РАСХОДНЫЙ КАРТРИДЖ ДЛЯ СИСТЕМЫ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ РЕЗКИ
CONSUMABLE CARTRIDGE FOR PLASMA ARC CUTTING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение в целом относится к области систем и процессов плазменно-дуговой резки. В частности, изобретение относится к способам и устройствам для упрощения, оптимизации и сокращения времени и стоимости резки с помощью улучшенных расходных картриджей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Плазменно-дуговые горелки широко используются при резке и маркировке материалов. Плазменная горелка обычно включает в себя эмиттер электрической дуги (например, электрод), констриктор электрической дуги, или сужающий элемент (например, сопло), имеющий центральное выходное отверстие, установленное в пределах корпуса горелки, электрические соединения, каналы для охлаждения, и каналы для флюидов управления электрической дугой (например, плазменный газ). Горелка производит суженную струю ионизированного газа с высокой температурой и большим импульсом. Газы, используемые в горелке, могут быть нереактивными (например, аргон или азот), или реактивными (например, кислород или воздух). Во время работы, вспомогательная электрическая дуга вначале создается между эмиттером электрической дуги (катод) и констриктором электрической дуги (анод). Вспомогательная электрическая дуга может быть создана посредством высокочастотного высоковольтного сигнала, связанного с источником электропитания постоянного тока и горелкой, или посредством любого из разнообразных способов контактного запуска.
[0003] Известные расходные материалы проявляют множество недостатков, как до, так и во время операции резки. Перед операцией резки, выбор и установка правильного набора расходных материалов для конкретной задачи резки могут быть обременительными и отнимающими много времени. Во время работы, применяемые расходные материалы характеризуются функциональными проблемами, такими как невозможность эффективно рассеивать и проводить тепло от горелки, и невозможность поддерживать надлежащую ориентацию и зазоры расходных материалов. Кроме того, применяемые расходные материалы включают в себя значительные количества дорогостоящих материалов, таких как Медь и/или Vespel™, что приводит к существенным производственным затратам и препятствует широкой их коммерциализации, производству и адаптации. Таким образом, необходима новая и улучшенная расходная платформа, которая снизила бы производственные затраты, улучшила бы рабочие параметры системы (например, теплопроводность, ориентацию компонентов, качество резки, долговечность, приспособляемость/универсальность, и т.д.), и облегчила бы монтаж и использование расходных материалов конечными пользователями.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Настоящее изобретение предоставляет один или несколько эффективных по затратам конструкций картриджа, которые позволяют снизить производственные затраты, облегчить производство и коммерциализацию картриджей, улучшить монтаж и облегчить использование конечными пользователями, и повысить рабочие параметры системы. В некоторых вариантах реализации, различные традиционные расходные компоненты (например, вихревое кольцо, сопло, экран, прижимной колпачок, и компоненты электрода). В некоторых вариантах реализации созданы новые компоненты (например, электродная муфта, блокирующее кольцо, и/или граничный изолятор). В некоторых вариантах реализации, обычное вихревое кольцо заменено другим элементом в пределах корпуса горелки, который обеспечивает завихрение газового потока в пределах корпуса горелки (например, характерный элемент для завихрений, имеющий проточные отверстия непосредственно в корпусе сопла). В некоторых вариантах реализации, экран сопла электрически изолирован от сопла (например, посредством использования анодированного алюминия и/или пластика).
[0005] В некоторых вариантах реализации, каждый картридж содержит один или несколько следующих расходных компонентов: каркас, или корпус, имеющий один или несколько секций; эмиттер электрической дуги (например, электрод); констриктор электрической дуги или сужающий электрическую дугу элемент (например, сопло); характерный элемент для обеспечения завихрения газа в пределах плазменной горелки (например, характерный элемент для завихрений, встроенный в сопло, вихревое кольцо, или другой характерный элемент для завихрения); экран (например, экран сопла, который электрически изолирован с использованием алюминия, анодированного алюминия и/или пластикового материала); эмитирующий элемент (например, гафниевый эмиттер); и/или концевой колпачок. В некоторых вариантах реализации, картридж включает в себя по существу медный участок (например, медный внутренний сердечник) и по существу не медный участок (например, не медный участок, внешний для внутреннего сердечника). В некоторых вариантах реализации, картридж может быть использован в портативной системе плазменной резки и/или механизированной системе плазменной резки.
[0006] В некоторых вариантах реализации, картридж имеет упругий элемент, такой как пружинный электрод или пружинный пусковой механизм, прикрепленный к электроду, интегрированный непосредственно в картридж и спроектированный как не отделяемый от картриджа, или неразборный. Упругий элемент может быть физически связанным с каркасом и/или может быть сконфигурирован для пропускания сигнального тока от каркаса на эмиттер электрической дуги. Упругий элемент может смещать эмиттер электрической дуги в направлении вдоль оси упругого элемента, например, передавая раздвигающую силу. В некоторых вариантах реализации, раздвигающая сила имеет величину, меньшую величины связывающей силы, скрепляющей картридж.
[0007] В некоторых вариантах реализации, картридж имеет усиленное охлаждение и улучшенные изоляционные возможности, сниженные затраты на производство и материалы, и/или улучшенные возможности для рециклинга, большую долговечность и улучшенные рабочие параметры. В некоторых вариантах реализации, картридж предоставляет расходные компоненты в одной интегрированной детали. В некоторых вариантах реализации, картридж допускает значительно сокращенное время монтажа горелки (например, в 5-10 раз); гарантирует, что сопрягаемые части всегда выбираются правильно для данной задачи резки; улучшает рассеяние тепла и/или возможности проводимости; допускает более простое распознавание соответствующих расходных компонентов для данной задачи резки; расширяет ориентацию расходных материалов и/или зазор между ними; и/или уменьшает ошибку оператора. В некоторых вариантах реализации, тепло распространяется по существу в сторону от горелки, но не настолько, чтобы нагреть или расплавить пластиковые компоненты. В некоторых вариантах реализации, использование металла, помимо меди (например, в области вне внутреннего сердечника медных компонентов), способствует отводу тепла от горелки. В некоторых вариантах реализации, картридж позволяет предварительно выбрать определенные комбинации расходных материалов для конкретных задач резки.
[0008] В некоторых вариантах реализации, каркас картриджа включает в себя сильно теплопроводящий материал, например, алюминий, медь, или другой сильно проводящий металл. В некоторых вариантах реализации, каркас картриджа сформирован формовкой. В некоторых вариантах реализации, по меньшей мере или первый конец каркаса картриджа, или второй конец каркаса картриджа, включает в себя резьбовую область, с формой для зацепления дополнительного компонента. В некоторых вариантах реализации, экран, констриктор электрической дуги и каркас термически связаны. В некоторых вариантах реализации, внешняя поверхность каркаса имеет форму для соединения с прижимным колпачком. В некоторых вариантах реализации, картридж включает в себя экранирующий изолятор, соединенный с каркасом. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор запрессован на каркас.
[0009] В некоторых вариантах реализации, колпачок картриджа задает апертуру эмиттера электрической дуги и включает в себя поверхность флюидного уплотнения, расположенную по периметру апертуры эмиттера электрической дуги. В некоторых вариантах реализации, электрод содержит пружину. В некоторых вариантах реализации, колпачок картриджа простирается в пределах области основания суживающего электрическую дугу элемента до места вблизи набора вихревых отверстий. В некоторых вариантах реализации, основание суживающего электрическую дугу элемента сформировано формовкой. В некоторых вариантах реализации, прижимной колпачок присоединен к корпусу картриджа. В некоторых вариантах реализации, прижимной колпачок содержит пластик. В некоторых вариантах реализации, сужающий электрическую дугу элемент и электрод соединены с прижимным колпачком через основание суживающего электрическую дугу элемента.
[0010] В некоторых вариантах реализации, картридж включает в себя экран, соединенный с корпусом картриджа. В некоторых вариантах реализации, экран соединен с корпусом картриджа через экранирующий изолятор. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор запрессован, по меньшей мере или на экран, или на основание суживающего электрическую дугу элемента. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор является электрически изоляционным. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор является теплопроводящим. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор включает в себя анодированный алюминий. В некоторых вариантах реализации, вокруг участка электрода помещается муфта. В некоторых вариантах реализации, муфта включает в себя анодированный слой, сформированный для электрической изоляции электрода от основания суживающего электрическую дугу элемента. В некоторых вариантах реализации, муфта включает в себя ряд поверхностей потока, сконфигурированных для облегчения протекания флюида в пределах плазменной горелки, например, для улучшения охлаждения.
[0011] В некоторых вариантах реализации, картридж (или расходная сборка) включает в себя уплотнение, располагаемое в пределах колпачка-вставки. В некоторых вариантах реализации, картридж включает в себя прижимной колпачок, непосредственно соединенный с дивертором газового потока. В некоторых вариантах реализации, прижимной колпачок сформирован из пластика. В некоторых вариантах реализации, констриктор электрической дуги и эмитирующий элемент соединены с прижимным колпачком через вихревое кольцо. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор запрессован по меньшей мере или на экран, или на дивертор газового потока. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор является электрически изолирующим. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор является теплопроводящим. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор включает в себя анодированный алюминий. В некоторых вариантах реализации, экран имеет отношение теплоемкости к току приблизительно от 2 и приблизительно до 4 Вт/м-°K-A. В некоторых вариантах реализации, сборка картриджа, или расходная сборка, включает в себя муфту, расположенную вокруг участка эмитирующего элемента. В некоторых вариантах реализации, муфта включает в себя анодированный слой, сформированный для электрической изоляции эмитирующего элемента от основания констриктора электрической дуги. В некоторых вариантах реализации, муфта включает в себя ряд поверхностей потока.
[0012] В некоторых вариантах реализации, картридж заменяется как блок. В некоторых вариантах реализации, длина эмитирующего элемента может быть отрегулирована для соответствия времени эксплуатации сопла, так, чтобы части картриджа достигали конца сроков их полезного использования приблизительно в одно и то же время. В некоторых вариантах реализации, качество резки может быть подобным тому, которое достигается с использованием данных расходных материалов. В некоторых вариантах реализации, расходная сборка с картриджем включает в себя пружинный электрод, расположенный в пределах корпуса сопла, и устройство уплотнения, расположенное в пределах блокирующего кольца. Устройство уплотнения может быть сконфигурировано для соединения с плазменно-дуговой горелкой. Пружинный электрод может включать в себя кнопку, или контактный элемент, который находится в пределах корпуса электрода и соединен с пружиной, расположенной между контактным элементом и корпусом электрода. В некоторых вариантах реализации, муфта электрода может иметь форму внешних концов (например, высверленные) для направления газового потока в пределах картриджа.
[0013] В одном аспекте, изобретение характеризует сменный картридж для плазменно-дуговой горелки. Сменный картридж включает в себя корпус картриджа, имеющий первую секцию и вторую секцию. Первая и вторая секции соединяются на поверхности стыка, чтобы сформировать по существу полую камеру. Поверхность стыка обеспечивает связывающую силу, которая скрепляет первую и вторую секции между собой. Картридж также включает в себя сужающий электрическую дугу элемент, расположенный во второй секции. Картридж также включает в себя электрод, включенный в пределах по существу полой камеры. Картридж также включает в себя контактный пусковой пружинный элемент, прикрепленный к электроду. Пружинный элемент обеспечивает раздвигающую силу, которая смещает электрод по меньшей мере или к первой секции, или ко второй секции корпуса. Раздвигающая сила имеет величину, меньшую величины связывающей силы.
[0014] В некоторых вариантах реализации, нагнетаемый газ перемещает электрод и преодолевает раздвигающую силу. В некоторых вариантах реализации, по меньшей мере участок электрода и контактный пусковой пружинный элемент постоянно располагаются в пределах по существу полой камеры. В некоторых вариантах реализации, основание суживающего электрическую дугу элемента анодировано. В некоторых вариантах реализации, картридж имеет область с коэффициентом теплопроводности приблизительно в интервале 200-400 Ватт на метр и на градус Кельвина. В некоторых вариантах реализации, экран имеет отношение теплоемкости к току 2-4 Вт/м-K-A. В некоторых вариантах реализации, картридж включает в себя колпачок-вставку, соединенный со второй секцией корпуса картриджа, колпачок-вставку, по существу ориентирующий электрод и удерживающий электрод в пределах корпуса картриджа.
[0015] В другом аспекте, изобретение характеризует герметичный блок картриджа для плазменно-дуговой горелки. Блок картриджа включает в себя по существу полый каркас, включающий в себя первый по существу полый участок, задающий первый конец, и второй по существу полый участок, задающий второй конец. Блок картриджа включает в себя эмиттер электрической дуги, расположенный в пределах каркаса. Эмиттер электрической дуги имеет возможность перемещения относительно каркаса. Картридж включает в себя констриктор электрической дуги, прикрепленный ко второму концу каркаса. Картридж включает в себя упругий элемент, физически связанный с каркасом. Упругий элемент смещает эмиттер электрической дуги или к первому концу, или ко второму концу, для облегчения воспламенения у эмиттера, или вблизи эмиттера электрической дуги.
[0016] В некоторых вариантах реализации, нагнетаемый газ перемещает электрод и преодолевает раздвигающую силу. В некоторых вариантах реализации, каркас включает в себя электрический изолятор. В некоторых вариантах реализации, каркас включает в себя по меньшей мере или металл, или сильно теплопроводящий материал. В некоторых вариантах реализации, каркас анодирован. В некоторых вариантах реализации, картридж включает в себя по меньшей мере один набор проточных отверстий, причем каждое проточное отверстие в наборе проточных отверстий радиально смещено относительно других проточных отверстий. В некоторых вариантах реализации, проточные отверстия имеют общую площадь сечения приблизительно один квадратный дюйм. В некоторых вариантах реализации, первый конец сконфигурирован для соединения с экраном через экранирующий изолятор, и экран, констриктор электрической дуги и каркас термически связаны. В некоторых вариантах реализации, блок картриджа имеет область с коэффициентом теплопроводности приблизительно в интервале 200-400 Ватт на метр и на градус Кельвина. В некоторых вариантах реализации, картридж включает в себя колпачок картриджа, расположенный на втором конце каркаса, колпачок картриджа, имеющий форму для стыка с эмиттером электрической дуги и для удержания эмиттера электрической дуги в пределах каркаса.
[0017] В другом аспекте, изобретение характеризует сменную, автономную расходную сборку для плазменно-дуговой горелки. Расходная сборка включает в себя дивертор газового потока, констриктор электрической дуги, физически связанный с дивертором газового потока, эмитирующий элемент, расположенный по существу в пределах дивертора газового потока и констриктора электрической дуги, и упругий инициатор электрической дуги, расположенный между эмитирующим элементом и по меньшей мере или дивертором газового потока, или констриктором электрической дуги. По меньшей мере участок и дивертора газового потока, и констриктора электрической дуги, и эмитирующего элемента, и инициатора электрической дуги, постоянно интегрированы в пределах расходной сборки.
[0018] В некоторых вариантах реализации, эмитирующий элемент включает в себя электрод, и стартер электрической дуги включает в себя пружину. В некоторых вариантах реализации, дивертор газового потока анодирован. В некоторых вариантах реализации, дивертор газового потока включает в себя колпачок-вставку, расположенный по существу напротив констриктора электрической дуги, колпачок-вставку, по существу ориентирующий эмитирующий элемент и удерживающий эмитирующий элемент в пределах дивертора газового потока. В некоторых вариантах реализации, уплотнение расположено в пределах колпачка-вставки. В некоторых вариантах реализации, расходная сборка включает в себя экран, соединенный с дивертором газового потока. В некоторых вариантах реализации, экран соединен с дивертором газового потока через экранирующий изолятор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] Предшествующее рассмотрение будет легче понято из нижеследующего подробного описания изобретения, приведенного вместе с сопровождающими чертежами.
[0020] Фиг.1 изображает схематическую иллюстрацию сечения картриджа для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения.
[0021] Фиг.2A - изометрическая иллюстрация унитарного картриджа для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения.
[0022] Фиг.2B - иллюстрация сечения унитарного картриджа для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения.
[0023] Фиг.2C - иллюстрация сечения унитарного картриджа для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения.
[0024] Фиг.3A - изометрическая иллюстрация внутренней сборки картриджа для плазменно-дуговой горелки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения.
[0025] Фиг.3B - иллюстрация сечения внутренней сборки картриджа для плазменно-дуговой горелки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения.
[0026] Фиг.4A-4B - иллюстрации сечения расходных картриджей для системы плазменно-дуговой резки, каждый картридж имеет сопло, электрод, вихревое кольцо, упругий элемент и концевой колпачок, в соответствии с иллюстративными вариантами реализации изобретения.
[0027] Фиг.5 - иллюстрация сечения расходного картриджа для системы плазменно-дуговой резки, имеющей сопло, электрод, вихревое кольцо, упругий элемент и концевой колпачок, в соответствии с иллюстративными вариантами реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0028] На Фиг.1 приведен схематический вид сечения картриджа 100 для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения. Картридж 100 имеет первый конец 104, второй конец 108, и по существу полый каркас 112, имеющий первую секцию 112A около первого конца 104 и вторую секцию 112B около второго конца 108. Картридж 100 также включает в себя эмиттер 120 электрической дуги, констриктор 124 электрической дуги, и упругий элемент 128. Эмиттер 120 электрической дуги расположен в пределах каркаса 112 и имеет возможность перемещения относительно каркаса 112. Как показано, констриктор 124 электрической дуги образует часть каркаса 112 (например, у второго конца 108, но в некоторых вариантах реализации может быть прикреплен к каркасу 112). Упругий элемент 128 находится в физической связи с каркасом 112, например, находится в непосредственной физической связи с первой секцией 112A. В некоторых вариантах реализации, упругий элемент 128 представляет собой контактный пусковой пружинный элемент, прикрепленный к эмиттеру 120 электрической дуги. Упругий элемент 128 может быть сконфигурирован для пропускания сигнального тока от каркаса 112 на эмиттер 120 электрической дуги. Упругий элемент 128 может смещать эмиттер 120 электрической дуги или к первому концу 104, или ко второму концу 108 для облегчения воспламенения у эмиттера, или вблизи эмиттера 120 электрической дуги. Эмиттер 120 электрической дуги может быть электродом и может включать в себя элемент 122 с высокой эмиссионной способностью, такой как вставка гафния.
coupling
separating
[0029] Первая секция 112A и вторая секция 112B соединяются у поверхности 132 стыка, чтобы сформировать по существу полую камеру. Поверхность 132 стыка обеспечивает связывающую силу (F), которая скрепляет первую секцию 112A и вторую секцию 112B между собой. Упругий элемент 128 может обеспечить раздвигающую силу (F), которая смещает эмиттер 120 электрической дуги по меньшей мере или к первой секции 112A, или ко второй секции 112B. Раздвигающая сила может иметь величину, меньшую величины связывающей силы. В некоторых вариантах реализации, связывающая сила обеспечивается у поверхности 132 стыка по меньшей мере или посредством статической фрикционной силы, или посредством адгезионной силы, или посредством продольной силы (например, силы, противостоящей направленной вниз гравитационной силе), обеспечиваемой шипом 136 поверхности 132 стыка. В некоторых вариантах реализации, связывающая сила больше, чем возможная сила человека для преодоления ее вручную, или преднамеренно, или случайно.
[0030] В некоторых вариантах реализации, каркас 112 включает в себя по меньшей мере или металл (например, алюминий), или другой теплопроводящий материал. В некоторых вариантах реализации, каркас 112 сформирован формованием. В некоторых вариантах реализации, каркас 112 анодирован (например, включает в себя анодированный алюминий, как сформулировано подробнее ниже). В некоторых вариантах реализации, каркас 112 включает в себя электрический изолятор, например, анодированный алюминий и/или термопласты (например, PEEK, Torlon, Vespel, и т.д.). В некоторых вариантах реализации, по меньшей мере или первый конец 104, или второй конец 108 каркаса 112, включает в себя резьбовую область, образованную для зацепления дополнительного компонента. В некоторых вариантах реализации, электрод 120 включает в себя упругий элемент 128, такой как пружина.
[0031] В некоторых вариантах реализации, внешняя поверхность картриджа 100 имеет форму для соединения с прижимающим колпачком, или сопряжения с прижимающим колпачком, или колпачком картриджа (не показан). В некоторых вариантах реализации, прижимной колпачок является заменяемым, имеет резьбу, и/или пристегивается. Колпачок картриджа может быть расположен вокруг (например, может окружать) второго конца 108 каркаса 112. Колпачок картриджа может иметь форму для контакта с эмиттером 120 электрической дуги и для удержания эмиттера 120 электрической дуги в пределах каркаса 112. Колпачок картриджа может задавать апертуру эмиттера 120 электрической дуги. Колпачок картриджа может включать в себя поверхность флюидного уплотнения, расположенную по периметру апертуры эмиттера 120 электрической дуги. В некоторых вариантах реализации, колпачок картриджа по существу ориентирует электрод 120 и удерживает электрод 120 в пределах картриджа 100. В некоторых вариантах реализации, колпачок картриджа включает в себя уплотнение.
[0032] Картридж 100 может быть "расходным" картриджем или сборкой расходных компонентов, например, картридж 100 может быть заменен как блок после того, как он достигнет конца срока его полезного использования. Картридж 100 может быть герметичным блоком, который не предназначен для замены отдельных составляющих компонентов. В некоторых вариантах реализации, отдельные компоненты постоянно расположены в пределах картриджа 100, или интегрированы в картридж 100. Например, по меньшей мере участок электрода 120 и контактный пусковой пружинный элемент 128 могут быть постоянно расположены в пределах каркаса 112, например, герметизированы в пределах каркаса 112 и/или не предназначены для удаления или замены оператором. В некоторых вариантах реализации, картридж 100 представляет собой расходный компонент. В некоторых вариантах реализации, компоненты (например, каркас 112 и констриктор 124 электрической дуги) могут быть соединены с помощью запрессовки или другого подобного средства с жесткими допусками и при отделении придут в негодность, сломаются, или будут повреждены.
[0033] На Фиг.2A приведена изометрическая иллюстрация унитарного картриджа 200 для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения. Снаружи видны пластиковая внешняя секция 204, металлическая внешняя секция 208, и медная внешняя секция 212 (например, экран сопла). Пластиковая внешняя секция 204 и металлическая внешняя секция 208 соединяются в соединении 206. В некоторых вариантах реализации, соединение 206 включено в суженную область, или находится вблизи суженной области. В некоторых вариантах реализации, пластиковая внешняя секция 204 представляет собой прижимной колпачок. В некоторых вариантах реализации, металлическая внешняя секция 208 представляет собой экранирующий изолятор. В некоторых вариантах реализации, металлическая внешняя секция 208 сформирована по существу из материала, отличного от меди. В некоторых вариантах реализации, медная внешняя секция 212 сформирована из чистой, или по существу из чистой, меди или из медного сплава. Компоненты картриджа 200 подробнее видны на Фиг.2B, описываемой ниже.
[0034] На Фиг.2B приведена картина сечения унитарного картриджа 200 для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения. На этом виде видны дополнительные элементы картриджа 200, включающие в себя корпус 216 сопла, отверстие 218 сопла, электрод 220, имеющий эмитирующий элемент 222, муфта 224 изолятора, имеющая удлиненный участок 224A, упругий элемент 226, и кнопка 236 электродного контакта (например, выполненная из латуни). В настоящем изобретении, один или несколько этих элементов могут быть перепроектированы для достижения одной или нескольких целей, сформулированных выше.
[0035] Например, корпус 216 сопла может быть сформирован из проводящего материала (например, сильно проводящего материала, такого как алюминий), и может быть прикреплен (например, может быть в непосредственном физическом контакте) к другим частям картриджа 200. В некоторых вариантах реализации, корпус 216 сопла находится в тепловой связи с некоторыми частями картриджа 200 (например, через теплопроводность), но электрически изолирован от других частей. Например, корпус 216 сопла может функционировать как радиатор для отверстия 218 сопла, оставаясь электрически изолированным от экрана 212 сопла. Такая конфигурация может улучшить параметры охлаждения (например, сопла и электрода) и уменьшить производственные затраты в сравнении с ранее используемыми материалами (например, такими как Vespel™). В некоторых вариантах реализации, картридж имеет область с коэффициентом теплопроводности приблизительно в интервале 200-400 Ватт на метр и на градус Кельвина (например, алюминий может иметь коэффициент теплопроводности в интервале 200-250 Вт/м-K, тогда как медь может иметь коэффициент теплопроводности в интервале 350-400 Вт/м-K). В некоторых вариантах реализации, расходный картридж имеет отношение теплоемкости к току 2-4 Вт/м-K-A.
[0036] Кроме того, корпус 216 сопла включает в себя ряд впускных вихревых отверстий 228 (например, циркуляционные отверстия 228A и 228B). В некоторых вариантах реализации, набор впускных вихревых отверстий 228 включает в себя пять вихревых отверстий, или, опционально, между тремя и десятью циркуляционными отверстиями. Циркуляционные отверстия 228 могут быть радиально смещены для обеспечения вихревого потока (например, радиальные и тангенциальные компоненты скорости) газов, текущих через них (например, защитный газ, плазменный газ, и/или приточный газ). В этой конфигурации, корпус 216 сопла обеспечивает функцию завихрения, предварительно обеспечиваемую вихревым кольцом, таким образом, устраняя необходимость в традиционном вихревом кольце. Кроме того, в некоторых вариантах реализации, корпус 216 сопла сформирован с помощью процесса формования, таким образом, устраняя необходимость в дорогостоящих и отнимающих много времени процедурах сверления для создания вихревых отверстий. В некоторых вариантах реализации, экран 212 сопла включает в себя угол 232, который способствует перенаправлению потока флюида в сторону от плазменной электрической дуги во время работы.
[0037] На Фиг.2C приведена иллюстрация сечения унитарного картриджа 240 для системы плазменно-дуговой резки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения. Унитарный картридж 240 может быть подобным во многих отношениях картриджу 200, показанному на Фиг.2B, но может и отличаться в некоторых других аспектах. Например, картридж 240 использует штампованный интерфейс 250 горелки (например, штампованные медные детали), имеющий "T"-образную форму сечения. Интерфейс 250 может позволить электроду скользить более свободно, чем в конфигурации на Фиг.2B, которая использует электрод с характерным штуцерным элементом, который формирует поверхность сопряжения с пружиной. На Фиг.2C, колпачок и корпус сопла были открыты для облегчения изготовления и для возможности свободно скольжения электрода в корпус сопла во время сборки картриджа. Пружина может тогда опираться на электрод, и штампованный интерфейс 250 горелки может использовать маленький характерный шиповой элемент 252 для простого его защелкивания в корпусе сопла, фиксируя в нем электрод. Такая конфигурация исключает необходимость в запрессовке между собой множественных деталей (и, в свою очередь, исключается необходимость в достижении жестких допусков между деталями), и/или необходимость в сборке различных деталей горелки из различных направлений. Используя картридж 240, изготовитель может просто задвинуть электрод на место в одном этапе.
[0038] Кроме того, картридж 240 использует формованный, разрезной характерный элемент 266 завихрений для достижения функции завихрений вместо использования отверстий, просверленных в корпусе сопла. В этой конфигурации, во время работы, газ вытекает из разрезов 266 и в плазменную камеру для формирования циркулирующего газа вокруг плазменной дуги. Во время работы, газ может также течь через формованный газовый канал 254 экрана, дополнительно охлаждая корпус сопла. Разрезы 266 формируют ряд вихревых отверстий, как только соединяются корпус сопла, отверстие сопла, и/или вкладыш сопла. Газ, подаваемый на разрезы, проводится от горелки через камеру, задаваемую внутренней поверхностью корпуса сопла и внешней поверхностью вкладыша сопла (который, при объединении, формирует циркуляционные отверстия). Такая конфигурация устраняет этапы последующей машинной обработки и связанные расходы. Кроме того, картридж 240 включает в себя радиальное обжимное соединение 258 между отверстием сопла и корпусом сопла. Радиальное обжимное соединение 258 обеспечивает надежный интерфейс соединения, позволяющий поддерживать контакт между отверстием сопла и корпусом сопла, но также и предоставляет существенную площадь поверхности для проведения тепла от отверстия сопла до корпуса сопла. Наконец, в этом варианте реализации, электродная муфта удалена и заменена более традиционным теплообменником.
[0039] На Фиг.3A приведена изометрическая иллюстрация внутренней сборки 300 картриджа для плазменно-дуговой горелки в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения. Снаружи видны экран 304, имеющий продувочные отверстия 306 (например, отверстия 306A-D, как показано), корпус 308 сопла, имеющий проточные отверстия или впускные циркуляционные отверстия 312 (например, отверстия 312A, 312B, как показано на чертеже 3A), передний изолятор (или экранирующий изолятор), 314, и тыловой изолятор (или блокирующее кольцо), 316. Эти и дополнительные элементы описаны более подробно в связи с видом сечения, приведенным ниже на Фиг.3B.
[0040] На Фиг.3B показан вид сечения внутренней сборки 300 картриджа на Фиг.3A в соответствии с иллюстративным вариантом реализации изобретения. На этом виде видны несколько дополнительных компонентов внутренней сборки 300 картриджа, включающей в себя электрод 320, имеющий эмитирующий элемент 322, констриктор электрической дуги или отверстия 324 сопла, проточные отверстия 328 экрана (например, проточные отверстия 328A-B, как показано) направленные к отверстию 324 сопла, муфта 332 изолятора, и канал 336 потока охлаждающего газа. В этом варианте реализации, корпус 308 сопла функционирует как каркас картриджа, к которому прикрепляются другие части.
[0041] Множество характерных элементов внутренней сборки 300 картриджа может расширить возможности ее охлаждения. Во-первых, корпус 308 сопла может быть выполнен из алюминия, который может улучшить теплопроводность относительно предыдущих материалов и конфигураций, как описано выше. Во-вторых, отверстие 324 сопла может быть выполнено из меди и может быть напрессовано на корпус 308 сопла. В таких вариантах реализации, корпус 308 сопла может служить радиатором для отверстия 324 медного сопла. В-третьих, улучшенные поверхности течения газа могут способствовать охлаждению, например, с газом экрана, текущим вперед через отверстия 328A, 328B непосредственно снаружи площади запрессовки. Конструкция с запрессовкой может также обеспечить улучшенные пути для теплопроводности между частями горелки в результате жестких посадочных допусков между поверхностями частей. В некоторых вариантах реализации, конструкция с запрессовкой включает в себя тугую посадку и/или посадку с выступом или замковую посадку, имеющую один или несколько характерных ступенчатых элементов. Кроме того, небольшой размер конструкции с запрессовкой имеет дополнительные преимущества сокращения затрат на производство и/или затрат материалов и упрощения изготовления и сборки компонентов (например, имея меньшее количество частей).
[0042] Экран 304 сопла может также быть выполнен из меди и может быть напрессован на анодированный алюминиевый изолятор 314 у поверхности 305A. Эта сборка затем может быть напрессована на корпус 308 сопла у поверхности 305B запрессовки. В таких вариантах реализации, экранирующий изолятор 314 соединяет корпус 308 сопла с экраном 304. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор 314 напрессован на корпус 308 сопла. В некоторых вариантах реализации, экранирующий изолятор 314 представляет собой электрически изолирующее кольцо, и/или включает в себя ряд поверхностей 305A, 305B запрессовки, которые соединяют экран 304 и корпус 308 сопла. Экранирующий изолятор 314 может соединять корпус 308 сопла с экраном 304, так, что корпус 308 сопла и экран 304 оказываются электрически изолированными друг от друга, хотя и обмениваясь тепловой энергией между собой. В некоторых вариантах реализации, использование двойного экранирующего изолятора может увеличить (например, удвоить) возможности электрической изоляции в результате увеличения контактных поверхностей.
[0043] Экран 304 сопла может быть значительно меньшим, чем предшествующие экраны, позволяя получить эффективное изготовление и сборку компонентов, улучшенную долговечность, и большие гарантии надлежащей ориентации частей картриджа относительно друг друга. Посредством примера, для 45-амперной системы, стандартный экран техники предшествующего уровня может иметь диаметр приблизительно один дюйм и массу приблизительно 0,04 фунта, тогда как экран картриджа в соответствии с данным изобретением может иметь диаметр приблизительно 0,5 дюйма и массу, меньшую 0,01 фунта (например, приблизительно 0,007 фунта). Для 105-амперной системы, стандартный экран техники предшествующего уровня может иметь диаметр приблизительно один дюйм и массу приблизительно 0,05 фунта, тогда как экран картриджа в соответствии с данным изобретением может иметь диаметр приблизительно половину дюйма и массу приблизительно 0,01 фунта (например, 0,013 фунта).
[0044] Конфигурация с меньшими размерами может иметь существенные преимущества. Во-первых, компоненты с меньшей массой имеют меньшую теплоемкость, что позволяет компонентам быстро охлаждаться за время после потока и/или позволяет большее количество тепла передать охлаждающему газу во время работы. Во-вторых, меньший экран может иметь сравнительно более высокие температуры во время работы и может передавать больше тепла охлаждающему газу. В некоторых вариантах реализации, экран 304 сопла подвергается действию холодного газа, входящему в область экрана, например, через проточные отверстия 328 экрана, что может дополнительно снизить температуру. Каждое из проточных отверстий 328 может иметь полную площадь сечения по меньшей мере около одного квадратного дюйма.
[0045] В некоторых вариантах реализации, электрод 320 включает в себя основание, выполненное из меди. В некоторых вариантах реализации, основание электрода 320 имеет малый диаметр с напрессованной муфтой 332 изолятора, выполненной из анодированного алюминия и/или пластика, используемого для электрической изоляции. В некоторых вариантах реализации, канал течения охлаждающего газа, или зазор 336, существует между муфтой 332 изолятора и корпусом 308 сопла. В некоторых вариантах реализации, охлаждающий газ течет в зазоре 336. В некоторых вариантах реализации, используется "гантелевидная" конфигурация 340, задаваемая двумя крайними контактами 340A, 340B, что может уменьшить или минимизировать контактную область между корпусом 308 сопла и муфтой 332 изолятора. Такая конфигурация может уменьшить трение между частями.
[0046] В некоторых вариантах реализации, муфта 332 контактирует с электродом 320, который может быть частью отдельного токового тракта от корпуса 308 сопла и/или другого участка токового тракта от корпуса 308 сопла. В некоторых вариантах реализации, электрод 320 и корпус 308 сопла могут быть электрически отделены зазором для создания электрической дуги и/или гарантии надлежащей ориентации частей в горелке. В таких вариантах реализации, сопло 308 и электрод 320 могут быть в физическом контакте между муфтой 332 и корпусом 308 сопла. В таких вариантах реализации, изолирующие слои необходимы в этой области для того, чтобы имелась возможность прохождения тока через эмитирующий элемент 322.
[0047] В некоторых вариантах реализации, стенка корпуса 342 сопла, вблизи которой перемещается электрод 320, может оставаться сравнительно охлажденной во время работы, когда газовый поток проходит и внутрь корпуса 308 сопла, и непосредственно поперек внешней поверхности 344 сопла 324. Выбор материала (например, алюминия или другого металла) для конструкции корпуса 342 сопла обеспечивает наилучший проводящий тракт и наилучшие свойства радиатора по сравнению с предшествующими материалами, такими как Vespel™. Такие факторы способствуют охлаждению детали изоляции электрода и позволяют электроду функционировать даже после того, как в эмитирующем элементе формируется глубокая впадина от использования электрода.
[0048] В некоторых вариантах реализации, блокирующее кольцо 316 (или изолирующее кольцо) формирует интерфейс 346 между картриджем 300 и горелкой. В некоторых вариантах реализации, блокирующее кольцо 316 может быть выполнено из анодированного алюминия. Блокирующее кольцо 316 может быть запрессовано в корпус сопла для "захвата" подвижного электрода 320. Блокирующее кольцо 316 может содержать компоненты в пределах 300 картриджа и электрически изолировать горелку. В некоторых вариантах реализации, блокирующее кольцо 316 заменяется тепловым сжатием или склеиванием. В некоторых вариантах реализации, блокирующее кольцо 316 имеет форму для ориентации картриджа 300 (например, аксиального), для оптимизации газового потока, возможности электрического соединения с катодом, и/или для обеспечения электрической изоляции.
[0049] В различных вариантах реализации, описанных здесь, картриджи или расходные сборки составляют приблизительно 3,5 дюйма длиной и 1,1 дюйма диаметром. В некоторых вариантах реализации, прижимной колпачок считается частью горелки, например, не является расходным компонентом. В таких конфигурациях, этапы машинной обработки могут быть минимизированы без необходимости механической обработки после сборки (по сравнению с некоторыми сборками горелки, которые требуют этапа окончательной механической обработки для достижения функциональной осевой симметрии картриджа). В некоторых вариантах реализации, уменьшение числа вихревых отверстий может минимизировать операции сверления по сравнению с вихревыми кольцами техники предшествующего уровня. В некоторых вариантах реализации, замена Vespel™ алюминием может значительно снизить производственные затраты на картридж. В некоторых вариантах реализации, медь используется только в определенных местоположениях в электроде, сопле, и/или отверстии, что может сократить производственные затраты, сокращая использование этого дорогостоящего материала. Например, медь может быть сконцентрирована, прежде всего, во внутреннем сердечнике или внутренней области. Хотя медь может быть желательной из-за ее тепловых и электрических свойств, она также и более дорогостоящая по сравнению с другими материалами и, таким образом, желательны конструкции, которые минимизируют ее использование.
[0050] На Фиг.4A-4B и 5 приведены виды сечения расходных картриджей для системы плазменно-дуговой резки, причем каждый картридж имеет сопло, электрод, вихревое кольцо, упругий элемент и концевой колпачок, в соответствии с иллюстративными вариантами реализации изобретения. На Фиг.4A показана примерная конструкция 400 картриджа. Как показано, картридж 400 включает в себя вихревое кольцо 402, концевой колпачок 406, сопло 408 и электрод 404. Электрод 404 может быть пружинно-перемещаемым электродом для контактного пуска плазменно-дуговой горелки, где упругий элемент 412 (например, пружина) реализует раздвигающую силу в отдаленном конце электрода 404, чтобы сместить электрод 404 в сторону от концевого колпачка 406 и по направлению к соплу 408. Упругий элемент 412 может также быть частью картриджа 400. Картридж 400 может включать в себя пусковой механизм на сборке горелки для контактного пуска плазменно-дуговой горелки.
TM
[0051] Вихревое кольцо 402 может простираться по существу по длине электрода 404 вдоль продольной оси 410 электрода 404. В некоторых вариантах реализации, вихревое кольцо 402 изготовлено посредством инжекционного формования высокотемпературных термопластов (например, PAI, PEI, PTFE, PEEK, PEKPEKK и т.д). Использование термопластов для изготовления вихревых колец может снизить стоимость картриджа по сравнению с Vespel, который является материалом, используемым для изготовления вихревых колец, но сравнительно более дорогой. Известно, что термопласты имеют рабочие температуры, которые ниже чем Vespel™ (термореактивный материал), который может влиять на целостность вихревых колец и долговечность электрода. Однако конструкции картриджа данной технологии, которая предполагает вихревые кольца, выполненные из термопластических смол, имеющих различные укрепляющие добавки, обеспечивающие желаемую термостойкость и/или коэффициент теплопроводности (например, стекловолокна, минералы, нитрид бора (BN), и/или Кубический BN), решили проблемы работы при высоких температурах, таким образом, позволяя эффективное использование термопластов в этих картриджах. Это достигается потому, что (1) термопласты имеют достаточную термостойкость при высоких температурах, и (2) конструкция картриджа, которая должным образом включает термопласты, может избежать действие на термопласты чрезмерных температур во время работы. Кроме того, когда время эксплуатации электрода заканчивается, что является также концом времени эксплуатации картриджа, одновременное плавление пластикового материала не является проблемой.
[0052] Концевой колпачок 406 может быть выполнен из проводящего материала, такого как медь. Концевой колпачок 406 может быть не дорогостоящим образом сформирован посредством штамповки из листового материала и может быть постоянно вставленным, запрессован или нанесен с помощью многокомпонентного формования на картридж 400. Концевой колпачок 406 сконфигурирован так, чтобы содержать упругий элемент 412 в пределах картриджа 400 и сжимать упругий элемент 412 относительно отдаленного конца электрода 404 так, чтобы упругий элемент 412 обеспечивал раздвигающую силу на отдаленном от центра конце электрода 404 для смещения электрода 404 к соплу 408. В некоторых вариантах реализации, концевой колпачок 406 может иметь форму для сопряженного зацепления фигурной головки горелки и/или может включать в себя ряд сформированных в нем проточных отверстий для флюида.
[0053] В некоторых вариантах реализации, неразъемный защелкиваемый интерфейс 414 сформирован между вихревым кольцом 402 и соплом 408 для присоединения двух расходных компонентов между собой как части картриджа 400. Кроме того, второй защелкиваемый интерфейс 416 может быть сформирован между вихревым кольцом 402 и концевым колпачком 406 для присоединения двух расходных компонентов между собой как части картриджа 400. Другие опции производства и сборки доступны и реалистичны. Например, вихревое кольцо 402 может сформовано поверх на концевом колпачке 406. Концевой колпачок 406 может также быть капсулирован вихревым кольцом 402 и эластичным элементом 412 (например, пружиной), где концевой колпачок 406 может двигаться в пределах картриджа 400.
[0054] На Фиг.4B показана другая примерная конструкция 450 картриджа. Как показано, картридж 450 включает в себя вихревое кольцо 452, концевой колпачок 456, сопло 458 и электрод 454. В некоторых вариантах реализации, картридж 450 также включает в себя упругий элемент 462, который функционирует подобно упругому элементу 412 на Фиг.4A. Картриджи на Фиг.4A и 4B имеют различные электроды (например, различные размеры фланцев теплообменника, периферического фланца для однородного потока), различные сопла (например, различную посадку вихревых колец), и различные вихревые кольца (например, различные вихревые отверстия и посадка). В конструкции 450 картриджа на Фиг.4B, интерфейс 464 формируется, когда вихревое кольцо 452 вставляется на место относительно сопла 458. Другой интерфейс 466 может быть сформирован между вихревым кольцом 452 и концевым колпачком 456.
[0055] На Фиг.5 показана другая примерная конструкция 500 картриджа. Как показано, картридж 500 включает в себя вихревое кольцо 502, муфту 514, концевой колпачок 506, сопло 508 и электрод 504. В некоторых вариантах реализации, картридж 500 также включает в себя упругий элемент 512, который функционирует подобно упругому элементу 512 на Фиг.4A. Муфта 514 и/или концевой колпачок 506 могут быть выполнены из проводящего материала (например, из меди), используя способ штамповки. Муфта 514 может быть запрессована или сформована поверх на картридже 500. Концевой колпачок 506 может быть частью муфты 514. Поэтому, муфта 514 и концевой колпачок 506 могут быть созданы как единственная составляющая деталь.
TM
[0056] Как показано, вихревое кольцо 502 может быть относительно коротким по сравнению с вихревым кольцом 402, такой, что вихревое кольцо 502 простирается только по участку длины электрода 504 вдоль продольной оси 510. Подобно вихревому кольцу 402, вихревое кольцо 502 может быть изготовлено инжекционным формованием высокотемпературных термопластов (например, Torlon). Защелкивающийся интерфейс 520 может быть сформирован между вихревым кольцом 502 и соплом 508 для присоединения двух расходных компонент между собой как части картриджа 500. Другой защелкивающийся интерфейс 518 может быть сформирован между вихревым кольцом 502 и муфтой 514 для присоединения двух расходных компонент между собой как части картриджа 500. Альтернативно, вихревое кольцо 502 может быть сформовано поверх на муфту 514.
[0057] Имеется много преимуществ, связанных с использованием картриджа в плазменно-дуговой горелке. Во-первых, такая конструкция обеспечивает простое использование благодаря возможностям быстрой замены, малое время установки и простоту выбора расходных материалов для конечного пользователя. Она также предоставляет стабильные параметры резки, поскольку набор расходных материалов заменяется сразу, когда заменяется картридж. И напротив, вариация рабочих параметров вводится, когда компоненты заменяются индивидуально в разное время. Например, долгосрочное многократное использование одного и того же вихревого кольца может вызвать размерное изменение после каждого срыва дуги, тем самым, изменяя качество рабочих параметров, даже если все другие компоненты заменяются регулярно. Кроме того, поскольку стоимость производства и/или монтажа картриджа ниже чем объединенная стоимость набора расходных материалов, то возникает меньшая стоимость вследствие замены картриджа, чем при замене набора расходных материалов. Кроме того, различные картриджи могут быть спроектированы для оптимизации работы горелки в связи с различными применениями, такими как маркировка, резка, поддержание длительной эксплуатации и т.д.
[0058] Хотя изобретение было показано и описано в отношении конкретных предпочтительных вариантов реализации, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения по форме и в деталях могут быть выполнены, не отступая от существа и объема притязаний изобретения, как определено в соответствии с нижеследующей формулой изобретения.