[发明专利]等离子弧炬的消耗品设计

说明书

提供了一种用于接触启动等离子弧割炬的液体冷却电极。电极包括限定纵向轴线的细长主体。细长主体包括近端和远端，近端被成形为配合地接合等离子弧割炬的炬主体，远端沿着纵向轴线与近端基本相对定位。该电极还包括一个或多个接触表面，接触表面设置在近端与远端之间的电极主体的远端的外表面上。该一个或多个接触表面被成形为在导引弧引发过程的部分期间物理接触设置在等离子弧割炬内的喷嘴。该物理接触被配置成支持在电极与喷嘴之间传输密度至少约为3000安培每平方英寸的导引弧电流。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年11月19日提交的美国临时专利申请第62/937，537号和2019年11月25日提交的美国临时专利申请第62/940,039号的权益和优先权，这两项申请的全部内容均由本申请的受让人所有，并通过引用将其全部内容并入本文中。

技术领域

本发明总体上涉及用于接触启动、液体冷却等离子弧割炬的消耗品设计，并且更具体而言，涉及在这些等离子弧炬的接触启动点火期间减少对加工关键几何特征的损害的消耗品设计。

背景技术

等离子弧炬广泛用于金属材料的高温加工(例如，切割、焊接和标记)。等离子弧炬通常包括炬主体、安装在主体内的电极、设置在电极内孔内的发射插件、具有中心出口孔的喷嘴、屏蔽件、电连接、用于冷却和弧控制流体的通路、控制流体流动模式的涡流环以及电源。等离子弧炬可以产生等离子弧，等离子弧是具有高温和高动量的收缩的电离等离子气体射流。炬中使用的气体可以是非反应性的(例如氩气或氮气)或反应性的(例如氧气或空气)。

等离子弧炬可使用接触启动方案产生等离子弧。这包括首先以导引弧模式操作炬，这种操作包括通过使用来自例如弹簧的偏置力，在两个导电炬消耗品例如电极与喷嘴之间建立物理接触和电连通。当电极和喷嘴一起偏置时，在电极与喷嘴之间建立电流路径和小的导引弧电流流动。等离子气体被引入喷嘴与电极之间的等离子腔室/增压室区域，使得气体压力在等离子腔室中积聚，以中断电极与喷嘴之间的物理接触并分离两个部件。该分离导致在等离子腔室中的电极与喷嘴之间的间隙中产生电弧。电弧电离等离子腔室中流动的等离子气体以产生等离子弧(即，导引弧)。等离子气体可以通过涡流环，以在气体通过炬时赋予其切向运动，从而改善炬的性能。接下来，在转移弧模式中，炬移动到接地工件附近，并且等离子弧与工件接触。在接触时，电流从喷嘴转移到工件，并从工件返回到电源。在转移弧模式期间，可以增加电流流动以有效地加工(例如，刨削、穿孔或切割)工件。

传统上，接触启动等离子弧割炬中的可消耗部件，例如喷嘴和电极，在喷嘴内孔附近具有接触/配合特征，等离子弧通过喷嘴内孔从炬中喷出(例如，限制弧在到达工件之前需要在增压室内行进的距离)。这些接触/配合特征通常关于炬的纵向轴线对称，并且彼此具有非常窄的接触点，以驱动高电流密度的导引弧电流通过。当这些可消耗部件(例如喷嘴与电极)之间的接触在电弧引发期间中断时，由导引弧电流和分离引起的电阻加热(例如焦耳加热)会导致消耗品损坏，包括局部变形以及接触/配合特征的熔化和蒸发。此外，在该分离过程中排出的材料会沉积在等离子弧炬的增压室腔室中，并损害消耗品的邻近的加工关键几何特征(例如，电极尖端和衬套/喷嘴内孔)。此外，因为这种沉积和/或损坏经常发生在衬套/喷嘴内孔附近，随着时间的推移，这可能有利于某些区域，并且可能不对称地积聚，这可能对气体流动和该区域中等离子弧产生造成干扰。

图1a和图1b分别示出了在约3600次导引弧引发(即启动)后，现有技术接触启动等离子弧切割系统的现有技术喷嘴100和现有技术电极102上的示例性沉积和损坏。电极102和喷嘴100的表面显示出明显的受损/退化状况。例如，关于图1a，喷嘴100的增压室104和衬套内孔106中的深点蚀是明显的，并且代表这种消耗品的常见情况。此外，参照图1b，电极102的铪插件108周围的铜被显著腐蚀。除了加工关键特征上的消耗品表面损坏之外，喷嘴100和电极102的接触启动还会导致显著的沉积以及对关键流体流动和等离子弧产生的干扰，从而缩短了消耗品寿命以及影响整个寿命期间的切割品质。