СИСТЕМА ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ РЕЗКИ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ ЗАКРЕПЛЯЮЩИЕ КОЛПАЧКИ И ДРУГИЕ РАСХОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ, И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ РАБОТЫ
PLASMA-ARC CUTTING SYSTEM, INCLUDING FIXING CAPACITORS AND OTHER CONSUMABLE COMPONENTS  AND RELATED WORKING METHODS

Родственные заявки
[0001] Эта заявка истребует приоритет предварительной заявки на патент США № 62/320,935, зарегистрированной 11 апреля 2016 и озаглавленной "Consumables for Plasma Arc Torch". Полное содержание данной заявки этим упоминанием включено в текст данного описания.
Область техники
[0002] Изобретение в общем относится к области систем и процессов плазменно-дуговой резки. Если говорить более конкретно, изобретение относится к усовершенствованным расходным компонентам (например, внутренним колпачкам, колпачкам для сопел или закрепляющим колпачкам) и способам, обеспечивающим функционирование и охлаждение плазменной горелки.
Уровень техники
[0003] Плазменные горелки широко используются при резке и маркировании материалов. Если говорить в общем, плазменная горелка включает электрод и сопло, имеющее центральное выходное отверстие, которые установлены в теле горелки, электрические соединения, каналы для охлаждения и каналы для текучих сред, обеспечивающих управление дугой (например, плазмообразующего газа). Горелка создает плазменную дугу, то есть, сжатую струю ионизированного газа с высокой температурой и большой кинетической энергией. Газы, используемые в горелке, могут быть химически неактивными (например, аргон или азот) или химически активными (например, кислород или воздух). Во время работы сначала создают вспомогательную дугу между электродом (катодом) и соплом (анодом). Вспомогательную дугу можно создавать при помощи сигнала, имеющего высокую частоту и высокое напряжение, который подается в горелку от источника питания постоянного тока, или при помощи любого из множества способов запуска.
[0004] Во многих известных плазменных горелках охладитель движется в горелке по круговому пути (например, к соплу, затем обратно к головке горелки, после этого к защитному элементу, затем обратно к головке горелки), что требует наличия значительной движущей силы для продвижения охладителя внутри горелки. Пример такой известной горелки приведен и описан в патенте США № 8,389,887, под названием "Apparatus and method for a liquid cooled shield for improved piercing performance". При такой конструкции охладитель течет от источника через плазменную горелку к поверхности защитного элемента и обратно через плазменную горелку, при этом требуется неоднократное прохождение для контакта охладителя как с защитным элементом, так и с соплом. В других известных горелках имеются большие мертвые зоны при протекании охладителя и/или однонаправленное протекание охладителя, из-за чего не обеспечивается однородное охлаждение сопла, защитного элемента и других расходных компонентов в области вершины горелки. Требуется конструкция, при которой охладитель направляется непосредственно в расходные компоненты, в результате чего для перемещения охладителя через плазменную горелку практически равномерным и симметричным образом необходима минимальная движущая сила.
Сущность изобретения
[0005] Настоящее изобретение относится к усовершенствованным расходным компонентам (например, внутренним колпачкам, включая колпачки для сопел и закрепляющие колпачки) для плазменных горелок и соответствующим способам направления потока текучей среды и охлаждения расходных компонентов в плазменных горелках. Во внутреннем колпачке созданы чередующиеся наборы отверстий или щелей, через некоторые из которых транспортируется жидкий охладитель, и через некоторые из которых транспортируется защитный газ, чтобы получить перекрестные потоки жидкости и газа внутри внутреннего колпачка и/или через него насквозь. Ориентированные в осевом направлении группы отверстий позволяют защитному газу проходить к защитному элементу, а ориентированные в радиальном направлении группы отверстий позволяют жидкому охладителю проходить от сопла к защитному элементу, обе эти группы находятся в кольцевой области (или "шейке") внутреннего колпачка рядом с областью повышенного давления.
[0006] Настоящее изобретение делает возможным перемещение охладителя непосредственно через расходные компоненты по прямому маршруту, в результате чего снижается до минимума требующаяся движущая сила, необходимая для продвижения охладителя через горелку. В дополнение к этому, в изобретении более эффективным образом используется пространство в кольцевой области внутреннего колпачка, что позволяет удалить некоторые элементы из самой горелки. В некоторых вариантах эта реорганизация позволяет увеличить "заостренность" горелки, что может быть выгодным для роботизированных вариантов применения и может облегчить расположение горелки в ограниченных пространствах.
[0007] В дополнение к этому, настоящее изобретение позволяет реорганизовать впуск и выпуск таким образом, чтобы они стали, по сути, симметричными в радиальном направлении, когда подача в расходные компоненты осуществляется в диапазоне 360 градусов. Это коренным образом отличается от предыдущих схем, при которых подача осуществлялась в диапазоне 180 градусов (т.е. имелась сторона "втекания" и сторона "вытекания"), где необходимо ориентировать впуск и выпуск друг относительно друга, и где обычными были мертвые зоны и неоднородное охлаждение в области вершины горелки. Ключевой отличительной особенностью является перенос некоторых из более сложных элементов горелки в закрепляющий колпачок, что позволяет реже применять сложные процессы механической обработки. В дополнение к этому, колпачок защитного элемента можно изготавливать как одну деталь (вместо разделения на две детали), что приводит к снижению стоимости и веса. В частности, теперь требуется, чтобы колпачок защитного элемента направлял охладитель только в одном направлении. При использовании предшествующих технологий колпачок защитного элемента включал две детали, так как охладитель перемещался обратно в горелку после охлаждения сопла. После этого охладитель нужно было направить к защитному элементу и затем назад к источнику питания при помощи колпачка защитного элемента. Так как охладитель должен был проходить как к защитному элементу, так и от него, требовалось две детали. Прямой путь протекания от сопла к защитному элементу позволяет использовать в настоящем изобретении колпачок защитного элемента в виде одной детали.
[0008] Согласно одному аспекту, изобретением предлагается внутренний колпачок для плазменной горелки с жидкостным охлаждением. Внутренний колпачок включает, по существу, полое тело, имеющее продольную ось, первый конец и второй конец. Первый конец включает в себя кольцевую область, располагаемую в непосредственной близости от вершины плазменной горелки. Внутренний колпачок также включает проход для жидкости, созданный в теле и выполненный такой формы, чтобы транспортировать через него жидкость. Проход для жидкости имеет первую группу проемов, созданных в кольцевой области. Внутренний колпачок также имеет проход для газа, созданный в теле и выполненный такой формы, чтобы транспортировать через него газ. Проход для газа включает вторую группу проемов, созданных в кольцевой области. Кольцевая область выполнена таким образом, что подгруппы проемов из первой группы направляют жидкость в радиальном направлении относительно продольной оси и чередуются в окружном направлении вокруг продольной оси с подгруппами проемов из второй группы, которые направляют газ, по существу, параллельно продольной оси.
[0009] В некоторых вариантах проемы первой группы чередуются с проемами второй группы для создания перекрестных потоков жидкости и газа в кольцевой области во время работы плазменной горелки. В некоторых вариантах каждый из проемов первой группы расположен перпендикулярно или, по существу, перпендикулярно соответствующему проему второй группы. В некоторых вариантах проемы первой группы ориентированы перпендикулярно продольной оси, и проемы второй группы ориентированы параллельно продольной оси. В некоторых вариантах область повышенного давления по меньшей мере частично создана в теле. В некоторых вариантах в теле создан канал, который обеспечивает транспортировку текучей среды между внутренней поверхностью области повышенного давления и внешней поверхностью сопла плазменной горелки во время работы этой горелки. В некоторых вариантах канал проходит в окружном направлении области повышенного давления.
[0010] В некоторых вариантах внутренний колпачок является неэлектропроводным. В некоторых вариантах первая и/или вторая группы проемов включают щели в теле. В некоторых вариантах проход для газа обеспечивает транспортировку защитного газа, и проход для жидкости обеспечивает транспортировку охладителя для охлаждения расходных компонентов. В некоторых вариантах внутренний колпачок включает третью группу проемов, положение которых совпадает с положением проемов первой группы, для создания группы трактов для жидкости через внутренний колпачок. В некоторых вариантах первый конец включает в себя коническую область, соседнюю кольцевой области. В некоторых вариантах первый конец включает область шейки.
[0011] В некоторых вариантах проход для газа включает первую группу маршрутов, обеспечивающих для текучей среды протекание во внутреннюю область внутреннего колпачка, и проход для жидкости включает вторую группу маршрутов, обеспечивающих для текучей среды протекание в внутренней и наружной области внутреннего колпачка. В некоторых вариантах внутренний колпачок включает внешнюю часть и внутреннюю часть, причем внешняя часть окружает, по меньшей мере, значительную область внутренней части. В некоторых вариантах внутренний колпачок включает средство защелкивания, обеспечивающее прикрепление внешней части к внутренней части. В некоторых вариантах внешняя часть изготовлена из пластика, и внутренняя часть изготовлена из металла или металлического сплава, например, латуни. Щели могут быть созданы в латунной детали путем фрезерования, что может помочь во время сборки, так как при напрессовке пластика на латунную деталь не возникает зона концентрации механических напряжений, что может привести к возникновению трещин в пластике или его разрыву. В некоторых вариантах первая группа отверстий во внутреннем колпачке включает от пяти до девяти отверстий, и вторая группа отверстий во внутреннем колпачке включает от шести до восемнадцати отверстий. В некоторых вариантах отношение площадей проходных поперечных сечений второй группы отверстий и группы дозирующих отверстий, находящихся в первом конце внутреннего колпачка, составляет, по меньшей мере, 2:1. В некоторых вариантах внутренний колпачок является вращательно симметричным.
[0012] Согласно другому аспекту, изобретением предлагается внутренний колпачок для плазменной горелки с жидкостным охлаждением. Внутренний колпачок включает внутренний компонент, имеющий внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, причем внутренний компонент задает продольную ось внутреннего колпачка. Внутренний колпачок также включает внешний компонент, проходящий в окружном направлении вокруг внутреннего компонента, причем внешний компонент имеет внутреннюю поверхность, внешнюю поверхность и кольцевую область. Кольцевая область проходит дальше внутреннего компонента вдоль продольной оси к концу горелки. Внутренний колпачок также включает группу радиальных трактов для жидкости, созданных в кольцевой области внешнего компонента и ориентированных перпендикулярно продольной оси. Группа трактов для жидкости обеспечивает прохождение жидкого охладителя от сопла плазменной горелки к защитному элементу этой горелки. Внутренний колпачок также имеет созданный внутри канал для газа. Канал для газа имеет первую часть, заданную, по меньшей мере, отчасти областью внешней поверхности внутреннего компонента и областью внутренней поверхности внешнего компонента. Канал для газа также имеет вторую часть, заданную в кольцевой области внешнего компонента. Вторая часть включает группу осевых трактов для газа, обеспечивающих прохождение газа к защитному элементу плазменной горелки. В кольцевой области подгруппы трактов из группы трактов для жидкости и группы трактов для газа чередуются в окружном направлении вокруг продольной оси для создания перекрестных потоков жидкости и газа во время работы плазменной горелки.
Краткое описание чертежей
[0013] Приведенное выше будет легче понято при ознакомлении с приведенным далее подробным описанием изобретения с обращением к сопровождающим чертежам.
[0014] На Фиг.1А приведен общий вид внутреннего колпачка для плазменной горелки с жидкостным охлаждением, согласно примерному варианту реализации изобретения.
[0015] На Фиг.1В приведен общий вид с осевым разрезом внутреннего колпачка, показанного на Фиг.1А, согласно примерному варианту реализации изобретения.
[0016] На Фиг.2 приведен разрез внутреннего колпачка для плазменной горелки с жидкостным охлаждением, который установлен в плазменной горелке, согласно примерному варианту реализации изобретения.
Подробное описание вариантов реализации
[0017] На Фиг.1А приведен общий вид внутреннего колпачка 100 для плазменной горелки с жидкостным охлаждением, согласно примерному варианту реализации изобретения, и на Фиг.1В приведен общий вид с осевым разрезом внутреннего колпачка 100, показанного на Фиг.1А. Внутренний колпачок 100 включает, по существу, полое тело 102, имеющее продольную ось 104, первый конец 106 и второй конец 108. Первый конец 106 включает кольцевую область 110, располагаемую в непосредственной близости от вершины плазменной горелки. Внутренний колпачок 100 включает проход 114 для жидкости (например, содержащий первую группу проемов 114А - 114F, находящихся в кольцевой области 110), который создан в теле 102 и выполнен такой формы, чтобы транспортировать через него жидкость. Внутренний колпачок 100 также включает проход 118 для газа (например, содержащий вторую группу проемов 118А - 118С, созданных в кольцевой области 110), который создан в теле 102 и выполнен такой формы, чтобы транспортировать через него газ. Проход для газа обеспечивает транспортировку защитного газа, а проход для жидкости обеспечивает транспортировку охладителя для охлаждения расходных компонентов.
[0018] В варианте, показанном на Фиг.1А и 1В, подгруппы проемов из первой группы проемов 114А - 114F направляют жидкость в радиальном направлении относительно продольной оси 104 и чередуются в окружном направлении вокруг этой оси 104 с подгруппами проемов из второй группы проемов 118А - 118С, которые направляют газ в направлении, по существу, параллельном продольной оси 104. Например, как показано на Фиг.1А и 1В, подгруппы проемов чередуются в окружном направлении вокруг продольной оси 104 следующим образом: 114А - 114С; 118А; 114D - 114F; 118В; и т.д., в результате чего схема чередования является следующей: за тремя проемами для жидкости следует один проем для газа. Таким образом, проемы первой группы могут чередоваться с проемами второй группы для создания чередующихся зон перекрестных потоков жидкости и газа, протекающих в области вершины внутреннего закрепляющего колпачка во время работы плазменной горелки. При такой конфигурации во внутреннем колпачке 100 может возникать эффект радиальной "душевой головки", когда множество струй жидкости протекает в радиальном направлении через первую группу проемов, и газ протекает перпендикулярно или, по существу, перпендикулярно через вторую группу проемов. Эта конфигурация способствует, например, более однородному охлаждению (например, равномерное охлаждение в полном диапазоне 360 градусов) и более однородному протеканию потока газа.
2
2
2
[0019] Если говорить в общем, каждая подгруппа проемов может включать один или более проемов. В некоторых вариантах подгруппы проемов чередуются по "регулярной" схеме, например, один проем для газа, затем два проема для жидкости, затем один проем для газа, затем два проема для жидкости. В некоторых вариантах подгруппы проемов чередуются по "нерегулярной" схеме, например, один проем для жидкости, два проема для газа, три проема для жидкости, два проема для газа. В некоторых вариантах используются только один проем для жидкости и/или один проем для газа. В некоторых вариантах проемы из групп ориентированы перпендикулярно или, по существу, перпендикулярно друг другу, например, каждый проем из первой группы проемов ориентирован перпендикулярно или, по существу, перпендикулярно соответствующему проему из второй группы проемов. Например, проемы из первой группы проемов могут быть ориентированы перпендикулярно продольной оси, и проемы из второй группы проемов могут быть ориентированы параллельно продольной оси. В некоторых вариантах первая группа отверстий включает от пяти до девяти отверстий, и вторая группа отверстий включает от шести до восемнадцати отверстий. В некоторых вариантах отверстия для протекания газа, ориентированные в осевом направлении (например, включая 118А - 118С, но не ограничиваясь ими), имеют суммарную площадь поперечных сечений, по меньшей мере, 0,0053 кв. дюйма (3,4 мм). В некоторых вариантах отверстия для охладителя, ориентированные в радиальном направлении (например, включая 114А - 114F, но не ограничиваясь ими), имеют суммарную площадь поперечных сечений, по меньшей мере, приблизительно 0,02 кв. дюйма (12,9 мм) или, возможно, приблизительно 0,041 кв. дюйма (26,5 мм). В других вариантах суммарная площадь поперечных сечений отверстий для охладителя, ориентированных в радиальном направлении, является настолько большой, насколько допускают другие ограничения, существующие для плазменной горелки. В некоторых вариантах отверстия равномерно распределены в окружном направлении, чтобы обеспечить однородное охлаждение защитного элемента.
[0020] В некоторых вариантах внутренний колпачок 100 включает внешнюю часть (или внешний компонент) 122 и внутреннюю часть (или внутренний компонент) 123. Внешняя часть 122 имеет внешнюю поверхность 122А и внутреннюю поверхность 122В, и внутренняя часть 123 имеет внешнюю поверхность 123А и внутреннюю поверхность 123В. Внешняя часть 122 окружает, по меньшей мере, значительную область внутренней части 123. Внешняя часть 122 может быть изготовлена из пластика, и внутренняя часть 123 может быть изготовлена из металла или металлического сплава, например, латуни. В некоторых вариантах внутренний колпачок 100 включает средство 124 защелкивания, обеспечивающее прикрепление внешней части 122 к внутренней части 123. В некоторых вариантах средство 124 защелкивания включает бороздку или паз во внешней части 122 и соответствующий выступ на внутренней части 123, причем выступ плотно входит в бороздку или паз для прикрепления внутренней части 123 к внешней части 122. В некоторых вариантах внутренний колпачок 100 является неэлектропроводным. В некоторых вариантах первый конец 106 включает коническую область 126, соседнюю кольцевой области 110. В некоторых вариантах коническая область 126 и кольцевая область 110 создают область шейки.
[0021] Как показано на Фиг.1А и 1В, первая часть 132 канала для газа, по меньшей мере, отчасти задана областью внешней поверхности 123А внутренней части 123 и областью внутренней поверхности 122В внешней части 122. В некоторых вариантах вторая часть 134 канала для газа задана в кольцевой области 110 внешней части 122. В некоторых вариантах первая и/или вторая группы проемов могут включать щели в теле 102. Щели могут быть желательны потому, что их легче изготовить, чем отверстия, сверление которых может оказаться более дорогим. Щели также могут быть желательны потому, что они позволяют обеспечить бóльшую площадь сечения потока охладителя по сравнению с некоторыми альтернативными вариантами геометрии, и в некоторых вариантах вызывают меньшее падение давления из-за сил торможения, действующих со стороны стенок щелей. В некоторых вариантах внутренний колпачок 100 включает третью группу проемов 130 (например, 130А, 130В, 130С), положение которых совпадает с положением проемов 114 второй группы, для создания группы трактов для жидкости через внутренний колпачок.
[0022] Вторая часть 134 может включать группу осевых трактов для газа, обеспечивающих прохождение газа к защитному элементу плазменной горелки (показано на Фиг.2 и описано ниже). Вторая часть 134 может включать группу (например, шесть) отверстий, просверленных в осевом направлении. Осевые отверстия могут быть только "прямоточными", например, они не вызывают завихрения (в отличие от предшествующих конструкций, где они придавали некоторую направленность потоку текучей среды). Если говорить в общем, должны иметься достаточные количество осевых отверстий и/или площадь поперечного сечения осевых отверстий, чтобы эти отверстия не были узким местом в системе. В дополнение к этому, отношение площадей проходных поперечных сечений второй группы отверстий и группы дозирующих отверстий (например, в завихряющем изоляторе 212, который показан на Фиг.2 и описан ниже), находящихся в первом конце внутреннего колпачка, может составлять, по меньшей мере, 2:1. При одной примерной конфигурации это отношение составляет приблизительно 2,6:1. В некоторых вариантах внутренний колпачок 100 включает область повышенного давления 136, по меньшей мере частично выполненную в теле 102.
[0023] На Фиг.2 приведен разрез внутреннего колпачка 100 для плазменной горелки с жидкостным охлаждением, который установлен в плазменной горелке 200, согласно примерному варианту реализации изобретения. На этом виде элементы внутреннего колпачка 100, которые описаны выше, обозначены теми же ссылочными номерами, что и на Фиг.1А и 1В. При установке в плазменную горелку 200 внутренний колпачок 100 окружает (например, по меньшей мере, отчасти окружает) сопло 204. Защитный газ протекает в тракте 132 по пути 233 протекания внутри внутреннего колпачка 100 и ударяется о внутреннюю поверхность 204А защитного элемента 208. Затем защитный газ протекает через отверстие 212А в завихряющем изоляторе 212 плазменной горелки 200. После этого защитный газ протекает вниз по тракту 216 и выходит из переднего отверстия 220 плазменной горелки 200. В то же время, жидкий охладитель протекает от сопла 204 в тракте 224 во внутреннем колпачке 100 по пути 234 протекания. Затем жидкий охладитель перемещается со стороны внутреннего колпачка 100, обращенной к соплу 204, на его сторону, обращенную к защитному элементу 208, в тракт 228 (например, ударяясь о контактную зону 133), обратно вверх к головке горелки. Таким образом, по сравнению с предшествующими конструкциями, суммарное расстояние, проходимое жидким охладителем, сокращается, так как жидкий охладитель может перемещаться непосредственно от сопла к защитному элементу, используя кратчайший путь между этими двумя расходными компонентами.
[0024] Во время работы горелки как жидкий охладитель, так и защитный газ могут протекать одновременно, создавая перекрестные потоки жидкости и газа внутри внутреннего колпачка. Сопло 204 и защитный элемент 208 могут быть электрически изолированы, чтобы снизить до минимума опасность короткого замыкания, например, через охладитель. В некоторых вариантах в теле 102 создан канал (не показан), обеспечивающий транспортировку текучей среды между внутренней поверхностью области повышенного давления 136 и внешней поверхностью сопла 204 плазменной горелки во время работы этой горелки. В некоторых вариантах канал проходит в окружном направлении области повышенного давления 136. В некоторых вариантах колпачок 260 защитного элемента изготовлен как одна деталь, так как этот колпачок направляет охладитель только в одном направлении.
[0025] Хотя изобретение конкретно продемонстрировано и описано со ссылкой на определенные предпочтительные варианты его реализации, специалисты в данной области техники должны понимать, что в форму и детали этого изобретения могут быть внесены различные изменения, не выходящие за пределы его сущности и объема, которые определены в пунктах приложенной Формулы изобретения.