JPH03216281A - 非移行式プラズマ切断トーチ - 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、金属および非金属材料のいずれにも適用でき
、狭い切り代で安定した切断が可能な非移行式プラズマ
切断トーチに関する。

〔従来の技術〕

陽極ノズルの外周を空気またはガスで冷却するプラズマ
ジェット発生装置の原理図を第６図に示す。図中、■は
棒状陰極、２は陽極ノズル、３はシールドキャップ、４
はプラズマジェットフレーム、５は被切断材、６はプラ
ズマ発生用ガス、７は陽極ノズル冷却用空気またはガス
で、プラズマジェット発生トーチ１０は棒状陰極１、陽
極ノズル２およびシールドキャップ３から構成され、プ
ラズマ電源８により棒状陰極１と陽極ノズル２との間に
直流電圧が印加される。９は高周波発生装置であり、こ
の高周波発生装置の助けにより棒状陰極１と陽極ノズル
２との間に発生したアークは、陽極ノズル２のノズル孔
２ａ壁面とノズル孔２ａに流れるプラズマ発生用ガス６
とで狭搾された高温プラズマ流となり、プラズマジェッ
トフレーム４としてノズル孔先端部から噴出する。この
際、陽極ノズル２はアークで加熱されるが、２ｋＷ以下
程度の小容量のプラズマジェット発生装置では、陽極ノ
ズル冷却用空気またはガス７を陽極ノズル２とシールド
キャップ３との間に流すことにより陽極ノズル２を冷却
する方法がとられる。非移行式プラズマ切断では、前述
したプラズマジェットフレーム４により被切断材５を切
断するものであり、金属および非金属の両方に適用され
る。

現在市販されている非移行式プラズマ切断トーチの例と
しては、陽極ノズルと棒状陰極を覆った陰極スリーブノ
ズルとの間にプラズマ発生用ガスを流す二重ノズル構造
で、ノズル孔径ｄｉｏ．１〜０．３ｍｍφ、ノズル孔長
さＬ；約ＩＭとしたものがある。

一方、導電性の被切断材を陽極にしてノズルに通電しな
い移行式プラズマ切断では、ノズルはプラズマアークの
狭搾のみを目的として使用されるため、ノズル孔径が小
さく、また陰極からノズルを経由して陽極の被切断材へ
とアークが発生する、いわゆるダブルアーク現象を防止
する必要からノズル孔長さの比較的短いノズルが一般に
使用されており、プラズマ電流容量５０Ａ以下の市販国
産品（＠日本溶接協会、ガス溶断部会、プラズマ分科会
編、市販国産プラズマ切断機製品紹介（昭和６１年度）
による）では、ノズル孔径ｄ　；　０．６〜１．２鵬φ
、ノズル孔長さＬ；約２Ｍとなっている。

また、実開昭６１−１２７８７４号には、移行式プラズ
マアーク溶接用チップにおいて、ノズル孔長さＬをノズ
ル孔径ｄで除いた値Ｌ／ｄを０．３≦Ｌ／ｄ≦０．８と
した例が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らの行った実験結果によれば、第６図に示すよ
うな非移行式プラズマ切断トーチ１０では、切断能力に
影響を及ぼすプラズマジェットフレーム４の形状を制御
する陽極ノズル２のノズル孔径ｄ、ノズル孔長さＬの選
定が適切でない場合、以下に述べるような不都合を生じ
る。

（１）ｄ；小．Ｌ；短 移行式プラズマ切断に使用されているノズルのようにｄ
を小さく、Ｌを短くすると、第６図に示すように陽橿点
Ａが陽極ノズル２のノズル孔先端部に吐出し、プラズマ
ジェットフレーム４をノズル孔２ａ壁面によって狭搾す
る効果が少ないためにプラズマジェットフレーム４の狭
搾が不充分となり、被切断材５の切り代が大で、かつｄ
が小さいためにプラズマ発生用ガス６の流量が減少し、
切断能力が低下する。さらに、プラズマ発生用ガス６と
して、酸素ガス、空気などの活性ガスを使用した場合、
陽極点Ａが陽極ノズル２のノズル孔先端部に吐出してい
ると、陽極点部位であるノズル孔先端部の消耗が著しく
、ノズル先端孔径が拡大するために切断性能が安定しな
《なる。また、前述した非移行式プラズマ切断トーチの
従来例のようにｄを極小にした場合には、陽極ノズル２
の消耗くずでノズル孔２ａが塞がれるため、切断性能が
不安定になりやすく、実用的でない。

（２）ｄ；大，Ｌ；短 前述した移行式プラズマアーク溶接用チップの従来例の
ようにｄを大きく、Ｌを短くすると、陽極点Ａが陽極ノ
ズル２のノズル孔先端部に吐出して、プラズマジェント
フレーム４の狭搾が不充分となり、被切断材５の切り代
が大で、かつ切断能力が低下する。切断能力の向上策と
してプラズマ発生用ガス６の流量を増加すると、ますま
す陽極点Ａが陽極ノズル２のノズル孔先端部に吐出しや
すくなり、プラズマ発生用ガス６に活性ガスを使用した
場合、陽極部位の消耗による陽極ノズル２の変形で切断
性能が安定しなくなる。

ｄ；小，Ｌ：長 ｄが小さいためにプラズマ発住用ガスの流量増加が不可
能であり、かつＬが長いために陽極ノスル２のノズル孔
先端部から噴出するプラズマジェットフレーム４が相対
的に短くなるので、切断能力が低下する。

（４）ｄ；大，Ｌ；長 ｄが大きすぎると、プラズマジェットフレーム４の噴出
力が弱まり、フレーム径が大きくなるため、被切断材５
の切り代が大で、かつ切断能力が低下する。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、
プラズマジェットフレームの狭搾と（３） 陽極点の安定形成を損うことなく、被切断材の切り代を
小さくできる非移行式プラズマ切断トーチを提供するこ
とを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、外周を空気または
ガスにより冷却される陽極ノズルと該陽極ノズルにより
覆われた棒状陰極とを具備し、該棒状陰極の周囲にプラ
ズマ形成用ガスを流し、棒状陰極と陽極ノズルとの間に
発生したアークをプラズマジェットフレームとして陽極
ノズルのノズル孔先端部から噴出させる非移行式プラズ
マ切断トーチにおいて、陽極ノズルのノズル孔径ｄを０
．７ｍｍ≦ｄ≦１．０ｍｍとし、かつノズル孔長さＬを
ノズル孔径ｄで除した値Ｌ／ｄを７≦Ｌ／ｄ≦１２とし
たものである。

〔作用〕

陽極ノズルのノズル孔径ｄを上記範囲に選定することに
よりプラズマジェットフレームを適度に狭搾し、かつノ
ズル孔長さＬをノズル孔径ｄで除したＬ／ｄを上記範囲
に選定することにより陽極ノズルのノズル孔部に陽極点
を内在させ得るので、極細で高温のプラズマジェットフ
レームをつくることができる。したがって、陽極ノズル
のノズル孔先端部の消耗がないので、切断作業中に被切
断材の切り代が変動したり、大きくなることがない。

特に、プラズマ発生用ガスとして酸素ガス、空気などの
活性ガスを使用した場合、陽極点部位の消耗は避けられ
ないが、ノズル孔径ｄの適切な選定によりノズル孔詰ま
りを防止でき、かつＬ／ｄの適切な選定によりノズル孔
先端部の消耗を防止できるので、狭い切り代で安定した
切断を行うことができる． 〔実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す模式的断面図である．
同図において、棒状陰極１の先端部には電子放出に優れ
た陰極材１２（ハフニウム，ジルコニウム，トリャ入り
タングステンなど）が埋め込まれており、電子放出面を
形成している。孔径ｄ、長さしのノズル孔２ａを有する
陽極ノズル２が絶縁筒１１に嵌合され、絶縁筒１１によ
って棒状陰極１と陽極ノズル２の軸芯合せがなされてい
る。プラズマ発生用ガス６は、棒状陰極１と絶縁筒１１
との隙間を通して陽極ノズル２の内部に供給される。

陽極ノズル冷却用空気またはガス７は、シールドキャッ
プ３と絶縁筒ｌ１との隙間を通して陽極ノズル２に接す
る部分に設けたシールドキャップ３の溝から陽極ノズル
２の外周を冷却しながら大気中に放出される。第１図で
はプラズマ発生用ガス６と陽極ノズル冷却用空気または
ガス７とは分離して示しているが、これらを同一の空気
またはガスとすることも可能である。これは、絶縁筒１
１の周壁に孔を設けることで実現され、この場合、空気
またはガスの供給源は同一でよい。

以上に述べた、棒状陰極１と絶縁筒１ｌとシールトーキ
ャップ３と陽極ノズル２とから構成された第１図の非移
行式プラズマ切断トーチは、ノズル孔径ｄを０．７ＩＩ
Ｉ１≦ｄ≦１．０ｍｍとし、かつノズル孔長さＬをノズ
ル孔径ｄで除した値Ｌ／ｄを７≦Ｌ／ｄ≦１２とした陽
極ノズル２を具備している．切断作業時には、プラズマ
電源８から直流電圧がこの非移行式プラズマ切断トーチ
の棒状陰極１と陽極ノズル２との間に印加される。高周
波発生装置９の助けにより棒状陰極１と陽極ノズル２と
の間に発生したアークは、陽極ノズル２のノズル孔２ａ
壁面とノズル孔２ａを流れるプラズマ発生用ガス６とで
狭搾された高温プラズマ流となり、プラズマジェットフ
レーム（図示していない）としてノズル孔先端部から噴
出する。この際、陽極ノズル２のノズル孔径ｄと、ノズ
ル孔長さＬをノズル孔径ｄで除した値Ｌ／ｄが適正値に
選定されているため、プラズマジェットフレームを適度
に狭搾するとともに、第１図に示すように陽極点Ａをノ
ズル孔部に内在させ得るので、極細で高温のプラズマジ
ェットフレームをつくることができる。

上記ノズル寸法の限定理由を第２図〜第５図を参照して
以下に詳述する． 第２図は、非移行式プラズマ切断トーチによるノズル孔
長さＬと切り代の関係を、ノズル孔径ｄをパラメータと
して示す特性図でプラズマ電流１０Ａ１切断速度１０ｃ
ｍ／ｓ＋ｉｎ．、プラズマ発生用ガス；エア、の条件で
アクリル樹脂（板厚３−）の切断を行った実測データで
ある。第２図において、領域■は、ノズル孔径ｄに対し
てノズル孔長さＬが短い領域であり、陽極点がノズル孔
先端部に吐出し、プラズマジェットフレームをノズル孔
壁面で狭搾する効果が少なく、ノズル出口方向に広がっ
たプラズマジェットフレームにより切断することになる
ため、切り代が大きくなる。また、この領域では後述す
る第３図の曲線（樽と曲線色）からわかるようにノズル
孔径ｄの増加に伴い切り代は増大する。頷域■は、ノズ
ル孔径ｄが小さく、ノズル孔長さＬが増加する領域であ
り、後述する第３図の曲線（ｆ）と曲線（檜からわかる
ようにプラズマジエントフレーム長が短《なるため、切
断能力が低下する．また、後述する第４図に示すように
ノズル孔長さＬの増加に伴いノズル外周温度が上昇する
。

領域■は、ノズル孔径ｄよりノズル孔長さＬがプラズマ
ジェットフレーム径およびノズル外周温度に強く影響を
及ぼす領域であり、ノズル孔長さＬの増加に伴いノズル
孔部の流路抵抗が増大し、プラズマジェットフレームの
噴出力を弱めるために切断能力が低下し、かつノズル外
周温度も上昇する。領域■は、ノズル孔径ｄが大きすぎ
て、ノズル孔壁面によるプラズマジェットフレームの狭
搾効果が少ないため、ノズル孔径の小さいものと比べて
切り代が大きくなり、またノズル孔径の増加に伴ってプ
ラズマガス量を増さないとプラズマジェットフレームの
噴出力が弱くなるため、切断能力が低下する領域である
。したがって、第２図に示した斜線領域、すなわちノズ
ル孔径ｄを０．７ａｍｓ≦ｄ≦１．０一とし、かつノズ
ル孔長さＬをノズル孔径ｄで除した値Ｌ／ｄを７≦Ｌ／
ｄ≦１２とした領域が適正領域と判断され、本発明の有
効性を実証できた。

第３図は、プラズマ発生用ガスとして窒素ガスを使用し
た非移行式プラズマ切断トーチのノズル孔長さＬとプラ
ズマジェットフレーム長およびフレーム径の関係を、ノ
ズル孔径ｄ１プラズマ電流■，をパラメータとして示す
特性図で、プラズマジェットフレーム長およびフレーム
径を写真撮影（絞りＦ８、シャッタ速度１／８）Ｌ、輝
度の高い部分から求めた結果を図示したものである。

第４図は、プラズマ発生用ガス；窒素（約１０２／ｗｉ
ｎ．）　、陽極ノズル冷却用ガス；窒素（約９０１！／
■ｓｎ．）　、プラズマ電流１０Ａの条件で実測した、
非移行式プラズマ切断トーチのノズル孔長さＬとノズル
外周温度の関係を、ノズル孔径ｄをパラメータとして示
す特性図である。

これらの実測データにおいて、第３図からプラズマジェ
ットフレーム長は、陽極点がノズル孔先端部に吐出しな
いし≧５１ＩＩＩＩ＋で長くなる１頃向にあり（曲線（
ａ）．　（ｂ），　（Ｃ））　、フレーム径はＬ≧５１
ＩＩＩＩ１でゆるやかに細径化する（曲線げ），（局．
（５））傾向を示している。また、ノズル孔径ｄが小に
なると、プラズマジェットフレーム長は短くなる（曲線
（噂，（ハ））傾向にある． 一方、第４図からノズル外周温度は、ノズル孔径ｄが小
になると上昇し、またノズル孔長さＬが増すと上昇する
傾向にある。ノズル外周を空冷またはガス冷却するトー
チ構造では、トーチ構成材料の耐熱温度を考慮すると、
ノズル外周温度の最大許容値は約２５０゜Ｃ程度と考え
られる，これらのことから、ノズル孔径ｄおよびノズル
孔長さＬには実用上の制約条件が出てくる。

第５図は、プラズマ発生用ガスとしてエア（活性ガス）
を使用したときの陽極ノズルの消耗状況を示す陽極ノズ
ル模式的断面図である。陽極ノズルのノズル孔径ｄは、
本発明の限定範囲内の０．８閣とし、Ｌ／ｄを２．５と
ＩＯの２種類として陽極ノズルの消耗状況を比較した（
ノズルはいずれも銅製）。Ｌ／ｄが２．５（７≦Ｌ／ｄ
≦１２の範囲外）の場合、陽極点の発生するノズル孔先
端部で消耗し、ノズル先端孔径の拡大していることがわ
かる。

一方、Ｌ／ｄが１０（７≦Ｌ／ｄ≦１２の範囲内）の場
合、陽極点はノズル孔内部で発生し、その部位での消耗
は認められるが、ノズル孔先端部では消耗が認められな
い。したがって、ノズル孔径ｄの適切な選定で陽極ノズ
ルのノズル孔詰まりを防止でき、Ｌ　／　ｄの適切な選
定でノズル孔先端部の消耗を防止できる。

〔発明の効果］ 本発明によれば、陽極ノズルのノズル孔径ｄとノズル孔
長さＬをノズル孔径ｄで除した値Ｌ／ｄとを適切に選定
することにより、プラズマジェットフレームを適度に狭
搾し、がっ陽極ノズルのノズル孔詰まりおよびノズル孔
先端部の消耗を防止して、安定した長いプラズマジェッ
トフレームが得られるので、従来の非移行式プラズマ切
断トーチにあったような切断作業の中断および粗悪な切
断面の発生がなくなり、作業効率を大幅に向上すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す模式的断面図、第２図
は非移行式プラズマ切断トーチによるノズル孔長さと切
り代の関係を示す特性図、第３図は同じくノズル孔長さ
とプラズマジェットフレーム長およびフレーム径の関係
を示す特性図、第４図は同じくノズル孔長さとノズル外
周温度の関係を示す特性図、第５図は非移行式エアプラ
ズマによる陽極ノズルの消耗状況を示す陽極ノズル模式
的断面図、第６図はプラズマジェット発生装置の原理図
である． １・・・棒状陰極、２・・・陽極ノズル、２ａ・・・ノ
ズル孔、４・・・プラズマジェットフレーム、５・・・
被切断材、６・・・プラズマ発生用ガス、７・・・陽極
ノズル冷却用空気またはガス．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、外周を空気またはガスにより冷却される陽極ノズル
   と該陽極ノズルにより覆われた棒状陰極とを具備し、該
   棒状陰極の周囲にプラズマ発生用ガスを流し、棒状陰極
   と陽極ノズルとの間に発生したアークをプラズマジェッ
   トフレームとして陽極ノズルのノズル孔先端部から噴出
   させる非移行式プラズマ切断トーチにおいて、陽極ノズ
   ルのノズル孔径ｄを０．７ｍｍ≦ｄ≦１．０ｍｍとし、
   かつノズル孔長さＬをノズル孔径ｄで除した値Ｌ／ｄを
   ７≦Ｌ／ｄ≦１２としたことを特徴とする非移行式プラ
   ズマ切断トーチ。