CN1053603C - 等离子弧应用设备 - Google Patents

Abstract

一个等离子弧应用设备包括一个直流供电线路在该设备的喷炬电极和工件之间加上直流电压。第一电磁阀允许压缩空气以第一流速从空气压缩机流入处于喷炬电极和喷嘴之间的间隙中。同时，一个高频电压发生器也在该喷炬电极和喷嘴之间产生引导电弧。然后产生等离子弧。一个等离子弧检测器检测等离子弧的产生并且闭合第二电磁阀驱动器的开关。然后，第二电磁阀也允许压缩空气流入上述间隙。

Description

等离子弧应用设备

本申请基于1996年12月17日提交的日本专利申请HEI 8-354211号，它被作为参考并入本申请中。

本发明涉及等离子弧应用设备，例如利用等离子弧来加工工件的等离子弧焊机和等离子弧切割机。

以一台等离子弧切割机为例，它包括一个被喷嘴包围的喷炬电极，在喷嘴与喷炬电极之间存在有间隙。等离子弧发生气或者用于产生等离子弧的气体被传送到该间隙，并用来在喷炬电极和喷嘴之间产生一个引导电弧。在喷炬电极和切割机要加工的工件之间加了一个直流电压。为了帮助引燃等离子弧，应在喷炬电极和喷嘴之间加一个高频电压。图1表明了这种等离子弧切割机的一个例子。

参照图1，该等离子弧切割机包括一个直流供电线路2，当继电器触点4闭合时该线路开始工作。继电器触点4在继电器驱动装置4D被供电时闭合。直流供电线路2在它的输入端6、6之间输入了一个工业用的交流电压并把它转换成直流电压。该直流供电线路2可以包含有一个第一整流器，用来为在其输入端之间输入的工业用交流电压整流和滤波。从第一整流器输出的直流电压被一个高频变频器转换成高频电压。该合成的高频电压被一个绝缘变压器变压，而被改变的电压又被一个第二整流器转换成直流电压。该直流电压由直流供电线路2的负(-)和正(+)输出端之间输出。负端与切割机的喷炬电极8相连，而正端与被切割的工件10相连。由于喷炬电极8和工件10之间存在间隙，使得在两者之间仅仅加直流电压不能在它们之间产生电弧。

等离子弧切割机还包括一个喷嘴11，它包围着喷炬电极8，并且两者之间存在有间隙。引导电弧产生于喷炬电极8和喷嘴11之间，该引导电弧用来在喷炬电极8和工件10之间引燃等离子弧。一个高频电压发生器12连在直流供电线路2的负端和切割机的喷炬电极8之间，该发生器产生了一个高频脉冲电压例如有几千伏大小。此外，串联的限流电阻14和常闭开关16连在喷嘴11和直流供电线路2的正端之间。一个电流检测器18连在工件10和直流供电线路2的正端之间。该电流检测器18用来检测流在喷炬电极8和工件10之间的等离子电流，并且从电流检测器18发出的代表所检测的电流的信号被反馈给直流供电线路2用来控制高频变频器使得等离子电流保持恒定。

一个气体源如空气压缩机20用来提供气体，本例中为空气，至喷炬电极8与喷嘴11之间的间隙中，用来在它们之间产生等离子弧。导管21连接了空气压缩机20和喷炬电极8与喷嘴11之间的间隙。一个电动阀如电磁阀22处于导管21之中，它由驱动器22D来控制开或关。电磁阀22在开的时候允许压缩空气以预定的流速传送到喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙中。电磁阀22在闭合的时候则阻止空气的传送。

继电器驱动装置4D和用于电磁阀22的驱动器22D并联在一起，该并联在供电线26、26之间与开关24串联，该供电线用来提供合适的电力。开关24用来启动和停止等离子切割机，它处于包含喷炬电极8的切割器上。

在例如1986年9月26日公开的日本未审专利申请公开No.SH061-216861公开了一种类似于上述的等离子弧切割机，它包括一个直流电源、一个高频发生器、一个喷炬、一个喷嘴、一个工件和一个电流检测器，并且其中空气被传送到喷炬与喷嘴之间的间隙。

图2表明了图1所示的现有技术的线路的不同部分的工作状态。

如图2(a)所示，当开关24被操作人员闭合时，电力提供给继电器驱动装置4D和电磁阀驱动器22D来驱动它们。当电磁阀22被驱动时，压缩空气以预定的速率通过电磁阀22传送到喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙中，如图2(c)所示。

继电器驱动装置4D的通电使得继电器触点4闭合，从而使得直流供电线路2提供的直流电压通过高频电压发生器12、限流电阻14和常闭开关16加在喷嘴11和喷炬电极8之间。同时，一个直流电压通过高频电压发生器12和电流检测器18加在工件10和喷炬电极8之间。在这种状态下，由于工件10和喷炬电极8之间存在间隙、喷炬电极8和喷嘴11之间存在间隙，电弧并未按照前面说明的那样产生。值得注意的是，在这种状态下，工件10和喷炬电极8之间的间隙小于喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙。

在和继电器触点4闭合相应的一个时间点，高频电压发生器12通电，所产生的高频电压加在喷炬电极8和喷嘴11之间从而在它们之间产生了一个引导电弧，如图2(b)所示。在这种状态下，引导电流如15A在喷嘴11和喷炬电极8之间流动。接着，喷炬电极8和喷嘴11被靠近工件10使得喷炬电极8和工件10之间的间隙变小。然后，引导电弧导致在喷炬电极8和工件10之间产生等离子弧，并且主电流或等离子电流开始在它们之间流动，如图2(d)所示。

主电流由电流检测器18检测，并且电流检测器18的输出被反馈给直流供电线路2用来恒流控制供电线路使它能提供一个恒定的主电流如70A。由电流检测器18检测的主电流信号使得常闭开关16打开，从而中断引导电流。同时，高频电压发生器12断电。

引导电弧和主电流的流动的发生把压缩空气变为等离子。

为了停止等离子弧切割机，操作人员打开开关24，这就停止为继电器驱动装置4D和电磁阀驱动器22D提供电力。于是继电器触点4打开，从而使得直流供电线路2停止工作。由于停止向驱动器22D供电，电磁阀22也就闭合，这就导致中断传送压缩空气。

在上述结构的等离子弧切割机中，从引导电弧产生起，通过操纵切割机，压缩空气被连续传送到喷嘴11和喷炬电极8之间。压缩空气的流速即所要求的等离子弧的速度。例如，对于70A的主电流或等离子电流，压缩空气的流速可为270l/m。该流速有时太高了以致于不能引燃和维持引导电弧。

对于该问题的一个解决方案可以用能提供大输出功率的高频电压发生器，并用能提供较高电压的直流供电线路，使得在喷嘴11和喷炬电极8之间能加上较高的电压，或者用一个允许较大引导电流通过的限流电阻。然而，使用这些元件的缺点是将增加等离子弧切割机的尺寸和成本。

上述的结构还有另一个缺点。在等离子弧应用设备中，惰性气体如氩气可以代替压缩空气被用作等离子弧发生气。为了容纳这些气体，可以使用圆柱瓶。然而，瓶子能容纳的气体量是有限的。上述结构的等离子弧切割机在产生引导电弧时浪费气体。

本发明被用来排除包含上面所说的这些问题。

根据本发明，等离子弧应用设备包括直流供电装置，该装置对通电信号反应在设备的喷炬电极和被设备加工的工件之间加一个直流电压。对通电信号反应的引导电弧的产生装置使得在喷炬电极和处于其周围的并相距一定间隙的喷嘴之间产生引导电弧。气体流速调节装置用来允许等离子发生气从等离子发生气体源以可选的第一和第二流速之一流入喷炬电极和喷嘴之间的间隙中。其中第二流速高于第一流速。等离子弧检测装置用来检测出现在喷炬电极和工件之间的等离子弧并产生一个代表等离子弧的信号。流速控制装置控制气体流速调节装置，使得当通电信号被提供时，等离子弧发生气能以第一流速传送，而当等离子弧检测信号产生时，使等离子弧发生气能以第二流速传送。

根据本发明，为了产生引导电弧，流速控制装置使得气体流速调节装置允许等离子弧气体以第一流速从等离子弧发生气体源传送到喷炬电极和喷嘴之间的间隙中。一旦在喷炬电极和工件之间产生了等离子弧，该流速控制装置就工作使得气体流速调节装置允许等离子弧发生气以高于第一流速的第二流速流到喷炬电极和喷嘴之间的间隙中。

气体流速调节装置可以包括互相并联的第一和第二流速调节装置。当未提供通电信号时，第一流速控制装置是不工作的，当通电信号产生时，它是工作的，并允许等离子弧发生气以第一流速传送。当代表等离子弧的信号未产生时，第二流速调节装置是不工作的，而当等离子弧检测信号产生时，它是工作的，并允许等离子弧发生气以等于第一与第二流速的差距的速度流动。

以气体流速调节装置的这种结构，当引导电弧产生时，仅仅第一流速调节装置是工作的，它允许等离子弧发生气以第一流速流入喷炬电极与喷嘴之间的间隙中。当等离子弧产生时，除了第一流速调节装置外，第二流速调节装置也是工作的，它允许气体不仅被第一流速调节装置而且被第二流速调节装置传送到喷炬电极与喷嘴之间的间隙中。只有当一个信号出现时，第一和第二流速调节装置都被启动以允许气体传送，而当信号消失时则关闭。因此，流速控制装置能开-关控制第一和第二流速调节装置去调节气体流速就已经足够了。

该直流供电装置可以被恒流控制。等离子弧检测装置检测流过喷炬电极和工件的电流，并且被检测的电流作为一个控制信号加在直流供电装置上，该信号控制直流供电装置提供恒定电流。

因而，等离子弧检测装置不仅被用来检测等离子弧的产生，而且还用来恒流控制直流供电装置。

图1是根据现有技术的等离子弧切割机的方框图。

图2说明了图1所示的等离子弧切割机的不同部分的工作状态。

图3是根据本发明的实施例的等离子弧切割机的方框图。

图4说明了图3所示的等离子弧切割机的不同部分的工作状态。

以如图3、4所示的等离子弧切割机来详细说明本发明。关于图3、4所示的部件与功能，使用了相同的参考数来代表，这些部件与功能和图1、2中所示的部件与功能相类似，因而未给出它们的详细说明。

在所示的实施例中，直流供电装置包含一个直流供电线路2。等离子弧发生装置包含一个高频电压发生器12、一个限流电阻14和一个常闭开关16。空气压缩机20提供等离子弧发生气或压缩空气。产生通电信号的装置包括一个手动开关24，等离子弧检测装置包括一个电流检测器18。

在图1所示的结构和图3所示的本发明的设备之间的一个不同之处是处于导管21之中的气体流速调节装置。图3所示的本设备中的气体流速调节装置包括电动阀如并联的电磁阀28和30。

当没有电力提供给驱动器28D时，电磁阀28被与其相关的驱动器28D闭合，而当驱动器28D被供电时电磁阀28打开。当电磁阀28打开时，它允许压缩空气从空气压缩机20以第一流速如90l/m通过并流入该等离子弧切割机的喷嘴11和喷炬电极8之间的间隙中。第一流速的大小可以为如从70l/m到90l/m。

当没有电力提供给驱动器30D时，电磁阀30被与其相关的驱动器30D闭合，而当驱动器30D被供电时电磁阀30打开。当电磁阀30打开时，它允许压缩空气从气体源20以流速如180l/m通过并流入喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙中。由电磁阀30提供的流速的大小可以从180l/m到200l/m。于是，当电磁阀28和30都开着时，压缩空气就以第二流速如大约为270l/m传送到喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙中。确定第二流速使得等离子弧产生并满意地维持，此时流在喷炬电极8和工件10之间的等离子电流或主电流的大小为如70A。显然，电磁阀30允许气体以一个等于第一与第二流速之差的速度流过。

用于电磁阀28的驱动器28D与继电器驱动装置4D并联。因此，当开关24被操作人员闭合时，驱动器28D则通电使得电磁阀28打开。另一方面，当开关24被操作人员打开时，驱动器28D则断电，于是电磁阀28闭合。

用于电磁阀30的驱动器30D与一个开关32串联，两者串联后被连在供电线25、25之间，该供电线用来从一个合适的电源(图中未画出)为它们提供电力，同时也为继电器驱动装置4D和电磁阀驱动器28D提供电力。当电流检测器18正在检测主电流或等离子电流时，开关32保持闭合。于是当等离子弧电流流动时，用于电磁阀30的驱动器30D通电，因而电磁阀30打开。

电磁阀驱动器28D和30D及开关32组成了气体流速控制装置。

如图4(a)所示，当开关24闭合时，电力通过供电线25、25提供给继电器驱动装置4D和电磁阀驱动器28D。驱动器28D的通电使得电磁阀28打开，从而使压缩空气以第一流速传送到喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙中，如图4(c)所示。第一流速大约为产生和维持等离子弧所需的流速的1/3。

继电器驱动装置4D的通电使得继电器触点4闭合，从而使直流供电线路2在喷炬电极8和喷嘴11之间、在喷炬电极8和工件10之间提供了直流电压。在这种状态下，由于喷炬电极8和喷嘴11之间存在间隙、喷炬电极8和工件10之间存在间隙，引导电弧和等离子弧都不能产生。

在和继电器触点4闭合相应的一个时间点，高频电压发生器12通电，并在喷炬电极8和喷嘴11之间提供了一个高频电压，如图4(b)所示。这使得它们之间产生了引导电弧，从而使得引导电流在它们之间流动。如上所述，在该种状态下的压缩空气的流速低于产生等离子弧的压缩空气的流速，于是引导电弧能容易地产生。因此，引导电流可以为如10A，小于图1所示的现有技术的等离子弧切割机所要求的引导电流。因而，高频电压发生器12不需要为了产生引导电弧而提供大的功率，直流供电线路2也不需要提供高电压。而且，限流电阻14也不用为了提供大的引导电流而必需是一个小电阻。

一旦产生了引导电弧，喷炬电极8被靠近工件10。引导电弧帮助在喷炬电极8与工件10之间产生等离子弧和流在两者之间的主(等离子)电流，如图4(d)所示。

主电流由电流检测器18检测，并使得开关32闭合。接着这就使得电力提供给电磁阀驱动器30D因而打开了电磁阀30，从而压缩空气以从大约180l/m到大约200l/m的流速通过电磁阀30，如图4(e)所示。因此，由于电磁阀28和30都是打开的，压缩空气就以一个总流速270l/m流入喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙中，如图4(f)所示。该流速是产生和维持喷炬电极8与工件10之间的等离子弧所要求的。

由电流检测器18检测到的一个代表等离子电流的信号被反馈给直流供电线路2用来控制直流供电线路2中的变频器使得等离子电流保持在例如70A。而且，由电流检测器18检测到的主电流的信号使得直流供电线路2停止高频电压发生器12。同时，开关16打开，从而使引导电弧消失。

当等离子弧对工件10的切割完成时，开关24被操作人员打开。这使得供给继电器驱动装置4D和驱动器28D的电力被中断。从而使得继电器触点4打开。接着使得直流供电线路2停止产生直流电压。供给驱动器28D的电力的中断也使得电磁阀28闭合。因为没有加直流电压，等离子弧消失了，从而没有主电流或等离子电流流动。因为电流检测器18检测不到主电流，开关32自动打开使得电力不再供给电磁阀驱动器30D，这使得电磁阀30闭合。因而，电磁阀28和30都闭合，从而使得压缩空气不再传送到喷炬电极8和喷嘴11之间的间隙中。

当开关24打开并中断设备的工作时，开关16自动闭合。

在上述的实施例中，可以打开和闭合的电磁阀28与30用作流速调节装置。使用这样的阀门就允许用一个简单结构的控制线路，它仅需要开关驱动器28D和30D来控制电磁阀28和30。换句话说，一个单独的流速控制阀可用来代替两个电磁阀28和30。在这样情况下，当开关24闭合时，该流速控制阀被控制用来提供第一流速，而当电流检测器18检测到等离子弧电流时它被用来提供第二流速。

惰性气体、氧气或类似的气体可被用来代替压缩空气作为产生等离子弧的等离子弧发生气。如果使用这样的气体，一个容纳该气体的圆柱形瓶可用来代替空气压缩机20作为等离子弧发生气体源。

上面以一个等离子弧切割机中的实施例说明了本发明。然而，本发明也能实施在其它的等离子弧应用设备中，如等离子弧焊机。

Claims (7)

1.一个等离子弧应用设备包括：

对所加通电信号反应的直流供电装置，该装置用来在所述的等离子弧应用设备的喷炬电极和被所述的等离子弧应用设备加工的工件之间加一个直流电压；

对所述通电信号反应的装置，该装置用来在所述的喷炬电极和喷嘴之间产生引导电弧，该喷嘴处于所述的喷炬电极的周围，并且两者之间存在间隙；

用来在所述的喷炬电极和所述的工件之间产生等离子弧的气体源；

气体耦合装置，用来使所述气体从所述的气体源传送到所述间隙中；

用来提供所述的通电信号的装置；

等离子弧检测装置，当等离子弧在所述喷炬电极和所述工件之间出现时，用来产生一个代表等离子弧的信号；

其特征在于，

所述气体耦合装置使所述气体以第一和第二流速中所选的一个流速传递到所述间隙，所述第二流速高于所述第一流速；以及

还提供了流速控制装置，用来如此控制所述气体耦合装置，使得当所述的通电信号被提供时，使所述气体以所述的第一流速被传送，而当所述的代表等离子弧的信号被提供时，使所述气体以所述的第二流速被传送。

2.根据权利要求1的等离子弧应用设备，其中所述的气体耦合装置包括：

第一流速调节装置，当所述的通电信号没有加给它时，它是闭合的，而当所述的通电信号加给它时，它是打开的，以允许所述的气体以所述的第一流速通过；以及

与所述的第一流速调节装置并联的第二流速调节装置，当所述的代表等离子弧的信号没有加给所述的第二流速调节装置时它是闭合的，而当所述的代表等离子弧的信号加给它时，它是打开的，以允许所述的气体以等于所述的第一和第二流速之差的流速通过。

3.根据权利要求1的等离子弧应用设备，其中所述的直流供电装置是被恒流控制的；并且所述的等离子弧检测装置检测流过所述喷炬电极和所述工件的电流，所述的被检测的电流也被加到所述的直流供电装置上作为一个用于其恒流控制的控制电流。

4.一个等离子弧应用设备包括：

一个带触点的直流供电装置，当所述触点闭合时，它用来在所述的等离子弧应用设备的喷炬电极和被所述的等离子弧应用设备加工的工件之间加一个直流电压；

一个在所述触点闭合时工作的高频电压发生器，用来在所述的喷炬电极和喷嘴之间跨过间隙产生一个引导电弧，该喷嘴处于所述的喷炬电极的周围；

一个等离子弧发生气体源；

一个位于所述气体源和所述间隙之间的气体流速调节单元，用来使所述气体传送到所述的间隙中；

一个等离子弧检测器，用来检测在所述的喷炬电极和所述工件之间出现的等离子弧，并产生一个代表等离子弧的信号；

一个操纵开关；以及

一个触点驱动器，用来当所述的操纵开关工作时，闭合所述的触点；

其特征在于：

所述气体流速调节单元使所述气体以第一和第二流速中所选的一个流速传送到所述间隙，所述第二流速高于所述第一流速；以及

还提供了一个流速控制单元，用来如此控制所述气体流速调节单元，使得当所述的操纵开关工作时，使所述的气体以所述第一流速传送到所述间隙，而当所述的代表等离子弧的信号产生时，使所述的气体以所述的第二流速被传送。

5.根据权利要求4的等离子弧应用设备，其中所述的气体流速调节单元包括：

一个带有第一驱动器的第一阀门，当电流被提供给所述的第一驱动器时，它用来允许所述的等离子弧发生气以所述的第一流速通过；以及

一个带有第二驱动器的第二阀门，它和所述的第一阀门并联，当电流被提供给所述的第二驱动器时，它用来允许所述的等离子弧发生气以第三流速通过，所述的第三流速等于所述的第一和第二流速之差。

6.根据权利要求5的等离子弧应用设备，其中所述的操纵开关是一个与所述的触点驱动器串联跨接在电源之间的通-断开关；

所述的第一驱动器与所述的触点驱动器并联；

一个当所述的代表等离子弧的信号产生时闭合的开关，与所述的第二驱动器串联跨接在所述的电源之间。

7.根据权利要求4的等离子弧应用设备，其中所述的第一流速是被要求用于在所述的喷炬电极与所述的喷嘴之间产生一个电弧的流速，而所述的第二流速是被要求用于在所述的喷炬电极与所述的工件之间产生一个电弧的流速。

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