JP4266206B2 - プラズマトーチの寿命検出装置 - Google Patents

Description

本発明はプラズマトーチの寿命検出装置に関するものである。

今日、鋼板やステンレス板等の被加工材に対して切断、溶接等の加工を効率良く行うプラズマ加工装置が広く普及している。このプラズマ加工装置ではプラズマトーチの先端部に取り付けた電極から被加工材に向けてアークを形成すると共にアークの周囲にプラズマガスを供給することで、被加工材に対してプラズマアークを噴射して被加工材を溶融させると共に溶融物を排除して切断加工を行い、或いは２枚の被加工材を対向させると共に対向する部位を溶融させて溶接加工を行うものである。

プラズマトーチの構成としては、電極の外周に銅材料等をロート状に成形したノズル部材を該電極に対して電気的絶縁（以下単に『絶縁』という。）を保持して設けたものが一般である。また前記ノズル部材の外周に同じく銅材料等をロート状に成形したノズル保護カバーを設けたものもある。

ノズル保護カバーはノズル部材が被加工材に衝突した際の衝撃等によるノズル部材の破損防止や被加工材に対する絶縁保持等の作用を有するものである。

ここで電極からノズル部材に一旦パイロットアークを形成し、そのアークを移行して電極−被加工材間にプラズマアークを形成する移行式プラズマ装置では、ノズル部材を導電性を有する材料で構成することが不可欠であり、更に成形加工の容易さや安価さからノズル部材およびノズル保護カバーを銅材料で構成するのが一般である。

しかし、電極の外周にノズル部材のみを設けた場合や、電極の外周にノズル部材とノズル保護カバーとを直接接触させて通電状態にして設けた場合には、加工中にノズル部材またはノズル保護カバーが被加工材と直接接触したり、或いはノズル部材またはノズル保護カバーに付着したスパッタが成長して間接的に被加工材と接触したような場合、被加工材とノズル部材またはノズル保護カバーを介したノズル部材とが同電位になり、電極とノズル部材との間にもアークが形成される所謂ダブルアークが発生する。このようなダブルアークが発生すると、電極やノズル部材或いはノズル保護カバーが短時間で溶損して破壊し、加工が中断するという問題がある。

上記問題を回避するために、ノズル部材の外側にノズル保護カバーを設け、且つノズル部材とノズル保護カバーとの間に絶縁部材を介して構成したり、ノズル保護カバーやノズル部材の外表面に絶縁処理を施す等して絶縁層を介して構成し、ノズル保護カバーをノズル部材に対して絶縁を保持して構成した技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この構成であっても、トーチの先端が被加工材に衝突するなどしてノズル部材とノズル保護カバーとの間に設けた上記絶縁部材や絶縁層が破損したり、電極の消耗やプラズマガスの流量不足、アーク電流の設定ミス等の何らかの原因でノズル部材、ノズル保護カバーが溶損或いは焼損して絶縁が破壊する虞がある。

そして、ノズル部材とノズル保護カバーとの間の絶縁が破壊された後に、ノズル保護カバーが直接或いは間接的に被加工材と接触した場合、上述したように電極とノズル部材、ノズル保護カバーとの間にダブルアークが発生する虞があり、ノズル部材、ノズル保護カバーおよび電極の保全が維持できないといった問題がある。

上記問題を回避するために、ノズル部材とノズル保護カバーとの間の絶縁が破壊されたこと、ノズル保護カバーまたはノズル部材と被加工材とが接触したことを夫々検出することによってプラズマトーチの保護を可能にする技術が開発されている（特許文献２参照）。

一方、ノズル部材、ノズル保護カバーは、使用に伴って消耗して先端部に形成されたプラズマアークを噴射するノズルの口径が大きくなる。ノズル部材のノズルが消耗して口径が大きくなると、噴射したプラズマアークの性状が変化して加工精度が低下することになる。特に、ノズル部材のノズルが消耗する際に円形を保持して口径が大きくなるとの保証はなく、加工方向によっても加工精度の差異が生じるようなこともある。

電極も同様に使用に伴って消耗する。この場合、プラズマトーチの被加工材からの高さを一定として制御するため、電極の消耗に伴って該電極と被加工材との間隔が拡大することとなり、プラズマアークの加工能力が低下することとなる。このため、電極の消耗に応じて加工精度が低下することとなる。

上記加工精度の低下は、プラズマトーチがプラズマ切断トーチである場合、切断面の粗度が大きくなることで現れ、プラズマトーチがプラズマ溶接トーチである場合、溶け込み深さの減少で現れる。

特許第３３３３３１１号公報 特許第３４７２６２５号公報

前述の特許文献２に記載の従来例は、ノズル部材とノズル保護カバーとの間の絶縁の破壊の検出と、ノズル保護カバーと被加工材の接触の検出を行うことを目的とするものであり、加工精度の低下（プラズマトーチの寿命）を検出することを目的としたものではない。

しかしながら、ノズル部材とノズル保護カバーとの間の絶縁が破壊した場合、ノズル保護カバーが被加工材に接触すると略同時に、電極、ノズル部材、ノズル保護カバーが破壊する虞がある。このため、ノズル部材とノズル保護カバーとの間の絶縁が破壊される前に、破壊に至る危険があること、即ちプラズマトーチの寿命を検出したいといった要求もある。

特に、プラズマトーチの加工目的に応じて、要求される加工精度に合わせたプラズマトーチの寿命を検出したいといった要求もある。例えば、加工目的が切断である場合、被加工材の切断面を粗度の小さい所謂精密切断する場合と、被加工材を単純に切り離す切り放し切断する場合と、では切断面の品質に対する要求は全く異なる。即ち、前者の場合にはノズル部材、ノズル保護カバーが破壊する以前であって、目的の切断に対する使用限界を寿命として検出するような要求があり、後者の場合にはノズル部材、ノズル保護カバーの破壊直前を寿命として検出するような要求がある。

即ち、プラズマトーチが破壊されたことを検出するのではなく、破壊に至る以前に、ある限界を越えたことを検出してプラズマトーチが寿命に達しことを検出するような要求がなされている。

さらに、前述の特許文献２に記載の従来例では、ノズル保護カバーと被加工材の接触を検出するための検出手段、認識手段が必要であり、コストをおさえたいという要求もあった。

そこで、本発明に係るプラズマトーチの寿命検出装置は、プラズマトーチの寿命を検出すること、要求される加工精度に合わせたプラズマトーチの寿命を検出することを目的とする。

前記目的を達成するために、本件発明者等がプラズマトーチの寿命の検出に関し、種々の実験を行ってきた。その結果、プラズマアークを発生させながら、互いに絶縁状態にあるノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を監視することで、電極、ノズル部材、ノズル保護カバーの寿命を検出することができること、を知見した。

即ち、ノズル部材とノズル保護カバー間の電圧は、電極の消耗に伴って増加し、ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗に伴って減少することが判明した。プラズマアークが発生している際に、ノズル部材とノズル保護カバーとの間に電圧が発生することの機構は解明されてはいない。しかし、プラズマアークが発生していないときに、ノズル部材とノズル保護カバーとの間に電圧が発生することがないため、プラズマアークが関与していることは明らかである。

上記ノズル部材とノズル保護カバー間の電圧が、電極の消耗に伴って増加するのは電極の消耗に伴って該電極と被加工材との距離が増大することに起因するものと思われ、ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗に伴って減少するのはプラズマアークの太さが大きくなることに起因するものと思われる。

従って、予め電極、ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗限界を設定すると共にこの限界に対応する電圧値を設定しておき、プラズマトーチのノズル部材、ノズル保護カバーからプラズマアークを噴射させている間、ノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を測定して、測定した電圧が設定された電圧値を越えたとき、プラズマトーチが寿命に達したとして認識することができる。

電極、ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗限界はプラズマトーチの加工目的に応じて設定することができる。例えば、加工が切断であり、目的が切断面の品質を高くして切断する所謂精密切断である場合、電極、ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗限界は、精密切断を保証し得る範囲に設定され、また目的が切断面の品質に関わらず被加工材を切り離す所謂切り放し切断である場合、消耗限界は、電極、ノズル部材、ノズル保護カバーが破壊に至る直前の範囲に設定される。

このように、本発明に於いて、電極、ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗を検出する限界は加工目的に応じて適宜設定することができる。

従って、上記課題を解決するための本発明に係るプラズマトーチの寿命検出装置の構成は、電極の外側に導電性を有するノズル部材を前記電極に対して電気的絶縁性を保持して設け、且つ前記ノズル部材の外側に導電性を有するノズル保護カバーを前記ノズル部材に対して電気的絶縁を保持して設けたプラズマトーチの寿命を検出する寿命検出装置であって、ノズル部材とノズル保護カバーとの間に前記ノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を検出する電圧検出手段を設け、プラズマアークが発生している時に前記電圧検出手段で検出した電圧が、電極が寿命に達したことを認識するために設定された所定の値を外れたとき電極の寿命を認識し、且つノズル部材が寿命に達したことを認識するために設定された所定の値を外れたときノズル部材の寿命を認識する認識手段を有することを特徴とした。

以上説明したように、本発明のプラズマトーチの寿命検出装置の構成により、プラズマトーチの寿命を検出することができる。

また、本発明の構成により、プラズマトーチの電極とノズル部材及びノズル保護カバーの寿命を検出することができる。

本発明に係るプラズマトーチの寿命検出装置は、電極と被加工材との間にプラズマアークを形成した状態で、互いに絶縁状態にあるノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を測定して監視することで、電極の消耗、ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗を検出し得るようにしたものである。

ノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を測定して監視する場合、監視すべき電圧値を目的の加工を満足することが可能な性能を保持し得る値として設定することで、被加工材の加工精度を保持して加工不良の発生を防止することができ、安定した加工を進めることが可能である。

本発明に於いて、プラズマトーチは、プラズマ切断トーチ、プラズマ溶接トーチ等のプラズマアークを被加工材に向けて噴射することで目的の加工を行う全てのプラズマトーチに適用することが可能である。しかし、加工目的の如何に関わらず、電極と、ノズル部材と、該ノズル部材に対し絶縁されたノズル保護カバーと、を有するプラズマトーチであれば良く、説明の簡略化のために以下の実施例では、被加工材を切断するプラズマ切断を実施するプラズマトーチについて説明する。

従って、加工精度とは、切断面の粗度を含む品質をいい、粗度が小さい場合に品質が良く、粗度が大きくなるのに伴って品質が低下する。切断面の粗度、品質は、予め粗度の大きさや切断面の平坦さ、傾きの大きさ等を含んで設定したモデル（級）があり、実際の切断面をこのモデルに対応させて、品質の程度（例えば１級、２級等）を決めている。

本発明に係るプラズマトーチの寿命検出装置の第一実施形態について、図を用いて説明する。図１はノズル部材の外側にノズル保護カバーを備えたプラズマトーチに本発明の寿命検出装置を取り付けた際の構成を示す模式図である。

（プラズマトーチ）
図１において、トーチ本体１の先端には該本体１の中心部に電極２が設けてあり、該電極２の外周には銅等をロート状に成形した導電性を有するノズル部材３が電極２に対して電気的絶縁を保持して設けてある。またノズル部材３の外周には該ノズル部材３の外径に対応させて銅等をロート状に成形した導電性を有するノズル保護カバー４がノズル部材３に対して電気的絶縁を保持して設けてある。

ノズル部材３とノズル保護カバー４との間の絶縁は両者の間に図示しない絶縁部材を設けたり、ノズル保護カバー４および／またはノズル部材３の表面に絶縁被膜をコーティングする等して絶縁層を介して構成することでノズル部材３とノズル保護カバー４との絶縁を保持することが可能である。

電極２と鋼板、ステンレス板等の導電性を有する被加工材Ｗとの間にはスイッチ６を介してプラズマ電源５が接続してあり、該プラズマ電源５の負極側には電極２が接続され、プラズマ電源５の正極側には被加工材Ｗが接続されている。またノズル部材３にはスイッチ６を介してプラズマ電源５の正極が接続されている。

（寿命検出装置）
次に寿命検出装置について説明する。ノズル部材３とノズル保護カバー４との間には電圧検出手段である電圧計７が接続されている。また電圧計７の接点側の端子には認識手段９が接続されている。

電圧計７は、プラズマアークを発生した時（切断時）に、ノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧を検出する。電圧計７が検出した電圧を検出信号として認識手段９に伝達する。

ここで、ノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧は、ノズル部材３、ノズル保護カバー４が消耗するにつれて下降する傾向にある。図２はノズル部材３、ノズル保護カバー４の消耗具合と電圧との関係を示した図である。またノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧は、電極２が消耗するにつれて上昇する傾向にある。

先ず、ノズル部材３、ノズル保護カバー４の消耗具合と電圧との関係について説明する。図２において、横軸にノズル部材３の先端部の口径をとり、縦軸にノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧をとっている。また、切断条件として、切断電流：４００Ａ、プラズマガス：酸素３５（Ｌ／min）、アシストガス：空気４０（Ｌ／min）とした。

図２に示すように、ノズル部材３が新品の時は、口径：３ｍｍ、電圧：２８Ｖとなっている。そして、良好な切断を行うことができる限界で、口径：３．３ｍｍに広がり、電圧：２０Ｖに下降する。さらに切断加工を続けることで切断不良が発生する、通常の切断を行うことができる限界で、口径：３．６ｍｍに広がり、電圧：７Ｖに下降する。

図２においてノズル部材３を対象として消耗具合を検出するのは、加工精度に対する影響はノズル部材の消耗によるものが多いためである。即ち、プラズマアークの断面形状や太さはノズル部材のノズルの形状や口径によって決まるため、ノズル部材の消耗が加工精度に与える影響はノズル保護カバーの消耗に比較して大きいからである。

即ち、ノズル部材、ノズル保護カバーが消耗するに際し、プラズマアークはノズル部材に形成されたノズルの内面に触れながら通過して噴射されるため、ノズル部材のノズルは通過するプラズマアークの強い影響を受けて内面の母材が排除されて口径が拡大することで消耗する。また、ノズル保護カバーに形成されたノズルの口径はノズル部材のノズルの口径よりも大きく形成されているのが一般であり、通過するプラズマアークによる影響はノズル部材のノズルよりも小さいものの、内面の母材が排除されて口径が拡大することで消耗する。従って、図２の例ではノズル部材３の口径の変化と電圧との関係を関連付けて、ノズル部材３、ノズル保護カバー４の寿命として検出している。

そして、ノズル部材３の消耗の増大に伴って切断面の品質が低下し、最終的に切断不能になる。

次に、電極２の消耗について説明する。電極２の消耗具合と電圧との関係については特に図示していないため、定性的に説明すると、ノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧は、電極２の稼働時間の増加に伴って増加して行く。

即ち、電極２はプラズマアークの発生に伴って、表面が溶融、蒸発して窪みが形成（消耗）され、電極２に於けるプラズマアークの発生点と被加工材Ｗとの距離が大きくなる。プラズマアークは定電流で制御されるため、電極２の消耗に応じて電圧が高くなる。この影響を受けて、ノズル部材３、ノズル保護カバー４との間の電圧が増大するものと思われる。

そして、電極２の消耗の増大に伴って、切断面の粗度が大きくなって品質が低下し、最終的に切断不能となる。

次に、電極２、ノズル部材３（ノズル保護カバー４）の消耗具合に基づいて寿命を認識する場合について説明する。電極２、ノズル部材３の消耗の増大に伴って切断面の品質に影響を与えるが、切断面の品質が段階的に低下するものではない。即ち、得られた切断面は、充分に精密切断として機能し得る品質から、順にやや低下した品質、かなり低下した品質、切断面として通用し得ないような品質等の品質に分かれる。

従って、切断の目的に対応させて、上記した段階の中の何れかの品質を得ることが可能な限界を設定し、このときのノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧を所定の値として設定することで、電極２、ノズル部材３の寿命を検出することが可能となる。

即ち、目的の切断が被加工材に対する精密な切断であるような場合、予め実験的に精密切断を実行し得る電極２、ノズル部材３の消耗の限界を調査すると共に、このときのノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧値を調査（電極２の寿命を検出する電圧値は初期の電圧値よりも高く、ノズル部材３の寿命を検出する電圧値は初期の電圧値よりも低くなる）しておき、この電圧値を夫々認識手段９に入力して測定した電圧と比較することで、寿命の検出を行うことが可能である。

図３は、プラズマトーチの電極、ノズル部材、ノズル保護カバーが、切断面の品質が目的の切断を満足している範囲（ａ）、電極２が寿命に達したと認識する範囲（ｂ）、ノズル部材３が寿命に達したと認識する範囲（ｃ）、ノズル保護カバー４が被加工材Ｗに接触したとき（ｄ）、の電圧の例を示した図である。

図３において、線21は電極２が寿命に達したことを認識する所定の値を示すものであり、線22はノズル部材３が寿命に達したことを認識する所定の値を示すものである。線21、線22の値は、本件発明者が実験により求めたものであり、切断面が粗度の小さい所謂精密切断を行える範囲の限界を示している。また点23ａ〜23ｄは、ノズル部材３とノズル保護カバーとの間の電圧の測定値である。

同図（ａ）は電圧の測定値である点23ａが線21、線22の間にある30Ｖであることを示しており、電極２、ノズル部材３の何れも寿命に達した状態ではないこと、即ち、目的の切断が正常に行われていることを示している。

同図（ｂ）は点23ｂが線21を越えた約38Ｖであることを示しており、電極２が寿命に達したこと、従って、切断面の品質が目的の品質を得られていないことを示している。しかし、この状態では電極２は破壊されてはいないため、電極２が寿命に達した旨の信号を発するか、速やかに切断を停止させるか、を選択する時間的な余裕を持っている。

同図（ｃ）は点23ｃが線22を越えた約22Ｖであることを示しており、ノズル部材３が寿命に達したこと、従って、切断面の品質が目的の品質を得られていないことを示している。しかし、この状態ではノズル部材３は破壊されてはいないため、ノズル部材３が寿命に達した旨の信号を発するか、速やかに切断を停止させるか、を選択する時間的な余裕を持っている。

同図（ｄ）は点24が接地状態である０Ｖを示しており、ノズル保護カバー４が直接被加工材Ｗと接触し、或いは間接的に接触（例えば、ノズル保護カバー４が被加工材Ｗに置かれた工具等に接触したり、ノズル保護カバー４の表面に付着したスパッタが成長して被加工材Ｗに接触）した状態であることを示している。この場合、速やかに切断を停止させると共にプラズマトーチ１の移動を停止させるように構成することが好ましい。

図４は認識手段９の構成図である。図４に示すように、認識手段９は、信号受信部10、設定部11、記憶部12、演算手段13、表示部14、警報手段15、信号出力部16を備えている。

信号受信部10は電圧計７から出力される検出信号を受信する。設定部11では切断不良又は切断不能となる電圧（所定の値、線21の値、線22の値）を設定できる。電圧（所定の値）は、要求される加工精度に合わせて設定することができる。記憶部12は電圧に対する残りの加工可能な時間（トーチ本体１の寿命、電極２、ノズル部材３の寿命）のデータ等を保存している。

演算手段13は、信号受信部10で受信した電圧の検出信号と、設定部11で設定された電圧と、記憶部12に記憶されたデータとに基づいて残りの加工時間（トーチ本体１の寿命、電極２、ノズル部材３の寿命、即ち消耗の具合）を演算する。尚、演算手段13は、被加工材Ｗの切断中に、加工時間と信号受信部10で受信した電圧の上昇、降下とを記憶部12に記録して、設定部11で予め設定された切断不良又は切断不能となる電圧から、切断不良又は切断不能に至るまでの残りの加工時間を演算するようにしてもよい。

表示部14は演算手段13によって演算された残りの加工時間を表示する。これにより、切断を中断してノズル部材３、ノズル保護カバー４の先端部の口径を目視することなく、プラズマトーチの寿命を検出することができる。さらに、プラズマトーチの寿命を知ることにより、作業者は残りの加工時間で加工できる作業を選択するなどして、加工途中でプラズマトーチの寿命による加工の中断を防止することができる。

また、演算手段13は、信号受信部10で受信したノズル部材３とノズル保護カバー４との間の電圧（検出信号）が設定部11で設定された切断不良又は切断不能が発生する電圧（所定の値）を越えたことにより、電極２、ノズル部材３、ノズル保護カバー４の寿命を認識する。上記のごとく、電圧（所定の値）は、要求される加工精度に合わせて設定することができる。このため、要求される加工精度に合わせたプラズマトーチの寿命を検出することができる。

警報手段15はサイレンやランプ等であり、演算手段13で寿命を認識した場合や残りの加工時間が少なくなった場合等に、ノズル部材３、ノズル保護カバー４の寿命を作業者に知らせることが出来る。また信号出力部16には図示しない加工装置の制御盤が接続されており、演算手段13で寿命を認識した等に自動的に加工を停止させることが出来るようになっている。

本発明に係るプラズマトーチの寿命検出装置は、互いに絶縁されたノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を測定して監視するという極めて簡単な構造で、電極、ノズル部材、ノズル保護カバーの寿命を検出することが可能である。このため、プラズマ切断トーチ、プラズマ溶接トーチ、プラズマ溶射トーチ等のプラズマトーチに適用することが可能である。

ノズル部材の外側にノズル保護カバーを備えたプラズマトーチに本発明の寿命検出装置を取り付けた際の構成を示す模式図である。 ノズル部材、ノズル保護カバーの消耗具合と電圧との関係を示した図である。 プラズマトーチの電極、ノズル部材、ノズル保護カバーが、切断面の品質が目的の切断を満足している範囲（ａ）、電極２が寿命に達したと認識する範囲（ｂ）、ノズル部材３が寿命に達したと認識する範囲（ｃ）、ノズル保護カバー４が被加工材Ｗに接触したとき（ｄ）、の電圧の例を示した図である。 認識手段の構成図である。

符号の説明

Ｗ…被加工材、１…トーチ本体、２…電極、３…ノズル部材、４…ノズル保護カバー、５…プラズマ電源、６…スイッチ、７…電圧計、８…電源、９…認識手段、10…信号受信部、11…設定部、12…記憶部、13…演算手段、14…表示部、15…警報手段、16…信号出力部

Claims (1)

1. 電極の外側に導電性を有するノズル部材を前記電極に対して電気的絶縁性を保持して設け、且つ前記ノズル部材の外側に導電性を有するノズル保護カバーを前記ノズル部材に対して電気的絶縁を保持して設けたプラズマトーチの寿命を検出する寿命検出装置であって、
   ノズル部材とノズル保護カバーとの間に前記ノズル部材とノズル保護カバーとの間の電圧を検出する電圧検出手段を設け、
   プラズマアークが発生している時に前記電圧検出手段で検出した電圧が、電極が寿命に達したことを認識するために設定された所定の値を外れたとき電極の寿命を認識し、且つノズル部材が寿命に達したことを認識するために設定された所定の値を外れたときノズル部材の寿命を認識する認識手段を有することを特徴としたプラズマトーチの寿命検出装置。

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