專利名稱：使用噴嘴特性的割炬流量調節的制作方法
技術領域：
本申請通常涉及等離子弧割炬，更特別的，涉及使用噴嘴特性調節割炬流量。
背景技術：
焊炬和等離子弧割炬廣泛應用于焊接、切割以及以及在材料上做標記。等離子割炬通常包括電極、在割炬本體上具有出口孔的噴嘴、導電連接、冷卻通道以及電弧控制流體 (例如，等離子氣體)。可選擇的，在電極和噴嘴之間形成的等離子室中使用漩渦環用于控制流體流動路徑。在一些割炬上，可以使用帽套來保持噴嘴和/或漩渦環在等離子弧割炬上。割炬產生等離子弧，被壓縮的離子化的高溫高動量的氣體射流。割炬中使用的氣體可以是穩定(例如，氬氣或氮氣)或活性的(例如，氧氣或空氣)。在操作中，首先在電極(陰極)和噴嘴(陽極)之間產生維持電弧。維持電弧的產生可以通過將高頻率、高電壓的信號連接于直流電源以及割炬的方式來實現，或者通過任意的接觸啟動的方式來實現。等離子電弧割炬可以在多個不同的電流水平下工作，例如，65安培、85安培或105 安培。等離子弧割炬在105安培工作時要求具有比在65安培工作時更高的流速。由于在不同的電流水平下操作等離子弧割炬要求變化的冷卻氣體流速和/或保護氣體流速，在每個電流水平下的操作都需要不同的可消耗部件。進一步的，當割炬的其他操作參數被調節時，例如，電流強度、材料類型或應用，也需要不同的可消耗部件。可消耗部件的過早失效或不佳的消耗性能的一個共同原因是可消耗部件的錯誤匹配。使用正確的可消耗部件并且將它們合適地匹配在一起對于達到最佳切割性能很有必要。然而，對于經銷商和使用者而言，存儲和記錄大量可消耗部件的配置都是十分復雜的。 并且，使用者需要對可消耗部件上列舉的可消耗部件零件編號和用戶手冊上列舉的可消耗部件進行相互對照。
發明內容
因此，存在減少所需要的可消耗部件的數目的需求，例如，多種不同的等離子弧割炬參數(如，保護氣體流速和/或冷卻氣體流速、電流強度、材料類型或應用)所要求的噴嘴、漩渦環以及帽套。可消耗部件的通用性可以減少使用者用于確定針對特定的等離子割炬參數哪個可消耗部件組合是正確的的時間。并且，等離子割炬的操作總花費也會減少，因為由于可消耗部件的錯誤匹配引發的過早失效或表現不佳將會減少，而這又是因為單一的可消耗部件可以用于多個割炬參數。一方面，本發明的特征在于一種等離子弧割炬的噴嘴。該噴嘴包括具有第一端和第二端的本體。該噴嘴還包括在本體的第一端的等離子出口孔。凸緣被安裝在本體的第二
5端。凸緣適于與相應的可消耗部件緊密配合。凸緣設置為有選擇性地堵塞至少一個在相應可消耗部件上的氣體通道以建立相對于噴嘴本體設置的氣流。另一方面，本發明的特征在于一種等離子弧割炬的噴嘴保持帽。該噴嘴保持帽包括具有第一端和第二端的中空本體。該噴嘴保持帽還包括位于中空本體的第一端的突起。 在所述突起上形成第一孔型。在所述突起上形成第二孔型。第一或第二孔型的至少一個中的孔的尺寸被設定用于控制噴嘴冷卻氣流或等離子氣流。另一方面，本發明的特征在于等離子弧割炬的割炬頭。所述割炬頭包括安裝在等離子割炬的割炬本體上的噴嘴。所述噴嘴包括噴嘴本體、位于噴嘴本體的第一端的等離子出口孔以及位于噴嘴本體的第二段的凸緣。所述割炬頭還包括適于和噴嘴的凸緣緊密配合的可消耗部件。所述可消耗部件在一段具有表面。所述表面具有第一孔型和第二孔型， 其中，第一或第二孔型的至少一個中的孔的尺寸被設定用于控制噴嘴冷卻氣流或等離子氣流。進一步的一方面，本發明的特征在于等離子弧割炬的漩渦環。所述漩渦環包括具有壁、第一端和第二端的中空本體。該漩渦環還包括在中空本體的所述第二端形成的開口用于與等離子弧割炬上的噴嘴緊密配合。在本體的壁上形成了第一孔型。所述第一孔型被定位以及設定尺寸用于提供繞噴嘴表面的第一氣流。第二孔型形成在本體的壁上。第二孔型被定位以及設定尺寸用于提供繞噴嘴表面的第二氣流。另一方面，本發明的特征在于在等離子弧割炬建立保護氣流的方法。所述割炬包括具有多個氣體通道穿過的保持帽用于提供保護氣流。該方法包括提供具有外表面、在前端具有等離子出口孔并在后端具有徑向凸緣的噴嘴。該方法還包括相對于保持帽上的多個氣體通道調節噴嘴的徑向凸緣，從而噴嘴的徑向凸緣有選擇性地堵塞保持帽上的至少一個氣體通道來建立繞噴嘴外表面的保護氣流。進一步的一方面，本發明的特征在于在等離子弧割炬上建立氣流的方法。該方法提供噴嘴，噴嘴包括具有內表面和外表面的本體、在本體的前端的等離子出口孔以及在本體后端的凸緣。該方法還包括相對于可消耗部件的多個氣體通道調整噴嘴的凸緣，從而凸緣有選擇性地堵塞至少一個氣體通道來建立繞噴嘴本體的內表面或外表面的至少之一的氣流。在一些實施方式中，所述凸緣包括至少帶輪廓、錐形的或齒形的表面的一種來適應于緊密配合或者接觸相應可消耗部件的配合面。凸緣的表面并非必需接觸相應可消耗部件的配合面。在一些實施方式中，在凸緣的表面和相應可消耗部件的緊密配合的表面之間具有間隙或小縫隙。凸緣可以相對于噴嘴的外表面設置并且相對于與沿著噴嘴本體延伸的縱軸徑向設置。在一些實施方式中，凸緣有選擇性地設定輪廓從而調節噴嘴本體外表面的保護氣流或噴嘴本體內表面的等離子氣流中的至少一種。凸緣形成相對于噴嘴的外表面設置的臺階，且所述臺階相對于沿著噴嘴本體延伸的縱軸徑向設置。所述臺階調節噴嘴本體的外表面的保護氣流在一些實施方式中，凸緣為相對于延伸通過噴嘴本體的縱軸軸向設置的伸出部。 伸出部調節繞噴嘴本體的內表面的等離子氣流。所述噴嘴也可以包括相對于噴嘴的外表面設置的臺階，臺階相對于延伸通過噴嘴本體的縱軸徑向設置。該臺階調節繞噴嘴本體的外表面的保護氣流。
在一些實施方式中，相應的可消耗部件是漩渦環或者保持帽兩者之一。在一些實施方式中，第一孔型和第二孔型為同心圓。第一孔型可具有相對于沿本體延伸的中心縱軸設置的第一直徑，而第二孔型可具有相對于沿本體延伸的中心縱軸設置
的第二直徑。突起的表面可以設置為用于容納配置在噴嘴本體上的凸緣。該凸緣的尺寸被設定為用于阻斷流過第一或第二孔型之一的氣體。在一些實施方式中，突起的表面設置為接納位于噴嘴本體上的凸緣，并且該凸緣的尺寸可以允許氣體流過至少第二孔型從而冷卻噴嘴。所述突起的表面能夠設置為接納位于噴嘴本體上的凸緣，并且該凸緣的尺寸允許氣體流過第一和第二孔型從而冷卻噴嘴。在一些實施方式中，突起的表面設置為接納位于噴嘴本體的凸緣，并且凸緣的尺寸設置成在相應的切割參數下操作等離子弧割炬。 在一些實施方式中，第一孔型具有與第二孔型相同數目的氣體通道。第一孔型可以具有與第二孔型不同數目的氣體通道。在一些實施方式中，第一孔型被定位以及設定尺寸為，當等離子弧割炬在第一切割參數下工作時提供第一氣流，而第二孔型被定位以及設定尺寸為當等離子弧割炬在第二切割參數下工作時提供第二氣流。第一孔型可以與第二孔型在孔的尺寸、孔的形狀、孔的數目或孔的切線角中的至少一種方面不同。在一些實施方式中第一孔型具有與第二孔型不同數目的氣體通道。位于噴嘴本體上的凸緣的尺寸可以用于阻斷氣流通過第二孔型。在一些實施方式中，噴嘴本體上的凸緣可能被設定尺寸為允許氣體流過至少第二孔型。凸緣可能被設定尺寸為允許氣體流過第一和第二孔型。在一些實施方式中，開口設置為用于容納具有第一凸緣的第一噴嘴或者具有第二凸緣的第二噴嘴。第一噴嘴的第一凸緣的尺寸被確定為與第一孔型相應，而第二噴嘴的第二凸緣的尺寸被確定為與第一和第二孔型相應。在一些實施方式中，保持帽的多個氣體通道包括第一孔型和第二孔型。噴嘴的凸緣可以選擇性地阻斷第一孔型或第二孔型。在一些實施方式中，噴嘴的凸緣并不阻斷第一或第二孔型，允許氣體流過第一和第二孔型。在一些實施方式中，噴嘴的凸緣選擇性地阻斷第一孔型，允許氣體流過第二孔型。在一些實施方式中，可消耗部件(例如，漩渦環或保持帽)具有形成于本體壁的第三孔型。第三孔型可以被定位以及設定尺寸為用于提供噴嘴表面的第三氣流特征。噴嘴的凸緣可能選擇性地不阻斷任意一個孔型，允許氣體流過所有三個孔型。在一些實施方式中， 噴嘴的凸緣可能選擇性地阻斷第一孔型，允許氣體流過第二和第三孔型。噴嘴的凸緣可能選擇性地阻斷第一和第二孔型，允許氣體流過第三孔型。該方法也可以包括將噴嘴從等離子弧割炬移除。該方法可能進一步包括提供具有外表面的第二噴嘴，等離子出口孔位于前端而徑向凸緣位于后端，從而第二噴嘴的徑向凸緣不同于噴嘴的徑向凸緣。在一些實施方式中，該方法包括相對于保持帽上的多個氣體通道設置調整第二噴嘴的徑向凸緣，從而第二噴嘴的徑向凸緣阻止至少兩個位于保持帽上的氣體通道而建立繞第二噴嘴外表面的保護氣流，從而第二保護氣流不同于保護氣流。凸緣可為徑向凸緣，可消耗部件可為保持帽并且氣流可為保護氣流。在一些實施方式中，凸緣為軸凸緣，可消耗部件為漩渦環，而氣流為等離子氣流。
本發明上述的優點，以及更多的優點，將通過參照連同附圖的以下描述更好地被理解。附圖不必要按照比例，而是強調對本發明原理的詳解。圖1為等離子弧割炬頭的剖面圖。圖2A為根據本發明的實施方式，與相應可消耗部件配合的噴嘴的剖面圖。圖2B為根據本發明的實施方式，與相應可消耗部件配合的噴嘴的剖面圖。圖2C為根據本發明的實施方式，噴嘴的剖面圖。圖3A為根據本發明的實施方式，噴嘴保持帽的立體圖。圖;3B為根據本發明的實施方式，噴嘴保持帽的示意圖。圖4A為根據本發明的實施方式的包括了噴嘴和漩渦環的割炬頭的剖面圖。圖4B為根據本發明的實施方式的漩渦環的側視圖。圖5為根據本發明的實施方式的割炬頭的剖面圖。圖6為根據本發明的實施方式的在等離子弧割炬中建立氣流的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1示出等離子弧割炬100的剖面圖。等離子弧割炬頭包括多個不同的可消耗部件，例如，電極105、噴嘴110、保持帽115、漩渦環120、或防護罩125。割炬本體102支撐具有大致圓柱形本體的電極105。割炬本體102也支撐噴嘴110。噴嘴110與電極105間隔開并且具有設置在割炬本體102內的中心出口孔。漩渦環120被安裝到割炬本體102上并且具有一組徑向偏置(或傾斜的)氣體分配孔127，這些分配孔用于將切向速度分量分給等離子氣流使之形成漩渦狀。也包括出口孔的防護罩125連接(例如螺紋連接)于保持帽 115。保持帽115連接(例如螺紋連接)于割炬本體102。割炬和割炬頭包括電氣連接件、 冷卻通道、弧控制流體(例如，等離子氣體)通道以及電源。在操作中，等離子氣體通過氣體入口管(沒有示出)和漩渦環120中的氣體分配孔127。從那里，等離子氣體流入等離子室1 并通過噴嘴110和防護罩125的出口孔流出割炬。引導電弧首先在電極105和噴嘴110之間產生。引導電弧將經過噴嘴出口孔和防護罩出口孔的氣體離子化。然后電弧從噴嘴110傳送給工件(沒有示出)用于切割工件。可以注意到割炬的特定結構細節可以采取多種形式，這些結構細節包括組件的布置、氣體和冷卻流的弓I導以及提供電氣連接件。不同的切割方法經常要求不同的防護和/或等離子氣體流速，而不同的保護和/ 或等離子氣體流速又要求不同的可消耗部件。這導致在本領域要用到多種可消耗部件。使用正確的可消耗部件并且將他們合適地匹配對于達到最佳切割性能是十分必要的。可消耗部件的錯誤匹配(例如，當割炬在105安培被操作，使用用于在割炬65安培工作的可消耗部件)可能導致可消耗部件壽命縮短或者等離子弧割炬的性能不良。圖2A為割炬頭200的剖面圖，示出了根據本發明的實施方式的與相應可消耗部件 210緊密配合的噴嘴205。相應的可消耗部件210，在圖2A所述的實施方式中為保持帽，而在另一個實施方式中，相應的可消耗部件210可為漩渦環。噴嘴205具有本體207、第一端 215以及第二端220。等離子出口孔225位于噴嘴本體207的第一端215。凸緣230位于噴嘴本體207的第二端220。該凸緣230適于與相應可消耗部件210配合。凸緣230設置為可選擇地阻斷位于相應可消耗部件210上的至少一個氣體通道235，從而建立相對于噴嘴本體207的氣流。例如，圖2A的相應可消耗部件210，具有兩個氣體通道235、236。氣體通道235、 236可是包括了多個氣體通道的一對孔型的部分。圖2A的凸緣230設置為有選擇性地阻斷至少一條氣體通道，例如氣體通道235。凸緣230不阻斷氣體通道236，從而允許防護氣體流過氣體通道235并且沿著噴嘴本體207的外表面M5。這種類型的噴嘴和可消耗部件的組合可用于在例如約65安培或約85安培下操作的等離子弧割炬上。其他工作電流也可以被預期。該凸緣230可具有多個不同形狀和/或大小的可用于相對噴嘴本體207建立變化氣流的表面。例如，圖2A中所示的凸緣230具有正方形或矩形的剖面。在其他實施方式中，凸緣可包括至少一個帶輪廓的(波狀外形的)、錐形的或齒形的適于接觸相應可消耗部件的配合表面。例如，如圖2A所示，凸緣230的帶輪廓表面的237與相應可消耗部件的配合表面240相接觸。凸緣230的特別的尺寸、形狀和/或輪廓可取決于等離子弧割炬的操作參數。在一個實施方式中，凸緣230可選擇地設定輪廓用于調節繞噴嘴本體207的外表面M5的防護氣流或繞噴嘴本體207的內表面250的等離子氣流。該凸緣230可相對于噴嘴205的外表面245設置。該凸緣也可相對于沿噴嘴本體 207延伸的縱軸線255徑向設置。在一些實施方式中，噴嘴205也包括臺階，并且在一些實施方式中，凸緣230形成臺階。該臺階可相對于噴嘴205的外表面245設置。臺階也可相對于縱軸線255徑向設置。該臺階可調節繞噴嘴本體207的外表面M5的防護氣流。圖2B為根據本發明的實施方式的與可消耗部件210配合的噴嘴260的剖面圖。如上關于圖2A所討論的，圖2A的凸緣230不阻斷氣體通道236從而允許防護氣體流過通道 235并且沿著噴嘴提207的外表面245流動。圖2A的噴嘴和可消耗部件的組合可用于在例如約65安培或約85安培下操作的等離子弧割炬上。圖2B的噴嘴具有不阻斷任何一條氣體通道235、236的凸緣沈5。例如，如圖2B所示，凸緣可具有錐形表面266從而允許氣體流過氣體通道235、236。這允許圍繞噴嘴260的外表面270流動的氣體量相比圖2A中的噴嘴有所增加，使得冷卻能力增強，增強的冷卻對于例如在105安培下工作的等離子弧割炬很有必要。典型的，操作者被要求備有兩個單獨的噴嘴以及兩個單獨的相應可消耗部件，例如兩個保持帽。然而，圖2A和圖2B的噴嘴205 J60以及保持帽允許操作者備有兩個噴嘴以及僅僅一個相應的可消耗部件，例如一個保持帽。當操作者在兩個單獨的等離子弧割炬操作參數，例如，在65安培的電流下或者105安培的電流之間轉換時，操作者可以僅僅改變噴嘴，例如，用圖2B的噴嘴更換圖2A的噴嘴。操作者無需改變相應的可消耗部件。這減少了在一個單獨的等離子弧割炬上使用的可消耗部件的數量，同時也減少了可消耗部件錯誤匹配的可能性。圖2C示出了根據本發明的實施方式的噴嘴觀0的剖面圖。噴嘴280包括噴嘴本體觀5、等離子出口孔四0以及凸緣四5。凸緣295類似于圖2B中的凸緣沈5。凸緣295設置為選擇性地調節通過相應可消耗部件的氣體通道的氣流。例如，如圖2C所示，凸緣四5包括適于接觸相應可消耗部件的配合表面的錐形表面四6。圖3A示出根據本發明的實施方式的噴嘴保持帽300的立體圖。噴嘴保持帽300 包括具有第一端310和第二端315的中空本體305。突起320位于中空本體305的第一端 310上。突起320具有第一表面321和第二表面322。第一表面321在突起320的一側而第二表面322位于突起320的相對的另一側。第一孔型325形成在突起320上。第二孔型 330也形成于突起320上。第一和第二孔型325，330的至少一個孔的尺寸設定為控制噴嘴冷卻氣流或等離子氣流的至少一者。如圖3A所示，第一和第二孔型325、330可形成同心圓。在一些實施方式中，第一孔型325具有相對于中心縱軸線335的第一直徑。所述中心縱軸線335延伸穿過保持帽300 的中空本體305。第二孔型330可具有相對于中心縱軸線335的第二直徑。例如第一直徑可大約為0. 590英寸而第二直徑可為大約0. 653英寸。第一和第二孔型325、330可形成任意模式，并且可具有各種尺寸用于控制噴嘴冷卻氣流或防護氣流中的至少一個。在一些實施方式中，第一孔型325和第二孔型330具有相同數目的氣體通道。例如，每個孔型325、330可具有約2至約50個氣體通道。在一些實施方式中，第一孔型325和第二孔型330具有不同數目的氣體通道。例如，第一孔型325可具有4個氣體通道而第二孔型330可具有約6個氣體通道。突起320的第二表面322可設置用于容納位于噴嘴本體上的凸緣。凸緣的尺寸設定為用于阻斷氣體流過第一或第二孔型325、330之一。例如，凸緣可為圖2A的凸緣230或者圖2B的凸緣沈5。在一些實施方式中，噴嘴的凸緣，例如圖2A的凸緣230，其尺寸設定為允許氣體流過至少第二孔型330從而冷卻噴嘴。在一些實施方式中，噴嘴的凸緣，例如圖2B 的凸緣沈5，被設定尺寸為允許氣體流過第一和第二孔型來冷卻噴嘴。參照圖3A，在一些實施方式中，第二表面322設置成用于接納位于噴嘴本體上的凸緣并且凸緣的尺寸被設定為在相應的切割參數下操作等離子弧割炬。例如，切割參數可為電流、切割類型(例如，開槽或細刻磨)、或氣體設置(例如，防護氣體設置或等離子氣體設置)。圖:3B為根據本發明的實施方式的噴嘴保持帽350的示意圖。第一和第二孔型325、 330配設在繞保持帽350的表面的兩個同心圓上。第一孔型的兩個氣體通道之間或者第二孔型的兩個氣體通道之間的角度dl大約為60°。第一孔型的氣體通道和第二孔型的氣體通道之間的角度d2大約為30°。如圖;3B所示，第一孔型325和第二孔型330的氣體通道交錯排列。在一些實施方式中，第一孔型325的氣體通道和第二孔型330的氣體通道不是交錯排列的或者以大于或者小于30°的距離被交錯排列。在一些實施方式中，如圖:3B所示，第一孔型325和第二孔型330圍繞保持帽的表面是對稱設置的。與第一和第二孔型325、330沒有對稱排列的情況相比，對稱排列可更好地控制和穩定保護氣流。在一些實施方式中，第一和第二孔型325、330的氣體通道的尺寸是相同的。例如， 氣體通道可具有大約Φ0. 018英寸到大約Φ0. 032英寸的直徑。在一些實施方式中，氣體通道具有大約Φ0. 021英寸的直徑。在一些實施方式中，氣體通道的尺寸對于兩個孔型是變化的。例如，第一孔型中的氣體通道的尺寸可小于或者大于第二孔型中的氣體通道的尺寸。另外，保持帽的氣體通道的形狀、氣體通道的數目和/或氣體通道的切線角可在孔型之間變化。例如，第一孔型中的孔或氣體通道的數目可比第二孔型中的孔或氣體通道的數目大，反之亦然。在一些實施方式中，保持帽可包括額外的孔型，例如，保持帽具有三個或四個孔型。這些額外的孔型也可安裝在繞保持帽的中心縱軸線的同心圓上。這些額外的孔型可繞保持帽的突起對稱布置。圖3A和;3B的保持帽可為不同操作情況下的共同部分。例如，在65安培下操作 (例如，冷卻噴嘴)等離子弧割炬所要求的氣體通道的數目比在105安培下操作等離子弧割炬所要求的氣體通道的數目少。當與不同的噴嘴(例如，圖2A或2B中的噴嘴)配合使用時，圖3A和;3B的保持帽可提供不同的氣體流速。例如，第一孔型325可由相配合的噴嘴阻斷或者露出。第一孔型325可位于突起320的內同心圓上而第二孔型330可位于突起320 的外同心圓上。圖2A的噴嘴可用于阻斷第一孔型325，同時使得第二孔型330敞開從而讓氣體流過并冷卻噴嘴。圖2B的噴嘴可用于允許氣體流過第一和第二孔型325、330而冷卻噴嘴。圖4A示出根據本發明的實施方式的包括噴嘴405和漩渦環410的割炬頭400的剖面圖。割炬頭400也包括保持帽412。漩渦環410包括中空本體415，該中空本體包括壁 417、第一端420以及第二端425。在中空本體415的第二端425上形成開口用于在等離子割炬里與噴嘴405配合。第一孔型430形成于中空本體415的壁417中。第一孔型430被定位以及設定尺寸為用于提供繞噴嘴405的表面432的第一氣流特征。第二孔型435形成于中空本體415的壁417中。第二孔型435被定位以及設定尺寸用于提供繞噴嘴405的表面432的第二氣流特征。在一些實施方式中，漩渦環410還包括形成于中空本體415上的壁417中的第三孔型440。第三孔型440被定位和設定尺寸為提供繞噴嘴405的表面的第三氣流特征。氣流特征可能為，例如，繞噴嘴表面的氣流(或漩渦)的強度、氣流(或漩渦)繞噴嘴的角度、 或任意其他繞噴嘴的氣流的特征或運動。在一些實施方式中，第一、第二和第三孔型430、433、440被定位以及設定尺寸為當等離子弧割炬在第一切割參數(例如，第一電流)下工作時提供第一氣流。例如，所有三個孔型都可打開(例如，沒有被噴嘴凸緣阻斷)并且氣體可流過所有三個孔型。第二和第三孔型435、440被定位和設定尺寸為當等離子弧割炬在第二切割參數(例如，第二電流) 下工作時提供第二氣流。例如，三個孔型中只有兩個是打開的(例如，第一孔型430可以被噴嘴凸緣阻斷)并且氣體流過第二和第三孔型435、440。在一些實施方式中，第三孔型440 被定位和設定尺寸用于當等離子弧割炬在第三切割參數(例如，第三電流)下工作時提供第三氣流。例如，三個孔型中只有一個是打開的(例如，第一和第二孔型430、435可以被噴嘴凸緣阻斷)并且氣體流過第三孔型440。漩渦環可包括多于三個孔型。第一孔型430可與第二孔型435相同。例如，第一孔型430可具有和第二孔型435同樣的孔的數目和尺寸。在一些實施方式中，第三孔型440 也和第一和第二孔型430、435相同。圖4B示出了具有不同孔型的漩渦環443。該第一孔型430'不同于第二和/或第三孔型435' ,440'。例如第一孔型430'在孔的尺寸、孔的形狀、孔的數目或者孔的切線角這些方面中至少一方面不同于第二孔型435'。如圖4B所示，第一孔型430'具有與第三孔型435'不同數目的氣體通道或孔。例如，第一孔型430'具有大約四個氣體通道并且第二孔型435'具有大約六個氣體通道。在一些實施方式中，第一孔型430'具有比第二孔型435'更多的氣體通道。第一、第二和/或第三孔型430' ,435' ,440'的氣體通道繞中心縱軸445'對稱設置。參照圖4A，漩渦環410的開口設置為用于接納具有凸緣450的噴嘴405。凸緣450 為相對于延伸通過噴嘴本體的縱軸線445軸向設置的伸出部452。該伸出部452的尺寸設置為對應(例如，阻斷)漩渦環410的第一孔型430。在一些實施方式中，漩渦環410的開口設置為容納具有第一伸出部(例如，圖4中所示的噴嘴405和伸出部452)的第一噴嘴或具有第二伸出部的第二噴嘴(沒有示出)。第一噴嘴的第一伸出部的尺寸可設定為與第一孔型430相應，而第二噴嘴的第二伸出部可設定為與第一和第二孔型430、435相應。例如， 第二伸出部可以比第一伸出部更長，對對應于第一和第二孔型430、435，。伸出部452可調節繞噴嘴本體的內表面432的等離子氣流。等離子氣流的調節調整有助于穩定電弧。電弧的穩定可增加等離子弧割炬的性能并且減少可消耗部件過早失效的可能性。如圖4A所示，噴嘴405具有伸出部452和臺階455。伸出部452調節繞噴嘴的內表面432的等離子氣流，而臺階455調節繞噴嘴本體的外表面460的防護氣流。臺階455 可類似于參照圖2A和圖2B所描述的那樣來調節防護氣流。在一些實施方式中，設置在噴嘴405本體上的凸緣450的尺寸設定為阻斷通過第二孔型435的氣流。設置在噴嘴405的本體上的凸緣450的尺寸設定為允許氣體流過至少第二孔型435。凸緣的尺寸設定為允許氣體流過第一和第二孔型430、435。伸出部452的長度可被調節和/或設定尺寸為阻斷孔型。例如，伸出部452的長度Ll可允許氣體流過所有三個孔型430、435、440。在一些實施方式中，噴嘴無需具有伸出部，也同樣允許氣體流過所有孔型。增加伸出部452的長度可致使伸出部M2阻斷孔型從而改變氣體的流速。例如，伸出部452的長度L2阻斷第一孔型430，伸出部長度的增加增加了伸出部所能阻斷孔型的數目。例如，長度L3的伸出部452可阻斷第一和第二孔型430、 435。任意數目的孔型以及伸出部相應的長度都可使用。伸出部的長度可在約0.08英寸至約0. 25英寸之間變化。孔型和/或孔型中敞開或被阻斷的氣體通道的數目影響到漩渦的強度或密度。參照圖4A，噴嘴405堵塞一個孔型，例如，第一孔型430。一個孔型被堵塞的漩渦的強度或密度小于兩個或多個孔型被堵塞的漩渦的強度或密度。漩渦強度對電極壽命有負面影響，對電弧穩定性則有正面影響。對于不同的方法，可通過阻斷漩渦環的相關孔型來調整漩渦強度。例如，漩渦環可具有一套統一的氣體通道(例如，氣體通道具有相同尺寸以及相同偏置的孔)呈四列每列10個氣體通道排列(例如，一共40個氣體通道)。如果噴嘴的凸緣選擇性地阻斷四列中的兩列(例如，20個氣體通道被阻斷，或50% )，等離子氣體的速度和漩渦強度大約為四列都打開(例如，0個氣體通道被阻斷)的漩渦環的兩倍。速度和漩渦強度因此與被阻斷的通道的百分率成比例。如圖2A、2B以及4A所示，凸緣/伸出部阻斷整個氣體通道而不是氣體通道的一部分。氣體通道很小，具有大約0.018至約0.1英寸的直徑。為了部分地阻斷氣體通道，在凸緣/伸出部的制造中所需要的公差十分緊密從而其制造不實際。尺寸、形狀、輪廓和/或凸緣和/或伸出部的長度的很小變化能夠極大地改變等離子氣體和/或防護氣體的流動特征。這可能會導致等離子氣體的穩定性降低或噴嘴冷卻不充分。因此，凸緣/伸出部能夠堵塞可消耗部件(例如，保持帽或漩渦環)的整個氣體通道而不是氣體通道的一部分。圖5示出了根據本發明的實施方式的割炬頭500的剖面圖。與圖1類似，割炬頭包括電極505、噴嘴510、保持帽515、漩渦環520以及防護罩525。噴嘴510裝配在等離子弧割炬的割炬本體530上。噴嘴包括噴嘴本體535、位于噴嘴本體535的第一端545的等離子出口孔MO以及位于噴嘴本體535的第二端555的凸緣550。該割炬頭還包括可消耗部件(例如，保持帽515或漩渦環520)。該可消耗部件適于與噴嘴的凸緣550配合。該可消耗部件在一端具有表面。該表面包括第一孔型和第二孔型。在第一或第二孔型至少之一內的孔的尺寸設定為控制噴嘴冷卻氣流或等離子氣流中的至少一個。第一和第二孔型可為保持帽515的第一和第二孔型560、565和/或漩渦環520的第一和第二孔型570、575。雖然圖5所示的噴嘴類似于圖2B的噴嘴，然而該噴嘴也可是圖2A、圖2B、圖2C或圖4A的噴嘴。該噴嘴可包括這里討論的各個具體的實施方式中的任意一種。保持帽和漩渦環也可為圖3A、圖3B、圖4A或圖4B中的保持帽和/或漩渦環。所使用的可消耗部件也可為其他任意等離子弧割炬可消耗部件。所使用的可消耗部件的類型(例如，保持帽、和/ 或漩渦環)可取決于所需要的切割參數或具體流動特性。如此所述，本發明減少了在等離子弧割炬里使用的可消耗部件的數目。對于多種各自不同的切割參數和/或流動特征可以使用單個保持帽和/或漩渦環。因此，當更換等離子弧割炬的切割參數或流動特征時，操作者可以在無需改變保持帽和/或漩渦環的情況下更換噴嘴。圖6示出了根據本發明的實施方式的在等離子弧割炬上建立氣流的方法的流程圖。該方法包括提供在噴嘴的后端具有凸緣的噴嘴(步驟610)。該噴嘴具有帶有內表面和外表面的本體。該噴嘴還在本體的前端具有等離子出口孔。該噴嘴可為以上所述的任意噴嘴，例如，圖2A、圖2B、圖2C或圖4A的噴嘴。該方法還包括相對于可消耗部件上的多個氣體通道對準凸緣(步驟620)。對準凸緣(步驟620)從而凸緣可選擇地阻斷至少一個氣體通道從而建立繞至少噴嘴主體的內表面或外表面兩者之一的氣流。該可消耗部件可為保持帽。例如，該保持帽具有多個延伸穿過其中的氣體通道，從而提供氣流至防護罩。所述保持帽可為，例如，圖3A或圖;3B所述的保持帽。當可消耗部件為保持帽，凸緣可為徑向凸緣，并且該凸緣可選擇性地被設定尺寸而建立繞噴嘴外表面的保護氣流。該凸緣可選擇性地阻斷第一和第二孔型的兩者之一。該可消耗部件也可為漩渦環，例如，圖4的漩渦環。當可消耗部件為漩渦環，凸緣可為軸向凸緣，并且該凸緣可選擇性地設定尺寸來建立繞噴嘴的內表面的等離子氣流。該方法可選擇地包括從等離子弧割炬上移除噴嘴(步驟630)。在一些實施方式中，該方法還包括提供在后端具有凸緣的第二噴嘴(步驟640)。該第二噴嘴包括外表面、在前端的等離子出口孔以及在后端的凸緣。在一些實施方式中，第二噴嘴也包括內表面。第二噴嘴的凸緣不同于噴嘴的凸緣。例如，第二噴嘴的凸緣可具有與噴嘴不同的輪廓、尺寸和 /或形狀。第二噴嘴的凸緣可相對于可消耗部件上的多個氣體通道進行對準(步驟650)。所述可消耗部件可為，例如，保持帽或漩渦環。第二噴嘴的凸緣阻斷設置在可消耗部件上的至少兩個氣體通道，從而建立繞噴嘴本體的內表面或外表面的至少之一的第二氣流。由第二噴嘴建立的氣流不同于由第一噴嘴建立的氣流。例如，當該可消耗部件為保持帽，由噴嘴建立的氣流為繞噴嘴外表面的防護氣流。 當使用第二噴嘴，防護氣流可能比使用噴嘴時少。例如，操作者可使用圖3A或圖;3B的保持帽以及圖2B或圖2C的噴嘴，在105安培操作等離子弧割炬。噴嘴允許氣體流過兩個孔型 (例如，圖2B的第一和第二孔型235、236)。然后操作者可切換到不同的操作參數，例如，操作者可以85安培操作同樣的等離子弧割炬。當等離子弧割炬以85安培操作，需要更少的氣體用于冷卻噴嘴。因此，操作者可移除第一噴嘴，然后用第二噴嘴將其更換。第二噴嘴可為，例如，圖2A中的噴嘴。在等離子弧割炬中剩下的可消耗部件保持不變，包括保持帽。噴嘴現在可阻斷至少一個孔型，例如，圖2A的第一孔型235。噴嘴調節氣流使之僅僅流過單個孔型，例如，圖2B的第二孔型236。與使用圖2B或圖2C相比，更少的氣體經過保持帽流向噴嘴的外表面。例如，等離子弧割炬可在大約60psi的上游壓力下工作。為了以85安培和105安培操作等離子弧割炬，要求具有不同流速的防護氣體。105安培和85安培的配置的流速差異大約為100標準立方英尺每小時(“scfh”)。當等離子弧割炬以105安培工作時，該流速差異提供給了噴嘴更好的冷卻和/或保護，而當等離子弧割炬以85安培工作時，也減少了所消耗的保護氣體的量。在一些實施方式中，可消耗部件，例如，保持帽或漩渦環，具有多于兩個的孔型，例如，三個、四個或者五個孔型。噴嘴的凸緣可設定尺寸來阻斷任意這些孔型。凸緣可設定尺寸用來阻斷至少兩個孔型。氣體通道并非必須以孔型來布置，可消耗部件也可具有多個沒有設置成任意類型孔型的氣體通道。噴嘴的凸緣可設定尺寸來阻斷單個氣體通道或多個氣體通道。被阻斷的氣體通道的數目可取決于在具體的項目中所需要的切割參數或流動特征。雖然示出和描述了所公開的方法的多個方面，但對于本領域技術人員而言，在閱讀本說明書的基礎上可對該方法進行改進。本發明包括這些改進，并僅由權利要求的范圍對本發明進行限定。
權利要求
1.等離子弧割炬的噴嘴，包括具有第一端和第二端的本體；在本體的第一端上的等離子出口孔；和在本體的第二端的凸緣，適于與相應的可消耗部件配合，該凸緣構造為選擇性地阻斷位于相應可消耗部件上的至少一個氣體通道從而建立相對于噴嘴本體的氣流。
2.根據權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，凸緣包括帶輪廓的、錐形或齒形表面中的至少一種，適于與相應可消耗部件的配合表面配合。
3.根據權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，凸緣相對于噴嘴的外表面設置并且相對于沿著噴嘴本體延伸的縱軸線徑向設置。
4.根據權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，凸緣選擇性地設定輪廓為用于調節繞噴嘴本體的外表面的防護氣流或繞噴嘴本體的內表面的等離子氣流中的至少一個。
5.根據權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，凸緣形成相對于噴嘴的外表面設置的臺階，且所述臺階相對于沿著噴嘴本體延伸的縱軸線徑向設置，其中，所述臺階調節噴嘴本體的外表面的防護氣流。
6.根據權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，凸緣為相對于延伸通過噴嘴本體的縱軸線軸向設置的伸出部，其中，伸出部調節繞噴嘴本體的內表面的等離子氣流。
7.根據權利要求6所述的噴嘴，其特征在于，進一步包括相對于噴嘴的外表面設置的臺階，該臺階相對于延伸通過噴嘴本體的縱軸線徑向設置，其中，該臺階調節繞噴嘴本體的外表面的防護氣流。
8.根據權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，相應的可消耗部件為漩渦環或者保持帽兩者之一。
9.等離子弧割炬用的噴嘴保持帽，包括具有第一端和第二端的中空本體；在中空本體的第一端的突起；在突起中形成的第一孔型；和在突起中形成的第二孔型，其中，在第一和第二孔型中的至少一個的孔尺寸設定成以控制噴嘴冷卻氣流或等離子氣流中的至少一個。
10.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，第一孔型和第二孔型為同心圓。
11.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，第一孔型具有相對于延伸通過本體的中心縱軸線設置的第一直徑，而第二孔型具有相對于沿本體延伸的中心縱軸設置的第二直徑。
12.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，突起的表面構成為接納設置在噴嘴本體上的凸緣，該凸緣的尺寸被設定為阻斷氣體使之不流過第一或第二孔型之一。
13.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，突起的表面設置成接納噴嘴本體上的凸緣，該凸緣的尺寸被設定為允許氣體流過至少第二孔型來冷卻噴嘴。
14.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，突起的表面設置成接納位于噴嘴本體上的凸緣，該凸緣的尺寸被設定為允許氣體流過第一和第二孔型來冷卻噴嘴。
15.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，突起的表面設置為接納噴嘴本體上的凸緣，該凸緣的尺寸被設定為用于在相應的切割參數下操作等離子弧割炬。
16.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，第一孔型具有和第二孔型相同數目的氣體通道。
17.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，第一孔型具有和第二孔型不同數目的氣體通道。
18.根據權利要求9所述的噴嘴保持帽，其特征在于，第一孔型與第二孔型在孔的尺寸、孔的形狀、孔的數目或者孔的切線角的至少一方面不同。
19.等離子弧割炬用的割炬頭，該割炬頭包括安裝在等離子弧割炬本體中的噴嘴，該噴嘴包括噴嘴本體、位于噴嘴本體第一端的等離子出口孔、以及在噴嘴本體的第二端的凸緣；和適于與噴嘴的凸緣配合的可消耗部件，該可消耗部件在一端具有表面，該表面具有第一孔型以及第二孔型，在第一和第二孔型中的至少一個的孔尺寸設置成控制噴嘴冷卻氣流或等離子氣流中的至少一個。
20.根據權利要求19所述的割炬頭，其特征在于，凸緣形成臺階，該臺階相對于噴嘴的外表面設置，并且相對于延伸通過噴嘴本體的縱軸線徑向設置，其中，該臺階用于調節繞噴嘴本體的外表面的防護氣流。
21.根據權利要求19所述的割炬頭，其特征在于，凸緣為相對于延伸通過噴嘴本體的縱軸線軸向設置的伸出部，其中，伸出部調節繞噴嘴本體的內表面的等離子氣流。
22.根據權利要求19所述的割炬頭，其特征在于，可消耗部件為漩渦環和保持帽兩者之一。
23.等離子弧割炬的漩渦環，包括具有壁、第一端和第二端的中空本體；形成于中空本體的第二端上的開口，用于與等離子弧割炬中的噴嘴配合；形成在本體的壁中的第一孔型，其中，第一孔型被定位和設定尺寸為提供繞噴嘴表面的第一氣流特征；以及形成在本體的壁中的第二孔型，其中，第二孔型被定位和設定尺寸為提供繞噴嘴表面的第二氣流特征。
24.根據權利要求23所述的漩渦環，其特征在于，第一孔型被定位以及設定尺寸為當等離子弧割炬在第一切割參數下工作時，用于提供第一氣流，而第二孔型則被定位以及設定尺寸為當等離子弧割炬在第二切割參數下工作時，用于提供第二氣流。
25.根據權利要求23所述的漩渦環，其特征在于，第一孔型和第二孔型在孔的尺寸、孔的形狀、孔的數目和孔的切線角的至少一方面不同。
26.根據權利要求23所述的漩渦環，其特征在于，第一孔型具有和第二孔型不同數目的氣體通道。
27.根據權利要求23所述的漩渦環，其特征在于，設置在噴嘴本體上的凸緣的尺寸被設定為阻斷通過第二孔型的氣流。
28.根據權利要求23所述的漩渦環，其特征在于，設置在噴嘴本體上的凸緣的尺寸被設定為允許氣流通過至少第二孔型。
29.根據權利要求觀所述的漩渦環，其特征在于，凸緣被設定尺寸為允許氣體流過第一和第二孔型。
30.根據權利要求23所述的漩渦環，其特征在于，開口設置為接納具有第一凸緣的第一噴嘴或者具有第二凸緣的第二噴嘴，其中，第一噴嘴的第一凸緣被設定尺寸為與第一孔型相應，而第二噴嘴的第二凸緣被設定尺寸為與第一和第二孔型相應。
31.根據權利要求23所述的漩渦環，其特征在于，進一步包括形成在本體的壁中的第三孔型，其中，第三孔型被定位以及設定尺寸為提供繞噴嘴表面的第三氣流流動特征。
32.在等離子弧割炬中建立防護氣流的方法，為了提供保護氣流，割炬包括保持帽，該保持帽包括多個延伸通過保持帽的氣體通道，該方法包括提供具有外表面、在前端具有等離子出口孔、在后端具有徑向凸緣的噴嘴；和相對于位于保持帽上的多個氣體通道對準噴嘴的徑向凸緣，從而噴嘴的徑向凸緣選擇性地阻斷至少一個位于保持帽上的氣體通道從而建立沿著噴嘴的外表面的防護氣流。
33.根據權利要求32所述的方法，其特征在于，保持帽上的多個氣體通道包括第一孔型和第二孔型。
34.根據權利要求33所述的方法，其特征在于，噴嘴的凸緣選擇性地阻斷第一孔型或第二孔型。
35.權利要求32所述的方法，進一步包括從等離子弧割炬移除噴嘴；提供具有外表面、在前端具有等離子出口孔、在后端具有徑向凸緣的第二噴嘴，從而第二噴嘴的徑向凸緣不同于噴嘴的徑向凸緣；和相對于位于保持帽上的多個氣體通道對準第二噴嘴的徑向凸緣，從而第二噴嘴的徑向凸緣阻斷位于保持帽上的至少兩個氣體通道而建立繞第二噴嘴外表面的第二保護氣流，從而第二保護氣流不同于保護氣流。
36.在等離子弧割炬中建立氣流的方法，該方法包括提供具有本體、在本體前端的等離子出口孔和在本體后端的凸緣的噴嘴，所述本體具有內表面、外表面；相對于可消耗部件的多個氣體通道調節噴嘴的凸緣，從而凸緣選擇性地阻斷至少一個氣體通道進而建立繞噴嘴本體的內表面或外表面中至少一者的氣流。
37.根據權利要求36所述的方法，其特征在于，凸緣為徑向凸緣，可消耗部件為保護帽并且氣流為防護氣流。
38.根據權利要求36所述的方法，其特征在于，凸緣為軸向凸緣，可消耗部件為漩渦環而氣流為等離子氣流。
全文摘要
用于等離子弧割炬的噴嘴，包括第一端和第二端。該噴嘴還包括位于本體的第一端的等離子出口孔。凸緣位于本體的第二端。該凸緣適于與相應可消耗部件緊密配合。凸緣配置為有選擇地堵塞相應可消耗部件上的至少一個氣體通道從而建立相對于噴嘴本體的氣流。
文檔編號B23K10/00GK102407399SQ20111026499
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月15日 優先權日2010年7月16日
發明者J·羅伯茨, P·特瓦羅格, 端正, 金成帝 申請人:海別得公司