CN1662338A - 等离子弧焊矩的电极 - Google Patents

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Abstract

提供各种用于一等离子弧焊矩内的电极，它改进电极(100)和邻近的诸如阴极(22)的阴极元件之间的冷却。至少一个通道(130)形成在电极(100)和阴极(22)之间，以便流体(例如，冷却流体)的流动，其中，流体的流动是在阴极和电极之间的电气接触附近或通过其相邻的区域。通道形成通过电极、通过阴极、在电极和阴极之间，以及通过一呈本发明的各种形式的第三元件。此外，还提供操作一等离子弧焊矩的方法，其使用根据本发明的各种形式的电极。

Description

等离子弧焊矩的电极
技术领域
本发明一般地涉及等离子弧焊矩，具体来说，涉及焊矩电极和使用自动的、大电流等离子弧焊矩的方法。
背景技术
等离子弧焊矩也称之为电弧焊矩，它们通常用于切割、标记、凿刨和焊接金属工件，它们通过将由电离气体的颗粒组成的高能等离子束引向工件来实现上述诸功能。在一典型的等离子弧焊矩中，被电离的气体供应到焊矩的远端，并流过一电极，然后，通过等离子弧焊矩的末端的孔，或焊矩嘴退出。电极具有一相对的负电势，因此操作为一阴极。相反，焊矩末端构成一相对的正电势，因此操作为一阳极。此外，电极与末端保持一间隔的关系，由此，在焊矩的远端处形成一间隙。在操作中，导弧形成在电极和末端之间的间隙内，它加热气体并此后电离气体。此外，电离的气体被吹出焊矩并显现为一等离子束，其离开末端向远处延伸。当焊矩的远端移动到一靠近工件的位置时，弧从焊矩末端跳跃或转移到工件，因为工件对地的阻抗低于焊矩末端对地的阻抗。因此，工件起作阳极，而等离子弧焊矩操作在一“移弧”模式中。
在自动的等离子弧焊矩应用中，等离子弧焊矩在电流水平近似为30安培和1,000安培之间或以上情况下操作。在较高电流水平下，焊矩对应地在相对高的温度下操作。因此，焊矩部件和消耗部件必须合适地冷却，以便防止损坏或故障并延长使用寿命和等离子弧焊矩的切割精确度。为了提供这样的冷却，大电流的等离子弧焊矩通常采用水冷却，但也可使用另外的冷却流体，其中，设置冷却剂供应管和返回管，以便循环通过焊矩的冷却流体的流动。此外，各种冷却和气体通道设置遍及到各种焊矩部件上，以使等离子弧焊矩合适地操作。然而，已知技术的等离子弧焊矩中的冷却流体的流动，因内部冷却通道的定位和结构已受到相当的限制。
采用已知技术的自动的等离子弧焊矩，当切割一工件时，为了保持切割精度，诸如电极和末端，或焊矩嘴之类的焊矩内的诸部件保持同心是很关键的。此外，电极和末端一般已知为消耗部件，经过一定的操作周期之后，由于在操作过程中发生磨损和/或损坏，消耗部件必须进行更换。因此，在等离子弧焊矩寿命中发生的许多次的更换中，这样的消耗部件必须始终保持同心度。
此外，当消耗部件更换时，由于消耗部件和焊矩头之间的连接型式不同，经常需要用工具来取下部件。例如，用一扳手或其它的工具可将消耗部件旋入到焊矩头内并予以拧紧。其结果，消耗部件的更换对于等离子弧焊矩的操作者常显得费时和麻烦。而且，各个消耗部件通常在各自的基础上需要更换，而不是一下子需要更换，由此，使得拆卸和安装若干个不同的消耗部件各不相同，甚至更加费时和麻烦。
因此，在本技术领域内仍需要一种提高切割效率和精确度的等离子弧焊矩和相关的方法。进一步的需要在于，这样一等离子弧焊矩和方法应对消耗部件(例如，电极、末端)提供相当快捷和有效的更换并将其设置在其中。
发明内容
总的来说，本发明提供一等离子弧焊矩，它包括一组固定在焊矩头上的焊矩消耗部件。焊矩头包括一阳极体和一阴极，阳极与电源的正极侧电气地连通，而阴极与电源的负极侧电气地连通。阴极还被一中心的绝缘体包围，以将阴极与阳极体绝缘，同样地，阳极被一外绝缘体包围，以将阳极体与外壳绝缘，外壳封装和保护焊矩头和其部件，以便在操作过程中避免接触周围环境。焊矩头还毗邻一冷却剂供应管、一等离子气体管、一冷却剂返回管，以及一二次气体管，其中，供应等离子气体和二次气体，供应冷却流体并返回，以便操作等离子弧焊矩。此外，设置一负极引线通过等离子气体管或液体管连接到阴极，而设置一引导信号通过阳极体连接到一焊矩帽。
焊矩可消耗部件包括一电极、一末端、一定位件、一远端阳极件、一中心阳极件、一挡板、一二次帽、一屏蔽帽，以及一二次定位件，它们容纳在本发明的一种形式的盒体内。末端、中心阳极件，以及远端阳极件是阳极元件，它们包括电源正极侧的一部分，而电极是阴极元件，它包括电源负极侧的一部分。因此，定位件设置在阴极和末端之间，除了一定的气体分配功能(将在下文中详细描述)之外，还提供电源阳极侧和阴极侧之间的电气隔离。挡板设置在远端阳极件和屏蔽帽之间，在操作过程中提供冷却流体的分配。二次帽设置在离末端的远处并提供二次气体分配，而二次定位件提供末端和二次帽之间的间隔。此外，屏蔽帽包围其它的消耗部件，并用锁定环或其它附连件(将在下文中详细地描述)固定在焊矩头上。
在本发明的另一形式中，消耗部件还包括一冷却剂密封和一设置在末端和二次帽之间用来引导和控制冷却流体流动的导向件。电极中心地设置在盒体内，并沿电极的内部与阴极电气地接触。电极和阴极构造成使一通道在其间形成，以便冷却流体靠近电气接触或通过电气接触相邻的区域通过。电极还形成一中心的内腔，它与冷却剂管流体地连通，以使在操作过程中电极和阴极连同其它的焊矩部件得到合适的冷却。此外，盒体大致地分配冷却流体、等离子气体，以及二次气体，同时，在各种焊矩部件之间提供分离或绝缘(如在以下详细描述中所阐述的)。而且，流体(冷却的、等离子的、二次的)在各种焊矩部件之间的共轴向流动中进行分配，这增加等离子弧焊矩内的流动和冷却的总量。
如这里所使用的，术语“共轴向的”应解释为指一环形的流动，在离等离子弧焊矩的中心纵向轴线的任何给定的径向部位处，该流动沿相同的方向流动。此外，术语“环形”应解释为指一围绕等离子弧焊矩的中心纵向轴线沿圆周分布的流动(但不必是连续的)。因此，同轴流是一围绕焊矩的中心纵向轴线沿圆周分布的流动，其在离中心纵向轴线的任何径向部位处沿相同的方向流动。例如，一横贯一诸如美国专利Nos.5,396,043和5,653,896(本文援引其以供参考)中所描述的等离子弧焊矩中心纵向轴线的流动不是一共轴向的流动。共轴向的流动较详细地显示和描述在下面的详细描述中。
末端设置在离电极的远处，并通过定位件与电极分离。同样地，二次帽设置在离末端的远处，并通过二次定位件与末端分离。远端的阳极件大致地围绕末端设置，并与末端和中心阳极件电气地接触。末端和远端阳极件构造成：一通道形成在其间，以便冷却流体靠近电气接触或通过邻近电气接触的附近通过。此外，中心阳极件与焊矩头内的阳极体电气地接触，以在电源的正极或阳极侧内保持电气的连续。此外，挡板围绕远端阳极件设置，而屏蔽帽围绕挡板设置。因此，通道形成在盒体和远端阳极件之间，形成在远端阳极件和挡板之间以便冷却流体流动。同样地，一通道形成在挡板和屏蔽帽之间以便二次气体流动。
在其它的形式中，设置若干个电极和末端的结构分别来改进冷却，提供通过电源阴极和阳极侧的电气的连续，且提供电极和末端与等离子弧焊矩的有效的附连。此外，提供用于可消耗盒体的结构，其中，当一个或多个可消耗部件需要更换，而不是一次一个地更换个别的消耗部件时，一容纳一个或多个可消耗部件的单一的盒体可移去和更换。此外，本发明的其它形式还提供用来将焊矩头固定到诸如一定位管的邻近的部件上的结构。
从下文中提供的详细描述中，将会明白本发明应用性的其它的领域。应该理解到，详细的描述和具体的实例尽管指出了本发明的优选的实施例，但它们的目的仅是为了说明而无意限制本发明的范围。
附图的简要说明
从详细的描述和附图中，将可更完全地理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明的原理构造的等离子弧焊矩的立体图；
图2是根据本发明的原理构造的等离子弧焊矩的分解的立体图；
图3是根据本发明原理的等离子弧焊矩的纵向截面图，沿图1的线A-A截取；
图4是根据本发明原理的图3的等离子弧焊矩的分解的纵向截面图；
图5是根据本发明原理的图3的等离子弧焊矩的一远端部分的放大的纵向截面图；
图6是根据本发明的原理构造的焊矩消耗部件的纵向截面图；
图7是根据本发明的原理构造的阳极件的截面图；
图8是一盒体的立体图，示出用于根据本发明的原理构造的中心阳极件的柔性接片；
图9a是等离子弧焊矩的纵向截面图，示出根据本发明的原理的共轴流动；
图9b是等离子弧焊矩的侧向截面图，示出根据本发明的原理的共轴流动；
图10是根据本发明的原理构造的等离子弧焊矩的焊矩帽的立体图；
图11是等离子弧焊矩的局部的立体图，示出根据本发明的原理的流体通道；
图12a是根据本发明的原理构造的电极的局部立体图；
图12b是根据本发明的原理构造的一在焊矩头内的阴极和一电极的局部的分解立体图；
图12c是设置在根据本发明的原理的阴极周围的电极的截面图；
图12d是沿图12c的线B-B截取的侧向截面图，示出根据本发明的原理的电极和阴极之间的邻近的周界表面；
图13a是根据本发明的原理构造的电极的第二实施例的立体图；
图13b是固定在根据本发明的原理的等离子弧焊矩内的第二实施例的电极的纵向截面图；
图13c是固定在根据本发明的原理的等离子弧焊矩内的第二实施例的电极的侧向截面图；
图14a是根据本发明的原理构造的电极的第三实施例的立体图；
图14b是固定在根据本发明的原理的等离子弧焊矩内的第三电极实施例的纵向截面图；
图15是固定在根据本发明的原理构造的等离子弧焊矩内的电极的第四实施例的纵向截面图；
图16是固定在根据本发明的原理构造的等离子弧焊矩内的电极的第五实施例的纵向截面图；
图17a是形成在邻近带有一电极的电气接触的阴极内并根据本发明的原理构造的一流体通道的纵向截面图；
图17b是根据本发明的原理的阴极和电极的侧向截面图，沿图17a的线C-C截取；
图17c是由根据本发明的原理的阴极和电极之间的第三元件形成的一流体通道的纵向截面图；
图17d是由根据本发明的原理的阴极和电极之间的螺旋凹槽形成的一流体通道的纵向截面图；
图17e是通过根据本发明的原理的阴极和电极形成的一流体通道的纵向截面图；
图17f是通过根据本发明的原理的电极形成的一流体通道的纵向截面图；
图18是根据本发明的原理构造的电极保持器的纵向截面图；
图19是根据本发明的原理构造的末端的立体图；
图20是根据本发明的原理的图19的末端的侧视图；
图21是根据本发明的原理的末端的纵向截面图，沿图20的线D-D截取；
图22是根据本发明的原理的图19的末端的俯视图；
图23是设置在邻近根据本发明的原理的远端阳极件的末端的截面图；
图24a是形成在邻近带有一远端阳极件的电气接触的末端内并根据本发明的原理构造的一流体通道的截面图；
图24b是根据本发明的原理的末端和远端阳极件的截面图沿图24a的线E-E截取；
图24c是由根据本发明的原理的末端和远端阳极件之间设置的第三元件形成的一流体通道的截面图；
图24d是由根据本发明的原理的末端和远端阳极件之间的螺旋凹槽形成的一流体通道的截面图；
图25a是根据本发明的原理构造的二次帽的立体图；
图25b是根据本发明的原理构造的二次帽的俯视图；
图26a是根据本发明的原理构造的二次气体泄放通道的纵向侧视截面图；
图26b是包括根据本发明的原理构造的二次气体泄放通道的屏蔽帽的俯视图；
图26c是根据本发明的原理构造的用于泄放二次气体的另一变化的焊矩实施例的纵向侧视截面图；
图27a是根据本发明的原理构造的二次帽定位件的立体图；
图27b是根据本发明的原理构造的二次帽定位件的侧视图；
图28a是根据本发明的原理构造的一消耗盒的立体图；
图28b是根据本发明的原理构造的消耗盒的纵向截面图，其沿图28a的线E-E截取；
图29是根据本发明的原理构造的消耗盒的一第二实施例的纵向截面图；
图30是示出根据本发明的原理构造的冷却流体通道的一台阶的盒附件的纵向截面图；
图31是示出根据本发明的原理构造的气体通道的一台阶的盒附件的纵向截面图；
图32a是示出根据本发明的原理构造的冷却流体通道的一面密封的盒附件的纵向截面图；
图32b是示出根据本发明的原理构造的气体通道的一面密封的盒附件的纵向截面图；
图33a是示出根据本发明的原理构造的冷却流体通道的一直的盒附件的纵向截面图；
图33b是示出根据本发明的原理构造的气体通道的一直的盒附件的纵向截面图；
图34a是根据本发明的原理构造和连接的一球锁定机构的放大的纵向截面图；
图34b是根据本发明的原理构造和脱开的一球锁定机构的放大的纵向截面图；
图35a是根据本发明的原理构造具有对齐的几何形的焊矩头的纵向截面图；
图35b是根据本发明的原理构造具有对齐的几何形的焊矩头的俯视图；
图36是根据本发明的原理构造的一等离子弧焊矩的第二实施例的纵向截面图；
图37是根据本发明的原理构造的等离子弧焊矩的第二实施例的焊矩头的纵向截面图；
图38是根据本发明的原理构造的等离子弧焊矩的第二实施例的消耗部件的纵向截面图；
图39a是根据本发明的原理构造的一盒体的立体图；
图39b是根据本发明的原理构造的一盒体的近端的立体图；
图39c是根据本发明的原理构造的一盒体的俯视图；
图39d是根据本发明的原理构造的一盒体的仰视图；
图40是根据本发明的原理构造的一中心阳极件的立体图；
图41是根据本发明的原理构造的一远端阳极件的立体图；
图42是根据本发明的原理构造的一末端、一末端导向件，以及一末端密封的分解的立体图；
图43是根据本发明的原理构造的一末端组件的侧视图；
图44是示出根据本发明的原理的冷却流体流的一等离子弧焊矩的纵向截面图；
图45是示出根据本发明的原理的等离子气体流的一等离子弧焊矩的纵向截面图；
图46是示出根据本发明的原理的二次气体流的一等离子弧焊矩的纵向截面图；
图47a是根据本发明的原理构造的一消耗盒的纵向截面图；
图47b是根据本发明的原理构造的一消耗盒的第二实施例的纵向截面图；
图47c是根据本发明的原理构造的一消耗盒的第三实施例的纵向截面图；
图47d是根据本发明的原理构造的一消耗盒的第四实施例的纵向截面图；
图47e是根据本发明的原理构造的一消耗盒的第五实施例的纵向截面图；
图47f是根据本发明的原理构造的一消耗盒的第六实施例的纵向截面图；
图48a是根据本发明的原理构造的一消耗组件的纵向截面图；
图48b是根据本发明的原理构造的一消耗组件的第二实施例的纵向截面图；
图48c是根据本发明的原理构造的一消耗组件的第三实施例的纵向截面图；
图48d是根据本发明的原理构造的一消耗组件的第四实施例的纵向截面图；
图48e是根据本发明的原理构造的一消耗组件的第五实施例的纵向截面图；
图48f是根据本发明的原理构造的一消耗组件的第六实施例的纵向截面图；
图48g是根据本发明的原理构造的一消耗组件的第七实施例的纵向截面图；
图48h是根据本发明的原理构造的一消耗组件的第八实施例的纵向截面图；
图49是根据本发明的原理构造的焊矩头连接的分解的纵向截面图；
图50是根据本发明的原理构造的另一等离子弧焊矩实施例的纵向截面图；以及
图51是一示意图，示出在一应用在根据本发明的各种实施例中的一等离子弧焊矩切割系统内的等离子弧焊矩。
具体实施方式
以下对优选实施例的描述在本质上只是示范的，决不意图限制本发明、其应用，或使用。
参照附图，在图1至图6中，示出一根据本发明的等离子弧焊炬10。等离子弧焊炬10一般包括一设置在等离子弧焊炬10的近端14处的焊炬头12，以及固定到焊炬头12并如图所示设置在等离子弧焊炬10的远端18处的多个消耗部件16。
如这里所使用的，等离子弧焊炬应被本技术领域内的技术人员看作是一产生或使用等离子的装置，不管是手工还是自动操作，其主要用来作切割、焊接、喷射、凿刨，或标记操作。因此，具体地参照等离子弧切割焊炬或等离子弧焊炬不应被认为是对本发明范围的限制。此外，具体地涉及将气体提供到等离子弧焊炬不应认为限制本发明的范围，根据本发明的原理，诸如其它的流体(例如，液体)也可提供到等离子弧焊炬。此外，近端方向或近端地是指如箭头A’所示的从消耗部件16朝向焊炬头12的方向，而远端方向或远端地是指如箭头B’所示的从焊炬头12朝向消耗部件16的方向。
焊炬头
更具体地参照图5，焊炬头12包括一与电源(未示出)的正极侧电气地连通的阳极体20，以及一与电源的负极侧电气地连通的阴极22。阴极22还被中心绝缘体24包围，以将阴极22与阳极体20绝缘，同样地，阳极体20被一外绝缘体26包围，以将阳极体20与外壳28绝缘，在使用过程中，外壳包封和保护焊炬头12和其诸部件避免与周围环境接触。焊炬12还毗邻一冷却剂供应管30、一等离子气体管32、一冷却剂返回管34，以及一二次气体管35(其整体地显示在图1和2中)，其中，如在下文中将详细地描述的，在操作过程中，等离子气体和二次气体供应到等离子弧焊炬10，冷却流体供应到等离子弧焊炬10并从等离子弧焊炬10返回。
阴极22较佳地形成一圆柱形管，其具有的中心孔36在焊炬12的近端部分38处与冷却剂供应管30流体地连通。中心孔36还与设置在焊炬头12的远端部分44处的阴极帽40和冷却剂管42流体地连通。一般来说，冷却剂管42起作分配冷却流体，而阴极帽40在消耗部件16更换或其它修理过程中，保护阴极22的远端免遭损坏。如图所示，阴极22包括一内环形环46，它与形成在阴极帽40内的近端槽48接合。还如图所示，一形成在阴极帽40上的柔性轴环49接合环形环46，以使阴极帽40合适地固定在阴极22内。为了固定冷却剂管42，阴极帽40形成一冷却剂管42的环形环52邻接抵靠的内部台阶50。此外，冷却剂管42形成一容纳一O形环56的O形环槽54，以便密封和保持阴极帽40和冷却剂管42之间的交界面。较佳地，冷却剂管42由一诸如不锈钢之类的耐用材料形成，而阴极帽40是绝缘的，其较佳地由诸如Torlon的材料形成，或由也能在相当高温下(例如，近似为250℃至350℃)操作的本技术领域内已知的其它材料形成。
中心绝缘体24较佳地形成一圆柱形管，如图所示，其具有的一内孔60容纳阴极22。阴极22形成一近端的外台阶62，外台阶62邻接中心绝缘体24的近端内台阶64，以便沿等离子弧焊炬10的中心纵向轴线X定位阴极22。此外，阴极22包括一容纳一O形环66的外O形环槽65，以便密封阴极22和中心绝缘体24之间的交界面。中心绝缘体24还沿中心部分68设置在如图所示的阳极体20内，其还接合一容纳冷却剂供应管30、等离子气体管32和冷却剂返回管34的焊炬帽70。
通过设置在焊炬帽70和阳极体20之间的触头72，设置用于诸如导弧返回的电信号的电路。触头72包括一邻接一形成在焊炬帽70内的凹陷的台肩76的近端突缘74，以及一接合阳极体20的远端78(如图所示)。较佳地，触头72旋入到阳极体20内，然而，也可使用诸如压配或钎焊之类的其它的附连方法，其同时保留在本发明的范围之内。此外，焊炬帽70的远端环壁80邻接一设置在外绝缘体26内的一O形环槽84内的O形环82，以便密封焊炬帽70和外绝缘体26之间的交界面。同样地，外壳28的一远端内壁86邻接设置在消耗部件16的一O形环槽90内的一O形环88，以便密封外壳28和消耗部件16之间的交界面。带有对应O形环(未示出)的另外的O形环槽92设置在多个如图所示的交界面之间，以便密封流体(等离子气体、二次气体、冷却流体)通道，为清晰起见，本文不再作详细的描述。
或者，用于导弧返回或其它电信号的电路，可通过焊炬帽70和阳极体20之间的交界面直接设置，其使用如美国专利No.6,163,008所示和所描述的接合台肩的棘爪，所述专利与本申请共同受让，本文援引其内容以供参考。棘爪可包含在焊炬帽70上或阳极体20上，焊炬帽70或阳极体20上分别带有一对应的台肩和帽。此外，棘爪提供相当简单和容易的连接，以便进行接合和脱开。同样地，等离子弧焊炬10内的其它部件也可对其对应的连接使用棘爪和台肩，同时，保留在本发明的范围之内。
消耗部件
消耗部件16较详细地显示在图6中，如图所示，它包括一电极100、一末端102，以及一设置在电极100和末端102之间的定位件104。定位件104在电极100和阳极的末端102之间提供电气的分离，还提供某种气体分配的功能，将在下文中详细描述。消耗部件16还包括一盒体106，其通常容纳和定位其它消耗部件16。盒体106还在等离子弧焊炬10的操作过程中分配等离子气体、二次气体和冷却流体，这将在下文中作详细描述。此外，消耗部件16包括一远端阳极件108和一中心阳极件109，通过提供电路到末端102形成电源的阳极侧的一部分。一挡板110也显示为设置在远端阳极件108和屏蔽帽114之间，其为冷却流体的流动形成流体通道，将在下文中详细描述。此外，消耗部件16包括一二次帽112，用来分配二次气体，和将二次帽112与末端102分离的二次定位件116。一锁定环117显示为设置在消耗部件16的近端部分周围，其用来将消耗部件16固定到焊炬头12(未示出)。
电极100中心地设置在盒体106内，并沿电极100的内部118与阴极22(图5)电气地接触，这在下文中作详细的描述。电极100还形成一与冷却剂管42(图5)流体地连通的远端内腔120，以及一邻接定位件104的外台肩122，以便沿等离子弧焊炬10的中心纵向轴线X合适地定位。盒体106还包括一邻接电极100的近端126的内环形环124，以便沿等离子弧焊炬10的中心纵向轴线X合适地定位电极100。此外，盒体106和阴极22之间的连接可采用如上所述的棘爪和台肩，同时，保留在本发明的范围之内。除了定位各种消耗部件16，盒体106还将阳极件(例如，中心阳极件109)与阴极件(例如，电极100)分离。因此，盒体106是一诸如PEEK的绝缘材料，或是也能在相当高温下操作的本技术领域内已知的其它类似材料。
对于如下文中详细描述的冷却流体的分配，盒体106形成一上腔室128和多个通道130，诸通道130延伸通过盒体106并进入形成在盒体106和远端阳极件108之间的一内冷却腔室132内。较佳地，通道130(显示为虚线)沿离上腔室128朝向远端的方向(显示为虚线)径向向外地倾斜，以便减小可能发生在电极100和远端阳极件108之间的任何绝缘徐变量。此外，外轴向通道133形成在盒体106内，其提供冷却流体的返回，这将在下文中描述。对于等离子气体的分配，盒体106形成多个远端向的轴向通道134，它们从盒体106的近端面136延伸到其远端面138，它们与等离子气体管32(未示出)和形成在末端102内的通道流体地连通，这将在下文中作详细描述。此外，多个近端轴向通道140通过盒体106形成，它们从凹陷的近端面142延伸到远端的外面144，以便分配二次气体，这也将在下文中作详细描述。靠近消耗部件16的远端，一外流体通道148形成在远端阳极件108和用于冷却流体返回的挡板110之间，将在下文中作详细描述。因此，除了执行等离子气体和二次气体的分配功能之外，盒体106还执行冷却流体分配功能。
如图5和6所示，远端阳极件108设置在盒体106和挡板110之间，并在远端部分处与末端102电气地接触，而在近端部分处与中心阳极件109电气地接触。此外，中心阳极件109与阳极体20的远端部分电气地接触。较佳地，一斜置盘簧(未示出)设置在一槽146内，以在中心阳极件109和阳极体20之间提供电气接触。或者，用于导弧返回或其它电信号的电路可通过中心阳极件109和阳极体20之间的交界面直接地设置，其使用如美国专利No.6,163,008所示和所描述的接合台肩的棘爪，所述专利与本申请共同受让，本文援引其内容以供参考。棘爪可包含在中心阳极件109上或阳极体20上，阳极体20或中心阳极件109上分别带有一对应的台肩和帽。因此，阳极体20、远端阳极件108、中心阳极件109和末端102对等离子弧焊炬10形成阳极电势，或正电势。
棘爪详细地图示在图7和8中，其中，中心阳极件109较佳地使用所示的棘爪260固定到盒体106。(为清晰起见，等离子弧焊炬10和盒体106的某些部分已略去)。棘爪260沿径向向内延伸，以便接合形成在如图所示沿径向向外延伸的盒体106的近端处的台肩262。或者，在本发明的另一形式中，棘爪260可沿径向向外延伸，而台肩262沿径向向内延伸。此外，如图所示，棘爪260形成在中心阳极件109的柔性接片264内，其中，接片264为中心阳极件109与盒体106的组装提供附加的柔性。
再次参照图6，如图所示，屏蔽帽114包围挡板110，其中，一二次气体通道150形成在其间。一般来说，二次气体从形成在盒体106内的近端轴向通道140流入二次气体通道150，并通过二次帽112(将在下文中作详细描述)，以便在操作中稳定退出二次帽112的等离子束。屏蔽帽114还定位二次帽112，其中，二次帽112形成一接合屏蔽帽114的锥形内表面154的环形台肩152。或者，屏蔽帽114可形成一倒圆角(未示出)，而不是一接合环形台肩152的锥形表面，以便改进其配合。同样地，二次帽112可变化地形成一接合屏蔽帽114的锥形内表面154的倒圆角。
二次定位件116将二次帽112与末端102间隔和绝缘。较佳地，二次定位件116包括一邻接末端102的环形台肩158的近端面156和一邻接二次帽112的内台肩164的远端面160和台肩162。还如图所示，二次气体腔室167形成在末端102和二次帽112之间，其中，二次气体分配来稳定等离子束流，这将在下文中作详细描述。二次帽112还包括一等离子束流通过其退出的中心退出孔168，以及一有利于控制等离子束流的凹陷面170。此外，诸泄放通道171可通过二次帽112设置，它们显示为轴向孔，但如下文中将详细描述的，也可使用其它的结构来泄放一部分二次气体，以便在操作过程中提供附加的冷却。
末端102通过定位件104与电极100电气地分离，这导致等离子腔室172形成在电极100和末端102之间。末端102还包括一中心的退出孔174，在等离子弧焊炬10操作过程中，当等离子气体在等离子腔室172内电离时，等离子束流通过该孔退出。因此，等离子气体通过一环形环176和漩涡孔178进入末端102，它们将在下文中作详细描述，如图所示，它们通过末端102的内壁形成。
还如图所示，当等离子弧焊炬10完全组装时，锁定环117将消耗部件16固定到焊炬头12。锁定环117形成一内部台肩182，它接合形成在盒体106上的一环形环184，并较佳地通过螺纹连接固定到焊炬头12。或者，焊炬头12可使用一双斜度的锁定连接器固定到焊炬的消耗部件16，所述锁定连接器显示和描述在2001年11月9日提交的未决的专利申请系列号10/035,534中，所述专利与本申请共同受让，本文援引其内容以供参考。
冷却流体流
再次参照图5和6，在操作中，冷却流体通过阴极22的中心孔36，通过冷却剂管42向远端流动，流入电极100的远端内腔120内。然后，冷却流体通过电极100的近端内腔118流向近端，以对在相对高的电流和温度下操作的电极100和阴极22提供冷却。冷却流体继续流向近端，流到盒体106内的径向通道130内，其中，冷却流体然后通过通道130流到内冷却腔室132内。然后，冷却流体朝向也在相对高温下操作的末端102流向远端，以便对末端102提供冷却。当冷却流体到达远端阳极件108的远端部分时，冷却流体再次反向，并通过外流体通道148流向近端，然后，通过盒体106内的外轴向通道133。冷却流体然后通过凹陷壁190(虚线示出)和形成在阳极体20内的轴向通道192(虚线示出)流向近端。一旦冷却流体到达阳极体20的近端台肩193，流体流过冷却剂返回管34，并再循环以便分配回通过冷却剂供应管30。
其结果，冷却流体流动是“同轴的”，它显示在图9a和9b中，其中，冷却流体的流动显示为深黑色箭头。如图所示，冷却流体大致地流向远端，然后，近端，再流向远端，并然后流向近端返回冷却流体以便再循环。此外，冷却流体环形地流动，这在图9b中清晰地示出，其中，流动大致地为围绕等离子弧焊炬10的中心纵向轴线X的环形。还如图所示，该流动沿相同的方向(即，近端或远端)位于各径向部位K、L、M和N。在径向部位K处，冷却流体朝向远端流动；在径向部位L处，冷却流体朝向近端流动；在径向部位M处，冷却流体朝向远端流动；以及在径向部位N处，冷却流体再次朝向近端流动。还应指出的是，冷却流体不沿径向流动来横贯等离子弧焊炬10的中心纵向轴线X以便流体返回。相反，冷却流体同轴地流动并逐渐地向外以冷却等离子弧焊炬10的诸部件，并返回以便再循环。
因此，如本文中使用的，术语“同轴流动”应认为意指这样一种流动：它环形地流动并在任何给定径向部位处从等离子弧焊炬10的中心纵向轴线X沿相同的方向流动。此外，术语“环形”应认为意指这样一种流动：它围绕等离子弧焊炬的中心纵向轴线沿圆周向分布。因此，同轴流是这样的一种流动：它围绕焊炬的中心纵向轴线沿圆周向分布，它在任何径向部位处从中心纵向轴线沿相同的方向流动。因此，本发明提供一同轴的冷却流，以便有效地冷却全部等离子弧焊炬10内的部件。
等离子气体流
参照图5和6，等离子气体一般从等离子气体管32朝向远端流动，通过焊炬帽70内的一轴向通道194(虚线显示)，流入形成在阳极体20内的一中心内腔196。然后，等离子气体通过形成的轴向通道198朝向远端流动，通过阳极体20的一内部远端台肩200，流入形成在盒体106内的远端轴向通道134。然后，等离子气体通过末端102内的通道进入等离子腔室172，以在等离子气体被导弧电离时形成一等离子束流，这将在下文中作详细描述。
二次气体流
参照图5、10和11，二次气体一般从二次气体管35(显示在图1和2中)流向远端，并通过一形成在焊炬帽70的外壁204和外壳28之间的轴向通道202。然后，二次气体继续流向远端通过形成通过外绝缘体26的一环形延伸部208的轴向通道206，流入盒体106的近端轴向通道140。二次气体然后进入二次气体通道150，并在挡板110和屏蔽帽114之间朝向远端流动，通过远端的二次气体通道209。最后，二次气体通过形成在二次帽112内的通道进入二次气体容腔167，这将在下文中作详细描述，以便稳定通过末端102的中心退出孔174退出的等离子束流。
操作
在操作中，阴极电势或负电势由阴极22和电极100负载。阳极电势或正电势由阳极体20、远端阳极件108、中心阳极件109和末端102负载。因此，当电力施加到等离子弧焊炬10上时，在等离子腔室172内，一导弧在电极100和末端102之间形成的间隙内产生。当等离子气体进入等离子腔室172内时，等离子气体被导弧电离，它造成一等离子束流而形成在等离子腔室172内，并通过末端102的中心退出孔174朝向远端流动。此外，二次气体流入二次气体容腔167内，并在退出末端102的中心退出孔174时稳定等离子束流。其结果，一高度均匀和稳定的等离子束流退出二次帽112的中心退出孔168，以便作大电流、高配合公差的切割操作。
电极实施例
现参照图12a至18，电极100可包括各种结构用来合适地冷却、与电极22电气地接触，以及附连到盒体106。在本文中所示和所述的诸实施例中，电极100的冷却设置在电极100和阴极22之间的电气接触的附近或通过其相邻区域，这将在下面的描述中作进一步定义。
在第一实施例中，如图12a至12d所示，电极100a形成凹槽220和突起肋222。凹槽220在电极110a和阴极22a之间形成一流体通道(最清晰地显示在图12d中)，以便冷却附近的、在电极100a和阴极22a之间的电气接触。具体来说，凹槽220在电极100a和阴极22a之间的交界面附近产生一相对高速的流动，那里冷却是重要的。此外，突起肋222与阴极22a的外壁224电气接触，这在等离子弧焊炬10的阴极件(即，阴极、电极)之间提供电气的连续。较佳地，外壁224形成多个如图12b所示的轴向接片226，以使阴极帽40和冷却剂管42可更容易地组装在阴极22a内。
特别地参照图12d，它是示出电极100和阴极22a之间侧向界面的视图，电极100a形成周界表面225，而阴极22a同样地形成一周界表面227。沿通过电极100a和阴极22a或其它阴极元件之间的界面的侧向平面切割截取一截面，由此形成周界表面225和227。(诸表面显示在图12d中带有稍微的间隙，其只是为了图示的目的，在操作过程中，电极100a的周界表面225实体地接触阴极22a的周界表面227)。因此，电极100a的周界表面225邻近阴极22a的周界表面227，其中，邻近的周界表面225和227提供电气的接触和冷却流体的通道。因此，本发明的一新颖的方面在于，提供电气的接触和通过邻近周界表面的冷却流体的经过。其结果，冷却和电气接触设置在附近，或彼此相邻的区域，这提供等离子弧焊炬10的更有效的操作。
如图13a至13c所示，电极的第二实施例100b可变化地形成轴向通道230，而不是凹槽220，其中，轴向通道230产生在附近流过的冷却流体的相当高速的流动。因此，冷却流体在附近地流过轴向通道230来冷却电极100b和阴极22b之间的界面。对于电气接触，一内壁228形成在电极100b内，其与阴极22b的外壁224接触。
参照图13c，它是通过电极100b和阴极22b之间界面的一侧向视图，电极100b形成一周界表面229，而阴极22b形成一周界表面331。因此，电极100b的周界表面229邻近阴极22b的周界表面331。(诸表面显示在图13c中带有稍微的间隙，其只是为了图示的目的，在操作过程中，电极100b的周界表面229实体地接触阴极22b的周界表面331)。尽管在此形式的本发明中相邻的周界表面229和331仅提供电气的接触，但通过轴向通道230的冷却流体在附近经过，或通过如图所示的电气接触的相邻区域，这样，可获得电极100b和阴极22b之间界面的有效的冷却。例如，轴向通道230和阴极22c的周界表面331之间的距离P近似为0.050英寸，以形成本发明一种形式的邻近的接近。然而，也可采用其它的距离，只要电极100c和阴极22c之间的电气界面合适地被流过流体通道的冷却流体冷却。因此，本文中关于电极100和阴极22b之间的界面的冷却所使用的术语“附近”或“相邻的区域，应认为是意指沿着接近电气接触的距离，或在电气接触的接近的距离内，以便获得有效的冷却。因此，为了清晰起见，其余的电极实施例中的相邻的周界表面将不再示出。
在图14a和14b中的电极的第三实施例100c中，电极100c形成径向通道232和轴向槽234，以在电极100c和阴极22c之间提供冷却。冷却流体一般朝向近端流动到径向通道232，然后，朝向近端流到轴向槽234，其中，冷却流体退出电极100c和阴极22c之间的界面，并前进通过如上所述的通道130。对于电气接触，一内壁236类似地形成在电极100c内，其与阴极22c的外壁224接触。因此，电极100c的周界表面邻近阴极22c的周界表面，以形成一流体通道来冷却附近的电气接触。
现参照图15，电极的第四实施例100d包括一内部底切240，其对电极100d以及电极100d和阴极22d之间的界面提供附加的冷却。此外，阴极22d形成径向通道242，其对冷却流体提供返回路径，以便在冷却剂管42d和阴极22d之间朝向近端流动(如图所示)。因此，冷却流体通过冷却剂管42d朝向近端流动，近端地通过内部底切240，然后，沿径向向内通过径向通道242，再然后近端地通过冷却剂管42d和阴极22d之间以便再循环。此外，电气接触设置在电极100d的内壁244和阴极22d的外壁224之间。因此，一流体通道这样形成：冷却设置在电极100d和阴极22d之间的电气接触的附近。或者，电极100d可包括一外底切，而不是一如上所述的内部底切，同时，保留在本发明的范围之内。
如图16所示，电极的第五实施例100e较佳地使用棘爪250固定在阴极22e内，其如美国专利No.6,163,008所示和所描述，所述专利与本申请共同受让，本文援引其内容以供参考。在所示实施例中，棘爪250接合固定在阴极22e的远端的帽254的台肩252(如图所示)。同样地，如图所示，末端102也可使用棘爪256固定到盒体106，其中，棘爪256接合固定到盒体106(未示出)的远端的一绝缘体元件260的台肩258。如图所示，棘爪250和256沿径向向外延伸分别地与台肩252和258接合。然而，在本发明的另一形式中，棘爪250和256可变化地沿径向向内延伸来接合沿径向最外延伸的台肩(未示出)。
现参照图17a至17f，图中示出电极100和阴极22的另外的实施例，其中，冷却设置在电极100和阴极22之间的电气接触的附近，或通过其相邻的区域，而冷却流体流过通过电极100和/或阴极22形成的至少一个流体通道。在下面的各实施例中，流体通道可形成在电极100或阴极22内，取决于阴极22是否设置在电极100内，或电极100是否设置在阴极22周围。因此，在本发明的变化的形式中，通过电极100的流体通道的图示和讨论也应认为是指通过阴极22的流体通道，反之亦然。
图17a和17b示出一电极100f，其形成一延伸的内壁251，和一形成至少一个点凹陷253的阴极22f。因此，冷却流体通过阴极22f朝向远端流动，然后，通过点凹陷253流向近端。由于点凹陷253围绕阴极22f的周界不是连续的，所以，电极100f的延伸的内壁251接触阴极22f的外壁23f以便实现电气接触(如图所示)。因此，电极100f和阴极22f形成相邻的周界表面，它们如上所述地提供冷却和电气接触。
图17c示出一等离子弧焊炬10的实施例，其中，一第三元件255设置在阴极22g和电极100g之间，以提供电气接触和流体通道。第三元件255与电极100g和阴极22g保持电气的接触。因此，第三元件255是导电的，并允许冷却流体朝向近端流过。例如，第三元件255可包括一斜置的盘簧或一多孔的导电材料。
现参照图17d，电极100h形成一用来通过冷却流体的螺旋的凹槽257。该螺旋凹槽257围绕和沿着电极100h的内表面形成，这导致多个肋259形成在电极100h的周围，以在电极100h和阴极22h之间提供电气的接触。同样地，螺旋凹槽257可形成在阴极22h内，而不是如图所示的电极100h内。因此，流体通道包括螺旋凹槽257，而电极100h和阴极22h的相邻的周界表面提供如上所述的冷却和电气接触。
如在图17e中另一实施例所示，电极100i形成轴向通道259和一形成在电极100i的近端部分内的环形面261。此外，阴极22i形成一近端的环形面263和一与轴向通道259流体连通的流体通道265。因此，环形面261邻接近端的环形面263以便电气接触，而冷却流体流过电极100i内的轴向通道259，并通过阴极100i内的流体通道265，以便如上所述地提供对附近的电气接触的冷却。
现参照图17f，图中示出另一实施例，其提供对附近电气接触的冷却。如图所示，电极100j形成一内部腔室267和与内部腔室267流体连通的斜置的通道269。电极100i还形成与斜置通道269流体连通的切口271。在操作中，冷却流体朝向远端流过阴极22j到内部腔室267，然后，朝向近端通过斜置通道269和切口271，以便如上所述地分配到盒体106(未示出)。因此，冷却设置在阴极22j和电极100j之间的电气接触的附近。
图18示出等离子弧焊炬10的另一实施例，其对附近的电气接触提供冷却。如图所示，电极100k通过一电极保持器273固定到阴极22k。一般来说，电极保持器273是导电的，并形成流体通道和与阴极22k电气接触，同时，使用诸如螺纹连接的本技术领域内通常所知的方法，将电极100k固定到电极保持器273。电极保持器273显示为形成如上所述的肋275和凹槽277，然而，本文中所示和所述的任何的流体通道可与电极保持器273结合，同时，保留在本发明的范围之内。因此，冷却设置在阴极22k和电极保持器273之间的电气接触的相邻的区域，而不是直接在阴极22k和电极100k之间。
末端实施例
如图19至24f所示，末端102也可包括用于合适流体流动、电气接触，以及附连的各种结构。类似于如上所述的电极100和阴极22，末端102的冷却设置在末端102和远端阳极件108或一邻近的阳极元件之间的电气接触的附近。因此，用来涉及电气接触和对通向远端阳极件108界面的末端102的冷却所使用的术语“邻近周界表面，附近，以及邻近的区域”，应同样地认为是用于上述与电极100和阴极22连接的术语。
如图19-23所示，末端102a的一种形式包括一近端环形凹陷280，其具有一偏离末端102a中心的漩涡孔282，并通过近端环形凹陷280而形成。因此，等离子气体流过环形凹陷280的漩涡孔282，如上所述地进入等离子腔室172。此外，末端102a包括一容纳一O形环(未示出)的远端环形凹陷284，O形环密封末端102a和盒体106(未示出)之间的界面。
如图所示，末端102a还包括多个凹槽288和设置在凹槽288之间的突起的突脊290，它们分别提供冷却流体通道和与远端阳极件108的电气接触。沿着末端102a朝向远端流动的冷却流体通过凹槽288流动，在末端102a和远端阳极件108之间界面的附近产生相当高速流动，以改进冷却。此外，突起的突脊290接触远端阳极件108，以便通过等离子弧焊炬的阳极件(即，末端102a、远端阳极件108、中心阳极件109)提供电气的连续。因此，末端102a和远端阳极件108形成如上所述的邻近周界表面，其中，设置冷却和电气接触。
参照图24a-24d，图中示出末端102和远端阳极件108的另外的实施例，其中，冷却设置在末端102和远端阳极件108之间的电气接触的附近，或通过邻近的区域，而冷却流体流过通过末端102和/或远端阳极件108而形成的至少一个流体通道。在以下各实施例中，流体通道可形成在末端102和/或远端阳极件108内。因此，在本发明的变化的形式中，通过末端102的流体通道的图示和讨论也应认为是指通过远端阳极件108的流体通道，反之亦然。
图24a和24b示出一形成至少一个点凹陷275的末端102a，以及一形成一延伸的内壁277的远端阳极件108a。因此，冷却流体朝向远端流过点凹陷275，因为点凹陷275围绕末端102b的周界不是连续的。此外，远端阳极件108b的延伸的内壁277接触如图所示的末端102a以便电气地接触。因此，末端102a和远端阳极件108a形成相邻的周界表面，它们如上所述地提供冷却和电气接触。
图24c示出等离子弧焊炬10的一实施例，其中，一第三元件279设置在末端102c和远端阳极件108c之间，以提供电气接触和流体通道。第三元件279与末端102c和远端阳极件108c保持电气的接触。因此，第三元件279是导电的，并允许冷却流体朝向近端流过。例如，第三元件279可包括一斜置的盘簧或一多孔的导电材料。
现参照图24d，一末端102c形成一用来通过冷却流体的螺旋的凹槽281。该螺旋凹槽281围绕和沿着末端102c的外表面形成，这导致多个肋283形成在末端102c的周围，以提供电气的接触。同样地，螺旋凹槽281可形成在远端阳极件108c内，而不是如图所示的末端102c内。因此，流体通道包括螺旋凹槽281，而末端102c和远端阳极件108c的相邻的周界表面提供如上所述的电气接触附近的冷却。
此外，也可如上对电极保持器所述地采用一末端保持器，同时，保留在本发明的范围之内，其中，末端保持器包括诸通道，用来在与远端阳极件108电气接触的附近通过冷却流体。因此，末端保持器是一与远端阳极件108电气接触邻近的阳极元件。
二次帽和定位件
现参照图25a和25b，本发明的一形式中的通过二次帽112的二次气体的流动是漩涡形的，其利用形成在二次帽112内的漩涡的通道300。较佳地，如图13b所示，漩涡通道300偏离二次帽112的中心，并对二次帽112和屏蔽帽114(未示出)之间的二次气体流形成一通道。或者，漩涡通道300可通过二次帽112直接地形成(如图25b最清晰地示出)，并同样地偏离二次帽112的中心。此外，在所示实施例中，二次泄放通道171显示为轴向孔。
或者，泄放通道可形成在屏蔽帽114内，或如图26a至26c所示，在屏蔽帽114和二次帽112之间。如图26a和26b所示，二次气体泄放通道173较佳地沿屏蔽帽114的一侧壁175形成，并引导二次气体的一部分从远端二次气体通道209沿着二次帽112的外面通过。因此，在等离子弧焊炬10的操作过程中，二次气体泄放通道173提供附加的冷却。或者，一二次气体泄放通道177可设置在屏蔽帽114和二次帽112之间(如图26c所示)。同样地，二次气体泄放通道177引导二次气体的一部分从远端二次气体通道209沿着二次帽112的外面通过，以提供附加的冷却。
现参照图27a和27b，漩涡通道302可变化地通过如图所示的二次定位件116形成，而不是通过二次帽112。漩涡通道302通过如图所示的二次定位件116的侧壁303而形成。此外，漩涡通道较佳地如上所述地偏移二次定位件116的中心，但也可采用诸如正交通过二次定位件116形成的通道那样的其它的结构来使二次气体形成漩涡。
消耗的盒体
在本发明的还有的一形式中，提供消耗的盒体310a，在如图28a和28b所示的操作过程中，以便有效地和方便地进行更换。在一种形式中，消耗的盒体310a包括一电极312、一末端314、一设置在电极312和末端314之间的定位件3l6、一盒主体316，以及一阳极件318，它们组装和设置成一单一的单元。
参照图29，消耗的盒体310b的一第二实施例较佳地固定到等离子弧焊炬10，其使用如上所述的形成在电极312内的棘爪，诸棘爪接合形成在一绝缘帽324内的台肩322来实现其固定。绝缘帽324固定到电极325的远端部分，而电极312的诸棘爪320接触如图所示的电极325，以形成电源的阴极的一部分或负极侧。因此，消耗的盒体310b可容易地安装在等离子弧焊炬10和从等离子弧焊炬10取下。或者，如关于诸如在中心阳极件109(未示出)和阳极体(未示出)之间的其它的连接方式所描述的那样，消耗的盒体310b可使用斜置的盘簧(未示出)固定到焊炬10。
焊炬头连接
参照图30至33b，消耗盒体16固定到邻近的焊炬头12可使用如下的设计：台阶的盒体设计(图30、31)、面密封设计(图32a、b)，或直盒体设计(图33a、b)。如图30(示出冷却流体通道)和图31(示出气体通道)所示，一消耗的盒体16a形成多个台阶352，它们面向近端，以与面向远端的在焊炬头12a上的对应组的台阶354匹配。此外，四个O形环(未示出)密封消耗盒体16a和焊炬头12之间的界面。其结果，消耗盒体16a和焊炬头12a之间不需转动的对齐，而用最少的O形环接合来提供方便的分离。
参照图32a(示出冷却流体通道)和32b(示出气体通道)，一面密封设计应用于消耗盒体16b和焊炬头12b之间，其中，O形环340设置在消耗盒体16b的近端面和焊炬头12b的远端面之间(如图所示)。因此，可提供一相当紧凑的焊炬头12b。在如图33a(示出冷却流体通道)和33b(示出气体通道)所示的另一形式中，提供一直盒体设计，其中，一系列O形环342环形地设置在焊炬头12c和消耗盒体16c之间，其中，流体通道344设置在如图所示的O形环之间。
在另一形式中，消耗部件使用一设置在锁定环17d内的球锁定机构360来固定到焊炬头，其较详细地示于图34a(连接的)和34b(脱开的)中。球锁定机构360包括一球362，当消耗部件16d连接时，球设置在凹陷364内。为了脱开消耗部件16d，锁定环17d朝向近端移动，而消耗部件16d相对于焊炬头朝向远端移动，以使球362径向向外地移动到锁定环凹陷366内。因此，消耗部件16d可通过使用球锁定机构160而从焊炬头移出到锁定环17d内。
如图35a和35b所示，另一形式中的焊炬头12e形成一对齐的壁390，以便合适地将消耗部件与冷却流体、等离子气体和二次气体供应对齐。焊炬帽70e还形成一对应的对齐壁392，其与焊炬头对齐壁390界面，以合适地定位焊炬头12e和消耗部件16e而便于操作。
用于等离子和二次的气体根据诸如材料类型和厚度之类的工件的性质而变化，气体可包括作为等离子气体的N2和作为二次气体的H2O。或者，可使用Ar、H2和N2的混合物作为等离子气体，N2作为二次气体。此外，冷却流体较佳地是H2O-乙烯乙二醇混合物或H2O-丙烯乙二醇混合物。
变化的等离子弧焊炬实施例
根据本发明的等离子弧焊炬的其它的形式410示于图36至38中。等离子弧焊炬410包括一焊炬头412(它较详细地示于图37中)，它设置在等离子弧焊炬410的近端414处，以及多个消耗部件416(它较详细地示于图38中)，它们固定到焊炬头412并设置在如图所示的等离子弧焊炬410的远端418处。
焊炬头
较具体地参照图37，焊炬头412包括一与电源(未示出)的正极侧电气连通的阳极体420，以及一与电源(未示出)的负极侧电气连通的阴极422。阴极422还被中心绝缘体424包围，以将阴极422与阳极体420绝缘，同样地，阳极体420被外绝缘体426包围，以将阳极体420与外壳428绝缘，在操作过程中，外壳包封和保护焊炬头412和其部件避免与周围环境接触。焊炬头412还毗邻冷却剂供应管430、等离子气体管432、冷却剂返回管434，以及二次气体管435(如图所示)，其中，在操作过程中，等离子气体和二次气体供应到等离子弧焊矩410，以及冷却流体供应到等离子弧焊矩410，并且从等离子弧焊矩410返回。
阴极422较佳地形成一具有一中心孔436的圆柱形管，中心孔在焊矩头412的近端部分438处与冷却剂供应管430流体地连通。中心孔436还在焊矩头412的远端部分444处与一阴极帽440和一冷却剂管442流体地连通。一般地来说，冷却剂管442提供冷却流体的通过，而阴极帽440保护阴极422的端部。阴极帽440还包括一接合阴极422内的一内部环形槽446的环形台肩448，以将阴极帽440固定到阴极422。较佳地，冷却剂管442由诸如不锈钢之类的耐用材料形成，而阴极帽440是绝缘的，其较佳地由诸如Torlon的材料形成，或由如上所述的也能在相当高温下操作的本技术领域内已知的其它材料形成。
中心绝缘体424较佳地形成一圆柱形管，如图所示，其具有的一内孔460容纳阴极422。阴极422形成一近端的外台阶462，外台阶462邻接中心绝缘体424的近端内台阶464，以便沿等离子弧焊炬的中心纵向轴线X定位阴极422。中心绝缘体424还沿中心部分468设置在如图所示的阳极体420内，其还接合一容纳冷却剂供应管430、等离子气体管432和冷却剂返回管434的焊炬帽470。
通过设置在焊炬帽470和阳极体420之间的触头472，设置用于诸如导弧返回的电信号的电路。触头472包括一邻接一形成在焊炬帽470内的凹陷的台肩476的近端突缘474，以及一接合阳极体420的远端478(如图所示)。较佳地，触头472旋入到阳极体420内，然而，也可使用诸如压配或钎焊之类的其它的附连方法，其同时根据本发明的原理。
或者，用于导弧返回或其它电信号的电路，可通过焊炬帽470和阳极体420之间的交界面直接设置，其使用如美国专利No.6,163,008所示和所描述的接合台肩的棘爪，所述专利与本申请共同受让，本文援引其内容以供参考。棘爪可包含在焊炬帽470上或阳极体420上，焊炬帽470或阳极体420上分别带有一对应的台肩和帽。此外，棘爪提供相当简单和容易的连接，以便进行接合和脱开。同样地，等离子弧焊炬10内的部件之间的其它的连接也可对使用棘爪和台肩，同时，保留在本发明的范围之内。
消耗部件
消耗部件416较详细地显示在图38和图36中，如图所示，它包括一电极500、一末端502，以及一设置在电极500和末端502之间的定位件504。定位件504在电极500和阳极的末端502之间提供电气的分离，还提供某种气体分配的功能，将在下文中详细描述。一末端导向件503和一末端密封件505设置在如图所示的末端502的远端部分处，并提供某种冷却流体的功能和密封的功能，它们也将在下文中详细地描述。
此外，消耗部件416包括一盒体506，其通常容纳和定位其它消耗部件416，并是消耗的盒体的部分，这将在下文中作详细描述。盒体506还在等离子弧焊炬410的操作过程中分配等离子气体、二次气体和冷却流体，将在下文中作详细地描述。此外，消耗部件416包括一远端阳极件508和一中心阳极件509，通过提供电气的连续到末端502形成电源的阳极侧的一部分。一挡板510也显示为设置在远端阳极件508和屏蔽帽514之间，其为冷却流体的流动形成流体通道，将在下文中详细描述。此外，消耗部件416包括一二次帽512，用来分配二次气体，和将二次帽512与末端502分离的二次定位件516。一锁定环517显示为设置在消耗部件416的近端部分周围，其用来将消耗部件416固定到焊炬头412。
电极500中心地设置在盒体506内，并沿电极500的内部518与阴极422电气地接触，这在下文中作详细的描述。电极500还形成一与冷却剂管442流体地连通的远端内腔520，以及一邻接定位件504的外台肩522，以便沿等离子弧焊炬410的中心纵向轴线X合适地定位。电极500还包括至少一个通道，用来使冷却流体流过与阴极422电气接触的附近。具体来说，电极500较佳地包括多个肋521，以及设置在诸肋521之间的对应的多个凹槽523，其中，诸肋521提供与阴极422的电气接触，而凹槽523如上对于等离子弧焊炬10的第一实施例所述地提供冷却流体的流过。因此，电极500和阴极422如上所述地形成相邻的周界表面，以使电极500的冷却设置在电极500和阴极422之间的电气接触的附近，或通过其相邻的区域。或者，电极500和阴极422可包括如上所述的其它的实施例，其中，至少一个流体通道形成在电气接触的附近以便进行合适的冷却。
盒体506还包括一邻接电极500的近端526的内环形环524，以便沿等离子弧焊矩410的中心纵向轴线X合适地定位电极500。此外，盒体506和阴极422之间的连接可采用如上所述的棘爪和台肩，同时，保留在本发明的范围之内。除了定位各种消耗部件416，盒体506还将阳极件(例如，中心阳极件509)与阴极件(例如，电极500)分离。因此，盒体506是一诸如PEEK的绝缘材料，或是也能在相当高温下操作的本技术领域内已知的其它类似材料。
参照图38和图39a至39d，盒体506除了定位其它消耗部件416之外，还提供冷却流体、等离子气体以及二次气体的分配。对于下文中详细描述的冷却流体的分配，盒体506形成一中心腔室528和多个通道530，诸通道530延伸通过盒体506并进入形成在盒体506和远端阳极件508之间的一内冷却腔室532内。较佳地，通道530沿离上腔室528朝向远端的方向径向向外地倾斜，以便最大程度地减小可能发生在电极500和远端阳极件508之间的任何绝缘的徐变。此外，外轴向通道533(虚线显示)形成在盒体506内，其提供冷却流体的返回。也可沿远端阳极件508和中心阳极件509和其间的电气界面的附近定位外轴向通道533。因此，外轴向通道533的位置提供对远端阳极件508和中心阳极件509改进的冷却。靠近消耗盒体416的远端，一外流体通道548形成在远端阳极件508和挡板510之间。因此，外流体通道548与外轴向通道533连通，以便冷却流体的返回，这将在下文中详细地描述。
对于等离子气体的分配，盒体506形成多个远端向的轴向通道534(图38中显示为虚线)，它们从盒体506的近端面536延伸到其远端538，它们与等离子气体管532(未示出)和形成在定位件504内的通道流体地连通，这将在下文中作详细描述。此外，多个近端轴向通道540(图38中显示为虚线)通过盒体506形成，它们从凹陷的近端面542延伸到远端的外面544，以便分配二次气体，这也将在下文中作详细描述。而且，盒体506形成一有圆齿的近端周界507，其提供方便地将盒体506配装在焊炬头412内。
如图36和38所示，远端阳极件508设置在盒体506和挡板510之间，并在远端部分处与末端502电气地接触，而在近端部分处与中心阳极件509电气地接触。此外，中心阳极件509与阳极体420的远端部分546电气地接触。较佳地，中心阳极件509包括多个指形物547(最清晰地显示在图40中)，其在远端处形成棘爪549，以在中心阳极件509和阳极体420之间提供可靠的电气接触。如图所示，棘爪549在一台肩551上延伸，该台肩形成在设置在阳极体420的远端部分546上的一远端套筒553上。该远端套筒553较佳地由一诸如ULTEM之类的绝缘材料形成，并压配在阳极体420的远端部分546上。棘爪549类似于美国专利No.6,163,008所揭示的棘爪，所述专利与本申请共同受让，本文援引其内容以供参考。棘爪549可包含在中心阳极件509上或阳极体420上，阳极体420或中心阳极件509上分别带有一对应的台肩和帽。因此，阳极体420、远端阳极件408、中心阳极件509和末端502对等离子弧焊炬410形成阳极电势，或正电势。
参照图36、38和41，轴向接片566形成在远端阳极件508内，其中，轴向接片566类似地形成棘爪567，如图所示，诸棘爪偏置朝向内，以在远端阳极件508和中心阳极件509之间提供电气的连续。远端阳极件508的近端部分形成一延伸的上壁569，其如图所示地向外延伸以将轴向接片566定位在中心阳极件509的周围。还如图所示，一保持环571设置在盒体506的中心部分的周围，以便沿等离子弧焊炬410的中心纵向轴线X保持和定位中心阳极件509。因此，轴向接片566和延伸的上壁569在保持环571上延伸，以与中心阳极件509电气地接触。
参照图36和38，如图所示，屏蔽帽514包围挡板510，其中，一二次气体通道550形成在其间。一般来说，二次气体从形成在盒体506内的近端轴向通道540流入二次气体通道550，并通过二次帽512(将在下文中作详细描述)，以便在操作中稳定退出二次帽512的等离子束。屏蔽帽514还定位二次帽512，其中，二次帽512形成一接合屏蔽帽514的内台肩554的环形台肩552。
二次定位件516将二次帽512与末端502间隔和绝缘。较佳地，二次定位件516包括一邻接末端密封505的环形台肩558的近端面556和一分别邻接二次帽512的内台肩564和近端面573的远端面560和台肩562。还如图所示，二次定位件516在末端密封505和二次帽512之间形成一二次气体腔室578，其中，二次气体分配来稳定等离子束流，这将在下文中作详细描述。因此，二次定位件516形成如上所述的二次气体通道513，其引导和较佳地漩涡二次气体流入二次气体腔室578内。二次帽512还包括一等离子束流通过其退出的中心退出孔568，以及一有利于控制等离子束流的凹陷面570。
如图38和42所示，末端导向件503和末端密封件505设置在末端502的远端部分处。末端502包括一锥形端部分577，其在如上所述的其它末端实施例中形成多个凹槽579和突起的突脊581，其中，在操作过程中，突起的突脊581接触远端阳极件508的远端部分以便进行电气的接触，而凹槽579提供流体的通道以便冷却流过的流体，将在下文中作详细描述。因此，远端的流体通道580形成在末端502和末端导向件503之间，也形成在末端导向件503和末端密封件505之间，其中，末端导向件503导向冷却流体朝向远端通过末端502，然后，流向近端以便冷却流体的再循环，将在下文中详细地描述。
如图42中最清晰地所示，末端导向件503形成定位在凹槽579内的径向接片583，以便在操作过程中合适地导向冷却流体。末端导向件503还包括一锥形的端壁585，它的形状与末端502的锥形端部577相一致。还如图所示，末端密封件505也形成一锥形的端部587以与末端导向件503相一致，这导致形成远端的流体通道580。较佳地，末端导向件503是黄铜材料，而末端密封件505和末端502是碲铜材料。
现参照图38和图43，末端502还包括腿部589和偏移的腿部591，其中，腿部589朝向远端延伸超过如图所示的偏移腿部591。当组装到末端密封件505时，腿部589接合末端密封件505的上环形面601，而一间隙603产生在偏移腿部591和末端密封件505的上环形面601之间。因此，间隙603对返回的冷却流体的流动提供附加的空间以便进行再循环。还如图所示，末端形成一远端面605，它接合末端密封件505的内环形台肩605，以便进一步相对于末端密封件505定位末端502。
如图38所示，末端502通过定位件504与电极500电气地分离，这导致等离子腔室572形成在电极500和末端502之间。定位件504形成漩涡的通道607(显示为虚线)，它们漩涡从远端轴向通道534流向等离子腔室572内的等离子气体。末端102还包括一中心退出孔574，在等离子弧焊炬410的操作过程中，当等离子气体在等离子腔室572内电离时，等离子束流通过该孔退出，这在下文中作详细地描述。
还如图所示，当等离子弧焊炬410完全组装时，锁定环517将消耗部件416固定到焊炬头412。锁定环517较佳地通过螺纹连接固定到焊炬头412，其中，锁定环517包括一螺纹的插入件519。较佳地，螺纹插入件519是黄铜的，而锁定环517是一过模制到螺纹插入件519上的热固性材料。或者，消耗部件416可使用一双斜度的锁定连接器固定到焊炬412，所述锁定连接器显示和描述在2001年11月9日提交的未决的专利申请系列号10/035,534中，所述专利与本申请共同受让，本文援引其内容以供参考。
冷却流体流
参照图44，在操作中，冷却流体从冷却剂供应管430，通过阴极422的中心孔436，通过冷却剂管442向远端流动，流入电极500的远端内腔520内。然后，冷却流体通过电极500的凹槽523和与阴极422之间形成的近端内腔518流向近端，以对在相对高的电流和温度下操作的电极500和阴极422提供冷却。冷却流体继续流向近端，流到盒体506内的通道530内，其中，冷却流体然后通过通道530流到内冷却腔室532内。然后，冷却流体也流过在相对高温下操作的末端502，以便对末端502提供冷却。具体来说，冷却流体流过由末端502和末端密封件505之间的末端导向件503形成的远端流体通道580。冷却流体首先通过末端502的凹槽579朝向远端流动，然后，反向围绕末端导向件503的远端，再然后通过末端导向件503和末端密封件505之间的远端流体通道590流向近端。冷却流体然后通过形成在远端阳极件508和挡板510之间的外流体通道548流向近端，然后，通过盒体506内的外轴向通道533(显示为虚线)。冷却流体然后通过凹陷壁590和形成在阳极体420内的轴向通道592流向近端。一旦冷却流体到达阳极体420的近端台肩593，流体流过冷却剂返回管434，并再循环以便分配回通过冷却剂供应管430。
其结果，如上所述，冷却流体流动是“同轴的”，以便改进等离子弧焊炬410的冷却和操作。因此，冷却流体流动围绕等离子弧焊炬410的中心纵向轴线X的环形分布，并沿离中心纵向轴线X的任何径向位置处的相同的方向流动，以产生同轴的流动。
等离子气体流
参照图45，等离子气体一般从等离子气体管432朝向远端流动，通过焊炬帽470，流入形成在阳极体420内的一中心内腔596。然后，等离子气体通过中心绝缘体424的凹陷的环形壁425(显示为虚线)朝向远端流动，流入形成在盒体506内的远端轴向通道534(显示为虚线)。然后，等离子气体通过形成在电极500和末端502之间的定位件504内的漩涡形通道607(显示为虚线)流动。等离子气体然后进入等离子腔室572，以在等离子气体被导弧电离时形成一等离子束流，等离子束流退出末端502的中心退出孔574和二次帽512的中心退出孔568。此外，如上所述，等离子气体流是同轴的，其中，等离子气体围绕焊炬的中心纵向轴线沿圆周地分布，并在离中心纵向轴线的任何径向部位处沿相同的方向流动。
二次气体流
参照图36至38，二次气体一般从二次气体管435(显示为虚线)流向远端，并通过一形成在通过焊炬帽470的轴向通道602(显示为虚线)。然后，二次气体通过焊炬帽470和阳极体420之间的环形腔室595(显示为虚线)沿径向朝向外流动，并继续流向远端流入形成在焊炬帽470和外壳428之间的外腔室610内。二次气体然后流过通过外绝缘体426的环形延伸部608形成的轴向通道606，流入盒体506的近端轴向通道540(显示为虚线)。二次气体然后进入二次气体通道550，并在挡板510和屏蔽帽514之间朝向远端流动，通过远端的二次气体通道609，通过形成在二次定位件516内的二次气体通道513。然后，二次气体进入末端密封件505和二次帽512之间的二次气体腔室578内，以便稳定从末端502的中心退出孔574退出的等离子束流。此外，如上所述，二次气体流是同轴的，其中，二次气体围绕焊炬的中心纵向轴线沿圆周地分布，并在离中心纵向轴线的任何径向部位处沿相同的方向流动。
操作
在操作中，参照图36和图44-46，阴极电势或负电势由阴极422和电极500负载。阳极电势或正电势由阳极体420、中心阳极件509、远端阳极件508和末端502负载。因此，当电力施加到等离子弧焊炬410上时，在等离子腔室572内，一导弧在电极500和末端502之间形成的间隙内产生。当等离子气体进入等离子腔室572内时，等离子气体被导弧电离，它造成一等离子束流而形成在等离子腔室572内，并通过末端502的中心退出孔574朝向远端流动。此外，二次气体流入二次气体腔室578内，并在退出末端502的中心退出孔574时稳定等离子束流。其结果，一高度均匀和稳定的等离子束流退出二次帽512的中心退出孔568，以便作大电流、高配合公差的切割操作。
等离子弧焊炬410还包括多个O形环和对应的O形环槽(如图36至38所示)，为清晰起见，它们没有进行编号。O形环通常密封流体通道，即，在等离子弧焊炬操作的过程中，用于冷却流体、等离子气体，以及二次气体的通道，它们应为本技术领域内的技术人员所理解。
消耗的盒体
参照图47a至47f，本发明提供一消耗的盒体650，它一般地包括盒主体506和至少一个其它的消耗部件。例如，如图47a所示，消耗的盒体650a包括中心阳极件509、电极500、末端502、定位件504、远端阳极件508、屏蔽帽514、挡板510、末端导向件503、末端密封件505、二次帽512、二次定位件516，以及锁定环517，还连同所示的一系列O形环。利用消耗盒体650，当一个或多个消耗部件需要更换时，则更换全部的盒体650，以便对消耗部件提供快速和有效的更换，而不是一次一个地更换个别的消耗部件。
如图47b所示，消耗盒体650b包括中心阳极件509、电极500、末端502、定位件504、远端阳极件508、屏蔽帽514、挡板510、末端导向件503、末端密封件505、二次帽512，以及二次定位件516。图47c中的消耗盒体650c包括中心阳极件508和锁定环517。示于图47d中的消耗盒体650d包括电极500、末端502、定位件504、末端导向件503、末端密封件505、二次帽512，以及二次定位件516。
参照图47e，消耗的盒体650e包括电极500、末端502、定位件504、二次帽512，以及二次定位件516。或者，图47f中的消耗盒体650f包括中心阳极件509、电极500、末端502、定位件504、远端阳极件508、屏蔽帽514、挡板510、二次帽512，以及二次定位件516。根据本发明的原理，也可使用消耗部件的其它的组合，本文所示的具体的实施例不应认为限制本发明的范围。此外，在某些消耗的盒体650中可包括如图所示的O形环，以便在等离子弧焊炬操作过程中用来密封。
组件
参照图48a至48h，本发明较佳地提供消耗部件的具体的组件，以便方便地组装和支承等离子弧焊炬410。例如，屏蔽帽514、挡板510和远端阳极屏蔽508的组件在图48a中显示为一屏蔽帽组件660。较佳地，屏蔽帽组件660对最终用户提供为一完全的组件，其中，屏蔽帽514、挡板510，以及远端阳极屏蔽508较佳地通过过盈配合而彼此固定。此外，图48b示出一末端组件662，它包括末端502和末端导向件503。另一末端组件664显示在图48c中，它包括末端502、末端导向件503和末端密封件505。
参照图48d，图中示出一二次定位件组件，它包括末端导向件505、二次定位件516，以及二次帽512。一电极组件668示于图48e中，其包括电极500和定位件504。此外，一盒体组件670示于图48f中，其包括盒体506、中心阳极件509，以及锁定环517。另一盒体组件672示于图48g中，其包括盒体506和中心阳极件509。根据本发明的原理也可使用其它组合的组件，本文所示的具体的实施例不应认为限制本发明的范围。此外，在某些组件中可包括如图所示的O形环，以便在等离子弧焊炬操作过程中用来密封。
如本文中所使用的，消耗盒体和组件应认为包括本文所述的消耗部件的实施例的所有可能的组合。因此，本文所揭示的消耗盒体和组件不应认为局限于作为具体等离子弧焊炬的一部分所揭示的消耗的部件。
焊炬头连接
现参照图49，可使用上述的锁定环517和螺纹连接，消耗部件416固定焊炬头412。当完全组装时，外绝缘体426的远端面680设置在邻近盒体506的凹陷的近端面542。因此，一环形腔682形成在外绝缘体426的远端面680和盒体的凹陷的近端面542之间。因此，流过外绝缘体426的轴向通道606的二次气体围绕环形腔682分布，以便通过盒体506的近端的轴向通道540(显示为虚线)。其结果，二次气体流过焊炬头412和消耗部件416之间，独立于消耗部件416相对于焊炬头412的转动的对齐。
同样地，中心绝缘体424的凹陷的环形壁425设置在邻近盒体506的近端面536。因此，一环形腔692形成在中心绝缘体424的凹陷的环形壁425和盒体506的近端面536之间。因此，流过中心绝缘体424的凹陷的环形壁425的等离子气体围绕环形腔692分布，以便通过形成在盒体506的远端的轴向通道534(显示为虚线)。其结果，二次气体流过焊炬头412和消耗部件416之间，独立于消耗部件416相对于焊炬头412的转动的对齐。
类似于二次气体和等离子气体流，独立于转动对齐的焊矩头的连接还设置有冷却流体流的返回。如图所示，阳极体420的外远端面700设置在邻近盒体506的外近端面702。因此，一环形腔室704形成在阳极体420的外远端面700和盒体506的外近端面702之间。因此，流过盒体506内的外轴向通道533(显示为虚线)的冷却流体围绕环形腔室分布，以便流过形成在阳极体420内的凹陷的壁590(显示为虚线)和轴向通道592(显示为虚线)。其结果，冷却流体流过消耗部件416和焊矩头412之间，独立于消耗部件416相对于焊炬头412的转动的对齐。
因此，一近端元件(例如，阳极体420，外绝缘体426)和一远端元件(例如，盒体506)构造成：当近端和远端元件接合时，它们形成至少一个腔室。腔室与至少一个通过近端元件的流体通道和至少一个在远端元件内的流体通道流体地连通，以在流体通道之间形成一流体连接，独立于近端和远端元件的转动的对齐。
此外，一导弧返回800设置在等离子弧焊矩410的近端部分并与阳极体420面接触，这样，也使电气连接独立于消耗部件416的转动的对齐。此外，利用中心阳极件509上的棘爪549，也使中心阳极件509和阳极体420之间的电气连接独立于转动的对齐。因此，本发明独立于转动的对齐提供电气连接和流体连接。
应该理解到，本文所述的焊矩头连接也可用于本文所述的其它等离子弧焊矩的实施例。此外，如上所述的焊矩头连接，诸如台阶形盒体设计(图30、31)、面密封设计(图32a、b)、直盒体设计(图33a、b)，或球锁定机构(图34a、b)也可用于本文所述的各种等离子弧焊矩的实施例，同时，保留在本发明的范围内。因此，焊矩头连接不应认为局限于诸如等离子弧焊矩10那样的任何具体的等离子弧焊矩实施例。
此外，本文中所述的各消耗部件实施例(例如，尤其是，电极100a至100k、末端102a至102c)不应局限于它们所描述的具体的等离子弧焊矩实施例中的应用。例如，任何的电极实施例可应用在变化的等离子弧焊矩410中，同时，保留在本发明的范围内。因此，本发明的各个实施例可应用在本文中所述的任何等离子弧焊矩上，同时，保留在本发明的范围内。
变化的等离子弧焊炬实施例
根据本发明的等离子弧焊炬的其它的形式810示于图50中。(为清晰起见，仅示出等离子弧焊矩810的某些消耗的部件)。等离子弧焊炬810的操作基本上类似于以上所述的同轴流、等离子和二次气体分布的、各种消耗部件实施例，以及消耗盒体、组件和焊矩头连接的使用。然而，等离子弧焊炬810还包括一介于电极814和末端816之间的绝缘的定位件812(如图所示)。绝缘的定位件812设置在定位件818内，如上所述，定位件818将电极814与末端816间隔和绝缘。因此，绝缘的定位件812增加阴极电极814和阳极末端816之间的绝缘性，以使导弧不产生在电极814和末端816之间的末端816的近端820附近。相反，导弧形成在电极814的远端部分822附近。较佳地，绝缘定位件812由Fluorosint材料形成。
本发明的描述在本质上仅是示范性的，因此，不脱离本发明的实质的各种变体旨在包括在本发明的范围之内。例如，如图51所示，如本文中所述的本发明的各种实施例可应用在等离子弧焊矩切割系统912内的一等离子弧焊矩910内，该等离子弧焊矩切割系统912包括一流体控制系统914、一移动控制系统916、一起弧器918，和/或中心控制系统920，同时，保留在本发明的范围内。这样的变体不认为是脱离本发明的精神和范围。

Claims (53)

1.一等离子弧焊矩，它包括：
一形成一周界表面的阴极元件；以及
一电极，其构造成与阴极元件电气地接触，并在阴极元件和电极之间流过流体，电极形成与阴极元件的周界表面邻近的一周界表面，
其中，邻近的周界表面提供电气接触和流体的流过。
2.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括至少一个通道，其构造成冷却流体在电气接触的附近流过。
3.如权利要求2所述的等离子弧焊矩，其特征在于，通道还包括至少一个形成在电极上的凹槽。
4.如权利要求2所述的等离子弧焊矩，其特征在于，通道还包括至少一个形成在电极上的螺旋形凹槽。
5.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括至少一个肋和邻近至少一个肋设置的至少一个凹槽，肋和凹槽沿电极周界表面设置。
6.如权利要求5所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括邻近多个凹槽设置的多个肋，肋和凹槽沿电极周界表面设置。
7.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括一棘爪，其用来连接到等离子弧焊矩的一邻近的部件。
8.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，还包括一设置在电极和阴极元件之间的第三元件，其用于电气接触和流体流过。
9.如权利要求8所述的等离子弧焊矩，其特征在于，第三元件是多孔的和导电的材料。
10.如权利要求8所述的等离子弧焊矩，其特征在于，第三元件是一斜置的盘簧。
11.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括设置在电气接触附近的至少一个点凹陷，以便流过流体。
12.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，阴极元件包括设置在电气接触附近的至少一个点凹陷，以便流过流体。
13.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，阴极元件包括至少一个构造成流过流体的通道。
14.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，阴极元件包括至少一个肋。
15.如权利要求14所述的等离子弧焊矩，其特征在于，一肋包括至少一个内部通道。
16.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，阴极元件包括至少一个凹槽。
17.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，阴极元件包括至少一个邻近至少一个肋设置的凹槽。
18.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，阴极元件由一多孔材料组成。
19.如权利要求1所述的等离子弧焊矩，其特征在于，流体是一冷却流体。
20.一等离子弧焊矩，它包括：
一阴极元件；以及
一电极，其构造成与阴极元件电气地接触，
其中，一冷却流体通过阴极元件和电极之间的电气接触的相邻的区域，流过至少一个通道。
21.如权利要求20所述的等离子弧焊矩，其特征在于，阴极元件包括至少一个构造成冷却流体流过的通道。
22.如权利要求20所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极包括至少一个构造成冷却流体流过的通道。
23.如权利要求20所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括至少一个沿电极设置的轴向通道。
24.如权利要求23所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括形成近端接触垫的多个近端轴向槽和离轴向槽朝向远端形成的径向通道，近端接触垫提供电气接触，而轴向槽和径向通道提供冷却流体的流过。
25.如权利要求23所述的等离子弧焊矩，其特征在于，通道还包括至少一个内部底切。
26.如权利要求23所述的等离子弧焊矩，其特征在于，通道还包括至少一个外部底切。
27.一等离子弧焊矩，它包括：
一阴极元件；
一电极，其构造成与阴极元件电气地接触，以及流体在阴极元件和电极之间流过，电极包括至少一个肋和至少一个邻近至少一个肋设置的凹槽，
其中，肋接触阴极元件以便电气地接触，流体流过凹槽，以便冷却附近的电气接触。
28.如权利要求27所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极还包括一棘爪，其用来连接到等离子弧焊矩的一邻近的部件。
29.如权利要求27所述的等离子弧焊矩，其特征在于，电极包括多个肋和凹槽。
30.一等离子弧焊矩，它包括：
一阴极元件；
一电极，其构造成与阴极元件电气地接触，以及流体在阴极元件和电极之间流过，电极包括多个肋和多个设置在诸肋之间的凹槽，
其中，肋接触阴极元件以便电气地接触，流体流过凹槽，以便流体在电气接触的附近流过。
31.一电极，其构造成电气地接触，以及流体在一等离子弧焊矩的电极和一相邻的阴极元件之间流过，电极包括邻近阴极元件的周界表面的一周界表面，其中，相邻的周界表面提供电气接触和流体的流过。
32.如权利要求31所述的电极，其特征在于，电极还包括至少一个通道，其构造成冷却流体在电气接触的附近流过。
33.如权利要求32所述的电极，其特征在于，通道还包括形成在电极上的至少一个凹槽。
34.如权利要求33所述的电极，其特征在于，通道还包括形成在电极上的至少一个螺旋的凹槽。
35.如权利要求31所述的电极，其特征在于，电极还包括至少一个肋和邻近至少一个肋设置的至少一个凹槽，肋和凹槽沿电极周界表面设置。
36.如权利要求31所述的电极，其特征在于，电极还包括邻近多个凹槽设置的多个肋，肋和凹槽沿电极周界表面设置。
37.如权利要求31所述的电极，其特征在于，电极还包括一棘爪，其用来连接到等离子弧焊矩的一邻近的部件。
38.如权利要求31所述的电极，其特征在于，电极还包括设置在电气接触附近的至少一个点凹陷，以便流过流体。
39.一电极，其构造成与等离子弧焊矩的阴极元件电气地接触，电极包括邻近阴极元件的周界表面的至少一个通道和一周界表面，
其中，冷却流体流过通道以便冷却附近的电气接触，邻近的周界表面提供电气的接触。
40.一电极，其构造成与等离子弧焊矩的阴极元件电气地接触，以及流体流过阴极元件和电极之间，电极包括至少一个肋和邻近至少一个肋设置的至少一个凹槽，
其中，肋接触阴极元件以便电气地接触，流体流过凹槽，以便冷却附近的电气接触。
41.如权利要求40所述的电极，其特征在于，电极还包括一棘爪，其用来连接到等离子弧焊矩的一邻近的部件。
42.如权利要求40所述的电极，其特征在于，电极包括多个肋和凹槽。
43.一电极，其构造成与等离子弧焊矩的阴极元件电气地接触，以及一冷却流体流过以便冷却附近的电气接触，电极包括：
多个肋；以及
多个设置在肋之间的凹槽，
其中，肋接触邻近的阴极元件以便电气地接触，流体流过凹槽，以便流体在电气接触的附近流过。
44.如权利要求43所述的电极，其特征在于，电极还包括一棘爪，其用来连接到等离子弧焊矩的一邻近的部件。
45.一电极，其构造成与一液体冷却的等离子弧焊矩的阴极元件电气地接触，以及一冷却流体流过，电极包括：
一远端部分；
一铪插入件，其设置在远端部分内；以及
至少一个流体通道，其通过远端部分和邻近的铪插入件而形成，
其中，冷却流体流过流体通道以便冷却电极。
46.一等离子弧焊矩，包括：
一阴极元件；
一设置在阴极元件的远端部分处的电极保持器，电极保持器与阴极元件电气地接触；以及
一电极，其构造成与电极保持器电气地接触，
其中，一冷却流体流过电极保持器并沿着电极保持器和电极之间的电气接触的相邻的区域流过。
47.一等离子弧焊矩，包括：
一形成一远端面的阴极元件；以及
一邻近阴极元件设置并形成一近端面的电极，
其中，电极的近端面邻接阴极元件的远端面以便电气地接触，而一冷却流体沿电气接触的相邻区域流动。
48.一等离子弧焊矩包括：
一用来在一电极和一邻近的阴极元件之间传导电力的装置；以及
一在电极和邻近阴极元件之间、在传导电力附近引导流体的装置。
49.一用于一等离子弧焊矩的电极包括：
一用来在电极和一邻近的阴极元件之间传导电力的装置；以及
一在电极和邻近阴极元件之间、在传导电力附近引导流体的装置。
50.一操作等离子弧焊矩的方法，该方法包括如下步骤：
在一电极和一邻近的阴极元件的邻近的周界表面之间传导冷却流体和电力；
其中，邻近的周界表面提供电气接触和流体的流过。
51.一操作等离子弧焊矩的方法，该方法包括如下步骤：
传导冷却流体通过沿一电极形成的至少一个通道；以及
沿电极和邻近的阴极元件的相邻的周界表面传导电力，
其中，冷却流体流过通道，以便冷却附近的电气接触，而邻近的周界表面提供电气的接触。
52.一操作等离子弧焊矩的方法，该方法包括如下步骤：
传导冷却流体通过沿一电极形成的至少一个凹槽，通过电极和邻近的阴极元件之间的电气连接的附近；以及
传导电力通过设置在多个凹槽之间的至少一个肋。
53.一操作等离子弧焊矩的方法，该方法包括如下步骤：
传导冷却流体通过沿一电极形成的多个凹槽，通过电极和邻近的阴极元件之间的电气连接的附近；以及
传导电力通过设置在多个凹槽之间的多个肋，其中，肋与阴极元件电气地接触。
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