JP3714517B2

JP3714517B2 - プラズマトーチ、プラズマトーチ用電極及びその製造方法

Info

Publication number: JP3714517B2
Application number: JP14107599A
Authority: JP
Inventors: 義博山口; 一浩蔵岡
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: JP2000326072A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、プラズマアークを用いた切断又は溶接などのプラズマ加工に用いられるプラズマトーチに関し、特にトーチのサイズを小型化するための構造上の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマトーチの構造は基本的に、電極、ノズル、ノズル保護キャップなどのいずれも筒形の複数の部品が多重に同軸で組み合わされたものであり、これら筒形の部品と部品の間には冷却水通路や作動ガスやアシストガスなどの各種ガスの通路などが存在する。これらの部品のサイズによってトーチ全体のサイズが決まるが、それを左右する最も大きな要因の一つが、必要とされる冷却能力の大きさである。定格アーク電流の大きいトーチほど、必要な冷却能力は大きくなり、よってサイズが大きくなる。例えば、４０Ａ程度の小電流のトーチでは、電極だけを水冷し、ノズルやその外側のキャップ類はアシストガスなどによる空冷で済ませることができ、しかも、電極内の冷却水路も細くて済む。これに対し、例えば、３００Ａ程度の大電流のトーチは、冷却水路が太いことは勿論、それに加え、電極だけでなくノズルやキャップ類も水冷するためにそれらの部品全てに冷却水路を備えるというように、構造面でも複雑化し、サイズは各段に大きい。また、例えば１２０Ａ程度の中電流のトーチは、例えば、電極とノズルは水冷し、キャップ類は空冷するというような中間的な構造を有し、サイズも中程度である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプラズマトーチは、その定格電流値に応じて、必要となる冷却能力の違いから、それぞれ独自の構造を有し、そして、電流値が大きいほど、構造は複雑になり、サイズは大きくなる。
【０００４】
しかし、トーチのサイズはできるだけ小さいほうが、加工作業のし易さ、トーチ移動制御のし易さ、及び、消耗品であるノズルや電極が小さくなることにより製造コストが低くなってランニングコストが低くなるなどの様々な面で有利である。そのため、特に大電流のトーチのサイズをもっと小型化したいという要求がある。また、１種類のトーチで、種々の電流値について汎用に利用できた方が有利である。例えば、従来の中電流トーチに匹敵するサイズのトーチで、中電流だけでなく大電流にも使うことができれば、設備投資やメンテナンスなどの様々な面で有利である。このような要求に応えようとする上で最大の問題は、小さいサイズのトーチにおいて高い冷却能力をいかに確保するかという点である。すなわち、冷却能力は冷却水量に依存し、冷却水を大量に流せばその分、冷却量力は向上する。冷却水量を増やす安易な方法は、冷却水を圧送するためのポンプの吐出圧を高めることである。しかしながら、水回路の抵抗（圧損）は水量の二乗に比例するため、ポンプ吐出圧を多少上げても、満足できる水量増加の効果は期待できない。そのため、トーチの構造面から、水回路の圧損を小さくする工夫が必要となる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記の要求に応えるために、小さいサイズであっても水回路の圧損が小さく、よって大きい冷却能力が発揮できるプラズマトーチを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に従うプラズマトーチは、プラズマアークの発生点となる耐熱インサートが取りつけられた閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、この電極の外側を包囲し、電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、冷却水を出す水出口をもった先端部を有し、水出口が電極の先端部の近傍まで到達するように電極の内部に挿入されている導水管とを備える。導水管は、水出口から所定の長さにわたる先端側部分と、この先端側部分よりも基端側に位置する基端側部分とを有する。そして、導水管の太さは、先端側部分にて基端側部分よりも細くなっている。
【０００７】
このプラズマトーチでは、電極内部に挿入される導水管が、先端側部分にて基端側部分より細くなっているため、それに合わせて、電極の先端側部分も細くすることができる。電極の先端側部分には、その外側にノズルなどの諸部品が被さるので、電極の先端側部分を細くすることができることにより、トーチ全体も細く小型化することができる。
【０００８】
好適な実施形態では、電極内の耐熱インサートが電極内部の冷却水通路の露出していて、冷却水に直接晒される。これにより、耐熱インサートの冷却効率が向上するので、電極の先端側部分の冷却水路を細くして小型化することが一層容易になる。
【０００９】
本発明の第２の観点に従うプラズマトーチは、プラズマアークの発生点となる閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、電極の外側を包囲し、電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、冷却水を出す水出口をもった先端部を有し、水出口が前記電極の先端部の近傍まで到達するように電極の内部に挿入されている導水管と、導水管の内部に形成され、導水管の水出口まで冷却水を導く第１の冷却水通路と、導水管と電極との間に形成され、水出口から出た冷却水を電極の内周面に沿って流す第２の冷却水通路とを備える。そして、第１と第２の冷却水路の断面積がほぼ同等になっている。
【００１０】
このプラズマトーチによれば、限られた電極内側のスペースは、往復の第１と第２の冷却水路に振り分けられ、冷却水は第１の冷却水路を流れた後に第２の冷却水路を流れる。このとき、第１と第２の冷却水路の断面積がほぼ同等であるため、第１から第２へと繋がる冷却水路の抵抗（圧損）が最小になって、最大の冷却水量つまり最大の冷却能力が得られる。
【００１１】
本発明の第３の観点に従うプラズマトーチは、プラズマアークの発生点となる閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、電極の外側を包囲し、電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、プラズマトーチの中心軸から外れた位置で中心軸にほぼ平行な方向に走っている、ノズルの冷却のための冷却水が通る冷却水通路とを備える。そして、冷却水通路の断面形状が、トーチ中心軸を中心とした円周の方向の寸法が半径の方向の寸法より長い扁平な形状である。
【００１２】
このプラズマトーチによれば、冷却水路が半径方向に短い代わりに周方向には長い扁平形状であるため、必要な冷却水路の断面積を確保しつつ、トーチの径を細くすることができる。好適な実施形態では、冷却水通路の断面形状が、半径方向に短径をもつ、単純な長円又は円周に沿って湾曲した長円である。
【００１３】
本発明の第３の観点に従うプラズマトーチは、プラズマアークの発生点となる閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、電極の外側を包囲し、電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、プラズマトーチの中心軸から外れた位置でトーチ中心軸にほぼ平行な方向に走っている、ノズルの冷却のための冷却水が通る冷却水通路とを備える。そして、冷却水通路が複数本の副通路に分かれている。
【００１４】
このトーチにおいても、必要な冷却水路の断面積を確保しつつ、トーチの径を細くすることができる。トーチ径を細くする目的から、複数本の副通路は周方向に配列するのが好ましい。
【００１５】
本発明の第４の観点に従うプラズマトーチは、プラズマアークの発生点となる閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、電極の外側を包囲し、電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、ノズルの外側を包囲し、プラズマトーチの外殻として機能するキャップと、ノズルの外周面とキャップの内周面との間に形成され、ノズルとキャップを同時に冷却する冷却水通路と、キャップに形成されたアシストガス（例えば、２次ガス又は３次ガスなど）通路とを備える。
【００１６】
このトーチでは、同じ冷却水通路を流れる冷却水でノズルとキャップを同時に冷却できるので、ノズル用の冷却水通路とキャップ用の冷却水通路を別に設ける必要が無く、よって、トーチが小型化できる。
【００１７】
以上のような本発明に従うプラズマトーチは、従来のトーチと同じ冷却能力を維持しつつ、従来のトーチより小型化できる。また、本発明に従うプラズマトーチは、従来のトーチと同じサイズで、より大きい冷却能力が発揮できるので、従来より大きい電流でも使用できより汎用的である。また、より大きな冷却能力により、電極やノズルの耐久性が向上する。更に、同じ水量で冷却水を流す場合においても、本発明によれば水回路の圧損が小さくすることができるので、水ポンプの吐出圧を低く設定でき、よって、水ポンプの耐久性が向上する（一般に、水ポンプは吐出圧が高くなるほど耐久性が低下する）。
【００１８】
本発明の第５の観点に従うプラズマトーチ用電極は、閉じた先端部をもち内側に冷却水通路をもつ筒形の電極本体と、この電極本体の先端部に埋め込まれ、その前面にてアーク発生点を提供する耐熱インサートとを備え、耐熱インサートが電極本体に冶金的に結合されており、且つ、耐熱インサートの背面が電極本体の内側の冷却水通路に露出している。
【００１９】
このプラズマトーチ用電極では、耐熱インサートの背面が冷却水通路に露出して直接水冷されるので、冷却効率が高い。それに加え、耐熱インサートが電極本体に蝋接などの方法で冶金的に結合されているため、耐熱インサートと電極本体との機械的、電気的及び熱的な結合状態は極めて良好であり、そのため、例えば圧入などの方法で耐熱インサートを電極本体に埋め込んだ場合に比較して、耐熱インサートの電極への埋め込み深さを浅くすることができる（つまり、耐熱インサートの長さは短くて良い）。その結果、耐熱インサートを十分に短くして、その水冷される背面を、前面のアーク発生点に近接させることができ、よって、優れた冷却能力を発揮できる。更に、冷却能力が高いために、電極の寿命も長い。
【００２０】
好適な実施形態では、冷却水との接触面積を広くするために、耐熱インサートの背面が膨らんだ形状を有していいる。
【００２１】
本発明の第６の観点に従がうプラスマトーチ用電極の製造方法は、閉じた先端部をもち内側に冷却水通路をもつ筒形の電極本体を用意するステップと、電極本体の先端部に耐熱インサートを埋め込み、電極本体と耐熱インサートとを冶金的に結合するステップと、耐熱インサートが埋め込まれた電極の先端部の、冷却水通路に臨む部分を切除することにより、耐熱インサートの背面を冷却水通路に露出させるステップとを有する。
【００２２】
この製造方法によれば、上述した新規な構造のプラスマトーチ用電極を製造することができる。
【００２３】
好適な実施形態では、電極本体と耐熱インサートを冶金的に結合するために、次のような方法を行う。まず、電極本体の先端部の前面側に形成された凹部内に、蝋材片がより奥に位置するようにして、蝋材片と耐熱インサートとを挿入する。次に、蝋材片と耐熱インサートが凹部に挿入された状態の電極本体を加熱して蝋材片を溶融させると同時に、耐熱インサートを凹部の奥へ押し込むことにより、凹部内で溶融した蝋材を耐熱インサートの周囲に回り込ませる。次に、凹部内で溶融した蝋材が耐熱インサートの周囲に回り込んだ状態で電極本体を冷却することにより、耐熱インサートの外面と凹部の内面の蝋接を完成させる。
【００２４】
この蝋接方法は、簡単で高い生産効率をもつため、電極の製造コストを下げることができる。従って、冷却能力が高く、よって寿命の長い電極を、低いコストで製造することおができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態にかかる切断用のプラズマトーチの中心軸に沿った断面を示す。
【００２６】
プラズマトーチ１は、トーチ移動機構（図示せず）に固定されている部分（以下、「トーチ本体」という）と、このトーチ本体に着脱自在に取りつけられている部分とに大別できる。着脱自在な部分とは、トーチ軸心から外側に向かって順に、電極３、絶縁筒５、ノズル７、絶縁リング９、ノズル保護キャップ１１及び保持キャップ１３であり、これらは消耗品であり随時に交換される。
【００２７】
トーチ１の中心軸位置に、電極３内部へ冷却水を導入するための断面円形の導水管１５が配置されている。導水管１５の基端部分の外周に、これと同軸の位置関係で、円筒形のインナースリーブ１７が嵌められている。インナースリーブ１７の先端部の内側に、円筒形の電極３の基端部が嵌め込まれる。この電極３は閉じた先端部３Ａをもち、この先端部３Ａの中央のアーク発生点となる部分には、ハフニウム製などの耐熱インサート４が取りつけられている。耐熱インサート４の背面は、電極３内部の冷却水が流れる空間に露出している。
【００２８】
導水管１５は、インナースリーブ１７の先端面より前方へ突出して電極３の内部に奥深く入り込み、導水管１５の水出口１５Ａは電極３の先端部３Ａの耐熱インサート４の直ぐ背後の位置まで達している。導水管１５は、その径の太さに着目すると、インナースリーブ１７内に入っている太い大径部１５Ｂと、電極３内に入っている先端の水出口１５Ａから所定長にわたる細い小径部１５Ｄと、大径部１５Ｂと小径部１５Ｄとを繋ぐテーパしたテーパ部１５Ｃとから構成される。このような導水管１５の太さの変化に合わせて、電極３の太さも同様に変化している。すなわち、電極３は、導水管大径部１５Ｂが入っている基端側部分３Ｂにて太く、導水管テーパ部１５Ｃが入っている部分３Ｃにて内径がテーパし、そして、導水管小径部１５Ｄが入っている先端側部分３Ｄにて細い。そして、電極３の細い先端側部分３Ｄの外側にノズル７が被せられる。そのため、この電極３の細い先端側部分３Ｄはトーチ１の全体の太さを細くするのに寄与する。この理由から導水管１５の小径部１５Ｄの外径はできるだけ細い方が好ましいが、一方、導水管１５の内径（つまり、冷却水通路１９の断面積）は小径部１５Ｄと大径部１５Ｂ間に大きな差がないほうが望ましい。この要求を満たすために、導水管１５の壁の厚みを、小径部１５Ｄでは大径部１５よりも薄くしている。
【００２９】
導水管１５は、その内部に冷却水通路１９を有する。電極３の内周面と導水管１５の外周面との間に、冷却水路２１が形成されている。インナースリーブ１７の内周面と導水管１５の外周面との間に、冷却水路２３が形成されている。インナースリーブ１７の周壁を貫通して、冷却水路２５が形成されている。これらの冷却水路１９、２１、２３、２５はこの順序で連通している。電極３内の冷却水路１９及び２１はほぼ同等の断面積をもつように設計されており、それにより、限られた電極内側のスペースを振り分けた往復の冷却水路１９及び２１の抵抗（圧損）は最小になる。その下流の冷却水路２３及び２５は、その圧損を最小にすべく、構造上の可能な範囲で、最大の断面積を有するように設計されている。
【００３０】
インナースリーブ１７の先端部分の外周には、電極３の耐熱インサート４におけるアーク発生点を回転移動させるためのリングマグネット２７が嵌められている。インナースリーブ１７の基端部分の外周には、円筒形のアウタースリーブ２９が嵌められている。アウタースリーブ２９の先端部には、短円筒状のノズル台座３１が固定され、このノズル台座３１の先端部に、先端に向かってテーパした概略円錐筒形のノズル７が取りつけられている。ノズル７は、電極３と同軸の位置関係で、電極３の前述した細い部分３Ｄの外側に被さっており、耐熱インサート４の正面となるノズル先端部の中心軸位置に、プラズマアークを細く絞って前方へ噴出させるためのノズルオリフィス７Ａを有している。
【００３１】
ノズル７と電極３との間には、両者を電気的に絶縁するための円筒形の絶縁筒５が嵌め込まれている。ノズル７と絶縁筒５との間に、作動ガス通路３３が形成されており、この作動ガス通路３３には、図示しない作動ガス供給路（これは、アウタースリーブ２９とノズル台座３１の内部を通っている）から作動ガスが流入する。ノズル７と電極３の先端部３Ａとの間には、ノズルオリフィス７Ａに連通する作動ガス通路３５が形成されている。また、絶縁筒５には、作動ガス通路３３と作動ガス通路３５を連通するように、周方向に一定間隔で、半径方向に対して周方向に若干角度傾斜して穿たれた、複数の作動ガススワラ穴５Ａを有している。作動ガスは、作動ガス通路３３から作動ガススワラ穴５Ａに入り、作動ガススワラ穴５Ａから旋回流となって作動ガス通路３５へ噴出する。この作動ガス旋回流は、作動ガス通路３５を流れて、耐熱インサート４の正面でアークのエネルギーによりプラズマ化され、プラズマ旋回流となってノズルオリフィス７Ａから噴出する。
【００３２】
ノズル７の先端部に、図示しないワークやワークから吹き上がる溶融金属などからノズル７を保護するための短円筒形のノズル保護キャップ１１が被せられている。ノズル７とノズル保護キャップ１１との間には、両者を電気的に絶縁する絶縁リング９が嵌め込まれている。この構造の外側に、先端へ向かってテーパした円筒形の保持キャップ１３が被せられている。また、アウタースリーブ２９の基端部の外周に円筒形の固定リング３７が嵌められおり、この固定リング３７の外周に円筒形の回転リング３９が嵌められている。固定リング３７の外周の雄螺子３７Ａと回転リング３９の内周の雌螺子３９Ａが噛み合っており、それにより、回転リング３９はトーチ中心軸を中心にして回転自在であり、かつその回転に伴ってトーチ中心軸と平行方向に進退する。そして、回転リング１９の先端部にある環状爪１９Ｂと保持キャップ１３の基端部の外周にあるフランジ１３Ａとが係合した状態で、回転リング１９が最も後退した位置まで回転させられ、それにより、回転リング１９が保持キャップ１３をトーチ本体に引き付けて固定している。また、保持キャップ１３の先端部にある環状爪１３Ｂが、ノズル保護キャップ１１の基端部にあるフランジ１１Ａに係合しており、それにより、保持キャップ１３が、ノズル保護キャップ１１、絶縁リング９、ノズル７、絶縁筒５及び電極３のセットをトーチ本体に引き付けて固定している。保持キャップ１３は、このような内部の諸部品の保持機能の他に、トーチ１の先端側部分にけるトーチ１の外殻としての機能も併せもつ。
【００３３】
アウタースリーブ２９は、半径方向に走る冷却水通路４１と、トーチ中心軸に平行な方向へ走る冷却水通路４３と、この冷却水通路４３から離れた場所で同じくトーチ中心軸に平行な方向へ走る別の冷却水通路４７とを有する。また、ノズル７の外周面と保持キャップ１３の内周面とノズル保護キャップ１１の基端面の間に、ノズル７の外側を包囲する冷却水通路４５が形成されている。インナースリーブ１７内の冷却水通路２５と、アウタースリーブ２９内の冷却水通路４１及び４３と、ノズル３を包囲する冷却水通路４５と、アウタースリーブ２９内のもう一つの冷却水通路４７は、この順序で連通している。冷却水通路４７は、また、図示しない冷却水排出路に連通している。アウタースリーブ２９内の冷却水路４１、４３、４７はいずれも、冷却水による圧損を最小にすべく、構造上可能な範囲で、最大の断面積を有するように設計されている。
【００３４】
冷却水は、矢印で示すように、まず、導水管１５内の冷却水路１９を通って水出口１５Ａから出て、電極３の先端部３Ａの最も高温の耐熱インサート４の背面に当たり、耐熱インサート４を冷却する。耐熱インサート４は冷却水に直接晒されて効果的に冷却される。また、耐熱インサート４の前面は平らであるが、その背面は図示のように中心で高く周囲で低い湾曲した形状をしており、それにより、背面の面積つまり冷却水との接触面積が広く確保されている。また、この湾曲形状は、水出口１５Ａから出た冷却水をスムーズに折り返させて冷却水通路２１へ導く役目ももつ。導水管１５の水出口１５Ａの周囲には、１個又は２個以上のスリット１５Ｅが設けられている。冷却水路１９を流れる冷却水のうちある程度の割合の部分は、耐熱インサート４には触れずに、スリット１５Ｅを抜けて冷却水通路２１へ入り、ノズル７の冷却の方に有効に寄与する。冷却水通路２１に導かれた冷却水は、電極３の内周面に沿って冷却水通路２１を流れる間に電極３を冷却し、次に、冷却水路２３、２５、４１、５３を順に通りぬけて、ノズル７を包囲する冷却水通路４５に入る。この冷却水路４５に入った冷却水は、冷却水路４５を流れる間に、ノズル７を冷却すると共に、ノズル保護キャップ１１と保持キャップ１３も冷却する。このように、ノズル７とノズル保護キャップ１１と保持キャップ１３というノズル周りの冷却を要する部品全てが、１つの同じ冷却水路４５内に露出していて、そこを流れる冷却水により同時に冷却されることは、必要な冷却水路の数を最小にして（特に、保持キャップ内などに冷却水通路を設ける必要を無くして）、トーチのサイズを小型化するのに寄与する。冷却水路４５を通りぬけた冷却水は冷却水路４７を通ってトーチ１外へ排出される。
【００３５】
保持キャップ１３の基端部とアウタースリーブ２９との間に、環状の２次ガス通路５１が形成されている。また、保持キャップ１３の外周面に、周方向へ一定間隔で、保持キャップ１３の基端部から先端部へと走る多数本の溝１３Ｃが形成されており、各溝１３Ｃの外側の開口は細長い蓋１３Ｄで完全に覆われ、この蓋１３Ｄで覆われた溝１３Ｃ内の空間が２次ガス通路５３となっている。保持キャップ１３内の多数本の２次ガス通路５３の各々は、その基端にて、保持キャップ１３の基端部に形成された多数の２次ガス導入穴１３Ｅを通じて、保持キャップ１３とアウタースリーブ２９間の環状の２次ガス通路５１に連通している。また、保持キャップ１３内の多数本の２次ガス通路５１の各々は、その先端にて、保持キャップ１３の先端部に形成された多数の２次ガス噴出穴１３Ｆを通じて、保持キャップ１３とノズル保護キャップ１１との間に形成された環状の２次ガス通路５５に連通している。この環状の２次ガス通路５５は、ノズル保護キャップ１１に、周方向へ一定間隔で、半径方向に対して周方向へ若干角度傾斜して穿たれた、複数個の２次ガススワラ穴１１Ｃに連通している。それらの２次ガススワラ穴１１Ｃは、ノズル保護キャップ１１とノズル７の先端部との間に形成された２次ガス通路５７に連通し、この２次ガス通路５７は、ノズル保護キャップ１１の先端に形成された、ノズルオリフィス７Ａより大きい径をもつ２次ガス噴出口１１Ｂに連通する。
【００３６】
２次ガスは、アウタースリーブ２９内に形成されている図示しない２次ガス供給路から２次ガス通路５１に流入し、続いて、保持キャップ１３内の多数本の２次ガス通路５３を通って、保持キャップ１３先端部とノズル保護キャップ１１との間の２次ガス通路５５に至り、更に、ノズル保護キャップ１１を外側から内側へ貫通する複数の２次ガススワラ穴１１Ｃを通り、旋回流となってノズル保護キャップ１１内側の２次ガス通路５７に噴出する。この２次ガス旋回流は２次ガス通路５７を通り、２次ガス噴出口１１Ｂから、ノズルオリフィス７Ａから噴出するプラズマアークの周囲に噴出する。２次ガススワラ穴１１Ｃが作る２次ガス旋回流の旋回方向と、作動ガススワラ穴５Ａが作るプラズマアーク（作動ガス）旋回流の旋回方向とは同一である。
【００３７】
固定リング３７には、３次ガスを供給する３次ガス通路６１が形成されている。この３次ガス通路６１は、固定リング３７と回転リング３９との間に形成された環状の３次ガス通路６３に連通する。また、保持キャップ１３は、前述した２次ガス通路５３の他に、これと同様に溝１３Ｇと蓋１３Ｈで構成された、基端部から先端部へ走る多数本の３次ガス通路６５も有しており、各３次ガス通路６と各２次ガス通路５３は交互に配置されている。これら多数本の３次ガス通路６５は、その基端にて、保持キャップ１３の基端部に形成された多数の２次ガス導入穴１３Ｉを通じて、固定リング３７と回転リング３９間の環状の３次ガス通路６３に連通する。また、これら多数本の３次ガス通路６５は、その先端にて、保持キャップ１３の先端部に穿たれた多数の３次ガススワラ穴１３Ｊに連通する。これら３次ガススワラ穴１３Ｊも、３次ガスを２次ガスと同方向へ旋回するように、周方向に一定間隔で、半径方向に対して周方向へ若干角度傾斜しており、その出口はノズル保護キャップ１１を先端部を囲む環状の３次ガス通路６７に開いている。
【００３８】
３次ガスは、固定リング３７内の３次ガス通路６１から、固定リング３７と回転リング３９間の３次ガス通路６３に流入し、続いて、保持キャップ１３内の多数本の３次ガス通路６５を通って、保持キャップ１３先端部の３次ガススワラ穴１３Ｊに至り、３次ガススワラ穴１３Ｊから旋回流となって２次ガス旋回流の周囲に噴出する。
【００３９】
上述したように、保持キャップ１３の内部に２次ガス通路５３と３次ガス通路６５を形成しているため、保持キャップ１３とノズル７との間に２次ガスや３次ガスの通路を設ける必要がない。このことのために、ノズル７と保持キャップ１３との間の空間を全て冷却水路４５として利用することができ、その結果として、上述したように、１つの同じ冷却水路４５でノズル７、保持キャップ１３及びノズル保護キャップ１１を同時に冷却でき、余計な冷却水路が不用で小型化できるというメリットが得られる。
【００４０】
図２は、図１のＡ−Ａ線に沿ったプラズマトーチ１の横断面図である（アウタースリーブ２９より外側の部品は図示省略してある）。
【００４１】
図２に示すように、アウタースリーブ２９内のトーチ中心軸と平行に走る冷却水通路４３及び４７の断面の形状は、円周方向に長く半径方向に短い扁平な長円形である。このように冷却水通路４３及び４７の断面形状が半径方向に短い扁平形状であるために、断面が真円形の冷却水通路をもった従来のトーチに比較して、冷却水路の断面積を必要十分なだけ確保しつつ、トーチの太さをより細くすることができる。なお、図２に示した例では、冷却水通路４３、４７の断面形状は、円周に合わせて弧状に湾曲した長円形であるが、必ずしもそのように湾曲する必要はなく、湾曲しない単純な長円形や長方形でも良い。
【００４２】
また、上記の１本の冷却水通路４３又は４７を、上記のように扁平な断面形状にする代わりに、複数本の副通路に分けて、それら複数本の副通路を周方向に配列してもよい。この場合、個々の副通路の径は上述した１本の冷却水通路４３又は７７よりも小さいが、複数の副通路の断面積の合計が上述した１本の冷却水通路４３又は７７とほぼ同等になるようにする。細い副通路を周方向に並べてあるので、上述した扁平断面の１本の冷却水通路を用いる場合と同様に、トーチを細くすることができる。このように本来１本でよい冷却水通路を複数本の細い副通路に分散させる方法は、ガス通路や他の部品との配置の関係で十分大きい断面積をもった１本の冷却水通路が確保し難い場合に有効である。
【００４３】
なお、図２中の参照番号７１及び７３は、図１では図示しなかった作動ガス供給路を指し、参照番号７５及び７７は、図１には図示しなかった２次ガス供給路を指す。ガス供給路７１〜７５は、冷却水通４３、４７に比べるとそれほど大きい断面積を必要としないので、図示のように断面形状が真円形でもよいが、勿論、冷却水路と同様に断面を扁平形にしたり、より細い複数本の副通路に分けたりしてもよい。
【００４４】
図３及び図４は、図１に示したトーチ１で用いられる電極を製造する工程の一例を示す。
【００４５】
図３（Ａ）に示すような例えば銅製又は銅を主成分とする合金製の円筒形の電極本体８１を用意し、その先端部の耐熱インサート挿入用の円柱形凹部８１Ａに、図３（Ｂ）に示すように、まず蝋材、例えば銀蝋の小片８３を入れ、次に、凹部８１より僅かに径の小さい円柱形の例えばハフニウム製やジルコニウム製の耐熱インサート８５を挿入する。次に、このように準備した電極本体８１を、その先端部を上に向けた姿勢に保持して、図３（Ｃ）に示すように、耐熱インサート８５の上に錘８７を載せ、これを真空炉又は不活性ガス炉８９に入れて、銀蝋８３による蝋接けに適した温度で所定時間加熱する。すると、電極本体８１の凹部８１Ａ内の銀蝋８３が溶融し、それに伴って、錘８７の荷重で耐熱インサート８５が凹部８１Ａ内により深く沈下していき、その圧力や表面張力などにより、溶融した銀蝋８３が耐熱インサート８５の周囲の全域に回り込む。
【００４６】
その後、炉８９から出して冷却することで、図４（Ａ）に示すように、耐熱インサート８５が電極本体８１の凹部８１Ａに完全に埋め込まれ、そして、その耐熱インサート８５の外面が凹部８１Ａの内面に銀蝋８３によって蝋接された（つまり、拡散結合により冶金的に接合された）ものが出来上がる。
【００４７】
次に、図４（Ｂ）に示すように、電極本体８１の先端部とそこに埋め込まれた耐熱インサート８５の前面部分８７を切削又は研磨して平坦化する。更に、電極本体８１の先端部と耐熱インサート８５の背部８５を切削により除去して、耐熱インサート８５の背面８５Ａを電極８１の内部の空間（冷却水通路）へ露出させる。
【００４８】
切削後の耐熱インサート８５は、冷却水との接触面積を大きくするために、図示のように膨らんだ形状の背面８５Ａを有している。それに加え、冷却効果をできるだけ大きくするために、図３（Ｆ）に示すように、切削により作られた水冷面（耐熱インサート背面）８５Ａを、耐熱インサート８５前面の最も高温になるアーク発生点８５Ｂに対し可能な限り近接させている。
【００４９】
従来、電極内側の冷却水通路に耐熱インサートを露出させた電極構造は、耐熱インサートを電極本体に圧入して機械的に結合させた電極では知られている（特開昭６０−２４７４９１号、特開昭６１−９２７９６号）が、耐熱インサートを電極本体に蝋接（拡散結合）などで冶金的に結合した電極では知られていない。耐熱インサートを電極本体に圧入したものでは、機械的な接合強度や水のシール性を確保するために、電極本体と耐熱インサートとの接合面（円筒面）の深さ（つまり、耐熱インサートの挿入深さ）がかなり必要であり、通常、耐熱インサートの直径の３倍以上は必要である。そのため、耐熱インサートの背面を冷却水路に露出させても、冷却面とアーク発生点とが遠く離れているために、冷却効果はそれほど高くはない。これに対し、図３及び図４の方法で製造した電極では、耐熱インサートが電極本体に蝋接されているため、耐熱インサートの挿入深さはそれ程長くは必要なく、よって、冷却面をアーク発生点に十分に近接させることができるため、従来のものよりずっと高い冷却効果を得ることが出来る。
【００５０】
一方、従来の耐熱インサートを電極本体に蝋接した電極には、耐熱インサートを電極内冷却水通路に露出させたものは無い。その理由として、耐熱インサートの蝋接作業にかなりの手間がかかるため、それに加えて耐熱インサートを電極内冷却水通路に露出させるための切削加工を行うとなると、製造コストが高くなるという問題が挙げられる。これに対し、図３及び図４に示した製造方法によれば、電極本体の凹部に蝋材小片と耐熱インサートを単に入れてその上に錘を載せて炉に入れる、という非常に簡単な方法で蝋接ができる。しかも、１回の炉内処理で大量の電極を一挙に蝋接するバッチ処理が可能である。そのため、耐熱インサートを露出させるための切削工程をその後に行っても、高い生産効率を得ることができ、よって、製造コストをある程度低く抑えらることができる。
【００５１】
このように、図３及び図４に示した製造方法によれば、従来よりも冷却能力が高い電極を低コストで製造することができる。更に、冷却能力が高いので電極の寿命も長くなり、電極交換の頻度が減りランニングコストが低くなる。
【００５２】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、これらの実施形態はあくまで本発明の説明のための例示であり、本発明をこれら実施形態にのみ限定する趣旨ではない。従って、本発明は、その要旨を逸脱することなしに、上記実施形態以外の様々な形態でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる切断用のプラズマトーチの中心軸に沿った縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿ったプラズマトーチ１の横断面図（アウタースリーブ２９より外側の部品は図示省略してある）。
【図３】図１に示した電極の製造工程の前半部分を示す断面図。
【図４】図１に示した電極の製造工程の後半部分を示す断面図。
【符号の説明】
１プラズマトーチ
３電極
４耐熱インサート
３Ｄ電極の細い部分
５絶縁筒
７ノズル
９絶縁リング
１１ノズル保護キャップ
１３保持キャップ
１５導水管
１５Ｂ導水管の大径部
１５Ｃ導水管のテーパ部
１５Ｄ導水管の小径部
１７インナースリーブ
１９、２１、２３、２５、４１、４３、４５、４７冷却水通路
２９アウタースリーブ
５３保持キャップ内の２次ガス通路
６５保持キャップ内の３次ガス通路

Claims

プラズマアークを噴出するプラズマトーチにおいて、
前記プラズマアークの発生点となる耐熱インサートが取りつけられた閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、
前記電極の外側を包囲し、前記電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、
冷却水を出す水出口をもった先端部を有し、前記水出口が前記電極の先端部の近傍まで到達するように前記電極の内部に挿入されている導水管とを備え、
前記導水管は、前記水出口から所定の長さにわたる先端側部分と、この先端側部分よりも基端側に位置する基端側部分とを有し、前記導水管の太さが前記先端側部分にて前記基端側部分よりも細くなっているプラズマトーチ。
前記電極が、前記導水管の先端側部分が内部に挿入されている先端側部分と、この先端側部分より基端側に位置する基端側部分とを有し、前記電極の太さが前記先端側部分にて前記基端側部分よりも細くなっている請求項１記載のプラズマトーチ。
前記電極の先端側部分が前記ノズルにより包囲され、前記電極の基端側部分は前記ノズルの外へ出ている請求項２記載のプラズマトーチ。
前記耐熱インサートが前記電極内部の冷却水に直接晒される請求項１記載のプラズマトーチ。
プラズマアークを噴出するプラズマトーチにおいて、
前記プラズマアークの発生点となる閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、
前記電極の外側を包囲し、前記電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、
冷却水を出す水出口をもった先端部を有し、前記水出口が前記電極の先端部の近傍まで到達するように前記電極の内部に挿入されている導水管と、
前記導水管の内部に形成され、前記導水管の水出口まで冷却水を導く第１の冷却水通路と、
前記導水管と前記電極との間に形成され、前記水出口から出た冷却水を前記電極の内周面に沿って流す第２の冷却水通路とを備え、
前記第１と第２の冷却水路の断面積がほぼ同等であるプラズマトーチ。
プラズマアークを噴出するプラズマトーチにおいて、
前記プラズマアークの発生点となる閉じた先端部を有する概略円筒形の電極と、
前記電極の外側を包囲し、前記電極の先端部で発生したプラズマアークを噴出するノズルオリフィスを有するノズルと、
前記ノズルの先端部に装着された、前記ノズルの先端部を保護するためのノズル保護キャップと、
前記トーチの外殻を構成し、前記ノズルの外周を覆い、前記ノズル保護キャップを保持することで前記ノズル保護キャップ及び前記ノズルを前記トーチ本体に固定する筒状の保持キャップと、
前記ノズル、前記ノズル保護キャップ及び前記保持キャップの間に形成され、前記ノズル、前記ノズル保護キャップ及び前記保持キャップを同時に冷却するための第１の冷却水通路と、
前記第１の冷却水通路へ冷却水を供給する第２の冷却水通路と、
前記第１の冷却水通路から冷却水を排出する第３の冷却水通路と、を備え、
前記第２及び第３の冷却水通路は、プラズマトーチの中心軸から外れた位置で前記中心軸にほぼ平行な方向に走っていて、かつ、前記冷却水通路の断面形状が、前記中心軸を中心とした円周の方向の寸法が半径の方向の寸法より長い扁平な形状であるプラズマトーチ。
前記冷却水通路の断面形状が、前記半径の方向に短径をもった、単純な長円又は円周に沿って湾曲した長円である請求項６記載のプラズマトーチ。
前記冷却水通路が、複数本の副通路に分かれている請求項６記載のプラズマトーチ。
閉じた先端部をもち、内側に冷却水通路をもつ筒形の電極本体と、前記電極本体の先端部に埋め込まれ、その前面にてアーク発生点を提供する耐熱インサートとを備え、前記耐熱インサートが前記電極本体に冶金的に結合されており、且つ、前記耐熱インサートの背面が前記電極本体の内側の前記冷却水通路に露出している、プラズマトーチ用電極。
前記耐熱インサートの背面が膨らんだ形状を有している請求項９記載の電極。
閉じた先端部をもち、内側に冷却水通路をもつ筒形の電極本体を用意するステップと、前記電極本体の先端部に耐熱インサートを埋め込み、前記電極本体と前記耐熱インサートとを冶金的に結合するステップと、前記耐熱インサートが埋め込まれた前記電極の先端部の、前記冷却水通路に臨む部分を切除することにより、前記耐熱インサートの背面を前記冷却水通路に露出させるステップとを有したプラスマトーチ用電極の製造方法。
前記耐熱インサートを冶金的に結合するステップが、前記電極本体の先端部の前面側に形成された凹部内に、蝋材片がより奥に位置するようにして、前記蝋材片と前記耐熱インサートとを挿入するステップと、前記蝋材片と前記耐熱インサートが前記凹部に挿入された状態の前記電極本体を加熱して前記蝋材片を溶融させると同時に、前記耐熱インサートを前記凹部の奥へ押し込むことにより、前記凹部内で溶融した蝋材を前記耐熱インサートの周囲に回り込ませるステップと、前記凹部内で前記溶融した蝋材が前記耐熱インサートの周囲に回り込んだ状態の前記電極本体を冷却することにより、前記耐熱インサートの外面と前記凹部の内面の蝋接を完成させるステップとを有する請求項１１記載の製造方法。