符合本發(fā)明的裝置、系統(tǒng)以及方法涉及切割，并且更確切地涉及與等離子電弧切割炬及其部件相關的裝置、系統(tǒng)以及方法。

技術背景

本發(fā)明涉及一種根據權利要求1所述的用于空氣冷卻式等離子切割炬的渦流環(huán)并且涉及一種根據權利要求9所述的空氣冷卻式等離子炬。在許多切割、噴射以及焊接操作中，使用了等離子弧炬。通過這些炬，等離子氣體射流在高溫下被發(fā)射到環(huán)境大氣中。這些射流是從噴嘴發(fā)射的，并且當它們離開噴嘴時，這些射流是高度欠膨脹且非常集中的。然而，由于與經電離的等離子射流相關聯的高溫，該炬的許多部件容易失效。這種失效可能顯著地干擾該炬的運行并且在切割操作開始時阻止正確引弧。

通過這種方法與本申請的其余部分中參照附圖闡述的本發(fā)明的實施例相比較，常規(guī)、傳統(tǒng)和所提出的方法的進一步的局限性和缺點對本領域內的技術人員而言將變得明顯。

發(fā)明簡要概述

為了改進尤其在切割操作開始時的引弧，描述了一種根據權利要求1所述的用于空氣冷卻式等離子切割炬的渦流環(huán)和一種根據權利要求9所述的空氣冷卻式等離子炬。本發(fā)明的優(yōu)選實施例是從屬權利要求的主題。本發(fā)明的示例性實施例是一種空氣冷卻式等離子炬及其經設計來優(yōu)化該炬的性能和耐用性的部件。確切地講，本發(fā)明的示例性實施例可以具有經改進的電極、噴嘴、防護件和/或渦流環(huán)構型。

附圖簡要說明

通過參考附圖來詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的上述和/或其他方面將會更加清晰，在附圖中：

圖1是可以用于本發(fā)明實施例的示例性切割系統(tǒng)的圖解表示；

圖2是利用已知部件的炬頭部的一部分的圖解表示；

圖3是本發(fā)明的炬的示例性實施例的頭部的一部分的圖解表示；

圖4a至圖4c是本發(fā)明的電極的示例性實施例的圖解表示；

圖5a至圖5b是本發(fā)明的噴嘴的示例性實施例的圖解表示；

圖6是本發(fā)明的防護帽的示例性實施例的圖解表示；

圖7是本發(fā)明的渦流環(huán)的示例性實施例的圖解表示；并且

圖8是當與已知的空氣冷卻式炬的構型相比時本發(fā)明的實施例的等離子電弧與等離子射流之間的比較的圖解表示。

詳細說明

現在將詳細參照多個不同的和可替代的實施例并參照附圖，其中相似的數字表示基本上相同的結構元件。每個示例是通過說明的方式而不是作為限制來提供的。事實上，本領域技術人員將清楚的是，在不脫離本披露內容和權利要求的范圍或精神的情況下可以作出修改和變體。例如，作為一個實施例的一部分所圖示說明或描述的特征可以被使用在另一個實施例上，以產生更進一步的實施例。因此，旨在的是本披露內容包括了在所附權利要求及其等效物范圍內的修改和變體。

本披露內容總體上針對多種不同切割、焊接和噴射操作中有用的空氣冷卻式等離子弧炬。確切地講，本發(fā)明的實施例針對空氣冷卻式等離子弧炬。另外的示例性實施例針對空氣冷卻式等離子弧炬，該弧炬是縮回式弧炬。如一般所理解的，縮回式弧炬是以下的炬：其中使電極與用于電弧引發(fā)的噴嘴相接觸并且然后使該電極從該噴嘴縮回使得該電弧接著被引導穿過該噴嘴的喉部。在其他類型的縮回式炬中，該電極保持靜止并且是該噴嘴移動。本發(fā)明的示例性實施例適用于這兩種類型。這些炬的構造和操作總體上是已知的，并且因此本文將不討論它們的詳細構造和操作。進一步地，本發(fā)明的實施例能夠使用在手持式或機械化式等離子切割操作中。應當指出的是，出于清楚簡明的目的，下面的討論將針對本發(fā)明的、主要針對用于切割的手持式等離子炬的多個示例性實施例。然而，在此方面本發(fā)明的實施例是不受限制的，并且可以在焊接炬和噴射炬中使用本發(fā)明的實施例而不脫離本發(fā)明的精神或范圍。如果希望的話，不同功率水平的多種不同類型和尺寸的炬是可能的。例如，本發(fā)明的示例性實施例可以用在利用在40安培與100安培范圍內的切割電流的切割操作上并且可以切割具有的厚度上至0.075英寸的工件，并且在其他實施例中可以切割厚度上至1.5英寸的工件。另外，在此所描述的這些炬和組件可以用于標記、切割或金屬去除。此外，能夠以變化的電流和變化的功率水平來使用本發(fā)明的示例性實施例。能夠與本發(fā)明的實施例一起使用的類型的空氣冷卻劑系統(tǒng)的構造和使用是已知的并且無需在本文中進行詳細地討論。

現在轉向圖1，示出了示例性切割系統(tǒng)100。系統(tǒng)100含有電源10，該電源包括帶有連接的炬組件14的殼體12。殼體12包括用于控制等離子弧炬的各種常規(guī)部件，例如電源、等離子啟動電路、空氣調節(jié)器、保險絲、晶體管、輸入和輸出電連接器以及氣體連接器、控制器、和電路板等。炬組件14附接至殼體的前側16上。炬組件14內包括多個電連接器，以用于將炬端部18內的電極和噴嘴連接至殼體12內的電連接器上。針對導引電弧和工作電弧可以提供多個分開的電通路，其中切換元件被提供在殼體12內。氣體導管也存在于炬組件內以用于將變成等離子弧的氣體傳遞至炬的端頭，如之后所討論的。可以同各個電連接器與氣體連接器一起將不同的用戶輸入裝置20(例如，按鈕、開關和/或轉盤)提供在殼體12上。

應理解的是，圖1中所展示的殼體12不過是可以采用本發(fā)明的多個方面以及在此披露的概念的等離子弧炬裝置的單一示例。相應地，以上的總體披露和描述不應被理解為以任何方式限制可以采用所披露的炬元件的等離子弧炬裝置的類型或大小。

如圖1所示，炬組件14在一端處包括連接器22以用于附接至殼體12的匹配連接器23上。在以這樣的方式連接時，連接了穿過炬組件14的軟管部24的多個電與氣體通路以便使炬200的相關部分與殼體12內的相關部分相連接。如圖1所示的炬200具有連接器201并且是手持式的，但是如以上所解釋的，炬200可以是機械化式的。炬200(例如手柄、觸發(fā)器等)的一般構造可以類似于已知的炬構造并且不必在此進行詳細描述。然而，炬200的、有助于進行切割目的的電弧的產生和維持的多個部件位于炬端部18內，并且在以下將更詳細地討論這些部件中的一些部件。確切地講，以下討論的這些部件中的一些部件包括炬電極、噴嘴、防護帽、以及渦流環(huán)。

圖2描繪了具有已知構造的示例性炬頭部200a的截面。應注意，為清晰起見，炬頭部200a的這些部件中的一些部件未示出。如圖所示，炬200a包括陰極本體203，電極205電聯接至該陰極本體上。電極205被插入噴嘴213的內部空腔中，其中噴嘴213坐在渦流環(huán)211中，該渦流環(huán)聯接至隔離器結構209上，該隔離器結構將該渦流環(huán)、噴嘴等與陰極本體203隔離。噴嘴213被固持帽組件217a-c保持在位。如之前所解釋的，這種構造是通常已知的。

如圖所示，電極205具有螺紋部205a，該螺紋部將電極205擰入陰極本體203中。電極205還具有中心螺旋部分205b。螺旋部分205b具有螺旋形粗牙螺紋狀圖案，該圖案提供了空氣在區(qū)段205b周圍的流動。然而，由于這個區(qū)段，所以需要專門的工具來將電極205從陰極本體203上去除。圓柱形部205c位于中心部分205b的下游，該圓柱形部延伸至電極205的遠端205d。如圖所示，該圓柱形部被插入噴嘴213中，使得遠端205d緊靠噴嘴213的喉部213b。該圓柱形部在中心部分205b處可以包括平坦表面，使得專用工具可以攫取電極205以將其從該陰極去除。典型地，從圓柱形部205c到遠端205d的過渡區(qū)包括通往遠端205d上的平坦端面的彎曲邊緣。在縮回啟動式炬中，這個平坦端面是與噴嘴213的內表面相接觸的以便引發(fā)電弧啟動。一旦電弧被點火，電極205就縮回并且在電極205與噴嘴213之間產生空隙(如圖所示)，此時等離子射流穿過噴嘴213的喉部213b被引導至該工件。普遍理解的是，通過這種構型，已知的電極205可能在引弧過程中在大約300次弧啟動之后開始失效。典型地，對電極205鍍鉻或鎳以便有助于延長電極205的壽命。一旦這個事件開始發(fā)生，電極205就可能需要更換。

并且，如圖所示，鉿插入物207被插入電極205的遠端205d中。大致已知的是，等離子射流/電弧從這個鉿插入物207開始，該鉿插入物在遠端205d的平坦表面上居中。

如以上簡要解釋的，炬200a還包括噴嘴213，該噴嘴具有喉部213b，在切割過程中等離子射流被引導穿過該喉部。并且，如圖所示，噴嘴213包括圓柱形伸出部213a，喉部213b延伸穿過該伸出部。這個伸出部213a提供相對較長的喉部213b并且延伸進入防護帽215的圓柱形開口中，該防護帽也具有圓柱形伸出部215a。如圖所示，在這些伸出部213a/215a各自之間產生空氣流空隙以允許在切割過程中引導防護氣體來包圍等離子射流。在空氣冷卻式炬中，這些相應的伸出部213a/215a各自引導等離子射流和防護氣體以準備操作。然而，由于噴嘴213和防護帽215各自的幾何形狀，這些伸出部可能趨于顯著升溫。這個熱量可能致使噴嘴213上的熱區(qū)沿著其長度顯著地延長。這個增大的熱區(qū)和高的熱量可能致使這些部件發(fā)生變化并失效，從而導致需要更換。另外，其性能可能隨著時間而降低，這可能導致不太理想的切割結果。因此，已知的空氣冷卻式炬構型需要改善。

現在轉向圖3，示出了炬頭部300的示例性實施例。炬頭部300可以用于圖1所示的炬200中并且類似于圖2，為了簡化附圖沒有示出所有的部件和結構(例如，手柄、外殼等)。另外，在許多方面中(除了以下所討論的這些方面之外)，炬頭部300的構造和操作都類似于已知的炬頭部，這樣使得不必在此進行討論其構造的所有細節(jié)。然而，如以下更詳細地解釋的，炬頭部300的電極305、噴嘴313、防護帽315和渦流環(huán)311中的每一者是與已知的炬和炬部件不同地構造的并且提供了具有最佳切割性能和耐用性的切割炬。另外，類似于圖2中的炬200a，圖3中的炬300是空氣冷卻縮回式炬。以下討論中提供了對本發(fā)明的示例性實施例的進一步理解，在以下討論中討論了電極、噴嘴、防護帽和渦流環(huán)中的每一者。

現在轉到圖4a至圖4c，示出了本發(fā)明的空氣冷卻式電極305的示例性實施例。電極具有螺紋部305a，該螺紋部允許電極305緊固到炬頭部中的陰極本體上。更寬的緊固部305b與螺紋部305a相鄰，該緊固部在直徑上比螺紋部305a和下游的圓柱形部305c(以下討論更多)更大。與已知電極不同，緊固部305b具有螺母部305e，該螺母部被配置成允許標準插座式工具移除和安裝電極305。如先前解釋的，已知的電極不具有這樣的構型并且需要特殊的工具來進行安裝和移除。因為螺母部305e，本發(fā)明的實施例允許使用標準工具。在所示實施例中，使用六面六角頭螺母構型。當然，可以使用其他標準螺母構型。如所示，底座部305f與螺母部305e相鄰，該底座部具有電極305的最寬直徑D’。這個部分用于幫助電極305坐在陰極本體內。

圓柱形部305c與螺母部305e相鄰，該圓柱形部具有末端部305d，該末端部具有平坦端面305g。圓柱形部305c具有直徑D，其中，最寬直徑D’與直徑D之比在1.4到1.8范圍內，而在其他示例性實施例中是在1.4到1.6范圍內。進一步地，與已知的、用于40安培到100安培范圍內的切割應用的空氣冷卻式電極相比，圓柱形部305c的直徑D在比已知的電極的圓柱形部的直徑大15％到25％范圍內。在示例性實施例中，圓柱形部305c的最大直徑在0.2英寸到0.4英寸范圍內。電極305的末端部305d具有平坦表面部305g，該平坦表面部具有插入平坦表面部305g的中心點中的鉿插入物307。鉿插入物307的用途和功能是眾所周知的并且在此將不進行詳細討論。然而，在本發(fā)明的實施例中，鉿插入物307是圓柱形插入物，該圓柱形插入物具有2到4范圍內的長度與直徑之比，在其他示例性實施例中，長度與直徑之比在2.25到3.5范圍內。因此，本發(fā)明的示例性實施例允許最佳電流傳遞至插入物307中，而同時提供最佳熱傳遞能力。如此，本發(fā)明的鉿插入物和電極的使用壽命較已知的構型大大增加。應注意，盡管鉿插入物307被描述為圓柱形的，但應理解，在一些示例性實施例中，插入物307的任一端或兩端可能不是平坦的，因為在一些示例性實施例中，這些末端可以具有總體上的凹形或凸形形狀。

如圖4a至圖4c中所示，末端部305d經由總體上彎曲的邊緣過渡到平坦表面部305g。平坦表面部305g是電極305的末端部的平坦的面的一部分，與使平坦表面部305g過渡到圓柱形部305c的側壁的過渡邊緣截然不同。然而，不像已知的電極，平坦的表面部305g具有的直徑使得直徑d與直徑D之比在0.8到0.95范圍內。在另外的示例性實施例中，該比率在0.83到0.91范圍內。這樣的比率優(yōu)化了在電弧啟動期間平坦表面部305g與噴嘴313內部之間的表面接觸，而同時確保平坦表面部305g與圓柱形部305c之間存在最小的熱集中和理想的熱傳遞。如以上解釋的，在縮回啟動空氣冷卻式炬中，電極305被布置成經由平坦表面部305g來與噴嘴313接觸。這通常通過彈簧式機構(為了清晰未示出)來完成。這允許在開始時在插入物307與噴嘴313之間啟動電弧，并且一旦保護氣體的氣流達到期望的壓力水平，電極就從噴嘴313縮回，從而產生空隙，于是致使電弧從噴嘴313移動至工件。通過具有帶有上述構型的電極305，本發(fā)明的實施例可以顯著增加電極305和因此炬的使用壽命。這確保了保持最佳啟動和切割，并且停工時間和更換最少。

應進一步注意，在一些示例性實施例中，電極305可以主要由銅制成并且未涂覆有鉻或鎳。

現在轉到圖5a和圖5b，描繪了本發(fā)明的噴嘴313的示例性實施例。噴嘴313具有末端部313a，該末端部允許噴嘴313被固持器組件緊固。主圓柱形部313b與末端部313a相鄰，該主圓柱形部從末端部313a延伸到端頭部313c，其中端頭部313c使噴嘴從圓柱形部313b過渡到端頭表面部313h。不像已知的噴嘴，端頭部313c是有角度的部分，如所示，該端頭部沒有任何額外的圓柱形延伸部(例如，參見圖2中的213a)。而是，端頭表面部313h與端頭部313c的有角度的表面緊鄰，這樣使得端頭部313c是截頭圓錐形狀。這對于空氣冷卻式炬而言是不同的已知噴嘴構型。端頭表面部313h的有角度的部分具有30度到60度范圍內的角A，如所示。在其他示例性實施例中，角A在40度至50度范圍內。進一步地，如所示，噴嘴313包含空腔313i，電極305如圖3中所示被插入該空腔中。噴嘴313還具有穿過端頭部313c、具有長度L的喉部313d，其中，該喉部具有在3到4.5范圍內的長度與直徑之比，其中，該直徑是喉部313d的最小直徑。在其他示例性實施例中，該比率在3到4范圍內。長度L是喉部313d的從空腔313i的內表面到端頭表面313h的長度。本發(fā)明的噴嘴的這個方面幫助將等離子射流/電弧沿喉部313d的長度的電壓降最小化。在已知的噴嘴中，電壓降可能是可觀的，因此對炬的操作和效力產生不利影響。在本發(fā)明的示例性實施例中，本發(fā)明的實施例可以提供優(yōu)化的性能，其中，不管操作電流電平和氣體流速和模式如何，喉部上的最大電壓降小于20伏。在其他示例性實施例中，最大電壓降在5伏至15伏范圍內，并且在又另外的示例性實施例中，電壓降小于5伏。也就是，本發(fā)明的實施例的噴嘴和喉部構型可以在所有已知的操作氣體流模式和速率下在40安培到100安培電流操作范圍內實現以上最佳電壓降性能。已知的構型還沒有達到這種性能。同樣，如所示，喉部313d具有從較寬的開口過渡到窄喉部313f的入口部313e，該窄喉部具有喉部313d的最小直徑。窄喉部313f過渡到較寬的擴展部313g，該擴展部具有的出口直徑大于窄喉部313f的直徑并且小于入口部313e的入口的直徑。也就是，入口部313e的入口的直徑大于擴展部313g的出口的直徑。在本發(fā)明的示例性實施例中，入口直徑(入口313e的最上游點處的直徑)與出口直徑(擴展部313g的最下游點處的直徑)之比在1.5到4范圍內。

如此處所描述的噴嘴313的實施例較已知的噴嘴構型具有獲得顯著認可的熱特性。確切地講，本發(fā)明的噴嘴在涼得多的溫度下運行并且具有比已知的噴嘴小得多的熱區(qū)。因為已知的噴嘴的構型，它們的端頭可以達到非常高的熱水平，這趨于引起熔融飛濺物粘附到噴嘴的端頭上并且能夠導致噴嘴過早損壞。確切地講，本發(fā)明的實施例提供了包含在端頭部313c內并且具有最小延伸進入圓柱形部313b中的熱區(qū)。實際上，在一些示例性實施例中，噴嘴313和端頭313c被配置成使得熱區(qū)在運行過程中根本沒有延伸至圓柱形部313b。應理解，該熱區(qū)是噴嘴313的、從端頭表面313h測量的最短的區(qū)(或長度)，其中，在100安培下持續(xù)運行過程中，噴嘴313的平均溫度達到350℃，其中，持續(xù)的運行是至少在噴嘴313的溫度在運行過程中達到溫度均衡的時間量。(當然，應理解，正常運行包括在100安培下正常冷卻和保護氣體流)。這是已知的噴嘴結構和構型所不能實現的。圖5b中示出了示例性熱區(qū)313z，其中，熱區(qū)313z在正常運行過程中保持在端頭部313c內并且沒有延伸到圓柱形部313b。因此，本發(fā)明的示例性實施例提供了最佳化的熱特性，從而實現最佳化的切割性能和部件壽命。為了清楚，應理解，在運行過程中，噴嘴313的端頭處的溫度最高，并且可以達到600℃的溫度。在現有技術的噴嘴構型中，熱區(qū)通常延伸超出噴嘴延伸部213a和錐形部(參見圖2)并且延伸到圓柱形部中。本發(fā)明的示例性實施例得到顯著改進，因為熱區(qū)整個在噴嘴的最遠部內-截頭圓錐形部，如圖5b所示。

圖6描繪了被安裝在炬的一端上并且保護該噴嘴313的防護帽315的示例性實施例。該防護帽的功能通常是已知的并且不需要在此詳細描述。然而，與以上討論的噴嘴313相同，防護帽315沒有圖2中所示的延伸部215a。而是，與噴嘴313相同，該防護帽的端頭是截頭圓錐，如圖6中所示。防護帽315具有允許該防護帽緊固到固持器組件217c上的有螺紋的末端部315a。防護帽315還具有定位在末端部315a與防護帽端頭部315c之間的圓柱形部315b。當該炬被組裝時，防護帽315的圓柱形部315b與噴嘴313的圓柱形部313b相鄰，如圖6所示，使得噴嘴313與防護帽315之間存在空隙。在切割操作過程中，保護氣體被引導通過這個空隙。在本發(fā)明的示例性實施例中，對應的圓柱形部之間的空隙在0.01英寸到0.06英寸范圍內，并且在其他示例性實施例中是在0.2英寸到0.4英寸范圍內。同樣，如所示，防護帽315具有端頭部315c，該端頭部也成形為具有端頭末端表面315d的截頭圓錐。與已知的防護帽不同，沒有圖2所示的圓柱形延伸部。進一步地，防護帽315具有當組裝部件時在喉部313d上居中的圓形開口315e，如所示出的。在本發(fā)明的示例性實施例中，該開口具有直徑Ds，該直徑是在噴嘴喉部313d的最小直徑(窄窄喉部313f的直徑)的1.25到4.1倍范圍內。在其他示例性實施例中，直徑Ds是在喉部313d的最小直徑的1.75倍到2.5倍范圍內。進一步地，在本發(fā)明的示例性實施例中，直徑Ds大于喉部擴展部313g的出口直徑，但小于端頭表面部313h的直徑。在本發(fā)明的示例性實施例中，直徑Ds與噴嘴313的端頭表面部313h的直徑之比在0.98到0.9范圍內。

此外，如圖6中所示，防護帽315的端頭部315c被構造成使得端頭部315c的內部成角度表面315f所成的角為大于角A(噴嘴上)的角B，使得噴嘴313的外部與防護帽315(在其對應的端頭區(qū)域)之間的空隙G的寬度沿著從上游端X到下游端Y(而角A和角B是從平行于炬的中心線的線開始測量的)的空隙G的長度而減小。在本發(fā)明的示例性實施例中，角B在35度到70度范圍內，但大于角A。在其他示例性實施例中，角B是在45度至60度范圍內。也就是，防護帽315的在端頭部315c的起始處(點x)的內表面與噴嘴的外部(垂直于防護帽的內表面測量的)之間的空隙距離大于防護帽315的在端頭部315c的末端(點y)的內表面與噴嘴的外部(垂直于防護帽的內表面測量的)之間的空隙距離。通過減小空隙G的寬度，在炬的出口附近使保護氣體流加速，這幫助使等離子射流穩(wěn)定并且改進炬的性能。在本發(fā)明的示例性實施例中，空隙在點X的寬度在0.03英寸至0.05英寸范圍內。進一步地，在示例性實施例中，空隙G的寬度從點X到點Y減小30％到60％。為了清晰，點X位于防護帽315的內部與噴嘴313的外部(沿著它們對應的端頭部)之間的最寬點，并且點Y位于防護帽315的內部與噴嘴313的外部(沿著它們對應的端頭部)之間的最窄點。應注意，雖然在一些示例性實施例中，點Y位于噴嘴端頭部313c的外角表面至端頭表面313h之間的過渡區(qū)，這在其他示例性實施例中可能不是這種情況。通過結合以上討論的部件的示例性實施例可以實現改進的炬性能和耐用性。

還應注意，在一些示例性實施例中，防護帽315可以具有額外的氣體流端口319(圖3中所描繪的)。這些端口319給切割區(qū)域提供附加氣體流并且可以幫助冷卻防護帽和使碎屑遠離切割區(qū)域。

現在轉向圖7，描繪了渦流環(huán)311的示例性實施例。與現有渦流環(huán)不同，本發(fā)明的實施例具有兩個區(qū)域：上部區(qū)域311a和下部區(qū)域311b。已知的渦流環(huán)通常具有單個區(qū)域，該區(qū)域沿著其整個長度具有不變的外徑，并且其中該環(huán)的長度與圖7中所示的相比相對較短。例如，如圖2中所示，渦流環(huán)211從噴嘴205的頂邊緣延伸到隔離器209的底部。然而，這種構型可能導致渦流環(huán)211過早損壞，特別是在渦流環(huán)211的頂部，該渦流環(huán)的頂部與隔離器209連接。本發(fā)明的示例性實施例消除了這種故障模式，并且改進了該環(huán)和炬的總體性能。如圖7中所示，上部311a具有比下部區(qū)域311b更大的外徑，并且在一些示例性實施例中，具有比下部區(qū)域311b的長度更長的長度。這個上部區(qū)域具有空腔311f，隔離器209插入該空腔中(見圖3)。這種插入幫助加強渦流環(huán)311和使其定中心。渦流環(huán)311可以與隔離器209壓入配合、用螺絲擰緊到其上、或僅僅坐在一起。多個通道311c位于環(huán)311的上部311a的外表面上。通道311c幫助使到渦流環(huán)311的底部311b的氣體流穩(wěn)定。已知的炬不采用這樣的流道，并且如此，當氣體流到達渦流環(huán)時，氣體流可能湍急。這個湍流會危害該炬的性能。本發(fā)明的實施例使用通道311c使從炬頭部的上部區(qū)域到環(huán)311的下部311b的氣體流穩(wěn)定。穩(wěn)定后的氣體流接著被引至底部311b上的孔311d/311e并且因為流動已經穩(wěn)定，所以這些孔的性能被優(yōu)化。如所示，底部311b具有多個氣體流動孔311d/311e，這些孔從底部311b的外表面通到底部311b的內腔。在一些示例性實施例中，通道311c沿上部的整個長度延伸并且平行于渦流環(huán)的中心線延伸。然而，在其他示例性實施例中，通道311c可以沿著僅上部的長度的一部分延伸，并且在另外的實施例中，這些通道可以有角度，使得這些通道賦予穿過其的氣體渦旋流動。如所示，示例性實施例具有至少四圈孔，其中，至少上部兩圈311d具有第一孔構型，并且至少下部兩圈311e具有第二構型。以下將對孔的操作進行討論。

如之前討論的，在炬啟動之前，噴嘴和電極彼此接觸。這可以經由機械彈簧偏置來達到。當操作開始時，引起電流和氣體兩者流動。電流引燃電弧并且氣體壓力將會致使陰極/電極被推動離開噴嘴-對抗該彈簧偏置進行推動。在本發(fā)明的示例性實施例中，上部孔311d經由氣體壓力方便了這種縮回。也就是，形成孔311d，使得它們對應的中心線各自垂直于環(huán)311的中心線。進一步地，在本發(fā)明的示例性實施例中，所有孔311d具有相同的尺寸(例如，直徑)并且上部每排孔311d具有相同數量的孔311d(即，相同的徑向間距)。然而，在其他示例性實施例中，孔311d可以具有不同的直徑(例如，兩組孔，第一直徑和第二直徑)，和/或每排孔311d可以具有不同的孔間距。也就是，在一些示例性實施例中，接近于上部311a的那排孔311d可能具有比相鄰那排孔更少或更多的孔311d?？梢詢?yōu)化這種構型以達到所希望的性能。在圖7中所示的實施例中，孔311d具有圓柱形狀(圓形橫截面)，然而，在其他示例性實施例，這些孔中的至少一些孔可以具有非圓形的橫截面(例如，橢圓形、卵形等)。

與上排的孔311d不同，當氣體流入與電極305相鄰的空腔中時，底排的孔311e用于對氣體提供渦旋或旋轉。因此，在本發(fā)明的示例性實施例中，底排的孔311e具有不同的孔幾何形狀，其中，這些孔的中心線相對于環(huán)311的中心線是成角度的。這種成角度引導氣體流，其方式以便于賦予氣體流改進的旋轉。在本發(fā)明的示例性實施例中，孔311e是成角度的使得每個對應孔311e的中心線相對于環(huán)311的中心線具有在15度到75度范圍內的角度。在其他實施例中，該角度在25度到60度范圍內。在示例性實施例中，孔311e形成為使得，雖然它們對于環(huán)311的中心線是成角度的，但它們被定向成使得它們對應的中心線位于在孔311e的中心線處穿過環(huán)311切出的平面中。也就是，所有的孔中心線是共面的。然而，在其他示例性實施例中，孔311e還可以成角度為使得它們的中心線不共面。也就是，在一些實施例中，孔中心線對于環(huán)311的末端底端是成角度的(即，對于炬的末端是成角度的)。這樣的實施例將賦予氣體流渦旋流動，而且還使氣體流向下射出。

與上排的孔311d非常相似，下排的孔311e可以具有相同的幾何形狀和取向，并且每個對應排可以具有相同數量的孔。然而，在其他示例性實施例中，這不需要是這種情況。例如，在一些實施例中，孔311e可以具有不同的直徑和/或橫截面。進一步地，實施例可以在每個對應排利用不同數量的孔。此外，這些孔的角度可以不同，其中第一組孔311e相對于環(huán)中心線具有第一角度，第二組孔311e相對于環(huán)中心線具有第二角度。進一步地，在甚至其他示例性實施例中，孔311e可以具有不同的取向，其中，一些孔是向下成角度的，而其他孔則不是，并且能以不同的角度來向下成角度。作為一個示例，各對應排內的每一其他孔311e可以具有不同的幾何形狀/取向，或者一排(與上排相鄰的排)中的孔311e可以具有第一幾何形狀/取向，而最遠排中的孔311e(遠離上部孔)可以具有第二幾何形狀/取向。作為另一個示例，在一些示例性實施例中，最低排的孔311e(接近于環(huán)311的底部)是在徑向上且向下成角度的，而相鄰排的孔311e是僅在徑向上成角度的。當然，也可以使用相反構型。因此，本發(fā)明的實施例允許優(yōu)化氣體流，這大大改進了炬的性能和等離子射流的穩(wěn)定性。

圖8描繪了已知炬的性能與本發(fā)明的示例性炬之間的示例性比較。如可以看到的，本發(fā)明的實施例可以實現各種優(yōu)點。例如，如現有技術的炬所示，等離子芯的主射流非常短，并且在噴嘴的出口突發(fā)氣體膨脹并且熱量高度集中。進一步地，因為保護氣體離開了遠離噴嘴出口的防護帽，所以能夠在保護氣體與噴嘴射流之間的區(qū)域中產生渦流。這個渦流可以引起熔融飛濺物保留在這個區(qū)域長到足夠粘附到噴嘴的表面上，最終引起炬及其部件過早損壞，或以其他方式使切割操作降級。這有待與本發(fā)明(右側)的示例性炬相比較。如所示，在噴嘴的出口，現有速度更受控制，或者在噴嘴的出口有極少或沒有熱量集中并且主射流芯顯著更長。這允許高厚度材料的更穩(wěn)定的且一致的切割。進一步地，不存在允許飛濺物粘附到噴嘴313上的渦流區(qū)域。

因此，本發(fā)明的各實施例提供一種經改進的空氣冷卻縮回式切割炬，該炬能夠為更長周期型且更大數量的啟動循環(huán)提供更大精度。例如，在本發(fā)明的使用40安培到100安培范圍內的切割電流的實施例中，本發(fā)明的實施例可以在弧啟動失敗發(fā)生之前使弧啟動數量增加一倍多。這表示較已知的空氣冷卻式炬的構型有了顯著改進。

雖然已經參照某些實施例描述了本申請的所要求保護的主題，但本領域的普通技術人員將理解的是，在不脫離所要求保護的主題的范圍的情況下可以做出各種改變并且可以代替等效物。另外，可以進行許多修改來使特定情形或材料適合所要求保護主題的教導，而不脫離其范圍。因此，所旨在的是，所要求保護的主題內容不受限于所公開的特定實施例，而所要求保護的主題內容將包括落入所附權利要求書的范圍內的所有實施例。

參考號

10 電源 213a (伸出)部

12 殼體 213b 喉部

14 炬組件 215 防護罩/帽

16 前側 215a (伸出)部

18 炬端部 217a 帽組件

20 用戶輸入裝置 217b 帽組件

22 連接器 217c 帽組件

23 匹配連接器 300 炬頭部

24 軟管部 305 電極

100 切割系統(tǒng) 305a 螺紋部

200 炬(頭部) 305b 緊固部

200a 炬(頭部) 305c (圓柱形)部

201 連接器 305d (末端)部

203 陰極本體 305e (螺母)部

205 電極/噴嘴 305f (底座)部

205A 部分 305g 端面/(表面)部

205B 中心部分 307 插入物

205C 圓柱形部 311 渦流環(huán)

205D 部分/遠端 311a 上部區(qū)域

207 插入物 311b 下部區(qū)域

209 隔離器結構 311C 通道

211 渦流環(huán) 311d 孔

213 噴嘴 311e 孔

311F 空腔 D 直徑

313 噴嘴 D′ 直徑

313a (末端)部 G 空隙

313b (圓柱形)部 L 長度

313c (端頭)部 Y 端

313d 喉部 X 端

313e (入口)部

313f (喉)部

313g (擴展)部

313h (表面)部

311i 空腔

313z 熱區(qū)

315 帽

315a (末端)部

315b (圓柱形)部

315c (端頭)部

315d 末端表面/喉部

315e 開口

315f (表面)部

315g (擴展)部

315h (表面)部

319 氣流端口

A 角

B 角