CN103222343A - 具有新颖组装方法和增强型传热的等离子体焊炬的电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于等离子体电弧焊炬的电极，所述电极包括大体管状外壁、端壁和突出部。所述端壁接合到所述外壁的末端并且支撑大体中心区域中的发射元件。所述突出部从所述端壁的大体中心区域开始延伸并且被构造以通过可释放连接件与电极固持器连接，其中所述突出部被构造使得当所述电极与所述电极固持器连接时至少一个冷却剂通道形成在所述突出部与所述电极固持器之间。在一些实施方案中，所述可释放连接件包括螺纹连接件，其中所述突出部刻有螺纹以可释放地连接到所述电极固持器的螺纹冷却剂管。在其它实施方案中，至少一个冷却剂通道由所述螺纹连接件界定。

Description

具有新颖组装方法和增强型传热的等离子体焊炬的电极

技术领域

本发明的实施方案涉及用于等离子体电弧焊炬的电极总成，且明确来说，涉及相互固持或通过螺纹连接件固持到等离子体电弧焊炬的电极和电极固持器。此外，一些实施方案涉及具有界定的通道用于提供冷却剂到电极的电极总成。

发明背景

等离子体电弧焊炬通常用于金属加工，包括切割、焊接、表面处理、熔化和退火。这类焊炬包括电极，所述电极在转移电弧操作模式中支撑从电极延伸到工件的电弧。为了利于操作，电流通过电极以产生电弧，电弧将电极加热到高温，造成腐蚀和电极寿命的缩短。因此，传统上用等离子气体涡流围绕电弧，并且在一些焊炬设计中，等离子气体和电弧由二级流体（诸如气体或水）流围绕。

发明概要

致力于改进电极寿命和降低制造成本，本发明的实施方案提供一种具有新颖组装方法和增强型传热性质的等离子体焊炬的电极。

一个示例性实施方案是一种用于等离子体电弧焊炬的电极，所述电极包括大体管状外壁、端壁和突出部。所述端壁接合到所述外壁的末端并且支撑所述端壁的大体中心区域中的发射元件。所述突出部从所述端壁的大体中心区域开始延伸并且被构造以通过可释放连接件与电极固持器连接，其中所述突出部被构造使得当所述电极与所述电极固持器连接时至少一个冷却剂通道形成在所述突出部与所述电极固持器之间。在一些实施方案中，所述可释放连接件可包括螺纹连接件，且所述突出部可刻有螺纹以使所述突出部可释放地连接到所述电极固持器的螺纹冷却剂管。在其它实施方案中，至少一个冷却剂通道可由所述螺纹连接件界定。

本发明的另一实施方案是一种等离子体电弧焊炬，其包括焊炬主体、支撑在所述焊炬主体一端的邻近处的喷嘴、电极和电极固持器。所述电极固持器由所述焊炬主体支撑并且被构造以提供冷却剂通过所述电极固持器的内部。所述电极包括支撑发射元件的端壁和从所述端壁的大体中心区域开始延伸的突出部。所述突出部通过可释放连接件连接到所述电极固持器，其中至少一个冷却剂通道形成在所述突出部与所述电极固持器之间。所述至少一个冷却剂通道容许冷却剂流动穿过其并且接触在所述电极的端壁上。在一些实施方案中，所述可释放连接件包括螺纹连接件，且所述突出部可刻有螺纹以可释放地连接到所述电极固持器的螺纹冷却剂管。在其它实施方案中，所述至少一个冷却剂通道由所述螺纹连接件界定。

本发明的其它实施方案包括一种用于等离子体电弧焊炬的电极总成。所述电极总成包括电极和电极固持器。所述电极包括：大体管状外壁；端壁，其接合到所述外壁的末端并且支撑所述端壁的大体中心区域中的发射元件；和突出部，其从所述端壁的大体中心区域开始延伸。所述电极固持器通过可释放连接件连接到所述电极，且包括：内冷却剂管，其用于提供冷却剂到所述电极；和外冷却剂管，其围绕所述内冷却剂管用于经由所述内冷却剂管与所述外冷却剂管之间的空间而从所述电极移除冷却剂。所述电极的突出部被构造以通过可释放连接件与所述电极固持器的内冷却剂管连接，且当所述电极与所述电极固持器连接时，至少一个冷却剂通道形成在所述电极的突出部与所述电极固持器的内冷却剂管之间。在一些实施方案中，所述可释放连接件包括螺纹连接件，且所述突出部可刻有螺纹以使所述突出部可释放地连接到所述电极固持器的螺纹冷却剂管。在其它实施方案中，所述至少一个冷却剂通道由所述螺纹连接件界定。

本发明的另一实施方案是一种用于冷却等离子体电弧焊炬中的电极的方法，其包括以下步骤：通过电极与电极固持器之间的可释放连接件将所述电极连接到所述电极固持器。所述电极具有支撑发射元件的端壁和从所述端壁的大体中心区域开始延伸的突出部，其中所述突出部被构造以通过所述可释放连接件与所述电极固持器连接。所述方法还包括提供冷却剂通过所述电极固持器的冷却剂管并且通过由所述可释放连接件界定的至少一个冷却剂通道使得所述电极的端壁被所述冷却剂接触。

附图简述

因此已经概括地描述本发明，现将参考不必需按规定比例绘制的附图，且其中：

图1是图示如先前技术中使用的电极总成的传统保护气体等离子体电弧焊炬的横截面侧视图；

图2是沿着图1的不同截面截取以图示冷却剂流动穿过其间的焊炬的横截面侧视图；

图3是如图1中所见的焊炬的下部的放大横截面图，且其图示了传统电极总成；

图4是根据本文讨论的一些实施方案图示电极总成的一个示例性实施方案的等离子体电弧焊炬的下部的放大横截面图；

图5是根据本文讨论的一些实施方案的图4的电极总成的横截面图；

图6是根据本文讨论的一些实施方案的图4的电极总成的下部的放大横截面图；

图7是根据本文讨论的一些实施方案的图4的电极总成的电极的放大横截面图；

图7A是根据本文讨论的一些实施方案的图7的电极的透视图；

图8是根据本文讨论的一些实施方案的图4的电极总成的电极固持器的下部的放大横截面图；

图9是根据本文讨论的一些实施方案的电极总成的另一示例性实施方案的下部的放大横截面图；

图10是根据本文讨论的一些实施方案的图9的电极总成的电极的放大横截面图；

图10A是根据本文讨论的一些实施方案的图10的电极的透视图；

图11是根据本文讨论的一些实施方案的图9的电极总成的电极固持器的下部的放大横截面图；

图12是根据本文讨论的一些实施方案的电极总成的另一实施方案的下部的放大横截面图；

图13是根据本文讨论的一些实施方案的图12的电极总成的电极的放大横截面图；

图13A是根据本文讨论的一些实施方案的图13的电极的透视图；

图14是根据本文讨论的一些实施方案的图12的电极总成的电极固持器的放大横截面图；和

图15是根据本文讨论的一些实施方案的电极总成的另一实施方案的横截面图。

具体实施方式

下文现将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的一些但非全部实施方案。事实上，这些发明可以呈许多不同形式来具体实施并且不应被解释为受限于本文所述的实施方案；更确切地说，提供这些实施方案使得本公开内容将满足适用的法律需求。各处相同数字是指相同元件。

等离子体电弧焊炬通常使用包括长形管状部件的电极，所述长形管状部件由具有高导热性的材料（例如铜、铜合金、银等）组成。管状电极的前端或放电端包括支撑电弧的底部端壁，所述底部端壁具有嵌入其中的发射元件。电极的相对端通过可释放连接件（例如螺纹连接件）将焊炬中的电池固持到电极固持器。电极固持器通常是在固持有电极的端部的相对端通过螺纹连接件固持到焊炬主体的长形结构。电极固持器和电极界定螺纹连接件用于将电极固持到电极固持器。

电极的发射元件由具有相对较低功函的材料组成，其在本领域中界定为以电子伏特(eV)测量的电位梯级，其促进在给定温度下从金属表面的热离子发射。考虑到这个低功函，因此元件能够在电位施加到其时易于发射电子。通常使用的发射材料包括铪、锆、钨和其合金。

喷嘴围绕电极的放电端并且提供用于将电弧导引向工件的路径。为了在有规则的、转移电弧操作期间确保电弧是通过喷嘴而不是从喷嘴表面发出，电极和喷嘴维持在相对于彼此不同的电位。因此，重要的是使喷嘴与电极电分离，且这通常通过在组件之间维持预定实体间隙来实现。界定间隙的体积最具代表性的是由流动空气或焊炬操作中使用的某种其它气体来填充。

由等离子体电弧产生的热量很多。受到最强烈加热的焊炬组件是电极。为了提高等离子体电弧焊炬的使用寿命，通常需要使焊炬的各个组件维持在最低可能的温度而不管这类生热。在一些焊炬中，通道或孔形成穿过电极固持器，且冷却剂（诸如水）流通所述通道来内冷却电极。

即使在水冷却的情况下，电极的寿命期限有限，且被视为消耗零件。因此，在正常操作过程中，焊炬操作员必须通过首先移除喷嘴且接着从电极固持器解开电极来周期性地更换耗损电极。接着将新电极螺合到电极固持器上并且重新安装喷嘴，使得等离子体电弧焊炬可重新开始操作。

对电极设计的其它考虑包括对电极固持器与电极之间的螺纹连接件的限制。举例而言，螺纹连接件必须在结构上足够坚固以将电极牢固地固持到电极固持器。此外，相当大的电流通过电极固持器到电极，在一些情况中是高达1,000安培的切割电流。因此，螺纹连接件应该在电极与电极固持器之间提供足够的接触表面积以容许这个电流通过。最后，制造电极的成本应尽可能小，尤其因为电极是经常更换的消耗零件。

因此，需要通过更多提供冷却剂的有效方式来提高电极的使用寿命，同时维持电极和电极固持器的低制造成本。

关于图1至图3的以下讨论描述受益于本发明的先前技术等离子体电弧焊炬。图4中图示了使用根据本发明的一些实施方案的电极和电极固持器的等离子体电弧焊炬300。因此，关于图4至图15更详细地描述了本发明的实施方案。

图1至图3示出先前技术等离子体电弧焊炬10。焊炬10是保护气体焊炬，其在焊炬的工作操作模式期间围绕电弧提供保护气体的涡流幕或喷雾。焊炬10包括：大体圆柱形的上或后绝缘体12，其可由灌注化合物或类似物形成；大体圆柱形焊炬主体14，其连接到后绝缘体12且大体由导电材料（诸如金属）制成；大体圆柱形下或前绝缘体16，其连接到焊炬主体14；电极固持器总成18，其延伸通过焊炬主体14和前绝缘体16并且在所述电极固持器总成的自由端支撑电极20；和喷嘴总成22，其连接到邻近电极20的绝缘体16。

等离子气体连接器管24延伸通过后绝缘体12并且通过螺纹（未示出）连接到焊炬主体14的等离子气体通道26中。等离子气体通道26延伸通过焊炬主体14到其下端面28用于供应等离子气体（有时被称为切割气体）（诸如氧气、空气、氮或氩）到绝缘体16中的对应通道。

保护气体连接器管30延伸通过后绝缘体12并且通过螺纹连接到焊炬主体14的保护气体通道32中。保护气体通道32延伸通过焊炬主体14到下端面28用于供应保护气体（诸如氩或空气）到绝缘体16中的对应通道。

绝缘体16具有上端面34，其邻接焊炬主体的下端面28。等离子气体通道36从上端面34延伸通过绝缘体16到绝缘体16的下端面中的圆柱形扩孔38中。如下文进一步描述，扩孔38与喷嘴总成22的上端一起形成等离子气体腔室40，等离子气体从等离子气体腔室40供应到焊炬的主要喷嘴或等离子气体喷嘴。这样，来自适当源的等离子气体通过流动穿过等离子气体连接器管24、穿过焊炬主体14中的等离子气体通道26、进入与通道26对齐的绝缘体16的等离子气体通道36中、并且进入腔室40而进入等离子气体腔室40。

图示为两件式喷嘴总成22的喷嘴包括上喷嘴部件42，其具有滑动地容纳在金属***件套管44内的大体圆柱形上部，金属***件套管44***到绝缘体16的扩孔38中。O环46密封上喷嘴部件42与金属***件套管44之间的滑动互连件。呈大体截头圆锥体形式的下喷嘴尖端48也形成喷嘴总成22的一部分，且其螺合到上喷嘴部件42中。下喷嘴尖端48在其尖端包括喷嘴出口孔50。下喷嘴尖端48和上喷嘴部件42可替代地形成为一个单件式喷嘴。在任意构造中，喷嘴将等离子气体从较大末端开口49导引到出口孔50。因此，等离子气体流径存在于从等离子气体腔室40到喷嘴腔室41的路径中，用于将等离子气体喷雾导引出喷嘴出口孔50以有助于对工件执行工作操作。

等离子气体喷雾优选具有用已知方式由部分布置在绝缘体16的扩孔凹部54中的空心圆柱形陶瓷气体挡板52形成的旋涡形分量。挡板52的下端邻接上喷嘴部件42的环形凸缘面。挡板52具有非径向孔（未示出），用于以旋涡分速度将等离子气体从等离子气体腔室40导引到喷嘴腔室41的下部中。

电极固持器总成18包括管状电极固持器56，管状电极固持器56的上端通过螺纹11连接在焊炬主体14的轴向盲孔58内。电极固持器56略有消耗，但通常不如电极本身，且因此电极固持器和轴向钻孔58还可提供有如下描述根据本发明的螺纹连接件。电极固持器56的上端延伸通过轴向钻孔60，轴向钻孔60穿过绝缘体16形成，且电极固持器56的下端包括放大的内部螺合耦合件62，内部螺合耦合件62的内径略微小于套在耦合件62上的陶瓷气体挡板52的内径。电极固持器56还包括在耦合件62上方间隔的内部螺纹用于螺纹地接收冷却剂管64，冷却剂管64供应冷却剂到电极20（如下文进一步描述）且其从绝缘体16的轴向钻孔向外延伸到电极20的中心通道中。为了防止冷却剂管64和电极固持器56的不适当分解或重新组装，这些个体之间的螺纹连接件可在制造期间被粘结或否则牢固在一起以形成不可分离的电极固持器总成18。电极20可以是美国专利第5,097,111号中描述的类型，所述专利受让给本申请的受让人且以引用的方式并入本文中。

电极20包括杯形主体，其敞开的上端通过螺纹63螺合到电极固持器56下端的耦合件62，且其盖帽下端紧密邻近于冷却剂管64的下端。在电极20壁的内表面与冷却剂管64壁的外表面之间并且在冷却剂管64壁的外表面与电极固持器56壁的内表面之间存在冷却剂循环空间。电极固持器56包括多个孔66用于从电极固持器内的空间供应冷却剂到电极固持器与绝缘体16中的轴向钻孔60的内壁之间的空间68。位于孔66与耦合件62之间的密封件69抵靠钻孔60的内壁密封以防止空间68中的冷却剂流动穿过密封件69朝向耦合件62。电极固持器56外表面上凸起的环形肋条或阻障物71位于不同于密封件69的孔66的另一侧上，下文将显而易知其原因。冷却剂供应通道70（图2）从穿过绝缘体16的圆柱形外表面的空间68延伸穿过绝缘体用于供应冷却剂到喷嘴总成22，如下文进一步描述。

在焊炬10的启动期间，在电极20与喷嘴尖端48之间建立电压电位差使得跨过其间隙形成电弧。接着，等离子气体流动穿过喷嘴总成22且电弧从喷嘴出口孔50向外吹制直到其附接到工件，在附接点喷嘴总成22与电源分离使得电弧存在于电极20与工件之间。接着，焊炬处于工作操作模式中。

为了控制执行的工作操作，已知使用控制流体（诸如保护气体）来以旋涡形气幕围绕电弧。为这个目的，绝缘体16包括保护气体通道72，其从上端面34轴向延伸到绝缘体中且接着向外转向并且延伸通过绝缘体的圆柱形外表面。喷嘴固定杯总成74围绕绝缘体16以在绝缘体16与喷嘴固定杯总成74之间建立大体环形的保护气体腔室76。保护气体通过绝缘体16的保护气体通道72被供应到保护气体腔室中76。

喷嘴固定杯总成74包括喷嘴固定杯固持器78和喷嘴固定杯80，喷嘴固定杯80通过扣环81或类似物牢固在固持器78内。喷嘴固定杯固持器78是大体圆柱形的套管，优选地由金属形成，其螺合在围绕焊炬主体14的焊炬外壳82的下端上。绝缘材料84***在外壳82与焊炬主体14之间。喷嘴固定杯80优选地由塑料形成，并且具有通过扣环81牢固在杯固持器78内的大体圆柱形上部和延伸朝向焊炬端部并且包括向内导向的凸缘86的大体截头圆锥形下端。凸缘86面对上喷嘴部件42上向外导向的凸缘88并且接触布置在其间的O环90。因此，在将喷嘴固定杯总成74螺合到外壳82时，喷嘴固定杯80向上牵拉喷嘴总成22使其进入绝缘体16中的金属***件套管44中。由此使喷嘴总成22接触牢固在绝缘体16的扩孔38内的电接触环。在共同拥有的美国专利第6,215,090号中可找到焊炬内电连接件的更多细节，所述专利全文以引用方式并入本文中。

喷嘴固定杯80宽松地安装在杯固持器78内且在其外表面中包括纵向凹槽92用于使保护气体从腔室76流动朝向焊炬端部。或者或此外，凹槽（未示出）可形成在杯固持器78的内表面中。呈大体截头圆锥形的保护气体杯94同心地围绕下喷嘴尖端48且与其向外间隔，并且由螺合在杯固持器78的下端上的保护罩固持器96固持。因此，保护气体流径98从固定杯80中的纵向凹槽92延伸在保护罩固持器96和固定杯80与上喷嘴部件42之间，且在保护气体杯94与下喷嘴尖端48之间。

保护气体杯94包括扩散器100，其以已知方式使流入保护气体杯94与下喷嘴尖端48之间的保护气体呈旋涡状。因此，围绕等离子气体喷雾和源自喷嘴出口孔50的电弧产生保护气体旋涡幕。

主要参考图2，现描述用于冷却电极20和喷嘴总成22的冷却剂回路。焊炬10包括冷却剂入口连接器管112，其延伸通过后绝缘体12并且牢固在焊炬主体14中的冷却剂入口通道114内。冷却剂入口通道114连接到焊炬主体中的中心轴线钻孔58。因此，冷却剂被供应到钻孔58中且从此穿过电极固持器56进入内部通道、穿过冷却剂管64的内部通道并且进入管64与电极20之间的空间中。热量从电极（电弧源自其）下端传送到液体冷却剂（通常是水或防冻剂），且接着液体流动穿过冷却剂管64下端与电极20之间的通道并且向上穿过冷却剂管64与电极20之间的环形空间中，且接着进入冷却剂管64与电极固持器18之间的环形空间中。

接着冷却剂通过孔66流出到空间68中并且进入穿过绝缘体16的通道70中。密封件69防止空间68中的冷却剂流动朝向固持器56下端的耦合件62，且阻障物71大致防止冷却剂在其它方向流动穿过阻障物71，但在阻障物71与钻孔60的内壁之间不存在绝对密封。因此，空间68中的冷却剂主要被迫流动到通道70中。绝缘体16包括凹槽或平坦部116，其容许冷却剂从绝缘体16与喷嘴固定杯80之间的通道70流动并且进入围绕上喷嘴部件42的冷却剂腔室118中。冷却剂在上喷嘴部件42周围流动以冷却喷嘴总成。

冷却剂经由从部分116有角度地移位的第二凹槽或平坦部120而从喷嘴总成回流并且进入绝缘体16中的冷却剂回流通道122中。冷却剂回流通道122延伸到轴向钻孔60的一部分中，轴向钻孔60通过阻障物71与冷却剂供应通道70分离。接着冷却剂在电极固持器56与钻孔60的内壁和焊炬主体14的钻孔58之间流动进入与形成在焊炬主体14中的冷却剂回流通道128连接的环形空间126，并且经由牢固在其中的冷却剂回流连接器管130流出冷却剂回流通道128。通常，回流的冷却剂在被冷却之后呈闭合回路循环回到焊炬。

在使用时并且参考图1，电位源210的一端（通常是阴极端）连接到焊炬主体12并且与电极20电连接，且源210的另一端（通常是阳极端）通过开关212和电阻器214连接到喷嘴总成22。阳极端还与工件216并行连接，且其间未***电阻器。跨过电极和喷嘴总成施加高压和高频造成跨过其间的间隙邻近于等离子气体喷嘴放电端建立电弧。等离子气体流动穿过喷嘴总成以通过喷嘴放电端向外吹制导向电弧直到电弧附接到工件。接着断开将电位源连接到喷嘴总成的开关212，且焊炬处于转移电弧模式用于对工件执行工作操作。在转移电弧模式中供应到焊炬的电力增加以产生切割电弧，其电流高于导向电弧的电流。

图4至图15图示了本发明的示例性实施方案。图4示出了等离子体电弧焊炬300的一个示例性实施方案，其包括电极固持器总成318和新的螺纹连接件。电极固持器总成318包括电极固持器356和电极320。虽然本文说明了使用高频率导向信号来启动电弧的焊炬，但根据本发明的电极和电极固持器还可与逆吹型焊炬连用。

参考图4至图6，电极固持器356呈管状且包括通过螺纹11连接在焊炬主体的轴向盲孔内的上端（如上所述）和连接到电极320的下端。电极固持器356包括内冷却剂管352和外冷却剂管354。内冷却剂管352供应冷却剂到电极320。外冷却剂管354大体呈管状并且环形围绕内冷却剂管352。外冷却剂管354被构造以从电极320移除冷却剂。电极固持器356可由多种不同导电性材料形成，但在一个实施方案中，电极固持器356由黄铜或黄铜合金制成。

图7中以横截面图且图7A中以透视图示出的电极320大体呈杯形。在描绘的实施方案中，电极320包括外壁335、端壁330和突出部325。外壁335大体呈管状且参考图6，可被构造以与电极固持器356接合使得外通道337形成在内冷却剂管352的外表面与外壁335的内表面之间，从而容许冷却剂穿过外通道337到达外冷却剂管354。端壁330接合到外壁335的末端并且支撑端壁330的大体中心区域中的发射元件332。突出部325从端壁330的大体中心区域开始延伸并且被构造以通过可释放连接件（诸如描绘的实施方案中所示的螺纹连接件）而与电极固持器356连接。电极320可由多种不同导电性材料形成，但在一个实施方案中，电极320包括由铜或铜合金制成的主体。

参考图6和图7，螺纹310将电极320牢固到电极固持器356。在描绘的实施方案中，电极固持器356的内冷却剂管352具有形成于其中且在内冷却剂管352的内表面上的母螺纹部317。电极320的突出部325具有形成于其上的在突出部325的外表面上的公螺纹部319。图8中所示的母螺纹部317可以形成在内冷却剂管352的下端上并且被构造以可释放地接收突出部325的公螺纹部319。公螺纹部319可包括被构造为任何螺纹类型的螺纹310，诸如如美国专利第7,081,597号中描绘的公制螺纹、统一标准螺纹、英国标准管道螺纹、惠氏螺纹或具有梯形轮廓的螺纹，所述专利受让给本发明的受让人且以引用方式并入本文中。母螺纹部317也可以被构造有螺纹轮廓以用被构造成任何螺纹类型的螺纹310（诸如上文列举的那些螺纹）匹配公螺纹部319。

在一些实施方案中，突出部325还可被构造使得在电极320连接到电极固持器356时至少一个冷却剂通道360形成在突出部325与电极固持器356之间。在描绘的实施方案中，公螺纹部319和母螺纹部317被构造有螺纹310之间的额外空间，使得冷却剂可在螺纹310之间流动。特定来说，如图6中所示，额外空间可在突出部325与电极固持器356的内冷却剂管352之间形成至少一个冷却剂通道360。在描绘的实施方案中，冷却剂通道360包括在突出部325上的公螺纹部319的螺纹轮廓与内冷却剂管352上的母螺纹部317的螺纹轮廓之间螺旋形延伸的空间。因此，冷却剂从内冷却剂管352进入冷却剂通道360，在螺纹内围绕冷却剂通道360螺旋并且流出冷却剂通道360以接触端壁330。接着冷却剂流动到外通道337中并且通过外冷却剂管354离开电极320。在电极总成318的螺纹连接件之后的这些新冷却剂通道360容许冷却剂流动以接触电极的内表面达更多时间，相对于图1至图3中所示的电极而言。此外，可实现较高冷却剂速度，这将改进从电极到冷却剂的对流传热。最终结果应增强电极320的冷却，这接着应延长电极320的寿命。

在描述的实施方案中，电极固持器356的内冷却剂管352包括大体朝向电极320延伸的底端353。电极总成318的不同构造会需要内冷却剂管352的底端353相对于电极320适当定位以使等离子气体焊炬正确运行。举例而言，在一些实施方案中，开口363可被构造以容许冷却剂从冷却剂通道360流动到形成在内冷却剂管352与电极320的外壁335之间的外通道337，从而容许冷却剂最终通过外冷却剂管354而从电极320被移除。在描绘的实施方案中，开口363被构造为内冷却剂管352的底端353与电极320的端壁330之间的额外空间。在一些实施方案中，这可通过将母螺纹部317构造为仅部分向上延伸内冷却剂管352的下端使得突出部325可被螺合到母螺纹部317中仅达特定距离、确保形成开口363来实现。或者或此外，止挡件（未示出）可定位在母螺纹部317内以防止突出部325的公螺纹部319前进超过特定点（即止挡件的位置），由此确保形成开口363。

或者或此外，在其它实施方案中，开口363可在内冷却剂管352中包括狭槽（未示出），其将冷却剂通道360连接到外通道337。狭槽可被构造为邻近于冷却剂通道360的底部，使得冷却剂流动穿过整个冷却剂通道360、流出狭槽、进入外通道337中且向上通过外冷却剂管354。在一些实施方案中，狭槽可容许冷却剂以较大速度流动穿过电极总成318、改进对流传热并且延长电极320的寿命。

图9至图11示出了本发明的另一实施方案，其中电极总成418使用双头螺纹用于电极420与电极固持器456之间的可释放连接。但是，电极总成418可以类似于如以上关于图4至图8所述的电极总成318，以及如本文所述的本发明的其它实施方案的方式用于等离子体电弧焊炬。

在图9所描述的实施方案中，电极总成418包括电极420和电极固持器456。电极420包括具有公螺纹部419的突出部425，公螺纹部419由形成双头螺纹的螺纹410界定。电极固持器456包括具有母螺纹部417的内冷却剂管452，母螺纹部417被构造有匹配公螺纹部419的双头螺纹的螺纹轮廓以容许可释放连接。此外，类似于电极总成318的公螺纹部319和母螺纹部317，公螺纹部419和母螺纹部417的螺纹轮廓还可形成至少一个冷却剂通道460。在描绘的实施方案中，电极总成418包括两个冷却剂通道460和460’，其由于双头螺纹的螺纹轮廓而分开形成。这样，在一些实施方案中，冷却剂可穿过冷却剂通道460、460’流出各自开口463、463’并且通过外冷却剂通道454流出电极420。在描绘的实施方案中，开口463、463’包括形成在内冷却剂管452中的狭槽。

图12至图14示出本发明的另一实施方案，其中电极总成518包括电极520和电极固持器556，电极固持器556在内冷却剂管552的外表面与突出部525的内表面之间具有螺纹连接件。电极总成518还可以类似于如以上关于图4至图8所述的电极总成318，以及如本文所述的本发明的其它实施方案的方式用于等离子体电弧焊炬。

参考图12，电极520包括具有母螺纹部517的环形突出部525。电极固持器556包括具有公螺纹部519的内冷却剂管552，公螺纹部519包括螺纹510。公螺纹部519和对应母螺纹部517的螺纹轮廓可以是任何螺纹类型，诸如双头螺纹、公制螺纹、统一标准螺纹、英国标准管道螺纹、惠氏螺纹或具有梯形轮廓的螺纹。

在描绘的实施方案中，内冷却剂管552和突出部525的中心钻孔界定内通道536，其被构造以容许冷却剂流动到电极520。在一些实施方案中，内通道536界定直接定位在端壁530上方的贮液器和包含在端壁530内的发射元件532。因此，贮液器中的冷却剂将直接接触电极520的最高温度部分（即接近发射元件532的部分）。

此外，在描绘的实施方案中，电极520还包括至少一条通道或狭槽576。狭槽576的一端将内通道536连接到界定在突出部525与外壁535之间的外通道537。因此，狭槽576容许冷却剂从内通道536流动到外通道537，使得冷却剂可最终通过电极固持器556的外冷却剂管554流出电极。

图15示出具有电极固持器656和附接电极620的电极总成618的另一实施方案。在描绘的实施方案中，电极620包括延伸穿过突出部625的管状外壁635。冷却剂可流动穿过电极固持器656的内冷却剂管652并且围绕突出部625流动以冷却电极620，如以上各个实施方案中所描绘。此外，冷却剂可在内冷却剂管652的外表面与外壁635的内表面之间流动到外冷却剂管654用于从电极620移除。

本发明的另一实施方案包括一种用于冷却等离子体电弧焊炬中的电极的方法，其包括如本文描述通过本发明的各个实施方案提供冷却剂到电极。特定来说，所述方法可包括以下步骤：通过电极与电极固持器之间的可释放连接件将电极连接到电极固持器，电极具有支撑发射元件的端壁和从端壁的大体中心区域开始延伸的突出部，突出部被构造以通过可释放连接件与电极固持器连接。所述方法还可包括提供冷却剂通过电极固持器的冷却剂管并且通过由可释放连接件界定的至少一个冷却剂通道，使得电极的端壁被冷却剂接触。在一些实施方案中，所述方法还可包括通过邻近于冷却剂通道的至少一个狭槽来从至少一个冷却剂通道移除冷却剂。所述方法还可进一步包括通过界定在电极固持器中的外冷却剂管来从电极移除冷却剂。在其它实施方案中，提供冷却剂通过至少一个冷却剂通道的步骤包括使冷却剂穿过在电极主体的突出部上的螺纹轮廓与电极固持器的冷却剂管上的螺纹轮廓之间螺旋形延伸的空间。

如本文描述的本发明的实施方案解决了可释放连接件和电极冷却方法的传热问题。特定来说，一些实施方案使用形成在电极的螺纹轮廓与电极固持器的内冷却剂管之间的冷却通道来提高冷却剂流动速度并且增大用于电极与冷却剂之间的传热的表面积。本文描述的其它实施方案还有利地使用狭槽以利于冷却剂流动。事实上，已经示出冷却剂通道和狭槽的组合会提高流动速度达三倍。因此，本发明的实施方案通过提高流动速度并且增大与冷却剂相互作用的电极的表面积来改进传热，从而提高等离子体电弧焊炬中电极的使用寿命。

受益于前述描述和相关附图中呈现的教导，这些发明所属领域的技术人员将了解本文所述的发明的许多修改和其它实施方案。因此，将了解本发明不限于公开的特定实施方案且本文中意欲包括这些修改和其它实施方案。虽然本文使用特定术语，但这些术语仅用于一般目的和描述目的而非限制目的。

Claims (29)

1.一种用于等离子体电弧焊炬的电极，所述电极包括：

大体管状外壁；

端壁，其接合到所述外壁的末端并且支撑所述端壁的大体中心区域中的发射元件；和

突出部，其从所述端壁的所述大体中心区域开始延伸并且被构造以通过可释放连接件与电极固持器连接，其中所述突出部被构造使得当所述电极与所述电极固持器连接时至少一个冷却剂通道形成在所述突出部与所述电极固持器之间。

2.根据权利要求1所述的电极，其中所述可释放连接件包括螺纹连接件，所述突出部刻有螺纹以使所述突出部可释放地连接到电极固持器的螺纹冷却剂管。

3.根据权利要求2所述的电极，其中至少一个冷却剂通道由所述螺纹连接件界定。

4.根据权利要求2所述的电极，其中所述外壁的近端被构造以与所述电极固持器的外冷却剂管匹配使得所述外壁界定外通道，所述外通道被构造以从所述电极移除冷却剂到所述电极固持器的所述外冷却剂管。

5.根据权利要求2所述的电极，其中所述螺纹连接件被构造为双头螺纹、公制螺纹、统一标准螺纹、英国标准管道螺纹、惠氏螺纹和具有梯形轮廓的螺纹中的一个。

6.根据权利要求3所述的电极，其中所述至少一个冷却剂通道包括在所述电极的所述突出部上的螺纹轮廓与所述电极固持器的所述冷却剂管上的螺纹轮廓之间螺旋形延伸的空间。

7.根据权利要求2所述的电极，其中所述突出部的外表面的至少一部分被构造以通过所述螺纹连接件与所述电极固持器的所述冷却剂管连接。

8.根据权利要求7所述的电极，其中所述突出部还被构造使得当所述电极连接到所述电极固持器时在所述端壁与所述电极固持器的所述冷却剂管之间形成间隙。

9.根据权利要求2所述的电极，其中所述突出部是环形且包括内表面，且其中所述突出部的所述内表面的至少一部分被构造以通过所述螺纹连接件与所述电极固持器的所述冷却剂管连接。

10.根据权利要求9所述的电极，其中所述电极包括由所述突出部界定的内通道和界定在所述突出部与所述外壁之间的外通道，且其中所述突出部还被构造有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽将所述内通道连接到所述外通道。

11.一种等离子体电弧焊炬，其包括：

焊炬主体；

喷嘴，其被支撑在所述焊炬主体一端的邻近处；

电极固持器，其由所述焊炬主体支撑并且被构造以提供冷却剂通过所述电极固持器的内部；和

电极，其具有支撑发射元件的端壁和从所述端壁的大体中心区域开始延伸的突出部，所述突出部通过可释放连接件与电极固持器连接，其中至少一个冷却剂通道形成在所述突出部与所述电极固持器之间，所述至少一个冷却剂通道容许冷却剂流动穿过其并且接触在所述电极的所述端壁上。

12.根据权利要求11所述的等离子体电弧焊炬，其中所述可释放连接件包括螺纹连接件，所述突出部刻有螺纹以使所述突出部可释放地连接到所述电极固持器的螺纹冷却剂管。

13.根据权利要求12所述的等离子体电弧焊炬，其中所述至少一个冷却剂通道由所述螺纹连接件界定。

14.根据权利要求11所述的等离子体电弧焊炬，其中所述电极固持器包括内冷却剂管和外冷却剂管，其中所述内冷却剂管与所述突出部可释放地连接且被构造以提供冷却剂到所述电极，且其中所述外冷却剂管被构造以从所述电极移除冷却剂。

15.根据权利要求14所述的等离子体电弧焊炬，其中所述电极固持器还包括位于所述至少一个冷却剂通道邻近处的至少一个狭槽使得冷却剂可以从所述冷却剂通道流动通过所述至少一个狭槽到达所述外冷却剂管。

16.根据权利要求15所述的等离子体电弧焊炬，其中所述至少一个冷却剂通道具有冷却剂进入的近端和冷却剂流出的末端，且其中所述至少一个狭槽位于所述冷却剂通道的所述末端邻近处。

17.根据权利要求12所述的等离子体电弧焊炬，其中所述螺纹连接件被构造为双头螺纹、公制螺纹、统一标准螺纹、英国标准管道螺纹、惠氏螺纹和具有梯形轮廓的螺纹中的一个。

18.根据权利要求12所述的等离子体电弧焊炬，其中所述至少一个冷却剂通道包括在所述电极的所述突出部上的螺纹轮廓与所述电极固持器的所述冷却剂管上的螺纹轮廓之间螺旋形延伸的空间。

19.根据权利要求14所述的等离子体电弧焊炬，其中所述可释放连接件处于所述突出部的外表面的至少一部分与所述内冷却剂管的内表面的至少一部分之间。

20.根据权利要求14所述的等离子体电弧焊炬，其中所述内冷却剂管包括面向所述电极的底端，且其中所述内冷却剂管被构造以当所述电极固持器连接到所述电极时在所述底端与所述电极的所述端壁之间提供空间。

21.根据权利要求12所述的等离子体电弧焊炬，其中所述突出部是环形且包括内表面，且其中所述突出部的所述内表面的至少一部分被构造以通过所述螺纹连接件与所述电极固持器的所述冷却剂管连接。

22.根据权利要求21所述的等离子体电弧焊炬，其中所述电极包括由所述突出部界定的内通道和界定在所述突出部与所述外壁之间的外通道，且其中所述突出部还被构造有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽将所述内通道连接到所述外通道。

23.一种用于冷却等离子体电弧焊炬中的电极的方法，其包括以下步骤：

通过电极与电极固持器之间的可释放连接件将所述电极连接到所述电极固持器，所述电极具有支撑发射元件的端壁和从所述端壁的大体中心区域开始延伸的突出部，所述突出部被构造以通过所述可释放连接件与所述电极固持器连接；和

提供冷却剂通过所述电极固持器的冷却剂管并且通过由所述可释放连接件界定的至少一个冷却剂通道使得所述电极的所述端壁被所述冷却剂接触。

24.根据权利要求23所述的方法，其还包括通过邻近于所述冷却剂通道的至少一个狭槽来从所述至少一个冷却剂通道移除冷却剂。

25.根据权利要求24所述的方法，其还包括通过界定在所述电极固持器中的外冷却剂管来从所述电极移除冷却剂。

26.根据权利要求23所述的方法，其中提供冷却剂通过所述至少一个冷却剂通道的所述步骤包括使冷却剂穿过在所述电极主体的所述突出部上的螺纹轮廓与所述电极固持器的所述冷却剂管上的螺纹轮廓之间螺旋形延伸的空间。

27.一种用于等离子体电弧焊炬的电极总成，其包括：

电极，其包括：

大体管状外壁；

端壁，其接合到所述外壁的末端并且支撑所述端壁的大体中心区域中的发射元件；和

突出部，其从所述端壁的所述大体中心区域开始延伸；和

电极固持器，其通过可释放连接件连接到所述电极，所述电极固持器包括：

内冷却剂管，其用于提供冷却剂到所述电极；和

外冷却剂管，其围绕所述内冷却剂管用于经由所述内冷却剂管与所述外冷却剂管之间的空间而从所述电极移除冷却剂；

其中所述电极的所述突出部被构造以通过可释放连接件与所述电极固持器的所述内冷却剂管连接，其中当所述电极与所述电极固持器连接时，至少一个冷却剂通道形成在所述电极的所述突出部与所述电极固持器的所述内冷却剂管之间。

28.根据权利要求27所述的电极总成，其中所述可释放连接件包括螺纹连接件，所述突出部刻有螺纹以使所述突出部可释放地连接到所述电极固持器的螺纹冷却剂管。

29.根据权利要求28所述的电极总成，其中所述至少一个冷却剂通道由所述螺纹连接件界定。

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