CN106488640B - 等离子焊炬及其部件 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例包括等离子切割焊炬以及具有包括螺纹关系在内的独特物理特征的等离子切割焊炬部件，例如电极、阴极、固持器帽等。实施例包括具有修改的方螺纹的焊炬部件，该方螺纹具有特定的螺纹构型，该构型包括在螺纹牙顶与牙底之间的具体关系、以及螺纹侧壁的夹角。

Description

等离子焊炬及其部件
优先权
本申请要求于2015年8月28日提交的美国临时申请号62/211,293和于2015年10月13日提交的美国临时申请号62/241,077的优先权，这些申请的全部披露内容通过援引全部并入本文。
技术领域
符合本发明的装置、系统以及方法涉及切割，并且更确切地涉及与等离子电弧切割炬及其部件相关的装置、系统以及方法。
背景
在许多切割、喷射以及焊接操作中，使用了等离子弧炬。通过这些炬，等离子气体射流在高温下被发射到环境大气中。这些射流是从喷嘴发射的，并且当它们离开喷嘴时，这些射流是高度欠膨胀且非常集中的。然而，由于与经电离的等离子射流相关联的高温，该炬的许多部件容易失效。这种失效可能显著地干扰该炬的运行并且在切割操作开始时阻止正确引弧。
通过这种方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，常规、传统和所提出的方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。
发明简述
本发明的示例性实施例是经设计来优化等离子矩的性能和耐用性的等离子焊炬及其部件。确切地讲，本发明的示例性实施例可以具有改善的电极和阴极构型。
附图简要说明
通过参考附图来具体描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：
图1是可以用于本发明实施例的示例性切割系统的图解展示；
图2是利用已知部件的焊炬头的一部分的图解展示；
图3A和3B是根据本发明的空气冷却式焊炬的示例性实施例的头的一部分的图解展示；
图4A和4B是根据本发明的电极的示例性实施例的图解展示；
图5A和5B是根据本发明的阴极的示例性实施例的图解展示；
图6是根据本发明的液体冷却式焊炬的示例性实施例的图解展示；
图7是图6的焊炬的多个部件的放大视图的图解表示；
图8是可以用于图6所示的焊炬实施例的螺纹连接的图解表示；
图9是图6中所示的电极的图解表示；
图10A至10C是本发明的示例性阴极与电极之间的替代示例性连接方法的图解表示；并且
图11A和11B是电极与阴极之间的螺纹连接的另外一个示例性实施例的图解表示。
详细说明
现在将详细参照多个不同的和可替代的实施例并参照附图，其中相似的参考数字表示基本上相同的结构元件。每个示例是通过说明的方式而不是作为限制来提供的。事实上，本领域技术人员将清楚的是，在不脱离本披露内容和权利要求的范围或精神的情况下可以进行各自修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分所图示说明或描述的特征可以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，本披露内容旨在包括所附权利要求或其等效物的范围内的修改和改变。
本披露内容总体上针对在多种不同切割、焊接和喷射操作中有用的等离子电弧焊炬。确切地讲，本发明的实施例针对空气冷却式等离子电弧焊炬，而其他实施例是针对液体冷却式的实施例。当然，在此所描述的这些特征中的一些特征在不减损这些示例性实施例的新颖性的情况下可以用于任一焊炬构型中。另外的示例性实施例是针对空气冷却式等离子电弧焊炬的，该电弧焊炬是缩回式电弧焊炬。如一般所理解的，缩回式电弧焊炬是以下的电弧焊炬：其中使电极与用于电弧引发的喷嘴相接触并且然后使该电极从该喷嘴缩回使得该电弧接着被引导穿过该喷嘴的喉部。在其他类型的缩回式焊炬中，该电极保持静止并且是该喷嘴移动。本发明的示例性实施例可以应用于这两种类型。这些焊炬以及液体冷却式焊炬的构造和操作总体上是已知的，并且因此本文将不讨论它们的详细构造和操作。进一步地，本发明的实施例能够使用在手持式或机械化式等离子体切割操作中。应当指出的是，出于清楚简明的目的，下面的讨论将针对本发明的、主要针对用于切割的手持式等离子焊炬的多个示例性实施例。然而，在此方面本发明的实施例是不受限制的，并且可以在焊接炬和喷射炬中使用本发明的实施例而不脱离本发明的精神或范围。如果希望的话，不同功率水平的多种不同类型和尺寸的焊炬是可能的。例如，本发明的示例性实施例可以用在利用40与100安培之间的切割电流的切割操作上并且可以切割具有的厚度上至0.075英寸的工件，并且在其他实施例中可以切割厚度上至1.5英寸的工件。另外，在此所描述的这些焊炬和组件可以用于标记、切割或金属去除。此外，能够以变化的电流和变化的功率水平来使用本发明的示例性实施例。能够与本发明的实施例一起使用的类型的空气冷却剂系统的构造和使用是已知的并且无需在本文中进行详细地讨论。
现在转向图1，示出了示例性切割系统100。系统100含有电源10，该电源包括带有连接的焊炬组件14的壳体12。壳体12包括用于控制等离子电弧焊炬的各种常规部件，例如电源、等离子启动电路、空气调节器、保险丝、晶体管、输入和输出电连接器以及气体连接器、控制器、和电路板等。焊炬组件14附接至壳体的前侧16上。焊炬组件14内包括多个电连接器，以用于将焊炬端18内的电极和喷嘴连接至壳体12内的电连接器上。针对导引电弧和工作电弧可以提供多个分开的电通路，其中切换元件被提供在壳体12内。气体导管也存在于焊接组件内以用于将变成等离子电弧的气体传递至焊炬焊嘴，如之后所讨论的。可以同各个电连接器与气体连接器一起将不同的用户输入装置20(例如，按钮、开关和/或转盘)提供在壳体12上。
应理解的是，图1中所展示的壳体12不过是可以采用本发明的多个方面以及在此披露的概念的等离子电弧焊炬装置的单一实例。相应地，以上的总体披露和描述不应被理解为以任何方式限制可以采用所披露的焊炬元件的等离子电弧焊炬装置的类型或大小。
如图1所示，焊炬组件14在一端处包括连接器22以用于附接至壳体12的匹配连接器23上。在以这样的方式连接时，连接了穿过焊炬组件14的软管部分24的多个电与气体通路以便使得焊炬200的相关部分与壳体12内的相关部分相连接。如图1所示的焊炬200具有连接器201并且是手持式类型的，但是如以上所解释的焊炬200可以是机械化类型的。焊炬200(例如手柄、触发器等)的一般构造可以类似于已知的焊炬构造并且不必在此进行详细描述。然而，焊炬200的、有助于进行切割目的的电弧的产生和维持的多个部件位于焊炬端18内，并且在以下中将更详细地讨论这些部件中的一些部件。确切地讲，以下讨论的这些部件中的一些部件包括焊炬电极、喷嘴、防护罩、以及涡流环。
图2描绘了具有已知构造的示例性焊炬头200a的截面。应注意，为清晰起见，焊炬头200a的这些部件中的一些部件未示出。如图所示，焊炬200a包括阴极本体203，电极205电联接至该阴极本体上。电极205被插入喷嘴213的内部空腔中，其中喷嘴213座在涡流环211中，该涡流环联接至隔离器结构209上，该隔离器结构将该涡流环、喷嘴等与阴极本体203隔离。喷嘴213被固持帽组件217a-c保持在位。如之前所解释的，这个构造是大体上已知的。
如图所示，电极205具有螺纹部分205a，该螺纹部分将电极205拧入阴极本体203中。电极205还具有中心螺旋部分205b。螺旋部分205b具有螺旋形粗牙螺纹状图案，该图案提供了空气在区段205b周围的流动。然而，由于这个区段，所以需要专门的工具来将电极205从阴极本体203上去除。圆柱形部分205c位于中心部分205b的下游，该圆柱形部分延伸至电极205的远端205d。如图所示，该圆柱形部分被插入喷嘴213中，使得远端205d紧靠喷嘴213的喉部213b。该圆柱形部分在中心部分205b处可以包括平坦表面，使得专用工具可以攫取电极205以将其从该阴极去除。典型地，从圆柱形部分205c到远端部分205d的过渡区包括通往远端205d上的平坦端面的弯曲边缘。在缩回启动式焊炬中，这个平坦端面是与喷嘴213的内表面相接触的以便引发电弧启动。一旦电弧被点火，电极205就缩回并且在电极205与喷嘴213之间产生空隙(如图所示)，此时等离子射流穿过喷嘴213的喉部213b被引导至该工件。普遍理解的是，通过这种构型，已知的电极205可能在引弧过程中在大约300次弧启动之后开始失效。典型地，对电极205镀铬或镍以便有助于延长电极205的寿命。一旦这个事件开始发生，电极205就可能需要更换。
并且，如图所示，铪插入件207被插入电极205的远端205d中。大致已知的是，等离子射流/电弧从这个铪插入件207开始，该铪插入件在远端205d的平坦表面上居中。
如以上简要解释的，焊炬200a还包括喷嘴213，该喷嘴具有喉部213b，在切割过程中等离子射流被引导穿过该喉部。并且，如图所示，喷嘴213包括圆柱形伸出部分213a，喉部213b延伸穿过该伸出部分。这个伸出部分213a提供相对长的喉部213b并且延伸进入防护罩215的圆柱形开口中，该防护罩也具有圆柱形伸出部分215a。如图所示，在这些伸出部分213a/215a各自之间产生空气流空隙以允许在切割过程中引导防护气体来包围等离子射流。在空气冷却式焊炬中，这些相应的伸出部分213a/215a各自引导等离子射流和防护气体以准备操作。然而，由于喷嘴213和防护帽215各自的几何形状，这些伸出部分可能趋于显著升温。这个热量可能致使喷嘴213上的热区沿着其长度显著地延长。这个增大的热区和高的热量可能致使这些部件发生变化并失效，从而导致需要更换。另外，其性能可能随着时间而降低，这可能导致不太理想的切割结果。因此，已知的空气冷却式焊炬构型需要改善。
现在转向图3A和3B，示出了焊炬300的示例性实施例。焊炬300可以用于图1所示的焊炬200中并且类似于图2，为了简化附图没有示出所有的部件和结构(例如，手柄、外壳等)。另外，在许多方面中(除了以下所讨论的这些方面之外)，焊炬300的构成和操作都类似于已知的焊炬，这样使得不必在此进行讨论其构成的所有细节。然而，如以下更详细地解释，焊炬300的这些部件中的一些部件是与已知的焊炬和焊炬部分不同地构成的并且提供了具有最佳切割性能和耐用性的切割炬。另外，类似于图2中的焊炬200a，图3中的焊炬300是空气冷却缩回式焊炬。以下讨论中提供了对本发明的示例性实施例的进一步理解，在以下讨论中讨论了这些部件中的一些部件。
如图3A和3B的每个图中所示，焊炬300具有焊炬本体301和焊炬头300’。这是已知的构成方法，其中焊炬头300’可以经由连接机构固定至焊炬本体301上。如图所示，该焊炬本体具有与黄铜圈308进行接触的现场组装开关机构309。这种连接使电路完整，而这然后向系统100指明焊炬头300’被适当地固定至焊炬本体301上。在其他示例性实施例中，可以通过由柱塞致动的密封开关、或其他类似的指明部件适当地彼此固定的开关构造来完成部件在位感测。类似于图2所示的焊炬，焊炬头300’包括电极305、涡流环311、防护帽315、阳极307、阴极303、喷嘴314、和隔离器312。还包括偏置构件313，例如弹簧。图3A描绘了焊炬处于电弧点火/引导电弧模式中，其中电极305的远端与喷嘴314相接触。偏置构件313将电极305和阴极303(该电极联接至该阴极上)固持在这个位置中，从而在隔离器312与阴极303之间产生空隙G，如图所示。喷嘴314与电极305之间的这种接触允许在最初对焊炬300施加电流时点燃电弧。与此同时，向该焊炬提供了气体压力，这致使该电极/阴极背离喷嘴314缩回。这个位置在图3B中示出，该图示出了在偏置构件313被压缩时，空隙G被减小以允许阴极303与隔离器312之间的接触。在该电极尖端与喷嘴314之间也产生了空隙，使得所产生的电弧被传递至该工件以允许开始切割。该电极/阴极的这种移动是通过气体/空气压力的汇聚而触发的，该压力抵抗偏置构件313推动该电极/阴极组件。除了向电极/阴极提供压力之外，该气体/空气压力还有助于在其跨过这些部件的表面时冷却这些部件。为了促进该冷却，在该电极/阴极的外表面上设置了多个通道/凹槽。然而，当冷却气体/空气压力跨过这些部件的表面时，它可能由于这些凹槽而向这些部件施加不希望的力。例如，流动可能被引导成使得它对该电极/阴极施加不希望的扭转力。另外，流动可能被引导成使得它对这些部件施加不均匀的力。这些扭转/不均匀的力可能使焊炬的操作效率降低并且不利地影响切割操作和/或降低部件的操作寿命。如以下所讨论的，本发明的实施例解决了这些问题。
图4A和4B描绘了焊炬300中使用的电极305的示例性实施例。电极305具有远端305’，该远端被插入该喷嘴中并且在该远端的端面处插入了铪插入件306，电弧产生自该铪插入件。当然，可以使用除了铪之外的另一种材料。在示例性实施例中，电极305可以由铜或铜合金、或其他适合的材料制成。肩台部分320位于远端305’的上游，该肩台部分具有的最大外直径处于比远端部分305’的最大外直径大出55％至65％的范围内。在一些示例性实施例中，肩台部分320具有整个电极305的最大外直径。过渡部分321位于肩台部分320的上游，该过渡部分具有成角度的表面321’(该表面在向上游前进时是朝向电极305的中心线成角度的)以及无角度表面321”，该无角度表面是与电极305的中心线平行的。中央凹槽部分305”位于过渡部分321的上游。在示例性实施例中，中央凹槽部分305”具有双螺纹特征，其中这些螺纹在130度至180度的范围内间隔开。在示例性实施例中，这些螺纹间隔开150度。如图所示，这些螺纹具有凹槽322以及牙顶323和324。在所示的示例性实施例中，第一牙顶323具有第一牙顶宽度并且第二牙顶324具有宽于该第一牙顶宽度的第二牙顶宽度。在示例性实施例中，该第二牙顶宽度处于比该第一牙顶宽度大出1.5至3倍的范围内。在其他示例性实施例中，该第二牙顶宽度处于比该第一牙顶宽度大出2至2.5倍的范围内。另外，在另外的示例性实施例中，凹槽部分305”的最大外直径是与肩台部分320的最大外直径相同的。如图所示，在示例性实施例中，该第一和第二牙顶相对于彼此交替，使得两个第一或第二牙顶不是彼此相邻的。另外，如图4B所示，凹槽322被配置成使得凹槽表面327是成角度的，以便在相邻的凹槽表面327之间产生角度A。在示例性实施例中，角度A在20度至40度的范围内。在其他示例性实施例中，角度A在26度至32度的范围内。在示例性实施例中，凹槽322具有深度X(从牙顶到牙底)，该深度的范围在凹槽部分305”的最大外直径的4％至10％内。另外，在示例性实施例中，这些凹槽被配置成使得它们在4至8个TPI(每英寸圈数)的范围内。在其他示例性实施例中，电极凹槽具有5至7个TPI，并且在另外的实施例中，这些凹槽具有6个TPI。这些凹槽可以被配置成为右手式螺纹或左手式螺纹。
凹槽部分305”的上游是成角度的过渡部分325、然后是肩台部分326和上游端部分305”’。如图3A和3B所示，该上游端部分的至少一部分被插入阴极303的电极空腔中。成角度部分325是相对于中心线CL成角度的，使得表面角相对于该中心线在40度至50度的范围内。在其他示例性实施例中，成角度表面325的表面相对于中心线CL成45度。在示例性实施例中，上游端部分305”’具有的最大外直径小于远端部分305’的最大外直径。
在示例性实施例中，这个电极/凹槽构型可以提供最佳的空气/气体流以便冷却并且提供希望的向上压力以确保焊炬300的适当操作。然而，由于如以上所描述的如图所示的这些凹槽的螺旋性质，可能向电极305施加扭转力来试图将电极305相对于其中心线CL进行转动。这个扭转力是由以下所描述的阴极的构型来抵消的。当然，应注意的是，在不背离以上所描述的本发明的实施例的精神或范围的情况下，该电极的总外观、几何形状等可以改变成与希望的焊炬构型相适配并且具有希望的外观，并且在此所描述的这些附图中所示的视图旨在示出一个示例性实施例。
图5A和5B描绘了图3A和3B中所示的阴极303的示例性实施例。阴极303具有远端331，该远端在其中产生了空腔(图3A/3B所示)以允许电极305的上游端305”’插入该远端中。该空腔被配置成使得在电极305与阴极空腔之间形成接触配合。肩台部分332和分离器部分333与远端面331相邻。该分离器部分将肩台部分332与凹槽部分303’分开。如图所示，凹槽部分303’具有沿着其长度延伸的螺旋凹槽335。在示例性实施例中，螺旋凹槽335不同于电极上的凹槽。例如，在示例性实施例中，凹槽335是单一凹槽，与电极305的双凹槽/螺纹特征不同。另外，如图所示，在示例性实施例中，凹槽牙顶334的最大外直径是阴极303的最大外直径。然而，在一些实施例中阴极的最大外直径(在牙顶334处)小于电极305的最大外直径。另外，在示例性实施例中，凹槽335产生多个牙顶334，这些牙顶的大小没有改变，即牙顶334的宽度在整个凹槽部分303’中是一致的。另外，虽然凹槽335可以是左手式或右手式凹槽，但是螺旋方式应是与该一个或多个电极凹槽的螺旋方式相反的。例如，如果该一个或多个电极凹槽是右手式螺纹，那么阴极的凹槽335就应是左手式螺纹。这确保了来自沿着该电极的空气/气体流的扭转力被沿着阴极303的后续流抵消。通过改变螺纹方向，空气/气体流提供了在其他情况下将不会实现的结构稳定化。另外，阴极303的凹槽335具有与该电极上使用的一个或多个凹槽不同的TPI。例如，在示例性实施例中，阴极303的凹槽335具有比电极凹槽更高的螺纹计数。在示例性实施例中，凹槽334具有的螺纹计数在7至12个TPI的范围内并且高于电极的计数。在另外的示例性实施例中，该螺纹计数在8至10个TPI的范围内。在又另外的示例性实施例中，阴极的螺纹计数比电极305上的螺纹计数高出至少3个TPI。例如，当然，在其他示例性实施例中，一个或多个电极凹槽的螺纹计数是6个TPI，凹槽335的螺纹计数至少为9个TPI。
套环部分336位于凹槽335的上游，该套环部分将该凹槽部分联接至肩台部分337上。在示例性实施例中，套环部分336具有较小的最大外直径，该最大外直径小于分离器部分333的外直径。肩台部分337具有最大外直径，在一些实施例中，该最大外直径是与肩台部分332的外直径相同的。另一个套环部分338位于肩台部分337的上游，该另一个套环部分将肩台部分337联接至另外的肩台部分339上。在示例性实施例中，套环部分338具有比部分336的外直径更大的最大外直径。具有最大外直径的圆柱形部分340位于肩台部分339的上游。在示例性实施例中，圆柱形部分340的外直径小于套环部分338、336和分离器部分333中的每一者的外直径。凹槽341和延伸部分342位于该圆柱形部分的上游。
图5B类似于图4B示出了凹槽335的截面。如图所示，凹槽表面343是成角度的，使得在这些表面之间形成了角度B。在示例性实施例中，角度B是在20度至40度的范围内。在其他示例性实施例中，角度B是在26度至32度的范围内。在另外的实施例中，角度B是与电极上的角度A相同的。在示例性实施例中，凹槽335具有深度Y(从牙顶到牙底)，该深度在凹槽部分303’的最大外直径的6％至12％的范围内。在另外的示例性实施例中，凹槽335具有深度Y，该深度大于电极305上的这一个或多个凹槽的深度X。例如，在示例性实施例中，凹槽深度Y是在比深度X大出15％至30％的范围内。在另外的示例性实施例中，深度Y是在比深度X大出20％至25％的范围内。
通过以上所描述的电极305和阴极303各自上的螺旋凹槽之间的关系，优化了对沿着电极305和阴极303的空气流的利用，同时避免了对这些部件施加不必要的力。确切地讲，这些流通道被改变成使得流动没有维持平稳的层流、但是必须在这些部件之间改变方向并且其流动沿着每个部件由于尺寸差是不同的。另外，在示例性实施例中，由于每个相应部件的凹槽部分的变化的相应长度，这些不同的尺寸关系允许了各个相应部件上的扭转力抵消、或几乎抵消，而同时允许获得使空气/气体流的最佳压力性能以便使电极/阴极组根据需要移动而从电弧闪击过渡到电弧转换/切割。例如，螺旋凹槽335的总长度L’(沿着阴极长度)在阴极303的总长度(从头到尾)的20％至35％的范围内。在另外的示例性实施例中，长度L’在该总长度的25％至30％的范围内。然而，在电极305上，螺旋凹槽的长度L(沿着该电极的轴线)在电极305的总长度的30％至40％的范围内。在其他示例性实施例中，长度L在电极305的总长度的35％至40％之间。在一些示例性实施例中，长度L和L’是相同的，但是在其他示例性实施例中，长度L长于L’。
利用以上的电极305和阴极303的物理关系和所描述的属性，本发明的示例性实施例允许空气冷却缩回式焊炬具有最佳性能。
现在转向图6，描绘了液体冷却式焊炬600的示例性实施例。总体上，焊炬600被构成为与类似的已知液体冷却式焊炬相同。例如，该焊接包括喷嘴613、防护帽611、喷嘴固持帽609、电极601、阴极603、外帽605、和外壳607。当然，焊炬600包括不必在此讨论的其他部件。然而，如图6所示并且如以下进一步所讨论的，这些部件之间的螺纹连接使用新颖性螺纹构型，这将在以下更详细地讨论。
在此的实施例所利用的螺纹构型是经修正的短柱ACME螺纹设计。ACME螺纹设计是本领域技术人员已知的并且不必在此详细描述，并且其描述可以在1979年的工业出版社公司(Industrial Press,Inc.)的奥伯格(Oberg)、琼斯(Jones)和霍顿(Horton)的机械手册(Machinery’s Handbook)中发现；其ACME短柱螺纹设计部分通过援引以其全部内容并入本文。
图7和8中示出了示例性螺纹构型的特性视图。如图所示，经修正的ACME短柱螺纹构型被用来将电极601连接至阴极603上。应注意的是，虽然这个螺纹构型将引用电极/阴极连接来讨论。但是这个螺纹构型还可以用于其他地方，如图6所示。例如，喷嘴固持帽609和/或外帽605可以使用所描述的螺纹构型来帮助提高最佳连接。这个经修正的ACME短柱螺纹构型被本发明的实施例用来在焊炬进行组装时增大焊炬部件的同心度。由于需要高水平的同心度来确保最佳的焊炬性能和寿命，通常很难制造具有确保这个同心度所需要的高水平精度的部件。因此，需要易于制造的螺纹连接以便在组装时提供高水平的同心度并且针对电与热传导性提供大的接触表面。本实施例通过以上所讨论的构型实现了这点。
现在转向图7和8，阴极603具有母螺纹603’，而电极具有公螺纹601’。在本发明的示例性实施例中，在公螺纹和母螺纹各自中，这些螺纹的牙顶宽度大于这些螺纹的牙底宽度。这是与许多已知的螺纹构型不相同的。另外，在额外的示例性实施例中，在公螺纹和母螺纹各自中的牙顶宽度处于比相应的公螺纹和母螺纹各自中的牙底宽度大出1％至5％的范围内。在另外的示例性实施例中，该牙顶宽度比该牙底宽度大出2％至3.5％，并且在额外的示例性实施例中，该牙顶宽度处于比该牙底宽度大出2.5％至3.5％的范围内。当然，这些比率是针对具有相对小的夹角(例如，10度夹角)的螺纹形状而言的。
在示例性实施例中，这些螺纹侧壁之间的夹角Φ在10至60度的范围内。然而，在其他示例性实施例中，夹角Φ是10度。在这样的大倾角的情况下，这些螺纹实际上是方螺纹并且可以提供高水平的同心度和强度。
另外，这些螺纹被配置成使得空隙G1(该空隙是公螺纹601’的小直径与母螺纹603’的小直径之间的间隙)小于空隙G2(该空隙是公螺纹601’的大直径与母螺纹603’的大直径之间的间隙)。在示例性实施例中，以上所讨论的构型的这种间隙关系提供了一种螺纹构型，该螺纹构型相对易于制造并且易于彼此固定(防止相互脱离)并且还提供了部件之间的高水平同心度和接触。
在示例性实施例中，这些螺纹具有的螺距使得它们在10至14个TPI的范围内。在另外的示例性实施例中，该螺纹具有为12TPI的螺距。应注意的实例，由于几何形状和工具安装的限制，所使用的螺距可以影响牙顶大小与牙底大小之间的关系。
图11A和11B描绘了本发明的另外一个示例性实施例，其中使用了与以上所描述相似的经修正的方螺纹图案。然而，在这个示例性实施例中，电极和阴极的螺纹的牙顶与牙底之间的关系具有相反的关系。确切地讲，在这个示例性实施例中，电极的公螺纹具有比公螺纹牙底宽度Yr更大的牙顶宽度Xc。在示例性实施例中，夹角Φ为10度，而在其他实施例中，该夹角可以是不同的，例如在10度至40度的范围内。在示例性实施例中，牙顶宽度Xc与牙底宽度Yr之间的比率在1.2至1.6的范围内。在另外的示例性实施例中，该比率在1.35至1.45的范围内。然而，通过这些示例性实施例，阴极603的母螺纹具有的牙顶宽度Xc’小于牙底宽度Yr’。这是与电极上的大小关系相反的。在示例性实施例中，针对阴极螺纹，牙顶宽度Xc’与牙底宽度Yr’之间的比率在0.5至0.75的范围内。在另外的示例性实施例中，该比率在0.65至0.7的范围内。与该公螺纹相同，阴极的母螺纹上的夹角可以在10度至40度的范围内，而在一些实施例中，该夹角Φ为10度。在示例性实施例中，该螺纹计数可以在12至16个TPI的范围内，并且在另外的示例性实施例中，该螺纹计数为12个TPI。与以上所讨论的示例性构型相同，这个示例性构型允许获得多个部件之间的改善的对齐、物理连接和电连接、这些部件之间的易于安装、以及部件的同心度。
这种同心度改善是通过使用如图6和7所示的双O形环构型而加强的。如图所示，这两个O形环621和622被定位在电极601的螺纹部分的下游。使用以上螺纹构型的这两个O形环改善了电极601的同心度。以上所描述的螺纹构型允许这些O形环621/622提供更大的将电极定位在已知构型上的作用。即，在已知构型中，这些螺纹的主要作用在于定位电极601。这样，如果这些螺纹是制造不好和/或在安装过程中磨损，则部件的同心度将受到显著影响。然而，在当前的示例性实施例中，这些螺纹允许O形环621/622具有增大的确保电极是居中定位的作用。这是由于O形环的可压缩性，这些O形环旨在围绕电极601的外围均匀地压缩。因此，以上所描述的电极构型以及其联接允许电极601在焊炬和隔离器中居中，如图6所示。
图9描绘了示例性电极601的示例性截面。电极601具有上游端631和远端633，该上游端具有用于冷却空腔637的开口，并且该远端具有用于插入件的开口635，该插入件可以是铪插入件等。该电极具有螺纹部分601’，如以上所描述的。螺纹部分601’的下游是肩台632，该肩台将螺纹部分601’与O形环部分639分离。O形环部分639具有至少两个O形环凹槽621’和622’。另外，在示例性实施例中，O形环部分639和O形环凹槽621’和622’被定位成使得沿着电极601的长度的直径D(如从上游段631到第一凹槽622’测量的)处在电极的总长度(从上游端631到远端633)的20％至25％的范围内。另外，相应凹槽621’和622’各自的中心之间的距离D’处在该电极601的总长度的5％至10％的范围内。结合以上所描述的螺纹构型，这种几何形状允许电极601容易地安装成在焊炬600中具有高水平的同心度。
图10A至10C描绘了本发明的另外一个示例性实施例。如这些图所示，示出了另外的螺纹连接。然而，在这个实施例中，该螺纹连接具有第一螺纹连接区段901和第二螺纹连接区段，其中这些区段使用了不同的螺纹构型。这种构型利用两种不同的螺纹连接来提供电极601与阴极本体603之间的固定连接。类似于以上所讨论的连接，这种构型在确保部件之间的固定配合的同时还提供了改善的同心度。另外，这样的链接构型增大了部件之间的联接的耐用性和连接性。图10B和10C中示出了进一步细节。应注意，这些图中所示的电极和阴极可以具有与在此所描述的其他实施例相似的总体构型和功能。例如，电极601可以具有远端，该远端带有发射插入件(例如铪)，如图9所示。
图10B描绘了示例性阴极本体603(仅示出了远端部分)并且图10C描绘了电极601的示例性上游端。第一和第二螺纹区段901/903各自具有单一螺旋螺纹。然而，在每个相应区段中的螺纹是不同的。例如，这些相应区段中的每个区段中的每英寸螺纹数是不同的。作为实例，在一些实施例中，第一区段901具有的螺纹数在20至28个TPI的范围内，并且第二区段903具有的螺纹数在16至24个TPI的范围内，其中第二区段903的螺纹具有比第一区段901更小的TPI。在示例性实施例中，第一区段901具有24个TPI，而该第二区段具有20个TPI。相应螺纹的螺距和TPI应被选择为确保每个相应区段中的相应螺纹的顺畅接合。如果这没有实现，则可能是在将电极601安装在该阴极本体内时发生粘合。
另外，虽然在一些示例性实施例中，螺纹截面几何形状可以是相同的，但是在其他实施例中，相应螺纹可以具有不同的截面几何形状。例如，在示例性实施例中，第一区段901的螺纹可以具有比第二区段903的螺纹更大的深度(从牙顶到牙底)。另外，在另外的示例性实施例中，这些相应螺纹的牙底宽度可以是不同的。在所示的实施例中，在这些区段中的每个区段中的螺纹具有截头圆锥形截面，使得相应的牙顶和牙底不具有尖点和这个应力集中。
另外，如所示出的，第一区段901具有比第二区段903更小的直径。在阴极本体603上，这些相应区段各自针对这些相应部件中的每个部件具有大直径和小直径，如图10B和10C所示。在本发明的示例性实施例中，在阴极603中，第一区段DM1的大直径具有比第二区段Dm2的小直径更小的直径(如跨越该阴极截面测量的)。在一些示例性实施例中，第一区段DM1的大直径具有与第二区段Dm2的小直径相同的直径。类似地，参照电极601，在示例性实施例中，第一DM1’的主直径具有比第二区段Dm2’的小直径更小的直径。在一些示例性实施例中，在该电极和阴极的每一者中，第二区段的小直径处于比在其相应第一区段的每个区段中的大直径大出2％至6％的范围内。在另外的示例性实施例中，在该电极和阴极的每一者中，第二区段的小直径处于比在其相应第一区段的每个区段中的大直径大出3％至5％的范围内。出于参考的目的，Dm1是该阴极的第一区段的小直径，DM2是该阴极的第二区段的大直径，Dm1’是该电极的第一区段的小直径，并且DM2’是该电极的第二区段的大直径。这些可以用每个相应区段中使用的螺纹的这些选择深度来指示。
在其他示例性实施例中，在相邻的公螺纹/母螺纹部件上利用了以上所讨论的经修正的方螺纹与真正的方螺纹轮廓的组合。在真正的方螺纹构型中，螺纹的夹角Φ(以上所讨论的例如参见图8)在0度至1度的范围内。即，该螺纹在从牙顶到壁或从牙底到螺纹壁的过渡区处的截面是直角或接近直角。在其他示例性实施例中，夹角为0度，使得牙底到壁和/或牙顶到壁的过渡是直角。即，在示例性实施例中，在此所讨论的螺纹连接中的一些连接可以具有带有之前所讨论的夹角和几何形状的母螺纹，而对应的公螺纹具有方形形状。在其他示例性实施例中，事实是相反的，其中这些公螺纹具有以上所讨论的几何形状特征，而对应的母螺纹是方形的。在这些实施例的任意实施例中，可以维持以上所讨论的牙底到牙顶的关系以实现以上所描述的益处。在利用近似方螺纹构型的其他示例性实施例中，该夹角处于0至4度的范围内并且在又另外的实施例中，针对近似方螺纹的夹角处于0至10度的范围内。在又另外的实施例中，近似方螺纹具有的夹角在1至8度范围内。
使用在此所描述的经修正的螺纹连接的、以上所讨论的这些连接中的大多数可以利用这种替代性关系。在某些示例性实施例中，使用方螺纹和经修正的方螺纹的组合可以在整个接触表面积被减小时提供改善可连接性的容易度。然而，应注意的是，在一些实施例中这种匹配螺纹构型对高的电流流动的应用是所不希望的。即，如果高的电流穿过这些螺纹(例如，该电极/电极固持器连接)，这个螺纹构型于是就可能在螺纹接触点处产生高的热量/电流集中。因此，在一些示例性实施例中，这些组合的螺纹构型用于具有为150安培或以下的最大电流的应用中。在其他示例性实施例中，这种构型用于最大电流为65安培或以下的实施例中。在另外的示例性实施例中，这种螺纹连接方法仅用于不具有电流流动的纯机械连接。在至少参见图6时，作为实例，以上所描述的连接可以用于盖帽605、喷嘴固持盖帽609、和电极601的连接。
虽然已参照某些实施例描述了本申请的主题，但是本领域技术人员将理解，在不脱离主题的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以替换等效形式。此外，可以进行许多修改以使具体的情况或材料适应主题的传授内容而不脱离其范围。因此，所旨在的是，主题内容不受限于所公开的特定实施例，而主题内容将包括落入在此所描述的范围内的所有实施例。

Claims (8)

1.一种等离子切割电极，所述电极包括：
远端，该远端中插入了发射插入件，其中所述远端是可插入等离子切割焊炬的喷嘴中的，所述远端具有第一外直径；
位于所述远端上游的肩台部分，所述肩台部分具有大于所述第一外直径的第二外直径；
位于所述肩台部分上游的中央凹槽部分，所述中央凹槽部分具有带有第一牙顶宽度的第一螺纹以及带有第二牙顶宽度的第二螺纹，该第二牙顶宽度处于比该第一牙顶宽度大出1.5至3倍的范围内并且所述第一螺纹和第二螺纹各自相应地具有凹槽，其中所述凹槽各自具有成角度侧壁，并且其中所述中央凹槽部分具有第三外直径；以及
位于所述中央凹槽部分上游的上游端部分，其中所述上游端部分具有第四外直径。
2.如权利要求1所述的电极，其中，所述第二外直径处于比所述第一外直径大出55％至65％的范围内。
3.如权利要求1所述的电极，其中，所述第二牙顶宽度处于比所述第一牙顶宽度大出2至2.5倍的范围内。
4.如权利要求1所述的电极，其中，所述第三外直径是与所述第二外直径相同的。
5.如权利要求1所述的电极，其中，每个相应凹槽的侧壁之间的夹角在20至40度的范围内。
6.如权利要求1所述的电极，其中，所述凹槽各自具有处于该第三外直径的4％至10％的范围内的深度。
7.如权利要求1所述的电极，其中，所述第一螺纹和第二螺纹各自处于每英寸4至8圈的范围内。
8.一种等离子切割焊炬，包括：
阴极，该阴极具有空腔部分，该空腔部分具有的开口位于所述空腔部分的远端上；
部分地插入所述阴极的所述空腔部分中的电极，所述电极包括：
远端，该远端中插入了发射插入件，所述远端具有第一外直径；
位于所述远端上游的肩台部分，所述肩台部分具有大于所述第一外直径的第二外直径；
位于所述肩台部分上游的中央凹槽部分，所述中央凹槽部分具有带有第一牙顶宽度的第一螺纹以及带有第二牙顶宽度的第二螺纹，该第二牙顶宽度处于比该第一牙顶宽度大出1.5至3倍的范围内并且所述第一螺纹和第二螺纹各自相应地具有凹槽，其中所述凹槽各自具有成角度侧壁，并且其中所述中央凹槽部分具有第三外直径；以及
位于所述中央凹槽部分上游的上游端部分，其中所述上游端部分具有第四外直径；以及
喷嘴，所述电极的所述远端插入该喷嘴中；
其中所述阴极在所述阴极的外部部分上具有螺纹并且所述螺纹被定向成与所述电极上的所述第一螺纹和第二螺纹的取向方向相反。
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