JPH06500956A - プラズマアークトーチにおける電極損耗を低減させるための改良方法及び装置 - 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】 プラズマアーク　−チにお番る ゛させ　ための　°　び （発明の分野） 本発明は米国特許出願番号筒０７１５１３，７８０号の部分継続出願である。

本発明は一般にプラズマアークによる切断及び溶接のための方法及び装置に関し 、詳しくは電極損耗、特に高出力型のトーチにおける電極の損耗を低減させるた めの方法及び装置に関する。

（従来技術の説明） プラズマアークトーチは、鋼厚板の切断、及び、暖房、換気、空調（ＨＶＡＣ） システムに一般に用いられる比較的薄い亜鉛メッキ金属板の切断等の広範な用途 を有する。プラズマアークトーチの基本的構成要素は、トーチ本体と、該本体内 に取付けられた電極（陰極）と、中央噴出オリフィスを備えたノズル（陽極）と 、イオン化可能ガスの流れと、電気配線と、冷却ガス及びアーク制御用流体のた めの通路及び管と、通常、電極とノズルの間にガスの流れ内にパイロットアーク を創生じ、次いでプラズマアーク、即ちイオン化ガスの導電性流れを電極から工 作物へと移行する電源を含む、ガスは、例えば窒素のような非反応性ガスであっ てもよ（、あるいは、酸素又は空気のような反応性ガスであってもよい。

この種のプラズマアークトーチとしては、いずれも本出願人の特許である米国特 許第３．６４１，３０４号。

３．８３３，７８７号、４，２０３．０２２号、４，４２１．９７０号、４，７ ９１，２６８号、４，８１６゜６３７号及び４，８６１，９６２号に開示されて いるようにいろいろなタイプのものが知られている。

プラズマアークトーチ及びその関連製品は、ハイバーサーム・インコーホレイテ ッド社からいろいろなモデルで販売されている０例えば、ハイパーサーム社のＭ ＡＸ１００型トーチは、動作ガスとして空気を使用し、鋼厚板の切断用途にも、 ＨＶＡＣのための亜鉛メッキ金属板の切断用途にも適する中電力（出力１００ア ンペア）トーチの代表的なものである。

どのプラズマアークトーチにおいても今日まで解決されていない共通の問題は、 特に動作ガス即ちプラズマガスとして酸素又は空気のような反応性ガスが使用さ れる場合、電極の摩耗が激しいことである。（他の条件を同じとしての損耗の改 良は、窒素或はアルゴンのような非反応性ガスをプラズマガスとして使用した場 合に見られたが、純酸素を使用した場合の性能は少なくとも軟鋼の如・き特定の 材料を切断するために使用した場合には優れている。同様に、空気は電極の損耗 に関しては純酸素よりも優れているが、やはりその性能は犠牲となる。）この損 耗問題の一例として述べれば、上述したハイバーサーム社のＭＡＸ１００型トー チの場合、電極の損耗はその下端に生じる凹面状のビットとして現れる。より正 確にいえば、電極に装着されたハフニウム製のエミッタ素子に凹面状のビットが 生じる。１１７１ＡＸ　１００型トーチの電極の場合、酸素又は空気を用いて１ ２０回の切断サイクルを実施した後、平均して約０．０２５ｉｎ　（０，６３５ ｍｍ）の深さの損耗がみられる。ハイバーサーム社が実施した損耗試験によれば 、他の市販されているトーチは、一般にこれより悪い、ＭＡＸ１００型トーチの 場合、ハイバーサーム社では、損耗が０．０６ｉｎ　（１゜５２４ｍｍ）の深さ を越えたならば、電極を交換することを推奨している。通常の用途では、反応性 ガスで作動するプラズマアークトーチの電極は、オン・オフサイクルの回数に強 く依存するが、通常、０，５〜２時間使用した後交換する必要がある。

損耗に対する配慮は、損耗が部品の頻繁な交換を余儀なくさせるからだけではな く、損耗は特定のトーチに印加することができる最大電力を制限するということ からも重要である。

プラズマアーク切断においては又、トーチの切断品質は、少くとも一部分は電極 とノズルとの間の領域として画定されるプラズマアークチャンバー内におけるガ スの流れパターンに大きく左右されることに留意することが重要である。詳述す れば、ガスをプラズマアークチャンバー内へ接線方向に噴射することによって創 生される渦流ガスは、高品質の切断を達成する上で必須の要素であることが判明 した。Ａｆｉガスの流れパターンも、プラズマアークがトーチから噴出して工作 物に衝接し工作物を切断するが、プラズマアークがトーチのノズル自体には接触 しないようにプラズマアークを安定化させる上で重要である。ノズルは、アーク が十分に制御されていない場合に損傷される主な部品である。

高電流トーチの設計において配慮すべきもう１つの事項は、プラズマアークの温 度が１０．０００”　Ｃを越える非常に高い温度になるということである。この 高温は、ガスの密度や粘度等の特性に変化をもたらす。高温に対する配慮は、ア ーク電流の通電開始時と遮断時において特に重要である１通電開始時には５アー クが急激にガスを加熱し、ノズルの噴出オリフィスから噴出するガスの密度を大 きく減少させる。その結果、ガスの流れがノズルオリフィス内で詰まる事態が生 じる。アーク電流を遮断したときは事態は逆であり、プラズマチャンバー内のガ スが冷却され質量流れが増大されるとガスはプラズマチャンバーから突然吹出す 傾向がある。

電極に挿入するための陰極エミッタインサートとしてハフニウム又はジルコニウ ムを使用するのが斯界において一般的である。ハフニウムは現在、反応性のプラ ズマガスを使用しての切断時の陰極エミッタ素子として選択するには最良のもの である。ハフニウム又はジルコニウムは、この用途に試された他のどの材料より も損耗度が少ないが、他の材料より高価である。しかも、それらの電極、即ちエ ミッタインサートは頻繁に交換しなければならない、低い作動電流の下では関連 する損耗も小さいが、幾つかの点で、低い作動電流に随伴する性能の低下は過大 なものとなる。又、電極の寿命を延長するためにガス流又は水流を電極に対して 良好な熱交換関係をなすようにして循環させることによって電極を冷却する方法 も従来から採用されている。しかしながら、水冷方式は費用がかかり構造が複雑 になるため１例又は定格電流が１００アンペア以下の低電流トーチには不適当で ある。

一方、空冷方式も、能率が悪く比較的低電流のものであってもトーチの最大動作 電流を制限することになる。従って今日までのところ、電極損耗問題に対する唯 一の実用的な解決法は、明らかに経済的に不利ではあるが、電極を繰り返し交換 することであった。

（解決しようとする課題） 従って本発明の主たる目的は、プラズマアークトーチの電極における損耗を著し く減少させそれにより、その寿命を延ばすことである。

本発明の他の主たる目的は、電極の損耗を減少させそれにより、反応性ガスと共 に作動される場合でさλも、現在可能なよりも高い水準での作業を可能とするこ とである。

本発明の他の目的は、より高レベルの渦流を可能にすることによって、従来可能 であったよりも優れた切断品質を達成することである。

本発明の他の目的は、標準的な電極及びノズル構造を使用し、切断中の金属工作 物からの溶融金属の跳ね返りによるノズルのえぐれ等の、トーチ部品に対する損 傷の危険をほとんど増大させることなく上記利点を提供することである。

本発明の更に他の目的は、比較的簡単な部品を使用し、安価な改変を加えること によって既存のプラズマアークトーチに上記利点を提供することである。

本発明の他の目的は、製造コスト及び運転コストを許容しつる程度に維持したま まで、上記利点を提供することである。

（発明の概要） 上記目的を達成するための本発明のプラズマアークトーチ、特に反応性ガスを使 用し、金属材料の切断用途に適用されるプラズマアークトーチは、トーチ本体と 、該本体内に取付けられた電極と、電極との間にプラズマアークチャンバーを画 定するように離隔して配置されたノズルと、トーチ本体内に装着された渦流リン グとを有する。イオン化可能ガスは、管、通路及び、又はチャンバーから成るガ ス導入系によりトーチ本体を通して渦流リングへ供給される。Ａ流すングは、ガ スを渦流としてプラズマアークチャンバーへ供給し、ガスはプラズマアークチャ ンバー内でイオン化され、ノズルの中央噴出オリフィスから噴出される。このプ ラズマアークトーチ（以下、単に「トーチ」とも称する）は又、プラズマアーク チャンバー内のガス中にパイロットアークを発生させ、それによってプラズマア ークを創生するための、電源に接続する標準的電気配線及び電気制御器を有す。

プラズマアークは、切断又はその他の作業のために工作物に向けて移行される。

本発明の主たる特徴は、ガスの質量流量及び或はその流れ模様を、トーチへの電 流を遮断する段階の後に急速に変更するプロセスにある。質量流量はガス流れを 減少させることによって、プラズマアークチャンバーへのガス流れを止め或は減 少させることによって減少される。

この質量流れ流量の減少は、それが１ｆ流遮断に先立つ数百ミリセカンド以内に 為され且つ好ましくは電流遮断後に連続するよう調時される。アーク電流遮断の ためのプロセスは、時間の急な階段関数或は漸次の傾斜関数によって達成され得 る。ガス流れの減少は、プラズマアークチャンバー内のガス流れパターンの更に 急速な変化を容易化するために、プラズマアークチャンバーから大気中への換気 と共に為され得る。

別様には、本発明には接線方向成分を持つ標準渦流でのガス流れパターンを、そ の入口からプラズマアークチャンバーにかけての一般に半径方向に流れ、次いで プラズマアークチャンバーを貫いて一般に軸方向に流れるガス流れパターンに変 換する段階が含まれる。この、渦流から半径方向／軸方向流れへの変換は流量の 全体的な減少と関連し、また電流水準及び或はプラズマアークチャンバーから大 気中への換気の減少と関連され得る。より軸方向的な流れへの変更により、渦流 よりも一暦大きい全体質量流れ流量が電流遮断の直前に於て許容され得ることが 分かった。

換気が為されない場合、これは好ましいことであるが、ガス圧力が一般に指数間 数的に減少し、また質量流れ流量における前述の如き減少が、電流遮断の開始約 ５００ミリセカンド以内に好ましく生じることが分かった、好ましい電流遮断段 階での電流遮断は、質量流量の減少に追随し、制御下で直線的に減少する勾配で なされる。この勾配はアークがなくなるまで、極めて低い電流値まで継続される 。こうした好ましいプラズマ遮断のプロセスが、電極損耗の所望の低減を提供す る一方、プラズマアークを安定させ且つノズルに対する損傷を回避するために十 分なガス流れを提供する。換気が為される場合、プラズマアークチャンバーを貫 くガス流れ斯くしてプラズマアークチャンバー内のガス圧力はずっと急激に減少 する。しかしながら正確な最適調時は、それがガス形式、電流水準、ノズルオリ フィスの寸法、旋回リングの入口流れの面積、ガス圧力、ガス流量、ガス流れパ ターン（例えば渦流或は軸方向）そしてプラズマアークチャンバー及び電流遮断 直前の流れ条件を制御する弁間の物理的距離、を含む多くの変数の関数であるこ とから、用途によって変化して来る。

本発明の電極損耗のための改良方法の主たる特徴は、通電開始時に（ｉ）ガスの 形式及び或は成分を変更する段階、（ｉ　ｉ）ガスの質量流量を変更する段階及 び或は、（ｉ　Ｌ　ｉ）ガスの流れパターンを変更する段階を含む点にある。詳 説すれば、プラズマアークトーチへの通電開始直前に於てガスの質量流量での予 備流れが開始される。この予備流れは、電極及びノズル間にパイロットアークを 創始しそして維持するために十分なものであるが、本発明のアーク創始時の特徴 を有さないものに生じ得ると同等の電極損耗をもたらすほどには太き（無い。

予備流れは代表的には全作動流れの６０％で４秒間継続される。予備流れのため のガスは純酸素或は好ましくは空気、アルゴン或は窒素の如きその他ガスとし得 る。予備流れの流れパターンもまた、軸方向流れに変更可能であり、或は流れパ ターン及び質量流量を共に、相互に調和する状態で変更可能である。軟鋼の切断 のためには、本発明のアーク創生のための方法には、パイロットアークが工作物 に移行した後での純酸素への切替え及びガス流れの増大段階が含まれる。空気、 アルゴン或は窒素のようなガスが予備流れのために使用される場合には、前記ガ ス流れの増大段階には移行アークモードでの通常大気切断作業中に、プラズマガ スとしての純酸素への切替え段階もまた含まれる。このガス流れの増大段階は好 ましくは、ガス流れ及びガス圧力が一般にアーク電流がその全作動値に増大する のと一般に調和する状態で、夫々の所望の全作動値に達するよう流量を勾配的に 増大させる状態に置いて為される。こうした通電開始段階は、先に要約した本発 明の遮断段階と共に使用する場合、最も効果的である。

装置としてみた場合、本発明には流れ変更手段として、プラズマアークチャンバ ーにガスを供給するライン内に合って電源の標準制御体による電流遮断直前に閉 鎖され得る弁が含まれる。この流量減少はアーク電流の勾配的降下と協動され得 る。アーク電流を勾配的に降下させるのは、電流遮断直前のガスの質量流れ中に ノズルオリフィスが破損する恐れを減少させるためである。別懇様に於ては、プ ラズマアークチャンバーから大気中への換気ラインが弁によって制御（開放及び 閉鎖）される。

弁は電流の遮断直前の臨界時間、制御体によって開放される。別の態様では本装 置には、その一方が従来がらの渦流を創出し、他方が、主として渦流の無い軸方 向流れを創出する２つの渦流リング或は同一の渦流リングにおける離間した２つ のリング部分が設けられる。これら渦流リングは軸方向に積み重ねた配列で取付 は得る。これら渦流リングは、少なくともトーチ本体部内部の独立した送給ライ ンによってガス供給源に接続され、単数或は複数の弁が、制御体に応答して電流 遮断直前にガス流れを、渦流を創出する渦流リング或はリング部分から半径方向 ／軸方向流れを創出する渦流リング或はリング部分に切り替える。この切り替え は換気及び或は流量減少と協動され得、及び或は電流レベルの減少と協動され得 る０通電開始に際してガス流れを変更するために、本発明には流れ制ｗＡ機嘴が 含まれる。この流れ制御機構は、パイロットアーク電流の適用に先立ってガスの 予備流れを提供し、次いで工作物へのアークの移行に応答してガス流れを勾配的 に増大させる。好ましい形態に於てはこの流れ制御機構には、（１）その全てが プラズマアークトーチに対するガス供給源及び送給導管間で直列状態に連結され てなる第１及び第３の弁と第１の調節可能な流れオリフィスと、（２）前記第１ の弁と平行状態に共に連結された第２の弁及び第２の調節可能な流れ制御オリフ ィスとが含まれる。第１の弁及び第３の弁を開き、第２の弁を閉じることによっ て予備流れが確立される。予備流れのレベルは第１の調節可能な流れオリフィス によって設定される。アーク以降時に於て、平行に枝分かれした第２の弁が開放 され、第１の弁が閉じられる。次いで予備流れは第２の調節可能な流れオリフィ スによって制限されそして全作動値へと増大される。

（図面の簡単な説明） 図ＩＡは本発明に従って作動されるべく構成された代表的プラズマアークトーチ の概略図である。

図１Ｂは図ＩＡを線ＩＢ−ＩＢで切断した水平方向断面図である。

図ＩＣは本発明に従うプラズマアーク切断システムの簡単な概略図であり、ここ では図ＩＡ及びＩＢに示されるプラズマアークトーチが使用されている。

図ＩＤはアーク電流の遮断と関連しての本発明のガス流れ変更の調時ダイヤグラ ムの６つのグラフである。

図２Ａは、弁を使用してのガス送りと協動しての弁による換気が為される具体例 の１図ＩＡに対応する別懇様を示す図である。

図２Ｂは、弁を使用してのガス送りと協動しての弁による換気が為される具体例 の１図ＩＢに対応する別懇様を示す図である。

図２Ｃは、弁を使用してのガス送りと協動しての弁による換気が為される具体例 の、図ＩＣに対応する別懇様を示す図である。

図３Ａは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンが或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の、図２Ａに対応する別懇様を示す図である。

図３Ｂは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンか或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の、図２Ｂに対応する別懇様を示す図である。

図３０は、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンが或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の、図２Ｂに対応する別態様を示す図である。

図３Ｄは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマアークチャンバー 内に渦流ガス流れパターンか或は軸方向ガス流れパターンを確立するための渦流 リング内に使用されて成る具体例の、図２０に対応する別態様を示す図である。

図４は、予備流れ及び通電開始時の流れの勾配的な増大を提供するのみならず、 電流遮断時に於ける勾配的な低減を提供するための、ガス供給ラインにおける流 れ制御ａｍを示す、図ＩＣと同様の簡略化された概略図であ図５は通電開始時に おける本発明のガス流れ変更を表す５つの調時ダイヤグラムのグラフである。

（実施例の説明） 図ＩＡ及びＩＢは、ハイバーサーム社から販売されているいろいろなプラズマア ークトーチのうちの任意の１つのような代表的な従来技術のプラズマアークトー チ（以下、単に「トーチ」とも称する）を示す。従って、以下の説明は、この型 式のプラズマアークトーチに共通な基本原理及び構成要素を例として説明するた めのものであり、特定のモデルのトーチの構造の詳細を説明するためのものでは ない。

この従来のトーチは、その下端１２ａの中央に出口オリフィス１６を備えた、通 常は円筒形のトーチ本体１４を有する。プラズマアーク１８即ちイオン化ガスジ ェット（以下、単に「アーク」とも称する）は、出口オリフィス１６を通って噴 出し、切断すべき金属工作物２０に衝接する。ガスは、窒素又は貴ガス等の非反 応性ガスであってもよく、あるいは酸素又は空気等の反応性ガスであってもよい ０本発明の１つの重要な利点は、プラズマアークトーチをを反応性ガスと共に使 用可能であるにも関わらず、任意の切断用プラズマアークトーチを使用して得ら れる最良の結果と比較しての電極の損耗が、電流水準或はトーチ冷却配列構成の 効果に関わらず格段に改良されることである。

トーチ本体１４ば、一般に電極と称される陰極２２を支持している。電極２２は 、通常、銅で形成されており、はぼ円筒形である。電極２２のか端面にエミッタ 素子（「エミッタインサート」とも称する）２４がプレス嵌めによって挿入され ている。電極２２とエミッタ素子２４とは、トーチ本体内に同心的に配置され、 出口オリフィス１６に心合している。反応性ガスを用いる場合Ｏは、エミッタイ ンサート２４は、通常、ハフニウム又はジルコニウムで形成されたものを使用す る。

本体１４には又、プラズマアークを移行するための中央ノズルオリフィス即ち出 口オリフィス１６を備えたノズル２６が装着されている。ノズル２６は、電極２ ２がら離隔して配置されている。１組の半径方向の偏心ガス分配穴即ちガス導入 穴３０を有する慣用構造の渦流リング２８が、交換自在にトーチ本体内に取付け られてし入る。渦流リング２８は、そのガス導入穴３０力）らプラズマアークチ ャンバー（「プラズマアークチャンバ−」とも称する）３２へとプラズマガス流 を供給するように配置されている。プラズマアークチャンバ−３２＋よ、図にホ されるように、電極２２とノズル２６と渦流リング２８とによって画定される。

ガス導入穴３０力≦オフセットされていることにより、この状態は図ＩＢｉこ最 も良く示されるが、プラズマアークチャンバー３２を通してのガス流れに接線方 向の速度成分が導入されそれにより、前記ガス流れは渦流を生ぜしめられる。本 発明の利益Ｇよ、これらのガス導入穴３０によって発生する渦流のレベルが従来 プラクテイスによるよりも大きくなりそれシこよって、切断品質が従来達成し得 たよりも高められることにある０図ＩＡでは、渦流リングは、電極に密嵌合し、 気密状態に取付けられたものとして示されてし）る力５Ａ流１ノングは、支持部 材内に取付けられ、電極に対して密封状態に取付けられないことが多い、一般に 、トーチ本体、ガスや、冷却流体を導入するための部材及び電気配線等の細部構 造は、いろいろな形態をとることができ、実際にいろいろな形態をとっている。

負電力導線３４は、電極２２の上端を囲繞するようにして該電極に接続されてい る。トーチ本体１４の上端を構成する電流リング３８に保持キャップ３６力！ｄ Ａ着されている。電流リング３８と負電力導ｗＡ３４とは、絶縁体スリーブ４０ によって分離され、電気的に隔絶されてし罵る。保持キャップ３６は、ノズルの フランジ２６ａに係合する下方リップ３６ａを有しており、電流リング３８に螺 着させると、ノズル２６を渦流リング２８に解放自在に圧着させる１図には示さ れていないが、別法として、保持キャップ３６は、渦流リング２８をノズル２６ と、トーチ本体１４内の別の内部支持構造体との量器こ締めつけ固定する構成と することもできる０図示の構成では、保持キャップ３６は、又、渦流リング２８ 及びプラズマアークチャンバー３２への近接ガス供給源（供給すべき部所に近接 した位置に設けられたガス供給源）として棲能するガスプレナムチャンバー４２ の一部を画定する。プラズマガスの流れ４４は、電流リング３８を貫通して延長 しているガス導入管４６を通してプレナムチャンバー４２へ供給される。ガス導 入管４６には・オートマチック・スイッチ・カンパニー製のモデルＮｏ、ＡＦ３ ３１８３のようなソレノイド弁４８が、好ましくはトーチ本体に近い部位に設置 されている。ソレノイド弁４６は、トーチへのガスの流量を調整するために、導 線４８ａ、４８ａを通して送られる制御信号により開閉されプラズマアークチャ ンバー３２内のガスにより電極２２とノズル２６の間にパイロットアークな創生 ずるノマイロットアーク作動モードにおいては、ノズル２６は陽極として機能し 、キャップ３６及び電流リング３８はバイロットアーク電流の戻り回路を構成す る。

作動において、プラズマガス４４は、ソレノイド弁４８及びガス導入管４６を通 ってプレナムチャンバー４２に流入し、そこから渦流リング２８のガス導入穴３ ０を経てプラズマアークチャンバー３２に流入し、最終的にノズルオリフィス１ ６から噴出する。トーチが非移行パイロットアークモードで作動しているときは 、電源５０（図１Ｃ）は、パイロットアークを創生じそれを維持するための適当 な電圧の電流をトーチに供給する。電源５０は、任意の慣用の調整ＤＣ電源であ ってよく、電源の作動、及び流れ制御弁等のトーチの他の部品の作動を制御する 印刷回路板等を備えている。

図ＩＣに示されたプラズマアーク切断トーチシステム５２の全体図を参照して説 明すると、非移行パイロットアークモードにおける電流経路は、電源の負端子５ ０ａから導線５４、負電力導線３４、ｉＩ極２２．パイロットアークプラズマ５ ６（図ＩＡ）、ノズル２６、保持キャップ３６、電流リング３８、パイロットア ーク電流戻り導線５８及び閉成されたパイロットアークスイッチ６０を通って電 源の正端子５０ｂに至る経路である。

パイロットアークの創主に先立ち、オペレーターはトーチ自体から離間した制御 コンソール６４の位置で所望のガス流れ或は圧力をセットする。この制御コンソ ールにはガス流れ調整器及びガス弁調節圧力ゲージが含まれる。制御コンソール 位置でオペレーターがセットした流れ及び圧力値は、パイロットアークに先立つ プラズマチャンバ−３２内部の実際のガス流れ及びガス圧力と既知の態様に於て 対応する。パイロットアークの創生によりガスが加熱されそれにより、斯界に周 知の態様に於てプラズマチャンバー内のガス温度が上昇され、またガス流れが減 少される。パイロットアーク中のプラズマチャンバ−３２内部の代表的なガス圧 力は２０から４０ｐｓ　ｉ（約１６４０から２．８１ｋｇ／ｃｍ”）である、パ イロットアークは高周波スパークその他、その全てが斯界に周知である接触式創 生技法の如きによって創生される。創生中、プラズマガスは入口管４６、ソレノ イド弁４８、プレナムチャンバー４２、ガス導入穴３０、プラズマチャンバー３ ２を通して流動し、出口オリフィス１６から出る。先に銘記したように、ガス導 入穴３０によって確立される渦流は、良好な品質の切断を入手するため及びノズ ルの出ロオリフィス１６内部のアークを安定させそれによってアークがノズルに 衝突し、そこに穴を開けないようにさせるために極めて重要である。（以下に詳 しく説明されるように、電極の寿命は、新規な通電開始手順及び図４及び５に例 示される装置を使用することによって一段と増大され得る。） 同じく先に言及したように、トーチは、工作物に接近されそれによってアークが 工作物に移行し、制御体によってパイロットアークスイッチ６０が開かれること により切断作業を開始する。アークの移行後、制御体は通常の作動に於て電流レ ベルを切断のための予め決定された値へと増大する。を流のこの増大はまたプラ ズマガス加熱を増長し、プラズマチャンバー内のガス圧力を増大させそしてノズ ルの出口オリフィスを出るガス流れ流量を減少させる。最大推奨電流レベルはト ーチによってまた用途によって大きく変化し、その範囲は低電流として特徴付け られる約２０から２００アンペアＤ、Ｃ，及び高電流として特徴付けられる２０ ０アンペアＤ、Ｃ，内にある。鋼板切断に使用される水冷式切断トーチのための 代表的な電流レベルは２６０アンペアである。

本発明によって、作動中の電極材料の損失（損耗）の殆どはアーク創生中或は実 際の切断作業中では無くむしろ、アーク電流の遮断時に生じるということが見出 された。こうした損耗のメカニズムは完全には理解されていないが、電極がその 作動中に少なくとも部分的に溶け、電極の単数或は複数の溶けた表面とプラズマ チャンバーを貫くプラズマガスの流れ及び圧力とが複雑に相互作用して電流遮断 時の損耗に関与していることは疑いない。

本発明の主たる特徴は、プラズマチャンバーへのプラズマガス流れを制御された 電気的遮断と関連させて制御しそれによって電極の損耗を実質的に低減すること である。最も簡略化された形態に於ては本発明には（１）アーク電流の完全な、 階段関数的遮断の直前或は（２）アーク電流の漸次的遮断の開始と同時の、しか しアーク電流の完全遮断の直前に、プラズマチャンバー３２への全プラズマガス 流れを遮断する段階が含まれる。これは、アーク電流全遮断プロセスの直前にソ レノイド弁４８を閉じることによって為される。電流遮断のための好ましい方法 は、減少する質量流量に追従させて制御下の直線減少勾配にて電流を減少させる ことある。しかしながらこうした遮断の調時は臨界的である。仮にガス流れの急 速な減少が可能とされた場合、アークを安定させるプラズマガスの渦流は著しく 減少する。従って、アークはアークノズルに衝突してこれを短時間の内に損傷し 或は破壊さ＾もしかねない、他方、電流の遮断が時間的に接近されると、プラズ マチャンバ−３２内部のガス流れ及び圧力の減少は、これらはソレノイド弁４８ の閉鎖と共に一般に指数ｒＪＩＩ数的態様に於て減少するのであるが、僅かとな り、あたかもソレノイド弁４８を開放したかの如きような損耗が生じてしまう、 ガス流れの遮断は、アーク電流の遮断を通して及びその後にも継続される。

本発明に従うガス及び電流遮断のプロセスが図ＩＤの調時ダイヤグラムによって 例示される。左側の３つのグラフは時間の関数としての信号（電圧信号、電流信 号或はそれ以外の信号）を表す、左側の最上部のグラフは、ソレノイド弁４８に 対する制御信号（ライン４８ａ、４８ａを通して適用されろ）が時間１＋　（信 号は”１”の状態から”０“の状態へと変′化する。この”０”の状態は、ソレ ノイド弁４８の状態を所望通りに変化させるに十分なデジタル切り替え或はアナ ログ変化の何れかを示す）に於て状態変化することを示している。制御信号のこ の変化によってソレノイド弁は時間ｔ１に於て閉鎖する。左側の上から２番目の グラフはアーク電流のための制御信号を示す、この制御信号は電源５０の制御体 によって発生される０本発明に従えば、アーク電流制御のための信号はその状態 を、時間ｔ１経過後の時間である時間ｔｓに於て、やはり状態”ｌ”から状態” ０“として示されるように状態変化する。従ってガス流れは時間七茸及びｔｌの 差と等しい時間間隔Δｔに於てアーク電流に先立って遮断される。左側の最下部 のグラフはアーク電流遮断プロセスのための交互の制（資）シーケンスを示して いる０本発明に従えば、アーク電流制御信号は、弁制御信号と同じ時間であると ころの時間１．に於て、やはり状態”ｌ“から状態”０”として示されるように 状態変化する。この変化によってＩＩＩ御体はアーク電流を、図ＩＤの右側の最 下部のグラフに示されるように傾斜状態での降下を開始させる。

図ＩＤ右側の各グラフにはｌ）、プラズマチャンバー３２を通してのガス流量と 、２）時Ｍｔｆでのアーク電流の急激な階段的遮断段階としての遮断プロセスと 、３）時間１．での完全電流からアーク電流がゼロへと消滅する時間ｔ１での維 持可能な最小電流へと漸次的に降下する、代替可能なアーク電流遮断プロセスと が示される。これらのグラフもやはり時間の関数として表され、また左側の対応 するグラフと同じ時間で表されている。

ソレノイド弁４８を時間ｔ１で閉じた後、ガス流れは一定状態で減少する。一般 に直線的な減少が示されるが、その関係は実際はより複雑であってその曲線は一 般に指数関数的である１重要な因子は、ａ）、アーク電流が遮断される時間ｔ２ では、その値が図ＩＤの右側の上から２番目のグラフに示されるように比較的小 さく、或はｂ）、アーク電流が漸次的に傾斜状態で降下された後の時間ｔ２では 、その値が図ＩＤの右側の最下部のグラフに示されるように比較的小さくなるよ う、ガス流量が実質的に時間間隔Δｔの間に降下することである０本発明の現在 好ましい具体例では、右側の最上部のグラフに示されるような、非−換気式の傾 斜状態で降下するガス流れが、右側の最下部のグラフに示されるような傾斜状態 で降下するアーク電流と協動される。従ってこの具体例ではガス流量は時間間隔 Δｔの間で変化する。この好ましい作動モードでは、より小さいアーク電流が、 ガスの密度をプラズマチャンバーを通してのガス流量を増大させる様式に於て変 化させるという事実があるにも関わらず、電極の損耗は最小である。尚、その他 因子は一定である。

時間間隔Δｔの正確な値はトーチ及び特定の作動パラメーターによって異なるも のの、大抵の低電流プラズマアーク切断用途のためにはΔｔば、電極の損耗を低 減させるためには５００ミリセカンド或はそれ未満が適切であることが分かった 。ＭＡＸ２００型トーチではおよそ２５０から３００ミリセカンドのΔｔが、換 気が無く且つ引き続くアーク電流の傾斜状態での降下が有る状態では最適である ことが分かった。ＭＡＸＬＯＯ型トーチを使用しての作業では、本発明を使用し た１２０カツトサイクルの後のビット深さく損耗）は約０．００５インチ（約０ ．１２７ミリメードル）である一方、本発明を使用しない通常作業でのビット深 さは約０．０２５インチ（約０．６３５ミリメートル）であった、こうした損耗 の減少は電極寿命に繋がる。その寿命は５倍であり、従来達成し得た内で最良の ものであった６本発明はまた、平均的に、トーチの、従来の定格を上回る電力で の作動を可能とする。

時間ｔ、では、ガス送給が時間１＋に於て遮断されはするものの、残留ガス流れ が存在することに留意されたい、これは、電流を遮断するまで及びその時点で、 アークを安定化するため及びノズルの損傷を防止するために十分なガス流れがプ ラズマチャンバー内部に存在することを保証する。電流の遮断後にもまた短時間 のサージが起きる。これは、アークが無い状態でのガスの急激な冷却とプラズマ チャンバー内のガス圧力によって作動するトーチからのガスの急速な流れ出し及 びアーク消滅後におけるガス特性の急変とを反映したものであると考えられる。

この現象は、プラズマアークトーチへのプラズマガスの流れ４４を減少させるこ とによって時間間隔Δｔの間にトーチへのガス流れを低減可能では有るが、それ よりもソレノイド弁４８を完全に閉じる方が、それによってプラズマチャンバー の上流側が、アーク電流が遮断された場合の流れサージの強さを減衰し且つ全プ ラズマガス流れ量を制限することから好ましいということを示唆している。すで に述べたようにアーク電流を時間ｔ。

に於て急激に遮断するよりはむしろ１時間ｔ１で、例えば時間間隔Δｔの間に傾 斜状態で降下させることによって減少させることは本発明の範囲内のものである ０時間１、以前に、或は時間ｔ、の後に、即ちソレノイド弁を閉じる以前或は後 に全電流の低減を可能とすることもまた本発明の範囲に含まれる。

図２Ａから２Ｃには本発明の別懇様の具体例を組み込んでなる。プラズマアーク 切断用トーチ１２°が示され、図ＩＡからｌＣに於けるそれと同一の部品には同 一の参照番号がダッシェ付きで付記されている。トーチ１２°及びトーチシステ ム５２゛の構造及び動作モードは、通気管６６及び関連する、この通気管６６を 開閉するために連結されたソレノイド弁６８が追加されていることを除き、図Ｉ ＡからｌＣに関して説明されたと同一である６通気管６６は電流リング３８゛に 差し通されプレナムチャンバー４２′と流体連通される。制御体からの制御信号 がライン６８ａ、６８ａを通して伝達され、弁６８を作動する。この具体例では 、ソレノイド弁４８は時間ｔ１にて閉鎖される。ソレノイド弁６８は開放される ０通気管６６の端部６６ａが大気或はその他、真空チャンバー等の低圧領域に開 放されていることから、ソレノイド弁６８を開放するとプレナムチャンバー及び プラズマチャンバー内のガス流れ及び圧力は、図ＬＡからＩＣの具体例における よりもずっと急速に減少する。これにより、ガス流れが時間ｔｌに於て遮断され ると、アーク電流はより急速に遮断可能とされる。しかしながら、この構成では その調時が極めて重要であることが見出された６通気によって交互する流路が確 立されることから、ノズルを通しての流れは減少し、それがプラズマガスな急激 に不安定な状態とする。一般に１通気が使用される場合、交互する流れが、非常 に短時間で且つ通気無しでアーク電流の遮断に先行する０通気が使用される場合 １時間間隔Δｔは、ＭＡＸ２００型トーチを空気で作動させる場合には５２５０ ミリセンカントから５ミリセ力ンド未満に減少可能である。これにより、不安定 となったアークによってノズルが損傷を受ける恐れが減少され得る。ソレノイド 弁４８及び６８は単一の通気型弁として組み合わせ得る。

図３Ａから３Ｄには、本発明に従うトーチ１０”及びトーチシステム５２”の別 懇様が示され、同じ部品には同じ参照番号が二重ダッシェを付けて付記されてい る。

この具体例は電極の損耗が、プラズマチャンバーを通るガス流れの流量のみなら ず流れパターンをアーク電流遮断の直前に変化させると、実質的に低減され得る と言う発見に基づくものである。詳しくは、電極の損耗は、ガスの渦流がアーク 電流遮断の直前に減少されれば、殆ど無視出来るレベルにまで減少される。中程 どのガス圧力ではこの結果は高いガス流量（例えば１２０ｓｃｆｈ（標準状態で 約３．３９８ｍ”）でさえも変わらない。

ハイバーサーム社のＭＡＸ１００ｕトーチを使用しての作業では、プラズマチャ ンバー内へのガス流れが半径方向（渦流の無い）でありしかもプラズマチャンバ ー内のガス圧力が３０ｐｓｉ　（約２．１１　ｋ　ｇ／ｃｍ”　）である場合の 電極損耗は無視し得るもので有った。完全な半径方向流及び中から低のガス圧力 が最良の結果をもたらすが、本発明は完全にはやや至らない半径方向流及びより 大きなガス圧力の下でも電極の損傷を低減する。この具体例での主たる関心事項 はやはり、渦流が無い場合でのプラズマアークの不安定化である８本発明はこれ を渦流リングを使用し、次いで全流量を実質的に妨害することなくアーク電流の 遮断の直前に半径方向流に切り替えることで解決する。トーチｌＯ”及びトーチ システム５２”はこの作動モードを達成する。

トーチ１０”は、その各々が別個のプレナムチャンバーを、そして結局は別個の 渦流リング２８”或は同等の構造体の独立した入口孔への送給を為す２つの別個 のガス送給ラインによって作動される点を除き、トーチ１゜及び１０°と一般に 同一の構造を有している０図示された好ましい形態に於ては、最初のガス流れ４ ４ｃは入り口管４６”、ソレノイド弁４８”、環状のプレナムチャンバー４２” 、ガス導入穴３０、プラズマチャンバー３２゛を送達され、出口ノズルオリフィ ス１６”から出る。このガス流路が、良好な品質の切断を創出しまたアークを安 定させての切断のための渦流ガス流れを提供する。渦流は、図３Ｂに最も良（示 されるように半径方向にオフセットされたガス導入孔３０”によって確立される 。プレナムチャンバー４２”は、電流リングがその下方の、渦流リング２８”の 凹型段部にガス密封シール状態で衝接する縁部位置に、下方に伸延する環状の壁 ３８ａ及びフランジ３８ｂを具備していることを除き、先の具体例のそれと同一 の檎成部品によって画定される。

（このシールを、渦流リングを必要に応じてトーチから取り外し可能とするＯ− リング、ラビリンスシール或は任意の従来通りのガスシールと共に固着し得るこ とを理解されたい、）これらの環状の壁３８ａ及びフランジ３８ｂは離間され且 つ外側のプレナムチャンバー４２”及び内側のプレナムチャンバー４２ｄ”から 相互に隔絶されている。

ガス流れ４４ｄは、入口管４６ｄ“、ソレノイド弁４８ｄ”、プレナムチャンバ ー４２ｄ”、ガス導入穴３０ｄ”、プラズマアークチャンバー４２”を通して送 達され、出口ノズルオリフィス１６“から出る。ガス流れ４４ｄのためのこの第 ２のガス流路では渦流リング内にガス導入穴３０ｄ“が、一般に半径方向に向け られた状態で使用される。これは図３０に最も良く示される。プレナムチャンバ ーを通るガス流れは従って、プラズマチャンバー３２“を通して出口オリフィス １６”に至る（下向きの）軸方向流で有り、渦流は実質的に生じない。

本発明のこの方法具体例では、トーチへの電流を遮断する以前の予め決定された 、しかし極めて短時間の時間間隔Δｔの間に制御体がガス流れ１４ｃのためのソ レノイド弁４８ｄ”を閉じ、ガス流れ４４ｄのためのソレノイド弁４８ｄ”を開 く。反応性ガスを使用するＭＡＸ１００型トーチのための時間間隔Δｔは代表的 には５００ミリセ力ンド未満である。流れパターンにおけるこうした変化は、流 れ或は電流パラメーターを代えない場合、電極の損耗を劇的に低減させることが 分かった。しかしながらこの具体例は、図ＩＡからＩＤ及び［２Ａから２０に関 して先に説明した質量流減少のための具体例と組み合わせることが出来る０例え ば、電流レベルを時間ｔ、の後に勾配的に降下させ得る。

図３Ｄには、この交互する流れパターンモードに於て本発明を実施するために好 適なシステム５２”が示される。トーチからと追い、従ってトーチによって実質 的な電磁干渉が創出される制御コンソール６４”が、ガス流れ４４ｃを制御する 。同様の制御コンソール６４ａ”がガス流れ４４ｄ”を＃御する、実際上は制（ ２）コンソール６４”及びｆｌｉｌｌｌｆ［コンソール６４ａ“は１つのユニッ トとし得る。

時間間隔Δｔのためにさまざまな時間が提案されたが、最適な時間間隔は特定の トーチ、その用途、関連するパラメーターに依存する。一般的には時間間隔Δｔ はガスの形式、電流レベル、ノズルオリフィスの寸法、ガス流量、ガス流れパタ ーン、入口管及び通気管内部のソレノイド弁及びプラズマの関数である。ＭＡＸ １００型トーチのための離間距離は好ましくは１２インチ（約３０．４８センチ メートル）である、この距離によって、プラズマチャンバーの上流側及び弁の渦 流側の大きな流れ質量に基く流れパラメーターの遅延及び意図せざる変動が回避 される。然るべき時間間隔Δｔのための値は経験的に容易に決定され得る０本発 明がアーク電流遮断直前にガス流れを交互させることに焦点が向けられたが、こ の交互状態が電気的遮断を通してそしてその後の短時間にわたり継続されること を理解されたい、しかしながらガス流れは通富、入ロ管内部のソレノイド弁を閉 じそれがプラズマチャンバーを通るガス流れを結局ゼロとすることによって、或 は図３Ａから３Ｄの具体例における。ガス導入穴３０”に通じる”半径方向”の ガス流路内のソレノイド弁４８ｄ”を閉じることによって、アーク電流遮断後の 極めて短時間の内に完全に停止する。

１！Ｉ４にはトーチ１２°“及びトーチシステム５２゛の更に別の具体例が示さ れ、同様の部品が３つのダッシュを附記した同一の参照番号で示されている。こ の具体例は、ガス送り管７８を介して接続された２つのプラズマガス供給源と、 入り口管４６°”に対するオン−オフ型のソレノイド弁４８°”にして、結局、 ガスをトーチ１２’”及びそのプラズマチャンバーに送る前記オン−オフ型のソ レノイド弁４８°“とを具備している点を除き、図ＩＡからＩＤに示された具体 例と同様のものである。ガスの予備流れ４４ｆがガスの予備流れ遠隔コンソール ８４を通して流れる。このガスの予備流れ遠隔コンソール８４にはオリフィス８ ４ａと圧力ゲージと流量計とが含まれる。前記ガスの予備流れは導管８２及び予 備流れ断続用のソレノイド弁８０を挿通して枝導管７８ａに入り、次でガス送り 管７８に入る６作動用プラズマガス流れ４４゛″は作動流れ遠隔コンソール７４ を通して流動する。この作動流れ遠隔コンソール７４には、オリフィス７４ａと 圧力ゲージと流量計とが含まれる０作動用プラズマガス流れ４４′“は次で導管 ７２及びソレノイド弁７０を経て枝導管７８ｂに流入し５次でガス送り管７８に 入る。プラズマガスの２つの供給源は前記枝導管７８ａ及び７８ｂを介しガス送 り管７８に平行状態で連結される。

本発明者は、著しい電極の損耗が、アーク電流の遮断時のみならずその創始に際 して生じ得るものであることをも発見した。特には、アーク創始時におけるトー チへのガス流れを交互させることで電極の寿命が、図ＩＡから３Ｄを参照して先 に説明したアーク電流遮断制御を使用して達成し得る実質的な改良と比較してさ えも、実質的に改良され得ることが見出された。詳しく述べれば、以下に詳細を 述べるアーク創生手順及び装置が、図ＩＡから３Ｄを参照して先に説明したアー ク電流遮断制御手順をも使用した場合に、電極の寿命を２倍にすることが見出さ れた。従来技術の手順並びに装置を使用して入手し得る約１０倍の電極寿命を容 易く得ることが可能である。

各ソレノイド弁は電源によって創出されライン８６ａ、８６ｂ及び８６ｃを介し て送られるる制御信号に応答して自動的に作動される。ソレノイド弁４８°”、 ７０及び８０もまた、先にソレノイド弁４８に関して説明した形式のソレノイド 送り弁とし得る。オリフィス８４ａ及び７４ａは手動或いは自動調節可能である 。

作動に際し、本発明に従ってトーチ１２’“を始動させるために、イオン化し得 るガスの予備流れ４４ｆがその供給源からトーチへと送られる。このガスの予備 流れ４４ｆの圧力及び流量は、アークが工作物に移行される全出力作動に関する 流量及び圧力よりも著しく小さい。

図５を参照するに、プラズマトーチの創生が時間ｔ０の位置に示されている。オ ペレーターが制御信号を発生させると、これら制御信号はライン８６ａ及び８６ ｃを経て送られ、ソレノイド弁４８°”及び８０を夫々開放せしめるが、弁７６ は閉じた状態のままとする。した我って、トーチへの全てのガス流れは調節可能 なオリフィス８４ａを通過し且つそこで制限される。このオリフィス８４ａは（ ｉ）トーチ１２°”にパイロットアークを創生じ且つ維持するに十分な、しかし また（ｉｆ）本発明の電極損耗を改良するという特徴が見られる移行アークモー ドでの全動作値よりも十分に小さいガス質量流量を確立するよう設定される０例 示上、ハイバーサームＭＡＸ１００型のトーチのための全流量は４０ｓｃｆｈ（ 標準状態で約１．１３ｍ”／ｈ）とし得、またガスの予備流れは２４ｓｃｆｈ　 （標準状態で約Ｑ、６８ｍ”／ｈ）或いは全流量の約６０％とし得る。ガスの予 備流れの正確な値は、アーク遮断に際してガス流れを交互させる調時に関して先 に説明した如き因子に基づいて変化するが、それは先に言及した機能上の”限界 ”の範囲内のものである。即ち、パイロットアークを創生じ得る一方で、先に説 明した程度の電極損耗の改良を成し得る値である拳固５の中央のグラフはソレノ イド弁４８°”及び８０が時間ｔ。で開いていることを示している。最も上のグ ラフは、ガスの予備流れがこれらの弁を通して流動した結果、プラズマチャンバ ー内のガス圧力が増大したことを表わしている。

図５の時間ｔ１は、アークが工作物に移行され、トーチが移行アークそ一ドで作 動金する時間を表わす０時間ｔｏからｔｌの間隔は好ましくは、安定したガスの 予備流れを創生ずるに十分なものであり、代表的には４分である。アーク電流は 、図５の上から２番目のグラフに例示されるように、時間ｔ１の直前に於て階段 的に若干増大される。この電流は標準パイロットアーク電流である、パイロット アークはガスの予備流れが安定化された後に創生されそして短時間の間、時間ｔ １まで維持される。損代表的な値は２０ミリセカンドである。

時間１．では、移行されたアークがライン８６ｂを介してソレノイド弁７０を開 く別の制御信号を発生する。

これは図５で上から３番目のグラフに表わされている。

時間Ｔ＋では電源もまたアーク電流を所望の全動作値に向けて増大させる。同時 に、制御信号８６ｃがガスの予備流れのためのソレノイド弁８０を閉鎖せしめる 。ソレノイド弁７０が開くことにより、トーチへのガス流れが増大され、これが 図５で最も上のグラフに示されるように、トーチへの入り口位置でのガス圧力を 上昇させる。

オリフィス７４ａはトーチへの最大ガス流れを設定する。各ソレノイド弁からプ ラズマチャンバーへと流動することに基き、ガス流れ及び圧力の増大は鋭角的な 階段関数的にではな（むしろ、円滑な勾配的にの上昇を示す、ガス流れの増大は 好ましくは、やはり図示されるように、アーク電流の増大と同等のものである。

アーク電流並びにガス流れは正確に調和状態で増大する必要はないが、ガス流れ は移行するアークをそのアーク電流レベルに於て、次でそれ以上のレベルに於て 維持するに十分なように増大されるべきである。ガス流れはまた渦流とされるべ きであり且つプラズマジェットを案内するに十分な流量を有し且つそれがトーチ 自身に衝突しないように収納するべきである。こうした弁及び導管配列構成はま たそれ自体、１つの形式のガスをガスの予備流れとして、また他の形式のガスを プラズマガスとしての移行アークモードでの使用に適したものである。好ましく は、窒素或いはアルゴンといった反応性のより小さいガスがガスの予備流れとし て使用される。アーク移行時のソレノイド弁７０の開放そしてソレノイド弁８０ の閉鎖に伴うガスの予備流れから作動ガス流れへの切り替えにより、純酸素或は 空気のような反応性のより高い形式のガスを導入可能となる。別様には、ガスの 予備流れを空気とし得、また作動ガス流れを酸素とし得る。このガスの予備流れ 及び勾配的にのアーク創生手順を、先に説明したアーク電流遮断手順と組合わせ て使用すると、電極寿命は容易に且つ信頼性の下に約１０倍延長される。

アーク電流創生の特徴を弁ネットワークにより創生される流量変化に関して説明 したが、アーク電流遮断に際して生じる軸方向ガス流れの有益な効果もまたアー ク創生に利用される。渦流ガス流れは作動中のアークを制御するために必要であ るが、パイロットアークが創生されるに際しての少なくともガスの予備流れ相に 於てはガス流れパターンは電極損耗を低減させるべく軸方向とし、そして時間ｔ ｌでの工作物への移行時に渦流流れに切り替え得る。流れパターンのこうした変 化は、時間ｔｌでの切換前、或いはその時、或いはその後出の流量の増大と組合 わせ可能である０図３Ａから３Ｄに示される装置はアーク電流遮断時のみならず 、アーク電流創生に際してこうした流れパターンを交互させるために使用し得る ものである。

図４の具体例を使用しての作動のサイクルを終了させまた先に説明したアーク電 流の遮断の利益を得るためにソレノイド弁４８゛及び７０を時間ｔ２で閉じそれ によってガス圧力及びガス流れを減少せしめ得る。これにより、図ＩＡから３Ｄ に関して先に説明した全てのアーク電流が相応して減少する６時間ｔ、で作動の サイクルが完了し、トーチはオフとされる。

プラズマアークトーチ、特には切断用トーチの、しかし一般にはプラズマトーチ の全形式、例えば溶接、噴霧その他用途のためのものにおける電極の損耗を低減 させるための方法及び装置が説明された０本発明は、その任意の具体例に於て、 全ての電極に於て現在生じてし）る電極の損耗を低減し、その寿命を少なくとも ２倍に、そして１０倍或はそれ以上に伸ばすことが可能である０本発明によれば 所定のトーチをより大きな電力レベルでしかも反応性ガスと共に作動させること が出来る。こうした利益は、切断の品質を低下させることなく、また櫟準的な電 極及びノズルを使用して実現可能である。実際、渦流流れが切断中には電極を損 耗しないことが分かり、また強い渦流が高品質の切断を生むことが分かったこと から、今やトーチ内での渦流の弾さを増大させて切断品質を向上させることが可 能である。更には、既存のプラズマアークトーチ及び全なトーチシステムを、本 発明を使用するべ（容易に改変可能である。

以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の内で多くの変更を成し得る ことを理解されたい０例えば、トーチは水冷される図示されない冷却用通路を具 備し得、或は金属薄膜の溶接或は噴霧用途のために適合され得る。トーチはまた 、トーチの構造を変えて対応させることで種々の創生技法をも使用可能である。

電極及びノズルはいろいろな形状及び構成を取り得る。渦流リング２８″は、図 示されたように単一部品としてではなく、別個の２つの、軸方向に積み重ねた或 は軸方向に離間したリング形態のものとし得る。

フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、　ＧＲ，ＩＴ、　ＬＵ、　ＮＬ、　ＳＥ）、ＡＵ、 ＣＡ、ＪＰ、５Ｕ （７２）発明者　クーチ、リチャード　ダブリュー９．シュ；　ニア アメリカ合衆国　０３７５５　ニューハンプシャー、ハノーバー、ライム　ロー ド　（番地なし）

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. １．トーチ本体部の一端部に工作物に隣り合って設けられ電極との間部分にプラ ズマアークチャンバーを形成するべく前記電極に関して離間した関係で設けられ たノズルと、イオン化し得るガスをプラズマアークチャンバーに送るための手段 と、プラズマアークを形成するためにガスをイオン化するための電流を電極を通 して送るための手段とを含み、前記電流が可変であり且つパイロットアークを維 持するための十分なパイロットアークレベルとプラズマアークが工作物に移行さ れる場合にプラズマアークを維持するために十分な移行アークレベルを有してな る、プラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法であって、 切断中に移行されるプラズマアークを維持するために必要な流量よりも実質的に 少い流量に於て、イオン化し得るガスの予備流れを開始させる予備流れ開始段階 と、該予備流れにパイロットアークを創生するためにパイロットアークレベルに 於て電流を通電開始させる段階と、 イオン化し得るガスのプラズマアークチャンバーを通しての流れを、プラズマア ークの工作物への移行と調和する状態で変更し、この変更状態をその後のある時 間間隔に於て予備流れの流量から作動流量へと徐々に増加勾配的な流れとして継 続する段階と を包含する前記プラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
2. ２．ガス流れ変更段階は、（ｉ）予備流れの流量から作動流量へと徐々に勾配的 な増加流れとして継続する段階によってガスの質量流量を増大させる段階、（ｉ ｉ）プラズマアークチャンバー内のガスの渦流を増大させる段階、（ｉｉｉ）前 記段階（ｉ）、（ｉｉ）の少なくとも１つとの組み合わせに於てイオン化し得る ガスの形式を変更する段階、そして、（ｉｖ）前記段階（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉ ｉｉ）の任意の組み合わせ段階から成る段階群から選択される段階を含んでいる 請求の範囲１に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法 。
3. ３．ガス流れの変更は、通電開始後、電極の損耗を低減させるに十分な時間にわ たり為されるが、しかしアークが工作物に移行した後、アークを移行モードに維 持するための十分短い時間に於て為される請求の範囲１或は２の何れかに記載の プラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
4. ４．プラズマガスチャンバー内部の圧力がガス流れ変更段階によって一般に指数 関数的に上昇し、ガス変更段階はパイロットアークレベルから移行アークレベル ヘの電流の増大の開始後、約５００ミリセカンドの内に開始される請求の範囲３ に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
5. ５．プラズマガスチャンバーへのガスの質量流量の増大に追随するためにアーク 電流を増大するアーク電流増大段階にして、結局、プラズマアークチャンバー内 のガス圧力を増大しそれによりプラズマアークトーチからのガス流れが制限され る前記アーク電流増大段階を含む請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの 電極の損耗を低減するための方法。
6. ６．プラズマアークチャンバー内のガス流れの渦流を増大させると共にアーク電 流を増大させる段階にして、プラズマアークチャンバー内のガス圧力を増大させ それによりプラズマアークトーチからのガス流れを制限する前記アーク電流増大 段階を含む請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減する ための方法。
7. ７．アーク電流増大段階は流れ変更段階後に開始される請求の範囲５或は６の何 れかに配置のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
8. ８．プラズマアークチャンバー内のガス流れの渦流の増大には、半径方向でのプ ラズマアークチャンバーへの流入から一般に半径方向にオフセットされてのプラ ズマアークチャンバーへの流入への切替えそれによって移行アークモードにおけ るプラズマアークチャンバーを通してのガスの渦流流れを創生する段階が含まれ る請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方 法。
9. ９．ガス流れ変更段階は、一般に半径方向の流れからの切替えと、この切替えと 一般に同時であるガスの質量流れの増大との組み合わせである請求の範囲８に記 載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
10. １０．トーチ本体部の一端部に、工作物に隣り合って設けられ電極との間部分に プラズマアークチャンバーを形成するべく前記電極に関して離間した関係で設け られたノズルと、イオン化し得るガスをプラズマアークチャンバーに送るための 手段と、最初はパイロットアークモードで、次いで移行アークモードでのプラズ マアークを形成するためにガスをイオン化するための電流を電極を通して送るた めの手段とを含むプラズマアークトーチの電極の損耗を低域させるための方法で あって、前記電極及びノズル間にパイロットアークを維持するに十分な流量で前 記プラズマアークチャンバーを通してのガスの、移行アークモードに於ける作働 中の流量よりも実質的に小さい予備流れを開始させる段階と、該予備流れ中にパ イロットアークを創生するパイロットアーク創生段階と、 パイロットアーク創生段階の短時間後にガス流れを変更させる第１のガス流れ変 更段階と、 該第１のガス流れ変更段階と調和させる状態でアーク電流を、プラズマアークを アーク移行モードに維持するためのレベルに変更する段階と、 電流を遮断する電流遮断段階と、 プラズマアークチャンバーを通るイオン化し得るガスの流れを前記電流遮断段階 の直前に変更しそして前記電流の遮断段階の後に継続させる第２のガス流れ変更 段階にして、電極の損耗を低減させるために前記電流遮断段階以前の十分に長い 時間に於て為されるが、しかしアークがノズルを損傷しないよう電流遮断段階以 前の十分に短い時間に於て為される前記第２のガス流れ変更段階とを含む前記プ ラズマアークトーチの電極の損耗を低減させるための方法。
11. １１．第２のガス流れ変更段階には、（ｉ）ガスの質量流量を低減させる段階、 （ｉｉ）プラズマアークチャンバー内のガスの渦流を低減させる段階、（ｉｉｉ ）前記段階（ｉ）及び（ｉｉ）の任意の組み合わせ段階から成る段階群から選択 された段階が含まれる請求の範囲１０に記載のプラズマアークトーチの電極の損 耗を低減させるための方法。
12. １２．電流遮断段階の直前に電流を減少させる段階を含む請求の範囲１０或は１ １の何れかに記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減させるための方法 。
13. １３．プラズマアークチャンバー内のガスの流れを急速に変更させるための、第 ２のガス流れ変更段階と組み合わせてのプラズマアークチャンバー通気段階を含 む請求の範囲１１に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減させるため の方法。
14. １４．第２のガス流れ変更段階によって、プラズマアークチャンバー内のガスの 圧力は一般に指数関数的に減少し、また第２のガス流れ変更段階はは電流遮断段 階以前の約５００ミリセカンドの内に開始される請求の範囲１１に記載のプラズ マアークトーチの電極の損耗を低減させるための方法。
15. １５．第２のガス流れ変更段階に含まれるガスの質量流量を低減させる段階には 、トーチ本体を貫いてプラズマアークチャンバーに向かうガスの流れを閉鎖する 段階が含まれる請求の範囲１１に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低 減させるための方法。
16. １６．電流遮断段階の直前に電流を減少させる段階は、第２のガス流れ変更段階 の開始及び電流遮断段階の終了の期間にわたり、徐々に為される請求の範囲１１ に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減させるための方法。
17. １７．電流遮断段階の直前に電流を減少させる段階は、プラズマアークチャンバ ーへのガスの流量の低減に追随して勾配的に為される請求の範囲１６に記載のプ ラズマアークトーチの電極の損耗を低減させるための方法。
18. １８．電流遮断段階の直前に電流を減少させる段階は、プラズマアークチャンバ ーへのガスの流量の低減と共に減少勾配的に為される請求の範囲１６に記載のプ ラズマアークトーチの電極の損耗を底減させるための方法。
19. １９．電流遮断段階の直前に電流を減少させる段階は、第２のガス流れ変更段階 に先立って開始される請求の範囲１１に記載のプラズマアークトーチの電極の損 耗を低減させるための方法。
20. ２０．第２のガス流れ変更段階に含まれるプラズマアークチャンバー内のガスの 渦流を低減させる段階には、半径方向にオフセットしてのプラズマアークチャン バーへの流入からプラズマアークチャンバーを貫いてのガスの実質的な軸方向流 れを創生する一般に半径方向でのプラズマアークチャンバーへの流入への切替え が含まれる請求の範囲１１に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減さ せるための方法。
21. ２１．ガス流れ変更段階は、一般に半径方向の流れと一般に同時のガスの質量流 量の低減との組み合わせによって為される請求の範囲２０に記載のプラズマアー クトーチの電極の損耗を低減させるための方法。
22. ２２．一般に半径方向の流れへの切替えと関連させてのプラズマアークチャンバ ーの通気段階が含まれる請求の範囲２０或は２１の何れかに記載のプラズマアー クトーチの電極の損耗を低減させるための方法。
23. ２３．プラズマアークトーチがトーチ本体と、工作物に隣り合うその一端部に於 て前記トーチ本体に取付けられ出口ポートを具備するノズルと、該ノズルに関し て離間関係でトーチ本体に取付けられた電極と、前記ノズル及び電極の間部分に 画定され前記出口ポートと流体連通するプラズマアークチャンバーと、イオン化 し得るガスの流れをプラズマアークチャンバーに送るための、同様に前記トーチ 本体に取付けられた第１の渦流リンクと、電源と、該電源からの電流を電極に導 通し、またプラズマアークが移行アークモードにある場合にはプラズマアークを 介して工作物に電流を送るための手段とを含み、前記電源が、プラズマアークト ーチに対する電流の通電開始及び遮断のための手段を含んでいるプラズマアーク トーチシステムであって、 プラズマアークチャンバーを貫いてのガスの質量流量、プラズマアークチャンバ ーを貫くガスの流れパターンとガスの質量流量及びガスの流れパターンとの組み 合わせ、から成るパラメーター郡から選択した１つのパラメーターを変更するた めのパラメーター変更手段と、該パラメーター変更手段を、（ｉ）パイロットア ークを維持するために十分なガスの予備流れを創生するための電流を導通する以 前、（ｉｉ）パイロットアークの工作物への移行と調和させて、（ｉｉｉ）電極 の損耗を低減させるに十分に長い時間に於て電流遮断に先立つが、しかしアーク がノズルを損傷しないよう電流遮断以前の十分に短い時間での電流遮断以前に作 動させるためのパラメーター変更手段作動手段と によって構成されるプラズマアークトーチシステム。
24. ２４．パラメーター変更手段は、プラズマアークチャンバーへのガスの流れを制 御するための弁手段を含んでいる請求の範囲２３に記載のプラズマアークトーチ システム。
25. ２５．プラズマアークチャンバーへのガスの流れを制御するための弁手段は、電 流遮断以前の約３００ミリセカンドの間、プラズマアークチャンバーへのガス流 れを閉鎖する請求の範囲２４に記数のプラズマアークトーチシステム。
26. ２６．パラメーター変更手段は第２の渦流リンクを含み、該第２の渦流リンクは プラズマアークチャンバーにガスを導入するための一般に半径方向の流れレポー トにして、前記プラズマアークチャンバーへのガスの流れを第１の渦流リングか ら第２の渦流リングヘと切替えるために第１の渦流リング及び弁手段と組み合わ せた状態に於てトーチ本体に取付けられた前記第２の渦流リンクを含んでいる請 求の範囲２３に記載のプラズマアークトーチシステム。
27. ２７．プラズマアークチャンバーへのガスの流れの、第１の渦流リンクから第２ の渦流リングヘの切替えは、電流遮断の約５００ミリセカンドの内に為される請 求の範囲２６に記載のプラズマアークトーチシステム。
28. ２８．パラメーター変更手段には、プラズマアークチャンバーからの通気手段と 、パラメーター変更手段作動手段の制御下で前記通気手段を開閉するための弁手 段とが含まれる請求の範囲２６に記載のプラズマアークトーチシステム。
29. ２９．プラズマアークチャンバーへのガスの流れの、第１の渦流リンクから第２ の渦流リングヘの切替えは、電流遮断の約５ミリセカンドの内に為される請求の 範囲２６に記載のプラズマアークトーチシステム。
30. ３０．弁手段には、 プラズマアークトーチヘの送給ラインと、イオン化し得るガスの第１及び第２の 供給源と、前記イオン化し得るガスの第１の供給手段及び前記送給ライン間で第 １の分岐導管に於て直列に接続された第１の弁と、 前記イオン化し得るガスの第２の供給源及び前記送給ライン間で第２の分岐導管 に於て直列に接続された第２の弁と、 前記各分岐導管及び前記プラズマアークトーチ間で前記送給ラインに接続された 第３の弁にして、前記第１の弁及び第３の弁を開放し、前記第２の弁を閉じるこ とによってガスの予備流れが創生され、前記第１の弁を閉じ前記第２の弁及び第 ３の弁を開放することにより、プラズマアークを移行アークモードに於て維持す るに十分な増大された作動流れが創生される前記第３の弁とを含んでいる請求の 範囲２４に記載のプラズマアークトーチシステム。
31. ３１．パラメーター変更手段には、第２の弁、第１の弁、第３の弁の夫々と流体 連通する調節可能な第１及び第２の流れオリフィスが含まれる請求の範囲３０に 記数のプラズマアークトーチシステム。
32. ３２．イオン化し得るガスの第２の供給源は、軟鋼を切断するための純酸素の流 れを提供し、イオン化し得るガスの第１の供給源は純酸素よりも反応性の小さい ガスの流れを提供する請求の範囲３０に記載のプラズマアークトーチシステム。