JPH0871760A - プラズマアーク加工用電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アークスタート時、及び、プラズマアークの
連続運転中における電極の消耗を低減する。 【構成】 金属製電極ホルダー(3)の先端に、高融点の
電極材(2)を挿入装着してなるプラズマアーク加工用電
極(1)において、高融点の電極材(2)は、挿入装着前に少
くともその先端面およびそれに接する側面が、IVａ族金
属(ハフニウム)と窒素もしくは酸素(窒素)との化合物(H
fN,HfO)であることを特徴とする。高融点の電極材(2)
は、挿入装着前にその先端から２mmまで窒素処理もしく
は酸素処理が施される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマト−チの電極
に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマト−チの電極は消耗する。この
消耗を極力抑制するために、金属電極ホルダー（例えば
銅製）の先端面の中心に高融点の電極材（例えばハフニ
ウム）を埋設しその先端面は電極ホルダ−より露出させ
た複合構造の電極が提案されている。これによれば、切
断アーク使用直後に電極材の露出面に化合物（例えば酸
化ハフニウムＨｆＯ）が生じ、この化合物の融点が該電
極材の融点より更に高いので、その後のプラズマア−ク
起動時の電極材の消耗が抑えられ、電極の寿命が延び
る。

【０００３】特開平４−２８８９７２号公報において
は、新品の電極を使用する際、プラズマアークの初回
(第一回目)スタート時における電極材表面のハフニウム
Ｈｆの消耗が多大であることに注目し、銅製の電極ホル
ダーに電極材(ハフニウムＨｆ)を埋め込んだ後、電極材
の先端面を酸素プラズマアークで酸化処理し、電極の初
回スタート時における電極材の消耗量を軽減する方法が
開示されている。

【０００４】また、特公昭６４−９１１２号公報におい
てはプラズマアークスタート時のみ、プラズマガスとし
て酸素１０〜７０モル％と、窒素３０〜９０モル％の混
合ガスを使用することにより、アーク放電電極材表面に
高融点の窒化化合物を生成し、プラズマアークスタート
完了後に濃度９５％以上の酸素ガスに切替え、切断作業
することで、電極寿命を延ばす方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平４−２
８８９７２号公報の方法においては、電極材が保護され
る効果は、新品電極におけるアークスタートの初回スタ
ートより２〜３回分に限られる。また、特公昭６４−９
１１２号公報の方法においては、スタ−ト時の切断面部
に窒化層ができ、後工程の溶接においてブローホールが
発生する等、切断面品質として好ましくない。更に窒素
ガス及び酸素ガスの切替機構が必要であるためシステム
が複雑化するので広い作業スペースを必要とする上に、
プラズマアークの連続運転中の消耗に対しては効果を考
えられていない等の問題点がある。本発明は、アークス
タート時、及び、プラズマアークの連続運転中における
電極の消耗を低減し、寿命の長い電極を提供することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来の、金属加工に用い
るプラズマアーク用の電極１ａは、図５の（ａ）に示す
ものであり、Ｃｕ等の金属製の電極ホルダー３ａの先端
面の中心より内空間に通じる貫通孔に、ハフニウムＨｆ
等の高融点の金属からなる丸棒状の電極材２ａを挿入装
着してなる。電極ホルダー３ａの中空の内部空間には、
パイプ４ａより冷却水が供給される。Ｇはプラズマアー
クを示す。本発明者の観察によると、電極１ａは図５の
（ａ）〜（ｄ）の状態を経て消耗に至ることが分かっ
た。すなわち、図５の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）
の順で電極１ａが消耗する。この経過より、電極１ａの
消耗は、大別して２つ考えられ、第１の消耗は、特にプ
ラズマアークＧの連続運転時における消耗で、プラズマ
アークＧの陰極点の発生により電極材２ａの先端面が高
温となり、その中心点を頂点とする略円錐形に溶融され
てゆく消耗であり、これは避けられない（図５の（ａ）
〜（ｄ）のＰの部分）。第２の消耗として考えれるの
は、特に、アークスタート時及びプラズマアークＧが不
定となった時における消耗であり、電極ホルダー３ａに
密着している電極材２ａの、溶損されて薄くなった側面
（図５の（ｂ）のＱの部分）に陰極点が発生し、その高
熱により電極材の表面に形成されているハフニウムＨｆ
および酸化ハフニウムＨｆＯの膜が溶融されて電極ホル
ダー３ａの銅と溶融反応して融点の低いハフニウム銅Ｈ
ｆＣｕを生成し、酸化ハフニウムＨｆＯの膜が溶融によ
り消去した後はＨｆが露出してＨｆと銅との合金化が急
速に進行して、電極材周面およびその周りの銅が急激に
溶損して電極１ａが使用不可能になる消耗である（図５
の（ｂ），（ｃ），（ｄ）参照）。この第２の消耗につ
いて更に詳しく述べる。

【０００７】プラズマアークＧの発生前には、前回のプ
ラズマア−クの高熱により電極材２ａの表面にはハフニ
ウムＨｆより更に高融点の酸化ハフニウムＨｆＯの膜が
できている（図５の（ａ）参照）。プラズマア−クＧを
起動するとき、電極ホルダ−３ａにまずプラズマア−ク
が発生しこれが電極材２ａに移行するが、端面に酸化ハ
フニウムＨｆＯの膜があるので、この移行時のプラズマ
ア−クによる電極材２ａの消耗は少い。しかし、電極材
２ａの消耗が進行すると、電極ホルダー３ａに密着した
電極材２ａの側面が薄くなる（図５の（ｂ）のＱの部
分）。電極材２ａの薄くなった側面に、アークスタート
時及びプラズマアークＧが不安定となった時に、Ｑの部
分に陰極点が発生し（プラズマア−クが長く留まり）、
そこで酸化ハフニウムＨｆＯの膜が溶融してＨｆが露出
し、それに接する電極ホルダー３ａの銅が溶融して、ハ
フニウム銅合金ＨｆＣｕを作る（図５の（ｃ）参照）。
これがプラズマスタ−ト毎に繰返えされる。電極材２ａ
の長手方向の消耗がある限度を越えると（約1.8mm〜2.3
mm）、陰極点の挙動は、いっきに不安定となりＱの部分
で陰極点が長時間発生するようになり、これにより生成
されるハフニウム銅合金ＨｆＣｕが低融点の合金である
ため、プラズマアークＧの高熱により電極ホルダー３ａ
と電極材２ａの密着面付近のハフニウム銅合金ＨｆＣｕ
および電極ホルダー３ａの銅Ｃｕが急激に溶損して、電
極１ａは使用不可能となる（図５の（ｄ）参照）。この
ときのプラズマ侵食穴の深さは、電極ホルダ−３ａの先
端面から２〜２．５mm程度である。Ｈｆ，ＨｆＮ，Ｈｆ
ＯおよびＨｆＣｕの融点を、参考のため図３に示す。プ
ラズマアークによる金属の加工を行う際、コストの低減
と作業効率の上昇を考える上で、電極１ａの寿命時間
（電極に通電した延べ時間）をいかに長くするか、つま
り、電極１ａの上述の第２の消耗をいかにくい止めるか
が課題となる。

【０００８】本発明は、金属製電極ホルダー(3)の先端
に、高融点の電極材(2)を挿入装着してなるプラズマア
ーク加工用電極(1)において、高融点の電極材(2)は、挿
入装着前に少くともその先端面およびそれに接する側面
が、IVａ族金属(ハフニウム等)およびその合金と窒素も
しくは酸素(窒素)との化合物(HfN,HfO)であることを特
徴とする。本発明の実施例では、高融点の電極材(2)
は、挿入装着前にその先端から２．５mmまでIVａ族金属
と窒素もしくは酸素との化合物を有するものとする。

【０００９】なお、カッコ内には、理解を容易にするた
めに、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、
参考までに付記した。

【００１０】

【作用】すなわち、本発明は、IVａ族金属(ハフニウム
等)およびその合金でなる高融点の電極材(2)の少くとも
先端面およびそれに接する側面に、窒化処理または酸化
処理を施すことにより電極材(2)の金属温度よりも更に
融点が高く、溶融されにくい化合物を形成し、これをそ
の尾端から金属製電極ホルダー(3)の先端に挿入装着す
ることによって、アークスタート時／アーク連続運転時
にかかわらず、常に電極材(2)の周面が該化合物により
保護されるので、前述の各消耗が低減する。

【００１１】本発明の実施例では、電極(1)のプラズマ
侵食穴が約１．８〜２．３mmとなって電極(1)が寿命切
れとなるまで、電極材(2)の先端面および周面が溶融さ
れにくい化合物であるので、プラズマ侵食穴が１．８〜
２．３mmになるまでの、プラズマア−ク起動回数ならび
にア−ク通電延べ時間は、従来、電極材(2)の前端面に
プラズマアークＧにより電極材(2)のハフニウムＨｆが
酸化されて自然に形成される酸化ハフニウムＨｆＯ（融
点３０８５Ｋ）による保護に頼っていた場合に比べて長
くなる。すなわち、溶融された電極材(2)により電極ホ
ルダー(3)の銅Ｃｕが溶融されて電極材(2)との間に融点
の低いハフニウム銅ＨｆＣｕ合金の膜を形成するまでの
時間が本実施例の電極材(2)を使用することにより従来
より長くなり、電極(1)の寿命時間が延びる。

【００１２】

【実施例】図１に本発明の一実施例のプラズマトーチ電
極１を示す。キャップ６によりトーチ本体に固定された
ノズル５は、略円錐形であり、先端中心に開口を有す
る。ノズル５とキャップ６との間の空間には水等の冷却
流体が流され、トーチ先端を冷却する。ノズル５の内空
間には電極１が配置され、電極１とノズル５の間の空間
にはガスが旋回流となって供給されこれが電極１の中心
軸を中心に旋回しながらノズル５のプラズマ噴射口より
噴出され、かつプラズマア−クによりプラズマとなって
ネズル５より噴射される。

【００１３】電極１の、銅製の電極ホルダー３は中空の
略円柱形であり、その内空間にはパイプ４により例えば
冷却水が供給される。電極ホルダー３の、ノズル５の開
口に対向する面（以下、先端面と表記）の中心には先端
面より電極ホルダー３の内空間に通じる貫通孔が、内空
間側にその後方向側周面を突出させる形で形成されてお
り、前記貫通孔には例えばハフニウムＨｆからなる丸棒
状の電極材２が、圧入され、窒化処理された先端面が電
極ホルダー３の先端面と連続している。電極１とノズル
５の間に高電圧を印加すると、電極ホルダー３の先端部
とノズル５先端の内側面の間の、それらの間隔が最も挟
い位置においてプラズマアークＧ１が発生する。プラズ
マアークＧ１は、該空間に流される旋回ガス流によりノ
ズル５のプラズマ噴射開口に近い位置に移動してプラズ
マアークＧ２となり、更に電極材２の先端面の中心に移
動して、ノズル５のプラズマ噴射開口より出て、切断対
象材（図示せず）に至る。これにてプラズマアークＧの
スタートが完了する。

【００１４】図２に、図１に２点破線Ａで示す電極１の
先端部分の拡大図を示す。電極ホルダー３の先端面に嵌
装されている電極材２は、例えば、直径が２mmである円
柱のハフニウム棒であり、その先端面およびそれに連な
る側周面は、窒素ガス又は窒素と水素の混合ガスによる
雰囲気炉中において１１００℃〜１２００℃で反応させ
る窒化処理を施され、窒化ハフニウムＨｆＮの層となっ
ている。本実施例においては、電極材２の窒化処理を先
端面および先端面に連なる側周面を先端面より約２．５
mmの長さにわたって行った。このように先端部を窒化処
理した電極材２を、その尾端から電極ホルダー３の貫通
孔に圧入して、電極材２の先端面を電極ホルダー３の先
端面と面一面をなすようにした。

【００１５】図３を参照すると、窒化ハフニウムＨｆＮ
（３５８０Ｋ）＞酸化ハフニウムＨｆＯ（３０８５Ｋ）
＞ハフニウムＨｆ（２５０３Ｋ）＞ハフニウム銅ＨｆＣ
ｕ（１２６０〜１８７２Ｋ）の順に融点が高いことがわ
かる。図１〜図３を参照されたい。一般に、電極１より
プラズマアークＧがスタートする時及びプラズマアーク
Ｇが不定となる時、プラズマア−クの陰極点は、スタ−
ト時には電極材２の先端面から外れた位置（ホルダ−
３）に発生して電極材２に移動し、ア−ク不定時には、
電極材２からホルダ−３に移動しあるいはそれらの間を
行き来する。プラズマア−クの陰極点が、電極ホルダ−
３（銅）から電極材２に、又はその逆に移動するとき、
銅と電極材２との境界を横切る。このとき、電極材２の
周面が仮にＨｆであると、これが陰極点の高温により一
部が溶融し、この溶融によりその部分の電子放出量が上
昇し陰極点はその部分に割合長く滞在することになり、
溶融したＨｆの熱により接する電極ホルダー３の銅が溶
けて化合することによってハフニウム銅ＨｆＣｕを生ず
る。ハフニウム銅ＨｆＣｕは低融点（１２６０〜１８７
２Ｋ）の合金であるため、プラズマアークＧの高熱によ
り急激に溶損し、陰極点が電極ホルダ−３（銅）から電
極材２に、又はその逆に移動するとき電極材周面部の溶
損が急激に進むが、本発明の上述の実施例によれば、ま
ず電極材２の周面が高融点のＨｆＮであって溶融しにく
く、これがハフニウム銅ＨｆＣｕの生成を抑制する。電
極材２の側周面の先端に一時陰極点が留まりこれにより
ハフニウム銅ＨｆＣｕを生じても、該先端の下方の側周
面はＨｆＮであるのでその後の溶損は遅い。また、一時
スタート時に１部ＨｆＣｕとなって溶損しても連続アー
ク中に電極材２ａのＰ部分の溶融したＨｆＯが先端部の
方へ押し出されて欠損部をおおってくれる。これにより
プラズマア−クの陰極点が、電極ホルダ−３（銅）から
電極材２に、又はその逆に移動するときのハフニウムＨ
ｆの損耗が少く、電極１の寿命が長い。電極材２の消耗
が電極１を使用不能な状態に至らしめる限界（前端面よ
り深さ１．８〜２．３mm程度までの侵食）に達するまで
の、ア−クスタ−ト回数およびア−ク通電延べ時間が従
来より多くなり長くなる。

【００１６】本実施例の電極１の寿命と、該電極１と同
一寸法の、窒化処理のない電極の寿命を、同一構造のプ
ラズマト−チに用いて確認した。実験条件は次の通りで
あり、電極寿命は図４に示すものとなった。

【００１７】１．実験条件 切断電流 ： １５０ Ａ 切断ガス ： ３５ l/min 電極直径 ： ２ mm ノズル穴径： １．８ mm 切断材 ： 水冷銅材 ２．プラズマアークＯＮ−ＯＦＦサイクル 2-a ０.５分ＯＮ−２０秒ＯＦＦのサイクルの繰返し 2-b １.０分ＯＮ−２０秒ＯＦＦのサイクルの繰返し 2-c ５.０分ＯＮ−２０秒ＯＦＦのサイクルの繰返し なお、図４に示す電極寿命曲線は、本実施例に示す電極
を用いた場合と従来技術の電極を用いた場合のそれぞれ
の場合において、上記実験条件で、プラズマアークを2-
a,2-b,2-cに示す３パターンのサイクルでＯＮ−ＯＦＦ
する断続アークテストを行ない、各サイクルパターンに
おける本実施例と従来技術の電極寿命を測定し、測定さ
れた各電極寿命を、グラフ上にそれぞれ本実施例と従来
技術の場合に分けて直線で結び、得たものである。図４
に示すグラフは、上記2-a,2-bおよび2-cそれぞれのＯＮ
−ＯＦＦサイクルを行なったときの、寿命切れ（電極材
２の消耗が図５の(ｄ)の状態に至った）となったときの
サイクル数を縦軸に、寿命切れとなるまでの経過時間を
横軸にとって、両軸の交点に点を打ち、これにより各３
点を得て、それらを結ぶ直線を引いたものである。

【００１８】図４のグラフを参照すると、例えば電極１
の寿命時間を１００分の場合で本実施例と従来技術のス
タート回数を比較してみると、従来の電極を使用した場
合は８５回であるのに対し、本実施例の電極を使用した
場合のスタート回数は２０５回になるということにな
り、従来の電極を使用した場合に比べて同じ電極寿命時
間で２．４倍もスタート回数が多い。逆に云えば、本実
施例の電極を使用した場合、同じ使用条件下（プラズマ
アークＯＮ−ＯＦＦサイクル）においては、従来の電極
を使用した場合に比べて電極寿命が長くなっているとい
える。

【００１９】上述の本実施例においては、電極材２の先
端面から２．５mmまでの深さを窒化処理をしているが、
これは酸化処理でも良く、また、これらの処理は電極材
の先端面とそれから２．５ｍｍ程度までの側周面として
もよく、先端面と側周面の全面としてもよい。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、高融点の電極材(2)の少くと
も先端面とそれに接する側周面に、窒化処理または酸化
処理を施すことにより電極ホルダー(3)の金属材より融
点が高く、溶融されにくい化合物を予め形成し、該電極
材(2)を金属製電極ホルダー（３）の先端に挿入装着す
ることによって、アークスタート時／アーク連続運転中
にかかわらず、プラズマアークＧの高熱より常に電極材
（２）を保護し、前述の第２の消耗を低減する。つま
り、本実施例の電極材(2)の先端が電極(1)を使用不能な
状態に至らしめる限界（先端面より長手方向に深さ２．
５mm程度）まで消耗するア−ク通電延べ時間は、従来、
電極材(2)の先端面に自然に、あるいは意図的に形成さ
れる酸化ハフニウムＨｆＯ（融点３０８５Ｋ）に頼って
いた場合に比べて長くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の電極を利用したプラズマ
トーチの先端部縦断面図である。

【図２】 図１に２点破線Ａで示す電極１の先端部分の
拡大縦断面図であり、電極材２を電極ホルダ−３に装着
する直前の状態を示す。

【図３】 ハフニウムＨｆ，酸化ハフニウムＨｆＯ，ハ
フニウム銅ＨｆＣｕおよび窒化ハフニウムＨｆＮのそれ
ぞれの融点を示す図表である。

【図４】 図１に示す本発明の一実施例の電極１の寿命
時間と、該実施例と同一寸法の、窒化処理のない従来の
電極の寿命時間を示すグラフである。

【図５】 従来の電極材２ａの、寿命切れになるまでの
形状変化を示す拡大縦断面図であり、（ａ）は使用初期
を示し、初期消耗時を示す平面図であり、（ｂ）は
（ａ）に示す状態より更に電極材の消耗した状態を示
し、（ｃ）は更に消耗が進行した終期の状態を示し、
（ｄ）は寿命切れとなった状態を示す。

【符号の説明】

１：電極 ２：電極材 ３：電極ホルダー ４：パイプ ５：ノズル ６：キャップ Ｇ，Ｇ１，Ｇ２：プラズマアーク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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プラズマアーク加工用電極にお
   いて、 高融点の電極材は、挿入装着前に少くともその先端面お
   よびそれに接する側面が、IVａ族金属およびその合金と
   窒素もしくは酸素との化合物であることを特徴とするプ
   ラズマアーク加工用電極。
2. 【請求項２】高融点の電極材は金属ハフニウム，金属ジ
   ルコニウムおよびその合金である、請求項１記載のプラ
   ズマア−ク加工用電極。
3. 【請求項３】高融点の電極材は、挿入装着前にその先端
   から２．５ｍｍまでIVａ族金属と窒素もしくは酸素との
   化合物である、請求項１又は請求項２記載のプラズマア
   −ク加工用電極。