CN1901773A - 具有可互换电极系统的等离子体焰炬 - Google Patents

Abstract

提供一种用于等离子体焰炬的电极系统，其包括构造在第一切割装置中的第一电极支座并适于切割更薄的工件。该第一电极支座构造成容纳第一电极组件，该第一电极组件包括在其中容纳发射插入元件的支座元件。构造在第二切割装置中的第二电极支座并适于切割更厚的工件。该第二电极支座与第一电极支座可相对于等离子体焰炬互换。第二电极支座进一步构造成容纳包括笔形元件的第二电极组件。因此可互换的第一和第二电极支座允许单个等离子体焰炬同时可切割厚和薄的两种工件。还提供了相关的电极系统和电极装置。

Description

具有可互换电极系统的等离子体焰炬

技术领域

本申请涉及一种等离子体焰炬，以及更尤其涉及一种具有可互换电极系统的等离子体焰炬，使得该等离子体焰炬能有效地切割更厚和更薄的两种工件。

背景技术

等离子体焰炬通常用于金属的加工，包括切割、焊接、表面处理、熔融和退火。该焰炬包括支持电弧的电极，该电弧从电极延伸到工件。等离子气体通常直接冲击工件，同时气体以回旋方式围绕电弧。在一些焰炬中，辅助的或保护气体，或水的回旋喷射，用于围绕等离子气体和电弧的喷射来控制工件操作。现存的等离子体焰炬的一个特征在于在用于切割相对薄的工件和用于切割相对厚的工件的焰炬或焰炬构造之间有很少的或没有通用性。因此，希望能切割薄和厚两种工件的使用者就必须经常购买两个完整的且不同的焰炬装置。此外，希望制造两种类形焰炬的等离子弧焰炬制造者必须制造并保养两组完整的不同部件，因此当包括两种类形的焰炬时，制造成本的复杂性就会增加。如果焰炬能切割厚和薄的两种工件，用于切割更厚工件的该焰炬的操作条件例如在效率方面是不理想的。例如，由ESAB Group，Inc.制造的PT-15形焰炬是一种能切割薄和厚两种金属板材的例子。然而，切割例如6英寸厚的金属板，需要该焰炬以1000安培的电流，400scfh的气流，以及250伏特的电压工作。因此，这样的操作参数使得厚金属板切割操作要承担相对高的成本。

在典型的等离子弧焰炬中，等离子气体和保护气体或水由具有同心环层或连续设置的等离子气体喷嘴和保护气体或水注射喷嘴的喷嘴组件引导。喷嘴组件是导电的并且与电极绝缘，使得这种电极和喷嘴组件之间可存在电势差来启动焰炬。为了启动该焰炬，电势源的一侧，通常是阴极侧，连接到该电极，并且另一侧，通常是阳极侧，通过开关和电阻连接到喷嘴组件。阳极侧也并联到工件，其中没有插入电阻。通过电极和喷嘴组件强加的高电压和高频率跨接在电极和喷嘴组件上，导致横跨们之间的间隙邻近等离子产生电弧放电。通常称为引导或启动电弧的该电弧处于高频率和高电压和相对低的电流下以避免破坏焰炬。引起等离子气体从等离子气体喷嘴流过以穿过喷嘴放电向外吹动引导弧直到该电弧接触工件。然后将电源连接到喷嘴组件的开关打开，以及该焰炬处于传递弧模式以在工件上执行操作。供应给焰炬的能量在传递弧模式中增加以产生切割电弧，该切割电弧的电流比引导电弧的电流高。

在一些等离子弧焰炬中，发射插入形电极用于产生从电极到工件的电弧。一些这样的电极包括，例如，在铜支座中固定有银隔板的铜支座。铪发射元件插入固定在银隔板中。通常，铜支座通过外螺纹固定在焰炬中，该外螺纹与电极支座的内螺纹相配合。使用发射插入形元件的该焰炬通常公知可以有效地切割相对薄的材料，例如，大约1英寸厚的碳钢板。在一些情况下，例如当切割厚金属工件时，由于结构的限制使用铪发射元件的焰炬通常不适于最大大约400安培的电流。然而，使用钨代替铪插入在支座的焰炬能用于切割厚材料，但是使用嵌入钨的电极的该焰炬结构为了切割6英寸厚的材料，通常需要大约1000安培的最小电流值。形成这样一种在高电流电平下操作的焰炬，不希望地导致关于例如安全、运行效率、以及构造成本的关切。

其它等离子弧焰炬，例如使用钨笔形电极的焰炬，通常认为有助于切割厚材料。这样的钨笔电极例如是涂钍钨形成笔形而形成的，其固定在具有特殊电极固定装置的焰炬中。然而，钨笔形电极不能与通常和发射插入形电极一起使用的空气或氧气(如等离子气体)一起使用。作为替代，该钨笔形电极通常与35％的氢和65％氩的混合体一起使用，在电流大约600安培时用于切割厚的板材，或者与氮一起使用以及在电流低于大约150安培时用于切割薄的板材。然而，通常不优选氮以及35％的氢和65％的氩的混合体来切割小于1到2英寸厚的钢。

总的来说，现存的等离子电弧焰炬常具有几个缺点，例如，在用于切割相对薄工件的焰炬以及焰炬构造和用于切割相对厚工件的焰炬以及焰炬构造之间缺乏通用。因此，希望出现一种能够以有效方式切割更厚和更薄的两种金属板材料的等离子体焰炬。

发明内容

通过本发明满足上述和其它需求，其中的一个实施例提供了一种用于等离子切割焰炬的电极系统。该电子系统包括一第一电极支座，其构造成由第一切割装置中的等离子切割焰炬接收。该第一电极支座进一步构造成接收第一电极装置，包括具有在其中容纳的发射插入元件(emissive insert element)的支座元件，以便该等离子切割焰炬适于切割薄工件。一第二电极支座构造成由第二切割装置中的等离子切割焰炬接收。该第二电极支座可与第一电极支座相对于等离子切割焰炬互换。该第二电极支座进一步构造成接收包括笔形元件的第二电极装置，以便该等离子切割焰炬适于切割更厚的工件。从而构造可互换的第一和第二电极支座以便一单独的等离子切割焰炬适于切割更厚和更薄的两种工件。

本发明的另一方面包括了一用于等离子切割焰炬的电极系统，其中该等离子切割焰炬具有在第一切割装置中容纳的第一电极支座。该第一电极支座构造成接收包括支座元件的第一电极组件以便该等离子切割焰炬适于切割薄工件，所述支座元件具有在其中容纳的发射插入元件。该电极系统包括一可与第一电极支座互换的第二电极支座，该第二电极支座构造成由第二切割装置中的等离子切割焰炬接收，其中该第二电极支座进一步构造成接收包括笔形元件的第二电极组件。该第二电极支座和第二电极组件由此构造成，使得当与等离子体焰炬中的第一电极支座和第一电极组件互换时，该等离子切割焰炬适于切割更厚的工件。

本发明的又一方面包括用于等离子切割焰炬的电极装置，其中该等离子切割焰炬适于在第一切割装置中容纳第一电极支座。该第一电极支座包括一具有支座元件的第一电极组件，该支座元件具有在其中容纳的发射插入元件，以便该等离子切割焰炬适于切割薄工件。该电极装置包括一由第二切割装置中的等离子切割焰炬接收的第二电极支座，该第二电极支座可与第一电极支座互换。当与等离子体焰炬中的第一电极支座互换时，该第二电极支座还进一步适于接收具有笔形元件的第二电极组件，以便该等离子体焰炬适于切割更厚的工件。

因此，本发明的实施例提供了如这里进一步所述的显著优势。

附图说明

现在将参考附图对本发明进行概括描述，其不必接近比例尺。其中：

图1示意性地表示出了根据本发明一实施例实现发射插入形第一电极组件的等离子弧焰炬的头部；

图2示意性地表示出了根据本发明一实施例的发射插入形第一电极组件、相关的喷嘴、以及第一电极支座作为一个组件从图1所示的焰炬头部移除；

图3示意性地表示出根据本发明一实施例，作为组合的笔形第二电极组件、相关的喷嘴、以及第二电极支座能与在图1所示的焰炬头内的图2所示的包括发射插入形第一电极组件、相关的喷嘴、以及第一电极支座的组件相互换；

图4是根据本发明一实施例的图3所示的笔形第二电极组件、相关的喷嘴、以及第二电极支座的分解图；

图5是根据本发明一实施例的图4所示的笔形第二电极组件的进一步分解图；

图6是根据本发明一实施例的图5所示夹套的透视图。

具体实施方式

现在本发明将参考附图进行更详细的说明，其中示出本发明的部分但不是全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的方式实施并不限定在这里所述的实例中；然而，提供这些实施例以便使得该公开满足适用法律的需求。全文中相同的附图标记代表相同的元件。

图1示出了根据本发明的等离子体焰炬的一个实施例，其使用了发射插入形电极，该等离子体焰炬通常用附图标记100表示。这里公开的这种类型的等离子体焰炬对于本领域技术人员来说是可被理解的，因此这里不用详细描述该焰炬。然而，该焰炬的例子能在例如美国专利6,346,685和6,215,090中找到，二者授与Severance，Jr.等人且转让给The ESAB Group公司以及本发明的受让人，虽然该例子并不用来以任何方式限定本发明。

图1所示的等离子体焰炬100包括一第一电极支座150，其构造成容纳在焰炬100的头部中。第一电极支座150通常是管状的并且包括相对的轴向端160、170。该管状的第一电极支座150构造成引导例如液体或气体的冷却剂，从近端160朝向远端170通过并进入到容纳在电极支座150中的电极冷却管180。在一些例子中，冷却管180可以通过例如胶粘或银焊，永久地安装在第一电极支座150中。第一电极组件190包括一通常也是管状的伸长支座元件200，包括相对的端210、220，并且构造成能在电极冷却管180上延伸以便近端210例如通过丝扣连接与第一电极支座150的远端170相连接。该支座元件200的远端220构造成限定一个轴向定中心的槽以接收一发射插入元件230，其中该发射插入元件230可以包括例如铪。在一些有优势例子中，发射插入元件230通过隔离元件240与支座元件200相分离，其中该支座元件200例如由铜构成，而隔离元件240例如由银构成。

具有这样的发射插入形电极的焰炬100使用例如大约等于400安培的电流电平，使用例如包括空气、氧气、氮气或其组合的等离子气体。在这点上，例如由瓷或塑料构成的管状气体涡状挡板250构造成绕着第一电极支座150/第一电极组件190关于它们之间的界面延伸，以及限定出大量在其周围切线延伸的涡状孔(未示出)以促进等离子气体相对于第一电极组件190的旋转。焰炬100进一步包括喷嘴300，该喷嘴构造成与气体涡状挡板250相接合，并在包括支座元件200/隔离元件240/发射插入元件230的第一电极组件190上延伸。与气体涡状挡板250接合的喷嘴300构造成通过涡状孔在其中接收等离子气体以致在第一电极组件190附件并朝向喷嘴300的尖端310引导等离子气体，其中该等离子气体然后通过喷嘴出口320从喷嘴300排出到工件上。焰炬100还可以包括在喷嘴300上延伸的防护喷嘴400以引导防护流围绕该等离子气体喷射。因此图1所示的该构造包括在第一切割装置的第一电极支座150/第一电极组件190，并通常适于切割相对更薄的工件。

根据本发明的一个有利方面，如图1所示的等离子弧焰炬100也可以容易地构造成能切割相对厚的工件。更尤其是，如图2所示，焰炬100易于被分解从而从那里移除第一电极组件190和第一电极支座150。就是说，当喷嘴300和防护喷嘴400从焰炬100移除时，在第一电极支座150从焰炬100移除之前，支座元件200能从第一电极支座150的远端170旋开或脱离。可选择的是，第一电极组件190和第一电极支座150能作为一单独组件从焰炬100移除。如图3和4所示，发射插入形电极组件190和第一电极支座150可以由笔形第二电极组件500和适合的第二电极支座150a代替。例如，构造成容纳笔形第二电极组件500的第二电极支座150a通常不需要在第一电极支座150中有的电极冷却管180。包括第二电极组件500/第二电极支座150a的焰炬100因此代表第二切割装置，由此该焰炬适于切割相对厚的材料。

笔形电极组件500以笔或杆状外形提供电极元件510，其中电极元件510可以由例如钨，更尤其是镀钍的、镀铈、或镀镧的钨组成。然而，钨电极元件510通常不与用于等离子气体的空气或氧气(其通常用于发射元件形电极)一起使用，但可以代替与例如包括氩和氢的等离子气体一起使用，例如35％的氢和65％的氩的混和物。已经发现该钨笔形电极元件510可以使用大约600安培的电流电平切断厚板状材料。因此，在发射插入形第一电极组件190/第一电极支座150和笔形第二电极组件500/第二电极支座150a之间进行替换，焰炬100必须构造成允许等离子气体源和电流电平二者都与插入到焰炬100中的电极组件/电极支座做相应的适当调整。等离子气体和/或电流电平的选择可以由操作者手动执行，或在某种情况下，焰炬100可以构造成自动检测其中安装的电极的类形和/或电极支座的构造并且因此适当地调整等离子气体和/或电流电平。

如图5所示，笔形第二电极组件500包括用于接收电极元件510以及在第二电极支座150a固定电极元件的夹套组件600。该夹套组件600包括，例如具有相对端620，630以及限定出轴向延伸孔的夹套610(在图6中示出透视图)。更尤其是，该夹套610包括在近端620附近的管状部以及邻近的分离连续部，该连接部限定出多个从管状部轴向延伸至远端630的延长元件625。该夹套610构造成接收轴向延伸孔中的杆状电极元件510，以至该电极元件510通过远端630延伸并由伸长元件625围绕着。限定孔的夹套本体640构造成在夹套610的远端630上延伸以便延长元件625容纳在夹套本体640中以及电极元件510贯穿由夹套本体640限定的孔。

包括电极元件510、夹套610、以及夹套本体640的笔形第二电极组件500构造成与第二电极支座150a接合从而允许重新装配焰炬100。更尤其是，夹套610的近端620构造成插入到第二电极支座150a中，使得夹套本体640能与第二电极支座150a螺纹接合(与发射插入形第一电极组件190的支座元件200与第一电极支座150接合的方式相同)。在一些例子中，第二电极支座150a可以设置成使得夹套610限定在其插入到第二电极支座150a中轴向范围。在夹套610远端630处的夹套本体640和延长元件625进一步限定互补构形的锥形表面625a，640a。同样地，当夹套本体640与第二电极支座150a螺纹接合时，夹套本体640的被螺纹地安装到第二电极支座150a上的轴向移动，接合由第二电极支座150a引起夹套610的受限制的轴向移动，一起造成互补构形的锥形表面625a，640a的相互作用以促进在夹套610远端630处的延长元件625朝向电极元件510径向向内。延长元件625的径向压缩因此相对于夹套610/夹套本体640轴向固定电极元件510。然而本领域的技术人员可以理解，第二电极组件500/第二电极支座150a的重新组装可以在第二电极支座150a与焰炬100接合前或者接合后执行。

喷嘴300以及保护喷嘴400(喷嘴300和保护喷嘴400中的任何一个或者两个都可以与用于发射插入形第一电极组件190的喷嘴300/保护喷嘴400是相同或不同的构造，必需提供用于焰炬100的适当的运行条件)，能重新安装以完成焰炬100的重新组装。接着等离子气体和电流电平将对于目前安装在焰炬100中的钨笔形第二电极组件500作适应性改变。

然而本领域技术人员可以理解，在夹套610/夹套本体640中固定电极元件510的过程也可以包括电极元件510的轴向调节，可能在反复的过程中，以便得到在喷嘴出口320附近，于电极元件510与喷嘴300尖端310内部之间的最佳间隔。与发射插入形第一电极组件190的支座元件200/隔离元件240/发射插入元件230(如图1所示)相比，电极元件510朝向喷嘴出口320(如图4所示)进一步伸长的能力已经被发明人认为是允许这里所述的焰炬100的一个因素，其可用笔形第二电极组件500/第二电极支座150a以大约600安培相对低的电流电平有效地切割更厚的材料。

因此，本发明的实施例允许单等离子弧焰炬适当地构造成使用具有相应的第一电极支座的发射插入形第一电极组件以切割相对更薄的材料和使用具有相应的第二电极支座的笔形第二电极组件以切割相对更厚的材料。因为允许该单焰炬切割更薄和更厚两种材料的必需的更改通常包括改变电极组件和电极支座，所以其中所实现的优势，例如是允许希望切割厚和薄两种工件的用户购买一种具有两个不同电极组件的单一的焰炬组件，该两个电极组件具有两个分别适合的电极支座。其实现的另一个优势是等离子弧焰炬制造者不必制造和保持用于薄材料和厚材料切割焰炬的两套不同部件(为了电极组件和电极支座而存储)的存货。结果，除了更简单和更少的制造操作之外还，得到了更具成本效益的存货系统。此外，如在笔形第二电极组件的情况中使用低电流电平切割厚材料的能力，希望产生更有效的运行条件，以及也可以允许焰炬使用比切割厚材料通常需要的较简单的和较省力的系统。

这里给出的本发明的许多修改和其它实施例将成为本发明所属领域技术人员想到，其受益于前述描述和相关附图。因此，可以理解本发明并不限定在所公开的具体实施例中，改进和其它实施例也将包括在所附权利要求的范围内。尽管这里使用了具体的术语，他们只是一般的和描述性的使用，并不是为了限定目的。

Claims (21)

1、一种用于等离子切割焰炬的电极系统，其包括：

一第一电极支座，其构造成由第一切割装置中的等离子切割焰炬接收，该第一电极支座进一步构造成接收第一电极组件，该第一电极组件包括具有在其中容纳发射插入元件的支座元件，以便该等离子切割焰炬适于切割更薄的工件；以及

一第二电极支座，其构造成由第二切割装置中的等离子切割焰炬接收，该第二电极支座可与第一电极支座相对于等离子切割焰炬可互换，该第二电极支座进一步构造成接收包括笔形元件的第二电极装置，使得该等离子切割焰炬适于切割更厚的工件，由此构造可互换的第一和第二电极支座，以便一单独的等离子切割焰炬适于切割更厚和更薄的工件。

2、根据权利要求1的电极系统，其中，第一电极组件进一步包括隔离元件，该隔离元件构造成将发射插入元件与支座元件分开。

3、根据权利要求1的电极系统，其中，支座元件由铜形成以及发射插入元件由铪形成。

4、根据权利要求2的电极系统，其中，隔离元件由银组成。

5、根据权利要求1的电极系统，其中，支座元件设置成与第一电极支座螺纹接合。

6、根据权利要求1的电极系统，其中，笔形元件包含从镀钍的、镀铈、和镀镧的钨组成的组中选出的材料。

7、根据权利要求1的电极系统，其中，第二电极组件进一步包括在其中间设置的夹套组件，并且夹套组件设置成将笔形元件紧固到第二电极支座上，夹套组件包括具有相对的第一和第二端且限定一轴向孔的夹套，该夹套进一步包括从第一端延伸的管状部以及限定多个延长元件并从管状部向第二端延伸的邻近分离连续部，该夹套设置成通过孔接收笔形元件以便该笔形元件贯穿第二端并由延长元件围绕。

8、根据权利要求7的电极系统，其中，夹套组件进一步包括限定孔并设置成在第二端以及分离连续部的的延长元件上延伸的夹套本体以便笔形元件贯穿该孔，夹套本体和所述分离连续部限定互补构成的锥形面以便夹套本体和所述分离连续部的轴向接合促使延长元件径向向内朝向笔形元件使得笔形元件相对于夹套组件轴向固定。

9、根据权利要求8的电极系统，其中，第二电极支座设置成接收并限定夹套相对于那里的轴向移动，以及其中该夹套本体设置成与第二电极支座螺纹接合从而将夹套紧固于其中，并引起延长元件对笔形元件起作用并紧固笔形元件。

10、根据权利要求1的电极系统，其中，第一和第二电极支座构造成可互换地设置在等离子切割焰炬的焰炬头中，以及该等离子切割焰炬进一步包括一气体源，该气体源设置成能有选择地向焰炬头供应供第一电极支座使用的第一气体和供第二电极支座使用的第二气体以与由等离子切割焰炬容纳的第一和第二电极支座中对应的一个相互作用。

11、根据权利要求10的电极系统，其中，第一气体是从包括空气、氧气、氮气、以及其组合的组中选出的。

12、根据权利要求10的电极系统，其中，第二气体是从包括氢气、氩、以及其组合的组中选出的。

13、根据权利要求1的电极系统，其中，等离子切割焰炬进一步包括一电流源，该电流源构造成能够可选择地对于由等离子切割焰炬接收的第一和第二电极支座中的相应的一个提供第一电流电平至第一电极组件以及提供第二电流电平给第二电极组件。

14、根据权利要求13的电极系统，其中，第一电流电平等于约400安培。

15、根据权利要求13的电极系统，其中，第二电流电平等于约600安培。

16、一种用于等离子切割焰炬的电极系统，该等离子切割焰炬具有在第一切割装置中容纳的第一电极支座，该第一电极支座构形成接收包括支座元件的第一电极组件以便该等离子切割焰炬适于切割更薄的工件；所述支座元件具有在其中容纳的发射插入元件，该电极系统包括：

一第二电极支座，该第二电极支座构成由第二切割装置中的等离子切割焰炬接收，该第二电极支座可与第一电极支座互换，第二电极支座进一步构成接收包括笔形元件的第二电极组件，该第二电极支座和第二电极组件因此构成为：当与等离子体焰炬中的第一电极支座和第一电极组件互换时，该等离子体焰炬适于切割更厚的工件。

17、根据权利要求16的电极系统，其中，笔形元件包括从镀钍的、镀铈、或镀镧的钨组成的组中选出的材料。

18、根据权利要求16的电极系统，其中，第二电极组件进一步包括在其中间设置的夹套组件，并且夹套组件设置成将笔形元件固定到第二电极支座上，夹套组件包括具有相对的第一和第二端的夹套且夹套限定一轴向孔，该夹套进一步包括从第一端延伸的管状部以及限定多个延长元件并从管状部向第二端轴向延伸的邻近分离连续部，该夹套设置成通过孔接收笔形元件以便该笔形元件贯穿第二端延伸并由延长元件围绕。

19、根据权利要求18的电极系统，其中，夹套组件进一步包括限定孔并设置成在第二端以及分离连续部的延长元件上延伸的夹套本体，使得笔形元件通过该孔中延伸，夹套本体和分离连续部限定互补构成的锥形面以便夹套本体和分离连续部的轴向接合促使延长元件朝向笔形元件径向向内以便笔形元件相对于夹套组件轴向紧固。

20、根据权利要求19的电极系统，其中，第二电极支座设置成接收并限定夹套与其相对的轴向移动，以及其中该夹套本体设置成与第二电极支座螺纹接合从而将夹套紧固在那里并引起延长元件对笔形元件起作用并紧固笔形元件。

21、一种用于等离子切割焰炬的电极装置，该等离子切割焰炬适于在第一切割装置中容纳的第一电极支座，第一电极支座包括具有支座元件的第一电极组件，所述支座元件在其中容纳有发射插入元件，使得该等离子切割焰炬适于切割更薄的工件，该电极装置包括：

一第二电极支座，该第二电极支座构造成由第二切割装置中的等离子切割焰炬接收，该第二电极支座可与第一电极支座互换，当与等离子体焰炬中的第一电极支座互换时该第二电极支座进一步适合接收具有笔形元件的第二电极组件使得该等离子切割焰炬适于切割更厚的工件。

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