[发明专利]改进的等离子体电弧切割系统和有关运行方法

说明书

提供一种用于液体冷却式等离子体电弧喷枪的喷嘴。喷嘴包括：导热本体，其具有远侧端、近侧端，以及延伸通过其中的纵向轴线。喷嘴还包括在导热本体的远侧端处的等离子体电弧出口孔口。喷嘴额外地包括沿周向围绕导热本体的外表面定位的冷却腰。冷却腰包括液体入口斜坡、液体出口斜坡和在液体入口斜坡和液体出口斜坡之间的热交换区域。热交换区域基本平行于纵向轴线而延伸，并且液体入口斜坡和液体出口斜坡大体垂直于纵向轴线而定向。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月11日提交的美国临时专利申请No. 62/320,935的优先权，该申请为本申请的受让人所有且通过引用而整体地结合在本文中。

技术领域

本发明大体涉及等离子体电弧切割系统和过程的领域。更特别地，本发明涉及改进的耗材构件(例如，喷嘴)和用于冷却等离子体电弧喷枪的运行方法。

背景技术

等离子体电弧喷枪广泛地用于对材料进行高温加工(例如，加热、切割、熔刮和刻印)。等离子体电弧喷枪大体包括喷枪头、安装在喷枪头内的电极、设置在电极的膛孔内的发射性插件、具有安装在喷枪头内的中心出口孔口的喷嘴、护罩、电连接件、用于冷却的通路、用于电弧控制流体(例如，等离子气体)的通路和功率供应。回旋环可用来控制形成于电极和喷嘴之间的等离子腔室中的流体流型式。在一些喷枪中，固持帽用来将喷嘴和/或回旋环保持在等离子体电弧喷枪中。在运行中，喷枪产生等离子体电弧，等离子体电弧是离子化气体的射流，它温度高且具有充分的动量来协助移除熔融金属。喷枪中使用的气体可为非反应性的(例如，氩气或氮气)，或反应性的(例如，氧或空气)。

关于等离子体电弧喷枪的设计考量包括用于冷却的特征，因为所产生的等离子体电弧可产生超过10000℃的温度，如果不控制，它可损害喷枪，特别是喷嘴。也就是说，喷嘴的腐蚀速率受到喷嘴处的冷却效率的影响。高效冷却可帮助保持较低的温度，这会降低腐蚀速率。现有技术的喷嘴，诸如美国专利No.8,772,667中描述的喷嘴，包括环形腔室，它构造成允许流体流过腔室且沿着腔室流动，以促进喷嘴的对流冷却。特别地，流体从喷嘴的一侧进入腔室，在腔室内围绕喷嘴流动到喷嘴的另一侧，并且从喷嘴的相对侧离开喷嘴。这种对流冷却易于促进流体流中的湍流，并且导致冷却不均匀，因为冷却流体在喷嘴的一侧进入且在较热的温度下从相对侧离开。需要一种喷嘴冷却特征，它可提供平稳的分层流体流，同时使得围绕喷嘴的基本整个周边能够有均匀冷却。

发明内容

因此本发明的目标是提供一种喷嘴设计，其优化通过喷嘴的冷却剂流，从而改进喷嘴的使用寿命且提高其切割品质。在一些实施例中，围绕喷嘴的外表面提供冷却腰，使得围绕喷嘴的周边能够有分层冷却剂流和均匀的喷嘴冷却。

一方面，提供一种用于液体冷却式等离子体电弧喷枪的喷嘴。喷嘴包括：导热本体，其具有远侧端、近侧端，以及延伸通过其中的纵向轴线。喷嘴还包括在导热本体的远侧端处的等离子体电弧出口孔口。喷嘴额外地包括沿周向围绕导热本体的外表面而定位的冷却腰。冷却腰包括液体入口斜坡、液体出口斜坡和在液体入口斜坡和液体出口斜坡之间的热交换区域。热交换区域基本平行于纵向轴线而延伸，并且液体入口斜坡和液体出口斜坡定向成大体垂直于纵向轴线。喷嘴进一步包括定位在液体出口斜坡和导热本体的远侧端之间的第一密封部件，以及定位在导热本体的近侧端和液体入口斜坡之间的第二密封部件。

在一些实施例中，液体入口斜坡和液体出口斜坡相对于纵向轴线在不同的轴向位置处。在一些实施例中，液体入口斜坡包括轴向对齐凸缘，轴向对齐凸缘构造成沿轴向对齐喷嘴与等离子体电弧喷枪的另一个构件。

在一些实施例中，冷却腰大体定位在本体的中心部分中。在一些实施例中，冷却腰构造成促进通过其中的液体冷却剂的分层流，使得进入液体入口斜坡的液体冷却剂基本不与从液体出口斜坡离开的液体冷却剂掺合。