(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ切断に用いられるプラズマ切断装置用のノズル及びそれを含むプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ切断装置は、プラズマアークを噴射して金属板等のワークを熱切断する装置である。プラズマ切断装置にはプラズマトーチが設けられており、プラズマトーチは消耗部品としての電極及びノズルを有している。
【０００３】
このようなプラズマ切断装置では、プラズマトーチの電極とワークとの間にプラズマアークが発生する。プラズマアークはノズルで細く絞り込まれ、これにより高温かつ高圧のプラズマジェットが生成される。そして、プラズマジェットがワークに噴射されることにより、ワークが切断される。ここで、プラズマアークは以下のような過程により生成されることが知られている。
【０００４】
まず、電極とノズルとの間に、小流量のプラズマガスが供給され、プラズマガスの流れが生成される。この状態で、電極に高電圧が印加されると、電極とノズルの内面との間に絶縁破壊が発生する。そして、この絶縁破壊をトリガーにして電極とノズル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、プラズマガスの流れに乗ってワークまで延びる。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、電極とワークとの間にプラズマアークが生成される。
【０００５】
以上のようなプラズマ切断装置において、特許文献１の従来技術の欄には、ノズルの長寿命化を図るために、ノズル先端にセラミックをコーティングすることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１−９９７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電極に設けられる電極材は、一般的にハフニウムが用いられる。本件発明者は、電極材としてハフニウムを用い、プラズマガスとして酸素を用いたプラズマ切断装置においては、以下のような技術的課題があることを発見した。以下、この技術的課題について詳細に説明する。
【０００８】
ある程度の切断回数あるいは切断時間が経過すると、ハフニウム電極の損耗と切断品質の劣化が進行する。これは、損耗したハフニウムが飛散してノズル内壁面に付着し、この付着したハフニウムが切断品質の劣化の要因であることが判明した。より詳細には、ハフニウム及びその酸化物等がノズル内壁面に付着し堆積すると、ノズル先端のオリフィス内壁面に凹凸が生じ、また軸対称性が維持されなくなる。このようなノズルオリフィスの損傷は、プラズマアークの拡がり、曲がり、歪みを発生させ、結果的に、ワークの切断面の粗さ、直角性等の品質の低下を招くことになる。
【０００９】
以上のことは、ノズル内壁面に付着したハフニウムを除去することで、劣化した切断品質が復帰することでも証明できた。
【００１０】
そこで、特許文献１に示されるようなセラミック等の被膜をノズル内面に形成することが考えられる。しかし、前述の損耗したハフニウムが被膜表面に付着し、被膜を損傷させながら、この被膜をノズル内面から離脱させることが予想される。しかも、このような現象は切断処理中において継続して生じるので、ノズル内面を被膜のみによって保護し続けることは困難であり、好適なノズル形状を維持できないと考えられる。
【００１１】
本発明の課題は、オリフィス内面を含むノズル内面に電極材が付着して切断品質が低下するのを抑えることにある。より詳細には、ノズル内面等に被膜を形成した場合に、被膜によるノズル内面の保護効果が長期にわたって維持できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、先端側に配置されたワークにプラズジェットを噴出してワークを切断するためのものであり、筒状部と先端部とを備えている。筒状部は先端側に向かうほど径が小さくなるテーパ内面が形成された空間を内部に有する。先端部は、筒状部の先端側に形成されており、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。そして、テーパ内面及び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いる。また、テーパ内面のテーパ角度は80°以上105°以下である。
【００１３】
このノズルがプラズマトーチに装着された場合、ノズルの内部には電極が配置される。そして、ノズルのテーパ内面と電極の外周縁との間の最短ギャップの位置で絶縁破壊が生じる。この第１発明での「テーパ内面」とは、少なくとも、ノズル内面のうちの電極外周縁に最も近接する位置から先端側（オリフィス側）に向かう面を含む部分である。
【００１４】
ここでは、少なくともノズルのテーパ内面及びオリフィス内面にセラミック系材料の被膜が形成されているので、飛散した電極材が各内面に付着しにくい。このため、特にオリフィスの損傷が抑えられ、比較的長期にわたって初期のオリフィス形状が維持される。また、テーパ内面のテーパ角度が80°以上105°以下に設定されているので、飛散した電極材がノズル内部に堆積するのを抑えることができる。このため、切断品質の低下を抑え、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【００１５】
テーパ角度を80°以上105°以下に設定するのは以下の理由による。
【００１６】
＜下限角度80°について＞
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。
【００１７】
そこで、図２に示すように、電極Ｅの先端部の形状を図１に比較して細くし、電極先端部をノズルオリフィスＮｏに近づけることが考えられる。しかし、この場合は、電極先端の電極材ｈを冷却するための水冷パイプＷｐを電極材ｈに近づけることができない。このため、電極材ｈの冷却不足が生じ、電極材ｈの消耗を抑制することができない。なお、図２において、冷却水の流れを破線で示している。
【００１８】
以上を考慮して、ノズルのテーパ内面の角度αは80°以上が好ましい。
【００１９】
＜上限角度105°について＞
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。
【００２０】
また、テーパ角度を120°にすると、鈍角であるがために、プラズマガスの流れに対してテーパ内面が抵抗になりやすい。このために、異常放電を誘発しやすく、ノズル入口部にダメージを与える可能性が大きくなる。
【００２１】
以上を考慮して、ノズルのテーパ内面の角度αは105°以下が好ましい。
【００２２】
第２発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第１発明のノズルにおいて、筒状部はテーパ内面とオリフィスとをつなぐ曲面を有しており、曲面にはセラミック系材料の被膜が形成されている。
【００２３】
ここで、ノズルのオリフィス入口部、すなわちテーパ内面とオリフィスとの境界部は、プラズマガスが収斂する領域である。本件発明者の一連の実験によれば、この部分は、他のノズル内面に比較して電極材が集中して付着することが判明した。このため、テーパ内面とオリフィスとの境界をエッジにしたまま、この境界部に被膜を形成しても、被膜がダメージを受けて剥離しやすい。
【００２４】
そこで第２発明では、テーパ内面とオリフィスとの間に曲面が形成されている。この曲面により、オリフィス入口部においてプラズマガスを整流する効果が得られる。このガス整流効果によって、飛散した溶融電極材の排出が促進され、ノズル内面に溶融電極材が付着するのを抑えることができる。このため、ノズル内面へのダメージを抑制できる。
【００２５】
第３発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第２発明のノズルにおいて、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、0.5以下である。
【００２６】
ここで、アーク収束部において特に収束の激しい最小内径Ｄ２がノズルの容量を規定するＤ１に対して大きくなると、アーク生成時に飛散した電極材がオリフィスに到達するまでの間に電極に対し向かい合う時間が延び、ノズル内面の特に曲面に付着する可能性が高くなる。
【００２７】
そこで、第３発明では、テーパ内面の最大内径Ｄ１に対する最小内径Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１を0.33以上0.5以下にしている。このため、飛散した電極材がノズル内面の特に曲面に付着するのを抑えることができる。
【００２８】
第４発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第２発明のノズルにおいて、テーパ内面の最小内径Ｄ２に対する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。
【００２９】
ここで、Ｈ／Ｄ２が大きくなると、プラズマがノズル内面の曲面で収束する距離が相対的に長くなり、オリフィス迄の距離が長くなる。このように、プラズマが収束する距離が延びると、プラズマアークがふらつき易くなる。特に、ノズル内面における曲面でのアークのふらつきは、後に続くオリフィス部で特に顕著に現れることになり、結果としてオリフィス部の被膜の剥離が促進される。
【００３０】
そこで、第４発明では、曲面のテーパ内面の最小内径Ｄ２に対する曲面のノズル軸方向長さＨの比Ｈ／Ｄ２を0.75以上0.87以下にしている。このため、ノズル内面においてプラズマが収束する距離が比較的短くなり、アークのふらつきを抑えて、オリフィス部での被膜の剥離を抑えることができる。
【００３１】
第５発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第２発明のノズルにおいて、先端面にはセラミック系材料の被膜が形成されている。
【００３２】
ここでは、ノズル先端面にも被膜が形成されているので、メインアークに移行した後も電極材等がノズル先端面に付着するのを抑制でき、切断品質の低下を抑え、ノズルの長寿命化を図ることができる。
【００３３】
第６発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第５発明のノズルにおいて、筒状部の外周面には冷却用フィンが設けられている。
【００３４】
冷却用フィンを設けたノズルでは、ノズルの冷却能力が高くなり、ノズル内面の温度を低く保つことができる。このため、電極材付着時の被膜の温度を低く抑えることが可能になり、被膜の劣化を抑制できる。
【００３５】
第７発明に係るプラズマ切断装置用ノズルは、第６発明のノズルにおいて、先端部は、オリフィスと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。
【００３６】
第８発明に係るプラズマトーチは、プラズマ切断装置に設けられるものであって、第１発明から第７発明のいずれかのノズルと、先端外周縁部がノズルのテーパ内面に対向するように配置された電極と、を備えている。
【発明の効果】
【００３７】
以上のような本発明では、オリフィス内面を含むノズル内面に形成された被膜によって、飛散する電極材からノズル内面を保護することができる。また、ノズルのテーパ内面のテーパ角度を80°以上105°以下に設定することによって、安定したプラズマアークを形成でき、かつ被膜の剥離を抑えて、切断品質が低下するのを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ノズル内面のテーパ角度と電極配置との関係を示す図。
【図２】ノズル内面のテーパ角度に対する電極及び冷却用パイプの位置関係を示す図。
【図３】プラズマトーチの断面図。
【図４】プラズマトーチ先端部の拡大断面図。
【図５】ノズルの拡大断面図。
【図６】ノズルの外観図。
【図７】ノズルの別の例の外観図。
【図８】ノズルの寸法関係を示す図。
【図９】ノズル内面のテーパ角度とノズル内径比との関係を示す図。
【図１０】ノズル内面のテーパ角度とノズル内面の曲面部長さ／最小内径との関係を示す図。
【図１１】ノズル内面のテーパ角度とショット数とによるノズル内面の被膜剥離の様子を示す写真。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。図３は、本発明の一実施形態に係るプラズマトーチ１の中心軸線（以下、単に「軸線」と呼ぶ）を含む平面での断面図である。
【００４０】
［全体構成］
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。
【００４１】
プラズマトーチ１は、トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、キャップ部７などを有する。トーチ本体２、電極３、第１案内部材４、第２案内部材５、ノズル６、及びキャップ部７は、同軸に配置されている。
【００４２】
［トーチ本体］
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。
【００４３】
ベース部１１は概ね円筒状に形成されている。ベース部１１の内部には空間が形成されており、この内部空間に、電極支持部１２、冷却液供給パイプ１６及び冷却液排出パイプ１７が挿入されている。ベース部１１の先端部には、ベース部１１の内部空間に連通する孔１１ａが形成されている。
【００４４】
電極支持部１２は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の孔１１ａに挿入されており、先端部（図３の下方端部）に電極３を支持している。電極支持部１２の外面とベース部１１の内面との間には、例えばＯリングなどのシール部材Ｓ１が設けられている。電極支持部１２は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極支持部１２は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路へ接続される。電極支持部１２は軸線方向に貫通する孔１２ａを有している。
【００４５】
ノズル支持部１３は、概ね円錐状に形成されて軸線方向に貫通する孔１３ａを有しており、先端部にノズル６を支持している。ノズル支持部１３は、ベース部１１の先端部に取り付けられ、電極支持部１２の先端部外周を覆っている。ノズル支持部１３の内面は、電極支持部１２の外面に対して間隔を空けて配置される。これにより、ノズル支持部１３の内面と電極支持部１２の外面との間には、プラズマガスが通るプラズマガス通路Ｐ１が形成されている。プラズマガス通路Ｐ１は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。ノズル支持部１３は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。また、ノズル支持部１３は、図示しない電気配線を介してアーク電源回路に接続される。
【００４６】
冷却パイプ１４は、冷却液供給パイプ１６からの冷却液を電極３に導いて電極３を冷却するものであり、電極支持部１２の孔１２ａ内に配置されている。冷却パイプ１４の基端部（図１において上方端部）はベース部１１の内部空間内に配置され、先端部は電極支持部１２の先端部から突出している。冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間には空間が形成されており、この空間はベース部１１の内部空間と連通している。また、冷却パイプ１４の外面は、電極３の内面に対して間隔を空けて配置されている。
【００４７】
ホルダ１５は、概ね円筒状に形成されてベース部１１の外周に嵌合されており、キャップ部７を支持している。ホルダ１５の外周面には、後述するナット１８の雌ネジ部と螺合する雄ネジ部が形成されている。
【００４８】
冷却液供給パイプ１６は、冷却システムからの冷却液を冷却パイプ１４へ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液供給パイプ１６の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内において冷却パイプ１４の基端部に接続されている。
【００４９】
冷却液排出パイプ１７は、冷却液をベース部１１の内部空間から冷却システムへ送るためのパイプであり、ベース部１１の内部空間に挿入されている。この冷却液排出パイプ１７の基端部は冷却システムに接続され、先端部はベース部１１の内部空間内に配置されている。
【００５０】
以上のような構成により、冷却液供給パイプ１６から冷却パイプ１４を介して供給された冷却液は、電極３に導かれ、その後、冷却パイプ１４の外面と電極３の内面との間の空間を通過し、さらに冷却パイプ１４の外面と電極支持部１２の内面との間の空間を通過して、ベース部１１の内部空間に送られる。
【００５１】
［電極］
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。
【００５２】
また、電極３は、図４に拡大して示すように、電極基体３５と電極材３６とを有している。電極基体３５は、先端部が閉じられ基端部が開放された概ね円筒状の部材である。電極基体３５は、金属製であり、例えば銅によって形成されている。電極基体３５の外周面には径方向外方に突出するフランジ１９が形成されており、さらに内部には空間が形成されている。フランジ１９の一方の面は電極支持部１２の先端部と接触し、他方の面は第１案内部材４と接触している。また、電極３の内部空間は、基端側は開放され、先端側は閉塞されている。
【００５３】
電極基体３５の先端部には、テーパ面３８と放出面３９とが形成されている。テーパ面３８は、電極基体３５の外周面から先端側（放出面３９側）に行くにしたがって径が小さくなる形状である。放出面３９は軸線と直交する平坦な面であり、その中央部には内部に凹む凹部４１が形成されている。放出面３９の裏側には、基端部へ向けて突出する凸部４３が形成されている。図３に示すように、冷却パイプ１４の先端部は、この凸部４３の外側を覆うように配置されている。
【００５４】
電極材３６は、熱電子高放出性材料であるハフニウム（hafnium：Ｈｆ）で形成されている。電極材３６は、電極基体３５の凹部４１に挿入され、ろう付けにより固定されている。電極材３６は、概ね円筒状に形成されており、先端部には、基端側へ向けて凹む凹部３６ａが形成されている。
【００５５】
［第１案内部材］
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。
【００５６】
また、第１案内部材４は、軸線方向において、電極３のフランジ部１９の先端側に配置されている。第１案内部材４の基端部はフランジ部１９に接触している。第１案内部材４の大径部２０の外周面には、軸線方向に延びる複数の溝４ｂが形成されている。この複数の溝４ｂの先端側は、第１案内部材４とノズル６の内面との間の空間に連通し、溝４ｂの基端側の側部は、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に連通している。
【００５７】
［第２案内部材］
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。
【００５８】
［ノズル］
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。
【００５９】
ノズル６の筒状部６ａの外周面には、軸線方向に沿って所定の領域に冷却用のフィン２２が設けられている。冷却用フィン２２の外観を図６に示している。ここでは、円周方向及び軸線方向の両方向に沿って形成された凹凸によって冷却用フィン２２が形成されている。なお、図７に示すように、軸線方向のみに沿った凹凸によって冷却用フィン２２’が形成されていてもよい。
【００６０】
筒状部６ａの外周面において、冷却用フィン２２の基端側には、径方向に突出する突出部２３が形成されている。この突出部２３の上面２３ａとノズル支持部１３の先端部との間には、図示しない電気接触子が配置されている。この電気接触子を介して、ノズル６はノズル支持部１３と電気的に接続されている。
【００６１】
筒状部６ａの内部空間には、収納部２４及び電極対向部２５が形成されている。収納部２４には、電極３、第１案内部材４、及び第２案内部材５が収納されている。電極対向部２５は電極３の先端部と対向する部分であり、第１対向面２５ａ及び第２対向面２５ｂを有している。第１対向面２５ａは、電極対向部２５において基端側に形成され、軸線方向に平行な面である。また、第２対向面２５ｂは、第１対向面２５ａに連続して先端側に形成されており、先端側に向かって径が小さくなるテーパ面である。すなわち、第２対向面２５ｂはテーパ内面となっている。電極対向部２５の各対向面２５ａ，２５ｂと電極３の外周面との間には隙間が形成され、プラズマガスが流れる通路が形成されている。第２対向面（テーパ内面）２５ｂのさらに先端側には、曲面２５ｃが形成されている。
【００６２】
先端部６ｂは、ほぼ円錐状に形成されており、中心部には軸線方向に貫通するオリフィス２６が形成されている。このオリフィス２６は、曲面２５ｃを介して第２対向面２５ｂに連続している。また、先端部６ｂの下端には、軸線方向と直交する平坦な先端面２６ａが形成されている。オリフィス２６と先端面２６ａとの間（境界部）には面取り部２６ｂが形成されている。
【００６３】
ノズル６において、第１対向面２５ａと、テーパ内面としての第２対向面２５ｂと、オリフィス２６の内面と、面取り部２６ｂを含む先端面２６ａと、には、セラミック系材料であるボロンナイトライドの被膜Ｃがコーティングされている。図５において、被膜Ｃが形成された部分を太い破線で示している。なお、この実施形態では、電極対向部２５において、全内面に被膜Ｃが形成されているが、少なくとも第２対向面２５ｂのうちの、電極３との最短ギャップの位置（電極３の外周縁４４に最も近い位置）から先端側に形成されていればよい。電極材は、主に最短ギャップから先端側に飛散するからである。
【００６４】
また、第２対向面２５ｂのテーパ角度αは、この実施形態では90°に設定されている。テーパ角度は、前述の理由から、80°以上105°以下が好ましいが、特に好ましいのは90°である。
【００６５】
図８を用いて、ノズルの具体的な寸法形状について説明する。図８において、ＲＵ，ＲＤ，Ｄ１，Ｄ２，Ｈはそれぞれ以下を意味する。
【００６６】
ＲＵ：曲面２５ｃの基端側の端（上端）。
【００６７】
ＲＤ：曲面２５ｃの先端側の端（下端）。
【００６８】
Ｄ１：第１対向面２５ａが形成された部分の内径。すなわち、テーパ内面２５ｂの最大内径に相当。
【００６９】
Ｄ２：ＲＵにおける内径。すなわち、テーパ内面２５ｂの最小内径に相当。
【００７０】
Ｈ  ：曲面２５ｃの軸線方向の長さ。
【００７１】
そして、図９に示すように、テーパ内面２５ｂの最大内径Ｄ１に対する最小内径Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１は、0.33以上で0.5以下が好ましい。アーク収束部において特に収束の激しい最小内径Ｄ２がノズルの容量を規定するＤ１に対して0.5より大きくなると、アーク生成時に飛散した電極材がオリフィスに到達するまでの間に電極に対して向かい合う時間が延び、ノズル内面の特に曲面２５ｃに付着する可能性が高くなるからである。なお、図９は、テーパ内面のテーパ角度に対するＤ２／Ｄ１の関係を示したものである。
【００７２】
また、図１０に示すように、テーパ内面２５ｂの最小内径Ｄ２に対する曲面２５ｃの軸線方向の長さＨの比Ｈ／Ｄ２については、0.75以上で0.87以下が好ましい。Ｈ／Ｄ２が0.87より大きくなると、プラズマが曲面２５ｃで収束する距離が相対的に長くなり、オリフィス迄の距離が延びることでプラズマアークがふらつき易くなる。曲面２５ｃでのアークのふらつきは後に続くオリフィス部で特に顕著に現れることになり、結果としてオリフィス部の被膜の剥離が促進されるからである。なお、図１０は、テーパ角度に対するＨ／Ｄ２の関係を示したものである。
【００７３】
［キャップ部］
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。
【００７４】
アウターキャップ３１は、ナット１８によってホルダ１５に固定されており、トーチ本体２の先端部とノズル支持部１３の外側を覆っている。また、アウターキャップ３１の内面とホルダ１５の外面との間にはシール部材Ｓ４が設けられている。アウターキャップ３１の先端には、軸線方向に貫通する孔３１ａが形成されている。
【００７５】
インナーキャップ３２はアウターキャップ３１の孔３１ａに挿入されている。インナーキャップ３２の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ５が設けられている。インナーキャップ３２には軸線方向に貫通する３２ａ孔が形成されており、この孔３２ａにはノズル６の先端部が挿入されている。そして、ノズル６の先端部がインナーキャップ３２の内面によって保持されている。ノズル６の先端部の外面とインナーキャップ３２の内面との間にはシール部材Ｓ６が設けられている。
【００７６】
アウターキャップ３１及びインナーキャップ３２の各内面は、ノズル支持部１３及びノズル６の外面に対して間隔を空けて配置されている。これにより、ノズル６を冷却するための冷却液が通過する冷却液通路Ｐ２が構成されている。冷却液通路Ｐ２は、図示しない冷却液供給パイプ及び冷却液排出パイプを介して冷却システムに接続されている。
【００７７】
シールドキャップ３３は、アウターキャップ３１の孔３１ａに挿入され、ノズル６の先端部を覆っている。シールドキャップ３３の外面とアウターキャップ３１の内面との間にはシール部材Ｓ７が設けられている。シールドキャップ３３は、軸線方向に貫通し、ノズル６の孔６ａと同軸に形成された孔３３ａを有している。また、シールドキャップ３３の内面とノズル６の外面との間にはアシストガス通路Ｐ３が形成されている。アシストガス通路Ｐ３は、冷却液通路Ｐ２に対してシール部材Ｓ４によって遮断されており、アウターキャップ３１の内部に形成されたアシストガス供給通路Ｐ４に連通している。アシストガス供給通路Ｐ４は、図示しないガス供給パイプを介してガス供給システムに接続されている。
【００７８】
［動作］
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。
【００７９】
以上の処理において、プラズマが生成される際に、電極材であるハフニウムが溶融し、ノズル６の内面（特に第２対向面２５ｂ）及びオリフィス２６の内面に飛散する。しかし、ノズル６及びオリフィス２６の内面にはボロンナイトライド被膜Ｃが形成されているので、これらの内面に溶融ハフニウムは付着しにくい。しかも、ノズル６の第２対向面２５ｂのテーパ角度は90°に設定されているので、プラズマガスの流れがスムーズになる等の理由によって、溶融ハフニウムは、第２対向面２５ｂに対してより付着しにくい。また、溶融ハフニウムが第２対向面２５ｂに付着しても、堆積しにくい。さらに、第２対向面２５ｂとオリフィス２６とが曲面２５ｃを介して連続して形成されているので、プラズマガスがノズル内面から離れることなくスムーズにオリフィス２６に流入する。このため、溶融ハフニウムの排出が促進され、ノズル６及びオリフィス２６の内面に溶融ハフニウムが堆積するのを抑制することができる。
【００８０】
また、メインアークが発生した後は、ノズル６の先端面２６ａにも溶融ハフニウムやワークの溶融物が飛散する。しかし、この実施形態では、この先端面２６ａにもボロンナイトライド被膜Ｃが形成されているので、これらの溶融物の付着を抑えることができる。
【００８１】
以上から、ボロンナイトライド被膜Ｃの付着防止効果を長期にわたって良好に維持することができる。このため、特に、ノズル６のオリフィス２６の壁面が損傷を受けるのを抑えることができ、従来に比較して長時間にわたって良好な切断品質を維持することができる。すなわち、ノズル６の長寿命化が実現できる。
【００８２】
［実験例］
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。
【００８３】
この実験結果から明らかなように、テーパ角度が70°の場合は、ショット数が300回でオリフィスの入口部におけるボロンナイトライド被膜が剥離されている。一方、テーパ角度が80°の場合は、400回を越えてオリフィス部のボロンナイトライド被膜が剥離されているが、この場合は長寿命化が図られていると評価できる。また、テーパ角度が90°の場合は、ショット数が800回以上であってもオリフィスの入口部においてダメージがほとんどなく、ボロンナイトライド被膜が残っている。さらに、テーパ角度が105°の場合は、80°の場合と同様で、400回を越えて曲面を主にオリフィス部迄のボロンナイトライド被膜が剥離されているが、この場合は長寿命化が図られていると評価できる。テーパ角度が120°の場合は、ショット数が100回で曲面からオリフィスの入口部におけるボロンナイトライド被膜が剥離されている。
【００８４】
このように、テーパ角度が70°や120°の場合は、特にオリフィス入口部のボロンナイトライド被膜が早期に剥離されている。ボロンナイトライド被膜が剥離されると、溶融ハフニウムが付着しやすくなり、オリフィス形状が変化する。オリフィス形状の変化は、切断品質の低下を招くことになる。
【００８５】
以上から、テーパ角度を80°以上105°以下に設定すれば、ボロンナイトライド被膜は長時間にわたって維持され、付着防止効果の低下を抑えることができることがわかる。
【００８６】
［他の実施形態］
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。
【００８７】
(a)前記実施形態では、第２対向面（テーパ内面）２５ｂのテーパ角度を90°に設定したが、80°以上105°以下の角度であれば、同様の作用効果を得ることができる。
【００８８】
(b)ボロンナイトライド被膜Ｃは、第２対向面２５ｂにおいては、少なくとも電極３との最短ギャップ位置から先端側にかけて形成されていればよい。
【００８９】
(c)被膜は、第２対向面２５ｂの少なくとも電極３との最短ギャップ位置から曲面２５ｃ及びオリフィス２６の内面にかけて形成されていればよい。
【００９０】
(ｄ)被膜の材料はボロンナイトライドに限定されない。ボロンナイトライド以外のセラミック系材料を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１  プラズマトーチ
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
【図１】
0005841342.tif 000002
【図２】
0005841342.tif 000003
【図３】
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【図４】
0005841342.tif 000005
【図５】
0005841342.tif 000006
【図６】
0005841342.tif 000007
【図７】
0005841342.tif 000008
【図８】
0005841342.tif 000009
【図９】
0005841342.tif 000010
【図１０】
0005841342.tif 000011
【図１１】
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