用于等离子电弧焊炬的高电流电极的制作方法

用于等离子电弧焊炬的高电流电极的制作方法
【专利摘要】通过本发明的教导提供一种用于等离子电弧焊炬的电极。在一种形式中，电极包括导电体、多个变形的发射插入物以及浅凹。在一种形式中，多个发射插入物围绕导电体的中心线同中心地嵌入，并且浅凹围绕导电体的中心线同中心地定位。多个发射插入物和浅凹增加了电极的寿命。
【专利说明】用于等离子电弧焊炬的高电流电极
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本发明申请要求2011年2月28日提交的题为“PLASMA ARC TORCH HAVINGIMPROVED CONSUMABLES LIFE”的美国临时申请序列N0.61/447，560的优先权。上述申请的公开内容通过引用整体并入本文。
【技术领域】
[0003]本公开涉及等离子电弧焊炬，更具体地涉及用于等离子电弧焊炬的电极及其制造方法。
【背景技术】
[0004]在这部分中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息并且不可构成现有技术。
[0005]等离子电弧焊炬，也称为电弧焊炬，通常用于通过使由电离的气体颗粒组成的高能量等离子流朝向工件来切割、标记、刨削和焊接金属工件。在典型的等离子电弧焊炬中，被电离的气体被提供至焊炬的远端并且在通过等离子电弧焊炬的喷嘴(tip)中的孔口或管口(nozzle)离开之前流经电极。电极具有相对的负电势并且作为阴极进行操作。相反地，焊炬喷嘴构成相对的正电势并且在引导过程中作为阳极进行操作。而且，电极与喷嘴处于间隔开的关系，从而在焊炬的远端处产生间隙。在操作中，在电极和喷嘴之间的常常称为等离子电弧腔的间隙中产生引导电弧，其中引导电弧加热和电离气体。电离的气体被喷出焊炬并且表现为离开喷嘴向远端延伸的等离子流。随着焊炬的远端向靠近工件的位置移动，在通过电源激活的开关电路的帮助下，电弧从焊炬喷嘴跳转或转移至工件。因此，工件充当阳极，以及等离子电弧焊炬在“转移电弧”的模式下工作。
[0006]由于高电流/功率和高操作温度，等离子电弧焊炬的耗材，诸如电极和喷嘴，易于磨损。在启动引导电弧和产生等离子流之后，电极和喷嘴在等离子电弧焊炬的整个操作中经受由等离子流引起的高热量以及磨损。在等离子切割领域中一直需要改进的耗材和操作等离子电弧焊炬的方法以提高耗材的寿命，从而增加操作时间并且降低成本。

【发明内容】

[0007]用于等离子电弧焊炬的电极包括限定了近端部分、远端部分和设置在远端部分处的远端面的导电体。多个发射插入物延伸穿过远端面并延伸到远端部分中，其中发射插入物具有靠近远端面设置的远端部分以及相对于远端部分成角度地从远端部分径向且向外延伸的近端部分。
[0008]在另一种形式中，用于等离子电弧焊炬的电极包括限定了近端部分和远端部分以及设置在远端部分处的远端面的导电体。至少一个发射插入物延伸穿过远端面并延伸到远端部分中，其中发射插入物具有靠近远端面设置的远端部分和相对于远端部分成角度地从远端部分径向向外延伸的近端部分。
[0009]在又一种形式中，用于等离子电弧焊炬的电极包括限定了中央腔和远端面的导电体、从远端面延伸到中央腔中的中央突起部以及设置在中央突起部内的至少一个发射插入物。至少一个发射插入物具有靠近远端面设置的远端部分和相对于远端部分成角度地从远端部分径向向外延伸的近端部分。
[0010]在另一种形式中，用于等离子电弧焊炬的电极包括限定了中央腔和远端面的导电体、从远端面延伸到中央腔中的中央突起部、设置在中央突起部中的多个发射插入物以及延伸到远端面并且至少部分地延伸到发射插入物中的浅凹，所述浅凹关于导电体的中心线同中心地定位。发射插入物具有靠近远端面设置的远端部分和相对于远端部分成角度地从远端部分径向向外延伸的近端部分。
[0011]其他方面的实用性将从本文提供的描述中变得显而易见。应当理解，描述和具体示例仅旨在为了说明的目的并且不旨在限制本公开的范围。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]本文描述的附图仅为了说明的目的且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
[0013]图1为根据本公开的原理构造的等离子电弧焊炬的立体图；
[0014]图2为根据本公开的原理构造的等离子电弧焊炬的分解立体图；
[0015]图3为沿着图1的A-A线所取的根据本公开的原理构造的等离子电弧焊炬的分解截面图；
[0016]图4为图3的等离子电弧焊炬的焊炬头的截面图；
[0017]图5为根据本公开的原理构造的等离子电弧焊炬的耗材筒的立体图；
[0018]图6为根据本公开的原理的耗材筒的沿图5的B-B线的截面图；
[0019]图7为根据本公开的原理构造的电极的立体图；
[0020]图8为根据本公开的原理构造的电极的立体截面图；
[0021]图9为根据本公开的原理构造的包括交叠的发射插入物的电极的端视图；
[0022]图10为根据本公开的原理构造的替代形式的电极的立体图；
[0023]图1lA至IlD为根据本公开的原理构造的多种形式的电极的视图；
[0024]图12为喷嘴的截面示意图，示出了喷嘴中央孔口和喷嘴埋头孔的直径；
[0025]图13为示出了制造根据本公开的原理构造的电极的步骤的示意图；
[0026]图14为电极的截面图，示出了用于根据本公开的方法的按压步骤的按压装置；
[0027]图15为在按压步骤之后的图14的电极的中央突起部的放大截面图；
[0028]图16为示出了根据本公开的另一方法的成角度的盲孔的电极的中央突起部的放大示意图；
[0029]图17a示出了用于根据本公开的另一方法的按压步骤的按压装置的电极的截面图；
[0030]图17b为根据本公开的教导构造的另一种形式的按压装置；
[0031]图18为示出了冷却流体流的方向的耗材筒的放大截面图；
[0032]图19为示出了具有单个铪(Hafnium)插入物的现有技术的电极的寿命的曲线图，其中通过执行的切割的数量来测量寿命；
[0033]图20为示出了具有三个铪插入物并且根据本公开的原理构造的电极的寿命的曲线图，其中通过执行的切割的数量来测量寿命；[0034]图21为示出了根据本公开的原理构造的包括具有变形的中央突起部和变形的发射插入物的四个铪插入物的电极的寿命的曲线图，其中通过执行的切割的数量来测量寿命;
[0035]图22分别示出了在不同操作周期下具有单个发射插入物和多个发射插入物的电极的磨损深度相对于启动次数的曲线图；
[0036]图23分别示出了具有单个发射插入物和多个发射插入物的电极的磨损率相对于操作周期的曲线图；
[0037]图24示出了通过作为电极中的铪发射插入物数量的函数的启动次数测量的电极寿命的曲线图；以及
[0038]图25示出了电极中的单个元件的性能比相对于发射元件的数量的曲线图。【具体实施方式】
[0039]以下描述本质上仅是示例性的并且不旨在限制本公开、应用或使用。应当理解，在所有附图中的相应附图标记表示相同或相应的部件和特征。还应当理解，附图中所使用的多种交叉阴影线图案不旨在限制可在本公开中使用的特定材料。交叉阴影图案仅是示例性的优选材料或为清楚的目的用于区分附图中所示的相邻或配合部件。
[0040]参照附图，通过图1至图3中的附图标记10示出和表示根据本公开的等离子电弧焊炬。等离子电弧焊炬10通常包括设置在等离子电弧焊炬10的近端14处的焊炬头12和固定至焊炬头12并设置在所示等离子电弧焊炬10的远端18处的耗材筒(consumablescartridge) 16。
[0041]本文所使用的等离子电弧焊炬应当被本领域的技术人员解释为产生或使用其中包括等离子切割、焊接、喷涂、刨削、或标记操作的(无论是手动还是自动的)装置。因此，对等离子电弧切割焊炬或等离子电弧焊炬的特定引用不应当被解释为限制本发明的范围。而且，对提供气体至等离子电弧焊炬的特定引用不应当被解释为限制本发明的范围，使得其他流体(例如，液体)也可提供给根据本发明的教导的等离子电弧焊炬。此外，近端方向或向近端为如箭头A’所描绘的从耗材筒16朝向焊炬头12的方向，以及远端方向或向远端为如箭头B’所描绘的从焊炬头12朝向消耗部件16的方向。
[0042]更具体地参照图4，焊炬头12包括阳极体20、阴极22、使阴极22与阳极体20绝缘的中央绝缘体24、外部绝缘体26以及外壳28。外部绝缘体26围绕阳极体20并且使阳极体20与外壳28绝缘。外壳28封装并保护焊炬头12及其部件在操作期间不受周围环境影响。焊炬头12进一步与冷却液供给管30、等离子气体管32、冷却液回流管34 (如图1和2所示)以及第二气体管35邻接，其中如以下更详细描述的，在操作期间，等离子气体和第二气体被提供至等离子电弧焊炬10，并且冷却流体被提供至等离子电弧焊炬10并从该等离子电弧焊炬10返回。
[0043]中央绝缘体24定义如图所示的容纳阴极22的圆柱形管。中央绝缘体24进一步设置在阳极体20中并且还接合容纳冷却液供给管30、等离子气体管32和冷却液回流管34的焊炬帽70。阳极体20与电源(未示出)的正极侧电连接，以及阴极22与电源的负极侧电连接。阴极22定义具有近端38、远端39、以及在近端38和远端39之间延伸的中心孔36的圆柱形管。孔36与在近端38处的冷却液供给管30和在远端39处的冷却液管组件41流体连通。冷却流体从冷却液供给管30流动至阴极22的中心孔36并且然后通过冷却液管组件41的中心孔46分配给耗材筒16的消耗部件。阴极帽40附接至阴极22的远端39以保护阴极22在更换消耗部件或其他维修期间免受损坏。已在美国专利N0.6，989，505中公开等离子电弧焊炬的焊炬头12，该申请的内容通过引用整体结合于此。
[0044]参照图5和图6，耗材筒16包括多种消耗品，多种消耗品包括电极100、喷嘴102、设置在电极100和喷嘴102之间的隔离件(spacer)104、筒体106、阳极构件108、隔板110、第二帽112以及防护罩114。筒体106通常容纳和定位其他消耗部件16并且还在等离子电弧焊炬10的操作期间分配等离子气体、第二气体以及冷却流体。筒体106由绝缘材料制成并且将阳极构件(例如，阳极构件108)与阴极构件(例如，电极100)分隔开。隔板110设置在筒体106和防护罩114之间以用于引导冷却流体。
[0045]阳极构件108将焊炬头20中的阳极体(如图4所示)连接至喷嘴102以提供从电源(未示出)到喷嘴102的电连续性。阳极构件108被固定至筒体106。隔离件104提供阴极电极100和阳极喷嘴102之间的电气隔离，并且进一步提供一定的气体分配功能。如图所示防护罩114围绕隔板110，其中在防护罩114和隔板110之间形成第二气体通道150。第二帽112和喷嘴102定义在它们之间的第二气体腔167。第二气体腔167允许第二气体在操作期间流过以冷却喷嘴102。
[0046]如进一步所示，耗材筒16进一步包括锁定环117，以在完全组装等离子电弧焊炬10时将耗材筒16固定至焊炬头12 (如图4所示)。耗材筒16进一步包括将第二帽112与喷嘴102隔离的第二隔离件116和围绕阳极构件108的保护帽149。第二帽112和第二隔离件116被固定至保护帽149的远端151。
[0047]喷嘴102通过隔离件104与电极100电隔离，这使得在电极100和喷嘴102之间形成等离子腔172。喷嘴102进一步包括中央孔口(或排出孔口)174，在等离子电弧焊炬10的操作期间，当等离子气体在等离子腔172中被电离时，等离子流通过该中央孔口(或排出孔口)174排出。等离子气体通过隔离件104的气体通道173进入喷嘴102。
[0048]参照图7至10，电极100包括导电体220和多个发射插入物222。导电体200包括近端部分224和远端部分226并且定义延伸穿过近端部分224并且与冷却液管组件41流体连通(如图4和18所示)的中央腔228。中央腔228包括远端腔120和近端腔118。
[0049]近端部分224包括外部肩状物230，该外部肩状物230紧靠隔离件104用于沿着等离子电弧焊炬10的中心纵轴X正确地定位。隔离件104包括内部孔环124 (如图6所示)，该内部孔环124紧靠电极100的外部肩状物230用于沿着等离子电弧焊炬10的中心纵轴X正确地定位电极100。
[0050]电极100进一步包括在远端部分226中的中央突起部232和围绕该中央突起部232的凹陷部分235以定义杯状结构。中央突起部232从远端面234延伸到中央腔228中。当耗材筒16被安装到焊炬头12时，中央突起部232容纳在冷却液管组件41的中央孔46中(如图4和图8所示)，使得来自阴极32的中央孔36的冷却流体被引导至冷却液管组件41并且进入电极100的中央腔228。因此，在等离子电弧焊炬10的操作期间，电极100的中央腔228暴露给冷却流体。因为中央突起部232被电极100的中央腔228中的冷却流体包围，可有效冷却中央突起部232。
[0051]远端部分226进一步包括远端面234和从该远端面234延伸至导电体220的圆柱形侧壁238的成角度的侧壁236。多个发射插入物222被设置在远端部分226处并且延伸过远端面234至中央突起部232中，但不延伸到中央腔228中。发射插入物222的部分被电极100的中央腔228中的冷却流体包围，从而导致发射插入物222的更有效的冷却。多个发射插入物222围绕导电体220的中心线同中心地嵌入。发射插入物222中的每一个定义具有大约0.045英寸的直径的圆柱形结构并且包括铪。发射插入物222可具有相同或不同的直径。导电体238包括铜合金。发射插入物222可交叠或间隔地排列。当发射插入物222被隔开时，发射插入物222与制造限制允许的尽可能近地隔开。在本公开的一种形式中，发射插入物222之间的间距可小于大约0.010英寸。当发射插入物222交叠排列时，发射插入物222可联合形成多个结构，该结构通过示例的方式包括如图9所示的三叶草形状。
[0052]在一种形式中，电极100进一步包括浅凹246 (如图10所示)，该浅凹246延伸到远端面234中并且至少部分地延伸到发射插入物222中，并且如图所示围绕导电体238的中心线同中心地定位。浅凹246延伸到例如发射插入物222的暴露区域的大约50%中。虽然在图中未示出，但是应当理解，在保持在本公开的范围内的同时，可提供超过一个浅凹。
[0053]如进一步所示的，在本公开的一种形式中提供如图所示的延伸到成角度的侧壁236和远端面234中的多个槽口 240。在一种形式中，槽口 240在远端面234和成角度的侧壁236之间的界面242的周围均匀间隔开。提供槽口 240以改善在启动等离子电弧焊炬10时的引导电弧的启动。
[0054]参照图10，电极100’与图7和图9中的电极100的不同之处在于，电极100’包括三个发射插入物222而不是四个。电极100’还包括从远端面234凹陷的浅凹246，但是应当理解，可在或不在本文所示出、描述以及预期的任何形式的电极中提供浅凹246。
[0055]参照图1lA至11D，电极在不背离本公开的范围的情况下可具有任何数量的发射插入物222。例如，电极100A、110B、100C、100D可具有三个(3)、四个(4)、六个(6)和七个(X)发射插入物222中的任何一种。发射插入物222被排列成定义包围环(encirclingring)C，包围环C包围在其中的发射插入物222。包围环C可小于、等于、或大于如图12所示的喷嘴102的中央孔口 174的直径D1或喷嘴埋头孔(预孔口 /孔口入口 )至孔喷嘴孔口的直径D2。例如，包围环C可以为喷嘴102的中央孔口 174的直径的50%、100%或150%或喷嘴埋头孔至喷嘴孔口的直径的50%、100%或150%。铪插入物222的直径可从大约0.030英寸至大约0.060英寸。优选地，铪插入物222的直径为0.030,0.045或0.060英寸，该铪插入物222的直径为喷嘴尺寸(如以上所述的直径D1和D2)的函数。浅凹深度可从大约0.007英寸至大约0.030英寸。优选地，浅凹深度为大约0.007,0.015,0.025或0.030英寸，该浅凹深度也是喷嘴尺寸(如以上所述的直径D1和D2)的函数。在一种形式中，在被压入导电体238之前，铪金属块为0.045英寸和/或0.060英寸的组合，或换句话说，可在相同电极中使用不同尺寸的插入物。
[0056]此外，在本公开的一种形式中，发射插入物彼此相对靠近地间隔开，使得它们各自的边缘(发射插入物222的每个外圆周的平行的切线)之间的间距，或发射插入物之间的电极材料的“网”为特定距离。在一种形式中，如图13 (c)所示，该间距S在大约0.015”和大约0.0005”之间，以及在另一种形式中更具体地为大约0.003”。当发射插入物222的数量为四个(4)时，这些间距S是特别有利的，但这些间距还可与不同数量的发射插入物一起使用。应当理解，在保持在本公开的范围内的同时可采用其他的间距S，并且这些值仅是示例性的。
[0057]作为示例，在本公开的一些形式中，图1lA至IlD的发射插入物222中的每一个具有0.045英寸的直径。在图1lA中，包围环C的直径为大约0.100或0.111英寸。在图1lB中,包围环C的直径为大约0.11或大约0.121英寸。在图1lC和IlD中，包围环C的直径为大约0.141英寸。
[0058]参照图13，图13示出了制造根据本公开的原理构造的电极的方法。首先，在步骤(a)中，准备并用机器加工圆柱形的导电体238以形成多个盲孔221和槽口 240。电极进一步包括从远端面234延伸到中央腔228中的中央突起部232。接着，在步骤(b)中，将发射插入物222插入导电体238中的盲孔221中。其后，在步骤(c)中，将发射插入物222压入导电体238中直到发射插入物222的远端面223大体上与导电体238的远端面234齐平。最后,在步骤(d)中，用机器加工导电体238的远端面234和发射插入物222的远端面223以形成浅凹246，从而完成本公开的电极100或100’。虽然附图中示出了用于发射插入物的孔，但是应当理解，在保持在本公开的范围内的同时，还可使用任何形状的开口(例如，圆锥形/锥形、矩形、或多边形等)。
[0059]参照图14和图15，图13中的按压步骤(C)可进一步包括使中央突起部232和发射插入物222变形的步骤。按压装置250可置于电极100的中央腔228中并且在中央突起部232的顶面上。在发射插入物222被压入盲孔221之后，中央突起部232被压在按压装置250和在远端面234 —侧上的支撑装置(未示出)之间。按压步骤使中央突起部232变形并径向向外扩展。在按压之前，中央突起部232具有从远端面234到顶面252测量的初始高度XI。在按压之后，中央突起部232的高度变为X2。中央突起部232的变形使得中央突起部232中的发射插入物222变形。因为中央突起部232变形成径向向外扩展，因此毗邻按压装置250的发射插入物222的近端部分272被压成径向向外扩展，然而靠近远端面234的发射插入物222的远端部分270可保持平行于电极100的纵轴或还可相比于近端部分272少量地径向向外扩展。远端部分270和近端部分272定义角度Θ，该角度Θ可能为钝角。近端部分272可相对于远端部分270轻微弯曲。发射插入物222的改变的形状导致发射插入物222和中央突起部232之间的接触压力增加，从而导致在铪(在本公开的一种形式中，铪形成发射插入物222)和铜(在本公开的一种形式中，铜形成中央突起部232)之间的改进的热接触电导。因此，变形的发射插入物222提高了电极100的寿命。还应当理解，在保持在本公开的范围的同时，本文的变形的发射插入物的教导除了应用于多个发射插入物，还可应用于单个发射插入物。
[0060]在按压后的中央突起部232的高度与在按压前的中央突起部232的初始高度之比(X2/X1)(在下文中为“高度比”)可以在大约0.75至大约I的范围内，在另一种形式中为在大约0.9至大约0.95的范围内。
[0061]类似地，可在远端面234的中央形成浅凹246以提高电极100的消耗寿命。
[0062]参照图16，除形成盲孔的步骤之外，制造根据本公开的另一实施例的电极的方法类似于结合图3所描述的方法。在本实施例中，中央突起部232被钻孔以形成成角度的盲孔(或开口)254，成角度的盲孔(或开口)可以是所需的发射插入物222的最终形状。发射插入物222被压入成角度的盲孔254中。由于成角度的盲孔254中的发射插入物222的变形，发射插入物222被牢固地固定至中央突起部232。因此，在按压期间发射插入物222可变形以形成具有所需形状和角度Θ的所需最终形状。被压入中央突起部232中的发射插入物222中的每一个包括靠近远端面234的远端部分270和靠近中央突起部232的顶面252的近端部分272。远端部分270可与电极100的纵轴平行或相对于电极100的纵轴轻微成角度，然而近端部分272从远端部分272径向向外延伸以定义相对于远端部分270的角度Θ。(即，发射插入物222在按压过程中变形。)角度Θ可以为钝角。在本实施例中，中央突起部232可能变形或可能不变形。此外，应当理解，盲孔/开口 254可替代地平行于电极的纵轴，或角度可以是如图所示向外的，或替代地，朝向电极的中心线向内成角度。在其他形式中，插入物可形成在与其本身成不同的角度处，即，一个向内成角度、一个向外成角度、一个平行等等。相应地，本文所示和所描述的对于所有插入物(或单一插入物)的钝角的向外成角度的形式不应当被解释为限制本公开的范围。此外，应当理解，“角度”是相对角度并且发射插入物222可能不需要采取线性变形以形成精确角度，或换句话说，发射插入物222可以是弯曲的或如图15所示为弓形的。
[0063]参照图17a，除按压装置的结构之外，制造根据本公开的又一实施例的电极的方法类似于结合图14所描述的方法。在本实施例中，按压装置256定义用于将中央突出部232容纳在其中的开口腔258。开口腔258可稍大于中央突起部232并且具有所需的中央突起部232的最终形状。因此，中央突起部232变形以形成与开口腔258的形状相同的形状，同时也使发射插入物222变形。开口腔258可定义半球形或矩形，或任何其他合适的形状。
[0064]参照图17b，另一种形式的按压装置如附图标记256’所示。该按压装置256’包括突起部257，在这种形式中该突起部257为如图所示的三角形几何形状，以在按压操作期间控制发射插入物222的变形。应当理解，在保持在本公开的范围内的同时，其他几何形状也可用于控制变形，诸如浅凹(圆形的)或正方形或其他多边形形状。此外，按压装置256’可具有开口腔258，或可以在按压区域上平坦(如图14所示)。
[0065]类似于图14的实施例，变形的高度(X2)与初始高度(Xl)之比(X2/X1)可在大约0.75至大约I的范围内，并且优选地在大约0.9至大约0.95的范围内。
[0066]参照图18，不仅通过电极100的独特结构，而且还通过电极100在等离子电弧焊炬10中的布局来显著提高电极100的寿命。如图所示，当被组装时，电极100的中央突起部232被设置在冷却液管组件41的中央孔46内，伴随着在电极100的凹陷部分253和冷却液管组件41的远端43之间限定的冷却通道258。在操作中，冷却流体向远端流过阴极22的中央孔36、流过冷却液管组件41、流过冷却通道258，并流入冷却液管组件41和电极100的圆柱形体238之间的电极100的远端腔120。然后，冷却流体向近端流过电极100的近端腔118以便为在相对高电流和温度下操作的电极100和阴极22提供冷却。
[0067]有利地，冷却液管组件41 (该冷却液管组件是弹簧加载的)通过靠近其近端部分224的电极100向上推动，更具体地，通过在其近端凸缘49处邻接管状构件43的电极100的内部面231向上推动。通过这种结构，冷却液管组件41的远端43不与电极100接触并因此在发射插入物222和中央突起部232周围提供更均匀的冷却流，从而进一步增加电极100的寿命。参照图9，在替代的形式中，外部肩状物230被做成具有圆柱形侧壁238的方形，而不是如该图所示的锥形。
[0068]参照图19和图20，曲线图分别示出了相对于执行的切割的次数的现有技术的电极的寿命和根据本公开的原理的电极的寿命。如图19所示，具有单个铪插入物的现有技术的电极在电极执行了大约250-350次切割之后显著磨损。相反，如图20所示，本公开的电极100或100’在电极100或100’执行了大约500-650次切割后显著磨损。因此，电极100的寿命比传统设计可增加至少70%。铪发射插入物222例如通过按压插入导电体220的无氧远端部分226。这允许从电弧输入的热量分布在多个发射插入物222上。每个单独的插入物222与导电体220接触，导致从铪发射插入物222的散热显著增加。对发射插入物222的附加的冷却减少了铪磨损。作为示例，当使用三个发射插入物222时，相对于具有直径为0.092英寸的单个发射插入物的传统电极，发射插入物222可具有0.045英寸的直径。
[0069]参照图21，当使用四个发射插入物时，进一步增加了根据本公开的电极的寿命。具有四个发射插入物的电极在电极执行大约950-1000次切割之后显著磨损。
[0070]参照图22，在不同的操作周期下，比较具有单个发射插入物和多个发射插入物的电极的磨损。在11秒的相同操作周期下，具有单个发射插入物的电极在大约300次启动处显著磨损，然而具有多个发射插入物的电极在大约超过1100次启动处具有相同的磨损深度。当在小于11秒的操作周期下(例如，4秒)操作具有多个发射插入物的电极时，就相同的启动数量而言，磨损深度减少。
[0071]参照图23，示出了具有单个发射插入物和多个发射插入物的电极在200A和400A二者的情况下，电极的磨损率相对于操作周期的曲线图。此外，值R2为表示插入物和电极之间的配合质量的相关系数(越接近I越好)。
[0072]参照图24，示出了通过具有不同数量的发射插入物的电极的启动的次数来测量的电极的寿命。X轴表示电极中发射插入物的数量，而Y轴表示通过启动的数量来测量的电极的寿命。如图所不，相对于仅具有一个发射插入物和具有大约300次启动的寿命的电极,具有四个发射插入物的电极在400A的操作条件下具有大约1000次启动的最长的寿命。具有三个发射插入物的电极具有大约600次启动的第二最长的寿命。具有5、6和7个发射插入物的电极的寿命没有显著差异。
[0073]参照图25，示出了多个插入物相对于单个插入物的性能比。示出了两个比例，体积和外部表面面积。“Ref-Vol”为多个插入物的总体积和单个插入物的总体积之比。“Ref-Area”为多个插入物的总面积和单个插入物的总面积之比。使用更多的插入物提供更大的表面面积，并因此用于冷却的总表面面积更大。
[0074]本公开的描述本质上仅是示例性的，因此不背离本公开的实质的变型旨在本公开的范围内。这种变型不会被认为背离本公开的精神和范围。
【权利要求】
1.一种用于等离子电弧焊炬的电极，包括: 导电体，所述导电体定义近端部分、远端部分以及设置在所述远端部分处的远端面； 多个发射插入物，所述多个发射插入物延伸穿过所述远端面并且延伸到所述远端部分中， 其中，发射插入物具有靠近所述远端面设置的远端部分和从所述远端部分相对于所述远端部分成角度地径向向外延伸的近端部分。
2.根据权利要求1所述的电极，包括四个发射插入物。
3.根据权利要求1所述的电极，进一步包括: 中央腔， 所述中央腔被限定在在所述导电体中；以及 中央突起部，所述中央突起部设置在所述导电体的远端部分处的中央腔内， 其中，所述发射插入物延伸到所述中央突起部中，但不延伸到所述中央腔中。
4.根据权利要求3所述的电极，其中，所述中央突起部定义大约0.75至大约I的高度比。
5.根据权利要求4所述的电极，其中，所述高度比为大约0.9至大约0.95。
6.根据权利要求1所述的电极，其中，所述发射插入物包括铪合金。
7.根据权利要求1所述的电极，进一步包括: 成角度的侧壁，所述成角度的侧壁从所述远端面延伸至所述导电体的圆柱形侧壁；以及 多个槽口，所述多个槽口延伸到所述远端面和所述成角度的侧壁中。
8.根据权利要求7所述的电极，其中，槽口在所述远端面和所述成角度的侧壁之间的界面周围均匀地间隔开。
9.根据权利要求1所述的电极，进一步包括浅凹，所述浅凹延伸到所述远端面中并且至少部分地延伸到所述发射插入物中，所述浅凹围绕所述导电体的中心线同中心地设置。
10.根据权利要求9所述的电极，其中，所述浅凹延伸到所述发射插入物的暴露区域的大约50%中。
11.根据权利要求1所述的电极，其中，所述发射插入物围绕所述导电体的中心线同中心地嵌入。
12.根据权利要求1所述的电极，其中，所述发射插入物被包围环C包围，并且所述包围环C为喷嘴的中央孔口的直径D1或喷嘴埋头孔的直径D2的函数。
13.根据权利要求1所述的电极，其中，所述发射插入物定义具有大约0.045”的直径的圆柱形结构。
14.根据权利要求1所述的电极，其中，所述发射插入物之间的间距在大约0.015”和大约0.0005”之间。
15.根据权利要求14所述的电极，其中，所述间距为大约0.003”。
16.一种用于等离子电弧焊炬的电极，包括: 导电体，所述导电体定义近端部分、远端部分以及设置在远端部分处的远端面； 至少一个发射插入物，所述至少一个发射插入物延伸穿过所述远端面并延伸到远端部分中， 其中，发射插入物具有靠近所述远端面设置的远端部分和从所述远端部分相对于所述远端部分成角度地径向向外延伸的近端部分。
17.根据权利要求16所述的电极，包括四个发射插入物。
18.根据权利要求16所述的电极，进一步包括: 中央腔，所述中央腔被限定在所述导电体中；以及 中央突起部，所述中央突起部设置在所述导电体的远端部分处的所述中央腔内， 其中，所述发射插入物延伸到所述中央突起部中，但不延伸到所述中央腔中。
19.根据权利要求16所述的电极，其中，所述中央突起部定义大约0.75至大约I的高 1匕。
20.根据权利要求19所述的电极，所述高度比为大约0.9至大约0.95。
21.根据权利要求16所述的电极，进一步包括浅凹，所述浅凹延伸到所述远端面中并且至少部分地延伸到所述发射插入物中。
22.一种用于等离子电弧焊炬的电极，包括: 导电体，所述导电体·定义中央腔和远端面； 中央突出部，所述中央突出部从所述远端面延伸到所述中央腔中；以及 至少一个发射插入物，所述至少一个发射插入物设置在所述中央突出部内， 其中，所述至少一个发射插入物具有靠近所述远端面设置的远端部分和从所述远端部分相对于所述远端部分成角度地径向向外延伸的近端部分。
23.根据权利要求22所述的电极，进一步包括多个发射插入物，每个插入物从所述远端部分相对于所述远端部分成角度地径向向外延伸。
24.根据权利要求23所述的电极，包括四个发射插入物。
25.根据权利要求22所述的电极，其中，所述远端部分和所述近端部分定义一个钝角。
26.根据权利要求22所述的电极，进一步包括在所述远端面的中央处的浅凹。
27.一种用于等离子电弧焊炬的电极，包括: 导电体，所述导电体定义中央腔和远端面； 中央突出部，所述中央突出部从所述远端面延伸到所述中央腔中；以及 多个发射插入物，所述多个发射插入物设置在所述中央突起部中， 其中，发射插入物具有靠近所述远端面设置的远端部分和从所述远端部分相对于所述远端部分成角度地径向向外延伸的近端部分。
28.根据权利要求27所述的电极，进一步包括浅凹，所述浅凹延伸到远端面中并且至少部分地延伸到所述发射插入物中，所述浅凹围绕所述导电体的中心线同中心地设置。
29.根据权利要求27所述的电极，包括四个发射插入物。
【文档编号】H05H1/34GK103430632SQ201280010542
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年2月28日 优先权日:2011年2月28日
【发明者】N·胡萨里, C·J·孔韦, D·H·麦肯齐 申请人:热动力公司