JPH10504762A - プラズマアークトーチのための電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電極の底端部に固着したインサートが、露呈された放出面を有し、放出面がインサートに於ける凹所を画定する形状を有し、凹所が、トーチの作動電流レベルと、インサートの直径と、トーチ内でのプラズマガスの流れ模様との関数として初期寸法形状付けされる。電極が、熱伝達性の大きい材料、例えば銅から形成した細長の電極胴部と、電極胴部の中心軸線に沿って底端部に配設した穿孔とを有する。インサートが、例えばハフニウムのような、熱電子高放出性材料から形成され、放出面を露呈する状態に於て前記穿孔内に固定配設される。放出面の初期形状は、インサートから熱電子高放出性材料を予め決定された量除去し、全体的に凹型の凹所、全体的に円筒形状の凹所、或はその他形状の凹所を画定することにより形成され得る。トーチでの使用に際し、電極が、ノズルへの熱電子高放出性材料の付着を低減させそれにより、トーチに於けるノズルの損耗が減少する。

Description

【発明の詳細な説明】 プラズマアークトーチのための電極 〔関連発明の開示〕 本出願は、１９９２年５月２０日付けの米国特許出願番号第９７／８８６，０ ６７号の部分継続出願である。 〔発明の属する技術分野〕 本発明は一般にプラズマアークトーチ及びプラズマアークによる切断方法に関 し、詳しくは、プラズマアークトーチで使用するための改良された電極及びそう した電極の製造方法に関する。 〔従来の技術〕 プラズマアークトーチ（以下、単にトーチとも称する）は金属材料を切断する に際して広く使用されている。トーチは一般にトーチ本体と、このトーチ本体内 部に取り付けた電極と、その中心位置に出口オリフィスを有するノズルと、電気 的接続部と、冷却用流体及びアーク制御用流体のための通路と、流体の流れ模様 を制御するための渦リングと、電源とを含んでいる。トーチを出るプラズマアー クは、高温且つ高運動量のプラズマガスの、収束され且つイオン化されたジェッ トである。プラズマガスは非反応性の、例えば窒素、アルゴンであり或は反応性 の、例えば酸素または空気である。 プラズマアークを使用して金属工作物を切断するに際しては、先ず、電極（陰 極）とノズル（陽極）との間にパイロットアークを発生させ、パイロットアーク がノズルの出口オリフィスを通過するガスをイオン化する。イオン化されたプラ ズマガスによって電極と金属工作物との間の電気的抵抗が減少され、アークがノ ズルから金属工作物に移行する。トーチは、このプラズマアーク移行モードに於 て作動され、電極からのイオン化されたガス流れを金属工作物に案内し、金属工 作物を切断する。 反応性のプラスマガスを使用するプラズマアークトーチでは一般に銅製の電極 を、熱電子放出性の大きいインサートと共に使用する。インサートを電極の底端 部に押し嵌めし、インサートの、熱電子放出面（以下、単に放出面とも称する） を画定する底面を露出させる。インサートは代表的にはハフニウム或はジルコニ ウムから作製され、円筒形状を有する。インサートの底面、即ち、放出面は代表 的には平坦であるが、センタリングを目的とする小さなディンプルをこの底面に 形成することも知られている。例えば、ハイパーサーム社の製造販売する電極の 露出された底面には、２６０アンペアの作動電流での酸素プラズマ切断システム のための小ディンプルが形成される。 全てのプラズマアークトーチ、特に反応性のプラズマガスを使用するプラズマ アークトーチでは、電極は時間の経過と共に消耗し、インサートの露出された放 出面には全体的に凹入したピットが形成される。ピットは、インサートから熱電 子高放出性材料が溶け出すことにより形成される。放出面は、アークが最初に発 生した時点で液状化され、アークが安定状態にある間、熱電子高放出性材料の溶 融溜りから熱電子が放出される。しかしながら、溶融した熱電子高放出性材料は トーチの３つの運転ステージ、即ち（１）アーク開始ステージ、（２）アーク安 定ステージ、（３）アーク停止ステージ、の間に放出面から溶け出し、ノズル内 面のみならずノズルの出口オリフィスに大量に付着する。 アーク開始ステージ間、及びアーク停止ステージ間に溶け出す熱電子高放出性 材料のノズルへの付着の問題は、米国特許第５，０７０，２２７号及び第５，１ ６６，４９４号に於て解決されたが、今日尚解決されない、アーク安定ステージ 間に溶け出し前記各部位に付着する熱電子高放出性材料が、電極寿命を減少させ るのみならずノズルの損耗を引き起こすことが分かった。 プラズマアークトーチのためのノズルは、代表的には銅で製造することにより 良好な電気的及び熱的伝導性を得ている。ノズルは低電流のパイロットアークを 短時間導通する設計形状とされ、かくして、所望されざるアークがノズルに取り 付くとノズルの出口オリフィス位置の銅が溶け、これがノズルを損耗させる共通 原因となっている。 ダブルアーク、即ち、電極からノズルに、次いでノズルから金属工作物にジャ ンプするアークがそうした所望されざるアーク取り付きを招く。ダブルアークは 、ノズル損耗及び或はノズル損傷の増大に関する多くの原因並びに結果であるこ とが知られている。最近、熱電子高放出性材料がノズルに付着することによって もダブルアークが生じ、ノズル寿命を縮めることが分かった。 〔解決しようとする課題〕 従って、切断プロセス中のノズルへの熱電子高放出性材料の付着を最小化する ことによりノズル損耗を低減させることであり、 切断品質を改良する、プラズマアークトーチのための電極を提供することであ り、 ノズル損耗を低減する電極を提供しつつ、電極寿命を維持することである。 〔課題を解決するための手段〕 従来のプラズマアークトーチを使用すると、アーク安定状態でのアーク及びプ ラズマガスの流れが、インサートの放出面をして実際に全体的に凹入形状化する 。好ましい凹入形状の曲線は、詳しく言うとトーチの電流レベル、インサートの 直径、トーチ内でのガスの流れ模様の関数である。従来のトーチの放出面の初期 形状は全体的に平坦であるので、インサートからはトーチ作動中に熱電子高放出 性材料が溶け出し、やがて放出面は全体的に凹入形状化される。かくして、イン サートの放出面はアーク安定状態下にその形状が急速に変化し、結局、好ましい 凹入形状となる。 トーチ作動中にノズル上に付着する熱電子高放出性材料がダブルアークを引き 起こし、このダブルアークがノズルの出口オリフィスのエッジを損傷させ、かく してノズル損耗を増大させる。 本発明に従えば、ノズルへの熱電子高放出性材料の付着を最少化する、プラズ マアークトーチのための改良された電極が提供される。本発明に従う電極は、銅 のような熱伝導性の大きな材料から形成した細長い電極胴部を含み、電極胴部の 中心軸線に沿って底端部に穿孔が配設される。ハフニウムのような熱電子高放出 性材料から形成した、全体的に円筒形状のインサートが穿孔内に固定配置され、 放出面がインサートの端部表面に沿って且つトーチ本体のプラズマガスに露呈し 得る位置に配設される。 本発明によれば、放出面はインサートに予め決定された凹入形状部を画定する 形状を有する。凹入形状部は、トーチの作動電流レベル、円筒形状のインサート の直径、トーチに於けるプラズマガスの流れ模様、の関数として初期形状付けさ れる。詳しく説明すると、前記材料は放出面に、トーチ作動中のノズルへの熱電 子高放出性材料の付着を最小化する初期寸法形状の凹入形状部が画定されるに十 分な量、インサートから除去される。放出面は、円筒形その他の形状に全体的に 凹んだ凹入形状部を画定し得る。凹入形状部の初期寸法形状は色々の形態のもの とすることが出来る。なぜなら、放出面はトーチ作動中に溶融することにより好 ましい形状となるからである。しかしながら、インサートから十分な量の材料を 初期に除去しておくことにより、放出面が溶融して好ましい形状となるに際して のノズル上へのそれらの材料の付着は最小化される。 本発明によれば、プラズマアークトーチのための改良された電極の製造方法も また提供される。電極胴部は熱伝導性の大きな材料（例えば銅）から形成され、 電極胴部の底端部には穿孔が形成される。インサートは熱電子高放出性材料から 形成され、その放出面が露呈される状態で前記穿孔内に位置決めされる。本発明 に従えば、インサートから熱電子高放出性材料が予め決定された量除去されそれ により、インサートの放出面には最初から凹入形状部が形成される。インサート から除去する前記材料の量は、トーチの電流レベル、インサートの直径、トーチ に於けるプラズマガスの流れ模様、の関数である。 本発明の原理を組み入れてなる電極は、既存の電極に対する著しい進歩性を有 する。本発明の長所の１つは、ノズルへの熱電子高放出性材料の付着を原因とす るダブルアークの発生が、改良された電極設計形状により最少化されることであ る。これにより、ノズル寿命及び切断品質が改善される。他の長所は、本発明に 従い製造した電極の寿命が維持されることである。インサートから最初から除去 する熱電子高放出性材料の量が、初めの何度かのアーク開始ステージ中に従来の 電極から放出されるそれらの材料量に相当することから、本発明の改良された電 極に於けるインサート損耗の割合いは、従来装置のそれに匹敵し得るものであ る。 〔図面の簡単な説明〕 図１は、従来のプラズマアークトーチの断面図である。 図２Ａは、図１のプラズマアークトーチの、トーチ作動中に於ける電極インサ ートの放出面での凹入形状部の形成を例示する部分断面図である。 図２Ｂは、図１のプラズマアークトーチの、トーチ作動中に於けるノズルへの ハフニウムの付着により生じるダブルアーク及びノズル損耗の問題を例示する部 分断面図である。 図３Ａは、本発明の原理を組み込んでなる電極の断面図である。 図３Ｂは、本発明の原理を組み込んでなる別態様の電極の断面図である。 図４Ａは、本発明の原理を組み込んでなる電極の製造段階を示す断面図である 。 図４Ｂは、本発明の原理を組み込んでなる電極の製造段階を示す断面図である 。 図４Ｃは、本発明の原理を組み込んでなる電極の製造段階を示す断面図である 。 〔発明の実施の形態〕 図１にはハイパーサーム社の販売する色々のモデルの任意のトーチを表す代表 的なプラズマアークトーチ１０が、簡略化された状態で例示されている。トーチ １０は、代表的には円筒形状を有し、下端１６に出口オリフィス１４を設けたト ーチ本体１２を有している。イオン化されたガスのジェット、即ちプラズマアー ク１８が出口オリフィス１４を通過し、切断するべき金属工作物１９に付着する 。トーチはアーク移行モード下に金属、軟鋼その他の材料を貫通しこれを切断す る設計形状とされる。軟鋼を切断するに際しトーチは、移行するプラズマアーク １８を形成するプラズマガスとしての、例えば、酸素或は空気のような反応性ガ スと共に作動される。 トーチ本体１２は、全体に円筒形状のトーチ胴部２１を有する銅製の電極２０ を支持する。ハフニウム製のインサート２２が電極２０の下端２１ａに押し嵌め され、平坦な放出面２２ａが露出される。トーチ胴部２１は、電極から離隔され たノズル２４をも支持する。ノズル２４は、出口オリフィス１４を画定する中央 オリフィスを有する。トーチ胴部には渦リング２６が取り付けられ、半径方向に オフセット（或は傾斜）された一組のガス分与孔２６ａを有し、これらのガス分 与孔２６ａがプラズマガスの流れに接線方向の速度成分を付与しそれらプラズマ ガスの流れを旋回させる。この旋回により発生する渦がアークを拘束し且つイン サート上での位置を安定させる。 作動に際し、プラズマガス２８はガス入口管２９を通して流れ、渦リングのガ ス分与孔に入り、次いでこのガス分与孔からプラズマチャンバー３０に流入した 後、ノズルの出口オリフィス１４を通しトーチから放出される。電極とノズルと の間には先ずパイロットアークが発生する。このパイロットアークは出口オリフ ィスを通るプラズマガスをイオン化する。次いで、アークがノズルから金属工作 物に移行し、金属工作物を切断する。各部品の配列構成、プラズマガスの配向並 びに流体流れの冷却、電気的接続、を含むトーチ胴部の特定の構造の詳細は広範 な形態のものであり得る。 図２Ａを参照するに、従来のプラズマアークトーチを使用しての作動中、アー ク安定時に、アーク１８と、プラズマチャンバー３０内のガス流れ３１とがハフ ニウム製の放出面３２を実際に全体的に凹入形状化することが分かった。従来の トーチでは放出面は全体的に平坦な初期形状を有することから、溶融したハフニ ウムはトーチ作動中にインサートから放出され、放出面はやがて全体的に凹入形 状化する。かくして、インサートの放出面はアーク安定モード下に急速に凹入形 状化しその結果、インサートにはピット３４が形成される。 凹入形状の放出面３２の曲線が、トーチの電流レベル、インサートの直径（Ａ ）、トーチのプラズマチャンバー内のプラズマガスの流れ模様の関数であること が見出された。かくして、インサートの直径を一定とした状態で電流レベルを増 大すると、放出面には一段と深く凹入したピットが形成される。同様に、電流レ ベルを一定に維持したままでハフニウム製のインサートの直径を増大或はプラズ マガスの流れ模様に於ける旋回の強さを増大しても、より深く凹入したピットが 形成される。 図２Ｂに示すように、トーチ作動中にインサートから溶け出すハフニウム３６ がノズルに付着してダブルアーク３８を生じさせ、このダブルアークがノズルの 出口オリフィス１４のエッジを損傷させ、ノズルの損耗を増大させることも見出 された。パイロットアーク移行後、ノズルは通常、冷却ガスの層によりプラズマ アークからは断絶される。しかしながら、この断絶は、溶けたハフニウムが冷却 ガス層内に放出されると破られ、ノズルには移行するプラズマアークが容易に通 るようになる。この結果、ダブルアークが発生する。 本発明に従う、プラズマアークトーチのための改良された電極４０は、ノズル 上へのハフニウムの付着を最小化する。電極４０は熱伝導性の高い材料、例えば 銅から形成した円筒形状の電極胴部４２を有し、電極胴部の底端部４６には、電 極胴部の中心軸線（Ｘ）に沿って穿孔４４が形成される。穿孔４４には、熱電子 高放出性材料、例えばハフニウムから形成した、全体的に円筒形状のインサート ４８が押し嵌めされる。放出面５０が、インサート４８の端部表面に沿って位置 付けられ且つトーチ本体内のプラズマガスに露呈自在とされる。 本発明の１様相に於て、放出面５０は、インサートに予め決定された凹所５２ を画定するべく形状付けされる。凹所５２は、トーチの作動電流レベル、円筒形 状のインサートの直径（Ａ）、トーチ内でのプラズマガスの流れ模様の関数とし て初期形状付けされる。これらのパラメーターに基き、インサートからは、最初 から、トーチ作動中のノズルへのハフニウムの付着量を最少化する放出面を提供 するに十分な量のハフニウムが除去される。放出面は、図３Ａに示すような全体 に凹型の凹所５２、図３Ｂに示すような、全体に円筒形状の凹所５４或はその他 の形状の凹所を画定し得る。製造の容易さの点から見て、或る形状の凹所を画定 する放出面が望ましいが、凹所の初期形状は、その全体寸法形状から見ればそれ ほど重要ではない。それは、放出面はトーチの作動中に溶けることにより、好ま しい形状となるからである。より重要な点は、インサートから最初から、放出面 が溶けて好ましい形状となるに際してのノズルへのハフニウムの付着量が最小化 されるに十分な量のハフニウムを除去することである。 例示目的上、インサートの直径を一定とし、電流レベル及びプラズマガスの流 れ模様の関数としての放出面の形状を最適化する実験を行った。先ず、放出面が 浅い凹所を有する初期形状のインサートを有する電極をトーチに使用し、金属工 作物を切断した。切断後、凹所の寸法形状並びにノズル状況を検査した。放出面 の初期形状が不満足なものである場合、何回か切断作業を行った後に凹所の深さ が増大したことが観察された。ノズルには認識し得る量のハフニウムが付着し、 ダブルアークも発生した。ノズルが損傷した時点で実験は中止された。 次いで、ノズルへのハフニウムの付着を原因とするダブルアークが発生しなく なるまで、電極の放出面の凹所を徐々に深くして実験を反復した。ダブルアーク が発生しなくなった深さの凹所を有する初期形状の電極が、要求切断パラメータ ーを有するトーチで使用することのできる電極の最適寸法形状として選択された 。例示目的であってこれに限定するものではないが、ハイパーサーム社の製造す るＨＴ４０００型プラズマアークトーチは、３４０アンペアのプラズマアーク電 流下に作動され、インサートは直径０．０７２インチ（約１．８２ｍｍ）であり 、標準ＨＴ４０００渦リングを有している。先に説明した実験によれば、（電極 の中心軸線位置での）深さが約０．０２４インチ（約０．６ｍｍ）の、全体的凹 型の凹所を画定する初期形状を有する放出面を備えた電極がノズルの損耗を最小 化する。 図４Ａ乃至図４Ｃを参照するに、本発明によれば、プラズマアークトーチのた めの改良された電極の製造方法が例示される。電極胴部４０は熱伝導性の大きい 材料（例えば銅）から形成し、電極胴部４０の底端部には穿孔４４を（図４Ａ参 照）を形成する。インサート４８は熱電子高放出性材料（例えばハフニウム）か ら形成し、前記穿孔に位置決めし、その放出面（図４Ｂ参照）を露呈させる。 放出面５０が初期に凹所５２（図４Ｃ）を画定するよう、熱電子高放出性材料 を予め決定した量、インサートから除去する。先に説明したように、インサート から除去するハフニウムの量は、トーチの電流レベル、インサートの直径、トー チ内でのプラズマガスの流れ模様の関数である。 １実施例では、熱電子高放出性材料をボールエンドミルを使用して除去する。 このボールエンドミルは、好ましい凹型形状に極めて近似した形状を提供する。 凹所の初期形状は、インサートから初期に於て除去される材料量程には重要では ないので、その他の装置を使用して材料を除去しても良い。例えば、ドリル装置 を使用して放出面の中心に全体に円筒形状の孔を形成することもできる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．プラズマアークトーチのための電極（４０）であって、 熱伝導性の大きい材料から形成された細長の電極胴部（４２）にして、該電極 胴部の中心軸線（Ｘ）に沿って底端部（４６）に穿孔（４４）を配設してなる電 極胴部と、 熱電子高放出性材料から形成されたインサート（４８）にして、前記穿孔（４ ４）内に該インサートの放出面（５０）が露呈されるように配設されてなるイン サートと、 を含み、 放出面（５０）が、インサート（４８）に予め決定された凹所（５２）を画定 する初期形状とされ、前記凹所（５２）が、前記中心軸線（Ｘ）に関する初期深 さを有し、該初期深さが、トーチの作動電流レベルと、インサートの直径と、ト ーチ内でのプラズマガスの流れ模様とに比例することを特徴とする電極。 ２．放出面（５０）が、全体的に凹型の凹所（５２）を画定する形状である請 求項１の電極。 ３．放出面（５０）が、全体的に円筒形状の凹所（５４）を画定する形状であ る請求項１の電極。 ４．全体的に円筒形状の凹所（５４）が凹型部分を含んでいる請求項３の電極 。 ５．放出面（５０）が、アークを好ましい形状に近似させるための寸法形状を 有する凹所（５２）を画定する形状とされてなる請求項１の電極。 ６．インサート（４８）がハフニウムを含んでいる請求項１の電極。 ７．電極胴部（４２）が銅を含んでいる請求項１の電極。 ８．プラズマアークトーチ用の電極（４０）を製造するための方法であって、 熱伝導性の大きい材料から電極胴部（４２）を形成すること、 電極胴部の中心軸線（Ｘ）に沿って、電極胴部の底端部（４６）に穿孔（４４ ）を形成すること、 熱電子高放出性材料からインサート（４８）を形成し、前記穿孔（４４）内に 該インサート（４８）を、該インサート（４８）の放出面（５０）を露呈させる 状態で位置決めすること、 を含み、 インサート（４８）から熱電子高放出性材料を、放出面（５０）が、電極を貫 く中心軸線（Ｘ）に関する初期深さを有する予め決定された凹所（５２）をイン サートに画定するための予め決定された量に於て除去することを含み、前記初期 深さが、トーチの作動電流レベルと、インサート（４８）の直径と、トーチ内で のプラズマガスの流れ模様とに比例することを特徴とする、プラズマアークトー チ用の電極を製造するための方法。 ９．穿孔（４４）内で、インサート（４８）を放出面（５０）を露呈させるよ う位置決めすることを含んでいる請求項８の方法。 １０．穿孔（４４）内で、インサート（４８）を該インサート（４８）の放出面 （５０）を露呈させる状態で位置決めするに先立ち、インサートから熱電子高放 出性材料を除去することを含む請求項９の方法。 １１．インサートからの熱電子高放出性材料の除去が、全体的に凹型の凹所を有 する放出面（５０）を形成することを更に含んでいる請求項８の方法。 １２．インサートからの熱電子高放出性材料の除去が、全体的に円筒形状の凹所 （５４）を有する放出面を形成することを更に含んでいる請求項８の方法。 １３．インサートからの熱電子高放出性材料の除去を、旋盤或はボールエンドミ ルを使用して実施することを含んでいる請求項８の方法。 １４．インサートからの熱電子高放出性材料の除去が、凹型部分を有し全体的に 円筒形状の凹所（５４）を形成することを含んでいる請求項１３の方法。