JP3172532B2 - プラズマアーク切断方法及び装置 - Google Patents

プラズマアーク切断方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分野） 本発明は一般にプラズマアークによる切断及び溶接の
ための方法及び装置に関し、詳しくは、処理速度が高
く、切断品質が良く、流れ条件が良好に区切られた高速
の二次ガス流れ及び新規な構成部品を使用することによ
りトーチ部分が飛沫溶融金属から保護される、金属工作
物の二重流れによる穿孔及び切断のための方法及び装置
に関する。
プラズマアークトーチには広範な用途、例えば、肉厚
鋼材の切断や、一般に暖房、換気及び空調（HVAC）シス
テムで使用する比較的薄肉の亜鉛メッキ処理金属切断の
用途がある。プラズマアークトーチの基本的構成部品に
はトーチ本体、このトーチ本体に内蔵される電極（陰
極）、中央出口オリフィスを有するノズル（陽極）、イ
オン化性ガス流れ、電気接点、冷却及びアーク制御流体
のための通路、代表的には電極及びノズル間でガス内部
にパイロットアークを創生させるための電源、プラズマ
アーク、電極から工作物へのイオン化性ガスの送流が含
まれる。ガスは非−酸化性ガス、例えば窒素、アルゴン
／水素或いはアルゴン、または酸化性ガス、例えば酸素
或いは空気であり得る。
（従来技術の説明） 一般的形式の様々なプラズマアークトーチが米国特許
第3641304号、第3833787号、第3203022号、第4421970
号、第4791268号、第4816637号に記載される。これら全
ての米国特許は本件出願人に譲渡されている。プラズマ
アークトーチと関連製品とはニューハンプシャー州ハノ
ーヴァーのハイパーサーム社から色々なものが販売され
ている。ハイパーサーム社の商標名MAX100型トーチは空
気を作用ガスとして使用する代表的な中出力型トーチ
（出力100アンペア）であり、プレート加工及びHVAC用
途の両方に使用可能である。商標名HT400型のトーチは
代表的な高出力型トーチ（出力260アンペア）であり、
しばしば酸素が作用ガスとして使用される。高出力型ト
ーチは代表的に水冷式であり例えば厚さ１インチ（約2.
5インチ）の軟鋼プレートのような金属薄板の穿孔及び
切断に使用される。
これらのトーチを設計する上での考慮事項にトーチの
冷却が含まれる。トーチは、アークが10000℃を上回る
温度を創生することから、これを低温状態に制御しない
と特にノズル部分が破壊される。他の考慮事項は、アー
クを制御してトーチ自体をアークから保護すると共に、
工作物の切断品質を向上させることである。米国特許第
3641308号に記載される本件出願人の初期の発明には、
トーチのノズルに冷却水を流してアークを抑制しそれに
より切断品質を向上させることが記載される。プラズマ
を、例えば一組の偏心孔を設けた旋回リングを通してプ
ラズマチャンバーに送ることにより旋回させることで切
断の品質を著しく向上させ得ることも分った。
金属薄板からの部材切り取りに際しては切断はしばし
ば、金属薄板の面の部分への穿孔から開始される。穿孔
開始時点では薄板は切り抜かれていないことから、溶融
金属は重力によって切り口から流下し得ず、上方に飛散
してトーチに降りかかる。これは、そうした金属がアー
クを不安定化させ、不安定化されたアークがノズルの肉
盗みをもたらし、またそれら金属がノズルに付着しこの
溶融金属の導伝通路を介しての、電極からノズル、ノズ
ルから工作物へのダブルアークをしばしば生じさせる点
で望ましからざる現象である。肉盗み及びダブルアーク
は何れもノズル寿命を減少させ或いはこれを破壊する。
最終的な切断が円滑であり可能な限りドロスの無い、切
断角度が好ましくはほぼ０度、つまり切り口の側面が金
属薄板自体と直交した”きれいな”面であることが重要
である。
従来、飛沫溶融金属による肉盗みやダブルアーク発生
を制御するための解決策として、高出力（200アンペア
或いはそれ以上）型のトーチでは水噴射冷却を使用する
マルチ部材型ノズルが使用されている。そうしたノズル
の代表的なものがハイパーサーム社から販売され、図1a
及び1bにその概略が例示される。ハイパーサーム社の型
番HT400 0.099、HT400 0.166及びPAC500 0.187が図1
aのものに相当し、水冷されるセラミックノズルが使用
されている。図2bはこの設計形状の変形例を示すもので
あり、これはハイパーサーム社から型番PAC500 0.250
として販売されているものである。
低出力、即ち０乃至200アンペアーでの運転のために
は水噴射冷却は、そのコスト及び水での冷却によるプラ
ズマからのエネルギー損失から見て余り実用的ではな
い。低出力での運転のための商業的解決策は、空冷式の
トーチを使用しトーチ部分に金属が付着した際にはそれ
を単に交換することである。肉厚1/4インチ（約6.3ミ
リ）の軟鋼を穿孔及び切断する際の、40乃至50アンペア
で運転されるそうしたトーチの代表的なノズルの寿命は
約１時間である。この解決策では交換部材に関連するコ
ストや交換手順における製造時間のロスばかりでは無
く、トーチの分解組立中に生じ得る安全上の考慮事項が
発生する。
ノズルをガス冷却することもまた知られている。ガス
冷却には通常、プラズマガスの一次流れと、二次流れと
を含む二重流れが関与する。この二重流れは共通入り口
或いは別個の入り口位置から流出され得る。一次流れは
イオン化性ガスにより形成されるが、二次流れはイオン
化性ガスで無くとも良い。一次流れはプラズマチャンバ
ーを通して流動しそこでイオン化され、トーチをそのノ
ズルから出てプラズマジェットを形成する。二次ガスは
ノズルの外側を流れ、アークの周囲に非イオン化性ガス
の冷温層を形成する。従来型のトーチでは一次ガス即ち
プラズマガスの温度及び速度は二次ガス流れのそれより
もずっと大きい。
トーチの切断能力は主にプラズマジェットの関数であ
り、二次ガス流れはトーチを冷却し、工作物位置に保護
されたガス状環境を創出するために重要である。図2Aに
はノズルの外側表面を覆って工作物へと流動する二次ガ
ス流れの代表的な使用状況が示される。この配列構成は
低出力用途形式のトーチのために使用され、この形式の
トーチのノズルはハイパーサーム社から型番HT40 0.03
8及びMAX100 0.059として販売される。図2bは他のガス
冷却用配列構成を示し、ここではノズルの下方端部に位
置付けたセラミック製絶縁スリーブが、工作物に対する
ノズル寸法を狭窄しないよう保護している。然しながら
セラミックは脆いためこの配列構成ではノズルは穿孔中
にしばしば保護されない。
米国特許第4389559号及び第4029930号には水中噴射及
び溶接用途のためのプラズマアークトーチ例が記載さ
れ、二次ガスのシースが空気或いは水である周囲雰囲気
に対するアークの作用帯域を遮蔽する。米国特許第4816
637号には高出力型の水中切断トーチが記載され、標準
状態での毎分０乃至10ft3（毎分約０乃至0.28m3）の半
径方向内側方向の空気流れが環状の水シースと組み合わ
されて水の無い切断帯域を創出し、そうしない場合には
工作物の下方に蓄積する水素ガスを一掃している。
先に言及したように、プラズマトーチの穿孔能力はプ
ラズマ切断プロセスに於て極めて重要である。米国特許
第4861962号には、ノズルを実質的に包囲し穿孔に際し
ての飛沫溶融金属を阻止する金属製の、電気的に浮遊す
るシールドの使用が開示される。シールドとノズルとの
間を流動する二次ガスがこれら構成部品を冷却する。傾
斜ポートが上流側から二次ガス流れ内部に旋回を生じさ
せてアークを安定させ、切断品質を改良する。シールド
内の通気口もまた冷却流れの一部を排出させ、切断中の
アークを不安定とすることなく全体流れを増大させ冷却
を一段と良好なものとすることを可能としている。然し
ながらこの解決策は、集中アークを有し然もガスの提供
し得るよりも高い冷却能力を必要とする高出力型（しば
しば高密度型と称される）トーチには適用出来ない。二
次ガス流量は切断品質を維持するためには比較的少な
い。ガスはトーチを冷却し且つアークの安定化を助成す
る。
二重流れ型トーチでは、一次ガスが酸素あるいは空気
の場合は二次ガスは通常空気である。一次ガスが窒素で
ある場合は二次ガスは通常二酸化炭素或いは窒素であ
る。この組合わせが、二次ガスによる切断との受け入れ
難い水準での干渉を生じない好適なプラズマジェットを
創出する。これらの二次ガスを使用することにより切り
口角度は１乃至２度となり切り口の上下にはドロスが生
じる。切断速度及び切断品質はその他の点ではシールド
を使用しない場合とほぼ同じである。
異なるガス或いはガスの混合物を切断の異なる相のた
めに提供することも知られている。例えば、日本国特願
昭第57−68270号には、パイロットアーク相中にアルゴ
ンの予備流れを使用し、切断に際しこれを水素ガスに切
換え、切断終了後には再びアルゴンに戻すことが開示さ
れる。日本国特願昭第61−92782号には、開始時点で窒
素−酸素混合ガスを予備流れプラズマガスとして使用
し、その後は酸素プラズマ流れを使用することが記載さ
れる。これら２つの流れはプラズマガスのためのもので
あって二次ガスのためではない。これらの文献は約85％
が窒素、15％が酸素であるプラズマ或いは一次ガスの予
備流れが電極寿命を延ばすために最良であることを教示
する。米国特許第5017752号では非−酸化性ガス流れを
パイロットアーク運転中に使用しこれをアーク時に酸素
流れに切り替えることが記載される。種々の特許及び文
献にはガス流れ及び調時の考慮事項のパターンもまた記
載される。例えば、米国特許第4195216号にはプラズマ
−ワイヤー溶接を、ワイヤー送り速度をガス流れ及びア
ーク電流の変化と合わせて調節することにより溶接の端
部位置のキーホールを充填する様式で作業する種々のモ
ードが記載される。
本件出願人の知る限りに於て、極めて高速の二次ガス
の流れをガスシールドとして使用し、ノズルその他トー
チ部品の工作物に隣り合う部分を、穿孔に際しての飛沫
溶融金属から保護するトーチは存在しない。従来、流れ
と流れヒステリシスの一様性が欠如することにより高速
のガス流れとプラズマジェットとの、回避されるべき状
況である直接的な相互作用が生じている。プラズマジェ
ットを創出するガスの混合物を二次ガス流れとして使用
し、二次ガスを形成するガスの混合物の変化を通し、切
断の速度を或いは切断の品質を調節自在に向上させる技
術も無い。特に、窒素及び酸素の混合物を二次ガス流れ
として使用しこの混合物に於けるガスの割合が空気のそ
れと反対であるものはない。ガスシールドと、この二次
ガスの混合物、或いはトーチ内でのガス流れ割合の突発
的なそして正確且つ大きな変化を可能とする流れ制御を
使用する高密度型のプラズマアークトーチも存在しな
い。
（解決しようとする課題） 穿孔作業中のトーチのノズルに於ける肉盗み及びダブ
ルアーク発生からトーチを保護するプラズマアークトー
チ及びその運転方法を提供することであり、 切断速度を高め切断品質の向上された切り口を創出す
るプラズマアークトーチ及びその運転方法を提供するこ
とであり、 前述の利益を高密度型トーチのために提供することで
あり、 平滑な側面と良好な切断角度を有し実質的にドロスの
無い切断部の提供を含む前述の利益を提供することであ
り、 前述の利益並びに、装備を変えることなく用途に応じ
て異なる材料及び切削条件に適応可能とする切断運転の
調節能力を提供することである。
（課題を解決するための手段） 本発明に従うプラズマアーク切断装置は二重ガス流れ
を有し、シートメタル工作物の穿孔作業中における二次
流れは、代表的な運転流速である標準状態での毎時20ft
3（毎時約0.56m3）と比較して高速、例えば標準状態で
の毎時120ft3（毎時約3.40m3）である。この高速の二次
流れは半径方向内側方向に於てアークに配向される。こ
の流れは時間及び空間的に極めて一様であることと、旋
回流れ模様と、環状の出口オリフィスが移行されるアー
クに関し接近して位置決めされていることとにより特徴
付けられる。二次流れの少なくとも40％が酸素であり、
流量は流量比が約2:3乃至約9:1の範囲内のものである。
好ましくは流量比は約2:1である。15アンペアの定格の
高出力型トーチでのプラズマガス流れは代表的に標準状
態での毎時7ft3（毎時約0.20m3）である。本発明は、一
次ガス及び二次ガス流れ制御をも含んでいる。これによ
り、流量が突発的に大きく変化した場合、アークの制御
を失うことなくこれに対処するための流れラインの急速
充填及び放出が可能である。
プラズマアークトーチはその下方端部に取り付けられ
た二次ガスキャップを有する。この二次ガスキャップは
その前面が、トーチに取り付けたノズル及び工作物間に
介設される。高出力型トーチの好ましい形態に於ては、
水冷キャップがノズル及び二次ガスキャップ間に取り付
けられ、これが高効率での冷却のための、ノズル外側表
面に隣り合う水冷チャンバーを画定する。旋回リングが
水冷キャップ及び二次ガスキャップ間の、環状の出口オ
リフィスの直ぐ上流側に取り付けられる。この旋回リン
グには一組の傾斜ポートが含まれ、この傾斜ポートを通
過するガスにここで旋回が付与される。旋回リングの上
流側に予備チャンバーが設けられる。この予備チャンバ
ーには水冷キャップを横断する二次ガス送給ライン内で
の圧力降下を創出させるための流れ制限用オリフィスが
設けられる。この圧力降下と予備チャンバーそして下流
側の旋回リングが、本発明の流れ特性を創生する。
ノズルはプラズマジェットのための出口ポートを取り
巻く大型ヘッドと切頭円錐形状の本体部分に対する鋭角
のカットバック或いは凹所とにより特徴付けられる。こ
のノズル設計形状がノズルの冷却を促進し水冷キャップ
或いは同等の構成部品に対するノズルの信頼し得る金属
対金属シール状態の創出を可能とする。二次ガスキャッ
プは第１の、絶縁部材に取り付けた全体に円筒形の部分
と、プラズマジェット方向に傾斜する移行部分と、トー
チの工作物に対向する下方端部を覆って伸延しその中央
ポートがノズルの出口ポートと整列し且つそこを近接状
態で取り巻いてなる交換自在のフェース部分とを含んで
いる。好ましくは、フェース部分はプラズマジェットか
らある角度離間する一組の通気ポートと、その外側縁部
位置に形成した位置付け用及び取り付け用凹所と、旋回
リングのための位置付け用の環状溝とを含む。
本発明の流れ制御には、種々の比率の一次ガスと混合
二次ガスとを多くの前選択流量、例えば予備流れ及び運
転流れに於て提供する、導管と、弁と、メーターと、出
口とよりなるマイクロプロセッサー制御式のネットワー
ク（或いは“回路”）が含まれる。酸素及び窒素供給ラ
インの好ましい形態に於て、各ラインは各々、上流側の
圧力とは無関係の流量を作る流量計に流れを送給する。
酸素供給流れはプラズマガスラインから二次ガス回路へ
と流動する。二次ガス回路内のこれら２つの酸素流れラ
イン及び１つの窒素流れラインは各々ソレノイド作動式
の流量メーター迂回弁を有し、ここから３本の平行の枝
管が出、各々の枝管は別のソレノイド作動式弁とニード
ル弁とを有している。第１の枝管が予備流れを確立し、
第２の枝管が運転流れを確立し、第３の枝管が、突発的
に増大したガスの流れによる“急速充填”を可能とす
る。この急速充填は他の枝管における流れ制限用の弁を
迂回する流路を通して為される。
二次ガスラインの出口が、トーチ位置での二次ガス入
り口に導通する単一の二次送給導管内に組み込まれる。
この、二次送給導管とトーチに隣り合う一次及び二次ガ
ス送給ラインとはソレノイド作動式の３方弁を通し大気
中に通気される。二次ガスラインの２つの出口を、パイ
ロットアークモードから移行アークモードへの移行中に
短時間開放すると、二次ガス流量は切断のための運転値
へと急速に降下する。プラズマ切断時に３つの出口全て
を開放するとトーチにガス流れが急速に放出される。穿
孔中に強い二次ガス流れを得るために、このプラズマの
工作物への移行と二次ガスの予備流れから運転流れへの
切り替えとの間には時間差が与えられる。
（図面の簡単な説明） 図1Aは従来技術の電極及び水噴射型の、高出力で使用
するプラズマアークトーチのマルチピース型ノズルの縦
方向の概略断面図である。
図1Bは従来型のマルチピース型ノズルの別態様の図1A
に相当する概略断面図である。
図2Aは低出力で使用するためのプラズマアークトーチ
のワンピース型ノズルの縦方向の概略断面図である。
図2Bは円筒形状のセラミックシールドを使用する低出
力型の従来のワンピース型ノズル具体例の別態様の、図
2Aに相当する概略断面図である。
図3Aは本発明に従う高出力型の水冷及び空冷式プラズ
マアークトーチの縦方向断面図であり、ここではプラズ
マガス及び二次ガス通路が示される。
図3Bは水冷通路を示す本発明の縦方向断面図である。
図3Cは図3Aに示すトーチのノズル及び出口ポート部分
の縦方向の詳細断面図である。
図3Dは図3Aに示す旋回リングの水平方向断面図であ
る。
図４は本発明に従う流れ制御回路の概略図であり、こ
の流れ制御回路が可変流量での混合二次ガス流れと急速
充填及び急速排出能力とを提供する。
図５は、図４に示される流れ制御回路のための調時ダ
イヤグラムの例示図である。
（実施例の説明） 図3A及び3Bには本発明に従うプラズマアークトーチ10
が示される。プラズマアークトーチ10は多重部材構成の
胴部12を有し、この胴部12は全体に円筒形の主胴部12a
を含んでいる。この主胴部12aはFR4ファイバーグラス或
いはDelrin（商標名）のような絶縁材料から形成され
る。主胴部12aには陰極ブロック14が固着され、この陰
極ブロック14がプラズマガス導管16を受ける開口14aと
二次ガス導管18を受ける開口14bとを具備している。前
記プラズマガス導管16及び二次ガス導管18は絶縁ブロッ
ク20を貫通する。ノズル28が電極24の直下で電極24から
離間して取り付けられ、その間部分にプラズマアークチ
ャンバー30を画定する。このプラズマアークチャンバー
内で、旋回リング32からのプラズマガスがイオン化され
電極及びノズル間にパイロットアークを形成するか或い
は電極及び工作物36間で移行アーク或いはプラズマジェ
ット34を形成する。プラズマジェット34は工作物に穴を
形成し次で切り口38を形成する。旋回リング32は２つの
部材、即ち旋回リングポート32a、32bを含んでいる。旋
回リングポート32aの半径方向ポート32cがプラズマガス
流れを旋回リングポート32bの噴射ポート32dに分与す
る。電極24はハフニウム製インサート24aを有する。
図示されるようにノズルは、狭い出口ポート28a、良
好なヒートシンクとして作用するための大直径ノズルヘ
ッド28b、厳しいカットバック或いは凹所28c、切頭円錐
形状の胴部28dを具備する高出力型トーチのために特に
適合する形状を有する。この形状が良好な熱移行を提供
しそれが、ノズルの外側を覆って循環する水によるノズ
ル冷却を提供する。この形状はまた、ノズルヘッドと同
じ傾斜の水冷キャップ66の端部表面との間の金属対金属
による確実な金属シール66aの形成を容易化する。種々
の構成部品が、Ｏ−リング組体により提供される液密シ
ール態様で組み立てられる。これらＯ−リングの各々は
関連する環状溝及び金属シール66aに座着される。
ガス供給源42が、一次ガス制御回路44a（図４参照）
を通しトーチ10のプラズマガス入り口10aにプラズマガ
スの流れを提供する。二次ガス流れの供給源46が二次ガ
ス流れ制御回路44bからトーチ10の二次ガス入り口10bへ
の流れを提供する。この二次ガスは図示される好ましい
形態で、以下に詳細を説明するように前記２つの供給源
からのガスの混合物を含んでいる。トーチ内ではプラズ
マガスは流路48を流動する。この流路48はチューブ通路
16aと、縦方向通路48aと、旋回リング32に通じる半径方
向ポート48bとを含み、プラズマガスはこの旋回リング3
2を経てプラズマアークチャンバー30に到達しそこでイ
オン化される。二次ガスは流路50を流動する。流路50は
チューブ通路18aと、縦方向通路52と、半径方向ポート5
4と、流れ制限用オリフィス56と、前チャンバー58と、
二次ガス旋回リング60と、環状の出口オリフィス62とを
含んでいる。
この二次ガス流路、特に流れ制限用オリフィス56と前
チャンバー58そして二次ガス旋回リング60とが本発明の
主たる特徴を構成する。二次ガス流路は流れを極めて一
様なものとし、また移行されるプラズマジェット34に関
する高度の制御を提供する。二次ガス旋回リング60は一
組の、偏心或いは傾斜ポート64を含む。このポート64は
流れに旋回運動を生じさせそれがプラズマジェット34と
二次ガス流れとの相互作用を容易化すると共に切断品質
上の好影響を生じさせる。この二次ガス旋回リングは高
温プラスチック、好ましくはI.E.デュポン社が商標名Ve
spalとして販売するような耐熱プラスチック製の絶縁材
料から形成される。図示されるように、出口オリフィス
62はへん平な環状部分62aと、半径方向に下方の内側を
向いて配向されてなる切頭円錐形状部分62bと、一般に
工作物36と平行のへん平な末端環状部分62cとを有す
る。切頭円錐形状部分62bと末端環状部分62cとは隣り合
うノズル表面の外径を反映している。
前チャンバー58は旋回リング60への部分ガス供給源と
して作用する。流れ制限用オリフィス56が旋回リングか
ら前チャンバー58の対向する端部位置での圧力降下を創
出する。流れ制限用オリフィス56及び前チャンバー58が
上流側の圧力と流量変動とから旋回リングを隔絶する。
電気的相似を引き出すために、流れ制限用オリフィス56
及び前チャンバー58が交流回路での平滑化キャパシター
として作用する。流れ制限用オリフィス56がこの奔流を
遮断するに際しアーク電流が断続されるとプラズマアー
クチャンバー内のプラズマガスは急速に冷却され、プラ
ズマガスが急激に奔流する。この奔流内には、本発明で
は設けられない二次ガス流路内のガスがベンチュリ効果
により抜き出される。然しながら流れ制限用オリフィス
56がこの奔流を閉塞するので前チャンバー58内からは比
較的少量のガスが抜き出されるのみである。この供給量
は切断中の二次ガスのアーク安定状態を継続させるため
に、しかし二次ガス流れがアーク消滅と一般に同時に止
むよう算出される。この配列構成により、時間及び空間
的な一様性の高い、出口オリフィス62からの二次ガス流
れが提供される。
図3Aから3Dに示される高出力型のトーチではアーク
は、従来型のプラズマアークと比較して高度に集束され
る。前記トーチはまた、高エネルギー密度を有する。標
準型のプラズマ切断トーチでは１平方インチ（約6.45cm
2）当りの電流密度は概略25,000アンペアであるが、高
密度プラズマのそれは80,000アンペアもの大きさとなり
得る。15アンペアの電流が代表的である。水冷却が必要
であることが分った。このため水冷キャップ66が陰極ブ
ロック14の下端に螺入され番号68の位置にＯ−リングシ
ールが設けられ、ノズルヘッド28bの上方縁部には面ど
うしを衝接させての金属対金属による金属シール66aが
形成される。水流れ45aが、水冷キャップ66により画定
される水チャンバー70とノズル28の外側表面とを通過し
て陰極ブロック14の下端に達する。冷却水45が通路47を
貫いてトーチ内に流入する。この通路47は、陰極ブロッ
ク15内の開口15aに嵌着した水入り口チューブ17を含
む。水はチューブ出口47aを出、陰極ブロック15及び絶
縁体13の両方の半径方向孔47c、環47d、半径方向孔47
e、環47fを通過し穿孔47gに達する。ここで水の流れは
縦方向通路47hを介してのノズルへの流れ45aと、環47i
を介しての二次キャップへの流れ45bとに分れる。流れ4
5aは縦方向通路47jを経てチャンバー70から戻り、孔47k
の位置で流れ45bの戻り流れと合流し、次で開口14cの位
置でノズルの陰極ブロック14に嵌着されたチューブ導管
19を通しトーチから流出する。
本発明の他の主たる特徴は、番号74の位置で絶縁体に
ねじ止めした第２のガスキャップ72にある。この第２の
ガスキャップは円筒形胴部72aを含む第１部分を有し、
円筒形胴部72aは切頭円錐形状の壁部分72bで終端し、そ
の側壁部分には段部72cが形成される。第２部分、即ち
フェース部分72dが、段部72cと合致する段部72eと、Ｏ
−リング40eを保持する溝72fと、通気ポート72gと、旋
回リング60をその下方位置で保持し且つ位置決めしてな
る凹所72hと、ノズル出口オリフィス上で芯出しされ且
つプラズマジェットの周囲に離間状態で近接してなる中
央出口オリフィス72iと、ノズル部分の形状に沿って平
行状態で隔設され且つノズルと共に中央出口オリフィス
72iを画定してなる壁部分72j、72k、72lとを含む。
第２のガスキャップ72はキャップ66と平行状態で隔設
され、それらの間部分の間隙が前チャンバー58を画定す
る。第２のガスキャップは第２の流路を画定するのみな
らず、穿孔作業中の飛沫溶融金属に対する機械的シール
ドとしても使用する。第２のガスキャップの下方部分の
特にフェース部分72dが、本発明のガスシールドを通過
する溶融金属の上方への吹き上がりを阻止する。つま
り、二次ガスの強いシールド流れがプラズマジェットに
射突し、次で逆に第２のガスキャップ72と工作物との間
を半径方向外側に向けて流動する。中央出口オリフィス
72iが極めて小直径でありそれにより、プラズマジェッ
ト34を近接状態で取り巻き、そこでの間隙が肉盗みを生
じる恐れなく可能な限り小さくされていることを銘記さ
れたい。機械的シールド、即ち、第２のガスキャップ72
は電気的にもまた浮遊状態とされる。第２のガスキャッ
プは絶縁材料である主胴部12aに取り付けられ、ノズル2
8や水冷キャップ66のような隣り合う金属部分からは離
間される。旋回リング60は絶縁材料から形成される。こ
の結果、旋回リング60に付着した溶融金属が二重アーク
発生のための伝導路の一部となることは無い。通気ポー
ト72gが出口オリフィス72iを取り巻く。通気ポート72g
の寸法及び数は、トーチによる切断作業中にそれらが二
次ガス流れの十分な量を大気中に逃出させ、プラズマジ
ェットに達するその流れが作業に悪影響を与えないよう
なものとされる。この目的上、通気ポート72gは好まし
くはプラズマジェットから図示されるような小さい鋭角
角度でプラズマジェットから離間する方向に傾斜付けさ
れる。他方、始動時及び穿孔作業中は流量が極めて大き
くなることにより、通気ポート72gを通して大気中に逃
出される二次ガス量は僅かとなる。遮断に際し、通路50
及び前チャンバー58内の二次ガス圧力降下に従い、通気
ポート72gが大気中への通気路を提供しそれにより二次
ガス圧力の迅速な減圧が助成される。フェース部分72は
ｄトーチの別体構成部品であることから、これが摩損或
は破損した場合は第２のガスキャップ72全体を交換する
ことなく交換し得る。
例示目的上であって、これに限定するものではない
が、15アンペア定格のトーチ10は全体直径が約1.5イン
チ（約3.8cm）、出口オリフィス72iの直径約0.060イン
チ（約1.52mm）、旋回リング60の内径0.300インチ（約
7.62mm）、外径0.400インチ（約10.16mm）であり、直径
0.016インチ（約0.406mm）の６個の偏心孔64が等角度間
隔に配設されている。流れ制限オリフィス56は直径が0.
030インチ（約0.462mm）であり、前チャンバー58は約0.
500in3の内側容積を有している出口オリフィスは旋回リ
ング60から、出口オリフィス72iの約0.08インチ（約2.0
3cm2）の外径部分への半径方向流路を有する。通気ポー
ト72gは12個設けられその直径は0.16インチ（約4.06m
m）である。
本発明の他の主要な特徴は、非酸化性ガス、例えば窒
素、アルゴン、ヘリウム或は任意の不活性ガスと酸素或
は空気といった酸化性ガスとの混合物であるところの二
次ガスを使用し、それにより酸化性ガスが、流量で測定
して混合物の少なくとも40％を構成することである。酸
素を酸化性ガスとした好ましい具体例に於て、二次ガス
は酸素と窒素（アルゴン）との混合物から形成され、夫
々の流量の比率は約2:3から約9:1であり、好ましくは約
2:1である。2:1の好ましい比率は空気を構成するこれら
のガスの比率とほぼ正反対を為す。これらのガスは商業
的に純粋であり且つ水や油が実質的に含まれない。これ
らのガスを前記比率に於て、図3A、3B、3C、3Dに記載し
たようなシールドガスとして使用した場合、トーチの軟
鋼切断速度が劇的に増大することが分かった。更に、エ
アシールドを約０度、即ち工作物と全体に直交方向とし
た場合の切断角度の変化は正方向に１乃至２度であっ
た。またトップドロスは無視し得る程度に制御可能であ
った。
二次ガスを形成する酸素及び窒素流れの正確な流量
は、トーチを使用しての切断並びにそれら流れを切断角
度その他の単数或は複数の切断パラメーターを最適化す
るべく調節することにより経験的に判断出来る。これら
の調節を実施するに際し、酸素流量を増大させると切断
速度が（ガスシールドを使用しない状態で従来の切断速
度の約３倍程度まで）増大することが分かった。また酸
素流量を増大させると、切断角度は純酸素流れに対し大
きく負の方向に４乃至５度まで変化する。そして切断面
は徐々に粗くなりジグザグ模様が出現する。こうした現
象が生じる理由は良く分かっていない。しかしプラズマ
ジェットを取り巻く酸素リッチの雰囲気が金属と酸素と
の間の化学的反応を促進し、そこで放出される熱エネル
ギーが金属の溶融を助成すると考えられる。切り口角度
もまた、プラズマジェット34の形での酸素の二次流れに
よる効果として説明可能である。
他方、窒素流れの増大は切断速度に対しある程度の影
響を与えるのみであり、切断速度を増大するには酸素流
量の犠牲を伴う。純窒素流れは、正方向での切断角度２
乃至３度、平滑な切断面、シールドガスを使用しない状
態での切断と比較し幾分多いドロスによって特徴付けら
れる。酸素−窒素混合比率と全二次ガス流れを変化させ
ることにより、切り口角度を正方向の３度から負方向の
３度で調節可能であることが分かった。混合物中の酸素
を増大させると共に全体流量を増大させることにより切
り口角度を負方向に更に変化させ得る。かくして、切り
口角度を従来はそうしたようにトーチの幾何形状を変化
させるのでは無くむしろ、単に二次ガス混合物を変化さ
せるのみによって所望の値に調整可能である。しかも、
切り口角度をゼロ或は負方向の値に維持すればトップド
ロスは実質的に排除される。
本発明における酸素リッチの二次ガス混合物はまた、
トーチ10の穿孔能力を向上させる。本発明に従う酸素リ
ッチの二次ガスを使用して開口された孔はきれいであり
しかも空気のような別の混合物を使用しての同一条件の
トーチを使用した場合よりもずっと肉厚のシートメタル
を加工可能である。
図４には供給源42及び46からトーチ10の入口10a及び1
0bへのプラズマと二次ガスの流れを制御するガス流れ制
御回路44が示される。プラズマガスはここでの議論目的
上酸素であるが、供給源42から窒素／酸素ソレノイドセ
レクタ弁SV15（通常は酸素選択位置にある）を通過す
る。ここを通過したプラズマガスは次いで、プラズマガ
スとしてのライン76への流れと二次ガス（酸素部分）と
してのライン78への流れとに分かれ、二次ガス流れはガ
ス流れ制御回路44の二次ガスセクション44b内の酸素送
りライン86へと流れる。二次ガス供給源46が導管に二次
ガスを送給する。導管82は、窒素がプラズマガスとして
所望される場合には窒素／酸素ソレノイドセレクタ弁SV
15に接続するべく切り替えられる枝ライン84を有してい
る。ライン76及び82中の圧力スイッチPS1及びPS2は、仮
に圧力が前設定値以下に低下した場合にはプラズマ切断
システムの動作を停止させる。
図示される好ましい形態では、酸素がプラズマガスと
して使用され、酸素と窒素の混合物が二次ガスとして使
用され、３つの送給ライン76、68及び82が使用される。
これら送給ラインには流量計FM1、FM2及びFM3が夫々設
けられ、また圧力ゲージPG1、PG2、PG3が前記流量計に
直列接続される。各流量計がプラズマガス流れ及びシー
ルドガス流れの両方の流量の正確な設定を保証する。３
つのバイパスソレノイド弁SV8、SV9及びSV10が３つの流
量計の夫々に平行接続される。これらバイパスソレノイ
ド弁は３方弁であり、通常はバイパスラインに対し開放
されている。これにより流量計は移行時間中に保護さ
れ、また安定状態では３つのバイパスソレノ弁は閉じら
れ流量測定が可能となる。
前記３つのバイパスソレノイド弁が相互に平行状態で
前記３つの送給ライン76、68及び82の各々の下流側に接
続される。各バイパスソレノイド弁の下流側にはニード
ル弁が配設される。これらのソレノイド弁組体はその１
つが前流れを制御し、１つが作用流れを制御し、そして
１つが急速充填を提供する。酸素プラズマ送給ライン76
のためにはSV2が前流れ弁であり、SV1が作用弁であり、
SV3が急速充填弁である。夫々に関連するニードル弁はM
V2、MV1、MV3である。酸素二次ガス送給ラインのために
はこれら３つのバイパスソレノイド弁はSV5、SV4、SV6
であり、これに続くニードル弁は夫々MV5、MV4、MV8で
ある。窒素二次ガス送給ラインのためのバイパスソレノ
イド弁はSV7、SV6、SV17であり、これに続くニードル弁
は夫々MV7、MV6、MV9である。バイパスソレノイド弁SV
4、SV5、SV6、SV7、SV16からの出力が単一の二次ガス流
路86に集束されこの二次ガス流路86が入口10の位置でト
ーチに結合される。酸素プラズマガスラインと窒素二次
ガスラインの出力は従って、トーチへの単一流れに集束
される。
ガス流れ制御回路44には４つの３方弁通気弁もまた含
まれる。これらの３方弁通気弁は通常は大気に開放して
いる。これら３方弁通気弁も電動式のソレノイド弁であ
る。通気弁SV11が、ガス流れ制御回路44を格納するガス
コンソール88の位置で酸素プラズマガスラインに接続さ
れる。同様の通気弁SV13もまたライン80に接続されるが
その位置はトーチ位置である。この通気弁SV13は大気に
通じた通気路内に流れ制限オリフィスCO1を有する。こ
の流れ制限オリフィスCO1が遮断時のノズル内でのプラ
ズマガス圧力の減衰を制御する。二次ガス送給ライン86
内のコンソール88の位置で通気弁SV12が接続され、同様
の通気弁SV14がトーチ位置でこのラインに接続される。
ガス流れ制御回路44は圧力ゲージPG4及びPG5もまた有し
ている。圧力ゲージPG4及びPG5はコンソール88の位置で
前流れからの集束出力と接続され、作用流れ及び急速放
出弁として作動する。圧力ゲージPG4がライン80内の酸
素プラズマ圧力を読み、PG5がライン86での二次ガス圧
力を読む。
穿孔作業中、前流れ弁が賦活されて開放され、前流れ
の殆どの期間、作用弁と急速充填分は閉じられる。この
状況下にニードル弁MV5とMV7とが、二次ガスを形成する
酸素と窒素の流れの混合比率を制御する。先に議論した
ようにこの比率は好ましくは約2:1であるが、所定の運
転条件に最適化させるために、また変化する切断パラメ
ーターを最適化させるために調節可能である。弁SV5、M
V5、SV7そしてMV7を通る前流れが、SV4、MV4、SV6、MV6
により設置される作用流れの流量の数倍の流量に設定さ
れる。全二次ガス前流れの代表的値は標準状態での120f
t3（約3.398m3）であり、作用流れのためには20ft3（約
0.566m3）である。好適な３方弁ソレノイド弁はオート
マチックスイッチ社から製品番号AFP33183或はMAC Val
ve社から製品番号111B−111BAAAとして製造されてい
る。これらの弁は全て、図５に示される調時ダイヤグラ
ムに例示される態様でガス流れ制御回路44を作動させる
ようプログラムされた中央マイクロプロセッサー90によ
り制御される。
図５にはトーチ10の、時間t0、即ち開始信号がシステ
ムに与えられる時間からアーク電流及びガス流れが完全
遮断される時間t6までの全運転サイクル中でのガス流れ
制御回路44の全作動状況が例示される。また図５には相
当するアーク電流、電圧そしてノズル位置（プラズマア
ークチャンバー内での）でのガス圧力並びにキャップ66
及び72間の前チャンバー58位置で測定した二次シールド
ガス圧力が示される。
開始指令が発せられると直ちに３つの前流れソレノイ
ド弁SV2、SV5及びSV7が賦活され開放される。４つの通
気弁SV11、SV12、SV13、SV14が賦活され閉じられる（通
常は開放されている）。３つの急速充填弁SV3、SV16、S
V17もまた同時に賦活される。これらの急速充填弁がノ
ズル及びシールドガス圧力を、時間t1ではプラズマガス
のために、そして時間t2ではシールドガスのために最大
前流れ値とする。急速充填弁の作動によりライン80及び
86が急速充填される。なぜならそれら急速充填弁がそれ
らガス流れをして、前流れ及び作用流れ枝導管内の流れ
制限オリフィスの迂回を可能とするからである。急速充
填弁は、流れの突発的な、階段関数での増大を可能とす
る。前流れは、前流れを安定化させるための十分な長さ
である１乃至２秒間の全経過時間に渡り継続される。図
５に示されるように、高周波数での高電圧スパイク波91
が前流れの約１秒後にトーチに適用され、番号92の位置
に示されるパイロットアークが開始される。パイロット
アークのブレークダウンが生じると電圧は降下する。
工作物へのアーク移行位置に於て、電流は番号94で示
されるように上昇（ランプアップ）し、移行完了時点で
はその作用水準位置96に達する。電圧は移行時に降下
し、ガス圧力はトーチのノズル位置でプラズマガスが非
常な高温に加熱されるに従い上昇し、ガス流れはノズル
オリフィス28aの位置で閉塞される。移行中に穿孔が実
施される。本発明の高速ガスシールドを提供するため
に、大量の二次ガスの前流れが移行開始後約60ミリ秒間
に渡り維持される。この大流量での二次ガス前流れが、
トーチ方向に向かって上昇する飛沫溶融金属をトーチ自
身への到達前に吹き払う。この流れはプラズマジェット
を取り巻き且つ半径方向内側に配向される。この流れは
プラズマジェットと相互作用するが、殆どの流れは転向
してプラズマジェットから離れる半径方向へと流動し、
工作物とトーチの下端との間の帯域を外側且つ下方に吹
き流れる。これがキャップ72と工作物との間に、移動す
る、冷温ガス境界を創出する。この強い流れは穿孔作業
中に存在するが、通常の切断作業中は著しく減衰され
る。切断作業中、キャップ72による機械的シールドがダ
ブルアーク発生に対しノズルを保護する。
移行開始から約50ミリ秒後、プラズマガス急速充填弁
SV3が時間t2に渡り再度開放され、プラズマガス流量を
その最大作動値へと急速に増大させる。移行開始から同
じく約50ミリ秒後、プラズマガス及びシールドガス両方
のための作用流れ弁SV1、SV4、SV6が開放される。移行
から時間t3経過の後、２つのシールドライン通気弁SV12
とSV14とが図示されるように短時間、時間t4に渡り開放
され二次ガス流れライン内の圧力がずっと低い作用流れ
の水準と一致するよう助成する。これが二次ガスの急速
放出である。これらの弁は、３つのバイパスソレノイド
弁が移行開始後約300ミリ秒に渡り賦活されるのを除
き、作働中はこれらの作用位置のままとされる。移行開
始後約300ミリ秒には流れは安定状態値に達している。
トーチの作動を停止させるために、停止指令により、 （ｉ）３つの作用流れ弁SV1、SV4、SV6が電源遮断され
て閉じ、 （ii）４つの通気弁が大気に開放されそれにより、プラ
ズマガス及び二次ガス流れの急速放出が容易化され、 （iii）流量計バイパス弁が電源遮断される。
停止指令から時間t6の終わりまでの間、アーク電流は
降下（ランプダウン）し、時間t6の終わりにアーク電流
は完全に遮断される。ノズルには若干の残留圧力が存在
するがこれは急速に削減するのでプラズマチャンバー内
には時間t6の終わりの電流遮断時には強い旋回ガス流れ
は実質的に存在しない。この状態では導電性は極めて高
くなり電極の損耗が減少することが分かった。
以上本発明を具体例を参照して説明したが、本発明の
内で多くの変更を成し得ることを理解されたい。例え
ば、本発明を２つの異なるガス、即ち酸化性ガス及び非
酸化性ガスを使用する高出力型あるいは高密度型トーチ
に関し説明したが、本発明を単一形式のガスを使用する
従来型のトーチに於て使用可能である。しかしながら、
単一のガスはガスシールドの利益のみを提供するのであ
って、例えば酸素のような活性ガスをプラズマガスとし
て使用するために最適である適用例のための二次ガスと
して使用するに好適な酸素リッチのガス成分に固有の切
断速度の増大、切断品質の向上或は調節性の利益は提供
されない。マイクロプロセッサーの制御の下に電動式の
弁及び通気ポートのネットワークが説明されたが、他の
配列構成を使用して適正な時間に正しく混合されたプラ
ズマガス及び二次ガスの混合物を極めて正確な調時状態
で供給することができる。例えば、余分のラインを弁に
より開放して急速充填するのでは無くむしろ、高圧ガス
の独立供給源を急激且つ短時間開放してこれを主送給ラ
インに送給して流量の段階関数を増大させ得る。また、
流れ制限オリフィス及び前チャンバーを使用して圧力降
下及び流れの一様性を創出したが、他の配列構成を使用
しても良い。本発明を二次ガス流路内に旋回リングを設
けての実施例に関し説明したが、多少の性能低下を伴い
はするが、非−旋回二次ガス流れをも使用可能である。
（発明の効果） 極めて高速の二次ガスの流れをガスシールドとして使
用し、ノズルその他トーチ部品の工作物に隣り合う部分
を、穿孔に際しての飛沫溶融金属から保護するようにし
たこと。
流れと流れヒステリシスに一様性をもたらし、かくし
て、高速のガス流れとプラズマジェットとの、回避され
るべき状況である直接的な相互作用をなくしたこと。
プラズマジェットを創出するガスの混合物を二次ガス
流れとして使用し、それにより、二次ガスを形成するガ
スの混合物の変化を通し、切断の速度を或いは切断の品
質を調節自在に向上させるようにし、特に、窒素及び酸
素の混合物を二次ガス流れとして使用しこの混合物に於
けるガスの割合を空気のそれと反応であるものとしたこ
と。
ガスシールドと、この二次ガスの混合物、或いはトー
チ内でのガス流れ割合の突発的なそして正確且つ大きな
変化を可能とする流れ制御を使用するようにしたこと。
等に基づき、 本発明によれば、 １）穿孔作業中のトーチのノズルに於ける肉盗み及びダ
ブルアーク発生からトーチを保護するプラズマアークト
ーチ及びその運転方法が提供される。
２）切断速度を高め切断品質の向上された切り口を創出
するプラズマアークトーチ及びその運転方法が提供され
る。
３）前述の利益が高密度型トーチのために提供される。
４）平滑な側面と良好な切断角度を有し、実質的にドロ
スの無い切断部の提供を含む前述の利益が提供される。
５）前述の利益並びに、装備を変えることなく用途に応
じて異なる材料及び切削条件に適応可能とする切断運転
の調節能力が提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ７５３，３９５ (32)優先日 平成３年８月30日(1991．8．30) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (72)発明者 サンダーズ，ニコラス エイ. アメリカ合衆国 05055 バーモント, ノーウィチ，グレン リッジ ロード （番地なし) (72)発明者 ルオ，リフェング アメリカ合衆国 03755 ニューハンプ シャー，レバノン，アパートメント ９，ボックス 800，アールアール ４ （番地なし) (72)発明者 ソーブル，ジョン アメリカ合衆国 03748 ニューハンプ シャー，エンフィールド，アールアール ２，ボックス 431エフ，アパートメ ント 204，シェイカー ファーム（番 地なし) (56)参考文献 特開 昭57−68270（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−299860（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−235080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−123349（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−174994（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−54644（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−17347（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−258464（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−83400（ＪＰ，Ａ) 実公 昭49−1373（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 10/00

Claims (47)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】パイロットアークモードでの運転と、該パ
    イロットアークでの運転に引き続く金属製工作物に穿孔
    するための移行アークモードへの移行と、トーチの移行
    による金属工作物の切断とを含み、トーチがそこを通し
    てのプラズマガス流れと、ノズルの外側を流れ、アーク
    の周囲に冷温層を形成する二次ガス流れとを有し、プラ
    ズマガス流れがパイロットアーク及び移行アークを形成
    し、プラズマガス流れ及び二次ガス流れが、前記穿孔に
    関連する前流れと、前記切断に関する作用流れとを含ん
    でいるプラズマアーク切断トーチの運転方法であって、 前記二次ガス流れをプラズマジェットに配向すること、 穿孔中の二次ガス流量を、プラズマジェットが切断モー
    ドである場合の切断のための作用流れの流量と比較して
    増大させること、 を含んでなるプラズマアーク切断トーチの運転方法。
  2. 【請求項２】二次ガス流れをその開始時点に於て段階関
    数として急速に充填して高流量を創出すること、 二次ガスの前流れの終了に際し二次ガス流れを急速に放
    出させること、 を含んでいる請求の範囲１のプラズマアーク切断トーチ
    の運転方法。
  3. 【請求項３】胴部と、プラズマアークが形成されるとこ
    ろのプラズマチャンバーを確定する相互離間関係におい
    て胴部の第１の端部位置に取り付けられた電極及びノズ
    ルとを含み、該ノズルが、プラズマアークが通過する中
    央通路及びノズル出口オリフィスを有するプラズマアー
    クトーチを含むプラズマアーク切断システムを運転する
    ための方法であって、 プラズマガス流れをプラズマガス入口からプラズマチャ
    ンバーに配向すること、 非酸化性ガスと、流量測定値で少なくとも40％の酸化性
    ガスとの混合物としての二次ガス流れを形成すること、 二次ガス流れを、二次ガス入り口から二次ガス流路に配
    向すること、 二次ガス流路内の二次ガス流れを変化させ、二次ガスと
    プラズマアークとの相互作用を容易化させること、 二次ガス流路からの二次ガス流れを、二次ガス流れ出口
    オリフィスを通して配向し、プラズマアークがノズル出
    口オリフィスを通過する際に該プラズマアークに配向す
    ること、 穿孔中の二次ガス流量を、プラズマジェットが切断モー
    ドである場合の切断のための作用流れの流量と比較して
    増大させること、 を含むプラズマアーク切断システムを運転するための方
    法。
  4. 【請求項４】非酸化性ガスを、窒素、アルゴンからなる
    群から選択し、酸化性ガスを、酸素及び空気からなる群
    から選択するようにした請求の範囲３の方法。
  5. 【請求項５】非酸化性ガス流量に対する酸化性ガス流量
    の比が約2:1であるようにした請求の範囲４の方法。
  6. 【請求項６】非酸化性ガス流量に対する酸化性ガス流量
    の比を、ドロス量が無視し得る程である状態下に工作物
    と全体的に直交する切り口角度を創出するべく調節する
    ようにした請求の範囲３の方法。
  7. 【請求項７】二次ガス流路内の二次ガス流れを変化させ
    ることが、二次ガス流れに旋回運動を導入することを含
    んでいる請求の範囲３の方法。
  8. 【請求項８】二次ガス流路内の二次ガス流れを変化させ
    ることが、二次ガス流れに旋回運動を導入するために二
    次ガス流れを旋回リングに配向することを含んでいる請
    求の範囲３の方法。
  9. 【請求項９】ノズルの外側表面を実質的に包囲する状態
    で胴部に水冷キャップを取り付けることを含んでいる請
    求の範囲７の方法。
  10. 【請求項１０】水冷キャップとの間に、二次ガス流れ出
    口オリフィスを含む二次ガス流路の一部分を確定する離
    間関係を有する状態で胴部に二次ガスキャップを取り付
    けることを含んでいる請求の範囲９の方法。
  11. 【請求項１１】胴部と、プラズマアークが形成されると
    ころのプラズマチャンバーを確定する相互離間関係にお
    いて胴部の端部位置に取り付けられた電極及びノズルと
    を含み、該ノズルが、プラズマアークが通過する、中央
    通路及びノズル出口オリフィスを有する高密度型プラズ
    マアークトーチを含む高密度型プラズマアーク切断シス
    テムを運転するための方法であって、 プラズマガス流れをプラズマガス入口からプラズマチャ
    ンバーに配向すること、 窒素及びアルゴンからなる群から選択した非酸化性ガス
    と、酸素及び空気からなる群から選択した、流量測定値
    で少なくとも40％の酸化性ガスとの混合物としての二次
    ガス流れを形成すること、 二次ガス流れに旋回運動を導入する旋回リングを通して
    二次ガスを二次ガス入り口から二次ガス流路に配向し、
    該二次ガス流路内の二次ガス流れを変化させ、二次ガス
    とプラズマアークとの相互作用を容易化させること、 旋回リングからの二次ガス流れを、二次ガス流れ出口オ
    リフィスを通して配向し、プラズマアークがノズル出口
    オリフィスを通過する際にプラズマアークに配向するこ
    と、 穿孔中の二次ガス流量を、プラズマジェットが切断モー
    ドである場合の切断のための作用流れの流量と比較して
    増大させること、 を含む高密度型プラズマアーク切断システムを運転する
    ための方法。
  12. 【請求項１２】非酸化性ガス流量に対する酸化性ガス流
    量の比が約2:1であるようにした請求の範囲11の方法。
  13. 【請求項１３】二次ガス流れが実質的にイオン化されず
    且つ極めて一様化されるようにした請求の範囲11の方
    法。
  14. 【請求項１４】ノズルの外側表面を実質的に包囲する水
    冷キャップを胴部に取り付けることを含んでいる請求の
    範囲11の方法。
  15. 【請求項１５】水冷キャップとの間に、二次ガス流れ出
    口オリフィスを含む二次ガス流路の一部分を確定する離
    間関係を有する状態で胴部に二次ガスキャップを取り付
    けることを含んでいる請求の範囲14の方法。
  16. 【請求項１６】プラズマアーク切断システムであって、 プラズマガス入口からのプラズマガスを、プラズマアー
    クが形成されるプラズマチャンバーに配向するためのプ
    ラズマガス流路と、二次ガス入口からの二次ガス流れを
    二次ガス流れ出口オリフィスに配向する二次ガス流路と
    を含むトーチ胴部と、 トーチ胴部の第１の端部に取り付けられ導電性材料で形
    成したノズルにして、（ａ）全体的に切頭円錐形状の薄
    肉壁状に形成されプラズマジェットの出口ポートと、該
    出口ポートに向けて傾斜された中空の胴部と、（ｂ）該
    中空胴部と一体形成した頭部にして、（ｉ）前記出口ポ
    ートと整列する中央通路を除き全体的に中実であり、
    （ii）前記出口ポートに向けて傾斜する少なくとも部分
    的に切頭円錐形状の外側表面を有する頭部と、 プラズマアークが形成されるところのプラズマチャンバ
    ーを確定する相互離間関係においてトーチ胴部の第１の
    端部位置に取り付けられた電極及びノズルと、 トーチ胴部に取り付けられ、ノズルの外側表面を実質的
    に包囲する水冷キャップと、 水冷キャップとの間に、二次ガス流れ出口オリフィスを
    含む二次ガス流路の一部分を確定する離間関係を有する
    状態で胴部に取り付けた二次ガスキャップにして、交換
    自在の金属シールドを含み、該金属シールドが、（ｉ）
    プラズマジェットを近接状態で取り巻く寸法形状を有し
    且つノズルの出口ポートと同中心の中央円形開口を有
    し、（ii）穿孔及び切断中に工作物からの飛沫溶融金属
    がトーチに向かうのを阻止し、（iii）前記中央円形開
    口を取り巻く一組のポートにして、切断中は二次ガス流
    れのかなりの部分を逃出させるが、穿孔に関連する高流
    量時には二次ガス流れを逃出させないよう寸法付けされ
    た一組のポートを有する二次ガスキャップと、 絶縁材料から形成され二次ガス流路の一部に位置決めさ
    れた旋回リングにして、二次ガス流れを極めて一様な流
    れとして該旋回リングを通して配向する構成を有する旋
    回リングと、 を含むプラズマアーク切断システム。
  17. 【請求項１７】旋回リングが、二次ガス流れに旋回運動
    を導入しそれにより、二次ガス流れとプラズマアークと
    の相互作用を容易化する一組の傾斜ポートを含んでいる
    請求の範囲16のプラズマアーク切断システム。
  18. 【請求項１８】ノズルが、トーチ胴部の直径を上回り且
    つカットバック凹所を確定する直径部分をトーチ胴部に
    隣り合って有している請求の範囲16のプラズマアーク切
    断システム。
  19. 【請求項１９】金属シールドの中央円形開口を取り巻く
    一組のポートが、二次ガスをプラズマジェットから半径
    方向に離れる方向で該一組のポートを通して配向するよ
    うに角度付けされた請求の範囲16のプラズマアーク切断
    システム。
  20. 【請求項２０】金属シールドが、該金属シールドを二次
    ガスキャップ内に位置付け且つ錠止するための、外側縁
    部に段状に形成した凹所と、二次ガスキャップに相対し
    て外側縁部に形成され、シールを受けるようになってい
    る環状溝と、を含んでいる請求の範囲16のプラズマアー
    ク切断システム。
  21. 【請求項２１】二次ガス流れが、非酸化性ガスと、流量
    測定値で少なくとも40％の酸化性ガスとの混合物である
    請求の範囲16のプラズマアーク切断システム。
  22. 【請求項２２】非酸化性ガス流量に対する酸化性ガス流
    量の比が約2:1であるようにした請求の範囲21のプラズ
    マアーク切断システム。
  23. 【請求項２３】プラズマアーク切断システムであって、 プラズマガス入口からのプラズマガスを、プラズマアー
    クが形成されるプラズマチャンバーに配向するためのプ
    ラズマガス流路と、二次ガス入口からの二次ガス流れを
    二次ガス流れ出口オリフィスに配向する二次ガス流路と
    を含むトーチ胴部と、 トーチ胴部の第１の端部に取り付けられ、前記二次ガス
    流れ出口オリフィスと整列する中央通路を有するノズル
    と、 プラズマチャンバーを確定する相互離間関係においてト
    ーチ胴部の第１の端部位置に取り付けられた電極と、 トーチ胴部に取り付けられ、ノズルの外側表面を実質的
    に包囲する水冷キャップと、 水冷キャップとの間に、二次ガス流れ出口オリフィスを
    含む二次ガス流路の一部分を確定する離間関係を有する
    状態でトーチ胴部に取り付けた二次ガスキャップと、 穿孔及び切断中に工作物からの飛沫溶融金属がトーチに
    向かうのを阻止するための交換自在の金属シールドにし
    て、（ｉ）ノズルの出口ポートと整列し且つプラズマジ
    ェットを近接状態で取り巻くような寸法形状とした中央
    円形開口と、（ii）該中央円形開口を取り巻く一組のポ
    ートにして、切断中は二次ガス流れの有意部分を逃出さ
    せるが、穿孔に関連する高流量時には二次ガス流れを逃
    出させないよう寸法付けされ、高流量の二次ガス流れを
    切断終了時に通気する一組のポートと、（iii）金属シ
    ールドの外側縁部位置に位置付けられ、金属シールを二
    次ガスキャップの胴部に対してシールするためのシール
    と、を含む金属シールドと、 を含むプラズマアーク切断システム。
  24. 【請求項２４】金属シールドの中央円形開口を取り巻く
    一組のポートが、二次ガスをプラズマジェットから半径
    方向に離れる方向で該一組のポートを通して配向するよ
    うに角度付けされた請求の範囲23のプラズマアーク切断
    システム。
  25. 【請求項２５】金属シールドが、中央円形開口を取り巻
    き且つ工作物と全体的に平行に伸延するシールド部分を
    含み、該シールド部分の内側表面が、ノズルの外側との
    間に二次ガス流れのための主たる出口オリフィスを確定
    するべく該ノズルの外側から離間される請求の範囲24の
    プラズマアーク切断システム。
  26. 【請求項２６】金属シールドが、該金属シールドを二次
    ガスキャップ内に位置付け且つ錠止するための、外側縁
    部に段状に形成した凹所と、二次ガスキャップに相対し
    て外側縁部に形成され、シールを受けるようになってい
    る環状溝と、を含んでいる請求の範囲24のプラズマアー
    ク切断システム。
  27. 【請求項２７】絶縁材料から形成され二次ガス流れ出口
    オリフィスに隣り合って二次ガス流路に位置決めされた
    旋回リングにして、二次ガス流れを極めて一様な流れと
    して該旋回リングを通して配向する構成を有する旋回リ
    ングとを含んでいる請求の範囲24のプラズマアーク切断
    システム。
  28. 【請求項２８】ノズルが、 全体的に切頭円錐形状の薄肉壁状に形成されプラズマジ
    ェットの出口ポートに向けて傾斜された中空の胴部と、
    該中空胴部と一体形成した拡開頭部にして、（ｉ）前記
    出口ポートと整列する中央通路を除き全体的に中実であ
    り、（ii）前記出口ポートに向けて傾斜する少なくとも
    部分的に切頭円錐形状の外側表面を有する頭部と、 を更に含んでいる請求の範囲24のプラズマアーク切断シ
    ステム。
  29. 【請求項２９】ノズルが、トーチ胴部の直径を上回る、
    カットバック凹所を確定する直径部分をトーチ胴部に隣
    り合って有している請求の範囲24のプラズマアーク切断
    システム。
  30. 【請求項３０】トーチが高密度型トーチである請求の範
    囲24のプラズマアーク切断システム。
  31. 【請求項３１】二次ガス流れが、非酸化性ガスと、流量
    測定値で少なくとも40％の酸化性ガスとの混合物である
    請求の範囲24のプラズマアーク切断システム。
  32. 【請求項３２】プラズマアーク切断システムであって、 プラズマガス入口からのプラズマガスを、プラズマアー
    クが形成されるプラズマチャンバーに配向するためのプ
    ラズマガス流路と、二次ガス入口からの二次ガス流れを
    二次ガス流れ出口オリフィスに配向する二次ガス流路と
    を含むトーチ胴部と、 トーチ胴部の第１の端部に取り付けられたノズルにし
    て、（ａ）前記二次ガス流れ出口オリフィスと整列する
    中央通路と、（ｂ）全体的に切頭円錐形状の薄肉壁上に
    形成されプラズマジェットの出口ポートに向けて傾斜さ
    れた中空の胴部と、（ｃ）該中空胴部と一体形成した拡
    開頭部にして、前記出口ポートと整列する中央通路を除
    き全体的に中実である頭部と、を有するノズルと、 プラズマチャンバーを確定する相互離間関係においてト
    ーチ胴部の第１の端部位置に取り付けられた電極と、 トーチ胴部に取り付けられ、ノズルの外側表面を実質的
    に包囲する水冷キャップと、 水冷キャップとの間に離間関係を有する状態でトーチ胴
    部に取り付けられ、二次ガス流れ出口オリフィスを含む
    二次ガス流路の一部分を確定し、二次ガス流路内に凹所
    を確定する形状を有する二次ガスキャップにして、交換
    自在の金属シールドを含む、該金属シールドが、（ｉ）
    プラズマジェットを近接状態で取り巻く寸法形状を有し
    且つノズルの出口ポートと同中心の中央円形開口を有
    し、（ii）穿孔及び切断中に工作物からの飛沫溶融金属
    がトーチに向かうのを阻止し、（iii）前記中央円形開
    口を取り巻く一組のポートにして、切断中は二次ガス流
    れのかなりの部分を逃出させるが、穿孔に関連する交流
    量時には二次ガス流れを逃出させないよう寸法付けされ
    た一組のポートを有する二次ガスキャップと、 絶縁材料から形成され、二次ガス流れ出口オリフィスに
    隣り合って二次ガス流路に位置決めされた旋回リングに
    して、二次ガス流れを極めて一様な流れとして該旋回リ
    ングを通して配向する構成を有する旋回リングと、 を含んでいるプラズマアーク切断システム。
  33. 【請求項３３】旋回リングが、二次ガス流れに旋回運動
    を導入しそれにより、二次ガス流れとプラズマアークと
    の相互作用を容易化する一組の傾斜ポートを含んでいる
    請求の範囲32のプラズマアーク切断システム。
  34. 【請求項３４】ノズルが、全体的に切頭円錐形状の薄肉
    壁状に形成されプラズマジェットの出口ポートに向けて
    傾斜された中空の胴部と、 該中空胴部と一体形成した拡開頭部にして、（ｉ）前記
    出口ポートと整列する中央通路を除き全体的に中実であ
    り、（ii）前記出口ポートに向けて傾斜する少なくとも
    部分的に切頭円錐形状の外側表面を有する頭部と、 を更に有している請求の範囲32のプラズマアーク切断シ
    ステム。
  35. 【請求項３５】組み合わせ状態での水冷キャップと二次
    ガスキャップとが、移行アークモードでの切断中におけ
    る流量と比較して極めて高い、穿孔中における二次ガス
    流量を創出する請求の範囲32のプラズマアーク切断シス
    テム。
  36. 【請求項３６】ノズルが、トーチ胴部の直径を上回り且
    つカットバック凹所を確定する直径部分をトーチ胴部に
    隣り合って有している請求の範囲32のプラズマアーク切
    断システム。
  37. 【請求項３７】プラズマガス入口からのプラズマガス
    を、プラズマアークが形成されるプラズマチャンバーに
    配向するためのプラズマガス流路と、二次ガス入口から
    の二次ガス流れを二次ガス流れ出口オリフィスに配向す
    る二次ガス流路とを含むトーチ胴部と、 トーチ胴部の第１の端部に取り付けられ、前記二次ガス
    流れ出口オリフィスと整列する中央通路を有するノズル
    と、 プラズマチャンバーを確定する相互離間関係においてト
    ーチ胴部の第１の端部位置に取り付けられた電極と、 トーチ胴部に取り付けられ、ノズルの外側表面を実質的
    に包囲する水冷キャップと、 水冷キャップとの間に、二次ガス流れ出口オリフィスを
    含む二次ガス流路の一部分を確定する離間関係を有する
    状態でトーチ胴部に取り付けた二次ガスキャップと、 プラズマジェットを近接状態で取り巻く寸法形状を有
    し、ノズルの出口ポートと同中心の中央円形開口を有す
    る交換自在の金属シールドにして、前記中央円形開口を
    取り巻く一組のポートにして、切断中は二次ガス流れの
    かなりの部分を逃出させるが、穿孔に関連する高流量時
    には二次ガス流れを逃出さないよう寸法付けされた一組
    のポートを有する金属シールドと、 該金属シールドを二次ガスキャップ内に位置付け且つ錠
    止するための、外側縁部に段状に形成した凹所内に位置
    決めされたシールと、二次ガスキャップに相対して外側
    縁部に形成され、該シールを受けるようになっている環
    状溝と、 絶縁材料から形成され二次ガス流路内に位置決めされた
    旋回リングにして、二次ガス流れを極めて一様な流れと
    して該旋回リングを通して配向する構成を有する旋回リ
    ングと、 を含んでいるプラズマアーク切断システム。
  38. 【請求項３８】プラズマアーク切断トーチであって、 胴部の第１の端部に、プラズマチャンバーを確定する離
    間関係において取り付けた電極及びノズルと、 プラズマガス入口からプラズマガス流れをプラズマチャ
    ンバーに移動させるための、前記胴部内のプラズマガス
    流路と、 二次ガス入口からの二次ガス流れを、プラズマアークを
    取り巻く出口オリフィスに移動させるための、胴部内の
    二次ガス流路と、 出口オリフィスの前で二次ガス流路内に位置決めされた
    旋回リングにして、穿孔中には切断中におけるよりも高
    い流量での二次ガス流れを創出し、該二次ガス流れが、
    （ｉ）極めて一様でありしかも、（ii）移行するプラズ
    マアークに接近して位置決めされ、穿孔中におけるノズ
    ルと工作物との間を通過する二次ガス流れの速度が、ト
    ーチからの溶融金属を吹き飛ばすに充分な速度であるよ
    うにしたプラズマアーク切断トーチ。
  39. 【請求項３９】少なくとも１つのガス供給源からプラズ
    マアークトーチへのガス流れのための制御システムであ
    って、 前記ガス供給源に接続された導管手段と、 プログラム可能な制御手段と、 前記導管手段並びに相互に平行状態で結合した２つの枝
    導管と、 前記導管手段及び２つの枝導管に接続され前記制御手段
    に応答して作動自在の弁手段とを含み、 前記枝導管の一方が、前記導管手段のみを通して１つの
    作用流れの流量とは異なる流量での前流れを創出するた
    めの寸法形状とされ且つ前記弁手段による操作を受け、
    前記枝導管の他方が、前記供給源からトーチへの合計流
    量を急激に上昇させそれにより前記ガス流れを階段関数
    的に最大値にもたらすための弁手段を有する制御システ
    ム。
  40. 【請求項４０】導管手段に接続された通気弁手段にし
    て、ガス流れが終了された場合に制御手段に応答して前
    記導管手段を開放して前記導管手段を大気に通気するべ
    く作動自在である通気弁手段を含んでなる請求の範囲39
    の制御システム。
  41. 【請求項４１】導管と、弁と、メータと、通気口とによ
    り構成される制御ネットワークを含んでいる請求の範囲
    39の制御システム。
  42. 【請求項４２】導電材料から形成されその一端にプラズ
    マジェットのための出口オリフィスを有するプラズマア
    ーク切断トーチのためのノズルであって、 全体的に切頭円錐形状の薄肉壁状に形成され出口ポート
    に向けて傾斜された中空の胴部と、 該中空の胴部と一体に形した拡開頭部とを含み、 該拡開頭部が、（ｉ）前記出口オリフィスと整列する中
    央通路を除き中実であり、（ii）全体的に切頭円錐形状
    の、出口オリフィス方向に傾斜された外側表面を含み、 （iii）前記中空の胴部の直径を上回り且つカットバッ
    ク凹所を画定する直径部分を前記中空の胴部に隣り合っ
    て有するノズル。
  43. 【請求項４３】プラズマジェットを工作物に配向し該工
    作物の穿孔及び切断を実施するためのノズルの出口ポー
    トに向けて伸延する胴部を含むプラズマアークトーチの
    一端に取り付けた、二次ガスキャップのための、環状
    の、交換自在のシールドであって、 金属部材にして、（ｉ）ノズルの出口ポートと整列し且
    つプラズマジェットを近接状態で取り巻く中央円形開口
    と、（ii）該中央円形開口を取り巻く一組のポートにし
    て、切断中は二次ガス流れの有意部分を逃出させるが穿
    孔に関連する高流量時には二次ガス流れを逃出させない
    よう寸法付けされ、高流量の二次ガス流れを切断終了時
    に通気する一組のポートとを含み、外側縁部には、二次
    ガスキャップの胴部に対し前記シールドを交換自在にシ
    ールするためのシール手段を位置付け、前記シールドが
    切断中にトーチに向けての工作物からの飛沫溶融金属を
    阻止する金属部材と、 を含んでいる交換自在のシールド。
  44. 【請求項４４】金属部材が中央円形開口を取り巻くシー
    ルド部分を有し、該シールド部分が、工作物と全体的に
    平行状態で伸延されその内側表面がノズルの外側の鏡像
    を為しそれによりその間部分に二次ガス流れのための主
    たる出口オリフィスを画定する請求の範囲43の交換自在
    のシールド。
  45. 【請求項４５】金属部材が、シールド部分から交換自在
    のシール手段に伸延する全体的に切頭円錐形状の部分を
    含み、一組のポートが該切頭円錐形状の部分に形成され
    る請求の範囲44の交換自在のシールド。
  46. 【請求項４６】一組のポートは、二次ガス流れをそこを
    通してプラズマジェットから半径方向に離間する方向に
    配向するように角度付けされている請求の範囲45の交換
    自在のシールド。
  47. 【請求項４７】交換自在のシールドは金属部材の外側縁
    部に形成され前記交換自在のシールドを二次ガスキャッ
    プの胴部内に位置付けし且つ錠止するための段状の凹所
    と、前記金属部材の外側縁部に形成され前記二次ガスキ
    ャップの胴部に相対してＯ−リングシールを受容する環
    状溝とを含んでいる請求の範囲43の交換自在のシール
    ド。
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