JP3056218B2 - プラズマア―クト―チ用電極及びその製造方法 - Google Patents

プラズマア―クト―チ用電極及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はプラズマアークトー
チに関し、更に詳細にはプラズマアークトーチ内に電気
アークを支持するためのの電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】プラズマアークトーチは切断、溶接、表
面処理、溶融及び焼鈍を含む金属の加工用に一般に使用
される。かかるトーチは作業の移行型アークモードで電
極から加工片まで延びるアークを支持する電極を含む。
また、ガスの渦巻く旋回流でアークを包囲するのが慣例
であり、また或るトーチ設計では水の渦巻くジェットで
ガスとアークを包むのが慣例である。
【０００３】上記型式の慣例のトーチに使用される電極
は典型的には、銅又は銅合金の如き高熱伝導度の材料か
らなる細長い管状部材を含む。管状電極の前端又は放電
端は含む。アークを支持する電子放出性素子を埋め込ま
れた底端壁を含む。前記素子は比較的低い仕事関数(wor
k function) をもつ材料からなる。この仕事関数は当業
界では電子ボルト(ev)で測定されたポテンシャルステッ
プ(potential step)と定義される。これは所定温度の金
属表面からの熱放出を可能にする。その低い仕事関数の
故に、前記素子は電気ポテンシャルがそれに加えられた
とき、容易に電子を放出することができ、また、一般に
使用される電子放出性材料にはハフニウム、タングステ
ン、及びそれらの合金が含まれる。
【０００４】上記型式のトーチに係わる重大な問題は、
特にトーチが酸素又はや空気の如き酸化性ガスと共に使
用されるときには電極の使用寿命が短いことにある。更
に詳細には、ガスは電子放出性素子を包囲する電極の銅
を急速に酸化する傾向があり、銅が酸化するにつれて、
その仕事関数は減少する。その結果、電子放出性素子を
包囲する酸化された銅がこの素子よりもむしろアークを
支持し始めるに至る。このことが起こると、銅酸化物と
前記支持する銅は溶融し、その結果電極を早期に破壊し
故障させることになる。
【０００５】本出願の譲受人は以前、米国特許第５，０
２３，４２５号に記載した如き、大幅に改善した使用寿
命をもつ電極と、米国特許第５，０９７，１１１号に記
載した如きかかる電極を製造する方法を開発した。これ
らの特許の全開示事項は参考として本文に編入されるも
のである。前記米国特許第５，０２３，４２５号は電極
を開示している。この電極は前端に電子放出性素子を支
持する金属製管状ホルダを含み、かつ電子放出性素子を
包囲しかつ電子放出性素子と金属製ホルダ間に合体され
た比較的非電子放出性のセパレータ又はスリーブをも
つ。前記スリーブはそのために電子放出性素子をホルダ
から分離する。前記米国特許第５，０２３，４２５号は
スリーブについて、酸化物の形成に高い抵抗性をもつ銀
から形成するのが好適であると記載している。銀及び形
を与える他の何れの酸化物も不十分なエミッターであ
り、それ故アークはスリーブ又は金属製ホルダからより
もむしろ電子放出性素子から放出し続けるだろう。使用
寿命はそのためにかなり延びる。スリーブはホルダ端部
及び電子放出性素子と同一平面となる端面をもち、この
端面は１実施例では、スリーブの径方向外方に延在する
環状のフランジ部分によって画成される。
【０００６】前記米国特許第５，０９７，１１１号は銅
又は銅合金の円筒形素材の前面に穴ぐりされた空洞部を
形成する工程を含み、前記空洞部が非電子放出性部材の
環状フランジ部分を受け入れるための環状の外端部分を
含んでなる電極を製造する方法を開示している。比較的
非電子放出性の第２の金属素材、好適には銀は、前記空
洞部内に実質上嵌合するよう形成される。次いで、非電
子放出性素材は、先ず銀ろう付け材料の円板を空洞部内
に挿入し、次いで非電子放出性素材を挿入することによ
って空洞部内に冶金的に結合される。この組立体は次い
で、ろう付け材料を溶融させるのに十分なだけの温度に
加熱され、そしてこの加熱プロセスの間に、非電子放出
性の素材が空洞部内に圧入される。このことは、ろう付
け材料が内向きに流れて、非電子放出性の素材と空洞部
間の界面全体を覆うようになす。次いで組立体は冷却さ
れ、その結果ろう付け材料が該素子を冶金的に非電子放
出性の素材に結合する。次ぎに、非電子放出性素材は軸
線方向に穿孔され、円筒形電子放出性素子がその結果出
来る開口内に圧力嵌めされる。電極の組み立てを完了す
るために組立体の前面が平滑な外面を与えるよう機械加
工される。この外面は電子放出性素子の円形外端面と、
電子放出性素材を包囲する環状リングと、ホルダの金属
の外部リングを含む。
【０００７】１９９０年１０月８日出願、１９９２年５
月２１日公告の日本特許公報４−１４７７７２号公報
は、銅ホルダと、アークを支持するための円筒形機能挿
入体と、機能挿入体とホルダ間に配置されてそれらの間
に熱及び電気的継手を設定する金属スペーサをもつプラ
ズマアークトーチを記載している。プラズマアークトー
チにおいては慣例である如く、ホルダはその内部を循環
する冷却剤によって冷却される。この日本特許出願は金
属スペーサの目的として、機能挿入体の冷却が改善され
るようホルダと機能挿入体間の熱移転比を増すことであ
り、そしてこの冷却の改善は電極の使用寿命を増すと言
われていると記載している。金属スペーサは両端で開き
かつ円筒形機能挿入体を包囲する中空の円筒形部材から
なる。この金属スペーサは１実施例では、２４乃至９５
％の銀と５乃至７４％の銅を含む銀合金からなる。この
合金は、ホルダと機能挿入体のためよりは金属スペーサ
のためにより低い融点を達成し、機能挿入体とホルダ間
の金属層がこれらの部材両方の前で溶融しそしてそれら
の間に流れて、そのためホルダをプラズマアークから保
護しかつ蒸発の潜熱によって機能挿入体の先端から熱を
吸収するようになすという目的を達成することであると
言われている。また、この合金の銅の含量は、銅ホルダ
及びハフニウム又はその合金からなる電子放出性素子の
両方との拡散結合を容易になすことであると言われてい
る。この日本特許出願は金属スペーサの径方向厚さは
０．０１乃至０．８ｍｍとすべきであり、より大きい厚
さは、スペーサの全金属層が溶融して、機能挿入体をホ
ルダから脱落させることがあるという理由から、望まし
くない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記米国特許
第５，０２３，４２５号に開示された電極を電極の使用
寿命の長さと堅固さに関して改良するために開発された
ものである。かつ上記米国特許第５，０９７，１１１号
に記載したものより簡単な電極を作る方法を提供するこ
とにある。米国特許第５，０２３，４２５号の電極で
は、使用寿命は非電子放出性素材用に使用された銀合金
の特定組成に対して極めて敏感であり、組成の変化に伴
って意外な仕方で変わることが見出されている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は電極の使用寿命
を大幅に増すことができる特定の銀合金から作られた比
較的非電子放出性のセパレータをもつ電極を提供するも
のである。更に詳細には、本発明の１実施例によれば、
プラズマアークトーチ中に電気アークを支持するための
電極は前面をもつ金属ホルダを含み、この前面にレセプ
タクルを形成されている。比較的非電子放出性のセパレ
ータは前記レセプタクル内に取り付けられておりかつそ
の中に空洞部が形成されている。比較的非電子放出性の
セパレータは銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜鉛及びそれ
らの合金からなるグループから選択された材料の０．５
乃至４％を合金された銀から構成される。これらの材料
は元素の形又は酸化物の形をなしていてもよい。比較的
低い仕事関数(work function) をもつ材料からなる電子
放出性素子は前記比較的非電子放出性のセパレータの空
洞部内に取り付けられ、該セパレータが間に挿入されて
金属ホルダをホルダの前面の電子放出性素子から分離す
るようになしている。
【００１０】意外にも本発明でより作られた電極の使用
寿命は、約４％より実質上多い銅を含む銀合金から形成
した比較的非電子放出性のセパレータをもつ他の点は同
じである電極よりも平均して大きいことが発見された。
更に、使用寿命はもし銀が純粋過ぎれば減少することが
分かった。例えば実質上純粋の銀（例えば０．９９９７
純銀）から作られた比較的非電子放出性のセパレータを
もつ電極は０．５％銅をもつ銀からつくられた比較的非
電子放出性のセパレータを有する他の点は同じである電
極より平均してかなり短い使用寿命をもつ。
【００１１】また意外にも、容認できる使用寿命をもつ
電極を確実に作るためにはセパレータの組成の選択はセ
パレータの外面的形態と電極を作る方法はを考慮しなけ
ればならない。例えば、セパレータがスターリング銀
（９２．５パーセント銀及び残部の銅又は他の材料）で
ありそして円筒形本体とセパレータの外面を画成する環
状フランジとをもつリベット形に形成される場合、もし
電極が、銅ホルダ内で電子放出性挿入体と銅ホルダを冷
間変形して、これらの部材が径方向に膨張しそしてホル
ダ中に掴まれ、保持されるようになすプロセスによって
作られるならば、電極は比較的短い使用寿命をもつこと
が見出された。しかし、セパレータの同じ形態は、約２
乃至３パーセントの如き低い銅百分率をもつ銀から作ら
れると、この冷間変形法は実質上長い使用寿命をもつ電
極をつることができる。これと対照的に、セパレータが
環状フランジを含まない場合冷間変形法は約０．２５乃
至１０パーセント銅の銀合金で適切に動作する。
【００１２】従って、本発明はまた、比較的単純で経済
的なプラズマアークトーチ用の電極を作る方法を提供す
る。該方法は金属素材のほぼ平らな前面にレセプタクル
を形成することによって金属ホルダを形成することを含
み、前記レセプタクルは前面に対してほぼ垂直な軸線に
沿って延在しかつ素材内に端壁を含む。比較的非電子放
出性のセパレータは塑性変形可能の比較的非電子放出性
の材料から形成され、この比較的非電子放出性のセパレ
ータが第１と第２の端面間に延在する外面をもつように
なす。比較的非電子放出性のセパレータの外面は金属ホ
ルダ中のレセプタクル内に密接嵌合するよう形作られ
る。比較的非電子放出性のセパレータの長さは、第１端
面がほぼ平らになりかつ第２端面がレセプタクルの端壁
に衝合したとき金属ホルダの前端に隣接して横たわるよ
うなものとする。空洞部は比較的非電子放出性のセパレ
ータの第１端面に形成される。更に該方法は、比較的非
電子放出性のセパレータの仕事関数より低い仕事関数を
もつ塑性変形可能の材料から電子放出性素子を形成し、
電子放出性素子はセパレータ中の空洞部内に摺動自在に
挿入可能であり、そしてその中に完全に挿入されたとき
空洞部を実質上完全に充填し、そしてセパレータの第１
端面とほぼ同一平面に横たわる端面をもつようになして
いる。
【００１３】電極を組み立てるために、セパレータが金
属ホルダのレセプタクル内に挿入され、セパレータの第
２端面がレセプタクルの端壁に衝合しそしてセパレータ
の第１端面が金属ホルダの前面に隣接するようになして
いる。電子放出性素子が、電子放出性素子の端面がセパ
レータの第１端面とほぼ同一平面になるまで、セパレー
タの空洞部内に挿入される。次いで、電子放出性素子が
比較的非電子放出性のセパレータによってしっかり掴ま
れそして保持されるまで、電子放出性素子とセパレータ
を径方向外方に塑性変形するよう力が金属ホルダの軸線
に対してほぼ平行な方向で、電子放出性素子の端面にそ
してセパレータの第１端面に加えられ、そしてセパレー
タが金属ホルダによってしっかり掴まれ、保持される。
【００１４】該方法の１好適実施例では、セパレータは
中空の円筒形本体と、前記本体の一端を閉鎖する底壁を
もつよう形成され、前記セパレータは約０．２５乃至１
０％の銅と合金された銀から作られる。
【００１５】本発明のもう１つの好適実施例では、セパ
レータは中空の円筒形本体と、本体の一端を閉鎖する底
壁と、本体の他端に接合された環状フランジをもつよう
形成される。このセパレータは約０．５乃至４％、更に
好適には２乃至３％の銅と合金された銀から構成され
る。
【００１６】有利には、電子放出性素子と比較的非電子
放出性のセパレータは電子放出性素子の端面及びセパレ
ータの第１端面を工具のほぼ平らな加工面で打つことに
よって塑性変形され、加工面の外径は金属ホルダのレセ
プタクルの直径より僅かに小さい。
【００１７】好適には、次いでほぼ平らな端面が金属ホ
ルダの前面、比較的非電子放出性のセパレータの第１端
面、及び電子放出性素子の端面をほぼ平らにかつ互いに
同一平面になるよう機械加工することによって電極上に
形成される。
【００１８】
【実施例】本発明の要旨を具体化したプラズマアークト
ーチ１０を図１に示す。このトーチ１０はノズル組立体
１２と、管状電極１４とを有する。電極１４は銅、又は
銅合金で造るのが好適であり、この電極１４は上部管状
部材１５と、下部コップ状部材、又はホルダ１６とから
成る。上部管状部材１５は細長い開放管状構造であり、
トーチ１０の縦軸線を画成している。上部管状部材１５
はめねじ付き下端部１７を有する。ホルダ１６も管状構
造であり、下部前端と、上部後端とを有する。横端壁１
８はホルダ１６の前端を閉じており、外部前面２０（図
２参照）を画成している。ホルダ１６の後端はおねじを
有し、上部管状部材１５の下端部１７にねじで結合して
いる。
【００１９】主として図２、及び図３において、ホルダ
１６の後端１９は開いていて、ホルダ１６はコップ状の
形態であり、内部空洞部２２を画成している。このホル
ダの前端壁１８はその縦軸線に沿って、内部空洞部内
に、後方に延びる円筒支柱２３を有する。前端壁１８の
前面２０にレセプタクル２４を形成し、このレセプタク
ル２４は縦軸線に沿って円筒支柱２３の全長の一部内
に、後方に延びている。このレセプタクル２４はほぼ円
筒形で、円錐内端壁２５を有するのが好適である。円錐
内端壁２５の半分の角度は約６５°〜７５°である。
【００２０】ほぼ円筒形の電子放出性素子２８を具える
電子放出性素子組立体２６をレセプタクル２４内に取り
付け、この電子放出性素子２８を縦軸線に沿って同軸に
配置し、電子放出性素子の円形外端面２９がホルダ１６
の前面２０の平面内に存在するようにする。電子放出性
素子２８は外端面２９の反対側にレセプタクル２４内に
配置されたほぼ円形の内端面３０を有する。電子放出性
素子２８は約 2.7〜4.2 evの範囲内の比較的小さい仕事
関数を有する金属材料から成り、従って電位を加えると
容易に電子を放出する。このような材料の適切な例はハ
フニウム、ジルコニウム、タングステン、及びこれ等の
合金である。
【００２１】また、電子放出性素子組立体２６は電子放
出性素子２８の周りに同軸にレセプタクル２４内に位置
している比較的、非電子放出性の、即ち比較的、電子放
出性が少ないセパレータ３２を有する。セパレータ３２
は電子放出性素子２８の全長に沿って延びる周縁壁３３
（図４、及び図５参照）と、閉底壁３４とを有する。周
縁壁３３はセパレータの全長にわたりほぼ一定の外径を
有するように図示されているが、他の幾何学的形態でも
本発明に適用し得ることは明らかである。レセプタクル
２４が円錐端壁２５を有する時、閉端壁３４は円錐端壁
２５の形状に整合するような外端面を画成しているのが
好適である。セパレータ３２は縦軸線に同軸の円筒盲孔
の形状に形成された円筒空洞部３５のような開口を有
し、電子放出性素子２８はほぼ完全にこの円筒空洞部３
５を埋めている。図４に明示するように、セパレータの
底壁３４は電子放出性素子２８が衝合する内面３７を画
成している。内面３７は縦軸線に垂直な平坦円形中心部
３７ａと、縦軸線に同軸の截頭円錐外部３７ｂとを有す
るように形成されているのがよい。截頭円錐外部３７ｂ
の角度の半分が約３０°であるのが好適である。電子放
出性素子２８は内面３７の形状に整合するように形成さ
れた内端面３０を有するのが好適であり、従って、内端
面３０は平坦円形中心部３０ａと、半分で約３０°の角
度を有する截頭円錐外部３０ｂ（図６参照）とを有す
る。
【００２２】また、セパレータ３２は電子放出性素子２
８の円形外端面２９とほぼ同一平面の外端面３６を有
し、この外端面３６はホルダ１６の前面２０ともほぼ同
一平面である。セパレータ３２はその外端面３６に、そ
の全長に沿い、少なくとも0.25mm(0.01 インチ) の半径
方向厚さを有するのが好適であり、電子放出性素子２８
の直径はセパレータの端面３６の外径の約３０〜８０％
であるのが好適である。特定の例として、電子放出性素
子２８は代表的に約２ｍｍ(0.08 インチ) の直径と、約
６ｍｍ(0.24 インチ) の長さとを有し、セパレータ３２
の外径は約４ｍｍ(0.16 インチ) である。
【００２３】セパレータ３２はホルダ１６の材料より一
層大きな仕事関数を有し、しかも電子放出性素子２８の
材料よりも一層大きな仕事関数を有する金属材料から成
る。また特に、セパレータは少なくとも約4.3 evの仕事
関数を有する金属材料から成るのが好適である。
【００２４】本発明によれば、セパレータ３２は銅、ア
ルミニウム、鉄、鉛、亜鉛、及びこれ等の合金から成る
群から選択された付加的材料を約0.5 〜4 ％有する銀合
金から成る銀合金材料で形成する。上述したように、こ
の付加的材料は元素の形状か、又は酸化物の形状にする
ことができ、従って、ここで使用する「銅」の語は元素
の銅の場合、及び酸化物の銅の場合の両方を意味するも
のとする。同様に、「アルミニウム」等の語についても
同様である。セパレータを例えば 0.9997 の純銀のよう
に余りにも純粋な銀で形成すると、電極の使用寿命が予
期せぬ程低下することがわかった。また、ほぼ３％以上
の銅を含む銀でセパレータを形成しても、電極の使用寿
命は減少し始めることがわかった。従って、電極につい
て最適の使用寿命となる銀合金の付加的材料について、
約0.5 〜４％の最適範囲が存在する。
【００２５】付加的材料の約1.5 〜3.5 ％を有する銀合
金でセパレータを構成するのが特に好適である。付加的
材料として銅が好適であり、特に好適な合金の％は約２
〜３％の銅である。理論に拘束されたくないが、本願の
発明者等は、本発明の予期せぬ利点についての可能な説
明は、不純物（即ち銅）が銀の仕事関数を上昇させ、又
は、銀がアークを支持する可能性を何らかの理由で減少
させるものと信じている。その他の可能な説明として
は、純銀は引張り降伏強さが比較的小さいため、トーチ
を停止し、電極が冷却すると、（銀の熱膨張係数は銅の
熱膨張係数より大きいため）セパレータと銅製ホルダと
の間が開いて間隙が生ずることである。この間隙は、次
の作動中に、セパレータを過熱させる傾向がある。銀に
銅を加えても、熱膨張の応力程度ではセパレータは降伏
することがなく、このことは、銀と銅とから成るセパレ
ータを有する電極は銅ホルダと、セパレータとの間の相
互面に間隙を発生する傾向が何故、少ないかを説明して
いる。
【００２６】再び図１を参照し、図示の実施例では、電
極１４をプラズマアークトーチ体３８に取り付ける。こ
のプラズマアークトーチ体３８はガス通路４０と、液体
通路４２とをそれぞれ有する。トーチ体３８は外部絶縁
ハウジング部材４４によって包囲されている。
【００２７】水のような液体冷却媒体を電極構造１４に
循環させるため、電極１４の中心孔４８内に管４６を懸
垂する。管４６の外径を孔４８の直径より小さくし、管
４６と、孔４８との間に空隙４９を生ぜしめ、管４６の
開放下端から水を排出する時、この空隙４９に水が流れ
るようにする。水は供給源（図示せず）から管４６を経
て、ホルダ１６内の支柱２３に沿って流れ、空隙４９を
経て、トーチ体３８の開口５２に戻り、更にドレンホー
ス（図示せず）に達する。通路４２は注入水をノズル組
立体１２に指向させ、以下に一層詳細に説明するよう
に、水はこのノズル組立体１２において、プラズマアー
クを包囲するための渦流に変換される。ガス通路４０は
適当な供給源（図示せず）から、適当な高温材料のガス
遮板５４を経て、導入孔５８を通じて、ガス充満室５６
内にガスを指向させる。ガスを渦巻状に充満室５６に入
れるように、導入孔５８を配置する。ガスはノズル組立
体１２の同軸孔６０、６２を通じて、充満室５６から流
出する。電極１４はガス遮板５４を保持する。高温プラ
スチック絶縁体５５はノズル組立体１２を電極１４から
電気的に絶縁する。
【００２８】ノズル組立体１２は第１孔６０を画成する
上部ノズル部材６３と、第２孔６２を画成する下部ノズ
ル部材６４とを具える。上部ノズル部材６３は金属材料
であるのが好適であり、下部ノズル部材６４は金属材
料、又はセラミック材料であるのが好適である。上部ノ
ズル部材６３の孔６０はトーチ電極１４の縦軸線と、軸
線が一線である。
【００２９】下部ノズル部材６４はプラスチックスペー
サ素子６５と、水渦流リング６６とによって上部ノズル
部材６３から分離されている。上部ノズル部材６３と、
下部ノズル部材６４との間に設けられた空間は水室６７
を形成している。
【００３０】下部ノズル部材６４は前端部、即ち下端部
と、後端部、即ち上端部とを画成する円筒本体部７０を
具え、孔６２は円筒本体部７０を同軸に貫通している。
この後端部上には、環状取付けフランジ７１を位置さ
せ、前端部の外側には、第２孔６２に同軸に、截頭円錐
面７２を形成する。コップ状部材７４の下端のその内方
に指向するフランジ７３によって、環状フランジ７１を
下から支える。このコップ状部材７４は、相互に螺着す
るねじによって、外部ハウジング部材４４に着脱可能に
取り付けられている。２個のフランジ７１、７３間にガ
スケット７５を配置する。
【００３１】下部ノズル部材６４の孔６２は円筒形であ
り、この孔６２は任意適切なプラスチック材料の心決め
スリーブ７８によって、上部ノズル部材６３の孔６０に
対し軸線方向に一線に維持される。水は通路４２から、
スリーブ７８の開口８５を経て、渦流リング６６の噴射
ポート８７に流れる。この噴射ポートは水を水室６７内
に噴射する。噴射ポート８７は渦流リング６６の周りに
接線方向に配置されており、水室６７内の水流に速度の
渦流成分を与える。この水は孔６２を通じて水室６７を
出る。
【００３２】通常、接地している金属工作物に対し、直
列の回路関係に、電力供給線（図示せず）をトーチ電極
１４に接続する。作動に当たり、アークの陰極端子とし
て作用する電極の電子放出性素子２８と、下部ノズル部
材６４の下に位置し電源の陽極に接続された工作物との
間にプラズマアークを発生させる。電極１４と、ノズル
組立体１２との間にパイロットアークを瞬間的に発生さ
せることによって、通常のようにプラズマアークを開始
させ、次に、孔６０、６２を通じて、このアークを工作
物に移行させる。
【００３３】製造方法 また、本発明は上述の形式の電極を製造する単純化した
方法を提供する。図４〜図７は本発明電極を製造する好
適な方法を示す。図４に示すように、銅、又は銅合金の
円筒素材９４に前面９５と、反対側の後面９６とを設け
る。次に、前面９５にドリル等によりほぼ円筒形の孔を
形成し、上述のレセプタクル２４を形成する。
【００３４】セパレータ３２を銀合金材料で形成する。
上述したように、中空円筒形のセパレータ３２を形成す
る銀合金は約0.25〜10％の銅を含む銀合金から成る。こ
のセパレータはレセプタクル２４内に密接嵌合する形
状、寸法である。セパレータ３２は、まず、ほぼ円筒形
の密実の素材を形成し、次にドリル等により、同軸の円
筒空洞部３５を形成することによって形成する。
【００３５】次に、図５に示すように、ほぼ円筒形の電
子放出性素子２８は上述したように、比較的小さな仕事
関数を有する金属材料で形成する。セパレータ３２内の
空洞部３５内に、密接嵌合すると共に、この空洞部３５
をほぼ完全に充填するように、電子放出性素子２８の寸
法を定める。電子放出性素子２８を空洞部３５内に挿入
し、電子放出性素子２８の内端３０がセパレータ３２の
閉端壁３４に衝合し、電子放出性素子２８の外端面２９
がセパレータ３２の外端面３６にほぼ同一平面になるよ
うにする。
【００３６】図６において、ほぼ平坦な円形作動面１０
０を有する工具９８をその作動面１００が電子放出性素
子の端面２９と、セパレータ３２の端面３６とにそれぞ
れ接触するように設置する。作動面１００の外径はホル
ダの素材９４のレセプタクル２４の直径より僅かに小さ
い。工具９８の作動面１００が電子放出性素子２８の縦
軸線にほぼ同軸になるように、工具９８を保持し、工具
に力を加え、電子放出性素子２８と、セパレータ３２と
に、縦軸線に沿って、軸線方向の圧縮力を与える。例え
ば、工具９８を電子放出性素子と、セパレータとに接触
して位置させ、次に機械のラムのような適当な装置によ
って、工具９８に打撃を与える。使用される特定の技術
と無関係に、十分な力を与え、電子放出性素子２８と、
セパレータ３２とを半径方向外方に変形させ、図７に示
すように電子放出性素子２８をセパレータ３２によっ
て、堅く掴締し、保持すると共に、セパレータ３２を金
属製のホルダの素材９４によって、堅く掴締し、保持す
る。
【００３７】ホルダ１６の製造を完成するため、素材９
４の後面９６を機械加工し、図３に示すように、空洞部
２２を有し、更に円筒支柱２３を形成するようレセプタ
クル２４を同軸に包囲する内部環状凹所を有する開いた
コップ状の形態を形成する。また、素材９４の外周縁は
希望すれば、後端におねじ１０２を有する形状にする。
最後に、素材９４の前面９５と、電子放出性素子の端面
２９と、セパレータの端面３６とをそれぞれ機械加工
し、これ等表面がほぼ平坦に、相互に同一平面になるよ
うにする。
【００３８】図８はでき上がった電極１６の端面図を示
す。セパレータ３２の端面３６が電子放出性素子の円形
端面３６をホルダ１６の前面２０から分離している。端
面３６は内周縁１０４と、外周縁１０６とを有する環状
である。電子放出性素子２８よりも高い仕事関数を有す
る銀合金材料からセパレータ３２が形成されているか
ら、セパレータ３２はアークが電子放出性素子２８から
外れて、ホルダ１６に付くようになるのを防止するのに
役立つ。内周縁１０４と、外周縁１０６との間の端面３
６の半径方向の厚さは少なくとも約１ｍｍであるのが好
適である。
【００３９】また、本発明は純粋の円筒形以外の形態を
有するセパレータを採用することができる。例えば、本
発明は中空円筒本体と、この本体の開放端に結合した環
状フランジとを有するリベット形セパレータを採用する
ことができる。しかし、上述したように、7.5 ％の銅を
含むスターリング銀のように高い％の銅を含む銀合金
で、リベット形電極を造った時、上述の電極を製造する
冷間変形プロセスでは、使用寿命に関して、受け入れら
れない電極になることがわかった。リベット形セパレー
タの場合、冷間変形プロセスにより電極を造る時、銅の
％を約５％以下に、特に約0.5 〜4 ％に減少させた時、
平均して、使用寿命は予想外に著しく長くなることがわ
かった。リベット形セパレータは約２〜３％の銅を含む
のが一層好適である。
【００４０】このようにして、本発明はまた、図９、及
び図１０に示すような一層好適な実施例を有する。図９
はリベット形セパレータ３２′を収容するための段付き
の、即ち沈み孔を有するレセプタクル２４′を素材９
４′に設けた本発明の好適な方法を示す。セパレータ３
２′は中空円筒本体３３′と、この本体の開放端に結合
した環状フランジ１１０とを有する。このレセプタクル
２４′はセパレータに類似する形状であり、従ってレセ
プタクルの他の部分より直径が大きい沈み孔部１１２を
有する。工具９８′を使用して電子放出性素子２８の端
面と、環状フランジ１１０の外面とに力を加え、上述し
たように電子放出性素子と、セパレータとを半径方向に
膨張させる。次に、上述したように電極を仕上げ、図１
０に示すような完成した電極１６′を得る。電極１６′
はホルダ１８′、セパレータ３２′、及び電子放出性素
子２８を含む。
【００４１】特定の例では、電子放出性素子２８の端面
２９の直径は約２ｍｍ（0.08インチ) 、セパレータの環
状フランジ１１０の外径は約 6.3ｍｍ(0.25 インチ) で
ある。セパレータ３２′は約 0.5〜４％の銅、更に好適
には約２〜３％の銅を含む銀合金で形成するのが有利で
ある。
【００４２】特定の銀合金組成が電極の使用寿命に及ぼ
す作用を研究するため試験を行った。図１０に示すよう
なリベット形セパレータを有する多数の同一形態の電極
を上述の冷間変形プロセスに従って準備した。銀銅合金
の特別に明確にした過熱状態を準備し、この特別の加熱
状態からセパレータを造ることによって、約零％（即
ち、ほぼ純粋の銀）から約 7.5％まで、セパレータの銅
含有量を変化させた。各電極をプラズマアークトーチ内
に設置し、３０秒間、アークをオンにし（４００アンペ
ア）、４秒間、アークをオフにして周期的にトーチを作
動させ、「故障」が観察されるまで、このオン、オフサ
イクルを繰り返した。「故障」は電極が爆発した時（比
較的稀ではあるが）のように電極の全体的な破壊によ
り、またアークが電極の電子放出性素子に対し、適正に
中心を占めておらず、及び／又は二重アークを生ずるよ
うになっていることを示している切目、溝等のようにト
ーチのノズルに生ずる物理的変化によって特徴付けし、
即ち区別するようにした。
【００４３】図１１はこの一連の電極の試験の結果を示
す。銅の含有量が約零％である時、電極の寿命は約２２
分から約１２７分までの範囲である。7.5 ％銅含有量
（スターリング銀）の場合には、寿命は約６５分から約
１３５分までの範囲である。３％の銅の場合、僅か２つ
のデータ点で得られたに過ぎないが、両方のデータは電
極の寿命が２００分を越えていた。非常に多い数のデー
タ点は２％の銅含有量で行われたが、寿命は約１２６分
から約１９５分の範囲であり、平均値は約１５７分であ
った。0.5 ％の銅含有量で３つのデータが得られたが、
寿命は約１７４分から約１８９分の範囲であった。
【００４４】従って、データは顕著な予想外の傾向を示
しており、銅含有量の最適な範囲は約 0.5％から約４％
にあることを示唆している。（４％についてはデータが
無いが、５％の銅含有量で得られたデータに比較すれ
ば、４％で電極の寿命が顕著に改善されている。) 更
に、これ等のデータは相当ばらついてはいるが、データ
は２〜３％の銅の範囲でピーク値が得られることを示唆
している。
【００４５】本発明の好適な実施例を詳細に説明した
が、本発明は上述の実施例に限定されないことは明らか
である。本発明は特許請求の範囲に記載した発明の範囲
を逸脱することなく、種々の変更を加えることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の要旨を具体化したプラズマアークト
ーチの縦断面図である。
【図２】 本発明電極の拡大斜視図である。
【図３】 本発明電極の拡大断面図である。
【図４】 本発明電極を製造する方法の最初の工程にお
いて、素材にホルダを形成し、セパレータを挿入しよう
とする段階を示す図である。
【図５】 ホルダにセパレータを挿入し終わり、電子放
出性素子を挿入しようとする段階を示す図である。
【図６】 ホルダと、セパレータと、電子放出性素子と
を堅く嵌着させるため、工具で加圧している工程を示す
部分拡大図である。
【図７】 ホルダと、セパレータと、電子放出性素子と
を堅く嵌着させ終わった状態を示す部分断面図である。
【図８】 でき上がった本発明電極の端面図である。
【図９】 リベット形セパレータを有する本発明電極に
適用する製造方法を示す断面図である。
【図１０】 リベット形セパレータを有する本発明電極
を本発明製造方法で製造し、でき上がった電極の断面図
である。
【図１１】 銀合金のセパレータの銅の含有量が電極の
寿命に及ぼす機能を示す本発明製造方法により製造され
た電極の試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ プラズマアークトーチ １２ ノズル組立体 １４ 管状電極 １５ 上部管状部材 １６ ホルダ、下部コップ状部材 １７ めねじ付き下端部 １８ 横端壁、前端壁 ２０ 外部前面、前面 ２３ 円筒支柱 ２４ レセプタクル ２５ 円錐内端壁 ２６ 電子放出性素子組立体 ２８ 電子放出性素子 ２９ 外端面、円形前面 ３０ 内端面 ３２ セパレータ ３３ 周縁壁 ３４ 閉底壁、閉端壁、円錐端面 ３５ 円筒空洞部、開口 ３６ 外端面、環状端面 ３７ 内面 ３８ プラズマアークトーチ体 ４０ ガス通路 ４２ 液体通路 ４４ 外部絶縁ハウジング部材 ４６ 管 ４８ 中心孔 ５４ ガス遮板 ６３ 上部ノズル部材 ６４ 下部ノズル部材 ６５ プラスチックスペーサ素子 ６６ 水渦流リング ６７ 水室 ７０ 円筒本体部 ７４ コップ状部材 ８７ 噴射ポート １０４ 内周縁 １０６ 外周縁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェイン スタンレイ セバランス アメリカ合衆国 サウスカロライナ州 29532 ダーリントン デ ウィット サークル 2829 (72)発明者 ラリー ウェイド ストークス アメリカ合衆国 サウスカロライナ州 29501 フローレンス ロブソン アヴ ェニュー 2416 (72)発明者 トミー ザック ターナー アメリカ合衆国 サウスカロライナ州 29532 ダーリントン ホフメイヤー ロード 4804 (72)発明者 リュ アレン リンチ アメリカ合衆国 サウスカロライナ州 29501 フローレンス ハウ スプリン グス ロード 716 (72)発明者 ヴァレリアン ネムチンスキー アメリカ合衆国 サウスカロライナ州 29501 フローレンス サウス ペニン スラ ロード 1043 (56)参考文献 特開 平４−147772（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−225727（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−298127（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−55062（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−288095（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−198387（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 10/00

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマアークトーチ内に、電気アーク
    を支持する電極において、 前面と、この前面に形成されたレセプタクルとを有する
    金属ホルダと、 銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜鉛、及びこれ等の合金か
    ら成る群から選択した付加的材料の 0.5〜４％を有する
    銀合金で構成され、内部に開口を画成し、前記レセプタ
    クル内に取り付けられた比較的非電子放出性のセパレー
    タと、 前記セパレータの前記開口内に少なくとも一部延在し、
    比較的、小さい仕事関数を有する金属材料から成る電子
    放出性素子とを具え、 前記セパレータは前記金属ホルダと、前記電子放出性素
    子との間に介挿されていて前記金属ホルダをこのホルダ
    の前記前面にある前記電子放出性素子から分離してお
    り、これにより電気アークが前記電子放出性素子から外
    れて、前記金属ホルダに付着するのに抵抗するように前
    記セパレータが作用することを特徴とするプラズマアー
    クトーチ用電極。
  2. 【請求項２】 前記セパレータが約 1.5〜3.5 ％の前記
    付加的材料を有する銀合金で構成されている請求項１の
    電極。
  3. 【請求項３】 前記セパレータが約２〜３％の銅を有す
    る銀合金で構成されている請求項１の電極。
  4. 【請求項４】 前記セパレータの前記開口が円筒盲孔と
    して形成されるように、このセパレータの一端を閉じる
    底壁を有する中空円筒体で前記セパレータが構成されて
    おり、このセパレータは他端に環状端面を有し、前記電
    子放出性素子は円筒形で、前記セパレータの前記開口を
    ほぼ完全に充填している請求項１の電極。
  5. 【請求項５】 前記セパレータの前記環状端面はほぼ平
    坦であり、前記電子放出性素子は前記セパレータの前記
    環状端面にほぼ同一平面であるほぼ平坦な円形前面を有
    し、前記電子放出性素子のこの円形前面の直径は前記セ
    パレータの前記環状端面の外径の約８０％より小さい請
    求項４の電極。
  6. 【請求項６】 前記セパレータの前記環状端面の内周縁
    と、外周縁との間の半径方向の厚さが少なくとも約１ｍ
    ｍである請求項５の電極。
  7. 【請求項７】 前記レセプタクルは円錐内端壁を有する
    円筒形孔を有し、前記セパレータは前記レセプタクルの
    前記円錐内端壁に整合する形状の円錐端面を画成する端
    壁を有する中空円筒体を含み、前記セパレータの前記円
    錐端面が前記レセプタクルの前記円錐内端壁に衝合する
    請求項１の電極。
  8. 【請求項８】 前記ホルダの前記前面に隣接して取り付
    けられ、このホルダの縦軸線に一線に貫通する流通路を
    有するノズルと、 前記電極の前記電子放出性素子から、前記ノズルの前記
    流通路を通って、前記ノズルに隣接して設置された工作
    物まで延びるアークを発生させるための電力供給手段
    と、 前記ノズルの前記流通路を通じて外方に工作物までのプ
    ラズマの流れを生ぜしめるため、前記電極と、前記ノズ
    ルとの間にガスの流れを発生させるガス供給手段とを更
    に具える請求項１の電極。
  9. 【請求項９】 金属素材のほぼ平坦な前面に対しほぼ垂
    直な軸線に沿って延在して、この金属素材内に端壁を有
    するレセプタクルを前記金属素材の前記前面に形成する
    ことによって金属ホルダを形成し、 前記金属ホルダ内の前記レセプタクル内に密接して嵌合
    する形態の外面を第１端面と、第２端面との間に延在さ
    せて有する比較的非電子放出性のセパレータを形成し、 前記セパレータ内に延びる開口をこのセパレータの前記
    第１端面に形成し、 前記セパレータの前記開口内に、摺動して、挿入し得る
    電子放出性素子を形成し、 前記セパレータの前記第２端面が前記レセプタクルの前
    記端壁に衝合し、前記セパレータの前記第１端面が前記
    金属ホルダの前記前面に隣接するよう、前記金属ホルダ
    の前記レセプタクル内に、前記セパレータを挿入し、 前記電子放出性素子の端部が前記セパレータ内に着座す
    るまで、前記セパレータの前記開口内に前記電子放出性
    素子の前記端部を挿入し、 前記電子放出性素子を前記セパレータによって掴締し、
    保持すると共に、前記セパレータを前記金属ホルダによ
    って掴締し、保持するようになるまで、前記金属ホルダ
    の軸線にほぼ平行な力を前記電子放出性素子と、前記セ
    パレータの前記第１端面とに加えて、前記電子放出性素
    子と、前記セパレータとを軸線方向に圧縮して、前記電
    子放出性素子と、前記セパレータとを半径方向外方に塑
    性変形させることを特徴とするプラズマアークトーチ用
    電極の製造方法。
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