JP6989117B2

JP6989117B2 - プラズマトーチ及び金属粗材の溶解方法

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Publication number: JP6989117B2
Application number: JP2017249715A
Authority: JP
Inventors: 秀樹青木; 幸伯今村
Original assignee: Yutaka Electronics Ind Co Ltd
Current assignee: Yutaka Electronics Ind Co Ltd
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP2019117689A

Description

本発明は、被加熱物に不活性ガスを噴出して、陰電極と被加熱物との間にプラズマを発生させるプラズマトーチ及び金属粗材の溶解方法に関するものである。

従来より、プラズマ溶接トーチ（プラズマトーチ）としては、電極（陰電極）の消耗を抑制するために、プラズマノズルのノズルテーパ部のテーパ角が電極の電極テーパ部のテーパ角よりも小さく、電極の根元部分がノズルテーパ部の内部に位置するものが知られている（特許文献１）。

特開２０１２−２４５５４４号公報

しかしながら、このようなプラズマトーチでは、陰電極の根元部分がノズルテーパ部の内部に設けられていることから、陰電極の位置調整が難しいうえ、先端側のノズル内部の損傷を低減することが困難であった。更には、ノズル内部の損傷の程度を確認し難く、メンテナンス性にも問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記従来のプラズマトーチの問題を解消し、アークプラズマの移行不良を招くことがなく、その移行制御が容易であり、先端側のノズルの損傷を低減することで長寿命化を図ることが可能なプラズマトーチ及び金属粗材の溶解方法を提供することにある。

本発明のうち、請求項１に記載された発明は、陰電極と、
前記陰電極と同軸方向に配置され、前記陰電極外周を覆う円筒状で内部に冷却水供給路を形成したノズルと、を少なくとも備え、
前記陰電極と前記ノズルとの間から被加熱物に不活性ガスを噴出して、前記陰電極と前記被加熱物との間にプラズマを発生させるプラズマトーチであって、
前記陰電極が、前記ノズル先端部より被加熱物側に突出長Ａで突出し、
前記突出長Ａと、前記陰電極の平均直径Ｂとの関係が、下式を満たしていることを特徴とするものである。
Ａ／Ｂ＝１／８〜５／８
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加え、前記陰電極が、着脱可能に形成されてなることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明に加え、前記陰電極が、前記突出長Ａを調整可能に形成されてなることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマトーチを用いた金属粗材の溶解方法であって、
前記プラズマトーチの下方に、前記金属粗材を収容したラドルをセットする工程と、
前記被加熱物と前記陰電極との間にプラズマを発生させて金属粗材を溶融する工程とからなることを特徴とするものである。

請求項１に記載された発明は、アークプラズマの移行不良を招くことがなく、その移行制御が容易であり、先端側のノズルの損傷を低減することで長寿命化を図ることが可能である。また、プラズマトーチの全長を短くでき、体積を小さくして軽量化を図ることも可能である。他にも、陰電極がノズル先端部より被加熱物側に突出することから、ノズル冷却水に起因するプラズマの損失熱量が減り、陽極（被加熱物）への入射熱量が増えて熱効率が向上する。
請求項２に記載された発明は、陰電極のみの交換が可能となり、メンテナンス作業が容易である。
請求項３に記載された発明は、アークプラズマの移行制御がより容易となる。
請求項４に記載された発明は、金属粗材の溶解を効率良く行うことが可能である。

溶解供給システムを示す説明図である。（ａ）はプラズマトーチを示し、（ｂ）は（ａ）の断面を示す説明図である。図２（ｂ）の各位置の断面を示す説明図である。プラズマトーチ先端部の断面を示す説明図である。

以下、本発明のプラズマトーチの一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、溶解供給システムを示す説明図である。図２は、プラズマトーチを示す説明図である。図３は、図２に示すプラズマトーチの各位置の断面を示す説明図である。図４は、プラズマトーチ先端部の断面を示す説明図である。

図１に示すように、溶解供給システム１は、プラズマトーチ２０がアルミや鉄等の金属粗材との間にプラズマを発生させて、この金属粗材を溶解する溶解装置１０と、回転テーブル１１上に載置されたラドル３（３ａ，３ｂ）を、取り出して交換を行うロボットハンド２とで構成される。
図２（ａ）（ｂ）に示すように、プラズマトーチ２０は、陰電極４０外周を覆う円筒状に形成され、アークプラズマの最初の発生時（パイロットアーク発生時）に陽極として機能するノズル４２と、このノズル４２の外周を覆う第１外筒２１と、アルミ製で溶解装置１０に設置する係止用フランジ２３と、スペーサ２４と、ノズル４２の他端が接続されるフランジ付きの第２外筒２５（陽極）と、この第２外筒２５と陰極３１とを絶縁する第３外筒３０と、陰電極４０が先端に着脱可能に取り付けられるベース４１と、ベース４１の他端が接続される陰極３１とで構成される。

このうち、ノズル４２内には、ノズル用冷却水筒４３が同軸方向に配置されている。図２（ｂ）のＣ−Ｃ線断面である図３（ａ）に示すように、ノズル４２内では、ノズル用冷却水筒４３の内周側に入側のノズル用冷却水路５２が形成される一方、ノズル用冷却水筒４３の外周側に出側のノズル用冷却水路５３が形成され、これらがノズル用冷却水筒４３の先端部で繋がる構造である。

また、ベース４１内には、陰電極用冷却水筒４４が同軸方向に配置されている。ベース４１内では、陰電極用冷却水筒４４の内周側に入側の陰電極用冷却水路５７が形成される一方、陰電極用冷却水筒４４の外周側に出側の陰電極用冷却水路５８が形成され、これらが陰電極用冷却水筒４４の先端部で繋がる構造である。陰電極用冷却水路５７の後端は、陰極３１に形成される陰電極用冷却水入口３２に繋がっており、陰電極用冷却水路５８の後端は、陰極３１に形成される陰電極用冷却水出口３３に繋がっている。

他にも、図３（ｂ）〜（ｅ）に示すように、第２外筒２５の表面には、陰電極４０側から陰極３１側に向かって、シールドガス入口２６、ノズル用冷却水出口２８，２８、ノズル用冷却水入口２７，２７、不活性ガス入口２９，２９がそれぞれ形成されている。
このうち、図２（ｂ）のＤ−Ｄ線断面である図３（ｂ）に示すように、第２外筒２５の内周側と、ノズル４２の外周側との間には、シールドガス路５０が形成されている。ベース４１の外周側と、ノズル４２の内周側との間には、不活性ガス路５５が形成されている。

また、図４に示すように、陰電極４０は、熱に強いタングステン製の部材でベース４１の先端部に螺合されている。この陰電極４０は、ノズル４２先端より被加熱物側に突出長Ａ（ｍｍ）で突出している。
陰電極４０の平均直径Ｂ（ｍｍ）とは、軸部分の外径の平均値を示したものである。この陰電極４０の先端部の角度は、６０〜１２０°となるように形成されているが、８０〜１００°がより好適である。そして、突出長Ａと、陰電極４０の平均直径Ｂ（ｍｍ）との関係は、Ａ／Ｂ＝１／８〜５／８となっている。

次に、着火実験を１０回行ったところ、表１に示すように、このＡ／Ｂ＝１／８〜５／８の範囲内では、陽極（被加熱物）へのプラズマアークの移行が安定的に行われた。

この場合、更に表２に示すように、ノズル損傷の有無についても、Ａ／Ｂ＝１／８〜５／８の範囲内では、凹状の溶損部は確認されなかった。従って、ノズル４２の損傷を低減し、プラズマトーチ２０の長寿命化が可能である。

一方、Ａ／Ｂが５／８より大きい値になる場合（突出長Ａが大きい場合）では、ノズル４２外面における着火損傷が大きくなる。更に、陰電極４０及びノズル４２間から、陰電極４０及び金属粗材間へのアークプラズマ移行時にアークプラズマが斜め（不安定）になり、金属粗材への直進性に欠けるため移行不良が生じやすくなる。従って、表１に示すように、Ａ／Ｂが７／８の場合では、陽極（被加熱物）へのプラズマアークの移行ができず、表２に示すように、ノズルの外側に凹状の溶損部が確認された。

また、Ａ／Ｂが１／８より小さい値になる場合（突出長Ａが小さい場合）では、ノズル４２内面における着火損傷が大きくなるとともに、外観からはその損傷に気付き難いため、メンテナンス性が低下する。更に、陰電極４０の先端がノズル４２先端より凹んだ位置に配設されている場合では、ノズル用冷却水５４に起因するプラズマの損失熱量が増え、陽極（被加熱物）への入射熱量が減って熱効率が低下する。従って、表１に示すように。Ａ／Ｂが１／１６の場合では、陽極（被加熱物）へのプラズマアークの移行はできるものの、表２に示すように、ノズルの内側に凹状の溶損部が確認された。
なお、突出量Ａは、先端側に陰電極３１が接続されている陰極３１と、この陰極３１が接続される第３外筒３０との螺合量によって調整が可能である。

このようにして構成されるプラズマトーチ２０による金属粗材の溶解は、以下のように行われる。
図１に示すラドル３ｂ内には、図示しない金属粗材が載置されており、溶解装置１０に取り付けられたプラズマトーチ２０が下降して金属粗材に近接した状態において、図示しない電源装置により陰極３１の後端に直流電源を印加する。陰極３１に螺合される陰電極４０と第２外筒２５に繋がるノズル４２の内側との間にアークプラズマ（パイロットアーク）が発生した後、このアークプラズマが被加熱物側に移行されることで生じるアークプラズマ（メインアーク）により金属粗材の溶解が行われる。

この時、図４に示すように、プラズマトーチ２０の先端では、シールドガス入口２６から５〜１５Ｌ／ｍｉｎで供給される窒素ガス，アルゴンガス等のシールドガス５１が、シールドガス路５０内を流下して噴出する。不活性ガス入口２９から５〜２０Ｌ／ｍｉｎで供給されるアルゴンガスである不活性ガス５６も、不活性ガス路５５内を流下して噴出する。これらにより、シールドガス５１、不活性ガス５６でノズル４２先端部と金属粗材との間が覆われ、金属粗材を酸素に触れさせることなく溶解することが可能となり、金属粗材の酸化を防止して品質の劣化を防ぐ。

そして、ノズル４２内では、ノズル用冷却水入口２７から８〜２０Ｌ／ｍｉｎで供給されるノズル用冷却水５４がノズル用冷却水路５２内を流れ、ノズル用冷却水筒４３の先端部で折り返してノズル用冷却水路５３内を流れた後、ノズル用冷却水出口２８から排出される。これにより、ノズル４２の冷却が行われる。

ベース４１内でも、陰電極用冷却水入口３２から６〜１０Ｌ／ｍｉｎで供給される陰電極用冷却水５９が入側の陰電極用冷却水路５７内を流れ、陰電極用冷却水筒４４の先端部で折り返して出側の陰電極用冷却水路５８内を流れた後、陰電極用冷却水出口３３から排出される。これにより、陰電極４０で発生した熱の冷却が行われ、陰電極４０の熱損傷が低減される。陰電極用冷却水５９は、旋回流ではないため、熱交換面積を増やすことで沸騰現象が抑制される。

金属粗材の溶解が完了したら直流電源の印加を停止し、プラズマトーチ２０が上昇して金属粗材から離れた状態となる。回転テーブル１１上のラドル３ｂがラドル３ａに入れ替えられると、ロボットハンド２がラドル３ｂを把持して移動する。

上記の如く構成されるプラズマトーチ２０は、陰電極４０が、ノズル４２先端部より被加熱物側に突出長Ａで突出し、突出長Ａと、陰電極４０の平均直径Ｂとの関係が、下式を満たしているものである。
Ａ／Ｂ＝１／８〜５／８
その結果、アークプラズマの移行不良を招くことがなく、その移行制御が容易であり、先端側のノズル４２の損傷を低減することで長寿命化を図ることが可能である。また、プラズマトーチ２０の全長を短くでき、体積を小さくして軽量化を図ることも可能である。他にも、陰電極４０がノズル４２先端部より被加熱物側に突出することから、ノズル用冷却水５４に起因するプラズマの損失熱量が減り、陽極（被加熱物）への入射熱量が増えて熱効率が向上する。

また、陰電極４０が、着脱可能に形成されてなることにより、陰電極４０のみの交換が可能となり、メンテナンス作業が容易である。

更に、陰電極４０が、突出長Ａを調整可能に形成されてなることにより、アークプラズマの移行制御がより容易となる。

他にも、プラズマトーチ２０を用いた金属粗材の溶解方法は、プラズマトーチ２０の下方に、金属粗材を収容したラドル３をセットする工程と、被加熱物と陰電極４０との間にプラズマを発生させて金属粗材を溶融する工程とからなる。これにより、金属粗材の溶解を効率良く行うことが可能である。

なお、本発明にかかるプラズマトーチは、上記した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、陰電極やノズル、ベースの形状や大きさ等を適宜変更することができる。

例えば、プラズマトーチ２０を構成するベース４１やノズル４２、第１外筒２１等の各部品は、先端部分と胴体部分とを分割式にする構成としても良い。これにより、先端部分が損傷した場合には、各部品の先端部分のみを交換すれば良く、メンテナンス作業が容易である。

また、陰電極４０の突出長Ａの調整は、この陰電極４０が先端に配された陰極３１と、第３外筒３０との螺合量の調整によって行う構造であるが、陰電極４０の突出長Ａを調整可能な機構であれば良く、適宜変更可能である。

１・・溶解供給システム、２・・ロボットハンド、３・・ラドル、１０・・溶解装置、１１・・回転テーブル、２０・・プラズマトーチ、２１・・第１外筒、２３・・係止用フランジ、２４・・スペーサ、２５・・第２用外筒、２６・・シールドガス入口、２７・・ノズル用冷却水入口、２８・・ノズル用冷却水出口、２９・・不活性ガス入口、３０・・第３外筒、３１・・陰極、３２・・陰電極用冷却水入口、３３・・陰電極用冷却水出口、４０・・陰電極、４１・・ベース、４２・・ノズル、４３・・ノズル用冷却水筒、４４・・陰電極用冷却水筒、５０・・シールドガス路、５１・・シールドガス、５２・・ノズル用冷却水路（入側）、５３・・ノズル用冷却水路（出側）、５４・・ノズル用冷却水、５５・・不活性ガス路、５６・・不活性ガス、５７・・陰電極用冷却水路（入側）、５８・・陰電極用冷却水路（出側）、５９・・陰電極用冷却水。

Claims

陰電極と、
前記陰電極と同軸方向に配置され、前記陰電極外周を覆う円筒状で内部に冷却水供給路を形成したノズルと、を少なくとも備え、
前記陰電極と前記ノズルとの間から被加熱物に不活性ガスを噴出して、前記陰電極と前記被加熱物との間にプラズマを発生させるプラズマトーチであって、
前記陰電極が、前記ノズル先端部より被加熱物側に突出長Ａで突出し、
前記突出長Ａと、前記陰電極の平均直径Ｂとの関係が、下式を満たしていることを特徴とするプラズマトーチ。
Ａ／Ｂ＝１／８〜５／８
前記陰電極が、着脱可能に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のプラズマトーチ。
前記陰電極が、前記突出長Ａを調整可能に形成されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマトーチ。
請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマトーチを用いた金属粗材の溶解方法であって、
前記プラズマトーチの下方に、前記金属粗材を収容したラドルをセットする工程と、
前記被加熱物と前記陰電極との間にプラズマを発生させて金属粗材を溶融する工程とからなることを特徴とする金属粗材の溶解方法。