CN112911779B - 改进的等离子体电弧切割系统和有关运行方法 - Google Patents

Abstract

提供一种用于液体冷却式等离子体电弧喷枪的喷嘴。喷嘴包括：导热本体，其具有远侧端、近侧端，以及延伸通过其中的纵向轴线。喷嘴还包括在导热本体的远侧端处的等离子体电弧出口孔口。喷嘴额外地包括沿周向围绕导热本体的外表面定位的冷却腰。冷却腰包括液体入口斜坡、液体出口斜坡和在液体入口斜坡和液体出口斜坡之间的热交换区域。热交换区域基本平行于纵向轴线而延伸，并且液体入口斜坡和液体出口斜坡大体垂直于纵向轴线而定向。

Description

改进的等离子体电弧切割系统和有关运行方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月11日提交的美国临时专利申请No. 62/320,935的优先权，该申请为本申请的受让人所有且通过引用而整体地结合在本文中。

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。更特别地，本发明涉及改进的耗材构件(例如，喷嘴)和用于冷却等离子体电弧喷枪的运行方法。

背景技术

等离子体电弧喷枪广泛地用于对材料进行高温加工(例如，加热、切割、熔刮和刻印)。等离子体电弧喷枪大体包括喷枪头、安装在喷枪头内的电极、设置在电极的膛孔内的发射性插件、具有安装在喷枪头内的中心出口孔口的喷嘴、护罩、电连接件、用于冷却的通路、用于电弧控制流体(例如，等离子气体)的通路和功率供应。回旋环可用来控制形成于电极和喷嘴之间的等离子腔室中的流体流型式。在一些喷枪中，固持帽用来将喷嘴和/或回旋环保持在等离子体电弧喷枪中。在运行中，喷枪产生等离子体电弧，等离子体电弧是离子化气体的射流，它温度高且具有充分的动量来协助移除熔融金属。喷枪中使用的气体可为非反应性的(例如，氩气或氮气)，或反应性的(例如，氧或空气)。

关于等离子体电弧喷枪的设计考量包括用于冷却的特征，因为所产生的等离子体电弧可产生超过10000℃的温度，如果不控制，它可损害喷枪，特别是喷嘴。也就是说，喷嘴的腐蚀速率受到喷嘴处的冷却效率的影响。高效冷却可帮助保持较低的温度，这会降低腐蚀速率。现有技术的喷嘴，诸如美国专利No.8,772,667中描述的喷嘴，包括环形腔室，它构造成允许流体流过腔室且沿着腔室流动，以促进喷嘴的对流冷却。特别地，流体从喷嘴的一侧进入腔室，在腔室内围绕喷嘴流动到喷嘴的另一侧，并且从喷嘴的相对侧离开喷嘴。这种对流冷却易于促进流体流中的湍流，并且导致冷却不均匀，因为冷却流体在喷嘴的一侧进入且在较热的温度下从相对侧离开。需要一种喷嘴冷却特征，它可提供平稳的分层流体流，同时使得围绕喷嘴的基本整个周边能够有均匀冷却。

发明内容

因此本发明的目标是提供一种喷嘴设计，其优化通过喷嘴的冷却剂流，从而改进喷嘴的使用寿命且提高其切割品质。在一些实施例中，围绕喷嘴的外表面提供冷却腰，使得围绕喷嘴的周边能够有分层冷却剂流和均匀的喷嘴冷却。

一方面，提供一种用于液体冷却式等离子体电弧喷枪的喷嘴。喷嘴包括：导热本体，其具有远侧端、近侧端，以及延伸通过其中的纵向轴线。喷嘴还包括在导热本体的远侧端处的等离子体电弧出口孔口。喷嘴额外地包括沿周向围绕导热本体的外表面而定位的冷却腰。冷却腰包括液体入口斜坡、液体出口斜坡和在液体入口斜坡和液体出口斜坡之间的热交换区域。热交换区域基本平行于纵向轴线而延伸，并且液体入口斜坡和液体出口斜坡定向成大体垂直于纵向轴线。喷嘴进一步包括定位在液体出口斜坡和导热本体的远侧端之间的第一密封部件，以及定位在导热本体的近侧端和液体入口斜坡之间的第二密封部件。

在一些实施例中，液体入口斜坡和液体出口斜坡相对于纵向轴线在不同的轴向位置处。在一些实施例中，液体入口斜坡包括轴向对齐凸缘，轴向对齐凸缘构造成沿轴向对齐喷嘴与等离子体电弧喷枪的另一个构件。

在一些实施例中，冷却腰大体定位在本体的中心部分中。在一些实施例中，冷却腰构造成促进通过其中的液体冷却剂的分层流，使得进入液体入口斜坡的液体冷却剂基本不与从液体出口斜坡离开的液体冷却剂掺合。

在一些实施例中，喷嘴进一步包括定位在第二密封部件和本体的近侧端之间的第三密封部件。在一些实施例中，通气孔定位在第三密封部件和第二密封部件之间。通气孔构造成将本体的内表面连接到本体的外表面。供应孔定位在第三密封部件和本体的近侧端之间。供应孔构造成将本体的外表面连接到本体的内表面。通气孔定位在第一密封部件和本体的远侧端之间。通气孔构造成将本体的内表面连接到保护气体供应通道。

在一些实施例中，固持帽联接到喷嘴本体的外表面上，以与冷却腰协作而限定腔室。在一些实施例中，腔室具有大约0.03立方英寸的容积。

另一方面，提供一种用于液体冷却式等离子喷枪的喷嘴。喷嘴包括：本体，其具有远侧端、近侧端，以及延伸通过其中的纵向轴线。喷嘴还包括设置在本体的远侧端处的等离子体电弧出口孔口。喷嘴额外地包括在远侧端和近侧端之间居中定位在本体的外表面上的冷却器件。冷却器件沿周向围绕本体而定向。冷却器件具有用于接收液体冷却剂的入口器件和用于使液体冷却剂按分层流型式沿径向向外转向的出口器件。入口器件和出口器件彼此沿轴向间隔开。喷嘴进一步包括定位在出口器件和本体的远侧端之间的第一密封器件，以及定位在入口器件和本体的近侧端之间的第二密封器件。

在一些实施例中，喷嘴包括设置在本体中的至少一个通气器件。在一些实施例中，冷却器件构造成防止入口器件中的液体冷却剂与出口器件中的液体冷却剂掺合。

又一方面，提供一种用于对等离子体电弧喷枪中的等离子切割喷嘴进行液体冷却的方法。喷嘴具有本体，本体具有远侧端、近侧端和延伸通过其中的纵向轴线。冷却腰在本体的在远侧端和近侧端之间的中心部分中沿周向围绕本体的外表面定位。方法包括沿着冷却腰的入口斜坡以大体垂直于纵向轴线的角度引导液体冷却剂流。方法还包括沿着冷却腰的基本平行于纵向轴线的热交换区域传导液体冷却剂流。热交换区域定位在冷却腰的入口斜坡和出口斜坡之间。方法进一步包括在出口斜坡上面以大体垂直于纵向轴线的角度沿径向远离喷嘴引导液体冷却剂流，出口斜坡在入口斜坡的远侧。通过冷却腰的液体冷却剂流包括基本分层流，使得通过入口斜坡的液体冷却剂流基本不与出口斜坡上面的液体冷却剂流掺合。

在一些实施例中，方法进一步包括在下者中的一个或多个处密封喷嘴：在出口斜坡和本体的远侧端之间的第一密封位置、在本体的近侧端和入口斜坡之间的第二密封位置，以及在第二密封部件和本体的近侧端之间的第三密封位置。在一些实施例中，方法进一步包括通过定位在第三密封位置和第二密封位置之间的第一通气孔和第一密封位置和本体的远侧端之间的第二通气孔中的至少一个来排出气体流的至少一部分。在一些实施例中，方法进一步包括通过定位在第三密封位置和本体的近侧端之间的供应孔将气体流供应到喷嘴的内部区域中。

在一些实施例中，方法包括将固持帽联接到本体的外表面上，以与冷却腰协作而产生腔室。在一些实施例中，腔室具有大约0.03立方英寸的容积。

在一些实施例中，方法包括使用入口斜坡处的轴向对齐凸缘，使喷嘴相对于等离子体电弧喷枪中的另一个构件沿轴向对齐。

在一些实施例中，方法包括使等离子体电弧喷枪在大约170的安培数或不到170的安培数下运行。

附图说明

通过参照结合附图得到的以下描述，可更好地理解上面描述的本发明的优点和另外的优点。附图未必按比例绘制，而是将重点大体放在示出本发明的原理上。

图1是根据本发明的示例性实施例的具有冷却腰的液体冷却式等离子体电弧喷枪喷嘴的横截面图。

图2a和2b是根据本发明的示例性实施例的图1的喷嘴的等距视图和截面图。

图3是根据本发明的示例性实施例的具有冷却腰的另一个等离子体电弧喷枪喷嘴的横截面图。

图4a和4b是根据本发明的示例性实施例的图3的喷嘴的等距视图和截面图。

图5是示出根据本发明的示例性实施例的用于对等离子体电弧喷枪中的等离子切割喷嘴进行液体冷却的过程的示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的示例性实施例的液体冷却式等离子体电弧喷枪100的横截面图，它具有喷嘴110，喷嘴110具有冷却腰111。等离子体电弧喷枪100包括喷枪本体102和喷枪末梢104，喷枪本体102具有电流环122，喷枪末梢104具有多个耗材，例如，电极105、喷嘴110、内部固持帽115、外部固持帽116、回旋环120和护罩125。在喷枪末梢104中，喷嘴110与电极105间隔开且具有中心喷嘴出口孔口106。回旋环120围绕电极105安装，并且构造成对等离子气体流施加切向速度分量，从而使等离子气体流回旋。内部固持帽115牢固地连接(例如，旋拧)到喷枪本体102上，以将喷嘴110固持到喷枪本体102上，并且相对于喷枪100的纵向轴线沿径向和/或沿轴向定位喷嘴110。护罩125包括护罩出口孔口107，护罩125连接到外部固持帽116上，外部固持帽116将护罩125固定到喷枪本体102上。在一些实施例中，喷嘴出口孔口106和可选地护罩出口孔口107限定等离子体电弧出口孔口，在喷枪运行期间，等离子体电弧通过等离子体电弧出口孔口而输送到工件。喷枪100可额外地包括电连接件、用于冷却的通路、用于电弧控制流体(例如，等离子气体)的通路。在一些实施例中，图1的液体冷却式等离子体电弧喷枪100在大约80安培的电流下运行。

图2a和2b分别是根据本发明的示例性实施例的图1的喷嘴110的等距视图和截面图。如所显示的那样，喷嘴110具有伸长导热本体，它限定延伸通过其中的纵向轴线A，并且包括沿着纵向轴线A的远侧端/部分202、中心部分204和近侧端/部分206。喷嘴本体的远侧端202构造成限定喷嘴出口孔口106，等离子射流通过喷嘴出口孔口106离开喷嘴110。

在一些实施例中，中心部分204限定冷却腰111，冷却腰111定位成沿周向围绕喷嘴110的外表面，以在喷嘴110的至少一部分上面传导液体流。在一些实施例中，冷却腰111沿着纵向轴线延伸喷嘴110的至少大约20%的长度。如图2a和b中显示的那样，冷却腰111沿着纵向轴线A大体定位在喷嘴110的中间。

冷却腰111包括液体入口斜坡210、液体出口斜坡212和在液体入口斜坡210和液体出口斜坡212之间的热交换区域214。如示出的那样，液体入口斜坡210在热交换区域214的近侧，热交换区域214在液体出口斜坡212的近侧，使得液体入口斜坡210和液体出口斜坡212在被热交换区域214分开的不同的轴向位置处(相对于纵向轴线A)。在一些实施例中，热交换区域214基本平行于纵向轴线而延伸，而液体入口斜坡210和液体出口斜坡212中的各个则相对于热交换区域214(即，相对于纵向轴线A)以非零角度定向。在一些实施例中，冷却腰111沿着纵向轴线A的长度(即，从液体入口斜坡210的外部边缘延伸到液体出口斜坡212的外部边缘)为大约0.25英寸。沿着纵向轴线A的较平坦的热交换区域214的长度为大约0.188英寸。在一些实施例中，液体入口斜坡210和液体出口斜坡212定向成大体垂直于纵向轴线A。在一些实施例中，部分地由于入口斜坡210和出口斜坡212之间的轴向分开，冷却腰111构造成促进通过其中的液体冷却剂的向外径向分层流，使得进入液体入口斜坡210的液体冷却剂不显著与从液体出口斜坡212离开的液体冷却剂掺合。液体冷却剂的分层流是合乎需要的，因为它提供通过喷枪100的较平稳的液体冷却剂流。由于液体冷却剂适于从一个喷枪构件移动到另一个喷枪构件，所以分层冷却剂流大体减小冷却回路上的压降。

在一些实施例中，喷嘴本体的在液体出口斜坡212和远侧端202之间的部分在其外表面上限定凹槽216，其中凹槽216构造成容纳第一密封部件218，第一密封部件218可为有弹性的，诸如O形环。当喷嘴110安装到等离子体电弧喷枪100中时，喷嘴110和相邻内部固持帽115之间的表面-表面接触使凹槽216中的第一密封部件218变形，以在喷嘴110和内部固持帽115之间在那个区域中提供不透液体的密封。

在一些实施例中，喷嘴本体的在液体入口斜坡210和近侧端206之间的部分在其外表面上限定至少一个凹槽220，其中凹槽220构造成容纳第二密封部件222，第二密封部件222可为有弹性的，诸如O形环。当喷嘴110安装到等离子体电弧喷枪100中时，喷嘴110和相邻喷枪构件(诸如图1的电流环122)之间的表面-表面接触使凹槽220中的第二密封部件222变形，以在喷嘴110和电流环122之间在那个区域中提供不透液体的密封。大体上，密封部件218和222构造成将冷却剂流限制在冷却腰111内。在一些情况下，喷嘴110设有第三密封部件226，第三密封部件226容纳在凹槽224中，凹槽224在在第二密封部件222和喷嘴110的近侧端206之间定位在喷嘴本体的外表面上。因而，第三密封部件226沿轴向在第二密封部件222的近侧。第三密封部件226构造成在喷嘴110和电流环122之间提供另一个不透液体的密封。

在一些实施例中，液体入口斜坡210包括沿径向从喷嘴本体的外表面延伸的对齐凸缘228。对齐凸缘228构造成在喷枪100的组装期间，沿轴向对齐喷嘴110与等离子体电弧喷枪100的另一个构件，诸如电流环122。因而，液体入口斜坡210适于没垂直于纵向轴线A的方向比液体出口斜坡212延伸得更高。

在一些实施例中，供应孔232定位在第三密封部件226和喷嘴本体的近侧端206之间。供应孔232构造成将喷嘴本体的外表面连接到喷嘴本体的内表面上，以将等离子气体供应沿径向传导到喷嘴110的内部区域中。第三密封部件226可用来引导等离子气体，以使其流过供应孔232且流到喷嘴110和回旋环120之间的区域中。在一些实施例中，通气孔230定位在第一密封部件218和喷嘴本体的远侧端202之间。通气孔230构造成将喷嘴本体的内表面连接到喷嘴本体的外表面，以沿径向远离喷嘴110传导等离子气体流。例如，通气孔230与喷嘴110的外表面和护罩125的内表面之间的保护气体供应通道234处于流体连通，如图1中显示的那样。在运行中，来自喷嘴110的等离子气体流可通过通气孔230排到保护气体供应通道234，以补充通道234中的保护气体。排到保护气体通道234中的等离子气体适于预热保护气体，这对喷枪100的切割添加更多热能，并且允许有更多气体协助使切割期间产生的熔融的金属移动。

在一些实施例中，通气孔(在图1中未显示，但在图3中显示为通气孔336)定位在第二密封部件222和第三密封部件226之间。通气孔构造成将喷嘴本体的内表面连接到喷嘴本体的外表面，以沿径向远离喷嘴110传导等离子气体流。通气孔适于连接到允许离子化等离子气体从喷枪100排到大气的通气通路上。

在一些实施例中，在冷却腰111处的喷嘴110的外表面和相邻固持帽115的内表面协作地限定冷却剂腔室208，如图1中示出的那样。冷却剂腔室208可具有大约0.03立方英寸的容积。冷却剂腔室208构造成促进对喷嘴110的其它区段进行对流冷却。例如，冷却剂腔室208的较宽的宽度允许冷却流体快速移动通过其中，而且因此产生的高速流会促进冷却。

图3是根据本发明的示例性实施例的具有喷嘴310的另一个等离子体电弧喷枪300的横截面图，喷嘴310具有冷却腰311。等离子体电弧喷枪300可在大约130安培的电流下运行。图4a和4b是根据本发明的示例性实施例的图3的喷嘴310的等距视图和截面图。喷嘴310包括喷嘴腰311，喷嘴310基本分别类似于图1、2a和2b的喷嘴110和喷嘴腰111。例如，与喷嘴110相同，喷嘴310包括第一密封部件318(对应于密封部件218)、第二密封部件322(对应于密封部件222)，以及第三密封部件326(对应于密封部件226)。通气孔336定位在第二密封部件322和第三密封部件326之间，以沿径向远离喷嘴310传导等离子气体流且将等离子气体流传导到喷枪本体中。如所显示的那样，喷嘴310额外地包括供应孔332，与喷嘴110的供应孔232一样，其定位在第三密封部件326和喷嘴310的近侧端之间，以将等离子气体供应沿径向传导到喷嘴310的内部区域中。大体上，第二密封部件322构造成在流体方面隔离排出的等离子气体与腰111中的冷却流体，并且第三密封部件326构造成在流体方面隔离排出的等离子气体与通过供应孔332流到回旋环120中的等离子气体供应。

大体上，具有冷却腰的喷嘴，诸如上面参照图1和2所描述的喷嘴110和上面参照图3和4所描述的喷嘴310，可结合到需要液体冷却的许多等离子体电弧喷枪中。例如，本申请中描述的喷嘴和冷却腰可安装在液体冷却式喷枪中，液体冷却式喷枪在大约170的安培数或不到170的安培数下运行，诸如大约170安培、大约130安培和/或大约80安培。

图5是示出根据本发明的示例性实施例的用于对等离子体电弧喷枪中的等离子切割喷嘴进行液体冷却的过程600的示意图。等离子切割喷嘴包括冷却腰，诸如上面参照图1和2所描述的喷嘴110或上面参照图3和4所描述的喷嘴310。为了说明，参照喷嘴110来描述过程600。在冷却期间，沿着喷嘴110的冷却腰111的入口斜坡210以非零角度引导液体冷却剂流(步骤602)，诸如以大体垂直于纵向轴线A的角度。液体冷却剂流适于通过冷却剂喷嘴供应通道242从喷枪本体102引入到入口斜坡210，冷却剂喷嘴供应通道242部分地由内部固持帽115的内表面形成，如图1中显示的那样。然后冷却腰111的热交换区域214沿轴向沿朝向朝喷嘴110的出口斜坡212的远侧方向传导液体冷却剂流(步骤604)，其中热交换区域214基本平行于纵向轴线A。冷却腰111的出口斜坡212进一步以非零角度引导液体冷却剂流沿径向向外远离喷嘴110(步骤606)，诸如以大体垂直于纵向轴线A的角度。

在一些实施例中，液体冷却剂的径向向外流允许液体冷却剂流沿着限定在内部固持帽115的外表面和护罩125的内表面之间的冷却剂护罩通道244行进，如图1中示出的那样。与喷嘴冷却腰111的出口斜坡212处于流体连通的冷却剂护罩通道244向近侧朝向喷枪本体104传导冷却剂流，以进一步冷却护罩125和外部固持帽116。这个冷却剂流型式具有减小喷枪100中用来使来自喷嘴110的冷却剂流转向到护罩125的空间的优点。特别地，它允许冷却剂直接从喷嘴110流到护罩125，而不发送回到喷枪100中。

在一些实施例中，通过冷却腰111的液体冷却剂流形成基本分层流，使得进入入口斜坡210的液体冷却剂不显著与从出口斜坡212离开的液体冷却剂掺合。另外，从入口斜坡210到出口斜坡212的轴向液体流围绕喷嘴110的周边基本是均匀的。例如，冷却剂流围绕喷嘴110的基本整个周边进入入口斜坡210。然后冷却剂流围绕喷嘴110的周边均匀地冷却热交换区域214。冷却剂流通过出口斜坡112围绕喷嘴110的周边被引导离开。冷却剂流在冷却腰111内不沿侧向或沿周向行进，而是沿平行于纵向轴线A的方向行进。液体冷却剂流也不从喷嘴110的一个侧向侧进入且从另一侧离开。相反，液体冷却剂流适于在大体平行于喷嘴110的纵向轴线的笔直路径中从喷嘴110的同一侧进入和离开。

在一些实施例中，过程600包括通过设置在喷嘴本体中的供应孔将等离子气体流供应到喷嘴110的内部区域中，诸如定位在第三密封部件226和图1的喷嘴110的近侧端206之间的供应孔232或定位在第三密封部件326和图3的喷嘴310的近侧端之间的供应孔332。在一些实施例中，过程600包括通过一个或多个通气孔排出气体流的至少一部分，诸如定位在第三密封部件326和喷嘴310的第二密封部件322之间的喷嘴310的通气孔336和/或定位在第一密封部件218和喷嘴110的远侧端202之间的喷嘴110的通气孔230。

应当理解，本发明的各种方面和实施例可按各种方式结合。基于本说明书的教导，本领域普通技术人员可容易地确定如何结合这些各种实施例。在阅读说明书之后，本领域技术人员还可想到修改方案。

Claims (11)

1.一种用于液体冷却式等离子体电弧喷枪的喷嘴，所述喷嘴包括：

本体，其具有远侧端、近侧端，以及延伸通过其中的纵向轴线；

在所述本体的远侧端处的等离子体电弧出口孔口；

入口器件，其定位在所述本体的远侧端和近侧端之间；

出口器件，其定位在所述本体的远侧端和所述入口器件之间，所述出口器件与所述入口器件沿轴向间隔开，以在所述本体的外表面上限定冷却腰；

第一密封部件，其在所述本体的外表面上且位于所述入口器件和所述本体的近侧端之间；以及

第二密封部件，其在所述本体的外表面上且位于所述本体的远侧端和所述出口器件之间，

其中，所述冷却腰大体定位在所述喷嘴的中部中，使得轴向液体流在所述入口器件处围绕所述冷却腰的周边进入所述冷却腰且在所述出口器件处围绕所述冷却腰的周边离开所述冷却腰；

其中，所述冷却腰构造成促进通过部分地由所述冷却腰限定的腔室的液体冷却剂的分层流，使得进入所述入口器件的液体冷却剂基本不与从所述出口器件离开的液体冷却剂掺合。

2.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述入口器件包括轴向对齐凸缘，所述轴向对齐凸缘构造成沿轴向对齐所述喷嘴与所述等离子体电弧喷枪的另一个构件。

3.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴进一步包括定位在所述第二密封部件和所述本体的近侧端之间的第三密封部件。

4.根据权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴进一步包括定位在所述第三密封部件和所述第二密封部件之间的通气孔，所述通气孔构造成将所述本体的内表面连接到所述本体的外表面。

5.根据权利要求3所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴进一步包括定位在所述第三密封部件和所述本体的近侧端之间的供应孔，所述供应孔构造成将所述本体的外表面连接到所述本体的内表面。

6.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴进一步包括在所述第一密封部件和所述本体的远侧端之间的通气孔，所述通气孔构造成将所述本体的内表面连接到保护气体供应通道。

7.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述喷嘴进一步包括联接到所述本体的外表面上的固持帽，以与所述冷却腰协作而限定腔室。

8.根据权利要求7所述的喷嘴，其特征在于，所述腔室具有大约0.03立方英寸的容积。

9.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述冷却腰进一步由所述入口器件和出口器件之间的热交换区域限定，所述热交换区域基本平行于所述纵向轴线而延伸。

10.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述入口器件和所述出口器件大体垂直于所述纵向轴线而定向。

11.根据权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述本体为导热的。