[发明专利]具有优化水冷却的等离子体电弧割炬切割部件

说明书

技术领域

本发明总的涉及金属材料的高温处理，包括用等离子体电弧割炬切割材 料。更具体地，本发明涉及能够增进等离子体割炬及其部件的性能或预期寿命 的改进设计和冷却技术。

背景技术

等离子体电弧割炬广泛地用于工件加工，例如金属材料(例如基本金属、 金属合金等)的切割、钻穿和/或作标记。等离子体电弧割炬通常包括：安装 在割炬的本体(例如割炬本体)中的电极；同样安装在割炬本体中、具有等离 子体排出部的喷嘴(有时被称为排出口、排出孔或排出端口)；电连接；冷却 流体、保护流体和电弧控制流体的的流体通道；用来控制形成在电极和喷嘴之 间的等离子体腔室内的流体流动图案的涡流环；以及电源。割炬产生等离子体 电弧，该等离子体电弧是具有高温和高动量的受约束等离子体气体的离子化喷 射流(例如离子化等离子体气体的流动流)。用于等离子体电弧割炬的气体可 以是非氧化性气体(例如氩或氮)或氧化性气体(例如氧或大气)。

在操作中，首先在电极(例如阴极)和喷嘴(例如阳极)之间产生引导电 弧。引导电弧的产生可借助耦合于DC电源和等离子体电弧割炬的高频、高电 压信号或多种接触起弧方法中的任意方法来实现。在一些构造中，将保护罩安 装在割炬本体以防止在加工期间从工件(有时被称为熔渣)溅射出的金属积累 在割炬部件(例如喷嘴或电极)上。一般来说，保护罩包括允许等离子体喷射 流从中经过的护罩出口部(也称为护罩口)。保护罩可相对于喷嘴同轴地安装 以使等离子体出口部与保护罩出口部对准。

为了获得具有良好切割质量的高等离子体切割速度，一般需要便于高电流 密度的喷嘴设计。通过减小喷嘴口的尺寸(例如直径)和/或延长喷嘴孔的长 度以限制等离子体电弧的流动面积从而增加等离子体电弧的能量密度(安培/ 英寸²)，在等离子体割炬中已获得高电流密度。具有相对高的电流密度和/或 相对高的长度/直径比的喷嘴在喷嘴孔内遇到来自等离子体电弧的相对较高的 热通量。较高的热通量可导致喷嘴过热，使喷嘴材料(例如铜)氧化侵蚀或局 部熔化喷嘴材料。较高的热通量可导致双燃弧，其中喷嘴因喷嘴、电极和工件 之间的连续起弧而受到侵蚀。由于过热和双燃弧的喷嘴损坏会使等离子体喷射 流或电弧因失去喷嘴形状的约束而变宽和/或发散，导致例如角度变化增加、 宽截口和熔渣过量的切割质量缺陷。

总地来说，喷嘴口的侵蚀率受喷嘴口处的冷却效率影响。在该位置的有效 冷却有助于保持相对低温，这导致较低的侵蚀率。对用于高电流等离子体割炬 中的水冷却喷嘴，冷却可包括在或经过喷嘴外表面通过固体金属的热传导或通 过冷却液的热对流。在一些设计中，可在喷嘴的外表面上使用保护气体提供额 外的冷却，例如象新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的HPR^TM割炬设 计以及由南卡罗来纳州佛罗伦萨的ESAB出售的割炬所实现的那样，这两 种割炬均采用相对高的电流。总地来说，用气流冷却喷嘴比用水或其它液 体冷却喷嘴要弱或效率要低。

需要去除由排出口附近的喷嘴头端(主要在开口壁处)吸收的热量。 热去除是通过喷嘴上部的热传导和水冷对流和/或保护气体的热对流(如果 由气体造成的喷嘴冷却无法忽略不计)这两者来实现的。在多数情形下， 气体冷却功能相比水冷却而言是可忽略的，因此所有或大部分通过喷嘴的 总热传递是通过水冷却实现的。在这些情形下，从喷嘴口到冷却水的热传 递率主要受喷嘴头端处(例如靠近喷嘴出口)的温度梯度、固体/液体界面 (例如铜的喷嘴材料和例如水的冷却液之间)和原始冷却水之间的温度差 以及对流热传递效率的控制。这可描述成两种调整关系，即热传导方程(下 面的方程1)和热对流方程(下面的方程2)。

QAOrifice=-kTS/L-TOrificeΔX]]>(方程1)