WO1998034441A1

WO1998034441A1 - Torche a plasma

Info

Publication number: WO1998034441A1
Application number: PCT/JP1998/000341
Authority: WO
Inventors: Toshiya Shintani; Yoshitaka Niigaki
Original assignee: Komatsu Ltd.
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1998-01-28
Publication date: 1998-08-06
Also published as: JPH10223396A

Description

プラズマトーチ

1 . 技術分野

本発明は、トーチ本体と、トーチ本体内に挿入されて固定される電極を含むカートリッジとを備えるプラズマトーチの改良に関するものである。

明

2. 背景技術田従来、プラズマアークと作動ガスとを噴射することにより、ワークの溶接や切断を行うプラズマトーチにおいて、カートリッジ式のプラズマトーチが知られている。これは、トーチノズルや電極等の消耗し易い部品の交換を容易にするために、これら各部を力一トリッジに組込んで、このカートリツジをトーチ本体に対して着脱自在に構成したものである。

ところで、上述したプラズマトーチにおいては、カートリッジの基端部に形成される雄ねじ部を、トーチ本体の基端部に形成される雌ねじ部に螺合することによつてカートリッジのトーチ本体への組み付けを行っているが、外部電源から電極に対する給電は、双方のねじ部及びその近傍部位を金属等の導電性材料で構成し、これらの部位を通電路とすることによって行っていた。一方、トーチノズルへの給電については、上記組み付けに際して互いに接触するノズルの面と、上記雌ねじ部と電気的に絶縁されたトーチ本体における先端側の導電性部材の面との押し付けによつて形成される接触部を通電路とすることによって行っていた。

そのため、上記組み付け時における両ねじ部間の締め付け不足や、両ねじ部間において緩みが生じると、電気的な接続における信頼性が低下し、導通不良により両ねじ部間において発熱が生じ、溶損する不具合があった。また、上記組み付け時における両ねじ部間の締め付け不足や、両ねじ部間において緩みが生じると、押し付けによつて接触させていたノズル面とトーチ本体の先端側の導電性部材の面との間に隙間が生じ、導通不良によって両者の面が溶損する不具合もあった。

従って本発明の目的は、トーチ本体とカートリッジ側の電極、及びトーチノズルとの間の電気的な接続の信頼性を向上させることができるプラズマトーチを提供す

Ό とにめる。

3. 発明の開示

本発明の第 1の側面に従うプラズマトーチは、トーチ本体と、トーチ本体内に挿入されて固定される電極を含んだ力一トリッジと、トーチ本体と力一トリッジとの間に介在されて両者の間に押し縮められている弾性部材とを備える。

上記構成によれば、弾性部材によりトーチ本体と力一トリッジとの間に生じる緩みが規制される。

本発明の第 1の側面に係る好適な実施形態では、弾性部材が、導電性材料により構成されている。

上記構成によれば、振動ゃガ夕ツキによりトーチ本体とカートリッジとの間に緩みが生じても、弾性部材により両者間における電気的接触の信頼性を高めることができる。

また、上記構成では、弾性部材を通してトーチ本体から電極への通電が可能になつている。

本発明の第 2の側面に従うプラズマトーチは、トーチ本体と、トーチ本体内に挿入されて固定される先端ノズルを含んだカートリッジと、トーチ本体と先端ノズルとの間に介在されて両者の間に押し縮められている弾性部材とを備える。

上記構成によれば、弾性部材によりトーチ本体と先端ノズルとの間に生じる緩みが規制される。本発明の第 2の側面に係る好適な実施形態では、弾性部材が、導電性材料により構成されている。

上記構成によれば、振動ゃガ夕ツキによりトーチ本体と先端ノズルとの間に緩みが生じても、弾性部材により両者間における電気的接触の信頼性を高めることができる。

また、上記構成では、弾性部材を通してトーチ本体から先端ノズルへの通電が可能になっている。

本発明の第 3の側面に従うプラズマトーチは、トーチ本体と、トーチ本体内に挿入されて固定されるカートリッジとを備えるもので、カートリッジが、夫々別々の電圧が印加されるべき先端ノズル及び中心電極を有し、トーチ本体が、先端ノズルに電気的に接続されるべき先端側筒体と、電極に電気的に接続されるべき基端側筒体とを有し、カートリッジの先端側部分とトーチ本体の先端側部分との間に介在されて両者の間に押し縮められている第 1の導電性弾性部材と、カートリッジの基端側部分とトーチ本体の基端側部分との間に介在されて両者の間に押し縮められている第 2の導電性弾性部材とを有する。

上記構成によれば、第 1の導電性弾性部材により、カートリツジの先端側部分とトーチ本体の先端側部分との間の電気的接触の信頼性を高めることができ、また、第 2の導電性弾性部材により、カートリツジの基端側部分とトーチ本体の基端側部分との間の電気的接触の信頼性を高めることができる。

4. 図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施形態に係るカートリッジの構成を示す断面図。

図 2は、本発明の一実施形態に係るトーチ本体の構成を示す断面図。

図 3は、本発明の一実施形態に係るトーチノズルとトーチとを示す部分拡大断面 5. 発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を、図面により詳細に説明する。

図 1及び図 2は、本発明の一実施形態に係るプラズマトーチを構成する各部を夫々示すもので、図 1は、カートリッジの構成を示す断面図、図 2は、トーチ本体の構成を示す断面図である。

まず、カートリッジの構成を、図 1により詳細に説明する。

カートリッジ 1は、図示のように、トーチノズル（ノズル） 3と、ガイド筒（内筒） 5と、電極 7と、外筒 9と、カートリッジボディ（ボディ） 1 1 と、把手 1 3 とを備える。

ノズル 3は、同心状に形成された貫通穴 3 aに、電極 7を抱持した内筒 5の一部を挿脱自在に嵌挿するための筒状体で導電性材料によつて構成されており、カートリッジ 1の先端（図 1では、左側）に位置している。ノズル 3は、その外径が先端側、基端側及びそれらの境界領域において相違している。即ち、ノズル 3の外径は、境界領域が小径に、基端側が大径に形成されていて、基端側の端部には外向きフランジ 3 bが設けられている。この外向きフランジ 3 bの外径は、後に詳述する外筒 9の外径よりも小径に設定されている。そして、基端側から境界領域にかけての部位は、カートリッジ 1をトーチ本体 5 5 (図 2に示す）に嵌合したとき、冷却水によるノズル 3の冷却効果を大きくするためにテーパ部 3 cになっている。更に、ノズル 3の先端側外周面及び基端側外周面には、夫々〇リング 1 5、 1 7が取付けられている。

内筒 5は、上述したように、貫通穴 5 aに電極 7の先端側の部分を嵌挿した状態でノズル 3に嵌挿するための筒状体で、ノズル 3と電極 7との間を電気的に絶縁するために、例えばセラミックや樹脂等の絶縁性材料によって構成されている。内筒 5の基端側の端部には、厚肉の外向きフランジ 5 cが形成されており、外向きフランジ 5 cの外周面には〇リング 1 9が取付けられている。この外向きフランジ 5 c が外筒 9に嵌挿されることで、内筒 5は外筒 9によって固定的に支持される。貫通穴 5 aの先端側には、作動ガスを吹出すためのガスノズル 5 bが渦巻き状に形成されている。ガスノズル 5 bの上流側端部は、外向きフランジ 5 cの近傍部位、即ち、内筒 5をノズル 3に組み付けることにより内筒 5とノズル 3の外向きフランジ 3 b との間に形成される環状の凹部 2 0に開口している。

なお、この環状の凹部 2 0は、カートリッジ 1がトーチ本体 5 5に嵌合されたときに、トーチ本体 5 5の給電スリーブ 6 1と共にプラズマガス室 2 2を形成することとなるため、ガスノズル 5 bの上流側端部も、このプラズマガス室 2 2に連通することとなる。

外筒 9は、内筒 5とボディ 1 1 との間に介在して内筒 5をボディ 1 1に固定させるための筒状体である。外筒 9は、カートリッジ 1が後に詳述するトーチ本体 5 5 に嵌挿されたときに、ボディ 1 1 とトーチ本体 5 5との間を電気的に絶縁するために、内筒 5におけると同様に、例えばセラミックや樹脂等の絶縁性材料によって構成されている。外筒 9内部空間の大部分（図 1の右側）には、ボディ 1 1が嵌挿され、残りの部分（図 1の左側）に、内筒 5が嵌挿される。そして、外筒 9の基端側の端部は、僅かに大径になっていてその外周面には〇リング 2 1が取付けられていボディ 1 1は、先端側（図 1の左側）において電極 7と外筒 9とを、また、基端側（図 1の右側）において把手 1 3を、夫々固定的に保持するための筒状体で導電性材料によって構成されている。ボディ 1 1の内部には、同心状に貫通穴 1 1 aが形成されており、貫通穴 1 1 aの先端側の開口は、電極 7の基部（電極台） 3 9を嵌挿した状態で固定が可能なように基部 3 9の外径に合せて拡張されている。この拡張された開口に近接する貫通穴 1 1 aの部位には、基部 3 9に形成された雄ねじ部 4 1と螺合する雌ねじ部 4 3が形成されている。一方、貫通穴 1 1 aの基端側の開口は、把手 1 3の取付部 1 3 aを嵌挿した状態で固定が可能なように取付部 1 3 aの外径に合せて先端側の開口よりも大幅に拡張されている。

ボディ 1 1の外径は、外筒 9に嵌挿される先端側部分では外筒 9の内径に合せて比較的小径に形成され、トーチ本体 5 5の内壁に当接する中間部分では先端側部分よりも大径に形成され、更に、トーチ本体 5 5の内壁に当接する基端側部分では中間部分よりも大径に形成されている。中間部分には、所定の間隔を置いて夫々上記貫通穴 1 1 aに連通する 2個の環状の切欠き溝 2 3、 2 5が設けられている。そして、切欠き溝 2 3、 2 5には、夫々冷却水注入管 2 7、冷却水排出管 2 9が開口しており、切欠き溝 2 3、 2 5の近傍には、〇リング 3 3、 3 5、 3 7が夫々取付けられている。基端側部分における中間部分寄りの部位は、外周面に、トーチ本体 5 5のソケット部 6 7の内壁に形成された雌ねじ部 6 9 (図 2に示す）と蝶合する雄ねじ部 3 1を有している。基端側部分のテ一パ領域から大径領域にかけての部位は、雄ねじ部 3 1 と共に外部電源（図示しない）より給電を受けるプラグ部 3 0になつている。即ち、このプラグ部 3 0は、カートリッジ 1がトーチ本体 5 5に嵌合されたとき、外周面がトーチ本体 5 5のソケット部 6 7に設けられる板ばね 7 1に圧接し、この板ばね 7 1を通じて外部電源（図示しない）からの給電を受けるようになつている。

電極 7は、外部電源（図示しない）から加工対象であるワーク（図示しない）との間に印加される高電圧によってプラズマアークを発生させるためのもので、電極本体 4 5と、電極片 4 7とを備える。電極本体 4 5は、略筒状に形成されており、先端側に向って開口する比較的短い同心状の凹部 4 9と、基端側に向って開口する比較的長い同心状の電極冷却室 5 1と、上述した基部 3 9とを備える。電極冷却室 5 1には、上流側開口が切欠き溝 2 3を介して冷却水注入管 2 7に連通する冷却水流入管 5 3の一部が挿入されている。冷却水流入管 5 3の下流側開口は、電極冷却室 5 1に連通している。なお、電極冷却室 5 1の基端側は、上述したボディ 1 1の貫通穴 1 l aに連通している。基部 3 9の外周面には、電極冷却室 5 1をシールするために、〇リング 5 5が取付けられている。一方、電極片 4 7は、凹部 4 9内にろう付け、又は圧入等により取付固定される。

把手 1 3は、カートリッジ 1のトーチ本体 5 5への組み付け、及びトーチ本体 5 5からの取外しに際して用いられるもので、絶縁性材料から成る支持部材 1 4 1 4 一を介して貫通穴 1 1 aの基端側の開口に嵌合されている。把手 1 3は、カートリッジ 1をトーチ本体 5 5に嵌合するとき、例えば正方向に手動で回転させることによって雄ねじ部 3 1を雌ねじ部 6 9に螺合させ、カートリッジ 1をトーチ本体 5 5 から取り出すときには、逆方向に手動で回転させることによって雄ねじ部 3 1と雌ねじ部 6 9との間の螺合を解除させる。

次に、トーチ本体の構成を、図 2により詳細に説明する。

トーチ本体 5 5は、図示のように、シールドガスキャップ 5 7と、トーチキヤップ 5 9と、給電スリーブ 6 1と、マイクロスィッチ 6 3と、トーチボディ（ボディ） 6 5とを備える。

ボディ 6 5は、例えばセラミックや樹脂等の絶縁性材料によって構成されていて、内部にはカートリッジ 1を嵌合するための力一トリッジ収容空間部 Aと、冷却水漏れ防止用シリンダ部 Bと、冷却水 ·ガス供給路部 Cとが形成されている。空間部 A とシリンダ部 Bとは、共に図 2の左右方向に延びており、互いに並行になるよう形成されている。供給路部 Cは、全体として略 L字状に形成されており、空間部 A及びシリンダ部 Bに並行な部分と、空間部 Aに直交する部分とから成っている。

空間部 Aは、断面が略円形状を呈しており、その先端側開口（図 2の左端）が最も小径になるよう、また、基端部側開口（図 2の右端）が最も大径になるよう形成されている。空間部 Aの先端側開口と基端部側開口との中間領域においては、図 2 の左半分では略同一径に形成され、一方、図 2の右半分では基端部側（図 2の右側）に向うに連れて段階的に大径になるよう形成されている。空間部 Aの基端部側開口には、その形状に合せて段状に形成されたソケット部 6 7が嵌挿されている。ソケット部 6 7は、カートリッジ 1力トーチ本体 5 5に嵌合されたときに、外部電源（図示しない）から供給される電力を電極 7に与えるものである。

本実施形態では、ソケット部 6 7は、小径部位に形成された雌ねじ部 6 9に加えて、大径部位の内周面に金属等の導電性材料から成るフィン状の板ばね 7 1を更に備えている。雌ねじ部 6 9は、カートリッジ 1がトーチ本体 5 5に嵌合されたときに、ボディ 1 1の雄ねじ部 3 1と螺合して外部電源（図示しない）から供給される電力を電極 7に与えるための第 1の通電路を形成する。一方、板ばね 7 1は、カートリッジ 1がトーチ本体 5 5に嵌合されたときに、プラグ部 3 0の外周面を挟み込んだ状態で縮んでプラグ部 3 0に接触することにより、外部電源（図示しない）から供給される電力を電極 7に与えるための第 2の通電路を形成する。換言すれば、本実施形態では、板ばね 7 1及びプラグ部 3 0にコネクタとしての機能を付与したものである。

このように、本実施形態に係るプラズマトーチにおいては、カートリッジ 1をトーチ本体 5 5に嵌合することによって、外部電源（図示しない）から電極 7に対して上記第 1、第 2の 2つの通電路を通じて給電が行われることとなる。そのため、雄ねじ部 3 1 と雌ねじ部 6 9との間が締め付け不足や緩み等によって電気的に導通不良状態になり、第 1の通電路を通した給電が行われなくなつたとしても、板ばね 7 1 とプラグ部 3 0との上記接触状態による第 2の通電路を通した給電が確保されるから、上記導通不良部において発熱し溶損することはない。

空間部 Aにおいて、上述した中間領域の右半分は、内周側も外周側と同様に絶縁性材料から成る部材によって構成されており、その周面には、カートリッジ 1を空間部 Aに嵌合したとき、上述した冷却水注入管 2 7、及び冷却水排出管 2 9に夫々連通し得る位置に 2本のノズル冷却水送入管 7 3、 7 5が開口している。

一方、上述した中間領域の左半分は、内周側に給電スリーブ 6 1が挿入されている。給電スリーブ 6 1は、カートリッジ 1をトーチ本体 5 5に嵌合することにより、ノズル 3に対してパイロットアークのための給電を行うもので、筒状に形成されており、先端側開口に内向きフランジ 6 1 aを、また、基端側開口に外向きフランジ 6 1 bを、夫々有する。内向きフランジ 6 1 aは、カートリッジ 1をトーチ本体 5 5に嵌合するとき、ノズル 3の外向きフランジ 3 bが当接することにより、ノズル 3を含むカートリッジ 1を空間部 Aにおいて位置決めするよう機能すると共に、ノズル 3に対するパイロットアークのための給電の通電路としても機能する。なお、外向きフランジ 6 l bは、外部電源（図示しない）に電気的に接続されている。シールドガスキヤップ 5 7は、シールドガスを吹出すためのもので筒状に形成されており、空間部 Aの先端側開口に取付けられる。シールドガスキャップ 5 7の先端側には、シールドガスを旋回させて吹出すシールドガスノズル 7 9の下流端が開口している。シールドガスノズル 7 9の上流端は、キャップ 5 7の先端側外周部に取付けられたトーチキヤップ 5 9とキャップ 5 7の外縁部とによって形成されるシ一ルドガス室 7 7に開口している。なお、キャップ 5 7、 5 9の軸心と、ノズル 3 の軸心とは、一致するようになっている。

冷却水漏れ防止用シリンダ部 Bは、シリンダ 8 1 と、シリンダロッド 8 3と、ばね 8 5と、マイクロスィッチ 6 3とを備える。シリンダ 8 1は、その周面に、上述した 2本のノズル冷却水送入管 7 3、 7 5が開口しており、図 2の左端側にはマイクロスィツチ 6 3のレバー 6 3 aが突出している。シリンダロッド 8 3の周面には、ノズル冷却水送入管 7 3、 7 5に夫々対応して 2個の環状切欠き溝 8 7、 8 9が形成されており、環状切欠き溝 8 7、 8 9の近傍の外周面には、〇リング 9 1、 9 3、 9 5、 9 7が取付けられている。環状切欠き溝 8 7、 8 9は、カートリッジ 1が空間部 Aに嵌合されることによってシリンダロッド 8 3がシリンダ 8 1の左端面に圧接されたときに、ノズル冷却水送入管 7 3、 7 5に夫々連通する位置に形成される。この状態では、レバ一 6 3 aがマイクロスィツチ 6 3内に没入することとなるので、これによつてスィッチ 6 3から信号処理部（図示しない）にカートリッジ 1が空間部 Aに嵌合された旨の信号が出力される。なお、ばね 8 5は、シリンダロッド 8 3 を基端側に付勢している。

冷却水 ·ガス供給路部 Cは、上述したノズル冷却水送入管 7 3、 7 5と、環状冷却室 9 9と、冷却水流入路 1 0 1と、冷却水戻り路 1 0 3と、冷却水排水管 1 0 5 と、作動ガス供給路（図示しない）と、シールドガス供給路（図示しない）とを備える。環状冷却室 9 9は、カートリッジ 1が空間部 Aに嵌合されたとき、冷却室 9 9内に没入するノズル 3の外周面をノズル冷却水送入管 7 5、及び冷却水流入路 1 0 1を通って流入する冷却水により冷却するものである。冷却室 9 9からの冷却水は、冷却水戻り路 1 0 3、及び冷却水排水管 1 0 5を通って外部に排水される。なお、作動ガス供給路（図示しない）は、上述したプラズマガス室 2 2に連通しており、また、シールドガス供給路（図示しない）は、シールドガス室 7 7に連通している。

図 3は、本発明の一実施形態に係るトーチノズル、及びトーチ本体とを示す部分拡大断面図である。

更に本実施形態では、図示のように、ノズル 3の外向きフランジ 3 bの先端側の面、又は、給電スリーブ 6 1の内向きフランジ 6 1 aに、矢印 F方向に付勢力を生じるばね座金 1 0 7を介装している。このばね座金 1 0 7は、カートリッジ 1の空間部 Aに対する組み込みが緩かったり、或いはプラズマトーチの振動により外向きフランジ 3 bと内向きフランジ 6 1 aとが離間して図示のように隙間 dが生じても、上記付勢力によりばね座金 1 0 7の先端部が両者間の電気的な接触を確保するよう作用する。そのため、上述した隙間 dが生じたことにより、外向きフランジ 3 bと内向きフランジ 6 1 aとの間が導通不良になることはなく、導通不良によって外向きフランジ 3 bの端面、及び内向きフランジ 6 1 aの端面が溶損するのを防止でき以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、ソケット部 6 7に、雌ねじ部 6 9に加えて、金属等の導電性材料から成るフィン状の板ばね 7 1を備えることとしたので、カートリッジ 1を空間部 Aに嵌合すると板ばね 7 1がプラグ部 3〇をその外周面から挟み込むこととなる。そのため、上記嵌合を行った後は、プラグ部 3 0とソケット部 6 7との間の接続は緩みにくい。また、ソケット部 6 7とプラグ部 3 0とが金属等の導電性材料によって構成されているので、両者をトーチ本体 5 5とカートリツジ 1との間の電気的な導通のためのコネクタとして機能させることもできる。よって、通電路を 2箇所にすることができ、電気的な接続における信頼性が向上する。この場合、カートリッジ 1のトーチ本体 5 5に対する組み付けや取外し力、カートリッジ 1を回転させることにより行われるため、板ばね 7 1、及びプラグ部 3 0の双方の接触面が組み付けや取外しの度に磨かれることとなる。よつて、銪ゃごみ等の付着が生じ易い環境下でも導通不良が起こり難い。更に、ばね座金 1 0 7により、外向きフランジ 3 bと内向きフランジ 6 1 aとに隙間が生じても両者間の電気的な接触が確保されるので、外向きフランジ 3 bと内向きフランジ 6 1 aとの間が導通不良になることはなく、導通不良によって両者の端面が溶損するのを防止できる。

なお、上述した内容は、あくまで本発明の一実施形態に関するものであって、本発明が上記内容のみに限定されることを意味するものでないのは勿論である。

Claims

請求の範囲

1 . トーチ本体と、

前記トーチ本体内に挿入されて固定される電極を含んだカートリッジと、前記トーチ本体と前記カートリッジとの間に介在されて両者の間に押し縮められている弾性部材と、

を備えることを特徴とするプラズマトーチ。

2. 請求項 1記載のプラズマトーチにおいて、

前記弾性部材が、導電性材料により構成されていることを特徴とするプラズマトーチ。

3. 請求項 1又は請求項 2記載のプラズマトーチにおいて、

前記弾性部材を通して前記トーチ本体から前記電極への通電が可能であることを特徴とするプラズマトーチ。

4 . トーチ本体と、

前記トーチ本体内に挿入されて固定される先端ノズルを含んだカートリッジと、前記トーチ本体と前記先端ノズルとの間に介在されて両者の間に押し縮められている弾性部材と、

を備えることを特徴とするプラズマトーチ。

5 . 請求項 4記載のプラズマトーチにおいて、

前記弾性部材が、導電性材料により構成されていることを特徴とするプラズマト

6. 請求項 4又は請求項 5記載のプラズマトーチにおいて、

前記弾性部材を通して前記トーチ本体から前記先端ノズルへの通電が可能であることを特徴とするプラズマトーチ。

7 . トーチ本体と、前記トーチ本体内に挿入されて固定されるカートリッジとを備えたプラズマトーチにおいて、

前記カートリッジが、夫々別々の電圧が印加されるべき先端ノズル及び中心電極を有し、

前記トーチ本体が、前記先端ノズルに電気的に接続されるべき先端側筒体と、前記電極に電気的に接続されるべき基端側筒体とを有し、

前記カートリッジの先端側部分と前記トーチ本体の先端側部分との間に介在されて両者の間に押し縮められている第 1の導電性弾性部材と、

前記カートリッジの基端側部分と前記トーチ本体の基端側部分との間に介在されて両者の間に押し縮められている第 2の導電性弾性部材とを有することを特徴とするプラズマトーチ。