JP5841342B2 - プラズマ切断装置用ノズル及びプラズマトーチ - Google Patents
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Description
一般的な形状の電極を用いてノズル内面のテーパ角度を小さくした場合の例を図1に示している。この図1に示す例では、ノズルNのテーパ部の内面の角度(テーパ角度)αは70°である。ここで、絶縁破壊性の向上と、プラズマガス流れの安定性確保のためには、電極Eとノズル内面Niとの最短ギャップを最適値にする必要がある。このため、ノズル内面Niのテーパ角度αを小さくし、かつ最短ギャップの最適値を確保した場合は、図1に示すように、電極Eの先端部がノズルオリフィスNoから大きく離間することになる。すると、電極Eの先端外周縁とノズル内面Niとの間に発生したパイロットアークがノズル内部から伸長せず、パイロットアークの途切れ現象が発生する。この結果、再着火動作が繰り返され、ノズル内面に形成された被膜直下の基材にまで達するアーク痕が形成されて、被膜の剥離が促進されることになる。さらに、同様の理由によってメインアーク移行時に電流値が増大し、この電流値増大に伴うメインアークのふらつきがオリフィス付近で発生することになる。この結果、前記同様に、被膜の剥離が促進されることになる。
前述の場合とは逆に、ノズルのテーパ内面の角度αを例えば120°にした場合、飛散した電極材がテーパ内面に到達しやすくなり、かつテーパ内面に長時間滞在しやすくなる。このため、テーパ内面に電極材付着防止のために被膜を形成しても、飛散した電極材によって被膜がダメージを受けやすい。その結果、被膜は剥離されて電極材付着防止効果が低下する。この場合、特に、ノズルオリフィス入口部への集中が著しく、ダメージが大きくなって切断品質の著しい低下を招く。
プラズマトーチ1は、鋼板などの金属材料を切断するためのプラズマ切断装置に備えられるものである。図示されていないが、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ1にパイロットアークやプラズマアークを発生させ、且つ、プラズマアークを制御するためのアーク電源回路及び制御装置を備えている。また、プラズマ切断装置は、プラズマトーチ1へプラズマガス及びアシストガスを供給するガス供給システム、及び、プラズマトーチ1へ冷却液を供給する冷却システムなどの装置を備えている。
トーチ本体2は、ベース部11、電極支持部12、ノズル支持部13、冷却パイプ14、ホルダ15、冷却液供給パイプ16、冷却液排出パイプ17などを有する。ベース部11、電極支持部12、ノズル支持部13、冷却パイプ14は同軸に配置されている。
電極3は、図3に示すように、概ね円筒状に形成されており、基端部が電極支持部12の孔12aに挿入され、電極支持部12に着脱可能に取り付けられている。電極3の基端部が電極支持部12の孔12aに挿入された状態では、冷却パイプ14の先端部が電極3の内部空間内に配置されている。また、電極3と電極支持部12との間の隙間は、図示しないシール部材によって封止されている。これにより、電極支持部12の孔12aの先端側が閉塞される。さらに、電極3は、電極支持部12と接触することによって電極支持部12と電気的に接続されている。
第1案内部材4は、図4に示すように、概ね円筒状に形成され、基端側に大径部20を有し、先端側に小径部21を有している。また、第1案内部材4は絶縁性を有する材料で形成されている。第1案内部材4は、ノズル6の内部において、基端側に配置されている。第1案内部材4は軸線方向に貫通する孔4aを有し、この孔4a内に電極3が挿入されている。このように、第1案内部材4は、電極3とノズル6との間に配置されることにより、電極3とノズル6とを電気的に絶縁している。なお、第1案内部材4の内面と電極3の外面との間にはシール部材S2が設けられ、第1案内部材4の外面とノズル6の内面との間にはシール部材S3が設けられている。
第2案内部材5は、図4に示すように、軸線方向に貫通する孔5aを有する概ね環状の部材である。第2案内部材5の孔5aには、電極3及び第1案内部材4の小径部21が挿入されている。従って、第2案内部材5は、径方向において、ノズル6の内面と第1案内部材4の小径部21との間に配置されている。また、第2案内部材5は、軸線方向において、第1案内部材4の大径部20とノズル6の内面との間に配置されている。この第2案内部材5の先端側端面には、内部と外部と連通する複数の溝5bが設けられている。各溝5bは、径方向及び周方向に対して斜めに延びている。この第2案内部材5の溝5bを通過したプラズマガスは、電極3の外周を旋回するように流れる。
ノズル6は、銅製であり、図4及び図5に示すように、概ね円筒状に形成されている。このノズル6は、基端側から順に、内部に空間を有する筒状部6aと、筒状部6aの先端側に形成された先端部6bとを有している。
キャップ部7は、図3に示すように、トーチ本体2の先端に取り付けられ、ノズル6を覆う部材である。キャップ部7は、アウターキャップ31と、インナーキャップ32と、シールドキャップ33とを有する。各キャップ31,32,33は、概ね円錐台状に形成され、電極3及びノズル6と同軸に配置されている。
このプラズマトーチ1では、まず、電極3とノズル6との間に、小流量のプラズマガスが流され、プラズマガスの流れが生成される。すなわち、ガス供給システムから、ノズル支持部13の内面と電極支持部12の外面との間のプラズマガス通路P1にプラズマガスが供給される。プラズマガスは、プラズマガス通路P1から、第1及び第2案内部材4,5に案内されて、旋回しながら電極3の外周を流れる。この状態で、電極3に高電圧が印加されると、電極基体35の放出面39の外周縁とノズル6の内面との間(最短ギャップ位置)に絶縁破壊が発生する。この絶縁破壊をトリガーにして電極3とノズル6の内面との間にパイロットアークが発生する。パイロットアークはノズル6内面の傾斜及び旋回するプラズマガスの流れに沿って中央部に移行し、さらにワークまで延びる。そして、プラズマガスの流量及び電流を増大させることにより、電極3とワークとの間にメインアークが生成される。
図11にテーパ内面(第2対向面)25bのテーパ角度を種々変えた場合のノズル内面の様子を示している。図11は、ノズル内面及びオリフィスを基端側(図1の上方)から観察したものである。テーパ角度は、図の左から70°、80°、90°、105°、120°に設定されている。また、図の上から順に、ショット数(起動回数)が1回、100回、200回、300回、400回、400回で斜め上方から観察、600回、800回の場合を示している。図11において、白い部分はボロンナイトライド被膜が残っている部分であり、黒い部分はボロンナイトライド被膜が剥離された部分である。なお、供試ノズルのオリフィス直径はφ1.3mm、電流値は135A、ショット数1回あたりの連続アーク起動時間は20秒間とした。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
3 電極
6 ノズル
6a 筒状部
6b 先端部
22 冷却用フィン
25 電極対向部
25a 第1対向面
25b 第2対向面(テーパ内面)
25c 曲面
26 オリフィス
26a 先端面
26b 面取り部
C ボロンナイトライド被膜
Claims (10)
- プラズマ切断装置に設けられるプラズマトーチであって、
内部空間を有する電極と、
前記電極の内部空間に先端部が配置された冷却パイプと、
前記電極を収容可能であり、先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのノズルと、
を備え、
前記電極は、
ハフニウムで形成された電極材と、
前記電極材が挿入された凹部と、
前記内部空間に突出し、前記凹部と一体に形成された凸部と、
を有し、
前記冷却パイプは、先端部が前記凸部の外側を覆うように配置され、
前記ノズルは、
先端側に向かうほど径が小さくなり前記電極の先端部と対向するテーパ内面が形成された空間を内部に有する筒状部と、
前記筒状部の先端側に形成され、前記テーパ内面のさらに先端側に形成されたオリフィスと、ワークに対向する先端面と、を有する先端部と、
を有し、
前記テーパ内面及び前記オリフィスの内面にはセラミック系材料の被膜が形成されており、
前記テーパ内面の断面において前記筒状部の中心軸線と前記テーパ内面の対向する面のうちの一方の面とがなす角度の2倍であるテーパ角度は80°以上105°以下である、
プラズマトーチ。 - 前記筒状部は前記テーパ内面と前記オリフィスとをつなぐ曲面を有しており、前記曲面にはセラミック系材料の被膜が形成されている、請求項1に記載のプラズマトーチ。
- 前記テーパ内面の最大内径D1に対する最小内径D2の比D2/D1は、0.33以上0.5以下である、請求項2に記載のプラズマトーチ。
- 前記テーパ内面の最小内径D2に対する前記曲面のノズル軸方向長さHの比H/D2は、0.75以上0.87以下である、請求項2に記載のプラズマトーチ。
- 前記先端面にはセラミック系材料の被膜が形成されている、請求項2に記載のプラズマトーチ。
- 前記筒状部の外周面には冷却用フィンが設けられている、請求項5に記載のプラズマトーチ。
- 前記先端部は、前記オリフィスと前記先端面との間に形成された面取り部をさらに有している、請求項6に記載のプラズマトーチ。
- 前記電極は、先端外周縁部が前記ノズルの前記テーパ内面に対向するように配置されている、請求項1から7のいずれかに記載のプラズマトーチ。
- プラズマ切断装置に設けられるプラズマトーチであって、
内部空間を有する電極と、
前記電極の内部空間に先端部が配置された冷却パイプと、
前記電極を収容可能であり先端側に配置されたワークにプラズマジェットを噴出してワークを切断するためのノズルと、を備え、
前記電極は、
ハフニウムで形成された電極材と、
前記電極材が挿入された凹部と、
前記内部空間に突出し、前記凹部と一体に形成された凸部と、
を有し、
前記冷却パイプは、先端部が前記凸部の外側を覆うように配置され、
前記ノズルは、
先端側に向かうほど径が小さくなり前記電極の先端部と対向するテーパ内面が形成された空間を内部に有する筒状部と、
前記筒状部の先端側に形成され、前記テーパ内面のさらに先端側に形成されたオリフィスと、ワークに対向する先端面と、を有する先端部と、
を有し、
前記テーパ内面及び前記オリフィスの内面にはセラミック系材料の被膜が形成されており、
前記テーパ内面の断面において前記筒状部の中心軸線と前記テーパ内面の対向する面のうちの一方の面とがなす角度の2倍であるテーパ角度は90°であり、
前記筒状部は前記テーパ内面と前記オリフィスとをつなぐ曲面を有しており、前記曲面には前記セラミック系材料の被膜が形成され、
前記テーパ内面の最大内径D1に対する最小内径D2の比D2/D1は、0.33以上0.5以下であって、
前記テーパ内面の最小内径D2に対する前記曲面のノズル軸方向長さHの比H/D2は、0.75以上0.87以下である、
プラズマトーチ。 - 前記テーパ内面、前記オリフィスの内面、及び前記曲面にはボロンナイトライドの被膜が形成されている、請求項9に記載のプラズマトーチ。
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