專(zhuān)利名稱(chēng)：具有電極消耗檢測(cè)系統(tǒng)的等離子弧炬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及等離子弧炬，具體地涉及所謂后吹型等離子弧炬。
背景技術(shù)：
通常使用等離子弧炬來(lái)切割或標(biāo)記金屬工件。一般來(lái)說(shuō)，等離子弧炬使用電極在 弧炬內(nèi)生成電弧。使高速的氣體流動(dòng)通過(guò)弧炬，并且電弧對(duì)氣體進(jìn)行電離，從而產(chǎn)生等離子 體。電離氣體或等離子體的高速氣流通過(guò)弧炬的噴嘴向著待切割的工件噴射。等離子體用 于把電從弧炬?zhèn)鲗?dǎo)到工件。按照該方式，等離子體將工件加熱，熔化切割位置處的金屬，并 且機(jī)械地吹走熔化的金屬以形成切口。在后吹型弧炬中，噴嘴一般相對(duì)于弧炬主體固定，而電極可以相對(duì)于噴嘴移動(dòng)。最 初，電極接觸噴嘴。當(dāng)例如通過(guò)用戶(hù)打開(kāi)啟動(dòng)器而啟動(dòng)后吹型弧炬時(shí)，在噴嘴與電極之間施 加了電壓差，并且等離子氣體(諸如空氣)穿過(guò)弧炬流動(dòng)到噴嘴。氣流將電極“向后吹”脫 離與噴嘴的接觸，建立起電極與噴嘴之間的引導(dǎo)電弧(pilot arc)。同時(shí)，氣體流出噴嘴，將 電弧傳導(dǎo)到工件以執(zhí)行弧炬操作。在前吹型弧炬中，電極一般相對(duì)于弧炬主體固定，而噴嘴可以相對(duì)于噴嘴移動(dòng)。如 同后吹型弧炬那樣，噴嘴最初接觸電極。但是，一旦啟動(dòng)了前吹型弧炬，并且在噴嘴與電極 之間施加了電壓差，則等離子氣體的流動(dòng)將噴嘴“向前吹”脫離與噴嘴的接觸。按照該方式， 在電極與噴嘴之間建立了引導(dǎo)電弧，并且氣體流出噴嘴，如上所述地將電弧傳導(dǎo)到工件。由于電極在等離子弧炬操作期間的消耗，經(jīng)常需要等離子弧炬(后吹型和前吹 型)的用戶(hù)更換在弧炬中使用的電極。使用過(guò)度消耗的電極可以造成等離子弧炬和工件的 損壞，并且更重要地，其可以對(duì)等離子弧炬的用戶(hù)造成安全問(wèn)題。因而申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有必要提供一種可以檢測(cè)出電極消耗并且可以防止使用過(guò) 度消耗的電極的等離子弧炬。如下面將更詳細(xì)地描述的，通過(guò)申請(qǐng)人的努力，已經(jīng)驗(yàn)明并克 服了各種挑戰(zhàn)以發(fā)明和開(kāi)發(fā)這樣的等離子弧炬。

發(fā)明內(nèi)容
因此，提供了等離子弧炬、電極和方法以允許用戶(hù)檢測(cè)電極的消耗。具體地說(shuō)，提 供了一種等離子弧炬，其包括止耗部，該止耗部被設(shè)計(jì)為檢測(cè)電極的消耗并且一旦該電極 受到一定量的消耗就阻止電極的使用。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，該等離子弧炬包括弧炬主體和限定了供氣體通過(guò)以流 向工件的孔的導(dǎo)電噴嘴。該弧炬還包括設(shè)置在所述弧炬主體內(nèi)的電極保持部和電極，所述 電極可脫開(kāi)地接合到所述電極保持部并且在向著所述噴嘴的反面的前向方向上從所述電 極保持部突出。所述電極限定了端面和軸向長(zhǎng)度L，該長(zhǎng)度L隨著所述電極的所述端面在所 述等離子弧炬的使用期間的消耗而減小。該弧炬還包括固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部。所述止耗部限定 了在軸向上與所述噴嘴的所述反面隔開(kāi)預(yù)定軸向距離D的第一接合表面。所述電極和所述噴嘴中的一個(gè)可以相對(duì)于所述電極和所述噴嘴中的另一個(gè)軸向地移動(dòng)，并且所述電極和所 述噴嘴中可以軸向移動(dòng)的所述一個(gè)限定了突起，該突起限定了第二接合表面。此外，所述止 耗部被這樣設(shè)置，即，在所述電極的所述端面的任何消耗前，在所述電極的所述端面與所述 噴嘴的所述反面電接觸的情況下，在所述止耗部的所述第一接合表面與所述突起的所述第 二接合表面之間存在軸向的間隙C。所述間隙C因而隨著所述電極的所述端面在所述等離 子弧炬的使用期間的消耗而減小。按照該方式，隨著所述間隙C減小到0，所述止耗部的所 述第一接合表面抵靠所述突起的所述第二接合表面，以在消耗超過(guò)預(yù)定量的情況下阻止所 述電極的所述端面與所述噴嘴的所述反面發(fā)生電接觸。因而，在一些實(shí)施方式中，所述噴嘴相對(duì)于所述弧炬主體固定，而所述電極可以相 對(duì)于所述弧炬主體軸向地移動(dòng)，并且所述突起從所述電極的外表面向外徑向延伸。在其它 實(shí)施方式中，所述噴嘴可以相對(duì)于所述弧炬主體軸向地移動(dòng)而所述電極相對(duì)于所述主體固 定，并且所述突起從所述噴嘴延伸。在一些情況下，該等離子弧炬還可以包括電連接到所述電極的電源。所述電源可 以配置為在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差以在所述電極與所述噴嘴電接觸時(shí)發(fā)出 引導(dǎo)電弧。該等離子弧炬還可以包括傳感器，該傳感器被配置為在施加所述電壓差時(shí)檢測(cè)在 所述電極與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。在一些情況下，所述電源可以包括所述傳感 器。此外，該等離子弧炬可以包括與所述傳感器通信的指示器。所述指示器可以被配置為 向用戶(hù)提供由所述傳感器檢測(cè)到的所述電路的所述狀態(tài)的指示。所述指示器可以被配置為 在檢測(cè)到所述電極與所述噴嘴之間的所述電路的所述狀態(tài)是電斷開(kāi)的情況下通知用戶(hù)。在一些情況下，所述長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于在所述止耗部接合到所述突起并阻止所述電極 的所述端面與所述噴嘴的所述反面電接觸前所述電極可以在所述等離子弧炬中使用的大 致時(shí)間量。所述弧炬主體和所述電極保持部可以被這樣配置，即，使所述電極保持部能夠容 納各在所述電極的所述端面的任何消耗前具有不同的長(zhǎng)度L的電極。因此，如果需要，弧炬 制造商或部件分銷(xiāo)商可以提供可以安裝在弧炬中的具有不同標(biāo)稱(chēng)使用壽命的電極。在其它實(shí)施方式中，提供了一種檢測(cè)等離子弧炬中的電極的消耗的方法，其中所 述等離子弧炬包括弧炬主體、導(dǎo)電噴嘴、設(shè)置在所述弧炬主體內(nèi)的電極保持部、以及可脫開(kāi) 地接合到所述電極保持部的電極，其中所述電極和所述噴嘴中的一個(gè)可以相對(duì)于所述電極 和所述噴嘴中的另一個(gè)軸向地移動(dòng)。該方法包括以下步驟設(shè)置突起，該突起從所述電極和 所述噴嘴中可以軸向地移動(dòng)的所述一個(gè)延伸出；和設(shè)置固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的不 導(dǎo)電的止耗部。所述止耗部被這樣設(shè)置，即，使所述突起僅在所述電極的軸向長(zhǎng)度L由于所 述電極的所述端面在所述等離子弧炬的使用期間的消耗而比預(yù)定長(zhǎng)度短的情況下才接合 到所述止耗部。在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差，并且在施加了電壓差的情況下檢 測(cè)在所述電極與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。在一些情況下，向用戶(hù)指示檢測(cè)到的所述電路的狀態(tài)。檢測(cè)到并向用戶(hù)指示的所 述電極與所述噴嘴之間的所述電路的所述狀態(tài)可以是電斷開(kāi)。此外，所述長(zhǎng)度L可以對(duì)應(yīng)于所述電極在所述止耗部接合到所述突起并阻止所述 電極的所述端面與所述噴嘴的所述反面電接觸前可以在所述等離子弧炬中使用的大致時(shí)間量。
在其它實(shí)施方式中，提供了一種等離子弧炬，該等離子弧炬包括弧炬主體、相對(duì)于 所述弧炬主體固定的導(dǎo)電噴嘴、以及設(shè)置在所述弧炬主體內(nèi)的電極保持部，所述電極保持 部可以相對(duì)于所述弧炬主體軸向地移動(dòng)。該弧炬還包括可脫開(kāi)地接合到所述電極保持部的 電極，其中所述電極的端面被配置為在所述電極保持部向著所述噴嘴移動(dòng)以發(fā)出引導(dǎo)電弧 并且所述端面的消耗小于預(yù)定量的情況下電接觸所述噴嘴的反面。所述電極限定了外表面 和從該外表面向外徑向延伸的突起。此外，所述電極具有在所述突起的面向前方的表面與 所述電極的所述端面之間限定的軸向長(zhǎng)度L。此外，該等離子弧炬包括固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部。所述 止耗部被這樣設(shè)置，即，使所述突起僅在所述電極的軸向長(zhǎng)度L由于所述電極的所述端面 在所述等離子弧炬的使用期間的消耗而比預(yù)定長(zhǎng)度短的情況下才接合到所述止耗部。所述 止耗部與所述電極的接合阻止所述電極向所述噴嘴軸向地移動(dòng)，使得所述電極的所述端面 的繼續(xù)消耗阻止所述端面與所述噴嘴之間的電接觸，并且避免發(fā)出所述引導(dǎo)電弧。在一些情況下，該等離子弧炬包括電連接到所述電極的電源。所述電源可以被配 置為在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差，以在所述電極與所述噴嘴電接觸的情況下發(fā) 出所述引導(dǎo)電弧。該等離子弧炬還可以包括傳感器，該傳感器被配置為在施加電壓差的情況下檢測(cè) 在所述電極與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。在一些情況下，所述電源包括傳感器。該 等離子弧炬還可以包括與所述傳感器通信的指示器。所述指示器可以被配置為向用戶(hù)提供 由所述傳感器檢測(cè)到的所述電路的所述狀態(tài)的指示。所述指示器可以被配置為在檢測(cè)到所 述電極與所述噴嘴之間的所述電路的所述狀態(tài)是電斷開(kāi)的情況下通知用戶(hù)。在一些情況下，所述長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于所述電極在所述止耗部接合到所述突起并阻止 所述電極的所述端面與所述噴嘴的所述反面電接觸前可以在所述等離子弧炬中使用的大 致時(shí)間量。所述弧炬主體和所述電極保持部可以被這樣配置，即，使所述電極保持部能夠容 納各在所述電極的所述端面的任何消耗前具有不同的長(zhǎng)度L的電極。在其它實(shí)施方式中，提供了一種等離子弧炬，該等離子弧炬包括弧炬主體、可以相 對(duì)于所述弧炬主體軸向移動(dòng)的導(dǎo)電噴嘴，其中所述噴嘴限定了突起。該弧炬還包括固定地 安裝在所述弧炬主體內(nèi)的電極保持部和可脫開(kāi)地接合到所述電極保持部的電極。所述電極 的端面被配置為在所述噴嘴向著所述電極移動(dòng)以發(fā)出引導(dǎo)電弧并且所述端面的消耗小于 預(yù)定量的情況下電接觸所述噴嘴的反面。該弧炬還包括固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的不 導(dǎo)電的止耗部。所述止耗部被配置為僅在所述電極的所述端面在所述等離子弧炬的使用期 間受到預(yù)定量的消耗的情況下才接合到所述突起。因而，所述止耗部與所述突起的接合阻 止所述噴嘴向著所述電極軸向地移動(dòng)，使得所述電極的所述端面的繼續(xù)消耗阻止所述端面 與所述噴嘴之間的電接觸，并避免發(fā)出所述引導(dǎo)電弧。該等離子弧炬還可以包括電連接到所述電極的電源以及傳感器。所述電源可以被 配置為在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差，以在所述電極與所述噴嘴電接觸的情況下 發(fā)出所述引導(dǎo)電弧。所述傳感器可以被配置為在施加所述電壓差的情況下檢測(cè)在所述電極 與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。在其它實(shí)施方式中，提供了一種在后吹型等離子弧炬中使用的電極。該電極被配 置為可以相對(duì)于所述等離子弧炬的噴嘴軸向地移動(dòng)并在所述等離子弧炬內(nèi)發(fā)出引導(dǎo)電弧。該電極限定了端面、軸向長(zhǎng)度L和外表面，并且該電極還限定了從所述外表面向外徑向延 伸的突起。所述突起被配置為在所述長(zhǎng)度L由于所述端面在所述等離子弧炬的使用期間的 消耗而比預(yù)定長(zhǎng)度短的情況下接合到設(shè)置在所述等離子弧炬內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部，使得所 述突起與所述止耗部的接合阻止所述電極向著所述噴嘴軸向地移動(dòng)，并且所述端面的繼續(xù) 消耗避免發(fā)起引導(dǎo)電弧。在一些情況下，該電極包括電極坯(electrode blank)，其在一端限定了孔；和 發(fā)射元件(emissive element)，該發(fā)射元件被配置為安裝在所述孔內(nèi)，使得所述電極的所 述端面包括所述電極坯的部分和所述發(fā)射元件的部分。因此，如下面更加詳細(xì)地描述的，提供了一種等離子弧炬和方法，以允許用戶(hù)檢測(cè) 電極的消耗。


因而，已經(jīng)在總體上描述了本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖進(jìn)行說(shuō)明，這些圖不一定按照 比例繪制，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式在工件上執(zhí)行弧炬操作的等離子弧炬的示意 圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施方式的后吹型等離子弧炬的截面圖；圖2A是沿圖1的線(xiàn)2A-2A截取的圖2的細(xì)節(jié)視圖，其示出了在電極的任何消耗之 前的等離子弧炬的電極，其中電極處于伸出的位置；圖2B是類(lèi)似于圖2A的視圖，其示出了在電極的任何消耗之前的電極，其中電極處 于縮回位置；圖3是類(lèi)似于圖2A的視圖，其示出了電極的一定消耗(電極突起不接合止耗部)；圖4是類(lèi)似于圖2A的視圖，其示出了與圖3相比的電極的進(jìn)一步的消耗(電極突 起接合到止耗部)；圖5是類(lèi)似于圖2A的視圖，其示出了電極的過(guò)度消耗(電極突起接合到止耗部， 電極不再能夠電接觸噴嘴)；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示例性實(shí)施方式的后吹型等離子弧炬的截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)示例性實(shí)施方式的包括電源、傳感器和指示器的等離子 弧炬的示意圖；以及圖8是圖1的等離子弧炬的電極保持部的詳細(xì)截面圖。
具體實(shí)施例方式下面將更加全面地參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，在附圖中示出一些但非全 部的實(shí)施方式。實(shí)際上，本發(fā)明可以按照多種不同形式實(shí)現(xiàn)，并且不應(yīng)該將本發(fā)明解釋為限 于這里所闡述的實(shí)施方式；相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本公開(kāi)滿(mǎn)足適用的法律要求。 相同的附圖標(biāo)記始終表示相同的元件。在圖1和圖2中示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的后吹型等離子弧炬10。弧炬10 包括弧炬主體12和相對(duì)于主體12固定在弧炬10的操作端14處的導(dǎo)電噴嘴15。如下面 更加詳細(xì)描述的，噴嘴15被配置為將等離子氣體20的高速氣流導(dǎo)向待切割或待標(biāo)記的工件25。按照該方式，在弧炬10內(nèi)發(fā)出的電弧可以通過(guò)等離子氣體20傳導(dǎo)到工件25，將該 工件加熱并熔化金屬以形成切口或標(biāo)記。轉(zhuǎn)到圖2A，等離子弧炬10包括以可脫開(kāi)的方式接合到電極保持部35的電極30。 例如，電極保持部35可以限定被構(gòu)造成容納在電極30的遠(yuǎn)端16(即，電極的距離弧炬10 的操作端14最遠(yuǎn)的一端)處形成在電極30的外表面31上的外螺紋39的內(nèi)螺紋孔37。因 而，如有需要，可以取下用完的電極并更換新的電極。電極30可以包括電極坯32和發(fā)射元件34。電極坯32可以由諸如銅、銅合金、銀 或銀合金的易蝕材料制成。此外，電極坯32可以在電極的近端17(即，電極的最靠近弧炬 的操作端14的一端)處限定孔40?？梢詫⒖?0構(gòu)造成容納發(fā)射元件34，發(fā)射元件34可 以由諸如鉿、鉿合金、鋯、鋯合金的易蝕材料、或本領(lǐng)域中已知并具有適當(dāng)特性的其它材料 制成。在一些情況下，發(fā)射元件34可以是圓棒的形式，并可以壓配合、用鋅銅合金釬接或嵌 入坯32的孔40中?？梢酝牡卦O(shè)置發(fā)射元件34和坯32以在電極30的近端17處形成既 包括發(fā)射元件34又包括坯32的端面42。電極保持部35設(shè)置在弧炬主體12內(nèi)，使得電極保持部35可以相對(duì)于主體42軸 向地移動(dòng)?？梢园凑湛擅撻_(kāi)的方式將電極30接合到電極保持部35，使得電極從電極保持部 在向著噴嘴15的反面45的向前的方向(即，在弧炬10的操作端14的方向)上突出。例 如，在圖2A中，電極保持部35可以沿軸線(xiàn)A移動(dòng)。因而，在電極坯32接合到電極保持部35 的情況下，如圖所示，電極保持部35的軸向移動(dòng)使電極30向著弧炬10的操作端14或遠(yuǎn)離 弧炬10的操作端14移動(dòng)。在這方面，在開(kāi)始弧炬操作之前，電極保持部35和電極30通常例如由于彈簧(未 示出)而偏向噴嘴15，使得電極30處于伸出位置。在該伸出位置中(圖2A示出)，電極30 的端面42與噴嘴15的反面45電接觸。參考圖2，一旦啟動(dòng)啟動(dòng)器11，電源(未示出)就 可以用于在電極30與噴嘴15之間施加電壓差，使電流在這二者之間流動(dòng)。大致與此同時(shí)， 諸如空氣的等離子氣體被允許通過(guò)管道13流入第一室19，在第一室19中，氣體的力克服了 電極保持部35的偏壓并使電極保持部35和電極30離開(kāi)噴嘴15。隨著電極保持部35在離開(kāi)操作端14的方向上移動(dòng)到縮回位置，如圖2B所示，在 電極30的端面42與噴嘴15的反面45之間產(chǎn)生了間隙G，并且可以在噴嘴15和電極30之 間的整個(gè)間隙G上建立起引導(dǎo)電弧50。更具體地說(shuō)，引導(dǎo)電弧50可以從發(fā)射元件34延伸 到噴嘴15的反面45，如圖2B所示。氣體經(jīng)過(guò)弧炬主體12中的一系列通道從第一室19流動(dòng)到第二室21 (即，由電極 30與噴嘴15之間的間隙G產(chǎn)生的空間，如圖2B所示)。噴嘴15限定了供氣體向著工件流 動(dòng)而經(jīng)過(guò)的孔55。因而，等離子氣體將電弧從噴嘴孔55 “吹”出，使得電弧可以被施加到工 件上?？梢园央娫磁渲脼樵陔娀膰娮靷鲗?dǎo)到工件時(shí)檢測(cè)阻抗的變化，作為結(jié)果，電源可以 從噴嘴斷開(kāi)并連接到工件。這時(shí)，還可以把電源設(shè)計(jì)為將流動(dòng)到工件的電流調(diào)整成用于切 割的操作程度。隨著弧炬操作的進(jìn)行，電極30的面42可以耗蝕并形成空穴60，如圖3至圖5所 示。電極30的耗蝕可以導(dǎo)致坯34的朝向弧炬10的操作端14延伸經(jīng)過(guò)發(fā)射元件34的部分 (例如，部分61)的過(guò)熱，這可以導(dǎo)致坯32中的裂縫和雙重放電，如在美國(guó)專(zhuān)利No. 6191381 中描述的，此處通過(guò)引證的方式將其內(nèi)容并入本文中。因而，噴嘴15和/或電極30可遭受相當(dāng)大的損壞。結(jié)果，為了避免嚴(yán)重故障，用戶(hù)常常必須比實(shí)際上需要的更頻繁地更換電極 30。在諸如圖6中示出的弧炬100的前吹型等離子弧炬中，噴嘴15可以相對(duì)于弧炬主 體12軸向地移動(dòng)，并且電極保持部35和電極30相對(duì)于主體12固定。因而，為了啟動(dòng)弧炬 操作，噴嘴15最初例如由于彈簧(未示出)而接觸到電極30的端面42，并且一旦在電極 30與噴嘴15之間施加電壓差，等離子氣體的流動(dòng)就使噴嘴15離開(kāi)電極30，以建立間隙并 在整個(gè)間隙上發(fā)出引導(dǎo)電弧。因而，這里所描述的等離子弧炬10、100的實(shí)施方式可以用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電極30的最 大使用，同時(shí)檢測(cè)電極何時(shí)受到過(guò)度的消耗，使得在故障之前可以更換電極。在這方面，后 吹型等離子弧炬10包括不導(dǎo)電的止耗部65，止耗部65被配置為在電極的近端17受到一定 量的消耗的情況下限制電極30向前方移動(dòng)。同理，前吹型等離子弧炬100包括不導(dǎo)電的止 耗部65，止耗部65被配置為在電極充分消耗的情況下限制噴嘴15向后方移動(dòng)。因而，盡管 下面大部分描述參照諸如圖2至圖5中示出的弧炬10的后吹型等離子弧炬，但實(shí)施方式可 以適用于諸如如下所述的圖6中示出的弧炬100的前吹型等離子弧炬。仍然參考圖2A的后吹型等離子弧炬，電極30可以限定從外表面31向外徑向延伸 的突起70。突起70可以圍繞電極30的部分或整個(gè)圓周延伸，或者突起可以由實(shí)現(xiàn)下面描 述的相同結(jié)果的多個(gè)小突出部或延伸部構(gòu)成。電極30限定了軸向長(zhǎng)度L。例如，在圖2A中，在突起70的面向前方的表面72與 電極30的端面42之間限定了長(zhǎng)度L。隨著電極30的端面42在等離子弧炬10的使用期間 消耗，如上所述，長(zhǎng)度L將減小。因而，為了發(fā)起每個(gè)隨后的焰炬操作，電極保持部35必須 移動(dòng)到比開(kāi)始前一次焰炬操作所需要的位置更靠前的位置，以獲得電極30的端面42與噴 嘴15的反面45之間的需要的電接觸，來(lái)發(fā)出引導(dǎo)電弧。例如，圖2A、圖3和圖4例示了“接觸位置”(即，在端面42接觸噴嘴15的反面45 的情況下電極30相對(duì)于弧炬主體12的位置)如何隨著電極30受到越來(lái)越多的消耗而移 動(dòng)到更接近弧炬10的操作端14的位置。例如，在圖2A中，電極30受到了較少的消耗，并 且電極30的相對(duì)接觸位置由參考點(diǎn)Pl指示。在例示了隨后的弧炬操作的圖3和圖4中， 電極30受到了越來(lái)越多的消耗，并且電極30的相對(duì)接觸位置分別由參考點(diǎn)P2和P3指示。 因而，如圖所示，由于圖4中的電極30的減小的長(zhǎng)度L，與標(biāo)記之前的接觸位置的參考點(diǎn)Pl 和P2相比，參考點(diǎn)P3更靠近弧炬10的操作端14。參考圖2A和圖3至圖5，止耗部65固定地安裝在弧炬主體12內(nèi)并且限定了在軸 向上與噴嘴15的反面45隔開(kāi)預(yù)定距離D的第一接合表面66 (例如，面向后方的表面)。在 這方面，止耗部65可以由諸如高溫塑料或陶瓷材料的不導(dǎo)電材料制成，并且可以具有包圍 電極30的相對(duì)于突起70更靠近端面42的部分的環(huán)形形狀。止耗部65的內(nèi)徑可以大于電 極30的被包圍部分的直徑，以提供介于電極30的外表面31與止耗部65之間的空間，并在 突起70與止耗部65不接合的情況下允許電極30的軸向移動(dòng)不受限制。同時(shí)，止耗部65 的內(nèi)徑可以小于在突起70的位置處測(cè)量的電極30的直徑，以在突起與止耗部接合的情況 下抵靠突起70。另選地，止耗部65可以包括相對(duì)于電極30呈包圍關(guān)系但并不圍繞電極30 的整個(gè)圓周延伸的一個(gè)或更多個(gè)不導(dǎo)電部分，使得止耗部分與電極30的突起70相互配合， 如下所述。
在一些情況中，止耗部65可以是弧炬主體12的一部分，或者與弧炬主體相互配合以 便于啟動(dòng)弧炬操作。例如，止耗部65可以是包括允許等離子氣體從第一室19流動(dòng)到第二室21 的通道的渦流擋板(swirl baffle)。該渦流擋板例如可以用于聚集氣體流并使氣體呈“漩渦狀” 地進(jìn)入第二室21，以抑制電弧從噴嘴和/或工件發(fā)散(例如，在電弧周?chē)a(chǎn)生氣體“鞘”)。在任何情況下，止耗部65都被這樣設(shè)置，即，在電極30的端面42的任何消耗之 前，電極長(zhǎng)度L超過(guò)距離D，例如如圖2A所示。在電極30的端面42與噴嘴15的反面45電 接觸的情況下，在止耗部65的第一接合表面66(例如，面向后方的表面)與第二接合表面 72(例如，突起的面向前方的表面)之間限定了軸向間隙C。因而，隨著電極30的端面42 在等離子弧炬10的使用期間逐漸消耗，間隙C減小，如圖2A、圖3和圖4所示。參考圖4，在間隙C減小到大約0 ( S卩，存在可以忽略的間隙)時(shí)，突起70的第二接 合表面72抵靠止耗部65的第一接合表面66。此時(shí)，電極30的長(zhǎng)度L可以足夠?qū)崿F(xiàn)端面42 與噴嘴15的反面45之間的接觸，如圖4所示。但是，一旦電極30繼續(xù)受到消耗，則止耗部 65阻止電極30的端面42與噴嘴15的反面45發(fā)生電接觸，如圖5所示。換言之，一旦止耗 部65接合到突起70，止耗部65與電極30的接合就阻止電極30向著噴嘴15進(jìn)行軸向移動(dòng) (例如，為了補(bǔ)償減小的電極長(zhǎng)度L)。因而，如圖5所示，一旦突起70接合到止耗部65，電 極30的端面42的繼續(xù)消耗就阻止端面42與噴嘴15之間的電接觸，并避免發(fā)出引導(dǎo)電弧 50。結(jié)果，電極30與噴嘴15的電接觸只可以在端面42的消耗小于預(yù)定量的情況下發(fā)生， 從而避免在電極30已經(jīng)受到特定量的消耗的情況下發(fā)出引導(dǎo)電弧50。如上所述，前面描述的實(shí)施方式的多個(gè)方面同樣適用于圖6所示的前吹型等離子 弧炬100。在圖6中，止耗部65固定地安裝在弧炬主體12內(nèi)并限定了在軸向上與噴嘴15 的反面45隔開(kāi)預(yù)定的距離D的第一接合表面66 (在此情況下，止耗部的面向前方的表面)。 在此情況下，由噴嘴15限定了突起70。例如，突起70可以是噴嘴的徑向延伸部分，其被配置 為隨著電極的端面42消耗而與止耗部65形成接合。這樣，如以上參考圖2A的后吹型等離 子弧炬10所述的那樣，一旦在止耗部的第一接合表面66與突起70的第二接合表面72 (在 該情況下，突起的面向后方的表面)之間限定的間隙C減小到大約0，隨著電極受到進(jìn)一步 消耗，噴嘴15的反面45就不再能夠接觸到電極30的端面42。在一些實(shí)施方式中，在等離子弧炬10、100的任一類(lèi)型中，等離子弧炬10、100都包 括電連接到電極30的電源80，如圖7所示?？梢詫㈦娫?0配置為在電極30與噴嘴15之間 施加電壓差，以在電極30與噴嘴15電接觸的情況下發(fā)出引導(dǎo)電弧50，如上所述。換言之， 在電極30的端面42接觸噴嘴15的反面45的情況下，完成了電路81，并且在電極30與噴 嘴15之間施加的電壓差使電流在這兩個(gè)導(dǎo)體之間流動(dòng)。因而，隨著電極30離開(kāi)噴嘴15(例 如，如圖2B所示)，電流在形成在這兩個(gè)導(dǎo)體直徑的整個(gè)間隙C上建立起引導(dǎo)電弧50。因而，在一些實(shí)施方式中，弧炬10、100還可以包括傳感器85，傳感器85被配置為 在施加了電壓差的情況下檢測(cè)在電極30與噴嘴15之間限定的電路81的狀態(tài)?？梢詫?感器85包括在電源80上或包括在電源80內(nèi)，如圖7所示。另選地，傳感器85可以與電源 80物理地分離并區(qū)分，但可以與電源80通信或與電路81的另一部分通信。按照該方式，傳感器85可以檢測(cè)由電源80、電極30和噴嘴15限定的電路81的 電氣狀態(tài)。例如，在向電路81施加電壓差并且流動(dòng)電流流動(dòng)的情況下，傳感器85可以檢測(cè) 整個(gè)電路。另一方面，如果向電極30和噴嘴15施加電壓差但不存在電流的情況下，傳感器85可以檢測(cè)在傳感器85和噴嘴15和/或電路81的其它部分之間的電斷開(kāi)的狀態(tài)。等離子弧炬10、100還可以包括與傳感器85通信的指示器90?？梢詫⒅甘酒?0 配置為向用戶(hù)提供傳感器85檢測(cè)到的電路81的狀態(tài)的指示。例如，指示器90可以是諸如 在檢測(cè)到電斷開(kāi)時(shí)發(fā)光的燈或LED的視覺(jué)指示器。因而，當(dāng)用戶(hù)看到指示器的燈亮起時(shí)，用 戶(hù)就可以知道存在故障狀況。在一些情況下，指示器90可以是諸如在檢測(cè)到電斷開(kāi)時(shí)發(fā)出 聲音的嗶嗶聲或音樂(lè)的聽(tīng)覺(jué)指示器，或者指示器90可以是向用戶(hù)傳達(dá)電路狀態(tài)的任何其 它類(lèi)型的指示或指示的組合。指示器90可以是圖7所示的弧炬10、100的一部分(諸如在 弧炬上包括的燈)，或者指示器90的所在位置可以遠(yuǎn)離弧炬10、100 (諸如位于指示板上或 用戶(hù)可以使用的分離裝置上)。因而，如果在首次施加電壓差時(shí)電極30不接觸噴嘴15，則間隙G (例如，圖5所示) 將用作電路81中的斷路，因而電流將不能流過(guò)電路81。如圖5所示，電極30的端面42消 耗到軸向長(zhǎng)度L變得比距離D短的程度，這將產(chǎn)生止耗部65阻止端面42接觸噴嘴15的反 面45的情況。在此情況下，傳感器85可以在施加了電壓差的情況下檢測(cè)電斷開(kāi)，并且傳感 器85可以向指示器90發(fā)送信號(hào)以使指示器90諸如通過(guò)打開(kāi)指示燈以向用戶(hù)指示電路81 的狀態(tài)。光或其它指示因而將向用戶(hù)傳達(dá)這樣的信息電極30可能消耗到繼續(xù)使用該電極 可以對(duì)弧炬10、100或工件造成損壞的程度。用戶(hù)于是將更換電極30。在更換電極30卻不 能使弧炬返回到操作狀態(tài)的情況下，用戶(hù)可以選擇執(zhí)行其它診斷以確定電斷開(kāi)的原因。在后吹型等離子弧炬的一些實(shí)施方式中，電極30的長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于電極在止耗部65 接合到電極并阻止電極30的端面42與噴嘴的反面45發(fā)生電接觸之前在等離子弧炬10、 100中可使用的大約時(shí)間量。換言之，基于制作電極30的材料和在用于使特定的弧炬10、 100工作的電流水平情況下的預(yù)期消耗率，在使用電極30時(shí)，可以預(yù)期電極30持續(xù)一定的 時(shí)間量。例如，可以預(yù)期具有長(zhǎng)度Ll的特定類(lèi)型的電極在一定的條件(例如，在一定水平 的電流下工作)下持續(xù)使用達(dá)60分鐘?？梢灶A(yù)期由相同材料制成但具有比Ll長(zhǎng)的長(zhǎng)度L2 的另一個(gè)電極在相似條件下使用達(dá)90分鐘。等離子弧炬10、100因而可以配置為容納不同尺寸的電極30，允許用戶(hù)選擇具有 適用于給定的弧炬操作的預(yù)期持續(xù)時(shí)間的電極。在這方面，參考圖2A和圖6，可以將弧炬主 體12和電極保持部35配置(調(diào)整尺寸和形狀)為容納各在電極30的端面42的任何消耗 之前具有不同長(zhǎng)度L的電極30。轉(zhuǎn)到圖8，例如，可以將弧炬主體12配置為根據(jù)電極30的長(zhǎng)度L來(lái)允許在電極30 的任何消耗之前在突起70的面向前方的表面72與止耗部65的面向后方的表面66之間限 定不同尺寸的軸向間隙C。因而，與在任何消耗之前具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)度L2的電極相比，在任何 消耗之前具有較短的長(zhǎng)度Ll的電極30將導(dǎo)致較小的間隙C(和較短的標(biāo)稱(chēng)使用時(shí)間)；但 是，可以將弧炬主體12配置為容納這兩個(gè)尺寸的電極。結(jié)果，用戶(hù)可以選擇具有適合于待 執(zhí)行的特定弧炬操作的預(yù)期持續(xù)期間的電極。本文闡述的發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通過(guò)受益于前面說(shuō)明書(shū)和相關(guān) 附圖中給出的教導(dǎo)，將可以想到這些發(fā)明的許多變型和其它實(shí)施方式。因此，應(yīng)理解的是， 本發(fā)明并不局限于所披露的這些具體實(shí)施方式
，并且所有變型和其它實(shí)施方式都旨在包括 在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。雖然在這里采用了特定術(shù)語(yǔ)，但是它們只是在一般說(shuō)明性意義 上使用，而不是為了進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種等離子弧炬，該等離子弧炬包括弧炬主體；限定了供氣體通過(guò)以流向工件的孔的導(dǎo)電噴嘴；設(shè)置在所述弧炬主體內(nèi)的電極保持部；可脫開(kāi)地接合到所述電極保持部并在向著所述噴嘴的反面的前向方向上從所述電極 保持部突出的電極，所述電極限定了端面和軸向長(zhǎng)度L，所述長(zhǎng)度L隨著所述電極的所述端 面在所述等離子弧炬的使用期間的消耗而減?。灰约肮潭ǖ匕惭b在所述弧炬主體內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部，所述止耗部限定了與所述噴嘴的所 述反面軸向隔開(kāi)預(yù)定的軸向距離D的第一接合表面，其中，所述電極和所述噴嘴中的一個(gè)能夠相對(duì)于所述電極和所述噴嘴中的另一個(gè)軸向 移動(dòng)，并且所述電極和所述噴嘴中能夠在軸向上移動(dòng)的所述一個(gè)限定了突起，其中所述突 起限定了第二接合表面，其中，所述止耗部被這樣設(shè)置，即，在所述電極的所述端面的任何消耗之前，在所述電 極的所述端面與所述噴嘴的所述反面電接觸的情況下，在所述止耗部的所述第一接合表面 與所述突起的所述第二接合表面之間存在軸向間隙C，所述間隙C在所述等離子弧炬的使 用期間隨著所述電極的所述端面消耗而減小，并且其中，所述間隙C減小到0，并且所述止耗部的所述第一接合表面抵靠所述突起的所述 第二接合表面，以在消耗超過(guò)預(yù)定量時(shí)阻止所述電極的所述端面與所述噴嘴的所述反面發(fā) 生電接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧炬，其中，所述噴嘴相對(duì)于所述弧炬主體固定，并且 所述電極能夠相對(duì)于所述弧炬主體軸向地移動(dòng)，并且其中所述突起從所述電極的外表面向 外徑向延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧炬，其中，所述噴嘴能夠相對(duì)于所述弧炬主體軸向 地移動(dòng)，并且所述電極相對(duì)于所述弧炬主體固定，并且其中所述突起從所述噴嘴延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧炬，該等離子弧炬還包括電連接到所述電極的電 源，其中所述電源被配置為在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差以在所述電極與所述噴 嘴電接觸的情況下發(fā)出引導(dǎo)電弧。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子弧炬，該等離子弧炬還包括傳感器，該傳感器被配置 為在施加了所述電壓差的情況下檢測(cè)在所述電極與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子弧炬，其中，所述電源包括所述傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子弧炬，該等離子弧炬還包括與所述傳感器通信的指 示器，其中所述指示器被配置為向用戶(hù)提供由所述傳感器檢測(cè)的所述電路的所述狀態(tài)的指示。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的等離子弧炬，其中，所述指示器被配置為在檢測(cè)到所述電路 的所述狀態(tài)是所述電極與所述噴嘴之間的電斷開(kāi)的情況下通知用戶(hù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧炬，其中，所述長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于在所述止耗部接合到所 述突起并阻止所述電極的所述端面與所述噴嘴的所述反面發(fā)生電接觸之前所述電極能夠 在所述等離子弧炬中使用的大致時(shí)間量。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子弧炬，其中，所述弧炬主體和所述電極保持部被配置為使所述電極保持部能夠容納各在所述電極的所述端面的任何消耗之前具有不同長(zhǎng)度L 的電極。
11.一種檢測(cè)等離子弧炬中的電極的消耗的方法，其中，所述等離子弧炬包括弧炬主 體、導(dǎo)電噴嘴、設(shè)置在所述弧炬主體內(nèi)的電極保持部、以及可脫開(kāi)地接合到所述電極保持部 的電極，其中所述電極和所述噴嘴中的一個(gè)能夠相對(duì)于所述電極和所述噴嘴中的另一個(gè)軸 向地移動(dòng)，該方法包括以下步驟設(shè)置突起，該突起從所述電極和所述噴嘴中能夠軸向地移動(dòng)的所述一個(gè)延伸出來(lái)；設(shè)置固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部，其中所述消耗止動(dòng)部被這樣設(shè) 置，即，使所述突起僅在所述電極的軸向長(zhǎng)度L由于所述電極的端面在所述等離子弧炬的 使用期間的消耗而比預(yù)定長(zhǎng)度短的情況下才接合到所述止耗部；在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差；以及在施加了所述電壓差的情況下檢測(cè)在所述電極與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，該方法還包括向用戶(hù)指示檢測(cè)到的所述電路的狀態(tài) 的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，該方法還包括向用戶(hù)指示檢測(cè)到的所述電路的所述 狀態(tài)是所述電極與所述噴嘴之間的電斷開(kāi)的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于在所述止耗部接合到所述突 起并阻止所述電極的所述端面與所述噴嘴的反面發(fā)生電接觸之前所述電極能夠在所述等 離子弧炬中使用的大致時(shí)間量。
15.一種等離子弧炬，該等離子弧炬包括弧炬主體；相對(duì)于所述弧炬主體固定的導(dǎo)電噴嘴；電極保持部，該電極保持部設(shè)置在所述弧炬主體內(nèi)，使得所述電極保持部能夠相對(duì)于 所述弧炬主體軸向地移動(dòng)；可脫開(kāi)地接合到所述電極保持部的電極，其中所述電極的端面被配置為在所述電極保 持部向著所述噴嘴移動(dòng)以發(fā)出引導(dǎo)電弧并且所述端面的消耗小于預(yù)定量的情況下電接觸 所述噴嘴的反面，所述電極限定了外表面和從所述外表面向外徑向延伸的突起，所述電極 具有在所述突起的面向前方的表面與所述電極的所述端面之間限定的軸向長(zhǎng)度L ；以及固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部，其中所述止耗部被配置為僅在所述 長(zhǎng)度L由于所述電極的所述端面在所述等離子弧炬的使用期間的消耗而比預(yù)定長(zhǎng)度短的 情況下才接合到所述突起；其中，所述止耗部與所述電極的接合阻止所述電極向著所述噴嘴軸向移動(dòng)，使得所述 電極的所述端面的繼續(xù)消耗阻止在所述端面與所述噴嘴之間的電接觸，并且避免發(fā)出所述 引導(dǎo)電弧。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的等離子弧炬，該等離子弧炬還包括電連接到所述電極的電 源，其中所述電源被配置為在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差，以在所述電極與所述 噴嘴電接觸的情況下發(fā)出所述引導(dǎo)電弧。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的等離子弧炬，該等離子弧炬還包括傳感器，該傳感器被配 置為在施加了所述電壓差的情況下檢測(cè)在所述電極與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的等離子弧炬，其中，所述電源包括所述傳感器。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的等離子弧炬，該等離子弧炬還包括與所述傳感器通信的指 示器，其中所述指示器被配置為向用戶(hù)提供由所述傳感器檢測(cè)的所述電路的所述狀態(tài)的指示 ο
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的等離子弧炬，其中，所述指示器被配置為在檢測(cè)到所述電 路的所述狀態(tài)是所述電極與所述噴嘴之間的電斷開(kāi)的情況下通知用戶(hù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的等離子弧炬，其中，所述長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于在所述止耗部接合到 所述突起并阻止所述電極的所述端面與所述噴嘴的所述反面電接觸之前所述電極能夠在 所述等離子弧炬中使用的大致時(shí)間量。
22.根據(jù)權(quán)利要求15所述的等離子弧炬，其中，所述弧炬主體和所述電極保持部被這 樣配置，即，使所述電極保持部能夠容納各在所述電極的所述端面的任何消耗之前具有不 同長(zhǎng)度L的電極。
23.一種等離子弧炬，該等離子弧炬包括弧炬主體；能夠相對(duì)于所述弧炬主體軸向地移動(dòng)的導(dǎo)電噴嘴，其中所述噴嘴限定了突起；固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的電極保持部；可脫開(kāi)地接合到所述電極保持部的電極，其中所述電極的端面被配置為在所述噴嘴向 著所述電極移動(dòng)以發(fā)出引導(dǎo)電弧并且所述端面的消耗小于預(yù)定量的情況下電接觸所述噴 嘴的反面；以及固定地安裝在所述弧炬主體內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部，其中所述止耗部被配置為僅在所述 電極的所述端面在所述等離子弧炬的使用期間受到預(yù)定量的消耗的情況下才接合到所述 突起；其中，所述止耗部與所述電極的接合阻止所述噴嘴向著所述電極軸向移動(dòng)，使得所述 電極的所述端面的繼續(xù)消耗阻止所述端面與所述噴嘴之間的電接觸，并避免發(fā)出所述引導(dǎo) 電弧。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的等離子弧炬，該等離子弧炬還包括傳感器和電連接到所述 電極的電源，其中所述電源被配置為在所述電極與所述噴嘴之間施加電壓差，以在所述電 極與所述噴嘴電接觸的情況下發(fā)出所述引導(dǎo)電弧，并且其中所述傳感器被配置為在施加了 所述電壓差的情況下檢測(cè)在所述電極與所述噴嘴之間限定的電路的狀態(tài)。
25.一種在后吹型等離子弧炬中使用的電極，該電極被配置為能夠相對(duì)于所述等離子 弧炬的噴嘴軸向地移動(dòng)并在所述等離子弧炬內(nèi)發(fā)出引導(dǎo)電弧，其中，所述電極限定了端面、軸向長(zhǎng)度L和外表面，并且其中，所述電極還限定從所述外表面向外徑向延伸的突起，其中所述突起被配置為在 所述長(zhǎng)度L由于所述端面在所述等離子弧炬的使用期間的消耗而比預(yù)定長(zhǎng)度短的情況下 接合到設(shè)置在所述等離子弧炬內(nèi)的不導(dǎo)電的止耗部，使得所述突起與所述消耗止動(dòng)部的接 合阻止所述電極向著所述噴嘴軸向移動(dòng)，并且所述端面的繼續(xù)消耗避免發(fā)出所述引導(dǎo)電 弧。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的電極，其中，所述電極包括電極坯，該電極坯在一端處限定了孔；和發(fā)射元件，該發(fā)射元件被配置為裝配在所述鉆孔內(nèi)，使得所述電極的所述端面包括所 述電極坯的部分和所述發(fā)射元件的部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有電極消耗檢測(cè)系統(tǒng)的等離子弧炬。提供了一種包括止耗部的等離子弧炬，該止耗部被設(shè)計(jì)為檢測(cè)電極的消耗并且一旦電極受到一定量的消耗就阻止使用該電極。電極或噴嘴中的一個(gè)可以相對(duì)于弧炬主體移動(dòng)，并且可移動(dòng)的組件限定了突起。止耗部被設(shè)置為與弧炬的噴嘴相距預(yù)定距離，使得電極在受到過(guò)量的消耗前能夠接觸噴嘴并發(fā)出引導(dǎo)電弧以開(kāi)始弧炬操作。一旦電極的長(zhǎng)度由于消耗而變得比預(yù)定長(zhǎng)度短，電極的突起就接合到止耗部，并且止耗部阻止電極接觸噴嘴。按照該方式，在隨后的弧炬操作中就不能使用過(guò)度消耗的電極。
文檔編號(hào)B23K10/00GK101992339SQ201010257968
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2010年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者大衛(wèi)·C·格里菲 申請(qǐng)人:埃薩布集團(tuán)公司