[发明专利]使用可变屏蔽气体成分的高质量孔切割

说明书

技术领域

本发明总地涉及等离子弧切割焊炬。更具体地说，本发明涉及用于在工件内用等离子焊炬末端构造切割孔和轮廓的方法和装置。

背景技术

等离子切割通常通过使用收缩电弧来将气流加热到等离子状态来实施。来自高温等离子流的能量将工件局部熔化。对于许多切割工艺来说，使用二次气流(也称为屏蔽气流或屏蔽流)来保护焊炬并辅助切割工艺。高温等离子流和屏蔽流的动量帮助去除熔化的材料，在工件上留下称为切痕的沟槽。

等离子焊炬与工件之间的相对运动使该过程能够用于有效地切割工件。屏蔽气体与等离子气体和工件表面相互作用，且在切割工艺中是很关键的。在喷嘴孔的下游，等离子气流和屏蔽气流接触，以能够进行热量和质量传递。

为了参考，图1是已知自动等离子焊炬系统的示意图。自动焊炬系统10可包括切割台22和焊炬24。可用于自动系统中的焊炬的实例是由新罕布什尔州汉诺威的人工发热器公司制造的HPR260自动气体系统。然后将焊炬高度控制器18安装到台架26。自动系统10也可包括驱动系统20。焊炬由电源14供电。自动焊炬系统10还可包括计算机数字控制器12(CNC)，例如新罕布什尔州汉诺威的人工发热器公司制造的人工发热器自动旅行者(Hypertherm Automation Voyager)。CNC12可包括显示屏13，该显示屏13由焊炬操作者用来输入和读取信息，CNC12使用这些信息来确定运行参数。在某些实施例中，运行参数可包括切割速度、焊炬高度以及等离子和屏蔽气体成分。显示屏13还可由操作者用来手动输入运行参数。焊炬24也可包括焊炬本体(未示出)和安装到焊炬本体前端的焊炬耗材。可在转让给人工发热器公司的美国专利公开第2006/0108333号中发现CNC12构造的进一步讨论，该专利的内容全部以参见的方式纳入本文。

图2是已知等离子弧焊炬末端构造的剖视图，包括耗材部件和气流。电极27、喷嘴28和屏蔽件29嵌在一起，使得等离子气体30在电极外部与喷嘴的内表面之间流动。在电极27与喷嘴28之间限定等离子腔32。在等离子腔32内形成等离子弧31。等离子弧31通过喷嘴前端内的等离子弧孔33排出焊炬末端。屏蔽气体34在喷嘴的外表面与屏蔽件的内表面之间流动。屏蔽气体34通过屏蔽件前端的屏蔽气体排出孔35排出焊炬末端，并可构造成围绕等离子弧。在某些情况下，屏蔽气体还通过设置在屏蔽件29内的放气孔36排出焊炬末端。等离子焊炬耗材的实例是由新罕布什尔州汉诺威的人工发热器公司制造的用于HPR130系统的耗材部件，该系统用于用80安培的电流来切割低碳钢。

屏蔽气流的一部分可随着等离子气体进入切痕并形成切割弧与工件表面37之间的边界层。该边界层的成分影响从切割弧到工件表面的热传递和在工件表面处发生的化学反应。

在等离子切割工艺中使用多种气体混合物用作等离子气体和屏蔽气体。例如，对于低碳钢的加工，使用氧气作为等离子气体，使用空气作为屏蔽气体。某些低电流工艺(例如小于65A)用氧气既作为等离子气体又作为屏蔽气体来切割薄型材料(例如小于10号的工件)。由于能够以高速切割形成具有高质量和最少废料的大部件，氧气等离子气体/空气屏蔽气体组合在弧电流超过50安培以上时对低碳钢是通用的。这种切割工艺具有某些缺点。例如，尽管氧气等离子气体/空气屏蔽气体构造可干净地切割具有直边缘的较大部分，但这种气体组合不能形成高质量孔。而是，用氧气等离子气体和空气屏蔽气体切割的孔具有大致“斜面”或“锥形”。斜面或锥形发生在工件底侧处直径比板顶侧处直径小的位置。在使用空气作为屏蔽气体的螺栓孔切口内，如果工件顶部处孔直径被切割成与将要穿过孔的螺栓的大小匹配，则用空气屏蔽气体切割的孔的锥度会使工件底部处孔直径小于螺栓的直径，阻碍螺栓穿过工件底部。在这些类型的情况下，需要诸如铰孔或钻孔之类的二次工艺来扩大工件底部处螺栓孔的直径。确保孔切割质量的现有方法会是耗时的，需要提出在单个工件上切割孔和轮廓的更有效的方法。

发明内容

本发明基本上改进用于小内部部件结构或孔的切割质量，同时保持对于大结构或轮廓的生产率和切割质量通过在单个工件上在切割孔和轮廓时改变屏蔽气体成分，本发明免除了对二次处理的需要。例如，在切割轮廓时屏蔽气流可具有第一屏蔽气体成分，且在切割孔时，屏蔽气流具有第二屏蔽气体成分。