PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA ALINEAR COMPONENTES DE UN ANTORCHA DE ARCO DE PLASMA.

Un tubo de refrigerante (136) para una antorcha de arco de plasma,

comprendiendo el tubo de refrigerante: un cuerpo alargado (152) que tiene un primer extremo (154), un segundo extremo (156) y un paso de refrigerante (141) que se extiende a su través; y una superficie (160) localizada sobre una porción exterior (162) del cuerpo alargado; caracterizado porque: la superficie localizada sobre la porción exterior del cuerpo alargado está adaptada para acoplarse a y alinearse con un electrodo a lo largo de una dirección de un eje longitudinal (146) del cuerpo alargado, y el cuerpo alargado no está unido de forma rígida a un cuerpo de antorcha o al electrodo durante el funcionamiento de la antorcha, de manera que el tubo es generalmente libre para moverse a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la antorcha, y el electrodo y la superficie (160) localizada sobre la porción exterior (162) del cuerpo alargado del tubo de refrigerante pueden sesgarse en contacto entre sí de manera que se acoplen y se alineen a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo

Campo de la invención

La invención se refiere generalmente al campo de sistemas y procedimientos de antorchas de arco de plasma. En particular, la invención se refiere a electrodos refrigerados por líquido y tubos de refrigerante para uso en una antorcha de arco de plasma. Antecedentes de la invención

Los aparatos de procesamiento de materiales tales como antorchas de arco de plasma y láseres son ampliamente usados en el corte de materiales metálicos. Una antorcha de arco de plasma incluye generalmente un cuerpo de antorcha, un electrodo montado dentro del cuerpo, una boquilla con un orificio de salida central, conexiones eléctricas, pasos para fluidos refrigerantes y de control del arco, un anillo de turbulencia para controlar los patrones de flujo de fluido y una fuente de alimentación. Los gases usados en la antorcha pueden ser no reactivos (por ejemplo, argón o nitrógeno) o reactivos (por ejemplo, oxígeno o aire). La antorcha produce un arco de plasma, que es un chorro ionizado estrecho de un gas de plasma con alta temperatura y alto momento.

Las antorchas de corte de arco de plasma producen un arco de plasma transferido con una densidad de corriente que normalmente está en el intervalo de 20.000 a 40.000 amperios/in2 (3.100 a 6.200 amperios/cm2). Las antorchas de alta definición se caracterizan por chorros más estrechos con mayores densidades de corriente, normalmente aproximadamente 60.000 amperios/in2

(9.300 amperios/cm2). Las antorchas de alta definición producen una sangría de corte estrecha y un ángulo de corte cuadrado. Tales antorchas tienen una zona afectada por el calor más delgada y son más eficaces en la producción de un corte libre de escoria y metal fundido soplado.

Similarmente, un aparato basado en láser generalmente incluye una boquilla en la que se introducen una corriente de gas y el haz láser. Una lente enfoca el haz láser que luego calienta la pieza. Tanto el haz como la corriente de gas salen de la boquilla por un orificio e inciden sobre un área objetivo de la pieza. El calentamiento resultante de la pieza, combinado con cualquier reacción química entre el gas y el material de la pieza, sirve para calentar, licuar o vaporizar el área seleccionada de la pieza, dependiendo del punto focal y el nivel de energía del haz. Esta acción permite que el operador corte o modifique de otro modo la pieza.

Ciertos componentes del aparato de procesamiento de materiales se deterioran con el tiempo de uso. Estos componentes “consumibles” incluyen, en el caso de una antorcha de arco de plasma, el electrodo, anillo de turbulencia, boquilla y escudo. Idealmente, estos componentes son fácilmente sustituibles en el campo. Sin embargo, la alineación de estos componentes dentro de la antorcha es crítica para garantizar una vida razonable del consumible, además de exactitud y repetibilidad de la localización del arco de plasma, que es importante en sistemas de corte de arco de plasma automatizados.

Algunas antorchas de arco de plasma incluyen un electrodo refrigerado por líquido. Un electrodo tal se describe en la patente de EE.UU. nº 5.756.959 asignada a Hypertherm, Inc. El electrodo tiene un cuerpo alargado hueco con un extremo abierto y un extremo cerrado. El electrodo está hecho de cobre e incluye una inserción cilíndrica de material de alta emisividad termoiónica (por ejemplo, hafnio o circonio) que está ajustada a presión dentro de un taladro en el extremo del fondo del electrodo. La cara del extremo expuesta de la inserción define una superficie de emisión. Frecuentemente, la superficie de emisión es inicialmente plana. Sin embargo, la superficie de emisión puede moldearse inicialmente para definir una cavidad en la inserción como se describe en la patente de EE.UU. nº 5.464.962 cedida a Hypertherm, Inc. En cualquier caso, la inserción se extiende en el taladro en el extremo del fondo del electrodo hasta un flujo en circulación de líquido refrigerante dispuesto en el interior hueco del electrodo. El electrodo puede estar “laminado de forma hueca” de forma que se forme una cavidad anular en una porción interior del extremo del fondo que rodea la inserción. Un tubo de entrada de refrigerante que tiene un cuerpo cilíndrico hueco de paredes delgadas que define un paso cilíndrico que se extiende por el cuerpo está situado adyacente a la superficie interior hueca del cuerpo de electrodo. El tubo se extiende en la cavidad en una relación espaciada para proporcionar una alta velocidad de flujo de refrigerante por la superficie interior del electrodo.

El documento US 2001/007320 desvela una antorcha de arco de plasma con sellado mejorado de las conexiones entre pasos de fluido de partes contiguas de la antorcha. Las conexiones entre los pasos de gas de plasma alineados están hechas mediante tubos de acoplamiento que tienen cada uno una primera porción insertada en una porción receptora del paso en el cuerpo de antorcha principal y una segunda porción insertada en una porción receptora del paso en el cuerpo de aislante. Cada porción insertada incluye un par de juntas tóricas separadas a lo largo de la longitud del tubo para sellar la conexión.

El documento WO 90/10366 desvela una antorcha de arco de plasma con refrigeración mejorada del electrodo. Se proporciona un sistema de refrigerante del electrodo que comprende un paso que tiene porciones de liberación y retorno dispuestas una dentro de la otra para llevar refrigerante a y del electrodo. Las porciones de liberación y retorno pueden estar unidas por una porción limitada que se extiende radialmente para aumentar la velocidad de refrigerante en la parte trasera del electrodo.

En muchas antorchas de arco de plasma y bajo una variedad de condiciones de operación (por ejemplo, corte de alto amperaje), el tubo debe extraer el calor del electrodo proporcionando suficiente refrigeración para obtener una vida del electrodo aceptable. Se ha determinado empíricamente que si la salida del tubo de refrigerante está desalineada (longitudinalmente y/o radialmente) con la superficie interior del electrodo, el tubo no refrigera suficientemente la inserción. El uso repetido de una antorcha que tiene un tubo de refrigerante desalineado con el electrodo hace que el material de la inserción se desgaste más rápidamente. Para lograr características de flujo de refrigerante deseables, el tubo está normalmente asegurado en una posición fija con respecto al electrodo para lograr la alineación apropiada. El desgaste del electrodo produce normalmente cortes de calidad reducida. Por ejemplo, la dimensión del ancho de sangría puede aumentar o el ángulo de corte puede trasladarse de cuadrado a medida que aumenta el desgaste del electrodo. Esto requiere una sustitución frecuente del electrodo para lograr calidad de corte adecuada.

Las tolerancias asociadas a los procedimientos convencionales de montaje del electrodo y el tubo de refrigerante hacen que para sistemas que emplean tales antorchas sea más difícil producir partes de tolerancias estrechas altamente uniformes sin requerir la sustitución frecuente del electrodo debido a los errores inherentes en el posicionamiento del electrodo con respecto al tubo de refrigerante.

Por tanto, un objetivo principal de la presente invención es proporcionar electrodos y tubos de refrigerante para una antorcha de arco de plasma refrigerada por líquido que ayudan a mantener la vida del electrodo y/o reducir el desgaste del electrodo minimizando los efectos de desalineación. Resumen de la invención

La invención proporciona un tubo de refrigerante para una antorcha de arco de plasma como se explica en la reivindicación 1 y materia relacionada como se explica en el resto de las reivindicaciones independientes. La invención vence las deficiencias de la técnica anterior proporcionando en un aspecto un tubo de refrigerante para una antorcha de arco de plasma que consigue un posicionamiento fidedigno y repetible del tubo de refrigerante con respecto al electrodo. En otro aspecto, la invención consigue errores de alineación reducidos en la alineación con respecto a los ejes longitudinales de un electrodo y un tubo de refrigerante. El tubo de refrigerante tiene un cuerpo alargado que tiene un primer extremo, un segundo extremo y un paso de refrigerante que se extiende a su través. El cuerpo alargado tiene una superficie localizada sobre una porción exterior del cuerpo alargado adaptada para acoplarse a un electrodo.

Las realizaciones de este aspecto de la invención pueden incluir las siguientes características....

1. Un tubo de refrigerante (136) para una antorcha de arco de plasma, comprendiendo el tubo de refrigerante: un cuerpo alargado (152) que tiene un primer extremo (154), un segundo extremo (156) y un paso de refrigerante (141) que se extiende a su través; y una superficie (160) localizada sobre una porción exterior (162) del

cuerpo alargado;

caracterizado porque:

la superficie localizada sobre la porción exterior del cuerpo alargado está

adaptada para acoplarse a y alinearse con un electrodo a lo largo de una dirección de un eje longitudinal (146) del cuerpo alargado, y el cuerpo alargado no está unido de forma rígida a un cuerpo de antorcha o al electrodo durante el funcionamiento de la antorcha, de manera que el tubo es generalmente libre para moverse a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la antorcha, y el electrodo y la superficie (160) localizada sobre la porción exterior (162) del cuerpo alargado del tubo de refrigerante pueden sesgarse en contacto entre sí de manera que se acoplen y se alineen a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo.

2. El tubo de la reivindicación 1, en el que la superficie (160) comprende al menos uno o más de un contorno, escalón o reborde (166a, 166b, 166c).

3. El tubo de la reivindicación 2, en el que el contorno comprende una conicidad lineal.

4. El tubo de la reivindicación 1, en el que la superficie (160) tiene un cuerpo de diámetro alargado integrado en el cuerpo alargado.

5. El tubo de la reivindicación 4, en el que el cuerpo de diámetro alargado tiene un diámetro variable.

6. El tubo de la reivindicación 1, en el que la superficie está localizada en una región entre el primer extremo (154) y el segundo extremo (156).

7. El tubo de la reivindicación 1, en el que la superficie está localizada en un extremo del cuerpo alargado.

8. Un electrodo (110) para una antorcha de arco de plasma, comprendiendo el electrodo: un cuerpo alargado hueco (112) que tiene un extremo abierto y un extremo cerrado; y una superficie (164) localizada en una porción interior (138) del cuerpo

alargado;

caracterizado porque:

la superficie localizada sobre la porción interior del cuerpo alargado está

adaptada para acoplarse a y alinearse con un tubo de refrigerante a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del tubo de refrigerante, y el tubo de refrigerante no está unido de forma rígida a un cuerpo de antorcha o al electrodo durante el funcionamiento de la antorcha, de manera que el tubo es generalmente libre para moverse a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la antorcha, y el tubo de refrigerante y la superficie (164) localizada sobre la porción exterior (138) del cuerpo alargado del electrodo pueden sesgarse en contacto entre sí de manera que se acoplen y se alineen a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo.

9. El electrodo de la reivindicación 8, en el que la superficie (164) comprende al menos uno o más de un contorno, escalón o reborde.

10. El electrodo de la reivindicación 9, en el que el contorno comprende una conicidad lineal.

11. El electrodo de la reivindicación 8, en el que la superficie (164) tiene un cuerpo de diámetro reducido integrado en el cuerpo alargado.

12. El electrodo de la reivindicación 11, en el que el cuerpo de diámetro reducido tiene un diámetro variable.

13. Una antorcha de arco de plasma que comprende: un cuerpo de antorcha (182); un tubo de refrigerante (136), comprendiendo el tubo un cuerpo alargado

(152) que tiene un primer extremo (154), un segundo extremo (156) y un paso de refrigerante (141) que se extiende a su través, y una superficie (160) localizada sobre una porción exterior (162) del cuerpo alargado; y

un electrodo (110) soportado por el cuerpo de antorcha, comprendiendo el electrodo un cuerpo alargado hueco (112) que tiene un extremo abierto y un extremo cerrado, y una superficie (164) localizada sobre una porción interior

(138) del cuerpo alargado; caracterizado porque: la superficie localizada sobre la porción interior del cuerpo del electrodo

alargado está adaptada para acoplarse a y alinearse con el tubo de refrigerante a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del tubo de refrigerante, y el cuerpo alargado del tubo de refrigerante no está unido de forma rígida a un cuerpo de antorcha o al electrodo durante el funcionamiento de la antorcha, de manera que el tubo es generalmente libre para moverse a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la antorcha, y el tubo de refrigerante (136) y la superficie (164) localizada sobre la porción interior (138) del cuerpo alargado del electrodo pueden sesgarse en contacto entre sí de manera que se acoplen y se alineen a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo.

14. La antorcha de la reivindicación 13, en la que al menos una de las superficies (160, 164) comprende al menos uno o más de un contorno, escalón

o reborde (166a, 166b, 166c).

15. La antorcha de la reivindicación 14, en la que el contorno comprende una conicidad lineal.

16. La antorcha de la reivindicación 13, en la que la superficie (160) del tubo tiene un cuerpo de diámetro alargado integrado en el cuerpo alargado del tubo, y la superficie del electrodo (164) tiene un cuerpo de diámetro reducido integrado en el cuerpo alargado del electrodo.

17. La antorcha de la reivindicación 16, en la que al menos uno de los cuerpos integrados tiene un diámetro variable.

18. La antorcha de la reivindicación 13, en la que los ejes longitudinales son al menos uno o más de sustancialmente concéntricamente alineados, radialmente alineados o circunferencialmente alineados.

19. Un procedimiento de localizar un tubo de refrigerante (136) con respecto a un electrodo (110) en una antorcha de arco de plasma que comprende las etapas de:

proporcionar superficies de contacto de acoplamiento (160, 164) sobre el electrodo y el tubo de refrigerante; y

sesgar el electrodo y el tubo de refrigerante en contacto, en el que un segundo extremo del tubo de refrigerante no se pone en contacto con una superficie interna de la pared del electrodo,

caracterizado porque el tubo de refrigerante no está unido de forma rígida a un cuerpo de antorcha o al electrodo durante el funcionamiento de la antorcha, de manera que el tubo es generalmente libre para moverse a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la antorcha, y el electrodo (110) y la superficie (160) localizada sobre la porción exterior (162) del cuerpo alargado del tubo de refrigerante pueden sesgarse en contacto entre sí de manera que se acoplen y se alineen a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo.

20. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que el sesgado es provocado por la presión hidrostática del refrigerante.

21. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que el sesgado es provocado por un elemento de resorte.

22. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que el sesgado es provocado por el roscado del electrodo en la antorcha.

23. Una antorcha de arco de plasma (180) que comprende: un cuerpo de antorcha (182); un electrodo (110) soportado por el cuerpo de antorcha, comprendiendo

el electrodo un cuerpo alargado hueco (112) que tiene un extremo abierto y un extremo cerrado; un tubo de refrigerante (136), comprendiendo el tubo un cuerpo alargado

(152) que tiene un primer extremo (154), un segundo extremo (156) y un paso de refrigerante (141) que se extiende a su través, y

medios para alinear superficies de acoplamiento (160, 164) del tubo de refrigerante y el electrodo a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del tubo,

caracterizado porque:

los medios para alinear comprenden una superficie de acoplamiento sobre la superficie interna del tubo de refrigerante; y

el cuerpo alargado del tubo de refrigerante no está unido de forma rígida al cuerpo de antorcha o al electrodo durante el funcionamiento de la antorcha, de manera que el tubo es generalmente libre para moverse a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la antorcha, y

el electrodo y la superficie (160) localizada sobre la porción exterior

(162) del cuerpo alargado del tubo de refrigerante pueden sesgarse en contacto entre sí de manera que se acoplen y se alineen a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo.

24. La antorcha de la reivindicación 23, en la que los medios para alinear comprenden una superficie de acoplamiento (164) sobre la superficie interna del electrodo.

25. Un tubo de refrigerante para una antorcha de arco de plasma, comprendiendo el tubo de refrigerante: un cuerpo alargado que tiene un primer extremo, un segundo extremo y

una superficie interior y un paso de refrigerante que se extiende a su través; caracterizado porque el cuerpo alargado no está unido de forma rígida a un cuerpo de

antorcha o a un electrodo durante el funcionamiento de la antorcha; y la superficie interior del cuerpo alargado está adaptada para acoplarse a y alinearse con el electrodo a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo, de manera que el tubo es generalmente libre para moverse a lo largo de la dirección del eje longitudinal de la antorcha, y el electrodo y la superficie localizada sobre la porción interior del cuerpo alargado pueden sesgarse en contacto entre sí de manera que se acoplen y se alineen a lo largo de una dirección de un eje longitudinal del electrodo.

26. El electrodo de la reivindicación 8, en el que la superficie está localizada entre los dos extremos del cuerpo alargado.

27. El electrodo de la reivindicación 8, en el que la superficie comprende uno

o más de un contorno, escalón o reborde y está adaptado para poner en contacto y alinear sustancialmente al menos uno de concéntricamente, radialmente o circunferencialmente a lo largo de un eje longitudinal del cuerpo con una superficie de acoplamiento sobre una superficie exterior de un tubo de refrigerante.

28. El electrodo de la reivindicación 27, en el que la superficie comprende un contorno que comprende una conicidad lineal.

29. El electrodo de la reivindicación 27, en el que la superficie está localizada entre los dos extremos del cuerpo.

30. El electrodo de la reivindicación 27, en el que la superficie limita el

movimiento del electrodo con respecto al tubo de refrigerante.

31. El electrodo de la reivindicación 8 que comprende además al menos uno de un contorno, escalón o reborde localizado sobre la superficie para poner en

5 contacto y alinear sustancialmente al menos uno de concéntricamente, radialmente o circunferencialmente con una superficie de acoplamiento sobre una superficie exterior del tubo de refrigerante.

32. La antorcha de la reivindicación 13, en la que la superficie del cuerpo del electrodo comprende uno o más de un contorno, escalón o reborde y está adaptado para poner en contacto y alinear sustancialmente al menos uno de concéntricamente, radialmente o circunferencialmente a lo largo de un eje longitudinal del cuerpo del electrodo con una superficie de acoplamiento sobre la superficie exterior del tubo de refrigerante.

33. El electrodo de la reivindicación 8, en el que la superficie está localizada entre los dos extremos del cuerpo alargado y está adaptada para limitar el movimiento del electrodo con respecto al tubo de refrigerante.