CN106573329A - 用于等离子弧切割系统的可消耗筒 - Google Patents

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Abstract

本发明特征在于一种用于等离子弧焊炬的可替换筒。筒包括筒本体（112），其具有第一区段（112A）和第二区段（112B）。第一区段和第二区段在界面（132）处连结以形成大致中空的室。界面（132）提供将第一区段和第二区段紧固在一起的联接力。筒还包括位于第二区段中的弧收缩构件（124）；被包括在大致中空的室内的电极（120）；以及固定到电极（120）的接触启动弹簧元件（128）。弹簧元件（128）施加分离力，该分离力偏压电极朝向本体（112）的第一区段或第二区段中的至少一个。分离力具有的大小小于联接力的大小。

Description

用于等离子弧切割系统的可消耗筒
技术领域
本发明大体涉及等离子弧切割系统和方法的领域。更具体地，本发明涉及用于通过使用改善的可消耗筒来简化、优化和减少切割时间和成本的方法和设备。
背景技术
等离子弧焊炬广泛使用于材料的切割和标记。等离子焊炬大体包括弧发射器（例如，电极）、具有安装在焊炬本体内的中心出口孔的弧收缩器或收缩构件（例如，喷嘴）、电气连接、用于冷却的通道、以及用于弧控制流体（例如，等离子气体）的通道。焊炬产生具有高温和高动量的气体的收缩离子化喷射。焊炬中所使用的气体可以是非反应性的（例如，氩气或氮气）或反应性的（例如，氧气或空气）。在操作期间，首先在弧发射器（阴极）和弧收缩器（阳极）之间产生维弧。可通过联接到DC电源和焊炬的高频、高压信号或通过各种接触启动方法中的任何方法来产生维弧。
已知的可消耗件在切割操作之前和期间均存在许多缺点。在切割操作之前，对于特定切割任务而言选择和安装一组正确的可消耗件可能是繁重的并且耗时的。在操作期间，当前的可消耗件遭遇性能问题，诸如无法从焊炬有效地耗散和传导开热量，以及无法保持可消耗件的合适对准和间距。此外，当前的可消耗件包括非常大量的昂贵材料，诸如铜和/或Vespel™，这导致显著的制造成本并且抑制其广泛商业化、生产和采用。需要的是一种新的和经改善的可消耗平台，其降低制造成本，增加系统性能（例如，热传导、部件对准、切割质量、可消耗件使用期限、可变化性/多功能性等），并且简化终端用户对可消耗件的安装和使用。
发明内容
本发明提供一个或更多个具有成本效益的筒设计，其降低制造成本，有助于筒的商业化和生产，改善终端用户使用时的安装和简易性，并且增加系统性能。在一些实施例中，重新设计多个传统的可消耗部件（例如，涡流环、喷嘴、护罩、保持帽以及电极部件）。在一些实施例中，产生新的部件（例如，电极套管、锁定环和/或界面绝缘体）。在一些实施例中，传统涡流环由焊炬本体内的不同特征部替代，这些特征部使焊炬本体内的气体流具有涡流（例如，具有直接构造在喷嘴的本体中的流动孔的涡流特征部）。在一些实施例中，喷嘴护罩与喷嘴电绝缘（例如，通过使用阳极氧化铝和/或塑料）。
在一些实施例中，每个筒包括下列可消耗部件中的一个或更多个：具有一个或更多个区段的框架或本体；弧发射器（例如，电极）；弧收缩器或弧收缩构件（例如，喷嘴）；使等离子焊炬内的气体具有涡流的特征部（例如，构造到喷嘴中的涡流特征部，涡流环，或其它涡流特征部）；护罩（例如，通过使用铝、阳极氧化铝和/或塑料材料来呈电绝缘的喷嘴护罩）；发射元件（例如，铪发射器）；和/或端帽。在一些实施例中，筒包括大体铜部分（例如，铜内芯）和大体非铜部分（例如，在内芯外部的非铜部分）。在一些实施例中，可在手持式等离子切割系统和/或机械等离子切割系统上使用筒。
在一些实施例中，筒具有弹性元件（例如弹簧电极或弹簧启动机构），其固定到电极，直接集成到筒中并设计成与筒不可分离或不可拆卸。弹性元件可与框架物理连通和/或可构造成将来自框架的维弧电流传导至弧发射器。弹性元件可在沿着弹性元件的轴线的方向上例如通过施加分离力来偏压弧发射器。在一些实施例中，分离力具有的大小小于将筒保持在一起的联接力的大小。
在一些实施例中，筒具有增强的冷却和绝缘能力、减少的制造和材料成本和/或改善的可再循环性、持久性以及性能。在一些实施例中，筒以一个整合件形式提供可消耗部件。在一些实施例中，筒使得焊炬安装时间能显著减少（例如，减小了5-10倍）；确保对于给定切割任务一直正确选择匹配的零件；改善热耗散和/或传导能力；对于给定切割任务能够更简单地认知合适的可消耗部件；增强可消耗件的对准和/或间隔；和/或减少操作者失误。在一些实施例中，大体从焊炬移走热量，但不至于加热或熔化塑料部件。在一些实施例中，使用除了铜以外的金属（例如，在筒部件的内芯外侧的区域中）有助于从焊炬移走热量。在一些实施例中，筒允许对于特定切割任务待预先选择的可消耗件的特定组合。
在一些实施例中，筒框架包括强导热材料，例如铝、铜或其它高度导热金属。在一些实施例中，筒框架通过模制成型。在一些实施例中，筒框架的第一端部或框架的第二端部中的至少一个包括成形来接合互补部件的螺纹区域。在一些实施例中，护罩、弧收缩器和框架是热耦接的。在一些实施例中，框架的外表面成形来连接到保持帽。在一些实施例中，筒包括连接到框架的护罩绝缘体。在一些实施例中，护罩绝缘体压配到框架。
在一些实施例中，筒帽限定弧发射器的孔并包括围绕弧发射器孔的周边布置的流体密封表面。在一些实施例中，电极包括弹簧。在一些实施例中，筒帽在弧收缩构件的基部区域内延伸到邻近一组涡流孔的位置。在一些实施例中，弧收缩构件的基部通过模制成型。在一些实施例中，保持帽连接到筒本体。在一些实施例中，保持帽包括塑料。在一些实施例中，弧收缩构件和电极经由弧收缩构件的基部来连接到保持帽。
在一些实施例中，筒包括连接到筒本体的护罩。在一些实施例中，护罩经由护罩绝缘体连接到筒本体。在一些实施例中，护罩绝缘体压配到护罩或弧收缩构件的基部中的至少一个。在一些实施例中，护罩绝缘体是电绝缘的。在一些实施例中，护罩绝缘体是导热的。在一些实施例中，护罩绝缘体包括阳极氧化铝。在一些实施例中，套管布置成围绕电极的一部分。在一些实施例中，套管包括形成来使电极与弧收缩构件的基部电绝缘的阳极氧化层。在一些实施例中，套管包括一组流动表面，其配置成有利于等离子焊炬内的流体流动，例如以改善冷却。
在一些实施例中，筒（或可消耗组件）包括布置在帽插件内的密封件。在一些实施例中，筒包括直接连接到气体流转向器的保持帽。在一些实施例中，保持帽由塑料形成。在一些实施例中，弧收缩器和发射性构件经由涡流环连接到保持帽。在一些实施例中，护罩绝缘体压配到护罩和气体流转向器中的至少一个。在一些实施例中，护罩绝缘体是电绝缘的。在一些实施例中，护罩绝缘体是导热的。在一些实施例中，护罩绝缘体包括阳极氧化铝。在一些实施例中，护罩具有大约2到大约4W/m-ºK-A的热容量电流比。在一些实施例中，筒或可消耗组件包括围绕发射性构件的一部分布置的套管。在一些实施例中，套管包括形成来使发射性构件与弧收缩器的基部电绝缘的阳极氧化层。在一些实施例中，套管包括一组流动表面。
在一些实施例中，筒由单元替代。在一些实施例中，发射元件的长度可调节为匹配喷嘴的使用期限，使得筒零件接近在同时达到其使用期限的终点。在一些实施例中，切割质量可类似于通过当前可消耗件所获得的切割质量。在一些实施例中，筒类型的可消耗组件包括布置在喷嘴本体内的弹簧电极和布置在锁定环内的密封装置。密封装置可配置来连接到等离子弧焊炬。弹簧电极可包括图钉或接触元件，其在电极本体内延伸并连接到布置在接触元件与电极本体之间的弹簧。在一些实施例中，电极套管可具有成形的（例如，勺形的）前端以引导筒内的气体流。
在一方面，本发明特征在于一种用于等离子弧焊炬的可替换筒。所述可替换筒包括具有第一区段和第二区段的筒本体。所述第一区段和所述第二区段在界面处连结以形成大致中空的室。所述界面提供将所述第一区段和所述第二区段紧固在一起的联接力。所述筒还包括位于所述第二区段中的弧收缩构件。所述筒还包括容纳在所述大致中空的室内的电极。所述筒还包括固定到所述电极的接触启动弹簧元件。所述弹簧元件施加分离力，所述分离力朝向所述本体的所述第一区段或所述第二区段中的至少一个偏压所述电极。所述分离力具有的大小小于所述联接力的大小。
在一些实施例中，气体输入使所述电极运动并且克服所述分离力。在一些实施例中，所述电极和所述接触启动弹簧元件的至少一部分不可移除地布置在所述大致中空的室内。在一些实施例中，所述弧收缩构件的基部是阳极氧化的。在一些实施例中，所述筒具有热导率为大约200-400瓦特每米每开氏温度之间的区域。在一些实施例中，所述护罩具有2-4 W/m-ºK-A的热容量电流比。在一些实施例中，所述筒包括连接到所述筒本体的所述第二区段的帽插件，所述帽插件大致使所述电极取向并将所述电极保持在所述筒本体内。
在另一方面，本发明特征在于一种用于等离子弧焊炬的密封式筒单元。所述筒单元包括大致中空的框架，其包括限定第一端部的第一大致中空部分和限定第二端部的第二大致中空部分。所述筒单元包括位于所述框架内的弧发射器。所述弧发射器可相对于所述框架转移。所述筒包括附接到所述框架的第二端部的弧收缩器。所述筒包括与所述框架物理连通的弹性元件。所述弹性元件朝向所述第一端部和所述第二端部中的一个偏压所述弧发射器，以有利于在所述弧发射器处或其附近的点火。
在一些实施例中，气体输入使所述电极运动并且克服所述分离力。在一些实施例中，所述框架包括电绝缘体。在一些实施例中，所述框架包括金属或强导热材料中的至少一种。在一些实施例中，所述框架是阳极氧化的。在一些实施例中，所述筒包括至少一组流动孔，所述一组流动孔中的每个流动孔从其它流动孔径向偏移。在一些实施例中，所述流动孔具有大约一平方英寸的总截面面积。在一些实施例中，所述第一端部配置成经由护罩绝缘体连接到护罩，且所述护罩、所述弧收缩器以及所述框架是热耦接的。在一些实施例中，所述筒单元具有热导率为大约200-400瓦特每米每开氏温度之间的区域。在一些实施例中，所述筒包括布置在所述框架的所述第二端部中的筒帽，所述筒帽成形为接触所述弧发射器并将所述弧发射器保持在所述框架内。
在另一方面，本发明特征在于一种用于等离子弧焊炬的可替换的整体式可消耗组件。所述可消耗组件包括气体流转向器；与所述气体流转向器物理连通的弧收缩器；大致布置在所述气体流转向器和所述弧收缩器内的发射性构件；以及弹性的弧启动器，其布置在所述发射性构件与所述气体流转向器或所述弧收缩器中的至少一个之间。所述气体流转向器、所述弧收缩器、所述发射性构件以及所述弧启动器中的每个的至少一部分不可移除地集成在所述可消耗组件内。
在一些实施例中，所述发射性构件包括电极并且所述弧启动器包括弹簧。在一些实施例中，所述气体流转向器是阳极氧化的。在一些实施例中，所述气体流转向器包括大致定位成与所述弧收缩器相对的帽插件，所述帽插件大致使所述发射性构件取向并将所述发射性构件保持在所述气体流转向器内。在一些实施例中，密封件布置在所述帽插件内。在一些实施例中，所述可消耗组件包括连接到所述气体流转向器的护罩。在一些实施例中，所述护罩经由护罩绝缘体连接到气体流转向器。
附图说明
在结合附图时从本发明的下面详细描述将更容易理解上述讨论。
图1是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的筒的截面示意性图示。
图2A是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的整体式筒的等距图示。
图2B是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的整体式筒的截面图示。
图2C是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的整体式筒的截面图示。
图3A是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧焊炬的内筒组件的等距图示。
图3B是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧焊炬的内筒组件的截面图示。
图4A-4B是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的可消耗筒的截面图示，每个筒具有喷嘴、电极、涡流环、弹性元件及端帽。
图5是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的可消耗筒的截面图示，其具有喷嘴、电极、涡流环、弹性元件及端帽。
具体实施方式
图1是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的筒100的截面示意性图示。筒100具有第一端部104、第二端部108、以及大致中空的框架112，该框架112具有朝向第一端部104的第一区段112A和朝向第二端部108的第二区段112B。筒100还包括弧发射器120、弧收缩器124以及弹性元件128。弧发射器120位于框架112内并且相对于框架112是可转移的。如所示出的，弧收缩器124形成框架112的一部分（例如，在第二端部108处，但在一些实施例中可附接到框架112）。弹性元件128与框架112物理连通，例如与第一区段112A直接物理连通。在一些实施例中，弹性构件128是固定到弧发射器120的接触启动弹簧元件。弹性元件128可配置成将来自框架112的维弧电流（pilot current）传递到弧发射器120。弹性元件128可朝向第一端部104或第二端部108中的一个偏压弧发射器120以有利于在弧发射器120处或附近的点火。弧发射器120可以是电极并可包括高放射性元件122，例如铪插件。
第一区段112A和第二区段112B在界面132处连结以形成大致中空的室。界面132提供将第一区段112A和第二区段112B紧固在一起的联接力（F联接）。弹性构件128可施加朝向第一区段112A或第二区段112B中的至少一个偏压弧发射器120的分离力（F分离）。分离力可具有的大小小于联接力的大小。在一些实施例中，联接力通过静态摩擦力、粘合力或设在界面132的凹口136处的法向力（例如，与向下重力相反的力）中的至少一个来设在界面132处。在一些实施例中，联接力可以强于可能由人通过手或有意地或无意地所克服的力。
在一些实施例中，框架112包括金属中的至少一种（例如，铝）或其它导热材料。在一些实施例中，框架112通过模制成型。在一些实施例中，框架112是阳极氧化的（例如，包括阳极氧化铝，如在下面更充分阐述地）。在一些实施例中，框架112包括电绝缘体，例如阳极氧化铝和/或热塑性材料（例如，PEEK，Torlon，Vespel等）。在一些实施例中，框架112的第一端部104或第二端部108中的至少一个包括成形来接合互补部件的螺纹区域。在一些实施例中，电极120包括弹性元件128，例如弹簧。
在一些实施例中，筒100的外表面成形为连接到保持帽或筒帽（未示出）或与其匹配。在一些实施例中，保持帽是可替换的，带有螺纹的，和/或卡扣连接的。筒帽可布置成围绕（例如，可包围）框架112的第二端部108。筒帽可成形为接触弧发射器120并将弧发射器120保持在框架112内。筒帽可限定弧发射器120的孔。筒帽可包括布置成围绕弧发射器120的孔的周边的流体密封表面。在一些实施例中，筒帽大体使电极120取向并将电极120保持在筒100内。在一些实施例中，筒帽包括密封件。
筒100可以是“可消耗”筒或可消耗部件的组件，例如，筒100可在其达到其使用期限的终点之后替换为一单元。筒100可以是并不旨在使能替换各个构成部分的密封单元。在一些实施例中，各个部件不可移除地布置在筒100内或集成到筒100中。例如，电极120和接触启动弹簧元件128的至少一部分能够不可移除地布置在框架112内，例如，密封在框架112内，和/或并不旨在由操作者移除或替换。在一些实施例中，筒100是可消耗部件。在一些实施例中，部件（例如，框架112和弧收缩器124）可经由压配或具有紧密公差的其它类似方式进行连接，并且如果分离，则将退化、断裂或故障。
图2A是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的整体式筒200的等距图示。从外部可见的是塑料外部区段204、金属外部区段208及铜外部区段212（例如，喷嘴护罩）。塑料外部区段204和金属外部区段208连结在连结处206。在一些实施例中，连结处206被包括在锥形区域中或邻近锥形区域。在一些实施例中，塑料外部区段204是保持帽。在一些实施例中，金属外部区段208是护罩绝缘体。在一些实施例中，金属外部区段208大体由除了铜的材料制成。在一些实施例中，铜外部区段212由纯铜或大致纯铜或铜合金制成。在图2B中更详细地观察到筒200的部件，如在下面所描述的。
图2B是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的整体式筒200的截面图示。在该视图中，筒200的额外元件是可见的，包括喷嘴本体216、喷嘴孔218、具有发射元件222的电极220、具有伸长部分224A的绝缘套管224、弹性元件226及电极接触按钮236（例如，由黄铜制成）。在本发明中，这些元件中的一个或更多个可重新设计以实现上述目标中的一个或更多个。
例如，喷嘴本体216可由导电材料（例如，高导电材料，诸如铝）制成并且可附接到（例如，可以呈直接物理接触）筒200的其它零件。在一些实施例中，喷嘴本体216（例如，经由热传导）与筒200的一些零件热连通，但与其它零件电绝缘。例如，喷嘴本体216可用作用于喷嘴孔218的散热件，同时保持与喷嘴护罩212的电绝缘。与先前使用的材料（例如，Vespel™）相比，此类构型可增强（例如，喷嘴和电极的）冷却性能并减少制造成本。在一些实施例中，筒具有热导率为大约200-400瓦特每米每开氏温度之间的区域（例如，铝可具有200-250W/m-ºK之间的热导率，而铜可具有350-400W/m-ºK之间的热导率）。在一些实施例中，可消耗筒具有2-4W/m-ºK-A的热容量电流比。
此外，喷嘴本体216包括一组入口涡流孔228（例如，涡流孔228A和228B）。在一些实施例中，该组入口涡流孔228包括五个涡流孔，或可选地三个至十个之间的涡流孔。涡流孔228可径向地偏移以使流经其的气体（例如，护罩气体，等离子气体，和/或气室气体）具有涡流流动（例如，径向速度分量和切向速度分量）。在此构型中，喷嘴本体216提供先前由涡流环所提供的涡流功能，因此消除对传统涡流环的需要。此外，在一些实施例中，喷嘴本体216经由模制工艺成型，从而消除对昂贵并耗时的钻孔过程以产生涡流孔的需要。在一些实施例中，喷嘴护罩212包括角状部232，其有助于在操作期间使流体流改变方向远离等离子弧。
图2C是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的整体式筒240的截面图示。整体式筒240可在许多方面类似于在图2B中示出的筒200，但可在一些其它方面不同。例如，筒240使用具有“T”形截面的经冲压的焊炬界面250（例如，铜的冲压件）。界面250可允许电极比在图2B的构型中更自由地滑动，其使用具有与弹簧形成匹配表面的接头特征部的电极。在图2C中，帽和喷嘴本体已打开以易于制造并允许电极在筒组装期间自由地滑动到喷嘴本体中。然后弹簧可倚靠在电极上，并且冲压焊炬界面250可使用小的突出特征部252以容易地卡扣至喷嘴本体中，从而将电极紧固在其中。此类构型避免将多个零件压配在一起的需要（并且继而避免必须在零件之间获得紧密公差的需要）和/或避免从不同方向将焊炬的不同零件组装的需要。通过使用筒240，制造商可在一个步骤中简单地将电极滑动到适当位置。
此外，替代使用在喷嘴本体所钻取的孔，筒240使用模制的具有槽的涡流特征部266以获得涡流功能。在此构型中，在操作期间，气体流到槽266外，并进入等离子室中以形成围绕等离子弧的涡流气体。在操作期间，气体可还流经模制的气体护罩通道254，从而进一步冷却喷嘴本体。在喷嘴本体、喷嘴孔和/或喷嘴衬套连接时，则槽266形成一组涡流孔。传递到槽的气体从焊炬传输通过由喷嘴本体的内表面以及喷嘴衬套的外表面（其组合地形成涡流孔）所限定的室。此类构型消除后处理机加工步骤和相关花费。此外，筒240包括在喷嘴孔和喷嘴本体之间的径向型锻连接258。径向型锻连接258提供稳健连接界面以允许喷嘴孔和喷嘴本体之间保持接触，但也暴露显著表面区域用于热从喷嘴孔传导到喷嘴本体。最终，在该实施例中，电极套管被移除并且采用更传统的热交换器进行替代。
图3A是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧焊炬的内筒组件300的等距图示。从外面可见的是具有通风孔306（例如，所示出的孔306A-D）的护罩304，具有流动孔或入口涡流孔312（例如，在图3A示出的孔312A，312B）的喷嘴本体308，前部绝缘体（或护罩绝缘体）314，以及后部绝缘体（或锁定环）316。结合下面图3B中所示的截面视图更充分地描述这些和另外的元件。
图3B是根据本发明的示例性实施例的图3A的内筒组件300的截面图示。在该视图中，内筒组件300的若干额外部件是可见的，包括具有发射元件322的电极320，弧收缩器或喷嘴孔324，指向喷嘴孔324的护罩流动孔328（例如，如示出的流动孔328A-B），绝缘套管332，以及冷却气体流动通道336。在该实施例中，喷嘴本体308用作与其它零件附接的筒框架。
内筒组件300的多个特征可增强其冷却能力。首先，喷嘴本体308可由铝制成，其与先前材料和上述构型相比可增强热传导。第二，喷嘴孔324可由铜制成并可按压到喷嘴本体308上。在此类实施例中，喷嘴本体308可用作用于铜喷嘴孔324的散热件。第三，改善的气体流动表面可有助于冷却，例如，其中保护气体向前流动经过孔328A，328B恰好到按压区域的外侧。压配布置还可提供焊炬零件之间的改善的热传导路径，这是由于这些零件的表面之间的紧密公差。在一些实施例中，压配布置包括具有一个或更多个台阶状特征部的过盈配合和/或突出（tabbed）配合或互锁配合。此外，压配设计的小尺寸具有以下额外优点：减少制造成本和/或材料成本并简化部件的制造和组装（例如，通过具有较少零件）。
喷嘴护罩304可还由铜制成并可在表面305A处按压到阳极氧化铝绝缘体314上。该组件可然后在压配表面305B处按压到喷嘴本体308上。在此类实施例中，护罩绝缘体314将喷嘴本体308连接到护罩304。在一些实施例中，护罩绝缘体314压配到喷嘴本体308。在一些实施例中，护罩绝缘体314是电绝缘环和/或包括连接护罩304和喷嘴本体308的一组压配表面305A，305B。护罩绝缘体314可将喷嘴本体308连接到护罩304，使得喷嘴本体308和护罩304彼此电绝缘，但仍向彼此传递热能。在一些实施例中，使用两件式护罩绝缘体能够由于增加接触表面来增加（例如，加倍）电绝缘能力。
喷嘴护罩304可比先前护罩小得多，从而允许部件的有效制造和组装、改善的持久性以及更确保筒零件相对于彼此的合适取向。以示例的方式，对于45-amp的系统，现有技术常用的护罩可具有大约1英寸的直径和大约0.04磅的质量，而根据本发明的筒护罩可具有大约0.5英寸的直径和小于0.01磅的质量（例如，大约0.007磅）。对于105-amp的系统，现有技术常用的护罩可具有大约1英寸的直径和大约0.05磅的质量，而根据本发明的筒护罩可具有大约0.5英寸的直径和大约0.01磅的质量（例如，0.013磅）。
较小尺寸的构型可带来显著优点。首先，具有质量减小的部件具有减小的热容量，其允许部件在后流动期间迅速地冷却和/或允许更多的热量在操作期间传递到冷却气体。第二，较小护罩可在操作期间获得相对较高的温度，并可传递更多热量到冷却的气体。在一些实施例中，喷嘴护罩304暴露至（例如，经由护罩流动孔328）进入护罩区域的冷却气体，其可进一步降低温度。流动孔328可分别具有至少大约1平方英寸的总截面面积。
在一些实施例中，电极320包括由铜制成的基部。在一些实施例中，电极320基部具有小直径，其中按压式绝缘套管332由阳极氧化铝和/或用于电绝缘的塑料制成。在一些实施例中，冷却气体流动通道或间隙336存在于绝缘套管332与喷嘴本体308之间。在一些实施例中，冷却气体在间隙336中流动。在一些实施例中，使用由两个端部触头340A，340B限定的“哑铃式”构型340，其可减小或最小化喷嘴本体308与绝缘套管332之间的接触面积。此类构型可减少零件之间的摩擦。
在一些实施例中，套管332接触电极320，其可以是来自喷嘴本体308的分开的电流路径的部分和/或来自喷嘴本体308的电流路径的不同的一部分。在一些实施例中，电极320和喷嘴本体308可选择性地由间隙电气地分离开，以产生弧和/或确保焊炬中零件的合适取向。在此类实施例中，喷嘴308和电极320可在套管332与喷嘴本体308之间处于物理接触。在此类实施例中，在此区域中需要绝缘层，使得电流能够通过发射元件322。
在一些实施例中，喷嘴本体342的壁（电极320在其附近运动）在操作期间可保持相对冷却，因为气体既流经喷嘴本体308的内侧上又直接横穿通过喷嘴324的外表面344。与先前诸如Vespel™的材料相比，用于喷嘴本体342设计的材料选择（例如，铝或其它金属）提供更好传导路径和散热能力。此类因素有助于冷却电极绝缘件并且即使由于电极使用在发射元件中形成深坑之后也允许电极的运行。
在一些实施例中，锁定环316（或绝缘环）在筒300与焊炬之间形成界面346。在一些实施例中，锁定环316可由阳极氧化铝制成。锁定环316可按压到喷嘴本体中以“捕获”可运动的电极320。锁定环316可将部件容纳在筒300内并且使焊炬电绝缘。在一些实施例中，锁定环316由热收缩或热粘合替代。在一些实施例中，锁定环316成形为使筒300（例如，轴向地）取向以优化气体流，从而使得电连接到阴极和/或提供电绝缘。
在本文描述的各种实施例中，筒或可消耗组件具有大约3.5英寸的长度和1.1英寸的直径。在一些实施例中，保持帽被认为是焊炬的部分，例如，非可消耗部件。在此构型中，机加工步骤得以最少化，因为在组装后不需要机加工（与需要最后机加工步骤以实现筒的功能轴向性的一些焊炬组件相比）。在一些实施例中，与现有技术涡流环相比，涡流孔的减少可最少化钻孔操作。在一些实施例中，采用铝替代Vespel™可显著地降低筒的制造成本。在一些实施例中，仅在电极，喷嘴，和/或孔的某些位置处使用铜，其可通过减少使用该昂贵材料来降低制造成本。例如，铜可主要集中在内芯或内部区域。尽管筒由于其热和电性质能够是可期望的，但其也比其它材料更昂贵，并且因此寻求其使用最少化的设计。
图4A-4B和图5是用于根据本发明的示例性实施例的等离子弧切割系统的可消耗筒的截面图示，每个筒具有喷嘴、电极、涡流环、弹性元件以及端帽。图4A示出示例性筒设计400。如所示出的，筒400包括涡流环402、端帽406、喷嘴408以及电极404。电极404可以是用于接触启动等离子弧焊炬的弹簧向前式电极，其中，弹性元件412（例如，弹簧）在电极404的远端上施加分离力以偏压电极404远离端帽406并朝向喷嘴408。弹性元件412也可以是筒400的一部分。筒400可包括用于在组装到焊炬中时接触启动等离子弧焊炬的启动机构。
涡流环402可沿着电极404的纵向轴线410大致在电极404的长度上延伸。在一些实施例中，涡流环402通过注射模制高温热塑性材料（例如，PAI、PEI、PTFE、PEEK、PEKPEKK等）来制造。与VespelTM相比，使用热塑性材料制造涡流环可降低筒成本，其中VespelTM是已用于制造涡流环的材料并且是相对更昂贵的。已知的是，热塑性材料具有比VespelTM（热固性材料）低的操作温度，其可能损害涡流环的整体性和电极使用期限。然而，根据本技术的筒设计，其可包含由具有各种强化添加物的热塑性树脂制成的涡流环，该强化添加物提供期望的耐热性和/或热导率（例如，玻璃纤维，矿物质，氮化硼（BN）和/或立方氮化硼），已解决高温性能问题，从而使得能够在这些筒中有效使用热塑性材料。这可实现是因为：（1）热塑性材料具有足够的耐高温性，以及（2）合理地包含热塑性材料的筒设计可避免热塑性材料在操作期间暴露至过高的温度。此外，当电极经受使用期限结束事件时，其也是筒的使用期限的结束，塑料材料的同时熔化不成问题。
端帽406可由导电材料制成，例如铜。端帽406可经由从坯料冲压而非昂贵地成型，并且能够不可移除地插入、压配或包覆模制到筒400上。端帽406构造成将弹性元件412容纳在筒400内，并压缩弹性元件412抵靠电极404的远端，使得弹性元件412在电极404的远端上施加分离力以朝向喷嘴408偏压电极404。在一些实施例中，端帽406可成形来匹配地接合带图案的焊炬头部，和/或可包括一组流体流动孔，该组流体流动孔形成通过其。
在一些实施例中，不可释放的卡扣配合界面414形成在涡流环402与喷嘴408之间，以将两个可消耗部件结合在一起作为筒400的一部分。此外，第二卡扣配合界面416可形成在涡流环402与端帽406之间，以将两个可消耗部件结合在一起作为筒400的一部分。其它制造和组装选择是可用的以及可行的。例如，涡流环402可包覆模制到端帽406上。端帽406还可由涡流环402和弹性元件412（例如，弹簧）封装，其中端帽406可在筒400内运动。
图4B示出另一示例性筒设计450。如所示出的，筒450包括涡流环452、端帽456、喷嘴458和电极454。在一些实施例中，筒450可包括功能类似于图4A的弹性元件412的弹性元件462。图4A和4B的筒可具有不同电极（例如，不同尺寸的热交换器法兰，用于均匀流动的周向法兰）、不同喷嘴（例如，不同的涡流环附接件）以及不同涡流环（例如，不同涡轮孔和附接件）。在图4B的筒设计450中，当涡流环452相对于喷嘴458插入就位时，形成界面464。另一界面466可形成在涡流环452与端帽456之间。
图5示出另一示例性筒设计500。如所示出的，筒500包括涡流环502、套管514、端帽506、喷嘴508和电极504。在一些实施例中，筒500还包括功能类似于图4A的弹性元件512的弹性元件512。套管514和/或端帽506可使用冲压方法由导电材料（例如，铜）制成。套管514可压配或包覆模制到筒500上。端帽506可以是套管514的一部分。因此，套管514和端帽506可构造为单个部件。
如所示出的，与涡流环402相比，涡流环502可以是相对短的，使得涡流环502在纵向轴线510上仅沿着电极504的长度的一部分延伸。类似于涡流环402，涡流环502可通过注射模制高温热塑性材料（例如，TorlonTM）来制造。卡扣配合界面520可形成在涡流环502与喷嘴508之间，以将两个可消耗部件结合在一起作为筒500的一部分。另一卡扣配合界面518可形成在涡流环502与套管514之间，以将两个可消耗部件结合在一起作为筒500的一部分。可替代地，涡流环502可包覆模制到套管514上。
存在与在等离子弧焊炬中使用筒相关的许多益处。首先，此类设计通过快速更换能力、短的设置时间和终端用户对可消耗件选择的简易性来有助于使用的简易性。其还提供一致的切割性能，因为当更换筒时，则立即更换了一套可消耗件。相反地，当在不同时刻单独地更换部件时会引入性能的变化。例如，长期反复使用相同的涡流环可在每次熄火后引起尺寸变化，从而改变性能质量，即使有规律地更换所有其它部件。此外，由于筒的制造和/或安装成本低于一组可消耗件的组合成本，因此与一组可消耗件的每次更换相比，存在每次筒更换相关联的较低成本。而且，可设计不同的筒以相对于不同应用来优化焊炬操作，例如标记、切割、保持长使用期限等。
尽管已参考特定优选实施例具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员应理解到，其中在形式和细节上可做出各种变化而不偏离本发明的由下面权利要求书所限定的精神和范围。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于等离子弧焊炬的可替换筒，所述可替换筒包括：
筒本体，其具有第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段在界面处连结以形成大致中空的室，所述界面提供将所述第一区段和所述第二区段紧固在一起的联接力；
弧收缩构件，其位于所述第二区段中；
电极，其被包括在所述大致中空的室内；以及
接触启动弹簧元件，其固定到所述电极，所述弹簧元件施加分离力，所述分离力偏压所述电极朝向所述本体的所述第一区段或所述第二区段中的至少一个，所述分离力具有的大小小于所述联接力的大小；
其中，所述接触启动弹簧元件直接集成至所述筒中并且设计成与所述筒是不可分离或不可拆卸的。
2.如权利要求1所述的可替换筒，其中，气体输入使所述电极运动并且克服所述分离力。
3.如权利要求1所述的可替换筒，其中，所述电极和所述接触启动弹簧元件的至少一部分不可移除地布置在所述大致中空的室内。
4.如权利要求1所述的可替换筒，其中，所述弧收缩构件的基部是阳极氧化的。
5.如权利要求1所述的可替换筒，其中，所述筒具有热导率在大约200-400瓦特每米每开氏温度之间的区域。
6.如权利要求5所述的可替换筒，其中，所述护罩具有2-4 W/m-ºK-A的热容量电流比。
7.如权利要求1所述的可替换筒，其还包括连接到所述筒本体的所述第二区段的帽插件，所述帽插件大致使所述电极取向并将所述电极保持在所述筒本体内。
8.一种用于等离子弧焊炬的密封式筒单元，所述筒单元包括：
大致中空的框架，其包括限定第一端部的第一大致中空部分和限定第二端部的第二大致中空部分；
弧发射器，其位于所述框架内，所述弧发射器能够相对于所述框架转移；
弧收缩器，其附接到所述框架的所述第二端部；以及
弹性元件，其与所述框架物理连通，所述弹性元件朝向所述第一端部和所述第二端部中的一个偏压所述弧发射器，以有利于在所述弧发射器处或其附近的点火。
9.如权利要求8所述的筒单元，其中，气体输入使所述电极运动并且克服所述分离力。
10.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述框架包括电绝缘体。
11.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述框架包括金属或强导热材料中的至少一种。
12.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述框架是阳极氧化的。
13.如权利要求8所述的筒单元，还包括至少一组流动孔，所述一组流动孔中的每个流动孔从其它流动孔径向偏移。
14.如权利要求13所述的筒单元，其中，所述流动孔具有大约一平方英寸的总截面面积。
15.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述第一端部配置成经由护罩绝缘体连接到护罩，所述护罩、所述弧收缩器以及所述框架是热耦接的。
16.如权利要求8所述的筒单元，其中，筒单元具有热导率为大约200-400瓦特每米每开氏温度之间的区域。
17.如权利要求8所述的筒单元，其还包括布置在所述框架的所述第二端部中的筒帽，所述筒帽成形为接触所述弧发射器并将所述弧发射器保持在所述框架内。
18.一种用于等离子弧焊炬的可替换的整体式可消耗组件，所述可消耗组件包括：
气体流转向器；
弧收缩器，其与所述气体流转向器物理连通；
发射性构件，其大致布置在所述气体流转向器和所述弧收缩器内；以及
弹性的弧启动器，其布置在所述发射性构件与所述气体流转向器或所述弧收缩器中的至少一个之间，所述气体流转向器、所述弧收缩器、所述发射性构件以及所述弧启动器中的每个的至少一部分不可移除地集成在所述可消耗组件内。
19.如权利要求18所述的可消耗组件，其中，所述发射性构件包括电极并且所述弧启动器包括弹簧。
20.如权利要求18所述的可消耗组件，其中，所述气体流转向器是阳极氧化的。
21.如权利要求18所述的可消耗组件，其中，所述气体流转向器包括大致定位成与所述弧收缩器相对的帽插件，所述帽插件大致使所述发射性构件取向并将所述发射性构件保持在所述气体流转向器内。
22.如权利要求21所述的可消耗组件，其还包括布置在所述帽插件内的密封件。
23.如权利要求18所述的可消耗组件，其还包括连接到所述气体流转向器的护罩。
24.如权利要求23所述的可消耗组件，其中，所述护罩经由护罩绝缘体连接到气体流转向器。

Claims (24)

1.一种用于等离子弧焊炬的可替换筒，所述可替换筒包括：
筒本体，其具有第一区段和第二区段，所述第一区段和所述第二区段在界面处连结以形成大致中空的室，所述界面提供将所述第一区段和所述第二区段紧固在一起的联接力；
弧收缩构件，其位于所述第二区段中；
电极，其被包括在所述大致中空的室内；以及
接触启动弹簧元件，其固定到所述电极，所述弹簧元件施加分离力，所述分离力偏压所述电极朝向所述本体的所述第一区段或所述第二区段中的至少一个，所述分离力具有的大小小于所述联接力的大小。
2.如权利要求1所述的可替换筒，其中，气体输入使所述电极运动并且克服所述分离力。
3.如权利要求1所述的可替换筒，其中，所述电极和所述接触启动弹簧元件的至少一部分不可移除地布置在所述大致中空的室内。
4.如权利要求1所述的可替换筒，其中，所述弧收缩构件的基部是阳极氧化的。
5.如权利要求1所述的可替换筒，其中，所述筒具有热导率在大约200-400瓦特每米每开氏温度之间的区域。
6.如权利要求5所述的可替换筒，其中，所述护罩具有2-4 W/m-ºK-A的热容量电流比。
7.如权利要求1所述的可替换筒，其还包括连接到所述筒本体的所述第二区段的帽插件，所述帽插件大致使所述电极取向并将所述电极保持在所述筒本体内。
8.一种用于等离子弧焊炬的密封式筒单元，所述筒单元包括：
大致中空的框架，其包括限定第一端部的第一大致中空部分和限定第二端部的第二大致中空部分；
弧发射器，其位于所述框架内，所述弧发射器能够相对于所述框架转移；
弧收缩器，其附接到所述框架的所述第二端部；以及
弹性元件，其与所述框架物理连通，所述弹性元件朝向所述第一端部和所述第二端部中的一个偏压所述弧发射器，以有利于在所述弧发射器处或其附近的点火。
9.如权利要求8所述的筒单元，其中，气体输入使所述电极运动并且克服所述分离力。
10.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述框架包括电绝缘体。
11.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述框架包括金属或强导热材料中的至少一种。
12.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述框架是阳极氧化的。
13.如权利要求8所述的筒单元，还包括至少一组流动孔，所述一组流动孔中的每个流动孔从其它流动孔径向偏移。
14.如权利要求13所述的筒单元，其中，所述流动孔具有大约一平方英寸的总截面面积。
15.如权利要求8所述的筒单元，其中，所述第一端部配置成经由护罩绝缘体连接到护罩，所述护罩、所述弧收缩器以及所述框架是热耦接的。
16.如权利要求8所述的筒单元，其中，筒单元具有热导率为大约200-400瓦特每米每开氏温度之间的区域。
17.如权利要求8所述的筒单元，其还包括布置在所述框架的所述第二端部中的筒帽，所述筒帽成形为接触所述弧发射器并将所述弧发射器保持在所述框架内。
18.一种用于等离子弧焊炬的可替换的整体式可消耗组件，所述可消耗组件包括：
气体流转向器；
弧收缩器，其与所述气体流转向器物理连通；
发射性构件，其大致布置在所述气体流转向器和所述弧收缩器内；以及
弹性的弧启动器，其布置在所述发射性构件与所述气体流转向器或所述弧收缩器中的至少一个之间，所述气体流转向器、所述弧收缩器、所述发射性构件以及所述弧启动器中的每个的至少一部分不可移除地集成在所述可消耗组件内。
19.如权利要求18所述的可消耗组件，其中，所述发射性构件包括电极并且所述弧启动器包括弹簧。
20.如权利要求18所述的可消耗组件，其中，所述气体流转向器是阳极氧化的。
21.如权利要求18所述的可消耗组件，其中，所述气体流转向器包括大致定位成与所述弧收缩器相对的帽插件，所述帽插件大致使所述发射性构件取向并将所述发射性构件保持在所述气体流转向器内。
22.如权利要求21所述的可消耗组件，其还包括布置在所述帽插件内的密封件。
23.如权利要求18所述的可消耗组件，其还包括连接到所述气体流转向器的护罩。
24.如权利要求23所述的可消耗组件，其中，所述护罩经由护罩绝缘体连接到气体流转向器。
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