CN107249803B - 改进的等离子弧切割系统、消耗品和操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明的特征在于用于调节等离子割炬中的防护液体的方法和装置。用于等离子割炬的液体注射防护罩包括主体以及液体注射调节部件，主体具有外表面和内表面，液体注射调节部件周向地设置在主体的内表面内并且与主体的内表面直接接触。液体注射调节部件和主体的内表面限定腔室。液体注射调节部件还限定第一组端口和第二组端口，第一组端口的尺寸被设计成调节进入腔室的液体，第二组端口被定向成分配离开腔室的流体。

Description

改进的等离子弧切割系统、消耗品和操作方法

相关申请

本申请要求享有2016年4月11日提交的且名称为“用于等离子弧割炬的消耗品（Consumables for Plasma Arc Torch）”的美国临时专利申请No.62/320,935的权益。本申请还要求享有2015年8月4日提交的且名称为“液体冷却筒（Liquid Cooled Cartridge）”的美国临时专利申请No.62/200,913的权益。本申请还要求享有2016年6月9日提交的且名称为“防护罩旋流器中的计量孔（Metering Holes in the Shield Swirler）”的美国临时专利申请No.62/347,856的权益。这些申请的全部内容通过引用被并入本文。

技术领域

本发明一般地涉及等离子弧切割系统和过程的领域。更具体地，本发明涉及改进的消耗性部件和操作方法以实现一致的切割质量。

背景技术

等离子弧割炬（torch）广泛用于材料的切割和标记。等离子弧割炬通常包括安装在割炬主体内的具有中心出口孔口的喷嘴和电极、电连接、用于冷却流体（例如，水）的路径以及用于弧控制流体（例如，等离子气体）的路径。割炬产生等离子弧，即具有高温和高动量的气体的压缩电离射流。割炬中所使用的气体可以是非反应性的（例如，氩气或氮气）或是反应性的（例如，氧气或空气）。在操作期间，首先在电极（阴极）和喷嘴（阳极）之间产生维弧（pilot arc）。维弧的产生可借助于联接到直流功率源和割炬的高频、高电压信号或者借助于各种接触启动方法中的任何一种。

在流体注射等离子系统中，切割质量（例如，角度、毛刺（dross）和边缘颜色（edgecolor）的质量）对防护流体的流速敏感。防护液体的流速可由于不同的原因而变化，例如当流体选择控制台（fluid selection console）的高度相对于割炬改变时。在一些其中水是防护液体的情况下，对于每线性英尺的高度改变，流体流速可每小时改变高达0.5加仑。此类变化进而可导致切割质量上的显著变化。所需要的是一种等离子弧切割系统，其对系统的外部压力改变（例如，由流体选择控制台的高度改变引起的外部压力改变）不敏感，由此确保一致的切割质量。

发明内容

本发明涉及用于在等离子弧切割系统中建立在防护流体流速方面的改进的稳定性的系统和方法。防护罩设置有包括两组端口（例如，计量孔和旋流孔）的插入件（例如，“液体注射调节部件”），以使得单个消耗性部件既被用于计量（meter）防护液体也被用于使防护液体产生旋流（swirl）（或分配防护液体）。如在本申请中所使用的，“旋流孔”应被理解为是指影响气体的分配的任何孔，包括但不限于通过使等离子割炬中的气体产生旋流来影响气体的分配。如下面所阐述的，在某些实施例中，计量孔使得恒定的雾化“雾”压力能够供给旋流孔，这进而使得等离子体系统对流体选择控制台（fluid selection console）的高度改变不敏感。结果是获得一种无论流体选择控制台相对于割炬的位置（例如高度）情况均确保可靠的、可重复的切割的系统。

出于比较的目的，用于等离子弧割炬系统中的水系统的典型设计可能使用大约5-6 psi的控制压力，在假设压力选择控制台和割炬之间没有高度改变的情况下，该控制压力能够足以维持跨过不同旋流孔几何形状的例如大约4-5加仑每小时的防护水流速。然而，在本发明的一些实施例中，可以在流体选择模块（例如，下面在图1中示出和描述的气体连接模块104）中应用更大的流体设定压力（例如，25-30 psi），流体设定压力进而会在跨过计量孔时大大减小。在一些实施例中，压降大到有利地使得系统对由流体选择控制台和计量控制台之间的高度差导致的小的压力改变基本上无反应。

在一个方面中，本发明的特征在于用于等离子割炬的液体注射防护罩。所述防护罩包括具有外表面和内表面的主体。所述防护罩还包括液体注射调节部件，液体注射调节部件周向地设置在主体的内表面内并且与主体的内表面直接接触。液体注射调节部件和主体的内表面限定腔室（例如，“雾化”腔室）。液体注射调节部件限定第一组端口（例如，“计量”孔）并且限定第二组端口（例如，“旋流”孔），第一组端口的尺寸被设计成调节进入腔室的液体，第二组端口被定向成分配离开腔室的流体。

在一些实施例中，所述端口被定向成向离开腔室的流体施加旋流。在一些实施例中，液体注射调节部件包括绝缘体材料。在一些实施例中，第一组端口中的每个端口小于第二组端口中的每个端口。在一些实施例中，第一组端口的总截面流动面积小于第二组端口的总截面流动面积。在一些实施例中，第一组端口与主体的内表面中的腔室对准。在一些实施例中，第一组端口被配置成允许从大约2加仑每小时到大约8加仑每小时的流体流速的范围。在一些实施例中，第一组端口被配置成使流体压力减小近似25 psi。在一些实施例中，液体注射调节部件被模制。在一些实施例中，液体注射调节部件是L形的。在一些实施例中，第一组端口被定向成与第二组端口成直角。在一些实施例中，腔室被配置成使用进入腔室的液体进行雾化或形成细雾。在一些实施例中，雾化的雾可以是水微粒的喷雾或集合，然而可以替代地使用气体或除了水之外使用还使用气体。在一些实施例中，离开腔室的流体是气体、水或水雾。在一些实施例中，液体注射调节部件包括两个分开的子部件，第一子部件具有第一组端口并且第二子部件具有第二组端口。

在另一方面中，本发明的特征在于调节等离子弧割炬防护罩中液体注射过程的方法。该方法包括提供防护罩，防护罩具有出口孔口、内表面以及外表面，外表面被配置成暴露于熔融飞溅物。所述方法还包括将液体供应到防护罩的内表面。所述方法还包括引导液体穿过一组计量孔进入腔室。计量孔引发液体的压降。所述方法还包括引导液体穿过一组旋流孔到腔室外朝向出口孔口。

在一些实施例中，一组计量孔中的每个孔均小于一组旋流孔中的每个孔。在一些实施例中，一组计量孔的总截面面积小于一组旋流孔的总截面面积。在一些实施例中，计量孔被配置成允许从大约2加仑每小时到大约8加仑每小时的流体流速范围。在一些实施例中，计量孔被配置成使流体流动压力减小近似25 psi。在一些实施例中，液体以与液体穿过旋流孔的路径成直角的方式被引导穿过一组计量孔。在一些实施例中，腔室被配置成使用进入腔室的液体进行雾化或形成细雾。

在另一方面中，本发明的特征在于用于等离子弧割炬的防护罩。所述防护罩包括具有外表面和内表面的主体，内表面限定第一凹部。防护罩还包括限定第二凹部的流体调节部件，流体调节部件周向地设置在主体的内表面内。主体的第一凹部和流体调节部件的第二凹部限定具有入口孔和出口孔的中空区域。入口孔被配置成调节进入空腔的液体，并且出口孔被配置成向离开空腔的液体施加旋流。在一些实施例中，入口孔被定向成与出口孔成直角。

附图说明

当结合附图从以下对本发明的详细描述中将更容易地理解前述讨论。

图1是根据本发明的说明性实施例的用于等离子割炬系统的流体流动系统的示意图。

图2A是根据本发明的说明性实施例的用于等离子割炬的消耗性叠层构造（stackup）的截面图示，该消耗性叠层构造不利用防护罩插入件中的计量孔。

图2B是根据本发明的说明性实施例的图2A中所示的截面图的放大图示。

图2C是根据本发明的说明性实施例的具有插入件的单独的防护罩的等轴测图示。

图3A是根据本发明的说明性实施例的等离子割炬的截面图的特写图示，该等离子割炬具有包括计量孔和旋流孔的防护罩插入件。

图3B是根据本发明的说明性实施例的具有插入件的单独的防护罩的等轴测图示。

图4是根据本发明的说明性实施例的调节等离子弧割炬防护罩中的液体注射过程的方法的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的说明性实施例的用于等离子割炬系统的流体流动系统100的示意图。流体流动系统100包括自动流体选择或“气体连接”模块104、“割炬连接”模块108、插座112以及等离子割炬116。气体连接模块104例如通过如下方式来控制流体注射过程：为某些气体（例如，F5，燃料气体）和用于水注射过程的水建立该系统的流体设定压力。气体连接模块104还设定某些气体通过该气体连接模块104的路径。气体连接模块104经由流体管线106连接到割炬连接模块108。割炬连接模块108控制用于某些气体（例如，O₂、N₂）的注射压力，并且设定使某些流体（例如，燃料气体、水）通过割炬连接模块108到插座112和割炬116的路径。如所示出的，气体连接模块104可距离火炬连接模块108远达15米并且距离插座112和割炬116远达19.5米。另外地，气体连接模块104可相对于割炬116放置在不同的高度处。

割炬连接模块108经由防护管线110连接到插座112和割炬116。防护管线110中的流体流速可取决于割炬116和气体连接模块104之间的相对高度而变化。另外地，割炬连接模块的相对位置会基于其相对于气体连接模块和割炬的相对位置引入另外的可变压力改变。例如，如果割炬116定位在气体连接模块104的下方，则水的流速会增大。插座112负责将割炬联接到导线（lead），并且在一些实施例中经由“快速断开（quick disconnect）”特征（未示出）连接到割炬116。

图2A是根据本发明的说明性实施例的用于等离子割炬的消耗性叠层构造200的截面图示，消耗性叠层构造200不利用防护罩插入件中的计量孔，而图2B是图2A中所示的截面图的放大图示。为了易于解释，使用相同的附图标记来同时描述图2A和2B。消耗性叠层构造200包括防护罩204，防护罩插入件208和喷嘴保持盖212。在该消耗性叠层构造200中，防护流体流动穿过喷嘴保持盖212中的一组端口（例如，端口216）并且通过流体通路236流出。虽然仅绘出了一个端口216，但是喷嘴保持盖212包括若干在截面中不可见的类似端口，并且此类端口被统一描述为“端口216”。另外地，防护流体的流体流动路径220。在一些实施例中，图2A-2B中所示的配置与气态防护流体（例如空气或N₂）结合使用。

如图2B中可看出的，在操作期间，防护流体沿着路径220流动穿过端口216。端口216帮助在操作期间例如基于它们的截面面积来计量防护流体流量。防护流体然后冲击在防护罩204的内部上的倾斜或有角度的表面224上。倾斜或有角度的表面224帮助在流体离开路径220之后确保均匀的压力。倾斜或有角度的表面224还帮助将防护罩插入件208捕获在防护罩204内。然后，防护流体沿着路径220继续进入到形成在防护罩204和防护罩插入件208之间的开口或通道228中。如所绘出的，该开口或通道228具有急转的曲线组成的形状，然而在实践中可以是若干种形状。流体然后流动穿过防护罩插入件208中的一组旋流孔（例如，旋流孔232）。旋流孔232向防护流体施加流体旋流模式。离开旋流孔232的防护流体在流体通路236中继续并离开割炬朝向工件（未示出）。图2C是根据本发明的说明性实施例的具有插入件408的单独的防护罩404（诸如上面联系图2A-2B示出和描述的防护罩204）的等轴测图示400。图2C示出了意图与防护气体一起使用的防护罩404。防护罩404具有外表面405、内表面406以及插入件408，插入件408具有一组旋流孔412。

在一些实施例中，消耗性叠层构造200可以被用在300A系统中，然而类似的叠层构造可适用于不同的系统，例如170A、130A或80A。如果这个实施例被示出为消耗性堆叠200与例如水的防护流体一起使用，则气体连接模块（例如，上面在图1中示出和描述的气体连接模块104）处的流体设定压力可以在3-8 psi范围内实现每小时1-8加仑。在一些实施例中，这个压力设定点可能会是不期望地低的，因为喷嘴保持盖计量端口240的尺寸通常是为了计量气体流量而不是水流量而设计。在一些实施例中，伴随控制点和割炬之间的高度改变的压力改变可与压力设定本身相当。因此，高度的小改变会导致水穿过防护罩的流速的剧烈改变，这进而会影响切割质量（在一些情况下严重影响切割质量）。

图3A是根据本发明的说明性实施例的等离子割炬300的截面图的特写图示，等离子割炬300具有包括计量孔350和旋流孔332的防护罩插入件（例如，液体注射调节部件）308。等离子割炬300包括防护罩304（例如，“液体注射防护罩”）、防护罩插入件308（例如 ，“液体注射调节部件”）以及喷嘴保持盖312，防护罩主体具有外表面305和内表面306，防护罩插入件308周向地设置在防护罩304的内表面306内并且与防护罩304的内表面306直接接触。该设置类似于上面在图2A-2B中所示出和描述的设置，但是包括若干区别。例如，在该设计中，防护罩304和防护罩插入件308限定腔室354，腔室354用于保持雾化的防护雾，该雾化的防护雾使得流体压力稳定化能够实现。插入件的第一组端口（计量孔）350帮助控制割炬300内的防护流体流速，并且插入件的第二组端口（旋流孔）332帮助向防护流体施加旋流模式。要注意的是，在图3A中，只有单个计量孔350和单个旋流孔332是可见的，但是防护罩插入件312通常具有若干计量孔和若干旋流孔。如可看到的，计量孔350和旋流孔332还分别用作腔室354的入口和出口通路。

在操作期间，流体沿着流体流动路径320在割炬300的喷嘴保持盖312中的孔洞316内流动，并且冲击在防护罩插入件350上。防护流体的一部分冲击在计量孔350上并被允许进入腔室354。进入腔室354的流体冲击在表面358上，该表面358使流体流散射（scatter），并且形成收集在腔室354中并在在腔室354中加压的流体微粒的细“雾” （经由“雾化”过程）。在一些实施例中，跨过计量孔350在防护流体中发生的大的压降（例如，大约25 psi）。然后，腔室354中的流体雾经由旋流孔332离开腔室354并进入流体流动路径336，流体流动路径336通到割炬300外并且通到工件（未示出）上。对于气体连接模块104和割炬116之间的多个高度差，离开旋流孔332的流体雾可以是均匀的压力，例如5-6 psi。

在一些实施例中，防护罩插入件308由恰好定位在表面358的上方的竖直表面360轴向地保持就位。在一些实施例中，安放在竖直表面360上允许在防护罩插入件308和防护罩304之间形成密封，从而迫使防护水穿过计量孔350，而不允许防护水通过在防护罩插入件308和防护罩304之间通过而绕过计量孔350。在一些实施例中，计量孔350具有小于旋流孔332的总截面面积的总截面面积。在一些实施例中，计量孔350中的每个小于旋流孔中的每个。例如，在一个实施例中，存在五个具有0.0016平方英寸的总截面面积的计量孔以及18个具有0.0034平方英寸的总截面面积的旋流孔。在这个实施例中，跨过计量孔的压降可以大约是18 psi。在另一个实施例中，存在六个具有0.0015平方英寸的总截面面积的计量孔和18个具有0.0034平方英寸的总截面面积的旋流孔。在这个实施例中，跨过计量孔的压降可以大约为20-25 psi。

在一些实施例中，旋流孔332是对流体流动限制性最小的孔，而计量孔350是限制性最大的。在一些情况下，如图3A所示，存在将计量孔350保持成与旋流孔332成直角的L形凸缘，从而形成使流体直接流动穿过腔室354的可能性最小化的腔室354。在一些实施例中，腔室354的总体积可以大约是0.00291立方英寸（不包括计量孔和旋流孔的体积）。在一些实施例中，防护罩304由导电材料制成，例如铜。在一些实施例中，防护罩插入件308（或“液体注射调节部件”）由绝缘体制成，例如合适的塑料，诸如聚醚醚酮（PEEK）或聚酰亚胺（vespel）。在一些实施例中，防护罩插入件308被模制。

在一些实施例中，气体连接模块（例如上面参照图1示出和描述的气体连接模块104）与割炬300之间的流体的由于高度改变而引起的压降几乎比由于计量孔350引起的压降小一整个数量级。因为通过计量孔350的这个大的压降是已知的并且在控制压力设定点中得以补偿，所以由于高度改变而引起的任何不期望的压降对总体的水流速具有极小的影响。在一些实施例中，防护罩插入件308包括两个分开的部件（例如，包括计量孔350的第一环和包括旋流孔332的第二环）。在此类实施例中，单独制造两个分开的部件可能是更容易的。在一些实施例中，具有定制两个分开的部件的能力可以帮助将流动设计微调至更高的精度。

表1示出了不使用计量消耗品的等离子割炬系统中控制台高度对流速的影响。进行了测试，在该测试中，等离子割炬系统被置于“切割流（cut flow）”状态。 在这个状态下，不产生等离子，但是系统以所期望的设置输送防护和等离子流体。在使气体连接控制台竖直地向上和向下移动的两种情况下，监视防护水流速。如预期的那样，将控制台保持在割炬高度之上导致更高的水流速，并且使其移动到割炬高度之下导致较低的水流速。

表1：等离子割炬系统中控制台高度对流速的影响

相对于割炬的气体连接高度	水流速
		+2 英尺	5.2 加仑每小时
0 英尺	4.5 加仑每小时
		-2 英尺	3.5 加仑每小时

分别地，使用具有计量孔的防护旋流器重复测试，所述计量孔例如依照图3A中示出和描述的设计。在该设置中，在使气体连接控制台上下移位时，没有检测到流量的可辨别的变化。

图3B是根据本发明的说明性实施例的具有插入件458的单独的防护罩454的等轴测图示450。图3B示出了防护罩454，防护罩454意图依照本发明的原理与水注射过程一起使用。防护罩454具有外表面455和内表面456、插入件458以及多个旋流孔462。另外地，防护罩454具有多个计量孔466。与气体防护罩（例如，防护罩404）相比，对于排放水注射（ventedwater injection）防护罩来说，防护罩454中的孔洞的直径可以是更小的。例如，在使用170A系统的一个实施例中，在170A系统中，使用氮气作为防护，防护罩孔洞直径可以大约为0.155英寸。相比之下，在依照本发明使用排放水注射过程的170A系统中，防护罩孔洞直径可以大约为0.140英寸。在此类实施例中，防护罩中的电流密度可以大约为11,043安每平方英寸，其高于对应的氮气的情况，对应的氮气的情况可以实现大约9,009安每平方英寸。另外地，与气体防护罩412的旋流孔相比，用于排放水注射防护罩454的旋流孔462在直径上可以是更小的。

图4是根据本发明的说明性实施例的调节等离子弧割炬防护罩中的液体注射过程的方法500的示意图。方法500包括如下的第一步骤510：提供防护罩，防护罩具有出口孔口、内表面和外表面，外表面被配置成暴露于熔融飞溅物。方法500包括如下的第二步骤520：将液体供应到防护罩的内表面。方法500包括如下的第三步骤530：引导液体通过一组计量孔进入腔室，其中，计量孔引发液体的压降。方法500包括如下的第四步骤540：引导液体穿过一组旋流孔到腔室外朝向出口孔口。方法500允许等离子弧切割系统对流体选择控制台的高度改变不敏感，并且能够帮助确保一致且高质量的切割，例如当结合本文所示出和描述的系统来使用时。

虽然已经参考具体的优选实施例具体地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中作出各种形式上和细节上的改变，本发明的精神和范围如由所附权利要求来限定。

Claims (20)

1.一种用于等离子割炬的液体注射防护罩，所述防护罩包括：

主体，所述主体具有外表面和内表面; 以及

液体注射调节部件，所述液体注射调节部件周向地设置在所述主体的内表面内并且与所述主体的内表面直接接触，所述液体注射调节部件和所述主体的内表面限定腔室，

所述液体注射调节部件限定第一组端口并且限定第二组端口，所述第一组端口被包括在所述液体注射调节部件内并且所述第一组端口的尺寸被设计成调节进入所述腔室的液体，所述第二组端口被包括在所述液体注射调节部件内并且所述第二组端口被定向成分配离开所述腔室的流体，并且

其中，所述第一组端口的总截面流动面积小于所述第二组端口的总截面流动面积。

2.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述第二组端口被定向成向离开所述腔室的所述流体施加旋流。

3.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述液体注射调节部件包括绝缘体材料。

4.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述第一组端口中的每个端口小于所述第二组端口中的每个端口。

5.如权利要求1所述的防护罩，其中,所述第一组端口与所述主体的内表面中的腔室对准。

6.如权利要求1所述的防护罩，其中,所述第一组端口被配置成允许进入所述腔室的液体从2加仑每小时到8加仑每小时的流体流速范围，同时维持离开所述腔室的液体的相对一致的流体流动压力。

7.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述第一组端口被配置成使流体压力减小25psi。

8.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述液体注射调节部件被模制。

9.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述液体注射调节部件是L形的。

10.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述第一组端口被定向成与所述第二组端口成直角。

11.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述腔室被配置成使进入所述腔室的液体进行雾化， 即，形成细雾。

12.如权利要求1所述的防护罩，其中，离开所述腔室的流体是气体、水或水雾。

13.如权利要求1所述的防护罩，其中，所述液体注射调节部件包括两个分开的子部件，第一子部件具有所述第一组端口并且第二子部件具有所述第二组端口。

14.一种调节等离子弧割炬防护罩中液体注射过程的方法，所述方法包括：

提供防护罩，所述防护罩具有出口孔口、内表面、以及外表面，外表面被配置成暴露于熔融飞溅物；

将液体供应到所述防护罩的内表面;

引导所述液体穿过一组计量孔进入腔室，所述一组计量孔被包括在与所述防护罩的内表面接触的液体注射调节部件内，其中，所述计量孔引发所述液体的压降;以及

引导所述液体穿过一组旋流孔到所述腔室外，所述一组旋流孔被包括在所述液体注射调节部件内朝向出口孔口，

其中，所述一组计量孔的总截面面积小于所述一组旋流孔的总截面面积。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述一组计量孔中的每个孔小于所述一组旋流孔中的每个孔。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所述计量孔被配置成允许进入所述腔室的液体从2加仑每小时到8加仑每小时的流体流速范围，同时维持离开所述腔室的液体的相对一致的流体流动压力。

17.如权利要求14所述的方法，其中，所述计量孔被配置成使流体流动压力减小25psi。

18.如权利要求14所述的方法，其中，所述液体以与所述液体穿过所述旋流孔的路径成直角的方式被引导穿过所述一组计量孔。

19.如权利要求14所述的方法，其中，所述腔室被配置成使进入所述腔室的液体进行雾化， 即， 形成细雾。

20.一种用于等离子弧割炬的防护罩，包括：

主体，所述主体具有外表面和内表面，所述内表面限定第一凹部;以及

单体的流体调节部件，所述流体调节部件限定第二凹部，所述流体调节部件周向地设置在所述主体的内表面内，

其中，所述主体的第一凹部和所述流体调节部件的第二凹部限定具有入口孔和出口孔的中空区域，

其中，所述入口孔被配置成调节进入所述中空区域的液体，并且所述出口孔被配置成向离开所述中空区域的液体施加旋流，以及

其中，所述入口孔被定向成与所述出口孔成直角，以使得所述流体调节部件的截面形成L形，以及

其中，所述入口孔的总截面面积小于所述出口孔的总截面面积。

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