JPH0513195A - プラズマアークトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プラズマトーチ電極の先端位置を調節する調節
装置を有するアセンブリを提供することを目的とする。 【構成】プラズマトーチ２のオリフィスに対し中央電極
１の位置を調節可能なプラズマトーチを提供する。中央
電極１を旋回ボール継手７，２３を介してプラズマトー
チの本体部９に取付けることを基本構造とし、この電極
１を該継手７，２３内で旋回させ、それによってプラズ
マノズル２のオリフィスの中心に電極の先端を整列させ
ることができるよう構成する。旋回継手の球面要素７は
主ナット１１，１４で軸受箱２３に取付けられ、主ナッ
ト１４を回転して電極１の深さを調節することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、カバー、カバー内部
に配置されたトーチ本体部、電極及びプラズマノズルを
含むプラズマ熔接用のプラズマアークトーチに関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマアークトーチはトーチ電極と加
工物との間で熔接に使用されるメインアークを励起す
る。このトーチのノズル部は２つの同軸空洞から成る。
内部空洞はタングステン電極を収容し、空洞の端部は電
極の先端付近にオリフィスを有する。プラズマガスはこ
の空洞に供給される。内部空洞はその出口のオリフィス
が内部空洞の出口穴を取囲むようにした他の空洞に包囲
される。電気アークを包囲する遮蔽ガスはこの外部空洞
に供給される。

【０００３】プラズマトーチの電気アークは加工物と電
極との間のガス雰囲気中に維持されるので、ガスはそれ
を導電性にするため、主アークを点火する前にイオン化
されなければならない。このイオン化は内部空洞を形成
するノズルと電極との間で励起されるパイロットアーク
によって達成される。パイロットアークがプラズマガス
をイオン化すると、加工物と電極との間に導電性イオン
化ガス通路が形成され、メインアークに対する適切な点
火条件を提供する。

【０００４】電極とノズルとの間に発生する高エネルギ
の電気アークはノズルを急速に破損させるであろうか
ら、メインアークは電極と加工物との間においてのみ維
持するようにしなければならない。通常、ノズルの冷
却、及びノズルに作用する電気及び磁気力は、メインア
ークが電極とノズルとの間で励起されるのを防止する。
しかし、これは、電極の先端がノズルの電気的中心点に
正確に整列されなければならないということを要求す
る。ノズルのオリフィスと電極の先端とが対称形状をし
ていれば、電気的中心点も、又一般に幾何学的中心点と
一致する。

【０００５】ノズルのオリフィスの形状の故に電気的中
心点の位置は幾つかの理由によって熔接中に変化するか
もしれない。すなわち、電極の先端はトーチ、ノズル、
及び電極等の製造上における不可避的な許容誤差のた
め、すでに熔接の開始時点において、電気的中心点から
外れているかもしれない。その結果、ノズルオリフィス
の位置は熔接中ゆっくり移動して、プラズマジェットを
逸らせることになる。オリフィスの形状それ自体も熔接
のはねかすとか他のくずの累積等のために変形してしま
うことが屡々である。

【０００６】プラズマジェットの方向が逸れると、プラ
ズマトーチによる作業は困難になり、終には不可能にな
る。熔接の合わせ目の質はプラズマアークの行為の変化
によって悪化し、反復性が失われる。そして、パイロッ
トアークは弱められ、メインアークの励起はより困難と
なり、最終的にメインアークは全く励起されなくなる。
この段階において、一般的に電極同様ノズルは交換され
ることになる。プラズマトーチのノズルが破損し易い
と、ノズルの交換により熔接作業を頻繁に遮り、ノズル
の消費率を高くしてその運転費を上昇させる。

【０００７】手動熔接用に意図したプラズマトーチにお
いても、電極はセラミック支持片によってトーチ本体に
整列され、固定されるので、電極の位置の変更は電極の
先端の仕上げ中においてのみ可能である。電極の再成形
は、小さい許容誤差を必要とするため、その加工を機械
でしなければならないので、遅く且つ時間浪費作業であ
る。

【０００８】機械制御熔接に使用されるより大きなプラ
ズマトーチにおいては、電極の位置はエキセントリック
機構を用いて調節することができる。そのようなトーチ
はより大きな直径のノズルオリフィスを持ち、メインア
ークは電極とノズル間のギャップ内で回転する高周波ア
ークによって励起される。電極の中心付けは最初に高周
波アークを励起することによって達成され、そして対象
方法によりノズルオリフィスの周囲をアークが回転し始
めるまでエキセントリック機構の補助で電極を整列させ
るようにして電極の中心付けを達成する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、そのような機
構は手持トーチ用には大き過ぎると、高周波アークによ
って励起されるトーチにしか使用できないという欠点を
有する。又、このトーチは調節中ガスタイト（ガス洩れ
防止）ではないため、メインアークを励起した後その構
造による電極の位置の調節は不可能である。

【００１０】従って、その発明の目的はプラズマトーチ
の電極の先端位置を調節する調節装置を具備するアセン
ブリを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、固定可能なボ
ール継手によりプラズマトーチ電極をトーチ本体に取付
けることを基本とし、その先端を移動するため電極を継
手において旋回して後、該継手を締めることによってそ
の位置に固定することができるようにして上記の目的を
達成した。

【００１２】更に詳細には、この発明によるプラズマト
ーチは請求項１の特徴部に記載した事項を特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明は、以上説明したように、トーチ本体部
と、そのカバーと、トーチ本体部に取付けられプラズマ
アーク発生用のオリフィスを有するプラズマノズルと、
電極とを含むプラズアークトーチにおいて、電極を旋回
ボール継手を介してプラズマトーチの本体部に取付ける
ことにより電極の先端がオリフィス内で旋回しうるよう
にし、それによって電極の先端をオリフィスの中心に位
置付け整列させることができるようにした。

【００１４】更に、旋回継手の球面要素を調節用主ナッ
トで軸受部に取付けることにより、主ナットを回転して
電極１の先端の深さを調節することができるようにし
た。このように構成したことから電極の先端をオリフィ
スに対して迅速且つ正確に合わせることができることに
なり、高質な熔接が得られると共にノズルの消耗を最少
にし、生産効率を向上し、小オリフィスプラズマトーチ
を使用することがてきるようにした。

【００１５】

【実施例】次に、添付図面図１及び図２を参照して本発
明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明の動作原理
の模式図、図２は本発明の好ましい実施例の詳細な断面
図である。図１はこの発明による中央電極１のための取
付及び中心付アセンブリを示し、このアセンブリはボー
ル継手の助けをかりて実現する。中央電極１のホルダコ
レット１３はその中心軸に沿ってコレットが球面要素７
を通して通過できるようにするため、ボール継手の球面
要素７に取付けられる。その製造を簡単にするため、球
面要素７は原則的に球面であるその表面のみにおいて遠
投される。中央電極１はホルダコレット１３に挿入され
る。

【００１６】球面要素７は軸受箱２３内において、プラ
ズマトーチの上本体部９に旋回可能に取付けられる。軸
受箱２３の内表面は球面要素７の表面と一致するよう球
面形状とされる。球面要素７は調節主ナット１４によっ
て軸受箱２３内の位置に固定することができ、そのねじ
部１１の端部表面は球面要素７の一球面端部と合致する
よう仕上げられる。ねじ部１１はネジによってトーチヘ
ッドの上本体部９に嵌込まれる。

【００１７】球面要素７の上部は、中央電極の調節主ナ
ット１４がねじ止めされる円筒ねじ部を有する。調節主
ナット１４の上端部は絶縁材料から成るノブ１５によっ
てカバーされる。その上、図１はのオリフィスの中心軸
から偏心を誇張して描いたプラズマトーチノズル２を示
す。ノズル２はプラズマトーチヘッドの下本体部６に取
付けられ、電極１の先端はノズル２のオリフィスの中心
に整列される。電極１の中心軸Ｋｅとトーチヘッドの中
心軸Ｋｐとは角度αだけずれている。

【００１８】ノズル２のオリフィス内における電極１の
整列は以下のようにして行われる。そのねじ部１１に沿
って締止主ナットを回転し、球面要素７を適当に緩め、
球面要素７が軸受箱２３内で適当に緩められたとき、球
面要素７はノブ１５を回転することにより旋回調節可能
となる。そこで、ノブ１５及び電極１の先端を曲線矢印
で示す方向に移動する。

【００１９】電極の整列はノズル２のオリフィス内にお
ける電極１の先端を見ながら、又は、その代り、パイロ
ットアークを励起中、アークの直線性及び緊縮性を評価
しながら、希望する質のパイロットアークが得られるま
で電極１を移動するようにして行われる。電極１の正し
い位置が判明すると、球面要素７は直ちに締止主ナット
のねじ部１１を球面要素７に対し、固くねじ込むことに
よって軸受箱２３に固定することができる。

【００２０】その上、球面要素７の固着トルクを一定値
に維持することができ、それによって、溶接中球面要素
７を一定位置に固定すると共に、適当な力で球面要素７
を調節しうる固さに締めることができる。固着トルクは
同等に軸受箱２３をガス密封に封止することができる。
中央電極１の深さ調節はノブ１５を回転して行う。ノブ
１５を回転すると、それは球面要素７のねじ部に沿って
移動し、中央電極１のホルダコレット１３を矢印で示す
縦方向に移動する。電極１の深さ調節機構及び深さの調
節は後に詳述する。

【００２１】図２は本発明のプラズマトーチの実施例を
示す。図２において、冷却水の流れは長い中空矢印１７
によって示され、プラズマガスの流れは中実の黒い矢印
１８で示され、遮蔽ガスの流れは短い中空矢印１９によ
って示される。トーチ冷却の詳細な説明及びガス流の行
為及びプラズマトーチ内におけるかかる流れの経路は従
来技術として知られ、流れのパターンは本願発明の実施
には関係がないため、これ以上の説明は省略する。

【００２２】トーチ本体のカバー１０はエポキシ樹脂で
作られ、ハンドル２０の方まで延びてそれを形成し、必
要な電気、ガス、及び水の導管を収容する。カバー１０
は球面要素７のための軸受箱２３を収容するトーチヘッ
ドの水冷上本体部９を内包する。中央電極１に対する電
流は上本体部９を介して電極１に接続され、上本体部９
へは導体２２によって接続される。

【００２３】上本体部９は軸受箱２３を収容する一方の
側では分離絶縁片８のための裏当支持を与え、他方の端
部は水冷下本体部６に対して接触する。下本体部６への
電流は導体２１を介して流れ、その電流は下本体部６を
介して下本体部の端部に取付けられているプラズマノズ
ル２の方へ導かれる。上記各要素はノズル２と電極１と
の間に衝突するパイロットアークのための導通路を提供
する。この設計におけるプラズマノズル２のオリフィス
の直径は０．３５〜３．２ｍｍの範囲に選択することが
できる。

【００２４】トーチ本体の端部におけるプラズマノズル
２は、保持リング５によってプラズマトーチのカバー１
０に取付けられている遮蔽ガス用のセラミック熱シール
ド４で包囲される。セラミック熱シールド４と下本体部
６との間に存在するガス空間は遮蔽ガス流のガラスウー
ル薄板化スタビライザ３で満たされる。ホルダコレット
１３を有する電極１はプラズマトーチの中央に配置され
る。円筒要素７は締止主ナつトのねじ部１１で螺着する
ことにより固定される。絶縁ノブ１２は締止主ナットの
ねじ部１１の上端に取付けられ、ノブを回転することに
よりねじに沿って主ナットを回転可能にする。

【００２５】電極１のホルダコレット１３は球面要素７
を通して調節主ナット１４に延長する。ホルダコレット
１３の端部には調節主ナット１４の穴の縁部に隣接する
フランジが設けられる。調節主ナット１４の中心孔のね
じ１６は穴の縁部に対してホルダコレット１３を引張
る。調節主ナット１４の上端は最終的にノブ１５が取付
けられ、その回転及び引張り／押圧が電極１の深さ及び
位置を調節可能にする。

【００２６】電極１の深さ調節は下記のようにして行わ
れる。中央電極１はホルダコレット１３の方へ押圧され
る。ホルダコレット１３は形を通して冷間圧延により正
確な寸法に製造された導管から成る。中央電極１がホル
ダコレット１３内に配置されると、プラズマ２が取付け
られる。この段階において、すでにノズル２のオリフィ
スに対する電極の先端位置を見ることができる。電極１
はノズル２のオリフィスから突出されていると、例えば
ノズル２をテーブルに対して押圧することによって、そ
れをノズル内に引込ませることができる。その後、ノブ
１５を回転して電極１の深さ調節を行うことができる。

【００２７】ノブ１５は、更にそのねじによって球面要
素７を取付ける調節主ナット１４に固定される。ノブ１
５を回転すると、調節主ナット１４はそのねじに沿って
移動し、同時に電極１のホルダコレット１３を移動して
電極１を移動する。電極１の深さ調節は可視制御によ
り、又は代りにパイロットアーク及び主アークの行為を
監視することによって達成することができる。

【００２８】本発明は、上記のほか、代替実施例を有す
る。例えば、構造を簡単にするため、電極１の深さ調節
装置を省略することができる。その場合、電極１の深さ
の調節は電極１を十分な深さまでホルダコレットに押込
むことによって行わねばならず、それは不便かもしれ
い。プラズマトーチのガス漏れ防止はＯリングを使用し
て保証されるが、軸受箱２３の球面要素７の締付けは他
の封止部材を使用せずとも、それら要素は十分精密な許
容誤差で製造されるため、十分良好な状態である。

【００２９】調整主ナット１４、ノブ１５、ネジ１６、
及び分離絶縁片８の絶縁部１２は、例えば、合成重合体
のような電気絶縁材料で作られる。プラズマトーチの金
属部は良好な熱伝導性及び加工特性の理由から銅又は真
鍮で作ると有益である。しかし、プラズマトーチの材料
は本発明の作用に対して決定的ではない。プラズマトー
チの球面要素７は標準型ボールベアリングと交換するこ
とができ、それによって、上本体部９内の軸受箱２３の
構造を簡単にすことができる。球面要素７の形状は該要
素を旋回することができる適当なすり合わせ面を提供す
るよう変化させることができる。

【００３０】旋回支持は、又多軸を有するユニバーサル
ジョイントを使用して実現することができるが、その構
造は特別な場合においてのみ調節することができる極度
に複雑な設計を必要とする。他の種類の旋回構造が実行
可能であっても、それらも又、相当手の込んだ構造とな
る。本願発明の旋回支持の機能に対する最少の要求は少
くとも２度の自由度を持つことである。

【００３１】電極１の深さ調節は、例えば締止主ナット
のねじ部１１の絶縁部を通して延びるよう十分な長さを
有する電気絶縁材料から成るロッドを支持コレット１３
の端部に取付けることによって実現することができる。
この構造では、電極の深さは手動で押圧又は引張ること
によって調節し、例えば円錐形保持コレットを用いて絶
縁ロッドをその位置に固定することができる。この種の
構造はプラズマトーチからその上部を通して電極１を取
外すことができるよう設計することができ、それはノズ
ル２を取外すことなく、電極を交換することができるよ
うにする。

【００３２】本発明は、極度に小さなジェットサイズの
プラズマトーチの使用を可能にするため、本発明の本質
的利益はいわゆるマイクロプラズマトーチの使用におい
て達成することができる。しかし、プラズマトーチのサ
イズは本発明の範囲には関係なく、無意味であって、本
発明はプラズマカッティングトーチに対しても等しく適
用することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明による電極は、その構造により、
ノズルのオリフィスに容易に中心付けすることができ
る。まず最初、可視により電極をノズルオリフィスの方
向に見、継手を手動で回転してオリフィスの中心の電極
を移動することにより、近似の中心付けが行われる。こ
の動作はノズルの幾何学的中心に電極を整列させる。次
に、パイロットアークを励起してノズルの電気的中心に
精密な中心付けを行う。

【００３４】これを達成するため、パイロットアークが
トーチの先端から真直離れる方向に向けられるまで電極
を回転する。それによって、電極の先端は電気的中心と
正しく整列されて、アークは最良に動作する。ノズルの
中心点が溶接中に横方向移動をしたとき、メインアーク
は中心軸から逸らされて、熔接困難性が増加し、熔接の
質を悪化する。しかし、本発明により、その電極は溶接
中正しい位置に回転して戻すことができる。

【００３５】又、本発明による電極の新電気的中心に対
する迅速な調節装置はアーク特性の変化を回避して高質
の熔接を維持することができる。トーチは常に最良の状
態で動作するため、ノズルの摩耗を減少し、破壊の発生
を非常に少くした。その上、ノズルの消費率と同様、作
業の中断数を減少させて、より高い生産利益の向上に貢
献することができる。

【００３６】本発明の好ましい実施例はノズルの軸方向
に対する電極の調節を提供する。電極の深さの調節はメ
インアークの容易な励起を保証するパイロットアークの
最良な制御を提供する。上記の利益は小オリフィスプラ
ズマトーチについて特に重要である。トーチが固定中心
付機構を有する場合、トーチの構成成分は、ノズルオリ
フィスに対する電極の先端の正しい整列を保証するた
め、厳しい許容誤差に変えて製造しなければならない。

【００３７】正確な許容誤差にも拘らず、極くわずかな
ノズルオリフィスの中心点の偏位でも、オリフィスの直
径に対する電極の先端の位置において、高い相対的な誤
差を発生するため、ノズルの摩耗率が高くなる。本発明
による電極中心付機構は小さなオリフィスノズルにおい
てさえ、溶接中における整列の安定性と電極の先端の正
しい整列とを可能にする。かくして、極小オリフィスノ
ズルの使用が可能となる。小オリフィスノズルの使用に
より、極く低く制御された熱効果を与える狭い熔接標的
に対する熔接をも可能にする。そのようなトーチは小薄
片の熔接に使用することができ、達成しうる熔接の質を
改善する。

【００３８】加工物に対して伝導する熱が減少するた
め、熱で誘起されるストレスは減じられ、ガスシールド
効果は改善され、熔接傷はまれとなる。本発明による小
オリフィスプラズマトーチを使用して、電子ビーム熔接
をいわゆるマイクロプラズマ熔接と交換しそれを実行す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作原理を示す模式図

【図２】本発明の好ましい実施例の詳細な断面図

【符号の説明】

１：中央電極 ２：ノズル ４：熱シールド ６：下本体部 ７：球面要素 ９：上本体部 １０：カバー １１：ねじ部 １２：絶縁ノブ １３：ホルダコレット １４：調節主ナット １５：ノブ １６：ねじ ２０：ハンドル ２３：軸受箱

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カバー（１０）と、該カバーの内部に配置
   されたトーチ本体部（６，８，９）と、電極（１）と、
   前記本体部（６）のいずれかに取付けられプラズマアー
   ク発生のためのオリフィスを有するプラズマノズル
   （２）とを含むプラズ熔接用トーチであって、 前記電極（１）は少くとも２度の自由度を有する旋回継
   手（７）を介してプラズマトーチの本体部（９）のいず
   れかに適合されるようにしたことを特徴とするプラズマ
   アークトーチ。
2. 【請求項２】前記電極（１）はねじ接続により前記旋回
   継手（７，２３）に取付けられた調節主ナット（１１）
   及びホルダコレット（１３）によって前記旋回継手
   （７，２３）に取付けられることを特徴とする請求項１
   記載のプラズマアークトーチ。
3. 【請求項３】前記旋回継手（７，２３）はボール継手に
   類似する継手であることを特徴とする請求項１記載のプ
   ラズマアークトーチ。
4. 【請求項４】前記継手はその内面が少くとも一部仕上げ
   られた球面である軸受箱（２３）と、その外面が少くと
   も一部仕上げられた球面である球面要素（７）と、前記
   球面要素（７）の表面に順応する球状凹形面を含む保持
   要素（１１）とから成ることを特徴とする請求項１記載
   のプラズマアークトーチ。
5. 【請求項５】前記保持要素（１１）はねじ接続により前
   記軸受箱（２３）を収容する前記本体部（９）に取付け
   られることを特徴とする請求項４記載のプラズマアーク
   トーチ。