JP2004503065A - プラズマトーチの電極の耐用期間を改善する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、プラズマトーチに係り、特に電極の耐用期間を改善する方法に関し、この電極は殊にスタブエンド電極であってもよい。プラズマトーチの電極は、電極本体と電極チップとを備え、電極チップは、直接又は間接的に電極本体に溶接されている。

Description

【０００１】
本発明は、プラズマトーチに係り、特に、電極（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、殊にスタブエンド（ｓｔｕｂ−ｅｎｄｅｄ）電極の耐用期間を改善する方法に関する。
【０００２】
プラズマトーチは、典型的にはアノード電極又はカソード電極を含んで構成される。こうした電極は、電極チップ部（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｔｉｐ ｐｏｒｔｉｏｎ）を有し、この電極チップ部は、使用に際し、逆極性にチャージされた他の電極の電極チップ部に対向する。これら電極チップ間にわたる電位の応用として、プラズマアークがこれらの間の空間に生成される。ツインプラズマトーチ装置では、２つのトーチが互いに逆極性にチャージされる。すなわち、一方がアノード電極となり、他方がカソード電極となる。こうした装置では、各電極によって生成されるアークは、これら２つのトーチから離れた場所である結合領域（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｚｏｎｅ）で、互いに結合（カップリング）する。各トーチを通じて、プラズマガスが供給されてもよく、この場合そのガスはイオン化されて、結合領域内に集中（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅ）したプラズマを、トーチの干渉を受けることなく形成する。熱され、あるいは溶融される対象素材（ｍａｔｅｒｉａｌ）は、この結合領域に案内され、そこでプラズマの熱エネルギーが対象素材に伝達される。ツインプラズマ処理はオープンな、あるいは閉じこめられた処理領域（ｐｒｏｃｅｓｓ ｚｏｎｅ）で行うことができる。ツインプラズマ装置は、加熱炉（ｆｕｒｎａｃｅ）等の応用製品にしばしば用いられ、既にされた特許出願、例えばＥＰ０，３９８，６９９やＵＳ５，２５６，８５５といった出願の主題（ｓｕｂｊｅｃｔ）となっている。
【０００３】
スタブエンド電極は、ツイントーチアセンブリなどのプラズマトーチアセンブリにおいて、アノード電極として用いられてもよい。スタブエンドは、電極チップとして作用し、例えば銅、銀、又はこれらの合金等で作られ、電極本体（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｂｏｄｙ）に取り付けられる。電極本体もまた、金属又は合金によって作られ、使用時には、従って当該電極本体とスタブエンドとの間は電気的に導通する。
【０００４】
スタブエンド電極の耐用期間は、チップのフロント面（ｆｒｏｎｔ ｆａｃｅ）のゆがみ（ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を見積もることによって予測可能と見られることが知られており、このゆがみは、冷却の効率を低減すると考えられている。
【０００５】
従来のスタブエンド電極の製造においては、フロント面部材を、電極本体又はチップホルダー部材に半田付け（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）していた。
【０００６】
本発明者は、溶接、例えば電子ビーム溶接（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍ ｗｅｌｄｉｎｇ）等により、各面を接合（ｍａｔｉｎｇ）することで、スタブエンドのフロント面の面ゆがみ（ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）を抑制でき、その結果として耐用期間の予測を従来の電極に比べて１０倍程度改善できることを見いだした。
【０００７】
本発明は、プラズマトーチのための電極であって、電極本体と電極チップとを含み、電極チップが直接又は間接的に電極本体に溶接されていることを特徴としたものである。
【０００８】
電極チップは、好適には、電子ビーム溶接によって直接又は間接的に電極本体に溶接されるが、レーザ溶接によっても構わない。
【０００９】
電子ビーム溶接は、金属部を集中した電子の集束ビームによって熱する工程を含み、好ましくは真空内（ｖａｃｕｏ）で当該工程が行われる。金属部は、それ自体、フィラー（ｆｉｌｌｅｒ）材を用いることなく、その接合部で局所的に溶融する。これは、従来の半田付けによるブレーズ（ｂｒａｚｉｎｇ）技術とは対照的なところである。
【００１０】
典型的には、電極は、電極チップホルダー部材を備えた本体（ｂｏｄｙ）、を含み、電極チップは、この電極チップホルダー部材に溶接される。本体は、金属のハウジングを備え、電極チップホルダー部材は、この金属ハウジングに取り付け（ｍｏｕｎｔ）される。ハウジングとチップホルダーと電極チップとの間に導電性があることは理解されるであろう。
【００１１】
好適な実施態様の一つでは、電極チップは、スタブエンドチップである。かかるチップは、実質的に平面的（ｐｌａｎａｒ）なフロント面を有するキャップ（ｃａｐ）の形態となり得て、このフロント面からプラズマが生成されることになる。このチップは、電極本体又はそのチップホルダー部材に取り付けられるよう形状が定められていてもよく、その場所に、好適には電子ビーム溶接などの溶接によって確実に取り付けられる。
【００１２】
電極チップは一般に、銅やタングステン、銀、それらの一乃至複数を含む合金などといった、金属性の材質によって形成される。合金の例には、銅−銀、タングステン−銅、タングステン−銀及び、タングステン−銅−銀などを含む。他の素材が含まれてもよい。
【００１３】
この電極は、好適には、アノード電極として用いられる。
【００１４】
本発明は、また、ここで説明した電極を備えてなるプラズマトーチを提供する。
【００１５】
本発明は、また、ここで説明したアノード電極と、カソード電極とを含んだプラズマツイントーチアセンブリを提供する。
【００１６】
本発明の第２の側面によれば、電極本体と、電極チップとを具備してなるプラズマトーチの電極の製造工程であって、電極チップを、直接的又は間接的に電極本体に溶接するステップを含む。
【００１７】
この溶接のステップは、好適には、電子ビーム溶接であり、また、真空（ｖａｃｕｏ）で行われてもよい。
【００１８】
本発明の第３の側面によれば、電極本体と電極チップとを具備してなる電極の耐用期間を改善する方法が提供される。この方法は、溶接によって直接的又は間接的に電極チップを電極本体に接合する。好適にはこの溶接は、電子ビーム溶接であってもよい。電極は、好適にはアノード電極であり、また好ましくはスタブエンド電極チップを有する。
【００１９】
本発明の方法は、特にアノード電極の耐用期間を改善することに適合できる。要求される電流レベルが３０００Ａ又はそれ以上の場合に用いられるアノード電極に用いてもよい。
【００２０】
本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら、例を挙げてさらに説明する。
【００２１】
図１（ａ）を参照すると、電極チップホルダー４１と、スタブエンド電極チップ４２とを含んだプラズマトーチ用電極４０が示されている。本体（図示せず）は、電極チップホルダー４１が取り付けられる金属ハウジングを含む。このハウジングと、チップホルダー４１と、電極チップ４２との間に導電性があることは理解されるであろう。
【００２２】
スタブエンドチップ４２は、実質的に平面的なフロント面４３を備えたキャップの形態であり、使用時には、ここからプラズマが生成される。スタブエンドチップ４２の開口側の直径は、チップホルダー４１の端部の直径よりも大きく、従ってチップホルダー４１の端部にスタブエンドチップ４２を取り付けることができるようになっている。スタブエンドチップ４２は、溶接、例えば電子ビーム溶接によって、オーバーラップ部分（ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ ｐｏｒｔｉｏｎ）でチップホルダー４１に接合される。
【００２３】
使用時には、スタブエンドチップ４２は、非常な高温にさらされ、フロント面４３のゆがみを生じる結果となる。特に、フロント面４３は、外向きに反る傾向があり、これはチップ素材４２が柔らかくなるためであると考えられる（図１（ｂ））。スタブエンド電極の耐用期間は、フロント面のゆがみを見積もることによって予測されることが知られている。このゆがみは、冷却の効率を低減すると考えられている。従って、フロント面のゆがみを低減することが要望される。本発明によってこれが達成され、スタブエンドを電極本体／チップホルダーに、電子ビーム溶接などの溶接によって接合することで、驚異的な効果を奏する。
【００２４】
図２は、組み立てられたアノード２０トーチアセンブリの断面図である。これは、モジュール化された構造であって、電極モジュール２と、ノズルモジュール３と、シュラウドモジュール４と、電極ガイドモジュール５とを含む。電極モジュール２は、トーチ２０の内部に配置される。電極ガイドモジュール５とノズルモジュール３とは、軸方向に空隙をおいて配置され、その長手方向に沿った位置で電極モジュール２を囲む。少なくとも、電極モジュール２の遠心端部（ｄｉｓｔａｌ ｅｎｄ）（つまり、プラズマがトーチから放電される端部）は、ノズルモジュール３に囲まれている。電極モジュール２の近接端部（ｐｒｏｘｉｍａｌ ｅｎｄ）は、電極ガイドモジュール５の内部に収納されている。ノズルモジュール３は、シュラウドモジュール４に収納されている。
【００２５】
種々のモジュール間及びモジュールの要素間のシール（ｓｅａｌｉｎｇ）は「Ｏ」リングによって行われる。例えば「Ｏ」リングは、ノズルモジュール３とシュラウドモジュール４との間、及びノズルモジュール３と電極ガイドモジュール５との間の双方のシールに用いられる。「Ｏ」リングは、チャンバー内の小さい黒丸として図示されている。
【００２６】
トーチ２０は、プロセスガス（ｐｒｏｃｅｓｓ ｇａｓ）及びシュラウドガスをそれぞれ導入するそれぞれのポートを有する。プロセスガスの導入は、トーチ２０の近接端部に向かっている。プロセスガスは、電極２とノズル３との間の流路（ｐａｓｓａｇｅ）に導入され、トーチ２０の遠端部に向かって導かれる。この特定の実施形態では、シュラウドガスが、トーチ２０の遠端部に供給される。これにより、シュラウドガスが電極から遠ざけられ、このシュラウドガスとしては、電極モジュール２を退化させる（ｄｅｇｒａｄｅ）、酸素などであってもよい。しかしながら、他の実施形態では、このシュラウドガスは、トーチ２０の近接端部に対して導入されるようにしてもよい。
【００２７】
特定の実施形態に係る電極モジュール２の構成例が図３に示されている。この図３のアノード電極モジュール２は、典型的には、銅製の電極チューブホルダー２２上に取り付けられた銅又は銀製の電極の「スタブエンド」チップ２１を含んで構成される。このチューブホルダー２２は、金属ハウジング２３に取り付けられている。
【００２８】
トーチ２０は、ツインプラズマトーチアセンブリに利用されてもよく、その処理領域チャンバーはオープンなものでも閉じこめられたものでも構わない。
【００２９】
図４は、本発明に係るアノード電極チップと、従来技術に係るそれとのパフォーマンスの比較を表す図である。使用中に起きるアノードチップの劣化が、電子ビーム溶接されたアノードチップの場合に、従来のブレーズされたアノードチップに比べて大幅に少ないことが明らかである。また、従来のものに比べて、本発明に係る電極チップの耐用期間が大幅に改善されていることも同様に、明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】電極チップホルダーに取り付けられたスタブエンド電極チップの概要を表す図である。
【図１ｂ】使用中のスタブエンドのフロント面のゆがみを表す概要説明図である。
【図２】アノードトーチアセンブリの断面図である。
【図３】図２のトーチアセンブリのアノード電極モジュールの断面図である。
【図４】ブレーズにより電極本体に接合された従来のアノードチップと、電子ビーム溶接によって接合された本発明の実施形態に係るアノードチップとのパフォーマンスを比較したグラフ図である。

Claims (19)

1. 電極本体と電極チップとを備えたプラズマトーチの電極であって、前記電極チップが、前記電極本体に対して、直接に又は間接的に溶接されていることを特徴とする電極。
2. 請求項１に記載の電極であって、前記電極チップは、前記電極本体に大して直接に又は間接的に、電子ビーム溶接又はレーザ溶接されていることを特徴とする電極。
3. 請求項１又は２に記載の電極であって、電極チップホルダー部材を有する本体を備え、前記電極チップは、前記電極チップホルダー部材に溶接されていることを特徴とする電極。
4. 請求項３に記載の電極であって、前記本体は、金属ハウジングを有し、前記電極チップホルダー部材は、前記金属ハウジングに取り付けられていることを特徴とする電極。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電極であって、前記電極チップは、スタブエンドチップであることを特徴とする電極。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電極であって、前記電極チップは、銅、タングステン、及び／又は銀のうちの一以上から選ばれる金属又は合金でなることを特徴とする電極。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の電極であって、当該電極はアノード電極であることを特徴とする電極。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載された電極を有することを特徴とするプラズマトーチ。
9. 請求項７に記載のアノード電極と、カソード電極とを有することを特徴とするプラズマツイントーチアセンブリ。
10. 電極本体と電極チップとを備えたプラズマトーチの電極の製造方法であって、前記電極本体に対して、前記電極チップを直接に又は間接的に溶接する工程を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記溶接の工程が、電子ビーム溶接又はレーザ溶接によって行われることを特徴とする方法。
12. 請求項１０又は請求項１１に記載の方法であって、前記電極は、電極チップホルダー部材を有した本体、を含み、前記電極チップは、前記電極チップホルダー部材に対して溶接されることを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、前記本体は、金属ハウジングを備え、前記電極チップホルダー部材は、当該金属ハウジングに取り付けられていることを特徴とする方法。
14. 請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法であって、前記電極チップは、スタブエンドチップであることを特徴とする方法。
15. 請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法であって、前記電極チップは、銅、タングステン、及び／又は銀のうちの一又は組み合わせから選ばれる金属又は合金でなることを特徴とする方法。
16. 請求項１０から１５のいずれか一項に記載の方法であって、前記溶接の工程は真空中（ｖａｃｕｏ）で行われることを特徴とする方法。
17. プラズマトーチの電極の耐用期間を改善する方法であって、電極本体と電極チップとを含む電極を用いて、前記電極本体に対して、前記電極チップを直接に又は間接的に、溶接によって接合することを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、溶接は、電子ビーム溶接によることを特徴とする方法。
19. 請求項１７又は１８に記載の方法であって、前記電極は、アノード電極であり、前記電極チップはスタブエンドチップであることを特徴とする方法。

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