用于对准等离子体电弧割炬的组件的方法和装置的制作方法

专利名称：用于对准等离子体电弧割炬的组件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及等离子体电弧割炬系统和工艺的领域。具体地说，本发明涉及用 于等离子体电弧割炬的液冷电极和冷却液管道。
背景技术：
例如等离子体电弧割炬和激光器的材料加工装置广泛地用于切割金属材料。等 离子体电弧割炬总的包括割炬本体、安装在本体内的电极、具有中央射出孔口的喷嘴、电连 线、冷却液和电弧控制液通道、控制流体流动模式的涡流环以及电源。用于割炬的气体可以 是非反应性的(例如氩气或氮气)，或者是反应性的(例如氧气或空气)。割炬产生等离子 体电弧，它是具有高温和高动量的等离子气体的收敛的离子化喷射流。等离子体电弧割炬产生具有一般在20000-40000安培/英寸2范围内的电流密度 的转移等离子体电弧。高分辨率割炬的特征为具有例如约60000安培/英寸2更高电流密 度的较窄喷口。高分辨率割炬产生狭窄的切痕和笔直的切角。这类割炬具有较薄的热影响 区并且在生产无熔渣切割和吹散熔铸金属时更为有效。类似地，基于激光的装置一般包括其中引入气流和激光束的喷嘴。透镜聚焦使工 件受热的激光束。激光束和气流两者通过孔口离开喷嘴并撞击工件的目标区。所引起的工 件受热加上气体和工件材料之间的任何化学反应用来加热、液化或汽化工件的选定区域， 这取决于激光束的焦点和能级。这个动作允许操作者切割或以其它方式修整工件。材料加工装置的某些组件从使用开始随时间而劣化。在等离子体电弧割炬的情形 下，这些“消耗”组件包括电极、涡流环、喷嘴和护罩。理想地，这些组件是易于现场更换的。 然而，这些组件在割炬中的对准是关键的，以确保理想的消耗寿命，除了等离子体电弧位置 的精确性和再现性以外，这在自动化等离子体电弧切割系统中是重要的。—些等离子体电弧割炬包括液冷电极。一种这样的电极记载于转让给海别得公 司的美国专利No. 5，756，959中。这种电极具有含开口端和封闭端的中空细长本体。电 极由铜形成并包括高热离子发射率材料(例如铪或锆)的圆柱形插入物，该插入物压配合 入电极下端的孔中。插入物的露出端面界定发射表面。通常发射表面一开始是平坦的。 然而，发射表面可能一开始形成在插入物中界定一凹进，如转让给海别得公司的美国专利 No. 5，464，962中记载的那样。在任何一种情形下，插入物伸入电极下端的孔直至位于电极 中空内腔中冷却液的环流。电极可以是“空心铣刀式”，其环形凹进形成在插入物周围下端 的内部。具有界定贯通本体延伸的圆柱形通道的中空、薄壁圆柱本体的冷却液入口管道被 设置在电极本体的中空内表面附近。管道以成间隔的关系伸入凹进以提供冷却液在电极内 表面上的高流速。在许多等离子体电弧割炬中，在许多工作条件下(例如高安培切割)，管道必须通 过提供充分冷却从电极消除热量，从而获得可接受的电极寿命。已从经验上确定，如果冷却 管道的出口(纵向和/或径向地)不对准于电极的内表面，则管道无法使插入物充分冷却。 冷却管道与电极不对准的割炬的重复使用使插入材料更快速地磨损。为了达到所要求的冷 却液流动特性，管道一般相对于电极固定在固定位置以取得适宜的对准。电极磨损一般导致低质量的切割。例如，随着电极磨损增加，切痕宽度尺寸可能增大或切割角可能偏离直交 状态。这需要电极的频繁更换以取得合适的切割质量。鉴于电极相对于冷却管道定位所固有的误差，在不要求频繁更换电极的情况下， 与电极和冷却液管道传统的安装方法关联的公差使得应用此类电弧割炬的系统更难以生 产出高度均一的静公差部件。因此本发明的主要目的是提供通过最小化不对准效果而为液冷等离子体电弧割 炬提供能帮助维持电极寿命和/或减少电极磨损的电极和冷却液管道。发明概述本发明一方面通过提供等离子体电弧割炬的冷却液管道、使该冷却管道相对于电 极获得可靠和可重复的定位而克服了现有技术的不足。本发明另一方面在与电极和冷却液 管道各纵轴线对准时取得减小的对准误差。冷却液管道的细长本体具有第一端、第二端和 从中延伸的冷却液通道。细长本体具有位于其外部适于配合电极的表面。本发明这个方面的实施例可包括下列特征。管道的配合表面可包括轮廓、线性锥 体、台阶或凸缘。配合表面可具有与细长本体一体形成的扩径本体。扩径本体可具有变化 的直径。管道的配合表面可制造成使该表面适于对准细长本体和电极的各纵轴线。管道的 配合表面适于基本同心地、径向地和/或周向地使管道和电极的各纵轴线对准。作为附加 或替代，配合表面适于使细长本体和电极沿细长本体纵轴线方向对准。管道的配合表面可 位于第一端和第二端之间的中间区。管道的配合表面可位于细长本体的端部。在另一方面，本发明包括等离子体电弧割炬的电极。该电极包括具有开口端和封 闭端的中空细长本体；以及适合与冷却液管道配合的位于细长本体内部的表面。本发明这个方面的实施例可包括下列特征。电极的配合表面可包括轮廓、线性锥 体、台阶或凸缘。配合表面可具有与细长本体一体形成的缩径本体。该缩径本体可具有变 化的直径。电极的配合表面适于基本同心地、径向地和/或周向地使电极和管道的各纵轴 线对准。作为附加或替代，配合表面适于使电极的细长本体与管道沿电极的纵轴线方向对 准。总的来说，在另一方面，本发明包含具有割炬本体的等离子体电弧割炬。等离子体 割炬还具有含细长本体的冷却液管道。管道的细长本体具有第一端、第二端和从中延伸的 冷却液通道以及位于细长本体外部上的表面。割炬还具有由割炬本体支承的电极。该电极 具有含开口端和封闭端的中空细长本体以及适合与管道配合的位于细长电极本体内部的 表面。在本发明的这个方面，至少一个表面可具有轮廓、线性锥体、台阶或凸缘。管道的 表面可具有与管道的细长本体一体形成的扩径本体，而电极的表面可具有与电极的细长本 体一体形成的缩径本体。至少一个一体形成的本体可具有变化的直径。配合表面适于使管 道和电极的各纵轴线基本同心地、径向地和/或周向地对准。作为附加或替代，配合表面适 于使管道和电极沿各纵轴线的方向对准。总的来说，在又一方面，本发明涉及在等离子体电弧割炬中使冷却液管道相对于 电极定位的方法。该方法包括在电极和冷却液管道上提供配合接触表面并对电极和冷却液 管道施压以使两者接触。将冷却液管道相对于电极定位的方法可包括通过冷却液的液体静压力对管道和电极施压以使两者接触。管道和电极可替代地通过弹性元件施压。总的来说，在另一方面，本发明涉及具有割炬本体的等离子体电弧割炬。割炬还具 有冷却液管道，该冷却液管道具有含第一端、第二端和从中延伸的冷却液通道的细长本体。 割炬还包括由割炬本体支承的电极。电极具有含开口端和封闭端的中空细长本体。割炬还 包括用于配合冷却液管道和电极的表面的装置。本发明另一方面在使电极和冷却液管道各纵轴线对准时获得减小的对准误差。冷 却液管道具有含第一端、第二端和从中延伸的冷却液通道的细长本体。该细长本体具有适 合与电极配合的位于细长本体内部的表面。本发明另一方面在使电极和冷却液管道各纵轴线对准时获得减小的对准误差。冷 却液管道具有含第一端、第二端和从中延伸的冷却液通道的细长本体。细长本体具有适合 与电极配合并使电极和冷却液管道的各纵轴线对准的、位于细长本体外部的表面。在另一方面，本发明包括等离子体电弧割炬的电极。该电极包括具有开口端和封 闭端的中空细长本体以及适合与冷却液管道配合并使电极和冷却液管道的各纵轴线对准 的、位于细长本体内部的表面。在另一实施例中，本发明优于现有技术的割炬消耗品(例如冷却液管道和电极)， 其中配合表面是确保消耗品正确对准的主要手段。在另一实施例中，配合表面一方面充当间隔件以当将冷却液管道和/或电极牢固 地固定于割炬本体时增加使例如冷却液管道和电极对准的能力。本发明一个方面特征化为等离子体电弧割炬的间隔件。该间隔件包括其中贯设有 开口的部件。该间隔件还包括从部件的外缘向部件中央凸出的一个或多个凸缘，该一个或 多个凸缘构造成使冷却液管道的端部与电极的内表面分开。在一个实施例中，该部件是盘件并且一个或多个凸缘从部件的外环向盘的中央凸
出ο本发明另一方面特征化为一种等离子体电弧割炬的间隔件。该间隔件包括构造成 将冷却液管道的一端与电极内表面隔开并在中央位置接合的两个栅条。本发明另一方面特征化为等离子体电弧割炬的间隔件。该间隔件包括贯设于其中 的开口。间隔件还包括一个或多个支承区，这些支承区构造成使冷却液管道的端部与电极 内表面分开。间隔件还包括围绕部件外缘定位并构造成相对于电极径向对准冷却液管道的 凸起。在一个实施例中，该部件是盘件且凸起是围绕盘件外缘定位的环。本发明另一方面特征化为等离子体电弧割炬的间隔件。该间隔件包括含网眼材料 的部件。该间隔件还包括构造成使冷却液管道的端部与电极内表面分开的一个或多个支承 区。该间隔件还包括设置在部件边缘周围并构造成相对于电极径向地对准冷却液管道的凸 起。在一个实施例中，该部件是盘件且凸起是围绕盘件外缘定位的环。本发明另一方面特征化为等离子体电弧割炬的间隔件。该间隔件包括在中央位置 接合并构造成将冷却液管道的一端与电极内表面隔开的两个栅条。间隔件还包括位于栅条 上并构造成相对于电极径向对准冷却液管道的多个元件。在一个实施例中，多个元件位于栅条的两相反端。在一个实施例中，多个元件的位置朝向两栅条接合的中央位置。本发明另一方面特征化为等离子体电弧割炬的电极。该电极包括具有开口端和封 闭端的中空细长本体。电极还包括位于本体的封闭端的内表面上并构造成使冷却液管道的 一端与电极内表面分开的一个或多个浮凸特征。本发明另一方面特征化为等离子体电弧割炬的电极。该电极包括具有开口端和封 闭端的中空细长本体。电极还包括位于细长本体的开口端的表面，所述表面构造成使冷却 液管道的一端与该表面分开。本发明另一方面特征化为等离子体电弧割炬的间隔件。该间隔件包括贯穿地形成 通道的细长本体以及构造成设置在冷却液管道一端的开口内以使冷却液管道相对于电极 径向对准的基本管状部分。该间隔件还包括位于细长本体外表面的表面，该表面构造成使 冷却液管道的一端与电极的内表面隔开。本发明前述和其它的目的、方面、特征和优点将从下面的说明书和权利要求书中 变得更为清楚。附图简述本发明前述和其它目的、特征和优点以及发明本身将从下面结合附图的解说性描 述中更为充分地理解，所述附图不一定按比例绘制。

图1是设置在空心铣刀式电极中的现有技术冷却液管道的横截面图。图2A是根据本发明示例性实施例的冷却液管道的横截面图。图2B是图2A的冷却液管道的端视图。图3是根据本发明示例性实施例的电极的横截面图。图4A是根据本发明示例性实施例的冷却液管道的侧视示意图。图4B是图4A的冷却液管道的端视图。图5A是根据本发明示例性实施例的冷却液管道的侧视示意图。图5B是图5A的冷却液管道的端视图。图6A是根据本发明实施例的冷却液管道的侧视示意图。图6B是图6A的冷却液管道的端视图。图7A是根据本发明示例性实施例的冷却液管道的侧视示意图。图7B是图7A的冷却液管道的端视图。图8A是根据本发明示例性实施例的冷却液管道的侧视示意图。图8B是图8A的冷却液管道的端视图。图9A是根据本发明示例性实施例的冷却液管道的侧视示意图。图9B是图9A的冷却液管道的端视图。图10是根据本发明示例性实施例的电极的侧视示意图。图11是包含本发明的冷却液管道和电极的等离子体电弧割炬的部分横截面。图12是根据本发明示例性实施例的电极的横截面图。图13A是根据本发明示例性实施例的冷却液管道的横截面图。图13B是图13A的冷却液管道的端视图。图14A是根据本发明示例性实施例的间隔件的横截面图。图14B是图14A的间隔件的端视图。
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图15是根据本发明示例性实施例、使用图14A和14B的间隔件设置在图12的空 心铣刀式电极中的图13A和13B的冷却液管道的横截面图。图16A是根据本发明示例性实施例的间隔件的横截面图。图16B是图16A的间隔件的端视图。图17A是根据本发明示例性实施例的间隔件的横截面图。图17B是图17A的间隔件的端视图。图18是根据本发明示例性实施例、使用图17A和17B的间隔件设置在图12的空 心铣刀式电极中的冷却液管道的横截面图。图19A是根据本发明示例性实施例的间隔件的横截面图。图19B是图19A的间隔件的端视图。图20A是根据本发明示例性实施例的间隔件的横截面图。图20B是图20A的间隔件的端视图。图21是根据本发明示例性实施例的、设置在图12的空心铣刀式电极中的冷却液 管道的横截面图。图22是根据本发明示例性实施例的、设置在空心铣刀式电极中的冷却液管道的 横截面图。图23A是根据本发明示例性实施例的间隔件的横截面图。图23B是图23A的间隔件的端视图。图24是根据本发明示例性实施例的使用间隔件设置在空心铣刀式电极中的冷却 液管道的横截面图。示例性实施例的详细说明图1示出设置在适用于高分辨率割炬(例如海别得公司制造的HD-3070割炬)的 空心铣刀式电极中的现有技术冷却液管道。电极10具有圆柱形铜本体12。该本体12沿电 极10的中心线14延伸，当电极安装于割炬中时，电极的中心线与割炬是共线的。电极可通 过过盈配合重复固定在割炬(未示出)上的阴极段(未示出)。替代地，可沿电极10的顶 端16设置螺纹(未示出)以重复地将电极10固定在阴极段。凸缘18具有用于接纳提供 流体密封的0形环22的面朝外的环形凹进20。电极的底端24削锥至基本平整的端表面 26。孔28沿中心线14钻入本体12的底端24。由高热离子发射率材料(例如铪)形 成的基本圆柱形插入物30压配合入孔28。插入物30轴向地延伸过底端24至电极10的中 空内腔34。发射表面32沿插入物30的端面定位并可暴露于割炬中的等离子体气体。发射 表面32起初可以是平整的或起初形成为在插入物30中形成凹进。冷却液管道36设置在靠近本体12内表面38和底端24的内表面40的中空内腔 34中。管道36是中空的、基本圆柱形的、薄壁状的并形成大直径的冷却液通道41。冷却液 管道通过螺纹或过盈配合可更换地固定在割炬(未示出)中。作为示例，由海别得公司出 售的冷却液管道具有大约3-4毫米的冷却液通道直径并且其位置距离与电极的端面26相 对的环形凹进44的内表面小于约1毫米，从而提供充分的冷却。管道36将例如水的冷却液流42引入通过通道41，所述冷却液流42跨过底端24 的内表面40并沿本体12的内表面38循环。电极是空心铣刀式的，因其包括形成在底端24内表面40中的环形凹进44。凹进44增加电极本体暴露于冷却液的表面积并提高冷却液越 过本体12内表面40的流速。电极也可以是“端铣刀式”的，因其不形成环形凹进44。流体 42通过由管道36和本体12的内表面38界定的环形通道46离开电极10。作为示例，当管 道36用于在100安培下的割炬切割时，冷却液流量为1. 0加仑/分钟。在电极10的服务寿命内，插入物材料磨损在孔28中形成深度逐渐变大的凹坑。割 炬的切割质量一般随着插入物磨损而劣化。当插入物30形成足够深度的凹坑时，就出现吹 散状况。由于管道36靠近电极10底端24的内表面40，电弧可能在吹散状况下加至管道。 管道36因电弧受损而需要更换。为了防止切割质量劣化和/或吹散，操作者一般以频繁周 期更换电极。此外，等离子体电弧割炬系统的制造商通常在一定插入物磨损程度下才建议 更换，从而使吹散的可能性减至最小。越过插入物30表面的冷却液流42受冷却液管道相对于插入物(并因此相对于电 极)对准的影响。如果冷却液管道的出口相对于电极10的内表面40(例如纵向和/或径 向地)不对准，则由管道36传递的冷却液42不足以使插入物30冷却。重复使用冷却管道 相对于电极10不对准的割炬已从经验上确定为造成插入物更快磨损的原因。图2A和2B示出采纳本发明原理的冷却液管道136的一个实施例。管道136具有 带第一端154和第二端156的细长本体152并形成中心线或纵轴线146。冷却液通道141 延伸通过细长本体152。管道136的第一端154具有与通道141流体连通的第一开口 210。 第二端156具有与通道141流体连通的第二开口 206。根据本发明的一个方面，管道136具 有位于细长本体152外部表面162上的配合表面160。该配合表面160设计成与等离子体 割炬的电极的相应配合表面配合。配合表面160设计成使冷却液管道136的纵轴线146与图3电极110的纵轴线 (例如纵轴线114)可靠和可重复地对准。配合表面能使冷却液管道136和电极的各纵轴线 对准，使这些纵轴线至少大致地同心对准。作为附加或替代，配合表面能使冷却液管道136 和电极的各纵轴线对准，使冷却液管道136和电极至少基本周向地对准，由此考虑冷却液 管道136相对于电极的优选对准。不要求使冷却液管道严密地附连于割炬本体或电极。因此，在本发明的一些实施 例中，一些微小但可接受的不对准能够发生在冷却液管道136和电极的各纵轴线之间，其 中冷却液管道136不是严密地附连于割炬本体或电极。管道136可重复地定位于割炬本体中(见图11)。管道136的本体152具有凸缘 170，该凸缘170具有面朝外的环形凹进172，用以接纳0形环174。0形环174提供与割炬 本体的流体密封(见图11)，同时通常允许管道136沿管道136本体152的长度方向移动。在本发明的这个方面，管道136的配合表面160具有分布在管道136的细长本体 152外部表面162周围的三个凸缘166a、166b和166c (总称为166)。凸缘166基本均等间 隔地设置在外部表面162周围。在其它实施例中，凸缘166可以是任何数量、形状或以其它 间隔设置在外部周围，只要它仍然允许表面160与电极的配合表面配合。通过例如机加工 或模铸管道136，表面160、凸缘166和/或其各个部分可形成为冷却液管道136的一体部 分。表面160、凸缘166和/或其各个部分也可制成与管道136分开的并通过例如适宜的粘 合剂或机械紧固件与管道组装或附连在一起。图3示出采纳本发明原理的电极110的一个实施例。电极110具有基本圆柱形的细长铜本体112。该本体112基本沿电极110的中心线或纵轴线114延伸，当电极110安装 于割炬(未示出)中时，电极的中心线或纵轴线与割炬是共线的。沿电极110的顶端116 设置的螺纹176可更换地将电极110固定于割炬(未示出)的阴极段(未示出)内。凸缘 118具有面朝外的环形凹进120，用以接纳为割炬本体(未示出)提供流体密封的0形环 122。钻凿的孔或盲孔128位于电极本体112沿中心线114的底端124。由高热离子发 射率材料(例如铪)的基本圆柱形插入物130压配合入孔128。插入物130沿轴向伸向电 极110的中空内腔134。发射表面132沿插入物130的端面设置并可暴露于割炬中的等 离子体气体。电极是空心铣刀式的，因其包括形成在底端124内部表面140中的环形凹进 144。凹进144增大了电极本体暴露于冷却液的表面积并提高了冷却液越过本体112内部 表面140的流速。电极也可以是端铣刀式的，以使其不形成环形凹进144。表面164设置在电极本体112的内表面138上，该表面164适于与例如图2A的冷 却液管道136的表面160的相应表面配合。电极110的表面164可通过机加工或其它合适 的制造工艺形成在内表面138上。在本发明的替代实施例中，如图4A和4B所示，冷却液管道136的表面160具有四 个球形元件208a、208b、208c和208d(总称为208)。四个元件208适配于等离子体电弧割 炬电极的表面。替代地，这些元件的形状可以是适于与电极的相应表面配合并促使电极充 分冷却的任意几何形状(例如椭圆形、菱形或圆柱形)。在本发明的替代实施例中，如图5A和5B所示，冷却液管道136的表面160具有位 于管道136第二端156的多个狭缝210。这些狭缝232允许冷却液流出通道141。在该实 施例中，管道136的第二端156接触电极壁的内表面，例如图3的电极110的内表面218。 狭缝232允许足够的冷却液流过电极110的内部表面140。在本发明的一个替代性实施例中，如图6A和6B所示，冷却液管道136的表面160 具有相对于管道136的本体152扩径的本体212。本体212具有沿管道136本体152的长 度取向的四个槽214。扩径本体212适于与等离子体电弧割炬电极的表面配合。在本发明的一个替代性实施例中，如图7A和7B所示，冷却液管道136的表面160 具有含线性锥体的轮廓。线性锥体的直径从第一端154朝向第二端156逐渐减小。表面 160的轮廓适于与电极的内表面配合，例如图10的电极110内表面137的表面214。在本发明的一个替代性实施例中，如图10所示，电极110的内表面138的表面164 具有一轮廓，该轮廓具有适于与冷却液管道的表面160 (例如图7A的冷却液管道136)配合 的线性锥度。在本发明的一个替代性实施例中，如图8A和8B所示，冷却液管道136具有两个表 面160a、160b。表面160a和160b适于与等离子体电弧割炬的电极的相应表面配合。表面 160a具有等间距地设置在管道136的本体152的外径周围的四个凸缘166a、166b、166c和 166d。表面160b具有等间距地设置在管道136的本体152的外径周围的四个凸缘166e、 166f、166g 和 166h (未示出)。在本发明的另一实施例中，如图9A和9B所示，冷却液管道136具有位于管道136 的本体152的内表面250上的表面160。表面160适于与例如图3中的电极110的内部表 面140的内表面配合。表面160具有等间距地设置在管道136的本体152的内径周围的四个凸缘240。凸缘240在位于等离子体电弧割炬中时接触电极110的内部表面140。作为 示例，电极110可固定在等离子体电弧割炬本体内以使电极110的内部表面140与管道136 的表面160和凸缘240配合，从而使管道136和电极110的各纵轴线对准并限制管道136 相对于电极110的运动。图11示出可用来实现本发明的高分辨率等离子体电弧割炬180的一部分。割炬 180具有基本圆柱形本体182，其具有电连线、用于冷却流体和控制流体的通道。阳极段184 固定在本体182中。喷嘴186固定于阳极段184并具有中央通道188和出口通道190，经 此电弧能转移至工件(未示出)。例如图3电极110的电极相对于喷嘴186以间隔关系固 定于阴极段192以界定等离子体腔室194。从涡流环196馈出的等离子体气体在等离子体 腔室194内被电离以形成电弧。水冷却罩198被螺纹连接至阳极段184的下端，而辅助罩 200被螺纹连接至割炬本体182。辅助罩200在穿孔或切割操作中充当防喷溅金属的机械 护罩。例如图2A的冷却液管道136的冷却液管道被设置在电极110的中空内腔134中。 当电极110安装在割炬180内时，管道136沿电极110和割炬180的中心线或纵轴线202 延伸。管道136位于阴极段192中以使管道136基本自由地沿割炬180纵轴线202的方向 移动。管道136的顶端204流体连通于冷却液供给源(未示出)。冷却液流体行进通过通 道141从位于管道136第二端156的开口 206流出。冷却液撞击电极110底端124的内部 表面140并沿电极本体112的内表面138循环。冷却液流体通过由管道136和电极内表面 138界定的环形通道134离开电极110。在操作时，由于在本发明的这个实施例中冷却液管道136不是严密地固定于阴极 段180，因此冷却液流体的流动或液体静压力用来将管道136压向电极110的底端124。替 代地，弹簧元件(例如线性弹簧或片簧)可用来将管道136压向电极110。替代地，电极110 可螺纹拧入割炬本体，直到管道136和电极110各自的表面160、164彼此配合为止，由此一 并向表面160、164施压。冷却液管道136具有位于管道本体152的外部表面162上的表面 160。表面160适于与位于电极本体112内表面138上的表面164配合。管道136和电极 110的表面160、164分别彼此配合以在割炬工作时使管道136的位置相对于电极110对准。 在本发明的这个方面，管道136和电极110在纵向和径向上均对准。等离子体电弧割炬的一些组件可重新利用很长一段时间。然而，某些等离子体电 弧割炬组件从使用开始随时间而劣化。这些组件被称为消耗性组件并在等离子体电弧割炬 的情形下包括电极、冷却液管道、间隔件、涡流环、喷嘴和护罩。当这些组件磨损时，对它们 进行更换。理想地，这些组件是易于现场更换的。图12示出根据本发明示例性实施例的电极110的实施例。电极110具有基本圆 柱形细长铜本体112。本体112沿电极110的中心线或纵轴线114延伸，当电极110安装于 割炬(未示出)中时，电极的中心线或纵轴线与割炬是共线的。沿电极110顶端116设置 的螺纹176将电极110可更换地固定于割炬的阴极段(未示出)。凸缘118具有用于接纳 0形环(未示出)的面朝外的环形凹进120，所述0形环为割炬本体(未示出)提供流体密 封。孔128(例如钻凿、机加工或以其它方式形成的孔)沿中心线114位于电极本体 112的底端124。由高热离子发射率材料(例如铪)形成的基本圆柱形插入物130被压配合入孔128。插入物130轴向地朝向电极110的中空内腔134延伸。发射表面132沿插入 物130的端面设置并可暴露于割炬中的等离子体气体。电极110是空心铣刀式的，因其包括形成在电极本体112的底端124的内部表面 140中的环形凹进144。凹进144包括基本平行于电极110的底端124的端面126定位的 内表面218。凹进144增加电极本体暴露于冷却液的表面积并提高冷却液越过本体112的 内部表面140和内表面218的流速。电极也可以是端铣刀式的，从而不界定环形凹进144。图13A和13B示出根据本发明示例性实施例的冷却液管道136的一个实施例。管 道136具有细长本体152，该细长本体152具有第一端154和第二端156并界定中心线或纵 轴线146。冷却液通道141延伸过细长本体152。管道136的第一端154具有流体连通于 通道141的第一开口 210。第二端156具有流体连通于通道141的第二开口 206。根据本发明的一个方面，管道136具有位于细长本体152外部表面162上的表面 1304。该表面1304使管道136相对于图12中的电极110的内部表面138径向地对准。表 面1304能使冷却液管道136的纵轴线146和电极110的纵轴线114对准，以使纵轴线至少 基本同心地对准。不要求冷却液管道136严密地附连于割炬本体或电极110。因此在本发明的实施 例中，一些微小的、可接受的不对准可发生在冷却液管道136和电极110各自的纵轴线之 间。冷却液管道136不是严密地附连于割炬本体或电极110。管道136可更换地定位在割炬本体中(类似于例如图11所示的管道)。管道136 的本体152具有凸缘170，该凸缘170具有用于接纳0形环(未示出)的面朝外的环形凹 进172。0形环对电弧割炬本体提供流体密封(见图11)，同时一般允许管道136沿其本体 152的长度方向移动。在本发明的这个方面，管道136的表面1304具有分布在管道136细长本体152的 外部表面162周围的三个凸缘1366a、1366b和1366c (总称为1366)。凸缘1366基本等间 距地设置在外部表面162周围。在其它实施例中，凸缘1366可以是任何数量、形状或以其 它间隔形成在外部表面周围，使表面1304将管道136相对于电极110对准。表面1304、凸 缘1366和/或其各个部分可通过例如机加工或铸造管道136而形成为冷却液管道136的 一体部分。表面1304、凸缘1366和/或其各个部分也可与管道136分开地制造并通过例如 适宜的粘合剂或机械紧固件或摩擦配合或压配合与管道136组装或附连在一起。图14A和14B示出根据本发明示例性实施例的间隔件1400的一个实施例。在本 实施例中，间隔件1400 —般是其中贯设有开口 1408的基本圆盘件1404。盘件1404也具有 从盘件1404的外环向盘件1404的中央凸起的两个凸缘1412。间隔件1400构造成与图12 的电极110和图13AU3B的冷却液管道136配合使用。图15是根据本发明示例性实施例的、使用图14A和14B的间隔件1400设置在图 12的空心铣刀式电极110中的图13A和13B的冷却液管道136的横截面图。间隔件1400 位于电极110的环形凹进144中。电极110的内表面140位于间隔件1400的开口 1408中。 间隔件1400用于将冷却液管道136的第二端156与电极110本体112的内表面218隔开。 冷却液管道136第二端156的端面1308位于间隔件1400的凸缘1412附近(或与之接触)。 凸缘1412将冷却液管道136的第二端156与电极110本体112的内表面218隔开。在使 用时，由于管道136的第二端156与电极110的内表面218隔开，因此流出管道136的第二端156的流体流过本体112的内部表面140和内表面218。在一些实施例中，间隔件1400压配合或摩擦配合于电极110的环形凹进144。在 一些实施例中，间隔件1400松配合在电极110的环形凹进144中。在一些实施例中，间隔 件1400用例如粘合剂或机械紧固件固定在电极110的环形凹进中。在一些实施例中，间隔 件1400的元件(例如盘件1404和凸缘1412)位于冷却液管道136上，使冷却液管道136 的第二端156与电极110本体112的内表面218隔开。在一替代性实施例中，间隔件1400不是圆盘形的。在该实施例中，间隔件1400包 括其中贯设有开口的部件，该间隔件还具有从部件的外缘向部件的中央凸起的两个凸缘。 部件可以是任何形状(例如矩形、方形、不规则形状)，使其能位于电极110的环形凹进144中。在本发明其它一些实施例中，间隔件1400、盘件1404和凸缘1412的形状均可以是 与电极和冷却液管道的相应表面相适应的任何几何形状(例如矩形、方形或不规则形状)。 其它数量或取向的凸缘1412可用于本发明的替代性实施例。在本发明的一个替代性实施例中，如图16A和16B所示，间隔件1400具有在中央 位置1608接合的两个基本矩形的栅条1604a、1604b构成的X形状。图16A和16B的间隔 件1400构造成当安装在割炬中时使矩形栅条1604a、1604b位于冷却液管道端部的端面附 近(或与之接触)。例如，图16A和16B的间隔件1400可用于本发明的一个替代性实施例 以使图13A和13B的冷却液管道136第二端156的端面1308与图12的电极110本体112 的内表面218隔开。在本发明的一个替代性实施例中，如图17A和17B所示，间隔件1400是基本圆盘 件1404，它界定贯通间隔件1400的开口 1408。间隔件1400具有围绕盘件1404的外缘设置 的环1720。盘件1404还界定贯穿间隔件1400的四个沟道1712a、1712b、1712c和1712d(总 称为1712)，它们允许流体流过沟道1712。间隔件1400还具有位于沟道1712之间的四个 支承区1716a、1716b、1716c和1716d(总称为1716)。间隔件1400构造成与例如图18的电 极110和冷却液管道136结合使用。在替代性实施例中，间隔件1400不是圆盘形的。在该实施例中，间隔件1400包括 其中形成有开口的部件。该间隔件还具有围绕部件外缘定位并构造成使冷却液管道相对于 电极径向对准的凸缘(而不是环)。部件可以是任何形状(例如矩形、方形、不规则形状) 以使其位于电极110的环形凹进144中。图18是根据本发明示例性实施例、使用图17A和17B的间隔件设置在空心铣刀式 电极Iio中的冷却液管道136的横截面图。在本实施例中，冷却液管道136不具有图13A和 13B的管道136的表面1304和凸缘1366。间隔件1400位于电极110的环形凹进144中。 电极110的内表面140经过间隔件1400的开口 1408。间隔件1400用于将冷却液管道136第二端156的端面1308与电极110本体112 的内表面218分隔开。冷却液管道136第二端156的端面1308位于间隔件1400的环1720 中。环1720使管道136相对于电极110的内部表面138径向地对准。环1720使冷却液管 道136的纵轴线相对于电极110的纵轴线对准，以使这两条纵轴线至少基本同心地对准。冷却液管道136第二端156的端面1308也位于间隔件1400的支承区1716附近 (或与之接触)。支承区1716由沟道1712分隔。例如，沟道1712d使支承区1716b与支
13承区1716c分隔。区1716使冷却液管道136第二端156的端面1308与电极110本体112 的内表面218隔开。流体沿冷却液管道136的Y轴正方向流过冷却液管道136。由于管道 136的第二端206与电极110的内表面218隔开，因此流出管道136的第二端156的流体 沿方向1772a、1772b、1772c和1772d(总称为1772)流过沟道1712并越过本体112的内部 表面140和内表面218。流体然后在电极110的内部表面138和冷却液管道136的外表面 之间的区域沿冷却液管道136的Y轴负方向流过区1764a、1764b、1764c和1764d(总称为 1764)。在本发明的一个替代性实施例中，如图19A和19B所示，间隔件1400 —般为圆盘 件1404。间隔件1400具有围绕盘件1404外缘定位的环1720。间隔件1400使用允许流 体流过其中的网眼材料制造而成。例如，流体能流过间隔件1400的第一侧1904和间隔件 1400的第二侧1908之间的网眼材料。如同本文结合图17A、17B和图18描述的那样，间隔件1400用来使冷却液管道136 第二端156的端面1308与电极110本体112的内表面218分开。冷却液管道136第二端 156的端面1308位于间隔件1400的环1720中。环1720使管道136相对于电极110的内 部表面138径向对准。环1720使冷却液管道136的纵轴线相对于电极110的纵轴线对准， 使这两条纵轴线至少基本同心地对准。冷却液管道136第二端156的端面1308也位于间隔件1400的区1912附近(或 与之接触)。区1716使冷却液管道136第二端156的端面1308与电极110本体112的内 表面218分开。在使用时，由于管道136的第二端156与电极110的内表面218分开，因此 流出管道136第二端156的端面1308的流体流过间隔件1400的网眼材料并越过本体112 的内部表面140和内表面218。在一替代性实施例中，间隔件1400不是盘形的。在该实施例中，间隔件1400包括 含网眼材料的部件。间隔件还具有围绕部件外缘定位并构造成使冷却液管道相对于电极径 向对准的凸起(而不是环)。部件可以是任何形状(例如矩形、方形、不规则形状)以使其 能够位于电极110的环形凹进144中。在本发明的一个替代性实施例中，如图20A和20B所示，间隔件1400具有在中央 位置1608接合的两个基本矩形的栅条1604a、1604b。图20A、20B的间隔件1400构造成使 矩形栅条1604a、1604b靠近冷却液管道一端的端面(或与之接触)。例如，图20A和20B的 间隔件1400可用于本发明的替代性实施例以使图18的冷却液管道136第二端156的端面 1308与图18的电极110本体112的内表面218分开。图20A和20B的间隔件1400还具有 四个楔形元件2030a、2030b、2030c和2030d(总称为2030)。元件2030a和2030c位于矩形 栅条1604b的相反端。元件2030b和2030d位于矩形栅条1604a的相反端。冷却液管道136第二端156的端面1308位于间隔件1400的元件2030中。元件 2030使管道136相对于电极110的内部表面138径向地对准。元件2030使冷却液管道136 的纵轴线相对于电极110的纵轴线对准，以使这两条纵轴线至少基本同心地对准。冷却液管道136第二端156的端面1308还位于间隔件1400的矩形栅条1604附 近(或与之接触)。矩形栅条1604使冷却液管道136第二端156的端面1308与电极110 本体112的内表面218分开。在替代性实施例中，在矩形栅条的相反端不设有四个楔形元件2030a、2030b、2030c和2030d(总称为2030)。相反，楔形元件更靠近间隔件中央位置1608地设置，以使 其配合在管道136的第二开口 206中，从而既使管道136相对于电极110的内部表面138 径向对准又使冷却液管道136的纵轴线相对于电极110的纵轴线对准，由此这两根纵轴线 至少基本同心地对准。图21是根据本发明示例性实施例、使用浮凸特征2104设置在图12的空心铣刀式 电极Iio中以使冷却液管道136第二端156的端面1308与电极110本体112的内表面218 分开的图13A和图13B的冷却液管道136的横截面图。特征2104是位于电极110的环形 凹进144中的内表面218上的弯曲元件。电极110的内表面140在诸特征2104之间通过。 冷却液管道136第二端156的端面1308位于特征2104附近(或与之接触)。在一些实施 例中，特征2104形成为电极110的一体部分。在一些实施例中，特征2104通过粘合剂或通 过将特征2104焊接于电极110的内表面218而附连于电极。图22是设置在空心铣刀式电极110中的冷却液管道136的横截面图。冷却液管 道136具有含第一端154和第二端156的细长本体152并界定中心线或纵轴线146。冷却 液通道141延伸过细长本体152。管道136的第一端154具有与通道141流体连通的第一 开口 210。第二端156具有与通道141流体连通的第二开口 206。根据本发明的一个方面，管道136具有位于细长本体152的外部表面162上的表 面2204。管道136的表面2204具有分布在管道136的细长本体152的外部表面162周围的 三个凸缘2266a、2266b和2266c (为简明起见未予以示出)。凸缘2266a、2266b和2266c (总 称为2266)等间隔地设置在外部表面162周围。电极110的顶端116具有适于与管道136细长本体152的表面2204配合的环形凹 进2240，以允许冷却液管道136和电极110可靠和可重复地对准。表面2204和凸缘2266 构造成使冷却液管道136第二端156的端面1308与电极110本体112的内表面218分开。 电极110的环形凹进2240与管道136的表面2204、凸缘2266的结合使冷却液管道136和 电极110的各纵轴线对准，以使两者的纵轴线至少基本同心地对准。电极110的环形凹进 2240与管道136的表面2204和凸缘2266的结合也使管道136相对于电极110径向对准。 电极110的环形表面可通过机加工或其它适宜制造工艺来形成。在本发明的替代性实施例中，如图23A和23B所示，间隔件1400是细长的基本圆 柱本体2304，它形成贯通间隔件1400的通道2328。间隔件1400的本体2304具有第一端 2308和第二端2324。本体2304的第一端2308具有端面2316并界定与通道2328连通的 开口 2326。第二端2324界定与通道2328连通的开口 2340。本体2304具有设置在间隔件 1400本体2304的外表面2332上的表面2320。该表面2320适于与冷却液管道的相应表面 配合，例如图13A的冷却液管道136的端面1308。间隔件1400的本体2304还界定三个沟 道2312a,2312b和2312c (总称为2312)，这些沟道2312允许流体流过。图24是根据本发明示例性实施例的、使用图23A、23B的间隔件1400设置在图12 的空心铣刀式电极110中的图13A、13B的冷却液管道136的横截面图。在该实施例中，冷 却液管道136不具有图13A和13B的管道136的表面1304和凸缘1366。间隔件1400位于 电极110的环形凹进144中。间隔件1400的端面2316位于电极110的表面218附近(或 与之接触)。间隔件1400用来将冷却液管道136第二端156的端面1308与电极110本体112的内表面218分开。冷却液管道136第二端156的端面1308靠近间隔件1400本体2304 的表面2320 (或与之接触)。间隔件1400本体2304的第二端2324的基本圆柱形管状部设 置在冷却液管道136的通道141中，并使冷却液管道136的纵轴线146相对于电极110的 纵轴线114基本同心地对准。在使用时，流体沿冷却液管道136的Y轴正方向流过冷却液管道136。流出管道 136的第二端156的流体沿间隔件1400的Y轴正方向流过通道2328。流体随后沿方向 2384a、2384b和2384c (总称为2384)朝向间隔件1400本体2304的外缘流过电极110的内 表面218。流体随后在电极110内部表面138和冷却液管道136外表面之间的区域沿冷却 液管道136的Y轴负方向流过区域2388a、2388b和2388c (总称为2388)。本领域内技术人员可作出本文描述内容的多种变化、修整和其它实施方式而不脱 离本发明的精神和范围。因此，本发明不只是单单由前面的说明书定义。所要求的内容是。
权利要求
一种等离子体电弧割炬的间隔件，所述间隔件包括包含贯通开口的部件；以及从所述部件的外缘向所述部件的中心伸出的一个或多个凸缘，所述一个或多个凸缘构造成将冷却液管道的端部与电极的内表面分开。
2.如权利要求1所述的间隔件，其特征在于，所述部件是盘件且所述一个或多个凸缘 从所述部件的外环向所述盘件的中心伸出。
3.一种等离子体电弧割炬的间隔件，所述间隔件包括在中央位置接合并构造成将冷却液管道的端部与电极的内表面分开的两个栅条。
4.一种等离子体电弧割炬的间隔件，所述间隔件包括 包含贯通开口的部件；构造成将冷却液管道的端部与电极的内表面分开的一个或多个支承区；以及 围绕所述部件的外缘设置并构造成使所述冷却液管道相对于所述电极径向对准的凸起。
5.如权利要求4所述的间隔件，其特征在于，所述部件是盘件而所述凸起是围绕所述 盘件的周缘设置的环。
6.一种等离子体电弧割炬的间隔件，所述间隔件包括 包含网眼材料的部件；构造成使冷却液管道的端部与电极的内表面分开的一个或多个支承区；以及 围绕所述部件的边缘设置并构造成使所述冷却液管道相对于所述电极径向对准的凸起。
7.如权利要求6所述的间隔件，其特征在于，所述部件是盘件而所述凸起是围绕所述 盘件的周缘设置的环。
8.一种等离子体电弧割炬的间隔件，所述间隔件包括在中央位置接合并构造成将冷却液管道的端部与电极的内表面分开的两个栅条；以及 位于所述栅条上并构造成使所述冷却液管道相对于所述电极径向对准的多个元件。
9.如权利要求8所述的间隔件，其特征在于，所述多个元件位于所述栅条的相反端。
10.如权利要求8所述的间隔件，其特征在于，所述多个元件朝向所述两个栅条接合的 中央位置定位。
11.一种等离子体电弧割炬的电极，所述电极包括 具有开口端和封闭端的中空细长本体；以及位于所述本体的封闭端的内表面上并构造成使冷却液管道的端部与所述电极的内表 面分开的一个或多个浮凸特征。
12.—种等离子体电弧割炬的电极，所述电极包括 具有开口端和封闭端的中空细长本体；以及位于所述细长本体的开口端的表面，所述表面构造成使冷却液管道的端部与所述表面 分开。
13.一种等离子体电弧割炬的间隔件，所述间隔件包括细长本体，所述细长本体界定贯穿其的通道以及构造成设置在冷却液管道端部的开口 内以使所述冷却液管道相对于所述电极径向对准的基本管状的部分；以及定位在所述细长本体的外表面上并构造成使所述冷却液管道的端部与所述电极的内 表面分开的表面。
全文摘要
冷却液管道和电极适于彼此配合以在割炬工作期间使管道相对于电极对准。提高的对准度确保足够的冷却液沿电极的内部表面流动。在一个方面，冷却液管道的细长本体具有适于与电极配合的表面。在另一方面，电极的细长本体具有适于与冷却液管道配合的表面。管道和电极的表面可以例如为凸缘、削锥表面、轮廓或台阶。
文档编号H05H1/28GK101884253SQ200880118650
公开日2010年11月10日 申请日期2008年9月4日 优先权日2007年11月27日
发明者A·D·布兰特, B·J·柯里尔, C·琼斯, D·J·库克, E·M·希普勒斯基, J·W·林赛, R·R·安德森, R·W·库齐, 端正 申请人:海别得公司