JPH01306076A - 磁場発生装置付きプラズマトーチ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明はプラズマ加工機の磁場発生装置付きプラズマト
ーチに係わり、殊に耐久性を向上させたプラズマトーチ
、かつ、高精度プラズマ加工を行うに好適なるプラズマ
トーチに関する。

（従来の技術） 従来のプラズマ加工機のプラズマトーチについて、この
種の代表的プラズマトーチの模式断面図（第４図）を参
照し以下説明する。同図（ａ）に基づき、先ずプラズマ
トーチの構成について説明する。これは大きく分けて電
極１とノズル３とから構成される。電極１は直流高周波
回路からの配線ＩＡに接続され、高熱伝導率かつ導体な
る銅材Ｃｕ等のホルダＩＢと、このホルダＩＢの放電空
間側の先端部中心部内に埋め込まれたハフニウムＨｆ、
ジルコニウムＺ「又はタングステンＷ等の陰極ＩＣ部材
とで構成される。一方ノズル３は前記電極１に絶縁機能
を有するスワラ−６を介して外接しこの電極１を保持す
るための構成体であって、その先端のオリフィス３Ｃの
中心線は前記電極１の中心線と一致する。尚、かかる構
成であっても、その材質又はサイズ等は、被加工材の材
質、加工形態、プラズマガスの種類、作動電流等諸条件
が勘案された上、これらが適宜選択され組み合わされる
のが一般である。次にプラズマ放電４Ａの安定化につい
て説明する。従来、プラズマトーチの耐久性の向上及び
プラズマ加工の精度の向上は、プラズマ加工分野の学究
機関及び産業界における達成必須なる課題とされており
、このプラズマ放電の安定化を解決するための有効なる
手段として採用されている技術に旋回気流によるアーク
の安定化がある。動作ガス２は所定の圧力Ｐｏで導入通
路３Ａを経てスワラ−３Ｂに至る。ここで旋回速度成分
２人が付与され、オリフィス３Ｃまでの間において旋回
流２Ｂを生じ、この旋回流２Ｂにより、陰極点（以下、
放電点と呼ぶ）が電極ｌの中心に安定的に保持されるよ
うになる。換言すれば、放電点が電極１中心に安定的に
保持されれば、この放電点からのプラズマアーク柱４Ａ
もまた安定的に保持される。この作用を、より詳細に説
明すれば、同図（ｂ）に示す通り、旋回流２Ｂがなす圧
力分布Ｐｎはその旋回中心の圧力がその旋回外周部の圧
力よりもより低いことから、放電電流がこの低圧部を経
由して流れようとする。

従来のプラズマトーチの構成はかかる性質を積極的に利
用しプラズマ放電を安定化しようとするものである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、かかる従来の構成のプラズマトーチには
、次に掲げる問題がある。従来の技術では放電点の安定
化（即ち、プラズマアーク柱の安定化）が旋回流という
流体力学的手段により得られた圧力分布によって行われ
ているため、微視的には放電点の揺らぎ（即ち、プラズ
マアーク柱の揺らぎ）が常時発生することになる。更に
第５図に示す通り、陰極ＩＣ部材が使用で消耗する（同
図（ａ）→（ｂ））と、陰極表面が初期表面よりも内部
に８頃し、これに追従して陰極表面の圧力分布がより鈍
くなるため、放電点の揺らぎが更に増大する。陰極表面
の８損が更に進行し、圧力分布による放電点の維持が不
可能になると、異常放電を起こし破壊に至る（同図（ａ
）→（Ｃ））。

即ち、従来の構成では、放電点の揺らぎ、そして使用中
の揺らぎ増大という必然性のため、放電点（ｆｆｌ］ち
、プラズマアーク柱）の安定化が期待以上に達成され得
ない。換言すれば、放電点の揺らぎがプラズマトーチの
耐久性の低下と、力■工精度の悪化と言う問題の主要な
要因となっていると考えられる。

本発明は、かかる従来の問題点に着目し、放電点の揺ら
ぎ発生を可能な限り抑制することにより、耐久性の高い
プラズマトーチを、そして高精度なるプラズマ加工が行
えるプラズマトーチを提供することを目的とする。

（課題を達成するための手段） 上記目的を達成するため、本発明に係わる磁場発生装置
付きプラズマトーチは、プラズマトーチに磁石を備え、
この磁石の生成する磁場が陰極表面近傍において、陰極
中心線と直交する平面上で、前記中心線上にて最大の磁
場強度を有するように磁石を配置する構成とした。

ここで言う磁石きは、永久磁石若しくは電流によって作
られるコイルや電磁石又は磁化されたもの、即ち磁界を
備えるものの総称を指し、これら６ｆＪ石の生成する磁
力線とほぼ並行してプラズマアーク柱の放電軸に沿うよ
う、該磁石を配置した構成の磁石付きプラズマトーチで
ある。

（作用） プラズマトーチ内に形成される高温、高気圧のアーク柱
は、理論的に連続体としての導電性電磁流体として取り
扱うことができる。このような電磁流体は外部磁場が加
えられた場合、その磁力線に沿ってその密度、圧力、温
度等の熱力学的諸量を不変に保とうとする性質を有する
。例えば第２図（ａ）に示すように、アーク柱４Ａに対
してほぼ並行に外部磁場が加えられた場合、任意の一本
の磁力線４Ｃに座標軸Ｓをとれば、アーク柱４Ａの圧力
をＰとすると、 θＰ −＝　０　−−−・−（１） θＳ なることを証明することができる。これは、アーク柱４
Ａを構成するプラズマの圧力が磁力線４Ｃに沿って変化
しないことを表している。もしアークの温ｊ変Ｔが磁力
線上にとられた座標軸Ｓ上の微小区間で不変であるなら
ば、アークの密度ρもまた、その微小区間で不変に保た
れる。実際に第２図（ａ）のような外部磁場を加えられ
たアーク打は、微小圧力変動等の揺らぎによりその位置
が変動する場合、式（１）を満足するために磁力線をひ
っばりながら磁力線とともに変動する。しかし、印加す
る磁場強度を強くすると、磁力線によるアークの揺らぎ
を防止しようとする力（磁気圧）が強くなるため、アー
ク柱は、その揺らぎを強力に抑制され、磁力線に沿って
安定的に維持されるようになる。

前述のトーチの構成は、このような現象を考慮すること
によりなされたもので、陰極表面近傍で、第２図（ｂ）
に示す如くアーク柱４Ａとほぼ並行する磁力線分布を持
ち、かつ、陰極の中心線（プラズマアーク社中心線４Ｂ
）上で最大の磁場強度を有するような磁場を発生するよ
うに永久磁石５等の磁場発生装置を装着している。

このようにプラズマトーチを構成することにより、放電
点を陰極ＩＣの中心部により安定的に固定することが可
能である。

（実施例） 以下本発明に係わる実施例を図面（第１回及び第３図）
を参照し説明する。第１回は本発明に係わる磁石付きプ
ラズマトーチの一実施例を示すは第３図は第１実施例の
効果を示す実験グラフ回である。第１図の実施例の磁石
付きプラズマトーチの構成は、（従来の技術）第４図で
概説の従来の代表的プラズマトーチに、磁石を備えた実
施例の模式断面を示す図である。従って、以下構成の説
明については、従前概説の従来構成を省略し、本発明に
係わる主要部の磁石の配置構成のみを主体に述べる。同
図において、磁石５は断面が略箱服外形がリング状の永
久磁石であって、これを陰極ｌの外周に外接してこの陰
極を保持する陰極ホルダ６の外周に固設した構成である
。そして該磁石５のリング中心及び平行間がプラズマア
ーク柱４Ｂの軸中心線４Ｂと路間−となるよう固設され
た構成とした。第３図はこの実験結果であり、これを説
明すると、従来のプラズマトーチＰ１が、その陰極が約
２８０回の発停回数において約８０分の累積アーク時間
の寿命、また約１５０回の発停回数において約３２０分
の累積アーク時間の寿命であるに対し、本実施例のプラ
ズマトーチＰ２では、その陰極が約４２０回の発停回数
において約１２５分の累積アーク時間の寿命、また約２
６０回の発停回数において約４８０分の累積アーク時間
の寿命を備えている。更にプラズマトーチＰ３に到って
は、その陰極が約４８０回の発停回数において約１５０
分の累積アーク時間の寿命、また約３７０回の発停回数
に到っては約７４０分の累積アーク時間の寿命という高
結果を得ることができた。これをグラフ上にプロントし
たものが第３図である。図面から分かるように、例えば
ＰｌとＰ３とを同グラフ図に基づき比較すると、最大発
停回数（消耗曲線が縦軸と交わる点）の場合におけるＰ
ＩとＰ３との有異差は少ないが、定常運転状態（消耗曲
線が横軸と交わる点）では、数倍〜数十倍の耐久性の向
上を図り得ることが分かる。

使用後（即ち、寿命後）の陰極部材（）＼フニウム１１
ｆ）の８打１深さをそれぞれＰｌ、Ｐ２、Ｐ３で比較し
たところ、Ｐｌに対しＰ２とＰ３とは１．２〜１．３倍
の深さとなっていた（このことは単純計算によっても２
０〜３０％の寿命向上を意味する。

）更に、被加工材７の切断面について述べれば、Ｐ２と
Ｐ３とはｌ）　１のそれと比較し、ヘベル角やカーフ幅
の変動が格段に少ない優れた切断精度を得ることができ
た。他の実施例として、磁石材料５を上記第１実施例の
永久磁石から電流によって作られるコイルや電磁石又は
磁石化されたもの等に変えたものでもよい。更に磁石の
配置位置、形状、又は数量を変えるか又は組み合わせた
ものでもよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明に係わる磁場発生装置付きプ
ラズマトーチは、電極寿命を大幅に増長すると同時によ
り高精度なプラズマ加工を行うことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる磁石付きプラズマトーチの一実
施例を示す図、第２図（ａ）はプラズマアーク軸に直角
に交わる平面の磁束強度の分布を示す図、（ｂ）はプラ
ズマアーク柱と磁力線との関係を説明する図、第３図は
上記実施例の効果を示す実験グラフ図、第４図は従来の
代表的プラズマトーチを示す図であって、図（ａ）はそ
の模式断面を示す図、図（ｂ）は旋回流がなす圧力分布
を示す図、第５図は陰極部材が使用により消耗し破壊に
至る過程を示す図（図（ａ）→図（ｂ）→図（Ｃ））で
ある。 １・・・電極　　　　ＩＡ・・・配線 １Ｂ・・・ホルダ　　　ｔＣ・・・陰極２　・・動作ガ
ス　　　２Ｂ・・・旋回流３・・・ノズル　　　３Ａ・
・・ガス導入通路−３Ｂ・・・スワラ−３０・・・オリ
フィス４Ａ・・・プラズマアーク柱 ４Ｂ・・・プラズマアーク柱中心線 ４Ｃ・・・磁力線　　　５・・・磁石 ６・・・絶縁体（スワラ−） ７・・・被加工材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. プラズマトーチに磁石等の磁場発生装置を備え、前記磁
   場発生装置の生成する磁場がプラズマトーチの陰極表面
   近傍で、この陰極の中心軸に対して軸対称であり、かつ
   、この中心軸に直角に交わる平面上で前記中心軸上にお
   いて最大の磁場強度を有することを特徴とする磁場発生
   装置付きプラズマトーチ。