(57)【要約】プラズマチャンバを規定するトーチ本体中の複合電極に対して取り付けられたノズルを有するトーチ本体を備える、プラズマアークトーチ。このトーチ本体は、プラズマアークが形成されるプラズマチャンバにプラズマガスを向けるためのプラズマ流路を備える。このノズルは、中空の本体部分および出口オリフィスを規定する実質的に中実の頭部部分を備える。この複合電極は、放出表面に隣接する前方部分電極本体において、高い熱伝導性を有する金属材料（例えば、銀）から作製され得、そしてこの電極本体の後方部分は、良好な熱伝導性および導電性を有する第二の低コストの金属材料から形成される。この複合電極構成は、銅電極の価格に匹敵する価格で、銀電極に匹敵する減少した電極磨耗またはピッチングを有する電極を提供する。
2004527878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークトーチであって、以下：
電極を保持するためのトーチ本体であって、該トーチ本体は、プラズマガスをプラズマチャンバの方へと指向するためのプラズマ流路を備える、トーチ本体；
複合電極；ならびに
該複合電極の下に取り付けられたノズルであって、該ノズルおよび該複合電極が、該プラズマチャンバを規定している、複合電極、
を備え、ここで、該複合電極が、以下：
前方部分および後方部分を有する電極本体であって、該後方部分が、第一の金属材料を含み、そして第一の嵌合表面を有し；
該前方部分が、第二の金属材料を含み、そして該第一の嵌合表面に接合するように構成された第二の嵌合表面を有し、該第一および第二の嵌合表面が、互いに直接接触する、電極本体を備え；
ここで、該第一および第二の金属材料が、伝熱特性を有し、該第二の材料に対する該伝熱特性の値が、該第一の金属材料の伝熱特性の値より大きい、プラズマアークトーチ。
【請求項２】
前記電極本体を通る中心軸に沿って、該電極本体の前記前方部分の第一の端部に位置するボア、および該ボアの中に配置されるインサートをさらに備える、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項３】
前記インサートが、ハフニウム、ジルコニウム、タングステン、トリウム、ランタン、ストロンチウム、またはこれらの合金を含む、高熱電子放出材料を含む、請求項２に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項４】
前記第一および第二の嵌合表面が、実質的に同じ大きさである、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項５】
前記第一の嵌合表面および前記第二の嵌合表面が、異なる大きさを有する、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項６】
前記電極本体の前記後方部分が、空洞を備える、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項７】
前記第一の嵌合表面または第二の嵌合表面が、平面である、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項８】
前記第一の嵌合表面または第二の嵌合表面が、非平面である、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項９】
前記第一および第二の嵌合表面が、異なる形状を有する、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項１０】
前記電極の前記後方部分が、該電極の前方部分を受容するための受容部分を備える、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項１１】
インサートと前記電極本体の前記前方部分との間に、単一の半径方向界面のみが提供される、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項１２】
前記第二の金属材料が、銀、真鍮、銀−銅合金、白金、金、パラジウム、ロジウム、およびこれらの合金からなる群より選択される、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項１３】
冷却流体の流れを可能にするための内部流路をさらに備え、その結果、流れる該冷却流体が、前記複合電極の前記前方部分を冷却する、請求項１に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項１４】
前記冷却流体の流れが、前記電極本体の前記前方部分の第一の端部において、ボア内に配置されたインサートを直接冷却する、請求項１３に記載のプラズマアークトーチ。
【請求項１５】
トーチにおいて使用するための複合電極であって、以下：
前方部分および後方部分を有する電極本体であって、該後方部分が、第一の金属材料を含み、そして第一の嵌合表面を有し；
該前方部分が、第二の金属材料を含み、そして該第一の嵌合表面と接合するように構成された、第二の嵌合表面を有し、該第一および第二の嵌合表面が、互いに直接接触する、電極本体を備え；
ここで、該第一および第二の金属材料が、伝熱特性を有し、該第二の金属に対する伝熱特性の値が、該第一の金属材料の伝熱特性の値より大きい、複合電極。
【請求項１６】
前記第一の嵌合表面および前記第二の嵌合表面が、異なる大きさを有する、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項１７】
前記第一の嵌合表面または第二の嵌合表面が、平面である、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項１８】
前記第一の嵌合表面または第二の嵌合表面が、非平面である、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項１９】
前記電極本体の前記後方部分が、空洞を備える、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２０】
前記第一の嵌合表面および前記第二の嵌合表面が、異なる形状を有する、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２１】
前記電極の前記後方部分が、該電極の前記前方部分を受容するための受容部分を備える、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２２】
前記第一の嵌合表面と前記第二の嵌合表面との間の直接の接触が、摩擦溶接、慣性摩擦溶接、直結駆動摩擦溶接、ＣＤ衝撃溶接、衝撃溶接、超音波溶接、または爆圧溶接のような直接溶接技術を使用して形成されている、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２３】
前記第一および第二の嵌合表面の両方が円形である、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２４】
前記第一嵌合表面および前記第二嵌合表面が、実質的に同じ大きさである、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２５】
単一の放射状インターフェースのみが、インサートと前記電極本体の前方部分との間に提供される、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２６】
前記第一金属材料が、銅、真鍮、アルミニウムおよび銅合金からなる群より選択される、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２７】
前記第二金属材料が、銀、真鍮、銀−銅合金、白金、金、パラジウム、ロジウムおよびこれらの合金からなる群より選択される金属を含む、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項２８】
前記接合部がハーメチックシールを形成する、請求項２２に記載の複合電極。
【請求項２９】
前記電極本体の前方部分を通る中心軸に沿って該電極本体の前方部分の第一端部に配置されたボア、および該ボア中に配置されたインサートをさらに備える、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項３０】
前記インサートが、実質的に円筒型の形状を有する、請求項２９に記載の複合電極。
【請求項３１】
前記インサートが、ハフニウム、ジルコニウム、タングステン、トリウム、ランタン、ストロンチウムまたはこれらの合金を含む高熱電子放出材料を含む、請求項２９に記載の複合電極。
【請求項３２】
冷却流体を流す内部流路をさらに備え、その結果、冷却流体を流すことで前記複合電極の前方部分を冷却する、請求項１５に記載の複合電極。
【請求項３３】
前記冷却流体の流れが、前記電極本体の前方部分を直接冷却する、請求項３２に記載の複合電極。
【請求項３４】
前記冷却流体が、インサートを直接冷却する、請求項３２に記載の複合電極。
【請求項３５】
電極を製造する方法であって、該方法は、以下の工程：
第一金属材料を含み、そして第一嵌合表面を有する、電極本体の後方部分を提供する工程；
第二金属材料を含み、そして前記第一嵌合表面と連結するように構成された第二嵌合表面を有する、該電極部分の前方部分を提供する工程であって、該第一金属材料および該第に金属材料が伝熱特性を有し、該第二材料についての伝熱特性の値が、該第二材料についての値よりも大きい、工程；および
該第一嵌合表面および該第二嵌合表面を直接溶接して、接合部を形成する工程、
を包含する、方法。
【請求項３６】
前記第一嵌合表面および前記第二嵌合表面が、異なる大きさを有する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記電極本体の後方部分が、空洞を備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記第一嵌合表面および前記第二嵌合表面が、異なる形状を有する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記電極の後方部分が、該電極の前方部分を受容するための受容部分を備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記直接溶接する工程が、摩擦溶接、慣性摩擦溶接、直結駆動摩擦溶接、ＣＤ衝撃溶接、衝撃溶接、超音波溶接または爆圧溶接の少なくとも１つを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記第一嵌合表面または前記第二嵌合表面が、平面である、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記第一嵌合表面または前記第二嵌合表面が、非平面である、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記第二金属材料が、銀、真鍮、銀−銅合金、白金、金、パラジウム、ロジウムおよびこれらの合金からなる群より選択される金属を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記電極が、冷却流体を流す内部流路をさらに備え、その結果、冷却流体を流すことで前記電極の前方部分を冷却する、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記冷却流体の流れが、前記電極本体の前方部分の第一端部においてボア中に配置された前記インサートを直接冷却する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第一嵌合表面と前記第二嵌合表面との間の接合部が、ハーメチックシールを形成する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】
前記電極本体の前方部分が、該電極本体の前方部分を通る中心軸に沿って該電極本体の前方部分の第一端部に配置されたボア、および該ボア中に配置されたインサートをさらに備える、請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
前記インサートが、ハフニウム、ジルコニウム、タングステン、トリウム、ランタン、ストロンチウムまたはこれらの合金を含む高熱電子放出材料を含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記第一嵌合表面および前記第二嵌合表面が、異なる形状を有する、請求項３５に記載の方法。
【請求項５０】
単一の放射状表面のみが、インサートと前記電極本体の前方部分との間に提供される、請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２００１年３月９日に出願された米国仮出願番号６０/２７４，８３７の利益を主張する。この出願の全開示は、本明細書中に参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、プラズマアークトーチ用複合電極に関する。特に、本発明は、電極本体の前方部分が、高い熱伝導率を有する第１の金属材料を含み、電極本体の残りの後方部分が、良好な熱伝導率および電気伝導率を有する第２の低コストの金属材料を含む、プラズマアークトーチ用複合電極に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
プラズマアークトーチは、金属材料の切断およびマーキングにおいて広く使用されている。プラズマトーチは、一般的に、それに取り付けられた電極、トーチ本体内に取り付けられた中央出口開口部を有するノズル、電気的接続部、冷却用通路およびアーク制御流体用通路、電極とノズルとの間に形成されたプラズマチャンバにおける流体流パターンを制御するための渦巻き輪、ならびに電源を備える。トーチは、高温かつ高モーメントのプラズマガスの圧縮イオン化噴流であるプラズアークを生成する。トーチにおいて使用するガスは、非反応性（例えば、アルゴンまたは窒素）でも反応性（例えば、酸素または空気）でもあり得る。
【０００４】
実施される際には、パイロットアークが、電極（カソード）とノズル（アノード）との間に最初に生成される。パイロットアークの生成は、ＤＣ電源に接続された高周波数、高電圧信号、およびトーチまたは任意の種々の接触開始方法により得る。
【０００５】
プラズマアークトーチ用電極の１つの公知の構成は、電極のボアに圧縮固定（ｐｒｅｓｓ  ｆｉｔ）された放射インサート（ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｉｎｓｅｒｔ）（例えば、ハフニウム）を備える。電極設計上の目的は、熱を、ハフニウムインサートから冷却媒体（通常は水である）へ移動させることである。別の目的は、ハフニウムインサートに代わる望ましくないアークの根付着（ｒｏｏｔ  ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）により引き起こされる腐食を最小限に抑えるためにアークの根付着を制御することである。
【０００６】
プラズマアークトーチ用電極は、一般的に銅から作製される。銅は、良好な熱伝導率および電気伝導率を提供する低コストの材料である。プラズマアークトーチ用電極はまた、銀から作製され得る。銀電極は、優れた伝熱特性を提供するが、非常に高価であり、使用するのには費用面で効率的ではない傾向がある。銅電極は、費用面で効率的であるが、銀電極の優れた伝熱特性を有さず、従って、銀電極よりも短い電極寿命を有する。
【０００７】
いくつかの会社は、種々の製造技術（ろう付け、はんだ付け、スエージ加工、圧縮固定、および他の方法が挙げられる）を用いて銀電極および銀／銅の複合電極を製造している。１つの会社は、スルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｈｏｌｅ）のハフニウムインサートを有する真空ろう付けされた銅／銀複合電極設計を開発した。別の会社は、ブラインドホール（ｂｌｉｎｄ  ｈｏｌｅ）のハフニウムインサートを有する圧縮固定された銀環設計を開発した。別の会社は、前方部分に銅を有する銅ホルダー内のスエージ加工された銀環設計を開発した。別の会社は、圧印加工された銀電極設計を開発した。しかし、銀／銅電極を製造するこれらの方法によっては、銀／銅境界面で十分に高強度の接続が生成されない。さらに、これらの製造方法によって、銀／銅境界面で冷却流体を漏出し得る電極が製造される。より重要なことは、これらの銀／複合電極は、全てが銀の電極の伝熱特性を提供しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（発明の要旨）
銀の材料特性の利益と銅の費用的な利益とを併せ持つ改善された複合電極を提供することが本発明の目的である。
【０００９】
本発明の別の目的は、冷却流体を漏出しない改善されたた複合電極を提供することである。
【００１０】
１つの局面において、本発明は、金属性のワークピースを切断およびマーキングするためのプラズマアークトーチを特徴とする。このトーチは、トーチ本体を備え、トーチ本体は、プラズマチャンバを規定するために、この本体における複合電極に対して取り付けられたノズルを有する。トーチ本体は、プラズマガスをプラズマチャンバに送るためのプラズマ流路を備える。１つの実施形態において、トーチはまた、トーチ本体に取り付けられたシールドを備える。ノズル、複合電極、およびシールドは、消耗し、定期的な取り換えを必要とする消耗部分である。
【００１１】
この複合電極は、異なる材料で作製された２つの部分を有する。電極の前方部分は、優れた伝熱特性（例えば、高い熱伝導率）を有する金属材料（例えば、銀）を含む。放射インサート（例えば、ハフニウム、ジルコニウム、タングステン、トリウム、ランタン、ストロンチウム、またはそれらの合金）は、前方部分のボアに配置される。電極の後方部分は、良好な伝熱特性（例えば、良好な熱伝導率）を有する低コストの金属材料（例えば、銅）を含む。
【００１２】
高い熱伝導率の前方部分は、良好な熱伝導率の後方部分の端部上に接合されて、複合電極を形成する。これら２つの部分は、その電極の２つの部分の間にハーメチックシールを形成する、電極直接溶接プロセス（例えば、摩擦溶接、慣性摩擦溶接、直結駆動摩擦溶接、ＣＤ衝撃溶接、衝撃溶接、超音波溶接または爆圧溶接）によって接合される。冷却を最大にするために、この前方部分はまた、冷却流体フローの領域に戻って延び、従って、この流体によって直接冷却される。比較的小さな寸法で高い熱伝導率のスリーブ（これは、放射されたインサートを取り囲むために、その前端に形成された空洞内に挿入される）を有する既知の電極設計とは対照的に、この構成は、優れた伝熱特性を有し、冷却流体の漏れがない、電極を備えると考えられる。
【００１３】
別の局面において、本発明は、金属加工製品を切断または製造するためのプラズマアークトーチ用の複合電極を有する。この複合電極は、前方部分を備え、この前方部分は、優れた伝熱材料特性（例えば、高い熱伝導率）を有する金属材料（例えば、銀）を含む。この電極の後方部分は、良好な伝熱材料特性（例えば、良好な熱伝導率）を有する低コストの金属材料（例えば、銅）を含む。
【００１４】
高い熱伝導率の前方部分は、良好な熱伝導率の後方部分の端部上に接合され、複合電極を形成する。１つの実施形態において、この前方部分および後方部分は、嵌合表面にて直接接触している。これを達成するために、これら２つの部分は、直接溶接プロセス（例えば、摩擦溶接、慣性摩擦溶接、直結駆動摩擦溶接、ＣＤ衝撃溶接、衝撃溶接、超音波溶接または爆圧溶接）によって接合される。この直接溶接プロセスは、これらの電極の２つの部分の間に高い強度のハーメチックシールを形成する。冷却を最大にするために、この前方部分はまた、冷却流体フローの領域に戻って延び、従って、この流体によって直接冷却される。
【００１５】
本発明のなお別の局面は、加工製品を切断または製造するための電極を製造する方法を特徴とする。電極は、前方部分を備えるように提供され、この前方部分は、優れた伝熱材料特性（例えば、高い熱伝導率）を有する金属材料（例えば、銀）を含む。この電極本体の後方部分はまた、良好な伝熱材料特性（例えば、良好な熱伝導率）を有する低コストの金属材料（例えば、銅）を含むように提供される。これら電極の２つの部分は、直接溶接技術によって接合される。これらの部分は、例えば、摩擦溶接、慣性摩擦溶接、直結駆動摩擦溶接、ＣＤ衝撃溶接、衝撃溶接、超音波溶接または爆圧溶接によって接合され得、それによって、この電極の前方部分と後方部分との間に高い強度のハーメチックシールを形成する。冷却流体フローを使用して、この電極の前方部分を冷却し得、そして高い熱放射率を有するインサートが、この電極本体の前方部分のボアに配置され得る。
【００１６】
（発明の詳細な説明）
図１は、本発明の原理を使用するプラズマアークトーチ１０を示す。このトーチは、本体１２を有し、代表的には、下部端１６に出口オリフィス１４を有するシリンダーである。プラズマアーク１８（すなわち、イオン化ガスジェット）は、この出口オリフィスを通過し、切断される加工製品１９に結合する。このトーチは、金属（特に、軟鋼）または移動アークモードの他の材料を、接合、切断または標識するように設計されている。軟鋼を切断する際に、このトーチは、反応ガス（プラズマガスとしての酸素または空気）とともに操作して、移動プラズマアーク１８を形成する。
【００１７】
トーチ本体１２は、ほぼ円柱状の本体２１を有する複合電極２０を支持する。ハフニウムインサート２２は、この複合電極２０の下端２１に配置され、その結果、平面放射表面２２ａが、露出される。このインサート２２はまた、適切な物理特性（例えば、耐食性および高熱電子放射率）を有する他の適切な材料から作製され得る。一実施形態において、このインサートの材料は、約５．５ｅＶ以下の電気的仕事関数を有する。適切な材料としては、ハフニウム、ジルコニウム、タングステン、イットリウム、イリジウム、およびそれらの合金が挙げられる。このトーチ本体はまた、ノズル２４を支持し、このノズル２４は、複合電極から間隔をあけられている。このノズル２４と複合電極２０との間の間隔は、プラズマチャンバ３０を規定する。このノズル２４は、出口オリフィス１４を規定する中心オリフィスを有する。このトーチ本体に取り付けられた渦巻きリング２６は、１セットの半径方向のオフセットされた（または傾斜した）ガス分配ホール２６ａを有し、このホール２６ａは、プラズマガス流に接線方向の速度成分を与えて、このガス流を渦状にする。この渦は、渦巻きを生じ、この渦巻きは、アークを圧縮し、そしてインサート上のアークの位置を安定化する。
【００１８】
このトーチを開始するための２種の方法が存在する。一つの解決策は、接触による開始であり、これらの１つの形態は、米国特許第４，７９１，２６８号に記載されている。しかし、主要な開始技術は、現在の使用において、トーチへのＤ．Ｃ．電源から電力線に連結された高周波数で高電圧（ＨＦＨＶ）のシグナルを使用する。このＨＦＨＶシグナルは、複合電極とノズルとの間を流れるプラズマガス中（代表的に、らせん経路中）での火花放電を誘導する。ＨＦＨＶ発生器は、通常、トーチから遠隔的に配置されかつリード線セットによってこのトーチに接続された、電源または「コンソル」に取り込まれる。
【００１９】
この電極とノズルとのアークは、パイロットアーク（ｐｉｌｏｔ  ａｒｃ）であり、そして複合電極とワークピース（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）との間のアークは、移行式アークである。このノズルを流れるガスは、このパイロットアークによってイオン化され、その結果、複合電極とワークピースとの間の電気抵抗が、非常に小さくなる。パイロット抵抗器を使用して、より高い電圧が、複合電極およびワークピースにわたって印加され、この間隙をイオン化した後に、このアークのワークピースへの移行を誘導する。このパイロットアークを出発する時点とこのワークに移行する時点との間の時間は、従来の開始回路が使用される場合、このワークからトーチの距離、このパイロットアークの電流レベル、およびガスの流速の関数である。
【００２０】
電極は、通常、銅から製造される。銅は、その良好な熱伝導能および低いコストのために、選択されている。出願人は、電極の耐用年数において有意な改善が、スエージ加工したハフニウム放射エレメントを有する、高い純度の純銀の電極または鋳造された銀の電極（例えば、９０％の銀、１０％の銅）を使用して達成され得る。試験結果は、非ランプダウンプロセスを使用して作動するプラズマアークトーチを用いる研究室の試験において、このような電極について２０００を越える開始を示した。このタイプの電極は、ハフニウムの周りの銀の直接水冷却を可能にする。しかし、銀の高い材料費に起因して、この電極の設計は、非常に高価であり、そして広範な市場の受入れを達成していない。
【００２１】
出願人らは、本発明に従って、銅／銀複合電極を使用して、全て銀の電極に匹敵する結果を達成した。これを達成するために、出願人らは、材料分析、定常状態熱流束のモデリングおよび実験データの収集によって、銀の量を最適化した。出願人らの試験結果は、銀成分が、電極の前方部分から中空ミルの領域に延び、水によって直接冷却される場合、電極の耐用年数の有意な増加が実現され得ることを示す。一実施形態において、ハフニウムインサート２２および銀の両方が、水によって直接冷却される。
【００２２】
図１Ａは、複合電極２０の一実施形態の断面図を示し、ここで、ハフニウムインサート２２は、冷却剤５２（例えば、冷却水）によって直接冷却され得る。この冷却剤は、複合電極の内側の内部流路（後部２０Ｂの内面を含む）を通り、前部２０Ａの内面（底部壁４２Ａおよび側壁４２Ｂを含む）を横切って循環する。この冷却流体は、電極２０のチューブ５８および内壁５９により規定される環状通路５４を介して、複合電極から出る。この複合電極はまた、好ましくは、「中空ミル型」である。すなわち、この複合電極は、底部壁４２Ａの内面中に形成される、本体材料の表面領域を増大するための環状凹部５６を有し、それにより、冷却剤５２との熱交換関係を促進する。平面放射表面２２Ａは、冷却剤５２の流れ、ならびに底部壁４２Ａおよび側壁４２Ｂおよび４２Ｃの表面積に関連してサイズ決めされ、ハフニウムインサート２２の沸騰を防止する。さらに、インサート２２は、単一の円柱状部品として例示されるが、他の形状が、本発明の範囲内である。複数のインサートの使用もまた企図される。
【００２３】
その最も基本的な形態において、出願人らの電極は、銅の後方部分に直接連結される銀の前方部分を備える。ハフニウムインサートは、この前方部分に形成されるボア中に配置される。以下に詳細に記載される図２を参照のこと。
【００２４】
出願人らは、従来の連結方法（例えば、プレスばめ、はんだ付け、真空鑞付け、トーチ鑞付け、スレッディング、接着剤、超音波溶接など）を使用する場合、銅／銀界面において高強度の漏れ防止接合部を得ることが困難であることを認識した。銅後方部分に銀前方部分を取り付けるために使用されるスエージ技術、はんだ付け技術、銀溶接技術または誘導加熱鑞付け技術は、確実な気密性密閉を生じない。これは、接合部が組み立ての間のトルク、作動の間の高圧冷却剤、熱応力、熱拡大および収縮、剪断応力、熱疲労などに耐えなければならないために、生じる。
【００２５】
出願人の発明は、後方部分２０Ｂを直接、前方部分２０Ａに効率的かつ効果的に接続するための技術を包含する。後方部分２０Ｂは、以下に記載されるような技術を使用して、前方部分２０Ａの第２嵌合表面４７と接続される第１嵌合表面４６を有する。第１嵌合表面４６および第２嵌合表面４７の組み合わせは、接続を生じる。１つの実施形態において、嵌合表面は、示されるように、平面である。しかし、非平面の嵌合表面も同様に使用され得る。用語、非平面は、例えば、以下に記載される接続技術とともに使用され得る任意の輪郭または形状を包含する。１つの好ましい実施形態において、第１または第２の嵌合表面は、円形、平面の断面形状を有する。それぞれの嵌合表面の大きさは、同じであっても、異なっていても良い。
【００２６】
一般的に、本発明は、前方部分および後方部分を直接（すなわち、任意のさらなる材料を使用しない）接続するためのプロセスを企図する。第１嵌合表面４６は、直接溶接技術（例えば、摩擦溶接）を使用して、第２嵌合表面４７に接続され、これは、前方部分および後方部分が互いに直接接触する。摩擦溶接は、異なる材料を溶接するために幅広く使用され、そして部分当たりの費用を最小化する。摩擦溶接は、異なる金属を接続するための理想的なプロセスであり、そして高い信頼性、低い空隙率、および優れた強度を提供する。摩擦溶接は、高い強度、銀と銅との間の漏れ防止溶接を形成するための理想的なプロセスであり、気密なシールを生じる。さらに、摩擦溶接は、さらなる材料（例えば、ハンダ）の使用を必要としない。摩擦溶接、慣性摩擦溶接、および直結駆動摩擦溶接技術は、例えば、ＭＴＩ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｏｕｔｈ  Ｂｅｎｄ，Ｉｎｄｉａｎａによって実施され、そしてそれらのウェブサイトに記載される。例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｔｉｗｅｌｄｉｎｇ．ｃｏｍ．を参照のこと。このウェブサイトに見られるページは、種々の適切な溶接技術、およびそれらの技術が使用され得る関連する金属の組み合わせのいくつかを記載する。
【００２７】
さらに詳細には、これらのウェブページは、慣性摩擦溶接および直結駆動摩擦溶接を含む、摩擦溶接技術を記載する。これらの技術は、鍛造された品質の異なる材料間の接続を作製するために使用され得、そして接続される２つの片の接触面積中の１００％突合わせ接合を作製するために使用され得る。これらおよび他の直接溶接技術（ＣＤ衝撃溶接、衝撃溶接、超音波溶接、爆圧溶接などを含む）は、ワークピースの加速および減速、溶接速度、摩擦力、鍛造力、および他のこのような物理的因子の組み合わせ、ときどき、種々の電圧および電流での電気との組み合わせを使用して、接続されるワークピース間で、所定の制御された様式で力および／または熱を作製および使用し、外来の材料（例えば、フラックス、ハンダ、真鍮、または充填材料の導入なしでの強力な漏れ防止接続を作製する。これらは、作業材料の最小の損失でこれを迅速かつ効果的なサイクル時間で利用して、達成する。これらの技術は全て、本発明の範囲内であるとみなされる。
【００２８】
直接溶接技術、および特に、摩擦溶接技術は、銀および銅のような材料を接続するために首尾良く使用されているが、例えば、以下の材料またはそれらの合金の種々の組み合わせを接続するためにもまた効果的である：アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、青銅、超硬合金（ｃａｒｂｉｄｅｓ  ｃｅｍｅｎｔｅｄ）、鋳鉄、セラミック、コバルト、ニオブ（Ｃｏｌｕｍｂｉｕｍ）、銅、銅ニッケル、焼結鉄、鉛、マグネシウム、マグネシウム合金、モリブデン、モネル、ニッケル、ニッケル合金、ニモニック（ｎｉｍｏｎｉｃ）、ニオブ（ｎｉｏｂｉｕｍ）、ニオブ合金、銀、銀合金、合金鋼、炭素鋼、機械加工のない鋼（ｓｔｅｅｌ−ｆｒｅｅ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）、マルエージング鋼、焼結鋼、ステンレス鋼、工具鋼、タンタル、トリウム、チタン、チタン合金、タングステン、タングステンカーバイドセメント化（ｃｅｍｅｎｔｅｄ）、ウラン、バナジウム、バルブ材料（自動車用）、およびジルコニウム合金。これらの技術の適切な使用は、例えば、従来の蝋付け、ハンダ付け、および他の接続方法とは対照的に、本発明の有意な電極性能向上（これらのいくつかが先に考察された）を生じる。
【００２９】
本発明の目的のために、上に記載される技術に加えて、直接溶接は、蝋、フラックス、ハンダ、または充填材料のような添加物質を加える必要なしに、第１嵌合表面４６および第２嵌合表面４７の異なる金属間で適切な高い強度の接続を作製する接続方法を包含する。本発明の目的のために、直接溶接としては、慣性摩擦溶接、直結駆動摩擦溶接、ＣＤ衝撃溶接、衝撃溶接、超音波溶接、および爆圧溶接が挙げられる。これらの製造方法は、第１嵌合表面と第２嵌合表面の間に直接的な冶金学的結合を達成し、低コストで強力な結合を生じる。嵌合表面間の直接的接触（特に、ハンダ、フラックス、蝋、充填材料などの非存在下）は、本発明の優れた性能に寄与する。さらに、合金が、これらの異なる材料の組み合わせから生じる、第１嵌合表面と第２嵌合表面が出会う場所で形成され得ることが認識される。この合金は、直接的溶接の間および／またはトーチの引き続く操作の間に形成され得る。出願人は、この様式での任意の合金の形成が、本発明の性能を妨害しないことを決定した。むしろ、蝋、フラックス、ハンダ、溶接充填材料など（例えば、他の型の接続プロセスに使用されるもの）の使用が避けられるべきである。これらの型の材料は、本発明の直接溶接プロセスに使用されず、このことによって、出願人は、必要とされる嵌合表面間の直接的接触を達成し得る。
【００３０】
１つの局面において、出願人は、（１）性能ならびに（２）製造のコストおよび容易さに基づいて、前部の銀部分および後部の銅部分の最適な容積および構造を有する電極を開発した。出願人の複合電極は、この電極が全て銀電極である場合のように実行する。この電極は、より高価な銀材料の材料特性に近い。この電極は、放射インサート部分周辺の前方部分中に最良の熱伝達を提供するため、性能を達成するためおよび全て銀の電極の寿命と同等の寿命を提供するために不可欠な容積の銀を使用する。この不可欠な構造および容積は、実験室での経験データを介して、そして、熱流束のコンピューターモデル化によって決定され得る。これらの技術を使用して、例えば、電極製造の間に使用される銀の量を最小にする電極を設計し、これによって、電極のコストを削減する。窩および管腔を、電極本体の先端部および／または後部内に戦略的に配置して、例えば、冷却能力を増大し得るか、または製造に必要とされる材料の量を削減し得る。出願人はまた，これらの技術を使用して、ハフニウムインサート２２の優れた冷却が、放射インサート２２の周囲を囲むように、先端部２０Ａ中に高い熱伝導率の材料（例えば銀）を提供することにより達成され、これによって、インサート２２の長さに沿って最良の熱伝達特性の電極の前部との接触を提供し、これによって、電極の寿命が延長されるということを決定した。さらに、出願人は、インサート２２と前部の銀部分との間の徹底的な接触面を提供することがまた、優れた電極性能を生じることを決定した。
【００３１】
この電極の後部２０Ｂは、かなり低コストのために、なお良い熱伝達特性を有するが、全て銀の電極に匹敵する性能特性を有する複合電極を生じる、より低コストの銅材料から作製され得る。さらに、熱伝達の大部分は、前部２０Ａで起こり得るので、後方部分の機械加工性についてのより高い重要性は、後方部分材料選択における基準として使用され得る。電極の前方部分および後方部分の熱伝達特性は、例えば、熱伝導率または熱拡散率であり得る。
【００３２】
複合電極の前方部分および後方部分は、材料の様々な組合せから作製され得る。本発明の１つの実施形態において、電極の前方部分（例えば、銀）の熱伝導率は、一般に、約４００ワット／m／ｄｅｇ−Ｋよりも大きく、そして、電極の後方部分（例えば、銅）の熱伝導率は、一般に、この量未満である。別の実施形態において、電極の前方部分の材料は、高い熱拡散率を有し、一般的に、０．１ｍ２／秒より大きく、そして、好ましくは、少なくとも０．１７ｍ２／秒である。電極の後方部分の熱拡散率は、前方部分の熱拡散率未満である。物理的特性（例えば、上記したような特性）を有する任意の材料（合金を含む）は、本発明とともに使用するために適切であり得、そして、本発明の範囲内であることが意図される。
【００３３】
銀／銅に加えて、本発明の複合電極との使用のために所望される特性との他の複合体または複数の金属の組合せが使用され得る。本発明の異なる実施形態は、電極の前方部分および後方部分のために、銀／アルミニウム、銀／真ちゅう、または真ちゅう／銅の材料組合せを使用し得る。用語「複合（体）」の本明細書中での出願人の使用は、少なくとも２つの金属材料を意味することが意図される。
【００３４】
図２は、本発明の原理を使用する電極２００の実施形態の説明である。電極２００の主要な成分は、前部の銀部分２１０および後部の銅部分２２０であり、この銅部分は、前部の銀部分２１０に摩擦溶接されている。摩擦溶接された接合部は、前部の銀部分２１０と後部の銅部分２２０の表面が接触する場所で作製される。この接続部は、摩擦溶接されると記載されるが、他の直接溶接接合技術（例えば、上記の技術）がまた使用され、そして、本発明の範囲内であると考慮される。さらに、前部の銀部分２１０は、主に銀であり得るが、他の材料（例えば、金、パラジウム、銀−銅合金、真ちゅう、ロジウムおよび白金）およびこれらの任意の合金もまた適切であり、そして、本発明の範囲内である。
【００３５】
図２中に図示される接合部は、電極２００の全幅にわたって延びる断面領域を有する。本発明の他の実施形態において、これらの部分の直径は異なり得、そして、これらの断面領域は異なり得る。さらに、前方部分２１０の形状は、後方部分２２０の形状とは異なり得る。例えば、前方部分は、円盤かまたは四角の形状でありえ、そして、後方部分は管の形状であり得、管の末端は、前方部分の表面に摩擦溶接される。多くの様々な形状および構造が意図され、そして、本発明の有効な操作を提供する。
【００３６】
本発明の１つの実施形態において、前部の銀部分２１０は、銀を含むか、または銀から作製され、そして、後部の銅部分２２０は、銅を含むか、または銅から作製される．前部の銀部分２１０は、ハフニウムインサートが圧入され得る穴２３０を有する。図２に図示されるように、穴２３０は、電極本体の前方部分の中心軸に沿って配置され得る。前部の銀部分２１０を後部の銅部分２２０に装着するために使用される摩擦溶接は、高強度溶接部に沿う正確に漏電保証された密封しールを生じる。冷却を最大にするために、前方部分はまた、後方の冷却流量の領域２４０に延び、したがって、流体によって直接冷却される。１つの実施形態において、電極２００は、芯残しフライスされた構造を有する。図２中に示されるように、芯残しフライスされた構造は、ハフニウムインサートから冷却領域２４０に熱を伝導するための増大した表面領域２５０Ａ、２５０Ｂ、２５０Ｃ、２５０Ｄ、２５０Ｅおよび２５０Ｆを生じる。
【００３７】
鋳造された銀への酸素非含有銅の十分な強度溶接（例えば、９０％銀、１０％銅）は、摩擦溶接を使用して達成された。曲げ試験および引張り試験は、銀材料と同等の強度を示した。銀／銅電極について電極のピット深さを穴の数と比較した実験結果は、図３に示されるように、銀の深さが消滅されるまで、全て銀の電極と同一であった。上記は、単なる代表的な実施形態であり、他の構成もあり得、本発明の範囲内である。
【００３８】
図４は、種々の電極についての、電極亀裂（ｅｌｅｃｔｏｒｏｄｅ  ｓｔａｒｔｓ）の数に対するピット深さを示すグラフである。本発明に従って製造される電極の性能は、グラフ上の曲線４０１および４０３として示される。このグラフは、これらの結果を、銅電極（４０５および４０６）の結果と、および市販される他の銅−銀電極組み合わせ（４０８Ａ〜４０８Ｆ）とを比較する。図４のデータは、４秒寿命試験の試験測定値を使用して得られ、すなわち、電極の各々について、複数の４秒試験が行われ、このグラフに示される情報を得た。このグラフは、本出願人の発明に従って製造された電極の優れた寿命を示す。
【００３９】
図５は、６０秒寿命試験測定（すなわち、電極の各々についての６０秒間の複数回実施）を除いて、図４と比較可能なデータのグラフを示す。本発明に従う電極は、図５において５０１および５０３として示される。銅電極結果は、５０５および５０６として示される。市販の銅−銀組み合わせ電極の結果は、５０８Ａ〜５０８Ｆとして示される。再び、この結果は、本出願人の発明に従って製造された電極の優れた寿命を示す。
【００４０】
図６は、計算流体動力学モデルに基づく拡張された操作の間の、銀チップ電極における温度等高線を示すプロットである。このプロットは、銀前方部分２０Ａ内のハフニウムインサート２２を含む操作電極の断面図を表す。この図においてモデル化された電極は、中心軸６０５について対称である。この電極は、環状リセス５６内に存在する冷却材によって冷却される。平面放射面２２Ａおよびその付近の温度は、グラフによって示される最大温度読み取り値（１９０℃）より高く、そして白色（領域６１０）で表示される。この図は、電極内のハフニウムインサート２２からの半径方向（ｒａｄｉａｌ）熱伝導の度合を定量的に示し、伝導を向上するために半径方向において利用可能な銀を有する重要性を示す。
【００４１】
ハフニウムインサート２２からの半径方向熱伝導は、本発明の重要な特徴である。図７Ａ〜７Ｑは、本発明の範囲内にある電極チップの異なる構成の幾つかの異なる実施形態を示す。電極チップ７０５の銀部分の直径および／または量は、電極７１０の銅部分の量および形状、ならびにハフニウムインサート２２（単数または、複数のインサートが存在する場合は、複数）のサイズ、形状、および位置づけと組み合わせて、特定の適用のための半径方向冷却の所望される量を達成するようにサイズ決めされる。図７Ａ〜７Ｑに示される本発明の実施形態において、ハフニウムインサート２２の全長は、熱除去を容易にするために、電極チップ７０５の銀部分と接触される。
【００４２】
図７Ｒは、電極の後方部分が電極の前方部分を受容するように適応される１実施形態を示す。電極７１０の後方部分のサイズおよび形状は、第２の嵌合（ｍａｔｉｎｇ）面４７が、第１の嵌合面４６によって形成される受容部分７１５内に適合するように調整され得る。この実施形態において、電極チップ７０５の前方部分は、電極チップ７１０の後方部分より小さい直径を有し、電極チップ７０５の前方部分は、受容部分７１５内に適合するように作製され得る。電極の前方部分は、受容部分７１５の直径の実質的に全てを占め得る。摩擦溶接後、本発明のこの実施形態は、図７Ｑに示されるような電極チップ内に生じ得る。
【００４３】
記載された実施形態は、好ましくは、ハフニウムインサートから熱を除去するために冷却材５２を使用する。電極の前方部分および後方部分のこれらの形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）は、例えば、熱伝導要件および製造コストを最適化するために、組み合わせて操作され得る。電極チップ内で使用される銀は、その伝熱特性の利用を最適化するように戦略的に位置づけられる。直接溶接の使用は、高価でない材料（例えば、銅）の使用を可能にし、ここで、より高価な材料の特性は必要とされない。
【００４４】
本発明は、特定の好ましい実施形態に関して、特に示され記載されてきたが、形態および詳細における種々の変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく本明細書中で行われ得ることが、当業者によって理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、本発明に従うプラズマアークトーチの１つの実施形態の断面図である。
【図１Ａ】図１Ａは、図１のプラズマアークトーチに使用するための複合電極の１つの実施形態の断面図である。
【図２】図２は、図１のプラズマアークトーチに使用するための複合電極の別の実施形態の断面図である。
【図３】図３は、開始番号  対  種々の電極配置からのピット磨耗の比較グラフである。
【図４】図４は、４秒試験に使用する他の電極と、本発明に従う電極の性能を比較したグラフである。
【図５】図５は、６０秒試験に使用する他の電極と、本発明に従う電極の性能を比較したグラフである。
【図６】図６は、計算的流体力学モデルに基づいた、トーチ操作の間の銀先端電極モデルにおける、等温線プロットを示すグラフ表示である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｅ】図７Ｅは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｆ】図７Ｆは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｇ】図７Ｇは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｈ】図７Ｈは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｉ】図７Ｉは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｊ】図７Ｊは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｋ】図７Ｋは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｌ】図７Ｌは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｍ】図７Ｍは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｎ】図７Ｎは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｏ】図７Ｏは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｐ】図７Ｐは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｑ】図７Ｑは、本発明の電極先端部配置の種々の実施形態を示す。
【図７Ｒ】図７Ｒは、受容部分を有する電極の後方部分を示す。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004527878.tif 000048
2004527878.tif 000049
【国際調査報告】
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