JPH01254384A - プラズマアーク切断機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はプラズマアーク切断機に関するものである。

（従来の技術） 近年トランジスタインバータ方式等による電源の小型化
が進み、また酸化雰囲気中においても耐久性に優れた電
極材料が開発されるに及んで５０Ａ前後の酸素あるいは
空気をプラズマガスとするプラズマ切断機が薄板の金属
加工の分野で多用されるようになった。

従来使用されているプラズマ切断機は３０Ａ程度を境界
として構成が異なり、３０Ａ以上のクラスではパイロッ
トアークを用いた非接触スタート方式であり、３０Ａよ
りも小電流のクラスではパイロットアークを用いない接
触スタートが主流となっている。

以下まず、パイロットアークによる非接触スタート方式
の場合のプラズマ切断機の構成ならびに動作シーケンス
について説明する。第２図に基本的な構成を示す、アー
クをスタートする場合、まず、電極２とノズル３ａに囲
まれたガス通路に作動ガス５が圧力Ｐで供給が開始され
る。直流電源ｌが作動し電極２とノズル３ａ及び被切断
材４の間に電源の無負荷電圧が印加される。この時点で
は未だアークは発生しておらず回路に電流は流れない、
高周波回路６で数キロボルト、数キロヘルツの高電圧高
周波を発生させカップリングコイル７を介して電極２．
ノグル３３間に高周波電圧が重畳される。これにより気
体５の絶縁破壊が起り、火花放電が始まる。この際高周
波はカップリングコイル７、バイパスコンデンサ８．接
点１０．火花放電を一巡する回路を形成する。高周波に
誘導された火花放電によって電極２．ノズル３ａ間の電
気的な導通が確保されると、直流電源１による電流が流
れ、火花放電からアーク放電に移行し、パイロットアー
クが形成される。パイロットアーク電流は、アークによ
る電圧降下と抵抗９ａによる電圧降下が１を源１の出力
電圧と平衡する様に自律的に決まる０作動ガス５は、ア
ーク放電によって高温に加熱され、プラズマ状態となり
。

ノズルオリフィス３ｂで狭搾され、高温高速のプラズマ
ジェットとなって噴出する。このパイロットアークによ
って、電極２．被切断材４間の導通が成立すると、ノズ
ル３ａと被切断材４の間は抵抗９ａに流れるパイロット
アーク電流により電圧差が生じているので移行電流が流
れ始める。この移行電流を電流検出器１１ａによって確
認し、その後制御回路１３の指令によって高周波回路６
が停止し接点１０が開かれて完全に移行アーク（ｉｔ電
極と被切断材４の間のアーク放電）状態となる。

そして、電流検出器１１ａの検出電流値が設定値と等し
くなる様に制御回路１３が直流電源１をフィードバック
制御して、リアクトル１２によって平滑化された電流に
よって切断可能な状態となり、高温高速のプラズマアー
クによって切断が進行する。

以上、パイロットアークによるアークスタートの場合の
電極を通過する電流の時間変化を模式的に示したものが
第４図（ａ）である。

次にパイロットアークを用いない場合について説明する
。第３図にその構成を示し、また第４図（ｂ）に電流の
時間変化を示す、第２図（パイロット回路有）と比較し
て異なる点はノズルヘッド供給の径路を持たない事であ
る。アークスタートに当り、高周波による火花放電を必
要とすることは同じである。ただしこの場合、高電圧高
周波′は電極２．被切断材４の間に印加される。しかし
、陰極２．被切断材４の間で直接火花放電を行うことは
無理なので、ノズル３ａを被切断材４に接触させること
で、電極２．ノズル３ａ間で火花放電を行い、それに続
くアーク放電によるプラズマジェットの噴出力で電流径
路をノズル３ａから被切断材４に吹き流すことで電極２
．被切断材４の間の移行アークが形成され、切断可能と
なる。つまりノズル３ａと被切断材４を接触させること
でノズルへの電気的な接続を必要とせず、火花放電から
直接移行アーク（メインアーク）へと推移する方式であ
る。

その後、電流検出器１１ａで電流値を検出して設定電流
となる様にフィードバック制御することは同様である。

（発明が解決しようとする課題） 前項で説明した如くプラズマ切断機は、スタート方式の
遅いにより、パイロットアーク方式と接触スタート方式
の２つに大別できる。

接触スタート方式の場合、電源の構成及びプラズマトー
チの構造が簡略化できるが、接触スタートに依るため、
スタート時のドロスの吹き上がりによるノズルのダメー
ジが問題となる。

厚板になる程ドロスの吹き上がりが増すため接触スター
ト方式が用いられるのは一般的には３０Ａ未満の小電流
の′ＦＲ仮切断用のプラズマ切断。

機に対してである。また接触スタートではスタート時に
ノズルが被切断材に溶着し易く、接触スタートの後も、
接触状態で切断を行うために小電流が薄板切断であって
も、ノズルの劣化は非接触の場合と比較して大きくなる
ので、自動機搭載のプラズマ切断機には不向きであり、
現状では専ら簡易的に用いる手動切断用のプラズマ切断
機に対して使われている。

３０Ａ以上のパイロットアーク方式のプラズマ切断機の
場合、３０Ａ以上の電流で板厚１．６市以下の軟鋼を切
断しようとすれば送り速度は１０ｍ／分以上となる。送
り速度が遅くなると板への入熱が過大となり切断品質の
劣化を来たす。しかしながらＸＹ子テーブルボット等に
プラズマ切断機を搭載して、自由形状を精度良く切り抜
く為には送り速度は４ｍ／分程度が上限である。ここで
低速でも良質切断が得られる様に、電流値のみを低くし
ても効果は少い。これはノズル径を変更せずに、電流値
が低下すると。

ノズルオリフィスでの電流密度が低下しプラズマアーク
の温度が下り、送り速度にかかわらず却って良質切断を
得ることが困難となるからである。つまり良質切断を得
るには電流値に対応してノズル径も変更しなければなら
ない。

３０Ａ以下の小電流でプラズマ切断を実施する為には、
ノズルオリフィスの径が０．９　ｔｍ以下のノズルを使
用しなければ、良質切断を得ることは難しい。小ノズル
径で問題となるのは大口径のノズルに比較してノズルが
ダメージを受は易い点にある。ノズルのダメージの原因
としては、切断時のドロスのノズルへの付着あるいはダ
ブルアークの発生等があるが、これらは切断条件（ガス
圧、切断速度等）を最適化することで防止することは可
能である。しかしパイロットアークによるスタート方式
の場合、アーク起動時にパイロットアークによる酸化雰
囲気でのノズルへの電流の流入がある為、この時にノズ
ルの消耗が進行する。小口径のノズルでは、ノズルオリ
フィス部の消耗が敏感に切断品質に影響するので、小ノ
ズル径になる程パイロットアークによるノズルの劣化が
顕著となるので、先に述べた様に小電流（小口径ノズル
）のプラズマ切断機では、パイロットアークスタート方
式は用いられず、接触スタート方式となっている。

以上述べてきた様に薄板（１，６ｔｕｇ以下）を自動機
によって低速（４ｍ／分以下）で良質切断を実現する為
に、小電流、小口径ノズルによるプラズマ切断を行う必
要があるが、現状では小口径ノズルでのパイロットアー
クを用いた非接触スタート方式が困難であることから、
小電流（小口径ノズル）のプラズマ切断機の自動切断へ
の対応が遅れている。

本発明は、小口径のノズルを使用する場合でもパイロッ
トアークによるスタートを可能とし。

薄板でのプラズマアークによる自動切断への対応を容易
にするものである。

（実施例） 以下本発明をその実施例を示す図面に基づき詳述する。

第１図は本発明によるプラズマアーク切断機の構成を示
す図で１図中、ｌは直流電源でその正極に電流検出器１
１ａ、ｌｌｂ、　　リアクトル１２を介して被切断材４
が接続されており、負極には高周波回路６を介し電極２
に接続しており、電極２と被切断材４の間にプラズマア
ークを発生させるメイン回路を形成している。３ａはノ
ズルで、電流検出器１１ａ、抵抗９ｂ、接点１０を介し
て電源ｌの正極に接続しており、８はコンデンサーであ
り、電極２とカップリングコイル７とによりパイロット
アーク回路を形成する。

パイロットアーク電流は設定値を変えることにより自由
に変更できる構成になっており、実際の電流は電流検出
器１１ａによって確認し。

検出電流値が設定値と等しくなる様に制御回路１３が直
流電源１をフィードバンク制御する構成になっている。

以上の様な構成に於て、電極２とノズル３ａ及び被切断
材４の間に電極からの無負荷電圧が印加される０次に高
周波回路６で数キロヘルツ数キロボルトの高周波高電圧
を発生させ、カップリングコイル７を介して電極２．ノ
ズル３ａの間に高周波電圧が重畳される。これにより気
体５の絶縁破壊が起り火花放電が始まる。この際高周波
はカップリングコイル７、バイパスコンデンサ８．接点
１０．火花放電を一巡する回路を形成する。高周波に誘
導された火花放電によって電極２とノズル３ａ間の電気
的な導通が確保されると直流電源ｌによる電流が流れ火
花放電からアーク放電に移行しパイロットアークが形成
される。パイロットアーク電流はノズルオリフィス３ｂ
の径などの諸条件により最適値に設定しておく。

作動ガス５はアーク放電によって高温に加熱されプラズ
マ状態となり、ノズルオリフィス３ｂで狭搾され、高温
高速のプラズマジェットとなって噴出する。このパイロ
ットアークによって電極２と被切断材４間の導通が成立
するとノズル３ａと被切断材４との間は抵抗９ａに流れ
る電流によって電圧差が生ずるのでノズル３ａと被切断
材４の間に移行電流が流れ始める。この移行電流を電流
検出２３１　ｌ　ｂにより確認し。

その後制御回路１３の指令によって高周波回路６が停止
し接点１０が開かれて完全に移行アーク（電極２と被切
断材４の間のアーク放電）状態となる。

そして、ｍ流検出機１１ｂの検出電流値が設定値と等し
くなる様に制御回路１３が直流電源１をフィードバック
制御してリアクトル１２によって平滑化された電流によ
って切断可能な状態となり高温高速のプラズマアークに
よって切断が進行する。

（発明の効果） 本発明によればノズルオリフィスの径の小さいノズルを
使用する場合においてもパイロットアークによるスター
ト方式を採用することが可能となり薄板をプラズマ切断
機によって自動切断することが容易となり、又従来のプ
ラズマ切断機ではパイロットアーク電流は固定であった
ため電流値に対応してノズルオリフィスの径を変更して
プラズマ切断を実施するとノズルオリフィス径が小さく
なる程パイロットアークによるノズルの消耗が顕著とな
り、良好な切断品質を維持することが困難であったが１
本発明によってパイロットアーク電流を使用条件に合わ
せて最適化することでノズル径の変更に対しても対応で
きるため同一の電源でノズル径、設定電流の変更によっ
て良質な切断の得られる切断速度の選択範囲が拡がり、
１つのプラズマジェットの適用範囲が拡がり１つのプラ
ズマ′ｒＭ、′ｔＡの適用範囲が増し効率的な切断が行
える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマアーク切ｌｔＩ′ｉＲの
構成を示す図、第２図、第３図は従来のプラズマアーク
切断機の構成を示す図、第４図はパイロットアークを用
いた場合とパイロットアークを用いない場合の電流の時
間変化を示す図である。 １・・・直流電源　　　　２・・・電極３ａ・・・ノズ
ル　　　　４・・・被切断材特許出願人　株式会社小松
製作所 代理人　（弁理士）岡　１）和　喜 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電極とガス通路を有するノズルの間にパイロットアーク
   を形成した後、電極と被切断材との間にメインアークを
   発生させて切断を行うプラズマアーク切断機において、
   パイロットアークの電流値を変更可能としたことを特徴
   とするプラズマアーク切断機。