JP3625040B2

JP3625040B2 - プラズマ加工機、プラズマトーチ及びその部品の着脱方法

Info

Publication number: JP3625040B2
Application number: JP22730699A
Authority: JP
Inventors: 義博山口; 一浩蔵岡
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: JP2001047247A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はプラズマアーク切断又はプラズマアーク溶接のためのプラズマ加工機に関わり、特に、プラズマトーチにおける電極やノズルなどの消耗品の交換作業を容易にするための構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマアーク加工に用いられるプラズマトーチにおいて、電極とノズルはアーク発生時間の経過に伴い次第に消耗していく。状況によっては、１日の加工作業の中で、数回、それらの消耗部品を交換することがある。
【０００３】
電極とノズルを交換するためには、プラズマトーチから電極とノズルを取り外さなければならないことは勿論であるが、機種によっては、それだけでなく、周辺の他の部品も一緒に取り外す必要がある。そのような周辺部品には、例えば、電極とノズルの間に介装される絶縁体ガイドや、ノズルの外側に被せられる１種類又は複数種類のキャップなどがある。
【０００４】
プラズマトーチは、作業テーブルの上方に設けられたキャリッジに固定されており、キャリッジに運ばれてプログラムされた移動経路に沿って移動しつつ、作業テーブル上のワークピースに対し切断又は溶接を行う。トーチ消耗品の交換を行うときには、通常、トーチを交換作業の行いやすい場所に待避させ、そこでトーチを分解して消耗品を交換する。しかし、作業テーブル上で交換を行うことになるので、その作業は決してやり易いものではない。また、交換作業では複数個の小さい部品をトーチから外したり組み付けたりするため、それらの小さい部品を手から落さないよう注意を払わなくてならない。また、部品の組みつけ時には、切断で生じた粉塵などがトーチ内部に入らないよう、慎重に作業しなくてはならない。
【０００５】
このような神経を使う消耗品の交換作業を簡便に行えるようにするために、「カセット式トーチ」、「ワンタッチトーチ」或いは「クイックチェンジトーチ」と呼ばれるプラズマトーチが開発されている（特開昭６２−５００８５号、特公平３−２７３０９号）。このカセット式トーチは、トーチ先端部と電極とノズルとガス管と冷却水管などを含むヘッド部と、ヘッド部に接続される電源ケーブルやガス管や冷却水管などを含むベース部とに２分割できるようになっている。そして、ヘッド部とベース部との接続及び分離が簡単にできるようになっている。新品の消耗品が装着されたヘッド部を予め複数個用意しておき、ベース部に接続されたヘッド部を交換するだけで、簡単に消耗品を交換ができるようになっている。このカセット式トーチでは、消耗品交換を自動化することも可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
カセット式プラズマトーチでは、大電流高電圧の２系統（電極とノズル）の電流経路と、少なくとも１系統（プラズマガス）のガス配管と、冷却水回路の往きと帰りの冷却水配管とを、ヘッド部側の部分とベース部側との部分に分割して、それらの接続、電気絶縁及びシールを、ヘッド部とベース部の分割面で行っている。
【０００７】
そのため、カセット式トーチは、カセット式ではない前述した従来の通常のトーチに比較すると、消耗品交換は容易であるものの、トーチ構造が複雑で、はるかに高価になってしまう。すなわち、ヘッド部とベース部とが簡単に接続及び分離にすると共に、両者の接続面で電気絶縁不良及びガスや水のリークが生じないよう十分な電気絶縁及びシールを施す必要があるため、通常のトーチでは必要のない特別な構造を採用しなければならないため、価格が上がってしまう。例えば、通常のトーチが１０万円であるのに対し、それと同じ加工能力をもったカセット式トーチが４０万円以上という実例がある。そのため、カセット式トーチは、現実にはそれほど普及していない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、プラズマトーチの構造の複雑化とコスト高を抑えつつ、消耗品交換を容易にすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に従うプラズマトーチは、冷却水配管とプラズマガス配管とを有したトーチ本体と、このトーチ本体に着脱自在な状態で取りつけられたデタッチャブル部とを備える。
【００１０】
デタッチャブル部は、電極と、電極を包囲するように配置されたノズルと、電極とノズルの間に介装された絶縁体と、電極、ノズル及び絶縁体を内部に収容したリテーナキャップとを有する。トーチ本体は、電極と結合される電極接続部と、ノズルと結合されるノズル接続部と、リテーナキャップと結合されるリテーナキャップ接続部とを更に有する。
【００１１】
電極と電極接続部との結合構造及びノズルとノズル接続部との結合構造は、次のように構成されている。すなわち、リテーナキャップをリテーナキャップ接続部に所定経路に沿って（例えば、トーチ軸に沿って）近づけて結合する操作に伴って、電極及びノズルがそれぞれトーチ本体の電極接続部及びノズル接続部に結合し、また、リテーナキャップをリテーナキャップ接続部から外して所定経路に沿って遠ざける操作に伴って、電極及びノズルがそれぞれトーチ本体の電極接続部及びノズル接続部から外れるようになっている。更に、電極と絶縁体とノズルとリテーナキャップとは互いに結合されており、それら相互間の結合力は、電極と電極接続部との間の結合力及びノズルとノズル接続部との間の結合力のいずれよりも強い。そのため、リテーナキャップをリテーナキャップ接続部に取り付けたり取り外したりすることで、デタッチャブル部の全部品を一緒にトーチ本体に取り付けたり取り外したりすることができる。
【００１２】
上記構成をもつ本発明に従うプラズマトーチでは、デタッチャブル部全体を纏めて、つまり、電極、絶縁体及びノズルをリテーナキャップと一緒に、トーチ本体に装着し、且つトーチ本体から分離することができる。よって、電極やノズルなどの消耗品交換の際には、電極やノズルを個別にトーチ本体から取り外したり取り付けたりする操作は不要であり、リテーナキャップをトーチ本体から取り外したり取り付けたりする操作を行うだけで、電極及びノズルをトーチ本体から取り外したり取り付けたりすることができる。よって、消耗品交換作業が簡単である。自動交換装置を用いて、全自動で又は半自動で、消耗品交換を行えるように構成することも可能である。
【００１３】
また、本発明に従うプラズマトーチは、電極、ノズル及びリテーナキャップが、トーチ本体に結合する構造を有している。このことは、従来のカセット式トーチの構造とは決定的に異なる。すなわち、従来のカセット式トーチは、電極やノズルやキャップ類とは別にヘッド部とトーチ本体との間の電気接続や配管接続を行うための中間的な接続構造を有している。これに対し、本発明に従うプラズマトーチは、そうした中間的な接続構造は不要である。
【００１４】
好適な実施形態では、電極とノズルがリテーナキャップから個別に分離可能になっている。そのため、電極だけの交換、ノズルだけの交換が可能である。
【００１５】
好適な実施形態では、電極とノズルとリテーナキャップとが、弾性体を用いた結合構造により相互に結合されている。そのため、弾性体を変形させることで結合を解除して電極とノズルをリテーナキャップを簡単に分離できるので、消耗品交換作業が一層容易である。
【００１６】
好適な実施形態では、電極と電極接続部が両者間の電気接続を確保するための接触し合う通電面を夫々有し、電極と電極接続部の通電面同士が、電極と電極接続部の少なくとも一方に設けられた弾性変形部の変形による押しつけ力をもって接触し合っている。そのため、電極と電極接続部との結合構造が、例えば、電極を電極接続へ単に差込んで嵌合させるという着脱の容易なものであっても、弾性変形部の変形による押しつけ力によって通電面の良好な電気接続が確保できる。
【００１７】
本発明の他の特徴は、実施形態の説明の中で明らかにする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態にかかる切断用のプラズマトーチの中心軸に沿った断面を示す。
【００１９】
このプラズマトーチ１は、消耗品（主に電極とノズル）交換時には、トーチ先端部の外殻を構成するキャップ（リテーナキャップ）１３を外すことになっている。リテーナキャップ１３を外すと、電極３やノズル７などの消耗部品がリテーナキャップ１３に結合された状態で一緒にトーチ本体から外れるようになっている。リテーナキャップ１３を外した時の、トーチ本体の断面を図２に示し、リテーナキャップ１３とそれと一緒に外れた部品とのセットの断面を図３に示す。
【００２０】
まず、主に図１を参照し、補助的に図２及び図３を参照して、この切断用プラズマトーチ１の全体的な構成を説明する。
【００２１】
プラズマトーチ１は、キャリッジ（図示せず）に固定されているトーチ本体１Ａ（図２に示す部分）と、このトーチ本体１Ａに着脱自在に取りつけられているデタッチャブル部１Ｂ（図３に示す部分）とに大別される。デタッチャブル部１Ｂは、トーチ軸心から外側に向かって順に、電極３、絶縁ガイド５、ノズル７、絶縁リング９、シールドキャップ１１、リテーナキャップ１３及び回転リング３９から構成され、これらのうち特に電極３とノズル７は消耗品であり随時に交換される。トーチ本体１Ａからリテーナキャップ１３を外すことによって、デタッチャブル部１Ｂの全体が一緒に纏まってトーチ本体１Ａから外れる。デタッチャブル部１Ｂから電極３や絶縁ガイド５やノズル７を分離することは、それらの部品をリテーナキャップ１３から単に手で引き抜くだけでに簡単に行える。デタッチャブル部１Ｂをトーチ本体１Ａへの装着は、リテーナキャップ１３をトーチ本体１Ａへ取付ける作業だけで簡単に行え、デタッチャブル部１Ｂの個々の部品を個別にトーチ本体１Ａに取付ける作業は不要である。
【００２２】
トーチ１（トーチ本体１Ａ）の中心軸位置に、電極３内部へ冷却水を導入するための断面円形の導水管１５が配置されている。導水管１５の基端部分の外周に、これと同軸の位置関係で、円筒形のインナースリーブ１７が嵌められている。インナースリーブ１７の先端部の内側に、円筒形の電極３の基端部が嵌め込まれる。この電極３は閉じた先端部３Ａをもち、この先端部３Ａの中央のアーク発生点となる部分には、ハフニウム製などの耐熱インサート４が取りつけられている。耐熱インサート４の背面は、電極３内部の冷却水が流れる空間に露出している。
【００２３】
導水管１５は、インナースリーブ１７の先端面より前方へ突出して電極３の内部に奥深く入り込み、導水管１５の水出口１５Ａは電極３の先端部３Ａの耐熱インサート４の直ぐ背後の位置まで達している。導水管１５は、その径の太さに着目すると、インナースリーブ１７内に入っている太い大径部１５Ｂと、電極３内に入っている先端の水出口１５Ａから所定長にわたる細い小径部１５Ｄと、大径部１５Ｂと小径部１５Ｄとを繋ぐテーパしたテーパ部１５Ｃとから構成される。このような導水管１５の太さの変化に合わせて、電極３の太さも同様に変化している。すなわち、電極３は、導水管大径部１５Ｂが入っている基端側部分３Ｂにて太く、導水管テーパ部１５Ｃが入っている部分３Ｃにて内径がテーパし、そして、導水管小径部１５Ｄが入っている先端側部分３Ｄにて細い。そして、電極３の細い先端側部分３Ｄの外側にノズル７が被せられる。そのため、この電極３の細い先端側部分３Ｄはトーチ１の全体の太さを細くするのに寄与する。この理由から導水管１５の小径部１５Ｄの外径はできるだけ細い方が好ましいが、一方、導水管１５の内径（つまり、冷却水通路１９の断面積）は小径部１５Ｄと大径部１５Ｂ間に大きな差がないほうが望ましい。この要求を満たすために、導水管１５の壁の厚みを、小径部１５Ｄでは大径部１５Ｂよりも薄くしている。
【００２４】
導水管１５は、その内部に冷却水通路１９を有する。電極３の内周面と導水管１５の外周面との間に、冷却水路２１が形成されている。インナースリーブ１７の内周面と導水管１５の外周面との間に、冷却水路２３が形成されている。インナースリーブ１７の周壁を貫通して、冷却水路２５が形成されている。これらの冷却水路１９、２１、２３、２５はこの順序で連通している。電極３内の冷却水路１９及び２１はほぼ同等の断面積をもつように設計されており、それにより、限られた電極内側のスペースを振り分けた往復の冷却水路１９及び２１の抵抗（圧損）は最小になる。その下流の冷却水路２３及び２５は、その圧損を最小にすべく、構造的に可能な範囲で、最大の断面積を有するように設計されている。
【００２５】
インナースリーブ１７の先端部分の外周には、電極３の耐熱インサート４におけるアーク発生点を回転移動させるためのリングマグネット２７が嵌められている。インナースリーブ１７の基端部分の外周には、円筒形のアウタースリーブ２９が嵌められている。アウタースリーブ２９の先端部には、短円筒状のノズル台座３１が固定され、このノズル台座３１の先端部に、先端に向かってテーパした概略円錐筒形のノズル７が取りつけられている。ノズル７は、電極３と同軸の位置関係で、電極３の前述した細い部分３Ｄの外側に被さっており、耐熱インサート４の正面となるノズル先端部の中心軸位置に、プラズマアークを細く絞って前方へ噴出させるためのノズルオリフィス７Ａを有している。
【００２６】
ノズル７と電極３との間には、両者を電気的に絶縁するための円筒形の絶縁ガイド５が嵌め込まれている。絶縁ガイド５の外周には複数本の溝３３が軸線と平行な方向に形成されており、これらの複数本の溝３３はプラズマガス通路として機能する。これらのプラズマガス通路３３には、図示しないプラズマガス供給路（これは、アウタースリーブ２９とノズル台座３１の内部を通っている）からプラズマガスが流入する。ノズル７と電極３の先端部３Ａとの間には、ノズルオリフィス７Ａに連通するプラズマガス通路３５が形成されている。また、絶縁ガイド５は、プラズマガス通路３３とプラズマガス通路３５を連通するように、周方向に一定間隔で、半径方向に対して周方向に若干角度傾斜して穿たれた、複数のプラズマガススワラ穴５Ａを有している。プラズマガスは、プラズマガス通路３３からプラズマガススワラ穴５Ａに入り、プラズマガススワラ穴５Ａから旋回流となってプラズマガス通路３５へ噴出する。このプラズマガス旋回流は、プラズマガス通路３５を流れて、耐熱インサート４の正面でアークのエネルギーによりプラズマ化され、プラズマ旋回流となってノズルオリフィス７Ａから噴出する。
【００２７】
ノズル７の先端部に、図示しないワークやワークから吹き上がる溶融金属などからノズル７を保護するための短円筒形のシールドキャップ１１が被せられている。ノズル７とシールドキャップ１１との間には、両者を電気的に絶縁する絶縁リング９が嵌め込まれている。この構造の外側に、先端へ向かってテーパした円筒形のリテーナキャップ１３が被せられている。
【００２８】
リテーナキャップ１３の基端部の外側に円筒形の回転リング３９が嵌められている。回転リング３９の先端部に内側へ曲がって形成された環状爪３９Ｂが、リテーナキャップ１３の基端部に形成されたフランジ１３Ａに係合しており、それにより、回転リング３９がリテーナキャップ１３を引き上げている。また、アウタースリーブ２９の基端部の外周に円筒形の固定リング３７が嵌められている。そして、固定リング３７の外周に形成された雄螺子３７Ａに対して、回転リング３９の内周に形成された雌螺子３９Ａが結合されている。回転リング３９をトーチ中心軸を中心にして回転させることにより、回転リング１９と固定リング３７との螺合を締めたり緩めたりすることができる。回転リング１９を固定リング３７に最も締め込んだ状態で、回転リング１９によってリテーナキャップ１３がトーチ本体１Ｂに引き付けられて固定される。
【００２９】
リテーナキャップ１３の先端部にある環状爪１３Ｂが、シールドキャップ１１の基端部にあるフランジ１１Ａに係合しており、それにより、リテーナキャップ１３が、ノズル保護キャップ１１、絶縁リング９、ノズル７、絶縁ガイド５及び電極３のセットをトーチ本体に引き付けて固定している。リテーナキャップ１３は、このような内部の諸部品を保持する機能の他に、トーチ１の先端側部分にけおるトーチ１の外殻としての機能も併せもつ。
【００３０】
アウタースリーブ２９は、半径方向に走る冷却水通路４１と、トーチ中心軸に平行な方向へ走る冷却水通路４３と、この冷却水通路４３から離れた場所で同じくトーチ中心軸に平行な方向へ走る別の冷却水通路４７とを有する。また、ノズル７の外周面とリテーナキャップ１３の内周面とシールドキャップ１１の基端面の間に、ノズル７の外側を包囲する冷却水通路４５が形成されている。インナースリーブ１７内の冷却水通路２５と、アウタースリーブ２９内の冷却水通路４１及び４３と、ノズル３を包囲する冷却水通路４５と、アウタースリーブ２９内のもう一つの冷却水通路４７は、この順序で連通している。冷却水通路４７は、また、図示しない冷却水排出路に連通している。アウタースリーブ２９内の冷却水路４１、４３、４７はいずれも、冷却水による圧損を最小にすべく、構造上可能な範囲で、最大の断面積を有するように設計されている。
【００３１】
冷却水は、矢印で示すように、まず、導水管１５内の冷却水路１９を通って水出口１５Ａから出て、電極３の先端部３Ａの最も高温の耐熱インサート４の背面に当たり、耐熱インサート４を冷却する。耐熱インサート４は冷却水に直接晒されて効果的に冷却される。また、耐熱インサート４の前面は平らであるが、その背面は図示のように中心で高く周囲で低い湾曲した形状をしており、それにより、背面の面積つまり冷却水との接触面積が広く確保されている。また、この湾曲形状は、水出口１５Ａから出た冷却水をスムーズに折り返させて冷却水通路２１へ導く役目ももつ。導水管１５の水出口１５Ａの周囲には、１個又は２個以上のスリット１５Ｅが設けられている。冷却水路１９を流れる冷却水のうちある程度の割合の部分は、耐熱インサート４には触れずに、スリット１５Ｅを抜けて冷却水通路２１へ入り、ノズル７の冷却の方に有効に寄与する。冷却水通路２１に導かれた冷却水は、電極３の内周面に沿って冷却水通路２１を流れる間に電極３を冷却し、次に、冷却水路２３、２５、４１、５３を順に通りぬけて、ノズル７を包囲する冷却水通路４５に入る。この冷却水路４５に入った冷却水は、冷却水路４５を流れる間に、ノズル７を冷却すると共に、シールドキャップ１１とリテーナキャップ１３も冷却する。このように、ノズル７とシールドキャップ１１とリテーナキャップ１３というノズル周りの冷却を要する部品全てが、１つの同じ冷却水路４５内に露出していて、そこを流れる冷却水により同時に冷却されることは、必要な冷却水路の数を最小にして（特に、リテーナキャップ内などに冷却水通路を設ける必要を無くして）、トーチのサイズを小型化するのに寄与する。冷却水路４５を通りぬけた冷却水は冷却水路４７を通ってトーチ１外へ排出される。
【００３２】
リテーナキャップ１３の基端部とアウタースリーブ２９との間に、環状の２次ガス通路５１が形成されている。また、リテーナキャップ１３の外周面に、周方向へ一定間隔で、リテーナキャップ１３の基端部から先端部へと走る多数本の溝１３Ｃが形成されており、各溝１３Ｃの外側の開口は細長い蓋１３Ｄで完全に覆われ、この蓋１３Ｄで覆われた溝１３Ｃ内の空間が２次ガス通路５３となっている。リテーナキャップ１３内の多数本の２次ガス通路５３の各々は、その基端にて、リテーナキャップ１３の基端部に形成された多数の２次ガス導入穴１３Ｅを通じて、リテーナキャップ１３とアウタースリーブ２９間の環状の２次ガス通路５１に連通している。また、リテーナキャップ１３内の多数本の２次ガス通路５１の各々は、その先端にて、リテーナキャップ１３の先端部に形成された多数の２次ガス噴出穴１３Ｆを通じて、リテーナキャップ１３とノズル保護キャップ１１との間に形成された環状の２次ガス通路５５に連通している。この環状の２次ガス通路５５は、ノズル保護キャップ１１に、周方向へ一定間隔で、半径方向に対して周方向へ若干角度傾斜して穿たれた、複数個の２次ガススワラ穴１１Ｃに連通している。それらの２次ガススワラ穴１１Ｃは、シールドキャップ１１とノズル７の先端部との間に形成された２次ガス通路５７に連通し、この２次ガス通路５７は、シールドキャップ１１の先端に形成された、ノズルオリフィス７Ａより大きい径をもつ２次ガス噴出口１１Ｂに連通する。
【００３３】
２次ガスは、アウタースリーブ２９内に形成されている図示しない２次ガス供給路から２次ガス通路５１に流入し、続いて、リテーナキャップ１３内の多数本の２次ガス通路５３を通って、リテーナキャップ１３先端部とシールドキャップ１１との間の２次ガス通路５５に至り、更に、ノズル保護キャップ１１を外側から内側へ貫通する複数の２次ガススワラ穴１１Ｃを通り、旋回流となってシールドキャップ１１内側の２次ガス通路５７に噴出する。この２次ガス旋回流は２次ガス通路５７を通り、２次ガス噴出口１１Ｂから、ノズルオリフィス７Ａから噴出するプラズマアークの周囲に噴出する。２次ガススワラ穴１１Ｃが作る２次ガス旋回流の旋回方向と、プラズマガススワラ穴５Ａが作るプラズマアーク（プラズマガス）旋回流の旋回方向とは同一である。
【００３４】
固定リング３７には、３次ガスを供給する３次ガス通路６１が形成されている。この３次ガス通路６１は、固定リング３７とリテーナキャップ１３との間に形成された環状の３次ガス通路６３に連通する。また、リテーナキャップ１３は、前述した２次ガス通路５３の他に、これと同様に溝１３Ｇと蓋１３Ｈで構成された、基端部から先端部へ走る多数本の３次ガス通路６５も有しており、各３次ガス通路６と各２次ガス通路５３は交互に配置されている。これら多数本の３次ガス通路６５は、その基端にて、リテーナキャップ１３の基端部に形成された多数の２次ガス導入穴１３Ｉを通じて、固定リング３７とリテーナキャップ１３間の環状の３次ガス通路６３に連通する。また、これら多数本の３次ガス通路６５は、その先端にて、リテーナキャップ１３の先端部に穿たれた多数の３次ガススワラ穴１３Ｊに連通する。これら３次ガススワラ穴１３Ｊも、３次ガスを２次ガスと同方向へ旋回するように、周方向に一定間隔で、半径方向に対して周方向へ若干角度傾斜しており、その出口はシールドキャップ１１の先端部を囲む環状の３次ガス通路６７に開いている。
【００３５】
３次ガスは、固定リング３７内の３次ガス通路６１から、固定リング３７とリテーナキャップ１３間の３次ガス通路６３に流入し、続いて、リテーナキャップ１３内の多数本の３次ガス通路６５を通って、リテーナキャップ１３先端部の３次ガススワラ穴１３Ｊに至り、３次ガススワラ穴１３Ｊから旋回流となって２次ガス旋回流の周囲に噴出する。
【００３６】
上述したように、リテーナキャップ１３の内部に２次ガス通路５３と３次ガス通路６５を形成しているため、リテーナキャップ１３とノズル７との間に２次ガスや３次ガスの通路を設ける必要がない。このことのために、ノズル７とリテーナキャップ１３との間の空間を全て冷却水路４５として利用することができ、その結果として、上述したように、１つの同じ冷却水路４５でノズル７、リテーナキャップ１３及びシールドキャップ１１を同時に冷却でき、余計な冷却水路が不用で小型化できるというメリットが得られる。
【００３７】
以上が、このプラズマトーチ１の全体構成である。次に、図２と図３を参照して、トーチ本体１Ａとデタッチャブル部１Ｂについて説明する。
【００３８】
図２に示すように、トーチ本体１Ａは、導水管１７、インナースリーブ１７、アウタースリーブ２９、ノズル台座３１、固定リング３７及びこれらの部品から更にトーチ基端側に存在する図示しない諸部品から構成されている。図３に示すように、デタッチャブル部１Ｂは、電極３、絶縁ガイド５、ノズル７、シールドキャップ１１及びリテーナキャップ１３などの、トーチに着脱可能な諸部品から構成されている。
【００３９】
ここで注目すべきことは、トーチ本体１Ａとデタッチャブル部１Ｂは、従来のカセット式トーチのトーチ本体とヘッド部の構成とは以下の点で決定的に異なることである。
【００４０】
すなわち、従来のカセット式トーチでは、ヘッド部に含まれる電極、ノズル、キャップが本来的に持っている電気接続部や冷却水配管やガス配管に加えて、トーチ本体とヘッド部との間を繋ぐための追加の中間的な電気接続部や冷却水配管の接続部やガス配管の接続部を有していて、それがカセット式トーチの構造を複雑化させている。これに対し、本発明の原理に従うプラズマトーチ１では、デタッチャブル部１Ｂに含まれる電極３やノズル７やシールドキャップ１１などが本来的に持っている電気接続部や冷却水配管やガス配管の他には、トーチ本体１Ａとデタッチャブル部１Ｂとの間を結ぶための追加の中間的な電気接続部や配管接続部を有してはいない。
【００４１】
例えば、図２に示すトーチ本体１Ａは、図１に示す完成されたトーチから、デタッチャブル部１Ｂに含まれる電極３、絶縁ガイド５、ノズル７、シールドキャップ１１及びリテーナキャップ１３などの着脱自在部品を単純に個別に取り外したのと同じ構成を有している。すなわち、トーチ本体１Ａは、電極３、ノズル７及びリテーナキャップ１３といった着脱自在部品の各々と直接結合するための部分を持つだけであり、それら着脱自在部品との直接結合部以外には、デタッチャブル部１Ｂに対する追加の中間的な電気接続部や配管接続部を有してはいない。また、図３に示すデタッチャブル部１Ｂは、実質的に、電極３、絶縁ガイド５、ノズル７、シールドキャップ１１及びリテーナキャップ１３などの着脱自在部品のみから構成されている。すなわち、デタッチャブル部１Ｂは、トーチ本体１Ａに対する関係において、電極３、ノズル７及びリテーナキャップ１３といったトーチ本体１Ａに直接結合される着脱自在部品を備えているだけであり、トーチ本体１Ａに対する追加の中間的な電気接続部や配管接続部は有してはいない。また、デタッチャブル部１Ｂ内の電極３、絶縁ガイド５、ノズル７、シールドキャップ１１及びリテーナキャップ１３は、それら自体が冷却水通路やガス通路を構成するものであるが、これらの部品以外の追加の冷却水配管やガス配管をデタッチャブル部１Ｂは有していない。
【００４２】
そのため、このプラズマトーチ１は、構成の複雑さという点では、従来のカセット式トーチよりずっと簡素であり、よって、コストも安い。それに加え、このプラズマトーチ１は、以下に説明するように、電極３やノズル７などの消耗品の交換の容易さにおいて、従来のカセット式トーチに勝るとも劣らないものである。
【００４３】
図３に示すように、デタッチャブル部１Ｂでは、リテーナキャップ１３の内側に、電極３と絶縁ガイド５とノズル７とシールドキャップ１１が入っている。電極３と絶縁ガイド５とノズル７は互いに嵌め合わされていて、軸方向に沿って一方を他方から引き離すように手で抜けばそれら３者は別々に分離することができる。電極３と絶縁ガイド５間の結合力は、主として、両者間に介装されたゴムのような弾性材性のＯリング９３の摩擦力によって得られ、また、絶縁ガイド５とノズル７５間の結合力は、主として、両者間に介装された弾性材性のＯリング９５の摩擦力によって得られる。また、ノズル７とシールドキャップ１１は、絶縁リング９を介して固着されていて、ユーザが両者を分離することはできない（勿論、嵌めこみ式で分離できるようになっていてもよい）。
【００４４】
シールドキャップ１１は、リテーナキャップ１３の先端部に着脱自在な状態で嵌め込まれている。リテーナキャップ１３の先端部の内面には、シールドキャップ１１の基端部のフランジ１１Ａの外形より僅かに大きい内径をもった環状堤１３Ｋが形成されており、この環状堤１３Ｋの内側にシールドキャップ１１のフランジ１１Ａが嵌め入れられている。環状堤１３Ｋの底部では、前述した環状爪１３Ｂが内側に張り出しており、この環状爪１３Ｂがシールドキャップ１１のフランジ１１Ａに係合してシールドキャップ１１を保持している。さらに、環状堤１３Ｋの内面のフランジ１１Ａより上方の部分に、弾性材製のＯリング９７が嵌めこまれている。このＯリング９７の内径は、シールドキャップ１１のフランジ１１Ａの外形より若干小さく、環状堤１３Ｋの内面から更に内側へ突出している。従って、リテーナキャップ１３の先端部に嵌めこまれたシールドキャップ１１は、Ｏリング９７によって、リテーナキャップ１３からの抜け出しが阻止される。シールドキャップ１１は、そのフランジ１１ＡがＯリング９７を潰してＯリング９７の位置を通過するのに必要な力をもってリテーナキャップ１３から引き離されたときに、リテーナキャップ１３から分離される。
【００４５】
以上の構成をもつデタッチャブル部１Ｂをトーチ本体１Ａに装着するときには、トーチ本体１Ａの導水管１５が電極３の内部に挿入されるように位置を合わせた状態で、リテーナキャップ１３をトーチ本体１Ａの先端部に被せ、トーチ本体１Ａの固定リング３７に、リテーナキャップ１３の基端部の回転リング３９を嵌め入れ螺合させればよい。要するに、リテーナキャップ１３をトーチ本体１Ａに取り付けるという操作だけで、デタッチャブル部１Ｂを構成する全ての部品が纏まってトーチ本体１Ａに結合される。また、トーチ本体１Ａに装着されているデタッチャブル部１Ｂを、消耗品交換のためにトーチ本体１Ａから外すときには、固定リング３７と回転リング３９との螺合を外して、リテーナキャップ１３を単純にトーチ本体１Ａから引き離せば良い。
【００４６】
デタッチャブル部１Ｂがトーチ本体１Ａに装着された状態では、電極３は、後に詳述するように、その基端部３Ｂに形成されている複数枚の弾性舌７７が、トーチ本体１Ａのインナースリーブ１７の内面に接触して、その接触面での摩擦抵抗力でインナースリーブ１７に結合している。また、ノズル１７は、トーチ軸に垂直なノズル基端面７Ｂで、トーチ本体１Ａのノズル台座３１の先端面３１Ａに接触している。そのため、デタッチャブル部１Ｂをトーチ本体１Ａから外すときには、デタッチャブル部１Ｂのトーチ本体１Ａからの分離を阻止する力は、電極３とインナースリーブ１７との上記摩擦による結合力だけである。この電極３とインナースリーブ１７との結合力に比較して、デタッチャブル部１Ｂを構成する諸部品相互間の結合力の方がより大きくなるように設計されている。従って、リテーナキャップ１３をトーチ本体１Ａから外すという操作を行えば、リテーナキャップ１３内の電極３、絶縁ガイド５、ノズル７、シールドキャップ１１などがリテーナキャップ１３に結合されたままで一緒にトーチ本体１Ａから外れる、つまり、デタッチャブル部１Ｂが纏まってトーチ本体１Ａから外れることになる。
【００４７】
デタッチャブル部１Ｂを個々の部品に分解する操作も極めて簡単である。全ての部品が単純な嵌め合せで結合されているから、それらを単に軸方向に引っ張って引き離せば分解できる。分解の手順はユーザの勝手であるが、典型的な手順を例示すれば次の通りである。まず、図３に示したように内部に電極３やノズル７などが付いているリテーナキャップ１３を外側から手でしっかりと掴んだ状態で、その先端部に露出しているシールドキャップ１１を親指などで図３中上方へ押す。この押圧力により、シールドキャップ１１のフランジ１１ＡがＯリング９７を乗り越え、リテーナキャップ１３からシールドキャップ１１が外れる。よって、図４に示すような電極３と絶縁ガイド５とノズル７の結合体（以下、３部品セットという）が、リテーナキャップ１３から取り出される。尚、シールドキャップ１１はノズル７の先端部に固着されているので、以下の説明ではノズル７の一部分としてみなす。次に、電極３、絶縁ガイド５及びノズル７を軸方向に沿って手で引き離せば、図５に示すように個々の部品３、５、７に分離する。デタッチャブル部１Ｂの組み立ては、上記と逆の手順で行えば良い。つまり、電極３、絶縁ガイド５、ノズル７及びリテーナキャップ１３を互いに押して嵌め合わせるだけで、デタッチャブル部１Ｂが組み立てられる。
【００４８】
以上の、デタッチャブル部１Ｂの分解及び組み立て操作は、従来のカセット式トーチのヘッド部のそれよりも簡単である。従来のカセット式トーチのヘッド部は、電極、ノズル、キャップ類などのトーチに必要不可欠な部品だけでなく、トーチ本体に対する電気接続や配管接続のための追加の中間的な部品を備えるため、上述したデタッチャブル部１Ｂほどには分解及び組み立てが単純ではない。
【００４９】
なお、電極３、絶縁ガイド５、ノズル７及びリテーナキャップ１３を結合しておくためのＯリング９１、９３、９５、９７は、同様な機能をもつ他の部品で代替することもできる。例えば、リテーナキャップ１３のＯリング９７の代わりに、内側に僅かに突出した板バネやゴム片などを用いてもよい。
【００５０】
図６は、上述した本発明に従うプラズマトーチ１の消耗品交換の手順の一例を示す。
【００５１】
まず、このプラズマトーチ１を、プラズマ加工機における所定の交換位置に移動させる（Ｓ１）。次に、このプラズマトーチ１の回転リング３９を回して緩め、リテーナキャップ１３をトーチ本体１Ａから外す（Ｓ２）。前述のように、デタッチャブル部１Ｂの部品全部がリテーナキャップ１３と一緒に外れる。次に、リテーナキャップ１３の中に入っている電極３、絶縁ガイド５及びノズル７が結合した３部品セットをリテーナキャップ１３から外す（Ｓ３）。次に、その３部品セットを電極３、絶縁ガイド５及びノズル７に分離する（Ｓ４）。
【００５２】
次に、分離した電極３、絶縁ガイド５及びノズル７のうち、交換を要する部品を新品に交換する（Ｓ５）。次に、電極３、絶縁ガイド５及びノズル７を結合して３部品セットにする（Ｓ６）。次に、その３部品セットをリテーナキャップ１３に嵌め入れる（Ｓ７）。これで、消耗品交換後のデタッチャブル部１Ｂが用意される。次に、デタッチャブル部１Ｂのリテーナキャップ１３をトーチ本体１Ａの先端部に被せ、そして、回転リング１３を回して完全に締める（Ｓ８）。これで、交換作業は完了する。トーチ１を作業位置へ戻して加工作業に入る（Ｓ９）。
【００５３】
上記交換作業は全て手作業で行うこともできるが、消耗品自動交換装置を使って全自動又は半自動で行うこともできる。図７は、消耗品自動交換装置を備えたプラズマ加工機の全体構成を示す。
【００５４】
作業ステージ１０３にワークピース１０１たる鋼板が水平に載置される。作業ステージ１０３に対して、Ｙキャリッジ１０５がＹ方向へ水平移動できるように設置されている。このＹキャリッジ１０５からＸ方向へガイドレール１０７が張り出し、このガイドレール１０７上を水平にＸ方向へＸキャリッジ１０９が移動できるようになっている。Ｘキャリッジ１０９には、Ｚ（鉛直）方向へ移動するＺキャリッジ１１１が取りつけられ、このＺキャリッジ１１１に、図１に示した構造のプラズマトーチ１が真下を向いて固定されている。プラズマトーチ１は、ワークピース１０１を加工している間、上記のキャリッジ１０５，１０９，１１１からなるＸＹＺ移動系統によって、ワークピース１０１に対し一定のスタンドオフ（ワークピース上面からトーチ先端までの距離）を保った状態で、製品形状に合った加工ラインに沿ってＸ及びＹ方向へ水平移動させられる。
【００５５】
作業ステージ１０３の脇の所定位置に、消耗品自動交換装置１１３が設置されている。上述したＸＹＺ移動系は、プラズマトーチ１を作業テーブル１０３上だけでなく、消耗品自動交換装置１１３の上の位置まで移動させることができる。消耗品自動交換装置１１３の上部には、複数個のデタッチャブル部ホルダ１１５、１１５、…が設けられ、各デタッチャブル部ホルダ１１５には１個のデタッチャブル部１Ｂを先端部を下に向けた姿勢でセットすることができる。各デタッチャブル部ホルダ１１５は、既に述べたような方法で、プラズマトーチ１からデタッチャブル部１Ｂ（つまり、リテーナキャップ１３）を外したり、デタッチャブル部１Ｂ（つまり、リテーナキャップ１３）をトーチ本体１Ａに取付けたりする機能をもつ。少なくとも１個のデタッチャブル部ホルダ１１５には、消耗品が新品になっているデタッチャブル部１Ｂが予めセットされており、他の少なくとも１個のデタッチャブル部ホルダ１１５は空である。
【００５６】
プラズマトーチ１の消耗品を交換するときには、まず、ＸＹＺ移動系が、プラズマトーチ１を、消耗品自動交換装置１１３の空のデタッチャブル部ホルダ１１５の真上まで移動させ、そして、プラズマトーチ１を下降させてそのデタッチャブル部１Ｂをその空デタッチャブル部ホルダ１１５の中にセットする。次に、そのデタッチャブル部ホルダ１１５が作動してプラズマトーチ１を回転リング３９を緩めてデタッチャブル部１Ｂだけを外す。
【００５７】
次に、ＸＹＺ移動系が、デタッチャブル部１Ｂの外れたプラズマトーチ本体１Ａを上方に引き上げ、それを別の新品消耗品のデタッチャブル部１Ｂがセットされたデタッチャブル部ホルダ１１５の真上まで移動させ、そして、トーチ本体１Ａを下降させて、これを新品消耗品のデタッチャブル部１Ｂに嵌め込む。次に、そのデタッチャブル部ホルダ１１５が作動して、トーチ本体１Ａに嵌め込まれたデタッチャブル部１Ｂの回転リング２９を回転させて、そのデタッチャブル部１Ｂをトーチ本体１Ａに固定する。これで交換は完了する。その後、ＸＹＺ移動系が、交換完了したプラズマトーチ１を引き上げ、再び作業テーブル１０３上の作業位置へ戻し、加工作業が再開される。
【００５８】
以上の消耗品自動交換装置１１３による自動交換作業は、図６に示した交換手順において、ステップＳ２から、ステップＳ３〜Ｓ７を飛び越して、ステップＳ８へ進むものである。ステップＳ３〜Ｓ７（古いデタッチャブル部１Ｂのデタッチャブル部ホルダ１１５からの取り出しと分解、及び新しいデタッチャブル部１Ｂの組み立てとデタッチャブル部ホルダ１１５へのセット）は手作業で行っても良いし、自動化してもよい。
【００５９】
図８は、消耗品自動交換装置１１３のデタッチャブル部ホルダ１１５の構成を簡単に示している（トーチ１の内部の部品は図示省略する）。
【００６０】
デタッチャブル部ホルダ１１５は、デタッチャブル部１Ｂのリテーナキャップ１３を静止状態に保持するキャップホルダ１１７と、デタッチャブル部１Ｂの回転リング３９を掴んでこれを操作する回転リングドライバ１１９とを有する。キャップホルダ１１７は、消耗品自動交換装置１１３に不動状態で設けられた筒形の部品であり、リテーナキャップ１３の先端部の外面に取り付いて、交換作業中にリテーナキャップ１３が動かないように保持する。回転リングドライバ１１９は、キャップホルダ１１７と同軸関係でその外周に配置された筒形の部品で、回転リング３９を掴んで、この回転リング３９を、トーチ軸（一点鎖線で示す）回りに右回転及び左回転させつつ、トーチ軸方向に上昇及び下降させることができる。回転リングドライバ１１９の駆動機構は図示省略する。
【００６１】
図８（Ａ）は、トーチ本体１Ａにデタッチャブル部１Ｂを固定する直前の状態を示す。このとき、回転リングドライバ１１９は、デタッチャブル部１Ｂの回転リング３９を、リテーナキャップ１３より上方へ突出しない低い位置で保持している。この状態で、トーチ本体１Ａが、回転リング３９に衝突することなく、デタッチャブル部１Ｂに完全に嵌め込まれる。続いて、回転リングドライバ１１９が、回転リング３９を右回りに回転させつつ、回転リング３９の螺子３９Ａのピッチに合った回転速度／上昇速度比で、回転リング３９を上昇させていく。これにより、回転リング３９は、トーチ本体１Ａの固定リング３７に螺合し、この螺合が締め込まれている。図８（Ｂ）に示すように、回転リング３９と固定リング３７との螺合が完全に締められたところで、回転リングドライバ１１９が停止する。これで、トーチ本体１Ａへのデタッチャブル部１Ｂの装着が完了する。
【００６２】
トーチ本体１Ａからデタッチャブル部１Ｂを外すときには、図８（Ｂ）の状態から、回転リングドライバ１１９が、回転リング３９を左回りに回転させながら、回転リング３９の螺子３９Ａのピッチに合った回転速度／下降速度比で下降していく。これにより。回転リング３９と固定リング３７との螺合が緩められていく。図８（Ａ）に示すように回転リング３９から固定リング３７が完全に外れたところで、回転リングドライバ１１９が停止する。その後、トーチ本体１Ａｇａ上昇し、これにより、トーチ本体１Ａからデタッチャブル部１Ｂが分離される。
【００６３】
以上のように、本発明に従うプラズマトーチ１の消耗品交換は容易であり、自動交換にも適している。
【００６４】
本発明に従うプラズマトーチ１が、消耗品交換以外の他の幾つかの観点についても、優れた特徴を有している。そのうち２つ観点についての特徴、すなわち、第１に電極３の電気接続に関する特徴と、第２に電極３とノズル７の位置整合に関する特徴について以下に説明する。まず、第１の特徴を説明する。
【００６５】
図９は、上述のプラズマトーチ１の電極３の断面を示す。図１０は、トーチ本体１Ａのインナースリーブ１７と導水管１５の断面を示す。図１１は電極３をインナースリーブ１７に取り付けた状態を示す。
【００６６】
図９に示すように、電極３は例えば銅製であって、その基端開口７１を囲むスカート部７３には、その基端面から電極軸に平行方向へ、一定間隔で、所定長と所定幅をもった複数本（例えば、２本、３本又は４本）のスリット７５が刻み込まれている。これらのスリット７５により、スカート部７３は、複数枚（例えば、２枚、３枚又は４枚）の舌（円弧に湾曲した矩形板）７７に分割されていて、各舌７７は、弾性をもって径方向内側へ僅かな距離だけ撓むことができる。スカート部７３は、内径及び外径の双方にて他の部分より僅かに大きい大径部７９を有し、この大径部７９の外径は、舌７７が内方へ弾性的に撓むことで僅かに縮小する。この大径部７９の外周面７９Ａは、電極軸に平行な面であり、後述するように、インナースリーブ１７の内面に密着して通電面として機能する。大径部７９の内側には、ステンレス鋼製のバネリング８１が、大径部７９の内周面７９Ｂに密着するようにして嵌め込まれる。このバネリング８１は、図には表れていないが、完全なリングではなく、１箇所にてスリットで切断されたＣ字形のものであり、元来弾性に富まない銅製の舌７７に内側から弾性力を追加して、舌７７が内側に撓んだときの塑性変形を防止し、かつ、通電面７９Ａのインナースリーブ１７の内面への接触圧力を強化する役割をもつ。この大径部７９の基端の外周エッジは斜めに面取りされた面７９Ｃとなっており、この面取り面７９Ｃは電極３のインナースリーブ１７への差し込みを容易にする。
【００６７】
電極３の外周の、スカート部７３より若干距離だけ先端側へずれた位置に、フランジ８３が形成されている。フランジ８３は、その基端側部分の比較的に小さい外径をもつ小径部８３Ａと、先端側部分の比較的に大きい外径をもつ大径部８３Ｂとを有する。電極３の外周には、スカート部７３とフランジ６３との間の位置に、前述した弾性材製のＯリング９１が嵌められている。このＯリング９１は、フランジ８３の基端側の端面（電極軸に垂直な面である）に当接している。
【００６８】
図１０に示すように、インナースリーブ１７は、電極３を保持し且つ電極３に電流を供給する役目をもつ。
【００６９】
導水管１５の外周面とインナースリーブ１７の内周面との間には、電極３のフランジ８３より基端側の部分を嵌め入れるための空間１２１が形成されている。インナースリーブ１７の内周面１２３は、その先端部に、先端から基端へ向かうに従って内径がテーパするテーパ面１２３Ａを有する。このテーパ面１２３Ａの最も開いた部分の径、つまりインナースリーブ１７の先端の内径は、電極３のフランジ８３の小径部８３Ａの外径より若干大きい。インナースリーブ１７の内周面１２３は、先端部から基端側へ向かって、テーパ面１２３Ａに続いて、次にスリーブ軸に平行な面１２３Ｂとなり、次に内径が若干小さくなって、２番目のスリーブ軸に平行な面１２３Ｃとなる。この２番目の平行面１２３Ｃは、後述するように、電極３をこのインナースリーブ１７に取り付けたとき、電極スカート部７３の大径部７９の外周面７９Ａと密着することになる通電面である。この２番目の平行面１２３Ｃの内径は、電極スカート部７３の大径部７９の外径より僅かに小さい。また、この２番目の平行面１２３Ｃは先端側のエッジは、内径が滑らかに小さくなるように面取りされたスロープ面１２３Ｄとなっている。このスロープ面１２３Ｄは、電極３をインナースリーブ１７に差し込んだときに、電極スカート部７３の基端外周の面取り面７９Ｃに当接して舌７７を内側に撓ませ、それにより、電極スカート部７３の大径部７９がこの２番目の平行面１２３Ｃの内側へ入り込むのを容易にする。
【００７０】
電極３のフランジ８３より基端側の部分がインナースリーブ１７の内側の空間１２１に差し込まれると、電極スカート部７３の基端外周エッジの面取り面７９Ｃが、まずスリーブ内周面１２３のスロープ面１２３Ｄに当接し、続いて、このスロープ面１２３Ｄに沿って滑りながら更に内奥へ入っていく。このとき、電極スカート部７３の舌７７が内側に撓んで、スカート部７３の大径部７９がスリーブ内周面１２３の２番目の平行面１２３Ｃの内側に入るように縮まり、そして、電極スカート部７３の大径部７９の外周面（通電面）７９Ａが、スリーブ内周面１２３の２番目の平行面（通電面）１２３Ｃに対して、舌７７とバネリング８１の反力で押しつけられて、これら通電面７９Ａ，１２３Ｃ同士が擦り合いながら、電極スカート部７３の大径部７９がスリーブ内周面１２３の２番目の平行面１２３Ｃ内に入り込む。電極３がインナースリーブ１７内に完全に差し込まれると、図１１に示す状態となり、電極３のインナースリーブ１７への取り付けが完了する。このように、単なる軸方向への差し込みだけで、電極３をインナースリーブ１７に簡単に取りつけることが出来、また、取外しも単なる軸方向への引き抜きだけで行える。故に、前述したような簡単な消耗品交換が可能である。
【００７１】
図１１に示した取り付け完了状態では、冷却水が、矢印で示すように、導水管１５から出て、まず耐熱インサート４を冷やし、続いて、折り返して導水管１５の外周面と電極３の内周面との間の冷却水路２１を通って、電極３を冷却しつつ基端側へ流れていく。この冷却水路２１は、電極３とインナースリーブ１７の通電面７９Ａ，１２３Ｃの近傍を通っている。そして、この冷却水路２１内の冷却水の一部は、電極スカート部７３のスリット７５に入り、スリット７５を通って、電極３の外周面とインナースリーブ１７の内周面との間に形成された隙間１２５内も満たす（つまり、スリット７５や隙間１２５も冷却水路の一部である）。故に、密着した通電面７９Ａ，１２３Ｃの周囲は冷却水に晒されることになる。換言すれば、密着した通電面７９Ａ，１２３Ｃが冷却水路２１、７５、１２５内に存在することになる。また、電極３のＯリング９１が、電極３のフランジ８３とインナースリーブ１７のテーパ面１２３Ａとの間に挟まれていて、隙間１２５内の冷却水が外部に漏れないようシールする。また、Ｏリング９１は、電極３の軸方向の位置決めも行う。
【００７２】
上述した電極取付けの過程で、通電面７９Ａ，１２３Ｃに多少の異物が付着していたとしても、通電面７９Ａ，１２３Ｃの良好な接触を確保することが可能である。すなわち、電極３をインナースリーブ１７に差し込むときに電極３がインナースリーブ１７に対して軸方向へ動くことより、電極３とインナースリーブ１７の通電面７９Ａ，１２３Ｃ同士が擦り合う。この擦り合いによって、通電面７９Ａ，１２３Ｃに付着していた多少の異物は、潰れたり通電面内に埋め込まれたりする。その結果、図１１に示した取り付け完了状態では、通電面７９Ａ，１２３Ｃは、舌７７とバネリング８１の反力で押し付けられて密着する。また、仮に潰れずに残った異物があったとしても、その異物によって通電面７９Ａ，１２３Ｃの全部が接触不良となることはなく、電極スカート部７３の複数枚の舌７７のうち、その異物が存在する舌７７以外の舌７７では、通電面７９Ａ，１２３Ｃは密着する。このように、通電面に多少の異物があっても接触不良が生じにくい。また、通電面の接触抵抗のために通電面で多少の発熱があったとしても、その近傍及び周囲を冷却水が流れて通電面を強力に冷却するため、通電面の溶損の問題は発生しない。
【００７３】
なお、通電面を密着させる押し付け力を得るために、電極３側に弾性的に変形する舌７７を設けたが、必ずしもそうしなければならないわけではなく、弾性変形部分をインナースリーブ１７側に設けても、或いは、電極３とインナースリーブ１７の双方に設けても良い。但し、頻繁に交換される電極３側に弾性変形部を設けた方が、変形の繰り返しによる金属疲労の問題がない点で有利である。また、電極３とインナースリーブ１７の通電面の形状は、電極の中心軸（トーチの中心軸）と共通の中心軸をもった円筒面であったが、必ずしもそうである必要はなく、トーチの中心軸と共通の中心軸をもった円錐面としてもよい（つまり、通電面にテーパをつけてもよい）。更に、弾性力で密着する通電面に加え、トーチ軸に対して垂直な面での押し付けによる通電面も併せ持つようにしてもよい。この場合、通電面が２系統あることにより、通電トラブルに対する信頼性が高まるとともに、同じサイズの電極であっても、１系統の通電面しかもたない電極に比べて、より大きな電流が流せるという利点がある。
【００７４】
次に、電極３とノズル７との位置整合に関する特徴を説明する。
【００７５】
図１２は、電極３とノズル７の位置整合（特に、中心軸合わせ、つまり芯だし）の原理を模式化し且つ分り易いように分解して示す。
【００７６】
ノズル７の内側に弾性を有するＯリング９５を挟んで絶縁ガイド５が嵌合され、この絶縁ガイド５の内側には弾性を有するＯリング９３を挟んで電極３が嵌合されている。そして、この電極３はインナーインナースリーブ１７の内側に嵌合されており、電極３とインナーインナースリーブ１７とは、電極基端部にて弾性を有する舌７７をもって接触し、インナースリーブ先端部にて弾性を有するＯリング９１を間に挟んでいる。
【００７７】
Ｏリング９１、９３、９５は、周方向に亘って各部位の縮み代が略等しくなる性質を持つ。従って、電極３と絶縁ガイド５とがＯリング９３を挟んで嵌め合わされたとき、このＯリング９３の性質によって、電極３の中心軸Ｌ１と絶縁ガイド１５の中心軸とが自動的に精度良く一致する。そして、絶縁ガイド５とノズル７とがＯリング９５を挟んで嵌め合わされたとき、このＯリング９５の性質によって、絶縁ガイド１５の中心軸とノズル７の中心軸Ｌ２とが自動的に精度良く一致する。結果として、電極３の中心軸Ｌ１とノズル７の中心軸Ｌ２とが自動的に精度良く一致する。つぎに、電極３がＯリング９１を挟んでインナーインナースリーブ１７に嵌合されたとき、このＯリング９１の性質によって、インナーインナースリーブ１７の中心軸Ｌ３（つまり、トーチ本体の中心軸）と電極３の中心軸Ｌ１とが自動的に一致する。結果として、電極本体３の中心軸Ｌ１とノズル７の中心軸Ｌ２とトーチ本体の中心軸Ｌ３とが自動的に精度良く一致する。
【００７８】
尚、Ｏリング９１、９３、９５はそれぞれ、図１、３、１１などに示すように、各部品の外周面上又は内周面上に形成されたＯリング溝内に収容される。これらのＯリング溝の溝底の同軸度は、上述した芯出しに大きい影響を与えるため、０．０２ｍｍ程度にまで精度を上げることが望ましい（因みに、従来の一般的なトーチにおけるＯリング溝底の同軸度は０．０５ｍｍ程度である）。
【００７９】
リテーナキャップ１３は、その先端部でノズル７の先端部のシールドキャップ１１を保持した状態で、回転リング３９によってトーチ本体の固定リング３７に固定される。このとき、リテーナキャップ１３は、ノズル７に対して、上述した中心軸Ｌ１〜Ｌ３に平行な方向へ押す力を与えるだけであり、径方向の力も回転方向の力も与えない。更に、ノズル７はリテーナキャップ１３によってノズル台座３１に押しつけられるが、ノズル７とノズル台座３１との当接面は、軸方向に垂直な面であるため、ノズル７はノズル台座３１から軸方向の反作用力を受けるだけであり、径方向の力を受けることがない。このように、ノズル７の外側には、ノズル７に対して軸方向以外の力、特に径方向への力を作用させる部品は何も存在しない。つまり、ノズル７は径方向においてＯリング９１、９３、９５による力以外の外力を受けることなくフリーな状態になっている。換言すれば、ノズル７は径方向においてＯリング９１、９３、９５による位置調整が許容されるようにフリーな状態になっている。そのため、上述したＯリング９１、９３、９５による位置整合作用が、径方向の外力によって妨害されることなく効果的に働く。こうして、Ｏリング９１、９３、９５による電極３とノズル７の径方向の高精度な位置整合（つまり、中心軸の一致）作用が、外力の邪魔を受けることなく効果的に行われる。
【００８０】
一方、軸方向でのノズル７と電極３間の位置決めに関しては、ノズル７の内周の段部７Ｃ、電極３のフランジ８３、及び段部７とフランジ８３間に挟まれる絶縁ガイド５の寸法によって達成される。すなわち、ノズル７の内周の段部７Ｃに絶縁ガイド５の先端面５Ａが当接し、絶縁ガイド５の基端面５Ｂが電極３のフランジ８３で押さえられる。これにより、ノズル７の段部７ｃと電極３のフランジ８３との軸方向の距離が絶縁ガイド５の軸方向の長さに決定されるので、ノズル７と電極３の軸方向での相対位置が自動的に精度良く決定される。
【００８１】
更に、図１２で説明した位置整合の原理で注目すべき点は、Ｏリング９１、９３、９５が挿入されている各部品間の境界には、Ｏリング９１、９３、９５によって径方向の位置整合をとることとしたが故の、十分に大きいクリアランスが存在することである。すなわち、インナースリーブ１７の先端部の内周面と電極３の基端部の外周面との間、電極３の先端部の外周面と絶縁ガイド５の内周面との間、及び絶縁ガイド５の先端部の外周面とノズル７の基端部の内周面との間には、それら部品同士が直接に触れ合うことのない大きなクリアランスが存在する。このクリアランスによって、上述したＯリング９１、９３、９５による径方向の位置整合作用が有効に働くと共に、部品同士を容易に分離でき且つ容易に嵌め合わせることができるので、交換作業が容易である。加えて、Ｏリング９１、９３、９５はその断面形状が円形であるため、部品同士を分離したり嵌め合わせたりするときに大きな抵抗とならず、このことも交換作業を容易にしている。
【００８２】
前記のＯリング９１、９３、９５はこれに限定されるものではない。代替品として、Ｏリングに相当する弾性を有する部材を用いることができる。或いは、Ｏリングのように部品の内周面又は外周面に一周連続して存在するリング部材の代わりに、部品の内周面又は外周面の周方向における複数箇所に配置された複数個の弾性ブロックを用いて、周の複数箇所でのそれら弾性ブロックの均等な弾性伸縮によって、径方向の位置整合をとるようにしてもよい。
【００８３】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものでないことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる切断用のプラズマトーチの中心軸に沿った断面図。
【図２】同プラズマトーチからリテーナキャップ１３を外した時の、トーチ本体の断面図。
【図３】同プラズマトーチからリテーナキャップ１３を外した時の、リテーナキャップ１３とそれと一緒に外れた消耗品とのセットの断面図。
【図４】電極と絶縁ガイドとノズルを結合した３部品セットの断面図。
【図５】分離された電極と絶縁ガイドとノズルの断面図。
【図６】消耗品交換の手順を示すフローチャート。
【図７】消耗品自動交換装置を備えた本発明の一実施形態にかかるプラズマ加工機の斜視図。
【図８】消耗品自動交換装置の要部の断面図。
【図９】電極の断面図。
【図１０】トーチ本体の電極を取りつける部分の断面図。
【図１１】トーチ本体に電極を取りつけた部分の断面図。
【図１２】電極とノズルの位置整合の原理を示す模式的な断面図。
【符号の説明】
１プラズマトーチ
３電極
５絶縁ガイド
７ノズル
１１シールドキャップ
１３リテーナキャップ
１５導水管
１７インナースリーブ
２９アウタースリーブ
３７固定リング
３９回転リング
９１、９３、９５Ｏリング

Claims

プラズマトーチと、作業テーブルと、前記作業テーブル上で前記プラズマトーチを移動させる移動機構とを備え、
前記プラズマトーチは、前記移動機構に取り付けられたトーチ本体と、前記トーチ本体に着脱自在な状態で取りつけられたデタッチャブル部とを備え、
前記デタッチャブル部は、電極と、前記電極を包囲するように配置されたノズルと、前記電極と前記ノズルの間に介装された絶縁体と、前記電極、ノズル及び絶縁体を内部に収容したリテーナキャップとを有し、
前記トーチ本体は、前記電極と結合される電極接続部と、前記ノズルと結合されるノズル接続部と、前記リテーナキャップと結合されるリテーナキャップ接続部と、冷却水配管と、プラズマガス配管とを有し、
前記リテーナキャップを前記リテーナキャップ接続部に所定経路に沿って近づけて結合する操作に伴って、前記電極及び前記ノズルがそれぞれ前記電極接続部及び前記ノズル接続部に結合し、且つ、前記リテーナキャップを前記リテーナキャップ接続部から外して所定経路に沿って遠ざける操作に伴って、前記電極及び前記ノズルがそれぞれ前記電極接続部及び前記ノズル接続部から外れるように、前記電極と前記電極接続部との結合構造及び前記ノズルと前記ノズル接続部との結合構造が構成されており、
前記電極と前記絶縁体と前記ノズルと前記リテーナキャップとは互いに結合されており、それら相互間の結合力は、前記電極と前記電極接続部との間の結合力及び前記ノズルと前記ノズル接続部との間の結合力のいずれよりも強く、
それにより、前記リテーナキャップを前記リテーナキャップ接続部に取り付け及び取り外すことによって、前記デタッチャブル部の全部品を一緒に前記トーチ本体に取り付け且取り外すことができるようになっているプラズマ加工機。
前記移動機構による前記プラズマトーチの移動可能範囲内の所定場所に配置され、前記プラズマトーチの前記トーチ本体から前記リーテーナキャップを取り外し、次に別の前記リテーナキャップを前記トーチ本体に取りつけるための自動交換装置、
を更に備えた請求項１記載のプラズマ加工機。
請求項１記載のプラズマ加工機における、前記電極又は前記ノズルの交換方法であって、
前記プラズマトーチを交換作業場所へ移動させるステップと、
前記交換作業場所において、前記プラズマトーチの前記トーチ本体から前記リテーナキャップを取り外すことにより、前記デタッチャブル部の全部品を一緒に前記トーチ本体から取り外すステップと、
前記デタッチャブル部の中の前記電極又は前記ノズルを新品に交換するステップと、
前記交換作業場所において、前記電極又は前記ノズルが新品に交換された後の前記デタッチャブル部の前記リテーナキャップを前記ノズル本体に取り付けることにより、前記デタッチャブル部の全部品を一緒に前記ノズル本体に取り付けるステップと、
を有するプラズマ加工機の消耗品交換方法。
冷却水配管とプラズマガス配管とを有したトーチ本体と、前記トーチ本体に着脱自在な状態で取りつけられたデタッチャブル部とを備え、
前記デタッチャブル部は、電極と、前記電極を包囲するように配置されたノズルと、前記電極と前記ノズルの間に介装された絶縁体と、前記電極、ノズル及び絶縁体を内部に収容したリテーナキャップとを有し、
前記トーチ本体は、前記電極と結合される電極接続部と、前記ノズルと結合されるノズル接続部と、前記リテーナキャップと結合されるリテーナキャップ接続部とを更に有し、
前記リテーナキャップを前記リテーナキャップ接続部に所定経路に沿って近づけて結合する操作に伴って、前記電極及び前記ノズルがそれぞれ前記電極接続部及び前記ノズル接続部に結合し、且つ、前記リテーナキャップを前記リテーナキャップ接続部から外して所定経路に沿って遠ざける操作に伴って、前記電極及び前記ノズルがそれぞれ前記電極接続部及び前記ノズル接続部から外れるように、前記電極と前記電極接続部との結合構造及び前記ノズルと前記ノズル接続部との結合構造が構成されており、
前記電極と前記絶縁体と前記ノズルと前記リテーナキャップとは互いに結合されており、それら相互間の結合力は、前記電極と前記電極接続部との間の結合力及び前記ノズルと前記ノズル接続部との間の結合力のいずれよりも強く、
それにより、前記リテーナキャップを前記リテーナキャップ接続部に取り付け及び取り外すことによって、前記デタッチャブル部の全部品を一緒に前記トーチ本体に取り付け且取り外すことができるようになっているプラズマトーチ。
前記電極と前記ノズルが前記リテーナキャップから個別に分離可能である請求項４記載のプラズマトーチ。
前記電極と前記ノズルと前記リテーナキャップとが、弾性体を用いた結合構造により相互に結合されている請求項４記載のプラズマトーチ。
前記電極と前記電極接続部が両者間の電気接続を確保するための接触し合う通電面を夫々有し、前記電極と前記電極接続部の通電面同士が、前記電極と前記電極接続部の少なくとも一方に設けられた弾性変形部の変形による押しつけ力をもって接触し合っている請求項４記載のプラズマトーチ。
請求項４記載のプラズマトーチにおける、前記電極又は前記ノズルの交換方法であって、
前記プラズマトーチの前記トーチ本体から前記リテーナキャップを取り外すことにより、前記デタッチャブル部の全部品を一緒に前記トーチ本体から取り外すステップと、
前記デタッチャブル部の中の前記電極又は前記ノズルを新品に交換するステップと、
前記交換作業場所において、前記電極又は前記ノズルが新品に交換された後の前記デタッチャブル部の前記リテーナキャップを前記ノズル本体に取り付けることにより、前記デタッチャブル部の全部品を一緒に前記ノズル本体に取り付けるステップと、
を有するプラズマトーチの消耗品交換方法。