專利名稱：提供斜角屏蔽流噴射的等離子體弧氣炬的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及用于對金屬進行切割、穿孔、在金屬上做出標志的等離子體弧 氣炬，尤其涉及給等離子體弧提供斜角(例如圓錐形)屏蔽流噴射的等離子體弧氣 炬。
背景技術：
當前，等離子體弧氣炬廣泛地用于對金屬材料(例如單質金屬、金屬合金等) 進行切割、穿孔和/或做出標志。等離子體弧氣炬一般包括安裝在氣炬的本體(即， 氣炬本體)內的電極、也是安裝在氣炬本體內的有出口噴孔的噴嘴、電連接件、用 于冷卻流體、保護流體和弧控制流體的流體通路、控制形成在電極和噴嘴之間的等 離子體腔室里的流體流動形態(tài)的旋轉環(huán)、以及電源。這種氣炬可產生等離子體弧， 它是一種具有高溫和高動量的被收縮的離子化的等離子體氣體噴射流(也就是一種 離子化的等離子體氣體流)。用在等離子體弧氣炬中的氣體可以是非氧化的氣體(例 如氬氣、氮氣)或氧化的氣體(例如氧氣、空氣)。
在操作中，首先在電極(即陰極)和噴嘴(即陽極)之間產生引導電弧?？梢?用連接于直流電源和等離子體弧氣炬的高頻高壓信號或任何種類的接觸觸發(fā)方法 產生引導電弧。
通常，電極、噴嘴、和流體通路構造成相互協(xié)同來提供用于切割、穿透、或標 志金屬材料的等離子體弧。參照圖1的一種已知構造的等離子體弧氣炬，它包括電
極l、噴嘴2和屏蔽3，噴嘴和屏蔽安裝成相互之間有間隔，因而在它們之間形成 一個或多個通路，以供流體(例如保護氣體)流經它們之間的空間。在這種已知的 構造中，等離子體氣體流4沿著氣炬的縱向軸線流經氣炬(例如圍繞著電極，流經 噴嘴，并流出噴嘴的出口噴孔)。保護氣體5或其它流體流經所述一個或多個通路 來冷卻噴嘴，并在等離子體氣體流流經噴嘴出口噴孔時以90度的角度撞擊離子化 的等離子體氣體流。由于這種撞擊，離子化的等離子體氣體流可能遭到破壞(例如
造成等離子體氣體流的不穩(wěn)定性)，這可能導致切割、穿孔或標志質量不良。
參照圖2，在另一種已知的構造中，噴嘴2和屏蔽3是安裝成能提供基本柱狀 的保護氣體流5和離子化的等離子體氣體流4。就是說，不是讓保護氣體流5以90 度的角度撞擊從噴嘴出口噴孔流出的離子化的等離子體氣體流4，而是讓保護氣體 流5以平行于等離子體氣體流的方向(即柱狀流)從流體通路噴射出去，如Lindsay 的美國專利6,207,923中所述的那樣。與那種讓保護氣體流5以90度的角度撞擊等 離子體氣體流的等離子體氣炬相比，采用這種構造的等離子體弧氣炬的等離子體氣體流的穩(wěn)定性得到了改善。此外，包括柱狀流的等離子體弧氣炬容易做到大的噴嘴 出口噴孔長度對其直徑之比L/D (例如大于2.4)。某些研究者已經發(fā)現(xiàn)，大的L/D 之比有利于切割較厚的金屬工件以及提高切割速度。但是， 一般地說，與采用90 度角的保護氣體流進行撞擊的等離子體弧氣炬相比，這種具有基本柱狀的保護氣體 流和等離子體氣體流的氣炬在切割過程中難以實現(xiàn)噴嘴端頭的冷卻，以及不能很好 地防止飛渣。
因此，需要提供一種這樣的等離子體弧氣炬，它能夠做到噴嘴的有效冷卻并能 防止飛渣，同時也能提供穩(wěn)定的等離子體氣體流和大的L/D之比值。

發(fā)明內容
本發(fā)明在一個實施例中通過提供一種等離子體弧氣炬可彌補現(xiàn)有技術的不足， 這種等離子體弧氣炬可提供有效的氣炬噴嘴冷卻和防飛渣保護，同時還能提供穩(wěn)定 的等離子體氣體流。本發(fā)明的等離子體弧氣炬可用于切割、穿透和/或標志金屬材 料。這種氣炬包括氣炬本體，該氣炬本體有相對于電極安裝在本體內而限定等離子 體腔室的噴嘴。氣炬本體包括等離子體流路徑，用于把等離子體氣體引導到等離子 體腔室。這種氣炬還包括固定于氣炬本體的屏蔽。噴嘴、電極和屏蔽都是消耗性的 零件，它們損耗了就需要更換。因此，這些零件是可拆的，并且在某些實施例中， 是可重復拆裝的，以便容易拆下來檢査損耗和更換。
一方面，本發(fā)明特有一種用于等離子體弧氣炬的噴嘴。該噴嘴包括噴嘴本體， 其包括基本空心的內部部分和基本錐形的外部部分?；惧F形的外部部分有噴嘴半 錐角，該噴嘴半錐角選自約20度到約60度的第一范圍。噴嘴本體限定設置在噴嘴 的端面上的出口噴孔。該出口噴孔由噴孔直徑D、噴孔長度L、以及噴嘴端面直徑 Ol所定義，其中，L/D的比值是大于或等于2.4，以及01/D的比值是在約1.9到 2.5的第二范圍內。
本發(fā)明的這一方面的各實施例包括以下一個或多個特點。在某些實施例中，第
一范圍是在約30度到約50度之間。在某些實施例中，第一范圍是在約34度到約 44度之間，諸如是42.5度。在某些實施例中，L/D的比值是在約2.5到約3.0之間， 例如是2.8。在某些實施例中，01/D的比值是約2.1。本發(fā)明的噴嘴本體還包括固 定機構，用于把噴嘴本體固定于等離子體弧氣炬本體。固定機構的例子包括0形 圈和螺紋。在某些實施例中，噴嘴本體是用導電材料制成，諸如銅、鋁、或黃銅。
另一方面，本發(fā)明特有一種用于等離子體弧氣炬的氣炬端頭。該氣炬端頭有一 縱向軸線并包括噴嘴和屏蔽。氣炬端頭的噴嘴包括噴嘴本體，該噴嘴本體包括基本 空心的內部部分和基本錐形的外部部分?；惧F形的外部部分有噴嘴半錐角，該噴 嘴半錐角選自約20度到約60度的第一范圍。噴嘴本體限定設置在噴嘴的端面上的 出口噴孔。該出口噴孔由噴孔直徑D、噴孔長度L、以及噴嘴端面直徑Ol所定義， 其中，L/D的比值是大于或等于2.4。氣炬端頭的屏蔽包括基本錐形的內部部分， 其有屏蔽半錐角，該半錐角基本等于噴嘴半錐角。屏蔽相對于氣炬端頭的縱向軸線 安裝成與噴嘴之間有間隔，從而在屏蔽的基本錐形的內部部分和噴嘴的基本錐形的 外部部分之間的空間內形成流體通路。
這一方面的各實施例有以下一個或多個特點。在某些實施例中，屏蔽沿著縱向 軸線以距離s間隔于噴嘴，以及流體通路的厚度由距離s乘以噴嘴半錐角的正弦值 來限定。在某些實施例中，距離s的數(shù)值選擇為由它形成的流體通路厚度可使屏蔽 出口流體速度為約2,000英寸每秒到約6,000英寸每秒。在某些實施例中，距離s 的數(shù)值選擇為可形成約0.022英寸的流體通路厚度。噴嘴的01/D的比值可以是在 約1.9到約2.5的范圍內，諸如2.1。在某些實施例中，該第一范圍(即噴嘴半錐角 的范圍)可以是在約30度到約50度之間。在其它的實施例中，該第一范圍是在約 34度到約44度之間，例如42.5度。L/D的比值可以是在約2.5到約3.0之間，例 如2.8。這種氣炬端頭的①2/0 1的比值可在約0.8到約1.2之間。在某些實施例中， 02/01的比值是大于1。在某些實施例中，屏蔽還包括一個或多個通風孔。在某 些實施例中，屏蔽不包括任何通風孔。屏蔽以及噴嘴都可用導電材料來制成。在某 些實施例中，噴嘴本體還包括固定機構，用于把噴嘴本體固定于等離子體弧氣炬本 體。
另一方面，本發(fā)明特有一種等離子體弧氣炬。該等離子體弧氣炬有一縱向軸線 并包括等離子體弧氣炬本體、噴嘴、以及屏蔽。等離子體弧氣炬本體包括等離子體 流動路徑，用于把等離子體氣體引導到等離子體腔室，而在其中形成等離子體弧。 噴嘴包括噴嘴本體，其包括基本空心的內部部分和基本錐形的外部部分?；惧F形的外部部分有噴嘴半錐角，該噴嘴半錐角選自約20度到約60度的第一范圍。噴嘴 本體限定設置在噴嘴的端面上的出口噴孔。該出口噴孔由噴孔直徑D、噴孔長度L、 以及噴嘴端面直徑Ol所定義，其中，L/D的比值是大于或等于2.4。屏蔽包括屏 蔽本體，其限定直徑為02的屏蔽出口噴孔。屏蔽本體包括基本錐形的內部部分， 其有屏蔽半錐角，該半錐角基本等于噴嘴半錐角。屏蔽相對于等離子體弧氣炬的縱 向軸線安裝成與噴嘴之間有間隔，從而在屏蔽的基本錐形的內部部分和噴嘴的基本 錐形的外部部分之間的空間內形成流體通路。
這一方面的各實施例有以下一個或多個特點。在某些實施例中，屏蔽沿著縱向 軸線以距離s間隔于噴嘴，以及流體通路的厚度由距離s乘以噴嘴半錐角的正弦值 來限定。在某些實施例中，距離s的數(shù)值選擇為由它形成的流體通路厚度可使屏蔽 出口流體速度為約2,000英寸每秒到約6,000英寸每秒。在某些實施例中，距離s 的數(shù)值選擇為可形成約0.022英寸的流體通路厚度。噴嘴的①1/D的比值是在約1.9 到約2.5的范圍內，諸如2.1。在某些實施例中，該第一范圍(即噴嘴半錐角的范 圍)可以是在約30度到約50度之間。在其它的實施例中，該第一范圍是在約34 度到約44度之間，例如42.5度。L/D的比值可以是在約2.5到約3.0之間，例如 2.8。這種等離子體弧氣炬的02/01的比值可在約0.8到約1.2之間。在某些實施 例中，02/01的比值是大于1。在某些實施例中，屏蔽還包括一個或多個通風孔。 在某些實施例中，屏蔽不包括任何通風孔。屏蔽以及噴嘴都可用導電材料來制成。 在某些實施例中，噴嘴本體還可包括固定機構，用于把噴嘴本體固定于等離子體弧 氣炬本體。
另一方面，本發(fā)明特有一種用于等離子體弧氣炬的噴嘴。該噴嘴包括噴嘴本體， 該噴嘴本體包括基本空心的內部部分和有噴嘴半錐角的基本錐形的外部部分。噴嘴本體限定設置在噴嘴的端面上的出口噴孔。該出口噴孔由噴孔直徑D、噴孔長度L、 以及噴嘴端面直徑Ol所定義，其中噴嘴半錐角、L/D的比值、以及①1/D的比值是選擇為給所述等離子體弧氣炬提供有效的噴嘴冷卻、有效的防飛渣保護、以及穩(wěn) 定的離子化的等離子體氣體流。
另一方面，本發(fā)明特有一種用于等離子體弧氣炬的氣炬端頭。這種氣炬端頭有 一縱向軸線并包括噴嘴和屏蔽。噴嘴包括噴嘴本體，該噴嘴本體包括基本空心的內 部部分和有噴嘴半錐角的基本錐形的外部部分。噴嘴本體限定設置在噴嘴的端面上 的出口噴孔。該出口噴孔由噴孔直徑D、噴孔長度L、以及噴嘴端面直徑Ol所定 義。屏蔽包括屏蔽本體，其限定直徑為①2的屏蔽出口噴孔。屏蔽本體包括基本錐
形的內部部分，該內部部分有屏蔽半錐角，該屏蔽半錐角基本等于噴嘴半錐角。屏 蔽相對于縱向軸線安裝成與噴嘴之間有間隔，從而在屏蔽的基本錐形的內部部分和 噴嘴的基本錐形的外部部分之間的空間內形成流體通路。噴嘴半錐角、L/D的比值、 以及0)2/01的比值是選擇為給所述等離子體弧氣炬提供有效的噴嘴冷卻、有效的 防飛渣保護、以及穩(wěn)定的離子化的等離子體氣體流。
另一方面，本發(fā)明特有一種包括一縱向軸線的等離子體弧氣炬。該等離子體弧 氣炬包括等離子體弧氣炬本體、噴嘴和屏蔽。等離子體弧氣炬本體包括等離子體流 動路徑，用于把等離子體氣體引導到在其中形成等離子體弧的等離子體腔室。噴嘴 相對于電極安裝在等離子體弧氣炬本體內以限定等離子體腔室。噴嘴包括噴嘴本 體，而噴嘴本體包括基本空心的內部部分和有噴嘴半錐角的基本錐形的外部部分。 噴嘴本體限定設置在噴嘴的端面上的出口噴孔。該出口噴孔由噴孔直徑D、噴孔長 度L、以及噴嘴端面直徑Ol所定義。屏蔽包括限定直徑為02的屏蔽出口噴孔的 屏蔽本體。屏蔽本體包括有屏蔽半錐角的基本錐形的內部部分，這個屏蔽半錐角基 本等于噴嘴半錐角。屏蔽相對于縱向軸線安裝成與噴嘴之間有間隔，從而在屏蔽的 基本錐形的內部部分和噴嘴的基本錐形的外部部分之間的空間內形成流體通路。噴 嘴半錐角、L/D的比值、以及02/①1的比值是選擇為給等離子體弧氣炬提供有效 的噴嘴冷卻、有效的防飛渣保護、以及穩(wěn)定的離子化的等離子體氣體流。
另一方面，本發(fā)明特有一種用于等離子體弧氣炬的耗材。該耗材包括供離子化 的等離子體流體流過的第一通路和供保護流體流過的第二通路。第一通路平行于所 述耗材的縱向軸線。第一通路包括第一出口噴孔，用于噴射出離子化的等離子體流 體。第二通路包括第二出口噴孔并設置成對第一通路有一角度，使得在噴射出去之 后保護流體以這個角度撞擊等離子體流體，這個角度選擇為給等離子體弧氣炬提供 耗材的一部分的有效冷卻、有效的防飛渣保護、以及穩(wěn)定的離子化的等離子體流體 流。


圖1是現(xiàn)有技術的等離子體弧氣炬的一部分(即氣炬端頭)的剖視圖，其采用 常規(guī)的90度屏蔽噴射流，就是說，屏蔽流以90度角撞擊等離子體氣體流。
圖2是另一現(xiàn)有技術的等離子體弧氣炬的氣炬端頭的剖視圖，其采用柱狀的屏 蔽噴射流，就是說，屏蔽流是同軸于等離子體氣體流。
圖3是本發(fā)明的一個實施例的氣炬端頭的剖視圖，在圖3中，該氣炬端頭可給等離子體氣體流提供圓錐形的屏蔽噴射流。
圖4A是本發(fā)明的一個實施例的氣炬端頭的端部的原理示意圖。圖4B—4D是 本發(fā)明的另幾個實施例的氣炬端頭的端部的原理示意圖。
圖5A和5B是圖4的一部分的放大示意圖。
圖6是包括圖3的氣炬端頭的等離子體弧氣炬的剖視圖。
圖7是圖2的氣炬端頭的一部分的剖視圖，表示出了熱分析的結果。
圖8是圖3的氣炬端頭的一部分的剖視圖，表示出了熱分析的結果。
具體實施例方式
本發(fā)明采用圓錐形噴嘴的外部部分組合于對應的圓錐形屏蔽的內部部分來形 成冷卻流體(例如保護氣體)對離子化的等離子體氣體流的一種斜角的(例如錐形 的)撞擊。在數(shù)學上，可將這種斜角的屏蔽流撞擊看成為兩個分量(即圓柱分量或 稱X分量和垂直分量或稱Y分量)。圓柱分量可有助于降低離子化的等離子體氣體 流的不穩(wěn)定性，而垂直分量可提供防飛渣保護和有效的噴嘴冷卻能力。通過調整斜 角氣流的角度，可使圓柱分量與垂直分量之比最佳化，從而提供高度穩(wěn)定的離子化 的等離子體氣體流，以及提供有效的防飛渣保護和噴嘴冷卻。
參照圖3，氣炬端頭IO包括噴嘴15和屏蔽20，它們沿著氣炬端頭10的縱向 軸線25安裝成相互之間有間隔。噴嘴15和屏蔽20都是用導電材料制成的。在某 些實施例中，噴嘴15和屏蔽20是用同一種導電材料制成的，而在另一些實施例中， 它們是用不同的導電材料制成的。適用于本發(fā)明的導電材料的例子包括銅、鋁、以 及黃銅。
流體通路30成形在噴嘴15和屏蔽20之間的空間里。在使用中，諸如保護氣 體的流體流經流體通路30以冷卻噴嘴15。流經流體通路30的流體撞擊流經噴嘴 15的離子化的等離子體氣體流。結果，給等離子體氣體流提供了錐形屏蔽噴射流， 或換言之，保護氣體相對于等離子體氣體有一角度。在圖3中，等離子體氣體流和 保護氣體流分別用箭頭的附圖標記4和5標示。就是說，等離子體氣體流是以箭頭 4表示，而保護氣體流是以箭頭5表示。
如圖3所示，屏蔽15可包括一個或多個通風孔32，用以給噴嘴15提供附加 冷卻(即通風)。但是，在某些實施例中，屏蔽15不包括任何通風孔。
參照圖4A，它是氣炬端頭10的端部的示意圖，噴嘴15包括噴嘴本體35，而 噴嘴本體35包括基本圓錐形的外部部分40和基本空心的內部部分45。如圖4A所示，圓錐形的外部部分40由噴嘴半錐角a即縱向軸線25和噴嘴15的外部部分40 之間形成的角度來限定。通常，可以改變這個噴嘴半錐角a，使外部部分40的進 而流體通路30的傾斜度也跟著改變。 一般地說，選擇較大的噴嘴半錐角a，在流 經流體通路30的流體撞擊離子化的等離子體氣體流時，更容易引起不穩(wěn)定性。因 此，在某些實施例中，最好是把噴嘴半錐角a選擇在約20度到約60度的范圍內， 以限制造成不穩(wěn)定的離子化的等離子體氣體流的可能性。
噴嘴15還包括設置在它的端面55上的出口噴孔50。在等離子體腔室里(即 在電極和基本空心的內部部分45之間限定的空間里)產生的離子化的等離子體氣 體流從出口噴孔50噴出，進而流出屏蔽20而沖向導電材料的工件，去進行切割、 標志和/或穿孔。出口噴孔50是由噴孔直徑D、噴孔長度L、以及噴嘴端面直徑① 1所定義。
參照圖4A、 4B、 4C和4D，噴孔長度L是穿過噴嘴15的腔孔(亦即通路) 的總長度。就是說，L是等于從腔孔進口 52到噴嘴15的端面55上的腔孔端口所 定義的腔孔長度。噴嘴直徑D，也稱為水力學直徑，是定義為圍繞腔孔的壁的總面 積除以腔孔的總長度L和pi的乘積。在某些實施例中，諸如在圖4所示的實施例 中，腔孔直徑沿著總長度L保持為常數(shù)。于是，D可由下式來定義
<formula>complex formula see original document page 14</formula> 其中L,=L
但是，在其它實施例中，諸如在圖4B所示的實施例中，其中腔孔有圓柱段(即 在長度L,上直徑為常數(shù)D,的那一段)和圓錐段(即直徑從最小直徑D,增大到最 大直徑D2的那一段)，D可由下式來定義
<formula>complex formula see original document page 14</formula>
在圖4C所示的實施例中，腔孔有兩個不同的圓柱段。第一圓柱段延伸于長度 Lp而第二圓柱段延伸于長度L2，其中LrfL^L。于是，D可由下式來定義 D= ( <formula>complex formula see original document page 14</formula>
圖4D表示出一個實施例，其中腔孔進口 52處的直徑大于腔孔出口或稱噴嘴 15的端面55處的直徑。在這一實施例中，腔孔的幾何形狀包括第一段，其直徑在 腔孔進口 52處是最大的D,，并在長度L,上減小到最小的直徑D2。腔孔還包括第 二段，其直徑在其余的長度(即L一L,)上為常數(shù)。于是，D可由下式來定義
<formula>complex formula see original document page 15</formula>
盡管圖4A—4D表示出四種可能的腔孔幾何形狀，但是其它的幾何形狀也是可 能的。
可以選擇各數(shù)值D、 L和Ol中的每一個，來達到由等離子體弧氣炬對導電材 料的工件的最佳切割、標志和/或穿孔。例如，通過增大噴嘴15的L/D的比值就可 提高切割速度和工件厚度。 一般地說，L/D的比值等于或大于2.4對提高切割速度 和切割厚度有利。但是，在采用圓柱形的或垂直的保護氣體流進行撞擊的常規(guī)噴嘴 上，很難使L/D的比值達到大于或等于2.4，這是因為其可能導致噴嘴的過熱(即 過度損耗)或導致離子化的等離子體氣體流的不穩(wěn)定。用通風的或不通風的噴嘴進 行冷卻流體的斜角撞擊可有效地減輕現(xiàn)有技術的噴嘴的這一問題，同時允許把L/D 的比值增大到至少約2.4的數(shù)值。在某些實施例中，可將L/D的比值增大到約2.5 到約3.0范圍內，例如2.8。
通過實驗和分析，已經確定了噴嘴端面直徑Ol和噴孔直徑D之間的比值的最 佳范圍。①1/D的比值是重要的，因為它有助于確定流體流(例如保護氣體流)與 離子化的等離子體氣體流的匯合點的位置。這個匯合點在圖4中的M點，而M點 到保護氣體出口點P的距離將決定出口噴孔50附近流體的回流程度。隨著回流量 的增大，離子化的等離子體氣體流的不穩(wěn)定的可能性也增大。因此，在某些實施例 中，可通過改變M點和P點的位置來達到工件的最佳切割、穿孔或標志。例如， 隨著01/D的比值接近數(shù)值1 (因而M點和P點之間的距離減小)，噴嘴的端面會 變得太熱進而限制噴嘴的壽命，這是不希望的。隨著這一比值增大，噴嘴和噴嘴端 面將趨于較冷，但保護氣體流將由于M點和P點之間的距離的增大而受到不利的 影響，從而導致離子化的等離子體氣體流的不穩(wěn)定性增大。在某些實施例中，Ol/D 的比值的最佳值已確定為在約1.9到約2.5的范圍內。
屏蔽20有屏蔽本體60，其有基本錐形的內部部分65，這個內部部分有屏蔽半 錐角b。屏蔽半錐角b基本等于噴嘴半錐角a (例如士5度)，這使得在沿著縱向軸 線25把屏蔽安裝成與噴嘴15有間隔時，噴嘴的基本錐形的外部部分40和屏蔽的 基本錐形的內部部分65形成流體通路30的兩個平行的壁面。由于流體通路30的 幾何形狀，流經流體通路30的流體(例如保護氣體)將流出并斜角地撞擊離子化 的等離子體氣體流。
屏蔽本體60包括屏蔽出口噴孔70，其設置成毗鄰于噴嘴15的出口噴孔50， 使得離子化的等離子體氣體流和保護氣體流一起直接沖向工件。屏蔽出口噴孔是由 屏蔽出口噴孔直徑02來限定的。在某些實施例中，為了形成順暢的保護氣體流， 屏蔽出口噴孔可以有類似于噴嘴端面直徑①1的尺寸。如果①2/①1的比值太小(例 如0.5或更小)，可能導致出口噴孔50附近流體回流增加，結果，將會看到不穩(wěn)定 性增大。如果02/①1的比值太大(例如大于1.5)，在氣炬的使用中，由于屏蔽出 口噴孔70過大，噴嘴端面55可能暴露于飛渣。在幾個實施例中，02/①l的比值 可以是在0.8到1.2之間，以提供有效的防飛渣保護，同時仍能提供穩(wěn)定的離子化 的等離子體氣體流。
在屏蔽20和噴嘴15之間流動的流體的速度同樣對工件的切割、標志和穿孔結 果有影響。例如，如果保護氣體流的速度太低，氣炬端頭10的保護噴嘴15免受飛 渣的能力就會被削弱。如果這一速度太高，將引起離子化的等離子體氣體流的不穩(wěn) 定性。因此，在某些實施例中，流體在流體通路30里的流動速度最好是在約2,000 英寸每秒到約6,000英寸每秒之間。流體的這一速度是部分地取決于流體通路30 的厚度t。流體通路30的這一厚度又是取決于噴嘴15和屏蔽20沿著縱向軸線25 的間隔距離。參照圖5A和5B，流體通路30的厚度t是等于sXsin (a)，其中b =a。流體(例如保護氣體)在P點的速度等于流體的有效流量除以P點的面積。 P點的面積等于πXtX (Ol+tXC0S (a))。這樣，距離s以及最終通路的厚度t 將決定流體在通路30里的流動速度。
參照圖6，氣炬端頭IO可附連至等離子體弧氣炬100，而這個氣炬包括氣炬本 體105、電極110、以及等離子體氣體通路115。氣炬端頭10的噴嘴15可通過固 定機構120，例如一對可變形的O形圈或加工在噴嘴15的表面130上的螺紋，直 接地附連至氣炬本體105。在某些實施例中，屏蔽20可通過固定機構，例如采用 固定帽150，附連至等離子體弧氣炬100。
下面舉例進行說明，以便容易理解本發(fā)明。這些特定的例子是用于說明而不是 限制本發(fā)明。
例子1
用氣炬端頭以達100英寸每分鐘的不產生鋼渣的切割速度切割3/4英寸厚的軟 鋼板，這個氣炬端頭有基本錐形的外部噴嘴部分和基本錐形的內部屏蔽部分。還用 這同一個氣炬端頭組合于等離子體弧氣炬來穿透3/8英寸、1/2英寸、1英寸、以 及l(fā) 1/4英寸厚的軟鋼板?；惧F形的外部噴嘴部分和基本錐形的內部屏蔽部分的半錐角都是42.5度。屏蔽和噴嘴都是用銅加工的并有0形圈把氣炬端頭固定于等 離子體弧氣炬。屏蔽上設有12個通風孔，以提供附加的冷卻。
屏蔽和噴嘴沿著縱向軸線安裝成相互之間有0.0326英寸的距離，從而在它們 之間形成厚度為0.022英寸的通路。流出通路的保護氣體在P點的速度是4,100英 寸每秒。噴嘴的出口噴孔的長度L是0.235英寸，直徑D是0.081英寸，噴嘴端面 直徑Ol是0.18英寸。這樣，噴嘴的L/D的比值是2.8， 01/D的比值是2.1。屏蔽 出口噴孔的直徑O2是0.185英寸。這樣，這個氣炬端頭的①2/01的比值是1.03。
將這一例子中描述的氣炬端頭用于由美國新罕布什爾州Hanover市的人工發(fā) 熱機有限公司(Hypertherm， Inc.)生產的HPR等離子體弧氣炬。在幾個不同厚度的軟 鋼板上進行的各項試驗的結果表明，與提供柱狀撞擊的氣炬端頭相比，這種提供斜 角撞擊的氣炬端頭的性能較好。事實上，在對厚度為1英寸或更大的工件進行穿孔 時，那種提供柱狀撞擊的氣炬端頭很難冷卻以致?lián)p壞了。
例子2
對有基本錐形的外部噴嘴部分和基本錐形的內部屏蔽部分的氣炬端頭進行了 模型熱分析，并將其結果與提供柱狀流的常規(guī)氣炬端頭的模型進行了比較。參照圖 7和8，圖7表示出提供柱狀流的氣炬端頭的熱分析結果，圖8表示出提供42.5度 斜角流的氣炬端頭的熱分析結果。現(xiàn)有技術的氣炬端頭和本發(fā)明的氣炬端頭有相同 的各比值，即L/D的比值是2.8， 0U/D是2.1，以及①2/①1是1.03。
如圖7所示，在相等的熱負荷下，有柱狀流的氣炬端頭經受了 996"C的最高溫 度，而提供斜角流(圖8)的氣炬端頭經受了 696'C的最高溫度。這說明，本發(fā)明 的氣炬端頭在使用中噴嘴的向外傳熱較好。因此，本發(fā)明的噴嘴在使用中的損耗將 是較小的，因而可降低需要的維護頻度。
例子3
有基本錐形的外部噴嘴部分和基本錐形的內部屏蔽部分的氣炬端頭用于以達 100英寸每分鐘的無渣切割速度切割3/4英寸厚的軟鋼?；惧F形的外部噴嘴部分 和基本錐形的內部屏蔽部分的半錐角都是30度。噴嘴和屏蔽都是用銅加工而成的 并包括把這個氣炬端頭緊固于等離子體弧氣炬的O形圈。屏蔽有設置在其上的12 個通風孔，用以提供附加的冷卻。
屏蔽和噴嘴沿著縱向軸線安裝成相互之間有0.04英寸的距離，從而在它們之 間形成厚度為0.020英寸的通路。從這一通路流出的保護氣體(空氣)在P點的速 度是2,500英寸每秒。噴嘴的出口噴孔的長度L是0.234英寸、直徑D是0.0867
英寸、以及噴嘴端面直徑巾l是0.18英寸。照此，噴嘴的L/D的比值是2.7，以及 cD 1/D是2.07。屏蔽的屏蔽出口噴孔直徑①2是0.162英寸。這樣，這個氣炬端頭 的02/01的比值是0.9。
例子4
有基本錐形的外部噴嘴部分和基本錐形的內部屏蔽部分的氣炬端頭用于以達 100英寸每分鐘的無渣切割速度切割3/4英寸厚的軟鋼。基本錐形的外部噴嘴部分 和基本錐形的內部屏蔽部分的半錐角都是47度。噴嘴和屏蔽都是用銅加工而成的 并包括把這個氣炬端頭緊固于等離子體弧氣炬的0形圈。屏蔽有設置在其上的12 個通風孔，用以提供附加的冷卻。
屏蔽和噴嘴沿著縱向軸線安裝成相互之間有0.03英寸的距離，從而在它們之 間形成厚度為0.022英寸的通路。從這一通路流出的保護氣體(空氣)在P點的速 度是5,000英寸每秒。噴嘴的出口噴孔的長度L是0.234英寸、直徑D是0.0867 英寸、以及噴嘴端面直徑Ol是0.208英寸。照此，噴嘴的L/D的比值是2.7，以 及cDl/D是2.4。屏蔽的屏蔽出口噴孔直徑02是0.229英寸。這樣，這個氣炬端頭 的①2/01的比值是1.1。
盡管已經討論了若干示例性實施例，但其它的實施例也是可能的。例如，盡管 噴嘴15和屏蔽20已被描述為單獨的零件，但是在某些實施例中，可把噴嘴15和 屏蔽20成形為單體的可更換的零件。這樣，在按照本發(fā)明維護等離子體弧氣炬的 過程中，可把整個氣炬端頭10作為單體零件來更換。在其它實施例中，屏蔽20 和噴嘴15都是單獨的零件，并可根據它們的損耗程度分別地或在不同的時間進行 更換。作為可能的實施例的另一個例子，可以用若干種不同的裝置把氣炬端頭10 連接于等離子體弧氣炬100。例如噴嘴15和屏蔽都可包括可配接于氣炬本體或包 圍外殼的螺紋的螺紋。在其它的實施例中，可以用可變形的元件諸如O形圈把屏 蔽和噴嘴附連至等離子體弧氣炬。此外，噴嘴15和屏蔽20可以用不同的裝置附連 至等離子體弧氣炬100。
熟悉本領域的普通技術人員會想到并不脫離本發(fā)明的精神實質和范圍的在此 描述的變型、修改和其它實施方式。因此，本發(fā)明并不僅僅局限于前面的示例性描 述。
權利要求
1.一種用于等離子體弧氣炬的噴嘴，該噴嘴包括噴嘴本體，該噴嘴本體包括基本空心的內部部分和基本錐形的外部部分，所述基本錐形的外部部分有噴嘴半錐角，該噴嘴半錐角選自約20度到約60度的第一范圍，所述噴嘴本體限定設置在所述噴嘴的端面上的出口噴孔，所述出口噴孔由噴孔直徑(D)、噴孔長度(L)、以及噴嘴端面直徑(Φ1)所定義，其中，L/D的比值是大于或等于2.4，以及Φ1/D的比值是在約1.9到約2.5的第二范圍內。
2. 如權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，所述第一范圍是在約30度到約50度之間。
3. 如權利要求1所述的噴嘴 其特征在于，所述第一范圍是在約34度到約44度之間。
4. 如權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，所述噴嘴半錐角是約42.5度。
5. 如權利要求1所述的噴嘴， 其特征在于，所述L/D的比值是在約2.5到約3.0之間。
6. 如權利要求5所述的噴嘴，其特征在于，所述L/D的比值是約2.8。
7. 如權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，所述0 1/D的比值是約2.1。
8. 如權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，所述噴嘴本體還包括固定機構， 用于把所述噴嘴本體固定于等離子體弧氣炬本體。
9. 如權利要求1所述的噴嘴，其特征在于，所述噴嘴本體是用導電材料制 成的。
10. —種用于等離子體弧氣炬的氣炬端頭，該氣炬端頭有縱向軸線并包括 噴嘴，該噴嘴包括噴嘴本體，而該噴嘴本體包括基本空心的內部部分和基本錐形的外部部分，所述基本錐形的外部部分有噴嘴半錐角，該噴嘴半錐角選自約20 度到約60度的第一范圍，所述噴嘴本體限定設置在所述噴嘴的端面上的出口噴孔， 所述出口噴孔由噴孔直徑(D)、噴孔長度(L)、以及噴嘴端面直徑(①l)所定義， 其中，L/D的比值是大于或等于2.4;以及屏蔽，該屏蔽包括屏蔽本體，而該屏蔽本體限定具有屏蔽出口噴孔直徑(①2) 的屏蔽出口噴孔，所述屏蔽本體包括基本錐形的內部部分，而該內部部分有屏蔽半 錐角，所述屏蔽半錐角基本等于所述噴嘴半錐角，所述屏蔽相對于所述氣炬端頭的縱向軸線安裝成與所述噴嘴之間有間隔，從而在所述屏蔽的所述基本錐形的內部部 分和所述噴嘴的所述基本錐形的外部部分之間的空間內形成流體通路。
11. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述屏蔽沿著所述縱向 軸線以距離(S)相對所述噴嘴隔開，以及所述流體通路的厚度由這個距離S乘以 所述噴嘴半錐角的正弦值來限定。
12. 如權利要求11所述的氣炬端頭，其特征在于，所述距離S的數(shù)值是選擇為由它形成的流體通路厚度使屏蔽出口流體速度為約2000英寸每秒到約6000 英寸每秒。
13. 如權利要求11所述的氣炬端頭，其特征在于，所述距離s的數(shù)值是選 擇為形成約0.022英寸的流體通路厚度。
14. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述噴嘴的Ф1/D的比值 是在約1.9到約2.5的第二范圍內。
15. 如權利要求14所述的氣炬端頭，其特征在于，所述Ф1/D的比值是約2.1。
16. 如權利要求IO所述的氣炬端頭，其特征在于，所述第一范圍是在約30度到約50度之間。
17. 如權利要求IO所述的氣炬端頭，其特征在于，所述第一范圍是在約34度到約44度之間。
18. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述噴嘴半錐角是約42.5度。
19. 如權利要求IO所述的氣炬端頭，其特征在于，所述L/D的比值是在約2.5到約3.0之間。
20. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述L/D的比值是約2.8。
21. 如權利要求IO所述的氣炬端頭，其特征在于，所述氣炬端頭的Ф2/Ф1的比值是在約0.8到約1.2之間。
22. 如權利要求21所述的氣炬端頭，其特征在于，所述Ф2/Фl的比值是大于1。
23. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述屏蔽本體還包括一個或多個通風孔。
24. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述噴嘴本體還包括固定機構，用于把所述噴嘴本體固定于等離子體弧氣炬本體。
25. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述噴嘴本體是用導鬼 材料制成的。
26. 如權利要求10所述的氣炬端頭，其特征在于，所述屏蔽本體是用導電材料制成的。
27. —種有一縱向軸線的等離子體弧氣炬，該等離子體弧氣炬包括等離子體弧氣炬本體，該等離子體弧氣炬本體包括等離子體流動路徑，用于把等離子體氣體引導到在其中形成等離子體弧的等離子體腔室；噴嘴，該噴嘴相對于電極安裝在所述等離子體弧氣炬本體內以限定所述等離子 體腔室，所述噴嘴包括噴嘴本體，而該噴嘴本體包括基本空心的內部部分和基本錐 形的外部部分，所述基本錐形的外部部分有噴嘴半錐角，該噴嘴半錐角選自約20 度到約60度的第一范圍，所述噴嘴本體限定設置在所述噴嘴的端面上的出口噴孔， 所述出口噴孔由噴孔直徑(D)、噴孔長度(L)、以及噴嘴端面直徑(Ol)所定義， 其中，L/D的比值是大于或等于2.4;以及屏蔽，該屏蔽包括屏蔽本體，該屏蔽本體限定具有屏蔽出口噴孔直徑(02) 的屏蔽出口噴孔，所述屏蔽本體包括基本錐形的內部部分，該內部部分有屏蔽半錐 角，所述屏蔽半錐角基本等于所述噴嘴半錐角，所述屏蔽相對于所述等離子體弧氣 炬的縱向軸線安裝成與所述噴嘴之間有間隔，從而在所述屏蔽的所述基本錐形的內 部部分和所述噴嘴的所述基本錐形的外部部分之間的空間內形成流體通路。
28. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述屏蔽沿著所 述縱向軸線以距離(s)相對所述噴嘴隔開，以及所述流體通路的厚度由這個距離 s乘以所述噴嘴半錐角的正弦值來限定。
29. 如權利要求28所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述距離s的數(shù) 值是選擇為由它形成的流體通路厚度使屏蔽出口流體速度為約2000英寸每秒到約 6000英寸每秒。
30. 如權利要求28所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述距離s的數(shù) 值是選擇為形成約0.022英寸的流體通路厚度。
31. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述噴嘴的①1/D 的比值是在約1.9到約2.5的第二范圍內。
32. 如權利要求31所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述01/D的比值 是約2.1。
33. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述第一范圍是在約30度到約50度之間。
34. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述第一范圍是 在約34度到約44度之間。
35. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述噴嘴半錐角 是約42.5度。
36. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述L/D的比值 是在約2.5到約3.0之間。
37. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述L/D的比值 是約2.8。
38. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述等離子體弧 氣炬的0 2/①1的比值是在約0.8到約1.2之間。
39. 如權利要求38所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述02/①1的比 值是大于l。
40. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述屏蔽本體還 包括一個或多個通風孔。
41. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述噴嘴本體還 包括固定機構，用于把所述噴嘴本體固定于等離子體弧氣炬本體。
42. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述噴嘴本體是 用導電材料制成的。
43. 如權利要求27所述的等離子體弧氣炬，其特征在于，所述屏蔽本體是 用導電材料制成的。
44. 一種用于等離子體弧氣炬的噴嘴，該噴嘴包括；噴嘴本體，該噴嘴本體包括基本空心的內部部分和基本錐形的外部部分，所述 基本錐形的外部部分有噴嘴半錐角，所述噴嘴本體限定設置在所述噴嘴的端面上的 出口噴孔，所述出口噴孔由噴孔直徑(D)、噴孔長度(L)、以及噴嘴端面直徑(O 1)所定義，其中，所述噴嘴半錐角、L/D的比值、以及①1/D的比值是選擇為給 所述等離子體弧氣炬提供有效的噴嘴冷卻、有效的防飛渣保護、以及穩(wěn)定的離子化 的等離子體氣體流。
45. —種用于等離子體弧氣炬的氣炬端頭，該氣炬端頭有一縱向軸線并包括噴嘴，該噴嘴包括噴嘴本體，而該噴嘴本體包括基本空心的內部部分和基本錐形的外部部分，所述基本錐形的外部部分有噴嘴半錐角，所述噴嘴本體限定設置在 所述噴嘴的端面上的出口噴孔，所述出口噴孔由噴孔直徑(D)、噴孔長度(L)、以及噴嘴端面直徑(Ol)所定義；以及屏蔽，該屏蔽包括屏蔽本體，而該屏蔽本體限定具有屏蔽出口噴孔直徑(①2) 的屏蔽出口噴孔，所述屏蔽本體包括基本錐形的內部部分，該內部部分有屏蔽半錐 角，所述屏蔽半錐角基本等于所述噴嘴半錐角，所述屏蔽相對于所述氣炬端頭的縱 向軸線安裝成與所述噴嘴之間有間隔，從而在所述屏蔽的所述基本錐形的內部部分 和所述噴嘴的所述基本錐形的外部部分之間的空間內形成流體通路，其中，所述噴嘴半錐角、L/D的比值、以及O2/0M的比值是選擇為給所述等 離子體弧氣炬提供有效的噴嘴冷卻、有效的防飛渣保護、以及穩(wěn)定的離子化的等離 子體氣體流。
46. —種有一縱向軸線的等離子體弧氣炬，該等離子體弧氣炬包括 等離子體弧氣炬本體，該等離子體弧氣炬本體包括等離子體流動路徑，用于把等離子體氣體引導到在其中形成等離子體弧的等離子體腔室；噴嘴，該噴嘴相對于電極安裝在所述等離子體弧氣炬本體內以限定所述等離子 體腔室，所述噴嘴包括噴嘴本體，而該噴嘴本體包括基本空心的內部部分和基本錐 形的外部部分，所述基本錐形的外部部分有噴嘴半錐角，所述噴嘴本體限定設置在 所述噴嘴的端面上的出口噴孔，所述出口噴孔由噴孔直徑(D)、噴孔長度(L)、 以及噴嘴端面直徑(Ol)所定義；以及屏蔽，該屏蔽包括限定具有屏蔽出口噴孔直徑(①2)的屏蔽出口噴孔的屏蔽 本體，所述屏蔽本體包括基本錐形的內部部分，該內部部分有屏蔽半錐角，所述屏 蔽半錐角基本等于所述噴嘴半錐角，所述屏蔽相對于所述等離子體弧氣炬的縱向軸 線安裝成與所述噴嘴之間有間隔，從而在所述屏蔽的所述基本錐形的內部部分和所 述噴嘴的所述基本錐形的外部部分之間的空間內形成流體通路；其中，所述噴嘴半錐角、L/D的比值、以及02/01的比值是選擇為給所述等 離子體弧氣炬提供有效的噴嘴冷卻、有效的防飛渣保護、以及穩(wěn)定的離子化的等離 子體氣體流。
47. —種用于等離子體弧氣炬的耗材，該耗材包括供離子化的等離子體流體流過的第一通路，所述第一通路平行于所述耗材的縱 向軸線，所述第一通路包括第一出口噴孔，用于噴射出所述離子化的等離子體流體; 以及供保護流體流過的第二通路，所述第二通路包括第二出口噴孔，所述第二通路設置成對所述第一通路有一角度，使得在噴射出去之后保護流體以一角度撞擊等離 子體流體，這個角度選擇為給所述等離子體弧氣炬提供所述耗材的一部分的有效冷卻、有效的防飛渣保護、以及穩(wěn)定的離子化的等離子體流體流。
全文摘要
這里描述的等離子體弧氣炬包括氣炬端頭，該氣炬端頭裝有改進的噴嘴，這個噴嘴可噴射出斜角的屏蔽流。具體地說，該噴嘴可使流體(例如保護氣體)以斜角/錐角撞擊流經等離子體弧氣炬的離子化的等離子體氣體流。這里描述的幾個氣炬端頭包括有圓錐形外部形狀的噴嘴，這種形狀的噴嘴與具有相配的內部幾何形狀的屏蔽組合起來而使得形成斜角的流體流。結果，包括這種改進的噴嘴的等離子體弧氣炬在使用中的優(yōu)點是離子化的等離子體氣體流更加穩(wěn)定，可增強噴嘴的冷卻，以及提供防飛渣保護。
文檔編號H05H1/34GK101204123SQ200680021824
公開日2008年6月18日 申請日期2006年4月19日 優(yōu)先權日2005年4月19日
發(fā)明者A·D·布蘭德特, S·M·里爾伯德, 正 端 申請人:海別得公司