JP3100157B2 - プラズマアークトーチにおける電極損耗を低減させるための方法及び装置 - Google Patents
プラズマアークトーチにおける電極損耗を低減させるための方法及び装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （発明の分野） 本発明は一般にプラズマアークによる切断及び溶接の
ための方法及び装置に関し、詳しくは電極損耗を低減さ
せるための方法及び装置に関する。
ための方法及び装置に関し、詳しくは電極損耗を低減さ
せるための方法及び装置に関する。
（従来技術の説明） プラズマアークトーチは、鋼厚板の切断、及び、暖
房、換気、空調（HVAC）システムに一般に用いられる比
較的薄い亜鉛メッキ金属板の切断等の広範な用途を有す
る。プラズマアークトーチの基本的構成要素は、トーチ
本体と、該本体内に取付けられた電極（陰極）と、中央
噴出オリフィスを備えたノズル（陽極）と、イオン化可
能ガスの流れと、電気配線と、冷却ガス及びアーク制御
用流体のための通路及び管と、通常、電極とノズルの間
でガスの流れ内にパイロットアークを創始し、次いでプ
ラズマアーク、即ちイオン化ガスの導電性流れを電極か
ら工作物へ放射する電源を含む。ガスは、例えば窒素の
ような非反応性ガスであってもよく、あるいは、酸素又
は空気のような反応性ガスであってもよい。
房、換気、空調（HVAC）システムに一般に用いられる比
較的薄い亜鉛メッキ金属板の切断等の広範な用途を有す
る。プラズマアークトーチの基本的構成要素は、トーチ
本体と、該本体内に取付けられた電極（陰極）と、中央
噴出オリフィスを備えたノズル（陽極）と、イオン化可
能ガスの流れと、電気配線と、冷却ガス及びアーク制御
用流体のための通路及び管と、通常、電極とノズルの間
でガスの流れ内にパイロットアークを創始し、次いでプ
ラズマアーク、即ちイオン化ガスの導電性流れを電極か
ら工作物へ放射する電源を含む。ガスは、例えば窒素の
ような非反応性ガスであってもよく、あるいは、酸素又
は空気のような反応性ガスであってもよい。
この種のプラズマアークトーチとしては、いずれも本
出願人の特許である米国特許第3,641,304号、3,833,787
号、4,203,022号、4,421,970号、4,791,268号、4,816,6
37号及び4,861,962号に開示されているようにいろいろ
なタイプのものが知られている。
出願人の特許である米国特許第3,641,304号、3,833,787
号、4,203,022号、4,421,970号、4,791,268号、4,816,6
37号及び4,861,962号に開示されているようにいろいろ
なタイプのものが知られている。
プラズマアークトーチ及びその関連製品は、ハイパー
サーム・インコーポレイテッド社からいろいろなモデル
で販売されている。例えば、ハイパーサーム社のMAX100
型トーチは、動作ガスとして空気を使用し、鋼厚板の切
断用途にも、HVACのための亜鉛メッキ金属板の切断用途
にも適する中電力（出力100アンペア）トーチの代表的
なものである。
サーム・インコーポレイテッド社からいろいろなモデル
で販売されている。例えば、ハイパーサーム社のMAX100
型トーチは、動作ガスとして空気を使用し、鋼厚板の切
断用途にも、HVACのための亜鉛メッキ金属板の切断用途
にも適する中電力（出力100アンペア）トーチの代表的
なものである。
どのプラズマアークトーチにおいても今日まで解決さ
れていない共通の問題は、特に動作ガス即ちプラズマガ
スとして酸素又は空気のような反応性ガスが使用される
場合、電極の摩耗が激しいことである。
れていない共通の問題は、特に動作ガス即ちプラズマガ
スとして酸素又は空気のような反応性ガスが使用される
場合、電極の摩耗が激しいことである。
この摩耗問題の一例として述べれば、上述したハイパ
ーサーム社のMAX100型トーチの場合、電極の摩耗はその
下端に生じる凹面状のピットとして現れる。より正確に
いえば、電極に装着されたハフニウム製のエミッタ素子
に凹面状のピットが生じる。MAX100型トーチの電極の場
合、酸素又は空気を用いて120回の切断サイクルを実施
した後、平均して約0.025in（0.635mm）の深さの摩耗が
みられる。ハイパーサーム社が実施した摩耗試験によれ
ば、他の市販されているトーチは、一般にこれより悪
い。MAX100型トーチの場合、ハイパーサーム社では、摩
耗が0.06in（1.524mm）の深さを越えたならば、電極を
交換することを推奨している。通常の用途では、反応性
ガスで作動するプラズマアークトーチの電極は、オン・
オフサイクルの回数に強く依存するが、通常、0.5〜２
時間使用した後交換する必要がある。
ーサーム社のMAX100型トーチの場合、電極の摩耗はその
下端に生じる凹面状のピットとして現れる。より正確に
いえば、電極に装着されたハフニウム製のエミッタ素子
に凹面状のピットが生じる。MAX100型トーチの電極の場
合、酸素又は空気を用いて120回の切断サイクルを実施
した後、平均して約0.025in（0.635mm）の深さの摩耗が
みられる。ハイパーサーム社が実施した摩耗試験によれ
ば、他の市販されているトーチは、一般にこれより悪
い。MAX100型トーチの場合、ハイパーサーム社では、摩
耗が0.06in（1.524mm）の深さを越えたならば、電極を
交換することを推奨している。通常の用途では、反応性
ガスで作動するプラズマアークトーチの電極は、オン・
オフサイクルの回数に強く依存するが、通常、0.5〜２
時間使用した後交換する必要がある。
摩耗に対する配慮は、摩耗が部品の頻繁な交換を余儀
なくさせるからだけではなく、摩耗は特定のトーチに印
加することができる最大電力を制限するということから
も重要である。
なくさせるからだけではなく、摩耗は特定のトーチに印
加することができる最大電力を制限するということから
も重要である。
プラズマアーク切断においては又、トーチの切断品質
は、少くとも一部分は電極とノズルとの間の領域として
画定されるプラズマアークチャンバー内におけるガスの
流れパターンに大きく左右されることに留意することが
重要である。詳述すれば、ガスをプラズマアークチャン
バー内へ接線方向に噴射することによって創生される渦
流ガスは、高品質の切断を達成する上で必須の要素であ
ることが判明した。渦流ガスの流れパターンも、プラズ
マアークがトーチから噴出して工作物に衝接し工作物を
切断するが、プラズマアークがトーチのノズル自体には
接触しないようにプラズマアークを安定化させる上で重
要である。ノズルは、アークが十分に制御されていない
場合に損傷される主な部品である。
は、少くとも一部分は電極とノズルとの間の領域として
画定されるプラズマアークチャンバー内におけるガスの
流れパターンに大きく左右されることに留意することが
重要である。詳述すれば、ガスをプラズマアークチャン
バー内へ接線方向に噴射することによって創生される渦
流ガスは、高品質の切断を達成する上で必須の要素であ
ることが判明した。渦流ガスの流れパターンも、プラズ
マアークがトーチから噴出して工作物に衝接し工作物を
切断するが、プラズマアークがトーチのノズル自体には
接触しないようにプラズマアークを安定化させる上で重
要である。ノズルは、アークが十分に制御されていない
場合に損傷される主な部品である。
高電流トーチの設計において配慮すべきもう１つの事
項は、プラズマアークの温度が10,000℃を越える非常に
高い温度になるということである。この高温は、ガスの
密度や粘度等の特性に変化をもたらす。高温に対する配
慮は、アーク電流の通電開始時と遮断時において特に重
要である。通電開始時には、アークが急激にガスを加熱
し、ノズルの噴出オリフィスから噴出するガスの密度を
大きく減少させる。その結果、ガスの流れがノズルオリ
フィス内で詰まる事態が生じる。アーク電流を遮断した
ときは事態は逆であり、プラズマチャンバー内のガスが
冷却され質量流れが増大されるとガスはプラズマチャン
バーから突然吹出す傾向がある。
項は、プラズマアークの温度が10,000℃を越える非常に
高い温度になるということである。この高温は、ガスの
密度や粘度等の特性に変化をもたらす。高温に対する配
慮は、アーク電流の通電開始時と遮断時において特に重
要である。通電開始時には、アークが急激にガスを加熱
し、ノズルの噴出オリフィスから噴出するガスの密度を
大きく減少させる。その結果、ガスの流れがノズルオリ
フィス内で詰まる事態が生じる。アーク電流を遮断した
ときは事態は逆であり、プラズマチャンバー内のガスが
冷却され質量流れが増大されるとガスはプラズマチャン
バーから突然吹出す傾向がある。
電極に挿入するための陰極エミッタインサートとして
ハフニウム又はジルコニウムを使用するのが斯界におい
て一般的である。ハフニウムは現在、反応性のプラズマ
ガスを使用しての切断時の陰極エミッタ素子として選択
するには最良のものである。ハフニウム又はジルコニウ
ムは、この用途に試された他のどの材料よりも摩耗度が
少ないが、他の材料より高価である。しかも、それらの
電極、即ちエミッタインサートは頻繁に交換しなければ
ならない。作動電流を低くすれば関連する損耗も小さく
なるが、幾つかの点で、低い作動電流に随伴する性能の
低下は過大なものとなる。又、電極の寿命を延長するた
めにガス流又は水流を電極に対して良好な熱交換関係を
なすようにして循環させることによって電極を冷却する
方法も従来から採用されている。しかしながら、水冷方
式は費用がかかり構造が複雑になるため、例えば定格電
流100アンペア以下の低電流トーチには不適当である。
一方空冷方式も能率が悪く、比較的低電流型のものであ
っても、トーチの最大作動電流を制限することになる。
従って今日までのところ、電極摩耗問題に対する唯一の
実用的な解決法は、明らかに経済的に不利ではあるが、
電極を繰り返し交換することであった。
ハフニウム又はジルコニウムを使用するのが斯界におい
て一般的である。ハフニウムは現在、反応性のプラズマ
ガスを使用しての切断時の陰極エミッタ素子として選択
するには最良のものである。ハフニウム又はジルコニウ
ムは、この用途に試された他のどの材料よりも摩耗度が
少ないが、他の材料より高価である。しかも、それらの
電極、即ちエミッタインサートは頻繁に交換しなければ
ならない。作動電流を低くすれば関連する損耗も小さく
なるが、幾つかの点で、低い作動電流に随伴する性能の
低下は過大なものとなる。又、電極の寿命を延長するた
めにガス流又は水流を電極に対して良好な熱交換関係を
なすようにして循環させることによって電極を冷却する
方法も従来から採用されている。しかしながら、水冷方
式は費用がかかり構造が複雑になるため、例えば定格電
流100アンペア以下の低電流トーチには不適当である。
一方空冷方式も能率が悪く、比較的低電流型のものであ
っても、トーチの最大作動電流を制限することになる。
従って今日までのところ、電極摩耗問題に対する唯一の
実用的な解決法は、明らかに経済的に不利ではあるが、
電極を繰り返し交換することであった。
（解決しようとする課題） 従って本発明の主たる目的は、プラズマアークトーチ
の電極における損耗を著しく減少させそれにより、その
寿命を延ばすことである。
の電極における損耗を著しく減少させそれにより、その
寿命を延ばすことである。
本発明の他の主たる目的は、電極の損耗を減少させそ
れにより、反応性ガスと共に作動される場合でさえも、
現在可能なよりも高い水準での作業を可能とすることで
ある。
れにより、反応性ガスと共に作動される場合でさえも、
現在可能なよりも高い水準での作業を可能とすることで
ある。
本発明の他の目的は、より高いレベルの渦流を可能に
することによって、従来可能であったよりも優れた切断
品質を達成することである。
することによって、従来可能であったよりも優れた切断
品質を達成することである。
本発明の他の目的は、ハフニウム製のエミッタ素子を
ジルコニウムの如きより安価な他の材料製のものと交換
可能とする様式で電極の損耗を低減することである。
ジルコニウムの如きより安価な他の材料製のものと交換
可能とする様式で電極の損耗を低減することである。
本発明の他の目的は、標準的な電極及びノズル構造を
使用し、切断中の金属工作物からの溶融金属の跳ね返り
によるノズルのえぐれ等の、トーチ部品に対する損傷の
危険をほとんど増大させることなく上記利点を提供する
ことである。
使用し、切断中の金属工作物からの溶融金属の跳ね返り
によるノズルのえぐれ等の、トーチ部品に対する損傷の
危険をほとんど増大させることなく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、比較的簡単な部品を使用
し、安価な改変を加えることによって既存のプラズマア
ークトーチに上記利点を提供することである。
し、安価な改変を加えることによって既存のプラズマア
ークトーチに上記利点を提供することである。
本発明の他の目的は、製造コスト及び運転コストを許
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。
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。
（発明の概要） 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、特に反応性ガスを使用し、金属材料の切断用途に
適用されるプラズマアークトーチは、トーチ本体と、該
本体内に取付けられた電極と、電極との間にプラズマア
ークチャンバーを画定するように離隔して配置されたノ
ズルと、トーチ本体内に装着された渦流リングを有す
る。イオン化可能ガスは、管、通路及び、又はチャンバ
ーから成るガス導入系によりトーチ本体を通して渦流リ
ングへ供給される。渦流リングは、ガスを渦流としてプ
ラズマチャンバーへ供給し、ガスはプラズマチャンバー
内でイオン化され、ノズルの中央噴出オリフィスから噴
出される。このプラズマアークトーチ（以下、単に「ト
ーチ」とも称する）は又、プラズマチャンバー内のガス
中にパイロットアークを発生させ、それによってプラズ
マアークを創始するための、電源に接続する標準的電気
配線及び電気制御器を有する。プラズマアークは、切断
又はその他の作業のために工作物に向けて移行される。
ーチ、特に反応性ガスを使用し、金属材料の切断用途に
適用されるプラズマアークトーチは、トーチ本体と、該
本体内に取付けられた電極と、電極との間にプラズマア
ークチャンバーを画定するように離隔して配置されたノ
ズルと、トーチ本体内に装着された渦流リングを有す
る。イオン化可能ガスは、管、通路及び、又はチャンバ
ーから成るガス導入系によりトーチ本体を通して渦流リ
ングへ供給される。渦流リングは、ガスを渦流としてプ
ラズマチャンバーへ供給し、ガスはプラズマチャンバー
内でイオン化され、ノズルの中央噴出オリフィスから噴
出される。このプラズマアークトーチ（以下、単に「ト
ーチ」とも称する）は又、プラズマチャンバー内のガス
中にパイロットアークを発生させ、それによってプラズ
マアークを創始するための、電源に接続する標準的電気
配線及び電気制御器を有する。プラズマアークは、切断
又はその他の作業のために工作物に向けて移行される。
本発明の主たる特徴は、ガスの質量流量及び或はその
流れ模様を、トーチへの電流を遮断する段階の直前及び
直後に急速に変更するプロセスにある。質量流量はガス
流れを減少させることによって、プラズマチャンバーへ
のガス流れを止め或は減少させることによって減少され
る。この質量流れ流量の減少は、それが電流遮断に先立
つ数百ミリセカンド以内に為され且つ好ましくは電流遮
断後に継続されるよう調時される。アーク電流遮断のた
めのプロセスは、時間の急な階段関数或は漸次の傾斜関
数によって達成され得る。ガス流れの減少は、プラズマ
チャンバー内のガス流れ模様の更に急速な変化を容易化
するための、プラズマチャンバーから大気中への換気と
共に為される。
流れ模様を、トーチへの電流を遮断する段階の直前及び
直後に急速に変更するプロセスにある。質量流量はガス
流れを減少させることによって、プラズマチャンバーへ
のガス流れを止め或は減少させることによって減少され
る。この質量流れ流量の減少は、それが電流遮断に先立
つ数百ミリセカンド以内に為され且つ好ましくは電流遮
断後に継続されるよう調時される。アーク電流遮断のた
めのプロセスは、時間の急な階段関数或は漸次の傾斜関
数によって達成され得る。ガス流れの減少は、プラズマ
チャンバー内のガス流れ模様の更に急速な変化を容易化
するための、プラズマチャンバーから大気中への換気と
共に為される。
別様には、本発明には接線方向成分を持つ標準渦流で
のガス流れ模様を、その入口からプラズマチャンバーに
かけての一般に半径方向に流れ、次いでプラズマチャン
バーを貫いて一般に軸方向に流れるガス流れ模様に変換
する段階が含まれる。この、渦流から半径方向／軸方向
流れへの変換は流量の全体的な減少と関連し、また電流
水準及び或はプラズマチャンバーから大気中への換気の
減少と関連され得る。より軸方向的な流れへの変更によ
って、渦流よりも一層大きい全体質量流れ流量が電流遮
断の直前に於て許容され得ることが分かった。
のガス流れ模様を、その入口からプラズマチャンバーに
かけての一般に半径方向に流れ、次いでプラズマチャン
バーを貫いて一般に軸方向に流れるガス流れ模様に変換
する段階が含まれる。この、渦流から半径方向／軸方向
流れへの変換は流量の全体的な減少と関連し、また電流
水準及び或はプラズマチャンバーから大気中への換気の
減少と関連され得る。より軸方向的な流れへの変更によ
って、渦流よりも一層大きい全体質量流れ流量が電流遮
断の直前に於て許容され得ることが分かった。
換気が為されない場合、これは好ましいことである
が、ガス圧力が一般に指数関数的に減少し、また質量流
れ流量における前述の如き減少が、電流遮断の開始約50
0ミリセカンド以内に好ましく生じることが分かった。
好ましい電流遮断段階での電流遮断は、質量流れ流量の
減少後に制御下で直線的に減少する勾配でなされる。こ
の勾配はアークがなくなるまで、極めて低い電流値とな
るまで継続される。こうした好ましいプラズマ遮断のプ
ロセスが、電極損耗の所望の低減を提供する一方で、プ
ラズマアークを安定させ且つノズルに対する損傷を回避
するために十分なガス流れを提供する。換気が為される
場合、プラズマチャンバーを通るガス流れ従ってプラズ
マチャンバー内のガス圧力は一段と急激に減少する。し
かしながら正確な最適調時は、それがガス形式、電流水
準、ノズルオリフィスの寸法、旋回リングの入口流れの
面積、ガス圧力、ガス流量、ガス流れ模様（例えば旋回
或は軸方向）そしてプラズマチャンバー及び電流遮断直
前の流れ条件を制御する弁間の物理的距離、を含む多く
の変数の関数であることから、用途によって変化して来
る。
が、ガス圧力が一般に指数関数的に減少し、また質量流
れ流量における前述の如き減少が、電流遮断の開始約50
0ミリセカンド以内に好ましく生じることが分かった。
好ましい電流遮断段階での電流遮断は、質量流れ流量の
減少後に制御下で直線的に減少する勾配でなされる。こ
の勾配はアークがなくなるまで、極めて低い電流値とな
るまで継続される。こうした好ましいプラズマ遮断のプ
ロセスが、電極損耗の所望の低減を提供する一方で、プ
ラズマアークを安定させ且つノズルに対する損傷を回避
するために十分なガス流れを提供する。換気が為される
場合、プラズマチャンバーを通るガス流れ従ってプラズ
マチャンバー内のガス圧力は一段と急激に減少する。し
かしながら正確な最適調時は、それがガス形式、電流水
準、ノズルオリフィスの寸法、旋回リングの入口流れの
面積、ガス圧力、ガス流量、ガス流れ模様（例えば旋回
或は軸方向）そしてプラズマチャンバー及び電流遮断直
前の流れ条件を制御する弁間の物理的距離、を含む多く
の変数の関数であることから、用途によって変化して来
る。
装置としてみた場合、本発明には流れ変更手段とし
て、プラズマチャンバーにガスを供給するライン内にあ
って電源の標準制御体によって電流遮断直前に閉鎖され
得る弁が含まれる。本発明における流量減少はアーク電
流の勾配的降下と協動され得る。アーク電流を勾配的に
降下させるのは、電流遮断直前のガスの低い質量流れ中
にノズルオリフィスが破損する恐れを減少させるためで
ある。別態様では、プラズマチャンバーから大気中への
換気ラインが弁によって制御（開放及び閉鎖）される。
弁は電流の遮断直前の臨界時間、制御体によって開放さ
れる。別の態様では本装置には２つの渦流リング或は同
一の渦流リングに離間した２つの位置が設けられ、一方
が従来からの渦流を創出し、他方が、主として渦流の無
い軸方向流れを創出する。これら渦流リングは軸方向に
積み重ねた配列で取付け得る。これら渦流リングは、少
なくともトーチ本体内部の独立した送給ラインによって
ガス供給源に接続され、単数或は複数の弁が、制御体に
応答して電流遮断直前にガス流れを、渦流を創出する渦
流リング或はリング部分から半径方向／軸方向流れを創
出する渦流リング或はリング部分に切り替える。この切
り替えは換気及び或は流量減少と協動され得、及び或は
電流水準の減少と協動され得る。
て、プラズマチャンバーにガスを供給するライン内にあ
って電源の標準制御体によって電流遮断直前に閉鎖され
得る弁が含まれる。本発明における流量減少はアーク電
流の勾配的降下と協動され得る。アーク電流を勾配的に
降下させるのは、電流遮断直前のガスの低い質量流れ中
にノズルオリフィスが破損する恐れを減少させるためで
ある。別態様では、プラズマチャンバーから大気中への
換気ラインが弁によって制御（開放及び閉鎖）される。
弁は電流の遮断直前の臨界時間、制御体によって開放さ
れる。別の態様では本装置には２つの渦流リング或は同
一の渦流リングに離間した２つの位置が設けられ、一方
が従来からの渦流を創出し、他方が、主として渦流の無
い軸方向流れを創出する。これら渦流リングは軸方向に
積み重ねた配列で取付け得る。これら渦流リングは、少
なくともトーチ本体内部の独立した送給ラインによって
ガス供給源に接続され、単数或は複数の弁が、制御体に
応答して電流遮断直前にガス流れを、渦流を創出する渦
流リング或はリング部分から半径方向／軸方向流れを創
出する渦流リング或はリング部分に切り替える。この切
り替えは換気及び或は流量減少と協動され得、及び或は
電流水準の減少と協動され得る。
（図面の簡単な説明） 図1Aは本発明に従って作動されるべく構成された代表
的プラズマアークトーチの概略図である。
的プラズマアークトーチの概略図である。
図1Bは図1Aを線1B−1Bで切断した水平方向断面図であ
る。
る。
図1Cは本発明に従うプラズマアーク切断システムの簡
単な概略図であり、ここでは図1A及び1Bに示されるプラ
ズマアークトーチが使用されている。
単な概略図であり、ここでは図1A及び1Bに示されるプラ
ズマアークトーチが使用されている。
図1Dはアーク電流の遮断と関連しての本発明のガス流
れ変更の調時ダイヤグラムの６つのグラフである。
れ変更の調時ダイヤグラムの６つのグラフである。
図2Aは、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁
による換気が為される具体例の、図1Aに対応する別態様
を示す図である。
による換気が為される具体例の、図1Aに対応する別態様
を示す図である。
図2Bは、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁
による換気が為される具体例の、図1Bに対応する別態様
を示す図である。
による換気が為される具体例の、図1Bに対応する別態様
を示す図である。
図2Cは、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁
による換気が為される具体例の、図1Cに対応する別態様
を示す図である。
による換気が為される具体例の、図1Cに対応する別態様
を示す図である。
図3Aは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プ
ラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガ
ス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて
成る具体例の、図2Aに対応する別態様を示す図である。
ラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガ
ス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて
成る具体例の、図2Aに対応する別態様を示す図である。
図3B図は、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、
プラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向
ガス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用され
て成る具体例の、図2Bに対応する別態様を示す図であ
る。
プラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向
ガス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用され
て成る具体例の、図2Bに対応する別態様を示す図であ
る。
図3Cは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プ
ラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガ
ス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて
成る具体例の、図2Bに対応する別態様を示す図である。
ラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガ
ス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて
成る具体例の、図2Bに対応する別態様を示す図である。
図3Dは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プ
ラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガ
ス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて
成る具体例の、図2Cに対応する別態様を示す図である。
ラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガ
ス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて
成る具体例の、図2Cに対応する別態様を示す図である。
（実施例の説明） 図1A及び1Bは、ハイパーサーム社から販売されている
いろいろなプラズマアークトーチのうちの任意の１つの
ような代表的な従来技術のプラズマアークトーチ（以
下、単に「トーチ」とも称する）を示す。従って、以下
の説明は、この型式のプラズマアークトーチに共通な基
本原理及び構成要素を例として説明するためのものであ
り、特定のモデルのトーチの構造の詳細を説明するため
のものではない。
いろいろなプラズマアークトーチのうちの任意の１つの
ような代表的な従来技術のプラズマアークトーチ（以
下、単に「トーチ」とも称する）を示す。従って、以下
の説明は、この型式のプラズマアークトーチに共通な基
本原理及び構成要素を例として説明するためのものであ
り、特定のモデルのトーチの構造の詳細を説明するため
のものではない。
トーチは一般に参照番号14で示される胴部を具備す
る。該胴部14は代表的には円筒状であり、出口オリフィ
ス16をその一端に具備する。下端12aを通して、図示の
如くプラズマアーク18、イオン化し得るガスのジェット
が送達され、切断されるべき工作物20に衝突される。ガ
スは窒素又は貴ガス等の非反応性ガスであってもよく、
あるいは酸素又は空気等の反応性ガスであってもよい。
本発明の１つの重要な利点は、プラズマアークトーチを
反応性ガスと共に使用可能であるにも関わらず、任意の
切断用プラズマアークトーチを使用して得られる最良の
結果と比較しての電極の損耗が、電流水準或はトーチ冷
却配列構成の効果に関わらず格段に改良されることであ
る。
る。該胴部14は代表的には円筒状であり、出口オリフィ
ス16をその一端に具備する。下端12aを通して、図示の
如くプラズマアーク18、イオン化し得るガスのジェット
が送達され、切断されるべき工作物20に衝突される。ガ
スは窒素又は貴ガス等の非反応性ガスであってもよく、
あるいは酸素又は空気等の反応性ガスであってもよい。
本発明の１つの重要な利点は、プラズマアークトーチを
反応性ガスと共に使用可能であるにも関わらず、任意の
切断用プラズマアークトーチを使用して得られる最良の
結果と比較しての電極の損耗が、電流水準或はトーチ冷
却配列構成の効果に関わらず格段に改良されることであ
る。
トーチ本体14は、一般に電極と称される陰極22を支持
している。電極22は通常、銅で形成されており、ほぼ円
筒形である。電極22の下端面にエミッタ素子（「エミッ
タインサート」とも称する）24がプレス嵌めによって挿
入されている。電極22とエミッタ素子24とは、トーチ本
体内に同心的に配置され、出口オリフィス16に心合して
いる。反応性ガスを用いる場合は、エミッタインサート
24は、通常、ハフニウム又はジルコニウムで形成された
ものを使用する。
している。電極22は通常、銅で形成されており、ほぼ円
筒形である。電極22の下端面にエミッタ素子（「エミッ
タインサート」とも称する）24がプレス嵌めによって挿
入されている。電極22とエミッタ素子24とは、トーチ本
体内に同心的に配置され、出口オリフィス16に心合して
いる。反応性ガスを用いる場合は、エミッタインサート
24は、通常、ハフニウム又はジルコニウムで形成された
ものを使用する。
本体14には又、プラズマアークを移行するための出口
オリフィス16を備えたノズル26が装着されている。ノズ
ル26は、電極22から離隔して配置されている。
オリフィス16を備えたノズル26が装着されている。ノズ
ル26は、電極22から離隔して配置されている。
１組の半径方向の偏心ガス分配穴即ちガス導入穴30を
有する慣用構造の渦流リング28が、交換自在にトーチ本
体内に取付けられている。渦流リング28は、そのガス導
入穴30からプラズマアークチャンバー32へとプラズマガ
ス流を供給するように配置されている。プラズマアーク
チャンバー32は、図に示されるように、電極22とノズル
26と渦流リング28とによって画定される。ガス導入穴30
がオフセットされていることにより、この状態は図1Bに
最も良く示されるが、プラズマアークチャンバー32を通
してのガス流れに接線方向の速度成分が導入されそれに
より、前記ガス流れは渦流を生ぜしめられる。本発明の
利益は、これらのガス導入穴30によって発生する渦流の
レベルが従来プラクティスによるよりも大きくなりそれ
によって、切断品質が従来達成し得たよりも高められる
ことにある。図1Aでは、渦流リングは電極に密嵌合し、
気密状態に取付けられたものとして示されているが、渦
流リングは支持部材内に取付けられ、電極に対して密封
状態に取付けられないことが多い。一般に、トーチ本
体、ガスや、冷却流体を導入するための部材及び電気配
線等の細部構造はいろいろな形態をとることができ、実
際に種々の形態をとっている。
有する慣用構造の渦流リング28が、交換自在にトーチ本
体内に取付けられている。渦流リング28は、そのガス導
入穴30からプラズマアークチャンバー32へとプラズマガ
ス流を供給するように配置されている。プラズマアーク
チャンバー32は、図に示されるように、電極22とノズル
26と渦流リング28とによって画定される。ガス導入穴30
がオフセットされていることにより、この状態は図1Bに
最も良く示されるが、プラズマアークチャンバー32を通
してのガス流れに接線方向の速度成分が導入されそれに
より、前記ガス流れは渦流を生ぜしめられる。本発明の
利益は、これらのガス導入穴30によって発生する渦流の
レベルが従来プラクティスによるよりも大きくなりそれ
によって、切断品質が従来達成し得たよりも高められる
ことにある。図1Aでは、渦流リングは電極に密嵌合し、
気密状態に取付けられたものとして示されているが、渦
流リングは支持部材内に取付けられ、電極に対して密封
状態に取付けられないことが多い。一般に、トーチ本
体、ガスや、冷却流体を導入するための部材及び電気配
線等の細部構造はいろいろな形態をとることができ、実
際に種々の形態をとっている。
負電力導線34は、電極22の上端を取り巻くようにして
該電極に接続されている。トーチ本体14の上端を構成す
る電流リング38に保持キャップ36が螺着されている。電
流リング38と負電力導線34とは、絶縁体スリーブ40によ
って分離され、電気的に隔絶されている。保持キャップ
36は、ノズルのフランジ26aに係合する下方リップ36aを
有しており、電流リング38に螺着させると、ノズル26を
渦流リング28に解放自在に圧着させる。図には示されて
いないが、別法として保持キャップ36は、渦流リング28
をノズル26と、トーチ本体14内の別の内部支持構造体と
の間に締めつけ固定する構成とすることもできる。図示
の構成では保持キャップ36は又、渦流リング28及びプラ
ズマアークチャンバー32への近接ガス供給源（供給すべ
き部所に近接した位置に設けられたガス供給源）として
機能するガスプレナムチャンバー42の一部を画定する。
プラズマガスの流れ44は、電流リング38を貫通して伸延
しているガス導入管46を通してプレナムチャンバー42へ
供給される。ガス導入管46には、オートマチック・スイ
ッチ・カンパニー製のモデルNo.AF33183のようなソレノ
イド弁48が、好ましくはトーチ本体に近い部位に設置さ
れている。ソレノイド弁46は、トーチへのガスの流量を
調整するために、導線48a,48aを通して送られる制御信
号により開閉される。
該電極に接続されている。トーチ本体14の上端を構成す
る電流リング38に保持キャップ36が螺着されている。電
流リング38と負電力導線34とは、絶縁体スリーブ40によ
って分離され、電気的に隔絶されている。保持キャップ
36は、ノズルのフランジ26aに係合する下方リップ36aを
有しており、電流リング38に螺着させると、ノズル26を
渦流リング28に解放自在に圧着させる。図には示されて
いないが、別法として保持キャップ36は、渦流リング28
をノズル26と、トーチ本体14内の別の内部支持構造体と
の間に締めつけ固定する構成とすることもできる。図示
の構成では保持キャップ36は又、渦流リング28及びプラ
ズマアークチャンバー32への近接ガス供給源（供給すべ
き部所に近接した位置に設けられたガス供給源）として
機能するガスプレナムチャンバー42の一部を画定する。
プラズマガスの流れ44は、電流リング38を貫通して伸延
しているガス導入管46を通してプレナムチャンバー42へ
供給される。ガス導入管46には、オートマチック・スイ
ッチ・カンパニー製のモデルNo.AF33183のようなソレノ
イド弁48が、好ましくはトーチ本体に近い部位に設置さ
れている。ソレノイド弁46は、トーチへのガスの流量を
調整するために、導線48a,48aを通して送られる制御信
号により開閉される。
プラズマアークチャンバー32内のガスにより電極22と
ノズル26の間にパイロットアークを創生するパイロット
アーク作動モードにおいては、ノズル26は陽極として機
能し、キャップ36及び電流リング38はパイロットアーク
電流の戻り回路を構成する。
ノズル26の間にパイロットアークを創生するパイロット
アーク作動モードにおいては、ノズル26は陽極として機
能し、キャップ36及び電流リング38はパイロットアーク
電流の戻り回路を構成する。
作動において、プラズマガス44は、ソレノイド弁48及
びガス導入管46を通ってプレナムチャンバー42に流入
し、そこから渦流リング28のガス導入穴30を経てプラズ
マアークチャンバー32に流入し、最終的に出口オリフィ
ス16から噴出する。
びガス導入管46を通ってプレナムチャンバー42に流入
し、そこから渦流リング28のガス導入穴30を経てプラズ
マアークチャンバー32に流入し、最終的に出口オリフィ
ス16から噴出する。
トーチが非移行パイロットアークモードで作動してい
るときは、電源50（図1C）は、パイロットアークを発生
させそれを維持するための適当な電圧の電流をトーチに
供給する。電源50は、任意の慣用の調整DC電源であって
よく、電源の作動、及び流れ制御弁等のトーチの他の部
品の作動を制御する印刷回路板等を備えている。
るときは、電源50（図1C）は、パイロットアークを発生
させそれを維持するための適当な電圧の電流をトーチに
供給する。電源50は、任意の慣用の調整DC電源であって
よく、電源の作動、及び流れ制御弁等のトーチの他の部
品の作動を制御する印刷回路板等を備えている。
図1Cに示されたプラズマアーク切断トーチシステム52
の全体図を参照して説明すると、非移行パイロットアー
クモードにおける電流経路は、電源の負端子50aから導
線54、負電力導線34、電極22、パイロットアークプラズ
マ56（図1A）、ノズル26、保持キャップ36、電流リング
38、パイロットアーク電流戻り導線58及び閉成されたパ
イロットアークスイッチ60を通って電源の正端子50bに
至る経路である。
の全体図を参照して説明すると、非移行パイロットアー
クモードにおける電流経路は、電源の負端子50aから導
線54、負電力導線34、電極22、パイロットアークプラズ
マ56（図1A）、ノズル26、保持キャップ36、電流リング
38、パイロットアーク電流戻り導線58及び閉成されたパ
イロットアークスイッチ60を通って電源の正端子50bに
至る経路である。
パイロットアークの創生に先立ち、オペレーターはト
ーチ自体から離れた制御コンソール64の位置で所望のガ
ス流れ或は圧力をセットする。この制御コンソールには
ガス流れ調整器及びガス弁調節圧力ゲージが含まれる。
制御コンソール位置でオペレーターがセットした流れ及
び圧力値は、パイロットアーク創生に先立つプラズマア
ークチャンバー32内部の実際のガス流れ及びガス圧力と
既知の態様に於て対応する。パイロットアークの創生に
よりガスが加熱されそれにより、斯界に周知の態様に於
てプラズマアークチャンバー内のガス温度が上昇され、
またガス流れが減少される。パイロットアーク中のプラ
ズマアークチャンバー32内部の代表的なガス圧力は20か
ら40psi（約1.40から2.81kg/cm2）である。パイロット
アークは高周波スパークその他、その全てが斯界に周知
である接触式創生技法の如きによって創生される。創生
中、プラズマガスは入口管46、ソレノイド弁48、プレナ
ムチャンバー42、ガス導入穴30、プラズマアークチャン
バー32を通して流動し、出口オリフィス16から出る。先
に銘記したように、ガス導入穴30によって確立される渦
流は、良好な品質の切断を入手するため及びノズルの出
口オリフィス16内部のアークを安定させそれによってア
ークがノズルに衝突し、そこに穴を開けないようにさせ
るために極めて重要である。
ーチ自体から離れた制御コンソール64の位置で所望のガ
ス流れ或は圧力をセットする。この制御コンソールには
ガス流れ調整器及びガス弁調節圧力ゲージが含まれる。
制御コンソール位置でオペレーターがセットした流れ及
び圧力値は、パイロットアーク創生に先立つプラズマア
ークチャンバー32内部の実際のガス流れ及びガス圧力と
既知の態様に於て対応する。パイロットアークの創生に
よりガスが加熱されそれにより、斯界に周知の態様に於
てプラズマアークチャンバー内のガス温度が上昇され、
またガス流れが減少される。パイロットアーク中のプラ
ズマアークチャンバー32内部の代表的なガス圧力は20か
ら40psi（約1.40から2.81kg/cm2）である。パイロット
アークは高周波スパークその他、その全てが斯界に周知
である接触式創生技法の如きによって創生される。創生
中、プラズマガスは入口管46、ソレノイド弁48、プレナ
ムチャンバー42、ガス導入穴30、プラズマアークチャン
バー32を通して流動し、出口オリフィス16から出る。先
に銘記したように、ガス導入穴30によって確立される渦
流は、良好な品質の切断を入手するため及びノズルの出
口オリフィス16内部のアークを安定させそれによってア
ークがノズルに衝突し、そこに穴を開けないようにさせ
るために極めて重要である。
同じく先に言及したように、トーチは、工作物に接近
されそれによってアークが工作物に移行し、制御体によ
ってパイロットアークスイッチ60が開かれると切断作業
を開始する。アークの移行後、制御体は通常の作動に於
て電流レベルを切断作業のための予め決定された値へと
増大する。電流のこの増大はまたプラズマガス加熱を増
長し、プラズマアークチャンバー内のガス圧力を増大さ
せそして出口オリフィスを出るガス流れ流量を減少させ
る。最大推奨電流レベルはトーチによってまた用途によ
って大きく変化し、その範囲は低電流として特徴付けら
れる約20から200アンペアD.C.及び高電流として特徴付
けられる200アンペアD.C.内にある。鋼板切断に使用さ
れる水冷式切断トーチのための代表的な電流レベルは40
0アンペアである。
されそれによってアークが工作物に移行し、制御体によ
ってパイロットアークスイッチ60が開かれると切断作業
を開始する。アークの移行後、制御体は通常の作動に於
て電流レベルを切断作業のための予め決定された値へと
増大する。電流のこの増大はまたプラズマガス加熱を増
長し、プラズマアークチャンバー内のガス圧力を増大さ
せそして出口オリフィスを出るガス流れ流量を減少させ
る。最大推奨電流レベルはトーチによってまた用途によ
って大きく変化し、その範囲は低電流として特徴付けら
れる約20から200アンペアD.C.及び高電流として特徴付
けられる200アンペアD.C.内にある。鋼板切断に使用さ
れる水冷式切断トーチのための代表的な電流レベルは40
0アンペアである。
本発明者によって、作働中の電極材料の損失（損耗）
の殆どは創生中或は実際の切断作業中では無くむしろア
ーク電流の遮断時に生じるということが見出された。こ
うした損耗のメカニズムは完全には理解されていない
が、電極がその作働中に少なくとも部分的に溶け、電極
の単数或は複数の溶けた表面とプラズマアークチャンバ
ーを貫くプラズマガスの流れ及び圧力とが複雑に相互作
用して電流遮断時の損耗に関与していることは疑いな
い。
の殆どは創生中或は実際の切断作業中では無くむしろア
ーク電流の遮断時に生じるということが見出された。こ
うした損耗のメカニズムは完全には理解されていない
が、電極がその作働中に少なくとも部分的に溶け、電極
の単数或は複数の溶けた表面とプラズマアークチャンバ
ーを貫くプラズマガスの流れ及び圧力とが複雑に相互作
用して電流遮断時の損耗に関与していることは疑いな
い。
本発明の主たる特徴は、プラズマアークチャンバーへ
のプラズマガス流れを制御された電気的遮断と関連させ
て制御しそれによって電極の損耗を実質的に低減するこ
とである。最も簡略化された形態に於ては本発明には
（１）全アーク電流の階段関数的遮断の直前或は（２）
アーク電流の漸次的遮断の開始と同時の、しかし全アー
ク電流遮断の直前に、プラズマアークチャンバー32への
全プラズマガス流れを遮断する段階が含まれる。これ
は、アーク電流完全遮断プロセスの直前にソレノイド弁
48を閉じることによって為される。電流遮断のための好
ましい方法は、減少する質量流量に追従させて制御下の
直線減少勾配にて電流を減少させることある。しかしな
がらこうした遮断の調時は臨界的である。仮にガス流れ
の急速な減少が可能とされた場合、アークを安定させる
プラズマガスの渦流は著しく減少する。従って、アーク
はアークノズルに衝突してこれを短時間の内に損傷し或
は破壊さえもしかねない。他方、電流の遮断が時間的に
接近していると、プラズマアークチャンバー32内部のガ
ス流れ及び圧力の減少は、これらはソレノイド弁48の閉
鎖と共に一般に指数関数的態様に於て減少するのである
が、僅かとなり、あたかもソレノイド弁48を開放したか
の如きような損耗が生じてしまう。ガス流れの遮断は、
アーク電流の遮断を通して及びその後にも継続される。
のプラズマガス流れを制御された電気的遮断と関連させ
て制御しそれによって電極の損耗を実質的に低減するこ
とである。最も簡略化された形態に於ては本発明には
（１）全アーク電流の階段関数的遮断の直前或は（２）
アーク電流の漸次的遮断の開始と同時の、しかし全アー
ク電流遮断の直前に、プラズマアークチャンバー32への
全プラズマガス流れを遮断する段階が含まれる。これ
は、アーク電流完全遮断プロセスの直前にソレノイド弁
48を閉じることによって為される。電流遮断のための好
ましい方法は、減少する質量流量に追従させて制御下の
直線減少勾配にて電流を減少させることある。しかしな
がらこうした遮断の調時は臨界的である。仮にガス流れ
の急速な減少が可能とされた場合、アークを安定させる
プラズマガスの渦流は著しく減少する。従って、アーク
はアークノズルに衝突してこれを短時間の内に損傷し或
は破壊さえもしかねない。他方、電流の遮断が時間的に
接近していると、プラズマアークチャンバー32内部のガ
ス流れ及び圧力の減少は、これらはソレノイド弁48の閉
鎖と共に一般に指数関数的態様に於て減少するのである
が、僅かとなり、あたかもソレノイド弁48を開放したか
の如きような損耗が生じてしまう。ガス流れの遮断は、
アーク電流の遮断を通して及びその後にも継続される。
本発明に従うガス及び電流遮断のプロセスが図1Dの調
時ダイヤグラムによって例示される。左側の３つのグラ
フは時間の関数としての信号（電圧信号、電流信号或は
それ以外の信号）を表す。左側の最上部のグラフは、ソ
レノイド弁48に対する制御信号（ライン48a、48aを通し
て適用される）が時間t1（信号は“1"の状態から“0"の
状態へと変化する。この“0"の状態は、ソレノイド弁48
の状態を所望通りに変化させるに十分なデジタル切り替
え或はアナログ変化の何れかを示す）に於て状態変化す
ることを示している。制御信号のこの変化によってソレ
ノイド弁は時間t1に於て閉鎖する。左側の上から２番目
のグラフはアーク電流のための制御信号を示す。この制
御信号は電源50の制御体によって発生される。本発明に
従えば、アーク電流制御のための信号はその状態を、時
間t1経過後の時間である時間t2に於て、やはり状態“1"
から状態“0"として示されるように状態変化する。従っ
てガス流れは時間t2及びt1の差と等しい時間間隔Δｔに
於てアーク電流に先立って遮断される。左側の最下部の
グラフはアーク電流遮断プロセスのための交互の制御シ
ーケンスを示している。本発明に従えば、アーク電流制
御信号は、弁制御信号と同じ時間であるところの時間t1
に於て、やはり状態“1"から状態“0"として示されるよ
うに状態変化する。この変化によって制御体はアーク電
流を、図1Dの右側の最下部のグラフに示されるように傾
斜状態での降下を開始させる。
時ダイヤグラムによって例示される。左側の３つのグラ
フは時間の関数としての信号（電圧信号、電流信号或は
それ以外の信号）を表す。左側の最上部のグラフは、ソ
レノイド弁48に対する制御信号（ライン48a、48aを通し
て適用される）が時間t1（信号は“1"の状態から“0"の
状態へと変化する。この“0"の状態は、ソレノイド弁48
の状態を所望通りに変化させるに十分なデジタル切り替
え或はアナログ変化の何れかを示す）に於て状態変化す
ることを示している。制御信号のこの変化によってソレ
ノイド弁は時間t1に於て閉鎖する。左側の上から２番目
のグラフはアーク電流のための制御信号を示す。この制
御信号は電源50の制御体によって発生される。本発明に
従えば、アーク電流制御のための信号はその状態を、時
間t1経過後の時間である時間t2に於て、やはり状態“1"
から状態“0"として示されるように状態変化する。従っ
てガス流れは時間t2及びt1の差と等しい時間間隔Δｔに
於てアーク電流に先立って遮断される。左側の最下部の
グラフはアーク電流遮断プロセスのための交互の制御シ
ーケンスを示している。本発明に従えば、アーク電流制
御信号は、弁制御信号と同じ時間であるところの時間t1
に於て、やはり状態“1"から状態“0"として示されるよ
うに状態変化する。この変化によって制御体はアーク電
流を、図1Dの右側の最下部のグラフに示されるように傾
斜状態での降下を開始させる。
図1D右側の各グラフには１）、プラズマアークチャン
バー32を通してのガス流量と、２）時間t2でのアーク電
流の急激な階段的遮断段階としての遮断プロセスと、
３）時間t1での全電荷が、アーク電流がゼロへと消滅す
る時間t2で維持可能な最小電流へと漸次的に降下され
る、代替可能なアーク電流遮断プロセスとが示される。
これらのグラフもやはり時間の関数として表されまた左
側の対応するグラフと同じ時間で表されている。ソレノ
イド弁48を時間t1で閉じた後、ガス流れは一定状態で減
少する。一般に直線的な減少が示されるが、その関係は
実際はより複雑であってその曲線は一般に指数関数的で
ある。重要な因子はガス流量が、ａ）．アーク電流が遮
断される時間t2では、図1Dの右側の上から２番目のグラ
フに示されるようにその値が比較的小さく、或はｂ）．
アーク電流が漸次勾配的に降下された後の時間t2では、
図1Dの右側の最下部のグラフに追随して、その値が比較
的小さくなるように、実質的に時間間隔Δｔの間に降下
することである。本発明の現在好ましい具体例では、右
側の最上部のグラフに示されるような、非−換気式の勾
配的に降下するガス流れが、右側の最下部のグラフに示
されるような勾配的に降下するアーク電流と組み合わせ
て使用される。従ってこの具体例ではガス流量は時間間
隔Δｔの間で変化する。この好ましい作動モードでは、
より小さいアーク電流が、ガスの密度をプラズマアーク
チャンバーを通してのガス流量を増大させる様式に於て
変化させるという事実があるにも関わらず、電極の損失
は最小である。尚、その他因子は一定である。
バー32を通してのガス流量と、２）時間t2でのアーク電
流の急激な階段的遮断段階としての遮断プロセスと、
３）時間t1での全電荷が、アーク電流がゼロへと消滅す
る時間t2で維持可能な最小電流へと漸次的に降下され
る、代替可能なアーク電流遮断プロセスとが示される。
これらのグラフもやはり時間の関数として表されまた左
側の対応するグラフと同じ時間で表されている。ソレノ
イド弁48を時間t1で閉じた後、ガス流れは一定状態で減
少する。一般に直線的な減少が示されるが、その関係は
実際はより複雑であってその曲線は一般に指数関数的で
ある。重要な因子はガス流量が、ａ）．アーク電流が遮
断される時間t2では、図1Dの右側の上から２番目のグラ
フに示されるようにその値が比較的小さく、或はｂ）．
アーク電流が漸次勾配的に降下された後の時間t2では、
図1Dの右側の最下部のグラフに追随して、その値が比較
的小さくなるように、実質的に時間間隔Δｔの間に降下
することである。本発明の現在好ましい具体例では、右
側の最上部のグラフに示されるような、非−換気式の勾
配的に降下するガス流れが、右側の最下部のグラフに示
されるような勾配的に降下するアーク電流と組み合わせ
て使用される。従ってこの具体例ではガス流量は時間間
隔Δｔの間で変化する。この好ましい作動モードでは、
より小さいアーク電流が、ガスの密度をプラズマアーク
チャンバーを通してのガス流量を増大させる様式に於て
変化させるという事実があるにも関わらず、電極の損失
は最小である。尚、その他因子は一定である。
時間間隔Δｔの正確な値はトーチ及び特定の作動パラ
メーターによって異なるものの、大抵の低電流プラズマ
アーク切断用途のためにはΔｔは、電極の損耗を低減さ
せるためには500ミリセカンド或はそれ未満が適切であ
ることが分かった。MAX200型トーチではおよそ250から3
00ミリセカンドのΔｔが、換気が無く且つ引き続くアー
ク電流の勾配的な降下が有る状態では最適であることが
分かった。MAX100型トーチを使用しての作業では、本発
明を使用した120カットサイクルの後のピット深さ（損
耗）は約0.005インチ（約0.127ミリメートル）である一
方、本発明を使用しない通常作業でのピット深さは約0.
025インチ（約0.635ミリメートル）であった。こうした
損耗の減少は電極寿命に繋がる。その寿命は５倍であ
り、従来達成し得た内で最良のものであった。本発明は
また、平均的に、トーチの、従来の定格を上回る電力で
の作動を可能とする。
メーターによって異なるものの、大抵の低電流プラズマ
アーク切断用途のためにはΔｔは、電極の損耗を低減さ
せるためには500ミリセカンド或はそれ未満が適切であ
ることが分かった。MAX200型トーチではおよそ250から3
00ミリセカンドのΔｔが、換気が無く且つ引き続くアー
ク電流の勾配的な降下が有る状態では最適であることが
分かった。MAX100型トーチを使用しての作業では、本発
明を使用した120カットサイクルの後のピット深さ（損
耗）は約0.005インチ（約0.127ミリメートル）である一
方、本発明を使用しない通常作業でのピット深さは約0.
025インチ（約0.635ミリメートル）であった。こうした
損耗の減少は電極寿命に繋がる。その寿命は５倍であ
り、従来達成し得た内で最良のものであった。本発明は
また、平均的に、トーチの、従来の定格を上回る電力で
の作動を可能とする。
時間t2では、ガス送給が時間t1に於て遮断されはする
ものの、残留ガス流れが存在することに留意されたい。
これは、電流を遮断するまで及びその時点で、アークを
安定化するため及びノズルの損傷を防止するために十分
なガス流れがプラズマアークチャンバー内部に存在する
ことを保証する。電流の遮断後にもまた短時間のサージ
が起きる。これは、アークの無い状態でのガスの急激な
冷却とプラズマアークチャンバー内のガス圧力によって
作動するトーチからのガスの急速な吹き出し及びアーク
消滅後におけるガス特性の急変とを反映したものである
と考えられる。この現象は、プラズマアークトーチへの
プラズマガスの流れ44を減少させることにより、時間間
隔Δｔの間にトーチへのガス流れを低減可能では有る
が、それよりもソレノイド弁48を完全に閉じる方が、そ
れによってプラズマアークチャンバーの上流側がアーク
電流が遮断された場合の流れサージの強さを減衰し且つ
全プラズマガス流れ量を制限することから好ましいとい
うことを示唆している。すでに述べたようにアーク電流
を時間t2に於て急激に遮断するよりはむしろ、時間t
1で、例えば時間間隔Δｔの間に勾配的に降下させるこ
とによって減少させることは本発明の範囲内のものであ
る。時間t1以前に、或は時間t1の後に、即ちソレノイド
弁を閉じる以前或はその後に全電流の低減を可能とする
こともまた本発明の範囲に含まれる。
ものの、残留ガス流れが存在することに留意されたい。
これは、電流を遮断するまで及びその時点で、アークを
安定化するため及びノズルの損傷を防止するために十分
なガス流れがプラズマアークチャンバー内部に存在する
ことを保証する。電流の遮断後にもまた短時間のサージ
が起きる。これは、アークの無い状態でのガスの急激な
冷却とプラズマアークチャンバー内のガス圧力によって
作動するトーチからのガスの急速な吹き出し及びアーク
消滅後におけるガス特性の急変とを反映したものである
と考えられる。この現象は、プラズマアークトーチへの
プラズマガスの流れ44を減少させることにより、時間間
隔Δｔの間にトーチへのガス流れを低減可能では有る
が、それよりもソレノイド弁48を完全に閉じる方が、そ
れによってプラズマアークチャンバーの上流側がアーク
電流が遮断された場合の流れサージの強さを減衰し且つ
全プラズマガス流れ量を制限することから好ましいとい
うことを示唆している。すでに述べたようにアーク電流
を時間t2に於て急激に遮断するよりはむしろ、時間t
1で、例えば時間間隔Δｔの間に勾配的に降下させるこ
とによって減少させることは本発明の範囲内のものであ
る。時間t1以前に、或は時間t1の後に、即ちソレノイド
弁を閉じる以前或はその後に全電流の低減を可能とする
こともまた本発明の範囲に含まれる。
図2Aから2Cには本発明の別態様の具体例を組み込んで
なる。プラズマアーク切断用トーチ12′が示され、図1A
から1Cに於けるそれと同一の部品には同一の参照番号が
ダッシュ付きで付記されている。トーチ12′及びトーチ
システム52′の構造及び動作モードは、通気管66及び、
この通気管66を開閉するために連結された関連するソレ
ノイド弁68が追加されていることを除き、図1Aから1Cに
関して説明されたと同一である。通気管66は電流リング
38′に差し通されプレナムチャンバー42′と流体連通さ
れる。制御体からの制御信号がライン68a、68aを通して
伝達され、弁68を作動する。この具体例では、ソレノイ
ド弁48は時間t1にて閉鎖されソレノイド弁68は開放され
る。通気管66の端部66aが大気或はその他、真空チャン
バー等の低圧領域に開放されていることから、ソレノイ
ド弁68を開放するとプレナムチャンバー及びプラズマア
ークチャンバー内のガス流れ及び圧力は図1Aから1Cの具
体例におけるよりもずっと急速に減少する。これによ
り、ガス流れが時間t1に於て遮断されると、アーク電流
はより急速に遮断可能とされる。しかしながら、この構
成ではその調時が極めて重要であることが見出された。
通気によって交互する流路が確立されることからノズル
を通しての流れが減少し、それがプラズマガスを急激に
不安定な状態とする。一般に、通気が為される場合、通
気無しの且つ非常に短時間の交互する流れが電流の遮断
に先行する。こうした通気が使用される場合、時間間隔
Δｔは、MAX200型トーチを空気作動させる場合には、25
0ミリセンカンドから５ミリセカンド未満に減少可能で
ある。これにより、不安定となったアークによってノズ
ルが損傷を受ける恐れが減少され得る。ソレノイド弁48
及び68は単一の通気型弁として組み合わせ得る。
なる。プラズマアーク切断用トーチ12′が示され、図1A
から1Cに於けるそれと同一の部品には同一の参照番号が
ダッシュ付きで付記されている。トーチ12′及びトーチ
システム52′の構造及び動作モードは、通気管66及び、
この通気管66を開閉するために連結された関連するソレ
ノイド弁68が追加されていることを除き、図1Aから1Cに
関して説明されたと同一である。通気管66は電流リング
38′に差し通されプレナムチャンバー42′と流体連通さ
れる。制御体からの制御信号がライン68a、68aを通して
伝達され、弁68を作動する。この具体例では、ソレノイ
ド弁48は時間t1にて閉鎖されソレノイド弁68は開放され
る。通気管66の端部66aが大気或はその他、真空チャン
バー等の低圧領域に開放されていることから、ソレノイ
ド弁68を開放するとプレナムチャンバー及びプラズマア
ークチャンバー内のガス流れ及び圧力は図1Aから1Cの具
体例におけるよりもずっと急速に減少する。これによ
り、ガス流れが時間t1に於て遮断されると、アーク電流
はより急速に遮断可能とされる。しかしながら、この構
成ではその調時が極めて重要であることが見出された。
通気によって交互する流路が確立されることからノズル
を通しての流れが減少し、それがプラズマガスを急激に
不安定な状態とする。一般に、通気が為される場合、通
気無しの且つ非常に短時間の交互する流れが電流の遮断
に先行する。こうした通気が使用される場合、時間間隔
Δｔは、MAX200型トーチを空気作動させる場合には、25
0ミリセンカンドから５ミリセカンド未満に減少可能で
ある。これにより、不安定となったアークによってノズ
ルが損傷を受ける恐れが減少され得る。ソレノイド弁48
及び68は単一の通気型弁として組み合わせ得る。
図3aから3Dには、本発明に従うトーチ10″及びトーチ
システム52″の別態様が示され、同じ部品には同じ参照
番号が二重のダッシュを付けて付記されている。この具
体例は電極の損耗が、プラズマアークチャンバーを通る
ガス流れの流量のみならず流れパターンをアーク電流遮
断の直前に変化させると、実質的に低減され得ると言う
発見に基づくものである。詳説すれば、電極の損耗は、
ガスの渦流がアーク電流遮断の直前に減少されれば殆ど
無視出来るレベルにまで減少される。中程度のガス圧力
ではこの結果は高ガス流量（例えば120scfh（標準状態
で約3.398m3）でさえも変わらない。ハイパーサーム社
のMAX100型トーチを使用しての作業では、プラズマアー
クチャンバー内へのガス流れが半径方向（渦流の無い）
でありしかもプラズマアークチャンバー内のガス圧力が
30psi（約2.11kg/cm2）である場合の電極損耗は無視し
得るものであった。安全な半径方向流及び中乃至低のガ
ス圧力が最良の結果をもたらすが、本発明は完全にはや
や至らない半径方向流及びより大きなガス圧力の下でも
電極の損傷を低減する。この具体例での主たる関心事項
もやはり渦流が無い場合でのプラズマアークの不安定化
である。本発明はこれを渦流リングを使用し、次いで全
流量を実質的に妨害することなくアーク電流の遮断の直
前に半径方向流に切り替えることで解決する。トーチ1
0″及びトーチシステム52″はこの作動モードを達成す
る。
システム52″の別態様が示され、同じ部品には同じ参照
番号が二重のダッシュを付けて付記されている。この具
体例は電極の損耗が、プラズマアークチャンバーを通る
ガス流れの流量のみならず流れパターンをアーク電流遮
断の直前に変化させると、実質的に低減され得ると言う
発見に基づくものである。詳説すれば、電極の損耗は、
ガスの渦流がアーク電流遮断の直前に減少されれば殆ど
無視出来るレベルにまで減少される。中程度のガス圧力
ではこの結果は高ガス流量（例えば120scfh（標準状態
で約3.398m3）でさえも変わらない。ハイパーサーム社
のMAX100型トーチを使用しての作業では、プラズマアー
クチャンバー内へのガス流れが半径方向（渦流の無い）
でありしかもプラズマアークチャンバー内のガス圧力が
30psi（約2.11kg/cm2）である場合の電極損耗は無視し
得るものであった。安全な半径方向流及び中乃至低のガ
ス圧力が最良の結果をもたらすが、本発明は完全にはや
や至らない半径方向流及びより大きなガス圧力の下でも
電極の損傷を低減する。この具体例での主たる関心事項
もやはり渦流が無い場合でのプラズマアークの不安定化
である。本発明はこれを渦流リングを使用し、次いで全
流量を実質的に妨害することなくアーク電流の遮断の直
前に半径方向流に切り替えることで解決する。トーチ1
0″及びトーチシステム52″はこの作動モードを達成す
る。
トーチ10″は、その各々が別個のプレナムチャンバー
を、そして結局は別個の渦流リング28″或は同等の構造
部分の独立した入口孔への送給を為す２つの別個のガス
送給ラインによって作動される点を除き、トーチ10及び
10′と一般に同一の構造を有している。図示された好ま
しい形態に於ては、最初のガス流れ44cは入り口管4
6″、ソレノイド弁48″、環状のプレナムチャンバー4
2″、ガス導入穴30、プラズマアークチャンバー32″を
送達され、出口ノズルオリフィス16″から出る。このガ
ス流路が、良好な品質の切断を創出しまたアークを安定
させての切断のための渦流ガス流れを提供する。渦流
は、図3Bに最も良く示されるように半径方向にオフセッ
トされたガス導入孔30″によって確立される。プレナム
チャンバー42″は、電流リングがその下方の、渦流リン
グ28″の凹型段部にガス密封シール状態で衝接する縁部
位置に、下方に伸延する環状の壁38a及びフランジ38bを
具備していることを除き、先の具体例のそれと同一の構
成部品によって画定される。（このシールを、渦流リン
グを必要に応じてトーチから取り外し可能とするＯ−リ
ング、ラビリンスシール或は任意の従来通りのガスシー
ルと共に固着し得ることを理解されたい。）これらの環
状の壁38a及びフランジ38bは離間され且つ外側のプレナ
ムチャンバー42″及び内側のプレナムチャンバー42d″
から相互に隔絶されている。
を、そして結局は別個の渦流リング28″或は同等の構造
部分の独立した入口孔への送給を為す２つの別個のガス
送給ラインによって作動される点を除き、トーチ10及び
10′と一般に同一の構造を有している。図示された好ま
しい形態に於ては、最初のガス流れ44cは入り口管4
6″、ソレノイド弁48″、環状のプレナムチャンバー4
2″、ガス導入穴30、プラズマアークチャンバー32″を
送達され、出口ノズルオリフィス16″から出る。このガ
ス流路が、良好な品質の切断を創出しまたアークを安定
させての切断のための渦流ガス流れを提供する。渦流
は、図3Bに最も良く示されるように半径方向にオフセッ
トされたガス導入孔30″によって確立される。プレナム
チャンバー42″は、電流リングがその下方の、渦流リン
グ28″の凹型段部にガス密封シール状態で衝接する縁部
位置に、下方に伸延する環状の壁38a及びフランジ38bを
具備していることを除き、先の具体例のそれと同一の構
成部品によって画定される。（このシールを、渦流リン
グを必要に応じてトーチから取り外し可能とするＯ−リ
ング、ラビリンスシール或は任意の従来通りのガスシー
ルと共に固着し得ることを理解されたい。）これらの環
状の壁38a及びフランジ38bは離間され且つ外側のプレナ
ムチャンバー42″及び内側のプレナムチャンバー42d″
から相互に隔絶されている。
ガス流れ44dは、入口管46d″、ソレノイド弁48d″、
プレナムチャンバー42d″、ガス導入穴30d″、プラズマ
アークチャンバー42″を通して送達され、出口ノズルオ
リフィス16″から出る。ガス流れ44dのためのこの第２
のガス流路では渦流リング内にガス導入穴30d″が、一
般に半径方向に向けられた状態で使用される。これは図
3Cに最も良く示される。プレナムチャンバーを通るガス
流れは従って、プラズマアークチャンバー32″を通して
出口オリフィス16″に至る（下向きの）軸方向流であ
り、渦流は実質的に生じない。
プレナムチャンバー42d″、ガス導入穴30d″、プラズマ
アークチャンバー42″を通して送達され、出口ノズルオ
リフィス16″から出る。ガス流れ44dのためのこの第２
のガス流路では渦流リング内にガス導入穴30d″が、一
般に半径方向に向けられた状態で使用される。これは図
3Cに最も良く示される。プレナムチャンバーを通るガス
流れは従って、プラズマアークチャンバー32″を通して
出口オリフィス16″に至る（下向きの）軸方向流であ
り、渦流は実質的に生じない。
本発明のこの方法具体例では、トーチへの電流を遮断
する以前の予め決定された、しかし極めて短時間の時間
間隔Δｔの間に制御体がガス流れ14cのためのソレノイ
ド弁48d″を閉じ、ガス流れ44dのためのソレノイド弁48
d″を開く。反応性ガスを使用するMAX100型トーチのた
めの時間間隔Δｔは代表的には500ミリセカンド未満で
ある。流れパターンにおけるこうした変化は、流れ或は
電流パラメーターを変えない場合、電極の損耗を劇的に
低減させることが分かった。しかしながらこの具体例
は、図1Aから1D及び図2Aから2Cに関して先に説明した質
量流減少のための具体例と組み合わせることが出来る。
例えば、電流レベルを時間t1の後に勾配的に降下させ得
る。
する以前の予め決定された、しかし極めて短時間の時間
間隔Δｔの間に制御体がガス流れ14cのためのソレノイ
ド弁48d″を閉じ、ガス流れ44dのためのソレノイド弁48
d″を開く。反応性ガスを使用するMAX100型トーチのた
めの時間間隔Δｔは代表的には500ミリセカンド未満で
ある。流れパターンにおけるこうした変化は、流れ或は
電流パラメーターを変えない場合、電極の損耗を劇的に
低減させることが分かった。しかしながらこの具体例
は、図1Aから1D及び図2Aから2Cに関して先に説明した質
量流減少のための具体例と組み合わせることが出来る。
例えば、電流レベルを時間t1の後に勾配的に降下させ得
る。
図3Dには、この交互する流れパターンモードに於て本
発明を実施するために好適なシステム52″が示される。
トーチから離間した、従ってトーチによって創出される
実質的な電磁干渉を受けない制御コンソール64″がガス
流れ44cを制御する。同様の制御コンソール64a″がガス
流れ44d″を制御する、実質上は制御コンソール64″及
び制御コンソール64a″は１つのユニットとし得る。
発明を実施するために好適なシステム52″が示される。
トーチから離間した、従ってトーチによって創出される
実質的な電磁干渉を受けない制御コンソール64″がガス
流れ44cを制御する。同様の制御コンソール64a″がガス
流れ44d″を制御する、実質上は制御コンソール64″及
び制御コンソール64a″は１つのユニットとし得る。
時間間隔Δｔのためにさまざまな時間が提案された
が、最適な時間間隔は特定のトーチ、その用途、関連す
るパラメーターに依存する。一般的には時間間隔Δｔは
ガスの形式、電流レベル、ノズルオリフィスの寸法、ガ
ス流量、ガス流れパターン、入口管及び通気管内部のソ
レノイド弁及びプラズマの関数である。MAX100型トーチ
のための離間距離は好ましくは12インチ（約3.048セン
チメートル）である。この距離によって、プラズマアー
クチャンバーの上流側及び弁の渦流側の大きな流れ質量
に基く流れパラメーターの遅延及び意図せざる変動が回
避される。然るべき時間間隔Δｔのための値は経験的に
容易に決定され得る。本発明がアーク電流遮断直前にガ
ス流れを交互させることに焦点が向けられたが、この交
互状態が電気的遮断を通してそしてその後の短時間にわ
たり継続されることを理解されたい。しかしながらガス
流れは通常、入口管内部のソレノイド弁を閉じそれがプ
ラズマアークチャンバーを通るガス流れを結局ゼロとす
ることによって、或は図3Aから3Dの具体例における、ガ
ス導入穴30″に通じる“半径方向”のガス流路内のソレ
ノイド弁48d″を閉じることによって、アーク電流遮断
後の極めて短時間の内に完全に停止する。
が、最適な時間間隔は特定のトーチ、その用途、関連す
るパラメーターに依存する。一般的には時間間隔Δｔは
ガスの形式、電流レベル、ノズルオリフィスの寸法、ガ
ス流量、ガス流れパターン、入口管及び通気管内部のソ
レノイド弁及びプラズマの関数である。MAX100型トーチ
のための離間距離は好ましくは12インチ（約3.048セン
チメートル）である。この距離によって、プラズマアー
クチャンバーの上流側及び弁の渦流側の大きな流れ質量
に基く流れパラメーターの遅延及び意図せざる変動が回
避される。然るべき時間間隔Δｔのための値は経験的に
容易に決定され得る。本発明がアーク電流遮断直前にガ
ス流れを交互させることに焦点が向けられたが、この交
互状態が電気的遮断を通してそしてその後の短時間にわ
たり継続されることを理解されたい。しかしながらガス
流れは通常、入口管内部のソレノイド弁を閉じそれがプ
ラズマアークチャンバーを通るガス流れを結局ゼロとす
ることによって、或は図3Aから3Dの具体例における、ガ
ス導入穴30″に通じる“半径方向”のガス流路内のソレ
ノイド弁48d″を閉じることによって、アーク電流遮断
後の極めて短時間の内に完全に停止する。
プラズマアークトーチ、特には切断用トーチの、しか
し一般にはプラズマトーチの全ての形式、例えば溶接、
噴霧その他用途のためのものにおける電極の損耗を低減
させるための方法及び装置が説明された。本発明は、そ
の任意の具体例に於て、全ての電極に於て現在生じてい
る電極の損耗を低減し、その寿命を少なくとも２倍に、
そして10倍或はそれ以上に延ばすことが可能である。本
発明によれば所定のトーチをより大きな電力レベルでし
かも反応性ガスと共に作動させることが出来る。こうし
た利益は、切断の品質を低下させることなく、また標準
的な電極及びノズルを使用して実現可能である。実際、
渦流流れが切断中には電極を損耗しないことが分かり、
また強い渦流が高品質の切断を生むことが分かったこと
から、今やトーチ内での渦流の強さを増大させて切断品
質を向上させることが可能である。更には、既存のプラ
ズマアークトーチ及び完全なトーチシステムを、本発明
を使用するべく容易に改変可能である。以上本発明を具
体例を参照して説明したが、本発明の内で多くの変更を
成し得ることを理解されたい。例えば、トーチは水冷さ
れる図示されない冷却用通路を具備し得、或は金属薄膜
の溶接或は噴霧用途のために適合され得る。トーチはま
た、トーチの構造を変えて対応させることで種々の創生
技法をも使用可能である。電極及びノズルはいろいろな
形状及び構成を取り得る。渦流リング28″は、図示され
たように単一部品としてではなく、別個の２つの、軸方
向に積み重ねた或は軸方向に離間したリング形態のもの
とし得る。
し一般にはプラズマトーチの全ての形式、例えば溶接、
噴霧その他用途のためのものにおける電極の損耗を低減
させるための方法及び装置が説明された。本発明は、そ
の任意の具体例に於て、全ての電極に於て現在生じてい
る電極の損耗を低減し、その寿命を少なくとも２倍に、
そして10倍或はそれ以上に延ばすことが可能である。本
発明によれば所定のトーチをより大きな電力レベルでし
かも反応性ガスと共に作動させることが出来る。こうし
た利益は、切断の品質を低下させることなく、また標準
的な電極及びノズルを使用して実現可能である。実際、
渦流流れが切断中には電極を損耗しないことが分かり、
また強い渦流が高品質の切断を生むことが分かったこと
から、今やトーチ内での渦流の強さを増大させて切断品
質を向上させることが可能である。更には、既存のプラ
ズマアークトーチ及び完全なトーチシステムを、本発明
を使用するべく容易に改変可能である。以上本発明を具
体例を参照して説明したが、本発明の内で多くの変更を
成し得ることを理解されたい。例えば、トーチは水冷さ
れる図示されない冷却用通路を具備し得、或は金属薄膜
の溶接或は噴霧用途のために適合され得る。トーチはま
た、トーチの構造を変えて対応させることで種々の創生
技法をも使用可能である。電極及びノズルはいろいろな
形状及び構成を取り得る。渦流リング28″は、図示され
たように単一部品としてではなく、別個の２つの、軸方
向に積み重ねた或は軸方向に離間したリング形態のもの
とし得る。
（発明の効果） プラズマアークトーチの電極における損耗を著しく減
少させそれにより、その寿命を延ばすことが可能とな
る。
少させそれにより、その寿命を延ばすことが可能とな
る。
電極の損耗を減少させそれにより、反応性ガスと共に
作動される場合でさえも、現在可能なより高い水準での
作業が可能となる。
作動される場合でさえも、現在可能なより高い水準での
作業が可能となる。
より高レベルの渦流を可能にすることによって、従来
可能であったよりも優れた切断品質が達成される。
可能であったよりも優れた切断品質が達成される。
ハフニウム製のエミッタ素子をジルコニウムの如きよ
り安価な他の材料製のものと交換可能とする様式で電極
の損耗が低減される。
り安価な他の材料製のものと交換可能とする様式で電極
の損耗が低減される。
標準的な電極及びノズル構造を使用し、切断中の金属
工作物からの溶融金属の跳ね返りによるノズルのえぐれ
等の、トーチ部品に対する損傷の危険をほとんど増大さ
せることなく上記利点が提供される。
工作物からの溶融金属の跳ね返りによるノズルのえぐれ
等の、トーチ部品に対する損傷の危険をほとんど増大さ
せることなく上記利点が提供される。
比較的簡単な部品を使用し、安価な改変を加えること
によって既存のプラズマアークトーチに上記利点が提供
される。
によって既存のプラズマアークトーチに上記利点が提供
される。
製造コスト及び運転コストを許容しうる程度に維持し
たままで、上記利点が提供される。
たままで、上記利点が提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クーチ，リチャード ダブリュー．，ジ ュニア アメリカ合衆国 03755 ニューハンプ シャー，ハノーバー，ライム ロード （番地なし) (56)参考文献 特開 昭63−49367（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−32899（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−29249（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−66356（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−83376（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−20777（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭38−14469（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許4195216（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 10/00
Claims (14)
- 【請求項１】トーチ本体部の一端部に、工作物に隣り合
って設けられ電極との間部分にプラズマアークチャンバ
ーを形成するべく前記電極に関して離間した関係で設け
られたノズルと、イオン化し得るガスをプラズマアーク
チャンバーに送るための手段と、プラズマアークを形成
するためにガスをイオン化するための電流を電極を通し
て送るための手段とを含むプラズマアークトーチの電極
の損耗を低減するための方法であって、 電流を遮断する電流遮断段階と、 プラズマアークチャンバーを通しての前記イオン化し得
るガスの流れを、前記電流遮断段階の直前に変更し、該
電流遮断段階後に継続させるガス流れ変更段階にして、
プラズマチャンバーを通しての前記ガス流れを、前記電
流遮断段階以前においてはプラズマアークを制御するに
十分に維持し、前記電流遮断段階と一般に同時に実質的
に減少させるガス流れ変更段階と、 を包むプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するた
めの方法。 - 【請求項２】ガス流れ変更段階は、 （ｉ）ガスの質量流量を減少させる段階と、 （ii）プラズマアークチャンバー内のガスの渦流を低減
させる段階と、 （iii）電流を、その遮断の直前に於て低減させる段階
と、 （iv）前記段階（ｉ）、（ii）、（iii）の任意の組み
合わせ段階と、 からなる段階群の中から選択した１つの段階を含んでい
る請求の範囲１に記載のプラズマアークトーチの電極の
損耗を低減するための方法。 - 【請求項３】プラズマアークチャンバー内のガスの流れ
を急速に変更させるための、ガス流れ変更段階と協動し
ての通気段階が含まれる請求の範囲２に記載のプラズマ
アークトーチの電極の損耗を低減するための方法。 - 【請求項４】ガス流れの変更は、電極の損耗を低減させ
るための電流遮断以前の十分長い時間に、しかしアーク
がノズルを損傷しないよう電流遮断以前の十分に短い時
間に於て為される請求の範囲１、２或は３の何れかに記
載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するため
の方法。 - 【請求項５】ガスの質量流量を減少させる段階には、ト
ーチ本体部を通してプラズマアークチャンバーへと流れ
るガスの流れを止める段階が含まれる請求の範囲２に記
載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するため
の方法。 - 【請求項６】トーチ本体部を通してプラズマアークチャ
ンバーへと流れるガスの流れを止める位置をプラズマチ
ャンバーに接近させる段階を含む請求の範囲５に記載の
プラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方
法。 - 【請求項７】電流の減少は徐々に為され、ガス流れの変
更段階と共に開始され、電流遮断と共に終了される請求
の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を
低減するための方法。 - 【請求項８】電流の減少は、プラズマアークチャンバー
へのガスの流量の減少に追随して勾配的に為され、ある
いはプラズマアークチャンバー内のガス流れの渦流の減
少と共に勾配的に成される請求の範囲７に記載のプラズ
マアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。 - 【請求項９】ガス流れの変更に先立って電流の減少が開
始される請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの
電極の損耗を低減するための方法。 - 【請求項１０】プラズマアークチャンバー内のガスの渦
流を低減させる段階には、プラズマアークチャンバー内
部への半径方向にオフセットされた流れからプラズマア
ークチャンバー内部への全体に半径方向の流れへの切り
替え段階が含まれ、この切替段階によって、プラズマア
ークチャンバーを通しての実質的に軸方向の流れが創生
される請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電
極の損耗を低減するための方法。 - 【請求項１１】プラズマアークトーチが本体部と、工作
物に隣り合うその一端部に於て前記本体部に取付けられ
出口ポートを具備するノズルと、該ノズルに関して離間
関係で本体部に取付けられた電極と、前記ノズル及び電
極の間部分に画定され前記出口ポートと流体連通するプ
ラズマアークチャンバーと、イオン化し得るガスの流れ
をプラズマアークチャンバーに送るための、同様に前記
本体部に取付けられた第１の渦流リングと、電流と、該
電源からの電流を電極に導通し、またプラズマアークが
移行アークモードにある場合にはプラズマアークを介し
て工作物に電流を送るための手段とを含み、前記電源
が、プラズマアークトーチに対する電流の通電開始及び
遮断のための手段を含んでいるプラズマアークトーチシ
ステムであって、 電流遮断段階以前においてはプラズマアークを制御する
に十分に維持し、前記電流遮断段階と一般に同時に実質
的に減少させるためにプラズマアークチャンバーを通し
てのガスの質量流量を減少させること、プラズマアーク
チャンバーを通してのガスの流れ模様を変更すること、
前記ガスの質量流量の減少及びガス流れ模様の変更の組
み合わせ、から成るパラメータ群から選択した１つのパ
ラメーターを変化させるためのパラメーター変化手段
と、 該パラメーター変化手段を、電流を遮断する直前に作動
させそれによって電極の損耗を実質的に低減させるため
のパラメーター変化手段作動手段と、 によって構成されるプラズマアークトーチシステム。 - 【請求項１２】パラメーター変化手段は、プラズマアー
クチャンバーへのガスの流れを制御するための弁手段を
含んでいる請求の範囲11に記載のプラズマアークトーチ
システム。 - 【請求項１３】パラメーター変化手段は、プラズマアー
クチャンバーにガスを導入するための全体に半径方向の
ガス導入穴を具備する第２の渦流リングにして、前記プ
ラズマアークチャンバーへのガス流れを前記第１の渦流
リングから該第２の渦流リングへと切り替えるための弁
手段と組み合わせた状態に於てトーチ本体部に取付けら
れている第２の渦流リングを含んでいる請求の範囲11に
記載のプラズマアークトーチシステム。 - 【請求項１４】パラメーター変化手段は、プラズマアー
クチャンバーからの通気のための通気手段と、該通気手
段を開閉するためにパラメーター変化手段作動手段の制
御下に作動自在の弁手段とを含んでいる請求の範囲11に
記載のプラズマアークトーチシステム。
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