JPH11111492A

JPH11111492A - 非移行式揺動プラズマト−チ

Info

Publication number: JPH11111492A
Application number: JP9267040A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Hoshino; 野忠星; Masaru Nakano; 野優中
Original assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】非移行式プラズマト−チを、高温ガスフレー
ムを拡散又は冷却することなく広幅高温熱源とする。高
速揺動駆動。揺動回転駆動機構の点検，保守が容易。高
電流値に適合。【解決手段】絶縁スペ−サ１０；これを貫通する電極
２０；電極台３０；電極空間４１を有し絶縁スペ−サ１
０に固着されたノズル台４０；一部がノズル台４０の内
空間４１に進入し、進入端面５４に電極中心軸線２１に
整合した開口５３を、外端面に中心軸線２１から偏心し
た開口５１を有し、両開口５３，５１に連なるプラズマ
ノズル５２を有し、ノズル台４０に、中心軸線２１を中
心に回転可に流体シ−ル５５，５４を介して結合したノ
ズル部材５０；ノズル部材５０の、ノズル台の外部分に
装着された回転駆動機構６０；および、ノズル部材５０
を回転駆動する原動機７０；を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ア−ク放電により
プラズマ化した高温ガスを噴射する非移行式プラズマト
−チに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のト−チは、物体の高温処理又は
加工に使用され、金属の加熱，溶融，溶射等に用いられ
る。プラズマジェットフレ−ムは、中心部が非常に高温
でフレ−ムの外側に向って急激に温度が低下する熱分布
を示す。しかし、薄板鋼板の表面加熱処理等を行う場合
は、中心部の熱で溶けやすく、これを避ける為にア−ク
を高速で揺動し、広幅で均一なプラズマジェット熱源が
必要となる。この為、特願平３−４０２７３号の非移行
式プラズマト−チは、電気コイルにてトーチ内のアーク
電流路を横切る方向の磁束を発生して、アーク電流と磁
束の作用力により、アーク電流を揺動させる。これによ
れば、アーク電流は偏向して揺動するが、高温ガスフレ
ームはトーチ軸線上の指向性（慣性力）が強く十分、偏
向方向に熱の移動が出来ず、トーチ軸線上の温度分布が
高くなる。また、外電極上のアークの陽極点を強制往復
移動させる為、外電極の銅の消耗が早く、銅の溶け飛散
した微粒子が、加工材表面に蒸着する問題があった。

【０００３】特願平４−３１８８６号の非移行式プラズ
マジェット装置は、プラズマジェットフレームに、それ
と交差する方向に揺動ガスを当て、この揺動ガスの方向
と強さを連続的に変化させてプラズマジェットフレーム
を揺動させる。これによれば、高温ガスフレームが揺動
ガスで振られるため、揺動効果が高い。しかし、プラズ
マフレームに低温の揺動ガスを吹き付ける為、プラズマ
ジェットフレームの温度が下がってしまう。また、揺動
ガスの強弱によりプラズマフレームを揺動させるため高
速の揺動が不可能である。

【０００４】特開平９−１６４４８６号公報の揺動式プ
ラズマト−チは、プラズマを噴射するノズル部材を、プ
ラズマ噴射開口が偏心したノズルを有するものとし、こ
のノズル部材を電気モ−タで回転駆動する。その実施例
として、移行式のプラズマト−チが開示されている。こ
の移行式のプラズマト−チは、すみ肉溶接に適するもの
であり、プラズマジェットが円錐面を描くように回転
し、プラズマの移行先の溶接材に対してプラズマの作用
領域が広く、溶接狙い位置が少々ずれても、意図した箇
所にプラズマア−クが作用する。脚長の長い溶接や合わ
せ部ギャップ大の溶接が可能である。しかし該実施例の
移行式プラズマト−チは、プラズマジェットを揺動して
広域にプラズマア−クを作用させるとしても、溶接など
のように、局所加熱を目的とするものであり、加熱領域
は開先前後と小さく、ア−ク電流は、例えば２５０Ａ以
下程度と、比較的に低い。

【０００５】ところが、非移行式プラズマト−チによる
鋼材の加熱や溶射では、３００Ａ以上の高電流値、例え
ば５００Ａ，８００Ａとなる使用態様が多く、これらの
高電流値でも、極力広域を均一かつ高速に溶射すること
が望まれている。この場合、特開平９−１６４４８６号
公報に具体的に開示された揺動式プラズマト−チでは、
電極の過熱を生じ易く、又、ノズルの冷却効果も低く、
冷却対策が必要になるものと推察される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、非移行式プ
ラズマト−チにおいて、高温ガスフレームを拡散又は冷
却することなく揺動することを第１の目的とし、高速揺
動することを第２の目的とし、高電流値に適した非移行
式揺動プラズマト−チを提供することを第３の目的と
し、回転駆動機構の点検，保守が容易な非移行式揺動プ
ラズマト−チを提供することを第４の目的ととする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）本発明の非移行式揺動プラズマト−チは、中心に
比較的に太径の通し穴(11)が開いた絶縁スペ−サ(10)；
前記通し穴(11)を貫通する電極(20)；前記絶縁スペ−サ
(10)の後端部に固着され前記電極(20)を支持する電極台
(30)；前記電極(20)を受入れる内空間(41)を有し前記絶
縁スペ−サ(10)のノズル側の端部すなわち先端部に固着
されたノズル台(40)；一部が該ノズル台(40)の内空間(4
1)に進入し、進入した端面(54)に前記電極(20)の中心軸
線(21)に整合した開口(53)と、ノズル台の内空間の外の
端面に前記電極(20)の中心軸線(21)から偏心した開口(5
1)と、両開口(53,51)に連なるプラズマノズル(52)を有
し、前記ノズル台(40)に、前記電極(20)の中心軸線(21)
を中心に回転可に流体シ−ル(55,54)を介して結合した
ノズル部材(50)；該ノズル部材(50)を回転駆動するため
に、ノズル部材(50)の、ノズル台の外部分に装着された
回転駆動機構(60)；および、該回転駆動機構(60)に、ノ
ズル部材(50)を回転駆動するための回転トルクを与える
原動機(70)；を備える。なお、理解を容易にするために
カッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の
記号を、参考までに付記した。

【０００８】これによれば、原動機(70)が回転駆動機構
(60)に回転トルクを与えると、ノズル部材(50)が、電極
(20)の中心軸線(21)を中心に回転する。これにより、プ
ラズマノズル(52)が連なる電極側開口(53)は電極(20)の
中心軸線(21)を中心に回転するものの、常に中心軸線(2
1)に整合して電極(20)に対向し、電極(20)先端に連なる
プラズマア−クが開口(53)の実質上中心(21)を通る。と
ころが、プラズマノズル(52)が連なる外端面開口(51)
は、中心軸線(21)から偏心しているので、中心軸線(21)
を中心とした円を描く。したがってプラズマノズル(52)
から外に噴き出すプラズマフレ−ムは、中心軸線(21)を
中心とした円錐面を描くように回転する。このように、
ノズル部材(50)の機械的な回転によりプラズマフレ−ム
が円錐面を描くように回転するので、従来のように気流
によってプラズマフレ−ムを振る場合の、拡散や冷却は
なく、プラズマフレ−ムは外端面開口(51)が指向した方
向に確実に進む。ノズル部材(50)の機械的な回転は高速
にすることができ、高速でプラズマジェットフレームを
回転揺動できる。回転駆動機構(60)が、ノズル部材(50)
の、ノズル台より外の部分に装着されているので、ト−
チ内部熱の影響を受けにくく、また、点検，保守が容易
である。

【０００９】

【発明の実施の形態】

（２）前記電極(20)は、その後端が絶縁スペ−サ(10)の
後端面の前後に位置する短い電極であって、前記電極台
(30)は、該電極の後端部を支持し；ト−チは更に、該電
極の後端面(22)が露出する空間(31)と、前記ノズル台(4
0)の内空間であって前記ノズル部材(50)の外表面(56)が
露出する空間(41)に冷却媒体を通す流路(81〜87)を備え
る。電極(20)が短く、その後端面(22)が冷却媒体で冷却
されるので、電極(20)の抜熱効果が高く、ト−チ内部の
温度上昇を抑制する効果が高い。したがって高電流値で
の使用に耐える。高電流値のプラズマア−クにて強力な
プラズマフレ−ムを噴き出して鋼材の広域を均一かつ高
速に加熱あるいは溶射する非移行式揺動プラズマト−チ
を得ることができる。

【００１０】（３）前記回転駆動機構(60)は、前記ノズ
ル部材(50)の、ノズル台(40)の外部分に固着された外歯
歯車(63)，これに噛み合う駆動歯車(62)および該駆動歯
車(62)に連結した減速機(61)を含み；前記原動機(70)
は、該減速機(61)を駆動する電気モ−タ(70)である。歯
車結合により電気モ−タ(70)がノズル部材(50)を回転駆
動するので、高速回転による高速揺動が可能であり、回
転駆動機構(60)はコンパクトに構成でき、耐熱性が高
い。しかも回転駆動機構(60)の全体がト−チの外にある
ので、点検，保守を簡易に行なうことができる。

【００１１】（４）更に、前記ノズル部材(50)の偏心し
た開口(52)の外の近傍に粉体及びキャリヤガスを供給す
る粉体供給手段(90)を備える。これによれば、粉体供給
手段(90)が供給した粉体がプラズマフレ−ムで溶融され
て、指向先の加工材表面に溶着する。加工材を高速で揺
り移動させなくとも、プラズマフレーム自身が円錐面を
描くように高速回転移動し熱の分散及び被膜の均一化を
してくれるので、広い面を溶射するためにプラズマト−
チ又は加工材を走査駆動する機構は、揺動は実質上必要
とせず、溶射面を更新するために走行するものであれば
よく、簡易な機構を採用しうる。

【００１２】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００１３】

【実施例】

−第１実施例− 図１に本発明の第１実施例の縦断面を示す。大要で短い
円柱又は円筒状の絶縁スペ−サ１０の中心には、通し穴
１１が開いており、該通し穴１１の中心をタングステン
電極２０が貫通している。電極２０の先端は、その中心
に電気ア−クが集中するように円錐状である。電極２０
の中心軸２１が、ト−チのセンタ−ラインである。電極
２０の後端部の円周面を電極ホルダ２３が固定保持す
る。電極ホルダ２３は、電極台３０の中心穴に挿入され
て電極台３０に固着され、Ｏリングが電極台３０と電極
ホルダ２３との間を気密にシ−ルしている。電極台３０
は、絶縁スペ−サ１０の、通し穴１１よりやや太径の受
穴に挿入され絶縁スペ−サ１０に固着されており、Ｏリ
ングが電極台３０と絶縁スペ−サ１０との間を気密にシ
−ルしている。

【００１４】絶縁スペ−サ１０の通し穴１１に関して電
極台３０と反対側の、通し穴１１に連通しそれよりやや
太径の受穴に、ノズル台４０の中央のスリ−ブが挿入さ
れ、このスリ−ブが絶縁スペ−サ１０に対してＯリング
で気密にシ−ルされている。ノズル台４０は袋ナット４
３を貫通しており、袋ナット４３が絶縁スペ−サ１０に
ねじ結合しており、袋ナット４３のねじ締めにより、ノ
ズル台４０が絶縁スペ−サ１０に固着されている。

【００１５】ノズル台４０の中心穴の内空間４１に電極
２０の前端部分が位置する。この内空間４１に、大略傘
型のノズル部材５０の握り柄に相当する細径後端部が挿
入されて、ベアリングを介して、ノズル台４０にて中心
軸２１を中心に回転自在に支持され、かつ、Ｘリング５
４で気密にシ−ルされている。ノズル部材５０の傘に相
当する太径先端部の外縁部が、ノズル台４０の先端開口
に挿入されて、ベアリングを介して、ノズル台４０にて
中心軸２１を中心に回転自在に支持され、かつ、Ｘリン
グ５５で気密にシ−ルされている。

【００１６】ノズル部材５０の細径後端部の端面には、
中心軸２１を中心とする円錐穴状の大径開口５３が開い
ており、その内部に所定の空隙を置いて電極２０の先端
部の円錐面が位置する。この大径開口５３にプラズマノ
ズル５２が連続し、このプラズマノズル５２は、ノズル
部材５０の太径先端部の端面の開口５１に連なってい
る。

【００１７】先端面の開口５１は、中心軸２１より偏心
した位置にある。すなわちプラズマノズル５２は、電極
２０の中心軸２１を中心とする後端面の開口５３と中心
軸２１から偏心した先端面の開口５１との間で曲ってい
る。ノズル部材５０の太径先端部の外縁よりやや内側の
やや細径の円周部が袋ナット４４を貫通しており、この
袋ナット４４がノズル台４０にねじ結合しており、袋ナ
ット４４のねじ締めにより、ノズル部材５０がノズル台
４０に対して、ｚ方向に位置決めされている。ノズル部
材５０の太径先端部の径方向中央部分は、ノズル台４０
および袋ナット４４の外に露出しており、そこにフラン
ジ付リング状の中継ぎ部材６４が固着され、この中継ぎ
部材６４の外周に、リング状の外歯歯車６３が固着され
ている。外歯歯車６３には駆動歯車６２が噛み合ってい
る。駆動歯車６２は減速機６１の出力軸に固着されてい
る。減速機６１の入力軸には電気モ−タ７０の回転軸が
結合している。絶縁スペ−サ１０には取手７２が固着さ
れており、この取手７２に固着されたモ−タ取付台７１
で電気モ−タ７０が保持されている。

【００１８】絶縁スペ−サ１０には、プラズマガスを導
入する穴９２が開いている。この穴９２にパイプ９１が
結合している。穴９２はｚ方向に延び、そして絶縁スペ
−サ１０のｚ方向の略中央部で半径方向に曲って、通し
穴１１よりもわずかに後端側で、通し穴１１に連通する
空間に開いている。パイプ９１から穴９２に供給される
プラズマガスは、穴９２を通って絶縁スペ−サ１０の中
心の空間に出て、電極２０の周面に沿って通し穴１１を
通り、ノズル台４０の内空間４１に至り、そして電極２
０の先端の円錐面に沿って開口５３内に入ってプラズマ
ノズル５２を通って外開口５１よりト−チ外部に噴出す
る。

【００１９】プラズマア−クを生ずる電源１００がオン
のときには、電極２０の先端と、ノズル部材５０の、プ
ラズマノズル５２の内表面との間に、プラズマア−クが
発生し、それがノズル５２を通るプラズマガスを電離
し、開口５１からプラズマフレ−ムが噴き出す。開口５
１が中心軸２１から偏心しているので、プラズマフレ−
ムは、中心軸２１とある角度をもって噴き出す。電気モ
−タ７０を回転駆動すると、駆動歯車６２が回転して外
歯歯車６３および中継ぎ６４を介してノズル部材５０が
回転駆動され、これにより外開口５１が中心軸２１を中
心に円を描いて動き、外開口５１から噴き出すプラズマ
フレ−ムが、中心軸２１を中心とする円錐面を描く。

【００２０】絶縁スペ−サ１０には、冷却水を導入する
穴８２が開いている。この穴８２にパイプ８１が結合し
ている。穴８２はｚ方向に絶縁スペ−サ１０を貫通し、
この穴８２にノズル台４０の穴８３が連なっている。穴
８３は、傘形のノズル部材５０の支柱部の外側で、該支
柱部に向けて開いている。ノズル台４０の、先端側に突
出したスリ−ブには導水リング４５が挿入されており、
この導水リング４５が、傘形のノズル部材５０の支柱部
の外周に沿って傘部の内側に向かう水路を区画してい
る。この水路は傘部の内側の空間４２に連通している。
この空間４２に開いた穴８４がノズル台４０をｚ方向に
貫通しており、この穴８４に、絶縁スペ−サ１０をｚ方
向に貫通するパイプ８５が接続している。パイプ８５に
は絶縁継手（パイプ）を介してＵ字型のパイプ８６の一
端が接続しており、パイプ８６の他端に、絶縁継手（パ
イプ）を介してパイプ８７が接続している。パイプ８７
の先端は電極台３０をｚ方向に貫通して、電極２０の後
端面が露出した空間３１に開いている。この空間３１
は、電極台３０の後端側内部空間と連続し、該後端側内
部空間に排水パイプ８８の先端が開いている。

【００２１】冷却水は、パイプ８１−穴８２−穴８３−
空間４２と流れてノズル部材５０の熱を奪い、そして、
穴８４−パイプ８５，８６，８７−空間３１と流れて空
間３１にて電極２０の熱を奪い、そして電極台３０の内
空間を通って電極台３０の熱を奪って、パイプ８８を通
ってト−チの外に流れる。ノズル部材５０の熱は、導水
リング４５の内空間と、ノズル部材５０の傘の内側とを
流れる冷却水により効率良く冷却される。電極２０が短
かく、その後端面と、電極２０を支持する電極ホルダ３
０が、空間３１を流れる冷却水により効率良く冷却され
る。したがってノズル部材５０および電極２０の冷却効
果が高く、高いプラズマア−ク電流の通流すなわち強力
なプラズマフレ−ムの生成が可能である。

【００２２】プラズマフレ−ム、特に、強力なプラズマ
フレ−ムは、加工対象材に対するエネルギ（機械的な力
（圧力）および熱作用）が強く、その中心部と周辺部と
のエネルギの差が大きく加工むらを生じ易いが、電気モ
−タ７０でノズル部材５０を回転駆動することにより、
プラズマフレ−ムが円錐面を描くように回転するので、
熱分布がプラズマフレ−ム照射範囲において均一で、広
範囲の加工を一走査で行なうことができる。

【００２３】すなわち、図２に示すようにプラズマノズ
ル５２の先端開口５１が、中心軸２１より、最も−ｘ方
向に偏心した回転角度のときには、プラズマフレ−ムの
中心線（指向方向）は、中心軸２１に対してｙ方向には
振れていないが、−ｘ方向の振れが最大となる。この状
態からノズル部材５０が時計方向に９０度回転すると、
図３に実線で示すように、プラズマノズル５２の先端開
口５１が、中心軸２１より、最も＋ｙ方向に偏心し、プ
ラズマフレ−ムの中心線は、中心軸２１に対してｘ方向
には振れていないが、＋ｙ方向の振れが最大となる。こ
の状態からノズル部材５０が時計方向に更に９０度回転
すると、図４に示すように、プラズマノズル５２の先端
開口５１が、中心軸２１より、最も＋ｘ方向に偏心し、
プラズマフレ−ムの中心線は、中心軸２１に対してｙ方
向には振れていないが、＋ｘ方向の振れが最大となる。
この状態からノズル部材５０が時計方向に更に９０度回
転すると、図３に点線で示すように、プラズマノズル５
２の先端開口５１が、中心軸２１より、最も−ｙ方向に
偏心し、プラズマフレ−ムの中心線は、中心軸２１に対
してｘ方向には振れていないが、−ｙ方向の振れが最大
となる。上述の第１実施例の使用例を次に示す。

【００２４】１．（加熱例）ノズル部材５０の回転数：１５回／秒プラズマノズル５２の径（最小径部）：φ１０ｍｍノズル孔偏向角θ：１０° アーク電流：５００Ａプラズマガス：６０リットル／ｍｉｎ（Ａｒガス）５リットル／ｍｉｎ（Ｈｚガス）（結果）トーチ先端から約６０ｍｍの所の鋼板表面を、均一に広範囲に加熱できた。

【００２５】−第２実施例− 図５に本発明の第２実施例を示す。図５に示すプラズマ
ト−チの構造は図１に示す第１実施例と同様であるが、
ト−チに粉体供給装置９０が組付けられている。この実
施例では、ホッパ型の粉体供給器９１の底部分の粉体供
給口が開いたキャリアガスパイプ９２に粉体キャリアガ
スが供給され、このガス流に粉体供給口から粉体が引き
込まれて、ガス流と共に粉体給送パイプ９３を通って粉
体噴射ノズル９４に送り込まれ、ノズル９４から中心軸
２１に向けて噴き出す。噴き出した粉体はプラズマフレ
−ムに吸い込まれてプラズマフレ−ムの高熱で溶融し、
フレ−ムと共に加工対象材の表面に衝突する。第２実施
例の使用例を次に示す。

【００２６】２．（溶射例）ノズル部材５０の回転数：１５回／秒プラズマノズル５２の径（最小径部）：φ１２ｍｍノズル孔偏向角θ：１０° アーク電流：８００Ａプラズマガス：４０リットル／分（Ａｒガス）１５リットル／分（Ｈｅガス）粉体：アルミナ３０ｇ／分粉体キャリヤガス：４リットル／分（Ａｒガス）トーチ〜ワーク間距離：約１００ｍｍ（結果）広範囲で均一な溶射膜がえられた。また、ワ−クを高速移動させることなしに施工することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の縦断面図である。

【図２】図１に示すプラズマト−チの先端部を示し、
（ａ）は縦断面図、（ｂ）はノズル部材５０の先端面の
正面図である。

【図３】図１に示すプラズマト−チの先端部を示し、
（ａ）は縦断面図、（ｂ）はノズル部材５０の先端面の
正面図である。

【図４】図１に示すプラズマト−チの先端部を示し、
（ａ）は縦断面図、（ｂ）はノズル部材５０の先端面の
正面図である。

【図５】本発明の第２実施例の縦断面図である。

【符号の説明】

１０：絶縁スペ−サ１１：通し穴２０：電極２１：中心軸２２：後端面２３：電極ホルダ３０：電極台３１：内空間４０：ノズル台４１：内空間４２：空間４３：袋ナット４４：袋ナット４５：導水リング５０：ノズル部材５１：外開口５２：プラズマノズル５３：後端開口５４：Ｘリング５５：Ｘリング５６：内表面６０：回転駆動機構６１：減速機６２：駆動歯車６３：外歯歯車６４：中継ぎ部材７０：電気モ−タ７１モ−タ取付台７２：取手８１，８５，８６，８
７，８８：冷却水パイプ８２〜８４：穴９１：プラズマガスパイ
プ９２：穴１００：電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心に比較的に太径の通し穴が開いた絶縁
スペ−サ；前記通し穴を貫通する電極；前記絶縁スペ−
サの後端部に固着され前記電極を支持する電極台；前記
電極を受入れる内空間を有し前記絶縁スペ−サのノズル
側の端部すなわち先端部に固着されたノズル台；一部が
該ノズル台の内空間に進入し、進入した端面に前記電極
の中心軸線に整合した開口と、ノズル台の内空間の外の
端面の前記電極の中心軸線から偏心した開口と、両開口
に連なるプラズマノズルを有し、前記ノズル台に、前記
電極の中心軸線を中心に回転可に流体シ−ルを介して結
合したノズル部材；該ノズル部材を回転駆動するため
に、ノズル部材の、ノズル台の外部分に装着された回転
駆動機構；および、該回転駆動機構に、ノズル部材を回
転駆動するための回転トルクを与える原動機；を備える
非移行式揺動プラズマト−チ。
【請求項２】前記電極は、その後端が絶縁スペ−サの後
端面の前後に位置する短い電極であって、前記電極台
は、該電極の後端部を支持し；ト−チは更に、該電極の
後端面が露出する空間と、前記ノズル台の内空間であっ
て前記ノズル部材の外表面が露出する空間に冷却媒体を
通す流路を備える；請求項１記載の非移行式揺動プラズ
マト−チ。
【請求項３】前記回転駆動機構は、前記ノズル部材の、
ノズル台の外部分に固着された外歯歯車，これに噛み合
う駆動歯車および該駆動歯車に連結した減速機を含み；
前記原動機は、該減速機を駆動する電気モ−タである；
請求項１又は請求項２記載の非移行式揺動プラズマト−
チ。
【請求項４】更に、前記ノズル部材の偏心した開口の外
の近傍に粉体及びキャリヤガスを供給する粉体供給手段
を備える、請求項１，請求項２又は請求項３記載の非移
行式揺動プラズマト−チ。