JP2000094126A - 直流アーク溶接装置およびプラズマ加工装置のアーク点火装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流アーク溶接装置やプラズマ加工装置のア
ーク点火装置において、従来からの高周波電圧を印加す
る方式の問題点である電波障害を発生しないものを提供
する。 【解決手段】 アーク溶接またはプラズマ加工用の直流
電源の出力端子の一方がトーチの中心電極に、他方が母
材またはパイロットアーク用のノズル電極に接続された
装置のアーク点火装置において、リアクトルを前記直流
電源の出力と直列に接続し、さらに抵抗器と開閉器との
直列回路を前記トーチの中心電極と母材またはノズル電
極との間に接続し、閉路しておいた開閉器をアーク点火
時に開路することによりフライバック電圧を発生させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＴＩＧ溶接機などの
直流アーク溶接装置およびプラズマ溶断機やプラズマ溶
接機などのプラズマ加工装置におけるアーク点火装置で
あって、その動作時に電波障害を発生しないものを提供
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の直流アーク溶接装置やプラズマ加
工装置のアーク点火方法としては高周波放電を利用した
ものが使用されている。図４はプラズマ加工装置におけ
るアーク点火装置の例を示すものであって、アーク起動
時に高周波高電圧を印加してパイロットアーク用のノズ
ル電極と主電極との間に放電を生じさせてパイロットア
ークを起動させ、これを主電極と母材間のメインアーク
に移行させることが行われている。４はメインアークの
ための主電源であって直流大電流を供給する。そして主
電源の出力の負側はトーチ１の主電極２に接続され、正
側は母材５に接続される。６はパイロットアーク用直流
電源であって小電流を供給し、これの出力の負側は途中
に部品を介して主電極２に接続され、正側はノズル電極
３に接続されている。

【０００３】図４において２０は高周波高電圧による放
電によってパイロットアークを起動させる高周波高電圧
回路である。これは昇圧変圧器２１からの電圧により火
花ギャップ２２で放電してこれにより高周波電圧が発生
するが、これをカップリングコイル２３を介してパイロ
ットアーク用直流電源６に重畳するようになっている。
この高周波高電圧によりアークスタート時に主電極２と
ノズル電極３との間で放電が発生し、これによりパイロ
ットアークが誘起する。図４において２４と２５は高周
波高電圧がパイロットアーク用電源６に印加されて故障
するのを防止するための、それぞれチョークコイルとバ
イパスコンデンサである。このようにしてパイロットア
ークが発生すれば、主電源４からの電圧を印加した状態
でトーチ１を母材５に近付けることによって主電極２と
母材５間の定常状態のプラズマアークに移行させること
ができる。

【０００４】上記はプラズマ加工装置におけるアーク点
火装置の例であるが、直流アーク溶接装置においては図
４の一部が省略された形になるので改めて図示しない。
すなわち図４において符号４の電源が無くて符号６がア
ーク溶接用直流電源になり、これの正側の端子がノズル
電極３ではなく母材５に接続されていればよい。高周波
発生回路自体についてはプラズマ加工装置の場合と同様
である。

【０００５】上記の高周波高電圧はアークの起動のとき
のみに必要なものである。したがって一般的にパイロッ
トアークまたはメインアークが発生すれば高周波発生装
置の作動は自動的に停止させるようになっているが、一
方アーク切れがあったときには自動的に作動開始するよ
うになっている。このように高周波は連続的に発生させ
るわけではないが溶接装置などのアーク点滅頻度は非常
に多いものであり、アーク起動のたびにかなり強度のノ
イズ電波を輻射する。このため民家と近接した工場でＴ
ＩＧ溶接機、プラズマ溶接機やプラズマ溶断機を使用す
るにはテレビやラジオに対するノイズ障害の対策として
ラインフィルタや電磁シールド等を設けなければならな
い。また溶接等の自動化を目的として、ロボットなどマ
イクロコンピュータを使用した自動機器を組み合わせる
ことが行なわれるが、高周波ノイズによりこれらの電子
機器を誤動作させたり破壊させたりするおそれがある。

【０００６】上記問題の対策として特公平８−１３４１
６号公報や特許第２６３１１７８号公報には直流アーク
溶接装置の主電源と並列に直流高電圧電源を接続し、ア
ーク起動時には溶接トーチの電極と母材との間に高電圧
を印加して放電を起こさせ、これによりアークをスター
トさせる装置が提案されている。しかしながらこのよう
なアーク点火方法をプラズマ溶接機やプラズマ溶断機に
適用した場合、トーチが水冷方式となっていることもあ
って絶縁抵抗が低く、大電流容量の直流高圧電源を使用
しなければならないことがわかった。たとえば前記特公
平８−１３４１６号公報においては、無負荷電圧が１０
００Ｖ以上であって、短絡電流が１００ｍＡ以下の直流
高電圧発生回路を使用することが条件として記載されて
おり、また特許第２６３１１７８号公報には例として無
負荷電圧約４ｋＶ、短絡電流約１０ｍＡの垂下特性の直
流高電圧電源が示されている。しかしながらプラズマ加
工装置においては高電圧を印加したときのリーク電流は
１Ａ程度になることもあり、ここに示されたような電流
容量の直流高圧電源ではプラズマ加工装置のアーク点火
は困難なことが判明した。

【０００７】また直流アーク溶接装置においても上記の
直流高電圧電源によるアーク起動方法を使用した場合に
は、トーチの絶縁抵抗が低下した場合に同様な問題が生
ずるのは当然である。さらにトーチの電極と母材やノズ
ル電極との間に高電圧を印加する場合、アークの電源が
並列に接続されており、これの整流器が逆電圧で破壊し
ないように高耐圧の整流器をアークの電源に直列に挿入
しなければならない。この場合プラズマ加工装置のパイ
ロットアーク用電源のように電流が小さいときには問題
ではないが、アーク溶接用電源においては高耐圧でしか
も溶接電流に見合う大電流の整流器が必要となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は直流アーク溶
接装置やプラズマ加工装置のアーク点火装置において、
従来からの高周波電圧を印加する方式の問題点である電
波障害を発生しないものを提供するものである。さらに
このために直流高電圧を印加する方法において、大電流
容量の直流高電圧電源や逆電圧阻止用の高耐圧大電流の
整流器を要せずに安価な装置でこれを可能にする方法を
提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、直流アーク溶接用電源の出力端子の
一方がトーチの電極に、他方が母材に接続された直流ア
ーク溶接装置のアーク点火装置において、リアクトルが
前記直流アーク溶接用電源の出力と直列に接続され、さ
らに抵抗器と開閉器との直列回路が前記トーチの電極と
母材との間に接続され、前記開閉器はアーク点火前にあ
らかじめ閉路しておき、アーク点火時に開路することを
特徴とする直流アーク溶接装置のアーク点火装置であ
る。またさらに、パイロットアーク用直流電源の出力端
子の一方がトーチの主電極に、他方がパイロットアーク
用のノズル電極にそれぞれ接続されたプラズマ加工装置
のアーク点火装置において、リアクトルが前記パイロッ
トアーク用直流電源の出力と直列に接続され、さらに抵
抗器と開閉器との直列回路が前記トーチの主電極とノズ
ル電極との間に接続され、前記開閉器はパイロットアー
ク点火前にあらかじめ閉路しておき、パイロットアーク
点火時に開路することを特徴とするプラズマ加工装置の
アーク点火装置である。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のアーク点火装置は直流ア
ーク溶接装置およびプラズマ加工装置を適用対象として
いるが、直流アーク溶接装置の場合はプラズマ加工装置
の場合の一部を省略したような構成になっている。した
がってプラズマ加工装置の場合についてまず説明し、後
に直流アーク溶接装置の場合について簡単に説明する。
図１は本発明のアーク点火装置を設けたプラズマ加工装
置の例を示す概念図であって、１はプラズマトーチで非
消耗の主電極２とノズル電極３とを有し、主電極とノズ
ル電極との隙間から高速のシールドガスが噴射されるよ
うになっている。４は主電源であって主として図示しな
い変圧器と整流器と電流制御装置とによって構成され、
直流の大電流を出力するようになっている。電流制御装
置はたとえば可飽和リアクトルを使用したり、整流器自
体にサイリスタや電力用トランジスタなどを使用して位
相制御をすることによって行なわれる。この主電源の出
力は正側が母材５に、負側が主電極２に接続される。

【００１１】また６はパイロットアーク用直流電源であ
って小電流の直流を出力するようになっており、その内
部の構成は上記主電源４と同様である。パイロットアー
ク用電源の出力の負側は本発明の特徴点の一つであるリ
アクトル７を介して主電極２に接続され、正側はノズル
電極３に接続されている。ただしこのリアクトル７はパ
イロットアーク用電源６の出力の正側とノズル電極３と
の間に接続しても良く、結局リアクトルはパイロットア
ーク用直流電源の出力と直列に接続されていれば良いこ
とになる。主電極２とノズル電極３との間にパイロット
アークが発生した状態でトーチを母材５に近付けること
により主電極２と母材５のメインアークに移行させるこ
とができる。

【００１２】パイロットアーク用直流電源６の回路には
さらに本発明の特徴点の一つである抵抗器８と開閉器９
との直列回路が主電極２とノズル電極３との間に接続さ
れている。この開閉器をアーク点火前にあらかじめ閉路
してリアクトル７、抵抗器８を通じる回路に電流を流し
ておき、アーク点火時に開路する。このときリアクトル
７に蓄積されたエネルギーによりリアクトルの端子間に
フライバック電圧が発生するのでこれを主電極２とノズ
ル電極３との間に導いて放電を起こさせ、これによりパ
イロットアークを誘起させる。主電極とノズル電極間に
印加する電圧は１０００Ｖ程度以上あれば火花放電は可
能であるが、プラズマ加工装置においては先にも述べた
ように絶縁抵抗が低くトーチ先端部分では電圧が低下す
るので放電開始時には１４００Ｖ以上、好ましくは１７
００Ｖ以上の電圧が発生するようにする。この電圧はリ
アクタンスのインダクタンスをＬ、電流をｉとすると、
Ｌ×（ｄｉ／ｄｔ）の関係がある。たとえば１０Ｈのリ
アクトルに１Ａの電流が流れていた場合、２０００Ｖの
電圧を発生させるためには電流が一定速度で変化すると
すると５ｍｓで電流をゼロにしなければならない。した
がって高電圧を発生させるには電流の変化率を大きくす
るように電流を急速に遮断する必要がある。つまり開閉
器を開路すれば電流が引き続いて流れようとして接点間
にアークが発生するが、このアークをできるだけ急速に
消滅させる必要がある。

【００１３】このため開閉器としては接点の移動速度が
大きく、開路のさいに接点の間隔が急速に大きくなるも
のが好ましい。直流用開閉器においては磁気によりアー
クを横に引き伸ばして遮断するものがあり、このような
ものを使用することは好ましい。さらに好ましいのは大
気中でアークを遮断するのでなく真空中やガス中で遮断
するものである。真空開閉器は固定接点とベローズによ
り進退可能な可動接点とが真空の容器の中で対向してい
るといった構造のものが一般的である。真空開閉器にお
いては接点が開くと接点材料による金属蒸気のアークが
発生するが、真空中のためアークは急速に膨張して消滅
する。またガス入り開閉器は一般にガスとしてＳＦ₆ が
使用されるが、アークが冷却されて細くなると共にアー
クを維持するのに高い電圧が必要なため、接点間に発生
したアークは急速に消滅する。

【００１４】図２は上記の本発明の装置の動作を説明す
るタイムチャートである。アーク起動スイッチをオンに
することによりシールドガスの供給が開始し、トーチ先
端までガスが到達後、アーク電源すなわちパイロットア
ーク用電源６および主電源４に給電される。それととも
にリアクトル７、抵抗器８、開閉器９の直列回路にパイ
ロットアーク用電源からの電流が流れるが、開閉器を開
くとリアクトル７の端子間に高電圧が発生し、主電極２
とノズル電極３との間に印加されて火花放電が発生す
る。このときパイロットアーク用直流電源６からはすで
に出力電圧が印加されているので、火花放電により主電
極２とノズル電極３との間にパイロットアークが誘起さ
れる。リアクトルの電流は開閉器を開いたときゼロに向
かって減少するが、パイロットアークが発生すればアー
ク電流が流れることになる。一方、主電極・ノズル電極
間の電圧の推移をみるとまずパイロットアーク用電源の
無負荷電圧が印加され、次に直流高電圧が印加されると
パイロットアークが発生してアーク電圧になる。図２に
は示されていないが、さらに主電源４からの直流電圧が
印加されているのでトーチ１を母材５に近付けることに
よりパイロットアークは主電極２と母材５との間のメイ
ンアークに移行する。

【００１５】なお開閉器が開いたのち次に高電圧を発生
させるためには、開閉器を閉じて電流が立ち上がり定常
電流になってから開く必要がある。したがって、一度で
パイロットアークが発生しなかった場合には開閉器は一
定周期で開閉を繰り返すようにすると良い。またメイン
アークおよびパイロットアークの電流を変流器などで監
視し、パイロットアークがメインアークに移行した後に
は開閉器９を閉じ、プラズマ加工装置の使用中にメイン
アークおよびパイロットアークが共に途切れることがあ
ったら自動的に開閉器９を開路して、パイロットアーク
を再点弧するようにするのが好ましい。

【００１６】以上はプラズマ加工装置について本発明の
アーク点火装置を設けた例を示したが、ＴＩＧ溶接機や
ノズルを電極としないプラズマ溶接装置などのパイロッ
トアークを介さないで直接メインとなるアークを発生さ
せる直流アーク溶接装置についても同様に本発明のアー
ク点火装置を設けることができる。図３はこのような例
を示す概念図であって、１１はアーク溶接トーチで非消
耗電極１２とガスシールドノズル１３などで構成されて
いる。１４はアーク溶接電源であって図１において説明
した主電源４と同様に、主として図示しない変圧器と整
流器と電流制御装置とによって構成され、直流の大電流
を出力するようになっている。

【００１７】上記アーク溶接電源１４の出力は負側はリ
アクトル１５を介して非消耗電極１２に、正側は母材５
に接続されている。さらに抵抗器１６と開閉器１７との
直列回路が非消耗電極１２と母材５との間に接続されて
いる。開閉器１７をアーク点火前にあらかじめ閉路して
リアクトル１５、抵抗器１６を通じる回路に電流を流し
ておき、アーク点火時に開路して高電圧を発生させ、こ
れを非消耗電極１２と母材５との間に導いて放電を起こ
させることは図１の場合と同様である。

【００１８】上記のようにアーク溶接装置の場合もプラ
ズマ加工装置の場合と基本的には同様であるのでこれ以
上説明しないが、具体的な装置においてはそれぞれの実
情に応じた設計をすることは当然である。たとえばアー
ク溶接装置の場合リアクトル１５は溶接の大電流を流す
必要があるのでコイルの巻数は少なくせざるを得ず、こ
のためインダクタンスは小さくなるが、電流容量は大き
いのであるからこの分抵抗器１６、開閉器１７に流れる
電流を大きくすれば、Ｌ×（ｄｉ／ｄｔ）の値を確保で
きる。真空開閉器やガス入り開閉器はある程度大きな電
流容量のものが一般的であるので、この場合開閉器の電
流容量の問題はない。

【００１９】先に述べたように電波障害防止のために直
流高電圧電源によるアーク起動方法を採用した場合、ア
ークの電源の整流器が逆電圧で破壊しないように高耐圧
の整流器を電源に直列に挿入しなければならないが、本
発明においてはその必要がない。すなわち本発明の装置
においてはリアクトルで発生する高電圧はアークの電源
の整流器に対して順方向であるのでこれの耐電圧を考慮
する必要がない。このことは逆電圧阻止のためには高耐
圧で大電流の整流器が必要となるアーク溶接用電源にお
いては大きな利点である。

【００２０】

【発明の効果】本発明の直流アーク溶接装置およびプラ
ズマ加工装置のアーク点火装置によれば、従来から一般
に実施されている高周波を印加する装置と異なりリアク
トルのフライバック電圧による放電を利用するので電波
障害を発生することがない。また本発明の装置において
は直流高電圧を利用してアークを点火する他の方法にお
けるような直流高電圧電源などを別途設ける必要がな
く、少しの部品を付加するだけでよい。また高電圧を発
生する回路自体の内部抵抗が小さいので、プラズマトー
チのように絶縁抵抗が低くリーク電流が大きな場合でも
電圧降下が少なく、ノズル電極と主電極との間において
火花放電に必要な電圧を確保できる。また直流高電圧電
源を設けてアークを点火する装置におけるようなアーク
の電源の保護のための整流器を必要としない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアーク点火装置を設けたプラズマ加工
装置の構成を示す図

【図２】本発明のアーク点火装置の動作を説明するタイ
ムチャート

【図３】本発明のアーク点火装置を設けたアーク溶接装
置の構成を示す図

【図４】従来の高周波高電圧によるアーク点火装置の例
を示す図

【符号の説明】

１ トーチ ２ 主電極 ３ ノズル電極 ４ 主電源 ５ 母材 ６ パイロットアーク用直流電源 ７ リアクトル ８ 抵抗器 ９ 開閉器 １１ アーク溶接トーチ １２ 非消耗電極 １３ ガスシールドノズル １４ アーク溶接電源 １５ リアクトル １６ 抵抗器 １７ 開閉器 ２０ 高周波高電圧回路 ２１ 昇圧変圧器 ２２ 火花ギャップ ２３ カップリングコイル ２４ チョークコイル ２５ バイパスコンデンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 10/00 ５０３ Ｂ２３Ｋ 10/00 ５０３ (72)発明者 奥山 健二 千葉県習志野市東習志野七丁目６番１号 日鐵溶接工業株式会社機器事業部内 (72)発明者 恩田 敬治 愛知県春日井市神屋町字引沢１番地39 東 洋電機株式会社エンジニアリング事業部内 Ｆターム(参考） 4E082 BA01 EA02 EB01 EE08 GA05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流アーク溶接用電源の出力端子の一方
   がトーチの電極に、他方が母材に接続された直流アーク
   溶接装置のアーク点火装置において、リアクトルが前記
   直流アーク溶接用電源の出力と直列に接続され、さらに
   抵抗器と開閉器との直列回路が前記トーチの電極と母材
   との間に接続され、前記開閉器はアーク点火前にあらか
   じめ閉路しておき、アーク点火時に開路することを特徴
   とする直流アーク溶接装置のアーク点火装置。
2. 【請求項２】 パイロットアーク用直流電源の出力端子
   の一方がトーチの主電極に、他方がパイロットアーク用
   のノズル電極にそれぞれ接続されたプラズマ加工装置の
   アーク点火装置において、リアクトルが前記パイロット
   アーク用直流電源の出力と直列に接続され、さらに抵抗
   器と開閉器との直列回路が前記トーチの主電極とノズル
   電極との間に接続され、前記開閉器はパイロットアーク
   点火前にあらかじめ閉路しておき、パイロットアーク点
   火時に開路することを特徴とするプラズマ加工装置のア
   ーク点火装置。