JP2739522B2 - プラズマアークトーチ及びプラズマアークトーチを用いてプラズマアークにより工作物を突き通し、次いで切断する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、本発明は、金属工作物を切断するための切
断用プラズマアークトーチに関し、特に、工作物を突き
通し、次いで切断する間、トーチのノズルを損傷及びダ
ブルアークから防護するプラズマアークトーチに関す
る。

技術背景 現在のプラズマアークトーチ基本的構成要素は、トー
チ本体と、該本体に取付けられた電極（陰極）と、適当
なガス（例えば、窒素）の流れ内にプラズマアークを創
始するためにパイロットアークを創生する、中央オリフ
ィスを備えたノズル（陽極）であり、それらに関連し
て、電気配線、冷却ガス及びアーク制御用流体のための
通路及び管が設けられ、工作物に近接したトーチの面に
通常はセラミック製のインサート（挿入体）が取付けら
れる。

プラズマを創生する流体の流れ力学を制御するように
したいろいろなプラズマアークトーチが知られている。
その一例は、米国特許第3,641,308号に開示されている
ように、トーチの切断品質を良好にするためにトーチの
ノズルに通す冷却流を用いてプラズマアークを拘束する
方法である。いずれにしても、プラズマアークの温度が
10,000℃を越え、制御しなければ、ノズルを破壊してし
まうおそれがあるので、トーチを冷却することが必要で
ある。水の伝熱能力はいかなるガスのそれよりもはるか
に大きく、しかも水は容易に得られ、安価な液体である
から、従来から水による冷却が好ましいとされている。
しかしながら、金属工作物を突き通すに当り、トーチの
設計において配慮すべきもう１つの重要な事項は、切込
まれた金属の切り目からトーチへ溶融金属が跳ね返り、
それによってノズルを破壊するおそれがあることであ
る。溶融金属の跳ね返りによるノズルの破壊には２通り
の態様がある。１つは、金属の切り目から跳ね返った溶
融金属が、プラズマジェットを攪乱してプラズマジェッ
トがノズルをえぐってしまう態様である。もう１つは、
溶融金属が固化してノズルの正面に付着し、それによっ
てノズルと工作物の間に電気ブリッジを形成してしまう
ことである。その結果、ノズルの寿命を大幅に短縮して
しまう、いわゆる「ダブルアーク」を生じることにな
る。

溶融金属の跳ね返りによって惹起されるノズルのえぐ
りとりやダブルアークの問題を解決するために従来から
幾つかの提案がなされている。高電流（200アンペア以
上）のプラズマアークトーチにおいては、１つの解決法
は、水噴射冷却方法と共に多部片型ノズルを用いること
である。ハイパーサーム・インコーポレイテッド社製の
このタイプの典型的なノズルは、第１及び２図に概略的
に示されている。第１図に示されたものは、ハイパーサ
ームHT400 0.099型、HT400 0.166型及びPAC500 0.187型
に相当するものであり、ノズルの前端面がセラミックで
形成されている。この構成は、（１）セラミック製のノ
ズル前端面は非導電性であるからダブルアークを起すこ
とがなく、（２）セラミックのバリヤーがノズルを防護
するので、上述したダブルアークと、ノズルのえぐり損
傷のいずれをも抑制する。更に、セラミック製のノズル
部片を冷却することと、金属への切込み中に跳ね返る溶
融金属を水蒸気で冷却することによる水の優れた冷却特
性が、溶融金属がセラミック部材に付着又は融着するの
を、あるいは極端な場合は、溶融金属がセラミックを攻
撃するのを防止する。

第２図に示されたものは、ハイパーサーム・インコー
ポレイテッド社からPAC500 0.257型として販売されてい
るノズルに類似した高電流多部片ノズルの変型である。
やはり、このトーチの場合も、上記問題の解決法は、半
径方向に水を噴射することであるが、セラミック製ノズ
ルの代わりに、銅製のノズル前端部片が使用されてお
り、ノズルの前端面を電気的に隔離するためにノズルの
構成部片の間に絶縁体が介設されている。銅は、セラミ
ックより冷却し易く、しかも、過酷な使用に耐えること
ができるので、使用寿命が長い。

しかしながら、200アンペア以下の低電流の作動で
は、水噴射による冷却法は実際的ではない。水冷系統
と、多部片ノズルの製造コストが高くなることを別とし
ても、低電流作動においては水冷却がプラズマから過度
のエネルギーを奪ってしまう。さりとて、溶融金属の跳
ね返りによるノズルの著しい摩耗という問題は依然とし
て存在する。従来は、この問題に対する唯一の実行可能
な解決法は、単一体の銅製ノズルを使用し、ノズルを溶
融金属の飛び散りから防護する措置を講ぜず、150アン
ペア以下での作動に限定することであった。その場合、
ノズルを時折ガスで冷却し、ガスは遮蔽ガスとして機能
するが、ノズルを跳ね返り溶融金属によるえぐり作用か
ら防護することはできない。先に述べたように、溶融金
属は、プラズマアークを偏向させてプラズマアークにノ
ズルをえぐらせてしまうばかりでなく、ノズルの前端面
に付着してダブルアークを発生させるおそれもある。ノ
ズルの製造コストは比較的安いので、ノズルの破損を容
認し、ノズルを定期的に交換するのが、業界の慣例であ
る。40〜50アンペアで作動させた場合のこのタイプのノ
ズルの一般的な寿命は、6.35mm圧の軟鋼板を切り通すの
に使用した場合、約１時間である。

第３図は、このタイプの典型的な単一体の低電流用ノ
ズルを概略的に示す。図に示されるように、冷却ガスの
流れは、通常、ノズルの外周面に沿って工作物に向う方
向である。このタイプのノズルは、ハイパーサーム・イ
ンコーポレイテッド社からHT40 0.038型及びMAX100 0.0
59型として販売されている。従来から、このような低電
流用単一体ノズルを防護するためのいろいろな試みがな
されてきた。１つの試みは、第４図に示されるように、
ノズルの外側にセラミック製の絶縁スリーブを付設する
ことである。これは、いわゆる「遮蔽カップ」と称され
るものである。その主たる目的は、ノズルと工作物との
接触を防止することである。かくして、操作者は、ダブ
ルアークを起すことなく、トーチを工作物に沿って摺動
させることができる。しかしながら、このセラミック製
のスリーブは、突き通し作業中溶融金属の飛び散りと、
それに伴うえぐり作用及びダブルアークの発生に対して
は何らの防護作用ももたない。又、セラミック製スリー
ブは、（１）脆弱で、破損しやすく、（２）水冷による
防護を受けないので、工作物の切り目から跳ね返る溶融
金属によって攻撃される。

第１〜４図に示された従来技術のどの構成にも、冷却
流体が工作物の切り目に干渉するのを制御する手段は講
じられていない。又、金属が一旦突き通された後の平常
切断作業中はともかくとして、金属への最初の突き通し
作業中におけるノズルの防護手段は開示されていない。

単一体ノズルの交換は、50アンペア以下の作動にいお
いては許容できるが、50〜200アンペアの作動範囲では
溶融金属によるノズルの損傷が頻繁に生じるので、ノズ
ルの交換はもはや経済的に許容しえないものとなる。こ
の問題は、作動電流が大きくなるほど深刻になるので、
150アンペア以上で作動することができる単一体ノズル
の産業用プラズマアークトーチは、まだ、存在していな
い。

発明の開示 従って、本発明の目的は、水冷法を使用せず、しか
も、０〜200アンペア、又はそれ以上のアンペアででも
作動することができ、ノズルが溶融金属のえぐり作用を
受けるのを防止し、ダブルアークを生じるのを防止し、
金属への初期突き通し作業の際にノズルを防護するよう
にしたプラズマアークトーチ及び方法を提供することで
ある。

本発明の他の目的は、上記利点を有し、ガス冷却法を
用いるが、ノズルから噴出するガスがアークの切断作用
を妨害せず、切断品質を劣化させないようにしたプラズ
マアークトーチ及び方法を提供することである。

本発明の更に他の目的は、単一体のノズルに上記利点
を付与することである。本発明の他の目的は、既存のプ
ラズマアークトーチに後付けで組入れることができる交
換自在の部品と慣用の規格材料を用いて上記利点を提供
することである。

本発明の更に他の目的は、製造コストを許容しうる程
度に維持したままで、上記利点を提供することである。

上記目的を達成するための本発明のプラズマアークト
ーチは、本体と、該本体内に取付けられた電極と、プラ
ズマアークによって突き通し、次いで切断すべき工作物
に近接して該本体の下端に取付けられたノズルを有す
る。電極とノズルとの間の空間が、イオン化されてプラ
ズマアークを創生する一次ガス流を導入するための一次
ガス流路を画定するように構成する。本体には、一次ガ
ス流を供給するための内部通路を形成する。プラズマア
ークは、一旦工作物を突き通すために工作物との間に設
定されると、ノズルのオリフィスから放射し続ける。こ
のプラズマアークトーチは、電極とノズルの間に通常０
〜200アンペアの範囲の直流電流を通すための導線を備
えている。

本発明によれば、熱伝導性の高い材料、好ましくは銅
で形成されたカップ型遮蔽体を、前記本体をそれから離
隔して囲繞するように該本体の下端に取付ける。この遮
蔽体には（ｉ）ノズルオリフィスと整列する中央噴出オ
リフィスを形成し、（ii）工作物に直面する該遮蔽体の
前端面に該中央噴出オリフィスの周りに少くとも１つの
開口、好ましくは複数の放出孔を円周方向に等間隔に形
成する。誘電材で形成された取付けリングによりこの遮
蔽体を支持するとともに、遮蔽体を前記本体から電気的
に絶縁し、遮蔽体を電気的に「浮いた」状態にする。そ
れによってダブルアークの発生を防止する。二次ガス流
を前記遮蔽体を冷却するのに十分な流量で前記本体を通
し、ノズルと遮蔽体の間の空間を通して送給するための
二次ガス流通流手段を設ける。この二次ガス流通流手段
は、最初に、前記本体に螺着したキャップによって該本
体内に画定した充気チャンバーに流入させるようにする
ことが好ましい。このキャップは、前記絶縁取付けリン
グを支持する。充気チャンバーは、二次ガス（冷却ガ
ス）を前記キャップのフランジに形成した１組の傾斜ポ
ートを通して送給し、二次ガス流に渦流を惹起する。そ
の渦流の一部分を、前記遮蔽体の前端面に形成された前
記放出孔を通して逃がす。残りのガス流は、プラズマア
ークへ差向けプラズマアークを安定化させる。二次ガス
流は、又、遮蔽体の前端面を冷却する働きをする。

前記放出孔の個数及び寸法、前記噴出オリフィスの直
径、遮蔽体とノズルとの間の間隔、及び二次ガス流の流
量は、プラズマアークの上記安定化を達成し、かつ、遮
蔽体への溶融金属の付着又は融着を防止するのに十分な
冷却を遮蔽体に施すたようにそれぞれの応用例に応じて
実験的に定める。遮蔽体の、噴出オリフィスのところの
縁は、前記残りの冷却ガス流（二次ガス流）とプラズマ
アーク（即ち、イオン化された一次ガス流）の円滑な合
流とトーチからの円滑な放射を促進するために丸みを付
することが好ましい。

前記放出孔は、プラズマアークから離れる方向に、垂
直線（金属工作物の面に対して垂直なプラズマアークの
軸線方向）から０°より大きい角度で傾斜させる。この
角度は、約55°とするのが好ましく、前記遮蔽体の傾斜
した側壁に真直な円筒孔で画定するのが好ましい。この
側壁であれ、円筒孔であれ、あるいは両者を組合せたも
のであれ、その傾斜角度は、放出孔を通って流出する余
剰の二次ガス流がプラズマアークの切断作用を妨害しな
いように特定の応用例に応じて定める。

二次ガス流管は、トーチの作動条件の変化に合わせて
調節するために二次ガスの流量を迅速に、かつ、確実に
変更するための機構を備えている。好ましい実施形態で
は、二次ガス流管の２つの並列分岐管の一方に電動弁を
配設し、その弁を開放したとき二次ガスを高い流量で供
給するようにする。この状態では、金属工作物を突き通
す際に受ける極めて苛酷な条件下でもノズルを防護する
のに十分な冷却をノズルに施すことができる。突き通し
が完了した後、この弁を閉鎖し、それによって二次ガス
即ち冷却ガスを、工作物の平常切断作業に適するはるか
に低流量にセットされた別の弁を備えた他方の分岐管を
通して送給する。この低流量の二次ガス（冷却ガス）流
は、切断品質を劣化させるることがない。

本発明のこの構成によれば、二次ガス流は、ガスの比
熱は冷却液特に水の比熱より何倍も小さいにも拘らず、
上記遮蔽体を上述したように溶融金属又はプラズマアー
ク自体による破壊から防護するのに十分なだけ冷却する
のに十分であることが認められた。又、この二次ガス流
は、トーチによって行なわれる切断の品質を著しく改良
するものであることも認められた。上記放出ポート及び
噴出オリフィスは比較的小さいので、ノズルを急激に破
壊するおそれのある溶融金属を実質的に完全に阻止す
る。又、放出ポートを前記遮蔽体の、工作物に対面する
前端面にではなく、遮蔽体の側壁に配置することも、ノ
ズルを溶融金属の跳ね返り飛沫から遮蔽するのに役立
つ。

本発明は、又、トーチ内に取付けられた電極と、工作
物に近接してトーチの一端に取付けられたノズルとの間
にイオン化ガスを創生するトーチを用いてプラズマアー
クにより工作物を突き通し、次いで切断する方法におい
て、遮蔽体を用いてノズルを工作物から飛び散る溶融材
から遮蔽し、遮蔽体をガス流で冷却し、二次ガス流をト
ーチが実施する作動の関数として制御することを特徴と
する方法を提供する。この方法は、又、全流量を高める
ために二次ガス流の一部分を逃がし、プラズマアークに
よる高い品質の切断を達成するのに十分な速度及び質量
流量で二次ガス流に渦流運動を付与し、逃がされたガス
流は、プラズマアークによる切断作業を妨害しないよう
にアークから離れる方向に差向ける工程を含む。

図面の簡単な説明 第１図は、従来技術の高電流水噴射式プラズマアーク
トーチの電極及び多部片ノズルの縦断面図である。

第２図は、従来技術の高電流水噴射式プラズマアーク
トーチの別の例の電極及び多部片ノズルの縦断面図であ
る。

第３図は、従来技術の低電極プラズマアークトーチの
電極及び単一体ノズルの縦断面図である。

第４図は、従来技術の低電流プラズマアークトーチ
の、円筒形セラミック製遮蔽体を用いた電極及び単一体
ノズルの縦断面図である。

第５図は、本発明によるプラズマアークトーチの概略
断面図である。

第６図は、第５図のプラズマアークトーチのノズル、
キャップ、遮蔽体及びガス流流路の詳細図である。

第７図は、第５及び６図のプラズマアークトーチの下
方部分の一部切除した透視図である。

第８図は、第７図のプラズマアークトーチの分解透視
図である。

第９図は、第７及び８図のプラズマアークトーチの透
視図である。

第10図は、第９図と同様な図であるが、遮蔽体の変型
例を示す。

第11図は、第５〜10図のプラズマアークトーチの概略
立面図であり、工作物を突き通すところを示す。

第12図は、突き通された後の第11図の工作物の切り目
を示す縦断面図である。

第13図は、第５図と同様な図であるが、本発明の変型
実施例によるプラズマアークトーチ及び二次ガス流制御
系を示す。

実施例 第５及び６図は、本発明に従って構成されたプラズマ
アークトーチ（以下、単に「トーチ」とも称する）10を
示す。トーチ10は、本体12と、電極14と、ノズルオリフ
ィス18を有するノズル16と、本体12に螺着したキャップ
20と、キャップ20に螺着又はその他の手段で固定した絶
縁リング22を備えている。第11、12図にも示されるよう
に、プラズマアーク（以下、単に「アーク」とも称す
る）24は、工作物例えば軟鋼の厚板にぶつかって工作物
の金属を突き通し、切り目27を形成する。その突き通さ
れた部位の溶融金属26aは、最初は側方へ飛び散るが、
工作物への切込みが深くなるにつれて、より垂直に飛び
散り、ノズル16に向けて跳ね返る。工作物からノズルへ
の溶融金属の跳ね返りは、極めて激しく、この初期突き
通し作業中にノズルを損傷するおそれが非常に大きい。
工作物を突き通した後の平常切断作業においては、溶融
金属は、重力によって切り目から下に落下するので、溶
融金属の跳ね返りによるノズルの損傷を防止するために
ノズルを冷却することはそれほど重要でなくなり、ノズ
ルから噴出する冷却ガスが切り目におけるプラズマアー
クの切断作用を妨害するのを回避することが、より重要
となる。

図に示されるように、本体12は、総体的には中実の、
円筒形単一部材であり、単独で又は他の部品と協同して
流体の流路及び電気コネクタを構成するためのいろいろ
な内部通路及び凹部を有する。ただし、本体12は、必要
な支持機能を提供し、必要な内部通路を構成する限り、
多部片構成とすることができ、いろいろな形態とするこ
とができる。図示の好ましい実施形態では、電流リング
28が本体12の該外周の周溝12a内に固定されている。電
流リング28は、良好な導電特性を有する素材、例えば黄
銅で形成されており、本体12の上端を貫通したパイロッ
トアーク導線30に電気的に接続している。キャップ20
も、銅又は黄銅のような良好な導電体で形成されてお
り、ノズル16へのパイロットアークの回路を閉成する。
ノズル16は、キャップ20のフランジ20aと本体12の下端
に形成された円形凹部12bの間に脱着自在に挟着され
る。凹部12bとキャップ20は、又、ノズル16をトーチ10
内に心合させる働きもする。本体12は、又、電極14を本
体の上端を貫通した電気導線32に電気的に接続するよう
に脱着自在に保持する中央孔12cを有している。内孔12c
は、又、電極14をノズル16の内表面から均一に離隔さ
せ、電極との間にプラズマチャンバー34を画定する。

ガス管34が、窒素等の慣用のガスの一次流をプラズマ
チャンバー34へ導くために本体12を貫通して内部へ延長
しており、一次ガスはチャンバー34内でイオン化されて
プラズマアーク24を形成し、プラズマアークはノズルオ
リフィスを通って放射する。

本発明によれば、ノズル遮蔽体（以下、単に「遮蔽
体」とも称する）38を設け、その上方側壁38aを絶縁リ
ング22に螺着させる。第５、６図に概略的に示されるよ
うに、遮蔽体38は、上方側壁38aと、前端面38cと、総体
的に円筒形の下方側壁38bと、前端面38cと、側壁38aと3
8bの間に延長した引込み前端面38dを有する段付カップ
形状である。遮蔽体38は、高い熱伝導率を有する金属か
ら一体部材として機械加工によって形成するのが好まし
い。好ましい素材は、銅である。遮蔽体38は、キャップ
のフランジ20a及びノズルから離隔し、ガス流通路40を
画定するように形成させている。遮蔽体の前端面38c
は、プラズマアークのための放射路を画定するようにノ
ズルオリフィス18と整合する噴出オリフィス42を有し、
更に、噴出オリフィス42から半径方向外方に離れた部位
に１組の円周方向に等間隔に配置された放出孔44を有す
る。

二次ガス流路46は、本体12を貫通した供給管50からの
窒素等の二次ガス即ち冷却ガスの流れ48を充気チャンバ
ー52へ導き、そこからキャップフランジ20aに穿設され
た１組の孔即ちポート54を通して空間即ちガス流通路40
へ導く。充気チャンバー52は、キャップ20と、それと対
置したトーチ本体12の外側壁と、ノズル16の挟持部分と
によって画定され、空間40を通るガス流を供給管50内の
ガス圧又は流量の過渡的な変動から隔離する局部的なガ
ス溜めを構成する。ポット54は、等間隔に離隔させるの
が好ましく、遮蔽体38を、それに上述した跳ね返り溶融
金属が付着するのを防止する温度にまで冷却するのに十
分な流量のガス流を空間40を通して通流させるような大
きさとする。ポート54は、又、空間即ちガス流通路40を
通る二次ガス流48に渦流運動を誘起させるように円周方
向に傾けられている。この渦流は、プラズマアーク24に
よって工作物26に切込まれる切り目27の品質に重要な関
係があることが判明している。ポート54の傾斜度は、ガ
スの流量に関連して定める。既知のトーチにおいて典型
的な切断作業を実施する場合、１°〜５°の範囲の傾斜
角とするのが好ましく、特に２°が好ましいことが認め
られた。

孔44は、二次ガス流48を高い流量で空間40を通し、冷
却量を増大させるすことができるようにするために、二
次ガス流の一部分を逃がす、即ち放出させる。放出孔44
を通して一部分を放出させた残りの二次ガス流48aは、
放出孔44より内方へ渦流状に流れ、（１）前端面38cを
冷却し、（２）プラズマアーク24を安定化させる、即
ち、プラズマアークがノズル16及び遮蔽体38を攻撃し、
えぐることがないようにプラズマアークの位置及び直径
を制御する。噴出オリフィス42の上縁は、残りの二次ガ
ス流48aがプラズマアークに遭遇してそれと相互作用
し、噴出オリフィス42から下方へ流れるのを円滑にする
ように丸みを付されている。

第７〜10図は、第５、６図に概略的に示されたトーチ
10の商業版を示す。第７図の例の遮蔽体38は、第５、６
図に示されるような平坦な前端面を有している。第９図
は、組立てられた状態の第７図のトーチの下端を示す。
電極、電流導線、及びガス通路は示されていない。

第10図の例の遮蔽体あ38は、各放出孔44に組合せて半
径方向の凹溝を備えた前端面を有している。この構成
は、切り目から跳ね返った溶融金属が放出孔44の１つを
通ることによって、あるいは放出孔44を閉塞することに
よってノズル16を攻撃する可能性を少なくする。

第13図は、トーチ10の変型例を示す。このトーチは、
（１）ノズル遮蔽体38が傾斜した側壁38bに形成された
半径方向外方に向けられた放出孔44を備えており、
（２）二次ガス流供給管50への二次ガス流の流れを制御
するための流れ制御系60を備えているという点を除いて
は、第５図に示されたものと実質的に同じである。

放出孔44′は、第５、６図に概略的に示されたトーチ
10の商業版を示す。第７図の例の遮蔽体38は、第５、６
図に示されるような平坦な前端面を有している。第９図
は、組立てられた状態の第７図のトーチの下端を示す。
電極、電流導線及びガス通路は示されていない。

第10図の例の遮蔽体38は、各放出孔44に組合せて半径
方向の凹溝を備えた前端面を有している。この構成は、
切り目から跳ね返った溶融金属が放出孔44の１つを通る
ことによって、あるいは、放出孔44を閉塞することによ
ってノズル16を攻撃する可能性を少なくする。

第13図は、トーチ10の変型例を示す。このトーチは、
（１）ノズル遮蔽体38が傾斜した側壁38bに形成された
半径方向外方に向けられた放出孔44を備えており、
（２）二次ガス流供給管50への二次ガス流の流れを制御
するための流れ制御系60を備えているという点を除いて
は、第５図に示されたもとのと実質的に同じである。

放出孔44′は、遮蔽体の側壁38bに直接穿設するのが
好ましく、「垂直線」に対して０°より大きい、好まし
くは55°の角度Ａとする。ここで、「垂直線」とは、プ
ラズマアークに総体的に整列したトーチの長手軸線の方
向であり、工作物26の表面に対して横断方向として定義
される。選択すべき正確な角度は、使用する二次ガスの
流量及び切断条件に応じて決定される。

一般に、ノズルを冷却するのに必要な二次ガスの流量
が大きいほど、放出孔44′の傾斜角を大きくする。第13
図では、放出孔44′は、傾斜した側壁38bの平面に対し
て垂直な真直な円筒形の孔として図示されているが、も
ちろん、側壁38bに、あるいは第５図に示されるように
垂直な側壁38bに、あるいは第６図に孔44″として仮想
線で示されているように前端面38cに、それぞれの壁の
平面に対して角度をなして穿設することができる。ただ
し、傾斜した壁にその壁の平面に対して垂直に穿設した
孔が、二次ガス流の所望の一部分を逃がし、ノズル遮蔽
体の所望の冷却を達成し、しかも、できるだけ層流状の
流れとして二次ガス流を導くという点で多少有利である
ことが認められた。

流れ制御系60は、二次ガスの共通の供給源から供給さ
れる２本の並列分岐管62,64を含む。並列分岐管62,64
は、いずれも、上述した同じ二次ガス供給管50に二次ガ
スを供給する。分岐管62は、閉鎖位置と全開位置との間
で切換えられるインライン電動弁66を備えている。弁66
は、その全開位置においては管50へ多量の二次ガスを通
し、プラズマアークによる工作物への突き通し作業中ノ
ズル及び遮蔽体を防護するためにのする及び遮蔽体を十
分に冷却する。例えば、トーチを200アンペアで作動さ
せ3/4in（19.05mm）厚の軟鋼板を突き通す場合、弁66及
び管50を通す二次ガス流48は、通常、240ft³／分（6.79
6m³／分）（標準状態）である。一旦工作物が突き通さ
れ、次いで平常切断作業が始まったならば、導線68を通
して供給される電気信号Ｓによって弁66が閉鎖される。
その結果、二次ガスは、手操作で調節することができる
インライン調整弁70を有する分岐管64だけを通して供給
される。弁70は、弁66が閉鎖されたとき、管50へ比較的
低流量の二次ガス流を通すように調節される。この比較
的低流量の二次ガス流とは、ノズル及び遮蔽体を冷却す
るには十分であるが、切り目27におけるプラズマアーク
の作用を妨害しない程度の流量をいう。上述したのと同
じ例の場合、平常切断作業のための比較的低流量の二次
ガス流は、通常、４ft³／分（0.1132m³／分）（標準状
態）である。更に、分岐管62と64の間でガス流を弁で制
御することによって、即ち、分岐管64だけを通してガス
流を供給することによって達成される急激な段階調節に
加えて、手動弁70の調節は、適正な冷却度合と良好な切
断品質を保証するために分岐管64を通しての低流量の微
調整を可能にする。

この段階ガス流制御は、又、渦流創生ポート54を、こ
のような段階ガス流制御が行なわれない場合よりもはる
かに鋭く、通常10°の角度に傾斜させることを可能にす
る。段階ガス流制御を採用しない場合は、突き通し作業
の際にノズル遮蔽体を冷却するのに必要な高ガス流量を
供給するには、渦流創生ポート54を比較的真直ぐにしな
ければならない。その場合、平常切断作業のために比較
的低流量で二次ガス流を供給しているときは、そのよう
な「真直な」渦流創生ポート54は、ほとんど渦流を発生
させず、従って、それだけ切断品質が劣る。

作動においては、トーチを工作物26の上に、通常工作
物から2.54〜5.08mm離して位置づけする。この正確な間
隔は、斯界において周知のように電流その他の作動パラ
メータに応じて定める。プラズマアークを創始するため
に、まず、電流経路はパイロットアークモードである。
即ち、電流は、電流導線32から電極14、ノズル16、キャ
ップ20及び電流リング28を通ってパイロットアーク導線
30へ流れる。この電流は、０〜200アンペアの範囲であ
るが、200アンペアを越えることもある。トーチは、ノ
ズルと工作物の間のギャップをイオン化するのに十分な
時間このパイロットアークモードで作動される。このイ
オン化が生じると、電極14とノズル16との間のパイロッ
トアークは、ノズルから工作物へ移行する。次いで、パ
イロットアーク導線30のリレー56が開にされ、移行され
たアークの電流経路が電流導線32から電極14を通し、プ
ラズマアーク24を経て工作物26に至る経路になる。

上記アーク点火中、管36及びプラズマチャンバー34を
通して一次ガスが流される。この一次ガス流は、渦流と
するのが好ましい。二次ガス流48の通流も開始される。
二次ガス流48は、ポート54によって渦流にされ、通路又
は空間40を通り、一部分は放出孔44を通して逃がされ
る。空間40を通る残りの二次ガス流は、ノズル16及び遮
蔽体38を冷却し、更に、第６図に符合48aで示されるよ
うに遮蔽体の前端面38を冷却し、プラズマアーク24を安
定化させる。

プラズマアーク24は、工作物を加熱し、それによって
工作物の金属材を溶融し、その溶融金属26aが、第11図
に示されるように工作物の発生中の「クレーター」から
比較的高速度で飛び散る。最初は、この発生中のクレー
ターは、比較的浅く、溶融金属は遮蔽体38のほぼ全幅に
亙って飛び散るが、クレーターが深くなるにつれて、よ
り垂直に跳ね返る。遮蔽体38は、高い伝熱性を有してい
るので、溶融金属によって攻撃されない程度にまで二次
ガス流48によって冷却され、遮蔽体への溶融金属の付着
が制御される。（若干の溶融金属が遮蔽体に付着するこ
ともあるが、切断作業が終了してトーチが冷却した後、
遮蔽体を軽く叩けば、金属をはたき落すことができ
る。）遮蔽体は絶縁されているので、金属が遮蔽体に堆
積しても、ダブルアークは発生しない。厚い（例えば、
12.7mmを越える厚さの）を突き通す場合は、溶融金属が
ノズルオリフィス18内へ直接跳ね返る可能性を少なくす
るために突き通し作業中トーチを側方へ並進させること
が望ましい。

工作物を最初に突き通す際は、弁66を開放し、上述し
たように二次ガス流を高流量でノズルへ通す。工作物が
突き通されると、トーチによって引出される電流の大き
さの変化によって周知の態様で感知される。第12図に示
されるように工作物の突き通しが完了すると、弁66が閉
鎖され、二次ガス流の流量は、手動弁70によって設定さ
れたレベルにまで１段階で減少される。

正確な二次ガス流量と、上述した各通路、オリフィ
ス、ポート及び孔の寸法とは、相互に関連して、かつ、
作動パラメータに応じて変化する。例えば、流れる電流
を大きくすれば、一般に、トーチを冷却し、アークを安
定化させるための二次ガス流の流量を大きくしなければ
ならない。特に、噴出オリフィス42は、プラズマアーク
の放射を妨害しないだけの大きさでなければならない
が、同時に又、上述した残りの二次ガス流48aがプラズ
マアークと相互に作用して該アークを安定化させるのに
十分なだけ小さくなければならない。更に、突き通し作
業モード及び切断作業モードに最適な二次ガス流量は、
トーチごとに異なり、最良の切断品質をもたらす渦流を
創生するための作動条件の相違に応じて異る。特定のト
ーチ及び応用例のための噴出オリフィス42の正確な直径
値は、実験によって決定される。例として述べれば、1.
4986mmのノズルオリフィスを備えた、100アンペアで作
動するトーチの場合、噴出オリフィスの直径は約4.318m
mとするのが好ましい。

以上、ノズルが工作物の切り目から跳ね返った溶融金
属によりえぐられたり、ダブルアークを生じるのを防止
する二次ガス流と連携して作動する電気的に中立の金属
製ノズル遮蔽体を備えた本発明のプラズマアークトーチ
の構成を説明した。このトーチは、冷却ガス即ち二次ガ
スの流量が突き通し作業中ノズルを防護するのに十分な
高流量であるが、突き通しが完了した後切断作業を妨害
しないような低流量へ１段階で変更されるように制御す
る装置を備えている。しかも、この装置は、既存のトー
チにも容易に後付けすることができ、製造コストも安価
である。

以上、本発明を好ましい実施例に関連して説明した
が、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態に
限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸
脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、い
ろいろな変更及び改変を加えることができることを理解
されたい。例えば、二次ガス流は、主ガス流即ち一次ガ
ス流とは独立した供給源及び送給経路を有するものとし
て説明したが、主ガス流の一部分を分流して二次ガス流
を創生することも可能である。又、遮蔽体はカップ形状
を有するものとして説明したが、本発明は、遮蔽体の形
状を１つの特定の形状に限定するものではなく、又、遮
蔽体を取付けるための態様も特定の態様に限定するもの
でなく、要は、遮蔽体が溶融金属を物理的に阻止するの
に有効であり、ガス流によって効率的に冷却するされる
構成でありさえすればよく、更に、遮蔽体は、プラズマ
アークを安定化させるガス流／プラズマアーク相互作用
を起させる構成であることが好ましい。更に、二次ガス
流のための流れ制御系は、好ましい実施例として弁付並
列分岐管から成るものとして説明したが、上述したよう
な流量の段階調節を達成するためにいろいろな手段を用
いることができることは、当業者には明らかであろう。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−180378（ＪＰ，Ａ) 実開 昭50−135721（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭52−36725（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭51−15795（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体と、該本体内に取付けられた電極と、
   該本体の一端に取付けられた、ノズルオリフィスを有す
   るノズルと、該電極とノズルの間で該本体を通し、該ノ
   ズルオリフィスを通して噴出させる一次ガス流を導入す
   るための手段と、金属工作物を突き通し、次いで切断す
   るためのプラズマアークを創生し、該プラズマアークを
   該ノズルオリフィスから放射させるために前記電極とノ
   ズルの間に電流を通すための手段を有するプラズマアー
   クトーチにおいて、 前記本体をそれから離隔して囲繞するように該本体に取
   付けられており、前記ノズルオリフィスと整列した噴出
   オリフィスを有する金属製の遮蔽体と、 ダブルアークの発生を防止するために該遮蔽体を前記本
   体から電気的に絶縁し、電気的に浮いた状態にするため
   の絶縁手段と、 二次ガス流を少くとも前記遮蔽体を冷却するのに十分な
   流量で前記本体を通し、前記ノズルと該遮蔽体の間の空
   間を通して送給するための二次ガス流通流手段とを有
   し、 前記遮蔽体の前記噴出オリフィスの寸法は、該噴出オリ
   フィスを通る流体の流れが前記プラズマアークの放射を
   妨害しないように十分に大きな断面積であるが、該プラ
   ズマアークによって溶融されて工作物から飛散した溶融
   金属の実質的に全部を前記ノズル及び該プラズマアーク
   トーチの他の部分にまで届かせずに該遮蔽体に衝突させ
   るように、工作物から飛散した溶融金属を通さないよう
   な十分に小さい断面積を有しており、 前記二次ガス流通流手段は、二次ガス流の一部分を逃が
   すために前記遮蔽体の前記噴出オリフィスの上流におい
   て前記空間に連通するように該遮蔽体に穿設された少く
   とも１つの開口を含み、該少くとも１つの開口は、垂直
   線から０°より大きい角度に半径方向外方へ下方へ傾斜
   しており、該二次ガス流の前記一部分が逃がされた後に
   残る他の一部分は、該トーチのノズルオリフィス及び噴
   出オリフィスから放射するプラズマを安定化させる速度
   で該噴出オリフィスを通って流出するようになされてい
   ることを特徴とするプラズマアークトーチ。
2. 【請求項２】前記少くとも１つの開口は、前記本体に対
   して横断方向に向けられた前記遮蔽体の前端面に対して
   傾斜した該遮蔽体の側壁に形成された複数のポートから
   成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズ
   マアークトーチ。
3. 【請求項３】前記二次ガス流通流手段は、該ガス流に渦
   流運動を付与するための渦流手段を含み、該渦流手段
   は、渦流を誘起するように斜めに流路内に形成された複
   数の孔から成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記
   載のプラズマアークトーチ。
4. 【請求項４】前記二次ガス流の流量、前記遮蔽体の前記
   少くとも１つの開口の寸法及び前記噴出オリフィスの寸
   法は、前記一部分が逃がされた後に残る二次ガス流が、
   （ｉ）該遮蔽体の、該少くとも１つの開口と噴出オリフ
   ィスとの間の区間を冷却するのに十分であり、かつ、
   （ii）前記ノズルオリフィス及び該遮蔽体の噴出オリフ
   ィスから放射するプラズマを安定化させるのに十分とな
   るように定められていることを特徴とする請求の範囲第
   ３項に記載のプラズマアークトーチ。
5. 【請求項５】前記二次ガス流通流手段は、工作物の切断
   作業中、前記ノズルオリフィス及び噴出オリフィスから
   噴出する前記一次ガス流によって創生されるプラズマを
   安定化させるガス流を該噴出オリフィスへ送給すること
   を特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアーク
   トーチ。
6. 【請求項６】前記遮蔽体は、その噴出オリフィスのとこ
   ろに前記ノズルに対面する丸み付縁を有していることを
   特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークト
   ーチ。
7. 【請求項７】前記開口の前記角度は約55°であることを
   特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークト
   ーチ。
8. 【請求項８】トーチ内に取付けられた電極と、工作物に
   近接して該トーチの一端に取付けられたノズルとの間に
   イオン化ガスのプラズマを創生するプラズマアークトー
   チを用いてプラズマアークにより工作物を突き通し、次
   いで切断する方法において、 プラズマを噴出するための噴出オリフィスを有する金属
   製の遮蔽体を準備し、該噴出オリフィスの寸法は、該噴
   出オリフィスを通る流体の流れが前記プラズマアークに
   干渉しないように十分に大きな断面積であるが、該プラ
   ズマアークによって溶融されて工作物から飛散した溶融
   金属の実質的に全部を前記ノズル及び前記プラズマアー
   クトーチの他の部分にまで届かせずに該遮蔽体に衝突さ
   せるように、工作物から飛散した溶融金属を通さないよ
   うな十分に小さい断面積を有するものとし、 前記金属製の遮蔽体を用いて前記ノズルを前記工作物の
   溶融金属から遮蔽し、 該遮蔽体を電気的に絶縁し、 該遮蔽体をガス流で冷却する冷却操作を含み、該冷却操
   作は、冷却ガスの二次流を前記トーチを通して送給し、
   該二次流の一部分を逃がし、残りの二次ガス流は、前記
   プラズマアークを安定化するために前記ノズルと前記遮
   蔽体との間の区域において該プラズマアークに向けて導
   き、前記逃がされた二次ガス流は該ノズルから離れる半
   径方向外方へ下向きに放出させることを含むことを特徴
   とする方法。
9. 【請求項９】前記ガス流に渦流運動を付与する操作を含
   むことを特徴とする請求の範囲第８項の方法。
10. 【請求項１０】トーチ内に取付けられた電極と、工作物
    に近接して該トーチの一端に取付けられたノズルとの間
    にイオン化ガスのプラズマを創生するプラズマアークト
    ーチを用いてプラズマアークにより工作物を突き通し、
    次いで切断する方法において、 金属製の遮蔽体を用いて前記ノズルを前記工作物の溶融
    材から遮蔽し、 該遮蔽体を電気的に絶縁し、 該遮蔽体をガス流で冷却する冷却操作を含み、該冷却操
    作は、冷却ガスの二次流を前記トーチを通して送給し、
    該二次流の一部分を逃がし、残りの二次ガス流は、前記
    プラズマアークを安定化するために前記ノズルと前記遮
    蔽体との間の区域において該プラズマアークに向けて導
    き、該トーチが工作物を突き通し作業中であるか、切断
    作業中であるかに応答して前記二次ガス流の流量を制御
    することを含むことを特徴とする方法。
11. 【請求項１１】二次ガス流の流量の前記制御操作は、前
    記突き通し作業中前記トーチを防護する高い流量値と、
    前記切断作業中該トーチを防護し、かつ、切断作用を妨
    害しない低い流量値との間での段階的制御であることを
    特徴とする請求の範囲第10項に記載の方法。
12. 【請求項１２】プラズマアークによって金属工作物を突
    き通し、次いで切断するためのプラズマアークトーチに
    おいて、 前記工作物に向けてプラズマジェットを放射する中央ノ
    ズルオリフィスを有する、該プラズマアークトーチのノ
    ズルを、該工作物の突き通し及び切断作業中工作物から
    跳ね返る溶融金属から防護するための遮蔽体であって、 該遮蔽体は、熱伝導性の高い金属材料で形成されたほぼ
    円筒状の側壁と、前記ノズルから放射されるプラズマジ
    ェットに対してほぼ横断方向に延長しており、同様に熱
    伝導性の高い金属材料で形成された端壁から成り、 該遮蔽体の該端壁に前記ノズルオリフィスと整列する噴
    出オリフィスが形成されており、該噴出オリフィスは、
    該噴出オリフィスを通る流体の流れがプラズマアークの
    放射を妨害しないように十分に大きな断面積であるが、
    工作物から跳ね返る溶融金属の実質的にすべてを前記ノ
    ズルにまで届かせずに該遮蔽体に衝突させるように十分
    に小さい断面積を有しており、 該遮蔽体は、該遮蔽体と前記ノズルの間を通って前記噴
    出オリフィスに向かって流れ前記プラズマジェットにぶ
    つかる冷却ガスがプラズマアークを不安定にすることが
    ないように、該遮蔽体とノズルの間を通って該噴出オリ
    フィスに向かって流れる冷却ガスの一部分を該遮蔽体の
    外部へ逃がすように位置づけされ、寸法づけされた少く
    とも１つの放出孔を有しており、該遮蔽体の側壁及び端
    壁と前記ノズルとの間に冷却ガス流を通すための流路を
    画定するように該側壁及び端壁を該ノズルから離隔させ
    て該遮蔽体を前記トーチに固定するための固定手段が設
    けられていることを特徴とする遮蔽体。
13. 【請求項１３】前記固定手段は、前記円筒状の側壁の上
    端から外方に突出したフランジ部分と、該フランジ部分
    から上方に延長しており、前記トーチに交換自在に固定
    される円筒状部分を含むことを特徴とする請求の範囲第
    12項に記載の遮蔽体。
14. 【請求項１４】前記放出孔は、前記噴出オリフィスの周
    りに配置された複数の放出孔であることを特徴とする請
    求の範囲第12項に記載の遮蔽体。
15. 【請求項１５】前記放出孔は、前記端壁に形成されてい
    ることを特徴とする請求の範囲第12項に記載の遮蔽体。