JPH06295795A - 渦流アークプラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 テーパ付きボアを有する電極を備えていて、
溶融金属プールとトーチ本体との間に容易に材料を供給
できるように充分な長さのアークを発生することのでき
るアークプラズマトーチを提供する。 【構成】 テーパ付きボアを有する電極を備えたアーク
プラズマトーチは長い柱状のプラズマアークを発生す
る。このトーチは、トーチハウジングと、テーパ付きボ
アを有する電極と、ガス閉じ込めノズルと、渦状ガス流
発生器とを備えている。電極はハウジング内に取り付け
られ、閉じた内端と、開いた外端とを有している。電極
は、長手方向に延びるテーパ付きのボアを有する。ボア
は、口において最大直径を有する。ノズルもボアを有
し、ハウジング内に取り付けられる。ノズルは、テーパ
付きボアを有する電極と軸方向に整列され、この電極に
対して前方に離間され、そしてこの電極から絶縁され
る。トーチは、この電極とガス閉じ込めノズルとの中間
の位置にガスの渦流を導入し、トーチの使用中に電極を
通るガスの流れを形成する。運転中に、電極から出てく
る電気アークがこのガス流をイオン化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炉内での溶融、溶接及
び切断の分野に適したアークプラズマの発生装置に係
り、より詳細には、テーパ付きボアを有する電極を備え
たアークプラズマトーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】金属や合金を溶融したり精錬したりする
分野では、アークプラズマトーチを備えたアーク炉が一
般に使用されている。アークプラズマトーチを用いた炉
は反応性金属を溶融するのに特に有用である。というの
は、このような金属はある雰囲気中で加熱したときに急
速に反応しもしくは飛散するからである。

【０００３】典型的なアークプラズマトーチは、まっす
ぐなボアを有する円筒状電極と、この電極から離れたと
ころにあるガス閉じ込めノズルと、上記電極とノズルと
の間のスペースを取り巻くチャンバと、加圧されたアー
クガスの渦流を発生する手段とを使用しており、上記ア
ークガスは、上記チャンバ及び電極ボアに向かって後方
に延びそしてノズルの前部を通して下方に渦巻く。この
種の構成を渦流トーチとしばしば称している。ノズルの
閉じ込め作用により、プラズマアークは柱状になる。

【０００４】アークの存在中で上記の加圧されたアーク
ガスがイオン化されることによりアークプラズマが形成
され、渦巻き状の過熱プラズマジェットとして閉じ込め
ノズルを経て放射される。渦状のアークガスは、電極を
腐食や汚染から保護する助けもする。というのは、アー
クが出てくる電極上のポイント（アーク終端点）が単一
のスポットに留まるのではなくてアークガスと共にスピ
ンする傾向があるからである。

【０００５】アークプラズマトーチは、その電極と被加
工片との間に形成されるプラズマアークによって熱を発
生する（しばしば移送モードと称する）。或いは、トー
チ電極と第２の外部電極との間に熱が発生されてもよい
（非移送モードと称する）。移送モードの場合には、エ
ネルギーがトーチから被加工片へ直接移送され、その一
部が別の電極へ消散することはないので、通常は効率が
高い。

【０００６】プラズマアーク溶融によって与えられるほ
とんどの利点は、アークの柱状特性に関連したものであ
る。プラズマアークを柱状に閉じ込めることによりアー
クの方向安定性が高くなる。従って、アークは硬直した
ものとなり、指示された方向に容易に収束される。細い
ノズルの場合、この閉じ込められたアークは電流密度が
高く、熱エネルギー密度も高いものとなる。アークは柱
状であるから、アークの長さ及びトーチからの距離の相
違にもほとんど不感となる。

【０００７】公知技術は、アークプラズマを発生すると
共にそのプラズマにより処理される材料を組み込むとい
う両方の構成を含んでいる。参考としてここに取り上げ
るバイアード氏の米国特許第３，１９４，９４１号及び
カマコー氏の米国特許第３，６７３，３７５号には、ア
ークプラズマトーチの構成に関する２つの公知解決策が
例示されている。

【０００８】バイアード氏（米国特許第３，１９４，９
４１号）は、ユニオン・カーバイド社によって販売され
た最初の渦流トーチを開発したと考えられている。バイ
アード氏は、ノズルの長さ（Ｂ）とノズル内部のボア
（Ｃ）の比が重要であると教示している。推奨されたＢ
／Ｃの値は、１．２ないし３．０であり、２．０が最適
な比である。バイアード氏によれば、Ｂ／Ｃの値が１．
２より低いと、二重アークが生じる。又、バイアード氏
は、Ｂ／Ｃの値があまり大きくなると、アークの転送が
困難となり、流出アークの熱効率が低下することも教示
している。

【０００９】更に別の公知技術としてここに取り上げる
ものにカマコー氏の米国特許第４，７１８，４７７号が
ある（以下、’４７７特許と称する）。この特許には、
真空中でプラズマトーチを動作することにより、大気圧
のもとで動作する場合に比して、電圧勾配（アーク電圧
をアーク長さで除算したもの）が著しく減少され、これ
により、所与のアーク長さに対して得られるトーチの出
力電力が著しく低下されることが開示されている。

【００１０】前記の’４７７特許には、更に、たとえ電
力レベルがアークの長さに比例しても、真空状態のもと
では、アークの長さを増しても電力がほとんど増加しな
いほど電圧勾配が低いことも述べられている。前記の’
４７７特許は、まっすぐなボアを有する円筒状電極の直
前に小直径のノズルを配置して、電極とノズルとの間に
誘起された渦状のガス流でノズルの上流に背圧を形成す
ることによりアークの低電力レベルの問題を克服しよう
とするものである。その効果として、ノズルの上流のア
ークの一部分が比較的高い圧力を受け、これにより、電
圧勾配が増加される。その結果、アークの全長を増加す
ることができ、大きな電力レベルを達成することができ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アーク
長さの増加はノズルの上流であるため、トーチの外部の
実効アーク長さ、即ちトーチの端とプラズマにより加熱
されている金属のプールとの間の長さには変化がなく、
比較的短いままであることに注意されたい。その結果、
トーチの「離間」長さ、即ち溶融プールとトーチ端との
間のアーク部分の長さは比較的短いままである。従っ
て、溶融のために炉へ送り込まれる大きな金属片がトー
チの端に接触して短絡を生じたりトーチにダメージを生
じたりすることがある。

【００１２】トーチと被加工片との間に大きなアーク長
さを維持すると、一般に大電力のアークが発生されるの
で、このようにすることが望ましいと分かっている。大
きなアーク長さに伴う利点は、トーチと被加工片との間
の離間距離を大きくとれることである。この離間距離が
大きいと、トーチにダメージを及ぼすことなく溶融プー
ルとトーチ本体との間に材料を容易に送給できる。

【００１３】従って、プラズマ溶融の重要な点は、トー
チにダメージを及ぼさずに溶融プールとトーチ本体との
間に材料を容易に供給できる一方、トーチに所望の比較
的高い電力出力を維持できるに充分な長さのアークを発
生することである。本発明はこれらの特性を有するプラ
ズマトーチを提供する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本出願人は、上記した一
般的な形式の従来のプラズマトーチにおいてその電極の
内部ボアにその長さの少なくとも一部分にわたってテー
パを付けた構造とすることにより比較的長いアークを発
生できることを発見した。電極ボアのテーパ付けされた
部分は、電極の開放端、即ち炉内の溶融金属プールに面
した端から延びており、そしてアークは、このテーパ付
けされたボア部分に固定されるのであって、例えば、前
記の’４７７特許で意図されたように電極の後端付近に
固定されるのではない。その結果、トーチの端を越えて
突出するアークの長さが実質的に長くなり、それに対応
してトーチの離間長さも増加する。従って、比較的大き
な固体金属片でも、電気的な短絡やトーチの物理的なダ
メージを招くことなく溶融金属プールとトーチとの間に
受け入れることができる。

【００１５】電極ボアの直径が大きいプラズマトーチで
は、アークの終端領域が電極ボアの深部へと後退させら
れ、即ちその閉じた端の付近まで後退させられることが
研究により示唆されている。一方、内部電極ボアの直径
が小さい場合には、アークの終端領域が前方にくる。こ
のように直径が大きい場合も小さい場合も各々付随的な
問題が生じる。

【００１６】小直径の電極ボアは、アーク終端領域を前
方へ強制することによりトーチから突出するアークの長
さ及び離間長さを増加させるが、最も冷却が困難な電極
領域即ちその前方端に腐食及び過熱を生じさせる。大直
径の電極ボアは、アーク終端領域を後退させて、不所望
にも離間長さを短縮する一方、おそらくは電極ボアの後
端のガス流量が低下するために甚だしい腐食が生じる。

【００１７】本発明のテーパ付きボアは、アークの終端
領域を電極前方部のテーパ付けされたボア部分に安定化
させる。これは、この電極形状によって生じる平衡力に
よるもので、これがアークの終端に作用すると思われ
る。電極の口において比較的直径が大きいことによりア
ーク終端領域は電極ボアに向かって後方に後退させられ
る。しかしながら、テーパによりボアの直径が減少する
ことによってアーク終端領域の後退が制限され、小ボア
直径電極の欠点が克服される一方、トーチにとって相当
に大きな離間長さが与えられる。

【００１８】従って、本発明によるテーパ付きボアを有
する電極形態では、冷却が容易であると共にガス流量が
高くてアークをより確実にスピンさせることにより電極
腐食を最小とするような電極前方部の位置にアーク終端
点を固定するよう上記平衡力の利点が取り入れられる。

【００１９】本発明の一実施例では、テーパ付きボアを
有する電極と、ガス閉じ込めノズルと、ガスの渦発生器
とが取り付けられるトーチハウジングによって画成され
たプラズマトーチが提供される。電極は、閉じた内端即
ち後端と、開いた前端即ち外側の口とを有している。ノ
ズルは、テーパ付きボア電極と軸方向に整列され、その
前方に離間されそしてそこから絶縁される。

【００２０】このようなトーチは、使用中に、電極を越
えて加圧アークガスを案内し、電極とガス閉じ込めノズ
ルとの中間の位置にガスの渦流を発生する。

【００２１】本出願人は、根本的な理由は完全には分か
らないが、本発明のテーパ付きボアを有する電極は、ま
っすぐなボアを持つ従来の電極構成に勝る多数の効果を
奏することが分かった。

【００２２】テーパ付きボアを有する電極が設けられた
プラズマアークトーチは、電極の前方領域にアークを固
定することにより、従来のまっすぐなボアをもつ電極で
達成できるものよりも大きなアーク長さとそれに対応す
る大きなトーチ離間長さを与えることができる。改善の
ために仮定することは、テーパ付きボア電極がプラズマ
柱に低い電圧勾配を発生することである。例えば、まっ
すぐなボアをもつ電極によって生じるプラズマ柱の電圧
降下は、１気圧のヘリウム中で１４ボルト／インチであ
る。これと同じ動作条件のもとで、本発明のテーパ付き
ボア電極により生じる電圧降下は約８ボルト／インチに
過ぎないと思われる。プラズマ柱の電圧降下が低いと、
アークの長さを増加できると共に、所与の電圧に対しト
ーチを被加工片上に高く持ち上げることができる。これ
により得られる大きなトーチ離間長さは、アークを消し
たりトーチにダメージを招いたりすることなく大きいサ
イズの被加工片を受け入れるのに望ましいものである。

【００２３】更に、本発明によるテーパ付きボア電極
は、アーク終端点におけるアークのスピンを改善すると
考えられる。アーク終端点の改善された回転により電極
の腐食が低減されると共に安定したアーク動作が促進さ
れる。電極ボア内のこの改善されたアーク回転は、電極
の前端におけるボアの直径が比較的大きいことと、電極
とアーク終端領域との間の距離が比較的短いこととの組
み合わせによって達成されるが、本出願人にはこのよう
な改善が達せられる正確な理由は不明のままである。

【００２４】更に、テーパ付きボアを有する電極は、頻
繁に交換する必要がない。これは、おそらくアークの回
転が改善されることにより過熱が回避されるからであ
る。

【００２５】更に、テーパ付きボアを有する電極は、そ
の全長を短くすることができ、電極材料のコストを節約
できる。歴史的に、この業界では、長い電極が必要であ
るか又は少なくとも望ましいと考えられていた。

【００２６】本発明のトーチ及び電極の組み合わせで
は、アークプラズマを発生するのに僅かなガス流しか必
要としないことにより更に経済性が得られる。

【００２７】

【実施例】本発明のここに開示する実施例は、移送式ア
ーク炉の用途において良好に機能する。しかしながら、
本発明は、非移送式アーク炉の分野にも等しく適用する
ことができる。又、本発明は、プラズマアーク溶接やプ
ラズマアーク切断の分野にも同様に有用である。

【００２８】本発明の上記及び他の特徴及び効果は、添
付図面を参照した以下の詳細な説明から明らかとなろ
う。まず、図１及び３を参照する。図３に示された本発
明のプラズマトーチ２は、プラズマトーチハウジング４
（概略的に示す）によって画成され、このハウジングに
は内部ボア即ちチャンバ３２を有する一般的に円筒状の
細長い電極２０が取り付けられ、内部ボアは炉内の溶融
金属のプール６に一般に面した電極の前方端５において
開いている。電極の後端７は閉じており、電極ボア３２
は盲穴である。電極は電源８に適当に接続され、この電
源は溶融金属プール６と共に接地されていて電極と溶融
金属プールとの間に電位が生じるようになっている。

【００２９】トーチハウジングには、更に、概略的に示
されたノズル４８が取り付けられ、該ノズルは電極の前
方端５を横切って延びていて、電極のボア３２に軸方向
に整列された貫通ボア４９を含んでいる。ノズルは、電
極の前方端とノズルの後方を向いた面５３との間に円筒
状の旋回もしくは渦巻きチャンバ５２を確立する構成に
されている。ガスソース５７に流体連通する１つ以上の
ガス注入オリフィス５５は、渦巻きチャンバ５２に適当
なガスを注入するように構成されており、図３に楕円矢
印５９で示すように、整列された電極ボア３２及びノズ
ルボア４９の軸のまわりでガスが渦巻くようになってい
る。

【００３０】トーチ全体、及び特にその電極とノズル
は、典型的に水で適当に冷却される。このような冷却系
統は公知であり、前記の公知特許にも開示されているの
で、プラズマトーチの冷却についてはこれ以上説明しな
い。

【００３１】運転中に、電源８はプール６と電極２０と
の間に電位を形成するように動作される。それらの間に
はアークが開始され、ソース５７からのガスがポート５
５を経て渦巻きチャンバ５２へ注入され、ノズル開口４
９を通してプールに向かう下流方向にガスの渦巻きが生
じるよう強制される。電気アーク５６は、電極ボア３２
内に固定された状態となり、ノズル開口４９を経て強制
的に送られる渦状ガスを過熱及びイオン化し、プール６
に吹きつけられる高温のプラズマガスを形成する。この
プラズマガスは、プール内にある固体金属片を溶融し、
良く知られたようにプールを所望の温度に維持する。
又、渦状のガスがアークを回転することにより電極ボア
内でアークの固定点がスピンされる。

【００３２】図１を参照すれば、本発明の電極２０は均
一な外径を有し、開いた口２４と、閉じた端７と、内部
電極ボア３２とを含んでいる。電極ボアは、その長さの
一部分にわたって延びる内部のテーパ付けされた壁３６
と、盲穴端２８で終わる円筒状の一定直径部分４０とに
よって画成される。ボアの直径は、開いた口において最
大となり、そこから円筒状ボア部分に向かう方向に減少
する。

【００３３】比較の目的で、図２には公知の電極２１が
示されている。これは、一定直径の内部ボア２３を有し
ている。

【００３４】電極２０は、１つの部片より成る均質構造
のもので、プラズマガスの選択に基づいて選ばれた適当
な材料で作られるのが好ましい。反応性ガスと共に典型
的に使用される材料の中で、銅、アルミニウム、銀、モ
リブデン及びジルコニウムが挙げられる。不活性ガスの
場合には、電極として推奨される材料が、タングステ
ン、タングステン合金、炭素及び銅を含む。

【００３５】電極のテーパ付けされたボアの軸方向ボア
長さ（Ｌ）が電極ボア３６の口２４におけるボア直径
（Ｄ）の１０倍より小さい場合に最良の結果が得られる
ことが明らかであるが、その理由はまだ明確でない。ノ
ズルボア４９の直径は、電極ボアの最大直径（Ｄ）とほ
ぼ同じにするか又はそれより若干小さくしなければなら
ない。

【００３６】図６は、テーパ付きボアを有する電極（図
１）と、一定直径ボアを有する電極（図２）とに対し、
電圧とトーチの離間距離をプロットしたものである。こ
れら２つの電極の比較テストを電極電流１２００アンペ
アで行い、イオン化ガスとしてヘリウムを使用した。こ
のテストに使用したテーパ付きボアを有する電極は、電
極の口における直径が０．９５インチで、壁のテーパが
ボア軸に対して７．５度で、ボアの円筒状後部の直径が
０．５インチであった。テーパ付き部分の軸方向の突出
長さは１．７０９インチであり、本出願人は、電極の口
から約１インチのテーパ壁にアークが固定されたと推測
するが、正確に述べることはできない。図６は、テーパ
付きボアを有する電極が離間距離対印加電圧に著しい改
善をもたらすことを示している。例えば、テーパ付きボ
アを有する電極は、印加電圧２２０ボルトにおいて離間
長さが１３インチである（図４）。ボア直径が０．８１
３インチのまっすぐなボアを持つ公知の電極は、同じ電
圧において、離間長さが８インチに過ぎない（図５）。
印加電圧１６０ボルトの場合には、テーパ付きボアを有
する電極と、まっすぐなボアを有する電極とで、離間長
さが各々７インチと４インチである。

【００３７】図４及び５に示すように、同じ電圧及び電
流の条件のもとで、本発明のテーパ付きボアの電極で得
られる大きな離間長さにより、供給材料を容易に導入す
ることができる。まっすぐなボアを有する公知の電極の
比較的短い離間長さでは、供給材料の導入が困難である
上に、電気的な短絡及び／又はトーチと供給材料との物
理的な接触によりトーチにダメージを招くことがある。

【００３８】以上、特定の装置について本発明を説明し
たが、当業者であれば、種々の他の応用や変更が明らか
であろう。これらは全て本発明に包含されるものであ
り、本発明は、特許請求の範囲のみによって限定される
ものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマトーチ用のテーパ付きボアを有する本
発明の電極を概略的に示す図である。

【図２】図１と同様の図であるが、まっすぐなボアを有
する公知の電極を概略的に示す図である。

【図３】テーパ付きボアを有する本発明の電極を備えた
プラズマトーチを示す概略図である。

【図４】テーパ付きボアを有する本発明の電極を備えた
プラズマトーチで達成されるプラズマトーチの離間長さ
を示す図である。

【図５】まっすぐなボアを有する公知電極を備えたプラ
ズマトーチで達成されるプラズマトーチの離間長さを示
す図である。

【図６】テーパ付きボアを有する本発明の電極と、まっ
すぐなボアを有する公知電極の両方に対し、電圧とトー
チ離間距離をプロットしたグラフである。

【符号の説明】

２ プラズマトーチ ４ プラズマトーチハウジング ５ 電極の前方端 ６ 溶融金属のプール ７ 電極の後端 ８ 電源 ２０ 本発明の電極 ３２ 内部ボア即ちチャンバ ３６ テーパ付きの壁 ４０ 円筒状の一定直径部分 ４８ ノズル ４９ ノズルの貫通ボア ５２ 円筒状渦巻きチャンバ ５５ オリフィス ５７ ガスソース

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【手続補正書】

【提出日】平成６年３月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長いプラズマアークを発生するための渦
   流アークプラズマトーチにおいて、 トーチハウジングと、 上記ハウジング内に取り付けられた電極であって、一端
   が閉じそして他端が開いた長手方向に延びる軸方向ボア
   を有していて、この開いた端に隣接するボアの一部分に
   均一にテーパが付けられ、上記開いた端におけるボアの
   直径は上記開いた端から更に離れたボアの直径よりも大
   きくそしてボアの長さが上記開いた端の直径の少なくと
   も２倍はあるような電極と、 上記電極の前方で電極から離間されて上記ハウジング内
   に取り付けられたノズルであって、上記テーパ付けされ
   たボアと軸方向に整列された開口を有しているノズル
   と、 トーチの使用中に上記ノズル開口を通して渦状のガス流
   を発生するように上記電極とノズルとの間にガスを渦状
   に注入する手段と、 上記電極のテーパ付けされたボアの内部と、上記電極か
   ら離れたノズルの端に配置された被加工片との間に電気
   アークを発生する手段とを具備し、 上記渦状のガス流が上記電極のテーパ付けされたボア及
   び上記ノズルの開口と同軸的に上記電気アークを回転さ
   せ、これにより、上記テーパ付けされたボアの内部のア
   ーク終端点をボアの軸に対してスピンさせることを特徴
   とするアークプラズマトーチ。
2. 【請求項２】 上記ボアは、その軸に対して約１度以上
   の実質的に均一な傾斜角度を有する上記電極の内壁によ
   って画成される請求項１に記載のアークプラズマトー
   チ。
3. 【請求項３】 上記電極ボアの長さは、上記電極の開い
   た端におけるボアの直径の約１０倍以下である請求項１
   に記載のアークプラズマトーチ。
4. 【請求項４】 上記ノズル開口の直径は、上記電極の開
   いた端におけるボアの直径に実質的に等しい請求項１に
   記載のアークプラズマトーチ。
5. 【請求項５】 渦流アークプラズマトーチに使用する細
   長い電極において、上記トーチはこの電極とトーチから
   離れた被加工片との間に渦状のガス流を誘起するもので
   あり、上記電極は内部に電極チャンバを形成する細長い
   本体を備え、該本体の一端にある開いた口は上記チャン
   バを本体外部と連通し、上記本体の他端は閉じており、
   上記チャンバは、上記開いた口から上記本体の閉じた端
   に向かってその長さの少なくとも一部分に延びる実質的
   に均一な長手方向テーパを有しており、このテーパは、
   上記本体の閉じた端に向かう方向に収斂するテーパ付け
   された内壁によって画成され、上記チャンバは、上記開
   いた口から閉じた端までの長さが上記開いた口における
   上記チャンバの直径の少なくとも２倍はあり、これによ
   り、使用中に上記トーチにより発生された渦状のガス流
   は、上記電極と被加工片との間の電気アークのアーク終
   端点を上記チャンバのテーパにおいてスピンさせること
   を特徴とする電極。
6. 【請求項６】 上記長手方向にテーパ付けされた部分
   は、上記の開いた口から、この口と閉じた端の両方から
   離れた第１深さの部分まで延びており、該第１深さの部
   分と上記閉じた端との間のチャンバの残り部分は実質的
   に一定の断面を有している請求項５に記載の電極。
7. 【請求項７】 細長い電極と、該電極の第１端と被加工
   片との間に配置されたノズルと、これら電極及び被加工
   片に接続された電源とを備えたプラズマトーチを動作す
   る方法において、 上記電極の第１端において開いていて、その第２端にお
   いて閉じている細長いボアであって、その長さが上記第
   １端におけるその直径の少なくとも２倍はあるようなボ
   アを上記電極に形成し、 上記電極の第１端に隣接するボアの少なくとも一部分
   に、上記電極の第１端から第２端に向かって収斂する実
   質的に均一のテーパ付けされた内壁を設け、 上記電極と被加工片との間に電気アークを開始させ、 上記電極からノズルを通して被加工片へとガス流を発生
   し、上記電気アークでこのガス流をイオン化し、 上記電極ボアの軸のまわりでガス流に渦を形成し、そし
   て上記電気アークの終端点を上記電極のテーパ付けされ
   たボア壁のテーパ部分に閉じ込め、 それにより、上記渦状のガス流が上記アークの終端点を
   上記電極のテーパ付けされたボア壁部分に対して回転さ
   せると共に、上記電極と被加工片との間の所与の電圧差
   に対して比較的長いアークを発生でき、上記電極と被加
   工片との間に比較的長い距離を維持できるようにしたこ
   とを特徴とする方法。