JP4010544B2

JP4010544B2 - 電極およびその製造方法

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Publication number: JP4010544B2
Application number: JP2002280170A
Authority: JP
Inventors: グレゴリー・ダブリュー・ディール; マイケル・シー・マクベネット
Original assignee: ジ・エサブ・グループ，インコーポレイテッド
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: ATE376347T1; DK1298966T3; KR20030026849A; DE60222981D1; EP1298966A2; JP2003138329A; EP1298966A3; EP1298966B1; KR100510243B1; CA2397515A1; CA2397515C; US6483070B1; DE60222981T2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマトーチに関し、さらに詳細には、プラズマアークトーチ内において電気的アークを保持する電極およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマアークトーチは、一般的に、切断、溶接、表面処理、溶解、または焼鈍などの金属加工に用いられる。このようなトーチは、プラズマ加工の移行アークモードにおいて、電極から加工物に移行するアークを保持する電極を備えている。また、そのアークをガスの渦流によって包囲する技術や、それらのガスやアークを水の旋回噴流によって包むように構成されたトーチ設計も一般的に知られている。
【０００３】
従来のトーチに用いられる電極は、例えば、銅または銅合金のような高熱伝導性を有する材料からなる細長い管状部材として構成されている。従来の銅合金の一例として、純銅の機械加工性を向上させた０．５％のテルルを含む銅合金が挙げられる。テルルの溶融温度は４４９℃（８４１°Ｆ）である。「ホルダ」として知られる管状電極の前端部、すなわち、放出部は、アークを保持する電子放出要素が埋設された底壁を備えている。電子放出要素は比較的低い仕事関数を有する材料によって形成されている。この仕事関数は、当該技術分野において、「ポテンシャルステップ」とも呼ばれ、電子ボルト（ｅＶ）の単位で測定される値である。所定の温度において、その仕事関数以上のエネルギーを得た熱電子が金属の表面から放出される。従って、低い仕事関数を有する電子放出要素は、電気的ポテンシャルが与えられると、容易に電子を放出することができる。一般的に、電子放出材料として、ハフニウム、ジルコニウム、タングステン、またはそれらの合金が用いられる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５，０２３，４２５号明細書
【０００５】
電極によっては、アークが電子放出要素から銅からなるホルダに移行するのを防ぐために電子放出要素の周囲に配置される比較的非電子放出性の部材（以下、セパレータとも呼ぶ）を備える場合もある。このような非電子放出部材は、参考として本明細書に組み込まれた、Ｓｅｖｅｒａｎｃｅ氏による米国特許第５，０２３，４２５号において、検討されている。電極の熱伝導性は、アークによって生じた熱を離散させて、電極の有効寿命を改善するのに重要である。この観点から、非電子放出部材もまた、好ましくは、銀または銀合金のような高熱伝導性材料から形成されるとよい。
【０００６】
従来の電極の多くは、電子放出要素を金属性ホルダ内に圧入にて挿入することによって、または電子放出要素を非電子放出部材内に圧入にて挿入した後、それらを金属性ホルダ内に圧入にて挿入することによって、組み立てられている。ここで、圧入された電子放出要素、非電子放出部材およびホルダ間の各界面において、熱伝導の段階が生じるので、組み立てられた電極の熱伝導は低下する。このような熱伝導の低下は、特に、互いに接合する表面が緊密に嵌合していない場合に顕著である。そこで、十分な熱伝導および電気伝導を確保するためにろう付けが用いられる場合がある。しかし、ろう付けは電極の製造工程数を増すという欠点がある。また、ろう材は一般的に融点が低いので、以下に述べるような電子放出要素への接合の観点から好ましくない。
【０００７】
電子放出要素、非電子放出部材およびホルダ間の各界面における熱伝導性を改善するために、本発明の譲受人は、参考として本明細書に組み込まれた、「電極の拡散接合」という表題の付された同時係属出願番号第０９/７７３、８４７号（以後、’８４７出願と呼ぶ）に記載されている拡散接合技術を開発した。この同時係属’８４７出願に、組立後の非電子放出部材と金属ホルダとの間を拡散接合させる組立後熱工程が記載されている。この拡散接合は、２つの材料間の接合強度を向上させながら、それらの材料間の界面を柔軟かつ平滑にすることができ、その結果、電極の作動寿命を延ばすことができる。
【０００８】
参考として本明細書に組み込まれた同時係属特許出願番号第０９/８７１、０７１号（以後、’０７１出願と呼ぶ）において、本発明の譲受人は、電子放出要素と非電子放出部材との間の接合をも加熱によって好ましく改善することができる技術を開示している。先に述べた同時係属’８４７出願による組立後熱工程は、特に、（非電子放出部材に用いられる）銀のような材料と（ホルダに用いられる）銅との間の接合を改善するのに適しているが、もし、その後熱処理の後、電子放出要素に対して何らかの熱処理がなされた場合、比較的高い耐高温特性を有する電子放出要素へのその熱処理によって、非電子放出部材とホルダとの間の接合が損なわれる可能性がある。この観点から、’０７１出願においては、電子放出要素と非電子放出部材との間および非電子放出部材と金属性ホルダとの間に強靭な接合を得るための以下に述べる２段階の組立/加熱プロセスが開示されている。
【０００９】
特に、ハフニウムのような電子放出要素は、銀のような非電子放出部材内に配置されて約９２７℃（１７００°Ｆ）から１０３８℃（１８００°Ｆ）の範囲の温度で加熱され、ハフニウムと銀との間に金属間化合物を形成し、強靭な伝導性接合を達成する。その後、この電子放出要素と非電子放出部材は、銅などからなるホルダと銀からなる非電子放出部材との間に共晶合金を生成させる加熱工程を経て、ホルダに接合される。この加熱工程は、例えば、約７６０℃（１４００°Ｆ）から７８８℃（１４５０°Ｆ）の範囲の温度で行われる。特に、銅と銀が共に加熱されるとき、共晶を生じる共融点は、純銀および純銅の融点よりも低い温度である約７７８℃（１４３２°Ｆ）である。この第２の加熱工程によって、ホルダと非電子放出部材との間に強靭な伝導性熱接合が生じ、その結果、電極は、ハフニウムからなる電子放出要素と銀からなる非電子放出部材との間の熱接合と、銀からなる非電子放出部材と銅からなるホルダとの間の熱接合を有することができる。このような構成によって、各基材間が接合されるので、電極の熱伝導性は向上し、アーク放出要素から熱を容易に離脱させ、電極の作動寿命を高めることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、’０７１出願の方法において、電子放出要素と非電子放出部材との間の熱接合および非電子放出部材とホルダとの間の熱接合を得るための加熱は２段で行わねばならない。すなわち、一段の加熱工程では、銀からなる非電子放出部材と銅からなるホルダとの間に比較的低い（共晶を生じる）共融点が存在するので、電子放出要素と非電子放出部材との間の熱接合を生じさせるために必要な高温にまで、加熱温度を高めることができない。もし、適切なハフニウム−銀接合が得られる温度にまで加熱温度を高めると、銀からなる非電子放出部材と銅からなるホルダとの間に生成された共晶合金部が容易に溶け去り、それら２つの部材間に空隙を生じ、十分な熱伝導を得ることができない。
【００１１】
なお、銀と銅との間に生じる共晶反応は、共晶温度において、極めて迅速に促進される。従って、加熱温度がわずかな時間であっても共晶温度を超えると、銀と銅はすばやく混合し、それらの材料の他の有益な特性、例えば、銀の非電子放出性などを損なうことになる。工業的な生産性の観点から、このような狭い温度の許容範囲を厳密に維持するのは困難であり、そのような温度管理を必要とする製造方法を確立するのは難題である。
【００１２】
従って、’０７１出願の発明の実施例に記載されているような２つの個別の加熱工程は経費を要し、製造コストの低減を妨げる。さらに、銅と銀との間の共晶反応を工業的規模において制御するのは困難である。
【００１３】
本発明の目的は、非電子放出部材（セパレータ）とホルダとの間および、望ましくは、電子放出要素と非電子放出部材との間の熱接合を一段加熱で生じさせることができ、さらに、セパレータとホルダとの間の熱接合を容易に調整することができる工業的な電極およびその製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、銅からなるホルダと銀からなる非電子放出部材との間の界面にニッケルのような第３金属を介在させることによって、上記の目的および他の目的を達成している。具体的な実施態様によれば、ホルダの銅はニッケルと合金化し、銀と銅との間の共晶反応を遅延させる。このように、ニッケルは共晶反応を遅延させるので、純銀と純銅との間の共晶温度よりも高い温度においてホルダと非電子放出部材との間に熱接合を生じさせることができる。また、この接合は非常に幅の広い温度範囲にわたって生じさせることができる。従って、この接合を生じさせるための加熱工程を単独に行う必要がなく、ハフニウムからなる電子放出要素と銀からなる非電子放出部材との間に熱接合を生じさせるための高温の加熱工程によって兼ねさせることができる。その結果、本発明による電極によれば、非電子放出部材とホルダとの間の接合および電子放出要素と非電子放出部材間の接合を一段加熱サイクルによって生じさせることができるという利点が得られる。
【００１５】
第３金属は金属性ホルダおよび/または非電子放出部材の金属に合金化される。第３金属の好ましい組成として、金属性ホルダの約１０％に相当するニッケルと、残りが銅とからなる組成が挙げられる。ただし、第３金属を必ずしも合金化させる必要はなく、接合される構成要素のいずれかに形成されるメッキの形態であってもよい。さらに、第３金属は、非電子放出部材と電子放出部材との間に介在される粉体の形態であってもよいし、非電子放出部材をホルダから隔てるように包囲する薄いスリーブの形態であってもよい。また、第３金属はニッケルに限定されず、亜鉛、鉄、コバルトおよびクロムからなる群から選択される少なくとも一種であってもよい。また、非電子放出部材（第１金属）の材料として、スターリング銀が用いられてもよい。
【００１６】
従って、本発明は、電極の構成要素間により強靭な接合をもたらし、電極の強度と作動寿命を改善することができる構成を有する電極およびその製造方法を提供する。特に、本発明による電極は、一段加熱工程のみで安価にかつ比較的迅速に製造することが可能である。さらに、本発明の方法によれば、電子放出要素、非電子放出部材および金属ホルダの間をろう付けせずに接合することによって電極を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を一般的な用語を用いて説明したが、以下、添付の図面に基づいて具体的に説明する。なお、図面は、説明の便宜上、必ずしも一定の縮尺率で描かれてはいない。
【００１８】
本発明を、好適な実施形態が記載されている図面に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明は多くの異なった形態で実施可能であり、ここに述べる実施形態に制限されると見なされるべきではない。これらの実施形態は、本発明の範囲を限定するためではなく、むしろ、当業者に本発明の範囲を十分に知らしめる目的でなされたものである。なお、実施形態の全体にわたって、同一の符号は同一の構成要素を示すものとする。
【００１９】
電極構成
図１ないし図３は、本発明の特徴を具体化するプラズマアークトーチ１０を示す図である。トーチ１０は、ノズル組立体１２と管状電極１４を備えている。電極１４は、好ましくは、以下に述べるように銅または銅合金からなり、上側管状部材１５と下側コップ状部材（以下、ホルダと呼ぶ）１６を備えている。上側管状部材１５は細長い管構造を有し、その軸線はトーチ１０の長手方向における軸線を規定する。上側管状部材１５は、雌ネジが形成された下側端部１７を有している。ホルダ１６は、その後端１９が開口されたコップ状構造を有し、そのコップ内に内部空洞２２を備えている。そのホルダ１６の前端部に、略円筒状空洞が形成されている。比較的非電子放出性の部材３２がその円筒状空洞内に、トーチの長手方向における軸線と同軸となるように、配置されている。
【００２０】
電子放出要素（以下、インサート材とも呼ぶ）２８が非電子放出部材（以下、セパレータとも呼ぶ）３２内に、トーチの長手方向における軸線と同軸となるように、配置されている。具体的には、電子放出要素２８は非電子放出部材３２に固着されて、１つの組立体を形成する。以下に詳述するように、電子放出要素２８とセパレータ３２を加熱することによって、金属間化合物がそれらの間に生成される。電子放出要素２８は、約２．７ｅＶから４．２ｅＶの範囲にある比較的低い仕事関数を有し、電気的ポテンシャルが付加されたときに電子を放出する金属材料によって成形される。このような材料の好適な例として、ハフニウム、ジルコニウム、タングステン、またはそれらの混合物が挙げられる。
【００２１】
比較的非電子放出性の部材３２は、ホルダ１６の材料よりも大きい仕事関数を有する金属材料によって形成される。そのような金属材料の仕事関数の値は、「スミシェルズによる金属参考書（第６版）」に記載されている。具体的には、非電子放出部材３２は、少なくとも約４．３ｅＶの仕事関数を有する金属材料からなるのが好ましい。好適な実施形態によれば、非電子放出部材３２は銀からなるのがよい。ただし、金、プラチナ、ロジウム、イリジウム、パラジウム、ニッケル、またはそれらの合金のような金属材料を以下に述べる形成プロセスに準じて用いることもできる。セパレータ３２用の材料として選択される材料は、高い熱伝導性、高い耐酸化性、高い融点、および高い仕事関数を有し、安価であるべきである。これらの特性のすべてを１つの材料で満足させるには困難であるが、特に、高い熱伝導性の観点から、銀が好ましく用いられる。
【００２２】
例えば、本発明の好ましい一実施例によれば、非電子放出部材３２は、銅、アルミニウム、鉄、鉛、亜鉛、およびそれらの合金からなる群から選択される１種を添加材料として約０．２５％ないし１０％含む銀合金からなる。添加材料は元素の状態または酸化物の状態のいずれであってもよい。従って、ここで用いられる「銅」という用語は銅または酸化銅を含む。他の「アルミニウム」などについても同様である。約８９３℃（１６４０°Ｆ）の融点を有するスターリング銀は、加熱中に「塑性状態」になってハフニウムからなる電子放出要素２８との接合を促進するので、特に好ましい材料である。なお、非電子放出部材３２は必ずしも固体状の未加工品から機械加工によって形成される必要はなく、銀/ニッケル混合粉を圧粉することによって形成されてもよい。
【００２３】
図４に示されるように、銅、または、好ましい一実施形態によれば銅合金からなる略円筒状の未加工素材９４は、その前面に略円筒状の孔がドリル加工によってトーチの長手方向における軸線に沿って形成される。そのように形成された孔が前述の空洞に相当する。次いで、電子放出要素２８と非電子放出部材３２がこのホルダの未加工素材９４に組み込まれる。なお、これらの構成要素２８、３２は、どのような順序で、図４に示されるように組み込まれてもよい。例えば、非電子放出部材３２と電子放出部材２８とを予め組み立て、次いで、その組立体を未加工素材９４内に配置してもよい。あるいは、非電子放出部材３２を未加工素材９４に配置し、次いで、電子放出要素２８を非電子放出部材３２内に配置してもよい。未加工素材９４への組込みにおいて、各構成要素の内外径を必ずしも締まり嵌め圧入が得られるような寸法に形成する必要はない。ただし、圧入は、（後述する）後続の熱処理中に各構成要素の嵌合が偶発的に外れるのを避けることができるという利点がある。
【００２４】
この種のホルダ１６に従来も用いられている銅は、本発明の好ましい一実施形態によれば、ニッケルと合金化される。銅合金に含有されるニッケルの量は種々に変更可能であるが、好ましい組成として、少なくとも約５重量％のニッケルが銅からなるホルダに合金化されるとよい。約１０重量％のニッケルを含む組成（ＣＤＡ７０６）は特に好ましい。この組成の融点は約１１４９℃（２１００°Ｆ）である。２０％、３０％、さらに６０％のニッケルを含む組成（Ｍｏｎｅｌ）を用いることもできる。さらに、「ニッケル・シルバー」と呼ばれる合金を用いることもできる（これらの合金のほとんどは銀をまったく含まない銅/ニッケル/亜鉛合金である）。また、鉄やアルミニウムなどの他の元素を銅/ニッケル合金に添加してもよい。なお、鉄、コバルト、またはクロムのような元素をニッケルの変わりに用いても、以下に述べる本発明の効果と同じ効果が得られる。
【００２５】
組立のあと、組立品に熱サイクルが施される。この熱サイクルにおける加熱によって、円筒状未加工素材９４、非電子放出部材３２および電子放出要素２８の特性が改善され、電極の寿命を向上させることができる。この加熱プロセスは、以下に述べるように、円筒状未加工素材９４に機械加工工程を施してから行ってもよい。加熱プロセスの制御の精度は、電子放出要素２８に用いられる材料、非電子放出部材３２に用いられる材料、およびホルダ１６に用いられる材料に依存して決められる。加熱プロセスは誘導加熱装置または従来の加熱炉を用いて、窒素などの不活性雰囲気中で行うとよい。
【００２６】
純銀は９６１℃（１７６１°Ｆ）の融点を有し、純銅は１０８４℃（１９８４°Ｆ）の融点を有するが、これらの２つの材料を加熱すると、共晶反応が生じて、約７７８℃（１４３２°Ｆ）において液状合金が生成される。この反応は極めて迅速に生じ、この温度を超えると、銅と銀の原子の相互移動が活発化し、共晶反応を促進し、その結果、銅と銀が混合された液相が生じる。この混合が生じると、銀の非電子放出特性が損なわれ、電極の性能が劣化する。
【００２７】
本発明の発明者らは、ニッケルを銅に合金化させることによって、共晶反応を抑止すなわち遅延化し、より高い温度で加熱処理を行えるということを見出した。加熱によって生じた組織の断面写真が図５に示されている。本実施形態において、ホルダ１６は１０重量％のニッケルを含む銅合金からなる。純ニッケルの融点は約１４５５℃（２６５１°Ｆ）である。一方、非電子放出部材３２はスターリング銀（組成は９２．５重量％の銀と７．５重量％の銅）からなる。図５に示すように、これら２つの構成要素間において、２つの明瞭に異なる相を観察することができる。すなわち、第１の相として、高ニッケル含有領域２３がホルダ１６の銅/ニッケル合金に隣接して観察され、第２の相として、共晶合金領域２４が高ニッケル含有領域２３とスターリング銀からなる非電子放出部材３２との間に観察される。この共晶合金領域２４は、いくらかのニッケルを含むこともあるが、ほとんどは銀と銅からなる領域である。
【００２８】
理論的な裏付けはないが、本発明者らは、加熱が進行するにつれて、銅の原子がホルダ１６から、高ニッケル含有領域２３内を通り過ぎて、共晶合金領域２４に移動すると考察している。この場合、高ニッケル含有領域２３は、銅/銀からなる共晶合金を生成する速度を制御するのに重要な働きをすると考えられる。すなわち、高ニッケル含有領域２３は、銅原子の共晶合金領域への移動を抑止し、共晶反応を遅延化させる障壁を生成し、その結果、銅と銀の共晶合金化を遅延させると、考えられる。なお、温度がさらに上昇すると、共晶合金領域２４に隣接する余分のニッケルが漸次溶融し、共晶融液と合金化し、その結果、ニッケルと合金化した共晶融液の融点が上昇する。あるいは、この現象を、共晶融液がニッケルと合金化して、その融点を上昇させながら、固体化の一歩手前の状態で維持されている（すなわち、加熱温度よりも共晶融液の融点が高くなると、その加熱温度において、共晶融液は固体化するが、その一方、加熱温度も上昇しているので、固体化の一歩手前の状態で共晶融液の状態が維持されている）、と考察することもできる。なお、本実施形態において、銅/ニッケル合金の熱膨張率は銀や銅の熱膨張率よりも小さいという付加的な利点も得られる。すなわち、従来の銅ホルダの場合、非電子放出部材の銀の熱膨張率は電子放出要素のハフニウムの熱膨張率よりも大きいので、加熱中、ハフニウムを包囲する銀中に空孔が生じるが、本実施例においては、加熱中、熱膨張率の小さい銅/ニッケル（ホルダ材料）が熱膨張率の大きい銀を拘束し、銀中に空孔が生じるのを防ぐことができる。その結果、銀とハフニウムとの良好な接触を維持することができる。
【００２９】
このように、最初の接合をもたらす共晶反応は極めて迅速に生じるが、その反応は、高ニッケル含有領域２３の厚みに依存して、著しく遅くなる。この特性によて、この種の電極の製造の融通性を極めて高めることができる。共晶反応を開始させるには、少なくとも約７９９℃（１４７０°Ｆ）の加熱温度が必要であるが、この温度を超えても、従来の純銅/銀の電極と比較して、さほど厳密な温度制御を必要としない。具体的に、本発明による電極は約一時間の間、少なくとも約８１８℃（１５０５°Ｆ）まで温度を上昇させることができる。この温度領域と時間との組合せによって、電子放出要素２８と非電子放出部材３２との間に薄い金属間化合物が生成される。もちろん、金属間化合物の厚みは、炉内温度以外にも多くの因子、例えば、電極の幾何学的構成や熱サイクルの継続期間などにも依存する。
【００３０】
図６は、ハフニウムからなる電子放出要素２８と銀からなる非電子放出部材３２との間に生成された金属間化合物８８を示している。この金属間化合物８８は、電子放出要素２８と非電子放出部材３２との間に強靭な接合を齎し、その厚みは約３．８マイクロメートル（０．０００１５インチ）である。金属間化合物８８は、電子放出要素２８および非電子放出部材３２を形成するいずれの材料とも異なる特異な性質を有する新たに生成された材料である。理論的な裏づけはないが、この金属間化合物は、ＡｇＨｆおよびＡｇＨｆ₂を含んでいると思われる。
【００３１】
あらゆる種類の電極において、金属間化合物は必ずしも生成される必要はないし、また金属間化合物の厚みは必ずしも図６に示される厚みと同じである必要はない。電極が用いられるトーチの現在の定格によっては、金属間化合物層が生成されない方が好ましい場合もある。また、トーチによっては、約７９７℃（１４６６°Ｆ）の温度で一時間の加熱によって生成される約５．１マイクロメートル（０．０００２インチ）の厚みを有する金属間化合物層の存在が好ましい場合もある。約１５２．４マイクロメートル（０．００６インチ）ないし約２０３．２マイクロメートル（０．００８インチ）を超える厚みの金属間化合物は、その金属間化合物の熱伝導性が比較的低いので、電極の寿命が実際には短くなるおそれがある。すなわち、金属間化合物の厚みが厚くなると、熱伝導の量が低下し、その結果、電極の寿命を劣化させる。
【００３２】
図３は、本発明による完成された電極の断面図を示している。ホルダ１６は、円筒状未加工素材９４の後面を機械加工して、空洞２２を画成するコップ状の開口部を形成することによって、仕上げられる。好ましくは、空洞２２は、円筒ポスト２５を有するような形状に加工されるとよい。すなわち、内部空洞２２は、穿孔または他の加工方法によって、円筒ポスト２５が形成されるように、加工されるとよい。円筒状未加工素材９４の外周には、必要に応じて、後述するトーチと接続されるホルダの後端における雄ネジが形成される。最終的に、未加工素材９４の前面２０および電子放出要素２８と非電子放出部材３２の端面は、図３に示されるように、実質的に平坦でかつ同一平面をなすように機械加工される。
【００３３】
好ましくは、非電子放出部材３２の少なくとも一部は内部空洞２２から露出されているとよい。後述するように、電極は、内部空洞２２を介する、水のような液状冷却媒体の循環によって冷却される。非電子放出部材３２が露出するように、内部空洞２２が穿孔または他の加工方法によって加工されていると、非電子放出部材３２は液状冷却媒体と接触し、電極の冷却を高めることができる。ホルダ１６に銅/ニッケル合金を用いる場合、液状冷却媒体への非電子放出部材３２の露出は特に利点がある。その理由は、銅製ホルダへのニッケルの添加によって、そのニッケルを含む銅合金の熱伝導性が著しく低下するからである。具体的に、１０％のニッケルが銅製ホルダに合金化された場合、その合金の熱伝導率は純銅の約９０％に低下する。しかし、このような熱伝導性の低いニッケルを含有する銅合金からなるホルダ１６であっても、極めて高い熱伝導性を有する銀製の非電子放出部材３２が直接冷却水と接触しているので、電子放出要素２８からの熱を、すべてホルダ１６に伝達させることなく、非電子放出部材３２を介して離散させることができる。
【００３４】
第３金属の好ましい機能は、種々の他の構成によっても得られる。例えば、第３金属であるニッケルをホルダ１６ではなく銀からなる非電子放出部材３２に合金化させてもよい。また、図７、図８および図９の実施形態に示されるような構成によって、第３金属の好ましい機能を発揮させてもよい。図７に示される実施形態において、銅と銀との間の共晶反応を遅延させる第３金属は、非電子放出部材３２の外面に形成されるメッキ２６の形態で設けられている。すなわち、先の実施形態に示したようにニッケルをホルダ未加工素材９４または非電子放出部材３２のいずれかに必ずしも合金化させる必要はなく、非電子放出部材３２の外面、または、図示されていないが、未加工素材９４の内部空洞の内面へのニッケルのメッキ２６によっても、同じ機能が得られる。
【００３５】
図８に示される実施形態において、第３金属は、非電子放出部材３２の外面と未加工素材９４の内面とに分散される粉体２７の形態で設けられている。本実施形態においても、ニッケルを第３金属として用いることができ、また、非電子放出部材３２とホルダ９４は必ずしも第３金属と合金化される必要はない。
【００３６】
図９に示される実施形態において、第３金属は、非電子放出部材３２を包囲して未加工素材９４に挿入されるスリーブ２９の形態で設けられている。この場合、スリーブ２９は、非電子放出部材３２と接触し、その非電子放出部材３２をホルダ未加工素材９４から隔てるように設けられる。
【００３７】
トーチ構成
図１に示されるように、電極１４は、ガス通路４０及び液体通路４２を含むプラズマトーチ本体３８内に設けられている。このプラズマトーチ本体３８は絶縁された外側ハウジング部材４４によって囲まれている。液状の冷却媒体、例えば、水を電極１４内に循環させるため、管４６が電極１４の中央孔４８内に懸架されている。管４６は孔４８の直径よりも小さい外径を有し、空間４９が管４６と孔４８との間に形成されている。水はこの空間４９内を流れて、管４６の開放した下端から排出される。水源（図示せず）からの水は管４６を通り、内部空洞２２及びホルダ１６の内側を流れ、空間４９を通って戻り、トーチ本体３８に形成された開口５２に達し、次いで、排水ホース（図示せず）に向かう。噴射水は、液体通路４２を通ってノズル組立体１２内に導かれ、そのノズル組立体１２内で、以下に詳述するように、プラズマアークを囲む渦流に変換される。ガスは適切なガス源（図示せず）からガス通路４０に導かれ、適切な耐高温材料のガスバッフル板５４に形成された複数の入口穴５８から（圧力が外気圧よりも高く設定されている）ガス充満室５６に入る。複数の入口穴５８は、ガスを渦巻き状にガス充満室５６に流入させるように配列されている。流入したガスは、ノズル組立体１２に同軸状に設けられた第１の孔６０および第２の孔６２を介して、ガス充満室５６から外部に流出する。ガスバッフル板５４は電極１４に保持されている。また、ノズル組立体１２は、耐高温プラスチック絶縁本体部５５によって電極１４から電気的に絶縁されている。
【００３８】
ノズル組立体１２は、第１の孔６０を画成する上側ノズル部材６３と、第２の孔部６２を画成する下側ノズル部材６４とを備えている。上側ノズル部材６３は好ましくは金属材料からなるとよい。また、下側ノズル部材６４は好ましくは金属材料又はセラミック材料からなるとよい。上側ノズル部材６３に設けられた第１の孔６０は、その軸線がトーチの電極１４の長手方向における軸線と一致するように、配置されている。下側ノズル部材６４は、プラスチック製のスペーサ要素６５と水旋回リング６６によって上側ノズル部材６３から隔てられている。上側ノズル部材６３と下側ノズル部材６４との間に設けられる空間は水室６７とされる。
【００３９】
下側ノズル部材６４の円筒状の本体部７０は、下側ノズル部材６４の前端部（下端部）と後端部（上端部）を規定し、第２の孔６２が本体部７０内を後端部から前端部にわたって同軸状に延長している。環状の取付けフランジ７１が本体部７０の後端部に設けられ、切頭円錐面７２が第２の孔６２と同軸の前端部の側面に形成されている。環状の取付けフランジ７１は、コップ状部材７４の下端に設けられた内向きフランジ７３によって下方から支持されている。コップ状部材７４は螺合によって外側ハウジング部材４４に着脱自在に取付けられている。また、ガスケット７５が２つのフランジ７１、７３間に配置されている。
【００４０】
下側ノズル部材６４内の第２の孔６２は円筒状であり、適切なプラスチック材料からなる芯出しスリーブ７８によって、上側ノズル部材６３内の第１の孔６０との同心状態が保持されている。水は、液体通路４２からスリーブ７８に形成された開口８５を通って水旋回リング６６の複数の水噴射口８７に流入し、噴射口８７から水室６７内に噴射される。噴射口８７は、水旋回リング６６の回りに接線方向に配置され、旋回速度成分を水室６７中の水流に与える。水は第２の孔６２を経由して水室６７から外部に放出される。
【００４１】
電源（図示せず）は、通常接地される金属加工物と直列回路関係にある電極１４に接続される。動作中、アークに対して陰極端子として作用する電極１４の電子放出要素２８と、電源の陽極に接続されると共に下側ノズル部材６４の下方に配置される加工物との間にプラズマアークが発生する。プラズマアークは、通常、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生成させることによって始動され、次いで、このプラズマアークは第１の孔６０および第２の孔６２を経て母材に移行される。
【００４２】
前述の説明および関連する図面からの示唆によって、当業者は、本発明の種々の変更例および他の実施例を考案することが可能である。従って、本発明はここに開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更例および他の実施例も本発明の範囲内に包含されると見なされるべきである。なお、前述の説明において特定の用語が用いられているが、それらの用語は、一般的かつ説明的な意味で用いられており、限定のために用いられているのではない。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されるので、下記の効果が得られる。すなわち、銅からなるホルダと銀からなる非電子放出部材間の界面にニッケルのような第３金属を介在させることによって、ホルダの銅はニッケルと合金化し、銀と銅間の共晶反応を遅延させる。その結果、非電子放出部材とホルダ間の接合と電子放出要素と非電子放出部材間の接合を一段加熱サイクルによって生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電極を具体化させるプラズマアークトーチの縦断面図である。
【図２】本発明による電極の拡大斜視図である。
【図３】本発明による電極の拡大断面図である。
【図４】本発明による電極を製造する好適な一実施例の加熱工程を例示する概略断面図である。
【図５】図３の線５−５に沿った本発明による電極の拡大断面写真である。
【図６】図６は図３の線６−６に沿った本発明による電極の拡大断面写真である。
【図７】本発明の実施形態の一変形例を分解して示す断面図である。
【図８】図８は本発明の実施形態の他の変形例を分解して示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態のさらに他の変形例を分解して示す断面図である。
【符号の説明】
１０プラズマアークトーチ
１４管状電極
１５上側管状部材
１６下側コップ状部材（金属性ホルダ）
１９後端
２０前面
２２内部空洞
２３高ニッケル含有領域
２４共晶合金領域
２５円筒ポスト
２６メッキ
２７粉体
２８電子放出要素
２９スリーブ
３２比較的非電子放出性の部材（セパレータ）
９４未加工素材

Claims

プラズマアークトーチ内でアークを保持する電極において、
電子放出材料からなり、アークを保持する前面を画成する電子放出要素と、
銀を含有する第１金属からなり、前記電子放出要素の前面に外接するように配置される比較的非電子放出性の部材と、
銅を含有する第２金属からなり、前記非電子放出部材を保持し、ろう付けを行わずに前記非電子放出部材に熱接合され、前記非電子放出部材との界面を画成する金属性ホルダと、
該金属性ホルダと前記非電子放出部材との前記界面に存在し、前記金属性ホルダと前記非電子放出部材が熱接合されるときに、前記第１金属の銀と前記第２金属の銅との間の共晶反応を遅延させることが可能な第３金属であって、ニッケル、亜鉛、鉄、コバルトおよびクロムからなる群から選択される少なくとも一種であり、前記界面が銅−銀共晶合金領域を含む第３金属と、
を備えている電極。
前記金属性ホルダと非電子放出部材が熱接合されるときに、前記第３金属が、前記第１金属の銀と前記第２金属の銅との間の共晶反応を遅延させることが可能であり、これにより、前記第１金属の銀と前記第２金属の銅との共晶温度よりも高い温度で熱処理することが可能となる、請求項１に記載の電極。
前記第３金属は前記金属性ホルダに合金化されている、請求項１または２に記載の電極。
前記第３金属は、前記金属性ホルダの１０重量％合金化されている、請求項３に記載の電極。
前記第３金属はニッケルである、請求項４に記載の電極。
プラズマアークトーチ内でアークを保持する電極を製造する方法において、
電子放出材料からなり、アークを保持する前面を画成する電子放出要素と、銀を含有する第１金属からなり、前記電子放出要素の前面に外接するように配置される比較的非電子放出性の部材と、銅からなる主要成分とニッケル、亜鉛、鉄、コバルトおよびクロムからなる群の少なくとも一種を含む第３金属からなる副成分とを含む金属合金からなり、前記非電子放出部材および前記電子放出要素を保持する金属性ホルダとを組み立てる工程と、
前記金属性ホルダと前記非電子放出部材との間の界面が銅−銀共晶合金領域を含み、前記第３金属が前記金属性ホルダの銅と前記非電子放出部材の銀との間の共晶反応を遅延させるように、該組立体を、前記電子放出要素の外周面と前記非電子放出部材との間および前記非電子放出部材と前記金属性ホルダとの間に、ろう付けを行わずに、熱接合を生じさせるのに十分な温度に、一度だけ加熱する工程と、
を備えている電極製造方法。
前記組立工程は、前記電子放出要素を前記非電子放出部材内に配置して、次いで、前記非電子放出部材を前記ホルダ内に接触させて配置させる工程からなる、請求項６に記載の電極製造方法。
前記組立工程は、前記非電子放出部材を前記ホルダ内に配置し、次いで、前記電子放出要素を前記非電子放出部材内に配置する、請求項６に記載の電極製造方法。