JP2003039173A - プラズマアークトーチ用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子放出要素とセパレータとの間またはセパ
レータと金属ホルダとの間のいずれか一方または両方に
強い接合を形成するプラズマアークトーチ用電極を提供
する。 【解決手段】 ハフニウムからなる電子放出要素２８
を、銀からなるセパレータ３２に画成されたキャビティ
３５内に工具８０を用いてプレス嵌めで挿入し、それを
所定の温度で加熱処理する。これにより、両者が隣接す
る境界領域に金属間化合物８８が形成される。このアセ
ンブリをさらに、銅または銅合金の素材９４に画成され
たキャビティ２４内に工具９８を用いてプレス嵌めで挿
入し、それを所定の温度で加熱処理すると、セパレータ
３２と素材９４との間における境界領域に共融合金が形
成される。金属間化合物８８と共融合金の存在により、
これらの部材間の強い接合を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、特に、プラズマアークトーチにおいて電気
アークを持続させるための電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアークトーチは、切断、溶接、
表面処理、溶融及び焼鈍しを含む金属の諸加工のために
普通に使用されている。このようなトーチは、電気アー
クを持続させる電極を含んでおり、該電気アークは、移
行式アーク動作モードで電極から母材に広がるものであ
る。この電気アークをガスの渦流で囲むことも一般的で
あり、また、あるトーチ構造においては、上述のガス及
び電気アークを渦巻き状の水ジェットで囲むことも通例
となっている。

【０００３】上述した形式の従来のトーチで使用される
電極は、銅又は銅合金のような高熱伝導率の材料からな
る細長い管状部材を含むのが一般的である。この管状部
材の前端もしくは放電端は、電気アークを持続させる電
子放出要素が植設された底端壁部を含んでいる。該放出
要素は、当該技術において電位ステップ（potentialste
p）と定義される、電子ボルト（ｅＶ）で測定される比
較的に低い仕事関数を有する材料で構成されており、こ
の電位ステップが所定温度で金属の熱電子放出を可能に
する。従って、放出要素は、その低い仕事関数のため
に、電位が印加されるときに容易に電子を放出すること
ができる。通常使用される電子放出材料には、ハフニウ
ム、ジルコニウム、タングステン及びそれらの合金が含
まれる。ある電極は、放出要素の周りに配置された相対
的に電子を放出しないセパレータを含んでおり、該セパ
レータが、放出要素から銅製ホルダへアークが移動する
のを防止する役目を果たしている。

【０００４】上述した形式のプラズマアークトーチに関
連した問題は、特に該トーチが酸素又は空気のような酸
化ガスと共に使用されるときに、電極の寿命が短いこと
である。具体的には、ガスは、放出要素を囲む電極の銅
を迅速に酸化させる傾向があり、銅が酸化するので、そ
の仕事関数が低下する。その結果、放出要素よりもむし
ろ、放出要素を囲む酸化した銅がアークを持続させ始め
るような時点に達する。このような状態が起こると、酸
化銅と支持する銅（supporting copper）とが融解し
て、電極が早期に破壊や損傷を受けることになる。

【０００５】大抵の従来の電極は、放出インサートを金
属ホルダ内に押し込むか、或いは放出インサートを相対
的に低電子放出性もしくは非電子放出性のスリーブない
しはセパレータ内に押し込み、次いでそれを金属ホルダ
に圧入することによりアセンブリされている。プレス嵌
めもしくは圧入された放出要素、セパレータ及びホルダ
間の界面は、比較的に良く境界が画定されており、従っ
て、アセンブリされた電極の熱伝導率に対して否定的に
影響する。特に、電極を通って移動する熱は、熱伝達に
対しバリヤーとして機能し、電極の熱伝達能力を制限す
る上記界面に出合う。その上、明確に画定された界面
は、アークを誘引して電極の終焉を加速する応力集中部
として機能する。

【０００６】放出要素、セパレータ及びホルダ間の界面
を「スムーズ（smooth）」にしやすくするため、本発明
の譲受人は「電極拡散接合（Electrode Diffusion Bond
ing）」と題する米国特許出願第０９/７７３，８４７号
に記載された拡散接合技術を開発してきた。上記出願に
は、セパレータと金属ホルダとの間に拡散接合部を形成
するアセンブリ前の加熱工程が記載されている。拡散接
合は、２種の材料間の接合強度を上昇させながら、これ
ら材料間の界面を穏やかもしくはスムーズにする。その
結果、電極は長い作動寿命を有する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記出願のアセンブリ
後の加熱工程は、当該技術の状態の改善になるが、更な
る改善が望まれている。特に、電極に使用されている材
料の研究によると、大抵の電極がハフニウム、ジルコニ
ウム等から構成される放出要素と、銀、金、ニッケル等
から構成されるセパレータと、銅から構成される金属ホ
ルダとを用いていることを示している。上記出願のアセ
ンブリ後の加熱工程は、セパレータとホルダとの間の接
合を改善するが、両者間の接合を更に改善することが望
ましい。

【０００８】更に、放出要素とセパレータとの間の接合
を改善することも望ましい。また、上記出願のアセンブ
リ後の加熱工程は、銀及び銅のような材料間の接合を改
善するのに特に有利であるが、放出要素及びセパレータ
の比較的に高い耐熱性のために、たとえ放出要素に何ら
かの熱処理が試みられたとしても、セパレータとホルダ
との間の接合が破壊される。従って、放出要素とセパレ
ータの間、並びにセパレータと金属ホルダとの間に強い
接合を形成したいという課題が存在している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の電極を
改良するために開発された。従来の電極についての困難
な問題、即ち、プラズマトーチの電極の寿命を延ばし特
性を向上させることは、放出要素とセパレータとの間、
及びセパレータと金属ホルダとの間に強い接合部を形成
する２段階のアセンブリ及び加熱工程で電極を形成する
ことにより克服できることが分かった。各段階の加熱ス
テップは、電極の要素間の接合強度が最大となるよう
に、放出要素、セパレータ及びホルダに使用されている
特定の材料に応じて適応されるのが有利である。

【００１０】特に、本発明による電極の製造は、比較的
に低い仕事関数を有する電子放出要素を相対的に電子を
放出しないセパレータに挿入することによりアセンブリ
を形成して行う。電子放出要素よりも大きな仕事関数を
有する金属材料から形成されるセパレータは、内側表面
及び外側表面を有し、該セパレータの内側表面と電子放
出要素の外側表面とが面接触している。次にこのアセン
ブリが加熱されて、セパレータと電子放出要素との間
（境界領域）に金属間化合物を形成する。一実施形態に
おいて、金属間化合物は、セパレータ及び電子放出要素
を約９２７℃ないし９８２℃（１７００°Ｆないし１８
００°Ｆ）の間まで加熱した後、形成される。

【００１１】一実施形態によると、アセンブリは、金属
間化合物をセパレータと電子放出要素との間に形成した
後、金属ホルダに画成されたキャビティ内に位置決めさ
れる。特に、セパレータの外側表面は、金属ホルダによ
り画成されたキャビティと面接触している。アセンブリ
を所定位置にした後、セパレータと金属ホルダとの間
（境界領域）に共融合金を形成する。一実施形態におい
て、この共融合金は、銅の金属ホルダと銀のセパレータ
とを約７６０℃ないし７８８℃（１４００°Ｆないし１
４５０°Ｆ）に加熱することによって形成されるが、こ
れら材料について好適な共融形成温度は約７７７℃ない
し７７９℃（１４３０°Ｆないし１４３５°Ｆ）である
から、特にこの温度に加熱される。共融合金形成ステッ
プは比較的に速い処置であって、セパレータ及び金属ホ
ルダは約０．０２分ないし２０分にわたり共融形成温度
まで加熱される。アセンブリされた電極は、電極強度を
向上させるためにクリンプすることもできる。

【００１２】本発明による金属間化合物及び共融合金
は、それぞれ、電子放出要素とセパレータとの間並びに
セパレータと金属ホルダとの間に優れた接合を提供す
る。特に、金属間化合物及び共融合金は拡散接合の厚み
よりも好ましくは大きな厚みを有しているので、各電極
構成要素が互いにより強固に接合され、電極は長い作動
寿命を有する。

【００１３】従って、本発明は、電極構成要素間により
強い接合部を有することにより、強度及び作動寿命が向
上した電極と、その電極の製造方法とを提供する。更
に、本発明による電極の製造方法は、電子放出要素、セ
パレータ、金属ホルダ間にろう付け材料、コーティン
グ、その他の層が存在することを必要としない電極に向
けられている。この点に関し、コストが低減され、ま
た、電極製造の複雑さが軽減されることが分かる。

【００１４】

【発明の実施の形態】一般的な用語で本発明を説明して
きたが、次に、必ずしも一律の縮尺で描かれていない添
付図面を参照して本発明を説明する。

【００１５】本発明の好適な実施形態が示されている添
付図面を参照して、本発明を以下に更に十分に説明す
る。しかし、本発明は、もっと別の形態でも実施可能で
あり、ここに記載された実施形態に限定されると解釈す
べきではなく、むしろ、これらの実施形態は、この開示
を徹底し且つ完全にするように提案されていて、本発明
の範囲を当業者に十分に知らせるものである。同様の数
字は全体を通して同一要素を指している。

【００１６】図１ないし図３を参照すると、本発明の特
徴を具現するプラズマアークトーチ１０が記載されてい
る。このプラズマアークトーチ１０は、ノズルアセンブ
リもしくはノズル組立体１２と管状電極１４とを含んで
いる。電極１４は、銅か銅合金から製作するのが好まし
く、そして上側の管状部材１５と下側のコップ状部材即
ちホルダ１６とから構成されている。上側の管状部材１
５は、細長い開放した管状構造のものであり、プラズマ
アークトーチ１０の長手方向軸線を画成している。上側
の管状部材１５は内部にねじが切られた下端部分１７を
含んでいる。また、ホルダ１６も管状構造のものであっ
て、下側の前端と上側の後端とを含んでいる。横方向の
端壁１８がホルダ１６の前端を閉じていて、この横方向
の端壁１８により外側前面２０が画成されている。ホル
ダ１６の後端は、外部にねじが切られていて、上側の管
状部材１５の下端部分１７に螺合される。

【００１７】ホルダ１６は、その後端１９が開放してい
るのでコップ状の構造であり、その内部にキャビティ２
２を画成する。内部キャビティ２２は、長手方向軸線に
沿って延びて同キャビティ内に入る円筒形柱状部２３を
含む表面３１を有している。端壁１８の前面２０にはほ
ぼ円筒形のキャビティ２４が形成されており、該キャビ
ティ２４は、長手方向軸線に沿って後方に延び、ホルダ
１６の部分に入っている。該キャビティ２４は内側表面
２７を有している。

【００１８】相対的に電子を放出しないセパレータ３２
は、長手方向軸線に沿って同軸状に配置され、キャビテ
ィ２４内に位置付けられている。このセパレータ３２
は、キャビティ２４の実質的に全長にわたり延びる外周
壁３３を有している。外周壁３３は、セパレータの全長
にわたり実質的に一定の外径を有するように図示されて
いるが、切頭円錐形のようなその他の外形構造も本発明
の範囲で矛盾しないことが分かる。また、セパレータ３
２は、表面３７を有する内部キャビティ３５も画成して
いる。このセパレータ３２は、ホルダ１６の前面２０と
ほぼ面一の外端面３６を含んでいる。

【００１９】電子放出要素即ちインサート２８は、セパ
レータ３２内に位置付けられて、長手方向軸線に沿って
同軸状に配置されている。具体的には、放出要素２８及
びセパレータ３２は、締り嵌めもしくは圧力嵌めにより
放出要素がセパレータに固定されたアセンブリを形成す
る。セパレータ及び放出要素の加熱によりもたらされる
金属間化合物が以下に十分述べるように、両者間に介在
している。この放出要素２８は、ホルダ１６の前面２０
とセパレータ３２の外端面３６とにより規定される平面
にある円形の外端面２９を有している。また、放出要素
２８は、セパレータ３２により画成されたキャビティ３
５内に配置されると共に外端面２９の反対側にあるほぼ
円形の内端面３０も含んでいる。しかし、この内端面３
０は、セパレータ３２への放出要素の固定を支援するた
めに、尖頭形、多角形、又は球形のようなその他の形状
を有することができる。また、放出要素２８の直径は、
セパレータ３２の外端面３６の外径の約３０パーセント
ないし８０パーセントであり、このセパレータ３２は、
外端面３６のところで、かつその全長に沿って、少なく
とも約０．２５ミリメートル（０．０１インチ）の半径
方向厚さを有している。特別な例としては、放出要素２
８が約２．０３ミリメートル（０．０８インチ）の直径
及び約６.３５ミリメートル（０．２５インチ）の長さ
を有し、セパレータ３２が約６．３５ミリメートル
（０．２５インチ）の外径を有するのが典型的である。

【００２０】放出要素２８は、電位が印加された際に容
易に電子を放出できるように、たとえば２．７ｅＶない
し４．２ｅｖの範囲内にあるような相対的に低い仕事関
数を有する金属材料から構成されている。かかる金属材
料の適当な例は、ハフニウム、ジルコニウム、タングス
テン及びそれらの混合物である。

【００２１】スミセル金属辞典第６版（Smithells Meta
l Reference Book, 6th Ed）に提示された値によると、
セパレータ３２は、ホルダ１６の材料よりも大きな仕事
関数を有する金属材料から構成されている。具体的に
は、セパレータ３２は、少なくとも約４．３ｅｖの仕事
関数を有する金属材料から構成するのが好ましい。好適
な実施形態において、セパレータ３２は、銀で形成され
ているが、金、プラチナ、ロジウム、イリジウム、パラ
ジウム、ニッケル及びそれらの合金のようなその他の金
属材料を使用してもよい。セパレータ３２に対して選択
した材料は、高い熱伝導率、高い耐酸化性、高い溶融
点、高い仕事関数及び低いコストを有するべきである。
一つの材料でこれらの特性の全てを最大化することは難
しいが、銀はその熱伝導率が高いため好ましい。

【００２２】例えば、本発明の特定の一実施形態におい
て、セパレータ３２は、銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜
鉛及びそれらの合金からなるグループから選択された約
０．２５パーセントないし１０パーセントの付加材料を
銀に混合して合金とした銀合金材料から構成されてい
る。付加材料は、元素形態又は酸化物形態でよく、従っ
て、この明細書において使用されている用語「銅」は、
元素形態はもちろんのこと酸化物形態についても言及す
るものであり、用語「アルミニウム」等も同様である。

【００２３】再び図１を参照すると、電極１４は、ガス
通路４０及び液体通路４２を含むプラズマトーチ本体３
８内に設けられている。このプラズマトーチ本体３８
は、外側にある絶縁ハウジング部材４４により囲まれて
いる。水のような液冷却媒体を電極１４に通し循環させ
るため、電極１４の中央孔部４８内に管４６が懸架され
ている。この管４６は孔部４８の直径よりも小さな外径
を有しているので、管４６と孔部４８との間にはスペー
ス４９が存在しており、水は、管４６の開放した下端か
ら排出される際にそのスペース内を流れることが可能で
ある。水源（図示せず）からの水は、管４６を通り、内
部キャビティ２２及びホルダ１６の内側を流れ、スペー
ス４９を通って戻り、トーチ本体３８にある開口５２に
行き、排水ホース（図示せず）に向かい流れる。液体通
路４２は噴射水をノズルアセンブリ１２内に案内し、そ
こで噴射水は以下に更に説明するようにプラズマアーク
を囲むための渦流に変わる。ガス通路４０は、適当なガ
ス源（図示せず）からのガスを案内し、適当な耐高温材
料のガスバッフル５４を経て、複数の入口穴５８からガ
スプレナム室５６に入る。複数の入口穴５８は、ガスを
渦巻き式にプレナム室５６に流入させるように配列され
ている。流入したガスは、ノズルアセンブリ１２の同軸
状孔部６０、６２を介してプレナム室５６から流出す
る。この電極１４がガスバッフル５４を保持している。
耐高温プラスチック絶縁本体部５５はノズルアセンブリ
１２を電極１４から電気的に絶縁する。

【００２４】ノズルアセンブリ１２は、第１の孔部６０
を画成する上側ノズル部材６３と、第２の孔部６２を画
成する下側ノズル部材６４とを備えている。上側ノズル
部材６３は金属材料であることが好ましく、下側ノズル
部材６４は金属又はセラミック材料であることが好まし
い。上側ノズル部材６３の孔部６０は、トーチの電極１
４の長手方向軸線と軸方向に整列している。下側ノズル
部材６４は、プラスチック製のスペーサ要素６５と水旋
回リング６６とにより上側ノズル部材６３から隔てられ
ている。上側ノズル部材６３と下側ノズル部材６４との
間に設けられるスペースは水室６７を形成する。

【００２５】下側ノズル部材６４は円筒形の本体部７０
を備えており、該本体部７０は、そこを同軸状に通って
延びる孔部６２を有して前端部すなわち下端部と後端部
すなわち上端部とを規定している。後端部上には環状の
装着フランジ７１が配置されており、第２の孔部６２と
同軸である前端部の外面上には、切頭円錐面７２が形成
されている。環状の装着フランジ７１は、コップ状部材
７４の下端のところにある内向きフランジ７３により下
方から支持されている。コップ状部材７４は、ねじ部を
外側のハウジング部材４４に螺着することによって着脱
自在に装着されている。２つのフランジ７１、７３の間
にはガスケット７５が配置されている。

【００２６】下側ノズル部材６４にある孔部６２は円筒
形であり、任意の適当なプラスチック材料製の心出しス
リーブ７８によって上側ノズル部材６３にある孔部６０
と軸方向に整列した状態に保持される。水は、液体通路
４２から、スリーブ７８にある開口８５を通って水旋回
リング６６の複数の噴射ポート８７へと流れ、該噴射ポ
ートが水を水室６７内に噴射する。該噴射ポート８７
は、水旋回リング６６の回りに接線方向に配置されてい
て、旋回成分の速度を水室６７中の水流に与える。水は
孔部６２を経由して水室６７から出る。

【００２７】電源（図示せず）は、通常接地される金属
母材に対して直列回路関係にあるトーチの電極１４に接
続される。動作中、アークに対して陰極端子として作用
する電極の放出要素２８と、上述した電源の陽極に接続
されると共に下側ノズル部材６４の下方に位置決めされ
る母材との間にプラズマアークが確立される。プラズマ
アークは、電極１４とノズルアセンブリ１２との間にパ
イロットアークを瞬間的に生成することによって通常の
方法で開始され、次いでこのプラズマアークは孔部６
０、６２を経て母材に移動される。

【００２８】製造方法 本発明は、上述した形式の電極を製造するための簡単な
方法も提供している。図４ないし図８は、本発明に従っ
て電極を製造する好適な方法を例示している。図４に示
すように、放出要素２８は、セパレータ３２により画成
されたキャビティ３５内に配置されている。一実施形態
によると、放出要素２８は、ほぼ平坦な円形の作業面８
１を有する工具８０を用いて、セパレータ３２のキャビ
ティ３５内に配置される。この工具８０は、その作業面
８１をキャビティ３５内の放出要素２８と接触させて、
配置される。作業面８１の外径は、セパレータ３２によ
り画成されたキャビティ３５の直径よりも若干小さい。
工具８０は作業面８１をトーチ１０の長手方向軸線とほ
ぼ同軸にして保持され、そして力は、軸方向の圧縮力を
長手方向軸線に沿って放出要素２８及びセパレータ３２
に伝えるように工具に加えられる。例えば、工具８０
は、放出要素２８及びセパレータ３２と接触して位置決
めされ、その後、機械のラムのような適当な装置で叩か
れる。

【００２９】使われる特定の技術とは関係なく、セパレ
ータ３２のキャビティ３５内に放出要素２８を位置決め
するように十分な力が加えられるので、放出要素の内端
面３０はセパレータと面接触する。一実施形態におい
て、放出要素２８の圧縮作用により放出要素及びセパレ
ータ３２が半径方向の外方に若干変形されるようになる
ので、放出要素２８はセパレータにより面接触関係でし
っかりと把持され保持される。このセパレータ３２も放
出要素２８の周りにかしめることができる。

【００３０】一実施形態において、放出要素２８及びセ
パレータ３２は、約１時間にわたり約９２７℃ないし９
８２℃（１７００°Ｆないし１８００°Ｆ）の間に加熱
されるが、加熱時間は用いられる材料と大きさ次第で変
更しうる。この温度範囲及び時間の組合せを用いて、金
属間化合物８８が放出要素２８とセパレータ３２との間
に形成される。ハフニウムから形成された放出要素２８
と銀から形成されたセパレータ３２との間の金属間化合
物８８は、図９に示されている。金属間化合物８８は、
その厚さが約０．０１０１６ミリメートル（０．０００
４"）であるため、拡散接合と比較してより強い結合を
放出要素２８とセパレータ３２との間にもたらす。この
金属間化合物８８は、放出要素２８及びセパレータ３２
を形成する材料とは異なる固有の特性を有する新材料で
ある。

【００３１】上述したように、金属間化合物８８は、以
下にもっと詳しく論じる通り比較的に高い約９２７℃な
いし９８２℃（１７００°Ｆないし１８００°Ｆ）の間
の温度で形成される。この比較的に高い温度は、放出要
素２８及びセパレータ３２に使用される材料のために必
要であり、以下に詳しく述べるように、アセンブリを金
属ホルダ１６に挿入する前に金属間化合物８８が形成さ
れるのが好ましい。

【００３２】図５を見ると、銅又は銅合金製の円筒形の
素材９４が前面９５とその反対側の後面９６とを有する
ように用意されている。その後、前述したキャビティ２
４を形成するように、前面９５に長手方向軸線に沿って
例えば穿孔によりほぼ円筒形の孔部を形成する。その
後、一実施形態では形成済みの金属間化合物８８を含む
放出要素２８及びセパレータ３２のアセンブリは、セパ
レータの周壁３３が面接触の摩擦関係でキャビティの内
壁２７に滑動係合しそこに固定されるように、例えばプ
レス嵌めによりキャビティ２４内に挿入される。

【００３３】図６に示した一実施形態によると、ほぼ平
坦な円形の作業面１００を有する工具９８が、その作業
面１００を放出要素２８及びセパレータ３２の各端面２
９、３６とそれぞれ接触させて、置かれている。作業面
１００の外径は、円筒形素材９４にある大きなキャビテ
ィ２４の直径よりも僅かに小さい。工具９８は作業面１
００をトーチ１０の長手方向軸線とほぼ同軸にして保持
され、そして力は、軸方向の圧縮力を長手方向軸線に沿
って放出要素２８及びセパレータ３２に伝えるように工
具に加えられる。例えば、工具９８は、放出要素２８及
びセパレータ３２と接触して位置決めされ、その後、機
械のラムのような適当な装置で工具９８を叩く。使われ
る特定の技術とは関係なく、十分な力が加えられて放出
要素２８及びセパレータ３２が半径方向の外方に変形さ
れるようになるので、放出要素２８はセパレータ３２に
よりしっかりと把持され保持され、そしてセパレータ３
２は、キャビティ２４によりしっかりと把持され保持さ
れる。しかし、放出要素２８とセパレータ３２との間に
金属間化合物８８が存在していれば、それが破壊もしく
は損傷しないように注意しなければならない。

【００３４】図７はまた、電極の特性及び寿命の向上に
なる円筒形素材９４、セパレータ３２及び放出要素２８
への熱の付加を説明している。加熱工程は、放出要素２
８及びセパレータ３２のアセンブリを金属ホルダもしく
は円筒形素材９４中に配置した後に行う。また、加熱工
程は、後述するように、円筒形素材に対して更なる加工
ステップを行った後に遂行することもできる。厳正な加
熱工程は、放出要素２８に使用された材料や、セパレー
タ３２に使用された材料に左右される。特に、加熱工程
は、材料の融解温度により決定され、セパレータ３２と
金属ホルダすなわち円筒形素材９４との間に共融合金を
形成するように行われる。誘導加熱ユニット（図示せ
ず）を用いてこの明細書に述べた全ての加熱工程を行う
ことができるが、炉は、温度制御に優れているので、好
ましい。

【００３５】共融合金を形成する加熱工程の加熱温度
は、拡散接合が望まれる場合に使用される加熱温度より
も高いので、熱「スパイク（spike）」に類似してい
る。セパレータが銀から構成され、そして金属素材が銅
から構成されている一実施形態において、共融温度は約
７７８℃（１４３２°Ｆ）であるのに対して、拡散接合
温度は約７６６℃（１４１０°Ｆ）である。共融温度で
は、銅及び銀が共に溶融して共融合金を形成し、これが
放出要素２８及びセパレータ３２を互いに強く結合す
る。

【００３６】アセンブリした電極は、例えば１０分ない
し２０分というような比較的に短期間だけこの温度に保
持しておくべきである。アセンブリした電極を２０分よ
りも長く加熱していると、共融合金が溶け去って、金属
ホルダとセパレータとの間にボイドが残る。また、共融
合金を形成する工程の間持続される温度は、約２度の範
囲内で厳密に制御されていることが好ましい。さもない
と、共融温度に達しないために共融合金を形成すること
ができなかったり、共融温度を超えるために共融合金が
溶解し、上述したように、ボイドが残ったりするという
不都合がある。

【００３７】上述したような熱スパイクによる共融合金
の形成は、金属間化合物８８の形成に加えて行われるこ
とが好ましい。共融合金の形成温度は金属間化合物８８
の形成温度よりも実質的に低く、そして本発明の有利な
特徴は、共融合金を形成する前に金属間化合物８８が形
成されることである（双方が同一電極で必要なら）。ま
た、共融合金は、拡散接合工程と関連して形成すること
もできる。この場合、ホルダ１６及びセパレータ３２が
拡散接合の速度を増すため共融温度よりも低く加熱さ
れ、次いで、上述したように「スパイク」されて共融合
金を形成する。拡散接合工程と共融合金形成工程との間
で冷却ステップを行ってもよいが、加熱温度を拡散接合
温度から直接にスパイクさせることも可能である。

【００３８】拡散接合は、２つの金属片に圧力をかけ保
持し合わせるときに起こる。一方の金属の原子が他方の
金属に移動し、また、その逆に移動する。室温では、拡
散接合が起こるのではあるが、相当な程度まで発達する
には数年間を要する。しかしながら、電極のアセンブリ
された構成要素を加熱することにより、拡散接合の速度
が増す。この点に関し、拡散接合工程が加速されるよう
なレベルまで電極を加熱するのが有利である。しかし、
上述した「スパイク」は隣接する表面間の接合を更に向
上させる。

【００３９】例えば、セパレータ３２が銀から構成され
るとともにホルダ１６が銅から構成される一実施形態に
おいては、拡散接合工程は、セパレータ及びホルダを約
８時間にわたり約７６６℃（１４１０°Ｆ）に加熱する
ことにより行われる。セパレータ３２及びホルダ１６
（場合に応じて素材９４）は、約１０分ないし２０分の
間、この場合には約７７８℃（１４３２°Ｆ）である共
融温度まで一時的に加熱される。共融合金が形成された
後、電極を冷却する。生じた共融合金は、電極の現存要
素により形成されており、通常のろう付け材料のように
付加的な材料から形成されていない点を除いて、ろう付
け材料のように好適に作用する。この共融合金の形成と
関連して放出要素２８とセパレータ３２との間に同様の
接合工程もしくはプロセスを使用することができる。

【００４０】図１０は、図７に示した加熱工程後のセパ
レータ３２及び金属素材９４の詳細断面図を示してい
る。特に、図１０は、図７の１０−１０線に沿ったセパ
レータ３２と金属素材９４との間の界面の拡大図を示し
ている。現段階で好適な実施形態において、セパレータ
３２は主として銀から形成されており、金属素材９４は
主として銅から形成されている。図１０に示すように、
加熱工程によりセパレータ３２及び金属素材９４が結び
ついて、指紋状の様相をもつ一連のひだのような断面形
状を有する共融合金となる。図１０に示すように、暗い
領域は金属素材９４であり、明るい部分はセパレータ３
２である。明らかに、共融合金は金属素材９４又はセパ
レータ３２を形成する材料よりも低い融解温度を有して
いる。

【００４１】図８は、電極の強度を増し、従って電極の
作動寿命を増す別の工程を示している。特に、図８は、
プレス工具９７を用いる電極の前端でのクリンプ（crim
ping）工程を図解している。プレス工具９７は、金属素
材９４の外面に対して半径方向の内方へ力を及ぼし、金
属素材９４、セパレータ３２及び放出要素２８をプレス
し合わせ、それにより材料を互いに更に接合する。一実
施形態において、金属素材９４の径はｄだけ減少し、こ
の減少量は一実施形態において約１．２７ミリメートル
ないし２．５４ミリメートル（０．０５０インチないし
０．１００インチ）である。外側形状もクリンプ工程中
に変化して、図示のように円筒形素材から六角形状にな
りうる。クリンプ工程は、金属素材９４をほぼ最終形状
に加工した後に行うこともできる。

【００４２】クリンプ工程は少なくとも２つの利点をも
たらす。その利点の１つは、プレス動作により放出要素
２８、セパレータ３２及び金属素材９４間に存在するど
のボイドでも実質的に除去することである。ボイドは電
極の早期破損につながりうる応力集中部分として作用す
るので、ボイド除去は重要である。特に、共融合金形成
工程中の加熱工程が高音すぎると、損傷性のボイドが生
成される。このような事態が起こると、セパレータ３２
と金属素材９４との間に形成された共融合金が溶け去
り、薄いボイド層が残る。クリンプ工程が使用されなか
ったと仮定すると（従って、ボイドが閉鎖されない
と）、電極の寿命が約０分ないし２０分というように不
十分となろう。しかし、クリンプ工程が行われれば、電
極の寿命は３００分ないし４００分の間か或いはもっと
高い値になる。従って、クリンプ工程は、共融合金形成
工程中の過剰加熱に対する予防措置として使用すること
ができる。もう１つの利点は、プレス動作により、上述
した加熱工程中に失ったかも知れない放出要素２８、セ
パレータ３２及び金属素材９４の降伏強さ及び硬度を回
復させることである。しかし、電極の過剰クリンプ加工
はその構成要素間に形成された接合部を破壊しかねない
ので、プレス動作中には注意が必要である。

【００４３】次の表１は、従来例のデータと実験のデー
タであり、既に論じたように電極を加熱しクリンプ加工
することによる効果を示している。特に、クリンプ工程
は、電極を、約１５．８７５ミリメートル（０．６２５
インチ）の直径を有する円筒形状から約１２．６２４ミ
リメートル（０．４９７インチ）の外径を有する六角形
状に減少させることを含んでいる。この表１は、２６０
アンペアでの電極作動寿命を示していることに留意され
たい。表１において、実験に供した平均的電極は約８１
９分の寿命を有しているのに対して、本発明による加熱
及びクリンプ工程を受けない従来の電極の平均寿命は６
６４分である。表１に示した試験結果を得るのに使用し
たプラズマアークトーチは、プラズマガスとして酸素を
用いるESAB Torch PT-15XLであった。

【００４４】

【表１】

【００４５】図３に戻ると、本発明による完成電極の断
面図が示されている。ホルダ１６の製造を完了するため
に、円筒形素材９４の後面９６を機械加工して、内部に
キャビティ２２を画成する開放コップ状の構造を形成す
る。このキャビティ２２は、円筒形の柱状部２３を画成
すると共にセパレータ３２及び放出要素２８の対応部分
を同軸的に囲む内側環状凹部８２を含むのが有利であ
る。加えて、この内側環状凹部８２は内側面８３を有し
ている。換言すれば、内側環状凹部８２は、円筒形の柱
状部２３を画成するように、例えば、トレパニング又は
その他の加工作業により形成されている。円筒形素材９
４の外周壁もまた、ホルダ１６の後端１９における雄ね
じ部１０２の形成を含め、所望の形状にすることができ
る。最後に、円筒形素材９４の前面９５並びに放出要素
２８及びセパレータ３２の端面２９、３６が実質的に平
らで互いに面一になるように機械加工される。

【００４６】図１１は、ホルダ１６の端面図を示してい
る。セパレータ３２の端面３６が放出要素２８の端面２
９をホルダ１６の前面２０から分離させていることが分
かる。端面３６は環状であって内周１０４と外周１０６
とを有している。セパレータ３２は、アークが放出要素
から離れてホルダ１６につくようになるのを妨げる働き
をする。

【００４７】従って、本発明は、プラズマアークトーチ
において使用するための電極１４を提供すると共に、電
極を製造するための方法を提供しており、少なくとも一
回の加熱工程を電極に適用して、放出要素２８とセパレ
ータ３２との間に金属間化合物８８を形成するか、及び
／又はセパレータ３２と金属ホルダ１６との間に共融合
金を形成する。また、クリンプ工程を適用して電極１４
のこれら構成要素を更に強化し接合することができる。
放出要素２８、セパレータ３２及び金属ホルダ１６の間
にろう付け層や、コーティングや、その他の材料を用い
ないことが有利である。実際に、放出要素とセパレー
タ、並びにセパレータと金属ホルダは、それぞれ面接触
の関係でアセンブリされる。従って、本発明による電極
の製造コストは減少し、それにも拘わらず、強くて耐久
性の長い電極を提供する。

【００４８】本発明に関連した技術分野の当業者は、本
発明の多くの変形例やその他の実施形態に想到するであ
ろうが、それらも以上の記載及び添付図面に提示された
教示に基づく利点を享有している。従って、本発明は開
示した特定の実施形態に限定されると考えるべきではな
く、そのような変形例やその他の実施形態も本発明の範
囲内に含まれると解釈されるべきである。この明細書で
は特定の用語が用いられているが、それらは一般的かつ
説明的な意味でのみ使用されており、限定のために用い
られているのではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電極を適用したプラズマアークトーチ
の側断面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る電極の拡大斜視図で
ある。

【図３】図２の電極の断面図である。

【図４】本発明の電極を製造する好適な方法の一工程を
図解する断面図である。

【図５】本発明の電極を製造する好適な方法の一工程を
図解する断面図である。

【図６】本発明の電極を製造する好適な方法の一工程を
図解する断面図である。

【図７】本発明の電極を製造する好適な方法の一工程を
図解する断面図である。

【図８】本発明の電極を製造する好適な方法の一工程を
図解する断面図である。

【図９】加熱作業直後における電極の、図４の９−９線
に沿う拡大断面写真である。

【図１０】加熱作業直後における電極の、図７の１０−
１０線に沿う拡大断面写真である。

【図１１】本発明による完成電極の端面図である。

【符号の説明】

１０ プラズマアークトーチ １４ 電極 １６ 金属ホルダ ２４、３５ キャビティ ２７ 内壁（内側表面） ２８ 電子放出要素 ３２ セパレータ ３３ 周壁（外側表面） ８８ 金属間化合物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マイケル・シー・マクベネット アメリカ合衆国サウスカロライナ州29069, レイマー，ウェスト・セヴン・パインズ・ ストリート 740 Ｆターム(参考） 4E001 LE02 LE06 LH09 ME04

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属ホルダと、 該金属ホルダに接続されると共に内部にキャビティを画
   成する相対的に電子を放出しないセパレータと、 該セパレータにより画成された前記キャビティ内に配置
   される電子放出要素と、 該電子放出要素と前記セパレータとの間に介在する金属
   間化合物とを備えるプラズマアークトーチ用電極。
2. 【請求項２】 前記セパレータは、銀、金、プラチナ、
   ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル及びそれ
   らの合金からなる群から選択した少なくとも一種の材料
   から実質的に形成されている、請求項１に記載のプラズ
   マアークトーチ用電極。
3. 【請求項３】 前記電子放出要素は、ハフニウム、ジル
   コニウム、タングステン及びそれらの合金からなる群か
   ら選択した少なくとも一種の材料から実質的に形成され
   ている、請求項１に記載のプラズマアークトーチ用電
   極。
4. 【請求項４】 金属ホルダと、 該金属ホルダに接続されると共に内部にキャビティを画
   成する相対的に電子を放出しないセパレータと、 該セパレータにより画成された前記キャビティ内に配置
   される電子放出要素と、 前記セパレータと前記金属ホルダとの間に介在する共融
   合金とを備えるプラズマアークトーチ用電極。
5. 【請求項５】 前記セパレータは、銀、金、プラチナ、
   ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル及びそれ
   らの合金からなる群から選択した少なくとも一種の材料
   から実質的に形成されている、請求項４に記載のプラズ
   マアークトーチ用電極。
6. 【請求項６】 前記電子放出要素は、ハフニウム、ジル
   コニウム、タングステン及びそれらの合金からなる群か
   ら選択した少なくとも一種の材料から実質的に形成され
   ている請求項４に記載のプラズマアークトーチ用電極。
7. 【請求項７】 金属ホルダと、 内側表面及び外側表面を有し、該外側表面が前記金属ホ
   ルダと面接触している相対的に電子を放出しないセパレ
   ータと、 外側表面を有する電子放出要素であって、該電子放出要
   素の前記外側表面の少なくとも一部が前記セパレータの
   前記内側表面と面接触している電子放出要素と、 該電子放出要素と前記セパレータとの間に介在する金属
   間化合物と、 前記セパレータと前記金属ホルダとの間に介在する共融
   合金とを備えるプラズマアークトーチ用電極。
8. 【請求項８】 前記金属ホルダは、銅及びその合金から
   なる群から実質的に形成されている、請求項７に記載の
   プラズマアークトーチ用電極。
9. 【請求項９】 前記セパレータは、銀、金、プラチナ、
   ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル及びそれ
   らの合金からなる群から選択した少なくとも一種の材料
   から実質的に形成されている、請求項７に記載のプラズ
   マアークトーチ用電極。
10. 【請求項１０】 前記電子放出要素は、ハフニウム、ジ
    ルコニウム、タングステン及びそれらの合金からなる群
    から選択した少なくとも一種の材料から実質的に形成さ
    れている、請求項７に記載のプラズマアークトーチ用電
    極。