(57)【要約】【課題】長寿命化を図ることができるプラズマトーチ用の電極およびそれを用いたプラズマ切断方法を提供する。【解決手段】電極基体２の先端部略中央の孔２ｂに電極材３が挿入され、電極材と被加工物との間に所定の電流値を印加してプラズマアークを形成するためのプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法であって、電極材の断面積に対応した範囲内の電流値を印加して切断する。印可する電流値は、以下の式に基づき決定される。2004298940.tif 000008ｙ：電極材の断面積（ｍｍ２）Ｂ：印加する電流値（アンペア）Ｚ：定数【選択図】    図３
2004298940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極基体の先端部略中央の孔に電極材が挿入され、該電極材および被加工物間に電流を印加してプラズマアークを形成するためのプラズマトーチ用電極であって、
表面に、前記電極材の断面積に対応して、電極材および被加工物間に印加される電流値の表示がな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】
前記電流値は、以下の式に基づき決定されることを特徴とする請求項１記載のプラズマトーチ用電極。
2004298940.tif 000006
ｙ：電極材の断面積（ｍｍ２）
Ｂ：印加する電流値（アンペア）
Ｚ：定数
【請求項３】
電極基体の先端部略中央の孔に電極材が挿入され、該電極材および被加工物間に電流を印加してプラズマアークを形成するためのプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法であって、
前記プラズマトーチ用電極の寿命を長くするための、前記電極材の断面積と電極材および被加工物間に印加する電流値との関係式を実験データにより求め、該関係式に基づき、電極材の予め定められた断面積に対応する、電極材および被加工物間に印加する電流値を決定して切断することを特徴とするプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法。
【請求項４】
前記電極材および被加工物間に印加する電流値を決定して切断するにあたり、
切断する被加工物の品質を維持するための、被加工物の板厚と切断速度との関係を実験データにより求め、
該関係に基づき、被加工物の板厚に対応する切断速度を決定し、該切断速度で被加工物を切断することを特徴とする請求項３記載のプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法。
【請求項５】
電極基体の先端部略中央の孔に電極材が挿入され、該電極材および被加工物間に電流を印加してプラズマアークを形成するためのプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法であって、
前記プラズマトーチ用電極の寿命を長くするための、前記電極材の断面積と該電極材および被加工物間に印加する電流値との関係式を実験データにより求め、該関係式に基づき、電極材および被加工物間に印加する予め定められた電流値に対応する、電極材の断面積を決定し、該断面積を有する電極材を用いて切断することを特徴とするプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法。
【請求項６】
前記関係式は以下の式であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法。
2004298940.tif 000007
ｙ：電極材の断面積（ｍｍ２）
Ｂ：印加する電流値（アンペア）
Ｚ：定数
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素ガスをプラズマ化して被切断材を切断するプラズマトーチ用の電極およびそれを用いたプラズマ切断方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマトーチから鋼板に向けてプラズマアークを噴射して母材を溶融させると共に、溶融した母材を排除しつつプラズマトーチを連続的に移動させることで鋼板を切断するプラズマ切断方法が実用化されている。このプラズマ切断方法では、ガス切断に比較して切断速度の向上をはかれるというメリットがある。
【０００３】
プラズマ切断方法で用いるプラズマトーチ用電極は、高純度酸素ガスによる酸化性雰囲気に曝されかつプラズマアークの高い温度が作用するため、使用条件が極めて過酷であり、窒素ガスや空気を利用して溶接する際に一般的に使用されるタングステンや銅等の金属からなる溶接用の電極では瞬時に溶けてしまい使用に耐えない。
【０００４】
このため、切断用の電極の寿命を延長させるための種々の開発がなされ、最近では、銅又は銅合金からなる電極材ホルダ（電極基体）の先端部略中央に形成した孔に、ハフニウムからなる電極材を挿入し、かつ電極材ホルダーと電極材との間にアルミニウム，金，金合金，銀，銀合金の中から選択された金属を介在させて構成し、さらに、電極材ホルダの先端面の外径と電極材の径とを一定の関係としたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３９７３６号公報（第２頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のプラズマトーチ用電極は、電極材ホルダの先端面の外径と電極材の径との関係から電極の長寿命化を図ろうとしたが、本発明者等が鋭意研究を行った結果、電極を印加する電流値を一定にし、電極材の径、言い換えれば電極材の断面積を種々変えたところ、寿命が変化することがわかった。すなわち、印加する電流値と電極材の断面積とを一定の関係に保つことによって、電極の長寿命化が図れることを見い出した。
【０００７】
このように、印加する電流値と電極材の断面積との関係が電極の長寿命化に影響するのは、以下の理由によるものと推定される。
すなわち、前述したように、電極材はプラズマアークの高い温度が作用するため、ある程度大きな印加電流値を用いる場合、通常、電極材ホルダの内部に冷却水を通して電極材を積極的に冷却する方法が採られる。ところで、電極材の径が大きくなれば、その分容量が増すため、熔損による破壊が行われにくくなることが期待できるものの、電極材を構成する材料例えばハフニウムは電極材ホルダを構成する銅や銅合金に比べて熱伝導率が悪く、電極材の径が大きくなると、それにつれて冷却性が悪くなる。つまり、印加する電流値を大きくする場合、径の大きな電極材を用いるのが好ましいが、単純に、電極材の径を大きくすればよいわけではなく、冷却性も考慮すると、自ずと、印加する電流値に応じた最適径あるいは最適断面積の電極材が決定されるのである。つまり、電流値と電極材の断面積とを一定の関係に保てば、電極の寿命を延ばすことが期待できる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電極材の断面積と、該電極材および被加工物の間に印加する電流値との関係から、長寿命化を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、電極基体の先端部略中央の孔に電極材が挿入され、該電極材と被加工物との間に所定の電流を印加してプラズマアークを形成するためのプラズマトーチ用電極であって、
表面に前記電極材の断面積に対応して印加される前記電流値の表示がなされていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項２記載のプラズマトーチ用電極において、前記電流値が以下の式に基づき決定されることを特徴とする。
2004298940.tif 000003
ｙ：電極材の断面積（ｍｍ２）
Ｂ：印加する電流値（アンペア）
Ｚ：定数
【００１１】
請求項３記載の発明は、電極基体の先端部略中央の孔に電極材が挿入され、該電極材および被加工物間に電流を印加してプラズマアークを形成するためのプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法であって、
前記プラズマトーチ用電極の寿命を長くするための、前記電極材の断面積と電極材および被加工物間に印加する電流値との関係式を実験データにより求め、該関係式に基づき、電極材の予め定められた断面積に対応する、電極材および被加工物間に印加する電流値を決定して切断することを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、請求項３記載のプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法において、前記電極材および被加工物間に印加する電流値を決定して切断するにあたり、切断する被加工物の品質を維持するための、被加工物の板厚と切断速度との関係を実験データにより求め、該関係に基づき、被加工物の板厚に対応する切断速度を決定し、該切断速度で被加工物を切断することを特徴とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、電極基体の先端部略中央の孔に電極材が挿入され、該電極材および被加工物間に電流を印加してプラズマアークを形成するためのプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法であって、
前記プラズマトーチ用電極の寿命を長くするための、前記電極材の断面積と該電極材および被加工物間に印加する電流値との関係式を実験データにより求め、該関係式に基づき、電極材および被加工物間に印加する予め定められた電流値に対応する、電極材の断面積を決定し、該断面積を有する電極材を用いて切断することを特徴とする。
【００１４】
請求項６記載の発明は、請求項３〜５のいずれかに記載のプラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法において、前記関係式が以下の式であることを特徴とする。
2004298940.tif 000004
ｙ：電極材の断面積（ｍｍ２）
Ｂ：印加する電流値（アンペア）
Ｚ：定数
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプラズマトーチ用の電極およびそれを用いたプラズマ切断方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明に係るプラズマトーチ用の電極を示す側面図、図２は同正面図、図３は同断面図である。
図１に示すように、プラズマトーチ用電極１は、銅または銅合金からなる電極基体２を備える。電極基体２は有底円筒状をなしており、内部の空間２ａには冷却水が循環される形で供給される。電極基体２の先端部略中央には孔２ｂが形成され、この孔２ｂにはハフニウムあるいはジルコニウムからなる電極材３が挿入される。電極材３は略円柱状に形成されている。電極基体２と電極材３の間にはロウ材が介在される。
【００１７】
電極基体２の外表面例えば側周面には表示窓２ｃが設けられ、ここには電極材３の直径およびまたは断面積（詳しくは軸線に直交する横断面積）、並びに電極材３の断面積に対応して切断加工時に被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加される電流値の適正範囲についての表示がなされる。
【００１８】
ここで、印加される電流値の適正範囲は、以下の式（１）に基づき決定される。
2004298940.tif 000005
ｙ：電極材の断面積（ｍｍ２）
Ｂ：印加する電流値（アンペア）
Ｚ：定数
【００１９】
上記式（１）によって得られる電流値の適正範囲は、この範囲でプラズマトーチ用の電極１と被加工物との間に電流値を印加する場合、当該プラズマトーチ用の電極１（具体的にはその中の電極材３）について長寿命化が期待できるよう、電極材３が熔損による破壊を受けず、しかも自身の冷却性が損なわれないという２つの主要素から決定される。
なお、上記式（１）の意味や求め方については、後程詳しく説明する。
【００２０】
次に、上記プラズマトーチ用電極を用いたプラズマ切断方法について説明する。
プラズマトーチ用電極１は、先端部略中央に挿入される電極材３の直径ｄが例えば１．４ｍｍ、１．６ｍｍ．２．０ｍｍ、２．３ｍｍのように種々異なるものを予め用意されているが、そのうちの一つ、例えば直径ｄが１．６ｍｍのものをプラズマ切断装置にセットして切断作業を行う場合を例にとって説明する。
この場合、電極材３の径あるいは断面積に対応して、切断加工時の被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値の適正範囲を前記（１）式に基づき定める。
図４において曲線Ｘａは（１）式において定数Ｚを０とおいたものを示し、曲線Ｘｂは（１）式において定数Ｚを０．２とおいたときのプラス側のものを示し、曲線Ｘｃは（１）式において定数Ｚを０．２とおいたときのマイナス側のものを示している。
なお、この図において、縦軸は電極材の断面積、横軸は被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値を示す。
この図において定数Ｚを０とおいたときの曲線Ｘａは、電極材３が最も長寿命となるときの、電極材の断面積と被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値との関係を表す。
【００２１】
図４に従うと、直径１．６ｍｍの電極材３は断面積に直すと略２ｍｍ２であり、曲線Ｘａにおける縦軸２ｍｍ２の点を横軸でみると、３００アンペアである。つまり、直径１．６ｍｍの電極材３を用いる場合、３００アンペアの電流値を印加するのが、プラズマトーチ用電極１の寿命を長くする上で最も有効であることがわかる。しかしながら、現実の切断作業では、印加する電流値を一定に保つのは難しく、切断状況によって多少のずれが出るのは仕方ない。定数Ｚはそれを考慮したものであり、±Ｚの範囲内でずれたとしても、寿命の点で多少劣るものの、それほど寿命が極端に下がるものではなく、いわゆる寿命を長く保てる許容範囲を決めるものである。この定数Ｚの値を０．２にするか、０．３にするかあるいは０．４にするか等は、プラズマ切断機の電源側の性能、あるいは被加工物である例えば鋼板の厚みの精度等によって操作者が適宜定める。
【００２２】
ここで、前述のようにＺを０．２に定めたときには、図４の曲線Ｘｂにおける縦軸２ｍｍ２に対応する点を横軸でみると２８５アンペア、曲線Ｘｃにおける縦軸２ｍｍ２に対応する点を横軸でみると３１５アンペアである。つまり、直径１．６ｍｍの電極材３を用いる場合、２８５〜３１５アンペアの電流値を印加すると、プラズマトーチ用電極１の寿命を比較的長く保てることがわかる。
【００２３】
上述した手順に従い、電極材３の直径が種々異なる他のプラズマトーチ用電極１についても、電極材３の断面積に対応した、切断加工時の被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値の適正範囲を定め、この適正範囲内でプラズマ切断作業を行うものとする。
【００２４】
具体的には、プラズマトーチに取り付けたプラズマトーチ用電極１の周囲に高い純度を持った酸素ガスを供給すると共に該電極１とその先端側に離間配置したノズルとの間で放電させてパイロットアークを形成する。引き続き酸素ガスを供給することで、形成されたパイロットアークをノズルから被加工物である例えば鋼板に向けて噴射し、噴射したパイロットアークが鋼板と接触したとき、該鋼板と電極との間で放電させることでプラズマアーク（メインアーク）を形成し、同時に電極とノズルとの放電によるパイロットアークを停止させる。
【００２５】
メインアークが噴射された鋼板は、メインアークの熱エネルギによって溶融すると共にメインアークを構成する酸素によって燃焼が促進され、更に、メインアークの噴射エネルギによって溶融物が排除される。これにより、鋼板に厚さ方向に貫通した溝を形成し、もってプラズマ切断が実行される。
【００２６】
ここで、電極材３および被加工物間に印加する電流値を決定して切断するにあたり、切断する被加工物の品質を維持するための、被加工物の板厚と切断速度との関係を実験データにより求め、該関係に基づき、被加工物の板厚に対応する切断速度を決定し、その切断速度で被加工物を切断する。
すなわち、図５は、電極材および被加工物間に印加する電流値を所定値（図では２５０アンペア、３００アンペア、３５０アンペア、４００アンペア）に定めたとき、切断する被加工物の品質を維持するための、被加工物の板厚と切断速度との関係を実験データにより求めたものである。
この図に従えば、例えば、印加電流として３００アンペアを用いる場合、被加工物である鋼板の板厚が２０ｍｍのときには約１９００ｍｍ／ｍｉｎの切断速度で切断するのが、被加工物の品質を維持する上で最もよいことがわかる。
【００２７】
上記の説明は、電極材３の直径あるいは断面積が予め定まったプラズマトーチ用電極１を用い、電極材３の断面積に対応した、被加工物とプラズマトーチ用電極との間の印加電流値を適正範囲に定めてプラズマ切断する場合を例にとって説明したが、これとは逆に、被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値が先に定まり、この電流値に対応したプラズマトーチ用電極１を選択してプラズマ切断加工する場合でも本発明は適用可能である。
【００２８】
すなわち、被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値が例えば予め２００アンペアと定まっている場合には、図４の曲線Ｘｂ、Ｘｃにおける横軸２００アンペアに対応する点を縦軸でみると約１．２ｍｍ２と１．４５ｍｍ２である。これを直径に直すと１．２ｍｍと１．４ｍｍである。
つまり、被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値が２００アンペアである場合、直径が１．２ｍｍと１．４ｍｍの間の電極材３を備えたプラズマトーチ用電極を用いるのが、長寿命化を図る上で有効であることがわかる。
【００２９】
次に、上記（１）式をどのようにして求めたかを説明する。
本発明者等は、被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値が１００アンペアの場合について、先端部略中央に挿入される電極材３の直径ｄが１．０ｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、２．０ｍｍの種々異なるプラズマトーチ用電極１を用意し、それらについて実際に厚さ２５ｍｍの鋼板をプラズマ切断し、そのときプラズマトーチ用電極の可能切断回数の形で、プラズマトーチ用電極の寿命を調べた。
【００３０】
図６がその結果を示すものである。この図から明らかなように、被加工物とプラズマトーチ用電極との間に印加する電流値が１００アンペアの場合、直径ｄが１．２ｍｍの電極材３を挿入されたプラズマトーチ用電極１を用いてプラズマ切断するのが長寿命化を図る上で最も有効であることがわかった。
【００３１】
同様に、被加工物とプラズマトーチ用電極との間で印加する電流値が３００アンペア、４００アンペアの場合について、電極材３の直径ｄが１．４ｍｍ、１．６ｍｍ、２．０ｍｍ、２．３ｍｍ、３．０ｍｍの種々異なるプラズマトーチ用電極１を用意し、それらについてプラズマトーチ用電極の寿命を調べた。
【００３２】
図７および図８がその結果を示すものである。図７から明らかなように、被加工物とプラズマトーチ用電極との間に印加する電流値が３００アンペアの場合、直径ｄが１．６ｍｍの電極材３を挿入されたプラズマトーチ用電極１を用いてプラズマ切断するのが長寿命化を図る上で最も有効であることがわかった。また、図８から明らかなように、被加工物とプラズマトーチ用電極との間に印加する電流値が４００アンペアの場合、直径ｄが２．３ｍｍの電極材３を挿入されたプラズマトーチ用電極１を用いてプラズマ切断するのが長寿命化を図る上で最も有効であることがわかった。
【００３３】
これら図６〜図８から得られる情報を、横軸に印加電流値、縦軸に最適な電極材断面積をとって、被加工物とプラズマトーチ用電極との間に印加する電流値に対する最適な電極材断面積の形で表したものが図９である。
図９における点Ｙの近傍を通るようにして求めた近似式が前記（１）式であり、それを図に表したものが図４のＸａである。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、プラズマトーチ用電極の寿命を長くするための、電極材の断面積と電極材および被加工物間に印加する電流値との関係式を実験データにより求め、関係式に基づき、電極材の予め定められた断面積に対応する、電極材および被加工物間に印加する電流値を決定して切断したり、電極材および被加工物間に印加する予め定められた電流値に対応する、断面積を有する電極材を決定して該電極材を用いて切断するから、プラズマトーチ用電極の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマトーチ用電極の実施の形態を示す側面図である。
【図２】本発明に係るプラズマトーチ用電極の実施の形態を示す正面図である。
【図３】本発明に係るプラズマトーチ用電極の実施の形態を示す断面図である。
【図４】本発明に係るプラズマトーチ用電極の作用を説明する図である。
【図５】本発明に係るプラズマトーチ用電極の作用を説明する図である。
【図６】本発明に係るプラズマトーチ用電極の作用を説明する図である。
【図７】本発明に係るプラズマトーチ用電極の作用を説明する図である。
【図８】本発明に係るプラズマトーチ用電極の作用を説明する図である。
【図９】本発明に係るプラズマトーチ用電極の作用を説明する図である。
【符号の説明】
１    プラズマトーチ用電極
２    電極基体
２ａ  内部の空間
２ｂ  孔
２ｃ  表示窓
３    電極材
【図１】
2004298940.tif 000009
【図２】
2004298940.tif 000010
【図３】
2004298940.tif 000011
【図４】
2004298940.tif 000012
【図５】
2004298940.tif 000013
【図６】
2004298940.tif 000014
【図７】
2004298940.tif 000015
【図８】
2004298940.tif 000016
【図９】
2004298940.tif 000017