JP2949665B2 - プラズマ装置及びその操作方法 - Google Patents

プラズマ装置及びその操作方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気アークプラズ
マ技術に関し、そしてさらに特に、移されるアークプラ
ズマ装置における操作のパイロットアークモード及び操
作の切断モードを最適にする、改良したプラズマ装置及
び装置の操作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】本発明
は、電源が先ずプラズマトーチのノズル及び電極の間に
パイロットアークを生じさせ、次にノズルのプラズマア
ーク開口の近くに移動する工作物にアークを移す電気ア
ークプラズマ装置に関する。この装置は、Ｃｏｕｃｈの
米国特許第３６４１３０８号特に図４に記載されてい
る。電源は、プラズマトーチの電極及び隣接する工作物
に直流電圧を流す。工作物がプラズマトーチに近づくま
で、電源は、電極及びノズルの間にアークを生ずる。こ
のアークは、パイロットアークとして知られているよう
に、大きな抵抗器及び閉じられている移送スイッチを経
る電流により維持される。工作物を切断する目的で近く
に配置された工作物にアークを移すために、抵抗器はノ
ズルの接続から断たれて、抵抗器は、もはや工作物及び
ノズルと並列になっていない。このことが生ずるとき、
工作物がプラズマトーチのプラズマ出力に隣接する限
り、電気アークは工作物に移される。この標準的なプラ
ズマ技術は、Ｃｏｕｃｈの米国特許第３６４１３０８号
及びＴａｔｈａｍの米国特許第５５３０２２０号の図２
に説明され、それらは、本明細書に参考として引用され
る。プラズマ装置における電極及び工作物に電圧をかけ
る電源は、直流電源であるが、しかし、実際には、直流
電源は、しばしば、直流電源がトランスの一次ネットワ
ーク又は巻き線を経て反対の方向に急速にスイッチされ
る全ブリッジインバータの整流出力である。トランスの
二次ネットワークは、脈動直流出力を生成するように整
流される二つの相対するポールの二次巻き線であり、そ
の脈動直流出力は、通常チョークにより安定化される。
直流出力を生成するこの全ブリッジインバータは、Ｂｉ
ｌｃｚｏの米国特許第４８９７５２２号に開示されてお
り、その特許は、また、直流出力を生成する全ブリッジ
インバータを説明するために、本明細書において参考と
して引用される。電流はスイッチされて、操作される直
流装置によって、チョークがカップルされる整流回路を
経て所定の極性により出力パルスを生ずる。本発明で
は、直流装置は、プラズマ装置である。Ｂｉｌｃｚｏの
特許に説明されているように、スイッチされた一次パル
スは、反対の方向に二次パルスを生じ、パルス幅は出力
電流をコントロールするために調節される。調節する回
路は、概して、約２０−４０ｋＨｚで操作されるパルス
幅変調器である。他の全ブリッジインバータは、Ｂｉｌ
ｃｚｏの米国特許第４８９７７７３号に示されており、
それは本明細書に参考として引用されるが、整流された
全ブリッジインバータ用の出力ネットワークが整流され
た出力パルス間のフリーウィーリングな（ｆｒｅｅｗｈ
ｅｅｌｉｎｇ）電流の流れを含み、そのパルスがトラン
スの一次セクションの電流の急速にスイッチされるパル
スにより生ずることを説明している。本明細書により参
考として引用される三つの特許は、直流溶接に関するプ
ラズマアークトーチ及び或る全ブリッジ整流インバータ
に関する技術の現状を示し、それらのインバータは、本
発明が特に関係する電源である。
【０００３】全又は半ブリッジインバータにより又は他
の直流電源により操作されるにせよ、移されるアークタ
イプの電気アークプラズマ装置は、ノズルの末端にプラ
ズマアーク開口を備えた電極及びノズルを含む。この開
口は、電極をプラズマトーチの末端に近い工作物に曝
す。作業がトーチからのプラズマアークにより切断又は
それ以外に加工される前に、パイロットアークが電極の
末端及びノズルの内部の表面の間に生ずる開始の順序が
使用される。このパイロットアークを生成させるため
に、電源との電気直列回路をつくる必要がある。この目
的を達成するために、大きな抵抗器が電源の工作物の導
線及びノズルの間に接続される。プラズマトーチの開始
中、電圧が、前記の大きな抵抗器を含むこの直列回路に
適用される。電流は、プラズマトーチ内にパイロットア
ークがつくられるや否や抵抗器を通って流れる。別の抵
抗器は、ノズル及び工作物の間のギャップに並列な回路
である。電流は、操作のパイロットアークモードの間に
抵抗器を経て流れ、工作物及びノズルの間に電圧が生ず
る。この電圧は十分に高くそして工作物がトーチに十分
に近いとき、切断操作が開始されなければならない。選
択的にシフトされたスイッチは、工作物及びノズルの間
のその並列な関係から抵抗器との接続を断ち、パイロッ
トアークはノズルから工作物に移されて工作物及び電極
及び直流電源の出力端末と直列回路をつくる。この装置
は、通常、抵抗器に約６０ボルトを要し、そして工作物
は、切断操作が開始されねばならないとき、工作物にパ
イロットアークを移すためにノズルに近くなければなら
ない。大きな抵抗器の使用は、困難をもたらす。抵抗
は、装置に熱の損失を生じさせる。電圧は、電流及び抵
抗の積である。熱の損失は、抵抗と電流の二乗との積で
ある。抵抗器のサイズが工作物と電極との間の利用可能
な電圧を決定するため、アークへの移送操作は、いつも
堅実であるとはかぎらない。事実、或る例では、アーク
は、スイッチがオープンであるとき、パイロットモード
から切断モードへ移されない。その代わり、ダブルアー
クは、工作物及びノズル、並びにノズル及び電極の間に
つくられる。このダブルアークの条件は、銅ノズルに損
傷を与えるだろう。わずか約６０ボルトが抵抗器に生成
するため、移しつつある間工作物がトーチから間隔をお
いて配置できるスタンドオフの距離はやや制限される。
パイロットモードから切断モードへの信頼できるアーク
移送が、アークが移される前に工作物及び電極の間で約
１５０ｍＡの電流を要することが分かった。もし抵抗器
の電圧がこの電流の大きさを生成するのに十分でないな
らば、アークは、試みられるアーク移送工程中消滅す
る。その結果、最低の電流が移すのに必要とされて、ス
イッチが並列の抵抗器の接続を断つために開かれると
き、確実なアーク移送をするのに十分な電流が存在す
る。これは、本発明が関係する従来技術の問題である。
プラズマ装置に関して並列で抵抗器を通る６０ボルトを
生ずるために、実質的な量の熱が発生する。抵抗器の電
圧は、アーク移送に利用できるスタンドオフ距離を決定
する。これは、切断されるべき工作物がノズルの末端に
不注意に接触するほど近づいてはならないことから重要
である。ノズルとのこの破壊的な接触の可能性は、移送
スタンドオフ距離を増大することにより低下できる。こ
の増大したスタンドオフは、論じられた得られる不利益
により抵抗器の電圧を増大することにより達成される。
【０００４】約１５０−１６０ボルトがパイロットアー
ク間でやや普通でありそして５０−７５ボルトの電圧が
チョーク又はインダクタの通常の電圧低下であるため、
電源は、アーク移送を生じさせる量によりパイロットア
ーク及びチョーク電圧の合計より大きい電圧を生じさせ
ねばならない。もし抵抗器の電圧が１００ボルトに上が
るならば、約３００−３５０ボルトの電源用の出力が必
要になる。このレベルの電圧及び電流の流れにより、抵
抗器及びトランスの出力巻き線は、極めて高い容量でな
ければならない。さらに、抵抗器の６０ボルトを有する
通常のプラズマ装置は、比較的小さい距離、即ちスタン
ドオフ距離でパイロットアークを移すことができるだけ
であり、操作者に工作物に極めて近くトーチを動かす傾
向をもたらし、プラズマトーチの末端との接触が非常に
起こりやすくなる。要するに、工作物及び電極と並列に
大きな抵抗器を使用することは、熱の損失とともにアー
ク移送距離に制限をもたらす。
【０００５】移送アークタイプの電気アークプラズマを
操作する従来の技術の装置の他の不利な点は、直流電源
が概して一次交流が高速スイッチ装置により作られるイ
ンバータである。電流パルスは、直流電源をつくるため
に、適切な整流器とともに二次巻き線を有するトランス
の一次巻き線で使用される。プラズマ技術で通常使用さ
れるこのタイプの電源は、トランスに関する二次巻き線
ネットワークを有し、そのネットワークは、単一の巻き
線をもつ。トランスは、単一の電圧を生成し、そして電
流曲線は、操作のパイロット及び切断モードの両者中使
用される。その結果、トランスの二次巻き線ネットワー
クは、数本の巻き線又は単一の巻き線の何れにせよ、妥
協しなければならない。それは、固定した巻き数を有す
る唯一のワイヤサイズを有することができる。従って、
これらの二次巻き線は、同じ巻き線が操作の切断モード
で使用しなければならないため、特に操作のパイロット
モードについて、最適にできない。さらに操作のパイロ
ットモード及び操作の切断モードの両方の間、電圧及び
電流をコントロールするための回路は、低い電流及び高
い電圧並びに高い電流及び低い電圧のプラズマアークを
受容する大きな範囲の調節を有しなければならない。操
作のパイロットモードでは、電流は、しばしば、約１５
−２５アンペアの範囲にあり、そして３００−３５０ボ
ルトの一般範囲のトランス電圧である。切断操作では、
移されるアークにより、電流は約５０アンペアに増加
し、そしてトランスの電圧は約２５０ボルトに低下す
る。その結果、現在やや普通に実際に行われている、プ
ラズマ装置を駆動するインバータトランスを操作する交
流の出力は、その高い電圧及び低い電流による操作のパ
イロットモードと高い電流及び低い電圧による操作の移
送アークモードとの間の妥協でなければならない。出力
のこの二重の使用は、明白な不利益をもたらし、そして
操作の二つのモードをコントロールする複雑さを増大さ
せる。従って、インバータの出力が、その領域が互いに
実質的に異なる二つの明白な電圧／電流の操作領域を要
する単一の巻き線トランス技術を使用する従来の技術の
装置は、パイロットアーク及び移送アークの操作の両方
に十分に適していない。これらの従来の技術の装置は、
また、大きな並列の抵抗器により、比較的低いスタンド
オフ又は移送距離及び比較的高い熱損失を有する。この
問題を克服するために、二つの電源を使用することが示
唆されてきた。この概念は、高価、複雑でありそしてサ
イズ及び重量を増大させる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、電気アークプ
ラズマ装置を操作する装置に関し、その装置は、移送距
離即ちスタンドオフにおける増大、パイロットモードか
ら切断モードへのアークの急速な移送を可能にし、そし
て従来の装置の非能率な並列抵抗器を要しない。その
上、低い一次電流は、二次巻き線ネットワークにより得
ることができる。本発明を使用することにより、同様に
要求される出力電流について低い一次電流を有すること
ができる。本発明によれば、近づいて置かれた工作物に
電極を曝すプラズマアーク開口を備えた電極及びノズル
を含むプラズマ装置が提供され、その工作物は、切断又
はそれ以外の工作をうける。この新規な装置は、その入
力ステージでスイッチされた直流電源を有する全ブリッ
ジインバータの入力で使用されるタイプの出力トランス
を使用する。これらのトランスは、トランスの一次巻き
線ネットワークに電流の相対する極性のパルスを通すこ
とによって駆動される一次巻き線ネットワーク及び二次
巻き線ネットワークを含む。二次巻き線ネットワークに
より駆動される第一の回路手段は、電極及びノズルの間
にパイロットアークを生成させるのに使用される。二次
巻き線ネットワークにより駆動される第二の回路手段
は、電極及び工作物の間にプラズマアークを生成するの
に使用される。スイッチ手段は、第一の回路手段及び第
二の回路手段の間を選択的にスイッチする。既述したよ
うに、この新規なプラズマ装置は、本質的に従来の技術
で使用される装置である。本発明によれば、この従来の
プラズマ装置は、第一の回路手段を駆動するために第一
の有効な巻き数を有する第一の巻き線手段、並びに第二
の回路手段を駆動するために第二の有効な巻き数を有す
る第二の巻き線手段を含むように、二次巻き線ネットワ
ークを変化させることにより改良される。第一及び第二
の有効な巻き数は異なり、そのため電圧／電流操作曲線
は、パイロットモード及び切断モード中に異なる。「有
効な」巻き数は、装置の二次巻き線の巻き数にトランス
の出力における所望の電圧／電流曲線を生成する巻き数
をもたらすことを示す。本発明は、トランスの二次ネッ
トワーク又は二次巻き線について選択される特別な構造
が重要ではないように、語句「二次巻き線ネットワー
ク」を使用することにより記述される。本発明の基本的
な概念は、二つの別な巻き線がプラズマ装置を駆動する
のに使用されることであり、第一の巻き線は操作のパイ
ロットモードを最適にし、そして第二の巻き線は操作の
切断モードを最適にする。本発明の概念を使用すること
により、プラズマ装置は、操作のパイロットモード中高
電圧、低電流領域で操作され、そして操作の切断モード
では低電圧、高電流の領域で操作できる。従って、妥協
することが不必要であるか、又は装置がパイロットモー
ド及び切断モードの間をシフトするとき、電源について
複雑なコントロール装置を設けることも必要としない。
【０００７】本発明を使用することにより、出力巻き線
は最適にされて、操作のパイロットモードに関する二次
巻き線は、操作の高電流切断モードに関する比較的大き
な巻き線に比べて比較的小さくすることができる。実際
には、小さいワイヤ例えば１４−１６ゲージが、パイロ
ットアークを発生するための回路手段に接続した二次巻
き線に使用される。大きなゲージの銅リボンは、操作の
切断モードに使用される回路手段を駆動するための二次
巻き線として使用される。本発明を使用することによ
り、低い巻き比が、切断で使用される巻き線について使
用できる。従って、より少ない一次電流が、特別な切断
電流をもたらすのに必要とされる。実際には、パイロッ
ト巻き比、一次対二次は、２６：２６であり、切断比は
２６：２４である。これは、二つの出力曲線において実
質的な相違をつくる約２５ボルトの電圧差を与える。高
いノズルから工作物への電圧は、大きなアーク移送距離
を可能にするスタンドオフを増大するのに生成できる。
装置中に抵抗器なしで、電力の損失及び熱の発生は、劇
的に低下する。トランスの二次に二つの別の巻き線を使
用することにより、高い移送電圧が発生し、移送の大き
な距離を可能にする。使用されるコントロール装置は、
操作のモードのそれぞれについて個々の二次巻き線の構
築により決定される二つの別の領域における操作に使用
できる。その結果、コントロール装置は、概して中間の
範囲で操作でき、大きなコントロール範囲を有すること
を要せず、その大きな範囲は、パイロットアーク及び切
断アークの二重の機能を行わなければならない単一の出
力巻き線ネットワークをコントロールするのに必要とさ
れる。プラズマ装置に二つの別のそして異なる二次巻き
線を使用することは、操作の一つの電圧／電流領域から
操作の他の電圧／電流領域への急速なシフトを可能にす
る。従って、パイロットアーク及び切断アークは、別な
しかも異なる最適な電圧／電流曲線によりコントロール
される。単一の電圧／電流曲線は、操作のパイロットモ
ード及び操作の切断モードの両者の使用に要求されな
い。このコントロールの利点は、パイロット及び切断モ
ードの間のシフトの速度を早める。コントロール装置
は、また比較的複雑でなく、パイロットアークと切断と
の間の反応時間は短くなる。
【０００８】本発明を使用することにより、プラズマト
ーチが切断されるべき工作物に近く移動するとき、切断
操作は急速に開始できる。事実、移送は比較的大きな距
離にわたって行うことができる。大きな距離にわたる移
送のこの能力は、或る切断操作、例えば膨脹した金属の
沿って移動するプラズマトーチがパイロットアークモー
ド及び切断モードの間急速にシフトしなければならない
膨脹した金属に非常に助けになる。この操作は、大きな
スタンドオフ距離を急速なアーク移送を可能にする本発
明により助けられる。さらに、スタンドオフ電圧は、３
００ボルト以上に増大できる。従来の装置で通常利用で
きる６０ボルトに比べるとき、スタンドオフは増大でき
そしてアーク移送の容易さは本発明のこのさらなる面を
使用することにより劇的に増大できることが理解され
る。本発明の他の面によれば、パイロットモードから切
断モードへ転換するスイッチを備えた二つの別の二次巻
き線の使用は、工作物の電流を測定又は感知することに
よりコントロールできる。工作物の電流が或るレベルに
達したとき、アーク移送は移送スイッチを開くことによ
り生ずる。この電流レベルは、工作物を切断トーチに向
かって移動することにより増大する。もちろん、工作物
が取り去られるとき、この電流レベルは低下する。感知
された電流レベルが選択された値より上であるとき、移
送スイッチは開いて、アークを工作物に移す。アークの
長さが増大すると、電圧は、トランスが同じ電圧及び電
流を伝達できない点に増大する。このとき、出力電流は
低下し、移送スイッチは閉じ、それ故、操作のパイロッ
トモードが再開される。操作のモード間を往来するこの
自動的なスイッチ操作は、本発明の回路手段中の電流シ
ャントの使用により本発明の他の面に従って有利に達成
される。本発明の主な目的は、電気アークプラズマ装置
を操作する装置及び方法の提供であり、その装置及び方
法は並列の抵抗器を要せず、高いスタンドオフ距離を生
成し、そして急速なアーク移送の能力を有する。
【０００９】本発明の他の目的によれば、二つの別の出
力又は二次巻き線が、電気アークプラズマトーチを操作
する装置及び方法で使用される。二つの巻き線は、装置
及び方法をパイロットモード及び切断モードの両者にお
いて操作を最適にする。この方法において、電圧／電流
コントロール装置は、それぞれの操作モードについて中
心の範囲で操作するようにデザインでき、そして両者の
モードの極端な外側の限界で操作する必要がない。従っ
て、アークプラズマ装置は、電圧／電流のグラフの二つ
の領域で操作され、それらの領域は、異なる出力巻き線
の別のしかも異なる特性曲線により決定される。本発明
の他の目的は、パイロットアークから切断アークへのシ
フト用の別々の電流感知装置を使用する装置であり、そ
の装置は、工作物へそしてそれからのアーク移送のタイ
ミングの非常に正確なコントロールを可能にする。この
目的によれば、アーク移送の正確な瞬間は、特別な測定
された又は感知された電流に応じてスイッチを単に操作
することにより選択且つコントロールできる。本発明の
他の目的は、大きなスタンドオフ距離が可能であるよう
に、パイロットアークモード中高いノズルから工作物へ
の電圧を可能にする上記の装置及び方法の提供である。
本発明の他の目的は、異なる電圧／電流特性曲線を有す
るパイロットアーク及び主な即ち切断モードの両者に電
力を与える単一の電源の提供である。本発明のさらなる
目的は、プラズマ装置の操作の別のモードをコントロー
ルする、出力巻き線に関する異なるサイズの出力巻き線
及び異なるゲージのワイヤの使用を可能にする上記の装
置及び方法の提供である。本発明のさらなる他の目的
は、パイロットアーク及び切断アーク操作に関する二つ
の別の巻き線を使用し、アーク移送工程における電流コ
ントロールを有し、そしてアーク移送について増大した
スタンドオフ距離を可能にする上記の装置及び方法の提
供である。
【００１０】本発明の構成は、例えば次の通りである。
本発明は、第一に、電極を工作物に曝すプラズマアーク
開口をもちさらに一次巻き線ネットワーク及び該一次巻
き線ネットワークにより駆動される二次巻き線ネットワ
ークをもつ入力トランスを有する電極及びノズル、前記
の電極及びノズルの間にパイロットアークを生ずるため
の該二次巻き線ネットワークにより駆動される第一の回
路手段、前記の電極及び工作物の間にプラズマアークを
生ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動され
る第二の回路手段、並びに前記の第一の回路手段及び前
記の第二の回路手段の間を選択的にシフトするためのス
イッチ手段を含むプラズマ装置において、前記の第二の
巻き線ネットワークは、前記の第一の回路手段を駆動す
るための第一の有効な巻き数を有する第一の巻き線手段
及び前記の第二の回路手段を駆動するための第二の有効
な巻き数を有する第二の巻き線手段からなり、前記の第
一及び第二の有効な巻き数は異なることを特徴とするプ
ラズマ装置に関する。本発明は、第二に、前記の第一の
巻き線手段が、第一の一般の電流範囲を第一の電圧範囲
にもたらし、そして前記の第二の巻き線手段が、第二の
一般の電流範囲を第二の電圧範囲にもたらす前記第一の
プラズマ装置に関する。本発明は、第三に、前記の第一
の電圧範囲が、前記の第二の電圧範囲より実質的に高い
前記第二のプラズマ装置に関する。本発明は、第四に、
前記の第一の巻き線手段が、相対する方向に卷かれた２
個の別々の二次巻き線を含み、そしてそれぞれは前記の
第一の有効な巻き数を有する前記第一のプラズマ装置に
関する。本発明は、第五に、前記の第二の巻き線手段
が、相対する方向に卷かれた２個の別々の二次巻き線を
含み、そしてそれぞれは前記の第二の有効な数を有する
前記第四のプラズマ装置に関する。本発明は、第六に、
前記の第一及び第二の回路手段の一つにおける電流レベ
ルを感知する手段、並びに前記の感知された電流レベル
が所定の電流を越えるとき、前記の第二の回路手段に該
スイッチ手段をシフトする手段を含む前記第一のプラズ
マ装置に関する。本発明は、第七に、前記の感知された
電流レベルが、該工作物及び該電極の間の電流である前
記第六のプラズマ装置に関する。本発明は、第八に、前
記の第一及び第二の回路手段の一つにおける電流値を感
知する手段、並びに前記の感知された電流値が所定の電
流より低いとき、前記の第一の回路手段に該スイッチ手
段をシフトする手段を含む前記第一のプラズマ装置に関
する。本発明は、第九に、前記の第一及び第二の回路手
段の一つにおける電流レベルを感知する手段、並びに前
記の感知された電流レベルが所定の電流を越えるとき、
前記の第二の回路手段に該スイッチ手段をシフトする手
段を含む前記第八のプラズマ装置に関する。
【００１１】本発明は、第十に、前記の感知された電流
値が該工作物から該電極への電流である前記第八のプラ
ズマ装置に関する。本発明は、第十一に、前記の電流レ
ベルが該工作物から該電極への電流である前記第六のプ
ラズマ装置に関する。本発明は、第十二に、前記の第二
の巻き線手段が前記の第一の巻き線手段の部分である前
記第一のプラズマ装置に関する。本発明は、第十三に、
前記の第二の巻き線手段が前記の第一の巻き線手段の部
分である前記第二のプラズマ装置に関する。本発明は、
第十四に、前記の第二の巻き線手段が前記の第一の巻き
線手段の部分である前記第四のプラズマ装置に関する。
本発明は、第十五に、前記の第一及び第二の回路手段の
一つにおける電流レベルを感知する第一の感知手段、並
びに前記の感知された電流レベルが所定の電流を越える
とき、前記の第二の回路手段に該スイッチ手段をシフト
する手段を含む前記第一のプラズマ装置に関する。本発
明は、第十六に、前記の第一及び第二の回路手段の一つ
における電流値を感知する第二の感知手段、並びに前記
の感知された電流値が所定の電流より低いとき、前記の
第一の回路手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含
む前記第十五のプラズマ装置に関する。本発明は、第十
七に、前記の第一及び第二の回路手段の一つにおける電
流値を感知する第二の感知手段、並びに前記の感知され
た電流値が所定の電流より低いとき、前記の第一の回路
手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含む前記第十
五のプラズマ装置に関する。
【００１２】本発明は、第十八に、電極を工作物に曝す
プラズマアーク開口をもちさらに一次巻き線ネットワー
ク及び該一次巻き線ネットワークにより駆動される二次
巻き線ネットワークをもつ入力トランスを有する電極及
びノズル、前記の電極及びノズルの間にパイロットアー
クを生ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動
される第一の回路手段、前記の電極及び工作物の間にプ
ラズマアークを生ずるための該二次巻き線ネットワーク
により駆動される第二の回路手段、並びに前記の第一の
回路手段及び前記の第二の回路手段の間を選択的にシフ
トするためのスイッチ手段を含むタイプのプラズマ装置
を操作する方法において、該方法は、（ａ）前記の第一
の回路手段を駆動するために第一の有効な巻き数を第一
の巻き線手段として前記の第二の巻き線ネットワークに
設け、そして前記の第二の回路手段を駆動するための第
二の有効な巻き数を第二の巻き線手段に設け、前記の第
一及び第二の有効な巻き数が異なる工程；（ｂ）前記の
第一及び第二の回路手段のひとつにおける電流レベルを
感知する工程；及び（ｃ）前記の感知された電流レベル
が所定の値を越えるとき、前記の第二の回路手段に該ス
イッチ手段をシフトする工程を含む方法に関する。本発
明は、第十九に、（ｄ）前記の第一及び第二の回路手段
の一つにおける電流値を感知する工程；及び（ｅ）前記
の感知された電流値が所定のレベルより低いとき、前記
の第一の回路手段に該スイッチ手段をシフトする工程を
さらに含む前記第十八の方法に関する。
【００１３】本発明は、第二十に、電極を工作物に曝す
プラズマアーク開口をもちさらに一次巻き線ネットワー
ク及び該一次巻き線ネットワークにより駆動される二次
巻き線ネットワークをもつ入力トランスを有する電極及
びノズル、前記の電極及びノズルの間にパイロットアー
クを生ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動
される第一の回路手段、前記の電極及び工作物の間にプ
ラズマアークを生ずるための該二次巻き線ネットワーク
により駆動される第二の回路手段、並びに前記の第一の
回路手段及び前記の第二の回路手段の間を選択的にシフ
トするためのスイッチ手段を含むプラズマ装置におい
て、前記の第一の回路手段及び前記の第二の回路手段の
一つにおける電流レベルを感知する第一の感知手段、並
びに前記の感知された電流レベルが所定の値を越えると
き、前記の第二の回路手段に該スイッチ手段をシフトす
る手段を含むプラズマ装置に関する。本発明は、第二十
一に、前記の第一及び第二の回路手段の一つにおける電
流値を感知する第二の感知手段、及び前記の感知された
電流値が所定のレベルより低いとき、前記の第一の回路
手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含む前記第二
十のプラズマ装置に関する。本発明は、第二十二に、電
極を工作物に曝すプラズマアーク開口をもちさらに一次
巻き線ネットワーク及び該一次巻き線ネットワークによ
り駆動される二次巻き線ネットワークをもつ入力トラン
スを有する電極及びノズル、前記の電極及びノズルの間
にパイロットアークを生ずるための該二次巻き線ネット
ワークにより駆動される第一の回路手段、前記の電極及
び工作物の間にプラズマアークを生ずるための該二次巻
き線ネットワークにより駆動される第二の回路手段、並
びに前記の第一の回路手段及び前記の第二の回路手段の
間をシフトするための手段を含むプラズマ装置におい
て、前記の第二の巻き線ネットワークは、前記の第一の
回路手段を駆動するための有効な巻き数を有する第一の
巻き線手段及び前記の第二の回路手段を駆動するための
有効な巻き数を有する第二の巻き線手段からなるプラズ
マ装置に関する。
【００１４】本発明は、第二十三に、電極を工作物に曝
すプラズマアーク開口をもちさらに一次巻き線ネットワ
ーク及び該一次巻き線ネットワークにより駆動される二
次巻き線ネットワークをもつ入力トランスを有する電極
及びノズル、前記の電極及びノズルの間にパイロットア
ークを生ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆
動される第一の回路手段、前記の電極及び工作物の間に
プラズマアークを生ずるための該二次巻き線ネットワー
クにより駆動される第二の回路手段、並びに前記の第一
の回路手段及び前記の第二の回路手段の間をシフトする
ための手段を含むタイプのプラズマ装置を操作する方法
において、該方法は、（ａ）前記の第一の回路手段を駆
動するために第一の有効な巻き数を第一の巻き線手段と
して前記の第二の巻き線ネットワークに設け、そして前
記の第二の回路手段を駆動するための第二の有効な巻き
数を第二の巻き線手段に設ける工程；（ｂ）前記の第一
及び第二の回路手段のひとつにおける電流レベルを感知
する工程；及び（ｃ）前記の感知された電流レベルが所
定の値を越えるとき、前記の第二の回路手段にシフトす
る工程を含む方法に関する。本発明は、第二十四に、
（ｄ）前記の第一及び第二の回路手段の一つにおける電
流値を感知する工程；及び（ｅ）前記の感知された電流
値が所定のレベルより低いとき、前記の第一の回路手段
にシフトする工程をさらに含む前記二十三の方法に関す
る。本発明は、第二十四に、電極を工作物に曝すプラズ
マアーク開口を有しそして一次巻き線ネットワーク及び
該一次巻き線ネットワークにより駆動される二次巻き線
ネットワークをもつ入力トランスを有する電極及びノズ
ル、前記の電極及びノズルの間にパイロットアークを生
ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動される
第一の回路手段、前記の電極及び工作物の間にプラズマ
アークを生ずるための該二次巻き線ネットワークにより
駆動される第二の回路手段、並びに前記の第一の回路手
段及び前記の第二の回路手段の間をシフトするための手
段を含むプラズマ装置において、前記の第一の回路手段
及び前記の第二の回路手段の一つにおける電流レベルを
感知する第一の感知手段、並びに前記の感知された電流
レベルが所定の値を越えるとき、前記の第二の回路手段
にシフトする手段を含むプラズマ装置に関する。本発明
は、第二十六に、前記の第一及び第二の回路手段の一つ
における電流値を感知する第二の感知手段、及び前記の
感知された電流値が所定のレベルより低いとき、前記の
第一の回路手段にシフトする手段を含む前記第二十五の
プラズマ装置に関する。これら及び他の目的及び利点
は、図とともに以下の記述から明らかになるだろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】図は、好ましい態様を説明する目
的のみに関し、それを制限することを目的とするもので
はない。図１は、本発明が関係する従来の技術を示し、
プラズマ装置Ａは、工作物３０を電気チップ１４に曝す
アーク開口２２を有するノズル２０内に装着されたチッ
プ１４を備えた標準の電極１２を有するプラズマトーチ
１０を含む。パイロットアークＰは、電極及びノズルの
間に生じ、実際では約１５０−１６０ボルトである電圧
Ｖa を有する。装置Ａの操作中、工作物３０はノズル２
０から間隔をおいて配置される。工作物及びノズルの間
の電圧Ｖw は、抵抗器４０を通って流れるパイロット電
流Ｉp から生ずる。抵抗器４０は、工作物３０及びノズ
ル２０の間に並列に接続され、そしてスイッチＳＷを閉
じることにより成立する直列の回路にある。電流Ｉw は
工作物電流であり、それは、工作物がノズルに近づくに
つれ流れそしてシャント４２により測定される。合計の
電流の流れＩr は、パイロットアーク電流Ｉp プラス工
作物電流Ｉw である。インダクタ４４は、電源５０から
プラズマ装置への入力パルス間の電流を維持する。画か
れた従来技術では、全ブリッジインバータである直流電
源５０は、トランスＴを駆動するために一次巻き線５２
を有して、相対するポールの二次巻き線５４、５６に出
力パルスを生成する。全ブリッジ整流器が四つの二次巻
き線を含むことができることは理解されるだろうが、し
かし、本発明を記述する目的では、二次巻き線の数及び
一次巻き線用の構成は重要ではない。パルスは、一次巻
き線５２を通って二次巻き線５４、５６にパルスを生じ
させる。一つの方向の電流パルスが一次巻き線５２を通
るにつれ、反対の極性の電流パルスが別の二次巻き線５
４、５６に生ずるだろう。ダイオード６０、６２は、配
置された出力電流パルスを整流して、それが工作物３０
及びトーチ１０に接続するとき、電源に直流操作を与え
るこれらの電流パルスのみを通す。操作中、パイロット
アークＰは、約１５０ボルトの電圧を有する。スイッチ
ＳＷは開いて、アークを工作物３０に移す。抵抗器４０
の電圧はＶw であり、それはノズルと工作物との間の電
圧と同じである。実際には、抵抗器４０の電圧は約６０
ボルトである。従って、この例では、工作物３０及び電
極１２の間の電圧は約１２ボルトである。実際には、イ
ンダクタは、通常電極とトランスＴとの間に含まれる。
その例では、電圧は、インダクタで生じて、巻き線５
４、５６の別の間隔をおいて配置された出力パルスの間
にパイロットアークを維持する。切断操作を開始するた
めに、スイッチＳＷは、少なくとも６０ボルトが工作物
とノズルとの間に利用できるとき、開かれる。アーク移
送に利用可能な６０ボルトにより、アークの移送は、ノ
ズル２０から比較的近く配置された工作物３０によって
のみ達成できる。これは、本発明が関係する従来技術の
通常の操作である。従来技術そして好ましい態様の電源
は、多くの通常の構成の任意のものをとることができ
る。それは、種々の出力巻き線構成について全順方向
（ｆｏｒｗａｒｄ）又は半順方向である。
【００１６】本発明の好ましい態様の図は、本発明を説
明することを目的とし、それを制限することを目的とし
ていない。図２は、本発明の第一の態様により構築され
るプラズマ装置Ｂを示し、第一の二次回路手段１００
は、電極１２とノズル２０との間にパイロットアークを
生じそして維持するのに使用される。この回路手段は、
出力トランス１１０の芯上にそれ自身の別の二次巻き線
１０２を含み、そして整流ダイオード１１２及びフリー
ウィールダイオード１５０を含む。実際には、一つより
多い巻き線がこの回路に使用され、巻き線は相対するよ
うに卷かれて、それらは、トランス１１０の入力がイン
バータにより反対の方向に電流パルスによりパルスされ
るとき、コントロールされた極性で別の整流されたパル
スを生ずるだろう。唯一の巻き線のみが単純化のために
画かれている。適切な巻き線構成は、Ｂｉｌｃｚｏの米
国特許第４８９７５２２号及びＢｉｌｃｚｏの米国特許
第４８９７７７３号に示されている。巻き線は、パイロ
ットアークを生成且つ維持するために必要な高電圧をも
たらす巻き数を有する。電圧／電流の曲線の特別な領域
の装置Ｂの操作は、図３Ｃ及び４Ｂに示されている。ス
イッチＳＷＩは、トランジスタ又はＩＧＢＴ １２０と
して示されている。スイッチＳＷＩが閉じられるとき、
回路手段１００は、トーチ１０の電極及びノズルと直列
である。このやり方では、パイロットアークは、一つ以
上の巻き線１０２から利用できる電圧によって生成でき
る。シャント１３２は、全電流ＩAを測定し、制御のた
めに使用される。シャント１３０は、パイロット電流を
感知するのに使用される。チョーク又はインダクタ１４
０は、電流の流れを維持して、間隔をおいた入力パルス
従ってトランス１１０の間隔をおいた出力パルスの間の
期間中パイロットアークを持続させる。操作中、スイッ
チＳＷＩは閉じられて、トランス１１０が二次巻き線１
０２にエネルギーを与えることができる（二つの巻き線
１０２が好ましい）。巻き線１０２の電流パルスは、電
極及びノズルの間そしてインダクタ又はチョーク１４０
にわたるギャップに電圧を発生させる。実際には、パイ
ロットアーク電圧は約１５０ボルトであり、チョーク１
４０は約５０ボルトの電圧を有し、それ故、巻き線１０
２の出力は約２００ボルトである。もし工作物３０が切
断されるべきであるならば、それはトーチ１０に近く移
動する。この付近は、シャント１３０及び１３２の電流
により感知されてスイッチＳＷＩを開きそして第二の回
路手段２００にエネルギーを与える。この第二の回路手
段は、二次の一つ以上の巻き線２０２、整流ダイオード
２０４及びフリーウィールダイオード２０６を含む。ス
イッチＳＷＩが開くとき、二次の一つ以上の巻き線２０
２の電圧が利用されて、工作物３０へのアークを直ちに
移送する。コンデンサ２１０は、工作物から電極へ電流
が通過しないとき、即ち工作物３０が正しい位置にない
ときに、ピーク電圧を維持する。本発明の面によれば、
工作物３０を通る電流は、シャント１３２の電流マイナ
スパイロットアークシャント１３０における電流であ
る。本発明のこの態様では、作業電流Ｉw は、この特別
な電流を測定するための個々のシャントを有することな
く、間接的に測定される。後で説明されるように、工作
物の電流は、スイッチＳＷＩを開くことによりアークの
移送を可能にする適切な条件の指標である。
【００１７】図３Ａ−図３Ｃ及び図４Ａ−図４Ｃに示さ
れる電圧／電流グラフは、図１に示される従来の技術及
び図２に示される本発明の好ましい態様の間の相違を説
明するのに使用される。これらのグラフの全ては、パイ
ロットアークのための操作の領域Ｘ及び切断アークのた
めの操作の領域Ｙを含む。これらは、本発明が関係する
操作の二つのモードで使用されるのに最適でありしかも
調節可能である操作の領域である。図３Ａに関し、領域
Ｘは、パイロットアーク用の高電圧及び低電流であるこ
とを特徴とする。領域Ｙは、低電圧及び高電流であるこ
とを特徴とする。この領域は、切断操作を規定する操作
条件である。図３Ｂでは、従来技術の装置の単一の特性
曲線２３０が画かれている。単一の巻き線５４、５６が
使用されるため、領域Ｘ及びＹの両者と交差するように
デザインされた単一の特性曲線２３０が生成される。こ
の単一の特性曲線は、必ずしも領域Ｘ又は領域Ｙの何れ
かに最適である必要はない。図３Ｃに関して、巻き線１
０２に関する特性曲線は、回路手段１００に関する曲線
２３２である。この曲線は、装置Ｂに関する操作のパイ
ロットモードにおいて領域Ｘについて最適である。特性
曲線２３４は、回路手段２００について巻き線２０２に
より展開され、そして領域Ｙについて最適である。図４
Ａ−図４Ｃでは、領域Ｘ、Ｙのコントロール点２５０、
２５２は、それぞれ、それがそれぞれ操作のパイロット
モードにあるか又は操作の切断モードにあるとき、コン
トロール装置について選択される操作点である。図４Ａ
で示されるように、点２５０から点２５２へのシフトは
線２６０に沿う。従って、図１のスイッチＳＷが開かれ
るとき、コントロール装置は、点２５０から点２５２へ
線２６０に沿って装置Ａの操作をシフトする。コントロ
ール装置の同じ操作は、図２に示される装置Ｂの操作ス
イッチＳＷＩが開くとき、生ずる。これは、図４Ｂに画
かれているが、しかし、本発明と従来技術との間の利点
は、図４Ｃに概略に画かれている。シフトが操作点２５
０から操作点２５２に向かってなされるとき、トランス
出力は距離２６２をジャンプし、次に電流コントロール
装置により次第に点２５２にシフトする。これは、電流
コントロール装置がその距離が大きさ２６４として画か
れている点２５０から点２５２へ直接直ちにシフトする
ことを要する従来技術から区別される。本発明のシフト
の大きさ２６３が従来技術の大きさ２６４より実質的に
小さいことが分かる。その結果、本発明を使用すること
により、線２６０に沿うコントロール点の直接のジャン
プ、次に点２５２への漸次のシフトが存在する。従来の
技術は、コントロール装置が全距離線２６０に沿って操
作することを要する。図４Ａ−図４Ｃに画かれたグラフ
は、概略的なものであり、そして本発明で使用されると
き、プラズマアーク装置の操作をコントロールする利点
を理解する目的のために示される。実際の電流コントロ
ール装置は、本発明の部分ではない。パイロットモード
及び切断モード用の別々の巻き線の使用が、異なる電圧
／電流の曲線を有する装置の操作を可能にするのに明白
な利点を有することを理解することのみが必要とされ
る。
【００１８】操作のパイロットモード及び操作の切断モ
ードの間のシフトをコントロールするために、工作物電
流の間接的な測定が、図２に示されるように装置Ｂで使
用される。工作物電流Ｉwのさらに直接的な使用は、図
５で示され、装置Ｃは工作物電流センサー又はシャント
３０２によりそして既述のアークシャント１３０により
コントロールされる電流反応スイッチ回路３００を含
む。シャント３０２における作業電流が所定のレベルよ
り上であると感知されるとき、回路３００はスイッチＳ
ＷＩを開く。シャント１３０における電流が所定のレベ
ルに低下したとき、スイッチは閉じられ、従ってパイロ
ットモードを再成立させる。回路３００は、作業電流Ｉ
w を代表する第一の入力３１２を有する高利得演算増幅
器３１０を使用することによりこの目的を達成する。線
３１４のスタンドオフ基準シグナルは、線３１２の電圧
シグナルと比較されて、増幅器３１０の出力をコントロ
ールする。この増幅器が論理１を生成するとき、スイッ
チステーション３２０はトグルされて、スイッチＳＷＩ
を開く出力３２２にシグナルを発生する。これはパイロ
ットアークを消し、直ぐにアークを移す。作業電流を直
接測定することにより、装置Ｃは、工作物３０が適切な
位置にありしかも移送アークを維持するのに十分なほど
近いときを検出する。これは、実際の工作物の電流の直
接の測定であり、線３１４の基準電圧又は閾電圧により
正確にコントロールされて、回路手段１００から回路手
段２００へのトーチ１０の操作の正確なシフトを与え
る。工作物が取り出されるとき、電流ＩA はトランスの
関数として低下し、電流はシャント１３０により感知又
は測定され、そのシャントは、アーク電流を代表する電
圧により高利得演算増幅器３３０をコントロールする。
線３３４の基準電圧シグナルは、演算増幅器３３０の出
力に論理１を生じさせてステーション３２０をトグルし
て、シャント１３０における電流が閾値より低下すると
き、スイッチＳＷＩを作動する線３２４のシグナルを生
成する。このやり方で、アークの移送は、工作物の位置
により決定される。工作物がトーチに向かって移動する
とき、アークは移される。工作物がトーチから離れると
き、アークはパイロットアークモードにシフトして戻さ
れる。図６に関し、基準線３１４に関する電圧レベル
が、一般的な代表的なやり方で画かれる。実際に使用さ
れるような切断へのシフトを実行する一般的な概略を示
すために、パイロットアークのために２８アンペアで操
作される装置の操作を示す線である線３４０を参照。回
路３００が、トーチ及び工作物の間の０．３の間隔にお
ける切断モードにシフトするように調節されるとする
と、点３４２が選択される。線３１４における基準は、
作業電流Ｉw について約１．７アンペアに調節される。
この工作物の電流が増幅器３１０により検出されると
き、スイッチＳＷＩは開いて第一の回路手段から第二の
回路手段にシフトして切断操作を開始する。実際には、
アークは２アンペア又はそれ以下で移される。図１に示
されるようにＩr により維持される２８アンペアのパイ
ロットアーク電流では、移送距離又はスタンドオフは、
０．３０インチより少し小さい。線３１４の低い移送点
は、大きなスタンドオフ距離を可能にするが、また、高
い電圧Ｖw を要する。
【００１９】トランス１１０は、図７で概略的に画か
れ、一次巻き線Ｐ１／Ｐ２は、巻き線３５０として画か
れ、それはまた図２及び図５において入力巻き線として
示される。パイロットアーク回路手段１００用の二次巻
き線１０２は、トランス１１０の芯１１０ａ上を包んだ
比較的細いワイヤであって、操作のパイロットモードの
ために高電圧及び低電流を生成する。全ブリッジインバ
ータが使用されるため、二つの別々の巻き線ＳＰ１、Ｓ
Ｐ２が使用される。これらの巻き線は、図９に示される
ように、相対して卷かれる。同様なやり方で、太い二次
巻き線２０２は、図９にまた示されるように、相対して
卷かれた巻き線Ｓ１／Ｓ２を含む。回路手段１００及び
回路手段２００で使用される巻き線の数が、電源及びト
ランスの入力ネットワークにより規定されることは、図
７から理解すべきである。本発明は、別々の操作モード
について二つの異なる巻き線ネットワークに使用される
ことを含むが、しかしネットワークの巻き線の数及び構
成は変化できる。図８は、間隔をおいて配置された要素
３６２を有する膨脹した金属シート３６０を切断するプ
ラズマトーチ１０の使用を画いている。ノズルが要素３
６２の上にあるとき、間隔ｚは比較的短く、そのため、
シャント３０２の電流は、線３１４のスタンドオフ電圧
により決定される閾値を越えて増大する。もし間隔ｚが
図５及び図６に関して説明された選択されたスタンドオ
フ距離より短いならば、アークは移されて工作物又は要
素３６２を切断する。要素３６２を越えて通過後、不定
な間隔ｚが存在し、そのため、シャント１３０の電流が
低下しそしてパイロットアークは、図５の回路３００の
操作により説明されるように維持される。膨脹する金属
シート３６０の上のトーチの急速な運動は、回路３００
のシャント１３０及び３０２により感知されるように、
トーチ１０に関して工作物の位置により指令されるパイ
ロットモード及び切断モードへのアークの移送により繰
り返し且つ正確にコントロールされる。これは、従来技
術を越える利点であり、高度に正確なアーク移送により
許される。本発明のこの面は、電流感知手段がパイロッ
トモード及び切断モードの間のシフトを可能にする、図
１に示される従来技術で実行できるだろう。
【００２０】本発明のさらなる面は、図９−図１１に画
かれ、装置Ｃは装置Ｄを製造するように変更される。こ
の装置では、二つの相対して卷かれた巻き線１０２及び
２０２は、それぞれプラズマ二次巻き線ＳＰ１、ＳＰ２
及びＳＣ１、ＳＣ２として概略的に画かれる。並列の二
つの相対して卷かれた二次巻き線の使用は、通常のイン
バータの概念として既に論じられた。本発明は、操作電
流を生成するのに必要なトランス巻き線の詳細に依存し
ない。インバータ電源は、制御された電流Ｉrをコント
ロールするのに変化する長さを有する二次巻き線におけ
るパルスを提供する。装置Ｄでは、フリーウィールダイ
オード１５０、２０６が取り除かれ、そのため、フリー
ウィーリングな電流が図２に示されるように一次巻き線
３５０で生ずる。パイロット巻き線ＳＰ１及びＳＰ２
は、相対して卷かれ、そして整流ダイオード２２０及び
スナバ回路２３０を含む。切断巻き線ＳＣ１及びＳＣ２
は、装置Ｄがパイロットモードで操作されるとき、アー
ク移送のために一次巻き線３５０のオフサイクル中工作
物及びノズルの間の高電圧を貯蔵するために使用される
貯蔵コンデンサ２４２を備えた特定のスナバ回路２４０
に相対して卷かれる。コンデンサ２４２を使用すること
により、回路２００は、実際には約３４０ボルトである
高い工作物からノズルへの電圧を生成する。このピーク
値は、一次巻き線３５０における一次電圧がオフであ
る、即ち一次フリーウィーリングを備えたプッシュ・プ
ルトランスのパルスの間であるとき、存在する。平均の
工作物からノズルへの電圧は、約２００ボルトである。
ダイオードスナバ回路２４０は、一次オフタイム中エネ
ルギーを貯蔵し、そして工作物からノズルへの電圧を最
大にする。一次がオンであるとき、パイロットアークは
パイロット巻き線ＳＰ１、ＳＰ２により維持される。こ
れが生ずるとき、パイロット巻き線は、実際には約２８
５ボルトである電圧を生じ、それはパイロットアーク及
びインダクタ１４０の電圧の間に分割される。パイロッ
トアークの電圧は約１６０ボルトであり、そしてチョー
ク又はインダクタの電圧は約１３５ボルトである。切断
巻き線は、完全な回路を有せず、そのため、開路電圧は
巻き線ＳＣ１、ＳＣ２で生ずる。これらの巻き線は約２
７５ボルトを生じ、ターンオンにおけるオーバーシュー
トは約２５％である。この電圧のオーバーシュートのピ
ークは、コンデンサ２４２に約３４０ボルトを充電す
る。このコンデンサの電圧は、パイロットアーク電圧
（１６０ボルト）及びチョーク電圧（１２５ボルト）と
直列であって、工作物及びノズルの間に約５０−６０ボ
ルトを生ずる。一次電圧がターンオフされるとき、パイ
ロット回路１００を流れる電流は、出力チョーク１４０
に貯蔵されるエネルギーにより維持されるだろう。電流
は、非常に小さい電圧低下を伴うパイロット巻き線ＳＰ
１、ＳＰ２を経て流れ続ける。トランスの一次側のクラ
ンプダイオードは、二次回路から生ずる全ての電流をフ
リーウィーリングにすることにより一次電圧を制限す
る。１６０ボルトのパイロットアークは維持され、そし
て−１６０ボルトは出力チョーク１４０に生ずる。トラ
ンス巻き線ＳＰ１、ＳＰ２は、この状態中零ボルトにク
ランプされるが、切断源はなお３４０ボルトを生ずる。
この電圧は、インバータのオンステート中充電されたス
ナバコンデンサ２４２からくる。電流路は切断回路２０
０に存在し、コンデンサ２４２は放電しない。切断ダイ
オードＤ1及びＤ2は、フリーウィーリング電流を全く伝
えない。パイロット源電圧は零に非常に近く、そのた
め、工作物からノズルへの電圧は、コンデンサ２４２の
電圧に等しく、３４０ボルトの工作物からノズルへの電
圧を生ずる。
【００２１】入力パルスが毎秒約数百パルスである速度
であるため、操作のパイロットアークモードで生ずる出
力パルスの間でフリーウィーリング期間又は段階が存在
する。本発明の利点は、代表的な電圧を使用して図１０
Ａ及び図１０Ｂに関連して説明されるだろう。スイッチ
ＳＷが閉じられそしてパイロットアークＰが成立する
と、図１０Ａに示されるように、パイロットアークは、
実際には約１６０ボルトである電圧を有する。インダク
タ１４０は、１４０ボルトの代表的な電圧を有する。そ
の結果、二次パルスが巻き線１０２で生ずるとき、巻き
線１０２の電圧は約３００ボルトである。回路手段２０
０の巻き線２０２の開路電圧はターンオンで２５％のオ
ーバーシュートで約２７５ボルトであり、そのピークは
図９に示すようにコンデンサ２１０又はスナバコンデン
サ２４２を３４０ボルトに充電する。これらの電圧によ
り、工作物からノズルへの電圧は約６０ボルトである。
出力パルスが入力パルスの切断によりターンオフである
とき、回路手段１００はフリーウィールであるように試
みる。しかし、図５に示されるダイオード１５０は、巻
き線１０２から取り出されている。その結果、回路手段
１００のフリーウィール化が巻き線１０２を経て生じ、
それは一次巻き線３５０によりトランス芯１１０ａ上に
固くカップリングされそして約１０ボルトの電圧低下を
生ずる。このフリーウィーリング化段階中、電流はチョ
ーク１４０により維持される。これは−１６０ボルトを
チョークに生じさせる。巻き線１０２の低下は１０ボル
トであり、残りの１５０ボルトはノズル及び電極に生ず
る。コンデンサ２１０はオンステートから充電されるま
まであり、そして巻き線１０２はそれに約１０ボルトを
有する。これは約３１０ボルトの工作物からノズルへの
電圧を生ずる。その結果、操作のパイロットアークモー
ド中、極めて高い電圧が工作物及びノズルの間に適用さ
れる。この方法は図１１に画かれ、高い電圧パルス３６
０は、一次電流パルスＰがオフであるとき、出力パルス
間に生ずる。パルス３６０の速度は数ＫＨzである。方
法は図１１に示され、そしてスイッチＳＷが閉じられる
限り続く。アークを切断モードに移す目的でスイッチが
開かれるとき、高電圧がアーク移送工程に利用される。
これは、当該技術における実質的な進歩であり、工作物
へのアークの移送を劇的に改良する。高い工作物からノ
ズルへの電圧は、電源をして０．５インチより長い信頼
できるアーク移送を生じさせる。実際には、この工作物
からノズルへの電圧は、ＩＥＣ９７４−１規程を満足す
るように制限される。この規程は、工作物からノズルへ
の電圧が１１３ＶＤＣピークに制限されることを要求し
ている。１１３Ｖピークの限界により、移送距離は短く
なるが、電源はこの規程を満足するだろう。それ故、標
準の電圧制限回路が、工作物とノズルとの間に加えられ
る。
【００２２】実際には、パイロットアーク巻き線は、切
断巻き線より高い巻き比を有する。パイロットアークス
イッチが開かれるとき、工作物へのアーク移送及び電源
の負荷は、高電圧・低電流から低電圧・高電流に変化す
る。この点で、変化の一部が異なるトランス巻き線の関
数として生ずる。変化の残りは、コントロール装置によ
り処理される。アークがノズルへ後退されるとき（パイ
ロットアーク）、同じ増大した変化が生ずる。負荷は、
低電圧・高電流から高電圧・低電流に変化する。この変
化の部分は、パイロット巻き線がオンにスイッチバック
されるとき、直ぐに生ずる。コントロール装置の反応時
間は短くなり、そして毎秒の最大の移送数は増加する。
最大に一次電流が主なデザインの関心であるとき、図５
及び図９に示されるような二重の巻き線回路は、有利で
あろう。例えば、従来の単一の巻き線出力回路では、巻
き線の比は、上記で使用したパイロット比に同じであろ
う。しかし、この高い巻き比がまた切断に使用され、そ
して多量の一次電流を要するだろう。二重の巻き線回路
に比べて、従来の単一の巻き線回路は、より多い一次電
流を要するだろう。二重の巻き線回路は、低い巻き比を
有する切断巻き線を有することにより、最大量の一次電
流を低下させる。
【００２３】本発明の範囲を説明するために、プラズマ
装置Ｅが図１２に画かれ、電源４００は交流電流パルス
を発して、電流パルスを一次巻き線４１２を経て通すこ
とにより出力トランス４１０を駆動する。前述のように
一組の相対して卷かれた巻き線を含むことができる二次
巻き線４１４は、中間のタップ４２０を含み、低い二次
巻き線４２２を規定する。この出力二次ネットワークを
使用することにより、プラズマアーク回路手段１００ａ
は、整流ダイオード４３０及びスイッチ４３２を使用す
ることにより形成される。回路１００ａの電流は、シャ
ント１３０により検出されてパイロットアーク電流Ｉp
を測定する。回路手段１００ａは、本発明の好ましい態
様に説明された回路手段１００の関数として作用する。
同様なやり方で、回路手段２００ａは、切断モード中に
操作するための整流ダイオード４４０及びシャント３０
２を有する。従って、単一の二次巻き線４１４は、本発
明の好ましい態様で使用されるような二つの別々な巻き
線１０２、２０２と同様な概念を生成することができ
る。本発明の実施には、パイロットモード及び切断モー
ドに関する巻き比は異なり、即ちパイロットアークでは
２６：２６であり、切断では２６：２４である。本発明
は、同じ巻き比で使用できるが、しかし、この構成は本
発明の或る利点を失う。それは、本発明の基本的な特徴
を構成する二つの別々の巻き線が本質的に同じ出力曲線
で操作するからである。しかし、本発明は、工作物がノ
ズルに近づくとき、アーク移送について高いノズルから
工作物への電圧を生ずる。本発明の態様は、例えば高電
圧操作が有利である即ち裏はつりするようなとき、切断
モードについて高電圧出力を生ずるために、パイロット
巻き線より多い巻き数を有する切断巻き線を使用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が関係する従来技術の概略的な配線図で
ある。
【図２】本発明の好ましい態様の概略的な配線図であ
る。
【図３】図では、３Ａは、操作のパイロットアーク及び
切断アークのモードに要する操作領域を示す電圧電流グ
ラフである。３Ｂは、図１で示される従来技術で使用さ
れる単一の電圧／電流特性曲線を有する、図３Ａで示さ
れるようなグラフである。３Ｃは、図２で示される本発
明の好ましい態様により生ずるような二つの別々の電圧
／電流特性曲線を示す、３Ｂと同様なグラフである。
【図４】図では、４Ａは、単一の電圧／電流操作曲線を
有する、本発明の従来技術における操作の二つのモード
間のコントロールの移送を示す、３Ｂに似たグラフであ
る。４Ｂは、本発明の好ましい態様のコントロールシフ
トの特徴を示す、４Ａに似たグラフである。４Ｃは、４
Ａで示される従来技術のコントロール移送及び４Ｂで示
される本発明の好ましい態様のコントロール移送の間の
機能的な相違を説明する概略図である。
【図５】本発明の好ましい態様の電流感知の特徴の概略
的な配線図であり、そしてパイロットアーク及び切断の
間のシフトに使用される電流シャントの第二の構造を示
す。
【図６】図５に示される本発明の態様のスタンドオフの
特徴を説明するグラフである。
【図７】巻き線を概略的に画いた、本発明の態様に使用
されるインバータトランスの配線図である。
【図８】膨脹した金属のシートの形の一連の金属要素を
切断するための本発明の概略的な使用を示す側面図であ
る。
【図９】実際にしばしば使用される二つの相対して卷か
れる巻き線を含むとして示される二次巻き線ネットワー
クを有する好ましい態様を説明する、図５に似た概略的
な配線図である。
【図１０】図において、１０Ａ及び１０Ｂは、図９に画
かれる本発明の好ましい態様の操作特徴を示す単純化し
た概略的な配線図である。
【図１１】図１０Ａ及び図１０Ｂに画かれる本発明の態
様の操作を示すパルス図である。
【図１２】本発明の好ましい態様のさらに変化した装置
の図である。
【符号の説明】
１０ プラズマトーチ １２ 電極 １４ チップ ２０ ノズル ２２ アーク開口 ３０ 工作物 ４０ 抵抗器 ４２ シャント ４４ インダクタ ５０ 電源 ５２ 一次巻き線 ５４ 二次巻き線 ５６ 二次巻き線 ６０ ダイオード ６２ ダイオード １００ 第一の二次回路手段 １０２ 二次巻き線 １１０ 出力トランス １１０ａ １１０の芯 １１２ 整流ダイオード １３０ シャント １３２ シャント １４０ チョーク又はインダクタ １５０ フリーウィーリングダイオード ２００ 第二の回路手段 ２００ａ 回路手段 ２０２ 二次巻き線 ２０４ 整流ダイオード ２０６ フリーウィーリングダイオード ２１０ コンデンサ ２３０ 単一の特性曲線 ２３２ １００の曲線 ２３４ 特性曲線 ２４０ スナバ回路 ２４２ コンデンサ ２５０ コントロール点 ２５２ コントロール点 ２６０ 線 ２６３ 大きさ ２６４ 大きさ ３００ スイッチ回路 ３０２ 電流センサー又はシャント ３１０ 増幅器 ３１２ 線 ３１４ 線 ３２０ スイッチステーション ３２２ 出力 ３２４ 線 ３３０ 高利得演算増幅器 ３４０ 線 ３４２ 点 ３５０ 巻き線 ３６０ 金属シート ３６２ 間隔要素 ４００ 電源 ４１０ 出力トランス ４１２ 一次巻き線 ４１４ 二次巻き線 ４２０ タップ ４２２ 二次巻き線 ４３０ 整流ダイオード ４３２ スイッチ ４４０ 整流ダイオード Ａ 装置 Ｂ 装置 Ｃ 装置 Ｄ 装置 Ｅ 装置 Ｉr 合計の電流の流れ Ｉp パイロットアーク電流 Ｉw 工作物電流 Ｐ パイロットアーク Ｐ１ 一次巻き線 Ｐ２ 一次巻き線 Ｓ１ 二次巻き線 Ｓ２ 二次巻き線 ＳＣ１ 切断巻き線 ＳＣ２ 切断巻き線 ＳＰ１ パイロット巻き線 ＳＰ２ パイロット巻き線 ＳＷ スイッチ ＳＷＩ スイッチ Ｔ トランス Ｘ パイロットアークのための操作の領域 Ｙ 切断アークのための操作の領域
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−257973（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−216861（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−279077（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−20173（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−228270（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B23K 10/00 503 B23K 9/073 540

Claims (26)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極を工作物に曝すプラズマアーク開口
    をもちさらに一次巻き線ネットワーク及び該一次巻き線
    ネットワークにより駆動される二次巻き線ネットワーク
    をもつ入力トランスを有する電極及びノズル、前記の電
    極及びノズルの間にパイロットアークを生ずるための該
    二次巻き線ネットワークにより駆動される第一の回路手
    段、前記の電極及び工作物の間にプラズマアークを生ず
    るための該二次巻き線ネットワークにより駆動される第
    二の回路手段、並びに前記の第一の回路手段及び前記の
    第二の回路手段の間を選択的にシフトするためのスイッ
    チ手段を含むプラズマ装置において、前記二次巻き線ネ
    ットワークは、前記の第一の回路手段を駆動するための
    第一の有効な巻き数を有する第一の巻き線手段及び前記
    の第二の回路手段を駆動するための第二の有効な巻き数
    を有する第二の巻き線手段からなり、前記の第一及び第
    二の有効な巻き数は異なることを特徴とするプラズマ装
    置。
  2. 【請求項２】 前記の第一の巻き線手段が、第一の一般
    の電流範囲を第一の電圧範囲にもたらし、そして前記の
    第二の巻き線手段が、第二の一般の電流範囲を第二の電
    圧範囲にもたらす請求項１のプラズマ装置。
  3. 【請求項３】 前記の第一の電圧範囲が、前記の第二の
    電圧範囲より実質的に高い請求項２のプラズマ装置。
  4. 【請求項４】 前記の第一の巻き線手段が、相対する方
    向に卷かれた２個の別々の二次巻き線を含み、そしてそ
    れぞれは前記の第一の有効な巻き数を有する請求項１の
    プラズマ装置。
  5. 【請求項５】 前記の第二の巻き線手段が、相対する方
    向に卷かれた２個の別々の二次巻き線を含み、そしてそ
    れぞれは前記の第二の有効な数を有する請求項４のプラ
    ズマ装置。
  6. 【請求項６】 前記の第一及び第二の回路手段の一つに
    おける電流レベルを感知する手段、並びに前記の感知さ
    れた電流レベルが所定の電流を越えるとき、前記の第二
    の回路手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含む請
    求項１のプラズマ装置。
  7. 【請求項７】 前記の感知された電流レベルが、該工作
    物及び該電極の間の電流である請求項６のプラズマ装
    置。
  8. 【請求項８】 前記の第一及び第二の回路手段の一つに
    おける電流値を感知する手段、並びに前記の感知された
    電流値が所定の電流より低いとき、前記の第一の回路手
    段に該スイッチ手段をシフトする手段を含む請求項１の
    プラズマ装置。
  9. 【請求項９】 前記の第一及び第二の回路手段の一つに
    おける電流レベルを感知する手段、並びに前記の感知さ
    れた電流レベルが所定の電流を越えるとき、前記の第二
    の回路手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含む請
    求項８のプラズマ装置。
  10. 【請求項１０】 前記の感知された電流値が該工作物か
    ら該電極への電流である請求項８のプラズマ装置。
  11. 【請求項１１】 前記の電流レベルが該工作物から該電
    極への電流である請求項６のプラズマ装置。
  12. 【請求項１２】 前記の第二の巻き線手段が前記の第一
    の巻き線手段の部分である請求項１のプラズマ装置。
  13. 【請求項１３】 前記の第二の巻き線手段が前記の第一
    の巻き線手段の部分である請求項２のプラズマ装置。
  14. 【請求項１４】 前記の第二の巻き線手段が前記の第一
    の巻き線手段の部分である請求項４のプラズマ装置。
  15. 【請求項１５】 前記の第一及び第二の回路手段の一つ
    における電流レベルを感知する第一の感知手段、並びに
    前記の感知された電流レベルが所定の電流を越えると
    き、前記の第二の回路手段に該スイッチ手段をシフトす
    る手段を含む請求項１のプラズマ装置。
  16. 【請求項１６】 前記の第一及び第二の回路手段の一つ
    における電流値を感知する第二の感知手段、並びに前記
    の感知された電流値が所定の電流より低いとき、前記の
    第一の回路手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含
    む請求項１５のプラズマ装置。
  17. 【請求項１７】 前記の第一及び第二の回路手段の一つ
    における電流値を感知する第二の感知手段、並びに前記
    の感知された電流値が所定の電流より低いとき、前記の
    第一の回路手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含
    む請求項１５のプラズマ装置。
  18. 【請求項１８】 電極を工作物に曝すプラズマアーク開
    口をもちさらに一次巻き線ネットワーク及び該一次巻き
    線ネットワークにより駆動される二次巻き線ネットワー
    クをもつ入力トランスを有する電極及びノズル、前記の
    電極及びノズルの間にパイロットアークを生ずるための
    該二次巻き線ネットワークにより駆動される第一の回路
    手段、前記の電極及び工作物の間にプラズマアークを生
    ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動される
    第二の回路手段、並びに前記の第一の回路手段及び前記
    の第二の回路手段の間を選択的にシフトするためのスイ
    ッチ手段を含むタイプのプラズマ装置を操作する方法に
    おいて、該方法は、 （ａ）前記の第一の回路手段を駆動するために第一の有
    効な巻き数を第一の巻き線手段として前記二次巻き線ネ
    ットワークに設け、そして前記の第二の回路手段を駆動
    するための第二の有効な巻き数を第二の巻き線手段に設
    け、前記の第一及び第二の有効な巻き数が異なる工程； （ｂ）前記の第一及び第二の回路手段のひとつにおける
    電流レベルを感知する工程；及び （ｃ）前記の感知された電流レベルが所定の値を越える
    とき、前記の第二の回路手段に該スイッチ手段をシフト
    する工程を含む方法。
  19. 【請求項１９】 （ｄ）前記の第一及び第二の回路手段
    の一つにおける電流値を感知する工程；及び （ｅ）前記の感知された電流値が所定のレベルより低い
    とき、前記の第一の回路手段に該スイッチ手段をシフト
    する工程をさらに含む請求項１８の方法。
  20. 【請求項２０】 電極を工作物に曝すプラズマアーク開
    口をもちさらに一次巻き線ネットワーク及び該一次巻き
    線ネットワークにより駆動される二次巻き線ネットワー
    クをもつ入力トランスを有する電極及びノズル、前記の
    電極及びノズルの間にパイロットアークを生ずるための
    該二次巻き線ネットワークにより駆動される第一の回路
    手段、前記の電極及び工作物の間にプラズマアークを生
    ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動される
    第二の回路手段、並びに前記の第一の回路手段及び前記
    の第二の回路手段の間を選択的にシフトするためのスイ
    ッチ手段を含むプラズマ装置において、前記の第一の回
    路手段及び前記の第二の回路手段の一つにおける電流レ
    ベルを感知する第一の感知手段、並びに前記の感知され
    た電流レベルが所定の値を越えるとき、前記の第二の回
    路手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含むプラズ
    マ装置。
  21. 【請求項２１】 前記の第一及び第二の回路手段の一つ
    における電流値を感知する第二の感知手段、及び前記の
    感知された電流値が所定のレベルより低いとき、前記の
    第一の回路手段に該スイッチ手段をシフトする手段を含
    む請求項２０のプラズマ装置。
  22. 【請求項２２】 電極を工作物に曝すプラズマアーク開
    口をもちさらに一次巻き線ネットワーク及び該一次巻き
    線ネットワークにより駆動される二次巻き線ネットワー
    クをもつ入力トランスを有する電極及びノズル、前記の
    電極及びノズルの間にパイロットアークを生ずるための
    該二次巻き線ネットワークにより駆動される第一の回路
    手段、前記の電極及び工作物の間にプラズマアークを生
    ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動される
    第二の回路手段、並びに前記の第一の回路手段及び前記
    の第二の回路手段の間をシフトするための手段を含むプ
    ラズマ装置において、前記二次巻き線ネットワークは、
    前記の第一の回路手段を駆動するための有効な巻き数を
    有する第一の巻き線手段及び前記の第二の回路手段を駆
    動するための有効な巻き数を有する第二の巻き線手段か
    らなるプラズマ装置。
  23. 【請求項２３】 電極を工作物に曝すプラズマアーク開
    口をもちさらに一次巻き線ネットワーク及び該一次巻き
    線ネットワークにより駆動される二次巻き線ネットワー
    クをもつ入力トランスを有する電極及びノズル、前記の
    電極及びノズルの間にパイロットアークを生ずるための
    該二次巻き線ネットワークにより駆動される第一の回路
    手段、前記の電極及び工作物の間にプラズマアークを生
    ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動される
    第二の回路手段、並びに前記の第一の回路手段及び前記
    の第二の回路手段の間をシフトするための手段を含むタ
    イプのプラズマ装置を操作する方法において、該方法
    は、 （ａ）前記の第一の回路手段を駆動するために第一の有
    効な巻き数を第一の巻き線手段として前記二次巻き線ネ
    ットワークに設け、そして前記の第二の回路手段を駆動
    するための第二の有効な巻き数を第二の巻き線手段に設
    ける工程； （ｂ）前記の第一及び第二の回路手段のひとつにおける
    電流レベルを感知する工程；及び （ｃ）前記の感知された電流レベルが所定の値を越える
    とき、前記の第二の回路手段にシフトする工程を含む方
    法。
  24. 【請求項２４】 （ｄ）前記の第一及び第二の回路手段
    の一つにおける電流値を感知する工程；及び （ｅ）前記の感知された電流値が所定のレベルより低い
    とき、前記の第一の回路手段にシフトする工程をさらに
    含む請求項２３の方法。
  25. 【請求項２５】 電極を工作物に曝すプラズマアーク開
    口を有しそして一次巻き線ネットワーク及び該一次巻き
    線ネットワークにより駆動される二次巻き線ネットワー
    クをもつ入力トランスを有する電極及びノズル、前記の
    電極及びノズルの間にパイロットアークを生ずるための
    該二次巻き線ネットワークにより駆動される第一の回路
    手段、前記の電極及び工作物の間にプラズマアークを生
    ずるための該二次巻き線ネットワークにより駆動される
    第二の回路手段、並びに前記の第一の回路手段及び前記
    の第二の回路手段の間をシフトするための手段を含むプ
    ラズマ装置において、前記の第一の回路手段及び前記の
    第二の回路手段の一つにおける電流レベルを感知する第
    一の感知手段、並びに前記の感知された電流レベルが所
    定の値を越えるとき、前記の第二の回路手段にシフトす
    る手段を含むプラズマ装置。
  26. 【請求項２６】 前記の第一及び第二の回路手段の一つ
    における電流値を感知する第二の感知手段、及び前記の
    感知された電流値が所定のレベルより低いとき、前記の
    第一の回路手段にシフトする手段を含む請求項２５のプ
    ラズマ装置。
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