冷卻管、電極容納部和電極以及裝置和電弧等離子噴槍的製作方法

2023-09-12 22:06:50

本申請是名稱為「用於電弧等離子噴槍的冷卻管、電極容納部和電極以及由它們組成的裝置和包括這些部件的電弧等離子噴槍」、國際申請日為2010年3月24日、國際申請號為pct/de2010/000325、國家申請號為201080015193.8的發明專利申請的分案申請。

本發明涉及用於電弧等離子噴槍的冷卻管、電極容納部和電極以及由它們組成的裝置和具有所述部件的電弧等離子噴槍。

背景技術：

熱地高度加熱的並導電的氣體稱為等離子體，所述氣體由正離子、負離子、電子以及受激發的中性的原子和分子組成。

採用不同的氣體作為等離子體氣，例如單原子的氬和/或雙原子的氣體，氫氣、氮氣或空氣。這些氣體通過電弧的能力離子化並離解。通過噴嘴成束的電弧此時稱為等離子體射束。

等離子體射束的參數可以通過噴嘴和電極的構造強烈地影響。等離子體射束的這些參數例如是射束直徑、溫度、能量密度和氣體的流動速度。

在等離子體切割中例如等離子體通過一個可以氣體冷卻或水冷卻的噴嘴成束。由此可以達到2x106/cm2的能量密度。在等離子射束中形成高達30000℃的溫度，這種溫度與氣體的高流動速度相結合可以在材料上實現非常高的切割速度。

由於噴嘴高的溫度負荷，所述噴嘴通常由金屬材料製成，優選由於其高的導電性和導熱性由銅製成。相同的情況也適用於電極，但電極可以由銀製成。所述噴嘴此時用在電弧等離子噴槍中，簡稱等離子噴槍，其主要部件有等離子噴槍頭、噴嘴蓋、等離子氣體導向部件、噴嘴、噴嘴座、具有電極嵌件的電極以及在新型的等離子噴槍中還有噴嘴保護蓋支座和噴嘴保護蓋。在電極中例如設有尖的由鎢製成的噴嘴嵌件，所述噴嘴嵌件適於使用非氧化性的氣體作為等離子體氣體，例如氬氫混合物。噴嘴嵌件由鉿製成的所謂扁平噴嘴也適於使用氧化性的氣體作為等離子體氣體，例如空氣或氧氣。

為了實現噴嘴和電極的高使用壽命，通常用液體例如水進行冷卻，但也可以用氣體進行冷卻。

這樣就區分出液體冷卻和氣體冷卻的等離子噴槍。

根據現有技術，電極由導電和導熱良好的材料，例如銅和銀或其合金，以及電極嵌件組成，所述電極嵌件由耐高溫的材料，例如鎢、鋯或鉿製成。對於含氧的等離子氣體可以使用鋯。鉿由於其更好的熱特性是更為合適的，因為其氧化物較為耐高溫。

為了實現電極的高使用壽命，將高溫材料作為排放嵌件裝入框架中，此時對框架進行冷卻。最有效的冷卻方式是液體冷卻。

在等離子噴槍中已知設置設計成內部中心的電極和位於電極中的冷卻管。例如在dd87361中，水流動通過冷卻管的內部，衝刷電極的底部並在電極的內表面和冷卻管的外表面之間流回。

電極通常具有向內延伸的圓柱形或錐形的區域，冷卻管突出於該區域。冷卻液繞流該區域並應確保電極和冷卻液之間更好的熱交換。

但特別是在接通時長較高時總是會在電極上出現過熱，這表現為電極容納部強烈的變色和電極嵌件的快速復燃(rückbrand)。

技術實現要素：

因此本發明的目的在於，避免、至少減少電弧等離子噴槍的電極的過熱。

根據本發明所述目的通過用於電弧等離子噴槍的冷卻管來實現，包括一個細長的主體，所述主體具有能設置在電極的敞開的端部中的端部和延伸通過主體的冷卻劑通道，其特徵在於，在所述端部上存在冷卻管的壁的凸緣式地向內和/或向外定向的加厚部。

此外，所述目的還通過由按權利要求1至3之一的冷卻管和一個電極組成的裝置來實現，所述電極具有中空細長的體部，所述體部具有一個敞開的端部和一個封閉的端部，所述敞開的端部用於設置冷卻管的前端部，其中所述敞開的端部的底面具有凸起的區域，冷卻管的端部在所述凸起的區域上延伸，所述加厚部沿縱向方向至少在所述凸起的區域上延伸。

此外，所述目的還通過用於電弧等離子噴槍的冷卻管來實現，它包括一個細長的體部，所述體部具有一個能與電弧等離子噴槍的電極容納部可拆卸地連接的後端部和後一個延伸通過所述體部的冷卻劑通道，其特徵在於，為了將後端部與電極容納部可拆卸地聯接，設有外螺紋，其中在外螺紋上連接圓柱形的外表面，用於使冷卻管相對於電極容納部對中。

除此以外，所述目的還通過一種用於電弧等離子噴槍的電極容納部來實現，它包括細長的體部，所述體部具有用於容納電極的端部和空心的內部，其特徵在於，在空心的內部中設有內螺紋，用於旋入冷卻管的後端部，其中在內螺紋上鄰接圓柱形的內表面，用於使冷卻管相對於電極容納部對中。

此外所述目的還通過由按權利要求9至13之一的冷卻管和按權利要求14至16的電極容納部組成的裝置來實現，其中，冷卻管通過外螺紋和內螺紋與電極容納部螺紋連接。

此外，所述目的通過一種由用於電弧等離子噴槍的冷卻管和用於電弧等離子噴槍的電極容納部的裝置來實現，所述冷卻管具有細長的體部，所述體部具有能與電弧等離子噴槍的電極容納部可拆卸地連接的後端部和延伸通過體部的冷卻劑通道，所述電極容納部具有細長的體部，所述體部具有用於容納電極的端部和空心的內部，其特徵在於，在冷卻管的外表面上設置至少一個突起，用於使冷卻管在電極容納部中對中。

此外，本發明還提供一種用於電弧等離子噴槍的電極，所述電極包括空心的細長的體部，所述體部具有一個敞開的端部和一個封閉的端部，所述敞開的端部用於在其中設置冷卻管的前端部，所述敞開的端部具有外螺紋，用於與電極容納部的內螺紋螺紋連接，其特徵在於，在外螺紋上朝封閉的端部鄰接圓柱形的外表面，用於使電極相對於電極容納部對中。

此外本發明還提供一種用於電弧等離子噴槍的電極容納部，所述電極容納部包括細長的體部，所述體部具有設有內螺紋的端部和空心的內部，所述端部用於容納電極，其特徵在於，在內螺紋上鄰接圓柱形的內表面，用於使電極相對於電極容納部對中。

此外本發明還提供一種由按權利要求24至28之一的電極和按權利要求29至31之一的電極容納部組成的裝置，其中電極通過外螺紋和內螺紋與電極容納部螺紋連接。

根據另一個方面，所述目的通過一種電弧等離子噴槍來實現，所述電弧等離子噴槍具有根據權利要求1至3或9至13中任一項的冷卻管、按權利要求14至16或29至31中任一項所述的電極容納部、按權利要求24至28中任一項所述的電極，或者具有按權利要求4至8、17至23或32至33中任一項所述裝置。

在根據權利要求1的冷卻管中，加厚部沿冷卻管的縱向方向延伸至少一毫米。

所述加厚部有利地使得外直徑提高了至少0.2毫米和/或使內直徑減小了至少0.2毫米。

在根據權利要求4的裝置中可以設定，所述裝置附加地包括電極容納部，所述電極容納部具有細長的體部，所述體部具有用於容納電極的端部和空心的內部，其中冷卻管延伸到空心的內部中並在冷卻管的外表面上設有至少一個突起，用於使冷卻管在電極容納部中對中。

有利地設置第一組突起，這些突起相互間隔開地環繞設置。

此時特別是可以設定，這些突起相互間隔開環繞設置，其中第二組相對於第一組軸向錯開。

更為優選的是，第二組突起相對於第一組突起環繞地(沿圓周)錯開。

在根據權利要求9的冷卻管中，設有用於將冷卻管軸向固定在電極容納部中的止擋面。

圓柱形的外表面有利地具有環繞的槽。

在所述槽中特別可以設置用於密封的圓環。

根據本發明的一個特別的實施形式，圓柱形的外表面具有外直徑，所述外直徑恰好等於外螺紋的外直徑或大於外螺紋的外直徑。

在根據權利要求14的電極容納部中，有利地設置一個止擋面，用於將冷卻管軸向固定在電極容納部中。

圓柱形的內表面有利地具有內直徑，所述內直徑恰好等於內螺紋的內直徑或大於內螺紋的內直徑。這裡有d6.1＝(d.61a-d6.1i)/2。

根據按權利要求17的裝置的一個特別的實施形式，冷卻管和電極容納部構造成使得朝前端部在它們之間設有環形間隙。

此外有利地設定，冷卻管的圓柱形的外表面和電極容納部的圓柱形的內表面相互設置窄的公差。

在根據權利要求20的裝置中，有利地設有第一組突起，這些突起相互間隔開地環繞設置。特別是可以設有恰好三個突起，它們優選相互錯開120°地設置。

此外可以設有第二組突起，它們相互間隔開地環繞設置，其中第二組相對於第一組沿軸向錯開。第二組突起同樣可以由恰好三個突起組成，它們優選相互錯開120°地設置。

第二組突起有利地相對於第一組突起環繞地錯開。例如錯開量可以為60°。

在根據權利要求24的電極中，可以有利地設有用於將電極軸向固定在電極容納部中的止擋面。

特別是圓柱形的外表面可以具有環繞的槽，優選在所述槽中設置用於密封的圓環。

根據一個特別有利的實施形式，圓柱形的外表面具有外直徑，該外直徑恰好等於外螺紋的外直徑或大於外螺紋的外直徑。

在根據權利要求29的電極容納部中，可以設有用於將電極軸向固定在電極容納部中的止擋面。

圓柱形的內表面有利地具有內直徑，所述內直徑恰好等於內螺紋的內直徑或大於內螺紋的內直徑。這裡有d6.4＝(d.6.4a+d6.4i)/2。

在根據權利要求32的裝置中，電極的圓柱形的外表面和電極容納部的圓柱形的內表面有利地相互設置窄的公差。這裡通常採用所謂的過渡配合，就是說例如外公差：0至-0.01mm，內公差：0至+0.01mm。

本發明出人意料地基於這樣的認知，通過加厚部冷卻管和電極之間的間隙變窄，但不會再電弧等離子噴槍頭的後部區域中出現橫截面縮小。由此在前面在冷卻管和電極之間實現高的流動速度，這改進了熱傳遞。

熱傳遞附加地或可選地通過合適地使等離子噴槍頭的各部件對中得到改進。

本發明基於這樣的認知，電極和冷卻劑之間的熱傳遞不是最佳的。這裡冷卻劑的壓力、流動速度、體積流和/或壓差在流動路徑中在前部區域中是不足的，在所述前部區域中冷卻管伸出於電極向內延伸的區域。此外還認識到這樣的問題，即，電極和冷卻管之間的環形間隙由於偏心的位置在其圓周上具有不同的尺寸。由此繞電極向內延伸的區域可能出現冷卻劑不均勻的分配。這會使冷卻變差。

附圖說明

本發明其他的特徵和優點由後面的權利要求和後面的說明得出，在後面的說明中參考示意性的附圖詳細說明了四個實施例。其中：

圖1示出根據本發明的特別的第一實施例的等離子噴槍頭的縱向剖視圖；

圖2用俯視圖(左)和縱向剖視圖(右)示出在圖1中示出的等離子噴槍頭的冷卻管的單獨視圖；

圖3用在圖1中示出的等離子噴槍頭的縱向剖視圖示出電極和電極容納部之間的連接的細節；

圖4用部分的縱向剖視圖示出在圖3中示出的電極容納部的細節；

圖5示出在圖1中示出的等離子噴槍頭的電極容納部和冷卻管之間的連接的細節；

圖6用部分的縱向剖視圖示出在圖5中示出的電極容納部的細節；

圖7示出在圖1中示出的等離子噴槍頭的電極容納部和冷卻管之間的連接的細節(剖面a-a)；

圖8示出在圖1中示出的等離子噴槍頭的電極的單獨視圖；

圖9示出根據本發明的特別的第二實施例的等離子噴槍頭的縱向剖視圖；

圖10用俯視圖(左)和縱向剖視圖(右)示出在圖9中示出的等離子噴槍頭的冷卻管的單獨視圖；

圖11示出在圖9中示出的等離子噴槍頭的電極容納部和冷卻管之間的連接的細節；

圖12示出根據本發明的特別的第三實施例的等離子噴槍頭的縱向剖視圖；

圖13用俯視圖(左)和縱向剖視圖(右)示出在圖12中示出的等離子噴槍頭的冷卻管的單獨視圖；

圖14示出在圖12中示出的等離子噴槍頭的電極容納部和冷卻管之間的連接的細節；

圖15示出根據本發明的特別的第四實施例的等離子噴槍頭的縱向剖視圖；

圖16用俯視圖(左)和縱向剖視圖(右)示出在圖15中示出的等離子噴槍頭的冷卻管的單獨視圖；以及

圖17示出在圖15中示出的等離子噴槍頭的電極容納部和冷卻管之間的連接的細節。

具體實施方式

圖1示出根據本發明的等離子噴槍頭1的特殊的第一實施形式。所述等離子噴槍頭具有電極7、電極容納部6、冷卻管10、噴嘴4、噴嘴蓋2和氣體導向件3。噴嘴4通過噴嘴蓋2和噴嘴座5固定。電極容納部6分別通過一個螺紋，即內螺紋6.4和內螺紋6.1容納電極7和冷卻管10。氣體導向件3位於電極7和噴嘴4之間並將等離子體pg置於旋轉。此外，等離子噴槍頭1還具有第二氣體保護蓋9，所述第二氣體保護蓋在該實施例中旋擰到噴嘴保護蓋支座8上。第二氣體sg在第二氣體保護蓋和噴嘴蓋2之間流動，所述第二氣體保護噴嘴4，特別是保護噴嘴頂端。

冷卻管10(也見圖2)固定在電極容納部6的後部上，電極7固定在電極容納部6的前部上。冷卻管10突出於電極7的向內延伸，即延伸離開噴嘴頂端的區域7.5(也見圖3和8)。在這個區域中，在冷卻管10的長度l10.8上的內直徑d10.8小於冷卻管10向內定向的內部區段10.9的內直徑d10.9，而冷卻輥10的長度l10.10上的外直徑d10.10大於冷卻管10向後定向的外部區段10.11的外直徑d10.11。由此形成冷卻管的壁10.19的凸緣式地向內和向外的加厚部10.18。由此實現了，可供冷卻劑使用的流動橫截面只在前面的內部區段10.8中和前部的外部區段10.10中變窄，在所述內部區段和外部區段中，為了良好的散熱需要冷卻劑具有高的流動速度，而在後部區域中提供了儘可能大的流動橫截面，以便在後部的內部區段10.9和後部的外部區段10.11中具有儘可能低的壓力損失。冷卻劑首先在通過流動通路wv1(進水通路1)中流動通過冷卻管10的內腔，到達電極7向內延伸的區域7.5，然後通過流動路徑wr1(回水通路1)在冷卻管10與電極7以及電極容納部6之間的空間中回流。

等離子體射束(未示出)在電極嵌件7.8的外表面上具有其起點(ansatzpunkt)。多數必須導出以實現電極7長的使用壽命的熱在這裡形成。所述熱通過由銅或銀製成的電極7傳導給電極內腔中的冷卻劑。

在冷卻管10突出於電極7的向內延伸的區域7.5的部段中，冷卻管的前部的內部區段10.8和電極7的電極區域7.5的相對置的內表面之間的間距以及前部的外部區段10.10和電極的內表面7.10之間的間距非常小。所述間距在0.1至0.5mm的範圍內。

此外，冷卻劑在噴嘴4和噴嘴蓋2之間的空間中通過流動通路wv2(進水通路2)和wr2(回水通路2)流動。

也如圖5所示，冷卻管10通過外螺紋10.1和內螺紋6.1與電極容納部6螺紋連接。冷卻管10和電極容納部6通過冷卻管10的圓柱形的外表面10.3和電極容納部6的圓柱形的內表面6.3相互對中。所述內表面和外表面相互設置非常窄的公差，以便實現良好的對中。這裡圓柱形外表面10.3的公差可以是帶有0至-0.01mm的誤差的外直徑d10.3的標稱尺寸，圓柱形的內表面6.3的公差是帶有0至+0.01mm誤差的內直徑d6.3的標稱尺寸。電極容納部6的內螺紋6.1和冷卻管10的外螺紋10.1相互間具有足夠的間隙，由此冷卻管10能夠容易地旋入電極容納部6中。至少在即將旋緊之前才通過設置窄公差的、在旋入狀態下相對置的圓柱形的內表面6.3和圓柱形的外表面10.3實現對中。

冷卻管10的圓柱形的外表面10.3的外直徑d10.3至少恰好等於外螺紋10.1的外直徑d10.1，或大於外螺紋10.1的外直徑d10.1。

電極容納部6的圓柱形的內表面6.3的內直徑d6.3大於內螺紋6.1的最小內直徑d6.1，其中d6.1＝(d6.1a-d6.1i)/2。

前面所述的對中確保實現了冷卻管10與等離子噴槍頭1的軸線m的平行定向、冷卻管10和電極區域7.5之間均勻的環形間隙以及由此還實現了冷卻劑流在電極內腔，特別是在冷卻管10的前部區段10.8和向內延伸的電極區域7.5的區域中的均勻分配。在旋緊的狀態下，止擋面10.2和6.2相互貼靠。由此實現了沿軸向將冷卻管10固定在電極容納部6中。

也如圖3和4所示，電極7通過外螺紋7.4和內螺紋6.4與電極容納部6螺紋連接。電極7和電極容納部6通過電極7的圓柱形的外表面7.6和電極容納部6的圓柱形的內表面6.6相互對中。這裡所述外表面(和內表面)相互設置窄的公差，以便實現良好的對中。這裡所述圓柱形的外表面的公差可以是帶有0至-0.01mm誤差的外直徑d7.6的標稱尺寸，圓柱形的內表面的公差可以是帶有0至+0.01mm誤差的內直徑d6.6的標稱尺寸。電極容納部6的內螺紋6.4和電極7的外螺紋7.4相互具有足夠的間隙，由此電極7可以容易地旋入電極容納部6中。在即將旋緊之前才通過設置窄公差的、在旋入狀態下相對置的圓柱形的內表面6.6和圓柱形的外表面7.6實現對中

電極7的圓柱形的外表面7.6的外直徑d7.6至少恰好等於外螺紋7.4的最大外直徑d7.4，或大於外螺紋7.4的最大外直徑d7.4(見圖8)。

電極容納部6的圓柱形的內表面6.6的內直徑d6.6大於內螺紋6.4的內直徑d6.4，其中d6.4＝(d6.4a+d6.4i)/2。

前面所述的對中對於電極6相對於等離子噴槍頭1的軸線m的平行定向是必要的，這種對中也確保實現冷卻劑流在電極內腔、特別是在冷卻管10的前部的內部區段10.8和電極7向內延伸的區域7.5的區域中的均勻分配。電極7相對於電極容納部6的對中用於確保相對於等離子噴槍頭的其他構件、特別是噴嘴4的同心度。這種同心度用於實現等離子體射束的均勻的結構，這種均勻的結構通過電極7的電極嵌件7.8相對於噴嘴4的噴嘴孔4.1的定位共同確定。圓柱形的外表面7.6附加地具有槽7.3，用於密封的圓環7.2設置在所述槽中。在旋緊狀態下，止擋面7.7和6.7相互貼靠。由此實現了將電極7軸向固定在電極容納部6。

通過一組突起10.6和一組突起10.7實現對冷卻管10相對於電極容納部6的徑向對中的進一步改進，這兩組突起位於冷卻管10的外表面上。它們確定了到電極容納部6的內表面的間距。在這個實施例中，每組具有三個以120°在冷卻管的外表面的圓周上分布的突起10.6或10.7並且各組突起沿冷卻管1的縱向方向相互以一定的錯開量l10a設置(見圖2和7)。突起10.6在這種情況下相對於突起10.7錯開60°設置。通過這種錯開改進了徑向對中。同時突起10.7可以用作用於旋入和旋出冷卻管10的工具(未示出)的對應件。突起10.6和10.7從前部區域10.8出發觀察具有矩形的橫截面。由此只有矩形橫截面的角部貼靠在電極容納部6的內表面6.11上。從而在易於安裝的同時實現了高的同心度

圖9示出根據本發明的等離子噴槍頭1的另一個特殊的實施例，該實施例與圖1至8所示的實施例的區別在於冷卻管10的前部的內部區段10.8的結構(也見圖10)。內部區段10.8的長度l10.8較短，由此流動橫截面只在最前面的區域中明顯提高。前部的內部區段10.8和前部的外部區段10.10的長度這裡是相等的。在電極容納部6和冷卻管10相互螺紋連接的區域中在冷卻管10的圓柱形的外表面10.3中附加地設有槽10.4，用於密封的圓環10.5設置在所述槽中(見圖11)。

圖12示出根據本發明的等離子噴槍頭的另一個特殊的實施例，該實施例與按圖1至11的兩個實施例的區別在於冷卻管10的前部的內部區段10.8的結構(也見圖13)。內部區段10.8的長度l10.8比圖1中要短，前部的外部區段10.10的長度l10.10比圖9中的情況長。由此整個裝置的流動阻力降低，因為只在最前面的部分在冷卻管和電極之間形成窄的間隙。

冷卻管10和電極容納部6之間的對中同樣通過圓柱形的內表面6.3和圓柱形的外表面10.3來實現。但所述內表面和外表面與圖1和9中的情況不同地設置，通過這種設置，擴大了圓柱形的對中面。這進一步改進了對中，並且由此實現了，將螺紋-對中面-止擋面的順序改變為螺紋-止擋面-對中面。另一個優點在於，結構尺寸沒有變大。在保持所述順序時，止擋面必須具有大於對中面的直徑。

圖15示出根據本發明的等離子噴槍頭的另一個特殊的實施例。該實施例與根據圖1的實施例的區別在於冷卻管10的前部的內部區段10.8的結構(也見圖16)。這裡前部的內部區段10.8和前部的外部區段10.10的長度這裡是相等的。各所述區段在其長度上對應於電極7的區域7.5。

冷卻管10和電極容納部6之間的對中與圖12中的情況相同地進行。在電極容納部6和冷卻管10相互螺紋連接的區域中在冷卻管10的圓柱形的外表面10.3中附加地設有槽10.4，用於密封的圓環10.5設置在所述槽中。這在圖17中示出。

在前面的說明中、在附圖中以及在各權利要求中公開的本發明的特徵既可以單獨地也可以按任意的組合對於按本發明的不同的實施形式實現本發明都是重要的。