专利名称：用于通过相同耗材组对工件进行打标和切割的方法及等离子电弧焊炬系统的利记博彩app
技术领域：
本发明整体上涉及等离子电弧焊炬系统，并且更具体地涉及具有在不必改变焊炬的任何耗材的情况下对金属工件进行切割(即，切断或分成多件)和打标(即，在表面上产生可见线条)的能力的等离子电弧焊炬系统。
背景技术：
通常采用专用的等离子打标焊炬以利用线条、数字或符号来打标金属板和其他工件以方便后续的板布置和组装操作。而且，有时采用字母数字标记用于板标识的目的。已知的打标焊炬通常在低安培数(例如，大约8安培-10安培)下操作并且采用非切割气体比如氩气作为等离子气体，该等离子气体形成通过喷嘴口离开的且在工件上形成可见标记的等离子流。已知的打标焊炬通常还包括空气冷却系统，该空气冷却系统使空气循环而与电极接触并且随后沿着等离子喷嘴的外侧表面以共轴围绕等离子流的方式排出。期望的是具有能够打标和切割工件并且以高精度执行这两项工作的等离子电弧焊炬。本申请的受让人先前已经开发出具有打标和切割能力的等离子电弧焊炬，如在美国专利No. 6，054，669中公开的那样，该专利的全部公开内容通过参引的方式并入本文。在 No. 6，054，669专利中描述的焊炬包括限定有纵向轴线的焊炬本体、以及沿着该纵向轴线安装到焊炬本体上且限定有前部排放端的电极。喷嘴安装在焊炬本体上以覆盖电极的前部排放端并且由此限定出它们之间的等离子空腔，并且喷嘴包括前壁，该前壁具有穿过其中的、沿着纵向轴线与电极对准的孔。防护罩安装到焊炬本体上，从而以间隔开的关系覆盖喷嘴的前壁并且限定出它们之间的间隙，该间隙形成共轴环绕喷嘴孔的环形口。等离子气体通道延伸穿过焊炬本体并且延伸到等离子空腔，并且设有等离子气体控制部用于将等离子打标气体输送至等离子气体通道并且由此到达等离子空腔。而且，防护气体通道延伸穿过焊炬本体并且延伸至环形气体口，并且设有防护气体控制部用于将气体(可选地还包括水雾)输送至防护气体通道并且由此到达环形气体口。还设有电源用于将适于工件的等离子打标的相对较低功率水平的电力输送至电极。用于上述焊炬的喷嘴口直径相当小，处于0. 018英寸至0. 043英寸的级别。因此， 电弧密度即使在相对较低的打标电弧电流水平(10安培至35安培)下也很高。这使得焊炬能够在碳钢和不锈钢上形成高质量的标记。但是，为了形成这种高质量的标记，打标速度 (即，焊炬的线速度，通常以每分钟英寸数或“ipm”来衡量)必然相对较低。在一些应用(例如，在诸如用于造船等之类的大的板材上打标出对准标记)中， 期望的是能够以高得多的打标速度进行打标。为了能够利用上述焊炬增大打标速度，必须增大电弧电流。可选地，发现在防护气体中添加可选的水雾使得能够在不增大电弧电流的情况下增大打标速度。但是，即使当水雾被采用时仍不能以超过大约300ipm的速度进行打标，并且用于可接受质量的字母数字打标的最高可得速度是大约lOOipm。
发明内容
本申请说明一种采用与上述系统及方法明显不同途径的等离子电弧焊炬及方法。 能够在不改变焊炬的任何耗材(电极和喷嘴)的情况下执行切割和打标。通过目前说明的焊炬系统，能够使用具有很大直径喷口(例如0.070英寸和更大)的等离子喷嘴，并且仍然能够在工件比如不锈钢上打标出高质量的、微细的线条。能够在没有打标质量的明显损失的情况下获得高达600ipm的打标速度。这些反直觉的结果借助下文描述的焊炬系统及方法的特征成为可能。根据本文公开的一个实施方式，一种操作等离子电弧焊炬以有选择地切割金属工件及在金属工件的表面上进行打标的方法，包括步骤(1)提供等离子电弧焊炬，包括(a)焊炬本体，所述焊炬本体限定有纵向轴线；(b)电极，所述电极沿着所述纵向轴线安装到所述焊炬本体上并且限定有前部排放端，所述前部排放端支承能够操作用于发射电弧的发射元件；(C)等离子喷嘴，所述等离子喷嘴安装在所述焊炬本体上以覆盖所述电极的所述前部排放端并且由此限定出它们之间的等离子空腔，所述等离子喷嘴包括前壁，所述前壁具有延伸穿过其中且沿着所述纵向轴线与所述电极对准的等离子喷嘴口，使得从所述发射元件发射的电弧能够与等离子气体流一起穿过所述等离子喷嘴口；(d)液体喷射防护杯状物，所述液体喷射防护杯状物安装到所述焊炬本体上以便以间隔开的关系覆盖所述等离子喷嘴的所述前壁并且限定有在所述液体喷射防护杯状物与所述等离子喷嘴之间的环形液体腔，所述液体喷射防护杯状物包括前壁，所述前壁具有延伸穿过其中且沿着所述纵向轴线与所述电极对准的轴向液体喷射口，使得从所述等离子喷嘴口发出的所述电弧及等离子气体流穿过所述轴向液体喷射口并且朝向与所述液体喷射防护杯状物的所述前壁相邻的工件行进，所述液体喷射防护杯状物和所述等离子喷嘴构造为且布置为协作地限定出切向液体喷射口，所述切向液体喷射口通常为环形且共轴环绕从所述等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口发出的所述电弧及等离子气体流，并且将液体从所述环形液体腔切向向内地喷射到所述电弧及等离子气体流中并且随后穿过所述轴向液体喷射口朝向所述工件行进；(e)等离子气体通道，所述等离子气体通道延伸穿过所述焊炬本体并且到达所述等离子空腔；以及(f)液体喷射通道，所述液体喷射通道延伸穿过所述焊炬本体并且到达所述环形液体腔。(2)通过如下过程对工件进行打标将等离子打标气体输送至所述等离子气体通道并且由此到达所述等离子空腔，将液体输送至所述液体喷射通道并且由此到达所述环形液体腔，并且将适于对所述工件进行等离子打标的相对较低功率水平的电力输送至所述电极，使得相对较低电流的电弧与等离子打标气体流和液体一起被远离所述轴向液体喷射口引向所述工件；以及(3)通过如下过程切割所述工件或另一工件将等离子切割气体输送至所述等离子气体通道并且由此到达所述等离子空腔，将液体(例如，水，或带有一种或更多种添加剂的水)输送至所述液体喷射通道并且由此到达所述环形液体腔，并且将适于对所述工件进行等离子切割的相对较高功率水平的电力输送至所述电极，使得相对较高电流的电弧与等离子切割气体流和液体一起被远离所述轴向液体喷射口引向所述工件。至少在操作的打标模式下，将液体以被控制的流率供应给所述焊炬的所述液体喷射通道，所述流率能够在从大约0. 1加仑每分钟(gpm)到1. Ogpm的范围内有选择地改变。 若需要，在切割模式中可以采用更高或更低的液体流率。在特定的实施方式中，将第一组成的气体输送至所述等离子气体通道用于打标， 并且将第二组成的气体输送至所述等离子气体通道用于切割，其中所述第二组成不同于所述第一组成。所述方法可能需要将不大于大约50安培电流输送至所述电极用于打标，并且将比用于打标的电流大的电流输送至所述电极用于切割。在一个实施方式中，借助所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物的构造，通过所述切向液体喷射口将液体沿着与所述纵向轴线基本垂直的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中。在另一实施方式中，借助所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物的构造，通过所述切向液体喷射口将液体沿着与所述纵向轴线倾斜的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中，以形成向内指向的喷射液体的圆锥。所述圆锥能够具有大约1°到80°的半角。根据本文公开的焊炬系统的一个方面，所述系统能够包括多组可选的等离子喷嘴和液体喷射防护杯状物。包括等离子喷嘴和对应的液体喷射防护杯状物的每个组能够构造为用于特定范围的切割电弧电流。由此，在一个实施方式中，第一组等离子喷嘴和液体喷射防护杯状物用于在小于或等于大约50安培的电弧电流下打标工件，并且在等于或大于大约70安培但小于200安培的电弧电流下切割所述工件或另一工件。所述方法随后能够包括以不同构造的第二等离子喷嘴和不同构造的第二液体喷射防护杯状物替代所述第一组等离子喷嘴和液体喷射防护杯状物的步骤，并且在小于或等于大约50安培的电弧电流下打标工件而在等于或大于200安培但小于300安培的电弧电流下切割所述工件或另一工件。所述方法还能够包括以不同构造的第三等离子喷嘴和不同构造的第三液体喷射防护杯状物替代所述第二等离子喷嘴和所述第二液体喷射防护杯状物的步骤，并且在小于或等于大约50安培的电弧电流下打标工件而在等于或大于300安培的电弧电流下切割所述工件或另一工件。本申请还描述了一种用于切割和打标金属工件的等离子电弧焊炬系统。在一个实施方式中，如上述，所述系统包括焊炬本体、电极、等离子喷嘴、以及液体喷射防护杯状物。 等离子气体通道限定为用于将打标或切割气体供应至所述等离子气体腔，而液体喷射通道限定为用于将液体供应至所述液体腔。所述系统还包括喷射液体控制部用于以被调节的体积流率将液体流供应至所述液体喷射通道并且由此到达所述液体腔，所述喷射液体控制部能够操作以有选择地改变所述液体的所述被调节的体积流率。另外，所述系统包括电源，所述电源能够操作而有选择地将(1)适于对工件进行等离子打标的相对较低的功率水平或者(2)适于工件切割的相对较高的功率水平的电力输送至所述电极。因此，所述焊炬可以有选择地(1)在相对较低的功率水平下操作，其中将等离子打标气体输送至所述等离子气体通道，并且将液体输送至所述液体喷射通道，以容许在工件打标模式下进行操作；或者(2)在相对较高的功率水平下操作，其中将等离子切割气体输送至所述等离子气体通道，并且将液体输送至所述液体喷射通道，以容许在工件切割模式下进行操作。所述系统还能够包括气体控制部，所述气体控制部能够操作用于有选择地将等离子打标气体或等离子切割气体输送至所述等离子气体通道，分别用于打标或切割。根据本发明的所述湿式打标法及焊炬系统的另一优点是相对于干式打标焊炬及工艺所需的投射距离的明显增大的投射距离(测量为从所述焊炬的端部到所述工件的表面的最短距离)。具体地，在根据本发明的湿式打标期间的投射距离能够位于大约0. 2英寸与0.3英寸之间，而在干式打标期间的典型的投射距离显著地小于0. 1英寸(例如，小至 0. 015英寸)。这意味着相对于现有技术的干式打标方法及系统，利用本发明的湿式打标方法及焊炬系统基本不太可能发生焊炬与工件之间的碰撞。所述等离子喷嘴和液体喷射防护杯状物能够具有多种构造以用于它们被设计来满足的特定用途。作为一个示例，所述等离子喷嘴的前壁和所述液体喷射防护杯状物的前壁能够构造为将切向液体喷射口限定为大致圆锥形喷口，所述喷口将液体圆锥沿着与所述纵向轴线倾斜的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中。所述切向液体喷射口能够构造为使得所述液体圆锥具有大约1°到80°的圆锥半角。相对于液体的“倾斜”喷射，大于 80°的圆锥半角视为提供将液体“基本垂直地”向内喷射到所述电弧及等离子气体流中。构造为倾斜喷射液体的喷嘴可以适于例如以相对较低的电弧电流(例如，大约70安培到大约 250安培)进行切割。作为另一示例，在所述切向液体喷射口的区域中，所述等离子喷嘴的前壁和所述液体喷射防护杯状物的前壁能够沿着与所述纵向轴线大致垂直的方向径向向内延伸，使得液体沿着与所述纵向轴线大致垂直的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中。构造为大致垂直喷射液体的喷嘴可以适于例如以相对较高的电弧电流(例如，高于大于250安培) 进行切割。所述等离子电弧焊炬能够包括多组等离子喷嘴和液体喷射防护杯状物，其中一个 “组”包括等离子喷嘴和特别构造为与所述等离子喷嘴一起使用的对应的液体喷射防护杯状物。例如，多个组能够就它们分别被设计以进行操作的切割电弧电流的水平这方面进行等级评定。由此，例如，第一组喷嘴/防护杯状物可能具有这样的特征具有等离子喷嘴的直径相对较小的等离子喷嘴口，从而适于以相对较低的第一范围的电弧电流进行切割。所述系统能够包括第二组喷嘴/防护杯状物，其构造为安装在所述等离子电弧焊炬中以替代所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物，其中所述第二等离子喷嘴具有直径比所述等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口大的等离子喷嘴口。由此，所述第二等离子喷嘴和所述第二液体喷射防护杯状物能够适于以第二范围的电弧电流进行切割，所述第二范围的电弧电流大于所述第一范围的电弧电流。若需要，所述系统能够至少包括第三等离子喷嘴和第三液体喷射防护杯状物，其构造为安装在所述等离子电弧焊炬系统中以替代所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物，其中所述第三等离子喷嘴具有直径比所述第二等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口大的等离子喷嘴口，所述第三等离子喷嘴和所述第三液体喷射防护杯状物适于以第三范围的电弧电流进行切割，所述第三范围的电弧电流大于所述第二范围的电弧电流。
尽管多种组的喷嘴和防护杯状物被设计用于以不同的电弧电流水平进行切割，但是所有的组均能够使所述等离子电弧焊炬系统对工件进行打标。用于通过每个组进行打标的电弧电流低于用于切割的所述第一(最低)范围的电弧电流，并且通常低于大约50安
培ο一个或更多个喷嘴/杯状物组能够包括涡旋(swirl)环，所述涡旋环设置在限定于所述等离子喷嘴与所述液体喷射防护杯状物之间的大致环形的空间中。所述大致环形的空间从或部分地从所述喷射液体供应通道接收液体。所述涡旋环在液体被向内喷射到所述等离子羽流中之前使液体具有涡旋。所述等离子喷嘴与所述液体喷射防护杯状物之间能够设置绝缘件/垫圈用于使所述等离子喷嘴与所述液体喷射防护杯状物电绝缘。尽管不希望限定于特定的假说，但是受让人提出如下理论液体径向向内喷射到电弧及等离子气体流内导致了使电弧稳定的电弧“压挤”，并且由此导致打标在工件上的更明显的或更清楚的(相反于“模糊的”)线。当应用于不锈钢工件时，相对于由受让人开发的上述现有技术的焊炬打标出的线，由本焊炬系统及方法打标出的线意外地具有更小的线宽度、更深的线颜色(并且由此初始金属表面的更高对比度)，并且减小了表面粗糙度，即使当等离子喷嘴口直径显著大于现有焊炬的该直径时也如此。
本专利或申请文件包含至少一个执行为彩色的附图。带有彩色附图的本专利或专利申请刊物的复制将在请求和支付必要费用后由专利局提供。由此，已经整体上描述了本发明，现在将对附图进行参照，这些附图并非必然按比例绘制，其中图IA是根据本发明的一个实施方式的等离子电弧焊炬的轴向截面侧视图；图IB是图IA的焊炬的沿着与图IA的平面成角度地偏移的平面截取的轴向截面图；图IC是与图IA相似的视图，但是稍微按比例放大以更好地示出焊炬部件的细节；图ID是与图IB相似的视图，但是稍微按比例放大以更好地示出焊炬部件的细节；图2是根据本发明的实施方式的包括等离子喷嘴和液体喷射防护杯状物的喷嘴组件的轴向截面侧视图；图3是根据本发明的另一实施方式的包括等离子喷嘴和液体喷射防护杯状物的喷嘴组件的轴向截面侧视图；图4是图表，示出了根据本发明的实施方式的等离子电弧焊炬的测试结果，其中使用设计用于在125安培的电弧电流下进行切割的喷嘴组件，描绘出在10安培的打标电流和多种投射距离下对于不同等离子气体压力等离子气体流率和液体流率如何相互作用；图5是图表，示出了根据本发明的实施方式的等离子电弧焊炬的测试结果，其中使用设计用于在400安培的电弧电流下进行切割的喷嘴组件，描绘出在30psi的等离子气体压力和35安培的打标电流下在多种投射距离下等离子气体流率和液体流率如何相互作用；图6是图表，示出了根据本发明的实施方式的等离子电弧焊炬的测试结果，其中使用设计用于在125安培的电弧电流下进行切割的喷嘴组件，描绘出标记线宽度如何作为等离子气体压力和液体流率的函数进行变化；图7是图表，示出了根据本发明的实施方式的等离子电弧焊炬的测试结果，其中使用设计用于在400安培的电弧电流下进行切割的喷嘴组件，描绘出标记线宽度如何作为液体流率的函数进行变化；以及图8是通过根据本发明的实施方式的湿式打标工艺产生的双线条标记的放大彩色图片。
具体实施例方式现在将参照附图在下文中更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的一些但非全部实施方式。相反，本发明可以实施为多种不同的形式并且不应当理解为限制于本文阐释的实施方式；更确切地，提供这些实施方式使得本公开满足适用法律的要求。相同的附图标记始终表示相同的元件。图IA至图ID中示出了根据本发明的一个实施方式的等离子电弧焊炬10，这些图绘出了焊炬的沿着彼此成角度偏移的两个不同平面上的横截面以示出在一个截面上出现而在另一截面上没有出现的特征。焊炬包括大致圆筒形的主焊炬本体14，其通常由导电材料比如金属制成；大致圆筒形的下部或前部绝缘本体16，其连接至主焊炬本体14 ；电极固定器组件18，其延伸穿过主焊炬本体14的中央孔并且穿过前部绝缘本体16的中央孔； 电极20，其连接至电极固定器组件18的自由端；以及与电极20相邻的喷嘴组件22，其连接至的绝缘本体16。焊炬包括等离子气体供应管M，其固定在限定于主焊炬本体14中的等离子气体供应通道沈内。等离子气体通道沈延伸穿过主焊炬本体14到达其下端面。绝缘本体16 具有上端面，该上端面抵接主焊炬本体的下端面。绝缘本体16限定有等离子气体通道36， 该等离子气体通道36与主焊炬本体14中的等离子气体通道26对准且与该等离子气体通道沈相连。由此，诸如氧气、空气、氮气、H-35、F5或氩气之类的等离子气体通过等离子气体供应管M供应到焊炬本体中的等离子气体通道沈内，并且由此到达绝缘本体16中的对应的通道36内。等离子气体通道36从绝缘本体16的上端面延伸穿过绝缘本体16到达绝缘本体16的下端部中的圆筒形埋头孔38内。如下面进一步描述的，埋头孔38与喷嘴组件 22的上端部一起形成等离子气体供应腔40，等离子气体从该供应腔40供应至焊炬的主喷嘴或等离子气体喷嘴。来自合适源的等离子气体通过流动穿过主焊炬本体14中的等离子气体通道沈、到达绝缘本体16的与通道沈对准的等离子气体通道36内、并且到达腔40内而进入等离子气体供应腔40内。喷嘴组件22包括等离子喷嘴42 (或称为“基部”)，该等离子喷嘴42具有可滑动地接收在金属嵌入套筒44内的大致圆筒形的上部分，该金属嵌入套筒44嵌入到绝缘本体 16的埋头孔38内。0形圈(未示出)使等离子喷嘴42与金属嵌入套筒44之间的滑动互连密封。等离子喷嘴包括在其顶端部处的等离子喷嘴50。液体喷射防护杯状物48 (或者称为“壳体”)共轴环绕等离子喷嘴42并且包括在其顶端部处的轴向液体喷射口 51。存在有从等离子气体供应腔40通过等离子喷嘴42的中央通道到达限定于等离子喷嘴42与电极 20之间的等离子空腔43内的等离子气体流动路径。从等离子空腔43，等离子气体流动穿过等离子喷嘴50和轴向液体喷射51以便引导等离子气体的喷射流体以辅助执行在工件上的切割或打标操作。发射自电极20的电弧也朝向工件穿过口 50、51，如在下面进一步描述的那样。等离子气体喷射流体优选地具有由中空的圆筒形陶瓷气体挡板52生成的涡旋部件，该挡板52部分地设置在绝缘本体16的埋头孔凹部M中。挡板52的下端部抵接等离子喷嘴42的环形凸缘面。挡板52的外表面由大致环形的腔40围绕。挡板52具有非径向孔，该非径向孔用于将等离子气体从腔40引导到等离子喷嘴42的中央通道内而具有速度的涡旋分量。焊炬10包括管状防护罩定位固定器78，该管状防护罩定位固定器78的上端部是内螺纹的并且旋拧到围绕主焊炬本体14的焊炬外壳82的外螺纹部分上，其中绝缘部84设置在焊炬本体14与外壳82之间。防护罩定位固定器78具有外螺纹的下端部分用于附接至具有内螺纹的防护罩定位器96。防护罩定位器96的下端部分为大致去头圆锥形并且限定有径向向内突出的凸缘97，该凸缘97具有与液体喷射防护杯状物48的径向向外突出的凸缘相接合的上表面。由此，喷嘴组件22由防护罩定位器96保持在焊炬中。焊炬包括喷射液体供应管30，其固定在限定于主焊炬本体14中的喷射液体供应通道32内。喷射液体供应通道32延伸穿过主焊炬本体14到达其下端面用于将液体供应至绝缘本体16中的对应的液体喷射通道72。液体喷射通道72延伸到绝缘本体16内，并且随后成角度向外且延伸穿过绝缘本体的圆筒形外表面进入限定于绝缘本体16与防护罩定位固定器78之间的大致环形的空间73内。绝缘套筒80在其径向外表面上具有多个周向间隔开的轴向沟槽79，并且液体从环形空间73流动穿过沟槽79到达防护固定器96与液体喷射防护杯状物48之间的大致环形的空间内。液体喷射防护杯状物48限定有一系列的周向间隔开的孔100，这些孔100将喷射液体从大致环形的空间供应到限定于液体喷射防护杯状物48与等离子喷嘴42之间的液体腔102内。液体腔102是在两个喷嘴42与48 之间的大致环形空间的上端部分，并且涡旋环110设置在该环形空间的下端部分中。液体从液体腔102流动穿过涡旋环110中的切向定向的孔到达另外的液体腔112内，该液体腔 112限定为液体喷射防护杯状物48的下端部分与等离子喷嘴42的下端部分之间的大致环形的空间。液体腔112中的涡旋液体流随后向内喷射穿过切向液体喷射口 114(限定在等离子喷嘴42的前壁与液体喷射防护杯状物48的前壁之间)到达通过口 50、51的电弧及等离子气体流中。在所示的实施方式中，切向流体喷射口 114构造为与纵向轴线大致垂直地喷射液体，其中电弧及等离子气体流沿着所述纵向轴线延伸。但是，在其他实施方式中，比如在下面进一步描述的那些中，切向液体喷射口能够构造为相对于纵向轴线倾斜地喷射液体。电极固定器组件18包括上部管状电极固定器56，该固定器56具有通过螺纹连接到主焊炬本体14中的轴向盲孔58内的上端部。上部电极固定器56延伸到穿过绝缘本体 16形成的轴向孔60内，并且电极固定器56的下端部包括扩大的内螺纹的联接件62，该联接件62具有比套在联接件62的外侧上的陶瓷气体挡板52的内径略小的外径。电极固定器组件还包括在联接件62的上方间隔开的内螺纹，该内螺纹用于螺纹连接地接收下部管64，如在下面进一步讨论的，该下部管64将冷却剂供应至电极20，并且从绝缘本体16的轴向孔向外延伸到等离子喷嘴42的中央通道内。电极20包括杯状本体，该杯状本体的敞开的上端部通过螺纹旋拧到电极固定器56的下端部处的联接件62内，并且其带帽下端部与下部冷却剂管64的下端部紧邻。冷却剂循环空间存在于电极20的内壁与冷却剂管64的外壁之间、以及冷却剂管 64的外壁与电极固定器56的内壁之间。电极固定器56包括多个孔66，该多个孔66用于将冷却剂从电极固定器内的空间供应至电极固定器与绝缘本体16中的轴向孔60的内壁之间的空间68。设置在孔66与联接件62之间的密封件69密封抵靠孔60的内壁以防止空间 68中的冷却剂经过密封件69朝向联接件62流动。电极固定器56的外表面上的升高的环形肋或阻挡部71设置在孔66的远离密封件69的另一侧上，这是由于以下阐明的原因。焊炬10包括冷却剂入口连接管111，该连接管111固定在主焊炬本体14中的冷却剂入口通道113内。冷却剂入口通道113连接至主焊炬本体中的轴向中央孔58。冷却剂由此被供应到孔58内并且由此到达穿过电极固定器56的内通道内、通过冷却剂管64的内通道、并且进入管64与电极20之间的空间内。热从电极(电弧自其发射)的下端部传递至液体冷却剂并且冷却剂随后流动穿过冷却剂管64的下端部与电极20之间的通道并且向上通过冷却剂管64与电极20之间的环形空间，并且随后进入冷却剂管64与电极固定器 18之间的环形空间68内。冷却剂供应通道70从空间68延伸穿过绝缘本体16、穿过绝缘本体16的外圆筒形表面用于将冷却剂供应给喷嘴组件22。绝缘体本体16包括沟槽或平整部分116，其容许冷却剂从绝缘本体16和绝缘套筒80之间的通道70流动并且进入围绕上部喷嘴构件42的冷却剂腔118，其中绝缘套筒80环绕喷嘴组件22的上端部分和绝缘本体16。冷却剂围绕上部喷嘴构件42流动以冷却喷嘴组件。冷却剂从喷嘴组件经由与沟槽或平整部分116成角度偏移的第二沟槽或平整部分120回归，并且进入绝缘本体16中的冷却剂回归通道122内。冷却剂回归通道122延伸到轴向孔60的通过阻挡部71与冷却剂供应通道70分开的一部分内。冷却剂随后在电极固定器56与孔60的内壁之间流动进入环形空间126内，该环形空间1 与形成在主焊炬本体14中的冷却剂回归通道1 相连，并且经由固定在其中的冷却剂回归连接管130流出冷却剂回归通道128。典型地，回归的冷却剂在被冷却之后在封闭的环路中再循环回到焊炬中。在焊炬10的起动期间，电极20与等离子喷嘴42之间建立起电势差，使得穿过它们之间的间隙形成电弧。等离子气体随后流过喷嘴组件22并且电弧从等离子喷嘴口 50和轴向液体喷射口 51向外吹动直到其附接至工件为止，此刻使等离子喷嘴42与电源断开，使得电弧存在于电极20与工件之间。焊炬随后处于操作的工作模式下。如注意到的，本发明并不限于图IA至图ID中绘出的喷嘴组件22的构造。图2和图3分别绘出了设计用于来自喷嘴组件22的不同的切割电流等级的两个可选的喷嘴组件 122和222。具体地，喷嘴组件22可以设计用于相对较高的切割电流等级(例如，处于或高于300安培，并且更优选地处于或高于350安培)，而喷嘴组件122可以设计用于相对较低的切割电流等级(例如，低于200安培，并且更优选地低于150安培)。喷嘴组件222可以设计用于中等切割电流等级(例如，处于或高于200安培但低于300安培)。将注意到的是喷嘴组件彼此在多个方面不同。例如，低电流喷嘴组件122具有等离子喷嘴142的最小直径的等离子喷嘴口 150，中等电流喷嘴组件222具有等离子喷嘴242的略大直径的等离子喷嘴口 250，而高电流喷嘴组件22具有等离子喷嘴42的最大直径的等离子喷嘴口 50。另外， 低电流和中等电流喷嘴组件122、222与高电流喷嘴组件22的不同之处在于，它们相应的液体喷射防护杯状物148、248构造为沿与纵向轴向倾斜的方向向内喷射液体，而高电流喷嘴组件22的液体喷射防护杯状物48构造为沿与该轴线大致垂直的方向向内喷射液体。如注意到的，在工作模式(切割或打标)期间，液体还经由切向液体喷射口 114向内喷射到电弧和等离子气体流中。意外地，已经发现，在打标操作期间以该方式喷射液体对打标操作以及打标在工件上的最终线条的特性具有若干意料之外但有益的效果。为了将通过干式等离子打标(即，诸如氮气或空气之类的防护气体被用于防护等离子气体和电弧)形成的标记的质量与通过根据本发明的湿式等离子打标(即，液体(通常为水)用于防护等离子气体和电弧)形成的标记的质量进行比较，打标的质量可以由五个因素量化(1)标记线的宽度；(2)标记线的颜色；(3)标记线的可视性(与初始的金属表面的对比度)；(4)标记线的表面粗糙度；以及(5)在打标期间由焊炬的单次通过而生成两个视觉区分的、紧密间隔开的线条。在该研究中采用四个不同的喷嘴组件分别设计用于在125安培和400安培下在防护气体围绕电弧和等离子流的情况下进行切割(即，根据现有技术)的两个“干式”喷嘴组件，以及根据本发明的分别设计用于在125安培和400安培下在液体喷射的情况下进行切割的两个“湿式”喷嘴组件。表1中提供了喷嘴的细节。表1 关键喷嘴尺寸
权利要求
1.一种操作等离子电弧焊炬以在不必改变所述焊炬的任何耗材的情况下有选择地切割金属工件及在所述金属工件的表面上进行打标的方法，包括步骤(1)提供等离子电弧焊炬，所述焊炬包括(a)焊炬本体，所述焊炬本体限定有纵向轴线；(b)电极，所述电极沿着所述纵向轴线安装到所述焊炬本体上并且限定有前部排放端， 所述前部排放端支承能够操作用于发射电弧的发射元件；(c)等离子喷嘴，所述等离子喷嘴安装在所述焊炬本体上以覆盖所述电极的所述前部排放端并且由此限定出它们之间的等离子空腔，所述等离子喷嘴包括前壁，所述前壁具有延伸穿过其中且沿着所述纵向轴线与所述电极对准的等离子喷嘴口，使得从所述发射元件发射的电弧能够与等离子气体流一起穿过所述等离子喷嘴口 ；(d)液体喷射防护杯状物，所述液体喷射防护杯状物安装到所述焊炬本体上以便以间隔开的关系覆盖所述等离子喷嘴的所述前壁并且限定出在所述液体喷射防护杯状物与所述等离子喷嘴之间的环形液体腔，所述液体喷射防护杯状物包括前壁，所述前壁具有延伸穿过其中且沿着所述纵向轴线与所述电极对准的轴向液体喷射口，使得从所述等离子喷嘴口发出的所述电弧及等离子气体流穿过所述轴向液体喷射口并且朝向与所述液体喷射防护杯状物的所述前壁相邻的工件行进，所述液体喷射防护杯状物和所述等离子喷嘴构造为且布置为协作地限定出切向液体喷射口，所述切向液体喷射口通常为环形且共轴环绕从所述等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口发出的所述电弧及等离子气体流，并且将液体从所述环形液体腔切向向内地喷射到所述电弧及等离子气体流中并且随后穿过所述轴向液体喷射口朝向所述工件行进；(e)等离子气体通道，所述等离子气体通道延伸穿过所述焊炬本体并且到达所述等离子空腔；以及(f)液体喷射通道，所述液体喷射通道延伸穿过所述焊炬本体并且到达所述环形液体腔；(2)通过如下过程对工件进行打标将等离子打标气体输送至所述等离子气体通道并且由此到达所述等离子空腔，将液体输送至所述液体喷射通道并且由此到达所述环形液体腔，并且将适于对所述工件进行等离子打标的相对较低功率水平的电力输送至所述电极， 使得相对较低电流的电弧与等离子打标气体流和所述液体一起被远离所述轴向液体喷射口引向所述工件；以及(3)通过如下过程切割所述工件或另一工件将等离子切割气体输送至所述等离子气体通道并且由此到达所述等离子空腔，将液体输送至所述液体喷射通道并且由此到达所述环形液体腔，并且将适于对所述工件进行等离子切割的相对较高功率水平的电力输送至所述电极，使得相对较高电流的电弧与等离子切割气体流和所述液体一起被远离所述轴向液体喷射口引向所述工件。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤( 和C3)分别包括将第一组成的气体输送至所述等离子气体通道用于打标和将第二组成的气体输送至所述等离子气体通道用于切割， 其中所述第二组成不同于所述第一组成。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)包括将不大于50安培的电流输送至所述电极用于打标，而步骤C3)包括将比步骤O)中使用的电流大的电流输送至所述电极用于切割。
4.如权利要求1所述的方法，其中，借助所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物的构造，通过所述切向液体喷射口将液体沿着与所述纵向轴线基本垂直的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中。
5.如权利要求1所述的方法，其中，借助所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物的构造，通过所述切向液体喷射口将液体沿着与所述纵向轴线倾斜的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中，以形成向内指向的喷射液体的圆锥。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述圆锥具有大约Γ到80°的半角。
7.如权利要求1所述的方法，其中，以被调节的体积流率将液体输送至所述液体喷射通道。
8.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)至步骤(3)被执行为在小于或等于大约 50安培的电弧电流下打标工件并且在等于或大于大约70安培但小于200安培的电弧电流下切割所述工件或另一工件，并且还包括步骤以不同构造的第二等离子喷嘴和不同构造的第二液体喷射防护杯状物替代所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物，并且执行步骤(2)和(3)以在小于或等于大约50安培的电弧电流下打标工件并且在等于或大于200安培但小于300安培的电弧电流下切割所述工件或另一工件。
9.如权利要求8所述的方法，还包括步骤以不同构造的第三等离子喷嘴和不同构造的第三液体喷射防护杯状物替代所述第二等离子喷嘴和所述第二液体喷射防护杯状物，并且执行步骤(2)和(3)以在小于或等于大约50安培的电弧电流下打标工件并且在等于或大于300安培的电弧电流下切割所述工件或另一工件。
10.一种用于切割和打标工件的等离子电弧焊炬系统，包括焊炬本体，所述焊炬本体限定有纵向轴线；电极，所述电极沿着所述纵向轴线安装到所述焊炬本体上并且限定有前部排放端，所述前部排放端支承能够操作用于发射电弧的发射元件；等离子喷嘴，所述等离子喷嘴安装在所述焊炬本体上以覆盖所述电极的所述前部排放端并且由此限定出它们之间的等离子空腔，所述等离子喷嘴包括前壁，所述前壁具有延伸穿过其中且沿着所述纵向轴线与所述电极对准的等离子喷嘴口，使得从所述发射元件发射的电弧能够与等离子气体流一起穿过所述等离子喷嘴口 ；液体喷射防护杯状物，所述液体喷射防护杯状物安装到所述焊炬本体上以便以间隔开的关系覆盖所述等离子喷嘴的所述前壁并且限定出在所述液体喷射防护杯状物与所述等离子喷嘴之间的环形液体腔，所述液体喷射防护杯状物包括前壁，所述前壁具有延伸穿过其中且沿着所述纵向轴线与所述电极对准的轴向液体喷射口，使得从所述等离子喷嘴口发出的所述电弧及等离子气体流穿过所述轴向液体喷射口并且朝向与所述液体喷射防护杯状物的所述前壁相邻的工件行进，所述液体喷射防护杯状物和所述等离子喷嘴构造为且布置为协作地限定出切向液体喷射口，所述切向液体喷射口通常为环形且共轴环绕从所述等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口发出的所述电弧及等离子气体流，并且将液体从所述环形液体腔切向向内地喷射到所述电弧及等离子气体流中并且随后穿过所述轴向液体喷射口朝向所述工件行进；等离子气体通道，所述等离子气体通道延伸穿过所述焊炬本体并且到达所述等离子空腔；以及液体喷射通道，所述液体喷射通道延伸穿过所述焊炬本体并且到达所述环形液体腔；喷射液体控制部，所述喷射液体控制部用于以被调节的体积流率将液体流供应至所述液体喷射通道并且由此到达所述液体腔，所述喷射液体控制部能够操作以有选择地改变所述液体的所述被调节的体积流率；以及电源，所述电源能够操作以有选择地将(1)适于对工件进行等离子打标的相对较低功率水平或(2)适于工件切割的相对较高功率水平的电力输送至所述电极；由此，所述焊炬可以有选择地(1)在所述相对较低功率水平下进行操作，其中，通过将等离子打标气体输送至所述等离子气体通道并且将液体输送至所述液体喷射通道以容许在工件打标模式下进行操作；或者(2)在所述相对较高功率水平下进行操作，其中，通过将等离子切割气体输送至所述等离子气体通道并且将液体输送至所述液体喷射通道以容许在工件切割模式下进行操作。
11.如权利要求10所述的等离子电弧焊炬系统，还包括气体控制部，所述气体控制部能够操作用于有选择地将等离子打标气体输送至所述等离子气体通道用于打标和将等离子切割气体输送至所述等离子气体通道用于切割。
12.如权利要求10所述的等离子电弧焊炬系统，其中，所述等离子喷嘴的所述前壁和所述液体喷射防护杯状物的所述前壁构造为将所述切向液体喷射口限定为大致圆锥形喷口，所述喷口将液体圆锥沿着与所述纵向轴线倾斜的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中。
13.如权利要求12所述的等离子电弧焊炬系统，其中，所述切向液体喷射口构造为使得所述液体圆锥具有大约1°到80°的圆锥半角。
14.如权利要求10所述的等离子电弧焊炬系统，其中，在所述切向液体喷射口的区域中，所述等离子喷嘴的所述前壁和所述液体喷射防护杯状物的所述前壁沿着与所述纵向轴线大致垂直的方向径向向内延伸，使得所述液体沿着与所述纵向轴线大致垂直的方向向内喷射到所述电弧及等离子气体流中。
15.如权利要求10所述的等离子电弧焊炬系统，其中，所述等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口直径相对较小，适于以相对较低的第一范围的电弧电流进行切割，并且其中，所述系统还包括第二等离子喷嘴和第二液体喷射防护杯状物，所述第二等离子喷嘴和所述第二液体喷射防护杯状物构造为安装在所述等离子电弧焊炬系统中以替代所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物，其中，所述第二等离子喷嘴具有直径比所述等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口大的等离子喷嘴口，所述第二等离子喷嘴和所述第二液体喷射防护杯状物适于以第二范围的电弧电流进行切割，所述第二范围的电弧电流高于所述第一范围的电弧电流，所述第二等离子喷嘴和所述第二液体喷射防护杯状物能够使所述等离子电弧焊炬系统以比所述第一范围的电弧电流小的电弧电流打标工件。
16.如权利要求15所述的等离子电弧焊炬系统，还包括第三等离子喷嘴和第三液体喷射防护杯状物，所述第三等离子喷嘴和所述第三液体喷射防护杯状物构造为安装在所述等离子电弧焊炬系统中以替代所述等离子喷嘴和所述液体喷射防护杯状物，其中，所述第三等离子喷嘴具有直径比所述第二等离子喷嘴的所述等离子喷嘴口大的等离子喷嘴口，所述第三等离子喷嘴和所述第三液体喷射防护杯状物适于以第三范围的电弧电流进行切割，所述第三范围的电弧电流高于所述第二范围的电弧电流；所述第三等离子喷嘴和所述第三液体喷射防护杯状物能够使所述等离子电弧焊炬系统以比所述第一范围的电弧电流小的电弧电流打标工件。
17.一种用于通过等离子电弧工艺打标金属工件的方法，所述方法包括步骤利用等离子电弧焊炬沿着金属工件的表面的单次通过而在所述表面上打标出两根可视觉区分的、间隔开的且平行的线，其中，所述打标步骤包括将等离子打标气体流通过等离子喷嘴的等离子喷嘴口排向所述工件的表面，所述等离子打标气体具有被控制的流率；将来自电极的电弧通过所述等离子喷嘴口向所述工件的表面发射，使得所述电弧被包封在所述等离子打标气体流内，以形成指向所述工件的表面的等离子羽流，所述电弧的电弧电流小于或等于50安培；以及将液体从限定在所述等离子喷嘴与液体喷射防护杯状物之间的大致环形空间通过大致环形的、径向向内指向的液体喷射口喷射，使得所述液体向内喷射到所述等离子羽流中， 所述液体具有被控制的流率；其中，供应给所述焊炬的所述等离子打标气体的压力、所述电弧电流、以及所述液体流率被调节，使得当所述等离子电弧焊炬沿着所述工件的表面行进时在所述表面上形成所述两根视觉可区分的、间隔开的且平行的线。
18.如权利要求17所述的方法，其中，采用氩气作为所述等离子打标气体。
19.如权利要求17所述的方法，其中，所述液体流率被调节为介于大约0.1加仑每分钟与大约1.0加仑每分钟之间。
20.如权利要求17所述的方法，其中，在所述打标步骤期间，测量为从所述液体喷射焊嘴到所述工件的表面的最短距离的焊炬投射距离被调节为介于大约0. 2英寸与大约0. 3英尺之间。
全文摘要
一种切割和打标金属工件的等离子电弧焊炬，包括具有等离子喷嘴口的等离子喷嘴，等离子气体流和来自电极的电弧通过所述等离子喷嘴口朝向工件发射；以及将液体切向向内喷射到电弧及等离子气体流中的液体喷射防护杯状物。电源能够操作以有选择地将适于工件打标的低功率水平或适于工件切割的高功率水平的电力输送至电极。焊炬可以有选择地操作以在低功率水平下进行打标，其中等离子打标气体被输送至等离子气体通道，或者在高功率水平下进行切割，其中等离子切割气体被输送至等离子气体通道，并且液体被输送至液体喷射通道用于切割和打标。
文档编号B23K10/00GK102554427SQ20111041285
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者K·D·阿什克塔尔, 小J·V·瓦伦 申请人:依赛彼集团公司