用于等离子切割炬的多部件电极以及包括该多部件电极的炬的制作方法

符合本发明的装置、系统以及方法涉及切割，并且更确切地讲涉及与等离子弧切割炬及其部件(包括用于电弧等离子切割炬的多部件电极)相关的装置、系统以及方法。

背景技术：

在许多切割、喷射以及焊接操作中，使用了等离子弧炬。通过这些炬，等离子气体射流在高温下被发射到环境大气中。这些射流是从喷嘴发射的，并且当它们离开喷嘴时，这些射流是高度欠膨胀且非常集中的。然而，由于与经电离的等离子射流相关联的高温，该炬的许多部件容易失效。这种失效可能显著地干扰该炬的运行并且在切割操作开始时阻止正确引弧。一些炬利用具有除铪插入件之外的插入件的铜电极，以努力解决这些问题。美国专利号5,097,111中披露了这样的示例，其全部披露内容通过引用结合在此。这项专利说明了在电极内使用附加插入件。然而，该解决方案仍然没有减少上述失效问题。

通过这种方法与本申请的其余部分中参照附图阐述的本发明的实施例相比较，常规、传统和所提出的方法的进一步的局限性和缺点对本领域内的技术人员而言将变得明显。

发明简述

本发明的示例性实施例是一种电极组件和含有该电极组件的等离子体炬，其中所述电极组件含有发射插入件(例如，铪)和围绕该插入件的导热包裹物。该包裹物是由高导热材料或材料复合物制成的以帮助冷却该插 入件并且防止电弧从插入件跳跃到电极本体。

附图简要说明

通过参考附图来具体描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和/或其他方面将会更加清晰，在附图中：

图1是本发明的示例性多部件电极的图解表示；

图2是图1电极的一个部分的图解表示；

图3是本发明另一示例性电极的一个部分的图解表示；

图4是使用图3电极的示例性等离子弧切割炬的图解表示；

图5是本发明的附加实施例的一个部分的图解表示；

图6是本发明另一实施例的一个部分的图解表示，并且

图7是本发明附加示例性实施例的一个部分的图解表示。

详细说明

现在将详细参照多个不同的和可替代的实施例并参照附图，其中相似的参考数字表示基本上相同的结构元件。每个示例是通过说明的方式而不是作为限制来提供的。事实上，本领域技术人员将清楚的是，在不脱离本披露内容和权利要求的范围或精神的情况下可以进行各自修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分所图示说明或描述的特征可以被用在另一个实施方案上，以产生更进一步的实施方案。因此，本披露内容旨在包括所附权利要求或其等效物的范围内的修改和改变。

本披露内容总体上针对在多种不同切割、焊接和喷射操作中有用的空气和液体两者冷却的等离子弧炬。这些炬的构造和操作总体上是已知的，并且因此本文将不讨论它们的详细构造和操作。进一步地，本发明的实施例能够使用在手持式或机械化式等离子体切割操作中。应当指出的是，出于清楚简明的目的，下面的讨论将针对本发明的、液体冷却的并且可以既 用于机械化式又用于手持式切割操作的多个示例性实施例。然而，在此方面本发明的实施例是不受限制的，并且可以在其他类型的焊接炬和喷射炬中使用本发明的实施例而不脱离本发明的精神或范围。进一步地，如果希望的话，不同功率水平的多种不同类型和尺寸的炬是可能的。本文中所描述的这些炬和组件可以用于标记、切割或金属去除。此外，能够以变化的电流和变化的功率水平来使用本发明的示例性实施例。能够与本发明的实施例一起使用的类型的冷却剂系统的构造和使用是已知的并且无需在本文中进行详细地讨论。

现在转到图1，描绘了本发明的示例性电极100。等离子切割电极的使用和构造一般是公知的，并且无需在本文中讨论这些细节。如所示出的，电极100具有电极本体101，该电极本体典型地是由铜或其他高导热材料(例如银、金、镍等)构成的。电极100包括冷却腔室107，可以将冷却介质引导至该冷却腔室以帮助对电极100进行冷却。在电极100的远端，在腔室107内，伸出部分109延伸到腔室107中，其中伸出部分109延伸出腔室107的远端表面111。如以下进一步讨论的，伸出部分109含有插入件103的一个部分并且增大电极100的腔室107内的表面冷却面积。

如以上所提及的，电极100包括高热电子发射插入件103。在切割过程中，等离子射流从该插入件发射。通常，插入件103是由铪制成的，但也可以使用其他材料，如锆和钨(以及其他类似的材料)。典型地，电极100的可用寿命取决于插入件103的可用寿命，在运行过程中该插入件趋向于侵蚀。进一步地，如果插入件103和电极本体101的冷却不是最佳的，则可能加速插入件103的侵蚀。而且，所产生的等离子射流可能具有从插入件103跳跃并且接触电极本体101的远端的倾向。这可能会导致损坏电极本体101并且加速其失效。

因此，本发明的多个实施例使用插入件包裹物105，该插入件包裹物被包裹在插入件103的外部上并且被插入到电极本体101的远端中，如图所示。在本发明的多个示例性实施例中，包裹物105是由高传热材料制成的，并且可以是复合材料。通过具有高传热率，包裹物105有助于优化插入件103的冷却。因此，优于已知的电极，本发明的多个实施例改善了运 行寿命。

包裹物105可以是由多种高传热率的材料以及它们的复合物来制成的。例如，在一些示例性实施例中，该包裹物可以是由具有非常高的导热率的材料制成的、或者可以具有浸渍有另一种高导热率材料的铜或银的基体材料。铜和银各自具有比较良好的导热率。铜在20℃下具有约401W/mK的导热率，并且银在20℃下具有约429W/mK的导热率。虽然这些对于一些应用是可以接受的，但所希望的是具有相当高的导电率以帮助从插入件103去除热量。因此，在多个示例性实施例中，包裹物105是由在20℃下具有至少700W/mK的导热率的材料制成的。在另外多个示例性实施例中，包裹物105是由在20℃下具有至少1,000W/mK的导热率的材料制成的。在另外多个示例性实施例中，该材料在20℃下具有在1,000和2,500W/mK的范围内的导热率。应当指出的是，因为本发明的示例性实施例可以使用多种材料的复合物或基体(如以下更详细讨论的)，以上导热率的讨论是针对包裹物105的整体导热率而言的。也就是说，包裹物105可以由具有高于或低于这些数字但总体传导率是如上所述的多种材料的基体制成的。另外，因为热量可能影响材料的导热率(例如，导热率可以在较高温度下增大)，本发明的多个实施例所考虑到的材料即使在较高的温度下也具有比银更高的导热率。也就是说，本发明的多个实施例所考虑到的导热材料在切割操作过程中贯穿所经受的运行温度范围(其范围可以是从100℃至1600℃)都具有比银更高的导热率。例如，一些示例性实施例可以使用由诸如金刚石、纳米管或纳米纤维以及石墨的碳链材料制成的包裹物105。这些类型的碳链材料可以具有非常高的导热率(高于2,000W/mK)并且可以通过诸如气相沉积的沉积工艺来置于铪插入件103上。例如，在插入件103被联接到电极本体101之前可以通过气相沉积将DLC(金刚石类碳)涂层置于插入件103上。该层/包裹物105因为其比铜或银高得多的导热率而大大地有助于插入件103的冷却。进一步地，这些材料中的一些材料(例如石墨)还具有相对较高的导电性，这有助于允许切割电流从电极本体101传递至插入件103。在多个示例性实施例中，该碳链材料的包裹物105可以具有在10至50微米的范围内的壁厚。在其他示例性实施例 中，包裹物105的厚度可以更厚。因此，在本发明的多个示例性实施例中，包裹物105是由多种高导热率材料制成的。在另外多个示例性实施例中，包裹物105的材料还可以具有低的热膨胀以保持尺寸完整性，并且可以是导电的。这将优化在本文中所考虑的电极性能。

在本发明的多个示例性实施例中，该包裹物可以与插入件103和电极本体101压配合，其中将压接力施加到电极本体101上以便挤压插入件103和包裹物105，以将这些部件紧固在本体101中。然而，示例性实施例并不限于此，可以使用紧固这些部件的其他方法。例如，包裹物105可以与该插入件和/或本体101具有冶金连接。这样的连接的示例可以是通过钎焊实现的。

在多个附加示例性实施例中，包裹物105可以是由复合材料制成的，该复合材料具有基底基体材料(其可以是铜或银，例如)和悬浮在该基体中的高导热率材料。再次，该悬浮物质可以是碳基材料，例如金刚石等。在其他示例性实施例中，该悬浮材料可以是热解石墨(TPG)。TPG是在高温化学气相沉积反应器中由烃气体的热分解制造的热解石墨的形式。诸如TPG的材料可以在20℃下具有至少1,500W/mK的导热率。进一步地，这些材料可以是通过多个过程(例如烧结)来悬浮在银或铜基体中的，并且产生大大改善插入件103的热性能的复合材料包裹物105。再次将复合的包裹物105置于插入件103的外表面上，并且定位在插入件103与电极本体101之间。因为使用了铜或银的基体材料(各自具有相对较高的导电性)，包裹物105可以在本体101内完全覆盖插入件103。在图1中，包裹物105没有完全吞没插入件103(在本体101内)。然而，在包裹物具有良好的导电性实施方案中，包裹物105可以覆盖插入件103，使得插入件103的任何部分都不直接接触的本体101的材料。

在另外多个示例性实施例中，包裹物105的材料可以是由提供了所希望的热和电性能的冶金合金制成的。例如，可以使用包括铜、铬、锌和钛的合金。在另外多个示例性实施例中，可以使用粉末烧结过程来产生提供了所希望的热和电特性的多种材料的金属基体复合物。这种复合物的示例将是可以用于实现所希望的热和电特性的金属—金刚石复合材料。该金属 可以是在此引用的任何材料、合金，以及具有所希望特性的其他金属。另外，可以使用纳米纤维强制复合过程来产生本发明的包裹物105。例如，可以使用碳或石墨烯强制复合。

在本发明的另外多个示例性实施例中，电极本体101本身是复合材料。例如，该电极本体可以是由具有浸渍在其内的碳基材料(例如金刚石)的铜或银基体材料制成的，这改善了该电极本体的整体导热率。再次，可以用诸如烧结的过程来浸渍该碳材料。当然，可以使用其他的制造工艺来产生复合材料电极本体101。进一步地，在其他示例性实施例中，可以用诸如金刚石的碳材料来仅浸渍在其中插入了插入件103的腔室121。也就是说，在一些实施例中，电极本体101大部分是固体材料，如铜或银，但是腔室121在电极100远端的壁浸渍有金刚石、或上面所讨论的一些其他材料，以使得电极本体101在腔室121的区域中的导热率相比于电极本体101的其余部分是增大的。在本发明的多个示例性实施例中，电极本体101的浸渍部分的导热率在20℃下具有500至1,000W/mK的范围内的导热率。在一些这样的实施例中，所述包裹物105是不需要的并且因此未被使用，以使得插入件103与腔室121的这些复合壁直接接触。在另外多个示例性实施例中，使用了包裹物105和复合材料腔室121每一者。

图2描绘了上述电极100的远端的放大视图。如所示出的，包裹物105被紧固到形成在电极100的远端的腔室121中，以使得壳体105包裹物和本体101的远端表面总体上是共面的。如以上所说明的，当包裹物105的材料具有良好的导电性时，该包裹物可以完全包围插入件103并且使插入件103与本体101的材料分开。应当理解的是，这并不意味着该插入件的远端面是被“包围的”。然而，在其他实施例中，包裹物105的材料可能不具有理想的导电性。在这样的实施例中，包裹物105确实沿插入件103延伸长度L，以使得至少插入件103的一个部分与电极本体101的腔室121直接接触。在图2中所示出的示例性实施例中，包裹物105具有长度L，并且当从该本体的远端面112测量时该插入件具有LH的总长度。在多个示例性实施例中，包裹物105的长度L是在长度LH的90％至40％的范围内。在其他示例性实施例中，长度L是在长度LH的80％至55％的范围内。 典型地，长度L被选定成使得插入件103与本体101之间进行足够地电接触，从而使得切割电流可以被传递到插入件103以产生等离子。

进一步地，在所示出的示例性实施例中，包裹物105具有恒定厚度T，从而腔室121总体上是圆柱形的。然而，如以下进一步讨论的，在一些实施例中，厚度T可以变化。进一步地，取决于该包裹物所使用的材料，包裹物105的厚度T可以是在10至50微米的范围内。然而，在其他示例性实施例中，厚度T可以大得多、并且可以是在0.04到0.2英寸的范围内。当然，也可以使用其他厚度、并且将是电极本体101的尺寸约束和所希望的导热率性能的函数。

另外，如所示出的，包裹物105具有外直径d(在本体101的远端面112处测量时)，其中直径d是在本体101的远端面112的直径D的35％至95％的范围内。在其他实施例中，直径d是在直径D的45％至85％的范围内。应当指出的是，直径D是本体101的远端的平坦端面表面112的直径。

应当指出的是，本发明的多个实施例可以与电流和功率水平变化很大的切割炬和系统一起使用。也就是说，本发明的多个实施例可以使用在从低于100安培到高于400安培的切割系统中。然而，由于本发明的示例性实施例的热属性，在具有较高电流水平的切割应用中将更加理解本文中披露的实施例的许多益处。例如，可以在275至400安培范围内的切割应用中使用在此讨论的电极。进一步地，由于在不同的电流水平下运行时对于消耗品的不同需求，在此讨论的这些部件中的一些部件的尺寸关系可以针对不同的电流水平来进行优化。

当装配/制造电极100的示例性实施例时，如所示出的，将插入件103和包裹物105(如果存在的话)插入到腔室121中。然后，在远端将径向定向的压缩力施加在电极本体101的这些侧上，使得包裹物105和插入件103被压接到电极本体101中并且通过该压接力而保持在位。该径向压接力被施加成使得在压接力位置处电极本体101的外直径减小约3％至8％。

图3描绘了本发明的包裹物105的另一示例性实施例。如所示出的， 在该实施例中，包裹物105沿其长度L具有可变壁厚。在所示出的示例性实施例中，包裹物105具有厚的远端部分133和薄的有壁的上游部分131。可以使用这一实施例来增加包裹物105的质量，而不损害电极100的伸出部分109的结构完整性。较厚的部分133具有壁厚T，该壁厚比上游部分131的壁厚t更厚。在多个示例性实施例中，厚度T是在比厚度t大400％至50％的范围内。在其他实施例中，厚度T是在比厚度t大300％至100％的范围内。进一步地，较厚的远端部分133具有长度L'，其中长度L'是在包裹物105的总长度L的35％至75％的长度范围内。在另外多个示例性实施例中，长度L'是在45％至65％的范围内。在所示出的示例性实施例中，包裹物105从远端部分133到上游部分131具有单一厚度阶跃/过渡。然而，其他示例性实施例可以使用多个厚度变化。本发明的实施例并不限于图3中所示出的构型。

另外，虽然图3描绘了包裹物105具有小于直径D的直径d，但在其他示例性实施例中，该包裹物可以完全覆盖本体101的远端使得包裹物105涵盖远端面112的全部端直径D。在这样的实施例中，包裹物105可以是本体101的端帽，其中可以由包裹物105部件制成远端面112的直径D的整体和本体101的侧壁部分的至少一部分。因此，在这样的实施例中，包裹物105可以在本体101的远端和腔室107处用作端帽或塞子。

进一步地，在本发明的多个示例性实施例中，电极本体101是由无氧高导热率铜制成的。这样的铜合金典型地是99.99％纯铜，具有按重量计不大于0.0005％的低氧含量。这样的铜合金的示例是C10100。此合金的铜提供了是所希望的但也易于加工和压接(以便与壳体中的凹槽压接)的热传递特性。

现在转到图4，示出了利用本发明的示例性电极100的炬组件400。如前面所提到的，炬400可以是任何类型的已知等离子弧切割炬，包括但不限于：空气冷却式、液体冷却式、接触启动式、非接触启动式、高电流式、低电流式、手持式和/或机械化式。在此方面本发明的实施例是不受限制的。进一步地，因为这样的炬的一般构造和操作是已知的，在本文中无需讨论这些的细节。如图4中所示出的，示例性炬400可以包括在此讨论的电极 组件100、以及诸如防护帽415、喷嘴413、涡流环411、阴极本体403的部件，电极100被紧固到这些部件上(通常通过在电极组件100处的螺纹)。该炬还可以包括诸如隔离器结构409和固位帽组件417a-417c的部件，该固位帽组件有助于将防护物415和喷嘴413紧固到炬400上。如通常理解的，插入件103发射等离子射流/弧，该等离子射流/弧通过喷嘴413中的开口并且然后通过防护帽415中的开口离开。进一步地，可以将一种防护气体提供给该炬，该防护气体然后被传递到喷嘴413与防护帽415之间以便也在防护帽415的远端通过开口喷出。

使用示例性电极组件100的炬组件400的操作与已知炬的操作没有区别。然而，因为以上所讨论的属性，电极组件100将具有比已知电极更长的寿命。因此，优于已知的电极，本发明的多个实施例提供了显著的改进。

图5至图7描绘了可以在这些切割过程和在此讨论的示例性炬组件400中使用的本发明的另外多个示例性实施例。

图5描绘了与图2中所讨论的相类似的示例性实施例。然而，在该示例性实施例中，包裹物105和插入件103各自暴露于冷却腔室107。在这样的实施例中，该包裹物和插入件可以通过该电极中的冷却剂(其可以是液体或空气/气体)直接冷却。在另外多个示例性实施例中，可以在腔室107中用包裹物105完全覆盖(如在图5中用虚线示出的)该插入件，以使得在腔室107中仅包裹物105与该冷却剂接触。

图6描绘了再次与图2中所讨论的相类似的另一个示例性实施例。然而，在该示例性实施例中，包裹物105具有从包裹物105的外表面610延伸出的多个伸出部601。这些伸出部601有助于将该包裹物紧固到本体101内。例如，当该本体被压接到包裹物105上时，压接力可以使伸出部601围绕本体101和包裹物105变形，这将有助于将包裹物105紧固在本体101内。此外，伸出部601增大了接触表面面积，这会增大这种连接的导热率。这些伸出部601可以具有所希望的任何形状或构型。

图7描绘了使用了第二包裹物705的附加示例性实施例。如所示出的，插入件103与第一包裹物105接触，并且第一包裹物105与第二包裹物705 接触。该第二包裹物可以是由与第一包裹物105不同的高导热材料制成的，并且具有不同的导热率。例如，外包裹物705可以具有比内包裹物105更低的导热率。进一步地，如所示出的，外包裹物705可以具有比内包裹物705更小的长度。当然，可以使用其他构型而不脱离本发明的精神或范围。图7的实施例可以允许更灵活地使用材料，以达到所希望的热和电性能。在一些示例性实施例中，外包裹物705可以完全包围内包裹物105和插入件103(如在图7中用虚线示出的)。这样的实施例可以有助于节约成本，因为内包裹物103可以是第一高导热材料的，并且外包裹物705可以是较便宜的第二高导热材料的。例如，外包裹物705可以在20℃下具有至少1,500W/mK的导热率，并且内包裹物105可以在20℃下具有500至1,000的范围内的导热率。当然，可以使用其他范围和比率来实现所希望的性能，而不脱离本发明的精神或范围。

虽然已参照某些实施例描述了要求保护的本申请的主题，但是本领域技术人员将理解，在不脱离要求保护的主题的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以替换等效形式。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适合所要求保护主题的教导，而不脱离其范围。因此，所旨在的是，所要求保护的主题内容不受限于所公开的特定实施例，而所要求保护的主题内容将包括落入附权利要求书的范围内的所有实施例。