JP2001239370A - プラズマアーク・トーチ消耗部品の寿命を改善する方法と装置 - Google Patents
プラズマアーク・トーチ消耗部品の寿命を改善する方法と装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電極上への酸化物の形成をできるだけ少なく
することができるプラズマアーク・トーチの切断動作を
停止する方法と装置を提供すること。 【解決手段】 電極の酸化をできるだけ少なくして電極
の寿命を延ばすことができるプラズマアーク・トーチの
切断動作を停止する方法と装置が開示されている。酸化
ガスの流れがプラズマチャンバとノズル内に導かれ、次
いで、電流が電極に供給されてプラズマアークが形成さ
れる。電流はプラズマアークが消弧する時間Ｆよりも遅
れることなく遮断される。酸化ガスの流れは時間Ｆ以前
の所定の時点において遮断され、非酸化ガスの流れは時
間Ｆよりも遅れることなく供給され、これによって、非
酸化ガスは酸化ガスをトーチから実質的に完全に除去し
て不活性環境を生成し、その不活性環境内でアークが消
弧される。
することができるプラズマアーク・トーチの切断動作を
停止する方法と装置を提供すること。 【解決手段】 電極の酸化をできるだけ少なくして電極
の寿命を延ばすことができるプラズマアーク・トーチの
切断動作を停止する方法と装置が開示されている。酸化
ガスの流れがプラズマチャンバとノズル内に導かれ、次
いで、電流が電極に供給されてプラズマアークが形成さ
れる。電流はプラズマアークが消弧する時間Ｆよりも遅
れることなく遮断される。酸化ガスの流れは時間Ｆ以前
の所定の時点において遮断され、非酸化ガスの流れは時
間Ｆよりも遅れることなく供給され、これによって、非
酸化ガスは酸化ガスをトーチから実質的に完全に除去し
て不活性環境を生成し、その不活性環境内でアークが消
弧される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はプラズマアーク・ト
ーチに関し、さらに詳細にはプラズマアーク・トーチの
消耗部品の寿命が改善されるようにそのトーチの切断動
作を停止する方法およびプラズマアーク・トーチ装置に
関する。
ーチに関し、さらに詳細にはプラズマアーク・トーチの
消耗部品の寿命が改善されるようにそのトーチの切断動
作を停止する方法およびプラズマアーク・トーチ装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】プラズマアーク・トーチは、切断、溶
接、および焼鈍等の金属加工の用途に幅広く用いられて
いる。このようなトーチは、通常、アークを被加工品に
導くための消耗部品としての電極を備えている。酸化ガ
スのようなプラズマガスは、典型的には、通路（nozzle
assembly）を介して電極とノズル間のプラズマチャン
バに導かれ、アークを渦巻状に包囲して被加工品に衝突
する。電極は、電気的ポテンシャ子を放射する電子放射
インサートを備えている。切断または溶接プロセスが完
了したとき、通常、アークを消弧する停止プログラムに
基づいてトーチの作動が中断される。
接、および焼鈍等の金属加工の用途に幅広く用いられて
いる。このようなトーチは、通常、アークを被加工品に
導くための消耗部品としての電極を備えている。酸化ガ
スのようなプラズマガスは、典型的には、通路（nozzle
assembly）を介して電極とノズル間のプラズマチャン
バに導かれ、アークを渦巻状に包囲して被加工品に衝突
する。電極は、電気的ポテンシャ子を放射する電子放射
インサートを備えている。切断または溶接プロセスが完
了したとき、通常、アークを消弧する停止プログラムに
基づいてトーチの作動が中断される。
【０００３】一般的に、加工の後、トーチの通路および
ノズルを介して非酸化ガスを流すことによって、トーチ
から酸化ガスを排出する。酸化ガスと非酸化ガスは、通
常、１対の操作可能なバルブを介してプラズマチャンバ
に選択的に導かれる。１つ以上のガス供給路によって、
酸化ガスまたは非酸化ガスはソレノイドバルブからトー
チの先端のプラズマチャンバに導かれる。通常、切断プ
ロセスの完了時に、酸化ガスを非酸化ガスを交換するた
めに操作可能なバルブが開閉される。プラズマアーク切
断プロセスに続いてトーチを中断させる一般的な方法と
して、以下の工程、すなわち、電極への電力供給を停止
する工程、酸素のような酸化ガスの供給を停止する工
程、および窒素のような非酸化ガスを供給して酸素ガス
をトーチから排出する工程を同時に行う方法が挙げられ
る。しかし、これら３つの工程を同時に行っても、非酸
化ガスがトーチのプラズマチャンバから望ましくない酸
化ガスを完全に除去する前にプラズマアークは消弧す
る。すなわち、これら３つの工程を同時に行っても、プ
ラズマアークは電極の放射前面の近傍において非不活性
環境下で消弧する。
ノズルを介して非酸化ガスを流すことによって、トーチ
から酸化ガスを排出する。酸化ガスと非酸化ガスは、通
常、１対の操作可能なバルブを介してプラズマチャンバ
に選択的に導かれる。１つ以上のガス供給路によって、
酸化ガスまたは非酸化ガスはソレノイドバルブからトー
チの先端のプラズマチャンバに導かれる。通常、切断プ
ロセスの完了時に、酸化ガスを非酸化ガスを交換するた
めに操作可能なバルブが開閉される。プラズマアーク切
断プロセスに続いてトーチを中断させる一般的な方法と
して、以下の工程、すなわち、電極への電力供給を停止
する工程、酸素のような酸化ガスの供給を停止する工
程、および窒素のような非酸化ガスを供給して酸素ガス
をトーチから排出する工程を同時に行う方法が挙げられ
る。しかし、これら３つの工程を同時に行っても、非酸
化ガスがトーチのプラズマチャンバから望ましくない酸
化ガスを完全に除去する前にプラズマアークは消弧す
る。すなわち、これら３つの工程を同時に行っても、プ
ラズマアークは電極の放射前面の近傍において非不活性
環境下で消弧する。
【０００４】さらに具体的には、トーチから酸化ガスを
除去する工程において必ず生じる時間遅れによって、非
酸化ガスがプラズマチャンバから酸化ガスを除去する前
にアークが消弧する。この時間遅れは、バルブから電極
とノズルアセンブリに隣接するプラズマチャンバに延長
する配管および通路内に含まれるガスの容積に依存して
生じる。除去されるべき望ましくない酸化ガスはすべて
トーチのノズルから排出されねばならないが、そのよう
な排出は、ノズル孔の寸法、ガス配管、ガス通路および
プラズマチャンバの長さと容積、配管、通路およびプラ
ズマチャンバへの非酸化ガスの流量、およびノズル内の
酸化ガスの流量に依存する時間のかかる作業である。ア
ークが不活性環境下で消弧する結果として、酸化物が電
極の外面に形成される。形成された酸化物は、概して、
アークが再始動したときに燃え尽きるが、電極上での酸
化物の形成と燃切りが繰り返されることによって、消耗
部品である電極の磨耗が促進され、アークの起動性能が
劣化する。
除去する工程において必ず生じる時間遅れによって、非
酸化ガスがプラズマチャンバから酸化ガスを除去する前
にアークが消弧する。この時間遅れは、バルブから電極
とノズルアセンブリに隣接するプラズマチャンバに延長
する配管および通路内に含まれるガスの容積に依存して
生じる。除去されるべき望ましくない酸化ガスはすべて
トーチのノズルから排出されねばならないが、そのよう
な排出は、ノズル孔の寸法、ガス配管、ガス通路および
プラズマチャンバの長さと容積、配管、通路およびプラ
ズマチャンバへの非酸化ガスの流量、およびノズル内の
酸化ガスの流量に依存する時間のかかる作業である。ア
ークが不活性環境下で消弧する結果として、酸化物が電
極の外面に形成される。形成された酸化物は、概して、
アークが再始動したときに燃え尽きるが、電極上での酸
化物の形成と燃切りが繰り返されることによって、消耗
部品である電極の磨耗が促進され、アークの起動性能が
劣化する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】プラズマアーク・トー
チの中断によって生じる種々の悪影響をなくすためのい
くつかの方法が提案されている。例えば、プラズマアー
ク・トーチの切断動作を停止する１つの方法が米国特許
第５，１６６，４９４号に記載されている。この方法
は、酸化ガスの質量流量をトーチが切断経路の終端に達
するにつれて漸減させる点に特徴がある。さらに具体的
には、トーチに供給される電流を遮断してアークを消弧
するとき、アークの安定性を保つためにプラズマチャン
バ内に酸化ガスの流量を残留させ、これによって、電極
への損傷を好適に防ぐことができる、と述べられてい
る。従って、この方法においては、アークは非酸化環境
下で消弧するので、電極の外面上に酸化物が形成され
る。
チの中断によって生じる種々の悪影響をなくすためのい
くつかの方法が提案されている。例えば、プラズマアー
ク・トーチの切断動作を停止する１つの方法が米国特許
第５，１６６，４９４号に記載されている。この方法
は、酸化ガスの質量流量をトーチが切断経路の終端に達
するにつれて漸減させる点に特徴がある。さらに具体的
には、トーチに供給される電流を遮断してアークを消弧
するとき、アークの安定性を保つためにプラズマチャン
バ内に酸化ガスの流量を残留させ、これによって、電極
への損傷を好適に防ぐことができる、と述べられてい
る。従って、この方法においては、アークは非酸化環境
下で消弧するので、電極の外面上に酸化物が形成され
る。
【０００６】プラズマアーク・トーチの切断動作を停止
する他の方法が米国特許第５，０７０，２２７号に例示
されている。この方法は、プラズマチャンバを大気に開
放しながらプラズマチャンバへの酸化ガスの流れを減少
または遮断し、酸化ガスをトーチのノズルと大気への排
気口の両方から排出させて、プラズマチャンバ内のガス
の流れパターンをより急速に変化させる点に特徴があ
る。しかし、この方法においても、アークを安定させて
電極の損傷を防ぐために、プラズマチャンバ内には酸化
ガスの流量が残留している。従って、アークは不活性環
境下で消弧するので、上述したように、酸化物が形成さ
れる。
する他の方法が米国特許第５，０７０，２２７号に例示
されている。この方法は、プラズマチャンバを大気に開
放しながらプラズマチャンバへの酸化ガスの流れを減少
または遮断し、酸化ガスをトーチのノズルと大気への排
気口の両方から排出させて、プラズマチャンバ内のガス
の流れパターンをより急速に変化させる点に特徴があ
る。しかし、この方法においても、アークを安定させて
電極の損傷を防ぐために、プラズマチャンバ内には酸化
ガスの流量が残留している。従って、アークは不活性環
境下で消弧するので、上述したように、酸化物が形成さ
れる。
【０００７】本発明の目的は、上記した従来技術の課題
を解決し、電極上への酸化物の形成をできるだけ少なく
することができるプラズマアーク・トーチの切断動作を
停止する方法と装置を提供することにある。
を解決し、電極上への酸化物の形成をできるだけ少なく
することができるプラズマアーク・トーチの切断動作を
停止する方法と装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の上記および他の
目的と利点を達成するために、本発明によれば、金属電
極と、その電極の放電端に隣接するノズルアセンブリ
と、電極とノズル間に形成されるプラズマチャンバを備
えるプラズマアーク・トーチの加工動作を停止する方法
において、電極の酸化をできるだけ少なくして電極の寿
命を延ばすことを特徴とする方法が提供される。
目的と利点を達成するために、本発明によれば、金属電
極と、その電極の放電端に隣接するノズルアセンブリ
と、電極とノズル間に形成されるプラズマチャンバを備
えるプラズマアーク・トーチの加工動作を停止する方法
において、電極の酸化をできるだけ少なくして電極の寿
命を延ばすことを特徴とする方法が提供される。
【０００９】本発明の一実施態様において、酸素のよう
な酸化ガスの流れがまずバルブと通路を介してプラズマ
チャンバ内とプラズマアーク・トーチのノズル内に導か
れる。電源から電流が電極に供給されて、プラズマアー
クが生成され、そのアークは切断加工が継続されている
間、電極と被加工品間に延びている。電流は、プラズマ
アークを消弧するために、時間Ｆにおいて降下される。
酸化ガスの流れは、時間Ｆ以前の所定の時点においてバ
ルブを閉鎖することによって遮断され、窒素のような非
酸化ガスの流れが、時間Ｆよりも遅くならない内に非酸
化ガスが酸化ガスをプラズマチャンバから実質的に完全
に除去するように、バルブを開放することによって供給
される。前記所定の時点は、使用されるトーチの測定可
能ないくつかの常数、例えば、ノズルの寸法、ガス通路
およびプラズマチャンバの容積、通路およびプラズマチ
ャンバ内への非酸化ガスの流量、およびノズル内の酸化
ガスの流量などに依存して決定される。プラズマアーク
が消弧する前に非酸化ガスによって酸化ガスをトーチか
ら除去することによって、不活性環境下でアークを消弧
させることができる。
な酸化ガスの流れがまずバルブと通路を介してプラズマ
チャンバ内とプラズマアーク・トーチのノズル内に導か
れる。電源から電流が電極に供給されて、プラズマアー
クが生成され、そのアークは切断加工が継続されている
間、電極と被加工品間に延びている。電流は、プラズマ
アークを消弧するために、時間Ｆにおいて降下される。
酸化ガスの流れは、時間Ｆ以前の所定の時点においてバ
ルブを閉鎖することによって遮断され、窒素のような非
酸化ガスの流れが、時間Ｆよりも遅くならない内に非酸
化ガスが酸化ガスをプラズマチャンバから実質的に完全
に除去するように、バルブを開放することによって供給
される。前記所定の時点は、使用されるトーチの測定可
能ないくつかの常数、例えば、ノズルの寸法、ガス通路
およびプラズマチャンバの容積、通路およびプラズマチ
ャンバ内への非酸化ガスの流量、およびノズル内の酸化
ガスの流量などに依存して決定される。プラズマアーク
が消弧する前に非酸化ガスによって酸化ガスをトーチか
ら除去することによって、不活性環境下でアークを消弧
させることができる。
【００１０】本発明によれば、ガス流路を内部に有する
ノズルと、ノズルに隣接して配置された電極を有するプ
ラズマアーク・トーチが提供される。電極は、その電極
と操作可能に接続される電源から供給される電気的アー
クを維持できるように構成されている。トーチはさらに
酸化ガスの流れと非酸化ガスの流れをノズル内に導く対
のバルブと通路を備えている。プロセッサ、例えば、マ
イクロプロセッサがバルブと電源に操作可能に連結され
ている。プロセッサは、プラズマアークが消弧される前
の所定の時点において、バルブを閉鎖して酸化ガスの流
れを制御し、またバルブを開放して非酸化ガスの流れを
制御するように操作可能であり、これによって、アーク
が消弧される時間よりも遅れることなく、非酸化ガスが
ノズルから酸化ガスを実質的に完全に除去して電極に隣
接して不活性環境を形成する。従って、不活性環境下で
アークを消弧させることができる。
ノズルと、ノズルに隣接して配置された電極を有するプ
ラズマアーク・トーチが提供される。電極は、その電極
と操作可能に接続される電源から供給される電気的アー
クを維持できるように構成されている。トーチはさらに
酸化ガスの流れと非酸化ガスの流れをノズル内に導く対
のバルブと通路を備えている。プロセッサ、例えば、マ
イクロプロセッサがバルブと電源に操作可能に連結され
ている。プロセッサは、プラズマアークが消弧される前
の所定の時点において、バルブを閉鎖して酸化ガスの流
れを制御し、またバルブを開放して非酸化ガスの流れを
制御するように操作可能であり、これによって、アーク
が消弧される時間よりも遅れることなく、非酸化ガスが
ノズルから酸化ガスを実質的に完全に除去して電極に隣
接して不活性環境を形成する。従って、不活性環境下で
アークを消弧させることができる。
【００１１】本発明のいくつかの目的と利点について述
べたが、他の目的と利点は添付の図面に基づく以下の説
明によって、明らかになるであろう。
べたが、他の目的と利点は添付の図面に基づく以下の説
明によって、明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】図面、特に図１について説明する
と、本発明が適用される縦型のプラズマアーク・トーチ
１０が示されている。このトーチ１０以外にも、種々の
形式のプラズマアーク・トーチ、例えば、本発明の譲渡
人に現在譲渡されて本明細書に引例文献として添付され
ている米国特許第５，４１４，２３７号に記載のプラズ
マアーク・トーチに対しても本発明は適用できる。本発
明の一実施例によれば、プラズマアーク・トーチ１０は
ノズルアセンブリ１１と管状電極１２を備えている。プ
ラズマチャンバ４１はトーチ１０内の電極１２とノズル
アセンブリ１１間に形成されている。電極１２は、好ま
しくは銅または銅合金からなり、下側前端と上側後端を
備える管状構造のカップ部材であるホルダー１４とその
ホルダー１４の下側前端と一体的化されている横方向端
壁１６を備えている。横方向端壁１６の前端面によっ
て、電極１２の外側前面１７が設けられている。
と、本発明が適用される縦型のプラズマアーク・トーチ
１０が示されている。このトーチ１０以外にも、種々の
形式のプラズマアーク・トーチ、例えば、本発明の譲渡
人に現在譲渡されて本明細書に引例文献として添付され
ている米国特許第５，４１４，２３７号に記載のプラズ
マアーク・トーチに対しても本発明は適用できる。本発
明の一実施例によれば、プラズマアーク・トーチ１０は
ノズルアセンブリ１１と管状電極１２を備えている。プ
ラズマチャンバ４１はトーチ１０内の電極１２とノズル
アセンブリ１１間に形成されている。電極１２は、好ま
しくは銅または銅合金からなり、下側前端と上側後端を
備える管状構造のカップ部材であるホルダー１４とその
ホルダー１４の下側前端と一体的化されている横方向端
壁１６を備えている。横方向端壁１６の前端面によっ
て、電極１２の外側前面１７が設けられている。
【００１３】電極１２は、端壁１６の前面１７からトー
チ１０の縦軸に沿ってホルダー１４の上側後端に向かっ
て延長する空洞１８を有している。この空洞１８に、イ
ンサート・アセンブリ２０が取り付けられている。イン
サートアセンブリ２０は、トーチ１０の縦軸と同軸に配
置される略円筒形状の電子放射インサート２１からな
る。電子放射インサート２１は、通常、電気的ポテンシ
ャルが付加されたときに電子を容易に放射できるように
比較的仕事関数の低い金属材料によって形成される。こ
のような材料の好適な例として、ハフニウム、ジルコニ
ウム、タングステン、およびそれらの合金が挙げられ
る。
チ１０の縦軸に沿ってホルダー１４の上側後端に向かっ
て延長する空洞１８を有している。この空洞１８に、イ
ンサート・アセンブリ２０が取り付けられている。イン
サートアセンブリ２０は、トーチ１０の縦軸と同軸に配
置される略円筒形状の電子放射インサート２１からな
る。電子放射インサート２１は、通常、電気的ポテンシ
ャルが付加されたときに電子を容易に放射できるように
比較的仕事関数の低い金属材料によって形成される。こ
のような材料の好適な例として、ハフニウム、ジルコニ
ウム、タングステン、およびそれらの合金が挙げられ
る。
【００１４】図１に例示される実施例において、電極１
２は、複数のガス通路２６および２７を備えるプラズマ
アーク・トーチ本体（図示せず）内に取り付けられてい
る。トーチ１０の作動中、そのトーチ１０を冷却するた
めに、液体通路（図示せず）がトーチ本体内に設けられ
ている。ガス通路２６および２７には、適切なガス供給
源（図示せず）、本発明においては、非酸化ガス、好ま
しくは窒素（Ｎ２）の供給源と酸化ガス、好ましくは、
酸素（Ｏ２）の供給源から、ガスが供給される。なお、
酸化ガスとして、空気を用いてもよい。これらのガス
は、バルブ７０および７１を介して通路２６および２７
に個別に供給される。バルブ７０および７１は、それぞ
れ、それらのバルブ７０および７１を開閉して各ガスを
その供給源から対応するガス通路に導くための電気的に
操作可能なアクチュエータ、例えば、ソレノイド８２お
よび８４を備えているとよい。一実施例において、第１
ガス通路２６は非酸化ガスであるＮ２をプラズマチャン
バ４１に導くためのみに用いられ、第２ガス通路２７は
酸化ガスであるＯ２をプラズマチャンバ４１に導くため
のみに用いられる。図２に示される他の実施例におい
て、同一のガス通路が非酸化ガスと酸化ガスの両方をプ
ラズマチャンバ４１に導くのに用いられる。
２は、複数のガス通路２６および２７を備えるプラズマ
アーク・トーチ本体（図示せず）内に取り付けられてい
る。トーチ１０の作動中、そのトーチ１０を冷却するた
めに、液体通路（図示せず）がトーチ本体内に設けられ
ている。ガス通路２６および２７には、適切なガス供給
源（図示せず）、本発明においては、非酸化ガス、好ま
しくは窒素（Ｎ２）の供給源と酸化ガス、好ましくは、
酸素（Ｏ２）の供給源から、ガスが供給される。なお、
酸化ガスとして、空気を用いてもよい。これらのガス
は、バルブ７０および７１を介して通路２６および２７
に個別に供給される。バルブ７０および７１は、それぞ
れ、それらのバルブ７０および７１を開閉して各ガスを
その供給源から対応するガス通路に導くための電気的に
操作可能なアクチュエータ、例えば、ソレノイド８２お
よび８４を備えているとよい。一実施例において、第１
ガス通路２６は非酸化ガスであるＮ２をプラズマチャン
バ４１に導くためのみに用いられ、第２ガス通路２７は
酸化ガスであるＯ２をプラズマチャンバ４１に導くため
のみに用いられる。図２に示される他の実施例におい
て、同一のガス通路が非酸化ガスと酸化ガスの両方をプ
ラズマチャンバ４１に導くのに用いられる。
【００１５】ガス通路２６および２７を流れる非酸化ガ
スおよび酸化ガスは、それぞれ、ガス邪魔板４０を介し
てプラズマチャンバ４１内に導かれる。邪魔板４０は、
適切な高温セラミック材料によって形成されるとよい。
好ましくは、邪魔板４０は、各ガスが渦巻状の流動パタ
ーンでプラズマチャンバ４１に導かれるように接線方向
に傾斜した孔を有しているとよい。次いで、各ガスはプ
ラズマチャンバ４１からノズルアセンブリ１１を介して
非加工品Ｗに導かれる。電極１２は、高温絶縁部材４４
と協同してセラミック製ガス邪魔板４０を保持してい
る。絶縁部材４４はプラスチックまたは他の非導電性材
料によって形成されるとよい。この絶縁部材４４はノズ
ルアセンブリ１１を電極１２から電気的に絶縁する。
スおよび酸化ガスは、それぞれ、ガス邪魔板４０を介し
てプラズマチャンバ４１内に導かれる。邪魔板４０は、
適切な高温セラミック材料によって形成されるとよい。
好ましくは、邪魔板４０は、各ガスが渦巻状の流動パタ
ーンでプラズマチャンバ４１に導かれるように接線方向
に傾斜した孔を有しているとよい。次いで、各ガスはプ
ラズマチャンバ４１からノズルアセンブリ１１を介して
非加工品Ｗに導かれる。電極１２は、高温絶縁部材４４
と協同してセラミック製ガス邪魔板４０を保持してい
る。絶縁部材４４はプラスチックまたは他の非導電性材
料によって形成されるとよい。この絶縁部材４４はノズ
ルアセンブリ１１を電極１２から電気的に絶縁する。
【００１６】ノズルアセンブリ１１は上ノズル部材４５
と下ノズル部材４６によって構成されている。上下部材
４５および４６は、それぞれ、第１および第２アーク狭
窄ノズル孔４２および４３を備えている。上下部材４５
および４６は金属から形成されるとよい。但し、下ノズ
ル部材４６はアルミナのようなセラミック材料から形成
されてもよい。下ノズル部材４６は絶縁スペーサ要素お
よび水渦巻リング（図示せず）によって上ノズル部材４
５から離間されている。上ノズル部材４５の孔４２は電
極１２の縦軸と同軸に配置されている。孔４２は、好ま
しくは、円筒状形成され、プラズマチャンバ４１と隣接
する上端は約４５°に面取りされるとよい。
と下ノズル部材４６によって構成されている。上下部材
４５および４６は、それぞれ、第１および第２アーク狭
窄ノズル孔４２および４３を備えている。上下部材４５
および４６は金属から形成されるとよい。但し、下ノズ
ル部材４６はアルミナのようなセラミック材料から形成
されてもよい。下ノズル部材４６は絶縁スペーサ要素お
よび水渦巻リング（図示せず）によって上ノズル部材４
５から離間されている。上ノズル部材４５の孔４２は電
極１２の縦軸と同軸に配置されている。孔４２は、好ま
しくは、円筒状形成され、プラズマチャンバ４１と隣接
する上端は約４５°に面取りされるとよい。
【００１７】下ノズル部材４６は、前側（すなわち、下
側）端部と後側（すなわち、上側）端部を有する円筒状
本体部５２を備えている。孔４３は、下ノズル部材４６
の本体部５２内を同軸状に貫通している。環状取り付け
フランジ５３がノズル部材４６の後側端部に一体的に設
けられ、円錐台面５４が下ノズル部材４６の前側端部の
外面に第２孔４３と同軸状に形成されている。環状フラ
ンジ５３がカップ５６の下端から内側に突出したフラン
ジ５５によって下側から支持されている。カップ５６は
外側ハウジング部材（図示せず）に対して脱着自在にネ
ジ止めされている。ガスケット５７が２つのフランジ５
３および５５間に配置されている。
側）端部と後側（すなわち、上側）端部を有する円筒状
本体部５２を備えている。孔４３は、下ノズル部材４６
の本体部５２内を同軸状に貫通している。環状取り付け
フランジ５３がノズル部材４６の後側端部に一体的に設
けられ、円錐台面５４が下ノズル部材４６の前側端部の
外面に第２孔４３と同軸状に形成されている。環状フラ
ンジ５３がカップ５６の下端から内側に突出したフラン
ジ５５によって下側から支持されている。カップ５６は
外側ハウジング部材（図示せず）に対して脱着自在にネ
ジ止めされている。ガスケット５７が２つのフランジ５
３および５５間に配置されている。
【００１８】下ノズル部材４６内のアーク狭窄孔４３は
円筒状に形成され、適当なプラスチック材料からなる心
出しスリーブ６０によって上ノズル部材４５のアーク狭
窄孔４２と同軸状に位置決めされている。心出しスリー
ブ６０の上端には、上ノズル部材４５内の環状ノッチ内
に脱着自在に係止されるリップ部が設けられている。心
出しスリーブ６０は上ノズル部材４５から延長して、下
ノズル部材４６に対して付勢力を及ぼしながら係合して
いる。
円筒状に形成され、適当なプラスチック材料からなる心
出しスリーブ６０によって上ノズル部材４５のアーク狭
窄孔４２と同軸状に位置決めされている。心出しスリー
ブ６０の上端には、上ノズル部材４５内の環状ノッチ内
に脱着自在に係止されるリップ部が設けられている。心
出しスリーブ６０は上ノズル部材４５から延長して、下
ノズル部材４６に対して付勢力を及ぼしながら係合して
いる。
【００１９】図１に示されるように、主電源６７は電極
１２と被加工品Ｗに直列に接続されている。一実施例に
おいて、トーチはバルブ７０および７１と操作可能に連
結されるプロセッサ６６を備えている。プロセッサ６６
は、非酸化ガスと酸化ガスをガス通路２６および２７に
導くように、バルブ７０および７１を開閉するように作
動する。具体的には、プロセッサ６６は、少なくともア
ークを消弧させるためのアーク電流降下指令を電源６７
に伝達し、酸化ガスの流れを停止させるためにバルブ７
０を閉鎖し、非酸化ガスの流れを供給するためにバルブ
７１を開放させることができる。一実施例において、プ
ロセッサ６６は、切断加工の実際の完了前の所定の時点
において電源６７を遮断する指令を発することができ
る。前記の所定の時点は、アーク電流降下指令の電源へ
の伝達とアークの実際の消弧の間に不可避的に生じる消
弧の遅れ時間を考慮して決定される。このような遅れは
種々の要因に依存するが、通常、同一のトーチシステム
に対しては一定であり、実験的的に決定することができ
る。消弧の時間遅れを考慮することによって、アークは
所定の切断火口の完了と実質的に同時に消弧される。こ
の方法は、本発明の譲渡人に現在は譲渡されて本明細書
に引例文献として添付されている米国特許第５、８９
３、９８６号にさらに詳細に記載されている。以下の
「作動方法」の項でさらに詳しく述べるが、プロセッサ
６６は、アークが消弧する時間前に非酸化ガスが酸化ガ
スをトーチ１０から実質的に完全に除去して電極に隣接
して不活性環境を生成するようにバルブ７０および７１
の開閉を制御し、アークをその不活性環境下で消弧させ
る。
１２と被加工品Ｗに直列に接続されている。一実施例に
おいて、トーチはバルブ７０および７１と操作可能に連
結されるプロセッサ６６を備えている。プロセッサ６６
は、非酸化ガスと酸化ガスをガス通路２６および２７に
導くように、バルブ７０および７１を開閉するように作
動する。具体的には、プロセッサ６６は、少なくともア
ークを消弧させるためのアーク電流降下指令を電源６７
に伝達し、酸化ガスの流れを停止させるためにバルブ７
０を閉鎖し、非酸化ガスの流れを供給するためにバルブ
７１を開放させることができる。一実施例において、プ
ロセッサ６６は、切断加工の実際の完了前の所定の時点
において電源６７を遮断する指令を発することができ
る。前記の所定の時点は、アーク電流降下指令の電源へ
の伝達とアークの実際の消弧の間に不可避的に生じる消
弧の遅れ時間を考慮して決定される。このような遅れは
種々の要因に依存するが、通常、同一のトーチシステム
に対しては一定であり、実験的的に決定することができ
る。消弧の時間遅れを考慮することによって、アークは
所定の切断火口の完了と実質的に同時に消弧される。こ
の方法は、本発明の譲渡人に現在は譲渡されて本明細書
に引例文献として添付されている米国特許第５、８９
３、９８６号にさらに詳細に記載されている。以下の
「作動方法」の項でさらに詳しく述べるが、プロセッサ
６６は、アークが消弧する時間前に非酸化ガスが酸化ガ
スをトーチ１０から実質的に完全に除去して電極に隣接
して不活性環境を生成するようにバルブ７０および７１
の開閉を制御し、アークをその不活性環境下で消弧させ
る。
【００２０】次に、本発明のプラズマアーク・トーチの
作動方法について、図３に基づいて説明する。図３は、
本発明のプラズマアーク・トーチの作動を示すタイミン
グ・チャートである。アーク電流、酸化ガス圧、非酸化
ガス圧、および時間経過に伴なって切り換えられるトー
チ内のガスの種別が時間に対してプロットされている。
図３において、下から一番目の線は電極に付加されるア
ーク電流を示し、上から１番目の線と３番目の線は、そ
れぞれ、トーチ１０内の非酸化ガス圧と酸化ガス圧を示
している。中央の線は、時間経過に伴って切り換えられ
るトーチ１０内のガスの種別を示し、具体的には、１つ
のガスがトーチ１０のノズルアセンブリ１１内において
他のガスに実質的に完全に切り換えられる時点を示して
いる。
作動方法について、図３に基づいて説明する。図３は、
本発明のプラズマアーク・トーチの作動を示すタイミン
グ・チャートである。アーク電流、酸化ガス圧、非酸化
ガス圧、および時間経過に伴なって切り換えられるトー
チ内のガスの種別が時間に対してプロットされている。
図３において、下から一番目の線は電極に付加されるア
ーク電流を示し、上から１番目の線と３番目の線は、そ
れぞれ、トーチ１０内の非酸化ガス圧と酸化ガス圧を示
している。中央の線は、時間経過に伴って切り換えられ
るトーチ１０内のガスの種別を示し、具体的には、１つ
のガスがトーチ１０のノズルアセンブリ１１内において
他のガスに実質的に完全に切り換えられる時点を示して
いる。
【００２１】プラズマアーク加工は、バルブ７１を時間
Ａにおいて開放することによって開始される。バルブ７
１の開放によって、窒素のような非酸化ガスがバルブと
トーチの通路２６を介してプラズマチャンバ４１に流入
し、そこから、ノズルアセンブリ内に放出される。非酸
化ガスが供給されると、電源から電流が供給されて、先
行アークが電極１２とノズルアセンブリ１１間に生成さ
れる。それから少し遅れて、具体的には時間Ｂにおい
て、バルブ７０を開放することによって、酸素のような
酸化ガスが供給される。図３に示される一実施例におい
て、バルブ７０の開放と同時にバルブ７１が閉鎖され、
時間Ｂから少し遅れて、具体的には、時間Ｃにおいて、
非酸化ガスが酸化ガスによってプラズマチャンバ４１か
ら除去される。あるいは、バルブ７０が開放されてから
少し遅れてバルブ７１が閉鎖されてもよい。時間Ｃの少
し前に、アークが時間Ｃまでにノズルアセンブリ１１か
ら被加工品Ｗに上下ノズル部材４５および４６のアーク
狭窄孔４２および４３を介して伝達されるように、切断
に十分なアーク電流が電源６７から電極１２に供給され
る。伝達されたアークと酸化ガスは、電極１２からノズ
ルアセンブリ１１を介して被加工品Ｗに達するプラズマ
アーク流を生成する。こうして、酸化ガスの流れとアー
クを維持するに十分なアーク電流によって、トーチは時
間Ｃにおいて切断動作を開始する。その後、トーチは所
定の切断経路に沿って移動する。
Ａにおいて開放することによって開始される。バルブ７
１の開放によって、窒素のような非酸化ガスがバルブと
トーチの通路２６を介してプラズマチャンバ４１に流入
し、そこから、ノズルアセンブリ内に放出される。非酸
化ガスが供給されると、電源から電流が供給されて、先
行アークが電極１２とノズルアセンブリ１１間に生成さ
れる。それから少し遅れて、具体的には時間Ｂにおい
て、バルブ７０を開放することによって、酸素のような
酸化ガスが供給される。図３に示される一実施例におい
て、バルブ７０の開放と同時にバルブ７１が閉鎖され、
時間Ｂから少し遅れて、具体的には、時間Ｃにおいて、
非酸化ガスが酸化ガスによってプラズマチャンバ４１か
ら除去される。あるいは、バルブ７０が開放されてから
少し遅れてバルブ７１が閉鎖されてもよい。時間Ｃの少
し前に、アークが時間Ｃまでにノズルアセンブリ１１か
ら被加工品Ｗに上下ノズル部材４５および４６のアーク
狭窄孔４２および４３を介して伝達されるように、切断
に十分なアーク電流が電源６７から電極１２に供給され
る。伝達されたアークと酸化ガスは、電極１２からノズ
ルアセンブリ１１を介して被加工品Ｗに達するプラズマ
アーク流を生成する。こうして、酸化ガスの流れとアー
クを維持するに十分なアーク電流によって、トーチは時
間Ｃにおいて切断動作を開始する。その後、トーチは所
定の切断経路に沿って移動する。
【００２２】トーチの動作を切断経路の終端において完
了させるために、電源６７から供給される電流を降下さ
せてアークを消弧させる。本明細書において、「電流の
降下」と言う用語は、電流を一段で遮断する操作または
電流を漸減させる操作として定義される。電流はトーチ
が停止点に達すると同時に降下されてもよいが、好まし
くは、前述の米国特許第５，８９３，９８６号に詳述さ
れているように、アークがトーチの停止と実質的に同時
に消弧するように、アークが消弧する時間Ｆの前、例え
ば、時間Ｅにおいて降下されるとよい。
了させるために、電源６７から供給される電流を降下さ
せてアークを消弧させる。本明細書において、「電流の
降下」と言う用語は、電流を一段で遮断する操作または
電流を漸減させる操作として定義される。電流はトーチ
が停止点に達すると同時に降下されてもよいが、好まし
くは、前述の米国特許第５，８９３，９８６号に詳述さ
れているように、アークがトーチの停止と実質的に同時
に消弧するように、アークが消弧する時間Ｆの前、例え
ば、時間Ｅにおいて降下されるとよい。
【００２３】本発明によれば、酸化ガスの流れは、時間
Ｆ以前の所定の時点である時間Ｄにおいてバルブ７０を
閉鎖することによって遮断され、非酸化ガスの流れは、
非酸化ガスがアークの消弧する時間Ｆに遅れることなく
酸化ガスをプラズマチャンバから実質的に完全に除去す
るように、バルブ７１を開放することによって供給され
る。時間Ｄと時間Ｆ間の時間間隔は、いくつかの要因、
たとえば、ノズルアセンブリ１１の寸法、ガス通路２６
および２７およびプラズマチャンバ４１の定容積、非酸
化ガスの流量、および酸化ガスの流量などに依存して決
定される。このような時間間隔Ｄ−Ｆは同一のトーチシ
ステムに対しては一定であり、実験的に決定することが
できる。時間間隔Ｄ−Ｆはプロセッサ６６のプログラム
に組み込まれ、バルブ７０および７１は不活性環境下の
トーチ１０内でアークが消弧されるようにプロセッサ６
６によって制御可能に開閉される。
Ｆ以前の所定の時点である時間Ｄにおいてバルブ７０を
閉鎖することによって遮断され、非酸化ガスの流れは、
非酸化ガスがアークの消弧する時間Ｆに遅れることなく
酸化ガスをプラズマチャンバから実質的に完全に除去す
るように、バルブ７１を開放することによって供給され
る。時間Ｄと時間Ｆ間の時間間隔は、いくつかの要因、
たとえば、ノズルアセンブリ１１の寸法、ガス通路２６
および２７およびプラズマチャンバ４１の定容積、非酸
化ガスの流量、および酸化ガスの流量などに依存して決
定される。このような時間間隔Ｄ−Ｆは同一のトーチシ
ステムに対しては一定であり、実験的に決定することが
できる。時間間隔Ｄ−Ｆはプロセッサ６６のプログラム
に組み込まれ、バルブ７０および７１は不活性環境下の
トーチ１０内でアークが消弧されるようにプロセッサ６
６によって制御可能に開閉される。
【００２４】本発明による停止方法はいくつかの利点を
もたらす。不活性環境下でプラズマアークが消弧される
ので、消耗品である電極の外面に形成されて電極の磨耗
を促進してトーチの始動性能を低下させる酸化物の形成
を大幅に低減させるかまたは実質的になくすことができ
る。銅製ノズルを用いるトーチにおいて、その銅製ノズ
ルの酸化および浸食を大幅に低減させることができる。
本発明による停止方法は、電極およびノズルの寿命が延
びるので、電極および/またはノズルの交換に至るまで
の始動―停止サイクル数を大幅に向上させることができ
る。
もたらす。不活性環境下でプラズマアークが消弧される
ので、消耗品である電極の外面に形成されて電極の磨耗
を促進してトーチの始動性能を低下させる酸化物の形成
を大幅に低減させるかまたは実質的になくすことができ
る。銅製ノズルを用いるトーチにおいて、その銅製ノズ
ルの酸化および浸食を大幅に低減させることができる。
本発明による停止方法は、電極およびノズルの寿命が延
びるので、電極および/またはノズルの交換に至るまで
の始動―停止サイクル数を大幅に向上させることができ
る。
【００２５】図面および明細書において、本発明のいく
つかの実施例を具体的な技術用語を用いて説明したが、
それらは単なる例示に過ぎず、本発明をなんら制限する
ものではない。前述の実施例および添付の図面から当業
者が種々の修正および変更をなすことが可能である、と
理解されるべきである。例えば、前述の実施例におい
て、プロセッサの制御に基づいて電子的に作動されるバ
ルブおよび通路の配置について述べたが、バルブおよび
通路をそのような配置とは異なって配置することによっ
て、酸化ガスおよび非酸化ガスを適当な時間に極めて精
密なタイミングで供給してもよい。また、前述の実施例
においては、一種類の酸化ガス、例えば、酸素と一種類
の非酸化ガス、例えば、窒素を用いる場合について本発
明を説明したが、本発明は空気、水素、およびアルゴン
などの異なるガスの組み合わせを用いる場合にも適用さ
れる。これらおよび他の修正および変更は請求の範囲内
に包含される、と理解されるべきである。
つかの実施例を具体的な技術用語を用いて説明したが、
それらは単なる例示に過ぎず、本発明をなんら制限する
ものではない。前述の実施例および添付の図面から当業
者が種々の修正および変更をなすことが可能である、と
理解されるべきである。例えば、前述の実施例におい
て、プロセッサの制御に基づいて電子的に作動されるバ
ルブおよび通路の配置について述べたが、バルブおよび
通路をそのような配置とは異なって配置することによっ
て、酸化ガスおよび非酸化ガスを適当な時間に極めて精
密なタイミングで供給してもよい。また、前述の実施例
においては、一種類の酸化ガス、例えば、酸素と一種類
の非酸化ガス、例えば、窒素を用いる場合について本発
明を説明したが、本発明は空気、水素、およびアルゴン
などの異なるガスの組み合わせを用いる場合にも適用さ
れる。これらおよび他の修正および変更は請求の範囲内
に包含される、と理解されるべきである。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
アークが消弧される時間よりも遅れることなく非酸化ガ
スがノズルから酸化ガスを実質的に完全に除去して電極
に隣接して不活性環境を形成してその不活性環境下でア
ークを消弧させるので、電極上への酸化物の形成をでき
るだけ少なくすることができる。
アークが消弧される時間よりも遅れることなく非酸化ガ
スがノズルから酸化ガスを実質的に完全に除去して電極
に隣接して不活性環境を形成してその不活性環境下でア
ークを消弧させるので、電極上への酸化物の形成をでき
るだけ少なくすることができる。
【図１】本発明に用いられるプラズマアーク・トーチの
側断面図である。
側断面図である。
【図２】本発明に用いられるプラズマアーク・トーチの
変更例の側断面図である。
変更例の側断面図である。
【図３】本発明の一実施例による方法を説明するための
タイミングチャートである。
タイミングチャートである。
１０ プラズマアーク・トーチ １１ ノズルアセンブリ １２ 電極 １８ 空洞 ２０ インサート・アセンブリ ２６、２７ ガス通路 ４１ プラズマチャンバ ４２ 第１アーク狭窄ノズル孔 ４３ 第２アーク狭窄ノズル孔 ６６ プロセッサ ６７ 電源 ７０、７１ バルブ ８２、８４ ソレノイド
Claims (7)
- 【請求項１】 ガス流路を内部に有するノズルと、 前記ノズルに隣接して配置され、前記ノズルのガス流路
内に延長する電気的アークを維持するように操作可能な
電極と、 前記電極に操作可能に接続されて前記電極に電流を供給
する電源と、 前記トーチ内に形成されて前記ノズル内にガスの流れを
導く少なくとも１つの通路と、 前記少なくとも１つの通路と操作可能に接続されて前記
ノズル内に酸化ガスの流れを導く第１バルブと、 前記少なくとも１つの通路と操作可能に接続されて前記
ノズル内に非酸化ガスの流れを導く第２バルブと、 前記第１および第２バルブおよび前記電源と操作可能に
連結されたプロセッサを備えるプラズマアーク・トーチ
において、 前記プロセッサは、前記プラズマアークを消弧する時間
Ｆにおいて前記電流を遮断するように操作可能であり、 前記プロセッサはさらに、前記時間Ｆ以前の所定の時点
において、前記第１バルブを閉鎖して前記酸化ガスの流
れを遮断し、前記第２バルブを開放して前記非酸化ガス
の流れを流通させ、これによって、前記時間Ｆよりも遅
れることなく、前記非酸化ガスが前記ノズルから前記酸
化ガスを実質的に完全に除去して前記電極に隣接して不
活性環境を生成し、前記不活性環境下で前記アークを消
弧させる、ように操作可能である、 ことを特徴とするプラズマアーク・トーチ。 - 【請求項２】 前記第１バルブは、前記第１バルブを開
閉する電気的に操作可能なアクチュエータを備えること
を特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク・トー
チ。 - 【請求項３】 前記第２バルブは、前記第２バルブを開
閉する電気的に操作可能なアクチュエータを備えること
を特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク・トー
チ。 - 【請求項４】 前記少なくとも１つの通路は、 酸化ガ
スの流れを導く第１通路と非酸化ガスの流れを導く第２
通路からなることを特徴とする請求項１に記載のプラズ
マアーク・トーチ。 - 【請求項５】 前記少なくとも１つの通路は、酸化ガス
の流れと非酸化ガスの流れを導く単一通路からなること
を特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク・トー
チ。 - 【請求項６】 前記プロセッサは、時間Ｄにおいて、実
質的に同時に前記第１バルブを閉鎖して前記第２バルブ
を開放するように操作可能であることを特徴とする請求
項１に記載のプラズマアーク・トーチ。 - 【請求項７】 前記プロセッサは、前記プラズマアーク
を消弧させるために時間Ｅにおいて前記電極への前記電
流を遮断するように操作可能であり、前記時間Ｅは前記
プラズマアークが実質的に完全に消弧する時間Ｆ以前の
第１所定時点であり、 前記プロセッサは、時間Ｄにおいて前記第１バルブを閉
鎖して前記酸化ガスの流れを遮断するように操作可能で
あり、前記時間Ｄは前記時間Ｅよりも遅くない時間であ
り、 前記プロセッサは、前記非酸化ガスが前記時間Ｆよりも
送れることなく前記ノズルの前記ガス流路から前記酸化
ガスを実質的に完全に除去して前記ノズルの前記ガス流
路に不活性環境を生成するように、前記第２バルブを開
放して前記非酸化ガスの流れを供給するように操作可能
であり、 前記電気的アークが前記不活性環境下で消弧する、 ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマアーク・ト
ーチ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/482781 | 2000-01-13 | ||
| US09/482,781 US6232574B1 (en) | 2000-01-13 | 2000-01-13 | Method and apparatus for improving plasma ARC consumable life |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001239370A true JP2001239370A (ja) | 2001-09-04 |
Family
ID=23917432
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001005850A Pending JP2001239370A (ja) | 2000-01-13 | 2001-01-15 | プラズマアーク・トーチ消耗部品の寿命を改善する方法と装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6232574B1 (ja) |
| EP (1) | EP1117278A3 (ja) |
| JP (1) | JP2001239370A (ja) |
| AU (1) | AU754048B2 (ja) |
| CA (1) | CA2330069C (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| US6777638B2 (en) * | 2002-11-14 | 2004-08-17 | The Esab Group, Inc. | Plasma arc torch and method of operation for reduced erosion of electrode and nozzle |
| US7750265B2 (en) * | 2004-11-24 | 2010-07-06 | Vladimir Belashchenko | Multi-electrode plasma system and method for thermal spraying |
| US20070045241A1 (en) * | 2005-08-29 | 2007-03-01 | Schneider Joseph C | Contact start plasma torch and method of operation |
| US8354609B2 (en) * | 2008-12-22 | 2013-01-15 | Hypertherm, Inc. | High quality hole cutting using variable shield gas compositions |
| US8541711B2 (en) | 2009-02-20 | 2013-09-24 | Hypertherm, Inc. | Internal part feature cutting method and apparatus |
| EP2237920B1 (en) * | 2008-12-22 | 2020-07-15 | Hypertherm, Inc | Method and apparatus for cutting high quality internal features and contours |
| US8338739B2 (en) | 2008-12-22 | 2012-12-25 | Hypertherm, Inc. | Method and apparatus for cutting high quality internal features and contours |
| FR2943568A1 (fr) * | 2009-03-25 | 2010-10-01 | Air Liquide | Procede de coupage plasma avec controle de l'extinction de l'arc en fin de coupe |
| US20130112660A1 (en) * | 2011-11-08 | 2013-05-09 | Lincoln Global, Inc. | Welding torch with gas flow control |
| US9142390B2 (en) * | 2012-05-10 | 2015-09-22 | Oerlikon Metco (Us) Inc. | Cathode interface for a plasma gun and method of making and using the same |
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