(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基体と、前記電極基体の先端面に配置される電極材とを有し、前記電極材と被加工物間に電流を印加してプラズマアークを発生させるプラズマトーチ用電極であって、
前記電極基体の先端面には、外部からの流路を有さずに先端側のみに開口され、前記電極材と間隔を設けて前記電極材を囲むＶ溝状の溝が形成されていることを特徴とするプラズマトーチ用電極。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマトーチ用電極であって、
前記電極材は、
前記電極基体の先端面の中央に位置する孔内に配置され、前記溝は、前記電極材と同軸状に配置されることを特徴とするプラズマトーチ用電極。
【請求項３】
先端部に作動ガスを噴出するノズルが形成されたトーチ本体内に、前記ノズルと同軸状にプラズマトーチ用電極を保持し、前記トーチ本体と前記プラズマトーチ用電極の間に前記ノズルに供給する作動ガスが流通する作動ガス通路が形成されたプラズマトーチであって、
請求項１又は２に記載のプラズマトーチ用電極を備えることを特徴とするプラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動ガスをプラズマ化して被加工材を切断するプラズマトーチ用電極及びこの電極を用いたプラズマトーチに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、プラズマ切断は、酸素ガスが供給されるノズル内に設けられたプラズマトーチ用電極と、被加工材との間にアークを発生させて、ノズルから噴射される酸素ガスをプラズマ化し、これにより発生したプラズマアークにより、被加工材を切断するものである。
【０００３】
プラズマトーチ用電極は、ノズル内に配置された電極基体と、電極基体の先端部の略中央に配置され、ノズルの酸素ガス噴出孔と同軸とされたハフニウム等の高融点材料により形成された電極材とを備えて構成されている。
かかるプラズマ切断に関して、例えば、特許文献１、２に示されるような技術が開示されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、プラズマにより被加工物を加工する際のトーチ本体から供給される酸素ガスの圧力を検出し、酸素ガスの圧力と閾値とを比較して、プラズマトーチ用電極の消耗、及び寿命を検出するようになっている。
【０００５】
また、特許文献２には、電極の先端面の中央に配置する電極材の断面積が印加する電流値に影響することを見出して、その最適式を求めることで電極寿命を延ばす技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２３５５６号公報
【特許文献２】特許第４３６８６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、本発明の発明者が、プラズマトーチ用電極の寿命に関して鋭意研究した結果、プラズマ切断時に、電極材を構成する高融点材料が電極基体側に放射状（径方向）に拡散して、電極材が減耗（質量減少）することが一因であるとの知見を得た。
電極材が、電極基体側に拡散、移動するメカニズムは、さらに鋭意研究中であるが、プラズマアーク発生時に溶融状態となった電極材が、プラズマトーチ用電極の先端面に沿って電極基体側に流出又は飛散するためであると推測される。
【０００８】
一方、電極基体側への電極材の拡散、移動が減少すると、電極基体の溶融が抑制され、プラズマトーチ用電極の消耗中期における陰極としてのプラズマトーチ用電極が安定するとの知見を得た。
【０００９】
以上のことから、溶融状態となった電極材が、電極材本来の位置に留まる時間を延長して、プラズマトーチ用電極先端面における電極材の電極基体側への拡散、移動を抑制することにより、さらには電極基体の溶融を抑制することによりプラズマトーチ用電極の寿命の延長に繋がると考えられる。
【００１０】
この発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、プラズマトーチ用電極の先端面において、電極材を構成する高融点材料（例えば、ハフニウム）が、電極基体の先端面に沿って拡散するのを抑制し、ひいてはプラズマトーチ用電極の寿命を延長することができるプラズマトーチ用電極及びプラズマトーチ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】
【００１１】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、電極基体と、前記電極基体の先端面に配置される電極材とを有し、前記電極材と被加工物間に電流を印加してプラズマアークを発生させるプラズマトーチ用電極であって、前記電極基体の先端面には、外部からの流路を有さずに先端側のみに開口され、前記電極材と間隔を設けて前記電極材を囲む溝が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、先端部に作動ガスを噴出するノズルが形成されたトーチ本体内に、前記ノズルと同軸状にプラズマトーチ用電極を保持し、前記トーチ本体と前記プラズマトーチ用電極の間に前記ノズルに供給する作動ガスが流通する作動ガス通路が形成されたプラズマトーチであって、請求項１又は２に記載のプラズマトーチ用電極を備えることを特徴とする。
【００１３】
この発明に係るプラズマトーチ用電極、プラズマトーチによれば、電極材が、プラズマトーチ用電極の先端面に沿って電極基体に移動、拡散することが抑制される。
また、溝がＶ溝状に形成されていて、深さ方向に対して径方向の間隔を大きく設定することができるので、電極材を構成する高融点材料の拡散を効率的に抑制することができる。
その結果、電極材を構成する高融点材料の減少が抑制され、ひいてはプラズマトーチ用電極の寿命を延長することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラズマトーチ用電極であって、前記電極材は、前記電極基体の先端面の中央に位置する孔内に配置され、前記溝は、前記電極材と同軸状に配置されることを特徴とする。
【００１７】
プラズマトーチ用電極によれば、電極材が、電極基体の先端面の中央に位置する孔内に配置され、溝が電極材と同軸状に配置されているので、長時間にわたり安定したプラズマアークを生成し、ひいてはプラズマトーチ用電極の寿命を延長することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るプラズマトーチ用電極、プラズマトーチによれば、プラズマトーチ用電極の先端面における電極材の電極基体への拡散を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】プラズマトーチ用電極を示す正断面図である。
【図２】図１の先端部を拡大した部分断面図である。
【図３】プラズマトーチ用電極を適用したプラズマトーチの正断面図である。
【図４】図３の使用状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１〜図４を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図３は、プラズマトーチ用電極を適用したプラズマトーチ１の正断面図であって、この図において符号１はプラズマトーチ、符号１Ａは内部が中空に形成されたトーチ本体であり、トーチ本体１Ａ内の先端部にはノズル２が形成されている。
一実施形態に係るプラズマトーチ１は、トーチ本体１Ａと、プラズマトーチ用電極１０とを備えている。
トーチ本体１Ａは、内部に中空部と冷却水路１Ｂが形成され、中空部にはプラズマトーチ用電極１０が配置されている。
また、プラズマトーチ用電極１０とトーチ本体１Ａ内の内周面との間には、作動ガス（例えば、酸素ガス）が流通する作動ガス通路３が形成され、作動ガス通路３を介して供給された作動ガスがノズル２から噴射されるようになっている。
【００２１】
また、トーチ本体１Ａにおけるノズル２の作動ガス噴出孔２Ａ外側位置には、冷却水路１Ｂを画成するヘッドキャップ４が取り付けられている。
【００２２】
プラズマトーチ用電極１０は、図１、図２に示すように、電極基体１１と、電極基体１１の先端面１１Ａ中央の孔１１Ｂ内に配置される電極材１２とを有する構成とされ、電極材１２は、例えば、ハフニウムにより、電極基体１１は銅により形成されている。
【００２３】
また、プラズマトーチ用電極１０を陰極として、被加工材Ｗを陽極として、図示しない電源に接続されている。
そして、プラズマトーチ用電極１０は、図４に示すように、下方に位置する被加工材Ｗとの間にアークを発生させて、作動ガス通路３を経由してノズル２から噴射される作動ガスをプラズマ化し、これにより発生したプラズマアークＰにより、被加工材Ｗを切断するようになっている。
【００２４】
電極材１２の周囲に位置する電極基体１１の先端面１１Ａには、図１及び図２に示されるように、リング状の溝２０が形成されている。この溝２０は、溝２０が延在する方向と直交する断面がＶ溝状に形成され、電極基体１１の先端面１１Ａにおいて、略円柱状に形成された電極材１２の軸線Ｏを中心として、電極材１２と同軸状に配置されている。
【００２５】
また、溝２０は、図２に示すように、電極基体１１の先端面１１Ａにおいて電極材１２の周面から一定の間隔をおいて離れた位置に配置されることで、溝２０と電極材１２の周面との間に、電極基体１１の壁１１Ｃを形成している。
また、プラズマトーチ用電極１０の電極基体１１の中心に位置する中空部１１Ｄは冷却水が循環する空間とされている。
かかる構成により、電極基体１１の先端面１１Ａ近傍における電極材１２の冷却が可能となり、溶融したハフニウムが溝２０に流入することが抑制されると推測される。
【００２６】
一実施形態に係るプラズマトーチ用電極１０、プラズマトーチ１によれば、電極材１２を構成するハフニウムが溶融しても、プラズマトーチ用電極１０の先端面に沿って電極基体１１に移動、拡散することが抑制される。
その結果、電極材１２を構成するハフニウムの質量減少が抑制され、ひいてはプラズマトーチ用電極１０の寿命を延長することができる。
【００２７】
また、プラズマトーチ用電極１０、プラズマトーチ１によれば、電極材１２が、電極基体１１の先端面１１Ａの中央に位置する孔１１Ｂ内に配置され、溝２０が電極材１２と同軸状に配置されているので、長時間にわたり安定したプラズマアークを生成し、ひいてはプラズマトーチ用電極１０の寿命を延長することができる。
【００２８】
また、プラズマトーチ用電極１０、プラズマトーチ１によれば、溝２０がＶ溝状に形成されていて、深さ方向に対して径方向の間隔を大きく設定することができるので、電極材１２を構成するハフニウムの拡散を効率的に抑制することができる。
【００２９】
また、電極基体１１の先端面１１Ａに電極材１２と同軸状にリング状の溝２０を配置したプラズマトーチ用電極１０における観察によると、溝２０近傍の作動ガスが高速化されており、その結果、作動ガスの流れ及びプラズマアークが安定化され、プラズマアークから電極材１２への熱伝達が抑制されたために、ハフニウムの溶融が軽減され、ハフニウムの流出又は飛散による拡散が減少したことが推測される。
また、電極材１２を構成しているハフニウムが必要以上に溶融して拡散することが抑制された結果、電極基体１１の溶融も抑制され、消耗中期における陰極としてのプラズマトーチ用電極１０が安定したことが推測される。
【００３０】
以下、本発明者らが実施した実験結果の一例を示す。
使用したプラズマトーチ１は、電極基体の先端外径は直径  φ７．５ｍｍ、電極材の先端外径は直径  φ２．０ｍｍであり、加工条件を電流値  ４７０Ａ、切断速度  ４５００ｍｍ／ｍｉｎ、切断サイクル  ６分／回として、板厚１２ｍｍの被加工材を切断した場合に、溝２０の有無によるプラズマアーク発生用電極の寿命を比較した。
溝２０は、電極材１２の中心と同軸にφ３ｍｍとし、深さ０．４ｍｍ、Ｖ溝加工
とした。
その結果、従来の溝なし品で４５分だった寿命が、上記溝あり品では、８２分に伸びることが確認できた。
【００３１】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上記実施の形態においては、電極材がハフニウムである場合について説明したが、電極材をハフニウム以外の高融点材料により構成してもよい。
【００３２】
また、上記実施形態においては、溝２０がリング状に形成されている場合について説明したが、例えば、溝２０を平面視多角形としてもよいし、周方向位置における一部の電極材との間隔が異なる寸法とされていてもよい。
【００３３】
また、上記実施形態においては、溝２０が、伸びる方向と直交する断面がＶ字状に形成されている場合について説明したが、例えば、断面がＵ字状、半円形状、矩形状等、他の形状としてもよい。
また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、電極材１２の軸線Ｏと溝２０との距離（溝２０の直径で代用可）及び深さを設定変更してもよい。
また、上記実施形態に示したノズル２と異なる構造を有するノズルに、プラズマトーチ用電極１０を適用して、プラズマトーチを構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係るプラズマトーチ用電極、プラズマトーチによれば、電極材の電極基体への拡散を抑制することができるので、産業上利用可能である。
【符号の説明】
【００３５】
Ｏ  軸線
Ｗ  被加工材
Ｐ  プラズマアーク
１  プラズマトーチ
１Ａ  トーチ本体
２  ノズル
３  作動ガス通路
２Ａ  作動ガス噴出孔
１０  プラズマトーチ用電極
１１  電極基体
１１Ａ  先端面
１１Ｂ  孔
１２  電極材
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005647884.tif 000004
【図４】
0005647884.tif 000005