JP2007319862A - プラズマ切断トーチ及びプラズマ切断のアークスタート方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ切断トーチにおいて、再スタートを速くすることができるようにする。
【解決手段】トーチ本体の軸芯に設けられて電極と電極上部を取付ける電極支持部材とトーチ本体に取付けられて電極との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズルとトーチ本体に取付けられるシールドガスカップとを備えたプラズマ切断トーチにおいて、電極支持部材は上下方向に移動する機構を有し、トーチ本体の内部に取付け電極支持部材を押し上げるバネと、ソレノイドシャフトの下部を電極支持部材の上部に取付けソレノイドシャフトを下方向に移動させるソレノイドと、アーク起動に際してソレノイドに電力が供給されるとソレノイドシャフトが下方向に移動して電極がプラズマノズルと接触し、電力の供給が終了するとバネによって電極が上方向に移動して電極がプラズマノズルと非接触になりパイロットアークを発生させることを特徴とするプラズマ切断トーチである。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ切断を行うために改良されたプラズマ切断トーチの技術に関するものである。

プラズマ切断は、まず、電極とプラズマノズルとの間でパイロットアークを発生させ、このアークをプラズマガスの圧力によってプラズマノズルから噴出させ、電極と被加工物との間でプラズマアークを発生させる。そして、このプラズマアークをプラズマノズルで絞り、プラズマガスで冷却することによって、集中性の良い高温プラズマ流を発生させることができる。これを溶断熱源として被加工物を溶融し、その溶融物をプラズマガスで排除することによって切断するものである。

図７は、従来の一般的なプラズマ切断装置の構成図である。同図において、プラズマ切断用電源装置２９は、商用電源を入力として、例えばインバータ制御回路によって出力が定電流制御されて、プラズマ切断トーチ（以後、トーチ本体という）２０及び被加工物３に電力が供給される。コンプレッサ４からは、エア又は酸素のプラズマガスが供給され、プラズマ切断用電源装置２９内に設けられた電磁弁（図示を省略）を通過してトーチ本体２０に噴出される。

図８及び図９は、従来技術のプラズマ切断トーチの断面図であって、図８は、プラズマガスが供給される前の状態を示し、図９は、プラズマガスが供給されているときの状態を示す。図８において、トーチ本体２０の軸芯部に電極２１（通常、銅電極の先端にハフニウムが埋め込まれている）が取付けられ、この電極２１の先端にテーパ部２１ａが形成され、この電極２１と被加工物３との間でプラズマアークを発生させる。プラズマノズル２２はトーチ本体２０に取付けられて筒状で導電性であり、電極２１と同軸であり、電極２１との間でパイロットアークを発生させる。また、プラズマ噴出孔２２ａが先端部に形成されている。筒状の絶縁部材２３がトーチ本体２０に取付けられ、電極２１と後述する可動リング２６との間以外の個所で、パイロットアークが発生することを防いでいる。絶縁性及び耐熱性を有するシールドガスカップ２４が、プラズマノズル２２を取囲みトーチ本体２０に取付けられている。

導電性を有する可動リング２６は、内径が電極のテーパ部の上部２１ｂと同じである。また、バネ２７がプラズマノズル２２の内面に取付けられて、可動リング２６を押し上げている。この可動リング２６は、内周部が、電極のテーパ部の上部２１ｂと電気的に接触し、外周部がプラズマノズル２２と電気的に接触しながら軸芯方向に摺動する。電極のテーパ部の上部２１ｂに、段部を設けているが、これは、可動リング２６が容易に引っ掛かって止まるために設けているので、設けなくてもよい。電極２１と可動リング２６とプラズマノズル２２とトーチ本体２０とで密封された空間２５が形成されている。

アーク起動に際して、図９に示すように、コンプレッサ４からプラズマガス２８（通常、エア又は酸素）がこの空間２５に供給されると、可動リング２６が下方向に摺動して、可動リング２６と電極２１との間でパイロットアークを発生させる。

以下、動作を説明する。
図８において、可動リング２６がバネ力で電極２１に押し付けられて接触した状態で、作業者が起動スイッチ５をオンすると、プラズマ切断用電源装置１から電極２１とプラズマノズル２２及び被加工物３との間に電力が供給される。

そして、図９に示すように、電極２１と可動リング２６とプラズマノズル２２とトーチ本体２０とで密封された空間２５に、コンプレッサ４からプラズマガス２８が供給されると、可動リング２６に下方向の力が働いて、可動リング２６が電極のテーパ部の上部２１ｂから離れて下方向に移動して、可動リング２６の内周面が電極のテーパ部２１ａと非接触となって、パイロットアークを発生させる。そして、このパイロットアークがプラズマガス２８の圧力によってプラズマ噴出孔２２ａから噴出されて、電極２１と被加工物３との間で主プラズマアークを発生させ切断が行われる。また、プラズマガス２８によって電極２１、プラズマノズル２２及びカップ２４シールドガスカップ等が冷却されている。（例えば、特許文献１）

特開２００５−２８８４４６号公報

図８に示した従来技術のプラズマ切断トーチでは、電極２１と可動リング２６とプラズマノズル２２と絶縁部材２３とで密封された空間２５に、プラズマガス２８が供給されるとガス圧によって可動リング２６に下方向の力が働いて、可動リング２６が電極のテーパ部の上部２１ｂから離れて下方向に移動して、電極２１がプラズマノズル２２と非接触となってパイロットアークを発生させプラズマアークへと移行する。このとき、プラズマアーク発生中において、何らかの理由によって、アーク切れが発生するとプラズマガス２８の供給が停止し、空間２５に残留しているプラズマガス２８がプラズマ噴出孔２２ａ等を介して放出され、放出した後に可動リング２６がバネ力で電極２１に押し付けられて接触した状態になり、再スタートが可能となる。

しかし、上記アーク切れ又はピアッシング（連続の穴開き）等によって再スタートするときに、空間２５に残留しているプラズマガス２８がプラズマ噴出孔２２ａ等を介して放出される時間が長く、空間２５にプラズマガス２８が残留している限り、電極２１が引き上がった状態を継続するので、プラズマノズル２２と接触できず再スタートができない。よって、再スタートにはプラズマガス２８が空間２５から充分抜けるのを待つ必要があり、この待ち時間がかなり長いために、アーク終了から再スタートするのに時間がかかり作業効率を大きく低下させる。

そこで、本発明は、上述した課題を解決することができるプラズマ切断トーチを提供することにある。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、トーチ本体と、上記トーチ本体の軸芯部に設けられて被加工物との間でプラズマアークを発生させる電極と、上記トーチ本体の内部に設けられて上記電極の上部を取付ける電極支持部材と、上記トーチ本体に取付けられて上記電極との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズルと、上記プラズマノズルを取囲み上記トーチ本体に取付けられるシールドガスカップとを備えたプラズマ切断トーチにおいて、上記電極支持部材は、上下方向に移動する機構を有し、上記トーチ本体の内部に取付けられて上記電極支持部材を押し上げるバネと、ソレノイドシャフトとソレノイドコイルとで形成し、上記ソレノイドシャフトの下部を上記電極支持部材の上部に取付け上記ソレノイドコイルに電力が供給すると上記電力を直線運動に変換させて上記ソレノイドシャフトを下方向に移動させる上記トーチ本体の内部に設けられてソレノイドと、上記アーク起動に際して上記ソレノイドに電力が供給されると上記ソレノイドシャフトが下方向に移動して上記電極の下部が上記プラズマノズルと接触し、上記電力の供給が終了すると上記バネによって上記電極が上方向に移動して上記電極の下部が上記プラズマノズルと非接触になって上記パイロットアークを発生させることを特徴とするプラズマ切断トーチである。

第２の発明は、トーチ本体と、上記トーチ本体の軸芯部に設けられて被加工物との間でプラズマアークを発生させる電極と、上記トーチ本体の内部に設けられて上記電極の上部を取付ける電極支持部材と、上記トーチ本体に取付けられて上記電極との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズルと、上記プラズマノズルを取囲み上記トーチ本体に取付けられるシールドガスカップとを備えたプラズマ切断トーチにおいて、上記電極支持部材は、上下方向に移動する機構を有し、上記トーチ本体の内部に取付けられて上記電極支持部材を押し下げるバネと、ソレノイドシャフトとソレノイドコイルとで形成し、上記ソレノイドシャフトの下部を上記電極支持部材の上部に取付け上記ソレノイドコイルに電力が供給すると上記電力を直線運動に変換させて上記ソレノイドシャフトを上方向に移動させる上記トーチ本体の内部に設けられてソレノイドと、アーク起動に際して上記ソレノイドに電力が供給されと上記ソレノイドシャフトが上方向に移動し、上記電極の下部が上記プラズマノズルの接触から非接触になって上記パイロットアークを発生させることを特徴とするプラズマ切断トーチである。

第３の発明は、請求項１記載のプラズマ切断トーチを用いて、アーク起動に際して予め定めた時間は上記ソレノイドコイルに電力を供給し上記ソレノイドシャフトを下方向に移動して上記電極の下部を上記プラズマノズルに接触し、上記予め定めた時間が終了すると上記ソレノイドコイルの電力供給を停止し上記バネによって上記ソレノイドシャフトを上方向に移動し、上記電極の下部が上記プラズマノズルと非接触になるときに予め定めた電流を通電し、上記通電によって上記電極と上記プラズマノズルとの間でパイロットアークを発生させることを特徴とするプラズマ切断トーチのアークスタート方法である。

第１の発明によれば、電極の上下移動をソレノイドによって行うために、アーク切れやピアッシング（連続の穴開き）等で再スタートを行うとき、ソレノイドの応答性が非常に速いために、アーク停止から次の再スタートまでの時間が短くなり作業性が大きく改善できる。

第２の発明によれば、プラズマガスによって電極を上方向に移動するのに対して、ソレノイドで電極を上方向に移動させるために遥かに移動精度が良く、パイロットアークの発生率が上昇しプラズマ切断の品質向上につながる。

第３の発明によれば、電極の引き上げをプラズマガスに代わってバネを用いて行うために、プラズマガスの流量変動に伴う電極の引き上げの影響が無視でき安定した引き上げが実現でき、パイロットアークの発生率の向上及びプラズマアークの安定につながる。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施形態１に係るプラズマ切断装置の構成図であり、図２及び図３は、本発明のプラズマ切断トーチの断面図であって、図２はソレノイドが動作する前の状態を示し、図３はソレノイドが動作したときの状態を示す。同図において、図５、図６及び図７に示す従来技術と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図１において、プラズマ切断用電源装置１は、商用電源を入力として、起動スイッチ５に応じて動作を開始し、図示省略のインバータ制御回路によって出力が定電流制御されて、プラズマ切断トーチ（以後 トーチ本体という）６及び被加工物３へ電力が供給される。そして、プラズマ切断用電源装置１は、トーチ本体６の内部に設けられたソレノイドに予め定めた時間、ソレノイド起動信号Ｓｄを出力する。また、コンプレッサ４からは、エア又は酸素のプラズマガスが供給され、プラズマ切断用電源装置１内に設けられた電磁弁（図示を省略）を通過してトーチ本体６に噴出される。

図２及び図３は、実施の形態１に係るプラズマ切断トーチの断面図であって、図２は、電極７がプラズマノズル１２に接触する前の状態を示し、図３は、電極７がプラズマノズル１２に接触したときの状態を示す。図２において、トーチ本体６の軸芯部に電極７が取付けられ、この電極７と被加工物３との間でプラズマアークを発生させる。プラズマノズル１２はトーチ本体６に取付けられて筒状で導電性であり、電極７と同軸であり、電極７とプラズマノズル１２との間でパイロットアークを発生させる。また、絶縁性及び耐熱性を有するシールドガスカップ１４が、プラズマノズル１２を取囲むようにトーチ本体６に取付けられている。

図２において、絶縁部材１３がトーチ本体２０の内部に取付けられ、後述する電極支持部材８を絶縁する。

導電性の電極支持部材８は、トーチ本体６の内部に設けられ電極７の上部と取付けて（例えば 螺合して）電極７を支持する。バネ１１は、図２に示す絶縁部材１３の内面の平坦部に取付けられて、電極支持部材８を押し上げている。

ソレノイドは、ソレノイドシャフト９とソレノイドコイル１０とで形成され、ソレノイドコイル１０に電流が通電すると磁束を発生し、この磁束によってソレノイドシャフト９が下方向に移動する力が発生してソレノイドシャフト９を下方向に移動させる。また、ソレノイドシャフトの下部は電極支持部材の上部に取付けて（例えば 螺合して）いる。

アーク起動に際して、コンプレッサ４からプラズマガス２８（通常、エア又は酸素）が供給される。そして、ソレノイドコイル１０に電力が供給されるとソレノイドシャフト９が下方向に移動して図３に示すように電極７がプラズマノズル１２と接触する。続いて、ソレノイドコイル１０の電力供給が停止するとバネ１１の押し上げ力によって電極７は上方向に移動し、プラズマノズル１２と非接触となり電極７とプラズマノズル１２との間でパイロットアークを発生させる。

以下、動作を説明する。図４は、実施形態１の動作を説明する波形図であり、同図（Ａ）は、起動信号Ｔｓを示し、同図（Ｂ）は、ソレノイド駆動信号Ｓｄを示し、同図（Ｃ）は、プラズマアーク電流Pａを示す。

図４に示す時刻ｔ＝ｔ１において、作業者が起動スイッチ５をオンして図４（Ａ）に示す起動信号Ｔｓを出力すると、この起動信号Ｔｓに応じてプラズマ切断用電源装置１からトーチ本体６にソレノイド駆動信号Ｓｄを出力する。そして、コンプレッサ４からガスがプラズマ切断用電源装置２９内に設けられた電磁弁（図示を省略）を通過してトーチ本体６に供給される。

続いて、時刻ｔ＝ｔ１において、プラズマ切断用電源装置１から図４（Ｂ）に示すソレノイド駆動信号Ｓｄが出力されると、ソレノイドコイル１０に所定の電流が通電し、この通電によって磁束が発生してソレノイドシャフト９が下方向に移動して、図３に示す電極７をプラズマノズル１２に接触させる。

時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２において、ソレノイドコイル１０に所定電流の通電が継続され、電極７はプラズマノズル１２との接触を継続する。

時刻ｔ＝ｔ２において、図４（Ｂ）に示すソレノイド駆動信号Ｓｄの出力が停止すると、図３に示すソレノイドコイル１０の電流が遮断され、バネ１１の押し上げ力によってソレノイドシャフト９が上方向に移動して電極７とプラズマノズル１２とが非接触になる。このとき、プラズマ切断用電源装置１から電極７に予め定めた電流（例えば、数十Ａ）を通電して、電極７とプラズマノズル１２との間でパイロットアークを発生させる。

続いて、時刻ｔ＝ｔ３において、図４（Ｃ）に示すプラズマアーク電流Pａの値を（例えば、数十Ａから数百Ａ）増加させてパイロットアークからプラズマアークに移行させる。

時刻ｔ＝ｔ４において、作業者が起動スイッチ５をオフして図４（Ａ）に示す起動信号Ｔｓの出力を停止すると、この起動信号Ｔｓに応じてプラズマ切断用電源装置１からトーチ本体６に供給するプラズマアーク電流Pａを遮断すると共にコンプレッサ４からガスの供給を停止する。

上述において、電極支持部材８は、トーチ本体６の内部に設けられ電極７の上部に取付けると共にソレノイドシャフトの下部を電極支持部材の上部に取付け、ソレノイドシャフトの下部が電極７の上部に直接することで、電極支持部材８を導電性の物から絶縁性の物に置き換えて使用してもよい。

［実施の形態２］
図５及び図６は、実施の形態２に係るプラズマ切断トーチの断面図であって、図５はソレノイドが動作する前の状態を示し、図６はソレノイドが動作したときの状態を示す。同図において、図２及び図３と同一符号の構成物は、同一動作を行うので説明は省略し、符号の相違する構成物についてのみ説明する。

図５に示す導電性の電極支持部材８ａは、トーチ本体６の内部に設けられ電極７の上部を取付けて（例えば 螺合して）電極７を支持する。バネ１１ａは、絶縁部材１３の内面であって、電極支持部材８ａとソレノイドコイル１０ａとの間に設けられている。そして、電極支持部材８ａを押し下げて電極７とプラズマノズル１２とを接触させる。

ソレノイドは、ソレノイドシャフト９ａとソレノイドコイル１０ａとで形成され、ソレノイドコイル１０ａに電流を通電すると磁束が発生し、この磁束によってソレノイドシャフト９ａが上方向に移動する力が発生してソレノイドシャフト９ａを上方向に移動させる。また、上記ソレノイドシャフト１０ａの下部は上記電極支持部材８ａの上部に取付けて（例えば 螺合して）いる。

アーク起動に際して、コンプレッサ４からプラズマガス２８が供給される。そして、ソレノイドコイル１０ａに電力が供給されるとソレノイドシャフト９ａが上方向に移動して、図６に示すように電極７とプラズマノズル１２とが非接触となり、電極７とプラズマノズル１２との間でパイロットアークを発生させる。

以下、動作を説明する。作業者が起動スイッチ５をオンして起動信号Ｔｓが出力すると、この起動信号Ｔｓに応じてプラズマ切断用電源装置１からトーチ本体６にソレノイド駆動信号Ｓｄを出力開始、予め定めた電流の通電、及びコンプレッサ４からガス供給を開始する。

プラズマ切断用電源装置１からソレノイド駆動信号Ｓｄが出力されると、図６に示すソレノイドコイル１０ａに所定の電流が通電され、この通電によって磁束が発生し、ソレノイドシャフト９ａが上方向に移動して電極７とプラズマノズル１２とを非接触にし、この非接触のときに数十Ａを通電して電極７とプラズマノズル１２との間でパイロットアークを発生させる。

続いて、パイロットアークの発生から所定の時間が経過するとプラズマアーク電流Pａの値を（例えば、数十Ａから数百Ａ）増加させてパイロットアークからプラズマアークに移行させる。

また、作業者がプラズマアークの発生を終了させるときは、起動スイッチ５をオフして起動信号Ｔｓの出力を停止する。このとき起動信号Ｔｓに応じてプラズマ切断用電源装置１からトーチ本体６に供給するプラズマアーク電流Pａを遮断すると共にソレノイド駆動信号Ｓｄの出力も停止する。ソレノイド駆動信号Ｓｄの出力が停止するとソレノイドコイル１０ａの動作が停止し、ソレノイドシャフト９aがバネ１１ａの押し下げ力によって電極７とプラズマノズル１２とを接触させる。

本発明の実施形態１に係るプラズマ切断装置の構成図である。 実施形態１に係るプラズマ切断トーチの断面図である。 実施形態１に係るプラズマ切断トーチの断面図である。 実施形態１の動作を説明する波形図である。 実施の形態２に係るプラズマ切断トーチの断面図である。 実施の形態２に係るプラズマ切断トーチの断面図である。 従来の一般的なプラズマ切断装置の構成図である。 従来のプラズマ切断トーチの断面図である。 従来のプラズマ切断トーチの断面図である。

符号の説明

１ プラズマ切断用電源装置
２ プラズマ切断トーチ
３ 被加工物
４ コンプレッサ
５ 起動スイッチ
６ トーチ本体（プラズマ切断トーチ）
７ 電極
８ 電極支持部材
８ａ 電極支持部材
９ ソレノイドシャフト
９ ソレノイドシャフト
１０ ソレノイドコイル
１０ａ ソレノイドコイル
１１ バネ
１１a バネ
１２ プラズマノズル
１２ａ プラズマ噴出孔
１３ 絶縁部材
１４ シールドガスカップ
１５ プラズマノズル支持部材
１６ プラズマガス
１７ シールドガス
１８ 空間
１９ 空間
２０ トーチ本体
２１ 電極
２１ａ 電極のテーパ部
２１ｂ 電極のテーパ部の上部
２２ プラズマノズル
２２ａ プラズマ噴出孔
２３ 絶縁部材
２４ シールドガスカップ
２５ 空間
２６ 可動リング
２７ バネ
２８ プラズマガス
２９ プラズマ切断用電源装置

Claims (3)

1. トーチ本体と、前記トーチ本体の軸芯部に設けられて被加工物との間でプラズマアークを発生させる電極と、前記トーチ本体の内部に設けられて前記電極の上部を取付ける電極支持部材と、前記トーチ本体に取付けられて前記電極との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズルと、前記プラズマノズルを取囲み前記トーチ本体に取付けられるシールドガスカップとを備えたプラズマ切断トーチにおいて、前記電極支持部材は、上下方向に移動する機構を有し、前記トーチ本体の内部に取付けられて前記電極支持部材を押し上げるバネと、ソレノイドシャフトとソレノイドコイルとで形成し、前記ソレノイドシャフトの下部を前記電極支持部材の上部に取付け前記ソレノイドコイルに電力が供給すると前記電力を直線運動に変換させて前記ソレノイドシャフトを下方向に移動させる前記トーチ本体の内部に設けられてソレノイドと、前記アーク起動に際して前記ソレノイドに電力が供給されると前記ソレノイドシャフトが下方向に移動して前記電極の下部が前記プラズマノズルと接触し、前記電力の供給が終了すると前記バネによって前記電極が上方向に移動して前記電極の下部が前記プラズマノズルと非接触になって前記パイロットアークを発生させることを特徴とするプラズマ切断トーチ。
2. トーチ本体と、前記トーチ本体の軸芯部に設けられて被加工物との間でプラズマアークを発生させる電極と、前記トーチ本体の内部に設けられて前記電極の上部を取付ける電極支持部材と、前記トーチ本体に取付けられて前記電極との間でパイロットアークを発生させるプラズマノズルと、前記プラズマノズルを取囲み前記トーチ本体に取付けられるシールドガスカップとを備えたプラズマ切断トーチにおいて、前記電極支持部材は、上下方向に移動する機構を有し、前記トーチ本体の内部に取付けられて前記電極支持部材を押し下げるバネと、ソレノイドシャフトとソレノイドコイルとで形成し、前記ソレノイドシャフトの下部を前記電極支持部材の上部に取付け前記ソレノイドコイルに電力が供給すると前記電力を直線運動に変換させて前記ソレノイドシャフトを上方向に移動させる前記トーチ本体の内部に設けられてソレノイドと、アーク起動に際して前記ソレノイドに電力が供給されと前記ソレノイドシャフトが上方向に移動し、前記電極の下部が前記プラズマノズルの接触から非接触になって前記パイロットアークを発生させることを特徴とするプラズマ切断トーチ。
3. 請求項１記載のプラズマ切断トーチを用いて、アーク起動に際して予め定めた時間は前記ソレノイドコイルに電力を供給し前記ソレノイドシャフトを下方向に移動して前記電極の下部を前記プラズマノズルに接触し、前記予め定めた時間が終了すると前記ソレノイドコイルの電力供給を停止し前記バネによって前記ソレノイドシャフトを上方向に移動し、前記電極の下部が前記プラズマノズルと非接触になるときに予め定めた電流を通電し、前記通電によって前記電極と前記プラズマノズルとの間でパイロットアークを発生させることを特徴とするプラズマ切断トーチのアークスタート方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images