JPH05507237A

JPH05507237A - プラズマアークトーチにおける電極損耗を低減させるための方法及び装置

Info

Publication number: JPH05507237A
Application number: JP91507284A
Authority: JP
Inventors: ルオ，リフェング; 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: 1990-04-24
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2015-10-16
Also published as: DE69125934D1; EP0524970A4; AU654949B2; CA2081457A1; US5070227A; US5170033A; JP3100157B2; EP0524970B1; WO1991016164A1; AU7577991A; EP0524970A1; DE69125934T2

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】プラズマアークトーチにお番る ′させるための　゛　び（発明の分野）本発明は一般にプラズマアークによる切断及び溶接のための方法及び装置に関し、詳しくは電極損耗を低減させるための方法及び装置に関する。

（従来技術の説明）プラズマアークトーチは、鋼厚板の切断、及び、暖房、換気、空調（ＨＶＡＣ）システムに一般に用いられる比較的薄い亜鉛メッキ金属板の切断等の広範な用途を有する。プラズマアークトーチの基本的構成要素は、トーチ本体と、該本体内に取付けられた電極（陰極）と、中央噴出オリフィスを備えたノズル（陽極）と、イオン化可能ガスの流れと、電気配線と、冷却ガス及びアーク制御用流体のための通路及び管と、通常、電極とノズルの間にガスの流れ内にパイロットアークを創始し、次いでプラズマアーク、即ちイオン化ガスの導電性流れを電極から工作物へ放射する電源を含む。ガスは、例えば窒素のような非反応性ガスであってもよく、あるいは、酸素又は空気のような反応性ガスであってもよい。

この種のプラズマアークトーチとしては、いずれも本出願人の特許である米国特許第３，６４１，３０４号、３．８３３，７８７号、４，２０３，０２２号、４，４２１．９７０号、４，７９１，２６８号、４，８１６゜６３７号及び４，８６１，９６２号に開示されているようにいろいろなタイプのものが知られている。

プラズマアークトーチ及びその関連製品は、ハイバーサーム・インコーホレイテッド社からいろいろなモデルで販売されている６例えば、ハイバーサーム社のＭＡＸ１００型トーチは、動作ガスとして空気を使用し、鋼厚板の切断用途にも、ＨＶＡＣのための亜鉛メッキ金属板の切断用途にも適する中電力（出力１００アンペア）トーチの代表的なものである。

どのプラズマアークトーチにおいても今日まで解決されていない共通の問題は、特に動作ガス即ちプラズマガスとして酸素又は空気のような反応性ガスが使用される場合、電極の摩耗が激しいことである。

この摩耗問題の一例として述べれば、上述したハイパーサーム社のＭＡＸ　１００型トーチの場合、電極の摩耗はその下端に生じる凹面状のビットとして現れる。より正確にいえば、電極に装着されたハフニウム製のエミッタ素子に凹面状のビットが生じる。ＭＡＸ１００型トーチの電極の場合、酸素又は空気を用いて１２０回の切断サイクルを実施した後、平均して約０．０２５ｉｎ　（０，６３５ｍｍ）の深さの摩耗がみられる。ハイバーサーム社が実施した摩耗試験によれば、他の市販されているトーチは、一般にこれより悪い、ＭＡＸ１００型トーチの場合、ハイバーサーム社では、摩耗が０．０６ｉｎ（１，５２４ｍｍ）の深さを越えたならば、電極を交換することを推奨している。通常の用途では、反応性ガスで作動するプラズマアークトーチの電極は、オン・オフサイクルの回数に強く依存するが１通常、０．５〜２時間使用した後交換する必要がある。

摩耗に対する配慮は、摩耗が部品の頻繁な交換を余儀なくさせるからだけではなく、摩耗は特定のトーチに印加することができる最大電力を制限するということからも重要である。

プラズマアーク切断においては又、トーチの切断品質は、少くとも一部分は電極とノズルとの間の領域として画定されるプラズマアークチャンバー内におけるガスの流れパターンに太き（左右されることに留意することが重要である。詳述すれば、ガスをプラズマアークチャンバー内へ接線方向に噴射することによって創生される渦流ガスは、高品質の切断を達成する上で必須の要素であることが判明した。渦流ガスの流れパターンも、プラズマアークがトーチから噴出して工作物に衝接し工作物を切断するが、プラズマアークがトーチのノズル自体には接触しないようにプラズマアークを安定化させる上で重要である。ノズルは、アークが十分に制御されていない場合に損傷される主な部品である。

高電流トーチの設計において配慮すべきもう１つの事項は、プラズマアークの温度が１０．０００″″Ｃを越える非常に高い温度になるということである。この高温は、ガスの密度や粘度等の特性に変化をもたらす、高温に対する配慮は、アーク電流の通電開始時と遮断時において特に重要である。通電開始時には、アークが急激にガスを加熱し、ノズルの噴出オリフィスから噴出するガスの密度を大きく減少させる。その結果、ガスの流れがノズルオリフィス内で詰まる事態が生じる。アーク電流を遮断したときは事態は逆であり、プラズマチャンバー内のガスが冷却され質量流れが増大されるとガスはプラズマチャンバーから突然吹出す傾向がある。

電極に挿入するための陰極エミッタインサートとしてハフニウム又はジルコニウムを使用するのが斯界において一般的である。ハフニウムは現在、反応性のプラズマガスを使用しての切断時の陰極エミッタ素子として選択するには最良のものである。ハフニウム又はジルコニウムは、この用途に試された他のどの材料よりも摩耗度が少ないが、他の材料より高価である。しかも、それらの電極、即ちエミッタインサートは頻繁に交換しなければならない０作動電流を低くすれば関連する損耗も小さくなるが、幾つかの点で、低い作動電流に随伴する性能の低下は過大なものとなる。又、電極の郷命を延長するためにガス流又は水流を電極に対して良好な熱交換関係をなすようにして循環させることによって電極を冷却する方法も従来から採用されている。しかしながら、水冷方式は費用がかかり構造が複雑になるため、例えば定格電流１００アンペア以下の低電流トーチには不適当である。一方空冷方式も能率が悪く、比較的低電流型のものであっても、トーチの最大作動電流を制限することになる。従って今日までのところ、電極摩耗問題に対する唯一の実用的な解決法は、明らかに経済的に不利ではあるが、電極を繰り返し交換することであった。

（解決しようとする課題）従って本発明の主たる目的は、プラズマアークトーチの電極における損耗を著しく減少させそれにより、その寿命を延ばすことである。

本発明の他の主たる目的は、電極の損耗を減少させそれにより、反応性ガスと共に作動される場合でさえも。

現在可能なよりも高い水準での作業を可能とすることである。

本発明の他の目的は、より高レベルの渦流を可能にすることによって、従来可能であったよりも優れた切断品質を達成することである。

本発明の他の目的は、ハフニウム製のエミッタ素子をジルコニウムの如きより安価な他の材料製のものと交換可能とする様式で電極の損耗を低減することである。

本発明の他の目的は、標準的な電極及びノズル構造を使用し、切断中の金属工作物からの溶融金属の跳ね返りによるノズルのえぐれ等の、トーチ部品に対する損傷の危険をほとんど増大させることなく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、比較的簡単な部品を使用し、安価な改変を加えることによって既存のプラズマアークトーチに上記利点を提供することである。

本発明の他の目的は、製造コスト及び運転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。

（発明の概要）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、特に反応性ガスを使用し、金属材料の切断用途に適用されるプラズマアークトーチは、トーチ本体と、該本体内に取付けられた電極と、電極との間にプラズマアークチャンバーを画定するように離隔して配置されたノズルと、トーチ本体内に装着された渦流リングを有する。イオン化可能ガスは、管、通路及び、又はチャンバーから成るガス導入系によりトーチ本体を通して渦流リングへ供給される。渦流リングは、ガスを渦流としてプラズマチャンバーへ供給し、ガスはプラズマチャンバー内でイオン化され、ノズルの中央噴出オリフィスから噴出される。このプラズマアークトーチ（以下、単に「トーチ」とも称する）は又、プラズマチャンバー内のガス中にパイロットアークを発生させ、それによってプラズマアークを創始するための、電源に接続する標準的電気配線及び電気制御器を有する。プラズマアークは、切断又はその他の作業のために工作物に向けて移行される。

本発明の主たる特徴は、ガスの質量流量及び或はその流れ模様を、トーチへの電流を遮断する段階の直前及び直後に急速に変更するプロセスにある。質量流量はガス流れを減少させることによって、プラズマチャンバーへのガス流れを止め或は減少させることによって減少される。この質量流れ流量の減少は、それが電流遮断に先立つ数百ミリセカンド以内に為され且つ好ましくは電流遮断後に継続されるよう調時される。アーク電流遮断のためのプロセスは、時間の急な階段関数或は漸次の傾斜関数によって達成され得る。ガス流れの減少は、プラズマチャンバー内のガス流れ模様の更に急速な変化を容易化するための、プラズマチャンバーから大気中への換気と共に為される。

別様には、本発明には接線方向成分を持つ標準渦流でのガス流れ模様を、その入口からプラズマチャンバーにかけての一般に半径方向に流れ、次いでプラズマチャンバーを貫いて一般に軸方向に流れるガス流れ模様に変換する段階が含まれる。この、渦流から半径方向／軸方向流れへの変換は流量の全体的な減少と関連し、また電流水準及び或はプラズマチャンバーから大気中への換気の減少と関連され得る。より軸方向的な流れへの変更によって、渦流よりも一屡大きい全体質量流れ流量が電流遮断の直前に於て許容され得ることが分かった。

換気が為されない場合、これは好ましいことであるが、ガス圧力が一般に指数関数的に減少し、また質量流れ流量における前述の如き減少が、電流遮断の開始約５００ミリセカンド以内に好ましく生じることが分かった。好ましい電流遮断段階での電流遮断は、質量流れ流量の減少後に制御下で直線的に減少する勾配でなされる。この勾配はアークがな（なるまで、極めて低い電流値となるまで継続される。こうした好ましいプラズマ遮断のプロセスが、電極損耗の所望の低減を提供する一方で、プラズマアークを安定させ且つノズルに対する損傷を回避するために十分なガス流れを提供する。換気が為される場合、プラズマチャンバーを通るガス流れ従ってプラズマチャンバー内のガス圧力は一段と急激に減少する。しかしながら正確な最適調時は、それがガス形式、電流水準、ノズルオリフィスの寸法、旋回リングの入口流れの面積、ガス圧力、ガス流量、ガス流れ模様（例えば旋回或は軸方向）そしてプラズマチャンバー及び電流遮断直前の流れ条件を制御する弁間の物理的距離、を含む多くの変数の関数であることから、用途によって変化して来る。

装置としてみた場合、本発明には流れ変更手段として、プラズマチャンバーにガスを供給するライン内に合って電源の標準制御体によって電流遮断直前に閉鎖され得る弁が含まれる０本発明における流量減少はアーク電流の勾配的降下と協動され得る。アーク電流を勾配的に降下させるのは、電流遮断直前のガスの低い質量流れ中にノズルオリフィスが破損する恐れを減少させるためである。別懇様では、プラズマチャンバーから大気中への換気ラインが弁によって制御（開放及び閉鎖）される。

弁は電流の遮断直前の臨界時間、制御体によって開放される、別の態様では本装置には２つの渦流リング或は同一の渦流リングに離間した２つの位置が設けられ５一方が従来からの渦流を創出し、他方が、主として渦流の無い軸方向流れを創出する。これら渦流リングは軸方向に積み重ねた配列で取付は得る。これら渦流リングは、少なくともトーチ本体内部の独立した過給ラインによってガス供給源に接続され、単数或は複数の弁が、制御体に応答して電流遮断直前にガス流れを、渦流を創出する渦流リング或はリング部分から半径方向／軸方向流れを創出する渦流リング或はリング部分に切り替える。この切り替えは換気及び或は流量減少と協動され得、及び或は電流水準の減少と協動され得る。

（図面の簡単な説明）図ＩＡは本発明に従って作動されるべく構成された代表的プラズマアークトーチの概略図である。

図ＩＢは図ＩＡを線ＩＢ−ＩＢで切断した水平方向断面図である。

図ＩＣは本発明に従うプラズマアーク切断しって無の簡単な概略図であり、ここでは図ＩＡ及びＩＢに示されるプラズマアークトーチが使用されている。

図ＩＤはアーク電流の遮断と関連しての本発明のガス流れ変更の調時ダイヤグラムの６つのグラフである。

図２Ａは、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁による換気が為される具体例の、図ＩＡに対応する別態様を示す図である。

図２Ｂは、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁による換気が為される具体例の、図ＩＢに対応する別態様を示す図である。

図２０は、弁を使用してのガス送りと組み合わせての弁による換気が為される具体例の、図ＩＣに対応する別態様を示す図である。

図３Ａは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて成る具体例の、図２Ａに対応する別態様を示す図である。

図３Ｂは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて成る具体例の、図２Ｂに対応する別態様を示す図である。

図３０は、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて成る具体例の、図２Ｂに対応する別態様を示す図である。

図３Ｄは、組を為す軸方向及び半径方向の入口孔が、プラズマチャンバー内に渦流ガス流れ模様か或は軸方向ガス流れ模様を確立するための渦流リング内に使用されて成る具体例の、図２０に対応する別態様を示す図であ（実施例の説明）図ＩＡ及びＩＢは、ハイバーサーム社から販売されているいろいろなプラズマアークトーチのうちの任意の１つのような代表的な従来技術のプラズマアークトーチ（以下、単に「トーチ」とも称する）を示す、従って、以下の説明は、この型式のプラズマアークトーチに共通な基本原理及び構成要素を例として説明するためのものであり、特定のモデルのトーチの構造の詳細を説明するためのものではない。

トーチは一般に参照番号１４で示される胴部を具備する。該胴部１４は代表的には円筒状であり、出口オリフィス１６をその一端に具備する。下端１２ａを通して、図示の如くプラズマアーク１８、イオン化し得るガスのジェットが送達され、切断されるべき工作物２０に衝突される。ガスは窒素窒素又は貴ガス等の非反応性ガスであってもよく、あるいは酸素又は空気等の反応性ガスであってもよい０本発明の１つの重要な利点は、プラズマアークトーチをを反応性ガスと共に使用可能であるにも関わらず、任意の切断用プラズマアークトーチを使用して得られる最良の結果と比較しての電極の損耗が、電流水準或はトーチ冷却配列構成の効果に関わらず格段に改良されることである。

トーチ本体１４は、一般に電極と称される陰極２２を支持している。電極２２は通常、銅で形成されており、はぼ円筒形である。電極２２のか端面にエミッタ素子（「エミッタインサート」とも称する）２４がプレス嵌めによって挿入されている。電極２２とエミッタ素子２４とは、トーチ本体内に同心的に配置され、出口オリフィス１６に心合している０反応性ガスを用いる場合は、エミッタインサート２４は、通常、ハフニウム又はジルコニウムで形成されたものを使用する。

本体１４には又、プラズマアークを移行するための出口オリフィス１６を備えたノズル２６が装着されている。ノズル２６は、電極２２から離隔して配置されている。

１組の半径方向の偏心ガス分配穴即ちガス導入穴３０を有する慣用構造の渦流リング２８が、交換自在にトーチ本体内に取付けられている。渦流リング２８は、そのガス導入穴３０からプラズマアークチャンバー３２へとプラズマガス流を供給するように配置されている。プラズマアークチャンバー３２は、図に示されるように、電極２２とノズル２６と渦流リング２８とによって画定される。ガス導入穴３０がオフセットされていることにより、この状態は図ＩＢに最も良く示されるが、プラズマアークチャンバー３２を通してのガス流れに接線方向の速度成分が導入されそれにより、前記ガス流れは渦流な生ぜしめられる０本発明の利益は、これらのガス導入穴３０によって発生する渦流のレベルが従来プラクティスによるよりも太き（なりそれによって、切断品質が従来達成し得たよりも高められることにある０図ＩＡでは、渦流リングは電極に密嵌合し、気密状態に取付けられたものとして示されているが、渦流リングは支持部材内に取付けられ、電極に対して密封状態に取付けられないことが多い、一般に、トーチ本体、ガスや、冷却流体を導入するための部材及び電気配線等の細部構造はいろいろな形態をとることができ、実際に種々の形態をとっている。

負電力導線３４は、電極２２の上端を取り巻くようにして該電極に接続されている。トーチ本体１４の上端を構成する電流リング３８に保持キャップ３６が螺着されている。電流リング３８と負電力導線３４とは、絶縁体スリーブ４０によって分離され、電気的に隔絶されている。保持キャップ３６は、ノズルのフランジ２６ａに係合する下方リップ３６ａを有しており、電流リング３８に螺着させると、ノズル２６を渦流リング２８に解放自在に圧着させる０図には示されていないが、別法として保持キャップ３６は、渦流リング２８をノズル２６と、トーチ本体１４内の別の内部支持構造体との間に締めつけ固定する構成とすることもできる０図示の構成では保持キャップ３６は又、渦流リング２８及びプラズマアークチャンバー３２への近接ガス供給源（供給すべき部所に近接した位置に設けられたガス供給源）として機能するガスプレナムチャンバー４２の一部を画定する。プラズマガスの流れ４４は、電流リング３８を貫通して伸延しているガス導入管４６を通してプレナムチャンバー４２へ供給される。ガス導入管４６には、オートマチック・スイッチ・カンパニー製のモデルＮｏ、ＡＦ３３１８３のようなソレノイド弁４８が、好ましくはトーチ本体に近い部位に設置されている。ソレノイド弁４６は、トーチへのガスの流量を調整するために、導線４８ａ、４８ａを通して送られる制御信号により開閉される。

プラズマアークチャンバー３２内のガスにより電極２２とノズル２６の間にパイロットアークを創生ずるパイロットアーク作動モードにおいては、ノズル２６は陽極として機能し、キャップ３６及び電流リング３８はパイロットアーク電流の戻り回路を構成する。

作動において、プラズマガス４４は、ソレノイド弁４８及びガス導入管４６を通ってプレナムチャンバー４２に流入し、そこから渦流リング２８のガス導入穴３０を経てプラズマアークチャンバー３２に流入し、最終的に出口オリフィス１６から噴出する。

トーチが非移行パイロットアークモードで作動しているときは、電源５０（図ＩＣ）は、パイロットアークを発生させそれを維持するための適当な電圧の電流をトーチに供給する。電源５０は、任意の慣用の調整ＤＣ電源であってよく、電源の作動、及び流れ制御弁等のトーチの他の部品の作動を制御する印刷回路板等を備えている。

図ＩＣに示されたプラズマアーク切断トーチシステム５２の全体図を参照して説明すると、非移行パイロットアークモードにおける電流経路は、電源の負端子５０ａから導ＩＩ　５４　、負電力導線３４、電極２２、パイロットアークプラズマ５６（図ＩＡ）、ノズル２６、保持キャップ３６、電流リング３８、パイロットアーク電流戻り導線５８及び閉成されたパイロットアークスイッチ６０を通って電源の正端子５０ｂに至る経路である。

パイロットアークの創生に先立ち、オペレーターはトーチ自体から離れた制御コンソール６４の位置で所望のガス流れ或は圧力をセットする。この制御コンソールにはガス流れ調整器及びガス弁調節圧力ゲージが含まれる。制御コンソール位置でオペレーターがセットした流れ及び圧力値は、パイロットアーク創生に先立つプラズマアークチャンバ−３２内部の実際のガス流れ及びガス圧力と既知の態様に於て対応する。パイロットアークの創主によりガスが加熱されそれにより、斯界に周知の態様に於てプラズマアークチャンバー内のガス温度が上昇され、またガス流れが減少される。パイロットアーク中のプラズマアークチャンバ−３２内部の代表的なガス圧力は２０から４０ｐｓｉ（約１．４０から２．８１ｋｇ／ｃｍ”）である。パイロットアークは高周波スパークその他、その全てが斯界に周知である接触式創生技法の如きによって創生される。創生中、プラズマガスは入口管４６、ソレノイド弁４８、プレナムチャンバー４２、ガス導入穴３０、プラズマアークチャンバー３２を通して流動し、出口オリフィス１６から出る。先に銘記したように、ガス導入穴３０によって確立される渦流は、良好な品質の切断を入手するため及びノズルの出ロオリフィス１６内部のアークを安定させそれによってアークがノズルに衝突し、そこに穴を開けないようにさせるために極めて重要である。

同じく先に言及したように、トーチは、工作物に接近されそれによってアークが工作物に移行し、制御体によってパイロットアークスイッチ６０が開かれると切断作業を開始する。アークの移行後、制御体は通常の作動に於て電流レベルを切断作業のための予め決定された値へと増大する。電流のこの増大はまたプラズマガス加熱を増長し、プラズマアークチャンバー内のガス圧力を増大させそして出口オリフィスを出るガス流れ流量を減少させる。最大推奨電流レベルはトーチによってまた用途によって大きく変化し、その範囲は低電流として特徴付けられる約２０から２００アンペアＤ、Ｃ，及び高電流として特徴付けられる２００アンペアＤ、Ｃ，内にある。

鋼板切断に使用される水冷式切断トーチのための代表的な電流レベルは４００アンペアである。

本発明者によって、作動中の電極材料の損失（損耗）の殆どは創生中或は実際の切断作業中では無くむしろアーク電流の遮断時に生じるということが見出された。こうした損耗のメカニズムは完全には理解されていないが、電極がその作動中に少なくとも部分的に溶け、電極の単数或は複数の溶けた表面とプラズマアークチャンバーを貫くプラズマガスの流れ及び圧力とが複雑に相互作用して電流遮断時の損耗に関与していることは疑いな本発明の主たる特徴は、プラズマアークチャンバーへのプラズマガス流れを制御された電気的遮断と関連させて制御しそれによって電極の損耗を実質的に低減することである。最も簡略化された形態に於ては本発明には（１）全アーク電流の階段関数的遮断の直前或は（２）アーク電流の漸次的遮断の開始と同時の、しかし全アーク電流遮断の直前に、プラズマアークチャンバー３２への全プラズマガス流れを遮断する段階が含まれる。これは、アーク電流完全遮断プロセスの直前にソレノイド弁４８を閉じることによって為される。電流遮断のための好ましい方法は、減少する質量流量に追従させて制御下の直線減少勾配にて電流を減少させることある。しかしながらこうした遮断の調時は臨界的である。仮にガス流れの急速な減少が可能とされた場合、アークを安定させるプラズマガスの渦流は著しく減少する。従って、アークはアークノズルに衝突してこれを短時間の内に損傷し或は破壇さえもしかねない、他方、電流の遮断が時間的に接近していると、プラズマアークチャンバ−３２内部のガス流れ及び圧力の減少は、これらはソレノイド弁４８の閉鎖と共に一般に指数関数的態様に於て減少するのであるが、僅かとなり、あたかもソレノイド弁４８を開放したかの如きような損耗が生じてしまう、ガス流れの遮断は、アーク電流の遮断を通して及びその後にも継続される。

本発明に従うガス及び電流遮断のプロセスが図ＩＤの調時ダイヤグラムによって例示される。左側の３つのグラフは時間の間数としての信号（電圧信号、電流信号或はそれ以外の信号）を表す、左側の最上部のグラフは、ソレノイド弁４８に対する制御信号（ライン４８ａ、４８ａを通して適用される）が時間１．（信号は”１”の状態から”０“の状態へと変化する。この”Ｏ”の状態は、ソレノイド弁４８の状態を所望通りに変化させるに十分なデジタル切り替え或はアナログ変化の何れかを示す）に於て状態変化することを示している。制御信号のこの変化によってソレノイド弁は時間ｔ１に於て閉鎖する。左側の上から２番目のグラフはアーク電流のための制御信号を示す。この制御信号は電源５０の制御体によって発生される０本発明に従えば、アーク電流制御のための信号はその状態を、時間ｔ１経過後の時間である時間ｔ８に於て、やはり状態”ｌ”から状態“０” として示されるように状態変化する。従ってガス流れは時間ｔ、及び１．の差と等しい時間間隔Δｔに於てアーク電流に先立って遮断される。左側の最下部のグラフはアーク電流遮断プロセスのための交互の制御シーケンスを示している。本発明に従えば、アーク電流制御信号は、弁制御信号と同じ時間であるところの時間ｔ１に於て、やはり状態“１”から状！！Ｊ″ｏ”として示されるように状態変化する。この変化によって制御体はアーク電流を、図ＩＤの右側の最下部のグラフに示されるように傾斜状態での降下を開始させる。

図ＩＤ右側の各グラフには１）、プラズマアークチャンバー３２を通してのガス流量と、２）時間ｔ２でのアーク電流の急激な階段的遮断段階としての遮断プロセスと、３）時間ｔ１での全電流が、アーク電流がゼロへと消滅する時間ｔａで維持可能な最小電流へと漸次的に降下される、代替可能なアーク電流遮断プロセスとが示される。これらのグラフもやはり時間の関数として表されまた左側の対応するグラフと同じ時間で表されている。

ソレノイド弁４８を時間ｔｌで閉じた後、ガス流れは一定状態で減少する。一般に直線的な減少が示されるが、その関係は実際はより複雑であってその曲線は一般に指数関数的である１重要な因子はガス流量が、ａ）、アーク電流が遮断される時間１ｇでは、図ＩＤの右側の上から２番目のグラフに示されるようにその値が比較的小さく、或はｂ）、アーク電流が漸次勾配的に降下された後の時間ｔ２では、図ＩＤの右側の最下部のグラフに追随して、その値が比較的小さくなるように、実質的に時間間隔△ｔの間に降下することである９本発明の現在好ましい具体例では、右側の最上部のグラフに示されるような、非−換気式の勾配的に降下するガス流れが、右側の最下部のグラフに示されるような勾配的に降下するア −り電流と組み合わせて使用されろ、従ってこの具体例ではガス流量は時間間隔 Δｔの間で変化する。この好ましい作動モードでは、より小さいアーク電流が、ガスの密度をプラズマアークチャンバーを通してのガス流量を増大させる様式に於て変化させるという事実があるにも関わらず、電極の損耗は最小である。尚、その他因子は一定である。

時間間隔Δｔの正確な値はトーチ及び特定の作動パラメーターによって異なるものの、大抵の低電流プラズマアーク切断用途のためにはΔｔは、電極の損耗を低減させるためには５００ミリセカンド或はそれ未満が適切であることが分かった。ＭＡＸ２００型トーチではおよそ２５０から３００ミリセカンドのΔｔが、換気が無く且つ引き続くアーク電流の勾配的な降下が有る状態では最適であることが分かった６ＭＡＸ１００型トーチを使用しての作業では、本発明を使用した１２０カツトサイクルの後のビット深さく損耗）は約０．００５インチ（約０．１２７ミリメードル）である一方、本発明を使用しない通常作業でのビット深さは約０．０２５インチ（約０．６３５ミリメートル）であった、こうした損耗の減少は電極寿命に繋がる。その寿命は５倍であり、従来達成し得た内で最良のものであった１本発明はまた、平均的に、トーチの、従来の定格を上回る電力での作動を可能とする。

時間ｔ、では、ガス送給が時間ｔ、に於て遮断されはするものの、残留ガス流れが存在することに留意されたい、これは、電流を遮断するまで及びその時点で、アークを安定化するため及びノズルの損傷を防止するために十分なガス流れがプラズマアークチャンバー内部に存在することを保証する。電流の遮断後にもまた短時間のサージが起きる。これは、アークの無い状態でのガスの急激な冷却とプラズマアークチャンバー内のガス圧力によって作動するトーチからのガスの急速な吹き出し及びアーク消滅後におけるガス特性の急変とを反映したものであると考えられる。この現象は、プラズマアークトーチへのプラズマガスの流れ４４を減少させることにより、時間間隔Δｔの間にトーチへのガス流れを低減可能では有るが、それよりもソレノイド弁４８を完全に閉じる方が、それによってプラズマアークチャンバーの上流側がアーク電流が遮断された場合の流れサージの強さを減衰し且つ全プラズマガス流れ量を制限することから好ましいということを示唆している。すでに述べたようにアーク電流を時間ｔ２に於て急激に遮断するよりはむしろ、時間ｔｌで、例えば時間間隔Δｔの間に勾配的に降下させることによって減少させることは本発明の範囲内のものである。時間１＋以前に、或は時間ｔｌの後に、即ちソレノイド弁を閉じる以前或はその後に全電流の低減を可能とすることもまた本発明の範囲に含まれる。

図２Ａから２０には本発明の別懇様の具体例を組み込んでなる。プラズマアーク切断用トーチ１２゛が示され、図ＩＡからＩＣに於けるそれと同一の部品には同一の参照番号がダッシニ付きで付記されている。トーチ１２゛及びトーチシステム５２°の構造及び動作モードは、通気管６６及び、この通気管６６を開閉するために連結された関連するソレノイド弁６８が追加されていることを除き、図ＩＡからＩＣに関して説明されたと同一である０通気管６６は電流リング３８°に差し通されプレナムチャンバー４２゛と流体連通される。制御体からの制御信号がライン６８ａ、６８ａを通して伝達され、弁６８を作動する。この具体例では、ソレノイド弁４８は時間ｔ１にて閉鎖されソレノイド弁６８は開放されろ。通気管６６の端部６６ａが大気或はその他、真空チャンバー等の低圧領域に開放されていることから、ソレノイド弁６８を開放するとプレナムチャンバー及びプラズマアークチャンバー内のガス流れ及び圧力は図ＩＡからＩＣの具体例におけるよりもずっと急速に減少する。

これにより、ガス流れが時間１＋に於て遮断されると、アーク電流はより急速に遮断可能とされる。しかしながら、この構成ではその調時が極めて重要であることが見出された０通気によって交互する流路が確立されることからノズルを通しての流れが減少し、それがプラズマガスを急激に不安定な状態とする。一般に、通気が為される場合、通気無しの且つ非常に短時間の交互する流れが電流の遮断に先行する。こうした通気が使用される場合、時間間隔Δｔは、ＭＡＸ　２００型トーチを空気作動させる場合には、２５０ミリセンカントから５ミリセ力ンド未満に減少可能である。これにより、不安定となったアークによってノズルが損傷を受ける恐れが減少され得る。ソレノイド弁４８及び６８は単一の通気型弁として組み合わせ得る。

図３８から３Ｄには、本発明に従うトーチ１０”及びトーチシステム５２“の別憇様が示され、同じ部品には同じ参照番号が二重のダッシュを付けて付記されている。この具体例は電極の損耗が、プラズマアークチャンバーを通るガス流れの流量のみならず流れパターンをアーク電流遮断の直前に変化させると、実質的に低減され得ろと言う発見に基づくものである。詳説すれば、電極の損耗は、ガスの渦流がアーク電流遮断の直前に減少されれば殆ど無視出来るレベルにまで減少される。中程度のガス圧力ではこの結果は高ガス流量（例えば１２０Ｓｃｆｈ　（標準状態で約３．３９８ｍ”　）でさえも変わらない、ハイバーサーム社のＭＡＸ１００型トーチを使用しての作業では、プラズマアークチャンバー内へのガス流れが半径方向（渦流の無い）でありしかもプラズマアークチャンバー内のガス圧力が３０ｐｓｉ　（約２．１１ｋｇ／ｃｍ”）である場合の電極損耗は無視し得るものでありな、完全な半径方向流及び中乃至低のガス圧力が最良の結果をもたらすが、本発明は完全にはやや至らない半径方向流及びより大きなガス圧力の下でも電極の損傷を低減する。この具体例での主たる関心事項もやはり渦流が無い場合でのプラズマアークの不安定化である。

本発明はこれを渦流リングを使用し、次いで全流量を実質的に妨害することな（アーク電流の遮断の直前に半径方向流に切り替えることで解決する。トーチ１０ ”及びトーチシステム５２”はこの作動モードを達成する。

トーチ１０″は、その各々が別個のプレナムチャンバーを、そして結局は別個の渦流リング２８”或は同等の構造部分の独立した入口孔への過給を為す２つの別個のガス送給ラインによって作動される点を除き、トーチ１０及び１０゛と一般に同一の構造を有している０図示された好ましい形態に於ては、最初のガス流れ４４ｃは入り口管４Ｂ”、ソレノイド弁４８”５環状のプレナムチャンバー４２ ”、ガス導入穴３０、プラズマアークチャンバー３２″を送達され、出口ノズルオリフィス１６”から出る。このガス流路が、良好な品質の切断を創出しまたアークを安定させての切断のための渦流ガス流れを提供する。渦流は１図３Ｂに最も良（示されるように半径方向にオフセットされたガス導入孔３０”によって確立される。プレナムチャンバー４２”は、電流リングがその下方の、渦流リング２８“の凹型段部にガス密封シール状態で衝接する縁部位置に、下方に伸延する環状の壁３８ａ及びフランジ３８ｂを具備していることを除き、先の具体例のそれと同一の構成部品によって画定される。（このシールを、渦流リングを必要に応じてトーチから取り外し可能とするＯ−リング、ラビリンスシール或は任意の従来通りのガスシールと共に固着し得ることを理解されたい、）これらの環状の壁３８ａ及びフランジ３８ｂは離間され且つ外側のプレナムチャンバー４２”及び内側のプレナムチャンバー４２ｄ”から相互に隔給されている。

ガス流れ４４ｄは、入口管４６ｄ”、ソレノイド弁４８ｄ”、プレナムチャンバー４２ｄ”、ガス導入穴３０ｄ”、プラズマアークチャンバー４２”を通して送達され、出口ノズルオリフィス１６”から出る。ガス流れ４４ｄのためのこの第２のガス流路では渦流リング内にガス導入穴３０ｄ”が、一般に半径方向に向けられた状態で使用される。これは図３０に最も良（示される。プレナムチャンバーを通るガス流れは従って、プラズマアークチャンバー３２”を通して出口オリフィス１６”に至る（下向きの）軸方向流であり、渦流は実質的に生じない。

本発明のこの方法具体例では、トーチへの電流を遮断する以前の予め決定された、しかし極めて短時間の時間間隔Δｔの間に制御体がガス流れ１４ｃのためのソレノイド弁４８ｄ”を閉じ、ガス流れ４４ｄのためのソレノイド弁４８ｄ”を開（０反応性ガスを使用するＭＡＸＩ００型トーチのための時間間隔Δｔば代表的には５００ミリセ力ンド未満である。流れパターンにおけるこうした変化は、流れ或は電流パラメーターを変えない場合、電極の損耗を劇的に低減させることが分かった。しかしながらこの具体例は、図ＩＡからＩＤ及び図２Ａから２０に関して先に説明した質量流減少のための具体例と組み合わせることが出来る０例えば、電流レベルを時間ｔ１の後に勾配的に降下させ得る。

図３Ｄには、この交互する流れパターンモードに於て本発明を実施するために好適なシステム５２”が示される。トーチから離間した、従ってトーチによって創出される実質的な電磁干渉を受けない制御コンソール６４”がガス流れ４４ｃを制御する。同様の制御コンソール６４ａ”がガス流れ４４ｄ”を制御する、実際上は制御コンソール６４”及び制御コンソール６４ａ”は１つのユニットとし得る。

時間間隔Δｔのためにさまざまな時間が提案されたが、最適な時間間隔は特定のトーチ、その用途、関連するパラメーターに依存する。一般的には時間間隔Δｔはガスの形式、電流レベル、ノズルオリフィスの寸法、ガス流量、ガス流れパターン、入口管及び通気管内部のソレノイド弁及びプラズマの関数である。ＭＡＸ　１００型トーチのための離間距離は好ましくは１２インチ（約３０．４８センチメートル）である、この距離によって、プラズマアークチャンバーの上流側及び弁の渦流側の大きな流れ質量に基く流れパラメーターの遅延及び意図せざる変動が回避される。然るべき時間間隔Δｔのための値は経験的に容易に決定され得る０本発明がアーク電流遮断直前にガス流れを交互させることに焦点が向けられたが、この交互状態が電気的遮断を通してそしてその後の短時間にわたり継続されることを理解されたい。しかしながらガス流れは通常、入口管内部のソレノイド弁を閉じそれがプラズマアークチャンバーを通るガス流れを結局ゼロとすることによって、或は図３Ａから３Ｄの具体例における、ガス導入穴３０”に通じる ”半径方向”のガス流路内のソレノイド弁４８ｄ”を閉じることによって、アーク電流遮断後の極めて短時間の内に完全に停止する。

プラズマアークトーチ、特には切断用トーチの、しかし一般にはプラズマトーチの全ての形式、例えば溶接、噴霧その他用途のためのものにおける電極の損耗を低減させるための方法及び装置が説明された１本発明は、その任意の具体例に於て、全ての電極に於て現在生じている電極の損耗を低減し、その寿命を少なくとも２倍に、そして１０倍或はそれ以上に伸ばすことが可能である。

本発明によれば所定のトーチをより大きな電力レベルでしかも反応性ガスと共に作動させることが出来る。こうした利益は、切断の品質を低下させることなく、また標準的な電極及びノズルを使用して実現可能である。実際、渦流流れが切断中には電極を損耗しないことが分かり、また強い渦流が高品質の切断を生むことが分かったことから、今やトーチ内での渦流の強さを増大させて切断品質を向上させることが可能である。更には、既存のプラズマアークトーチ及び完全なトーチシステムを、本発明を使用するべく容易に改変可能である。以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の内で多くの変更を成し得ることを理解されたい。例えば、トーチは水冷される図示されない冷却用通路を具備し得、或は金属薄膜の溶接或は噴霧用途のために適合され得る。トーチはまた、トーチの構造を変えて対応させることで種々の創生技法をも使用可能である。電極及びノズルはいろいろな形状及び構成を取り得る。渦流リング２８”は、図示されたように単一部品としてではなく、別個の２つの、軸方向に積み重ねた或は軸方向に離間したリング形態のものとし得る。

要　約　書プラズマアークトーチ１２における電極の損耗を低減させるための方法及び装置であって、電極２２を取り巻くプラズマアークチャンバー内のガス流れを、アーク１８を維持する電流の遮断の直前及びその後に引き続き変更することを含む前記方法及び装置が提供される。前記ガス流れの変更には、プラズマアークチャンバー３２の上流側のガス流れを閉鎖し、プラズマアークチャンバーを通しての流れを渦流流れから半径方向及び軸方向流れに切替え、前記ガス流れの閉鎖及びガス流れの切替えの何れかとの組み合わせに於てアーク電流レベルを減少させ、またプラズマアークチャンバー３２を通気しその内部のガス流れ及びガス圧力を急速に変化させることが含まれる。時間間隔は電極の損耗を低減させるに十分なものであるが、アークが電流遮断時まで安定され続けるに十分短い。流れ停止モードに於て、ソレノイド弁４８がプラズマガスのための入口管４６に配設される０通気のための通気管及び別のソレノイド弁６８がプラズマアークトーチ１２に追加される。流れパターン切替えモードでは、制御弁を具備する別個の２つのガス供給ラインがプラズマアークチャンバー３２に２つの別々のガス入力を提供し、その一方のガス入力が渦流流れを創生じ、他方のガス入力が半径方向の、次いで軸方向の流れを創生ずる。

国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．トーチ本体部の一端部に、工作物に隣り合って設けられ電極との間部分にプラズマアークチャンバーを形成するべく前記電極に関して離間した関係で設けられたノズルと、イオン化し得るガスをプラズマアークチャンバーに送るための手段と、プラズマアークを形成するためにガスをイオン化するための電流を電極を通して送るための手段とを含み、前記イオン化し得るガスをプラズマアークチャンバーに送るための手段が、プラズマアークの作動の少なくとも一部分のために前記プラズマアークチャンバー内に渦流流れを創生するようになっているプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法であって、時間ｔ２に於て前記電流を遮断する電流遮断段階と、プラズマアークチャンバーを通しての前記イオン化し狩るガスの流れを、前記時間ｔ２の直前の時間ｔ１に於て変更するガス流れ変更段階にして、ガス流れの遮断に先立って前記プラズマアークチャンバーを通して前記アークを制御するために十分なガス流れを維持し、また前記電流の遮断後に於ても継続され、一般に前記電流の遮断と同時に、前記プラズマアークチャンバーを通しての渦流流れを終了させるための前記ガス流れ変更段階とを包含してなる前記プラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
２．ガス流れ変更段階は、（ｉ）ガスの質量流量を減少させる段階、（ｉｉ）プラズマアークチャンバー内のガスの渦流を低減させる段階、（ｉｉｉ）電流を、その遮断の直前に於て低減させることによって前記プラズマアークチャンバー内のガス圧力を低下させる段階、そして（ｉｖ）前記段階（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の任意の組み合わせた段階からなる段階群の中から選択した１つの段階を含んでいる請求の範囲１に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
３．プラズマアークチャンバー内のガスの流れを急速に変更させるための、ガス流れ変更段階と協動しての通気段階が含まれる請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
４．ガス流れの変更は、電極の損耗を低減させるための電流遮断以前の十分長い時間に、しかしアークがノズルを損傷しないよう電流遮断以前の十分に短い時間に於て為される請求の範囲１、２或は３の何れかに記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
５．ガス流れの変更によってプラズマアークチャンバー内のガス圧力を一般に指数関数的に減少させ、またガス流れの変更を電流遮断の約５００ミリセカンドの範囲内に開始させる段階を含む請求の範囲４に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
６．ガスの質量流量を減少させる段階には、トーチ本体部を通してプラズマアークチャンバーへと流れるガスの流れを時間ｔ１に於て止める段階が含まれる請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
７．トーチ本体部を通してプラズマアークチャンバーへと流れるガスの流れを時間ｔ１に於て止める位置をプラズマチャンバーに接近させる段階を含む請求の範囲６に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
８．電流の減少は徐々に為され、時間ｔ１でガス流れの変更段階と共に開始され、時間ｔ２で遮断と共に終了される請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
９．電流の減少は、プラズマアークチャンバーへのガスの流量の減少に追随して勾配的に為される請求の範囲８に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
１０．電流の減少は、プラズマアークチャンバー内のガス流れの渦流に於ける減少と共に勾配的に為される請求の範囲８に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
１１．時間ｔ１でのガス流れの変更に先立って電流の減少が開始される請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
１２．プラズマアークチャンバー内のガスの渦流を低減させる段階には、プラズマアークチャンバー内部への半径方向にオフセットされた流れからプラズマアークチャンバー内部への一般に半径方向の流れへの切り替え段階が含まれ、この切替段階によって、プラズマアークチャンバーを通しての実質的に軸方向の流れが創生される請求の範囲２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
１３．ガス流れの変更は、一般に半径方向の流れへの切替と一般に同時的なガスの質量流量の減少と協動される請求の範囲１２に記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
１４．一般に半径方向の流れへの切り替え段階と関連してのプラズマアークチャンバーの換気段階が含まれる請求の範囲１２或は１３の何れかに記載のプラズマアークトーチの電極の損耗を低減するための方法。
１５．プラズマアークトーチが本体部と、工作物に隣り合うその一端部に於て前記本体部に取付けられ出口ボートを具備するノズルと、該ノズルに関して離間関係で本体部に取付けられた電極と、前記ノズル及び電極の間部分に画定され前記出口ボートと流体連通するプラズマアークチャンバーと、イオン化し得るガスの流れをプラズマアークチャンバーに送るための、同様に前記本体部に取付けられた第１の渦流リンクと、電源と、該電源からの電流を電極に導通し、またプラズマアークが移行アークモードにある場合にはプラズマアークを介して工作物に電流を送るための手段とを含み、前記電源が、プラズマアークトーチに対する電流の通電開始及び遮断のための手段を含んでいるプラズマアークトーチシステムであって、（ｉ）プラズマアークチャンバを通してのガスの質量流量を減少させそれにより、電流の遮断に先立っての前記プラズマアークチャンバーを通してのガス流れを前記プラズマアークを制御するに十分な且つ前記プラズマアークチャンバーを通しての渦流状態でのガス流れを前記電流の遮断と一般に同時に終了させるに十分な量に維持する段階、（ｉｉ）プラズマアークチャンバーを通してのガスの流れパターンを半径方向流れに変更する段階、（ｉｉｉ）前記（ｉ）及び（ｉｉ）の各段階の組み合わせ段階、から成る段階群から選択した１つのパラメーターを変化させるためのパラメーターを変化手段と、該パラメーター変化手段を、電流の遮断する直前に作動させそれによって電極の損耗を実質的に低減させるためのパラメーター変化手段作動手段とによって構成される前記プラズマアークトーチシステム。
１６．パラメーター変化手段は、プラズマアークチャンバーへのガスの流れを制御するための弁手段を含んでいる請求の範囲１５に記載のプラズマアークトーチシステム。
１７．弁手段は時間ｔ１に於て、約３００ミリセカンドの間、時間ｔ２での電流の遮断に先立ってプラズマアークチャンバーへのプラズマガスの流れを遮断するために閉鎖される請求の範囲１６に記載のプラズマアークトーチシステム。
１８．パラメーター変化手段は、プラズマアークチャンバーにガスを導入するための一般に半径方向のガス導入穴を具備する第２の渦流リングにして、前記プラズマアークチャンバーへのガス流れを前記第１の渦流リングから該第２の渦流リングヘと切り替えるための弁手段と組み合わせた状態に於てトーチ本体部に取付けられている前記第２の渦流リングを含んでいる請求の範囲１５に記載のプラズマアークトーチシステム。
１９．プラズマアークチャンバーへのガス流れの前記第１の渦流リングから該第２の渦流リングヘの切り替えは、電流遮断の約５００ミリセカンドの内に生じる請求の範囲１８に記載のプラズマアークトーチシステム。
２０．パラメーター変化手段は、プラズマアークチャンバーからの通気のための通気手段と該通気手段を開閉するためにパラメーター変化手段作動手段の制御下に作動時材の弁手段とを含んでいる請求の範囲１５に記載のプラズマアークトーチシステム。
２１．プラズマアークチャンバーへのガス流れの前記第１の渦流リングから該第２の渦流リングヘの切り替えは、電流遮断の約５ミリセカンドの内に生じる請求の範囲１５に記載のプラズマアークトーチシステム。