使用喷嘴特性的割炬流量调节

摘要

用于等离子弧割炬的喷嘴，包括第一端和第二端。该喷嘴还包括位于本体的第一端的等离子出口孔。凸缘位于本体的第二端。该凸缘适于与相应可消耗部件紧密配合。凸缘配置为有选择地堵塞相应可消耗部件上的至少一个气体通道从而建立相对于喷嘴本体的气流。

说明书

相关申请

本发明要求以2010年7月16日提交的美国临时申请No.61/365202作为优 先权，在此引入其全部内容作为参考。

技术领域

本申请通常涉及等离子弧割炬，更特别的，涉及使用喷嘴特性调节割炬流 量。

背景技术

焊炬和等离子弧割炬广泛应用于焊接、切割以及以及在材料上做标记。等 离子割炬通常包括电极、在割炬本体上具有出口孔的喷嘴、导电连接、冷却通 道以及电弧控制流体(例如，等离子气体)。可选择的，在电极和喷嘴之间形成 的等离子室中使用漩涡环用于控制流体流动路径。在一些割炬上，可以使用帽 套来保持喷嘴和/或漩涡环在等离子弧割炬上。割炬产生等离子弧，被压缩的离 子化的高温高动量的气体射流。割炬中使用的气体可以是稳定(例如，氩气或氮 气)或活性的(例如，氧气或空气)。在操作中，首先在电极(阴极)和喷嘴(阳 极)之间产生维持电弧。维持电弧的产生可以通过将高频率、高电压的信号连 接于直流电源以及割炬的方式来实现，或者通过任意的接触启动的方式来实现。

等离子电弧割炬可以在多个不同的电流水平下工作，例如，65安培、85安 培或105安培。等离子弧割炬在105安培工作时要求具有比在65安培工作时更 高的流速。由于在不同的电流水平下操作等离子弧割炬要求变化的冷却气体流 速和/或保护气体流速，在每个电流水平下的操作都需要不同的可消耗部件。进 一步的，当割炬的其他操作参数被调节时，例如，电流强度、材料类型或应用， 也需要不同的可消耗部件。

可消耗部件的过早失效或不佳的消耗性能的一个共同原因是可消耗部件的 错误匹配。使用正确的可消耗部件并且将它们合适地匹配在一起对于达到最佳 切割性能很有必要。然而，对于经销商和使用者而言，存储和记录大量可消耗 部件的配置都是十分复杂的。并且，使用者需要对可消耗部件上列举的可消耗 部件零件编号和用户手册上列举的可消耗部件进行相互对照。

发明内容

因此，存在减少所需要的可消耗部件的数目的需求，例如，多种不同的等 离子弧割炬参数(如，保护气体流速和/或冷却气体流速、电流强度、材料类型 或应用)所要求的喷嘴、漩涡环以及帽套。可消耗部件的通用性可以减少使用 者用于确定针对特定的等离子割炬参数哪个可消耗部件组合是正确的的时间。 并且，等离子割炬的操作总花费也会减少，因为由于可消耗部件的错误匹配引 发的过早失效或表现不佳将会减少，而这又是因为单一的可消耗部件可以用于 多个割炬参数。

一方面，本发明的特征在于一种等离子弧割炬的喷嘴。该喷嘴包括具有第 一端和第二端的本体。该喷嘴还包括在本体的第一端的等离子出口孔。凸缘被 安装在本体的第二端。凸缘适于与相应的可消耗部件紧密配合。凸缘设置为有 选择性地堵塞至少一个在相应可消耗部件上的气体通道以建立相对于喷嘴本体 设置的气流。

另一方面，本发明的特征在于一种等离子弧割炬的喷嘴保持帽。该喷嘴保 持帽包括具有第一端和第二端的中空本体。该喷嘴保持帽还包括位于中空本体 的第一端的突起。在所述突起上形成第一孔型。在所述突起上形成第二孔型。 第一或第二孔型的至少一个中的孔的尺寸被设定用于控制喷嘴冷却气流或等离 子气流。

另一方面，本发明的特征在于等离子弧割炬的割炬头。所述割炬头包括安 装在等离子割炬的割炬本体上的喷嘴。所述喷嘴包括喷嘴本体、位于喷嘴本体 的第一端的等离子出口孔以及位于喷嘴本体的第二段的凸缘。所述割炬头还包 括适于和喷嘴的凸缘紧密配合的可消耗部件。所述可消耗部件在一段具有表面。 所述表面具有第一孔型和第二孔型，其中，第一或第二孔型的至少一个中的孔 的尺寸被设定用于控制喷嘴冷却气流或等离子气流。

进一步的一方面，本发明的特征在于等离子弧割炬的漩涡环。所述漩涡环 包括具有壁、第一端和第二端的中空本体。该漩涡环还包括在中空本体的所述 第二端形成的开口用于与等离子弧割炬上的喷嘴紧密配合。在本体的壁上形成 了第一孔型。所述第一孔型被定位以及设定尺寸用于提供绕喷嘴表面的第一气 流。第二孔型形成在本体的壁上。第二孔型被定位以及设定尺寸用于提供绕喷 嘴表面的第二气流。

另一方面，本发明的特征在于在等离子弧割炬建立保护气流的方法。所述 割炬包括具有多个气体通道穿过的保持帽用于提供保护气流。该方法包括提供 具有外表面、在前端具有等离子出口孔并在后端具有径向凸缘的喷嘴。该方法 还包括相对于保持帽上的多个气体通道调节喷嘴的径向凸缘，从而喷嘴的径向 凸缘有选择性地堵塞保持帽上的至少一个气体通道来建立绕喷嘴外表面的保护 气流。

进一步的一方面，本发明的特征在于在等离子弧割炬上建立气流的方法。 该方法提供喷嘴，喷嘴包括具有内表面和外表面的本体、在本体的前端的等离 子出口孔以及在本体后端的凸缘。该方法还包括相对于可消耗部件的多个气体 通道调整喷嘴的凸缘，从而凸缘有选择性地堵塞至少一个气体通道来建立绕喷 嘴本体的内表面或外表面的至少之一的气流。

在一些实施方式中，所述凸缘包括至少带轮廓、锥形的或齿形的表面的一 种来适应于紧密配合或者接触相应可消耗部件的配合面。凸缘的表面并非必需 接触相应可消耗部件的配合面。在一些实施方式中，在凸缘的表面和相应可消 耗部件的紧密配合的表面之间具有间隙或小缝隙。凸缘可以相对于喷嘴的外表 面设置并且相对于与沿着喷嘴本体延伸的纵轴径向设置。在一些实施方式中， 凸缘有选择性地设定轮廓从而调节喷嘴本体外表面的保护气流或喷嘴本体内表 面的等离子气流中的至少一种。

凸缘形成相对于喷嘴的外表面设置的台阶，且所述台阶相对于沿着喷嘴本 体延伸的纵轴径向设置。所述台阶调节喷嘴本体的外表面的保护气流

在一些实施方式中，凸缘为相对于延伸通过喷嘴本体的纵轴轴向设置的伸 出部。伸出部调节绕喷嘴本体的内表面的等离子气流。

所述喷嘴也可以包括相对于喷嘴的外表面设置的台阶，台阶相对于延伸通 过喷嘴本体的纵轴径向设置。该台阶调节绕喷嘴本体的外表面的保护气流。

在一些实施方式中，相应的可消耗部件是漩涡环或者保持帽两者之一。

在一些实施方式中，第一孔型和第二孔型为同心圆。第一孔型可具有相对 于沿本体延伸的中心纵轴设置的第一直径，而第二孔型可具有相对于沿本体延 伸的中心纵轴设置的第二直径。

突起的表面可以设置为用于容纳配置在喷嘴本体上的凸缘。该凸缘的尺寸 被设定为用于阻断流过第一或第二孔型之一的气体。在一些实施方式中，突起 的表面设置为接纳位于喷嘴本体上的凸缘，并且该凸缘的尺寸可以允许气体流 过至少第二孔型从而冷却喷嘴。所述突起的表面能够设置为接纳位于喷嘴本体 上的凸缘，并且该凸缘的尺寸允许气体流过第一和第二孔型从而冷却喷嘴。在 一些实施方式中，突起的表面设置为接纳位于喷嘴本体的凸缘，并且凸缘的尺 寸设置成在相应的切割参数下操作等离子弧割炬。

在一些实施方式中，第一孔型具有与第二孔型相同数目的气体通道。第一 孔型可以具有与第二孔型不同数目的气体通道。

在一些实施方式中，第一孔型被定位以及设定尺寸为，当等离子弧割炬在 第一切割参数下工作时提供第一气流，而第二孔型被定位以及设定尺寸为当等 离子弧割炬在第二切割参数下工作时提供第二气流。第一孔型可以与第二孔型 在孔的尺寸、孔的形状、孔的数目或孔的切线角中的至少一种方面不同。在一 些实施方式中第一孔型具有与第二孔型不同数目的气体通道。

位于喷嘴本体上的凸缘的尺寸可以用于阻断气流通过第二孔型。在一些实 施方式中，喷嘴本体上的凸缘可能被设定尺寸为允许气体流过至少第二孔型。 凸缘可能被设定尺寸为允许气体流过第一和第二孔型。

在一些实施方式中，开口设置为用于容纳具有第一凸缘的第一喷嘴或者具 有第二凸缘的第二喷嘴。第一喷嘴的第一凸缘的尺寸被确定为与第一孔型相应， 而第二喷嘴的第二凸缘的尺寸被确定为与第一和第二孔型相应。

在一些实施方式中，保持帽的多个气体通道包括第一孔型和第二孔型。喷 嘴的凸缘可以选择性地阻断第一孔型或第二孔型。在一些实施方式中，喷嘴的 凸缘并不阻断第一或第二孔型，允许气体流过第一和第二孔型。在一些实施方 式中，喷嘴的凸缘选择性地阻断第一孔型，允许气体流过第二孔型。

在一些实施方式中，可消耗部件(例如，漩涡环或保持帽)具有形成于本 体壁的第三孔型。第三孔型可以被定位以及设定尺寸为用于提供喷嘴表面的第 三气流特征。喷嘴的凸缘可能选择性地不阻断任意一个孔型，允许气体流过所 有三个孔型。在一些实施方式中，喷嘴的凸缘可能选择性地阻断第一孔型，允 许气体流过第二和第三孔型。喷嘴的凸缘可能选择性地阻断第一和第二孔型， 允许气体流过第三孔型。

该方法也可以包括将喷嘴从等离子弧割炬移除。该方法可能进一步包括提 供具有外表面的第二喷嘴，等离子出口孔位于前端而径向凸缘位于后端，从而 第二喷嘴的径向凸缘不同于喷嘴的径向凸缘。在一些实施方式中，该方法包括 相对于保持帽上的多个气体通道设置调整第二喷嘴的径向凸缘，从而第二喷嘴 的径向凸缘阻止至少两个位于保持帽上的气体通道而建立绕第二喷嘴外表面的 保护气流，从而第二保护气流不同于保护气流。

凸缘可为径向凸缘，可消耗部件可为保持帽并且气流可为保护气流。在一 些实施方式中，凸缘为轴凸缘，可消耗部件为漩涡环，而气流为等离子气流。

附图说明

本发明上述的优点，以及更多的优点，将通过参照连同附图的以下描述更 好地被理解。附图不必要按照比例，而是强调对本发明原理的详解。

图1为等离子弧割炬头的剖面图。

图2A为根据本发明的实施方式，与相应可消耗部件配合的喷嘴的剖面图。

图2B为根据本发明的实施方式，与相应可消耗部件配合的喷嘴的剖面图。

图2C为根据本发明的实施方式，喷嘴的剖面图。

图3A为根据本发明的实施方式，喷嘴保持帽的立体图。

图3B为根据本发明的实施方式，喷嘴保持帽的示意图。

图4A为根据本发明的实施方式的包括了喷嘴和漩涡环的割炬头的剖面图。

图4B为根据本发明的实施方式的漩涡环的侧视图。

图5为根据本发明的实施方式的割炬头的剖面图。

图6为根据本发明的实施方式的在等离子弧割炬中建立气流的方法的流程 图。

具体实施方式

图1示出等离子弧割炬100的剖面图。等离子弧割炬头包括多个不同的可 消耗部件，例如，电极105、喷嘴110、保持帽115、漩涡环120、或防护罩125。 割炬本体102支撑具有大致圆柱形本体的电极105。割炬本体102也支撑喷嘴 110。喷嘴110与电极105间隔开并且具有设置在割炬本体102内的中心出口孔。 漩涡环120被安装到割炬本体102上并且具有一组径向偏置(或倾斜的)气体 分配孔127，这些分配孔用于将切向速度分量分给等离子气流使之形成漩涡状。 也包括出口孔的防护罩125连接(例如螺纹连接)于保持帽115。保持帽115连 接(例如螺纹连接)于割炬本体102。割炬和割炬头包括电气连接件、冷却通道、 弧控制流体(例如，等离子气体)通道以及电源。

在操作中，等离子气体通过气体入口管(没有示出)和漩涡环120中的气 体分配孔127。从那里，等离子气体流入等离子室128并通过喷嘴110和防护罩 125的出口孔流出割炬。引导电弧首先在电极105和喷嘴110之间产生。引导电 弧将经过喷嘴出口孔和防护罩出口孔的气体离子化。然后电弧从喷嘴110传送 给工件(没有示出)用于切割工件。可以注意到割炬的特定结构细节可以采取 多种形式，这些结构细节包括组件的布置、气体和冷却流的引导以及提供电气 连接件。

不同的切割方法经常要求不同的防护和/或等离子气体流速，而不同的保护 和/或等离子气体流速又要求不同的可消耗部件。这导致在本领域要用到多种可 消耗部件。使用正确的可消耗部件并且将他们合适地匹配对于达到最佳切割性 能是十分必要的。可消耗部件的错误匹配(例如，当割炬在105安培被操作， 使用用于在割炬65安培工作的可消耗部件)可能导致可消耗部件寿命缩短或者 等离子弧割炬的性能不良。

图2A为割炬头200的剖面图，示出了根据本发明的实施方式的与相应可消 耗部件210紧密配合的喷嘴205。相应的可消耗部件210，在图2A所述的实施 方式中为保持帽，而在另一个实施方式中，相应的可消耗部件210可为漩涡环。 喷嘴205具有本体207、第一端215以及第二端220。等离子出口孔225位于喷 嘴本体207的第一端215。凸缘230位于喷嘴本体207的第二端220。该凸缘230 适于与相应可消耗部件210配合。凸缘230设置为可选择地阻断位于相应可消 耗部件210上的至少一个气体通道235，从而建立相对于喷嘴本体207的气流。

例如，图2A的相应可消耗部件210，具有两个气体通道235、236。气体通 道235、236可是包括了多个气体通道的一对孔型的部分。图2A的凸缘230设 置为有选择性地阻断至少一条气体通道，例如气体通道235。凸缘230不阻断气 体通道236，从而允许防护气体流过气体通道235并且沿着喷嘴本体207的外表 面245。这种类型的喷嘴和可消耗部件的组合可用于在例如约65安培或约85 安培下操作的等离子弧割炬上。其他工作电流也可以被预期。

该凸缘230可具有多个不同形状和/或大小的可用于相对喷嘴本体207建立 变化气流的表面。例如，图2A中所示的凸缘230具有正方形或矩形的剖面。在 其他实施方式中，凸缘可包括至少一个带轮廓的(波状外形的)、锥形的或齿形 的适于接触相应可消耗部件的配合表面。例如，如图2A所示，凸缘230的带轮 廓表面的237与相应可消耗部件的配合表面240相接触。

凸缘230的特别的尺寸、形状和/或轮廓可取决于等离子弧割炬的操作参数。 在一个实施方式中，凸缘230可选择地设定轮廓用于调节绕喷嘴本体207的外 表面245的防护气流或绕喷嘴本体207的内表面250的等离子气流。

该凸缘230可相对于喷嘴205的外表面245设置。该凸缘也可相对于沿喷 嘴本体207延伸的纵轴线255径向设置。在一些实施方式中，喷嘴205也包括 台阶，并且在一些实施方式中，凸缘230形成台阶。该台阶可相对于喷嘴205 的外表面245设置。台阶也可相对于纵轴线255径向设置。该台阶可调节绕喷 嘴本体207的外表面245的防护气流。

图2B为根据本发明的实施方式的与可消耗部件210配合的喷嘴260的剖面 图。如上关于图2A所讨论的，图2A的凸缘230不阻断气体通道236从而允许 防护气体流过通道235并且沿着喷嘴提207的外表面245流动。图2A的喷嘴和 可消耗部件的组合可用于在例如约65安培或约85安培下操作的等离子弧割炬 上。

图2B的喷嘴具有不阻断任何一条气体通道235、236的凸缘265。例如， 如图2B所示，凸缘可具有锥形表面266从而允许气体流过气体通道235、236。 这允许围绕喷嘴260的外表面270流动的气体量相比图2A中的喷嘴有所增加， 使得冷却能力增强，增强的冷却对于例如在105安培下工作的等离子弧割炬很 有必要。

典型的，操作者被要求备有两个单独的喷嘴以及两个单独的相应可消耗部 件，例如两个保持帽。然而，图2A和图2B的喷嘴205、260以及保持帽允许 操作者备有两个喷嘴以及仅仅一个相应的可消耗部件，例如一个保持帽。当操 作者在两个单独的等离子弧割炬操作参数，例如，在65安培的电流下或者105 安培的电流之间转换时，操作者可以仅仅改变喷嘴，例如，用图2B的喷嘴更换 图2A的喷嘴。操作者无需改变相应的可消耗部件。这减少了在一个单独的等离 子弧割炬上使用的可消耗部件的数量，同时也减少了可消耗部件错误匹配的可 能性。

图2C示出了根据本发明的实施方式的喷嘴280的剖面图。喷嘴280包括喷 嘴本体285、等离子出口孔290以及凸缘295。凸缘295类似于图2B中的凸缘 265。凸缘295设置为选择性地调节通过相应可消耗部件的气体通道的气流。例 如，如图2C所示，凸缘295包括适于接触相应可消耗部件的配合表面的锥形表 面296。

图3A示出根据本发明的实施方式的喷嘴保持帽300的立体图。喷嘴保持帽 300包括具有第一端310和第二端315的中空本体305。突起320位于中空本体 305的第一端310上。突起320具有第一表面321和第二表面322。第一表面321 在突起320的一侧而第二表面322位于突起320的相对的另一侧。第一孔型325 形成在突起320上。第二孔型330也形成于突起320上。第一和第二孔型325， 330的至少一个孔的尺寸设定为控制喷嘴冷却气流或等离子气流的至少一者。

如图3A所示，第一和第二孔型325、330可形成同心圆。在一些实施方式 中，第一孔型325具有相对于中心纵轴线335的第一直径。所述中心纵轴线335 延伸穿过保持帽300的中空本体305。第二孔型330可具有相对于中心纵轴线 335的第二直径。例如第一直径可大约为0.590英寸而第二直径可为大约0.653 英寸。

第一和第二孔型325、330可形成任意模式，并且可具有各种尺寸用于控制 喷嘴冷却气流或防护气流中的至少一个。在一些实施方式中，第一孔型325和 第二孔型330具有相同数目的气体通道。例如，每个孔型325、330可具有约2 至约50个气体通道。在一些实施方式中，第一孔型325和第二孔型330具有不 同数目的气体通道。例如，第一孔型325可具有4个气体通道而第二孔型330 可具有约6个气体通道。

突起320的第二表面322可设置用于容纳位于喷嘴本体上的凸缘。凸缘的 尺寸设定为用于阻断气体流过第一或第二孔型325、330之一。例如，凸缘可为 图2A的凸缘230或者图2B的凸缘265。在一些实施方式中，喷嘴的凸缘，例 如图2A的凸缘230，其尺寸设定为允许气体流过至少第二孔型330从而冷却喷 嘴。在一些实施方式中，喷嘴的凸缘，例如图2B的凸缘265，被设定尺寸为允 许气体流过第一和第二孔型来冷却喷嘴。

参照图3A，在一些实施方式中，第二表面322设置成用于接纳位于喷嘴本 体上的凸缘并且凸缘的尺寸被设定为在相应的切割参数下操作等离子弧割炬。 例如，切割参数可为电流、切割类型(例如，开槽或细刻磨)、或气体设置(例 如，防护气体设置或等离子气体设置)。

图3B为根据本发明的实施方式的喷嘴保持帽350的示意图。第一和第二孔 型325、330配设在绕保持帽350的表面的两个同心圆上。第一孔型的两个气体 通道之间或者第二孔型的两个气体通道之间的角度d1大约为60°。第一孔型的 气体通道和第二孔型的气体通道之间的角度d2大约为30°。

如图3B所示，第一孔型325和第二孔型330的气体通道交错排列。在一些 实施方式中，第一孔型325的气体通道和第二孔型330的气体通道不是交错排 列的或者以大于或者小于30°的距离被交错排列。在一些实施方式中，如图3B 所示，第一孔型325和第二孔型330围绕保持帽的表面是对称设置的。与第一 和第二孔型325、330没有对称排列的情况相比，对称排列可更好地控制和稳定 保护气流。

在一些实施方式中，第一和第二孔型325、330的气体通道的尺寸是相同的。 例如，气体通道可具有大约Φ0.018英寸到大约Φ0.032英寸的直径。在一些实 施方式中，气体通道具有大约Φ0.021英寸的直径。在一些实施方式中，气体通 道的尺寸对于两个孔型是变化的。例如，第一孔型中的气体通道的尺寸可小于 或者大于第二孔型中的气体通道的尺寸。另外，保持帽的气体通道的形状、气 体通道的数目和/或气体通道的切线角可在孔型之间变化。例如，第一孔型中的 孔或气体通道的数目可比第二孔型中的孔或气体通道的数目大，反之亦然。

在一些实施方式中，保持帽可包括额外的孔型，例如，保持帽具有三个或 四个孔型。这些额外的孔型也可安装在绕保持帽的中心纵轴线的同心圆上。这 些额外的孔型可绕保持帽的突起对称布置。

图3A和3B的保持帽可为不同操作情况下的共同部分。例如，在65安培 下操作(例如，冷却喷嘴)等离子弧割炬所要求的气体通道的数目比在105安 培下操作等离子弧割炬所要求的气体通道的数目少。当与不同的喷嘴(例如， 图2A或2B中的喷嘴)配合使用时，图3A和3B的保持帽可提供不同的气体 流速。例如，第一孔型325可由相配合的喷嘴阻断或者露出。第一孔型325可 位于突起320的内同心圆上而第二孔型330可位于突起320的外同心圆上。图 2A的喷嘴可用于阻断第一孔型325，同时使得第二孔型330敞开从而让气体流 过并冷却喷嘴。图2B的喷嘴可用于允许气体流过第一和第二孔型325、330而 冷却喷嘴。

图4A示出根据本发明的实施方式的包括喷嘴405和漩涡环410的割炬头 400的剖面图。割炬头400也包括保持帽412。漩涡环410包括中空本体415， 该中空本体包括壁417、第一端420以及第二端425。在中空本体415的第二端 425上形成开口用于在等离子割炬里与喷嘴405配合。第一孔型430形成于中空 本体415的壁417中。第一孔型430被定位以及设定尺寸为用于提供绕喷嘴405 的表面432的第一气流特征。第二孔型435形成于中空本体415的壁417中。 第二孔型435被定位以及设定尺寸用于提供绕喷嘴405的表面432的第二气流 特征。

在一些实施方式中，漩涡环410还包括形成于中空本体415上的壁417中 的第三孔型440。第三孔型440被定位和设定尺寸为提供绕喷嘴405的表面的第 三气流特征。气流特征可能为，例如，绕喷嘴表面的气流(或漩涡)的强度、 气流(或漩涡)绕喷嘴的角度、或任意其他绕喷嘴的气流的特征或运动。

在一些实施方式中，第一、第二和第三孔型430、433、440被定位以及设 定尺寸为当等离子弧割炬在第一切割参数(例如，第一电流)下工作时提供第 一气流。例如，所有三个孔型都可打开(例如，没有被喷嘴凸缘阻断)并且气 体可流过所有三个孔型。第二和第三孔型435、440被定位和设定尺寸为当等离 子弧割炬在第二切割参数(例如，第二电流)下工作时提供第二气流。例如， 三个孔型中只有两个是打开的(例如，第一孔型430可以被喷嘴凸缘阻断)并 且气体流过第二和第三孔型435、440。在一些实施方式中，第三孔型440被定 位和设定尺寸用于当等离子弧割炬在第三切割参数(例如，第三电流)下工作 时提供第三气流。例如，三个孔型中只有一个是打开的(例如，第一和第二孔 型430、435可以被喷嘴凸缘阻断)并且气体流过第三孔型440。

漩涡环可包括多于三个孔型。第一孔型430可与第二孔型435相同。例如， 第一孔型430可具有和第二孔型435同样的孔的数目和尺寸。在一些实施方式 中，第三孔型440也和第一和第二孔型430、435相同。

图4B示出了具有不同孔型的漩涡环443。该第一孔型430′不同于第二和/ 或第三孔型435′、440′。例如第一孔型430′在孔的尺寸、孔的形状、孔的数目或 者孔的切线角这些方面中至少一方面不同于第二孔型435′。如图4B所示，第一 孔型430′具有与第三孔型435′不同数目的气体通道或孔。例如，第一孔型430′ 具有大约四个气体通道并且第二孔型435′具有大约六个气体通道。在一些实施 方式中，第一孔型430′具有比第二孔型435′更多的气体通道。第一、第二和/或 第三孔型430′、435′、440′的气体通道绕中心纵轴445′对称设置。

参照图4A，漩涡环410的开口设置为用于接纳具有凸缘450的喷嘴405。 凸缘450为相对于延伸通过喷嘴本体的纵轴线445轴向设置的伸出部452。该伸 出部452的尺寸设置为对应(例如，阻断)漩涡环410的第一孔型430。在一些 实施方式中，漩涡环410的开口设置为容纳具有第一伸出部(例如，图4中所 示的喷嘴405和伸出部452)的第一喷嘴或具有第二伸出部的第二喷嘴(没有示 出)。第一喷嘴的第一伸出部的尺寸可设定为与第一孔型430相应，而第二喷嘴 的第二伸出部可设定为与第一和第二孔型430、435相应。例如，第二伸出部可 以比第一伸出部更长，对对应于第一和第二孔型430、435，。

伸出部452可调节绕喷嘴本体的内表面432的等离子气流。等离子气流的 调节调整有助于稳定电弧。电弧的稳定可增加等离子弧割炬的性能并且减少可 消耗部件过早失效的可能性。如图4A所示，喷嘴405具有伸出部452和台阶 455。伸出部452调节绕喷嘴的内表面432的等离子气流，而台阶455调节绕喷 嘴本体的外表面460的防护气流。台阶455可类似于参照图2A和图2B所描述 的那样来调节防护气流。

在一些实施方式中，设置在喷嘴405本体上的凸缘450的尺寸设定为阻断 通过第二孔型435的气流。设置在喷嘴405的本体上的凸缘450的尺寸设定为 允许气体流过至少第二孔型435。凸缘的尺寸设定为允许气体流过第一和第二孔 型430、435。

伸出部452的长度可被调节和/或设定尺寸为阻断孔型。例如，伸出部452 的长度L1可允许气体流过所有三个孔型430、435、440。在一些实施方式中， 喷嘴无需具有伸出部，也同样允许气体流过所有孔型。增加伸出部452的长度 可致使伸出部542阻断孔型从而改变气体的流速。例如，伸出部452的长度L2 阻断第一孔型430，伸出部长度的增加增加了伸出部所能阻断孔型的数目。例如， 长度L3的伸出部452可阻断第一和第二孔型430、435。任意数目的孔型以及 伸出部相应的长度都可使用。伸出部的长度可在约0.08英寸至约0.25英寸之间 变化。

孔型和/或孔型中敞开或被阻断的气体通道的数目影响到漩涡的强度或密 度。参照图4A，喷嘴405堵塞一个孔型，例如，第一孔型430。一个孔型被堵 塞的漩涡的强度或密度小于两个或多个孔型被堵塞的漩涡的强度或密度。漩涡 强度对电极寿命有负面影响，对电弧稳定性则有正面影响。对于不同的方法， 可通过阻断漩涡环的相关孔型来调整漩涡强度。

例如，漩涡环可具有一套统一的气体通道(例如，气体通道具有相同尺寸 以及相同偏置的孔)呈四列每列10个气体通道排列(例如，一共40个气体通 道)。如果喷嘴的凸缘选择性地阻断四列中的两列(例如，20个气体通道被阻断， 或50％)，等离子气体的速度和漩涡强度大约为四列都打开(例如，0个气体通 道被阻断)的漩涡环的两倍。速度和漩涡强度因此与被阻断的通道的百分率成 比例。

如图2A、2B以及4A所示，凸缘/伸出部阻断整个气体通道而不是气体通 道的一部分。气体通道很小，具有大约0.018至约0.1英寸的直径。为了部分地 阻断气体通道，在凸缘/伸出部的制造中所需要的公差十分紧密从而其制造不实 际。尺寸、形状、轮廓和/或凸缘和/或伸出部的长度的很小变化能够极大地改变 等离子气体和/或防护气体的流动特征。这可能会导致等离子气体的稳定性降低 或喷嘴冷却不充分。因此，凸缘/伸出部能够堵塞可消耗部件(例如，保持帽或 漩涡环)的整个气体通道而不是气体通道的一部分。

图5示出了根据本发明的实施方式的割炬头500的剖面图。与图1类似， 割炬头包括电极505、喷嘴510、保持帽515、漩涡环520以及防护罩525。喷 嘴510装配在等离子弧割炬的割炬本体530上。喷嘴包括喷嘴本体535、位于喷 嘴本体535的第一端545的等离子出口孔540以及位于喷嘴本体535的第二端 555的凸缘550。该割炬头还包括可消耗部件(例如，保持帽515或漩涡环520)。 该可消耗部件适于与喷嘴的凸缘550配合。该可消耗部件在一端具有表面。该 表面包括第一孔型和第二孔型。在第一或第二孔型至少之一内的孔的尺寸设定 为控制喷嘴冷却气流或等离子气流中的至少一个。第一和第二孔型可为保持帽 515的第一和第二孔型560、565和/或漩涡环520的第一和第二孔型570、575。

虽然图5所示的喷嘴类似于图2B的喷嘴，然而该喷嘴也可是图2A、图2B、 图2C或图4A的喷嘴。该喷嘴可包括这里讨论的各个具体的实施方式中的任意 一种。保持帽和漩涡环也可为图3A、图3B、图4A或图4B中的保持帽和/或漩 涡环。所使用的可消耗部件也可为其他任意等离子弧割炬可消耗部件。所使用 的可消耗部件的类型(例如，保持帽、和/或漩涡环)可取决于所需要的切割参 数或具体流动特性。

如此所述，本发明减少了在等离子弧割炬里使用的可消耗部件的数目。对 于多种各自不同的切割参数和/或流动特征可以使用单个保持帽和/或漩涡环。因 此，当更换等离子弧割炬的切割参数或流动特征时，操作者可以在无需改变保 持帽和/或漩涡环的情况下更换喷嘴。

图6示出了根据本发明的实施方式的在等离子弧割炬上建立气流的方法的 流程图。该方法包括提供在喷嘴的后端具有凸缘的喷嘴(步骤610)。该喷嘴具 有带有内表面和外表面的本体。该喷嘴还在本体的前端具有等离子出口孔。该 喷嘴可为以上所述的任意喷嘴，例如，图2A、图2B、图2C或图4A的喷嘴。

该方法还包括相对于可消耗部件上的多个气体通道对准凸缘(步骤620)。 对准凸缘(步骤620)从而凸缘可选择地阻断至少一个气体通道从而建立绕至少 喷嘴主体的内表面或外表面两者之一的气流。

该可消耗部件可为保持帽。例如，该保持帽具有多个延伸穿过其中的气体 通道，从而提供气流至防护罩。所述保持帽可为，例如，图3A或图3B所述的 保持帽。当可消耗部件为保持帽，凸缘可为径向凸缘，并且该凸缘可选择性地 被设定尺寸而建立绕喷嘴外表面的保护气流。该凸缘可选择性地阻断第一和第 二孔型的两者之一。

该可消耗部件也可为漩涡环，例如，图4的漩涡环。当可消耗部件为漩涡 环，凸缘可为轴向凸缘，并且该凸缘可选择性地设定尺寸来建立绕喷嘴的内表 面的等离子气流。

该方法可选择地包括从等离子弧割炬上移除喷嘴(步骤630)。在一些实施 方式中，该方法还包括提供在后端具有凸缘的第二喷嘴(步骤640)。该第二喷 嘴包括外表面、在前端的等离子出口孔以及在后端的凸缘。在一些实施方式中， 第二喷嘴也包括内表面。第二喷嘴的凸缘不同于喷嘴的凸缘。例如，第二喷嘴 的凸缘可具有与喷嘴不同的轮廓、尺寸和/或形状。

第二喷嘴的凸缘可相对于可消耗部件上的多个气体通道进行对准(步骤 650)。所述可消耗部件可为，例如，保持帽或漩涡环。第二喷嘴的凸缘阻断设 置在可消耗部件上的至少两个气体通道，从而建立绕喷嘴本体的内表面或外表 面的至少之一的第二气流。由第二喷嘴建立的气流不同于由第一喷嘴建立的气 流。

例如，当该可消耗部件为保持帽，由喷嘴建立的气流为绕喷嘴外表面的防 护气流。当使用第二喷嘴，防护气流可能比使用喷嘴时少。例如，操作者可使 用图3A或图3B的保持帽以及图2B或图2C的喷嘴，在105安培操作等离子弧 割炬。喷嘴允许气体流过两个孔型(例如，图2B的第一和第二孔型235、236)。 然后操作者可切换到不同的操作参数，例如，操作者可以85安培操作同样的等 离子弧割炬。当等离子弧割炬以85安培操作，需要更少的气体用于冷却喷嘴。 因此，操作者可移除第一喷嘴，然后用第二喷嘴将其更换。第二喷嘴可为，例 如，图2A中的喷嘴。在等离子弧割炬中剩下的可消耗部件保持不变，包括保持 帽。喷嘴现在可阻断至少一个孔型，例如，图2A的第一孔型235。喷嘴调节气 流使之仅仅流过单个孔型，例如，图2B的第二孔型236。与使用图2B或图2C 相比，更少的气体经过保持帽流向喷嘴的外表面。

例如，等离子弧割炬可在大约60psi的上游压力下工作。为了以85安培和 105安培操作等离子弧割炬，要求具有不同流速的防护气体。105安培和85安 培的配置的流速差异大约为100标准立方英尺每小时(“scfh”)。当等离子弧割 炬以105安培工作时，该流速差异提供给了喷嘴更好的冷却和/或保护，而当等 离子弧割炬以85安培工作时，也减少了所消耗的保护气体的量。

在一些实施方式中，可消耗部件，例如，保持帽或漩涡环，具有多于两个 的孔型，例如，三个、四个或者五个孔型。喷嘴的凸缘可设定尺寸来阻断任意 这些孔型。凸缘可设定尺寸用来阻断至少两个孔型。

气体通道并非必须以孔型来布置，可消耗部件也可具有多个没有设置成任 意类型孔型的气体通道。喷嘴的凸缘可设定尺寸来阻断单个气体通道或多个气 体通道。被阻断的气体通道的数目可取决于在具体的项目中所需要的切割参数 或流动特征。

虽然示出和描述了所公开的方法的多个方面，但对于本领域技术人员而言， 在阅读本说明书的基础上可对该方法进行改进。本发明包括这些改进，并仅由 权利要求的范围对本发明进行限定。