[发明专利]接触启动式等离子弧焊炬和用于该焊炬的电极、接触元件

说明书

本申请是申请号为200780005934.2（国际申请号为PCT/US2007/004343）、申请日为2007年2月20日、发明名称为“用于接触启动式等离子弧焊炬的电极和使用这种电极的接触启动式等离子弧焊炬”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本领域总地涉及等离子弧焊炬，且更具体地涉及用于接触启动式等离子弧焊炬应用的电极和焊炬。

背景技术

诸如等离子弧焊炬和激光器之类的材料处理装置广泛地用于称为工件的金属材料的切割和标记。等离子弧焊炬通常包括焊炬本体、安装在本体内的电极、具有中心出口孔的喷嘴、电连接件、用于冷却和弧控制流体的通道、控制流体流动模式的涡流环、以及电源。焊炬内使用的气体可以是惰性的（例如氩气或氮气）、或活性的（例如氧气或空气）。焊炬产生等离子弧，等离子弧是高温且高动量的等离子气体的收缩的离子化射流。

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直接接触和电连通来产生其间的电流通路。电极和喷嘴可协作以在焊炬本体内产生等离子腔。向电极和喷嘴提供电流，并将气体引入等离子腔。形成气体压力直到压力足以将电极和喷嘴分离。该分离使得在在等离子腔内电极和喷嘴之间形成电弧。该电弧将引入的气体离子化以产生可转移（transfer）到工件以进行材料处理的的等离子射流。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。

有能够用于产生电弧的各种构造。例如，电极可在焊炬本体内远离静止喷嘴移动。这种构造称为“倒流（blow-back）”接触启动方法，因为气压使电极远离工件地移动。在另一构造中，喷嘴可远离相对静止的电极移动。这种构造称为“前流（blow-forward）”接触启动方法，因为气压使喷嘴朝向工件移动。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损坏。在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，各种消耗部件可不重合，这缩短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，更换消耗部件可导致停机时间并降低生产率。

在接触启动式等离子弧焊炬的倒流方法中，电极远离喷嘴移动以引发（initiate）电极和喷嘴之间的引导电弧（pilot arc）。电极的近端（例如远离工件）与形成焊炬本体的一部分的电源接触件配合。电极远离喷嘴的运动还移动电源接触件。焊炬的反复使用导致电源接触件和电极上的磨损。更换电极是等离子弧焊炬操作中的例行事务，且例行进行该过程。但是，更换电源接触件包括拆卸焊炬本体并且是耗时且成本高的，因为电源接触件没有设计成是消耗部件。某些倒流焊炬包括相对于相对静止的焊炬本体移动电源接触件。这种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的电缆的劲度或刚度的影响。

例如，图1是已知接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。系统100包括通过载流电缆104与向焊炬112提供电流的电源接触件108电连通的电源（未示出）。焊炬112包括与电源接触件108电绝缘并围绕电源接触件108的阴极块116。电源接触件108邻接导电电极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。在用于处理工件（未示出）的电弧引发前通过弹簧推压电极124与喷嘴136接触。

从电缆104到电源接触件108、电极124和喷嘴136形成电流通路。电流可沿该电流通路通过。电极124与喷嘴136协作以形成等离子腔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。该压力迫使电极124和电源接触件108远离喷嘴136。当电极124和喷嘴136之间的间隙144增大时，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而引发以用于处理工件。