JPH05501081A

JPH05501081A - プラズマアークトーチ及びプラズマアークトーチを用いてプラズマアークにより工作物を突き通し、次いで切断する方法

Info

Publication number: JPH05501081A
Application number: JP2511517A
Authority: JP
Inventors: サンダーズ，ニコラス　エイ．; クーチ，リチャード　ダブリュー．，ジュニア
Original assignee: ハイパーサーム，インコーポレイテッド
Priority date: 1989-08-17
Filing date: 1990-07-10
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: EP0585977A1; DE69032704D1; US5120930A; CA2065025C; DE69032704T2; AU644807B2; CA2065025A1; JP2739522B2; EP0585977B1; DE69014304D1; EP0487573A4; DE69014304T2; AU6162390A; EP0487573B1; EP0487573A1; WO1991002619A1

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】改良されたノズル遮蔽体を備えた、段階流れ式プラズマアークトーチ交丘立！本発明は、本発明は、金属工作物を切断するための切断用プラズマアークトーチに関し、特に、工作物を突き通し、切断する開、トーチのノズルを損傷及びダブルアークから防護するプラズマアークトーチに関する。皮血互遣現在のプラズマアークトーチ基本的構成要素は、トーチ本体と、該本体に取付けられた電極（陰極）と、適当なガス（例えば、窒素）の流れ流れ内にプラズマアークを創始するためにパイロットアークを創生ずる、中央オリフィスを備えたノズル（陽極）であり、それらに関連して、電気配線、冷却ガス及びアーク制御用流体のための通路及び管が設けられ、工作物に近接したトーチの面に通常はセラミック製のインサート（挿入体）が取付けられる。プラズマを創生ずる流体の流れ力学を制御するようにしたいろいろなプラズマアークトーチが知をねている６その一例は、米国特許第３，６４１，３０８号に開示さ拘束する方法である。いずれにしても、プラズマアークの温度が１０，０００’　Ｃを越え、制御しなければ、ノズルを破壊してしまうおそれがあるので、トーチを冷却することが必要である。水の電熱能力はいかなるガスのそれよりもはるかに大きく、しかも水は容易に得られ、安価な液体であるから、従来から水による冷却が好まし１　いとされている。しかしながら、金属工作物を突き通すに当り、トーチの設計において配慮すべきもう１つの重要な事項は、切込まれた金属の切り目からトーチへ溶融金属が跳ね返り、それによってノズルを破壊するおそれがあることである。溶融金属の跳ね返りによるノズルの破壊には２通りの態様がある。１つは、金属の切り目から跳ね返った溶融金属が、プラズマジェットを攪乱してプラズマジェットがノズルをえぐってしまう態様である。もう１つは、溶融金属が固化してノズルの正面に付着し、それによってノズルと工作物の間に電気ブリッジを形成してしまうことである。その結果、ノズルの寿命を大幅に短縮してしまう、いわゆる「ダブルアーク」を生じることになる。溶融金属の跳ね返りによって惹起されるノズルのえぐりとりゃダブルアークの問題を解決するために従来から幾つかの提案がなされている。高電流（２００アンペア以上）のプラズマアークトーチにおいては、１つの解決法は、水噴射冷却力と共に多部片型ノズルを用いることである。ハイバーサーム・インコーホレイテッド社製のこのタイプの典型的なノズルは、第１及び２図に概略的に示されている。第１図に示されたものは、ハイバーサ−ムＨＴ４００　０．０９９型、ＨＴ４００　０．１６６型及びＰＡＣ５０００，１８７型に相当するものであり、ノズルの前端面がセラミックで形成されている。この構成は、（１１セラミック製のノズル前端面ば非導電性であるからダブルアークを起すことがなく、（２）セラミックのバリヤーがノズルを防護するので、上述したダブルアークと、ノズルのえぐり損傷のいずれをも抑制する。更に、セラミック製のノズル部片を冷却することと、金属への切込み中に跳ね返る溶融金属を水蒸気で冷却することによる水の優れた冷却特性が、溶融金属がセラミック部材に付着又は融着するのを、あるいは極端な場合は、溶融金属がセラミックを攻撃するのを防止する。第２図に示されたものは、ハイバーサーム・インコーホレイテッド社からＰＡＣ５０００，２５７型として販売されているノズルに類似した高電流多部片ノズルの変型である。やはり、このトーチの場合も、上記問題の解決法は、半径方向に水を噴射することであるが、セラミック製ノズルの代わりに、銅製のノズル前端部片が使用されており、ノズルの前端面な電気的に隔離するためにノズルの構成部片の間に絶縁体が介設されている。銅は、セラミックより冷却し易く、しかも、過酷な使用にも、低電流作動においては水冷却がプラズマから過度のエネルギーを奪ってしまう、さりとて、溶融金属の跳ね解決法は、単一体の銅製ノズルを使用し、ノズルを溶融金属の飛び散りから防護する措置を講ぜず、１５０アンペア以下での作動に限定することであった。その場合、ノズルを時折ガスで冷却し、ガスは遮蔽ガスとして機能ズルをえぐらせてしまうばかりでなく、ノズルの前端面のノズルの一般的な寿命は、６．３５ｍｍ圧の軟鋼板をめのいろいろな試みがなされてきた。１つの試みは、第４図に示されるように、ノズルの外側にセラミック製の絶縁スリーブを付設することである。これは、いわゆるは、ノズルと工作物との接触を防止することである。かくして、操作者は、ダブルアークを起すことなく、トーチを工作物に沿って摺動させることができろ。しかしながら、このセラミック製のスリーブは、突き通し作業中溶融金属の飛び散つと、それに伴うえぐり作用及びダブルアークの発生に対しては何らの防護作用ももたない。又、セラミック製スリーブは、（１）脆弱で、破損しやすく、（２）水冷による防護を受けないので、工作物の切り目から跳ね返る溶融金属によって攻撃される。第１〜４図に示された従来技術のどの構成にも、冷却流体が工作物の切り目に干渉するのを制御する手段は講じられていない。又、金属が一旦突き通された後の平常切断作業中はともかくとして、金属への最初の突き通し作業中におけるノズルの防護手段は開示されていない。単一体ノズルの交換は、５０アンペア以下の作動にいおいては許容できるが、５０〜２００アンペアの作動範囲では溶融金属によるノズルの損傷が頻繁に生じるので、ノズルの交換はもはや経済的に許容しえないものとなる。この問題は、作動電流が大きくなるほど深刻になるので、１５０アンペア以上で作動することができる単一体ノズルの産業用プラズマアークトーチは、まだ、存在していない。ｌ豆立！ｊ従って、本発明の目的は、水冷法を使用せず、しかも、０〜２００アンペア、又はそれ以上のアンペアででも作動することができ、ノズルが溶融金属のえぐり作用を受けるのを防止し、ダブルアークを生じるのを防止し、金属への初期突き通し作業の際にノズルを防護するようにしたプラズマアークトーチ及び方法を提供することである。本発明の他の目的は、上記利点を有し、ガス冷却法を用いるが、ノズルから噴出するガスがアークの切断作用を妨害せず、切断品質を劣化させないようにしたプラズマアークトーチ及び方法を提供することである。本発明の更に他の目的は、単一体のノズルに上記利点を付与することである。　本発明の他の目的は、既存のプラズマアークトーチに後付けで組入れることができる交換自在の部品と慣用の規格材料を用いて上記利点を提供することである。本発明の更に他の目的は、製造コストを許容しつる程度に維持したままで、上記利点を提供することである。上記目的を達成するための本発明のプラズマアークトーチは、本体と、該本体内に取付けられた電極と、プラズマアークによって突き通し切断すべき工作物に近接して該本体の下端に取付けられたノズルを有する。電極とノズルとの間の空間が、イオン化されてプラズマアークを創生する一次ガス流を導入するための一次ガス流路を画定するように構成する。本体には、−次ガス流を供給するための内部通路を形成する。プラズマアークは、一旦工作物を突き通すために工作物との間に設定されると、ノズルのオリフィスから放射し続ける。このプラズマアークトーチは、電極とノズルの間に通常Ｏ〜２００アンペアの範囲の直流電流を通すための導線を備えている本発明によれば、熱伝導性の高い材料、好ましくは銅で形成されたカップ形遮蔽体を、前記本体をそれから離隔して囲繞するように該本体の下端に取付ける。この遮蔽体には（ｉ）ノズルオリフィスと整列する中央噴出オリフィスを形成し、（ｉ　ｔ）工作物に直面する該遮蔽体の前端面に該中央噴出オリフィスの周りに少くとも１つの開口、好ましくは複数の放出孔を円周方向に等間隔に形成する。誘電材で形成された取付はリングによりこの遮蔽体を支持するとともに、遮蔽体を前記本体から電気的に絶縁し、遮蔽体を電気的に「浮いた」状態にする。それによってダブルアークの発生を防止する。二次ガス流を前記遮蔽体を冷却するのに十分な流量で前記本体を通し、ノズルと遮蔽体の間の空間を通して送給するすための二次ガス流通流手段を設ける。この二次ガス流通流手段は、最初に、前記本体に螺着したキャップによって該本体内に画定した充気チャンバーに流入させるようにすることが好ましい、このキャップは、前記絶縁取付はリングを支持する。充気チャンバーは、二次ガス（冷却ガス）を前記キャップのフランジに形成した１組の傾斜ボートを通して送給し、二次ガス流に渦流を惹起する。その渦流の一部分を、前記遮蔽体の前端面に形成された前記放出孔を通して逃がす。残りのガス流は、プラズマアークへ差向はプラズマアークを安定化させる。二次ガス流は、又、遮蔽体の全端面な冷却する働きをする。前記放出孔の個数及び寸法、前記噴出オリフィスの直径、遮蔽体とノズルとの間の間隔、及び二次ガス流の流量は、プラズマアークの上記安定化を達成し、かつ、遮蔽体への溶融金属の付着又は融着を防止するのに十分な冷却を遮蔽体に施すたようにそれぞれの応用例に応じて実験的に定める。遮蔽体の、噴出オリフィスのところの縁は、前記残りの冷却ガス流（二次ガス流）とプラズマアーク（即ち、イオン化された一次ガス流）の円滑な合流とトーチからの円滑な放射を促進するために丸みを付することが好ましい。前記放出孔は、プラズマアークから離れる方向に、垂直線（金属工作物の面に対して垂直なプラズマアークの軸線方向）から５°〜９°の角度で傾斜させる。この角度は、約５５°とするのが好ましく、前記遮蔽体の傾斜した側壁に真直な円筒孔で画定するのが好ましい、この側壁であれ、円筒孔であれ、あるいは両者を組合せたものであれ、その傾斜角度は、放出孔を通って流出する余剰の二次ガス流がプラズマアークの切断作用を妨害しないように特定の応用例に応じて定める。二次ガス流管は、トーチの作動条件の変化に合わせて調節するために二次ガスの流量を迅速に、かつ、確実に変更するための機構を備えている。好ましい実施形態では、二次ガス流管の２つの並列分岐管のい一方に電動弁を配設し、その弁を開放したとき二次ガスを高い流量で供給するようにする。この状態では、金属工作物を突き通す際に受ける極めて苛酷な条件下でもノズルを防護するのに十分な冷却をノズルに施すことができる。突き通しが完了した後、この弁を閉鎖し、それによって二次ガス即ち冷却ガスを、工作物の平常切断作業に適するはるかに低流量にセットされた別の弁を備えた他方の分岐管を通して送給する。この低流量の二次ガス（冷却ガス）流は、切断品質を劣化させろうことがない。本発明のこの構成によれば、二次ガス流は、ガスの比熱は冷却液特に水の比熱より何倍も小さいにも拘らず、上記遮蔽体を上述したように溶融金属又はプラズマアーク自体による破壊から防護するのに十分なだけ冷却するのに十分であることが認められた。又、この二次ガス流は、トーチによって行なわれる切断の品質を著しく改良するものであることも認められた。上記放出ボート及び噴出オリフィスは比較的小さいので、ノズルを急激に破壊するおそれのある溶融金属を実質的に完全に阻止する。又、放出ボートを前記遮蔽体の、工作物に対面する前端面にではなく、遮蔽体の側壁に配置することも、ノズルを溶融金属の跳ね返り飛沫から遮蔽するのに役立つ。本発明は、又、トーチ内に取付けられた電極と、工作物に近接してトーチの一端に取付けられたノズルとの間にイオン化ガスを創生ずるトーチを用いてプラズマアークにより工作物を突き通し、切断する方法において、遮蔽体を用いてノズルを工作物から飛び散る溶融材から遮蔽し、遮蔽体をガス流で冷却し、二次ガス流をトーチが実施する作動の関数として制御することを特徴とする方法を提供する。この方法は、又、全流量を高めるために二次ガス流の一部分を逃がし、プラズマアークによる高い品質の切断を達成するのに十分な速度及び質量流量で二次ガス流に渦流運動を付与し、逃がされたガス流は、プラズマアークによる切断作業を妨害しないようにアークから離れる方向に差向ける工程を含む。図面の簡単な説明第１図は、従来技術の高電流水噴射式プラズマアークトーチの電極及び多部片ノズルの縦断面図である。第２図は、従来技術の高電流水噴射式プラズマアークトーチの別の例の電極及び多部片ノズルの縦断面図であ第３図は、従来技術の低電流プラズマアークトーチの電極及び単一体ノズルの縦断面図である。第４図は、従来技術の低電流プラズマアークトーチの、円筒形セラミック製遮蔽体を用いた電極及び単一体ノズルの縦断面図である。第５図は、本発明によるプラズマアークトーチの概略断面図である。第６図は、第５図のプラズマアークトーチのノズル、キャップ、遮蔽体及びガス流流路の詳細図である。第７図は、第５及び６図のプラズマアークトーチの下方部分の一部切除した透視図である。第８図は、第７図のプラズマアークトーチの分解透視図である。第９図は、第７及び８図のプラズマアークトーチの透視図である。第１０図は、第９図と同様な図であるが、遮蔽体の変型例を示す。第１１図は、第５〜１０図のプラズマアークトーチの概略立面図であり、工作物を突き通すところを示す。第１２図は、突き通された後の第１１図の工作物の切り目を示す縦断面図である。第１３図は、第５図と同様な図であるが、本発明の変型実施例によるプラズマアークトーチ及び二次ガス流制御系を示す。Ｋ血１第５及び６図は、本発明に従って構成されたプラズマアークトーチ（以下、単に「トーチ」とも称する）１０を示す。トーチ１０は、本体１２と、電極１４と、ノズルオリフィス１８を有するノズル１６と、本体１２に螺着したキャップ２０と、キャップ２０に螺着又はその他の手段で固定した絶縁リング２２を備えている。第１１．１２図にも示されるように、プラズマアーク（以下、単に「アーク」とも称する）２４は、工作物例えば軟鋼の厚板にぶつか、って工作物の金属を突き通し、切り目２７を形成する。その突き通された部位の溶融金属２６ａは、最初は側方へ飛び散るが、工作物への切込みが深くなるにつれて、より垂直に飛び散り、ノズル１６に向けて跳ね返る。工作物からノズルへの溶融金属の跳ね返りは、極めて激しく、この初期突き通し作業中にノズルを損傷するおそれが非常に大きい。工作物を突き通した後の平常切断作業においては、溶融金属は、重力によって切り目から下に落下するので、溶融金属の跳ね返りによるノズルの損傷を防止するためにノズルを冷却することはそれほど重要でなくなり、ノズルから噴出する冷却ガスが切り目におけるプラズマアークの切断作用を妨害するのを回避することが、より重要となる。図に示されるように、本体１２は、総体的には中実の、円筒形単一部材であり、単独で又は他の部品と協同して流体の流路及び電気コネクタを構成するためのＧＡろし１ろな内部通路及び凹部を有する。ただし、本体１２は、必要な支持機能を提供し、必要な内部通路を構成する限り、多部片構成とすることができ、いろいろな形態とすることができる１図示の好ましい実施形態では、電流リング２８が本体１２の該外周の周溝１２ａ内に固定されている。電流リング２８は、良好な導電特性を有する素材、例えば黄銅で形成されており、本体１２の上端を貫通したパイロットアーク導線３０に電気的に接続しでいる。キャップ２０も、銅又は黄銅のような良好な導電体で形成されており、ノズル１６へのパイロットアークの回路を閉成する。ノズル１６は、キャップ２０のフランジ２０ａと本体１２の下端に形成された円形凹部１２ｂの間に脱着自在に挟着される。凹部１２ｂとキャップ２０は、又、ノズル１６をトーチ１０内に心合させる働きもする。本体１２は、又、電極１４を本体の上端を貫通した電気導線３２に電気的に接続するように脱着自在に保持する中央孔１２ｃを有している。内孔１２’ｃは、又、電極１４をノズル１６の内表面から均一に離隔させ、電極との間にプラズマチャンバー３４を画定する。ガス管３４が、窒素等の慣用のガスの一次流をプラズマチャンバー３４へ導くために本体１２を貫通して内部へ延長しており、−次ガスはチャンバー３４内でイオン化されてプラズマアーク２４を形成し、プラズマアークはノズルオリフィスを通って放射する。本発明によれば、ノズル遮蔽体（以下、単に「遮蔽体」とも称する）３８を設け、その上方側壁３８ａを絶縁リング２２に螺着させる。第５．６図に概略的に示されるように、遮蔽体３８は、上方側壁３８ａと、前端面３８ｃと、総体的に円筒形の下方側壁３８ｂと、前端面３８ｃと、側壁３８ａと３８ｂの間に延長した引込み前端面３８ｄを有する段付カップ形状である。遮蔽体３８は、高い熱伝導率を有する金属から一体部材として機械加工によって形成するのが好ましい。好ましい素材は、銅である。遮蔽体３８は、キャップのフランジ２０ａ及びノズルから離隔し、ガス流通路４０を画定するように形成されている。遮蔽体の前端面３８ｃは、プラズマアークのための放射路を画定するようにノズルオリフィス１８と整合する噴出オリフィス４２を有し、更に、噴出オリフィス４２から半径方向外方に離れた部位に１組の円周方向に等間隔に配置された放出孔４４を有する。二次ガス流路４６は、本体１２を貫通した供給管５゜からの窒素等の二次ガス即ち冷却ガスの流れ４８を充気チャンバー５２へ導き、そこからキャップフランジ２０ａに穿設された１組の孔即ちボート５４を通して空間即ちガス流通路４０へ導く。充気チャンバー５２は、キャップ２０と、それと対置したトーチ本体１２の外側壁と、ノズル１６の挟持部分とによって画定され、空間４０を通るガス流を供給管５０内のガス圧又は流量の過渡的な変動から隔離する局部的なガス溜めを構成する。ボット５４は、等間隔に離隔させるのが好ましく、遮蔽体３８を、それに上述した跳ね返り溶融金属が付着するのを防止する温度にまで冷却するのに十分な流量のガス流を空間４ｏを通して通流させるような大きさとする。ボート５４は、又、空間即ちガス流通路４０を通る二次ガス流４８に渦流運動を誘起させるように円周方向に傾けられている。この渦流は、プラズマアーク２４によって工作物２６に切込まれる切り目２７の品質に重要な関係があることが判明している。ボート５４の傾斜度は、ガスの流量に関連して定める。既知のトーチにおいて典型的な切断作業を実施する場合、１°〜５°の範囲の傾斜角とするのが好ましく、特に２°が好ましいことが認められた。孔４４は、二次ガス流４８を高い流量で空間４ｏを通し、冷却量を増大させるすことができるようにするために、二次ガス流の一部分を逃がす、即ち放出させる。放出孔４４を通して一部分を放出させた残りの二次ガス流４８ａは、放出孔４４より内方へ渦流状に流れ、（１）前端面３８ｃを冷却し、（２）プラズマアーク２４を安定化させる、即ち、プラズマアークがノズル１６及び遮蔽体３８を攻撃し、えぐることがないようにプラズマアークの位置及び直径を制御する。噴出オリフィス４２の上縁は、残りの二次ガス流４８ａがプラズマアークに遭遇してそれと相互作用し、噴出オリフィス４２から下方へ流れるのを円滑にするように丸みを付されている。第７〜１０図は、第５．６図に概略的に示されたトーチ１０の商業版を示す。第７図の例の遮蔽体３８は、第５．６図に示されるような平坦な前端面な有している。第９図は、組立てられた状態の第７図のトーチの下端を示す。電極、電流導線、及びガス通路は示されていない第１０図の例の遮蔽体３８は、各放出孔４４に組合せて半径方向の凹溝な備えた前端面を有している。この構成は、切り目から跳ね返った溶融金属が放出孔４４の１つを通ることによって、あるいは放出孔４４を閉塞することによってノズル１６を攻撃する可能性を少なくする第１３図は、トーチ１０の変型例を示す。このトーチは、（１）ノズル遮蔽体３８が傾斜した側壁３８ｂに形成された半径方向外方に向けられた放出孔４４を備えており、（２）二次ガス流供給管５ｏへの二次ガス流の流れを制御するための流れ制御系６０を備えているという点を除いては、第５図に示されたもとのと実質的に同じである。放出孔４４゛は、第５．６図に概略的に示されたトーチ１０の商業版を示す。第７図の例の遮蔽体３８は、第５．６図に示されるような平坦な前端面を有している。第９図は、組立てられた状態の第７図のトーチの下端を示す。電極、電流導線及びガス通路は示されていない。第１０図の例の遮蔽体３８は、各放出孔４４に組合せて半径方向の凹溝な備えた前端面を有している。この構成は、切り目から跳ね返った溶融金属が放出孔４４の１つを通ることによって、あるいは、放出孔４４を閉塞することによってノズル１６を攻撃する可能性を少なくする。第１３図は、トーチ１０の変型例を示す。このトーチは、（１）ノズル遮蔽体３８が傾斜した側壁３８ｂに形成された半径方向外方に向けられた放出孔４４を備えており、（２）二次ガス流供給管５０への二次ガス流の流れを制御するための流れ制御系６０を備えているという点を除いては、第５図に示されたもとのと実質的に同じであ放出孔４４°は、遮蔽体の側壁３８ｂに直接穿設するのが好ましく、「垂直線」に対して０°より大きい、好ましくは５５°の角度Ａとする。ここで、「垂直線」とは、プラズマアークに総体的に整列したトーチの長手軸線の方向であり、工作物２６の表面に対して横断方向として定義される。選択すべき正確な角度は、使用する二次ガスの流量及び切断条件に応じて決定される。一般に、ノズルを冷却するのに必要な二次ガスの流量が大きいほど、放出孔４４ °の傾斜角を大きくする。第１３図では、放出孔４４°は、傾斜した側壁３８ｂの平面に対して垂直な真直な円筒形の孔として図示されているが、もちろん、側壁３８ｂに、あるいは第５図に示されるように垂直な側壁３８ｂに、あるいは第６図に孔４４”として仮想線で示されているように前端面３８ｃに、それぞれの壁の平面に対して角度をなして穿設することができる。ただし、傾斜した壁にその壁の平面に対して垂直に穿設した孔が、二次ガス流の所望の一部分を逃がし、ノズル遮蔽体の所望の冷却を達成し、しかも、できるだけ層流状の流れとして二次ガス流を導くという点で多少有利であることが認められた。流れ制御系６０は、二次ガスの共通の供給源から供給される２本の並列分岐管６２．６４を含む。並列分岐管６２．６４は、いずれも、上述した同じ二次ガス供給管５　５０に二次ガスを供給する。分岐管６２は、閉鎖位置と全開位置との間で切換えられるインライン電動弁６６を５　備えている。弁６６は、その全開位置においては管５０Ｆ　へ多量の二次ガスを通し、プラズマアークによる工作物への突き通し作業中ノズル及び遮蔽体を防護するためにＩ　のする及び遮蔽体を十分に冷却する。例えば、トーチを２００アンペアで作動させ３／４　ｉ　ｎ　（１９，０５ｍｍ）厚の軟鋼板を突き通す場合、弁６６及び管５０を通す二次ガス流４８は、通常、２４０　ｆ　ｔ’　７分（６，７９て供給される電気信号Ｓによって弁６６が閉鎖される。その結果、二次ガスは、手操作で調節することができるインライン調整弁７ｏを有する分岐管６４だけを通して供給される。弁７０は、弁６６が閉鎖されたとき、管５０へ比較的低流量の二次ガス流を通すように調節される。この比較的低流量の二次ガス流とは、ノズル及び遮蔽体を冷却するには十分であるが、切り目２７におけるプラズマアークの作用を妨害しない程度の流量をいつ。上述したのと同じ例の場合、平常切断作業のための比較的低流量の二次ガス流は、通常、４ｆｔ３／分（０，１１３２ｍ’／分）（標準状態）である。更に、分岐管６２と６４の間でガス流を弁で制御することによって、即ち、分岐管６４だけを通してガス流を供給することによって達成される急激な段階調節に加えて、手動弁７０の調節は、適正な冷却度合と良好な切断品質を保証するために分岐管６４を通しての低流量の微調整を可能にする。この段階ガス流制御は、又、渦流創生ボート５４を、このような段階ガス流制御が行なわれない場合よりもはるかに鋭く、通常１０”の角度に傾斜させることを可能にする０段階ガス流制御を採用しない場合は、突き通し作業の際にノズル遮蔽体を冷却するのに必要な高ガス流量を供給するには、渦流創生ボート５４を比較的真直ぐにしなければならない、その場合、平常切断作業のために比較的低流量で二次ガス流を供給しているときは、そのような「真直な」渦流創生ボート５４は、はとんど渦流を発生させず、従って、それだけ切断品質が劣る。作動においては、トーチを工作物２６の上に、通常工作物から２．５４〜５．０８ｍｍ離して位置づけする。この正確な間隔は、斯界において周知のように電流その他の作動パラメータに応じて定める。プラズマアークを創始するために、まず、電流経路はパイロットアークモードである。即ち、電流は、電流導線３２から電極１４、ノズル１６、キャップ２ｏ及び電流リング２８を通ってパイロットアーク導線３０へ流れる。この電流は、Ｏ〜２００アンペアの範囲であるが、２００アンペアを越えることもある。トーチは、ノズルと工作物の間のギャップをイオン化するのに十分な時間このパイロットアークモードで作動される。このイオン化が生じると、電極１４とノズルＩ６との間のパイロットアークは、ノズルから工作物へ移行する。次いで、パイロットアーク導線３０のリレー５６が開にされ、移行されたアークの電流経路が電流導線３２から電極１４を通し、プラズマアーク２４を経て工作物２６に至る経路になる。上記アーク点火中、管３６及びプラズマチャンバー３４を通して一次ガスが流される。この−次ガス流は、渦流とするのが好ましい、二次ガス流４８の通流も開始される。二次ガス流４８は、ボート５４によって渦流にされ、通路又は空間４０を通り、一部分は放出孔４４を通して逃がされる。空間４０を通る残りの二次ガス流は、ノズル１６及び遮蔽体３８を冷却し、更に、第６図に符合４８ａで示されるように遮蔽体の前端面３８を冷却し、プラズマアーク２４を安定化させる。プラズマアーク２４は、工作物にぶつかると、工作物較的高速度で飛び散る。最初は、この発生中のクレータ−は、比較的浅く、溶融金属は遮蔽体３８のほぼ全幅に亙って飛び散るが、クレータ−が深くなるにつれて、より垂直に跳ね返る。遮蔽体３８は、高い伝熱性を有しているので、溶融金属によって攻撃されない程度にまで二次ガス流４８によって冷却され、遮蔽体への溶融金属の付着が制御される。（若干の溶融金属が遮蔽体に付着することもあるが、切断作業が終了してトーチが冷却した後、遮蔽体を軽く叩けば、金属をはたき落すことができる。）遮蔽体は絶縁されているので、金属が遮蔽体に堆積しても、ダブルアークは発生しない。厚い（例えば、１２．７ｍｍを越える厚さの）を突き通す場合は、溶融金属がノズルオリフィス１８内へ直接跳ね返る可能性を少なくするために突き通し作業中トーチを側方へ並進させることが望ましい。工作物を最初に突き通す際は、弁６６を開放し、上述したように二次ガス流を高流量でノズルへ通す。工作物が突き通されると、トーチによって引出される電流の大きさの変化によって周知の態様で感知される。第１２図に示されるように工作物の突き通しが完了すると、弁６６が閉鎖され、二次ガス流の流量は、手動弁７０によって設定されたレベルにまで１段階で減少される。正確な二次ガス流量と、上述した各通路、オリフィス、ボート及び孔の寸法とは、相互に関連して、かつ、作動パラメータに応じて変化する。例えば、流れる電流を大きくすれば、一般に、トーチを冷却し、アークを安定化させるための二次ガス流の流量を大きくしなければならない。特に、噴出オリフィス４２は、プラズマアークの放射を妨害しないだけの大きさでなければならないが、同時に又、上述した残りの二次ガス流４８ａがプラズマアークと相互に作用して該アークを安定化させるのに十分なだけ小さくなければならない。更に、突き通し作業モード及び切断作業モードに最適な二次ガス流量は、トーチごとに異なり、最良の切断品質をもたらす渦流を創生ずるための作動条件の相違に応じて異る。特定のトーチ及び応用例のための噴出オリフィス４２の正確な直径値は、実験によって決定される。例として述べれば、１．４９８６ｍｍのノズルオリフィスを備えた、１００アンペアで作動するトーチの場合、噴出オリフィスの直径は約４．３１８ｍｍとするのが好ましい。以上、ノズルが工作物の切り目から跳ね返った溶融金属によりえぐられたり、ダブルアークを生じるのを防止する二次ガス流と連携して作動する電気的に中立の金属製ノズル遮蔽体を備えた本発明のプラズマアークトーチの構成を説明した。このトーチは、冷却ガス即ち二次ガスの流量が突き通し作業中ノズルを防護するのに十分な高流量であるが、突き通しが完了した後切断作業を妨害しないような低流量へ１段階で変更されるように制御する装置を備えている。しかも、この装置は、既存のトーチにも容易に後付けすることができ、製造コストも安価である。以上、本発明を好ましい実施例に関連して説明したが、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び形態に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができることを理解されたい。例えば、二次ガス流は、主ガス流即ち一次ガス流とは独立した供給源及び送給経路を有するものとして説明したが、主ガス流の一部分を分流して二次ガス流を創生ずることも可能である。又、遮蔽体はカップ形状を有するもとして説明したが、本発明は、遮蔽体の形状を１つの特定の形状に限定するものではなく、又、遮蔽体を取付けるための態様も特定の態様に限定するものでなく、要は、遮蔽体が溶融金属を物理的に阻止するのに有効であり、ガス流によって効率的に冷却するされる構成でありさえすればよく、更に、遮蔽体は、プラズマアークを安定化させるガス流／プラズマアーク相互作用を起させる構成であることが好ましい、更に、二次ガス流のための流れ制御系は、好ましい実施例として弁封並列分岐管から成るものとして説明したが、上述したような流量の段階調節を達成するためにいろいろな手段を用いることができることは、当業者には明らかであろう。ＦＩＧ、９国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．本体と、該本体内に取付けられた電極と、該本体の一端に取付けられた、ノズルオリフィスを備えたノズルと、該電極とノズルの間で該本体を通して流し、ノズルオリフィスを通して噴出させる一次ガス流を導入するための手段と、金属工作物を突き通して切断するためのプラズマアークを創生し、プラズマアークを該ノズルオリフィスから放射させるために前記電極とノズルの間に電流を通すための手段を有するプラズマアークトーチにおいて、前記本体をそれから離隔して囲繞するように該本体に取付けられており、前記ノズルオリフィスと整列した噴出オリフィスを有する遮蔽体と、ダブルアークの発生を防止するために該遮蔽体を前記本体から電気的に絶縁するための絶縁手段と、二次ガス流を前記遮蔽体を冷却するのに十分な流量で前記本体を通し、前記ノズルと該遮蔽体の間の空間を通して送給するための二次ガス流通流手段を有し、該二次ガス流通流手段は、二次ガス流の一部分を逃がすために該遮蔽体の前記噴出オリフィスの上流において前記空間に連通するように該遮蔽体に穿設された少くとも１つの開口を含み、該少くとも１つの開口は、垂直線から０°より大きい角度に傾斜していることを特徴とするプラズマアークトーチ。
２．前記少くとも１つの開口は、前記本体に対して横断方向に向けられた前記遮蔽体の前端面に形成された複数のボートから成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
３．前記少くとも１つの開口は、前記本体に対して横断方向に向けられた前記遮蔽体の前端面に対して傾斜した該遮蔽体の側壁に形成された複数のボートから成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
４．前記二次ガス流通流手段は、該ガス流に渦流運動を付与するための渦流手段を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
５．前記渦流手段は、渦流を誘起するように斜めに流路内に形成された複数の孔から成ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
６．前記二次ガス流の流量、前記少くとも１つの開口の寸法及び前記噴出オリフィスの寸法は、前記一部分が逃がされた後に残る二次ガス流が、（ｉ）前記遮蔽体の、前記開口と噴出オリフィスの間の区間を冷却するのに十分であり、かつ、（ｉｉ）該トーチのノズルオリフィス及び噴出オリフィスから放射するプラズマを安定化させるのに十分となるように定められていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のプラズマアークトーチ。
７．前記二次ガス流通流手段は、切断作業中、前記ノズルオリフィス及び噴出オリフィスから噴出する前記一次ガス流によって創生されるプラズマを安定化させるガス流を該噴出ノズルへ送給することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
８．前記遮蔽体は、その噴出オリフィスのところに前記ノズルに対面する丸み付縁を有していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
９．前記開口の前記角度は、約５５°であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のプラズマアークトーチ。
１０．本体と、該本体内に取付けられた電極と、該本体の一端に取付けられた、ノズルオリフィスを備えたノズルと、該電極とノズルの間で該本体を通して流し、ノズルオリフィスを通して噴出させる一次ガス流を導入するための手段と、金属工作物を突き通して切断するためのプラズマアークを創生し、プラズマアークを該ノズルオリフィスから放射させるために前記電極とノズルの間に電流を通すための手段を有するプラズマアークトーチにおいて、前記本体をそれから離隔して囲繞するように該本体に取付けられており、前記ノズルオリフィスと整列した噴出オリフィスを有する遮蔽体と、ダブルアークの発生を防止するために該者該体を前記本体から電気的に絶縁するための絶縁手段と、二次ガス流を前記遮蔽体を冷却するのに十分な流量で前記本体を通し、前記ノズルと該遮蔽体の間の空間を通すための二次ガス流通流手段を有し、該二次ガス流通流手段は、二次ガス流の一部分を逃がすために該遮蔽体の前記噴出オリフィスの上流において前記空間に連通するように該遮蔽体に穿設された少くとも１つの開口を含み、金属工作物の突き通し及び切断に応答して迅速に、かつ、大きな範囲に亙って前記二次ガス流の流量を変更するための流量変更手段を有することを特徴とするプラズマアークトーチ。
１１．前記流量変更手段は、前記突き通し作業中前記遮蔽体を防護するのに十分な高い流量値と、前記切断作業中該遮蔽体を防護するのに十分であり、かつ、切断品質を劣化させないように工作物におけるプラズマアークの切断作用を妨害しないような低い流量値との間で維持ガス流の流量を段階変化させることを特徴とする請求の範囲第１０項に記載のプラズマアークトーチ。
１２．前記流量変更手段は、二次ガスの供給源と、二次ガスを前記供給源から前記本体へ送給するためのの供給管と、該供給管に設けられており、二次ガスの流量の前記段階変化を行なうための弁手段を有することを特徴とすることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載のプラズマアークトーチ。
１３．前記弁手段は、１対の並列分岐管と、該分岐管に配設された第１弁と第２弁を含むことを特徴とする請求の範囲第１２項に記載のプラズマアークトーチ。
１４．該トーチが突き通し作業中であるか、切断作業中であるかを検出するための検出手段を有し、前記第１弁は、該検出手段の出力信号に応答して作動され開閉するようになされており、前記第２弁は、第１弁が閉鎖されているとき前記二次ガス流の流量を切断作業のために設定することができるように調節自在であることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載のプラズマアークトーチ。
１５．トーチ内に取付けられた電極と、工作物に近接してトーチの一端に取付けられたノズルとの間にイオン化ガスを創生するトーチを用いてプラズマアークにより該工作物を突き通し、切断する方法において、前記ノズルを前記工作物の溶融材から遮蔽し、該遮蔽体を電気的に絶縁し、該遮蔽体をガス流で冷却する冷却操作を含み、該冷却操作は、冷却ガスの二次流を前記トーチを通して送給し、該二次流の一部分を逃がし、残りの二次ガス流は、前記プラズマアークを安定化するために該ノズルと前記遮蔽部位との間の区域において該プラズマアークに向けて導き、前記逃がされた二次ガス流は前記ノズルから外部へ放出させることを含むことを特徴とする方法。
１６．前記ガス流に渦流運動を付与する操作を含むことを特徴とする請求の範囲第１５項の方法。
１７．トーチ内に取付けられた電極と、工作物に近接してトーチの一端に取付けられたノズルとの間にイオン化ガスを創生するトーチを用いてプラズマアークにより該工作物を突き通し、切断する方法において、前記ノズルを前記工作物の溶融材から遮蔽し、該遮蔽体を電気的に絶縁し、該遮蔽体をガス流で冷却する冷却操作を含み、該冷却操作は、冷却ガスの二次流を前記トーチを通して送給し、該二次流の一部分を逃がし、残りの二次ガス流は、前記プラズマアークを安定化するために該ノズルと前記遮蔽部位との間の区域において該プラズマアークに向けて導き、前記逃がされた二次ガス流は前記ノズルから外部へ放出させ、該トーチが工作物を突き通し中であるか、切断中であるかに応答して前記二次ガス流の流量を制御することを含むことを特徴とする方法。
１８．二次ガス流の流量の前記制御操作は、前記突き通し作業中前記トーチを防護するの高い流量値と、前記切断作業中該トーチを防護し、かつ、切断作用を妨害しない低い流量値との間での段階的制御であることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の方法。