JPH036868B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、プラズマ溶接、切断、溶射等のプラ
ズ加工に関し、特に、該プラズマ加工の加工用プ
ラズマを点弧するプラズマ点弧方法に関する。

〔従来の技術〕

プラズマ加工には大別して、非消耗電極とプラ
ズマノズルの間にガスを高速で流しつつ高電流密
度のアーク放電を励起し、これにより発生するプ
ラズマ流を被加工物に噴き出す非移行型プラズマ
加工と、非消耗電極と被加工物の間に直接にアー
ク放電を励起する移行型プラズマ加工および両者
を複合させた複合型プラズマ加工の３形式があ
る。

第５図に従来の非移行型プラズマ加工装置の構
成を示し、第６図に従来の移行型および複合型プ
ラズマ加工装置の構成を示す。

非移行型プラズマ加工装置は、非消耗電極式自
然放電アークを銅製等のプラズマノズルを用いて
緊縮し、サーマルピンチ効果を利用して高温プラ
ズマ流を形成するものであり次の特徴がある。

自然放電アークよりも一桁高い高温度を容易
に発生することができる 熱の集中度が高い。

プラズマ流速を亜音速から超音速にわたつて
制御し得る。

色々な成分のガスを用いてプラズマを発生で
きる。

プラズマトーチ自体で電気回路が形成される
ため、被加工物は導電性、非導電性のいずれで
もよい。

以上により非移行型プラズマは導電性材料、非
動電材料の溶接、切断、高融点材料の溶射（金
属、セラミツク、有機材料等）等の用途で広く普
及している。

この種の非移行型プラズマ装置では、第５図を
参照すると、直流垂下特性を有する非移行型プラ
ズマノズル電源１の陽極側をプラズマトーチ２０
内のノズルホルダー１４に装着されたプラズマノ
ズル３に接続し、陰極側を高周波電源４を介して
プラズマトーチ２０内のタングステン電極（非消
耗電極）２に接続し、溶接用電極１、プラズマ点
弧用高周波電源４、タングステン電極２、プラズ
マノズル３からなる非移行型プラズマ発生回路２
１を形成する。９は高周波バイパスコンデンサで
ある。シールドガラスとして不活性ガスがシール
ドガス流路８を通してシールドキヤツプ６内に送
給される。同じく不活性ガスがセンターガスとし
てセンターガス流路７を通してプラズマノズル３
内に送給される。これらのシールドガスおよびセ
ンターガスを送給した状態で高周波電源４によ
り、タングステン電極２とプラズマノズル３の間
に数千Ｖ以上の高周波電圧を印して火花放電を生
じさせて絶縁破壊を起した後に、プラズマ電源１
を電極２とノズル３に印加して非移行型プラズマ
ノズルを点弧する。

移行型および複合型プラズマ装置では、第６図
を参照すると、高周波電源４およびプラズマ電源
１でまず電極２とノズル３の間に非移行型プラズ
マを点弧し、次いで移行型プラズマ電源２２をオ
ンにして電源２と母材５の間に移行型プラズマを
点弧する。通常移行型プラズマ点弧後、非移行型
プラズマをOFFにするが、移行型プラズマ点弧
後も非移行型プラズマを点弧した状態で保持した
ものが複合プラズマである。低電域プラズマの安
定性を確保する場合等において用いられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前述の非移行型プラズマ装置（第５図）および
移行型プラズマ装置、あるいは複合型プラズマ装
置（第６図）のいずれにおいても、高周波電源４
を用いて電極２−ノズル３間にプラズマを点弧す
る。このような高周波点弧法では、高周波（交
流）であつてしかも放電電圧が大きいため、電磁
的なノイズが大きく、例えば溶接自動機器に組み
込まれたマイクロコンピユータをはじめとする各
種周辺電子機器を誤動作或いは破損することがあ
るので、電子機器に特なノイズフイルターを用い
るなど、特別な対策を施す必要があつた。更に、
高周波電源４がプラズマ電源１，２２に接続され
ているので、溶接電源回路やトーチあるいは母
材、もしくはその近傍に計測機器を接続又は配設
できないという問題もある。

高周波電源４を用いるのに代えて、電極２を摺
動式にし、プラズマ電源１の無負荷電極を印加し
た状態で、電極２をノズル３に一度接触させ、引
き離すことにより、アークを発生させる接触点弧
も考えられるが、これにおいては接触アーク発生
時に流れる過度電流が大きいので電極２およびノ
ズル３の消耗が激しく寿命が短くなる。

本発明は非消耗電極にプラズマ点弧に起因する
損耗を与えることがなく、しかも電磁的ノイズが
小さいプラズマ点弧法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、非消耗性電極とプラズマノ
ズルの間に電極を形成して、この電場の陰極に向
けてトリガププラズマを注入する。

〔作用〕

これによれば、注入されたトリガ−プラズマ中
の正イオンが電場で加速され陰極に衝突すること
によつて、陰極の一部を高温にするため、非移行
型プラズマ電源１の無負荷電圧で容易に非消耗電
極とプラズマノズルの間にプラズマ（メインプラ
ズマ：加工用プラズマ）が発生する。トリガ−プ
ラズマはメインプラズマ点弧に対し、まさにトリ
ガーとして作用するものであり、低電流（５〜
30A程度）・短時間（１秒以内）の注入で十分で
ある。またトリガープラズマの点弧に関してはこ
れを高周波点弧法を用いて、あるいは接触点弧法
で発生させてもメインプラズマ電源回路１とは別
体のユニツトとしてトリガプラズマ回路を容易に
ノイズシールドし得るので、発生する電磁ノイズ
のレベルが極く低くなり、メインプラズマ電源回
路に電子制御機器や計測装置の接続、配設が容易
になる。

〔実施例〕

第１図に本発明を一態様で実施する装置構成を
示す。この装置構成は非移行型プラズマ発生装置
のものである。第１図において、第５図と同じ要
素又は類似の要素には同じ符号を付した。その分
のここでの説明は省略する。本発明の実施のため
に変えられた部分を説明すると、主ノズル３の装
着されたノズルホルダー１４の側壁に円形の穴が
開けられ、この穴にトリガー用プラズマノズル
（副ノズル）１３が装着されており、非消耗電極
２の側面に対向している。トリガープラズマを発
生するプラズマ装置１０が幅ノズル１３とその内
部のタングステン電極（副電極）１２に接続され
ている。この例では副電極１２が陰極、副ノズル
１３が陽極である。副ノズル１３はノズルホルダ
ー１４と一体接続であり、加工用プラズマ電源１
に関しても陽極である。

この例では、シールドガス流路８にシールドガ
スを、センターガス流路７にセンターガスを、更
に、トリガープラズマ発生用のガス（例えば不活
性ガス）を副ノズル１３に供給し、非移行型プラ
ズマ電源１をオンにして主電極１と主ノズル３の
間に、主ノズル３から主電極２に向かう電場を形
成する。すなわち副ノズル１３は主ノズル３と接
続されているので、換言すると、副ノズル１３と
主電極２の間に、副ノズル１３から主電極２に向
かう電場を形成する。

この状態でトリガープラズマ装置１０をオンに
し、トリガープラズマを発生させる。発生したト
リガープラズマは、トリガープラズマ発生用のガ
ス（例えば不活性ガス）が副ノズル１３に供給さ
れているのでこれにより、主電極２に向けて高速
で移動する。このとき、主電極２−副ノズル１３
間の電場内に注入されたトリガープラズマ中の正
イオンは電場で加速され、主電極２に衝突し、衝
突部の温度を上昇させるので、電源１の無負荷電
圧でメインプラズマが主電極２−主ノズル３間に
点弧する。

このプラズマ点弧方法によると、非移行型プラ
ズマ発生回路２１内には、高周波電源等のプラズ
マ点弧機構をもたず外的トリガーでメインプラズ
マが点弧するため、メインプラズマ点弧前後の電
磁的ノイズおよび過渡電流変動が小さく、また電
源１には点弧回路が接続されていないので、非移
行型プラズマ発生回路２２に電流、電圧計測機器
等を接続できる。したがつて自動制御機器の接続
や併設が容易である。

また本発明によれば、トリガープラズマ発生回
路１８の能力として５〜30A程度の低電流トリガ
ープラズマを発生させ、0.01〜１秒程度の短時間
注入するだけで非移行型プラズマの点弧には十分
であり、しかもトリガープラズマを発生させるた
めに必要な使用ガスはプラズマガスのみでシール
ドガスが不要なため、副ノズル１３の超小型化が
可能である。さらに、副電極１２と副ノズル１３
との放電ギヤツプおよび各々の形状、材質を放電
しやすい状態に任意設定できるので、たとえば、
放電ギヤツプを0.1mm程度の微小設定をしたなら
ばたとえ高周波電源等を用いてトリガープラズマ
を点弧するとしても低レベルの電圧（1000V程
度）でも十分であり、発生する電磁ノイズは軽微
である。又、メインプラズマ点弧用トリガープラ
ズマは低電流で短時間の使用しか必要としないた
め、副電極１２および副ノズル１３の損耗はほぼ
無視できる。

次に、第１図に示したトリガープラズマ装置１
０およびトリガープラズマ発生回路１８の点弧方
法について第２図および第３図を参照して説明す
る。

第２図は接触点弧方法を実施するトリガープラ
ズマ発生回路を示す。第２図において１１は直流
垂下特性を有するプラズマ電源あり、その陰極側
に副電極１２を、陽極側に副ノズル１３をそれぞ
れ接続し、プラズマ電源１１、副電極１２、副ノ
ズル１３からなるトリガープラズマ発生回路１８
を形成している。

副ノズル１３内にトリガープラズマガスを送給
している状態で、プラズマ電源１１をオンにし、
無負荷電圧を印加したままの状態で副電極１２を
手動、電動、バイメタル、バネじかけ等の手段を
用いて副ノズル１３に接触、短絡させ、短絡過渡
電流を流した後に副電極１２を副ノズル１３から
引き離し、トリガープラズマを点弧させようとす
るものである。従来のメインプラズマの接触点弧
法では短絡時の過大電流による主電極２先端部の
損耗が問題となるが、トリガープラズマにおいて
はもともと低電流（５〜30A程度）であるため副
電極先端部の損耗は極めて軽微である。また、例
え少々損耗したとしてもトリガープラズマさえ点
弧すれば十分であり、非移行型プラズマ発生回路
２１と無関係なため、溶接上の問題とならい。

第３図は高周波点弧方法を用いたトリガープラ
ズマ発生回路１８を示すブロツク図である。１１
は直流垂下特性を有するプラズマ電源で、その陰
極側に高周波電源１４を介して副電極１２を接続
し陽極側に副ノズル１３を接続している。尚、１
２は高周波バイパスコンデンサである。トリガー
プラズマ電源１１、副電極１２、副ノズル１３、
高周波電源ダ１４、高周波バイパスコンデンサ１
５でトリガープラズマ発生回路１８を形成してい
る。

この回路は、高周波電源１４により副電極１２
と副ノズル１３との間に高周波電圧を印加し、火
花放電を生じさせて、絶縁破壊を起こした後に、
プラズマ電源１１で電源を供給してトリガープラ
ズマ点弧を行ものである。

ただし、副ノズル１３と副電極１２との放電ギ
ヤツプは0.1mm程度の微小設定も可能であるため、
その場合には高周波電源１４の出力電圧は最大千
Ｖ程度をあれば十分であり、これに起因して発生
する高周波ノズルのレベルも低いものである。従
つて、トリガープラズマ発生回路１８をシールド
１６でおおい、ノイズフイルター１７を介して外
部電源と接続することにより、高周波ノイズを容
易に且つ完全に抑えることができる。

尚、トリガープラズマを発生するためのトリガ
ー用の高周波電源１４は、プラズマ電源１１の陰
極側に接続する必要はなく、副電極１２、副ノズ
ル１３、高周波電源１４、高周波バイパスコンデ
ンサ１５で回路が形成されるならば、どこに配置
してもよい。

第３図では、トリガープラズマ発生回路１８の
点弧に高周波電源１４により発生する高周波電圧
を用いたが、同程度の電圧を供給できる電源であ
ればトリガープラズマ発生回路１８に組み込むこ
とが可能である。実際にコンデンサ電源によるコ
ンデンサ放電或いは通電遮断時に発生するサージ
電圧を利用しても同様にトリガープラズマを点弧
することが可能である。

第３図に示すトリガープラズマ発生回路１８を
用いた実施例を次に説明する。

トリガープラズマ発生回路１８（第３図）： 電源１１の無負荷電圧：100V、 トリガープララズマ電流：10A、 プラズマガス流量：３／min Ar、 Ds＝1.0mm、Lt＝1.0mm、Lp＝1.2mm、 ds：1.0mm。

メインプラズマ発生回路２１（第１図）： 電源１の無負荷電圧：100V、 設定電流：50A、 センターガス流量：1.0／min Ar、 シールドガス流量：20／min Ar、 La＝１mm、Lb＝５mm、Lc＝10mm、dm＝2.4mm、
Dm＝1.0mm。

以上の条件で0.1秒間トリガープラズマ注入し
て連続100回繰り返して、メインプラズマの点弧
を試みた。いずれの場合も極めて安定にメインプ
ラズマが点弧した。しかも、主電極２、主ノズル
３、副電極１２、副ノズル１３に損耗は認められ
なかつた。また、高周波発生時における外部電源
の電圧変動はほとんど認められず、さらにこのと
き使用していた計測機器或いは制御装置はマイク
ロコンピユータ内蔵型のものであつたが、高周波
ノイズによる誤動作は発生しなかつた。

以上においては非移行型プラズマの点弧につい
て説明したが、移行型プラズマ或いは複合型プラ
ズマ（第６図：従来例）の場合も、主電極２と主
ノズル３間にメインプラズマを点弧するまでの過
程は、前述の非移行型プラズマの場合と同様であ
る。そこで第６図に示す従来の移行型プラズマ発
生装置を、第４図に示すように本発明を実施する
形に改良し、これ（第４図）においてトリガープ
ラズマ発生装置１０を前述と同様に第３図に示す
トリガープラズマ発生回路とし、前述と同じ条件
で、0.1秒間トリガープラズマをを注入して連続
100回繰り返し、メインプラズマの点弧を試みた。
いずれの場合も極めて安定にメインプラズマが点
弧した。しかも、主電極２、主ノズル３、副電極
１２、副ノズル１３に損耗は認められなかつた。
また、高周波発生時における外部電源の電圧変動
はほとんど認められず、さらにこのとき使用して
いた計測機器或いは制御装置マイクロコンピユー
タ内蔵型のものであつたが、高周波ノイズによる
誤動作は発生しなかつた。

なお、以上の説明はプラズマ溶接用のプラズマ
トーチに関してのものであるが、プラズマ切断、
プラズマ溶射等その他の、同様な加工用プラズマ
を発生するプラズマ加工においてもプラズマ点弧
の原理は同じであり、同様に本発明を実施し得
る。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、溶接用、
切断用、溶射用等の非移行型。移行型および複合
型プラズマの点弧において、加工用プラズマ発生
回路に高周波電源等の、高パワーノイズ発生原因
となる手段を用いる必要がないので、マイクロコ
ンピユータ等の電子機器をむ用いた測定、制御装
置に格別に負担が高いノイズ対策を施す必要がな
い。しかも主電極を主ノズルに接触させ引き離す
接触点弧方法と異なり、非接触式であるため主電
極の損耗もない。また非移行型プラズマ発生回路
および移行型プラズマ発生回路に点弧用高電圧が
重畳しないので、電圧、電流検出手段を非移行型
プラズマ発生回路および移行型プラズマ発生回路
に接続しこの検出手段に計測機器等を接続し得る
し、計測期器等にノイズ電流を生じないのでその
破損のおそれもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を一態様で実施する溶接用非移
行型プラズマトーチの構成概要を示すブロツク
図、第２図は第１図に示すトリガープラズマ発生
回路１８の一例構成を示すブロツク図、第３図は
トリガープラズマ発生回路１８の他の一例を示す
ブロツク図である。第４図は本発明をもう１つの
態様で実施する溶接用移行型プラズマトーチの構
成概要を示すブロツク図である。第５図は従来の
溶接用移行型プラズマトーチの構成概要を示すブ
ロツク図、第６図は従来の溶接用移行型プラズマ
トーチの構成概要を示すブロツク図である。 １：非移行型プラズマ電源、２：主電極、３：
主ノズル、４：メインプラズマ点弧用高周波電
源、５：母材（被加工材）、６：シールドキヤツ
プ、７：センターガス流、８：シールドガス流、
９：高周波バイパスコンデンサ、１０：トリガー
プラズマ発生装置、１１：トリガープラズマ電
源、１２：副電極、１３：副ノズル、１４：ノズ
ルホルダー、１８：トリガープラズマ発生回路、
２０：溶接用プラズマトーチ、２１：非移行型プ
ラズマ発生回路、２２：移行型プラズマ電源、２
３：移行型プラズマ発生回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非消耗電極とプラズマノズル又は母材の間に
   加工用プラズマを形成するプラズマ加工におい
   て： 前記非消耗電極とプラズマノズルの間に電場を
   形成し、この電場を形成する陰極に向けてトリガ
   プラズマを注入して前記加工用プラズマを形成す
   ることを特徴とする加工プラズマの点弧方法。