DISPOSITIVO DE PROTECCIÓN HÍBRIDO PARA UN SOPLETE DE ARCO DE PLASMA
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente descripción se refiere a sopletes de arco de plasma y, en particular, a dispositivos y métodos para controlar el flujo de gas de protección en un soplete de arco de plasma. La exposición de esta sección proporciona únicamente información básica relacionada con la presente descripción y no pueden constituir la técnica anterior. Los sopletes de arco de plasma, también conocidos como sopletes de arco eléctrico, normalmente se utilizan para cortar, marcar, ranurar, y soldar piezas de trabajo de metal al enviar una corriente de plasma de alta energía que se compone de partículas de gas ionizadas hacia la pieza de trabajo. En un soplete de arco de plasma típico, el gas que se va a ionizar se suministra a un extremo distante del soplete y fluye a través de un electrodo antes de salir a través de un orificio en la boquilla, o tobera, del soplete de arco de plasma. El electrodo tiene un potencial relativamente negativo y opera como un cátodo. Por el contrario, la boquilla del soplete constituye un potencial relativamente positivo y opera como un ánodo durante su manejo. Además, el electrodo se encuentra en una relación separada con la boquilla, creando, por lo tanto, un espacio
en el extremo distante del soplete. En operación, se crea un arco piloto en el espacio entre el electrodo y la boquilla, por lo general referido como la cámara de arco de plasma, en donde el arco piloto calienta y después ioniza el gas. El gas ionizado se sopla fuera del soplete y surge como una corriente de plasma que se extiende en forma distante fuera de la boquilla. Cuando el extremo distante del soplete se mueve hacia una posición cercana a la pieza de trabajo, el arco brinca o se transfiere de la boquilla del soplete a la pieza de trabajo con la ayuda de un circuito de conmutación activado mediante la fuente de energía. Por consiguiente, la pieza de trabajo funciona como el ánodo y el soplete de arco de plasma se opera en un modo de "arco transferido". En sopletes de arco de plasma de alta precisión, se proporcionan tanto un gas de plasma como un gas secundario, en donde el gas de plasma se envía a la cámara de arco de plasma y el gas secundario se envía cerca del arco de plasma para contraer el arco y acercarse tanto como sea posible a un corte normal a lo largo de la cara de una pieza de trabajo. El flujo de gas secundario no puede ser demasiado alto, de lo contrario, el arco de plasma puede desestabilizarse y el corte a lo largo de la cara de una pieza de trabajo se desvía del ángulo normal deseado. Con tal flujo de gas secundario relativamente bajo, el enfriamiento de los componentes del soplete de arco de plasma se vuelve menos eficaz y la
capacidad de perforación se reduce debido a la salpicadura de metal fundido. Métodos mejorados para controlar el gas secundario se desean constantemente en el campo de corte por arco de plasma con el fin de mejorar tanto la calidad del corte como la ejecución del corte del soplete de arco de plasma. En una forma de la presente descripción, se proporciona un método para controlar el flujo de gases a través de un soplete de arco de plasma que tiene un electrodo adaptado para su conexión eléctrica a un lado catódico de una fuente de energía y una boquilla colocada en forma distante del electrodo para definir una cámara de plasma entre los mismos. El método comprende enviar un flujo de gas de plasma a la cámara de plasma, enviar un primer flujo de gas auxiliar cerca de una corriente de plasma que sale de la boquilla, ya sea en forma vorticial o en forma radial, y enviar un segundo flujo de gas auxiliar cerca del primer flujo de gas auxiliar y de la corriente de plasma, ya sea en forma coaxial, forma angulada o forma radial. El primer flujo de gas auxiliar sirve para contraer y conformar la corriente de plasma para mejorar la calidad del corte y la velocidad del corte, y el segundo flujo de gas auxiliar sirve para proteger el soplete de arco de plasma durante la perforación y corte y para enfriar los componentes del soplete de arco de plasma, de tal manera que las piezas de trabajo más gruesas pueden
procesarse con una corriente de plasma muy bien conformada. En otra forma de la presente descripción, se proporciona un método para controlar el flujo de gases a través de un soplete de arco de plasma que tiene un electrodo adaptado para su conexión eléctrica a un lado catódico de una fuente de energía y una boquilla colocada en forma distante del electrodo para definir una cámara de plasma entre los mismos. El método comprende enviar un flujo de gas de plasma a la cámara de plasma, enviar un primer flujo de gas auxiliar a través de una cámara interior de gas auxiliar del dispositivo de protección y cerca de una corriente de plasma que sale de la boquilla, y enviar un segundo flujo de gas auxiliar a través de una cámara exterior de gas auxiliar del dispositivo de protección y cerca del primer flujo de gas auxiliar y de la corriente de plasma. En aún otra forma de la presente descripción, se proporciona un dispositivo de protección para su uso en un soplete de arco de plasma que tiene un electrodo adaptado para su conexión eléctrica a un lado catódico de una fuente de energía y una boquilla colocada en forma distante del electrodo para definir una cámara de plasma entre los mismos en la que fluye el gas de plasma, la boquilla se adapta para su conexión eléctrica a un lado catódico de la fuente de energía y que define un orificio de salida a través del cual sale la corriente de plasma. El dispositivo de protección
comprende un miembro interior de protección que rodea la boquilla para definir una cámara interior de gas auxiliar entre el miembro interior de protección y la boquilla para enviar un primer flujo de gas auxiliar cerca de la corriente de plasma y un miembro exterior de protección asegurado al miembro interior de protección para definir una cámara exterior de gas auxiliar entre el miembro exterior de protección y el miembro interior de protección para enviar un segundo flujo de gas auxiliar a través de una porción extrema distante del miembro exterior de protección. El dispositivo de protección se adapta para asegurarse al soplete de arco de plasma mediante una tapa de retención. En aún otra forma, se proporciona un dispositivo de protección para su uso en un soplete de arco de plasma para el manejo de un flujo de gas auxiliar cerca de una corriente de plasma que sale de una boquilla del soplete de arco de plasma para mejorar la calidad de corte y la velocidad de corte, y para reducir la salpicadura de fundidos a partir de contactar componentes del soplete de arco de plasma durante la operación. El dispositivo de protección comprende una cámara interior de gas auxiliar que rodea por lo menos una porción de la boquilla y envía una parte del flujo de gas auxiliar cerca de la corriente de plasma, ya sea en una forma vorticial o en una forma radial. El dispositivo de protección también comprende una cámara exterior de gas auxiliar que
envía otra parte del flujo de gas auxiliar cerca del flujo a través de la cámara interior de gas auxiliar, ya sea en una forma coaxial, una forma angulada o una forma radial. Áreas adicionales de aplicabilidad se volverán aparentes a partir de la descripción proporcionada en la presente. Debe entenderse que la descripción y ejemplos específicos son para propósitos de ilustración solamente y no pretenden limitar el alcance de la presente descripción. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos descritos en la presente son para propósitos de ilustración solamente y no pretenden limitar el alcance de la presente descripción en ningún modo. La FIGURA 1 es una vista en corte transversal de una porción extrema distante de un soplete de arco de plasma que incluye un dispositivo de protección construido de acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 2 es una vista en corte transversal agrandada de la porción extrema distante del soplete de arco de plasma y del dispositivo de protección de acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 3 es una vista en perspectiva de una forma del dispositivo de protección de acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 4 es una vista en perspectiva en despiece de una forma del dispositivo de protección construido de
acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 5 es una vista superior del dispositivo de protección, de acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 6 es una vista en corte transversal del dispositivo de protección tomada a lo largo de la linea A-A de la FIGURA 5 de acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 7 es una vista en corte transversal de otra forma del dispositivo de protección construido de acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 8 es una vista en corte transversal de aún otra forma del dispositivo de protección construido de acuerdo con los principios de la presente descripción; la FIGURA 9 es una vista en corte transversal de aún otra forma del dispositivo de protección construido de acuerdo con los principios de la presente descripción. La siguiente descripción es únicamente de naturaleza ejemplar y no pretende limitar ^ la presente descripción, aplicación o usos. Debe entenderse que a lo largo de los dibujos, los números de referencia correspondientes indican partes y características similares o correspondientes. También debe entenderse que los diversos patrones de rayado cruzado utilizados en los dibujos no pretenden limitar los materiales específicos que pueden
emplearse con la presente descripción. Los patrones de rayado cruzado son únicamente ejemplares de materiales preferidos o que se utilizan para distinguir entre componentes adyacentes o coincidentes ilustrados en los dibujos para propósitos de claridad. Con referencia a las FIGURAS 1 y 2, se ilustra un soplete de arco de plasma y en general se indica mediante el número de referencia 20. El soplete 20 de corte por arco de plasma en general incluye una pluralidad de componentes fungibles incluyendo, a modo de ejemplo, un electrodo 22 y una boquilla 24 que se encuentran separados mediante un distribuidor 26 de gas para formar una cámara 28 de arco de plasma. El electrodo 22 se adapta para su conexión eléctrica a un lado catódico o negativo de una fuente de energía (no mostrada) , y la boquilla 24 se adapta para su conexión eléctrica a un lado anódico o positivo de una fuente de energía durante su manejo. Cuando se suministra energía al soplete 20 de arco de plasma, se crea un arco piloto en la cámara 28 de arco de plasma, lo cual calienta y después ioniza un gas de plasma que se envía a la cámara 28 de arco de plasma a través del distribuidor 26 de gas. El gas ionizado se sopla fuera del soplete de arco de plasma y surge como una corriente de plasma que se extiende en forma distante fuera de la boquilla 24. Una descripción más detallada de componentes adicionales y operación general del
soplete 20 de arco de plasma se proporciona, a modo de ejemplo, en la Patente Norteamericana No. 7,019,254, titulada "Soplete de Arco de Plasma", y sus solicitudes relacionadas, las cuales normalmente se asignan con la presente descripción y el contenido de las cuales se incorpora en su totalidad en la presente para referencia. Como se utiliza en la presente, aquéllos con experiencia en la técnica deben entender que un soplete de arco de plasma, operado en forma manual o automatizada, es un aparato que genera o utiliza plasma para operaciones de corte, soldeo, rociado, ranurado o marcado, entre otras. Por consiguiente, no debe considerarse que la referencia especifica en la presente a sopletes de corte por arco de plasma, sopletes de arco de plasma o sopletes de arco de plasma automatizados limita el alcance de la presente invención. Además, no debe considerarse que la referencia especifica para proporcionar gas a un soplete de arco de plasma limita el alcance de la presente invención, de tal manera que otros fluidos, por ejemplo líquidos, también pueden proporcionarse al soplete de arco de plasma de acuerdo con las enseñanzas de la presente invención. Además, como se utiliza en la presente, las palabras "dirección próxima" o "en forma próxima" es la dirección como se representa mediante la flecha X y las palabras "dirección distante" o "en forma distante" es la dirección como se representa
mediante la flecha Y. Los componentes fungibles también incluyen un dispositivo 30 de protección que se coloca en forma distante de la boquilla 24 y que se encuentra separado de la fuente de energía. El dispositivo 30 de protección en general sirve para proteger la boquilla 24 y otros componentes del soplete 20 de arco de plasma de la salpicadura de fundidos durante su operación, además de enviar un flujo de gas de protección que se utiliza para estabilizar y controlar la corriente de plasma. Además, el gas enviado mediante el dispositivo 30 de protección proporciona un enfriamiento adicional a los componentes fungibles del soplete 20 de arco de plasma, lo cual se describe en mayor detalle en lo siguiente. De preferencia, el dispositivo 30 de protección se forma de cobre, aleación de cobre, acero inoxidable o material cerámico aunque también se pueden emplear otros materiales que son capaces de realizar la función prevista del dispositivo 30 de protección que se describe en la presente mientras permanezcan dentro del alcance de la presente descripción. En particular, y con referencia a las FIGURAS 2-6, el dispositivo 30 de protección comprende un miembro 32 interior de protección que rodea la boquilla 24 para definir una cámara 24 interior de gas auxiliar entre el miembro 32 interior de protección y la boquilla 24. La cámara 34
interior de gas auxiliar envía un primer flujo de gas auxiliar cerca de la corriente 36 de plasma a medida que la corriente 36 de plasma sale de la boquilla 24 con el fin de contraer y conformar la corriente de plasma, mejorando así la calidad de corte y la velocidad de corte. Como se muestra más aún, el dispositivo 30 de protección comprende un miembro 42 exterior de protección que se asegura al miembro 32 interior de protección en una forma de la presente descripción. En otra forma, tanto el miembro 32 interior de protección como el miembro 42 exterior de protección forman una sola pieza, de tal manera que el dispositivo 30 de protección es un cuerpo unitario. Una cámara 44 exterior de gas auxiliar se forma entre el miembro 42 exterior de protección y el miembro 32 interior de protección, la cual envía un segundo flujo de gas auxiliar a través de una porción 46 extrema distante del miembro 42 exterior de protección. Este segundo flujo de gas auxiliar sirve para proteger el soplete 20 de arco de plasma durante la perforación y el corte y también enfría los componentes del soplete 20 de arco de plasma, de tal manera que las piezas de trabajo más gruesas pueden procesarse con una corriente 36 de plasma muy bien conformada. Además, el segundo flujo de gas auxiliar sirve para agregar una cantidad de movimiento a la remoción de metal y funciona como un circuito intermedio entre la corriente 36 de plasma y el
entorno externo. Por lo tanto, el dispositivo 30 de protección comprende una cámara 34 interior de gas auxiliar y una cámara 44 exterior de gas auxiliar, las cuales proporcionan múltiples mecanismos de inyección del gas auxiliar cerca de la corriente 36 de plasma con el fin de obtener una calidad y velocidad de corte mejoradas, además de una duración mejorada de los componentes fungibles. Por lo tanto, el dispositivo 30 de protección, de acuerdo con las enseñanzas de la presente descripción, proporciona un mecanismo de inyección híbrido para el gas auxiliar. Como se utiliza en la presente, debe entenderse que el término "gas auxiliar" se refiere a cualquier gas distinto al gas de plasma, tal como un gas secundario, gas terciario, gas de protección u otro gas que se contemple en la técnica. Además, el primero y segundo flujo de gas auxiliar, en una forma, se proporcionan a partir de una sola fuente de gas (no mostrada) y, en otra forma, estos gases auxiliares se proporcionan a partir de una pluralidad de fuentes de gas (no mostradas) . La pluralidad de fuentes de gas puede ser del mismo tipo de gas, tal como aire o diferentes tipos de gases, tales como, a modo de ejemplo, aire, oxígeno, nitrógeno y H35, entre otros, los cuales pueden mezclarse además según se requiera . Con referencia nuevamente a las FIGURAS 1 y 2, el dispositivo 30 de protección se adapta para asegurarse al
soplete 20 de arco de plasma mediante una tapa 50 de retención, la cual se encuentra en una forma roscada (no mostrada) en el soplete 20 de arco de plasma, pero también puede unirse mediante una desconexión rápida u otro dispositivo mecánico. La tapa 50 de retención comprende un reborde anular (FIGURA 1) , como se muestra, y una extensión 54 alrededor de una porción 56 extrema próxima del miembro 42 exterior de protección se acopla con el reborde 52 anular de la tapa 50 de retención para colocar el dispositivo 30 de protección dentro del soplete 20 de arco de plasma. Asimismo, con referencia a la FIGURA 6, el miembro 42 exterior de protección además comprende un reborde 58 rebajado dispuesto alrededor de su porción 56 extrema próxima y el miembro 32 interior de protección comprende una pestaña 60 anular dispuesta alrededor de su porción 62 extrema próxima. La pestaña 60 anular del miembro 32 interior de protección se empalma con el reborde 58 rebajado del miembro 42 exterior de protección, como se muestra, para colocar el miembro 32 interior de protección en relación con el miembro 42 exterior de protección. Como se muestra más aún en las FIGURAS 4 y 6, el miembro 42 exterior de protección comprende una porción 64 de pared interior próxima y el miembro 32 interior de protección comprende una porción 66 de pared exterior. La porción 66 de pared exterior próxima del miembro 32 interior de protección
se acopla con la porción 64 de pared interior próxima del miembro 42 exterior de protección para asegurar el miembro 32 interior de protección al miembro 42 exterior de protección en un modo de ajuste a presión, en una forma de la presente descripción. Sin embargo, debe entenderse que en esta forma del dispositivo 30 de protección que tiene piezas separadas, las piezas pueden unirse mediante cualquiera de una diversidad de métodos, incluyendo, a modo de ejemplo, roscas, soldadura y fijación con adhesivo, entre otros. Debe entenderse que tales técnicas de unión se encuentran dentro del alcance de la presente descripción. Con referencia a continuación a las FIGURAS 2-6, el miembro 32 interior de protección comprende pasajes 70 de gas formados a través de la pestaña 60 anular, los cuales se encuentran separados en forma radial en una forma de la presente descripción. Los pasajes 70 de gas envían el segundo flujo de gas auxiliar a la cámara 44 exterior de gas auxiliar. El primer flujo de gas auxiliar se envía a través de los pasajes 72 de gas formados a través de un distribuidor 74 de gas auxiliar, los cuales, en una forma, se encuentran orientados de tal modo que el primer flujo de gas auxiliar forma remolinos a medida que entra a la cámara 34 interior de gas auxiliar. Por consiguiente, la cámara 34 interior de gas auxiliar envía el primer flujo de gas auxiliar cerca de la corriente 36 de plasma en un modo vorticial, en una forma de
la presente descripción. Como se muestra más aún, el miembro 42 exterior de protección comprende un orificio 80 de salida formado a través de su porción 46 extrema distante. También se forma un rebajo 84 en una cara 86 extrema distante del miembro 42 exterior de protección, en una forma de la presente descripción, en donde las extensiones 88 de borde sirven para proteger aún más el miembro 32 interior de protección durante la perforación y el corte. Como una alternativa al orificio 80, el miembro 42 exterior de protección puede comprender pasajes de gas individuales (no mostrados) en lugar del orificio 80 que se ilustra y describe en la presente, en donde los pasajes de gas envían el segundo flujo de gas auxiliar cerca de la corriente de plasma. El miembro 32 interior de protección comprende una extensión 90 distante que define una porción 92 de pared distante exterior, como se muestra. En una forma que se muestra en la FIGURA 6, el orificio 80 de salida del miembro 42 exterior de protección se alinea con la porción 92 de pared distante exterior del miembro 32 interior de protección. En esta forma, tanto el orificio 80 de salida del miembro 42 exterior de protección como la porción 92 de pared distante exterior del miembro 32 interior de protección son axiales y, de este modo, el segundo flujo de gas auxiliar enviado a través de la cámara 44 exterior de gas auxiliar
fluye en una forma coaxial, en una forma de la presente descripción . En otra forma que se muestra en la FIGURA 7, el segundo flujo de gas auxiliar enviado a través de la cámara 44 exterior de gas auxiliar define un componente axial y un componente radial. En particular, en esta forma, el segundo flujo de gas auxiliar enviado a través de la cámara 44 exterior de gas auxiliar se orienta hacia dentro y la porción 92 de pared distante exterior del miembro 32 interior de protección se alinea con el orificio 80 de salida del miembro 42 exterior de protección. En otra forma que se muestra en la FIGURA 8, el segundo flujo de gas auxiliar enviado a través de la cámara 44 exterior de gas auxiliar se orienta hacia fuera. Debe entenderse con estas diversas formas del segundo flujo de gas auxiliar que el orificio 80 de salida del miembro 42 exterior de protección no necesita alinearse con la porción 92 de pared distante exterior del miembro 32 interior de protección. Con referencia a la FIGURA 9, se muestra aún otra forma de la cámara 44 exterior de gas auxiliar, en la que el segundo flujo de gas auxiliar se envía en una forma radial cerca de la corriente 36 de plasma. Debe entenderse que tales variaciones del flujo de gas auxiliar a través de la cámara 44 exterior de gas auxiliar y de la cámara 34 interior de gas
auxiliar, tanto en forma individual como en combinación entre sí, pueden emplearse de acuerdo con requerimientos de operación específicos mientras permanezcan dentro del alcance de la presente descripción. Además, con cada una de las formas para enviar el segundo flujo de gas auxiliar, es decir, coaxial, angulada y radial, el flujo también puede enviarse en una forma vorticial con cada una de estas formas. Por ejemplo, el segundo flujo de gas auxiliar puede ser coaxial con un componente vorticial, angulado con un componente vorticial o radial con un componente vorticial. Por lo tanto, debe entenderse que otros componentes para el segundo flujo de gas auxiliar, y también para el primer flujo de gas auxiliar, distintos a los que se indican en la presente, se encuentran dentro del alcance de la presente descripción. Por lo tanto, en general, la cámara 34 interior de gas auxiliar rodea por lo menos una porción de la boquilla 24 y envía una parte del flujo de gas auxiliar cerca de la corriente 36 de plasma en una forma vorticial y en una forma radial. La cámara 44 exterior de gas auxiliar envía otra parte del flujo de gas auxiliar cerca del flujo a través de la cámara 34 interior de gas auxiliar, ya sea en una forma coaxial, una forma angulada o una forma radial, cada una de las cuales también puede tener un componente vorticial. Por consiguiente, la cámara 44 exterior de gas auxiliar puede
definir una configuración coaxial, una configuración angulada o una configuración radial cerca de una porción extrema distante del dispositivo 30 de protección. La descripción de la divulgación es únicamente de naturaleza ejemplar y, por lo tanto, se pretende que las variaciones que no se aparten de la esencialmente de la divulgación se encuentren dentro del alcance de la invención. Por ejemplo, el miembro 32 interior de protección, en una forma, se encuentra rebajado del miembro 42 exterior de protección próximo a la porción 46 extrema distante del miembro 42 exterior de protección (por ejemplo, FIGURAS 6 y 9) . En otra forma, el miembro 32 interior de protección se encuentra a nivel con el miembro 42 exterior de protección próximo a la porción 46 extrema distante del miembro 42 exterior de protección (por ejemplo, FIGURAS 7 Y 8). Sin embargo, aunque no se ilustra en la presente, el miembro 32 interior de protección puede extenderse más allá de la porción 46 extrema distante del miembro 42 exterior de protección mientras permanezcan dentro del alcance de la presente descripción. Por lo tanto, el miembro 32 interior de protección puede rebajarse, estar a nivel o sobresalir en relación con la porción 46 extrema distante del miembro 42 exterior de protección y encontrarse dentro del alcance de la presente descripción. Tales variaciones no deben considerarse como una desviación del espíritu y alcance de la invención.