JPH0829416B2

JPH0829416B2 - ガス冷却式吹き消し電極付きプラズマア−クト−チ

Info

Publication number: JPH0829416B2
Application number: JP62056958A
Authority: JP
Inventors: ブルース・オー・ハッチ; リチャード・エイ・スポールディング
Original assignee: Thermal Dynamics Corp
Current assignee: Victor Equipment Co
Priority date: 1986-04-10
Filing date: 1987-03-13
Publication date: 1996-03-27
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: CA1258295A; EP0242023A2; EP0242023A3; US4748312A; JPS62240171A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は一般的に金属の切断に使用されるプラズマト
ーチに関する。さらに特定する本発明は改良されたトー
チとその電極が消耗し尽くされたときはトーチ動作を遮
断するための吹き消し電極（blow−out electrode）と
に関する。

プラズマトーチは電気アークトーチ又はプラズマアー
クトーチとしても知られ、工作片の切断に広く使用さ
れ、工作片に向けてイオン化されたガス粒子のプラズマ
を指向することにより作動する。

例えば本発明の譲受人に譲渡された米国特許第4,324,
971号、4,170,727号及び3,813,510号に示されたような
代表的なプラズマトーチの動作においては荷電された電
極の前方にあるトーチの前方端にイオン化されるガスが
供給される。このチップ（tip,先端）はトーチの前方端
にある電極の端に隣接し、電極及びこのチップ間の間隙
にまたがって飛ぶスパークを起こさせるべく印加された
十分に高い電圧を有する。これによりガスを加熱してそ
れをイオン化させる。この電極とチップとの間のパイロ
ットDC電圧がパイロットアークとして知られる非遷移ア
ーク（non−transferred arc）を維持する。この間隙内
のイオン化されたガスは炎となって現れて、チップから
外方に延びる。トーチヘッドすなわち前方端が工作片に
接近されると工作片電流路のインピーダンスが溶接チッ
プ電流路インピーダンスよりも低いために、電極から工
作片まで遷移アーク（transferred arc）即ち切断アー
クが飛ぶ。

在来のトーチでは、その荷電された電極は代表的な場
合、タングステン電極挿入体（insert）を備えた銅で作
られ、トーチが作動されるときはこのタングステン挿入
体とトーチチップ又は工作片との間に電流が流れる。タ
ングステンは高温で容易に酸化されるので、イオン化さ
れるべきガスが空気であればタングステン挿入体は酸化
されて急速に消耗される。従って頻繁な交換を必要とす
る。酸化を低減し、電極の寿命を長くするためにはプラ
ズマを発生するため使用されるガスは窒素あるいはアル
ゴンのような不活性ガスである。空気が使用される場合
は酸化に抵抗力のある材料、例えばハフニウム又はジル
コニウムが電極挿入体材料として使用される。

挿入体材料の種類の如何にかかわらず、挿入体は通常
使用を通して燃焼して消耗される。それが消耗されてし
まうと古い電極は除去されて新しい電極と交換されなけ
ればならない。一つの問題は、挿入体が消耗された後に
トーチが作動されるとトーチが損傷され兼ねないことで
ある。この状況は常にトーチ操作者に直ちに明らかでは
ない。従って、電極が消耗し尽くされたかいなかを感知
し、操作者の介入しないうちに自動的にトーチ動作を遮
断するある種の装置を有することが望ましい。

しばしば、在来のプラズマトーチには種々の目的で二
次ガス流が設けられている。電極アークにすぐ接近しこ
れを取り囲む二次ガス流の最も普遍的な目的はトーチを
冷却することである。この二次ガスはアークにより溶か
された金属を飛散させるのを助け、直線的な切り口、従
ってよりきれいな切断、を達成する助けとなる。在来の
プラズマトーチでは、二つのガスラインが与えられてい
る。その一つはプラズマを形成するガスを供給するため
のものであり、もう一つは二次ガス流用のガスを供給す
るためである。もしもプラズマ形成ガス及び二次ガスと
して異なるガスが使用されるならば、トーチの作動は二
つのガス供給源を必要とする。二つのガスラインを使用
しなければならないことは操作者に不便であり、二つの
ガス供給は費用がかかる。従ってただ一つのガスライン
とただ一つのガス供給のみを必要とするプラズマトーチ
を与えることが望ましい。やはり同一譲受人に譲渡され
た本出願人の1983年７月20日付け同時係属する出願第51
5,913号はそのようなプラズマアークトーチを示してい
る。

従ってプラズマ形成ガス及び二次ガスの両方として単
一のガスを使用するプラズマフークトーチを有すること
が望ましい。また電極挿入体の消耗を減少させるべく電
極を冷却させることが有利である。このような特徴を有
したプラズマアークトーチの一つが、同一譲渡人に譲渡
された米国特許第4,558,201号に開示されている。

その発明の装置はガス流の一形式をあたえるが、改良
されたガス流と、したがって電極の交換頻度を低減しう
る改良された電極冷却とを与えることが望まれている。

本発明のプラズマアークトーチはチャンバ内にある出
口（outlet）付近の電極と、ハウジングの出口に向けて
流れるガスをプラズマ形成ガスに隣接した一次ガス流と
トーチ及び工作片の冷却のため電極から離れて流れる二
次ガス流とに分離するチャンバ内装置とを、含む。

その電極はまたその中に軸線方向に沿った通路を含
む。その軸線方向通路は、電極が完全に消耗されたとき
は切断アークを自動的に消滅させてその再発を防止する
“吹き消し”の特徴を与える。この特徴は、電極内の軸
線方向に沿った主冷却通路とアークチャンバとの間を開
通する開口が形成されることによるアークチャンバ内ガ
ス流の増大により、達成されるが、この開口の形成は、
電極挿入体及び通常は軸線方向通路を遮断している電極
の消耗により引き起こされる。

本発明のプラズマアークトーチはさらに、ガスを一次
ガス流と二次ガス流に分離するガス分離器をあたえる。
このガス分離器は一般的に円筒形状であり、外側チャン
バ及びアークチャンバを少なくとも部分的に確定する役
目を有する。この外側チャンバはガス分配器に二次ガス
を供給する。一次ガス流が実質的に電極表面全体に接触
することにより強い冷却及び低い交換頻度を与えること
のできる装置が与えられる。

第１図は全体的に（10）と示されたプラズマアークト
ーチの、詳細を示すべく後方部分を切断した部分断面図
である。本トーチは一般にセラミック材料のカップ（1
4）とその前方端すなわち先頭端にある銅材料性のチッ
プ（16）を有するヘッド（12）を含む。トーチを手でつ
かむための一般的に環状の把手部分（18）が与えのられ
ている。図からわかるように、この把手は一般的に環状
形状であり、一対の円形の０−リング（20）によりヘッ
ド（12）に脱着可能にはめられている。

作業ガスはガス取り入れ口（inlet）の取り付け口兼
電線（22）を通り、それからヘッド（12）の本体（26）
中に埋め込まれた取り入れ口管（24）を通って供給され
る。金属帯からなるバイロット線（28）も、トーチへの
電流を伝導するためヘッド（12）中に埋め込まれてい
る。取り入れ口管（24）及びバイロット線（28）間には
電気的分離のため、絶縁線（30）の形状をした電気絶縁
材料の平坦な帯もヘッド（12）内に埋め込まれている。

第2A図にはトーチの前方部分すなわち先頭部分の断面
が示されている。この図で示されるように、本体（26）
はプラスチックのような電気的非伝導性材料のものであ
る。本体（26）はその中に開口出口（34）を有した凹所
（32）を含む。この出口（34）の内部には銅その他の電
気的伝導性材料で作られる概略円筒形のガス拡散器（3
6）がある。この拡散器（36）の出口（38）内に、ねじ
式に固定された銅等の電導性材料のカップ形状チップ
（40）がある。下にさらに詳細の述べるように、チップ
（40）はその前方端に遷移アーク及び一次ガス流を通過
させるための開口（42）を有する。

ガス拡散器（36）及びチップ（40）の一部分を被い、
脱着式に固定される、セラミック等の電気的及び熱的絶
縁材料のカップ（14）がある。このカップ（14）は、拡
散器（36）の外周表面上の収納溝（48）内に収納された
陽極Ｏリング（46）上に摩擦時にはめられることにより
保持されている。この拡散器、チップ、及びカップ内側
は、この図でわかるように、二次ガス流をチップ（40）
の周りに指向させるための環状チャンバ（50）を与える
寸法にされている。チップ（40）は電極（54）が配置さ
れているアークチャンバ（52）を確定する。この電極は
第一の取り入れ口端から電極中に延びる軸線方向の通路
（56,58）を備えた概略細長い形状のものである。この
通路は端部（58）が残りの通路部分よりも小さな直径を
有するように段付けされている。概略円筒形の挿入体
（60）は、電極の反対端内の収納挿入中ぐり孔（62）内
に収納される。図からわかるように、通路（56），（5
8）は挿入中ぐり孔（62）及びその中の挿入体（60）の
手前で終端する。

電極（54）はその取り入れ口端にて環状のフランジ
（64）を有し、このフランジは凹所（32）内の、一般的
に円筒形の支持部材（68）の端部壁（66）に当接する。

支持部材（68）は、その中を通過する軸線方向内部通
路（70）を備えた、一般的に円筒形状のものである。電
極（54）は通路（70）の出口端内に収納ねじ（72,74）
によりねじ式に支持される。支持部材（68）の出口端内
には後述する目的のため、一対の十字に交差する通路
（76,78）が含まれる。

プラスチック等の電気的絶縁体で作られた一般的に円
筒形絶縁体（80）が支持部材（68）と電極（54）の一部
との両方に外接する。絶縁体（80）の外側の収納溝（8
4）内にはめられた絶縁体Ｏリング（82）は拡散器（3
6）と気密性のはめ合いをなす。同様に陰極Ｏリング（8
6）が支持部材（68）の周縁の溝（88）内に収容されて
いる。同様の方法で支持部材の前方端すなわち出口端に
ある溝（92）内に含まれる別の陰極Ｏリング（90）が絶
縁体（80）に対する気密性を与える働きをする。

支持部材（68）は、絶縁体（80）とによって環状の内
部チャンバ（94）を生ずるように形成される。絶縁体
（80）とガス拡散器（36）の内側壁との間には外側環状
チャンバ（96）が作られている。複数のガス拡散通路
（98）が、外側チャンバ（96）を環状チャンバ（50）に
連通させる。このようにして、ガス取り入れ口から管
（24）を通して流れるガスは通路（70）及び交差通路
（78,80）を通過する。二次ガス流は次いで、内側チャ
ンバ（94）に入り、次いで絶縁体（80）内の複数の通路
（100）を通過し、その後外側チャンバ（96）に至る。
二次ガスは外側チャンバ（96）から拡散通路（98）及び
環状チャンバ（50）を通って流れ、チップ（40）出口周
辺に至る。これにより冷却効果が与えられる。

第2B図を参照すると一次ガス流はそれが外側チャンバ
（96）に到達するまでは二次ガスと同一の流路を採る。
この地点で一次ガスは複数のガス流路（102,104）を通
るように指向され、電極（54）を囲むアークチャンバ
（52）中に至る。ここからガスは開口（42）を通って出
ることにより電極を冷却すると共に、プラズマアーク用
のプラズマを与える。第５図で最も良く見られるよう
に、接線方向の通路（102,104）は一次ガス流に渦巻き
流又は渦を与えるように指向されている。

通路（102,104）を通る一次ガス流は電極の長さのほ
ぼ全体に接触することを了解されたい。これは一次ガス
流がチップ（40）の開口（42）を出る前に電極の長さ方
向に沿って指向されるように通路が電極の固定端に隣接
して配置されていることによる。

第６図は第一の電極本体（body electrode）と一つの
点で異なった本発明の電極の断面である。すなわち、通
路（58′）は電極本体を通過し挿入体中ぐり孔（62′）
と交わる。もちろん挿入体（60′）が挿入体中ぐり孔
（62′）内に固定されているので、通路（58′）は同様
に遮断される。

いずれの実施例の作動においてもトーチが長時間作動
されると、挿入体（60）は徐々に燃焼して完全に消耗さ
れる。第二の実施例ではその場合軸線方向の通路が開か
れて、付加的なガス流が一次ガス流に結合されて、遷移
アークを急冷すべくアークチャンバ（52）内のガス流が
急激に増大する。さらに、取り入れ口端における圧力の
低下又は流量率の増大を監視して電流線（22）に対する
電気回路（図示無し）の遮断を引き起こすこともでき
る。

第一の実施例では、通路（58）が露出する前に電極が
余分に消耗してしまうであろう。それ以外の点ではその
装置の作動はこの実施例と同一である。

上記説明は本発明の例示のために過ぎず、前記特許請
求の範囲内で形状、大きさ、材料その他の詳細点につい
ていろいろ変更が考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマアークトーチの、一部を除去
した立面図である。第2A図は本発明のプラズマアークトーチの前方部分（ト
ーチヘッド）の断面図である。第2B図は一次ガス流路を例示する、90度回転した本トー
チヘッドの同様の図である。第３図は諸部分を示す本装置ヘッドの分解図である。第４図は第３図の線４−４に沿ってみた図である。第５
図は第2A図の線５−５に沿って見た断面図である。第６図は本発明の電極の別の実施例の断面図である。 10……プラズマアークトーチ 32……凹所 36……拡散器 54……電極 62,62′……中ぐり孔 60,60′……挿入体 50,52,94,96……チャンバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リチャード・エイ・スポールディングアメリカ合衆国ニュー・ハンプシャー州レバノン、グリーンズボロ・ロード、アール・アール・ナンバー１、ピー・オー・ボックス 299 (56)参考文献特開昭62−124079（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】端部に出口を有するチャンバを形成するト
ーチハウジングと、前記チャンバにガスを供給するガス供給手段であって、
該ガスがプラズマを発生するのに適するとともに、トー
チ及び工作片を冷却する二次ガス流れにも適するガス供
給手段と、前記チャンバ内で前記出口に隣接する電極であって、細
長くて中央軸線を有し、さらに第１及び第２の反対方向
の端部を有する電極と、前記トーチハウジングの前記チャンバ内に前記電極を着
脱自在に取り付けるための前記電極の第１端部にある取
り付け手段と、前記電極の前記第２端部から該電極内に延在する挿入穴
と、該挿入穴内に密着して該穴を閉じる挿入体と、前記電極の第１端部から該電極内に延在する軸線方向通
路と、前記チャンバ内にあって、前記ガスを、前記電極の周り
を流れるプラズマ発生用の一次ガス流れと、前記電極か
ら離れて流れてトーチ及び工作片を冷却する二次流れと
に分割するガス分割手段であって、少なくとも部分的に前記電極を囲む概略円筒形状の電気
的絶縁体であって、本体との間に外側チャンバを形成
し、さらに、ガスを前記ガス供給手段から前記外側チャ
ンバに導く通路手段を有する電気的絶縁体と、前記電極の端部の周りにあるカップ状トーチチップであ
って、該チップの開口を除いて前記出口を閉じており、
また、前記絶縁体とともに、該チップ及び前記絶縁体が
前記電極の周りに内側チャンバを形成するカップ状トー
チチップと、前記絶縁体内にあって、一次ガス流れを前記ガス供給手
段から前記外側チャンバに導き、その後、前記内側チャ
ンバに導く通路手段であって、前記絶縁体内で接線方向
に向けられた通路を有し、これにより、前記ガス供給手
段からの一次ガス流れが前記電極の周りに沿う渦巻流れ
を生じさせる通路手段とを含むガス分割手段とを備える
プラズマアーク切断トーチ。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のトーチにおい
て、前記通路が、前記一次ガス流れを前記電極のほぼ全
長に沿って導くように配置されており、これにより、冷
却効果を高めるトーチ。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載のトーチにおい
て、二次ガス流れを前記外側チャンバから前記チップの
周りに導く分配手段をさらに含むトーチ。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載のトーチにおい
て、前記第１端部から前記電極内に延在する軸線方向通
路であって、前記第１端部から前記電極内へ延びる第１
の大きな直径の部分と、該通路の残りの部分の第２の小
さな直径の部分とが段差を有するように構成された軸線
方向通路をさらに含むトーチ。
【請求項５】特許請求の範囲第４項記載のトーチにおい
て、前記軸線方向通路が、前記電極内において前記挿入
穴から離れた地点まで延在するトーチ。
【請求項６】特許請求の範囲第４項記載のトーチにおい
て、前記取り付け手段が前記第１端部の周縁に設けられ
たねじを含むトーチ。
【請求項７】特許請求の範囲第６項記載のトーチにおい
て、前記電極が電気的伝導性のある材料から作られ、ま
た、前記挿入体が金属材料から作られるトーチ。
【請求項８】特許請求の範囲第４項記載のトーチにおい
て、前記軸線方向通路が前記電極内を通って延びて、さ
らに、前記挿入穴までのびるトーチ。