ES2951760T3

ES2951760T3 - Cartucho consumible para un soplete de arco de plasma, método para ensamblar dicho cartucho consumible y método para instalar un cartucho consumible en un soplete de arco de plasma

Info

Publication number: ES2951760T3
Application number: ES16705889T
Authority: ES
Inventors: Yu Zhang; Zheng Duan; Mahyar Esmaili; Michael F Kornprobst; Brett Hansen; Garrett Quillia
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2036-02-12
Also published as: US20160050740A1; RU2710818C2; RU2018108105A3; RU2017107470A; US10321551B2; US20190261501A1; CN106715027A; RU2693233C2; US20190269002A1; US20160165712A1; EP3180151A1; AU2016304686B2; CN111604576B; CN108136532A; US10582605B2; EP3958654A1; CN111604576A; EP4236633A3; EP3180151B1; US11991813B2

Abstract

Se proporciona un cartucho consumible (1000) para un soplete de arco de plasma. El cartucho consumible incluye un componente exterior (1002) que define un cuerpo sustancialmente hueco, un componente interior (1004) dispuesto sustancialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior, y una región hueca entre la porción trasera del componente interior (1004) y el componente exterior (1002). El componente interior (1004) incluye una parte delantera configurada para asegurar axialmente y acoplar de forma giratoria el componente exterior (1002) al componente interior (1004) y una parte trasera sustancialmente suspendida dentro del cuerpo hueco del componente exterior. La parte trasera está asegurada axialmente y acoplada de forma giratoria con el componente exterior a través de la parte delantera. La región hueca (1022) está configurada para recibir un cabezal de soplete para permitir el acoplamiento entre la parte trasera del componente interno y un cátodo del cabezal de soplete. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cartucho consumible para un soplete de arco de plasma, método para ensamblar dicho cartucho consumible y método para instalar un cartucho consumible en un soplete de arco de plasma

La presente invención se refiere en general a cartuchos para un soplete de arco de plasma de arranque por contacto, y más particularmente, a un cartucho consumible para un soplete de arco de plasma, un método para ensamblar dicho cartucho consumible, y un método para instalar un cartucho consumible en un soplete de arco de plasma, véanse, respectivamente, las reivindicaciones 1, 7 y 10.

El documento US2004195217 A1 describe un cartucho consumible de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Antecedentes

Sopletes de procesamiento térmico, tal como sopletes de arco de plasma, son ampliamente utilizados para el procesamiento de alta temperatura (por ejemplo, calentamiento, corte, raspado y marcado) de materiales. Un soplete de arco de plasma generalmente incluye un cuerpo de soplete, un electrodo montado dentro del cuerpo de soplete, un inserto emisivo dispuesto dentro de un orificio del electrodo, una boquilla con un orificio de salida central montada dentro del cuerpo del soplete, un protector, conexiones eléctricas, pasajes para enfriar, conductos para fluidos de control de arco (por ejemplo, gas de plasma) y una fuente de alimentación. Se puede usar un anillo de remolino para controlar los patrones de flujo de fluido en la cámara de plasma formada entre el electrodo y la boquilla. En algunos sopletes, se usa una tapa de retención para mantener la boquilla y/o el anillo de remolino en el soplete de arco de plasma. En funcionamiento, el soplete produce un arco de plasma, que es un chorro restringido de un gas ionizado con alta temperatura y suficiente impulso para ayudar en la eliminación del metal fundido. Los gases utilizados en el soplete pueden no ser reactivos (por ejemplo, argón o nitrógeno) o reactivos (por ejemplo, oxígeno o aire).

Un método para producir un arco de plasma en un soplete de arco de plasma es el método de inicio por contacto. El método de inicio por contacto implica establecer contacto físico y comunicación eléctrica entre el electrodo y la boquilla para crear una trayectoria de corriente entre ellos. El electrodo y la boquilla pueden cooperar para crear una cámara de plasma dentro del cuerpo del soplete. Se proporciona una corriente eléctrica al electrodo y a la boquilla, y se introduce un gas en la cámara de plasma. La presión del gas se acumula hasta que la presión es suficiente para separar el electrodo y la boquilla. La separación hace que se forme un arco entre el electrodo y la boquilla en la cámara de plasma. El arco ioniza el gas introducido para producir un chorro de plasma que se puede transferir a la pieza de trabajo para el procesamiento del material. En algunas aplicaciones, la fuente de alimentación está adaptada para proporcionar una primera corriente eléctrica conocida como corriente piloto durante la generación del arco y una segunda corriente conocida como corriente de arco transferido cuando el chorro de plasma ha sido transferido a la pieza de trabajo.

Varias configuraciones son posibles para generar el arco. Por ejemplo, el electrodo puede moverse dentro del cuerpo del soplete alejándose de la boquilla estacionaria. Tal configuración se denomina método de inicio de contacto de "retroceso" porque la presión del gas hace que el electrodo se aleje de la pieza de trabajo. Un problema con tales sistemas se relaciona con la alineación precisa de los consumibles de la boquilla y el electrodo, lo que afecta significativamente la esperanza de vida de los consumibles y el procesamiento del material/calidad de corte. En otra configuración, la boquilla puede alejarse del electrodo relativamente estacionario. Tal configuración se denomina método de inicio de contacto de "soplado hacia adelante" porque la presión del gas hace que la boquilla se mueva hacia la pieza de trabajo.

Los sistemas de corte por plasma existentes incluyen una amplia gama de consumibles separados disponibles para su uso con diferentes corrientes y/o modos operativos. La gran cantidad de opciones de consumibles requiere un gran número de piezas e inventarios para los usuarios, y puede confundir a los usuarios y aumentar la posibilidad de instalar consumibles incorrectos. La gran cantidad de opciones de consumibles también puede hacer que el tiempo de preparación del soplete sea prolongado y dificulta la transición entre procesos de corte que requieren diferentes disposiciones de consumibles en el soplete, cuya disposición e instalación a menudo se realiza en el campo, un componente a la vez. Por ejemplo, antes de una operación de corte, seleccionar e instalar el conjunto correcto de consumibles para una tarea de corte en particular puede ser una carga y llevar mucho tiempo. Además, la selección, el ensamblaje y la instalación de estos componentes en el campo pueden causar problemas de alineación o problemas de compatibilidad cuando se utilizan componentes antiguos con componentes nuevos. Durante el funcionamiento del soplete, los consumibles existentes pueden experimentar problemas de rendimiento, tal como no mantener la alineación y el espacio adecuados entre los consumibles. Además, los consumibles actuales incluyen cantidades sustanciales de materiales costosos (por ejemplo, Vespel™) y a menudo requieren un proceso de fabricación relativamente complejo, lo que conduce a costes de fabricación significativos e inhibe su comercialización generalizada, producción y adopción. Lo que se necesita es una plataforma de consumibles nueva y mejorada que reduzca los costes y el tiempo de fabricación, disminuya el recuento de partes, aumente el rendimiento del sistema (por ejemplo, alineación de componentes, calidad de corte, vida del consumible, variabilidad/versatilidad, etc.), y facilite la instalación y el uso de consumibles por parte de los usuarios finales

Sumario

En la reivindicación 1 se define un cartucho consumible para un soplete de arco de plasma de acuerdo con la presente invención.

En la reivindicación 7 se define un método de ensamblaje de dicho cartucho consumible de acuerdo con la presente invención.

En la reivindicación 10 se define un método de instalación de un cartucho en un soplete de arco de plasma de acuerdo con la presente invención.

Realizaciones adicionales de la presente invención aparecen definidas en las reivindicaciones adjuntas.

En algunas realizaciones, la corona está formada de un material eléctricamente conductor. La corona se puede configurar para retener el electrodo dentro del cartucho y pasar una corriente eléctrica al electrodo. La corona puede comprender una superficie de carga para contactar físicamente con un elemento elástico que presiona contra un extremo proximal del electrodo. Adicionalmente, la corona puede comprender un cuerpo sustancialmente hueco configurado para retener el elemento elástico entre la superficie de carga y el extremo proximal del electrodo.

En algunas realizaciones, el cuerpo de la corona tiene un grosor sustancialmente uniforme. En algunas realizaciones, la corona incluye al menos un orificio de ventilación.

En algunas realizaciones, la corona comprende una superficie de contacto para facilitar el contacto eléctrico con una superficie de contacto correspondiente del electrodo cuando el soplete de arco de plasma funciona en un modo de arco transferido. La superficie de contacto de la corona se caracteriza por la ausencia de contacto con la correspondiente superficie de contacto del electrodo durante la iniciación de un arco piloto. La superficie de contacto se puede configurar para hacer contacto físico con la superficie de contacto correspondiente del electrodo cuando el soplete funciona en el modo de arco transferido.

En algunas realizaciones, la pluralidad de aberturas de flujo de gas del anillo de remolino incluyen hendiduras definidas por una pluralidad de extensiones dispuestas alrededor del extremo distal del cuerpo alargado del anillo de remolino, cada hendidura situada entre un par de extensiones.

En algunas realizaciones, la característica de retención de la boquilla incluye una ranura ubicada en una superficie exterior de las extensiones. La retención de la boquilla en el anillo de turbulencia se puede realizar mediante ajuste a presión, roscado o prensado. En algunas realizaciones, el acoplamiento entre la corona y el anillo de remolino se realiza mediante engaste, ajuste a presión o roscado.

En algunas realizaciones, la relación entre la longitud axial (L) de cada abertura de flujo de gas y el radio medio (R) entre el radio del electrodo y el radio de una pared interior del anillo de remolino es inferior a aproximadamente 0,5. En algunas realizaciones, la pluralidad de aberturas de flujo de gas están dispuestas en una sola capa alrededor del extremo distal del cuerpo alargado, teniendo cada abertura de flujo de gas un desplazamiento de aproximadamente 1,016 mm (0,040 pulgadas) entre una abertura en una pared interior del anillo de remolino y una abertura en una pared exterior del anillo de remolino.

En algunas realizaciones, el componente exterior comprende al menos uno de un protector, un componente de aislamiento, una tapa de retención o un manguito de tapa. De acuerdo con la presente invención, el componente interior comprende al menos uno de una corona, un anillo de remolino, un electrodo o una boquilla.

En algunas realizaciones, la porción trasera del componente interior está configurada para rodear sustancialmente y hacer contacto físico con al menos una porción del cátodo. La porción trasera del componente interior puede comprender una cavidad configurada para recibir al menos una porción del cátodo que se extiende hacia el interior del cartucho. En algunas realizaciones, al menos uno de la porción trasera del componente interior o el componente exterior comprende al menos una rosca para acoplarse con el cabezal del soplete.

En algunas realizaciones, el componente interior comprende además una o más aletas dispuestas sobre una superficie exterior del componente interior. El componente exterior también puede comprender una o más aletas dispuestas sobre una superficie interior del componente exterior.

En algunas realizaciones, el componente exterior proporciona una trayectoria eléctrica para una corriente de arco piloto del soplete de arco de plasma.

En el método de ensamblaje de un cartucho de múltiples piezas de acuerdo con la presente invención, el consumible del cartucho comprende un componente exterior y un componente interior para la instalación en un soplete de arco de plasma. El método incluye disponer el componente interior dentro de un cuerpo hueco del componente exterior. El método también incluye restringir axialmente el componente exterior con respecto a una porción delantera del componente interior mientras se permite la rotación independiente de los componentes interior y exterior entre sí. El método incluye además suspender sustancialmente y orientar radialmente, mediante la restricción axial, una porción trasera del componente interior dentro del cuerpo hueco del componente exterior.

En algunas realizaciones, el método incluye además instalar el consumible de cartucho de piezas múltiples en un cabezal de soplete colocando el cabezal de soplete en una región hueca entre la porción trasera del componente interior y el componente exterior. La instalación puede permitir el acoplamiento físico entre un cátodo del cabezal del soplete y un rebaje en la porción trasera del componente interior. En algunas realizaciones, el método incluye además girar el componente exterior independientemente del componente interior para fijar el cabezal del soplete al consumible del cartucho de piezas múltiples.

En algunas realizaciones, el método incluye además ensamblar el componente interior del cartucho de múltiples piezas, que comprende disponer un electrodo dentro de un cuerpo hueco de un anillo de remolino, retener el electrodo dentro del cuerpo hueco sujetando de forma fija una boquilla a un extremo distal del anillo de remolino, y sujetando de forma fija una corona a un extremo proximal del anillo de remolino. En algunas realizaciones, el método incluye además ensamblar el componente exterior del cartucho de piezas múltiples, que comprende sobremoldear un manguito de capuchón aislante sobre una tapa de retención y conectar de forma fija una protección al manguito de tapa.

En algunas realizaciones, el método incluye además alinear radialmente el componente interior con respecto al componente exterior mediante una o más aletas dispuestas en una superficie de al menos uno de los componentes interior o exterior.

En otro aspecto adicional, se proporciona una corona para un soplete de arco de plasma. La corona incluye un cuerpo que define un extremo proximal y otro distal, incluyendo el cuerpo un material eléctricamente conductor y al menos una característica elevada en el extremo proximal del cuerpo. La característica elevada se adaptó para activar un sensor consumible dentro del soplete de arco de plasma. La corona también puede incluir una superficie de empuje en el extremo proximal del cuerpo para contactar físicamente con un elemento elástico.

En algunas realizaciones, la corona incluye además una superficie de contacto en el extremo distal del cuerpo para contacto físico, durante un modo de arco transferido del soplete de arco de plasma, una superficie correspondiente de un electrodo. La al menos una característica elevada está configurada para activar el sensor consumible presionando contra el sensor consumible al instalar la corona en el soplete de arco de plasma, permitiendo así un flujo de corriente eléctrica a través de uno de (i) la superficie de empuje hacia el elemento elástico durante un modo de arco piloto del soplete de arco de plasma o (ii) la superficie de contacto con el electrodo durante el modo de arco transferido.

En algunas realizaciones, el cuerpo de la corona es sustancialmente hueco y está configurado para retener el elemento elástico entre la superficie de carga y el electrodo. El cuerpo de la corona puede tener un grosor sustancialmente uniforme.

En algunas realizaciones, el cuerpo de la corona define una cavidad configurada para recibir al menos una porción de un cátodo del soplete de arco de plasma. La superficie de contacto puede estar situada en una superficie interior del cuerpo de la corona que define la cavidad.

El método de instalación de un cartucho en un arco de plasma según la presente invención incluye ensamblar un componente interior del cartucho que incluye disponer un electrodo dentro de un cuerpo hueco de un anillo de remolino que incluye un extremo distal y un extremo proximal, capturar el electrodo dentro del anillo de turbulencia asegurando de forma fija una boquilla en el extremo distal del anillo de turbulencia, y asegurando de manera fija una corona al extremo proximal del anillo de turbulencia. El método también incluye asegurar un cabezal de soplete al cartucho que incluye el componente interior y un componente exterior, y presionar, mediante al menos una característica elevada, un sensor consumible dentro de un cabezal de soplete del soplete de arco de plasma. El método incluye además establecer una trayectoria de flujo de corriente eléctrica desde una fuente de energía a través del cabezal del soplete y al cartucho en base a la presión.

En algunas realizaciones, el método incluye además posicionar la corona entre un cátodo del cabezal del soplete y el electrodo y alinear radial y longitudinalmente el cátodo, la corona y el electrodo. El método puede incluir además permitir el acoplamiento físico entre el cátodo y un rebaje de la corona. El método puede incluir además permitir el contacto físico entre el cátodo y el electrodo a través de una abertura de la corona durante una operación en modo transferido del soplete de arco de plasma.

En algunas realizaciones, el método incluye además el contacto físico, mediante una superficie de empuje en el extremo proximal de la corona, un elemento resiliente y en contacto físico, mediante una superficie de contacto en el extremo distal de la corona, una superficie correspondiente del electrodo durante un modo de arco transferido del soplete de arco de plasma. El método puede incluir además permitir un flujo de corriente eléctrica en la trayectoria del flujo de corriente eléctrica a través de uno de (i) la superficie de empuje hacia el elemento elástico durante un modo de arco piloto del soplete de arco de plasma o (ii) la superficie de contacto con el electrodo durante el modo de arco transferido.

En algunas realizaciones, el método incluye además disponer el componente interior dentro de un cuerpo hueco del componente exterior y restringir axialmente el componente interior con respecto al componente exterior mientras permite la rotación independiente de los componentes interior y exterior entre sí. El método puede incluir además suspender sustancialmente y orientar radialmente, mediante la restricción axial, una porción trasera del componente interior dentro del cuerpo hueco del componente exterior. El método puede incluir además alinear radialmente el componente interior con respecto al componente exterior mediante una o más aletas dispuestas en una superficie de al menos uno de los componentes interior o exterior.

En algunas realizaciones, la característica de elevación está dispuesta en la corona o en el anillo giratorio.

Breve descripción de los dibujos

Las ventajas de la invención descritas anteriormente, junto con otras ventajas, se podrán entender mejor con referencia a la siguiente descripción tomada en conjunción con los dibujos adjuntos. Los dibujos no están necesariamente a escala, poniéndose en su lugar, en general, el énfasis en la ilustración de los principios de la invención.

La figura 1 es una vista en sección transversal del cartucho de ejemplo para un soplete de arco de plasma. La figura 2 es una vista isométrica del electrodo del cartucho de la figura 1.

La figura 3 es una vista isométrica de la boquilla del cartucho de la figura 1.

Las figuras 4a y 4b son vistas isométricas y de perfil del anillo de remolino del cartucho de la figura 1, respectivamente.

Las figuras 5a y 5b son vistas isométricas y en sección de otro diseño de anillo de remolino compatible con el cartucho de la figura 1, respectivamente.

La figura 6 es una vista en sección del anillo de remolino del cartucho de la figura 1 con el electrodo alineado dentro del anillo de remolino e ilustrando una abertura de flujo de gas.

Las figuras 7a y 7b son vistas isométricas y en sección de la corona del cartucho de la figura 1, respectivamente. La figura 8 es un diseño del protector de ejemplo compatible con el cartucho de la figura 1.

La figura 9 es una vista en despiece del cartucho de la figura 1.

La figura 10 es una vista en sección de otro cartucho de ejemplo para un soplete de arco de plasma.

La figura 11 es una configuración de la tapa de retención del cartucho de la figura 10.

Las figuras 12a y 12b son unas vistas en sección y de perfil exterior, respectivamente, de un manguito de tapa sobremoldeado sobre la tapa de retención de la figura 11.

La figura 13 es una configuración del componente de aislamiento, que puede ser parte del componente exterior del cartucho de la figura 10.

Las figuras 14a-c son varias vistas del componente de aislamiento de la figura 13 fijado fijamente al manguito de tapa y a la tapa de retención.

La figura 15 es una configuración del protector que puede ser parte del componente exterior del cartucho de la figura 10.

La figura 16 es otro protector que es compatible con el cartucho de la figura 10.

La figura 17 es una configuración de la boquilla del cartucho de la figura 10.

La figura 18 es una vista en sección transversal de un conjunto que comprende la boquilla, la tapa de retención y el protector del cartucho de la figura 10.

Las figuras 19a-c son varias vistas de otra configuración del anillo de remolino 1007 del cartucho 1000 de la figura 10.

Las figuras 20a y b son configuraciones de la corona del cartucho de la figura 10

La figura 21 muestra un inserto entre la boquilla y el componente exterior del cartucho de la figura 10 para controlar el flujo de gas.

La figura 22 muestra un soplete de arco de plasma que incluye el cartucho de la figura 10 y un cabezal de soplete.

La figura 23 es una configuración del cabezal de soplete de la figura 22.

Las figuras 24a y b muestran trayectorias de flujo de corriente de arco piloto a través del cartucho de la figura 10 durante la iniciación del arco piloto.

La figura 25 muestra una trayectoria de flujo de corriente de arco transferida a través del cartucho de la figura 10 durante el modo de arco transferido de funcionamiento del soplete.

La figura 26 es una trayectoria de flujo a través del cartucho de la figura 10.

La figura 27 es una vista en despiece del cartucho de la figura 10.

Descripción detallada

La figura 1 es una vista en sección transversal del cartucho 100 de ejemplo para un soplete de arco de plasma. Como se muestra, el cartucho 100 incluye una tapa de extremo 106 (por ejemplo, una corona), un anillo de remolino 102, un electrodo 104 y una boquilla 108 orientada sustancialmente de forma simétrica alrededor del eje longitudinal A. El cartucho 100 puede incluir adicionalmente un elemento elástico 122 y/o un dispositivo de sellado 150. El cartucho 100 puede utilizar un mecanismo de arranque por contacto de retroceso para el arranque por contacto del soplete de arco de plasma al montarse en el soplete. Específicamente, el electrodo 104 puede ser un electrodo de resorte hacia adelante, lo que significa que el elemento elástico 122 (por ejemplo, un resorte) puede ejercer una fuerza de separación en el extremo proximal 124 del electrodo 104 para desviar el electrodo 104 lejos de la tapa de extremo 106 y hacia la boquilla 108.

La figura 2 es una vista isométrica del electrodo 104. Como se muestra, el electrodo 104 incluye un conjunto de aletas en forma de espiral 114 para dirigir un flujo de gas y facilitar el enfriamiento del cartucho 100. Un inserto emisor 142 (es decir, emisor), como se muestra en la figura 1, puede disponerse en el extremo distal 125 del electrodo 104, de modo que quede expuesta una superficie de emisión. El inserto 142 puede estar hecho de hafnio u otros materiales que posean características físicas adecuadas, incluyendo resistencia a la corrosión y una alta emisividad termoiónica. El forjado, la extrusión por impacto o la formación en frío se pueden usar para formar inicialmente el electrodo 104 antes de terminar de mecanizar el componente.

La boquilla 108 puede estar separada del extremo distal 125 del electrodo 104 y definir, en relación con el electrodo 104, una cámara de plasma 140. La figura 3 es una vista isométrica de la boquilla 108. La boquilla 108 incluye un orificio de salida 144 ubicado en el centro para introducir un arco de plasma, tal como un chorro de gas ionizado, a una pieza de trabajo (no mostrada) a cortar.

El anillo de remolino 102 tiene un conjunto de aberturas de flujo de gas 136 separadas radialmente configuradas para impartir un componente de velocidad tangencial a un flujo de gas para el soplete de arco de plasma, haciendo que el flujo de gas se arremoline. Este remolino crea un vórtice que constriñe el arco y estabiliza la posición del arco en el inserto 142. En algunas configuraciones, el dispositivo de sellado 150, tal como una junta tórica, puede ubicarse en una superficie exterior del anillo de remolino 102 en su extremo proximal 112 para enganchar una superficie interior del cuerpo del soplete de arco de plasma (no mostrado) cuando el cartucho 100 está instalado en el cuerpo del soplete de arco de plasma. El dispositivo de sellado 150 está configurado para proporcionar un sello a prueba de fugas de fluidos (por ejemplo, gases) entre el cartucho 100 y el cuerpo del soplete de arco de plasma en esa ubicación.

Las figuras 4a y 4b son vistas isométricas y de perfil del anillo de remolino 102 del cartucho 100 de la figura 1, respectivamente. Como se muestra, el anillo de remolino 102 puede estar definido por un cuerpo alargado 103 sustancialmente hueco que tiene el extremo distal 110 y el extremo proximal 112 a lo largo del eje longitudinal A. El extremo distal 110 del anillo de remolino 102 se caracteriza por ser el extremo que está más cerca de una pieza de trabajo cuando se opera el cartucho 100 dentro del soplete de arco de plasma, y el extremo proximal 112 es el opuesto al extremo distal 110 a lo largo del eje longitudinal A. En algunas configuraciones, el cuerpo hueco 103 del anillo de remolino 102 está dimensionado para recibir el electrodo 104 y se extiende sustancialmente sobre la longitud del electrodo 104 a lo largo del eje longitudinal A. La pared interior del anillo de remolino 102 puede así alinear radialmente el electrodo 104 limitando un movimiento radial del electrodo 104. Se puede formar una interfaz 118 entre el extremo distal 110 del anillo de remolino 102 y la boquilla 108 para unir los dos componentes consumibles como una parte del cartucho 100. Se puede formar otra interfaz 120 entre el extremo proximal 112 del anillo de remolino 102 y la tapa de extremo 106 para unir los dos componentes consumibles como parte del cartucho 100. En general, la interfaz 118 y/o la interfaz 120 forman una cámara en la que el electrodo 104 está permanentemente dispuesto y alineado (longitudinal y radialmente) con respecto a la boquilla 108 y la tapa de extremo 106

En algunas configuraciones, la una o más aberturas de flujo de gas 136 del anillo de remolino 102 están dispuestas alrededor del extremo distal 110 de su cuerpo alargado 103, tal como alrededor de una circunferencia de su extremo distal 110. En algunas configuraciones, la una o más aberturas de flujo de gas 136 están moldeadas. Cada abertura de flujo de gas 136 puede extenderse desde una superficie interior a una superficie exterior del cuerpo alargado 103 y está orientada para impartir un movimiento de remolino con respecto al eje A del gas (por ejemplo, aire) que fluye a través del mismo. Cada abertura de flujo de gas 136 puede ser circular o no circular (por ejemplo, rectangular, cuadrada y/o de esquinas cuadradas) en geometría. En algunas configuraciones, las aberturas de flujo de gas 136 tienen dimensiones sustancialmente uniformes. En algunas configuraciones, como se muestra en las figuras 4a y 4b, las aberturas de flujo de gas 136 están definidas al menos parcialmente por hendiduras 202 en el extremo distal 110 del cuerpo alargado 103 del anillo de remolino 102. Estas hendiduras de flujo de gas 202 están formadas por una pluralidad de extensiones 204 separadas a intervalos regulares o no regulares alrededor de la circunferencia del extremo distal 110, donde cada hendidura 202 está situada entre un par de las extensiones 204. Una vez que el anillo de remolino 102 se fije de forma segura a la boquilla 108, las hendiduras 202 se cierran mediante el extremo proximal de la boquilla 108 para crear orificios delimitados. Por lo tanto, cada abertura de flujo de gas 136 puede ser una abertura compuesta de dos piezas definida cooperativamente por la boquilla 108 y el anillo de remolino 102.

Para formar la interfaz 118 entre el anillo de remolino 102 y la boquilla 108, el anillo de remolino 102 puede incluir una superficie de retención de boquilla 216 (por ejemplo, superficie interior y/o exterior) del cuerpo alargado 103 para unir de forma segura la boquilla 108 en su extremo distal 110. Como se ilustra en las figuras 4a y b, la superficie de retención de la boquilla 216 puede ser una característica, tal como una o más ranuras ubicadas en la superficie exterior del cuerpo alargado 103, tal como en las extensiones 204. La superficie de retención de la boquilla 216 puede capturar la boquilla 108 a través de uno de ajuste a presión, engaste o enroscado para formar la interfaz 118. En un ejemplo de engaste, una porción de la boquilla 108 se puede engarzar contra y dentro de la ranura 216 para fijar de forma segura la boquilla 108 al anillo de remolino 102. Como alternativa, se puede disponer una superficie de retención similar en la boquilla 108 para retener el anillo de remolino 102 en ella. Hay otras opciones de fabricación y montaje disponibles y viables para conectar los dos componentes. Por ejemplo, la boquilla 108 se puede sobremoldear en el anillo de remolino 102 para formar la interfaz 118.

Las figuras 5a y bb son vistas isométricas y en sección de otro anillo de remolino 702 compatible con el cartucho 100 de la figura 1, respectivamente. Como se muestra, el anillo de remolino 702 es sustancialmente similar al anillo de remolino 102 excepto que la superficie de retención de la boquilla 716 del anillo de remolino 702 comprende una superficie inclinada en un ángulo cónico en relación con el eje longitudinal A. La superficie inclinada 716 se puede adaptar para capturar la boquilla 108 a través de uno de ajuste a presión, engarzar o enroscar para formar la interfaz 118 de la figura 1.

Como se muestra en las figuras 4a y b, para formar la interfaz 120 entre el anillo de remolino 102 y la tapa de extremo 106, el anillo de remolino puede incluir una característica de retención de tapa 230 ubicada en una superficie (por ejemplo, superficie interior y/o exterior) del cuerpo alargado 103 para retener de forma segura la tapa de extremo 106 en su extremo proximal 112. La característica de retención de la tapa 230 puede ser una o más ranuras que capturan la tapa del extremo 106 a través de uno de ajuste a presión, engaste o enroscado para formar la interfaz 120. Por ejemplo, una porción de la tapa de extremo 106 se puede engarzar en la(s) ranura(s) 230 para fijar de forma segura la tapa de extremo 106 al anillo de remolino 102. En algunas configuraciones, como se muestra en las figuras 1 y 4b, una porción de labio 232 del extremo proximal 112 del anillo de remolino 102 se inserta dentro de la tapa de extremo 106 después de que los dos componentes se acoplan entre sí. Como alternativa, se puede disponer una característica de retención similar alrededor de la tapa de extremo 106 para unir el anillo de remolino 102. Hay otras opciones de fabricación y montaje disponibles y viables para conectar los dos componentes. Por ejemplo, la tapa de extremo 106 se puede sobremoldear en el anillo de remolino 102 para formar la interfaz 120. Una característica de retención de tapa similar 730 se puede ubicar en una superficie del anillo de remolino 702 de las figuras 5a y b y proporcionan sustancialmente la misma función que la característica de retención de la tapa 230.

En general, cada una de las superficies/elementos de retención 216, 230 de las figuras 4a y b simplifica la alineación de las piezas en el cartucho 100 en comparación con un operador que tiene que realizar la alineación de componentes individuales sin ninguna guía estructural. En algunas realizaciones, el bloqueo del anillo de remolino 102 a la boquilla 108 en la interfaz 118 a través del elemento de retención 216 alinea los dos componentes entre sí y además retiene el electrodo 104 en la cámara formada por el bloqueo del anillo de remolino 102 y la boquilla 108. La pared interior del anillo de remolino 102 puede alinear radialmente el electrodo 104 de modo que haya un espacio relativamente pequeño entre la pared interior del anillo de remolino 102 y las aletas radiales 114 del electrodo 104, limitando así un movimiento radial del electrodo 104. Esto establece así un centrado radial del orificio de salida de la boquilla 144 con respecto al extremo distal 125 del electrodo 104 dentro de la cámara, tal como dentro de una tolerancia de aproximadamente 0,127 mm (0,005 pulgadas). En algunas configuraciones, el bloqueo del anillo de remolino 102 a la tapa de extremo 106 en la interfaz 120 a través del elemento de retención 230 alinea los dos componentes entre sí y alinea más longitudinalmente el electrodo 104 en la cámara. Por ejemplo, después de unir el anillo de remolino 102 y la tapa de extremo 106, la profundidad del centro hundido 304 de la tapa de extremo 106 controla cuánto puede retroceder el electrodo 104 longitudinalmente hacia el extremo proximal 124 en relación con la boquilla 108 durante un modo de arco transferido (por ejemplo, cuando se usa un flujo de gas para desviar el electrodo 104 en contacto con la tapa de extremo 106), tal como dentro de una distancia de retroceso de 0,508 a 3,048 mm (0,02 a 0,12 pulgadas). El bloqueo del anillo de remolino 102 a la tapa de extremo 106 en la interfaz 120 a través del elemento de retención 230 también asegura el elemento elástico 122 dentro del cartucho 100 mientras coloca con precisión el elemento elástico 122 en relación con el extremo proximal 124 del electrodo 104. De forma adicional, la unión de la boquilla 108 al anillo de remolino 102 ayuda a definir el movimiento longitudinal del electrodo 104 dentro de la distancia de retroceso entre el extremo distal 125 del electrodo 104 y el orificio de salida de la boquilla 144 durante la operación de arco transferido. Tal restricción sobre el movimiento longitudinal del electrodo 104 promueve la precisión y la repetibilidad de la iniciación del arco de plasma en las operaciones con soplete. De forma similar, cada una de las superficies/elementos de retención 716, 730 de las figuras 5a y b simplifica la alineación de las piezas en el cartucho 100 al ensamblar el anillo de remolino 702 en el cartucho 100.

Las aberturas de flujo de gas 136 del anillo de remolino 102 tienen la forma y el tamaño adecuados para mejorar el remolino de un flujo de gas a su través. La figura 6 es una vista en sección del anillo de remolino 102 del cartucho 100 de la figura 1 con el electrodo 104 alineado radialmente dentro del anillo de remolino 102 e ilustrando una abertura de flujo de gas 136 de ejemplo.

Como se muestra, el anillo de remolino 102 y el electrodo 104 tienen un centro compartido 602. El ancho W representa el ancho axial curvo de cada abertura de flujo de gas 136 (solo se muestra una abertura de flujo de gas). La longitud R representa la distancia promedio (radio) entre el centro del electrodo 104 y el radio del espacio anular entre el exterior del cuerpo del electrodo y la pared interior del anillo de remolino 102, medido desde el centro compartido 602. En algunas realizaciones, la relación W/R es inferior a aproximadamente 0,5. Este valor permite que un flujo de gas que ingresa a una abertura de flujo de gas 136 incida algo perpendicularmente sobre la superficie del electrodo 104, aumentando la turbulencia del gas y mejorando el enfriamiento de los electrodos. En contraste, un diseño de abertura de flujo de gas tradicional tiene una relación W/R de aproximadamente 1,0, lo que hace que un gas incida a lo sumo tangencialmente con respecto a una superficie del electrodo 104. El impacto perpendicular sustancial (a diferencia del impacto tangencial) genera una mayor distribución del flujo, remolino de flujo de gas más uniforme y mejor enfriamiento del electrodo 104. En algunas configuraciones, la vida del electrodo 104 se prolonga en un 25 % cuando la relación W/R es inferior a aproximadamente 0,5. Esta relación de diseño es aplicable a las aberturas de flujo de gas 136 representadas por hendiduras 202 moldeadas en el extremo distal 110 del anillo de remolino 102 o por orificios cerrados (no mostrados) formados, moldeados o perforados en el extremo distal 110.

En algunas configuraciones, solo una fila de aberturas de flujo de gas 136 está dispuesta alrededor del extremo distal 110 del anillo de remolino 102. Por ejemplo, una fila de doce aberturas de flujo de gas 136 puede disponerse simétricamente alrededor del anillo de remolino 102. En contraste, los diseños de anillos de remolino tradicionales tienen dos o más filas (capas) de aberturas de flujo de gas, con algunos anillos de remolino tradicionales que tienen dieciocho aberturas por fila. Debido al número reducido de aberturas de flujo de gas 136 en el presente diseño, el ancho W de las aberturas de flujo de gas individuales 136 se incrementa para generar la misma fuerza de remolino de flujo de gas y mantener la misma área transversal general de las aberturas de flujo de gas 136 combinadas en comparación con los diseños tradicionales. De forma adicional, para cada abertura de flujo de gas 136, el desplazamiento O entre la abertura 604 en la pared interior del anillo de remolino 102 y la abertura 606 en la pared exterior del anillo de remolino 102 se reduce (por ejemplo, hasta aproximadamente menos o igual a aproximadamente 1,016 mm [0,040 pulgadas]), mientras que dicha desviación asociada con una abertura de flujo de gas de un diseño de anillo de remolino tradicional es mayor (por ejemplo, aproximadamente 3,048 mm [0,12 pulgadas]). En general, reduciendo el número de aberturas de flujo de gas 136, junto con la ubicación de las aberturas 136 en una sola fila, simplifica el tiempo del ciclo de fabricación, reduce el coste del material y es más compatible con un enfoque de moldeo por inyección para fabricar el anillo de remolino 102. El diseño de abertura de flujo de gas descrito con respecto al anillo de remolino 102 también se puede aplicar al anillo de remolino 702 de las figuras 5a y b.

En algunas configuraciones, el anillo de remolino 102 o 702 se fabrica mediante moldeo por inyección de uno o más materiales termoplásticos de alta temperatura que comprenden un polímero formado por moléculas de éter y cetona (por ejemplo, compuestos a base de éter cetona), tal como polieteretercetona (PEEk ), poliariletercetona (PAKE), polietercetona cetona (PEKK), poliétercetonaétercetona-cetona (PEKEKK) y variantes de los mismos. Materiales termoplásticos de ejemplo también incluyen poliamida-imida (PAI), polieterimida (PEI), y/o politetrafluoroetileno (PTFE). En algunas realizaciones, las propiedades asociadas con los materiales termoplásticos adecuados para la invención tienen una temperatura de transición vítrea (Tg) superior a aproximadamente 160 °C (320 Fahrenheit), un coeficiente de expansión térmica lineal (CLTE) de menos de aproximadamente 39,6 micrómetros/metros-grado °C (22 micropulgadas/pulgadas-Fahrenheit) por debajo de Tg, un CLTE de menos de aproximadamente 99 micrómetros/metros-grados °C (55 micropulgadas/pulgadas-Fahrenheit) por encima de Tg, un punto de fusión superior a aproximadamente 382,2 °C (720 Fahrenheit), y/o una rigidez dieléctrica superior a aproximadamente 480 kilovoltios/25,4 mm (1 pulgada). El uso de termoplásticos para fabricar anillos giratorios reduce el coste del cartucho en comparación con, por ejemplo, Vespel™, Torlon, Celazol o compuestos fenólicos u otros plásticos termoestables, que son materiales actualmente utilizados para la fabricación de anillos giratorios, pero son comparativamente más caros de obtener y difíciles de usar. Sin embargo, se sabe que los termoplásticos tienen temperaturas de funcionamiento inferiores a los termoestables de Vespel™, lo que potencialmente puede afectar la integridad de los anillos de remolino y la vida útil del electrodo en general. Para resolver los problemas de rendimiento a alta temperatura, el anillo de remolino 102 o 702 puede estar hecho de resinas termoplásticas que tienen uno o más aditivos fortalecedores para proporcionar la resistencia térmica y/o la conductividad térmica deseadas, permitiendo así el uso eficaz de material(es) termoplástico(s) en cartuchos y/o anillos de remolino. Ejemplos de aditivos fortificantes incluyen fibras de vidrio, minerales, nitruro de boro (BN), Cubic BN and/or partículas de Vespel™. Como un ejemplo, el material de poliamida/ polieteretercetona (PI/PEEK), un material resistente al calor que puede incluir aproximadamente un 50 % de partículas de Vespel™ recicladas, se puede utilizar para fabricar el anillo de remolino 102 o 702. De forma adicional, el anillo de remolino 102 o 702 está colocado en una ubicación tal en el cartucho 100 que evita la exposición a las temperaturas operativas más altas durante el funcionamiento del soplete. De este modo, en la práctica, es poco probable que el uso de un material termoplástico para fabricar el anillo de remolino 102 afecte la integridad del anillo de remolino 102 o 702. Además, cuando el electrodo 104 experimenta un evento de final de vida, que es también el final de la vida del cartucho 100, el material plástico se funde, lo que no afecta a la operación de corte durante la vida útil del consumible. En contraste, los anillos de remolino basados en termoestables conocidos, que se reutilizan repetidamente con varios conjuntos de electrodos y boquillas, comúnmente tienen ciclos de vida de 20 a 30 veces mayores que los electrodos y las boquillas. Estos ciclos de vida imponen requisitos y demandas a los anillos giratorios, lo que puede conducir a un diseño excesivo y también a un rendimiento inconsistente ya que los anillos de remolino pueden deformarse térmicamente (por ejemplo, expandirse y/o reducirse) a lo largo de sus ciclos de vida, proporcionando diferentes ajustes, interfaces y rendimiento basado en la posición del ciclo de vida.

En algunas configuraciones, el cuerpo alargado 103 del anillo de remolino 102 se forma usando una técnica de moldeo por inyección (por ejemplo, moldeo por inyección de termoplástico). En algunas realizaciones, si las aberturas de flujo de gas 136 incluyen hendiduras 202 definidas por el extremo distal 110 del anillo de remolino 102, las hendiduras 202 se pueden formar al mismo tiempo que el cuerpo alargado 103 mediante el mismo proceso de moldeo por inyección de termoplásticos. En general, las hendiduras de flujo de gas 202, en contraste con los orificios perforados de acuerdo con los diseños tradicionales para crear pasajes de flujo de gas, son más compatibles con la técnica de moldeo por inyección para formar el anillo de remolino 102. De este modo, moldear las hendiduras de flujo de gas 202 en el cuerpo del anillo de remolino 103 elimina el paso adicional de perforar orificios en el cuerpo 103. El uso de hendiduras de flujo de gas 202 en lugar de orificios perforados en un diseño de anillo de remolino también reduce el coste del material y el coste del tiempo de ciclo prolongado asociado con las operaciones de perforación. La característica de retención de la boquilla 216 y/o la característica de retención de la tapa 230 también se pueden formar al mismo tiempo que el cuerpo alargado 103 a través del mismo proceso de moldeo por inyección de termoplástico. Por lo tanto, la mayoría, si no todo, del anillo de remolino 102 puede fabricarse utilizando un proceso de moldeo por inyección único rentable. Globalmente, un proceso termoplástico moldeado para formar el anillo de remolino 102 proporciona un enfoque de fabricación más rápido y económico en comparación con los procesos tradicionales. Procesos y materiales para fabricar el anillo de remolino 102 de las figuras 4a y b también se pueden utilizar para fabricar el anillo de remolino 702 de las figuras 5a y b.

Las figuras 7a y b son vistas isométricas y en sección de la tapa de extremo 106 (por ejemplo, una corona) del cartucho 100 de la figura 1, respectivamente, de acuerdo con una realización ilustrativa de la invención. La tapa de extremo 106 proporciona al menos una de las siguientes funciones: (i) acoplar de forma segura el anillo de remolino 102 o 702 en su extremo proximal 112 para formar la interfaz 120, alineando así el electrodo 104; (ii) proporcionar un soporte para el elemento elástico 122; y (iii) hacer pasar una corriente eléctrica al electrodo 104 en una configuración de inicio de contacto de retroceso. Como se ilustra, la tapa de extremo 106 tiene un cuerpo sustancialmente hueco 300 que define un extremo proximal 320 y un extremo distal 322. El cuerpo hueco 300 incluye una porción de túnel circular 302 y un centro hundido 304 que se extiende desde el extremo proximal 320 de la tapa de extremo 106. En algunas realizaciones, el cuerpo 300 de la tapa de extremo 306 tiene un grosor sustancialmente uniforme, promoviendo así un paso de corriente eficiente y uniforme y ayudando con el establecimiento de una alineación precisa de los consumibles. El espesor uniforme de la tapa de extremo 106, junto con una técnica de fabricación de sellos, también simplifica la fabricación y minimiza el tiempo del ciclo de fabricación, el peso de consumibles y el uso de materiales.

En algunas configuraciones, una superficie interior 308 de la porción de túnel circular 302 en el extremo proximal 320 define una superficie de carga para contactar físicamente y comunicarse eléctricamente con el elemento elástico 122. El elemento elástico 122 puede empujar contra el extremo proximal 124 del electrodo 104 para alejar el electrodo 104 de la tapa de extremo 106. Es decir, el elemento elástico 122 está situado entre y hace contacto físico con la superficie de carga 308 de la tapa de extremo 106 y el extremo proximal 124 del electrodo 104 de manera que el elemento elástico 122 imparte una fuerza de separación entre el electrodo 104 y la superficie de carga 308.

En algunas configuraciones, una superficie interior 310 del centro hundido 304 de la tapa de extremo 106 en el extremo distal 322 define una superficie de contacto que está configurada para contacto físico y comunicación eléctrica con una superficie de contacto 128 correspondiente del electrodo 104 en su extremo proximal 124. Durante el modo de arco transferido, la superficie de contacto 310 de la tapa de extremo 106 está en una relación de apoyo con la correspondiente superficie de contacto 128 del electrodo 104. Sin embargo, durante el inicio de un arco piloto en el modo de arco piloto, la superficie de contacto 310 está en una relación espaciada con la correspondiente superficie de contacto 128 que se define por la ausencia de contacto entre las dos superficies.

El elemento elástico 122 generalmente se mantiene dentro del cartucho 100 entre la tapa de extremo 106 y el electrodo 104. En algunas realizaciones, el elemento elástico 122 está fijado a la tapa de extremo 106 o al electrodo 104. En otras realizaciones, el elemento elástico 122 está fijado tanto al electrodo 104 como a la tapa de extremo 106. Por ejemplo, el elemento elástico 122 puede fijarse mediante soldadura blanda, soldadura, unión, sujeción, un ajuste de interferencia diametral u otro tipo de ajuste por fricción a la tapa de extremo 106 y/o al electrodo 104. En algunas realizaciones, el cuerpo sustancialmente hueco 300 de la tapa de extremo 106 está configurado para alojar el elemento elástico 122 entre su superficie de carga 308 y el extremo proximal 124 del electrodo 104. Por ejemplo, la porción de túnel circular 302 de la tapa de extremo 106 puede funcionar como soporte del elemento elástico 122. Específicamente, el elemento elástico 122 puede mantenerse en su lugar mediante la superficie de carga 308, una superficie interior interna 312 y una superficie interior externa 314 de la porción de túnel 302, donde el diámetro de la superficie interior interna 312 con respecto al eje longitudinal A es ligeramente menor que el diámetro interior del elemento elástico 122, y el diámetro de la superficie interior externa 314 con respecto al eje longitudinal A es ligeramente mayor que el diámetro exterior del elemento elástico 122.

En algunas configuraciones, el movimiento radial del elemento elástico 122 se restringe aún más por el extremo proximal 112 del anillo de remolino 102 o 702 después de que el anillo de remolino 102 o 702 se fije a la tapa de extremo 106. Como se muestra en la figura 1, después de que la tapa de extremo 106 está acoplada a la anillo de remolino 102 (por ejemplo, al engarzarse en la ranura de enganche de la tapa 230), la porción de labio 232 del anillo de remolino 102 puede extenderse hacia el interior de la porción de túnel circular 302 de la tapa de extremo 106. Por lo tanto, la porción de labio 232 puede restringir y guiar aún más el posicionamiento del elemento elástico 122 dentro de la tapa de extremo 106.

En algunas configuraciones, la tapa de extremo 106 está configurada para estar en comunicación eléctrica con una fuente de alimentación (no mostrada) cuando el cartucho 100 está instalado dentro de un soplete. Esto permite un flujo de corriente desde la fuente de alimentación al electrodo 104 a través del elemento elástico 122 y/o la superficie de contacto 310, dependiendo del modo de operación del soplete. En algunas configuraciones, al menos un orificio de ventilación 316 (u orificio de salida de gas) está dispuesto en la tapa de extremo 106, extendiéndose desde una superficie interior a una superficie exterior del cuerpo 300 para enfriar el cartucho 100. Por ejemplo, un orificio de ventilación 316 se puede ubicar en la porción circular 302. Como alternativa, los orificios de ventilación 316 están ausentes de la tapa de extremo 106.

En una operación, durante el inicio del arco piloto, la fuente de alimentación proporciona una corriente de arco piloto a la tapa de extremo 106 y la corriente de arco piloto pasa al electrodo 104 a través del elemento elástico 122 que desvía el electrodo 104 contra la boquilla 108. A medida que el elemento elástico 122 empuja al electrodo 104 a una relación de apoyo con la boquilla 108, existe una ausencia de contacto físico y comunicación eléctrica entre la superficie de contacto 310 de la tapa de extremo 106 y la correspondiente superficie de contacto 128 del electrodo 104. El elemento elástico 122 puede configurarse para pasar sustancialmente toda la corriente del arco piloto desde la tapa del extremo 106 al electrodo 104.

Durante el inicio del arco piloto, se introduce un gas en la cámara de plasma 140 entre el electrodo 104 y la boquilla 108. La presión del gas puede acumularse dentro de la cámara de plasma 140 hasta que la presión sea suficiente para vencer la fuerza de separación ejercida por el elemento elástico 122. En este punto, la presión del gas mueve el electrodo 104 hacia la tapa de extremo 106 y lo aleja de la boquilla 108 a lo largo del eje longitudinal A (mientras comprime el elemento elástico 122) hasta que la superficie de contacto 128 correspondiente del electrodo 104 entra en contacto físico con la superficie de contacto 310 de la tapa de extremo 106. A medida que el electrodo 104 se aleja de la boquilla 108 por la presión del gas, se genera o inicia un arco en la cámara de plasma 140 para formar un arco o chorro de plasma que puede transferirse a una pieza de trabajo (no mostrada).

Durante el modo de arco transferido, la superficie de contacto correspondiente 128 del electrodo 104 se acopla en contacto físico sustancialmente plano con la superficie de contacto 310 de la tapa de extremo 106 para establecer comunicación eléctrica (por ejemplo, la corriente eléctrica pasa entre la tapa de extremo 106 y el electrodo 104 en la interfaz de la superficie de contacto 310 y la superficie 128 correspondiente). Cuando la superficie de contacto 310 de la tapa de extremo 106 se apoya en la superficie 128 correspondiente del electrodo 104, se establece una trayectoria de corriente tal que al menos una porción de una corriente pasa directamente entre los dos componentes. Cuando el arco ha sido transferido a la pieza de trabajo, se suministra una corriente de corte al soplete (por ejemplo, durante el modo de arco transferido). La corriente de corte puede pasar desde la tapa de extremo 106 al electrodo 104 durante la operación de arco transferido a través de (1) el elemento elástico 122 y/o (2) la interfaz entre las superficies de contacto 310, 128. En algunas realizaciones, la trayectoria de corriente directamente entre la tapa de extremo 106 y el electrodo 104 tiene una resistencia más baja y/o una conductancia más alta que la trayectoria de corriente desde la tapa de extremo 106 a través del elemento elástico 122 hasta el electrodo 104. Por lo tanto, sustancialmente toda la corriente eléctrica para mantener un arco de plasma (en modo de arco transferido) puede pasar directamente entre las superficies de contacto 128, 310.

En algunas configuraciones, el elemento elástico 122 está formado por un material que facilita tanto el transporte de una corriente eléctrica como la disipación del calor térmico asociado con la corriente para evitar que el elemento elástico 122 se funda. Por ejemplo, el material del elemento elástico 122 se puede seleccionar en base a la clasificación actual del material. En algunas realizaciones, el elemento elástico 122 comprende un resorte de compresión helicoidal, alambre o tira de metal. Por ejemplo, diferentes tipos de configuraciones de elementos elásticos 122 se describen en el documento con número de serie US 13/344860 asignado a Hypertherm Inc de Hannover Nuevo Hampshire.

En algunas configuraciones, la tapa de extremo 106 está fabricada a partir de un material eléctricamente conductor, tal como cobre, aleación de cobre, latón u otros materiales adecuados para el paso de corriente tanto durante el funcionamiento con arco piloto como con arco transferido. La tapa de extremo 106 se puede formar utilizando un enfoque de estampado a partir de un material en bruto.

En otro aspecto, el cartucho 100 puede incluir adicionalmente un protector. La figura 8 muestra un protector 600 de ejemplo compatible con el cartucho 100 de la figura 1. El protector 600 puede estar hecho de un material conductor, tal como cobre o plata. El protector 600 se puede fijar a la boquilla 108 a través de uno de engaste, roscado y ajuste a presión. En algunas configuraciones, un pasaje de flujo (no mostrado) está dispuesto en la boquilla 108 para permitir que un gas (por ejemplo, un gas de protección) fluya a través/por la boquilla 108 hacia el protector 600.

La figura 9 es una vista en despiece del cartucho 100 de la figura 1. La figura 9 muestra la boquilla 108, el electrodo 104, el anillo de remolino 102, el elemento elástico 122, el dispositivo de sellado 150 y la tapa de extremo 106 en un estado sin ensamblar antes de formar el cartucho 100. En algunas realizaciones, el inserto 142 también es parte del cartucho 100. Durante el ensamblaje, el electrodo 104 está alojado en la cámara formada por el acoplamiento de la boquilla 108 al extremo distal 110 del anillo de remolino 102. La boquilla 108 se puede fijar de forma segura a la pared exterior del anillo de remolino 102 a través del elemento de retención 216 (por ejemplo, una ranura dispuesta en el anillo de remolino 102 contra el cual se engarza la boquilla 108 o una rosca a la que se enrosca la boquilla 108). Esta interconexión asegura el electrodo 104 dentro del cartucho 100 mientras que la pared interior del anillo de remolino alinea axialmente el electrodo 104 alrededor del eje longitudinal A con respecto a la boquilla 108 de manera que el electrodo 104 está limitado en su movimiento axial. El elemento elástico 122 se inserta en el anillo de remolino 102 desde su extremo proximal 112 hasta que hace contacto con el extremo proximal 124 del electrodo 104 dentro del anillo de remolino 102. Luego, la tapa de extremo 106 se fija de forma segura al extremo proximal 112 del anillo de remolino 102 mientras se limita sustancialmente el elemento elástico 122 en la parte circular 304 de la tapa de extremo 106 y se alinea axialmente el elemento elástico con respecto a la tapa de extremo 106. La tapa de extremo 106 se puede conectar al anillo de remolino 102 a través del elemento de retención 230 (por ejemplo, una ranura dispuesta en el anillo de remolino 102 contra el cual se engarza la tapa de extremo 106 o una rosca a la que se enrosca la tapa de extremo 106). Esta interconexión permite que la superficie de empuje 308 de la tapa de extremo 106 empuje el elemento elástico 122 contra el extremo proximal del electrodo 104, impulsándolo así a una posición de tope con la boquilla 108. Esta interconexión también alinea longitudinalmente el electrodo 104 con respecto a la tapa de extremo 106 de modo que durante el modo de arco transferido, el electrodo 104 solo puede retraerse de la boquilla 108 lo suficiente hasta que hace tope con la superficie de contacto 310 de la porción hundida 304 de la tapa de extremo 106. Además, el dispositivo de sellado 150 se puede colocar alrededor de una superficie exterior del extremo proximal 112 del anillo de remolino 102 antes o después de que la tapa de extremo 106 se fije al anillo de remolino 102. En algunas realizaciones, el anillo de remolino 702 de las figuras 5a y b se utilizan en el cartucho 100 en lugar del anillo de remolino 102.

Se proporciona un método para ensamblar el cartucho 100 de la figura 1. Primero, se moldea un material termoplástico para formar el anillo de remolino 102 o 702. Se pueden crear varias características del anillo de remolino 102 o 702 durante el mismo proceso de moldeo, tales como las aberturas de flujo de gas 136 y/o la superficie de retención de la boquilla 216 moldeada en el extremo distal 110 del anillo de remolino 102. Se pueden moldear características similares en el anillo de remolino 702. Durante el ensamblaje, el electrodo 104 se puede disponer dentro del cuerpo hueco del anillo de remolino 102 o 702. La pared interior del anillo de remolino 102 o 702 puede alinear radialmente el electrodo 104. El electrodo se puede retener dentro del anillo de remolino 102 o 702 asegurando de forma fija la boquilla 108 al extremo distal 110 del anillo de remolino 102 o 702 a través de la superficie de retención de la boquilla 216 o 716, respectivamente. Por ejemplo, la fijación fija se puede lograr a través de uno de engarce, roscado o ajuste a presión con respecto a la superficie de retención de la boquilla 216 o 716. Al fijar la boquilla 108 al anillo de remolino 102 o 702, se establece un centrado radial del orificio de salida de la boquilla 144 con respecto al extremo distal 125 del electrodo 104. El electrodo 104 se puede alinear longitudinalmente con respecto a la boquilla 108 asegurando de forma fija una tapa de extremo 106 al extremo proximal 112 del anillo de remolino 102 o 702 a través del elemento de retención de tapa 230 o 730, respectivamente, estableciendo así la alineación longitudinal durante una operación de arco transferido del cartucho 100 cuando se usa un flujo de gas para desviar el electrodo 104 en contacto con la tapa de extremo 106. Específicamente, durante el modo de arco transferido, la alineación longitudinal incluye restringir un movimiento longitudinal del electrodo 104 dentro de una distancia de retroceso definida por el extremo distal 125 del electrodo 104 y el orificio de salida 144 de la boquilla 108. En algunas configuraciones, el elemento elástico 122 se inserta en la tapa de extremo 106 y se aloja en la porción de túnel 302 de la tapa de extremo 106 antes de fijar la tapa de extremo al anillo de remolino 102 o 702. En algunas configuraciones, el dispositivo de sellado 150, tal como en forma de una junta tórica, puede ubicarse en una superficie exterior del anillo de remolino 102 o 702 en su extremo proximal 112 para acoplar una superficie interior del cuerpo del soplete de arco de plasma (no mostrado) cuando el cartucho 100 está instalado en el cuerpo del soplete de arco de plasma.

Los resultados de las pruebas han mostrado que el diseño de cartucho 100 de la figura 1, operando a una corriente de 105 amperios, puede tener el mismo o mejor rendimiento que el de los consumibles individuales (por ejemplo, una boquilla, electrodo y anillo de remolino) ensamblados en un soplete de arco de plasma PMX de 105 amperios (operada a 105 amperios) y a un menor coste de fabricación La Tabla 1 muestra una comparación de rendimiento y coste entre el cartucho 100 y los consumibles individuales para un soplete de arco de plasma PMX de 105 Amp.

El coste del cartucho 100, que representa el coste combinado de un anillo de remolino, electrodo y boquilla (es decir, sin una tapa de extremo), es menor que el coste total de los consumibles individuales en un soplete PMX de 105 amperios, que incluye el coste de solo una boquilla y un electrodo (es decir, cuando ni siquiera se considera un anillo de remolino). En términos de rendimiento, un soplete que tiene instalado el cartucho 100 tiene una velocidad de corte máxima comparable a la de un soplete PMX de 105 amperios que contiene componentes consumibles individuales. El rendimiento de un soplete que contiene el cartucho 100 también es mejor en términos de vida útil del ánodo.

Además de los beneficios descritos anteriormente, existen muchos otros beneficios asociados con el uso del cartucho 100 en un soplete de arco de plasma. Primero, dicho diseño promueve la facilidad de uso a través de capacidades de cambio rápido, tiempo de configuración corto y facilidad de selección de consumibles para un usuario final. También proporciona un rendimiento de corte constante porque un conjunto de consumibles se cambia a la vez cuando se cambia el cartucho, donde el cartucho promueve una fácil alineación de los componentes, por lo tanto, precisión y repetibilidad de la operación del soplete. En contraste, la variación en el rendimiento se introduce cuando los componentes se cambian individualmente en diferentes momentos. Por ejemplo, hay más espacio para cometer un error cuando un operador tiene que alinear y orientar los componentes individuales del soplete entre sí. En otro ejemplo, la reutilización a largo plazo del mismo componente (por ejemplo, un anillo de remolino) puede causar alteración dimensional después de cada reventón, alterando así la calidad del rendimiento incluso si todos los demás componentes se cambian con regularidad. De forma adicional, dado que el coste de fabricación y/o de instalación de un cartucho es menor que el coste combinado de un conjunto de consumibles, hay un coste más bajo asociado con el cambio de cartucho que con el cambio de un conjunto de consumibles. Además, se pueden diseñar diferentes cartuchos para optimizar el funcionamiento del soplete con respecto a diferentes aplicaciones, tal como marcas, corte, manteniendo una larga vida, etc.

En algunas configuraciones, el cartucho 100 es de un solo uso, lo que significa que el desmontaje y el reemplazo de componentes individuales al final de la vida útil del cartucho no es práctico ni rentable. Todo el cartucho 100 se descarta y/o desecha (por ejemplo, reciclado), sin reemplazar partes particulares individuales. Si el cartucho 100 se recicla, además de recuperar el cobre, una ventaja de construir el anillo de remolino 102 de un material termoplástico es que el material se puede recalentar, remodelar y congelar repetidamente, haciéndolo así fácilmente reciclable. En contraste, Vespel™ y otros materiales termoestables carecen de estas características que promueven la reciclabilidad.

La figura 10 es una vista en sección de otro cartucho consumible de ejemplo para un soplete de arco de plasma de arranque por contacto. Como se muestra, el cartucho consumible 1000 tiene un componente interior 1004 y un componente exterior 1002. El componente exterior 1002 incluye al menos uno de un protector 1012, una tapa de retención 1014, un manguito de tapa 1016 o un componente de aislamiento 1028. En algunas realizaciones, el componente exterior 1002 comprende dos o más de estos componentes fijados de manera fija entre sí. El componente interior 1004 puede incluir al menos una corona 1006, un anillo de remolino 1007, un electrodo 1008, o una boquilla 1010. Por ejemplo, el componente interior 1004 puede comprender todos estos componentes, como se ilustra en la caja irregular de la figura 10. El componente interior 1004 puede incluir adicionalmente un elemento elástico 1026, que puede ser sustancialmente el mismo que el elemento elástico 122 de la figura 1, un dispositivo de sellado 1030 y/o un dispositivo de señal 2106. El electrodo 1008 del cartucho 1000 puede ser sustancialmente el mismo que el electrodo 104 de la figura 1. Por ejemplo, el electrodo 1008 puede incluir un inserto emisor 1042 (por ejemplo, igual que el inserto 142).

Generalmente, el cartucho 1000 puede incluir múltiples piezas consumibles que se ensamblan juntas como un dispositivo integrado unitario. En algunas configuraciones, si alguno de los elementos del cartucho 1000 necesita ser reemplazado, todo el cartucho 1000 se reemplaza. El cartucho 1000 puede utilizar un mecanismo de arranque por contacto de retroceso para el arranque por contacto de un soplete de arco de plasma al montarse en el soplete. Por ejemplo, el electrodo 1008 puede ser un electrodo de resorte hacia adelante, lo que significa que el elemento elástico 1026 (por ejemplo, un resorte) puede ejercer una fuerza de separación en el extremo proximal del electrodo 1008 para desviar el electrodo 1008 lejos de la corona 1006 y hacia la boquilla 1010.

El componente exterior 1002 incluye un cuerpo sustancialmente hueco que define un eje longitudinal A, un extremo distal 1017 (es decir, el extremo más cercano a una pieza de trabajo durante el funcionamiento de un soplete de arco de plasma que incorpora el cartucho 1000), y un extremo proximal 1018 (es decir, el extremo opuesto al extremo distal 1017). El componente interior 1004 está adaptado para disponerse sustancialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior 1002 con al menos una porción del componente interior 1004 rodeada por el cuerpo hueco. El componente interior 1004 incluye una característica de acoplamiento dispuesta en una superficie interior o exterior para engranar el componente exterior 1002 mediante restricción longitudinal (es decir asegurando axialmente) el componente exterior 1002 en relación con el componente interior 1004 mientras permite la rotación independiente de los componentes entre sí (es decir, permitiendo el acoplamiento giratorio) cuando el cartucho 1000 no está montado en un soplete de arco de plasma. Tal acoplamiento giratorio y la fijación axial se puede lograr mediante uno de engaste, ajuste a presión, ajuste por fricción o roscado.

El componente interior 1004 puede incluir la boquilla 1010, el anillo de remolino 1007, el electrodo 1008 y la corona 1006. En algunas configuraciones, el acoplamiento giratorio y la fijación axial entre los componentes exterior e interior se produce entre la boquilla 1010 del componente interior 1004 y la tapa de retención 1014 del componente exterior 1002 en la interfaz 1020 mediante un ajuste por fricción, engarce, conexión a presión o roscada. Por ejemplo, la boquilla 1010 puede incluir una característica de acoplamiento, tal como una ranura, dispuesta circunferencialmente sobre una superficie exterior que permite que una punta distal de la tapa de retención 1014 encaje por fricción en la ranura. En algunas configuraciones, la boquilla 1010 está firmemente fijada a (es decir, restringida axial y radialmente) la tapa de retención 1014 en la interfaz 1020. En este caso, el acoplamiento giratorio y la fijación axial entre los componentes exterior e interior pueden lograrse indirectamente mediante el acoplamiento giratorio y la fijación axial entre el anillo de remolino 1007 y la boquilla 1010 del componente interior 1004 en la interfaz 1021, donde la boquilla 1010 está firmemente fijada al componente exterior 1002. En algunas configuraciones, la boquilla 1010 está sujeta de manera fija a la tapa de retención 1014 en la interfaz 1020, y el anillo de remolino 1007 está asegurado de manera fija a la boquilla 1010 en la interfaz 1021. En este caso, el acoplamiento giratorio y la fijación axial entre los componentes exterior e interior pueden lograrse indirectamente mediante el acoplamiento giratorio y la fijación axial entre la corona 1006 y el anillo de remolino 1007 del componente interior 1004 en la interfaz 1023, donde el anillo de remolino 1007 está fijado de forma fija al componente exterior 1002 a través de su conexión a la boquilla 1010.

Generalmente, el componente interior 1004 se divide en una porción delantera y una porción trasera con respecto a la ubicación de la característica de fijación axial y acoplamiento giratorio. La porción delantera incluye la característica de acoplamiento giratorio y fijación axial, mientras que la porción trasera no. Es decir, la porción trasera no puede tener medios para permitir la fijación axial y el acoplamiento giratorio con el componente exterior 1004. Como un ejemplo, si la característica de acoplamiento giratorio y fijación axial está dispuesta en la boquilla 1010, la porción delantera del componente interior 1004 incluye la boquilla 1010 y la porción trasera incluye el electrodo 1008, el anillo giratorio 1007 y/o la corona 1006. Como otro ejemplo, si la característica de acoplamiento giratorio y fijación axial está entre el anillo de remolino 1007 y la boquilla 1010, la porción delantera del componente interior 1004 incluye el anillo de remolino 1007 y la boquilla 1010, mientras que la porción trasera incluye el electrodo 1008 y la corona 1006. Tras el acoplamiento giratorio y la fijación axial de los componentes interior y exterior en la porción delantera del componente interior 1004, la porción trasera del componente interior 1004 está adaptada para suspenderse sustancialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior 1002. De este modo, a través del acoplamiento giratorio y la fijación axial de los componentes interior y exterior en la porción delantera, la porción trasera puede tener poco o ningún contacto físico directo con la superficie interior del cuerpo hueco del componente exterior 1002 mientras permanece sustancialmente centrado radialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior 1002.

El cartucho 1000 incluye una región hueca 1022 entre la porción trasera del componente interior 1004 y el extremo proximal 1018 del componente exterior 1004. Como se muestra, la región hueca 1022 puede incluir (i) una porción de cavidad central 1022a en el rebaje de la corona 1006 y (ii) una porción tubular 1022b entre la superficie exterior de la corona 1006 y el anillo giratorio 1007 y la superficie interior de la tapa de retención 1014 y el manguito de tapa 1016. La porción tubular 1022b puede rodear sustancialmente la porción de cavidad central 1022a y extenderse más adentro del cartucho 1000 que la porción de cavidad central 1022a. La región hueca 1022 está configurada para recibir un cabezal de soplete (no mostrado) para permitir el acoplamiento entre la porción trasera del componente interior 1004 (por ejemplo, la corona 1006) y ciertos componentes del cabezal del soplete (por ejemplo, un cátodo), como se describe a continuación en detalle con referencia a las figuras 21 y 22.

Como se ha descrito anteriormente, el componente exterior 1002 puede incluir al menos uno del protector 1012, la tapa de retención 1014 o el manguito de tapa 1016 orientado sustancialmente simétricamente alrededor del eje longitudinal A. En algunas configuraciones, el componente exterior 1002 incluye también una componente de aislamiento 1028. La tapa de retención 1014 y/o el protector 1012 pueden construirse de un material eléctricamente y/o térmicamente conductor, tal como cobre o latón. Los dos componentes pueden estar hechos del mismo material o de diferentes materiales (por ejemplo, el protector 1012 puede estar hecho de cobre y la tapa de retención 1014 puede estar hecha de latón). El manguito de tapa 1016 y/o el componente de aislamiento 1028 se pueden fabricar mediante moldeo por inyección de un material plástico (por ejemplo, resina de nylon) o un material termoplástico de alta temperatura que comprende un polímero formado por moléculas de éter y cetona (por ejemplo, compuestos a base de éter cetona), tal como polieteretercetona (PEEK). En algunas configuraciones, al menos uno del manguito de tapa 1016 o componente de aislamiento 1028 está fabricado del mismo material o similar que el anillo de remolino 102 o 702. En algunas configuraciones, el componente de aislamiento 1028 está fabricado con un material eléctricamente aislante (por ejemplo, plástico) que puede soportar una temperatura más alta que la del manguito de tapa 1016. Generalmente, cada una de las interfaces entre varios elementos del componente exterior 1002 puede estar formada por uno de engaste, ajuste a presión, ajuste por fricción o roscado.

La figura 11 es una configuración de ejemplo de la tapa de retención 1014 del cartucho 1000 de la figura 10. La tapa de retención 1014 puede tener un cuerpo sustancialmente hueco con un espesor sustancialmente uniforme. El espesor uniforme de la tapa de retención 1014, junto con una técnica de estampado para fabricar el componente, simplifica el procedimiento de fabricación y minimiza el tiempo del ciclo de fabricación, el peso de consumibles y el uso de materiales. Generalmente, la tapa de retención 1014 puede incluir tres porciones cilíndricas sustancialmente huecas -una porción distal 1106, una porción central 1107 y una porción proximal 1108. Las porciones pueden apilarse juntas a lo largo del eje longitudinal A y formar una configuración escalonada donde la porción distal 1106 puede tener un diámetro más pequeño en la dirección radial (es decir, perpendicular al eje A) que el de la porción media 1107, que puede tener un diámetro menor que el de la porción proximal 1108.

En algunas configuraciones, una superficie interior la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 incluye una característica de retención 1102 (por ejemplo, un saliente, lengüeta o brida) configurada para acoplarse de forma giratoria y asegurar axialmente a la porción delantera del componente interior 1004 (por ejemplo, en la boquilla 1010 del componente interior 1004) a través de uno de ajuste a presión, ajuste por fricción, crimpado o enroscado, cuando la porción delantera está dispuesta en el cuerpo hueco de la tapa de retención 1014. Como se muestra, la característica de retención 1102 comprende un saliente 1102a, que se puede generar doblando una porción de la pared de la tapa de retención 1014. El saliente 1102a está adaptado para encajar a presión en una ranura de la boquilla 1010. De forma adicional, la característica de retención 1102 incluye un tope 1102b adyacente al saliente 1102a para generar fricción entre la tapa de retención 1014 y la boquilla 1010 al acoplarse mediante ajuste por fricción. El saliente 1102a y el tope 1102b están dimensionados de tal manera que permiten que los componentes giren independientemente entre sí después del acoplamiento. Como alternativa, la característica de retención 1102 se puede configurar adecuadamente para acoplarse de manera fija (es decir, asegurar axial y radialmente) a la porción delantera del componente interior 1004. En algunas configuraciones, una sección de la tapa de retención 1014, tal como la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014, incluye al menos un orificio de ventilación 1112 que se extiende desde una superficie interior a una superficie exterior de la tapa de retención 1014 para permitir el flujo de gas a su través.

En algunas configuraciones, la porción proximal 1108 de la tapa de retención 1014 incluye una o más roscas 1104 para acoplar un cabezal de soplete (no mostrado) de un soplete de arco de plasma cuando el cartucho 1000 está instalado en el soplete. En algunas realizaciones, dos o más roscas discretas 1104 (por ejemplo, tres roscas) puede disponerse circunferencialmente alrededor de una superficie interior de la porción proximal 1108 de la tapa de retención 1014 para acoplar un conjunto de roscas complementarias en el cabezal de soplete, cuando al menos una porción del cabezal de soplete está dispuesta en el cuerpo hueco de la porción proximal 1108. El bloqueo entre el cabezal de soplete y la tapa de retención 1014 requiere la rotación de un componente en relación con el otro en un grado dependiendo del número de roscas discretas 1104 dispuestas en la tapa de retención 1014. Por ejemplo, si hay tres roscas discretas 1104, se necesita una rotación de solo unos 120 grados para bloquear los componentes entre sí. Esto facilita la instalación rápida del cartucho 1000 en un soplete de arco de plasma. En general, la tapa de retención 1014 tiene suficiente espesor de material y/o resistencia para retener el cartucho 1000 en el cabezal del soplete a través del acoplamiento roscado.

Las figuras 12a y 12b son unas vistas en sección y de perfil exterior, respectivamente, de un manguito de tapa 1016 de ejemplo sobremoldeado sobre la tapa de retención metálica 1014 de la figura 11, que puede formar al menos una porción del componente exterior 1002. Como se muestra en la figura 12a, el manguito de tapa 1016 tiene un cuerpo sustancialmente hueco, al menos una porción del cual está sobremoldeada sobre las superficies exteriores de las porciones media y proximal 1107, 1108 de la tapa de retención 1014. En algunas realizaciones, solo la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 está completamente expuesta. El manguito de tapa 1016 puede incluir un extremo proximal 1206 y un extremo distal 1208 a lo largo del eje longitudinal A. En algunas configuraciones, el extremo distal 1208 del manguito de tapa 1016 incluye una o más características de retención para acoplar el componente de aislamiento 1028. Por ejemplo, el extremo distal 1208 del manguito de tapa 1016 se puede moldear sobre la porción media 1107 de la tapa de retención 1014 como una o más pestañas 1209. Se puede disponer una característica elevada 1210 en cada una de las pestañas 1209. La combinación de las pestañas 1209 y las características elevadas 1210 se puede usar para acoplar el componente de aislamiento 1028, como se explica a continuación en detalle con referencia a las figuras 14a-c. En algunas configuraciones, el manguito de tapa 1016 incluye una o más características de retención para acoplar el protector 1012. Por ejemplo, el manguito de tapa 1016 puede incluir al menos una ranura 1212 dispuesta en una superficie exterior, contra la cual se puede engarzar una porción del protector 1012 para fijar los dos componentes juntos.

Como se muestra en la figura 12b, el manguito de tapa 1016 rodea sustancialmente la tapa de retención 1014 en sus porciones media y proximal 1107, 1108 y puede extenderse proximalmente más allá de la tapa de retención 1014 en la dirección longitudinal. En algunas configuraciones, el diámetro interior 1202 del manguito de tapa 1016 cerca de donde el manguito de tapa 1016 se superpone con la porción proximal 1108 de la tapa de retención 1014 es menor que el diámetro interior 1204 del manguito de tapa 1016 en el extremo proximal 1206 del manguito de tapa 1016, tal como por un desplazamiento de 0,5 grados. Este diámetro interior variable a lo largo del manguito de tapa 1016 ayuda a guiar la inserción del cabezal del soplete (no mostrado) en la tapa de retención 1014 y facilita su alineación relativa antes de la rotación de un componente con respecto al otro para lograr el acoplamiento en las roscas discretas 1104 de la tapa de retención 1014.

La figura 13 muestra una configuración del componente de aislamiento 1028, que puede ser parte del componente exterior 1002 del cartucho 1000 de la figura 10 o un elemento independiente El componente de aislamiento 1028 es generalmente de forma circular y está construido a partir de un material eléctricamente no conductor. El componente de aislamiento 1028 se puede ubicar entre el protector 1012 y la combinación de tapa de retención 1014/manguito de tapa 1016 del componente exterior 1002 para espaciar la mayor parte del componente exterior 1002 (por ejemplo, la tapa de retención 1014 y el manguito de tapa 1016) del protector 1012 y para aislar eléctricamente la tapa de retención 1014 del protector 1012. El componente de aislamiento 1028 incluye un resalte 1304, también conocido como contorno, escalón, o brida, situado el extremo distal 1301 del componente de aislamiento 1028. El resalte 1304 está orientado sustancialmente perpendicular al eje longitudinal A. El resalte 1304 define una abertura 1316 que complementa la forma de la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 y permite que la porción distal 1106 la atraviese. En algunas configuraciones, la abertura 1316 tiene un diámetro que es sustancialmente igual o mayor que el diámetro de la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014, pero menor que el diámetro de la porción media 1107 de la tapa de retención 1014, de manera que la porción central 1107 no pueda pasar a través de la abertura 1316. Una superficie exterior del resalte 1304 puede incluir uno o más canales 1318 dispersos alrededor de la abertura 1316 para proporcionar una trayectoria de flujo de gas de modo que una parte del gas que fluye hacia el protector 1012 pueda desplazarse a través de los canales 1318 para enfriar el componente de aislamiento 1028 y el protector 1012.

El componente de aislamiento 1028 también incluye un cuerpo cilíndrico sustancialmente hueco 1302 ubicado en el extremo proximal 1303 del componente de aislamiento 1028. El cuerpo cilíndrico 1302 está dispuesto alrededor del eje longitudinal A y se extiende a lo largo del eje longitudinal. En algunas realizaciones, las características de retención se proporcionan en el cuerpo cilíndrico 1302 para acoplar el componente de aislamiento 1028 con el protector 1012 y/o el manguito de tapa 1016. Por ejemplo, una característica de retención de manguito de tapa 1305 puede incluir una hendidura 1306 que se extiende desde una superficie interior a una superficie exterior del cuerpo cilíndrico 1302. Las hendiduras 1306 están definidas por una pluralidad de extensiones 1308 dispuestas alrededor del cuerpo cilíndrico 1302, donde cada hendidura 1306 está situada entre un par de las extensiones 1308. La característica de retención del manguito de la tapa 1305 también puede incluir al menos una ranura 1310 en una superficie interior del cuerpo cilíndrico 1302 centrada alrededor de una hendidura 1306 correspondiente y en las extensiones 1308. Las ranuras 1310 y las hendiduras 1306, que componían las características de retención del manguito de tapa 1305, están configurados para acoplar cooperativamente el manguito de tapa 1016 por uno de ajuste por fricción, ajuste a presión, roscado o prensado. Una característica de retención de protección 1311 puede incluir al menos una ranura dispuesta en una superficie exterior del cuerpo cilíndrico 1302, tal como adyacente a una hendidura 1306. Las ranuras 1311 están configuradas para acoplarse con el protector 1012 mediante engaste, por ejemplo.

Las figuras 14a-c son varias vistas del componente de aislamiento 1028 de la figura 13 sujeto de forma fija al manguito de tapa 1016 y la tapa de retención 1014. Los tres componentes 1028, 1016, 1014 pueden formar al menos una porción del componente exterior 1002. Durante el ensamblaje, la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 puede deslizarse a través de la abertura 1316 definida por el resalte 1304 del componente de aislamiento 1028 hasta que una superficie interior 1320 del resalte 1304 se apoya contra una superficie exterior 1110 de la porción media 1107 de la tapa de retención 1014 y no es posible avanzar más. En este punto, la combinación de la tapa de retención 1014 y el manguito de la tapa 1016 están asentados de forma segura contra el componente de aislamiento 1028, con el componente de aislamiento 1028 rodeando sustancialmente la superficie exterior 1110 de la porción media 1107 de la tapa de retención 1014. Las ranuras 1310 y las hendiduras 1306 de la característica de retención 1305 del manguito de tapa del componente de aislamiento 1028 pueden acoplar la característica de retención 1210 del manguito de tapa 1016 a través de un ajuste por fricción, por ejemplo, para conectar el componente de aislamiento 1028 al manguito de tapa 1016. La fricción para el ajuste por fricción puede ser proporcionada por la fuerza de engaste del protector 1012 cuando se une al componente de aislamiento 1028. Específicamente, las ranuras 1311 del componente de aislamiento 1028 pueden proporcionar una superficie contra la cual se engarza el protector 1012 para conectar de forma fija el componente de aislamiento 1028 al protector 1012. De forma adicional, la conexión entre el componente de aislamiento 1028 y el manguito de tapa 1016 también acopla de forma fija el componente de aislamiento 1028 con la tapa de retención 104 a través de su conexión fija con el manguito de tapa 1016 (es decir, el manguito de tapa 1014 está sobremoldeado en la porción media 1107 de la tapa de retención 1014).

La figura 14c ilustra una vista en sección transversal del conjunto que comprende el componente de aislamiento 1028, el manguito de tapa 1016 y la tapa de retención 1014, donde la vista de la sección transversal es en el plano radial y desde la perspectiva de un observador en el extremo distal del conjunto. Como se muestra, al hacer tope el componente de aislamiento 1028 contra la tapa de retención 1014, la una o más ranuras 1310 en la superficie interior del componente de aislamiento 1028 pueden encajar a presión con las lengüetas 1209 del manguito de tapa 1014, mientras que las regiones elevadas 1210 de la tapa 1014 se pueden insertar en las hendiduras 1306 del componente de aislamiento 1028. Tal conexión de encaje a presión puede unir de forma fija el componente de aislamiento 1028 con el manguito de tapa 1016 (y también a la tapa de retención 1014 a través del manguito de tapa 1016 sobremoldeado). Debido a que la dimensión de la sección transversal de cada región elevada 1210 es menor que la de cada hendidura 1306, cada región elevada 1210 está adaptada para dejar al menos una parte de cada hendidura 1306 sin obstrucciones, permitiendo así el flujo de gas a su través. Como se muestra en la figura 14c, el manguito de tapa 1016 y el componente de aislamiento 1028 pueden acoplarse en cuatro ubicaciones dispuestas radialmente alrededor del eje longitudinal A. En otras configuraciones, se construyen menos o más ubicaciones de acoplamiento.

La figura 15 es una configuración de ejemplo del protector 1012 que puede ser parte del componente exterior 1002 del cartucho 1000 de la figura 10 o una pieza independiente. El protector 1012 de la figura 15 se puede utilizar en un soplete de arco de plasma de corte manual. El protector 1012 comprende un cuerpo sustancialmente hueco. Una sección en una porción proximal 1502 del cuerpo hueco se puede engarzar contra una o más ranuras 1212 en el extremo distal 1208 del manguito de tapa 1014 para conectar de manera segura el protector 1012 al manguito de tapa 1016. Otra sección de la porción proximal 1502 se puede engarzar contra las ranuras 1311 del componente de aislamiento 1028 para conectar de manera segura el protector 1012 al componente de aislamiento 1028. Estas conexiones también acoplan de forma fija el protector 1012 a la tapa de retención 1014 a través de su conexión común (ya sea directa o indirectamente) al manguito de tapa 1016. También son posibles otros medios para conectar el protector 1012 al manguito de tapa 1016 y/o al componente de aislamiento 1028, incluyendo roscado o ajuste a presión. El protector 1012 también puede incluir un orificio de salida del protector 1506 y uno o más orificios de ventilación de gas 1504 dispuestos en un cuerpo del protector 1012 que se extiende desde una superficie interior a una superficie exterior del protector 1012.

La figura 16 es otro protector 1600 que es compatible con el cartucho 1000 de la figura 10. El protector 1600 se puede utilizar en un soplete de arco de plasma mecanizado. El protector 1600 también puede incluir una porción proximal 1602 que es sustancialmente igual a la porción proximal 1502 del protector 1012 de la figura 15 para conectar de forma segura el protector 1600 al manguito de tapa 1016 y el componente de aislamiento 1028 mediante uno de engaste, ajuste por fricción/a presión o roscado. El protector 1600 también puede incluir un orificio de salida del protector 1606 y uno o más orificios de ventilación de gas 1604, similar al protector 1012 de la figura 15.

En otras configuraciones, el protector 1012 puede ser sustancialmente el mismo que el protector 800 descrito anteriormente con respecto a la figura 8. En algunas realizaciones, el componente de aislamiento 1028 está dimensionado para alinear y centrar el protector 1012 en relación con la tapa de retención 1014 y el manguito de tapa 1016 en la dirección radial. Como se ilustra claramente en la figura 10, el componente de aislamiento 1028 separa el protector 1012 de la combinación de la tapa de retención 1014 y el manguito de tapa 1016. De este modo, cuando el protector 1012 está conectado de manera fija a la tapa 1016 y/o al componente de aislamiento 1028, la estrecha tolerancia entre los componentes minimiza el movimiento radial del protector 1012 que puede dar como resultado su desalineación radial.

Como se describió anteriormente con respecto a la figura 10, el componente interior 1002 puede incluir al menos uno de la corona 1006, el electrodo 1008, el anillo de remolino 1007 o la boquilla 1010 orientado sustancialmente simétricamente alrededor del eje longitudinal A. El componente interior 1002 puede incluir adicionalmente el elemento elástico 1026, el dispositivo de sellado 1030 y/o el dispositivo de señal 2106. Generalmente, cada una de las interfaces entre varios elementos del componente interior 1004 puede estar formada por uno de engaste, ajuste a presión, ajuste por fricción, o roscado para conectar de forma fija (es decir, asegurados axial y radialmente) o asegurados axialmente y acoplados rotatoriamente a los componentes. En algunas realizaciones, el componente interior 1004 es sustancialmente igual o similar al cartucho 100 descrito anteriormente con referencia a la figura 1. Por ejemplo, el electrodo 1008 puede ser sustancialmente el mismo que el electrodo 104 de la figura 2. El electrodo 1008 puede ser relativamente plano cerca del extremo proximal, de modo que el electrodo 1008 proporcione una superficie estable para hacer contacto con el elemento elástico 1026.

La boquilla 1010 puede ser una parte del componente interior 1004 del cartucho 1000 en la figura 10. La boquilla 1010 puede definir, en relación con el electrodo 1008, una cámara de plasma 1040. En algunas realizaciones, la boquilla 1010 es sustancialmente la misma que la boquilla 108 de la figura 3. La figura 17 muestra otra configuración de ejemplo de la boquilla 1010 del cartucho 1000 de la figura 10. La boquilla 1010 define una porción distal 1704, una porción media 1705 y una porción proximal 1706 a lo largo del eje longitudinal A. La boquilla 1010 puede incluir una característica de retención en la porción proximal 1706, tal como una muesca 1702 con una superficie interior 1702a y una superficie exterior 1702b, configurado para conectar la boquilla 1010 al extremo distal del anillo de remolino 1007 en la interfaz 1021 (como se muestra en la figura 10). Por ejemplo, el extremo distal del anillo de remolino 1007 se puede insertar en la muesca 1702, y al menos una de las superficies interiores 1702a o la superficie exterior 1702b de la muesca 1702 se puede engarzar contra una ranura en el extremo distal del anillo de remolino 1007 para asegurar los dos componentes juntos. La conexión entre la boquilla 1010 y el anillo de remolino 1007 en la interfaz 1021 puede ser una de (i) acoplamiento giratorio y seguridad axial o (ii) acoplamiento fijo (es decir, fijación axial y radial) a través de uno de encaje a presión, engarce, ajuste por fricción o roscado. Como se describirá más adelante, el acoplamiento entre la boquilla 1010 y el anillo de remolino 1007 está adaptado para controlar la fuerza del remolino de un gas en la interfaz 1021, ya que el acoplamiento define el tamaño y la forma de los orificios de remolino del anillo de remolino 1007 al ensamblarse.

La boquilla 1010 también puede incluir una característica de retención en la porción media 1705, tal como una o más ranuras 1708 dispuestas circunferencialmente en una superficie exterior de la boquilla 1010, para acoplar giratoriamente y asegurar axialmente la característica de retención 1102 de la tapa de retención 1014 para formar la interfaz 1020 (como se muestra en la figura 10) a través de un ajuste a presión, ajuste por fricción, prensado o roscado. Como alternativa, la característica de retención 1708 se puede configurar para asegurar de forma fija (es decir, asegurar axial y radialmente) la tapa de retención 1014 para formar la interfaz 1020. Tras el acoplamiento, la tapa de retención 1014 rodea sustancialmente la superficie exterior de al menos la porción media 1705 y la porción proximal 1706 de la boquilla 1010. La boquilla 1010 puede incluir además una serie de elementos planos 1710a intercalados entre una serie de elementos elevados 1710b dispuestos circunferencialmente en una superficie exterior de la porción media 1705. Los elementos elevados 1710b facilitan la alineación radial y el centrado de la boquilla 1010 con respecto a la tapa de retención 1014 y los elementos planos 1710a proporcionan espacio entre la boquilla 1010 y la tapa de retención 1014 para permitir que el gas fluya a su través.

La figura 18 es una vista en sección transversal de un conjunto que comprende la boquilla 1010, la tapa de retención 1014 y el protector 1012, donde la vista de la sección transversal es en el plano radial y desde la perspectiva de un espectador en el extremo proximal del conjunto. El conjunto también incluye el electrodo 1008. Como se muestra, estos componentes pueden alinearse radialmente y posicionarse concéntricamente con un centro común 1802. Al menos una parte del electrodo 1008 está dispuesta dentro de una cavidad definida por la pared interior de la boquilla 1010 que puede alinear radialmente el electrodo 1008 limitando un movimiento radial del electrodo 1008. Al menos una parte de la boquilla 1010 puede disponerse dentro de una cavidad definida por la pared interior de la tapa de retención 1014 que alinea radialmente la boquilla 1010 limitando un movimiento radial de la boquilla 1010. Específicamente, los elementos elevados 1710b en la superficie exterior de la boquilla 1010 están configurados para apoyarse contra la superficie interior correspondiente de la tapa de retención 1014 para orientar radialmente la boquilla 1010 con respecto a la tapa de retención 1014. Los elementos planos 1710a en la superficie exterior de la boquilla 1010 permiten un espacio entre la boquilla 1010 y la tapa de retención 1014 de manera que un gas puede fluir a través de ella. Al menos una parte de la tapa de retención 1014 está dispuesta dentro de una cavidad definida por la pared interior del protector 1012 que puede alinear radialmente la tapa de retención 1014 limitando un movimiento radial de la tapa de retención 1014.

Como se ha descrito anteriormente, el anillo de remolino 1007 es una de las partes incluidas en la definición del componente interior 1004 del cartucho 1000 en la figura 10. En algunas realizaciones, el anillo de remolino 1007 es sustancialmente el mismo que el anillo de remolino 102 de las figuras 4a y 4b. En algunas configuraciones, el anillo de remolino 1007 es sustancialmente el mismo que el anillo de remolino 702 de las figuras 5a y 4b. Las figuras 19a-c son varias vistas de otra configuración del anillo de remolino 1007 del cartucho 1000 de la figura 10. El anillo de remolino 1002 puede estar hecho del mismo material y/o del mismo proceso de fabricación que el remolino 102 o 702. Como se muestra, el anillo de remolino 1002 puede estar definido por un cuerpo sustancialmente hueco y alargado que tiene un extremo distal 1910 y el extremo proximal 1912 a lo largo del eje longitudinal A. El cuerpo hueco del anillo de remolino 1007 está dimensionado para recibir el electrodo 1008 y extenderse sustancialmente sobre la longitud del electrodo 1008 a lo largo del eje longitudinal A. La pared interior del anillo de remolino 1007 puede así alinear radialmente el electrodo 1008 limitando un movimiento radial del electrodo 1008. En algunas realizaciones, las aletas del electrodo 1008 son más anchas que la abertura del anillo de remolino 1007 en el extremo proximal 1912 de modo que se impide que el electrodo 1008 salga del anillo de remolino 1007 desde el extremo proximal 1912.

La interfaz 1021 se puede formar entre el extremo distal 1910 del anillo de remolino 1007 y la boquilla 1008 para unir los dos componentes consumibles. La unión puede asegurar de forma fija (es decir, asegurar axial y radialmente) el anillo de remolino 1007 a la boquilla 1008 a través de uno de encaje a presión, engarce, ajuste por fricción o roscado. Como alternativa, la unión puede acoplar giratoriamente y asegurar axialmente el anillo de remolino 1007 a la boquilla 1008 (por ejemplo, a través de uno de encaje a presión, engaste o ajuste por fricción) que permite que los componentes giren independientemente entre sí después del acoplamiento. Por ejemplo, el anillo de remolino 1007 puede incluir una superficie de retención de boquilla 1930 (por ejemplo, superficie interior y/o exterior) del anillo de remolino 1007 para asegurar de manera fija o acoplar giratoriamente y asegurar axialmente la boquilla 1010 en su extremo distal 1910. La superficie de retención de la boquilla 1930 puede ser una característica (por ejemplo, una o más ranuras) ubicada en la superficie exterior del anillo de remolino 1007 (por ejemplo, en las extensiones 1904) para capturar la boquilla 1010 mediante engarce. Como alternativa, se puede disponer una superficie de retención similar en la boquilla 1010 para retener el anillo de remolino 1007 en ella.

Se puede formar otra interfaz 1023 entre el extremo proximal 1912 del anillo de remolino 1007 y la corona 1006 para unir los dos componentes consumibles entre sí. La unión puede asegurar de forma fija la corona 1006 y el anillo giratorio 1007 a través de uno de ajuste a presión, engarce, ajuste por fricción o roscado. Como alternativa, la unión puede acoplar giratoriamente y asegurar axialmente el anillo de remolino 1007 a la corona 1006 (por ejemplo, a través de uno de encaje a presión, engaste o ajuste por fricción) que permite que los componentes giren independientemente entre sí después del acoplamiento. Por ejemplo, el anillo de remolino 1007 puede incluir una característica de retención 1932 ubicada en una superficie (por ejemplo, superficie interior y/o exterior) del anillo de remolino 1007 para asegurar de forma fija o enganchar giratoriamente y asegurar axialmente la corona 1006 en su extremo proximal 1912. La característica de retención 1932 puede ser una o más ranuras ubicadas alrededor de una superficie exterior del anillo de remolino 1007 para capturar la corona 1006 a través del engaste, por ejemplo, para formar la interfaz 1023. Como alternativa, se puede disponer una característica de retención similar alrededor de la corona 1006 para unir el anillo de remolino 1007 a la misma. En general, la interfaz 1021 y/o la interfaz 1023 forman una cámara en la que el electrodo 1008 está dispuesto y alineado (longitudinal y radialmente) con respecto a la boquilla 1010 y la corona 1006.

En algunas configuraciones, el anillo de remolino 1007 tiene un conjunto de aberturas de flujo de gas 1902 separadas radialmente configuradas para impartir un componente de velocidad tangencial a un flujo de gas para el soplete de arco de plasma, haciendo que el flujo de gas se arremoline. Este remolino crea un vórtice que constriñe el arco y estabiliza la posición del arco en el inserto 1042 La una o más aberturas de flujo de gas 1902 están dispuestas alrededor del extremo distal 1910 de su cuerpo alargado, tal como alrededor de una circunferencia de su extremo distal 1910. En algunas configuraciones, la una o más aberturas de flujo de gas 1902 están moldeadas. Cada abertura de flujo de gas 1902 puede extenderse desde una superficie interior a una superficie exterior del cuerpo alargado y está orientada para impartir un movimiento de remolino con respecto al eje A del gas (por ejemplo, aire) que fluye a través del mismo. Cada abertura de flujo de gas 1902 puede ser circular o no circular (por ejemplo, rectangular, cuadrada y/o de esquinas cuadradas) en geometría. En algunas configuraciones, las aberturas de flujo de gas 1902 tienen dimensiones sustancialmente uniformes. En algunas realizaciones, como se muestra en la figura 19, las aberturas de flujo de gas 1902 están definidas al menos parcialmente por ranuras 1903 en el extremo distal 1910 del anillo de remolino 1007. Estas hendiduras de flujo de gas 1903 están formadas por una pluralidad de extensiones 1904 separadas a intervalos regulares o no regulares alrededor de la circunferencia del extremo distal 1910, donde cada hendidura 1903 está situada entre un par de las extensiones 1904. Al acoplar el anillo de remolino 1007 a la boquilla 1010, las hendiduras 1903 están cerradas por la porción proximal 1706 de la boquilla 1010 para crear orificios delimitados. Por lo tanto, cada abertura de flujo de gas 1902 puede ser una abertura compuesta de dos piezas definida cooperativamente por la boquilla 1010 y el anillo de remolino 1007. La boquilla 1010 puede controlar la fuerza de remolino de un gas a su través dimensionando el tamaño y la forma de la abertura de flujo de gas 1902 durante el montaje.

En algunas configuraciones, el anillo de remolino 1007 tiene un conjunto de aletas 1914 radialmente espaciadas alrededor de una superficie exterior entre el extremo distal 1910 y el extremo proximal 1912. Como se ilustra en la figura 19C, tres aletas 1914 están dispuestas alrededor de una superficie exterior del anillo de remolino 1007. Son posibles menos o más aletas. Las aletas 1914 están configuradas para alinear radialmente y centrar el anillo de remolino 1007 con respecto a la tapa de retención 1014 al ensamblar el cartucho 1000. Como se ha descrito anteriormente, cuando el componente interior 1004 y el componente exterior 1002 se unen para formar el cartucho 1000, la porción trasera del componente interior 1004, que puede incluir el anillo de remolino 1007, puede suspenderse sustancialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior 1002 y puede separarse relativamente del componente exterior 1002 en otro lugar que no sea el punto de acoplamiento entre los componentes interior y exterior. Las aletas 1914 están configuradas para alinear radialmente el anillo de remolino 1007 dentro del cuerpo hueco del componente exterior 1002 (es decir, dentro de la cavidad definida por la pared interior de la tapa de retención 1014) limitando un movimiento radial del anillo de remolino 1007 dentro del cuerpo hueco. De este modo, cada aleta 1914 tiene una longitud radial 1916 que puede ser menor o igual que la distancia radial entre la superficie exterior del anillo de remolino 1007 (es decir, sin las aletas 1914) y la superficie interior de la tapa de retención 1014 cuando el anillo de remolino 1007 está centrado dentro de la tapa de retención 1014. Las aletas 1914 pueden tener unas dimensiones sustancialmente uniformes. Las aletas 1914 pueden ser una pluralidad de salientes separados a intervalos regulares o no regulares alrededor de una circunferencia exterior del anillo de remolino 1007. El espacio radial entre las aletas 1914 permite que el gas fluya a su través. De forma adicional, cada aleta 1914 puede construirse de modo que haya un espacio libre entre la aleta 1914 y la pared lateral interior correspondiente de la tapa de retención 1014 cuando el anillo de remolino 1007 está centrado dentro de la tapa de retención 1014 para permitir que el gas fluya a su través. Como alternativa, las aletas 1914 se pueden ubicar en otros componentes del cartucho 1000 para lograr la misma función de alineación radial. Por ejemplo, las aletas 1914 pueden disponerse en una superficie interior del componente exterior 1002, tal como en una superficie interior de la tapa de retención 1014, para alinear radialmente los componentes interior y exterior al acoplarse. En algunas realizaciones, las aletas 1914 comprenden un mecanismo (no mostrado) para asegurar el anillo de remolino 1007 a la tapa de retención 1014 a través de, por ejemplo, ajuste a presión. Esta conexión puede reemplazar el mecanismo de seguridad entre la boquilla 1010 y el anillo de remolino 1007 en la interfaz 1021.

Como se ha descrito anteriormente, la corona 1006 puede ser una parte del componente interior 1004 del cartucho 1000 en la figura 10. En algunas configuraciones, la corona 1006 es sustancialmente la misma que la tapa de extremo 106 ilustrada en las figuras 7a y 7b. Las figuras 20a y b son ejemplos de configuraciones de la corona 1006 del cartucho 1000 de la figura 10. La corona 1006 proporciona al menos una de las siguientes funciones: (i) acoplamiento giratorio y fijación axial o fijación fija del anillo de remolino 1006 en el extremo proximal 1912 del anillo de remolino 1006 para formar la interfaz 1023, alineando así el electrodo 1008; (ii) acoplarse con un cátodo (no mostrado) de un cabezal de soplete (no mostrado) al ensamblar el cartucho 1000 en un soplete de arco de plasma (no mostrada); (iii) proporcionar un soporte para el elemento elástico 1026; y (iii) pasar una corriente eléctrica desde el cátodo (por ejemplo, un contacto de potencia para dirigir la corriente desde una fuente de alimentación) al electrodo 1008 en una configuración de inicio de contacto de retroceso.

Como se ilustra en la figura 20a, la corona 1006 tiene un cuerpo sustancialmente hueco 2000 que define un extremo proximal 2020 y un extremo distal 2022. El cuerpo hueco 2000 incluye una porción elevada circular 2002 y un centro deprimido 2004. La porción elevada circular 2002 define un saliente sustancialmente hueco que se extiende hacia el extremo proximal 2020 de la corona 1006 y el centro hundido 2004 define una cavidad que se extiende desde el extremo proximal 2020. El centro hundido 2004 puede estar definido por una pared lateral relativamente cilíndrica 2004a y una pared inferior relativamente plana 2004b. En algunas realizaciones, el cuerpo 2000 de la corona 1006 tiene un espesor sustancialmente uniforme, promoviendo así un paso de corriente eficiente y uniforme y ayudando con el establecimiento de una alineación precisa de los consumibles. El espesor uniforme de la corona 1006, junto con una técnica de fabricación de sellos, también simplifica la fabricación y minimiza el tiempo del ciclo de fabricación, el peso de consumibles y el uso de materiales

En algunas configuraciones, similar a la corona 106, una superficie interior 2008 de la porción elevada 2002 en el extremo proximal 2020 define una superficie de carga para contactar físicamente y comunicarse eléctricamente con el elemento elástico 1026. El elemento elástico 1026 puede empujar contra el extremo proximal del electrodo 1008 para alejar el electrodo 1008 de la corona 1006. Es decir, el elemento elástico 1026 está situado entre y hace contacto físico con la superficie de carga 2008 de la corona 1006 y el extremo proximal del electrodo 1008 de manera que el elemento elástico 1026 imparte una fuerza de separación entre el electrodo 1008 y la superficie de carga 2008.

En algunas configuraciones, similar a la corona 106, una superficie interior del centro hundido 2004 de la corona 1006 en el extremo distal 2022 define una superficie de contacto 2010 que está configurada para contacto físico y comunicación eléctrica con una superficie de contacto 1044 correspondiente del electrodo 1008 en su extremo proximal. Durante el modo de arco transferido, la superficie de contacto 2010 de la corona 1006 está en relación de apoyo con la correspondiente superficie de contacto 1044 del electrodo 1008. Sin embargo, durante el inicio de un arco piloto en el modo de arco piloto, la superficie de contacto 2010 está en una relación espaciada con la correspondiente superficie de contacto 1044 que se define por la ausencia de contacto entre las dos superficies.

En algunas configuraciones, similar a la corona 106, el elemento elástico 1026 se mantiene generalmente entre la corona 1006 y el electrodo 1008. El elemento elástico 1026 puede ser parte del componente interior 1004 y puede fijarse a la corona 1006 o al electrodo 1008. En otras realizaciones, el elemento elástico 1026 está asegurado tanto al electrodo 1008 como a la corona 1006. Por ejemplo, el elemento elástico 1026 puede fijarse mediante soldadura blanda, soldadura, unión, sujeción, un ajuste de interferencia diametral u otro tipo de ajuste por fricción a la corona 1006 y/o al electrodo 1008. En algunas realizaciones, el cuerpo sustancialmente hueco 2000 de la corona 1006 está configurado para alojar el elemento elástico 1026 entre su superficie de carga 2008 y el extremo proximal del electrodo 1008. Por ejemplo, la porción elevada 2002 de la corona 1006 puede funcionar como soporte del elemento elástico 1026. Específicamente, el elemento elástico 1026 puede mantenerse en su lugar mediante la superficie de carga 2008, una superficie interior interna 2012 y una superficie interior externa 2014 de la porción elevada 2002, donde el diámetro de la superficie interior interna 2012 con respecto al eje longitudinal A es ligeramente menor que el diámetro interior del elemento elástico 1026, y el diámetro de la superficie interior externa 2014 con respecto al eje longitudinal A es ligeramente mayor que el diámetro exterior del elemento elástico 1026.

En algunas configuraciones, el movimiento radial del elemento elástico 1026 se restringe aún más por el extremo proximal 1912 del anillo de remolino 1007 después de que el anillo de remolino 1007 se fije a la corona 1006. Como se muestra en la figura 10, después de que la corona 1006 está acoplada a la anillo de remolino 1007 (por ejemplo, engarzándose en la ranura de acoplamiento 1932 del anillo de remolino 1007), la porción de labio 1934 del anillo de remolino 1007 puede extenderse hacia el interior de la porción elevada 2002 de la corona 1006. Por lo tanto, la porción de labio 1934 puede restringir y guiar aún más el posicionamiento del elemento elástico 1026 dentro de la corona 1006.

En algunas configuraciones, el centro hundido 2004 de la corona 1006 está configurado para rodear sustancialmente y alojar un cátodo (no mostrado) de un cabezal de soplete (no mostrado) cuando el cartucho 1000 está acoplado al cabezal de soplete. El cátodo puede coincidir físicamente con al menos una de las paredes laterales 2004a o inferior 2004b de la cavidad definida por el centro hundido 2004. Al acoplarse con el cátodo, la corona 1006 está adaptada para pasar una corriente eléctrica desde el cátodo al electrodo 1008 en un modo de operación piloto o modo de arco transferido. Por ejemplo, en un modo piloto de operación, una corriente eléctrica puede pasar desde el cátodo, sustancialmente a través de la pared lateral 2004a de la corona 1006, el elemento el elemento elástico 1026 y al electrodo 1008. En un modo de operación de arco transferido, una corriente eléctrica puede pasar desde el cátodo, sustancialmente a través de la pared inferior 2004b de la corona 1006, y directamente al electrodo 1008 a través de las superficies de contacto 2010, 1044.

En algunas configuraciones, la porción elevada 2002 está configurada para contactar y activar un sensor consumible dentro del soplete de arco de plasma tras la instalación del cartucho 1000 en un cabezal de soplete. Esta función de la porción elevada 2002 se describirá en detalle a continuación con referencia a la figura 22. En algunas configuraciones, una abertura (no mostrada) que se extiende desde una superficie interior a una superficie exterior de la corona 1006 está dispuesta en la punta de la porción elevada 2002. La porción de labio 1934 del anillo de remolino 1007 puede extenderse proximalmente dentro de la corona 1006 a través de la abertura para contactar y activar el sensor consumible dentro del soplete. En algunas configuraciones, al menos un orificio de ventilación 2016 opcional (u orificio de salida de gas) está dispuesto en la corona 1006, que se extiende desde una superficie interior a una superficie exterior del cuerpo 2000, para enfriar el cartucho 1000 (por ejemplo, enfriando el elemento elástico 1026). Por ejemplo, el orificio de ventilación 2016 puede estar ubicado en la punta proximal de la porción elevada 2002. En algunas realizaciones, la porción de labio 1934 del anillo de remolino 1006 puede extenderse a través del orificio de ventilación 2016 para activar el sensor consumible. En algunas configuraciones, el anillo de remolino 1007 es una parte de la corona 1006.

En otra configuración, como se ilustra en la figura 20b, una abertura 2030 se extiende desde una superficie interior a una superficie exterior de la corona 1006 en el extremo distal 2022 de la corona 1006. La abertura 2030 reemplaza así la pared inferior 2004b de la cavidad definida por el centro hundido 2004 En este caso el cátodo está adaptado para extenderse a través de la abertura 2030 y contactar físicamente con el electrodo 1008 en el modo de arco transferido.

En otro aspecto, se puede insertar un componente entre la boquilla 1010 y el componente exterior 1002 para controlar el flujo de gas entre ellos. La figura 21 muestra un componente espaciador 2150 de ejemplo que generalmente se puede ubicar entre una superficie exterior de la porción media 1705 de la boquilla 1010 y una superficie interior de la porción media 1107 de la tapa de retención 1014. El espaciador 2150, que puede ser en forma de una arandela, puede ser una parte del componente interior 1004 (es decir, fijado al componente interior 1004), una parte del componente exterior 1002 (es decir, fijado al componente interior 1002), o una pieza independiente. El espaciador 2150 puede ser un disco delgado, sustancialmente circular con una abertura circular 2152 dispuesta en el centro que está configurada para rodear una circunferencia de una superficie externa de la boquilla 1010 en su porción media 1705. Por ejemplo, el espaciador 2150 se puede dimensionar de modo que (i) su diámetro exterior 2156 sea aproximadamente igual o menor que el diámetro interior de la porción media 1107 de la tapa de retención 1014, pero mayor que el de la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014; y (ii) el diámetro 2158 de la abertura circular 2152 es igual o mayor que el de la porción media 1705 de la boquilla 1010, pero menos que el de la porción proximal 1706 de la boquilla 1010. En algunas realizaciones, la abertura circular 2152 tiene una pluralidad de pasajes de gas 2154 (por ejemplo, en forma de hendiduras rectangulares, semicírculos, formas irregulares, letras, etc.) conectados al mismo. Los pasajes de gas 2154 pueden dispersarse radialmente alrededor de la abertura circular 2152 a intervalos regulares o irregulares. En algunas configuraciones, el tamaño, el número y/o forma de los pasajes de gas 2154 son ajustables para diferentes procesos para permitir diferentes cantidades y/o patrones de gas a través de ellos. El espaciador 2150 puede estar hecho de un material eléctricamente conductor, tal como latón, cobre o aluminio.

La figura 22 muestra un ejemplo de soplete de arco de plasma 2100 que incluye el cartucho 1000 de la figura 10 y un cabezal de soplete 2102. Generalmente, la región hueca 1022 del cartucho 1000 (como se muestra en la figura 10) está configurada para recibir el cabezal de soplete 2102 y acoplar el cabezal de soplete 2102 al mismo. La figura 23 es una configuración de ejemplo del cabezal de soplete 2102 de la figura 22. El cabezal de soplete 2102 define un extremo distal 2202 y un extremo proximal 2204 a lo largo del eje longitudinal A. Como se muestra, el extremo distal 2202 del cabezal de soplete 2102 generalmente tiene una porción circular exterior 2206, una porción de cavidad interior 2208 rodeada por la porción circular exterior 2206, y un cátodo 2210 dispuesto en la porción de cavidad 2208, todos los cuales están alineados concéntricamente a lo largo del eje longitudinal A. También se puede disponer un sensor consumible 2104 en la cavidad 2208 dentro del cabezal de soplete 2102 sustancialmente paralelo al cátodo 2210. La porción circular exterior 2206 puede extenderse más distalmente a lo largo del eje longitudinal A que el cátodo 2210. En algunas realizaciones, una superficie exterior de la porción circular exterior 2006 incluye una o más roscas 2212 configuradas para acoplar el cartucho 1000. En algunas configuraciones, el sensor consumible 2104 es un interruptor ubicado en el interior del cabezal de soplete 2102. El sensor consumible 2104 puede ser en forma de un émbolo, tal que cuando no está activado, el émbolo está en una posición extendida. Tras la activación del sensor consumible 2104, el soplete 2100 puede proporcionar un flujo de corriente desde el cabezal de soplete 2102 al cartucho 1000 para permitir las operaciones del soplete.

Con referencia a la figura 22, la región hueca 1022 del cartucho 1000 está formada y dimensionada para complementar el extremo distal 2202 del cabezal de soplete 2102 de manera que (i) la porción de la cavidad central 1022a de la región hueca 1022 está adaptada para acoplarse con el cátodo 2210 del cabezal de soplete 2102 y (ii) la porción tubular extendida 1022b de la región hueca 1022 está adaptada para acoplarse con la porción circular exterior 2206 del cabezal de soplete 2102. La porción de la cavidad central 1022a (es decir, la cavidad definida por el centro hundido 2004 de la corona 1006) rodea sustancialmente y hace contacto físico con al menos una porción del cátodo 2210 al recibir físicamente el cátodo 2210 que se extiende hacia el cartucho 1000. De este modo, la corona 1006 está dispuesta entre el cátodo 2210 y el electrodo 1008, y la corona 1006 está adaptada para comunicarse eléctricamente con el cátodo 2210 y/o el electrodo 1008. Específicamente, la porción hundida de la corona 1006 proporciona una interfaz que permite que el cátodo 2210 mantenga una comunicación eléctrica directa con el electrodo 1008 al menos en una operación de modo de arco transferido. En algunas realizaciones, si hay una abertura 2030 en la parte inferior de la porción hundida de la corona 1006 (como se muestra en la figura 20b), el cátodo 2210 se puede disponer a través de la abertura 2030 para mantener la comunicación eléctrica directa y el contacto físico con el electrodo 1008 al menos en una operación de modo de arco transferido. En algunas realizaciones, el cátodo 2210 puede estar adyacente y extenderse sustancialmente paralelo al elemento elástico 1026.

En algunas configuraciones, el acoplamiento entre el cátodo 2210 y la parte de la cavidad central 1022a del cuerpo hueco 1022 evita que el componente interior 1004 (o al menos la corona 1006 del componente interior 1004) gire en el plano radial, bloqueando así radialmente la corona 1006 en posición. Dicho acoplamiento también permite que la porción elevada 2002 de la corona 1006 presione contra el sensor consumible 2104 (por ejemplo, para empujar el émbolo a una posición retraída), activando así el sensor 2104 y permitiendo que el soplete funcione. En configuraciones alternativas, una o más características elevadas (no mostradas) en otros elementos del cartucho 1000 (por ejemplo, en el anillo de remolino 1007) puede extenderse proximalmente pasando la corona 1006 para presionar contra el sensor consumible 2104 y activar el sensor 2014. Por ejemplo, la porción de labio 1934 del anillo de remolino 1007 puede extenderse pasando el orificio de ventilación 2016 u otro orificio (no mostrado) de la corona 1006 para contactar y activar el sensor consumible 2104.

Debido a que el componente interior 1004 y el componente exterior 1002 del cartucho 1000 pueden girar independientemente en el plano axial, el bloqueo radial del componente interior 1004 todavía permite que el componente exterior 1002 gire axialmente. Por lo tanto, al acoplarse de manera fija entre el cátodo 2210 y el componente interior 1004, un operador puede girar el componente exterior 1002 axialmente de modo que las roscas 1104 dispuestas en una superficie interior de la tapa de retención 1014 se acoplen de forma fija a las roscas complementarias 2212 en la superficie exterior del cabezal de soplete 2102 para fijar aún más el cabezal de soplete 2102 al cartucho 1000. Como alternativa, las roscas se pueden disponer en el componente interior 1004, tal como en una superficie exterior del anillo de remolino 1007 para acoplar el cabezal de soplete 2102.

En algunas configuraciones, el dispositivo de sellado 1030, tal como una junta tórica, está acoplado a una superficie exterior del anillo de remolino 1007 cerca de su extremo proximal 1912 para acoplar una superficie interior del cabezal del soplete 2102 cuando el cartucho 1000 está acoplado al cabezal del soplete 2102. El dispositivo de sellado 1030 está configurado para proporcionar un sello a prueba de fugas de fluidos (por ejemplo, gases) entre el cartucho 1000 y el cabezal de soplete 2102 en ese lugar.

En algunas configuraciones, el dispositivo de señal 2106, tal dispositivo de escritura y/o lectura eléctrica, está unido al anillo de remolino 1007 del cartucho 1000 para transmitir información sobre el anillo de remolino 1007 y/u otros componentes del cartucho en forma de una o más señales. La información de ejemplo codificada en el dispositivo de señal 2106 puede incluir información genérica o fija, tal como un nombre de un consumible, marca comercial, fabricante, número de serie y/o tipo. En algunas realizaciones, la información codificada es única para el cosumible, tal como la composición del metal del consumible, peso del consumible, fecha, hora y/o lugar de fabricación del consumible, etc. La información codificada en el dispositivo de señal 2106 también puede especificar parámetros operativos y/o datos sobre el consumible que es independiente de una característica física detectable del consumible. El dispositivo de señal 2106 puede ser una etiqueta o tarjeta de identificación por radiofrecuencia (RFID), etiqueta o código de barras, placa de circuito integrado (IC), o similar. En algunas configuraciones, el dispositivo de señal 2106 es una etiqueta RFID circular acoplada alrededor de una superficie exterior del anillo de remolino 1007 (por ejemplo, mediante encaje a presión) cerca de su extremo proximal 1912. Generalmente, el dispositivo de señal 2106 puede ser parte del cartucho 1000 y colocarse en una ubicación en el cartucho 1000 lejos de los componentes metálicos que pueden interferir con la transmisión y recepción de la señal. En algunas configuraciones, se puede disponer un receptor 2107 en el cabezal de soplete 2102 o en el cartucho 1000 para recibir información transmitida de forma inalámbrica por el dispositivo de señal 2106. El receptor 2107 está adaptado para procesar estas señales para extraer los datos pertinentes y enviar los datos a un procesador (no mostrado) para su análisis.

Las figuras 24a y b muestran trayectorias de flujo de corriente de arco piloto de ejemplo a través del cartucho 1000 de la figura 10 durante el inicio del arco piloto. Específicamente, la figura 24a muestra una trayectoria de flujo de corriente de arco piloto 2400 de ejemplo a través del cartucho 1000 si el electrodo 1008 tiene al menos una brida 2402 dispuesta alrededor de una circunferencia del cuerpo del electrodo. En un modo de arco piloto de funcionamiento del soplete, la brida 2402 está adaptada para hacer contacto con la boquilla 1010 en lugar del extremo distal 2404 del electrodo 1008. De forma adicional, puede haber una holgura entre el extremo distal 2404 del electrodo 1008 y la boquilla 1010 cuando la brida 2402 hace contacto con la boquilla 1010. Como se ha descrito arriba, una corriente de arco piloto 2400 puede ser proporcionada por una fuente de alimentación (no mostrada) desde el cabezal de soplete 2102 al cartucho 1000 tras la activación del sensor consumible 2104. Como se muestra, la corriente de arco piloto 2400 está adaptada para desplazarse desde el cátodo 2210 del cabezal de soplete 2102, a través del cuerpo 2000 de la corona 1006 donde contacta con el cátodo 2210, al elemento elástico 1026 alojado en el interior de la corona 1006. La corriente del arco piloto 2400 puede pasar al electrodo 1008 a través del elemento elástico 1026 que empuja el electrodo 1008 contra la boquilla 1010. A medida que el elemento elástico 1026 empuja al electrodo 1008 a una relación de apoyo con la boquilla 1010 en la brida 2402, existe una ausencia de contacto físico y comunicación eléctrica entre la superficie de contacto 2010 de la corona 1006 y la correspondiente superficie de contacto 1044 del electrodo 1008. El elemento elástico 1026 puede configurarse para pasar sustancialmente toda la corriente del arco piloto 2400 desde la corona 1006 al electrodo 1008. La corriente 2400 continúa que fluye desde la brida 2402 del electrodo 1008, a la boquilla 1010 y regresa a la fuente de alimentación a través de la tapa de retención 1014 y el cabezal de soplete (no mostrado).

La figura 24b muestra una trayectoria de flujo de corriente de arco piloto 2450 de ejemplo a través del cartucho 1000 si el electrodo 1008 no tiene ninguna característica de contacto con la boquilla (por ejemplo, las bridas 2402) que no sea el extremo distal 2404, donde está ubicado el hafnio 1042. En esta configuración, la trayectoria de la corriente del arco piloto 2450 es similar a la trayectoria de la corriente del arco piloto 2400 excepto que el extremo distal 2404 del electrodo 1008 está adaptado para hacer contacto con la boquilla 1010 cuando el elemento elástico 1026 empuja al electrodo 1008 a una relación de contacto con la boquilla 1010.

Después del inicio del arco piloto, se introduce un gas en la cámara de plasma 1040 entre el electrodo 1008 y la boquilla 1010. La presión del gas puede acumularse dentro de la cámara de plasma 1040 hasta que la presión sea suficiente para vencer la fuerza de separación ejercida por el elemento elástico 1026. En este punto, la presión del gas mueve el electrodo 1008 hacia la corona 1006 y alejándolo de la boquilla 1010 a lo largo del eje longitudinal A (mientras comprime el elemento elástico 1026) hasta que la superficie de contacto 1044 correspondiente del electrodo 1008 entra en contacto físico con la superficie de contacto 2010 de la corona 1006. A medida que el electrodo 1008 se aleja de la boquilla 1010 por la presión del gas se genera o inicia un arco en la cámara de plasma 1040 para formar un arco o chorro de plasma que puede transferirse a una pieza de trabajo (no mostrada).

La figura 25 muestra una trayectoria de flujo de corriente de arco transferida a través del cartucho 1000 de la figura 10 durante el modo de arco transferido de funcionamiento del soplete. En este modo, la superficie de contacto correspondiente 1044 del electrodo 1008 se acopla en contacto físico sustancialmente plano con la superficie de contacto 2010 de la corona 1006 para establecer comunicación eléctrica (por ejemplo, la corriente eléctrica pasa entre la corona 1006 y el electrodo 1008 en la interfaz de la superficie de contacto 2010 y la superficie 1044 correspondiente). Cuando la superficie de contacto 2010 de la corona 1006 se apoya en la superficie 1044 correspondiente del electrodo 1008, se establece una trayectoria de corriente tal que al menos una porción de la corriente pasa directamente entre los dos componentes. Cuando el arco ha sido transferido a la pieza de trabajo, se suministra una corriente de corte al soplete (por ejemplo, durante el modo de arco transferido). La corriente de corte se puede pasar desde el cátodo 2210, a través de la corona 1006, al electrodo 1008 durante la operación de arco transferido a través de (1) el elemento elástico 1026 y/o (2) la interfaz entre las superficies de contacto 2010, 1044. Como se ilustra en la figura 25, la trayectoria de corriente 2500 que va directamente desde el cátodo 2210 al electrodo 1008 a través de la corona 1006 tiene menor resistencia y/o mayor conductancia que la trayectoria de corriente desde el cátodo 2210, a la corona 1006, y a través del elemento elástico 1026 al electrodo 1008. La menor resistencia en la trayectoria de la corriente 2500 se mejora aún más por el hecho de que la corona 1006 contacta físicamente tanto con el cátodo 2210 como con el electrodo 1008 durante el modo de arco transferido. Por lo tanto, sustancialmente toda la corriente eléctrica 2500 para mantener un arco de plasma (en modo de arco transferido) puede pasar directamente entre las superficies de contacto 2010, 1044.

Generalmente, el componente interior 1002 es sustancialmente conductor para soportar tanto el modo de funcionamiento del arco piloto como el modo de funcionamiento del arco transferido. De forma adicional, la corona 1006 puede mantener contacto físico y eléctrico directo con el cátodo 2210 tanto en el modo de arco piloto como en el modo de arco transferido. La corona 1006 también puede mantener contacto físico y eléctrico directo con el electrodo 1008 en el modo de arco transferido. En algunas configuraciones, hay una abertura en la pared inferior 2004b del centro hundido 2004 de la corona 2006 que permite que el cátodo 2210 contacte físicamente y se comunique eléctricamente con el electrodo 1008 en el modo de arco transferido. En el modo de arco piloto, el cátodo 2210 puede separarse físicamente del electrodo 1008 debido a la fuerza de separación aplicada por el elemento elástico 1026 sobre el electrodo 1008.

La figura 26 muestra una trayectoria de flujo a través del cartucho 1000 de la figura 10. Se puede introducir un flujo de gas 2602 en el cartucho 1000 y viajar hacia el extremo distal 1017 del componente exterior 1002 en un canal entre una superficie interior de la tapa de retención 1014 y una superficie exterior del anillo de remolino 1007. El flujo de gas 2602 está adaptado para moverse sobre las aletas 1914 dispuestas en el canal, donde las aletas 1914 pueden estar en una superficie exterior del anillo de remolino 1007 y/o en una superficie interior de la tapa de retención 1014. El flujo de gas 2602 se bifurca en el extremo distal 1910 del anillo de remolino 1007, con (i) un flujo de enfriamiento de electrodos 2604 dirigido a través del conjunto de hendiduras de flujo de gas 1903 en el extremo distal 1910 del anillo de remolino 1007 y (ii) un flujo de tapa de retención 2608 generalmente dirigido entre la boquilla 1010 y la tapa de retención 1014. Como se ha representado, el flujo de enfriamiento del electrodo 2604 se puede bifurcar aún más en dos porciones, un flujo de cámara de plasma 2606 y un flujo de ventilación 2607. El flujo de la cámara de plasma 2606 viaja distalmente entre una superficie exterior del electrodo 1008 y una superficie interior de la boquilla 1010 para enfriar tanto el electrodo 1008 como la boquilla 1010 antes de llegar a la cámara de plasma 1040 para contraer el arco de plasma en ella. El flujo de la cámara de plasma 2606 puede salir de la cámara de plasma 1040 a través de un orificio de salida de boquilla de la boquilla 1010 y el orificio de salida de protector 1506 del protector 1012. El flujo de ventilación 2607 está adaptado para desplazarse en dirección inversa al extremo proximal 1018 del componente exterior 1002 y salir del cartucho 1000 a través del orificio de ventilación 2016 en la corona 1006.

El flujo de la tapa de retención 2608 está adaptado para viajar en un canal entre una superficie interior de la tapa de retención 1014 y una superficie exterior de la boquilla 1010. En algunas realizaciones, el flujo de la tapa de retención 2608 puede desplazarse a través de uno o más pasajes de gas 2154 en el componente espaciador 2150 ubicado entre la porción media 1107 de la tapa de retención 1014 y la porción media 1705 de la boquilla 1010. Estos pasajes de gas 2154 pueden dimensionarse para regular los flujos de gas a su través. El flujo de la tapa de retención 2608 puede continuar hasta la sección del canal entre la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 y la porción media 1705 de la boquilla 1010. En algunas realizaciones, los elementos planos 1710a en la superficie exterior de la boquilla 1010 proporcionan un espacio entre la boquilla 1010 y la tapa de retención 1014 para permitir que el gas fluya a su través. En la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014, uno o más orificios de ventilación 1102 dispuestos en la tapa de retención 1014 permiten que el flujo de la tapa de retención 2608 fluya fuera del canal entre la tapa de retención 1014 y la boquilla 1010 y se bifurque en dos partes: un flujo de protección distal 2610 y un flujo de protección proximal 2612. El flujo de protección distal 2610 puede desplazarse hacia el extremo distal 1017 del componente exterior 1002 entre la boquilla 1010 y el protector 1012 y salir del cartucho 1000 a través del orificio de salida de protector 1506 del protector 1012 o uno o más orificios de ventilación 1504 en el protector 1012. El flujo de protección distal 2610 puede enfriar la boquilla 1010 y el protector 1012. El flujo de protección proximal 2612 puede fluir proximalmente para pasar a través de las hendiduras 1306 y los canales de gas 1318 del componente de aislamiento 1028 dispuesto entre el protector 1012 y el conjunto de tapa de retención 1014/manguito de tapa 1016. El flujo de protección proximal 2612 puede salir del cartucho 1000 a través de al menos un orificio de ventilación 2620 ubicado entre el manguito de tapa 1016 y el protector 1012. El flujo de protección proximal 2612 está adaptado para enfriar el componente de aislamiento 1028 y el protector 1012.

En algunas configuraciones, el remolino y/o la mezcla de los flujos de gas (es decir, caracterizado por la presencia de componentes axiales, radiales y circunferenciales en los flujos de gas) puede producirse en varios lugares a lo largo del cartucho 1000, tal como en lugares donde los canales de flujo son relativamente rectos. Por ejemplo, puede producirse un remolino y/o una mezcla del flujo de ventilación 2607 a medida que se desplaza a través de la corona 1006. Como otro ejemplo, puede producirse un remolino y/o una mezcla del flujo de la tapa de retención 2608 a medida que se desplaza en el canal entre la superficie interior de la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 y la superficie exterior de la porción media 1705 de la boquilla 1010. A modo de otro ejemplo más, puede producirse un remolino y/o una mezcla del flujo de protección proximal 2612 a medida que fluye proximalmente a través del componente aislante 1028.

La figura 27 es una vista en despiece del cartucho 1000 de la figura 10. La figura 27 muestra el protector 1012, el componente de aislamiento 1028, el manguito de tapa 1016, la tapa de retención 1014, el componente espaciador 2150, la boquilla 1010, el inserto 1042, el electrodo 1008, el elemento elástico 1026, el anillo de remolino 1007, la corona 1006, el dispositivo de sellado 1030 y el dispositivo de señal 2106. Durante el ensamblaje, del componente exterior 1002, el manguito de tapa 1016 se puede sobremoldear sobre la tapa de retención 1014 para rodear sustancialmente al menos la porción media 1107 y la porción proximal 1108 de la tapa de retención 1014. La porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 puede estar sustancialmente expuesta. El componente de aislamiento 1028 se puede fijar asegurado al extremo distal 1208 del manguito de tapa 1016 (por ejemplo, mediante ajuste a presión) de modo que la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014 también pase a través de la abertura 1316 del componente de aislamiento 1028 y quede sustancialmente expuesta. Las figuras 14a-c muestran un conjunto de ejemplo de la tapa de retención 1014, el manguito de tapa 1016 y el componente de aislamiento 1028. El protector 1012 se puede sujetar de forma fija al manguito de tapa 1016 y al componente de aislamiento 1028 (por ejemplo, mediante engarce). En algunas realizaciones, al menos uno del protector 1012, el componente de aislamiento 1028, el manguito de tapa 1016 y la tapa de retención 1014 (como todos estos componentes) forman el componente exterior 1002. Después del ensamblaje, los elementos del componente exterior 1002 están alineados radial y concéntricamente con respecto al eje longitudinal A.

Durante el ensamblaje del componente interior 1002, el electrodo 1008 está alojado en la cámara formada por el acoplamiento de la boquilla 1010 al extremo distal 1910 del anillo de remolino 1007. La boquilla 1010 se puede fijar de forma segura al anillo de remolino 1007 (por ejemplo, mediante engarce). Esta interconexión asegura el electrodo 1008 dentro del componente interior 1002 mientras que la pared interior del anillo de remolino alinea axialmente el electrodo 1008 alrededor del eje longitudinal A con respecto a la boquilla 1010 de manera que el electrodo 1008 está limitado en su movimiento axial. El elemento elástico 1026 se inserta en el anillo de remolino 1007 desde su extremo proximal 1912 hasta que hace contacto con el extremo proximal relativamente plano del electrodo 1008 dentro del anillo de remolino 1007. A continuación, la corona 1006 se fija de forma segura al extremo proximal 1912 del anillo de remolino 1007 mientras se limita sustancialmente el elemento elástico 1026 en la porción elevada 2002 de la corona 1006 y se alinea axialmente el elemento elástico 1026 con respecto a la corona 1006. La corona 1006 se puede conectar al anillo de remolino 1007 mediante engarce, por ejemplo. Esta interconexión permite que la superficie de empuje 2008 de la corona 1006 empuje el elemento elástico 1026 contra el extremo proximal del electrodo 1008, impulsándolo así a una posición de tope con la boquilla 1010. Esta interconexión también alinea longitudinalmente el electrodo 1008 con respecto a la corona 1006 de manera que durante el modo de arco transferido, el electrodo 1008 solo puede retraerse de la boquilla 1010 lo suficiente hasta que hace tope con la superficie de contacto 2010 del centro hundido 2004 de la corona 1006.

En algunas configuraciones, el dispositivo de sellado 1030 está dispuesto alrededor de una superficie exterior del anillo de remolino 1007 ya sea antes o después de que la corona 1006 se fije al anillo de remolino 1007. En algunas realizaciones, el dispositivo de señal 2106 está dispuesto alrededor de una superficie exterior del anillo de remolino 1007 para almacenar y transmitir información sobre uno o más componentes del cartucho 1000.

Para ensamblar el cartucho 1000, el espaciador 2150 opcional se puede colocar primero en el cuerpo sustancialmente hueco del componente exterior 1002 desde el extremo proximal 1206 de la tapa 1016. El espaciador 2150 puede avanzar distalmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior 1002 hasta que alcanza el extremo distal de la porción media 1107 de la tapa de retención 1014 y no puede avanzar más para moverse hacia la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014. En este punto, el espaciador 2150 está adaptado para encajar y alinearse radialmente con una circunferencia interior de la porción media 1107 de la tapa de retención 1014. El componente interior 1004 también se puede colocar en el cuerpo hueco del componente exterior 1002 desde el extremo proximal 1206 del manguito de tapa 1016. El extremo distal 1704 de la boquilla 1010 está adaptado para moverse a través de la abertura 2152 del espaciador 2150 y la abertura en la porción distal 1106 de la tapa de retención 1014. Tal avance distal del componente interior 1004 se detiene cuando la porción proximal 1706 de la boquilla 1010 hace contacto con el espaciador 2150 y la boquilla 1010 ya no puede moverse a través de la abertura 2152 del espaciador 2150. En este punto, un operador puede acoplar el componente exterior 1002 al componente interior 1004 para formar la interfaz 1020 acoplando giratoriamente y asegurando axialmente la característica de retención 1102 de la tapa de retención 1014 con la característica de retención 1708 en la boquilla 1010 (por ejemplo ajuste a presión) de modo que los dos componentes puedan girar de forma independiente entre sí al encajar.

En algunas configuraciones, el acoplamiento entre la boquilla 1010 y la tapa de retención 1014 en la interfaz 1020 se fija tanto axial como radialmente. En su lugar, el acoplamiento giratorio y la fijación axial pueden producirse en una de las interfaces 1021 o 1023. Por ejemplo, la boquilla 1010 se puede sujetar de forma fija a la tapa de retención 1014 en la interfaz 1020. El acoplamiento giratorio y la fijación axial entre los componentes interior y exterior se producen en la interfaz 1021 entre el anillo de remolino 1007 y la boquilla 1010. Como otro ejemplo, la boquilla 1010 y el anillo de remolino 1007 se pueden asegurar de manera fija en las interfaces 1020 y 1021. El acoplamiento giratorio y la fijación axial entre los componentes interior y exterior ocurren en la interfaz 1023 entre la corona 1006 y el anillo de remolino 1007.

Se proporciona un método para ensamblar el cartucho 1000 de la figura 10. El método incluye disponer el componente interior 1004 dentro de un cuerpo hueco del componente exterior 1002. En algunas configuraciones, el espaciador 2150 puede disponerse primero en el cuerpo hueco del componente exterior 1002 antes de disponer el componente interior 1004 dentro del cuerpo hueco. El método incluye el acoplamiento giratorio y el acoplamiento axial de los componentes interior y exterior restringiendo axialmente el componente exterior 1002 con respecto a una porción delantera del componente interior 1004 (por ejemplo, en la boquilla 1010 del componente interior 1004) mientras permite la rotación independiente de los componentes interior y exterior entre sí. Después de tal acoplamiento, la porción trasera del componente interior 1004 (por ejemplo, el anillo de remolino 1007, el electrodo 1008, la corona 1006 y el elemento elástico 1026) pueden estar sustancialmente suspendidos y orientados radialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior 1002. Dicha alineación radial entre los componentes interior y exterior puede ser asistida por las aletas 1914 que pueden estar dispuestas en la superficie del anillo de remolino 1007 u otro componente del cartucho (por ejemplo, una superficie interior de la tapa de retención 1014).

El componente interior 1004 se puede ensamblar colocando el electrodo 1008 dentro de un cuerpo hueco del anillo de remolino 1007, reteniendo el electrodo 1008 dentro del cuerpo hueco asegurando de manera fija la boquilla 1010 al extremo distal 1910 del anillo de remolino 1007, y asegurando de manera fija la corona 1006 al extremo proximal 1912 del anillo de remolino 1007. El componente exterior 1002 se puede ensamblar sobremoldeando el manguito de tapa 1016 en la tapa de retención 1014. En algunas realizaciones, el componente exterior 1002 puede incluir además el componente de aislamiento 1028 y/o el protector 1012 conectado de forma fija al manguito de tapa 1016 y/o el componente de aislamiento 1028.

A continuación, el cartucho 1000 se acopla al cabezal de soplete 2102 del soplete de arco de plasma 2100 para permitir las operaciones del soplete. Durante el ensamblaje, el cabezal de soplete 2102 se puede insertar en el cuerpo hueco 1022 del cartucho 1000 de modo que (i) el cátodo 2210 del cabezal de soplete 2102 coincida físicamente con la parte de la cavidad central 1022a del cuerpo hueco 1022 que está definido por el rebaje de la corona 1066, y/o (ii) la porción circular exterior extendida 2206 del cabezal de soplete 2102 coincida físicamente con la porción tubular 1022b del cuerpo hueco 1022. En esta configuración, la corona 1006 se coloca entre el cátodo 2210 y el electrodo 1008 y los tres componentes se alinean radial y longitudinalmente. La corona 1006 está adaptada para alinearse con el sensor consumible 2104, en cuya posición el componente interior 1004 se fija radialmente mientras que el componente exterior 1002 del cartucho 1000 todavía puede girar de forma independiente. De este modo, un operador puede girar el componente exterior 1002 para acoplar las roscas 1104 en la superficie interior de la tapa de retención 1014 del cartucho 1000 con las roscas complementarias 2212 en la superficie exterior de la parte circular exterior 2206 del cabezal de soplete 2102, asegurando así el cabezal de soplete 2102 al cartucho 1000. Específicamente, a medida que las roscas 1104 de la tapa de retención 1014 giran con respecto a las roscas complementarias 2212 del cabezal de soplete 2102, el componente exterior 1002 se mueve tanto radialmente (rotación con las roscas 1104) como axialmente (avance hacia el cabezal de soplete 2102), y el componente interior 1004 puede moverse axialmente avanzando hacia el cabezal de soplete 2102, pero no radialmente. Cuando las roscas 1104, 2212 están acopladas, el cabezal de soplete 2102 se asienta totalmente.

En algunas configuraciones, después del acoplamiento del cabezal de soplete 2102 y el cartucho 1000, la porción elevada 2002 de la corona 1006 o el labio extendido 1934 del anillo de remolino 1007 presiona contra el sensor consumible 2104 ubicado en el interior del cabezal de soplete 2102 para activar un flujo de corriente eléctrica desde el cátodo 2210 del cabezal de soplete 2102 al cartucho 1000. El flujo de corriente eléctrica permite uno de un modo de arco piloto o un modo de arco transferido de funcionamiento del soplete. En un modo de operación de arco piloto, la corriente eléctrica fluye desde el cátodo 2210 hasta la superficie de empuje 2008 en el extremo proximal 2020 de la corona 1006, al elemento elástico 1026 y al electrodo 1008 como parte de la trayectoria de la corriente. En el modo de operación de arco transferido, la corriente eléctrica fluye desde el cátodo 2210 a la superficie de contacto 2010 en el extremo distal 2022 de la corona 1006, y a la correspondiente superficie de contacto 1044 del electrodo 1008 como parte de la trayectoria de la corriente. Como alternativa, en el modo de arco transferido, la corriente eléctrica puede fluir directamente desde el cátodo 2210 al electrodo 1008 cuando los dos componentes se ponen en contacto físicamente entre sí.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un cartucho consumible para un soplete de arco de plasma, comprendiendo el cartucho consumible:

un componente exterior (1002) que define un cuerpo sustancialmente hueco;

un componente interior (1004) dispuesto sustancialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior (1002), comprendiendo el componente interior (1004) al menos uno de una corona (1006), un anillo de remolino (1007), un electrodo (1008) o una boquilla (1010); una región hueca (1022) entre la porción trasera del componente interior (1004) y el componente exterior (1002), estando la región hueca (1022) configurada para recibir un cabezal de soplete para permitir el acoplamiento entre la porción trasera del componente interior (1004) y un cátodo del cabezal de soplete,

y estando caracterizado por que el componente interior (1004) comprende, además:

una porción delantera que comprende una característica de acoplamiento configurada para fijar axialmente y acoplar de manera giratoria el componente exterior (1002) con el componente interior (1004) de tal manera que el componente interior restringe longitudinalmente el componente exterior a través de la fijación axial mientras permite la rotación independiente de los componentes interior y exterior entre sí para lograr el acoplamiento giratorio; y

una porción trasera suspendida sustancialmente dentro del cuerpo hueco del componente exterior (1002), estando la porción trasera fijada axialmente y acoplada giratoriamente con el componente exterior (1002) a través de la porción delantera.

2. El cartucho consumible de la reivindicación 1, en donde se aplica uno cualquiera de los siguientes,

a) el componente exterior (1002) comprende al menos uno de un protector (1012), un componente de aislamiento (1028), una tapa de retención (1014) o un manguito de tapa (1016); y

b) la porción trasera del componente interior (1004) está configurada para rodear sustancialmente y hacer contacto físico con al menos una porción del cátodo,

en donde, opcionalmente, la porción trasera del componente interior (1004) comprende una cavidad configurada para recibir al menos una porción del cátodo que se extiende hacia el interior del cartucho.

3. El cartucho consumible de la reivindicación 1, en donde se aplica uno cualquiera de los siguientes,

a) la fijación axial y el acoplamiento giratorio del componente exterior (1002) al componente interior (1004) se realiza mediante engaste, ajuste a presión, ajuste por fricción o roscado;

b) el componente interior (1004) comprende además una o más aletas (1914) dispuestas sobre una superficie exterior del componente interior (1004);

c) al menos uno de la porción trasera del componente interior (1004) o el componente exterior (1002) comprende al menos una rosca para acoplarse con el cabezal de soplete;

d) la porción trasera del componente interior (1004) no tiene medios para permitir la fijación axial y el acoplamiento giratorio con el componente exterior (1002);

e) el componente exterior (1002) proporciona una trayectoria eléctrica para una corriente de arco piloto del soplete de arco de plasma; y

f) el componente exterior (1002) comprende una o más aletas (1914) dispuestas sobre una superficie interior del componente exterior (1002).

4. El cartucho consumible de la reivindicación 1, en donde la característica de acoplamiento dispuesta en el componente interior (1004) está adaptada para restringir axialmente el componente exterior (1002) en relación con el componente interior (1004) mientras permite la rotación independiente de los componentes interior y exterior (1002) entre sí.

5. El cartucho de la reivindicación 4, en donde se aplica uno cualquiera de los siguientes,

a) el componente interior (1004) comprende además una corona (1006) que se bloquea sustancialmente en su posición al ensamblarse en el soplete de arco de plasma;

b) el componente exterior (1002) comprende una tapa de retención metálica (1014) y un manguito de tapa eléctricamente aislante (1016) sobremoldeado en la tapa de retención (1014);

c) el cartucho consumible que comprende además un protector (1012) conectado al componente interior (1004) a través del componente exterior (1002),

donde opcionalmente el protector (1012) es una parte del componente exterior (1002); y

d) el cartucho consumible comprende además un anillo de remolino (1007) conectado al componente exterior (1002) a través de una boquilla (1010) del componente interior (1004),

opcionalmente, el consumible del cartucho comprende además el electrodo (1008) dispuesto dentro de una carcasa hueca definida por el anillo de remolino (1007) y la boquilla (1010),

en donde más opcionalmente al menos uno del anillo de remolino (1007) o el electrodo (1008) es una parte del componente interior (1004).

6. El cartucho consumible de la reivindicación 4, que comprende además una arandela ubicada entre el componente exterior (1002) y una boquilla (1010) del componente interior (1004), comprendiendo la arandela uno o más canales de enfriamiento configurados para regular un flujo de gas a su través.

7. Un método para ensamblar el cartucho consumible de la reivindicación 1 para su instalación en un soplete de arco de plasma, comprendiendo el método:

disponer el componente interior (1004) dentro del cuerpo hueco del componente exterior (1002);

restringir axialmente el componente exterior (1002) en relación con la porción delantera del componente interior (1004) mientras permite la rotación independiente de los componentes interior y exterior (1002) entre sí; y suspender sustancialmente y orientar radialmente, mediante la restricción axial, la porción trasera del componente interior (1004) dentro del cuerpo hueco del componente exterior (1002).

8. El método de la reivindicación 7, que comprende además instalar el cartucho consumible en el cabezal de soplete colocando el cabezal de soplete en la región hueca (1022) entre la porción trasera del componente interior (1004) y el componente exterior (1002),

en donde, opcionalmente, la instalación permite el acoplamiento físico entre el cátodo del cabezal de soplete y un rebaje en la porción trasera del componente interior (1004); y/o

comprendiendo además el método girar el componente exterior (1002) independientemente del componente interior (1004) para fijar el cabezal de soplete al consumible del cartucho de piezas múltiples.

9. El método de la reivindicación 7, que comprende además uno cualquiera de los siguientes

a) ensamblar el componente interior (1004) del cartucho que incluye:

disponer un electrodo (1008) dentro de un cuerpo hueco de un anillo de remolino (1007);

retener el electrodo (1008) dentro del cuerpo hueco asegurando de forma fija una boquilla (1010) a un extremo distal (1017) del anillo de remolino (1007); y

asegurar de manera fija una corona (1006) a un extremo proximal (1018) del anillo de remolino (1007); b) alinear radialmente el componente interior (1004) con respecto al componente exterior (1002) mediante una o más aletas (1914) dispuestas sobre una superficie de al menos uno de los componentes interior o exterior (1002); y

c) ensamblar el componente exterior (1002) del cartucho que incluye:

sobremoldear un manguito de tapa aislante (1016) sobre una tapa de retención (1014); y

conectar de manera fija un protector (1012) al manguito de tapa.

10. Un método de instalación de un cartucho diferente en una antorcha de arco de plasma,

estando caracterizado por que el método comprende ensamblar un componente interior (1004) del cartucho que incluye:

disponer un electrodo (1008) dentro de un cuerpo hueco de un anillo de remolino (1007) que incluye un extremo distal (1017) y un extremo proximal (1018);

capturar el electrodo (1008) dentro del anillo de remolino (1007) asegurando de forma fija una boquilla (1010) en el extremo distal (1017) del anillo de remolino (1007); y

fijar una corona (1006) al extremo proximal (018) del anillo de remolino (1007);

fijar un cabezal de soplete al cartucho que incluye el componente interior (1004) y un componente exterior (1002), y disponer el componente interior (1004) dentro de un cuerpo hueco del componente exterior (1002); y restringir axialmente el componente interior (1004) con respecto al componente exterior (1002) mientras se permite la rotación independiente de los componentes interior y exterior (1002, 1004) entre sí;

presionar, mediante al menos una característica elevada (1210), un sensor consumible dentro de un cabezal de soplete del soplete de arco de plasma; y

establecer una trayectoria de flujo de corriente eléctrica desde una fuente de energía a través del cabezal del soplete y al cartucho en base a la presión.

11. El método de la reivindicación 10, en donde se aplica uno cualquiera de los siguientes,

a) comprendiendo además el método:

posicionar la corona (1006) entre un cátodo del cabezal de soplete y el electrodo (1008); y

alinear radial y longitudinalmente el cátodo, la corona (1006) y el electrodo (1008),

opcionalmente, comprendiendo el método además permitir el acoplamiento físico entre el cátodo y un rebaje de la corona (1006); y/o

permitir el contacto físico entre el cátodo y el electrodo (1008) a través de una abertura de la corona (1006) durante una operación en modo transferido del soplete de arco de plasma;

b) comprendiendo además el método:

contactar físicamente, mediante una superficie de empuje en el extremo proximal (2020) de la corona (1006), un elemento elástico (1026); y

contactar físicamente, mediante una superficie de contacto en el extremo distal (2022) de la corona (1006), una superficie correspondiente del electrodo (1008) durante un modo de arco transferido del soplete de arco de plasma,

opcionalmente, el método comprende además permitir un flujo de corriente eléctrica en la trayectoria del flujo de corriente eléctrica a través de uno de (i) la superficie de empuje hacia el elemento elástico durante un modo de arco piloto del soplete de arco de plasma o (ii) la superficie de contacto con el electrodo (1008) durante el modo de arco transferido;

c) comprendiendo además el método: suspender sustancialmente y orientar radialmente, mediante la restricción axial, una porción trasera del componente interior (1004) dentro del cuerpo hueco del componente exterior (1002); y/o

alinear radialmente el componente interior (1004) con respecto al componente exterior (1002) mediante una o más aletas (1914) dispuestas en una superficie de al menos uno de los componentes interior o exterior (1002); y d) la característica elevada está dispuesta en la corona (1006) o el anillo de remolino (1007).