JP3417508B2 - プラズマトーチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマトーチの
一部をワークに接触させながら溶接、または切断加工を
行うようにしたプラズマトーチに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】プラズマ溶接や切断加工において、溶接
及び切断品質が重視されるときには、プラズマトーチの
ノズル先端とワーク（被溶接材）との距離（スタンドオ
フ）を一定に保ちながら作業を行う必要があるので、特
にプラズマトーチの一部をワークに接触させながら作業
を行うようにしたプラズマトーチが用いられ、このよう
なプラズマトーチは実公平３−９９０２号公報、特開平
７−１６７５２号公報にて開示されている。 【０００３】この従来のプラズマトーチでは、耐熱性を
有する材料で構成された巻きばね部材をトーチ本体に外
嵌させ、これのトーチ下方にのびる脚部をワークに押し
当てながらワーク切断するようにしている。他の従来の
プラズマトーチにあっては、トーチ先端に取り付けた保
持キャップをワークに押し当てながら点溶接するように
している。 【０００４】しかしながら、この従来の技術では、プラ
ズマトーチに設けたワークに押し付ける部材は、プラズ
マアークの輻射熱、及びワークからの熱伝導によってか
なりの高温にさらされるため、従来のプラズマトーチ等
のキャップとして用いられてきたようなセラミック材で
このワークへの接触部材を構成した場合、接触部材が割
れたり、欠けたりしてしまうので、信頼性、ランニング
コスト等の点で不利である。 【０００５】ところが、接触部材を非絶縁体、特に銅等
の高熱伝導率を有する金属で構成した場合、プラズマア
ークの着火時に発生する高周波電流が接触部材を経由し
てワークにリークしてしまい、これが原因で異常放電が
発生したり、着火不能になったりするという問題があ
る。 【０００６】このような高周波電流のリーク問題を解決
するために、実公平２−３９６５７号公報に示されてい
るように、プラズマトーチのトーチ本体の端部と、ノズ
ルをシールドガス通路を隔てて同心円状に取り囲む絶縁
性のキャップの端部間に、その両端部を囲うようにした
絶縁性の保護パッキングを介挿して、トーチ本体と絶縁
性キャップの間からワーク側へ高周波電流がリークする
のを防止するようにしたプラズマトーチが提案されてい
る。 【０００７】上記実公平２−３９６５７号公報で示され
たプラズマトーチでは、プラズマトーチのトーチ本体の
端部と、ノズルをシールドガス通路を隔てて同心円上に
取り囲む絶縁性のキャップの端部間に装着したパッキン
グは、電気的絶縁と耐熱性のある絶縁部材で構成されて
おり、プラズマトーチから被加工物への高周波電流のリ
ーク、すなわち、異常放電を防止しようとしている。 【０００８】しかしながら、この構成を用いてトーチの
一部（この場合絶縁性キャップ）をワークに接触させな
がら溶接や切断などの作業を行なった場合、プラズマア
ークの温度は数万度にも達するために、絶縁性キャップ
を例えばセラミックなどの耐熱性の高い部材で構成した
としても、耐熱性に問題があり、寿命が極端に短くなっ
てしまう。 【０００９】この耐熱性の問題をクリアするためにはキ
ャップを熱伝導率に優れた金属で構成し、かつこのキャ
ップを水冷しながら作業を行うしかないが、この場合、
上述したようにこの金属製のキャップを経由して高周波
電流がワークへリークして異常放電が発生したり、着火
不能になってしまうといった問題がある。 【００１０】次に、金属製のキャップを用いた従来の技
術を説明する。プラズマアークは通常、パイロットアー
クと呼ばれる小電流のアークをプラズマトーチの電極と
トーチノズルに発生させ、そのパイロットアークを母材
に到達させてメインアークを電極とワークとの間に発生
させるようにしている。このメインアークはその特性か
らプラズマアークと呼ばれ、非常に高いエネルギ密度と
高いアーク指向性が特徴となっている。 【００１１】上記プラズマアークの着火のメカニズムを
図１を用いて説明する。アーク着火にはまず、電極１と
トーチノズル２の間にパイロットアークを発生させる必
要がある。このとき、アーク切換えスイッチ３が閉路状
態になっており、直流電源４−アーク切換えスイッチ３
−高周波用カップリングコイル５−トーチノズル２−絶
縁空間６−電極１−直流電源４の回路ができる。 【００１２】ただし、このとき、パイロット電流をこの
回路に流すためには電極１とトーチノズル２の間には絶
縁空間６（ただし、この絶縁空間６にはプラズマガスが
充満している）があるので、この絶縁空間６を破壊する
必要がある。 【００１３】そのため、パイロットアーク起動時には、
高周波電源（図示せず）で発生させた高周波の非常に高
い電圧を高周波用カップリングコイル５の一次側にかけ
て、高周波用カップリングコイル５−コンデンサ７ａ−
電極１−トーチノズル２−カップリングコイル５の回路
により共振回路を形成し、電極１とトーチノズル２の間
に高電圧の高周波電流をかけて上記絶縁空間６を破壊し
て、パイロットアークの回路を形成する。 【００１４】その後、パイロットアークがワーク８に到
達して直流電源４−電流計９−ワーク８−電極１−直流
電源４のメインアーク回路ができる、この回路ができた
ことは電流計９で電流を検出することで検知でき、この
メインアーク回路ができたのを検知してからアーク切換
えスイッチ３をオフさせてパイロットアーク回路を開路
状態にしてパイロットアークを消弧させ、メインアーク
へ移行する。なお７ｂは高周波電流を直流電源４から分
離させるためのコンデンサである。また１０ａはノズル
キャップである。 【００１５】図１は高周波用カップリングコイル５がト
ーチノズル２に接続されている場合であり、高周波用カ
ップリングコイル５が電極１に接続している場合は図３
に示すような回路構成となるが、アーク発生のメカニズ
ムは、図１の回路構成と同様である。 【００１６】次に、ワーク８にプラズマトーチのスタン
ドオフ保持用接触型キャップ１０ｂを接触させながら溶
接、または切断などの作業を実施したときのアーク着火
のメカニズムを図２に示した電気回路を用いて説明す
る。 【００１７】プラズマトーチのスタンドオフ保持用接触
型キャップ１０ｂは上述したように、耐熱性の問題から
セラミック材等で構成した場合、これの信頼性やランニ
ングコスト等の点で不利である。特にセラミックは大変
高価であるので、このような使用方法においてはランニ
ングコストが著しく増大してしまう。 【００１８】従って、このスタンドオフ保持用接触型キ
ャップ１０ｂは高熱伝導性を有する金属材で構成する必
要がある。この場合、スタンドオフ保持用接触型キャッ
プ１０ｂはワーク８と同電位になるので、上述した高周
波電源起動時は、電極１−コンデンサ７ａ−高周波用カ
ップリングコイル５−トーチノズル２−絶縁空間６−電
極１の回路と、スタンドオフ保持用接触型キャップ１０
ｂ−ワーク８−コンデンサ７ｂ−高周波用カップリング
コイル５−トーチノズル２−絶縁空間１１−スタンドオ
フ保持用接触型キャップ１０ｂの回路は全くの等価回路
になってしまう。 【００１９】 【発明が解決しようとする課題】このため、本来電極１
とトーチノズル２間の絶縁空間６の絶縁を破壊するため
の高周波電流で、トーチノズル２とスタンドオフ保持用
接触型キャップ１０ｂ間の絶縁空間１１の絶縁を破壊し
てしまった場合、パイロットアークは発生できず、着火
不能になってしまう。 【００２０】また正常に前者の回路で電極１とトーチノ
ズル２間の絶縁空間６で絶縁破壊がおこったときでも、
直流電源４からプラズマトーチまでの配線長さが長い場
合、配線の持つ抵抗（この場合は電源が高周波電源なの
で、配線が持つ自己インダタタンス）が大きくなるの
で、トーチノズル２を通過する電荷が遅延してしまい、
トーチノズル２からスタンドオフ保持用接触型キャップ
１０ｂへの放電が発生して後者の回路で電荷が移動する
（電流が発生する）ことがある。 【００２１】この状態でメインアークへ移行した場合、
正規の電極１−ワーク８のアークのほかに、電極１−ト
ーチノズル２−スタンドオフ保持用接触型キャップ１０
ｂ−ワーク８という電流経路が発生してしまう。このよ
うに、正常なアークが発生する位置以外の部分に電流が
分流してしまう現象を異常放電と呼んでいるが、この異
常放電が発生したときはアークの電流が不足してワーク
８の加工品質が劣化したり、電極１やトーチノズル２な
どの消耗品寿命が極端に劣化してしまう。 【００２２】次に図３に示すように高周波用カップリン
グコイル５を電極１に接続した回路構成でワーク８にプ
ラズマトーチのスタンドオフ保持用接触型キャップ１０
ｂを接触させながら溶接、または切断などの作業を実施
したときのアーク着火メカニズムを図４に基づいて説明
する。 【００２３】図４に示す回路構成において、上述の高周
波電源起動時に発生する可能性のある回路は、電極１−
高周波用カップリング５−第１コンデンサ７ａ−トーチ
ノズル２−第１の絶縁空間６−電極１のみであるから、
絶縁破壊は第１の絶縁空間６でのみ発生し、異常放電な
どの不具合は発生しないように思われる。 【００２４】しかし現実には異常放電がたびたび発生
し、高周波用カップリングコイル５をトーチノズル２に
接続したときと同様に消耗品寿命が極端に短かくなるこ
とがわかった。 【００２５】この原因は上述のように、正常に第１の絶
縁空間６で絶縁破壊がおこったときでも直流電源４から
プラズマトーチまでの配線長さが長い場合、配線の持つ
抵抗（配線が持つ自己インダクタンス）が大きくなるの
でトーチノズル２を通過する電荷が遅延してしまい、ト
ーチノズル２からスタンドオフ保持用接触型キャップ１
０ｂへの放電が発生してトーチノズル２−ワーク８−高
周波用カップリングコイル５の回路が形成されて異常放
電が発生してしまうことがわかった。 【００２６】本発明は上のことにかんがみなされたもの
で、ワークにプラズマトーチの一部を接触させながら電
極からのプラズマアークを、電極の周囲から流入する作
動ガスと共にトーチノズルより噴出して作業を行うプラ
ズマトーチにおいて、プラズマトーチのワークとの接触
部位を熱伝導率に優れた金属材で構成することができる
と共に、高周波電流がプラズマトーチからワークへリー
クして異常放電が発生したり、着火不能になるのを防止
できるようにしたプラズマトーチを提供することを目的
とするものである。 【００２７】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプラズマトーチは、ワークにプラズマ
トーチのスタンドオフ保持用接触型キャップを接触させ
ながら電極からのプラズマアークを、電極の周囲から流
入する作動ガスと共にトーチノズルより噴出して作業を
行なうプラズマトーチにおいて、上記スタンドオフ保持
用接触型キャップを非絶縁体で構成し、ワークに接触し
てワークと同電位となるスタンドオフ保持用接触型キャ
ップとトーチノズルとの間に高周波バイパス手段を介装
し、トーチ本体側に付属して設けた構成になっている。 【００２８】 【００２９】 【作 用】高周波電源起動時において、電極とトーチノ
ズルとの間の絶縁空間が破壊された後、トーチノズルを
通過する電荷が遅延してこのトーチノズルにあふれた電
荷は、高周波バイパス手段を経由してワークへ逃げる。
パイロットアークの発生後の高周波バイパス手段のイン
ピーダンスは無限大となるので異常放電は発生せず、正
常なアークのみが発生する。 【００３０】 【発明の実施の形態】本発明者らは、上記異常放電現象
の対策について鋭意研究、実験をした結果、この異常放
電の発生を防止するには、 （１）直流電源（プラズマ電源）からプラズマトーチま
での配線長さを短くして、配線の持つ自己インダクタン
スを異常放電が発生しないレベルまで小さくする。 （２）高周波電源起動時にトーチノズルにあふれた電荷
を別回路でワーク８、またはワーク８と同電位の部分へ
逃がす。といったことが有効であることを見い出した。 【００３１】そこで次の実験を行った。 （実験１） ・目的 トーチケーブルの配線長さをどれぐらいまで短くすれば
高周波電流が原因の異常放電が発生しなくなるかを調査
する。 ・実験装置 この実験装置には表１に示す仕様のものを用いた。 【００３２】 【表１】 【００３３】・実験水準、及び実験結果 実験水準１，〜５に対する実験結果は表２に示すように
なった。 【００３４】 【表２】 【００３５】・結論 高周波電流が原因の異常放電を防止するためには、トー
チケーブルの長さを約３ｍ未満にする必要があることが
わかった。 【００３６】次に対策案（２）についての調査を行っ
た。この対策案（２）を実現するためには付加する回路
は高周波（交流）電流による起動時のみ電荷をにがし、
パイロットアーク及びメインアーク（直流）へ移行した
後は絶縁状態（または絶縁状態に近い高い抵抗を持つ）
となる特性が必要で、いわゆる高周波バイパス手段が有
効である。 【００３７】そこで発明者は、高周波バイパス手段とし
て図５に示すようなコンデンサを用いたハイパスフィル
タ１２をトーチノズル２と、熱伝導率に優れた金属材か
らなり、ワーク８に接触してこれと同電位になるスタン
ドオフ保持用接触型キャップ１０ｂとの間に介装し、ト
ーチ本体側に付属して設けた。 【００３８】このように構成すれば、高周波電源起動時
のハイパスフィルタ１２のインピーダンスは略ゼロと考
えて良いから、第１の絶縁空間６を破壊した後、トーチ
ノズル２を遅延して通過してこのトーチノズル２にあふ
れた電荷は、ハイパスフィルタ１２を経由してワーク８
に接触してこれと同電位となっているスタンドオフ保持
用接触型キャップ１０ｂからワーク８へ逃げる。 【００３９】その後、パイロットアーク及びメインアー
クへ移行すると、アークが直流であることによりハイパ
スフィルタ１２のインピーダンスは無限大となるので異
常放電は発生せず、正常なアークのみが発生する。発明
者はこの原理を確認するために次の実験を行った。 （実験２） ・目的 高周波電源起動時にノズルにあふれた電荷をハイパスフ
ィルタ１２を経由してワーク８、またはこれと同電位の
部分へ逃がして異常放電を防止できることを確認する。 ・実験装置 この実験装置には表３に示す仕様のものを用いた。 【００４０】 【表３】【００４１】・実験水準、及び実験結果 実験水準１，〜７に対する実験結果は表４に示すように
なった。 【００４２】 【表４】 【００４３】・結論 プラズマトーチのトーチノズル２の同電位の部分とワー
ク８と同電位の部分にハイパスフィルタ１２を追加する
ことにより、高周波電源起動時にトーチノズル２にあふ
れた電荷をハイパスフィルタ１２を経由してワーク８、
またはワーク８と同電位の部分へ逃がして異常放電が防
止される。またトーチノズル２−ワーク８間の電位レベ
ルは高周波電圧の約１／３〜１／２であり、バイパスフ
ィルタ１２の追加により上記電位の発生時間が約４μｓ
ｅｃから１．２μｓｅｃに減少された。 【００４４】ただし、ハイパスフィルタ１２の配線長さ
が５ｍ以上になると配線の持つインピーダンスが大きく
なるため、異常放電が発生してしまうことがある。従っ
て、ハイパスフィルタ１２の配線長さは約５ｍ未満にす
る必要があり、その効果を最大限に生かすためにはハイ
パスフィルタ１２をプラズマトーチ内部に、またはその
近傍に設けて、これの配線長さをできる限り短くするこ
とが必要である。なお上記配線長さが短かくできるなら
ば、ハイパスフィルタ１２の一方の端子を作業の都度ワ
ーク８に接続するようにしてもよい。 【００４５】 【発明の効果】本発明によれば次のような作用効果を奏
する。 （１）トーチノズル２と同電位の部分とワーク８と同電
位の部分との間にハイパスフィルタ１２を高周波バイパ
ス手段として設けたことにより、高周波電源起動時で、
高周波電流発生時にトーチノズル２にあふれた電荷がワ
ーク８側へバイパスさせることができ、これにより、ワ
ーク８にプラズマトーチの先端部である金属材料で構成
されたスタンドオフ保持用接触型キャップを接触させな
がら溶接、及び切断などの作業を行っても高周波電流が
原因で発生する異常放電を防止できた。 （２）ワーク８に接触させるスタンドオフ保持用接触型
キャップを熱伝導率の高い銅等の金属材料を水冷しなが
ら使用するとが可能となり、スタンドオフ保持用接触型
キャップの寿命を大幅に向上させることができた。 （３）上記ハイパスフィルタ１２を高周波バイパス手段
としてプラズマトーチ内部及びその近傍に設けることに
より、プラズマトーチにおける異常放電の防止効果を向
上することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】先端部をワークに接触させない場合の従来のプ
ラズマトーチの電気回路図である。 【図２】先端部をワークに接触させる場合の従来のプラ
ズマトーチの電気回路図である。 【図３】先端部をワークに接触させない場合の他の従来
のプラズマトーチの電気回路図である。 【図４】先端部をワークに接触させる場合の他の従来の
プラズマトーチの電気回路図である。 【図５】先端部をワークに接触させるようにしたプラズ
マトーチの本発明の実施例を示す電気回路図である。 【符号の説明】 １…電極 ２…トーチノズル ３…アーク切換えスイッチ ４…直流電源 ５…高周波用カップリングコイル ６，１１…絶縁空間 ７ａ，７ｂ…コンデンサ ８…ワーク ９…電流計 １０ａ…キャップ １０ｂ…スタンドオフ保持用接触型キャップ １２…ハイパスフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−50234（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−216861（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−281444（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−46547（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−5672（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−4351（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭51−31788（ＪＰ，Ｂ２) 実公 平６−41732（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 10/00 H05H 1/26 H05H 1/36

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ワークにプラズマトーチのスタンドオフ
   保持用接触型キャップを接触させながら電極からのプラ
   ズマアークを、電極の周囲から流入する作動ガスと共に
   トーチノズルより噴出して作業を行なうプラズマトーチ
   において、 上記スタンドオフ保持用接触型キャップを非絶縁体で構
   成し、ワークに接触してワークと同電位となるスタンドオフ保
   持用接触型キャップとトーチノズルとの間に高周波バイ
   パス手段を介装し、トーチ本体側に付属して設けた こと
   を特徴とするプラズマトーチ。