專利名稱：便攜式自給材料加工系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于加工材料的便攜式工具。更具體地，本發(fā)明涉及用于加工材 料的諸如手持或可穿戴式便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)。
背景技術：
等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可應用于廣泛的材料加工應用，諸如切割用于加熱、通風 以及空調(diào)系統(tǒng)的薄金屬板或厚板。通常，等離子體電弧切割系統(tǒng)不是便攜的，因為它們需要 大的、笨重的氣源(或連續(xù)的固定氣源)以及經(jīng)由有線連接從電網(wǎng)汲取的大量功率。等離子體電弧焊炬通常包括焊炬主體；安裝在該主體中的電極；具有中央排出 口的噴嘴；電連接；用于冷卻和電弧控制流體的通道；用于控制流體流動模式的渦流環(huán)；以 及電源。該焊炬產(chǎn)生等離子體電弧，該等離子體電弧是具有高溫和高動量的受約束等離子 體氣體離子化噴射流。用于該焊炬的氣體可以是非活性的或活性的(例如氬氣、氮氣、氧氣 或空氣)。在工作時，引導電弧首先在電極(陰極)與噴嘴(陽極)之間產(chǎn)生。引導電弧使 通過噴嘴排出口的氣體離子化。在離子化氣體充分降低電極與加工件之間的電阻之后，電 弧從噴嘴轉(zhuǎn)移至加工件。該焊炬可工作于該轉(zhuǎn)移等離子電弧模式，該模式由從電極到加工 件的導電離子化氣體流所表征，以用于切割該加工件。盡管無線電動工具在商用市場很普遍，但等離子體電弧焊炬系統(tǒng)仍未高效地應 用于簡單的便攜式應用(例如手持、手動或接觸啟動系統(tǒng))。一個設計困難是由等離子體 電弧焊炬相對大的氣體消耗引起的。另一設計困難是由等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的高功率 需求引起的，例如諸如由新罕布什爾州漢諾威市的海別得公司(Hypertherm，Inc.)制 造的Powermax 190C之類的低功率系統(tǒng)需要約1. 32kW的輸出；諸如海別得公司制造的 Powermax 1000之類的中等功率焊炬系統(tǒng)需要8. 4kff的輸出；以及諸如海別得公司制造的 Powermax 1650之類的高功率焊炬系統(tǒng)需要高達16kW的輸出。某些焊炬系統(tǒng)對于400A系 統(tǒng)可具有高達約80kW，該系統(tǒng)可被從動以獲得760A輸出從而得到更高功率。等離子體電弧 焊炬系統(tǒng)的高功率需求已經(jīng)導致其中等離子體電弧焊炬系統(tǒng)通過插電而利用連續(xù)的交流 功率源來使用的設計。在焊炬性能、氣體和電源的壽命以及等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的實際 物理大小之間存在困難的平衡。因此需要提供具有使焊炬在較低氣體消耗和較低功率水平下高效地工作的功率 考慮的便攜式等離子體電弧切割系統(tǒng)，同時為上述應用提供便攜性和性能。此外，需要等離 子體電弧焊炬系統(tǒng)的氣源和電源能工作商業(yè)上有用的時長，同時容易充裝或替換以便重復 使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個 方面代表了等離子體加工行業(yè)中的進步，因為本發(fā)明的實施例是能 加工材料而無需大的、笨重的氣源(或連續(xù)的固定氣源)且無需連續(xù)連接至電網(wǎng)的便攜式系統(tǒng)。因此，本發(fā)明的實施例可在建筑工地、農(nóng)業(yè)區(qū)使用、供緊急安全人員(例如消防員、警察)、不可能連接至電網(wǎng)的遠程位置處的工人使用、或供消費者在自己的后院使用。在一個方面中，本發(fā)明以一種用于加工材料的等離子體電弧焊炬裝置為特征。該 等離子體電弧焊炬裝置包括可穿戴式便攜式組件，該組件包括可替換或可充電的電源或可 替換或可充氣的氣源中的至少一個。該裝置還包括等離子體輸送裝置，該等離子體輸送裝 置接收來自電源的電流和來自氣源的氣體以產(chǎn)生等離子體電弧。在某些實施例中，該可穿 戴便攜式組件是背包。在某些實施例中，該便攜式組件包括耐熱、不導電和/或抗沖擊的 層。在某些實施例中，該等離子體電弧焊炬裝置包括適于與電源或氣源中的至少一個 通信的遙控裝置。該裝置可包括等離子體輸送裝置上的控制設備，該控制設備適于與電源 或氣源中的至少一個通信。在某些實施例中，該等離子體電弧焊炬裝置包括電源中剩余的 電力的指示器或氣源中剩余的氣體的指示器中的至少一個。在某些實施例中，該氣源包括壓縮要輸送至等離子體輸送裝置的氣體的壓縮機。 該電源可對壓縮機供電以對氣源再充氣。在某些實施例中，等離子體輸送裝置可附連至可 穿戴便攜式組件。該便攜式組件可附連至充裝設備，該充裝設備被配置成對電源充電或?qū)?氣源充氣。在某些實施例中，該便攜式組件包括纖維纏繞復合罐。該等離子電弧焊炬組件 可包括用于調(diào)節(jié)等離子體輸送裝置從電源接收的電流的電流調(diào)節(jié)器。在某些實施例中，該 電源是聚合物鋰離子電池。在另一方面中，本發(fā)明以一種包括可穿戴式便攜式組件的系統(tǒng)為特征。在某些實 施例中，該可穿戴式便攜式組件是背包。該可穿戴式便攜式組件包括等離子體電弧焊炬系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括可替換或可充電的電源或可替換或可充氣的氣源中的至少一個。該系統(tǒng)包 括可附連至該組件的擴展塢。該擴展塢包括用于對電源充電的電力源或用于對氣源充氣的 氣源中的至少一個。在另一方面中，本發(fā)明以一種用于加工材料的方法為特征。該方法包括提供與可 穿戴式便攜式組件連通的等離子體輸送裝置。該組件具有可替換或可充電的電源或可替換 或可充氣的氣源中的至少一個。該方法包括當該組件由用戶穿戴時，通過向其提供來自電 源的電流和來自氣源的氣體而產(chǎn)生從等離子體輸送裝置發(fā)出的等離子體電弧。在另一方面中，本發(fā)明以一種用于對便攜式等離子體電弧焊炬裝置進行充裝的設 備為特征。該設備包括被配置成接納便攜式等離子體電弧焊炬裝置的擴展塢，該便攜式等 離子體電弧焊炬裝置包括可充電電源和可充氣氣源。該設備包括配置成當該裝置入塢至擴 展塢時電耦合至電源的第一連接器，該第一連接器提供電力以對電源充電。該設備還包括 配置成當該裝置入塢至擴展塢時流體耦合至氣源的第二連接器，該第二連接器提供氣體以 對氣源充氣。在某些實施例中，該便攜式等離子體電弧焊炬裝置是可穿戴的。在某些實施 例中，電源和氣源中的至少一個可去除。在另一方面中，本發(fā)明以一種用于對便攜式焊接裝置進行充裝的設備為特征。該 設備包括被配置成接納便攜式焊接裝置的擴展塢，該便攜式焊接裝置包括可充電電源和可 充氣氣源。該設備包括配置成當該裝置入塢至擴展塢時電耦合至電源的第一連接器，該第 一連接器提供電力以對電源充電。該設備還包括配置成當該裝置入塢至擴展塢時流體耦合 至氣源的第二連接器，該第二連接器提供氣體以對氣源充氣。
在另一方面中，本發(fā)明以焊接裝置為特征。該裝置包括例如可穿戴或可攜帶的便 攜式組件，包括可替換或可充電的電源或可替換或可充氣的氣源中的至少一個。該裝置還 包括焊接輸送裝置，該焊接輸送裝置從電源接收電流和從氣源接收氣體以產(chǎn)生焊接電弧。在另一方面中，本發(fā)明以一種可用于加工材料(例如切害U、穿刺、標記或劃刻金屬 加工件)的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)為特征。在某些實施例中，本系統(tǒng)包括可替換或 可充電的電源，諸如一個或多個電池。該系統(tǒng)還包括相對于電源設置的可替換或可充氣的 氣源。該氣源可丟棄或可重新充氣(例如一個或多個儲氣罐)。在某些實施例中，該氣源可 以是連續(xù)的氣源(例如壓縮機)。在某些實施例中，該電源和氣源儲存在便攜式外殼中。在某些實施例中，控制器與電源或氣源中的至少一個通信?？刂破骺砂姎饪?制和流體控制。等離子體輸送裝置(例如等離子體電弧焊炬)使用來自電源的電流和電壓 以及來自氣源的氣體，以在等離子輸送裝置的輸出端處產(chǎn)生等離子體電弧。該等離子體電 弧可用于加工諸如金屬加工件之類的材料。該控制器通過通信路徑(例如總線、無線連接等)電連接至電源、氣源以及等離子 體輸送裝置。在某些實施例中，傳輸介質(zhì)分別為電源和等離子體輸送裝置以及氣源和等離 子體輸送裝置提供電氣和流體連通路徑。該電源經(jīng)由電氣連通路徑(例如電氣引線集合、 無線連接等)與等離子體輸送裝置電連通。氣源經(jīng)由流體導管與等離子體輸送裝置流體連 通。在某些實施例中，電氣引線集合、流體導管以及等離子體輸送裝置可儲存在便攜式外殼 中。此外，該外殼是可運輸?shù)模铱梢允鞘殖质酵鈿ず?或公文包大小的外殼。在另一方面中，本發(fā)明還以一種可用于切割加工件的便攜式等離子體電弧焊炬系 統(tǒng)為特征。該系統(tǒng)可包括便攜式外殼，該便攜式外殼中設置有可替換或可充電的功率裝置 或可替換或可充電的氣體裝置?？刂蒲b置和傳輸裝置與功率裝置和氣體裝置連通。等離子 體輸送裝置從功率裝置接收電流和電壓，且從氣體裝置接收氣體，以產(chǎn)生用于切割加工件 的等離子體電弧?？刂蒲b置可與功率裝置、氣體裝置以及等離子體輸送裝置電連通。傳輸裝置提供 從功率裝置和氣體裝置到等離子體輸送裝置的電氣和流體連通路徑。該功率裝置經(jīng)由電氣 連通路徑(例如電氣引線集合、無線連接等)與等離子體輸送裝置電連通。氣體裝置經(jīng)由 流體導管與等離子體輸送裝置流體連通。在某些實施例中，電氣引線集合、流體導管以及等 離子體輸送裝置可儲存在便攜式外殼中。該外殼是可運輸?shù)?，且可以是手持式外殼?或 公文包大小的外殼。接觸啟動是用于在等離子體焊炬中產(chǎn)生引導電弧的一種已知技術。接觸啟動是有 優(yōu)點的，因為它不需要高頻設備，而且通常不產(chǎn)生電磁干擾。典型的接觸啟動系統(tǒng)包括引導 電弧電路，該引導電弧電路具有用于提供引導電弧電流的裝置、引導電弧電阻器、電流傳感 器以及引導電弧繼電器、或它們的組合，用于將電流從引導電弧模式轉(zhuǎn)移成轉(zhuǎn)移電弧模式。 這些引導電弧電路增大了系統(tǒng)尺寸和制造成本。提供了一種接觸啟動等離子體電弧焊炬，其包括減小焊炬的尺寸和成本的無源引 導電弧電路。該等離子體焊炬包括焊炬主體；具有縱向設置的軸和安裝在主體中的電極； 具有縱向 設置的軸的噴嘴，該噴嘴軸設置成與電極軸基本共線；耦合至電極、噴嘴和加工件 的電源，該電源提供用于使焊炬工作于引導電弧模式和轉(zhuǎn)移電弧模式的電流；以及耦合在 電源與噴嘴之間的引導電弧電路，該引導電弧電路控制焊炬在引導電弧模式下的工作。電極或噴嘴可轉(zhuǎn)移。該引導電弧電路可包括引導電容器和引導電阻器。引導電容器和引導電阻器可串聯(lián)耦合。引導電容器可具有范圍在10微法與100，000微法之間的值(例如，該值能在約 333ms中建立100V以得到30A的引導電弧)。在某些實施例中，由于電容器大小可被設計 成匹配引導時間，因此引導電容器可高于100，000微法。引導電阻器可具有0. 1歐姆與100 歐姆之間的范圍中的值。在某些實施例中，引導電弧電路可包括引導電容器和引導可變電 阻器、或引導電容器和電感器。該引導電弧電路還可包括并聯(lián)耦合至引導電容器以對引導 電容器放電的放電電路。該放電電路可包括放電電阻器和放電繼電器。一種用于操作接觸啟動式等離子體電弧焊炬的方法包括提供具有設置在焊炬主 體中的電極和噴嘴的接觸啟動等離子體電弧焊炬；向焊炬提供電功率以工作于引導電弧模 式和轉(zhuǎn)移電弧模式；以及通過無源引導電弧電路斷開對焊炬的引導電弧模式的供電。當引 導電弧電容器被充電或顯著充電時，引導電弧電路斷開。該功率可在預定時刻斷開，其中該 預定時刻可由引導電弧電路的RC時間常數(shù)確定。引導電弧電流的大小也可由引導電弧電 路的RC時間常數(shù)確定。該RC分量值可固定或可變化。該方法還可包括去除對焊炬的電功率，并通過放電電路對引導電弧電容器放電。 該放電電路可包括放電電阻器和放電繼電器。還提供一種接觸啟動等離子體電弧焊炬，其包括用于向接觸啟動等離子體電弧 焊炬提供電功率以工作于引導電弧模式和轉(zhuǎn)移電弧模式的裝置；以及用于通過無源引導電 弧電路斷開對焊炬的引導電弧模式的供電的裝置。還提供了一種用于接觸啟動等離子體電弧系統(tǒng)的電源，該電源包括用于向焊炬提 供電功率以工作于引導電弧模式和轉(zhuǎn)移電弧模式的電源、和用于斷開對引導電弧模式的供 電的無源引導電弧電路。接觸啟動等離子體電弧焊炬的優(yōu)點包括無源引導電弧啟動電路；在預定時刻自 動斷開引導電弧電路；容易設置引導電弧電流的大小；消除對引導電弧電路的電流感測和 邏輯控制的需求；從引導電弧電路向加工件無縫地轉(zhuǎn)移電流；以及使部件最少化從而導致 等離子體焊炬的制造成本降低。在一個方面中，本發(fā)明以一種自給(self-contained)的便攜式等離子體電弧焊 炬系統(tǒng)為特征。該便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可包括外殼和等離子體電弧焊炬組件。該 等離子體電弧焊炬組件可包括等離子體電弧焊炬控制單元和等離子體電弧焊炬，該等離子 體電弧焊炬控制單元設置在外殼中并連接至該焊炬。該便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可 包括用于向等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池，該電池相對于外殼設置，并向焊 炬電極提供相對于加工件的充足電壓，以允許焊炬在無需功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)的情況下工作 (例如無需電壓調(diào)節(jié)電路或電流調(diào)節(jié)電路)。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬控制單元包括開關電開關和用于向等離子體 電弧焊炬提供氣體的氣體控制。該便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可包括用于向等離子體電 弧焊炬組件提供氣體的便攜式氣源，該氣源由該外殼支承。在某些實施例中，該便攜式氣源 是高壓儲氣罐。由電池向等離子體電弧焊炬組件提供的電壓可為約至少45伏的直流功率。在某 些實施例中，該電池向焊炬電極提供相對于加工件的充足電壓，而無需包括電壓步進電路系統(tǒng)或高頻開關的功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)(例如無需電壓調(diào)節(jié)電路或電流調(diào)節(jié)電路)。在某些實施例中，自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)充分便攜以由用戶在等離子體電弧焊炬工作期間完全手持或穿戴。電池和氣源可以是附連模塊的一部分，該附連模 塊可從系統(tǒng)脫離。在某些實施例中，附連模塊通過用于電池的電力連接或用于氣源的氣體 連接來連接至等離子體電弧焊炬組件。附連模塊可通過用于與電池傳輸功率的電連接或用 于傳輸氣體的軟管連接中的至少一個來連接至等離子體電弧焊炬組件。在另一方面中，本發(fā)明以一種用于便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的可充電和可充 氣單元為特征，該單元可包括便攜式外殼、相對于該便攜式外殼設置的切割氣體源以及提 供充足直流功率用于焊炬操作的電池，該電池相對于該便攜式外殼設置。該可充電和可充 氣單元還可包括相對于該便攜式外殼設置的第一連接器組件，該第一連接器組件包括用 于接收氣體以對切割氣體源充氣的輸入；相對于該便攜式外殼設置的第二連接器組件，該 第二連接器組件包括用于接收充電以對電池充電的輸入。在某些實施例中，電池提供充足直流功率以供焊炬操作，而無需功率調(diào)節(jié)電路系 統(tǒng)(例如無需電壓調(diào)節(jié)電路或電流調(diào)節(jié)電路)。第一連接器組件可包括適于與等離子體電 弧焊炬系統(tǒng)上的氣體連接配合的輸出。在某些實施例中，第一連接器組件包括軟管，該軟管 將可充電和可充氣單元與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)連接。第二連接器組件可包括適于與等離 子體電弧焊炬系統(tǒng)上的功率連接配合的輸出。在某些實施例中，第二連接器組件包括導線， 該導線將可充電和可充氣單元與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)連接。在另一方面中，本發(fā)明以一種用于補充便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的可充電和 可充氣單元的充裝單元為特征。該充裝單元可包括到等離子體氣體切割源的連接和到用于 提供充電功率的電源的連接。該充裝單元可包括用于向可充電和可充氣單元的氣源提供充 氣的第一連接器組件和用于提供電功率以對可充電和可充氣單元的電池充電的第二連接 器組件。在某些實施例中，第二連接器組件向可充電和可充氣單元提供直流電功率。當可 充電和可充氣單元安裝在充裝單元中時，第一和第二連接器組件可與可充電和可充氣單元 上的相應的連接器配合。在另一方面中，本發(fā)明以一種等離子體電弧焊炬系統(tǒng)為特征。該等離子體電弧焊 炬系統(tǒng)可包括用于從非便攜式電源接收遠程功率的電力引線，和用于從非便攜式氣源接收 焊炬氣體的氣體引線。該等離子體焊炬系統(tǒng)還可包括用于從附連模塊的等離子體氣體切割 源接收等離子體氣體的第一連接器組件和用于從附連模塊的直流電池接收直流電功率的 第二連接器組件，以使得當電力引線和氣體引線未連接時，焊炬可僅使用來自第一連接器 的氣體和來自第二連接器的功率來工作。在某些實施例中，附連模塊的電池提供充足電壓以供焊炬操作，而無需功率調(diào)節(jié) 電路系統(tǒng)(例如無需電壓調(diào)節(jié)電路或電流調(diào)節(jié)電路)。提供充足電壓以供焊炬操作而無需 功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)可包括提供電壓，而不步進提高該電壓或執(zhí)行電壓的高頻切換。在某些 實施例中，附連模塊的電池向等離子體電弧焊炬提供至少80伏的直流供電。在另一方面中，本發(fā)明以一種用于使便攜式等離子體電弧焊炬的氣體消耗最小化 的方法。該方法可包括啟動從便攜式的有限氣源向便攜式等離子體電弧焊炬的氣體流、啟 動等離子體電弧、終止等離子體電弧、以及通過將在預流和后流條件期間在等離子體電弧焊炬的電極附近的氣體流消除或顯著減少來犧牲電極壽命以使氣體消耗最小化至在等離 子體電弧啟動之前或終止之后小于約10秒，從而使氣體消耗最小化。
在一個方面中，本發(fā)明以一種自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)為特征。該系 統(tǒng)可包括外殼；等離子體電弧焊炬組件，包括等離子體電弧焊炬控制單元和等離子體電 弧焊炬，該等離子體電弧焊炬控制單元設置在外殼中并連接至該焊炬；以及電池，用于向等 離子體電弧焊炬組件提供直流功率，該電池相對于外殼設置并向焊炬電極提供至少80伏 的直流供電。 在另一方面中，本發(fā)明以一種用于加工材料的便攜式等離子體電弧焊炬裝置為特 征。該裝置可包括等離子體輸送裝置、相對于等離子體輸送裝置設置的可替換或可充電電 池，該電池向等離子體輸送裝置提供至少約80伏。該裝置還可包括可替換或可充氣的氣 源，該氣源相對于等離子體輸送裝置設置并向等離子體輸送裝置提供氣體以產(chǎn)生等離子體 電弧。在另一方面中，本發(fā)明以一種自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)為特征。該系 統(tǒng)可包括外殼、等離子體電弧焊炬組件、用于向等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電 池和用于向等離子體電弧焊炬組件提供氣體的氣源。該系統(tǒng)還可包括指示器，該指示器表 示電池的功率水平、電池中剩余的可用容量、氣源中剩余的氣體、系統(tǒng)中剩余的切割容量中 的至少一個或它們的任何組合。在某些實施例中，該系統(tǒng)可包括當氣源的氣體含量達到閾值水平或當電池源的能 量水平達到閾值水平時顯示標記的指示器。在另一方面中，本發(fā)明以一種重量輕的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)為特征。該 系統(tǒng)可包括等離子體電弧焊炬組件，該組件包括等離子體電弧焊炬控制單元和等離子體電 弧焊炬。該系統(tǒng)還可包括用于向等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池和用于向等離 子體電弧焊炬組件提供氣體的氣源，其中重量輕的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的功率重 量比至少約為80瓦每磅。在另一方面中，本發(fā)明以一種用于產(chǎn)生用于材料的高溫熱處理的等離子體電弧的 便攜式等離子體電弧焊炬裝置為特征。該裝置可包括等離子體輸送裝置，該裝置包括等離 子體焊炬，該焊炬具有電極和噴嘴，該電極與噴嘴之間限定了等離子體室。該裝置還可包括 耦合至等離子體輸送裝置的可替換或可充電的電池，該電池用于向等離子體輸送裝置提供 切割功率。該裝置還可包括可替換或可充氣的氣源，該氣源具有有限的氣體供給，且耦合至 等離子體輸送裝置以向該等離子體輸送裝置提供氣體；其中在氣源排氣期間，基本上所有 的氣體通過等離子體室排出。在某些實施例中，氣體流在等離子體啟動時基本同時地啟動。該氣體流在等離子 體電弧啟動之前不超過10秒的時刻啟動。在某些實施例中，氣體流在等離子體電弧終止時 基本同時地顯著減少或終止。該氣體流可在等離子體電弧終止之后不超過約10秒的時刻 顯著減少或終止。在另一方面中，本發(fā)明以無風扇的(例如無源或非通風式電路)氣體冷卻等離子 體電弧焊炬系統(tǒng)為特征，該系統(tǒng)可包括切割氣體源、等離子體電弧焊炬以及對等離子體電 弧焊炬供電且設 置在隔離外殼中的電子電源。該等離子體電弧焊炬系統(tǒng)還可包括設置在 切割氣體源和電子電源之間的導管，用于將切割氣體的至少一部分引導至散熱器以冷卻電子電源；以及設置在散熱器與等離子體電弧焊炬之間的第二導管，用于將切割氣體引導至等離子體電弧焊炬。在一個方面中，本發(fā)明以一種用于冷卻等離子體電弧焊炬的方法為特征，該方法 可包括提供切割氣體源、將切割氣體引導至電子電源并用該切割氣體冷卻該電子電源、以 及將切割氣體從電子電源引導至焊炬以產(chǎn)生等離子體電弧。附圖簡述當與附圖一起閱讀時，根據(jù)以下對多個實施例的描述，將能更完整地理解上述內(nèi) 容和本發(fā)明。這些附圖不一定按比例繪制，而是著重于說明本發(fā)明的原理。

圖1是示出自給等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的代表性功能部件的框圖。圖2是示出使用單個控制裝置和單個傳輸介質(zhì)的自給等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的 代表性部件的實現(xiàn)的框圖。圖3是示出使用單個控制器和一對傳輸介質(zhì)的圖2的實現(xiàn)的變化的框圖。圖4是示出使用三個控制器和兩個傳輸介質(zhì)的圖2的實現(xiàn)的變化的框圖。圖5a是功能性實現(xiàn)的物理分區(qū)的示例，其中等離子體輸送裝置在一個分區(qū)中，且 連接至被封裝在另一分區(qū)中的功率裝置、控制器以及傳輸介質(zhì)。圖5b是圖5a的變化，其中等離子體輸送裝置、控制器以及傳輸介質(zhì)被封裝在一個 分區(qū)中，且連接至封裝在另一分區(qū)中的功率裝置以及氣體裝置。圖5c是圖5a的變化，其中系統(tǒng)的所有部件被封裝在單個分區(qū)中。圖5d是圖5a的變化，其中等離子體輸送裝置在一個分區(qū)中，且連接至第二分區(qū)中 的控制和傳輸介質(zhì)，還連接至封裝在第三分區(qū)中的功率裝置和氣體裝置。圖6是示例性自給等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的詳細框圖。圖7a是戴有等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的示例性可穿戴的便攜式組件的用戶的示意 圖。圖7b是戴有等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的示例性可穿戴的便攜式組件和等離子體輸 送裝置的用戶的替代示圖。圖8a是根據(jù)說明性實施例的用于可穿戴便攜式組件的擴展塢的部件的框圖。圖8b是根據(jù)說明性實施例的用于便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的擴展塢的部件 的框圖。圖8c是根據(jù)說明性實施例的用于便攜式焊接裝置的擴展塢的部件的框圖。圖9是等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的示例性可穿戴便攜式組件和等離子體輸送裝置 的部件的框圖。圖10是等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的示例性可穿戴便攜式組件和等離子體輸送裝置 的物理分區(qū)的示例。圖11是根據(jù)說明性實施例的接觸啟動等離子體電弧焊炬的框圖。圖12是圖11的接觸啟動等離子體電弧焊炬的詳細示意圖。圖13是根據(jù)說明性實施例的等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的示意圖。圖14A是根據(jù)說明性實施例的包括能量水平指示器的等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的 示意圖。圖14B是根據(jù)另一說明性實施例的包括能量水平指示器的等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的示意圖。
圖14C是根據(jù)另一說明性實施例的包括能量水平指示器的等離子體電弧焊炬系 統(tǒng)的示意圖。圖15A是根據(jù)說明性實施例的包括氣體含量指示器的等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的 示意圖。圖15B是根據(jù)另一說明性實施例的包括氣體含量指示器的等離子體電弧焊炬系 統(tǒng)的示意圖。圖15C是根據(jù)另一說明性實施例的包括氣體含量指示器的等離子體電弧焊炬系 統(tǒng)的示意圖。圖16A是根據(jù)說明性實施例的附連模塊和等離子體電弧焊炬組件的示意圖。圖16B是根據(jù)另一說明性實施例的附連模塊和等離子體電弧焊炬組件的示意圖。圖17A是充裝單元以及圖16A的附連模塊和等離子體電弧焊炬組件的示意圖。圖17B是充裝單元以及圖16B的附連模塊和等離子體電弧焊炬組件的示意圖。圖18是示出根據(jù)現(xiàn)有技術的流過用風扇來冷卻功率電子電路的等離子體系統(tǒng)的 氣流和電流的示意圖。圖19是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的流過無風扇的氣體冷卻等離子體系統(tǒng)的氣 流和電流的示意圖。詳細描述等離子體電弧焊炬具有多種應用，諸如切割厚金屬板和切割通常用于加熱、通風 和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的相當薄的鍍鋅金屬板。等離子體電弧焊炬的基本部件包括焊炬主 體；安裝在主體內(nèi)的電極(陰極)；具有中央排出口的噴嘴(陽極)；用于提供離子化氣體 流的氣源；電氣連接；用于冷卻和電弧控制流體的通道；以及電源，其通常在電極與噴嘴之 間的氣體中產(chǎn)生引導電弧，然后產(chǎn)生等離子體電弧——從電極到加工件的離子化氣體的導 電流。該氣體可以是非氧化性的，例如氮氣、氬氣/氫氣或氬氣，或者是氧化性的，例如氧氣 或空氣。美國專禾IjNo. 4，791，268,4, 902，871,5, 170，033,5, 317，126 以及 5，994，663 中描
述了這種一般類型的多種等離子體電弧焊炬，這些專利與本申請共同轉(zhuǎn)讓。等離子體電 弧焊炬和相關產(chǎn)品由包括海別得的多個制造商以多種型號出售。海別得出售的Powermax 1000牌焊炬是中等功率焊炬的代表，其使用空氣和/或氮氣(N2)作為加工氣體，且可用于 板制造和HVAC應用。海別得出售的Powermax 1650牌焊炬是通常使用空氣和/或氮氣作 為加工氣體的高功率焊炬的代表。在某些實施例中，高功率焊炬可以是水冷的，且用于穿刺 和切割厚金屬板，例如1英寸厚的軟鋼板。現(xiàn)參照圖1，示出了示出等離子體電弧焊炬系統(tǒng)10的代表性功能部件的框圖。該 等離子體電弧焊炬系統(tǒng)是“自給的”，因為它是能加工金屬材料而無需大體積的儲氣罐(以 及在某些實施例中，沒有連續(xù)的固定氣源)也無需通過電線連接到電網(wǎng)的便攜式系統(tǒng)。在 多個實施例中，該系統(tǒng)是移動的且可運輸?shù)?。在某些實施例中，該系統(tǒng)可被設置在可手持或 可運輸至本地和遠程位置以供使用的“公文包大小”(和/或手持)的外殼中。在其它實施 例中，該系統(tǒng)可更加緊湊，其包括可充電且可從設置在公文包大小的外殼中的電源移除以 供遠程使用的等離子體輸送裝置(例如大小與無繩電鉆的大小可比擬的系統(tǒng))。期望本發(fā)明的實施例可在建筑工地、農(nóng)業(yè)區(qū)使用、供緊急安全人員(例如消防員、警察等)、不可能或 不需要連接至電網(wǎng)的遠程位置處的工人使用、或供消費者在自己的后院使用。在一個示例性實施例中，系統(tǒng)10包括五個主要部件電源12、氣源14、傳輸介質(zhì) 16、控制器18以及等離子體輸送裝置20。電源12可以是可充電和/或可替換的(例如一個 或多個電池)。氣源14可以是一個或多個可替換和/或可充氣的儲氣罐或便攜式壓縮機。 傳輸介質(zhì)16可包括電氣傳輸能力和/或流體傳輸能力，且連接至等離子體輸送裝置20。該 電氣傳輸能力可包括電氣引線集合(諸如海別得公司制造的那些中的任一種)、總線或無 線連接。流體傳輸能力可包括流體導管?？刂破?8可包括電氣控制和/或流體控制(例 如扳機、繼電器、電磁閥、壓力調(diào)節(jié)器等)等離子體輸送裝置18可包括等離子體電弧焊炬， 諸如海別得公司制造的那些。該焊炬可通過操縱設置在設備18上的扳機(未示出)來啟 動。此外，系統(tǒng)10可包括多種用戶控制(未示出)，諸如電流限制開關、撥動開關、鍵盤、觸 摸墊、撥號盤、旋鈕或其它裝置，以使用戶能操縱或控制焊炬的參數(shù)。在某些實施例中，用于 本文中描述的自給等離子體電弧焊炬系統(tǒng)100的部件可應用于便攜式焊接裝置(未示出)。圖2是示出使用單個傳輸介質(zhì)24和單個控制器26的自給等離子體電弧焊炬系統(tǒng) 22的代表性部件的一個示例性實現(xiàn)的框圖?？刂破?6經(jīng)由公共電氣連接32(例如總線) 與電源28和氣源30通信。此外，控制器使用另一電氣連接32b與等離子體輸送裝置34通 信。電源36經(jīng)由傳輸介質(zhì)24向等離子體輸送裝置34提供電流，而氣源38經(jīng)由傳輸介質(zhì) 24向等離子體輸送裝置34提供氣體。在一個實現(xiàn)中，傳輸介質(zhì)24包括用于從電源36向 等離子體輸送裝置34提供電流的電氣引線集合，和用于從氣源38向等離子體輸送裝置34 提供氣體的流體導管。等離子體輸送裝置34可以是等離子體電弧焊炬。如上所述，系統(tǒng)22 還可包括用于控制焊炬的參數(shù)的用戶控制。自給等離子體電弧焊炬系統(tǒng)22的代表性部件 可應用于便攜式焊接裝置。圖3是示出便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)40的另一實現(xiàn)的框圖。該系統(tǒng)40使用 單個控制器42和一對傳輸介質(zhì)44、46?？刂破?2經(jīng)由第一電氣連接48與電源50通信， 并經(jīng)由另一電氣連接52與氣源54通信。控制器42也與等離子體輸送裝置56通信。電源 50經(jīng)由傳輸介質(zhì)44向等離子體輸送裝置56提供電流，而氣源54經(jīng)由傳輸介質(zhì)46向等離 子體輸送裝置56提供氣體。等離子體輸送裝置56可以是等離子體電弧焊炬。系統(tǒng)40還 可包括用于控制焊炬的參數(shù)的用戶控制(未示出)。在某些實施例中，該實現(xiàn)用于便攜式焊 接裝置。圖4是示出使用三個控制器62、64、66和兩個傳輸介質(zhì)68、70的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)60的實現(xiàn)的變化的框圖?？刂破?2經(jīng)由電氣連接72與電源74通信，并經(jīng) 由不同的電氣連接76與氣源78通信?？刂破?2經(jīng)由另一電氣連接82與等離子體輸送裝 置80通信?？刂破?4經(jīng)由兩個電氣連接84、86與傳輸介質(zhì)68通信。同樣，控制器66經(jīng) 由兩個電氣連接88、90與傳輸介質(zhì)70通信。電源裝置74通過傳輸介質(zhì)68向等離子體輸 送裝置80提供電流，而氣源78通過傳輸介質(zhì)70向等離子體輸送裝置80提供氣體。等離 子體輸送裝置80 (其可以是等離子體電弧焊炬)相對于加工件定位以用于切割操作。如前 所述，系統(tǒng)60還可包括用戶控制。在某些實施例中，該實現(xiàn)用于便攜式焊接裝置。圖5a、5b、5c以及5d是自給等離子體切割系統(tǒng)的多種物理分區(qū)配置的示例性實施 例。在某些實施例中，所述多種物理分區(qū)配置用于便攜式焊接裝置。
圖5a描述了分區(qū)成外殼區(qū)101和焊炬區(qū)102的等離子體焊炬系統(tǒng)100。在一個 實施例中，這兩個區(qū)被儲存在單個公文包樣式的外殼(未示出)中。該外殼可以是手持的， 以使用戶能將系統(tǒng)100攜帶至遠程位置。外殼部分101包括電源120、氣源124、傳輸介質(zhì) 126以及控制器128。等離子體輸送裝置122定位于焊炬部分102中。圖5b描述了被分區(qū)成焊炬附連部分201和焊炬部分202的等離子體焊炬系統(tǒng) 200。在一個實施例中，這兩個區(qū)被儲存在單個公文包樣式的外殼中。附連部分201 (例如 附連模塊、罐或可充裝/可再充裝單元)可被認為類似于可移動電池組，除了它包括電源 212和氣源214之外。焊炬部分202包括傳輸介質(zhì)216、控制器220以及等離子體輸送裝置 218。圖5c描述了具有單個外殼301 (或殼體)中的主要部件的等離子體焊炬系統(tǒng)300。 外殼部分301包括電源312、氣源314、傳輸介質(zhì)316、控制器320以及等離子輸送裝置318。圖5d描述了可被分區(qū)成外殼附連部分401 (例如附連模塊或可充裝/可再充裝單 元)、外殼部分402以及焊炬部分403的等離子體焊炬系統(tǒng)400。外殼部分402包括傳輸介 質(zhì)416和控制器418。等離子體輸送裝置418位于焊炬部分403中。在一個實施例中，這三 個部分儲存在用戶能手持的單個公文包樣式的外殼中。圖6是能切割加工件501的自給等離子體電弧焊炬系統(tǒng)500的詳細框圖。電源系 統(tǒng)包括一對可充電和/或可替換的電源502和504。在一個詳細實施例中，電源502是例 如由IMC Power公司制造的具有12V、1. 3安培小時、最大放電電流為19. 5安培的鉛酸電池 組。在一個詳細實施例中，電源502是聚合物鋰離子電池。在某些實施例中，升壓轉(zhuǎn)換器和 /或降壓轉(zhuǎn)換器可與電源508 —起使用，以增大提供給焊炬的電壓。實施例還可使用諸如 電壓步進技術之類的其它已知技術、自動變壓器以及多種其它電路來提高提供給焊炬的電 壓，從而使該電壓高于電池的電壓輸出氣源506可以是可替換和/或可充氣的氣瓶。在一 個實施例中，氣源506是例如由Pure Energy公司制造的具有3，000PSI容量的碳纖維纏繞 的氣瓶。電氣引線集合(未示出)提供電源502、504與焊炬508之間的通信路徑，而流體 導管(未示出)提供氣源506與焊炬508之間的流體流路徑。該系統(tǒng)包括等離子體電弧焊炬508，例如海別得公司制造的PAC 105手持焊炬?？?通過操縱扳機509來接通和切斷焊炬508。在操作期間，焊炬508經(jīng)由固態(tài)繼電器510從電 源502接收電流和電壓。在一個詳細實施例中，繼電器510是由Teledyne Relay公司制造 的具有100A、200VDC的直流固態(tài)繼電器。由電源502供電的引導電弧電路512被設置成在 焊炬508內(nèi)產(chǎn)生引導電弧。電路512可以是定制的設計或等離子體電弧技術領域中已知的 多種引導電弧電路中的任一種。氣源506經(jīng)由壓力調(diào)節(jié)器514和電磁閥516向焊炬508提供氣源。在一個詳細 實施例中，采用了具有3，000PSI輸入、2-80PSI輸出以及100PSI最大(例如由Premier Industries公司制造)的壓力降低調(diào)節(jié)器，以及使用24VDC線圈輸入、6瓦額定工作范圍以 及0.155的閥流量系數(shù)(Cv)的雙向電磁閥(例如由GEMS傳感器和控制器公司制造)。為操作系統(tǒng)500，對調(diào)節(jié) 器514進行調(diào)節(jié)以預設要提供給焊炬508的氣體的壓力 (例如調(diào)節(jié)至60psig)。在焊炬508相對于加工件501遠程定位的情況下，用戶拉扳機509 以接通繼電器510并激活引導電弧電路512。電磁閥516由電源504供電。氣流被建立，而 且利用引導電弧電路啟動引導電弧。此時，可將焊炬移動至更接近加工件501。
更具體而言，在繼電器510接通的情況下，電源504向引導電弧電路512提供電流和電壓，從而使引導電弧在焊炬508的電極與噴嘴之間形成。經(jīng)由閥516啟動氣流致使電極 與噴嘴之間的分離，從而啟動電弧并觸發(fā)等離子體。在等離子體氣體離開焊炬時，焊炬508 定位成緊鄰加工件501。引導電弧和氣流便于加工件501與電極之間的電氣路徑的形成。 最終，第二電弧在電極與加工件之間形成。引導電弧電路512可被配置成提供逐漸降低的 引導電弧電流，從而當引導電弧電流變成零且引導電弧本身消失時，第二電弧保留。在一個 示例中，焊炬508能產(chǎn)生30安培和100伏的轉(zhuǎn)移電弧大約30秒。還可利用圖6中描述的元件來形成便攜式焊接裝置。該焊接裝置可包括電源、氣 源、一個或多個控制器(類似于以上圖1-6中描述的控制器)以及傳輸介質(zhì)(類似于以上 圖1-6中描述的傳輸介質(zhì))。圖7a示出了戴有可穿戴的便攜式組件604的用戶601。等離子體電弧焊炬系統(tǒng) 600可包括可穿戴的便攜式組件604和等離子體輸送裝置(未示出)?？纱┐鞯谋銛y式組 件604中可包括一個或多個可充電或可替換的電源608和一個或多個可充氣或可替換的氣 源612。電源608和氣源612可去除。電源608和氣源612可類似于以上圖1_6中描述的 那些。在某些實施例中，等離子體單元616可包括在組件604中。等離子體單元616可包 括一個或多個控制器634(類似于以上圖1-6中描述的控制器)以及傳輸介質(zhì)或傳輸媒質(zhì) (類似于以上圖1-6中描述的傳輸介質(zhì))。電源608可包括插頭插座，而氣源612可包括 “快接”連接器，從而允許用戶601將等離子體單元616(諸如由Hypermax集團發(fā)行而由海 別得公司制造的Powermax 30 )插入組件604中?？纱┐鞯谋銛y式組件604可以是背包、前背包和/或肩帶安裝包。在某些實施例 中，可穿戴的便攜式部件604具有在組件604與用戶601之間的耐熱、不導電和/或耐沖擊 的保護層。組件604可以是可呼吸的材料，從而允許等離子體單元616和電源608的自然冷 卻。該組件604還可包括冷卻等離子體單元616和電源608 二者的中央冷卻室(未示出)。 組件604可以是剛性的、防火的，且可包括防彈外殼或框架。在某些實施例中，組件604包 括耗材保持器。在某些實施例中，組件604包括纖維纏繞復合罐。電源608、氣源612或等離子體 單元616可由一個或多個復合罐封裝，以減小組件604的重量，從而提高可便攜性。電流調(diào) 節(jié)器可用于電源608，以提高組件604的可便攜性。在某些實施例中，組件604包括儲存電力和氣體的電源608和氣源612。該組件可 不包括充裝機構，以提高該組件的可便攜性。在某些實施例中，可通過將組件604插入墻壁 中來對該組件604的電源608和氣源612進行充裝。在某些實施例中，組件604可放置在 擴展塢上或連接至擴展塢(在以下附圖8中進一步描述)，當組件604被儲存在該塢上時， 擴展塢對電源608充電和/或?qū)庠?12充氣。在某些實施例中，電源608和氣源612可 被封裝/組合以形成可脫離的可充裝或可重新充裝單元，諸如可與可穿戴式等離子體電弧 焊炬組件一起使用的附連模塊(例如附連部分201)。在某些實施例中，代替將組件604放 置在擴展塢上，僅附連模塊/單元(包括電源608和氣源612)可被放置在擴展塢上或連接 至擴展塢以便充裝。在某些實施例中，組件604包括可用作氣源612的氣體壓縮機。電源608可使用 氣體壓縮機對氣源612重新充氣。在某些實施例中，消除預流和后流步驟以保存來自電源608的電力和來自氣源612的氣體。對預流和后流步驟的消除可應用于以上關于圖1-6所 描述的實施例以保存電力和氣體。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬系統(tǒng)600包括充氣和充電指示器，這些指示 器可由用戶601查看，而無需去除組件604。指示器可表明電源608中剩余的電力或氣源 612中剩余的氣體。在一個實施例中，這些指示器可以是位于等離子體輸送裝置上的量規(guī)。 在另一實施例中，這些指示器可發(fā)出聽覺信號以警告用戶低電力和/或低氣體。在某些實 施例中，這些指示器包括讀數(shù)，該讀數(shù)指示用戶電源中剩余的電力何時達到最小閾值水平、 氣源中剩余的氣體何時達到閾值容量、或系統(tǒng)600中剩余的切割容量的量?；蛘撸甘酒骺?用于向用戶顯示等離子體電弧焊炬裝置還剩余多少操作時間(例如切割容量)，因為該裝 置需要電力和氣體二者來工作。
圖7b示出了圖7a中的用戶的替代示圖。便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)600包括 附連至可穿戴式組件604的等離子體輸送裝置620。在某些實施例中，等離子體輸送裝置 620包括從可穿戴式便攜式組件604延伸的等離子體焊炬。用戶601在操作該焊炬時可穿 戴該組件604，從而允許用戶601運輸?shù)入x子體系統(tǒng)600。該組件還可包括到等離子體輸送 裝置620的引線624。在某些實施例中，可形成到等離子體輸送裝置620的減短的引線長 度，以適應用戶601的臂長而不具有過多引線。該組件604可被形成為具有低高度，或可被形成為容納用戶601所穿戴的頭盔。在 某些實施例中，組件604不會延伸超過用戶的肩膀或包括頭盔切口。在某些實施例中，等離子體焊炬系統(tǒng)600包括遠程控制器，從而用戶601可調(diào)節(jié)電 源608、等離子體單元616和/或氣源612的設置，而無需取下組件604。在某些實施例中， 控制安裝在等離子體輸送裝置620上。如圖7a_b所描述的可穿戴便攜式組件604的部件，諸如電源608、氣源612、控制 器634、傳輸介質(zhì)、用于形成組件604的材料、氣體和電力指示器以及組件604的結構設計可
用于便攜式焊接裝置。圖8a是根據(jù)說明性實施例的用于可穿戴便攜式組件604的擴展塢625的部件的 框圖。擴展塢625包括塢端口 626，其被配置成接納組件604 ；第一連接器627，當組件604 入塢至塢端口 626時，該第一連接器627電耦合至電源608，并提供電力以對電源608充電。 擴展塢625還包括第二連接器628，當組件604入塢至塢端口 626時，該第二連接器628與 氣源612流體耦合，并提供氣體以對氣源612充氣。在某些實施例中，在組件604的氣源 612包括壓縮機的情況下，第一連接器627可用于對壓縮機供電以對氣源612重新充氣。在某些實施例中，可穿戴式組件604包括可脫離的可充裝或可重新充裝單元，諸 如包括氣源612和電源608的附連模塊(例如附連部分201)。在某些實施例中，代替將組 件604入塢，可將附連模塊(例如充裝單元)入塢至擴展塢625中，以對電源608充電和/ 或?qū)庠?12充氣。附連模塊可遠程連接至/附連至擴展塢625，其中電源608可通過導線 連接至擴展塢625，和/或氣源612可通過軟管連接至擴展塢625。附連模塊還可直接連接 至擴展塢625，其中電源608經(jīng)由電力連接627連接，而氣源612經(jīng)由氣體連接628連接。 在某些實施例中，在氣源612和電源608重新充裝之后，附連模塊從擴展塢中被去除，并被 包括到可穿戴式組件604中，以便可穿戴式組件604的操作。圖8b是便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)604’(類似于以上在圖1-6中所描述的示例性實施例)的擴展塢625’的部件的框圖。擴展塢625’包括被配置成接納便攜式等離 子體電弧焊炬系統(tǒng)604’的端口 626’。該便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)604’具有與以上 圖1-6中所述的電源和氣源相似的電源608’和氣源612’。擴展塢625’包括第一連接器 627’，當系統(tǒng)入塢至塢端口 626’時，該第一連接器627’電耦合至電源608’，并提供電力以 對電源608’充電。擴展塢625’還包括第二連接器628’，當系統(tǒng)入塢至塢端口 626’時，該 第二連接器628’與氣源612’流體耦合，并提供氣體以對氣源612’重新充氣。在某些實施 例中，在系統(tǒng)的氣源612’包括壓縮機的情況下，第一連接器627’可用于對壓縮機供電以對 氣源612’重新充氣。在某些實施例中，便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)604 ’包括可脫離的可充裝或可重 新充裝單元，諸如包括氣源612’和電源608’的附連模塊(例如附連部分201)。在某些實 施例中，代替將便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)604’入塢，可將附連模塊(例如充裝單元)入 塢至擴展塢625’中，以對電源608’充電和/或?qū)庠?12’充氣。附連模塊可遠程連接至 /附連至擴展塢625’，其中電源608’可通過導線連接至擴展塢625’，和/或氣源612’可通 過軟管連接至擴展塢625’。附連模塊還可直接連接至擴展塢625’，其中電源608’經(jīng)由電 力連接627’連接，而氣源612’經(jīng)由氣體連接628’連接。在某些實施例中，在氣源612’和 電源608’重新充裝之后，附連模塊從擴展塢中被去除，并被包括到便攜式等離子體電弧焊 炬系統(tǒng)604’中，以便便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)604’的操作。圖8c是用于便攜式焊接裝置604”的擴展塢625”的部件的框圖。擴展塢625”包 括被配置成接納焊接裝置604”的端口 626”。焊接裝置604”還可包括電源608”和/或氣 源612”。擴展塢625”包括第一連接器627”，當系統(tǒng)入塢至塢端口 626”時，該第一連接器 627”電耦合至電源608”，并提供電力以對電源608”重新充電。擴展塢625”還包括第二連 接器628”，當系統(tǒng)入塢至塢端口 626”時，該第二連接器628”與氣源612”流體耦合，并提供 氣體以對氣源612”重新充氣。在某些實施例中，在裝置604”的氣源612”包括壓縮機的情 況下，第一連接器627 ”可用于對壓縮機供電以對氣源612 ”重新充氣。在某些實施例中，焊接裝置604，，包括可脫離的可充裝或可重新充裝單元，諸如包 括氣源612”和電源608”的附連模塊(例如附連部分201)。在某些實施例中，代替將焊接 裝置604”入塢，可將附連模塊(例如充裝單元)入塢至擴展塢625”中，以對電源608”充 電和/或?qū)庠?12”充氣。附連模塊可遠程連接至/附連至擴展塢625”，其中電源608” 可通過導線連接至擴展塢625”，和/或氣源612”可通過軟管連接至擴展塢625”。附連模 塊還可直接連接至擴展塢625”，其中電源608”經(jīng)由電力連接627”連接，而氣源612”經(jīng)由 氣體連接628 ”連接。在某些實施例中，在氣源612，，和電源608 ”重新充裝之后，附連模塊 從擴展塢中被去除，并被包括到焊接裝置604”中，以便焊接裝置604”的操作。圖9是包括可穿戴式便攜組件604的等離子體電弧焊炬系統(tǒng)600的部件的框圖。 除電源608、氣源612以及等離子體單元616之外，可穿戴式組件604可包括冷卻等離子體 和電源608的冷卻裝置631。在某些實施例中，冷卻裝置631是冷卻室。在其它實施例中， 冷卻裝置631包括一個或多個冷卻室。在某些實施例中，等離子體單元616可包括一個或多個控制器634 (類似于以上圖 1-6中描述的控制器)以及傳輸介質(zhì)638或傳輸媒質(zhì)(類似于以上圖1-6中描述的傳輸媒 質(zhì))。在某些實施例中，可穿戴便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)600包括控制系統(tǒng)，該控制系
18統(tǒng)具有引導電弧電路512、固態(tài)繼電器510、壓力調(diào)節(jié)器514和/或如以上圖6所述控制電 流和/或氣體流量的電磁閥516。圖10是可穿戴便攜式組件604的示例性物理分區(qū)的框圖。在某些實施例中，該可 穿戴式組件604被封裝在外殼642中。在某些實施例中，外殼642是柔性材料，且被配置成 可穿戴式組件。在其它實施例中，外殼642設置在可穿戴式組件內(nèi)。雖然圖10示出了外殼642中的可穿戴式組件的示例，但其它物理分區(qū)裝置可用于 封裝組件604或該組件的多個部分。在某些實施例中，一個或多個外殼元件可用于封裝電 源608、氣源612、等離子體單元616或它們的任何組合。在某些實施例中，該外殼是柔性材 料，且被配置成可穿戴式組件。在其它實施例中，該外殼設置在可穿戴式組件內(nèi)。在其它實施例中，電源608、氣源612以及等離子體單元616未被封裝在外殼中，但 在結構上連接從而形成可穿戴式組件604。圖11是包括電源和氣源1101和接觸啟動焊炬 主體1110的接觸啟動等離子體系統(tǒng)1100的框圖。一般而言，接觸啟動等離子體系統(tǒng)1100 基本消除了添加用于在引導電弧模式與轉(zhuǎn)移電弧模式之間轉(zhuǎn)移的電路系統(tǒng)的需求。典型的 添加電路系統(tǒng)包括但不限于引導電弧電路的電流感測和邏輯控制。接觸啟動等離子體系統(tǒng) 1100通過利用無源引導電弧電路1124而消除了該需求。接觸啟動等離子體系統(tǒng)1100包括 焊炬主體1110、電源1120以及氣源1156。該焊炬主體包括電極(陰極)1112和噴嘴(陽 極)1114。電極1112和噴嘴1114最初相互接觸。電源1120包括電源1122和引導電弧啟 動電路1124。為啟動焊炬1110，通過電極1112和緊鄰的噴嘴1114提供低水平電流。之后，高 壓氣瓶/氣源1156向等離子體室1116提供氣體。該氣體具有足夠的壓力以將電極1112 和噴嘴1114分離。當電極1112和噴嘴1114分離時，引導電弧產(chǎn)生且氣體被離子化。引導 電弧由從電源1124通過電極1112和噴嘴1114流向引導電弧啟動電路1124的電流提供。 當分離距離增大時，離子化氣體減小了電極與加工件1150之間的電阻，從而在電極1112與 加工件1150之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電弧1158的低電阻電流路徑。轉(zhuǎn)移電弧由從電源1122流向加 工件1150的電流提供。此時，不再需要引導電弧，從而用于產(chǎn)生引導電弧的電流可被切換 至轉(zhuǎn)移電弧1158。如上所述，現(xiàn)有技術焊炬使用電流感測裝置和開關或類似裝置來使此轉(zhuǎn) 移生效，從而增加了整個系統(tǒng)的成本和大小。然而，引導電弧啟動電路1124通過使用無源 RC電路提供電流的無縫轉(zhuǎn)移。即，隨著RC電路中的電容器變得充電越來越多，引導電流自 然趨向于零，從而引導電路表現(xiàn)為如同它被非常高的電阻值或開關開路。一旦系統(tǒng)1100關 閉，流向等離子體室1116的氣體流就終止，且RC電路同時耗散，從而使其準備好下一啟動 序列。圖12是接觸啟動等離子體系統(tǒng)1100的詳細示意圖。該等離子體系統(tǒng)1100包括 焊炬主體1110、電源1120以及氣源1156。焊炬主體1110包括電極1112、噴嘴1114以及點火電路1140。電極1112和噴嘴 1114最初相互接觸。電極1112和噴嘴1114可被配置為正流型(blow-forward type)或倒 流型(blow-back type)，其中電極1112和噴嘴1114相對于彼此移動或平移或本領域已知 的任何類型。點火電路1140包括扳機1142、點火繼電器1144以及電源1146。在某些實施 例中，電源1146可包括串聯(lián)的一對12伏電池；然而，可使用本領域已知的任何電源類型。電源1120包括電源1122、引導電弧啟動電路1124以及引導電弧放電電路1130。電源1122可包括用于利用外置電源或能量儲存設備(例如電池)來工作的調(diào)節(jié)電子電路。 在某些實施例中，電源1122可包括串聯(lián)的12到16個12伏電池；然而，可使用本領域已知 的任何電源類型。弓丨導電弧啟動電路1124包括串聯(lián)耦合的引導電弧電容器1126和引導電 弧電阻器1128，用于形成無源RC電路。引導電弧電容器1126的值可在10微法與100，000 微法之間的范圍內(nèi)。引導電弧電阻器1128的值可在0. 1歐姆與100歐姆之間的范圍內(nèi)。在 某些實施例中，引導電弧電容器1126具有18，000微法的值，而引導電弧電阻器1128具有 5歐姆的值。引導電弧放電電路1130包括引導放電繼電器1132和引導放電電阻器1134。 在某些實施例中，引導放電繼電器1132是常閉繼電器，但也可以是本領域已知的任何類型 的繼電器。引導放電電阻器1134的值可在0.1歐姆與100歐姆之間的范圍內(nèi)。在某些實 施例中，引導放電電阻器1134具有5歐姆的值。氣源包括氣體電磁閥1152、氣體調(diào)節(jié)器1154以及氣瓶1155。氣體電磁閥1152允 許氣體流向等離子體室1116。氣體調(diào)節(jié)器1154控制流入等離子體室1116的氣壓量。氣瓶 1155包含要使用的氣體類型。為啟動焊炬1110，焊炬扳機1142接通；從而斷開引導放電繼電器1132且接通點 火繼電器1144。該接通導致電壓和電流從電源1122通過電極1112流向噴嘴1114。此夕卜， 所得的接通對氣體電磁閥1152供電，從而允許氣體流入等離子體室1116。當?shù)入x子體室 1116中的氣壓已經(jīng)升高至預定值時，電極1112或噴嘴1114開始移動/平移。氣壓可由氣體 調(diào)節(jié)器1154設定。在某些實施例中，該氣壓被設定為60psi。在某些實施例中，高壓空氣被 包含在高壓氣瓶1155中；然而，可使用任何類型的活性或非活性加壓氣體。在某些實施例 中，氣瓶1155可以是纖維纏繞的高壓氣瓶。在某些實施例中，氣瓶1155被充氣至4500psi， 其體積為92立方英寸。弓丨導/啟動電流還通過引導電弧電阻器1128并發(fā)地流向引導電弧電容器1126。 當?shù)入x子體室1116中的氣壓分離電極1112和噴嘴1114時，引導電弧電容器1126充電電 流產(chǎn)生使氣體離子化的引導電弧。引導電弧電容器1126充電電流的大小和該電流將流過 的時間長度由引導電弧電路1124的RC時間常數(shù)決定。引導/啟動電流使引導電弧電容 器1126開始充電(即儲能)。在某些實施例中，引導電弧電容器1126在電極1112與噴嘴 1114分離之前部分充電，并當引導電弧形成時繼續(xù)充電。在電極1112與噴嘴1114之間形成引導電弧產(chǎn)生到加工件1150的離子化電氣路 徑，從而導致主切割電流(轉(zhuǎn)移電弧)1158流向加工件1150。在某些實施例中，主切割電 流(轉(zhuǎn)移電弧)1158和電壓在數(shù)十微秒內(nèi)斜升至它們的最大工作值。引導電流以連續(xù)降低 的速率對引導電弧電容器1126繼續(xù)充電，直到電容器1126變得基本充滿電。使該電容器 充滿電所需的充電時間量僅由RC時間常數(shù)決定。此時，引導電弧電路1124自然斷開，且引 導電流停止流過引導電路1124，并且僅主切割電流(轉(zhuǎn)移電弧)1158流向加工件1150。因 此，無源引導電弧電路1124提供電流向加工件1150的無縫/自動/自然轉(zhuǎn)移。為關閉系統(tǒng)1103，釋放扳機1142，從而斷開點火繼電器1144并接通放電電路1130 的放電繼電器1132。放電繼電器1132的接通使引導電弧電容器1126通過引導放電電阻 器1134放電。等離子體系統(tǒng)1103現(xiàn)在準備好重新啟動。在某些實施例中，諸如經(jīng)由手動 操作的扳機手動啟動的等離子體焊炬，放電繼電器1132可被“雙極雙擲”開關型扳機替代， 其中該電路在釋放扳機時被放電。
流向加工件1150的電流的大小由電源1122的電流輸出容量和轉(zhuǎn)移等離子體電弧 的電氣特性決定。有助于單獨或組合控制焊炬的電流輸出容量的某些因素包括a)決定工 作等離子體電弧電壓和等離子體電弧的電阻性特性的耗材設計；b)總切割電路電阻；c)電 池充電狀態(tài)；以及d)電池開路電壓。本領域技術人員應當理解的是，還可考慮其它因素。圖13是根據(jù)說明性實施例的等離子體電弧焊炬系統(tǒng)2000的示意圖。該等離子體 電弧焊炬系統(tǒng)2000可包括控制單元2005和僅使用直流電源的焊炬2010。等離子體系統(tǒng) 的輸入2015可以是直流，而且系統(tǒng)中使用或由系統(tǒng)使用的所有電能(無論用于控制還是操 作)都可以是直流。系統(tǒng)2020的輸出也可以是直流?？刂茊卧?005可包括基本電氣和氣 體控制，諸如開_關開關和電磁閥。優(yōu)選地，本實施例中的控制單元缺少任何功率調(diào)節(jié)電路 系統(tǒng)(例如升壓電路、降壓電路、電壓步進電路系統(tǒng)、電壓調(diào)節(jié)電路或電流調(diào)節(jié)電路)，而且 不需要逆變器或高頻(例如M0SFET或raT)開關。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬系統(tǒng)2000是自給的便攜式等離子體電弧焊 炬系統(tǒng)。該自包含的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可包括外殼(未示出)、包括等離子體 電弧焊炬控制單元2005和等離子體電弧焊炬2010的等離子體電弧焊炬組件，該等離子體 電弧焊炬控制單元2005設置在外殼中并連接至該焊炬。等離子體電弧焊炬系統(tǒng)2000可包 括用于向等離子體電弧焊炬組件提供直流功率2015的電池，該電池相對于外殼設置，并向 焊炬電極提供相對于加工件的充足電壓，以允許焊炬在無需功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)的情況下工 作。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬系統(tǒng)2000還包括用于向等離子體電弧焊炬 組件提供氣體的便攜式氣源(未示出)，該氣源由該外殼(未示出)支承。該便攜式氣源可 以是高壓儲氣罐。在某些實施例中，自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)充分便攜以由用 戶在等離子體電弧焊炬工作期間完全手持或穿戴。在某些實施例中，電池和氣源是附連模 塊(以下進一步描述)的一部分，該附連模塊可從系統(tǒng)2000脫離。附連模塊通過用于電池 的電力連接或用于氣源的氣體連接來連接至等離子體電弧焊炬組件。附連模塊可通過用于 與電池傳輸功率的電連接或用于傳輸氣體的軟管連接中的至少一個來連接至等離子體電 弧焊炬組件。在某些實施例中，由電池提供給等離子體電弧焊炬組件的電壓大于工作電壓(例 如至少約45伏的直流功率)。該電池可向焊炬電極提供相對于加工件的充足電壓，而無需 包括例如電壓步進升高電路系統(tǒng)或高頻開關的功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)。直流輸入電壓2015可具有最小閾值電壓以使對輸入功率的調(diào)節(jié)需求最少或消除 該需求，或消除使用已知升壓或電壓步進技術來提高可用于切割的電壓的需求。多個實施 例利用聚合物鋰離子電池技術來實現(xiàn)這一目的。等離子體電弧焊炬組件2025 (例如控制單 元2005和焊炬2010)可具有通過電池或其它裝置提供的直流輸入2015，該直流輸入與使 等離子體電弧焊炬組件2025能切割加工件所需的最小電壓閾值一樣大或比之更大。例如， 在某些實施例中，提供大于80伏的直流輸入2015允許等離子體電弧焊炬組件2025使用輸 入能量2015，而無需步進升高該電壓。這導致更簡單、更輕、更小的等離子體電弧焊炬組件 (例如，其可包括控制單元2005)。不同的電壓量(例如來自更小或更低容量的電池，未示 出)還可用于其它目的，諸如焊炬開-關控制切換、氣體電磁致動、或可能受益于使用不同 電壓的其它功能。
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在某些實施例中，向等離子體電弧焊炬2025提供直流電壓2015的電源(例如電 池)可包括包含多個單元的模塊，該模塊具有儲能能力。電源可與重量輕的自給的便攜式 (例如手持的、可攜帶(例如肩帶)、可穿戴或可運輸?shù)?等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的儲氣罐 組合。自給的系統(tǒng)可具有自己的電源或氣源或其二者。下表1示出了根據(jù)說明性實施例的 電池和儲氣罐(例如可充裝或可重新充裝單元)的不同的能量與重量比配置。表 1 一種模塊例如可包括10個電池單元，且可在42伏下工作。在某些實施例中，四個 模塊可串聯(lián)放置，從而得到向等離子體電弧焊炬提供148伏的電源。在某些實施例中，單個 模塊具有8Ah的儲存容量，該容量能提供約15分鐘的切割時間。在其它實施例中，單個模 塊具有2. lAh的儲存容量，其重量更輕，但仍能提供約4分鐘的切割時間。單個模塊的儲存容量與等離子體焊炬2025的切割時間以及可用于重量輕的自給 的便攜式(例如手持式、可攜帶(例如肩帶)、可穿戴或可運輸)等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的 電源和儲氣罐的重量相關。自給的系統(tǒng)可具有自己的電源或氣源或其二者。使用8Ah模塊 的電源和儲氣罐可重約72磅，從而導致18. 7的功率重量比。同樣，使用2. lAh模塊的電源 和儲氣罐可重約26磅，從而導致9. 8的功率重量比。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬系統(tǒng)2000是重量輕的便攜式等離子體電弧 焊炬系統(tǒng)。該系統(tǒng)2000可包括等離子體電弧焊炬組件，其包括等離子體電弧焊炬控制單 元和等離子體電弧焊炬；用于向等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池和用于向等離 子體電弧焊炬組件提供氣體的氣源，其中重量輕的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的功率重 量比至少約為80瓦每磅。根據(jù)便攜式(例如手持式、可攜帶(例如肩帶)、可穿戴或可運輸)的等離子體焊 炬系統(tǒng)的氣體儲存容量，可使用氣體儲存SCBA容器。此類容器的示例是可從Graham，NC的 Luxfer氣瓶公司(Luxfer Gas Cylinders ofGraham,NC)買到的L17D罐(參見http://www. luxfercylinders. com/products/lifesupport/specifications/us imperial, shtml)。充 氣至4500psi的這樣的罐可保持約17標準立方英尺的空氣，具有4. 57英寸的0D、11. 7英 寸的總長度、以及約110立方英寸的內(nèi)積。測試已經(jīng)顯示，這樣的空氣量足以支持30安培 下至少3至4分鐘時長的切割。在某些實施例中，儲氣容量可能有限。例如，一種用于產(chǎn)生用于材料的高溫熱處理 的等離子體電弧的便攜式等離子體電弧焊炬裝置可包括包括等離子體焊炬的等離子體輸 送裝置；具有電極和噴嘴的焊炬，該電極和噴嘴在它們之間限定等離子體室。該裝置可包括耦合至等離子體輸送裝置的可替換或可充電的電池，該電池用于向等離子體輸送裝置提供切割功率。該裝置還可包括可替換或可充氣的氣源，該氣源具有有限的氣體供應，且耦合至 等離子體輸送裝置以向該等離子體輸送裝置提供氣體；其中在氣源放氣期間，基本上所有 的氣體通過等離子體室排出。在某些實施例中，氣體流在等離子體啟動時基本同時地啟動。該氣體流在等離子 體電弧啟動之前不超過10秒的時刻啟動。在某些實施例中，氣體流在等離子體電弧終止時 基本同時地顯著減少或終止。該氣體流可在等離子體電弧終止之后不超過約10秒的時刻 顯著減少或終止。一種用于使便攜式等離子體電弧焊炬的氣體消耗最小化的方法可包括啟動從便 攜式的有限氣源到便攜式等離子體電弧焊炬的氣流。該方法還可包括啟動等離子體電??； 終止該等離子體電??；以及通過將在預流和后流條件期間在等離子體電弧焊炬的電極附近 的氣體流消除或顯著減少來犧牲電極壽命以使氣體消耗最小化至在等離子體電弧啟動之 前或終止之后小于約10秒，從而使氣體消耗最小化。作為示例，申請人已經(jīng)開發(fā)了完全自給(即自給的電源和氣源)的焊炬系統(tǒng)，該系 統(tǒng)在100伏下以30安培的輸出工作，其重量不超過37磅。該系統(tǒng)具有系統(tǒng)重量的81瓦/ 磅的功率重量比，且在必須對電源和儲氣罐重新充裝之前，可提供若干分鐘對1/4”軟鋼的 切割操作。重量為80磅的另一系統(tǒng)可切割相似的加工件長達20分鐘。證實本文中的技術 的第三種樣機能在可比擬的電壓下以80安培切割20分鐘。該系統(tǒng)重380磅，具有系統(tǒng)重 量的21瓦/磅的功率重量比，但有20分鐘的切割時長。該系統(tǒng)分別包括相應的切割氣體 量，以使該系統(tǒng)能如上所述地工作，切割氣體和相關外殼的重量包括在上述數(shù)據(jù)中。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬系統(tǒng)包括電池中剩余的電力、氣源中剩余的 氣體、系統(tǒng)中剩余的切割能力量或它們的任何組合的指示器。例如，一種自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可包括外殼；等離子體電弧焊 炬組件；用于向等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池；用于向等離子體電弧焊炬組 件提供氣體的氣源；以及表示電池的功率水平、電池中剩余的有用容量、氣源中剩余的氣 體、或系統(tǒng)中剩余的切割能力量中的至少一個的指示器。當氣源的氣體含量達到閾值水平 或當電池源的能量水平達到閾值水平時，該指示器可顯示標記。圖14A-C是根據(jù)不同的說明性實施例的包括能量水平指示器2035的等離子體電 弧焊炬系統(tǒng)2030的示意圖。該能量水平指示器2035可告訴用戶電池2040是否有足夠的 能量(例如功率或電壓)來切割加工件(例如金屬)。該指示器2035可以是諸如綠光/紅 光設置之類的通行/禁行指示器，或諸如量規(guī)或數(shù)字讀數(shù)之類的顯示不同能量水平(例如 功率或電壓)的可變指示器。電池電平指示器2035可位于多個位置處，諸如如圖14A所示 在電池2040本身上、在電池的外殼上、如圖14B所示在等離子體電弧焊炬組件2025的控制 面板上(例如控制單元)、或在可放置在便于用戶看見的位置處的系繩讀數(shù)上(例如很大程 度上類似于潛水員將使用遠程量規(guī)來查看安裝或附連或連接以便查看的顯示儲氣罐中的 空氣量的量規(guī))，如圖14C所示。指示器2035，可相對于能源2040設置(例如系繩讀數(shù))， 或指示器2035”可相對于控制單元2005設置(例如系繩讀數(shù))。能量水平指示器2035可 具有許多模式，諸如一直顯示讀數(shù)，或當電池2040功率達到閾值時顯示讀數(shù)，或當用戶提 示時顯示。能量水平指示器2035可包括功率何時達到最小閾值(例如電源已被消耗至接近最小閾值，該最小閾值可對應于系統(tǒng)的剩余工作或切割時間)、電源2040已被充電至閾值的標記或它們的任何組合。圖15A-C是根據(jù)不同的說明性實施例的包括氣體水平指示器2045的等離子體電 弧焊炬系統(tǒng)2030的示意圖。該氣體水平指示器2045可告訴用戶氣源2050是否有足夠的 氣體(例如壓力或流量)來切割加工件(例如金屬)。該指示器2045可以是諸如綠光/ 紅光設置之類的通行/禁行指示器，或可以是諸如量規(guī)或數(shù)字讀數(shù)之類的顯示不同氣體水 平(例如壓力或流量)的可變指示器。氣體水平指示器2045可位于多個位置中，諸如在氣 源2050本身上(如圖15A所示)、在氣源的外殼上、在如圖15B所示的等離子體電弧組件 2025的控制面板(例如控制單元)上、或在系繩讀數(shù)上。指示器2045，可相對于氣源2050 設置(例如系繩讀數(shù))，或指示器2045”可相對于控制單元2005設置(例如系繩讀數(shù))，其 可放置于方便用戶查看的位置(例如，很大程度上類似于潛水員將使用遠程量規(guī)來查看安 裝或附連或連接以供容易查看的顯示氣罐中的氣體量的量規(guī))，如圖15C所示。氣體含量指 示器2045可具有許多模式，諸如一直顯示讀數(shù)，或當氣源2050的氣體含量達到閾值時顯示 讀數(shù)，或當用戶提示時顯示。氣體含量指示器2045可包括氣體含量何時達到最小閾值(例 如氣體已被消耗至接近最小閾值，該最小閾值可對應于系統(tǒng)的剩余工作或切割時間)、電源 2040何時已被充電至閾值的標記或它們的任何組合。圖16A-B是根據(jù)不同說明性實施例的用于等離子體電弧焊炬組件2025的附連模 塊2055的示意圖。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬組件2025可包括等離子體電弧單 元(例如控制單元2005)以及附連模塊2055 (例如可附連或可連接單元)，該附連模塊2055 封裝/包含等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的氣源2050和電源2040。附連模塊2055 (例如可充電 和可充氣單元)可在等離子體電弧焊炬組件2025遠處，且通過導線和軟管連接，如圖16A 所示。如圖16B所示，附連模塊2055可物理附連至等離子體電弧焊炬組件2025，其可通過 導線和軟管連接或通過氣體連接和電力連接來直接連接。在某些實施例中，附連模塊2055 可被插入墻壁中，且等離子體電弧焊炬組件2025可在工作期間連接至附連模塊2055，從而 避免使用附連模塊2055中的電源2040 (例如電池)。在某些實施例中，等離子體電弧焊炬系統(tǒng)2000設計有設計用于低氣體消耗的有 限氣源2050。等離子體電弧焊炬組件2025可被設計成使電弧終止之后的氣體流最小化，以 使氣體消耗最小化。在某些實施例中，該氣體流在電弧終止之后少于30秒內(nèi)停止，和/或 該氣體流在電弧終止之后少于30秒內(nèi)減小。減少氣體消耗會是有好處的，因為系統(tǒng)的切割 時長得以提高，從而導致給定大小和重量的切割能力更多。減少氣體消耗也是有好處的，因 為有限氣源的大小可減小，從而導致更小、更輕、更便攜的等離子體電弧焊炬組件2025。在某些實施例中，附連模塊2055是用于便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的可充電 和可充氣單元。該可充電和可充氣單元可包括便攜式外殼(未示出)、相對于便攜式外殼設 置的切割氣體源(例如設置在外殼中或附連至外殼/或由外殼支承)以及提供充足直流功 率以供焊炬操作的電池，該電池相對于該便攜式外殼設置(例如設置在該外殼中)。該可充 電和可充氣單元可包括相對于該便攜式外殼設置的第一連接器組件，該第一連接器組件 包括用于接收氣體以對切割氣體源充氣的輸入(未示出)；相對于該便攜式外殼設置的第 二連接器組件，該第二連接器組件(未示出)包括用于接收充電以對電池充電的輸入。在某些實施例中，附連模塊2055的電池可提供充足的直流功率以供焊炬操作，而不需要功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)。第一連接器組件可包括適于與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)上的氣體 連接配合的輸出2042，。第一連接器組件可包括軟管2042，該軟管2042將可充電和可充氣 單元與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)連接。第二連接器組件還可包括適于與等離子體電弧焊炬系 統(tǒng)上的功率連接配合的輸出2041，。第二連接器組件還可包括導線2041，該導線2041將可 充電和可充氣單元與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)連接。 在某些實施例中，等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可包括等離子體電弧焊炬，其包括用于 從非便攜式電源接收遠程功率的電源引線和用于從非便攜式氣源接收焊炬氣體的氣體引 線。該系統(tǒng)還可包括用于從附連模塊2055的等離子體氣體切割源接收等離子體氣體的第 一連接器組件2042或2042，和用于從附連模塊2055的直流電池接收直流電功率的第二連 接器組件2041或2041’，以使得當電源引線和氣體引線未連接時，焊炬可僅使用來自第一 連接器2042或2042，的氣體和來自第二連接器2041或2041，的功率來工作。在某些實施 例中，附連模塊2055的電池提供充足電壓以供焊炬操作，而無需功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)(例如 電壓調(diào)節(jié)電路或電流調(diào)節(jié)電路)。提供充足電壓以供焊炬操作而無需功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)可 包括提供電壓，而不步進提高該電壓或執(zhí)行電壓的高頻切換。附連模塊2055的電池可向等 離子體電弧焊炬提供至少80伏的直流功率。在某些實施例中，一種自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)包括外殼(未示 出)；包括等離子體電弧焊炬控制單元2005和等離子體電弧焊炬2010的等離子體電弧焊 炬組件，該等離子體電弧焊炬控制單元2005設置在外殼中并連接至該焊炬；以及用于向等 離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池，該電池相對于外殼設置，并向焊炬電極提供至 少80伏的直流功率。在某些實施例中，一種用于加工材料的便攜式等離子體電弧焊炬裝置包括等離 子體輸送裝置(例如，其可包括等離子體電弧焊炬2010)；相對于等離子體輸送裝置設置的 可替換或可充電電池，該電池向等離子體輸送裝置提供至少約80伏；以及可替換或可充氣 的氣源，該氣源相對于等離子體輸送裝置設置，并向等離子體輸送裝置提供氣體以產(chǎn)生等 離子體電弧。圖17A-B是根據(jù)不同的說明性實施例的用于等離子體電弧焊炬組件2065的氣源 和/或電源的充裝單元2060的示意圖。該等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可包括充裝單元2060 (例 如可連接和/或可附連單元)，該單元2060可對氣源充氣和/或?qū)﹄娫闯潆?例如附連模 塊2055的氣源和電源)。充裝單元2060可在等離子體電弧焊炬組件2065遠處，并通過導 線和軟管連接，如圖17A所示。如圖17B所示，附連模塊2060可物理附連至等離子體電弧 焊炬組件2065 (例如控制單元2005和焊炬2010)，其可通過導線和軟管連接或通過氣體連 接和電力連接來直接連接。電源和氣源可分別封裝，連接至等離子體電弧焊炬組件2065或 在等離子體電弧焊炬組件2065遠處。充裝單元2060可補充便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的可充電和可充氣單元(例 如，諸如上述的附連模塊2055)。充電和充氣單元可包括到等離子體氣體切割源的連接； 到用于提供充電電力的電源的連接；用于向可充電和可充氣單元的氣源提供充氣的第一連 接器組件(例如諸如導線之類的遠程連接2067或諸如電力連接之類的直接連接2067’ )； 以及用于提供電力以對可充電和可充氣單元的電池充電的第二連接器組件(例如諸如軟 管之類的遠程連接2066或諸如氣體連接之類的直接連接2066，)。第二連接器組件2066或2066’可向可充電和可充氣單元提供直流電功率。在某些實施例中，當可充電和可充氣 單元安裝在充裝單元中時，第一連接器2067或2067，和第二連接器2066或2066，組件可 與可充電和可充氣單元上的相應的連接器配合。
圖18是示出根據(jù)現(xiàn)有技術的流過用風扇來冷卻功率電子電路的等離子體系統(tǒng) 2070的氣流2068和電流2069的示意圖。氣體從氣源2071流過功率電子電路2075中的流 量控制器流向焊炬2080和電弧2085，然后離開至大氣2090中。冷卻氣流2095通過風扇 2100進入，冷卻功率電子電路2075并離開返回大氣。電流2069流入和流出電源(例如電 池2105)從而對風扇2100供電，該風扇2100提供冷卻氣流2095以冷卻功率電子電路2075。 圖18中的設計的缺點在于，在電源有限的環(huán)境下(例如電池應用)，風扇從電源汲取功率。圖19是根據(jù)本發(fā)明的說明性實施例的流過無風扇(例如無源或無通風電路)的 氣體冷卻等離子體系統(tǒng)2116的氣流2110和電流2115的示意圖。在某些實施例中，來自等 離子體系統(tǒng)的切割氣體源(例如氣源2071)的氣體也用于冷卻功率電子電路2075。在無 風扇的氣體冷卻系統(tǒng)中，氣體從氣源2071流向功率電子電路2075，從而冷卻功率電子電路 2075。如本領域已知，功率電子電路2075可包括用于冷卻功率電子電路2075的一個或多 個散熱器。在某些實施例中，該氣體冷卻安裝至氣管的部件(例如，引導氣體通過散熱器的 中心以冷卻功率切換裝置)。然后氣體流向焊炬2080以產(chǎn)生等離子體電弧2085，然后排出 至大氣2090?？蓸嬒氲氖牵瑹o風扇的氣體冷卻等離子體電弧焊炬的概念可被引入如本文所 描述的等離子體電弧焊炬系統(tǒng)(例如圖1-17B中所描述和/或參照的等離子體電弧焊炬系 統(tǒng)和部件)中。在某些實施例中，無風扇的氣體冷卻系統(tǒng)2116可包括切割氣體源(例如氣源 2071)、等離子體電弧焊炬(例如焊炬2080)以及對等離子體電弧焊炬供電并設置在隔離外 殼中的電子電源(例如功率電子電路2075)。系統(tǒng)2116可包括設置在切割氣體源與電子電 源之間的導管，用于將切割氣體的至少一部分引導至散熱器以便冷卻該電子電源。該系統(tǒng) 2116還可包括設置在散熱器和等離子體電弧焊炬之間的第二導管，用于將切割氣體引導至 等離子體電弧焊炬。使用風扇(例如圖18中的風扇2100)消耗電功率，并減小了電池供電的系統(tǒng)的有 效容量。無風扇的氣體冷卻等離子體系統(tǒng)(例如使用切割氣體或其它焊炬氣體來冷卻功率 電子電路2075)不需要電功率來冷卻系統(tǒng)，從而讓電源2105中更多的功率(例如電池容 量)被輸送至電弧2085。例如，功率不需要從電源2105饋送至風扇以冷卻功率電子電路 2075。使用風扇通常還需要空氣路徑，該空氣路徑將功率電子電路2075暴露至外部污 染物。無風扇的氣體冷卻系統(tǒng)不需要外部氣流通過系統(tǒng)，這使系統(tǒng)更適合于在外殼中使用 (例如諸如背包、帆布袋等等之類的便攜式外殼或受約束的封裝)。通過在熱交換器中包含比風扇可能提供的壓降更大的壓降(從而更高效)，無風 扇的氣體冷卻系統(tǒng)還允許在設計熱交換器時的更多靈活性。更大的壓降可在氣源2071與 功率電子電路2075之間產(chǎn)生，并導致相比由等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的電源2105驅(qū)動的風 扇(例如圖18中的風扇2100)而言更多的熱交換和更好的冷卻能力。在某些實施例中，風扇可被包括到該系統(tǒng)中，以冷卻電源的磁部件。例如，氣流 2110可用于驅(qū)動該風扇，而不是使用電池來驅(qū)動該風扇。氣流2110可用于使葉輪轉(zhuǎn)動，從而使風扇轉(zhuǎn)動。來自電池的功率不需要用于使風扇轉(zhuǎn)動，而且控制系統(tǒng)不需要打開和關閉 風扇，因為如果有充足的氣流2110，則該風扇將一直運轉(zhuǎn)(例如在電源發(fā)熱的周期期間)。一種用于冷卻等離子體電弧焊炬的方法可包括提供切割氣體源、將切割氣體引 導至電子電源并用該切割氣體冷卻該電子電源、以及將切割氣體從電子電源引導至焊炬以 產(chǎn)生等離子體電 弧。雖然已經(jīng)參照特定實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應當理解 的是，可對其作出形式上和細節(jié)上的多種修改，而不背離上述描述的精神和范圍。
權利要求
一種自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)，包括外殼；等離子體電弧焊炬組件，所述等離子體電弧焊炬組件包括等離子體電弧焊炬控制單元和等離子體電弧焊炬，所述等離子體電弧焊炬控制單元設置在所述外殼中并連接至所述焊炬；以及用于向所述等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池，所述電池相對于所述外殼設置并向焊炬電極提供充足電壓，以在無需功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)焊炬操作。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述等離子體電弧焊炬控制單元包括開關 電開關和用于向所述等離子體電弧焊炬提供氣體的氣體控制。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括用于向所述等離子體電弧焊炬組件 提供氣體的便攜式氣源，所述氣源由所述外殼支承。
4.如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述便攜式氣源是高壓儲氣罐。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，由所述電池提供給所述等離子體電弧焊炬 組件的電壓至少約為45伏的直流電力。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電池向焊炬電極提供充足電壓而無需 包括電壓步進提高電路系統(tǒng)或高頻切換的功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng) 充分便攜，以由用戶在所述等離子體電弧焊炬工作期間完全手持或穿戴。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電池和氣源是附連模塊的一部分，所述 附連模塊能從所述系統(tǒng)脫離。
9.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述附連模塊通過用于所述電池的電力連 接或用于所述氣源的氣體連接來連接至所述等離子體電弧焊炬組件。
10.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述附連模塊通過用于與電池傳輸功率的 電連接或用于傳輸氣體的軟管連接中的至少一個來連接至所述等離子體電弧焊炬組件。
11.一種用于便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的可充電和可充氣單元，包括便攜式外殼；相對于所述便攜式外殼設置的切割氣體源；提供充足直流功率以供焊炬操作的電池，所述電池相對于所述便攜式外殼設置；相對于所述便攜式外殼設置的第一連接器組件，所述第一連接器組件包括用于接收氣 體以對所述切割氣體源充氣的輸入；以及相對于所述便攜式外殼設置的第二連接器組件，所述第二連接器組件包括用于接收充 電以對所述電池充電的輸入。
12.如權利要求11所述的可充電和可充氣單元，其特征在于，所述電池提供充足直流 功率以供焊炬操作而無需功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)。
13.如權利要求11所述的可充電和可充氣單元，其特征在于，所述第一連接器組件還 包括適于與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)上的氣體連接配合的輸出。
14.如權利要求11所述的可充電和可充氣單元，其特征在于，所述第一連接器組件還 包括將所述可充電和可充氣單元連接至等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的軟管。
15.如權利要求11所述的可充電和可充氣單元，其特征在于，所述第二連接器組件還包括適于與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)上的電力連接配合的輸出。
16.如權利要求11所述的可充電和可充氣單元，其特征在于，所述第二連接器組件還 包括將所述可充電和可充氣單元與等離子體電弧焊炬系統(tǒng)連接的導線。
17.一種用于補充便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)的可充電和可充氣單元的充裝單元， 包括到等離子體氣體切割源的連接； 到用于提供充電電力的電源的連接；用于向所述可充電和可充氣單元的氣源提供充氣的第一連接器組件；以及 用于提供電力以對所述可充電和可充氣單元的所述電池充電的第二連接器組件。
18.如權利要求17所述的充裝單元，其特征在于，所述第二連接器組件向所述可充電 和可充氣單元提供直流電力。
19.如權利要求17所述的充裝單元，其特征在于，當所述可充電和可充氣單元安裝在 所述充裝單元中時，所述第一和第二連接器組件與所述可充電和可充氣單元上的相應的連 接器配合。
20.一種等離子體電弧焊炬系統(tǒng)，包括等離子體電弧焊炬，所述等離子體電弧焊炬包括用于從非便攜式電源接收遠程電力的 電力引線，和用于從非便攜式氣源接收焊炬氣體的氣體引線；用于從附連模塊的等離子體氣體切割源接收等離子體氣體的第一連接器組件；以及 用于從所述附連模塊的直流電池接收直流電功率的第二連接器組件，以使得當所述電 力引線與所述氣體引線未連接時，所述焊炬能僅使用來自所述第一連接器的氣體和來自所 述第二連接器的電力而工作。
21.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述附連模塊的電池提供充足的電壓以 供焊炬操作而無需功率調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)。
22.如權利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，提供充足電壓以供焊炬操作而無需功率 調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)包括提供電壓，而不步進提高該電壓或執(zhí)行對所述電壓的高頻切換。
23.如權利要求20所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述附連模塊的電池向所述等離子體電 弧焊炬提供至少80伏的直流電力。
24.一種用于使便攜式等離子體電弧輝炬的氣體消耗最小化的方法，包括 啟動從便攜式的有限氣源到所述便攜式等離子體電弧焊炬的氣流；啟動等離子體電??； 終止所述等離子體電?。灰约巴ㄟ^將在預流和后流條件期間在所述等離子體電弧焊炬的電極附近的氣體流消除或 顯著減少來犧牲電極壽命以使氣體消耗最小化至在所述等離子體電弧啟動之前或終止之 后小于約10秒，從而使氣體消耗最小化。
25.—種自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)，包括 夕卜殼；等離子體電弧焊炬組件，所述等離子體電弧焊炬組件包括等離子體電弧焊炬控制單元 和等離子體電弧焊炬，所述等離子體電弧焊炬控制單元設置在所述外殼中并連接至所述焊 炬；以及用于向所述等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池，所述電池相對于所述外殼設 置，并向焊炬電極提供至少80伏的直流電力。
26.一種用于加工材料的便攜式等離子體電弧焊炬裝置，包括 等離子體輸送裝置；相對于所述等離子體輸送裝置設置的可替換或可充電電池，所述電池向所述等離子體 輸送裝置提供至少約80伏；以及相對于所述等離子體輸送裝置設置的可替換或可充氣的氣源，所述氣源向所述等離子 體輸送裝置提供氣體以產(chǎn)生等離子體電弧。
27.一種自給的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)，包括 夕卜殼；等離子體電弧焊炬組件；用于向所述等離子體電弧焊炬組件提供直流功率的電池； 用于向所述等離子體電弧焊炬組件提供氣體的氣源；以及表示所述電池的電力水平、所述氣源中剩余的氣體、或所述系統(tǒng)中剩余的切割容量中 的至少一個的指示器。
28.如權利要求27所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括當氣源的氣體含量達到閾值水平 或當所述電池源的能量水平達到閾值水平時顯示標記的指示器。
29.—種重量輕的便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)，包括包括等離子體電弧焊炬控制單元和等離子體電弧焊炬的等離子體電弧焊炬組件； 用于向所述等離子體電弧焊炬組件提供直流電力的電池；以及 用于向所述等離子體電弧焊炬組件提供氣體的氣源，其中所述重量輕的便攜式等離子 體電弧焊炬系統(tǒng)的功率重量比至少為約80瓦每磅。
30.一種用于產(chǎn)生用于材料的高溫熱處理的等離子體電弧的便攜式等離子體電弧焊炬 裝置，包括包括等離子體焊炬的等離子體輸送裝置，所述焊炬具有電極和噴嘴，所述電極與噴嘴 之間限定了等離子體室；耦合至所述等離子體輸送裝置的可替換或可充電的電池，所述電池用于向所述等離子 體輸送裝置提供切割功率；可替換或可充氣的氣源，所述氣源具有有限的氣體供給，且耦合至所述等離子體輸送 裝置以向所述等離子體輸送裝置提供氣體；其中在所述氣源排氣期間，基本上所有的氣體 通過所述等離子體室排出。
31.如權利要求30所述的裝置，其特征在于，所述氣體流在所述等離子體電弧啟動時 基本同時地啟動。
32.如權利要求31所述的裝置，其特征在于，所述氣體流在所述等離子體電弧啟動之 前不超過10秒的時刻啟動。
33.如權利要求30所述的裝置，其特征在于，所述氣體流在所述等離子體電弧終止時 基本同時地顯著減少或終止。
34.如權利要求33所述的裝置，其特征在于，所述氣體流在所述等離子體電弧終止之 后不超過10秒的時刻顯著減少或終止。
35.一種無風扇的氣體冷卻等離子體電弧焊炬系統(tǒng)，包括 切割氣體源；等離子體電弧焊炬；對所述等離子體電弧焊炬供電并設置在隔離外殼中的電子電源； 設置在所述切割氣體源與所述電子電源之間的導管，用于將所述切割氣體的至少一部 分引導至散熱器以便冷卻所述電子電源；以及設置在所述散熱器和所述等離子體電弧焊炬之間的第二導管，用于將所述切割氣體引 導至所述等離子體電弧焊炬。
36.一種用于冷卻等離子體電弧焊炬的方法，包括 提供切割氣體源；將所述切割氣體引導至電子電源，并利用所述切割氣體冷卻所述電子電源；以及 將所述切割氣體從所述電子電源引導至所述焊炬以產(chǎn)生等離子體電弧。
全文摘要
一種便攜式等離子體電弧焊炬系統(tǒng)可用于加工材料。該系統(tǒng)包括可替換或可充電的電源和可替換或可充氣的氣源?？刂破髋c電源或氣源中的至少一個通信。等離子體輸送裝置經(jīng)由控制器接收來自電源的電流和來自氣源的氣體，以在等離子輸送裝置的輸出端處產(chǎn)生等離子體電弧。該等離子體電弧可用于加工諸如金屬加工件之類的材料。該等離子體電弧焊炬可包括可穿戴式的便攜式組件，其包括可替換或可充裝的電源和氣源。等離子體輸送裝置從該組件中的電源接收電流，且從該組件中的氣源接收氣體以產(chǎn)生等離子體電弧。
文檔編號B23K10/00GK101849443SQ200880106744
公開日2010年9月29日 申請日期2008年9月10日 優(yōu)先權日2007年9月10日
發(fā)明者E·M·希普勒斯基, J·L·杰森, M·霍法, N·A·桑德斯 申請人:海別得公司