JPH0614938Y2 - 水冷式プラズマアーク加工装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、加工用トーチを冷却水にて冷却しながら被加
工物の溶接、切断等の加工を行う水冷式プラズマアーク
加工装置の改良に関するものである。

〈従来の技術〉 大電流を用いる加工装置や許容使用率が高く設定された
加工装置においては、加工トーチの過熱を防止するため
にトーチ内部を水冷式としている。プラズマアーク加工
用トーチにおいては特にノズル電極部および主電極部の
温度上昇が著しく、冷却効率を高めるためにこれらの内
部に冷却水通路を形成して直接水冷するように工夫され
ている。

ここで、水冷式プラズマアーク加工用トーチの例につい
て第５図によって説明する。第５図は、水冷式トーチの
電極部分を示した断面図である。第５図において、５１
は中空の電極、５５は電極５１の支持部の外側に設けら
れた絶縁スリーブ、５６は絶縁スリーブ５５の外側に設
けられた導電材料からなるノズル支持部材、５２はノズ
ル支持部材５６の先端に支持された中空のノズルで、先
端中央に作動ガス噴出用のオリフィス部５４が穿設され
ている。５７は絶縁カップ、５８は冷却水の案内管で、
供給ホース５９より流入した冷却水は電極５１を直接冷
却した後、矢印の通りノズル５２を通る通路を経て排水
ホース６０よりトーチの外部に流出する。なお、プラズ
マアーク形成用の作動ガスＧは、電極５１と同心的に設
けられたガス通路を経て供給されてノズル５２のオリフ
ィス部５４より噴出する。

上記プラズマアーク加工用トーチ５を使用する場合、冷
却水の供給源と供給ホース５９とを開閉弁を介して連結
し、電極５１やノズル５２などの交換部品を取換える際
には開閉弁を閉じて冷却水の供給を遮断していた。

しかし、この場合、トーチ内部には未だ冷却水が充満し
ており、部品を取外すとこの残留水があふれ出てトーチ
や被加工物を濡し、感電の危険性が生ずるのみならず次
に被加工物を濡れたまま切断を行うと切断面に水素が混
入するため以後の溶接品質の悪化を招く危険性がある。
さらに冬期においては夜間に残留水が凍結してトーチを
破壊するおそれもある。このためにトーチ内の残留水を
排除するための圧力気体を切替スイッチの操作によって
冷却水路に導入する方式のものが提案されている。（例
えば特開昭５５−１９４３１号、特開昭５９−１３４６
００号） 第６図は、この方式の装置の例を示す。同図において５
は直接水冷される交換部品を有する、例えば第５図に示
される構造をしたプラズマアーク加工用トーチである。
この場合、交換部品のうち、電極５１およびノズル５２
が直接水冷されている。このトーチ５の冷却水の供給ホ
ース５９と排水ホース６０とは加工用トーチ５の内部を
経て連通されていて冷却水用循環路を形成している。１
０２は冷却水を収納するための貯水タンク、１０１は送
水用ポンプである。この送水用ポンプ１０１の吐出側は
２方口電磁弁１０３を介して管１０８に連結されてい
る。１０４は圧力気体供給源であり、たとえばエアコン
プレッサである。この吐出側の管１０７は２方口電磁弁
１０５を介して管１０８に連結されている。

同図の装置において、通常の加工作業時には送水ポンプ
１０１の吐出水が管１０８に達するとともにエヤコンプ
レッサ１０４の圧縮空気出力が管１０８に達しないよう
に管１０７と管１０８との間を遮断するように電磁弁１
０３を開、電磁弁１０５を閉にする。この状態で送水ポ
ンプ１０１を駆動して加工用トーチ５の各部を強制的に
冷却する。次に部品の交換時には、電磁弁１０３を閉と
し電磁弁１０５を開とする。すると冷却水通路５９，６
０，１０８，１０９にはエヤコンプレッサ１０４から圧
縮空気が圧送されて各通路および加工用トーチ５内の残
留水を強制的に排除する。冷却水通路から残留水が排除
された後に切断トーチ５の交換部品を外し、補修，交換
等の作業をする。

〈考案が解決しようとする問題点〉 上記従来装置においては、加工用トーチの部品交換時や
作業の終了に際して圧力気体を冷却水通路に導入するた
めに切換弁を設けて、これを手動指令によって切換える
ようにしたものであるから、作業者が操作を忘れた場合
には全く切換弁を設けた意味がなく、部品取外し時の漏
水や冬期の凍結を防止することができなかった。

また、切換弁を電磁弁として切換スイッチや他の信号に
よってこれを切換えるようにしたものにおいては、加工
用電源装置への電力供給を遮断した後も冷却水排除のた
めの電磁弁を動作させるための電源は投入しておく必要
があるので、補修作業時に感電事故を誘発する危険性が
あった。

〈問題点を解決するための手段〉 本考案は、上記従来装置の問題点を解決するために、ト
ーチの部品取外時や作業終了時には、必らず安全のため
に電源装置への電力の供給を遮断することに着目し、電
力供給期間中に充電されるコンデンサの充電電荷を電源
遮断時に圧力気体の導入用電磁弁の励磁コイルを通して
放電する回路を設け、電源遮断時に一定時間だけ圧力気
体導入用の電磁弁を開くように構成したものである。

さらに、本考案においては、圧力気体源側に気体圧力検
出スイッチを設け、圧力気体が存在しないときには気体
導入用の電磁弁の開路を禁止する回路を設けて、圧力気
体の欠損時にも不具合が発生しないようにしたものであ
る。

〈作用〉 本考案の装置は、上記のようにすることによって、電源
遮断の直後に自動的にトーチ内に圧力気体が導入されて
冷却水配管内に残留する冷却水を強制排出するよう動作
し、また圧力気体が存在しないときには上記の気体の導
入動作を禁止して冷却水の気体配管への漏出を防止する
ものである。

〈実施例〉 第１図に本考案の実施例を示す。同図において１は交流
電源であり、三相または単相交流が用いられる。２は電
源スイッチ、３は整流回路であり交流電源１の電力を直
流に変換する。Ｃ１はコンデンサであり、整流回路３の
出力端子部に適当な容量の平滑用のコンデンサが含まれ
るときはこれを代用することができる。４は切断用電力
調整回路であり、整流回路３の出力を入力としスイッチ
ング素子にて調整するとともにプラズマアーク加工に必
要な電圧・電流特性の電力に変換する公知のプラズマア
ーク加工用電力調整回路、例えばトランジスタ式シリー
ズレギュレータやインバータと変圧器および整流回路と
を組合せた回路である。５は切断用トーチであり、主電
極５１およびノズル５２は冷却水通水路を有している。
６は被加工物、７は切断トーチ５に取付けられた起動・
停止指令スイッチであり、通常トーチスイッチと呼ばれ
ている。８は制御回路であり、トーチスイッチ７の指令
により電力調整回路４に対して出力電流，電圧の制御信
号を供給するとともに、トーチ５にプラズマ発生用ガス
の供給・停止を行う電磁弁の励磁コイル１１５ｃを制御
する。１０１は冷却水送水用のポンプ、１０２は貯水タ
ンク、１０３は冷却水送水・停止用２方口電磁弁であ
り、送水ポンプとは配管１０６で連結され、またトーチ
５の冷却水入口とは配管１０８にて連結されている。１
０４は圧力気体源であり圧縮空気源やプラズマ作動ガス
源が利用できる。１０５は圧力気体導入用２方口電磁弁
であり圧力気体源１０４と配管１０７で連結され、また
分岐管１０８ａを介して冷却水配管１０８に連結されて
いる。この電磁弁１０５の励磁コイル１０５ｃは直流電
圧によって動作する直流電磁弁を用いる。これら電磁弁
１０３および１０５はいずれか一方が開くときは他方が
閉じるように相反的に動作し、通常、電源が投入されて
いる状態では電磁弁１０３が開き電磁弁１０５が閉じた
状態となっている。ＣＲ１はリレーであり電源スイッチ
が閉路されて交流電源からの電力が供給されたときに励
磁されてその常開接点ＣＲ1aが閉じ常閉接点ＣＲ1bが開
く電圧応動スイッチの働きをする。ＭＳ１は電磁接触器
であり、リレーＣＲ１と同様に交流電源の投入によって
励磁されて各常開接点ＭＳ1aによって送水ポンプ１０１
を駆動する。Ｒ１は電磁弁１０４の励磁コイル１０５ｃ
に並列に接続された抵抗器であり、その抵抗値が調整可
能なものが望ましい。ここでコンデンサＣ１、リレー接
点ＣＲ1bおよびコイル１０５ｃ（および抵抗器Ｒ１）は
電磁弁１０５の時限動作開路を構成している。なお第１
図においては、その他出力調整器やプラズマ作動ガスの
供給回路等は本考案の主旨に関係が少ないので省略して
ある。

第２図は、第１図の実施例の動作を説明するための線図
であり、同図(a)は電源スイッチの開閉状態，(b)はコン
デンサＣ１の端子電圧の変化，(C)はトーチスイッチの
動作，(d)はリレーＣＲ１の常閉接点ＣＲ1bの動作状
態，(e)は電磁弁１０５の動作状態，(f)は冷却水配管１
０８内の状態の変化をそれぞれ時間の経過とともに示し
ている。

第１図に示した実施例において、電源スイッチ２を閉路
すると交流電源１の出力が整流回路３に供給され直流電
圧に変換される。この直流電圧によってコンデンサＣ１
が充電され、その端子電圧が急速に上昇する。一方スイ
ッチ２の閉路によって交流電源１の出力はリレーＣＲ１
および電磁接触器ＭＳにも供給され各常開接点ＣＲ1a，
ＭＳ1a，ＭＳ1aが閉じ同時に常用接点ＣＲ1bが開く。こ
れによって送水ポンプ１０１が駆動され、電磁弁１０３
が開くことによってトーチ５に冷却水が供給される。こ
のとき電磁弁１０５はコイル１０５ｃが接点ＣＲ1bが解
放されているために非励磁の状態にあるので閉じたまま
である。一方電源スイッチ２の閉路によって制御回路８
にも電源が供給される。この状態でトーチスイッチ７を
閉じるとこれによってプラズマ作動ガス供給用の電磁弁
１１５が励磁されてトーチ５にガスが供給される。所定
の時間の後に出力指令信号が電力調整回路４に供給され
てトーチ５に加工用電力が供給されて公知のプラズマア
ークの起動手順にて起動される。

次にトーチスイッチ７を開路すると電力調整回路４はト
ーチ５に対する電力の供給を停止し、所定の時間の後に
電磁弁１１５を非励磁として閉鎖しプラズマ作動用ガス
の供給を停止して１回の加工作業を終了する。以後トー
チスイッチ７のＯＮ−ＯＦＦに従って加工が行なわれ
る。

一連の加工の終了後に作業の終了またはトーチの補修等
に際して電源スイッチ２を解放すると、リレーＣＲ１お
よび電磁接触器ＭＳが非励磁となり、これによって送水
ポンプ１０１が停止するとともに電磁弁１０３も閉じ
る。またリレーＣＲ１の常閉接点ＣＲ1bも復帰するので
コンデンサＣ１にリレー接点ＣＲ1bおよび電磁弁１０５
の励磁コイル１０５ｃとの直列回路が並列に接続される
ことになる。この結果、電源スイッチが開放された直後
からコンデンサＣ１の充電電荷は励磁コイル１０５ｃお
よび抵抗器Ｒ１を通して放電することになり、電磁弁１
０５を開く。これによって冷却水配管１０８は圧力気体
源１０４に連結されることになり、配管１０８内および
トーチ５内に残留していた冷却水は供給される圧力気体
によって強制的にタンク１０２に排出される。

コンデンサＣ１の端子電圧Ｖc1はコイル１０５ｃおよび
抵抗器Ｒ１を通して放電するに従って次第に低下する。
このコンデンサＣ１の端子電圧Ｖc1が電磁弁１０５の復
帰電圧Ｖｓ以下にまで低下した時点で電磁弁１０５は閉
路し圧力気体の供給は停止する。

この電源スイッチ２の開放から電磁弁１０５の復帰・閉
鎖までの時間ＴａはコンデンサＣ１の容量および充電電
圧、電磁弁１０５の復帰電圧Ｖ２および励磁コイルの抵
抗値によって定まる。このうち充電電圧は整流回路３の
出力電圧で定まり、またコンデンサＣ１の容量も整流回
路３の出力平滑に要する容量として定まるものである。
それ故、上記時間Ｔａはあまり調整する余地がない。通
常コンデンサＣ１は数百ないし数千マイクロフアラドの
大容量のものが用いられ、かつ直流電磁弁１０５の復帰
電圧は定格電圧にくらべて相当低いので、時間Ｔａはか
なり長くなることが予想される。そこで第１図の実施例
においては、この時間を配管内の冷却水の排水に要する
時間よりも少し長目になる程度に調整するために励磁コ
イル１０５ｃに並列に抵抗器Ｒ１を接続してある。この
抵抗器Ｒ１の抵抗値を適値に設定することによって所要
の長さの時間を得るものである。もちろん励磁コイル１
０５ｃのみによって適当な時間が得られるときにはこの
抵抗器Ｒ１は設ける必要がない。

なお、整流回路３に平滑用のコンデンサが設けられてい
るとき、あるいは平滑用コンデンサの容量が小さすぎる
ときは、電磁弁１０５を励磁するためだけに整流回路３
の出力側にコンデンサを追加することは、この回路の電
圧が高いことから高耐圧の電解コンデンサを用意するこ
とが必要となるために不経済となったり、また大容量の
コンデンサが追加されることによって回路に突入電流が
流れて他の回路に悪影響が生ずることが考えられる。

第３図はこのような場合に適する本考案の別の実施例を
示す接続図である。同図においてコンデンサを整流回路
３の出力で充電されるコンデンサに代えて交流電源から
ダイオードＤ１を通して充電されるコンデンサＣ２を設
けてある。そして圧力気体導入用の電磁弁１０５の励磁
コイル１０５ｃと交流電源遮断時に閉路する電圧応動ス
イッチとして動作するリレーＣＲ１の常閉接点ＣＲ1bと
の直列回路がコンデンサＣ２に並列に接続されて電磁弁
１０５の時限動作回路が構成されている。その他の部分
は第１図の実施例と同じであるので同機能のものに同符
号を付して詳細な説明は省略する。

第３図の実施例においては、冷却水を強制的に排除する
ための電磁弁１０５を開く時間はコンデンサＣ２の充電
電荷と電磁弁１０５の励磁コイル１０５ｃの抵抗値とに
よって定まるので、これを任意に設定することができ
る。この結果、整流回路３の平滑コンデンサの容量に左
右されることがなく、電磁弁１０５の開く時間を冷却水
排出のために必要な時間に正確に合せるための設計の自
由度が高くなる。

第１図および第３図に示した実施例において、冷却水を
排除するための圧力気体源としては圧縮空気を用いるの
が安価でよいが、圧縮空気が手近に得られないときはプ
ラズマ作動用ガスを用いることができる。

この場合、単純にブラズマ作動用ガス源を圧力気体源１
０４として冷却水配管１０８に電磁弁を介して分流する
ようにしたときには少し問題がある。

プラズマガス源は当然プラズマトーチのガス通路にも連
接されているので、もしガス源の圧力が低下しまたは零
であったときには、冷却水排除用電磁弁が開いたときに
は冷却水がプラズマ作動ガス供給用配管側に逆流するこ
とがある。もし冷却水がプラズマ作動ガスの配管側に逆
流したときには、次のプラズマアーク起動時にこの水分
がトーチのガス通路に混入することになり、漏電事故が
発生するばかりではなく、プラズマアークそのものの発
生すら阻害され、仮に何とかプラズマアークが発生した
としても作動ガス中に多量の水蒸気が含まれることにな
って被加工物に水素が多量に混入して、切断部の品質を
極端に低下してしまうことになる。

第４図は、上記問題点を解決した本考案の別の実施例を
示す接続図であり、圧力気体源としてプラズマアーク作
動用ガス源を用いている。同図において、１１６はプラ
ズマアーク作動用ガス源であり、アルゴンガス等の不活
性ガスまたは圧縮空気が用いられる。ガス源１１６は電
磁弁１１５を通して加工時にトーチ５の電極５１とノズ
ル５２との間に供給されてアークによって高温のプラズ
マ流となり、ノズル５２の先端の開口部から噴出し、こ
れによって被加工物６が溶融加工される。ガス源１１６
はまた電磁弁１０５を通して冷却水配管１０８の分岐管
にも結合されている。ガス源１１６から各電磁弁１０５
および１１５への配管１０７の途中にはガス源の圧力を
検出する圧力スイッチ１１４が設けられている。この圧
力スイッチ１１４の常開接点１１４ａはリレー接点ＣＲ
1aと直列にして電磁弁１０５の励磁コイル１０５ｃに接
続されている。

第４図の実施例においては、圧力気体源１１６が所定以
上の圧力を有しないときには電源スイッチ２を開放して
も圧力スイッチ１１４の接点１１４ａが解放のままなの
で電磁弁１０５は開かず、したがって冷却水がガス配管
内１０７内に逆流することはない。そして圧力スイッチ
１１４の常閉接点１１４ｂによってブザーやランプのよ
うな警報器１１７を作動させれば作動ガス不足およびト
ーチ内の排水不完全を作業者に知らせることができる。

上記の各実施例においては、冷却水を専用の循環ポンプ
によって貯水タンクから吸い上げて供給する例を示した
が、冷却水は上水道や工業用水等から供給してもよいの
はもちろんである。また、プラズマアーク発生のための
電源回路も図示の整流回路とスイッチング素子を用いた
出力調整回路の組合せ以外にあらゆる方式の電源回路を
用いることができる。この場合、電源スイッチの投入に
よって常に充電されるコンデンサで適当な容量のものが
電源回路に含まれるときには、このコンデンサを本考案
の圧力気体導入用電磁弁のコイルを励磁するためのコン
デンサＣ１として用いればよい。またこのようなコンデ
ンサが含まれていないときには第３図および第４図に示
したように別途に電磁弁を励磁するためのコンデンサ回
路を設ければよい。

〈考案の効果〉 本考案は、上記のようであるので作業者が作業終了時や
補修時に電源スイッチを解放することによって必らずト
ーチ内の冷却水が強制的に排除されるので、手動による
従来装置のように排水操作を忘れたための事故が皆無と
なる。また排水のための電磁弁を作動させる電源は、電
源スイッチが閉じられている期間中に充電されるコンデ
ンサの充電電荷を用いるので、排水が完了する頃には何
ら電圧は残存しない。それ故、別電源によって電磁弁を
操作する従来の装置と異なり、感電事故の発生が皆無と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の装置の実施例を示す接続図、第２図は
第１図の実施例の動作を説明するための線図、第３図お
よび第４図は本考案の他の実施例を示す接続図、第５図
は本考案の装置に用いる水冷式トーチの要部の構造を示
す断面図、第６図は従来の装置の例を示す配管図であ
る。 ２……電源スイッチ、３……整流回路、 ４……電力調整回路、５……トーチ、６……被加工物、 ７……トーチスイッチ、８……制御回路、 ５１……電極、５２……ノズル、 １０３，１０５，１１５……電磁弁、 １０７……ガス配管、 １０８，１０９……冷却水配管、 １０８ａ……分岐管、Ｃ１，Ｃ２……コンデンサ、 ＣＲ１……リレー

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却水をトーチ内に通じて冷却しながら被
   加工物の加工を行う水冷式プラズマアーク加工装置にお
   いて、前記トーチへの冷却水の供給配管の途中に設けた
   気体導入用の分岐管と、前記分岐管への気体の導入を開
   閉する直流電磁弁と、前記トーチと被加工物とに加工用
   電力を供給する電源装置と、前記電源装置への電力の供
   給によって充電されるコンデンサと、前記電源装置への
   電力の供給の停止時に閉路する電圧応動スイッチとを具
   備し、少なくとも前記コンデンサに前記電圧応動スイッ
   チと前記直流電磁弁の励磁コイルとの直列回路が並列に
   接続されて前記直流電磁弁の時限動作回路を構成してな
   る水冷式プラズマアーク加工装置。
2. 【請求項２】前記直流電磁弁の気体供給側には気体圧力
   の存在によって閉路する圧力スイッチを有するととも
   に、前記直流電磁弁の時限動作回路は前記コンデンサに
   前記電圧応動スイッチ、前記直流電磁弁の励磁コイルお
   よび前記圧力スイッチの接点からなる直列回路を並列接
   続した回路によって構成された請求項１に記載の水冷式
   プラズマアーク加工装置。