本發(fā)明為分案申請，其母案的申請?zhí)枮?01480051613.6，申請日為2014年7月14日且發(fā)明名稱為“用于固定等離子體焊炬電極的裝置和方法”。

本發(fā)明涉及用于等離子體電弧焊炬電極的改進特征和用于促進在等離子體電弧焊炬中的對稱等離子體氣流以及在等離子體電弧焊炬內(nèi)對準(zhǔn)電極的方法。

背景技術(shù)：

材料加工裝置，比如焊炬系統(tǒng)（例如，等離子體焊炬系統(tǒng)）和激光廣泛地用于通常被稱為工件的材料的焊接、切割和標(biāo)記。典型的等離子體焊炬系統(tǒng)可以包含具有安置在焊炬主體內(nèi)的中心出口孔的噴嘴和電極、電連接、用于冷卻的通道、用于電弧控制流體（例如，等離子體氣體）的通道和電源這樣的元件。

可以以各種方式生成等離子體電弧。例如，通過各種接觸啟動式方法中的任一種可以在電極和噴嘴之間生成電弧。接觸啟動式方法常常涉及在電極和碰嘴之間建立物理接觸和/或電連通，并且在這兩個元件（電極和噴嘴）之間創(chuàng)建電流路徑。

電極和噴嘴常常被布置成使得它們在所述焊炬主體內(nèi)創(chuàng)建氣體腔。所述腔常常被布置成使得其能夠接收壓縮氣體（等離子體氣體）。在腔內(nèi)的氣體壓力可以增大直到其達到一點，在該點處，氣體壓力足以分離電極和噴嘴之間的接觸。此分離引起等離子體電弧在等離子體腔中的電極（陰極）和噴嘴（陽極）之間形成。

通常，等離子體電弧包含具有高溫和高動量的氣體的受限電離噴射。所述電弧電離等離子體氣體以產(chǎn)生等離子體噴射，其可被轉(zhuǎn)移到工件以進行材料加工。

材料加工設(shè)備（例如，等離子體電弧焊炬）的某些部件會由于使用隨時間的推移而劣化。這些部件通常稱為“消耗品”。典型的焊炬消耗品可以包含電極、渦流環(huán)、噴嘴和護罩。

此外，在啟動等離子體電弧焊炬的過程中，所述消耗品可能變得未對準(zhǔn)。這樣的未對準(zhǔn)可以縮短焊炬消耗品的預(yù)期壽命并且降低等離子體噴射位置的精度和可重復(fù)性。盡管這些可消耗部件可在現(xiàn)場被容易地替換，但是替換可消耗部件可能導(dǎo)致停工時間及降低的生產(chǎn)力。因此，電極在等離子體電弧焊炬內(nèi)的恰當(dāng)對準(zhǔn)對于確保合理的可消耗壽命和切割精度是必要的。

進一步地，等離子體氣流圖案中的不一致可以通過降低焊炬切割速度和可消耗品預(yù)期壽命不利地影響焊炬性能。因此，維持對稱的等離子體圖案對實現(xiàn)合理的等離子體切割性能是重要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在此描述的一些實施例涉及獲得改進的焊炬性能以及通過利用促進等離子體氣體的均勻氣流分布的電極特征實現(xiàn)可消耗品預(yù)期壽命。

在一個方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極包含大體柱形的細(xì)長主體、流動通道和凸緣。所述電極主體由導(dǎo)電材料形成并且包含近端端部和遠(yuǎn)端端部。所述電極主體的所述遠(yuǎn)端端部可包含發(fā)射插入物。所述流動通道圍繞相對于所述細(xì)長主體的所述近端端部的第一表面被設(shè)置并且被布置成引導(dǎo)冷卻氣流圍繞所述細(xì)長主體的所述第一表面。所述凸緣被設(shè)置在所述流動通道和所述細(xì)長主體的所述遠(yuǎn)端端部之間。所述凸緣從所述細(xì)長主體的第二表面徑向地延伸并且被配置成圍繞所述細(xì)長主體的所述遠(yuǎn)端端部建立等離子體氣流的基本對稱的氣流分布。

在另一個方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含由導(dǎo)電材料形成的大體柱形的細(xì)長主體、螺旋流動通道和徑向延伸部。所述細(xì)長主體包含連接到的所述等離子體電弧焊炬的電源的前端端部和接收發(fā)射元件的后端端部。所述螺旋流動通道圍繞相對于所述細(xì)長主體的所述前端端部的第一表面設(shè)置并且被配置成圍繞所述細(xì)長主體的所述第一表面運送冷卻氣流。所述徑向延伸部被設(shè)置在定位在所述螺旋流動通道和所述細(xì)長主體的所述后端端部之間的所述細(xì)長主體的第二表面上并且被配置成圍繞所述細(xì)長主體的所述后端端部建立等離子體氣流的基本均勻分布。

又在另一個方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含由導(dǎo)電材料形成的大體柱形的細(xì)長主體和凸緣。所述細(xì)長主體可具有布置成連接到所述等離子體電弧焊炬的電源的近端端部和布置成接收發(fā)射元件的遠(yuǎn)端端部。所述凸緣圍繞相對于所述細(xì)長主體的所述遠(yuǎn)端端部的表面設(shè)置。所述凸緣可以從所述細(xì)長主體的所述表面徑向地延伸并且可被配置成圍繞所述細(xì)長主體的所述遠(yuǎn)端端部建立等離子體氣流的均勻氣流分布。

在另一個方面中，描述了一種用于提高在用于等離子體電弧焊炬的電極的遠(yuǎn)端處的等離子體氣流的均勻性的方法。供給氣流鄰近徑向延伸部地被引入，所述徑向延伸部被設(shè)置在靠近具有發(fā)射元件的電極主體的主體的遠(yuǎn)端端部的遠(yuǎn)端表面處。所述供給氣流被分成等離子體氣流和冷卻氣流。所述冷卻氣流被引導(dǎo)到流動通道，所述流動通道被設(shè)置在所述電極主體的近端表面上并且相對于所述電極主體的近端端部被定位。所述流動通道引導(dǎo)所述冷卻氣流圍繞所述電極的所述近端表面以冷卻所述電極的所述近端表面。所述等離子體氣體在所述徑向延伸部上流過，以將圍繞所述電極的所述遠(yuǎn)端端部的所述等離子體氣流的徑向?qū)ΨQ氣流分布從所述冷卻氣流中分離出來。

在一個方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含具有設(shè)置在第一端部和第二端部之間的中心軸線的導(dǎo)電主體和與所述導(dǎo)電主體的所述第一端部電連通的接觸元件。所述導(dǎo)電主體是可以在中空焊炬構(gòu)件內(nèi)沿所述中心軸線移動，并且所述導(dǎo)電主體的所述第二端部可被配置成接收發(fā)射元件。所述接觸元件可包含近端端部和遠(yuǎn)端端部。所述遠(yuǎn)端部分可被配置成向所述電極的所述導(dǎo)電主體的所述第一端部提供焊炬電流。所述近端端部可包含頭部部分，所述頭部部分在所述焊炬內(nèi)從焊炬主體接收焊炬電流。所述接觸元件的所述近端端部可以在所述頭部部分的外周處具有特征部，所述特征部將所述電極固定在所述中空焊炬構(gòu)件的端部處。所述接觸元件的所述近端端部和所述特征部可以創(chuàng)建一表面，所述表面具有大于所述中空焊炬構(gòu)件的內(nèi)直徑的直徑。

在另一個方面中，用于等離子體電弧焊炬的電極可以包含導(dǎo)電主體和接觸元件。所述導(dǎo)電主體可具有最外層直徑、第一端部和第二端部。所述導(dǎo)電主體的所述第二端部可被配置成接收發(fā)射元件。所述接觸元件與所述電極的所述導(dǎo)電主體的所述第一端部電連通并且包含近端端部、底座部分和遠(yuǎn)端部分。所述近端端部包含頭部部分，其包含配置成從所述焊炬接收焊炬電流的焊炬主體接觸表面。所述底座部分包含大于所述電極主體的最外層直徑的外部寬度并且被配置成將所述接觸元件定位在所述等離子體電弧焊炬內(nèi)。所述遠(yuǎn)端部分包含配置成與所述電極主體可滑動地接合且向所述導(dǎo)電主體的所述第一端部提供所述焊炬電流的接觸表面。

在又另一個方面中，用于等離子體電弧焊炬的渦流環(huán)可以包含具有第一端部和第二端部的中空主體。所述中空主體的尺寸可設(shè)計成接收用于所述等離子體電弧焊炬的電極。所述中空主體的所述第一端部可以靠近焊炬主體接觸表面地被設(shè)置并且包含配置成符合所述電極的接觸元件的表面并與其接合的嵌套區(qū)域以軸向地對準(zhǔn)所述接觸元件，并且所述中空主體的所述第二端部可以具有鄰近所述電極主體的外部表面的內(nèi)部表面。

在另一個方面中，突出了用于在等離子體電弧焊炬內(nèi)對準(zhǔn)電極的方法。所述電極包含接觸元件和細(xì)長主體。所述電極可被插入到可替換部件的中空主體的第一端部中，使得所述細(xì)長主體延伸到所述中空主體中并且所述接觸元件與所述第一端部接合。所述接觸元件可以被固定在所述中空主體和焊炬結(jié)構(gòu)之間。所述焊炬結(jié)構(gòu)可具有延伸穿過其中的縱向軸線。所述接觸元件被固定使得其通過使所述接觸元件的表面與所述中空主體的對應(yīng)表面能夠配合接觸導(dǎo)致所述細(xì)長主體沿所述縱向軸線對準(zhǔn)。

在其他示例中，上述方面中的任一個，或本文中描述的任何裝置或方法可以包含一個或多個下述特征。

所述流動通道可以包含圍繞所述細(xì)長主體的所述第一表面設(shè)置的至少一個螺旋凹槽。由所述流動通道限定的徑向高度可以大于由所述凸緣限定的徑向高度。所述流動通道可以包含圍繞所述細(xì)長主體的所述第一表面設(shè)置的一個或多個散熱片。所述凸緣可被布置成充分地維持所述等離子體氣流沿所述細(xì)長主體的壓力。例如，所述凸緣可被布置成確保所述等離子體氣流經(jīng)歷非常低（例如，零或近似為零）的壓降穿過所述凸緣。

所述凸緣可被配置成沿所述細(xì)長主體的所述第二表面圓周地延伸。所述凸緣可以包含沿其表面的一個或多個間斷。所述凸緣可以被布置成使所述冷卻氣體的非對稱流動圖案與基本上對稱的等離子體氣流分布中充分地隔離。

所述徑向延伸部可以圍繞所述細(xì)長主體的所述第二表面周向地延伸。所述螺旋流動通道可以包含兩個或多個螺旋流動凹槽，并且所述流動凹槽可以繞所述電極主體的所述第一表面均勻地分布。所述徑向延伸部可以用來使所述冷卻氣流的非對稱流動圖案與繞所述電極的所述遠(yuǎn)端端部循環(huán)的徑向?qū)ΨQ等離子體氣流中充分地隔離。

所述接觸元件的所述遠(yuǎn)端部分可以包含具有與所述導(dǎo)電主體的中心軸線對準(zhǔn)的中心軸線的頸部部分。所述接觸元件的所述頸部部分可以被配置成與所述導(dǎo)電主體可移動地接合。所述接觸元件可以被固定在所述電極主體內(nèi)。

所述特征部可以將所述接觸元件和所述中空焊炬構(gòu)件與電極主體的中心軸線對準(zhǔn)。所述中空焊炬構(gòu)件可以是渦流環(huán)。

所述接觸元件的所述底座部分的外部寬度可以具有限定周向凸緣的外部直徑。所述底座部分可以包含對準(zhǔn)脊線、臺階、圖案、鍵槽或狹縫中的至少一個。所述外部寬度的周界可以是非圓形的。

所述電極主體可以包含冷卻結(jié)構(gòu)，并且所述電極主體的最外層直徑是所述冷卻結(jié)構(gòu)的外部直徑。所述冷卻結(jié)構(gòu)可以包含螺旋凹槽。所述電極可以包含彈性元件，其定位成偏置所述接觸元件遠(yuǎn)離所述導(dǎo)電電極主體。

所述嵌套表面可以將所述電極的所述接觸元件固定地固定在所述中空主體的所述第一端部和所述焊炬主體接觸表面之間。所述嵌套表面可以包含配置成徑向?qū)?zhǔn)所述接觸元件的輪廓、臺階或凸緣。所述嵌套表面可以包含特征部，其被配置成促進所述等離子體電弧焊炬的部件與所述中空主體的縱向軸線對準(zhǔn)。所述中空主體可以是所述等離子體電弧焊炬的可替換部件。所述可替換部件可以是渦流環(huán)。

所述接觸元件可以通過附接保持帽被固定以將所述電極和可替換部件保持在所述等離子體電弧焊炬內(nèi)。所述接觸元件可以通過沿所述縱向軸線施加壓力被固定，所述壓力促進所述電極的橫向?qū)?zhǔn)。通過使所述接觸元件的表面與所述中空主體的對應(yīng)表面能夠配合接觸，可以在所述中空主體內(nèi)徑向地對準(zhǔn)所述接觸元件。

附圖說明

通過參照結(jié)合附圖的以下描述，可以更好的理解上文所描述的本發(fā)明的優(yōu)點以及進一步的優(yōu)點。附圖不必然是按照比例繪制的，而是總體上應(yīng)將重點放在說明本發(fā)明的原理上。

圖1a是等離子體電弧焊炬的圖示。

圖1b是等離子體電弧焊炬的圖示。

圖1c是可用于接觸啟動式等離子體焊炬的電極的近端端部的圖示。

圖2a圖示了具有螺旋流動通道的電極的示例。

圖2b圖示了圖2a中所示的螺旋電極的仰視圖。

圖3a是根據(jù)本文中公開的一些實施例的電極的側(cè)視圖的說明性示例。

圖3b圖示了在圖3a中示出的電極的仰視圖。

圖4a是根據(jù)本文中公開的一些實施例用于促進冷卻氣體對稱的電極的側(cè)視圖的說明性示例。

圖4b圖示了在圖4a中示出的示例電極的仰視圖。

圖5a是對比傳統(tǒng)電極（例如，在圖2a中所示的）的平均壽命期限和根據(jù)本文中公開的一些實施例開發(fā)的電極（例如，在圖3a中所示的）的壽命期限的圖表。

圖5b是對比使用利用傳統(tǒng)電極（例如，在圖2a中所示的）的焊炬所獲得的平均切割速度和使用利用根據(jù)本文中公開的一些實施例開發(fā)的電極（例如，在圖3a中所示的）的焊炬所獲得的平均切割速度的圖表。

圖6a圖示了使用具有與在圖3a中所描述的電極的特征類似的特征的電極可獲得的等離子體流動圖案。

圖6b圖示了在與獲得圖6a中示出的圖案所利用的條件類似的條件下使用傳統(tǒng)電極可獲得的等離子體流動圖案。

圖6c圖示了使用具有與在圖3a中所描述的電極的特征類似的特征的電極可獲得的等離子體流動圖案。

圖6d圖示了在與獲得圖6c中示出的圖案所利用的條件類似的條件下使用傳統(tǒng)電極可獲得的等離子體流動圖案。

圖6e圖示了使用具有與在圖3a中所描述的電極的特征類似的特征的電極可獲得的等離子體流動圖案。

圖6f圖示了在與獲得圖6e中示出的圖案所利用的條件類似的條件下使用傳統(tǒng)電極可獲得的等離子體流動圖案。

圖7是具有根據(jù)本文中描述的某些實施例的具有電極的等離子體電弧焊炬的說明性示例。

圖8包含根據(jù)本文中描述的一些實施例可在電極和渦流環(huán)之間建立的關(guān)系的示例的具體說明。

圖9a是對比在使用傳統(tǒng)電極時所觀測到的電極未對準(zhǔn)和在使用根據(jù)本文中公開的某些實施例配置的電極時所觀測到的未對準(zhǔn)的對照圖表。

圖9b是對比當(dāng)使用傳統(tǒng)電極時等離子體焊炬切割速度的標(biāo)準(zhǔn)差和在使用根據(jù)本文中公開的某些實施例配置的電極時所觀測到的等離子體焊炬切割速度的標(biāo)準(zhǔn)差的對照圖表。

具體實施方式

圖1a是可以用于本文中公開的實施例的等離子體焊炬10的示例。焊炬10可以包含焊炬主體12并且具有內(nèi)部部件12a和外部部件12b。

焊炬10的可消耗部件可以包含渦流環(huán)18、噴嘴20、電極22和護罩（帽）24。渦流環(huán)18可以被固定到內(nèi)部主體部件12a的下部端部。噴嘴20可以具有中心等離子體電弧出口孔20a并且被布置成使得其可被護罩24捕獲并且保持在適當(dāng)位置。護罩24常常被擰在外部主體部件12b的下端。

所述電極22通常由導(dǎo)電材料制成并且被布置成可在渦流環(huán)18內(nèi)移動，從而當(dāng)處于起始位置（例如，在圖1中所示的位置）時，電極的下部端部22a可以封閉噴嘴20，并且當(dāng)處于提升的操作位置時，出口孔20a是打開的并且電極的上部端部22a"要么鄰接要么接近內(nèi)部主體部件12a的下部端部?？梢岳昧黧w力完成所述電極的提升移動。

具體地，在典型的等離子體電弧焊炬10中，壓縮的等離子體供給氣體26的流動被引導(dǎo)到位于電極22和噴嘴20之間的等離子體腔36中。例如，在圖1中示出的焊炬中，壓縮的等離子體氣流26經(jīng)由通道28、一個或多個端口30、環(huán)形通道32進入焊炬10、穿過傾斜端口34并且進入等離子體腔36。

電極22被渦流環(huán)18包圍并且包含定位在電極22的外部側(cè)表面上的氣流通道48。流動通道48可以轉(zhuǎn)移部分供給氣流26通過電極以冷卻所述電極。所轉(zhuǎn)移的氣體用作電極22的冷卻氣體并且最終被運送到在電極上面的區(qū)域，氣體在該處被排放到大氣。

電極流動通道48（例如，螺旋流動通道）可以包含在電極22的肩部部分22b的外部側(cè)壁上形成的螺旋凹槽。所述螺旋凹槽被布置成引導(dǎo)冷卻氣流通過電極主體并且為電極22提供冷卻效應(yīng)。

因此，典型的等離子體電弧焊炬10可以包含至少兩種類型的氣流：受壓的等離子體氣體26和冷卻氣體。壓縮的等離子體氣體26沿著焊炬10在靠近電極的下部端部22a處被引導(dǎo)到等離子體腔36和噴嘴20。冷卻氣體26沿著焊炬10被引導(dǎo)通過電極22并且朝向電極的上部端部22a"。

圖1b是在引弧操作之前的接觸啟動式等離子體電弧焊炬100的示例。受讓給新罕布什爾州漢諾威的hypertherm有限公司的美國專利第8,115,136號中描述了類似的接觸啟動式等離子體焊炬，該專利的全部內(nèi)容通過引用并入本文。焊炬100包含電極主體102、彈性導(dǎo)電元件104以及被安置在焊炬主體100內(nèi)的電源接觸件106。噴嘴144和渦流環(huán)146也被安置到焊炬主體100。電源接觸件106相對于可移動電極主體102相對靜止地被定位成與電極主體102的遠(yuǎn)端端部112相對（例如，在焊炬100的后部端部處）。

電極主體102的遠(yuǎn)端端部112包含相對于噴嘴144的出口孔150基本上被對準(zhǔn)的發(fā)射元件148。發(fā)射元件148和出口孔150可以基本上以縱向軸線a為中心。渦流環(huán)146被布置成使得其可限制電極主體102在焊炬主體100內(nèi)的徑向運動。例如，渦流環(huán)146可以被制造成在渦流環(huán)146和電極主體102的一個或多個徑向散熱片152之間允許有相對小的間隙。

彈性導(dǎo)電元件104反作用于電極主體102的反應(yīng)表面和電源接觸件106的表面114以推動電極主體102與噴嘴144鄰接。氣體可流動到在電極主體102和噴嘴144之間形成的等離子體腔154中，并且引導(dǎo)電流從電源（未示出）被傳遞到電源接觸件106。

氣體壓力可以在等離子體腔154內(nèi)逐漸增大直到該壓力足以克服由彈性導(dǎo)電元件104提供的力。氣體壓力移動電極主體102遠(yuǎn)離噴嘴144并且使其與電源接觸件106鄰接。電極主體102大體上沿著縱向軸線a移動。當(dāng)電極主體102通過氣體壓力被移動遠(yuǎn)離噴嘴144時，在等離子體腔154中生成或引發(fā)電弧。該電弧在等離子體腔154內(nèi)電離氣體以形成等離子體電弧或噴射，其從噴嘴244的孔150排出并且被轉(zhuǎn)移到所述工件（未示出）。

彈性導(dǎo)電元件104可以被配置成傳導(dǎo)在電源接觸件106和電極主體102之間的基本上所有引導(dǎo)電流。彈性導(dǎo)電元件104可以由既促進傳送電流或與引發(fā)引弧相關(guān)的負(fù)載又促進耗散與所述電流相關(guān)的熱以防止彈性導(dǎo)電元件在引弧操作期間熔化的材料形成。例如，可以基于材料的額定電流選擇彈性導(dǎo)電元件104的材料。彈性導(dǎo)電元件104可以用作在電源接觸件106和電極主體102之間的最小電阻和/或最高傳導(dǎo)率的路徑。額外地，彈性導(dǎo)電元件104的機械性能促進電極主體的移動以接觸啟動等離子體電弧焊炬。所述彈性元件還能有助于相對于焊炬對準(zhǔn)電極主體。

圖1c是可以被用于比如在圖1b中示出的接觸啟動式等離子體焊炬的電極的近端端部108的圖示。在所圖示的實施例中，電極主體172、彈性導(dǎo)電元件170、和接觸元件196沒有形成一體式組件。更具體地，接觸元件196可以自由地從彈性導(dǎo)電元件170和電極主體172（例如，插孔194）脫離接合。

電極主體172的近端108可以限定鄰近插孔194的唇部186，插孔194沿縱向軸線a軸向延伸。唇部186與電極主體172可以從同一塊材料被形成?？梢韵鄬τ陔姌O主體172保持接觸元件196（例如，電極主體172的一部分阻礙接觸元件196從電極主體172脫離接合）。例如，連接構(gòu)件198和對準(zhǔn)部分180可以被定位在插孔194內(nèi)。接觸元件196被壓向電極主體172，使得當(dāng)?shù)诙砻?90前進到與電極主體172的接觸表面182發(fā)生物理接觸時，接觸元件196的第二表面190接合唇部186。第二表面190和唇部186之間的接合使唇部186變形到鄰近的插孔194中以使得在接觸元件178的第二表面190和電極主體172的接觸表面182之間能夠面物理接觸。

在使唇部186變形之前，彈性導(dǎo)電元件170可以被設(shè)置在電極主體172（例如，與凸緣192物理接觸）和接觸元件196（例如，與第二表面190物理接觸）之間。彈性導(dǎo)電元件170可被捕獲在接觸元件196和電極主體172之間。接觸表面182可以阻礙可滑動地安置的接觸元件196從電極主體172脫離接合。電源接觸件106可以經(jīng)由接觸元件178的頂部表面與電極主體172電連接，并且在所述頂部表面和電源接觸件106之間的可能分離可能引起電弧作用。

圖2a圖示了具有螺旋流動通道48的電極200的側(cè)視圖的示例。圖2b圖示了在圖2a中示出的螺旋電極200的仰視圖。如在圖2a中所示，在典型的螺旋電極中，冷卻氣流從位于電極22的一側(cè)上的起始/進入點210進入電極22。這可能在被引導(dǎo)通過電極22流動通道48的冷卻氣體的流動圖案中導(dǎo)致可能的不一致和不均勻。冷卻氣體的不均勻流動圖案進而可以影響被引導(dǎo)通過渦流環(huán)18到等離子體腔36的等離子體氣流26，并且在等離子體電弧焊炬中的等離子體氣體26的流動圖案中引起不一致和不對稱。在等離子體氣體26的流動圖案中的這樣的不一致和/或不對稱可以能進而降低等離子體電弧焊炬的切割性能，其切割速度和其可消耗部件的預(yù)期壽命。

圖3a是根據(jù)本文中公開的一些實施例的電極300的側(cè)視圖的說明性示例。圖3b圖示了在圖3a中示出的示例電極300的仰視圖。如在圖3a中所示，電極300包含流動通道310和凸緣320。所述流動通道在鄰近電極主體的遠(yuǎn)端端部305的區(qū)域中被定位在所述電極主體的表面309上。流動通道310可包含圍繞電極主體的表面309設(shè)置的一個或多個散熱片。這些散熱片可以具有初始尺寸并且其尺寸隨著它們遠(yuǎn)離凸緣319過渡到電極的近端端部305而傾斜增加（增大）。所述流動通道可以是螺旋流動通道。

凸緣320在流動通道310和電極主體的近端端部315之間的區(qū)域中被定位在電極主體的表面319上。凸緣320可以是延伸出電極主體的表面319的外部凸緣。凸緣可以被布置成使得其相對電極主體的表面徑向地和/或周向地延伸。凸緣可以包含沿其周界的一個或多個不規(guī)則事物。凸緣可以是不連續(xù)的或是連續(xù)的。

氣體的供給流動可以從不同點被引入到等離子體電弧焊炬。例如，供給流動可以在凸緣320的邊緣附近被引入到等離子體焊炬（該方向總體通過箭頭302示出），從而導(dǎo)致供給流動的一部分朝向電極的近端端部315被運送以用作等離子體氣體26。供給流動的另一部分可以朝向電極的遠(yuǎn)端端部305被運送以進入流動通道310并且用作冷卻氣體。替代地/額外地，所述供給流動可以在電極300的近端端部315和凸緣320之間的點處被引入。當(dāng)在這樣的條件下被應(yīng)用時，供給氣流被凸緣320離開，使得供給氣流的一部分被運送到流動通道310以用作冷卻氣體，并且另一部分朝向電極300的近端端部315被運送以用作等離子體氣體26。

凸緣320可以通過若干方式改善等離子體氣流26的對稱性和均勻性。例如，所述凸緣可用作從冷卻氣流中分離等離子體氣流26的媒介。由于冷卻氣流可以占據(jù)在等離子體電弧焊炬中流動的總體氣體的大部分，并且考慮到在流動通道310中流動的冷卻氣流可能具有不對稱圖案，通過從冷卻氣流中分離等離子體氣流26，凸緣320使等離子體氣流26從冷卻氣體的不對稱影響中隔離，從而促進等離子體氣體26的均勻且對稱的流動圖案。

凸緣320的存在還可以影響在等離子體電弧焊炬10中循環(huán)的氣體的流動圖案。具體地，凸緣被定位成使得它能在等離子體氣體26的流動中創(chuàng)建一定量的湍流，所述湍流促進等離子體氣體26的流動圖案的均勻性和對稱性。例如，在凸緣和冷卻管道之間的體積中被引入到電極主體的供給氣體由于凸緣的存在在該體積中具有增強的湍流和混合。當(dāng)所述氣體朝向電極的遠(yuǎn)端端部流動穿過凸緣時，所述氣體的增強的湍流和壓降促進提高氣流的均勻性并且當(dāng)氣體朝向所述遠(yuǎn)端端部流動時促進圍繞電極主體的周界的速度，并且該等離子體氣流的增強的均勻性導(dǎo)致改進的電極壽命和性能。

盡管在圖3a中示出了作為電極300的兩個單獨部件的流動通道310和凸緣320，但是凸緣320和流動通道310可以是同一部件的部分。例如，凸緣320可以被包含在流動通道310中、可以是流動通道310的一部分、和/或可以是流動通道310的延伸部。進一步地，凸緣320和流動通道310可以具有不同的徑向高度和/或彼此相距各種距離地被定位在電極主體的表面上。例如，流動通道310的徑向高度可以高于流動凸緣320的徑向高度。另外，由凸緣320覆蓋的電極表面319和由流動通道310覆蓋的電極表面319的比率可以改變。

可以通過改進冷卻氣流的對稱性和均勻性并且從而防止對等離子體氣流的可能的不利影響來進一步促進焊炬10中等離子體氣體的對稱性和均勻性。圖4a是根據(jù)本文中公開的一些實施例的用于促進冷卻氣體對稱性的電極400的側(cè)視圖的說明性示例。圖4b圖示了在圖4a中所示的示例電極400的仰視圖。

流動通道410可以是具有兩個或多個均勻分布的螺旋凹槽的螺旋流動通道。均勻分布的螺旋凹槽允許冷卻流動經(jīng)由均勻分布的起始點420a、420b進入流動通道410，從而促進冷卻氣體在流動通道410中的更均勻流動。

圖5a是對比傳統(tǒng)電極（例如，在圖2a中示出的）的平均壽命期限和根據(jù)本文中公開的一些實施例開發(fā)的電極（例如，在圖3a中示出的）的壽命期限的圖表。如在圖5a中所示，傳統(tǒng)電極可以具有大約2.09小時的平均壽命期限。然而，具有凸緣的焊炬電極，類似于在圖3a中所描述的那個，可以具有大約2.54小時的平均預(yù)期壽命。這相當(dāng)于電極的預(yù)期切割壽命提高了大約24%，這是實質(zhì)性的改進。

圖5b是對比使用利用傳統(tǒng)電極（例如，在圖2a中示出的）的焊炬所獲得的平均切割速度和使用利用根據(jù)本文中公開的一些實施例開發(fā)的電極（例如，在圖3a中示出的）的焊炬所獲得的平均切割速度的圖表。在該實驗分析中，兩組中的每個消耗品（兩組中的每個電極）均被用來切割1?”厚的中強鋼工件，并且對每個電極的實驗重復(fù)三次。當(dāng)使用傳統(tǒng)電極（例如，在圖2a中示出的）時，第一電極（1號）在第一次實驗中達到17英寸/分鐘的速度，在第二次實驗中達到17英寸/分鐘的速度，以及在第三次實驗中達到18英寸/分鐘的速度。第二電極（2號）在第一次實驗中達到17英寸/分鐘的速度，在第二次實驗中達到17英寸/分鐘的速度，以及在第三次實驗中達到14英寸/分鐘的速度。使用第一電極所達到的平均速度是大約16.7英寸/分鐘，并且所達到的速度的標(biāo)準(zhǔn)差是大約1.4。

然而，當(dāng)使用傳統(tǒng)電極（例如，在圖2a中示出的）時，第一電極（2號）在第一次實驗中達到18英寸/分鐘的速度，在第二次實驗中達到19英寸/分鐘的速度，以及在第三次實驗中達到18英寸/分鐘的速度。第二電極（2號）在第一次實驗中達到18英寸/分鐘的速度，在第二次實驗中達到19英寸/分鐘的速度，以及在第三次實驗中達到18英寸/分鐘的速度。使用第一電極所達到的平均速度是大約18.3英寸/分鐘，并且所達到的速度的標(biāo)準(zhǔn)差是大約0.5。

因此，實驗分析可用來證明根據(jù)本文中公開的一些實施例開發(fā)的電極，比如在圖3a中示出的，可以實現(xiàn)更高且更一致的切割速度。

圖6a-圖6f圖示了使用具有與在圖3a中描述的電極的特征（例如，凸緣）類似的特征的電極可獲得的等離子體流動圖案。所述等離子體流動圖案圍繞利用所述電極的等離子體焊炬的鄰近所述電極的遠(yuǎn)端端部的噴嘴的尖端被繪制。圖6a圖示了等離子體電弧焊炬的流動圖案的示例。在圖6a中示出的圖是等值面圖，其中，表面速度接近-200英寸/秒。圖6b圖示了使用傳統(tǒng)電極（比如在圖2a中示出的電極）所獲得的等離子體流動圖案。在圖6b中示出的流動圖案使用與獲得圖6a中示出的圖案所使用的條件類似的速度條件被獲得。如圖所示，圖6a的等離子體氣流比在圖6b中示出的流動呈現(xiàn)出更均勻地且對稱地分布?？稍诓煌谋砻嫠俣人较轮貜?fù)類似的實驗。例如，圖6c和圖6d示出的等離子體圖案是使用具有凸緣的電極（在圖6c中示出的等離子體圖案）和沒有凸緣的電極（在圖6d中示出的等離子體圖案）在大約-400英寸/秒的表面速度下操作時獲得的。類似地，圖6e和圖6f示出的等離子體圖案是使用具有凸緣的電極（在圖6e中示出的等離子體圖案）和沒有凸緣的電極（在圖6f中示出的等離子體圖案）在大約-600英寸/秒的表面速度下操作焊炬時獲得的。如圖所示，流動特性的差異隨著表面速度的增大變得更為明顯。進一步地，具有凸緣的電極（例如，在圖3a中示出的電極）與傳統(tǒng)電極相比提供圍繞電極遠(yuǎn)端端部的更加均勻的流動（如在圖6c和圖6e中所示）。

在傳統(tǒng)的彈簧電極中，渦流環(huán)的內(nèi)部直徑大于電極柱塞（也被稱為接觸元件）的直徑。在這樣的設(shè)置下，盡管等離子體焊炬正在被操作，但是由在等離子體腔中的受壓的等離子體氣體施加的壓力將電極維持在適當(dāng)位置，從而使得電極與接觸元件完全接觸，并且驅(qū)動電極的電流可以流過建立在電極主體和接觸元件之間的接觸區(qū)域。相應(yīng)地，非常小的電流流過驅(qū)動接觸元件的彈簧。然而，在低壓條件下，當(dāng)?shù)入x子體腔中的氣流的壓力下降到某個閾值（例如，20psi）以下時，由等離子體氣體施加的壓力可能無法繼續(xù)將電極保持在適當(dāng)位置。這會導(dǎo)致接觸元件與電極主體分離。例如，電極主體和接觸元件可以在它們的接觸表面中的一個處分離。一旦接觸元件和電極主體被分離，驅(qū)動電極的電流就可以直接流過彈簧，從而在彈簧中生成大量的熱并且可能導(dǎo)致彈簧被所述熱熔化。

一旦彈簧被熔化，接觸元件（例如，圖1c的接觸元件）就可以從焊炬（例如，電源接觸件106）中分離，從而移除在焊炬和電極之間先前建立的接觸點。假定大量的電流可在接觸元件196和電源接觸件106之間被傳遞，那么當(dāng)電極和焊炬開始分離時就可以生成電弧。進而所述電弧可以生成大量的熱，從而引起電極和其他焊炬部分（例如，電源接觸件106，常被稱為陰極）熔化，并且可能導(dǎo)致將兩個零件焊接在一起。

本發(fā)明的一些實施例涉及通過改進電極在等離子體電弧焊炬內(nèi)的對準(zhǔn)來提高等離子體焊炬的切割精度并且延長它的可消耗部件的預(yù)期壽命。

圖7是根據(jù)本文中公開的某些實施例的具有電極710的等離子體電弧焊炬700的說明性示例。焊炬700包含渦流環(huán)720，其將電極710與噴嘴740絕緣隔離并且還可以被用來限制電極710在焊炬700內(nèi)的徑向移動。電極710、渦流環(huán)720和噴嘴740限定容納壓縮等離子體氣流的等離子體氣體腔745。等離子體氣體可以通過渦流環(huán)被引導(dǎo)至等離子體氣體腔745。在一些實施中，渦流環(huán)可以具有若干分配孔（被稱為渦流孔），這些孔負(fù)責(zé)運送等離子體氣體。

所述電極的第一端部715可以與接觸元件730聯(lián)接。接觸元件730可以是導(dǎo)電媒介，其在電源（未示出）和電極710之間的傳導(dǎo)電流。

圖8包括根據(jù)本文中公開的一些實施例可以在電極和渦流環(huán)之間建立的關(guān)系的示例的具體說明。接觸元件730可以包含近端端部801和遠(yuǎn)端端部802。接觸元件還可以包含頭部部分810和頸部部分820。接觸元件730接收用于在焊炬近端端部801處驅(qū)動焊炬的電動焊炬電流，并且引導(dǎo)該電流通過位于接觸元件730的頭部部分810和頸部部分之間的接觸表面811流到電極主體710。頸部部分820可以包含具有與電極主體的中心軸線對準(zhǔn)的中心軸線的細(xì)長主體，并且被布置成使得其與電極主體710接合以將接觸元件730固定到電極主體710。

接觸元件730可以通過若干方法將電極710固定在焊炬700內(nèi)。例如，接觸元件730可以具有大于渦流環(huán)720的內(nèi)部直徑id720的外部直徑od730。更大直徑的接觸元件730可以施加阻止接觸元件730從焊炬700分離的機械力。相應(yīng)地，根據(jù)這樣的設(shè)置下，電極710和焊炬700之間的電連接不依賴于在等離子體氣體腔745中的壓力，并且電連接持續(xù)通過由接觸元件730施加的機械力被維持。因此，在低壓情況下，當(dāng)?shù)入x子體氣體腔745中的壓力低于某閾值時，更大直徑的接觸元件730通過維持電極710和陰極焊炬電源塊760之間的電接觸可以抑制電弧生成和/或焊炬部件的熔化或焊接。

進一步地，頭部部分810可以包含在固定電極710中使用的一個或多個特征部730f。例如，如在圖8中所示，接觸元件730的頭部部分810可以包含與渦流環(huán)720中的互補特征部720f配合的一個或多個特征部730f，以固定接觸元件730在焊炬主體700內(nèi)。接觸元件特征部730f可以包含在接觸元件的頭部部分810的外周中形成的臺階。渦流環(huán)720可以包含互補特征部720f，比如對應(yīng)的臺階，以與包含在接觸元件730中的特征部730f配合。接觸元件特征部730f可以包含各種的形狀和形式。例如，可使用比如臺階、鍵、圖案、鍵槽、非共面的、狹縫、錐形物等等特征部。在一些實施例中，接觸元件特征部730f可以包含被包含在電極主體710中的逐漸變細(xì)部。

接觸元件730可以包含用于輔助固定和/或?qū)?zhǔn)電極710的其他特征部和/或延伸部。例如，接觸元件730的頭部部分810可以包含在其外周上的一個或多個凸緣（未示出）以固定電極。這些凸緣可以是任何形狀、類型、和/或大小的外部凸緣（例如，可使用周向或徑向凸緣），并且這些凸緣沿接觸元件730的外周被定位在不同的位置中（例如，如果使用至少一個凸緣，那么它們可彼此以角度間隔地被定位）。向接觸元件的頭部部分810的外周添加凸緣增大了頭部部分730的外部半徑并且有助于將電極710固定在焊炬700內(nèi)。

如上所注意到的，在啟動等離子體電弧焊炬的過程中，消耗品可能變得未對準(zhǔn)并且這樣的未對準(zhǔn)可以降低焊炬消耗品的預(yù)期壽命以及降低等離子體噴射位置的精度和可重復(fù)性。因此，維持噴嘴和電極之間的對準(zhǔn)對于切割性能來說也是至關(guān)重要的。該對準(zhǔn)可以通過若干方法被維持。例如，可以通過確保同軸地布置渦流環(huán)和接觸元件730和/或正交地布置電極面和渦流環(huán)軸線來控制在噴嘴的中心和電極的中心之間的對準(zhǔn)。

盡管可以通過將電極限制在渦流環(huán)中控制在電極主體的位置的可能未對準(zhǔn)，但是這樣的布置可能導(dǎo)致接觸元件730的位置的可能未對準(zhǔn)。接觸元件730的位置的未對準(zhǔn)進而可以導(dǎo)致難以啟動焊炬并且降低所述焊炬的可靠性。例如，在裝配期間（例如，在擰緊焊炬保持帽的螺紋時），電極柱塞相對電極主體可能是未對準(zhǔn)的和/或電極柱塞的底部部分可能塞滿了電極主體內(nèi)部，從而防止電極主體和接觸元件730之間的自由移動。由于在電極主體和接觸元件730之間的自由移動對于啟動焊炬是必要的，所以這可能會導(dǎo)致焊炬啟動不可靠。

在圖7和圖8中示出的焊炬的渦流環(huán)720和接觸元件730還可以進一步輔助促進電極710在焊炬內(nèi)的對準(zhǔn)。具體地，如先前所注意到的那樣，渦流環(huán)720的第一端部721包含配置成符合接觸元件730并且與之接合的配合表面720f。配合表面720f使接觸元件730固定在渦流環(huán)720的第一端部721之間，從而將電極710固定在焊炬主體700內(nèi)。渦流環(huán)720的配合表面720f可以包含比如輪廓、臺階或凸緣的特征部，其促進渦流環(huán)720和接觸元件730的配合。配合表面的這些特征部可以進一步用來促進電極710的縱向軸線與渦流環(huán)720的縱向軸線的對準(zhǔn)。

實驗分析可以用來對比傳統(tǒng)電極的切割一致性及性能和從根據(jù)本文中公開的一些實施例的電極（例如，在圖7和圖8中示出的電極）獲得的相似性能因素。

圖9a對比了當(dāng)使用傳統(tǒng)電極配置（標(biāo)記為“舊柱塞”）時所觀測到的電極在噴嘴內(nèi)的位置未對準(zhǔn)的量和當(dāng)使用與在圖7和圖8中圖示的配置相似的配置（標(biāo)記為“新柱塞”）時所觀測到的電極在噴嘴內(nèi)的位置未對準(zhǔn)的量。用來提供在圖9a中示出的圖表的測量值通過對相似配置工件進行九次重復(fù)切割測試獲得。如圖所示，本文中描述的電極配置（例如，在圖7和圖8中示出的電極）遭受更小量的未對準(zhǔn)。

圖9b是對比當(dāng)使用傳統(tǒng)電極（標(biāo)記為“舊柱塞”）時等離子體焊炬切割速度（以英寸/分鐘為單位測量的）的標(biāo)準(zhǔn)差和當(dāng)使用根據(jù)本文中公開的某些實施例被配置的電極（標(biāo)記為“新柱塞”）時，例如，當(dāng)使用與在圖7和圖8中圖示的配置相似的配置時所觀測到的等離子體焊炬切割速度的標(biāo)準(zhǔn)差的對比圖表。用來提供在圖9b中示出的圖表的測量值通過對相似配置工件進行九次重復(fù)切割測試獲得。如圖所示，具有如本文中描述的那樣的相似布置的電極的速度一致性可以是傳統(tǒng)電極的兩倍。因此，如本文公開的那樣配置的電極可以通過在電極和噴嘴之間實現(xiàn)更好的對準(zhǔn)消除可能的焊炬啟動問題并且產(chǎn)生更一致的切割性能。

雖然參照具體說明性實施例已經(jīng)具體地示出并描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解的是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上做出各種變化。