JPH03174980A - プラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は被加工材の溶接や切断等に用いられるプラズマ
トーチに関するものである。

〈従来の技術〉 今日、鉄鋼やステンレス鋼等の被加工材をプラズマジェ
ットによって溶接し、或いは切断することが行われ、そ
の際にはプラズマトーチが使用されている。

前記被加工材を例えばプラズマジェットによって切断す
る場合、プラズマジェットの熱エネルギによる被加工材
の加熱−溶融と、速度エネルギによる溶融物の除去とを
略同時に且つ連続的に行うことで、被加工材に連続した
カーフ（切溝）を形成して切断するものである。

また放電によって発生したプラズマは、動作ガス及び冷
却されたノズルによるサーマルピンチ効果によって細い
気流に絞られる。従って、前記サーマルピンチ効果を向
上させることで、径の細いプラズマジェットを得ること
が可能であり、且つカーフの寸法を小さくして切断効率
を高めることが可能である。

従来のプラズマトーチにあっては、第７図に示すように
ノズル５０と電極５１とを絶縁する絶縁体５２に、電極
５２の軸と平行で且つ斜めのガス通流孔５３を形成して
動作ガスを旋回させるためのガスガイドとして構成し、
動作ガスが前記通流孔５３を通ることにより電極５１の
軸の周囲に動作ガスの螺旋状旋回流を生ずるようにして
いる。

〈発明が解決しようとした課題〉 然し、前記従来のプラズマトーチにあっては、ガス通流
孔５３から噴出するガスはノズル５ｏの先端に向かって
電極５１の軸と平行に旋回するようになり、電ｐｉ５］
の先端部分に於いては動作ガスの密度が小さく、且つガ
ス噴出部分と他の部分とで旋回圧が僅かに異なるため効
率の良いサーマルピンチ効果を得ることが困難であった
。

また電極５１の先端部分に於ける動作ガスの密度が小さ
く且つ旋回速度が低下すると、電極５１に於けるアーク
の発生点が一定しなくなり、シリースアークが発生する
ようになって電極の寿命を低下さセる一要因となる。

また絶縁体５２を動作ガスを旋回させるためのガスガイ
ドとして使用しているが、絶縁体５２としては一般にセ
ラミックスを使用するために、これに微小なガス通流孔
５３を形成するのは容易ではない等の問題があった。

本発明の目的は、動作ガスを効率良く旋回させることで
プラズマに対するサーマルピンチ効果を向上させること
が出来、また製造の容易なプラズマトーチを提供するも
のである。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するために本発明のプラズマトーチは、
アークを発生するための電極とプラズマジェットを噴出
するためのノズルを有し、前記電極の軸の周囲に動作ガ
スを旋回させて噴出させるよう構成したプラズマトーチ
に於いて、前記動作ガスを電極の軸に対して傾斜させる
と共に前記電極の軸の周囲に旋回させて噴出させるため
の通流孔を設けて構成されるものである。

前記プラズマトーチに於いて、動作ガスの電極の軸に対
する傾斜角度は６０度乃至１００度の範囲にあることが
好ましい。

また前記電極とノズルとを絶縁する絶縁体の先端にガス
ガイド部材を取り付け、前記ガスガイド部材に電極の軸
に対して傾斜させて前記動作ガスを旋回噴出させるため
の通流孔を形成することが好ましい。

〈作用〉 上記手段によれば、動作ガスを効率良く旋回さセて通流
孔から噴出させることが出来る。このためサーマルピン
チ効果を向上させてプラズマを細く絞ることが出来る。

また電極の先端部分に於ける動作ガスの密度を高めるこ
とが出来、このため、アークの発生点を安定させること
が出来る。

即ち、通流孔は電極の軸に対し６０度〜１００度の範囲
に於ける所定の傾斜角度を有している。このため、動作
ガスを電極の先端部分から該電極の軸に沿って高い密度
と高い速度で旋回させることが出来る。従って、電極の
先端部分では高密度、高速度の動作ガスを作用させるこ
とでアークの発生点を安定させると共に、プラズマの軸
方向に沿って鞘状に包むことでサーマルピンチ効果を向
上させることが出来る。

また通流孔を絶縁体とは別体のガスガイド部材に形成す
ることにより、微小孔である通流孔を容易に形成するこ
とが出来る。

〈実施例〉 次に上記手段を適用した本発明の実施例に係るプラズマ
トーチについて説明する。

第１図はプラズマトーチの断面説明図であり、第２図は
要部斜視説明図である。

本実施例に係るプラズマトーチは電極の軸に対し略直角
（略９０度）に傾斜させた通流孔を構成したものである
。

先ずプラズマトーチの全体構成について説明すると、ｌ
は銅等の導電性部材よりなる電極であって、先端中央に
ハフニウム１ａを埋め込んであると共に、後部は中空に
形成されている。更に電極１の後部には導電性部材より
なる内筒２が取り付けられている。即ち、前記内筒２を
電源に接続することにより電極１がマイナス電極となる
ものである。

また前記電極１の先部には絶縁部材３が該電極ｌと同心
的に取り付けられている。この絶縁部材３は電極１と後
述するノズル５とを電気的に絶縁するものであり、本実
施例にあってはセラミックスよりなる筒状に構成され、
先端には前記電極ｌを嵌入するための孔３ａが形成され
、該孔３ａに嵌入した電極１の先部が露出するように取
り付けられている。更に絶縁部材３の先端外周にはリン
グ状の段部３ｂが形成されている。

４は前記絶縁部材３の段部３ｂに取り付けられるガスガ
イド部材であって、快削黄銅をリング状に構成し、且つ
その内径は前記絶縁部材３の段部３ｂに嵌着し得る寸法
に形成されている。またガスガイド部材４の外周は第３
図（ａ）、　（ｂ）に示すように、円弧状の円弧部４ａ
の間に等間隔で四ケ所に面取りした面取部４ｂが形成さ
れ、夫々の面取部４ｂには外部から内部へ貫通する通流
孔４ｃが形成されている。この通流孔４ｃはガスガイド
部材４の軸心（電極１の軸９）に対して直角方向であっ
て、外部から内部へ向かって斜めに形成されている。即
ち、ガスガイド部材４の内周円の接線方向に形成した通
流孔４ｃが該部材４の外部から内部へ斜めに向かうよう
に形成されている。このため、第・３図（ａ）、　（ｂ
）の矢印に示すように動作ガスが部材外部から通流孔４
ｃを通って内部に流入すると、軸心に対して直角方向平
面で旋回するようになるものである。

次乙こ５はノズルであり、後部５ａの内径は前記ガスガ
イド４の円弧部４ａに嵌着し得る寸法に形成され、後部
からテーパ部５ｂにより先細となり、先端にはプラズマ
ジェット及び動作ガスを噴出するための噴出孔５ｃが形
成されている。

前記ノズル５の後部外周には第１図に示すように冷却水
通路６ａ、６ｂを有する中空冷却部材６が０リング７を
介して嵌着されており、この冷却部材６の内部には内筒
２及び絶縁部材３と一定間隔を隔てることによりガス通
路８が形成されている。また前記内筒２の内部には先部
が電極１の中空部に挿入された冷却筒１０が設けられ、
核部１０と内筒２間に一定の間隙を形成することにより
冷却水通路１１が形成され、この通路１１が前記冷却部
材６の冷却水通路６ａと連通ずるように構成されている
。

また前記冷却部材６の外周には外筒１２が設けられ、外
筒１２の先端はノズル５の先部を覆うように構成されて
いる。尚、前記外筒１２と冷却部材６間、及び電８ｉｉ
ｌと内筒２間には夫々気密保持用○リング１３．１４が
設けられている。

ここで冷却水の流れについて説明すると、前記冷却筒Ｉ
Ｏから流入した冷却水は第１図の矢印ａに示すように電
極１の中空部を通って通路１１へ至り、該通路１１から
冷却部材６の一方側通路６ａを通り、更にノズル５と外
筒１２との間を通って通路６ｂから排出される。これに
より冷却水と接する電極ｌ及びノズル５が冷却されるこ
ととなる。

またガス通路８に供給された動作ガスの流れは第１図矢
印すに示すように絶縁部材３の外周からガスガイド部材
４の面取部４ｂに形成した通流孔４ｃを通って電極ｌの
先端に至り、ノズル５の噴出孔５ｃから噴出するもので
ある。

次に前記の如く構成されたプラズマトーチの作用につい
て説明する。

先ずノズル５を直流電源のプラス側に接続すると共に内
筒２をマイナス側に接続し、ガス通路８に窒素ガス、酸
素ガス或いは空気等の動作ガスを供給すると、電極１と
ノズル５との間にパイロットアークが発生し、このパイ
ロットアークが動作ガスによって噴出孔５ｃからノズル
５の外部に噴出する。前記パイロットアークが図示しな
い被加工材に到達したとき、この被加工材を直流電源の
プラス側に接続すると、電極ｌと被加工材との間にメイ
ンアークが発生する。前記アークによって動作ガスがプ
ラズマ化され、プラズマジェットとして噴出孔５ｃから
噴出し、被加工材に対する溶接或いは切断等の作業を行
うものである。

このときガスガイド部材４に形成された通流孔４ｃを通
った動作ガスは、第３図に示すように電極ｌの軸９、即
ち、プラズマジェットの噴射方向に対して直角平面で旋
回するように噴出するために、電極ｌの先端には高密度
の旋回流が生じた状態となると共に、軸９の周囲を高速
で旋回する。

このため、電極１の先端から発生するアークの発生点が
一定となり、常に電極の中央のハフニウムｌａ部分から
発生するようになる。

また前記高速のガス旋回噴出流は放電によって発生した
プラズマに対するサーマルピンチ効果をより高めること
となり、プラズマジェットの収縮を促進させることが可
能となる。このため、径の細いプラズマジェットを得る
ことが可能となり、従って、精密加工が可能となるもの
である。

第４図（ａ）はガスガイド部材４に形成した通流孔４ｃ
を軸９に対しプラズマジェットの噴出方向に角度α傾斜
させた場合の模式説明図であり、同図（ｂ）はガスガイ
ド部材４の説明図である。

前述の実施例では、通流孔４ｃを軸９に対し直角方向に
形成して動作ガスを噴出させるようにしたが、本実施例
では該孔４ｃを軸９に対しプラズマジェットの噴出方向
に６０度〜９０度の範囲に於ける所望の角度α傾斜させ
たものである。通流孔４Ｃは前述の実施例と同様に、ガ
スガイド部材４の外部から内部に対して形成されており
、且つガスガイド部材４の内周円に対し接線方向に形成
されている。

また第５図（ａ）はガスガイド部材４に形成した通流孔
４ｃを軸９に対しプラズマジェットの噴出方向とは反対
方向に角度α傾斜させた場合の説明図であり、同図（ｂ
）はガスガイド部材４の説明図である。

この場合、通流孔４ｃはプラズマジェットの噴出方向と
は反対方向に傾斜しており、角度αは９０度〜１００度
の範囲に設定されている。

第６図は動作ガスとして酸素ガスを用い、電流３０Ａの
条件に於ける通流孔４ｃの傾斜角度αを種々の値に設定
して行った実験結果を示すものであり、従って、通流孔
４Ｃの傾斜角度αと噴出孔５Ｃの径、即ち、プラズマジ
ェットの径との関係を表すものである。

同図によればプラズマトーチを同一条件で作動させたと
き、プラズマジェットの径は通流孔４ｃの傾斜角度によ
って大きく影響されることが明らかである。

ここで、被加工材に対し精密加工を施す場合には、プラ
ズマジェットの径が０．７閣以下、好ましくは０．６５
ｍｍ以下に絞られていることが必要である。

同図に示すように、通流孔４ｃの軸９に対する傾斜角度
αが６０度及び１００度のとき、プラズマジェットの径
は約０．６５ｍとなり、また傾斜角度αが９０度のとき
、プラズマジェットの径は０．６　ａｍとなる。

尚、前述した実施例では絶縁部材３とガスガイド部材４
とを別体とした例を示したが、これ等は一部材によって
構成しても良いものである。

〈発明の効果〉 本発明は前述した如く、通流孔から噴出する動作ガスを
電極の軸に対して傾斜させて旋回噴出するようにしたの
で、電極先端部分に高密度且つ高速度のガス旋回流を生
じさせることが出来、このため電極に於けるアークの発
生点を安定させ、電極寿命を向上させることが出来る。

また電極の先端部分から該電極の袖に沿って動作ガスの
高速旋回流を得ることが出来るため、プラズマに対する
サーマルピンチ効果を向上させることが出来るため、極
めて細いプラズマジェットを形成することが出来る。こ
のため、被加工材に対する精密加工を実施することが出
来る。

また通流孔を絶縁体とは別体のガスガイド部材に形成し
た場合には、ガスガイド部材を加工の容易な材質を用い
ることが出来るため、微小な通流孔を容易に形成するこ
とが出来る等の特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はプラズマトーチの断面説明図、第２図は要部斜
視説明図、第３図（ａ）、　（ｂ）はガスガイド部材ノ
説明図、第４図（ａｌ、　（ｂ）及び第５図（ａ）、　
（ｂ）は通流孔を傾斜させた場合の説明図、第６図は通
流孔の傾斜角度とプラズマジェットの径との関係を示す
説明図、第７図は従来技術の説明図である。 ■は電極、ｌａはハフニウム、２は内筒、３は絶縁部材
、３ａは孔、３ｂは段部、４はガスガイド部材、４ａは
円弧部、４ｂは面取部、４ｃは通流孔、５はノズル、５
ａは後部、５ｂはテーパ部、５ｃは噴出孔、６は冷却部
材、８はガス通路、９は電極の軸、ｌＯは冷却筒、１１
は冷却水通路、１２は外筒である。 特許出側人　　小池酸素工業株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）アークを発生するための電極とプラズマジェット
   を噴出するためのノズルとを有し、前記電極の軸の周囲
   に動作ガスを旋回させて噴出させるよう構成したプラズ
   マトーチに於いて、前記動作ガスを電極の軸に対して傾
   斜させると共に電極の軸の周囲に旋回させて噴出させる
   ための通流孔を設けたことを特徴としたプラズマトーチ
   。
2. （２）前記動作ガスの電極の軸に対する傾斜角度が６０
   度乃至１００度の範囲にあることを特徴とした請求項（
   １）記載のプラズマトーチ。
3. （３）前記電極とノズルとを絶縁する絶縁体の先端にガ
   スガイド部材を取り付け、前記ガスガイド部材に電極の
   軸に対して傾斜させて前記動作ガスを旋回噴出させるた
   めの通流孔を形成したことを特徴とした請求項（１）記
   載のプラズマトーチ。