JPS5847274B2 - ア−ク揺動方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアークまたはプラズマアーク（以下両者をアー
クと総称する。

）を外部磁界の作用で空間的に揺動させる方法に関する
。

アーク中に流れる電流は、これと直交するベクトル成分
を有する磁界中ではローレンツ力を受け、その結果電流
通路が曲げられる現象はよく知られている。

また本発明者は先にアークに、これと直交する外部磁界
を作用させ、かつアークおよび外部磁界のいずれかある
いはこれら両方を交流動作させることにより、アーク電
流に働くローレンツ力を交番状態とし、アークを扇形の
平面上を揺動させる方法を発明した。

しかしこの揺動力法ではアークスポットは一定の直線上
を往復するだけで一次元運動しかできない欠点をもつ。

またアークスポットの移動速度は、往復線上の中心部で
大きく両端部で小さいため、アーク加熱による入熱分布
は端部に大きく中心部に小さい不均一分布となり、入熱
量の空間的分布の制御が困難である。

本発明はこれらの欠点を改善するものである。

第１図により斜め磁界中でのアークの挙動について原理
的説明を行う。

図に耘いて１はアークまたはプラズマ発生用トーチであ
り、２は金属材である。

アークはトーチ１と金属材２との間で発生する。

説明を簡単にするため座標の原点を金属材表面上でトー
チ直下Ｃ点Ｏにとる。

外部磁界は空間的に均一としトーチと座標原点とを結ぶ
°２軸とθの角度で交叉してかり、磁界はｙ成分をもた
ないようにＸ軸、ｙ軸を定めるｘ’ｙ平面は金属材表面
である。

ｉ！ず磁界強度Ｂを零にしてアークを点火し、その後磁
界の方向は固定したま１強度を大きくしていった場合の
金属材２の表面上のアークスポットの動きを考えてみる
。

磁界強度が零の場合はアークスポットは０点にある。

このときのアーク電流はＺ成分のみである。

これに外部磁界をかける。

磁場Ｂから電流■に働く力Ｆは電磁見学の法則により単
位長当りＦ＝ＩＸＢで与えられる。

ここで、Ｆ、Ｉ、Ｂは共にベクトル表示の力、電流訃よ
び磁界強度である。

ＩＸＢはベクトル積を意味する。

アークスポットが０点にある場合はアーク電流は２戒分
Ｉｚのみである。

これに外部磁界のＸ成分Ｂｘが作用するとｙ方向の力Ｆ
ｙ＝■ｚ−Ｂｘか生じアークスポットはｙ方向にずれる
。

ｙ方向にずれると今度はアーク電流にｙ成分■ｙが生じ
これに磁界成分Ｂｚが作用しＸ方向の力Ｆｘ＝ＩｙＢｚ
がでてくる。

このためにアークスポットは磁界によりｙ方向に動くと
同時にＸ方向へも動く。

Ｘ方向にずれることによりアーク電流にＸ成分Ｉｘがで
き、これとＢｚとでｙ方向の力が新たに発生するが、こ
の力の向きは先にＩｚＢｘで与えられたｙ方向の力とは
逆向きである。

従って一般的形式としてアークに働くｙ方向の力Ｆ ｙ
＝ Ｉ ｚ Ｂｘ−ＩｘＢｚで与えられる。

電流の絶対値は固定して磁界強度を上げていくと、ＦＸ
は単調に増加していくが、Ｆｙは増加項と減少環の和と
して与えられているので、初め増加し最大値を経てやが
て減少していく、磁界強度が無限大に大きくなった極限
を考えると、アーク電流は磁界を横切ることができなく
なるので、アークは磁界と平行になる。

即ちトーチ先端Ｑを通り磁界ベクトルに平行な線を引き
ｘ −７面と交る点をＰとすれば、アークは直線ＱＰ上
に位置しアークスポットはＰ点にくる。

０点を出発してＢ→■でＰ点に至るアークスポットの軌
跡は計算により、図に点線４で示したようにＯＰを直径
とする半円であることがわかった。

ＱＯの長さをＬとすればこの円の半径は一如θである。

ある磁界強度Ｂでアークスポットが８点まで働いたとし
その時のＯＲとＳＲとのなす角度をαとすれば、αとＢ
の関係は図に示すようになる。

第２図において横軸は磁界強度に対応しているが、α＝
９０°になる磁界強度をＢ２Ｏで表わし１、この値で規
格化された磁界強度表示になっている。

今磁界としてＢｓ１ｎωｔで表現されるような交流磁界
を考えアーク電流を直流とすると、ｔ−Ｏでアークスポ
ットはα＝０即ち第１図での原点にある。

０＜１＜−１では点線で示された円弧上をαが２ω 増加する方向に動きｔ＝π／２ω１でにはアークスポッ
トは例えば８点にくる。

π／２ω＜１＜π／ωではアークスポットは８点から点
線で示された円弧上を０点に向って戻る。

ｔ＝π／ωでは再び０点にいる。

−〈ｔ≦π／ωではアークスボω ットはαがマイナスの範囲で第１図の４／ｆ示される点
線上をＳ′１で同じように動き、ｔ＝２π／ωでは再び
原点Ｏにもどってくる。

以後２π／ωの時間周期でアークスポットは円弧上を往
復運動することは容易に理解されよう。

Ｂが与えられたときのαの値を知るにはＢ２Ｏの値が既
知でなければならないが、Ｂ９ｏは磁界と２軸のなす角
度θ、アーク電流■、ガス雰囲気、ガス流量釦よびトー
チデザイン等が関係してむり、解析的に求めることは困
難である。

Ｂ２Ｏの決定は実験的に求める必要がある。

即ちＢをＯから出発して値を大きくしていきα−９００
になるＢの値を測定し、その値をＢ２Ｏとすればよい。

ここで従来のアーク揺動法と本方法の違いを明らかにす
るため第１図にむいてθ＝−の場合と０ご−の場合とで
アークスポットの動きを比較してみる。

θ−一が従来方法、θ＼−が本発明の方法２ である。

θ−一の磁界ではアークをＸ方向へ動かす力が生じない
ため、アークスポットはｙ軸上しか動けない。

交流磁界ではｙ軸上の原点Ｏを中心に往復運動をする。

磁界強度が大きくなれば揺動振巾も大きくなる。

アークスポットの速度は両端で小さく中心で大きいので
、アークによる入熱分布は両端にピークができる。

これに対しθ＼−ではアークスポットは、中心がＲ点即
ちＸ＝−一θｙ＝ｏ、ｚ＝０点で、半径が一一〇である
ｘ −ｙ平面上にある円の周上を動く交流磁界では０点
を中心にこの円の皿上を往復運動する。

アークスポットの運動をｙ軸に投影して考えてみると、
アークスポットの振巾はＢζＢ９０の場合は、Ｂの増加
と共に増加するが、Ｂ＝Ｂ９ｏで最大となり、その振巾
はＬｔａｎθである。

Ｂ ＞ Ｂ ９０ではｙ軸に投影している振巾はＢを大
きくしてもＬ ｔａｎθより大きくならない。

但し、この場合揺動アークの折返し点Ｌ
Ｌ は最大振巾点ｙ”” ｔａｎθ、耘よびｙ＝ｔａｎθ
より２ 内側にあり、この折返し点が入熱最大点となる。

Ｂを大きくする程人熱最大点はＸ軸に近づく。

このように入熱中は一定でありながら入熱分布を磁界強
度をかえることにより制御できる点が本発明の特徴の一
つである。

斜交磁界を作る方法は種々あるが、簡便な方法を第３図
に示す。

第３図にむいて１はアークトーチ、２は金属材で、アー
クはアークトーチ１と金属材２の間に発生する。

５釦よび６は電流を通すための導線であり、両者共紙面
に垂直方向に伸び・てち・りかつ導線５むよび６を共に
含む平面が、一点鎖線で表わされているトーチ中心軸と
直交しない角度で交わるように配置されている。

平行導線５と６に電流を流しそれぞれの電流の方向が互
に反応関係を保つようにすれば、アークが発生する空間
にはアークと斜交する磁界が発生する。

導線６に紙面表から裏方向への電流を流し、導線５に紙
面裏から表方向への電流を流しかつ電流の絶対値が等し
い場合に出来る磁界の磁力線の概念的様子を点線７で図
に示している。

空間的に均一な磁界ではないが、アークと斜交する磁界
ができている。

アークと磁界とのなす角度は導線５釦よび６の位置をか
えることにより変化させることができる。

磁界強度は導線５，６に流す電流値をかえることにより
変化させることができる。

２本の平行導線に互に反対方向に流れる電流により作ら
れる磁界強度は、電磁見学のアンペアの周回路の法則を
用いて容易に計算することができる。

２本の導線間の距離をａ１流れる電流の絶対値■３ と
すれば、導線の中央での磁界強度Ｂは Ｂ ＝ ０．８ Ｘ ＩＢ ／ ａ （ガウス）で与え
られる。

ただしＩＢはアンペア単位、ａは備単位の数値である。

中心での磁界のベクトル方向は導線３むよび４を含む平
面に垂直な方向である。

本発明にかかわる具体的実施例を以下に示す。

実施例 （斜交磁界による揺動アークを用いたスラブの溶融手入
れ実験） 第３図に示す斜交磁界発生法によりプラズマアークを円
弧状に揺動させ、ステンレススラブの表面を溶融手入れ
する実験を行った。

実験条件 溶融金属材料：５ＵＳ３０４スラフ プラズマアーク電流：３００ＡＤ、Ｃ プラズマガス：Ａｒ ＋ １０ ％Ｈｚ １０１／ｗａ
ｒｎ磁界発生用導線間隔：４ｃｒｎ 磁界発生用電流：４３０Ａ５０ＨｚＡ−Ｃトーチ先端金
属材表面間距離：９ｃｍ 金属材移動速度：２０ｃｍ１藤 結果 磁界測定の結果次の数値が得られた。

導線間中心に発生する磁界、Ｂ＝８５ガウスＡアークと
磁角の交叉角度 θ＝４００Ｂ９０を与える磁界強
度 Ｂ９ｏ＝４０蔀風溶融手入れ実験では ステンレススラブ片を移動していくと表面性状のよい溶
融再凝固帯が６ｃｍ巾で形成された。

処理後スラブを切断し組織観察の結果、溶融巾方向の溶
込み深さの均一度は良好であった。

本発明の方法は実施例に示したように金属片の表面溶融
手入れ法として有用であるのみならず、熱処理その他広
い面熱に熱を与えるための方法として極めて効果的な方
法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は斜交磁界中でのアークスポットの動きを説明す
る図面、第２図はアークスポットの移動角と磁界強度の
関係を示す図である。 第３図は本発明斜交磁界発生法の一例を示す原理図面で
ある。 １・・・アークトーチ、２・・・金属材、５，６・・・
導線、７・・・磁力線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アークまたはプラズマアークに外部磁界を作用させ
   て、アークまたはプラズマアークを空間的に移動させる
   方法に訃いて、アークまたはプラズマアークを挾んで該
   アークまたはプラズマアークと直交する方向に伸び、か
   つ互に平行な２本の導線に、互に反対方向に流れる電流
   を通じることにより、アークまたはプラズマアークを円
   弧状に運動させることを特徴とするアーク揺動力法。