JPS62107865A - 加工プラズマの点孤方法 - 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〕 本発明はプラズマ溶接、切断、溶射等のプラズマ加工に
関し、特に、該プラズマ加工の加工用プラズマを点弧す
るプラズマ点弧方法に関する。

〔従来の技術〕

プラズマ加工には大別して、非消耗電極とプラズマノズ
ルの間にガスを高速で流しつつ高電流密度のアーク放電
を励起し、これにより発生するプラズマ流を被加工物に
噴き出す非移行型プラズマ加工と、非消耗電極と被加工
物の間に直接にアーク放電を励起する移行型プラズマ加
工および両者を複合させた複合型プラズマ加工の３形式
がある。

第５図に従来の非移行型プラズマ加工装置の構成を示し
、第６図に従来の移行型および複合型プラズマ加工装置
の構成を示す。

非移行形プラズマ加工装置は、非消耗電極式自然放電ア
ークを銅製等のプラズマノズルを用いて緊縮し、サーマ
ルピンチ効果を利用して高温プラズマ流を形成するもの
であり次の特徴がある。

■自然放電アークよりも一桁高い高温度を容易に発生す
ることができる。

■熱の集中度が高い。

■プラズマ流速を亜音速から超音速にわたって制御し得
る。

■色々な成分のガスを用いてプラズマを発生できる。

■プラズマトーチ自体で電気回路が形成されるため、被
加工物は導電性、非導電性のいずれでもよい。

以上により非移行型プラズマは導電性材料、非導電材料
の溶接、切断、高融点材料の溶射（金属。

セラミック、有機材料等）等の用途で広く普及している
。

この種の非移行型プラズマ装置では、第５図を参照する
と、直流垂下特性を有する非移行型プラズマ電ｇ１の陽
極側をプラズマトーチ２０内のノズルホルダー１４に装
着されたプラズマノズル３に接続し、陰極側を高周波電
源４を介してプラズマトーチ２０内のタングステン電極
（非消耗電極）２に接続し、溶接用電源１．プラズマ点
弧用高周波電源４．タングステン電極２．プラズマノズ
ル３からなる非移行型プラズマ発生回路２１を形成する
。９は高周波バイパスコンデンサである。シールドガス
として不活性ガスがシールドガス流路８を通してシール
ドキャンプ６内に送給される。

同じく不活性ガスがセンターガスとしてセンターガス流
路７を通してプラズマノズル３内に送給される。これら
のシールドガスおよびセンターガスを送給した状態で高
周波電源４により、タングステン電極２とプラズマノズ
ル３の間に数千■以上の高周波電圧を印加して火花放電
を生じさせて絶縁破壊を起した後に、プラズマ電源１を
電極２とノズル３に印加して非移行型プラズマを点弧す
る。

移行型および複合型プラズマ装置では、第６図を参照す
ると、高周波電源４およびプラズマ電源１でまず電極２
とノズル３の間に非移行型プラズマを点弧し、次いで移
行型プラズマ電源２２をオンにして電極２と母材５の間
に移行型プラズマを点弧する。通常移行型プラズマ点弧
後、非移行型プラズマをＯＦＦにするが、移行型プラズ
マ点弧後も非移行型プラズマを点弧した状態で保持した
ものが複合型プラズマである。低電域プラズマの安定性
を確保する場合等において用いられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の非移行型プラズマ装置（第５図）および移行型プ
ラズマ装置、あいは複合型プラズマ装置（第６図）のい
ずれにおいても、高周波電源４を用いて電極２−ノズル
３間にプラズマを点弧する。

このような高周波点弧法では、高周波（交流）であって
しかも放電電圧が大きいため、電磁的なノイズが大きく
、例えば溶接自動機器に組み込まれたマイクロコンピュ
ータをはじめとする各種周辺電子機器を誤動作成いは破
損することがあるので、電子機器に特別なノイズフィル
ターを用いるなど、特別な対策を施こす必要があった。

更に、高周波電源４がプラズマ電源１，２２に接続され
ているので、溶接電源回路やトーチあるいは母材、もし
くはその近傍に計測機器を接続又は配設できないという
問題もある。

高周波電源４を用いるのに代えて、電極２を摺動式にし
、プラズマ電源１の無負荷電圧を印加した状態で、電極
２をノズル３に一度接触させ、引き雛すことにより、ア
ークを発生させる接触点弧も考えられるが、これにおい
ては接触アーク発生時に流れる過度電流が大きいので電
極２およびノズル３の消耗が激しく寿命が短くなる。

本発明は非消耗電極にプラズマ点弧に起因する損耗を与
えることがなく、しかも電磁的ノイズが小さいプラズマ
点弧法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、非消耗性電極とプラズマノズルの間
に電場を形成して、この電場の陰極に向けてトリガプラ
ズマを注入する。

〔作用〕

これによれば、注入されたトリガープラズマ中の正イオ
ンが電場で加速され陰極に衝突することによって、陰極
の一部を高温にするため、非移行型プラズマ電ｇ１の無
負荷電圧で容易に非消耗電極とプラズマノズルの間にプ
ラズマ（メインプラズマ：加工用プラズマ）が発生する
。トリガープラズマはメインプラズマ点弧に対し、まさ
にトリガーとして作用するものであり、低電流（１０Ａ
程度）・短時間（１秒以内）の注入で十分である。

またトリガープラズマの点弧に関してはこれを高周波点
弧法を用いて、あるいは接触点弧法で発生させてもメイ
ンプラズマ電源回路１とは別体のユニットとしてトリガ
プラズマ回路を容易にノイズシールドし得るので、発生
する電磁ノイズのレベルが極く低くなり、メインプラズ
マ電源回路に電子制御機器や計測装置の接続、配設が容
易になる。

〔実施例〕

第１図に本発明を一態様で実施する装置構成を示す。こ
の装置構成は非移行型プラズマ発生装置のものである。

第１図において、第５図と同じ要素又は類似の要素には
同じ符号を付した。その分のここでの説明は省略する。

本発明の実施のために変えられた部分を説明すると、主
ノズル３の装着されたノズルホルダー１４の側壁に円形
の穴が開けられ、この六にトリガー用プラズマノズル（
副ノズル）１３が装着されており、非消耗電極２の側面
に対向している。トリガープラズマを発生するプラズマ
装置１０が副ノズル１３とその内部のタングステン電極
（副電極）１２に接続されている。この例では副電極１
２が陰極、副ノズル１３が陽極である。副ノズル１３は
ノズルホルダー１４と一体接続であり、加工用プラズマ
電源１に関しても陽極である。

この例では、シールドガス流路８にシールドガスを、セ
ンターガス流路７にセンターガスを、更に、トリガープ
ラズマ発生用のガス（例えば不活性ガス）を副ノズル１
３に供給し、非移行型プラズマ電源１をオンにして主電
極ｌと主ノズル３の間に、主ノズル３から主電極２に向
かう電場を形成する。すなわち副ノズル１３は主ノズル
３と接続されているので、換言すると、副ノズル１３と
主電極２の間に、副ノズル１３から主電極２に向かう電
場を形成する。

この状態でトリガープラズマ装置１０をオンにし、トリ
ガープラズマを発生させる。発生したトリガープラズマ
は、トリガープラズマ発生用のガス（例えば不活性ガス
）が副ノズル１３に供給されているのでこれにより、主
電極２に向けて高速で移動する。このとき、主電極２−
副ノズル１３間の電場内に注入されたトリガープラズマ
中の正イオンは電場で加速され、主電極２に衝突し、衝
突部の湿度を上昇させるので、電源１の無負荷電圧でメ
インプラズマが主電極２−主ノズル３間に点弧する。

このプラズマ点弧方法によると、非移行型プラズマ発生
回路２１内には、高周波電源等のプラズマ点？Ａ機構を
もたず外的トリガーでメインプラズマが点弧するため、
メインプラズマ点弧前後の電磁的ノイズおよび過渡電流
変動が小さく、また電源１には点弧回路が接続されてい
ないので、非移行型プラズマ発生回路２１に電流、電圧
計測機器等を接続できる。したがって自動制御機器の接
続や併設が容易である。

また本発明によれば、トリガープラズマ発生回路１８の
能力として最大１０Ａ程度の低電流トリガープラズマを
発生させ、０．１秒程度の短時間注入するだけで非移行
型プラズマの点弧には十分であり、しかもトリガープラ
ズマを発生させるために必要な使用ガスはプラズマガス
のみでシールドガスが不要なため、副ノズル１３の超小
型化が可能である。さらに、副電極１２と副ノズル１３
との放電ギヤングおよび各々の形状、材質を放電しやす
い状態に任意設定できるので、たとえば、放電ギャップ
を０．１ｍｍ程度の微少設定をしたならばたとえ高周波
電源等を用いてトリガープラズマを点弧するとしても低
レベルの電圧（１００ＯＶ程度）でも十分であり、発生
する電磁ノイズは軽微である。

又、メインプラズマ点弧用トリガープラズマは低電流で
短時間の使用しか必要としないため、副電極１２および
副ノズル１３の損耗はほぼ無視できる。

次に、第１図に示したトリガープラズマ装置１０および
トリガープラズマ発生回路１８の点弧方法について第２
図および第３図を参照して説明する。

第２図は接触点弧方法を実施するトリガープラズマ発生
回路を示す。第２図において１１は直流垂下特性を有す
るプラズマ電源であり、その陰極側に副電極Ｉ２を、陽
極側に副ノズル１３をそれぞれ接続し、プラズマ電源１
１．副″？！ｉ極１２．副ノズル１３からなるトリガー
プラズマ発生回路１８を形成している。

副ノズル１３内に１−リガープラズマガスを送給してい
る状態で、プラズマ電源１１をオンにし、無負荷電圧を
印加したままの状態で副電極１２を手動、電動、バイメ
タル、バネしかけ等の手段を用いて副ノズル１３に接触
、短絡させ、短絡過渡電流を流した後に副電極１２を副
ノズル１３から引き離し、ｌ−リガープラズマを点弧さ
せようとするものである。従来のメインプラズマの接触
点弧法では短絡時の過大電流による主電極２先端部の損
耗が問題となるが、トリガープラズマにおいてはもとも
と低電流（最大１０Ａ程度）であるため副電極先端部の
損耗は極めて軽微である。また、例え少々損耗したとし
てもトリガープラズマさえ点弧すれば十分であり、非移
行型プラズマ発生回路２１と無関係なため、溶接上の問
題とならない。

第３図は高周波点弧方法を用いたトリガープラズマ発生
回路１８を示すブロック図である。１１は直流垂下特性
を有するプラズマ電源で、その陰極側に高周波電源１４
を介して副電極１２を接続し、陽極側に副ノズル１３を
接続している。尚、１５は高周波バイパスコンデンサで
ある。トリガープラズマ電源１１．副電極１２．副ノズ
ル１３゜高周波電源１４．高周波バイパスコンデンサ１
５でトリガープラズマ発生回路１８を形成している。

この回路は、高周波電源１４により副電極１２と副ノズ
ル１３との間に高周波電圧を印加し、火花放電を生じさ
せて、絶縁破壊を起こした後に、プラズマ電源１１で電
流を供給してトリガープラズマ点弧を行うものである。

ただし、副ノズル１３と副電極１２との放電ギャップは
０．］、ｍｍ程度の微小設定も可能であるため、その場
合には高周波電源１４の出力電圧は最大子■程度もあれ
ば十分であり、これに起因して発生する高周波ノイズの
レベルも低いものである。

従って、トリガープラズマ発生回路１８をシールドＩ６
でおおい、ノイズフィルター１７を介して外部電源と接
続することにより、高周波ノイズを容易に且つ完全に抑
えることができる。

尚、トリガープラズマを発生するためのトリガー用の高
周波電源１４は、プラズマ電源１１の陰極側に接続する
必要はなく、副電極１２．副ノズル１３．高周波電源１
４．高周波バイパスコンデンサ１５で回路が形成される
ならば、どこに配置してもよい。

第３図ではトリガープラズマ発生回路１８０点弧に高周
波電源１４により発生する高周波電圧を用いたが、同程
度の電圧を供給できる電源であればトリガープラズマ発
生回路１８に組み込むことが可能である。実際にコンデ
ンサ電源によるコンデンサ放電或いは通電遮断時に発生
するサージ電圧を利用しても同様にトリガープラズマを
点弧することが可能である。

第３図に示すトリガープラズマ発生回路１８を用いた実
施例を次に説明する。

トリガープラズマ発生回路１８（第３図）：電源１１の
無負荷電圧：１００Ｖ。

トリガープラズマ電流：ｌＯＡ。

プラズマガス流量：　３　Ｑ　／ｍｊ、ｎ　Ａｒ。

Ｄｓ＝１．０ｍｍ＋　Ｌｊ＝＝１．０ｍｍ、　Ｌｐ＝１
．２ｍｍ。

ｄ　ｓ　：　　１．Ｏｍｍ。

メインプラズマ発生回路２１　（第１図）ニア１ｊｉｌ
！ｌの無負荷電圧：１００Ｖ。

設定電流：５０Ａ。

センターガス流量：　１．ＯＱ／ｍｉｎ　Ａｒ。

シールドガス流量：　２０Ｑ／ｍｉｎ　Ａｒ。

Ｌａ＝１ｍｍ、　Ｌｂ＝５１１１ｍ、　Ｌｃ＝１０ｍｍ
。

ｄ　ｍ＝２．４ｎ＋ｍ、　Ｄｍ＝１．０ｍｍａ以上の条
件で０．１秒間トリガープラズマを注入して連続１００
回繰り返して、メインプラズマの点弧を試みた。いずれ
の場合も極めて安定にメインプラズマが点弧した。しか
も、主電極２．主ノズル３．副電極１２．副ノズル１３
に損耗は認められなかった。また、高周波発生時におけ
る外部電源の電圧変動はほとんど認められず、さらにこ
のとき使用していた計測機器或いは制御装置はマイクロ
コンピュータ内蔵型のものであったが、高周波ノイズに
よる誤動作は発生しなかった。

以上においては非移行型プラズマの点弧について説明し
たが、移行型プラズマ或いは複合型プラズマ（第６図：
従来例）の場合も、主電極２と主ノズル３間にメインプ
ラズマを点弧するまでの過程は、前述の非移行型プラズ
マの場合と同様である。そこで第６図に示す従来の移行
型プラズマ発生装置を、第４図に示すように本発明を実
施する形に改良し、これ（第４図）においてトリガープ
ラズマ発生装置１０を前述と同様に第３図に示すトリガ
ープラズマ発生回路とし、前述と同じ条件で、０．１秒
間トリガープラズマを注入して連続１００回繰り返し、
メインプラズマの点弧を試みた。いずれの場合も極めて
安定にメインプラズマが点弧した。しかも、主電極２．
主ノズル３．副電極１２、副ノズル１３に損耗は認めら
れなかった。また、高周波発生時における外部電源の電
圧変動はほとんど認められず、さらにこのとき使用して
いた計測機器或いは制御装置はマイクロコンピュータ内
蔵型のものであったが、高周波ノイズによる誤動作は発
生しなかった。

なお、以上の説明はプラズマ溶接用のプラズマトーチに
関してのものであるが、プラズマ切断。

プラズマ溶射等その他の、同様な加工用プラズマを発生
するプラズマ加工においてもプラズマ点弧の原理は同じ
であり、同様に本発明を実施し得る。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、溶接用。

切断用、溶射用等の非移行型。移行型および複合型プラ
ズマの点弧において、加工用プラズマ発生回路に高周波
電源等の、高パワーノイズ発生原因となる手段を用いる
必要がないので、マイクロコンピュータ等の電子機器を
用いた測定、制御装置に格別に負担が高いノイズ対策を
施す必要がない。

しかも主電極を主ノズルに接触させ引き離す接触点弧法
と異なり、非接触式であるため主電極の損耗もない。ま
た非移行型プラズマ発生回路および移行型プラズマ発生
回路に点弧用高電圧が重畳しないので、電圧、電流検出
手段を非移行型プラズマ発生回路および移行型プラズマ
発生回路に接続しこの検出手段に計測機器等を接続し得
るし、計測機器等にノイズ電流を生じないのでその破損
のおそれもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を一態様で実施する溶接用非移行型プラ
ズマトーチの構成概要を示すブロック図、第２図は第１
図に示すトリガープラズマ発生回路１８の一例構成を示
すブロック図、第３図はトリガープラズマ発生回路１８
の他の一例を示すブロック図である。第４図は本発明を
もう１つの態様で実施する溶接用移行型プラズマトーチ
の構成概要を示すブロック図である。 第５図は従来の溶接用移行型プラズマトーチの構成概要
を示すブロック図、第６図は従来の溶接用移行型プラズ
マトーチの構成概要を示すブロック図である。 １：非移行型プラズマ電源 ２：主電極　　　　　　　　３：主ノズル４ニメインプ
ラズマ魚弧用高周波電源 ５：母材（被加工材）　　　　６：シールドキヤツプ７
：センターガス流　　　　８：シールドガス流９：高周
波バイパスコンデンサ １０ニドリガープラズマ発生装置 １１ニドリガープラズマ電源 １２：副電極　　　　　　　】３：副ノズル１４二ノズ
ルホルダー １８ニドリガ一プラズマ発生回路 ２０＝溶接用プラズマトーチ ２１：非移行型プラズマ発生回路 ２２：移行型プラズマ電源 ２３：移行型プラズマ発生回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 非消耗電極とプラズマノズル又は母材の間に加工用プラ
   ズマを形成するプラズマ加工において：前記非消耗電極
   とプラズマノズルの間に電場を形成し、この電場を形成
   する陰極に向けてトリガプラズマを注入して前記加工用
   プラズマを形成することを特徴とする加工プラズマの点
   弧方法。