Aparato y método para un escudo refrigerado por líquido para un rendimiento de perforación mejorado.

Escudo (5, 50, 130, 205) para una antorcha de arco de plasma que perfora y corta una pieza de trabajo metálica produciendo una proyección de metal fundido dirigida a la antorcha,

protegiendo el escudo (5, 50, 130, 205) componentes consumibles de la antorcha de arco de plasma frente al metal fundido proyectado, comprendiendo el escudo:

un cuerpo;

una primera superficie (35, 115) interna del cuerpo configurada para refrigerarse por contacto mediante un flujo de gas;

una tercera superficie (20, 125) externa del cuerpo expuesta al metal fundido proyectado y configurada para refrigerarse de manera conductiva mediante el flujo de gas y el flujo de líquido para evitar que el metal fundido proyectado se adhiera a la tercera superficie;

un orificio (30, 95, 96) está dispuesto en un extremo distal del cuerpo;

caracterizado porque comprende además una segunda superficie (10, 70) externa del cuerpo configurada para refrigerarse por contacto mediante un flujo de líquido; y un conjunto (15A, 15B, 60A, 60B) de sellado dispuesto adyacente a la segunda superficie (10, 70) externa del cuerpo y configurado para retener el flujo de líquido que refrigera por contacto la segunda superficie (10, 70).

Aparato y método para un escudo refrigerado por líquido para un rendimiento de perforación mejorado Campo de la invención

La invención se refiere en general a antorchas de arco de plasma. Más específicamente, la invención se refiere a un escudo para proteger consumibles de una antorcha de arco de plasma.

Antecedentes de la invención

Los componentes básicos de las antorchas de arco de plasma modernas incluyen un cuerpo de antorcha, un electrodo (por ejemplo, cátodo) montado dentro del cuerpo, una boquilla (por ejemplo, ánodo) con un orificio central que produce un arco piloto hacia el electrodo para iniciar un arco de plasma en un flujo de un gas adecuado (por ejemplo, nitrógeno u oxígeno) y pasos y conexiones eléctricas asociadas para refrigeración, y fluidos de control de

arco.

En la perforación de metal usando una antorcha de arco de plasma, una consideración de diseño importante es la eyección de metal fundido de la sangría de corte de vuelta a la antorcha que puede destruir la boquilla. Existen dos modos principales para esta destrucción. En primer lugar, el metal fundido eyectado desde la sangría de corte puede interferir con el chorro de plasma haciendo que forme ranuras en la boquilla. En segundo lugar, el metal fundido puede solidificar y adherirse a la cara frontal de la boquilla, que finalmente provoca la formación de un puente eléctrico entre la boquilla y la pieza de trabajo. Esto da como resultado la formación de un "arco doble" que reduce drásticamente la vida útil de una boquilla.

Ha habido varios enfoques para solucionar los problemas de ranurado y formación de arco doble creados por la eyección de metal fundido. En las antorchas de corte de plasma de alta corriente (por ejemplo, de 2 amperios y más), la solución ha sido usar una boquilla de múltiples piezas con refrigeración por inyección de agua. En una boquilla típica tal del tipo fabricado por Hypertherm, Inc. que corresponde a los modelos HT4 y PAC5 de Hypertherm, la cara frontal de la boquilla está hecha de cerámica. Esta disposición controla el ranurado y la formación de arco doble porque (1) la cara de boquilla de cerámica no es conductora y por tanto no provocará la formación de arco doble y (2) la boquilla queda protegida por la barrera de cerámica. Además las excelentes propiedades de refrigeración del agua, que funciona refrigerando la pieza de boquilla de cerámica y refrigerando mediante vapor de agua el metal fundido eyectado durante la perforación, impiden que el metal fundido se adhiera a o funda con el elemento de cerámica o en el caso extremo, que ataque la cerámica. Una variación de la boquilla de múltiples componentes, de alta corriente similar a la boquilla comercializada por Hypertherm como su modelo PAC5, es una pieza de boquilla de cerámica que incorpora una inyección de agua radial, aunque la pieza de boquilla de cerámica se sustituye por una pieza frontal de cobre. Un elemento aislante separa los componentes de boquilla de modo que la parte frontal de la boquilla flota eléctricamente. El cobre se refrigera más fácilmente que la cerámica y resiste significativamente mejor el uso excesivo y por tanto tiene una vida útil más prolongada. La patente estadounidense número 6.268.583 se refiere a una antorcha de plasma que se emplea en el procesamiento de plasma tal como corte o soldadura de una pieza de trabajo usando un arco de plasma, y se refiere a una antorcha de plasma con un capuchón de escudo que se proporciona en la parte frontal de la boquilla.

En algunos casos, una camisa aislante de cerámica está unida al exterior de la boquilla en un intento por proteger la boquilla. Esto es lo que se denomina "copa de escudo". Su fin principal es detener el contacto de la boquilla con la pieza de trabajo. Entonces, un operario puede tocar o desplazar la antorcha sobre la pieza de trabajo sin la formación de arco doble. Sin embargo, esta camisa de cerámica no ofrece ninguna protección durante la perforación contra la proyección de metal fundido y los problemas de ranurado y la formación de arco doble relacionados. Además, el escudo de cerámica (1) es frágil y se rompe fácilmente y (2) al no tener la protección de la refrigeración por agua, se ve atacado por el metal fundido eyectado desde el corte.

La refrigeración de consumibles (por ejemplo, el escudo) de una antorcha de arco de plasma con un líquido de refrigeración (por ejemplo, agua) puede tener beneficios de seguridad. Sin refrigeración por líquido, los consumibles pueden alcanzar temperaturas extremadamente altas que suponen un problema de seguridad durante el uso. Un sistema de refrigeración sin pérdidas permite el uso de un plasma seco y una mesa de corte seca. Las mesas secas pueden ser deseables debido a la reducción de suciedad y la eliminación de la necesidad de tener que desechar el agua usada/contaminada, que puede considerarse un residuo peligroso.

Sumario de la invención

La invención puede superar estos problemas usando un escudo refrigerado por gas y/o líquido que funciona a temperaturas reducidas e impide la formación de escoria sobre una superficie expuesta del escudo durante la perforación, prolongando así la vida útil del escudo y mejorando la calidad de corte de una antorcha de arco de

plasma. Por ejemplo, la formación/acumulación de escoria sobre el escudo puede afectar a la definición de una altura inicial de la antorcha, lo que puede afectar a la calidad de corte de la antorcha de arco de plasma. La formación de escoria sobre un escudo también puede bloquear los agujeros de ventilación y/o un orificio del escudo, afectando tanto a la calidad de corte como a la vida útil del escudo (por ejemplo, afectando a la capacidad para refrigerar el escudo). La formación de escoria sobre un escudo, en algunos casos, puede fundir el escudo. A modo de ejemplo, si se usa la antorcha de arco de plasma para cortar acero y el escudo está hecho de cobre, la escoria puede fundir el escudo, puesto que el acero tiene un punto de fusión más alto que el cobre. La formación de escoria también puede hacer que el escudo acumule calor hasta el punto de la temperatura de oxidación del escudo (por ejemplo, si el escudo está hecho de cobre, la acumulación de calor de la escoria puede provocar altas temperaturas del cobre que dan como resultado la oxidación del cobre), provocando así una degradación del escudo (por ejemplo, en los bordes del orificio).

En un aspecto, la invención presenta un escudo según la reivindicación 1 para una antorcha de arco de plasma que perfora y corta una pieza de trabajo metálica produciendo una proyección de metal fundido dirigida a la antorcha, protegiendo el escudo componentes consumibles de la antorcha de arco de plasma frente al metal fundido proyectado.

En otro aspecto, la invención presenta un método según la reivindicación 9 para reducir la formación de escoria sobre un escudo sujeto a una antorcha de arco de plasma que perfora y corta una pieza de trabajo metálica produciendo metal fundido proyectado dirigido a la antorcha.

También se da a conocer un método para reducir la formación de escoria sobre un escudo sujeto a una antorcha de arco de plasma que perfora y corta una pieza de trabajo metálica produciendo metal fundido proyectado dirigido a la antorcha. El método puede incluir la etapa de refrigerar rápidamente el escudo sujeto a la antorcha de arco de plasma con un flujo de medio de refrigeración, retener el flujo de medio de refrigeración en la antorcha de arco de plasma y refrigerar de manera repetida el escudo (por ejemplo, refrigerando el escudo una pluralidad de veces, una pluralidad de ciclos, etc.) para evitar la formación de escoria sobre una superficie del escudo expuesta al metal fundido proyectado.

También se da a conocer un escudo para una antorcha de arco de plasma que perfora y corta una pieza de trabajo metálica produciendo una proyección de metal fundido dirigida a la antorcha. El escudo puede incluir una parte configurada para refrigerarse directamente mediante un líquido que fluye. El escudo también puede incluir un primer mecanismo de sellado y un segundo mecanismo de sellado dispuestos con respecto a la parte refrigerada directamente mediante un líquido que fluye, estando configurados los mecanismos de sellado primero y segundo para retener el líquido que fluye refrigerando directamente la parte del escudo con respecto a un capuchón retenedor de la antorcha de arco de plasma.

En otro aspecto, la invención presenta un sistema de antorcha de arco de plasma según la reivindicación 16.

Se da a conocer un capuchón de retención para una antorcha de arco de plasma que incluye un componente externo que tiene una superficie interior y una superficie exterior que define, al... [Seguir leyendo]

1. Escudo (5, 5, 13, 25) para una antorcha de arco de plasma que perfora y corta una pieza de trabajo metálica produciendo una proyección de metal fundido dirigida a la antorcha, protegiendo el escudo (5, 5, 13, 25) componentes consumibles de la antorcha de arco de plasma frente al metal fundido proyectado, comprendiendo el escudo:

un cuerpo;

una primera superficie (35, 115) interna del cuerpo configurada para refrigerarse por contacto mediante un flujo de gas;

una tercera superficie (2, 125) externa del cuerpo expuesta al metal fundido proyectado y configurada para refrigerarse de manera conductiva mediante el flujo de gas y el flujo de líquido para evitar que el metal fundido proyectado se adhiera a la tercera superficie;

un orificio (3, 95, 96) está dispuesto en un extremo distal del cuerpo;

caracterizado porque comprende además una segunda superficie (1, 7) externa del cuerpo configurada para refrigerarse por contacto mediante un flujo de líquido; y un conjunto (15A, 15B, 6A, 6B) de sellado dispuesto adyacente a la segunda superficie (1, 7) externa del cuerpo y configurado para retener el flujo de líquido que refrigera por contacto la segunda superficie (1, 7).

2. Escudo según la reivindicación 1, en el que el conjunto de sellado incluye un primer mecanismo (15A, 6A) de sellado y un segundo mecanismo (15B, 6B) de sellado dispuestos alrededor de la segunda superficie externa del cuerpo.

3. Escudo según la reivindicación 2, en el que el primer mecanismo de sellado incluye una primera junta tórica y el segundo mecanismo de sellado incluye una segunda junta tórica.

4. Escudo según la reivindicación 1, en el que el conjunto de sellado está dispuesto entre la segunda superficie externa del cuerpo y la tercera superficie externa del cuerpo.

5. Escudo según la reivindicación 1, en el que se aplica uno cualquiera o más de lo siguiente:

a) el conjunto de sellado es al menos una de una junta tórica, junta de estanqueldad epoxídlca o junta de estanqueidad de contacto de metal duro;

b) el conjunto de sellado está dispuesto en un canal del cuerpo; y

c) el conjunto de sellado está en comunicación mecánica con un capuchón (65) de retención.

6. Escudo según la reivindicación 1, en el que se aplica uno cualquiera o más de lo siguiente:

a) el escudo está compuesto por un medio térmico uniforme;

b) el escudo es una estructura unitaria;

c) el escudo comprende además un reborde (4, 15, 15) dispuesto de manera proxlmal con respecto a la tercera superficie externa del escudo que está expuesta al metal fundido proyectado, en el que al menos una parte de la segunda superficie externa está dispuesta sobre el reborde; y

d) el escudo está en comunicación con la antorcha (55) de arco de plasma, rodeando el escudo generalmente una boquilla (9) de la antorcha de arco de plasma.

7. Escudo según la reivindicación 1, que comprende además una región (45) refrigerada de manera conductiva mediante al menos uno del flujo de gas o el flujo de líquido.

8. Escudo según la reivindicación 7, en el que la región refrigerada de manera conductiva comprende un gradiente de temperatura por la región.

9. Método para reducir la formación de escoria sobre un escudo (5, 5, 13, 25) según la reivindicación 1, sujeto a

una antorcha de arco de plasma que perfora y corta una pieza de trabajo metálica produciendo metal fundido proyectado dirigido a la antorcha, que comprende:

refrigerar por contacto una primera superficie (35, 115) interna del escudo mediante un flujo de gas;

refrigerar por contacto una segunda superficie (1, 7) externa del escudo mediante un flujo de líquido, estando dispuesta la segunda superficie externa en un extremo proximal del escudo;

refrigerar de manera conductiva una tercera superficie (2, 125) externa del escudo expuesta al metal fundido proyectado, refrigerándose la tercera superficie externa de manera conductiva mediante el flujo de gas; y

proporcionar un conjunto (15A, 15B, 6A, 6B) de sellado adyacente a la segunda superficie externa para retener el flujo de líquido que refrigera por contacto la segunda superficie externa del escudo,

en el que un orificio (3, 95, 96) está dispuesto en un extremo distal del escudo, la tercera superficie externa está dispuesta con respecto al extremo distal y la segunda superficie externa está dispuesta de manera proximal con respecto a la tercera superficie externa.

1. Método según la reivindicación 9, que comprende además refrigerar de manera repetida el escudo para evitar la formación de escoria sobre la tercera superficie externa del escudo expuesta al metal fundido proyectado.

11. Método según la reivindicación 9, en el que el conjunto de sellado incluye un primer mecanismo (15A, 6A) de sellado y un segundo mecanismo (15B, 6B) de sellado dispuestos alrededor de la segunda superficie externa del

escudo.

12. Método según la reivindicación 11, en el que el primer mecanismo de sellado incluye una primera junta tórica y el segundo mecanismo de sellado incluye una segunda junta tórica.

13. Método según la reivindicación 9, en el que el conjunto de sellado está dispuesto entre la segunda superficie externa del escudo y la tercera superficie externa del escudo.

14. Método según la reivindicación 9, en el que se aplica uno cualquiera o más de lo siguiente:

a) el conjunto de sellado es al menos una de una junta tórica, junta de estanqueidad epoxídica o junta de estanqueidad de contacto de metal duro;

b) el conjunto de sellado está dispuesto en un canal del escudo; y

c) el conjunto de sellado está en comunicación mecánica con un capuchón (65) de retención.

15. Método según la reivindicación 9, en el que se aplica uno cualquiera o más de lo siguiente:

a) el escudo está compuesto por un medio térmico uniforme;

b) el escudo es una estructura unitaria;

c) el escudo comprende además un reborde (4, 15, 15) dispuesto de manera proximal con respecto a la tercera superficie externa del escudo que está expuesta al metal fundido proyectado, en el que al menos una parte de la segunda superficie externa está dispuesta sobre el reborde; y

d) el escudo está en comunicación con la antorcha (55) de arco de plasma, rodeando el escudo generalmente una boquilla (9) de la antorcha de arco de plasma.

16. Sistema de antorcha de arco de plasma que comprende: una antorcha (55, 2) de arco de plasma;

un dispositivo de refrigeración configurado para proporcionar un medio de refrigeración; y

un escudo (5, 5, 13, 25) según la reivindicación 1 dispuesto con respecto a la antorcha de arco de plasma.

17. Sistema según la reivindicación 6, en el que

a) el dispositivo de refrigeración es un refrigerador; y/o

b) el medio de refrigeración refrigera de manera repetida la segunda parte.