JPH05123889A - アーク加工用非消耗電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 寿命を延長させたプラズマアーク加工用の非
消耗電極を提供する。 【構成】 銅又は銅合金からなるホルダーの中心軸上
に、ハフニウム，ハフニウム合金，ジルコニウム，ジル
コニウム合金の中から選択された金属によって形成され
た作用インサートを嵌合すると共に、ホルダーと作用イ
ンサートとの間に銀，銀合金，金，金合金，白金，白金
合金の中から選択された金属によって形成され、且つ一
方の端面の表面積が他方の端面の表面積よりも大きい金
属スペーサを表面積の大きい端面をホルダーの端面に一
致させて配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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アーク加
工用非消耗電極に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日、鋼板，ステンレス鋼板等の被加工
材に対し切断加工を施す際に、酸素ガス，空気等の酸化
系ガスを用いたプラズマアーク加工法を採用することが
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適用した場合に、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。

【０００３】プラズマアークを発生させるためのトーチ
は、該トーチの中心軸上に配設された銅又は銅合金から
なるホルダーに作用インサートを嵌合させて構成した電
極と、電極の前面であってトーチの中心軸上に配設され
たノズルを有し且つ電極と電気的に絶縁されたノズルキ
ャップと、電極とノズルキャップとで構成される空間に
酸化系ガスを供給する通路を有して構成されており、前
記電極及びノズルキャップは夫々強制冷却されているの
が一般である。

【０００４】上記トーチでは、加工中に電極の作用イン
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，蒸発して消耗するという問題がある。ここで、
電極の消耗プロセスについて説明すると、プラズマアー
クの発生により作用インサートの先端から熱電子が放出
され高温状態となる。また動作ガスとして酸化系ガスを
用いることにより作用インサートは酸化し、熱電子の放
出と酸化反応の相乗効果により作用インサートの先端は
より高温状態となり溶融，蒸発することで消耗しクレー
ターが形成される。作用インサートの先端の消耗に伴っ
てプラズマアークは電極の表面から内部に入り込み、ホ
ルダーを加熱する。そしてホルダーに対する冷却と入熱
とのバランスがくずれ、入熱量が臨界状態を越えるとホ
ルダーが一気に溶融して電極が破壊に至る。

【０００５】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ジルコニウム或
いはこれ等の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。上記技術によれば、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、このアルミニウムの酸化物の融点
が高いことから該金属スペーサがホルダーを加熱と酸化
から保護する熱遮蔽材として機能するため、電極の寿命
を延長させることが出来る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】然し、上記特許に係る
技術であっても全く問題がないわけではない。即ち、作
用インサートの消耗が進行しクレーターの深さが限界以
上に成長すると、金属スペーサが溶融し、この溶融に伴
ってホルダーが溶融して電極が破壊されるという問題が
ある。

【０００７】本発明の目的は、寿命をより延長させるこ
とが出来るアーク加工用非消耗電極を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は以下の知見に基
づいてなされたものである。即ち、電極は作用インサー
トが完全に消耗してホルダーが溶融した場合、及び作用
インサートが完全に消耗したか否かに関わらずホルダー
が溶融した場合に寿命とされる。従って、電極の寿命は
ホルダーの溶融を防止することで延長することが可能で
ある。そしてホルダーの溶融を防止するためには、該ホ
ルダーをプラズマアークから遮蔽すれば良い。作用イン
サートに形成されるクレーターは円弧状或いは放物線に
類似した形状であり、クレーターの成長に伴って金属ス
ペーサに対する熱影響が増大し、該金属スペーサは溶
融，蒸発して消耗する。従って、金属スペーサを消耗に
耐え得る形状に形成すればホルダーをプラズマアークか
ら遮蔽する機能を持続させることが出来る。また金属ス
ペーサをホルダーよりも融点が低く、且つ熱伝導性の良
好な材料を用いることによって、ホルダーが溶融する以
前に金属スペーサを溶融させると共に作用インサートの
熱をホルダーに伝達することで、作用インサートを冷却
することが出来る。

【０００９】従って、本発明に係るアーク加工用非消耗
電極は、酸化系ガスを使用するアーク加工用非消耗電極
であって、銅又は銅合金からなるホルダーと、前記ホル
ダーの端面に固定されるハフニウム，ハフニウム合金，
ジルコニウム，ジルコニウム合金のグループから選択さ
れた金属からなる作用インサートと、銀，銀合金，金，
金合金，白金，白金合金のグループから選択された金属
からなる金属スペーサとを有し、前記金属スペーサの一
方の端面の表面積を他方の端面の表面積よりも大きく形
成すると共に表面積の大きい端面をホルダーの端面と一
致させてホルダーと作用インサートとの間に配置して構
成したものである。

【００１０】また上記アーク加工用非消耗電極に於い
て、ホルダーと金属スペーサ及び金属スペーサと作用イ
ンサートとの接触部を銀，銀合金，金，金合金のグルー
プから選択された金属を用いて拡散結合させることが好
ましい。

【００１１】

【作用】上記アーク加工用非消耗電極（以下単に『電
極』という）によれば、寿命を延長させることが出来
る。即ち、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
℃，ジルコニウムの融点は1852℃である。これに対し、
金属スペーサを構成する銀の融点は 968℃，金の融点は
1063℃，白金の融点は1774℃である。また熱伝導性，導
電性は銀，銅，金，白金の順序で夫々良導体であり、夫
々アルミニウムよりも優れている。従って、金属スペー
サを銀，銀合金，金，金合金，白金，白金合金のグルー
プから選択された金属によって形成することで、作用イ
ンサートの熱を良好にホルダーに伝達することが出来
る。このため、作用インサートに対する冷却効率を高め
て該作用インサートの消耗を軽減することが出来る。ま
た金属スペーサの一方の端面の表面積を他方の端面の表
面積よりも大きく形成し、且つ表面積の大きい端面をホ
ルダーの端面と一致させてホルダーと作用インサートと
の間に配置したので、作用インサートに形成されたクレ
ーターの断面が放物線と類似した形状となって成長し、
これに伴ってホルダーの端面側の金属スペーサが溶融，
蒸発しても、ホルダーの端面側の金属スペーサが完全に
消耗するまでホルダーをプラズマアークから遮蔽して保
護することが出来る。従って、作用インサートに形成さ
れたクレーターの深さが大きくなってもホルダーをプラ
ズマアークから遮蔽することが可能となり、電極の寿命
を長くすることが出来る。

【００１２】またホルダーと金属スペーサ及び金属スペ
ーサと作用インサートとの接触部を銀，銀合金，金，金
合金のグループから選択された金属を用いて拡散結合さ
せることで、ホルダー，金属スペーサ，作用インサート
の接触部に空隙が形成されることがなく、熱電子の放出
に伴い高温状態となる作用インサートを冷却することが
出来る。

【００１３】

【実施例】以下上記電極の実施例について図を用いて説
明する。本発明に係る電極は、銅又は銅合金からなるホ
ルダーの端面に、ハフニウム又はジルコニウム或いはこ
れ等の合金の中から選択された材料によって形成された
作用インサートを固定し、ホルダーと作用インサートと
の間に銀，金又は白金或いはこれ等の合金中から選択さ
れた金属からなり且つ一方の端面の表面積が他方の端面
の表面積よりも大きく形成された金属スペーサを表面積
の大きい端面をホルダーの端面に一致させて配設して構
成したものである。この電極では、プラズマアークの発
生に伴って作用インサートが消耗してプラズマアークが
電極の中に入り込んでも、金属スペーサによってホルダ
ーをプラズマアークから遮蔽することが可能であり、こ
のため、電極の寿命を延長することが可能である。

【００１４】図１は第１実施例に係る電極Ａの断面図で
ある。図に於いて、ホルダー１は銅によって形成されて
おり、このホルダー１の端面１ａの中心にハフニウムか
らなる作用インサート２が配設されている。またホルダ
ー１と作用インサート２との間に銀を用いてテーパ状に
形成した金属スペーサ３が大径側の端面をホルダー１の
端面１ａと一致して配設されている。金属スペーサ３は
カップ状に形成されており、外形はカップの開口部に向
かって径が大きくなるようなテーパ状に形成されてい
る。そして金属スペーサ３はホルダー１に圧入され、且
つ作用インサート２は金属スペーサ３に圧入されてい
る。

【００１５】本実施例に於いて、作用インサート２は、
直径２mm，長さ5.5 mmに設定されている。ホルダー１
は、外径14mmに設定されている。金属スペーサ３の放電
端径、即ち、金属スペーサ３のホルダー１の端面１ａに
於ける直径は、4.5 mmに設定されている。上記電極Ａを
用いて、アーク電流 250Ａ, ノズル直径 2.3mm, 酸素ガ
ス流量40ｌ／min,アークONタイム60sec,アークOFF タイ
ム25sec,サンプル数５の条件で耐久実験を実施したとこ
ろ、電極Ａの平均寿命は 240分であり、このときの作用
インサートの消耗深さは 2.6mm〜 2.9mmであった。この
値は、従来のアルミニウムからなる金属スペーサを用い
た電極の平均寿命が 190分であったことから充分に延長
された値である。

【００１６】図２は第２実施例に係る電極Ｂの断面図で
ある。図に示す電極Ｂは、ホルダー１と作用インサート
２との間にカップ状に形成され、且つカップの開口部を
フランジ状に形成した金属スペーサ４を配設したもので
ある。上記ホルダー１，作用インサート２，金属スペー
サ４は夫々第１実施例と同一の材料によって形成されて
いる。そしてホルダー１，金属スペーサ４，作用インサ
ート２は夫々圧入により機械的に接合されている。

【００１７】本実施例に於いて、ホルダー１，作用イン
サート２の寸法は第１実施例と同一寸法を持って形成さ
れており、金属スペーサ４はフランジ状部分の外径（放
電端径）が 6.4mm, フランジ状部分の厚さ 0.9mm，胴部
の直径が５mmに設定されている。上記電極Ｂを用いて第
１実施例と同一条件で耐久実験を行ったところ、電極Ｂ
の平均寿命は 220分であった。また電極Ｂが破壊したと
き作用インサート２の消耗深さが 1.9mm〜 3.2mmと大き
なバラツキが生じていることから、ホルダー１，金属ス
ペーサ４，作用インサート２の接合状態にバラツキが生
じ、作用インサート２に対する冷却が不十分な電極が混
入したためである。このような電極Ｂの寿命であって
も、従来の電極と比較して充分に寿命が延長されてい
る。

【００１８】上記各実施例では、金属スペーサ３，４を
カップ状に形成した。然し、金属スペーサ３，４の機能
はホルダー１をプラズマアークから遮蔽するものである
ことから、図３〜図５に示すように金属スペーサ５，
６，７を夫々筒状に形成しても良い。

【００１９】図３は第３実施例に係る電極Ｃの断面図で
ある。図に示す電極Ｃは、ホルダー１と作用インサート
２との間に円錐台状に形成され、且つ外形をテーパ状に
形成した金属スペーサ５を大径側をホルダー１の端面１
ａに一致させて配設したものである。上記ホルダー１，
作用インサート２，金属スペーサ５は夫々第１実施例と
同一の材料によって形成されている。そしてホルダー
１，金属スペーサ５，作用インサート２は夫々圧入によ
り機械的に接合されている。

【００２０】本実施例に於いて、ホルダー１の寸法は第
１実施例と同一寸法を持って形成されており、作用イン
サート２は直径２mm，長さ 5.8mmに設定されている。ま
た金属スペーサ５は放電端径が 4.5mmに設定されてい
る。上記電極Ｃを用いて第１実施例と同一条件で耐久実
験を行ったところ、電極Ｃの平均寿命は 250分であり、
このときの作用インサート２の消耗深さは 2.7mm〜3.0m
mであった。この値は従来の電極と比較して充分に寿命
が延長されている。

【００２１】図４は第４実施例に係る電極Ｄの断面図で
ある。図に示す電極Ｄは、第３実施例と同様にホルダー
１と作用インサート２との間に円錐台状に形成され、且
つ外形をテーパ状に形成した金属スペーサ６を大径側を
ホルダー１の端面１ａに一致させて配設したものであ
る。上記ホルダー１，作用インサート２，金属スペーサ
６は夫々第１実施例と同一の材料によって形成されてい
る。そしてホルダー１，金属スペーサ６，作用インサー
ト２は夫々圧入により機械的に接合されている。本実施
例に於いて、ホルダー１の寸法は第１実施例と同一寸法
を持って形成されており、作用インサート２は直径２m
m，長さ 6.5mmに設定されている。また金属スペーサ６
は放電端径が 4.5mmに設定されている。

【００２２】図５は第５実施例に係る電極Ｅの断面図で
ある。図に示す電極Ｄは、第２実施例と同様にホルダー
１と作用インサート２との間に、カップ状に形成され且
つカップの開口部をフランジ状に形成した金属スペーサ
７を配設したものである。上記ホルダー１，作用インサ
ート２，金属スペーサ７は夫々第１実施例と同一の材料
によって形成されている。そしてホルダー１，金属スペ
ーサ７，作用インサート２は夫々圧入により機械的に接
合されている。本実施例に於いて、ホルダー１，作用イ
ンサート２，金属スペーサ７の寸法は第２実施例と同一
寸法を持って形成されている。

【００２３】図６は第６実施例に係る電極Ｆの断面図で
ある。図に示す電極Ｆは、ホルダー１と作用インサート
２との間に、カップ状に形成され且つカップの開口部を
フランジ状に形成すると共に外形の一部をテーパ状に形
成した金属スペーサ８を配設したものである。上記ホル
ダー１，作用インサート２，金属スペーサ８は夫々第１
実施例と同一の材料によって形成されている。フランジ
状の部分を有する金属スペーサを第２実施例と同様にホ
ルダー１に圧入して機械的に接合した場合、複数の電極
では個々の電極の接合状態にバラツキの生じることが判
明した。このため、本実施例ではホルダー１と金属スペ
ーサ８及び金属スペーサ８と作用インサート２との接触
面を銀蝋を用いて拡散結合させている。

【００２４】本実施例に於いて、ホルダー１，作用イン
サート２の寸法は第１実施例と同一寸法を持って形成さ
れており、金属スペーサ８はフランジ状部分の外径（放
電端径）が 6.4mm, フランジ状部分の厚さが 0.9mm，胴
部の直径が５mmに設定されている。上記電極Ｆを用いて
第１実施例と同一条件で耐久実験を行ったところ、電極
Ｆの平均寿命は 270分であり、このときの作用インサー
ト２の消耗深さは 3.2mm〜3.8mmであった。このように
電極Ｆでは、従来の電極と比較して大幅に寿命が延長さ
れている。

【００２５】尚、前述の各実施例に於ける寸法は、耐久
実験を行った際の一例の値であり、これ等の寸法に限定
するものではないことは当然である。

【００２６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
アーク加工用非消耗電極では、金属スペーサを銀，銀合
金，金，金合金，白金，白金合金のグループから選択さ
れた金属によって形成すると共に、金属スペーサの一方
の端面の表面積を他方の端面の表面積よりも大きく形成
し、且つ表面積の大きい端面をホルダーの端面と一致さ
せてホルダーと作用インサートとの間に配置したので、
作用インサートの熱を良好にホルダーに伝達することが
出来、且つ金属スペーサが完全に消耗するまではホルダ
ーをプラズマアークから遮蔽して保護することが出来
る。このため、アーク加工用非消耗電極の寿命を大幅に
延長することが出来る。

【００２７】またホルダーと金属スペーサ及び金属スペ
ーサと作用インサートとの接触部を銀，銀合金，金，金
合金のグループから選択された金属を用いて拡散結合さ
せることで、ホルダー，金属スペーサ，作用インサート
の接触部に空隙が形成されることがない。このため、作
用インサートに対して良好に冷却することが出来、アー
ク加工用非消耗電極の寿命を大幅に延長することが出来
る等の特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係る電極Ａの断面図である。

【図２】第２実施例に係る電極Ｂの断面図である。

【図３】第３実施例に係る電極Ｃの断面図である。

【図４】第４実施例に係る電極Ｄの断面図である。

【図５】第５実施例に係る電極Ｅの断面図である。

【図６】第６実施例に係る電極Ｆの断面図である。

【符号の説明】

Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは電極、１はホルダー、１ａは
端面、２は作用インサート、３，４，５，６，７，８は
金属スペーサである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化系ガスを使用するアーク加工用非消
   耗電極であって、銅又は銅合金からなるホルダーと、前
   記ホルダーの端面に固定されるハフニウム，ハフニウム
   合金，ジルコニウム，ジルコニウム合金のグループから
   選択された金属からなる作用インサートと、銀，銀合
   金，金，金合金，白金，白金合金のグループから選択さ
   れた金属からなる金属スペーサとを有し、前記金属スペ
   ーサの一方の端面の表面積を他方の端面の表面積よりも
   大きく形成すると共に表面積の大きい端面をホルダーの
   端面と一致させてホルダーと作用インサートとの間に配
   置したことを特徴としたアーク加工用非消耗電極。
2. 【請求項２】 ホルダーと金属スペーサ及び金属スペー
   サと作用インサートとの接触部を銀，銀合金，金，金合
   金のグループから選択された金属を用いて拡散結合させ
   たことを特徴とした請求項１記載のアーク加工用非消耗
   電極。