JP2019535109A - 保護ノズルキャップ、保護ノズルキャップを備えたプラズマアークトーチ、及びプラズマアークトーチの用途 - Google Patents

Abstract

プラズマアークトーチ（１）に用いられる本発明のノズル保護キャップ（７）であって、当該ノズル保護キャップは、プラズマアークトーチ（１）の先端外側に配置、固定される。プラズマアークトーチ（１）からは、ノズル状開口部（４ａ，７ａ）を介してプラズマジェットが噴射される。ノズル保護キャップ（７）は、硫黄を少なくとも０．０５％含有する鉄合金から製造される。

Description

本発明は、プラズマアークトーチ用ノズル保護キャップ、当該ノズル保護キャップを備えたプラズマアークトーチ、及び当該プラズマアークトーチの用途に関する。

プラズマアークトーチは、乾式切削だけでなく、種々の金属製ワークを水中切削する場合にも用いることができる。

プラズマ切削においては、先ず、アノード（ノズル）とカソード（電極）との間でアーク（パイロットアーク）が点火され、ワーク切削のために、当該アークが直接ワークへと転送される。

当該アークは、高温で導電性のガス（プラズマガス）であるプラズマを形成する。かかるプラズマガスは、正及び負イオン、電子、並びに励起された中性原子及び分子からなる。プラズマガスとしては、アルゴン、水素、窒素、酸素、又は空気のようなガスが用いられる。これらのガスは、アークのエネルギによってイオン化され解離する。こうして得られたプラズマジェットによってワークが切削される。

現在のプラズマアークトーチは、非常に多くの基本的要素からなり、例えば、トーチ本体、電極（カソード）、ノズル、１つ以上のキャップ（特に、ノズルを覆うノズルキャップやノズル保護キャップ）、並びに電流、ガス、及び／又は液体をプラズマアークトーチに供給するための種々のコネクタを備える。

ノズル保護キャップは、切削工程中において、熱やワークの溶融金属のスパッタリングからノズルを保護する。

ノズルは、１つ以上の部品からなるものであっても良い。直接水冷式プラズマアークトーチの場合、ノズルは通常ノズルキャップに保持され、ノズルとノズルキャップとの間を冷却水が流れる。そして、ノズルキャップとノズル保護キャップとの間を二次ガスが流れる。なお、ノズル保護キャップは、プラズマジェットをワークに打ち込む際、所定の雰囲気を創出したり、プラズマジェットを収束させたり、スパッタリングに対する保護手段として利用される。

一方、空冷式プラズマアークトーチや間接水冷式プラズマアークトーチの場合、ノズルキャップを省略しても良い。この場合、二次ガスはノズルとノズル保護キャップとの間を流れる。

電極及びノズルは、互いに特定の空間的関係をもって配置され空間、即ちプラズマジェットを形成するプラズマチャンバを画定する。プラズマジェットは、当該ノズルや電極の設計に起因する種々のパラメータ（例えば、プラズマガスの直径、温度、エネルギ密度、及び流速）に大きく影響を受け得る。

また、電極やノズルは、プラズマガスの種類に応じて異なる材料を用いて異なる形態を持つように製造される。

ノズルやノズル保護キャップは、通常銅から製造され、直接／間接水冷式を採る。切削作業やプラズマアークトーチの電力に応じ、異なる内部輪郭や直径の異なる開口部を有するノズルを利用することで切削物の最適化が図れる。

例えば、ドイツ特許出願公開第１０，２００４，０４９，４４５号公報は、水冷式の電極及びノズルと、空冷式のノズル保護キャップとを備えたプラズマアークトーチを開示する。このため、二次ガスは、ノズル保護キャップホルダを介して供給され、内部において、ノズル保護キャップとノズルキャップとの間に形成された二次ガスチャネルを通ってノズルキャップホルダとノズル保護キャップとの間のネジ接続領域を通過し、プラズマジェットへと到達する。

また、欧州特許第２，４６５，３３４号公報は、ノズル保護キャップ、ノズル保護キャップホルダ、及びプラズマアークトーチを提供する。ノズル保護キャップは、内側表面にプラズマアークトーチのトーチ本体を螺合するためのネジ部を有する先端部及び後端部を備え、内側表面に当該ネジ領域を通過する少なくとも１つの溝を備える。

また、欧州特許第０，５７３，６５３号公報は、水冷式の電極及びノズルと、水冷式ノズル保護キャップとを備えたプラズマアークトーチに関する。ドイツ特許出願公開第１０，２００４，０４９，４４５号公報のプラズマアークトーチ同様、ノズル保護キャップホルダ内の二次ガスは、その内部でノズル保護キャップホルダとノズル保護キャップとの間におけるネジ接続領域を通過してプラズマジェットへと供給される。

上記先行技術から知見される構造的変形例は、本発明に係るノズル保護キャップや、当該ノズル保護キャップを備えたプラズマアークトーチにおいても用いることができる。

上記したプラズマトーチにおいて、ノズル保護キャップは、銅、又は一般的に熱伝導率の高いその他の非鉄金属からなる。特に、水中プラズマ切削の場合、即ち、切削工程中にプラズマトーチ先端及びノズル保護キャップが、ワークの配置された水中に位置する場合、穿孔又は切削加工において、ノズル保護キャップの孔の表面の磨耗が激しくなる。これにより、二次ガスの流れが乱れて切削品質の低下を招く。さらに、耐用年数も短くなり、交換頻度や中止時間が増える。これは、主に電食工程（例えば、点火時の火花放電）及び電気化学工程や、温度及び／又はキャビテーションによる材料への物理的過負荷等が原因となる。

また、プラズマトーチの先端及びノズル保護キャップがワークと接触する場合には、ノズル保護キャップの機械的強度も問題となる。これはノズル保護キャップ等の信頼の問題にもつながり、二次ガスのガス流が阻害されることによる切削品質の低下を引き起こす。

したがって、本発明はプラズマアークトーチ用ノズル保護キャップの耐用年数の向上を目的とする。特に、水中でのプラズマ切削に関する。また、長期に亘って一定の高い切削品質を維持できるようにすると共に、ノズル保護キャップに対する機械的損傷のリスク低減も図っている。同時に、過熱状態を避けるために、当該ノズル保護キャップは高い熱伝導性を有するものとされる。

本発明にあっては、上記目的は、請求項１に記載される特徴を備えるノズル保護キャップによって達成される。また、請求項８は、当該ノズルを有するプラズマアークトーチを規定し、請求項９は当該プラズマアークトーチの用途に関する。

本発明の有利な実施形態及び改良は、従属項に記載される特徴によって実現することができる。

本発明に係る、プラズマアークトーチ用ノズル保護キャップはプラズマアークトーチの先端外側に配置されて固定される。該プラズマアークトーチ先端には、プラズマアークトーチからノズル状の開口を通ってプラズマジェットが現れる。ノズル保護キャップは、硫黄を少なくとも０．０５％含有する鉄合金から製造される。

なお、当該鉄合金は、硫黄の含有割合が０．０５％から０．５％の範囲、好ましくは０．１％から０．４％の範囲、より好ましくは０．１５％から０．３５％の範囲とされる。

硫黄の他にも、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、ニオブ、チタン、タングステン及びバナジウムから選択される少なくとも１つの追加の合金元素が含まれていても良い。

１つ以上の追加合金元素は、最大で３５％の割合で含まれていても良い。なお、複数の追加合金元素における個々の割合は、合計で最大３５％に達する。ただし、硫黄を除き、１つ以上の追加合金元素の割合は、少なくとも５％とされる。また、当該合金元素及び硫黄を除き、本発明に係るノズル保護キャップに用いられる材料は鉄のみとする。

また、鉄合金に対し、追加合金元素としてクロム及びニッケルを用いる。

当該鉄合金は、炭素を含有しない又は炭素の含有割合を非常に小さくすることが便宜である。炭素の含有割合は、最大２．１％、好ましくは最大１．２％、より好ましくは最大０．５％とする。

また、鉄合金に含まれるコバルトの割合を０．１％未満、好ましくは０．０５％未満、より好ましくはコバルトを一切含まないものとする。

また、ノズル保護キャップの製造に用いられる鉄合金は、熱伝導率が少なくとも１０Ｗ／ｍ＊Ｋ、硬度が少なくともＨＢ１５０、並びに／又は、通常の周囲環境下又は使用条件下において耐酸化性及び耐食性を持つ。なお、「通常」とは、従来の周囲雰囲気及び少なくとも化学的に活動的な物質を含まない水中での使用状態や、追加的なエネルギの入力が行われることを意味する。

本発明に係るノズル保護キャップが固定されるプラズマアークトーチは、少なくとも、トーチ本体と、当該トーチ本体に設けられた電極と、ノズルを備えるように設計される。当該ノズルは、中央ノズル開口部を有し、ノズルと電極との間に形成されたプラズマガスチャネルによって分離された方法で電極を覆うように設けられる。ノズル保護キャップは、出口開口部と、当該ノズル保護キャップ内部にリング状二次ガスチャネルを備える。当該出口孔は、ノズル保護キャップの先端側に設けられ、ノズル開口部と対向する。リング状二次ガスチャネルは、上記出口開口部と連結する。ノズル保護キャップは、プラズマアークトーチに着脱自在に固定される。ノズル保護キャップは、電極及びノズルに対して電気的に絶縁され、経路を少なくとも１つ有する二次ガス案内部を形成する。

本発明に係るノズル保護キャップを備えたプラズマアークトーチは、ワークの切削に利用される。なお、少なくともノズル保護キャップ及び対応するワークは、水面下に配置される。

以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係るノズル保護キャップを備えたプラズマアークトーチの断面図である。

図１は、本発明の実施例に係るプラズマトーチ１を示す。プラズマトーチ１は、電極３及びノズル４を備えるトーチ本体２を有する。電極３及びノズル４は、プラズマトーチ１の長軸Ｌ周りに、略回転対称となっている。電極３及びノズル４は、トーチ本体２の内部で同芯状に配置されて特定の空間的関係を持つと共に、プラズマガスチャネル６ａから供給されたプラズマガスＰＧが流れるプラズマチャンバ６を形成する。ノズルキャップ５は、プラズマトーチ１の長軸Ｌと同軸に配置され、ノズル４を保護するように支持し、これを覆う。ノズル４とノズルキャップ５との間には、冷却水が流れるチャンバ１１がある。冷却水は、給水路ＷＶから供給されて環水路ＷＲを介して排水される。

多数の経路を有するリング状二次ガス案内部８は、二次ガスチャネル９内に配置される。なお、当該経路は孔状の経路であり、ここでは、そのうちの１つのみを符号８ａで示す。二次ガスチャネル９は、ノズルキャップ５とノズル保護キャップ７との間であって、二次ガス入り口８ｂと二次ガスチャネル９の先端との間に形成される。経路８ａを流れる二次ガスＳＧは、ノズルキャップ５の外郭面に突き当たる。続いて、二次ガスＳＧは二次ガスチャネル９を通ってプラズマトーチ１の先端へと流れた後、プラズマジェット（図示せず）に供給され、そしてノズル保護キャップ７の出口開口部７ａから射出される。なお、二次ガスチャネル９は、ノズルキャップ５の外郭面及びノズル保護キャップ７の内側表面７ｂによって画定される。二次ガスＳＧは、ノズル開口部４ａから射出されるとプラズマジェットの周りを回転しながら流れ、プラズマジェットの周囲に所定の雰囲気を創り出す。

二次ガス案内部８の経路８ａは、二次ガスＳＧの回転流を実現するように設けられる。例えば、二次ガス案内部８ａの経路８ａは、二次ガス案内部８の円周面上において半径方向に延びるように、あるいは半径方向にオフセットするように、等間隔に設けても良い。即ち、各経路８ａは、実際の円の中心点に対してオフセットした点に向かって延びる。

また、トーチにノズルキャップ５を設けず、例えば、ノズル４をトーチ本体２に螺合させても良い。二次ガスＳＧが流入するチャンバ５は、ノズル４の外郭面及びノズル保護キャップ７の内側表面７ｂによって画定される。

本発明に係るプラズマアークトーチにあっては、請求項１から８のいずれかに記載のノズル保護キャップ７を使用することができる。一例として、ノズル保護キャップ７を、１７％〜１９％のクロム、８％〜１０％のニッケル、及び０．１５％〜０．３５％の硫黄が添加された鉄の合金から構成しても良い。なお、炭素の最大割合は０．１％とされる。

１ プラズマトーチ
２ トーチ本体
３ 電極
４ ノズル
４ａ ノズル開口部
５ ノズルキャップ
６ プラズマチャンバ
６ａ プラズマガスチャネル
７ ノズル保護キャップ
７ａ 出口開口部
７ｂ 内側表面
８ 二次ガス案内部
８ａ 経路
８ｂ 二次ガス入り口
９ 二次ガスチャネル
Ｌ 長軸
ＰＧ プラズマガス
ＳＧ 二次ガス
ＷＶ 給水路
ＷＲ 還水路

Claims (10)

1. プラズマアークトーチ（１）用ノズル保護キャップ（７）であって、
   前記ノズル保護キャップは、ノズル状開口部（４ａ，７ａ）を介してプラズマジェットが噴射されるプラズマアークトーチ（１）の先端外側に配置、固定され、
   硫黄を少なくとも０．０５％含有する鉄合金から製造されることを特徴とするノズル保護キャップ。
2. 前記鉄合金は、硫黄の含有割合が０．０５％から０．５％の範囲、好ましくは０．１％から０．４％の範囲、より好ましくは０．１５％から０．３５％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のノズル保護キャップ。
3. 前記硫黄に加え、クロム、ニッケル、マンガン、モリブデン、ニオブ、チタン、タングステン、及びバナジウムから選択される少なくとも１つの追加合金元素を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のノズル保護キャップ。
4. １つ以上の追加合金元素が、最大で３５％の割合で含有されることを特徴とする請求項３に記載のノズル保護キャップ。
5. クロム及びニッケルを追加合金元素として含有することを特徴とする請求項３又は４に記載のノズル保護キャップ。
6. 炭素を含有しない、又は炭素の含有割合が最大で２．１％、好ましくは最大で１．２％、より好ましくは最大で０．５％であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のノズル保護キャップ。
7. コバルトの含有割合が少なくとも０．１％未満、好ましくは０．０５％未満、より好ましくはコバルトを含有しないことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のノズル保護キャップ。
8. 前記鉄合金は、熱伝導率が少なくとも１０Ｗ／ｍ＊Ｋ、硬度が少なくともＨＢ１５０、並びに／又は、通常の周囲環境下又は使用条件下において耐酸化性及び耐食性を持つことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のノズル保護キャップ。
9. プラズマアークトーチ（１）であって、
   トーチ本体（２）と、
   前記トーチ本体（２）に設けられた電極（３）と、
   中央ノズル開口部（４ａ）を有するノズル（４）と、
   出口開口部（７ａ）を有するノズル保護キャップ（７）と、
   前記ノズル保護キャップ（７）内に設けられたリング状二次ガスチャネル（９）と、
   経路（８ａ）を少なくとも１つ有する二次ガス案内部（８）と、
   を備え、
   前記ノズル（４）は、当該ノズルと前記電極との間に形成されたプラズマガスチャネル（６ａ）によって前記電極を分離するように覆い、
   前記出口開口部（７ａ）は、前記ノズル開口部（４ａ）に対向するように前記ノズル保護キャップの先端に設けられ、
   前記リング状二次ガスチャネル（９）は、前記出口開口部（７ａ）に連結し、
   前記ノズル保護キャップ（７）は、前記電極（３）及び前記ノズル（４）と電気的に絶縁するように設けられると共に、前記プラズマアークトーチ（１）に着脱自在に固定され、
   前記ノズル保護キャップ（７）が、請求項１から８のいずれか一項に記載のノズル保護キャップであることを特徴とするプラズマアークトーチ。
10. ワーク切削に用いられる請求項９に記載のプラズマアークトーチの用途であって、
    少なくとも前記ノズル保護キャップ（７）と対応するワークが水面下に配置されることを特徴とする用途。

Images