JPH04167996A - アーク加工用非消耗電極の製造方法 - 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〉 本発明は酸素プラズマ或いは空気プラズマ等のプラズマ
アーク加工に用いられる非消耗電極の製造方法に関する
ものである。

〈従来の技術〉 今日、鋼板、ステンレスｍ板等の被加工材に対し切断、
溶接等の加工を施す際に、酸素ガス、空気を含む酸素ガ
スを５％以上含有したガス（以下「酸化系ガスｊという
）を用いたプラズマアーク加工法を利用することが行わ
れている。

酸化系ガスを用いたプラズマアーク加工法は、トーチの
電極部に於いて発生した超高温のプラズマを酸化系ガス
と共にノズルから超高速で被加工材に向けて噴射するこ
とで、被加工材を溶融、酸化させると共に溶融物及び酸
化生成物を排除して切断するものである。この加工法は
鉄系金属に通用した場合に、切断面の高品質化、加工の
高速化等をはかることが出来るため有利である。

このように、プラズマアーク加工法は種々の利点を有す
る。然し、作用インサート及びホルダーが熱電子の放出
に伴う温度上昇により溶融、渾発して消耗するという問
題がある。

そして従来より上記問題を解決するために多くの提案が
なされている。例えば、特許第８７７８０４号（特公昭
５２−６９３２号）に開示される技術は、銅又は銅合金
によって製作されたホルダーにハフニウム又はハフニウ
ム合金によって製作された作用インサートを嵌合すると
共に、前記ホルダーと作用インサートとの全接触面にア
ルミニウム又はアルミニウム合金によって製作された金
属スペーサを配置した電極に関するものである。この技
術によれば、酸化系ガス雰囲気中でプラズマアークを発
生させた場合、金属スペーサの材料であるアルミニウム
が酸化し、このアルミニウム酸化物の融点が高いことか
らホルダーを加熱と酸化から保護する遮蔽材として作用
するため、電極の寿命を延長させることが出来る。前記
の如きホルダーと作用インサートとの接触面に金属スペ
ーサを配置した電極を製造するには、予め設定される電
極の加工能力に応じて作用インサートの太さ及び長さを
設定し、この寸法に応じてカップ状のソケットを製作し
、更にホルダーに金属スペーサの外径及び長さに応じた
穴を形成する。そして作用インサートをソケットに嵌挿
した後、このソケットをホルダーの穴に圧入して固定し
ている。

また特開昭５５−４００９１号公報には、能動インサー
トの表面積を増大させて、該インサートに対する冷却効
率を向上させることで電橋の寿命を向上させることか示
されている。

〈発明が解決しようとした課題〉 プラズマ加工用のトーチに於ける電極の寿命は長いこと
が好ましい。然し、一方では電極の消耗時間が安定した
ものであることが要求されている。

即ち、同一仕様の電極に於ける消耗時間がバラツキの無
いものであることが要求されている。

電極の消耗時間は、上記従来技術の如く作用インサート
とホルダーとの接触面にアルミニウム又はアルミニウム
合金からなる金属スペーサを配置することによって延長
させることが可能であり、また作用インサートとホルダ
ーとの熱伝達効率を向上させることで延長することが可
能である。

然し、作用インサートと金属スペーサ及び金属スペーサ
とホルダーとを圧入或いはプレス等によって機械的に嵌
合させる方法では、寸法精度１面粗度等の影響によって
これ等の接触面に空隙が生じたり、或いは結合力に差異
が生しる。空隙の生した電極では作用インサート、金属
スペーサ、ホルダーに於ける熱伝達効率が低下し、また
結合力の低い電極も同様に熱伝達効率が低下し、電極の
消耗時間は不可避的に不安定となるという問題がある。

また作用インサート、金属スペーサ、ホルダーの穴等の
寸法が比較的小さいものであるため、これ等を機械加工
する場合に加工精度の確保が困難であり、このため、生
産コストが上昇するという問題がある。

本発明の目的は、消耗時間が長く且つ安定したアーク加
工用非消耗電極の製造方法を提供することにある。

く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に係るアーク加工用
非消耗電極の製造方法は、酸化系ガスを使用するアーク
加工用非消耗電極の製造方法であって、銅又は銅合金か
らなるホルダーの前端面に所定の寸法を有する穴を形成
し、前記穴にハフニウム、ハフニウム合金、ジルコニウ
ム、ジルコニウム合金のグループから選択された金属か
らなり且つ前記穴の直径よりも小さい直径を有する作用
インサートを嵌挿すると共に、前記穴にアルミニウム、
アルミニウム合金、銀合金、金合金のグループから選択
された金属を溶融させて充填し、その後冷却して前記ホ
ルダーと作用インサートとの接触部に中間金属層を形成
することを特徴としたものである。

また他のアーク加工用非消耗電極の製造方法は、アルミ
ニウム、アルミニウム合金、銀合金、金合金のグループ
から選択された金属をパイプ状に形成し、前記パイプに
ハフニウム、ハフニウム合金。

ジルコニウム、ジルコニウム合金のグループから選択さ
れた金属からなる作用インサートを嵌合すると共に、銅
又は銅合金からなるホルダー〇前端面に形成された穴に
嵌挿し、その後加熱して前記パイプとホルダー及び作用
インサートとの接触面を夫々拡散結合させることを特徴
としたものである。

〈作用〉 上記第１の方法によれば、消耗時間を延長させると共に
、消耗時間を安定させたアーク加工用非消耗電極（以下
単に「電極」という）を製造することが出来る。

即ち、銅又は銅合金によって所定の形状に加工されたホ
ルダー〇前端面側からドリル等を用いて所定の径と深さ
を持った穴を形成する。前記穴に該大の直径よりも小さ
い直径で製作されたハフニウム、ハフニウム合金、ジル
コニウム、ジルコニウム合金の何れかの金属からなる作
用インサートを嵌挿すると共に中間金属層の材料となる
アルミニウム、アルミニウム合金、銀合金、金合金の何
れかの金属を溶融させて充填し、その後、冷却して充填
された金属を固化することで、ホルダーと作用インサー
トとの接触部に中間金属層を形成することが出来る。

前記ホルダーを構成する銅の融点は１０８３℃であり、
作用インサートを構成するハフニウムの融点は２２３０
°Ｃ，ジルコニウムの融点は１８５２’Ｃである。

これに対しアルミニウムの融点は６６０’Ｃ，ｆｆ１合
金の融点は９６８°Ｃ１金合金の融点は１０６３°Ｃで
ある。

また熱伝導性、導電性は銀、銅、金、アルミニウムの順
序で夫々良導体であることが知られている。

このため、ホルダーに形成した穴に溶融したアルミニウ
ム、銀合金、金合金を充填した場合、ホルダー、作用イ
ンサートは溶融することが無く、溶融金属はホルダーの
穴及び作用インサートの表面に沿って流動し、穴及び作
用インサートの表面に凹凸が生じていても、これ等の凹
凸を確実に埋めることが出来る。

従って、作用インサートとホルダーとの間に面粗度等の
影響による空隙が生ずることが無い。このため、熱伝達
効率のバラツキが無く、即ち、消耗時間を安定させ、且
つ延長させた電極を製造することが出来る。

また第２の方法によれば、中間金属層となるアルミニウ
ムをパイプ状に成形し、このパイプに作用インサートを
嵌合させると共にホルダーに形成した穴に嵌挿して加熱
することで、パイプとボルダ−及び作用インサートとの
接触面を夫々拡散結合させることが出来る。

従って、作用インサート、中間金属層、ホルダーとを一
体的に結合することで、作用インサートとホルダーとの
熱伝達効率を向上させると共に安定させることが出来る
。このため、消耗時間を安定させ、且つ延長させた電極
を製造することが出来る。

〈実施例〉 以下上記手段を通用した電極の製造方法の実施例につい
て図を用いて説明する。

第１図（ａｌは電極の断面説明図、第１図０））は電極
の正面説明図、第２図（ａ）、　（ｂ）は第１実施例の
説明図、第３図（ａｌ、　（ｂ）は第２実施例の説明図
である。

先ず電極への構成について第１図を用いて説明する。

図に示す電極Ａは、銅又は銅合金からなるホルダー１と
、このホルダー１の中心軸上であって前端面１ａ側から
嵌挿されたハフニウム、ハフニウム合金２　ジルコニウ
ム、ジルコニウム合金の中から選択された金属によって
構成された作用インサート２と、ホルダーｌと作用イン
サート２との接触部に配置されたアルミニウム、アルミ
ニウム合金、銀合金、金合金の中から選択された金属か
らなる中間金属層３とによって構成されている。

ホルダー１の前端側（図に於ける下側）に前端面１ａが
形成されており、後端側（図に於ける上側）から比較的
大きな径を有する孔１ｂが形成されている。この孔１ｂ
は冷却流体の通路となるものであり、電極Ａを図示しな
いトーチに取り付けたとき、該トーチに設けられた導管
が嵌挿されて冷却流体を流通させるように構成している
。

ホルダー１の中心軸上であって前端面１ａ側に作用イン
サート２．中間金属層３を形成するための穴１ｃが形成
されている。この穴１ｃは、後述する作用インサート２
の直径及び長さと、ホルダー１と作用インサート２との
間に形成される中間金属層３の厚さに対応した直径と深
さを持って形成される。

ホルダー１の中心軸上であって孔１ｂの前端面１ａと対
向する位置に突起部１ｄが形成されている。この突起部
１ｄは冷却流体と接触するホルダー１の表面積を大きく
することで、ホルダーｌに対する冷却効率を向上させる
機能を存する。

作用インサート２は電極Ａの加工能力に応した寸法を有
する円筒状に形成されている。この作用インサート２は
電極Ａによりプラズマアークを発生させる際の発生点と
なるものである。

中間金属層３は、作用インサート２とホルダー１を電気
的及び熱的に結合する機能を有しており、作用インサー
ト２と図示しない直流１ｔｓとをトーチを介して接続す
ると共に、作用インサート２で発生した熱をホルダー１
に伝達することで作用インサート２を冷却するためのも
のである。

また中間金属層３は作用インサート２からの熱電子の放
出による昇温によって溶融してホルダー１と作用インサ
ート２との間に流動し、ホルダー１をプラズマアークか
ら遮蔽すると共に、蒸発する際の潜熱によって作用イン
サート２から局部的に熱を吸収する機能を有するもので
もある。

中間金属層３は、ホルダー１に形成した穴ＩＣと作用イ
ンサート２との間にアルミニウム、アルミニウム合金、
銀合金、金合金の中から選択された金属を熔融して充填
して形成される。そして中間金属層３を前記の如く形成
することで、ホルダー１に形成した穴１ｃの表面と作用
インサート２の表面との間に空隙を形成すること無く一
体的に接合し、これにより、電極の熱伝達効率を向上さ
せると共に、穴１ｃ及び作用インサート２の表面粗度に
影響されることの無い消耗時間の安定した電極を得るこ
とが可能となる。

実験の結果、中間金属層３の厚さは、０．０１ｍ〜０．
８閣の範囲で設定することが好ましいことが判明してい
る。これ以下の厚さであると、ホルダー１とプラズマア
ークとの遮蔽及び蒸発潜熱による熱の吸収機能を有効に
発揮することが出来ず、またこれ以上の厚さであると、
中間金属層３全体が溶融してホルダー１から作用インサ
ート２が脱落する戊がある。

中間金属層３の材料としては、良好な熱伝導性。

導電性を有すると共に、溶融温度がホルダー１を構成す
る銅又は銅合金及び作用インサート２を構成するハフニ
ウム、ハフニウム合金、ジルコニウム、ジルコニウム合
金の溶融温度よりも低くなければならず、また電極Ａは
量産品であり、価格の安いことが要求されるため、入手
し易いものでなければならない。このような条件に適合
する材料として、アルミニウム、アルミニウム合金、銀
合金、金合金を用いている。

前記銀合金、金合金としては銅系の合金が好ましい、こ
れは合金中に含有される銅がホルダー１を構成する銅又
は銅合金及び作用インサート２を構成するハフニウム、
ハフニウム合金２　ジルコニウム、ジルコニウム合金と
の拡散結合性が良好であるためである。

実験の結果、銀合金としては主成分として、銀５０％〜
９５％、銅５％以上含有したものであれば目的を達成す
ることが可能であった。また銀の含有率が５０％以下で
ある場合には銅の含有率を増大させることが必要であっ
た。例えば、銀の含有率が２４％である場合には銅の含
有率を３５％以上にする必要があり、また銀の含有率が
４０％である場合には銅の含有率を１０％に設定するこ
とで目的を達成することが出来た。従って、銀合金とし
ては主成分として銀２４％〜９５％、銅５％〜７６％を
含むものであれば目的を達成することが可能である。

また銀合金として、銀−銅系合金にパラジウムを４％〜
３５％含有させることで、該合金の溶融温度を上昇させ
ることが可能であり、且つこの含有率を適宜設定するこ
とで、銀合金の熔融温度を適宜設定することが可能であ
る。

また金合金としては、主成分として金８０％乃至９０％
、銅５％を含むものであれば目的を達成することが可能
であった。また金の含有率を３０％とした場合には銅の
含有率を２０％以上に設定することが必要であった。従
って、金合金としては主成分として金３０％〜９５％、
銅５％〜７０％を含むものであれば目的を達成すること
が可能である。

また金合金として、金−銅系合金にニッケルを２％乃至
２０％含有させることで、該合金の溶融温度を上昇させ
ることが可能であり、且つこの含有率を適宜設定するこ
とで、金合金の溶融温度を適宜設定することが可能であ
る。

中間金属層３を構成する銀合金、金合金は、夫々上記の
如き成分と含有率を持って構成される。

然し、亜鉛、カドミウム、錫、リチウム、鉛等が含有さ
れても性能上はとんど影響の無いことを確認している。

次に上記の如き電極Ａを製造する第１の方法について第
２図（ａ）、　（ｂ）を用いて説明する。

電極を製造する際には、予め該電極の加工能力が設定さ
れる。そして設定された加工能力に応して作用インサー
ト２の寸法が決定される。この作用インサート２の寸法
と前述した中間金属層３の厚さとによって、ホルダー１
に形成される穴ＩＣの寸法が設定され、これにより、同
図に示すホルダー１が製作される。

前記ホルダー１の穴ＩＣに作用インサート２が嵌挿され
、これ等は中間金属層３の材料として用いられる金属の
溶融温度以上であって、且つ銅の溶融温度以下に加熱さ
れる。また中間金属層３の材料として用いられる金属、
例えばアルミニウムは、熔融した状態で容器４に収容さ
れており、ホルダーｌに作用インサート２を嵌挿した後
、これ等の間に形成された間隙に充填される。このとき
、溶融したアルミニウムは穴１ｃ及び作用インサート２
の表面に沿って流動し、これ等の表面の粗度に係わらず
、空隙を生ずることなく充填される。

そしてホルダーｌの穴１ｃに作用インサート２を嵌挿す
ると共に溶融したアルミニウムを充填した後、冷却する
ことでホルダー１と作用インサート２の間に中間金属層
３を形成した電極Ａを製造することが可能である。

溶融したアルミニウム合金、銀合金、金合金は、冷却過
程で銅、ハフニウム中に拡散し、この結果、ホルダー１
２作用インサート２が中間金属層３を介して一体的に結
合される。

従って、ホルダーｌと中間金属層３及び中間金属層３と
作用インサート２の接触面は空隙を形成することなく夫
々強固に密着し、この密着状態は穴１ｃ、作用インサー
ト２の表面粗度に影響されることがない、このため、個
々の電極に於ける熱伝達効率を安定したバラツキの無い
ものとしたことが可能となり、従って、消耗時間を安定
させることが可能となる。

前記方法に於いて、ホルダー１の穴１ｃに予め溶融した
中間金属層３の材料を充填しておき、その後、穴１ｃに
作用インサート２を嵌挿して冷却しても良い。

第３図（ａｌ、　（ｂ）は電極Ａを製造する第２の方法
の説明図である。

図に於いて、ホルダー１及び作用インサート２は前述の
場合と同様に製作されている。中間金属層３を構成する
ための金属は、予め作用インサート２の外径と略等しい
内径を有し且つ所定の厚さを持ったパイプ（３ａ）状に
形成されている。

前記作用インサート２をバイブ３ａに嵌合し、このパイ
プ３ａをホルダー１の穴１ｃに嵌挿した後、銀合金の溶
融温度に加熱すると、銀合金が銅。

ハフニウムと拡散結合することで、ホルダー１゜作用イ
ンサート２．バイブ３ａを夫々の接触面に空隙が生しる
ことなく一体的に結合させることが可能である。

上記方法によって製造された電極Ａは、ホルダー１．バ
イブ３ａ、作用インサート２が夫々拡散結合して一体化
されているため、個々の電極に於ける熱伝達効率のバラ
ツキが無く安定した熱伝達を行うことが可能である。こ
のため、電極の消耗時間を安定させると共に延長させる
ことが可能となる。

上記各方法に於いて、アルミニウム、銅、ハフニウム等
は酸化する虞がある。従って、中間金属層３を構成する
材料に対する加熱、溶融及びボルダ−１１作用インサー
ト２に対する加熱を、ガス加熱或いは高周波加熱等の酸
化雰囲気中で行う場合には、夫々の酸化を防止するため
に、珪素等のフラックスを用いることが必要である。こ
のため、前記加熱は真空炉、不活性ガス炉等の非酸化雰
囲気中で行うことが有利である。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明に係るｉｉ極の製造
方法によれば、ホルダーと作用インサートとの間に形成
される間隙に溶融させた中間金属層の材料を充填するこ
とで、ホルダー、中間金属層。

作用インサートに於ける夫々の接触面に空隙の生しる虞
がない、このため、ホルダーに形成した穴及び作用イン
サートの面粗度に影響されることなく、安定した熱伝導
を行うことが出来る電極を得ることが出来る。従って、
異なる電極或いは生産ロフトの異なる電極であっても消
耗時間のバラツキを無くして安定させると共に、消耗時
間を延長させることが出来る。

また中間金属層を構成する材料をバイブ状に形成し、こ
のバイブに作用インサートを嵌合すると共にホルダーに
形成して穴に嵌挿して加熱することで、ホルダーとバイ
ブ、バイブと作用インサートの夫々の接触面を拡散結合
させることが出来る。

このため、安定した熱伝導を行うことが出来る電極を得
ることが出来る。従って、異なる電極或いは生産ロフト
の異なる電極であっても消耗時間のバラツキを無くして
安定させると共に、消耗時間を延長させることが出来る
。

また電極の消耗時間がホルダーの穴及び作用インサート
の表面粗度に影響されないため、これ等の面粗度が大き
くとも良い。このため、穴２作用インサートの加工精度
を低減させることが出来、従って、生産コストを低減さ
せ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（ａ）は電極の断面説明図、第１図（ｂ）は電極
の正面説明図、第２図（ａ）、　（ｂ）は第１実施例の
説明図、第３図（ａｌ、　（′ｂ）は第２実施例の説明
図である。 Ａは′ｒｔ８ｉ、１はホルダー、１ｃは穴、２は作用イ
ンサート、３は中間金属層、３ａはバイブ、４は容器で
ある。 特許出願人　　小池酸素工業株弐会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化系ガスを使用するアーク加工用非消耗電極の
   製造方法であって、銅又は銅合金からなるホルダーの前
   端面に所定の寸法を有する穴を形成し、前記穴にハフニ
   ウム、ハフニウム合金、ジルコニウム、ジルコニウム合
   金のグループから選択された金属からなり且つ前記穴の
   直径よりも小さい直径を有する作用インサートを嵌挿す
   ると共に、前記穴にアルミニウム、アルミニウム合金、
   銀合金、金合金のグループから選択された金属を溶融さ
   せて充填し、その後冷却して前記ホルダーと作用インサ
   ートとの接触部に中間金属層を形成することを特徴とし
   たアーク加工用非消耗電極の製造方法。
2. （２）アルミニウム、アルミニウム合金、銀合金、金合
   金のグループから選択された金属をパイプ状に形成し、
   前記パイプにハフニウム、ハフニウム合金、ジルコニウ
   ム、ジルコニウム合金のグループから選択された金属か
   らなる作用インサートを嵌合すると共に、銅又は銅合金
   からなるホルダーの前端面に形成された穴に嵌挿し、そ
   の後加熱して前記パイプとホルダー及び作用インサート
   との接触面を夫々拡散結合させることを特徴としたアー
   ク加工用非消耗電極の製造方法。
3. （３）アルミニウム、アルミニウム合金、銀合金、金合
   金のグループから選択された金属を加熱する作業を非酸
   化雰囲気炉内で実施することを特徴とした請求項（１）
   又は（２）記載のアーク加工用非消耗電極の製造方法。