻接。气体可流动到在电极主体102和喷嘴144之间形成的等离子体腔154中，并且引导电流从电源（未示出）被传递到电源接触件106。

气体压力可以在等离子体腔154内逐渐增大直到该压力足以克服由弹性导电元件104提供的力。气体压力移动电极主体102远离喷嘴144并且使其与电源接触件106邻接。电极主体102大体上沿着纵向轴线A移动。当电极主体102通过气体压力被移动远离喷嘴144时，在等离子体腔154中生成或引发电弧。该电弧在等离子体腔154内电离气体以形成等离子体电弧或喷射，其从喷嘴244的孔150排出并且被转移到所述工件（未示出）。

弹性导电元件104可以被配置成传导在电源接触件106和电极主体102之间的基本上所有引导电流。弹性导电元件104可以由既促进传送电流或与引发引弧相关的负载又促进耗散与所述电流相关的热以防止弹性导电元件在引弧操作期间熔化的材料形成。例如，可以基于材料的额定电流选择弹性导电元件104的材料。弹性导电元件104可以用作在电源接触件106和电极主体102之间的最小电阻和/或最高传导率的路径。额外地，弹性导电元件104的机械性能促进电极主体的移动以接触启动等离子体电弧焊炬。所述弹性元件还能有助于相对于焊炬对准电极主体。

图1C是可以被用于比如在图1B中示出的接触启动式等离子体焊炬的电极的近端端部108的图示。在所图示的实施例中，电极主体172、弹性导电元件170、和接触元件196没有形成一体式组件。更具体地，接触元件196可以自由地从弹性导电元件170和电极主体172（例如，插孔194）脱离接合。

电极主体172的近端108可以限定邻近插孔194的唇部186，插孔194沿纵向轴线A轴向延伸。唇部186与电极主体172可以从同一块材料被形成。可以相对于电极主体172保持接触元件196（例如，电极主体172的一部分阻碍接触元件196从电极主体172脱离接合）。例如，连接构件198和对准部分180可以被定位在插孔194内。接触元件196被压向电极主体172，使得当第二表面190前进到与电极主体172的接触表面182发生物理接触时，接触元件196的第二表面190接合唇部186。第二表面190和唇部186之间的接合使唇部186变形到邻近的插孔194中以使得在接触元件178的第二表面190和电极主体172的接触表面182之间能够面物理接触。

在使唇部186变形之前，弹性导电元件170可以被设置在电极主体172（例如，与凸缘192物理接触）和接触元件196（例如，与第二表面190物理接触）之间。弹性导电元件170可被捕获在接触元件196和电极主体172之间。接触表面182可以阻碍可滑动地安置的接触元件196从电极主体172脱离接合。电源接触件106可以经由接触元件178的顶部表面与电极主体172电连接，并且在所述顶部表面和电源接触件106之间的可能分离可能引起电弧作用。

图2A图示了具有螺旋流动通道48的电极200的侧视图的示例。图2B图示了在图2A中示出的螺旋电极200的仰视图。如在图2A中所示，在典型的螺旋电极中，冷却气流从位于电极22的一侧上的起始/进入点210进入电极22。这可能在被引导通过电极22流动通道48的冷却气体的流动图案中导致可能的不一致和不均匀。冷却气体的不均匀流动图案进而可以影响被引导通过涡流环18到等离子体腔36的等离子体气流26，并且在等离子体电弧焊炬中的等离子体气体26的流动图案中引起不一致和不对称。在等离子体气体26的流动图案中的这样的不一致和/或不对称可以能进而降低等离子体电弧焊炬的切割性能，其切割速度和其可消耗部件的预期寿命。

图3A是根据本文中公开的一些实施例的电极300的侧视图的说明性示例。图3B图示了在图3A中示出的示例电极300的仰视图。如在图3A中所示，电极300包含流动通道310和凸缘320。所述流动通道在邻近电极主体的远端端部305的区域中被定位在所述电极主体的表面309上。流动通道310可包含围绕电极主体的表面309设置的一个或多个散热片。这些散热片可以具有初始尺寸并且其尺寸随着它们远离凸缘319过渡到电极的近端端部305而倾斜增加（增大）。所述流动通道可以是螺旋流动通道。

凸缘320在流动通道310和电极主体的近端端部315之间的区域中被定位在电极主体的表面319上。凸缘320可以是延伸出电极主体的表面319的外部凸缘。凸缘可以被布置成使得其相对电极主体的表面径向地和/或周向地延伸。凸缘可以包含沿其周界的一个或多个不规则事物。凸缘可以是不连续的或是连续的。

气体的供给流动可以从不同点被引入到等离子体电弧焊炬。例如，供给流动可以在凸缘320的边缘附近被引入到等离子体焊炬（该方向总体通过箭头302示出），从而导致供给流动的一部分朝向电极的近端端部315被运送以用作等离子体气体26。供给流动的另一部分可以朝向电极的远端端部305被运送以进入流动通道310并且用作冷却气体。替代地/额外地，所述供给流动可以在电极300的近端端部315和凸缘320之间的点处被引入。当在这样的条件下被应用时，供给气流被凸缘320离开，使得供给气流的一部分被运送到流动通道310以用作冷却气体，并且另一部分朝向电极300的近端端部315被运送以用作等离子体气体26。

凸缘320可以通过若干方式改善等离子体气流26的对称性和均匀性。例如，所述凸缘可用作从冷却气流中分离等离子体气流26的媒介。由于冷却气流可以占据在等离子体电弧焊炬中流动的总体气体的大部分，并且考虑到在流动通道310中流动的冷却气流可能具有不对称图案，通过从冷却气流中分离等离子体气流26，凸缘320使等离子体气流26从冷却气体的不对称影响中隔离，从而促进等离子体气体26的均匀且对称的流动图案。

凸缘320的存在还可以影响在等离子体电弧焊炬10中循环的气体的流动图案。具体地，凸缘被定位成使得它能在等离子体气体26的流动中创建一定量的湍流，所述湍流促进等离子体气体26的流动图案的均匀性和对称性。例如，在凸缘和冷却管道之间的体积中被引入到电极主体的供给气体由于凸缘的存在在该体积中具有增强的湍流和混合。当所述气体朝向电极的远端端部流动穿过凸缘时，所述气体的增强的湍流和压降促进提高气流的均匀性并且当气体朝向所述远端端部流动时促进围绕电极主体的周界的速度，并且该等离子体气流的增强的均匀性导致改进的电极寿命和性能。

尽管在图3A中示出了作为电极300的两个单独部件的流动通道310和凸缘320，但是凸缘320和流动通道310可以是同一部件的部分。例如，凸缘320可以被包含在流动通道310中、可以是流动通道310的一部分、和/或可以是流动通道310的延伸部。进一步地，凸缘320和流动通道310可以具有不同的径向高度和/或彼此相距各种距离地被定位在电极主体的表面上。例如，流动通道310的径向高度可以高于流动凸缘320的径向高度。另外，由凸缘320覆盖的电极表面319和由流动通道310覆盖的电极表面319的比率可以改变。

可以通过改进冷却气流的对称性和均匀性并且从而防止对等离子体气流的可能的不利影响来进一步促进焊炬10中等离子体气体的对称性和均匀性。图4A是根据本文中公开的一些实施例的用于促进冷却气体对称性的电极400的侧视图的说明性示例。图4B图示了在图4A中所示的示例电极400的仰视图。

流动通道410可以是具有两个或多个均匀分布的螺旋凹槽的螺旋流动通道。均匀分布的螺旋凹槽允许冷却流动经由均匀分布的起始点420a、420b进入流动通道410，从而促进冷却气体在流动通道410中的更均匀流动。

图5A是对比传统电极（例如，在图2A中示出的）的平均寿命期限和根据本文中公开的一些实施例开发的电极（例如，在图3A中示出的）的寿命期限的图表。如在图5A中所示，传统电极可以具有大约2.09小时的平均寿命期限。然而，具有凸缘的焊炬电极，类似于在图3A中所描述的那个，可以具有大约2.54小时的平均预期寿命。这相当于电极的预期切割寿命提高了大约24%，这是实质性的改进。

图5B是对比使用利用传统电极（例如，在图2A中示出的）的焊炬所获得的平均切割速度和使用利用根据本文中公开的一些实施例开发的电极（例如，在图3A中示出的）的焊炬所获得的平均切割速度的图表。在该实验分析中，两组中的每个消耗品（两组中的每个电极）均被用来切割1½”厚的中强钢工件，并且对每个电极的实验重复三次。当使用传统电极（例如，在图2A中示出的）时，第一电极（1号）在第一次实验中达到17英寸/分钟的速度，在第二次实验中达到17英寸/分钟的速度，以及在第三次实验中达到18英寸/分钟的速度。第二电极（2号）在第一次实验中达到17英寸/分钟的速度，在第二次实验中达到17英寸/分钟的速度，以及在第三次实验中达到14英寸/分钟的速度。使用第一电极所达到的平均速度是大约16.7英寸/分钟，并且所达到的速度的标准差是大约1.4。

然而，当使用传统电极（例如，在图2A中示出的）时，第一电极（2号）在第一次实验中达到18英寸/分钟的速度，在第二次实验中达到19英寸/分钟的速度，以及在第三次实验中达到18英寸/分钟的速度。第二电极（2号）在第一次实验中达到18英寸/分钟的速度，在第二次实验中达到19英寸/分钟的速度，以及在第三次实验中达到18英寸/分钟的速度。使用第一电极所达到的平均速度是大约18.3英寸/分钟，并且所达到的速度的标准差是大约0.5。

因此，实验分析可用来证明根据本文中公开的一些实施例开发的电极，比如在图3A中示出的，可以实现更高且更一致的切割速度。

图6A-图6F图示了使用具有与在图3A中描述的电极的特征（例如，凸缘）类似的特征的电极可获得的等离子体流动图案。所述等离子体流动图案围绕利用所述电极的等离子体焊炬的邻近所述电极的远端端部的喷嘴的尖端被绘制。图6A图示了等离子体电弧焊炬的流动图案的示例。在图6A中示出的图是等值面图，其中，表面速度接近-200英寸/秒。图6B图示了使用传统电极（比如在图2A中示出的电极）所获得的等离子体流动图案。在图6B中示出的流动图案使用与获得图6A中示出的图案所使用的条件类似的速度条件被获得。如图所示，图6A的等离子体气流比在图6B中示出的流动呈现出更均匀地且对称地分布。可在不同的表面速度水平下重复类似的实验。例如，图6C和图6D示出的等离子体图案是使用具有凸缘的电极（在图6C中示出的等离子体图案）和没有凸缘的电极（在图6D中示出的等离子体图案）在大约-400英寸/秒的表面速度下操作时获得的。类似地，图6E和图6F示出的等离子体图案是使用具有凸缘的电极（在图6E中示出的等离子体图案）和没有凸缘的电极（在图6F中示出的等离子体图案）在大约-600英寸/秒的表面速度下操作焊炬时获得的。如图所示，流动特性的差异随着表面速度的增大变得更为明显。进一步地，具有凸缘的电极（例如，在图3A中示出的电极）与传统电极相比提供围绕电极远端端部的更加均匀的流动（如在图6C和图6E中所示）。

在传统的弹簧电极中，涡流环的内部直径大于电极柱塞（也被称为接触元件）的直径。在这样的设置下，尽管等离子体焊炬正在被操作，但是由在等离子体腔中的受压的等离子体气体施加的压力将电极维持在适当位置，从而使得电极与接触元件完全接触，并且驱动电极的电流可以流过建立在电极主体和接触元件之间的接触区域。相应地，非常小的电流流过驱动接触元件的弹簧。然而，在低压条件下，当等离子体腔中的气流的压力下降到某个阈值（例如，20psi）以下时，由等离子体气体施加的压力可能无法继续将电极保持在适当位置。这会导致接触元件与电极主体分离。例如，电极主体和接触元件可以在它们的接触表面中的一个处分离。一旦接触元件和电极主体被分离，驱动电极的电流就可以直接流过弹簧，从而在弹簧中生成大量的热并且可能导致弹簧被所述热熔化。

一旦弹簧被熔化，接触元件（例如，图1C的接触元件）就可以从焊炬（例如，电源接触件106）中分离，从而移除在焊炬和电极之间先前建立的接触点。假定大量的电流可在接触元件196和电源接触件106之间被传递，那么当电极和焊炬开始分离时就可以生成电弧。进而所述电弧可以生成大量的热，从而引起电极和其他焊炬部分（例如，电源接触件106，常被称为阴极）熔化，并且可能导致将两个零件焊接在一起。

本发明的一些实施例涉及通过改进电极在等离子体电弧焊炬内的对准来提高等离子体焊炬的切割精度并且延长它的可消耗部件的预期寿命。

图7是根据本文中公开的某些实施例的具有电极710的等离子体电弧焊炬700的说明性示例。焊炬700包含涡流环720，其将电极710与喷嘴740绝缘隔离并且还可以被用来限制电极710在焊炬700内的径向移动。电极710、涡流环720和喷嘴740限定容纳压缩等离子体气流的等离子体气体腔745。等离子体气体可以通过涡流环被引导至等离子体气体腔745。在一些实施中，涡流环可以具有若干分配孔（被称为涡流孔），这些孔负责运送等离子体气体。

所述电极的第一端部715可以与接触元件730联接。接触元件730可以是导电媒介，其在电源（未示出）和电极710之间的传导电流。

图8包括根据本文中公开的一些实施例可以在电极和涡流环之间建立的关系的示例的具体说明。接触元件730可以包含近端端部801和远端端部802。接触元件还可以包含头部部分810和颈部部分820。接触元件730接收用于在焊炬近端端部801处驱动焊炬的电动焊炬电流，并且引导该电流通过位于接触元件730的头部部分810和颈部部分之间的接触表面811流到电极主体710。颈部部分820可以包含具有与电极主体的中心轴线对准的中心轴线的细长主体，并且被布置成使得其与电极主体710接合以将接触元件730固定到电极主体710。

接触元件730可以通过若干方法将电极710固定在焊炬700内。例如，接触元件730可以具有大于涡流环720的内部直径ID720的外部直径OD730。更大直径的接触元件730可以施加阻止接触元件730从焊炬700分离的机械力。相应地，根据这样的设置下，电极710和焊炬700之间的电连接不依赖于在等离子体气体腔745中的压力，并且电连接持续通过由接触元件730施加的机械力被维持。因此，在低压情况下，当等离子体气体腔745中的压力低于某阈值时，更大直径的接触元件730通过维持电极710和阴极焊炬电源块760之间的电接触可以抑制电弧生成和/或焊炬部件的熔化或焊接。

进一步地，头部部分810可以包含在固定电极710中使用的一个或多个特征部730F。例如，如在图8中所示，接触元件730的头部部分810可以包含与涡流环720中的互补特征部720F配合的一个或多个特征部730F，以固定接触元件730在焊炬主体700内。接触元件特征部730F可以包含在接触元件的头部部分810的外周中形成的台阶。涡流环720可以包含互补特征部720F，比如对应的台阶，以与包含在接触元件730中的特征部730F配合。接触元件特征部730F可以包含各种的形状和形式。例如，可使用比如台阶、键、图案、键槽、非共面的、狭缝、锥形物等等特征部。在一些实施例中，接触元件特征部730F可以包含被包含在电极主体710中的逐渐变细部。

接触元件730可以包含用于辅助固定和/或对准电极710的其他特征部和/或延伸部。例如，接触元件730的头部部分810可以包含在其外周上的一个或多个凸缘（未示出）以固定电极。这些凸缘可以是任何形状、类型、和/或大小的外部凸缘（例如，可使用周向或径向凸缘），并且这些凸缘沿接触元件730的外周被定位在不同的位置中（例如，如果使用至少一个凸缘，那么它们可彼此以角度间隔地被定位）。向接触元件的头部部分810的外周添加凸缘增大了头部部分730的外部半径并且有助于将电极710固定在焊炬700内。

如上所注意到的，在启动等离子体电弧焊炬的过程中，消耗品可能变得未对准并且这样的未对准可以降低焊炬消耗品的预期寿命以及降低等离子体喷射位置的精度和可重复性。因此，维持喷嘴和电极之间的对准对于切割性能来说也是至关重要的。该对准可以通过若干方法被维持。例如，可以通过确保同轴地布置涡流环和接触元件730和/或正交地布置电极面和涡流环轴线来控制在喷嘴的中心和电极的中心之间的对准。

尽管可以通过将电极限制在涡流环中控制在电极主体的位置的可能未对准，但是这样的布置可能导致接触元件730的位置的可能未对准。接触元件730的位置的未对准进而可以导致难以启动焊炬并且降低所述焊炬的可靠性。例如，在装配期间（例如，在拧紧焊炬保持帽的螺纹时），电极柱塞相对电极主体可能是未对准的和/或电极柱塞的底部部分可能塞满了电极主体内部，从而防止电极主体和接触元件730之间的自由移动。由于在电极主体和接触元件730之间的自由移动对于启动焊炬是必要的，所以这可能会导致焊炬启动不可靠。

在图7和图8中示出的焊炬的涡流环720和接触元件730还可以进一步辅助促进电极710在焊炬内的对准。具体地，如先前所注意到的那样，涡流环720的第一端部721包含配置成符合接触元件730并且与之接合的配合表面720F。配合表面720F使接触元件730固定在涡流环720的第一端部721之间，从而将电极710固定在焊炬主体700内。涡流环720的配合表面720F可以包含比如轮廓、台阶或凸缘的特征部，其促进涡流环720和接触元件730的配合。配合表面的这些特征部可以进一步用来促进电极710的纵向轴线与涡流环720的纵向轴线的对准。

实验分析可以用来对比传统电极的切割一致性及性能和从根据本文中公开的一些实施例的电极（例如，在图7和图8中示出的电极）获得的相似性能因素。

图9A对比了当使用传统电极配置（标记为“旧柱塞”）时所观测到的电极在喷嘴内的位置未对准的量和当使用与在图7和图8中图示的配置相似的配置（标记为“新柱塞”）时所观测到的电极在喷嘴内的位置未对准的量。用来提供在图9A中示出的图表的测量值通过对相似配置工件进行九次重复切割测试获得。如图所示，本文中描述的电极配置（例如，在图7和图8中示出的电极）遭受更小量的未对准。

图9B是对比当使用传统电极（标记为“旧柱塞”）时等离子体焊炬切割速度（以英寸/分钟为单位测量的）的标准差和当使用根据本文中公开的某些实施例被配置的电极（标记为“新柱塞”）时，例如，当使用与在图7和图8中图示的配置相似的配置时所观测到的等离子体焊炬切割速度的标准差的对比图表。用来提供在图9B中示出的图表的测量值通过对相似配置工件进行九次重复切割测试获得。如图所示，具有如本文中描述的那样的相似布置的电极的速度一致性可以是传统电极的两倍。因此，如本文公开的那样配置的电极可以通过在电极和喷嘴之间实现更好的对准消除可能的焊炬启动问题并且产生更一致的切割性能。

虽然参照具体说明性实施例已经具体地示出并描述了本发明，但是应当理解的是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种变化。

Claims (43)

1. 一种用于等离子体电弧焊炬的电极，其包括：

导电主体，所述导电主体具有被设置在第一端部和第二端部之间的中心轴线，所述导电主体能在中空焊炬构件内沿所述中心轴线移动，所述导电主体的所述第二端部被配置成接收发射元件；以及

接触元件，所述接触元件与所述导电主体的所述第一端部电连通，所述接触元件包括：

具有头部部分的近端端部，所述头部部分被配置成在所述焊炬内从焊炬主体接收焊炬电流，和远端部分，所述远端部分被配置成为所述电极的所述导电主体的所述第一端部提供焊炬电流；以及

所述接触元件的所述近端端部，所述接触元件的所述近端端部在所述头部部分的外周处具有特征部，所述特征部被配置成把所述电极固定在所述中空焊炬构件的端部，所述接触元件的所述近端端部和所述特征部创建了具有大于所述中空焊炬构件的内部直径的直径的表面。

2.根据权利要求1所述的电极，其中，所述接触元件的所述远端部分包括具有与所述导电主体的所述中心轴线对准的中心轴线的颈部部分，所述接触元件的所述颈部部分被配置成与所述导电主体可移动地接合。

3.根据权利要求1所述的电极，其中，所述特征部被配置成将所述接触元件和所述中空焊炬构件与电极主体的所述中心轴线对准。

4.根据权利要求1所述的电极，其中，所述中空焊炬构件是涡流环。

5.根据权利要求1所述的电极，其进一步包括弹性元件，所述弹性元件被定位成偏置所述接触元件远离所述导电电极主体。

6. 一种用于等离子体电弧焊炬的电极，其包括：

具有最外层直径、第一端部和第二端部的导电主体，所述导电主体的所述第二端部被配置成接收发射元件；以及

接触元件，所述接触元件与所述电极的所述导电主体的所述第一端部电连通，所述接触元件包括：

具有头部部分的近端端部，所述头部部分包括被配置成从所述焊炬接收焊炬电流的焊炬主体接触表面；

底座部分，所述底座部分具有大于所述电极主体的所述最外层直径的外部宽度，所述底座部分被配置成将所述接触元件定位在所述等离子体电弧焊炬内；以及

远端部分，所述远端部分包括被配置成与所述电极主体可移动地接合并为所述导电主体的所述第一端部提供所述焊炬电流的接触表面。

7.根据权利要求6所述的电极，其中，所述接触元件的所述底座部分的所述外部宽度具有限定周向凸缘的外部直径。

8.根据权利要求6所述的电极，其中，所述外部宽度的周界不是圆形的。

9.根据权利要求6所述的电极，其中，所述接触元件被固定在所述电极主体内。

10.根据权利要求6所述的电极，其中，所述底座部分进一步包括对准脊线、台阶、图案、键槽或狭缝中的至少一个。

11.根据权利要求6所述的电极，其进一步包括弹性元件，所述弹性元件偏置所述接触元件远离所述电极主体。

12.根据权利要求6所述的电极，其中，所述电极主体包括冷却结构，并且所述电极主体的所述最外层直径是所述冷却结构的外部直径。

13.根据权利要求12所述的电极，其中，所述冷却结构包括螺旋凹槽。

14.一种用于等离子体电弧焊炬的涡流环，其包括：

具有第一端部和第二端部的中空主体，所述中空主体的尺寸被设计成接收用于所述等离子体电弧焊炬的电极；

所述中空主体的所述第一端部靠近焊炬主体接触表面地被设置并且其具有嵌套区域，所述嵌套区域被配置成符合所述电极的接触元件的表面并与其接合以轴向地对准所述接触元件；以及

所述中空主体的所述第二端部具有邻近所述电极主体的外部表面的内部表面。

15.根据权利要求14所述的涡流环，其中，所述嵌套表面被配置成把所述电极的所述接触元件固定地固定在所述中空主体的所述第一端部和所述焊炬主体接触表面之间。

16.根据权利要求14所述的涡流环，其中，所述嵌套表面包括被配置成径向地对准所述接触元件的轮廓、台阶或凸缘。

17.根据权利要求14所述的涡流环，其中，所述嵌套表面包括特征部，所述特征部被配置成促进所述等离子体电弧焊炬的部件与所述中空主体的纵向轴线对准。

18. 一种用于在等离子体电弧焊炬内对准电极的方法，所述电极包含接触元件和细长主体，所述方法包括：

将所述电极插入到可替换部件的中空主体的第一端部中，使得所述细长主体延伸到所述中空主体中并且所述接触元件接合所述第一端部；以及

将所述接触元件固定在所述中空主体和焊炬结构之间，所述焊炬结构具有穿过其中延伸的纵向轴线；

这样使得所述固定步骤通过使所述接触元件的表面与所述中空主体的对应表面能够配合接触而导致所述细长主体沿所述纵向轴线对准。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述中空主体是所述等离子体电弧焊炬的可替换部件。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述可替换部件是涡流环。

21.根据权利要求19所述的方法，其中，固定所述接触元件包含附接保持帽以将所述电极和可替换部件保持在所述等离子体电弧焊炬内。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，固定所述接触元件包含沿所述纵向轴线施加压力，所述压力促进所述电极的横向对准。

23.根据权利要求18所述的方法，其进一步包含通过使所述接触元件的所述表面与所述中空主体的所述对应表面能够配合接触而在所述中空主体内径向地对准所述接触元件。

24.一种用于等离子体电弧焊炬的电极，其包括：

大体柱形的细长主体，所述细长主体由导电材料形成并具有近端端部和远端端部；

发射插入物，所述发射插入物被设置在所述电极主体的所述远端端部处；

流动通道，所述流动通道被设置成围绕相对于所述细长主体的所述近端端部的第一表面，所述流动通道被配置成引导冷却气流围绕所述细长主体的所述第一表面；以及

凸缘，所述凸缘被设置在所述流动通道和所述细长主体的所述远端端部之间，所述凸缘从所述细长主体的第二表面径向地延伸并且被配置成围绕所述细长主体的所述远端端部建立等离子体气流的基本对称气流分布。

25.根据权利要求24所述的电极，其中，所述流动通道包含至少一个螺旋凹槽，所述螺旋凹槽围绕所述细长主体的所述第一表面被设置。

26.根据权利要求24所述的电极，其中，所述凸缘被配置成沿所述细长主体的所述第二表面周向地延伸。

27.根据权利要求26所述的电极，其中，所述凸缘包含沿其表面的一个或多个间断。

28.根据权利要求24所述的电极，其中，由所述流动通道限定的径向高度大于由所述凸缘限定的径向高度。

29.根据权利要求24所述的电极，其中，所述凸缘被布置成使所述冷却气体的非对称流动图案与基本对称的等离子体气流分布充分地隔离。

30.根据权利要求24所述的电极，其中，所述流动通道包含围绕所述细长主体的所述第一表面设置的一个或多个散热片。

31.根据权利要求24所述的电极，其中，所述凸缘被布置成充分地维持所述等离子体气流沿所述细长主体的压力。

32.一种用于等离子体电弧焊炬的电极，其包括：

由导电材料组成的大体柱形的细长主体，所述细长主体具有布置成连接到所述等离子体电弧焊炬的电源的前端端部和布置成接收发射元件的后端端部；

螺旋流动通道，所述螺旋流动通道围绕相对于所述细长主体的所述前端端部的第一表面被设置，所述螺旋流动通道被配置成围绕所述细长主体的所述第一表面运送冷却气流；以及

径向延伸部，所述径向延伸部被设置在所述细长主体的第二表面上，所述第二表面被定位在所述螺旋流动通道和所述细长主体的所述后端端部之间，所述径向延伸部被配置成围绕所述细长主体的所述后端端部建立等离子体气流的基本均匀分布。

33.根据权利要求32所述的电极，其中，所述径向延伸部被配置成围绕所述细长主体的所述第二表面周向地延伸。

34.根据权利要求32所述的电极，其中，所述径向延伸部包含绕其周界的一个或多个不规则事物。

35.根据权利要求32所述的电极，其中，所述螺旋流动通道包含围绕所述细长主体的所述第一表面设置的一个或多个散热片。

36.根据权利要求32所述的电极，其中，所述螺旋流动通道包含两个或更多螺旋流动凹槽，所述流动凹槽围绕所述电极主体的所述第一表面均匀地分布。

37. 一种用于等离子体电弧焊炬的电极，其包括：

由导电材料组成的大体柱形的细长主体，所述细长主体具有布置成连接到所述等离子体电弧焊炬的电源的近端端部和布置成接收发射元件的远端端部；以及

凸缘，所述凸缘围绕相对于所述细长主体的所述远端端部的表面被设置，所述凸缘从所述细长主体的所述表面径向地延伸，并且被配置成围绕所述细长主体的所述远端端部建立等离子体气流的预定气流分布。

38.根据权利要求37所述的电极，其进一步包含流动通道，所述流动通道被设置成围绕相对于所述细长主体的所述近端端部的近端表面，所述流动通道被配置成运送所述等离子体气流的一部分以冷却所述细长主体的所述近端表面。

39.根据权利要求37所述的电极，其中，所述流动通道包含围绕所述细长主体的所述近端表面设置的一个或多个散热片。

40.根据权利要求37所述的电极，其中，所述凸缘被配置成沿所述细长主体的所述表面周向地延伸。

41.根据权利要求37所述的电极，其中，所述凸缘包含沿其表面的一个或多个间断。

42.一种提高在用于等离子体电弧焊炬的电极的远端端部处的等离子体气流的均匀性的方法，所述方法包括：

邻近径向延伸部引入供给气流，所述径向延伸部被设置在电极主体的主体的远端端部附近的远端表面处，所述远端端部具有发射元件，

将所述供给气流分成等离子体气流和冷却气流；

将所述冷却气流引导到在所述电极主体的近端表面上被设置并相对于所述电极主体的近端端部被定位的流动通道，所述流动通道引导所述冷却气流围绕所述电极的所述近端表面以冷却所述电极的所述近端表面；以及

使所述等离子体气体流过所述径向延伸部以将所述等离子体气流围绕所述电极的所述远端端部的径向对称气流分布从所述冷却气流中分离。

43.根据权利要求42所述的方法，其进一步包含通过下述分离所述基本对称的气流分布：

使用所述径向延伸部以使所述冷却气流的非对称流动图案与围绕所述电极的所述远端端部循环的所述径向对称等离子体气流充分地隔离。