JP2689310C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ切断機に用いられる切断用プラズマト
ーチ及びプラズマ切断方法に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】・第１の従来技術（水冷トーチ） プラズマ切断機に用いられるトーチで電極とノズルが冷却水により冷却されるも
のは、トーチ本体に電極が取りつけられ、それに絶縁体及び電極の軸の周囲に旋
回させて作動ガスを噴出させるためのガス噴出口を介して、ノズルが取り付けら
れ、そのノズルのノズルオリフィスを含む先端部を除く他の部分を被覆し、ノズ
ルをトーチ本体に固定するノズ ルキャップがトーチ本体に螺着される。そして電極を冷却した冷却水は、トーチ
本体内部に形成された冷却水通路を通り、トーチ本体とノズルとノズルキャップ
により成形される空間の経由して、ノズルを冷却し、再びトーチ本体に形成され
た冷却水通路に戻る構成となっている。 【０００３】・第２の従来技術（空冷ノズルにおけるノズル保護キャップ） プラズマトーチにおいてノズル先端が露出していると、切断開始時に厚板のピア
ッシング（穴開け切断）を行うとノズルに吹き上がった溶融金属（ドロス）がノ
ズルに付着しノズルを溶損したり、あるいは、ノズルと被切断材が接触するとダ
ブルアークと呼ばれる不正放電が起こりノズルを損傷することがある。そのため
空冷ノズルに於いて、ノズル先端部を保護するためにノズルとは電気的に絶縁さ
れた金属製のノズル保護キャップを取り付けるとともに、ノズルを冷却するガス
をそのままノズルとノズル保護キャップの間に流すことで、吹き上がってくる溶
融金属を吹き飛ばし、ノズルを保護する方法が米国特許第４８６１９６２号（ハ
イパー １９８９年８月２９日出願）に開示されている。 【０００４】・第３の従来技術（溶接トーチにおけるノズル保護キャップ） 上記第２の従来技術と同様に、ノズルの周囲に、ノズルとは電気的に絶縁された
金属製のノズル保護キャップを取り付け、ノズルとノズル保護キャップの間に２
次ガスを流す構成となっているプラズマ溶接トーチが特公昭５３−１１９７５３
号公報（日立精工 昭和５２年３月３０日出願）に開示されている。 【０００５】 ・第４の従来技術（旋回気流効果による切断面の傾斜） プラズマ切断では一般的に切断溝（カーフ）の表側が広く、裏側が狭くなってい
る。そのため切断面は垂直とならず傾いている。しかし一方で、アークの安定化
のために、電極の軸の周囲に作動ガスを旋回させて噴出する構成のプラズマトー
チに於いては、その切断面が左右対象とはなら ず、非対象となることが知られている。このことを利用すると、表カーフ幅が広
く、裏カーフ幅が狭くなっている状況に於いても、作動ガスの旋回によって、片
側の切断面だけであれば、垂直な切断を行うことができることが溶接技術１９８
８年６月号に開示されている。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】上記各従来技術にあっては、（１）ノズルの保
護、（２）２次ガスによるプラズマアークの緊縮、（３）ノズル保護キャップの
温度上昇、（４）旋回気流効果の調整、（５）冷却水面路の電気腐食の点につい
て以下のような問題があった。 【０００７】（１）ノズルの保護 プラズマ切断に於いては、切断開始時に厚板のピアッシング（穴開け切断）を行
うとノズルに吹き上がった溶融金属がノズルに付着しノズルを溶損したり、ある
いは、ノズルと被切断材が接触するとダブルアークと呼ばれる不正放電が起こり
ノズルを損傷することがある。従って、第１の従来技術にあるようにノズルが露
出しているプラズマトーチでは厚板のピアッシングを行う際には、メインアーク
が移行する最高の高さでピアッシングを行い、ピアッシング時の溶融金属（ドロ
ス）の吹き上がりを避けて、穴が貫通した後、トーチを切断に適した高さまで下
げて切断を開始するという方法が採用されている。しかし、この方法によると切
断開始時のトーチの高さ制御が複雑となることは避けられず、また、切断中ある
いは終了時に、被切断材が熱変形や支持の状態によっては、跳ね上がってくるこ
とがあり、それを避けるのは困難で、ノズルと被切断材が接触することでダブル
アークが発生し、ノズルを損傷する危険性を回避することはできない。このよう
なことを考慮して、第２の従来技術にあるように空冷されたノズルを有するトー
チに於いては、上記のピアッシング時のノズルへのドロスの付着や被切断材との
電気的な接触を防止するための、ノズル保護キャップの機構が開示されている。
しかしながら、第２の従来技術では、空冷ノズル方式のプラズマトーチに対して
適用されており、第２の従来技術にあるようなノズルを水冷するプ ラズマトーチにはトーチ先端部の形状が異なるため適用できない。また、ノズル
を空冷している冷却ガスを利用する機構となっているため、多量の冷却ガスを流
す必要があり、これを確保するためにノズル保護キャップにはトーチ軸上プラズ
マアークを通す開口部以外にこの複数の開口部が設けられている。このため、被
切断材の表面には多量の冷却ガスが噴出するため、プラズマアークへの擾乱が増
加し切断に悪影響がでる問題があった。また、第３の従来技術では、水冷のノズ
ルに対して保護キャップが適応されているが、その機能は、被切断材とノズルの
接触を防止する機能は有するものの、２次ガスで溶接部を大気から遮断するため
のもので、ノズル保護キャップの開口部が広く開いているため、切断の場合のビ
アッシング時のドロスの吹き上がりからノズルを守る機能は有していない。 【０００８】 （２）２次ガスによるプラズマアークの緊縮 プラズマ切断では、アークをノズルにより細く絞り込むことで、高温高速のアー
クプラズマを得ている。小さいノズル径を有するノズルに、より多くの電流を流
すことができれば、狭い切断溝幅で高速で切断できる。しかし、電流を増大して
いくと、電流がノズルオリフィスを通過せずノズルの金属部を流れるダブルアー
クと呼ばれる現象が起こり、切断能力が低下するだけではなくノズルを損傷して
しまう。第１の従来技術では、アークを細く絞り込むために、電極の周囲に作動
ガスを強く旋回させて噴出させるとともに、ノズルを水冷することでダブルアー
クが起こりにくくしている。しかし、ノズルを噴出したプラズマアークは、ノズ
ルによる拘束が解除され膨脹するので、切断溝幅が広がってしまう問題が残って
いる。第２の従来技術では、ノズルが水冷されていないためノズルの冷却が不十
分でダブルアークが起こり易く、電流を大幅に増大することが困難である。また
、ノズル保護キャップによりプラズマアークを包囲するように供給される２次ガ
スを使って、ノズルから噴出したアークを更に絞り込むことができるが、この第
２の従来技術では、プラズマガ スを包囲する様に２次ガスを流すための中央の開口部以外に、ノズル冷却のため
にガス流量を増やすための開口部が設けられており、アークを包囲する２次ガス
だけを独立して制御することができず、そのためにプラズマアークを更に絞り込
むのに十分な２次ガスの流速あるいは圧力を得ることが困難である。 【０００９】（３）ノズル保護キャップの温度上昇 第２の従来技術、あるいは第３の従来技術にあるノズル保護キャップは、２次ガ
スによる空冷しか行われないため、プラズマアークあるいは切断面からの輻射に
より温度が上がってしまう。そのため、ノズルや電極などの消耗部品の交換の際
には、アーク停止後しばらく２次ガスを流して冷却するか、あるいは、手袋をは
めて交換するかしなければならず、交換時の作業性が悪かった。 【００１０】（４）旋回気流効果の調整 第４の従来技術に示したように、旋回気流効果によって切断面が傾斜することを
利用して、片側の切断面について垂直な切断面を得ることが可能である。しかし
、被切断材の板厚や切断速度に合わせて、接断面の傾斜の程度を調整しようとす
ると、旋回気流の強度つまり作動ガス流量の増減が必要となる。しかし、作動ガ
ス流量はアークを安定に保持するための最適値があり、作動ガス流量を増減する
とアークが不安定となってしまい、切断面の傾斜の程度を調整することは困難で
ある。 【００１１】（５）冷却水通路の電気腐食 第１の従来技術で示したように、電極とノズルが水冷されるプラズマトーチでは
電極及びノズルは、トーチ本体のそれぞれ絶縁された金属部に当接され固定され
るとともに、それぞれの金属部には、直流電源から電力が供給されている。そし
て、冷却水は電極とノズルを冷却するように、電極側金属部とノズル側金属部を
連結する冷却水通路が設けられている。プラズマアークが発生している時には、
電極側金属部とノズル側金属部との間には電位差が発生している。この時それぞ
れの金属部は電気的に絶縁された状態でトーチ本体が構成されているが、それぞ
れの金属 部が冷却水通路で連結されており、そこに冷却水が流れているため、冷却水を介
して微弱な電流が流れる。この電流は微弱なのでアークの発生には何等支障は起
きないが、この電流によって、トーチ本体の金属部が徐々に電気化学的な作用に
よって腐食が進行し、トーチが、いずれは使用不能に陥る問題を、電極及びノズ
ルが水冷されるトーチでは抱えている。 【００１２】本発明は上記従来の技術の各問題点のうち、旋回気流効果の調整に
対する問題点を解決しようとするもので、被切断材の切断面の傾斜垂直方向に変
化することができると共に、切断面の傾斜の程度を調節できるようにした切断用
プラズマトーチ及びプラズマ切断方法を提供することを目的とするものである。 【００１３】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明に係る切断用
プラズマトーチは、プラズマアークの旋回流の外周に２次ガスを噴出させるよう
にした切断用プラズマトーチにおいて、上記プラズマアークを噴出するためのノ
ズルと、上記ノズルを冷却するための冷却流体通路と、上記プラズマアークの旋
回流の外周に２次ガスを噴出させるための２次ガス通路と、上記２次ガスを上記
プラズマアークの旋回流と同一方向に旋回させる機構とを有し、上記２次ガスの
旋回強度により切断面の傾斜の程度を調整できるようになっている。 【００１４】また本発明に係る上記切断用プラズマトーチを用いたプラズマ切断
方法は、プラズマアークの旋回流の外周に２次ガスを噴出させるプラズマ切断方
法において、上記２次ガスを上記プラズマアークの旋回流と同一方向に旋回させ
て噴射させ、かつ上記２次ガスの旋回強度により切断面の傾斜の程度を調節する
ようにした。 【００１５】 【作用】プラズマガスと共にノズルより噴出したプラズマアークはプラズマトー
チの先端より噴出される。このとき、プラズマアークの外周から２次ガスが噴出
されるが、このときの２次ガスは旋回機構にて整流さ れる。プラズマガスはプラズマガス流入路にて旋回流が与えられ、また２次ガス
も旋回機構にて上記プラズマガスと同一方向の旋回流が与えられることで、プラ
ズマガスをさらに旋回することできる。このため、２次ガスの旋回強度の調整に
よってプラズマアークの旋回強度を変えて切断面の傾斜の程度を調節することが
可能となる。 【００１６】 【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図中１は電極、２はこの
電極１の先端に対向する位置にノズル保持部材３にて保持されて設けられたノズ
ル、４は上記ノズル１の下端部分を除き、その他の部分を被覆するノズルキャッ
プ、５はこのノズルキャップ４の外側を被覆するノズル保護キャップである。そ
して上記電極１の周囲には、この周囲からノズル２に連通するプラズマガス通路
６が設けてあり、またノズル２とノズルキャップ４との間には冷却水通路７が設
けてあり、さらに、ノズルキャップ４とノズル保護キャップ５との間にはノズル
２の先端側に開放された２次ガス通路８が設けられている。上記ノズル保護キャ
ップ５はノズルキャップ４に対して電気的に絶縁された状態となっており、また
ノズル２はノズルキャップ４の先端部でも支持されている。 【００１７】上記電極１の内側には冷却水室９が設けてあり、この冷却水室９は
上記冷却水通路７に連通されている。そしてこれらの一方の冷却水室９に冷却水
流入路１０が接続してあり、他方の冷却水通路７に冷却水流出路１０ａが接続し
てある。一方上記プラズマガス通路６にはプラズマガス流入路１１が、また２次
ガス通路８には２次ガス流入路１２がそれぞれ接続してある。１３は上記各部材
を支持するトーチ本体で、これは電極１及びノズル２に対して絶縁されている。
そして上記ノズル保護キャップ５はこのトーチ本体１３に螺着されている。 【００１８】ノズルキャップ４とノズル保護キャップ５との間に構成される２次
ガス通路８はテーパ環状に形成されているが、この２次ガス通路８内に絶縁材料
にて構成され、かつスペーサをかねるインシュレータ１４が、ノズルキャップ４
及びノズル保護キャップ５のそれぞれの壁面 に対して気密状にして介装してある。そしてこのインシュレータ１４にはこれの
上流側と下流側とを連通する整流路となる小孔１５が円周方向に複数個開口して
ある。この整流通路となる小孔１５は図２（ａ）に示す小孔１５に替えて図２（
ｂ）に示すように、内面（あるいは外面）に溝１５ａにしてもよい。また本発明
の実施例では、図２(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)に示すように、上記整流通路となる小孔１
５及び溝１５ａは軸心に対してうず巻き状に設けてある。なお図２(ａ)，(ｂ)に
示したインシュレータ１４は２次ガス通路８のテーパ環状の形状にあわせてテー
パ状に形成されているが、このように形状にかぎるものではなく、図２の(ｃ)，
(ｄ)，(ｅ)に示すように断面矩形状にして、整流された２次ガスは軸心方向に流
れるようにしてもよい。 【００１９】上記インシュレータ１４は２次ガス通路８の途中、すなわち、２次
ガスの噴出口端より空間を有した位置に配置して設けられていて、このインシュ
レータ１４の下流側に、このインシュレータ１４から２次ガス通路８の２次ガス
の噴出口端にわたって環状のガス通路部が構成されており、インシュレータ１４
から流出した２次ガスの旋回流成分がこの環状のガス通路部にて旋回方向に均一
にされるようになっている。 【００２０】上記ノズル２のオリフィス１６の径φ₁とノズル保護キャップ５の
開口径φ₂との比（φ₂／φ₁）は１．０〜５．０が適当であり、また好ましくは
２．０〜４．０である。ここでφ₂／φ₁＜１．０の場合にはノズル保護キャップ
５の先端がプラズマアークの熱で変形して損傷してしまい、その上、２次ガスの
流れを乱してしまう。またφ₂／φ＞５．０の場合には、ドロスの吹き返りがノ
ズル２及びノズル２の下端面とノズル保護キャップ５の間のギャップ１７に付着
してダブルアークが発生してしまう。また上記ギャップ１７のギャップ寸法ｈは
０．５〜１．５ｍｍが適当である。ここでｈ＜０．５ｍｍとした場合、２次ガス
の噴出する流速が速くなりすぎてアークを乱してしまう。上記インシュレータ１
４はふっ素系等の合成樹脂あるいはセラミックにて構成す る。 【００２１】上記構成において、電極１からのプラズマアークは、この電極１の
周囲に設けられたプラズマガス通路６に供給されたプラズマガスと共にノズル２
及びノズル保護キャップ５の開口部を通って噴出される。このとき、ノズル２は
冷却水通路７を通る冷却水にて冷却される。また２次ガスは２次ガス通路８を通
ってギャップ１７より上記プラズマの周囲を囲繞するようにして噴出されるが、
このときの２次ガスはインシュレータ１４を通る間に整流される。すなわち、環
状の２次ガス通路８を通ってきた２次ガスはインシュレータ１４の小孔１５ある
いは溝１５ａにて構成される整流通路を通る間に整流される。 【００２２】またこのとき、ノズル２の下端面とノズル保護キャップ５の間のギ
ャップ１７のギャップ寸法ｈを最適値とすることにより、プラズマアークを包囲
するように噴出される２次ガスを十分な流量を十分速い流速で供給される。また
ノズル保護キャップ５の開口径φ２を最適にとることにより、ピアッシング時の
ドロスの吹き上がりからノズル２が保護される。 【００２３】図３はインシュレータの変形例を示すもので、インシュレータ１４
ａは断面形状を矩形にした部材にて環状に構成されており、このインシュレータ
１４ａはノズルキャップ４ａとノズル保護キャップ５ａのそれぞれ対向部に形成
した段部に嵌合して取付けられている。そしてこのインシュレータ１４ａの外周
側に整流通路１８が設けられている。 【００２４】この構成によれば、ノズルキャップ４ａとノズル保護キャップ５ａ
とはインシュレータ１４ａにて調心され、両部材の位置決めが容易に行なわれる
。 【００２５】図４はノズル保護キャップを先端側と基端側とを別部材にした例を
示す。すなわち、ノズル保護キャップ５ｂはノズル本体１３に螺着される基端部
１９と、ノズル２側の先端部２０とが別部材になっている。そしてこの先端部２
０側に上記インシュレータ１４ａが支持され ている。上記基端部１９と先端部２０との結合は、先端部２０側にフランジ部２
０ａを設け、このフランジ部２０ａに基端部１９の先端側を嵌合固着するか、あ
るいはこのフランジ部２０ａにおいて両者を螺合固着してもよい。 【００２６】プラズマトーチの使用に際してノズル保護キャップ５ｂの先端側が
破損するが、この実施例によれば、先端部２０だけを交換でき、ノズル保護キャ
ップ全体を交換するものに対して経済的である。またノズル保護キャップ５ｂを
基端部１９と先端部２０とを分割したので、それぞれの材質を異ならせることが
でき、先端部２０は熱伝導のよい材質で構成することで、高温の溶融金属が付着
したとしても、この溶融金属が短時間で冷却されて剥離しやすくなる。一方基端
部１９は機械的強度に優れた材質で構成することで、トーチが被切断材と接触し
てもこれが変形しないようになる。 【００２７】また図５はノズル保護キャップを冷却できるようにした実施例を示
す。すなわち、ノズル保護キャップ５ｃの基端部１９ａの内側に環状の冷却水室
２１を設け、この冷却水室２１に電極１の内側に設けられた電極１側の冷却水室
９に通路２２にて連通してある。この構成によりノズル保護キャップ５ｃの基端
部は冷却水室２１内の冷却水により冷却されこの部分の昇温が抑制される。 【００２８】図６は上記ノズル保護キャップを冷却するための構成の他例を示す
もので、ノズル保護キャップ５ｄの冷却水室２１ａを上下方向に幅の広い環状に
構成してその容積を大きくすることにより、この部分の冷却能力が多くなってい
る。そしてこの冷却水室２１ａには電極１側の冷却水室９に連通する流入側の通
路２２のほかに、ノズル２のまわりに設けた冷却水通路７に連通する出口側の通
路２３が連通している。 【００２９】また図７にて示したインシュレータ１４ａにおいて、これに設けた
整流通路１８をトーチの中心に対してうず巻き状にすることにより、ノズル保護
キャップのギャップから噴出する２次ガス流を強制された旋回流にすることがで
きる。さらに電極１の周囲に設けられたプ ラズマガス通路６にプラズマガスを流入するための複数本のプラズマガス流入路
６ａを図８に示すようにトーチの軸心に対して傾斜させて、プラズマガス通路６
に流入するプラズマガスに旋回流を与えるようにする。またこのとき、ノズル２
のオリフィス長Ｌはオリフィス径φ１に対してＬ／φ₁≦２の関係にする。この
構成において、２次ガスの旋回方向とプラズマガスの旋回方向とが同一になるよ
うにする。 【００３０】発明が解消しようとする課題の欄の項目（４）で述べたように、作
動ガス流量の調節により切断面の傾斜の程度を調節しようとすると、作動ガス流
量が最適範囲から外れてアークが不安定となる問題があるが、本実施例では２次
ガスをプラズマアークの旋回方向と同一方向に旋回させることにより、２次ガス
の旋回強度の調節によってプラズマアークの旋回強度を変えて切断面の傾斜の程
度を調節することが可能となる。そして図７で示す構成によるプラズマトーチに
て被切断材２４を切断したときに、２次ガスの旋回流の上流側の切断壁２４ａが
垂直になり、他方の切断壁２４ｂが開先状に傾斜されて切断される。このように
、例えば、２次ガスが上からみて右方向に旋回している場合、右側の切断壁２４
ａが垂直状になる。また、このとき、上記２次ガスは、インシュレータ１４ａを
出てから２次ガスの噴出口端に至る間の空間である環状のガス通路部内において
その旋回流成分が均一化される。また上記インシュレータ１４ａは２次ガス通路
内の段部に調心された状態で配置される。 【００３１】さらに上記各実施例において、冷却水による電気化学的な腐食を低
減するためには、冷却水を介して流れる電流を減少してやらねばらないが、その
ためには、冷却水に接するトーチ本体の金属部分の面積を狭くしてやる必要があ
る。このことから図１に示すように、電極１側の冷却水室９とノズル２側の冷却
水通路１０とを連通する流入路２５に電気絶縁材料にて構成したチューブ２６を
嵌合する。 【００３２】 【発明の効果】本発明によれば、プラズマアークの旋回流の外周に２次 ガスを噴出させるようにした切断用プラズマトーチにおいて、上記プラズマアー
クを噴出するためのノズルと、上記ノズルを冷却するための冷却流体通路と、上
記プラズマアークの旋回流の外周に２次ガスを噴出させるための２次ガス通路と
、上記２次ガスを上記プラズマアークの旋回流と同一方向に旋回させる機構とを
有し、上記２次ガスの旋回強度により切断面の傾斜の程度を調整できるようにし
たことにより、被切断材の切断面の傾斜を垂直方向に変化することができ、また
２次ガスの旋回強度を変えて切断面の傾斜の程度が調節できる。 【００３３】また本発明によれば、上記した切断用プラズマトーチを用いてプラ
ズマアークの旋回流の外周に２次ガスを噴出させるプラズマ切断方法において、
２次ガスを上記プラズマアークの旋回流と同一方向に旋回させて噴射させ、かつ
上記２次ガスの旋回強度により切断面の傾斜の程度を調節するようにしたことに
より、プラズマアークをさらに旋回することができる。このため、２次ガスの旋
回強度の調整によってプラズマアークの旋回強度を変えて切断面の傾斜の程度を
調節することが可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例を示す断面図である。 【図２】(ａ)，(ｂ)，(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)はインシュレータのそれぞれ異なる実施
例を示す説明図である。 【図３】本発明の別の実施例を示す断面図である。 【図４】本発明の別の実施例を示す断面図である。 【図５】本発明の別の実施例を示す断面図である。 【図６】本発明の別の実施例を示す断面図である。 【図７】本発明の別の実施例を示すと共に、作用を示す断面図である。 【図８】プラズマガス流入路の構成を示す斜視図である。 【符号の説明】 １…電極 ２…ノズル ３…ノズル保持部材 ４…ノズルキャップ ５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…ノズル保護キャップ ６…プラズマガス通路 ７…冷却水通路 ８…２次ガス通路 ９，２１…冷却水室 １０…冷却水流入路 １０ａ…冷却水流出路 １１…プラズマガス流入路 １２…２次ガス流入路 １３…トーチ本体 １４，１４ａ…インシュレータ １５…小孔 １５ａ…溝 １６…オリフィス １７…ギャップ １８…整流通路 １９，１９ａ…基端部 ２０…先端部 ２０ａ…フランジ部 ２２，２３…通路 ２４…被切断材 ２５…流入路 ２６…チューブ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 プラズマアークの旋回流の外周に２次ガスを噴出させるようにし
   た切断用プラズマトーチにおいて、 上記プラズマアークを噴出するためのノズルと、 上記ノズルを冷却するための冷却流体通路と、 上記プラズマアークの旋回流の外周に２次ガスを噴出させるための２次ガス通路
   と、 上記２次ガスを上記プラズマアークの旋回流と同一方向に旋回させる機構と を有し、上記２次ガスの旋回強度により切断面の傾斜の程度を調整できるように
   したことを特徴とする切断用プラズマトーチ。 【請求項２】 プラズマアークの旋回流の外周に２次ガスを噴出させるプラズマ
   切断方法において、上記２次ガスを上記プラズマアークの旋回流と同一方向に旋
   回させて噴射させ、かつ上記２次ガスの旋回強度により切断面の傾斜の程度を調
   節するようにしたことを特徴とする切断用プラズマトーチにおけるプラズマ切断
   方法。