JPH06508793A - プラズマアーク切断方法及び装置 - 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　び （発明の分野） 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、処理速度が高く、切断品質が良く、流れ条件の区切りの良好である 高速の二次ガス流れ及び新規な構成部品の使用によりトーチ部分が飛沫溶融金属 から保護される、金属工作物の二重流れによる穿孔及び切断のための方法及び装 置に関する。

プラズマアークトーチには広範な用途、例えば、肉厚鋼材の切断や、一般に暖房 、換気及び空調（ＨＶ　Ａ　Ｃ）システムで使用する比較的薄肉の亜鉛メッキ処 理金属切断の用途がある。プラズマアークトーチの基本的構成部品にはトーチ本 体、このトーチ本体に内蔵される電極（陰極）、中央出口オリフィスを有するノ ズル（陽極り、イオン化性ガス流れ、電気接点、冷却及びアーク制御流体のため の通路、代表的には電極及びノズル間でガス内部にパイロットアークを創生させ るための電源、プラズマアーク、電極から工作物へのイオン化性ガスの送流が含 まれる。ガスは非−酸化性ガス、例えば窒素、アルゴン／水素或いはアルゴン、 または酸化性ガス、例えば酸素或いは空気であり得る。

（従来技術の説明） 一般的形式の様々なプラズマアークトーチが米国特許第３６４１３０４号、第３ ８３３７８７号、第３２０３０２２号、第４４２１９７０号、第４７９１２６８ 号、第４８１．６６３７号に記載される。これら全ての米国特許は本件出願人に 譲渡されている。プラズマアークトーチと関連製品とはニューハンプシャー州パ ノーヴアーのハイパーサーム社から色々なものが販売されている。ハイパーサー ム社の商標名ＭＡＸ１００型トーチは空気を作用ガスとして使用する代表的な中 出力型トーチ（出力１００アンペア）であり、プレート加工及びＨＶＡＣ用途の 両方に使用可能である。商標名ＨＴ４００型のトーチは代表的な高出力型トーチ （出力２６０アンペア）であり、しばしば酸素が作用ガスとして使用される。高 出力型トーチは代表的に水冷式であり例えば厚さ１インチ（約２．５センチ）の 軟鋼プレートのような金属薄板の孔開は及び切断に使用される。

これらのトーチを設計する上での考慮事項にトーチの冷却が含まれる。トーチは 、アークが１００００℃を上回る温度を創生ずることから、これを低温状態に制 御しないと特にノズル部分が破壊される。他の考慮事項は、アークを制御してト ーチ自体をアークから保護すると共に、工作物の切断品質を向上させることであ る。米国特許第３６４１３０８号に記載される本件出願人の初期の発明には、ト ーチのノズルに冷却水を流してアークを抑制しそれにより切断品質を向上させる ことが記載される。プラズマを、例えば−組の偏心孔を設けた旋回リングを通し てプラズマチャンバーに送ることにより旋回させることで切断の品質を著しく向 上させ得ることも分った。

金属薄板からの部材切り取りに際しては切断はしばしば、金属薄板の面の部分へ の孔開けから開始される。孔開は開始時点では薄板は切り抜かれていないことか ら、溶融金属は重力によって切り口から流下し得す、上方に飛散してトーチに降 りかかる。これは、そうした金属がアークを不安定化させ、不安定化されたアー クがノズルの肉盗みをもたらし、またそれら金属がノズルに付着しこの溶融金属 の電動通路を介しての電極からノズル、ノズルから工作物へのダブルアークをし ばしば生じさせる点で望ましからざる現象である。肉盗み及びダブルアークは何 れもノズル寿命を減少させ或いはこれを破壊する。最終的な切断が円滑であり可 能な限りドロスの無いそして切断角度が好ましくはほぼ０度、つまり切り口の側 面が禁則薄板自体と直交した゛きれいな”面であることが重要である。

従来、飛沫溶融金属による肉盗みやダブルアーク発生を制御するための解決策と して、高出力（２００アンペア或いはそれ以上）型のトーチでは水噴射冷却を使 用するマルチ部材型ノズルが使用されている。そうしたノズルの代表的なものが ハイパーサーム社から販売され図１ａ及び１ｂにその概略が例示される。ハイバ ーサーム社の型番ＨＴ４００　０．０９９、ＨＴ４００　０．１６６及びＰＡＣ ５０００，１８７が図１８のものに相当し、水冷されるセラミックノズルが使用 されている。図２ｂはこの設計形状の変形例を示すものであり、これはハイバー サーム社から型番ＰＡＣ５０００，２５０として販売されているものである。

低出力、即ちＯ乃至２００アンペア−での運転のためには水噴射冷却は、そのコ スト及び水での冷却によるプラズマからのエネルギー損失から見て余り実用的で はない。低出力での運転のための商業的解決策は、空冷式のトーチを使用しトー チ部分に金属が付着した際にはそれを星に交換することである。肉厚１／４イン チ（約６゜３ミリ）の軟鋼を孔開は及び切断する際の、４０乃至５０アンペアで 運転されるそうしたトーチの代表的なノズルの寿命は約１時間である。この解決 策では交換部材に関連するコストや交換手順における製造時間のロスばかりでは 無く、トーチの分解組立中に生じ得る安全上の考慮事項が発生する。

ノズルをガス冷却することもまた知られている。ガス冷却には通常、プラズマガ スの一次流れと二次流れとを含む二重流れが関与する。この二重流れは共通入り 口或いは別個の入り口位置から流出され得る。−次流れはイオン化性ガスにより 形成されるが、二次流れはイオン化はガスで無くとも良い。−次流れはプラズマ チャンバーを通して流動しそこでイオン化され、トーチをそのノズルから出てプ ラズマジェットを形成する。二次ガスはノズルの外側を流れアークの周囲に非イ オン化ガスの冷温層を形成する。従来型のトーチでは一次ガス即ちプラズマガス の温度及び速度は二次ガス流れのそれよりもずっと大きい。

トーチの切断能力は主にプラズマジェットの関数であり、二次ガス流れはトーチ を冷却し、工作物位置に保護されたガス状環境を創出するために重要である。図 ２Ａにはノズルの外側表面を覆って工作物へと流動する二次ガス流れの代表的な 使用状況が示される。この配列構成は低出力用途形式のトーチのために使用され 、この形式のトーチのノズルはハイバーサーム社から型番ＨＴ４００．０３８及 びＭＡＸｌｏｏ　０．０５９として販売される。図２ｂは他のガス冷却用配列構 成を示し、ここではノズルの下方端部に位置付けたセラミック製絶縁スリーブが 、工作物に対するノズル寸法を狭窄しないよう保護している。然しなからセラミ ックは脆いためこの配列構成ではノズルは孔開は中にしばしば保護されない。

米国特許第４３８９５５９号及び第４０２９９３０号には水中噴射及び溶接用途 のためのプラズマアークトーチ例が記載され、二次ガスのシースが空気或いは水 である周囲雰囲気に対するアークの作用帯域を遮蔽する。米国特許第４８１．６ ６３７号には高出力型の水中切断トーチが記載され、樟準状態での毎分０乃至１ ０ｆｔ”　（約０乃至０．２８ｍ”）の半径方向内側方向の空気流れが環状の水 シースと組み合わされ水の無い切断帯域を創出し、そうしない場合には工作物の 下方に蓄積する水素ガスを一掃している。

先に言及されたように、プラズマトーチの孔開は能力はプラズマ切断プロセスに 於て極めて重要である。米国特許第４８６１９６２号には、ノズルを実質的に包 囲し孔開けに際しての飛沫溶融金属を阻止する金属製の、電気的に浮遊するシー ルドの使用が開示される。シールドとノズルとの間を流動する二次ガスがこれら 構成部品を冷却する。＠斜ボートが」二流側から二次ガス流れ内部に旋回を生じ させてアークを安定させ、切断品質を改良する。シールド内の通気口もまた冷却 流れの一部を排出させ、切断中のアークを不安定とすることなく全体流れを増大 させ冷却を一段と良好なものとすることを可能としている。然しなかもこの解決 策は、集中アークを有し然もガスの提供し得るよりも高い冷却能力を必要とする 高出力型（しばしば高密度型と称される）トーチには適用出来ない。二次ガス流 量は切断品質を維持するためには比較的少ない。ガスはトーチを冷却し且つアー クの安定化を助成する。

二重流れ型トーチでは、−次ガスが酸素あるいは空気の場合は二次ガスは通常空 気である。−次ガスが窒素である場合は二次ガスは通常二酸化炭素或いは窒素で ある。この組合わせが、二次ガスによる切断の受け入れ難い水準の妨害を生じさ せることな（好適なプラズマジェットを創出する。これらの二次ガスを使用する ことにより切り口角度は１乃至２度となり上下にドロスが生じる。切断速度及び 切断品質はその他の点ではシールドを使用しない場合とほぼ同じである。

異なるガス或いはガスの混合物を切断の異なる相のために提供することも知られ ている。例えば、日本国特願昭第５７−６８２７０号には、パイロットアーク相 中にアルゴンの予備流れを使用し、切断に際しこれを水素ガスに切換え、切断終 了後には再びアルゴンに戻すことが開示される。日本国特願昭第６１−９２７８ ２号には、開始時点で窒素−酸素混合ガスを予備流れプラズマガスとして使用し 、その後は酸素プラズマ流れを使用することが記載される。これら２つの流れは プラズマガスのためのものであって二次ガスのためではない。これらの文献は約 ８５％が窒素、１５％が酵素であるプラズマ或いは一部ガスの予備流れが電極寿 命を延ばすために最良であることを教示する。米国特許第５０１７７５２号では 非−酸化性ガス流れをパイロットアーク運転中に使用しこれをアーク時に酸素流 れに切り替えることが記載される。種々の特許及び文献にはガス流れ及び調時の 考慮事項のパターンもまた記載される。例えば、米国特許第４１９５２１６号に はプラズマ−ワイヤー溶接を、ワイヤー送り速度をガス流れ及びアーク電流の変 化と合わせて調節することにより溶接の端部位置のキーホールを充填する様式で 作業する種々のモードが記載される。

本件出願人の知る限りに於て、非常に高速の二次ガスの流れをガスシールドとし て使用し、ノズルその他トーチ部品の工作物に隣り合う部分を、孔開けに際して の飛沫溶融金属から保護するトーチは存在しない。従来、流れと流れヒステリシ スの一様性が欠如することにより高速のガス流れとプラズマジェットとの、回避 されるべぎ状況である直接的な相互作用が生じている。プラズマジェットを創出 するガスの混合物を二次ガス流れとして使用し、二次ガスを形成するガスの混合 物の変化を通し切断の速度を或いは切断の品質を調節自在に向上させる技術も無 い。特に、窒素及び酸素の混合物を二次ガス流れとして使用しこの混合物に於け るガスの割合が空気のそれと反対であるものはない。ガスシールドと、この二次 ガスの混合物、或いはトーチ内でのガス流れ割合の突発的なそして正確且つ大き な変化を可能とする流れ制御を使用する高出力型のプラズマアークトーチも存在 しな（解決しようとする課題） 孔開は作業中のトーチのノズルに於ける肉盗み及びダブルアーク発生からトーチ を保護するプラズマアークトーチ及びその運転方法を提供することであり、切断 速度を高め切断品質の向上された切り口を創出するプラズマアークトーチ及びそ の運転方法を提供することであり、 前述の利益を高出力型トーチのために提供することであり、 平滑な側面と良好な切断角度を有し実質的にドロスの無い切断部の提供を含む前 述の利益を提供することであり、 前述の利益並びに、装備を変えることなく用途に応じて異なる材料及び切削条件 に適応可能とする切断運転の調節能力を提供することである。

（課題を解決するための手段） 本発明に従うプラズマアーク切断装置は二重ガス流れを有し、シートメタル工作 物の孔開は作業中における二次流れは、代表的な運転流速である標準状態での毎 時２０ｆｔ”　（毎時的０．５６ｍ”　）と比較して高速、例えば標準状態での １２０ｆｔ”　（約３．４０ｍ”　）である。この高速の二次流れは半径方向内 側方向に於てアークに配向される。この流れは時間及び空間的に極めて一様であ ることと、旋回流れ模様と、環状の出口オリフィスがされるアークに関し接近し て位置決めされていることとにより特徴付けられる。二次流れの少なくとも４０ ％が酸素であり、流量は流量比が約２：３乃至約９：１の範囲内のものである６ 好ましくは流量比は約２＝１である。１５アンペアの定格の高出力型トーチでの プラズマガス流れは代表的に標準状態での７ｆｔ”　（約０．２０ｍ３）である 。本発明は、−次ガス及び二次ガス流れ制御をも含んでいる。これにより、流量 が突発的に太きく変化した場合、アークの制御を失うことなくこれに対処するた めの流れラインの急速充填及び放出が可能である。

プラズマアークトーチはその下方端部に取り付けられた二次ガスキャップを有す る。この二次ガスキャップはその前面が、トーチに取り付けたノズル及び工作物 間に介設される。高出力型トーチの好ましい形態に於ては、水冷キャップがノズ ル及び二次ガスキャップ間に取り付けられ、これが高効率での冷却のための、ノ ズル外側表面に隣り合う水冷チャンバーを画定する。旋回リングが水冷キャップ 及び二次ガスキャップ間の、環状の出口オリフィスの直ぐ上流側に取り付けられ る。この旋回リングには一組の傾斜ボートが含まれ、この傾斜ボートを通過する ガスにここで旋回が付与される。旋回リングの上流側に予備チャンバーが設けら れる。この予備チャンバーには水冷キャップを横断する二次ガス送給ライン内で の圧力降下を創出させるための流れ制限用オリフィスが設けられる。この圧力降 下と予備チャンバーそして下流側の旋回リングが本発明の流れ特性を創生ずる。

ノズルはプラズマジェットのための出口ボートを取り巻く大型ヘッドと切頭円錐 形状の本体部分に対する鋭角のカットバック或いは凹所とにより特徴付けられる 。このノズル設計形状がノズルの冷却を促進し水冷キャップ或いは同等の構成部 品に対するノズルの信頼し得る金属対金属シール状態の創出を可能とする。二次 ガスキャ・ツブは第１の、絶縁部材に取り付けた一般に円筒形の部分と、プラズ マジェット方向に傾斜する移行部分と、トーチの工作物に対向する下方端部を覆 って伸延しその中央ボートがノズルの出口ボートと整列し且つそこを近接状態で 取り巻いてなる交換自在のフェース部分とを含んでいる。好ましくは、フェース 部分はプラズマジェットからある角度離間する一組の通気ボートと、その外側縁 部位置に形成した位置付は用及び取り付は用凹所と、旋回リングのための位置付 は用の環状溝とを含む。

本発明の流れ制御には、マイクロプロセッサ−制御式導管のネットワーク（或い は”回路”）と、弁と、メーターと、種々の比率の一次ガスと混合二次ガスとを 多くの前選択流量、例えば予備流れ及び運転流れに於て提供する出口とを含む。

酸素及び窒素供給ラインの好ましい形態に於て、各ラインは各々、上流側の圧力 とは無関係の流量を作る流量計に流れを送給する。酸素供給流れはプラズマガス ラインから二次ガス回路へと流動する。二次回路内のこれら２つの酸素流れライ ン及び１つの窒素流れラインは各々ソレノイド作動式の流量メーター迂回弁を有 し、ここから３本の平行の枝管が出、各々の枝管は別のソレノイド作動式弁とニ ードル弁とを有している。第１の枝管が予備流れを確立し、第２の枝管が運転流 れを確立し、第３の枝管が突発的に増大したガスの流れによる”急速充填”を可 能とする。この急速充填は他の枝管における流れ制限用の弁を迂回する流路を通 して為される。

二次ガスラインの出力が、トーチ位置での二次ガス入り口に導通する単一の二次 送給導管内に組み込まれる。

この、二次送給導管とトーチに隣り合う一次及び二次ガス送給ラインとはソレノ イド作動式の３方弁を通し大気中に通気される。二次ガスラインの２つの出口を 、パイロットアークモードから移行アークモードへの移行中に短時間開放すると 、二次ガス流量は切断のための運転値へと急速に降下する。プラズマ切断時に３ つの出口全てを開放するとトーチにガス流れが急速に放出される。孔開は中に強 い二次ガス流れを得るために、このプラズマの工作物への移行と二次ガスの前流 れから運転流れへの切り替えとの間には時間差が設けられる。

（図面の簡単な説明） 図ＩＡは従来技術の電極及び水噴射型の、高出力で使用するプラズマアークトー チのマルチピース型ノズルの縦方向の概略断面図である。

図ＩＢは従来型のマルチピース型ノズルの別態様の図ＩＡに相当する概略断面図 である。

図２Ａは低出力で使用するためのプラズマアークトーチのワンピース型ノズルの 縦方向の概略断面図である。

図２Ｂは円筒形状のセラミックシールドを使用する低出力型の従来のワンピース 型ノズル具体例の別態様の、図２Ａに相当する概略断面図である。

図３Ａは本発明に従う高出力型の水冷及び空冷式プラズマアークトーチの縦方向 断面図であり、ここではプラズマガス及び二次ガス通路が示される。

図３Ｂは水冷通路を示す本発明の縦方向断面図である。

図３０は図３Ａに示すトーチのノズル及び出口ボート部分の縦方向の詳細断面図 である。

図３Ｄは図３Ａに示す旋回リングの水平方向断面図である。

図４は本発明に従う流れ制御回路の概略図であり、この流れ制御回路が可変流量 での混合二次ガス流れと急速充填及び急速排出能力とを提供する。

図５は図４に示される流れ制御回路のための調時ダイヤグラムの例示図である。

（好ましい具体例の説明） 図３Ａ及び３Ｂには本発明に従うプラズマアークトーチ１０が示される。プラズ マアークトーチ１０は多重部材嘴成の胴部１２を有し、この胴部１２は一般に円 筒形の主胴部１２ａを含んでいる。この主胴部１２ａはＦＲ４ファイバーグラス 或いはＤｅｌｒｉｎ（商標名）のような絶縁材料から形成される。主胴部１２ａ には陰極ブロック１４が固着され、この陰極ブロック１４がプラズマガス導管１ ６を受ける開口１４ａと二次ガス導管１８を受ける開口１４ｂとを具備している 。前記プラズマガス導管１６及び二次ガス導管１８は絶縁ブロック２０を貫通す る。ノズル２８が電極２４の直下で電極２４から離間して取り付けられ、その間 部分にプラズマアークチャンバー３０を画定する。このプラズマアークチャンバ ー内で、旋回リング３２からのプラズマガスがイオン化され電極及びノズル間に パイロットアークを形成するか或いは重陽及び工作物３６間で移行アーク或いは プラズマジェット３４を形成する。プラズマジェット３４は工作物に穴を形成し 次で切り口３８を形成する。旋回リング３２は２つの部材、即ち旋回リングボー ト３２ａ、３２ｂを含んでいる。旋回リングボート３２ａの半径方向ボート３２ Ｃがプラズマガス流れを旋回リングボート３２ｂの噴射ボート３２ｄに分与する 。電極２４はハフニウム製インサート２４ａを有する。

図示されるようにノズルは、狭い出口ボート２８ａ、良好なヒートシンクとして 作用するための大直径ノズルヘッド２８ｂ、厳しいカットバック或いは凹所２８ ｃ、切頭円錐形状の胴部２８ｄを具備する高出力型トーチのために特に適合する 形状を有する。この形状が良好な熱移行を提供しそれが、ノズルの外側を１って 循環する水によるノズル冷却を提供する。この形状はまた、ノズルヘッドと同じ 傾斜の水冷キャップ６６の端部表面との間の金属対金属による確実な金属シール ６６ａの形成を容易化する。種々の構成部品が、０−リング組体により提供され る液密シール態様で組み立てられる。これら〇−リングの各々は関連する環状溝 及び金属シール６６ａに座着される。

ガス供給ｒＡ４２が、−次ガス制御回路４４ａ（図４参照）を通しトーチ１ｏの プラズマガス入り口１０ａにプラズマガスの流れを提供する。二次ガス流れの供 給源４６が二次ガス流れ制御回路４４ｂがらトーチ】０の二次ガス入り口１０ｂ への流れを提供する。この二次ガスは図示される好ましい形態で、以下に詳細を 説明するように前記２つの供給源からのガスの混合物を含んでいる。

トーチ内ではプラズマガスは流路４８を流動する。この流路４８はチューブ通路 １６ａと、縦方向通路４８ａと、旋回リング３２に通じる半径方向ボート４８ｂ とを含み、プラズマガスはこの旋回リング３２を経てプラズマガスチャンバー３ ０に到達しそこでイオン化される。

二次ガスは流路５０を流動する。流路５ｏはチューブ通路１８ａと、縦方向通路 Ｓ２と、半径方向ボート５４と、流れ制限用オリフィス５６と、前チャンバー５ ８と、二次ガス旋回リング６０と、環状の出口オリフィス６２とを含んでいる。

この二次ガス流路、特に流れ制限用オリフィス５６と前チャンバー５８そして二 次ガス旋回リング６ｏとが本発明の主たる特徴を為す。二次ガス流路は流れの高 度の一様性をもたらし、また移行されるプラズマジェット３４に関する高度の制 御を提供する。二次ガス旋回リング６０は一組の、偏心或いは傾斜ボート６４を 含む。このボート６４ば流れに旋回運動を生じさせそれがプラズマジェット３４ と二次ガス流れとの相互作用を容易化すると共に切断品質上の好影響を生じさせ る。この二次ガス旋回リングは高温プラスチック、好ましくは１．Ｅ、デュポン 社が商標名Ｖｅｓｐａｌとして販売するような高温プラスチック製の絶縁材料か ら形成される。図示されるように、出口オリフィス６２はへん平な環状部分６２ ａと、半径方向に下方の内側を向いて配向されてなる切頭円錐形状部分６２ｂと 、一般に工作物３６と平行のへん平な末端環状部分６２ｃとを有する。切頭円錐 形状部分６２ｂと末端環状部分６２ｃとは隣り合うノズル表面の外径を反映して いる。

前チャンバー５８は旋回リング６０への部分ガス供給源として作用する。流れ制 限用オリフィス５６が旋回リングから前チャンバー５８の対向する端部位置での 圧力降下を創出する。流れ制限用オリフィス５６及び前チャンバー５８が上流側 の圧力と流量変動とから旋回リングを隔絶する。電気的相似を引き出すために、 流れ制限用オリフィス５６及び前チャンバー５８が向流回路での平滑化キャパシ ターとして作用する。流れ制限用オリフィス５６がこの奔流を遮断するに際しア ーク電流が断続されるとプラズマアークチャンバー内のプラズマガスは急速に冷 却され、プラズマガスが急激に奔流する。この奔流内に、本発明では設けられな い二次ガス流路内のガスがベンチュリ効果により抜き出される。然しながら流れ 制限用オリフィス５６がこの奔流を閉塞するので前チャンバー５８内からは比較 的少量のガスが抜き出されるのみである。この供給量は切断中の二次ガスのアー ク安定状態を継続させるために、しかし二次ガス流れがアーク消滅と一般に同時 に止むよう算出される。この配列構成により、時間及び空間的な一様性の高い、 出口オリフィス６２からの二次ガス流れが提供される。

図３Ａから３Ｄに示される高出力型のトーチではアークは、従来型のプラズマア ークと比較して高度に集束される。前記トーチはまた、高エネルギー密度を有す る。

標準型のプラズマ切断トーチでは１平方インチ（約６゜４５ｃｍ”）当りの電流 密度は概略２５，０００アンペアであるが、高密度プラズマのそれはｇｏ、ｏｏ ｏアンペアもの大きさとなり得る。１５アンペアの電流が代表的である。水冷却 が必要であることが分った。このため水冷キャップ６６が陰極ブロック１４の下 端に螺入され番号６８の位置にＯ−リングシールが設けられ、ノズルヘッド２８ ｂの上方縁部には面どうしを衝接させての金属対金属による金属シール６６ａが 形成される。水流れ４５ａが水冷キャップ６６により画定される水チヤンバ−７ ０とノズル２８の外側表面とを通過して陰極ブロック１４の下端に達する。冷却 水４５が通路４７を貫いてトーチ内に流入する。この通路４７は、陰極ブロック １５内の開口１５ａに嵌着されてなる水入りロチューブ１７を含む。水はチュー ブ出口４７ａを出、陰極ブロック１５及び絶縁対１３の両方の半径方向孔４７ｃ 、環４７ｄ、半径方向孔４７ｅ、環４７ｆを通過し穿孔４７ｇに達する。ここで 水の流れは縦方向通路４７ｈを介してのノズルへの流れ４５ａと、ｙＪ４７ｉを 介しての二次キャップへの流れ４５ｂとに分れる。流れ４５ａは縦方向通路４７ ｊを経てチャンバー７０から戻り、孔４７にの位置で流れ４５ｂの戻り流れと合 流し、次で開口１４ｃの位置でノズルの陰極ブロック］４に嵌着されたチューブ 導管１９を通しトーチから流出する。

本発明の他の主たる特徴は、番号７４の位置で絶縁体にねじ止めされた第２のガ スキャップ７２にある。この第２のガスキャップは円筒形胴部７２ａを含む第１ 部分を有し、円筒形胴部７２ａは切頭円錐形状の壁部分７２ｂで終端し、その側 壁部分には段部７２ｃが形成される。第２の部分、即ちフェース部分７２ｄが、 段部７２Ｃと合致する段部７２ｅと、０−リング４０ｅを保持するｉｌｔ　７２ 　ｆと、通気ボート７２ｇと、旋回リング６０をその■方位置で保持し且つ位置 決めしてなる凹所７２ｈと、ノズル出口オリフィス上で芯出しされ且つプラズマ ジェットの周囲に離間状態で近接してなる中央出口オリフィス７２ｉと、ノズル 部分の形状に沿って平行状態で隔設され且つノズルと共に出口オリフィス７２ｉ を画定してなる壁部分７２ｊ、７２ｋ、７２１とを含む。

第２のガスキャップ７２はキャップ６６と平行状態で隔設されそれらの間部分の 間隙が前チャンバー５８を画定する。第２のガスキャップは第２の流路を画定す るのみならず孔開は作業中の飛沫溶融金属に対する機械的シールドとしてもまた 作用する。第２のガスキャップの下方部分の特にフェース部分７２ｄが、本発明 のガスシールドを通過する溶融金属の上方への吹き上がりを阻止する。つまり、 二次ガスの強いシールド流れがプラズマジェットに射突し、次で第２のガスキャ ップ７２と工作物との間を半径方向外側に向けて流動する。中央出口オリフィス ７２ｊが極めて小直径でありそれにより、プラズマジェット３４を近接状態で取 り巻き、そこでの間隙が肉盗みを生じる恐れなく可能な限り小さくされているこ とを銘記されたい。シールド流れは電気的にもまた浮遊状態とされる。シールド は絶縁材料である主胴部１２ａに取り付けられ、ノズル２８や水冷キャップ６６ のような隣り合う金属部材からは離間される。旋回リング６０は絶縁材料から形 成される。この結果、そこに付着した溶融金属が二重アーク発生のための伝導路 の一部となることは無い。通気ボート７２ｇが出口オリフィス７２ｉを取り巻（ 。通気ボート７２ｇの寸法及び数は、トーチによる切断作業中にそれらが二次ガ ス流れの十分な鳳を大気中に逃出させ、プラズマジェットに達するその流れが作 業に悪影響を与えないようなものとされる。この目的上、通気ボートは好ましく はプラズマジェットから図示されるような小さい鋭角角度でプラズマジェットか ら離間する方向に傾斜付けされる。他方、始動時及び孔開は作業中、極めて大き な流量により二次ガス流れが通気ボート７２ｇに衝突しその少鳳部分がそこを通 し大気中に散乱する。遮断に際し、通路５０及び前チャンバー５８内の二次ガス 圧力降下に従い、通気ボート７２ｇが大気中への通気路を提供しそれにより二次 ガス圧力の迅速な減圧が助成される。フェース部分７２ｄトーチの別体構成部品 であることから、これが摩損或は破損した場合はキャップ７２全体を交換するこ とな（交換し得る。

例示目的上であって、これに限定するものではないが、１５アンペア定格のトー チ１０は全体直径が約１゜５インチ（約３．８ｃｍ）、出口オリフィス７２ｉの 直径約００６０インチ（約１．５２ｍｍ）、旋回リング６０の内径０．３００イ ンチ（約７．６２ｍｍ）、外径０４００インチ（約１０．１６ｍｍ）であり、直 径０．０１６インチ（約０．４０６ｍｍ）の６個の偏心孔６４が等角度間隔に配 設されている。流れ制限オリフィス５６は直径が０．０３０インチ（約０．４６ ２ｍｍ）であり、前チャンバー５８は約０．５００ｉｎ’の内側容積を有してい る。出口オリフィスは旋回リング６０から、出口オリフィス７２ｉの約０．０８ インチ（約２゜０３ｃｍ”）の外径部分への半径方向流路を有する。通気ボート ７２ｇは１２個投げられその直径は０．１６インチ（約４．０６ｍｍ）である・ 本発明の他の主要な特徴は、非酸化ガス、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム或は 任意の不活性ガスと酸素或は空気といった酸化ガスとの混合物であるところの二 次ガスを使用し、それにより酸化ガスが、流量で測定して混合物の少なくとも４ ０％を構成することである。酸素を酸化ガスとしてなる好ましい具体例に於て、 二次ガスは酸素と窒素（アルゴン）との混合物から形成され、夫々の流量の比率 は約２；３から約９：１であり、好ましくは約２＝１である。２：１の好ましい 比率は空気を構成するこれらのガスの比率とほぼ正反対を為す。これらのガスは 商業的に純粋であり且つ水や油が実質的に含まれない。これらのガスを前記比率 に於て、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ１３Ｄに記載したようなシールドガスとして使用し た場合、トーチの軟鋼切断速度が劇的に増大することが分かった。更に、エアシ ールドを約０度、即ち工作物と一般に直交方向とした場合の切断角度の変化は正 方向に１乃至２度であった。またトップドロスは無視し得る程度に制御可能であ った。

二次ガスを形成する酸素及び窒素流れの正確な流量は、トーチを使用しての切断 並びにそれら流れを切断角度その他の単数或は複数の切断パラメーターを最適化 するべく調節することにより経験的に判断出来る。これらの調節を実施するに際 し、酸素流量を増大させると切断速度が（ガスシールドを使用しない状態で従来 の切断速度の約３倍程度まで）増大することが分かった。また酸素流量を増大さ せると切断角度は純酸素流れに対し大きく負の方向に４乃至５度まで変化する。

そして切断面は徐々に粗化し、ジグザグ模様が出現する。こうした現象が生じる 理由は良く分かっていない。しかしプラズマジェットを取り巻く酸素リッチの雰 囲気が金属と酸素との間の化学的反応を促進し、そこで放出される熱エネルギー が金属の溶融を助成すると考えられる。切り口角度もまた、プラズマジェット３ ４の形での酸素の二次流れによる効果として説明可能である。

他方、窒素流れの増大は切断速度に対しある程度の影響を与えるのみであり、切 断速度を増大するには酸素流量の犠牲を伴う。純窒素流れは、正方向での切断角 度２乃至３度、平滑な切断面、シールドガスを使用しない状態での切断と比較し て幾分多いドロスによって特徴付けられる。酸素−窒素混合比率と全二次ガス流 れを変化させることにより、切り口角度を正方向の３度から負方向の３度で調節 可能であることが分かった。混合物中の酸素を増大させると共に全体流量を増大 させることにより切り口角度を負方向に更に変化させ得る。か（して、切り口角 度を従来はそうしたようにトーチの幾何形状を変化させるのでは無くむしろ、単 に二次ガス混合物を変化させるのみによって所望の値に調整可能である。しかも 、切り口角度をゼロ或は負方向の値に維持すればトップドロスは実質的に排除さ れる。

本発明における酸素リッチの二次ガス混合物はまた、トーチ１０の孔開は能力を 向上させる。本発明に従う酸素リッチの二次ガスを使用して開口された孔はきれ いでありしかも空気のような別の混合物を使用しての同一条件のトーチを使用し た場合よりもずっと肉厚のシートメタルを加工可能である。

図４には供給源４２及び４６がらトーチ１ｏの入口１０ａ及び１０ｂへのプラズ マと二次ガスの流れを制御するガス流れ制御回路４４が示される。プラズマガス はここでの議論目的上酸素であるが、供給源４２がら窒素／酸素ソレノイドセレ クタ弁５Ｖ１５（通常は酸素選択位置にある）を通過する。ここを通過したプラ ズマガスは次いで、プラズマガスとしてのライン７６への流れと二次ガス（酸素 部分）としてのライン７８への流れとに分かれ、二次ガス流れはガス流れ制御回 路４４の二次ガスセクション４４ｂ内の酸素送りライン８６へと流れる。

二次ガス供給源４６が導管に二次ガスを送給する。導管８２は、窒素がプラズマ ガスとして所望される場合には窒素／酸素ソレノイドセレクタ弁５Ｖ１５に接続 するべく切り替えられる枝ライン８４を有している。ライン７６及び８２中の圧 力スイッチＰＳ１及びＰＳ２は、仮に圧力が前設定値以下に低下した場合にはプ ラズマ切断システムの動作を停止させる。

図示される好ましい形態では、酸素がプラズマガスとして使用され、酸素と窒素 の混合物が二次ガスとして使用され、３つの送給ライン７６．６８及び８２が使 用される。これら送給ラインには流量計ＦＭＩ、ＦＭ２及びＦＭ３が夫々設けら れ、また圧力ゲージＰＧ１．ＰＧ２、ＰＯ２が前記流量計に直列接続される。各 流量計がプラズマガス流れ及びシールドガス流れの両方の流量の正確な設定を保 証する。３つのバイパスソレノイド弁ＳＶ８．ＳＶ９及び５ＶＩＯが３つの流量 計の夫々に平行接続される。これらバイパスソレノイド弁は３方弁であり、通常 はバイパスラインに対し開放されている。これにより流量計は移行時間中に保護 され、また安定状態では３つのバイパスソレノ弁は閉じられ流量測定が可能とな る。

前記３つのバイパスソレノイド弁が相互に平行状態で前記３つの送給ライン７６ ．６８及び８２の各々の下流側に接続される６各バイパスソレノイド弁の下流側 にはニードル弁が配設される。これらのソレノイド弁組体はその１つが前流れを 制圓し、１つが作用流れを制御し、そして１つが急速充填を提供する。酸素プラ ズマ送給うイン７６のためにはＳＶ２が前流れ弁であり、ＳＶＩが作用弁であり 、ＳＶ３が急速充填弁である。夫々に関連するニードル弁はＭＶ２、ＭＶＩ、Ｍ Ｖ３である。酸素二次ガス送給ラインのためにはこれら３つのバイパスソレノイ ド弁はＳＶ５、ＳＶ４、ＳＶ６であり、これに続くニードル弁は夫々ＭＶ５、Ｍ Ｖ４、ＭＶ８である。窒素二次ガス送給ラインのためのバイパスソレノイド弁は ＳＶ７、ＳＶ６、ＳＶＩ７であり、これに続＜＝−トＡｙ弁は夫々ＭＶ７、ＭＶ ６、ＭＶ９である。バイパスソレノイド弁ＳＶ４、ＳＶ５．ＳＶ６、ＳＶ７．５ Ｖ１６からの出力が単一の二次ガス流路８６に集束されこの二次ガス流路８６が 入口１０の位置でトーチに結合される。

酸素プラズマガスラインと窒素二次ガスラインの出力は従って、トーチへの単一 流れに集束される。

ガス流れ制御回路４４には４つの３方弁通気弁もまた含まれる。これらの３方弁 通気弁は通常は大気に開放している。これら３方弁通気弁も電動式のソレノイド 弁である。通気弁５ＶＩＩが、ガス流れ制御回路４４を格納するガスコンソール ８８の位置で酸素プラズマガスラインに接続される。同様の通気弁Ｓ　Ｖ　１． ３もまたライン８０に接続されるがその位置はトーチ位置である。この通気弁５ Ｖ１３は大気に通じた通気路内に流れ制限オリフィスＣＯＩを有する。この流れ 制限オリフィスＣＯＩが遮断時のノズル内でのプラズマガス圧力の減衰を制御す る。二次ガス送給ライン８６内のコンソール８８の位置で通気弁５Ｖ１２が接続 され、同様の通気弁５Ｖ１４がトーチ位置でこのラインに接続される。ガス流れ 制御回路４４は圧力ゲージＰＧ４及びＰＯ２もまた宵している。圧力ゲージＰＧ ４及びＰＯ２はコンソール８８の位置で前流れからの集束出力と接続され、作用 流れ及び急速放出弁として作動する。圧力ゲージＰＧ４がライン８０内の酸素プ ラズマ圧力を読み、ＰＯ２がライン８６での二次ガス圧力を読む。

孔開は作業中、前流れ弁が賦活されて開放され、この前流れの殆どの期間、作用 弁と急速充填弁は閉じられる。この状況に於てニードル弁ＭＶ５とＭＶ７とが二 次ガスを形成する酸素と窒素の流れの混合比率を制御する。先に議論したように 、この比率は好ましくは約２：１であるが、所定の運転条件に最適化させるため に、また変化する切断パラメーターを最適化させるために調節可能である。弁Ｓ Ｖ５、ＭＶ５、ＳＶ７そしｒＭＶ７を通る前流れが、ＳＶ４、ＭＶ４、ＳＶ６、 ＭＶ６により設置される作用流れの流量の数倍の流量に設定される。

全二次ガス前流れの代表的値は標準状態での１２０ｆｔ３　（約３．３９８ｍ’ 　）であり、作用流れのためには２０ｆｔ”　（約０．５６６ｍ’　）である。

好適な３方弁ソレノイド弁はオートマチックスイッヂ社から製品番号ＡＦＰ３３ １８３或はＭＡＣＶａｌｖｅ社から製品番号１１１Ｂ−１１１８ＡＡＡとして製 造されている。これらの弁は全て、図５に示される調時ダイヤグラムに例示され る態様でガス流れ制御回路４４を作動させるようプログラムされた中央マイクロ プロセッサ−９０により制御される。

図５にはトーチ１０の、時間ｔｏ、即ち開始信号がシステムに与えられる時間か らアーク電流及びガス流れが完全遮断される時間ｔ、までの全運転サイクル中で のガス流れ制（和回路４４の全作動状況が例示される。また図５には相当するア ーク電流、電圧そしてノズル位置（プラズマアークチャンバー内での）でのガス 圧力並びにキャップ６６及び７２間の前チャンバー５８位置で測定した二次シー ルドガス圧力が示される。

開始指令が発せられると直ちに３つの前流れソレノイド弁ＳＶ２、ＳＶ５及びＳ Ｖ７が賦活され開放される。

４つの通気弁５Ｖ１１．５Ｖ１２．５Ｖ１３．５Ｖ１４が賦活され閉じられる（ 通常は開放されている）。３つの急速充填弁ＳＶ３．５Ｖ１６．５Ｖ１７もマタ 同時に賦活される。これらの急速充填弁がノズル及びシールドガス圧力を、時間 ｔ１ではプラズマガスのために、そして時間ｔ２ではシールドガスのために最大 前流れ値とする。急速充填弁の作動によりライン８０及び８６が急速充填される 。なぜならそれら急速充填弁がそれらガス流れをして、前流れ及び作用流れ枝導 管内の流れ制限オリフィスの迂回を可能とするからである。急速充填弁は流れに おける突発的な、階段関数での増大を可能とする。

前流れは、前流れを安定化させるための十分な長さである１乃至２秒間の全経過 時間に渡り継続される。図５に示されるように、高周波数での高電圧スパイク波 ９１が前流れの約１秒後にトーチに適用され、番号９２の位置に示されるパイロ ットアークが開始される。パイロットアークのブレークダウンが生じると電圧は 降下する。

工作物へのアーク移行位置に於て、電流は番号９４で示されるように上昇（ラン プアップ）し、移行完了時点ではその作用水準位置９６に達する。電圧は移行時 に降下し、ガス圧力はトーチのノズル位置でプラズマガスが非常な高温に加熱さ れるに従い上昇し、ガス流れはノズルオリフィス２８ａの位置で閉塞される。移 行中に孔開けが実施される。本発明の高速ガスシールドを提供するために、大量 の二次ガスの前流れが移行開始後約６０分間に渡り維持される。この大流量での 二次ガス前流れが、トーチ方向に向かって上昇する飛沫溶融金属をトーチ自身へ の到達前に吹き払う。この流れはプラズマジェットを取り巻き且つ半径方向内側 に配向される。この流れはプラズマジェットと相互作用するが、殆どの流れは転 向してプラズマジェットから離れる半径方向へと流動し、工作物とトーチの下端 との間の帯域を外側且つ下方に吹き流れる。これがキャップ７２と工作物との間 に、移動する、冷温ガス境界を創出する。この強い流れは孔開は作業中に存在す るが、通常の切断作業中は著しく減衰される。切断作業中、キャップ７２による 機械的シールドがダブルアーク発生に対しノズルを保護する。

移行開始から約５０分後、プラズマガス急速充填弁Ｓ■３が時間ｔ２に渡り再度 開放され、プラズマガス流量をその最大作動値へと急速に増大させる。移行開始 から同じく約５０分後、プラズマガス及びシールドガス両方のための作用流れ弁 ＳＶ１．ＳＶ４、ＳＶ６が開放される。移行から時間ｔ３経過の後、２つのシー ルドライン通気弁Ｓ　Ｖ　ｌ　’２と５ＶＩ４とが図示されるように短時間、時 間ｔ４に渡り開放され二次ガス流れライン内の圧力がずっと低い作用流れの水準 と一致するよう助成する。これが二次ガスの急速放出である。これらの弁は、３ つのバイパスソレノイド弁が移行開始後約３００分に渡り賦活されるのを除き、 作動中はこれらの作用位置のままとされる。移行開始後約３００分には流れは安 定状態値に達している。トーチの作動を停止させるために、停止指令により、 （ｉ）３つ（７）作用流れ弁ＳＶＩ、ＳＶ４、ＳＶ６が電ａ］！！断されて閉じ 、 （ｉ　ｉ）４つの通気弁が大気に開放されそれにより、プラズマガス及び二次ガ ス流れの急速放出が容易化され、 （ｉ　ｉ　ｉ）流量計バイパス弁が電源遮断される。

停止指令から時間ｔ６の終わりまでの間、アーク電流は降下（ランプダウン）し 、時間ｔ６の終わりにアーク電流は完全に遮断される。ノズルには若干の残留圧 力が存在するがこれは急速に消滅するのでプラズマチャンバー内には時間ｔ６の 終わりの電流遮断時には強い旋回ガス流れは実質的に存在しない。この状態では 導電性は極めて高（なり電極の損耗が減少することが分かった。

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。例えば、本発明を２つの異なるガス、即ち酸化ガス及び非 酸化ガスを使用する高出力型トーチに関し説明したが、本発明を単一形式のガス を使用する従来型のトーチに於て使用可能である。しかしながら、単一のガスは ガスシールドの利益のみを提供するのであって１例えば酸素のような活性ガスを プラズマガスとして使用するために最適である適用例のための二次ガスとして使 用するに好適な酸素リッチのガス成分に固有の切断速度の増大、切断品質の向上 或は調節性の利益は提供されない。マイクロプロセッサ−の制御の下に電動式の 弁及び通気ボートのネットワークが説明されたが、他の配列構成を使用して適正 な時間に正しく混合されたプラズマガス及び二次ガスの混合物を極めて正確な調 時状態で供給し得る。例えば、余分のラインを弁により開放して急速充填するの では無（むしろ、高圧ガスの独立供給源を急激且つ短時間開放してこれを主送給 ラインに送給して流量の階段関数を増大させ得る。また、流れ制限オリフィス及 び前チャンバーを使用して圧力降下及び流れの一様性を創出したが他の配列構成 を使用しても良い。本発明を二次ガス流路内に旋回リングを設けての実施例に関 し説明したが、多少の性能低下を伴いはするが、非−旋回二次ガス流れをも使用 可能である。

（従来波り 国際調査報告 ＝−−−−−−醪Ａ嬶ｃｓ−１−ＰＣＴ／Ｌ１．５９２１０１８７２フロントペ ージの続き （３１）優先権主張番号　７５３，３９５（３２）優先臼　１９９１年８月３０ 日（３３）優先権主張国　米国（Ｕ　Ｓ　’）（８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、Ｂ Ｅ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＰＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、ＡＵ、ＣＡ 、ＪＰ、ＲＵ （７２）発明者　サンダーズ、ニコラス　エイ。

アメリカ合衆国　０５０５５　バーモント、ノーウィチ、グレン　リッジ　ロー ド　（番地なし） （７２）発明者　ルオ、リフェング アメリカ合衆国　０３７５５　ニューハンプシャー、レバノン、アパートメント 　９．ボックス　８００．アールアール　４（番地ない （７２）発明者　ツープル、ジョン アメリカ合衆国　０３７４８　ニューハンプシャー、エンフィールド、アールア ール ２、ボックス　４３１エフ、アパートメント２０４、シェイカー　ファーム（番 地なし）

Claims (47)

【特許請求の範囲】
1. １．トーチが、胴部、電極、前記胴部の第１の端部位置との間にプラズマアーク チャンバーを画定するよう離間関係に於て前記第１の端部位置に取り付けられて なるノズル、前記胴部内に位置付けられプラズマガスをプラズマガス入り口から プラズマガスチャンバーへと送るためのプラズマガス流路、前記胴部内に位置付 けされ二次ガス入り口からプラズマアークを取り巻く出口オリフィスヘと伸延し てなる二次ガス流路を含み、該トーチがパイロットアークモード及び工作物の孔 開けを開始し得る移行アークモードに於て作動してなるシートメタル工作物を孔 開け及び切断するためのプラズマアーク切断トーチであって、 移行アークモードでの切断作業中の流量と比較して非常に大きい流量の二次ガス を孔開け作業中に創生するための手段を含み、 出口オリフィス位置での前記高流量の二次ガスが、（ｉ）高度に一様であり、 （ｉｉ）移行されるプラズマアークに近接して位置決めされ、 前記高流量の二次ガスが、前記トーチの外部の前記ノズル及び工作物間の、工作 物からトーチに向けて上方に飛散しダブルアーク或いは肉盗みを創生し得る溶融 金属を吹き払うために十分高い速度を有してなるプラズマアーク切断トーチ。
2. ２．移行アークモードでの切断作業中の流量と比較して非常に大きい流量の二次 ガスを孔開け作業中に創生するための手段は、二次ガス流路の、旋回リンクの隣 接する上流側に前チャンバーを含み、また前記二次ガス流路の前記前チャンバー の上流側と前チャンバー自体との間に圧力降下を生じさせるための少なくとも１ つの手段を含んでなる請求の範囲１に記載のプラズマアーク切断トーチ。
3. ３．移行アークモードでの切断作業中の流量と比較して非常に大きい流量の二次 ガスを孔開け作業中に創生するための手段は、二次ガス流路の出口オリフィスの 直前の位置に旋回リンクを含んでなる請求の範囲２に記載のプラズマアーク切断 トーチ。
4. ４．二次ガス流路の前記前チャンバーの上流側と前チャンバー自体との間に圧力 降下を生じさせるための少なくとも１つの手段は少なくとも１つの流れ制限オリ フィスを含んでなる請求の範囲３に記載のプラズマアーク切断トーチ。
5. ５．トーチは高出力型トーチであり、移行アークモードでの切断作業中の流量と 比較して非常に大きい流量の二次ガスを孔開け作業中に創生するための手段は、 （ｉ）胴部に取り付けられ実質的にノズルの外側表面を離間関係にて包囲しそれ によりノズルを冷却するための水チャンバーを画定してなる水冷キャップと、（ ｉｉ）前記胴部に前記水冷キャップと理各状態で取り付けられその間部分に前チ ャンバーを画定してなる二次ガスキャップとを含み、 旋回リングが前記水冷キャップと前記二次ガスキャップとの間の夫々のノズルに 近接する端部に隣り合って取り付けられてなる請求の範囲３に記載のプラズマア ーク切断トーチ。
6. ６．二次ガス流路の前記前チャンバーの上流側と前チャンバー自体との間に圧力 降下を生じさせるための少なくとも１つの手段は、前チャンバーの上流側端部に 近接する位置で水冷キャップ内に形成された少なくとも１つの流れ制限オリフィ スを含んでなる請求の範囲５に記載のプラズマアーク切断トーチ。
7. ７．二次ガスキャップはトーチの胴部に固定されノズルに向けて突出する第１の 部分と該第１の部分及び旋回リング間に交換自在に保持された第２の部分とから 構成され、該第２の部分は前記第１の部分に対しガス漏れを生じない関係に於て シールされ且つ工作物に対しその移行プラズマアークのための中央出口ポートを 除き一般に平行状態で伸延されてなる請求の範囲５に記載のプラズマアーク切断 トーチ。
8. ８．二次ガスキャップは金属製であり該二次ガスキャップを電気的に絶縁し、該 二次ガスキャップと工作物との間のダブルアーク発生を回避するべく前記二次ガ スキャップを電気的に浮遊させてなる請求の範囲７に記載のプラズマアーク切断 トーチ。
9. ９．二次キャップの電気的絶縁はトーチの胴部の一部を構成する絶縁部材にして 二次ガスキャップがそこに交換自在に付設される絶縁部材を含む電気的絶縁手段 によって為される請求の範囲８に記載のプラズマアーク切断トーチ。
10. １０．移行アークモードでの切断作業中の流量と比較して非常に大きい流量の二 次ガスを孔開け作業中に創生するための手段は、シーケンス的な制御信号を発生 するための制御手段と該制御手段に応答して少なくとも孔開け作業中に高流量で の二次ガス流れを創生しまた孔開け作業の完了時には前記移行アークモードでの 切断作業中の流量を創生するガス送達回路とを含んでなる請求の範囲１に記載の プラズマアーク切断トーチ。
11. １１．ガス送達回路は、トーチにガス流れを急速に充填するための手段と、孔開 け作業が完了し次で切断作業が完了するに際しガス流れを急速に放出させるため の手段を含んでなる請求の範囲１０に記載のプラズマアーク切断トーチ。
12. １２．トーチにガス流れを急速に充填するための手段はプラズマガス流れ及び二 次ガス流れをトーチのプラズマガス入り口及び二次ガス入り口ヘと送るための第 １及び第２の導管手段を夫々含み、該第１及び第２の導管手段の各々に、これら と平行状態で電動式の弁手段が結合され該電動式の弁手段の各々は開放状態で、 トーチヘの前記プラズマガス及び二次ガスの流量の急激な増大を可能としてなる 請求の範囲１１に記載のプラズマアーク切断トーチ。
13. １３．ガス流れを急速に放出させるための手段は第１及び第２の導管手段内の一 組の電動式のソレノイド弁を含み、該一組の電動式のソレノイド弁は、一部分が トーチヘの選択されたガス流れを急激に停止させ、また他の部分が開放し前記一 部分が閉じる協動状態に於てトーチ及び前記第１及び第２の導管手段に通じてな る請求の範囲１２に記載のプラズマアーク切断トーチ。
14. １４．高流量の二次ガス流れはパイロットアークモードでの運転との関連に於け る前流れであり、ガス流れを急速に放出させるための手段が、制御手段による前 記前流れの終了及び作用流れの開始から僅かに遅れて作動されてなる請求の範囲 １２に記載のプラズマアーク切断トーチ。
15. １５．二次ガス流れは酸化ガス及び非酸化ガスを、各々のガスの流量で測定して 酸化ガス対非酸化ガスの比率で約２：３から約９：１の範囲で混合してなる混合 物である請求の範囲１或いは１０に記載のプラズマアーク切断トーチ。
16. １６．非酸化ガスは窒素、アルゴンから成る群から選択され、酸化ガスは酸素及 び空気から成る群から選択されてなる請求の範囲１５に記載のプラズマアーク切 断トーチ。
17. １７．酸化ガス対非酸化ガスの流量比率は約２：１である請求の範囲１６に記載 のプラズマアーク切断トーチ。
18. １８．二次ガス流れは非酸化ガス及び酸化ガスの混合物であり、該混合物の流量 で測定して少なくとも４０％は酸化ガスである請求の範囲１或いは１０に記載の プラズマアーク切断トーチ。
19. １９．非酸化ガスは窒素及びアルゴンから成る群から選択され、酸化ガスは酸素 及び空気からなる群から選択されてなる請求の範囲１８に記載のプラズマアーク 切断トーチ。
20. ２０．胴部、電極、前記胴部の第１の端部位置との間にプラズマアークチャンバ ーを画定するよう離間関係に於て前記第１の端部位置に取り付けられてなるノズ ル、前記胴部内に位置付けられプラズマガスをプラズマガス入り口からプラズマ ガスチャンバーへと送るためのプラズマガス流路、前記胴部内に位置付けされ二 次ガス入り口からプラズマアークを取り巻く出口オリフィスヘと伸延してなる二 次ガス流路を含むプラズマアーク切断システムであって、 前記二次ガスを非酸化ガス及び酸化ガスの混合物にして流量で測定してその少な くとも４０％が酸化ガスである混合物が形成されることを特徴とするプラズマア ーク切断システム。
21. ２１．非酸化ガスは窒素及びアルゴンから成る群から選択され、酸化ガスは酸素 及び空気からなる群から選択されてなる請求の範囲２０に記載のプラズマアーク 切断システム。
22. ２２．酸化ガス対非酸化ガスの流量比率は約２：１である請求の範２１に記載の プラズマアーク切断システム。
23. ２３．酸化ガス及び非酸化ガスは商業的に純粋であり且つ実質的に水及び油を含 まない請求の範囲２０に記載のプラズマアーク切断システム。
24. ２４．酸化ガス及び非酸化ガスの流量比率は、トップドロスの発生が無視し得る 程度である状態で工作物に対し一般に直行する切り口角度が創生されるよう調節 されてなる請求の範囲２０に記載のプラズマアーク切断システム。
25. ２５．トーチが一次ガス入り口及び二次ガス入り口を具備する胴部、電極、電極 に関し離間状態でマスキングされその間部分にプラズマガスがイオン化されると ころのプラズマアークチャンバーを形成してなるノズルを含むプラズマアーク切 断トーチのノズルを、金属製の工作物の孔開け作業中にトーチから放出される移 行プラズマアークにより該工作物からそこに噴霧される溶融金属から保護するた めの方法であって、 二次ガス流れをトーチを通して出口オリフィスに配向する段階と、 二次ガス流れの流量を孔開け作業中に高流量に増大させる段階と、 二次ガスの高度に一様な流れを、前記出口オリフィスを出るに際して創出する段 階と、 二次ガス流れのための出口オリフィスをそれがノズルを離れるに際し移行プラズ マアークの直近位置に配置させる段階と を含んでなるプラズマアーク切断トーチのノズルを、金属製の工作物の孔開け作 業中にトーチから放出される移行プラズマアークにより該工作物からそこに噴霧 される溶融金属から保護するための方法。
26. ２６．孔開け作業の開始時に二次ガス流れを急速に充填する段階及び孔開け作業 の終了時に二次ガス流れを急速に放出させる段階を含んでなる請求の範囲２５に 記載のプラズマアーク切断トーチのノズルを、金属製の工作物の孔開け作業中に トーチから放出される移行プラズマアークにより該工作物からそこに噴霧される 溶融金属から保護するための方法。
27. ２７．高流量は噴霧される溶融金属を吹き払うのに十分な量である請求の範囲２ ５に記載のプラズマアーク切断トーチのノズルを、金属製の工作物の孔開け作業 中にトーチから放出される移行プラズマアークにより該工作物からそこに噴霧さ れる溶融金属から保護するための方法。
28. ２８．二次ガスの高度に一様な流れを、前記出口オリフィスを出るに際して創出 する段階は、出口オリフィスの上流側に圧力降下を導入し且つ該圧力降下位置と 出口オリフィスとの間にガスプレナムを創出する段階を含んでなる請求の範囲２ ５に記載のプラズマアーク切断トーチのノズルを、金属製の工作物の孔開け作業 中にトーチから放出される移行プラズマアークにより該工作物からそこに噴霧さ れる溶融金属から保護するための方法。
29. ２９．孔開け作業の開始時に二次ガス流れを急速に充填する段階は、前記二次ガ ス流れに対する抵抗を減少させる段階を含み孔開け作業の終了時に二次ガス流れ を急速に放出させる段階は前記二次ガス流れを通気する段階を含んでなる請求の 範囲２６に記載のプラズマアーク切断トーチのノズルを、金属製の工作物の孔開 け作業中にトーチから放出される移行プラズマアークにより該工作物からそこに 噴霧される溶融金属から保護するための方法。
30. ３０．パイロットアークモードでの運転及び該パイロットアークでの運転に次い での、金属製工作物に孔開けするための移行アークモードヘの移行、トーチの移 行による工作物の切断を含み、トーチがそこを通してのプラズマガス流れ及び二 次ガス流れを有し、プラズマガス流れがパイロットアーク及び移行アークを形成 し、プラズマが巣流れ及び二次ガス流れが前記孔開け作業に関連する前流れをと 切断作業に関する作用流れとを含んでなるプラズマアーク切断トーチの運転方法 であって、前記二次ガス流れをプラズマジェットに配向する段階と、 孔開け作業中の二次ガス流量を、プラズマジェットが切断モードである場合の切 断作業のための作用流れの流量と比較して増大させる段階と を含んでなるプラズマアーク切断トーチの運転方法。
31. ３１．二次ガス流れをその開始時点に於て会談関数として急速に充填して高流量 を創生する段階と、二次ガスの前流れの御終了に際し二次ガス流れを急速に放出 させる段階とを含んでなる請求の範囲３０に記載のプラズマアーク切断トーチの 運転方法。
32. ３２．トーチがプラズマガスジェットを形成するプラズマガス流れと二次ガス流 れとを有してなる、金属製工作物に作用るプラズマアークトーチの切断速度及び 切断品質を改善するための方法であって、 酸化ガスが流量で測定視点その少なくとも４０％を構成してなる酸化ガス及び非 酸化ガスの混合物から成る二次ガス流れを形成する段階を含んでなる金属製工作 物に作用るプラズマアークトーチの切断速度及び切断品質を改善するための方法 。
33. ３３．酸化ガス及び非酸化ガスの流量比率は２：３から９：１の範囲である請求 の範囲３２に記載の金属製工作物に作用るプラズマアークトーチの切断速度及び 切断品質を改善するための方法。
34. ３４．非酸化ガスは窒素及びアルゴンから成る群から選択され、酸化ガスは酸素 及び空気からなる群から選択されてなる請求の範囲３３に記載の金属製工作物に 作用るプラズマアークトーチの切断速度及び切断品質を改善するための方法。
35. ３５．流量比率は２：１である請求の範囲３４に記載の金属製工作物に作用るプ ラズマアークトーチの切断速度及び切断品質を改善するための方法。
36. ３６．少なくとも１つのガス供給源からプラズマアークトーチヘのガス流れのた めの制御システムであって、前記ガス供給源に接続された導管手段と、プログラ ム可能な制御手段と、 前記導管手段並びに相互に平行状態で結合されてなる２つの枝導管と、 前記導管手段及び２つの枝導管に接続され前記制御手段に応答して作動自在の弁 手段とを含み、前記枝導管の一方が、前記導管手段飲みを通しての１つの作用流 れとは異なる流量での前流れを創生するための寸法形状とされ且つ前記弁による 操作を受け、前記枝導管の他方が、前記供給源からトーチヘの合計流量を急激に 上昇させそれにより前記ガス流れを階段関数態様に於て最大値と為すための弁手 段を有してなる制御システム。
37. ３７．導管手段に接続され、ガス流れが終了された場合に制御手段に応答して前 記導管手段を開放してこれを大気に通気するべく作動自在である通気弁手段を含 んでなる請求の範囲３６に記載の制御システム。
38. ３８．プラズマガスチャンバー内でイオン化されノズルを通してトーチから出て 工作物を孔開け及び切断するる一次ガスと、その入り口から出口オリフィスに掛 けて伸延する二次ガス流路に沿って流動しイオン化されない二次ガスとがそこを 貫いて流動してなるプラズマアークトーチであって、 二次ガス流路内で前記出口オリフィスに隣り合って旋回リングが配設されてなる プラズマアークトーチ。
39. ３９．前記二次ガス流路の旋回リングの直前の上流部分に配設されてなる前チャ ンバーと、二次ガスにおける圧力降下を前記前チャンバーの直前の上流側に於て 創生するための手段とを含む、旋回リングヘの高度に一様な流れを創生するため の手段を含んでなる請求の範囲３８に記載のプラズマアークトーチ。
40. ４０．二次ガスにおける圧力降下を前記前チャンバーの直前の上流側に於て創生 するための手段は少なくとも１つの流れ制限オリフィスを含んでなる請求の範囲 ３９に記載のプラズマアークトーチ。
41. ４１．出口オリフィスはトーチを出るプラズマジェットから近接状態に離間され 、旋回リング及び出口オリフィスは二次ガス流れを半径方向内側に於て前記プラ ズマジェットに向けて配向し、該プラズマジェットを一様な角度で取り巻く状態 とし、また二次ガス流れを転向させて前記トーチの外側表面及び工作物間を半径 方向外側に流動するよう位置決めされ且つ形状付けされてなる請求の範囲３８に 記載のプラズマアークトーチ。
42. ４２．導電材料から形成されその一端にプラズマジェットのための出口オリフィ スを具備してなるプラズマアーク切断トーチのためのノズルであって、一般に切 頭円錐形状の薄肉壁状に形成され出口ポートに向けて傾斜してなる中空の胴部と 、 該中空の胴部と一体に形成されてなる拡開頭部とを含み、 該拡開頭部が、 （ｉ）前記出口オリフィスと整列する中央通路を除き中実であり、 （ｉｉ）一般に切頭円錐形状の、出口オリフィス方向に傾斜してなる外側表面を 含み、 （ｉｉｉ）前記中空の胴部の直径よりも大きい直径部分にして、カットバック凹 所を画定してなる直径部分を前記中空の胴部に隣り合って具備してなるノズル。
43. ４３．プラズマジェットを工作物に配向し該工作物の孔開け及び切断を実施する ためのノズルの出口ポートに向けて伸延してなる胴部を含んでなるプラズマアー クトーチの一端に取り付けた環状の二次ガスキャップのための交換自在のシール ドであって、 （ｉ）ノズルの出口ポートと整列し且つプラズマジェットを近接状態で取り巻い てなる中央円形開口部と、 （ｉｉ）該中央円形開口を取り巻き、切断作業中に二次ガス流れの有意部分を偏 向させるが孔開けに関連する高流量時には二次ガス流れを偏向しない様寸法付け され、高流量の二次ガス流れをその終了時の切断のための流れのために通気して なる一組のポートとを含む金属部材を含み、 該金属部材の外側縁部に、二次ガスキャップの胴部に対し前記シールドを交換自 在にシールするための手段が位置付けられ、 前記シールドが切断作業中にトーチに向けての工作物からの飛沫溶融金属を阻止 する様になっている交換自在のシールド。
44. ４４．金属部材が中央円形開口を取り巻くシールド部分を有し、該シールド部分 が、工作物と一般に平行状態で伸延されその内側表面がノズルの外側の鏡像を為 しそれによりその間部分に二次ガス流れのための主たる出口オリフィスを画定し てなる請求の範囲４３に記載の交換自在のシールド。
45. ４５．金属部材が、シールド部分から交換自在のシール手段へと伸延してなる一 般に切頭円錐形状の部分を含み、一組のポートが該切頭円錐形状の部分に形成さ れてなる請求の範囲４４に記載の交換自在のシールド。
46. ４６．一組のポートは、二次ガス流れをそこを通してプラズマジェットから半径 方向に離間する方向に配向する様角度付けされている請求の範囲４４に記載の交 換自在のシールド。
47. ４７．交換自在のシールドは金属部材の外側縁部に形成され前記交換自在のシー ルドを二次ガスキャップの胴部内に位置付けし且つ錠止するための階段状凹所と 、前記金属部材の外側縁部に形成され前記二次ガスキャップの胴部に対向し０− リングシールを受容する様になっている環状溝とを含んでなる請求の範囲４３に 記載の交換自在のシールド。