RU2610138C2 - Композиционные расходуемые детали горелки для сварки плазменной дугой - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложен электрод для использования в горелке для сварки плазменной дугой. Электрод включает в себя тело, имеющее передний участок, средний участок и задний участок. Передний участок включает в себя рабочий конец электрода, содержащий проводящий первый материал, причем рабочий конец электрода включает в себя: 1) область вспомогательного контакта для зажигания вспомогательной дуги поперек сопла и 2) излучатель. Средний участок содержит второй материал и ограничивает ближний конец для сопряжения с передним участком и дальний конец для сопряжения с задним участком. Плотность материала, присущая второму материалу, составляет, по меньшей мере, половину плотности материала, присущей первому материалу. Электрод также включает в себя токопроводящий тракт, идущий от переднего участка к заднему участку упомянутого тела. Технический результат - улучшение маневренности горелки и облегчение пользования при ручных операциях. 8 н. и 50 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится в основном к композиционным расходуемым деталям горелок для сварки плазменной дугой, а конкретнее - к композиционным расходуемым деталям, включающим в себя проводящий первый материал и, по меньшей мере, один дополнительный материал, имеющий меньшую плотность материала, чем проводящий первый материал.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Горелки для термообработки, такие, как горелки для сварки плазменной дугой, широко применяются при нагревании, резании, формировании выемок и маркировке материалов. Горелка для сварки плазменной дугой в общем случае включает в себя электрод, сопло, имеющее центральное выходное отверстие, проделанное внутри корпуса горелки, электрические соединения, протоки охлаждения и протоки текучих сред управления дугой (например, плазменного газа). Для управления структурой потоков текучих сред в плазменной камере, образованной электродом и соплом, можно применить вихреобразующее кольцо. В некоторых горелках используют стопорный колпачок для поддержания сопла и/или вихреобразующего кольца в горелке для сварки плазменной дугой. Во время эксплуатации, горелка создает плазменную дугу, которая представляет собой суженную струю ионизированного газа с высокой температурой и большим количеством движения, способствуя отводу расплавленного металла.

Расходуемые детали для горелок для сварки плазменной дугой в общем случае состоят из меди. Хотя медь и обеспечивает приемлемые характеристики теплопередачи, ее стоимость увеличивается по нарастающей, и поэтому применение меди становится нерентабельным. Кроме того, некоторые новые конструкции из расходуемых деталей, включающих в себя расходуемые детали с увеличенными размерами, требуют большего количества меди для достижения целевых преимуществ. Поэтому было бы желательно сократить количество меди, используемой в расходуемых деталях, без ущерба для их функциональных возможностей.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать, по меньшей мере, одну композиционную расходуемую деталь, которая сочетает в себе преимущества свойств материала, присущие проводящему материалу, такому, как медь, с преимуществами стоимости, присущими одному или нескольким более дешевым материалам. Другая задача данного изобретения состоит в том, чтобы разработать способы производства композиционных расходуемых деталей для дальнейшего снижения затрат и времени обработки. Еще одна задача изобретения состоит в том, чтобы уменьшить массу одного или нескольких расходуемых деталей, тем самым уменьшая массу горелки для сварки плазменной дугой после размещения в ней расходуемых деталей. Меньшая масса горелки улучшает маневренность горелки и снижает потенциальную усталость пользователя при ручных операциях с горелкой.

В одном аспекте, предложен электрод для использования в горелке для сварки плазменной дугой. Электрод расположен относительно сопла так, что образуется плазменная камера. Электрод включает в себя тело, имеющее передний участок, средний участок и задний участок. Передний участок включает в себя рабочий конец электрода, содержащий проводящий первый материал. Рабочий конец электрода включает в себя: 1) область вспомогательного контакта для зажигания вспомогательной дуги поперек сопла и 2) излучатель. Средний участок включает в себя второй материал. Средний участок ограничивает ближний конец для сопряжения с передним участком и дальний конец для сопряжения с задним участком. Кроме того, плотность материала, присущая второму материалу, составляет, по меньшей мере, половину плотности материала, присущей первому материалу. Электрод также включает в себя токопроводящий тракт, идущий от переднего участка к заднему участку упомянутого тела.

Первый материал может включать в себя медь или серебро. Второй материал может включать в себя, по меньшей мере, один из таких материалов, как алюминий, латунь, никель, или нержавеющая сталь. В некоторых вариантах осуществления, первый материал является медью, а второй материал является алюминием. Задний участок может включать в себя третий материал, который может быть, по существу, непроводящим. В некоторых вариантах осуществления, задний участок включает в себя второй материал.

В некоторых вариантах осуществления, плотность первого материала, по меньшей мере, в три раза больше, чем плотность второго материала. В некоторых вариантах осуществления, плотность третьего материала меньше, чем плотность, по меньшей мере, первого материала или второго материала. В некоторых вариантах осуществления, длина переднего участка составляет примерно 25% длины электрода.

В некоторых вариантах осуществления, передний участок посажен по прессовой посадке в ближний конец среднего участка. Задний участок может быть посажен по прессовой посадке в дальний конец среднего участка. В некоторых вариантах осуществления, сопрягаемая поверхность переднего участка и первая сопрягаемая поверхность среднего участка находятся в непосредственном контакте друг с другом и образуют герметичное уплотнение. Сопрягаемая поверхность переднего участка или первая сопрягаемая поверхность среднего участка может быть неплоской. В некоторых вариантах осуществления, сопрягаемая поверхность заднего участка и вторая сопрягаемая поверхность среднего участка находятся в непосредственном контакте друг с другом и образуют герметичное уплотнение. Сопрягаемая поверхность заднего участка или вторая сопрягаемая поверхность среднего участка может быть неплоской.

В некоторых вариантах осуществления, передний участок, задний участок и средний участок изготовлены как отдельные детали.

В некоторых вариантах осуществления, рабочий конец электрода охлаждается потоком сжатого газа снаружи электрода. Задний участок может включать в себя область пневматической реакции для восприятия отклоняющего потока сжатого газа.

В некоторых вариантах осуществления, горелка для сварки плазменной дугой является горелкой с контактным запуском для сварки плазменной дугой.

В другом аспекте, предложен электрод для использования в горелке для сварки плазменной дугой. Электрод включает в себя удлиненный передний участок, включающий в себя ближний конец и дальний конец. Передний участок обеспечивает токопроводящий тракт от дальнего конца к ближнему концу. Кроме того, передний участок включает в себя первый проводящий материал с первой плотностью. Электрод включает в себя кольцеобразный задний участок, ограничивающий полый центр. Конфигурация кольцеобразного заднего участка обеспечивает, по существу, окружение части переднего участка, когда передний участок находится внутри полого центра кольцеобразного заднего участка. Задний участок включает в себя второй проводящий материал со второй плотностью. Вторая плотность, по меньшей мере, в два раза меньше, чем плотность первого материала. Электрод дополнительно включает в себя излучатель, расположенный в ближнем конце переднего участка.

В некоторых вариантах осуществления, кольцеобразный задний участок включает в себя область пневматической реакции для восприятия отклоняющего потока сжатого газа. Кольцеобразный задний участок может включать в себя, по меньшей мере, один проток текучей среды для обеспечения прохождения газа через него.

В некоторых вариантах осуществления, электрод дополнительно включает в себя контактный элемент, находящийся на дальнем конце переднего участка, и упругий элемент, находящийся между контактным элементом и кольцеобразным задним участком, находясь в физическом контакте с передним участком. Конфигурация упругого элемента обеспечивает отклонение кольцеобразного заднего участка и переднего участка от контактного элемента. Контактный элемент может быть выполнен из третьего материала. Во время операции, осуществляемой посредством вспомогательной дуги горелки для сварки плазменной дугой, упругий элемент может пропускать, по существу, весь ток вспомогательной дуги между источником питания и передним участком через контактный элемент. Во время операции, осуществляемой посредством дуги прямого действия горелки для сварки плазменной дугой, упругий элемент может пропускать, по меньшей мере, часть тока дуги прямого действия между источником питания и передним участком через контактный элемент.

В некоторых вариантах осуществления, первый проводящий материал содержит медь, а второй проводящий материал содержит алюминий.

В другом аспекте, предложено сопло для использования в горелке для сварки плазменной дугой. Сопло включает в себя задний участок, содержащий проводящий первый материал с первой плотностью. Задний участок ограничивает ближний конец и дальний конец. Сопло включает в себя, по существу, полый передний участок, включающий в себя: 1) секцию рабочего конца, содержащую проводящий второй материал со второй плотностью, и 2) заднюю секцию, конфигурация которой обеспечивает сочленение переднего участка с ближним концом заднего участка. Вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем первая плотность. Сопло дополнительно включает в себя выходное отверстие для плазмы, расположенное в секции рабочего конца переднего участка.

В некоторых вариантах осуществления, секция рабочего конца переднего участка включает в себя наружный участок сопла и образует рабочий конец сопла. Кроме того, задняя секция переднего участка может включать в себя участок внутренности сопла и образует, по меньшей мере, секцию плазменной камеры во взаимодействии с электродом, расположенным в горелке для сварки плазменной дугой. Помимо этого, сопло может включать в себя, по меньшей мере, один вентиляционный канал, встроенный, по меньшей мере, в один из заднего участка или переднего участка для вентиляции, по меньшей мере, части плазменного газа из плазменной камеры.

В некоторых вариантах осуществления, проводящий первый материал содержит алюминий. В некоторых вариантах осуществления, проводящий второй материал содержит медь. В некоторых вариантах осуществления, задняя секция переднего участка содержит первый материал или второй материал.

В некоторых вариантах осуществления, сопрягаемая поверхность секции рабочего конца переднего участка и сопрягаемая поверхность заднего участка находятся в непосредственном контакте друг с другом и образуют герметичное уплотнение.

В некоторых вариантах осуществления, сопло дополнительно включает в себя наружный участок, по существу, накрывающий наружную поверхность, по меньшей мере, одного из заднего участка или переднего участка. Наружный участок может включать в себя третий материал, такой, как анодированный слой, для обеспечения электрической изоляции или стойкости к коррозии. В некоторых вариантах осуществления, третий материал наружного участка является, по существу, непроводящим. Плотность третьего материала может быть меньше, чем плотность, по меньшей мере, одного из первого материала или второго материала.

В некоторых вариантах осуществления, передний участок, задний участок и наружный участок изготовлены как отдельные детали.

В еще одном аспекте, предложено сопло для использования в горелке для сварки плазменной дугой. Сопло включает в себя, по существу, полый передний участок, содержащий медь. Передний участок включает в себя 1) участок внутренности, образующий, по меньшей мере, секцию плазменной камеры, 2) внешний участок, образующий рабочий конец сопла, и 3) выходное отверстие для плазмы. Сопло включает в себя задний участок для сочленения сопла с плазменной горелкой. Задний участок выполнен из материала, имеющего плотность, меньшую, чем половина плотности меди. В некоторых вариантах осуществления, материал заднего участка является алюминием.

В некоторых вариантах осуществления, сопло дополнительно включает в себя наружный участок, по существу, накрывающий наружную поверхность, по меньшей мере, одного из заднего участка или переднего участка. Наружный участок включает в себя анодированный слой.

В еще одном аспекте, предложена горелка для сварки плазменной дугой. Горелка включает в себя электрод, содержащий, по меньшей мере, передний участок и задний участок. Передний участок включает в себя рабочий конец электрода, содержащий проводящий первый материал. Рабочий конец электрода включает в себя 1) область вспомогательного контакта для зажигания вспомогательной дуги и 2) излучатель. Задний участок электрода содержит второй материал. Плотность второго материала составляет, по меньшей мере, половину плотности материала, присущей проводящему первому материалу. Горелка включает в себя сопло, установленное относительно электрода. Сопло и электрод ограничивают плазменную камеру.

В некоторых вариантах осуществления, рабочий конец электрода можно охлаждать потоком плазмы через плазменную камеру.

В некоторых вариантах осуществления, электрод дополнительно включает в себя третий участок, сочлененный с дальним концом заднего участка. Третий участок включает в себя область пневматической реакции для восприятия потока плазмы.

В некоторых вариантах осуществления, сопло включает в себя, по меньшей мере, участок рабочего конца и участок тела. Участок рабочего конца включает в себя проводящий первый материал, а участок тела содержит второй материал.

В еще одном аспекте, предложен способ изготовления электрода, используемого в горелке для сварки плазменной дугой. Способ включает в себя выбор первого проводящего материала, имеющего первую плотность, и второго проводящего материала, имеющего вторую плотность. Вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем плотность первого материала. Способ включает в себя формирование удлиненного заднего участка из первого проводящего материала. Удлиненный задний участок ограничивает ближний конец и дальний конец. Способ включает в себя формирование удлиненного переднего участка из второго проводящего материала таким образом, что удлиненный передний участок сочленяется с ближним концом заднего участка. Способ дополнительно включает в себя размещение излучателя в переднем участке.

В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно включает в себя выбор третьего материала, имеющего третью плотность, и формирование третьего участка из третьего материала таким образом, что третий участок сочленяется с дальним концом заднего участка. Третий участок включает в себя область пневматической реакции для восприятия отклоняющего потока сжатого газа.

В еще одном аспекте, предложен способ изготовления электрода, используемого в горелке для сварки плазменной дугой. Способ включает в себя выбор первого проводящего материала, имеющего первую плотность, и второго проводящего материала, имеющего вторую плотность. Вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем плотность первого материала. Способ включает в себя формирование кольцеобразного заднего участка из первого проводящего материала, причем кольцеобразный задний участок ограничивает полый центр. Способ включает в себя формирование удлиненного переднего участка из второго проводящего материала, причем удлиненный передний участок ограничивает ближний конец и дальний конец. Способ дополнительно включает в себя посадку удлиненного переднего участка сквозь полый центр кольцеобразного заднего участка таким образом, что кольцеобразный задний участок, по существу, окружает, по меньшей мере, часть переднего участка. Помимо этого, способ включает в себя размещение излучателя в ближнем конце переднего участка.

В некоторых вариантах осуществления, способ изготовления дополнительно включает в себя размещение контактного элемента на дальнем конце переднего участка и размещение упругого элемента между контактным элементом и кольцеобразным задним участком, при этом упругий элемент физически контактирует с передним участком.

В еще одном аспекте, предложен способ изготовления сопла, используемого в горелке для сварки плазменной дугой. Способ включает в себя выбор первого проводящего материала, имеющего первую плотность, и второго проводящего материала, имеющего вторую плотность. Вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем первая плотность. Способ включает в себя формирование заднего участка из первого проводящего материала. Задний участок ограничивает ближний конец и дальний конец. Способ также включает в себя формирование, по существу, полого переднего участка, включающего в себя: 1) секцию рабочего конца из второго проводящего материала, и 2) заднюю секцию, конфигурация которой обеспечивает сочленение переднего участка с ближним концом заднего участка. Способ дополнительно включает в себя расположение выходного отверстия для плазмы в секцию рабочего конца переднего участка.

В некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно включает в себя выбор третьего материала, имеющего третью плотность, и формирование наружного участка сопла из третьего материала. Наружный участок, по существу, накрывает наружную поверхность, по меньшей мере, одного из заднего участка или переднего участка.

Следует также понять, что различные аспекты и варианты осуществления изобретения можно объединять различными путями. На основании положений этого описания, обычный специалист в данной области техники сможет легко определить, как объединить эти различные варианты осуществления. Например, в некоторых вариантах осуществления, любой из вышеупомянутых аспектов может включать в себя один или несколько вышеупомянутых признаков. Один вариант осуществления изобретения может обеспечивать все вышеупомянутые признаки и преимущества.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеописанные преимущества изобретения, наряду с дополнительными преимуществами, можно будет лучше понять, обратившись к нижеследующему описанию, приводимому со ссылками на прилагаемые чертежи. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, вместо этого особое внимание в общем случае уделяется иллюстрации принципов изобретения.

На фиг. 1 показана возможная горелка для сварки плазменной дугой согласно данному изобретению.

На фиг. 2А и 2B показаны различные виды возможного композиционного электрода согласно данному изобретению.

На фиг. 3А и 3B показан подход с большим количеством отходов и подход с малым количеством отходов, соответственно, для изготовления композиционного электрода согласно фиг. 2A и 2B.

На фиг. 4A и 4B показаны различные виды другого возможного композиционного электрода согласно данному изобретению.

На фиг. 5A и 5B показаны различные виды возможного композиционного сопла согласно данному изобретению.

На фиг. 6 показан возможный композиционный стопорный колпачок согласно данному изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

На фиг. 1 показана возможная горелка 10 для сварки плазменной дугой согласно данному изобретению. Горелка 10 имеет корпус 12, который в типичном случае является цилиндрическим и снабжен выходным отверстием 14. Через выходное отверстие 14 проходит плазменная дуга, такая как струя ионизированного газа, располагаясь должным образом относительно заготовки (не показана), подлежащей резанию. В режиме дуги прямого действия, горелка 10 может прокалывать, прорезать или маркировать заготовку, которая может быть выполнена из металла или другого материала.

Корпус 12 горелки поддерживает электрод 20. Излучающий вкладыш 22 (т.е. излучатель) может быть расположен в нижнем конце электрода 20 таким образом, что излучающая поверхность оказывается раскрытой. Вкладыш 22 может быть выполнен из гафния или других материалов, которые обладают подходящими физическими характеристиками, включая стойкость к коррозии и высокую термоэлектронную излучательную способность. Корпус 12 горелки также поддерживает сопло 24, которое отстоит от электрода 20 и ограничивает - по отношению к электроду 20 - плазменную камеру 30. Сопло 24 включает в себя центральное отверстие, ограничивающее выходное отверстие 14. В некоторых вариантах осуществления, вихреобразующее кольцо 26, установленное на корпус 12 горелки, имеет набор радиально смещенных (или наклоненных) газораспределительных отверстий 26a, которые придают тангенциальную составляющую скорости потоку плазменного газа, обуславливая завихрение потока газа. Это завихрение создает вихрь, который приводит к сужению дуги и стабилизирует положение дуги на вкладыше 22. В некоторых вариантах осуществления, корпус 12 горелки поддерживает экран 32, соединенный со стопорным колпачком 34 (например, привинченный к нему). Как показано, стопорный колпачок 34 является внутренним стопорным колпачком, надежно соединенным с соплом 24. В некоторых вариантах осуществления, относительно экрана 32 крепится внешний стопорный колпачок (не показан).

Плазменную дугу в горелке 10 для сварки плазменной дугой можно генерировать с использованием способа контактного запуска. Способ контактного запуска предусматривает установление физического контакта и электрической связи между электродом 20 и соплом 24 для создания цепи тока между ними. Чтобы сделать это, источник питания (не показан) подает электрический ток на электрод 20 и сопло 24, и в плазменную камеру 30 вводится газ. Давление газа в плазменной камере 30 нарастает до тех пор, пока оно не оказывается достаточным для разделения электрода 20 и сопла 24. Это разделение вызывает образование дуги между электродом 20 и соплом 24 в плазменной камере 30. Дуга ионизирует вводимый газ, давая струю плазмы, которую можно переносить на заготовку для обработки материала. В некоторых приложениях, источник питания, электрически связанный с контактом электропитания (не показан), предназначен для подачи первого электрического тока, известного как вспомогательный ток, во время генерирования дуги, и второго тока, известного как ток дуги прямого действия, когда струя плазмы перенесена на заготовку.

Для генерирования дуги способом контактного запуска возможны различные конфигурации. Например, электрод 20 можно отдалять внутри корпуса 12 горелки от сопла 24, которое неподвижно. Такая конфигурация называется воплощающей способ контактного запуска «с откатом», потому что давление газа заставляет электрод 20 отдаляться от заготовки. В еще одной конфигурации, сопло 24 можно отдалять от относительно неподвижного электрода 20. Такая конфигурация называется воплощающей способ контактного запуска «с выдвижением», потому что давление газа заставляет сопло 24 сближаться с заготовкой. В еще одной конфигурации возможно перемещение других компонентов горелки (например, вихреобразующего кольца 26) между неподвижными электродом 20 и соплом 24.

Электроды, такие, как электрод 20 горелки 10 для сварки плазменной дугой, обычно изготовлены из меди ввиду ее хороших свойств теплопередачи. Вместе с тем, поскольку цена меди растет, в соответствии с изобретением разработан композиционный электрод, чтобы снизить стоимость, сохраняя при функции, сравнимые с функциями полностью медного электрода или электрода, полностью состоящего из материала с высокой проводимостью.

На фиг. 2А показан возможный композиционный электрод 200 согласно данному изобретению. На фиг. 2B показан другой вид композиционного электрода 200. Композиционный электрод 200 включает в себя передний участок 202, сочлененный со средним участком 204, который - в свою очередь - сочленен с задним участком 206. В расточенном отверстии, сформированном в переднем участке 202, расположен вкладыш 22. Передний участок 202, который наиболее подвержен воздействию высоких температур во время эксплуатации горелки, может быть выполнен из материала с высокой проводимостью, такого, как медь или серебро. Такой материал в переднем участке 202 может обеспечивать превосходную теплопередачу вокруг излучающего вкладыша 22 для достижения оптимальных рабочих характеристик и оптимального срока службы. Однако материал с высокой проводимостью стоит дорого. Чтобы снизить стоимость, материал с высокой проводимостью можно использовать только в переднем участке 202, который подвергается наибольшему нагреву во время эксплуатации горелки. Зоны электрода 200, которые менее подвержены воздействию высоких температур или подвержены воздействию температур, меньших по сравнению с передним участком 202 (например, это могут быть зоны среднего участка 204 и/или заднего участка 206), можно изготавливать из менее теплопроводного материала (менее теплопроводных материалов), который по-прежнему обеспечивает (которые по-прежнему обеспечивают) хорошие свойства теплопередачи. Следовательно, композиционный электрод 200 может обеспечивать приближение к функциям электрода, выполненного из более дорогого материала. В общем случае, существует некая корреляция между проводимостью материала и плотностью материала. Например, для некоторых материалов, меньшая проводимость означает меньшую плотность материала. Поэтому выбор материалов для разных секций электрода 200 может быть основан на плотности или проводимости материала, или на сочетании обоих этих свойств.

В некоторых вариантах осуществления, передний участок 202 изготовлен из проводящего первого материала, такого, как медь, серебро или их совокупность. В некоторых вариантах осуществления, средний участок 204 изготовлен из второго материала, который имеет меньшую плотность материала, чем первый материал переднего участка 202. Второй материал может включать в себя алюминий, латунь, никель, нержавеющую сталь или их совокупность. В некоторых вариантах осуществления, задний участок 206 изготовлен из третьего материала. Третий материал может быть отличающимся от первого материала переднего участка 202 и/или второго материала среднего участка 204. Третий материал может иметь плотность материала, которая меньше, чем у первого или второго материала. Третий материал может быть, по существу, непроводящим, таким, как пластмасса. В некоторых вариантах осуществления, третий материал является таким же, как второй материал среднего участка 204, но отличается от первого материала переднего участка 202. В некоторых вариантах осуществления, первая плотность материала переднего участка 202, по меньшей мере, в два раза больше, чем у среднего участка 204 и/или заднего участка 206. В других вариантах осуществления, этот коэффициент может составлять три раза, четыре раза или более. Аналогичным образом, вторая плотность материала среднего участка 204 может быть, по меньшей мере, в два раза, три раза или четыре раза больше, чем у заднего участка 206.

Передний, средний и задний участки композиционного электрода 200 могут быть выполнены из материалов в различных сочетаниях. В одной возможной конфигурация электрода 200, передний, средний и задний участки включают в себя медь, алюминий и пластмассу, соответственно. В еще одной возможной конфигурация, передний, средний и задний участки включают в себя медь, алюминий и алюминий, соответственно. В некоторых вариантах осуществления, плотность переднего участка 202 больше или равна примерно 8 г/см³, являясь такой, как 8,96 г/см³ для меди или 10,49 г/см³ для серебра. В некоторых вариантах осуществления, плотность среднего участка и/или заднего участка 206 меньше, чем примерно 3 г/см³, являясь такой, как 2,7 г/см³ для алюминия.

В некоторых вариантах осуществления, теплопроводность переднего участка 202 электрода 200 больше, чем теплопроводность среднего участка 204 и/или заднего участка 206. Теплопроводность среднего участка 204 также может быть большей, чем теплопроводность заднего участка 206, или равной ей. В некоторых вариантах осуществления, температуропроводность переднего участка 202 электрода 200 больше, чем температуропроводность среднего участка 204 и/или заднего участка 206. Температуропроводность среднего участка 204 также может быть большей, чем температуропроводность заднего участка 206. В общем случае, материал - включая сплавы - с такими физическими свойствами, как те, которые перечислены выше, может оказаться подходящим для использования с изобретением, и предполагается находящимся в рамках объема притязаний изобретения.

Как показано, электрод 200 определяет продольную ось 216. Электрод 200 имеет длину L вдоль продольной оси 216 и ширину W вдоль торца, ближайшего к вкладышу 22. В некоторых вариантах осуществления, длина L₁ переднего участка вдоль продольной оси 216 составляет примерно 25% суммарной длины L электрода 200. В альтернативном варианте, длина L₁ переднего участка включает в себя примерно 10%, 20%, 30% или 40% суммарной длины L электрода 200. В некоторых вариантах осуществления, длина L₂ заднего участка включает в себя примерно 10%, 20% или 30% суммарной длины L электрода 200. В некоторых вариантах осуществления, электрод 202 является удлиненным, а его конфигурация обеспечивает установку в горелке для сварки плазменной дугой, обуславливающую возможность достижения труднодоступных мест (например, каналов или углов). В таких случаях, Отношение длины L к ширине W электрода больше, чем 3, являясь таким, как примерно 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 или 20. Поскольку полная длина L электрода 200 может соответствовать удлиненной форме, по меньшей мере, один из переднего участка 202, среднего участка 204 и заднего участка 206 является удлиненным.

Для соединения переднего участка 202 электрода 200 со средним участком 204 и с соединения среднего участка 204 с задним участком 206 можно воспользоваться различными способами. В частности, средний участок 204 имеет первую сопрягаемую поверхность 208, которую соединяют с сопрягаемой поверхностью 210 переднего участка 202. Совокупность сопрягаемых поверхностей 208 и 210 приводит к соединению. Средний участок 204 также имеет вторую сопрягаемую поверхность 212, которую соединяют с сопрягаемой поверхностью 214 заднего участка 206. Совокупность сопрягаемых поверхностей 212 и 214 приводит к еще одному соединению. Сопрягаемые поверхности могут быть плоскими или неплоскими. Термин «неплоская» (поверхность) включает в себя любой контур или любую форму.

Способы соединения любых двух сопрягаемых поверхностей включают в себя установку по прессовой посадке, пайку мягким припоем, вакуумную пайку твердым припоем, пайку с нагревом пламенем, свинчивание, склеивание, ультразвуковую пайку, соединение на защелках, и т.д. Например, для соединения заднего участка 206 (например, выполненного из пластмассы) с соответствующей сопрягаемой поверхностью среднего участка 204 можно использовать способ соединения на защелках. В некоторых вариантах осуществления, чтобы гарантировать, что соединяемые детали выдержат крутящий момент во время сборки, охлаждение под высоким давлением во время эксплуатации, тепловое напряжение, температурное расширение, температурное сжатие, напряжение среза, температурную усталость, и т.д., между участками формируют герметичное уплотнение. Способ, используемый для соединения переднего и среднего участков, не обязательно должен быть таким же, как способ, используемый для соединения среднего и заднего участков. В качестве примера, отметим, что хотя передний участок 202 и средний участок 204 могут быть соединены по прессовой посадке, средний участок 204 и задний участок 206 могут быть соединены посредством свинчивания.

В некоторых вариантах осуществления, два участка соединены непосредственно (т.е. без использования какого-либо дополнительного материала), например, методом двухсторонней точечной сварки, приводящим к тому, что два участка оказываются в непосредственном контакте друг с другом. Возможным методом двухсторонней точечной сварки является сварка трением, которая широко применяется для сваривания разнородных материалов и минимизации затрат на деталь. Сварка трением - идеальный процесс для соединения разнородных металлов, который обеспечивает высокую надежность, низкую пористость и превосходную прочность. Сварка трением также является идеальным процессом для формирования высокопрочного герметичного сварного шва между металлами с разными плотностями (например, медью и алюминием), приводящего к герметичному уплотнению. Кроме того, сварка трением не требует использования дополнительного материала (например, мягкого припоя). Методы сварки трением, инерционной сварки трением и сварки трением с непрерывным приводом воплощены, например, фирмой MTI Welding, г. Саут-Бенд, штат Индиана, США, и описаны на web-сайте этой фирмы. См., например, http://www.mtiwelding.com. На страницах, обнаруженных на этом web-сайте, описаны различные подходящие методы сварки и некоторые из связанных с ними сочетаний металлов, на которых возможно использование этих методов.

Более конкретно, на этих web-страницах описаны методы сварки трением, включая инерционную сварку трением и сварку трением с непрерывным приводом. Эти методы можно использовать для создания соединения между разнородными материалами, которые получены ковкой, и можно использовать для создания 100%-ного соединения встык по всей площади контакта двух соединяемых деталей. Эти и другие методы двухсторонней точечной свари, включая ударно-конденсаторную сварку, ударную сварку, ультразвуковую сварку, сварку взрывом и другие, предусматривают использование сочетаний ускорения и замедления заготовок, скорости сварки, сил трения, сил проковки и других таких физических сил, иногда - в сочетании с электричеством при различных напряжениях и потоках тока, для заранее определенного и управляемого создания и использования силы и/или тепла между соединяемыми заготовками, создания прочного герметичного соединения без введения посторонних материалов (таких, как материалы флюса, мягкого припоя, твердого припоя или наполнителя). Эти методы позволяют достичь использования малых и эффективных времен циклов при минимальных потерях рабочих материалов. Все эти методы считаются находящимися в рамках объема притязаний изобретения.

В общем случае, методы двухсторонней точечной сварки и методы сварки трением применимы, в частности, для соединения участков электродов из следующих материалов или сплавов: серебра, меди, алюминия, сплавов алюминия, латуни, бронзы, цементированных карбидов, чугуна, керамики, кобальта, колумбия, медно-никелевого сплава, спеченного сплава на основе железа, свинца, магния, сплавов магния, молибдена, монеля, никеля, сплавов никеля, нимоника, ниобия, сплавов ниобия, серебра, сплавов серебра, легированной стали, композитов сталь-углерод, конструкционной стали повышенной обрабатываемости, мартенситно-стареющей стали, стали, полученной спеканием, нержавеющей стали, инструментальной стали, тантала, тора, титана, сплавов титана, вольфрама, цементированного карбида вольфрама, урана, ванадия, материалов клапанных блоков (автомобильная техника) и сплавов циркония. Надлежащее использование этих методов приводит к значительному повышению рабочих характеристик электродов согласно изобретению, в отличие, например, от обычной пайки твердым припоем, пайки мягким припоем и других способов соединения.

Композиционному электроду 200 можно придать конфигурацию, обеспечивающую его работу в горелке 10 для сварки плазменной дугой согласно фиг. 1 вместо электрода 21. Кроме того, композиционному электроду 200 можно придать конфигурацию, допускающую способ контактного запуска «с откатом» для генерирования плазменной дуги внутри горелки 10. Например, когда газ течет в горелку 10, давление газа в плазменной камере 30 увеличивается, вследствие чего происходит приложение силы к заднему участку 206 электрода 200 с отдалением электрода от сопла 24. В результате разрыва электрического контакта между электродом 200 и соплом 24, между электродом 200 (который служит в качестве катода) и соплом (которое служит в качестве анода) генерируется вспомогательная дуга. Электрод 200 предназначен для поддержания электрической связи с источником питания, который генерирует требуемый ток для зажигания вспомогательной дуги. Таким образом, электрод 200 включает в себя токопроводящий тракт, идущий от заднего участка 206 к переднему участку 202, для зажигания плазменной дуги. В случаях, когда задний участок 206 выполнен из непроводящего материала (например, пластмассы), проводящий элемент, такой, как провод, может соединять источник питания со средним участком 204 или передним участком 202 электрода 200 для установления токопроводящего тракта. В некоторых вариантах осуществления, передний участок 202 включает в себя область вспомогательного контакта для зажигания вспомогательной дуги. Область вспомогательного контакта может находиться на рабочем конце электрода 200, если тот находится в непосредственном контакте с внутренним соплом. В некоторых вариантах осуществления, задний участок 206 включает в себя область пневматической реакции 220 для восприятия отклоняющего потока сжатого газа, который отделяет электрод 200 от сопла 24 во время зажигания вспомогательной дуги.

Для охлаждения электрода 200 во время эксплуатации горелки 10, можно проделать канал охлаждения в горелке 10 таким образом, что, по существу, все охлаждение будет происходить на переднем участке 202 электрода 200. Например, можно предусмотреть протекание охлаждающего газа, такого, как воздух, между электродом 200 и соплом 24, проходящего сквозь вихреобразующее кольцо 26, текущего через плазменную камеру 30 и вытекающего из выходного отверстия 14 сопла 24. В некоторых вариантах осуществления, по существу, весь охлаждающий газ выходит через переднюю часть горелки для сварки плазменной дугой, а протекание охлаждающего газа обратно в горелку 10, по существу, не допускается. Однако давление в плазменной камере 30 может по-прежнему обеспечивать откат электрода 200 в положение резания. Эта конструкция с прямоточным охлаждением предусматривает охлаждение электрода 200 в месте, где генерируется большинство тепла горелки 10 для сварки плазменной дугой, которое находится на переднем участке 202. Результаты, полученные в возможном тесте, проведенном на композиционном электроде, особенностью которого является прямоточное охлаждение, демонстрируют, что композиционный электрод может выдержать примерно 200 запусков при токе 45 А. Это сравнимо с количеством запусков, достигаемым с помощью полностью медного электрода.

Существуют и другие способы охлаждения электрода 200 сразу же после его установки в горелке 10 для сварки плазменной дугой. Например, в полой внутренности электрода 200 вдоль продольной оси 216 можно расположить охлаждающую трубку (не показана). Эта трубка может обеспечивать циркуляцию потока хладагента, такого, как вода, вдоль внутренней поверхности электрода 200 для охлаждения электрода 200. В пределах переднего, среднего и/или заднего участков возможно также стратегическое расположение полостей или просветов для повышения охлаждающей способности и сокращения количества материала, требуемого для изготовления.

Для дополнительного снижения затрат, связанных с расходуемыми деталями, можно воспользоваться одним или несколькими подходами для уменьшения отходов и времени обработки в производстве расходуемых деталей, в частности - композиционных расходуемых деталей, таких, как композиционный электрод 200 согласно фиг. 2. На фиг. 3А показан подход с большим количеством отходов для изготовления композиционного электрода 200. На фиг. 3B показан подход с малым количеством отходов для изготовления того же электрода 200. Предположим, что задний участок 206 и средний участок 204 состоят из одного и того же материала, тогда - в условиях традиционного подхода, изображенного на фиг. 3А, - для изготовления двух участков в виде одного-единственного компонента используют цельную прутковую заготовку. Поэтому получающиеся зоны A1, A2, А3, A4 и A5 отходов следует удалять путем механической обработки из цельной прутковой заготовки для получения требуемых размеров. В отличие от этого, при подходе, иллюстрируемом на фиг. 3B, задний участок 206 и средний участок 204 изготавливают как отдельные детали из двух отдельных кусков прутковых заготовок с одинаковыми свойствами материала. В результате, получаются зоны В1, B2, B3, B4, B5 и B6 отходов. В общем случае, отходы B2, B4 и B5, получающиеся в результате способа изготовления согласно фиг. 3B, значительно меньше, чем отходы A2 и A4, получающиеся в результате способа изготовления согласно фиг. 3А, особенно - когда электрод 200 является удлиненным. Это также означает, что в способе изготовления согласно фиг. 3B требуется меньший объем механической обработки, чтобы срезать стружку с получением отходов из прутковых заготовок. Повышенное количество отходов и повышенные затраты на механическую обработку, связанные со способом согласно фиг. 3А по сравнению со способом согласно фиг. 3B, обуславливаются неправильной формой заднего участка 206, который выступает из цилиндрического в целом профиля электрода 200. Следовательно, каждый имеющий неправильную форму участок расходуемой детали можно изготавливать из отличающегося и/или оптимального куска прутковой заготовки, получая отдельный сегмент. Кроме того, отдельные сегменты электрода можно соединять друг с другом одним или несколькими методами соединения, описанными выше.

На фиг. 4A и 4B показаны различные виды другого возможного электрода 230, который включает в себя передний участок 232, контактный элемент 234, задний участок 236 и упругий элемент 262. Электрод 230 может функционировать аналогично подпружиненному вперед электроду для горелки с контактным запуском для сварки плазменной дугой, описанной в патенте США №8115136, который переуступлен фирме Hypertherm, Inc., Ганновер, штат Нью-Хэмпшир, США, и описание которого включено сюда посредством ссылки. Передний участок 232 электрода 230 включает в себя ближний конец 250 для заключения в нем излучающего элемента 251 и дальний конец 252. Во время эксплуатации горелки, ближний конец 250 располагается около заготовки (не показана) а дальний конец 252 располагается на некотором расстоянии от заготовки. По меньшей мере, участок электрода 230 является перемещаемым вдоль продольной оси 216, когда электрод 230 установлен внутри горелки для сварки плазменной дугой, такой, как горелка 10 согласно фиг. 1.

Конфигурация упругого элемента 262 обеспечивает отклонение переднего участка 232 и заднего участка 236 от контактного элемента 234 к соплу 24 горелки 10. Упругий элемент 262 может быть электропроводным для пропускания, по существу, всего тока вспомогательной дуги между источником питания (не показан) и передним участком 232 во время работы вспомогательной дуги. Упругий элемент 262 может также пропускать, по меньшей мере, часть тока дуги прямого действия между источником питания и передним участком 232 во время работы дуги прямого действия. Упругий элемент 262, который изображен в виде цилиндрической винтовой пружины, заключен между радиально проходящим фланцем 264 (например, буртиком) контактного элемента 234 и ограничивающей поверхностью 266 заднего участка 236, поддерживая при этом физический контакт с поверхностью 270 переднего участка 232. Такой физический контакт обеспечивает токопроводящий тракт от фланца 264 к переднему участку 232 через упругий элемент 262. В некоторых вариантах осуществления, упругий элемент 262 крепится к фланцу 264 и/или ограничивающей поверхности 266 таким образом, что упругий элемент 262 сажается в электрод 230. Упругий элемент 262 можно сажать по диаметру посредством посадки с натягом или посредством фрикционной посадки иного типа. Упругий элемент 262 можно крепить к электроду 230, препятствуя расцеплению во время операций обработки или технического обслуживания.

Контактный элемент 234 электрода 230 включает в себя первую поверхность 256 и вторую поверхность 258. Конфигурация первой поверхности 256 обеспечивает электрическую связь с источником питания (не показан), который может подавать электрический ток на контактный элемент 234. Конфигурация второй поверхности 258 обеспечивает электрическую связь с соответствующей контактной поверхностью 260 переднего участка 232 после зажигания вспомогательной дуги и во время режима прямой дуги. В некоторых вариантах осуществления, контактный элемент 234, по существу, неподвижен, когда электрод 230 установлен внутри горелки 100, а передний участок 232 и/или задний участок 236 движется относительно контактного элемента 234 под управлением упругого элемента 262.

Как изображено, передний участок 232 включает в себя гнездо 254, расположенное на дальнем конце или принимающее проходящий в осевом направлении элемент 268 контактного элемента 234. Гнездо 254 может быть, по существу, выровнено с продольной осью 216. Проходящий в осевом направлении элемент 268 простирается от второй поверхности 258 и может сцепляться с внутренней поверхностью гнезда 254, скользя по ней. В некоторых вариантах осуществления, сцепление между проходящим в осевом направлении элементом 268 контактного элемента 234 и внутренней поверхностью переднего участка 232 ограничивает радиальное перемещение переднего участка 232 или контактного элемента 234 внутри горелки 10.

Задний участок 236 представляет собой кольцеобразную структуру с полым центром, посаженную вокруг наружной поверхности переднего участка 232. Задний участок 236 может быть расположен на дальнем конце 252 переднего участка 232. Задний участок 236 может включать в себя область пневматической реакции для восприятия отклоняющего потока сжатого газа. Например, задний участок 236 может включать в себя один или несколько протоков 237, допускающих прохождение обеспечивающего пневматическое воздействие и охлаждающего газа по заднему участку 236 для облегчения охлаждения. Ограничивающая поверхность 266 заднего участка 236 предназначена для физического контакта с одним торцом упругого элемента 262. Задний участок 236 может быть, по существу, прикреплен к переднему участку 232 таким образом, что оба участка будут двигаться как единое целое. Следовательно, когда упругий элемент 262 прикладывает силу к ограничивающей поверхности 266 заднего участка 236, направленную к ближнему концу 250, воздействию такой силы подвергается также передний участок 232.

Вместо электрода 20, в горелку 10 согласно фиг. 1 можно собрать электрод 230. Конфигурация первой поверхности 256 контактного элемента 234 обеспечивает электрическую связь с источником питания. Контактный элемент 234 может быть относительно неподвижным внутри горелки 10. Упругий элемент 262 вынуждает задний участок 236 отделяться от источника питания и контактного элемента 234. Поскольку задний участок 236 крепится к переднему участку 232, передний участок 232 также отталкивается и отделяется от источника питания и контактного элемента 234, вступая в физический контакт с соплом 24. При такой конфигурации, вторая поверхность 258 контактного элемента 234 отличается от контактной поверхности 260 переднего участка 232.

Работа вспомогательной дуги начинается с зажигания вспомогательной дуги. Ток вспомогательной дуги пропускается из источника питания к контактному элементу 234 через первую поверхность 256 контактного элемента 234. Тогда вспомогательный ток проходит от контактного элемента 234 к упругому элементу 262 через фланец 264 контактного элемента 234. После этого ток проходит от упругого элемента 262 к переднему участку 232 на физической поверхности 270 раздела между этими двумя компонентами. Потом ток проходит от переднего участка 232 к соплу 24. Газ попадает в горелку 10, идя к плазменной камере 30. Давление газа в плазменной камере 30 растет до тех пор, пока оно не окажется достаточным для преодоления отклоняющей силы, прикладываемой упругим элементом 262, и отдаляет передний участок 232 от сопла 24, тем самым создавая промежуток или зазор между передним участком 232 и соплом 24. Передний участок 232 перемещается относительно горелки 10, по существу, вдоль продольной оси 216. В некоторых вариантах осуществления, контактный элемент 234 выравнивает передний участок 232, ограничивая его радиальное перемещение, как во время работы вспомогательной дуги, так и во время режима прямой дуги. В некоторых вариантах осуществления, когда передний участок 232 отдаляется от сопла 24, задний участок 236, который, сочленен с передним участком 232, начинает прижимать упругий элемент 262 к контактному элементу 234 у фланца 264. Когда передний участок 232 отдаляется от сопла 24, в зазоре между передним участком 232 и соплом 24 возникает электрический потенциал, который вызывает генерирование дуги в зазоре. Дуга ионизирует газ в плазменной камере 30, образуя струю плазмы, используемую при обработке заготовки.

Передний участок 232 перемещается вдоль продольной оси 216 до тех пор, пока контактная поверхность 260 переднего участка 232 не вступит в контакт со второй поверхностью 258 контактного элемента 234. Это положение можно назвать конфигурацией «отката», потому что передний участок 232 отделен от сопла 24. Кроме того, первая поверхность 256 контактного элемента 234 поддерживает электрическую связь с источником питания, а контактный элемент 234 сравнительно неподвижен относительно переднего участка 232. В некоторых вариантах осуществления, упругий элемент 262 несет электрический ток в конфигурации отката.

В конфигурации отката, дуга переносится от сопла 24 к заготовке для обработки заготовки посредством позиционирования горелки 10 около заготовки. Заготовка поддерживается под относительно меньшим электрическим потенциалом, чем сопло 24. Электрический вывод (не показан), связанный с заготовкой, может выдавать сигнал в источнике питания (не показан) на основании переноса дуги к заготовке. Когда горелка находится в конфигурации отката, источник питания выдает увеличенный электрический ток (например, ток резания) в горелку 10. Один пример способа увеличения электрического тока, подаваемого в горелку, известен как способ «двойного порога» и описан в патенте США №6133543, который переуступлен фирме Hypertherm, Inc., Ганновер, штат Нью-Хэмпшир, США, и описание которого включено сюда посредством ссылки. Этот режим работы, предусматривающий перенос дуги к заготовке, называется режимом прямой дуги. Когда горелка находится в конфигурации отката, источник питания выдает электрический ток на контактный элемент 234 и на передний участок 232. Электрический ток может быть пропущен от контактного элемента 234 к переднему участку 232 через i) поверхность раздела между контактной поверхностью 260 и второй поверхностью 258 и/или ii) упругий элемент 262, который физически контактирует со средним участком на фланце 264 и передним участком 232 на поверхности 270.

Передний и задний участки и контактный элемент композиционного электрода 230 могут быть выполнены из материалов в различных сочетаниях. Благодаря своему нахождению около рабочего конца горелки 10 для сварки плазменной дугой, передний участок 232 электрода 230 подвержен воздействию наибольшего количества тепла во время эксплуатации горелки. Поэтому передний участок 232 можно выполнить из материала, теплопроводность и плотность которого больше, чем у других участков электрода 230. В некоторых вариантах осуществления, передний участок 232 выполнен из такого же материала, как передний участок 202 композиционного электрода 200 согласно фиг. 2, т.е. из такого материала, как медь. Контактный элемент 234 может быть выполнен из материала, плотность и/или проводимость которого меньше, чем у материала переднего участка 232. Например, контактный элемент 234 может быть выполнен из алюминия, а передний участок 232 может быть выполнен из меди. В некоторых вариантах осуществления, контактный элемент 234 может быть выполнен из такого же материала, как средний участок 204 электрода 200, или из или аналогичного материала. Задний участок 236 может быть выполнен из материала, который отличается от материала переднего участка 232 и/или материла контактного элемента 234. Например, материал заднего участка 236 может иметь плотность, которая меньше, чем плотность переднего участка 232 и/или контактного элемента 234. В некоторых вариантах осуществления, задний участок 236 выполнен из такого же материала, как задний участок 206 электрода 200, или из аналогичного материала, такого, как пластмасса. В некоторых вариантах осуществления, задний участок 236 выполнен из материала, плотность и/или проводимость которого меньше, чем у материала переднего участка 232. Например, задний участок 236 может быть выполнен из алюминия, а передний участок 232 может быть выполнен из меди. В одной возможной конфигурации, передний участок 232 и контактный элемент 234 выполнены из меди, а задний участок 236 выполнен из алюминия. В еще одной возможной конфигурации, передний участок 232 выполнен из меди, а контактный элемент 234 и задний участок 236 выполнены из алюминия.

Помимо композиционных электродов 200 и 230, другие расходуемые детали горелки для сварки плазменной дугой могут включать в себя те, которые подготовлены как композит из двух или более материалов. На фиг. 5A и 5B показаны различные виды возможного композиционного сопла 300. На фиг. 5A показано сечение композиционного сопла 300, состоящего из совокупности заднего участка 306 и переднего участка 308. Передний участок 308 включает в себя секцию 302 рабочего конца и заднюю секцию 304. Как изображено на виде снаружи композиционного сопла 300 на фиг. 5B, секция 302 рабочего конца включает в себя раскрытую внешнюю область сопла 300 и образует рабочий конец сопла. Для подведения плазменной дуги к заготовке, в секции 302 рабочего конца находится выходное отверстие 310 для плазмы. Задняя секция 304 переднего участка 308 включает в себя область внутренности сопла. В некоторых вариантах осуществления, сопрягаемая поверхность задней секции 304 и соответствующая сопрягаемая поверхность заднего участка 306 находятся в непосредственном контакте друг с другом и образуют герметичное уплотнение, тем самым сочленяя передний участок 308 с задним участком 306. Как показано, передний участок 308 и задний участок 306 являются, по существу, полыми, тем самым образуя, по существу, полую внутренность в сопле 300.

Благодаря своему нахождению около рабочего конца горелки для сварки плазменной дугой, передний участок 308 сопла 300 подвержен воздействию набольшего количества тепла во время эксплуатации горелки. Поэтому передний участок 308 можно выполнить из материала, теплопроводность и плотность которого больше, чем у других участков сопла 300. В некоторых вариантах осуществления, передний участок 308 выполнен из такого же материала, как передний участок 202 композиционного электрода 200 согласно фиг. 2, т.е. из такого материала, как медь. Задний участок 306 сопла 300 может быть выполнен из материала, плотность и/или проводимость которого меньше, чем у материала переднего участка 308. Например, задний участок 306 может быть выполнен из алюминия, а передний участок 308 может быть выполнен из меди. В некоторых вариантах осуществления, задний участок 306 может быть выполнен из такого же материала, как средний участок 204 электрода 200, или из аналогичного материала. В некоторых вариантах осуществления, только секция 302 рабочего конца переднего участка 308 сопла 300 выполнена из материала, плотность и/или проводимость которого меньше по сравнению с остальными секциями сопла 300. Задняя секция 304 переднего участка 308 может быть выполнена из такого же материала, как материал секции 302 рабочего конца переднего участка 308, или такого же, как материал заднего участка 306. В некоторых вариантах осуществления, задняя секция 304 выполнена из материала, отличающегося от секции 302 рабочего конца и заднего участка 306. Например, секция 302 рабочего конца может иметь наивысшую плотность материала, за ним по этому параметру следует задняя секция 304, а потом - задний участок 306.

Сопло 300 может включать в себя третий, наружный участок (не показан). В некоторых вариантах осуществления, третий участок, по существу, накрывает наружную поверхность заднего участка 306 и/или секцию 302 рабочего конца переднего участка 308. То есть, третий участок может образовывать внешнюю оболочку сопла 300. В некоторых вариантах осуществления, третий участок выполнен из материала, отличающегося от материалов переднего участка 308 и/или заднего участка 306. Третий участок может включать в себя анодированный слой материала для обеспечения электрической изоляции или стойкости к коррозии. Например, направление хладагента на выполненный из алюминия участок расходуемой детали может вызывать коррозию алюминия, которая, в свою очередь, приводит к повреждению насосов хладагента в плазменной системе. Наложение третьего участка на зону контакта с жидкостью может предотвратить такую коррозию. Третий участок также можно накладывать для того, чтобы предотвратить электрический контакт с соседними компонентами. Таким образом, третий участок может быть выполнен из непроводящего, менее плотного материала, такого, как пластмасса. В некоторых вариантах осуществления, третий участок выполнен из такого же материала, как задний участок 306 или передний участок 308.

Композиционное сопло 300 можно охлаждать охлаждающей жидкостью или воздухом. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, по одной трубке хладагента течет хладагент, который охлаждает задний участок 306 сопла 300 за счет контакта, по меньшей мере, с участком поверхности заднего участка 306. В некоторых вариантах осуществления, передний участок 308 сопла 300 включает в себя охлаждаемую жидкостью область, так что теплопередача от выходного отверстия 310 для плазмы приводит к охлаждению непосредственно хладагентом без передачи тепла через границу между передним участком 308 и задним участком 306.

Сопло 300 может также включать в себя один или более вентиляционных каналов, встроенных в передний участок 308 и/или задний участок 306. Например, как показано, на фиг. 5A, конфигурация вентиляционного канала 312 обеспечивает направление части плазменного газа в секцию 302 рабочего конца из плазменной камеры, прохождение вдоль переднего участка 302 и/или заднего участка 306 и выход из заднего участка 306 в соответствии с положениями патента США №5317126, который переуступлен фирме Hypertherm, Inc., Ганновер, штат Нью-Хэмпшир, США, и описание которого включено сюда посредством ссылки.

В некоторых вариантах осуществления, сопло 300, включающее в себя, по меньшей мере, один из переднего участка 308 или заднего участка 306, является удлиненным для доступа к труднодоступным местам. Как показано, на фиг. 5A, сопло 300 имеет длину L вдоль продольной оси 316, которая проходит по телу сопла. В некоторых вариантах осуществления, длина L₁ переднего участка вдоль продольной оси 316 составляет примерно 25% суммарной длины L сопла. В альтернативном варианте, длина переднего участка L₁ включает в себя примерно 20%, 30%, 40% или 50% суммарной длины L электрода 200. В некоторых вариантах осуществления, длина L₂ заднего участка включает в себя примерно 10%, 20% или 30% суммарной длины L сопла 300.

На фиг. 6 показана возможная композиционная деталь - проходящее в направлении длины стяжное сопло 400, состоящее из совокупности переднего участка 402 и заднего участка 404. Сопло 400 может быть установлено для эксплуатации в горелке 10 для сварки плазменной дугой вместо сопла 24. Передний участок 402 может быть изготовлен из материала, аналогичного переднему участку 202 композиционного электрода 200 согласно фиг. 2A и 2B. Задний участок 404 может быть выполнен из материала, аналогичного среднему участку 204 и/или заднему участку 206 электрода 200. Благодаря своему нахождению около рабочего конца горелки для сварки плазменной дугой, передний участок 402 сопла 400 подвержен воздействию набольшего количества тепла во время эксплуатации горелки. Поэтому передний участок 402 в общем случае выполнен из материала, проводимость и плотность которого больше, чем у заднего участка 404. В некоторых вариантах осуществления, сопло 400 включает в себя третий, средний участок (не показан), который состоит из материала, проводимость и/или плотность которого меньше, чем у переднего участка 402. В некоторых вариантах осуществления, сопло 400, включающее в себя, по меньшей мере, один из переднего участка 402 или заднего участка 402, является удлиненным.

В еще одном аспекте, композиционный экран, такой, как экран 32 горелки 10 для сварки плазменной дугой, может быть выполнен как совокупность двух или более участков, при этом, по меньшей мере, один участок имеет плотность материала, отличающуюся от остальных участков. Например, участок, ближайший к плазменной дуге, который наиболее подвержен воздействию тепла во время эксплуатации горелки, может быть выполнен из материала с более высокой плотностью и/или более высокой проводимостью, чем остальные участки.

Следует также понять, что различные аспекты и варианты осуществления изобретения можно объединять различными путями. На основании положений этого описания, обычный специалист в данной области техники сможет легко определить, как объединить эти различные варианты осуществления. Например, в некоторых способах соединения, подходы к выбору материалов с разными свойствами, методы охлаждения и способы изготовления, описанные выше применительно к композиционному электроду 200, применимы также к композиционному электроду 230, композиционному соплу 300, композиционному соплу 400 и композиционному экрану. Кроме того, специалисту в данной области техники - по прочтении описания - могут стать очевидными модификации. Данное изобретение включает в себя такие модификации и ограничивается только объемом притязаний формулы изобретения.

Claims (96)

1. Электрод для использования в горелке для сварки плазменной дугой, в которой электрод расположен относительно сопла так, что образуется плазменная камера, причем электрод содержит:

тело, имеющее передний участок, средний участок и задний участок,

при этом передний участок включает в себя рабочий конец электрода, содержащий проводящий первый материал, причем рабочий конец электрода включает в себя: 1) область вспомогательного контакта для зажигания вспомогательной дуги поперек сопла и 2) излучатель;

при этом, по меньшей мере, один из среднего участка или заднего участка содержит второй материал, причем средний участок ограничивает ближний конец для сопряжения с передним участком и дальний конец для сопряжения с задним участком, при этом плотность материала, присущая второму материалу, меньше, чем половина плотности материала, присущей первому материалу; и

при этом задний участок имеет диаметр, больший, чем диаметр переднего участка, причем задний участок содержит область пневматической реакции для восприятия отклоняющего потока сжатого газа с целью отделения электрода от сопла во время зажигания вспомогательной дуги; и

токопроводящий тракт, идущий от переднего участка к заднему участку упомянутого тела.

2. Электрод по п. 1, в котором первый материал содержит медь или серебро.

3. Электрод по п. 1, в котором второй материал содержит, по меньшей мере, один металл из алюминия, латуни, никеля или нержавеющей стали.

4. Электрод по п. 1, в котором задний участок содержит третий материал.

5. Электрод по п. 4, в котором третий материал является, по существу, непроводящим.

6. Электрод по п. 1, в котором задний участок содержит второй материал.

7. Электрод по п. 1, в котором рабочий конец электрода охлаждается потоком сжатого газа, подаваемого снаружи к электроду.

8. Электрод по п. 1, в котором первый материал является медью, а второй материал является алюминием.

9. Электрод по п. 1, в котором длина переднего участка составляет примерно 25% длины электрода.

10. Электрод по п. 1, в котором передний участок посажен по прессовой посадке в ближний конец среднего участка.

11. Электрод по п. 1, в котором задний участок посажен по прессовой посадке в дальний конец среднего участка.

12. Электрод по п. 1, в котором сопрягаемая поверхность переднего участка и первая сопрягаемая поверхность среднего участка находятся в непосредственном контакте друг с другом и образуют герметичное уплотнение.

13. Электрод по п. 1, в котором сопрягаемая поверхность заднего участка и вторая сопрягаемая поверхность среднего участка находятся в непосредственном контакте друг с другом и образуют герметичное уплотнение.

14. Электрод по п. 12, в котором сопрягаемая поверхность переднего участка или первая сопрягаемая поверхность среднего участка является неплоской.

15. Электрод по п. 13, в котором сопрягаемая поверхность заднего участка или вторая сопрягаемая поверхность среднего участка является неплоской.

16. Электрод по п. 1, в котором передний участок, задний участок и средний участок изготовлены как отдельные детали.

17. Электрод по п. 1, в котором плотность первого материала, по меньшей мере, в три раза больше, чем плотность второго материала.

18. Электрод по п. 4, в котором плотность третьего материала меньше, чем плотность, по меньшей мере, первого материала или второго материала.

19. Электрод по п. 1 для использования в горелке для сварки плазменной дугой, которая представляет собой горелку с контактным запуском для сварки плазменной дугой.

20. Электрод для использования в горелке для сварки плазменной дугой, содержащий:

удлиненный передний участок, ограничивающий ближний конец и дальний конец и имеющий конфигурацию, обеспечивающую токопроводящий тракт от дальнего конца к ближнему концу, причем передний участок содержит первый проводящий материал с первой плотностью;

кольцеобразный задний участок, ограничивающий полый центр и имеющий конфигурацию, обеспечивающую, по существу, окружение части переднего участка, когда передний участок находится внутри полого центра, причем (1) задний участок включает в себя область пневматической реакции для восприятия отклоняющего потока сжатого газа и (2) задний участок содержит второй проводящий материал со второй плотностью, которая меньше, чем половина плотности первого материала; и

излучатель, расположенный в ближнем конце переднего участка.

21. Электрод по п. 20, в котором кольцеобразный задний участок включает в себя, по меньшей мере, один проток текучей среды для обеспечения прохождения газа через него.

22. Электрод по п. 20, дополнительно содержащий:

контактный элемент, находящийся на дальнем конце переднего участка; и

упругий элемент, находящийся между контактным элементом и кольцеобразным задним участком и физически контактирующий с передним участком, причем конфигурация упругого элемента обеспечивает отклонение кольцеобразного заднего участка и переднего участка от контактного элемента.

23. Электрод по п. 22, в котором контактный элемент содержит третий материал.

24. Электрод по п. 22, в котором во время операции, осуществляемой посредством вспомогательной дуги горелки для сварки плазменной дугой, упругий элемент пропускает, по существу, весь ток вспомогательной дуги между источником питания и передним участком через контактный элемент.

25. Электрод по п. 22, в котором во время операции, осуществляемой посредством дуги прямого действия горелки для сварки плазменной дугой, упругий элемент пропускает, по меньшей мере, часть тока дуги прямого действия между источником питания и передним участком через контактный элемент.

26. Электрод по п. 1, в котором первый проводящий материал содержит медь, а второй проводящий материал содержит алюминий.

27. Горелка для сварки плазменной дугой, содержащая:

электрод, содержащий, по меньшей мере, передний участок, задний участок и третий участок, причем:

передний участок включает в себя рабочий конец электрода, содержащий проводящий первый материал, при этом рабочий конец электрода включает в себя: 1) область вспомогательного контакта для зажигания вспомогательной дуги и 2) излучатель,

задний участок содержит второй материал, а

третий участок, сочлененный с дальним концом заднего участка, включает в себя область пневматической реакции для восприятия потока плазмы,

при этом, по меньшей мере, один из заднего участка или третьего участка содержит второй материал, причем плотность второго материала меньше половины плотности материала, присущей проводящему первому материалу; и

сопло, установленное относительно электрода, при этом сопло и электрод ограничивают плазменную камеру.

28. Горелка по п. 27, в которой рабочий конец электрода охлаждается потоком плазмы через плазменную камеру.

29. Горелка по п. 27, в которой сопло содержит, по меньшей мере, участок рабочего конца и участок тела, причем участок рабочего конца включает в себя проводящий первый материал, а участок тела содержит второй материал.

30. Способ изготовления электрода, используемого в горелке для сварки плазменной дугой, заключающийся в том, что:

выбирают первый проводящий материал, имеющий первую плотность, и второй проводящий материал, имеющий вторую плотность, причем вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем плотность первого материала; формируют удлиненный задний участок из первого проводящего материала, причем удлиненный задний участок ограничивает ближний конец и дальний конец;

формируют удлиненный передний участок из второго проводящего материала таким образом, что удлиненный передний участок сочленяется с ближним концом заднего участка; и

размещают излучатель в переднем участке; и

обеспечивают кольцеобразную область пневматической реакции, соседствующую с дистальным концом заднего участка, причем кольцеобразная область пневматической реакции предназначена для восприятия отклоняющего потока сжатого газа.

31. Способ изготовления электрода, используемого в горелке для сварки плазменной дугой, заключающийся в том, что:

выбирают первый проводящий материал, имеющий первую плотность, и второй проводящий материал, имеющий вторую плотность, при этом вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем плотность первого материала;

формируют кольцеобразный задний участок из первого проводящего материала, причем кольцеобразный задний участок ограничивает полый центр;

формируют удлиненный передний участок из второго проводящего материала, причем удлиненный передний участок ограничивает ближний конец и дальний конец;

сажают удлиненный передний участок сквозь полый центр кольцеобразного заднего участка таким образом, что кольцеобразный задний участок, по существу, окружает, по меньшей мере, часть переднего участка, при этом передний участок и задний участок оказываются соединенными, по существу, неподвижно, так что они движутся как единое целое, когда задний участок воспринимает отклоняющее давление; и

размещают излучатель в ближнем конце переднего участка.

32. Способ изготовления по п. 31, дополнительно предусматривающий:

размещение контактного элемента на дальнем конце переднего участка; и

размещение упругого элемента между контактным элементом и кольцеобразным задним участком, при этом упругий элемент физически контактирует с передним участком.

33. Сопло для использования в горелке для сварки плазменной дугой, содержащее:

задний участок, содержащий проводящий первый металлический материал с первой плотностью, причем задний участок ограничивает ближний конец и дальний конец;

по существу, полый передний участок, окружающий по меньшей мере дальний конец, и включающий в себя: 1) секцию рабочего конца, содержащую проводящий второй материал со второй плотностью, и 2) заднюю секцию, конфигурация которой обеспечивает сочленение переднего участка с ближним концом заднего участка, причем вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем первая плотность; и

выходное отверстие для плазмы, находящееся в секции рабочего конца переднего участка.

34. Сопло по п. 33, в котором секция рабочего конца содержит наружный участок сопла и образует рабочий конец сопла.

35. Сопло по п. 33, в котором задняя секция переднего участка содержит участок внутренности сопла и образует, по меньшей мере, секцию плазменной камеры во взаимодействии с электродом, расположенным в горелке для сварки плазменной дугой.

36. Сопло по п. 35, дополнительно содержащее, по меньшей мере, один вентиляционный канал, встроенный, по меньшей мере, в один из заднего участка или переднего участка для вентиляции, по меньшей мере, части плазменного газа из плазменной камеры.

37. Сопло по п. 33, в котором проводящий первый материал содержит, по меньшей мере, один металл из алюминия, латуни, никеля или нержавеющей стали.

38. Сопло по п. 33, в котором проводящий первый материал содержит алюминий.

39. Сопло по п. 33, в котором проводящий второй материал содержит, по меньшей мере, один металл - либо медь, либо серебро.

40. Сопло по п. 33, в котором проводящий второй материал содержит медь.

41. Сопло по п. 33, в котором первый материал является алюминием, а второй материал является медью.

42. Сопло по п. 33, в котором сопрягаемая поверхность переднего участка и сопрягаемая поверхность заднего участка находятся в непосредственном контакте друг с другом и образуют герметичное уплотнение.

43. Сопло по п. 33, в котором задняя секция переднего участка содержит первый материал или второй материал.

44. Сопло по п. 33, дополнительно содержащее участок внутренности, по существу, накрывающий наружную поверхность, по меньшей мере, одного из заднего участка или переднего участка, при этом наружный участок содержит третий материал.

45. Сопло по п. 44, в котором третий материал включает в себя анодированный слой для обеспечения электрической изоляции или стойкости к коррозии.

46. Сопло по п. 44, в котором третий материал является, по существу, непроводящим.

47. Сопло по п. 44, в котором плотность третьего материала меньше, чем плотность, по меньшей мере, одного из первого материала или второго материала.

48. Сопло по п. 44, в котором передний участок, задний участок и наружный участок изготовлены как отдельные детали.

49. Сопло по п. 33, в котором вторая плотность, по меньшей мере, в три раза больше, чем первая плотность.

50. Сопло по п. 33, в котором длина переднего участка составляет примерно 25% длины сопла.

51. Сопло по п. 33 для использования в горелке для сварки плазменной дугой, которая представляет собой горелку с контактным запуском для сварки плазменной дугой.

52. Сопло для использования в горелке для сварки плазменной дугой, содержащее:

по существу, полый передний участок, содержащий медь, причем передний участок включает в себя 1) участок внутренности, образующий, по меньшей мере, секцию плазменной камеры, 2) внешний участок, образующий рабочий конец сопла, и 3) выходное отверстие для плазмы, конфигурация которого обеспечивает сужение плазменной дуги; и

задний участок для сочленения сопла с плазменной горелкой, причем задний участок выполнен из электропроводного металлического материала, имеющего плотность, меньшую, чем половина плотности меди.

53. Сопло по п. 52, в котором материал заднего участка содержит алюминий.

54. Сопло по п. 52, дополнительно содержащее третий участок, по существу, накрывающий наружную поверхность, по меньшей мере, одного из заднего участка или переднего участка, причем третий участок включает в себя анодированный слой.

55. Способ изготовления сопла, используемого в горелке для сварки плазменной дугой, заключающийся в том, что

выбирают первый металлический проводящий материал, имеющий первую плотность, и второй металлический проводящий материал, имеющий вторую плотность, причем вторая плотность, по меньшей мере, в два раза больше, чем первая плотность;

формируют задний участок из первого металлического проводящего материала, причем задний участок ограничивает ближний конец и дальний конец;

формируют, по существу, полый передний участок, включающий в себя: 1) секцию рабочего конца из второго металлического проводящего материала и 2) заднюю секцию, конфигурация которой обеспечивает сочленение переднего участка с ближним концом заднего участка; и

обеспечивают расположение выходного отверстия для плазмы в секции рабочего конца переднего участка.

56. Способ изготовления по п. 55, дополнительно предусматривающий:

выбор третьего материала, имеющего третью плотность; и

формирование наружного участка сопла из третьего материала, причем наружный участок, по существу, накрывает наружную поверхность, по меньшей мере, одного из заднего участка или переднего участка.

57. Способ изготовления по п. 56, в котором третья плотность меньше, чем первая плотность и вторая плотность.

58. Способ по п. 30, в котором обеспечение кольцеобразной области пневматической реакции включает в себя формирование кольцеобразной области пневматической реакции по соседству с дистальным концом заднего участка.

Images