[发明专利]提供斜角屏蔽流喷射的等离子体弧气炬

说明书

技术领域

本发明总的涉及用于对金属进行切割、穿孔、在金属上做出标志的等离子体弧气炬，尤其涉及给等离子体弧提供斜角(例如圆锥形)屏蔽流喷射的等离子体弧气炬。

背景技术

当前，等离子体弧气炬广泛地用于对金属材料(例如单质金属、金属合金等)进行切割、穿孔和/或做出标志。等离子体弧气炬一般包括安装在气炬的本体(即，气炬本体)内的电极、也是安装在气炬本体内的有出口喷孔的喷嘴、电连接件、用于冷却流体、保护流体和弧控制流体的流体通路、控制形成在电极和喷嘴之间的等离子体腔室里的流体流动形态的旋转环、以及电源。这种气炬可产生等离子体弧，它是一种具有高温和高动量的被收缩的离子化的等离子体气体喷射流(也就是一种离子化的等离子体气体流)。用在等离子体弧气炬中的气体可以是非氧化的气体(例如氩气、氮气)或氧化的气体(例如氧气、空气)。

在操作中，首先在电极(即阴极)和喷嘴(即阳极)之间产生引导电弧。可以用连接于直流电源和等离子体弧气炬的高频高压信号或任何种类的接触触发方法产生引导电弧。

通常，电极、喷嘴、和流体通路构造成相互协同来提供用于切割、穿透、或标志金属材料的等离子体弧。参照图1的一种已知构造的等离子体弧气炬，它包括电极1、喷嘴2和屏蔽3，喷嘴和屏蔽安装成相互之间有间隔，因而在它们之间形成一个或多个通路，以供流体(例如保护气体)流经它们之间的空间。在这种已知的构造中，等离子体气体流4沿着气炬的纵向轴线流经气炬(例如围绕着电极，流经喷嘴，并流出喷嘴的出口喷孔)。保护气体5或其它流体流经所述一个或多个通路来冷却喷嘴，并在等离子体气体流流经喷嘴出口喷孔时以90度的角度撞击离子化的等离子体气体流。由于这种撞击，离子化的等离子体气体流可能遭到破坏(例如造成等离子体气体流的不稳定性)，这可能导致切割、穿孔或标志质量不良。

参照图2，在另一种已知的构造中，喷嘴2和屏蔽3是安装成能提供基本柱状的保护气体流5和离子化的等离子体气体流4。就是说，不是让保护气体流5以90度的角度撞击从喷嘴出口喷孔流出的离子化的等离子体气体流4，而是让保护气体流5以平行于等离子体气体流的方向(即柱状流)从流体通路喷射出去，如Lindsay的美国专利6,207,923中所述的那样。与那种让保护气体流5以90度的角度撞击等离子体气体流的等离子体气炬相比，采用这种构造的等离子体弧气炬的等离子体气体流的稳定性得到了改善。此外，包括柱状流的等离子体弧气炬容易做到大的喷嘴出口喷孔长度对其直径之比L/D(例如大于2.4)。某些研究者已经发现，大的L/D之比有利于切割较厚的金属工件以及提高切割速度。但是，一般地说，与采用90度角的保护气体流进行撞击的等离子体弧气炬相比，这种具有基本柱状的保护气体流和等离子体气体流的气炬在切割过程中难以实现喷嘴端头的冷却，以及不能很好地防止飞渣。

因此，需要提供一种这样的等离子体弧气炬，它能够做到喷嘴的有效冷却并能防止飞渣，同时也能提供稳定的等离子体气体流和大的L/D之比值。

发明内容

本发明在一个实施例中通过提供一种等离子体弧气炬可弥补现有技术的不足，这种等离子体弧气炬可提供有效的气炬喷嘴冷却和防飞渣保护，同时还能提供稳定的等离子体气体流。本发明的等离子体弧气炬可用于切割、穿透和/或标志金属材料。这种气炬包括气炬本体，该气炬本体有相对于电极安装在本体内而限定等离子体腔室的喷嘴。气炬本体包括等离子体流路径，用于把等离子体气体引导到等离子体腔室。这种气炬还包括固定于气炬本体的屏蔽。喷嘴、电极和屏蔽都是消耗性的零件，它们损耗了就需要更换。因此，这些零件是可拆的，并且在某些实施例中，是可重复拆装的，以便容易拆下来检查损耗和更换。

一方面，本发明特有一种用于等离子体弧气炬的喷嘴。该喷嘴包括喷嘴本体，其包括基本空心的内部部分和基本锥形的外部部分。基本锥形的外部部分有喷嘴半锥角，该喷嘴半锥角选自约20度到约60度的第一范围。喷嘴本体限定设置在喷嘴的端面上的出口喷孔。该出口喷孔由喷孔直径D、喷孔长度L、以及喷嘴端面直径Φ1所定义，其中，L/D的比值是大于或等于2.4，以及Φ1/D的比值是在约1.9到2.5的第二范围内。