用于氣體冷卻等離子弧焊炬的裝置和相關(guān)系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明整體上涉及熱切割焊炬(例如，等離子弧焊炬)，并且更特別地涉及用于氣體冷卻等離子弧焊炬的裝置和相關(guān)系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代常規(guī)等離子弧焊炬的基本部件包括焊炬主體、安裝于該主體內(nèi)的電極(例如，陰極)、具有中心孔的噴嘴(例如，陽極)、相關(guān)電連接和冷卻通路、以及弧控制流體，該噴嘴可對(duì)電極產(chǎn)生引弧來激發(fā)合適氣體(例如，空氣、氮?dú)饣蜓鯕?流中的等離子弧。該引弧可通過聯(lián)接至直流電源和等離子弧焊炬的高頻高壓信號(hào)或任何多種接觸啟動(dòng)方法而產(chǎn)生。在一些結(jié)構(gòu)中，護(hù)罩安裝至焊炬主體來防止在加工過程中從工件濺射的金屬(有時(shí)稱為渣)積聚在焊炬零件(例如，噴嘴或電極)上。一般地，護(hù)罩包括護(hù)罩出口部(也稱為護(hù)罩孔)，該護(hù)罩出口部允許等離子射流穿過其中。護(hù)罩可相對(duì)于噴嘴共軸地安裝，以使得等離子出口部對(duì)齊護(hù)罩出口部。
[0003]冷卻能力已經(jīng)是涉及等離子弧焊炬的先前設(shè)計(jì)的一個(gè)限制。例如，先前設(shè)計(jì)要求使用氣體以外或作為氣體補(bǔ)充的冷卻介質(zhì)(例如，冷卻水或液體)，用于高電流水平(例如，100或200安培或更大)下的焊炬。這些冷卻方法中的大多數(shù)能要求焊炬之外的冷卻系統(tǒng)(例如，該冷卻系統(tǒng)可包括供水、貯水池、熱交換設(shè)備、供應(yīng)泵，等等)。外部冷卻系統(tǒng)可能增加相關(guān)設(shè)備費(fèi)用，可能要求更多維護(hù)，可能為易溢漏的，并且在一些情況下，可能要求處理冷卻介質(zhì)。等離子弧焊炬的冷卻問題對(duì)于較高電流系統(tǒng)是更為嚴(yán)重的，因?yàn)檩^高電流系統(tǒng)可產(chǎn)生更多熱量并具有更大的冷卻需求。事實(shí)上，可商購獲得的在大于約100安培下操作的等離子焊炬切割系統(tǒng)通常采用了利用液體冷卻劑(例如，水或乙二醇)的冷卻系統(tǒng)。然而，其它系統(tǒng)是可能的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在一些方面，一種用于氣體冷卻等離子弧焊炬的噴嘴可包括噴嘴主體，該噴嘴主體具有近端和遠(yuǎn)端，所述近端和遠(yuǎn)端界定出噴嘴主體長(zhǎng)度和縱向軸。該主體包括噴口，該噴口由該噴嘴主體的遠(yuǎn)端限定；該噴嘴主體內(nèi)的增壓腔，該增壓腔從該噴嘴主體的近端延伸至增壓腔底板，從該增壓腔底板至該遠(yuǎn)端的距離限定了增壓腔底板厚度，并且從該增壓腔底板至該噴嘴主體的近端的距離限定了近端高度；和穿孔，該穿孔從該增壓腔底板延伸至噴口，該穿孔具有穿孔長(zhǎng)度和穿孔寬度，其中該噴嘴主體在橫交于縱向軸的方向上具有噴嘴寬度，其中該噴嘴主體長(zhǎng)度大于該噴嘴寬度，并且其中近端高度對(duì)該增壓腔底板厚度的比率小于2.0o
[0005]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0006]在一些實(shí)施例中，噴嘴在噴嘴主體的近端處還可包括主體凸緣，該噴嘴的總長(zhǎng)度由從該噴嘴主體凸緣的近端至該噴嘴的遠(yuǎn)端處的端面的距離限定，以使得該噴嘴的總長(zhǎng)度大于噴嘴主體長(zhǎng)度。在一些情況下，該主體凸緣在噴嘴增壓腔上方延伸約0.05至約0.5英寸。在一些情況下，近端高度包括主體凸緣。
[0007]穿孔的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于增壓腔底板厚度。該穿孔可包括倒角或沉孔。穿孔的寬度可沿其長(zhǎng)度變化。該穿孔在其長(zhǎng)度的每一端可具有倒角或沉孔。
[0008]在一些實(shí)施例中，噴口可在噴嘴的端面處。
[0009]在一些實(shí)施例中，穿孔的長(zhǎng)度與噴嘴主體長(zhǎng)度之比可大于約0.32。
[0010]在一些實(shí)施例中，增壓腔的側(cè)壁厚度可在該增壓腔的內(nèi)徑和該增壓腔的外徑之間，并且該增壓腔側(cè)壁厚度與該噴嘴主體的寬度之比可為約0.15至約0.19。在一些實(shí)施例中，該增壓腔的側(cè)壁可包括一個(gè)或多個(gè)冷卻氣體通路。
[0011]在一些實(shí)施例中，噴嘴的尺寸適于在等離子弧焊炬中以至少100安培的電流操作。在一些實(shí)施例中，噴嘴可以大于170安培/英寸的電流與噴嘴主體長(zhǎng)度之比操作。
[0012]在一些實(shí)施例中，近端高度對(duì)增壓腔底板厚度之比小于約1.4。
[0013]在一些方面，構(gòu)造成以大于100安培操作的空氣冷卻等離子弧焊炬的噴嘴可包括噴嘴主體，該噴嘴主體具有界定有導(dǎo)管的遠(yuǎn)側(cè)部，該導(dǎo)管與該噴嘴主體的縱向軸大體上對(duì)齊，該導(dǎo)管具有導(dǎo)管長(zhǎng)度并且成形為引導(dǎo)等離子氣體流；和近側(cè)部，該近側(cè)部聯(lián)接至遠(yuǎn)側(cè)部并具有近側(cè)部長(zhǎng)度，該近側(cè)部界定出流體地連接至該導(dǎo)管的增壓腔，其中該近側(cè)部的長(zhǎng)度與導(dǎo)管長(zhǎng)度之比可小于約2.0，并且其中該噴嘴可被構(gòu)造成允許以大于約170安培/英寸的電流與噴嘴主體長(zhǎng)度之比操作。
[0014]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0015]在一些實(shí)施例中，噴嘴在噴嘴主體的近側(cè)部的近端處可包括主體凸緣，該噴嘴的總長(zhǎng)度由從噴嘴主體凸緣的近端至該噴嘴的遠(yuǎn)端處的端面的距離限定，以使得該噴嘴的總長(zhǎng)度大于噴嘴主體長(zhǎng)度。在一些實(shí)施例中，噴嘴的主體凸緣可包括流通道。
[0016]在一些實(shí)施例中，導(dǎo)管長(zhǎng)度可對(duì)應(yīng)于增壓腔底板厚度。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)管可包括倒角或沉孔。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)管的寬度可沿導(dǎo)管長(zhǎng)度變化。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)管在其長(zhǎng)度的每一端可具有倒角或沉孔。
[0017]在一些實(shí)施例中，增壓腔的側(cè)壁厚度可為該增壓腔的內(nèi)徑和該增壓腔的外徑之間，并且該增壓腔側(cè)壁厚度與噴嘴主體寬度之比可為約0.15至約0.19。在一些實(shí)施例中，增壓腔的側(cè)壁可包括一個(gè)或多個(gè)冷卻氣體通路。
[0018]在一些實(shí)施例中，冷卻氣體通路的尺寸適于允許噴嘴在等離子弧焊炬中以至少100安培的電流操作。在一些實(shí)施例中，冷卻氣體通路的尺寸適于允許該噴嘴以大于170安培/英寸的電流與噴嘴主體長(zhǎng)度之比操作。
[0019]在一些實(shí)施例中，近側(cè)部的長(zhǎng)度對(duì)導(dǎo)管長(zhǎng)度的比率可小于約1.4。
[0020]在一些方面，用于氣體冷卻等離子焊炬的噴嘴可包括大致圓柱形的中空主體，該主體具有界定出縱向軸的第一端和第二端，該主體的第二端界定出噴嘴噴口 ；形成于該第一端中在該圓柱形主體的內(nèi)壁和外壁之間的氣體通道，該氣體通道引導(dǎo)氣體流周向地圍繞該主體的至少一部分；入口通路，該入口通路形成為大體上穿過該外壁的徑向表面并且流體地連接至該氣體通道；和出口通路，該出口通路至少大體上對(duì)齊縱向軸并且流體地連接至該氣體通道。
[0021]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0022]在一些實(shí)施例中，入口通路可包括形成為穿過該主體的徑向表面的入口端口。在一些情況下，出口通路可包括在噴嘴的第二端和入口端口之間的、形成為穿過該主體的第二外部徑向表面的出口端口。
[0023]在一些實(shí)施例中，噴嘴包括若干個(gè)(例如，多個(gè))入口通路。在一些情況下，各自入口通路之間的徑向角為約120°。在一些實(shí)施例中，噴嘴包括若干個(gè)出口通路。在一些情況下，各自出口通路之間的徑向角為約120°。在一些實(shí)施例中，噴嘴包括多個(gè)入口通路和多個(gè)出口通路。在一些情況下，入口通路與出口通路徑向偏離。
[0024]在一些實(shí)施例中，沿著氣體通道的圓周氣體流圍繞著噴嘴的整個(gè)圓周延伸。
[0025]在一些實(shí)施例中，一部分的噴嘴壁被構(gòu)造成配合渦流環(huán)的外表面。在一些情況下，該渦流環(huán)形成氣體通道的一部分。
[0026]在一些方面，用于氣體冷卻等離子弧焊炬的噴嘴可包括大致圓柱形的中空主體，該主體具有界定出縱向軸的第一端和第二端，該主體的第二端界定出噴嘴噴口 ；增壓腔區(qū)域，該增壓腔區(qū)域被界定于該主體內(nèi)并引導(dǎo)等離子氣體；冷卻氣體通道，該冷卻氣體通道形成于該第一端中在該圓柱形主體的內(nèi)壁和外壁之間，該冷卻氣體通道將冷卻氣體從等離子氣體隔離；大體上徑向取向的入口通路流體地連接至該氣體通道；以及大體上縱向取向的出口通路流體地連接至該氣體通道。
[0027]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0028]在一些實(shí)施例中，徑向取向的入口通路還包括形成為穿過該主體的徑向表面的入口端口。在一些實(shí)施例中，縱向取向的出口通路還包括在噴嘴的第二端和入口端口之間的、形成為穿過該主體的徑向表面的出口端口。在一些實(shí)施例中，噴嘴包括多個(gè)徑向取向的入口通路。在一些情況下，各自入口通路之間的徑向角為約120°。在一些實(shí)施例中，噴嘴還包括若干個(gè)出口通路。在一些情況下，各自出口通路之間的徑向角為約120°。在一些實(shí)施例中，噴嘴包括多個(gè)入口通路和多個(gè)出口通路。在一些情況下，入口通路與出口通路徑向偏離。
[0029]在一些實(shí)施例中，沿著氣體通道的周向氣體流圍繞著噴嘴的整個(gè)周向延伸。在一些實(shí)施例中，一部分的噴嘴壁被構(gòu)造成與渦流環(huán)的外表面相配合。例如，該渦流環(huán)可形成氣體通道的一部分。
[0030]在一些實(shí)施例中，等離子氣體和冷卻氣體在噴嘴的噴口處結(jié)合在一起。
[0031]在一些方面，用于冷卻等離子弧焊炬噴嘴的方法可包括:提供噴嘴，該噴嘴具有中空主體，該主體具有第一端和第二端，該主體的該第二端界定出噴嘴噴口，形成于該主體的第一端中的氣體通道，大體上徑向取向的入口通路流體地連接至該氣體通道，并且大體上縱向取向的出口通路流體地連接至該氣體通道；使冷卻氣體穿過該入口通路流入該氣體通道；沿著該氣體通道引導(dǎo)該冷卻氣體；并將該冷卻氣體從該氣體通道排出至該出口通路。
[0032]在一些方面，用于氣體冷卻等離子弧焊炬的噴嘴可包括具有第一端和第二端的主體，第一端和第二端界定出縱向軸；大體上形成于該主體內(nèi)的增壓腔區(qū)域，該增壓腔區(qū)域從該主體的第一端延伸并被構(gòu)造成接收等離子氣體流；噴口，該噴口位于該主體的第二端并且與縱向軸大體上共軸地取向，該噴口流體地連接至該增壓腔區(qū)域；和該主體的外表面上的特征，該特征被構(gòu)造成通過接收大體在沿著該主體長(zhǎng)度的縱向軸的方向上以高速率流動(dòng)的冷卻氣體流而增加冷卻，該特征的沖擊表面被構(gòu)造成在相對(duì)于該沖擊表面的大體垂直方向上接收該冷卻氣體流并且重新引導(dǎo)該冷卻氣體流來促進(jìn)冷卻和均一的護(hù)罩流。
[0033]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0034]在一些實(shí)施例中，將該特征圍繞著噴嘴主體的外表面的周向設(shè)置。
[0035]在一些實(shí)施例中，大體垂直方向相對(duì)于沖擊表面可在約45°和90°之間。
[0036]在一些實(shí)施例中，該特征的沖擊表面的橫截面包括大體平坦表面，該大體平坦表面布置成大體上垂直于冷卻氣體流。在一些實(shí)施例中，該特征的沖擊表面包括大體錐形表面。在一些實(shí)施例中，該特征在噴嘴上定位成相鄰于護(hù)罩部件的對(duì)應(yīng)特征。在一些情況下，該對(duì)應(yīng)特征為混合室。
[0037]在一些實(shí)施例中，高速率為至少300米/秒。
[0038]在一些實(shí)施例中，該特征包括至少一部分的室，該室的尺寸足以通過實(shí)施為緩沖室來減小冷卻氣體流瞬變而增加冷卻氣體的流均勻性。在一些情況下，該室圍繞噴嘴的外表面的周向延伸。
[0039]在一些實(shí)施例中，噴嘴包括相鄰于沖擊表面的尖銳拐角，以在冷卻氣體流中產(chǎn)生紊流。
[0040]在一些方面，等離子弧焊炬的噴嘴冷卻系統(tǒng)可包括噴嘴，該噴嘴具有主體，該主體具有界定出縱向軸的第一端和第二端；增壓腔區(qū)域，該增壓腔區(qū)域大體上形成于該主體內(nèi)，該增壓腔區(qū)域從該主體的第一端延伸并被構(gòu)造成接收等離子氣體流；噴口，該噴口位于該主體的第二端并且與縱向軸大體上共軸地取向，該噴口流體地連接至該增壓腔區(qū)域；以及該主體的外表面上的特征，該特征被構(gòu)造成通過接收大體在沿著該主體長(zhǎng)度的縱向軸的方向上以高速率流動(dòng)的冷卻氣體流而增加冷卻，該特征的沖擊表面被構(gòu)造成在相對(duì)于該沖擊表面的大體垂直方向上接收該冷卻氣體流并且重新引導(dǎo)該冷卻氣體流來促進(jìn)冷卻和均一的護(hù)罩流；以及噴嘴護(hù)帽，該噴嘴護(hù)帽包括大致圓柱形主體和固定凸緣，該護(hù)帽的固定凸緣包括多個(gè)護(hù)罩氣體供應(yīng)端口，該護(hù)罩氣體供應(yīng)端口以一定角度沿著該噴嘴的縱向軸整體上成角度，該角度大體上垂直于噴嘴的特征的沖擊表面。
[0041]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0042]在一些實(shí)施例中，噴嘴護(hù)帽可包括約10個(gè)護(hù)罩氣體供應(yīng)端口。
[0043]在一些方面，噴嘴護(hù)罩冷卻系統(tǒng)可包括噴嘴，該噴嘴具有主體，主體帶有界定出縱向軸的第一端和第二端；大體上形成于該主體內(nèi)的增壓腔區(qū)域，該增壓腔區(qū)域從該主體的第一端延伸并被構(gòu)造成接收等離子氣體流；噴口，該噴口位于該主體的第二端并且與縱向軸大體上共軸地取向，該噴口流體地連接至該增壓腔區(qū)域；以及該主體的外表面上的特征，該特征被構(gòu)造成通過接收大體在沿著該主體長(zhǎng)度的縱向軸的方向上以高速率流動(dòng)的冷卻氣體流而增加冷卻，該特征的沖擊表面被構(gòu)造成在相對(duì)于該沖擊表面的大體垂直方向上接收該冷卻氣體流并且重新引導(dǎo)該冷卻氣體流來促進(jìn)冷卻和均一的護(hù)罩流，以及等離子弧焊炬的護(hù)罩，該護(hù)罩包括大致錐形主體和具有護(hù)罩噴口的端面，該護(hù)罩的內(nèi)表面界定有混合室，該混合室處在噴嘴被組裝在一起時(shí)對(duì)應(yīng)于噴嘴的沖擊表面的位置，該混合室具有入口邊緣，該入口邊緣定位成將該冷卻氣體從沖擊特征引導(dǎo)入該混合室中。
[0044]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0045]在一些實(shí)施例中，該混合室和入口邊緣圍繞護(hù)罩的內(nèi)表面的周向延伸。在一些實(shí)施例中，該入口邊緣的輪廓為銳角。在一些實(shí)施例中，該入口邊緣朝向噴嘴主體的第一端延伸。該入口邊緣還可朝向噴嘴主體的第二端延伸。
[0046]在一些實(shí)施例中，該護(hù)罩具有至少兩個(gè)入口邊緣特征。
[0047]在一些實(shí)施例中，混合室具有球根狀橫截面。在一些實(shí)施例中，該混合室的體積足以通過實(shí)施為緩沖室來減小冷卻氣體流瞬變而增加冷卻氣體的流均勻性。
[0048]在一些方面，空氣冷卻等離子弧焊炬的護(hù)罩可包括主體，該主體具有近端和遠(yuǎn)端，該近端被構(gòu)造成與該等離子弧焊炬的焊炬主體相配合；噴口，該噴口形成于該主體的該遠(yuǎn)端內(nèi)；和該護(hù)罩的內(nèi)部，該護(hù)罩的內(nèi)部界定出形成護(hù)罩氣體流通道一部分的護(hù)罩流表面，該護(hù)罩氣體流通道沿著該內(nèi)部護(hù)罩流表面在流動(dòng)方向上將護(hù)罩氣體流從近端引導(dǎo)至該主體遠(yuǎn)端處的噴口，該護(hù)罩的內(nèi)部還限定出設(shè)置于該內(nèi)部護(hù)罩流表面上的流特征，該流特征在近端和噴口之間圍繞該主體的內(nèi)部而周向地形成，該流特征被構(gòu)造成逆轉(zhuǎn)該護(hù)罩氣體流通道內(nèi)的護(hù)罩氣體流的流方向。
[0049]實(shí)施例可包括下述特征中的一個(gè)或多個(gè)。
[0050]在一些實(shí)施例中，內(nèi)部護(hù)罩流表面包括混合室，該混合室在相鄰于對(duì)應(yīng)噴嘴的沖擊特征的護(hù)罩氣體流通道的一部分處圍繞著該主體而周向地形成，該混合室包括入口邊