使用喷嘴特性的割炬流量调节 相关申请
本发明要求以 2010 年 7 月 16 日提交的美国临时申请 No.61/365202 作为优先权， 在此引入其全部内容作为参考。
技术领域
本申请通常涉及等离子弧割炬， 更特别的， 涉及使用喷嘴特性调节割炬流量。 背景技术 焊炬和等离子弧割炬广泛应用于焊接、 切割以及以及在材料上做标记。等离子割 炬通常包括电极、 在割炬本体上具有出口孔的喷嘴、 导电连接、 冷却通道以及电弧控制流体 ( 例如， 等离子气体 )。可选择的， 在电极和喷嘴之间形成的等离子室中使用漩涡环用于控 制流体流动路径。在一些割炬上， 可以使用帽套来保持喷嘴和 / 或漩涡环在等离子弧割炬 上。割炬产生等离子弧， 被压缩的离子化的高温高动量的气体射流。割炬中使用的气体可 以是稳定 ( 例如， 氩气或氮气 ) 或活性的 ( 例如， 氧气或空气 )。在操作中， 首先在电极 ( 阴 极 ) 和喷嘴 ( 阳极 ) 之间产生维持电弧。维持电弧的产生可以通过将高频率、 高电压的信 号连接于直流电源以及割炬的方式来实现， 或者通过任意的接触启动的方式来实现。
等离子电弧割炬可以在多个不同的电流水平下工作， 例如， 65 安培、 85 安培或 105 安培。等离子弧割炬在 105 安培工作时要求具有比在 65 安培工作时更高的流速。由于在 不同的电流水平下操作等离子弧割炬要求变化的冷却气体流速和 / 或保护气体流速， 在每 个电流水平下的操作都需要不同的可消耗部件。进一步的， 当割炬的其他操作参数被调节 时， 例如， 电流强度、 材料类型或应用， 也需要不同的可消耗部件。
可消耗部件的过早失效或不佳的消耗性能的一个共同原因是可消耗部件的错误 匹配。 使用正确的可消耗部件并且将它们合适地匹配在一起对于达到最佳切割性能很有必 要。然而， 对于经销商和使用者而言， 存储和记录大量可消耗部件的配置都是十分复杂的。 并且， 使用者需要对可消耗部件上列举的可消耗部件零件编号和用户手册上列举的可消耗 部件进行相互对照。
发明内容 因此， 存在减少所需要的可消耗部件的数目的需求， 例如， 多种不同的等离子弧割 炬参数 ( 如， 保护气体流速和 / 或冷却气体流速、 电流强度、 材料类型或应用 ) 所要求的喷 嘴、 漩涡环以及帽套。可消耗部件的通用性可以减少使用者用于确定针对特定的等离子割 炬参数哪个可消耗部件组合是正确的的时间。 并且， 等离子割炬的操作总花费也会减少， 因 为由于可消耗部件的错误匹配引发的过早失效或表现不佳将会减少， 而这又是因为单一的 可消耗部件可以用于多个割炬参数。
一方面， 本发明的特征在于一种等离子弧割炬的喷嘴。该喷嘴包括具有第一端和 第二端的本体。该喷嘴还包括在本体的第一端的等离子出口孔。凸缘被安装在本体的第二
端。凸缘适于与相应的可消耗部件紧密配合。凸缘设置为有选择性地堵塞至少一个在相应 可消耗部件上的气体通道以建立相对于喷嘴本体设置的气流。
另一方面， 本发明的特征在于一种等离子弧割炬的喷嘴保持帽。该喷嘴保持帽包 括具有第一端和第二端的中空本体。该喷嘴保持帽还包括位于中空本体的第一端的突起。 在所述突起上形成第一孔型。在所述突起上形成第二孔型。第一或第二孔型的至少一个中 的孔的尺寸被设定用于控制喷嘴冷却气流或等离子气流。
另一方面， 本发明的特征在于等离子弧割炬的割炬头。所述割炬头包括安装在等 离子割炬的割炬本体上的喷嘴。所述喷嘴包括喷嘴本体、 位于喷嘴本体的第一端的等离子 出口孔以及位于喷嘴本体的第二段的凸缘。所述割炬头还包括适于和喷嘴的凸缘紧密配 合的可消耗部件。所述可消耗部件在一段具有表面。所述表面具有第一孔型和第二孔型， 其中， 第一或第二孔型的至少一个中的孔的尺寸被设定用于控制喷嘴冷却气流或等离子气 流。
进一步的一方面， 本发明的特征在于等离子弧割炬的漩涡环。所述漩涡环包括具 有壁、 第一端和第二端的中空本体。该漩涡环还包括在中空本体的所述第二端形成的开口 用于与等离子弧割炬上的喷嘴紧密配合。在本体的壁上形成了第一孔型。所述第一孔型被 定位以及设定尺寸用于提供绕喷嘴表面的第一气流。第二孔型形成在本体的壁上。第二孔 型被定位以及设定尺寸用于提供绕喷嘴表面的第二气流。 另一方面， 本发明的特征在于在等离子弧割炬建立保护气流的方法。所述割炬包 括具有多个气体通道穿过的保持帽用于提供保护气流。该方法包括提供具有外表面、 在前 端具有等离子出口孔并在后端具有径向凸缘的喷嘴。 该方法还包括相对于保持帽上的多个 气体通道调节喷嘴的径向凸缘， 从而喷嘴的径向凸缘有选择性地堵塞保持帽上的至少一个 气体通道来建立绕喷嘴外表面的保护气流。
进一步的一方面， 本发明的特征在于在等离子弧割炬上建立气流的方法。该方法 提供喷嘴， 喷嘴包括具有内表面和外表面的本体、 在本体的前端的等离子出口孔以及在本 体后端的凸缘。该方法还包括相对于可消耗部件的多个气体通道调整喷嘴的凸缘， 从而凸 缘有选择性地堵塞至少一个气体通道来建立绕喷嘴本体的内表面或外表面的至少之一的 气流。
在一些实施方式中， 所述凸缘包括至少带轮廓、 锥形的或齿形的表面的一种来适 应于紧密配合或者接触相应可消耗部件的配合面。 凸缘的表面并非必需接触相应可消耗部 件的配合面。在一些实施方式中， 在凸缘的表面和相应可消耗部件的紧密配合的表面之间 具有间隙或小缝隙。 凸缘可以相对于喷嘴的外表面设置并且相对于与沿着喷嘴本体延伸的 纵轴径向设置。在一些实施方式中， 凸缘有选择性地设定轮廓从而调节喷嘴本体外表面的 保护气流或喷嘴本体内表面的等离子气流中的至少一种。
凸缘形成相对于喷嘴的外表面设置的台阶， 且所述台阶相对于沿着喷嘴本体延伸 的纵轴径向设置。所述台阶调节喷嘴本体的外表面的保护气流
在一些实施方式中， 凸缘为相对于延伸通过喷嘴本体的纵轴轴向设置的伸出部。 伸出部调节绕喷嘴本体的内表面的等离子气流。
所述喷嘴也可以包括相对于喷嘴的外表面设置的台阶， 台阶相对于延伸通过喷嘴 本体的纵轴径向设置。该台阶调节绕喷嘴本体的外表面的保护气流。
在一些实施方式中， 相应的可消耗部件是漩涡环或者保持帽两者之一。
在一些实施方式中， 第一孔型和第二孔型为同心圆。第一孔型可具有相对于沿本 体延伸的中心纵轴设置的第一直径， 而第二孔型可具有相对于沿本体延伸的中心纵轴设置 的第二直径。
突起的表面可以设置为用于容纳配置在喷嘴本体上的凸缘。该凸缘的尺寸被设 定为用于阻断流过第一或第二孔型之一的气体。在一些实施方式中， 突起的表面设置为接 纳位于喷嘴本体上的凸缘， 并且该凸缘的尺寸可以允许气体流过至少第二孔型从而冷却喷 嘴。所述突起的表面能够设置为接纳位于喷嘴本体上的凸缘， 并且该凸缘的尺寸允许气体 流过第一和第二孔型从而冷却喷嘴。在一些实施方式中， 突起的表面设置为接纳位于喷嘴 本体的凸缘， 并且凸缘的尺寸设置成在相应的切割参数下操作等离子弧割炬。
在一些实施方式中， 第一孔型具有与第二孔型相同数目的气体通道。第一孔型可 以具有与第二孔型不同数目的气体通道。
在一些实施方式中， 第一孔型被定位以及设定尺寸为， 当等离子弧割炬在第一切 割参数下工作时提供第一气流， 而第二孔型被定位以及设定尺寸为当等离子弧割炬在第二 切割参数下工作时提供第二气流。 第一孔型可以与第二孔型在孔的尺寸、 孔的形状、 孔的数 目或孔的切线角中的至少一种方面不同。 在一些实施方式中第一孔型具有与第二孔型不同 数目的气体通道。 位于喷嘴本体上的凸缘的尺寸可以用于阻断气流通过第二孔型。 在一些实施方式 中， 喷嘴本体上的凸缘可能被设定尺寸为允许气体流过至少第二孔型。凸缘可能被设定尺 寸为允许气体流过第一和第二孔型。
在一些实施方式中， 开口设置为用于容纳具有第一凸缘的第一喷嘴或者具有第二 凸缘的第二喷嘴。第一喷嘴的第一凸缘的尺寸被确定为与第一孔型相应， 而第二喷嘴的第 二凸缘的尺寸被确定为与第一和第二孔型相应。
在一些实施方式中， 保持帽的多个气体通道包括第一孔型和第二孔型。喷嘴的凸 缘可以选择性地阻断第一孔型或第二孔型。在一些实施方式中， 喷嘴的凸缘并不阻断第一 或第二孔型， 允许气体流过第一和第二孔型。 在一些实施方式中， 喷嘴的凸缘选择性地阻断 第一孔型， 允许气体流过第二孔型。
在一些实施方式中， 可消耗部件 ( 例如， 漩涡环或保持帽 ) 具有形成于本体壁的第 三孔型。第三孔型可以被定位以及设定尺寸为用于提供喷嘴表面的第三气流特征。喷嘴的 凸缘可能选择性地不阻断任意一个孔型， 允许气体流过所有三个孔型。 在一些实施方式中， 喷嘴的凸缘可能选择性地阻断第一孔型， 允许气体流过第二和第三孔型。喷嘴的凸缘可能 选择性地阻断第一和第二孔型， 允许气体流过第三孔型。
该方法也可以包括将喷嘴从等离子弧割炬移除。 该方法可能进一步包括提供具有 外表面的第二喷嘴， 等离子出口孔位于前端而径向凸缘位于后端， 从而第二喷嘴的径向凸 缘不同于喷嘴的径向凸缘。在一些实施方式中， 该方法包括相对于保持帽上的多个气体通 道设置调整第二喷嘴的径向凸缘， 从而第二喷嘴的径向凸缘阻止至少两个位于保持帽上的 气体通道而建立绕第二喷嘴外表面的保护气流， 从而第二保护气流不同于保护气流。
凸缘可为径向凸缘， 可消耗部件可为保持帽并且气流可为保护气流。在一些实施 方式中， 凸缘为轴凸缘， 可消耗部件为漩涡环， 而气流为等离子气流。
附图说明 本发明上述的优点， 以及更多的优点， 将通过参照连同附图的以下描述更好地被 理解。附图不必要按照比例， 而是强调对本发明原理的详解。
图 1 为等离子弧割炬头的剖面图。
图 2A 为根据本发明的实施方式， 与相应可消耗部件配合的喷嘴的剖面图。
图 2B 为根据本发明的实施方式， 与相应可消耗部件配合的喷嘴的剖面图。
图 2C 为根据本发明的实施方式， 喷嘴的剖面图。
图 3A 为根据本发明的实施方式， 喷嘴保持帽的立体图。
图 3B 为根据本发明的实施方式， 喷嘴保持帽的示意图。
图 4A 为根据本发明的实施方式的包括了喷嘴和漩涡环的割炬头的剖面图。
图 4B 为根据本发明的实施方式的漩涡环的侧视图。
图 5 为根据本发明的实施方式的割炬头的剖面图。
图 6 为根据本发明的实施方式的在等离子弧割炬中建立气流的方法的流程图。
具体实施方式 图 1 示出等离子弧割炬 100 的剖面图。等离子弧割炬头包括多个不同的可消耗部 件， 例如， 电极 105、 喷嘴 110、 保持帽 115、 漩涡环 120、 或防护罩 125。割炬本体 102 支撑具 有大致圆柱形本体的电极 105。割炬本体 102 也支撑喷嘴 110。喷嘴 110 与电极 105 间隔 开并且具有设置在割炬本体 102 内的中心出口孔。漩涡环 120 被安装到割炬本体 102 上并 且具有一组径向偏置 ( 或倾斜的 ) 气体分配孔 127， 这些分配孔用于将切向速度分量分给 等离子气流使之形成漩涡状。也包括出口孔的防护罩 125 连接 ( 例如螺纹连接 ) 于保持帽 115。保持帽 115 连接 ( 例如螺纹连接 ) 于割炬本体 102。割炬和割炬头包括电气连接件、 冷却通道、 弧控制流体 ( 例如， 等离子气体 ) 通道以及电源。
在操作中， 等离子气体通过气体入口管 ( 没有示出 ) 和漩涡环 120 中的气体分配 孔 127。从那里， 等离子气体流入等离子室 128 并通过喷嘴 110 和防护罩 125 的出口孔流出 割炬。引导电弧首先在电极 105 和喷嘴 110 之间产生。引导电弧将经过喷嘴出口孔和防护 罩出口孔的气体离子化。然后电弧从喷嘴 110 传送给工件 ( 没有示出 ) 用于切割工件。可 以注意到割炬的特定结构细节可以采取多种形式， 这些结构细节包括组件的布置、 气体和 冷却流的引导以及提供电气连接件。
不同的切割方法经常要求不同的防护和 / 或等离子气体流速， 而不同的保护和 / 或等离子气体流速又要求不同的可消耗部件。这导致在本领域要用到多种可消耗部件。使 用正确的可消耗部件并且将他们合适地匹配对于达到最佳切割性能是十分必要的。 可消耗 部件的错误匹配 ( 例如， 当割炬在 105 安培被操作， 使用用于在割炬 65 安培工作的可消耗 部件 ) 可能导致可消耗部件寿命缩短或者等离子弧割炬的性能不良。
图 2A 为割炬头 200 的剖面图， 示出了根据本发明的实施方式的与相应可消耗部件 210 紧密配合的喷嘴 205。相应的可消耗部件 210， 在图 2A 所述的实施方式中为保持帽， 而 在另一个实施方式中， 相应的可消耗部件 210 可为漩涡环。喷嘴 205 具有本体 207、 第一端 215 以及第二端 220。等离子出口孔 225 位于喷嘴本体 207 的第一端 215。凸缘 230 位于喷
嘴本体 207 的第二端 220。该凸缘 230 适于与相应可消耗部件 210 配合。凸缘 230 设置为 可选择地阻断位于相应可消耗部件 210 上的至少一个气体通道 235， 从而建立相对于喷嘴 本体 207 的气流。
例如， 图 2A 的相应可消耗部件 210， 具有两个气体通道 235、 236。气体通道 235、 236 可是包括了多个气体通道的一对孔型的部分。 图 2A 的凸缘 230 设置为有选择性地阻断 至少一条气体通道， 例如气体通道 235。凸缘 230 不阻断气体通道 236， 从而允许防护气体 流过气体通道 235 并且沿着喷嘴本体 207 的外表面 245。这种类型的喷嘴和可消耗部件的 组合可用于在例如约 65 安培或约 85 安培下操作的等离子弧割炬上。其他工作电流也可以 被预期。
该凸缘 230 可具有多个不同形状和 / 或大小的可用于相对喷嘴本体 207 建立变化 气流的表面。例如， 图 2A 中所示的凸缘 230 具有正方形或矩形的剖面。在其他实施方式 中， 凸缘可包括至少一个带轮廓的 ( 波状外形的 )、 锥形的或齿形的适于接触相应可消耗部 件的配合表面。例如， 如图 2A 所示， 凸缘 230 的带轮廓表面的 237 与相应可消耗部件的配 合表面 240 相接触。
凸缘 230 的特别的尺寸、 形状和 / 或轮廓可取决于等离子弧割炬的操作参数。在 一个实施方式中， 凸缘 230 可选择地设定轮廓用于调节绕喷嘴本体 207 的外表面 245 的防 护气流或绕喷嘴本体 207 的内表面 250 的等离子气流。
该凸缘 230 可相对于喷嘴 205 的外表面 245 设置。该凸缘也可相对于沿喷嘴本体 207 延伸的纵轴线 255 径向设置。在一些实施方式中， 喷嘴 205 也包括台阶， 并且在一些实 施方式中， 凸缘 230 形成台阶。该台阶可相对于喷嘴 205 的外表面 245 设置。台阶也可相 对于纵轴线 255 径向设置。该台阶可调节绕喷嘴本体 207 的外表面 245 的防护气流。
图 2B 为根据本发明的实施方式的与可消耗部件 210 配合的喷嘴 260 的剖面图。 如 上关于图 2A 所讨论的， 图 2A 的凸缘 230 不阻断气体通道 236 从而允许防护气体流过通道 235 并且沿着喷嘴提 207 的外表面 245 流动。图 2A 的喷嘴和可消耗部件的组合可用于在例 如约 65 安培或约 85 安培下操作的等离子弧割炬上。
图 2B 的喷嘴具有不阻断任何一条气体通道 235、 236 的凸缘 265。例如， 如图 2B 所 示， 凸缘可具有锥形表面 266 从而允许气体流过气体通道 235、 236。 这允许围绕喷嘴 260 的 外表面 270 流动的气体量相比图 2A 中的喷嘴有所增加， 使得冷却能力增强， 增强的冷却对 于例如在 105 安培下工作的等离子弧割炬很有必要。
典型的， 操作者被要求备有两个单独的喷嘴以及两个单独的相应可消耗部件， 例 如两个保持帽。然而， 图 2A 和图 2B 的喷嘴 205、 260 以及保持帽允许操作者备有两个喷嘴 以及仅仅一个相应的可消耗部件， 例如一个保持帽。当操作者在两个单独的等离子弧割炬 操作参数， 例如， 在 65 安培的电流下或者 105 安培的电流之间转换时， 操作者可以仅仅改变 喷嘴， 例如， 用图 2B 的喷嘴更换图 2A 的喷嘴。操作者无需改变相应的可消耗部件。这减少 了在一个单独的等离子弧割炬上使用的可消耗部件的数量， 同时也减少了可消耗部件错误 匹配的可能性。
图 2C 示出了根据本发明的实施方式的喷嘴 280 的剖面图。喷嘴 280 包括喷嘴本 体 285、 等离子出口孔 290 以及凸缘 295。凸缘 295 类似于图 2B 中的凸缘 265。凸缘 295 设 置为选择性地调节通过相应可消耗部件的气体通道的气流。例如， 如图 2C 所示， 凸缘 295包括适于接触相应可消耗部件的配合表面的锥形表面 296。
图 3A 示出根据本发明的实施方式的喷嘴保持帽 300 的立体图。喷嘴保持帽 300 包括具有第一端 310 和第二端 315 的中空本体 305。突起 320 位于中空本体 305 的第一端 310 上。突起 320 具有第一表面 321 和第二表面 322。第一表面 321 在突起 320 的一侧而 第二表面 322 位于突起 320 的相对的另一侧。第一孔型 325 形成在突起 320 上。第二孔型 330 也形成于突起 320 上。第一和第二孔型 325， 330 的至少一个孔的尺寸设定为控制喷嘴 冷却气流或等离子气流的至少一者。
如图 3A 所示， 第一和第二孔型 325、 330 可形成同心圆。 在一些实施方式中， 第一孔 型 325 具有相对于中心纵轴线 335 的第一直径。所述中心纵轴线 335 延伸穿过保持帽 300 的中空本体 305。第二孔型 330 可具有相对于中心纵轴线 335 的第二直径。例如第一直径 可大约为 0.590 英寸而第二直径可为大约 0.653 英寸。
第一和第二孔型 325、 330 可形成任意模式， 并且可具有各种尺寸用于控制喷嘴冷 却气流或防护气流中的至少一个。在一些实施方式中， 第一孔型 325 和第二孔型 330 具有 相同数目的气体通道。例如， 每个孔型 325、 330 可具有约 2 至约 50 个气体通道。在一些实 施方式中， 第一孔型 325 和第二孔型 330 具有不同数目的气体通道。例如， 第一孔型 325 可 具有 4 个气体通道而第二孔型 330 可具有约 6 个气体通道。 突起 320 的第二表面 322 可设置用于容纳位于喷嘴本体上的凸缘。凸缘的尺寸设 定为用于阻断气体流过第一或第二孔型 325、 330 之一。例如， 凸缘可为图 2A 的凸缘 230 或 者图 2B 的凸缘 265。在一些实施方式中， 喷嘴的凸缘， 例如图 2A 的凸缘 230， 其尺寸设定为 允许气体流过至少第二孔型 330 从而冷却喷嘴。 在一些实施方式中， 喷嘴的凸缘， 例如图 2B 的凸缘 265， 被设定尺寸为允许气体流过第一和第二孔型来冷却喷嘴。
参照图 3A， 在一些实施方式中， 第二表面 322 设置成用于接纳位于喷嘴本体上的 凸缘并且凸缘的尺寸被设定为在相应的切割参数下操作等离子弧割炬。例如， 切割参数可 为电流、 切割类型 ( 例如， 开槽或细刻磨 )、 或气体设置 ( 例如， 防护气体设置或等离子气体 设置 )。
图 3B 为根据本发明的实施方式的喷嘴保持帽 350 的示意图。 第一和第二孔型 325、 330 配设在绕保持帽 350 的表面的两个同心圆上。第一孔型的两个气体通道之间或者第二 孔型的两个气体通道之间的角度 d1 大约为 60°。第一孔型的气体通道和第二孔型的气体 通道之间的角度 d2 大约为 30°。
如图 3B 所示， 第一孔型 325 和第二孔型 330 的气体通道交错排列。在一些实施方 式中， 第一孔型 325 的气体通道和第二孔型 330 的气体通道不是交错排列的或者以大于或 者小于 30°的距离被交错排列。在一些实施方式中， 如图 3B 所示， 第一孔型 325 和第二孔 型 330 围绕保持帽的表面是对称设置的。与第一和第二孔型 325、 330 没有对称排列的情况 相比， 对称排列可更好地控制和稳定保护气流。
在一些实施方式中， 第一和第二孔型 325、 330 的气体通道的尺寸是相同的。例如， 气体通道可具有大约 Φ0.018 英寸到大约 Φ0.032 英寸的直径。在一些实施方式中， 气体 通道具有大约 Φ0.021 英寸的直径。在一些实施方式中， 气体通道的尺寸对于两个孔型是 变化的。例如， 第一孔型中的气体通道的尺寸可小于或者大于第二孔型中的气体通道的尺 寸。另外， 保持帽的气体通道的形状、 气体通道的数目和 / 或气体通道的切线角可在孔型之
间变化。例如， 第一孔型中的孔或气体通道的数目可比第二孔型中的孔或气体通道的数目 大， 反之亦然。
在一些实施方式中， 保持帽可包括额外的孔型， 例如， 保持帽具有三个或四个孔 型。这些额外的孔型也可安装在绕保持帽的中心纵轴线的同心圆上。这些额外的孔型可绕 保持帽的突起对称布置。
图 3A 和 3B 的保持帽可为不同操作情况下的共同部分。例如， 在 65 安培下操作 ( 例如， 冷却喷嘴 ) 等离子弧割炬所要求的气体通道的数目比在 105 安培下操作等离子弧割 炬所要求的气体通道的数目少。当与不同的喷嘴 ( 例如， 图 2A 或 2B 中的喷嘴 ) 配合使用 时， 图 3A 和 3B 的保持帽可提供不同的气体流速。例如， 第一孔型 325 可由相配合的喷嘴阻 断或者露出。第一孔型 325 可位于突起 320 的内同心圆上而第二孔型 330 可位于突起 320 的外同心圆上。图 2A 的喷嘴可用于阻断第一孔型 325， 同时使得第二孔型 330 敞开从而让 气体流过并冷却喷嘴。图 2B 的喷嘴可用于允许气体流过第一和第二孔型 325、 330 而冷却 喷嘴。
图 4A 示出根据本发明的实施方式的包括喷嘴 405 和漩涡环 410 的割炬头 400 的 剖面图。割炬头 400 也包括保持帽 412。漩涡环 410 包括中空本体 415， 该中空本体包括壁 417、 第一端 420 以及第二端 425。在中空本体 415 的第二端 425 上形成开口用于在等离子 割炬里与喷嘴 405 配合。第一孔型 430 形成于中空本体 415 的壁 417 中。第一孔型 430 被 定位以及设定尺寸为用于提供绕喷嘴 405 的表面 432 的第一气流特征。第二孔型 435 形成 于中空本体 415 的壁 417 中。第二孔型 435 被定位以及设定尺寸用于提供绕喷嘴 405 的表 面 432 的第二气流特征。 在一些实施方式中， 漩涡环 410 还包括形成于中空本体 415 上的壁 417 中的第三 孔型 440。第三孔型 440 被定位和设定尺寸为提供绕喷嘴 405 的表面的第三气流特征。气 流特征可能为， 例如， 绕喷嘴表面的气流 ( 或漩涡 ) 的强度、 气流 ( 或漩涡 ) 绕喷嘴的角度、 或任意其他绕喷嘴的气流的特征或运动。
在一些实施方式中， 第一、 第二和第三孔型 430、 433、 440 被定位以及设定尺寸为 当等离子弧割炬在第一切割参数 ( 例如， 第一电流 ) 下工作时提供第一气流。例如， 所有三 个孔型都可打开 ( 例如， 没有被喷嘴凸缘阻断 ) 并且气体可流过所有三个孔型。第二和第 三孔型 435、 440 被定位和设定尺寸为当等离子弧割炬在第二切割参数 ( 例如， 第二电流 ) 下工作时提供第二气流。例如， 三个孔型中只有两个是打开的 ( 例如， 第一孔型 430 可以被 喷嘴凸缘阻断 ) 并且气体流过第二和第三孔型 435、 440。在一些实施方式中， 第三孔型 440 被定位和设定尺寸用于当等离子弧割炬在第三切割参数 ( 例如， 第三电流 ) 下工作时提供 第三气流。例如， 三个孔型中只有一个是打开的 ( 例如， 第一和第二孔型 430、 435 可以被喷 嘴凸缘阻断 ) 并且气体流过第三孔型 440。
漩涡环可包括多于三个孔型。第一孔型 430 可与第二孔型 435 相同。例如， 第一 孔型 430 可具有和第二孔型 435 同样的孔的数目和尺寸。 在一些实施方式中， 第三孔型 440 也和第一和第二孔型 430、 435 相同。
图 4B 示出了具有不同孔型的漩涡环 443。该第一孔型 430′不同于第二和 / 或第 三孔型 435′、 440′。例如第一孔型 430′在孔的尺寸、 孔的形状、 孔的数目或者孔的切线 角这些方面中至少一方面不同于第二孔型 435′。如图 4B 所示， 第一孔型 430′具有与第
三孔型 435′不同数目的气体通道或孔。例如， 第一孔型 430′具有大约四个气体通道并且 第二孔型 435′具有大约六个气体通道。在一些实施方式中， 第一孔型 430′具有比第二孔 型 435′更多的气体通道。第一、 第二和 / 或第三孔型 430′、 435′、 440′的气体通道绕中 心纵轴 445′对称设置。
参照图 4A， 漩涡环 410 的开口设置为用于接纳具有凸缘 450 的喷嘴 405。凸缘 450 为相对于延伸通过喷嘴本体的纵轴线 445 轴向设置的伸出部 452。该伸出部 452 的尺寸设 置为对应 ( 例如， 阻断 ) 漩涡环 410 的第一孔型 430。在一些实施方式中， 漩涡环 410 的开 口设置为容纳具有第一伸出部 ( 例如， 图 4 中所示的喷嘴 405 和伸出部 452) 的第一喷嘴或 具有第二伸出部的第二喷嘴 ( 没有示出 )。第一喷嘴的第一伸出部的尺寸可设定为与第一 孔型 430 相应， 而第二喷嘴的第二伸出部可设定为与第一和第二孔型 430、 435 相应。例如， 第二伸出部可以比第一伸出部更长， 对对应于第一和第二孔型 430、 435， 。
伸出部 452 可调节绕喷嘴本体的内表面 432 的等离子气流。等离子气流的调节调 整有助于稳定电弧。 电弧的稳定可增加等离子弧割炬的性能并且减少可消耗部件过早失效 的可能性。如图 4A 所示， 喷嘴 405 具有伸出部 452 和台阶 455。伸出部 452 调节绕喷嘴的 内表面 432 的等离子气流， 而台阶 455 调节绕喷嘴本体的外表面 460 的防护气流。台阶 455 可类似于参照图 2A 和图 2B 所描述的那样来调节防护气流。 在一些实施方式中， 设置在喷嘴 405 本体上的凸缘 450 的尺寸设定为阻断通过第 二孔型 435 的气流。设置在喷嘴 405 的本体上的凸缘 450 的尺寸设定为允许气体流过至少 第二孔型 435。凸缘的尺寸设定为允许气体流过第一和第二孔型 430、 435。
伸出部 452 的长度可被调节和 / 或设定尺寸为阻断孔型。例如， 伸出部 452 的长 度 L1 可允许气体流过所有三个孔型 430、 435、 440。在一些实施方式中， 喷嘴无需具有伸出 部， 也同样允许气体流过所有孔型。增加伸出部 452 的长度可致使伸出部 542 阻断孔型从 而改变气体的流速。 例如， 伸出部 452 的长度 L2 阻断第一孔型 430， 伸出部长度的增加增加 了伸出部所能阻断孔型的数目。例如， 长度 L3 的伸出部 452 可阻断第一和第二孔型 430、 435。任意数目的孔型以及伸出部相应的长度都可使用。伸出部的长度可在约 0.08 英寸至 约 0.25 英寸之间变化。
孔型和 / 或孔型中敞开或被阻断的气体通道的数目影响到漩涡的强度或密度。参 照图 4A， 喷嘴 405 堵塞一个孔型， 例如， 第一孔型 430。一个孔型被堵塞的漩涡的强度或密 度小于两个或多个孔型被堵塞的漩涡的强度或密度。漩涡强度对电极寿命有负面影响， 对 电弧稳定性则有正面影响。对于不同的方法， 可通过阻断漩涡环的相关孔型来调整漩涡强 度。
例如， 漩涡环可具有一套统一的气体通道 ( 例如， 气体通道具有相同尺寸以及相 同偏置的孔 ) 呈四列每列 10 个气体通道排列 ( 例如， 一共 40 个气体通道 )。如果喷嘴的凸 缘选择性地阻断四列中的两列 ( 例如， 20 个气体通道被阻断， 或 50％ )， 等离子气体的速度 和漩涡强度大约为四列都打开 ( 例如， 0 个气体通道被阻断 ) 的漩涡环的两倍。 速度和漩涡 强度因此与被阻断的通道的百分率成比例。
如图 2A、 2B 以及 4A 所示， 凸缘 / 伸出部阻断整个气体通道而不是气体通道的一部 分。气体通道很小， 具有大约 0.018 至约 0.1 英寸的直径。为了部分地阻断气体通道， 在凸 缘 / 伸出部的制造中所需要的公差十分紧密从而其制造不实际。尺寸、 形状、 轮廓和 / 或凸
缘和 / 或伸出部的长度的很小变化能够极大地改变等离子气体和 / 或防护气体的流动特 征。这可能会导致等离子气体的稳定性降低或喷嘴冷却不充分。因此， 凸缘 / 伸出部能够 堵塞可消耗部件 ( 例如， 保持帽或漩涡环 ) 的整个气体通道而不是气体通道的一部分。
图 5 示出了根据本发明的实施方式的割炬头 500 的剖面图。与图 1 类似， 割炬头 包括电极 505、 喷嘴 510、 保持帽 515、 漩涡环 520 以及防护罩 525。喷嘴 510 装配在等离子 弧割炬的割炬本体 530 上。喷嘴包括喷嘴本体 535、 位于喷嘴本体 535 的第一端 545 的等离 子出口孔 540 以及位于喷嘴本体 535 的第二端 555 的凸缘 550。该割炬头还包括可消耗部 件 ( 例如， 保持帽 515 或漩涡环 520)。该可消耗部件适于与喷嘴的凸缘 550 配合。该可消 耗部件在一端具有表面。该表面包括第一孔型和第二孔型。在第一或第二孔型至少之一内 的孔的尺寸设定为控制喷嘴冷却气流或等离子气流中的至少一个。 第一和第二孔型可为保 持帽 515 的第一和第二孔型 560、 565 和 / 或漩涡环 520 的第一和第二孔型 570、 575。
虽然图 5 所示的喷嘴类似于图 2B 的喷嘴， 然而该喷嘴也可是图 2A、 图 2B、 图 2C 或 图 4A 的喷嘴。该喷嘴可包括这里讨论的各个具体的实施方式中的任意一种。保持帽和漩 涡环也可为图 3A、 图 3B、 图 4A 或图 4B 中的保持帽和 / 或漩涡环。所使用的可消耗部件也 可为其他任意等离子弧割炬可消耗部件。所使用的可消耗部件的类型 ( 例如， 保持帽、 和/ 或漩涡环 ) 可取决于所需要的切割参数或具体流动特性。
如此所述， 本发明减少了在等离子弧割炬里使用的可消耗部件的数目。对于多种 各自不同的切割参数和 / 或流动特征可以使用单个保持帽和 / 或漩涡环。因此， 当更换等 离子弧割炬的切割参数或流动特征时， 操作者可以在无需改变保持帽和 / 或漩涡环的情况 下更换喷嘴。
图 6 示出了根据本发明的实施方式的在等离子弧割炬上建立气流的方法的流程 图。该方法包括提供在喷嘴的后端具有凸缘的喷嘴 ( 步骤 610)。该喷嘴具有带有内表面和 外表面的本体。该喷嘴还在本体的前端具有等离子出口孔。该喷嘴可为以上所述的任意喷 嘴， 例如， 图 2A、 图 2B、 图 2C 或图 4A 的喷嘴。
该方法还包括相对于可消耗部件上的多个气体通道对准凸缘 ( 步骤 620)。 对准凸 缘 ( 步骤 620) 从而凸缘可选择地阻断至少一个气体通道从而建立绕至少喷嘴主体的内表 面或外表面两者之一的气流。
该可消耗部件可为保持帽。 例如， 该保持帽具有多个延伸穿过其中的气体通道， 从 而提供气流至防护罩。所述保持帽可为， 例如， 图 3A 或图 3B 所述的保持帽。当可消耗部件 为保持帽， 凸缘可为径向凸缘， 并且该凸缘可选择性地被设定尺寸而建立绕喷嘴外表面的 保护气流。该凸缘可选择性地阻断第一和第二孔型的两者之一。
该可消耗部件也可为漩涡环， 例如， 图 4 的漩涡环。当可消耗部件为漩涡环， 凸缘 可为轴向凸缘， 并且该凸缘可选择性地设定尺寸来建立绕喷嘴的内表面的等离子气流。
该方法可选择地包括从等离子弧割炬上移除喷嘴 ( 步骤 630)。在一些实施方式 中， 该方法还包括提供在后端具有凸缘的第二喷嘴 ( 步骤 640)。 该第二喷嘴包括外表面、 在 前端的等离子出口孔以及在后端的凸缘。在一些实施方式中， 第二喷嘴也包括内表面。第 二喷嘴的凸缘不同于喷嘴的凸缘。 例如， 第二喷嘴的凸缘可具有与喷嘴不同的轮廓、 尺寸和 / 或形状。
第二喷嘴的凸缘可相对于可消耗部件上的多个气体通道进行对准 ( 步骤 650)。 所述可消耗部件可为， 例如， 保持帽或漩涡环。 第二喷嘴的凸缘阻断设置在可消耗部件上的至 少两个气体通道， 从而建立绕喷嘴本体的内表面或外表面的至少之一的第二气流。由第二 喷嘴建立的气流不同于由第一喷嘴建立的气流。
例如， 当该可消耗部件为保持帽， 由喷嘴建立的气流为绕喷嘴外表面的防护气流。 当使用第二喷嘴， 防护气流可能比使用喷嘴时少。例如， 操作者可使用图 3A 或图 3B 的保持 帽以及图 2B 或图 2C 的喷嘴， 在 105 安培操作等离子弧割炬。喷嘴允许气体流过两个孔型 ( 例如， 图 2B 的第一和第二孔型 235、 236)。然后操作者可切换到不同的操作参数， 例如， 操 作者可以 85 安培操作同样的等离子弧割炬。当等离子弧割炬以 85 安培操作， 需要更少的 气体用于冷却喷嘴。因此， 操作者可移除第一喷嘴， 然后用第二喷嘴将其更换。第二喷嘴可 为， 例如， 图 2A 中的喷嘴。在等离子弧割炬中剩下的可消耗部件保持不变， 包括保持帽。喷 嘴现在可阻断至少一个孔型， 例如， 图 2A 的第一孔型 235。 喷嘴调节气流使之仅仅流过单个 孔型， 例如， 图 2B 的第二孔型 236。与使用图 2B 或图 2C 相比， 更少的气体经过保持帽流向 喷嘴的外表面。
例如， 等离子弧割炬可在大约 60psi 的上游压力下工作。为了以 85 安培和 105 安 培操作等离子弧割炬， 要求具有不同流速的防护气体。105 安培和 85 安培的配置的流速差 异大约为 100 标准立方英尺每小时 (“scfh” )。当等离子弧割炬以 105 安培工作时， 该流 速差异提供给了喷嘴更好的冷却和 / 或保护， 而当等离子弧割炬以 85 安培工作时， 也减少 了所消耗的保护气体的量。
在一些实施方式中， 可消耗部件， 例如， 保持帽或漩涡环， 具有多于两个的孔型， 例 如， 三个、 四个或者五个孔型。喷嘴的凸缘可设定尺寸来阻断任意这些孔型。凸缘可设定尺 寸用来阻断至少两个孔型。
气体通道并非必须以孔型来布置， 可消耗部件也可具有多个没有设置成任意类型 孔型的气体通道。喷嘴的凸缘可设定尺寸来阻断单个气体通道或多个气体通道。被阻断的 气体通道的数目可取决于在具体的项目中所需要的切割参数或流动特征。
虽然示出和描述了所公开的方法的多个方面， 但对于本领域技术人员而言， 在阅 读本说明书的基础上可对该方法进行改进。本发明包括这些改进， 并仅由权利要求的范围 对本发明进行限定。