等离子焰炬延伸器以及等离子弧焰炬切割系统的制作方法
【专利说明】等离子焰炬延伸器以及等离子弧焰炬切割系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年10月14日提交的美国临时专利申请N0.62/063, 703和2014年3月7日提交的美国临时专利申请N0.61/949,609的权益和优先权。本申请是2015年1月30日提交的序列号为14/610,011的美国专利申请的部分接续案，序列号为14/610,011的美国专利申请是2014年10月14日提交的序列号为14/513,878的美国专利申请的部分接续案，序列号为14/513,878的美国专利申请是2012年8月9日提交的序列号为13/570，526的美国专利申请的部分接续案，序列号为13/570，526的美国专利申请是2012年7月19日提交的序列号为13/553,273的美国专利申请的部分接续案。本申请也是2011年9月9日提交的序列号为13/229，105的美国专利申请(‘105申请)(现在是美国专利8，981，253)的部分接续案，‘105申请是2010年9月9日提交的序列号为12/878,512的美国专利申请(现在是美国专利N0.8，624，150)的部分接续案。‘105申请也是2011年6月27日提交的序列号为13/169，534的美国专利申请(现在是美国专利N0.8，153,927)的部分接续案，序列号为13/169,534的美国专利申请是2006年12月15日提交的序列号为11/611,625的美国专利申请(现在是美国专利N0.7，989，727)的接续案，序列号为11/611,625的美国专利申请要求2006年9月13日提交的美国临时专利申请N0.60/825, 453的权益和优先权。‘ 105申请是2008年2月15日提交的序列号为12/032，630的美国专利申请(现在是美国专利N0.8，089，025)的部分接续案，序列号为12/032，630的美国专利申请要求2007年2月16日提交的美国临时专利申请N0.60/901, 804的权益和优先权。本申请进一步要求2014年5月9日提交的序列号为61/991，114的美国专利申请的权益和优先权。所有这些申请的内容都归本申请的受让人所有，并且其整体通过引用结合在此。
技术领域
[0003]本公开总体上涉及热切割焰炬(例如，等离子弧焰炬)，并且更具体来说涉及等离子焰炬部件以及相关系统和方法。
【背景技术】
[0004]诸如等离子弧焰炬之类的热处理焰炬广泛地用于对材料进行高温处理(例如，加热、切割、刨削和印记)。等离子弧焰炬总体上包含焰炬本体、安装在焰炬本体内的电极、安置在电极的钻孔内的发射插头、安装在焰炬本体内的设有中央出口孔口的喷嘴、护罩、电连接、冷却用的通路、弧控制流体(例如，等离子气体)用的通路、和电力供应器。可以使用涡流环来控制在电极与喷嘴之间形成的等离子室中的流体流的样式。在一些焰炬中，使用固定帽将喷嘴和/或涡流环保持在等离子弧焰炬中。在操作中，焰炬产生等离子弧，等离子弧是收紧的一股离子化气体，该离子化气体具有高温和充分的动量，足以帮助去除熔化的金属。焰炬中使用的气体可以是非反应性气体(例如，氩气或氮气)或者反应性气体(例如，氧气或空气)。
[0005]在用等离子弧切割金属工件或给金属工件加印记的过程中，首先在焰炬内的电极(阴极)与喷嘴(阳极)之间产生导弧。当在这种导弧模式中操作时，电极可以从喷嘴分开，从而在电极与喷嘴之间形成弧，例如，如美国专利N0.4，791，268中说明的，该专利的内容通过引用结合在此。在喷嘴与电极之间通过的气体被离子化以形成等离子，然后等离子从喷嘴的出口孔口中出来。可以使气体穿过涡流环，以在气体穿过焰炬时向气体施加切线运动，从而改善焰炬性能。当焰炬在工件附近移动时，弧接触工件，电流返回路径于是从喷嘴转移到工件。总体上，焰炬在这种转移等离子弧模式中操作，转移等离子弧模式的特征在于离子化的等离子气体从电极流动到工件，而电流返回路径是从工件回到电力供应器。如此产生的等离子可以用于切割、焊接、工件或给工件加印记。
[0006]除了上文说明的后喷操作之外，备选的已知技术还包含前喷技术，其中，该喷嘴与固定喷嘴分开。例如，参照美国专利N0.5，994，663，该专利的内容通过引用结合在此。
[0007]焰炬的尺寸取决于上文所述的耗材(例如，电极、涡流环、喷嘴、和护罩)的大小和配置。这些耗材的设计非常有技术性，并且对焰炬寿命和性能的影响很大。电极总体上被涡流环、喷嘴包围，并且在一些配置中被护罩包围。所有这些部件及其设计和组合的方式都会影响到整个焰炬的尺寸、配置、重量、成本、和其他参数。
[0008]另外，焰炬的耗材(例如，电极、喷嘴、涡流环、和护罩)都会暴露于高温。标准的焰炬在高百分比的占空比下运行时难免使焰炬部件熔化并在焰炬中导致其他温度相关问题。可以利用各种技术来冷却焰炬的耗材，诸如使用喷水冷却来冷却喷嘴和/或护罩，在电极中和/或喷嘴周围使用液体冷却，或者使用通风孔来冷却护罩，如美国专利N0.5，132，512中所说明，该美国专利的内容整体结合在此。当等离子弧焰炬在高电流(例如，大于大约15安培)下运行时，和/或当等离子弧焰炬完全靠气体冷却时，等离子弧焰炬耗材甚至可能更难冷却。
[0009]此外，现有的等离子切割系统包含许多种耗材，以供与不同的切割电流和/或操作模式一起使用。大量的耗材选择可能会让使用者感到困惑，并且增加了使用不正确的耗材的可能性。大量耗材选择还可能导致焰炬的设置时间冗长，并且使得对耗材布置有不同要求的切割工艺之间难以实现转变。
[0010]等离子弧焰炬广泛地用于处理(例如，切割和印记)金属材料。等离子弧焰炬总体上包含焰炬本体、安装在本体内的电极、设有中央出口孔口的喷嘴、电连接、冷却和弧控制流体用的通路、用于控制流体流样式的涡流环、和电力供应器。焰炬产生等离子弧，等离子弧是具有高温和高动量的一股收紧的等离子气体。该气体可以是非反应性气体(例如，氮气或氩气)，或者是反应性气体(例如，氧气或空气)。
[0011]在用等离子弧切割金属工件或给金属工件加印记时，通常首先在电极(阴极)与喷嘴(阳极)之间产生导弧。导弧使穿过喷嘴出口孔口的气体离子化。在离子化的气体使电极与工件之间的电阻减小之后，然后弧从喷嘴转移到工件。焰炬在这个转移等离子弧模式中操作，其特征在于电子和导电离子化气体从电极流动到工件，以便切割工件或给工件加印记。
【实用新型内容】
[0012]提供一种用于等离子弧切割系统的盒装型复合喷嘴，该复合喷嘴包含喷嘴本体、涡流套筒、绝缘物、喷嘴尖端、和喷嘴护罩。所述复合喷嘴可以组合和/或消除现有的等离子焰炬耗材中使用的其他焰炬部件。例如，可以不再需要常规的涡流环，因为复合喷嘴可以向焰炬本体内的气流施加涡流。
[0013]复合喷嘴的冷却能力可以增强，制造和材料成本可以降低，和/或再循环能力、耐用性和性能可以得到改进。复合喷嘴可以在手持式等离子切割系统和机械化等离子切割系统中操作。复合喷嘴在一个结构中提供多个耗用性部件，因而能够让组装时间明显减少(例如，减少到1/5-1/10)。这种集成设计还确保针对给定的切割任务正确地选择和取向(例如，对齐)相配零件，并且使得针对给定的切割任务更容易认出一套适当的耗用性部件。
[0014]在一个方面中，本实用新型的特征是一种用于等离子弧切割焰炬的喷嘴。该喷嘴包含基本上中空的长型本体，该本体能够接收电极。该喷嘴本体限定一根纵轴，并且沿着该轴线从喷嘴本体的第一末端至喷嘴本体的第二末端具有长度(L)。该喷嘴还包含等离子出口孔口，其安置在本体的第一末端处。喷嘴本体的第一末端具有宽度(W)，并且喷嘴本体的长度与喷嘴本体的宽度的比值(L/W)大于大约3。
[0015]在另一个方面中，本实用新型包含一种切割工件的方法。提供一种等离子弧焰炬，该等离子弧焰炬具有本体，该本体包含流路径，用于引导等离子气体使其穿过涡流环，流到等离子室，在等离子室中形成等离子弧。还提供一种喷嘴，该喷嘴是相对于焰炬本体的远端处的电极安装的，以便限定等离子室。该喷嘴包含基本上中空的长型本体，该本体能够接收电极。该喷嘴本体限定一根纵轴，并且沿着该轴线从喷嘴本体的第一末端至喷嘴本体的第二末端具有长度。该喷嘴还包含等离子出口孔口，其安置在喷嘴本体的第一末端处。喷嘴本体的第一末端具有宽度，并且喷嘴本体的长度与喷嘴本体的宽度的比值大于大约3。该喷嘴还包含至少一个补充孔口，该补充孔口是穿过喷嘴的端面或侧壁中的至少一个安置的。该至少一个补充孔口是相对于等离子出口孔口而言的。等离子弧切割焰炬在大于大约15安培的安培水平下操作。基本上所有冷却气体都流经焰炬本体的远端处的该至少一个补充孔
□ ο
[0016]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种用于等离子弧切割焰炬的喷嘴组件。该喷嘴组件包含基本上中空的长型本体，该本体限定纵轴，并且沿着该轴线从本体的第一末端至本体的第二末端具有长度。该喷嘴组件还包含等离子出口孔口，其安置在本体的第一末端处。一种结构配置成可平移地接收电极，并且与喷嘴本体一体成形。该结构包含本体，该本体设有斜切的气体端口，用以在等离子弧切割焰炬操作过程中提供涡流等离子气体。
[0017]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种切割工件的方法。还提供一种喷嘴组件，该喷嘴组件是相对于焰炬本体的远端处的电极安装的，以便限定等离子室。该喷嘴组件包含基本上中空的长型本体，该本体限定纵轴，并且沿着该轴线从本体的第一末端至本体的第二末端具有长度。该喷嘴组件还包含等离子出口孔口，其安置在喷嘴本体的第一末端处。该喷嘴组件还包含至少一个补充孔口，该至少一个补充孔口是穿过喷嘴组件的端面相对于等离子出口孔口安置的。一种结构配置成可平移地接收电极，并且与喷嘴本体一体成形。该结构包含本体，该本体设有斜切的气体端口，用以在等离子弧切割焰炬操作过程中提供涡流等离子气体。等离子弧切割焰炬在至少大约15安培的安培水平下操作。基本上所有冷却气体都流经至少一个气体出口。
[0018]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种用于高能见度等离子弧切割焰炬的电极。该电极包含长型的电极本体，该长型的电极本体具有第一末端和第二末端。该电极本体在第一末端中限定钻孔，用于接收插头，并且该电极本体包含(i )从第一末端延伸的第一本体部分；(ii)延伸至第二末端的第二本体部分；以及(iii)相对于电极本体的第一末端处的第一本体部分定位的传热区。在等离子焰炬在大于大约15安培的电流下操作的过程中，传热区与冷却气体热连通，并且配置成从传热区去除在等离子焰炬操作过程中产生的大部分热。
[0019]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种用于高能见度等离子弧切割焰炬的电极。该电极包含长型的电极本体，该长型的电极本体具有第一末端和第二末端。该本体在第一末端中限定钻孔，用于接收插头。该电极本体包含:(i)从第一末端延伸的第一本体部分；(ii )延伸至第二末端的第二本体部分；以及(iii )相对于电极本体的第一末端处的第一本体部分定位的传热区。传热区大于大约1平方英寸。
[0020]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种用于手持式等离子焰炬的焰炬尖端。该手持式等离子焰炬设有触发器和焰炬尖端座。该焰炬尖端包含基本上中空的喷嘴和相对于该喷嘴安置的电极。相对于喷嘴和电极安置一个壳体。喷嘴、电极和壳体形成组装后的焰炬尖端，组装后的焰炬尖端具有远端和近端。组装后的焰炬尖端的近端配置成联接至焰炬尖端座。从组装后的焰炬尖端的远端到近端的距离大于大约3英寸。
[0021]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种用于手持式等离子焰炬的焰炬尖端。该手持式等离子焰炬设有触发器和焰炬尖端座。该焰炬尖端包含基本上中空的喷嘴和相对于该喷嘴安置的电极。相对于喷嘴和电极安置一个壳体。喷嘴、电极和壳体形成组装后的焰炬尖端，组装后的焰炬尖端具有远端和近端。组装后的焰炬尖端的近端配置成联接至焰炬尖端座。组装后的焰炬尖端限定纵轴，并且沿着该轴线从近端到远端具有长度。组装后的焰炬尖端的长度与组装后的焰炬尖端的宽度的比值大于大约3。
[0022]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种在等离子弧焰炬中对齐电极的方法。提供一种喷嘴组件。该喷嘴组件包含基本上中空的长型本体，该本体能够接收电极。该本体限定纵轴，并且沿着该轴线从本体的第一末端至本体的第二末端具有长度。该喷嘴组件还包含等离子出口孔口，其安置在本体的第一末端处。一个结构与喷嘴本体一体成形。该结构包含本体，该本体设有斜切的气体端口，用以在等离子弧切割焰炬操作过程中提供涡流等离子气体。一个长型的电极安置在喷嘴的本体内。该电极具有第一末端和第二末端。电极本体在电极的第一末端中限定钻孔，用于接收插头。电极的钻孔经由该结构与喷嘴的等离子出口孔口对齐。
[0023]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种用于延长等离子弧焰炬的寿命的方法。提供一个焰炬本体，该焰炬本体包含等离子气流路径，用于引导等离子气体使其穿过涡流环流到等离子室，在等离子室中形成等离子弧。提供一种喷嘴，该喷嘴是相对于焰炬本体的远端处的电极安装的，以限定等离子室。该喷嘴包含基本上中空的长型本体，该本体能够接收电极。喷嘴本体具有第一末端和第二末端。该喷嘴本体还包含等离子出口孔口，等离子出口孔口安置在喷嘴本体的第一末端处，其中，喷嘴本体从第一末端至第二末端的长度大于大约2英寸。至少一个补充孔口穿过喷嘴的端面或侧壁中的至少一个安置。该至少一个补充孔口是相对于等离子出口孔口而言的。等离子弧焰炬在至少大约15安培的安培水平下操作。基本上所有冷却气体都流经该至少一个气体出口。
[0024]在另一个方面中，本实用新型的特征是一种用于延长等离子弧焰炬的寿命的方法。提供一个焰炬本体，该焰炬本体包含等离子气流路径，用于引导等离子气体使其穿过涡流环流到等离子室，在等离子室中形成等离子弧。还提供一个喷嘴，该喷嘴是相对于焰炬本体的远端处的电极安装的，以限定等离子室。该喷嘴包含基本上中空的长型本体，该本体能够接收电极。该喷嘴本体限定纵轴，并且沿着该轴线从喷嘴本体的第一末端至喷嘴本体的第二末端具有长度。等离子出口孔口安置在喷嘴本体的第一末端处。喷嘴本体从第一末端至第二末端的长度大于大约2英寸。等离子弧焰炬在至少大约15安培的安培水平下操作。基本上所有冷却气体都从焰炬本体的远端流出。
[0025]在一些实施例中，该喷嘴还包含在本体的第一末端处的端面，穿过该端面安置有等离子出口孔口，并且穿过该端面相对于等离子出口孔口安置有至少一个补充孔口。该至少一个补充孔口可以是斜切的，或者该至少一个补充孔口可以是线性的/笔直的。基本上所有冷却气体都能穿过该至少一个补充孔口离开。
[0026]该喷嘴还可以包含至少一个孔口，该至少一个孔口是穿过喷嘴的本体安置的。该至少一个孔口可以是斜切的，或者该至少一个孔口可以是线性的/笔直的。在一些实施例中，该等离子弧焰炬是气冷的。基本上所有冷却气体都穿过该至少一个孔口离开。
[0027]在一些实施例中，该喷嘴本体包含至少一个补充孔口，该补充孔口是穿过喷嘴的端面安置的。该喷嘴本体可以包含至少一个孔口，该至少一个孔口是穿过喷嘴的本体安置的。在一些实施例中，该喷嘴本体包含穿过喷嘴的端面安置的至少一个补充孔口，和穿过喷嘴的本体安置的至少一个孔口。
[0028]该喷嘴还可以包含至少一个热交换元件，该热交换元件安置在喷嘴本体上，并且与冷却气体热连通。该至少一个热交换元件可以安置在喷嘴本体的外表面上。该至少一个热交换兀件可以安置在喷嘴本体的内表面上。
[0029]喷嘴的长度可以大于大约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些实施例中，喷嘴的长度大于大约2.5,3.5,4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5、
10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0030]喷嘴的长度与宽度的比值可以大于大约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。在一些实施例中，喷嘴的长度与宽度的比值大于大约4.5,5.5,6.5,7.5、
8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5。
[0031]在一些实施例中，在等离子弧切割焰炬中使用本文中说明的喷嘴中的任一个。该等离子弧切割焰炬可以是手持式等离子弧切割焰炬。
[0032]喷嘴组件的长度可以大于大约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些实施例中，喷嘴组件的长度大于大约2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、
9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0033]在一些实施例中，该喷嘴组件还包含在本体的第一末端处的端面，穿过该端面安置有等离子出口孔口，并且穿过该端面或侧壁中的至少一个相对于等离子出口孔口安置有至少一个补充孔口。该至少一个补充孔口可以是斜切的。基本上所有冷却气体都能穿过该至少一个补充孔口离开。喷嘴组件内的结构可能能够可平移地接收电极。
[0034]该喷嘴组件还可以包含至少一个热交换元件，该热交换元件安置在喷嘴本体上，并且与冷却气体热连通。该至少一个热交换元件可以安置在喷嘴本体的外表面上。该至少一个热交换元件可以安置在喷嘴本体的内表面上。
[0035]喷嘴组件还可以包含至少一个孔口，该至少一个孔口是穿过喷嘴本体安置的。在一些实施例中，该喷嘴本体包含至少一个补充孔口，该补充孔口是穿过喷嘴的端面安置的。该喷嘴本体可以包含至少一个孔口，该至少一个孔口是穿过喷嘴的本体安置的。在一些实施例中，该喷嘴本体包含穿过喷嘴的端面安置的至少一个补充孔口，和穿过喷嘴的本体安置的至少一个孔口。
[0036]在一些实施例中，在等离子弧切割焰炬中使用本文中说明的喷嘴组件中的任一个。该等离子弧切割焰炬可以是手持式等离子弧切割焰炬。
[0037]电极的传热区可以大于大约1平方英寸。传热区可以在大约1平方英寸与大约3平方英寸之间。
[0038]在一些实施例中，在等离子弧切割焰炬中使用本文中说明的电极中的任一个。该等离子弧切割焰炬可以是手持式等离子弧切割焰炬。
[0039]在一些实施例中，喷嘴和/或电极是长型的。喷嘴可以沿着从喷嘴的第一末端和喷嘴的第二末端延伸的纵轴具有长度。从喷嘴的第一末端至第二末端的长度可以大于大约 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些实施例中，喷嘴的长度大于大约 2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、
16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0040]壳体可以包含转接器，该转接器能够延伸从组装后的焰炬尖端的远端至近端的距离。从组装后的焰炬尖端的远端至近端的距离可以大于大约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些实施例中，从组装后的焰炬尖端的远端到近端的距离可以大于大约 2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、
17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0041]在一些实施例中，焰炬尖端还包含至少一个热交换元件，该至少一个热交换元件安置在喷嘴上，并且与冷却气体热连通。该至少一个热交换元件可以安置在喷嘴的外表面上。该至少一个