JPH0732156A - プラズマトーチのノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プラズマアークを噴射するオリフィスと二次気
流を噴射するオリフィスの同軸性を確保し、且つ溶融金
属の付着を可及的に低減させ、更に切断面の傾斜を改善
する。 【構成】第１オリフィス５と第２オリフィス６の軸心を
一致させて内側ノズル部材１を外側ノズル部材２に打ち
込み，接着，螺合等によって一体的に装着して同電位の
ノズルＡを構成する。内側ノズル部材１と外側ノズル部
材２の間に二次気流を形成するガスを流通させる通路７
を形成し、且つ外側ノズル部材２に複数の孔８を形成す
る。ノズルＡを内側キャップ13によってトーチ本体10に
装着し、ガードキャップ14によって保護する。長期間使
用しても第１，第２オリフィスの同軸性を保証し且つ溶
融金属がノズルＡの表面に付着することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマアークの周囲に
沿わせて二次気流を噴射するプラズマトーチのノズルに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼板やステンレス鋼板等の被切断材を切
断するプラズマトーチでは、特表平２−504603号公報，
特表平５−501081号公報等に開示されるように、被切断
材に向けてオリフィスから噴射されるプラズマアークに
沿って窒素ガス等のガスを二次気流として噴射すること
が行われている。

【０００３】上記技術は、ノズルの表面側に該ノズルと
電気的に絶縁されたシールドを設け、該シールドとノズ
ルの間にガスを流通させて冷却すると共に二次気流を噴
射し得るように構成したものである。このため、被切断
材を切断する際に発生する溶融金属がシールドの表面に
付着した場合であっても、ダブルアークが発生すること
を防止することが出来る。

【０００４】プラズマアークに沿って噴射される二次気
流は、切断面の品質の向上に寄与することが知られてい
る。特に、二次気流を旋回流とした場合、プラズマ切断
の特徴である切断面の傾斜を改善することが可能であ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】プラズマトーチに装着
された電極は使用時間の増加に応じて消耗するため定時
的に交換することが必要となる。従って、ノズルとシー
ルドを異なる部材として構成した上記公報の技術では、
電極を交換する都度、ノズル，シールドをプラズマトー
チから着脱することとなり、プラズマアークの軸心（ノ
ズルオリフィスの軸心）と二次気流の旋回中心（出口オ
リフィスの軸心）を一致させることが困難となり、プラ
ズマアークによる切断面の品質、特に、切断面の傾斜の
改善は上記技術では達成し得ないという問題がある。

【０００６】二次気流を旋回させてオリフィスから噴射
させる場合、外側ノズル部材と内側ノズル部材とで構成
された流通路に二次気流となるガスを供給する孔の位置
とオリフィスを一定の関係に保持しないと二次気流を効
果的に利用することが困難であるという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、プラズマアークを噴射す
るオリフィスと二次気流を噴射するオリフィスの同軸性
を確保し、且つ溶融金属の付着を可及的に低減させ、更
に切断面の傾斜を改善することが可能なプラズマトーチ
のノズルを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係るプラズマトーチのノズルは、電極の軸心
と一致して配置され且つプラズマアークを噴射するプラ
ズマトーチのノズルであって、プラズマアークを通過さ
せる第１オリフィスを有し且つ電極との間にアーク放電
してパイロットアークを形成する内側ノズル部材と、プ
ラズマアーク及び二次気流を通過させる第２オリフィス
を有し且つ前記内側ノズル部材との間に二次気流となる
ガスを通過させる流通路を形成する外側ノズル部材とを
有し、第１オリフィスと第２オリフィスの軸心を一致さ
せて内側ノズル部材の外周に外側ノズル部材を直接装着
して一体的に構成したものである。

【０００９】また上記プラズマトーチのノズルに於い
て、外側ノズル部材の先端に円筒部を形成すると共に該
円筒部の基部に段部を形成し、前記円筒部をキャップに
形成した孔に嵌合させると共に該キャップをプラズマト
ーチの本体に螺合させて固定し得るように構成すること
が好ましい。

【００１０】更に、上記プラズマトーチのノズルに於い
て、外側ノズル部材の所定位置に該ノズル部材の第２オ
リフィスの軸心に対して所定の旋回角度を持った孔を形
成し、前記孔を介して二次気流となるガスを供給し得る
ように構成することが好ましい。

【００１１】

【作用】上記プラズマトーチのノズルによれば、長期間
にわたって内側ノズル部材に形成した第１オリフィスと
外側ノズル部材に形成した第２オリフィスの同軸性を確
保すると共に、第２オリフィスからプラズマアークと該
アークに沿った二次気流を噴射することが出来る。

【００１２】即ち、第１オリフィスと第２オリフィスの
軸心を一致させて内側ノズル部材の外周に外側ノズル部
材を装着して一体的に構成したので、トーチ本体に装着
した電極を交換するような場合であっても、ノズルを構
成する内側ノズル部材と外側ノズル部材を分離する必要
がない。このため、第１オリフィスと第２オリフィスの
同軸性を確保することが出来る。

【００１３】また内側ノズル部材の外周と外側ノズル部
材の内周との間に二次気流を構成するガスの流通路を形
成したので、前記流通路を介してガスを供給すること
で、このガスを第２オリフィスから二次気流として噴射
することが出来る。

【００１４】また外側ノズル部材の先端に円筒部を形成
すると共に該円筒部の基部に段部を形成し、前記円筒部
をキャップに形成した孔に嵌合させて該キャップをプラ
ズマトーチの本体に螺合させることでノズルを固定し得
るように構成した場合には、ノズルの露出部分の面積を
可及的に小さくすることが出来、これにより、溶融金属
の付着量を可及的に少なくすることが出来る。

【００１５】また外側ノズル部材の所定位置に該ノズル
部材の第２オリフィスの軸心に対して所定の旋回角度を
持った孔を形成し、前記孔を介して二次気流となるガス
を供給し得るように構成した場合には、外側ノズルと内
側ノズルの間に形成された流通路にガスを供給すること
によって、該ガスを旋回させることが可能となり、第２
オリフィスから噴射する二次気流を旋回流とすることが
出来る。このため、切断面の傾斜を改善することが出来
る。

【００１６】

【実施例】以下、上記プラズマトーチのノズルの一実施
例について図により説明する。図１はノズルの断面図、
図２はノズルを構成する部品の展開図、図３はプラズマ
トーチの構成を説明する断面図である。

【００１７】図に於いて、ノズルＡは内側ノズル部材１
の先端部分の外周に外側ノズル部材２を一体的に装着し
て構成されている。内側ノズル部材１と外側ノズル部材
２は圧入，接着等の方法によって強固に一体化されてい
る。ノズルＡは１個の部材として構成され、使用中に内
側ノズル部材１と外側ノズル部材２が分離することがな
く、且つ電極を交換するような場合であっても、内側ノ
ズル部材１と外側ノズル部材２を分離する必要がない。

【００１８】内側ノズル部材１は全体がロート状に形成
されており、外面には後端側（図に於ける右側、以下同
じ）から先端側（図に於ける左側、以下同じ）に向かっ
て順に、胴部１ａ，シール部１ｂ，筒状部１ｃ，テーパ
部１ｄが形成されている。前記シール部１ｂには、図示
しないＯリングを装着する溝３が形成されており、また
筒状部１ｃの基部には段部４が形成されている。

【００１９】内側ノズル部材１の内面には後端側から先
端側に向かって順に平行部１ｅ，テーパ部１ｆが形成さ
れている。そしてテーパ部１ｆの先端に連続し且つ筒状
部１ｃの内部に第１オリフィス５が形成されている。

【００２０】内側ノズル部材１は図３に示す電極９との
間にアーク放電してパイロットアークを形成する機能を
有する。このため、内側ノズル部材１は導電性を有し且
つ適度な熱伝導性を有する金属材料である銅又は銅合金
によって形成されている。

【００２１】外側ノズル部材２は全体がカップ状に形成
されており、外面には後端側から先端側に向かって順
に、胴部２ａ，筒状部２ｂ，テーパ部２ｃが形成されて
いる。そして筒状部２ｂの基部であって胴部２ａとの接
続部分には段部２ｄが形成されている。また外側ノズル
部材２の内面には同様に平行部２ｅ，テーパ部２ｆが形
成され、テーパ部２ｆの先端に連続し且つ筒状部２ｂの
内部に第２オリフィス６が形成されている。

【００２２】外側ノズル部材２は内側ノズル部材１の外
周に一体的に装着される。本実施例では、内側ノズル部
材１に形成した段部４を外側ノズル部材２に嵌合させて
一体化し得るように構成している。

【００２３】このため、外側ノズル部材２の内面に形成
された平行部２ｅは内側ノズル部材１の外面に形成され
た段部４の直径と略等しい値を有している。即ち、内側
ノズル部材１と外側ノズル部材２を打ち込みによって一
体化する場合、段部４の直径と平行部２ｅの直径は等し
い値を持って形成され、また両者を接着によって一体化
する場合、段部４の直径は平行部２ｅの直径よりも僅か
に小さい値を持って形成される。更に、内側ノズル部材
１を外側ノズル部材２に対し螺合させて一体化すること
も可能であり、この場合、段部４，平行部２ｅには夫々
予め設定されたネジが形成される。

【００２４】内側ノズル部材１の筒状部１ｃの直径は段
部４の直径よりも小さい寸法を持って形成され、テーパ
部１ｄの寸法は外側ノズル部材２のテーパ部２ｆの寸法
よりも小さい値を持って形成されている。このため、平
行部２ｅと筒状部１ｃとの間、及びテーパ部２ｆとテー
パ部１ｄの間には通路７が形成されている。

【００２５】外側ノズル部材２の胴部２ａであって該部
材２の後端面からの距離が内側ノズル部材１の段部４の
高さよりも大きい位置に複数の孔８が形成されている。
この孔８は、二次気流を形成するガスを内側ノズル部材
１と外側ノズル部材２の間に形成された通路７に供給す
るものであり、外面から内面にわたって斜めに形成され
ている。即ち、孔８は第２オリフィス６の軸心に対し旋
回角度を持って形成され、従って、孔８を介して供給さ
れたガスは通路７内を旋回流となって流通する。

【００２６】外側ノズル部材２を構成する材料は特に限
定するものではない。然し、プラズマアークの輻射熱に
よる熱膨張を考慮した場合、内側ノズル部材１を構成す
る材料と同一の金属を用いることが好ましい。即ち、内
側ノズル部材１と外側ノズル部材２を同一の金属材料に
よって構成することで、プラズマアークの輻射熱によっ
てこれ等の部材１，２が熱膨張した場合であっても、打
ち込み，接着，ネジ込み等による両者の一体化を強固な
状態で維持することが可能である。

【００２７】また内側ノズル部材１と外側ノズル部材２
を同一の金属で構成して一体化させた場合、これ等のノ
ズル部材１，２は同電位となる。このため、パイロット
アークを形成する際に、アークの基点が電極９から内側
ノズル部材１〜外側ノズル部材２に順次移行するため、
良好な着火性を得ることが可能である。特に、各オリフ
ィス５，６が小径である場合にパイロットアークの着火
性が良好であることは好ましいことである。

【００２８】またメインアーク形成する際にも同様の効
果を発揮することが可能である。即ち、外側ノズル部材
２が内側ノズル部材１と同電位となることから、被加工
材の表面から最も近い位置は外側ノズル部材２の端面と
なる。このため、外側ノズル部材が絶縁性を有する材料
によって構成されている場合に被加工材の表面からの距
離が内側ノズル部材１の端面となるのに比較して、プラ
ズマトーチの被加工材からの距離を大きくすることが可
能となる。従って、プラズマトーチに対するスパッタ等
の付着を軽減させるという効果を派生する。

【００２９】上記の如く構成されたノズルＡに於いて、
第１オリフィス５からはプラズマアークと作動ガスが噴
射され、第２オリフィス６からは前記プラズマアーク，
作動ガスに加えて旋回させた二次気流が噴射される。こ
のため、被切断材に対する切断面の品質を向上させるに
は、第１オリフィス５と第２オリフィス６の直径比，離
隔距離Ｌ，噴射角度，第２オリフィス６の径と内側ノズ
ル部材１のノズル先端の径との関係が夫々微妙な関係を
有している。

【００３０】また外側ノズル部材２に形成された孔８の
ノズル先端からの距離，形成部位，も同様に極めて微妙
な関係を有している。

【００３１】本件発明者が実験的に求めたところ、第１
オリフィス５と第２オリフィス６直径は、面積比で１対
1.2 〜１対５の範囲にあることが好ましく、また両者の
離隔距離Ｌは 0.2mm〜５mmの範囲にあることが好まし
く、且つ二次気流のプラズマアークに対する噴射角度は
５度〜 175度の範囲にあることが好ましく、更に、第２
オリフィス６の直径と内側ノズル部材１の先端径との差
が−0.5 mm〜１mmの範囲にあることが好ましいことが判
明した。

【００３２】また外側ノズル部材２の胴部２ａに形成さ
れた孔８のノズル先端からの距離は20mm以下であること
が好ましく、且つ外径40mm以下の寸法を有する位置に形
成することが好ましいことが判明した。

【００３３】即ち、ノズルＡに於ける内側ノズル部材１
と外側ノズル部材２を上記関係を持って形成すること
で、第２オリフィス６から噴射される二次気流を良好な
状態で旋回することが可能であり、切断面の傾斜を改善
することが可能である。

【００３４】上記の如く構成されたノズルＡは電極９に
対向してトーチ本体10に装着される。電極９はトーチ本
体10に螺合されて着脱可能に装着されている。電極９に
は、電気的な絶縁体からなり、且つ所定位置に作動ガス
を旋回させて電極９の周囲に形成した室11に供給するセ
ンタリングストーン12が装着されている。このセンタリ
ングストーン12の外径はノズルＡに於ける内側ノズル部
材１の平行部１ｅの直径と略等しい値を有しており、ノ
ズルＡをトーチ本体10に固定すると同時に固定される。

【００３５】ノズルＡは内側キャップ13及びガードキャ
ップ14を介してトーチ本体10に固定される。即ち、内側
キャップ13の先端にはノズルＡに於ける内側ノズル部材
１のシール部１ｂの外径と対応した寸法を持った孔が形
成されており、該孔にノズルＡを嵌合すると共に、内側
キャップ13をトーチ本体10に螺合することで、ノズルＡ
はトーチ本体10に固定される。また内側キャップ13をト
ーチ本体10に取り付けることによって、該キャップ13と
トーチ本体10との間に冷却水通路15が形成される。

【００３６】従って、トーチ本体10に設けた図示しない
冷却水供給路から供給された冷却水は、内側キャップ13
とトーチ本体10の間に形成された冷却水通路15を流れて
図示しない排水路から排水される。冷却水が流通する過
程でトーチ本体10及びノズルＡを冷却することが可能で
ある。尚、電極９はトーチ本体10に形成した冷却水通路
17を流通する冷却水によって冷却される。

【００３７】ガードキャップ14は、内側キャップ13との
間に二次気流を形成するガスを流通させる通路16を形成
する機能と、被切断材を切断する際に発生する溶融金属
からノズルＡを保護する機能を有している。ガードキャ
ップ14の先端にはノズルＡに於ける外側ノズル部材２の
筒状部２ｂの外径と略等しい直径を持った孔が形成され
ている。

【００３８】このため、内側キャップ13によってノズル
Ａをトーチ本体10に固定した後、ノズルＡにガードキャ
ップ14を嵌挿してトーチ本体10に装着すると、ガードキ
ャップ14の先端内面がノズルＡに於ける外側ノズル部材
２の段部２ｄと当接し、両者の間に通路16を形成すると
共にノズルＡを保護することが可能である。

【００３９】従って、トーチ本体10に形成したガス供給
路18から供給された二次気流を形成するガスは、通路16
を通ってノズルＡに於ける外側ノズル部材２に形成した
孔８によって旋回しつノズルＡの内部に形成した通路７
を通り第２ノズル６から噴射される。前記ガスの流通過
程でノズルＡを冷却することが可能である。

【００４０】またノズルＡに於ける外側ノズル部材２に
形成した筒状部２ｂの外径を小さくすることによって、
ガードキャップ14から突出して露出するノズルＡの表面
積を可及的に小さくすることが可能となり、被切断材を
切断する際に発生した溶融金属がノズルＡに付着するこ
とを防止或いは減少させることが可能である。

【００４１】上記ノズルＡでは、図４（Ａ）に示すよう
に、プラズマアーク19の周囲に矢印ａ方向の旋回を与え
て二次気流20を噴射させると共に、プラズマトーチを矢
印ｂ方向に移動させて被切断材を切断した場合、移動方
向である矢印ｂ方向と対抗する矢印ａのベクトル（矢印
ａ1)とが互いに相殺され、同図（Ｂ）に示すように、切
断の進行方向右側の切断面21の傾斜が改善される。

【００４２】従って、被切断材の材質及び板厚に応じて
予め設定されている切断速度（矢印ｂ方向のベクトル）
と対抗し得るように二次気流20の流速を設定すること
で、切断面21を垂直に形成することが可能である。また
切断の進行方向に対する製品側の面の位置に応じて二次
気流の旋回方向を設定することで、切断面の品質を向上
させることが可能である。

【００４３】然し、プラズマアーク19の軸心と二次気流
20の軸心が一致しない場合、プラズマアーク19に対する
二次気流20のベクトルのバランスが崩れるため、切断面
21の傾斜を改善することは困難となる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
プラズマトーチのノズルでは、第１オリフィスと第２オ
リフィスの軸心を一致させて内側ノズル部材の外周に外
側ノズル部材を直接装着して一体的に構成したので、プ
ラズマトーチに装着した電極を交換する際にノズルを着
脱しても、且つノズルが熱影響を受けても第１，第２オ
リフィスの同軸性が損なわれることがない。このため、
切断面の品質を向上させると共に安定して維持すること
が出来る。

【００４５】またノズルを構成する外側ノズル部材の先
端に円筒部を形成すると共に該円筒部の基部に段部を形
成し、前記円筒部をキャップに形成した孔に嵌合させて
トーチ本体に固定することによって、ノズルの露出面積
を可及的に減少させ、切断に際し発生する溶融金属のノ
ズルに対する付着を防止或いは減少させることが出来
る。

【００４６】また外側ノズル部材に形成された孔を第２
オリフィスの軸心に対し所定の旋回角度を持って形成し
たので、二次気流を良好な状態で旋回させて第２オリフ
ィスから噴射させることが出来る等の特徴を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ノズルの断面図である。

【図２】ノズルを構成する部品の展開図である。

【図３】プラズマトーチの構成を説明する断面図であ
る。

【図４】（ａ）はプラズマアークと二次気流の関係を説
明する平面図、（ｂ）は切断面の状態を説明する図であ
る。

【符号の説明】

Ａ ノズル １ 内側ノズル部材 ２ 外側ノズル部材 １ａ，２ａ 胴部 １ｃ，２ｂ 筒状部 １ｅ，２ｅ 平行部 ４，２ｄ 段部 ５ 第１オリフィス ６ 第２オリフィス ７ 通路 ８ 孔 ９ 電極 10 トーチ本体 13 内側キャップ 14 ガードキャップ 16 通路 19 プラズマアーク 20 二次気流 21 切断面

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極の軸心と一致して配置され且つプラ
   ズマアークを噴射するプラズマトーチのノズルであっ
   て、プラズマアークを通過させる第１オリフィスを有し
   且つ電極との間にアーク放電してパイロットアークを形
   成する内側ノズル部材と、プラズマアーク及び二次気流
   を通過させる第２オリフィスを有し且つ前記内側ノズル
   部材との間に二次気流となるガスを通過させる流通路を
   形成する外側ノズル部材とを有し、第１オリフィスと第
   ２オリフィスの軸心を一致させて内側ノズル部材の外周
   に外側ノズル部材を直接装着して一体的に構成したこと
   を特徴としたプラズマトーチのノズル。
2. 【請求項２】 外側ノズル部材の先端に円筒部を形成す
   ると共に該円筒部の基部に段部を形成し、前記円筒部を
   キャップに形成した孔に嵌合させると共に該キャップを
   プラズマトーチの本体に螺合させて固定し得るように構
   成したことを特徴とした請求項１記載のプラズマトーチ
   のノズル。
3. 【請求項３】 外側ノズル部材の所定位置に該ノズル部
   材の第２オリフィスの軸心に対して所定の旋回角度を持
   った孔を形成し、前記孔を介して二次気流となるガスを
   供給し得るように構成したことを特徴とした請求項１又
   は２記載のプラズマトーチのノズル。
4. 【請求項４】 前記孔の形成位置が外側ノズル部材の先
   端から20mmまでの間であることを特徴とした請求項３記
   載のプラズマトーチのノズル。
5. 【請求項５】 前記孔の形成位置が外側ノズル部材の外
   径40mm以下の部分であることを特徴とした請求項３記載
   のプラズマトーチのノズル。
6. 【請求項６】 内側ノズル部材の第１オリフィスの径及
   び該ノズル部材の先端径と外側ノズル部材の第２オリフ
   ィスの径の関係に於いて、第１オリフィスの径が第２オ
   リフィスの径と等しいか或いは小さく、且つ第２オリフ
   ィスの径と内側ノズル部材の先端径との差が−0.5 mmか
   ら１mmの範囲であることを特徴とした請求項３記載のプ
   ラズマトーチのノズル。