具有可逆冷却剂流的缩回启动等离子体炬 |
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| 申请号 | CN201080035272.5 | 申请日 | 2010-08-02 | 公开(公告)号 | CN102577630B | 公开(公告)日 | 2014-11-26 |
| 申请人 | 埃萨布集团公司; | 发明人 | W·S·赛弗伦斯; R·A·切科; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种改进的 等离子体 炬和启动该炬的方法。所述炬包括主炬体，其具有联接至其中的 活塞 的 电极 组件。所述活塞和所述电极组件在该电极组件 接触 喷嘴 的起始 位置 和该电极组件不接触该喷嘴的操作位置之间移动。所述活塞可通过引导 流体 沿 偏压 该活塞到所述起始位置的第一方向或沿偏压该活塞从而使所述电极组件缩回到所述操作位置的相反的第二方向移动穿过所述等离子体炬，所述引导流体可包括冷却剂。换向 阀 或可逆 泵 可被用于控制流体的流动方向。因此，冷却剂供给可被用于冷却所述炬并且控制该炬的启动和操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种等离子体炬，其包括： |
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| 说明书全文 | 具有可逆冷却剂流的缩回启动等离子体炬技术领域[0001] 本公开内容涉及等离子体炬和启动该等离子体炬的方法。 背景技术[0002] 本申请涉及等离子体炬和相关的方法。等离子体炬通常用于切割和焊接。等离子体炬典型地包括定位于喷嘴中的电极。加压气体被提供给炬，并流过喷嘴且接近于电极，在电极和工件之间建立电弧。根据一种用于启动等离子体炬的典型方法，首先通过以相对低的电流在电极和喷嘴之间建立电弧来启动引导模式。在引导模式期间计量系统输送气流通过喷嘴。然后通过传送弧到工件将等离子体炬从引导模式切换至操作模式，使得弧在电极和工件之间延伸。对于操作模式弧的电流增加，气体的流速或类型也可以被调整。弧电离气体，所得到的高温气体可以被用于切割或其他焊接操作。发明内容 [0003] 本公开内容在一方面描述了一种等离子体炬，其包括主炬体，喷嘴，限定在所述主炬体内的活塞腔中的活塞，其中所述活塞被联接至电极。第一流体通道和第二流体通道与所述活塞腔连通，所述第一流体通道与所述活塞的第一侧上的所述活塞腔的第一区域连通，所述第二流体通道与所述活塞的第二侧上的所述活塞腔的第二区域连通。连接路径被构造成引导所述活塞腔的所述第一区域和所述第二区域之间的流体，所述连接路径可以由所述喷嘴或电极流体通道部分限定。所述活塞被构造成使所述电极在起始位置和操作位置之间移动，在所述起始位置所述电极接触所述喷嘴，在所述操作位置所述电极不接触所述喷嘴。 [0004] 当流体沿第一方向从所述第一流体通道流入所述第一区域，穿过所述连接路径流入所述第二区域，然后穿过所述第二流体通道流出时，所述活塞将所述电极移动至所述起始位置。当流体沿相反的第二方向从所述第二流体通道流入所述第二区域，穿过所述连接路径流入所述第一区域，然后穿过所述第一流体通道流出时，所述活塞将所述电极移动至所述操作位置。所述第一流体通道和所述第二流体通道可以被构造成接收冷却剂流，诸如水。 [0005] 在一些实施方式中所述等离子体炬还可以包括能在第一位置和第二位置之间移动的换向阀，该换向阀在第一位置时能操作以使流进入第一流体通路，在第二位置时能操作以使流进入所述第二流体通道。所述换向阀可位于所述等离子体炬和所述流体热交换器之间，所述换向阀可包括四通阀。代替所述换向阀，所述等离子体炬可以包括可逆泵，所述可逆泵能操作以在第一模式使流进入所述第一流体通道，并且能操作以在第二模式使流进入所述第二流体通道。 [0006] 在另一实施方式中所述电极可包括电极保持器和电极。所述电极保持器可包括凸缘，其中当所述电极处于操作位置时所述凸缘与所述主炬体内的止挡件(诸如气体挡板)接触。所述等离子体炬还可包括波形弹簧，其中所述波形弹簧与所述喷嘴接触以使该波形弹簧与该喷嘴电连接。所述波形弹簧可起作用以传导50安培或更高的维弧电流(pilot current)到所述喷嘴。关于供应电流到所述电极，所述等离子体炬还可包括接触所述活塞的接触器，从而提供所述活塞和所述电极之间的电连接。所述接触器可绕所述活塞周向定位于一凹槽中。所述凹槽可位于所述等离子体炬的所述主炬体中，使得当所述电极位于所述起始位置时所述接触器接触所述活塞的第一部分，当所述电极位于所述操作位置时所述接触器接触所述活塞的第二部分。所述凹槽替代地可位于所述活塞中，使得所述接触器随所述活塞移动。 [0007] 本发明的实施方式还包括一种启动等离子体炬的方法，该方法包括使气体流过所述等离子体炬的喷嘴，并且使流体沿第一方向穿过第一流体通道流过所述等离子体炬并穿过第二流体通道流出从而使活塞前进，由此所述活塞的前进动作移动电极使其与所述喷嘴接触。所述方法还可包括通过所述电极和所述喷嘴施加维弧(pilot arc)电流以及使流体的流动反向以使得流体沿相反的第二方向流过所述第二流体通道和穿过所述第一流体通道流出，从而缩回所述活塞，由此所述活塞的缩回动作移动所述电极使其与所述喷嘴脱离接触，从而在所述喷嘴和所述电极之间启动维弧。使流动反向的步骤可包括致动换向阀。另选地，使流体流动的步骤可包括使流体泵沿一个方向运行，并且所述使流动反向的步骤可包括使所述流体泵反向运行。附图说明 [0008] 已如此概括地描述了实施方式，现将参考未必按比例绘制的附图，其中： [0009] 图1显示等离子体炬的实施方式的改进的剖面图； [0010] 图2显示沿第一方向流过图1的等离子体炬的冷却剂流； [0011] 图3显示沿相反的第二方向流过图1的等离子体炬的冷却剂流； [0012] 图4显示换向阀的立体图； [0013] 图5显示包括处于第一位置的图2的换向阀的截面图的流体回路； [0014] 图6显示包括处于第二位置的图2的换向阀的截面图的流体回路； [0015] 图7显示等离子体炬的替换实施方式的剖面图； [0016] 图8显示波形弹簧的立体图； [0017] 图9显示图7的细节部分W的放大图； [0018] 图10显示示出接触器的图7的放大部分； [0019] 图11显示在沿着接触器处的等离子体炬的纵向轴线的横截面处的图7的该等离子体炬的剖面图；以及 [0020] 图12显示启动等离子体炬的方法。 具体实施方式[0021] 现在将参照附图在下文中更全面地描述用于启动等离子体炬的装置和方法，附图中示出了一些但不是全部实施方式。当然，本改进可以很多不同的形式来体现，且不应理解为限于本文所阐述的实施方式；相反，这些实施方式被提供以使得本公开内容将满足可适用的法律要求。在全文中相同的附图标记指示相同的元件。 [0022] 已经等离子体炬可通过“接触启动”法来启动，该接触启动法包括使电极与喷嘴接触，然后分离喷嘴和电极以便产生维弧。使用该启动方法的一种等离子体炬是所谓的“反吹”等离子体炬。在反吹等离子体炬中，喷嘴大体上被固定在适当位置，电极被构造成在沿着炬的轴线的方向上平移或调整。电极被弹簧偏压到向前位置，使得电极在正常静止位置与喷嘴接触。当计量系统向炬提供气流时，该气流沿远离工件的方向推动电极，从而克服弹簧并且使电极从喷嘴分离，以在电极和喷嘴之间建立维弧。在“前吹”炬中，代替电极喷嘴是可移动的，使得在启动时喷嘴被通过该喷嘴的气流沿向前方向移动。在每种情况下，维弧可建立在分离的喷嘴和电极之间，随后弧可被从喷嘴传送到工件以用于切割或焊接。 [0024] 然而，这些等离子体炬和相关的方法未必是理想的。在高质量或高电流应用中等离子体炬的成功的操作可能需要与等离子气体的使用不相容的气体流速或压力以启动炬。例如，不希望的是，如果该炬正被用于水下切割或正在使用钨电极，则必须关掉气流以便启动炬，因为会损害可消耗寿命。同时，高频启动可能导致与附近的电子设备的问题，并因而可能需要昂贵的屏蔽。 [0025] 因此，申请人已开发了一种试图避免上述问题的等离子体炬和相关的方法。图1显示本发明的等离子体炬10的一个实施方式。等离子体炬10包括主炬体12。等离子体炬10还包括喷嘴14和电极组件16。电极组件16可包括若干部件，其包括位于电极组件的第一端的电极保持器18，和位于电极组件的第二端的电极20。电极保持器18被联接至主炬体12内的活塞22。 [0026] 活塞22位于等离子体炬10的主炬体12内的活塞腔24中。活塞腔24与第一流体通道26和第二流体通道28连通。具体地，活塞22可被设置在活塞腔24中，使得第一流体通道26与活塞22的第一侧32上的活塞腔24的第一区域30连通，以及第二流体通道28与活塞的第二侧36上的活塞腔24的第二区域34连通。连接路径38在活塞腔24的第一区域30和第二区域34之间引导流体。因此，流体可穿过第一流体通道26和第二流体通道28中的一个通道行进，进入活塞腔24的第一区域30或第二区域34中的一个，通过连接路径38，进入活塞腔的第一区域或第二区域中的另一个，并通过第一流体通道和第二流体通道中的另一个流出。 [0027] 第一流体通道26可连接至第一外管线40(见图5和图6)并且第二流体通道28可连接至第二外管线42，其中该第一外管线和第二外管线向等离子体炬10供给流体并使流体返回。因此，流体可在闭合回路中行进。在这种实施方式中等离子体炬10还可包括冷却流体的流体热交换器44(见图5和图6)。使用热交换器44冷却流体可能是有利的，因为流体可以是冷却剂，诸如水，其冷却等离子体炬10。水可与乙二醇或丙二醇混合以形成抵抗冻结的冷却剂。另外或另选地，水可与构造成防止腐蚀，藻类生长和/或细菌生长的添加剂混合。 [0028] 等离子体炬10的特别受益于冷却的两个部分是电极20和喷嘴14。因此，在一个实施方式中，连接路径38的至少一部分可由电极保持器18内的电极流体通道46限定。通过使流体流动以使得其接触电极20，流体可冷却该电极。例如，流体可通过电极保持器18中的一个或多个孔48进入，穿过电极流体通道46行进，该电极流体通道48可由在管状电极保持器18内同轴移位的冷却剂管19部分限定。在其他的实施方式中，连接路径38可另外或另选地由喷嘴14至少部分限定。例如，连接路径38可包括由喷嘴14的外表面52限定在一侧上的周向通道50。因此，通过接触电极20和/或喷嘴14，流体可在操作期间冷却等离子体炬10。 [0029] 在上述的闭合回路实施方式中，流体在穿过等离子体炬10行进时被加热，因而如上所述，流体热交换器44可用于在流体返回到等离子体炬中之前冷却流体。在替代的实施方式中，可形成开环回路，其中流体被引导通过第一通道26或第二通道28中的一个，并被引导出第一通道或第二通道中的另一个，而不被再循环。这些实施方式可放弃热交换器，因为离开等离子体炬10的升温的流体不再回到等离子体炬中。 [0030] 不管使用闭合回路或开环回路流体路径，流体可用于除了仅冷却等离子体炬10之外的目的。一个这样的目的是控制电极组件16的定位以便启动和操作等离子体炬10。因此，使用单独的流体供给可能不是必要的，相比于之前的技术可因此显著降低等离子体炬10的复杂性和成本。在这点上，流体进入或离开第一流体通道26和第二流体通道28的行进的相对方向可被用于控制电极组件16的定位。 [0031] 如图2中的等离子体炬10所示，当希望将电极组件16移动到电极20接触喷嘴14的起始位置时，流体被引导沿第一方向53流动。沿第一方向53的流体流穿过第一流体通道26行进进入活塞腔24的第一区域30，穿过连接路径38进入活塞腔的第二区域34，然后穿过第二流体通道28流出。沿第一方向53的流体流偏压活塞22以使得电极20接触喷嘴14。这种运动由于在活塞腔24的第一区域30和第二区域34之间正在形成的压力差而发生，其中第一区域具有比第二区域更大的流体压力。压力差由当流体穿过等离子体炬10行进时流体沿其移动的曲折路径造成的压力降引起。 [0032] 如图3中的等离子体炬10所示，当希望使电极组件16缩回到电极20不与喷嘴14接触的操作位置时，流体被引导沿相反的第二方向53’流动。沿相反的第二方向53’的流体流穿过第二流体通道28行进进入活塞腔24的第二区域34，之后穿过连接路径38进入活塞腔的第一区域30，然后穿过第一流体通道26流出。沿相反的第二方向53’的流体流偏压活塞22以使得电极组件16缩回到电极20不与喷嘴14接触的位置。如上所述，据信，偏压发生是因为在活塞腔24的第一区域30和第二区域34之间形成压力差，该压力差是流体流沿曲折路径穿过等离子体炬10行进的结果。在沿相反的第二方向53’流动的情况下，第二区域34具有比第一区域30更大的流体压力，因而朝向操作位置偏压活塞22。 [0033] 如上所述，流体流穿过等离子体炬10的方向决定活塞22向起始位置还是操作位置移动电极组件16。因此，等离子体炬10包括一个或多个能够切换流体的流动方向的机构。因而，等离子体炬10的一些实施方式包括可逆泵(未示出)。在这样的实施方式中，可逆泵能操作以在第一模式使流进入第一流体通道26，并且能操作以在第二模式中提供流进入第二流体通道28。因此，可逆泵可通过从偏压活塞22和电极组件16到起始位置的第一模式切换到偏压该活塞和电极组件到操作模式的第二模式来使流体的流动反向。一种切换可逆泵的模式的方法可包括切换供给到可逆泵的电流的极性，尽管如本领域普通技术人员所理解的可以使用各种其他方法。 [0034] 如图4所示，等离子体炬10的替代实施方式可包括代替可逆泵的换向阀54。换向阀的各种实施方式对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。换向阀54可包括4个端口56，58，60，62，换向阀的操作可由可移动杆64来控制，该可移动杆64的运动可诸如通过使用空气汽缸或螺线管(未示出)而自动化。 [0035] 如图5所示，换向阀54可以是闭合回路流体回路66的一部分，诸如具有泵68和流体热交换器44的一个流体回路。在这种实施方式中，第一端口56和第二端口58可分别通过外管线40连接第一流体通道26以及通过外管线42连接第二流体通道28，第三端口60和第四端口62可分别通过第三外管线70和第四外管线72连接流体热交换器44。泵68可沿第三外管线70或第四外管线72定位，以使得其定位在等离子体炬10和流体热交换器 44之间。 [0036] 当换向阀54如图5所示位于第一位置时，流体从泵68流过第三外管线70进入换向阀的第三端口60。然后流体穿过第一端口56被引导出换向阀54，进入第一外管线40，由此流体沿第一方向53流进等离子体炬10的第一流体通道26，从而如上所述将活塞22和电极组件16移动到起始位置(见图2)。在以上述方式穿过等离子体炬10行进之后，经升温的流体在第二流体通道28处离开等离子体炬，穿过第二外管线42行进，由此流体在第二端口58处进入换向阀54。在换向阀54内，流体被引导朝向第四端口62，穿过该第四端口62流体行进并进入第四外管线72。最后，第四外管线72引导流体穿过热交换器44，该热交换器44在流体返回到第三外管线70和泵68之前冷却该流体。 [0037] 当换向阀54被移动到第二位置时，如图6中的闭合回路流体回路66中所示，流体以如下方式流动：首先，流体从泵68通过第三外管线70流入换向阀54的第三端口60。然后流体穿过第二端口58被引导离开换向阀54，并进入第二外管线42，由此流体沿相反的第二方向53’流进等离子体炬10的第二流体通道28，从而如上所述使活塞22和电极组件16缩回到操作位置(见图3)。在以如上方式穿过等离子体炬10行进之后，经升温的流体在第一流体通道26处离开等离子体炬，并且穿过第一外管线40行进，由此流体在第一端口 56处进入换向阀54。在换向阀54内，流体被引导朝向第四端口62，穿过该第四端口62流体行进并进入第四外管线72。最后，第四外管线72引导流体穿过热交换器44，该热交换器 44在流体返回到第三外管线70和泵68之前冷却该流体。 [0038] 回到图1，等离子体炬10可体现各种附加特征。一个这种特征在于活塞22和电极组件16的行进可受限制。关于起始位置，活塞22的行进是受限的，因为电极20接触喷嘴14。然而，可提供结构的各种实施方式以防止活塞22和电极组件16不行进超过所期望的操作位置。一个实施方式，如图1所示，可包括活塞22上的凸缘74，当电极组件16位于操作位置时，该凸缘74在等离子体炬10的主炬体12内接合对应的止挡件76。如图7中的等离子体炬10’的替代实施方式中所示，等离子体炬可另外或另选地包括电极组件16’的一部分上(诸如电极保持器18’上)的凸缘74’，当电极组件位于操作位置时该凸缘74’在等离子体炬的主炬体12’中接触对应的止挡件76’。在该实施方式中止挡件76’可以是气体挡板的一部分。使用从电极保持器18’延伸的凸缘74’具有这样的优点，即，其显著地放宽了加工活塞腔24’和活塞22’中必须满足的公差。然而，该实施方式可能需要在活塞22’和主炬体12’之间使用可能不耐用的密封件75’。相反地，使用活塞22上的如图1所示接合对应的止挡件76的凸缘74的实施方式可能不需要这种密封件，因为凸缘和止挡件可充分地密封在一起。 [0039] 可包含在等离子体炬中的另一个特征是至喷嘴的电连接以提供至该喷嘴的电流。电连接可通过使用波形弹簧80来建立，如图8所示。如在图9中被放大的图7的细节部分W中可见，波形弹簧80可被置于一位置使得该波形弹簧被喷嘴14’的与尖端相对的端部压缩以抵靠前主体插入件81’，该插入件81’可具有焊接至其的引弧导线(未示出)。波形弹簧80用于向喷嘴14’提供电流，该电流被用于在启动期间产生维弧。波形弹簧80克服了诸如退火的问题，传统的弹簧在运送大约50安培或更大的维弧电流至喷嘴14’中可能具有上述问题。假定波形弹簧80避免至少部分退火，因为波形弹簧具有比类似的螺旋弹簧相对更大的最小横截面。另外，波形弹簧80形成“波浪”状(见图8)，这导致波形弹簧和喷嘴 14’以及前主体插入件81’之间的多个接触点。多个接触点可允许和螺旋弹簧形成对比电流沿许多路径流过波形弹簧，其中螺旋弹簧可能仅提供用于电流流动的单个路径。波形弹簧内的这多个电流流动路径可进一步导致相比于螺旋弹簧更高的载流能力，因此使等离子体炬的操作成为可能。 [0040] 等离子体炬的实施方式可包括允许传送电流至电极组件的附加特征。如图10所示的图7中细节部分中所示，这附加特征由接合活塞22’的接触器82’来实现。活塞22’继而充当电极支架并且向电极组件16’提供电流通道。接触器82’能够操作电流供给到电极组件16’，而不管电极组件相对于等离子体炬10’的主炬体12’的运动关系。接触器82’可位于等离子体炬10’中的各种不同位置。例如，接触器82’可绕活塞22’周向定位在等离子体炬10’的主炬体12’中的凹槽84’内，因此当活塞和电极组件16’在起始位置和操作位置之间移动时接触器可以滑动接触活塞22’，由此当电极组件处于起始位置时接触器接触活塞的第一部分86’，当电极组件处于操作位置时接触器接触活塞的第二部分88’。图11示出在接触器82’的区域中，等离子体炬10’的一部分沿炬纵向轴线的剖面图。如可见的，接触器82’横跨槽84’延伸以接触活塞22’和主炬体12’或单独的电触点。在替代的实施方式(未示出)中，接触器可绕活塞周向定位在该活塞中的凹槽内，使得接触器随活塞移动，但以类似的方式作用。 [0041] 本发明的实施方式还包括启动等离子体炬的方法。如图12所示，一个这种方法包括使气体流过等离子体炬的喷嘴(步骤1000)，和使流体沿第一方向穿过第一流体通道流过等离子体炬并穿过第二流体通道流出(步骤1002)，从而使活塞前进(步骤1004)，由此活塞的前进动作移动电极使其与喷嘴1006接触。该方法另外还包括通过电极和喷嘴施加维弧电流(步骤1008)，以及使流体的流动反向(步骤1010)，使得流体沿相反的第二方向流过第二流体通道并穿过第一流体通道流出从而缩回活塞(步骤1012)，由此活塞的缩回动作移动电极使其与喷嘴脱离接触(步骤1014)，从而在喷嘴和电极之间启动维弧(步骤1016)。使流动反向(步骤1010)可包括致动换向阀(步骤1018)。另选地，使流体流动(步骤1002)可包括沿一个方向运行流体泵(步骤1020)，并且使流体反向(步骤1010)可包括反向运行流体泵(步骤1022)。 |
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