(57)【要約】【課題】  電極及びノズルの双方に対するアークの腐食効果を軽減するための改良型装置及び方法を提供する。【解決手段】  作業モードと待機モードとの間に選択的に切り換えるプラズマアークトーチ及び関連方法が提供するものである、電気アークは電極及び母材の間に発生され、プラズマアークトーチは作業モード及び待機モードで選択的に作動され、作業モードにおいて、アークは電極１４及び母材１００間に延び、アークは作業アーク電流を有し、プラズマガスはある作業流量でノズルを通り流れており、続く待機モードにおいて、アークは、電極及びノズル間に延びると共に、作業アーク電流よりも小さい電流を有し、待機モードにおけるガス流量は、作業流量未満に減少させることができ、プラズマガスは酸化性ガスから非酸化性ガスに切り換えることができる。【選択図】  図３
2004160552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチの電極の起動腐食を低減すべく、該プラズマアークトーチを作動させるための方法であって、
ある作業アーク電流で前記電極と母材との間に電気アークを発生させる作業モードで前記プラズマアークトーチを作動させ、その際、前記作業モードにおいてある作業流量で前記プラズマアークトーチのノズルを介して酸化性プラズマガスを供給することにより前記母材に対し作業を実施するステップと、
前記アーク電流を待機アーク電流まで減少させてアークが前記電極及び前記ノズルの間に延びるようにさせることにより、前記作業を終了すると共にほぼ同時に前記プラズマアークトーチを待機モードに切り換えるステップとを含み、その際、非酸化性待機ガスが前記待機モードにある前記ノズルを介して待機流量で供給される、プラズマアークトーチの作動方法。
【請求項２】
前記作業を実施する前に、
前記作業アーク電流よりも小さいパイロットアーク電流で前記電極及び前記ノズルの間にパイロットアークを開始させる開始ステップと、
前記作業流量よりも少ないパイロット流量で前記ノズルを通るガスの流れを開始させる開始ステップと、
前記両開始ステップに引き続いて、前記アーク電流及び前記ガスの流量を増大させると共に前記電極及び前記母材の間にアークを発生させることにより、前記プラズマアークトーチを前記作業モードに切り換える切換えステップと、
によって前記プラズマアークトーチを起動することを更に含む、請求項１に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項３】
前記作業モードで前記プラズマアークトーチを作動させることは、少なくとも約２５０アンペアの作業アーク電流で前記プラズマアークトーチを作動させることを含んでおり、前記待機モードにある前記プラズマアークトーチは、約２５アンペア未満の待機アーク電流で作動される、請求項１に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項４】
前記作業モードにおいて、前記酸化性プラズマガスを供給することは酸素を供給することを含み、前記待機モードにおいて、窒素及びアルゴンからなるグループのうちの少なくとも１つを前記待機ガスとして前記プラズマアークトーチに供給する、請求項１に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項５】
前記切り換えるステップに続き、前記作業モードにおいて前記作業を実施するステップを繰り返すことを更に含む、請求項１に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項６】
プラズマアークトーチの電極の起動腐食を低減すべく、該プラズマアークトーチを作動させるための方法であって、
ある作業アーク電流で前記電極と母材との間に電気アークを発生させる作業モードで前記プラズマアークトーチを作動させ、その際、前記作業モードにおいてある作業流量で前記プラズマアークトーチのノズルを介してプラズマガスを供給することにより前記母材に対し作業を実施するステップと、
前記アーク電流を待機アーク電流まで減少させてアークが前記電極及び前記ノズルの間に延びるようにさせることにより、前記作業を終了すると共にほぼ同時に前記プラズマアークトーチを待機モードに切り換えるステップとを含み、その際、待機ガスが前記待機モードにある前記ノズルを介して前記作業流量よりも少ない待機流量で供給される、プラズマアークトーチの作動方法。
【請求項７】
前記作業を実施する前に、
前記作業アーク電流よりも小さいパイロットアーク電流で前記電極及び前記ノズルの間にパイロットアークを開始させる開始ステップと、
前記作業流量よりも少ないパイロット流量で前記ノズルを通るガスの流れを開始させる開始ステップと、
前記両開始ステップに引き続いて、前記アーク電流及び前記ガスの流量を増大させると共に前記電極及び前記母材の間にアークを発生させることにより、前記プラズマアークトーチを前記作業モードに切り換える切換えステップと、
によって前記プラズマアークトーチを起動することを更に含む、請求項６に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項８】
前記作業モードで前記プラズマアークトーチを作動させることは、少なくとも約２５０アンペアの作業アーク電流で前記プラズマアークトーチを作動させることを含んでおり、前記待機モードにある前記プラズマアークトーチは、約２５アンペア未満の待機アーク電流で作動される、請求項６に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項９】
前記作業モードにある前記プラズマアークトーチは、少なくとも約５６.６３リットル／分（２CFM）のプラズマガスの作業流量で作動され、該作業流量は、前記待機モードにおいて約２８.３２リットル/分（１CFM）よりも少ない待機流量まで減少させられる、請求項６に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１０】
前記作業モードにある前記プラズマアークトーチは、少なくとも約５６.６３リットル／分（２CFM）のプラズマガスの作業流量で作動され、該作業流量は、前記待機モードにおいて約７.０８〜１６.９９リットル/分（０.２５〜０.６０CFM）よりも少ない待機流量まで減少させられる、請求項６に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１１】
前記作業モードで前記プラズマアークトーチを作動させることは、同プラズマアークトーチへ酸化性プラズマガスを供給することを含み、前記待機モードにおいて、前記酸化性プラズマガスは停止され、非酸化性待機ガスが前記プラズマアークトーチに供給される、請求項６に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１２】
前記作業モードにおいて、前記酸化性プラズマガスを供給することは酸素を供給することを含み、前記待機モードにおいて、窒素及びアルゴンからなるグループのうちの少なくとも１つを前記待機ガスとして前記プラズマアークトーチに供給する、請求項１１に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１３】
前記待機モードにおいて前記待機ガスを供給することは、プラズマガスを供給することを含む、請求項６に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１４】
前記切り換えるステップに続き、前記作業モードにおいて前記作業を実施するステップを繰り返すことを更に含む、請求項６に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１５】
プラズマアークトーチの電極の起動腐食を低減すべく、該プラズマアークトーチを作動させるための方法であって、
ある作業アーク電流で前記電極と母材との間に電気アークを発生させる作業モードで前記プラズマアークトーチを作動させ、その際、前記作業モードにおいてある作業流量で前記プラズマアークトーチのノズルを介してプラズマガスを供給することにより前記母材に対し作業を実施するステップと、
前記アーク電流を待機アーク電流まで減少させ、アークが前記電極及び前記ノズルの間に延びるようにさせ、そして前記プラズマガスの少なくとも１つの流れパラメータを調整することにより、前記作業を終了すると共にほぼ同時に前記プラズマアークトーチを待機モードに切り換えるステップを含む、プラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１６】
前記プラズマガスの少なくとも１つの流れパラメータを調整することは、前記プラズマガスの流量を前記作業流量から待機流量に調整すること及び前記プラズマガスとは異なる待機ガスを供給することからなるグループのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１７】
前記作業を実施する前に、
前記作業アーク電流よりも小さいパイロットアーク電流で前記電極及び前記ノズルの間にパイロットアークを開始させる開始ステップと、
前記作業流量よりも少ないパイロット流量で前記ノズルを通るガスの流れを開始させる開始ステップと、
前記両開始ステップに引き続いて、前記アーク電流及び前記ガスの流量を増大させると共に前記電極及び前記母材の間にアークを発生させることにより、前記プラズマアークトーチを前記作業モードに切り換える切換えステップと、
によって前記プラズマアークトーチを起動することを更に含む、請求項１５に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１８】
前記作業モードで前記プラズマアークトーチを作動させることは、少なくとも約２５０アンペアの作業アーク電流で前記プラズマアークトーチを作動させることを含んでおり、前記待機モードにある前記プラズマアークトーチは、約２５アンペア未満の待機アーク電流で作動される、請求項１５に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項１９】
前記切り換えるステップに続き、前記作業モードにおいて前記作業を実施するステップを繰り返すことを更に含む、請求項１５に記載のプラズマアークトーチの作動方法。
【請求項２０】
電極の起動腐食を低減すべく、作業モード及び待機モードで選択的に作動可能に構成されたプラズマアークトーチであって、
孔を画成するノズルアセンブリと、
母材に向かい方向付け可能なように前記ノズルアセンブリの前記孔に向かい方向付けられると共に、前記ノズルアセンブリから電気的に絶縁されている電極と、
前記電極及び前記母材に電気的に連絡すると共に、該電極及び母材間に作業アーク電流を供給するように構成された作業アーク用電源装置と、
前記電極及び前記ノズルアセンブリに電気的に連絡すると共に、該電極及びノズルアセンブリ間に待機アーク電流を供給するように構成された待機アーク用電源装置と、
前記作業アーク用電源装置及び前記待機アーク用電源装置を制御すると共に、前記作業アーク用電源装置及び前記待機アーク用電源装置間に切り換える電源制御装置と、
前記ノズルアセンブリの前記孔に流体接続されると共に、酸化性ガスを提供する第１ガス源と、
前記ノズルアセンブリの前記孔に流体接続されると共に、非酸化性ガスを提供する第２ガス源と、
前記第１ガス源及び前記第２ガス源からの第１ガス及び第２ガスの流れの一方を制御するように構成されたガス制御装置と、
を備え、前記電源制御装置及び前記ガス制御装置は、アークを終了することなく作業モード及び待機モード間に選択的に切り換わるように構成されており、前記作業モードは、前記電源制御装置が前記作業アーク用電源装置を作動して前記作業アーク電流で前記電極及び前記母材の間にアークを発生すると共に、前記ガス制御装置が前記第１ガス源を作動して前記酸化性ガスをある作業流量で前記ノズルアセンブリに流通させており、前記待機モードは、前記電源制御装置が前記待機アーク用電源装置を作動して前記作業アーク電流よりも小さい前記待機アーク電流で前記電極及び前記ノズルアセンブリの間にアークを発生すると共に、前記ガス制御装置が前記第２ガス源を作動して前記非酸化性ガスをある待機流量で前記ノズルアセンブリに流通させるようにしたことを特徴する、プラズマアークトーチ。
【請求項２１】
前記作業アーク用電源装置は、少なくとも約２５０アンペアの作業アーク電流を供給するように設定されており、前記待機アーク用電源装置は、約２５アンペアよりも小さい待機電流を供給するように設定されており、前記電源制御装置は、アークが終了することなく前記母材及び前記ノズルアセンブリ間に選択的に転送されるように前記作業アーク用電源装置及び前記待機アーク用電源装置を選択的に付勢及び消勢するように構成されている、請求項２０に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項２２】
前記ガス制御装置は、前記第１ガス源及び前記第２ガス源からのガスの流量を可変的に調整するように構成されている、請求項２０に記載のプラズマアークトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアークトーチに関し、また、作業モードと、待機モード、具体的には、電極及びノズル間に延びるアーク、減少アーク電流、待機ガス及び／又は減少ガス流量により特徴付けられる待機モードとの間に切り換えるための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマアーク装置は、通常、切断及び溶接のために使用されている。従来のプラズマアークトーチの１つは、ノズル内に配置された電極を備えている。加圧ガスは、このプラズマアークトーチに供給されて電極及びノズル間に流れ、アークが電極及び母材間に発生するようになっている。アークはガスをイオン化し、その結果生じた高温ガスは、切断又は溶接作業のために使用することが可能となる。
【０００３】
腐食は、電極の有効寿命を減少させ、プラズマアークトーチの搬送又は作動中に（作動腐食）並びにアークの起動及び停止中に（起動腐食）生ずることが知られている。プラズマアークトーチを起動させる代表的な一方法は、先ず、電極及びノズル間に低電流でアークを発生することによりパイロットモードを開始する。その後、プラズマアークトーチは、アークが電極及び母材間に延びるようにアークを母材に移動させると共にアークの電流を増すことによって、パイロットモードから搬送もしくは作業モードに切り換えられる。パイロットモード中に非酸化性ガスをプラズマアークトーチに供給して電極の酸化及び腐食を軽減させ、その後、酸化性ガスを作動中に供給することが可能となる。パイロットモードの使用については、本発明の譲受人に譲渡された「分離し発生された非酸化性ガス及び酸化性ガスの流れを有するプラズマアークトーチ起動方法(Plasma Arc Torch Starting Process Having Separated Generated Flows of Non-Oxidizing And Oxidizing Gas)」と題する特許文献１に更に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【特許文献１】米国特許第５,０１７,７５２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電極の腐食は、パイロットモード中にプラズマアークトーチに非酸化性ガスを供給することにより減少させることができるが、プラズマアークトーチの起動及び停止は、依然として電極に対して腐食性である。例えば、多数の異なる母材を切断するために、或いは単一母材に多数の不連続切断を行うために切断トーチを繰り返しオン・オフするときに、起動腐食は電極の総腐食の重要な原因を構成している。このような繰返し起動に起因する起動腐食を減じるために提案された方法の一つは、各切断毎にアークを停止及び再起動する代わりに連続する切断間にアークを維持することである。アークは、該アークを母材からノズルへ或いは特別の電極へ切り換えることにより、アークが電極とノズルとの間、或いは特別の電極との間に延びるようになり、維持されることができる。電極の起動腐食は、このような連続アークを使用して減じることができるが、アークが特に長期にわたり維持されれば、該アークは、ノズル又は特別の電極の腐食を生じさせる。その上、プラズマアークトーチに特別の電極を用意することは、プラズマアークトーチのコスト及び複雑さを増すことになる。
【０００５】
従って、電極及びノズルの双方に対するアークの腐食効果を軽減するための改良型装置及び方法の必要性が存在する。この装置は、多数の不連続な溶接又は切断作業を遂行すると共に、相次ぐ作業と作業との間に連続アークを維持することが可能でなければならない。該装置は、溶接又は切断作業間に連続アークを維持するための特別な電極を必要とすべきではないことが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、プラズマアークトーチと、連続する溶接又は切断作業間に採用可能で、作業モード及び待機モード間に切り換えるための関連方法とを提供するものである。待機モードにおいて、アークは、電極及びノズル間に延びるように切り換えられるようになっている。また、アーク電流は減少され、プラズマガスの少なくとも１つの流れパラメータが、例えば、プラズマガス組成を変更することにより及び／又はガス流量を減少させることにより調整されている。したがって、不連続な作業のためにトーチを使用しながらアークを維持することができ、ノズル及び電極の双方に対する腐食効果が最小にされることになる。
【０００７】
一実施形態において、本発明は、プラズマアークトーチを選択的に作業モード及び待機モードで作動する方法を提供するものである。電気アークは、例えば、後の作業電流よりも小さい電流で電極及びノズル間にパイロットアークを開始させ、後の作業流量よりも少ないパイロット流量で電極の周り並びにノズルの中を通るプラズマガスの流れを開始させ、パイロットアークをノズルから母材に移動させることによって、電極及び母材の間に発生される。プラズマアークトーチは、作業モードにおいて、例えば少なくとも約２５０アンペアのような比較的に大きなアーク電流で作動され、プラズマガスは、例えば少なくとも約５６.６３リットル／分（２ＣＦＭ）のような比較的に多い流量で供給される。作業モードを終了すべき場合には、プラズマアークトーチを止める代わりに、プラズマアークトーチをアーク電流が例えば約２５アンペア未満のように作業電流より小さい待機モードに切り換える。待機ガスは、例えば約２８.３２リットル／分（１CFM）未満、好ましくは約７.０８〜１６.９９リットル/分（０.２５〜０.６０CFM）のように作業流量よりも少なくすることができる待機流量で、待機モードの間、プラズマアークトーチに供給される。その結果、アークは母材からノズルに切り換えられる。作業モードから待機モードへの切換えのときに、プラズマガスは、作業モード中に使用された酸素のような酸化性ガスから、待機モード中に使用される窒素又はアルゴンのような非酸化性ガスに交換される。その後、作業モードは、プラズマアークトーチを再起動することなく再開することが可能となる。
【０００８】
また、本発明は、作業モード及び待機モードで選択的に作動可能に構成されたプラズマアークトーチも提供している。このプラズマアークトーチは、孔を画成するノズルアセンブリと、母材に向かい方向付け可能なように該孔に向かい方向付けられると共に、前記ノズルアセンブリから電気的に絶縁された電極とを備えている。作業アーク用電源装置は、電極及び母材に電気的に連絡すると共に、該電極及び母材間に作業アーク電流を供給するように構成されている。待機アーク用電源装置は、電極及びノズルアセンブリに電気的に連絡すると共に、該電極及びノズルアセンブリ間に待機アーク電流を供給するように構成されている。これらの電源装置は電源制御装置により制御されるようになる。第１ガス源及び第２ガス源は、ノズルアセンブリの孔に流体接続されており、ガス制御装置は、これらガス源からのガスの流れを制御するように構成されている。電源制御装置及び前記ガス制御装置は、作業モード及び待機モード間に選択的に切り換わるように構成されている。作業モードは、ある作業電流を有し、かつ電極及び母材の間に延びるアークと、ある作業流量でノズルアセンブリを通流するプラズマガスとにより特徴付けられる。待機モードは、上記作業アーク電流よりも小さい待機電流を有し、かつ電極及びノズルアセンブリの間に延びるアークと、作業流量よりも少なくすることができるある待機流量でノズルアセンブリを通流する待機ガスとにより特徴付けられる。作業アーク用電源装置及び待機アーク用電源装置は、それぞれ、少なくとも約２５０アンペアの電流及び約２５アンペア未満の電流を供給するように設定することができる。第１及び第２ガス源は、それぞれ、ガス制御装置により制御される非酸化性ガス及び酸化性ガスを供給するように構成することが可能である。さらに、ガス制御装置は、ガスの流量を可変的に調整するように構成することが可能である。
【０００９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、添付図面を参照して以下に更に十分に説明されるであろうが、同添付図面には、本発明の全てではなく一部の実施形態が示されている。実のところ本発明は、多くの異なる形態で実施可能であり、本明細書に記載した実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示内容が関連法律要件を満たすように提供されている。全体を通じて同様の数字は同様の部材について言及している。
【００１１】
図面、特に図１を参照すると、本発明の一実施形態によるプラズマアークトーチ１０が例示されている。このプラズマアークトーチ１０は、ノズルアセンブリ１２と、管状の電極１４とを備えている。電極１４は、銅又は銅合金から形成されるのが好適であって、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。具体的には、上側の管状部材１５は、細長い開放管状構造のものであって、プラズマアークトーチの長手方向軸線を画定している。また、管状部材１５は、雌ねじが切られた下側端部１７も備えている。ホルダ１６もまた管状構造のものであって、下側前端と上側後端とを有している。横端壁１８は、ホルダ１６の前端を閉じると共に、外側前面２０を画成している。ホルダ１６の後端は、雄ねじが切られていて、上側の管状部材１５の下側端部１７に螺着されている。
【００１２】
凹部２４は、端壁１８の前面２０に形成されており、長手方向軸線に沿って後方に延びている。インサートアセンブリ２６は、この凹部内に取付けられていると共に、長手方向軸線に沿って同軸に配置された電子放射インサート２８を備えている。図１に示されたこの電子放射インサート２８は、ほぼ円筒形であるが、その他の形状も同様に使用可能である。電子放射インサート２８は、電位が印加された際に同電子放射インサートが容易に電子を放射するのに適応すべく、比較的に低い仕事関数を有する金属材料から構成されているのが好適である。このような金属材料の適当な例には、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ある。
【００１３】
相対的に非放射のセパレータ３２は、凹部２４の壁に冶金接合された周壁と閉底壁３４とを有しており、電子放射インサート２８を囲み、同軸的に凹部２４内に配置されている。更に、セパレータ３２は、ホルダ１６の前面２０の平面にある外側環状表面を画成する環状フランジ３５を備えている。このセパレータ３２は、「プラズマアークトーチの電極及びその製造方法(Electrode for Plasma Arc Torch And Method of Fabricating Same)」と題する米国特許第５,０２３,４２５号に更に記載されており、その全体は参照により本明細書に組み込まれる。
【００１４】
図示の実施形態において、電極１４は、ガス通路４０及び液体通路４２を有するプラズマアークトーチ本体部３８内に取付けられている。このトーチ本体部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。管４６は、電極１４の構造内を通る水のような液媒体を循環させるために、電極１４の中央孔４８内に懸架されている。この管４６は、同管４６からの排出時に水が流れるのを可能にするスペース４９を提供すべく、中央孔４８の直径よりも若干小さい直径のものである。水は、水源（図示せず）から管４６を通り、スペース４９をトーチ本体部３８にある開口５２へと逆に通って、排水ホース（図示せず）へと流れるようになっている。
【００１５】
液体通路４２は、噴射水をノズルアセンブリ１２内に流入させ、噴射水はそこでプラズマアークを囲むため渦流に変えられる。図２に示すように、トーチ本体部３８のガス通路４０は、１つ以上の適当なガス源からガスを受け取るように構成されている。例えば、第１ガス源８０は、窒素、アルゴン又はその混合物のような非酸化性ガス、即ち、非反応性ガスを供給することが可能である。第２ガス源８２は、酸素又は空気のような酸化性ガス、即ち、反応性ガスを供給することが可能である。ガス制御装置８１は、ガス源８０，８２からガス通路４０内への非酸化性ガス及び酸化性ガスのそれぞれの流れを選択的に制御することが可能である。ガス制御装置８１は、オペレータがアクセスできる１つ以上の手動調整可能なバルブを有することができ、或いはガス制御装置８１は、電気制御回路により制御される自動バルブのような自動装置とすることができる。このガス制御装置８１は、各ガス源８０，８２からのガスの可変流量を調節できることが好ましい。ガス通路４０は、任意の適当な高温セラミック材料から形成された従来のガスバッフル５４を介して、ガスをガスプレナムチャンバ５６内に、よく知られた渦流式に流入させている。ガスは、ノズルアセンブリ１２のアーク絞り同軸孔６０，６２を経由してプレナムチャンバ５６から流れ出るようになっている。電極１４は、セラミック製のガスバッフル５４及びプラスチック製の高温絶縁部材５５を所定位置に保持している。この絶縁部材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。
【００１６】
ノズルアセンブリ１２は、第１ノズル部材６３及び第２ノズル部材６４を備え、該ノズル部材６３，６４はそれぞれ第１孔６０、第２孔６２を有している。第１ノズル部材６３及び第２ノズル部材６４は共に金属製でよいが、第２ノズル部材にはアルミナのようなセラミック材料が好ましい。第２ノズル部材６４は、プラスチックで形成できるスペーサ部材６５及び水旋回リング６６により、第１ノズル部材６３から分離されている。第１ノズル部材６３及び第２ノズル部材６４間に設けられたスペースは、水チャンバ６７を形成している。第１ノズル部材６３の第１孔６０は、プラズマアークトーチの電極１４の長手方向軸線と同軸状に整列している。また、第１孔６０は、円筒形であると共に、プレナムチャンバ５６の近くに約４５度の面取り角をもつ面取り上端を有している。
【００１７】
第２ノズル部材６４は、前端（即ち、下端）部及び後端（即ち、上端）部を画成する円筒形本体部７０から構成されており、第２孔６２がこの本体部７０を同軸状に貫いて延びている。環状の装着用フランジ部７１は後端部に配置されており、切頭円錐面７２は第２孔６２と同軸であるように前端部の外側に形成されている。環状の装着用フランジ部７１は、コップ状部材７４の下端で内向きフランジ部７３によって下方から支持されており、該コップ状部材７４は、相互結合するねじ部により外側ハウジング部材４４に取外し自在に取付けられている。また、ガスケット７５は、２つのフランジ部７１，７３間に配置されている。
【００１８】
第２ノズル部材６４にあるアーク絞り第２孔６２は円筒形であり、プラスチックのような任意の適当な材料から形成できる心出しスリーブ７８によって、第１ノズル部材６３にあるアーク絞り第１孔６０との同軸的整列状態に維持されている。この心出しスリーブ７８は、その上端に舌状部を有しており、該舌状部が第１ノズル部材６３にある環状の切欠き中に取外し自在にロックされるようになっている。心出しスリーブ７８は、第２ノズル部材６４との片寄り係合状態に第１ノズル部材６３から延びている。旋回リング６６及びスペーサ部材６５は、スリーブ７８内への第２ノズル部材６４の挿入前に組み立てられるようになっている。水は、液体通路４２からスリーブ７８にある開口８５を通って、旋回リング６６の噴射ポート８７へと流れ、該噴射ポートが水を水チャンバ６７内に噴射するようになっている。これらの噴射ポート８７は、旋回リング６６の回りに接線方向に配置され、水が水チャンバ６７において渦巻状の流れパターンを形成することが好ましい。水は、第２ノズル部材６４にあるアーク絞り孔６２を経て水チャンバ６７を流出することになる。
【００１９】
図３に概略的に示すように、パイロットアーク用電源装置９０及び待機アーク用電源装置９２は、各電源装置が電極１４とトーチ本体３８、例えば、ノズルアセンブリ１２に電気的に連絡するコップ状部材７４とに対して直列関係で別々に設定され、プラズマアークトーチ１０に接続されている。主電源装置９１は、接地されるのが一般的な金属母材１００と直列回路関係でトーチ電極１４に接続されている。電源制御装置１１０は、電源装置９０，９１，９２、従って、パイロットアーク、作業アーク及び待機アークを制御することが可能である。電源制御装置１１０は、オペレータが使用するのに適する便利な位置のところでプラズマアークトーチ１０上に配置されるトグルスイッチとすることができる。代案として、電源制御装置１１０は、制御回路のような自動スイッチング装置とすることができる。電源装置９０，９１，９２の各々は、異なるパイロットアーク、作業アーク及び待機アーク電流を供給できるように可変となっている。また、電源装置９０，９１，９２は別個の要素として図示されているが、単一の兼用電源（図示せず）がパイロットアーク、作業アーク及び待機アーク電流の一つ以上を供給することが可能となっている。給電系統は、一つ以上の電源装置に電気的に接続してそこに電気エネルギを供給することが可能となっている。
【００２０】
図４は、本発明の一方法によるアーク電流、ガス種類及びガス流量の変化を図解している。図示のように、プラズマアークトーチ１０は、ガス通路４０への及び通常のガスバッフル５４を通る窒素又はアルゴンのような非酸化性ガスであることが好ましい起動ガスの流れを開始することにより、パイロットモードで起動することが可能である。例えば、ガス制御装置８１は、非酸化性起動ガスの流れを開始させる位置に第１ガス源８０を調節することが可能である。起動ガスは、プレナムチャンバ５６内に渦巻き式に流入し、ノズルアセンブリ１２のアーク絞り同軸孔６０，６２を経てプレナムチャンバから外部に流れる。次いで、図４に示すように、パイロットアークが電極１４の放電端とノズルアセンブリ１２との間で点火される。例えば、電源制御装置１１０は、パイロットアーク用電源装置９０に電圧を加えて電極１４及びノズルアセンブリ１２間に起電ポテンシャルを確立し、それによりパイロットアークを点火する。
【００２１】
その後、プラズマアークトーチ１０は、パイロットモードから作業モードに切り換えられ、同作業モードにおいて、プラズマアークトーチ１０が切断又は溶接のような作業のために使用される。パイロットアークは、ノズルアセンブリ１２から母材１００に転送され、電極１４から延びて母材１００へのアーク絞り孔６０，６２を通る作業アークを形成する。作業アークの電流は、パイロットアークよりも大きいと共に、トーチの作動に従って選択されるのが好ましい。例えば、作業アークの電流は、約４００アンペアとすることができ、好ましいのは約２５０アンペアよりも大きいことである。もっと大きな作業アーク電流は、電源制御装置１１０により作動されるように制御される作業アーク用電源装置９１によって供給することが可能である。例えば、電源制御装置１１０は、作業アーク用電源装置９１を付勢し、同時にパイロットアーク用電源装置９０を消勢することが可能である。
【００２２】
パイロットアークが転送されるのとほぼ同時に、起動ガスの流れを実質的に同時に終了させることが可能であり、そしてプラズマガスの新しい流れをガス通路４０中に入れ、ガスバッフル５４に通し、ガスプレナムチャンバ５６に入れ、ノズルアセンブリ１２のアーク絞り同軸孔６０，６２に通すように向けることが可能である。例えば、ガス制御装置８１は、第１ガス源８０を非酸化性ガスの流れを停止するオフ位置に調整すると共に、第２ガス源８２を酸化性ガスの流れを開始するオン位置に変更することが可能である。代案として、起動ガスの流れは、作業モード中、プラズマガスとして継続することが可能である。このプラズマガスは、酸素又は空気のような酸化性ガスが好ましいが、希望により非酸化性ガスを使用している。転送されたアーク、即ち作業アークとプラズマガスは、電極１４からノズルアセンブリ１２を介して母材１００に向かうプラズマガスを生成する。各アーク絞り孔６０，６２は、アークの強化及び平行化に寄与する。液体通路４２内に放出された水は、ノズルアセンブリ１２内への水の噴射を指令し、該ノズルアセンブリにおいて、水はプラズマアークを囲むため旋回渦に変えられる。
【００２３】
複数の段階的作業の一つを完了した際に、例えば、特定の切断又は溶接を終了したときに、プラズマアークトーチ１０は、作業アークを母材１００から転送すると共に、電極１４からノズルアセンブリ１２に延びる待機アークを発生させることにより、待機モードに切り換えられる。例えば、電源制御装置１１０は、待機アーク用電源装置９２を生かし、作業アーク用電源９１を殺すことによりアークを切り換えることが可能である。待機アークの電流は作業アーク電流よりも大きく、例えば、約１０〜２５アンペアであることが好ましい。作業アークが転送されるのとほぼ同時に、プラズマガスの種類又は流量のような少なくとも１つのプラズマガスの流れのパラメータが調整されることになる。プラズマガスはほぼ同時に終了されるのが好ましく、待機ガスの新しい流れをガス通路４０中に入れ、ガスバッフル５４に通し、ガスプレナムチャンバ５６に入れ、ノズルアセンブリ１２のアーク絞り同軸孔６０，６２に通すように向ける。待機ガスは、窒素又はアルゴンのような非酸化性ガスであることが好ましく、また、起動ガスと同一とすることができる。例えば、ガス制御装置８１は、第２ガス源８２を酸化性ガスの流れを停止するオフ位置に調整すると共に、第１ガス源８０を待機ガスとしての非酸化性ガスの流れを開始するオン位置に変更することができる。代案として、待機ガスは、プラズマガスと同じガス或いは異なる酸化性ガスとすることができ、当該待機ガスは、第２ガス源８２或いは第３ガス源（図示せず）により供給されてもよい。また、待機ガスは、例えば、アルゴン及び酸素の混合物を含むガスの混合物とすることができる。混合ガスは、ガス源８０，８２、第３ガス源のうちの１つから供給されるか、或いはガス源８０，８２の２つ以上からガスを同時に供給することにより供給されうる。待機モードにおける待機ガスの流量は、作業モードにおけるプラズマガスの流量よりも少なくすることができる。例えば、待機ガスは、約２８.３２リットル／分（１CFM）未満、例えば約７.０８〜１６.９９リットル／分（０.２５〜０.６０CFM）の流量でプラズマアークトーチ１０に供給することができる。従って、待機モードは、アーク電流、ガス種類及び／又はガス流量の変化により特徴付けられるものである。
【００２４】
プラズマアークトーチ１０は、電極１４又はノズルアセンブリ１２に大きな腐食を生ずることなく、短期間又は長期間にわたり待機モードに維持されることが可能である。従って、プラズマアークトーチ１０は、第１作業を行うのに使用され、次いで後に続く作業を遂行すべきときまでに、待機モードに切り換えられる。例えば、プラズマアークトーチ１０は、母材１００を切断するために使用され、その後、母材１００又は第２の母材（図示せず）が後に続く作業のために設定されると共にプラズマアークトーチ１０が後に続く作業のために近くへ移動される間に待機モードに切り換えられている。待機アーク電流、待機ガス、及び／又は待機流量への調節は、電極１４及びノズルアセンブリ１２に対する待機アークの腐食効果を減少させるものである。
【００２５】
その後、プラズマアークトーチ１０は、遂行すべき特別の作業による必要に応じ、作業モードと待機モードとの間に選択的に切り換えることができる。プラズマアークトーチ１０が待機モードから作業モードに切り換えられるときに、待機アークはアーク絞り孔６０，６２を経て母材１００に逆に転送されて、電極１４から母材１００へと延びる作業アークを形成する。作業アーク電流は、特定の作業による必要に応じて再開され、待機ガスの流れが実質的に終了されると共に、プラズマガスの流れが再開される。プラズマアークトーチ１０は、前述したようにパイロットモードを使用して開始することができると共に、アークを終了することなく或いはアークをパイロットモードから再び開始することなく、必要に応じて作業モードと待機モードとの間に繰り返し切り換えられることができる。このようにして、ノズルアセンブリ１２及び電極１４の双方に対する腐食効果は最小にすることができる。
【００２６】
トーチ作業が終了すると、プラズマアークトーチ１０は待機モードから外れるのが好ましく、しかしプラズマアークトーチ１０は作業モードからは直ちに外れることができる。プラズマアークトーチ１０を止めるために、アークが終了され、ノズルアセンブリ１２を通る待機ガス又はプラズマガスの流れが終了される。プラズマアークトーチ１０が作業モードから外されていれば、或いは待機ガスが酸化性ガスであれば、非酸化性ガスはガス通路４０に供給され、かつノズルアセンブリ１２及び電極１４のディスチャージ間にノズルアセンブリ１２の同軸孔６０，６２に通し供給することができる。
【００２７】
前述した記載及び関連の図面により提供された教示により恩恵を受ける本発明に関係した技術に習熟した者は、本発明の種々の改変及びその他の実施形態に想到するであろう。従って、言うまでもなく、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、その他の改変及び実施形態も特許請求の範囲内に包含されることが企図されている。本明細書において特定の用語が用いられているが、これらの用語は、一般的かつ説明的な意味で使用されており、限定のために用いられているのではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態によるプラズマアークトーチの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるプラズマアークトーチの概略図であり、プラズマガス源を例示している。
【図３】本発明の一実施形態によるプラズマアークトーチの概略図であり、アーク電流の電源装置を例示している。
【図４】本発明の一実施形態によるプラズマアークトーチの作動中における時間の関数としてアーク電流、ガス種類及びガス流量を例示する２部構成のグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１０  プラズマアークトーチ
１２  ノズルアセンブリ
１４  電極
４０  ガス通路
４２  液体通路
６０  アーク絞り同軸孔
６２  アーク絞り同軸孔
６３  第１ノズル部材
６４  第２ノズル部材
８０  第１ガス源
８１  ガス制御装置
８２  第２ガス源
９０  パイロットアーク用電源装置
９１  主電源装置
９２  待機アーク用電源装置
１００  母材
１１０  電源制御装置
【図１】
2004160552.tif 000003
【図２】
2004160552.tif 000004
【図３】
2004160552.tif 000005
【図４】
2004160552.tif 000006