CN107360660A - 包括固持帽的等离子体电弧切割系统以及相关运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽。内帽包括主体，该主体具有纵向轴线、第一端部和第二端部。第一端部包括紧邻焊枪末梢布置的环形部分。液体通道在主体内形成，成型为穿过其中运输液体，并且具有在环形部分中形成的第一组端口。气体通道在主体内形成，成型为穿过其中运输气体，并且包括在环形部分中形成的第二组端口。构造环形部分使得在第一组端口中的端口的子组相对于纵向轴线在径向方向上引导液体，并且，围绕纵向轴线在旋转方向上，与在第二组端口中的端口的子组交替。

Description

包括固持帽的等离子体电弧切割系统以及相关运行方法
相关申请
本申请要求享有2016年4月11日提交的序列号为62/320,935的并且名称为“用于等离子体电弧焊枪的耗材”的美国临时专利申请的权益，该申请的全部内容通过引用以其全部并入本文中。
技术领域
本发明大体涉及等离子体电弧切割系统和过程的领域。更具体地，本发明涉及改善的可消耗的构件(举例来说，内帽、喷嘴帽或固持帽)以及用于运行和冷却等离子体电弧焊枪的运行方法。
背景技术
等离子体电弧焊枪广泛地应用于材料的切割和标记。等离子体电弧焊枪大体包括电极和具有安装在焊枪主体内的中央出口孔口的喷嘴、电连接件、用于冷却的通道和用于电弧控制流体(举例来说，等离子体气体)的通道。焊枪产生等离子体电弧，即，带有高温和高动量的气体的压缩的离子化的射流。在焊枪中使用的气体能够是非反应性的(举例来说，氩气或氮气)或反应性的(举例来说，氧气或空气)。在运行期间，先导电弧首先产生在电极(阴极)和喷嘴(阳极)之间。先导电弧的产生能够依靠联接到DC功率供应的高频高电压信号和焊枪或依靠各种启动方法中的任一种。
在许多现有技术等离子体电弧焊枪中，冷却剂沿在焊枪内的迂回的路径行进(举例来说，向前到喷嘴，然后返回到焊枪头，然后向前到护罩，然后返回到焊枪头)，从而需要显著的驱动力以在焊枪内推进冷却剂。这样的现有技术焊枪的一个示例在美国专利No.8,389,887中显示和描述，其名称为“用于改善的穿透性能的用于液体冷却式护罩的装置和方法”。在该布置中，冷却剂从来源通过等离子体电弧焊枪流动到护罩的表面并且通过等离子体电弧焊枪返回，从而需要冷却剂进行多次行程，以接触护罩和喷嘴两者。一些其他的现有技术焊枪在冷却剂流和/或单向冷却剂流中仍然具有显著的死点，这不对焊枪末梢中的喷嘴、护罩和其他的耗材提供均匀的冷却。需要的是这样的构造：其中，冷却剂直接发送到耗材，使得需要最小的驱动力以基本一致的并且对称的方式移动冷却剂通过等离子体电弧焊枪。
发明内容
本发明涉及用于等离子体电弧焊枪的改善的耗材(举例来说，内帽，包括喷嘴帽以及固持帽)以及在等离子体电弧焊枪中引导流体流和冷却耗材的关联的方法。其中一些传送液体冷却剂并且其中一些传送护罩气体的交错的系列的孔口或槽口安置在内帽中以产生在内帽内和/或穿过内帽的液体和气体的交叉流。成轴向地定向的组的孔许可护罩气体传送到护罩，并且成径向地定向的组的孔许可液体冷却剂从喷嘴传送到护罩，都在靠近稳压室的内帽的环形部分(或“颈部”)内。
本发明使冷却剂能够经由直接冷却剂路径直接移动穿过耗材，从而最小化需要推进冷却剂通过焊枪所需要的驱动力。另外，本发明在内帽的环形部分中较高效地使用空间，使得某些结构能够从焊枪本身移除。在一些实施例中，这个改组允许焊枪的“尖度(pointiness)”增加，其对于机器人应用能够是有益的并且能够使焊枪更简单地装配到紧密的空间中。
另外，本发明将入口和出口改组成基本上径向地对称的，其中从360度供给耗材。这与先前的设计相反，先前的设计从180度供给(即，存在“入”流侧和“出”流侧)，其中入口和出口需要相对于彼此定向，并且其中在焊枪末梢中的死点和不均匀的冷却是普遍的。关键特征是将更复杂的焊枪结构中的一些推动到固持帽中，从而允许复杂的加工过程不太频繁地完成。另外，允许护罩帽制造为单个零件(而不是制造为两个零件)，其导致费用和重量的节省。特别地，护罩帽现在需要仅仅在一个方向上引导冷却剂。在先前的技术中，护罩帽包括两个零件，因为冷却剂在冷却喷嘴后行进回到焊枪中。冷却剂然后不得不引导向前到护罩并且通过护罩帽向后回到功率供应。因为冷却剂不得不即去到护罩又从护罩回来，所以其需要两个零件。从喷嘴到护罩的直接路径使本发明能够使用单零件护罩帽。
在一个方面，本发明涉及一种用于液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽。内帽包括基本中空的主体，其具有纵向轴线、第一端部以及第二端部。第一端部包括构造成紧邻等离子体电弧焊枪的焊枪末梢而布置的环形部分。内帽还包括液体通道，其在主体内形成并且成型为穿过其中运输液体。液体通道具有在环形部分中形成的第一组端口。内帽还具有气体通道，其在主体内形成并且成型为穿过其中运输气体。气体通道包括在环形部分中形成的第二组端口。构造环形部分，使得在第一组端口中的端口的子组相对于纵向轴线在径向方向上引导液体，并且，围绕纵向轴线在旋转方向上与在第二组端口中的在基本与纵向轴线平行的方向上引导气体的端口的子组交替。
在一些实施例中，第一组端口与第二组端口交错以在等离子体焊枪的运行期间在环形部分中产生液体和气体的交叉流。在一些实施例中，在第一组端口中的每个端口垂直于或基本垂直于在第二组端口中的相应的端口。在一些实施例中，第一组端口垂直于纵向轴线而定向，并且第二组端口平行于纵向轴线而定向。在一些实施例中，稳压室区域至少部分地在主体内形成。在一些实施例中，通路在主体中形成并且构造成在等离子体电弧焊枪的运行期间在稳压室区域的内表面和等离子体电弧焊枪的喷嘴的外表面之间传送流体。在一些实施例中，通路围绕稳压室区域沿周向延伸。
在一些实施例中，内帽是电绝缘的。在一些实施例中，第一和第二组端口中的至少一个包括在主体中的槽口。在一些实施例中，气体通道构造成传送护罩气体，并且液体通道构造成传送可消耗的冷却剂。在一些实施例中，内帽包括与第一组端口对齐的第三组端口，以形成穿过内帽的成组的液体流道。在一些实施例中，第一端部包括邻近环形部分的锥形的部分。在一些实施例中，第一端部包括颈部部分。
在一些实施例中，气体通道包括流通地连接到内帽的内区域的第一组路径，并且液体通道包括流通地连接到内帽的内和外区域的第二组路径。在一些实施例中，内帽包括外部分和内部分，外部分至少基本围住内部分。在一些实施例中，内帽包括构造成将外部分紧固到内部分的搭扣结构。在一些实施例中，外部分由塑料形成，并且内部分由金属或金属合金形成，举例来说，黄铜。槽口能够铣削到黄铜件中，这在装配期间是有帮助的，因为当塑料挤压到黄铜件上时，消除了可使塑料破裂或切割塑料的应力上升部(riser)。在一些实施例中，在内帽中的第一组孔包括五到九个孔，并且在内帽中的第二组孔包括六到十八个孔。在一些实施例中，在第二组孔和在内帽的第一端部中的成组的测量孔之间的流动面积的比率为至少2:1。在一些实施例中，内帽在旋转方向上是对称的。
在另一方面，本发明涉及一种用于液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽。内帽包括具有内表面和外表面的内构件，内构件限定了内帽的纵向轴线。内帽还包括围绕内构件沿周向布置的外构件，外构件具有内表面、外表面以及环形区域。环形区域沿纵向轴线朝向内帽的焊枪端部延伸超过内构件。内帽还包括在外构件的环形区域中形成的并且垂直于纵向方向定向的成组的径向液体流道。成组的液体流道构造成将液体冷却剂从等离子体电弧焊枪的喷嘴传送到等离子体电弧焊枪的护罩。内帽还包括在内帽内形成的气体通路。气体通路包括至少部分地由内构件的外表面的一部分和外构件的内表面的一部分限定的第一部分。气体通路还包括限定在外构件的环形区域内的第二部分。第二部分包括构造成将气体传送到等离子体电弧焊枪的护罩的成组的轴向气体流道。在环形区域中，在成组的液体流道和成组的气体流道中的流道的子组围绕纵向轴线在旋转方向上交替，以在等离子体电弧焊枪的运行期间产生液体和气体的交叉流。
附图说明
根据结合附图得到的本发明的下面的详细的描述，前述的讨论将更容易被理解。
图1A是根据本发明的一个说明性的实施例的用于液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽的透视图。
图1B是根据本发明的一个说明性的实施例的在图1A中显示的内帽的半截面透视图。
图2是根据本发明的一个说明性的实施例的用于安装在等离子体电弧焊枪中的液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽的横截面图。
具体实施方式
图1A是根据本发明的一个说明性的实施例的用于液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽100的透视图，并且图1B是在图1A中显示的内帽100的半截面透视图。内帽100包括基本中空的主体102，其具有纵向轴线104、第一端部106以及第二端部108。第一端部106包括构造成紧邻等离子体电弧焊枪的焊枪末梢而布置的环形部分110。内帽100包括液体通道114(举例来说，在环形部分110中具有第一组端口114A-114F)，其在主体102内形成并且成型为穿过其中运输液体。内帽100还包括气体通道118(举例来说，具有在环形部分110中形成的第二组端口118A-118C)，其在主体102内形成并且成型为穿过其中运输气体。气体通道构造成传送护罩气体，并且液体通道构造成传送可消耗的冷却剂。
如在图1A-1B的实施例中显示的那样，在第一组端口114A-114F中的端口的子组相对于纵向轴线104在径向方向上引导液体，并且，围绕纵向轴线104在旋转方向上与在第二组端口118A-118C中的在基本与纵向轴线104平行的方向上引导气体的端口的子组交替。例如，在图1A-1B中，端口的子组围绕纵向轴线104在径向方向上如下交替：114A-114C;118A;114D-F;118B;等等，使得交替模式是三个液体端口，之后是一个气体端口。以该方式，第一组端口能够与第二组端口交错，以在等离子体焊枪的运行期间通过内固持帽的末梢产生液体和气体的交替的交叉流区域。在这样的布置中，内帽100能够产生完全的径向“淋浴头”效果，其中液体径向地以多个流穿过第一组端口，并且气体垂直地或基本垂直地穿过第二组端口。该布置促进了例如更均匀的冷却(举例来说围绕整个360度的一致的冷却)以及气体流。
大体上，端口的子组每个能够包括一个或多个端口。在一些实施例中，端口的子组以规则的模式交替，举例来说，一个气体端口，之后是两个液体端口，之后是一个气体端口，之后是两个液体端口。在一些实施例中，端口的子组以不规则的模式交替，举例来说，一个液体端口，两个气体端口，三个液体端口，两个气体端口。在一些实施例中，仅仅使用一个液体端口和/或一个气体端口。在一些实施例中，成组的端口垂直于或基本垂直于彼此而定向，举例来说，在第一组端口中的每个端口垂直于或基本垂直于在第二组端口中的相应的端口。例如，第一组端口能够垂直于纵向轴线而定向，并且第二组端口平行于纵向轴线而定向。在一些实施例中，第一组孔包括五到九个孔，并且第二组孔包括六到十八个孔。在一些实施例中，轴向地定向的气体流动孔(举例来说，包括但不限于118A-C)具有至少0.0053平方英寸的总横截面积。在一些实施例中，径向地定向的冷却剂孔(举例来说，包括但不限于114A-F)具有至少大约0.02平方英寸的总横截面积，或可选地大约0.041平方英寸。在其他的实施例中，将许可径向地定向的冷却剂孔的总横截面积与在等离子体电弧焊枪上的其它的约束一样大。在一些实施例中，孔均一地围绕周缘分布以将均匀的冷却提供到护罩。
在一些实施例中，内帽100包括外部分(或外构件)122以及内部分(或内构件)123。外部分122具有外表面122A和内表面122B，并且内部分123具有外表面123A以及内表面123B。外部分122至少基本围住内部分123。外部分122能够由塑料形成，并且内部分123能够由金属或金属合金形成，例如黄铜。在一些实施例中，内帽100包括构造成将外部分122紧固到内部分123的搭扣结构124。在一些实施例中，搭扣结构124包括在外部分122中的脊形部或凹槽以及在内部分123中的相应的伸出部，伸出部贴合地装配到脊形部或凹槽中以将内部分123紧固到外部分122。在一些实施例中，内帽100是电绝缘的。在一些实施例中，第一端部106包括邻近环形部分110的锥形的部分126。在一些实施例中，锥形的部分126和环形部分110形成颈部部分。
如在图1A-1B中显示的那样，至少部分地由内构件123的外表面123A的一部分和外构件122的内表面122B的一部分限定气体通路的第一部分132。在一些实施例中，气体通路的第二部分134限定在外构件122的环形区域110内。在一些实施例中，第一和第二组端口中的至少一个能够包括在主体102中的槽口。槽口可为合乎需要的，因为它们比孔更容易制造，钻孔可为更昂贵的。槽口可为合乎需要，还因为它们比一些备选的几何结构许可更大的冷却剂流动面积，并且在一些实施例中，由于来自槽口的壁的阻力而产生更少的压降。在一些实施例中，内帽100包括与第一组端口114对齐的第三组端口130(举例来说，130A,130B,130C)，以形成穿过内帽的成组的液体流道。
第二部分134能够包括成组的轴向气体流道，其构造成将气体传送到等离子体电弧焊枪的护罩(下面在图2中显示和描述)。第二部分134能够包括在轴向方向上钻出的成组的(举例来说，六个)孔。轴向的孔能够仅仅“穿过”，举例来说，它们不具有漩涡效果(与过去的设计相反，在过去的设计中，它们对流体流施加一些方向性)。大体上，应当存在足够数量和/或横截面积的轴向孔，使得孔不是在系统中的堵塞点。另外，在第二组孔和在内帽的第一端部中的成组的测量孔(举例来说，在图2中显示和在下面描述的漩涡绝缘体212中)之间的流动面积的比率能够为至少2:1。在一个示例性的构造中，比率为大约2.6:1。在一些实施例中，内帽100包括至少部分地在主体102内形成的稳压室区域136。
图2是根据本发明的一个说明性的实施例的用于安装在等离子体电弧焊枪200中的液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽100的横截面图。在该视图中，在上面描述和显示的内帽100的特征对应于在图1A-1B中的数字。当安装在等离子体电弧焊枪200中时，内帽100包围(举例来说，至少部分地包围)喷嘴204。护罩气体沿在内帽100内的流动路径233流动通过流道132并且撞击在护罩208的内表面204A上。护罩气体然后继续通过在等离子体电弧焊枪200的漩涡绝缘体212中的孔口212A。护罩气体然后沿着流道216继续并且离开等离子体电弧焊枪200的前孔口220。其间，液体冷却剂沿流动路径234从喷嘴204流动穿过内帽100的流道224。液体冷却剂然后从内帽100的喷嘴204侧传送到内帽100的护罩208侧到流道228中(举例来说，撞击在接触点133上)，回到焊枪头。以该方式，由液体冷却剂行进的总距离相对于过去的设计减少，因为液体冷却剂能够使用在喷嘴和护罩之间最短的路径直接从喷嘴传送到护罩。
在焊枪的运行期间，液体冷却剂和护罩气体两者能够同时地流动，从而产生在内帽内的液体和气体的交叉流。喷嘴204和护罩208能够被电隔离，以便最小化短路的风险，举例来说，经由冷却剂。在一些实施例中，通路(未显示)在主体102中形成并且构造成在等离子体电弧焊枪的运行期间在稳压室区域136的内表面和等离子体电弧焊枪的喷嘴204的外表面之间传送流体。在一些实施例中，通路围绕稳压室区域136沿周向延伸。在一些实施例中，护罩帽260制造为单个零件，因为护罩帽260仅仅在一个方向上引导冷却剂。
虽然已经参考特定的优选的实施例特别地显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在其中可做出各种细节变化，而不背离所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (21)

1.一种用于液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽，所述内帽包括：
基本中空的主体，其具有纵向轴线、第一端部和第二端部，所述第一端部包括构造成紧邻所述等离子体电弧焊枪的焊枪末梢布置的环形部分；
液体通道，其在所述主体内形成并且成型为穿过其中运输液体，所述液体通道包括在所述环形部分中形成的第一组端口；以及
气体通道，其在所述主体内形成并且成型为穿过其中运输气体，所述气体通道包括在所述环形部分中形成的第二组端口，
其中构造所述环形部分使得在所述第一组端口中的端口的子组相对于所述纵向轴线在径向方向上引导所述液体，并且，围绕所述纵向轴线在旋转方向上与在所述第二组端口中的在基本与所述纵向轴线平行的方向上引导所述气体的端口的子组交替。
2.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述第一组端口与所述第二组端口交错以在所述等离子体焊枪的运行期间在所述环形部分中产生液体和气体的交叉流。
3.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，在所述第一组端口中的每个端口垂直或基本垂直于在所述第二组端口中的相应的端口。
4.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述第一组端口垂直于所述纵向轴线而定向，并且所述第二组端口平行于所述纵向轴线而定向。
5.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，还包括至少部分地在所述主体内形成的稳压室区域。
6.根据权利要求5所述的内帽，其特征在于，还包括通路，所述通路在所述主体中形成并且构造成在所述等离子体电弧焊枪的运行期间在所述稳压室区域的内表面和所述等离子体电弧焊枪的喷嘴的外表面之间传送流体。
7.根据权利要求6所述的内帽，其特征在于，所述通路围绕所述稳压室区域沿周向延伸。
8.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述内帽是电绝缘的。
9.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述第一组端口和第二组端口中的至少一个包括在所述主体中的槽口。
10.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述气体通道构造成传送护罩气体并且所述液体通道构造成传送可消耗的冷却剂。
11.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，还包括与所述第一组端口对齐的第三组端口，以形成通过所述内帽的成组的液体流道。
12.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述第一端部包括邻近所述环形部分的锥形的部分。
13.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述第一端部包括颈部部分。
14.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述气体通道包括流通地连接到所述内帽的内区域的第一组路径，并且所述液体通道包括流通地连接到所述内帽的内区域和外区域的第二组路径。
15.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述内帽包括外部分和内部分，所述外部分至少基本围住所述内部分。
16.根据权利要求15所述的内帽，其特征在于，还包括构造成将所述外部分紧固到所述内部分的搭扣结构。
17.根据权利要求15所述的内帽，其特征在于，所述外部分由塑料形成，并且所述内部分由金属或金属合金形成。
18.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述第一组孔包括五到九个孔，并且所述第二组孔包括六到十八个孔。
19.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，在所述第二组孔和在所述内帽的第一端部中的成组的测量孔之间的流动面积的比率为至少2:1。
20.根据权利要求1所述的内帽，其特征在于，所述内帽在所述旋转方向上是对称的。
21.一种用于液体冷却式等离子体电弧焊枪的内帽，所述内帽包括：
内构件，其具有内表面和外表面，所述内构件限定了所述内帽的纵向轴线；
外构件，其围绕所述内构件沿周向布置，所述外构件具有内表面、外表面以及环形区域，所述环形区域沿所述纵向轴线朝向所述内帽的焊枪端部延伸超过所述内构件；
成组的径向液体流道，其在所述外构件的环形区域中形成并且垂直于所述纵向方向而定向，所述成组的液体流道构造成将液体冷却剂从所述等离子体电弧焊枪的喷嘴传递到所述等离子体电弧焊枪的护罩；以及
气体通路，其形成在所述内帽内，所述气体通路包括：
所述气体通路的第一部分，其至少部分地由所述内构件的外表面的一部分和所述外构件的内表面的一部分限定；以及
所述气体通路的第二部分，其限定在所述外构件的环形区域内，所述第二部分包括成组的轴向气体流道，其构造成将气体传递到所述等离子体电弧焊枪的护罩，
其中，在所述环形区域中，在所述成组的液体流道和所述成组的气体流道中的流道的子组围绕所述纵向轴线在旋转方向上交替以在所述等离子体电弧焊枪的运行期间产生液体和气体的交叉流。
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