JP3585094B2 - 交流プラズマ装置のメインア−ク停止方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流プラズマ装置に関し、特に、大電流に耐えるように水冷電極を用いた交流プラズマ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流プラズマ装置は、アルミニウムなど、表面に酸化被膜を生じ易い金属の溶接，切断，溶削等（以下単にプラズマ加工と称す）に適している。
【０００３】
例えば、メインア−ク電流を２５０Ａとして高速でアルミ溶接をしようとする場合、電極が高熱となって溶損するおそれがあるので、電極を水冷し、また先端チップも水冷するのが好ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
水冷電極とその側面周りを包囲する先端チップとの間に相対的に、先端チップを正極，水冷電極を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給して連続してパイロットア−クを維持し、メインア−クスイッチのオンによって加工対象材と水冷電極との間に交流メインア−ク電流を供給し、オフによって遮断するが、交流メインア−ク電流の遮断時に、水冷電極にすると、パイロットア−クも消えることが多い。パイロットア−クが消えると、ガス供給も停止してプラズマ装置を不使用の状態に戻し、そして全て停止状態からプラズマ装置を起動する必要があり、手間がかかる。自動加工の場合には、設定シ−ケンス通りに次の加工作業に進むことができなくなる。
【０００５】
本発明は水冷電極を用いる交流プラズマ装置の、メインア−ク停止時のパイロットア−クの消滅（失弧）をなくすことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、交流プラズマ装置の、メインア−ク停止時のパイロットア−クの消滅（失弧）の原因を検討し、加工対象物が負極で水冷電極が正極のときにメインア−クを遮断するとパイロットア−クが消滅することが多く、逆に加工対象物が正極で水冷電極が負極のときにメインア−クを遮断するとパイロットア−クは消滅しないことを、メインア−ク停止時の交流極性の監視によって確認した。この理由は次のように考えられる。
【０００７】
すなわち、加工対象材が負極，水冷電極が正極の期間（逆極ア−ク期間）では、先端チップ／加工対象材間の、パイロットア−ク電源によるパイロットア−ク電流と、交流メインア−ク電源によるメインア−ク電流の向きが同じ（同極性）であるので、また、水冷電極が低温で先端チップ／水冷電極間の抵抗が大きいので、パイロットア−ク電源が与えるパイロット電流が、正常なパイロットア−ク通路である先端チップから水冷電極に流れるよりも、異常通路である先端チップから加工対象材に流れそして交流メインア−ク電源を通ってパイロットア−ク電源に戻るバイパスル−プに分流し、水冷電極と先端チップ間に発生する正常なパイロットア−ク電流が大きく減衰する。このときメインア−ク電流が切られると、先端チップ／水冷電極間の抵抗が大きいのでパイロット電流が回復（復帰）せず、メインア−ク電流が止まると同時にパイロット電流も切れてしまう。特に、電極が水冷電極の様に、電極先端が高温に加熱しない場合、電子放出が悪く、パイロット電流が切れると電圧印加してもパイロットア−クの再点弧性が非常に悪く、パイロットア−クが切れ易い。
【０００８】
これに対して、加工対象材が正極，水冷電極が負極の期間（正極ア−ク期間）では、先端チップ／加工対象材間の、パイロットア−ク電源による加工対象材と交流メインア−ク電源に分流しようとするパイロットア−ク電流と、交流メインア−ク電源によるメインア−ク電流の向きが逆であるので、パイロットア−ク電流は交流メインア−ク電源に分流せず、先端チップ／水冷電極間を流れ、パイロットプラズマを維持するので、ここでメインア−ク電流が止まっても、パイロットア−ク電流は切れない。
（１）そこで本発明では、水冷電極（１）とその側面周りを包囲する先端チップ（２）との間に相対的に、先端チップ（２）を正極（＋），水冷電極を負極（−）として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極（１）とそれに対向する加工対象材（３）との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クを停止するとき、加工対象材（３）が水冷電極（１）に対して相対的に正極（正極ア−ク期間）のときにメインア−ク電流を遮断する。
【０００９】
なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の記号又は対応事項を、参考までに付記した。以下も同様である。
【００１０】
これによれば、上述のように、先端チップ（２）／加工対象材（３）間の、パイロットア−ク電源（４）によるパイロットア−ク電流と、交流メインア−ク電源（５）によるメインア−ク電流の向きが逆であるので、パイロットア−ク電流は交流メインア−ク電源（５）に分流せず、先端チップ（２）／水冷電極（１）間を流れ、パイロットプラズマを維持するので、ここでメインア−ク電流が止まっても、パイロットア−ク電流は切れない。
（２）水冷電極（１）とその側面周りを包囲する先端チップ（２）との間に相対的に、先端チップ（２）を正極，水冷電極（１）を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極（１）とそれに対向する加工対象材（３）との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クを停止するとき、加工対象材（３）を水冷電極（１）に対して相対的に正極に固定してからメインア−ク電流を遮断する。
【００１１】
これによれば、メインア−クが正極ア−クに強制的に定められてからメインア−ク電流が遮断されるので、メインア−ク電流の遮断タイミングの設定が容易であり、パイロットア−ク電流を消すことなくメインア−クを遮断する制御の信頼性が高い。
（３）水冷電極（１）とその側面周りを包囲する先端チップ（２）との間に相対的に、先端チップ（２）を正極，水冷電極（１）を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極（１）とそれに対向する加工対象材（３）との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クを停止するとき、加工対象材（３）を水冷電極（１）に対して相対的に正極の直流に切換え、この切換えから前記交流の一周期以上の時間（ｄＴ）経過後にメインア−ク電流を遮断する。
【００１２】
これによれば、直流に切換えられてメインア−クが正極ア−クとなり、しかも先の交流の一周期以上が経過してからメインア−ク電流が遮断されるので、メインア−ク電流の遮断タイミングの設定が容易であり、パイロットア−ク電流を消すことなくメインア−クを遮断する制御の信頼性が高い。
（４）水冷電極（１）とその側面周りを包囲する先端チップ（２）との間に相対的に、先端チップ（２）を正極，水冷電極（１）を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極（１）とそれに対向する加工対象材（３）との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クスイッチ（ＰＢ１）のオンからオフへの切換りに応じて加工対象材（３）／水冷電極（１）間に、加工対象材（３）を正極とする直流を切換印加する交直切換え手段（Ｒ０〜Ｒ２，１１）；および、
前記切換りに応じて時限動作を開始し設定時間ｄＴを計時するとメインア−ク電流を遮断する時限手段（Ｔ１，Ｒ１）；
を備える、交流プラズマ装置のメインア−ク停止装置。
【００１３】
これによれば、直流に切換えられてメインア−クが正極ア−クとなり、しかも設定時間ｄＴが経過してからメインア−ク電流が遮断されるので、パイロットア−ク電流を消すことがないメインア−ク遮断、の信頼性が高い。
【００１４】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１５】
【実施例】
図１に、本発明を実施する装置の要部を示す。プラズマト−チＴＣＨは、太さに対して長さが短い独楽型の水冷電極１をその背面から水冷により冷却するものである。水冷電極１の側周面を包囲する先端チップ２にも冷却水流路が形成されており、先端チップ２も冷却水によって強制冷却される。水冷電極１の外周面と先端チップ２の内壁面の間にはパイロットガスが供給される。先端チップ２の外側にはカバ−スリ−ブがあり、先端チップ２とカバ−スリ−ブとの間にはシ−ルドガスが供給される。
【００１６】
先端チップ２と、水冷電極１を支持しそれと一体であって同一電位の電極支持カップに、限流抵抗およびパイロットア−ク電源４が接続されている。パイロットア−ク電源４には、図示しないが、パイロットア−ク起動用の高周波電圧発生器，パイロットア−ク給電用の直流ア−ク電源およびパイロット起動スイッチがあり、パイロットア−ク起動用の流量でパイロットガスを供給した状態でパイロット起動スイッチをオンにすると、高周波電圧発生器が高周波高電圧を先端チップ２／水冷電極１間に印加する。これにより先端チップ２／水冷電極１間が絶縁破壊（放電）すると、直流ア−ク電源から先端チップ２／水冷電極１間にパイロットア−ク電流が流れ、パイロット起動スイッチがオフになるまで、先端チップ２／水冷電極１間にパイロットア−ク電流が継続して流れる。
【００１７】
パイロットガス流量をメインプラズマア−ク用の高流量とし、かつシ−ルドガスの供給を開始してから、メインア−クスイッチＰＢ１をオンにすることにより、インバ−タ５が、水冷電極１／加工対象材３間への交流メインア−ク電流の供給を開始し、水冷電極１／加工対象材３間にメインプラズマア−クが発生する。パイロットア−クは、このメインプラズマア−クを発生し維持するための火種である。特に、交流プラズマア−クでは、電流方向の異なる正極ア−ク電流と逆極ア−ク電流が交互に繰り返えされ、極性が反転する時、ア−ク電流はいったん０（Ａ）（ア−クＯＦＦ）となり、メインア−クが再点弧する際にパイロットア−クの補助の役割は大きい。
【００１８】
図２に、図１に示す制御系電気回路各部に現われる電気信号を示す。以下、図１と共に図２も参照されたい。図１に示すメインア−ク・オン／オフ制御器１４のメインア−クスイッチＰＢ１をオンにすると、リレ−Ｒ０が通電（オン）されて、その常開接片ｒ０１が閉じて（オン）、これによりリレ−Ｒ１が通電（オン）されると共に、リレ−Ｒ０の常閉接片ｒ０２が開く（オフ）。リレ−Ｒ１がオンしたことによりその、常開の自己保持接片ｒ１１が閉じ、仮にリレ−Ｒ０がオフしてその常開接片ｒ０１が開いても、リレ−Ｒ１はオンを継続する（自己保持）。リレ−Ｒ１のオンにより、その常開接片ｒ１２が閉じるが、リレ−Ｒ０の常閉接片ｒ０２が、リレ−Ｒ０のオンにより開いているので、タイマＴ１およびリレ−Ｒ２は通電されない。すなわちオフを継続する。
【００１９】
上述の、リレ−Ｒ１のオンにより、交流信号発生器８とスイッチングドライバ７の間の常開接片ｒ１３が閉じ、交流信号発生器８が発生する交流信号Ｓａｃが、スイッチングドライバ７に与えられ、これが、メインア−クスイッチＰＢ１がオフになるまで継続する。
【００２０】
交流信号発生器８は、５０Ｈｚの三角波を発生する基本波発生器，該三角波を可変抵抗器９の設定電圧Ｖ１と比較して、三角波レベルがＶ１以上であると高レベルＨ、そうでないと低レベルＬの２値信号に変換する比較器、および２値信号がＨの間は＋Ｖｃレベル，Ｌの間は−Ｖｃレベル（それらの中間が０：基準レベル＝機器ア−スレベル）の、交流信号（３値信号）Ｓａｃを発生する出力増幅器を含む。常開接片ｒ１３が閉じている間のみ、この交流信号Ｓａｃが、スイッチングドライバ７に与えられる。常開接片ｒ１３が閉じている間のみの交流信号Ｓａｃが、スイッチングドライバ７へのスイッチング制御信号Ｓｃｃである。これらの信号Ｓａｃ，Ｓｃｃを図２に示す。
【００２１】
スイッチング制御信号Ｓｃｃの＋Ｖｃレベルは、「正極ア−ク」の発生を指示し、これに応答してスイッチングドライバ７は、チョッパであるトランジスタＨブリッジ６の正極ア−ク通電用のトランジスタＴｐ１，Ｔｐ２を導通とする。他のトランジスタＴｎ１，Ｔｎ２は非導通である。これにより、直流電源１０の＋出力端がチョ−クおよびＴｐ１を通して加工対象材３に接続され、直流電源１０の−出力端がトランジスタＴｐ２を通して水冷電極１に接続され、加工対象材３（＋）から水冷電極１（−）に向かってメインプラズマア−ク電流が流れる。なお、この「正極ア−ク」通電期間では、メインプラズマア−ク電流が、先端チップ２から水冷電極１へのパイロットア−ク電流の通電を助ける方向であるので、仮にメインプラズマア−ク電流がそこで途絶えても、パイロットア−ク電流は消えない。
【００２２】
スイッチング制御信号Ｓｃｃの−Ｖｃレベルは、「逆極ア−ク」の発生を指示し、これに応答してスイッチングドライバ７は、トランジスタＨブリッジ６の逆極ア−ク通電用のトランジスタＴｎ１，Ｔｎ２を導通とする。他のトランジスタＴｐ１，Ｔｐ２は非導通である。これにより、直流電源１０の＋出力端がチョ−クおよびＴｎ１を通して水冷電極１に接続され、直流電源１０の−出力端がトランジスタＴｎ２を通して加工対象材３に接続され、水冷電極１（＋）から加工対象材３（−）に向かってメインプラズマア−ク電流が流れる。なお、この「逆極ア−ク」通電期間では、メインプラズマア−ク電流が、先端チップ２から水冷電極１へのパイロットア−ク電流の通電を抑える方向であるので、先端チップ２／水冷電極１間のパイロットア−ク電流は減少し、仮にメインプラズマア−ク電流がそこで途絶えると、先端チップ２／水冷電極１間のパイロットア−ク電流が消え易い（復帰すなわち再発弧しにくい）。
【００２３】
メインア−クスイッチＰＢ１がオフに戻されると、リレ−Ｒ０がオフに戻り、これにより常開接片ｒ０１が開く。しかし、自己保持接片ｒ１１が閉じているので、リレ−Ｒ１はオンを継続する。リレ−Ｒ０のオフにより常閉接片ｒ０２が閉じ、これによりタイマＴ１およびリレ−Ｒ２がオンになる。リレ−Ｒ２のオンにより、常開接片ｒ２が閉じ、これにより正極直流ア−ク設定用の可変抵抗器１１の低電位Ｖ２が、交流信号発生器８の、２値化用比較器に、しきい値として加わる。その直前まで高電位Ｖ１が加わっていたが、ｒ２の閉によりこの高電位Ｖ１が低電位Ｖ２に放電し、しきい値がＶ２からＶ１に低下する。したがって制御信号Ｓｃｃが＋Ｖｃの直流となり、直流「正極ア−ク」通電（Ｔｐ１，Ｔｐ２オン）となる。
【００２４】
タイマＴ１には、５０Ｈｚ交流の２周期の時間（４０ｍｓｅｃ）が時限値ｄＴとして設定されており、その時間が経過したときに、タイムオ−バして常閉接片ｔ１を開く。これによりリレ−Ｒ１がオフに転じ、自己保持接片ｒ１１が開き、しかも、タイマＴ１およびリレ−Ｒ２に給電していた常開接片ｒ１２と、スイッチングドライバ７に制御信号Ｓａｃを与えていた常開接片ｒ１３が、開く。ｒ１３の開により、制御信号Ｓｃｃがメインプラズマア−クのオフを指示する基準電位（０：機器ア−ス）となり、これに応答してスイッチングドライバ７が全トランジスタＴｐ１，Ｔｐ２，Ｔｎ１，Ｔｎ２をオフ（非導通）に拘束する。これによりメインプラズマア−ク電流が途絶える。リレ−Ｒ１がオフに戻ったことにより、メインア−ク・オン／オフ制御器１４は、図１に示す、スイッチＰＢ１のオン待ちの、待機状態に戻る。
【００２５】
以上のように、「正極ア−ク」通電のときにメインプラズマア−クを遮断するので、これによってパイロットア−クが消えてしまうことがなくなり、メインア−クスイッチＰＢ１を繰返しオン／オフして、プラズマト−チＴＣＨを加工対象材の各所に移しつつ部分的に加工する場合や、加工対象材を次々に交換しながら実質上同一の加工を施す場合など、パイロットア−クは維持しつつメインプラズマア−クのみをオン／オフする加工作業の能率を、高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を一態様で実施する装置構成の主要部を示すブロック図である。
【図２】図１に示す制御回路の電気信号を示すタイムチャ−トである。
１：水冷電極 ２：先端チップ
３：加工対象材 ４：パイロットア−ク電源
９，１１：可変抵抗器 Ｒ０〜Ｒ２：リレ−
ｒ０１，ｒ０２，ｒ１１〜ｒ１３，ｒ２：リレ−接片
Ｔ１：タイマ ｔ１：タイマ接片

Claims (4)

1. 水冷電極とその側面周りを包囲する先端チップとの間に相対的に、先端チップを正極，水冷電極を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極とそれに対向する加工対象材との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クを停止するとき、加工対象材が水冷電極に対して相対的に正極のときにメインア−ク電流を遮断する、交流プラズマ装置のメインア−ク停止方法。
2. 水冷電極とその側面周りを包囲する先端チップとの間に相対的に、先端チップを正極，水冷電極を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極とそれに対向する加工対象材との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クを停止するとき、加工対象材を水冷電極に対して相対的に正極に固定してからメインア−ク電流を遮断する、交流プラズマ装置のメインア−ク停止方法。
3. 水冷電極とその側面周りを包囲する先端チップとの間に相対的に、先端チップを正極，水冷電極を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極とそれに対向する加工対象材との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クを停止するとき、加工対象材を水冷電極に対して相対的に正極の直流に切換え、この切換えから前記交流の一周期以上の時間経過後にメインア−ク電流を遮断する、交流プラズマ装置のメインア−ク停止方法。
4. 水冷電極とその側面周りを包囲する先端チップとの間に相対的に、先端チップを正極，水冷電極を負極として両者間にパイロットア−ク電流を供給し、水冷電極とそれに対向する加工対象材との間に交流メインア−ク電流を供給する交流プラズマ装置の、メインア−クスイッチのオンからオフへの切換りに応じて加工対象材／水冷電極間に、加工対象材を正極とする直流を切換印加する交直切換え手段；および、
   前記切換りに応じて時限動作を開始し設定時間ｄＴを計時するとメインア−ク電流を遮断する時限手段；
   を備える、交流プラズマ装置のメインア−ク停止装置。

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