CN107710881B - 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液体冷却等离子弧割炬的方法和设备。提供一种电极，所述电极包括主体，主体具有纵向轴线，限定第一端、第二端和中间部分。电极包括：第一密封元件，第一密封元件在第一端附近设置在主体的外部上；第二密封元件，第二密封元件设置在主体的外部上，定位在中间部分中，第二密封元件被配置成向旋流气体腔室提供第一气体密封并且限定旋流气体腔室的一部分；以及第三密封元件，第三密封元件设置在主体的外部上，第三密封元件定位在第二密封元件和第二端之间，第三密封元件被配置成向旋流气体腔室提供第二气体密封并且限定旋流气体腔室的一部分。

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6月9日提交的名称为“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。本申请还要求享有2016年4月11日提交的名称为“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2016年3月28日提交的名称为“防护罩旋流器中的计量孔（Metering Holesin the Shield Swirler）”的美国临时专利申请No. 62/314,097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，本发明涉及用于冷却等离子弧割炬的改进的消耗性部件（例如，电极）以及操作方法。

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（pilotarc）。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启动方法中的任何一种。

当前的等离子弧割炬利用具有一个或两个密封构件（例如，O形环）的电极以便在操作期间提供割炬内的流体密封，例如，用以防止液体和/或气体进入割炬的某些区域。此类配置的一个示例存在于美国专利No. 8,338,740中。在大多数现有技术割炬中，等离子气体与电极主体的第一接触在旋流环（swirl ring）的下游，因此等离子气体在进行此第一接触时已经产生旋流。一种如下的电极将会是有益的，所述电极允许一些具有复杂性的气流被移动成更靠近电极主体，从而允许在现代复杂的割炬中使用较短的电极主体。

发明内容

本发明涉及用于等离子弧割炬的改进的消耗品（例如电极）的系统和方法以及在等离子弧割炬中引导流体流动和使消耗品冷却的相关方法。在一方面中，本发明的特征在于用于液体冷却式等离子弧割炬的电极。所述电极包括主体，主体具有纵向轴线，限定第一端、第二端以及第一和第二端之间的中间部分。电极包括第一密封元件，第一密封元件在第一端附近设置在主体的外部上。电极包括第二密封元件，第二密封元件设置在主体的外部上，第二密封元件沿着纵向轴线定位在第一密封元件和第二端之间的中间部分中，第二密封元件被配置成向旋流气体腔室提供第一气体密封。第二密封元件限定旋流气体腔室的一部分。电极包括第三密封元件，第三密封元件设置在主体的外部上。第三密封元件沿着纵向轴线定位在第二密封元件和第二端之间。第三密封元件被配置成向旋流气体腔室提供第二气体密封。第三密封元件限定旋流气体腔室的一部分。本发明的电极允许一些具有复杂性的气流被移动成更靠近电极。这允许将更多的气流复杂性添加到割炬而不需要更长的割炬电极。而且，在某些实施例中，本发明的割炬可具有轴向旋流和/或轴向流动。将复杂性设于电极和旋流环之间的界面中允许在割炬中使用改进的旋流设计。

在一些实施例中，第一密封元件提供液体密封。在一些实施例中，第一密封元件密封电极主体的外部以免接触被引导到电极的内表面的冷却剂。在一些实施例中，第二密封元件形成旋流气体腔室的第一端，第一端被配置成迫使旋流气体穿过旋流环的开口。在一些实施例中，第三密封元件密封旋流气体腔室的端部，以使得迫使旋流气体穿过旋流环中的旋流孔。在一些实施例中，第一密封元件的直径大于第二密封元件的直径。在一些实施例中，第二密封元件的直径大于第三密封元件的直径。在一些实施例中，电极包括定位在主体的第一端附近的快速锁定螺纹部。在一些实施例中，电极具有渐缩形状，渐缩形状被配置成允许电极密封元件与等离子弧割炬的相邻部件接合并且抵靠等离子弧割炬的相邻部件滑动，以使得在割炬中组装电极所需要的力减小。在一些实施例中，密封元件中的一个或多个是O形环。在一些实施例中，密封元件是等离子弧割炬的腔室的部分。

在另一方面中，本发明的特征在于一种用于液体冷却式等离子弧割炬的电极。电极包括基本上中空的主体，主体具有第一区段、第二区段以及第三区段。第二区段设置在第一区段和第三区段之间。电极包括第一密封构件，第一密封构件围绕主体的第一区段的外表面周向地设置。电极包括第二密封构件，第二密封构件围绕主体的第二区段的外表面周向地设置。电极包括第三密封构件，第三密封构件围绕主体的第三区段的外表面周向地设置。当电极安装在液体冷却式等离子弧割炬中时，第二密封构件和第三密封构件限定旋流气体腔室的部分。

在一些实施例中，第一密封构件提供液体密封。在一些实施例中，第一密封元件密封主体的第一区段的外表面以免接触被引导到电极的内表面的冷却剂。在一些实施例中，第二密封构件形成旋流气体腔室的第一端，第一端被配置成迫使旋流气体穿过旋流环的开口。在一些实施例中，第一密封构件的直径大于第二密封构件的直径。在一些实施例中，第二密封构件的直径大于第三密封构件的直径。在一些实施例中，电极包括定位在主体的第一区段上或附近的快速锁定螺纹部。在一些实施例中，电极具有渐缩形状，渐缩形状被配置成允许电极密封构件与等离子弧割炬的相邻部件接合并且抵靠等离子弧割炬的相邻部件滑动，以使得在割炬中组装电极所需要的力减小。在一些实施例中，密封构件中的一个或多个是O形环。

在又另一方面中，本发明的特征在于一种在液体冷却式等离子弧割炬中引导等离子气流的方法。所述方法包括：提供电极，电极具有第一液体密封构件、第一气体密封构件和第二气体密封构件。所述方法包括使等离子气体绕着电极的外表面流动到通道中。所述方法包括引导等离子气流从通道进入腔室，腔室由第一气体密封构件和第二气体密封构件部分地限定。所述方法包括引导等离子气流穿过腔室的一组旋流孔并到工件上。

附图说明

当结合附图从下面的对本发明的详细描述将会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具有三个密封元件的电极的等轴测图。

图2是根据本发明的说明性实施例的等离子弧割炬的截面图，该等离子弧割炬具有带有三个密封构件的电极，其中，该电极限定旋流腔室的一部分。

图3是根据本发明的说明性实施例的在液体冷却式等离子弧割炬中引导等离子气流的方法的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的说明性实施例的具有三个密封元件124、128、132的电极100的等轴测图。电极100包括主体104，主体104具有纵向轴线108，限定第一端112、第二端116以及第一端112和第二端116之间的中间部分120。电极100包括第一密封元件（或密封构件）124，第二密封元件128以及第三密封元件132，每个密封元件124、128、133沿着电极100的纵向轴线108定位。第一密封元件（或密封构件）124在第一端112附近设置在电极主体104的外部上。第二密封元件108设置在电极主体104的外部上，并且沿着纵向轴线108定位在第一密封元件124和第二端116之间的中间部分120中。当安装在等离子弧割炬中时，第二密封元件128被配置成限定旋流气体腔室（例如，下面在图2中示出和描述的旋流气体腔室212）的一部分，并且被配置成向旋流气体腔室提供第一气体密封。第三密封元件132设置在电极主体104的外部上，并且沿着纵向轴线108定位在第二密封元件128和第二端116之间。第三密封元件132被配置成限定旋流气体腔室（例如，下面在图2中示出和描述的旋流气体腔室212）的一部分，并且被配置成向旋流气体腔室提供第二气体密封。

每个密封元件124、128、132限定密封表面和电极100的不同区段，当安装在等离子弧割炬（例如，下面在图2中示出和描述的等离子弧割炬200）中时，流体流动越过所述不同区段。第一密封元件124密封电极104的外部以免接触被引导到电极100的内部且围绕螺纹部136的液体冷却剂。第二密封元件128形成旋流气体腔室（例如，下面在图2中示出和描述的旋流气体腔室212）的第一端。第三密封元件132密封旋流气体腔室的第二端。因此，第二密封元件128和第三密封元件132各自限定旋流气体腔室的边界。在一些实施例中，密封元件124、128、132是O形环。

如在图1中（并且对应地在下面的图2中）可看到的，每个密封元件124、128、132被放置在电极主体104的具有不同直径的外表面上。在图1中，第一密封元件124在具有三个直径中最大的直径的表面上。第二密封元件128在具有中间直径的表面上，并且第三密封元件132在具有最小直径的表面上。在一些实施例中，此“渐缩”配置使得电极100与旋流环在割炬主体内的组装变得容易。而且，螺纹部136（例如，“快速锁定（quick lock）”螺纹部特征）允许电极100被完全轴向地组装到割炬中并被旋转以接合螺纹部136。在此类配置中，螺纹部136的机械上的优点不能被用来迫使密封元件124、128、132进入到割炬主体中对应的开口中。因此，具有电极主体104的不同直径的“渐缩”配置允许电极密封元件124、128、132与相邻部件接合并且抵靠相邻部件滑动达短的距离，从而减少组装割炬部件所需要的力。

图2是根据本发明的说明性实施例的等离子弧割炬200的截面图，等离子弧割炬200具有带有纵向轴线208和三个密封元件224、228、232的电极204，电极204限定旋流腔室212的一部分。当安装在等离子弧割炬200中时，电极204与旋流环216接合，并且密封构件224、228、232在等离子弧割炬200内限定各种边界。例如，第一密封构件224限定水冷却边界，其密封电极204的外表面以免接触被引导到电极204的内表面的冷却剂。第二密封构件228限定旋流气体腔室212的第一（或如下面所解释的“计量”）边界。第三密封构件232限定旋流气体腔室212的第二（或如下面所解释的“旋流”）边界。因此，旋流气体腔室212的一部分由第二密封构件228和第三密封构件232连同电极壁236的定位在第二密封构件228和第三密封构件232之间的区段来限定。

在等离子弧割炬200的操作期间，旋流气体沿着电极204的外表面244经过第一密封构件224沿着流动路径240行进。旋流气体（或等离子气体）进入旋流环216的打开的后腔室。该后腔室被限定为旋流环216的内部、电极的外表面244以及第二密封构件228之间的间隙。一旦旋流气体进入后腔室，旋流气体然后被引导穿过开口248，因为第二密封构件228防止气体向前流动。开口248从旋流环216的内部延伸到旋流环的外部并且径向地定向（例如，与纵向轴线208正交）并且流动进入割炬通路252。割炬通路由电极的外部限定，并且旋流气体沿着流体流动路径240穿过旋流环216中的计量孔（例如，计量孔256）朝着旋流气体腔室212的第一端212A继续。计量孔计量从涡旋环216的外部进入到旋流气体腔室212中的旋流气体流量。旋流气体然后穿过开口流动到旋流气体腔室212的第二端212B上并且流动到旋流环的外侧。第三密封元件232密封旋流气体腔室212的第二端212B，以使得迫使旋流气体穿过旋流环的前部中的旋流孔（不可见）并进入到等离子气室（plenum）254中。因此，第二密封构件228和第三密封构件232限定旋流气体腔室212，旋转气体腔室212从计量孔接收等离子气体并且通过旋流孔排放等离子气体。在一些实施例中，维持分离的旋流孔和计量孔是有益的，因为每组孔执行分开的功能，其需要不同的对应结构。

图3是根据本发明的说明性实施例的在液体冷却式等离子弧割炬中引导等离子气流的方法300的示意图。方法300包括如下的步骤310：提供具有第一液体密封构件、第一气体密封构件以及第二气体密封构件的电极。方法300包括如下的步骤320：使等离子气体绕着电极的外表面流动到通道中。方法300包括如下的步骤330：引导等离子气流从通道进入腔室，腔室由第一气体密封构件和第二气体密封构件部分地限定。方法300包括如下的步骤340：引导等离子气流穿过腔室的一组旋流孔并到工件上。

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)

1.一种用于液体冷却式等离子弧割炬的电极，所述电极包括：

主体，所述主体具有纵向轴线，限定第一端、第二端以及所述第一和第二端之间的中间部分；

第一密封元件，所述第一密封元件在所述第一端附近设置在所述主体的外部上，所述第一密封元件被配置成提供液体密封；

第二密封元件，所述第二密封元件设置在所述主体的外部上，所述第二密封元件沿着所述纵向轴线定位在所述第一密封元件和所述第二端之间的中间部分中，所述第二密封元件被配置成向旋流气体腔室提供第一气体密封并且限定所述旋流气体腔室的一部分；以及

第三密封元件，所述第三密封元件设置在所述主体的外部上，所述第三密封元件沿着所述纵向轴线定位在所述第二密封元件和所述第二端之间，所述第三密封元件被配置成向所述旋流气体腔室提供第二气体密封并且限定所述旋流气体腔室的一部分。

2.如权利要求1所述的电极，其中，所述第一密封元件提供液体密封。

3.如权利要求1所述的电极，其中，所述第一密封元件密封所述电极主体的外部以免接触被引导到所述电极的内表面的冷却剂。

4.如权利要求1所述的电极，其中，所述第二密封元件形成所述旋流气体腔室的第一端，所述第一端被配置成迫使旋流气体穿过旋流环的开口。

5.如权利要求1所述的电极，其中，所述第三密封元件密封所述旋流气体腔室的端部，以使得迫使所述旋流气体穿过旋流环中的旋流孔。

6.如权利要求1所述的电极，其中，所述第一密封元件的直径大于所述第二密封元件的直径。

7.如权利要求1所述的电极，其中，所述第二密封元件的直径大于所述第三密封元件的直径。

8.如权利要求1所述的电极，还包括定位在所述主体的第一端附近的快速锁定螺纹部。

9.如权利要求1所述的电极，其中，所述电极具有渐缩形状，所述渐缩形状被配置成允许所述电极密封元件与所述等离子弧割炬的相邻部件接合并抵靠所述等离子弧割炬的相邻部件滑动，以使得在所述割炬中组装所述电极所需要的力减小。

10.如权利要求1所述的电极，其中，所述密封元件中的一个或多个是O形环。

11.如权利要求1所述的电极，其中，所述密封元件是所述等离子弧割炬的腔室的部分。

12.一种用于液体冷却式等离子弧割炬的电极，所述电极包括：

基本上中空的主体，所述基本上中空的主体具有第一区段、第二区段、以及第三区段，所述第二区段设置在所述第一区段和所述第三区段之间；

第一密封构件，所述第一密封构件围绕所述主体的第一区段的外表面周向地设置，所述第一密封构件被配置成提供液体密封；

第二密封构件，所述第二密封构件围绕所述主体的第二区段的外表面周向地设置，所述第二密封构件被配置成向旋流气体腔室提供第一气体密封并且限定所述旋流气体腔室的一部分；以及

第三密封构件，所述第三密封构件围绕所述主体的第三区段的外表面周向地设置，所述第三密封构件被配置成向所述旋流气体腔室提供第二气体密封并且限定所述旋流气体腔室的一部分；

其中，当所述电极安装在所述液体冷却式等离子弧割炬中时，所述第二密封构件和所述第三密封构件限定旋流气体腔室的一部分。

13.如权利要求12所述的电极，其中，所述第一密封构件提供液体密封。

14.如权利要求12所述的电极，其中，所述第一密封构件密封所述主体的第一区段的外表面以免接触被引导到所述电极的内表面的冷却剂。

15.如权利要求12所述的电极，其中，所述第二密封构件形成所述旋流气体腔室的第一端，所述第一端被配置成迫使旋流气体穿过旋流环的开口。

16.如权利要求12所述的电极，其中，所述第一密封构件的直径大于所述第二密封构件的直径，并且所述第二密封构件的直径大于所述第三密封构件的直径。

17.如权利要求12所述的电极，还包括定位在所述主体的第一区段上或附近的快速锁定螺纹部。

18.如权利要求12所述的电极，其中，所述电极具有渐缩形状，所述渐缩形状被配置成允许所述电极密封构件与所述等离子弧割炬的相邻部件接合并抵靠所述等离子弧割炬的相邻部件滑动，以使得在所述割炬中组装所述电极所需要的力减小。

19.如权利要求12所述的电极，其中，所述密封构件中的一个或多个是O形环。

20.一种在液体冷却式等离子弧割炬中引导等离子气流的方法，所述方法包括：

提供电极，所述电极具有设置在所述电极的外部上的第一液体密封构件、设置在所述电极的外部上的第一气体密封构件、以及设置在所述电极的外部上的第二气体密封构件；

使等离子气体绕着所述电极的外表面流动到通道中；

引导所述等离子气流从所述通道进入腔室，所述腔室由所述第一气体密封构件和所述第二气体密封构件部分地限定；以及

引导所述等离子气流穿过所述腔室的一组旋流孔并到工件上。

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