具有改进的冷却系统和相应冷却方法的等离子体焰炬的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及在工业应用中使用的等离子体焰炬的生产。特别地，本发明涉及用于 冷却所述焰炬的组件的冷却系统。本发明还涉及使用所述焰炬的设备。
【背景技术】
[0002] 用于材料(通常是金属材料)处理的技术的使用，在各行各业(特别在工业部门）中 是熟知的。这些处理通常存在于材料切削和/或印记中。熟知技术包括由专门操作人员用来 处理材料的特殊等离子体设备的使用。
[0003] 熟知类型的这些设备利用从两个电极(被称为阴极和阳极)之间的电弧的产生导 出的影响。该设备产生一种等离子体流，该等离子体流随着在该两个电极之间的适当电势 差的施加和电弧的引发而从喷嘴发送出来，其中在该两个电极之间输送载气（通常为空 气）。载气经受电离以产生等离子体。
[0004]为此目的，所述设备包括用于由操作者操控的被称为焰炬的元件，在其端部具有 喷嘴，该喷嘴设有开口，该开口朝向外面准直并输送等离子体流。
[0005] 在例如被称为转移型电弧焰炬的第一类焰炬中，电弧最初在定位于焰炬中的电极 (阴极）与由此而最初用作阳极的喷嘴之间引发。一旦最初引发阶段已经结束，用作阳极的 功能就转移到正在被处理的工件，而喷嘴仅仅用作等离子体流的准直器和输送器。
[0006] 而在被称为非转移型电弧焰炬的第二类焰炬中，在最初引发阶段和焰炬正在处理 工件的同时的操作两者期间，喷嘴总是用作阳极。
[0007] 在金属切削应用中，考虑到转移到工件的较高能量密度，采用具有转移型电弧的 结构，而具有非转移型电弧的结构在处理非金属材料时仍然保持为强制选择。
[0008] 等离子体流在任何情况下，都通过与在电极高度上适当输送的载气流的相互作用 而产生。
[0009] 因此，为了其操作，该设备由第一单元或发电机和用于向焰炬供给载气的单元构 成，该第一单元或发电机用于向焰炬供电以产生和维持电弧。
[0010] 根据熟知技术，焰炬的端部因而设有第一元件或喷嘴，其设有开口，等离子体流通 过该开口以喷射流形式喷射。如上所述，第一元件在等离子体产生和/或维护时也用作阳 极。在焰炬的端部，还存在第二内部元件或电极（阴极），其为用于等离子体产生的另一电 极。内部电极通常布置在喷嘴内的同轴位置上。
[0011] 在熟知类型的第一类焰炬中，内部电极可以在通常由弹簧产生的弹性力的影响 下，相对于喷嘴轴向滑动。内部电极的轴向运动诸如将首先用与喷嘴接触的内部电极限定 第一非引发位置，进而限定不从喷嘴流出等离子体的位置。内部电极倚靠弹簧推力而远离 喷嘴的轴向运动诸如将继续限定在其中以距离喷嘴的适当距离布置内部电极的第二引发 位置，并且当载气在其中输送时，等离子体喷射流可以从设在喷嘴中的开口中流出。
[0012] 内部电极通常通过倚靠内部电极的适当表面(更具体地，倚靠承载电极本身的活 塞的适当表面)而适当输送同一载气流，来倚靠弹簧推力而从喷嘴移开。
[0013] 在不同类别的熟知类型的焰炬中，内部电极和喷嘴保持在适当的固定引发距离 处。为了产生从喷嘴发送出来的等离子体喷射流，在两个电极之间输送载气并且适当地将 电力供给该两个电极以产生交变电场以及由此引起的两个电极之间的高频跳跃火花。
[0014] 与正在使用的焰炬的类型无关，由于存在于在电极高度上的引发区域中的高温 度，电极的制造对于焰炬操作和其持续时间来说，是特别重要的方面。
[0015] 事实上，电极(特别是内部电极)耗损非常快。
[0016] 特别地，电极由于以下几个因素而耗损:在切削阶段期间激励电弧并加热电极的 高强度电流;启动/停机周期的频率;正在处理的工件朝向电极本身辐射的热量。
[0017] 为了这个目的，根据熟知技术，在操作期间，电极经受冷却处理。特别注意内部电 极的制造和冷却。
[0018] 在第一类焰炬中，内部电极是中空型的。该方案相比于使用固体电极的方案，使用 少量材料(通常是铜）。有益的是，使用中空型内部电极的方案很便宜。然而，电极经受特别 是由所涉及的高温引起的随着时间的高耗损。为了提高内部电极的使用寿命，使用一种冷 却系统，在其中在电弧引发之前将至少一部分载气流输送到存在于电极之内的腔中。冷却 流的载气接触电极腔的内壁，从而促使电极冷却下来。此外，根据熟知技术，影响该电极的 内腔的冷却流随后再次朝向外面输送，并且穿过产生等离子体的引发区域，进而朝向喷嘴 的出口开口。
[0019] 然而，上述熟知类型的冷却系统带来一些缺点。
[0020] 由这种冷却类型所带来的缺点由如下事实构成：由于离开中空型电极的冷却气体 流已经经受加热作用并且朝向电极之间的引发区域返回，所以冷却动作无效。
[0021] 因此，冷却气体温度的作用叠加到引发区域中的温度的作用上。
[0022] 熟知类型的系统所带来的另一个缺点由电极(特别是内部电极)特别是在引发区 域高度上经受的高耗损来表示。
[0023] 熟知类型的系统的另一个缺点由等离子体的不足够的有效性(其由被电离的载气 的升高了的温度所引起)构成。事实上，众所周知，电离气体的温度越低，等离子体的密度越 高。因此，温度升高导致降低密度，并由此降低等离子体的有效性。
[0024] 本发明的目的是至少部分克服上述缺点。
[0025] 本发明的第一目的是提供一种具有冷却系统的等离子体焰炬，该冷却系统比熟知 类型的系统更有效，同时保证低温气流被离子化以产生高密度等离子体。
[0026] 本发明的另一目的是提供一种等离子体焰炬，其相比于熟知类型的焰炬，需要很 少的维护操作和/或电极(特别是内部电极)替换。
[0027] 本发明的进一步目的是提供一种等离子体焰炬，其使得可以获得切削空气的高能 力来确保更高切削速度，进而更好质量的切削工件(意味着具有减少了的毛刺）。
[0028] 本发明的再一目的是提供一种等离子体焰炬，等离子体在其中比在熟知类型的焰 炬中更有效。
【发明内容】
[0029]本发明所基于的一般概念已经从提供这样一种等离子体焰炬的构思展开:该等离 子体焰炬包括中空型电极并装备一个系统，该系统通过将冷却流体输送进入其内腔中来冷 却该中空型电极，其中冷却流体一旦穿过电极的内腔，就至少部分地从焰炬发送出来。
[0030] 因此，根据本发明的第一方面，其涉及以下类型的等离子体焰炬，其包括：
[0031] -第一元件，其设有通孔，该通孔用作等离子体流的出口；
[0032] -中空型电极，其沿着主轴线纵向展开，并且可以以限定引发区域的方式相对于所 述第一元件定位，所述中空型电极包括至少部分地沿着所述主轴线延伸的内腔；
[0033] -第一输送通道，用于朝向引发区域输送载气；
[0034] -第二输送通道，用于朝向所述中空型电极的所述内腔输送所述载气的一部分，所 述载气的所述部分用于冷却所述中空型电极，
[0035] 其中该焰炬包括用于从所述中空型电极的所述内腔朝向一条通道输送所述载气 的装置，以便不影响所述引发区域。
[0036]优选地，输送装置以避免与引发区域干扰的方式，从中空型电极的内腔朝向焰炬 的外面输送载气。
[0037] 优选地，中空型电极的内腔基本上延伸过中空型电极本身的整个长度。
[0038] 在本发明的一个优选实施方式中，中空型电极构成焰炬的阴极。
[0039] 在本发明的一个优选实施方式中，中空型电极构成焰炬的阴极，而第一元件在引 发阶段构成焰炬的阳极。在本发明的所述实施方式中，一旦所述引发阶段已经结束，第一个 元素就不再是焰炬的阳极，而用作阳极的功能被转移到正在处理的工件并由正在处理的工 件限定。
[0040] 在本发明的另一个优选实施方式中，在所有处理阶段中，中空型电极构成焰炬的 阴极，而第一元件构成焰炬的阳极。
[0041] 根据本发明的一个优选实施方式中，中空型电极可以移动并且可以在至少一个第 一操作位置和至少一个第二操作位置之间定位。在第一操作位置时，中空型电极与第一元 件接触，而在第二操作位置中，空型电极以限定引发区域的方式与第一元件隔开。
[0042] 焰炬适当地包括用于在第一操作位置和第二操作位置之间移动中空型电极的装 置。
[0043] 优选地，移动装置包括用于支承中空型电极的至少一个活塞，以及用于在第一操 作位置中布置中空型电极的弹性推进装置。
[0044] 根据本发明的另一个优选实施方式，中空型电极处于相对于第一元件的固定位置 中。
[0045] 优选地，焰炬包括用于朝向第一元件输送载气的一部分的第三输送通道，载气的 所述一部分用于冷却第一元件。
[0046] 在本发明的另一个优选实施方式中，焰炬还包括另外的输送通道，其用于从中空 型电极的内腔朝向引发区域输送载气。