JP2003509223A - 加工品を切断又は溶接するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 材料動作プロセスに使用可能な非常に高いエネルギー密度流を与え、広範囲の加工品厚さにわたって高速度及び高精度で加工品を熱切断するための方法及び装置を提供する。加圧ガス源バルブ（２０）を解放し、るつぼ内側を含む圧力容器（１０）内を加圧する。その後、プラグロッドアクチュエーター（２６ｃ）に電圧が印加され、プラグロッド（２６）が持ち上げられ、プラグロッドボール（２６ａ）がシート（２６ｂ）から持ち上げられる。液体金属流体（８０）がノズルオリフィス（５）を通って流れ、液体金属の流れ（８２）を形成し、該流れが加工品（７０）と接触すると、流れ加熱電源（５４）から流れ（８２）を通って電流が流れ、この電流は該流れの温度を上げる。加工品とジェッティングヘッド間の最終的相対運動（７２）が開始され、これら動作は共に加工品を切断させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 ［関連出願］ この出願は、１９９９年９月２１日付け出願、発明の名称が加工品を切断又は
溶接するための方法及び装置に係る米国予備出願第６０／１５５，０７８号に対
する優先権を請求すると共に、該予備出願を全体としての参照によってここに組
み込む。

【０００２】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は、（製造中の）加工品を切断又は溶接するための方法及び装置に関す
る。

【０００３】 ［従来の技術］ 酸化燃料（Oxyfuel/Oxy-fuel）切断、プラズマ切断及びレーザー切断は、金属
加工品を熱切断するのに使用される三つの主要な方法である。酸化切断は、軟鋼
を切断するために主に使用され、ここでは、酸素と鉄の発熱燃焼反応の利益が該
切断を行うのに用いられる。この方法において、反応速度及び結果としての切断
速度は、反応物の拡散速度と、液体金属を該切断から除去する、液体金属上のガ
スジェットのせん断（shear）とによって決定される。約１０mm〜約１２mmの範
囲の厚さを有する軟鋼加工品を切断するため、典型的切断速度は約０．５〜約１
．５meters/minuteである。切口幅は、約１mm〜約３mm以上に変わる。

【０００４】 プラズマ切断において、加工品を切断するのに使用されるエネルギーは、電気
アーク加熱プラズマガスジェットによって供給され、該ガスジェットは加工品に
向かって誘導され、即ち該加工品と接触するよう導かれる。プラズマ切断技術は
全ての種類の電気的導体上で働き、それ故、酸化燃料切断より広い適用範囲を有
する。典型的プラズマアーク温度は６０００℃より高い。プラズマ切断中、加工
品からの金属は、非常に高い速度のプラズマアークジェットのせん断によって切
口から除去される。プラズマ切断に対する典型的切断速度は、酸化燃料切断のそ
れより大きい。酸化燃料で１／２"軟鋼を切断するための典型的切断速度は、約
１６inches/minであるのに対し、２００アンププラズマシステムは、一般的に、
同じ寸法の材料を８０inches/minで切断するであろう。プラズマ切断に対する切
口幅は、酸化燃料切断に対するものとほぼ同じ寸法か又はそれより大きい。比較
的大きい切口幅はプラズマ切断方法の精度に不利な影響を及ぼす。

【０００５】 レーザー切断において、加工品を切断するのに使用されるエネルギーは、加工
品に向かって誘導された、即ち該加工品と接触するよう導かれたレーザービーム
によって供給される。材料は、切口内に誘導されたアシストガスジェットからの
せん断によって切口から除去される。レーザー切断において、切口幅は狭い。切
口幅は一般的に約０．１５mm〜約０．５mmの範囲である。これら狭い切口は、従
って、酸化燃料又はプラズマ切断で可能なものより正確な切断をもたらす。しか
し、レーザー切断において、加工品厚さが厚くなるに従って切口から溶融金属を
除去することが難しくなっている。これは、レーザー切断にとっての切断速度及
び最大厚さ特性を制限する。この制限の理由は、十分なガスせん断を達成するの
に要求される高ガス速度が、切口内２、３ミリメートルに超音波衝撃波を作り出
すためであると考えられる。これら衝撃波はガスせん断及び金属を除去するその
能力を制限する。

【０００６】 加工品を熱切断するための第４の方法は、米国特許第５，２８８，９６０号に
開示される。この熱切断方法において、高温液体金属流は加工品に向けられ、か
つ該加工品に衝突する。該流れの温度は、加工品の溶解温度を超える。レーザー
切断に生じる制限されたガスせん断のため、切口から溶融金属を除去することの
問題は、従って、より高い特定密度（濃度）を有する媒体（即ち液体）を用いる
ことによって容易化される。レーザー切断と比較して、この液体金属流切断アプ
ローチにより、より高い切断速度、より厚い加工品特性、及び同等の高精度切断
が実現され得る。しかし、加工品溶解点より高い温度で高速度液体流を加工品に
供給する必要があるので、このアプローチは、ある金属を切断するための使用に
制限される。高温、高圧、液体閉込め容器に対する材料要求は、典型的溶解温度
がそれぞれ６６０℃、１４００℃及び１５５０℃であるアルミニウム、ステンレ
ス鋼及び軟鋼のような切断金属の実用性を厳しく制限する。

【０００７】 いくつかの方法が加工品を熱溶接するのに使用される。最も広く使用される溶
接方法は、二又はそれ以上の加工品の局所的な加熱をもたらし、これらが溶解し
かつ共に流れることを許容する熱源を用いる。継ぎ目を埋めかつ機械的強度を高
めるのに十分な材料を供給するため、溶加金属が溶接領域に一般に加えられる。
例えば隅肉溶接は、一般に、完了時に溶接溝上に追加材料の半径方向セクターを
形成する。該溶接方法が進行中、加工品の溶融プールが生じ、また、溶加材は溶
接前線に沿って移動される。溶接熱源が取り去られると、溶融金属は固まり、ま
た、該部品（部分）は溶解されるか又は共に溶接される。加工品を溶解する熱を
供給するのに使用される共通熱源は、ＤＣ又はＡＣ電気アーク、酸化燃料ガス炎
及びレーザービームである。

【０００８】 ［本発明が解決しようとする課題］ この発明の目的は、材料動作プロセスに使用可能な非常に高いエネルギー密度
流を提供することである。この発明の別の目的は、広範囲の加工品厚さにわたっ
て高速度及び高精度で加工品を熱切断するための方法及び装置を提供することで
ある。この発明の別の目的は、高速度及び高精度で加工品を熱溶接するための方
法及び装置を提供することである。この発明の別の目的は、非金属及び／又は不
導体を熱切断及び／熱溶接することである。この発明の更なる目的は、設計が簡
易で、操作及び維持が容易で、使用に対し経済的な切断及び／又は溶接の方法及
び装置を提供することである。

【０００９】 ［課題を解決するための手段］ 一の側面において、本発明は、加工品を改修するためのシステムを特徴とする
。該システムはディスペンサー及び電源を備える。該ディスペンサーは、ジェッ
ト流を形成するための電気的導体を備える。該電源は該ジェット流に電気的に接
続される。

【００１０】 一実施形態において、該ディスペンサーはジェッティングヘッドを備える。例
えば、該ジェッティングヘッドはるつぼを備え得る。該るつぼにヒーターが連結
され得る。該ヒーターは、ＡＣ抵抗加熱ヒーター、ＤＣ抵抗加熱ヒーター、誘導
ヒーター、又は燃焼バーナーヒーター装置の内の一つを備え得る。該ヒーターは
、るつぼの周囲に巻かれた誘導ヒーターコイルを備え得る。一例において、るつ
ぼの第１端部周りに巻かれた誘導ヒーターコイルは、るつぼの第２端部周りに巻
かれた該誘導コイルよりも密集関係である。別の例において、るつぼの第１端部
周りに巻かれた誘導ヒーターコイルは、るつぼの第２端部に巻かれた誘導コイル
よりも小径である。該システムは更に、圧力閉込め容器と連通する圧抜き口を備
える。るつぼは耐熱材料から成り得る。例えば、るつぼは、二ホウ化ジルコニウ
ム、アルミナ、ジルコニア、窒化ホウ素、及びグラファイトの一つから選択され
た材料から成り得る。ジェット流を形成するための導体は金属から成り得る。

【００１１】 ジェッティングヘッドは、導体から成る供給原料を受容するための入口を備え
得る。別の実施形態において、ジェッティングヘッドは、導体から成る複数の供
給原料を受容するための複数の入口を備え得る。ジェッティングヘッドは更に、
供給原料バルブを備え得る。ジェッティングヘッドは、圧力閉込め容器と、該圧
力閉込め容器の内側に配置されたヒーターとを備え得る。該システムは更に、圧
力閉込め容器と連通する加圧ガス源を備え得る。ジェッティングヘッドは、ジェ
ット流との電気的接続を確立するため、るつぼ内側に配置された電極を備え得る
。

【００１２】 ジェッティングヘッドは出口オリフィスを備え得る。加えて、ジェッティング
ヘッドはプラグを更に備え得る。この実施形態において、ジェッティングヘッド
は、出口オリフィス上に配置されたプラグロッドを備え得る。ジェッティングヘ
ッドはノズルを更に備え得る。該ノズルは、円錐状開口を有するディスクを備え
得る。ジェッティングヘッドは、ノズルと、該ノズルに隣接する圧力閉込め容器
に着脱可能に取り付けられたノズルキャップとを更に備え得る。一実施形態にお
いて、ノズルと直列にフィルターが置かれ得る。別の実施形態において、るつぼ
は導電性流体フィルターを有する。

【００１３】 一実施形態において、加工品を改修するためのシステムは、電源及び加工品に
電気的に接続された第１リード線と、該電源とるつぼ内に配された導電性流体と
に電気的に接続された第２リード線とを更に備える。別の実施形態において、該
システムは、電源及び加工品クランプに電気的に接続された第１リード線と、該
電源とるつぼ内に配された導電性流体とに電気的に接続された第２リード線とを
更に備え得る。更に別の実施形態において、該システムは、電源及び集電体（集
電装置）に電気的に接続された第１リード線を更に備え得る。例えば、該集電体
は容器から成り得る。

【００１４】 更に別の実施形態において、該システムは、第１電源及び第１供給原料に電気
的に接続された第１リード線と、第１電源及び第２供給原料に電気的に接続され
た第２リード線とを更に備え得る。該第１及び第２供給原料はるつぼ内に配され
た導電性流体と電気的に接触する。該二つの供給原料は、これらの間を電流が通
過することによって加熱される。第２電源は、加工品に電気的に接続された第１
リード線と、電源及び第１電源の供給原料に電気的に接続された第２リード線と
を備える。

【００１５】 ジェッティングヘッドは、ノズルを支持する遮蔽された組立体を更に備え得る
。該遮蔽組立体は、遮蔽ガスをジェット流へと導入するための複数の入口オリフ
ィスを有するディスクを備え得る。

【００１６】 別の側面において、本発明は、金属ジェット切断システムを特徴とする。該シ
ステムは、導電性流体から成るジェット流を分配するための出口オリフィスを含
むジェッティングヘッドと、ジェット流に電流を供給してジェット流の温度を導
電性流体の溶解温度より高くするため、該ジェット流に電気的に接続された電源
とを備える。

【００１７】 更に別の側面において、本発明は、加工品を改修するための方法を特徴とする
。該方法によれば、導電性流体から成るジェット流が供給される。電流は該ジェ
ット流を通過する。該ジェット流は、加工品を改修するために該加工品に向けら
れる。

【００１８】 ジェット流は種々の方法で加熱され得る。電流は、導電性流体に接続された電
極と加工品の近くに配置された集電体とを通じてジェット流に与えられ得る。電
流は、導電性流体に接続された電極と加工品クランプとを通じてジェット流に与
えられ得る。ジェット流は、オーム性ワット損を通じて加熱され得る。ジェット
流は、導電性流体の溶解温度を実質上超える温度まで加熱され得る。ジェット流
の温度は、導電性流体の溶解温度上の約１０００℃まで高められ得る。ジェット
流は、連続的ジェット流、パルスジェット流、定常ジェット流、又は非定常ジェ
ット流であり得る。

【００１９】 一実施形態において、るつぼのヒーターは誘導ヒーターであり、そこでは、誘
導ヒーターの特性周波数がるつぼ内の導電性流体のレベルまで較正され得る。

【００２０】 一実施形態において、供給原料及び加工品は同じ種類の材料から成る。あるい
は、供給原料及び加工品は異なる種類の材料から成り得る。例えば、供給原料は
アルミニウムから成り得、また、加工品はステンレス鋼からなり得る。供給原料
は導電性流体であり得る。あるいは、供給原料は、導電性流体を形成するために
加熱され得る。一例において、供給原料は、アルミニウム、鉄、鉄含有化合物、
スズ、ニッケル、チタン、金、白金、銀、マグネシウム、銅、軟鋼、又はアルミ
ニウム−鉄合金のような金属である。供給原料は、ワイヤー、バー又は粉末から
成り得る。更に別の実施形態において、供給原料は、ワイヤー又はバーから成り
得、また、電源と導電性流体間の電気接点として働く。一以上の供給原料が電源
と接触し得る。供給原料は、複数の非融解粒子から成り得る。該非融解粒子は研
磨であり得る。供給原料は低融解点及び高沸点を有し得る。

【００２１】 るつぼの出口オリフィスは、供給原料を供給する間、栓がされ得る。また、出
口オリフィスは、導電性流体が出口オリフィスを通過する間、栓が抜かれ得る。
出口オリフィスを塞ぐため、ジェッティングヘッドに真空が与えられ得る。出口
オリフィスをふさぐため、導電性流体に浮上力が与えられ得る。

【００２２】 一実施形態において、ジェッティングヘッドは、導電性流体を出口オリフィス
に通過させる間、加圧される。例えば、ジェッティングヘッドは不活性ガスを供
給することによって加圧され得る。

【００２３】 別の側面において、本発明は、金属ジェット切断システム用のためのるつぼを
特徴とする。該るつぼは側壁及びベースを備える。るつぼは導電性であり、また
金属溶融の存在下で溶解することに抵抗する。るつぼはジルコニウム含有化合物
から形成され得る。るつぼはまた、二ホウ化ジルコニア又はイットリア安定化ジ
ルコニアから形成され得る。

【００２４】 別の側面において、本発明は、金属ジェット切断システムのためのノズルを特
徴とする。該ノズルは、オリフィスを有するディスク構造を備え、そこでは、該
オリフィスは該ディスク構造の中央に設置される。ノズルは導電性であり、金属
溶融液の存在下で溶解することに抵抗する。ノズルは、ジルコニウム含有化合物
から形成され得る。ノズルまた、二ホウ化ジルコニウムから形成され得る。

【００２５】 本発明の方法が実行される際、種々のパラメータが制御され得る。例えば、ジ
ェッティングヘッド内の圧力、導電性流体の温度、ジェット流の貫入の深さ、及
び／又はジェット流の速度が制御され得る。

【００２６】 一実施形態において、加工品は切断され、印が付けられ、又は穴があけられ得
る。あるいは、加工品は溶接され得る。例えば溶接において、第１テーパー縁を
有する第１加工品と第２テーパー縁を有する第２加工品とが設けられる。該第１
テーパー縁は第２テーパー縁に隣接配置されて溝を作る。ジェット流は、該溝に
向けられ、該溝を満たす。ジェット流を該溝に向けることは、加工品の一部を融
解し、該溝に溶解プールを形成し得る。該溶融プールを冷却することは、第１加
工品と第２加工品を溶接する。

【００２７】 一実施形態において、加工品は該加工品の融解点を下げることで改修され得る
。融解点は、加工品の一部の面において供給原料材料と加工品材料とから成る合
金を形成することによって下げられ得る。加工品を改修する方法は、ジェット流
を遮蔽するため、遮蔽ガスを供給することを更に含み得る。

【００２８】 一実施形態において、加工品を改修する方法は、絶縁材料を改修するのに使用
され得る。絶縁材料を改修する際、導体から成る集電体は、加工品の下に配置さ
れ得る。該集電体はジェット流との電気接点を形成する。

【００２９】 本発明の上記の及び他の目的、特徴及び利点、並びに本発明自体は、添付図面
と共に次の記述及び実施形態から十分な理解がなされるであろう。

【００３０】 ［発明の実施の形態］ 一側面において、本発明は、高温液体金属動作流体の衝突微細流によって加工
品が切断又は溶接される方法及び装置を特徴とする。一実施形態において、該液
体金属動作流体は、加熱されたるつぼ内で動作流体を溶解し、次いで保持するこ
とによって形成される。るつぼ内の金属動作流体の温度は、その融解点を超える
温度に維持される。操作中、該動作流体はるつぼ内の圧力下で加熱され、その後
、るつぼの出口に設けられたノズルオリフィスを通過するジェット流として加工
品に向かって誘導される。

【００３１】 一実施形態において、電源は、るつぼ内の液体金属動作流体と、導電性加工品
又は該切断加工品の下に配置された代替電極との間に接続される。操作中、電流
は、るつぼ内の液体金属動作流体と加工品又は代替電極との間を該液体金属流を
介して通される。小径液体流を通る電流の通路は、オーム性（I²R）ワット損に
よってジェット流を加熱する（ここで、Iは電流を示し、R電気抵抗を示す。）。
加工品に対する設定経路での該流れの温度上昇は、ａ）該流れに対する電力入力
と、ｂ）流れ質量流量と、ｃ）該液体の熱容量（比熱）とに依存する。該流れに
対する電力入力は独立に変えられるので、これはオペレータ制御であり得るが、
所望により該流れの温度を高めるため、該流れにエネルギーが加えられ得る。こ
れは、るつぼ構成材料から高温要求を低減し、また、格段に低い融解点を有する
動作流体を用いて、高融解点温度の材料を切断又は溶接することを実現可能にす
る。高融解点加工品材料は、加工品に対する動作流体経路に要求されるどのよう
な温度をも加えることにより、加工（切断、溶接又は鑞付けのいずれか）され得
る。例えば、それぞれほぼ１５５０℃及び１４００℃の融解点を有する軟鋼及び
ステンレス鋼は、それぞれほぼ６６０℃及び２３２℃の溶解温度を有するアルミ
ニウム又はスズ合金のような低融解点動作流体を用いて、該液体金属流において
I²Rワット損によって必要とされるどのような追加温度をも加えることにより、
切断可能である。

【００３２】 切断方法における本発明の改良の例として、次の表１は、上記切断方法の典型
的な理論上の断面出力密度を比較する。切断速度及びプロセスパラメータは、各
プロセスに対し典型的なものであると仮定される。出力密度は、各プロセスに関
連する切口幅と寸法が等しい断面径を通過するエネルギーとして、各プロセスに
対し計算される。表１に見ることができるように、本発明の方法は、他の方法の
いずれよりも、単位面積当たりで格段に大きな出力を送出する。この出力密度は
、加工品切口へ溶解エネルギーを送出する本発明の方法の能力の指標である。

【００３３】

【表１】 表１ 切断方法に対する典型的出力密度（W/mm²） （切断１／２インチ軟鋼、１５２０℃融解温度） 切断方法 出力密度 １．酸化燃料（酸素−鉄燃焼反応、２mm切口） １４ ２．プラズマ（２００A、１００V、４mm切口） １，６００ ３．レーザー（酸素アシストを伴う３kW、０．４mm切口） ２４，０００ ４．アルミニウムジェット（２００μmノズル、１７５０℃ジェット、 ０．２mm切口） １４，６００ ５．アルミニウムジェットw/I²R加熱（２００μmノズル、 １７５０℃ジェット＋１．２kWI²R、０．２mm切口） ５３，０００ ６．アルミニウムジェットw/I²R加熱（２００μmノズル、 ９００℃ジェット＋２．１kWI²R、０．２mm切口） ３０，０００

【００３４】 表１に示されるように、アルミニウムジェットの初期温度（９００℃）は、加
工品の溶解温度（１５２０℃）を下回ることができ、加工品を切断するのに必要
な追加の温度が付加I²Rワット損から得られる。

【００３５】 図１ａ、１ｂ及び１ｃを参照して、加工品を切断又は溶接するための装置は、
ジェッティングヘッド（９）、るつぼヒーター電源（３４）、流れ加熱電源（５
４）及び加圧ガス源（２２）を含む。るつぼ電源（３４）は、一対のリード線（
３２）（３３）を介してジェッティングヘッド（９）に電気的に接続される。流
れ加熱電源（５４）は、負のリード線（５２）を介してジェッティングヘッド（
９）に、正のリード線（５３）を介して加工品（７０）に電気的に接続される。
ガス源（２２）からのガスは、加圧ガス源相互接続管（１８）、加圧ガス源レギ
ュレーター（２３）及び加圧ガス源ｏｎ／ｏｆｆバルブ（２０）を通ってジェッ
ティングへッド（９）に供給される。ジェッティングへッド（９）は、減圧口（
２５）、減圧口相互接続管（１９）及び減圧口ｏｎ／ｏｆｆバルブ（２１）を通
って減圧される。

【００３６】 ジェッティングへッド（９）は、圧力閉込め容器（１０）、るつぼ（１１）、
るつぼヒーター（３０）、一対のリード線（３２）（３３）用のフィードスルー
（３０ａ）、流れ加熱電極（５０）、負のリード線（５２）用のフィードスルー
（５０ａ）、プラグロッド（２６）、プラグロッドアクチュエーター（２６ｃ）
、プラグロッドシール（２６ｅ）、プラグロッドボール（２６ａ）、プラグロッ
ドボールシート（２６ｂ）、るつぼ対応上部シール（１６）、るつぼ底部シーリ
ングガスケット（１５）、ノズルディスク（１２）、ノズルディスクシーリング
ガスケット（１４）、ノズルナット（１３）、及び溶融金属動作流体（８０）を
含む。

【００３７】 供給原料（８７）は、供給原料入口（１７ｃ）を通ってジェッティングへッド
（９）内へ供給される。供給原料（８７）は、るつぼ（１１）内で融解及び液体
形成が起こる図示されるような固体形態でジェッティングへッド（９）内に導入
されるか、又は、その供給原料入口（１７ｃ）への導入前にジェッティングへッ
ド（９）の外部で融解及び液体金属の形成が起こる液体形態で導入され得る。い
ずれの場合でも、動作材料は、供給原料通路（１７ｄ）を通ってジェッティング
へッド（９）内へ、またるつぼ（１１）内へ移動する。操作中、加熱されたるつ
ぼ（１１）は供給原料（８７）を溶融状態に維持する。供給原料（８７）は、開
口（１７ｅ）が通路（１７ｄ）と整列される際、開口（１７ｅ）を通って供給原
料バルブ（１７）に供給される。供給原料バルブアクチュエーター（１７ｂ）で
閉じられる際、開口（１７ｅ）はもはや通路（１７ｄ）と整列せず、通路（１７
ｄ）はその際シール（１７ａ）で気密にシールされる。供給原料バルブ（１７）
は、ジェッティングへッド（９）の内部が加圧されることを許容する。

【００３８】 るつぼ（１１）はるつぼヒーター（３０）で加熱される。るつぼヒーター（３
０）は、るつぼ（１１）を所望温度まで加熱するどのようなヒーターでもあり得
る。例えば、ヒーター（３０）は、ＡＣもしくはＤＣ抵抗加熱ヒーター、誘導ヒ
ーター又は燃焼バーナーヒーターであり得る。一実施形態において、ＡＣ電気抵
抗ヒーターが使用させる。このヒーターは電源接続（３２）及び（３３）を有し
、これらはまたるつぼヒーター電源（３４）に接続される。電源リード線（３２
）及び（３３）は、るつぼヒーター電気フィードスルー（３０ａ）を介して圧力
容器上部（１０ｂ）を通過する。このフィードスルー（３０ａ）は、圧力容器上
部と共にガス圧力シールを形成し、該リード線を電気的に絶縁する。

【００３９】 一実施形態において、るつぼ（１１）は側壁及びベースを有する。るつぼ（１
１）は高温溶融動作流体に適合する耐熱材料から形成され、そのため、るつぼは
金属溶融液の存在下で溶解することに抵抗する。適当なるつぼ材料の例は、ジル
コニウム含有化合物、種々の成分のアルミナ及びジルコニアセラミック、種々の
成分の窒化ホウ素材料、窒化ホウ素、窒化ホウ素ジルコニア炭化ケイ素、シリカ
、二ホウ化ジルコニウム、イットリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジル
コニア、カルシア安定化ジルコニア、立方ジルコニア、シリカ複合材、及びグラ
ファイトを含むが、これらに限定されない。一実施形態において、るつぼ材料は
、ニューヨーク州Amhurst所在のCarborundum社から提供される、窒化ホウ素ジル
コニア炭化ケイ素から構成されるグレードＺＳＢＮ材料のような窒化ホウ素材料
であり得る。別の実施形態において、るつぼはグラファイトから形成される。グ
ラファイトは導電性であるので、圧力閉込め容器（１０）及びるつぼヒーター（
３０）から電気的に絶縁することが望ましいであろう。一実施形態において、る
つぼ（１１）は電気的に絶縁される。るつぼ（１１）の底部は、るつぼ（１１）
の底部上のるつぼ（１１）と圧力容器底部（１０ａ）間に設置されたるつぼ底部
ガスケット（１５）でシールされる。一の詳細な実施形態において、ガスケット
（１５）は高温アルミナ耐熱ガスケット材料から形成され、これは電気絶縁体で
ある。ガスケット（１５）は、るつぼ（１１）の上部上のるつぼ（１１）と圧力
容器の上部（１０ｂ）間に設置された対応シール（１６）からの圧力下で装填さ
れる。

【００４０】 一実施形態において、液体金属動作流体用の出口は、可動プラグロッドボール
（２６ａ）でシールされ、これはプラグロッドボールシート（２６ｂ）とシール
ばめ関係である。プラグロッドアクチュエーター（２６ｃ）は、アーム（２６ｄ
）を介してシーリング力をプラグロッド（２６）にかけ、これは、液体金属流が
無い時間中、プラグロッドボール（２６ａ）をプラグロッドボールシート（２６
ｂ）上へと強制する。るつぼ（１１）、プラグロッド（２６）、プラグロッドボ
ール（２６ａ）及びプラグロッドボールシート（２６ｂ）は液体金属（８０）と
接触するので、これら構成部品に対する構成材料は、これらが高温における機械
的かつ熱的応力に耐え、かつ化学的反応環境における腐食に耐えるように選択さ
れなければならない。加えて、プラグロッドボール（２６ａ）及びプラグロッド
ボールシート（２６ｂ）は、圧力下で液体金属の良好な間欠シールを共に形成す
る材料から形成されなければならない。動作圧力が約５０〜約５０００psi．の
範囲であることが予期されている。加えて、一実施形態において、プラグロッド
（２６）及びプラグロッドボール（２６ａ）は、動作流体抵抗加熱電源（５４）
を他の電流路から電気的に絶縁するため、電気的に絶縁されるか及び／又は非導
電性材料から形成される。るつぼ及びプラグロッド通路の電気的絶縁は、全ジェ
ッティングヘッド組立体がるつぼと同電位で電気的に「流れる」ことが許容され
る場合、必要ないであろう。プラグロッド（２６）は、プラグロッド圧力シール
（２６ｅ）で圧力容器上部（１０ｂ）上にシールされる。

【００４１】 一実施形態において、流れ加熱電源（５４）は、電極（５０）によって動作流
体（８０）に接続される。該電極は、るつぼ（１１）内へと下方に延長し、液体
金属動作流体（８０）に一般に囲まれ、かつ該流体と良好に電気的接触する。電
極（５０）は、フィードスルー（５０ａ）を介して圧力容器の上部（１０ｂ）を
通過する接続線（５２）で電源（５４）に接続される。このフィードスルー（５
０ａ）は、圧力容器の上部（１０ｂ）と共にガス圧力シール及び電気絶縁を形成
する。 流れ加熱電源（５４）の異極性 は、ケーブル（５３）スイッチ（５４ａ
）及び電気クランピング手段（５５）を介して加工品（７０）に接続される。

【００４２】 図１ｃはノズル領域の拡大図を示す。該ノズル領域はノズルディスク（１２）
を含む。ノズルディスク（１２）は、上部（１２ａ）、底部（１２ｂ）及び外径
壁（１２ｃ）を有する円筒状ディスクである。オリフィス（５）は、ノズルディ
スク（１２）の上部（１２ａ）のセンターライン上に形成される。オリフィス（
５）は内径（５ａ）及び長さ（５ｂ）を有する。円錐状開口（５ｃ）は、オリフ
ィス（５）の出口からノズルディスク（１２）の底部（１２ｂ）まで延長する。
典型的なオリフィス径は約２５〜５００μmの範囲であり得る。ノズルディスク
（１２）は、一実施形態において、導電性でかつ金属溶融液の存在下で溶解する
ことに抵抗する材料から形成され、またノズルディスク（１２）は、高温液体金
属の過酷な環境下で機能し得る精密な小径オリフィスと共に形成され得る。ノズ
ルディスク（１２）もるつぼ（１１）のように、イットリア安定化ジルコニア、
マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、窒化ホウ素、窒化ホ
ウ素ジルコニア炭化ケイ素、立方ジルコニア、アルミナ、シリカ、シリカ複合材
、二ホウ化ジルコニウムのようなジルコニウム含有化合物から形成され得る。一
の詳細な実施形態において、ノズルディスク（１２）に対する材料はサファイア
（例えばアルミナ）である。ノズルディスク（１２）は、ノズルキャップ（１３
）でかけられた圧力によってノズルシーリングガスケット（１４）に対し保持さ
れる。ノズルキャップ（１３）は、圧力容器の底部（１０ａ）のねじ部（１０ｃ
）上に取り付けられるねじ部（１３ａ）を有する。一実施形態において、ノズル
シーリングガスケット（１４）は、高温液体金属の過酷な環境下で機能し得る材
料から形成される。例えば、ガスケット材料は、カリフォルニア州、Valenciaの
SGL Technic株式会社によって提供される「Calgraph^TM」材料のようなのような
グラファイトであり得る。

【００４３】 ジェッティングヘッド内部の外側境界は圧力閉込め容器（１０）の内側壁で規
定される。この圧力容器（１０）は、Inco Alloys International社から販売さ
れる高ニッケル超合金である「Inconel^TM６００」のような、高圧力及び高温で
高強度を維持し得る材料から形成されなければならない。圧力閉込め容器（１０
）は、加圧レギュレーター（２３）及び加圧ガス源（２２）に接続される加圧ガ
ス源管（１８）を介して加圧される。ｏｎ／ｏｆｆバルブ（２０）は、加圧ガス
源管（１８）に沿うどこかに設置される。圧力閉込め容器（１０）は、減圧ガス
抜き口（２５）に接続される減圧ガス抜き口管（１９）を介して減圧される。ｏ
ｎ／ｏｆｆバルブ（２１）は減圧ガス抜き口管（１９）に沿うどこかに設置され
る。図１ｂの実施形態は、ジェッティングへッド（９）の周期的な加圧によって
引き起こされた高応力を高温るつぼの壁が受けないように設計される。これは、
加圧ガス流がるつぼ（１１）の内側壁（１１ａ）及び外側壁（１１ｂ）の両方に
接近することを許容することによって達成される。該加圧ガスは、るつぼ（１１
）のガス通路（１１ｃ）を通って自由に流れることが許容される。ジェッティン
グヘッド内のるつぼ（１１）の外側と圧力閉込め容器（１０）の内壁との間の全
自由空間である内部空洞（８）は非常に有効な断熱障壁としての機能を果たす。
しかし、この空間は、容器に高圧を装填及び解放するガスキャパシタンスとして
の機能を果たす。このキャパシタンスを最小にするため、内部空洞（８）は無孔
断熱材で満たされ得る。

【００４４】 一実施形態において、供給原料（８７）は、ジェッティングヘッドが圧力下に
ない時間中、ジェッティングへッド（９）内に供給される。供給原料はるつぼ（
１１）内に保持され、次に、供給原料が固体として供給される場合、溶融され、
溶融状態に維持される。

【００４５】 切断のための準備においてジェッティングヘッド（９）が始動される際、るつ
ぼ電源（３４）は、スイッチ（３４ａ）を閉じることによって「ＯＮ」にされ、
そしてるつぼヒーター（３０）に電力を供給する。るつぼヒーター（３０）は、
図示されない制御装置によって動作流体（８０）の温度をその融解点の上あたり
の所定温度に維持する。該所定温度は、溶融金属動作流体中又はその近くに設置
された温度センサーからのフィードバックを用いる電子監視制御装置によってセ
ットされる。この電子制御システム及び温度センサーは図示されないが、市販さ
れている。

【００４６】 一実施形態において、誘導ヒーターがるつぼヒーター（３０）として使用され
る。該誘導ヒーターは、るつぼ内の溶融金属動作流体のレベルの変化を検出可能
である。誘導ヒーターの特性周波数は、溶融金属動作流体のレベルと共に変化す
る。誘導ヒーターにおいて、加熱される材料は、コイル内側の磁界によって該ヒ
ーターのコイルに連結される。該材料及び材料内に誘導された渦電流の存在は該
磁界と相互作用し、かつ、コイル内側に少しの材料も無しで磁界がどのようにな
るのかと比較して該磁界を変える。該材料のインピーダンスの追加は該コイルの
全インピーダンスを変える。該コイルのインピーダンスの変化は、回路のＱ及び
その共振周波数を変える。それ故、誘導ヒーターは、材料がコイル内側に存在す
るかしないかの状態に対し異なる周波数で作動するであろう。同様に、コイル内
側の材料量を変えることは、周波数の偏移の変化をもたらすであろう。特性周波
数は溶融金属動作流体のレベルを測定するために監視されかつ較正され得る。

【００４７】 供給原料（８７）から形成される溶融金属動作流体（８０）は、関心のある特
定用途に対して特に選択される。動作流体は「金属」と呼ばれるけれども、動作
流体は、実際、加工品上に所望効果をもたらすどのような導電性流体でもあり得
る。供給原料（８７）に対し使用可能ないつくかの材料は、軟鋼、アルミニウム
、アルミニウム合金、スズ、ステンレス鋼、鉄、鋳鉄、工具鋼、銅、亜鉛、金、
銀、ニッケル、チタン、マグネシウム、又は白金を含む。例えば、所望効果が軟
鋼又はステンレス鋼を切断することである場合、動作流体はアルミニウム又はア
ルミニウム−鉄合金であり得る。

【００４８】 アルミニウム及びアルミニウム合金は、これらを動作流体にとって有効な選択
にするいくつかの性質を有する。そのような合金は、低融解点温度、高沸点温度
、高比熱容量、高熱熱伝導率、及び比較的低いキログラム当たりのコストを有す
る。純アルミニウムの融解点は、ほぼ６６０℃であり、アルミニウム−鉄合金（
又は鉄混合物）の融解点は、該混合物中の鉄量によってほぼ６６０℃〜１５４０
℃に変わる。アルミニウム含有率９０%のアルミニウム−鉄混合物の融解点はほ
ぼ８００℃である。

【００４９】 本発明の主要な利益は、るつぼ構造に対し多くの入手可能な耐熱材料が使用可
能になるので、そのような温度で動作流体を使用する能力である。純鉄は約１５
４０℃で融解するので、切断するため、追加の温度が加工品に対する設定経路に
おける該流れに加えられなければならない。加えて、動作流体としてアルミニウ
ム又はアルミニウム合金を使用することの別の利益がある。即ち、アルミニウム
−鉄合金の温度は純鉄（又は鋼）より低い溶解温度を有する。それ故、合金化処
理速度が十分速い範囲まで、該流れがより高い融解点の加工金属と化合（合金化
）する場合、切断プロセスを支援するこの追加の合金化処理機構が存在する。該
合金化処理は、一般に、切断（及び合金化）流と接触する加工金属の融解点温度
を事実上下げることによって切断流の融解点より高い融解点を有する全加工金属
の切断プロセスを支援する。

【００５０】 別の例として、ステンレス鋼加工品は、０．５〜２５μｍアルミナ又はジルコ
ニア粒子のような微細セラミック粒子の分散量をも含むアルミニウム−マグネシ
ウム合金のような複合材料から成る動作流体を用いて切断され得る。この切断流
体は、切断プロセスを支援する研磨材として役立つため、該流体全体にわたって
分散された非融解粒子を有する利点がある。

【００５１】 本発明は、動作流体として低溶解温度金属との使用に限定されない。例えば、
軟鋼加工品は、軟鋼、鋳鉄、工具鋼又は純鉄動作流体で切断可能である。この切
断流体の選択は高融解点の不利益がある。しかし、鉄の融解点（又は流動化）温
度あたりの温度に耐え得る二、三のるつぼ材料が存在し、また、要求される融解
点を超えるどのような温度も、I²Rワット損を伴ってるつぼの外側に加え得るの
で、切断流体としての純鉄の使用は、本発明において可能であり、いくつかの場
合において望ましいであろう。切断流体としての軟鉄又は鉄を使用することの一
の利益は、設定経路の酸化物形成が該流れの流動性に悪影響を及ぼさず、酸化鉄
が鉄自体より低い融解点を有することである。いくつかの高炭素鋼は、純鉄の融
解点未満の融解点を有し、これは、それ故、これらを切断流体に対する選択候補
にする。軟鋼を切断するのに使用するための切断流体に対する他の選択は、AISI
１００６からAISI １０９５鋼、鋳鉄及び工具鋼を含む。別の例において、切断
される加工品が６０６１のようなアルミニウム合金である場合、動作流体は、純
アルミニウム又はアルミニウム合金であり得る。更に別の例として、切断される
加工品がスズである場合、動作流体はスズであり得る。一般に、動作流体材料に
は加工品と同じ材料になる利点があり得る。例えば切断時、加工品のベース金属
と切断面上の金属との間に認識できる冶金の相違は無いであろう。別の例におい
て、３１６ステンレス鋼を切断する場合、同じ合金化要素が切断領域に何の変化
も伴わずにずっと存在するという点で、動作流体材料として３１６ステンレス鋼
を使用することに利点があるであろう。

【００５２】 切断操作の開始直前、次の状態が存在する。ａ）プラグロッドアクチュエータ
ー（２６ｃ）は「ｏｆｆ」状態にあり、プラグロッドボール（２６ａ）はプラグ
ロッドボールシート（２６ｂ）に対しシールしている。ｂ）供給原料バルブ（１
７）は閉じられ、バルブシール（１７ａ）は外側環境から通路（１７ｄ）をシー
ルしている。ｃ）減圧ガス抜き口バルブ（２１）は「ｏｆｆ」状態にあり、抜け
通路は閉じられる。ｄ）加圧ガスバルブ（２０）は「ｏｆｆ」状態にあり、加圧
ガス源に対するガス通路は閉じられ、加圧ガス源はジェッティングヘッドにガス
を供給する準備ができている。ｅ）るつぼヒーター電源（３４）は「ｏｎ」状態
にあり、スイッチ（３４ａ）は閉じられ、るつぼヒーター（３０）はるつぼ（１
１）に熱を供給している。ｆ）流れ加熱電源（５４）は「ｏｎ」にされ、スイッ
チ（５４ａ）は閉じられ、そのため、電源は液体金属流体（８０）と加工品（７
０）間に電位を与えている。

【００５３】 切断操作は、るつぼの内側を含む圧力容器（１０）の内部を加圧する加圧ガス
源バルブ（２０）をまず解放すること達成される。加圧ガスは、酸化しておらず
、かつ溶融金属との反応に対し不活性なものが選択される。加圧ガスに対する可
能な選択は、いくらかの水素と共に、アルゴン、窒素、ヘリウム及びアルゴンを
含む。一実施形態において、加圧ガスは５%の水素が加えられたアルゴンである
。水素の目的は、酸化形成を抑えるため、加圧雰囲気をわずかに「還元」させる
ためである。動作流体として鉄を用いることの特別な利益は、酸化鉄がもし形成
されたなら純鉄に沿って流動化されるので、加圧ガス中の酸素の存在が流動化プ
ロセスに悪影響を及ぼさないことである。しかし、酸素の存在は、るつぼ及び／
又はシーリングガスケットのようなジェッティングヘッドの構成部品にとって望
ましくないであろう。その後、プラグロッドアクチュエーター（２６ｃ）に電圧
が印加され、これはプラグロッド（２６）を持ち上げる。プラグロッドボール（
２６ａ）は、それにより、シート（２６ｂ）から持ち上げられる。図１ｃに示さ
れるように、液体金属流体（８０）は、ノズルオリフィス（５）を通って流れ、
液体金属の流れ（８２）を形成する。該流れが加工品（７０）と接触すると、流
れ加熱電源（５４）から流れ（８２）を通って電流が直ちに流れ始める。この電
流は直ちに該流れの温度を上げる。高温流が加工品に衝突するので、加熱された
流れが最終的に加工品を完全に貫通するまでそれはピットを融解及び腐食する。
この点で加工品はジェットで穴があけられた。次に、加工品とジェッティングヘ
ッド間の最終的相対運動（７２）が開始される。これら動作は共に加工品を切断
させる。該相対運動は所望形状が切断されるまで続く。該相対運動が停止され得
る時点において、流れ（８２）は、ａ）該流れを通って流れる電流を止めるスイ
ッチ（５４ａ）を開く、ｂ）プラグロッド（２６）を下げ、かつプラグロッドボ
ール（２６ａ）をシート（２６ｂ）上に押しやるアクチュエーター（２６ｃ）の
電源を切り、ｃ）加圧バルブ（２０）の電源を切り（閉じる）、ｄ）加圧ガスが
ガス抜き口（２５）を通って圧力容器（１０）から流出することを許容するガス
抜け口バルブ（２１）に通電する（開放する）、ことによってｏｆｆにされ得る
。切断順序は、次に、スイッチ（５４ａ）を再び閉じることにより、次の切断の
ためにリセットされ、そのため、電源は液体金属流体（８０）と加工品（７０）
間に電位を与える。次の切断を上述と同じ順序にすることが望ましい場合は次の
ようになる。切断又は溶接プロセス中、ジェットを通って加工品へ流れる電流は
、時に、加工品表面に又はその近くにプラズマアークを形成し得る。このプラズ
マアーク形成は、切断又は溶接プロセスに対し有害になり得、また、該プロセス
を不規則にさせて不良の切断又は溶接品質をもたらし得る。切断又は溶接プロセ
スの制御に採用される工程において、該アークを極最小に制限すること、又は可
能であれば該アークを完全に除去することが重要である。一のそのような工程は
、ジェットを形成する前に動作流体に対しフィルターを使用することにより、ジ
ェット流の質を保証することである。溶融金属用フィルターは市販されている。
例えば、９３%ジルコニア、５%マグネシア及び<２%アルミナ−シリケート及び他
の化合物の典型的成分から成る溶融金属用のフィルターは、軟鋼フィルタリング
用に形成され、ノースカロライナ州、HendersonvilleのSELEE社から入手可能で
ある。

【００５４】 次の表は、本発明に従うスズジェットを用いて種々の材料を切断した結果を要
約する。I²R電力がＤＣ電源を介して該ズズジェットに加えられた。

【００５５】

【表２】

【００５６】 別の側面において、本発明は、溶接装置と、図１ａ〜１ｃの装置を用いて加工
品を溶接する方法に向けられる。該流れは、その温度を溶接に対し有益な温度ま
で高めるため、I²Rエネルギー散逸によって付加的に加熱される。溶加材（動作
材料流）の選択は、ちょうど特定溶接ロッドが慣用の溶接において選択されるよ
うに選択される。流速度（圧力容器内の圧力によって調整される）、ノズルオリ
フィスの直径、加工品に対するジェッティングヘッドの向き、及び流れ温度（I² Rワット損）は、貫入の深さをセットするために調整されるであろう。流速度及
び従って質量流量は、非常に高い値から非常に低い値まで変えられ得、溶加材は
、慣用のＭＩＧ溶接法におけるワイヤーとほとんど同じ方法で、即ち、ジグザグ
（ウィービング）式で加えられ得る。これは、加工品における貫入のより広い通
路を許容する。図２ａは、隅肉型溶接に対し容易された二つの金属（７４ａ及び
７４ｂ）片を示す。両方（７４ａ）及び（７４ｂ）は、共に溶接されることにな
るテーパー縁（７４ｃ）を有する。テーパー縁が溶接にとっての適正位置に置か
れると、該テーパー縁は溝（７４ｄ）を形成する。

【００５７】 図２ｂは、本発明の装置を用いた溶接プロセスを示す。図２を参照して、ジェ
ッティングへッド（９）及び放射流（８２）は、加工品に向かって誘導される。
流れ（８２）は、溝（７４ｄ）あたりで一方のテーパー縁（７４ｃ）に沿って二
つの加工品（７４ａ）及び（７４ｂ）と接触する。接触した後、電流は流れ（８
２）及び加工品（７４ａ）及び（７４ｂ）を通って流れ、また、クランプ（５５
）及びリード線（５３）を通って流れ加熱電源（５４）（図２ｂには図示されず
）に戻る。流れ（８２）は、切断の場合と同じI²Rワット損によって加熱される
。I²R加熱された該流れが相対運動（７６）に沿って移動されながら、それは、
加工品（７４ａ）及び（７４ｂ）が共に溶接されるように縁（７４ｃ）の局所部
分を加熱しかつ溶解する。加工品が融解すると、加工品の溶融部分と金属流（８
２）によって溶融プール（７５ａ）が形成される。金属は、流れ（８２）によっ
て該プールに連続的に加えられる。加えられた金属量は、流れの速度（８２ａ）
及び直径によって制御される。溶接（７５）が該溶接プールの後ろにいくらかの
距離進行すると、溶接された領域は溶接領域融解点下に冷却し始め、固まる。図
示はしないけれども、溶接プロセスは、溶接領域の周囲を流れるガスを遮蔽する
いくつかの形式を常に有する。これら遮蔽ガスは、酸素、及び窒素のような他の
望ましくない大気汚染物質から溶接領域を保護する。また、本発明の方法は、溶
接プロセスを改善するため、動作流体に対するフラクシングタイプの材料の追加
に対処し、サブマージド−アーク溶接におけるような粉末として作られた付加的
化合物として、加熱されたるつぼに内にある間に動作流体に加えられるか又は供
給原料（８７）に加えられる。

【００５８】 一実施形態において、非金属材料、不導体及び絶縁材料の切断は、溶融流が図
３に示されるような導電性ポットに集まることを許容することによって達成され
得る。この実施形態において、加工品が導電性になることは必要ない。流れ加熱
に対する電流路は、今度は電流が流れ（８２）を通って電流収集材料（８３）内
へ流れ、電流収集容器（５７）、クランプ（５６）及びリード線（５３）を通っ
て電源（５４）に戻る点を除き、図１ａ〜１ｃと同じである。電流収集材料（８
３）は、完全に溶融されるか又は部分的にのみ溶融され得、また、流れ材料と加
工品材料の両方から一般に構成される。追加の電流収集材料（８３）は、切断プ
ロセスとは別個に電流収集容器（５７）に加えられ得る。電流収集材料（８３）
の重要な機能は、それが流れ（８２）と良好に電気的に接触することである。該
流れに対するI²R熱追加はなお行われるであろう。加工品の上面においての該流
れの温度は、実施形態におけるように、動作流体、該流れを通過する電流量、該
流れの流量、該流れの直径、及び加工品からノズルオリフィス（５）に対する入
口までの該流れの長さの選択によって制御され得る。加工品（７０）は、それが
、ジェットヘッド（９）と加工品（７０）間の相対運動（７２）を伴ってI²R加
熱された流れ（８２）を通過するに従って切断されている。これは、加工品がI² R加熱回路の部分でない実施形態とは異なる。

【００５９】 別の実施形態において、誘導加熱るつぼは、図４ａに示されたように、本発明
の実施の可能な変動として使用される。このジェッティングヘッドの変動におい
て、るつぼヒーター（３０）は、入力コイル管（３５ａ）及び出力コイル管（３
５ｂ）と共に誘導ヒーターコイル（３５）と置き換えられる。誘導ヒーター電源
及びその冷却システム（図示せず）がこの実施形態に使用される。加熱コイル（
３５）で引き起こされた誘導力によって動作流体（８０）に加えられた浮揚力の
使用により動作流体流を止める方法も図４ａに示された実施に組み込まれる。導
電性動作流体が誘導電磁界に置かれる際、誘導電流は金属導体を加熱する。それ
は、より低い場の強さの領域、即ち、場（又はコイル）の外へと金属動作流体を
押す傾向がある逆磁束をも引き起こす。この押す力は、「ローレンツ」の式を用
いて計算され得る。誘導磁界が均一ならば、動作流体上に正味力は存在しない。
場の勾配は持上げ力を与えるのに必要である。一の実施形態において、これは、
コイル（３５）を、るつぼの下端部に近い該コイルがるつぼの上端部に近い該コ
イルより小径な円錐形状に形成することによって達成される。別の実施形態にお
いて、これは、図４ａに示されるように、るつぼの下端部に近いコイルがるつぼ
の上端部に近いコイルより密集関係にあるように該コイルを形成することによっ
て達成される。この浮上力は、液体金属流体に揚力（又は浮上力）を引き起こし
、これは、液体金属に作用する重力に打ち勝ち、それが滴るか又は漏れることを
防ぐ。この設計において、流れ（８２）のこぼれは、圧力容器（１０）内の圧力
と加えられた誘導コイルの浮上力とを変えることの組み合わせによってもたらさ
れる。図１ｂに示された実施形態のプラグロッド（２６）配列に対する必要性は
ない。ノズル領域は、流れの無い状態で図４ｂに示される。図４ｂは、流出する
ことなくノズルオリフィスに保持される液体を示す。これは、誘導コイル（３５
）を操作しての浮上力による。

【００６０】 また、ノズル出口にガス遮蔽を加えることによる該プロセスに対する改良が図
４ｂの実施形態に示される。この実施形態において、遮蔽ガスディスク（２９ａ
）、下流部（２９ｂ）及びスプリング（２９ｃ）から成る組立体によってノズル
ディスク（１２）は所定位置に保持される。遮蔽ガス流（２７）はノズル出口領
域（２９）に加えられる。遮蔽ガス流（２７）は、遮蔽ガス源（図示せず）及び
流れレギュレーター（図示せず）から、ｏｎ／ｏｆｆバルブ（２８）、接続線（
２８ａ）及び（２８ｂ）、及び遮蔽ガスディスク（２９ａ）内の穴（２９ｄ）を
通ってノズル領域（２９）へと流れる。ガス遮蔽の主要な利益は、動作流体流（
８２）及び加工品（７０）の両方において、周囲空気の影響を低減することであ
る。この遮蔽は図１ｂの実施形態には示されないけれでも、この機能は該実施形
態にほぼ適用されるであろうと考えられる。

【００６１】 別の実施形態において、誘導加熱るつぼ及び供給原料ヒーターは、図５ａ及び
５ｂに示されるように、本発明の実施の可能な変形として使用される。このジェ
ッティングヘッドの変形において、るつぼヒーター（３０）は、入力コイル管（
３５ａ）及び出力コイル管（３５ｂ）と共に誘導ヒーターコイル３５と置き換え
られる。誘導ヒーター電源及びその冷却システム（図示せず）はこの実施形態に
使用される。供給原料ワイヤー又はロッド（８７ａ）及び（８７ｂ）は、電気接
点（４２a）及び（４３a）、及び圧力シール（４５ａ）及び（４５ｂ）を通って
供給される。接点（４３ａ）及び（４２a）は、電気接続線（４３）及び（４２
）にそれぞれ電気的に接続される。線（４２）及び（４３）は電源４４の正端子
及び負端子に接続される。供給原料（８７ａ）及び（８７ｂ）は、これらを、る
つぼ（１１）に収容された導電性流体（８０）内へと下方に駆り立てることによ
って共に電気的に接続される。供給原料（８７ａ）及び（８７ｂ）は、電源（４
４）の接点スイッチ（４４ａ）を閉じることにより、それぞれ加熱される。電源
（４４）を介する供給原料（８７ａ）及び（８７ｂ）のこの最初のI²R加熱を許
容することにより、誘導ヒーター（３５）に対する全電力要求は低減される。 ジェット加熱電源（５４）は、クランプ（５５）及びケーブル（５３）を介し、
スイッチ（５４ａ）を通じて加工品（７０）に接続され、また、ケーブル（５２
）を介してジェット（８２）に接続され、これはケーブル（４３）を介して電源
（４４）に接続され、これは次に接点（４３ａ）及び供給原料（８７ｂ）を介し
て導電性流体に接続される。電源（５４）は既述したと同じ態様でケーブル（４
２）及び他の供給原料（８７ａ）を介して導電性流体に接続されていることがも
ちるん理解される。

【００６２】 一実施形態において、フィルター４７がジェッティングノズルと直列に置かれ
、該導電性流体はまず該フィルターを通って流れ、次いでジェットが形成される
ノズルへ流れる。

【００６３】 一実施形態において、「ｏｆｆ」状態中の流体流を防止するためにプラグロッ
ド（２６）、シーリングボール（２６ａ）及びアクチュエーター（２６ｃ）を使
用する代わりに、容器内側に「吸引」を作り出すために真空源が使用され、これ
は、該液体に作用する重力に打ち勝ち、それが滴るか又は漏れることを防ぐであ
ろう。

【００６４】 別の実施形態において、流れ加熱電源（５４）の極性を逆にすること、又はＡ
Ｃ電力を使用することは、加工品表面上の観測されたアーク放電及び火花発生を
抑圧し、加工品の酸化を最小にするのに有益であることが分かるであろう。

【００６５】 別の実施形態において、本発明は、ジェッティングへッド（９）の圧力容器（
１０）内へ切断流体供給原料（８７）を導入する方法であって、供給原料をロッ
ド、ワイヤー、粉末又は液体の金属のいずれかとして供給する工程を含むものを
特徴とする。一例において、該供給原料は、全操作圧力下で圧力容器内に導入さ
れる。

【００６６】 一実施形態において、本発明は、金属流（ジェット）の温度を上げるため、該
流れにおいて電流を用いることを特徴とする。一例において、本発明は、切断及
び溶接の目的のための付加電流（I²R加熱）を有する液体金属ジェットの使用を
特徴とする。

【００６７】 一実施形態において、本発明は、I²R熱付加法と組み合わせての、鉄、アルミ
ニウム、スズ、ニッケル、チタン、金、白金、銀、マグネシウム、及び銅を含む
純金属の切断流体としての使用を特徴とする。

【００６８】 一実施形態において、本発明は、I²Rエネルギー付加法と組み合わせての、切
断流体に対する、高沸点温度を有する低溶解温度金属の使用を特徴とする。適当
な切断（動作）流体の例は、アルミニウム及びアルミニウム合金とスズ及びスズ
合金を含むが、これらに限定されない。

【００６９】 一実施形態において、本発明は、I²R熱付加法と組み合わせての、金属ジェッ
ト及び切口最前部の付近の加工品の溶解温度を下げる、切断における合金化の有
利な効果の使用を特徴とする。

【００７０】 一実施形態において、本発明は、動作流体に対する、セラミック粒子及び耐熱
金属粒子のような非融解付加の使用を特徴とする。それらは、摩耗、及びジェッ
トの切口最前部との相互作用帯をかき回して伝熱を高めること、によって切断プ
ロセスを助けるであろう。該粒子の大きさは、約０．２〜約２０micronsの範囲
であり得る。

【００７１】 一実施形態において、本発明は、液体金属流体流がるつぼから流れることを止
めるための、電磁誘導の浮上力の使用を特徴とする。

【００７２】 一実施形態において、保持容器の高圧要求を高温要求から分離する技術を特徴と
する。これは、保持容器（るつぼ）とその加熱源の両方を加圧環境に置くことに
よって行われる。

【００７３】 一実施形態において、本発明は、I²R加熱された液体流を用いて、かつ、該流れ
の上流側において圧力容器（るつぼ）内の動作流体に対し接触することで、また
、下流側において加工品の下に設けられた分離電流収集手段に対し該流れにより
接触することで、該流れに電気的接続することにより、非金属又は一般に不導体
を切断する技術を特徴とする。

【００７４】 一実施形態において、本発明は、加工品が動作流体でコート（又は被覆）され
る「表面クラッディング」又は「表面溶接」の目的に本発明を使用することを特
徴とする。動作流体流は、加工品を該動作流体で覆うように操作される。

【００７５】 一実施形態において、動作流体から３次元構造が増強（又は形成）される「３
次元形成」の目的に本発明を使用することを特徴とする。動作流体流は、該動作
流体で自立型の３次元構造を構築するようにコンピュータコード制御下で制御さ
れる。なぜ液体金属ジェットが、溶接、コーティング及び形成における既存の技
術にわたって著しい利点を提示するかの一の主要な理由は、動作材料が液体であ
るからである。これは、固体状態におけるよりも格段に広い範囲にわたって変え
られ得る数種類の供給混合物を供給することにより、特有の組成の液体がるつぼ
内で配合されることを許容する。この液体が１０³〜１０⁶K/secの速度で固体相
に急速に冷却される場合、非平衡組成を有する合金が作り出される。この組成は
、慣用材料においては一般に入手できない独特な性質を有する固体材料を作り出
すように調整され得る。一例として、特殊な磁気特性が鉄合金に作り出され得る
。高強度アルミニウム（及び他の軽金属）合金が、作り出される結晶粒組織によ
り、この方法で形成され得る。これは、粉末金属及び溶射産業に使用される新種
の金属粉末を作り出すために使用されるガスアシスト金属微粒化方法の技術であ
る。液体金属の急速冷却／急速固化の方法は当業者に知られている。

【００７６】 液体金属ジェットの堆積スポットの位置及び寸法を正確に制御する能力（明ら
かに、ミクロン内）は、ガスジェット及び粉末を使用する既存のスプレー技術と
比較した場合、別格の利点である。そのような技術は、堆積スポット寸法をほぼ
ミリメートル台で作り出し、スプレーしぶき及び低溶着率に悩む。更にまた、液
体金属ジェット径は、十分に小さく形成され得（数１０〜数１００ミクロン）、
これで、約１０³〜１０⁶K/sec台の急冷速度（しばしばスプラット冷却と呼ばれ
る）が達成され得る。ある面に対するワン（単一）パスの液体金属ジェットから
もたらされる固化金属沈着のおおよその寸法は、液滴平坦化（扁平率）及び固化
モデルから見積もられ得る。液体金属ジェットの更に別の利点、沈着物に粒子を
、又はおそらく繊維補強材でさえも組み込む能力である。該粒子は、るつぼ内の
溶融金属に組み込まれるか、又は堆積位置に対する第２のガスジェットによって
共に沈着され得る。

【００７７】 本発明は、特定の言及実施形態を参照して詳しく示され、記述されたが、本発
明の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び細部の種々の変更が本発明に
おいてなされ得ることが当業者に理解されるべきである。例えば、加工品を改修
するため、ここに記述されたものに加え、金属ジェットの温度を高める他の方法
が本発明に従って使用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】 本発明の一実施形態に従う、加工品を切断するための装置の概略図である。

【図１ｂ】 本発明の一実施形態に従う、図１のジェッティングヘッドの内側の図である。

【図１ｃ】 図１ｂのジェッティングヘッドのノズル領域の詳細断面図である。

【図２ａ】 本発明の一実施形態に従う溶接用の加工品を示す図である。

【図２ｂ】 本発明の一実施形態に従って図２の加工品を溶接している図である。

【図３】 本発明の別の実施形態に従う、加工品を切断するための装置の概略図である。

【図４ａ】 本発明の別の実施形態に従うジェッティングヘッドの断面図である。

【図４ｂ】 図４ａのジェッティングヘッドのノズル領域の詳細断面図である。

【図５ａ】 本発明の別の実施形態に従うジェッティングヘッドの詳細断面図である。

【図５ｂ】 本発明の一実施形態に従う、加工品を切断するための装置の概略図である。

【符号の説明】

５ オリフィス ９ ジェッティングヘッド １０ 圧力閉込め容器 １１ るつぼ １２ ノズルディスク １７ｃ 供給原料入口 ２２ 加圧ガス源 ２５ 減圧口 ２６ プラグロッド ３０ るつぼヒーター ３４ るつぼヒーター電源 ５４ 流れ加熱電源 ５５ 電気クランピング手段 ７０ 加工品 ８０ 溶融金属動作流体 ８２ 液体金属流 ８７ 供給原料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヤン ヤーン アメリカ合衆国 03755 ニューハンプシ ャー、ハノーバー、レバノン ストリート 34、ナンバー６ (72)発明者 ジッペング ルー アメリカ合衆国 03755 ニューハンプシ ャー、ハノーバー、レニー ロード 22 (72)発明者 ロバート シー．ディーン アメリカ合衆国 05055 バーモント、ノ ーウィッチ、ペニー レイン ５、ピーオ ーボックス318 (72)発明者 ケニス ジェイ．ウッズ アメリカ合衆国 03755 ニューハンプシ ャー、レバノン、スレイトン ヒル ロー ド 225 (72)発明者 チャールズ エム．ハケット アメリカ合衆国 03755 ニューハンプシ ャー、ハノーバー、リッジ ロード 12 (72)発明者 ジョン ソーブル アメリカ合衆国 03766 ニューハンプシ ャー、レバノン、スレイトン ヒル ロー ド 141 (72)発明者 ウィリアム ジェイ．コナリー アメリカ合衆国 03753 ニューハンプシ ャー、グランサム、ミル ポンド レイン 12、ピーオーボックス1577 【要約の続き】

Claims (63)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工品を回収するための金属流体ジェット切断システムであ
   って、 導電性流体から成るジェット流を分配するためのディスペンサーと、 該ジェット流に電気的に接続される電源とを備える金属流体ジェット切断シス
   テム。
2. 【請求項２】 前記ディスペンサーはジェッティングヘッドを備える請求項
   １記載の金属流体ジェット切断システム。
3. 【請求項３】 前記ジェッティングヘッドはるつぼを備える請求項２記載の
   金属流体ジェット切断システム。
4. 【請求項４】 前記つるぼは上部、側壁及び底部を備え、該上部は入口を備
   え、該底部は出口を備える請求項３記載の金属流体ジェット切断システム。
5. 【請求項５】 前記るつぼは、窒化ホウ素−ジルコニア−炭化ケイ素、イッ
   トリア安定化ジルコニア、マグネシア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコ
   ニア、窒化ホウ素、立方晶ジルコニア、アルミナ、シリカ、シリカ複合材、二ホ
   ウ化ジルコニウムの内の一から成る請求項３記載の金属流体ジェット切断システ
   ム。
6. 【請求項６】 前記るつぼに連結されたヒーターを更に備える請求項３記載
   の金属流体ジェット切断システム。
7. 【請求項７】 前記ヒーターに電気的に接続された第２電源を更に備える請
   求項６記載の金属流体ジェット切断システム。
8. 【請求項８】 前記ジェッティングヘッドは、導体から成る供給原料を受容
   するための入口を備える請求項２記載の金属流体ジェット切断システム。
9. 【請求項９】 前記導体は、軟鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、スズ
   、ステンレス鋼、鉄、鋳鉄、工具鋼、銅、亜鉛、金、銀、又は白金から成る請求
   項１記載の金属流体ジェット切断システム。
10. 【請求項１０】 前記ジェッティングヘッドは圧力閉込め容器を備える請求
    項２記載の金属流体ジェット切断システム。
11. 【請求項１１】 前記ジェッティングヘッドは、ジェット流との電気的接続
    を確立するため、るつぼの内側に配置された電極を備える請求項２記載の金属流
    体ジェット切断システム。
12. 【請求項１２】 前記電気的接続は、導体から成る供給原料を含む請求項１
    １記載の金属流体ジェット切断システム。
13. 【請求項１３】 前記ジェッティングヘッドは出口オリフィスを備える請求
    項２記載の金属流体ジェット切断システム。
14. 【請求項１４】 前記ジェッティングヘッドはノズルを更に備える請求項２
    記載の金属流体ジェット切断システム。
15. 【請求項１５】 前記ノズルは、貫通オリフィスを有するディスクを備える
    請求項１４記載の金属流体ジェット切断システム。
16. 【請求項１６】 前記ディスクは、イットリア安定化ジルコニア、マグネシ
    ア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、窒化ホウ素−ジルコニア−炭
    化ケイ素、窒化ホウ素、立方晶ジルコニア、アルミナ、シリカ、シリカ複合材、
    二ホウ化ジルコニウムの内の一から選択された材料から成る請求項１５記載の金
    属流体ジェット切断システム。
17. 【請求項１７】 前記貫通オリフィスは円形断面を備える請求項１５記載の
    金属流体ジェット切断システム。
18. 【請求項１８】 前記ヒーターは、ＡＣ抵抗加熱ヒーター、ＤＣ抵抗加熱ヒ
    ーター、誘導ヒーター、又は燃焼バーナーヒーター設備の内の一から成る請求項
    ６記載の金属流体ジェット切断システム。
19. 【請求項１９】 前記るつぼは耐熱材料から成る請求項３記載の金属流体ジ
    ェット切断システム。
20. 【請求項２０】 前記るつぼはセラミック材から成る請求項３記載の金属流
    体ジェット切断システム。
21. 【請求項２１】 前記るつぼは、アルミナ、ジルコニア、窒化ホウ素及びグ
    ラファイトの内の一から選択された材料から成る請求項３記載の金属流体ジェッ
    ト切断システム。
22. 【請求項２２】 金属流体ジェット切断システムであって、 導体から成る供給原料を受容するための入口と導電性流体から成るジェット流
    を分配するための出口オリフィスとを含むジェッティングヘッドと、 ジェッティングヘッドに連結されたヒーターと、 ジェット流に電流を供給するためにジェット流に電気的に接続された電源とを
    備える金属流体ジェット切断システム。
23. 【請求項２３】 加工品を改修するための方法であって、 （ａ）導電性流体から成るジェット流を供給する工程と、 （ｂ）ジェット流に電流をつなぐ工程と、 （ｃ）加工品を改修するために加工品に対しジェット流を向ける工程とを含む
    加工品改修方法。
24. 【請求項２４】 前記工程（ｂ）は、ジェット流に電流を通過させることに
    より、ジェット流を加熱する工程を含む請求項２３記載の加工品改修方法。
25. 【請求項２５】 前記工程（ａ）は、（ａ１）導電性流体から成る供給原料
    を供給する工程と、（ａ２）供給原料を加熱して導電性流体を形成する工程と、
    （ａ３）導電性流体を出口オリフィスに通過させ、これによりジェット流を形成
    する工程とを含む請求項２３記載の加工品改修方法。
26. 【請求項２６】 前記工程（ａ）は、連続ジェット流、パルスジェット流、
    定常ジェット流又は非定常ジェット流の内の一を供給する工程を含む請求項２３
    記載の加工品改修方法。
27. 【請求項２７】 前記供給原料は、ワイヤー、バー又は粉末から成る請求項
    ２３記載の加工品改修方法。
28. 【請求項２８】 加工品の融解点を低下させる工程（ｄ）を更に含む請求項
    ２３記載の加工品改修方法。
29. 【請求項２９】 前記工程（ｄ）は、供給原料の合金を形成することにより
    、融解点を低下させる工程を含む請求項２８記載の加工品改修方法。
30. 【請求項３０】 前記供給原料は、鉄、アルミニウム、スズ、ニッケル、チ
    タン、金、白金、銀、マグネシウム、及び銅の内の一から成る請求項２５記載の
    加工品改修方法。
31. 【請求項３１】 前記導電性流体は、１００００°Kより低い低融解点及び
    ２５００°Kより高い高沸点を有する請求項２３記載の加工品改修方法。
32. 【請求項３２】 前記供給原料は複数の非溶解粒子を含む請求項２５記載の
    加工品改修方法。
33. 【請求項３３】 前記非溶解粒子は研磨材である請求項３３記載の加工品改
    修方法。
34. 【請求項３４】 前項工程（ｃ）は、加工品に対し切断、印付け、穴あけ又
    は溶接の内の一を行う工程を含む請求項２３記載の加工品改修方法。
35. 【請求項３５】 前記工程（ｂ）は、導電性流体に接続された電極及び加工
    品近くに配置された集電体を通じてジェット流に電流を与える工程を含む請求項
    ２３記載の加工品改修方法。
36. 【請求項３６】 前記工程（ａ）は、出口オリフィスをふさぐため、導電性
    流体に浮上力を与える工程を更に含む請求項２３記載の加工品改修方法。
37. 【請求項３７】 前記工程（ａ１）は、ジェッティングヘッド内に供給原料
    を供給する工程を含む請求項２５記載の加工品改修方法。
38. 【請求項３８】 前記工程（ａ３）は、導電性流体をノズルに通過させる工
    程を含む請求項２５記載の加工品改修方法。
39. 【請求項３９】 前記ジェット流に遮蔽ガスを供給する工程を更に含む請求
    項２３記載の加工品改修方法。
40. 【請求項４０】 前記工程（ａ３）は、導電性流体を出口オリフィスに通過
    させる間、ジェッティングヘッドを加圧する工程を含む請求項２５記載の加工品
    改修方法。
41. 【請求項４１】 前記工程（ａ３）は、不活性ガスを供給することにより、
    ジェッティングヘッドを加圧する工程を含む請求項２５記載の加工品改修方法。
42. 【請求項４２】 前記工程（ｂ）は、オーム性ワット損を通じてジェット流
    を加熱する工程を含む請求項２３記載の加工品改修方法。
43. 【請求項４３】 前記工程（ｂ）は、導電性流体の溶解温度を実質上超える
    温度までジェット流を加熱する工程を含む請求項２３記載の加工品改修方法。
44. 【請求項４４】 前記工程（ｃ）は、加工品におけるジェット流の貫入の深
    さを制御する工程を含む請求項２３記載の加工品改修方法。
45. 【請求項４５】 前記工程（ｃ）はジェット流の速度を調整する工程を含む
    請求項２３記載の加工品改修方法。
46. 【請求項４６】 前記工程（a３）は、ジェッティングヘッド内の圧力を制
    御する工程を含む請求項２５記載の加工品改修方法。
47. 【請求項４７】 前記工程（ａ２）は、導電性流体の温度を制御する工程を
    更に含む請求項２５記載の加工品改修方法。
48. 【請求項４８】 ジェット流に対して加工品を移動させる工程を更に含む請
    求項２３記載の加工品改修方法。
49. 【請求項４９】 加工品の下に配置された導体から成る集電体であって、ジ
    ェット流との電気接点を形成する集電体を設ける工程を更に含む請求項２３記載
    の加工品改修方法。
50. 【請求項５０】 前記供給原料及び加工品は同じ材料から成る請求項２５記
    載の加工品改修方法。
51. 【請求項５１】 前記供給原料及び加工品は異なる材料から成る請求項２５
    記載の加工品改修方法。
52. 【請求項５２】 金属液体ジェット切断システム用のるつぼであって、側壁
    及びベースを備え、かつ、導電性でかつ金属溶融液の存在下で溶解することに抵
    抗するジルコニウム含有化合物から形成されるるつぼ。
53. 【請求項５３】 前記金属溶融液は、鉄、鉄含有化合物及びアルミニウムの
    内の一から成る請求項５２記載のるつぼ。
54. 【請求項５４】 前記るつぼは、二ホウ化ジルコニア及びイットリア安定化
    ジルコニアの一から成る請求項５２記載のるつぼ。
55. 【請求項５５】 金属液体ジェット切断システム用のノズルであって、オリ
    フィスを有するディスク構造であって該オリフィスが該構造の中央に設置される
    ディスク構造を備え、かつ、導電性でかつ金属溶融液の存在下で溶解することに
    抵抗するジルコニウム含有化合物から形成されるノズル。
56. 【請求項５６】 前記金属溶融液は、鉄、鉄含有化合物及びアルミニウムの
    一から成る請求項５５記載のノズル。
57. 【請求項５７】 前記ノズルは、二ホウ化ジルコニウムから成る請求項５５
    記載のノズル。
58. 【請求項５８】 前記供給原料は、スズ、アルミニウム、鉄及び軟鋼の内の
    一から成る請求項２５記載の加工品改修方法。
59. 【請求項５９】 前記ジェッティングヘッドは、導体から成る複数の供給原
    料を受容する少なくとも二つの入口を備える請求項８記載の金属流体ジェット切
    断システム。
60. 【請求項６０】 少なくとも一の供給原料に第３電源が接続される請求項５
    ９記載の金属流体ジェット切断システム。
61. 【請求項６１】 前記ヒーターは、導電性流体のレベルに較正され得る特性
    周波数を有する誘導ヒーターである請求項６記載の金属流体ジェット切断システ
    ム。
62. 【請求項６２】 前記工程（ａ）は導電性流体を濾過する工程を更に含む請
    求項２３記載の加工品改修方法。
63. 【請求項６３】 前記るつぼは導電性流体フィルターを更に備える請求項３
    記載の金属流体ジェット切断システム。