JPH0871759A - プラズマアークの遮断制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、プラズマアークの遮断時に電極に
印加される無負荷電圧による電極の消耗を防止し、電極
の寿命を延長し得るプラズマアークの遮断制御方法を提
供することを目的としている。 【構成】 切断加工を実施する時のプラズマアーク電流
値よりも所定の値だけ低い電流を所定時間流した後、該
プラズマアーク電流を遮断するように構成したことを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマ切断装置の切断
終了時にプラズマトーチの先端に形成したプラズマアー
クを遮断する制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ切断装置における従来のプラズ
マアークの遮断制御方法を図４を用いて説明する。図４
（ａ）はプラズマアーク電流の時間変化を示し、図４
（ｂ）は電極に印加される電圧の時間変化を示す。定電
流電源によってプラズマトーチの先端に設けられた電極
と被加工材との間にプラズマアークが着火された後、該
プラズマアークは図４（ａ）に示すように切断加工条件
に対応する所定の定電流値Ｉ１に設定され切断加工を実
施する。この時、電極に印加される電圧は定常の切断加
工状態であれば図４（ｂ）に示すように略Ｖ１を維持し
た状態で安定する。

【０００３】次に切断終了時には、図４（ａ）に示すよ
うに切断が終了する任意の時刻ｔ１で、アーク電流を零
にしてプラズマアークを遮断し、プラズマトーチの稼働
を停止させて切断加工を終了する。この時、アーク電流
を零とした瞬間に、定電流電源の出力端に無負荷電圧が
発生するため、図４（ｂ）に示すように時刻ｔ１におい
て電極に衝撃的な無負荷電圧Ｖ４が印加される。その
後、電極に印加された無負荷電圧Ｖ４は所定の時定数に
よってなだらかに零まで下降する。

【０００４】例えば、前記切断加工を実施している時の
アーク電流Ｉ１が 260Ａに設定された場合には、電圧Ｖ
１は 130Ｖ程度になり、プラズマアーク遮断時の無負荷
電圧Ｖ４は 350Ｖ〜 450Ｖにまで上昇する。即ち、プラ
ズマアーク遮断時には電極に印加される電圧は切断加工
を実施している時の電圧Ｖ１からその３倍前後の無負荷
電圧Ｖ４が衝撃的に印加されるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来のプラズマ
アークの遮断制御方法では、切断終了時にプラズマアー
ク電流を一気に零にしてプラズマアークを遮断するた
め、上述したように切断加工を実施した直後の電極に無
負荷電圧Ｖ４が印加される。この時、切断加工を実施し
た直後の電極は高温のために電極材料が溶融状態にあ
り、この状態で前記無負荷電圧Ｖ４が電極に印加される
と電極の表面における溶融層が異常状態を呈し、更に溶
融物が飛散して電極の消耗量が増大するという問題があ
った。

【０００６】本発明の目的は、プラズマアークの遮断時
に電極に印加される無負荷電圧による電極の消耗を防止
し、電極の寿命を延長し得るプラズマアークの遮断制御
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、電極の破
壊に至るプロセスを解明するために種々の実験を重ねて
きた。その結果、被加工材に対し定常的な切断を行って
いる過程では、プラズマアーク電圧は略一定の値とな
り、且つ電極表面における溶融層の形成状態，厚さも定
常状態となる。即ち、電極材料の溶融量は略一定の状態
を維持することが判明した。

【０００８】この時の電極の溶融状態について図により
説明する。図５（ａ）は電極２及びホルダー３の断面図
であり、図５（ｂ）は電極２及びホルダー３が冷却した
時の表面図である。一般に電極２及びホルダー３は冷却
水によって強制冷却されている。電極２と図示しない被
加工材との間にプラズマアーク10が形成されると、該ア
ーク10の熱によって電極２の表面が溶融して溶融層２ａ
が形成される。電極２の溶融状態はプラズマアーク10が
安定し入熱と冷却とが平衡状態に達したときに定常状態
となり、以後同様な溶融状態を維持する。

【０００９】この状態に於ける溶融層２ａは溶融した電
極材料が中央部分で厚く、外周方向に向かって薄く分布
した状態となる。従って、溶融層２ａの全表面から一様
に電極材料が蒸発，酸化して電極２の消耗が進行する。
溶融層２ａの定常的な溶融状態を維持して冷却させる
と、図５（ｂ）に示すように電極２の表面は鏡面状を呈
する。即ち、溶融した電極材料はそのまま凝固し、電極
材料としての機能を保持している。

【００１０】しかしながら、上述したように切断終了時
のプラズマアーク遮断時に電極に印加される無負荷電圧
は定常切断時のプラズマアーク電圧値の３倍前後の電圧
値にまで衝撃的に上昇するために、切断加工の実施直後
で未だ十分冷却されず溶融状態の電極では電極の表面に
於ける溶融層の状態に異常が生じ、瞬間的に多量の電極
材料が溶融して飛散する。即ち、プラズマアーク遮断時
に溶融状態の電極に印加される電圧が急激に無負荷電圧
まで上昇すると、電極の消耗が一気に進行して寿命が短
くなることが判明した。

【００１１】この時の電極２の溶融状態を図６により説
明する。プラズマアーク遮断時に切断直後で未だ十分冷
却されず溶融状態の電極２に印加される電圧が急激に無
負荷電圧まで上昇すると、溶融層２ａに何らかの力が作
用して図６（ａ）に示すように溶融した電極材料は中央
部分から周辺部分に強制的に移動させられる。尚、この
力がいかなる原因によるものかについては解明に至って
いないが、おそらく電極２と被加工材間に生じた電界が
瞬間的に変動して電極材料の溶融層２ａが移動するので
はないかと思われる。ここで生じる作用は、丁度コップ
に満たした水の上面に息を吹きかけると、水の表面が移
動するのに似ている。

【００１２】更に、電極２に印加される電圧が衝撃的に
変動するために溶融した電極材料が滴となって飛散し、
電極２が一気に消耗する。特に、溶融した電極材料が周
辺部分に厚く分布した状態でプラズマアークを遮断させ
た場合、溶融した電極材料が電極材料或いはホルダー３
に対する付着力を保持し得ず、図６（ｂ）に示すように
細かい滴となって飛散する。ここで生じる作用は、上述
のコップの水に例えると、丁度息を吹きかけた水がコッ
プ内の水やコップに対する付着力を保持し得ず水滴とな
ってコップの外に飛散するのに似ている。

【００１３】このことは、電極２を図６（ａ）の状態か
ら冷却した時、図６（ｃ）に示すように電極２の表面に
斑状に凝固した電極材料が散在することからも明らかで
ある。

【００１４】本発明者等は上記知見の結果に基づいて、
プラズマアーク電流を完全に遮断する前に電極の冷却時
間を確保することを目的として、切断加工を実施中のプ
ラズマアーク電流値よりも所定の値だけ低い電流を所定
時間流した後、該プラズマアーク電流を遮断した場合の
電極の寿命を使用可能回数（使用可能時間）によって比
較する実験を行った。

【００１５】この結果、切断加工実施中のアーク電流が
260Ａの場合、切断が終了してからアーク電流を６５Ａ
に下げて80msecの間電流を流した後、該アーク電流を遮
断させた条件では、従来の切断の終了と同時にアーク電
流を遮断した場合と比較して電極の寿命が約３倍になる
ことが判明した。

【００１６】従って、上記課題を解決するために、本発
明に係るプラズマアークの遮断制御方法は、点火したプ
ラズマアークを遮断させるプラズマアークの遮断制御方
法において、切断加工を実施する時のプラズマアーク電
流値よりも所定の値だけ低い電流を所定時間流した後、
該プラズマアーク電流を遮断することを特徴としたもの
である。

【００１７】

【作用】上記プラズマアークの遮断制御方法によれば、
電極をプラズマアーク遮断時の無負荷電圧による消耗か
ら保護することが出来る。即ち、切断終了時に、プラズ
マアークの遮断を行うに当り、切断加工を実施中のプラ
ズマアーク電流値よりも所定の値だけ低い電流を所定時
間流すことによって、電極に印加される無負荷電圧の発
生を前記所定時間遅延させることが出来る。そしてこの
遅延時間中に電流値の低いプラズマアークを維持するこ
とで、電極の冷却を促して電極の温度を低減させ、溶融
した電極材料を定常状態で凝固させることが出来る。

【００１８】そして電極の表面が凝固した後に、プラズ
マアーク電流を遮断してプラズマトーチの稼働を停止さ
せることが出来る。この時、電極に無負荷電圧が印加さ
れても電極の表面が凝固した後であり、もはやこの無負
荷電圧によって電極の表面における溶融層が異常状態を
呈して飛散するといった電極の消耗が起こるおそれがな
い。従って、本発明のようなプラズマアークの遮断制御
方法を用いれば電極の寿命を延長することが出来るもの
である。

【００１９】

【実施例】次に、本発明に係るプラズマアークの遮断制
御方法の一実施例を図を用いて説明する。図１は本発明
を実施するためのプラズマ切断装置の構成図、図２は本
発明に係るプラズマアークの遮断制御方法を実施するた
めの説明図、図３は遅延時間Ｔと電極の寿命との関係を
示すグラフである。

【００２０】本発明はプラズマトーチを用いて被加工材
に対する切断を実施した後、プラズマアークを遮断して
プラズマトーチの稼働を停止させる際に、一定時間、切
断加工を実施する時のアーク電流値よりも低い値の電流
を流して、電極に印加される無負荷電圧の発生を所定時
間遅延することで、電極の冷却を促して電極の表面を凝
固させた後、該アーク電流を遮断してプラズマアークを
遮断するように構成したものである。本発明の方法を実
施することによって電極を無負荷電圧による消耗から保
護することが可能となり、この結果、電極の寿命を飛躍
的に延長させることが可能である。

【００２１】先ず、図１により本発明のプラズマアーク
の遮断制御方法を実施するためのプラズマ切断装置の概
略構成について説明する。図に於いて、プラズマトーチ
１には電極２を有するホルダー３が着脱可能に取り付け
られており、先端にはノズル４を形成したキャップ５が
着脱可能に取り付けられている。

【００２２】ボンベ６に充填された動作ガスはホルダー
３とキャップ５との間に形成された通路７から供給さ
れ、ノズル４から外部に噴出するように構成されてい
る。ホルダー３及びキャップ５は夫々冷却水によって冷
却されている。

【００２３】ホルダー３（電極２）は定電流制御される
プラズマ電源８の負極と接続され、キャップ５及び被加
工材Ｗはプラズマ電源８の正極と接続されている。電源
制御装置９はプラズマ電源８を制御するための装置であ
り、電極２と被加工材Ｗとの間に形成されたプラズマア
ーク10の電流および電極２と被加工材Ｗとの間の電圧を
測定すると共に、前記電流および電圧を制御し得るよう
になっている。またプラズマアークの遮断を遅延する時
間を測定すると共に、該遅延時間を制御することが出来
るようになっている。

【００２４】上記の如く構成された切断装置において、
被加工材Ｗに対する切断加工を実施する場合、先ず電極
２とキャップ５との間に電圧を印加してパイロットアー
クを形成し、その後、電極２と被加工材Ｗとの間に切断
用のメインアークであるプラズマアーク10を形成する。
そしてプラズマトーチ１を所定の速度で移動させ、プラ
ズマアーク10の熱によって被加工材Ｗを溶融すると共
に、溶融物を排除して切断を行うことが可能である。

【００２５】本発明のプラズマアークの遮断制御方法に
おいて、先ず、切断実施時のアーク電流値よりも所定の
値低い電流（以下『遮断電流』という。）の値と該遮断
電流の通電時間（以下『遅延時間』という。）が設定さ
れる。

【００２６】上記遮断電流の値は、種々の切断加工条件
に対応する切断実施時のアーク電流値よりも所定の値低
い電流値に設定される。この遮断電流の値を設定するに
当り、図２（ａ），（ｂ）に示すように（図２の詳しい
説明は後述する。）時刻ｔ１においてアーク電流を低減
させると、これに対応して電極２に印加される電圧が上
昇する。従って、遮断電流を一気に下げると遅延時間中
の電極２に印加される電圧が急激に上昇し、無負荷電圧
Ｖ３の付近まで上昇するので好ましくない。従って、遮
断電流の値は遅延時間中に電極２に印加される電圧値が
切断実施時の電極２に印加される電圧値に近接した値を
とるように設定することが好ましい。

【００２７】また、前記遮断電流の値は上記条件を備え
且つプラズマアークを継続して維持することが出来る最
小限の値で設定することが好ましい。このように構成す
ることで電極２に無負荷電圧Ｖ３が印加されるタイミン
グを遅延することが出来ると共に、アーク電流による電
極２の温度上昇を最小限に抑えて電極２の冷却を促す作
用を有する。

【００２８】例えば、被加工材Ｗを材質ＳＳ41，板厚12
mm、切断速度を3200mm／min 、プラズマトーチ１のノズ
ル径を 2.3mm、アーク電流を 260Ａの条件で切断する場
合には、プラズマアークの遮断時の遮断電流値を６５Ａ
程度に設定すると好ましい。本実施例では上記遮断電流
の値を６５Ａとして設定し、このデータを電源制御装置
９に予め入力して記憶させている。

【００２９】また電源制御装置９には前記遮断電流を通
電する遮断時間Ｔを０msec〜600msec の範囲で連続的に
変化させることが出来るタイマーを設け、予め設定した
遮断時間Ｔのデータを電源制御装置９に入力して記憶さ
せている。この遮断時間Ｔは電極２が冷却されて溶融し
た電極２の表面が凝固するのに必要な時間が設定され
る。

【００３０】ここで遮断時間Ｔが短い場合には電極２が
十分冷却されず溶融した電極表面が凝固する前に電極２
に無負荷電圧が印加され、電極２の表面に形成された溶
融層２ａが異常状態を呈して飛散し、電極２が消耗す
る。また遮断時間Ｔが必要以上に長い場合には、電極２
の消耗が継続的に累積して消耗度が増大するのでかえっ
て逆効果である。

【００３１】次に、前述した図２によりプラズマアーク
の遮断制御方法の実施について説明する。図２（ａ）は
プラズマアーク電流の時間変化を示し、図２（ｂ）は電
極に印加される電圧の時間変化を示す。前述の如く構成
されたプラズマ切断装置において、定常状態での切断加
工中は電源制御装置９によってプラズマ電源８が制御さ
れて電極２と被加工材Ｗとの間に常時一定のプラズマア
ーク電流Ｉ１を通電し、切断加工が継続して実施され
る。

【００３２】この時、本実施例ではプラズマアーク電流
Ｉ１が 260Ａに設定され、切断加工中に電極２に印加さ
れる電圧Ｖ１は略 130Ｖである。また電極２の表面には
図５（ａ）に示すように定常的な溶融層２ａが形成され
ている。

【００３３】次に、任意の時刻ｔ１に図示しない停止ス
イッチを操作すると、停止信号が電源制御装置９に伝達
される。そして制御装置９によってプラズマ電源８が制
御され図２（ａ）に示すようにアーク電流を遅延電流Ｉ
２に低減して設定する。この時の遅延電流Ｉ２は略６５
Ａである。またこの時、アーク電流の減少に対応して電
極２の印加電圧がＶ２（略 150Ｖ）に上昇する。このＶ
２の値は無負荷電圧Ｖ３（ 350Ｖ〜 450Ｖ）よりも十分
小さい値であり、上述のような衝撃電圧による電極２の
消耗は発生しないように設定されている。

【００３４】次に、前記アーク電流Ｉ２をＴ時間通電さ
せて、時刻ｔ２になった時、電源制御装置９はプラズマ
電源８を制御して図２（ａ）に示すようにアーク電流を
零にしてプラズマアーク10を遮断する。この時、電極２
に無負荷電圧Ｖ３が印加される。この電圧Ｖ３は前述し
たように 350Ｖ〜 450Ｖに達する。

【００３５】しかしながら、低い値のアーク電流Ｉ２を
Ｔ時間通電させる間に電極２は図示しない冷却手段によ
って強制冷却され、電極２の表面が定常状態に凝固す
る。従って、凝固後の電極２に無負荷電圧Ｖ３が印加さ
れても、上述のような電極２の消耗が発生することな
く、電極２を保護することが出来る。そして、無負荷電
圧Ｖ３は所定の時定数によってなだらかに０Ｖまで下降
し、プラズマアークを遮断してプラズマトーチ１の稼働
を停止することが出来る。

【００３６】図３は同じ仕様で製造された複数の電極を
用いて、アーク時間を１分，休止時間を３０秒としたサ
イクルで定常切断状態と停止動作とを間欠的に繰り返
し、このサイクル回数を測定して電極の使用可能回数と
し、遅延時間Ｔの設定時間を０msec〜 600msecの範囲で
変化させて遅延時間Ｔと電極の寿命との関係をグラフに
したものである。尚、上記電極の使用可能回数はそのま
ま使用可能時間（単位は分）に相当するものである。

【００３７】図３の横軸は遅延時間Ｔ、縦軸は電極の使
用可能回数を示す。電極２の消耗量は該電極２の先端に
発生する窪みの深さを測定することで計測することが出
来る。電極２が破壊されたとき、該電極２の先端には
2.0mm〜 2.5mmの窪みが生じている。従って、電極２が
破壊されたときの窪み深さに達する以前の窪み深さ（例
えば破壊時の窪み深さの80％〜90％）を適宜設定するこ
とで、電極２が寿命に達したことを認識するための消耗
限界値を設定することが出来る。

【００３８】図３に示すように、遅延時間Ｔを零とした
場合、即ち従来のプラズマアークの遮断制御方法のよう
に切断加工を実施している時のアーク電流値から一気に
アーク電流を遮断した場合の電極２の使用可能回数は 1
20回であった。

【００３９】次に、遅延時間Ｔを５msec〜 500msecの範
囲で設定すると、図３に示すように電極２の使用可能回
数が 200回以上となり、電極の寿命を約60％延長させる
ことが出来た。また遅延時間Ｔを５msec以下にすると電
極２の消耗を低減する効果が殆ど現れなかった。また遅
延時間Ｔを 500msec以上にすると電極２の消耗率が極端
に増大し、遅延時間Ｔが 600msecでは使用可能回数が 1
00回以下に低減してしまい、逆効果となった。従って、
遅延時間Ｔを５msec〜 500msecの範囲で設定することが
好ましいことが判明した。

【００４０】また遅延時間Ｔを40msec〜 120msecの範囲
で設定すると、図３に示すように電極２の使用可能回数
が 300回以上となり、電極２の寿命を約２．５倍にする
ことが出来た。従って遅延時間Ｔをこの範囲で設定する
とより好ましいことが判明した。尚、本実施例では遅延
時間Ｔを80msecに設定した時、電極２の使用可能回数が
ピークの 360回に達し、電極２の寿命を約３倍にするこ
とが出来るという極めて好ましい実験結果を得ることが
出来た。

【００４１】

【発明の効果】本発明に係るプラズマアークの遮断制御
方法は、上述の如き構成と作用とを有するので、プラズ
マアークを遮断するに際し、アーク電流を遮断する前に
切断加工を実施する時のアーク電流値よりも所定の値低
い値のアーク電流を所定の時間通電させることによって
電極に無負荷電圧が印加される前に電極の冷却を促して
電極の表面を凝固させることができる。従って、電極の
表面が凝固した後にアーク電流を遮断して電極に無負荷
電圧が印加されても電極に該無負荷電圧が印加されるこ
とによる消耗が生じることがない。

【００４２】従って、電極の寿命を飛躍的に延長させる
ことが出来るので、経済的である。また電極の交換頻度
も低減できるので、作業効率が向上するといった効果を
有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するためのプラズマ切断装置の構
成図である。

【図２】本発明に係るプラズマアークの遮断制御方法を
実施するための説明図である。

【図３】遅延時間Ｔと電極の寿命との関係を示すグラフ
である。

【図４】従来のプラズマアークの遮断制御方法を説明す
る図である。

【図５】電極が安定して定常的に溶融している場合の説
明図であり、（ａ）は電極及びホルダーの断面図、
（ｂ）は電極及びホルダーが冷却した時の表面図であ
る。

【図６】電極の溶融状態が異常状態にある場合の説明図
であり、（ａ）は溶融した電極材料が中央部分から周辺
部分に強制的に移動させられた様子を示す電極及びホル
ダーの断面図、（ｂ）は溶融した電極材料が細かい滴と
なって飛散する様子を示す電極及びホルダーの断面図、
（ｃ）は電極２の表面に斑状に凝固した電極材料が散在
する様子を示す電極及びホルダーを冷却した時の表面図
である。

【符号の説明】

１…プラズマトーチ、２…電極、２ａ…溶融層、３…ホ
ルダー、４…ノズル、５…キャップ、６…ボンベ、７…
通路、８…プラズマ電源、９…電源制御装置、10…プラ
ズマアーク、Ｗ…被加工材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点火したプラズマアークを遮断させるプ
   ラズマアークの遮断制御方法において、切断加工を実施
   する時のプラズマアーク電流値よりも所定の値だけ低い
   電流を所定時間流した後、該プラズマアーク電流を遮断
   することを特徴としたプラズマアークの遮断制御方法。