用于接触启动式等离子弧焊炬的电极和使用这种电极的接触启动式等离子弧焊炬

摘要

用于接触启动式等离子弧焊炬的电极包括由导电材料形成的细长电极本体。电极本体可相对于焊炬移动。弹性件用于在等离子弧焊炬的引导电弧操作期间使基本上所有的引导电弧电流通过电源、与电源电连通的电源连接件以及电极本体之间。电极和焊炬可包括具有第一表面和第二表面的接触元件，第一表面与电源接触件电连通，第二表面用于在转移电弧模式其间与电极本体的相应接触表面直接接触和电连通以使基本上所有的转移电弧电流通过电源和电极本体之间。

说明书

本申请是申请号为200780005934.2、申请日为2007年2月20日、发明名称为“用于接触启动式等离子弧焊炬的电极和使用这种电极的接触启动式等离子弧焊炬”的发明专利申请的分案申请。 

技术领域

本领域总地涉及等离子弧焊炬，且更具体地涉及用于接触启动式等离子弧焊炬应用的电极和焊炬。 

背景技术

诸如等离子弧焊炬和激光器之类的材料处理装置广泛地用于称为工件的金属材料的切割和标记。等离子弧焊炬通常包括焊炬本体、安装在本体内的电极、具有中心出口孔的喷嘴、电连接件、用于冷却和弧控制流体的通道、控制流体流动模式的涡流环、以及电源。焊炬内使用的气体可以是惰性的（例如氩气或氮气）、或活性的（例如氧气或空气）。焊炬产生等离子弧，等离子弧是高温且高动量的等离子气体的收缩的离子化射流。 

用于在等离子弧焊炬中产生等离子弧的一种方法是接触启动方法。接触启动方法包括形成电极和喷嘴之间的直接接触和电连通来产生其间的电流通路。电极和喷嘴可协作以在焊炬本体内产生等离子腔。向电极和喷嘴提供电流，并将气体引入等离子腔。形成气体压力直到压力足以将电极和喷嘴分离。该分离使得在在等离子腔内电极和喷嘴之间形成电弧。该电弧将引入的气体离子化以产生可转移（transfer）到工件以进行材料处理的的等离子射流。在某些应用中，电源适于在电弧产生过程中提供称为引导电流的第一电流，并在等离子射流已转移到工件时提供称为转移电弧电流的第二电流。 

有能够用于产生电弧的各种构造。例如，电极可在焊炬本体内远离静止喷 嘴移动。这种构造称为“倒流（blow-back）”接触启动方法，因为气压使电极远离工件地移动。在另一构造中，喷嘴可远离相对静止的电极移动。这种构造称为“前流（blow-forward）”接触启动方法，因为气压使喷嘴朝向工件移动。在又一构造中，其它焊炬部件（例如涡流环）可在静止电极和喷嘴之间移动。 

材料处理装置的某些部件在使用一段时间后损坏。在等离子弧焊炬的情况下，这些“消耗”部件包括电极、涡流环、喷嘴和屏蔽件。此外，在使用接触启动方法启动焊炬的过程中，各种消耗部件可不重合，这缩短部件的使用寿命并降低等离子射流定位的精确性和可重复性。理想的是，这些部件易于在现场进行更换。但是，更换消耗部件可导致停机时间并降低生产率。 

在接触启动式等离子弧焊炬的倒流方法中，电极远离喷嘴移动以引发（initiate）电极和喷嘴之间的引导电弧（pilot arc）。电极的近端（例如远离工件）与形成焊炬本体的一部分的电源接触件配合。电极远离喷嘴的运动还移动电源接触件。焊炬的反复使用导致电源接触件和电极上的磨损。更换电极是等离子弧焊炬操作中的例行事务，且例行进行该过程。但是，更换电源接触件包括拆卸焊炬本体并且是耗时且成本高的，因为电源接触件没有设计成是消耗部件。某些倒流焊炬包括相对于相对静止的焊炬本体移动电源接触件。这种电源接触件的移动和焊炬的有效性会受到将电源接触件连接到电源的电缆的劲度或刚度的影响。 

例如，图1是已知接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。系统100包括通过载流电缆104与向焊炬112提供电流的电源接触件108电连通的电源（未示出）。焊炬112包括与电源接触件108电绝缘并围绕电源接触件108的阴极块116。电源接触件108邻接导电电极124的近端120。设置在阴极块116内的弹簧128反作用于阴极块116的表面132以将电源接触件108和电极124朝向导电喷嘴136推压。在用于处理工件（未示出）的电弧引发前通过弹簧推压电极124与喷嘴136接触。 

从电缆104到电源接触件108、电极124和喷嘴136形成电流通路。电流可沿该电流通路通过。电极124与喷嘴136协作以形成等离子腔140的一部分。可将等离子气体供应到等离子腔140来增加等离子腔140内的压力并克服由弹簧128提供的力。该压力迫使电极124和电源接触件108远离喷嘴136。当电 极124和喷嘴136之间的间隙144增大时，电极124（例如阴极）和喷嘴136（例如阳极）之间形成电势差。电弧（未示出）将气体微粒离子化并横跨间隙144而引发以用于处理工件。 

系统100的一个缺点是当电极124移动以引发电弧时，需要电源接触件108也移动。当电缆104的电流承载能力增加时，电缆104的尺寸增加，但电缆104的柔性降低。电缆104的柔性降低会降低焊炬112的通用性和机动性。此外，电源接触件108和阴极块116需要相对紧的公差（例如，电源接触件108和阴极块116之间的相对小的间隙）。相对紧的公差在电源接触件108移动、例如在引导电弧引发期间定位和引导电源接触件108。 

发明内容

需要一种优化焊炬操作而不过早失效的用于接触启动式等离子弧焊炬的电极。此外，需要一种采用本文的概念来使现有焊炬设计中部件寿命最长的接触启动式焊炬。因此，本发明的目的是提供一种更持久的电极和在等离子弧焊炬与该电极一起使用的部件。另一目的是提供一种减少未设计成消耗件的焊炬部件的磨损的构造。另一目的是提供焊炬操作期间（例如引导电弧和转移电弧模式）相对于焊炬部件对准结构。 

一方面，用于等离子弧焊炬的电极具有与电源电连通的电源连接件。电极包括由导电材料制成并限定纵向轴线的细长电极本体。电极包括用于在等离子弧焊炬的引导电弧操作期间使基本上所有的引导电弧电流通过电源和电极本体之间的弹性件。该弹性件执行电气功能和机械功能，并可称为焊炬的双重功能件。弹性件包括导电材料以便于承载引导电弧电流并耗散有关引导电弧电流的热量以防止弹性件在引导电弧引发期间熔化。可根据例如导电材料的额定电流来选择导电材料。弹性件包括用于承载电源连接件和电极本体之间引导电流的最小电阻和/或最高电导的路径。此外，弹性件的机械性质促进电极本体的移动以接触启动式等离子弧焊炬。在某些实施例中，弹性件有助于将电极本体相对于焊炬对准。 

在某些实施例中，电极本体可相对于焊炬纵向移动。在某些实施例中，电极本体包括相对于电极本体的位于远离工件处的近端间隔开设置的反作 用表面。反作用表面构造成与导电弹性件电连通。在某些实施例中，反作用表面包括与电极本体一体形成的径向延伸的凸缘。 

在某些实施例中，弹性件相对于电极本体固定。例如，弹性件可通过径向过盈配合或摩擦配合来固定。在某些实施例中，弹性件与电极本体的远端相邻设置，且远端包括发射件。在某些实施例中，弹性件与电极本体形成一体。在某些实施例中，引导电弧操作包括引导电弧的引发。在某些实施例中，引导电弧操作包括引导电弧的引发和在引导电弧引发之后电弧转移到工件之前或焊炬在转移电弧模式运行之前的一时段。 

在某些实施例中，电极还包括用于保持弹性件和用于可滑动地接纳电极本体的中空本体。 

另一方面，提供用于等离子弧焊炬的电极。电极包括由导电材料形成并限定纵向轴线和包括发射件的远端的细长电极本体。电极本体可相对于焊炬移动。电极包括接触元件。接触元件包括用于促进与电源的电连通的第一表面和用于在焊炬以转移电弧模式运行时促进与电极本体的相应接触表面电连通的第二表面。接触元件的第二表面的特征是在引导电弧引发期间不与电极本体的接触表面接触。 

电极本体可相对于焊炬轴向移动。在某些实施例中，第二表面构造成当焊炬以转移电弧模式运行时与电极本体的接触表面直接接触。在某些实施例中，电极本体包括与导电弹性件接触并相对于电极本体的近端间隔开设置的反作用表面。近端远离包括发射件的远端设置。反作用表面可由与电极本体一体形成的径向延伸的凸缘限定。 

在某些实施例中，电极包括与接触元件或电极本体中的至少一个电连通的导电弹性件。弹性件可与电极本体或接触元件中的至少一个形成一体。在某些实施例中，弹性件与电极本体的远端相邻设置。弹性件可由电极本体保持。在某些实施例中，电极本体包括与电极本体形成一体的反作用表面。弹性件可设置在反作用表面和接触元件的第二表面之间。 

在某些实施例中，弹性件构造成在引导电弧操作期间使基本上所有的引导电弧电流通过电源和电极本体之间。弹性件可包括弹簧或金属丝中的至少一个。在某些实施例中，接触元件的至少一部分可滑动地与电极本体 配合。在某些实施例中，当接触元件可滑动地与电极本体配合时，接触元件的一部分可促进引导电弧电流通过接触元件和电极本体之间。接触元件可由电极本体保持。在某些实施例中，接触元件包括限定对准表面的连接构件，对准表面用于限制电极本体的径向运动。连接构件可与接触元件形成一体。在某些实施例中，电极本体包括与电极本体的远离工件的近端相邻设置的插孔。该插孔可构造成阻止接触元件与电极本体脱开。 

另一方面，有用于在电源和可滑动地安装在接触启动式等离子弧焊炬的焊炬本体内的焊炬电极之间传导电流的接触元件。接触元件包括用于促进与电源的电连通的第一表面和用于促进与焊炬电极的近端限定的接触表面电连通的第二表面。当焊炬电极与第二表面直接接触时，转移电弧电流的至少一部分通过接触元件和电源与焊炬电极之间以在转移电弧模式下运行焊炬。接触元件包括与电极本体相邻设置的导电弹性件，弹性件用于在引导电弧操作期间使基本上所有的引导电弧电流通过电源和电极本体之间。 

在某些实施例中，连接构件从第二表面延伸以可滑动地与电极本体配合。连接构件可与第二表面形成一体。在某些实施例中，连接构件包括第三表面，第三表面构造成在焊炬以转移电弧模式运行时使转移电弧电流的一部分通过电源和电极本体之间。在某些实施例中，接触元件包括用于围绕电极本体的近端的一部分的插孔部分。弹性件可设置在接触元件的插孔部分内。在某些实施例中，第一表面或第二表面中的至少一个限定环形表面。 

在某些实施例中，接触元件包括第三表面，第三表面用于与电源电连通并用于在焊炬以转移电弧模式运行时使转移电弧电流的一部分通过电源和电极本体之间。在某些实施例中，接触元件包括限定轴线的对准部分。该对准部分设置成与电极本体的近端间隔开，并构造成限制电极本体的径向移动。 

另一方面，提供用于等离子弧焊炬的电极。电极包括由导电材料形成并限定纵向轴线的细长电极本体。电极本体包括限定用于接纳发射件的孔的远端和限定用于与电源电连通的接触表面的近端。电极本体包括设置在 电极本体的近端内的插孔，该插孔构造成接纳接触元件的至少一部分。接触元件的第一部分在引导电弧引发期间实际地远离电极本体，且接触元件的第一部分用于在焊炬以转移电弧模式运行时使基本上所有的转移电弧电流通过电源和电极本体之间。孔和插孔由电极本体分开。 

在某些实施例中，接触表面的至少一部分设置在插孔内。接触元件可包括环形构造。在某些实施例中，插孔包括圆柱形部分和设置在插孔近端用于反作用于接触元件的一部分来阻止接触元件与插孔脱开的限制表面。该限制表面可以是环形构造。 

在某些实施例中，圆柱形部分由第一直径限定，限制表面包括第二直径，接触元件的连接构件的远端区域限定第三直径，使得第三直径大于第二直径并小于第一直径。远端区域可以是连接构件的远端。在某些实施例中，插孔包括沿插孔的轴线径向定尺寸的表面，该表面用于限制电极本体的径向运动。径向定尺寸的表面用于与接触元件的由插孔接纳部分直接接触。 

在某些实施例中，电极本体包括相对于接触表面间隔开设置的反作用表面。反作用表面可以是与电极本体一体形成的径向延伸的凸缘。在某些实施例中，电极包括由电极本体保持的导电弹性件。该反作用表面可用于与弹性导电件接触。弹性件可通过径向过盈配合来保持。弹性件可设有插孔。 

另一方面，提供用于在电源和可滑动地安装在接触启动式等离子弧焊炬的焊炬本体内的电极之间传导电流的接触元件。电极本体包括远端，该远端包括发射件。接触元件包括用于促进与电源的电连通的第一表面和用于促进与电极本体的近端电连通的第二表面。在引导电弧引发期间第二表面不与近端接触，而在转移电弧模式期间与近端接触，使得当焊炬以转移电弧模式运行时，来自电源的转移电弧电流的至少一部分通过接触元件的第一和第二表面之间到达电极本体。 

在某些实施例中，接触元件包括与电极本体相邻设置的导电弹性件。弹性件用于在引导电弧引发期间使基本上所有的引导电弧电流通过电源和电极本体之间。接触元件可包括设置在第二表面和电极本体之间的连接构 件。在某些实施例中，连接构件可与第二表面形成一体。在某些实施例中，连接构件限定轴线和对准表面，对准表面与近端间隔开并用于限制电极本体的径向运动。在某些实施例中，第一表面、第二表面或两者限定环形表面。 

接触元件可包括涡流环部分。在某些实施例中，接触元件与涡流环部分形成一体。涡流环部分可赋予穿过等离子弧焊炬的气流以径向运动。涡流环部分还可将电极本体与喷嘴隔离并引导气体朝向电极本体的限定多个翼片的部分。涡流环还可限制焊炬内电极本体的径向运动。在某些实施例中，涡流环部分可执行所有这些功能。在某些实施例中，涡流环部分可执行这些功能中的一个或多个。涡流环部分未执行的功能可由一个或多个分离部件执行。 

另一方面，提供等离子弧焊炬。等离子弧焊炬包括用于向焊炬提供电流的电源。焊炬包括由喷嘴和导电电极本体限定的等离子腔，电极本体沿由电极本体的近端和电极本体的远端限定的轴线可滑动地安装在焊炬内。近端限定接触表面，且远端与喷嘴的出口孔相邻设置。焊炬包括设置在相对于等离子腔的静止位置的电源接触件。电源接触件与电源电连通。焊炬包括导电弹性件，该弹性件用于在引导电弧操作期间使基本上所有的引导电弧电流通过电源接触件和电极本体的接触表面之间。焊炬包括接触元件。接触元件包括与电源电连通的第一表面和与电极本体的相应接触表面电连通的第二表面。接触元件能够在转移电弧模式期间使转移电弧电流通过电源和电极本体之间。 

在某些实施例中，弹性导电件将电极本体朝向喷嘴偏置。在某些实施例中，接触元件设置在相对于电极本体的静止位置上。接触元件可与电源接触件形成一体。在某些实施例中，焊炬包括屏蔽件，该屏蔽件限定与喷嘴的出口孔相邻设置的出口端口。该屏蔽件可安装在保持帽上，该保持帽支承在等离子弧焊炬的焊炬本体上。在某些实施例中，焊炬包括涡流环，该涡流环赋予穿过焊炬的气流以径向运动。 

另一方面，提供一种等离子弧焊炬。等离子弧焊炬包括用于向焊炬提供电流的电源。焊炬包括由喷嘴和导电电极本体限定的等离子腔，电极本 体沿由电极本体的近端和电极本体的远端限定的轴线在焊炬内可滑动地安装。电极本体限定接触表面，且远端与喷嘴的出口孔相邻设置。该焊炬包括设置在相对于等离子腔的静止位置并与电源电连通的电源接触件。焊炬包括弹性导电件，该弹性导电件用于在等离子弧焊炬的引导电弧操作期间使基本上所有的引导电弧电流通过电源接触件和电极本体的接触表面之间。弹性导电件将电极本体朝向喷嘴偏置。 

在某些实施例中，电源接触件包括用于在焊炬以转移电弧模式运行时促进与电极本体的相应第二接触表面的直接接触和电连通的第一表面。电源接触件的第一表面的特征是在引导电弧引发期间不与电极本体的相应第二接触表面接触。 

另一方面，提供用于与电源电连通的等离子弧焊炬的电极。电极包括由导电材料形成并限定纵向轴线的细长电极本体。电极本体包括第一表面，用于在引导电弧引发期间与第一导电件电连通以促进引导电弧电流通过电源和电极本体之间。电极本体还包括远离第一表面设置的第二表面。第二表面能够在转移电弧操作期间与电源接触件的相应表面直接接触和电连通以促进使基本上所有的转移电弧电流通过电源和电极本体之间。电极本体的第二表面的特征是在引导电弧引发期间不与电源接触件的相应表面接触。 

在某些实施例中，电极本体可相对于焊炬纵向移动。尽管本文所描述的实施例主要涉及电极本体在焊炬内的纵向移动，但某些实施例具有可沿除了沿轴线的纵向之外的方向移动的电极本体。例如，电极本体可在引导电弧引发或其它焊炬操作期间沿横向于纵向轴线的方向移动。电极本体还可围绕轴线转动。在某些实施例中，发生纵向、横向或旋转运动组合（例如扭曲或弯曲运动）的电极本体的其它运动。 

另一方面，提供用于接纳电极的等离子焊炬部件。该部件包括细长的中空本体和用于促进引导电弧的电连通的导电弹性件。细长中空本体具有第一端和第二端；细长中空本体包括：（a）内表面；（b）位于该内表面上并设置在中空本体的第一端和第二端之间的一个或多个成型部、台阶或凸缘，所述一个或多个成型部、台阶或凸缘限定适于可滑动地容纳电极的 互补形状部分的成形开口；（c）中空本体的第一端内的第一开口，该开口的尺寸设置成接纳电接触元件；以及（d）中空本体的第二端内的第二开口，该开口的尺寸设置成可滑动地接纳电极。导电弹性件设置在中空本体内，使得弹性件通过上述一个或多个成型部、台阶或凸缘至少部分保持在中空本体内，且其中弹性件与第一开口对准。 

在某些实施例中，部件的中空本体还包括与中空本体的第二开口相邻的多个孔，用于赋予气体以涡流。一种实施例还包括设置在中空本体的第一端内的接触元件。在该实施例中，接触元件将弹性件保持在中空本体内，并促进弹性件和电源之间的电联接。 

另一方面，提供用于接触启动式等离子弧焊炬的电极。该电极包括由导电材料制成的细长电极本体和相邻于电极本体设置的第二端。电极本体限定纵向轴线和用于容纳发射件的远端。第二端限定具有沿第一方向的第一长度和沿第二方向的第二长度的轴向延伸部分。轴向延伸部分的第二长度比第一长度长。 

在某些实施例中，轴向延伸部分的第一方向和第二方向限定垂直于纵向轴线的表面。在某些实施例中，第一和第二方向是垂直的。电极可包括两个或多个径向延伸部分，各相应的轴向延伸部分具有相应的第一长度和比相应的第一长度长的相应的第二长度。在某些实施例中，两个或多个轴向延伸部分围绕轴线以等角间距的构造设置。用于等离子弧焊炬的转移电弧操作的工作电流的值与上述两个或多个轴向延伸部分的数量相关联。即，特定的工作电流可对应于位于电极本体上特定数量的轴向延伸部分。 

在某些实施例中，轴向延伸部分的第一方向和第二方向径向远离轴线延伸。在一实施例中，第一和第二方向限定包括第一区域和第二区域的表面。第一区域与弹性件电连通，用于在引导电弧引发期间使基本上所有的引导电弧电流通过其间。第二区域移动到与电源接触件直接接触和电连通以进行转移电弧操作。在某些实施例中，电源接触件与电源电连通。电源接触件包括用于与第二区域直接接触和电连通的第一接触表面和用于与弹性件电连通的第二接触表面。 

在某些实施例中，第二端与电极本体形成一体。在某些实施例中，电 极还包括涡流环，该涡流环限定相对于肩部设置的内表面。该肩部限定互补成型周界，以在第二长度和互补成型周界对准时便于第二长度穿过其。在某些实施例中，当第二长度和互补成型部分未对准时，肩部阻止轴向延伸部分穿过其。互补成型周界可限定比第二长度长的第三长度。在某些实施例中，轴向延伸部分的第二长度基本上等于电极本体的宽度。 

另一方面，提供用于接触启动式等离子弧焊炬的涡流环。涡流环包括：(a)由绝缘材料沿纵向轴线形成并限定外表面和内表面的中空本体；（b）从外表面延伸到内表面的一个或多个气体通道；以及（c）相对于内表面设置并限定成型开口的肩部，该开口能够接纳接纳电极本体的互补形状部分。 

在该方面的某些实施例中，肩部在成型开口与电极本体的互补形状部分对准时允许电极本体的互补形状部分穿过其。在某些实施例中，当成型开口未与互补形状部分对准时，肩部阻止电极本体的互补形状部分穿过其。肩部可包括反作用部分以限制电极本体的角位移。在一实施例中，成型开口限定内径和外径。涡流环还可包括围绕轴线以等角间距构造设置在成型开口内的两个或多个部分，这两个或多个部分由成型开口的外径限定。 

另一方面，提供用于接触启动式等离子弧焊炬的部件。该部件包括限定纵向轴线的中空本体和本体的内表面。本体的内表面包括一个或多个成型部、台阶或凸缘，所述一个或多个成型部、台阶或凸缘限定成形开口，该成形开口能够沿轴线可滑动地接纳电极本体的互补形状部分。成形开口具有沿第一方向的第一长度和沿第二方向的第二长度。该第二长度比第一长度长。 

在某些实施例中，该部件还包括涡流环部分，涡流环部分限定外部、内部和从外部通到内部的一个或多个孔，所述一个或多个孔赋予流体以涡流运动。涡流环部分可与中空本体形成一体。在某些实施例中，成型部、台阶或凸缘与弹性件的相应表面接触以阻止弹性件从焊炬移除。 

另一方面，提供用于接触启动式等离子焊炬的电极。该电极包括细长电极本体和与电极本体相邻设置的第二端。细长电极本体由导电材料制成并限定纵向轴线和用于容纳发射件的远端。第二端限定第一表面和从第一表面向近端延伸的一个或多个区域，第一表面具有围绕纵向轴线定中心的 第一直径。一个或多个区域中的每一个具有形状设置成提供与弹性导电件直接接触和电连通以促进引导电流的流动的部分。 

在该方面的某些实施例中，电极的第二端的第一表面移动到与电源接触件的相应表面直接接触和电连通以促进转移电弧电流的通过。在某些实施例中，电极还包括相对于第一表面设置的第二表面。第二表面移动到与电源接触件的相应表面直接接触和电连通以促进转移电弧电流的通过。在某些实施例中，第二表面平行于第一表面并相对于第一表面向远端设置或相对于第一表面向近端设置。 

在某些实施例中，从第二端的第一表面向近端延伸的一个或多个区域基本上平行于纵向轴线。一个或多个区域中的每一个可限定比第一直径小的第二直径。在某些实施例中，一个或多个区域中的每一个从纵向轴线径向等间距设置。 

另一方面，提供用于接触启动式等离子弧焊炬的电极。电极包括由导电材料形成并限定纵向轴线和用于容纳发射件的远端的细长本体以及与电极本体相邻设置的第二端。第二端包括用于沿轴线可滑动地与等离子弧焊炬的部件的内表面配合的装置、用于在引导电弧引发期间与弹性件电连通以促进引导电流流过其间的装置、以及用于在转移电弧操作期间移动到与电源接触件直接接触时电连通的装置。 

另一方面，提供用于接触启动式等离子弧焊炬的电极。该电极包括：（a）由导电材料制成并限定电极宽度的细长电极本体，该电极本体可滑动地附连到相邻构件；（b）电极本体的远端；（c）位于电极本体远端的发射件；（d）电极本体的第二端，具有用于接受工作电流的表面；以及（e）位于电极本体的远端和第二端之间位置上的径向延伸部分。径向延伸部分具有用于接受引导电弧电流的表面。径向延伸部分具有第一长度的第一部分和第二长度的第二部分。该第二长度比电极宽度和第一长度大。 

在本发明的其它实施例中，以上任何方面可包括一个或多个以上特征。本发明的一实施例可提供所有以上特征和优点。参照以下说明书和附图可更完全地理解这些和其它特征，附图是说明性的且不必是按比例绘制的。 

附图说明

图1是已知接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。 

图2A是本发明的各实施例的特征电极本体、导电弹性件、电源接触件的分解图。 

图2B示出在引导电弧操作之前采用图2A的部件的示例性接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。 

图2C示出转移电弧模式期间图2B的等离子弧焊炬的剖视图。 

图3A是用在接触启动式等离子弧焊炬中的电极的示例性实施例的剖视图。 

图3B是组装电极的实施例之前图3A的电极的部件的更详细视图。 

图4A示出在引导电弧操作之前的构造下包括说明性部件的示例性接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。 

图4B示出转移电弧模式期间的构造下包括说明性部件的图4A的等离子弧焊炬的剖视图。 

图5A示出包括设置在电极本体的插孔内的接触元件和弹性导电件的示例性电极的剖视图。 

图5B示出以转移电弧模式设置的图5A的电极。 

图6A示出包括设置在电极本体的近端的接触元件和弹性导电件的示例性电极的剖视图。 

图6B示出以转移电弧模式设置的图6A的电极。 

图7A示出体现本发明的原理的示例性接触元件、弹性件、以及电源接触件的局部分解图。 

图7B示出设置在等离子弧焊炬操作中的图7A的部件。 

图8A示出安装到等离子弧焊炬之前电极本体、弹性导电件和接触元件的另一实施例的剖视图。 

图8B示出转移电弧模式期间图8A的部件的构造。 

图9示出体现本发明的电极的另一实施例的剖视图。 

图10A是示例性接触元件和弹性导电件的立体图。 

图10B示出在引导电弧操作期间采用图10A的部件的等离子弧焊炬的一部 分的剖视图。 

图11A示出用于接触启动式等离子弧焊炬的示例性接触元件。 

图11B示出图11A的接触元件围绕竖直轴线转动90°。 

图12A是用在接触启动式等离子弧焊炬的组件的剖开的局部立体图。 

图12B是图12A的组件的分解立体图。 

图12C是图12A的组件的一部分的分解平面图。 

图13A是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图。 

图13B是用于图13A的电极的组件的正视图。 

图14A是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图。 

图14B是用于图14A的电极的组件的正视图。 

图15A是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图。 

图15B是用于图15A的电极的组件的正视图。 

图16是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图。 

具体实施方式

图2A是本发明的各实施例的特征电极本体、导电弹性件、电源接触件的分解图。系统200包括电极本体202、弹性导电件204以及电源接触件206（也称为电源连接件）。电源接触件206通过例如电源电缆（例如图1中的电源电缆104）与电源（未示出）电连通。电源向电源接触件206提供用于运行类似于图1的焊炬112的等离子弧焊炬的电流。电极本体202包括反作用表面208，该反作用表面构造成与弹性导电件204电连通。反作用表面208设置成与电极本体202的近端210间隔开。在某些实施例中，反作用表面208限定从纵向轴线A径向延伸的凸缘。在某些实施例中，反作用表面208与电极本体202形成一体。例如，反作用表面208可由与电极本体202相同的材料制成或由不同材料制成但结合或固定到电极本体202。 

电极本体202的近端210与远端212相反设置。在所示实施例中，远端212的直径大于近端210的直径，从而使弹性导电件204在安装到焊炬内时围绕近端210。换言之，近端210的直径小于弹性导电件204的内径。在其它实施例中，近端210的直径等于或大于远端212的直径。 

电源接触件206包括用于反作用于弹性导电件204上的表面214。弹性导电件204反作用于相对静止的表面214和相对可移动的电极本体202的反作用表面208，以在引导电弧操作期间偏置电极本体使其远离电源接触件206。电极本体202限定接触表面216，该接触表面构造成与电源接触件206的相应表面218直接接触且电连通。在引导电弧的后部操作期间和转移电弧模式期间，接触表面216邻接相应的表面218。电源接触件206的与表面218相邻并延伸到表面214的部分220限定使弹性导电件204围绕部分220的直径。 

在某些实施例中，电源接触件206制成为图1的电源接触件108的一部分（例如，通过将电源接触件108机加工成包括电源接触件206的结构特征）。这些实施例使使用者能够在图1的现有焊炬系统112中采用参照图2A描述的概念。在某些实施例中，电源接触件108可通过在电源接触件108上机加工出凹槽和将电源接触件108相对于焊炬112用夹件或保持环（未示出）固定而设置在图1的倒流位置。这样，电源接触件108在引导电弧操作和转移电弧操作期间都相对于焊炬112保持静止。一般而言，可根据本文所述的原理对电源接触件108进行改进而在图1的焊炬系统112中使用本文所述的任何实施例。 

相对静止的电源接触件108对电源电缆的柔性要求较低。适于用作引导电弧电流的示例性电流在约10至约31安培之间。转移电弧操作期间的电流可高达约200安培。但是，大于200安培的电流也在本发明的范围内，例如400安培。在某些实施例中，电源接触件108由碲铜、黄铜、铜或在引导电弧操作和转移电弧操作期间适于电流通过的其它材料制成。 

一般而言，引导电弧操作是指在向电极本体202提供电流和将等离子弧转移到工件之间的时段。更具体地说，引导电弧操作可包括引导电弧的引发和引导电弧引发之后但在将电弧转移到工件之前的某时段。某些焊炬设计包括安全机构以在预定量的时间之后终止引导电弧操作，与等离子弧是否已转移到工件无关。这些机构设计成通过无特定的应用（例如，处理工件）地限制焊炬操作的时间来延长焊炬部件的工作寿命并提高安全性。 

在某些实施例中，弹性导电件204固定到电极本体202或电源接触件206。在其它实施例中，弹性导电件204固定到电极本体202和电源接触件206两者。例如，弹性导电件204可通过焊接、软焊、结合或以其它固定方式固定到电极 本体202或电源接触件206。在某些实施例中，弹性导电件204通过径向过盈配合或其它类型的摩擦配合固定到电极本体202的近端208。例如，电极本体的近端208的外径可比弹性导电件204的内径稍大。在某些实施例中，电极本体202的近端208的特征是延伸部分（未示出），该延伸部分的内径比弹性导电件204的内径小。延伸部分可与电极本体202形成一体或以其它方式固定到电极本体202。这种构造使图1的电极本体124可用于例如图2B的焊炬240内。 

在某些实施例中，电源接触件206的部分220沿纵向轴线A呈锥形或截头锥形。在某些实施例中，电极本体202可包括径向延伸的肩部（未示出），该肩部的直径大于弹性导电件204的内径，使得弹性导电件朝向电极本体202的远端212行进超过（例如越过）径向延伸肩部可阻止弹性导电件204朝向近端210径向与电极本体202脱开。 

在某些实施例中，肩部的远端面（未示出）是电极本体202的反作用表面。可对于电源接触件206使用类似的径向过盈配合。例如，弹性导电件204可远离电极本体202轴向行进超过电源接触件的表面214，使得表面214的与部分220相反的面222阻止弹性导电件204与电源接触件脱开。在某些实施例中，面222与弹性导电件204之间的界面形成来自电源接触件206的电流通路。 

在某些实施例中，弹性导电件204设置成与电极本体202的远端212而不是近端210间隔开。远端212通常包括诸如铪的发射件（未示出），用于使等离子弧的产生和工件处理更为有效。在某些实施例中，弹性导电件204与电极本体202或电源接触件206形成一体。例如，弹性导电件204可由与电极本体202相同的材料制成。在其它实施例中，弹性导电件204结合到或固定到电极本体202以阻止在正常操作情况下（例如，气体压力和/或重力或其它力的影响下）与电极本体202脱开。 

图2B示出采用图2A的部件和概念的的示例性接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。图2B的构造示出引导电弧操作之前的焊炬240。焊炬240包括图2A的电极本体202、弹性导电件204以及电源接触件206，它们安装在焊炬本体242内。喷嘴244和涡流环246也安装到焊炬本体242。电源接触件206相对于可移动电极本体202相对静止设置。电源接触件206与电极本体202的远端 212（例如在焊炬240的后端）相对设置。电极本体202的远端212包括与喷嘴244的出口孔250基本上对准的发射件248。在某些实施例中，发射件248和出口孔250基本上围绕纵向轴线A定中心。涡流环246设置成部分限制电极本体202在焊炬本体242内的径向运动。例如，涡流环246可制成使涡流环246和电极本体202的一个或多个径向翼片252之间的间隙相对较小。 

弹性导电件204反作用于电极本体202的反作用表面208和电源接触件206的表面214以推压电极本体202邻接喷嘴244。气体流入电极本体202和喷嘴244之间形成的等离子腔254，且引导电流从电源（未示出）通到电源接触件206。 

在等离子腔254内形成气体压力直到压力足以克服由弹性导电件204提供的力。气体压力将电极本体202远离喷嘴244移动并移到邻接电源接触件206。电极本体202基本上沿纵向轴线A移动。由于电极本体202通过气体压力远离喷嘴244移动，在等离子腔254内产生或引发电弧。电弧将等离子腔254内的气体离子化以形成等离子弧或射流，该等离子弧或射流从喷嘴244的孔250喷出的射流并转移到工件（未示出）。 

弹性导电件204构造或设计成基本上通过电源接触件206和电极本体202之间的所有引导电流。弹性传导件204可由利于承载与引发引导电弧的电流或电负载和消散与该电流相关的热量的材料制成，以防止弹性导电件在引导电弧操作期间熔化。在某些实施例中，可根据例如材料的额定电流来选择弹性导电件204的材料。在某些实施例中，弹性导电件204是电源接触件206和电极本体202之间电阻最小和/或电导最大的通路。此外，弹性导电件206的机械性质促进用于接触启动式等离子弧焊炬的电极本体的移动。在某些实施例中，弹性件有助于将电极本体相对于焊炬对准。 

弹性导电件204可以是能够在长达5秒或更长时间内可靠地传导约31安培的电流以进行引导电弧操作，而不会熔化或以其它方式改变弹簧的机械性能的导电弹簧。在某些实施例中，弹性导电件204由 X-750的合金制成。 

在某些实施例中，弹性导电件204由不锈钢制成。例如，弹性导电件204可由17/4沉淀淬火不锈钢丝（符合AMS5604规范）或302型不锈钢丝（符合AMS 58661或ASTM A 313规范）制成。在某些实施例中，弹性导电件204由直径约0.762mm （约0.03英寸）的金属丝制成并限定约7.62mm（约0.3英寸）300/1000的外径和沿纵向轴线A的约12.7mm（例如，约0.5英寸）的长度。 

在某些实施例中，弹性导电件204涂敷或镀有银或银合金以降低电阻和/或改进电导。尽管本文示出为螺旋压缩弹簧，弹性导电件204也可包括例如波形弹簧垫圈、指状弹簧垫圈、弯曲弹簧垫圈、顶对顶型的扁钢丝压缩弹簧、或者开槽的圆锥盘。例如，在转让给新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的美国专利第5,994,663号中对这些类型的弹簧进行了说明，其内容以参见的方式纳入本文。其它弹簧构造也在本发明的范围内。 

在某些实施例中，弹性导电件204是设置在电极本体202的近端210的金属丝，且第二弹性件（未示出）设置在电极本体202的远端212。第二弹性件在引导电弧操作期间将电极本体朝向远端204偏置，且在焊炬操作期间（例如，在引导电弧操作期间和在工件处理期间）限制电极本体202的径向运动。这样，第二弹性件在焊炬操作期间对准电极本体202。 

图2C示出转移电弧模式期间图2B的等离子弧焊炬的剖视图。电极本体202的接触表面216与电源接触件206的相应表面218基本上平面直接接触地配合以建立电连通(例如电流在接触表面216和相应表面218的界面处在电极本体202和电源接触件206之间通过)。当电极本体202的接触表面216邻接电源接触件206的相应表面218时，形成一电流通路使电流直接通过电源接触件206和电极本体202之间。在某些实施例中，弹性导电件204在电极本体202移动到与电源接触件206接触后不再承载主要电流量。在这些实施例中，弹性导电件204在引导电弧引发期间承载电流，但不是引导电弧操作的整个期间。在这些实施例中，弹性导电件204在引导电弧操作的整个期间继续承载电流。 

当电弧转移到工件时，向焊炬240供应切割电流（例如转移电弧模式期间）。在某些实施例中，弹性导电件204在转移电弧模式期间不承载主要电流量。更具体地说，电源接触件206和电极本体202之间的直接电流通路与从电源接触件206通过弹性导电件204到电极本体202的电流通路相比具有较低的电阻和/或较高的电导。图2A、2B和2C中所示的设计将双重功能（即使电极本体202朝向喷嘴244偏置并提供电源接触件206和电极本体202之间的电流通路）结合到单个部件内以降低消耗部件的数量并简化焊炬设计。 

转让给新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的美国专利第4,791,268号中揭示的先前焊炬设计采用用于提供偏置各种焊炬部件的机械力的弹簧。这些焊炬设计也采用电部件（例如非弹性金属丝）以为引导电弧操作和转移电弧操作供应电流。这些设计需要作为主要电流通路的金属丝具有相对大的直径来便于在转移电弧操作期间通过电流（例如，高达200安培）而不使金属丝熔化。 

在某些实施例中，弹性导电件204是导电金属丝或金属条，用于在引导电弧操作期间在电源接触件206和电极本体202之间通过电流。当电极本体202处于倒流状态时（例如，电极本体202的表面216与电源接触件206的表面218直接接触并电连通），基本上所有用于在转移电弧模式中维持等离子弧的电流直接通过表面216和表面218之间。更具体地说，当表面216、218直接接触时表面216和表面218之间的电流通路与弹性导电件202相比可具有较低的电阻和/或较高的电导率。采用金属丝代替弹簧作为弹性导电件204的设计使金属丝与美国专利第4,791,268号的柱塞金属丝相比具有较小的直径和增加的柔性。由于图2A、2B和2C的弹性导电件204不承载与转移电弧操作相关的全部电流，所以较小的金属丝是可以的。 

在某些实施例中，弹性导电件204是导电套管，该导电套管与电源接触件206和电极本体202电连通以在其间通过引导电弧电流。例如，这种套管可设计成紧密地配合在电极本体202的近端210上并配合在电源接触件206的部分220上。在某些实施例中，例如弹簧的第二弹性件（未示出）可用于与套管结合来提供将电极本体202朝向喷嘴244偏置的机械功能。 

在某些实施例中，电源接触件206和弹性导电件204都安装到焊炬本体242并相对于可移动电极本体202相对固定。例如，当喷嘴244从焊炬本体242移除时，弹性导电件204将电极本体202推出焊炬本体242（例如电极本体202被弹出），且弹性导电件204和电极本体202之间的电流通路断开。在这种实施例中，电极本体202是焊炬240的消耗部件。在其它实施例中，电极本体202和弹性导电件204的组合是焊炬240的消耗部件，例如这些部件可以一起打包出售或购买。 

图3A是用在接触启动式等离子弧焊炬中的电极的示例性实施例的剖视图。电极300包括沿纵向轴线A定向的细长电极本体302。电极本体302可由 诸如碲铜、银、银铜合金或其它合金之类的导电材料制成。电极本体302包括远端304和近端308，远端包括用于容纳发射件（未示出）的孔306。发射件可由例如铪制成并用于增加等离子弧焊炬（未示出）的工作寿命并降低电极本体302上的磨损。在等离子弧焊炬操作和工件处理期间，电极本体302的远端304靠近工件（未示出）设置，而近端308远离工件设置。当电极300安装在焊炬内时，电极本体302可沿纵向轴线A移动。 

电极300包括导电弹性件310（这里也称为弹性导电件310）。弹性导电件310构造成在引导电弧操作期间通过电源（未示出）和电极本体302之间基本上所有的引导电弧电流。弹性导电件310示出为螺旋弹簧，该螺旋弹簧与设置在电极本体302的近端306上的径向延伸的凸缘312（例如肩部）配合。该凸缘312可以是用于弹性导电件310的反作用表面。弹性导电件310和电极本体302的凸缘312之间的直接接触形成电流通路。 

在某些实施例中，弹性导电件310固定到凸缘312（例如通过焊接或软焊）使得弹性导电件310由电极本体302保持。弹性导电件310可通过径向过盈配合或其它类型的摩擦配合来保持。在某些实施例中，弹性导电件310与电极本体302形成一体（例如电极本体302和弹性导电件310由同一件材料制成）。弹性导电件310可相对于导电本体302固定以在处理或维护操作期间阻止弹性导电件310与电极本体302脱开。 

如图所示，电极本体302包括与电极本体302形成一体的一系列翼片314。翼片314增加电极本体302的表面面积并用作传热表面以在焊炬操作期间冷却电极本体302。多个翼片314还形成一种密封，使引入等离子腔（例如，图2B的等离子腔254）的等离子气体能够形成足够的气压以使电极本体302纵向沿轴线A朝向近端308移动。如上所述，当引导电弧电流通过弹性导电件310和电极本体302之间时，电极本体302朝向近端308移动引发引导电弧。多个翼片314的设置提供轴向沿电极本体302的螺旋形沟槽。在转让给新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的美国专利第4,902,871号中对示例性翼片314进行了说明，其内容以参见的方式纳入本文。多个翼片314示出为从纵向轴线A径向延伸。多个翼片314也可能是其它构造，例如沿轴线A纵向延伸，如在也转让给新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的美国专利第6,403,915号中所述 那样，其内容以参见的方式纳入本文。电极300的某些实施例不包括翼片314且气压在电极本体302的不同表面施加力以在引发引导电弧期间移动电极本体。 

电极300包括接触元件316，该接触元件包括第一表面318和第二表面320。第一表面318构造成与电源（未示出）电连通。例如，第一表面318可邻接电源接触件的相应表面（例如，图2A的电源接触件206，图3A中未示出）。电源可通过电源接触件提供到接触元件316的电流。第二表面320构造成在引导电弧引发之后和转移电弧模式期间与电极本体302的相应接触表面322电连通。在某些实施例中，当电极300安装在焊炬内时，接触元件316的第一表面318基本上静止（例如，第一表面318保持与电源接触件直接配合或接触）。接触元件316可由相对硬和导电的材料制成，例如不锈钢、铬铜、镍或铍铜。在某些实施例中，接触元件316由比制成电极本体302的材料硬的材料制成。在某些实施例中，接触元件316涂有相对硬且导电的材料。 

如图所示，弹性导电件310围绕电极本体302的近端308并与接触元件316的第二表面320配合。用于提供从接触元件316通过弹性导电件310到电极本体302的电流通路的其它构造也在本发明的范围内。在某些实施例中，第二导电件（未示出）提供接触元件316和电极本体302之间的电流通路，该电流通路与弹性导电件310相比具有较低的电阻和/或较高的电导率。在这些实施例中，弹性导电件310将电极本体远离接触元件316偏置（例如，执行机械功能），但不承载主要的引导电流量。在某些实施例中，弹性导电件310固定到接触凸缘316（例如通过焊接或软焊）或与接触元件316形成一体。在某些实施例中，弹性导电件310可设置在接触元件316的第二表面320和电极本体的相应接触表面322之间。在某些实施例中，接触元件316的第一表面318与弹性导电件310配合。 

示出的电极本体302包括设置在电极本体302近端308并与电极本体302的远端304处的孔306分离的插孔324（例如孔306和插孔324都不是通孔）。在某些实施例中，插孔324基本上与轴线A对准并限定内表面326。接触元件316包括从第二表面320延伸的连接构件328。在某些实施例中，连接构件328可滑动地与电极本体302配合。例如，连接构件328包括基本上与纵向轴线A 同轴线的对准部分330。对准部分330能够可滑动地与插孔324的内表面326配合。 

在某些实施例中，对准部分330和内表面326之间的配合限制电极本体302或接触元件316在焊炬内的径向运动。 

该插孔324可构造成阻止接触元件316与电极本体302脱开。电极本体302包括设置在插孔324近端的限制表面332，用于反作用于接触元件316的一部分来阻止脱开。在某些实施例中，限制表面332反作用于接触元件316的连接构件328或对准部分330（例如通过径向过盈配合）。在某些实施例中，限制表面332包括环形或环状构造。限制表面332可设置在插孔324内，使限制表面不干扰接触元件316的第二表面320或防止接触元件316的第二表面320以基本上平面的方式与电极本体302的接触表面322直接接触。 

在某些实施例中，第一表面318、第二表面320或两者都可涂有银或银合金来改进电源和电极本体302之间的电流流动（例如通过降低接触元件316的表面318和320处的电阻）。在某些实施例中，接触元件316和电极本体302之间的可滑动配合提供的电流通路与弹性导电件310相比具有较低的电阻和/或较高的电导率。在这些实施例中，弹性导电件310将电极本体远离接触元件316偏置（例如，执行机械功能），但不承载主要的引导电流量。更具体地说，连接构件328或对准部分330可制成相对紧的公差，该公差足以形成电流通过例如插孔324通到电极本体302的低电阻通路。需要相对紧的公差来防止在连接构件328或对准部分330和插孔324之间空间内弧的离子化或弧的形成。 

图3B是组装之前图3A的电极的部件的更详细视图。图3B示出电极本体302的近端308的近视图。在所示实施例中，电极本体302、弹性导电件310以及接触元件316未形成一体组件。更具体地说，接触元件316（例如，连接构件128和对准部分130）可与弹性导电件310和电极本体302（例如插孔324）自由脱开。在某些实施例中，连接构件328和对准部分330的长度不超过插孔324的深度，从而使接触元件未“触底”于插孔324的底部表面334。 

电极本体302的近端308可限定与插孔324相邻的唇部336，该唇部沿纵向轴线A径向延伸。唇部336可由与电极本体302相一件材料制成。在某些实施例中，可相对于电极本体302保持接触元件316（例如，电极本体302的一 部分阻止接触元件316与电极本体302脱开）。例如，连接构件328和对准部分330可设置在插孔324内。接触元件316压抵电极本体302，使得当第二表面320行进到与电极本体302的接触表面322直接接触时，接触元件316的第二表面320与唇部336配合。 

第二表面320与唇部336之间的配合使唇部336变形进入相邻插孔324，以能够在接触元件318的第二表面320和电极本体302的接触表面322之间形成面对的直接接触。变形的唇部336可形成图3A的限制表面332。在某些实施例中，接触元件316压抵电极本体302，同时发射件设置在孔306内。例如，在称为型锻的工艺中，相对于发射件施加沿纵向轴线A（例如，朝向电极本体302的近端308）的力以将发射件固定在孔306内。在型锻期间，施加方向相反的力（例如朝向电极本体302的远端304）以将接触元件316压抵电极本体302的近端308来使唇部336变形。在某些实施例中，施加的力约为4,450N的力（例如，约1000磅的力）。在某些实施例中，型锻之后，限制表面332在失效（例如，使接触元件316能够与电极本体302脱开）之前可承受约356N的力（例如，约80磅的力）。 

在某些实施例中，弹性导电件310在唇部336变形之前设置在电极本体302（例如与凸缘312直接接触）和接触元件316（例如，与第二表面320直接接触）之间。弹性导电件310可“夹在”接触元件316和电极本体302之间。限制表面332可阻止可滑动地安装的接触元件316与电极本体302脱开。在某些实施例中，电极300在使用之前组装到等离子弧焊炬内并可包装成整体组件。 

在某些实施例中，限制表面332具有环形构造（例如，当唇部336沿纵向轴线A围绕插孔324的周界轴向延伸时）。在其它实施例中，沿插孔324周界的小于整个周界的一部分形成限制表面332。连接构件328或对准部分330可自由插入插孔324而不与限制表面336干涉，但例如围绕纵向轴线A转动接触元件316可通过建立限制表面332和连接构件或对准部分330之间的干涉而阻止接触元件316脱开。 

图4A示出示例性接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。图4A的构造可称为“向前”构造或“启动”构造。焊炬400包括限定气体入口404的焊炬本体402。焊炬400包括与电源（未示出）电连通的电源接触件406，电源向电源接触件 406提供电流。焊炬400包括图3A的电极300。接触元件316的第一表面318构造成与电源接触件306直接接触和电连通。弹性导电件310推压电极本体302远离电源接触件306并与喷嘴408直接接触和电连通。电极本体302（例如电极本体302的远端304）与喷嘴408协作以形成等离子腔410的一部分。喷嘴408包括出口孔412，出口孔412使等离子弧或射流（未示出）流出等离子腔410以转移到工件（未示出）。屏蔽件414安装到保持帽416，保持帽416安装到焊炬本体402的一部分418上。屏蔽件414包括与喷嘴408的出口孔412相邻的出口端口420。出口端口420使等离子射流能够从焊炬400转移到工件。屏蔽件414防止在工件处理过程中溅落的材料积聚在喷嘴408上并缩短喷嘴408或电极300的使用寿命。焊炬400还包括限定一个或多个端口424的涡流环422，所述一个或多个端口使气体（未示出）能够流入或流出等离子腔410。 

引导电弧操作开始于引导电弧的引发。引导电流通过电源和电源接触件406之间。电源接触件406横穿电源接触件406和接触元件316的第一表面318之间的界面将引导电流通到接触元件316。引导电流通过接触元件316（例如第二表面320）和弹性导电件310之间。然后电流通过弹性导电件310和电极本体302以及喷嘴408之间。适于用作引导电弧电流的示例性电流在约22至约31安培之间。在某些实施例中，电源接触件406由碲铜、黄铜、铜或在引导电弧操作和转移电弧操作期间适于通过电流的其它材料制成。 

在引导电弧操作期间，气体通过由焊炬本体402限定的入口404进入焊炬400。沿由焊炬本体402限定的通道426导向气体。涡流环422限定使气体能够从通道426通到由涡流环422的外部和部分418限定的空间430的一个或多个气道428。气体流动通过端口424进入等离子腔410。等离子腔410内形成气体压力，直到该压力足以克服由弹性导电件310提供的力，并将电极本体302移动远离喷嘴408，由此在电极本体302和喷嘴408之间形成空间或间隙。在某些实施例中，等离子腔410内的气体作用在电极本体302的翼片314上，沿纵向轴线A朝向电极本体302的近端310施加压力。电极本体302基本上沿纵向轴线A相对于焊炬400移动。在某些实施例中，通过在引导电弧操作期间和转移电弧模式期间限制电极本体302的径向运动，接触元件316与电极本体302对准。由于电极本体302远离喷嘴408移动，在等离子腔302和喷嘴408之间 产生相对电势。该电势差使在电极本体302和喷嘴408之间的现存间隙内产生电弧（未示出）（例如通过将电极本体302和喷嘴408之间的最低电阻路径离子化）。电弧将等离子腔310内的气体离子化以形成用在工件处理中的等离子射流。 

图4B示出引导电弧引发之后包括说明性部件的图4A的等离子弧焊炬的剖视图。图4B的构造可称为“倒流”构造，因为电极本体302已与喷嘴408分离。电极本体302沿轴线A移动，直到电极本体302的接触表面322与接触元件316的第二表面320接触。接触元件316的第一表面318保持与电源接触件406直接接触和电连通，电源接触件406相对于电极本体302相对静止。在某些实施例中，电极本体102沿轴线A移动的时间小于或等于约0.3秒。在这些实施例中，弹性导电件310在倒流构造中（例如在引导电弧引发之后的引导电弧操作期间）承载电流。在某些实施例中，弹性导电件310仅在引导电弧引发期间承载电流。 

一般而言，通过将焊炬400定位在工件附近而将电弧从喷嘴408转移到工件（未示出）以处理工件。工件保持在比喷嘴408相对低的电势。在某些实施例中，在引导电弧引发期间转移电弧（例如在图4B的倒流构造之前）。与工件连通的电引线（未示出）可根据电弧到工件的转移而向电源（未示出）提供信号。当电极本体302处于倒流构造时，电源向焊炬400提供增加的电流（例如，切割电流）。用于增加到焊炬的电流的方法的一个实例称为“双-阈值”并在转让给新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的美国专利第6,133,543号中进行了描述，其内容以参见的方式纳入本文。 

切割电流可以是例如约100至约150安培。切割电流与焊炬400在转移电弧模式中的操作有关。在某些实施例中，提供的切割电流的量取决于工件的成分或工件的物理特性（例如工件的厚度或切口的深度）。在某些实施例中，转移电弧模式是指电弧被转移到工件且电源提供切割电流。在其它实施例中，转移电弧模式是指电弧转移到工件。 

当电极本体302处于倒流构造时，电源向电源接触件406、接触元件316以及电极本体302提供电流。接触元件316相对于电极本体302和电源接触件406保持相对静止。更具体地说，在电极300安装到焊炬400内之后，接触元 件316的第一表面318可设计成保持与电源接触件406直接接触和电连通。在某些实施例中，接触元件316通过例如摩擦配合相对于电源接触件406固定，例如使得作用在电极本体302上的地球重力不足以将电极300从焊炬400移除。由于在焊炬400的操作（例如启动和停止）期间电极本体302和接触元件316的反复接触和分离，所以电极300上的大部分磨损都发生在接触元件316的第二表面320和电极本体302的接触表面322之间的界面处。电极300的设计减少电源接触件406上的磨损量，这是因为接触元件316的第一表面318保持与电源接触件406接触以减少电源接触件406和第一表面318之间电弧的形成。电源接触件406和第一表面318之间电弧的形成会产生缩短电源接触件406和电极300的操作寿命的表面缺陷。 

图5A示出包括接触元件和设置在电极本体的插孔内的弹性导电件的示例性电极的剖视图。电极500包括电极本体502，电极本体502限定远端504和沿纵向轴线A相反设置的近端506。远端504限定用于接纳发射件510的孔508。电极本体502的近端506限定围绕纵向轴线A定中心呈圆柱形构造中的插孔512。在某些实施例中，可使用用于插孔512的非圆柱形构造。插孔512通过电极本体502与孔508分离（例如，电极本体502不具有通孔）。插孔512限定设置在插孔512底部的第一接触表面514。接触表面514构造成与电源接触件（图5B中示出）电连通和/或直接接触。插孔512还限定第二接触表面516。 

电极500包括设置在插孔512内的接触元件518和弹性导电件520。接触元件518限定第一表面522和第二表面524。第二表面524构造成反作用于弹性导电件520和插孔的第二接触表面516。弹性导电件520当安装在等离子焊炬内时反作用于第一接触表面514，以将电极本体502推压到邻接喷嘴（未示出）。在某些实施例中，弹性导电件520可反作用于插孔512内的第三表面（未示出）。 

接触元件518限定设计成围绕电源接触件的环形构造。环形构造提供对准部分526以通过反作用于电源接触件来限制电极本体502的径向运动。通过直径比接触元件518的直径小的锥形部分528，相对于插孔512保持接触元件518和弹性导电件520。在某些实施例中，锥形部分528是阻止接触元件518和弹性导电件520从电极本体502（例如插孔512）脱开的限制表面。例如，锥形 部分528和接触元件518的组合通过径向过盈配合阻止弹性导电件520从电极本体502脱开。在某些实施例中，锥形表面528限定环形构造。在某些实施例中，插孔512不包括锥形部分528，且不相对于插孔512保持住接触元件518和弹性导电件520。 

图5B示出以转移电弧模式设置的图5A的电极。图5B示出电极本体502和电源接触件540的近端506的放大剖视图。电源接触件540限定轴向延伸部分542，轴向延伸部分542构造成与插孔512和电极500的接触件相互作用。轴向延伸部分542限定用于分别与电极本体502的第一接触表面514（例如由插孔512所限定）和接触元件518的第一表面522电连通和/或直接接触的第一相应表面544和第二相应表面546。电源接触件540还限定构造成对应于电极本体502的锥形部分528以限制电极本体502的径向运动的座部分548。 

在某些实施例中，电极500设置在焊炬内，使得接触元件518的第一表面522与电源接触件540的第二相应表面546电连通和/或直接接触，以形成在焊炬操作期间相对于电极本体502保持相对静止的界面。接触元件518的第二表面524起初远离插孔512的第二接触表面516，且电源接触件的第一相应表面544远离电极本体502的接触表面514。 

在引导电弧操作期间，引导电流通过电源（未示出）和电源接触件540之间。引导电流从电源接触件540通到接触元件518，并从接触元件518通过弹性导电件520到达电极本体502，使得弹性导电件518基本上承载整个引导电弧电流。当电极本体502远离喷嘴（未示出）移动以产生电弧时，第二接触表面516移动到与接触元件516的第二表面524接触，且第一接触表面514移动到与电源接触件540的第一相应表面544接触。基本上所有的切割电流从电源接触件540通过接触元件516通到电极本体502和直接通到电极本体。在转移电弧操作期间，弹性导电件520不承载主要电流量。 

在某些实施例中，第一相应表面544或第二相应表面546在转移电弧操作期间基本上将所有的电流通到电极本体502。多个相应表面544、546可减少电极本体502的第一接触表面514或接触元件518的第一表面522上的物理磨损。这种构造通过降低与电源接触件540与接触元件518和电极本体502中的每一个之间直接接触相关的机械负载来减少磨损。减少磨损可延长电极500的寿命。 

图6A示出包括设置在电极本体的近端的接触元件和弹性导电件的示例性电极的剖视图。电极600包括电极本体602，电极本体602限定远端604和沿纵向轴线A相反设置的近端606。远端604限定用于接纳发射件610的孔608。电极600包括接触元件612和弹性导电件614。接触元件612限定第一接触表面616和第二接触表面618，第一接触表面616构造成与电源接触件电连通和/或直接接触（见图6B），第二接触表面618用于与电极本体602的相应表面620电连通和/或直接接触。电极本体602的近端606限定与电源接触件电连通和/或直接接触的接触表面622。电极本体602限定反作用表面624，用于反作用于弹性导电件614以提供抵靠电极本体602的反作用表面624的偏置力。电极本体602的近端606限定第一限制表面626，该限制表面（例如通过径向过盈配合）阻止接触元件612与弹性导电件614脱开。在某些实施例中，电极本体602不包括限制表面624，且接触元件612和/或弹性导电件614可相对于电极本体602脱开。在某些实施例中，弹性导电件614固定到电极本体602或电源接触元件612或两者。 

接触元件614限定环形构造并包括限制电极本体602径向运动的对准部分628。例如，对准部分628可与电极本体602的近端606的轴向延伸部分630相互作用。该部分630的直径比对准部分628的直径稍小，使得部分630能够可滑动地沿纵向轴线A与对准部分628配合，而没有显著的径向摇动。 

图6B示出以转移电弧模式设置的图6A的电极。图6B的构造包括相对于电极本体602的近端606设置的电源接触件640。电源接触件640限定开口642，当电极本体602在气体压力下移动远离喷嘴（未示出）时，电极本体602的近端606行进进入开口642。开口642与基本上围绕纵向轴线A定中心的插孔部分644相邻。插孔部分644限定第一接触表面646和第二接触表面648，第一接触表面646用于与接触元件612电连通和/或直接接触，第二接触表面648用于与电极本体602的相应表面622电连通和/或直接接触。插孔部分644的尺寸设置成除电极本体602的近端的一部分之外还接纳接触元件612和弹性导电件614。在某些实施例中，插孔部分644的尺寸设置成仅接纳电极本体602的近端606。 

安装期间，电极600设置成使第一表面616与电源接触件640的第一接触 表面646电连通和/或直接接触，以形成在焊炬操作期间相对于电极本体602相对静止的界面。接触元件612的第二表面618起初远离电极本体的相应表面620，且电极本体602的接触表面622起初实际地远离电源接触件640的第二接触表面648。 

在引导电弧操作期间，引导电流通过电源（未示出）和电源接触件640之间。引导电流从电源接触件640通到接触元件612，并从接触元件612通过弹性导电件614到达电极本体602，使得弹性导电件614基本上承载整个引导电弧电流。当电极本体602远离喷嘴（未示出）移动以产生电弧时，相应表面620移动到与接触元件612的第二表面618电连通和/或直接接触，且接触表面622移动到与电源接触件的第二接触表面648电连通和/或直接接触。基本上所有的切割电流从电源接触件640通过接触元件612通到电极本体602和直接通到电极本体602。在转移电弧操作期间，弹性导电件614不承载主要电流量。 

在某些实施例中，第一相应表面646或第二相应表面648在转移电弧操作期间基本上将所有的电流通入电极本体602。多个相应表面646、648可减少电极本体602的第一接触表面622或接触元件612的第一接触表面616上的物理磨损。这种构造通过降低与电源接触件640与接触元件612和电极本体602中的每一个之间直接接触相关的机械负载来减少磨损。减少磨损可延长电极600的寿命。 

图7A示出体现本发明的原理的示例性接触元件、弹性件、以及电源接触件的局部分解图。两件式电源连接件700包括基本上沿纵向轴线A对准的电源接触件702、接触元件704以及弹性件706。电源接触件702限定与空腔710相邻的孔708，空腔710用于接纳接触元件704的轴向延伸部分712。部分712的直径比空腔710的直径稍小。第二弹性件714沿部分712的轴向延伸范围径向定尺寸，以提供相对于空腔710的充分摩擦来阻止部分712和接触元件704与电源接触件702脱开（例如摩擦配合）并限制接触元件704的径向运动。在某些实施例中，第二弹性件714是例如由铍铜制成并由宾夕法尼亚州的哈里斯堡的泰科电子公司（Tyco Electronics Corp.）的Louvertac^TM弹簧。其它铜合金也在本发明的范围内。在某些实施例中，第二弹性件714镀有导电金属，例如金、银、镍或锡。在某些实施例中，第二弹性件714是导电的并使由电源（未 示出）供应的电流的一部分通过电源接触件702和接触元件704之间。弹性件706可在引导电弧引发期间使引导电流通过电源和电极本体之间。 

电源接触件702限定与孔708相邻的表面716，用于将电流通到接触元件704的第一相应表面718，第一表面718与延伸部分712相邻。接触元件704还包括用于反作用于第一弹性件706的与第一表面718相反的第二表面720。接触元件704包括从第二表面720轴向突出的部分722且直径比弹性件706的内径小，使得弹性件706围绕该部分722。该部分722构造成与焊炬电极本体（未示出）的近端电连通。该部分722限定周界表面724和端表面726。在某些实施例中，周界表面724、端表面726、或两者都与电极本体的相应表面配合。弹性件706联接到部件728。部件728设计成反作用于电极本体的相应表面（未示出）以提供朝向电极本体的远端（未示出）的轴向力（例如，远离电源接触件700）。在转移电弧操作期间，气体压力反作用于电极本体的气体反作用表面并克服轴向力以将电极本体轴向朝向近端移动，直到周界表面724、端表面726或两者反作用于电极本体的相应部分。 

在某些实施例中，部件728与弹性件706形成一体并由与弹性件706相同的材料制成。在某些实施例中，部件728是与弹性件706分开的部件和/或由与弹性件706不同的材料制成并固定到弹性件706。部件728示出为联接到弹性件706的环形垫圈。也可使用部件728的其它构造，例如围绕弹性件706的相邻轴向外部的圆形板或套筒设计（例如类似于以下参照图9所讨论的接触元件904）。这种构造使得在电极本体的立体图中看不到弹性件706，使得电极本体和部件728可基本上相对于电源接触件702一起移动。更具体地说，部件728相对于电极本体静止并可相对于接触元件704和电源接触件702移动。 

在某些实施例中，部件728的第一表面（未示出）面向电极本体的相应表面，且部件728的第二表面（未示出）面向接触元件704的端表面726。在转移电弧操作期间，部件728的第二表面与接触元件704的端表面726直接接触，且部件728的第一表面与电极本体直接接触，以提供从电源通过电源接触件702和接触元件704到达电极本体的电流通路。 

在某些实施例中，弹性件706是不导电的，且导电件（未示出）在引导电弧操作期间提供到部件728的电流通路。导电件可以是设置成例如通过软焊、 焊接或在接触元件704或电源接触件702和导电件之间建立电接触的其它方式将该部件电连接到接触元件704或电源接触件702的金属丝或导电条。 

在转移电弧操作期间，转移电弧电流可经由接触元件704（例如，通过周界表面724、端表面726、或两者）和电极本体之间的直接接触而通过。这种构造可使用具有相对低额定电流的导电件来将引导电流通到电极本体，这允许使用相对小的导电件。较小的导电件有利于减少导电件和焊炬系统的移动部分（例如，弹性件706和电极本体）之间的直接干涉。基本上所有的工作电流（例如引导电流和转移电弧电流）通过部件728通到电极本体。 

图7B示出设置成等离子弧焊炬操作的图7A的部件。接触元件704的部分712行进到空腔710内，且第二弹性件714反作用于空腔710的内表面（未示出）以使用摩擦来阻止接触元件704脱开。接触元件704的第一相应表面718安置在与空腔710相邻的表面716上或与之直接接触，以提供从电源接触件702到接触元件704的电流通路。在某些实施例中，可更换接触元件704或弹性件706而不更换电源接触件702。因为电源接触件702和接触元件704之间的界面（例如，表面716和相应表面718之间的界面）相对于电源接触件702静止，电源接触件702不会像电流通路和实际界面重合的构造中那样快速地磨损。在某些实施例中，接触元件704和电源接触件702可形成单体（例如由相同材料制成）而不是两个分开的部件。通过用两件式电源连接件700来代替单体电源接触件108和通过更换阴极块116来便于电源连接件700，可将图7A和7B的构造用在例如图1所示的现有接触启动式等离子弧焊炬中。电源连接件700可如上所述地通过夹件或销相对于电极本体相对静止地固定。 

图8A示出安装到等离子弧焊炬之前电极本体、弹性导电件和接触元件的另一实施例的剖视图。电极800包括基本上相对于纵向轴线A对准的电极本体802、接触元件804和弹性导电件806。图8A示出可设置在等离子弧焊炬本体（未示出）内的电极800的近端808。电极本体802的特征是从电极本体802径向延伸的肩部810。肩部810限定第一表面812和第二表面814。在某些实施例中，第一表面812用作限制表面，该限制表面构造成与接触元件804的相应表面816接触并防止存在轴向力（例如通过弹性导电件806、气体压力或在某些情况下是重力提供）时接触元件804与电极本体802脱开。肩部810的第 二表面814构造成与弹性导电件806的表面818配合以形成反作用界面。 

接触元件804限定第一表面820和第二表面822。第一表面820设计或构造成安置在电源接触件（未示出）的相应表面（未示出）上或与该表面相配以建立直接接触和电连通。接触元件804的第二表面822设计或构造成对应于由电极本体802限定的表面826。在某些实施例中，弹性导电件806与接触元件804的第二表面822配合以提供轴向力。接触元件804限定插孔828。插孔828的尺寸设置成使弹性导电件806能够围绕电极本体802的一部分830设置并设置在接触元件的插孔828内。 

在某些实施例中，在引导电弧操作期间，接触元件804的第一表面820与电源接触件电连通（和/或直接接触）。电源接触件向第一表面820提供电流，该电流横穿接触元件804转移到第二表面822。电流可经由弹性导电件806和第二表面822之间的界面通过接触元件804和弹性导电件806之间。弹性导电件806提供用于使电流通过电源接触件和电极本体802之间的电流通路。例如，电流在表面818和肩部810的相应第二表面814之间的界面处通过电极本体802和弹性导电件806之间。一般而言，当电极800安装于等离子弧焊炬时，插孔828、弹性导电件806和/或表面812协作以限制电极本体802的径向运动。 

图8B示出转移电弧模式期间图8A的部件的构造。在引导电弧模式期间，气体压力反作用于电极本体802，以克服弹性导电件806沿轴向远离近端808的推压作用来移动电极本体802，具体地是表面826与接触元件804的相应第二表面822接触。在该构造中，可在接触元件804和电极本体802之间直接形成电连通，且可为转移电弧操作增加电流。在某些实施例中，接触元件804限定远离电极本体802的表面842的端表面840。在某些实施例中，端表面840通过反作用于表面842而接触或“触底”，以提供接触元件804和电极本体802之间的第二电流通路。 

图9示出体现本发明的电极的另一实施例的剖视图。电极900包括基本上沿纵向轴线A对准的电极本体902、接触元件904和弹性导电件906。电极本体902限定径向延伸表面908，该延伸表面可反作用于弹性导电件906的表面910以阻止弹性导电件906与电极本体902脱开（例如夹住）。弹性导电件906或表面910可沿纵向轴线A轴向行进并压迫或按压在表面908上以形成径向过 盈配合。也可使用其它类型的配合来阻止弹性导电件906与电极本体902脱离。 

接触元件904限定插孔912、第一表面914和第二表面916，第一表面用于与等离子弧焊炬（未示出）的电源接触件的相应表面电连通和/或直接接触，第二表面用于与电极本体902的相应表面918电连通和/或直接接触。插孔912的尺寸可设置成使插孔的内径稍小于弹性导电件906的外径。接触元件904和插孔912可按压在或压迫在弹性导电件906上以建立弹性导电件906的一部分和插孔912之间的摩擦或其它类型的配合。在某些实施例中，可使用替代或附加连结或配合结构来将接触元件904固定到弹性导电件906和电极900。一般而言，当电极900安装在等离子弧焊炬内时，插孔912与弹性导电件906协作以径向限制电极本体902。 

图10A是体现本发明的原理的示例性接触元件和弹性导电件的立体图。系统1000包括接触元件1002和设置在接触元件1002的插孔1006内的弹性导电件1004。接触元件1002包括限定一个或多个通孔1010以促进围绕系统1000的气体通过的凸缘1008。在某些实施例中，当气体围绕电极本体移动时通孔1010赋予气体以涡流运动，例如以冷却电极本体或等离子弧焊炬。在某些实施例中，弹性导电件1004固定或紧固（例如结合）到接触元件1002。在某些实施例中，弹性导电件1004与接触元件1002形成一体。 

图10B示出在引导电弧操作期间采用图10A的部件的等离子弧焊炬的一部分的剖视图。焊炬1020包括基本上沿纵向轴线A对准的接触元件1002、弹性导电件1004、电极本体1022和电源接触件1024。在某些实施例中，电源接触件1024与电源（未示出）电连通。电源接触件1024被焊炬部件1026围绕，焊炬部件1026与接触元件1004的外表面1028协作来限定气体通道1030。可如以上参照图2A所讨论的那样供应气体以产生等离子弧和工件处理。通过朝向电源接触件1024围绕电极本体1022流动（例如通过由翼片1032引导的围绕电极本体1022的涡流）而释放焊炬1020内的气体压力。气体可流动通过接触元件1004内的孔1010并沿着气体通道1030远离电极本体1022。 

在所示实施例中，凸缘1008设置在焊炬部件1026的表面1034和涡流环1038的表面1036之间。在某些实施例中，图10A的系统1000是消耗部件并安装在焊炬1020内，且电极本体1022比系统1000更为频繁地更换。这例如可 消耗和方便地更换电极本体1022而不必拆开焊炬1020。在某些实施例中，系统1000通过过盈配合相对于电源接触件1024固定。例如，系统1000位于焊炬1020内，且涡流环1038相对于焊炬部件1026的外表面1040固定（例如通过螺纹），以将凸缘1008相对于焊炬部件1026、电源接触件1024和/或焊炬1020轴向和/或径向固定。在某些实施例中，凸缘反作用于或安置于焊炬1020的其它部件。 

系统1000的一个或多个部件可与涡流环1038形成一体。例如，凸缘1008可结合或以其它方式固定到涡流环1038以形成一体部件。在某些实施例中，接触元件1002在机加工和制造过程中由与涡流环1038相同的材料制成。弹性件1004可通过例如径向过盈配合或其它固定方法固定到接触元件1002-涡流环1038组合。在某些实施例中，弹性件1004未固定到接触元件1002或涡流环1038。 

电极本体1022可朝向电源接触件1024移动（例如通过气体压力），使得电极本体1022的表面1042与接触元件1002的相应表面1044配合以建立电连通和直接接触。与焊炬1020的转移电弧操作相关的电流通过电极本体1022和接触元件1002之间。 

图11A示出用于接触启动式等离子弧焊炬的示例性接触元件。接触元件1100包括第一表面1102、第二表面1104、延伸部分1106和限制部分1108。第一表面1102构造成与等离子弧焊炬的电源接触件（未示出）电连通。例如，通过与电源接触件的相应表面（未示出）的直接接触可建立电连通。第二表面1104构造成与电极本体（未示出）、弹性导电件或两者电连通。例如，可通过第二表面1104与电极本体的相应表面之间的直接接触建立与电极本体的电连通。在某些实施例中，电源接触件和第一表面1102之间的直接接触和电极本体和第二表面之间的直接接触建立电流流过电源接触件（例如电源）和电极本体之间的路径。 

接触元件的延伸部分1106与限制部分1108相邻。在某些实施例中，延伸部分和限制部分形成一体（例如由相同材料制成）。延伸部分1106从第二表面1104垂直突出。如图所示，延伸部分1106限定具有一直径的圆形横截面，但也可以是其它几何形状。限制部分1108的宽度w超过延伸部分1106的直径， 且限制部分1108的厚度t小于该直径。 

图11B示出围绕竖直轴线转动90°的图11A的接触元件。在某些实施例中，限制部分1108和延伸部分1106沿如图11B所示的第一定向行进入电极本体（未示出）的插孔内。与插孔相邻的开口尺寸设置成使限制部分1108和延伸部分1106能够进入插孔。但是，围绕竖直轴线转动（例如，如图1A所示）接触元件1100可将接触元件1100定位成限制部分1108反作用于插孔的一部分以阻止接触元件与电极本体脱开。接触元件1100可以其它方式（例如通过螺纹或通过过盈配合）固定到电极本体。 

图12A是用在接触启动式等离子弧焊炬的组件1200的局部剖开立体图。组件1200包括电极1204、中空本体1208、弹性件1212和电源接触件1216。电极1204包括电极本体1220，电极本体包括用于容纳发射件1228的远端1224。电极1204还包括远离远端1224设置的端部1232。端部1232相对于远端1224（例如与电极本体1220相邻）设置。电极本体1220包括一组螺旋形沟槽1236，用于引导气流或促进组件1200的冷却。例如当组件1200安装在焊炬（未示出）内时，电极1204可沿轴线A移动，以可滑动地与中空本体1208的内表面1204配合。中空本体1208包括前部1244和后部1248。在一实施例中，前部1248包括从外表面1256到内表面1240的一个或多个孔1252。孔1252可赋予流过组件1200的气体以相对于轴线A的涡流运动。具有用于产生涡流气流的这种孔1252的中空本体1208通常称为涡流环。应当认识到，涡流环仅是中空本体1208的变型，且本文所揭示的系统能够用于中空本体1208中或涡流环构造中。还应当认识到，中空本体可与焊炬的一部分形成一体。 

电极1204的端部1232包括沿轴线A轴向延伸的部分1260。该部分1260包括沿第一方向（例如径向远离轴线A）的第一长度1264（或距离）和沿第二方向（例如径向远离轴线A并垂直于第一方向）的第二长度1268（或距离）。中空本体1208包括相对于内表面1240设置（例如限定在内表面1240上）的肩部1272。肩部1272还可称为成型部、台阶或凸缘并可具有相对于内表面1240的各种几何形状（例如半圆、三角形、矩形或不规则多边形几何形状）。肩部1272限定第一部分1276和第二部分1280。第一部分1276和第二部分1280协作以形成电极1240的部分1260可移动通过的成型开口。更具体地说，第二部 分1280位于距离轴线A一段距离处，该距离足以便于第二长度1268可滑动地穿过其中。第一部分1276与第二部分1280协作以限定具有槽1284的开口，槽1284的尺寸比第一长度1264大得足够多以便于第一长度1264可滑动地穿过其中。电极1204安装在焊炬内中空本体1208中，使得部分1260可沿轴线A轴向移动并往复穿过由第一部分1276和第二部分1280限定的开口。 

部分1260还包括表面1288，表面1288包括用于与弹性件1212电连通的第一区域1290和用于例如通过与电源接触件1216的相应表面1294直接接触而与电源接触件1216电连通的第二区域1292。弹性件1212弹性地朝向远端1224推压电极1204。当安装喷嘴时，通过与远端1224直接接触的喷嘴（未示出）来阻止电极1204从焊炬弹出。喷嘴固定到焊炬使得部分1260（例如通过第一区域1290）与弹性件1212直接接触。例如，安装喷嘴推压部分1260穿过槽1284并将第一区域1290定位成与弹性件1212直接接触。当安装喷嘴时，弹性件被压缩。 

弹性件1212定位在肩部1272和电源接触件1236的凸缘1296之间。弹性件1212保持或夹在中空本体1208（例如通过肩部1272）和电源接触件1216（例如通过凸缘1296）之间。因此肩部1272保持弹性件1212并便于电极1204触及弹性件1212和电源接触件1216。 

电源接触件1216与电源（未示出）电连通。在引导电弧引发期间，电源向电源接触件1216提供引导电弧电流，且该电流从凸缘1296流动通过弹性件1212到达电极1204的第一区域1290。在引导电弧引发期间，等离子气体（未示出）围绕电极流动，且等离子气体增加电极1204上的流体压力。压力朝向电源接触件1216轴向移动电极1204并将其移动到与之直接接触。电极1204和喷嘴的实际分离在喷嘴和电极1204之间形成的等离子腔（未示出）内产生引导电弧。压力将电极1204移动到与电源接触件1216直接接触和电连通以进行转移电弧操作。当电极1204与电源接触件接触时，部分1260设置在槽1284内。 

在转移电弧操作期间，转移电弧电流通过部分1260的表面1280的第二区域1292和电源接触件1216的相应表面1294之间的直接接触，从电源通过电源接触件1216流到电极1204。在转移电弧操作期间，气体压力增加以形成用 于处理工件（未示出）的等离子射流。 

尽管示出组件1200为第一区域1290直接与弹性件1212直接接触，但也可能是其它构造。例如，弹性件1212可包括固定到弹性件1212的诸如环形、垫圈状板之类的分离接触表面（未示出）以与电极1204直接接触和电连通。类似地，电源接触件1216的相应表面1294可镀有或涂有材料使得电极1204与镀层或涂层接触而不是与电源接触件1216本身接触。这些构造也在本发明的范围内。 

在某些实施例中，中空本体1208的前部1244和后部1248形成一体（例如由同一件相同材料制成）。在某些实施例中，前部1244和后部1248由不同材料制成，例如前部1244可由绝缘材料制成，且后部1248可由导电材料制成。 

在某些实施例中，槽1284的尺寸或大小明显大于第一长度1264以便于电极1204在中空本体1208内围绕轴线A的某些角位移（例如，当部分1260设置在槽1284内时）。槽1284也可抵抗电极1204围绕轴线A的角位移，例如通过反作用于部分1260来阻止角位移。在某些实施例中，表面1288的第一区域1209和第二区域1292不共面或不形成相同表面的各区域。例如，第一区域1290可轴向远离第二区域1292地设置，使得电极1204的部分1260包括轴向台阶、凸缘或肩部（未示出）。 

图12B是图12A的组件1200的分解立体图，其中中空本体1208的一部分被切除。图12B的视图示出安装在等离子弧焊炬（未示出）之前分解构造下的电极1204、中空本体1208、弹性件1212和电源接触件1216。组装时，电极1204可滑动地与中空本体1208配合，使得不需要螺纹就可将电极1204附连到中空本体1208。示出弹性件1212的表面1297。当弹性件1212设置在焊炬内时，表面1297与中空本体1208的肩部1272接触。第一区域1290移动通过槽1284并与弹性件1212的表面1297的至少一部分直接接触和电连通。 

图12C是图12A的组件1200的一部分的正视图。图12C示出中空本体1208、电源接触件1216以及弹性件1212的表面1297。未示出电极1204，但可参照图12A中所示的电极1204的各个特征。中空本体1208包括肩部1272。肩部1272限定第一部分1276和第二部分1280，该两部分协作以形成电极1204的部分1260可移动通过的成型开口。如图所示，当电极1204安装在焊炬内时， 第一部分1276和第二部分1280协作以形成电极1204的部分1260可移动（例如，通过往复滑动）穿过的开口内的槽1284A和1284B。在这种构造中，中空本体1208内的槽1284A和1284B具有与电极的部分1260的形状互补的形状。槽1284A和1284B形状的互补在于它们可构形成接纳电极的部分1260。但是，槽1284A和1284B的形状不需要与电极的部分1260的形状匹配。而是，槽1284A和1284B的形状仅需要能够允许电极的部分1260可通过（clearance）。 

在某些实施例中，第一部分1276和第二部分1280协作以形成具有一槽1284A或1284B（但不是两者）的成型开口。槽1284A和1284B中的每一个由彼此平行的两个部分1285限定。两个部分1285还可限定其它几何形状或定向，例如，两个部分1285可相对于轴线A径向定向（例如，以形成三角形槽1284）。两个部分1285还可以是圆形、半圆形或其它弯曲形状。一般而言，两个部分1285可限定使电极的部分1260能够穿过肩部1272（例如，穿过由第一部分1276和第二部分1280所限定的开口）的任何几何形状。 

从轴线A到第二部分1280的距离d₁大于从轴线A到第一部分1276的距离d₂。从轴线A到弹性件1212的距离d₃大于距离d₂且小于距离d₁。在某些实施例中，距离d₃可小于距离d₂（例如，当环形板（未示出）固定到弹性件1212时）。从轴线A到电源接触件1216的距离d₄小于距离d₃，以便于第二区域1292穿过弹性件1212并与电源接触件1216的相应表面1294直接接触和电连通。 

在某些实施例中，电极1204不移动穿过肩部，例如，当部分1260和槽1284A和1284B不对准时。在这种构造中，部分1260与肩部1272接触，这阻止部分1260穿过其中。在某些实施例中，电极1204可以可靠地设置在焊炬内。例如，部分1260可整个穿过肩部1272与弹性件1212接触（例如，通过第一区域1290）。部分1260压缩弹性件1212。弹性件1212朝向远端1224推压电极1204。在部分1260围绕轴线A角位移时，肩部1272的近表面（未示出）阻止电极1204的远向移动。部分1260和肩部1272的近表面之间的相互作用防止弹性件1212使电极1204从中空本体1208和/或焊炬中弹出。 

在某些实施例中，部分1260具有围绕主线A定中心的圆形构造。在这些实施例中，部分1260包括与弹性件1212直接接触和电连通的第一区域1290（例如，圆形构造的环形外周界）和与电源接触件1216电连通和直接接触的 第二区域1292（例如，设置在环形外周界内的区域）。如上所述，第一区域1290和第二区域1292可以共面（例如，相同表面的部分）或不共面（例如，不同表面的部分）。在替代性实施例中，第一区域1290可以是沿电极1204的纵向轴线的长度设置的分开的径向延伸部分（未示出），诸如径向延伸穿过电极1204的销。径向延伸部分以与第一区域1290相同的方式起作用，通过提供用于将电极1204电联接到弹性件1212的机构来传导引导电弧。在一实施例中，径向延伸部是可穿过肩部1272的细长肩部或销，同时仍使弹性件1212能够保持在中空本体1208内。在这种实施例中，肩部1272设置成朝向电极的远端沿着在中空本体1208的轴向长度更向下。 

图13A是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极1300的立体图。电极1300类似于图12A中所示的电极1204。电极包括远端1304和第二端1308。第二端1308包括沿轴线A轴向延伸的延伸部分1312。延伸部分1312限定三个部分1316A、1316B和1316C（也称为“翼片”），三个部分都远离轴线A延伸。三个部分1316A、1316B和1316C中的每一个限定第一长度l₁和比第一长度l₁长的第二长度l₂。在某些实施例中，三个部分1316A、1316B和1316C中的每一个的第一长度l₁和第二长度l₂的值相同。三个部分1316A、1316B和1316C中的每一个的第一长度l₁和第二长度l₂的值也可以不同。示出长度l₁和l₂方向彼此垂直。在某些实施例中，长度l₁和l₂在其它构造中可定向成例如径向远离轴线A分别朝向点1320A和1320B。也可能有长度l₁和l₂的其它方向。 

如图所示，三个部分1316A、1316B和1316C中的每一个以等角间距构造（例如部分1316A、1316B和1316C中每一个之间的角度θ约为120°）围绕轴线A设置。但是，三个部分1316A、1316B和1316C可设置成非等角间距的围绕轴线A的其它角度构造。 

三个部分1316A、1316B和1316C中的每一个包括用于与弹性件（未示出）的相应表面（未示出）电连通和/或直接接触的相应的第一区域1324A、1324B和1324C。三个部分1316A、1316B和1316C中的每一个包括用于与电源接触件（未示出）的相应表面（未示出）电连通和/或直接接触的相应的第二区域1328A、1328B和1328C。 

如图所示，每个部分1316A、1316B和1316C的第一区域1324A、1324B 和1324C示出为与相应第二部分1328A、1328B和1328C共面。在某些实施例中，第一区域1324A、1324B和1324C不与相应第二区域1328A、1328B和1328C不共面。在某些实施例中，第二区域1328A、1328B和1328C不与其它第二区域彼此共面。在某些实施例中，三个部分的子集（例如1316A和1316B）与弹性件电连通，而其它部分（例如1316C）不与弹性件电连通。不与弹性件电连通的部分（例如1316C）可提供对准结构或增加的表面面积以改进对电极的冷却。在转移电弧操作期间，部分1316C仍可移动到与电源接触件直接接触和电连通。在某些实施例中，第一区域1324A、1324B和1324C或第二区域1328A、1328B和1328C或两者可与延伸部分1312重合。例如，通过与延伸部分1312电连通（例如，通过上述滑动电接触），引导电流和/或转移电弧电流可流过电源和电极1300之间。 

图13B是用于图13A的电极1300的组件1340的正视图。组件1340包括中空本体1344、弹性件1348和电源接触件1352。该组件类似于图12C中所示的组件1200。组件1340构造成用于图13A的电极1300。更具体地说，中空本体1344包括具有第一部分1360和第二部分1364的肩部1356，两部分协作以形成具有三个槽1368A、1368B和1368C的成型开口。开口和三个槽1368A、1368B和1368C便于相应部分1316A、1316B和1316C移动穿过开口并与弹性件1348直接接触和电连通。如上所述，示出槽1368A、1368B和1368C的尺寸大约与部分1316A、1316B和1316C的尺寸相同；但是，槽1368A、1368B和1368C可比相应部分1316A、1316B和1316C大（例如，周向更大）。 

图14A-14B、15A-15B和16示出类似于上述实施例地操作的电极和组件的替代性实施例。 

图14A是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极1400的立体图。电极1400包括四个部分1404A、1404B、1404C和1404D。 

图14B是用于图14A的电极1400的组件1420的正视图。组件1420包括中空本体1424，中空本体包括肩部1428，该肩部1428包括第一部分1432和第二部分1436，该两部分限定具有四个槽1440A、1440B、1440C和1440D的成型开口，以便于四个相应部分1404A、1404B、1404C和1404D穿过成型开口并与弹性件1444和电源接触件1448直接接触和/或电连通。 

图15A是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极1500的立体图。电极1500包括五个部分1504A、1504B、1504C、1504D和1504E。 

图15B是用于图15A的电极1500的组件1520的正视图。组件1520包括中空本体1524，中空本体包括肩部1528，肩部限定成型开口，以便于五个相应部分1504A、1504B、1504C、1504D和1504E穿过成型开口并与弹性件1532和电源接触件1536直接接触和/或电连通。电极1500可以类似于上述用于图12A的电极1204、图13A的电极1300和图14A的电极1400的方式使用。 

等离子弧焊炬的工作电流的值可与特定电极所包括的部分的数量（例如，图13A的三个部分1316A-1316C、图14A的四个部分1404A-1404D、或图15A的五个部分1504A-1504E）有关或相关。例如，，具有三个部分1316A-1316C的电极可用于在转移电弧操作期间在约60安培下工作的焊炬。具有四个部分1404A-1404D的电极可用于在转移电弧操作期间在约80安培下工作的焊炬。具有五个部分1504A-1504E的电极可用于在转移电弧操作期间在约100安培下工作的焊炬。采用图13A、14A和15A中所示的设计的电极可分别用于构造有如图13B、14B和15B所示成型开口的焊炬。在某些实施例中，电极可包括五个以上的部分。 

通过将翼片的数量与焊炬工作电流相关联，可确保使用用于焊炬的给定工作电流的正确电极。例如，在60安培焊炬的工作中，使用具有三个槽1368A、1368B和1368C的中空本体1344会接纳具有相应数量部分（或“翼片”），例如三个部分1316A-1316C的60安培的电极。另一方面，如果使用者试图在构造有三个槽1368A、1368B和1368C的60安培焊炬中使用100安培电极，例如，具有五个部分1504A-1504E的电极1500，电极1500和中空本体1344会不相配。五个部分1504A-1504E被阻止穿过三个槽1368A－1368C。通过采用这种系统，可对特定电极优化特定焊炬。因此，在某些实施例中，防止使用者将具有五个翼片的电极（例如电极1500）用于未对该电极优化的焊炬（例如，具有三个槽1368A-1368C的焊炬）。此外，阻止具有较少翼片（例如三个部分1316A-1316C）的电极（例如，电极1300）用于采用更多槽（例如中空本体1524的五个槽）的焊炬，这通过优化流过电极的电流量来延长电极的工作寿命。 

图16是用在接触启动式等离子弧焊炬的电极1600的立体图。电极1600 包括远端1604和第二端1608。第二端1608包括延伸部分1612，延伸部分1612限定具有直径d₁的表面1616。两个区域1620A和1602B沿轴线A从表面1616延伸。区域1620A和1620B各限定相应端表面1624A和1624B。端表面1624A和1624B可用于与弹性件的相应表面（例如，图12C的弹性件1212的表面1297）直接接触和电连通。用于引导电弧引发的电流通过表面1624A和1624B和区域1620A和1620B在弹性件（未示出）和电极1600之间流过。在引导电弧引发期间电极1600沿向近端的方向移动（例如，远离远端1604）时，区域1620A和1620B压缩弹性件。表面1616移动到与电源接触件（未示出）的相应表面（未示出），如图12A的电源接触件1216的表面1294直接接触和电连通以进行转移电弧操作。 

区域1620A和1620B还限定相应延伸表面1628A和1628B。区域1620A和1620B可穿过图12C的槽1284A和1284B（例如，由肩部1272的第一部分1276和第二部分1280限定的槽1284A和1284B）。延伸部分1628A和1628B可反作用于槽1284A和1284B以阻止或抵抗电极1600在焊炬中围绕轴线A的角位移。如图所示，区域1620A和1620B基本上平行于轴线A。也可使用区域1620A和1620B的其它构造或对准结构。区域1620A和1620B中的每一个限定比直径d₁小的直径d₂。 

在某些实施例中，第二延伸部（未示出）从表面1616延伸并限定第二表面（未示出）。第二表面可平行于表面1616。第二延伸部分可向远端延伸（例如，朝向远端1604）以在第二端1608内限定相对于表面1616的空腔（未示出）。第二延伸部分可向近端延伸（例如远离远端1604）以限定圆柱形或底座状部分（未示出）。在这些实施例中，第二表面可移动到与电源接触件的相应表面直接接触和电连通以进行转移电弧操作。 

区域1620A和1620B彼此直径相对设置并距离轴线A相等间距。在某些实施例中，电极1600包括两个以上的区域1620A和1620B（例如，分别用于图13B、14B和15B的组件1340、1420和1520的三个、四个或五个区域）。在某些实施例中，电极1600仅包括一个区域1620A或1620B。在这些实施例中，区域1620A或1620B可平行于轴线A或与其对准。在这种实施例中，肩部（例如肩部1272）可限定具有基本上连续周界（例如，没有槽1284）的开口。开口 的直径可小于弹性件的外径并大于弹性件的内径以阻止弹性件从焊炬移除。区域1620A或1620B的直径小于开口的直径但大于弹性件的内径，以便于区域1620A或1620B和弹性件之间的接触。 

尽管参照特定的实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解可对其进行形式和细节的各种改变而不背离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。例如，尽管示出某些表面是平面的，但也可使用可具有其它的、非平面的几何形状，诸如球形、半球形、圆锥形和/或圆柱形几何形状的表面而不背离本发明的精神和范围。