(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチに使用するための放出要素にコーティングする方法であって、
外表面を有する前記放出要素の該外表面の少なくとも一部が反応性になるように前記放出要素を加熱する加熱ステップと、
加熱され反応性となった前記放出要素の前記外表面に相対的に非放出の材料を付加する付加ステップと、
前記相対的に非放出の材料を前記放出要素の前記外表面に接して溶融させておく溶融ステップと、
前記相対的に非放出の材料及び前記放出要素の前記外表面が互いにしっかりと接合するように、前記放出要素及び該放出要素にコーティングされた前記相対的に非放出の材料を冷却させるステップと、
を含む放出要素にコーティングする方法。
【請求項２】
前記加熱ステップは、前記放出要素を少なくとも７６０℃（１４００°Ｆ）まで加熱することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記加熱ステップは、前記放出要素の外表面の実質的に全てが反応性となるように、前記放出要素を加熱することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記付加ステップは、前記放出要素の実質的に全ての外表面上に、銀，金，プラチナ，ロジウム，イリジウム，パラジウム，ニッケル，アルミニウム及びそれらの合金からなるグループから選択した材料を噴射することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記付加ステップは、前記材料を粉末形態で噴射することを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記付加ステップは、前記放出要素の外表面に約０．０４９〜０．２４５ｍｍ（０．００２〜０．０１０ｉｎ）の厚みを有する前記相対的に非放出の材料を付加することを含む請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記溶融ステップは、前記付加ステップと実質的に同時に起こる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
プラズマアークトーチに使用するための電極を形成する方法であって、
外表面を有する放出要素を、該放出要素の外表面の少なくとも一部が反応性になるように、加熱する加熱ステップと、
加熱され反応性となった前記放出要素の外表面に相対的に非放出の材料を付加する付加ステップと、
前記相対的に非放出の材料を前記放出要素の外表面に接して溶融させると共に、前記外表面にしっかりと接合させておくステップと、
相対的に非放出のセパレータにより画成されたキャビティが前記放出要素により実質的に塞がれるように、前記キャビティ中に前記放出要素を位置決めするステップと、
前記放出要素を前記相対的に非放出のセパレータに接合するステップと、
を含む電極を形成する方法。
【請求項９】
前記加熱ステップは、前記放出要素を少なくとも７６０℃（１４００°Ｆ）まで加熱することを含む請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記付加ステップは、前記放出要素の実質的に全ての外表面上に、銀，金，プラチナ，ロジウム，イリジウム，パラジウム，ニッケル，アルミニウム及びそれらの合金からなるグループから選択した材料を噴射することを含む請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマアークトーチに関し、特に、プラズマアークトーチにおいて電気アークを持続させるための電極に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマアークトーチは、切断，溶接，表面処理，溶融及び焼鈍しを含む金属の諸加工のために普通に使用されている。このようなトーチは、電気アークを持続させる電極を含んでおり、該電気アークは、移行式アーク動作モードで電極から母材に広がる。この電気アークをガスの渦流で囲むことも通常のことであり、また、あるトーチ構造においては、上述のガス及び電気アークを渦巻き状の水ジェットで囲むことも通例となっている。
【０００３】
上述した形式の従来のトーチで使用される電極は、銅又は銅合金のような高熱伝導率の材料から構成される金属製の細長い管状部材を含むのが一般的である。この管状部材の前端もしくは放電端は、電気アークを持続させる電子放出（ｅｍｉｓｓｉｖｅ）インサートが埋め込まれた底端壁部を含んでいる。この放出インサートは、当該技術において電位ステップ（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｓｔｅｐ）と定義される電子ボルト（ｅｖ）で測定される比較的に低い仕事関数を有する材料で構成されており、この電位ステップが所定温度で金属の表面からの熱電子放出を可能にしている。したがって、放出インサートは、その低い仕事関数のために、電位が印加されるときに容易に電子を放出することができる。通常使用される電子放出材料には、ハフニウム，ジルコニウム，タングステン及びそれらの合金が含まれる。
【０００４】
上述した形式のプラズマアークトーチに関連した問題は、特に当該トーチが酸素又は空気のような酸化ガスと共に使用されるときに、電極の使用寿命が短いことである。具体的には、放出インサートはトーチの使用中に腐蝕するので、放出インサートと金属ホルダとの間にキャビティもしくは穴が形成される。このキャビティが十分に大きくなると、アークは、放出インサートからホルダへ「ジャンプし」或いは伝達され、典型的には電極を破壊してしまう。アークが金属製のホルダへジャンプするのを防止するか、或いは少なくとも邪魔するために、ある電極は放出インサートと金属製のホルダとの間に配置された比較的に非電子放出性のセパレータを含んでいる。セパレータは、本発明の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み入れられる米国特許第５，０９７，１１１号明細書に開示されている。
【０００５】
放出インサートをセパレータに固定するための幾つかの方法が開発されてきた。この米国特許第５，０９７，１１１号明細書に開示された方法の１つでは放出インサートをセパレータ中に圧入もしくは圧力嵌めしている。また、米国特許第５，０９７，１１１号明細書に開示された別の方法は、ろう付け材料によりセパレータ及び金属ホルダを冶金的に結合している。一例においては、ろう付け材料はディスクの形態であり、これがセパレータ及び金属ホルダ間で溶融されることになる。
【０００６】
また、米国特許第３，１９８，９３２号明細書は、ジルコニウムインサートを銀製ホルダ内にろう付けするろう付け方法を開示している。特に、この米国特許第３，１９８，９３２号明細書が開示する方法によると、インサートを溶融銀中に最初に浸漬して、該インサートに銀のコーティングを付けている。銀は、銀製ホルダにより画成されたキャビティもしくは凹所の中でも溶融されており、コーティングされたインサートが該凹所に挿入されるので、溶融銀はインサートの周りに流れる。しかし、この米国特許に記載されたろう付け技術は、コーティング及び／又はホルダを製造するために相当な量の銀を必要とするので、電極のコストがかなり上昇する。従って、電極製造のコストを全体的に更に改善する必要性がある。
【０００７】
米国特許第５，８５７，８８８号明細書では、物理蒸着法により金属を付着させて放出インサート上にコーティングを形成すると共に、このコーティングされたインサートをホルダにより画成された凹所中に固定することを含む電極の製造方法を提供しており、これにより、米国特許第３，１９８，９３２号及び第５，０９７，１１１号に対する改善が試みられている。コーティングは１〜１０μｍの厚みを有しており、閉環境内に気相粒子を発生させ該粒子が放出インサートの表面に向かって移動することにより形成される。次いで、コーティングされた放出インサートは、セパレータなしにホルダに嵌め込まれるので、電極の製造コストは、上述の米国特許第３，１９８，９３２号及び第５，０９７，１１１号に関連した電極の製造コストよりも相対的に安価である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、米国特許第５，８５７，８８８号により提言された蒸着法は、放出インサートもしくは要素から金属ホルダへのアークの「ジャンプ」或いは伝達の問題を適切に取り扱っていない。特に、極端に薄い蒸着コーティングでは、アークが金属ホルダにジャンプし典型的には電極を破壊してしまうことを適切に防止するバリヤーとはならない。
【０００９】
蒸着法による別の問題は、放出インサート及び蒸着コーティング間の結合が特に強くはないということである。例えば、放出インサートを形成するのに使用されたハフニウムのようなある種の材料は、他の材料と容易に結合しない。そのため、放出インサートとセパレータ又は金属ホルダとの間に弱い接合部をもつ電極は寿命が短いので、プラズマアークトーチの総合的な作動コストが上昇することになる。したがって、電極が長寿命を有するように、放出インサートにしっかりと接合されると共に、電極の隣接する諸要素に接合するための十分な表面を提供するコーティングを放出インサートの周りに形成する必要性がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の電極及び電極製造方法、特に、米国特許第５，８５７，８８８号及び第３，１９８，９３２号明細書に開示された電極及び電極製造方法を改良するために開発されたものである。上述した電極についての課題、即ち、電極の隣接構成要素にもっとしっかりと接合される放出要素を提供するという課題は、放出要素の外表面が反応性になるような高温度まで放出要素を加熱し、その後、放出要素の外表面に相対的に非放出の材料を付加することにより、打ち勝てることが分かった。例えば、放出要素にハフニウムを使用する場合、この放出要素は、約２２０４℃（４０００°Ｆ）まで加熱することができ、銀のような相対的に非放出の材料は、非常に強固にそこに接合されることになる。
【００１１】
一実施例において、相対的に非放出の材料は、放出要素の外表面上に噴射される。そして、放出要素は比較的に高温であるから、この相対的に非放出の材料は、放出要素の外表面に実質的に接触すると同時に溶融される。このようにして相対的に非放出の材料は、通常の方法と比較して、放出要素の外表面との強固な接合部を好適に形成することになる。
【００１２】
一実施例において、相対的に非放出の材料が付加された放出要素は、相対的に非放出のセパレータにより画成されたキャビティ内に位置決めされる。好適な実施例において、相対的に非放出の材料はセパレータを形成する材料と実質的に同様であるから、放出要素及びセパレータを相対的に非放出の材料の融点まで加熱するようなことで、放出要素上への相対的に非放出の材料のコーティングとセパレータとを容易に互いに接合することができる。
【００１３】
したがって、本発明の方法は、放出要素とセパレータとの間の接合部を強化することにより、従来の技術に対する重要な改善をもたらす。蒸着を使用して放出要素をコーティングする先行技術の方法は、放出要素とセパレータとの間に薄い金属のコーティングを用いようとしている。しかし、この蒸着法は、複雑であり、不経済であり、大量生産には不向きである。ところが、本発明は、放出要素が高温でありかつ同放出要素の表面が反応性である間に、相対的に非放出の材料を付加することによって、放出要素と相対的に非放出の材料との間に強固な接合をもたらす。この状態において、放出要素及び相対的に非放出の材料は両者間に強固な接合部を形成することのなる。加えて、コーティングされた放出要素は、通常の方法と比較して、電極のセパレータと強固な接合部を形成することができる。この点に関し、本発明の方法は、通常の製造設備及び技術を用いながら本発明の電極に対して強度及び寿命を与える接合部をもたらしている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
一般的な用語で本発明を説明してきたが、次に、必ずしも一律の縮尺で描かれていない添付図面を参照して本発明を説明する。
【００１５】
本発明の好適な実施例が示されている添付図面を参照して、本発明を以下に更に十分に説明する。しかし、本発明は、もっと別の形態で実施可能であり、ここに記載された実施例に限定されるものと解釈すべきではなく、むしろ、これらの実施例は、この開示を徹底し且つ完全にするように提案されていて、本発明の範囲を当業者に十分に知らせるものである。同様の数字は全体を通して同一要素を示している。
【００１６】
図１〜図３を参照すると、本発明の特徴を実現するプラズマアークトーチ１０が記載されている。このプラズマアークトーチ１０は、ノズルアセンブリ（ノズル組立体）１２と管状電極１４とを含んでいる。電極１４は、銅か銅合金から製作するのが好ましく、上側の管状部材１５と下側のコップ状部材即ちホルダ１６とから構成されている。上側の管状部材１５は、細長い開放した管状構造のものであり、プラズマアークトーチ１０の長手方向軸線を画成している。上側の管状部材１５は、内部にねじが切られた下端部分１７を含んでいる。また、ホルダ１６も管状構造のものであって、下側の前端と上側の後端とを含んでいる。横方向の端壁１８がホルダ１６の前端を閉じており、この横方向の端壁１８により外側前面２０が画成されている。ホルダ１６の後端は、外部にねじが切られており、上側の管状部材１５の下端部分１７に螺合されている。
【００１７】
ホルダ１６は、その後端１９が開放されているので、コップ形状の構造となっており、その内部にキャビティ２２を画成している。内部のキャビティ２２は、長手方向軸線に沿って延びて同キャビティ内に入る円筒形柱状部２３を含む表面３１を有している。端壁１８の前面２０にはほぼ円筒形のキャビティ２４が形成されており、該キャビティ２４は、長手方向軸線に沿って後方に延び、ホルダ１６の部分に入っている。このキャビティ２４は内側側面２７を有している。
【００１８】
相対的に非電子放出性のセパレータ３２は、キャビティ２４内に位置決めされると共に、長手方向軸線に沿って同軸状に配置されている。このセパレータ３２は、キャビティ２４の実質的に全長にわたり延びる外周壁３３を有している。外周壁３３は、セパレータの全長にわたり実質的に一定の外径を有するように図示されているが、切頭円錐形のようなその他の外形構造も本発明の範囲に矛盾しないことが分かる。また、セパレータ３２は、表面３７を有する内部キャビティ３５も画成している。しかも、このセパレータ３２は、ホルダ１６の前面２０とほぼ面一の外端面３６を含んでいる。
【００１９】
電子放出要素、即ちインサート２８は、セパレータ３２内に位置付けられており、長手方向軸線に沿って同軸状に配置されている。具体的には、放出要素２８及びセパレータ３２は、後から十分に説明するように、放出要素が、セパレータ及び放出要素の加熱により行われる有利な形態の接合と組み合わされて、締り嵌め或いは圧力嵌めによりセパレータに固定されたアセンブリを形成している。放出要素２８は、電位が印加されたときに容易に電子を放出することができる金属材料から構成されている。かかる材料の適当な例は、ハフニウム，ジルコニウム，タングステン及びそれらの混合物である。
【００２０】
この放出要素２８は、ホルダ１６の前面２０及びセパレータ３２の外端面３６により規定された平面にある円形の外端面２９を有している。また、放出要素２８は、セパレータ３２により画成されたキャビティ３５内に配置されると共に、外端面２９の反対側にあるほぼ円形の内端面３０も含んでいる。しかし、この内端面３０は、セパレータ３２への放出要素の固定を支援するために、尖頭形，多角形，又は球形のようなその他の形状を有することができる。また、放出要素２８の直径は、セパレータ３２の外端面３６の外径の約３０〜８０％であり、このセパレータ３２は、外端面３６のところで、かつその全長に沿って、少なくとも約０．２５ｍｍ（０．０１ｉｎ）の半径方向厚さを有している。特別な例としては、放出要素２８が約２．０３ｍｍ（０．０８ｉｎ）の直径及び約６．３５ｍｍ（０．２５ｉｎ）の長さを有し、セパレータ３２が約６．３５ｍｍ（０．２５ｉｎ）の外径を有するのが典型的である。
【００２１】
放出要素２８は、放出要素とセパレータ３２により画成されたキャビティもしくは凹所３５との間に介在するように、相対的に非放出の材料３４の層もしくはコーティングを有することが好ましい。一実施例において、この材料３４は、少なくとも約０．０４９ｍｍ（０．００２ｉｎ）の厚みを有し、好ましくは約０．０４９〜０．２４５ｍｍ（０．００２〜０．０１０ｉｎ）の厚みを有している。この材料３４は、電位が印加されたときに電子を容易に放出しない材料から選択されている。かかる材料の例としては、銀，金，プラチナ，ロジウム，イリジウム，パラジウム，ニッケル，アルミニウム及びそれらの合金である。好適な実施例において、この材料３４はスターリング銀から形成されている。後から詳細に説明するように、材料３４は、セパレータ３２に加えて放出要素２８にしっかりと接合される。材料３４は、圧力嵌め及びろう付けのような従来の方法と比較して、放出要素２８及びセパレータ３２間により強い接合部をもたらすことが好ましい。
【００２２】
セパレータ３２は、ホルダ１６及び放出要素２８と比較して、アークを持続させることがそれほど容易ではない金属材料から構成されている。一実施例において、セパレータ３２は銀から構成されているが、金，プラチナ，ロジウム，イリジウム，パラジウム，ニッケル，アルミニウム及びそれらの合金のようなその他の金属材料を使用してもよい。セパレータ３２として選択した材料は、高熱伝導率，高耐酸化性，高溶融点，高仕事関数及び低コストでなければならない。一材料でこれらの特性の全てを最大化することは困難であるが、銀がその高熱伝導率のため好ましい。セパレータ３２を形成する材料及び相対的に非放出の材料３４は実質的に同様である。
【００２３】
例えば、本発明の特定の一実施例において、材料３４及びセパレータ３２は、銅，アルミニウム，鉄，鉛，亜鉛，及び例えばスターリング銀のようなそれらの合金からなるグループから選択された約０．２５〜１０％の付加材料を銀に混合して合金とした銀合金材料から構成されている。付加材料は、元素形態又は酸化物形態でよく、従って、この明細書において使用されている用語「銅」は、元素形態はもちろんのこと酸化物形態についても言及するものであり、用語「アルミニウム」等も同様である。再び図１を参照すると、電極１４は、ガス通路４０及び液体通路４２を含むプラズマトーチ本体３８内にそれぞれ設けられている。このプラズマトーチ本体３８は外側にある絶縁ハウジング部材４４により囲まれている。水のような液冷却媒体を電極１４に通し循環させるため、電極１４の中央孔部４８内に管４６が懸架されている。この管４６は孔部４８の直径よりも小さな外径を有しているので、管４６と孔部４８との間にはスペース４９が存在しており、水は、管４６の開放した下端から排出される際にそのスペース内を流れることが可能である。水源（図示せず）からの水は、管４６を通り、内部キャビティ２２及びホルダ１６の内側を流れ、スペース４９を通って戻り、トーチ本体３８にある開口５２に行き、排水ホース（図示せず）に向かって流れる。液体通路４２は、噴射水をノズルアセンブリ１２内に案内し、そこで噴射水は以下に更に説明するようにプラズマアークを囲むための渦流に変わる。ガス通路４０は、適当なガス源（図示せず）からのガスを案内し、適当な耐高温材料のガスバッフル５４を経て、複数の入口穴５８からガスプレナム室５６に入れている。複数の入口穴５８は、ガスを渦巻き状にプレナム室５６に流入させるように配列されている。流入したガスは、ノズルアセンブリ１２の同軸状孔部６０及び６２を介してプレナム室５６から流出される。この電極１４がガスバッフル５４を保持している。耐高温プラスチック絶縁本体部５５は、ノズルアセンブリ１２を電極１４から電気的に絶縁するものである。
【００２４】
ノズルアセンブリ１２は、第１の孔部６０を画成する上側ノズル部材６３と、第２の孔部６２を画成する下側ノズル部材６４とを備えている。上側ノズル部材６３は金属材料であることが好ましく、下側ノズル部材６４は金属又はセラミック材料であることが好ましい。上側ノズル部材６３の孔部６０は、トーチの電極１４の長手方向軸線と軸方向に整列されている。下側ノズル部材６４は、プラスチック製のスペーサ要素６５と水旋回リング６６とにより上側ノズル部材６３から隔てられている。上側ノズル部材６３及び下側ノズル部材６４の間に設けられるスペースは、水室６７を形成している。
【００２５】
下側ノズル部材６４は円筒形の本体部７０を備えており、該本体部７０は、ここを同軸状に通って延びる孔部６２を有し、前端部もしくは下端部と後端部もしくは上端部とを規定している。後端部上には環状の装着フランジ７１が配置されており、第２の孔部６２と同軸である前端部の外面上には切頭円錐面７２が形成されている。環状の装着フランジ７１は、コップ状部材７４の下端にある内向きフランジ７３により下方から支持されている。コップ状部材７４はねじ部を外側のハウジング部材４４に螺着することによって着脱自在に装着されている。２つのフランジ７１及び７３の間にはガスケット７５が配置されている。
【００２６】
下側ノズル部材６４にある孔部６２は円筒形であり、任意の適当なプラスチック材料製の心出しスリーブ７８によって上側ノズル部材６３にある孔部６０と軸方向に整列した状態に保持されている。水は、液体通路４２から、スリーブ７８にある開口８５を通って水旋回リング６６の複数の噴射ポート８７へと流れ、該噴射ポートが水を水室６７内に噴射している。これら噴射ポート８７は、水旋回リング６６の回りに接線方向に配置されており、旋回成分の速度を水室６７中の水流に与えている。水は、孔部６２を経由して水室６７から出るようになっている。
【００２７】
電源（図示せず）は、通常接地される金属母材に対して直列回路関係にあるトーチの電極１４に接続されている。動作中、アークに対して陰極端子として作用する電極の放出要素２８と、上述した電源の陽極に接続され、かつ下側ノズル部材６４の下方に位置決めされる母材との間にプラズマアークが生成される。プラズマアークは、電極１４とノズルアセンブリ１２との間にパイロットアークを瞬間的に生成することによって通常の方法で開始され、次いで、このプラズマアークは孔部６０及び６２を経て母材に移動されることになる。
【００２８】
製造方法
本発明は、上述した形式の電極を製造するための簡単な方法も提供している。図４〜図８は、本発明に従って電極を製造する好適な方法を例示している。図４に示すように、相対的に非放出の材料３４は、プラズマアークスプレートーチ３９又は粉末金属スプレートーチのようなその均等物を使用することにより、放出要素２８に付着される。特に、スプレートーチ３９は、放出要素を少なくとも約７６０℃（１４００°Ｆ）、好ましくは約２２０４℃（４０００°Ｆ）の高温度もしくは昇温度まで加熱する。また、スプレートーチ３９は、放出要素２８に向かって材料３４を分配指向させることができる。放出要素２８が十分に加熱されると、この放出要素を形成する材料が反応性になるので、材料３４が放出要素に付加されたときに、材料は放出要素との即時接合部を形成する。
【００２９】
この材料３４は、放出要素２８と比較して相対的に非電子放出性である粉末金属から形成されるのが好ましい。材料３４がスプレートーチ３９から噴射されて放出要素２８に接触するときに、材料３４は、溶融して放出要素の外表面上に層もしくはコーティングを形成する。上述のように、材料３４は、少なくとも約０．０４９ｍｍ（０．００２ｉｎ）の厚みを有し、好ましくは約０．０４９〜０．２４５ｍｍ（０．００２〜０．０１０ｉｎ）の厚みを有しており、これは蒸着により形成される層よりも実質的に厚い。その上、材料３４が放出要素２８に付着されるときに当該放出要素は高温度であるから、結果的に得られる材料の層は、従来の方法と比較してもっとしっかりと放出要素に接合される。スプレートーチ３９は放出要素を実質的に同時に加熱し材料３４をそこに付着させるものとして説明してきたが、先ず放出要素２８を所望温度まで加熱し、その後、別の工程又はステップとして材料を放出要素に付着させることも可能である。更に、材料３４は放出要素２８に接触するときに溶融するものとして説明してきたが、言うまでもなく、溶融工程は付着工程と実質的に同時に行ってよいし、或いは溶融工程は付着工程とは別工程としてもよい。
【００３０】
放出要素２８に材料３４の層を噴射もしくは被覆させた後、放出要素は、セパレータ３２により画成されたキャビティ３５内に配置される。図５に示した一実施例によると、放出要素２８は、ほぼ平坦な円形の作業面８１を有する工具８０を用いて、セパレータ３２のキャビティ３５内に配置される。この工具８０は、その作業面８１をキャビティ３５内の放出要素２８と接触させて配置される。作業面８１の外径は、セパレータ３２により画成されたキャビティ３５の直径よりも若干小さい。工具８０は、作業面８１をトーチ１０の長手方向軸線とほぼ同軸にして保持され、力は、軸方向の圧縮力を長手方向軸線に沿って放出要素２８及びセパレータ３２に伝えるように工具に加えられる。例えば、工具８０は、放出要素２８及びセパレータ３２と接触して位置決めされ、その後、機械のラムのような適当な装置で叩かれる。使われる特定の技術とは関係なく、放出要素２８をセパレータ３２のキャビティ３５中に位置決めするように十分な力を加えて、放出要素の内端面３０を材料３４の分だけセパレータから分離させなければならない。一実施例において、放出要素２８の圧縮作用によっても放出要素及びセパレータ３２が半径方向外方に若干変形するので、放出要素２８はセパレータにより面対面の関係でしっかりと把持される。
【００３１】
また、このプロセス中に、放出要素２８及びセパレータ３２のアセンブリに対して熱も加えられる。特に、加熱工程では、材料３４及びセパレータが互いにしっかりと結合されるように、放出要素２８及びセパレータ３２を加熱することを含んでいる。この加熱は、放出要素２８及びセパレータ３２のアセンブリを材料３４のほぼ溶融温度まで加熱することで行うのが好ましく、一実施例によると、これはセパレータを形成する材料と実質的に同様である。この加熱工程中に材料３４及びセパレータ３２は「溶融して」もしくは溶けて合わさるので、２つの構成要素が互いにしっかりと接合される。有利なのは、材料３４及びセパレータ３２間に形成された接合部が、材料３４及び放出要素２８間に形成された強い接合部により更に強化されることである。放出要素２８及び材料３４間、並びに材料３４及びセパレータ３２間に形成された強い接合部のため、電極１４は、圧力嵌め技術もしくはろう付け技術を用いて形成された電極と比較して、より長い寿命、高い熱伝導率及び高い導電率を有している。勿論、本発明の材料３４及びセパレータ３２でコーティングされた放出要素２８と共にろう付け材料を使用することも可能であるが、これは必要ではない。
【００３２】
図６を見ると、銅又は銅合金製の円筒形素材９４が前面９５とその反対側の後面９６を有して提供されている。その後、前述したキャビティ２４を形成するように、前面９５に長手方向軸線に沿って例えば穿孔によりほぼ円筒形の孔部を形成する。その後、放出要素２８及びセパレータ３２のアセンブリは、セパレータの周壁３３がキャビティの内壁２７に滑動可能に係合しそこに面対面の摩擦関係で固定されるように、例えば圧力嵌めによりキャビティ２４内に挿入される。図示しないが、放出要素２８及びセパレータ３２のアセンブリをキャビティ２４内に位置決めするときに、キャビティ２４内にろう付け材料を使用することも可能である。
【００３３】
図７に示した一実施例によると、ほぼ平坦な円形の作業面１００を有する工具９８が、その作業面１００を放出要素２８及びセパレータ３２の各端面２９，３６とそれぞれ接触させて配置されている。作業面１００の外径は、円筒形素材９４にあるキャビティ２４の直径よりも僅かに小さい。工具９８は作業面１００をトーチ１０の長手方向軸線とほぼ同軸にして保持され、力は、軸方向の圧縮力を長手方向軸線に沿って放出要素２８及びセパレータ３２に伝えるように工具に加えられる。例えば、工具９８は、放出要素２８及びセパレータ３２と接触して位置決めされ、その後、機械のラムのような適当な装置で工具９８を叩く。使われる特定の技術とは関係なく、十分な力が加えられて放出要素２８及びセパレータ３２が半径方向外方に変形されるようになるので、放出要素２８はセパレータ３２によりしっかりと把持され、セパレータ３２は、図８に示すように、キャビティ２４によりしっかりと掴まれて保持される。
【００３４】
また、図８は電極の特性及び寿命を向上させることになる円筒形素材９４への熱の付加を説明している。加熱プロセスは、放出要素２８及びセパレータ３２のアセンブリを金属ホルダ、即ち円筒形素材９４内に位置決めした後に行うことができる。加熱工程は、後述するように、更なる機械加工ステップを円筒形素材について行った後に、行うこともできる。厳正な加熱プロセスは、放出要素２８，セパレータ３２，放出要素に付着した材料３４に使用される材料や、任意のろう付け材料に左右される。
【００３５】
図９及び図１０は、加圧及び加熱ステップ前後の放出要素２８、そこに付着させた材料３４及びセパレータ３２を図８の９−９線に沿った詳細断面図で示している。特に、図９は互いに隣接する３つの材料を示しており、この図で破線は、前述した材料３４及び放出要素２８間の予め形成された接合部を表わしている。図１０は図９と同じであるが、加圧及び加熱ステップ後の図である。図から分かるように、材料３４及びセパレータ３２は両者間に強い接合部を形成しており、この強い接合部は、材料３４及びセパレータ３２が「溶融」もしくは溶け合わさるか、或いは両者間に拡散接合部を形成して、２つの構成要素がしっかりと接合して会わされるように、材料３４をほぼその溶融温度まで加熱することによって形成されるのが好ましい。セパレータ３２及び材料３４間の接合は、破線で表わされている。また、セパレータ３２及び材料３４を実質的に同様の材料から形成したときに、最も容易に接合が起こるが、これは必要ではない。
【００３６】
図３に戻り参照すると、本発明による完成電極の断面が示されている。ホルダ１６の製造を完了するために、円筒形素材９４の後面９６を機械加工して、内部にキャビティ２２を画成する開放コップ形状の構造を形成する。このキャビティ２２は、円筒形の柱状部２３を画成すると共にセパレータ３２及び放出要素２８の諸部分を同軸的に囲む内側環状凹部８２を含むのが有利である。また、この内側環状凹部８２は内側面８３を有している。換言すれば、内側環状凹部８２は、円筒形の柱状部２３を画成するように、例えば、トレパニング又はその他の加工作業により形成されている。
【００３７】
また、円筒形素材９４の外周壁は、ホルダ１６の後端１９における雄ねじ部１０２の形成を含め、所望の形状にすることができる。最後に、円筒形素材９４の前面９５並びに放出要素２８及びセパレータ３２の端面２９，３６は、それぞれ実質的に平らで互いに面一になるように機械加工される。
【００３８】
図１１は、ホルダ１６の端面図を示している。セパレータ３２の端面３６が放出要素２８の端面２９をホルダ１６の前面２０から分離させていることが分かる。この端面３６は、環状であって内周１０４と外周１０６とを有している。セパレータ３２は、アークが放出要素から離れてホルダ１６につくようになるのを妨げる働きをする。
【００３９】
したがって、本発明は、プラズマアークトーチにおいて使用するための電極１４を提供すると共に、電極を製造するための方法を提供しており、この電極において、放出要素２８はセパレータ３２のキャビティ３５内に位置決めされる前に、それぞれ相対的に非放出の材料３４の付加が受け取られる。この材料３４及び放出要素２８は両者間に強い接合部を形成する。そして、コーティングされた放出要素２８がセパレータ３２内に位置決めされて加熱され、材料３４及びセパレータが溶融し或いは接合して合わされるときに、結果的に生ずる放出要素２８及び材料３４間、並びに材料３４及びセパレータ３２間の接合部が、通常の方法で形成された電極と比較して、電極に対し優れた強度と長い寿命を提供することになる。
【００４０】
好適な実施例に関して本発明を説明してきたが、また、これらの実施例について相当に詳しく記載したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、種々の改変を行ったり、均等物と置換したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の特徴を実現するプラズマアークトーチの側断面図である。
【図２】本発明に従った電極の拡大斜視図である。
【図３】本発明に従った電極の拡大断面図である。
【図４】本発明に従って電極を製造する好適な方法の一工程を図解する概要図である。
【図５】本発明に従って電極を製造する好適な方法の一工程を図解する概要図である。
【図６】本発明に従って電極を製造する好適な方法の一工程を図解する概要図である。
【図７】本発明に従って電極を製造する好適な方法の一工程を図解する概要図である。
【図８】本発明に従って電極を製造する好適な方法の一工程を図解する概要図である。
【図９】圧縮及び加熱作業直前の、図８の９−９線に沿って見た本発明による電極の拡大断面図である。
【図１０】圧縮及び加熱作業直後の、図８の９−９線に沿って見た本発明による電極の拡大断面図である。
【図１１】本発明による完成電極の断面図である。
【符号の説明】
１０    プラズマアークトーチ
１４    電極
１６    ホルダ
２４    キャビティ
２８    電子放出要素
３２    セパレータ
３４    相対的に非放出の材料
３５    キャビティ
【図１】
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【図２】
0003582651.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003582651.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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