用于接触启动式等离子弧焊炬的电极及使用该电极的接触启动式等离子弧焊炬

摘要

提供了一种用于接触启动式等离子弧焊炬的部件。所述部件包括中空本体，所述中空本体界定出具有纵向轴线的通道。所述通道能够沿所述纵向轴线可滑动地容纳电极本体。所述部件包括设于所述中空本体内的接触元件，并且包括第一表面和第二表面。当以转移电弧模式操作所述等离子弧焊炬时，所述第一表面适于促进与电源的电连通，并且所述第二表面适于与所述电极本体的表面形成物理接触。此外，当以引导电弧模式操作所述焊炬时，所述第二表面与所述电极本体的表面之间不形成物理接触。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请为申请于2007年2月20日并且要求申请于2006年2月17日的第 60/774,451号美国专利申请的优先权权益的第11/709,315号美国专利申请的部 分接续案，本申请的申请人同时享有上述两份申请，并且提供整体引用的方式 将其合并在此。

技术领域

本发明主要涉及等离子弧焊炬，尤其是应用于接触启动式等离子弧焊炬的 电极和焊炬。

背景技术

被称为工件的金属材料的切割和标记中，广泛使用等离子弧焊炬和激光器 之类的材料处理装置。等离子弧焊炬通常包括焊炬本体，安装在本体内的电极， 具有中心排出孔的喷嘴，电连接件，用于冷却和弧控制流体的通路，用以对流 体流动模式进行控制的涡流环，以及电源。焊炬内使用的气体可以是惰性气体 (例如氩气或氮气)，或活性气体(例如氧气或空气)。焊炬产生等离子弧， 而等离子弧是高温且高动量的等离子气体的收缩离子化射流。

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物理接触和电连通来产生其间的电流通路。 电极和喷嘴可配合以在焊炬本体内产生等离子腔。将电流提供至电极和喷嘴， 并且将气体引入等离子腔。增大气体压力直到该压力足以使得电极和喷嘴分 离。该分离使得在等离子腔内电极和喷嘴之间形成电弧。该电弧使得引入的气 体离子化，从而产生可转移到工件以进行材料处理的等离子射流。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。

有多种能够产生电弧的构造。例如，电极可在焊炬本体内沿离开静止喷嘴 的方向移动。这种构造称为“倒流(blow-back)”接触启动方法，因为气压使 电极沿离开工件的方向移动。在另一构造中，喷嘴可沿离开相对静止的电极的 方向移动。这种构造称为“前流(blow-forward)”接触启动方法，因为气压 使得喷嘴沿朝向工件的方向移动。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会损坏。在所述材料处理装置 为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，各种消耗部件变得不对 齐，由此缩短了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，更换消耗部件会造成停机并 降低生产率。

在接触启动式等离子弧焊炬的倒流方法中，电极沿离开喷嘴的方向移动以 引发电极和喷嘴之间的引导电弧。电极的近端(例如，远离工件的一端)与形 成为一部分焊炬本体的电源接触件接合。电极沿离开喷嘴方向的移动还会使得 电源接触件移动。焊炬的反复使用会导致电源接触件和电极发生磨损。等离子 弧焊炬操作中，更换电极是例行操作，并且例行进行该处理。然而，更换电源 接触件包括拆卸焊炬本体并且耗时久，成本高，因为电源接触件并未设计成消 耗部件。某些倒流焊炬涉及相对于相对静止的焊炬本体移动电源接触件。此类 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之电缆的 强度或刚度的影响。

例如，图1是已知的接触启动式等离子弧焊炬的剖视图。系统100包括电 源(未示出)，其与通过载流电缆104与向焊炬112提供电流的电源接触件108 电连通。焊炬112包括与电源接触件108电绝缘并围绕电源接触件108设置的 阴极块116。电源接触件108接靠导电电极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。在引发用于处理工件(未示出)的电弧之前，通过弹 簧推压电极124以使之与喷嘴136接触。

在电缆104到电源接触件108，电极124，和喷嘴136之间形成电流通路。 电流可沿该电流通路通过。电极124与喷嘴136配合以形成等离子腔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。这一压力迫使电极124和电源接触件108沿离开喷嘴 136的方向移动。随着电极124和喷嘴136之间的间隙144增大，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，电源接触件108也 需要移动。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的挠性降低。电缆104的挠性降低会降低焊炬112的通用性和操控性。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的移动 过程中(例如，在引导电弧引发过程中)对电源接触件108进行定位和导向。

发明内容

业界需要一种优化焊炬操作而不提早出现故障的用于接触启动式等离子 弧焊炬的电极。此外，需要一种采用本发明的概念来尽可能延长现有焊炬设计 的部件寿命的接触启动式焊炬。因此，本发明的一个目的为提供一种更持久的 电极以及在等离子弧焊炬中与电极一起使用的部件。另一目的为提供一种构 造，其可减少焊炬的未设计成消耗件之部件的磨损。再一目的为提供焊炬操作 过程中(例如，引导电弧和转移电弧模式)相对于焊炬部件的对准结构。

一方面，提供了一种用于接触启动式等离子弧焊炬的部件。所述部件包括 中空本体，所述中空本体界定出具有纵向轴线的通道。所述通道能够沿所述纵 向轴线可滑动地容纳电极本体。所述部件还包括所述中空本体内的接触元件。 所述接触元件包括第一表面和第二表面。当以转移电弧模式操作所述等离子弧 焊炬时，所述第一表面促进与电源的电连通，并且所述第二表面能够与所述电 极本体的表面形成物理接触。所述第二表面的特征在于，当以引导电弧模式操 作所述焊炬时，所述第二表面与所述电极本体的表面之间不形成物理接触。

一些实施例中，所述部件包括涡流环部分，所述涡流环部分界定出外部部 分，内部部分，和从所述外部部分通过至所述内部部分的一或多个孔，以使得 流体进行涡流运动。所述涡流环部分与所述中空本体一体形成。一些实施例中， 所述中空本体包括涡流环部分。

一些实施例中，所述部件包括弹性元件，当所述电极本体插入所述通道时， 所述弹性元件接触所述电极本体。所述弹性元件构造为向所述电极本体施加分 离力。一些实施例中，所述弹性元件通过径向过盈配合固定至所述通道。所述 弹性元件连接至所述接触元件。一些实施例中，所述部件包括电源接触件，其 与所述电源和所述接触元件的第一表面电连通。

一些实施例中，所述接触元件固定不动。一些实施例中，所述通道包括用 于限制所述接触元件的纵向移动的肩部。一些实施例中，所述通道的内表面包 括绝缘材料。

另一方面，提供了一种操作接触启动式等离子弧焊炬的方法。所述方法包 括沿纵向轴线将电极本体可滑动地容纳在通道中。所述通道由所述等离子弧焊 炬的部件的中空本体界定出。所述方法包括当以转移电弧模式操作所述等离子 弧焊炬时，促进1)电源与设于所述通道中的接触元件的第一表面之间的电连 通，和2)所述接触元件的第二表面与所述电极本体的表面之间的物理接触。 所述方法还包括当以引导电弧模式操作所述焊炬时，保持所述接触元件的第二 表面与所述电极本体的表面之间不形成物理接触。

一些实施例中，所述方法包括使得流体从所述部件的外表面通过一或多个 孔至所述部件的内表面而使得所述流体进行涡流运动。一些实施例中，所述方 法通过设于所述接触元件的第二表面与所述电极本体的表面之间的弹性元件 向所述电极本体施加分离力。一些实施例中，所述方法包括将所述弹性元件连 接至所述接触元件。一些实施例中，在所述通道内限制所述接触元件的纵向移 动。

一些实施例中，所述方法包括使得所述通道的内表面绝缘。一些实施例中， 所述方法包括促进电源接触件与所述接触元件的第一表面的电连通。所述电源 接触件与所述电源电连通。

另一方面，提供了一种用于接触启动式等离子弧焊炬的部件。所述部件包 括中空本体，所述中空本体界定出具有纵向轴线的通道。所述通道能够沿所述 纵向轴向可滑动地容纳电极本体。所述部件包括设置于所述中空本体内的第一 接触元件。所述第一接触元件包括第一接触元件表面和第二接触元件表面。所 述第一接触元件表面促进与电源的电连通。所述部件还包括设于所述中空本体 内的附加接触元件。所述附加接触元件包括第一附加接触元件表面和第二附加 接触元件表面。当以转移电弧模式操作所述等离子弧焊炬时，所述第一附加接 触元件表面与所述第二接触元件表面形成物理接触，所述第二附加接触元件表 面与所述电极本体的表面之间形成物理接触。

一些实施例中，所述部件包括涡流环部分，其界定出外部部分，内部部分， 和从所述外部部分通过至所述内部部分的一或多个孔，以使得流体进行涡流运 动。一些实施例中，所述涡流环部分与所述中空本体一体形成。

一些实施例中，所述部件包括设于所述通道中的所述第二接触元件表面与 所述第一附加接触元件表面之间的弹性元件。所述弹性元件构造为向所述附加 接触元件施加分离力。所述弹性元件通过径向过盈配合固定至所述通道。一些 实施例中，所述弹性元件连接至所述第一接触元件或所述附加接触元件中的至 少一个。

一些实施例中，所述第一接触元件固定不动。所述附加接触元件可相对于 所述第一接触元件平移。一些实施例中，所述通道的内表面包括绝缘材料。

一些实施例中，所述部件还包括电源接触件，其与所述电源和所述第一接 触元件的第一接触元件表面电连通。

另一方面，提供了一种操作接触启动式等离子弧焊炬的方法，所述方法包 括沿纵向轴线将电极本体可滑动地容纳在通道中。所述通道由所述等离子弧焊 炬的部件的中空本体界定出。所述方法包括促进电源与设于所述通道内的第一 接触元件的第一接触元件表面之间的电连通。所述方法包括当以转移电弧模式 操作所述等离子弧焊炬时，促进1)所述第一接触元件的第二接触元件表面与 设于所述通道内的附加接触元件的第一附加接触元件表面之间的物理接触，和 2)所述附加接触元件的第二附加接触元件表面与所述电极本体的表面之间的 物理接触。

一些实施例中，所述方法包括使得流体从所述部件的外表面通过一或多个 孔至所述部件的内表面而使得所述流体进行涡流运动。一些实施例中，所述方 法包括通过设于所述第二接触元件表面与所述第一附加接触元件表面之间的 弹性元件向所述附加接触元件施加分离力。

一些实施例中，所述方法包括将所述弹性元件附接至所述第一接触元件或 所附加接触元件中的至少一个。一些实施例中，所述方法包括在所述转移电弧 模式过程中，使得所述附加接触元件相对于所述第一接触元件平移。一些实施 例中，所述方法包括使得所述通道的内表面绝缘。

一些实施例中，所述方法包括促进电源接触件与所述第一接触元件的第一 接触元件表面的电连通。所述电源接触件与所述电源电连通。

另一方面，提供了一种用于接触启动式等离子弧焊炬的组装件。所述组装 件包括中空本体，所述中空本体界定出纵向轴线。所述中空本体能够沿所述纵 向轴线可滑动地容纳电极本体。所述组装件包括设于所述中空本体内的接触元 件。所述接触元件包括第一表面和第二表面。当所述电极本体插入所述中空本 体时，所述第一表面能够促进与电源的电连通，并且所述第二表面能够与所述 电极本体的表面形成物理接触。所述组装件包括弹性元件，其连接至所述中空 本体中的所述接触元件。所述电极本体插入所述中空本体时，所述弹性元件与 所述电极本体形成物理接触并且向所述电极本体的表面施加分离力。

一些实施例中，当以引导电弧模式操作焊炬时，所述弹性元件将大致所有 的引导电弧电流传递至所述电极本体。一些实施例中，所述组装件包括导电元 件，当以引导电弧模式操作焊炬时，所述导电元件将大致所有的引导电弧电流 传递至所述电极本体。

一些实施例中，所述组装件为所述等离子弧焊炬的消耗部件。一些实施例 中，所述组装件还包括喷嘴，屏蔽件，涡流环，或限位罩，或者它们的组合。

一些实施例中，所述弹性元件与所述接触元件形成物理接触。

另一方面，提供了一种用于接触启动式等离子弧焊炬的电极。所述电极包 括由导电材料形成的细长电极本体。所述电极本体界定出纵向轴线。所述电极 还包括接触元件，所述接触元件包括第一表面和第二表面。当以转移电弧模式 操作所述焊炬时，所述第一表面促进与电源的电连通，并且所述第二表面能够 与所述电极本体的表面形成物理接触。所述电极包括设于所述电极本体的近端 和所述接触元件之间的弹性元件，所述弹性元件向所述接触元件的第二表面与 所述电极的表面之间施加分离力所述电极还包括导电元件，其用于1)当以引 导电弧模式操作所述焊炬时，将至少大致所有的引导电弧电流传递至所述电极 本体，或者2)当以转移电弧模式操作所述焊炬时，将至少大致所有的转移电 弧电流传递至所述电极本体，或者1)和2)的组合。

一些实施例中，所述电极包括设于所述弹性元件和所述电极本体之间或者 设于所述接触元件和所述弹性元件之间，或者设于这两个位置的绝缘材料，以 防止所述弹性元件将所述引导电弧电流或所述转移电弧电流中的至少一个转 移至所述电极本体。一些实施例中，所述弹性元件由非导电材料制成。

一些实施例中，所述导电元件为与所述接触元件和所述电极本体电连通的 电线。一些实施例中，所述导电元件为至少部分嵌入所述电极本体的探针。一 些实施例中，所述探针适于保持与所述接触元件的物理接触。一些实施例中， 所述导电元件为连接至所述电极本体的至少一部分并且与所述接触元件形成 物理接触的第二弹性元件。一些实施例中，所述导电元件构造为传递大致所有 的所述引导电弧电流和转移电弧电流。

一些实施例中，所述电极包括设于所述接触元件的第二表面与所述电极本 体的表面之间的绝缘材料，以防止所述转移电弧电流在所述转移电弧模式过程 中从所述接触元件传递至所述电极本体。

另一方面，提供了一种用于接触启动式等离子弧焊炬的电极。该电极与电 源形成电连通。所述电极包括由导电材料形成的细长电极本体。所述电极本体 界定出纵向轴线。所述电极包括靠近所述电极本体的近端的弹性元件。所述弹 性元件能够1)当以引导电弧模式操作所述焊炬时，将至少大致所有的引导电 弧电流传递至所述电极本体，或者2)当以转移电弧模式操作所述焊炬时，将 至少大致所有的转移电弧电流传递至所述电极本体。

另一方面，提供了一种操作接触启动式等离子弧焊炬的方法。所述方法包 括设置用于所述等离子弧焊炬的电极。所述电极包括界定出纵向轴线的电极本 体。所述电极本体包括靠近弹性元件的近端。所述方法包括在所述焊炬的引导 电弧操作过程中，通过所述弹性元件将至少大致所有的由电源生成的引导电弧 电流传递至所述电极本体。所述方法还包括在所述焊炬的转移电弧操作过程 中，通过所述弹性元件将至少大致所有的由所述电源生成的转移电弧电流传递 至所述电极本体。

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按比例绘制。

应理解，可以多种方式组合本发明的多个方面和实施例。根据本说明书的 教导，本领域的普通技术人员可容易地判定如何组合多个这些实施例。

附图说明

图1为现有接触启动式等离子弧焊炬的剖视图；

图2A为本发明实施例包括的电极本体，导电弹性元件，及电源接触件的 分解图；

图2B示出了引导电弧操作之前采用图2A所示部件的示意性接触启动式 等离子弧焊炬的剖视图；

图2C示出了转移电弧模式中图2B的等离子弧焊炬的剖视图；

图3A示出了用于接触启动式等离子弧焊炬的示意性电极实施例的剖视 图；

图3B详细示出了电极实施例组装之前图3A所示的电极部件；

图4A示出了引导电弧操作之前的状态下包括所示部件的示意性接触启动 式等离子弧焊炬的剖视图；

图4B示出了在转移电弧模式过程中的状态下包括所示部件的图4A的等 离子弧焊炬的剖视图；

图5A示出了包括设于电极本体插孔内的接触元件和弹性导电件的示意性 电极的剖视图；

图5B示出设为转移电弧模式的图5A所示的电极；

图6A示出了包括设于电极本体近端的接触元件和弹性导电件的示意性电 极的剖视图；

图6B示出设为转移电弧模式的图6A所示的电极；

图7A为示出体现本发明原理的示意性接触元件，弹性件，及电源接触件 的局部分解图；

图7B示出了设于等离子弧焊炬操作中的图7A所示的部件；

图8A示出了安装到等离子弧焊炬内之前的电极本体，弹性导电件，和接 触元件的另一实施例的剖视图。

图8B示出转移电弧模式过程中图8A所示部件的形态；

图9示出实现本发明的电极的另一实施例的剖视图；

图10A为示意性接触元件和弹性导电件的立体图；

图10B为在引导电弧操作过程中采用图10A的部件的等离子弧焊炬的一 部分的剖视图；

图11A示出了用于接触启动式等离子弧焊炬的示意性接触元件；

图11B示出了图11A所示接触元件绕竖直轴线转动90°。

图12示出了用于接触启动式等离子弧焊炬的电极的实施例；

图13示出了用于接触启动式等离子弧焊炬的电极的实施例；

图14示出了用于接触启动式等离子弧焊炬的电极的另一实施例；

图15A为用于接触启动是等离子弧焊炬的组装件的局部立体剖视图；

图15B为图15A所示组装件的立体分解图；

图15C为图15A所示组装件的一部分的正视图；

图16A为用于接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图；

图16B为与图16A的电极一起使用的组装件的正视图；

图17A为用于接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图；

图17B为与图17A的电极一起使用的组装件的正视图；

图18A为用于接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图；

图18B为与图18A的电极一起使用的组装件的正视图；

图19为用于接触启动式等离子弧焊炬的电极的立体图；

图20A示出了用于接触启动式等离子弧焊炬的组装件的实施例；

图20B示出了图20A所示组装件的分解立体图；

图21A示出了用于接触启动式等离子弧焊炬组装件的另一实施例；

图21B示出了图21A所示组装件的分解立体图。

具体实施方式

图2A是本发明实施例的电极本体，弹性元件，和电源接触件的分解图。 系统200包括电极本体202，弹性元件204，以及电源接触件206(也称为电源 连接件)。电源接触件206例如通过电源电缆(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提供电流，以用于操作类似 于图1所示焊炬112的等离子弧焊炬。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元件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界定出从纵向轴线 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包括设置为与弹性元件204电连通的反作用表面208。反作 用表面208设置为与电极本体202的近端210间隔开。一些实施例中，反作用 表面208界定出从纵向轴线A径向延伸的凸缘。一些实施例中，反作用表面 208与电极本体202一体形成。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设于与远端212相对的位置。所示实施例中，远 端212的直径大于近端210的直径，从而使弹性元件204在安装到焊炬内时围 绕近端210。换言之，近端210的直径小于弹性元件204的内径。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包括反作用于弹性元件204的表面214。弹性元件204反 作用于相对静止的表面214以及相对可移动的电极本体202的反作用表面208， 从而在引导电弧操作过程中以离开电源接触件206的方向推压电极本体。电极 本体202界定出接触表面216，该接触表面设置为与电源接触件206的相应表 面218物理接触且电连通。在引导电弧的后部分操作过程和转移电弧模式过程 中，接触表面216与相应表面218接靠。电源接触件206的靠近表面218并延 伸到表面214的部分220界定出使得弹性元件204围绕该部分220的直径。

一些实施例中，电源接触件206制成为图1所示电源接触件108的一部分 (例如，通过将电源接触件108加工成包括电源接触件206的特征)。通过此 类实施例，使用者能在图1所示的现有焊炬系统112中采用参照图2A所述的 概念。一些实施例中，可通过在电源接触件108上加工出凹槽并且利用夹件或 限位环(未示出)相对于焊炬112固定电源接触件108，而将电源接触件108 设置在图1所示的倒流位置。由此，电源接触件108在引导电弧操作过程中和 转移电弧操作过程中都相对于焊炬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进行修改而在图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对电源电缆的挠性要求较低。适于用作引导电 弧电流的示意性电流为约10至约31安培。转移电弧操作过程中的电流可高达 约200安培。然而，大于200安培的电流也落入本发明的范围内，例如400安 培。一些实施例中，电源接触件108由碲铜，黄铜，铜，或其他在引导电弧操 作和转移电弧操作过程中适于电流通过的材料。

一般而言，引导电弧操作是指在向电极本体202提供电流与将等离子弧转 移到工件之间的持续时间。更具体地说，引导电弧操作可包括引导电弧的引发 以及引导电弧引发之后在将电弧转移到工件之前的一些持续时间。某些焊炬设 计包括安全机构，从而无论等离子弧是否已转移到工件，在预定时间量之后终 止引导电弧操作。此类机构设计为，通过不根据特定应用(例如，处理工件) 而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。

一些实施例中，弹性元件204固定到电极本体202或电源接触件206。其 它实施例中，弹性元件204固定到电极本体202和电源接触件206两者。例如， 弹性元件204可通过焊接，软焊，结合或以其它方式固定到电极本体202或电 源接触件206。一些实施例中，弹性元件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 可比弹性元件204的内径稍大。一些实施例中，电极本体202的近端208包括 延伸部分(未示出)，所述延伸部分的内径小于弹性元件204的内径。所述延 伸部分可与电极本体202一体形成或以其它方式固定到电极本体202。此种构 造使图1所示的电极本体124可例如用于图2B所示焊炬240内。

一些实施例中，电源接触件206的部分220沿纵向轴线A呈锥形或截头锥 形。一些实施例中，电极本体202可包括径向延伸的肩部(未示出)，所述肩 部的直径大于弹性元件204的内径，由此，使得弹性元件204朝向电极本体202 的远端212前进通过(例如，越过)径向延伸肩部而可阻止弹性元件204沿轴 向朝向近端210的方向与电极本体202脱离。

一些实施例中，所述肩部的远端面(未示出)为电极本体202的反作用表 面。可相对于电源接触件206使用类似的径向过盈配合。例如，弹性元件204 可沿离开电极本体202的方向轴向前进而越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阻止弹性元件204与电源接触件脱离。一些 实施例中，弹性元件204是导电的并且面222与弹性元件204之间的界面形成 来自电源接触件206的电流通路。

一些实施例中，弹性元件204设为与电极本体202的远端212而不是近端 210间隔开。远端212通常包括铪之类的发射件(未示出)，以更有效地生成 等离子弧和处理工件。一些实施例中，弹性元件204与电极本体202或电源接 触件206一体形成。例如，弹性元件204可由与电极本体202相同的材料制成。 在其它实施例中，弹性元件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)从电极本体202脱 离。

图2B示出采用图2A所示部件和概念的示意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包括安 装在焊炬本体242内的如图2A所示的电极本体202，弹性元件204，及电源接 触件206。喷嘴244和涡流环246也安装到焊炬本体242。电源接触件206的 位置设置为相对于可移动电极本体202相对静止。电源接触件206的位置设为 与电极本体202的远端212相反(例如，在焊炬240的后端)。电极本体202 的远端212包括与喷嘴244的排出孔250大致对齐的发射件248。一些实施例 中，发射件248和排出孔250大致以纵向轴线A为中心。涡流环246的位置设 为部分限制电极本体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之间形成相对较 小的间隙。

弹性元件204反作用于电极本体202的反作用表面208并且反作用于电源 接触件206的表面214以推压电极本体202从而使之接靠喷嘴244。气体流入 电极本体202和喷嘴244之间形成的等离子腔254，并且引导电流从电源(未 示出)流至电源接触件206。

在等离子腔254内形成气体压力直到该压力足以克服由弹性元件204提供 的力。气体压力使得电极本体202沿离开喷嘴244的方向移动并且移动至与电 源接触件206接靠。电极本体202大致沿纵向轴线A移动。由于电极本体202 通过气体压力而沿离开喷嘴244的方向移动，从而在等离子腔254内产生或引 发电弧。电弧使得等离子腔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喷出并转移到工件(未示出)。

一些实施例中，弹性元件204可导电，并且构造或设计为大致传递电源接 触件206和电极本体202之间的所有引导电流。弹性元件204可由这样的材料 制成，即，其同时促进承载与引发引导电弧相关的电流或负载，并且消散与该 电流相关的热量以防止弹性导电元件在引导电弧操作过程中熔化。一些实施例 中，可例如根据材料的额定电流来选择弹性元件204的材料。一些实施例中， 弹性元件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，弹性元件206机械性质促进电极本体的移动以接触启动等离子 弧焊炬。一些实施例中，弹性元件有助于将电极本体与焊炬对齐。

弹性元件204可以是这样的导电弹簧，即，其能够在长达约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。一些实施例中，弹性元件204由X-750的 合金制成。一些实施例中，弹性元件204由不锈钢制成。例如，弹性元件204 可由17/4沉淀硬化(precipitation hardening)不锈钢丝(符合AMS5604规范) 或302型不锈钢丝(符合AMS5866或ASTM A313规范)制成。一些实施例 中，弹性元件204由直径约0.762mm(约0.03英寸)的金属丝制成并界定出 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。一些实施例中，弹性元件204涂敷或镀有银或银合金以 降低电阻和/或改进或提供电导。

尽管本文示出为螺旋压缩弹簧，弹性元件204也可例如包括波形弹簧垫 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公司的第5,994,663 号美国专利中对这些类型的弹簧进行了说明，通过引用将其内容合并入本文。 其它弹簧构造也落入本发明的范围。

一些实施例中，弹性元件204为设于电极本体202的近端210的金属丝， 且第二弹性元件(未示出)设于电极本体202的远端212。第二弹性元件在引 导电弧操作过程中朝向远端204推压电极本体，且在焊炬操作过程中(例如， 在引导电弧操作过程中和在工件处理过程中)限制电极本体202的径向运动。 由此，第二弹性元件在焊炬操作过程中使得电极本体202对齐。

一些实施例中，弹性元件204仅在电源接触件206和电极本体202之间传 导最小的引导电弧电流或者不传导。例如，弹性元件204可由不具导电性或较 低导电性的材料制成。或者，弹性元件204可涂有绝缘材料以防止传导电流。 一些实施例中，可采用一或多个导电元件在电源接触件206和电极本体202之 间传导引导电弧电流。例如，可使用电线将引导电弧电流从电源接触件206传 递至电极本体202。

图2C示出转移电弧模式过程中图2B所示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以大致平面物理接 触的方式接合以建立电连通(例如，电流通过接触表面216和相应表面218的 界面在电极本体202和电源接触件206之间传送)。当电极本体202的接触表 面216接靠电源接触件206的相应表面218时，形成至少一部分电流直接在电 源接触件206和电极本体202之间传送的电流通路。当电弧转移至工件之后， 向焊炬240供给切割电流(例如，在转移电弧模式过程中)。

一些实施例中，弹性元件204导电。弹性元件204构造为在引导电弧操作 过程中在电源接触件206和电极本体202之间传递电流，但在转移电弧模式过 程中不承载主要电流量。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通过弹性元件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。即，当电极本体202处于倒流状态 (例如，电极本体202的表面216与电源接触件206的表面218形成物理接触 和电连通)，基本上所有的用以维持等离子电弧的电流(处于转移电弧模式) 都直接在表面216和表面218之间传递。图2A，2B，和2C中所示的设计由 此将双重功能(即，朝向喷嘴244推压电极本体202以及提供电源接触件206 和电极本体202之间的电流通路)结合为单个部件内以降低消耗部件的数量并 简化焊炬设计。

一些实施例中，弹性元件204在转移电弧模式中承载至少一部分的电流。 例如，弹性元件204可承载实质量的转移电弧电流，由此，当电源接触件206 和电极本体202这两个部件在转移电弧模式过程中形成接触时而使得无电流或 仅有较小电流从电源接触件206传递至电极本体202。例如，可通过在电极本 体202的表面216上及/或在电源接触件206的表面218上设置绝缘材料而达 成。此外，弹性元件204可设为适当的尺寸或以其他方式构造，以承载转移电 弧电流。

弹性元件204为导电丝或金属条，用于在引导电弧操作和/或转移电弧操 作过程中在电源接触件206和电极本体202之间传递电流。一些实施例中，弹 性元件204是导电套管，其与电源接触件206和电极本体202电连通以在其间 传递电流。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。一些实施例中，例如弹簧之类的第二 弹性元件(未示出)可与弹性元件204一起使用，从而提供将电极本体202朝 向喷嘴244推压的机械功能。

一些实施例中，弹性元件204不导电并且主要用于提供朝向喷嘴244推压 电极本体202的分离力。使用至少一个导电元件(例如，非弹性线)来从电源 接触件206向电极本体202供给用于引导电弧操作及/或转移电弧操作的电流。 若导电元件传递主要的引导电弧电流，则该部件在一实施例中能够在长达约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。若所述导电元件用作引导电弧模式和转 移电弧模式这两个模式过程中的主要电流通路，则该部件在一实施例中可在转 移电弧操作过程中传导高达约200安培的电流而不改变其性能。

一些实施例中，电源接触件206和弹性元件204都安装至焊炬本体242， 并且相对于可移动电极本体202相对固定。例如，当喷嘴244离开焊炬本体242 时，弹性元件204将电极本体202推压出焊炬本体242(例如，电极本体被弹 出)。这一实施例中，电极本体202系焊炬240的消耗部件。其它实施例中， 电极本体202和弹性元件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的磨损。在等离子弧焊炬操作和工件处理过程中，电极本体302的远端 304的位置设为靠近工件(未示出)，而近端308的位置则设为远离工件。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包括导电弹性元件310(这里也称为弹性导电元件310)。弹性 导电元件310构造成在引导电弧操作过程中在电源(未示出)和电极本体302 之间传递基本上所有的引导电弧电流。弹性导电元件310示出为螺旋弹簧，其 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)接合。 凸缘312可以是用于弹性导电元件310的反作用表面。弹性导电元件310和电 极本体302的凸缘312之间的物理接触形成电流通路。

一些实施例中，弹性导电元件310固定到凸缘312(例如，通过软焊或焊 接)使得弹性导电元件310由电极本体302保持。弹性导电元件310可通过径 向过盈配合或其它类型的摩擦配合来保持。一些实施例中，弹性导电元件310 与电极本体302一体形成(例如，电极本体302和弹性导电元件310由同一件 材料制成)。弹性导电元件310可相对于电极本体302固定以在处理或维护操 作过程中防止弹性导电元件310与电极本体302脱离。

如图所示，电极本体302包括与电极本体302一体形成的一组翼片314。 翼片314增加电极本体302的表面面积并用作导热表面以在焊炬操作过程中冷 却电极本体302。所述多个翼片314还形成一种类型的密封件，其使得引入等 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朝向近端308沿轴线A纵向移动。如上所述，当引导电弧电流 在弹性导电元件310和电极本体302之间传递时，电极本体302的朝向近端308 的移动引发引导电弧。

所述多个翼片314的布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公司的第4,902,871号美国专利中对示意 性性翼片314进行了说明，通过引用将其内容合并入本文。所述多个翼片314 示出为从纵向轴线A径向延伸。所述多个翼片314也可能是其它构造，例如沿 轴线A纵向延伸，如在亦转让给新罕布什尔州汉诺威的Hypertherm公司的第 6,403,915号美国专利中所述，通过引用将其内容合并入本文。电极300的某 些实施例不包括翼片314，并且气压在电极本体302的不同表面施加力以在引 发引导电弧过程中移动电极本体。

电极300包括接触元件316，所述接触元件包括第一表面318和第二表面 320。第一表面318构造为与电源(未示出)电连通。例如，第一表面318可 接靠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过程中与电极本体302的相应接触表面322电 连通。一些实施例中，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保持与电源接触件物理配合或接触)。 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，弹性导电元件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接合。其它用于提供从接触元件316经由弹性导电元件310 到电极本体302的电流通路的构造也落入本发明的范围内。一些实施例中，第 二导电元件(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元件310相比具有较低的电阻和/或较高的电导率。此类 实施例中，弹性导电元件310沿离开接触元件316的方向推压电极本体(例如， 执行机械功能)，但不承载主要的引导电流量。一些实施例中，弹性导电元件 310固定到接触元件316(例如，通过焊接或软焊)或与接触元件316一体形 成。一些实施例中，弹性导电元件310可设于接触元件316的第二表面320和 电极本体的相应接触表面322之间。一些实施例中，接触元件316的第一表面 318与弹性导电元件310接合。

所示的电极本体302包括插口324，其设于电极本体302近端308并与电 极本体302的远端304处的孔306分离(例如，孔306和插口324都不是通孔)。 一些实施例中，插口324大致与轴线A对齐并且界定出内表面326。接触元件 316包括从第二表面320延伸的连接构件328。一些实施例中，连接构件328 可滑动地与电极本体302接合。例如，连接构件328包括大致与纵向轴线A同 轴的对齐部分330。对齐部分330能够可滑动地与插口324的内表面326接合。 一些实施例中，对齐部分330和内表面326之间的接合配合限制电极本体302 或接触元件316在焊炬内的径向运动。

插口324可构造为阻止接触元件316与电极本体302脱离。电极本体302 包括设于插口324近端的限制表面332，用于反作用于接触元件316的一部分 从而阻止脱离。一些实施例中，限制表面332反作用于接触元件316的连接构 件328或对齐部分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可设置在插口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 大致平面的方式与电极本体302的接触表面322物理接触。

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元件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，弹性导电元件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或对齐部分330可制成相对紧的公差，该公差足以形成电 流通过例如插口324传递至电极本体302的低电阻通路。需要相对紧的公差来 防止在连接构件328或对齐部分330和插口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，弹性导电元件310， 以及接触元件316未形成一体组装件。更具体地说，接触元件316(例如，连 接构件128和对齐部分130)可与弹性导电元件310和电极本体302(例如插 口324)自由脱离。在某些实施例中，连接构件328和对齐部分330的长度不 超过插口324的深度，从而使接触元件未“触底”于插口324的底部表面334。

电极本体302的近端308可界定出与插口324相邻的唇部336，该唇部沿 纵向轴线A轴向延伸。唇部336可与电极本体302由同一件材料制成。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脱离)。例如，连接构件328和对齐 部分330可设置在插口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物理接触时，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变形进入相邻插口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 成面对的物理接触。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。在型锻过程中，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，允许接触元件316脱离电极本体302)之前可承受约356N的 力(例如，约80磅的力)。

在某些实施例中，弹性导电元件310在唇部336变形之前设置在电极本体 302(例如，与凸缘312物理接触)和接触元件316(例如，与第二表面320 物理接触)之间。弹性导电元件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脱离。 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 组装件。

一些实施例中，限制表面332具有环形构造(例如，当唇部336沿纵向轴 线A围绕插口324的周界轴向延伸时)。在其它实施例中，沿插口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或对齐部分330可自 由插入插口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和连接构件或对齐部分330之间的干涉而阻止 接触元件316脱离。

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包括界定出气体入口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406物理接触和电连通。弹性导电元件310推 压电极本体302远离电源接触件406并与喷嘴408形成物理接触和电连通。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包括排出孔412，排出孔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的排出孔412相邻的排出端口420。排放端口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还包括界定出一个 或多个端口424的涡流环422，所述一或多个端口使气体(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。引导电流在电源和电源接触件406 之间传递。电源接触件406将引导电流横穿电源接触件406和接触元件316的 第一表面318之间的界面传递至接触元件316。引导电流在接触元件316(例 如第二表面320)和弹性导电元件310之间传递。然后电流在弹性导电元件310 和电极本体302以及喷嘴408之间传递。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，或其它适于在引导电弧操作和转移电弧操作过程中传递电流的材料制成。

在引导电弧操作过程中，气体通过由焊炬本体402界定出的入口404进入 焊炬400。沿由焊炬本体402界定出的通道426导向气体。涡流环422界定出 使气体能够从通道426传递至由涡流环422的外部和部分418界定出的空间 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元件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 导电弧操作过程中和转移电弧模式过程中都限制电极本体302的径向运动，接 触元件316与电极本体302对齐。由于电极本体302远离喷嘴408移动，在电 极本体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物理接触和电连通，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，弹性导电元件310在倒流构造中(例如在引导电弧引发之后的引 导电弧操作过程中)承载电流。在某些实施例中，弹性导电元件310仅在引导 电弧引发过程中承载电流。

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，在引导电弧引发过程中转移电弧(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公司的第6,133,543号美国专利 中进行了描述，通过引用将其内容合并在此。

切割电流例如可为约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。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，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物理接触和电连通。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)过程中电极本体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。

一些实施例中，弹性导电元件310构造为在引导电弧操作和转移电弧操作 过程中都传递大致所有的电流。在转移电弧操作中，电源将电流传递至电源接 触件406。此后，电源接触件406将电流传递至接触元件316，而接触元件316 将电流传递至弹性导电元件310，而弹性导电元件310将电流传递至电极本体 302和喷嘴408。在“倒流”形构造中，可采用合适的机构来防止电极本体302 和接触元件316之间的直接电流传递。一些实施例中，电极本体302的接触表 面322及/或接触元件316的第二表面320可涂有绝缘材料以防止在转移电弧 模式中当电极本体302和接触元件316形成接触时电流在两者之间的传递。一 些实施例中，转移电弧模式中，电极本体的接触表面322和接触元件316的第 二表面320之间保持物理间隙，以防止电流转移。例如，可通过确保弹性导电 元件310沿纵向轴线足够长及/或电极本体302沿纵向长度足够短，而使得电 极本体的接触表面322和接触元件316的第二表面320在“倒流”构造下无法 形成物理接触来实现。一般地，在引导电弧操作和转移电弧操作中，弹性导电 体310都可在接触元件316和电极本体302之间形成具有最小电阻的电流路径。 一些示意性实施例中，弹性导电元件310能够传导高达200安培的电流。

图5A示出包括设置在电极本体的插口内的接触元件和弹性导电元件的示 例性电极的剖视图。电极500包括电极本体502，电极本体502界定出远端504 和沿纵向轴线A相反设置的近端506。远端504界定出用于接纳发射件510的 孔508。电极本体502的近端506界定出围绕纵向轴线A定中心呈圆柱形构造 中的插口512。在某些实施例中，可使用用于插口512的非圆柱形构造。插口 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 口512界定出设置在插口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/或物理接触。插口512还界定出第二 接触表面516。

电极500包括设置在插口512内的接触元件518和弹性导电元件520。接 触元件518界定出第一表面522和第二表面524。第二表面524构造成反作用 于弹性导电元件520和插口512的第二接触表面516。弹性导电元件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推压到接 靠喷嘴(未示出)。在某些实施例中，弹性导电元件520可反作用于插口512 内的第三表面(未示出)。

接触元件518界定出设计成围绕电源接触件的环形构造。环形构造提供对 齐部分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，相对于插口512保持接触元件 518和弹性导电元件520。在某些实施例中，锥形部分528是阻止接触元件518 和弹性导电元件520从电极本体502(例如插口512)脱离的限制表面。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元件520 从电极本体502脱离。在某些实施例中，锥形表面528界定出环形构造。在某 些实施例中，插口512不包括锥形部分528，且不相对于插口512对接触元件 518和弹性导电元件520进行限位。

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界定出轴向延伸 部分542，轴向延伸部分542构造成与插口512和电极500的接触元件相互作 用。轴向延伸部分542界定出用于分别与电极本体502的第一接触表面514(例 如由插口512所界定出)和接触元件518的第一表面522电连通和/或物理接 触的第一相应表面544和第二相应表面546。电源接触件540还界定出座部分 548，其构造为对应于电极本体502的锥形部分528以限制电极本体502的径 向运动。

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/或物理接触，以形成在焊 炬操作过程中相对于电极本体502保持相对静止的界面。接触元件518的第二 表面524起初远离插口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。

在引导电弧操作过程中，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传递至接触元件518，并从接触元件518通 过弹性导电元件520到达电极本体502，使得弹性导电元件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形成接触，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形成接触。基本上所有 的切割电流从电源接触件540通过接触元件516传递至电极本体502和直接传 递至电极本体。在转移电弧操作过程中，弹性导电元件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 过程中基本上将所有的电流传递至电极本体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 的每一个之间物理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元件的示例 性电极的剖视图。电极600包括电极本体602，电极本体602界定出远端604 和沿纵向轴线A相反设置的近端606。远端604界定出用于接纳发射件610的 孔608。电极600包括接触元件612和弹性导电元件614。接触元件612界定 出第一接触表面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/或物理接触(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/或物理接触。电极本体602的近端606界定出与电 源接触件电连通和/或物理接触的接触表面622。电极本体602界定出反作用表 面624，用于反作用于弹性导电元件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界定出第一限制表面626，该限制 表面(例如通过径向过盈配合)阻止接触元件612与弹性导电元件614脱离。 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 性导电元件614可相对于电极本体602脱离。在某些实施例中，弹性导电元件 614固定到电极本体602或电源接触件612或两者。

接触元件614界定出环形构造并包括限制电极本体602径向运动的对齐部 分628。例如，对齐部分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的直径比对齐部分628的直径稍小，使得部分630能够 可滑动地沿纵向轴线A与对齐部分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界定出开口 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 口部分644邻接。插口部分644界定出第一接触表面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/或物理接触，第二接触表面 648用于与电极本体602的接触表面622电连通和/或物理接触。插口部分644 的尺寸设置成除电极本体602的近端606的一部分之外还接纳接触元件612和 弹性导电元件614。在某些实施例中，插口部分644的尺寸设置成仅接纳电极 本体602的近端606。

安装过程中，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/或物理接触，以形成在焊炬操作过程中相对于电极本体 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。

在引导电弧操作过程中，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传递至接触元件612，并从接触元件612通 过弹性导电元件614到达电极本体602，使得弹性导电元件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/或物理接触，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/或物理接触。 基本上所有的切割电流从电源接触件640通过接触元件612传递至电极本体 602和直接传递至电极本体602。在转移电弧操作过程中，弹性导电元件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 过程中基本上将所有的电流通到电极本体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 的每一个之间物理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，弹性元件，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对齐的电 源接触件702，接触元件704以及弹性元件706。电源接触件702界定出与空 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。第二弹性元件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脱离(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，第二弹性元件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，第二弹性元件714镀有导 电金属，例如金，银，镍，或锡。在某些实施例中，第二弹性元件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。弹性元件706可在引导电弧引发过程中使引导电流在电源和电极本 体之间传递。

电源接触件702界定出邻接孔708的表面716，以将电流传递至接触元件 704的第一相应表面718，第一表面718与延伸部分712邻接。接触元件704 还包括用于反作用于第一弹性元件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且直径比弹性元件706 的内径小，使得弹性元件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界定出周界表面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。弹性元件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)。在转移电弧操作过程中，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与弹性元件706形成一体并由与弹性元件706 相同的材料制成。在某些实施例中，部件728是与弹性元件706分开的部件和 /或由与弹性元件706不同的材料制成并固定到弹性元件706。部件728示出为 联接到弹性元件706的环形垫圈。也可使用部件728的其它构造，例如围绕弹 性元件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元件 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，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 移电弧操作过程中，部件728的第二表面与接触元件704的端表面726物理接 触，且部件728的第一表面与电极本体物理接触，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，弹性元件706是不导电的，且导电元件(未示出)在引 导电弧操作过程中提供到部件728的电流通路。导电元件可以是设置成例如通 过软焊，焊接或其它在接触元件704或电源接触件702和导电元件之间建立电 接触的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。

在转移电弧操作过程中，转移电弧电流可经由物理接触(例如，通过周界 表面724，端表面726，或两者)在接触元件704和电极本体之间传递。这种 构造可使用具有相对低额定电流的导电元件来将引导电流传递至电极本体，这 允许使用相对小的导电元件。较小的导电元件有利于减少导电元件和焊炬系统 的移动部分(例如，弹性元件706和电极本体)之间的物理干涉。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传递至电极本体。

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，且第二弹性元件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脱离。接触元件704的第一相应表面718 抵靠在与空腔710邻接的表面716上或与之物理接触，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或弹性元 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(physical interface)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以方便电源连接件 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，弹性导电元件和接触元件 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对齐的电极本 体802，接触元件804和弹性导电元件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界定出第一表面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(例如通过弹性导电元件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脱离。肩部 810的第二表面814构造成与弹性导电元件806的表面818配合以形成反作用 界面。

接触元件804界定出第一表面820和第二表面822。第一表面820设计或 构造成抵靠在电源接触件(未示出)的相应表面(未示出)上或与该表面相配 以建立物理接触和电连通。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界定出的表面826。在某些实施例中，弹性导电元件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界定出插口828。 插口828的尺寸设置成使弹性导电元件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口828内。

在某些实施例中，在引导电弧操作过程中，接触元件804的第一表面820 与电源接触件电连通(和/或物理接触)。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元件 806和第二表面822之间的界面在接触元件804和弹性导电元件806之间传递。 弹性导电元件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和弹性导电元件806之间。一般而言，当电极800安装于等离 子弧焊炬时，插口828，弹性导电元件806和/或表面812配合以限制电极本体 802的径向运动。

图8B示出转移电弧模式过程中图8A的部件的构造。在引导电弧模式过 程中，气体压力反作用于电极本体802，以克服弹性导电元件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界定出远离电极本体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对齐的电极本体902，接触元件904，和弹性导电元件906。电 极本体902界定出径向延伸表面908，该延伸表面可反作用于弹性导电元件906 的表面910以阻止弹性导电元件906与电极本体902脱离(例如夹住)。弹性 导电元件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元件06与 电极本体902脱离。

接触元件904界定出插口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/或物理接 触，第二表面用于与电极本体902的相应表面918电连通和/或物理接触。插 口912的尺寸可设置成使插口的内径稍小于弹性导电元件906的外径。接触元 件904和插口912可按压在或压迫在弹性导电元件906上以建立弹性导电元件 906的一部分和插口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固定到弹性导电元件906和 电极900。一般而言，当电极900安装在等离子弧焊炬内时，插口912与弹性 导电元件906配合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元件的立体图。 系统1000包括接触元件1002和设置在接触元件1002的插口1006内的弹性导 电元件1004。接触元件1002包括界定出一个或多个通孔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使得气体以涡流运动，例如以冷却电极本体或等离子弧焊炬。在某 些实施例中，弹性导电元件1004固定或紧固(例如结合)到接触元件1002。 在某些实施例中，弹性导电元件1004与接触元件1002一体形成。

图10B示出在引导电弧操作过程中采用图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对齐的接触元件1002， 弹性导电元件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配合来界定出气体通道 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并用于工件 处理。通过围绕电极本体1022朝向电源接触件1024流动(例如通过由翼片1032 引导围绕电极本体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，凸缘反作用于或抵靠于焊炬 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在机加工或制造过程中由与涡流环1038相同的材料制成。弹性 元件1004可通过例如径向过盈配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，弹性元件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 通和物理接触。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)的物理接触可建立电连通。第二表面 1104构造成与电极本体(未示出)，弹性导电元件或两者电连通。例如，可通 过第二表面1104与电极本体的相应表面之间的物理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之间的物理接触和电极 本体和第二表面之间的物理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界定出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)的插口内。与插口相邻的开口尺寸设置成使限制部分1108和延 伸部分1106能够进入插口。然而，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反作用于插口的一部 分以阻止接触元件与电极本体脱离。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。

本发明的一些实施例中，弹性元件在接触元件与电极本体之间具有最小的 电流或者不具有电流传导。弹性元件主要提供朝向喷嘴推压电极本体的机械功 能。例如，图12示出了包括此类弹性元件的电极实施例的剖视图。电极1700 包括电极本体1702，其界定出沿纵向轴线A相对设置的远端1704和近端1708。 电极本体1702的近端1708界定出绕纵向轴线A定中心的插口1724。

电极1700包括接触元件1716，其具有与电源(未示出)电连通的第一表 面1718，适于与电极本体1724的接触表面1722接触的第二表面1720，及从 第二表面1720延伸入插口1724的连接件1728。连接件1728构造为可滑动地 与电极本体1702接合。例如，连接件1728包括与纵向轴线A大致同轴的对齐 部1730。一些实施例中，电极本体1702包括设于插口1724近端的限制件1732， 用于反作用于接触元件1716的连接件1728或对齐部1730，从而防止接触元件 1716的脱离。

电极1700包括弹性元件1710和电线或导电条之类的导电元件1712，导电 元件1712将电极本体1702电连接至接触元件1716或电源(未示出)。弹性 元件1710的功能为大致类似于参考图3A和3B描述的导电弹性元件312的分 离功能。然而，弹性元件1719设计为在接触元件1716和电极本体1702之间 传递最小电流或不传递电流。

然而，一些实施例中，弹性元件1710由碲铜，银，银铜合金或其它合金 之类的导电材料制成。由此，可在弹性元件1710和电极本体1702表面之间弹 性元件1710与接触元件1716形成接触的地方设置绝缘材料1706。所述绝缘材 料适于基本上防止电流从弹性元件1710传递至电极本体1702。一些实施例中， 绝缘材料(未示出)可插入弹性元件1710和接触元件1715的表面之间弹性元 件1710与接触元件1716形成接触的地方。所述绝缘材料适于基本上防止电流 在接触元件1716和弹性元件1710之间传递。一些实施例中，弹性元件1710 由介电材料之类的绝缘或低导电性的材料制成。

导电元件1712可设计为在引导电弧操作过程中传递大致所有的引导电弧 电流，或者在转移电弧操作过程中传递大致所有的电流，或者它们的组合。一 些实施例中，导电元件1712传递大致所有的引导电弧电流。更具体地，在引 导电弧操作过程中，引导电流在电源和接触元件1716之间传递通过导电元件 1712至电极本体1702，由此，导电元件1712承载大致所有的引导电弧电流。

一些实施例中，转移电弧模式中，导电元件1712在电源和电极本体1702 之间传递大致所有的切割电流，例如，根据焊炬系统的设定可高达20，50，或 100安培。由此，由于电极本体1702以离开喷嘴(未示出)的方向移动以生成 电弧，可采用防止电流在接触元件1716的第二表面1720和电极本体1702的 接触表面1712之间直接传递的机构。例如，可在接触元件1716的第二表面1720 和电极本体的接触表面1722之间插入绝缘材料(未示出)，以基本上防止电 流传递。由此，在转移电弧操作中，导电元件1712提供接触元件1716和电极 本体1702之间的最小电阻及/或最大电导率的路径。

其他实施例中，在转移电弧操作过程中，导电元件1712不传递电流或仅 传递最小电流。或者，随着电极本体1702的接触表面1722与接触元件1716 的第二表面形成物理接触，由此形成的界面提供从电源到电极本体1702之间 传递在转移电弧模式过程中大致所有电流的直接电路径。具体地，所述界面提 供接触元件1716和电极本体1702之间的最小电阻及/或最大电导率的路径。

一些实施例中，转移电弧操作过程中，电流通过导电元件1712和当接触 元件1716的第二表面1720触碰到电极本体1702的接触表面1722时形成的物 理界面这两者在接触元件1716和电极本体1702之间传递。多个电流路径可通 过减小与物理接触相关的机械负载而减少电极本体1702和接触元件1716的物 理磨损，由此延长电极1700的寿命。

图13示出了电极1800的另一实施例，其包括构造为将最小电流或没有电 流传递至电极本体1802的弹性元件1810。弹性元件1810的功能为大致类似于 参考图3A和3B描述的导电弹性元件312的推压功能。上文已根据图12描述 了防止弹性元件1810进行电流传导的多种机构。

电极1800包括电极本体1802，其界定出沿纵向轴线A相对设置的远端 1804和近端1808。电极本体1802的近端1808界定出绕纵向轴线A为中心的 插口1824。电极1800还包括接触元件1816，其具有与电源(未示出)电连通 的第一表面1818，适于与电极本体1802的接触表面1822物理接触的第二表面 1820，及从第二表面1820延伸入插口1824的连接件1827。连接件1827构造 为可滑动地与电极本体1802接合。例如，连接件1827包括与纵向轴线A大致 同轴的对齐部1830。一些实施例中，电极本体1802包括设于插口1824近端的 限制部1832，以反作用于连接件1827或接触元件1816的对齐部1830，从而 防止接触元件1816的脱离。一些实施例中，对齐部1830界定出开口1834，其 构造为容纳部分嵌入电极本体1802的探针1828的第一部分1831。如图所示， 开口1834大致绕纵向轴线A为中心。

探针1828包括延伸进入插口1824的第一部分1831和嵌入电极本体1802 的第二部分1832。第一部分1831可制成在开口1834内具有相对紧的公差并且 与开口1834的内表面的至少一部分保持恒定的接触。转移电弧操作过程中， 随着电极本体1802在气体压力下沿离开喷嘴的方向移动，探针1828的第一部 分1831进一步前进进入开口1834，直至第一部分1831的表面1838接触开口 1834的第一表面1836及/或第二部分1832的表面1842接触开口1834的第二 表面1840。

探针1828可为由铜合金制成的导电探针及/或例如，金，银，镍，或锡之 类的金属材料电镀的导电探针。一些实施例中，探针1828构造为传导大致所 有的引导电弧电流。例如，引导电弧操作过程中，引导电弧电流从电源(未示 出)传递至接触元件1816并且从接触元件1816传递至导电探针1828的第一 部分，其构成引导电弧电流在过程中传递的低电阻路径。此后，探针1828将 引导电弧电流传递至电极本体1802。

一些实施例中，在转移电弧模式中，由探针1828在电源和电极本体1802 之间传递基本上所有的切割电流。更具体地的，在转移电弧模式中，第一部分 1831的表面1838与开口1834的第一表面1836之间的接触及/或第二部分1832 的表面1842与开口1834的第二表面1840之间的接触提供接触元件1816和电 极本体1802之间的最小电阻路径。一些实施例中，由于电极本体1802在转移 电弧操作过程中沿离开喷嘴(未示出)的方向移动，可使用与参考图12描述 的设计类似的机构来防止电流在接触元件1816的第二表面1820与电极本体 1802的接触表面1812之间直接传递。

一些实施例中，在转移电弧操作过程中，电流通过探针1828和当接触元 件1816的第二表面1820触碰到电极本体1802的接触表面1822时形成的电流 路径这两者在接触元件1816和电极本体1802之间传递。多个电流路径可通过 减小与物理接触相关的机械负载而减少电极本体1802和接触元件1816的物理 磨损，由此延长电极1800的寿命。

图14示出了电极1900的再一实施例，包括构造为将最小电流或没有电流 传递至电极本体1902的弹性元件1910。弹性元件1910的功能为大致类似于参 考图3A和3B描述的导电弹性元件312的推压功能。上文已根据图12描述了 防止弹性元件1910进行电流传导的多种机构。

电极1900包括电极本体1902，其界定出沿纵向轴线A相对设置的远端 1904和近端1908。电极本体1902的近端1908界定出绕纵向轴线A为中心的 插口1924。电极1900还包括接触元件1916，其具有与电源(未示出)电连通 的第一表面1918，构造为与电极本体1902的接触表面1922物理接触的第二表 面1920，及从第二表面1920延伸入插口1924的连接件1928。连接件1928构 造为可滑动地与电极本体1902接合。例如，连接件1928包括与纵向轴线A大 致同轴的对齐部1930。一些实施例中，电极本体1902包括设于插口1924近端 的限制部1932，以反作用于连接件1927或接触元件1916的对齐部1930，从 而防止接触元件1916的脱离。

电极本体1902包括部分1924，其轴向延伸进入插口1924并且界定出小于 第二弹性元件1940的内径的较小直径，从而使得第二弹性元件1940围绕部分 1942。第二弹性元件1940构造为反作用于接触元件1916的对齐部1930的表 面1944以提供分离力。转移电弧操作过程中，气体压力将电极本体1902(未 示出)推离喷嘴并且克服弹性元件1910和第二弹性元件1940的分离力，以朝 向近侧端1908轴向移动电极本体1902直至对齐部分1930的表面1944与部分 1942的对应表面1946形成物理接触。

第二弹性元件1940例如可为由铍铜制成的导电元件。其他导电金属也落 入本发明的范围。一些实施例中，在引导电弧的引发过程中，第二弹性元件1940 构造为在接触元件1916和电极本体1902之间传递大致所有的引导电弧电路。 在一些实施例中，在转移电弧操作中，电流通过第二弹性元件1940和当对齐 部分1930的表面1944接触到部分1942的对应表面1946时形成的电流路径这 两者在在接触元件1916和电极本体1902之间传递。此外，由于电极本体1902 沿离开喷嘴(未示出)的方向移动以生成电弧，可使用与参考图12描述的设 计类似的机构来防止电流在接触元件1916的第二表面1920与电极本体1902 的接触表面1922之间直接传递。

如图12-14所示，弹性元件可为非导电性，并且构造为主要促进电极本体 移动以进行等离子弧焊炬的接触启动。或者，在转移电弧操作过程中，可采用 一或多个导电元件以在引导电弧操作过程中将引导电弧电流从电源传递至电 极本体，或者以在转移电弧操作过程中将切割电流从电源传递至电极本体，或 者它们的组合。例如，图12所示的导电元件1712，图13所示的探针1828， 或图14所示的第二弹性元件1940可设为适当的尺寸并且设计为传导一种或两 者用于接触启动式等离子弧焊炬的电流。阅读完本发明之后，本领域的普通技 术人员应理解并且清楚可以多种组合的方式使用这些设计。

图15A为是用于接触启动式等离子弧焊炬的组装件1200的局部立体剖视 图。组装件1200包括电极1204，中空本体1208，弹性元件1212，及电源接触 件1216。电极1204包括电极本体1220，电极本体1220包括容纳发射件的远 端1224。电极1204还包括其位置远离远端1224的端部1232。相对于远端1224 确定端部1232的位置(例如，靠近电极本体1220)。电极本体1220包括一组 螺旋形沟槽1236以对气流进行导向或者方便组装件1200的冷却。当组装件 1200安装在焊炬(未示出)时，电极1204可沿轴线A移动，从而例如可滑动 地与中空本体1208的内表面1240接合。中空本体1208包括前部分1244和后 部分1248。一实施例中，前部分1244包括一或多个从外表面1256到内表面 1240的孔1252。孔1252可使得流经组装件1200的气体相对于轴线A进行涡 流运动。具有此类用以生成涡流气流的孔1252的中空本体1208通常称为涡流 环。应认识到，涡流环系中空本体1208的简单变化并且本文所述的系统可在 中空本体1208中或涡流环构造中起作用。还应认识到，中空本体可为焊炬一 体形成的一部分。

电极1204的端部1232包括沿轴线A轴向延伸的部分1260。部分1260包 括沿第一方向(例如，径向离开轴线A的方向)的第一长度1264(或距离) 和沿第二方向(例如，径向离开轴线A并且垂直于第一方向)的第二长度1268 (或距离)。中空本体1208包括相对于内表面1240设置的肩部1272(例如， 界定在内表面1240上)。肩部1272也可成为轮廓部(contour)，台阶部，或 凸缘，并且可相对于内表面1240具有多种几何形状(例如，半圆形，三角形， 矩形，或不规则多边形几何形状)。肩部1272界定出第一部分1276和第二部 分1280。第一部分1276和第二部分1280相配合以形成电极1240的部分1260 可在其中移动的成型开口。更具体地，第二部分1280离开轴线A的距离足以 使得第二长度1268能够在其间滑动通过。第一部分1276与第二部分1280相 配合以界定出具有槽1284的开口，槽1284的尺寸大于第一长度1264并且足 以使得第一长度1264能够在其间滑动通过。电极120以在中空本体1208内的 方式安装在焊炬中，以使得部分1260可沿轴线A轴向移动并且往复穿过由第 一部分1276和第二部分1280界定的出开口。

部分1260还包括表面1288，其包括用于与弹性元件1212电连通的第一区 域1290和用于与电源接触件1216电连通的第二区域1292，例如，通过电源接 触件1216的对应表面1294的物理接触。弹性元件1212朝向远端1224弹性推 压电极1204。通过当安装好时与远端1224物理接触的喷嘴(未示出)阻止电 极1204从焊炬中弹出。喷嘴固定至焊炬，从而使得部分1260(例如，通过第 一区域1290)与弹性元件1212形成物理接触。例如，安装喷嘴可推压部分1260 使其穿过槽1284并且将第一区域1290的位置确定为与弹性元件1212形成物 理接触。当喷嘴安装好时，弹性元件1212受到压缩。

弹性元件1212定位在肩部1272和电源接触件1216的凸缘1296之间。弹 性元件1212限位或卡合在中空本体1208(例如，通过肩部1272)和电源接触 件1216(例如，通过凸缘1296)之间。肩部1272由此限制弹性元件1212并 且促进电极1204接触弹性元件1212和电源接触件1216。

电源接触件1216与电源(未示出)电连通。引导电弧引发过程中，电源 将引导电弧电流提供至电源接触件1216，并且所述电流从凸缘1296经由弹性 元件1212流至电极1204的第一区域1290。引导电弧引发过程中，等离子气体 (未示出)绕电极流动，并且所述等离子气体增大电极1204上的流体压力。 所述压力使得电极1204朝向电源接触件1216轴向移动并且形成物理接触。电 极1204和喷嘴的物理分离在形成于喷嘴和电极1204之间的等离子室(未示出) 中生成引导电弧。压力使得电极204与电源接触件1216形成物理接触并且电 连通。当电极1204与电源接触件形成接触时，部分1260设于槽1284之内。

转移电弧操作过程中，转移电弧电流通过部分1260的表面1288的第二区 域1292与电源接触件1216的对应表面1294之间的物理接触从电源经由电流 接触件1216流至电极1204。转移电弧操作过程中，气体压力增大以形成用于 处理工件(未示出)的等离子射流。

尽管组装件1200图示为第一区域1290与弹性元件1212形成直接的物理 接触，但其他构造也是可用的。例如，弹性元件1212可包括例如环形垫圈板 之类的分离接触表面(未示出)，其固定至弹性元件1212以形成与电极1204 的物理接触和电连通。类似地，电源接触件1216的对应表面1294上可电镀或 涂覆有材料，由此使得电极1204与电镀层或涂覆层接触而不是电源接触件 1216本身接触。此类构造也落入本发明的范围。

一些实施例中，中空本体1208的前部分1244和后部分1248一体形成(例 如，由相同的材料件制成)。一些实施例中，前部分1244和后部分1248由不 同的材料形成，例如，前部分1244由绝缘材料制成，而后部分1248有导电材 料制成。

一些实施例中，槽1284的尺寸大致大于第一长度1264以促进在中空本体 1208内绕轴线A对电极1204进行一些角位移(例如，当部分1260设于槽1284 内时)。槽1284还可阻止电极1204绕轴线A角位移，例如，通过反作用于部 分1260以防止角位移。一些实施例中，表面1288的第一区域1290和第二区 域1292并非共平面或者不形成为同一表面的区域。例如，第一区域1290可沿 轴向远离第二区域1292，以使得电极1204的部分1260包括轴向台阶部，凸缘， 或肩部(未示出)。

图15B为图18A所示组装件1200的立体分解图，其中中空本体1208切 去一部分。图18B示出了在安装到等离子弧焊炬(未示出)之前处于未装配状 态的电极1204，中空本体1208，弹性元件1212，电源接触件1216。装配过程 中，电极1204可滑动地接合中空本体1208，由此电极1204无需螺纹即可附接 至中空本体1208。图中示出了弹性元件1212的表面1297。当弹性元件1212 位于焊炬内时，表面1297与中空本体1208的肩部1272形成接触。第一区域 1290移动穿过槽1284并且与弹性元件1212的表面1297的至少一部分形成物 理接触和电连通。

图15C为图18A所示组装件1200的一部分的正视图。图15C示出了中空 本体1208，电源接触件1216，及弹性元件1212的表面1297。未示出电极1204， 但参考图18A描述的电极1204的多个部件。中空本体1208包括肩部1272。 肩部1272界定出第一部分1276和第二部分1280，其相配合以形成电极1204 的部分1260可在其中移动的成型开口。如图所示，第一部分1276和第二部分 1280配合以形成所述开口中的槽1284A和1284B，当电极1204安装在焊炬中 时，电极1204的部分1260可穿过其中(例如，通过往复滑动)。这一构造中， 中空本体1208的槽1284A和1284B具有与电极的部分1260互补的形状。槽 1284A和1284B形状的互补性体现在其形状设为可容纳电极的部分1260。然 而，槽1284A和1284B的形状无需与电极的部分1260的形状相匹配。相反， 槽1284A和1284B的形状仅需能够通过电极的部分1260。

一些实施例中，第一部分1276和第二部分1280配合以形成具有一个槽 1284A或1284B而非两个槽的成型开口。各槽1284A和1284B由相互平行的 两个部分1285界定出。部分1285也可界定出其他几何形状或定向，例如，部 分1285可沿径向指向轴线A(例如，形成三角形槽)。部分1285也可为圆形， 半圆形，或其他曲线形状。一般地，部分1285可界定出任何允许电极的部分 1260穿过肩部1272(例如，穿过由第一部分1276和第二部分1280界定出的 开口)的几何形状。

轴线A到第二部分1280的距离d₁大于轴线A到第一部分1276的距离d₂。 轴线A到弹性元件1212的距离d₃小于距离d₁。一些实施例中，距离d₃小于 距离d₂(例如，当环状板(未示出)固定至弹性元件1212时)。轴线A到电 源接触件1216的距离d₄小于距离d₃，以促进第二区域1292穿过弹性元件1212 并且与电源接触件1216的对应表面1294形成物理接触和电连通。

一些实施例中，电极1204不必穿过肩部，例如，当部分1260和槽1284A 和1284B未对齐时。这一构造中，部分1260接触肩部1272，肩部1272阻止 部分1260穿过。一些实施例中，电极1204可固定位于焊炬内。例如，部分1260 可整个穿过肩部1272而与弹性元件1212形成接触(例如，通过第一区域1290)。 部分1260按压弹性元件1212。弹性元件1212朝向远端1224推压电极1204。 当部分1260绕轴线A角位移时，肩部1272的近侧表面(未示出)阻止电极 1204向远侧移动。部分1260与肩部1272的近侧表面的相互作用防止弹性元件 1212将电极1204从中空本体1208及/或焊炬中弹出。

一些实施例中，部分1260具有绕轴线A为中心的圆形构造。此类实施例 中，部分1260包括与弹性元件1212形成物理接触和电连通的第一区域1290 (例如，圆形构造的环状外周界)和与电源接触件1216形成物理接触和电连 通的第二区域1292(例如，设于环状外周界内的区域)。如前所述，第一区域 1290和第二区域1292可为共平面(例如，同一表面的不同部分)或非共平面 (例如，不同表面的不同部分)。代替实施例中，第一区域1290可为沿电极 1204的纵向轴线A的长度设置的独立径向延伸部分(未示出)，如径向穿过 电极1204的销。径向延伸部分的功能与第一区域1290相同，即，作为将电极 1204电连接至弹性元件1212以传导引导电弧的机构。一实施例中，径向延伸 部分为这样的细长肩部或销，即，其可穿过肩部1272仍然允许弹性元件1212 保持在中空本体1208中。这一实施例中，肩部1272的位置沿朝向电极的远侧 端的方向位于中空本体1208的轴线长度的更下方。

图16A为用于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18A所示的电极1204。所述电极包括远端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界定出三个 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中的每一个界定出第一长度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l₁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。长度l₁和l₂也可朝 向其它方向。

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。然而，三个部分1316A，1316B，和1316C可围绕轴线A设 置成非等角间距的其它角度构造。

三个部分1316A，1316B，和1316C中的每一个包括用于与弹性元件(未 示出)的对应表面(未示出)电连通和/或物理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)的对应表面(未示出)电连通和/或物理接触的相应 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)与弹性元件电连通，而其它部分(例如，1316C)不与弹性元件电连 通。不与弹性元件电连通的部分(例如，1316C)可提供对齐结构或增加的表 面面积以改进对电极的冷却。在转移电弧操作过程中，部分1316C仍可移动到 与电源接触件物理接触和电连通。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16B是与图16A的电极1300一起使用的组装件1340的正视图。组装 件1340包括中空本体1344，弹性元件1348，和电源接触件1352。该组装件类 似于图15C所示的组装件1200。组装件1340构造成用于图13A的电极1300。 更具体地说，中空本体1344包括肩部1356，其具有第一部分1360和第二部分 1364，这两部分配合以形成具有三个槽1368A，1368B，和1368C的成型开口。 开口和三个槽1368A，1368B，和1368C促进相应部分1316A，1316B，和1316C 移动穿过开口并与弹性元件1348形成物理接触和电连通。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，316B，和 1316C大(例如，沿周向更大)。

图17A-17B，18A-18B，和19示出类似于上述实施例地操作的电极和组装 件的代替实施例。

图17A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17B是与图17A的电极1400一起使用的组装件1420的正视图。组装 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，该两部分界定出具有四个槽1440A，1440B，1440C， 和1440D的成型开口，以促进四个相应部分1404A，1404B，1404C，和1404D 穿过成型开口并与弹性元件1444和电源接触件1448物理接触和/或电连通。

图18A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18B是用于图18A的电极1500的组装件1520的正视图。组装件1520 包括中空本体1524，中空本体包括肩部1528，肩部界定出成型开口，以促进 五个相应部分1504A，1504B，1504C，1504D，和1504E穿过成型开口并与弹 性元件1532和电源接触件1536物理接触和/或电连通。电极1500可以类似于 上述用于图18A的电极1204，图16A的电极1300，和图17A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16A的三个部分1316A-1316C，图17A的四个部分1404A-1404D，或图18A 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过程中在约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过程中在约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过程中在约100安培 下工作的焊炬。采用图16A，17A，和18A中所示的设计的电极可分别用于构 造有如图16B，17B，和18B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，可确保对于焊炬的给定工作电 流使用正确的电极。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19为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 界定出具有直径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各界定出相应端表面1624A和1624B。端表 面1624A和1624B可用于与弹性元件的相应表面(例如，图15C的弹性元件 1212的表面1297)物理接触和电连通。用于引导电弧引发的电流通过表面 1624A和1624B和区域1620A和1620B在弹性元件(未示出)和电极1600之 间流过。在引导电弧引发过程中电极1600沿朝向近端的方向移动(例如，沿 离开远端1604的方向)时，区域1620A和1620B压缩弹性元件。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18A的电源接触 件1216的表面1294物理接触和电连通以进行转移电弧操作。

区域1620A和1620B还界定出相应延伸表面1628A和1628B。区域1620A 和1620B可穿过图15C的槽1284A和1284B(例如，由肩部1272的第一部分 1276和第二部分1280界定出的槽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的其它构造或对齐结构。区域1620A和1620B中的每一个 界定出比直径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延伸并界定出第二 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内界定出相对于表面1616的空腔(未示 出)。第二延伸部分可向近端延伸(例如，沿离开远端1604的方向)以界定 出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物理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16B，17B，和18B的组装件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或与其对齐。在这种实施 例中，肩部(例如，肩部1272)可界定出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元件的外径并大于弹性元件的内径以阻 止弹性元件从焊炬移除。区域1620A或1620B的直径小于开口的直径但大于 弹性元件的内径，以促进区域1620A或1620B和弹性元件之间的接触。

图20A示出了用于接触启动式等离子弧焊炬的组装件2000的实施例。组 装件2000包括电极2004，中空本体2008，弹性元件2012，接触元件2014及 电源接触件2016。电极2004包括电极本体2020，电极本体2020包括容纳发 射件2028的远端2024。电极本体2020包括一组螺旋形沟槽2036以对气流进 行导向或者方便组装件2000的冷却。当组装件2000安装在焊炬时，电极2004 可沿轴线A移动，从而例如可滑动地与中空本体2008的内表面2040接合。中 空本体2008包括前部分2044和后部分2048。一实施例中，前部分2044包括 涡流环，所述涡流环包括一或多个从外表面2056到内表面2040的孔2052。孔 2052可使得流经孔2052和组装件2000的气体相对于轴线A进行涡流运动。 涡流环可与中空本体2008一体形成。中空本体也可是等离子弧焊炬的一体形 成的一部分。一些实施例中，中空本体2008的内表面2040由绝缘材料制成或 者涂覆有绝缘材料。

如图所示，中空本体2008包括相对于内表面2040设置的肩部2072，以限 制接触元件2014在中空本体2008内的径向移动。接触元件2014包括与电源 接触件2016电连通的表面(未示出)。接触元件2014还包括沿轴线A轴向延 伸的部分2094。部分2094沿朝向远侧的方向在肩部2072的下方延伸以促进与 电极本体2020的部分2060的电连通。具体地，部分2094界定出用于与弹性 元件2012的近侧表面(未示出)形成物理接触的第一表面2096和用于与电极 本体2020的部分2060的第二表面2062形成物理接触的第二表面2098。除了 第二表面2062，部分2060还包括用于与弹性元件2012的远侧表面(未示出) 形成物理接触的第一表面2088。由此，将弹性元件2012限制在中空本体2008 内的接触元件2014与电极2004之间。一些实施例中，弹性元件2012通过径 向过盈配合固定至中空本体2008。弹性元件2012构造为向电极2004施加分离 力并且朝向远侧端2024推压电极2004。通过喷嘴(未示出)防止电极2004 从焊炬弹出。喷嘴固定至焊炬，从而使得部分2060与弹性元件2012形成物理 接触。例如，安装喷嘴可将电极2004的表面2088的位置确定为与弹性元件2012 的远侧表面形成物理接触，使得当喷嘴安装好时，弹性元件2012受到压缩。

电源接触件2016与电源(未示出)电连通。引导电弧引发过程中，电源 将引导电弧电流提供至电源接触件2016，并且然后所述电流传递至接触元件 2014。一些实施例中，弹性元件2012导电，由此引导电弧电流从接触元件2014 经由弹性元件2012传递至电极2004的表面2088。其他实施例中，弹性元件 2012不导电，由此可采用任何参考图12-14所描述的装置将引导电弧电流从接 触元件2014传导至电极2004。引导电弧引发过程中，等离子气体(未示出) 绕电极流动，并且所述等离子气体增大电极2004上的流体压力。所述压力克 服弹性元件2012施加的分离力而使得电极2004朝向电源接触件2016轴向移 动。所形成的电极2004与喷嘴之间的物理分离在由喷嘴和电极2004界定出的 等离子室(未示出)中生成引导电弧。更具体地，压力移动电极2004的第二 表面2062并使之与接触元件2014的第二表面2098形成物理接触，以进行转 移电弧操作。一些实施例中，接触元件2014固定在中空本体2008内。

转移电弧操作过程中，转移电弧电流从电源流至接触元件2014。一些实施 例中，电流通过部分2094的表面2098与部分2060的表面2062之间的物理接 触从接触元件2014流至电极2004。其他实施例中，电流通过上文参考图12-14 描述的其他装置从接触元件2014流至电极2004。转移电弧操作过程中，随着 电流增加，气体压力增大以形成用于处理工件(未示出)的切割电弧。

图20B为图20A所示组装件2000的立体分解图，其中中空本体2008切 去一部分。图20B示出了在安装到等离子弧焊炬(未示出)之前处于未装配状 态的电极2004，弹性元件2012，中空本体2008，接触元件2014，和电源接触 件2016。装配过程中，接触元件2014轴向插入中空本体直至中空本体2008 的肩部2072的近侧表面限制接触元件2014。弹性元件2012插入中空本体2008 直至弹性元件2012的近侧表面2099在中空本体2008内与接触元件2014的表 面2096形成接触。电极2004可滑动地接合中空本体2008，由此电极2004无 需螺纹即可组装至中空本体2008。电极2004适于在中空本体内与弹性元件 2012的远侧表面2097接触。一些实施例中，装配之前，弹性元件2012连接至 接触元件2014或者与其一体形成。一些实施例中，装配之前，弹性元件2012 与电极2004一体形成或者连接至电极2004。

一些实施例中，中空本体2008，电源接触件2016，弹性元件2012，及电 极2004中的至少一个系等离子弧焊炬的消耗部件。其他实施例中，中空本体 2008，电源接触件2016，弹性元件2012，及接触元件2014中的一或多个结合 为等离子弧焊炬的单个消耗部件。

图21A示出了根据本发明实施例的用于接触启动式等离子弧焊炬的组装 件2100的局部剖视立体图。所示组装件包括电极2104，中空本体2108，弹性 元件2112，第一接触元件2114，第二接触元件2115，及电源接触件2116。电 极2104和中空本体2108分别与图20A所示的电极2014和中空本体2008大致 相同。第二接触元件2115可由相对硬和导电的材料制成，例如不锈钢，铬铜， 镍，或铍铜。第二接触元件2115可由与第一接触元件2114相同或不同的材料 制成。这一组装件较佳，因为将弹性元件2112限制在该组装件的具体区域内 同时弹性元件2112可按需推压焊炬的多个部件以使其相互接触或分离。

更具体地，中空本体2108包括第一肩部2172，其相对于中空本体2108 的内表面2140设置以限制第一接触元件2114在中空本体2108内的径向移动。 中空本体2108还包括第二肩部2173，其相对于内表面2140设置以限制第二接 触元件2115朝向远侧端2124的径向移动。第一接触元件2114包括与电源接 触件2116电连通的表面(未示出)。第一接触元件2114还包括沿轴线A轴向 延伸的部分2194。部分2194沿远侧方向2124在肩部2172的下方延伸。部分 2194界定出用于与弹性元件2112的近侧表面(未示出)形成物理接触的第一 表面2196和用于与第二接触元件2114的第二表面2162形成物理接触的第二 表面2198。除了第二表面2198，第二接触元件2115还包括用于与弹性元件2112 的远侧表面(未示出)形成物理接触的第一表面2188。第二接触元件2115还 包括用于与电极2104的部分2160形成物理接触并且电连通的与第一表面2188 相对的第三表面(未示出)。由此，将弹性元件2112限制在中空本体2108内 的第一接触元件2114与第二接触元件2115之间。一些实施例中，弹性元件2112 通过径向过盈配合固定至电极本体2108。弹性元件2112构造为向第二接触元 件2115施加分离力并且朝向远侧方向推压第二接触元件2115，第二接触元件 2115向远侧端2124推压电极2114。通过肩部2173防止第二接触元件2115从 焊炬弹出并且通过喷嘴(未示出)防止电极2104从焊炬弹出。喷嘴固定至焊 炬，从而使得电极2104的部分2160与第二接触元件2115物理接触，第二接 触元件2115接触弹性元件2012。例如，安装喷嘴可将部分2160定位成与第二 弹性元件2115形成物理接触，使得当喷嘴安装好时，弹性元件2112受到第二 接触元件2115的压缩。

电源接触件2116与电源(未示出)电连通。引导电弧引发过程中，电源 将引导电弧电流提供至电源接触件2116，并且所述电流传递至第一接触元件 2114。一些实施例中，弹性元件2112导电，由此引导电弧电流从第一接触元 件2114经由弹性元件2112传递至第二接触元件2115，而第二接触元件2115 将电流传递至电极2104。一些实施例中，可采用任何参考图12-14所描述的装 置将引导电弧电流从第一接触元件2114经由第二接触元件2115传导至电极 2104。引导电弧引发过程中，等离子气体(未示出)绕电极流动，并且所述等 离子气体增大电极2104上的流体压力。所述压力克服弹性元件2112施加的力 而使得电极2104轴向向后移动，由此使得第二接触元件2115朝向第一接触元 件2114平移。所形成的电极2104与喷嘴之间的物理分离在形成于喷嘴和电极 2104之间的等离子室(未示出)中生成引导电弧。更具体地，压力移动电极 2104并使之与第二接触元件2115形成物理接触，而第二接触元件2115由电极 2104的部分2160推压以与第一接触元件2114形成物理接触，从而进行转移电 弧操作。一些实施例中，接触元件2114固定在中空本体2108内，并且第二接 触元件2115可在第一肩部2172和第二肩部2173之间相对于第一接触元件 2114平移。

转移电弧操作过程中，转移电弧电流从电源流至第一接触元件2114。一些 实施例中，电流通过第一接触元件2114的表面2198接触第二接触元件2115 的表面2162时生成的电流路径从第一接触元件2114流至第二接触元件2115。 此后，这一电流从第二接触元件2115传递至电极2104。在一些实施例中，电 流经由上文参考图12-14描述的其他装置从接触元件2014流至电极2004。转 移电弧操作过程中，气体压力增大以形成用于处理工件(未示出)的等离子射 流。

图21B为图21A所示组装件2100的立体分解图，其中中空本体2108切 去一部分。图21B示出了在安装到接触启动式等离子弧焊炬(未示出)之前处 于未装配状态的电极2104，中空本体2008，第二接触元件2115，弹性元件2112， 第一接触元件2114，和电源接触件2016。一些实施例中，在安装其他部件之 前，将第二接触元件2115和弹性元件2112预先安装到中空本体2108中的第 一肩部2172和第二肩部2173之间。

一些实施例中，中空本体2108，电源接触件2116，第一接触元件2114， 第二接触元件2115，弹性元件2112，及电极2104中的至少一个系等离子焊炬 的消耗部件。其他实施例中，中空本体2108，电源接触件2116，第一接触元 件2114，第二接触元件2115，弹性元件2112中的一或多个结合为等离子弧焊 炬的单个消耗部件。

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界定出 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 的表面而不脱离本发明的精神和范围。

应理解，可以多种方式组合本发明的多个方面和实施例。例如，图21的 方面可与图3A的电极组合，而图13的发明可与图20A的组装件组合。根据 本说明书的教导，本领域的普通技术人员可容易地判断如何组合这些实施例。