具有改進(jìn)的冷卻系統(tǒng)和相應(yīng)冷卻方法的等離子體焰炬的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在工業(yè)應(yīng)用中使用的等離子體焰炬的生產(chǎn)。特別地，本發(fā)明涉及用于 冷卻所述焰炬的組件的冷卻系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及使用所述焰炬的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于材料(通常是金屬材料)處理的技術(shù)的使用，在各行各業(yè)(特別在工業(yè)部門(mén)）中 是熟知的。這些處理通常存在于材料切削和/或印記中。熟知技術(shù)包括由專(zhuān)門(mén)操作人員用來(lái) 處理材料的特殊等離子體設(shè)備的使用。
[0003] 熟知類(lèi)型的這些設(shè)備利用從兩個(gè)電極(被稱(chēng)為陰極和陽(yáng)極)之間的電弧的產(chǎn)生導(dǎo) 出的影響。該設(shè)備產(chǎn)生一種等離子體流，該等離子體流隨著在該兩個(gè)電極之間的適當(dāng)電勢(shì) 差的施加和電弧的引發(fā)而從噴嘴發(fā)送出來(lái)，其中在該兩個(gè)電極之間輸送載氣（通常為空 氣）。載氣經(jīng)受電離以產(chǎn)生等離子體。
[0004]為此目的，所述設(shè)備包括用于由操作者操控的被稱(chēng)為焰炬的元件，在其端部具有 噴嘴，該噴嘴設(shè)有開(kāi)口，該開(kāi)口朝向外面準(zhǔn)直并輸送等離子體流。
[0005] 在例如被稱(chēng)為轉(zhuǎn)移型電弧焰炬的第一類(lèi)焰炬中，電弧最初在定位于焰炬中的電極 (陰極）與由此而最初用作陽(yáng)極的噴嘴之間引發(fā)。一旦最初引發(fā)階段已經(jīng)結(jié)束，用作陽(yáng)極的 功能就轉(zhuǎn)移到正在被處理的工件，而噴嘴僅僅用作等離子體流的準(zhǔn)直器和輸送器。
[0006] 而在被稱(chēng)為非轉(zhuǎn)移型電弧焰炬的第二類(lèi)焰炬中，在最初引發(fā)階段和焰炬正在處理 工件的同時(shí)的操作兩者期間，噴嘴總是用作陽(yáng)極。
[0007] 在金屬切削應(yīng)用中，考慮到轉(zhuǎn)移到工件的較高能量密度，采用具有轉(zhuǎn)移型電弧的 結(jié)構(gòu)，而具有非轉(zhuǎn)移型電弧的結(jié)構(gòu)在處理非金屬材料時(shí)仍然保持為強(qiáng)制選擇。
[0008] 等離子體流在任何情況下，都通過(guò)與在電極高度上適當(dāng)輸送的載氣流的相互作用 而產(chǎn)生。
[0009] 因此，為了其操作，該設(shè)備由第一單元或發(fā)電機(jī)和用于向焰炬供給載氣的單元構(gòu) 成，該第一單元或發(fā)電機(jī)用于向焰炬供電以產(chǎn)生和維持電弧。
[0010] 根據(jù)熟知技術(shù)，焰炬的端部因而設(shè)有第一元件或噴嘴，其設(shè)有開(kāi)口，等離子體流通 過(guò)該開(kāi)口以噴射流形式噴射。如上所述，第一元件在等離子體產(chǎn)生和/或維護(hù)時(shí)也用作陽(yáng) 極。在焰炬的端部，還存在第二內(nèi)部元件或電極（陰極），其為用于等離子體產(chǎn)生的另一電 極。內(nèi)部電極通常布置在噴嘴內(nèi)的同軸位置上。
[0011] 在熟知類(lèi)型的第一類(lèi)焰炬中，內(nèi)部電極可以在通常由彈簧產(chǎn)生的彈性力的影響 下，相對(duì)于噴嘴軸向滑動(dòng)。內(nèi)部電極的軸向運(yùn)動(dòng)諸如將首先用與噴嘴接觸的內(nèi)部電極限定 第一非引發(fā)位置，進(jìn)而限定不從噴嘴流出等離子體的位置。內(nèi)部電極倚靠彈簧推力而遠(yuǎn)離 噴嘴的軸向運(yùn)動(dòng)諸如將繼續(xù)限定在其中以距離噴嘴的適當(dāng)距離布置內(nèi)部電極的第二引發(fā) 位置，并且當(dāng)載氣在其中輸送時(shí)，等離子體噴射流可以從設(shè)在噴嘴中的開(kāi)口中流出。
[0012] 內(nèi)部電極通常通過(guò)倚靠?jī)?nèi)部電極的適當(dāng)表面(更具體地，倚靠承載電極本身的活 塞的適當(dāng)表面)而適當(dāng)輸送同一載氣流，來(lái)倚靠彈簧推力而從噴嘴移開(kāi)。
[0013] 在不同類(lèi)別的熟知類(lèi)型的焰炬中，內(nèi)部電極和噴嘴保持在適當(dāng)?shù)墓潭ㄒl(fā)距離 處。為了產(chǎn)生從噴嘴發(fā)送出來(lái)的等離子體噴射流，在兩個(gè)電極之間輸送載氣并且適當(dāng)?shù)貙?電力供給該兩個(gè)電極以產(chǎn)生交變電場(chǎng)以及由此引起的兩個(gè)電極之間的高頻跳躍火花。
[0014] 與正在使用的焰炬的類(lèi)型無(wú)關(guān)，由于存在于在電極高度上的引發(fā)區(qū)域中的高溫 度，電極的制造對(duì)于焰炬操作和其持續(xù)時(shí)間來(lái)說(shuō)，是特別重要的方面。
[0015] 事實(shí)上，電極(特別是內(nèi)部電極)耗損非?？?。
[0016] 特別地，電極由于以下幾個(gè)因素而耗損:在切削階段期間激勵(lì)電弧并加熱電極的 高強(qiáng)度電流;啟動(dòng)/停機(jī)周期的頻率;正在處理的工件朝向電極本身輻射的熱量。
[0017] 為了這個(gè)目的，根據(jù)熟知技術(shù)，在操作期間，電極經(jīng)受冷卻處理。特別注意內(nèi)部電 極的制造和冷卻。
[0018] 在第一類(lèi)焰炬中，內(nèi)部電極是中空型的。該方案相比于使用固體電極的方案，使用 少量材料(通常是銅）。有益的是，使用中空型內(nèi)部電極的方案很便宜。然而，電極經(jīng)受特別 是由所涉及的高溫引起的隨著時(shí)間的高耗損。為了提高內(nèi)部電極的使用壽命，使用一種冷 卻系統(tǒng)，在其中在電弧引發(fā)之前將至少一部分載氣流輸送到存在于電極之內(nèi)的腔中。冷卻 流的載氣接觸電極腔的內(nèi)壁，從而促使電極冷卻下來(lái)。此外，根據(jù)熟知技術(shù)，影響該電極的 內(nèi)腔的冷卻流隨后再次朝向外面輸送，并且穿過(guò)產(chǎn)生等離子體的引發(fā)區(qū)域，進(jìn)而朝向噴嘴 的出口開(kāi)口。
[0019] 然而，上述熟知類(lèi)型的冷卻系統(tǒng)帶來(lái)一些缺點(diǎn)。
[0020] 由這種冷卻類(lèi)型所帶來(lái)的缺點(diǎn)由如下事實(shí)構(gòu)成：由于離開(kāi)中空型電極的冷卻氣體 流已經(jīng)經(jīng)受加熱作用并且朝向電極之間的引發(fā)區(qū)域返回，所以冷卻動(dòng)作無(wú)效。
[0021] 因此，冷卻氣體溫度的作用疊加到引發(fā)區(qū)域中的溫度的作用上。
[0022] 熟知類(lèi)型的系統(tǒng)所帶來(lái)的另一個(gè)缺點(diǎn)由電極(特別是內(nèi)部電極)特別是在引發(fā)區(qū) 域高度上經(jīng)受的高耗損來(lái)表示。
[0023] 熟知類(lèi)型的系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)由等離子體的不足夠的有效性(其由被電離的載氣 的升高了的溫度所引起)構(gòu)成。事實(shí)上，眾所周知，電離氣體的溫度越低，等離子體的密度越 高。因此，溫度升高導(dǎo)致降低密度，并由此降低等離子體的有效性。
[0024] 本發(fā)明的目的是至少部分克服上述缺點(diǎn)。
[0025] 本發(fā)明的第一目的是提供一種具有冷卻系統(tǒng)的等離子體焰炬，該冷卻系統(tǒng)比熟知 類(lèi)型的系統(tǒng)更有效，同時(shí)保證低溫氣流被離子化以產(chǎn)生高密度等離子體。
[0026] 本發(fā)明的另一目的是提供一種等離子體焰炬，其相比于熟知類(lèi)型的焰炬，需要很 少的維護(hù)操作和/或電極(特別是內(nèi)部電極)替換。
[0027] 本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種等離子體焰炬，其使得可以獲得切削空氣的高能 力來(lái)確保更高切削速度，進(jìn)而更好質(zhì)量的切削工件(意味著具有減少了的毛刺）。
[0028] 本發(fā)明的再一目的是提供一種等離子體焰炬，等離子體在其中比在熟知類(lèi)型的焰 炬中更有效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0029]本發(fā)明所基于的一般概念已經(jīng)從提供這樣一種等離子體焰炬的構(gòu)思展開(kāi):該等離 子體焰炬包括中空型電極并裝備一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)將冷卻流體輸送進(jìn)入其內(nèi)腔中來(lái)冷 卻該中空型電極，其中冷卻流體一旦穿過(guò)電極的內(nèi)腔，就至少部分地從焰炬發(fā)送出來(lái)。
[0030] 因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，其涉及以下類(lèi)型的等離子體焰炬，其包括：
[0031] -第一元件，其設(shè)有通孔，該通孔用作等離子體流的出口；
[0032] -中空型電極，其沿著主軸線(xiàn)縱向展開(kāi)，并且可以以限定引發(fā)區(qū)域的方式相對(duì)于所 述第一元件定位，所述中空型電極包括至少部分地沿著所述主軸線(xiàn)延伸的內(nèi)腔；
[0033] -第一輸送通道，用于朝向引發(fā)區(qū)域輸送載氣；
[0034] -第二輸送通道，用于朝向所述中空型電極的所述內(nèi)腔輸送所述載氣的一部分，所 述載氣的所述部分用于冷卻所述中空型電極，
[0035] 其中該焰炬包括用于從所述中空型電極的所述內(nèi)腔朝向一條通道輸送所述載氣 的裝置，以便不影響所述引發(fā)區(qū)域。
[0036]優(yōu)選地，輸送裝置以避免與引發(fā)區(qū)域干擾的方式，從中空型電極的內(nèi)腔朝向焰炬 的外面輸送載氣。
[0037] 優(yōu)選地，中空型電極的內(nèi)腔基本上延伸過(guò)中空型電極本身的整個(gè)長(zhǎng)度。
[0038] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，中空型電極構(gòu)成焰炬的陰極。
[0039] 在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，中空型電極構(gòu)成焰炬的陰極，而第一元件在引 發(fā)階段構(gòu)成焰炬的陽(yáng)極。在本發(fā)明的所述實(shí)施方式中，一旦所述引發(fā)階段已經(jīng)結(jié)束，第一個(gè) 元素就不再是焰炬的陽(yáng)極，而用作陽(yáng)極的功能被轉(zhuǎn)移到正在處理的工件并由正在處理的工 件限定。
[0040] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在所有處理階段中，中空型電極構(gòu)成焰炬的 陰極，而第一元件構(gòu)成焰炬的陽(yáng)極。
[0041] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，中空型電極可以移動(dòng)并且可以在至少一個(gè)第 一操作位置和至少一個(gè)第二操作位置之間定位。在第一操作位置時(shí)，中空型電極與第一元 件接觸，而在第二操作位置中，空型電極以限定引發(fā)區(qū)域的方式與第一元件隔開(kāi)。
[0042] 焰炬適當(dāng)?shù)匕ㄓ糜谠诘谝徊僮魑恢煤偷诙僮魑恢弥g移動(dòng)中空型電極的裝 置。
[0043] 優(yōu)選地，移動(dòng)裝置包括用于支承中空型電極的至少一個(gè)活塞，以及用于在第一操 作位置中布置中空型電極的彈性推進(jìn)裝置。
[0044] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，中空型電極處于相對(duì)于第一元件的固定位置 中。
[0045] 優(yōu)選地，焰炬包括用于朝向第一元件輸送載氣的一部分的第三輸送通道，載氣的 所述一部分用于冷卻第一元件。
[0046] 在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，焰炬還包括另外的輸送通道，其用于從中空 型電極的內(nèi)腔朝向引發(fā)區(qū)域輸送載氣。