0示出了在等离子弧焰炬在45安培下操作的过程中的以摄氏度为单位的焰炬温度对时间。等离子弧焰炬操作了 20秒钟，然后关闭五秒钟。这个过程重复222次。大的竖直间隙表示耗材组的变化。如曲线图上所示，焰炬本体和耗材诱发的最高温度是41°C。现有技术耗材通常达到超过120°C的温度。
[0163]图11是对于在30安培下操作的等离子弧焰炬将标准耗材的温度与跟本文中说明的前向流方法一起使用的延伸耗材比较的曲线图。标准耗材达到超过120°C的温度。延伸耗材达到的最高温度是54°C。
[0164]提供等离子弧焰炬的这样的剧烈温度降低的耗材的前向流设计的传热可以表达为方程式1-3，其中Q是电弧引起的进入电极和喷嘴的热，A是总(电极和喷嘴)的传热表面，hATC是电极和喷嘴的热交换表面的传热系数，T 是热交换表面的局部表面温度，并且Tb是气体(空气)的局部球温。
[0165]Q = AhAVGAT方程式 1
[0166]A = A电极+ A喷嘴方程式2
[0167]ΔΤ = T表面-?；方程式3。
[0168]图12示出了焰炬尖端1200，焰炬尖端1200包含电极1205、喷嘴1210、护罩1215、和涡流环1220。电极1205设有插头1225，例如，铪插头。喷嘴1210包含气体出口 1230。冷却气体(例如，空气)1235可以在电极1205与喷嘴1210之间流动，并且屏蔽气体1240可以在喷嘴1210与护罩1215之间流动。冷却气体1235和护罩气体1240组合地冷却焰炬尖端处的耗材。
[0169]参照图13，可以基于方程式4-7计算电极和喷嘴的作为传热面积的总面积，其中d是直径，而1是长度。
[0170]A, = ii (1山=A电极麵方程式4
[0171]A2 = π d2l2 = A喷嘴内径表面方程式5
[0172]A3 = τι d3l3 = A喷嘴外径表面方程式6
[0173]A = Ai + A2 + A3方程式 7。
[0174]参照图14和方程式1，在计算hAVG时应当考虑到几个因素。首先是喷嘴内径与电极之间的间隙1405的尺寸。例如，如果小喷嘴内径的直径减去电极的直径小于大喷嘴内径的直径减去电极的直径(例如，见方程式8配合图14)，那么将在涡流环两端形成压降，这可能影响冷却气体的速度和压力。
[0175]Φ小喷嘴内径-D电极)< (D大喷嘴内径-D电极)方程式8。
[0176]另外，喷嘴的外径与护罩之间的间隙1410的尺寸可能影响屏蔽气体的速度和压力。热交换表面(电极1415的外表面、喷嘴1420、1425的相应内表面或外表面或护罩1430的内表面)中的任一个上的任何热交换特征件都能形成扰流，并且使边界层收缩，以增加冷却气流和/或屏蔽气流中的对流。而且，出口孔1435可能基于出口孔1435的直径和位置而影响边界层和冷却气体的扰流。在计算h-时，还可以考虑到冷却和屏蔽气体的重力和气体属性。
[0177]参照图15，还可以通过方程式9来计算电弧引起的进入电极和喷嘴的热。
[0178]Q = (T^g - T体电极)+A2h2(T喷嘴-T体电极)+A3h3(T_ - T体护罩)方程式9。
[0179]虽然是相对于手持式等离子弧焰炬说明本实用新型的实施例，但是这些实施例同样适用于机械化焰炬。本领域的普通技术人员将容易了解，耗材和流特性的设计可以应用于手持式和机械化两种焰炬。
[0180]可以使用本文中说明的耗材中的任一个(例如，喷嘴或电极实施例中的至少一个)和前向流冷却方法执行切割工件和延长等离子弧焰炬的寿命的方法。通过提供具有本体的等离子弧焰炬，可以执行该方法。该本体包含流路径，用于引导等离子气体穿过涡流环到达等离子室，从而形成等离子弧。可以提供本文中说明的任何一个或多个耗材实施例。例如，可以提供图2的喷嘴，可以提供图6的喷嘴组件，或者可以提供图3的电极。在一些实施例中，可以提供图2的喷嘴和图3的电极两者，或者可以提供图6的喷嘴组件和图3的电极。
[0181]该等离子弧焰炬可以在至少大约15安培的安培水平下操作。在一些实施例中，该等离子弧焰炬在至少大约30安培、至少大约45安培、至少大约60安培、至少大约80安培、至少大约100安培、至少大约120安培、至少大约150安培或至少大约200安培的安培水平下操作。
[0182]该方法还包含使大部分(例如，大于大约95%)冷却气流经焰炬本体的远端处的至少一个补充孔口(例如，喷嘴的补充孔口)。
[0183]根据本实用新型的技术的另一个方面，可以重新设计、组合、和/或去掉几个传统的焰炬部件，以形成等离子弧切割系统的一个或多个盒装型耗材。图16示出了示例性耗用性复合喷嘴1600，其结合了至少五个不同的焰炬部件，包含喷嘴本体1602、涡流套筒1604、绝缘物1606、喷嘴尖端1608、和喷嘴护罩1610。
[0184]在一些实施例中，将喷嘴1600的这五个部件压配合在一起以形成喷嘴1600。这样就能高效地制造和组装这些部件，经由压配合连接改进喷嘴1600的耐用性，并且便于使部件相对于彼此正确地取向。使用压配合布置，还能实现对喷嘴1600的更强的冷却。压配合布置可以提供改进的气流表面。压配合布置还可以简化部件的制造和/或组装(例如，因为实施时不需要许多特征件，而在螺纹式连接时将需要许多特征件才能实施)。由于喷嘴1600的不同部件的公差相对小和/或干涉表面相互靠近，所以压配合布置可以在这些部件之间提供改进的导热路径。压配合布置可以包含干涉配合或耳片式/互锁配合，包含台阶状特征件。压配合布置尺寸小，可以降低制造和/或材料成本。在一些实施例中，经由模制工艺而模制或形成喷嘴1600的部件中的至少一个。在一些实施例中，喷嘴1600的部件设有螺纹，以允许操作人员将其连接起来。在一些实施例中，喷嘴1600配置成等离子弧焰炬的散热器。
[0185]图17示出了图16的复合喷嘴1600的喷嘴本体1602的实施例。喷嘴本体1602可以包括传导材料本体，诸如铜或铝。在一些实施例中，为喷嘴本体1602使用铝，可以相对于传统的材料增强冷却性能，因为与传统的材料(例如，Vespel)相比，铝的导热性较高。通过使冷气流过铝喷嘴本体1602，可以对喷嘴尖端1608和附接电极(未示出)实现明显更好的冷却。另外，由于Vespel可能比铝昂贵许多，所以将Vespel换成铝，可以降低喷嘴1600的制造成本。在一些实施例中，对于喷嘴本体1602来说，铝是比铜更好的选择，因为虽然铜的导热性比铝强，但是铜也是更昂贵的材料。因此，为了降低成本，可以仅在焰炬操作过程中受到的热量最多的区域中(诸如在喷嘴尖端1608或喷嘴护罩1610中)使用高导热性材料。因此，为喷嘴本体1602使用铝代表了成本与功能之间的理想平衡。
[0186]如图17所示，喷嘴本体1602从近端1603 (S卩，在组装之后，最靠近喷嘴护罩1610的末端)到与近端1603相反的远端1605限定纵轴1601。喷嘴本体1602沿着纵轴1601具有大约2.5至大约3英寸的长度(L)，和大约0.4至大约0.5英寸的横截面宽度(W)。涡流套筒1604可以附接到喷嘴本体1602的内表面。例如，涡流套筒1604可以从近端1603滑动到喷嘴本体1602中，并且在安置于喷嘴本体1602的内表面上的台阶区1616处与喷嘴本体1602形成干涉配合。如图17所示，台阶区1616可以包括三个部分:最靠近远端1605的第一部分1616a，最靠近近端1603的第三部分1616c，和在第一部分1616a与第三部分1616c之间的第二部分1616b。第二部分1616b的横截面宽度可以大于第一部分1616a的横截面宽度。第三部分1616c的横截面宽度可以基本上与第二部分1616b的横截面宽度相同或者大于第二部分1616b的横截面宽度。在组装过程中，涡流套筒1604可以从近端1603滑动穿过第三部分1616c，并且与第二部分1616b形成干涉配合。由于第一部分1616a的横截面宽度较窄，所以能防止涡流套筒1604朝远端1605进一步轴向推进。
[0187]图18示出了图16的复合喷嘴1600的涡流套筒1604的实施例。涡流套筒1604可以包含一组一个或多个涡流孔1604a (例如，六个涡流孔)，这些涡流孔1604a径向地偏移，向从中流过的气体(例如，屏蔽气体、等离子气体、和/或增压气体)施加涡流运动(例如，径向和切线速度分量)。涡流套筒1604可以执行以前由单独的涡流环提供的涡流功能。因此，不再需要单独的涡流环。涡流套筒1604可以由诸如铜之类的传导材料制成。涡流套筒1604沿着纵轴1601的长度可以是大约0.11至大约0.12英寸，并且涡流套筒1604的横截面直径可以与喷嘴本体1602的台阶区1616的第二部分1616b的横截面宽度基本上相同。
[0188]图19示出了图16的复合喷嘴1600的喷嘴尖端1608的实施例。喷嘴尖端1608可以由传导材料(例如，铜)制成，因为喷嘴尖端1608在焰炬操作过程中暴露于大的热梯度。如图19所示，喷嘴尖端1608可以比喷嘴本体1602短，以便尽可能减少喷嘴尖端1608中使用的铜，和/或增加长型喷嘴本体1602中使用的较便宜的材料(例如，铝)。例如，喷嘴尖端1608的长度可以是喷嘴本体1602的长度的大约1/2、1/3或1/4。总的来说，复合喷嘴1600的功能类似于主要包括铜的现有技术喷嘴，但是复合喷嘴1600制造起来更有成本效益，且重量减轻，这样能让焰炬尖端更便于操控。
[0189]图20示出了喷嘴尖端1608的另一个实施例。如图所示，喷嘴尖端1608包含一组一个或多个排放孔1612和/或一组一个或多个排放通道1618，其将喷嘴1600的内部流体地连接至喷嘴1600的外部。喷嘴1600的外部可以是周围环境，并且喷嘴1600的内部可以是护罩1610的内部。下文相对于图23说明排放孔1612和排放通道1618的功能。另外，喷嘴尖端1608包含喷嘴出口孔口 1614，用于将等离子弧引入至工件。如图20所示，喷嘴尖端1608可以沿着纵轴1601具有大约0.9至大约1英寸的长度(L)，并且具有大约0.37至大约0.4英寸的横截面宽度(W)。
[0190]图21示出了图16的复合喷嘴1600的绝缘物1606的实施例。绝缘物1606可以是电绝缘环，配置成将喷嘴护罩1610连接至喷嘴尖端1608。电绝缘环可以包含一组压配合表面(例如，一个压配合表面是用于喷嘴尖端1608，一个压配合表面是用于喷嘴护罩1610)。因此，护罩1610可以压配合到绝缘物1606上，绝缘物1606可以压配合到喷嘴尖端1608上。电绝缘环1606可以将喷嘴尖端1608连接至护罩1610，使得喷嘴尖端1608和护罩1610彼此电绝缘，同时仍然彼此传递热能。在一些实施例中，绝缘物1606是两片式绝缘物(未示出)，由于接触表面增加，所以该两片式绝缘物可以增加(例如，加倍)电绝缘能力。在一些实施例中，绝缘物1606由阳极化的铝和/或塑料制成。如图21所示，绝缘物1606沿着纵轴1601可以具有大约0.3至大约0.4英寸的长度(L)，并且具有大约0.4至大约0.5英寸的最大横截面宽度(W)。
[0191]在一些实施例中，可以使用硬阳极化技术形成绝缘物1606的阳极化层。例如，可以使用基于维持在大概32华氏度的硫酸的电解溶液和每平方英尺大约23至37安培的电流密度的硫酸硬阳极化工艺形成阳极化层。该工艺可以持续大约20至120分钟，这取决于所使用的合金和期望的涂层厚度。可以制造厚度大约10至50微米的涂层。这个硬的阳极化涂层能够提供高抗腐蚀性(例如，336+小时的抗盐雾性)、高耐用性(例如，60-70罗克韦尔C量表分级)、和电绝缘(例如，800 V/mil厚度)。可以给硬阳极化涂层染色，染色处理未必会产生硫酸阳极化所产生的鲜艳颜色。
[0192]阳极化工艺可以提供铝到A1203的表面转换。阳极化工艺可以提供大约0.003英寸厚(包含50%的堆积物(例如，该零件上的沉积物))和50%渗透率(例如，部件的暴露表面的材料变化)的电介质硬壳。电介质硬壳可以提供良好的抗大气腐蚀性。在极端环境下，推荐5%重铬酸盐溶液密封，这样可以产生良好的抗磨损性。在一些实施例中，可以将多个阳极化圆盘挤压或热收缩到一起。使用多个圆盘，可以形成可调节的电隔离，例如，因为每个圆盘线性地增加电隔离(经由每个圆盘的新表面所引入的每个涂层/每个层)。通过使用多个层，可以让电隔离能力非常强。例如，通过使用绝缘物1606，可以用安全系数4使铜零件(例如，喷嘴尖端1608和/或喷嘴护罩1610)电隔离。在一些实施例中，可以使用塑料、陶瓷、熔岩或Vespel，取代任何或所有的阳极化部分/部件。
[0193]图22示出了图16的复合喷嘴1600的喷嘴护罩1610的实施例。喷嘴护罩1610可以由诸如铜之类的传导材料制成。喷嘴护罩1610可以比先前的护罩小很多。例如，对于45安培的系统，现有技术的库存护罩可以具有大约一英寸(例如，大约0.990英寸)的直径和大约0.036镑的质量；而根据本实用新型的技术的喷嘴护罩1610可以具有大约半英寸(例如，
0.496英寸)的直径和大约0.007镑的质量。对于105安培的系统，现有技术的库存护罩可以具有大约一英寸(例如，大约1.00英寸)的直径和大约0.047镑的质量；而根据当前技术的喷嘴护罩1610可以具有大约半英寸(例如，0.58英寸)的直径和大约0.013镑的质量。总的来说，喷嘴护罩1610的尺寸较小，可以减小总质量，并且因此减少该零件的热容量，从而允许在后流动过程中迅速冷却，和/或允许在操作过程中将更多的热传递到冷却气体。喷嘴护罩1610可以暴露于在护罩1610外部周围从焰炬流出的冷气(经由排放孔1612)，这样能进一步降低温度。护罩较小，可以在操作过程中实现比较高的温度，并且可以将更多热传递到冷却气体(例如，形成较大的温度梯度)。如图22所示，喷嘴护罩1610可以沿着纵轴1601具有大约0.25至大约0.35英寸的长度(L)，并且具有大约0.4至大约0.5英寸的最大横截面宽度(W)。
[0194]总的来说，盒装式复合喷嘴1600可以具有增强的冷却和绝缘能力(例如，通过增加远离焰炬的耗用性部件的传热)，减少的制造和材料成本，和/或改进的再循环能力、耐用性、和性能。喷嘴1600对于手持式等离子切割系统和机械化等离子切割系统两者可能都有成本效益。喷嘴1600将许多耗用性部件合并成一块，因此使得组装时间能明显减少(例如，减少到l/5_l/10(by a factor of 5_10))，从而确保针对给定的切割任务正确地选择相配的零件，和/或针对给定的切割任务更容易认出适当的耗用性部件。
[0195]在一些实施例中，喷嘴1600长型以到达难以接入的位置。喷嘴1600可以沿着纵轴1601具有长度(L)，并且沿着轴向方向具有横截面宽度(W)，使得L/W比值大于或等于大约3。在一些实施例中，喷嘴尖端1608沿着纵轴的长度U是喷嘴1600的总长度L的大约25%。备选地，喷嘴尖端1608的长度1^包括喷嘴1600的总长度L的大约20%、30%或40%。在一些实施例中，喷嘴本体1602的长度L2为喷嘴尖端1608的长度L i的大约2_3倍。总的来说，喷嘴1600可以是盒装式的，因为喷嘴1600可以由五个部件构成，这五个部件分开来不能使用，但是可以整体更换。喷嘴1600可以包括喷嘴本体1602、喷嘴尖端1608、涡流套筒1604、喷嘴护罩1610、和绝缘物1606。
[0196]图23示出了示例性等离子弧焰炬组件2300，其包含图16的复合喷嘴1600。当完全组装好时，喷嘴1600基本上围绕电极2302。固定帽2304可以基本上围绕喷嘴1600，以便将喷嘴1600保持在焰炬组件2300中。例如由黄铜制成的零件2310可以经由螺纹连接与固定帽2304结合。联接至零件2310的固定帽2304配置成接收电极2302、复合喷嘴1600、和任选的后部绝缘部件2320 (例如，任选的涡流环)。另外，带螺纹的部分(未示出)可以安置在组件2300上，以将组件2300 (代表焰炬尖端)联接至等离子弧焰炬上。在焰炬的“后喷”接触开始操作模式中，气压可以使得电极2302在喷嘴1600内移动，远离喷嘴尖端1608。这样分开使得电极2302与喷嘴尖端1608之间形成弧。弧使引入的气体离子化，从而产生等离子射流，等离子射流可以传递到工件以进行材料处理。喷嘴1600的壁(电极2302在其附近移动)在操作过程中可以保持较凉，因为气流既在喷嘴1600内部上通过，又在喷嘴1600的外表面上通过。与以前使用的材料(例如，Vespel)相比，喷嘴1600的材料选择(例如，铝与铜的复合物)提供了更好的传导路径/散热器。这些效果帮助冷却电极2302，并且甚至在因为使用电极而在发射元件2308中形成深坑之后，也允许电极2302起作用。
[0197]图24示出了穿过图23的等离子弧焰炬组件2300的示例性气流样式。如图所示，气流总体上可以从组件2300的远端2314朝近端2316行进，发射元件2308位于近端2316上。气流可以有多重功能，可以用作屏蔽气体和/或等离子气体。涡流套筒1604的涡流孔1604a配置成将另外的涡流引入至气流。气流的部分2402可以经由喷嘴尖端1608的排放孔1612穿过固定帽2304从喷嘴1600内部排放至周围环境。这个气体部分2402可以冷却喷嘴1600和护罩1610的外部，为所产生的等离子弧提供稳定性，并且从工件上去除残渣。可以经由喷嘴尖端1608的排放通道1618，将气流的另一个部分2404从喷嘴1600的内部引导至喷嘴护罩1610，用作屏蔽气体。气流的又另一个部分(未示出)可以用作等离子气体，并且可以通过电流被离子化，从而经由喷嘴出口孔口 1614产生等离子弧以便处理工件。在一些实施例中，气流部分2402和2404使气体在喷嘴尖端1608中的涡流运动变缓。
[0198]图25示出了另一个示例性等离子弧焰炬组件2500的耗用性零件的分解图。为了配置等离子弧焰炬组件2500，可以使任选的绝缘部件或涡流环2502 (类似于图23的绝缘部件2320)被配合而穿过电极2504 (类似于图23的电极2302)，以基本上围绕电极2504的外表面部分。这两个部件的所得的组合可以插入到喷嘴2506(类似于图16和图23的喷嘴1600)中。这三个部件的所得的组合可以进一步插入到固定帽2508 (类似于图23的固定帽2304)中，以完成组件2500。
[0199]图26示出了图25的固定帽2508的示例性视图。固定帽2508可以基本上类似于图23的固定帽2304。固定帽2508可以具有大约4.5-5.5英寸的长度(L)、大约1英寸的第一横截面宽度(W1)(当在固定帽2508的远侧部分2510 (S卩，配置成附接至等离子弧焰炬的部分)处测量时)、和0.5英寸的第二横截面宽度(W2)(当在固定帽2508的近侧部分2512(即，与远侧部分2510相反的部分)处测量时)。当在固定帽2508的远侧部分2510附近的横截面宽度的最宽点处测量第一宽度时，固定帽2508可以具有大于3或大于4(例如，4.5)的长度与第一宽度比(L/W1)。当在近侧部分2512处测量第二宽度时，固定帽2508可以具有大于5、6、7、8或9的长度与第二宽度比(L/W2)。在一些实施例中，固定帽2508相对长型和/或横截面较小，以到达难以接入的位置。
[0200]图27是设有延伸器构件2706的等离子弧焰炬2700的侧视图，延伸器构件2706包含挠性区部。等离子弧焰炬2700可以包含手柄设备(例如，手柄)2702，手柄设备(例如，手柄)2702连接至电力供应器(未示出)。手柄2702遮罩着电连接件和气体连接件，电连接件和气体连接件可以向一组耗材2704提供一个或多个电路和切割气体，这些耗材2704可以通过延伸器构件2706连接至手柄2702以产生等离子弧。手柄