专利名称：使用可变屏蔽气体成分的高质量孔切割的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及等离子弧切割焊炬。更具体地说，本发明涉及用于在工件内用等 离子焊炬末端构造切割孔和轮廓的方法和装置。
背景技术：
等离子切割通常通过使用收缩电弧来将气流加热到等离子状态来实施。来自高温 等离子流的能量将工件局部熔化。对于许多切割工艺来说，使用二次气流(也称为屏蔽气 流或屏蔽流)来保护焊炬并辅助切割工艺。高温等离子流和屏蔽流的动量帮助去除熔化的 材料，在工件上留下称为切痕的沟槽。等离子焊炬与工件之间的相对运动使该过程能够用于有效地切割工件。屏蔽气体 与等离子气体和工件表面相互作用，且在切割工艺中是很关键的。在喷嘴孔的下游，等离子 气流和屏蔽气流接触，以能够进行热量和质量传递。为了参考，图1是已知自动等离子焊炬系统的示意图。自动焊炬系统10可包括 切割台22和焊炬24。可用于自动系统中的焊炬的实例是由新罕布什尔州汉诺威的人工 发热器公司(Hypertherm , Inc.)制造的HPR260自动气体系统。然后将焊炬高度控制器 18安装到台架26。自动系统10也可包括驱动系统20。焊炬由电源14供电。自动焊炬系 统10还可包括计算机数字控制器12 (CNC)，例如新罕布什尔州汉诺威的人工发热器公司 (Hypertherm , Inc.)制造的人工发热器自动旅行者(Hypertherm Automation Voyager) CNC12可包括显示屏13，该显示屏13由焊炬操作者用来输入和读取信息，CNC12使用这 些信息来确定运行参数。在某些实施例中，运行参数可包括切割速度、焊炬高度以及等离 子和屏蔽气体成分。显示屏13还可由操作者用来手动输入运行参数。焊炬24也可包括 焊炬本体(未示出)和安装到焊炬本体前端的焊炬耗材。可在转让给人工发热器公司 (Hypertherm , Inc.)的美国专利公开第2006/0108333号中发现CNC12构造的进一步讨 论，该专利的内容全部以参见的方式纳入本文。图2是已知等离子弧焊炬末端构造的剖视图，包括耗材部件和气流。电极27、喷 嘴28和屏蔽件29嵌在一起，使得等离子气体30在电极外部与喷嘴的内表面之间流动。 在电极27与喷嘴28之间限定等离子腔32。在等离子腔32内形成等离子弧31。等离子 弧31通过喷嘴前端内的等离子弧孔33排出焊炬末端。屏蔽气体34在喷嘴的外表面与屏 蔽件的内表面之间流动。屏蔽气体34通过屏蔽件前端的屏蔽气体排出孔35排出焊炬末 端，并可构造成围绕等离子弧。在某些情况下，屏蔽气体还通过设置在屏蔽件29内的放气 孔36排出焊炬末端。等离子焊炬耗材的实例是由新罕布什尔州汉诺威的人工发热器公司 (Hypertherm , Inc.)制造的用于HPR130系统的耗材部件，该系统用于用80安培的电流来 切割低碳钢。屏蔽气流的一部分可随着等离子气体进入切痕并形成切割弧与工件表面37之间 的边界层。该边界层的成分影响从切割弧到工件表面的热传递和在工件表面处发生的化学 反应。
在等离子切割工艺中使用多种气体混合物用作等离子气体和屏蔽气体。例如，对 于低碳钢的加工，使用氧气作为等离子气体，使用空气作为屏蔽气体。某些低电流工艺(例 如小于65A)用氧气既作为等离子气体又作为屏蔽气体来切割薄型材料(例如小于10号的 工件)。由于能够以高速切割形成具有高质量和最少废料的大部件，氧气等离子气体/空 气屏蔽气体组合在弧电流超过50安培以上时对低碳钢是通用的。这种切割工艺具有某些 缺点。例如，尽管氧气等离子气体/空气屏蔽气体构造可干净地切割具有直边缘的较大部 分，但这种气体组合不能形成高质量孔。而是，用氧气等离子气体和空气屏蔽气体切割的孔 具有大致“斜面”或“锥形”。斜面或锥形发生在工件底侧处直径比板顶侧处直径小的位置。 在使用空气作为屏蔽气体的螺栓孔切口内，如果工件顶部处孔直径被切割成与将要穿过孔 的螺栓的大小匹配，则用空气屏蔽气体切割的孔的锥度会使工件底部处孔直径小于螺栓的 直径，阻碍螺栓穿过工件底部。在这些类型的情况下，需要诸如铰孔或钻孔之类的二次工艺 来扩大工件底部处螺栓孔的直径。确保孔切割质量的现有方法会是耗时的，需要提出在单 个工件上切割孔和轮廓的更有效的方法。
发明内容
本发明基本上改进用于小内部部件结构或孔的切割质量，同时保持对于大结构或 轮廓的生产率和切割质量通过在单个工件上在切割孔和轮廓时改变屏蔽气体成分，本发明 免除了对二次处理的需要。例如，在切割轮廓时屏蔽气流可具有第一屏蔽气体成分，且在切 割孔时，屏蔽气流具有第二屏蔽气体成分。在一方面，本发明的特征在于一种用等离子焊炬在工件上切割孔和轮廓的方法。 在一实施例中，该方法包括等离子焊炬，该等离子焊炬包括限定等离子腔的喷嘴和电极；在 等离子腔内产生等离子弧。在一实施例中，等离子焊炬还包括用于为等离子弧焊炬提供屏 蔽气流的屏蔽气体供给管线，用于控制包括切割速度和屏蔽气体成分的切割参数的控制单 元。在一实施例中，该方法包括控制切割参数，使得当切割轮廓时，屏蔽气体包括第一屏蔽 气体成分，且当切割孔时，屏蔽气体包括第二屏蔽气体成分。在某些实施例中，第一屏蔽气 体成分不同于第二屏蔽气体成分。在又一方面，本发明的特征在于一种用于改进等离子焊炬切割操作中小内部结构 的切割特征的方法。在一实施例中，该方法包括以下步骤使用第二屏蔽气体成分切割小内 部结构，小内部结构定位在工件的预期轮廓切口内，并使用第一屏蔽气体成分切割对应于 预期轮廓切口的轮廓。在又一方面，本发明的特征在于一种用等离子弧焊炬在工件上切割孔和轮廓的方 法。等离子弧焊炬可包括限定等离子腔的喷嘴和电极，使得在等离子腔内产生的等离子弧 可用于切割工件，等离子弧焊炬还包括将屏蔽气流输送到等离子焊炬的屏蔽气体供给管 线。在一实施例中，该方法包括在工件上切割孔的步骤，其中屏蔽气流包括第二屏蔽气体成 分，该第二屏蔽气体成分选择成大致消除孔边缘的斜度。在一实施例中，该方法还可包括以 下步骤切割轮廓，其中屏蔽气流包括第一屏蔽气体成分；以及控制第一屏蔽气体成分和 第二屏蔽气体成分，使得当切割孔时，第二屏蔽气体成分包括比第一屏蔽气体成分少的氮 气。在另一方面，本发明的特征在于使用等离子弧焊炬在工件上切割孔的另一方法。该方法可包括等离子弧焊炬，该等离子弧焊炬包括高电流耗材，该高电流耗材包括限定等 离子腔的喷嘴和电极。在一实施例中，该方法还可包括以下步骤使用高于50安培的弧电 流在等离子腔内产生等离子弧；以及控制屏蔽气流的屏蔽气体成分，使得当正在切割孔时 屏蔽气体成分包括的氮气量使得基本上消除孔侧壁的任何可能的斜度。在一方面，本发明的特征在于一种用于在工件上切割孔和轮廓的等离子焊炬系 统。在一实施例中，等离子焊炬系统包括等离子焊炬末端构造，该等离子焊炬末端构造包括 限定等离子腔的喷嘴和电极，在等离子腔内产生等离子弧。在一实施例中，等离子焊炬系统 还包括用于为等离子焊炬末端提供屏蔽气流的屏蔽气体供给管线，以及用于控制屏蔽气体 成分的控制单元。在一实施例中，控制单元控制屏蔽气流的成分，使得当切割轮廓时，屏蔽 气流包括第一屏蔽气体成分，且当切割孔时，屏蔽气流包括第二屏蔽气体成分。在一实施例 中，这种改进包括确实嵌入信息载体内并可在控制单元上运行的计算机可读产品，计算机 可读产品包含用于等离子弧焊炬系统的切割信息，包括切割轮廓时选择第一屏蔽气体成分 和在切割孔时选择第二屏蔽气体成分的指令。在另一方面，本发明的特征是一种部件，该部件包括用于等离子焊炬系统的有形 地嵌入信息载体内并可在CNC上运行的计算机可读产品。在一实施例中，计算机可读产品 包括用于用等离子弧焊炬从工件切割孔和轮廓的切割信息，包括使得切割孔时屏蔽气流包 括第二屏蔽气体成分且切割轮廓时屏蔽气流包括第一屏蔽气体成分的指令。在又一方面，本发明的特征在于一种用于控制等离子焊炬的包括屏蔽气流成分在 内的切割参数的计算机数字控制器。在一实施例中，控制器包括处理器、电子存储装置、用 于向等离子弧焊炬提供控制指令的界面、以及用于为等离子焊炬选择屏蔽气流成分的查询 表。在一实施例中，控制器根据等离子焊炬在工件上切割孔还是轮廓来控制屏蔽气流的成 分。以上各方面中的任何方面可包括以下特征中的一个或多个。第二屏蔽气体成分可 包括比第一屏蔽气体成分少的氮气，从而大致消除孔边缘的斜度。在某些实施例中，工件是 低碳钢，在某些实施例中，第一屏蔽气体成分是空气，且在某些实施例中，第二屏蔽气体成 分是氧气。在孔切割期间第二屏蔽气体成分还可主要由氧气组成。在一实施例中，在孔切 割期间减小屏蔽气流的流率。在孔切割期间，可减小焊炬的切割速度。在一实施例中，控制 切割参数还可包括根据孔的直径与工件厚度的比值控制第二屏蔽气体成分。该比值可小于 或等于2. 5。在某些实施例中，该比值小于或等于1。在某些实施例中，该比值小于或等于 0. 7和/或受到穿透穿过的大小的限制。以上各方面中的任何方面还可包括以下特征中的一个或多个。在一实施例中，控 制切割参数可包括用于弧终止的电流逐渐减小序列，其中逐渐减小对于轮廓切割和孔切割 是恒定的。控制切割参数的步骤还可进一步包括控制屏蔽气流内氮气的量，使得第二屏蔽 气体成分包含比第一屏蔽气体成分占总量百分比少的氮气，由此大致减少孔边缘的斜度。以上各方面中的任何方面还可包括以下特征中的一个或多个。在一实施例中，一 种方法可包括提供用于等离子焊炬系统的确实嵌入信息载体内并可在CNC上运行的计算 机可读产品，计算机可读产品包含用于等离子弧焊炬的切割信息，切割信息包括切割轮廓 时选择第一屏蔽气体成分和在切割孔时选择第二屏蔽气体成分的指令。在某些实施例中， 可根据孔的直径与工件厚度的比值选择第二屏蔽气体成分。且在某些实施例中，切割信息包括使得切割孔时控制单元根据孔的直径与工件厚度的比值控制第二屏蔽气体成分的指 令。本发明的一个优点是其产生高质量等离子切割孔，同时保持轮廓切口上通常实现 的生产率和废料量。本发明的另一优点是通过限制对短时间段孔切割使用更昂贵的屏蔽气 体混合物而时对总体部件成本的影响最小。本发明的另一优点是通过使在单个工件上切割孔和轮廓时操作者能够使用焊炬 耗材的单一构造而有更大的时间效率，而同时防止对于孔和轮廓切割使用一种屏蔽气体的 现有切割技术时所见到的质量缺陷。本发明的前述和其它目的、方面、特征和优点会从以下说明书并从权利要求书中 显现出来。
结合附图参照以下详细说明书和附图可更完全地理解这些和其它特征，附图是说 明性的且不一定是按比例绘制。图1是已知机械化等离子弧焊炬系统的示意图，示出安装在台子上的焊炬。图2是已知等离子弧焊炬末端的剖视图。图3是示出预期孔和轮廓切口外形的示例工件。图4是具有所提出气体系统的等离子弧焊炬系统的框图。图5是示出根据本发明实施例可如何操纵气流的流程图。图6示出孔切割操作期间的运动路径。图7是可用于本发明实施例用于切割低碳钢的不同气体组合的表。图8A是用于确定孔的圆柱度的公差测量的说明。图8B是用现有技术切割工艺切割的孔的剖视图。图9是本发明实施例的孔切口的剖视图。
具体实施例方式在本发明中，在使用等离子焊炬耗材构造时，在切割轮廓时使用第一屏蔽气体成 分，在单个工件上切割一个或多个孔或小内部结构时使用第二屏蔽气体成分。本文所使用的“孔”是直径(或尺寸)与工件(板)厚度比值为约2.5或更小的 形状。例如参照图3，示出0. 5英寸厚钢板100的6X6英寸方形件，在一实施例中，该钢板 100可以是从更大的工件(未示出)切下的。0.5英寸厚钢板100上的一英寸直径的孔105 的比率是2。本文所使用的孔可归类为不一定为圆形的小内部部件结构，但大部分这些结构 的尺寸为材料厚度的约2. 5倍或更小，例如，在1/2英寸钢板100上的1英寸的方孔110。 所有的其它结构在这里都称为轮廓，轮廓可包括直线115或曲线120切口。图4中示出可用于一实施例的焊炬系统构造。在一实施例中，用于切割孔的屏蔽 气体成分是02。在某些实施例中，当切割孔时选择的屏蔽气体成分比切割轮廓时所用的屏 蔽气体成分含有较少的氮气。在某些实施例中，当切割孔时所用的屏蔽气体成分可包括He、 N2、02或其组合。图4是根据本发明实施例的包括自动气体控制系统的等离子弧焊炬系统的框图。等离子焊炬系统可包括以上结合图1描述的所有构件。此外，焊炬系统可包括向等离子弧 焊炬41提供等离子气体和屏蔽气体的气体控制台40。在某些实施例中，等离子气体和屏 蔽气体从气体控制台40流过气体供给管线42，流到气体选择控制台45和气体计量控制台 44，以使不同类型的气体能够混合，然后气体混合物继续行进到等离子焊炬41。气体选择 控制台45能够选择和混合多种气体中的一种，然后可通过气体计量控制台44计量所选择 的气体。气体控制台可接收包括氧气、氮气、F5、H35、H5和空气的气体输入。然后气体计量 控制台44可测量等离子气体和屏蔽气体。该控制构造使等离子系统能够快速改变用于穿 孔、孔切割或轮廓切割所需要的屏蔽气体和气体混合物。例如，在本发明的一实施例中，在 切割孔时，在穿孔工艺期间气体控制台40提供空气作为屏蔽气体，且当完成金属板的穿孔 时，气体控制台40自动将屏蔽气体切换成用于孔切割的02。当等离子系统移动以切割轮廓 时，气体控制台40可将屏蔽气体切换回空气作为用于穿孔和切割工艺两者的屏蔽气体。这 种快速切换可由CNC12内的编码或程序指导。在某些实施例中，运载屏蔽气流的气体供给管线42称为屏蔽气体供给管线42A。 且在某些实施例中，运载等离子气流的气体供给管线可称为等离子气体供给管线42B。在某 些实施例中，使用阀47控制等离子气体流的成分。在某些实施例中，阀47是通断电磁阀， 且在某些实施例中，这些阀是可变电磁阀。在某些实施例中，等离子气体和屏蔽气体可以是 O2、空气、He、N2或其某些组合。气体计量控制台44还可包括也可以是通/断阀或电磁阀的 通气阀48。在某些实施例中，通气阀48用于能够在等离子气体与屏蔽气体之间快速切换。CNC12可以是控制等离子焊炬系统的任何计算机。CNC12可具有处理器、电子存储 装置以及用于向等离子弧焊炬提供控制指令的界面。存储装置可以是内部或外部的，并可 包含关于工件中所要切割部分的数据。在其它实施例中，CNC12可人工编程，且在某些实施 例中，CNC12可包括计算机可读产品，该产品包括计算机可读指令，这些指令可选择或设置 等离子焊炬系统的运行参数。计算机可读指令的实例如下。指令对应于用具有HPR260自动气体控制台的人 工发热器自动旅行者(Hypertherm Automation Voyager)CNC控制器(都由新罕布什尔 州汉诺威的Hypertherm公司制造)切割成的方形轮廓切口的圆孔。在用于Hypertherm Automation CNC控制器的以下示例编码中，编码为孔(G59V503F1. 01至G59V507F31)和为 轮廓(G59V503F1至G59V507F31)提供两个独立的切割表。在某些实施例中，其它形式的编 码或计算机可读指令可与一个或多个切割图表一起使用来提供类似的、甚至相同的最终输 出。显然，左栏包含引用的编码行；右栏提供常规的每行编码所包含的指令的一般解释。G20G91G59V503F1. 01G59V504F130G59V505F3G59V507F31G00X1. 7500Y-1. 7500MO7G03X-0. 09701-0. 0485
设置英语单元 增量编程模式 加载用于孔的常规切割表
移动到孔中心
等离子启动 孔运动
G03X0. 0015Y0.016810. 0970“ “
G03X0. 0212Y-0079210. 0955J-0.0168“ “
M08等离子停止
G59V503F1加载用于轮廓切割的切割表
G59V504F130“ “
G59V505F2“ “
G59V507F31“ “
GOOX-1. 6757Y15624移动到轮廓开始位置
M07等离子启动
GO1X0.2500轮廓运动
GO 1X3.0000“ “
G01Y-3. 0000“ “
G01X-3. 0000“ “
G01Y3. 0000“ “
GOlY0. 2500“ “
M08等离子停止
M02 程序结束
在某些实施例中，计算机可读产品是指切割表。在某些实施例中，计算机可读产品
(未示出)或切割表包含切割信息，切割信息包括当焊炬41在工件上切割轮廓时选择第一 屏蔽气体和在焊炬在同一工件上切割孔时选择第二屏蔽气体成分的指令。在某些实施例 中，切割图表包含基于切割类型，即轮廓切割或孔切割来选择屏蔽气体成分的信息。在某些 实施例中，CNC能够根据切割图表内包含的指令快速地从一种屏蔽气体切换到另一种。在 某些实施例中，焊炬操作者选择屏蔽气体成分，且CNC12仅根据由焊炬操作者输入的信息 向例如等离子气体供给管线阀44的控制件提供信号。在某些实施例中，焊炬操作者选择切割程序，该切割程序包括孔和轮廓切割指令 两者。且在某些实施例中，操作者选择设计成连续执行的孔切割图表和轮廓切割图表。在 某些实施例中，孔切口将位于工件上由CNC12所预期的轮廓切口内。当切割程序包括用于 孔切口和轮廓切口两者的指令时，切割图表将包括其它指令，使得首先使用第二屏蔽气体 成分切割孔并然后使用第一屏蔽气体成分切割轮廓切口。首先在预期轮廓切口的曲线内切 割孔可防止在切割孔的同时工件移动，因此消除如果首先切割部件的轮廓切口并然后切割 孔会发生的偏离。在其它实施例中，计算机可读产品是诸如由纽约洛克港的MTC制造的嵌套软件。 嵌套软件可基于所要切割部件的CAD图提供指示何时使用第一屏蔽气体和第二屏蔽气体 时的编码。嵌套软件可使用CAD图来根据孔直径与工件厚度的比值确定孔或小内部结构。 然后嵌套软件可向CNC12提供指令，从而当切割轮廓时使用第一屏蔽气体，且当切割孔时 使用第二屏蔽气体。或者，CNC可包括为孔切割和轮廓切割选择适当屏蔽气体的软件而无 需从嵌套软件提供指令。图5是示出可如何使用诸如计算机数字控制器(CNC)的处理器来操纵气流来实施 本发明的原理的流程图。图5示出可包含在计算机可读产品内的流程操作的实施例，该计算机可读产品嵌入信息载体。其它实施例也在本发明的范围内。如图5所示，在步骤510， 将包含所要切割部件的CAD文件提供给CNC或嵌套软件，且CNC根据包含在切割表内的指 令选择屏蔽气体成分。在另一实施例中，包含在嵌套软件内的指令决定屏蔽气体成分。在某 些实施例中，在步骤520，一旦CNC使用计算机可读指令来确定正在切割的是孔还是轮廓， 则对焊炬供电，并在步骤530将弧传递到工件。当启动弧时，使用启动屏蔽气体和等离子气 体，例如图7中所示的组合。在步骤530，在将弧传递到工件之后，将焊炬下降到工件且弧 穿透工件。在一实施例中，弧使用空气作为穿透屏蔽气体穿透工件。一旦完成穿透步骤，则 CNC使用计算机可读指令根据是要切割孔还是轮廓来选择适当的屏蔽气体。在某些实施例 中，对是要切割孔还是轮廓的确定(和适当屏蔽气体成分的选择)是基于相对于工件厚度 的孔的尺寸的检查。在一实施例中，在步骤550，如果孔直径为工件厚度的约2. 5倍或更小， 则要切割孔，且CNC选择第二屏蔽气体。在某些实施例中，为孔切割选择的屏蔽气体成分是 O2 ；且在某些实施例中，屏蔽气体成分是02、He、N2或其组合。在某些实施例中，关于屏蔽气 体成分的指令包括在切割表上的指令内。一旦选择了第二屏蔽气体，则CNC将控制屏蔽气 体流使得第二屏蔽气体成分流过屏蔽气体供给管线。然后在步骤560使用由切割表内包含 的指令确定的或由嵌套软件指定的第二屏蔽气体成分在工件上切割孔。在步骤570，在工 件上切割一个或多个孔之后，CNC启动轮廓切割操作。当CNC启动轮廓切割操作时，在步骤 530使用用于轮廓切割的启动屏蔽气体和等离子气体再次启动弧。然后在步骤540，该弧穿 透工件，且在步骤580，当轮廓切割开始时，CNC选择用于轮廓切割操作的第一屏蔽气体。在步骤580，如果确定正在切割轮廓，则CNC选择用于轮廓切割的第一屏蔽气体成 分。可根据切口的形状，或在内部结构的情况下，可基于所要切割的开口的直径与工件厚度 的比值来选择轮廓的识别。在某些实施例中，当切割轮廓时，启动弧，穿透工件，切割轮廓都 是用一种屏蔽气体成分来完成的，即第一屏蔽气体成分。在某些实施例中，弧启动和穿透工 件期间的屏蔽气体不同于在工件上切割轮廓形状时使用的屏蔽气体。当在工件上切割孔或轮廓时，尽管对每个步骤可选择不同的屏蔽气体成分，但可 遵从相同的操作步骤。图6示出在孔切割期间所遵从的示例运动路径，该运动路径沿工件 顶部绘出。首先，等离子气体和屏蔽气体流随着弧电流一起启动。气流和电流弧的启动可 根据操作者所使用的耗材和焊炬构造而变化。都转让给Hypertherm 公司且全部内容以参 见的方式纳入本文的美国专利5，070, 227、美国专利第5，166，494号和第5，170，033号描 述了可在启动、运行和等离子弧关掉以及切割工艺中可使用的各种气流和电流设置。在启 动等离子弧之后，将其转移到工件。在某些实施例中，一旦将弧转移到工件就使用焊炬高度 控制器来降低焊炬高度。通过首先使用等离子弧穿透工件来开始在工件上进行孔切割。一 旦通过等离子弧穿透工件，则将屏蔽气体切换成其成分会对孔切割来说最佳的第二屏蔽气 体。在某些实施例中，焊炬将开始跨越工件平移来沿孔切割图形在工件内切割孔，在某些实 施例中孔切割图形可以由绘出等离子和屏蔽的部件来确定。图6示出示例实施例，包括工 件上穿透位置51、圆圈开始位置52、圆圈终止位置53以及孔切口的边缘54。图7是示出可用于本发明实施例的气体成分的实例的表。在一实施例中，气体选 择成根据所要进行的诸如孔或轮廓切割之类的等离子焊炬操作提供最佳气体切割性能。该 图中所示的气体是用于低碳钢切割应用。尽管本发明可用于切割其它材料，但不同的屏蔽 气体会更适于这些材料。在某些实施例中，可使用He和N2的混合物来代替用于孔的氧气作为切割不锈钢或铝的屏蔽气体。在图7所示的实施例中，在切割轮廓或孔的同时，在启动等离子弧期间，该系统提 供空气作为等离子气体和屏蔽气体。空气之所以用作等离子气体是因为在弧启动期间它与 O2相比往往提供更长的耗材寿命。一旦将弧启动并传递到工件，则对于穿透过程等离子气 体就变成O2而屏蔽气体仍为空气。在该情况下，将等离子气体切换成适合喷嘴设计的气体， 在该实施例中为02，从而防止当电流逐渐增加到切割电流时对喷嘴的损坏。在大多数情况 下，理想的是在达到全切割电流时提供切割气体。另一方面，用于穿透工艺的屏蔽气体仍为 空气。业已显示用于穿透操作的空气屏蔽气体留下限制工件内材料浪费的较少穿透穿过。 一旦穿透工件，则等离子焊炬开始随着焊炬的运动沿穿透边缘开始切割。重要的是区分穿 透与切割。穿透过程中，焊炬通常静止，且目的是完全穿透工件。另一方面，切割包括移动 焊炬，通过切断露出的边缘以形成所要求的形状。再参见图7的表，在穿透步骤之后，可根据切割的类型轮廓或者孔结构选择屏蔽 气体。在切割轮廓时，屏蔽气体和等离子气体保持不变。O2等离子气体和空气屏蔽气体的 组合允许直线无渣边缘和快速切割速度，但是，在使用O2等离子气体和空气屏蔽气体的组 合切割轮廓时，往往形成具有大锥度或倾度的孔，形成较差质量的孔。在切割孔或小内部结 构时，通过保持O2作为等离子气体和将屏蔽气体也切换成02，如果不能消除也可减小孔的 锥度。与空气相比，在切割低碳钢时通过使用02屏蔽气体可降低锥度，这时因为减少了屏蔽 气体中的氮气量。因此，在图7的实施例中可使用具有低氮气含量的其它气体或气体成分。 在其它实施例中，在切割孔时可使用具有不同成分组合的屏蔽气体。如上所述，已发现屏蔽气体成分影响所进行孔切割的边缘的锥度、斜度。斜度可通 过完成孔切口的圆柱度来度量。圆柱度定义为由两个同心圆柱建立的公差范围，在两同心 圆柱之间必须存在圆柱形孔的表面，如图8A所示。在图8a中，公差范围可定义为两箭头81 之间的空间。公差范围越小，表面越表示完全圆柱。另一方面，孔内的大锥度和斜度会产生 大公差范围。也可使用坐标测量机器(“CMM”)来测量孔的圆柱度。图8B是使用现有切割工艺切割的孔的横截面的另一实例，即对相同工件上的轮 廓切割和孔切割使用相同的屏蔽气体成分。在图8B中，可通过形成直径等于孔边缘74的顶 部71、中部72和底部73处直径测量值的同心圆柱来测量孔的圆柱度(“锥度”或“斜度”)。 箭头81之间的空间示出各直径之间的最大差值。图8B中两个基准圆柱的半径之间的较大 差值指示较差质量的孔。这些孔需要大量的后切割处理。图9是本发明实施例的孔切口的剖视图。在图9中，可通过形成直径等于孔边缘 74的顶部71、中部72和底部73处直径测量值的同心圆柱来测量孔的圆柱度(“锥度”或 “斜度”)。在图9中，可以看出切割的孔边缘的斜度或锥度与图8A和图8B中孔边缘的斜度 相比显著减小。此外，还可通过与图8A和图8B相比箭头81之间减小的距离看出减小的圆 柱度。由于孔边缘减小的斜度或锥度，两同心圆柱之间的圆柱度公差范围最小且形成质量 高得多的孔，不需要后切割处理。尽管已经参照特定实施例具体示出和描述了本发明，但在此描述的其它方面可在 本领域普通技术的切割系统中实施。本领域的技术人员应当理解，可作出形式和细节上的 各种变化而不偏离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。
权利要求
一种在工件上切割孔和轮廓的方法，所述方法包括提供等离子弧焊炬，所述等离子弧焊炬具有限定等离子腔的喷嘴和电极，在所述等离子腔内产生的等离子弧，用于为所述等离子弧焊炬提供屏蔽气流的屏蔽气体供给管线，以及用于控制包括屏蔽气体成分在内的切割参数的控制单元；使用所述等离子弧焊炬来切割所述孔和所述轮廓而不改变所述喷嘴和电极；控制所述切割参数，使得当切割所述轮廓时所述屏蔽气体包括第一屏蔽气体成分，且当切割所述孔时所述屏蔽气体包括第二屏蔽气体成分，其中所述第一屏蔽气体成分不同于所述第二屏蔽气体成分。
2.如权利要求1所述的等离子焊炬系统，其特征在于，控制所述切割参数还包括根据 所述孔的直径与所述工件的厚度的比值控制所述第二屏蔽气体成分。
3.如权利要求2所述的等离子焊炬系统，其特征在于，所述比值小于或等于2.5。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制切割参数的步骤还包括控制所述 屏蔽气流内氮气的量，使得所述第二屏蔽气体成分包含比所述第一屏蔽气体成分占总量百 分比少的氮气，由此基本上减小所述孔的圆柱度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供用于等离子焊炬系统的有形地嵌入信息载体内并可在CNC上运行的计算机可读 产品，所述计算机可读产品包含用于所述等离子弧焊炬的切割信息，所述切割信息包括切 割所述轮廓时选择所述第一屏蔽气体成分且在切割所述孔时选择所述第二屏蔽气体成分 的指令。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括根据所述孔的直径与工件的厚度的 比值选择所述第二屏蔽气体成分。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与切割所述轮廓时所述焊炬的切割速度相 比，当切割所述孔时减小所述焊炬的切割速度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，与切割所述轮廓时所述屏蔽气体的流率相 比，当切割所述孔时减小所述屏蔽气体的流率。
9.一种改进等离子焊炬切割操作中小内部结构的切割特性的方法，所述方法包括以下 步骤使用第二屏蔽气体成分切割小内部结构，所述小内部结构定位在工件上工件的预期轮 廓切口内；以及使用第一屏蔽气体成分切割对应于所述预期轮廓切口的轮廓。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第二屏蔽气体成分包括比所述第一屏 蔽气体成分少的氮气，从而基本上消除孔边缘的斜度。
11.一种使用等离子弧焊炬在工件上切割孔和轮廓的方法，所述等离子弧焊炬包括 限定等离子腔的喷嘴和电极，使得在所述等离子腔内产生的等离子弧用于切割所述工件； 以及向所述等离子焊炬输送屏蔽气流的屏蔽气体供给管线，所述方法包括在所述工件上切割所述孔，其中所述屏蔽气流包括第二屏蔽气体成分，所述第二屏蔽 气体成分选择成大致消除所述孔的边缘的斜度；切割轮廓，其中所述屏蔽气流包括第一屏蔽气体成分；以及控制所述第一屏蔽气体成分和所述第二屏蔽气体成分，使得在切割所述孔时所述第二屏蔽气体成分包括比所述第一屏蔽气体成分少的氮气。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括提供用于等离子焊炬系统的有形地嵌入信息载体内并可在CNC上运行的计算机可读 产品，所述计算机可读产品包含用于等离子弧焊炬的切割信息，所述切割信息包括切割所 述轮廓时选择所述第一屏蔽气体成分且在切割所述孔时选择所述第二屏蔽气体成分的指 令。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括根据所述孔的直径与工件的厚度 的比值选择所述第二屏蔽气体成分。
14.一种使用等离子弧焊炬在工件上切割孔的方法，所述等离子弧焊炬包括高电流耗 材，所述高电流耗材包括限定等离子腔的喷嘴和电极，所述方法包括以下步骤使用高于50安培的弧电流在所述等离子腔内产生等离子弧； 控制屏蔽气流的屏蔽气体成分，使得当切割所述孔时所述屏蔽气体成分包含基本上消 除所述孔的边缘的斜度的数量的氮气。
15.一种在工件上切割孔和轮廓的等离子焊炬系统，所述等离子焊炬系统包括等离子焊炬末端构造，所述等离子焊炬末端构造包括喷嘴和电极，所述喷嘴和电极限 定等离子腔；在所述等离子腔内产生的等离子弧；屏蔽气体供给管线，所述屏蔽气体供给管线为所述等离子焊炬末端提供屏蔽气流；以及控制单元，所述控制单元用于控制所述屏蔽气流的成分，所述改进包括 有形地嵌入信息载体内并可在控制单元上运行的计算机可读产品，所述计算机可读产 品包含用于所述等离子弧焊炬系统的切割信息，所述切割信息包括切割所述轮廓时选择第 一屏蔽气体成分且在切割所述孔时选择第二屏蔽气体成分的指令。
16.如权利要求15所述的等离子焊炬系统，其特征在于，第二屏蔽气体成分包括比所 述第一屏蔽气体成分少的氮气，从而基本上消除所述孔的边缘的斜度。
17.如权利要求15所述的等离子焊炬系统，其特征在于，所述工件是低碳钢，所述第一 屏蔽气体成分是空气，且所述第二屏蔽气体成分是氧气。
18.如权利要求15所述的等离子焊炬系统，其特征在于，所述第二屏蔽气体成分在孔 切割期间主要由氧气组成。
19.如权利要求15所述的等离子焊炬系统，其特征在于，第二屏蔽气体由氦气、氧气和 氮气中的一种或多种组成。
20.如权利要求15所述的等离子焊炬系统，其特征在于，在孔切割期间减小所述焊炬 的切割速度。
21.如权利要求15所述的等离子焊炬系统，其特征在于，与切割所述轮廓时所述屏蔽 气体的流率相比，当切割所述孔时，减小所述屏蔽气体的流率。
22.如权利要求15所述的等离子焊炬系统，其特征在于，所述第一屏蔽气体成分是空气。
23.—种部件，包括计算机可读产品，所述计算机可读产品用于等离子焊炬系统并有形地嵌入信息载体内 并可在CNC上运行，所述计算机可读产品包括用于用等离子弧焊炬从工件切割孔和轮廓的切割信息，所述切割信息包括使得切割所 述孔时屏蔽气流包括第二屏蔽气体成分且切割所述轮廓时所述屏蔽气流包括第一屏蔽气 体成分的指令。
24.如权利要求23所述的部件，其特征在于，所述切割信息还包括使得切割孔时所述 控制单元根据孔的直径与工件厚度的比值控制所述第二屏蔽气体成分的指令。
25.一种用于控制等离子焊炬的切割参数的计算机数字控制器，所述切割参数包括屏 蔽气流的成分，所述控制器包括处理器；电子存储装置；界面，所述界面用于向等离子弧焊炬提供控制指令；查询表，所述查询表用于选择用于所述等离子焊炬的所述屏蔽气流的成分，使得所述 控制器根据所述等离子焊炬在工件上切割孔还是轮廓来控制所述屏蔽气流的成分。
26.在一种用等离子弧焊炬在工件上切割轮廓和孔的等离子弧切割过程中，所述等离 子弧焊炬用等离子气体和屏蔽气体在安装在所述焊炬内的电极与喷嘴之间产生离子化气 体的等离子弧，所述改进包括在所述工件上切割所述轮廓，所述屏蔽气体具有第一屏蔽气体成分，将所述屏蔽气体从所述第一屏蔽气体成分改变成第二屏蔽气体成分，以及使用所述第二屏蔽气体成分在所述工件上切割所述孔而不改变所述喷嘴和电极，使得 所述第二屏蔽气体成分的使用减少所述孔切口的斜度。
27.在一种用等离子弧焊炬在工件上切割轮廓和孔的等离子弧切割过程中，所述等离 子弧焊炬用等离子气体和屏蔽气体在安装在所述焊炬内的电极与喷嘴之间产生离子化气 体的等离子弧，所述改进包括在所述工件上切割所述孔，所述屏蔽气体具有第二屏蔽气体成分，将所述屏蔽气体从所述第二屏蔽气体成分改变成第一屏蔽气体成分，以及使用所述第一屏蔽气体成分在所述工件上切割所述轮廓而不改变所述喷嘴和电极，使 得所述第二屏蔽气体成分的使用减少所述孔切口的斜度。
28.如权利要求26或27所述的过程，其特征在于，切割所述孔的所述步骤还包括小于 切割所述轮廓步骤中所述焊炬的切割速度的焊炬切割速度。
29.如权利要求26或27所述的过程，其特征在于，切割所述孔的所述步骤还包括与切 割所述轮廓步骤期间的屏蔽气流相比减少的屏蔽气流。
全文摘要
一种用于等离子焊炬系统的方法和装置，该系统具有等离子焊炬末端构造，该构造包括喷嘴、电极和用于控制屏蔽气流成分的控制单元，使得当切割轮廓时屏蔽气流包括第一屏蔽气体成分，且在切割孔时屏蔽气流包括第二屏蔽气体成分。
文档编号B23K10/00GK101952075SQ200980105977
公开日2011年1月19日 申请日期2009年10月23日 优先权日2008年12月22日
发明者G·T·贝斯特, J·W·林德赛 申请人:海别得公司