JPH0677976U - プラズマ加工用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマアーク加工用電極の電極寿命を延ば
し、寿命ばらつきを低減する。 【構成】 流体により冷却される金属製電極ホルダー(2
0)の先端に高融点の電極材(21)を挿入装着して、プラズ
マガスとして活性動作ガスを用いたプラズマアーク加工
用電極において、前記挿入装着された電極材(21)が、電
極ホルダー(20)の前端面(1b)と面一となる形状の電極
(1)で、該電極材(21)が電極ホルダー(20)の内孔面(1c)
よりも冷却流路側に突起させたことを特徴とする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、金属材料の溶接あるいは切断に用いられるプラズマアーク加工用ト ーチの電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、切断ガスとして酸素または空気のような活性ガスを使用したプラズマ 切断用トーチは、図２に示されるものであり、切断ガスを旋回流にして狭搾した ノズル２より放出しておき、電極材２１と加工材料１０との間にアークを発生さ せて、そのアーク熱と、高温のプラズマガス気流９により加工材料１０を溶融し 、吹き飛ばしながら切断を行っている。

【０００３】 しかしながら、この時、アーク放電を行っている電極材２１は非常に高温の活 性ガス雰囲気中にさらされ短時間で消耗してしまう為、電極材２１を流体で冷却 した銅製の電極ホルダーに埋め込み強制冷却し、電極材２１の温度上昇を抑え、 なおかつ電極材材料としてハフニウムまたは、ジルコニウム等のような高温の酸 化性雰囲気中で高融点で放電特性の優れた材料を使用して、できるだけ電極材２ １の寿命を延ばす工夫をして使用している。

【０００４】 従来例としては、特公昭４９−８６２２号公報，実開昭５８−１７０１７４号 公報，特開平４−５５０６２号公報等があり、銅製の電極ホルダーに穴を開け電 極材を圧入または挿入し、電極ホルダーを外周より圧縮して、冷却した電極ホル ダーと電極材を出来るだけ密着させ、電極材の昇温を押さえ、電極寿命を延ばす 構造をとっている。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、従来の電極の場合、その冷却構造上冷却効果に問題があり、電 極寿命が短い。また個々の電極の寿命にばらつきが大きい等の問題があり、自動 切断作業において大きな支障となっている。

【０００６】 従来技術の電極は、図３の（ａ）あるいは（ｂ）に示す構造であり、電極材２ １は、電極ホルダー２０に完全に埋め込まれているか、もしくは、電極材２１が 直接冷却流体に接していてもその面積は極めて小さく、又発熱部から遠く離れて いた。従って電極材２１の冷却の大部分は、電極材２１と電極ホルダー２０との 接触面と電極ホルダー２０の金属を通して水冷、または空冷していた。このため 、電極ホルダー２０の熱抵抗及び接触面の接触熱抵抗分は、冷却効率が低下する 事となり、それに対応して電極材２１の温度も高く、電極材先端の溶融消耗速度 が速くなり、結果として電極寿命もその分短かった。

【０００７】 また、電極寿命のばらつきの原因としては、電極材２１と銅ホルダー２０との 接触部の接触面積および接触圧力は製造上の誤差により個々の電極によって差が あり、これが電極寿命のばらつきを生じる大きな原因の１つになっていた。

【０００８】 この為、電極材２１および電極ホルダー２０の凹部の合わせ面全域の寸法精度 および面粗度の加工精度を可能な限り良くし、電極寿命のばらつきを抑える対策 が施されてきたが、長時間安定した作業はできず満足のいくものでは無かった。 電極寿命が短い、または電極寿命にばらつきが大きいと、電極交換が頻繁とな る為、度々切断装置を停止しなければならず、切断効率が非常に低下し、生産性 の低下およびコスト高となる原因になっていた。

【０００９】 そこで本考案は、電極寿命を延ばし、寿命ばらつきの少ないプラズマアーク加 工用電極を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

この考案は、前述した従来の問題点に留意してなされたものであり、流体によ り冷却される金属製電極ホルダー(20)の先端に高融点の電極材(21)を挿入装着し て、プラズマガスとして活性動作ガスを用いたプラズマアーク加工用電極におい て、 前記挿入装着された電極材(21)が、電極ホルダー(20)の前端面(1b)と面一とな る形状の電極(1)で、該電極材(21)が電極ホルダー(20)の内孔面(1c)よりも冷却 流路側に突起させたことを特徴とする。なお、カッコ内の記号は、図面に示し後 述する実施例の対応要素を示すものである。

【００１１】

【作用】

電極材(21)が電極ホルダー(20)の前端面(1b)と面一となる形状の電極(1)で、 電極材(21)が電極ホルダー(20)の内孔面(1c)よりも冷却流路側に突出しているの で、電極ホルダー(20)先端部内側の冷却流体通路(1d)に電極材表面積の多くが露 出しており、電極材(21)は冷却流体と広面積で直接接触する。これにより電極材 (21)の冷却効率が高く、電極材(21)の消耗速度が遅くなる。

【００１２】 電極材(21)はまた、冷却された銅製の電極ホルダー(20)に密着装着されている 為、電極ホルダー(20)を通じても冷却される。これにより、電極材(21)の冷却流 体による直接冷却と、電極ホルダー(20)との接触面を通じての間接冷却との相乗 により、電極材(21)の冷却効果が非常によくなり、電極材(21)のアーク中での過 熱が防止される。この為、電極材(21)の過熱昇温による短時間での消耗が避けら れ、従って電極(1)の寿命が長くなる。

【００１３】 また、電極材２１は冷却流体と直接接触する部分が有る事で、電極ホルダー２ ０との密着むらによる冷却ばらつきが大いに軽減し、これにより個々の電極寿命 のばらつきが減少する。

【００１４】

【実施例】

以下、本考案を適用したプラズマ加工用電極の実施例を、図を用いて説明する 。図１の（ａ）及び（ｂ）は、本考案のそれぞれ別個の実施例を示す。これらの 図面に示す電極１は、図２に示すプラズマ切断トーチ電極１として用いられるも のである。なお、図３の（ａ）及び（ｂ）は、従来用いられているそれぞれ別個 の電極１を示し、図４にはこれらの電極の寿命を示す。

【００１５】 本考案の１つの実施例を示す図１の（ａ）、ならびにもう１つの実施例を示す 図１の（ｂ）において、銅または銅合金からなる電極ホルダー２０の先端に前端 面１ｂが形成されており、且つ内部には例えば冷却流体として水等を流すための 内孔１ｄおよび前端面１ｂと対向する内孔面１ｃが形成されている。また電極ホ ルダー２０の軸中心には前端面１ｂから内孔面１ｃへ貫通孔１ａが形成されてい る。前記貫通孔１ａには、ハフニウムまたはハフニウム合金からなる丸棒状の電 極材２１の片端面が、電極ホルダー２０の前端面１ｂと面一にして内孔面１ｃに 貫通して嵌装されている。該電極材２１のもう片端面側には、内孔面１ｃよりも 突き出した形で電極材直接冷却面１ｅが形成されている。

【００１６】 次に、上記の如く構成した電極１を製造する場合について説明すると、先ず電 極ホルダー２０の軸中心に前端面１ｂから内孔面１ｃまで貫通孔１ａを形成する 。該貫通孔１ａは電極材２１の外形よりも僅かに大きく形成されている。次いで 、電極材２１を、図１の（ａ）の場合、所定の長さに切断し端面および外周面を 切削および研磨加工をする。図１の（ｂ）の場合は、例えば外形１．９ｍｍ径の 大きさの電極材２１をさらにワイヤ放電加工により溝幅０．５ｍｍで円柱軸方向 に所定の深さのスリット状の溝付け加工を行う。これら各電極材２１を、電極ホ ルダー２０に形成した貫通孔１ａに挿入し、電極材２１が内孔面１ｃよりも所定 長さ突起するように配置した後、電極ホルダー２０を外周から中心軸方向に押し 圧して、電極材２１を電極ホルダー２０に密着保持する。

【００１７】 その後、電極ホルダー２０および電極材２１の、前端面１ｂを含む外周面およ び内孔面１ｃを含む内孔面を、所定の形状に切削など機械加工を行い電極を形成 する。

【００１８】 前記加工により電極材２１は、電極ホルダー２０の前端面１ｂにおいて面一と なる形状を有し、また電極材２１が内孔面１ｃよりも冷却流路１ｄ側に突起した 形状の電極となる。また電極材２１は、挿入前に電気メッキを施しても良く、ま た、押し圧密着保持の代わりにロー付けにより電極材２１を電極ホルダー２０に 接合しても良い。また、電極材２１は挿入前に適当な金属スペーサーを取付てか ら電極ホルダー２０に嵌装しても良い。

【００１９】 上記の如く構成した図１の（ａ）に示す電極および図１の（ｂ）に示す電極と 、従来の、図３の（ａ）に示す電極、のそれぞれにつき５個をサンプルとして比 較実験を行った。共通条件として、電極材にはハフニウム材を使用し、母材１０ は実験のために水冷銅材を使用し、冷却流体は水で流量５．７ｌ／ｍｉｎとした 。水温は約１５℃であった。切断電流は２５０Ａ、酸素ガス流量は４０１／ｍｉ ｎ、ノズル２穴径は２．３ｍｍで、アーク時間６０秒、休止時間１５秒の繰り返 しで実験した。

【００２０】 〈図１の（ａ）に示す本考案の実施例〉 電極材の径 １．９ｍｍ 電極材の長さ ６．０ｍｍ 貫通孔１ａの長さ ３．５ｍｍ 上記寸法の電極の寿命回数は、１０９〜１２６回で平均寿命は１１７回であっ た。この時の寿命のばらつき率［最大寿命−最小寿命／（平均寿命×２）×１０ ０］は±７．２％であった。

【００２１】 〈図１の（ｂ）に示す本考案の実施例〉 電極材の径 １．９ｍｍ 電極材の長さ ６．０ｍｍ 電極材の溝深さ ３．０ｍｍ 貫通孔１ａの長さ ３．５ｍｍ 上記寸法の電極の寿命回数は１１７〜１４１回で、平均寿命は１２９回であっ た。この時の寿命のばらつき率は±９．３％であった。

【００２２】 〈図３の（ａ）に示す従来例〉 電極材の径 １．９ｍｍ 電極材の長さ ６．０ｍｍ 貫通孔１ａの長さ ６．０ｍｍ 上記寸法の電極の寿命回数は６１〜９７回で、平均寿命は７９回であった。こ の時の寿命のばらつき率は±２２．８％であった。

【００２３】 上記実験からも明らかなように、本考案の電極（図１のａおよびｂ）は従来の もの（図３のａ）に比べ平均寿命で約５０〜６０％向上した。また、寿命ばらつ き率も６０〜７０％向上した。

【００２４】 このように、本考案電極の寿命が長くなった要因は、図４の電極寿命グラフで も明らかなごとく、従来例は電極材消耗深さが約０．８ｍｍを境に消耗速度が速 くなるが、本考案電極の場合は電極材消耗深さが約０．８ｍｍを越えても従来例 よりも緩やかな消耗速度となるため、電極寿命が長くなったものである。

【００２５】 これは、従来例の場合、電極消耗が進むにつれアーク発生点が電極ホルダー穴 １ａの奥より発生することから、電極ホルダーがアーク発生点での高温発熱を穴 １ａの壁面を通して受けることになり、この結果銅製電極ホルダーの温度が上昇 し電極材冷却効率が低下するため、電極消耗速度が速くなり電極寿命が短くなっ たものと考えられる。

【００２６】 これに対し、本考案電極は電極消耗が進んで電極ホルダーの温度が上昇しても 、直接水冷面１ｅでも冷却していることから、冷却効率が大きく減少することは なく、また電極材が消耗するにつれ発熱部が直接冷却面１ｅに近づくため逆に冷 却効率がよくなる。この結果、電極消耗速度は従来よりも緩やかとなり、これに より電極寿命が延びたものである。

【００２７】

【考案の効果】 以上詳細に説明したように、本考案のプラズマ加工用電極は、電極ホルダーに 挿入装着された電極材が電極ホルダー内孔面１ｃよりも冷却流路側に突起して嵌 装したので、電極材は、従来技術の電極ホルダーを通しての間接冷却プラス冷却 流体による直接冷却により冷却効率が良くなり、電極寿命が従来に比べ平均寿命 で５０〜６０％向上した。また、電極寿命のばらつきも寿命ばらつきの原因であ った間接冷却が少なくなり、冷却効率にばらつきの出ない直接冷却が強いので、 ばらつき率が従来に比べ６０〜７０％も改善された。また、加工精度を必要とす る間接冷却面の面積が減ったことで、製造コストが低減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれが本考案の別
個の実施例を示す縦断面図である。

【図２】 本考案の電極を使用するプラズマ切断トーチ
の縦断面図である。

【図３】 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれが従来の別個
の電極を示す縦断面図である。

【図４】 図１の（ａ）および（ｂ）ならびに図３の
（ａ）に示す電極の、消耗速度を示すグラフである。

【符号の説明】

１：電極 ３：流通パイプ ２０：電極ホルダー ２１：電極材 １ａ：貫通孔 １ｂ：前端面 １ｃ：内孔面 １ｄ：冷却流体
通路 １ｅ：直接冷却面

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】流体により冷却される金属製電極ホルダー
   の先端に高融点の電極材を挿入装着してなる活性動作ガ
   スを用いたプラズマアーク加工用電極において、 前記挿入装着された電極材が、電極ホルダーの前端面と
   面一となる形状の電極で、該電極材が電極ホルダーの内
   孔面よりも冷却流路側に突起させたことを特徴とするプ
   ラズマアーク加工用電極。