用于固定等離子體焊炬電極的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于等離子體電弧焊炬電極的改進(jìn)特征和用于促進(jìn)在等離子體電弧焊炬中的對(duì)稱等離子體氣流以及在等離子體電弧焊炬內(nèi)對(duì)準(zhǔn)電極的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料加工裝置，比如焊炬系統(tǒng)(例如，等離子體焊炬系統(tǒng))和激光廣泛地用于通常被稱為工件的材料的焊接、切割和標(biāo)記。典型的等離子體焊炬系統(tǒng)可以包含具有安置在焊炬主體內(nèi)的中心出口孔的噴嘴和電極、電連接、用于冷卻的通道、用于電弧控制流體(例如，等離子體氣體)的通道和電源這樣的元件。
[0003]可以以各種方式生成等離子體電弧。例如，通過(guò)各種接觸啟動(dòng)式方法中的任一種可以在電極和噴嘴之間生成電弧。接觸啟動(dòng)式方法常常涉及在電極和碰嘴之間建立物理接觸和/或電連通，并且在這兩個(gè)元件(電極和噴嘴)之間創(chuàng)建電流路徑。
[0004]電極和噴嘴常常被布置成使得它們?cè)谒龊妇嬷黧w內(nèi)創(chuàng)建氣體腔。所述腔常常被布置成使得其能夠接收壓縮氣體(等離子體氣體)。在腔內(nèi)的氣體壓力可以增大直到其達(dá)到一點(diǎn)，在該點(diǎn)處，氣體壓力足以分離電極和噴嘴之間的接觸。此分離引起等離子體電弧在等離子體腔中的電極(陰極)和噴嘴(陽(yáng)極)之間形成。
[0005]通常，等離子體電弧包含具有高溫和高動(dòng)量的氣體的受限電離噴射。所述電弧電離等離子體氣體以產(chǎn)生等離子體噴射，其可被轉(zhuǎn)移到工件以進(jìn)行材料加工。
[0006]材料加工設(shè)備(例如，等離子體電弧焊炬)的某些部件會(huì)由于使用隨時(shí)間的推移而劣化。這些部件通常稱為“消耗品”。典型的焊炬消耗品可以包含電極、渦流環(huán)、噴嘴和護(hù)罩。
[0007]此外，在啟動(dòng)等離子體電弧焊炬的過(guò)程中，所述消耗品可能變得未對(duì)準(zhǔn)。這樣的未對(duì)準(zhǔn)可以縮短焊炬消耗品的預(yù)期壽命并且降低等離子體噴射位置的精度和可重復(fù)性。盡管這些可消耗部件可在現(xiàn)場(chǎng)被容易地替換，但是替換可消耗部件可能導(dǎo)致停工時(shí)間及降低的生產(chǎn)力。因此，電極在等離子體電弧焊炬內(nèi)的恰當(dāng)對(duì)準(zhǔn)對(duì)于確保合理的可消耗壽命和切割精度是必要的。
[0008]進(jìn)一步地，等離子體氣流圖案中的不一致可以通過(guò)降低焊炬切割速度和可消耗品預(yù)期壽命不利地影響焊炬性能。因此，維持對(duì)稱的等離子體圖案對(duì)實(shí)現(xiàn)合理的等離子體切割性能是重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]在此描述的一些實(shí)施例涉及獲得改進(jìn)的焊炬性能以及通過(guò)利用促進(jìn)等離子體氣體的均勻氣流分布的電極特征實(shí)現(xiàn)可消耗品預(yù)期壽命。
[0010]在一個(gè)方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極包含大體柱形的細(xì)長(zhǎng)主體、流動(dòng)通道和凸緣。所述電極主體由導(dǎo)電材料形成并且包含近端端部和遠(yuǎn)端端部。所述電極主體的所述遠(yuǎn)端端部可包含發(fā)射插入物。所述流動(dòng)通道圍繞相對(duì)于所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述近端端部的第一表面被設(shè)置并且被布置成引導(dǎo)冷卻氣流圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述第一表面。所述凸緣被設(shè)置在所述流動(dòng)通道和所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述遠(yuǎn)端端部之間。所述凸緣從所述細(xì)長(zhǎng)主體的第二表面徑向地延伸并且被配置成圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述遠(yuǎn)端端部建立等離子體氣流的基本對(duì)稱的氣流分布。
[0011]在另一個(gè)方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含由導(dǎo)電材料形成的大體柱形的細(xì)長(zhǎng)主體、螺旋流動(dòng)通道和徑向延伸部。所述細(xì)長(zhǎng)主體包含連接到的所述等離子體電弧焊炬的電源的前端端部和接收發(fā)射元件的后端端部。所述螺旋流動(dòng)通道圍繞相對(duì)于所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述前端端部的第一表面設(shè)置并且被配置成圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述第一表面運(yùn)送冷卻氣流。所述徑向延伸部被設(shè)置在定位在所述螺旋流動(dòng)通道和所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述后端端部之間的所述細(xì)長(zhǎng)主體的第二表面上并且被配置成圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述后端端部建立等離子體氣流的基本均勻分布。
[0012]又在另一個(gè)方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含由導(dǎo)電材料形成的大體柱形的細(xì)長(zhǎng)主體和凸緣。所述細(xì)長(zhǎng)主體可具有布置成連接到所述等離子體電弧焊炬的電源的近端端部和布置成接收發(fā)射元件的遠(yuǎn)端端部。所述凸緣圍繞相對(duì)于所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述遠(yuǎn)端端部的表面設(shè)置。所述凸緣可以從所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述表面徑向地延伸并且可被配置成圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述遠(yuǎn)端端部建立等離子體氣流的均勻氣流分布。
[0013]在另一個(gè)方面中，描述了一種用于提高在用于等離子體電弧焊炬的電極的遠(yuǎn)端處的等離子體氣流的均勻性的方法。供給氣流鄰近徑向延伸部地被引入，所述徑向延伸部被設(shè)置在靠近具有發(fā)射元件的電極主體的主體的遠(yuǎn)端端部的遠(yuǎn)端表面處。所述供給氣流被分成等離子體氣流和冷卻氣流。所述冷卻氣流被引導(dǎo)到流動(dòng)通道，所述流動(dòng)通道被設(shè)置在所述電極主體的近端表面上并且相對(duì)于所述電極主體的近端端部被定位。所述流動(dòng)通道引導(dǎo)所述冷卻氣流圍繞所述電極的所述近端表面以冷卻所述電極的所述近端表面。所述等離子體氣體在所述徑向延伸部上流過(guò)，以將圍繞所述電極的所述遠(yuǎn)端端部的所述等離子體氣流的徑向?qū)ΨQ氣流分布從所述冷卻氣流中分離出來(lái)。
[0014]在一個(gè)方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含具有設(shè)置在第一端部和第二端部之間的中心軸線的導(dǎo)電主體和與所述導(dǎo)電主體的所述第一端部電連通的接觸元件。所述導(dǎo)電主體是可以在中空焊炬構(gòu)件內(nèi)沿所述中心軸線移動(dòng)，并且所述導(dǎo)電主體的所述第二端部可被配置成接收發(fā)射元件。所述接觸元件可包含近端端部和遠(yuǎn)端端部。所述遠(yuǎn)端部分可被配置成向所述電極的所述導(dǎo)電主體的所述第一端部提供焊炬電流。所述近端端部可包含頭部部分，所述頭部部分在所述焊炬內(nèi)從焊炬主體接收焊炬電流。所述接觸元件的所述近端端部可以在所述頭部部分的外周處具有特征部，所述特征部將所述電極固定在所述中空焊炬構(gòu)件的端部處。所述接觸元件的所述近端端部和所述特征部可以創(chuàng)建一表面，所述表面具有大于所述中空焊炬構(gòu)件的內(nèi)直徑的直徑。
[0015]在另一個(gè)方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含導(dǎo)電主體和接觸元件。所述導(dǎo)電主體可具有最外層直徑、第一端部和第二端部。所述導(dǎo)電主體的所述第二端部可被配置成接收發(fā)射元件。所述接觸元件與所述電極的所述導(dǎo)電主體的所述第一端部電連通并且包含近端端部、底座部分和遠(yuǎn)端部分。所述近端端部包含頭部部分，其包含配置成從所述焊炬接收焊炬電流的焊炬主體接觸表面。所述底座部分包含大于所述電極主體的最外層直徑的外部寬度并且被配置成將所述接觸元件定位在所述等離子體電弧焊炬內(nèi)。所述遠(yuǎn)端部分包含配置成與所述電極主體可滑動(dòng)地接合且向所述導(dǎo)電主體的所述第一端部提供所述焊炬電流的接觸表面。
[0016]在又另一個(gè)方面中，用于等離子體電弧焊炬的渦流環(huán)可以包含具有第一端部和第二端部的中空主體。所述中空主體的尺寸可設(shè)計(jì)成接收用于所述等離子體電弧焊炬的電極。所述中空主體的所述第一端部可以靠近焊炬主體接觸表面地被設(shè)置并且包含配置成符合所述電極的接觸元件的表面并與其接合的嵌套區(qū)域以軸向地對(duì)準(zhǔn)所述接觸元件，并且所述中空主體的所述第二端部可以具有鄰近所述電極主體的外部表面的內(nèi)部表面。
[0017]在另一個(gè)方面中，突出了用于在等離子體電弧焊炬內(nèi)對(duì)準(zhǔn)電極的方法。所述電極包含接觸元件和細(xì)長(zhǎng)主體。所述電極可被插入到可替換部件的中空主體的第一端部中，使得所述細(xì)長(zhǎng)主體延伸到所述中空主體中并且所述接觸元件與所述第一端部接合。所述接觸元件可以被固定在所述中空主體和焊炬結(jié)構(gòu)之間。所述焊炬結(jié)構(gòu)可具有延伸穿過(guò)其中的縱向軸線。所述接觸元件被固定使得其通過(guò)使所述接觸元件的表面與所述中空主體的對(duì)應(yīng)表面能夠配合接觸導(dǎo)致所述細(xì)長(zhǎng)主體沿所述縱向軸線對(duì)準(zhǔn)。
[0018]在其他示例中，上述方面中的任一個(gè)，或本文中描述的任何裝置或方法可以包含一個(gè)或多個(gè)下述特征。
[0019]所述流動(dòng)通道可以包含圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述第一表面設(shè)置的至少一個(gè)螺旋凹槽。由所述流動(dòng)通道限定的徑向高度可以大于由所述凸緣限定的徑向高度。所述流動(dòng)通道可以包含圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述第一表面設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)散熱片。所述凸緣可被布置成充分地維持所述等離子體氣流沿所述細(xì)長(zhǎng)主體的壓力。例如，所述凸緣可被布置成確保所述等離子體氣流經(jīng)歷非常低(例如，零或近似為零)的壓降穿過(guò)所述凸緣。
[0020]所述凸緣可被配置成沿所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述第二表面圓周地延伸。所述凸緣可以包含沿其表面的一個(gè)或多個(gè)間斷。所述凸緣可以被布置成使所述冷卻氣體的非對(duì)稱流動(dòng)圖案與基本上對(duì)稱的等尚子體氣流分布中充分地隔禺。
[0021]所述徑向延伸部可以圍繞所述細(xì)長(zhǎng)主體的所述第二表面周向地延伸。所述螺旋流動(dòng)通道可以包含兩個(gè)或多個(gè)螺旋流動(dòng)凹槽，并且所述流動(dòng)凹槽可以繞所述電極主體的所述第一表面均勻地分布。所述徑向延伸部可以用來(lái)使所述冷卻氣流的非對(duì)稱流動(dòng)圖案與繞所述電極的所述遠(yuǎn)端端部循環(huán)的徑向?qū)ΨQ等離子體氣流中充分地隔離。
[0022]所述接觸元件的所述遠(yuǎn)端部分可以包含具有與所述導(dǎo)電主體的中心軸線對(duì)準(zhǔn)的中心軸線的頸部部分。所述接觸元件的所述頸部部分可以被配置成與所述導(dǎo)電主體可移動(dòng)地接合。所述接觸元件可以被固定在所述電極主體內(nèi)。
[0023]所述特征部可以將所述接觸元件和所述中空焊炬構(gòu)件與電極主體的中心軸線對(duì)準(zhǔn)。所述中空焊炬構(gòu)件可以是渦流環(huán)。
[0024]所述接觸元件的所述底座部分的外部寬度可以具有限定周向凸緣的外部直徑。所述底座部分可以包含對(duì)準(zhǔn)脊線、臺(tái)階、圖案、鍵槽或狹縫中的至少一個(gè)。所述外部寬度的周界可以是非圓形的。
[0025]所述電極主體可以包含冷卻結(jié)構(gòu)，并且所述電極主體的最外層直徑是所述冷卻結(jié)構(gòu)的