本申請要求享有2014年8月12日提交的美國臨時專利申請第62/036,393號的權益和優(yōu)先權，其全部內容由本申請的受讓人擁有并且在此通過全文引用的方式并入本文中。
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于等離子弧焊炬的可消耗件，并且更特別地涉及具有多個集成部件的等離子弧焊炬的一個或多個可替換的低成本筒。
背景技術：
：熱處理焊炬（諸如，等離子弧焊炬）廣泛地用于材料的高溫處理（例如，加熱、切割、刨削和標記）。等離子弧焊炬一般包括焊炬本體，安裝在焊炬本體內的電極，置于電極的鉆孔內的發(fā)射插入件，具有安裝在焊炬本體內的中心出口孔的噴嘴，護罩，電連接件，用于冷卻的通路，用于弧控制流體（例如，等離子氣體）的通路以及電源。渦流環(huán)能夠被用于控制形成于電極和噴嘴之間的等離子腔室中的流體流型。在一些焊炬中，保持帽被用于將噴嘴和/或渦流環(huán)維持在等離子弧焊炬中。在操作中，焊炬產(chǎn)生等離子弧，等離子弧是具有高溫和足夠的動量以輔助去除熔融金屬的離子化氣體的壓縮射流。用在焊炬中的氣體能夠是非反應性的（例如，氬氣或氮氣）或反應性的（例如，氧氣或空氣）。用于在等離子弧焊炬中產(chǎn)生等離子弧的一種方法是接觸啟動方法。接觸啟動方法包括在電極和噴嘴之間建立物理接觸和電連通以扁在其之間形成電流路徑。電極和噴嘴能夠配合以便在焊炬本體內形成等離子腔室。電流被提供至電極和噴嘴，并且氣體被引入至等離子腔室。氣體壓力增大直至該壓力足以分離電極和噴嘴。該分離使得在等離子腔室中在電極和噴嘴之間形成電弧。電弧將被引入的氣體離子化以便產(chǎn)生能夠轉移至工件以用于材料處理的等離子射流。在一些應用中，電源適于在弧的產(chǎn)生期間提供已知為引導電流的第一電流，以及當?shù)入x子射流已經(jīng)轉移至工件時提供已知為轉移弧電流的第二電流。各種構造能夠用于產(chǎn)生弧。例如，電極能夠在焊炬本體內遠離固定噴嘴移動。這樣的構造被稱為“倒流（blow-back）”接觸啟動方法，因為氣體壓力使得電極遠離工件移動。這樣的系統(tǒng)的問題涉及噴嘴和電極可消耗件之間的精確對準，這顯著地影響了可消耗件的預期壽命以及材料處理/切割質量。在另一構造中，噴嘴能夠遠離相對固定的電極移動。這樣的構造被稱為“前流（blow-forward）”接觸啟動方法，因為氣體壓力使得噴嘴朝向工件移動?，F(xiàn)有的等離子切割系統(tǒng)包括可用于與不同的電流和/或操作模式一起使用的大量可消耗件。大量的可消耗件選項要求大的零件數(shù)量以及用于用戶的清單，并且能夠使用戶困惑并增加安裝不正確的可消耗件的可能性。大量的可消耗件選項還能夠引起冗長的焊炬設置時間并且使其難以在要求焊炬中的可消耗件的不同設置的切割過程中轉換，焊炬中的可消耗件的設置和安裝通常在現(xiàn)場執(zhí)行。例如，在切割操作之前，選擇并安裝對于特定的切割任務正確的一組可消耗件能夠是繁重且耗時的。此外，當舊部件與新部件一起使用時，在現(xiàn)場的這些部件的選擇、組裝和安裝能夠引起對準問題或兼容性問題。在焊炬操作期間，現(xiàn)有的可消耗件能夠經(jīng)歷性能問題，諸如無法維持適當?shù)目上募屎烷g距。此外，當前的可消耗件包括大量昂貴的材料（例如，VespelTM）并且通常要求相對復雜的制造工藝，這導致極大的制造成本并且抑制了他們的廣泛商業(yè)化、生產(chǎn)和采用。所需要的是降低制造成本和時間、降低部件數(shù)目、提高系統(tǒng)性能（例如，部件對準、切割質量、可消耗件壽命、可變性/多功能性等）以及使終端用戶易于安裝并使用可消耗件的新的且改進的可消耗件平臺。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供用于等離子弧焊炬（諸如，用于手工操作的空氣冷卻的等離子弧焊炬）的一個或多個成本有效的筒的設計。通常，因為筒包括一套兩個或更多個可消耗的部件，所以該筒提供了使用的便利性并且與單獨地安裝每個可消耗部件相比縮短了用于安裝至等離子弧焊炬中的時間。此外，在焊炬中使用筒改進了部件的對準和切割一致性。然而，制造和材料成本能夠阻止筒的廣泛的商業(yè)化和生產(chǎn)。本發(fā)明通過提供一個或多個成本有效的筒的設計而解決了這個問題，該成本有效的筒的設計促進了筒的商業(yè)化和生產(chǎn)并且改進了它們的安裝。在一個方面中，本發(fā)明的特征在于一種用于空氣冷卻的等離子弧焊炬的筒。該筒包括渦流環(huán)和帽。渦流環(huán)包括具有基本上中空部分的模制的熱塑性細長本體，模制的熱塑性細長本體具有遠端和近端并且被構造成在中空部分內容納電極。渦流環(huán)還包括由細長本體的遠端限定的多個氣流開口并且被構造成將渦流運動賦予用于等離子弧焊炬的等離子氣流。渦流環(huán)進一步包括在遠端處位于細長本體的表面上的噴嘴保持部件以用于將噴嘴保持至該細長本體。帽附接至渦流環(huán)的細長本體的近端。該帽基本上圍住該細長本體的近端。在一些實施例中，帽由導電材料形成。帽能夠被構造成將電極保持在筒內并且將電流傳遞至該電極。帽能夠包括用于物理地接觸回彈性元件的偏壓表面，該回彈性元件抵靠電極的近端偏壓。額外地，帽能夠包括被構造成將回彈性元件保持在偏壓表面與電極的近端之間的基本上中空的本體。在一些實施例中，帽的本體具有基本上均勻的厚度。在一些實施例中，帽包括至少一個通氣孔。在一些實施例中，帽包括接觸表面以用于當?shù)入x子弧焊炬在轉移弧模式中操作時促進與電極的對應接觸表面的電接觸。帽的接觸表面的特征在于在引導弧的引發(fā)期間不存在與電極對應接觸表面的接觸。該接觸表面能夠被構造成當焊炬在轉移弧模式中操作時物理地接觸電極的對應接觸表面。在一些實施例中，渦流環(huán)的多個氣流開口包括由置于渦流環(huán)的細長本體的遠端周圍的多個延伸部限定的槽，每個槽位于一對延伸部之間。在一些實施例中，噴嘴保持部件包括位于延伸部的外表面上的溝槽。噴嘴能夠經(jīng)由卡扣配合、螺紋連接或壓接中的一個而保持至渦流環(huán)。在一些實施例中，通過壓接、卡扣配合或螺紋連接中的一個而實現(xiàn)帽和渦流環(huán)之間的接合。在一些實施例中，渦流環(huán)的細長本體由熱塑性材料模制，該熱塑性材料包括醚和酮分子形成的聚合物的。該熱塑性材料能夠具有一個或多個屬性，包括：（i）大于約320華氏度（F）的玻璃化轉變溫度（Tg），（ii）在Tg以下小于約22微英寸/英寸-華氏度（micro.in/in.F）的線性熱膨脹系數(shù)（CLTE），（iii）在Tg以上小于約55micro.in/in.F的CLTE，(iv)大于約720華氏度的熔點，以及（v）大于約480千伏/英寸的介電強度。在一些實施例中，每個氣流開口的軸向長度（L）與在電極的半徑和渦流環(huán)的內壁的半徑之間的平均半徑（R）的比率小于約0.5。在一些實施例中，多個氣流開口圍繞細長本體的遠端被置于單個層中，每個氣流開口在渦流環(huán)的內壁中的開口和渦流環(huán)的外壁上的開口之間具有約0.040英寸的偏移。在另一方面中，一種用于空氣冷卻的等離子弧焊炬的模制的渦流環(huán)被提供。模制的渦流環(huán)包括模制的熱塑性細長本體，該細長本體包括基本上中空的部分。模制的熱塑性細長本體具有遠端和近端并且被構造成在中空部分內容納電極。模制的渦流環(huán)還包括多個模制的氣流開口，每個氣流開口從細長本體的內表面延伸至外表面。模制的氣流開口被置于細長本體的遠端的周圍并且被構造成將渦流賦予等離子弧焊炬的等離子氣流。模制的渦流環(huán)進一步包括位于本體上的噴嘴保持表面以用于將噴嘴保持在細長本體的遠端處。在一些實施例中，多個氣流開口包括由置于細長本體的遠端周圍的多個延伸部限定的槽，每個槽位于一對延伸部之間。渦流環(huán)的細長本體的遠端和噴嘴能夠配合地限定多個氣流開口。在一些實施例中，噴嘴保持表面包括位于延伸部的外表面上的噴嘴保持部件。該噴嘴保持部件能夠包括被構造成經(jīng)由壓接而容納噴嘴的一部分的溝槽。在一些實施例中，噴嘴保持表面包括被構造成經(jīng)由壓接而容納噴嘴的一部分的傾斜表面。在一些實施例中，渦流環(huán)被構造成經(jīng)由卡扣配合或螺紋連接中的一個而接合噴嘴。在一些實施例中，渦流環(huán)被構造成經(jīng)由壓接而接合噴嘴。在一些實施例中，細長本體由熱塑性材料模制，該熱塑性材料包括醚和酮分子形成的聚合物。熱塑性材料能夠進一步包括一個或多個添加劑。在另一方面中，一種用于空氣冷卻的等離子弧焊炬的組件被提供。該組件包括電極，由熱塑性材料模制的渦流環(huán)，噴嘴，以及帽。渦流環(huán)包括位于遠端處的噴嘴保持表面以及位于近端處的帽保持元件。噴嘴經(jīng)由噴嘴保持表面而牢固地固定至渦流環(huán)的遠端，其中，噴嘴包括位于噴嘴遠端處的出口孔。帽經(jīng)由帽保持元件而牢固地固定至渦流環(huán)的近端。該帽被構造成在近端處圍住該渦流環(huán)。渦流環(huán)、噴嘴和帽的固定形成一腔室，電極長期地置于該腔室中并且在該腔室中相對于噴嘴而對準。在一些實施例中，噴嘴保持表面包括傾斜表面并且噴嘴通過抵靠該傾斜表面壓接噴嘴的至少一部分而固定至渦流環(huán)的遠端。噴嘴壓接至噴嘴保持表面能夠建立：（1）噴嘴出口孔在腔室內相對于電極的遠端的徑向居中在0.005英寸內，以及（2）在組件的轉移弧操作期間，電極在腔室內在電極的遠端和噴嘴出口孔之間的縱向定位在0.030至0.060英寸內。在一些實施例中，帽保持元件包括被構造成通過壓接、螺紋連接或卡扣配合中的至少一個而固定渦流環(huán)的溝槽。帽經(jīng)由帽保持元件固定至渦流環(huán)能夠建立：在組件的轉移弧操作期間，電極在腔室內在電極的遠端和噴嘴出口孔之間的縱向定位在0.030至0.060英寸內。在一些實施例中，組件進一步包括位于帽的偏壓表面和電極之間的回彈性元件，該回彈性元件物理地接觸電極并且在電極上施加分離力。當?shù)入x子弧焊炬在引導弧模式中操作時，回彈性元件能夠將基本上全部的引導弧電流傳遞至電極。帽能夠包括中空本體以用于將回彈性元件基本上維持在該中空本體中。在一些實施例中，回彈性元件包括彈簧或絲線中的至少一個。在一些實施例中，該組件進一步包括O形環(huán)，該O形環(huán)被構造成基本上環(huán)繞渦流環(huán)的近端以便抵靠等離子弧焊炬的本體而密封該渦流環(huán)。在另一方面中，一種用于接觸啟動等離子弧焊炬的帽被提供，該帽被構造成與電極電連通。帽包括由導電材料形成的基本上中空的本體，該中空本體被構造成容納回彈性元件。中空本體具有基本上均勻的厚度。帽還包括位于帽的近端處的偏壓表面以用于物理地接觸回彈性元件。帽進一步包括位于遠端處的內接觸表面以用于在等離子弧焊炬的轉移弧模式期間物理地接觸位于電極的近端處的對應表面。接觸表面的特征在于，在等離子弧焊炬的引導弧模式期間不存在與電極的對應表面的接觸。在一些實施例中，接觸表面被構造成在轉移弧模式期間將轉移弧電流的至少一部分從電源傳遞至電極。額外地，回彈性元件能夠被構造成在引導弧模式期間將基本上全部的引導弧電流從電源傳遞至電極。在一些實施例中，帽進一步包括用于經(jīng)由壓接、卡扣配合或螺紋連接中的一個而連接至渦流環(huán)的回彈性元件。在一些實施例中，帽進一步包括至少一個通氣孔。在一些實施例中，帽進一步包括環(huán)形通道部分，該環(huán)形通道部分包括偏壓表面并且被構造成收容回彈性元件的至少一部分。在一些實施例中，帽進一步包括遠離包括接觸表面的近端延伸的凹陷的中心。在一些實施例中，帽經(jīng)由沖壓工藝形成。在另一方面中，一種用于對準筒中的多個部件的方法被提供。該方法包括模制熱塑性材料以便形成包括遠端、近端和中空本體的渦流環(huán)。該方法還包括將電極置于渦流環(huán)的中空本體內，并且通過將噴嘴牢固地固定至渦流環(huán)的遠端而將電極保持至筒。該方法進一步包括通過將端帽牢固地固定至渦流環(huán)的近端而使電極相對于噴嘴縱向地對準，由此當氣流被用于將電極偏壓至與端帽接觸時在筒的轉移弧操作期間建立縱向對準。在一些實施例中，該方法進一步包括經(jīng)由沖壓工藝形成端帽。在一些實施例中，該方法進一步包括通過將電極的徑向運動限制在渦流環(huán)的中空本體內而使電極徑向地對準。在一些實施例中，縱向對準包括在轉移弧操作期間將電極的縱向運動限制在由電極的遠端和噴嘴的出口孔限定的倒流距離內。在一些實施例中，將噴嘴牢固固定至渦流環(huán)的遠端包括將噴嘴的一部分壓接至渦流環(huán)的遠端上的保持表面中。附圖說明通過參考結合附圖的下列描述可以更好地理解如上所述的本發(fā)明的優(yōu)點以及其他優(yōu)點。附圖不必成比例，替代地重點通常放在說明本發(fā)明的原理上。圖1是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的用于等離子弧焊炬的示例性筒的橫截面視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒的電極的等距視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒的噴嘴的等距視圖。圖4a和圖4b分別是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒的渦流環(huán)的等距視圖和側面視圖。圖5a和圖5b分別是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的與圖1的筒兼容的另一渦流環(huán)設計的等距視圖和截面視圖。圖6是圖1的筒的渦流環(huán)的截面視圖，其中，電極在渦流環(huán)內對準，并且該圖示出了示例性氣流開口。圖7a和圖7b分別是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒的端帽的等距視圖和截面視圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的與圖1的筒兼容的示例性護罩設計。圖9是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒的分解視圖。具體實施方式圖1是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的用于等離子弧焊炬的示例性筒的橫截面視圖。如所示，筒100包括基本上圍繞縱向軸線A對稱地定向的端帽106、渦流環(huán)102、電極104和噴嘴108。筒100能夠額外地包括回彈性元件122和/或密封裝置150。筒100能夠使用倒流接觸啟動機構用于在組裝至焊炬中時接觸啟動等離子弧焊炬。具體地，電極104能夠是彈簧前向（spring-forward）電極，這意味著回彈性元件122（例如，彈簧）能夠在電極104的近端124上施加分離力以便偏壓電極104使其遠離端帽106并且朝向噴嘴108。圖2是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的電極104的等距視圖。如所示，電極104包括一組螺旋形翅片114以用于引導氣流并且促進筒100的冷卻。如圖1中所示，發(fā)射插入件142（例如，發(fā)射器）能夠被置于電極104的遠端125中以使得發(fā)射表面被暴露。插入件142能夠由鉿或擁有合適的物理特性的其他材料制成，該合適的物理特性包括抗腐蝕性和高熱離子發(fā)射率。鍛造、沖擠或冷成形能夠被用于在精機加工電極104之前初始地形成該電極104。噴嘴108能夠與電極104的遠端125隔開，并且相對于電極104限定等離子腔室140。圖3是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的噴嘴108的等距視圖。噴嘴108包括用于將等離子?。ㄖT如，離子化氣體射流）引入至待切割的工件（未示出）的居中定位的出口孔144。在一些實施例中，渦流環(huán)102具有一組徑向隔開的氣流開口136，氣流開口136被構造成將切向速度分量賦予用于等離子弧焊炬的氣流，從而使得該氣流渦流。該渦流形成壓縮弧并且使該弧在插入件142上的位置穩(wěn)定的旋渦。在一些實施例中，密封裝置150（諸如，O形環(huán)）能夠位于渦流環(huán)102的近端112處的渦流環(huán)102的外表面上以便當筒100安裝至等離子弧焊炬本體（未示出）中時接合等離子弧焊炬本體的內表面。密封裝置150被構造成在該位置處提供筒100和等離子弧焊炬本體之間的流體（例如，氣體）的防泄漏密封。圖4a和圖4b分別是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒100的渦流環(huán)102的等距視圖和側面視圖。如所示，渦流環(huán)102能夠由基本上中空的細長本體103限定，中空的細長本體103具有沿著縱向軸線A的遠端110和近端112。渦流環(huán)102的遠端110被特征化為當在等離子弧焊炬內操作筒100時最靠近工件的端部，并且近端112是沿著縱向軸線A與遠端110相對的端部。在一些實施例中，渦流環(huán)102的中空本體103的尺寸被設計成容納電極104并且基本上沿著縱向軸線A在電極104的長度上延伸。渦流環(huán)102的內壁因此能夠通過限制電極104的徑向移動而徑向地對準電極104。接口118能夠形成在渦流環(huán)102的遠端110和噴嘴108之間以便將這兩個可消耗部件連接在一起作為筒100的一部分。另一接口120能夠形成在渦流環(huán)102的近端112和端帽106之間以便將這兩個可消耗部件連接在一起作為筒100的一部分。通常，接口118和/或接口120形成一腔室，電極104長期地置于該腔室中并且在該腔室中相對于噴嘴108和端帽106而對準（縱向地和徑向地）。在一些實施例中，渦流環(huán)102的一個或多個氣流開口136被置于渦流環(huán)102的細長本體103的遠端110周圍，諸如圍繞渦流環(huán)102的遠端110的圓周。在一些實施例中，一個或多個氣流開口136被模制。每個氣流開口136能夠從細長本體103的內表面延伸至外表面并且被定向成將相對于軸線A的渦流運動賦予流過該氣流開口的氣體（例如，空氣）。每個氣流開口136在幾何上能夠是圓形或非圓形的（例如，矩形、方形和/或方角形）。在一些實施例中，氣流開口136具有基本上均勻的尺寸。在一些實施例中，如圖4a和圖4b中所示，氣流開口136至少部分地由渦流環(huán)102的細長本體103的遠端110處的槽202所限定。這些氣流槽202由以規(guī)則或不規(guī)則間隔而圍繞遠端110的圓周間隔分開的多個延伸部204形成，在這里，每個槽202位于一對延伸部204之間。在渦流環(huán)102牢固地附接至噴嘴108時，槽202被噴嘴108的近端封閉以便形成有界的孔。因此，每個氣流開口136能夠是由噴嘴108和渦流環(huán)102配合地限定的兩件式復合開口。在一些實施例中，為了在渦流環(huán)102和噴嘴108之間形成接口118，渦流環(huán)102能夠包括細長本體103的噴嘴保持表面216（例如，內和/或外表面）以用于在渦流環(huán)102的遠端110處牢固地附接噴嘴108。在一個示例中，如圖4a和圖4b中所示，噴嘴保持表面216能夠是一部件，諸如位于細長本體103的外表面上（諸如在延伸部204上）的一個或多個溝槽。噴嘴保持表面216能夠通過卡扣配合、壓接、或螺紋連接之一而捕捉噴嘴108以便形成接口118。在壓接示例中，噴嘴108的一部分能夠抵靠溝槽216被壓接并且進入溝槽216中以便將噴嘴108牢固地附接至渦流環(huán)102。替代地，類似的保持表面能夠被置于噴嘴108上以便將渦流環(huán)102保持至噴嘴108。其他制造和組裝選項是可用的并可行的以便連接這兩個部件。例如，噴嘴108能夠被包覆模制至渦流環(huán)102上以便形成接口118。圖5a和圖5b分別是與圖1的筒100兼容的另一渦流環(huán)702的等距視圖和截面視圖。如所示，渦流環(huán)702基本上類似于渦流環(huán)102，除了渦流環(huán)702的噴嘴保持表面716包括相對于縱向軸線A成錐形角的傾斜表面。傾斜表面716能夠適于通過卡扣配合、壓接、或螺紋連接之一而捕捉噴嘴108以便形成圖1的接口118。在一些實施例，如圖4a和圖4b中所示，為了在渦流環(huán)102和端帽106之間形成接口120，渦流環(huán)能夠包括位于細長本體103的表面（例如，內和/或外表面）上的帽保持部件230以用于在渦流環(huán)102的近端112處牢固地保持端帽106。帽保持部件230能夠是通過卡扣配合、壓接或螺紋連接之一而捕捉端帽106以便形成接口120的一個或多個溝槽。例如，端帽106的一部分能夠被壓接至（多個）溝槽230中以便將端帽106牢固地附接至渦流環(huán)102。在一些實施例中，如圖1和圖4b中所示，在兩個部件聯(lián)接在一起之后，渦流環(huán)102的近端112的唇部部分232插入端帽106內。替代地，類似的保持部件能夠被置于端帽106周圍以便連接渦流環(huán)102。其他制造和組裝選項是可用并可行的以便連接這兩個部件。例如，端帽106能夠被包覆模制至渦流環(huán)102上以便形成接口120。類似的帽保持部件730能夠位于圖5a和圖5b的渦流環(huán)702的表面上并且提供與帽保持部件230基本上相同的功能。一般而言，與操作者需要在沒有任何結構導向的情況下執(zhí)行各個部件的對準相比，圖4a和圖4b的保持表面/元件216、230中的每一個簡化了筒100中的零件的對準。在一些實施例中，渦流環(huán)102在接口118處經(jīng)由保持元件216鎖定至噴嘴108使得這兩個部件相對于彼此對準，并且將電極104進一步保持在由渦流環(huán)102和噴嘴108的鎖定而形成的腔室中。渦流環(huán)102的內壁能夠徑向地對準電極104以使得在渦流環(huán)102的內壁和電極104的徑向翅片114之間存在相對小的間隙，由此限制電極104的徑向運動。這因此形成了噴嘴出口孔144相對于腔室內的電極104的遠端125的徑向居中，諸如，在約0.005英寸的公差內。在一些實施例中，渦流環(huán)102在接口120處經(jīng)由保持元件230而鎖定至端帽106使得這兩個部件相對于彼此對準，并且使電極104在腔室中進一步縱向地對準。例如，在渦流環(huán)102和端帽106連接之后，端帽106的凹陷中心304的深度控制了在轉移弧模式期間電極104能夠相對于噴嘴108縱向地朝向近端124向回移動多遠（例如，當氣流被用于將電極104偏壓至與端帽106接觸時），諸如，在0.02至0.12英寸的倒流距離內。渦流環(huán)102經(jīng)由保持元件230在接口120處鎖定至端帽106還將回彈性元件122固定在筒100內，同時相對于電極104的近端124精確地定位回彈性元件122。此外，噴嘴108連接至渦流環(huán)102有助于在轉移弧操作期間將電極104的縱向運動限定至電極104的遠端125和噴嘴出口孔144之間的倒流距離內。對電極104的縱向運動的這樣的抑制促進了在焊炬操作中的等離子弧引發(fā)的精確性和可重復性。類似地，在將渦流環(huán)702組裝至筒100中時，圖5a和圖5b的保持表面/元件716、730中的每一個簡化了筒100中的零件的對準。在一些實施例中，渦流環(huán)102的氣流開口136被合適地成形并設計尺寸以便增強流過氣流開口136的氣流的渦流。圖6是圖1的筒100的渦流環(huán)102的截面視圖，其中，電極104在渦流環(huán)102內徑向地對準，并且圖6示出了示例性的氣流開口136。如所示，渦流環(huán)102和電極104具有共用的中心602。寬度W表示每個氣流開口136（僅示出了一個氣流開口）的彎曲軸向寬度。長度R表示在電極104的中心和電極本體的外部與渦流環(huán)102的內壁之間的環(huán)形空間的半徑之間的平均距離（半徑），如從共用中心602開始測量。在一些實施例中，W/R比小于約0.5。這個值允許進入氣流開口136的氣流稍微垂直地沖擊在電極104的表面上，從而增加氣體湍流并且增強電極冷卻。相反地，傳統(tǒng)的氣流開口設計具有約1.0的W/R比，這使得氣體相對于電極104的表面幾乎切向地沖擊?；旧洗怪钡臎_擊（與切向撞擊相反）產(chǎn)生更多的流動分布，更均勻的氣流渦流，以及電極104的更好的冷卻。在一些實施例中，當W/R比小于約0.5時，電極104的壽命延展25％。這個設計比例可用于由在渦流環(huán)102的遠端110處模制的槽202表示的氣流開口136，或者由形成、模制或鉆孔至遠端110中的封閉孔（未示出）表示的氣流開口136。在一些實施例中，僅一行氣流開口136被置于渦流環(huán)102的遠端110周圍。例如，一行十二個氣流開口136能夠被對稱地置于渦流環(huán)102周圍。相反地，傳統(tǒng)的渦流環(huán)設計具有兩行（層）或更多行（層）的氣流開口，其中，一些傳統(tǒng)的渦流環(huán)具有每行十八個開口。由于在當前設計中的氣流開口136的數(shù)量的減少，與傳統(tǒng)設計相比，單個氣流開口136的寬度W被增加以便產(chǎn)生相同的氣流渦流力并且維持相同的組合的氣流開口136的總橫截面面積。此外，對于每個氣流開口136，在渦流環(huán)102的內壁中的開口604和渦流環(huán)102的外壁上的開口606之間的偏移O減?。ɡ?，至約小于或等于約0.040英寸），然而與傳統(tǒng)的渦流環(huán)設計的氣流開口相關聯(lián)的這樣的偏移更大（例如，約0.12英寸）。一般而言，減少氣流孔136的數(shù)量以及在單個行上定位開口136簡化了制造周期時間，降低了材料成本，并且與用于制造渦流環(huán)102的注塑成型方法更兼容。關于渦流環(huán)102所描述的氣流開口設計還能夠應用于圖5a和圖5b的渦流環(huán)702。在一些實施例中，渦流環(huán)102或702通過一個或多個高溫熱塑性材料的注塑成型而被制造，該高溫熱塑性材料包括由醚和酮分子形成的聚合物（例如，酮醚基化合物），諸如，聚醚醚酮（PEEK）、聚芳醚酮（PAKE）、聚醚酮酮（PEKK）、聚醚酮醚酮-酮（PEKEKK）及其變體。示例性的熱塑性材料還包括聚酰胺-酰亞胺（PAI）、聚醚酰亞胺（PEI）和/或聚四氟乙烯（PTFE）。在一些實施例中，與用于本發(fā)明的合適的熱塑性材料相關聯(lián)的屬性具有大于約320華氏度的玻璃化轉變溫度（Tg），在Tg之下小于約22微英寸/英寸－華氏度的線性熱膨脹系數(shù)（CLTE），在Tg之上小于約55微英寸/英寸-華氏度的CLTE，大于約720華氏度的熔點，和/或大于約480千伏/英寸的介電強度。與當前用于制造渦流環(huán)但是相對更昂貴地獲得并且難以使用的材料（例如VespelTM,Torlon,Celazole或Phenolic化合物或其他熱固性塑料）相比，使用熱塑性物質以便制造渦流環(huán)減小了筒的成本。然而，已知的是，熱塑性物質具有低于熱固性VespelTM的操作溫度，這通常能夠潛在地影響渦流環(huán)的完整性和電極壽命。為了解決高溫性能問題，渦流環(huán)102或702能夠由具有一個或多個強化添加劑以便提供期望的熱阻和/或熱導率的熱塑性樹脂制成，因此能夠實現(xiàn)（多種）熱塑性材料在筒和/或渦流環(huán)中的有效使用。示例性強化添加劑包括玻璃纖維、礦物質、氮化硼（BN）、立方BN和/或VespelTM顆粒。作為示例，材料聚酰胺/聚醚醚酮（PI/PEEK）（能夠包括約50％重復利用的VespelTM顆粒的耐熱材料）能夠被用于制造渦流環(huán)102或702。此外，渦流環(huán)102或702定位在筒100中的下述位置：該位置避免在焊炬操作期間暴露于最高的操作溫度。因此，在實際中，使用熱塑性材料以便制造渦流環(huán)102不太可能影響渦流環(huán)102或702的完整性。此外，當電極104經(jīng)受壽命末期階段時（其也是筒100的壽命末期），塑料材料熔化，這在可消耗的壽命期間并不影響切割操作。相反地，與多組電極和噴嘴一起重復地再使用的已知的基于熱固性物質的渦流環(huán)通常具有電極和噴嘴的20至30倍的壽命周期。這些壽命周期對渦流環(huán)提出要求和需求，這能夠導致過度設計以及不一致的性能，因為渦流環(huán)能夠在它們的壽命周期中熱翹曲（例如，膨脹和/或收縮），從而基于壽命周期的位置而提供不同的裝配、接口和性能。在一些實施例中，渦流環(huán)102的細長本體103使用注塑成型技術（例如，熱塑性注塑成型）而形成。在一些實施例中，如果氣流開口136包括由渦流環(huán)102的遠端110限定的槽202，則槽202能夠經(jīng)由相同的熱塑性注塑成型工藝與細長本體103同時形成。通常，與根據(jù)用于形成氣流通路的傳統(tǒng)設計的鉆孔相反，氣流槽202與用于形成渦流環(huán)102的注塑成型技術更兼容。因此，將氣流槽202模制至渦流環(huán)本體103中消除了鉆孔至本體103中的額外步驟。在渦流環(huán)設計中使用氣流槽202代替鉆孔還降低了材料成本以及與鉆孔操作相關聯(lián)的長周期時間成本。噴嘴保持部件216和/或帽保持部件230也能夠經(jīng)由相同的熱塑性注塑成型工藝而與細長本體103同時形成。因此，渦流環(huán)102的大部分（如果不是全部的話）能夠使用成本有效的單注塑成型工藝而制造?？傊c傳統(tǒng)工藝相比，用于形成渦流環(huán)102的模制熱塑性工藝提供更快速且更便宜的制造方法。用于制造圖4a和圖4b的渦流環(huán)102的工藝和材料也能夠用于制造圖5a和圖5b的渦流環(huán)702。圖7a和圖7b分別是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒100的端帽106的等距視圖和截面視圖。端帽106提供以下功能中的至少一個：（i）在渦流環(huán)的近端112處牢固地接合渦流環(huán)102或702以便形成接口120，由此對準電極104；（ii）提供用于回彈性元件122的保持器；以及（iii）在倒流接觸啟動構造中傳遞電流至電極104。如所示，端帽106具有限定了近端320和遠端322的基本上中空的本體300。中空本體300包括環(huán)型通道部分302以及遠離端帽106的近端320延伸的凹陷中心304。在一些實施例中，端帽306的本體300具有基本上均勻的厚度，由此促進了高效且均勻的電流傳遞并且輔助建立了精確的可消耗件的對準。端帽106的均勻厚度結合沖壓制造技術還簡化了制造并且最小化了制造周期時間、可消耗件重量和材料使用。在一些實施例中，在近端320處的環(huán)形通道部分302的內表面308限定了用于與回彈性元件122物理接觸并且電連通的偏壓表面?；貜椥栽?22能夠偏壓抵靠電極104的近端124以便使電極104移動遠離端帽106。即，回彈性元件122位于端帽106的偏壓表面308和電極104的近端124之間并且與該偏壓表面和近端物理接觸以使得回彈性元件122在電極104和偏壓表面308之間施加分離力。在一些實施例中，在遠端322處的端帽106的凹陷中心304的內表面310限定了接觸表面，該接觸表面被構造用于在電極104的近端124處與對應的接觸表面128物理接觸并且電連通。在轉移弧模式期間，端帽106的接觸表面310與電極104的對應接觸表面128處于鄰接關系。然而，在引導弧（pilotarc）模式中的引導弧的引發(fā)期間，接觸表面310與對應的接觸表面128處于分離的關系，該分離的關系由兩個表面之間不存在接觸所限定?；貜椥栽?22通常被維持在筒100內位于端帽106和電極14之間。在一些實施例中，回彈性元件122被固定至端帽106或電極104。在其他實施例中，回彈性元件122被固定至電極104和端帽106二者。例如，回彈性元件122能夠通過熔焊、釬焊、粘結、緊固、直徑的過盈配合或另一類型的摩擦配合而固定至端帽106和/或電極104。在一些實施例中，端帽106的基本上中空的本體300被構造成在該本體的偏壓表面308和電極104的近端124之間收容回彈性元件122。例如，端帽106的環(huán)形通道部分302能夠作用為回彈性元件122的保持器。具體地，回彈性元件122能夠由偏壓表面308、通道部分302的內側內表面312和外側內表面314而保持就位，在這里，內側內表面312相對于縱向軸線A的直徑稍微小于回彈性元件122的內直徑，并且外側內表面314相對于縱向軸線A的直徑稍微大于回彈性元件122的外直徑。在一些實施例中，在渦流環(huán)102或702附接至端帽106之后，回彈性元件122的徑向移動由渦流環(huán)102或702的近端112進一步限制。如圖1中所示，在端帽106聯(lián)接至渦流環(huán)102之后（例如，通過被壓接至帽接合溝槽230中），渦流環(huán)102的唇部部分232能夠延伸至端帽106的環(huán)形通道部分302的內部中。因此，唇部部分232能夠進一步限制并導向回彈性元件122在端帽106內的定位。在一些實施例中，端帽106被構造成當筒100安裝在焊炬內時與電源（未示出）電連通。取決于焊炬操作的模式，這能夠實現(xiàn)電流從電源經(jīng)由回彈性元件122和/或接觸表面310而流至電極104。在一些實施例中，至少一個通氣孔316（或氣體出口孔）被置于端帽106中，從本體300的內表面延伸至外表面以便冷卻筒100。例如，通氣孔316能夠位于環(huán)形部分302上。替代地，（多個）通氣孔316不存在于端帽106中。在一個示例性操作中，在引導弧引發(fā)期間，電源向端帽106提供引導弧電流，并且引導弧電流通過抵靠噴嘴108偏壓電極104的回彈性元件122而傳遞至電極104。當回彈性元件122將電極104推至與噴嘴108處于鄰接關系時，在端帽106的接觸表面310和電極104的對應的接觸表面128之間不存在物理接觸和電連通。回彈性元件122能夠被構造成將基本上全部引導弧電流從端帽106傳遞至電極104。在引導弧引發(fā)期間，氣體被引入電極104和噴嘴108之間的等離子腔室140中。能夠在等離子腔室140內建立氣體壓力直至該壓力足以克服由回彈性元件122施加的分離力。在該時刻，氣體壓力使電極104沿著縱向軸線A朝向端帽106并且遠離噴嘴108移動（同時壓縮回彈性元件122）直至電極104的對應的接觸表面128與端帽106的接觸表面310物理接觸。當電極104通過氣體壓力移動遠離噴嘴108時，在等離子腔室中產(chǎn)生或引發(fā)弧以便形成能夠轉移至工件（未示出）的等離子弧或射流。在轉移弧模式期間，電極104的對應接觸表面128與端帽106的接觸表面310基本上平面物理接觸地接合以便建立電連通（例如，電流在接觸表面310和對應表面128的界面處在端帽106和電極104之間傳遞）。當端帽106的接觸表面310鄰接電極104的對應表面128時，電流路徑被建立以使得電流的至少一部分直接在中兩個部件之間傳遞。當電弧已經(jīng)被轉移至工件時，切割電流被供應至焊炬（例如，在轉移弧模式期間）。切割電流能夠在轉移弧操作期間經(jīng)由（1）回彈性元件122和/或（2）在接觸表面310、128之間的界面而從端帽106傳遞至電極104。在一些實施例中，直接位于端帽106和電極104之間的電流路徑與從端帽106通過回彈性元件122至電極104的電流路徑相比具有較低的電阻和/或較高的電導率。因此，用于持續(xù)等離子?。ㄔ谵D移弧模式中）的基本上全部電流能夠直接地在接觸表面128、310之間傳遞。在一些實施例中，回彈性元件122由有助于承載電流并且散發(fā)與電流相關的熱量以便防止回彈性元件122熔化的材料形成。例如，能夠基于材料的電流額定值而選擇回彈性元件122的材料。在一些實施例中，回彈性元件122包括螺旋壓縮彈簧、絲線、或金屬條帶。例如，不同類型的回彈性元件122的構造被描述在美國序列號13/344,860（轉讓給NewHampshire的Hanover的Hypertherm公司）中，其全部內容在此通過引用的方式并入本文中。在一些實施例中，端帽106由導電材料制造，諸如銅、銅合金、黃銅或在引導弧操作和轉移弧操作期間均適于傳遞電流的其他材料。端帽106能夠使用沖壓方法而由材料坯件形成。在另一方面中，筒100能夠額外地包括護罩。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的與圖1的筒100兼容的示例性護罩600。護罩600能夠由導電材料制成，諸如銅或銀。護罩600能夠經(jīng)由壓接、螺紋連接和卡扣配合之一而附接至噴嘴108。在一些實施例中，流動通路（未示出）被置于噴嘴108中以便允許氣體（例如，保護氣體）通過/經(jīng)過噴嘴108流至護罩600。圖9是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的圖1的筒100的分解視圖。圖9示出了處于形成筒100之前的未組裝狀態(tài)的噴嘴108、電極104、渦流環(huán)102、回彈性元件122、密封裝置150和端帽106。在一些實施例中，插入件142也是筒100的一部分。在組裝期間，電極104被收納在由噴嘴108聯(lián)接至渦流環(huán)102的遠端110而形成的腔室中。噴嘴108能夠通過保持元件216（例如，置于渦流環(huán)102上的溝槽或螺紋，噴嘴108抵靠該溝槽而被壓接或者噴嘴108被螺紋連接至該螺紋）而牢固地附接至渦流環(huán)102的外壁。該互連使電極104固定在筒100內，同時渦流環(huán)的內壁使電極104圍繞縱向軸線A相對于噴嘴108而軸向地對準以使得電極104的軸向運動被限制?；貜椥栽?22從渦流環(huán)102的近端112插入至渦流環(huán)102中直至回彈性元件122接觸渦流環(huán)102內的電極104的近端124。端帽106隨后牢固地附接至渦流環(huán)102的近端112，同時基本上將回彈性元件122限制在端帽106的環(huán)形部分304中并且使該回彈性元件相對于端帽106軸向地對準。端帽106能夠通過保持元件230（例如，置于渦流環(huán)102上的溝槽或螺紋，端帽106抵靠該溝槽被壓接或者端帽106被螺紋連接至該螺紋）而連接至渦流環(huán)102。該互連使得端帽106的偏壓表面308能夠抵靠電極104的近端而偏壓回彈性元件122，由此將回彈性元件122推至與噴嘴108鄰接的位置。該互連還使電極104相對于端帽106縱向地對準以使得在轉移弧模式期間，電極104僅能夠從噴嘴108縮回足夠遠直至電極104鄰接端帽106的凹陷部分304的接觸表面310。此外，密封裝置150能夠在端帽106附接至渦流環(huán)102之前或之后而被置于渦流環(huán)102的近端112的外表面周圍。在一些實施例中，圖5a和圖5b的渦流環(huán)702替代渦流環(huán)102而被用在筒100中。在一些實施例中，用于組裝圖1的筒100的方法被提供。首先，熱塑性材料被模制以便形成渦流環(huán)102或702。能夠在相同的模制工藝期間創(chuàng)建渦流環(huán)102或702的各個部件，諸如模制在渦流環(huán)102的遠端110處的氣流開口136和/或噴嘴保持表面216。類似的部件能夠被模制至渦流環(huán)702上。在組裝期間，電極104能夠被置于渦流環(huán)102或702的中空本體的內側。渦流環(huán)102或702的內壁能夠徑向地對準電極104。通過分別經(jīng)由噴嘴保持表面216或716而將噴嘴108牢固地固定至渦流環(huán)102或702的遠端110，電極能夠被保持在渦流環(huán)102或702內。例如，能夠通過相對于噴嘴保持表面216或716的壓接、螺紋連接或卡扣配合之一而實現(xiàn)該牢固地固定。在將噴嘴108附接至渦流環(huán)102或702時，噴嘴出口孔144相對于電極104的遠端125的徑向居中被建立。通過分別經(jīng)由帽保持元件230或730而將端帽106牢固地固定至渦流環(huán)102或702的近端112，電極104能夠相對于噴嘴108被縱向地對準，由此當氣流被用于將電極104偏壓至與端帽106接觸時在筒100的轉移弧操作期間建立縱向對準。具體地，在轉移弧模式期間，該縱向對準包括將電極104的縱向運動限制在由電極104的遠端125和噴嘴108的出口孔144限定的倒流距離內。在一些實施例中，在將端帽附接至渦流環(huán)102或702之前，回彈性元件122被插入至端帽106中并且被收容在端帽106的通道部分302中。在一些實施例中，諸如形式為O形環(huán)的密封裝置150能夠在渦流環(huán)102的近端112處位于渦流環(huán)102或702的外表面上，以便當筒100被安裝至等離子弧焊炬本體（未示出）中時與等離子弧焊炬本體的內表面接合。測試結果已經(jīng)示出在105安培的電流下操作的圖1的筒設計100能夠具有與被組裝至PMX105Amp等離子弧焊炬（在105安培下操作）的各個可消耗件（例如，噴嘴、電極和渦流環(huán)）相同或更好的性能，并且具有更低的制造成本。表1示出在筒100和用于PMX105Amp等離子弧焊炬的各個可消耗件之間的性能和成本的比較。筒100PMX105Amp焊炬在105A下的陽極壽命(小時)2.52.2在1/2''低碳鋼下最大切割速度(英寸每分鐘)9595表示渦流環(huán)、電極和噴嘴（即，沒有端帽）的組合成本的筒100的成本低于PMX105Amp焊炬中的各個可消耗件的總成本，該總成本僅包括噴嘴和電極的成本（即，當甚至不考慮渦流環(huán)時）。在性能方面，如與包含各個可消耗件部件的PMX105Amp焊炬相比，具有安裝在其中的筒100的焊炬具有可比較的最大切割速度。包含筒100的焊炬的性能在陽極壽命方面也更好。除了上述益處之外，還存在與在等離子弧焊炬中使用筒100相關聯(lián)的許多其他益處。首先，這樣的設計通過快速更換能力，短的設置時間以及終端用戶的容易的可消耗件選擇而促進易于使用。這樣的設計還提供了一致的切割性能，因為當筒更換時立即更換一套可消耗件，在這里，筒促進容易的部件對準，因此促進焊炬操作的精確性和可重復性。相反地，當在不同時刻單獨地更換部件時性能的變化被引入。例如，當操作者需要將各個焊炬部件相對于彼此對準和定向時存在更多的產(chǎn)生誤差的空間。在另一示例中，同一部件（例如，渦流環(huán)）的長期重復使用能夠在每次熄火之后引起尺寸改變，由此即使有規(guī)律地更換所有其它部件也會改變性能質量。此外，由于筒的制造和/或安裝成本低于一組可消耗件的組合成本，所以與一組可消耗件的每次更換相比與每筒更換相關聯(lián)的更低成本。此外，不同的筒能夠被設計成相對于不同的應用而優(yōu)化焊炬操作，諸如，標記、切割、維持長的壽命等。在一些實施例中，筒100被單獨使用，這意味著在筒的壽命的末期時拆卸和替換各個部件是不切實際的或不是成本有效的。整個筒100被丟棄和/或處理（例如，再利用）而不替換各個特定零件。如果筒100被再利用，除了回收銅之外，構造熱塑性材料的渦流環(huán)102的益處在于該材料能夠被重新加熱、重新成形和重復冷凍，因此使得該材料能夠容易地再利用。相反地，Vespel?和其他熱固性材料缺乏促進可再利用性的這些特性。應該理解的是本發(fā)明的各個方面和實施例能夠以各種方式組合?；诒菊f明書的教導，本領域普通技術人員能夠容易地確定如何組合這些各種實施例。在閱讀本說明書時本領域技術人員也可以想到多種修改例。當前第1頁1 2 3