[发明专利]用于对准等离子体电弧割炬的组件的方法和装置

说明书

发明领域

本发明总的涉及等离子体电弧割炬系统和工艺的领域。具体地说，本发明涉及用于等离子体电弧割炬的液冷电极和冷却液管道。

发明背景

例如等离子体电弧割炬和激光器的材料加工装置广泛地用于切割金属材料。等离子体电弧割炬总的包括割炬本体、安装在本体内的电极、具有中央射出孔口的喷嘴、电连线、冷却液和电弧控制液通道、控制流体流动模式的涡流环以及电源。用于割炬的气体可以是非反应性的(例如氩气或氮气)，或者是反应性的(例如氧气或空气)。割炬产生等离子体电弧，它是具有高温和高动量的等离子气体的收敛的离子化喷射流。

等离子体电弧割炬产生具有一般在20000-40000安培/英寸²范围内的电流密度的转移等离子体电弧。高分辨率割炬的特征为具有例如约60000安培/英寸²更高电流密度的较窄喷口。高分辨率割炬产生狭窄的切痕和笔直的切角。这类割炬具有较薄的热影响区并且在生产无熔渣切割和吹散熔铸金属时更为有效。

类似地，基于激光的装置一般包括其中引入气流和激光束的喷嘴。透镜聚焦使工件受热的激光束。激光束和气流两者通过孔口离开喷嘴并撞击工件的目标区。所引起的工件受热加上气体和工件材料之间的任何化学反应用来加热、液化或汽化工件的选定区域，这取决于激光束的焦点和能级。这个动作允许操作者切割或以其它方式修整工件。

材料加工装置的某些组件从使用开始随时间而劣化。在等离子体电弧割炬的情形下，这些“消耗”组件包括电极、涡流环、喷嘴和护罩。理想地，这些组件是易于现场更换的。然而，这些组件在割炬中的对准是关键的，以确保理想的消耗寿命，除了等离子体电弧位置的精确性和再现性以外，这在自动化等离子体电弧切割系统中是重要的。

一些等离子体电弧割炬包括液冷电极。一种这样的电极记载于转让给海别得公司的美国专利No.5,756,959中。这种电极具有含开口端和封闭端的中空细长本体。电极由铜形成并包括高热离子发射率材料(例如铪或锆)的圆柱形插入物，该插入物压配合入电极下端的孔中。插入物的露出端面界定发射表面。通常发射表面一开始是平坦的。然而，发射表面可能一开始形成在插入物中界定一凹进，如转让给海别得公司的美国专利No.5,464,962中记载的那样。在任何一种情形下，插入物伸入电极下端的孔直至位于电极中空内腔中冷却液的环流。电极可以是“空心铣刀式”，其环形凹进形成在插入物周围下端的内部。具有界定贯通本体延伸的圆柱形通道的中空、薄壁圆柱本体的冷却液入口管道被设置在电极本体的中空内表面附近。管道以成间隔的关系伸入凹进以提供冷却液在电极内表面上的高流速。

在许多等离子体电弧割炬中，在许多工作条件下(例如高安培切割)，管道必须通过提供充分冷却从电极消除热量，从而获得可接受的电极寿命。已从经验上确定，如果冷却管道的出口(纵向和/或径向地)不对准于电极的内表面，则管道无法使插入物充分冷却。冷却管道与电极不对准的割炬的重复使用使插入材料更快速地磨损。为了达到所要求的冷却液流动特性，管道一般相对于电极固定在固定位置以取得适宜的对准。电极磨损一般导致低质量的切割。例如，随着电极磨损增加，切痕宽度尺寸可能增大或切割角可能偏离直交状态。这需要电极的频繁更换以取得合适的切割质量。

鉴于电极相对于冷却管道定位所固有的误差，在不要求频繁更换电极的情况下，与电极和冷却液管道传统的安装方法关联的公差使得应用此类电弧割炬的系统更难以生产出高度均一的静公差部件。

因此本发明的主要目的是提供通过最小化不对准效果而为液冷等离子体电弧割炬提供能帮助维持电极寿命和/或减少电极磨损的电极和冷却液管道。

发明概述

本发明一方面通过提供等离子体电弧割炬的冷却液管道、使该冷却管道相对于电极获得可靠和可重复的定位而克服了现有技术的不足。本发明另一方面在与电极和冷却液管道各纵轴线对准时取得减小的对准误差。冷却液管道的细长本体具有第一端、第二端和从中延伸的冷却液通道。细长本体具有位于其外部适于配合电极的表面。