CN107432079A - 等离子弧炬的水注入和排气 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括等离子弧炬的等离子弧炬系统。所述炬包括电极、喷嘴、排气通路和防护罩。所述喷嘴与所述电极间隔开以在其间限定等离子腔室。所述等离子腔室被配置成接收等离子气体。设置在所述喷嘴主体中的所述排气通路被配置成转移从喷嘴出口孔口离开所述等离子腔室的所述等离子气体的一部分。所述防护罩与所述喷嘴间隔开以在其间限定流动区域。所述流动区域被配置成：（i）接收液体；以及（ii）经由防护罩出口孔口将所述液体连同大体上被所述液体包围的等离子弧一起射出。

Description

等离子弧炬的水注入和排气

技术领域

本发明一般地涉及一种改进的等离子弧炬（torch）系统以及一种用于操作所述等离子弧炬系统的改进的方法。

背景技术

诸如等离子弧切割炬的热处理炬广泛地用于对材料进行切割、刨槽（gouging）和标记。等离子弧炬通常包括电极、具有安装在炬主体内的中央出口孔口的喷嘴、电连接件、用于冷却的通路、以及用于弧控制流体（例如，等离子气体）的通路。可选地，采用旋流环（swirl ring）来控制形成于电极与喷嘴之间的等离子腔室中的流体流型（flow pattern）。在一些炬中，可使用保持帽（retaining cap）来维持在等离子弧炬中的喷嘴和/或旋流环。在操作中，炬产生等离子弧，等离子弧是一种具有高温的并且可具有足够动量以帮助移除熔融金属的几乎全部被电离的气体的压缩射流。

传统上，等离子弧炬可使用等离子气体（例如，氮气N₂、35%的氢气和65%的氩气的混合物（H35）、或者95%的氮气和5%的氢气的混合物（F5））来切割金属工件（例如，不锈钢或者铝工件）。因为这些气体的生产和获得是相对昂贵的，所以它们会增加炬操作的总体成本。另外地，切割速度也受到对切割质量的考虑方面的限制。

发明内容

因此，需要通过（i）降低成本，尤其是降低切割操作的成本，以及（ii）改进高速度操作的切割质量来提高等离子弧炬性能的系统和方法。如下文所阐释的，多种弧压缩技术的同时使用可导致优越的切割结果。例如，本发明的实施例通过使用配备有排气喷嘴并且提供有液体（例如，水）作为防护流体的等离子弧炬来改进切割操作。此类组合在实现更高的切割速度和提高的切割质量的同时降低了操作成本。成本的降低部分地是由于使用了廉价的流体（例如，N₂等离子气体和/或水防护流体）作为切割介质，这比使用传统的流体（例如，H35或者F5等离子气体和N2防护气体）要便宜得多。本技术还包括高效的防护流体输送系统，防护流体输送系统被配置成促使切割速度更高并且促使切割边缘外观更佳。

在一个方面中，提供了一种包括等离子弧炬的等离子弧炬系统。所述炬包括电极、喷嘴、排气通路和防护罩。喷嘴与电极间隔开以在其间限定等离子腔室。喷嘴包括喷嘴主体和喷嘴出口孔口。等离子腔室被配置成接收等离子气体。设置在喷嘴主体中的排气通路被配置成转移从喷嘴出口孔口离开等离子腔室的等离子气体的一部分。防护罩与喷嘴间隔开以在其间限定流动区域。防护罩包括防护罩出口孔口，防护罩出口孔口与喷嘴出口孔口流体连通。流动区域被配置成：（i）接收液体；以及（ii）经由防护罩出口孔口将液体连同大体上被所述液体包围的等离子弧一起射出。

在一些实施例中，等离子弧炬系统还包括供应系统，供应系统包括：液体源，液体源用于供应液体；液体供应管路，液体供应管路用于将液体从液体源引导到炬；以及启动阀（activation valve），启动阀沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间。启动阀被配置成使得液体能够或不能够流动到流动区域。等离子弧炬系统的供应系统可包括压力调节器，压力调节器联接到液体供应管路以便调节与液体在液体供应管路中的流动相关联的液体压力值。供应系统可包括流量阀，流量阀沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间。流量阀被配置成调节液体在液体供应管路中流动的流速。供应系统可包括流量计，流量计沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间。流量计被配置成测量液体在液体供应管路中流动的流速。等离子弧炬系统还可包括气体供应管路和防护流体管路，气体供应管路被配置成将防护气体从气体源供应到流动区域，防护流体管路通过在启动阀的下游将气体供应管路与液体供应管路结合而形成。防护流体管路被配置成取决于操作者选择将来自气体供应管路的防护气体或者来自液体供应管路的液体中的一者运送到流动区域。

在一些实施例中，等离子弧炬系统还包括供应系统，供应系统包括：液体供应管路，液体供应管路用于将液体从液体源引导到炬；压力调节器，压力调节器联接到液体供应管路；流量阀，流量阀沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间；以及启动阀，启动阀沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间。压力调节器被配置成调节与液体在液体供应管路中的流动相关联的液体压力值。流量阀被配置成调节液体在液体供应管路中流动的流速。启动阀被配置成使得液体能够或不能够流动到流动区域。供应系统还可包括可选的流量计，流量计被配置成测量液体在液体供应管路中流动的流速。

在一些实施例中，等离子弧炬系统还包括供应系统，供应系统包括：液体供应管路，液体供应管路用于将液体从液体源引导到炬；压力调节器，压力调节器联接到液体供应管路；以及启动阀，启动阀沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间。压力调节器被配置成调节与液体在液体供应管路中的流动相关联的液体压力值。启动阀被配置成使得液体能够或不能够流动到流动区域。供应系统还可包括可选的流量计，流量计被配置成测量液体在液体供应管路中流动的流速。

在一些实施例中，等离子弧炬系统还包括供应系统，供应系统包括：液体供应管路，液体供应管路用于将液体从液体源引导到炬；流量阀，流量阀沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间；启动阀，启动阀沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间；以及流量计，流量计沿着液体供应管路设置在液体源与炬之间。流量阀被配置成调节液体在液体供应管路中流动的流速。启动阀被配置成使得液体能够或不能够流动到流动区域。流量计被配置成测量液体在液体供应管路中流动的流速。

在一些实施例中，排气通路具有定位在喷嘴出口孔口上游的入口。在一些实施例中，防护罩出口孔口大体上与喷嘴出口孔口对准以限定用于射出液体、等离子弧以及等离子气体的未电离部分的管路。

在一些实施例中，喷嘴出口孔口被配置成经由喷嘴出口孔口压缩离开等离子腔室到流动区域的等离子弧。在一些实施例中，喷嘴中的排气通路和在流动区域中的液体对等离子弧提供压缩。等离子气体的旋流运动可进一步压缩等离子弧。

在另一方面中，提供了一种用于操作等离子弧炬以切割工件的方法。所述方法包括：将等离子气体传送到炬中的由电极和喷嘴限定的等离子腔室；使等离子气体的第一部分电离以在等离子腔室中形式等离子弧；以及经由设置在喷嘴中的至少一个排气通路将等离子气体的第二部分排出。所述方法还包括：经由喷嘴出口孔口将等离子弧从等离子腔室传送到流动区域。流动区域由喷嘴和防护罩限定。所述方法还包括：经由定位在喷嘴与防护罩之间的管路将液体供应到流动区域；以及将来自管路的液体引导成大体上包围等离子弧。

在一些实施例中，使等离子气体的第一部分电离还包括使电流在电极与喷嘴之间传送。

在一些实施例中， 通过如下中的至少一种来提供对等离子弧的压缩：i）通过进行排气、ii）在等离子弧传送到流动区域之前通过喷嘴出口孔口、iii）通过在防护罩出口孔口中大体上包围等离子弧的液体、或者（iv）通过等离子弧的旋流运动。

在一些实施例中，所述方法还包括：由处于液体或者蒸汽状态中的液体将熔融材料剪切（shear）离开正由等离子弧处理的工件。所述方法还可包括：由液体减小在由等离子弧处理工件期间所产生的热影响区。

在又一方面中，提供了一种等离子弧炬，等离子弧炬包括炬主体和连接到炬主体的嘴部（tip）组件。嘴部组件包括电极、围绕电极设置的喷嘴、以及围绕喷嘴设置的防护罩。喷嘴包括（1）喷嘴出口孔口和（2）排气管路，排气管路具有定位在喷嘴出口孔口上游的入口。防护罩包括防护罩出口孔口。喷嘴和防护罩限定在其间的流动区域，其中，流动区域的形状被设计成通过防护罩出口孔口将液体连同大体上被液体包围的等离子弧一起射出。

在一些实施例中，等离子弧炬还包括与流动区域流体连通的供应系统。在一些实施例中，防护罩包括用于接收液体并且将液体引入到流动区域的管路。在一些实施例中，通过如下中的至少一种来提供对等离子弧的压缩：通过喷嘴出口孔口、通过进行排气、在经由防护罩出口孔口传送等离子弧时通过液体、或者通过等离子气体的旋流运动。

在其它示例中，上述任何方面都可包括以下特征中的一个或多个。在一些实施例中，等离子气体是氮气、F5或者空气中的至少一种。在一些实施例中，液体是水。在一些实施例中，带电的电离等离子气体和液体的组合产生氢气。

还应该理解的是，本发明的各个方面和实施例可按照各种方式组合。基于本说明书的教导，本领域的普通技术人员可容易地确定如何组合这些各种实施例。例如，在一些实施例中，上述任何方面都可包括上述特征中的一个或多个。本发明的一个实施例可提供所有上述特征和优点。

附图说明

本发明的上面所描述的优点连同另外的优点可以通过结合附图参考下面的说明得到更好的理解。这些图并不必然是按比例绘制的，反而，通常将重点放在图示出本发明的原理上。

图1示出了根据本技术的一些实施例的示例性等离子弧炬。

图2示出了根据本技术的一些实施例的示例性防护液体流动路径。

图3示出了根据本技术的一些实施例的示例性防护流体供应系统。

图4示出了根据本技术的一些实施例的另一示例性防护流体供应系统。

图5示出了用于操作图1和图2的等离子弧炬的示例性方法。

图6示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在示例性不锈钢工件上的切割结果。

图7示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在示例性铝工件上的切割结果。

图8示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在另一组不锈钢工件上的切割结果。

图9A和B示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在又一组不锈钢工件上的切割结果的各种视图。

图10示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在又一组不锈钢工件上的切割结果。

图11示出了对于不同过程的速度改进百分比对比图表。

图12示出了对于不同过程的规范化（normalized）切割速度对比图表。

图13示出了不同过程所产生的工件表面粗糙度和波度的对比。

具体实施方式

图1示出了根据本技术的一些实施例的示例性等离子弧炬。等离子弧炬可包括炬主体101和连接到炬主体101的嘴部组件90。嘴部组件90可包括喷嘴100、旋流环105、电极110、以及等离子腔室130。炬限定远侧端205，远侧端205是在炬操作期间最接近工件（未示出）定位的端部。电极110具有远侧端面140和外部表面150。等离子腔室130至少部分地由电极110的远侧端面140和喷嘴100限定，喷嘴100定位成与电极110呈间隔开的关系。等离子腔室130被配置成接收等离子气体。

喷嘴100包括主体115、设置在主体115内的衬里120、以及形成在主体115中的至少一个等离子气体排气通路125。喷嘴100的主体115在远侧端205处可具有喷嘴出口孔口195。衬里120可包括在电极140的远侧端面与喷嘴出口孔口195之间（例如，在远侧端205邻近喷嘴出口孔口195处）的衬里出口孔口215。在一些实施例中，减小喷嘴出口孔口195的直径以产生高电流密度和更好的等离子弧压缩，从而促使切割质量和切割速度的提高。

喷嘴100中的排气通路125可具有入口225和出口230。在一些实施例中，排气通路125为排气孔。排气通路125与设置在喷嘴100中的排气道180流体连通。排气道被配置成将离开等离子腔室130的等离子气体的一部分从衬里出口孔口215和喷嘴出口孔口195之间引导到喷嘴100的等离子气体排气通路125。等离子气体排气通路125可被设置成邻近排气道180并且具有定位在喷嘴出口孔口195上游的入口225和出口230。

旋流环105与等离子腔室130流体连通。旋流环105具有外部表面155、内部表面160、至少一个近侧进气开口235、以及至少一个远侧出气端口135（例如，旋流注入点（swirlinjection point）、旋流孔等）。旋流环105的外部表面155和炬主体101的内部表面可至少部分地限定内气体腔室175。近侧进气开口235可延伸到内气体腔室175以将气体提供到气体腔室175。内气体腔室175可与远侧出气端口135流体连通以将气体从内气体腔室175提供到等离子腔室130并且在等离子腔室130中产生大体上旋流的气流。

图1的炬还可包括与喷嘴100间隔开的防护罩300。防护罩300包括与喷嘴出口孔口195流体连通的防护罩出口孔口304。防护罩出口孔口304可大体上与喷嘴出口孔口195对准并同轴以在其间限定流动区域302。防护罩300还可包括在喷嘴100与防护罩300之间的液体通道306，液体通道306允许将防护液体（例如，水）引入到流动区域302中。在一些实施例中，可以经由设置在防护罩的主体中的开口（未示出）将防护液体引入到流动区域302中，其中，所述开口与通道306流体连通。具体地，液体通道306由喷嘴主体115的外表面和防护罩300的内表面限定。在一些实施例中，液体通道由喷嘴主体115的外表面和防护盖301的内表面限定。

图1还示出了根据本技术的一些实施例的等离子气体流动路径181。示例性等离子气体包括氮气、F5或空气中的至少一种。等离子气体被引入到炬中通过旋流环105的进气开口235（例如，计量孔或分配孔）进入内气体腔室175。等离子气体被引导到远侧出气端口135，其将来自内气体腔室175的气体提供到等离子腔室130。远侧出气端口135可在等离子腔室130中产生大体上旋流的气流。

在炬操作期间，等离子腔室130中的等离子气体的一部分可被提供到充当阴极的电极110和充当阳极的喷嘴100的电流电离，以在等离子腔室130中产生等离子弧。在等离子腔室130中形成在电极110与喷嘴100之间的电弧可以产生高热量，高热量进而使远侧出气端口135所引入的等离子气体的至少一部分电离。电弧和电离气体构成等离子弧（即，电离气体射流）。等离子弧可被应用于工件，以当经由喷嘴出口孔口195将弧从气体腔室130射出到流动区域302并经由防护罩出口孔口304将弧从流动区域302排出到外界时对工件进行标记、切割或者其它方式的操作。

在一些实施例中，由远侧出气端口135引入到等离子腔室130中的等离子气体的一部分可保持为其未电离的形式（即，未被电弧电离以形成等离子弧的一部分）。在下文中，将该部分等离子气体被称为未电离等离子气体。可将未电离等离子气体连同等离子弧一起经由喷嘴出口孔口195从气体腔室130射出到流动区域302并且经由防护罩出口孔口304从流动区域302排出到外界。

在一些实施例中，由旋流环105提供的等离子气体的旋流运动使等离子弧稳定在等离子腔室130的内部。具体地，随着等离子气体在等离子腔室130中旋转，等离子气体的较热、较轻的部分保留在等离子腔室130的中心附近，而等离子气体的较冷、较重的部分被离心力驱动到腔室130的外壁。这种温度梯度产生热箍缩（thermal pinch）。另外地，旋流等离子气体沿着等离子腔室130的外壁产生较高的压力而在中心处产生较低的压力，因此在腔室130中形成压力梯度以挤压等离子弧，由此形成使等离子弧压缩在等离子腔室130中的压力箍缩，这可改进切割性能。受电极110中的发射体（emitter）的尺寸和发射体的冷却控制的热学方面的考虑因素也提供弧压缩。另外地，使用具有小直径的喷嘴出口孔口进一步增强了对等离子弧的压缩，具有小直径的喷嘴出口孔口仅将一小部分等离子气体从等离子腔室130射出到流动区域302。

如由等离子气体流动路径181所示，在等离子弧和/或未电离等离子气体离开等离子腔室130之后，可以通过排气道180转移一部分未电离气体以冷却喷嘴100并且将一部分未电离气体引导到喷嘴100中的至少一个排气气体通路125。在一些实施例中，排出的气体可被引导通过排气道180，在衬里120与喷嘴主体115（例如，喷嘴壳体）之间传送。然后，排出的气体可传送通过气体排气通路125（例如，计量孔、排气孔等）到达炬排气气体管路并且排出到大气环境。在一些实施例中，由排气道180和气体排气通路125提供的排气在衬里120与喷嘴主体115之间压缩喷嘴出口孔口195上游的等离子弧。另外地，经由排气气态通路125的排气可促进喷嘴100的冷却。

图2示出了根据本技术的一些实施例的示例性防护液体流动路径182。图2的等离子弧炬的配置与图1的等离子弧炬的配置大体上相同。防护液体可以例如包括水。如所示，通过设置在防护罩300的主体中的开口（未示出）将防护液体引入到炬中。防护液体可流动到与开口流体连通的液体通道306中。防护液体由液体通道306引导到定位在喷嘴出口孔口195与防护罩出口孔口304之间的流动区域302。流动区域302可经由防护罩出口孔口304将防护液体射出到炬之外。在一些实施例中，相比在相同的切割过程中使用防护气体，使用防护液体（例如，水），使得所使用的防护旋流强度更低。

在一些实施例中，防护液体撞击从等离子腔室130由喷嘴出口孔口195喷射的等离子弧和/或未电离等离子气体。防护液体可大体上包围等离子弧。在一些实施例中，防护液体在液体和弧传送通过防护罩出口孔口304时压缩等离子弧。使用防护液体是有利的，因为在处于高流速时，防护气体可被压缩，而防护液体不可被压缩。因此，与使用防护气体相反，使用防护液体可实现对等离子弧的更高压缩。另外地，致密的防护液体（诸如水）提供甚至更好的压缩。还存在有与使用水作为防护流体相关联的另外的优点。例如，当水与高温等离子体相接触时，一部分水分解成氧气和氢气，其中，氢气与等离子切割过程互相作用，从而相比使用氮气或空气等离子气体结合氮气或空气防护气体的切割过程所制造的切口，使得切口的切缝所具有的颜色更靠近基础材料的颜色。另外地，水，作为一种比气体更致密的物质，有助于将熔融金属剪切（例如，推动）以离开正被切割的工件。这导致光滑、无毛刺的切口。此外，将水用作防护流体减少了会扩散到工件中的热量，由此减小了热影响区的范围。

图3示出了根据本技术的一些实施例的示例性防护流体供应系统。供应系统400可将防护液体（诸如水）输送到等离子弧炬402，等离子弧炬402可与图1和2的炬大体上相同。如所示，供应系统400包括液体源404和液体供应管路406。液体源404可以是用于储存防护液体（诸如，水）的供应源的容器（例如，贮箱）。液体供应管路406可以被配置成将液体从液体源404引导到炬402。例如，液体供应管路406可与液体通道306流体连通以将防护液体引入到流动区域302中。一组泵和马达418可沿着液体供应管路406连接在液体源404与炬402之间，以通过管路406机械地传送防护液体。在一些实施例中，旁通释放阀（release valve）420连接在液体源404与炬402之间并且与泵和马达组418并联以建立旁通路径422。作为示例，对于130安培的过程，以每小时14加仑的流速，水压可约为40磅每平方英寸（PSI）。作为另一示例，对于60安培的过程，以12加仑/小时的流速，水压可约为40 PSI。若需要，旁通释放阀420通过将泵和马达组418所排放的液体的所有或者部分返回到液体源404或泵的入口来充当泄压阀（relief valve）。这样做是为了保护泵和任何相关联的设备不受过大的液体压力。旁通释放阀420和旁通路径422可在内部（泵和马达组418的一体化部分）或者在外部（即，作为流体路径中的单独部件而安装）。

另外地，一个或多个部件可以联接到液体供应管路406以调节与将防护液体从源404供应到炬402相关联的特性。例如，启动阀408（例如，电磁阀）可联接到液体供应管路406并且可设置在液体源404与炬402之间，以使得液体能够或者不能够流动到炬402。压力表416可联接到液体供应管路406以测量与防护液体在液体供应管路406中的流动相关联的液体压力。压力调节器410可联接到液体供应管路406以调节与防护液体在液体供应管路406中的流动相关联的液体压力，例如，通过增加或者降低液体压力来实现所期望的压力值。流量计414可沿着液体供应管路406设置在液体源404与炬402之间以测量液体在液体供应管路406中的流动的流速。流量阀412（例如，针阀）可以联接到液体供应管路406以调节液体在液体供应管路406中的流动的流速，例如，通过增加或者降低液体流速来实现所期望的流速。

在可联接到液体供应管路406以调节各种液体供应特性的部件之中，在一个示例性配置中，供应系统400可包括一个组，所述组包括压力调节器410、流量阀412、启动阀408以及流量计414（可选的）。在另一示例性配置中，供应系统400包括压力调节器410、启动阀408以及流量计414（可选的）。在又一示例性配置中，供应系统400包括流量阀412、启动阀408以及流量计414。

图4示出了本技术的另一示例性流体供应系统。供应系统500可使用启动阀508将防护液体（例如，水）或防护气体（例如，氮气）输送到等离子弧炬502。等离子弧炬可与图1和2的炬大体上相同。如所示，供应系统500包括液体源504和被配置成将液体从液体源504引导到启动阀508的液体供应管路506。液体供应管路506和液体源504分别可与图3的液体供应管路406和液体源404大体上相同。另外地，供应系统500可包括：一组泵和马达518，一组泵和马达518可沿着液体供应管路506连接在液体源504与启动阀508之间；以及旁通释放阀502，旁通释放阀502与泵和马达组518并联以建立旁通路径522。这些部件的作用可与图3的它们的相互对应部件的作用大体上相同。在一些实施例中，可以在不使用贮器和泵的情况下将来自传统液体供应源的防护液体（诸如，由公共施设供应的水）输送到等离子弧炬。

供应系统500还包括气体供应系统530（例如，气体选择控制台（console）、计量控制台、气体源等）和气体供应管路532，气体供应管路532被配置成将气体（例如，N₂或空气）从气体供应系统530引导到启动阀508。供应系统500还包括通过在启动阀508（例如，液体计量设备）的下游将气体供应管路532和液体供应管路506结合而形成的防护流体管路534。根据来自联接到供应系统500的计算机化控制台（未示出）的用户选择，启动阀508可择一地允许：（i）如果用户选择防护液体，则允许防护液体经由流体供应管路534从液体源504流动通过液体供应管路506到达炬502；或者（ii）如果用户选择防护气体，则切断液体流动以允许来自气体供应系统530的防护气体经由流体供应管路534从气体供应管路532流动到炬502。因此，防护流体管路534可以取决于操作者的选择将来自气体供应管路532的防护气体或者来自液体供应管路506的防护液体运送到炬502的流动区域302。

除了启动阀508之外，一个或多个部件也可联接到防护液体管路506以调节与将防护液体供应到炬502相关联的特性。例如，压力表516可联接到液体供应管路506以测量与防护液体在液体供应管路506中的流动相关联的压力。压力调节器510可联接到防护液体管路506以调节与防护液体在防护液体管路506中的流动相关联的压力，例如，通过增加或者降低压力来实现所期望的压力值。流量计514可联接到防护液体管路506以测量液体在防护液体管路506中的流动的流速。流量阀512（例如，针阀）可联接到防护液体管路506以调节液体在防护液体管路506中的流动的流速，例如，通过增加或者降低液体流速来实现所期望的流速。

在可联接到防护液体管路506以调节各种液体供应特性的部件之中，供应系统500可包括一个组，在一个示例性配置中，所述组包括压力调节器510、流量阀512、启动阀508以及流量计514（可选的）。在另一示例性配置中，供应系统500包括压力调节器510、启动阀508以及流量计514（可选的）。在又一示例性配置中，供应系统500包括流量阀512、启动阀508以及流量计514。

图5示出了用于操作图1和2的等离子弧炬的示例性方法。如所示，方法600开始于当将等离子气体传送到等离子弧炬中的等离子腔室时（步骤602）。等离子气体可被引入到炬中通过旋流环105的进气开口235进入内气体腔室175。然后，将等离子气体引导到远侧出气端口135，远侧出气端口135将来自内气体腔室175的气体提供到等离子腔室130。在一些实施例中，远侧出气端口135可在等离子腔室130中产生大体上旋流的等离子气流。

一旦等离子气体到达等离子腔室130，使等离子气体的第一部分电离以在等离子腔室130中形成等离子弧（步骤604）。在一些实施例中，等离子腔室130中的等离子气体的另一部分可保持成其未电离的形式以作为未电离等离子气体。当经由喷嘴出口孔口195从等离子腔室130射出等离子弧和/或未电离等离子气体时，可通过排气道180转移一部分等离子气体并且将该一部分等离子气体引导到喷嘴100中的至少一个排气通路125（步骤606）。

可经由喷嘴出口孔口195将等离子弧连同未电离等离子气体一起从气体腔室130射出到流动区域302（步骤608），其中，流动区域302定位在喷嘴100与防护罩300之间。可以使用例如图3的流体供应系统400或图4的流体供应系统500经由定位在喷嘴100与300之间的通道306将防护液体供应到流动区域302（步骤610）。流动区域302可经由防护罩出口孔口304将防护液体连同等离子弧和/或未电离等离子气体一起射出到外界。防护液体可在等离子弧和/或未电离等离子气体周围形成液柱，以在等离子弧和/或未电离等离子气体被经由防护罩出口孔口304喷射时大体上包围等离子弧和/或未电离等离子气体（步骤612）。在一些实施例中，可通过如下中的至少一种来提供对等离子弧的压缩：（i）通过等离子腔室130中的等离子气体的旋流运动、（ii）在等离子弧通过喷嘴出口孔口195离开时通过喷嘴出口孔口195、（iii）当传送通过防护罩出口孔口304的时候防护液体包围等离子弧时通过防护液体、以及（iv）通过由排气道180提供的未电离等离子气体的排气。

图6示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在示例性不锈钢工件上的切割结果。使用以60安培的电流操作的并且通过喷嘴排气的等离子弧炬在四个10-标准尺寸（10-gauge）的不锈钢工件上执行切割。等离子弧炬与图1和2的炬相似地配备有一组消耗件（consumable），包括电极、旋流环、喷嘴和防护罩。对于第一个工件702，切割过程仅使用氮气（N₂）作为等离子气体，而不使用防护流体。对于第二个工件704，切割过程使用N₂既作为等离子气体又作为防护气体。对于第三个工件706，切割过程使用95%的氮气和5%的氢气的混合物（F5）作为等离子气体，并且使用N₂作为防护气体。对于第四个工件708，切割过程使用N₂作为等离子气体，并且使用水（H₂O）作为防护液体。另外地，等离子弧炬配备有盖，所述盖具有18 x 0.0156直径的孔（即，18个直径为0.0156英寸的孔）并且在切割过程期间具有0.040英寸的逆时针方向的偏移。

如所示，通过使用液体（即，水）作为防护流体并且使用N₂作为等离子气体，相比第一个工件702或者第二个工件704，第四个工件704具有更好的切口外观，其中，切口的边缘靠近基体金属颜色并且无毛刺。第四个工件708显示出与第三个工件706相似的切口外观。以相比其它工件的切割速度更高的切割速度获得了第四个工件708所实现的优异切口。例如，相比切割其它工件，使用N₂/H₂O组合来切割第四个工件708在速度方面实现了50%的提高。具体地，切割速度从95英寸每分钟（“ipm”）提高到135 ipm。

另外地，从第三个工件706可见，F5等离子气体中的至少一些氢气与防护气体N₂相互作用，从而为切口边缘赋予了类似银色的颜色。在如第四个工件708所反映的N₂/H₂O过程中，来自水和/或防护液体的蒸汽的至少一些氢气可以与N₂等离子气体相互作用，从而给予切口边缘更靠近基体金属的外观和颜色。相比之下，对于如第二个工件702所反映的N₂/N₂过程，切口边缘暗得多，这表示出有氮化物形成。

图7示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在示例性铝工件上的切割结果。使用等离子弧炬在两个厚度为¼英寸（¼-in）的铝工件上执行切割，等离子弧炬配备有一组消耗件，包括电极、旋流环、喷嘴和防护罩。对于第一个工件802，使等离子弧炬排气，切割过程施加60安培的切割电流，并且切割过程使用N₂作为等离子气体并且使用水作为防护液体。另外地，等离子弧炬配备有盖，所述盖具有18 x 0.0156直径的孔（即，18个直径为0.0156英寸的孔）并且在切割过程期间具有0.040英寸的逆时针方向的偏移。对于第二个工件804，不使等离子弧炬排气，切割过程施加130安培的切割电流，并且切割过程使用35%的氢气和65%的氩气的混合物（H35）作为等离子气体并且使用N₂ 作为防护气体。如所示，相比使用气体作为防护流体结合非排气喷嘴，使用水作为防护流体结合排气喷嘴在铝工件（例如，工件802）上提供了更好的切口质量。除了显著提高切割速度之外（即，只需一半的安培便可实现相同的速度），相比工件804，工件802的切口边缘的外观也好得多（即，更光滑且更干净），工件804由非排气、130安培过程来切割，该过程使用H35 & N₂的组合作为等离子气体并且使用N₂作为防护气体。

图8示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在另一组不锈钢工件上的切割结果。使用以130安培操作的等离子弧炬在四个厚度为½英寸（½-inch）的不锈钢工件上执行切割。等离子弧炬配备有一组消耗件，包括电极、旋流环、喷嘴和防护罩，与图1和图2的炬相似。对于切割第一个工件902，不使等离子弧炬排气。切割过程使用H35作为等离子气体并且使用N₂作为防护气体，具有30 ipm的切割速度。对于切割第二个工件904，不使等离子弧炬排气。切割过程使用H35和N₂的组合作为等离子气体并且使用N₂作为防护气体，具有30ipm的切割速度。对于切割第三个工件906，不使等离子弧炬排气。切割过程使用N₂作为等离子气体并且使用H₂O作为防护气体，具有45 ipm的切割速度。对于切割第四个工件908，使等离子弧炬排气。切割过程使用N₂作为等离子气体并且使用H₂O作为防护气体，具有60 ipm的切割速度。如所示，在使用水作为防护流体的非排气过程（例如，以第三个工件906为代表）与使用气体作为防护流体的非排气过程（例如，以第一个工件902和第二个工件904为代表）之间存在50%的切割速度增益。而且，在使用水作为防护流体的排气过程（例如，以第四个工件908为代表）与使用气体作为防护流体的非排气过程（例如，以第一个工件902和第二个工件904为代表）之间存在100%的切割速度增益。因此，结合使用水作为防护流体的排气过程相比非排气过程和/或使用气体作为防护流体的过程提供了优异的切割性能。

图9A和B示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在又一组不锈钢工件上的切割结果的各种视图。使用以130安培操作的等离子弧炬在两个厚度为½英寸（½-inch）的不锈钢工件上执行切割。等离子弧炬配备有一组消耗件，包括电极、旋流环、喷嘴和防护罩，与图1和2的炬相似。等离子炬也使用N₂作为等离子气体并且使用H₂O作为防护气体来处理这两个工件。对于切割第一个工件1002，炬使用非排气喷嘴，具有55 ipm的切割速度。对于切割第二个工件1004，炬使用排气喷嘴，具有65 ipm的切割速度。如所示，相比由非排气过程切割的工件1002，由排气过程切割的工件1004是相对整齐且无毛刺的。另外地，由于由排气提供的对等离子弧的更好压缩，所以相比非排气过程的切割速度，排气过程的切割速度更快。而且，当将排气过程与使用水作为防护流体结合时，提高了切割性能，其结果由工件1004示出。这是因为由防护液体产生的水/蒸汽构成了更致密的介质，这帮助在切割期间有效移除熔融金属，因此导致更快的切割速度以及更整齐的切口表面。

图10示出了使用上面参照图1-5所描述的系统和方法在又一组不锈钢工件上的切割结果。使用以130安培操作的等离子弧炬在两个厚度为½英寸（½-inch）的不锈钢工件上执行切割。等离子弧炬配备有一组消耗件，包括电极、旋流环、喷嘴和防护罩，与图1和2的炬相似。对于切割第一个工件1102，使切割过程排气，并且切割过程使用N₂作为等离子气体并且使用水作为防护液体。对于切割第二个工件1104，不使切割过程排气，并且切割过程使用H35 作为等离子气体并且使用N₂作为防护气体。由于使用水作为防护流体，第一个工件1102显示出比第二个工件1104更好的切口质量（例如，更光滑的切口边缘）。另外地，因为氮气和水在工业中容易获得并且获取成本相比其它燃料材料（例如，诸如H35或F5的气体）相对廉价，所以使用N₂作为等离子气体并且使用水作为防护液体来切割第一个工件1102是有成本效益的。因此，与处理第一个工件1102相关联的操作成本是显著更低的。另外地，第一个工件1102中的热影响区相比使用氮气作为防护气体的第二个工件1104的热影响区是显著更小的，如由第二个工件1104的边缘附近的加深部分可见。

概括来讲，由图6-10图示的切割结果显示：相比在切割过程中仅使用排气或者防护液体，防护气体排气加上使用液体（尤其是水）防护流体的组合提供了更好的切割性能特性。例如，图6显示出使用水作为防护流体的排气过程（工件708）提供了比使用气体作为防护流体的排气过程（工件702、704和706）更好的切割速度，并且提供了更好的切口边缘外观（例如，相比工件702和704）。因此，当相比使用气体作为防护流体的排气过程，使用水作为防护流体的排气过程通常以更高的速度提供质量优良的切口。另外地，图8显示出使用水作为防护流体的排气过程（工件908）提供了比使用水作为防护流体的非排气过程（工件906）得到改进的切割速度和切口边缘外观。图8还显示出：相比使用气体作为防护流体的非排气过程（工件902或者904），使用水作为防护流体的排气过程（工件908）在维持相似的切口外观的同时，在速度方面变现得更好。因此，在切割过程中，可通过使用排气和防护液体的组合来实现意想不到的优异的切割结果。

图11示出了对大约相同质量的铝工件进行的三个不同过程（使用排气和防护流体用法的各种组合）的速度百分比改进对比图表。所述对比是基于各个过程相对于基础过程的速度改进的百分比，基础过程是指使用气体作为防护流体的非排气过程。如所示，改进百分比1202对应于使用气体作为防护流体的排气过程，改进百分比1204对应于使用水作为防护流体的非排气过程，改进百分比1206对应于使用水作为防护流体的排气过程的预计改进，并且改进百分比1208对应于使用水作为防护流体的相同排气过程的实际改进。如图示出的，在切割过程中使用排气和防护液体（例如，水）的组合产生了高于基础过程的最高速度改进，如改进百分比1208所显示的，该最高速度改进甚至高于预计改进1206。

图12示出了对大约相同质量的不锈钢工件进行的四个不同过程（使用排气和防护流体用法的各种组合）的速度改进百分比对比图表。所述对比是基于每个过程的被该过程的操作电流规范化的所测量速度的100倍。速度可以以英寸/分钟为单位。如所示，速度1302（例如，规范化速度）对应于使用气体作为防护流体的非排气过程，规范化速度1304对应于使用气体作为防护流体的排气过程，规范化速度1306对应于使用水作为防护流体的非排气过程，并且规范化速度1308对应于使用水作为防护流体的排气过程。如图示出的，在切割过程中使用排气和防护液体（例如，水）的组合产生了最高的规范化切割速度，如由规范化速度1308所显示的。

图13示出了由对大约相同质量的铝工件进行的四个不同过程（使用排气和防护流体用法的各种组合）产生的工件表面粗糙度和波度的对比。如所示，值1402a和1402b分别对应于针对使用F5作为等离子气体并且使用N2作为防护流体的60安培排气过程的均值Rz（粗糙度曲线的平均高度）和均值Wz（波度曲线的平均高度）。值1404a和1404b分别对应于针对使用H35和N2作为等离子气体并且使用N2作为防护流体的130安培非排气过程的均值Rz和均值Wz。值1406a和1406b分别对应于针对使用N2作为等离子气体并且使用H2O 作为防护流体的60安培排气过程的均值Rz和均值Wz。值1408a和1408b分别对应于针对使用空气既作为等离子气体又作为防护流体的130安培排气过程的均值Rz和均值Wz。如图示出的，在切割过程中使用排气和防护液体（例如，水）的组合产生了最低的表面粗糙度和波度，如由值1406a和1406b所显示的。

还应该理解的是，本发明的各个方面和实施例可按照各种方式组合。基于本说明书的教导，本领域的普通技术人员可容易地确定如何组合这些各种实施例。另外地，在阅读本说明书之后，本领域的技术人员可以想到一些修改。本申请包括此类修改并且仅受权利要求的范围的限制。

Claims (30)

1.一种包括等离子弧炬的等离子弧炬系统，所述炬包括：

电极；

喷嘴，所述喷嘴与所述电极间隔开以在其间限定等离子腔室，所述喷嘴包括喷嘴主体和喷嘴出口孔口，其中，所述等离子腔室被配置成接收等离子气体；

排气通路，所述排气通路设置在所述喷嘴主体中，所述排气通路被配置成转移从所述喷嘴出口孔口离开所述等离子腔室的等离子气体的一部分；以及

防护罩，所述防护罩与所述喷嘴间隔开以在其间限定流动区域，所述防护罩包括防护罩出口孔口，所述防护罩出口孔口与所述喷嘴出口孔口流体连通，其中，所述流动区域被配置成：（i）接收液体；以及（ii）经由所述防护罩出口孔口将所述液体连同大体上被所述液体包围的等离子弧一起射出。

2.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，还包括供应系统，所述供应系统包括：

液体源，所述液体源用于供应所述液体；

液体供应管路，所述液体供应管路用于将所述液体从所述液体源引导到所述炬；以及

启动阀，所述启动阀沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间，所述启动阀被配置成使得所述液体能够或不能够流动到所述流动区域。

3.如权利要求2所述的等离子弧炬系统，其中，所述供应系统还包括压力调节器，所述压力调节器联接到所述液体供应管路以便调节与所述液体在所述液体供应管路中的流动相关联的液体压力值。

4.如权利要求2所述的等离子弧炬系统，其中，所述供应系统还包括流量阀，所述流量阀沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间，所述流量阀被配置成调节所述液体在所述液体供应管路中流动的流速。

5.如权利要求2所述的等离子弧炬系统，其中，所述供应系统还包括流量计，所述流量计沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间，所述流量计被配置成测量所述液体在所述液体供应管路中流动的流速。

6.如权利要求2所述的等离子弧炬系统，还包括：

气体供应管路，所述气体供应管路被配置成将防护气体从气体源供应到所述流动区域；以及

防护流体管路，所述防护流体管路通过在所述启动阀的下游将所述气体供应管路与所述液体供应管路结合而形成，其中，所述防护流体管路被配置成取决于操作者选择将来自所述气体供应管路的防护气体或者来自所述液体供应管路的液体中的一者运送到所述流动区域。

7.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，还包括供应系统，所述供应系统包括：

液体供应管路，所述液体供应管路用于将所述液体从液体源引导到所述炬；

压力调节器，所述压力调节器联接到所述液体供应管路以便调节与所述液体在所述液体供应管路中的流动相关联的液体压力值；

流量阀，所述流量阀沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间以便调节所述液体在所述液体供应管路中流动的流速；

启动阀，所述启动阀沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间以便使得所述液体能够或不能够流动到所述流动区域；以及

可选的流量计，所述流量计被配置成测量所述液体在所述液体供应管路中流动的流速。

8.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，还包括供应系统，所述供应系统包括：

液体供应管路，所述液体供应管路用于将所述液体从液体源引导到所述炬；

压力调节器，所述压力调节器联接到所述液体供应管路以便调节与所述液体在所述液体供应管路中的流动相关联的液体压力值；

启动阀，所述启动阀沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间以便使得所述液体能够或不能够流动到所述流动区域；以及

可选的流量计，所述流量计被配置成测量所述液体在所述液体供应管路中流动的流速。

9.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，还包括供应系统，所述供应系统包括：

液体供应管路，所述液体供应管路用于将所述液体从液体源引导到所述炬；

流量阀，所述流量阀沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间以便调节所述液体在所述液体供应管路中流动的流速；

启动阀，所述启动阀沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间以便使得所述液体能够或不能够流动到所述流动区域；以及

流量计，所述流量计沿着所述液体供应管路设置在所述液体源与所述炬之间以便测量所述液体在所述液体供应管路中流动的流速。

10.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，所述排气通路具有定位在所述喷嘴出口孔口上游的入口。

11.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，所述防护罩出口孔口大体上与所述喷嘴出口孔口对准以限定用于射出所述液体、所述等离子弧以及所述等离子气体的未电离部分的管路。

12.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，引入到所述防护罩的液体具有低旋流或者不具有旋流。

13.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，所述喷嘴出口孔口被配置成经由所述喷嘴出口孔口压缩离开所述等离子腔室到所述流动区域的等离子弧。

14.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，所述喷嘴中的排气通路和所述流动区域中的液体对所述等离子弧提供压缩。

15.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，所述等离子弧是氮气、F5或空气中的至少一种。

16.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，所述液体是水。

17.如权利要求1所述的等离子弧炬系统，其中，所述等离子气体和所述液体的组合产生氢气。

18.一种用于操作等离子弧炬以切割工件的方法，所述方法包括：

将等离子气体传送到所述炬中的由电极和喷嘴限定的等离子腔室；

使所述等离子气体的第一部分电离以在所述等离子腔室中形式等离子弧；

经由设置在所述喷嘴中的至少一个排气通路将所述等离子气体的第二部分排出；

经由喷嘴出口孔口将所述等离子弧从所述等离子腔室传送到流动区域，所述流动区域由所述喷嘴和防护罩限定；

经由定位在所述喷嘴与所述防护罩之间的管路将液体供应到所述流动区域；以及

将来自所述管路的液体引导成大体上包围所述等离子弧。

19.如权利要求18所述的方法，其中，使所述等离子气体的第一部分电离还包括使电流在所述电极与所述喷嘴之间传送。

20.如权利要求18所述的方法，还包括：通过所述排出来压缩所述等离子弧。

21.如权利要求18所述的方法，还包括：在所述等离子弧传送到所述流动区域之前通过所述喷嘴出口孔口来压缩所述等离子弧。

22.如权利要求18所述的方法，还包括：通过由所述防护罩出口孔口使用所述液体大体上包围所述等离子弧来压缩所述等离子弧。

23.如权利要求18所述的方法，还包括：由处于液体或者蒸汽状态中的所述液体将熔融材料剪切离开正由所述等离子弧处理的工件。

24.如权利要求18所述的方法，还包括：由所述液体减小在所述等离子弧处理工件期间所产生的热影响区。

25.一种等离子弧炬，包括：

炬主体；以及

嘴部组件，所述嘴部组件连接到所述炬主体，所述嘴部组件包括：

电极；

喷嘴，所述喷嘴围绕所述电极设置，所述喷嘴包括（1）喷嘴出口孔口以及（2）排气管路，所述排气管路具有定位在所述喷嘴出口孔口上游的入口；以及

防护罩，所述防护罩围绕所述喷嘴设置，所述防护罩包括防护罩出口孔口，

其中，所述喷嘴和所述防护罩在其间限定流动区域，所述流动区域的形状被设计成通过所述防护罩出口孔口将液体连同大体上被所述液体包围的等离子弧一起射出。

26.如权利要求25所述的等离子弧炬，还包括供应系统，所述供应系统与所述流动区域流体连通以将所述液体供应到所述流动区域。

27.如权利要求25所述的等离子弧炬，其中，所述液体包括水。

28.如权利要求25所述的等离子弧炬，其中，所述防护罩包括用于接收所述液体并将所述液体引入到所述流动区域的管路。

29.如权利要求25所述的等离子弧炬，其中，所述喷嘴出口孔口和所述排气管路对所述等离子弧提供压缩。

30.如权利要求25所述的等离子弧炬，其中，所述液体对所述等离子弧提供压缩，当其进入所述流动区域并传送通过所述防护罩出口孔口时。