JP2564300Y2

JP2564300Y2 - プラズマ加工用電極

Info

Publication number: JP2564300Y2
Application number: JP1993014940U
Authority: JP
Inventors: 野忠星; 下礦三山; 黒盈昭乙
Original assignee: 日鐵溶接工業株式会社
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1998-03-04
Anticipated expiration: 2008-03-04
Also published as: JPH0677976U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、金属材料の溶接あるい
は切断に用いられるプラズマアーク加工用トーチの電極
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、切断ガスとして酸素または空気
のような活性ガスを使用したプラズマ切断用トーチは、
図２に示されるものであり、切断ガスを旋回流にして狭
搾したノズル２より放出しておき、電極材２１と加工材
料１０との間にアークを発生させて、そのアーク熱と、
高温のプラズマガス気流９により加工材料１０を溶融
し、吹き飛ばしながら切断を行っている。

【０００３】しかしながら、この時、アーク放電を行っ
ている電極材２１は非常に高温の活性ガス雰囲気中にさ
らされ短時間で消耗してしまう為、電極材２１を流体で
冷却した銅製の電極ホルダーに埋め込み強制冷却し、電
極材２１の温度上昇を抑え、なおかつ電極材材料として
ハフニウムまたは、ジルコニウム等のような高温の酸化
性雰囲気中で高融点で放電特性の優れた材料を使用し
て、できるだけ電極材２１の寿命を延ばす工夫をして使
用している。

【０００４】従来例としては、特公昭４９−８６２２号
公報，実開昭５８−１７０１７４号公報，特開平４−５
５０６２号公報等があり、銅製の電極ホルダーに穴を開
け電極材を圧入または挿入し、電極ホルダーを外周より
圧縮して、冷却した電極ホルダーと電極材を出来るだけ
密着させ、電極材の昇温を押さえ、電極寿命を延ばす構
造をとっている。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電極の場合、その冷却構造上冷却効果に問題があり、電
極寿命が短い。また個々の電極の寿命にばらつきが大き
い等の問題があり、自動切断作業において大きな支障と
なっている。

【０００６】従来技術の電極は、図３の（ａ）あるいは
（ｂ）に示す構造であり、電極材２１は、電極ホルダー
２０に完全に埋め込まれているか、もしくは、電極材２
１が直接冷却流体に接していてもその面積は極めて小さ
く、又発熱部から遠く離れていた。従って電極材２１の
冷却の大部分は、電極材２１と電極ホルダー２０との接
触面と電極ホルダー２０の金属を通して水冷、または空
冷していた。このため、電極ホルダー２０の熱抵抗及び
接触面の接触熱抵抗分は、冷却効率が低下する事とな
り、それに対応して電極材２１の温度も高く、電極材先
端の溶融消耗速度が速くなり、結果として電極寿命もそ
の分短かった。

【０００７】また、電極寿命のばらつきの原因として
は、電極材２１と銅ホルダー２０との接触部の接触面積
および接触圧力は製造上の誤差により個々の電極によっ
て差があり、これが電極寿命のばらつきを生じる大きな
原因の１つになっていた。

【０００８】この為、電極材２１および電極ホルダー２
０の凹部の合わせ面全域の寸法精度および面粗度の加工
精度を可能な限り良くし、電極寿命のばらつきを抑える
対策が施されてきたが、長時間安定した作業はできず満
足のいくものでは無かった。電極寿命が短い、または電
極寿命にばらつきが大きいと、電極交換が頻繁となる
為、度々切断装置を停止しなければならず、切断効率が
非常に低下し、生産性の低下およびコスト高となる原因
になっていた。

【０００９】そこで本考案は、電極寿命を延ばし、寿命
ばらつきの少ないプラズマアーク加工用電極を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この考案は、前述した従
来の問題点に留意してなされたものであり、冷却流体を
流すための内孔(1d)および前端面(1b)と対向する内孔面
(1c)を有する金属製電極ホルダー(20)の軸中心の前端面
から内孔面への貫通孔に、高融点の丸棒状の電極材(21)
を挿入装着してなる、活性動作ガスを用いるプラズマア
ーク加工用電極(1)において、前記挿入装着された電極
材(21)が、前端が電極ホルダー(20)の前端面(1b)と面一
となる形状で、後端部の端面および外周面が電極ホルダ
ーの内孔面(1c)よりも冷却流体が流れる内孔(1d)に突出
し露出したものであることを特徴とする。なお、カッコ
内の記号は、図面に示し後述する実施例の対応要素を示
すものである。

【００１１】

【作用】電極材(21)が電極ホルダー(20)の前端面(1b)と
面一となる形状の電極(1)で、電極材(21)が電極ホルダ
ー(20)の内孔面(1c)よりも冷却流路側に突出しているの
で、電極ホルダー(20)先端部内側の冷却流体通路(1d)に
電極材表面積の多くが露出しており、電極材(21)は冷却
流体と広面積で直接接触する。これにより電極材(21)の
冷却効率が高く、電極材(21)の消耗速度が遅くなる。

【００１２】電極材(21)はまた、冷却された銅製の電極
ホルダー(20)に密着装着されている為、電極ホルダー(2
0)を通じても冷却される。これにより、電極材(21)の冷
却流体による直接冷却と、電極ホルダー(20)との接触面
を通じての間接冷却との相乗により、電極材(21)の冷却
効果が非常によくなり、電極材(21)のアーク中での過熱
が防止される。この為、電極材(21)の過熱昇温による短
時間での消耗が避けられ、従って電極(1)の寿命が長く
なる。

【００１３】また、電極材２１は冷却流体と直接接触す
る部分が有る事で、電極ホルダー２０との密着むらによ
る冷却ばらつきが大いに軽減し、これにより個々の電極
寿命のばらつきが減少する。

【００１４】

【実施例】以下、本考案を適用したプラズマ加工用電極
の実施例を、図を用いて説明する。図１の（ａ）及び
（ｂ）は、本考案のそれぞれ別個の実施例を示す。これ
らの図面に示す電極１は、図２に示すプラズマ切断トー
チ電極１として用いられるものである。なお、図３の
（ａ）及び（ｂ）は、従来用いられているそれぞれ別個
の電極１を示し、図４にはこれらの電極の寿命を示す。

【００１５】本考案の１つの実施例を示す図１の
（ａ）、ならびにもう１つの実施例を示す図１の（ｂ）
において、銅または銅合金からなる電極ホルダー２０の
先端に前端面１ｂが形成されており、且つ内部には例え
ば冷却流体として水等を流すための内孔１ｄおよび前端
面１ｂと対向する内孔面１ｃが形成されている。また電
極ホルダー２０の軸中心には前端面１ｂから内孔面１ｃ
へ貫通孔１ａが形成されている。前記貫通孔１ａには、
ハフニウムまたはハフニウム合金からなる丸棒状の電極
材２１の片端面が、電極ホルダー２０の前端面１ｂと面
一にして内孔面１ｃに貫通して嵌装されている。該電極
材２１のもう片端面側には、内孔面１ｃよりも突き出し
た形で電極材直接冷却面１ｅが形成されている。

【００１６】次に、上記の如く構成した電極１を製造す
る場合について説明すると、先ず電極ホルダー２０の軸
中心に前端面１ｂから内孔面１ｃまで貫通孔１ａを形成
する。該貫通孔１ａは電極材２１の外形よりも僅かに大
きく形成されている。次いで、電極材２１を、図１の
（ａ）の場合、所定の長さに切断し端面および外周面を
切削および研磨加工をする。図１の（ｂ）の場合は、例
えば外形１．９ｍｍ径の大きさの電極材２１をさらにワ
イヤ放電加工により溝幅０．５ｍｍで円柱軸方向に所定
の深さのスリット状の溝付け加工を行う。これら各電極
材２１を、電極ホルダー２０に形成した貫通孔１ａに挿
入し、電極材２１が内孔面１ｃよりも所定長さ突起する
ように配置した後、電極ホルダー２０を外周から中心軸
方向に押し圧して、電極材２１を電極ホルダー２０に密
着保持する。

【００１７】その後、電極ホルダー２０および電極材２
１の、前端面１ｂを含む外周面および内孔面１ｃを含む
内孔面を、所定の形状に切削など機械加工を行い電極を
形成する。

【００１８】前記加工により電極材２１は、電極ホルダ
ー２０の前端面１ｂにおいて面一となる形状を有し、ま
た電極材２１が内孔面１ｃよりも冷却流路１ｄ側に突起
した形状の電極となる。また電極材２１は、挿入前に電
気メッキを施しても良く、また、押し圧密着保持の代わ
りにロー付けにより電極材２１を電極ホルダー２０に接
合しても良い。また、電極材２１は挿入前に適当な金属
スペーサーを取付てから電極ホルダー２０に嵌装しても
良い。

【００１９】上記の如く構成した図１の（ａ）に示す電
極および図１の（ｂ）に示す電極と、従来の、図３の
（ａ）に示す電極、のそれぞれにつき５個をサンプルと
して比較実験を行った。共通条件として、電極材にはハ
フニウム材を使用し、母材１０は実験のために水冷銅材
を使用し、冷却流体は水で流量５．７ｌ／ｍｉｎとし
た。水温は約１５℃であった。切断電流は２５０Ａ、酸
素ガス流量は４０１／ｍｉｎ、ノズル２穴径は２．３ｍ
ｍで、アーク時間６０秒、休止時間１５秒の繰り返しで
実験した。

【００２０】〈図１の（ａ）に示す本考案の実施例〉電極材の径１．９ｍｍ電極材の長さ６．０ｍｍ貫通孔１ａの長さ３．５ｍｍ上記寸法の電極の寿命回数は、１０９〜１２６回で平均
寿命は１１７回であった。この時の寿命のばらつき率
［最大寿命−最小寿命／（平均寿命×２）×１００］は
±７．２％であった。

【００２１】〈図１の（ｂ）に示す本考案の実施例〉電極材の径１．９ｍｍ電極材の長さ６．０ｍｍ電極材の溝深さ３．０ｍｍ貫通孔１ａの長さ３．５ｍｍ上記寸法の電極の寿命回数は１１７〜１４１回で、平均
寿命は１２９回であった。この時の寿命のばらつき率は
±９．３％であった。

【００２２】〈図３の（ａ）に示す従来例〉電極材の径１．９ｍｍ電極材の長さ６．０ｍｍ貫通孔１ａの長さ６．０ｍｍ上記寸法の電極の寿命回数は６１〜９７回で、平均寿命
は７９回であった。この時の寿命のばらつき率は±２
２．８％であった。

【００２３】上記実験からも明らかなように、本考案の
電極（図１のａおよびｂ）は従来のもの（図３のａ）に
比べ平均寿命で約５０〜６０％向上した。また、寿命ば
らつき率も６０〜７０％向上した。

【００２４】このように、本考案電極の寿命が長くなっ
た要因は、図４の電極寿命グラフでも明らかなごとく、
従来例は電極材消耗深さが約０．８ｍｍを境に消耗速度
が速くなるが、本考案電極の場合は電極材消耗深さが約
０．８ｍｍを越えても従来例よりも緩やかな消耗速度と
なるため、電極寿命が長くなったものである。

【００２５】これは、従来例の場合、電極消耗が進むに
つれアーク発生点が電極ホルダー穴１ａの奥より発生す
ることから、電極ホルダーがアーク発生点での高温発熱
を穴１ａの壁面を通して受けることになり、この結果銅
製電極ホルダーの温度が上昇し電極材冷却効率が低下す
るため、電極消耗速度が速くなり電極寿命が短くなった
ものと考えられる。

【００２６】これに対し、本考案電極は電極消耗が進ん
で電極ホルダーの温度が上昇しても、直接水冷面１ｅで
も冷却していることから、冷却効率が大きく減少するこ
とはなく、また電極材が消耗するにつれ発熱部が直接冷
却面１ｅに近づくため逆に冷却効率がよくなる。この結
果、電極消耗速度は従来よりも緩やかとなり、これによ
り電極寿命が延びたものである。

【００２７】

【考案の効果】以上詳細に説明したように、本考案のプ
ラズマ加工用電極は、電極ホルダーに挿入装着された電
極材が電極ホルダー内孔面１ｃよりも冷却流路側に突起
して嵌装したので、電極材は、従来技術の電極ホルダー
を通しての間接冷却プラス冷却流体による直接冷却によ
り冷却効率が良くなり、電極寿命が従来に比べ平均寿命
で５０〜６０％向上した。また、電極寿命のばらつきも
寿命ばらつきの原因であった間接冷却が少なくなり、冷
却効率にばらつきの出ない直接冷却が強いので、ばらつ
き率が従来に比べ６０〜７０％も改善された。また、加
工精度を必要とする間接冷却面の面積が減ったことで、
製造コストが低減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれが本考案の別
個の実施例を示す縦断面図である。

【図２】本考案の電極を使用するプラズマ切断トーチ
の縦断面図である。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれが従来の別個
の電極を示す縦断面図である。

【図４】図１の（ａ）および（ｂ）ならびに図３の
（ａ）に示す電極の、消耗速度を示すグラフである。

【符号の説明】

１：電極３：流通パイプ２０：電極ホルダー２１：電極材１ａ：貫通孔１ｂ：前端面１ｃ：内孔面１ｄ：冷却流体
通路１ｅ：直接冷却面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−229696（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−192569（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−154273（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】冷却流体を流すための内孔および前端面と
対向する内孔面を有する金属製電極ホルダーの軸中心の
前端面から内孔面への貫通孔に、高融点の丸棒状の電極
材を挿入装着してなる、活性動作ガスを用いるプラズマ
アーク加工用電極において、前記挿入装着された電極材が、前端が電極ホルダーの前
端面と面一となる形状で、後端部の端面および外周面が
電極ホルダーの内孔面よりも冷却流体が流れる内孔に突
出し露出したものであることを特徴とするプラズマアー
ク加工用電極。