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CN103118828A - 用于等离子切割气炬的向前流动高触及性耗材 - Google Patents

用于等离子切割气炬的向前流动高触及性耗材 Download PDF

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CN103118828A
CN103118828A CN2011800434950A CN201180043495A CN103118828A CN 103118828 A CN103118828 A CN 103118828A CN 2011800434950 A CN2011800434950 A CN 2011800434950A CN 201180043495 A CN201180043495 A CN 201180043495A CN 103118828 A CN103118828 A CN 103118828A
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torch
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plasma
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M·E·希普勒斯基
N·A·桑德斯
J·L·杰森
J·马瑟
P·J·特瓦罗格
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Hypertherm Inc
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Hypertherm Inc
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Abstract

用于等离子弧切割气炬的喷嘴包括能够接纳电极的大致中空的细长本体。喷嘴本体限定纵向轴线并具有沿轴线从喷嘴本体的第一端到喷嘴本体的第二端的长度。喷嘴还包括设置在本体的第一端处的等离子排出孔。喷嘴本体的第一端具有宽度，且喷嘴本体的长度与喷嘴本体的宽度的比值大于约3。

Description

用于等离子切割气炬的向前流动高触及性耗材
相关申请
本申请是2010年9月9日提交的美国专利申请第12/878,512号的部分继续申请，其全部公开内容在此以参见的方式纳入本文。该申请时2011年6月27日提交的美国专利申请第13/169,534号的部分后续申请，美国专利申请第13/169,534号是2006年12月15日提交的美国专利申请第11/611,625号（现美国专利第7,989,727号）的后续申请，美国专利申请第11/611,625号要求了2006年12月13日提交的美国临时专利申请第60/825,453号的权益和优先权，每个文献的全部内容在此以参见的方式纳入本文。该申请是2008年2月15日提交的美国专利申请第12/032,630号的部分继续申请，美国专利申请第12/032,630号要求2007年2月16日提交的美国临时专利申请第60/901,804号的权益和优先权，每个申请的全部内容在此以参见的方式纳入本文。
技术领域
本发明涉及用于等离子弧切割气炬（焊割炬）的耗材，且更具体地涉及用于等离子弧切割气炬的向前流动、高触及性耗材。
技术领域
等离子弧切割气炬广泛地用于金属材料的高温处理（例如切割、焊接和标记）。等离子弧切割气炬通常包括气炬本体、安装在气炬本体内的电极、设置在电极的孔内的发射电极头、具有中心排出孔的喷嘴、屏蔽件、电连接件、用于冷却和弧控制流体的通道、控制流体流动模式的涡流环、以及电源。气炬产生等离子弧，等离子弧是高温且高动量的等离子气体的收缩的离子射流。气炬内使用的气体可以是惰性的（例如氩气或氮气）、或活性的（例如氧气或空气）。
在对金属工件进行等离子弧切割或标记的过程中，首先在气炬内的电极（阴极）与喷嘴（阳极）之间产生引导电弧。当在该引导电弧模式下操作时，电极可与喷嘴分开，在电极与喷嘴之间形成电弧，例如美国专利第4,791,268号中描述的，其内容以参见的方式纳入本文。穿过喷嘴与电极之间的气体被离子化以形成等离子，然后等离子排出喷嘴的出口孔。气体可穿过涡流环以在其穿过气炬时赋予气体以切向运动，由此改进气炬性能。当气炬靠近工件移动时，电弧接触工件且然后电流返回路径从喷嘴转移到工件。通常，气炬在该转移等离子弧模式下操作，其特征是离子化等离子气体从电极到工件的流动，电流返回路径从工件回到电源。这样产生的等离子可用于切割、焊接或标记工件。
除了上述反吹操作之外，替代的已知技术包括前吹技术，其中喷嘴与固定喷嘴分离。参见例如美国专利第5,994,663号，其内容以参见的方式纳入本文。
气炬的尺寸由上文讨论的耗材、例如电极、涡流环、喷嘴和屏蔽件的尺寸和构造确定。这些耗材的设计技术要求高且对气炬寿命和性能有显著影响。电极通常被涡流环、喷嘴且在某些实施例中还有屏蔽件围绕。所有这些部件以及它们的设计和组合方式影响总体气炬尺寸、构造、重量、成本和其它参数。
此外，手持气炬现用在越来越复杂的切割操作中，包括会难以触及的工件的各部分的操作。由于这些尺寸，标准气炬可能不能用于诸如通道和角落之类的难以触及区域。此外，大多数手持等离子切割气炬具有相对于手柄以约90°至约115°之间的角度固定的气炬头。尽管该构造非常适于多种切割应用，但对于切割进入尖角或凹腔和对于多种刨削应用来说是不理想的。
气炬耗材（例如电极、喷嘴、涡流环和屏蔽件）暴露于高温。标准气炬不能在高百分比工作循环下运行而不使气炬部件熔化和引起气炬内其它与温度相关的问题。可利用诸如美国专利第5,132,512号中描述的喷水冷却以冷却喷嘴和/或屏蔽件、电极和/或喷嘴周围的液体冷却、或者通气孔来冷却屏蔽件的各种技术来冷却气炬耗材，该专利全文以参见的方式纳入本文。当等离子弧气炬在高电流（例如大于约15安培）下运行时和/或等离子弧气炬完全气体冷却时，等离子弧气炬耗材的冷却会变得甚至更难。
发明内容
需要等离子弧气炬中的高触及性耗材，能够在深沟槽内和难以到达角落周围进行等离子切割。例如，这些高触及性耗材可具有比已知等离子弧气炬耗材长的长度，同时当等离子弧气炬运行时保持足够的冷却能力使得不会发生耗材的过早失效。还需要等离子弧气炬中的高触及性耗材，能够从门的一侧切穿内部和外部金属门皮。
但是，具有较长耗材可致使等离子弧气炬的不充分冷却和耗材部件的过热和熔化。过热可能部分地由于先前的冷却技术利用远离电极头的电极后端上的热交换器的事实。当耗材延长时，该热交换器进一步远离热源（例如电极的电极头）移动。冷却机构离热源越远，冷却就变得效率越差。于是，延长的耗材过热且过早熔化。当等离子弧气炬在约15安培以上的电流下操作时、且更尤其在约60安培以上电流下操作时该过热尤其明显。当等离子弧气炬完全是气体冷却（例如通过空气冷却）时，该过热也尤其明显。
可能还理想的是具有可在高切割电流下运行并完全气体冷却的等离子切割气炬，而耗材不会过早失效，尤其是延长耗材不会过早失效。需要能够在具有向前流动冷却设计的手持等离子气炬内运行的耗材，其中基本上所有的冷却气体通过气炬末端前部排出，且几乎没有冷却气体朝向等离子气炬的手柄流回（但可选择地使用反吹技术）。
一方面，本发明的特征是用于等离子弧切割气炬的喷嘴。该喷嘴包括能够接纳电极的大致中空、细长的本体。喷嘴本体限定纵向轴线并具有沿轴线从喷嘴本体的第一端到喷嘴本体的第二端的长度（L）。喷嘴还包括设置在本体的第一端处的等离子排出孔。喷嘴本体的第一端具有宽度（W），且喷嘴本体的长度与喷嘴本体的宽度的比值（L/W）大于约3。
本发明另一方面包括切割工件的方法。等离子弧气炬具有本体，该本体包括用于通过涡流环将等离子气体引导到等离子腔的流路，等离子弧在所述等离子腔中形成。还提供相对于电极安装在气炬本体的远端以限定等离子腔的喷嘴。该喷嘴包括能够接纳电极的大致中空、细长的本体。喷嘴本体限定纵向轴线并具有沿轴线从喷嘴本体的第一端到喷嘴本体的第二端的长度。喷嘴还包括设置在喷嘴本体的第一端处的等离子排出孔。喷嘴本体的第一端具有宽度，且喷嘴本体的长度与喷嘴本体的宽度的比值大于约3。喷嘴还包括穿过喷嘴的端面或侧壁中的至少一个设置的至少一个补充孔。至少一个补充孔相对于等离子排出孔。等离子弧切割气炬在大于约15安培的电流强度下操作。基本上所有的冷却气体流过气炬本体远端处的至少一个补充孔。
另一方面，本发明的特征是用于等离子弧切割气炬的喷嘴组件。喷嘴组件包括限定纵向轴线的大致中空、细长本体并具有沿轴线从本体的第一端到本体的第二端的长度。喷嘴组件还具有设置在本体的第一端处的等离子排出孔。结构构造成平移地接纳电极并与喷嘴本体一体形成。结构包括具有倾斜气体端口的本体以在等离子弧切割气炬操作期间提供涡流等离子气体。
另一方面，本发明的特征是一种切割工件的方法。提供相对于电极安装在气炬本体的远端以限定等离子腔的喷嘴组件。喷嘴组件包括限定纵向轴线的大致中空、细长本体并具有沿轴线从本体的第一端到本体的第二端的长度。喷嘴组件还具有设置在喷嘴本体的第一端处的等离子排出孔。该喷嘴组件还包括相对于等离子排出孔穿过喷嘴组件的端面设置的至少一个补充孔。结构构造成平移地接纳电极并与喷嘴本体一体形成。结构包括具有倾斜气体端口的本体以在等离子弧切割气炬操作期间提供涡流等离子气体。等离子弧切割气炬在至少约15安培的电流强度下操作。基本上所有的冷却气体流过至少一个气体出口。
另一方面，本发明的特征是用于高可见度等离子弧切割气炬的电极。该电极包括具有第一端和第二端的细长电极本体。电极本体在第一端内限定用于接纳电极头的孔，并包括（i）从第一端延伸的第一本体部分；（ii）延伸到第二端的第二本体部分；以及（iii）相对于第一本体部分定位在电极本体第一端的热传递区域。在等离子气炬在大于约15安培的电流下操作期间，热传递区域与冷却气体热连通，并构造成使得从热传递区域去除等离子气炬操作期间产生的大部分热量。
另一方面，本发明的特征是用于高可见度等离子弧切割气炬的电极。该电极包括具有第一端和第二端的细长电极本体。该本体在第一端内限定用于接纳电极头的孔。电极本体包括（i）从第一端延伸的第一本体部分；（ii）延伸到第二端的第二本体部分；以及（iii）相对于第一本体部分定位在电极本体第一端的热传递区域。热传递区域大于约1平方英寸。
另一方面，本发明的特征是用于手持等离子气炬的气炬末端。手持等离子气炬具有触发件和气炬末端支座。气炬末端包括大致中空的喷嘴和相对于喷嘴设置的电极。壳体相对于喷嘴和电极设置。喷嘴、电极和壳体形成具有远端和近端的组装的气炬末端。组装的气炬末端的近端构造成联接到气炬末端支座。从组装的气炬末端的远端到近端的距离大于约3英寸。
另一方面，本发明的特征是用于手持等离子气炬的气炬末端。手持等离子气炬具有触发件和气炬末端支座。气炬末端包括大致中空的喷嘴和相对于喷嘴设置的电极。壳体相对于喷嘴和电极设置。喷嘴、电极和壳体形成具有远端和近端的组装的气炬末端。组装的气炬末端的近端构造成联接到气炬末端支座。组装的气炬末端限定纵向轴线并具有沿轴线从近端到远端的长度。组装的气炬末端的长度与组装的气炬末端的宽度的比值大于约3。
另一方面，本发明的特征是：一种用于将电极对准在等离子弧气炬内的方法。提供一种喷嘴组件。该喷嘴组件包括能够接纳电极的大致中空、细长的本体。本体限定纵向轴线并具有沿轴线从本体的第一端到本体的第二端的长度。喷嘴组件还具有设置在本体的第一端处的等离子排出孔。结构与喷嘴本体一体形成。该结构包括具有倾斜气体端口的本体以在等离子弧切割气炬操作期间提供涡流等离子气体。细长电极设置在喷嘴的本体内。电极具有第一端和第二端。电极本体在电极的第一端内限定用于接纳电极头的孔。电极的孔经由该结构与喷嘴的等离子排出孔对准。
另一方面，本发明的特征是：一种用于延长等离子弧气炬寿命的方法。提供气炬本体，该气炬本体包括用于通过涡流环将等离子气体引导到等离子腔的等离子气流通路，等离子弧在所述等离子腔中形成。还提供相对于电极安装在气炬本体的远端以限定等离子腔的喷嘴。该喷嘴包括能够接纳电极的大致中空、细长的本体。喷嘴本体具有第一端和第二端。喷嘴本体还包括设置在喷嘴本体第一端的等离子排出孔，其中喷嘴本体从第一端到第二端的长度大于约2英寸。至少一个补充孔穿过喷嘴的端面或侧壁中的至少一个设置。至少一个补充孔相对于等离子排出孔。等离子弧气炬在至少约15安培的电流强度下操作。基本上所有的冷却气体流过至少一个气体出口。
另一方面，本发明的特征是：一种用于延长等离子弧气炬寿命的方法。提供气炬本体，该气炬本体包括用于通过涡流环将等离子气体引导到等离子腔的等离子气流通路，等离子弧在所述等离子腔中形成。提供相对于电极安装在气炬本体的远端以限定等离子腔的喷嘴。该喷嘴包括能够接纳电极的大致中空、细长的本体。喷嘴本体限定纵向轴线并具有沿轴线从喷嘴本体的第一端到喷嘴本体的第二端的长度。等离子排出孔设置在喷嘴本体的第一端。喷嘴本体从第一端到第二端的长度大于约2英寸。等离子弧气炬在至少约15安培的电流强度下操作。基本上所有的气体流出气炬本体的远端。
在某些实施例中，喷嘴还包括本体第一端处的等离子排出孔穿过其设置的端面，以及穿过端面相对于等离子排出孔设置的至少一个补充孔。该至少一个补充孔可倾斜或者该至少一个补充孔可以是直线/直的。基本上所有的冷却气体可通过至少一个补充孔排出。
该喷嘴还可包括穿过喷嘴的本体设置的至少一个孔。该至少一个孔可倾斜或者该至少一个孔可以是直线/直的。在某些实施例中，等离子弧气炬是气体冷却的。基本上所有的冷却气体通过至少一个孔排出。
在某些实施例中，喷嘴本体包括穿过喷嘴的端面设置的至少一个补充孔。该喷嘴本体可包括穿过喷嘴的本体设置的至少一个孔。在某些实施例中，喷嘴本体包括穿过喷嘴的端面设置的至少一个补充孔和穿过喷嘴的本体设置的至少一个孔。
喷嘴还可包括设置在喷嘴本体上并与冷却气体热连通的至少一个热交换构件。该至少一个热交换构件可设置在喷嘴本体的外表面上。该至少一个热交换构件可设置在喷嘴本体的内表面上。
喷嘴的长度可大于约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在某些实施例中，喷嘴的长度大于约2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。
喷嘴的长度与宽度的比值可大于约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。在某些实施例中，喷嘴的长度与宽度的比值大于约4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5。
在某些实施例中，在等离子弧切割气炬中使用任何本文描述的喷嘴。等离子弧切割气炬可以是手持等离子弧切割气炬。
喷嘴组件的长度可大于约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在某些实施例中，喷嘴组件的长度大于约2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。
在某些实施例中，喷嘴组件还包括本体第一端处的等离子排出孔穿过其设置的端面，以及穿过端面或侧壁中的至少一个相对于等离子排出孔设置的至少一个补充孔。该至少一个补充孔可以是倾斜的。基本上所有的冷却气体可通过至少一个补充孔排出。喷嘴组件内的该结构能够平移地接纳电极。
喷嘴组件还可包括设置在喷嘴本体上并与冷却气体热连通的至少一个热交换构件。该至少一个热交换构件可设置在喷嘴本体的外表面上。该至少一个热交换构件可设置在喷嘴本体的内表面上。
喷嘴组件还可包括穿过喷嘴本体设置的至少一个孔。在某些实施例中，喷嘴本体包括穿过喷嘴的端面设置的至少一个补充孔。该喷嘴本体可包括穿过喷嘴的本体设置的至少一个孔。在某些实施例中，喷嘴本体包括穿过喷嘴的端面设置的至少一个补充孔和穿过喷嘴的本体设置的至少一个孔。
在某些实施例中，在等离子弧切割气炬中使用任何本文描述的喷嘴组件。等离子弧切割气炬可以是手持等离子弧切割气炬。
电机的热传递区域可大于约1平方英寸。热传递区域可在约1平方英寸与约3平方英寸之间。
在某些实施例中，在等离子弧切割气炬中使用任何本文描述的电极。等离子弧切割气炬可以是手持等离子弧切割气炬。
在某些实施例中，喷嘴和/或电极是细长的。喷嘴可具有沿纵向轴线从喷嘴的第一端延伸到喷嘴的第二端的长度。从喷嘴的第一端到第二端的长度可大于约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在某些实施例中，喷嘴的长度大于约2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。
壳体可包括能够延长从组装的气炬末端的远端到近端距离的适配件。从组装的气炬末端的远端到近端的距离可大于约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在某些实施例中，从组装的气炬末端的远端到近端的距离可大于约2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。
在某些实施例中，气炬末端还包括设置在喷嘴上并与冷却气体热连通的至少一个热交换构件。该至少一个热交换构件可设置在喷嘴的外表面上。该至少一个热交换构件可设置在喷嘴的内表面上。
附图的详细描述
当参阅无需按规定比例的附图时，从随后说明性描述中会更完整地理解本发明的前述和其它目的、特征和优点以及该发明本身。
图1是等离子弧气炬末端的剖视图。
图2是根据本发明说明性实施例的喷嘴的剖视图。
图3是根据本发明的说明性实施例的电极的立体图。
图4是根据本发明说明性实施例的包括喷嘴、电极和涡流环的气炬末端的剖视图。
图5是根据本发明的说明性实施例的喷嘴的立体图。
图6是根据本发明说明性实施例的喷嘴组件的剖视图。
图7是根据本发明说明性实施例用于延长等离子弧气炬的等离子弧气炬适配件的侧视图。
图8是根据本发明说明性实施例的气炬末端的剖视图。
图9是根据本发明的说明性实施例的气炬末端的示意图。
图10是示出了根据本发明说明性实施例的气炬本体温度对比时间的图表。
图11是示出了根据本发明说明性实施例的气炬末端气炬本体温度对比时间的图表。
图12是根据本发明说明性实施例的示出气流的气炬末端的剖视图。
图13是根据本发明说明性实施例的示出喷嘴和电极直径与长度的气炬末端的剖视图。
图14是根据本发明说明性实施例的气炬末端的剖视图。
图15是根据本发明说明性实施例的气炬末端的剖视图。
具体实施方式
图1示出等离子弧气炬（焊割炬、切割焊炬）100的剖视图。等离子气炬末端由各种不同耗材组成，例如电极105、喷嘴110、保持帽115、涡流环117或屏蔽件125。喷嘴110具有安装在气炬本体内的中心排出孔。气炬和气炬末端可包括电连接件、用于冷却的通道以及用于电弧控制流体（例如等离子气体）的通道。屏蔽件125可用于防止熔融溅出物损坏气炬的其它部件，例如电极105、喷嘴110、保持帽115或涡流环120。电极105可包括电极105近端127处的热交换器120。
能够到达难以接近区域（例如通道或角落）的等离子弧气炬可具有细长耗材以提供所需的增加到达范围以触及这些类型的位置。这些长度较长耗材（例如“尖头”耗材）还可增加使用等离子弧气炬的操作者的可见性。该增加的可见性允许操作者看到正在进行的切割，这是因为气炬手柄更远离切割件，这形成供操作者观察切割件的间隙。
但是，具有较长耗材可致使等离子弧气炬冷却不充分以及耗材部件的过热和熔化。过热可能部分地是由于先前的冷却技术利用远离电极头的电极后端上的热交换器的事实。当耗材延长时，该热交换器进一步远离热源（例如电极的电极头）移动。冷却机构离热源越远，冷却就变得效率越差。于是，延长的耗材过热且过早熔化。当等离子弧气炬在约15安培以上的电流下操作时、且更尤其在约60安培以上电流下操作时该过热尤其明显。当等离子弧气炬完全是气体冷却（例如通过空气冷却）时，该过热也尤其明显。
在某些实施例中，耗材（例如喷嘴、电极、保持帽、屏蔽件和/或涡流环）长于约2英寸。图2示出喷嘴200的剖视图。喷嘴200包括具有第一端206和第二端207的大致中空本体205。中空喷嘴本体205能够接纳电极（例如图1的电极105）。等离子排出孔208在本体205的第一端206处穿过端面209设置。
喷嘴本体205限定纵向轴线210。喷嘴本体205具有沿纵向轴线210从喷嘴本体205的第一端206到第二端207的长度L。喷嘴本体的第一端206具有宽度W。喷嘴本体205的长度L与喷嘴本体205的宽度W的比值大于约3。
例如，为了具有大于约3的L/W比值，喷嘴本体205的长度可为约3.5英寸，且喷嘴本体的宽度可为约0.5英寸。这提供等于3.5英寸/0.5英寸的L/W比值或为7的L/W比值。
在某些实施例中，喷嘴的长度可大于约2英寸。喷嘴的长度可大于约3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在某些实施例中，喷嘴的长度大于约2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。尽管本文列出了喷嘴的长度和/或宽度的具体数值，但本领域的普通技术人员会容易地认识到也可使用其它长度和宽度而不偏离本发明的范围。例如，喷嘴可具有大于约21英寸的长度而不偏离本发明的范围。
喷嘴的长度与宽度的比值可大于约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。在某些实施例中，喷嘴的长度与宽度的比值大于约4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5。尽管本文列出了具体的L/W比值，但本领域的普通技术人员会容易地认识到也可使用其它长度和宽度而不偏离本发明的范围。例如，喷嘴可具有大于约21英寸的比值而不偏离本发明的范围。
类似地，电极（例如图1的电极105）可设计成使得等离子弧气炬能够到达难以触及的区域。电极的适当设计是实现具有高触及度和高可见特征的气炬堆叠的关键要求。可靠的高触及性和高可见性气炬需要具有适当比例和公差的电极。图3示出可实现本文提到的高触及性和高可见度要求的具有细长本体305的电极300。细长本体305具有第一端307和第二端308。电极本体305还在第一端307限定用于接纳电极头（插入部）（例如铪）的孔310。电极具有从第一端307延伸的第一本体部分315和延伸到第二端308的第二本体部分320。第一和第二本体部分315、320分别可用例如单块金属（诸如铜）形成一体式组件。
尽管延长耗材，例如延长图2的喷嘴200和/或图3的电极300可扩展等离子弧气炬的到达范围、可见性和尖度，但使用现有冷却技术时由于过热大大降低耗材寿命。现有冷却技术通常设置成在电极的与铪电极头相对端处的热交换器。冷却流体在热交换器的位置处执行其主要冷却功能。但是，当铪电极头（例如产生主要热量的位置）时，位于到电极头一定距离处的热交换器不足以用于冷却目的。
例如，参照图1，延长电极105致使铪电极头130更远离热交换器120。构造成与冷却流体连通时从电极或其它耗材去除热量的热交换器120不能再有效地从电极105的近端135充分去除热量，致使耗材部件的过热和熔化。当等离子弧气炬在约15安培以上的电流下操作时、且更尤其在约60安培以上电流下操作时该过热尤其明显。当等离子弧气炬完全是气体冷却（例如通过空气冷却）时，该过热也尤其明显。在某些实施例中，气炬通过各种比例的氧气和/或氮气冷却。
为了补偿耗材的不充分冷却，耗材和冷却路径可设计成在靠近电极的电极头的气炬末端的前端处进行基本上所有的冷却。例如，冷却气体可在电极与喷嘴之间流动、穿过涡流环并流过等离子腔且流出喷嘴的端面。小部分该气体可作为涡流切割气体运送到喷嘴孔。通过这样冷却，可大大延长从喷嘴末端到气炬的距离。长耗材与向前流动冷却的这种组合提供本文所述的优点而不缩短耗材寿命。
在某些实施例中，基本上所有的冷却气体（例如，主要的冷却气体、大于75%的冷却气体、大于约80%的冷却气体、大于约95%的冷却气体、或约99%的冷却气体）通过等离子弧气炬的前部或末端排出，且不允许冷却气体流回气炬内（但增压室内的压力仍然可将该电极反吹到切割位置）。该新型“向前流动”冷却设计在产生等离子弧气炬的主要热量的位置（即在电极的电极头处）冷却耗材。因此，本发明的电极不需要如图1所示电极近端处的热交换器。
电极（例如图3的电极300）可具有带内孔的实心基部，以减少电极内的温度传导。在电极与冷却气体之间形成大温差以在电极末端处驱动热量进入冷却气体。这显著减少进入电极本体的热流量，因此延长电极和其它耗材的寿命。此外，等离子弧气炬可对于任何给定气体流量在较低温度下操作，且不再需要极高的气体流量来充分冷却耗材。此外，由于耗材的显著增加的冷却，可达到较高的操作电流（例如大于150安培）。
向前流动冷却设计还允许切割工件而不显著加热气炬本体和手柄。由等离子弧气炬在电极头处电极末端附近产生的热量在冷却期间向前移动，且不朝向气炬本体和手柄向后移动。这不仅提供更有效的冷却，而且还增加操作者安全性，这是因为操作者会接触等离子气炬的最可能位置（例如手柄和气炬本体）不像现有等离子弧气炬那样热。此外，等离子弧气炬的手柄可更小，这是因为不需要手柄像现有等离子弧气炬那样必须吸收那么多的热量。此外，由于冷却更有效，因此耗材可由更少的铜制成。例如，电极最靠近手柄的后端可由比现有电极更少的铜制成，这是因为由等离子弧气炬在电极头处电极末端附近产生的热量在冷却期间向前移动，且不朝向气炬本体和手柄向后移动。因此，与现有耗材相比，这些耗材可用更少的铜制造且更廉价。
此外，本发明的延长耗材和向前流动设计减少对极高气体流量的需要。用新型向前流动设计，可使用比现有耗材设计先前所需更少的气体来从电极的末端去除相同的热量。这部分地是由于冷却气体沿单个方向（向前或朝向电极的电极头）移动，而不是向前和向后流动来冷却耗材。
图4示出具有延长耗材的气炬末端400，包括喷嘴405、电极410和涡流环415，该气炬末端可用于在高电流且完全气体冷却下操作的等离子弧气炬。喷嘴405具有端面420，等离子排出孔425穿过该端面420设置。端面420还可具有相对于等离子排出孔425设置的至少一个补充孔427。补充孔427可超过电极410的端面430定位。
补充孔427可以是倾斜的或者其可以是直的或线性的。倾斜的补充孔可为排出喷嘴的冷却气体提供涡流分量以引导冷却气体远离切割区域。图5示出具有倾斜或成角度补充孔505的喷嘴500。如图5所示，补充孔505相对于等离子排出孔510设置。当气炬操作时，等离子弧通过等离子排出孔510排出等离子弧气炬。冷却气体可通过补充孔505排出以在耗材组的末端处提供冷却。在某些实施例中，基本上所有的冷却气体（例如大于约95%的冷却气体）通过补充孔505排出。
回到图4，喷嘴405的本体可具有穿过其中设置的至少一个孔435。喷嘴405可具有补充孔427或孔435。在某些实施例中，喷嘴405既具有补充孔427又具有孔435。孔435可以是倾斜/成角度的或直的/线性的。
基本上所有的冷却气体可用于冷却等离子弧切割气炬末端的耗材，且基本上所有的冷却气体可通过补充孔427和/或孔435排出。这样，所有的冷却气体向下流到电极外部和/或喷嘴外部以在等离子弧气炬内产生主要热量的位置冷却耗材（例如在电极的电极头处或附近）。该向前流动方法致使等离子弧气炬完全被气体冷却并能够在大于15安培（例如大于45安培、或大于60安培、或大于90安培或大于150安培）的电流下操作而耗材不会过早失效。
补充孔427和孔435可尺寸做成使得基本上所有的冷却气体流过补充孔427和/或孔435。
为了进一步冷却耗材，可在喷嘴本体上设置热交换构件437。热交换构件437可以是凸块、沟槽、通道、纹理、隆起、突起和/或翅片。热交换构件437与冷却气体热连通并提供增加的表面面积以增加热传递系数和热传递速率。在某些实施例中，热交换构件437设置在喷嘴405的外表面438上，如图4所示。在某些实施例中，热交换构件437设置在喷嘴405的内表面439上。热交换构件437可既设置在喷嘴405的外表面438又设置在内表面439上。
在某些实施例中，喷嘴可包括形成图6的喷嘴组件600的一体形成的结构。喷嘴组件600可包括大致中空的细长本体605。细长本体605限定纵向轴线610。组件本体605沿轴线具有从本体605的第一端612到第二端613的长度L。喷嘴组件600具有设置在本体605的第一端612处的等离子排出孔615。
喷嘴组件包括与喷嘴本体605一体形成的结构620。在某些实施例中，结构620可从喷嘴本体605移除。结构620可例如是涡流环，涡流环可控制冷却气体流的定向。结构620构造成平移地接纳电极，从而可使用反吹焊割炬技术。例如，结构620的内表面可以是可允许电极在结构620内滑动的支承表面。结构620包括具有倾斜气体端口630的本体625以在等离子弧切割气炬操作期间提供涡流等离子气体。
结构620可嵌入喷嘴本体605内，使得其不可移除。喷嘴本体605的内径可与结构620的外径大致相同。结构620可用于将电极的孔与等离子排出孔615对准。结构620可尺寸设置成使得当电极设置在喷嘴的中空本体内时电极的孔与等离子排出孔轴向对准。例如，电极的外径与结构620的内径大致相同，因此将电极孔与等离子排出孔对准。
当在等离子弧气炬内使用长尖头耗材时，结构620的对准特征尤其有用。由于耗材的长度，电极可能相对于纵向轴线610倾斜或成角度。当在气炬末端的近端或后端处进行电极的对准时，喷嘴内电极的倾斜或成角度尤其突出。当电极孔和喷嘴的等离子排出孔未对准时，会发生双电弧或差的气炬性能。
为了确保电极孔与等离子排出孔的适当对准，图6的结构620可用于将电极与喷嘴对准。如图6所示，靠近喷嘴/电极的末端进行对准确保电极与喷嘴对准。此外，在气炬末端处将电极与喷嘴对准也沿喷嘴的纵向轴线610将电极对准，因此减少或消除电极的任何倾斜或成角度。
除了结构620的对准结构之外，结构620还将电极与喷嘴隔离。例如，该结构将电极与喷嘴电隔离。结构620可例如是不导电的（例如由非导电材料制成）以将电极与喷嘴电隔离。
在某些实施例中，喷嘴组件的长度可大于约2英寸。喷嘴组件的长度可大于约3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在某些实施例中，喷嘴组件的长度大于约2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。尽管本文列出了喷嘴的长度和/或宽度的具体数值，但本领域的普通技术人员会容易地认识到也可使用其它长度和宽度而不偏离本发明的范围。例如，喷嘴组件可具有大于约21英寸的长度而不偏离本发明的范围。
喷嘴组件可具有至少约2的比值或L/W。喷嘴组件的长度与宽度的比值可大于约4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。在某些实施例中，喷嘴组件的长度与宽度的比值大于约4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5。尽管本文列出了具体的L/W比值，但本领域的普通技术人员会容易地认识到也可使用其它长度和宽度而不偏离本发明的范围。例如，喷嘴组件可具有大于约21英寸的比值而不偏离本发明的范围。
类似于图4的喷嘴405，喷嘴组件600可具有穿过喷嘴组件600的端面635或侧壁640中的至少一个相对于等离子排出孔615设置的至少一个补充孔（未示出）。补充孔可倾斜且基本上所有的冷却气体可通过至少一个补充孔（位于喷嘴的端面和/或侧壁内）排出。
喷嘴组件600可具有设置在喷嘴本体605上并与冷却气体热连通的至少一个热交换构件（未示出）。热交换构件可设置在喷嘴本体605的外表面和/或内表面上。
参照图3，电极300可包括在电极本体305的第一端307处相对于第一本体部分315定位的热传递区域Z。热传递区域Z可以是电极300的外表面的热量从电极传递到冷却气体的一个区域。该区域或热传递区域Z可包括可设置在电极300的外表面上任何热交换构件（例如类似于关于喷嘴描述的热交换构件）的区域。在等离子弧气炬（例如在大于约15安培的电流下）操作期间，热传递区域Z与冷却气体热连通，并构造成使得从热传递区域Z去除等离子气炬操作期间产生的大部分热量。去除的具体热量取决于等离子弧气炬的具体操作参数。例如，在约15安培的电流下操作的气炬将需要比在约60安培的电流下操作的气炬从热传递区域去除更少的热量。这是因为在较高电流下操作的气炬比在较低电流下操作的气炬产生更多热量。从热传递区域去除的热量应当足以防止耗材的过早失效（例如熔化）。本领域的普通技术人员会容易地理解需要从热传递区域去除以防止耗材过早失效的热量的量。
热传递区域Z可大于约1平方英寸。在某些实施例中，热传递区域Z可在约1平方英寸与约3平方英寸之间。例如，热传递区域Z可以是1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8或2.9平方英寸。尽管本文列出了电极的热传递区域的具体数值，但本领域的普通技术人员会容易地认识到也可使用其它面积而不偏离本发明的范围。例如，电极可具有大于约3平方英寸或大于约3.5英寸的热传递区域而不偏离本发明的范围。在某些实施例中，热传递区域小于约1平方英寸，例如热传递区域可以是约0.75或0.5平方英寸。
图7示出等离子弧气炬系统700，包括相对于耗材组707设置的壳体705，耗材组707包括等离子弧气炬710的喷嘴（未示出）和电极（未示出）。壳体705和耗材组707形成具有远端708和近端709的组装的气炬末端。气炬末端的近端709构造成联接到气炬末端支座715。例如，气炬末端的近端709可通过螺纹联接到气炬末端支座715。
气炬末端/耗材组707的喷嘴可以是本文描述的任何喷嘴实施例。气炬末端/耗材组707的电极可以是本文描述的任何电极实施例。
在某些实施例中，如图7所示，壳体705是可用于现有耗材707以延长气炬末端以到达难以触及区域的适配件或延伸件。例如，壳体705可延长从组装的气炬末端的远端708到近端709的距离。在其它实施例中，如图8所示，使用细长耗材，且使用壳体805来容纳耗材。
图8示出用于手持等离子弧气炬的气炬末端800，该气炬末端800包括大致中空喷嘴810、相对于喷嘴设置的电极815、以及相对于喷嘴810和电极815设置的壳体805。喷嘴810、电极815和壳体805形成具有远端820和近端825的组装的气炬末端。近端825构造成联接到等离子弧气炬（未示出）的气炬末端支座（未示出）。
如图8所示，喷嘴810和/或电极815可以是细长的。喷嘴810可以是本文所述的任何喷嘴实施例。电极815可以是本文所述的任何电极实施例。电极815可设计成在电极815的近端825处没有热交换器。取消电极815的近端825处的热交换器进一步增加电极815的尖度。
从图7或8的组装的气炬末端的远端到近端的距离D可大于约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20英寸。在某些实施例中，从图7或8的组装的气炬末端的远端到近端的距离D可大于约4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5英寸。尽管本文列出了从组装的气炬末端的远端到近端的距离的具体数值，但本领域的普通技术人员会容易地认识到也可使用其它长度而不偏离本发明的范围。例如，气炬末端可具有大于约21英寸的长度而不偏离本发明的范围。
在某些实施例中，图7或8的组装的气炬末端的长度D与组装的气炬末端的宽度W的比值可大于约3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20。图7或8的组装的气炬末端的长度D与组装的气炬末端的宽度W的比值可大于约4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5、10.5、11.5、12.5、13.5、14.5、15.5、16.5、17.5、18.5、19.5或20.5。尽管本文列出了该比值的具体数值，但本领域的普通技术人员会容易地认识到也可使用其它比值而不偏离本发明的范围。例如，气炬末端可具有大于约21英寸的比值而不偏离本发明的范围。
除了喷嘴810和电极815是细长的之外，保持帽830也可延长以容纳延长的喷嘴810和电极815。保持帽830的附加长度可保护耗材和/或操作者。较长的耗材允许操作者实际上比使用现有耗材时更远离等离子弧，对操作者而言更安全。保持帽830还可允许屏蔽用于耗材的冷却流，因为保持帽830的内表面可用作气体通道的一部分以使气体沿屏蔽件向下流动。保持帽可具有几乎在喷嘴全长上延伸的塑料护套。在保持帽的终端（例如电极末端附近且在等离子弧气炬操作时最靠近热产生的端部）可增加阳极化的铝末端以进行热保护。保持帽的整个外表面将可从电极和喷嘴电浮动。
图9示出气炬末端900。气炬末端900包括延长/细长的电极、喷嘴和保持帽。这些延长的耗材增加气炬末端900的长度。例如，延长的耗材可使标准的现有耗材增加约2.5英寸。因此，从气炬末端900的近端905到远端910的距离D可约为4.75英寸。气炬末端900的宽度W可约为0.56英寸。小外径W可允许气炬末端到达紧密空间。气炬末端900的距离D与宽度W的比值（4.75/0.56）约为8.48。
细的外径或宽度W与现有气炬相比也增加等离子弧气炬的到达角度R。到达角度R是由耗材的最宽宽度和从耗材的纵向轴线测得的耗材长度形成的角度。该到达角度可小于约20°、小于约15°、小于约10°或小于约6°。
图10和11是示出如何用本文所述的向前流动方法使用延长的耗材以在操作期间降低等离子弧气炬的温度的图表。例如，图10示出等离子弧气炬在45安培下操作期间以摄氏度为单位的气炬温度与时间的关系。等离子弧气炬操作20秒并然后关闭5秒。重复222次。大的垂直间隙指示耗材组的变化。如图表上所示，气炬本体和耗材所产生的最高温度为41℃。现有耗材通常达到超过120℃的温度。
图11是比较对于30安培下运行的等离子弧气炬使用本文所述的向前流动方法的标准耗材和延长耗材的温度的图表。标准耗材达到超过120℃的温度。延长耗材达到的最高温度为54℃。
提供等离子弧气炬中这种显著温度下降的耗材的向前流动设计的热传递由公式1-3表示，其中Q是由电弧造成的进入电极和喷嘴的热量，A是总的（电极和喷嘴）热传递表面，h平均是电极和喷嘴的热交换表面的热传递系数，T表面是热交换表面的局部表面温度，而Tb是气体（空气）的局部球温度。
Q=Ah平均
Figure BDA00002899393500181
       公式1
A=A电极+A喷嘴      公式2
Figure BDA00002899393500182
=T表面-Tb      公式3
图12示出电极末端1200，该电极末端1200包括电极1205、喷嘴1210、屏蔽件1215和涡流环1220。电极1205具有例如铪的电极头1225。电极1210包括气体排出孔1230。冷却气体（例如空气）1235可在电极1205与喷嘴1210之间流动，且屏蔽气体1240可在喷嘴1210与屏蔽件1215之间流动。冷却气体1235和屏蔽气体1240组合地在气炬末端冷却耗材。
参照图13，作为热传递面积的电极与喷嘴的总面积可基于公式4-7进行计算，其中d是直径，且l是长度。
A1=
Figure BDA00002899393500183
=A电极表面         公式4
A2=
Figure BDA00002899393500184
=A喷嘴内径表面      公式5
A3=
Figure BDA00002899393500185
=A喷嘴外径表面      公式6
A=A1+A2+A3               公式7
参照图14和公式1，当计算h平均时有几个因素应当考虑。首先，喷嘴内径与电极之间的间隙1405的尺寸。例如，如果小喷嘴内径的直径减去电极直径小于大喷嘴内径的直径减去电极的直径（参见例如公式8结合图14），则将形成跨越涡流环的压降，该涡流环可影响冷却气体的速度和压力。
(D小喷嘴内径–D电极)<(D大喷嘴内径–D电极)      公式8
此外，喷嘴的外径与屏蔽件之间的间隙1410的尺寸可影响屏蔽气体的速度和压力。任何热交换表面（电极1415的外表面、喷嘴1420、1425相应的内表面或外表面、或者屏蔽件1430的内表面）可形成湍流和收缩的边界层以增加冷却气体流和/或屏蔽气体流内的对流。此外，排出孔1435可基于排出孔1435的直径和位置影响冷却气体的边界层和湍流。在计算h平均时，也可考虑冷却和屏蔽气体的重力和气体特性。
参照图15，也可通过公式9来计算由电弧引起的进入电极与喷嘴的热量。
Q=A1h1(T电极-T主体电极)+A2h2(T喷嘴-T主体电极)+A3h3(T喷嘴-T主体屏蔽件)      公式9
尽管本发明的各实施例对于手持等离子弧气炬进行了描述，但各实施例同样适用于机械气炬。本领域的普通技术人员会容易地理解设计耗材和流动特征可应用于手持和机械气炬。
可使用本文描述的任何耗材（例如喷嘴或电极实施例中的至少一个）和向前流动冷却方法实施切割工件并延长等离子弧气炬寿命的方法。可通过提供具有本体的等离子弧气炬来实施这些方法。该本体包括用于引导等离子气体穿过涡流环到达等离子腔以形成等离子弧的流动路径。可提供本文所述的任何一个或多个耗材实施例。例如，可设置图2的喷嘴，可设置图6的喷嘴组件，或者可设置图3的电极。在某些实施例中，可设置图2的喷嘴和图3的电极，或者可设置图6的喷嘴组件和图3的电极。
等离子弧气炬可在至少约15安培的电流强度下操作。在某些实施例中，等离子弧气炬在至少约30安培、至少约45安培、至少约60安培、至少约80安培、至少约100安培、至少约120安培、至少约150安培或至少约200安培的电流强度下操作。
这些方法还包括使冷却气体基本上（例如大于约95％）流动通过气炬本体远端处的至少一个补充孔（例如喷嘴的补充孔）。
尽管本发明具体示出和描述了特定的较佳实施例，但是本领域的技术人员应当理解可对其进行形式和细节的各种改变而不背离以下权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (61)

1.一种用于等离子弧切割气炬的喷嘴，所述喷嘴包括：
大致中空的细长本体，所述本体能够接纳电极，所述本体限定纵向轴线且具有沿所述轴线从所述本体的第一端到所述本体的第二端的长度；以及
等离子排出孔，所述等离子排出孔设置在所述本体的所述第一端，
其中所述喷嘴本体的所述第一端具有宽度，且所述喷嘴本体的所述长度与所述喷嘴本体的所述宽度的比值大于约3。
2.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，还包括：
所述本体的所述第一端处的端面，所述等离子排出孔穿过所述端面设置；以及
至少一个补充孔，所述至少一个补充孔穿过所述端面相对于所述等离子排出孔设置。
3.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，所述至少一个补充孔是倾斜的。
4.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，基本上所有的冷却气体通过所述至少一个补充孔排出。
5.如权利要求2所述的喷嘴，其特征在于，还包括：穿过所述喷嘴的所述本体设置的至少一个孔。
6.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，还包括：穿过所述喷嘴的所述本体设置的至少一个孔。
7.如权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，所述至少一个孔是倾斜的。
8.如权利要求6所述的喷嘴，其特征在于，基本上所有的冷却气体通过所述至少一个孔排出。
9.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，还包括：至少一个热交换构件，所述至少一个热交换构件设置在所述喷嘴本体上并与冷却气体热连通。
10.如权利要求9所述的喷嘴，其特征在于，所述至少一个热交换构件可设置在所述喷嘴本体的外表面上。
11.如权利要求9所述的喷嘴，其特征在于，所述至少一个热交换构件设置在所述喷嘴本体的内表面上。
12.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度大于约2英寸。
13.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度大于约4英寸。
14.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度大于约6英寸。
15.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度大于约8英寸。
16.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度大于约10英寸。
17.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度与所述宽度的比值大于约4。
18.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度与所述宽度的比值大于约5。
19.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度与所述宽度的比值大于约7。
20.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度与所述宽度的比值大于约9。
21.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述长度与所述宽度的比值大于约11。
22.如权利要求1所述的喷嘴，其特征在于，所述等离子弧气炬是气体冷却的。
23.一种等离子弧气炬，包括权利要求1的喷嘴。
24.一种切割工件的方法，包括：
提供等离子弧气炬，所述等离子弧气炬具有本体，所述本体包括用于通过涡流环将等离子气体引导到等离子腔的流路，等离子弧在所述等离子腔中形成；
提供相对于电极安装在所述气炬本体的远端以限定所述等离子腔的喷嘴，所述喷嘴包括：
大致中空的细长本体，所述本体能够接纳所述电极，所述喷嘴本体限定纵向轴线且具有沿所述轴线从所述喷嘴本体的第一端到所述喷嘴本体的第二端的长度；
等离子排出孔，所述等离子排出孔设置在所述喷嘴本体的所述第一端，其中所述喷嘴本体的所述第一端具有宽度，且所述喷嘴本体的所述长度与所述喷嘴本体的所述宽度的比值大于约3；以及
至少一个补充孔，所述至少一个补充孔穿过所述喷嘴的端面或侧壁中的至少一个设置，所述至少一个补充孔相对于所述等离子排出孔；
在至少约15安培的电流强度下操作所述等离子弧气炬；
使基本上所有的冷却气体流过所述气炬本体的所述远端处的所述至少一个补充孔。
25.一种用于等离子弧切割气炬的喷嘴组件，所述喷嘴组件包括：
大致中空的细长本体，所述大致中空的细长本体限定纵向轴线并具有沿所述轴线从所述本体的第一端到所述本体的第二端的长度；
等离子排出孔，所述等离子排出孔设置在所述本体的所述第一端；以及
构造成平移地接纳电极并与所述喷嘴本体一体形成的结构，所述结构包括本体，所述本体具有倾斜气体端口以在所述等离子弧切割气炬操作期间提供涡流等离子气体。
26.如权利要求25所述的喷嘴组件，其特征在于，所述长度大于约2英寸。
27.如权利要求25所述的喷嘴组件，其特征在于，所述长度大于约4英寸。
28.如权利要求25所述的喷嘴组件，其特征在于，所述长度大于约6英寸。
29.如权利要求25所述的喷嘴组件，其特征在于，还包括：
所述本体的所述第一端处的端面，所述等离子排出孔穿过所述端面设置；以及
至少一个补充孔，所述至少一个补充孔穿过所述端面或侧壁中的至少一个相对于所述等离子排出孔设置。
30.如权利要求29所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个补充孔是倾斜的。
31.如权利要求29所述的喷嘴组件，其特征在于，基本上所有的冷却气体通过所述至少一个补充孔排出。
32.如权利要求25所述的喷嘴组件，其特征在于，还包括：至少一个热交换构件，所述至少一个热交换构件设置在所述喷嘴本体上并与冷却气体热连通。
33.如权利要求32所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个热交换构件可设置在所述喷嘴本体的外表面上。
34.如权利要求32所述的喷嘴组件，其特征在于，所述至少一个热交换构件设置在所述喷嘴本体的内表面上。
35.一种等离子弧气炬，包括权利要求25的喷嘴组件。
36.一种切割工件的方法，包括：
提供相对于电极安装在气炬本体的远端以限定等离子腔的喷嘴组件，所述喷嘴组件包括：
大致中空的细长本体，所述大致中空的细长本体限定纵向轴线并具有沿所述轴线从所述本体的第一端到所述本体的第二端的长度；
等离子排出孔，所述等离子排出孔设置在所述喷嘴本体的所述第一端，
穿过所述喷嘴的端面设置的至少一个补充孔；
相对于所述等离子排出孔的组件；以及
构造成平移地接纳电极并与所述喷嘴本体一体形成的结构，所述结构包括本体，所述本体具有倾斜气体端口以在所述等离子弧切割气炬操作期间提供涡流等离子气体；
在至少约15安培的电流强度下操作所述等离子弧切割气炬；以及
使基本上所有的冷却气体流过所述至少一个补充孔。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述喷嘴组件还包括穿过所述喷嘴本体设置的至少一个孔。
38.一种用于高可见度等离子弧切割气炬的电极，包括：
细长电极本体，所述细长电极本体具有第一端和第二端，所述本体在所述第一端限定用于接纳电极头的孔，所述电极本体包括：
(i)从所述第一端延伸的第一本体部分；
(ii)延伸到所述第二端的第二本体部分；以及
(iii)相对于所述第一本体部分定位在所述电极本体的所述第一端的热传递区域，
其中在所述等离子气炬在大于约15安培的电流下操作期间，所述热传递区域与冷却气体热连通，并构造成使得从所述热传递区域去除所述等离子气炬操作期间产生的大部分热量。
39.如权利要求38所述的电极，其特征在于，所述热传递区域大于约1平方英寸。
40.如权利要求38所述的电极，其特征在于，所述热传递区域在约1平方英寸至约3平方英寸之间。
41.一种等离子弧气炬，包括权利要求38的电极。
42.一种用于高可见度等离子弧切割气炬的电极，包括：
细长电极本体，所述细长电极本体具有第一端和第二端，所述本体在所述第一端限定用于接纳电极头的孔，所述电极本体包括：
(i)从所述第一端延伸的第一本体部分；
(ii)延伸到所述第二端的第二本体部分；以及
(iii)相对于所述第一本体部分定位在所述电极本体的所述第一端的热传递区域，
其中所述热传递区域大于约1平方英寸。
43.如权利要求42所述的电极，其特征在于，所述热传递区域在约1平方英寸至3平方英寸之间。
44.一种等离子弧气炬，包括权利要求42的电极。
45.用于手持等离子气炬的气炬末端，所述手持等离子气炬具有触发件和气炬末端支座，所述气炬末端包括：
大致中空喷嘴；
电极，所述电极相对于所述喷嘴设置；以及
壳体，所述壳体相对于所述喷嘴和所述电极设置，所述喷嘴、电极和壳体形成具有远端和近端的组装气炬末端，所述组装气炬末端的所述近端构造成联接到所述气炬末端支座，
其中从组装的气炬末端的远端到近端的距离大于约3英寸。
46.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，所述喷嘴是细长的。
47.如权利要求46所述的气炬末端，其特征在于，所述喷嘴具有沿纵向轴线从所述喷嘴的第一端到所述喷嘴的第二端延长的长度，从所述喷嘴的从所述第一端到所述第二端的所述长度大于约2英寸。
48.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，所述电极是细长的。
49.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，所述壳体包括能够延长从所述组装的气炬末端的所述远端到所述近端距离的适配件。
50.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，从所述组装的气炬末端的所述远端到所述近端的距离大于约5英寸。
51.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，从所述组装的气炬末端的所述远端到所述近端的距离大于约7英寸。
52.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，从所述组装的气炬末端的所述远端到所述近端的距离大于约9英寸。
53.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，从所述组装的气炬末端的所述远端到所述近端的距离大于约11英寸。
54.如权利要求45所述的气炬末端，其特征在于，还包括：至少一个热交换构件，所述至少一个热交换构件设置在所述喷嘴本体上并与冷却气体热连通。
55.如权利要求54所述的气炬末端，其特征在于，所述至少一个热交换构件设置在所述喷嘴的外表面上。
56.如权利要求55所述的气炬末端，其特征在于，所述至少一个热交换构件设置在所述喷嘴的内表面上。
57.用于手持等离子气炬的气炬末端，所述手持等离子气炬具有触发件和气炬末端支座，所述气炬末端包括：
大致中空喷嘴；
电极，所述电极相对于所述喷嘴设置；以及
壳体，所述壳体相对于所述喷嘴和所述电极设置，所述喷嘴、电极和壳体形成具有远端和近端的组装气炬末端，所述组装气炬末端的所述近端构造成联接到所述气炬末端支座，所述组装的气炬末端限定纵向轴线并具有沿轴线从近端到远端的长度，
其中所述组装的气炬末端的长度与所述组装的气炬末端的宽度的比值大于约3。
58.一种将电极对准在等离子弧气炬内的方法，所述方法包括：
提供喷嘴组件，所述喷嘴组件包括：
大致中空的细长本体，所述本体能够接纳电极，所述本体限定纵向轴线且具有沿所述轴线从所述本体的第一端到所述本体的第二端的长度；
等离子排出孔，所述等离子排出孔设置在所述本体的所述第一端；以及
与所述喷嘴本体一体形成的结构，所述结构包括本体，所述本体具有倾斜气体端口以在所述等离子弧切割气炬操作期间提供涡流等离子气体，
将细长电极设置在所述喷嘴的所述本体内，所述电极具有第一端和第二端，所述电极本体在所述电极的所述第一端内限定孔以接纳电极头；以及
将所述电极的孔经由所述结构与所述喷嘴的所述等离子排出孔对准。
59.如权利要求58所述的方法，其特征在于，所述结构能够平移地接纳所述电极。
60.一种用于延长等离子弧气炬寿命的方法，所述方法包括：
提供气炬本体，所述气炬本体包括用于通过涡流环将等离子气体引导到等离子腔的等离子气流通路，等离子弧在所述等离子腔中形成；
提供相对于电极安装在所述气炬本体的远端以限定所述等离子腔的喷嘴，所述喷嘴包括：
大致中空的细长本体，所述本体能够接纳所述电极，所述喷嘴本体具有第一端和第二端；
等离子排出孔，所述等离子排出孔设置在所述喷嘴本体的所述第一端，其中所述喷嘴本体从所述第一端到所述第二端的长度大于约2英寸；以及
至少一个补充孔，所述至少一个补充孔穿过所述喷嘴的端面或侧壁中的至少一个设置，所述至少一个补充孔相对于所述等离子排出孔；
在至少约15安培的电流强度下操作所述等离子弧气炬；以及使基本上所有的冷却气体流过所述至少一个气体出口。
61.一种用于延长等离子弧气炬寿命的方法，所述方法包括：
提供气炬本体，所述气炬本体包括用于通过涡流环将等离子气体引导到等离子腔的等离子气流通路，等离子弧在所述等离子腔中形成；
提供相对于电极安装在所述气炬本体的远端以限定所述等离子腔的喷嘴，所述喷嘴包括：
大致中空的细长本体，所述本体能够接纳所述电极，所述喷嘴本体限定纵向轴线且具有沿所述轴线从所述喷嘴本体的第一端到所述喷嘴本体的第二端的长度；以及
等离子排出孔，所述等离子排出孔设置在所述喷嘴本体的所述第一端，其中所述喷嘴本体从所述第一端到所述第二端的长度大于约2英寸；
在至少约15安培的电流强度下操作所述等离子弧气炬；以及使基本上所有的气体流出所述气炬本体的所述远端。
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