等离子体电动工具的制作方法

本申请要求2016年10月21日提交的美国临时专利申请序列号62/411,157的优先权和权益，该申请由本申请的受让人所有，并以其全文引用的方式并入到本文中。

本发明总体上涉及用于加工材料的便携式等离子体电动工具，诸如手持式的那些工具。

背景技术：

等离子体电弧焊炬广泛用于材料的高温加工(例如加热、切割、刨削和标记)。图1是常规手动接触开始等离子体电弧焊炬100的剖视图。等离子体电弧焊炬100包括焊炬主体102和焊炬尖端104，焊炬尖端104具有多种消耗品，例如电极105、喷嘴110、保持帽115和涡流环120。在一些实施例中，焊炬尖端104包括护罩125，护罩125通过保持帽115固定到焊炬主体102。在一些实施例中，等离子体电弧焊炬100是可移动和可运输的。例如，焊炬100可以是手持式的，以便使用附连到其上的可选手柄(未示出)来运输。焊炬100还包括电连接部、用于冷却的通道和用于电弧控制流体(例如等离子气体)的通道。

这种常规的等离子体电弧焊炬100在需要切割薄金属工件的应用中使用相当麻烦。这些任务通常位于偏远位置或受限空间，在那里不可能实现电气和/或气体连接。其它工具，包括航空剪、剪切机、切孔机、线锯等目前也用于切割薄金属工件。然而，这些工具都有许多缺点，包括易用性差、效率低、混乱和噪音污染。例如，航空剪在人体工程学上是困难的，需要熟练的技术人员操作，产生尖锐的毛刺，并且对我们来说是耗时的。剪切机往往有噪音、混乱以及笨重。动力剪也因其尺寸、重量和受限的方位而有局限。因此，希望提供一种便携式等离子体电动工具，其提供切割和修剪薄金属的更有成效的手段。

技术实现要素：

本发明提供了手持式等离子体电动工具，其在低气体消耗和/或低功率水平下有效操作，同时提供便携性和用于薄金属切割应用的性能。因此，本发明的实施例可用于各种行业和情况（诸如建筑工地）中、用于供暖、通风和空调(hvac)领域中以及用于汽车和工厂维护中。通常，本发明的等离子体电动工具具有广泛的适用性，因为它们将便携性和多功能性与低价格点结合在一起。

一方面，提供了一种手持式等离子体电动工具。该手持式等离子体电动工具包括：手持外壳；等离子体输送尖端部段，其至少部分地设置在外壳内用于向工件输送等离子体电弧；空气压缩机，其设置在外壳内用于向等离子体输送尖端部段提供气体；以及，电源，其设置在外壳内用于向空气压缩机或等离子体输送尖端部段中的至少一个提供电流。手持式等离子体电动工具还包括由外壳的至少一部分限定的手柄部段。手柄部段被配置成使得操作者能够用手操纵等离子体电动工具，同时向工件输送等离子体电弧。

另一方面，提供了一种手持式等离子体电动工具。手持式等离子体电动工具包括：外壳；等离子体输送尖端部段，其至少部分地设置在外壳内用于向工件输送等离子体电弧；以及，空气压缩机，其设置在外壳内用于向等离子体输送尖端部段提供气体。手持式等离子体电动工具还包括电源电路板，其设置在外壳内，用于将输入交流电流转换成直流焊炬电流，并将直流焊炬电流提供给空气压缩机或等离子体输送尖端部段中的至少一个。手持式等离子体电动工具还包括由外壳的至少一部分限定的外壳的手柄部段。手柄部段被配置成使得操作者能够用手握持整个等离子体电动工具，同时向工件输送等离子体电弧。

在又一方面，提供了一种手持式等离子体电动工具。手持式等离子体电动工具包括：等离子体输送尖端部段，其用于向工件输送等离子体电弧；空气压缩机，其用于向等离子体输送尖端部段提供气体；以及电源，其用于向空气压缩机或等离子体输送尖端部段中的至少一个提供电流。手持式等离子体电动工具还包括手持外壳。等离子体输送尖端部段的至少一部分、空气压缩机和电源被封装在外壳内。外壳的至少一部分限定手柄部段，该手柄部段被配置成使得操作者能够用手握持整个等离子体电动工具，同时向工件输送等离子体电弧。

上述方面中的任何方面都可以包括一个或多个以下特征。在一些实施例中，空气压缩机或电源中的至少一个设置在外壳的手柄部段中。空气压缩机可以设置在手柄部段的握持器部分中，并且电源可以设置在手柄部段的基座部分中。在一些实施例中，手持式等离子体电动工具还包括设置在手柄部段的外表面上的触发器。触发器被配置成启动等离子体电弧。

在一些实施例中，外壳包装电动工具的多个部段，包括等离子体输送尖端部段、手柄部段和连接等离子体输送尖端部段和手柄部段的颈部段。

在一些实施例中，电源包括一个或多个电池，用于向空气压缩机或等离子体输送尖端部段中的至少一个提供直流电流。在一些实施例中，电源包括有线输入电源连接部。在这种情况下，电源包括电源电路板，电源电路板设置在外壳内，用于经由输入电源连接部接收交流输入电流，将交流输入电流转换成直流焊炬电流，并将直流焊炬电流提供给等离子体输送尖端部段或空气压缩机中的至少一个。

在一些实施例中，由电源提供的电流在约6安培到约10安培之间。在一些实施例中，由空气压缩机供应的气体的流速小于约50标准立方英尺/小时(scfh)。在一些实施例中，等离子体电动工具在单一电压下操作。电源可以不包括多电压电路。

在一些实施例中，手持式等离子体电动工具还包括设置在外壳内的至少一种传输介质，用于将来自空气压缩机的气体或来自电源的电流中的至少一种传输到等离子体输送尖端部段。在一些实施例中，手持式等离子体电动工具还包括设置在外壳内的控制器。控制器保持与(i)空气压缩机或(ii)电源中至少一个的通信，与空气压缩机通信以控制输送到等离子体输送尖端部段的气体，与电源通信以控制输送到等离子体输送尖端部段或空气压缩机的电流。

在一些实施例中，等离子体输送尖端部段连接到电极、喷嘴或涡流环中的至少一个。在一些实施例中，外壳的至少一部分限定了电动工具的第二手柄部段，第二手柄部段包括空气压缩机或电源中的至少一个。在一些实施例中，等离子体电动工具不包括用于将工件接地的接地元件。

附图说明

当结合附图阅读时，从以下对各种实施例的描述中，将更全面地理解前述内容和本发明。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。

图1是常规手动接触开始等离子体电弧焊炬的剖视图。

图2是根据本发明的一些实施例的示例性等离子体电动工具的透视图。

图3是示出根据本发明的一些实施例的图2的等离子体电动工具的一组代表性功能部件的框图。

图4示出了在导引电弧模式下操作的图1的常规等离子体电弧焊炬。

图5示出了根据本发明的一些实施例的图2的等离子体电动工具200，其以单一模式运行，用于产生和维持等离子体电弧。

具体实施方式

图2是根据本发明一些实施例的示例性等离子体电动工具200的透视图。通常，等离子体电动工具200包括等离子体输送尖端部段202、手柄部段204和将等离子体输送尖端部段202连接到手柄部段204的颈部段206，诸如以l形钻头状布置。等离子体输送尖端部段202的至少一部分、手柄部段204和颈部段206可以包装在单个手持封壳/外壳208中。由外壳208的至少一部分限定的手枪状手柄部段204被配置成允许操作者在焊炬操作期间(即，当向工件输送等离子体电弧时)用手牢固地抓握工具200。如图所示，手柄部段204可以包括握持器部分204a和较宽的基座部分204b。手柄部段204可以包括触发器210，操作者可以操纵触发器210来开始和停止电动工具200对等离子体电弧的启动。如图所示，触发器210设置在外壳208上，诸如设置在等离子体电动工具200的手柄部段204的握持器部分204a的外表面上。等离子体电动工具200的等离子体输送尖端部段202至少部分地设置在外壳208内和/或刚性地附接到外壳208，该等离子体输送尖端部段202被配置成连接到多个消耗品，以将等离子体电弧输送到工件上。这些消耗品包括例如电极、喷嘴和/或涡流环。这些消耗品可以封装在可连接到等离子体输送尖端部段202的单一的盒中。在一些实施例中，诸如固持帽的固持部件用于将个别消耗品或者将这些消耗品保持在一起的盒固持到等离子体输送尖端部段202。

在一些实施例中，颈部段206是柔性的和/或可缩回的，以允许等离子体电动工具200在难以到达的地方通过。类似地，等离子体输送尖端部段202可以具有薄的和/或加长的轮廓，用于进入狭窄的腔和空间。在一些实施例中，等离子体电动工具200附连到一个或多个形状引导件(未示出)，诸如指南针型孔切割引导件(例如，磁性和线)，以在切割操作期间引导操作者。在一些实施例中，电动工具204包括连接到等离子体输送部段202的附加的前手柄部段(未示出)，使得操作者在焊炬操作期间可以用一只手握住前手柄部段，以及用另一只手握住手柄部段204。前手柄部段适于与电动工具200的其它部件位于同一外壳208中。

在一些实施例中，机载气体源或电源中的至少一个设置在外壳208中，诸如设置在外壳的手柄部段204中。例如，机载气体源可以设置在等离子体电动工具200的手柄部段204的握持器部分204a或颈部段206内。电源可以设置在手柄部段204的基座部分204b中。因此，操作者可以通过手柄部段204操纵、移动和导向整个电动工具200，包括外壳208、等离子体输送尖端部段202、颈部段206和触发器210，其中这些部段中的一个或多个包括电源和气体源。在一些实施例中，如果电动工具200中存在第二前手柄部段，则气体源或电源中的至少一个设置在前手柄部段中。在一些实施例中，电源包括电源电路板212，其处理经由电源线209从电网接收的电力，如图2所示。在替代实施例中，便携式电源(例如，一个或多个电池)设置在电动工具200的外壳208中，诸如手柄部段204的基座部分204b中，以提供完整的无线/无绳焊炬操作。关于气体源和电源的细节描述如下。

因此，等离子体电动工具200是能够加工金属材料的独立手持式装置，而不需要大而笨重的气体罐(并且在一些实施例中，不需要连续的固定气体源)，并且可选地，不需要通过电源线连接到电网。电动工具200因此可以是无引线的，使得它不通过（一个或多个）引线连接到一个或多个外部气体源或电源。在电动工具200从外部电网接收电力的实施例中，单根电线209可用于将电动工具200连接到电网(例如，经由墙壁插座)，而不需要其它有线连接，诸如到远程气体供应或到常规等离子切割焊炬(例如，图1的焊炬100)中通用的接地线。在各种实施例中，该系统重量轻、可移动且可运输。例如，等离子体电动工具200在尺寸上与钻头相当，从而允许操作者不用携带任何附加附件(例如，一个或多个外部气体源或电源)就可以容易地用手提起、握持和操纵整个电动工具200来执行切割操作。例如，随着电动工具200的每次切割操作，包括气体源302、电源304和等离子体输送尖端部段202的整个外壳都随着切割而移动。在一些实施例中，等离子体电动工具200包括气体端口(未示出)和/或电源端口(未示出)，其给操作者提供将等离子体电动工具200连接到外部气体源和/或外部电源以维持长时间的操作的选择。

图3是示出根据本发明的一些实施例的图2的等离子体电动工具200的一组代表性功能组件的框图。如图所示，电动工具200的外壳208容纳多个主要部件，包括可连接到多个消耗品的等离子体输送尖端部段202的至少一部分、气体源302、电源304、至少一个传输介质306和至少一个控制器308。在一些实施例中，气体源302和电源304都设置在手柄部段20中。例如，气体源302可以设置在手柄部段204的握持器部分204a中，而电源304可以设置在手柄部段204的基座部分204b中。在其它实施例中，气体源302或电源304中的至少一个分布在电动工具200的任何部分中，诸如颈部段206、等离子体输送尖端部段202或可选的前手柄部段。

气体源302设置在外壳内，用于向等离子体输送尖端部段202提供气体。由气体源302提供的气体可以是等离子体气体（可选地和辅助气体）。气体源302可以是一个或多个可更换和/或可再填充的气体容器或便携式机载空气压缩机，以经由传输介质306向等离子体输送尖端部段202提供气体。如果气体源302包括空气压缩机，则压缩机适于向等离子体输送尖端部段202提供压缩空气。在一些实施例中，机载空气压缩机联接到电动马达(未示出)，空气压缩机和电动马达都设置在外壳208中，并且电动马达被配置成驱动空气压缩机，并且将气体作为等离子体气体（可选地和辅助气体）提供给焊炬。例如，空气压缩机的长度约为5.7英寸，以及宽度约为3.75英寸。或者，气体源302可以手动操作和/或储存在外壳208内的空气罐(即彩弹罐)或盒中。气体源302可以提供以空气或不同成分(例如二氧化碳、蒸汽和/或可燃燃料)的形式的气体。

电源304设置在外壳内，并包括用于向电动工具200的气体源302或等离子体输送尖端部段202中的至少一个提供电流的电源电路。在一些实施例中，电源304是可再充电的和/或可更换的(例如，以一个或多个电池的形式)，以经由传输介质306向等离子体输送尖端部段202和/或气体源302提供焊炬电流。在这种情况下，由电池提供的电流是直流电流，并且相同的直流电流可以以减少的调节被提供给等离子体输送尖端部段202和气体源302。在一些实施例中，电源304通过经由有线输入电源连接部209插入墙壁插座向电动工具200供应焊炬电流。在这种情况下，电源304可以包括设置在外壳208内的电源电路板212(例如，手柄部段204的基座部分204b，如图2所示)，用于经由输入电源连接部209接收交流输入电流，将交流输入电流转换成直流焊炬电流，并将直流焊炬电流提供给等离子体输送尖端部段202或气体源302中的至少一个。通常，经由输入电源连接部209从外部电源(例如墙壁插座)接收的输入电压和输入电流可以符合电动工具操作区域的标称标准，诸如美国为120伏和60赫兹，中国为220伏和50赫兹，以及欧洲为230伏和50赫兹。在一些实施例中，电源304是分体式电源。例如，电源304的一部分位于外壳208中(例如，在手柄部段204中)，而电源304的另一部分位于电动工具200的外部(例如，在操作者的腰带上或在操作者佩戴的背包中)。在另一个示例中，电源304是分体式的，使得一部分被等离子体输送尖端部段202用来产生等离子体电弧，而另一部分被用来给气体源302供电。通常，不同的电源功能可以在电源304的不同部分上分开。

可以包括电传输能力和/或流体传输能力的传输介质306将电信号和/或流体从气体源302和/或电源304所在的位置(例如，在手柄部段204中)按路线发送到外壳208内的等离子体输送尖端部段202。电传输能力可以包括用于从电源304提供电流的电引线组、总线或无线连接。流体传输能力可以包括用于从气体源302提供气体的流体导管。在一些实施例中，等离子体电动工具200包括分配给气体源302和电源304中相应一个的两种传输介质(未示出)，用于将相应的气体和电流传输到等离子体输送尖端部段202。

控制器308可以包括电气控件和/或流体控件(例如，触发器210、继电器、电磁阀、压力调节器等)。控制器308可以位于外壳208内的颈部段206或手柄部段204中。控制器308经由至少一个公共电连接部310(例如，总线)与电源304和气体源302通信。此外，控制器308使用至少一个其它电连接部312来与等离子体输送部段202通信。在一些实施例中，等离子体电动工具200包括多个控制器(未示出)，每个控制器被配置成控制电流传输、气体传输或等离子体电弧产生中的至少一项。

等离子体输送尖端部段202可以连接到电极、喷嘴或涡流环中的一个或多个，用于将等离子体电弧引导至工件。这些消耗品可被适当地配置成支持由其通过的低流速的气体流，例如低于约50标准立方英尺/小时(scfh)，例如约15scfh。响应于操作者操纵触发器210，等离子体输送尖端部段202可以开始产生等离子体电弧。此外，等离子体电动工具200可以包括各种使用者控件(未示出)，诸如限流开关、拨动开关、键盘、触摸板、拨号盘、旋钮或其它装置，以使使用者能够操纵或以其它方式控制与等离子体电弧输送相关的参数。这些附加的使用者控件也可以设置在等离子体电动工具200的外壳208上。

通常，等离子体电动工具200是紧凑的并且设计相对简单。在一些实施例中，等离子体电动工具200被配置成切割厚度为约20ga（gauge，厚度单位）或更大，诸如高达约11ga的薄金属工件。在一些实施例中，气体源302被配置成提供小于约50标准立方英尺/小时(scfh)，诸如小于约20scfh的气体流速。例如，气体源302可以在约15scfh下产生约50磅/平方英寸(psi)的气流。在一些实施例中，等离子体电动工具200以单一电压(例如，120伏)操作，其中在电源304的电路中不需要复杂的多电压电路(例如，升压和/或降压转换器)。在一些实施例中，电源304向等离子体电动工具200提供低电流输出，诸如在约6安培和约15安培之间。在电动工具200经由有线连接部209(即，没有电池)连接到线路电源的实施例中，电动工具200的重量可以小于10磅，其包括电源304（包括电源电路板212并且没有电池）、气体源302(例如，空气压缩机，可选地和压缩机马达)、外壳208、触发器210和等离子体输送尖端部段202。在其它设计中，电动工具200的重量可以小于8磅或小于5磅。在一些实施例中，电源304保持高开关频率，用于将输入交流电(例如，经由有线连接部209从墙壁插孔接收的交流电)转换成输出直流电。具体而言，使用更高的开关频率(例如，大约180千赫)意味着相对于一个或多个磁性部件更小的磁芯，这允许电动工具200的尺寸和重量减小，并且使得电动工具200能够是便携式的。尽管以更高的开关频率操作电动工具200可能导致噪声增加、功率损耗差异更大和/或温度升高，但是在本发明的上下文中，由于电动工具200可以实现更小的尺寸，所以仍然需要更高的开关频率。

作为示例，等离子体电动工具200可能需要约830瓦来产生等离子体电弧(83v*10a)，以及约60瓦来操作压缩机(19.2v*3a)形式的气体源302，因此总共只需要约890瓦来操作。在一些实施例中，等离子体电动工具200的控制器308在设计上也更简单，并且与常规的等离子体电弧焊炬(诸如图1的焊炬100)相比更直观。具体而言，常规的等离子体电弧焊炬被设计成根据各种操作条件或要求来控制和调节多个不同的系统和工艺参数(例如，管理电弧拉伸和/或电弧电压)。相反，电动工具200的控制器308只需要管理单个输出功率/电流，而无需进一步调整或优化(例如，无需允许关于材料厚度或组成的参数调整)。因此，等离子体电动工具200代表了切割相对薄的金属片的更快和更容易的方式。电动工具200也是便携式的，并且与常规等离子体电弧焊炬相比，可以以更低的价格购买。

在一些实施例中，等离子体电动工具200能够在焊炬操作期间以单个非转移电弧模式操作，无需从导引电弧模式切换到转移电弧模式，转移电弧模式是接触开始手动等离子体焊炬的典型模式，诸如图1的焊炬100。在一些实施例中，等离子体电动工具200的控制器308包括单个非转移电弧电路(未示出)，以在等离子体电弧输送尖端部段202内产生和维持等离子体电弧。相反，常规的等离子体电弧焊炬需要导引电弧电路和转移电弧电路来产生和维持等离子体电弧。

图4示出了在导引电弧模式下操作的图1的常规等离子体电弧焊炬100。如图所示，焊炬100相对于工件402远离地定位，并且在导引电弧模式期间不与工件402物理接触。以导引电弧模式操作焊炬100包括首先在电极105与喷嘴110之间建立物理接触和电连通，例如通过使用来自例如弹簧(未示出)的偏置力。当电极105与喷嘴110被偏置在一起时，在电极105与喷嘴110之间建立电流路径和低水平导引电弧电流。等离子体气体404(例如空气)被引入到等离子体腔室130中，使得气体压力在等离子体腔室130中累积，以中断电极105与喷嘴110之间的物理接触，从而分离两个部件。该分离导致在等离子体腔室130中电极105与喷嘴110之间的间隙中产生电弧。电弧使等离子体腔室130中流动的等离子体气体电离，以产生等离子体电弧(即导引电弧)406。

接下来，在用于操作焊炬100的转移电弧模式中(未示出)，使等离子电弧406与工件402接触，通过将焊炬100定位成紧邻工件402但不与工件402物理接触，而使工件402电接地。当等离子体电弧406触及工件402时，等离子体电弧的电返回路径从喷嘴110转移到接地工件402。自喷嘴110的电返回路径被断开(即，电切断)，并且电流被增加到更大的量，以能够加工(例如，刨削、刺穿或切割)工件402。在一些实施例中，焊炬100连接到被配置为提供减小的导引电弧电流的导引电弧电路(未示出)和被配置为提供增大的转移电弧电流的转移电弧电路(未示出)。此外，焊炬100附连到接地夹具(未示出)，以相对于喷嘴110使工件402接地。

相比之下，图5示出了根据本发明的一些实施例的图2的等离子体电动工具200以单个非转移电弧模式操作，用于产生和维持等离子体电弧。因此，等离子体电动工具200不需要如以上参考图4所述在导引电弧模式和转移电弧模式下操作。以这种单一模式操作包括在电动工具200的等离子体输送尖端部段202的电极505与喷嘴510之间建立物理接触和电连通。当电极505与喷嘴510被偏置在一起时，在电极505与喷嘴510之间建立电流路径和电流。等离子体气体504(例如空气)被引入到等离子体腔室530中，使得气体压力在等离子体腔室530中累积，以中断电极505与喷嘴510之间的物理接触，从而分离两个部件。该分离导致在等离子体腔室530中电极505与喷嘴510之间的间隙中产生电弧。电弧使等离子体腔室530中流动的等离子体气体电离以产生等离子体电弧516。

在一些实施例中，等离子体电弧516然后被带到工件520附近(但不物理接触)，以切割工件520。在这种单一的非转移电弧操作模式中，电流522在切割操作期间从喷嘴510返回，而基本上没有穿透工件520。具体地，等离子体电弧516携带的电流522被气流经由喷嘴出口孔512推出喷嘴510。然而，随着电流522远离喷嘴510并朝向工件520移动，气流消散在喷嘴510的尖端与工件520的表面之间的间隙中。因此，电流522循环回到喷嘴510以完成其返回路径。因为等离子体电弧516和电流522延伸超过喷嘴510的尖端端部，所以等离子体电弧516适于切割工件520，即使工件不导电。

在一些实施例中，喷嘴510与工件520物理接触，从而以单一非转移电弧操作模式切割工件520。具体地，为了切割工件520，操作者沿着工件520中的期望切割路径拖动电动工具200的喷嘴510，如果工件520是导电的，则这使工件520达到与喷嘴510相同的工作电势。在拖动期间，在所有电势相等的情况下，动量可能使得等离子体电弧516和切割电流522优选导电工件520的下边缘。电流522因此在返回到喷嘴510之前进入导电工件520。在一些实施例中，工件520是约20ga至11ga的薄金属。然而，如果工件520不导电，则电流522适于从喷嘴510返回而不进入工件520。

本发明的单模式方法与在上面参照图4描述的双模式方法之间有几个显著的区别。一个区别在于，在使用电动工具200的整个切割操作中使用单一电流水平。相比之下，常规焊炬100需要在导引电弧模式下使用较低的电流，并且在转移电弧模式下使用较高的电流。另一个区别在于，电动工具200的喷嘴502可以在切割操作期间保持与工件504物理接触，而常规焊炬100的喷嘴110在切割操作期间需要在物理上远离工件402。又一个区别在于，不需要单独的接地元件(例如接地夹具)来使电动工具200的工件520接地。相比之下，常规焊炬100需要接地夹具来使工件402接地。喷嘴510可以用作电动工具200的接地夹具。另一个区别在于，在切割期间，电动工具200中的电流返回路径522可以经由喷嘴510，而常规焊炬100中的电流返回路径经由工件402，并且喷嘴110在切割期间被电隔离。由于电动工具200中使用的操作电流相对较低(例如，约6到约10或15安培)，因此在切割期间不需要电隔离电动工具200的喷嘴510，因此不太可能损坏喷嘴510。

在一些实施例中，电动工具200包括可选的导引电弧电路和/或可选的转移电弧电路，以使电动工具200能够以传统的双模式方法操作。电动工具200还可以具有附连到其上的可选接地夹具，以使工件接地。

虽然已经参照特定实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离上述描述的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种改变。