(57)【要約】【課題】  真空アーク溶解装置のアーク位置調整機構において、電極先端部つまり電極を早く上方に引き上げる動作をスムースに成すこと。【解決手段】  アーク位置調整機構の位置決めストッパ７とその下側に接する固定用ストッパとのあいだにコイルスプリング１８を介在させることにより、電極を下方向に移動させた際位置決めストッパを絶えず上方へ押し上げるスプリング反発力を発生させる。過溶融や試料と電極との接触を防止し、適正なアーク放電位置を保持することができる。【選択図】図１
2014215021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に気密に挿入された電極と前記真空容器内に載置された試料との間にアークを発生させて、前記試料を溶解する真空アーク溶解装置において、
細長い前記電極の前記真空容器の外側の部分に同心状に固定され、外周に外径ネジが形成された円筒部材と、
前記円筒部材の外径ネジに螺合する内径ネジが内周に形成され前記電極に回転自在に保持された円筒状の位置決めストッパと、
前記真空容器の前記電極の挿入部に形成された固定ストッパと前記位置決めストッパとの間に位置する発条体とを備え、
前記電極の上下微細移動を前記発条体の伸縮を介して成すことを特徴とした真空アーク溶解装置。
【請求項２】
真空容器内に気密に挿入された電極と前記真空容器内に載置された試料との間にアークを発生させて、前記試料を溶解する真空アーク溶解装置において、
細長い前記電極の前記真空容器の外側の部分に同心状に固定され、外周に外径ネジが形成された円筒部材と、
前記円筒部材の外径ネジに螺合する内径ネジが内周に形成され前記電極に回転自在に保持された円筒状の位置決めストッパと、
前記真空容器の前記電極の挿入部に気密に固定された球面軸と前記位置決めストッパとの間に位置するコイルスプリングとを備え、
前記電極の上下微細移動を前記コイルスプリングの伸縮を介して成すことを特徴とした真空アーク溶解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の真空アーク溶解装置であって、
球面軸と位置決めストッパとの間の当該コイルスプリングがバネ強度及び長さの異なる複数のコイルスプリングであって、
前記電極の上下微細移動の移動距離によって、コイルスプリングの反発力に段差を生じさせたことを特徴とした真空アーク溶解装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内でアークを発生させて金属、鉱物などの試料を溶解する真空アーク溶解装置に係り、特に電極と試料との間隔を容易に調整保持することのできる真空アーク溶解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空アーク溶解方法とは、金属（鋼材、鉱物、合金）等の試料をハース上に載置して真空容器内に収納し、この真空容器内に気密に電極を挿入し、試料と電極との間に直流電圧を印加してアーク放電を発生させ、試料をそのアーク熱を用いて溶解するものであり、真空アーク溶解装置として知られている。
【０００３】
真空アーク溶解処理においては、均一かつ一定の溶解速度を得ることが試料の溶解凝固後の品質に最も重要であり、そのためには入熱源である真空アークエネルギーが一定であるように制御する必要がある。特に、電極と試料溶融プール表面との間隔（アークギャップ）によって試料に投じられるアーク熱エネルギー量は大きく変化するため、このアークギャップの制御が最も重要であるといえる。
【０００４】
しかし、固形試料の溶解によって電極先端と試料溶融プール（メタルプール）液面とのアークギャップは絶えず変動する。またこのことが更に溶解速度を変化させてアークギャップの変動を来たすことになりその制御は極めてむずかしいものであった。このような問題を回避するために、試料と電極との間隔を容易に一定に保持することができ、試料の溶解を円滑に行うことのできる真空アーク溶解装置が開発されている。
【０００５】
その概要を従来技術として以下に示す。例えば、真空容器内に試料２を載置し、前記真空容器内に気密に挿入された電極４と前記試料との間にアークを発生させて、前記試料を溶解する真空アーク溶解装置において、細長い前記電極の前記真空容器の外側の部分に同心状に固定され、外周に外径ネジが形成された円筒部材８と、該円筒部材の外径ネジに螺合する内径ネジが内円周に形成され前記電極に回転自在に保持された円筒状の位置決めストッパ７と、前記真空容器の前記電極の挿入部に気密に固定され、前記位置決めストッパが当接する固定側ストッパ５とを備えることを特徴とした真空アーク溶解装置が開示されている。（特許文献１参照、図２における符号を参考記載）
【０００６】
上記構成の真空アーク溶解装置においては、電極に固定された円筒部材にネジ結合している位置決めストッパ７を回転することにより、位置決めストッパの電極に対する軸方向の位置を微調整することができる。従って位置決めストッパを真空容器側に固定された固定側ストッパ５に当接させることにより、真空容器内に載置された試料と電極先端部との間の間隔（アークギャップ）を微調整し、適正な間隔に保持することができる。
【０００７】
上記のような真空アーク溶解装置の電極の上下移動の微調整を行うための円筒部材８とそれに螺合した位置決めストッパ７そして固定側ストッパ（球面軸を兼ねる）５を用いた機構を以下においてアーク位置調整機構１７と称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平７−３１８２５７号公報
【特許文献２】実開平６−２２３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のように構成された従来の真空アーク溶解装置においては、アーク位置調整機構が微調整のための機能であるため、位置決めストッパを利用して行う回転動作に対して電極の上下移動量は小さく微小にならざるを得ない。前述のように電極と試料溶融プール表面との間隔（アークギャップ）によって試料に投じられるアーク熱エネルギー量は大きく変化するため、このアークギャップの素早い制御が最も重要であるといえる。
【００１０】
電極と試料間の距離の微調整を行い十分なアークエネルギーを供給した後は、固形試料の溶解状況によっては素早く電極を遠ざけてアークエネルギーを抑制すべき必要がある事態も多々発生する。このような場合、上述のアーク位置調整機構においては位置決めストッパを利用した手作業把持による逆回転に遅れが生じて、電極先端部を試料から遠ざける動作に遅れを生じてしまう。場合によっては試料と電極先端部との接触が発生したり、溶解中に放電が止まってしまうこともあった。これらにより試料へのアーク熱エネルギー供給量の過剰現象やバランスがくずれ、好ましい品質の生成物を得ることがむずかしかった。畢竟、電極先端部つまり電極を上下方向に素早く移動させる微小な動作をいかにスムースに成し得るかが課題となる。
【００１１】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、真空容器内の試料と電極先端部との間隔を微調整でき、かつ電極先端部を素早く上下移動させることができるアーク位置調整機構を提供することにより、試料の溶解レベルの品質を円滑に保つことが可能な真空アーク溶解装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、真空容器内に試料を載置し、前記真空容器内に気密に挿入された電極と前記試料との間にアークを発生させて、前記試料を溶解する真空アーク溶解装置において、上記アーク位置調整機構の位置決めストッパとその下側に接する固定用ストッパとのあいだにコイルスプリングを設置させたことを特徴とする真空アーク溶解装置である。
【００１３】
コイルスプリングはその伸縮によって電極及び円筒部材に螺合結合された位置決めストッパと球面軸との間の間隔を伸縮させるため、その伸縮寸法は同時に電極先端部と試料との間隔を伸縮させることになる。コイルスプリングの数には制限はない。またコイルスプリングは同様の機能を有する発条体であってもよい。コイルスプリングのバネ係数には限定はないが、バネとして支える上部の位置決めストッパ、円筒部材、電極、締め付けハンドル等部材の総重量に対して初期圧縮変形のみで対応し得る程度のバネ強度を有するコイルスプリングであるのが好ましい。またバネ係数及び長さ、スプリング外径等が異なる複数のコイルスプリングを重複設定することによって、圧縮された寸法に応じてバネ反発力の強度設定を変更することもできる。
【００１４】
位置決めストッパの底面にコイルスプリングを接触介在させることにより、位置決めストッパと共に電極を下方向に移動させた際、位置決めストッパを絶えず上方へ押し上げるコイルスプリングのばね反発力が発生する。同時にコイルスプリングは位置決めストッパの固定側ストッパとしての役割をも果たすため、位置決めストッパはコイルスプリングによって一定位置に固定される。位置決めストッパのその後の螺合ネジ回転は電極のみを下方向に移動させることができる。
【００１５】
電極先端部と試料との間隔が上記のような位置決めストッパの回転による微調整によって設定された後アーク放電が開始されるが、この際、電極先端部と試料との間隔調整で素早い上下微小移動の調節が必要になる。この素早い微小移動調節をコイルスプリングの反発力を介して締め付けハンドルにより直接行うことができる。電極を下方に素早く移動させる場合はコイルスプリングの反発力に抗して微小距離だけ押し下げる。逆に、電極を上方に素早く移動させる場合はコイルスプリングの反発力を利用して素早く引き上げることができる。
【００１６】
本発明は、真空アーク溶解装置において電極と試料との間隔を微調整するためのアーク位置調整機構である位置決めストッパと固定用ストッパとの間にスプリングコイルを介在させて、位置決めストッパの回転操作を伴わずに上下方向への微小移動を円滑にさせることにより、アークエネルギー調整の際、電極と試料との間隔をスムースに素早く変更できることを可能にしたことを特徴とするアーク位置調整機構を付加した真空アーク溶解装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１７】
電極と試料間の距離の微調整を行い十分なアークエネルギーを供給した後、素早く電極を遠ざけてアークエネルギーを抑制する必要がある場合、本発明によればアーク位置調整機構における位置決めストッパの手作業把持による逆回転を必要としないため、電極先端を試料から遠ざける動作に遅れを生じる弊害を最小限に抑えることができる。このことにより試料へのアーク熱供給が必要以上に進んでしまう過溶融や試料と電極との接触不具合を防止し、適正なアーク放電位置を保持することができるようになるため、真空アーク溶解による好ましい品質の溶解生成物を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る真空アーク溶解装置における断面概略構造を示す図である。
【図２】真空アーク溶解装置の従来の構造における断面概略構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る真空アーク溶解装置のアーク位置調整機構のみの断面概略構造を示す図であり、コイルスプリングを２個設置した場合の態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図２は、従来の真空アーク溶解装置とそのアーク位置調整機構を示す断面概略構造を示す図である。最初に従来のアーク位置調整機構を図２を用いて説明する。球型の真空容器１３の内部底面にはハース１２が設定されておりその上面に金属等の試料２が載置されている。電極先端部３と試料２に印加された電位との両者間の距離に応じてアーク放電が発生し試料２がアーク溶解されてハース１２に試料溶融プール２１が発生する。
【００２０】
電極４は球型真空容器１３の上部を貫通して外部の荷電配線と連結されている。球型真空容器１３と電極４との貫通部分は球面軸５と球面軸受け６によって密閉固定されており、電極４は上下方向移動の自由度と球面軸５による前後左右回転方向への若干の自由度とを有する構造となっている。
【００２１】
球面軸５はその上部下部において円筒状に電極を覆っておりＯ-リング１４によって密閉度を保ちつつ電極４の上下方向への移動自由度を与えている。この球面軸５は上部に円筒状に突出した部分を有し、これによって上方の位置決めストッパ７を受けて固定する固定ストッパとしての機能をも兼ね備えている。位置決めストッパ７は円筒状を有し内径側に外径ネジを有し、円筒部材８の外径側の内径ネジと螺合している。円筒部材８は、電極４に対して円筒状に密着されておりネジ１５によって電極４に固定接続されているため円筒部材８の上下方向移動とともに電極４も一体として上下移動することができる。
【００２２】
まず、電極４に固定接続された円筒部材８および円筒部材８の外径に螺合された位置決めストッパ７は、回転させずに電極４とともに下方移動することにより固定ストッパとしての役割を兼ねる球面軸５の上部突出部に接することで下方への移動が止まる。その後は、位置決めストッパ７を回転することによりその内径で螺合された円筒部材８及び電極４が一体として下方に微小移動することができる。
【００２３】
位置決めストッパ７の回転による電極の上下方向の移動は、螺合したネジの回転による上下移動となるためネジ径密度にもよるが移動量を微調節できる微細移動が可能となる。つまり電極先端部３の上下移動を微細調節できることにより試料２との距離を微細に調節しアーク熱量を調節できることになる。上記のように電極４の上下移動を微調節するための機構がアーク位置調整機構１７である。
【００２４】
電極４に設定されたアーク調節機構の上部は位置決めストッパ７と連結した締め付けハンドル台９及び締め付けハンドル１０があり、絶縁部材でできた締め付けハンドル１０を把持回転させることで位置決めストッパ７を回転させることができる。締め付けハンドル１０を把持回転させることにより電極４が微小上下移動できることになる。また同様に締め付けハンドルを操作することによって球面軸５を使って電極４の若干の前後左右への回転の動きも可能になる。電極４の最上部は塩ビ絶縁カバー１１で覆われており外部荷電設備に連結されている。
【００２５】
上記のように、電極４の上下移動はアーク位置調節機構１７の位置決めストッパ７の回転を促す締め付けハンドル１０の回転によって微調整できる微細な動きであるため、試料２と電極先端部３との間に発生するアーク熱量が過剰の際は素早く電極先端部３を試料２から遠ざけたいにもかかわらず、締め付けハンドル１０を急きょ逆回転させなければならず手作業把持回転にのみ頼っている従来の上記アーク位置調節機構１７だけでは作業性が悪かった。
【００２６】
アーク熱量を瞬時に制御するために電極先端部３と試料２との間の距離を近付け又は遠ざける素早い動きをするには位置決めストッパ７の手作業による把持回転では限界があり、このことによる制御の遅れが試料２の溶解品質維持においても好機を逸するような状況が生じていた。
【００２７】
これに対して、アーク熱量を制御するためにより適時に素早く電極４を上下方向に移動させるためのアーク位置調整機構１７を備えたことが本発明の特徴である。本発明に係る真空アーク溶解装置の一実施形態における断面概略構造を示す図１について説明する。図１において示す符号は、従来例の図２に対応する部分については同一の符号を付してあり、その説明は適宜省略する。
【００２８】
図１において、従来例の図２と同様に球型真空容器１３の上壁には電極４が軸方向に自在移動可能にかつ球面軸５を介して傾動可能に気密に取り付けられている。また電極４の球面軸５から上方に突出した円筒状部分には、本発明の特徴であるアーク位置調整機構１７が設けられている。
【００２９】
本発明に係るアーク位置調整機構１７は、位置決めストッパ７と球面軸５の上部円筒状突出部との間にコイルスプリング１８を介在させることに特徴がある。コイルスプリング１８の強度やバネ係数、材質について特に制限はない。また、コイルスプリングに限らず他の形状の発条体であってもよい。コイルスプリング１８のバネ反発力は、その上部にある位置決めストッパ７及び円筒部材８、電極４、締め付けハンドル１０を回転させず同時に上方へ押し上げ移動させ得る力に対応する。
【００３０】
コイルスプリング１８はその下端において球面軸５の上部突出部と接し固定されており、その上端においては位置決めストッパ７の下面と接し固定されて保持される。コイルスプリング１８は電極４を円筒状に覆った絶縁カラー２２の外周に設定されている。コイルスプリング１８の外周は円筒形のスプリングカバー（下部）１９及びスプリングカバー（上部）２０によって囲われて保持されている。
【００３１】
スプリングカバー（下部）１９の円周外径はスプリングカバー（上部）２０の円周内径より小さく、コイルスプリングに軽く接するように構成されており、コイルスプリング１８が押し縮められた際、両スプリングカバーは重なりあって高さ寸法をコイルスプリング１８の収縮に応じて減じる構造となっている。
【００３２】
本発明の真空アーク溶解装置１のアーク位置調整機構１７の機能について説明する。まず、電極４に固定接続された円筒部材８および円筒部材８の外形に螺合接合された位置決めストッパ７は、回転させずに電極４とともに下方向に移動する。位置決めストッパ７の下面がコイルスプリング１８の上部に接することで下方への移動が止まる。その後は、締め付けハンドル１０を回転することにより位置決めストッパ７の内径で螺合された円筒部材８と電極４とが一体として下方に微小移動することができる。同時に電極先端部３では試料２との間のアーク放電によるアーク溶解が実行される。
【００３３】
アーク溶解が実施可能に設定された状態において、アーク放電を開始させるに当っては次のような技術的特徴がある。予め設定されたアーク放電に十分な一定電位を与えられた電極先端部３と試料２との間の距離ではまだアーク放電は発生しない。アーク放電発生のトリガーとなるのは、更に電極先端部３と試料２との距離を瞬時微小接近させることにある。このことにより生じた電極先端部３と試料２との間の一瞬の低下した絶縁雰囲気をトリガーとして得ることによってアーク放電が発生する。
【００３４】
ひとたびアーク放電が開始された後は、過剰なアーク熱量の試料への投入を避けるため電極先端部３を再度素早く上方に微小移動させ、試料２との間隔を予め設定された位置に戻しそして保つ必要がある。
【００３５】
上記アーク放電を発生させるためのトリガーとしての行為は瞬時の機敏な操作が必要であり、この電極の操作を可能にさせるための構造が本発明の真空アーク溶解装置１のアーク位置調整機構１７の特徴的部分である。位置決めストッパ７の下部と球面軸５の上部との間にコイルスプリング１８を介在させることにより、上記アーク放電を発生させるためのトリガー行為を締め付けハンドル１０の回転及び逆回転という煩雑な動作を行わずに締め付けハンドル１０への熟練した押し付け操作で一瞬に行うことが可能となる。
【００３６】
つまり、アーク位置調整機構１７の位置決めストッパ７を利用した締め付けハンドル１０を回転させて電極４の電極先端部３と試料２との間の距離を微調整し、一定のアーク放電に必要な電位を投入した後、電極４をコイルスプリング１８のバネ反発力に抗して一瞬微小距離押し下げてアーク放電を発生させる。そして直後、バネ反発力を利用して瞬時に設定された位置まで電極４及び電極先端部３を押し上げて、その後は必要な一定アーク放電によるアーク熱量を試料２に均一に投入することができる。
【００３７】
以上、アーク放電開始時にアーク放電を発生させるためのトリガー行為について本発明に係るアーク位置調整機構１７について記載したが、真空アーク溶解装置の一般的な使用時においても上記と同様に電極先端部３を瞬時に微小距離だけ試料２に近付けて、再度瞬時に戻す操作の必要性は逐次発生する。このような場合も本発明に係るアーク位置調整機構１７は同様に大きな能力を発揮することになる。
【００３８】
本発明に係るアーク位置調整機構に用いるコイルスプリング１８は、コイルスプリングに限らず他の形状の発条体であってもよい。板状バネなどの発条体であってもよいし、位置決めストッパ７の下部に介在し上記機能を有する構造である発条体であればよい。またそのバネ係数、材質、数に制約をするものではないが、電極及び発条体の上部に位置する部材の重量によって、また電極先端部から試料までの微細移動距離の必要量によって設定されていればよい。
【００３９】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。図３は、本発明にかかる真空アーク溶解装置１のアーク位置調整機構１７の別の実施形態におけるコイルスプリング１８の設置部の断面概略構造を示す図である。コイルスプリング１８の内側にコイルスプリング小２３を追加設置した実施例である。
【００４０】
例えばコイルスプリング小２３は、コイルスプリング１８に比較してスプリング長さが短い場合、コイルスプリング１８が位置決めストッパ７の下方向への移動に伴い圧縮されて縮み、コイルスプリング小２３に接した後は、両コイルスプリングが圧縮されて同時に縮むことになる。この時点からはバネ反発力が大きくなり、電極４を押し下げ電極先端部３を試料２に近接させる微調整をする際もより慎重な動きをすることが可能になる。
【００４１】
同様に最初の実施形態において記載したように電極先端部３を試料２から遠ざける場合は、より大きなバネ反発力を利用して素早く遠ざけることができるようになる。
【００４２】
二つのコイルスプリングのバネ係数や長さ比、大きさ比は任意設定でよく、要求される仕様にあわせればよい。このコイルスプリングに要求される仕様とは、電極先端部３と試料２との間の距離及び必要なアーク熱容量から要求される距離とそれに合わせて電極４の微妙な上下移動を調節し易い距離から生ずる仕様であり、それらを満たすためのコイルスプリング仕様を選択すればよい。同様にバネ係数は、電極及びコイルスプリングの上部に位置する部材の重量や球面軸と電極との摩擦係数などによって定まる仕様でありそれを満たすためのコイルスプリング仕様を選択すればよい。
【００４３】
コイルスプリングの数も３以上であってもよいし、コイルスプリング以外の板バネ等の発条体であってもよいことは既に記載したとおりである。
【００４４】
以上、本発明の真空アース溶解装置によれば、電極と試料間との距離の微調整を行い十分なアークエネルギーを供給した後、固形試料の溶解状況によって素早く電極を遠ざけてアークエネルギーを抑制する必要がある場合、電極先端を試料に瞬時近付け及び瞬時遠ざける動作に遅れを生じる弊害を最小に抑えることができる。このことにより試料へのアーク熱供給が必要以上に進んでしまう過溶融や試料２と電極４との接触を防止し、適正なアーク放電位置を保持することができるため、真空アーク溶融による好ましい品質の溶融試料を得ることができるようになる。
【００４５】
ここで、上記の実施の形態は一実施例にすぎず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形あるいは改良が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る真空アーク溶解装置によれば、電極と試料間との距離を微調整でき、かつ瞬時微細変更することができることにより適正なアーク放電位置及びアーク熱量供給を保持することができるため、金属・鋼材・鉱物等の品質のよいアーク溶解物を得ることができる。本発明に係る真空アーク溶解装置の技術的かつ経済的意義は大きく、産業上の利用価値は極めて大きい。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・真空アーク溶解装置
２・・・試料（金属、鋼材、鉱物等）
３・・・電極先端部
４・・・電極
５・・・球面軸（固定側ストッパを兼ねる）
６・・・球面軸受け
７・・・位置決めストッパ
８・・・円筒部材
９・・・締め付けハンドル台
１０・・締め付けハンドル
１１・・塩ビ絶縁カバー
１２・・ハース
１３・・球型真空容器
１４・・Ｏ−リング
１５・・ネジ
１６・・螺合部
１７・・アーク位置調整機構
１８・・コイルスプリング
１９・・スプリングカバー（下部）
２０・・スプリングカバー（上部）
２１・・試料溶融プール
２２・・絶縁カラー
２３・・コイルスプリング小
【図１】
2014215021.tif 000003
【図２】
2014215021.tif 000004
【図３】
2014215021.tif 000005