CN109483029B - 用于等离子切割炬的高温隔离插入物 - Google Patents

用于等离子切割炬的高温隔离插入物 Download PDF

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Abstract

公开了电弧等离子切割炬的实施例。在一个实施例中，等离子切割炬包括插入部件，所述插入部件大体上位于阴极本体与绝缘体之间。所述插入部件能够经受高温并且可以由金属材料或者非金属材料制成。根据不同的实施例，所述插入部件在所述炬内可以是永久性的或可以是可替换的。

Description

用于等离子切割炬的高温隔离插入物
相关申请的交叉引用
本美国专利申请要求于2017年9月13日提交的美国临时专利申请序列号62/558,006的优先权和权益，所述申请的所有内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及与等离子切割有关的系统和设备，并且更具体地涉及使用炬组件来进行电弧等离子切割。
背景技术
等离子切割包括使用高强度电流等离子射流，该高强度电流等离子射流在切割工艺期间、在切穿例如钢板或者钢制工字梁的工件时产生大量的热量。等离子切割炬在切割工艺过程中被冷却以防止等离子切割炬的部件熔化。然而，从气体/空气冷却的等离子切割炬移除的热量是有限的。由于不充分的炬冷却、或当炬以更高工作周期操作时、或在毁灭性的电极失效的事件中，切割炬可能出现问题。例如，部件/隔离器的局部热害可能约束炬的阴极或者电极的自由运动，使得炬无法使用。
发明内容
本发明的实施例包括具有高温插入物的等离子切割炬。在一个实施例中，插入物由金属制成，所述金属被配置成用于替换在炬内的塑料的绝缘体的末端。这样的插入物提供热隔离，这就允许了在炬内的其他地方使用较不昂贵的塑料。根据不同的实施例，插入物可以是永久性的或者是可替换的。
在一个实施例中，等离子切割炬的炬头部包括电极、阴极本体、插入部件、绝缘体以及阳极本体，该阴极本体电联接至电极。绝缘体大体上被定位在插入部件与阳极本体之间。所述插入部件大体上被定位在所述阴极本体与所述绝缘体之间，并且被配置成用于对所述绝缘体进行热保护以使其免受在使用所述等离子切割炬进行等离子切割操作期间在所述阴极本体上产生的热量的危害。在炬头部内的插入部件可以是永久性的部件或者是可替换的部件。所述绝缘体被配置成用于将所述阴极本体与所述阳极本体电绝缘。插入部件可以由金属材料制成。例如，所述插入部件可以由钢、不锈钢、铝、铝合金、铜或者铜合金中的至少一者制成。插入部件可以由非金属材料制成。例如，所述插入部件可以由聚合物材料或者复合材料中的至少一者制成。根据一个实施例，插入部件可以由聚酰亚胺基塑料材料制成。在一个实施例中，插入部件由工程材料制成。所述插入部件可以至少部分地在所述绝缘体内。
在一个实施例中，等离子切割炬的炬头部包括：大体上圆柱形的电极、周向地围绕所述电极的至少一部分的阴极本体、周向地围绕所述阴极本体的至少一部分的插入部件、周向地围绕所述插入部件的至少一部分的绝缘体、以及周向地围绕所述绝缘体的至少一部分的阳极本体。所述插入部件由被配置成在使用所述等离子切割炬进行等离子切割操作期间使得所述绝缘体与所述阴极本体至少部分地热隔离的材料制成。所述插入部件在所述炬头部内可以是永久性的部件或者是可替换的部件。所述绝缘体被配置成用于将所述阴极本体与所述阳极本体电绝缘。所述插入部件可以由钢、不锈钢、铝、铝合金、铜或者铜合金中的至少一者制成。所述插入部件可以由聚合物材料或者复合材料中的至少一者制成。根据一个实施例，插入部件可以由聚酰亚胺基塑料材料制成。在一个实施例中，插入部件由工程材料制成。所述插入部件可以至少部分地在所述绝缘体内。
总体发明概念中的许多方面将从以下示例性实施例的详细描述、权利要求和附图中变得显而易见。
附图说明
合并到本说明书中并成为本说明书一部分的附图示出了本公开内容的不同实施例。应理解的是，附图中展示的元件边界(例如，框、框组或者其他形状)表示边界的一个实施例。在一些实施例中，一个元件可以被设计成多个元件或者多个元件可以被设计成一个元件。在一些实施例中，作为另一个元件的内部部件示出的元件可以被实施为外部部件，并且反之亦然。另外，部件可以不是按比例描绘的。
图1展示了可以与等离子切割炬的实施例一起使用的示例性切割系统；
图2展示了使用已知部件的等离子切割炬的一部分；
图3展示了等离子切割炬的部分的实例，所述等离子切割炬的隔离器已经由于过高的阴极热负荷而经历了局部熔化；
图4展示了使用已知部件的等离子切割炬头部的一部分；
图5展示了具有热隔离插入部件的改进的等离子切割炬的炬头部的截面视图；并且
图6展示了改进的等离子切割炬的炬头部的一部分的实例实施例，该炬头部与图5构型相似、并且具有热隔离插入部件。
具体实施方式
一般而言，等离子电弧切割炬可以包括电极和喷嘴，其中电极的鼻端被支撑成使得电极的鼻部的末端面向喷嘴的具有从中穿过的等离子出口开口的端壁。电极和喷嘴可以是在电极与喷嘴的端壁相接触的位置和电极与端壁间隔出一定的操作距离的位置之间相对可移位的，由此在电极远离端壁移动至其操作位置时可以产生导引电弧。可替代的是，电极和喷嘴可以相对于彼此固定，由此通过使用高频率或其他已知的启动程序来启动炬。
在任何事件中，喷嘴的端壁和电极的端面提供了气体室，等离子体或电弧气体(切割气体)被供应至气体室中，并且等离子射流从气体室穿过出口开口射出。导引电弧电流在电极与喷嘴或者主体之间流动，并且转移电弧在电极与工件之间流动。可以出于冷却目的对在气体室上游的等离子气体引入漩涡运动，并且努力保持喷射的等离子射流聚焦在沿着电极的轴线上。保护气体和冷却流体也可以被供应至等离子电弧切割炬。可以提供多种不同的软管(管)和缆线(例如，呈引线线束的形式)以用于将切割气体、保护气体、冷却流体和电流提供至等离子电弧切割炬。等离子电弧切割炬的多个不同的实施例可以包括例如炬本体、水冷管、电极、等离子气体分配器、喷嘴、固位盖、遮护盖和遮护杯。根据其他实施例，其他元件也是可能的。
现在参考附图，附图仅出于展示本发明的示例性实施例目的、并且并非出于对其加以限制的目的，图1展示了示例性切割系统100，该切割系统可以与等离子切割炬的实施例一起使用。系统100包括电源10，所述电源包括与炬组件14连接的壳体12。壳体12包括用于控制等离子电弧炬的这些不同常规部件，例如电源、等离子启动电路、空气调节器、熔断器、晶体管、输入和输出电连接器和气体连接器、控制器和电路板等。炬组件14被附接至壳体的前侧16。炬组件14内包括电连接器，以将炬端部18内的电极与喷嘴连接至壳体12内的电连接器。针对导引电弧和工作电弧可以提供分开的电通路，其中切换元件被提供在壳体12内。气体导管也存在于焊炬组件内以用于将变成等离子电弧的气体传递至炬尖端。可以同多个不同电连接器与气体连接器一起将多个不同的用户输入装置20(例如，按钮、开关和/或转盘)提供在壳体12上。
应理解的是，图1中所展示的壳体12不过是可以采用在此公开的发明性概念的方面的等离子电弧炬装置的单一示例。因此，以上的总体公开和描述不应被理解为以任何方式限制可以采用所公开的炬元件的等离子电弧炬装置的类型或大小。
如图1所示，炬组件14在一端处包括连接器22以用于附接至壳体12的匹配连接器23。在以这样的方式连接时，连接了穿过炬组件14的软管部分24的这些不同电通路与气体通路，以便使炬200的相关部分与壳体12内的相关部分相连接。图1所示的炬200具有连接器201并且是手持式类型的，但是如以上所解释的，炬200可以是机械化类型的。炬200的一般构造(诸如手柄、触发器等)可以类似于已知的炬构造并且不必在此进行详细描述。然而，炬200的、利于出于切割目的来产生和维持电弧的部件位于炬端部18内。例如，这些部件中的一些部件包括炬电极、喷嘴、护罩、以及涡流环。
图2描绘了具有已知构造的示例性炬头部200a的截面。应注意，为清晰起见，未示出炬头部200a的这些部件中的一些部件。如图所示，炬200a包括阴极本体203，电极205电联接至该阴极本体。电极205被插入喷嘴213的内部空腔中，其中喷嘴213坐在涡流环211中，该涡流环联接至隔离器结构209，该隔离器结构将该涡流环、喷嘴等与阴极本体203隔离。喷嘴213被固持帽组件217a-c保持在位。如之前所解释的，这种构造是通常已知的。
如图所示，电极205具有螺纹部分205a，该螺纹部分将电极205拧入阴极本体203中。电极205还具有中心螺旋部分205b。螺旋部分205b具有螺旋形粗牙螺纹状图案，该图案提供了空气在区段205b周围的流动。圆柱形部205c位于中心部分205b的下游，该圆柱形部延伸至电极205的远端205d。如图所示，该圆柱形部被插入喷嘴213中，使得远端205d靠近喷嘴213的喉部213b。
该圆柱形部在中心部分205b处可以包括平坦表面，使得专用工具可以攫取电极205以将其从该阴极去除。典型地，从圆柱形部205c到远端205d的过渡区包括通往远端205d上的平坦端面的弯曲边缘。在回缩启动式炬中，这个平坦端面是与喷嘴213的内表面相接触的以便允许启动电弧流动。当电极205回缩时，在电极205与喷嘴213之间产生的空隙(如示出的)中引发引导电弧，此时等离子射流穿过喷嘴213的喉部213b被引导至该工件。主要的转移电弧是在电极与工件之间形成的，并且引导电弧熄灭。一旦电弧被点燃，电极205就回缩并且在电极205与喷嘴213之间产生空隙(如图所示)，此时等离子射流穿过喷嘴213的喉部213b被引导至该工件。普遍理解的是，通过这种构型，已知的电极205可能在引弧过程中在大约300次弧启动之后开始失效。电极205可以是镀铬或者镀镍的，以有助于增加电极205的寿命。一旦这个事件开始发生，可能需要更换电极205。并且，如示出的，铪插入物207被插入到电极205的远端205d中。众所周知的是，等离子射流/电弧从这个铪插入件207开始(射出)，该铪插入件在远端205d的平坦表面上居中。
如以上简要解释的，炬200a还包括喷嘴213，该喷嘴具有喉部213b，在切割过程中等离子射流被引导穿过该喉部。并且，如图所示，喷嘴213包括圆柱形伸出部213a，喉部213b延伸穿过该伸出部。这个伸出部213a提供相对长的喉部213b并且延伸进入护罩215的圆柱形开口中，该护罩也具有圆柱形伸出部215a。如图所示，在这些伸出部213a/215a各自之间产生空气流动空隙以允许在切割过程中引导保护气体来包围等离子射流。在空气冷却式炬中，这些相应的伸出部213a/215a各自引导等离子射流和保护气体以用于切割操作。
图3展示了等离子切割炬310和320的部分332和330的实例，所述等离子切割炬的隔离器(绝缘体)已经由于过高的阴极热负荷而经历了局部熔化。先前从等离子切割炬移除热量的尝试使用形状因素大的消耗品，或者通过过程监测藉由电源来检测消耗品的失效。然而，这样的解决方案是昂贵的并且耗费时间的。希望更快并且更成本有效的方式来解决热问题。
图4展示了使用已知部件的等离子切割炬头部400的一部分的截面视图。所示出的一些已知部件包括阳极本体410、阴极本体420、绝缘体430、涡流环440和电极450。在使用期间(尤其是以较高电流和/或长时间切割)空气冷却回缩启动式炬中的阴极本体420可能变得非常热。在这样的构型中，为了使炬400正常工作，阴极本体420需要能够移动。除非针对阳极本体410与阴极本体420之间的绝缘体430使用非常昂贵的塑料，例如
Figure BDA0001790685460000061
否则塑料绝缘体430可能发生变形，从而引起阴极本体420被锁定在位，很可能毁坏炬头部400。
图5展示了改进的等离子切割炬的炬头部500的截面视图，根据一个实施例，其在某种程度上与图4的等离子切割炬400的构型相似，而且包括连同改良的绝缘体530一起的插入部件510，该绝缘体用于在炬头部500内容纳插入部件510。如图5所示出的，插入部件510大体上在阴极本体520与改良的绝缘体530(由图4的绝缘体430改良的)之间。插入部件510能够经受高温并且可以由例如金属材料或者非金属材料(例如，聚合物材料，复合材料，其他工程材料)制成，例如像，
Figure BDA0001790685460000071
其是耐用并且高性能聚酰亚胺基塑料材料。根据不同的实施例，在炬头部500内，插入部件510可以是永久性的或者可以是可替换的。
图5示出了插入部件510、阴极本体520、绝缘体530、阳极本体540以及电极550之间的位置关系。绝缘体530大体上被定位在插入部件510与阳极本体540之间。其中，所述插入部件510被大体上定位在阴极本体520与绝缘体530之间，并且被配置成用于对所述绝缘体530进行热保护使其免受在使用所述等离子切割炬进行等离子切割操作期间在阴极本体520中产生的热量的危害。
此外，在炬头部500内，插入部件510可以是永久性的部件或者是可替换的部件。绝缘体530被配置成用于将阴极本体520与阳极本体540电绝缘。再一次地，插入部件510可以由金属材料制成。作为实例，使用金属插入部件510(其部分地在图4的塑料绝缘体430的末端内并且替代该塑料绝缘体的末端)产生了图5的构型，所述构型允许在炬头部500内减少使用昂贵的塑料(例如
Figure BDA0001790685460000072
而不是
Figure BDA0001790685460000073
)。根据一些实施例，高温金属插入部件510可以由不同的金属或者金属合金制成，包括但不限于，钢、不锈钢、铝、铝合金、铜以及铜合金。
可替代的是，插入部件510可以由非金属材料(例如，聚合物材料、复合物、其他工程材料)制成，例如，
Figure BDA0001790685460000074
其是耐用并且高性能的聚酰亚胺基塑料材料。换言之，根据不同的实施例，插入部件510可以由聚合物材料、复合材料中的至少一者制成，或者具体地说是聚酰亚胺基塑料材料。根据一个实施例，插入部件510可以由高温工程材料制成。在一个实施例中，插入部件510被至少部分地定位在绝缘体内。
图6展示了改进的等离子切割炬的炬头部600的一部分的实例实施例，所述炬头部与图5构型相似地具有插入部件610。参考图6，等离子切割炬的炬头部600包括阴极本体620，所述阴极本体被配置成用于周向地围绕至少一部分大体圆柱形的电极(在图6中未示出电极，但是如图5示出的电极550)。另外，插入部件610周向地围绕至少一部分阴极本体620，绝缘体630周向地围绕至少一部分插入部件610，并且阳极本体650周向地围绕至少一部分绝缘体630。
炬头部600包括电弹簧触点640，该电弹簧触点被配置成用于将电极保持在位并且使得在阴极本体620与电极之间能够有良好的电连接。炬头部600还包括接触探头/销670，所述接触探头/销被配置成用于感测在炬头部内是否有保持盖在位，以确保所有的炬消耗品在位。炬头部600还包括周向地围绕炬头部600的内部部件的炬本体660。
插入部件610由被配置成在使用等离子切割炬进行等离子切割操作期间使得绝缘体630与阴极本体620至少部分地热隔离的材料制成。此外，根据不同的实施例，在炬头部600内，插入部件610可以是永久性的部件或者是可替换的部件。绝缘体630被配置成用于将阴极本体620与阳极主体650电绝缘。
再一次，根据不同的实施例，插入部件610可以由钢、不锈钢、铝、铝合金、铜或者铜合金中的至少一者制成。可替代的是，根据其他实施例，插入部件610可以是由聚合物材料或者复合材料中的至少一者制成。例如，插入部件610可以由聚酰亚胺基塑料材料制成。在一个实施例中，插入部件610由工程材料制成。根据一个实施例，插入部件610的第一部分由金属材料制成并且插入部件610的第二部分由非金属材料制成。
根据一个实施例，插入部件610可以至少部分地在绝缘体630内。例如，如图6示出的，一部分插入部件610朝向炬头部600的等离子发射末端延伸超过绝缘体630的内部区域。而且，如图5示出的，一部分插入部件510朝向炬头部600的等离子发射末端延伸超过绝缘体530的内部区域。
以这种方式，热隔离插入部件被用来至少保护在炬头部内的绝缘体免受在阴极本体处产生的热量的危害，因此在较长的炬头部操作寿命上允许了绝缘体持续使得阴极本体与阳极本体电隔离。
虽然所公开的实施例已经被相当详细地展示并且描述，但是并不意图对权利要求的范围进行约束或以任何方式限制到这样的细节。当然，出于描述主题的多个不同的方面的目的，描述部件或方法的每个可想到的组合是不可能的。因此，本公开不限于所示出并描述的具体细节或展示性实例。因此，本披露意在包含满足35U.S.C.§101的法定主题要求的、落入权利要求的范围内的变更、修改以及变体。已通过举例的方式给出以上对具体实施方案的说明。从所给出的公开内容中，本领域技术人员将不仅理解总体发明概念和伴随的优点，还将发现对所披露结构和方法的明显的多种不同改变和修改。例如，可以利用替代方法和/或具有额外或替代部件的系统来配置等离子切割炬以允许炬部件的热隔离。因此，所寻求的是涵盖了落入如由权利要求及其等同物所限定的总体发明概念的精神和范围内的所有此类改变和修改。

Claims (20)

1.一种等离子切割炬的炬头部，包括：
电极；
阴极本体，所述阴极本体电连接至所述电极；
插入部件；
绝缘体；以及
阳极本体，所述阳极本体被定位在所述电极上方，
其中，所述绝缘体大体上被定位在所述插入部件与所述阳极本体之间，并且
其中，所述插入部件大体上被定位在所述阴极本体与所述绝缘体之间，并且被配置成用于对所述绝缘体进行热保护以使其免受在使用所述等离子切割炬进行等离子切割操作期间在所述阴极本体上产生的热量的危害。
2.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件在所述炬头部内是永久性的部件。
3.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件在所述炬头部内是可替换的部件。
4.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述绝缘体被配置成用于将所述阴极本体与所述阳极本体电绝缘。
5.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件由金属材料制成。
6.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件由钢、不锈钢、铝、铝合金、铜或者铜合金中的至少一者制成。
7.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件由非金属材料制成。
8.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件由聚合物材料或者复合材料中的至少一者制成。
9.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件由聚酰亚胺基塑料材料制成。
10.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件由工程材料制成。
11.如权利要求1所述的炬头部，其中，所述插入部件至少部分地在所述绝缘体内。
12.一种等离子切割炬的炬头部，包括：
大体上圆柱形的电极；
周向地围绕所述电极的至少一部分的阴极本体；
周向地围绕所述阴极本体的至少一部分的插入部件；
周向地围绕所述插入部件的至少一部分的绝缘体；以及
周向地围绕所述绝缘体的至少一部分的阳极本体，其中所述阳极本体被定位在所述电极上方，
其中，所述插入部件由被配置成在使用所述等离子切割炬进行等离子切割操作期间使得所述绝缘体与所述阴极本体至少部分地热隔离的材料制成。
13.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述插入部件在所述炬头部内是永久性的部件。
14.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述插入部件在所述炬头部内是可替换的部件。
15.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述绝缘体被配置成用于将所述阴极本体与所述阳极本体电绝缘。
16.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述插入部件由钢、不锈钢、铝、铝合金、铜或者铜合金中的至少一者制成。
17.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述插入部件由聚合物材料或者复合材料中的至少一者制成。
18.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述插入部件由聚酰亚胺基塑料材料制成。
19.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述插入部件由工程材料制成。
20.如权利要求12所述的炬头部，其中，所述插入部件至少部分地在所述绝缘体内。
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