等離子焰炬延伸器以及等離子弧焰炬切割系統的制作方法
【專利說明】等離子焰炬延伸器以及等離子弧焰炬切割系統
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2014年10月14日提交的美國臨時專利申請N0.62/063, 703和2014年3月7日提交的美國臨時專利申請N0.61/949,609的權益和優先權。本申請是2015年1月30日提交的序列號為14/610,011的美國專利申請的部分接續案，序列號為14/610,011的美國專利申請是2014年10月14日提交的序列號為14/513,878的美國專利申請的部分接續案，序列號為14/513,878的美國專利申請是2012年8月9日提交的序列號為13/570，526的美國專利申請的部分接續案，序列號為13/570，526的美國專利申請是2012年7月19日提交的序列號為13/553,273的美國專利申請的部分接續案。本申請也是2011年9月9日提交的序列號為13/229，105的美國專利申請(‘105申請)(現在是美國專利8，981，253)的部分接續案，‘105申請是2010年9月9日提交的序列號為12/878,512的美國專利申請(現在是美國專利N0.8，624，150)的部分接續案。‘105申請也是2011年6月27日提交的序列號為13/169，534的美國專利申請(現在是美國專利N0.8，153,927)的部分接續案，序列號為13/169,534的美國專利申請是2006年12月15日提交的序列號為11/611,625的美國專利申請(現在是美國專利N0.7，989，727)的接續案，序列號為11/611,625的美國專利申請要求2006年9月13日提交的美國臨時專利申請N0.60/825, 453的權益和優先權。‘ 105申請是2008年2月15日提交的序列號為12/032，630的美國專利申請(現在是美國專利N0.8，089，025)的部分接續案，序列號為12/032，630的美國專利申請要求2007年2月16日提交的美國臨時專利申請N0.60/901, 804的權益和優先權。本申請進一步要求2014年5月9日提交的序列號為61/991，114的美國專利申請的權益和優先權。所有這些申請的內容都歸本申請的受讓人所有，并且其整體通過引用結合在此。
技術領域
[0003]本公開總體上涉及熱切割焰炬(例如，等離子弧焰炬)，并且更具體來說涉及等離子焰炬部件以及相關系統和方法。
【背景技術】
[0004]諸如等離子弧焰炬之類的熱處理焰炬廣泛地用于對材料進行高溫處理(例如，加熱、切割、刨削和印記)。等離子弧焰炬總體上包含焰炬本體、安裝在焰炬本體內的電極、安置在電極的鉆孔內的發射插頭、安裝在焰炬本體內的設有中央出口孔口的噴嘴、護罩、電連接、冷卻用的通路、弧控制流體(例如，等離子氣體)用的通路、和電力供應器。可以使用渦流環來控制在電極與噴嘴之間形成的等離子室中的流體流的樣式。在一些焰炬中，使用固定帽將噴嘴和/或渦流環保持在等離子弧焰炬中。在操作中，焰炬產生等離子弧，等離子弧是收緊的一股離子化氣體，該離子化氣體具有高溫和充分的動量，足以幫助去除熔化的金屬。焰炬中使用的氣體可以是非反應性氣體(例如，氬氣或氮氣)或者反應性氣體(例如，氧氣或空氣)。
[0005]在用等離子弧切割金屬工件或給金屬工件加印記的過程中，首先在焰炬內的電極(陰極)與噴嘴(陽極)之間產生導弧。當在這種導弧模式中操作時，電極可以從噴嘴分開，從而在電極與噴嘴之間形成弧，例如，如美國專利N0.4，791，268中說明的，該專利的內容通過引用結合在此。在噴嘴與電極之間通過的氣體被離子化以形成等離子，然后等離子從噴嘴的出口孔口中出來。可以使氣體穿過渦流環，以在氣體穿過焰炬時向氣體施加切線運動，從而改善焰炬性能。當焰炬在工件附近移動時，弧接觸工件，電流返回路徑于是從噴嘴轉移到工件。總體上，焰炬在這種轉移等離子弧模式中操作，轉移等離子弧模式的特征在于離子化的等離子氣體從電極流動到工件，而電流返回路徑是從工件回到電力供應器。如此產生的等離子可以用于切割、焊接、工件或給工件加印記。
[0006]除了上文說明的后噴操作之外，備選的已知技術還包含前噴技術，其中，該噴嘴與固定噴嘴分開。例如，參照美國專利N0.5，994，663，該專利的內容通過引用結合在此。
[0007]焰炬的尺寸取決于上文所述的耗材(例如，電極、渦流環、噴嘴、和護罩)的大小和配置。這些耗材的設計非常有技術性，并且對焰炬壽命和性能的影響很大。電極總體上被渦流環、噴嘴包圍，并且在一些配置中被護罩包圍。所有這些部件及其設計和組合的方式都會影響到整個焰炬的尺寸、配置、重量、成本、和其他參數。
[0008]另外，焰炬的耗材(例如，電極、噴嘴、渦流環、和護罩)都會暴露于高溫。標準的焰炬在高百分比的占空比下運行時難免使焰炬部件熔化并在焰炬中導致其他溫度相關問題。可以利用各種技術來冷卻焰炬的耗材，諸如使用噴水冷卻來冷卻噴嘴和/或護罩，在電極中和/或噴嘴周圍使用液體冷卻，或者使用通風孔來冷卻護罩，如美國專利N0.5，132，512中所說明，該美國專利的內容整體結合在此。當等離子弧焰炬在高電流(例如，大于大約15安培)下運行時，和/或當等離子弧焰炬完全靠氣體冷卻時，等離子弧焰炬耗材甚至可能更難冷卻。
[0009]此外，現有的等離子切割系統包含許多種耗材，以供與不同的切割電流和/或操作模式一起使用。大量的耗材選擇可能會讓使用者感到困惑，并且增加了使用不正確的耗材的可能性。大量耗材選擇還可能導致焰炬的設置時間冗長，并且使得對耗材布置有不同要求的切割工藝之間難以實現轉變。
[0010]等離子弧焰炬廣泛地用于處理(例如，切割和印記)金屬材料。等離子弧焰炬總體上包含焰炬本體、安裝在本體內的電極、設有中央出口孔口的噴嘴、電連接、冷卻和弧控制流體用的通路、用于控制流體流樣式的渦流環、和電力供應器。焰炬產生等離子弧，等離子弧是具有高溫和高動量的一股收緊的等離子氣體。該氣體可以是非反應性氣體(例如，氮氣或氬氣)，或者是反應性氣體(例如，氧氣或空氣)。
[0011]在用等離子弧切割金屬工件或給金屬工件加印記時，通常首先在電極(陰極)與噴嘴(陽極)之間產生導弧。導弧使穿過噴嘴出口孔口的氣體離子化。在離子化的氣體使電極與工件之間的電阻減小之后，然后弧從噴嘴轉移到工件。焰炬在這個轉移等離子弧模式中操作，其特征在于電子和導電離子化氣體從電極流動到工件，以便切割工件或給工件加印記。
【實用新型內容】
[0012]提供一種用于等離子弧切割系統的盒裝型復合噴嘴，該復合噴嘴包含噴嘴本體、渦流套筒、絕緣物、噴嘴尖端、和噴嘴護罩。所述復合噴嘴可以組合和/或消除現有的等離子焰炬耗材中使用的其他焰炬部件。例如，可以不再需要常規的渦流環，因為復合噴嘴可以向焰炬本體內的氣流施加渦流。
[0013]復合噴嘴的冷卻能力可以增強，制造和材料成本可以降低，和/或再循環能力、耐用性和性能可以得到改進。復合噴嘴可以在手持式等離子切割系統和機械化等離子切割系統中操作。復合噴嘴在一個結構中提供多個耗用性部件，因而能夠讓組裝時間明顯減少(例如，減少到1/5-1/10)。這種集成設計還確保針對給定的切割任務正確地選擇和取向(例如，對齊)相配零件，并且使得針對給定的切割任務更容易認出一套適當的耗用性部件。
[0014]在一個方面中，本實用新型的特征是一種用于等離子弧切割焰炬的噴嘴。該噴嘴包含基本上中空的長型本體，該本體能夠接收電極。該噴嘴本體限定一根縱軸，并且沿著該軸線從噴嘴本體的第一末端至噴嘴本體的第二末端具有長度(L)。該噴嘴還包含等離子出口孔口，其安置在本體的第一末端處。噴嘴本體的第一末端具有寬度(W)，并且噴嘴本體的長度與噴嘴本體的寬度的比值(L/W)大于大約3。
[0015]在另一個方面中，本實用新型包含一種切割工件的方法。提供一種等離子弧焰炬，該等離子弧焰炬具有本體，該本體包含流路徑，用于引導等離子氣體使其穿過渦流環，流到等離子室，在等離子室中形成等離子弧。還提供一種噴嘴，該噴嘴是相對于焰炬本體的遠端處的電極安裝的，以便限定等離子室。該噴嘴包含基本上中空的長型本體，該本體能夠接收電極。該噴嘴本體限定一根縱軸，并且沿著該軸線從噴嘴本體的第一末端至噴嘴本體的第二末端具有長度。該噴嘴還包含等離子出口孔口，其安置在噴嘴本體的第一末端處。噴嘴本體的第一末端具有寬度，并且噴嘴本體的長度與噴嘴本體的寬度的比值大于大約3。該噴嘴還包含至少一個補充孔口，該補充孔口是穿過噴嘴的端面或側壁中的至少一個安置的。該至少一個補充孔口是相對于等離子出口孔口而言的。等離子弧切割焰炬在大于大約15安培的安培水平下操作。基本上所有冷卻氣體都流經焰炬本體的遠端處的該至少一個補充孔
□ ο
[0016]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種用于等離子弧切割焰炬的噴嘴組件。該噴嘴組件包含基本上中空的長型本體，該本體限定縱軸，并且沿著該軸線從本體的第一末端至本體的第二末端具有長度。該噴嘴組件還包含等離子出口孔口，其安置在本體的第一末端處。一種結構配置成可平移地接收電極，并且與噴嘴本體一體成形。該結構包含本體，該本體設有斜切的氣體端口，用以在等離子弧切割焰炬操作過程中提供渦流等離子氣體。
[0017]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種切割工件的方法。還提供一種噴嘴組件，該噴嘴組件是相對于焰炬本體的遠端處的電極安裝的，以便限定等離子室。該噴嘴組件包含基本上中空的長型本體，該本體限定縱軸，并且沿著該軸線從本體的第一末端至本體的第二末端具有長度。該噴嘴組件還包含等離子出口孔口，其安置在噴嘴本體的第一末端處。該噴嘴組件還包含至少一個補充孔口，該至少一個補充孔口是穿過噴嘴組件的端面相對于等離子出口孔口安置的。一種結構配置成可平移地接收電極，并且與噴嘴本體一體成形。該結構包含本體，該本體設有斜切的氣體端口，用以在等離子弧切割焰炬操作過程中提供渦流等離子氣體。等離子弧切割焰炬在至少大約15安培的安培水平下操作。基本上所有冷卻氣體都流經至少一個氣體出口。
[0018]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種用于高能見度等離子弧切割焰炬的電極。該電極包含長型的電極本體，該長型的電極本體具有第一末端和第二末端。該電極本體在第一末端中限定鉆孔，用于接收插頭，并且該電極本體包含(i )從第一末端延伸的第一本體部分；(ii)延伸至第二末端的第二本體部分；以及(iii)相對于電極本體的第一末端處的第一本體部分定位的傳熱區。在等離子焰炬在大于大約15安培的電流下操作的過程中，傳熱區與冷卻氣體熱連通，并且配置成從傳熱區去除在等離子焰炬操作過程中產生的大部分熱。
[0019]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種用于高能見度等離子弧切割焰炬的電極。該電極包含長型的電極本體，該長型的電極本體具有第一末端和第二末端。該本體在第一末端中限定鉆孔，用于接收插頭。該電極本體包含:(i)從第一末端延伸的第一本體部分；(ii )延伸至第二末端的第二本體部分；以及(iii )相對于電極本體的第一末端處的第一本體部分定位的傳熱區。傳熱區大于大約1平方英寸。
[0020]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種用于手持式等離子焰炬的焰炬尖端。該手持式等離子焰炬設有觸發器和焰炬尖端座。該焰炬尖端包含基本上中空的噴嘴和相對于該噴嘴安置的電極。相對于噴嘴和電極安置一個殼體。噴嘴、電極和殼體形成組裝后的焰炬尖端，組裝后的焰炬尖端具有遠端和近端。組裝后的焰炬尖端的近端配置成聯接至焰炬尖端座。從組裝后的焰炬尖端的遠端到近端的距離大于大約3英寸。
[0021]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種用于手持式等離子焰炬的焰炬尖端。該手持式等離子焰炬設有觸發器和焰炬尖端座。該焰炬尖端包含基本上中空的噴嘴和相對于該噴嘴安置的電極。相對于噴嘴和電極安置一個殼體。噴嘴、電極和殼體形成組裝后的焰炬尖端，組裝后的焰炬尖端具有遠端和近端。組裝后的焰炬尖端的近端配置成聯接至焰炬尖端座。組裝后的焰炬尖端限定縱軸，并且沿著該軸線從近端到遠端具有長度。組裝后的焰炬尖端的長度與組裝后的焰炬尖端的寬度的比值大于大約3。
[0022]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種在等離子弧焰炬中對齊電極的方法。提供一種噴嘴組件。該噴嘴組件包含基本上中空的長型本體，該本體能夠接收電極。該本體限定縱軸，并且沿著該軸線從本體的第一末端至本體的第二末端具有長度。該噴嘴組件還包含等離子出口孔口，其安置在本體的第一末端處。一個結構與噴嘴本體一體成形。該結構包含本體，該本體設有斜切的氣體端口，用以在等離子弧切割焰炬操作過程中提供渦流等離子氣體。一個長型的電極安置在噴嘴的本體內。該電極具有第一末端和第二末端。電極本體在電極的第一末端中限定鉆孔，用于接收插頭。電極的鉆孔經由該結構與噴嘴的等離子出口孔口對齊。
[0023]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種用于延長等離子弧焰炬的壽命的方法。提供一個焰炬本體，該焰炬本體包含等離子氣流路徑，用于引導等離子氣體使其穿過渦流環流到等離子室，在等離子室中形成等離子弧。提供一種噴嘴，該噴嘴是相對于焰炬本體的遠端處的電極安裝的，以限定等離子室。該噴嘴包含基本上中空的長型本體，該本體能夠接收電極。噴嘴本體具有第一末端和第二末端。該噴嘴本體還包含等離子出口孔口，等離子出口孔口安置在噴嘴本體的第一末端處，其中，噴嘴本體從第一末端至第二末端的長度大于大約2英寸。至少一個補充孔口穿過噴嘴的端面或側壁中的至少一個安置。該至少一個補充孔口是相對于等離子出口孔口而言的。等離子弧焰炬在至少大約15安培的安培水平下操作。基本上所有冷卻氣體都流經該至少一個氣體出口。
[0024]在另一個方面中，本實用新型的特征是一種用于延長等離子弧焰炬的壽命的方法。提供一個焰炬本體，該焰炬本體包含等離子氣流路徑，用于引導等離子氣體使其穿過渦流環流到等離子室，在等離子室中形成等離子弧。還提供一個噴嘴，該噴嘴是相對于焰炬本體的遠端處的電極安裝的，以限定等離子室。該噴嘴包含基本上中空的長型本體，該本體能夠接收電極。該噴嘴本體限定縱軸，并且沿著該軸線從噴嘴本體的第一末端至噴嘴本體的第二末端具有長度。等離子出口孔口安置在噴嘴本體的第一末端處。噴嘴本體從第一末端至第二末端的長度大于大約2英寸。等離子弧焰炬在至少大約15安培的安培水平下操作。基本上所有冷卻氣體都從焰炬本體的遠端流出。
[0025]在一些實施例中，該噴嘴還包含在本體的第一末端處的端面，穿過該端面安置有等離子出口孔口，并且穿過該端面相對于等離子出口孔口安置有至少一個補充孔口。該至少一個補充孔口可以是斜切的，或者該至少一個補充孔口可以是線性的/筆直的。基本上所有冷卻氣體都能穿過該至少一個補充孔口離開。
[0026]該噴嘴還可以包含至少一個孔口，該至少一個孔口是穿過噴嘴的本體安置的。該至少一個孔口可以是斜切的，或者該至少一個孔口可以是線性的/筆直的。在一些實施例中，該等離子弧焰炬是氣冷的。基本上所有冷卻氣體都穿過該至少一個孔口離開。
[0027]在一些實施例中，該噴嘴本體包含至少一個補充孔口，該補充孔口是穿過噴嘴的端面安置的。該噴嘴本體可以包含至少一個孔口，該至少一個孔口是穿過噴嘴的本體安置的。在一些實施例中，該噴嘴本體包含穿過噴嘴的端面安置的至少一個補充孔口，和穿過噴嘴的本體安置的至少一個孔口。
[0028]該噴嘴還可以包含至少一個熱交換元件，該熱交換元件安置在噴嘴本體上，并且與冷卻氣體熱連通。該至少一個熱交換元件可以安置在噴嘴本體的外表面上。該至少一個熱交換兀件可以安置在噴嘴本體的內表面上。
[0029]噴嘴的長度可以大于大約2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些實施例中，噴嘴的長度大于大約2.5,3.5,4.5,5.5,6.5,7.5,8.5,9.5、
10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0030]噴嘴的長度與寬度的比值可以大于大約4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。在一些實施例中，噴嘴的長度與寬度的比值大于大約4.5,5.5,6.5,7.5、
8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5。
[0031]在一些實施例中，在等離子弧切割焰炬中使用本文中說明的噴嘴中的任一個。該等離子弧切割焰炬可以是手持式等離子弧切割焰炬。
[0032]噴嘴組件的長度可以大于大約2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些實施例中，噴嘴組件的長度大于大約2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、
9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0033]在一些實施例中，該噴嘴組件還包含在本體的第一末端處的端面，穿過該端面安置有等離子出口孔口，并且穿過該端面或側壁中的至少一個相對于等離子出口孔口安置有至少一個補充孔口。該至少一個補充孔口可以是斜切的。基本上所有冷卻氣體都能穿過該至少一個補充孔口離開。噴嘴組件內的結構可能能夠可平移地接收電極。
[0034]該噴嘴組件還可以包含至少一個熱交換元件，該熱交換元件安置在噴嘴本體上，并且與冷卻氣體熱連通。該至少一個熱交換元件可以安置在噴嘴本體的外表面上。該至少一個熱交換元件可以安置在噴嘴本體的內表面上。
[0035]噴嘴組件還可以包含至少一個孔口，該至少一個孔口是穿過噴嘴本體安置的。在一些實施例中，該噴嘴本體包含至少一個補充孔口，該補充孔口是穿過噴嘴的端面安置的。該噴嘴本體可以包含至少一個孔口，該至少一個孔口是穿過噴嘴的本體安置的。在一些實施例中，該噴嘴本體包含穿過噴嘴的端面安置的至少一個補充孔口，和穿過噴嘴的本體安置的至少一個孔口。
[0036]在一些實施例中，在等離子弧切割焰炬中使用本文中說明的噴嘴組件中的任一個。該等離子弧切割焰炬可以是手持式等離子弧切割焰炬。
[0037]電極的傳熱區可以大于大約1平方英寸。傳熱區可以在大約1平方英寸與大約3平方英寸之間。
[0038]在一些實施例中，在等離子弧切割焰炬中使用本文中說明的電極中的任一個。該等離子弧切割焰炬可以是手持式等離子弧切割焰炬。
[0039]在一些實施例中，噴嘴和/或電極是長型的。噴嘴可以沿著從噴嘴的第一末端和噴嘴的第二末端延伸的縱軸具有長度。從噴嘴的第一末端至第二末端的長度可以大于大約 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些實施例中，噴嘴的長度大于大約 2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、
16.5、17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0040]殼體可以包含轉接器，該轉接器能夠延伸從組裝后的焰炬尖端的遠端至近端的距離。從組裝后的焰炬尖端的遠端至近端的距離可以大于大約5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在一些實施例中，從組裝后的焰炬尖端的遠端到近端的距離可以大于大約 2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、
17.5、18.5、19.5 或 20.5 英寸。
[0041]在一些實施例中，焰炬尖端還包含至少一個熱交換元件，該至少一個熱交換元件安置在噴嘴上，并且與冷卻氣體熱連通。該至少一個熱交換元件可以安置在噴嘴的外表面上。該至少一個