CN1642685A - 双模式等离子弧吹管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双模式等离子弧吹管(12)，它较佳地包括配置在电极(38)与管嘴(40)之间的启动夹头(42)。在一种形式中，启动夹头包括与电极(38)电接触并被弹性偏压而与管嘴(40)接触的启动器，这样当等离子弧吹管处于接触启动模式时，启动器可克服弹性偏压移动，从管嘴分离并在启动器与管嘴之间建立引导弧。另外，当等离子弧吹管(12)处于高频启动模式时，启动夹头使管嘴与电极间隔，这样在电极与管嘴之间建立引导弧。在另一种形式中，所提供的接触启动吹管可在高频下工作，并且相反地，所提供的高频启动吹管可在低电压下工作。

Description

双模式等离子弧吹管

技术领域

本发明总地来说涉及等离子弧吹管，具体涉及在等离子弧吹管中启动引导弧的设备及方法。

背景技术

等离子弧吹管也称为电弧吹管，它通常用于通过将含有电离气体颗粒的高能等离子流引导到工件来切割、标记、校准及焊接该金属工件。在典型的等离子弧吹管中，将要进行电离的气体提供到该吹管的末端，并在通过等离子弧吹管的管嘴或喷嘴中的小孔排出之前流过一个电极。该电极具有相对低的电位并用作阴极。相反地，该吹管管嘴具有相对高的电位并用作阳极。此外，电极与管嘴之间具有间隔，由此在吹管的末端处产生了一个间隙。工作中，在电极与管嘴之间的间隙中产生一个引导弧，该引导弧加热气体并接着使气体电离。然后将电离后的气体吹出吹管，形成远离管嘴延伸的等离子流。当吹管的末端移至靠近工件的位置，因为工件对地的阻抗低于吹管管嘴对地的阻抗，该弧从吹管管嘴跳至或转移至工件。因此，工件作为阳极，而等离子弧吹管在“转移弧”模式下工作。

典型地使用两种方法中的一种来启动电极与管嘴之间的引导弧。在通常称为“高频”或“高压”启动的第一种方法中，跨越电极及管嘴施加足以在电极与管嘴之间的间隙中产生弧的高电位。由于电极及管嘴不进行物理接触就可以产生引导弧，因此第一种方法也称为“非接触”启动。在通常称为“接触启动”的第二种方法中，电极及管嘴进行接触并逐渐分开，由此在电极与管嘴之间产生一个弧。由于电极与管嘴之间的距离小得多，因此接触启动方法允许在电位低得多的情况下启动弧。

含有例如电极、管嘴的消耗品部件的等离子弧吹管构造为可以用于接触启动或者高频启动的任意一种方式。因此，至少一个等离子弧吹管与一组专用消耗品是和高频电源一起使用的，而至少一个另外的等离子弧吹管与一组另外的消耗品是和低电压(接触启动)电源一起使用的。结果，对于既要使用高频电源又要使用低压电源的用户来说，必须购买多个等离子弧吹管及相应的消耗品，并为了连续工作而进行相应的储备。

因此，在本领域中需要减少和高频及低压电源一起使用所需的吹管、零件及消耗品的数量。并且还需要进一步提高在高频电源及低压电源下工作的效率。

发明内容

本发明提供了一种等离子弧吹管，它可以用高频电源或者低压电源工作，这样吹管能进行高频启动或接触启动，由此形成了一种双模式吹管。另外，提供了包括被改进为在高频电源下工作的传统接触启动吹管的另一种双模式吹管。还提供了包括被改进为在低压电源下工作的传统高频启动吹管的另一种双模式吹管。

在一种较佳形式中，本发明提供的双模式等离子弧吹管包括电极、管嘴和配置在电极与管嘴之间的启动夹头，其中启动夹头包括与电极电接触及与管嘴接触的启动器。因此，当等离子弧吹管处于接触启动模式时，启动器可移动以离开管嘴，并在启动器与管嘴之间建立引导弧，而当等离子弧吹管处于高频启动模式时，启动夹头使管嘴与电极间隔，使得在电极与管嘴之间建立引导弧。

在另一种形式中提供的等离子弧吹管包括电极、管嘴，以及用于接触启动模式的接触启动夹头和用于高频启动模式的高频启动夹头中的至少一个。当等离子弧吹管处于接触启动模式时，启动器可移动以离开管嘴，并在启动器与管嘴之间建立引导弧；而当等离子弧吹管处于高频启动模式时，高频启动夹头分隔管嘴与电极，使得在电极与管嘴之间建立引导弧。较佳地，高频启动夹头包括提供用于冷却电极的气流的多个通气孔，多个通气孔对高频启动夹头的中心成偏置，以便提供旋转气流并进一步提高冷却能力。

在又一种形式中，传统的接触启动等离子弧吹管被改进成包含有附加的电介质支座，该电介质支座的尺寸使接触启动等离子弧吹管可在高频下工作。此外，传统的高频等离子弧吹管被改进为包含有可移动元件，例如电极、管嘴或第三元件，使得高频等离子弧吹管可在低电压下工作，由此产生双模式吹管，即能够在高频电源或者低压电源下工作的吹管。另外，根据本发明的教导提供了操作双模式等离子弧吹管的方法。

通过后文提供的详细说明，本发明的进一步应用领域将变得明显。应该理解，当描述本发明的优选实施例时，详细说明及特定示例仅仅用于展示的目的，而不用于限制本发明的范围。

附图说明

通过详细的说明及附图可以使本发明更容易理解，其中：

图1是根据本发明的原理的手工操作的等离子弧设备的立体视图；

图2是配置在等离子弧吹管中并根据本发明的原理构造的吹管头的侧视图；

图3是根据本发明的原理构造的吹管头的立体视图；

图4是根据本发明的原理构造的吹管头及消耗品部件的分解立体视图；

图5是根据本发明的原理构造的吹管头及消耗品部件的剖视图；

图6是根据本发明的原理构造的吹管头的末端的俯视图；

图7A是根据本发明的原理构造的吹管头处于空闲模式时的剖视图；

图7B是根据本发明的原理构造的吹管头处于引导模式时的剖视图；

图8是根据本发明的原理构造的包括用于高频启动模式的启动夹头的吹管头的剖视图；

图9是根据本发明的原理构造的高频启动夹头的上部立体视图；

图10是根据本发明的原理构造的高频启动夹头的下部立体视图；

图11是根据本发明的原理构造的高频启动夹头的俯视图；

图12是根据本发明的原理构造的该高频启动夹头沿图11的A-A线的剖视图；

图13A是根据本发明的原理构造的包括定义了轴向槽的电极和用于高频启动模式的第二实施例的启动夹头的吹管头的剖视图；

图13B是根据本发明的原理构造的包括定义了螺旋槽的电极和用于高频启动模式的第二实施例的启动夹头的吹管头的剖视图；

图14是现有技术的接触启动等离子弧吹管的剖视图；

图15是根据本发明的原理构造的修改为具有附加的电介质支座的接触启动等离子弧吹管的剖视图；

图16是现有技术的高频启动等离子弧吹管的剖视图；和

图17是根据本发明的原理构造的改进为具有第三元件的高频等离子弧吹管的剖视图。

具体实施方式

如下对于较佳实施例的说明仅仅用于展示目的，而不用于限制本发明及其应用或使用。

参考附图，根据本发明的双模式吹管通常和如图1中标号10所示的手工操作的等离子弧装置一起工作。通常，手工操作的等离子弧装置10包括通过吹管导管16连接到动力源14的等离子弧吹管12，根据特定应用，导管16可以具有多种长度。另外，动力源14提供通过导管16流动用于等离子弧吹管12的工作的气体及电源。

如这里所使用的，对于本领域技术人员来说，无论是手工操作的还是自动的等离子弧装置都应该产生或使用等离子来进行切割、焊接、喷镀、校准、标记等操作。因此，这里提到的具体等离子弧切割吹管、等离子弧吹管或手工操作的等离子弧吹管不应该理解为限制了本发明的范围。另外，具体提到的给等离子弧吹管提供气体也不应该理解为限制了本发明的范围，根据本发明的教导，例如液体的其它流体也可提供给等离子弧吹管。此外，术语“偏压的”或“偏压”不应当理解为经常用于电领域的电偏置或电压。

通常，根据本发明的教导公开了三种优选的双模式吹管构造，其中术语“双模式”指的是单个等离子弧吹管在高频启动模式和接触启动模式中都能工作的能力。第一优选的双模式吹管包括配置在电极与管嘴之间的启动夹头，其中为了使等离子弧吹管在高频启动模式和接触启动模式中任意一种模式下工作，可以互换一个或多个启动夹头。第二优选的双模式吹管通常是多个传统的接触启动吹管中的一个，并且在阳极体与阴极体之间具有附加的电压绝缘或电介质支座。如下面所更详细描述的，第三优选的双模式吹管通常是多个高频启动吹管中的一个，并且具有移动电极、管嘴和/或第三元件。

带有启动夹头的双模式吹管

现在参考图2，在图2中用参考标记20示出了本发明的接触启动等离子弧吹管12中的吹管头。如图所示，吹管头20具有一个近端22和一个远端26，近端22配置在等离子弧吹管12的手柄24(为显示结构的细节，在图中省去了手柄24的一半)内，远端26如下面更详细描述的那样固定了多个消耗品部件。近端22适于连接到供应接触启动等离子弧吹管12工作所用的气体及电源的吹管导管28。对吹管导管28的连接可包括快速拆卸，诸如2002年2月26日提出的、题为“组合式等离子弧吹管”的共同未决申请中所公开并和本申请共同受让的快速拆卸，以上申请的内容被包含在本文中作参考。另外，如本文所描述的，近侧的方向或邻近是指朝向近端22的方向，而远侧方向或远离是指朝向远端26的方向。

参考图3至图5，吹管头20还包括外壳28，在外壳28内配置有吹管头20的固定部件。更具体地说，这些固定部件包括具有相对负电位的阴极32(图5)、具有相对正电位的阳极34和使阴极32与阳极34绝缘的绝缘体36。消耗品部件通常固定于吹管头20的远端26，并且包括电极38、管嘴40、用于如下所述拉出引导弧的启动夹头42以及屏蔽罩44，屏蔽罩44把各消耗品部件固定于吹管头20的远端26，并进一步使各消耗品在吹管工作时与周围区域绝缘。当屏蔽罩完全与吹管头20结合时，屏蔽罩44还使诸如启动夹头42及管嘴40的消耗品部件相互定位及定向，以便吹管正确地工作。

如进一步显示的，也称为接触启动夹头42的启动夹头42包括启动器50、容纳在夹头体54中的螺旋弹簧52以及管嘴座56。因此，启动夹头42最好是单个的可更换消耗部件。此外，所示的启动夹头42最好与接触启动等离子弧吹管一起使用，然而，启动夹头42也可以与高频启动等离子弧吹管一起使用，这样单个的启动夹头可以用于高频启动及接触启动两种工作模式。但是，下面将更详细地描述专门用于高频启动等离子弧吹管的启动夹头42的附加构造。

夹头体54与管嘴座56一起称为夹头组件55。在一种形式的夹头组件55中，夹头体54是导电的，而管嘴座56是绝缘的。在另一种形式的夹头组件55中，夹头体54是绝缘的，而管嘴座56是绝缘的，该夹头组件还包括配置在夹头体54的近端的导电件53，如图所示导电件53可以是一个垫圈。下面将更详细地描述启动夹头42的功能及工作、它的各部件和吹管头20的固定的及其它的消耗品部件。

如图5所示，图示的吹管头20具有固定在外壳28内的阴极32和电连接到阴极32的电极38。普通圆柱形绝缘体36围绕阴极，并使阴极32与阳极34绝缘。如进一步显示的，阴极32邻接销配件64并在电路上与它连接，销配件64适于与吹管导管28(未示出)相连接。因此，阴极32电路上与动力源14(未示出)的负边连接，而阳极34电路上与动力源的正边连接。另外，销配件64构造有内孔66，阴极32构造有中心孔70，内孔66及中心孔70是连通的，以从动力源14向吹管头20供应工作气体。虽然图示中阴极32与销配件64彼此定向成一角度，阴极32与销配件64(或连接于阴极32的另一个相邻部件)可以或者共线，或者通常在本领域中使用的彼此定向为180°。

电极38构造有用于将电极38与阴极32的连接端74连接在一起的上连接端72。电极38与阴极32的连接端72、74被构造为彼此共轴套入连接，如共有的美国专利6,163,008中所显示和描述的那样，该专利被包含入本文作参考。为建立阴极32与电极38之间的连接，阴极连接端74与电极连接端72被制成分别标注为76和78的相对锁键。当电极38的连接端74连接到阴极32时，锁键76及78彼此互相啮合，以阻止电极38移离阴极32的轴向运动。然而，可以理解电极38可以通过诸如螺纹连接的其他传统方式连接到阴极32，而不超出本发明的范围。

此外，绝缘体80配置在阴极32的近端，而绝缘帽82安装在阴极32的远端，这样导致了阴极中心孔70中暴露在外以接触电极38的面积相对较小。绝缘体80与绝缘帽82被构造及定位成用来阻止不是电极38的物体与阴极32之间的电接触，以减少因为该物体插入阴极中心孔70之内而导致吹管功能失效的风险。

电极38构造有中心孔84，中心孔84远离连接端72延伸，并与阴极32的中心孔70连接，这样向下引导阴极中心孔70中的工作气体使其通过电极38的中心孔84。电极38的中心孔84远离连接端72延伸而与气体分配孔86对准，气体分配孔86从中心孔84径向向外延伸，以从电极38排出工作气体。电极38还包括一环形圈88，如图所示环形圈88径向朝外延伸并构成在气体分配孔86下方的近侧台肩90。近侧台肩90邻接套筒92，套筒92座落于制成在绝缘体36中的环形槽94内。套筒92是耐用材料，最好是诸如Vespel的聚酰亚胺，使得吹管头20能经受住电极38的重复安装而不会损害更贵并且难于更换的绝缘体36。另外，电极38的末端部分96为普通细长的圆柱形部分，它具有由纵向延伸的脊98形成的带槽的表面。所示实施例的电极38由铜或铜合金构成，最好包括固定在电极38末端处的凹槽102内的发射插入件100。

也称为喷嘴的普通中空管嘴40安装在电极38的末端部分96的上方。管嘴40与电极38成径向及纵向间隔关系，以构成也称为弧腔或等离子腔的主要气体通路104。管嘴40的中心排出小孔106与主要气体通路104连通，以从管嘴40排出成等离子流形式的已电离气体并引导该等离子流向下对着工件。管嘴40还包括中空的、普通圆柱形的远端部分108及近端部分112处的环形法兰110。环形法兰110构造有一个普通平的近侧端面114和一个远侧端面116，近侧端面114面朝启动夹头42的管嘴座56安装并由管嘴座密封，远侧端面116适于安装在配置在屏蔽罩44内的导电插入件118内并与之形成电接触。导电插入件118还适于与阳极34连接，最好使用螺纹连接119，使得动力源的正边之间保持连续通电。因此，管嘴40通过导电插入件118而与该动力源的正或阳极边处于电接触。

管嘴40还构造有多个旋流孔120(进一步如图4所示)，这些旋流孔120对管嘴40的中心形成偏置，并布置成围绕及穿过环形法兰110。此外，管嘴40最好构造有多个第二气孔122(也显示于图4中)，气孔122径向地延伸穿过环形法兰110，并进入在远侧端面116上的环形凹槽124中。因此，管嘴40调节等离子气体以形成除辅助气体之外的等离子流以稳定等离子流，这被显示及描述于2002年2月26日提出的题为“管嘴气体分配器”的并与本发明共同受让的共同未决申请中，该申请的内容被包含于本文作参考。另外，管嘴40最好由铜或铜合金材料制成。

在工作中以及当动力源14(未示出)向吹管头20供电时，除了使围绕吹管头20的区域与可导电元件绝缘之外，屏蔽罩44围绕着吹管头20的远端26并且通常固定及定位其中的消耗品部件。当通过螺纹连接119固定到吹管头20时，在屏蔽罩44的导电插入件118与绝缘体36、启动夹头42与管嘴40之间形成了主要气体腔126，如下面所详细描述的那样，在吹管工作时主要的工作气体流过该气体腔126。此外，屏蔽罩44最好由非导电的、热绝缘的材料制成，诸如酚醛或陶瓷材料。

绝缘体36还构造有多个径向气体分配孔128，径向气体分配孔128与电极气体分配孔86以及主要气体腔126在流体上连通。还参考图6，绝缘体36还构造有延伸穿过远侧端面132的多个轴向通气孔130，孔130与构造在绝缘体36的近侧部分136中的一组径向通气孔134在流体上连通。径向通气孔134还与构造在阳极件34的远侧部分140中的一组径向通气孔138在流体上连通，径向通气孔138与开口142在流体上连通，如图所示，该开口142靠近屏蔽罩44的近端，构成于屏蔽罩44与吹管头外壳28之间，并暴露于大气中。因此，在吹管工作期间气体通过在绝缘体36、阳极34及屏蔽罩44中的一系列通气孔而排出，下面将对此进行更详细的描述。此外，绝缘体36最好由诸如酚醛或陶瓷的非导电的热绝缘材料制成，而阳极件34由诸如铜或铜合金的导电材料制成。

参考图7A及图7B，根据本发明原理的启动夹头42可在吹管的空闲模式(图7A)与引导模式(图7B)之间工作。在空闲模式中，启动器50与电极38成电接触，并被弹性偏压成与管嘴40相接触。启动器50最好构造有弯曲的末端接触表面152，末端接触表面152与管嘴40的锥形内表面154接触。另外，应用任何合适的偏压件或装置，诸如弹簧或弹性件或弹性测量件，使启动器50被弹性地偏压为与管嘴40接触。在所示的该优选实施例中，偏压件是螺旋弹簧52，它具有足够的刚性，使来自气体源的气体压力克服弹簧力以使启动器50从管嘴40上分离。此外，启动器50及螺旋弹簧52与夹头体54及管嘴座56一起最好是可更换的启动夹头42的一部分。因此，管嘴座56构造有与夹头体54的环形法兰59结合的环形台肩57，其中在环形台肩57与环形法兰59之间的连接可以是压配合或粘结连接的，也可以包括本领域其它公知方法。

如进一步显示的，夹头体54包括邻接电极38的末端台肩156的凹入的端壁155，以及普通圆柱形侧壁158。当已完全装配好时，腔160构成于启动夹头42内，在腔160中放置了螺旋弹簧52及启动器50的一部分。夹头体54还构造有轴向通气孔162，轴向通气孔孔162延伸通过凹入的端壁155，并如前所述与腔160及与绝缘体36的末端端面132中的轴向通气孔130在流体上连通。另外，一系列径向气孔164围绕侧壁158配置，径向气孔164引导一部分工作气体进入启动夹头42，以克服螺旋弹簧52的偏压来使启动器50移离管嘴40，并如下面更详细描述的对抗螺旋弹簧52的偏压。

启动器50构造有普通的圆柱形部分166、环形法兰168和筒形部分170，筒形部分170构造有弯曲的接触表面152。如图所示，筒形部分170的近侧部份与电极38电接触，而筒形部分170的远侧部分远离地伸出通过管嘴座56上的中心小孔172。此外，螺旋弹簧52配置在圆柱部分166内，其位置对着该启动器的近侧端面174。近侧端面174还构造有轴向通气孔175，轴向通孔175与腔60以及夹头体轴向通气孔162在流体上流通，使得如下面进一步描述的那样，该腔中的气体从吹管头20排出。较佳地，启动器50由诸如铜或铜合金的导电材料制成，螺旋弹簧52由钢材料制成，夹头体54是由诸如铜的导电材料制成，而管嘴座56由诸如聚酰亚胺的非导电材料制成。或者，如前所述，夹头体54可以是绝缘的或非导电的，同时管嘴座56是绝缘的。

根据本发明的启动器50对于电极38及阴极32(即该阴极边)和阳极34、导电插入件118及管嘴40(即阳极边)不是固定连接。这里使用的术语“不是固定连接”的意思是：在启动器50与阴极边及阳极边之间至少在一个方向上可有例如轴向和/或径向的相对运动。例如，在图示实施例中，启动器50可沿吹管头20的中心纵轴线X在启动夹头42的腔160内自由移动。更准确地说，启动器50可相对于电极38及管嘴40在对应于吹管的空闲模式的第一远侧位置(图7A)与对应于吹管的引导模式的第二近侧位置之间轴向移动。但是可以理解，启动器50可自由地相对于阴极边及阳极边径向移动。还可以理解，启动器50可以在该吹管内静止不动，而是阴极边、阳极边或者是两者可自由轴向和/或径向相对于启动器移动。

如进一步所示出的那样，多个O形圈及相关的O形圈槽配置在吹管头20内，以在该吹管工作期间密封气体流。更具体地说，O形圈180配置在绝缘体36与绝缘体36的末端150处的启动夹头42之间。此外，O形圈182配置在阳极34与靠近阳极34的末端部分140处的屏蔽罩44的导电插入件118之间。因此，在工作期间，O形圈180及182在吹管头20内密封气体流。

下面将参考分别对应于吹管的空闲模式及引导模式的图7A及图7B，更详细地显示及描述根据本发明的方法启动夹头42，更准确地说是启动器50，启动引导弧及操纵吹管的操作。如图所示，吹管头20连接于气体源及电源，最好是如前所述通过销配件64。电源的应用导致电流从电极38通过启动器50流至管嘴40，它们全部是直接的电连接。当气体源被启动时，工作气体流过销配件64的内孔66，并分别通过阴极32及电极38的中心孔70及84。然后气体流过电极38的气体分配孔86及通过绝缘体36的气体分配孔128，这样气体流向远端进入主要气体腔126中。然后该气体部分地流过启动夹头42的径向气体孔164，这导致启动器50不远地移离管嘴40，如图7B中所示处于吹管的引导模式。因此，对于克服螺旋弹簧52的偏压，该气体压力足够高。由于启动器50不远地移离管嘴40，在启动器50与管嘴40之间拉出一个引导弧，而更准确地说是在锥形内表面154与弯曲的末端接触表面152之间拉出一引导弧，如图所示表面154与表面152被构造成彼此相对平行。

除了气体部分地流过径向气体孔164以移动启动器50，气体继续向远处流动并进入旋流孔120成为等离子气体，并且也进入辅助气体孔122成为辅助气体。因此，该等离子气体在启动器50与管嘴40之间的间隙中旋流，并被启动器50与管嘴40之间形成的引导弧所电离。如图所示，旋流孔120最好布置成离启动器50的锥形内表面154与管嘴40的弯曲末端接触表面152相接触的区域不太远，以便提供更稳定的等离子流。然而，旋流孔120可布置得离启动器50接触管嘴40的区域较远而仍保持在本发明范围内。作为气体旋流及产生引导弧的结果，已电离的气体以等离子流的形式被吹出管嘴40的中心排出小孔106。此外，流过辅助气体孔122的气体流入环行凹槽124，而后沿着管嘴40的普通圆柱末端部分108远离而去。结果，辅助气体形成圆柱形气体包围层，以稳定从中心排出小孔106吹来的等离子流。2002年2月26日提出的题为“管嘴气体分配器”的共同未决的并与本发明共同受让的申请中进一步描述了具有旋流孔120及辅助气体孔122的管嘴40，该申请的内容被包含入本文作参考。

如进一步所示，流入启动夹头42以移动启动器50不远地离开管嘴40的气体经过启动器的轴向通气孔175，经过夹头体54的环形端壁155中的轴向通气孔162，并通过绝缘体36中的轴向通气孔130(虚线显示)附近。然后该气体流过绝缘体36中的径向通气孔134，经过阳极34中的径向通气孔138，并在屏蔽罩44的近端处流出开口142。因此，根据本发明的吹管头20含有头部通气孔(即径向通气孔134、138)以从吹管头20排出气体，这使得在该气体源及电源被关断后该吹管容易更快速地重新启动。当该气体源及电源被关断及该气体如前描述那样被排出时，螺旋弹簧52的力使启动器50向管嘴40移动，使得锥形内表面154与弯曲的末端接触表面152接触，其中该等离子弧吹管处于空闲模式。

根据2002年2月26日提出的题为“接触启动等离子弧吹管和引导弧的启动方法”的未决申请的教导，也可以使用具有移动的启动器50的启动夹头42的附加构造，该未决申请与本发明共同受让而其内容被包含在本文中作参考。

现在参考图8至图12，示出了用于高频启动吹管的启动夹头200，它也称为高频启动夹头200，配置在吹管头20内电极38与管嘴40之间。启动夹头200构造有普通圆柱形外壁202，圆柱形外壁202具有内凹的近侧端面204及内凹的远侧端面206。另外，启动夹头200包括内环208，其中如图所示在内环208与近侧端面204之间形成有通气腔210。此外，在该等离子弧吹管工作期间，内环208使通气腔210与等离子腔104隔绝。

启动夹头200还包括形成在近侧端面204中的多个排气通路212，这些通路212与通气腔210及如先前所述形成在绝缘体36中的轴向通气孔130(虚线表示)相连通。如进一步所示出的那样，电极38的末端台肩156邻接启动夹头200的近侧端面204，同时电极38的末端轴214在内环208内可滑动地结合。另外，如图所示，当吹管头20的部件通过屏蔽罩44固定到吹管头20时，管嘴40邻接内凹的末端端面206。

启动夹头200还包括多个通气孔216，如图11所最佳展示的那样，这些通气孔216最好对启动夹头200的中心形成偏置。如图所示，构造了总数为6个的通气孔216，然而，根据特定需求可以构造一个或更多的通气孔216。各通气孔216还构造有外通气孔216a及内通气孔216b，其中内通气孔216b的直径通常小于外通气孔216a的直径，这样通过通气孔216产生压力降，并且出于如下所述的目的而由此增大了气体的速度。另外，通气通路212最好构造有部分圆柱形的构造，这些圆柱形部分与通过启动夹头200延伸的通气腔210在流体上连通。此外，在本发明的一个形式中使用了总数为3个的通气通路212，然而，根据特定的需求可以应用一个或更多的通气通路212。

在工作中，向远端流过主要气体腔126的一部分工作气体流入通气孔216，以在通气腔210内产生旋流气体。然后气体从通气腔210流过通气通路212，并如前所述经过轴向通气孔130而通过吹管头排出。因此，通气孔216为气体提供了通路，以在等离子弧吹管工作期间冷却电极38。此外，由于气体从外通气孔216a流至内通气孔216b时速度增大，因此为电极38提供了附加的冷却。

较佳地，启动夹头200是模制的单件式部件，并且是非导电的或绝缘的。因此，该启动夹头200的优选材料是Delrin或是本领域公知的诸如尼龙或Vespel的其它类似的非导电材料。此外，使用本领域公知的诸如高精度加工的方法，可以通过启动夹头200辅助形成通气孔216a及216b。

现在参考图13A及图13B，电极38的中心部分206可被构造成用来提供附加的冷却，如通过电极38’(图13A)及38”(图13B)所显示的，其中如图所示，中心部分206可构造轴向槽220(图13A)或螺旋槽222(图13B)。因此，槽220及222引导及控制气体沿电极38的中心部分206通过启动夹头200排放，提供所需的附加冷却。此外，如图所示，内环208在启动夹头200内可被布置得更远，以减少旋流进入管嘴40旁的等离子腔104的等离子气体的任何向上流动。

可在高频下工作的接触启动吹管

通过先前描述的具有启动器的启动夹头可在低电压和高频两种条件下工作的各实施例，本发明人进一步发展了其中现有的接触启动吹管可在高频下工作的吹管实施例。通常，在该吹管头内的阴极体与阳极体之间提供有附加数量的电介质支座，使得高频或高电压不会透过或弧穿该绝缘体并导致该吹管失效。此外，如下面更详细描述的，任何移动元件，例如电极、管嘴和/或移动的第三元件，在低电压下基本相同地工作。

参考图14，示出了传统的接触启动吹管230，其中电极232可朝弹簧件234移动，以在电极232与管嘴236之间启动引导弧。如图所示，接触启动吹管230包括阴极体238、阳极体240以及配置在阴极体238与阳极体240之间的绝缘体242及244；其中阴极体238还包含作为动力源的负边的电极232，而阳极体240还包含作为动力源的正边的管嘴236及帽246。然而，如果高频被施加于接触启动吹管230，高压将可能弧穿阴极体238及阳极体240，多半是在用“A”标注的区域，这将可能导致接触启动吹管230失效。

现在参考图15，在传统的接触启动吹管230内构造了附加的电介质支座，其中绝缘体242及244在截面上厚得多，以便防止这种起弧及可能的吹管失效。因此，管嘴236及帽246的尺寸也增大了，以容纳如图所示为较厚的绝缘体242及244的附加电介质支座。

可在低电压下工作的高频吹管

通过先前描述的具有启动器的启动夹头可在低电压和高频两种条件下工作的各实施例，本发明人进一步发展了其中现有的高频启动吹管可在低电压下工作的吹管实施例。通常，该高频启动吹管被改进成具有一个移动元件，诸如移动的电极、移动的管嘴和/或如下面更详细描述的移动的第三元件。因此，该高频等离子弧吹管保持了高度电介质支座的构造，而该移动元件用来在低电压下拉出启动该高频等离子弧吹管的引导弧。

参考图16，示出了传统的高频启动吹管260，在共同拥有的美国专利6,163,008中显示和描述了这种吹管，其内容被包含在本文中作参考。如图所示，高频吹管260包括电介质支座，即绝缘体262，它足以经受住高频启动，然而，没有任何部件是可移动的，因此如图所示该吹管不能在低电压下工作。

现在参考图17，图示的高频吹管260具有可移动元件264，它被显示成被偏压而与电极266接触，并可逆着该偏压朝管嘴268移动，使得在电极266与管嘴268之间拉出引导弧。本领域技术人员可以理解，可移动元件264可包括可移动电极、可移动管嘴和/或可移动第三元件，例如本领域公知的在美国专利5,994,633(可移动第三元件)、4,902,871(可移动电极)及5,897,795(可移动管嘴)中所描述的可移动元件。因此，高频吹管260被改进成具有可移动元件264，使得高频吹管260可在低电压下工作。

本发明的说明仅仅用于展示，因此可以认为不背离本发明实质的变化包含在本发明的范围内。这些变化不会被认为背离了本发明的精神和范围。

Claims (66)

1、一种等离子弧吹管，包括：

电极；

管嘴；和

配置在该电极与该管嘴之间的启动夹头，该启动夹头包括与该电极电接触并与该管嘴接触的启动器，

其中当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，启动器可移动，以从该管嘴分离，并在该启动器与该管嘴之间建立引导弧，和

当该等离子弧吹管处于高频启动模式时，该启动夹头使该管嘴与该电极相间隔，使得在该电极与该管嘴之间建立引导弧。

2、根据权利要求1所述的等离子弧吹管，其中该启动夹头进一步包括：

夹头组件；

配置在该夹头组件内的偏压件；和

配置在邻接该偏压件并在该夹头组件内的启动器，

其中该偏压件偏压该启动器，使启动器与管嘴接触。

3、根据权利要求2所述的等离子弧吹管，其中该夹头组件进一步包括夹头体和固定于该夹头体的远端的管嘴座。

4、根据权利要求2所述的等离子弧吹管，其中该偏压件是螺旋弹簧。

5、一种等离子弧吹管，包括：

电极；

管嘴；和

用于接触启动模式的接触启动夹头和用于高频启动模式的高频启动夹头中的至少一个，该启动夹头配置在该电极与该管嘴之间，该接触启动夹头包括与该电极电接触并与该管嘴接触的启动器，

其中当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，启动器可移动，以从该管嘴分离，并在该启动器与该管嘴之间建立引导弧，和

当该等离子弧吹管处于高频启动模式时，该高频启动夹头使该管嘴与该电极相间隔，使得在该电极与该管嘴之间建立引导弧。

6、根据权利要求5所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括：

提供气体流以冷却该电极的多个通气孔。

7、根据权利要求6所述的等离子弧吹管，其中该通气孔进一步包括外通气孔及内通气孔，使得随着气体从外通气孔流至内通气孔该气体的速度增大。

8、根据权利要求6所述的等离子弧吹管，其中该通气孔对该高频启动夹头的中心是偏置的。

9、根据权利要求6所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括多个与该通气孔连通的通气通路，以从该启动夹头内排出气体。

10、根据权利要求5所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括内环，以隔绝通气腔与等离子腔。

11、根据权利要求5所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括：

构造有远端的夹头体；和

固定于该夹头体的该远端的管嘴座，

其中该夹头体与该电极电接触，该管嘴座使该夹头体与该管嘴绝缘。

12、根据权利要求5所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括：

夹头体；和

固定于该夹头体的远端的管嘴座，

其中该管嘴座与该管嘴电接触，该夹头体使该管嘴座与该电极绝缘。

13、一种等离子弧吹管，包括：

电极；

管嘴；和

配置在该电极与该管嘴之间的启动夹头，

其中该启动夹头使该管嘴与该电极间隔，使得当该等离子弧吹管处于高频启动模式时，在该电极与该管嘴之间建立引导弧。

14、根据权利要求13所述的等离子弧吹管，其中该启动夹头进一步包括：

提供气体流以冷却该电极的多个通气孔。

15、根据权利要求14所述的等离子弧吹管，其中该通气孔进一步包括外通气孔及内通气孔，使得随着气体从外通气孔流至内通气孔该气体的速度增大。

16、根据权利要求14所述的等离子弧吹管，其中该通气孔对该启动夹头的中心是偏置的。

17、根据权利要求14所述的等离子弧吹管，其中该启动夹头进一步包括多个与该通气孔连通的通气通路，以从该启动夹头内排出气体。

18、根据权利要求13所述的等离子弧吹管，其中该启动夹头进一步包括内环，以隔绝通气腔与等离子腔。

19、根据权利要求13所述的等离子弧吹管，其中该启动夹头进一步包括：

夹头体；和

固定于该夹头体的远端的管嘴座，

其中该夹头体与该电极电接触，该管嘴座使该夹头体与该管嘴绝缘。

20、根据权利要求13所述的等离子弧吹管，其中该启动夹头进一步包括：

夹头体；和

固定于该夹头体的远端的管嘴座，

其中该管嘴座与该管嘴电接触，该夹头体使该管嘴座与该电极绝缘。

21、一种用于高频启动等离子弧吹管的启动夹头，该启动夹头提供该等离子弧吹管中电极与管嘴之间的分离及电绝缘。

22、根据权利要求21所述的启动夹头，进一步包括提供气体流以冷却该电极的多个通气孔。

23、根据权利要求22所述的启动夹头，其中该通气孔进一步包括外通气孔及内通气孔，使得随着气体从外通气孔流至内通气孔该气体的速度增大。

24、根据权利要求22所述的启动夹头，其中该通气孔对该启动夹头的中心是偏置的。

25、根据权利要求22所述的启动夹头，其中该启动夹头进一步包括多个与该通气孔连通的通气通路，以从该启动夹头内排出气体。

26、根据权利要求21所述的启动夹头，其中该启动夹头进一步包括内环，以在等离子弧吹管内隔绝通气腔与等离子腔。

27、根据权利要求21所述的启动夹头，进一步包括：

构造有远端的夹头体；和

固定于该夹头体的该远端的管嘴座，

其中该夹头体与该电极电接触，该管嘴座使该夹头体与该管嘴绝缘。

28、根据权利要求21所述的启动夹头，进一步包括：

夹头体；和

固定于该夹头体的远端的管嘴座，

其中该管嘴座与该管嘴电接触，该夹头体使该管嘴座与该电极绝缘。

29、一种用于高频启动等离子弧吹管的启动夹头，该启动夹头提供该等离子弧吹管中电极与管嘴之间的分离及电绝缘，该启动夹头包括：

多个通气孔，

其中该通气孔提供气体流以冷却该电极。

30、根据权利要求29所述的启动夹头，其中该通气孔进一步包括外通气孔及内通气孔，使得随着气体从外通气孔流至内通气孔该气体的速度增大。

31、根据权利要求29所述的启动夹头，其中该通气孔对该启动夹头的中心是偏置的。

32、根据权利要求29所述的启动夹头，其中该启动夹头进一步包括多个与该通气孔连通的通气通路，以从该启动夹头内排出气体。

33、根据权利要求29所述的启动夹头，其中该启动夹头进一步包括内环，以在等离子弧吹管内隔绝通气腔与等离子腔。

34、一种用于高频启动等离子弧吹管的启动夹头，该启动夹头提供该等离子弧吹管中电极与管嘴之间的分离及电绝缘，该启动夹头包括：

多个限定了外通气孔和内通气孔的通气孔；和

内环，

其中该通气孔提供气体流以冷却该电极，随着气体从外通气孔流至内通气孔该气体的速度增大，内环在等离子弧吹管内隔绝通气腔与等离子腔。

35、一种等离子弧吹管，包括：

电极；

管嘴；和

配置在该电极与该管嘴之间的启动夹头，该启动夹头包括：

夹头体；

固定于该夹头体的远端的管嘴座；

配置在该夹头体内的偏压件；和

启动器，该启动器与该电极电接触，并被该偏压件所偏压而与该管嘴接触，

其中当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，该启动器可克服弹性偏压移动，以从该管嘴分离，并在该启动器与该管嘴之间建立引导弧，和

当该等离子弧吹管处于高频启动模式时，该启动夹头使该管嘴与该电极相间隔，使得在该电极与该管嘴之间建立引导弧。

36、根据权利要求35所述的等离子弧吹管，其中该偏压件是螺旋弹簧。

37、一种等离子弧吹管，包括：

电极；

管嘴；和

用于接触启动模式的接触启动夹头和用于高频启动模式的高频启动夹头中的至少一个，该启动夹头配置在该电极与该管嘴之间，该接触启动夹头包括：

夹头体；

固定于该夹头体的远端的管嘴座；

配置在该夹头体内的偏压件；和

启动器，该启动器与该电极电接触，并被该偏压件所偏压而与该管嘴接触，

其中当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，该启动器可克服弹性偏压移动，以从该管嘴分离，并在该启动器与该管嘴之间建立引导弧，和

当该等离子弧吹管处于高频启动模式时，该启动夹头使该管嘴与该电极相间隔，使得在该电极与该管嘴之间建立引导弧。

38、根据权利要求37所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括：

提供气体流以冷却该电极的多个通气孔。

39、根据权利要求38所述的等离子弧吹管，其中该通气孔进一步包括外通气孔及内通气孔，使得随着气体从外通气孔流至内通气孔该气体的速度增大。

40、根据权利要求38所述的等离子弧吹管，其中该通气孔对该高频启动夹头的中心是偏置的。

41、根据权利要求38所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括多个与该通气孔连通的通气通路，以从该启动夹头内排出该气体。

42、根据权利要求37所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括内环，以隔绝通气腔与等离子腔。

43、根据权利要求37所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括：

夹头体；和

固定于该夹头体的远端的管嘴座，

其中该夹头体与该电极电接触，该管嘴座使该夹头体与该管嘴绝缘。

44、根据权利要求37所述的等离子弧吹管，其中该高频启动夹头进一步包括：

夹头体；和

固定于该夹头体的远端的管嘴座，

其中该管嘴座与该管嘴电接触，该夹头体使该管嘴座与该电极绝缘。

45、一种等离子弧吹管，包括：

电极；

管嘴；和

用于接触启动模式的接触启动夹头和用于高频启动模式的高频启动夹头中的至少一个，该启动夹头配置在该电极与该管嘴之间，

该接触启动夹头包括：

夹头体；

固定于该夹头体的远端的管嘴座；

配置在该夹头体内的偏压件；和

启动器，该启动器与该电极电接触，并被该偏压件所偏压而与该管嘴接触；和

该高频启动夹头包括多个限定了外通气孔和内通气孔的通气孔、内环和通气通路，该通气孔和通气通路提供气体流以冷却该电极，随着气体从外通气孔流至内通气孔该气体的速度增大，内环在等离子弧吹管内隔绝通气腔与等离子腔，

其中当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，该启动器可克服弹性偏压移动，以从该管嘴分离，并在该启动器与该管嘴之间建立引导弧，和

当该等离子弧吹管处于高频启动模式时，该高频启动夹头使该管嘴与该电极相间隔，使得在该电极与该管嘴之间建立引导弧。

46、一种改进为使用高频电源工作的接触启动吹管，包括：

吹管头；

和吹管头内的阴极电连接的电极；

和吹管头内的阳极电连接的管嘴；和

电介质支座，

其中该电介质支座的尺寸使该接触启动吹管可在高频下工作。

47、根据权利要求46所述的接触启动吹管，其中该电极可相对于该管嘴移动，以在该电极与该管嘴之间启动引导弧。

48、根据权利要求46所述的接触启动吹管，其中该管嘴可相对于该电极移动，以在该电极与该管嘴之间启动引导弧。

49、根据权利要求46所述的接触启动吹管，其中该电极及该管嘴可彼此相对移动，以在该电极与该管嘴之间启动引导弧。

50、一种改进为使用高频电源工作的接触启动吹管，包括：

吹管头；

和吹管头内的阴极电连接的电极；

和吹管头内的阳极电连接的管嘴；

配置在电极和管嘴之间的可移动元件，所述可移动元件可移动以在电极和管嘴之间产生引导弧；和

配置在阴极和阳极之间的电介质支座，

其中该电介质支座的尺寸使该接触启动吹管可在高频下工作。

51、一种改进为使用低压电源工作的高频等离子弧吹管，包括：

吹管头；

和吹管头内的阴极电连接的电极；和

和吹管头内的阳极电连接的管嘴，

其中该电极和该管嘴两者中的一个是可移动的，并且该等离子弧吹管在低电压下工作。

52、一种改进为使用低压电源工作的高频等离子弧吹管，包括：

吹管头；

和吹管头内的阴极电连接的电极；

配置在该电极和该管嘴之间的可移动第三元件；和

和吹管头内的阳极电连接的管嘴，

其中该可移动第三元件可在该电极与该管嘴之间移动以形成引导弧，并且该等离子弧吹管在低电压下工作。

53、一种在等离子弧吹管中启动引导弧的方法，包括如下步骤：

在电极与管嘴之间配置包括启动器的启动夹头；

偏压该启动器使启动器与该管嘴接触；

提供气体源及电源；和

引导至少一部分气体来克服该偏压，以使该启动器从该管嘴分离，

其中当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，随着克服偏压，在该启动器与该管嘴之间拉出引导弧，和

当该等离子弧吹管处于高频启动模式，随着该启动夹头使该电极与该管嘴间隔，在该电极与该管嘴之间拉出引导弧。

54、根据权利要求53所述的方法，进一步包括：当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，通过该启动夹头排出至少一部分用于克服偏压的气体。

55、根据权利要求54所述的方法，进一步包括：从该启动夹头通过吹管头中的头部通气孔排出气体。

56、一种以接触启动模式和高频启动模式中的一个模式操作等离子弧吹管的方法，包括如下步骤：

当等离子弧吹管处于接触启动模式时在电极与管嘴之间配置包括启动器的接触启动夹头；

偏压该启动器使启动器与该管嘴接触；

提供气体源及电源；和

引导至少一部分气体来克服该偏压，以使该启动器从该管嘴分离，

其中当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，随着克服偏压，在该启动器与该管嘴之间拉出引导弧，和

当该等离子弧吹管处于高频启动模式时在电极与管嘴之间配置高频启动夹头，

其中当处于高频启动模式，随着该启动夹头使该电极与该管嘴间隔，在该电极与该管嘴之间拉出引导弧。

57、根据权利要求56所述的方法，进一步包括：当该等离子弧吹管处于接触启动模式时，通过该启动夹头排出至少一部分用于克服偏压的气体。

58、根据权利要求57所述的方法，进一步包括：从该启动夹头通过吹管头中的头部通气孔排出气体。

59、根据权利要求56所述的方法，进一步包括：在工作期间通过该启动夹头排出至少一部分气体，以冷却配置在该等离子弧吹管内的电极。

60、一种以高频模式操作等离子弧吹管的方法，包括如下步骤：

在电极与管嘴之间配置启动夹头；和

提供气体源及电源，

其中在高频启动模式下，随着该启动夹头使该电极与该管嘴间隔，在该电极与该管嘴之间拉出引导弧。

61、根据权利要求60所述的方法，进一步包括：在工作期间通过该启动夹头排出至少一部分气体，以冷却配置在该等离子弧吹管内的电极。

62、一种操作改进成在高频下工作的接触启动等离子弧吹管的方法，包括如下步骤：

在适合于高频工作的等离子弧吹管内的阴极体与阳极体之间提供合适的电介质支座；和

在高频下提供气体源及电源，

其中接触启动等离子弧吹管在高频启动模式下使用该电介质支座工作。

63、一种操作改进成在低电压下工作的高频启动等离子弧吹管的方法，包括如下步骤：

为该高频启动等离子弧吹管提供可移动元件；

在低电压下提供气体源及电源；和

移动该可移动元件，使得产生引导弧，

其中该高频启动等离子弧吹管可在低电压下工作。

64、根据权利要求63所述的方法，其中该可移动元件是电极。

65、根据权利要求63所述的方法，其中该可移动元件是管嘴。

66、根据权利要求63所述的方法，其中该可移动元件是可移动第三元件。

Images