[发明专利]用于接触启动式等离子弧焊炬的电极及使用该电极的接触启动式等离子弧焊炬

说明书

相关申请的交叉引用

本申请为申请于2007年2月20日并且要求申请于2006年2月17日的第60/774,451号美国专利申请的优先权权益的第11/709,315号美国专利申请的部分接续案，本申请的申请人同时享有上述两份申请，并且提供整体引用的方式将其合并在此。

技术领域

本发明主要涉及等离子弧焊炬，尤其是应用于接触启动式等离子弧焊炬的电极和焊炬。

背景技术

被称为工件的金属材料的切割和标记中，广泛使用等离子弧焊炬和激光器之类的材料处理装置。等离子弧焊炬通常包括焊炬本体，安装在本体内的电极，具有中心排出孔的喷嘴，电连接件，用于冷却和弧控制流体的通路，用以对流体流动模式进行控制的涡流环，以及电源。焊炬内使用的气体可以是惰性气体(例如氩气或氮气)，或活性气体(例如氧气或空气)。焊炬产生等离子弧，而等离子弧是高温且高动量的等离子气体的收缩离子化射流。

用于在等离子弧焊炬中产生等离子弧的一种方法是接触启动方法。接触启动方法包括形成电极和喷嘴之间的物理接触和电连通来产生其间的电流通路。电极和喷嘴可配合以在焊炬本体内产生等离子腔。将电流提供至电极和喷嘴，并且将气体引入等离子腔。增大气体压力直到该压力足以使得电极和喷嘴分离。该分离使得在等离子腔内电极和喷嘴之间形成电弧。该电弧使得引入的气体离子化，从而产生可转移到工件以进行材料处理的等离子射流。在某些应用中，电源适于在电弧产生过程中提供称为引导电流的第一电流，并在等离子射流已转移到工件时提供称为转移电弧电流的第二电流。

有多种能够产生电弧的构造。例如，电极可在焊炬本体内沿离开静止喷嘴的方向移动。这种构造称为“倒流(blow-back)”接触启动方法，因为气压使电极沿离开工件的方向移动。在另一构造中，喷嘴可沿离开相对静止的电极的方向移动。这种构造称为“前流(blow-forward)”接触启动方法，因为气压使得喷嘴沿朝向工件的方向移动。在又一构造中，其它焊炬部件(例如涡流环) 可在静止电极和喷嘴之间移动。

材料处理装置的某些部件在使用一段时间后会损坏。在所述材料处理装置为等离子弧焊炬的情况下，这些“消耗”部件包括电极，涡流环，喷嘴，和屏蔽件。此外，在使用接触启动方法启动焊炬的过程中，各种消耗部件变得不对齐，由此缩短了部件的使用寿命并降低等离子射流定位的精确性和可重复性。理想的是，这些部件易于在现场进行更换。但是，更换消耗部件会造成停机并降低生产率。

在接触启动式等离子弧焊炬的倒流方法中，电极沿离开喷嘴的方向移动以引发电极和喷嘴之间的引导电弧。电极的近端(例如，远离工件的一端)与形成为一部分焊炬本体的电源接触件接合。电极沿离开喷嘴方向的移动还会使得电源接触件移动。焊炬的反复使用会导致电源接触件和电极发生磨损。等离子弧焊炬操作中，更换电极是例行操作，并且例行进行该处理。然而，更换电源接触件包括拆卸焊炬本体并且耗时久，成本高，因为电源接触件并未设计成消耗部件。某些倒流焊炬涉及相对于相对静止的焊炬本体移动电源接触件。此类电源接触件的移动和焊炬的有效性会受到将电源接触件连接到电源之电缆的强度或刚度的影响。

例如，图1是已知的接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。系统100包括电源(未示出)，其与通过载流电缆104与向焊炬112提供电流的电源接触件108电连通。焊炬112包括与电源接触件108电绝缘并围绕电源接触件108设置的阴极块116。电源接触件108接靠导电电极124的近端120。设置在阴极块116内的弹簧128反作用于阴极块116的表面132以将电源接触件108和电极124朝向导电喷嘴136推压。在引发用于处理工件(未示出)的电弧之前，通过弹簧推压电极124以使之与喷嘴136接触。

在电缆104到电源接触件108，电极124，和喷嘴136之间形成电流通路。电流可沿该电流通路通过。电极124与喷嘴136配合以形成等离子腔140的一部分。可将等离子气体供应到等离子腔140来增加等离子腔140内的压力并克服由弹簧128提供的力。这一压力迫使电极124和电源接触件108沿离开喷嘴136的方向移动。随着电极124和喷嘴136之间的间隙144增大，电极124(例如阴极)和喷嘴136(例如阳极)之间形成电势差。电弧(未示出)将气体微粒离子化并横跨间隙144引发以用于处理工件。