JPH0641033B2 - プラズマトーチの電極等の異常検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、プラズマ切断、溶接、又は印刻装置等のプラ
ズマ加工装置に使用されるプラズマトーチの電極等の異
常又は使用限界を自動的に検出する装置に関する。

「従来技術及びその問題点」 従来より例えばプラズマ切断トーチに用いられる電極と
して一般に、内部に冷却用水流が循環可能に形成された
水冷式電極棒の軸先端部に、ジルコニウム、ハフニウ
ム、タングステン等からなる電極を埋め込んで形成した
ものを用いているが、この種の電極においてはアーク発
生の都度前記埋設電極が損耗し、ピアシング回数が100
回前後、又はアーク発生総時間が僅か２〜４Ｈ前後で、
水冷式電極棒の先端部より埋設電極が溶損してしまうと
いう問題が生じていた。

又埋設電極が溶損前においても該電極の損耗度が限界に
近ずくと、ドロス付着が多くなったり、カーフの形状が
不均一になり易いという問題が生じる。

このような埋設電極の損耗度合は、前述したようにアー
ク発生時間とピアシング回数、及び切断時のメインアー
ク電流等に依存して大きく変動するものである為に、
（切断）時間計測や（ピアシング）回数計測のみでその
損耗限界を正確に予測する事は不可能である。

この為従来は監視者が目視にて切断状況を確認しながら
前記埋設電極の損耗進行状態をチェックし、監視者の総
合的判断により電極の交換時期を決定していたが、この
ような人的検知装置では熟練度が必要であり且つ交換時
期を見過ごす場合もあり、切断不良発生の原因につなが
る。

又、近年ＮＣ化によりプラズマ加工装置の制御部の自動
化を図り、無人化の方策が進められているが、前述した
ようにプラズマトーチの電極損耗度については、これを
自動的且つ正確に検知する事が出来ない故に、その交換
時期をチェックする監視者が必要となり装置無人化達成
の上で大きな障害となっていた。

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、プラズマトーチ
の電極の異常又は／及び使用限界を自動的且つ正確に検
出し、切断不良の低減及び装置無人化を容易に達成し得
るプラズマトーチの電極等の異常検出装置を提供する事
を目的とする。

又本発明の他の目的とする所は、既存の装置に簡単に付
設し得る電極等の異常検出装置を提供する事にある。

又、本発明の他の目的は前記電極の異常の他にダブルア
ークやノズルの異常をも検出し得るプラズマトーチの電
極等の異常検出装置を提供する事にある。

「発明の概要」 先ず、本発明に至った過程を説明しながら本発明の概要
を説明する。

Ａ，基本発明の概要 本発明者達は、例えばプラズマ切断装置における、プラ
ズマトーチの電極に接続される−端子およびノズルに接
続される＋端子間に発生する電圧、即ちノズル−電極間
電圧Veに着目して正常加工時における電圧Ve変化と、電
極の破損限界点近くにおける電圧変化を夫々調べてみ
た。

1)電極が正常な場合（図1A参照） 図1Aは比較的切断時間の短い新しい電極のノズル−電極
間電圧Veを示している。

本図より理解される通り、電極及びノズルに異常がなく
メインアーク電流Ｍｉが一定である場合には、前記ノズ
ル−電極間電圧Veは、パイロットアークからメインアー
ク移行時には過渡的変化を生じるが、その後の正常切断
時には、安定した平衡状態（55V程度）を示す。

そして、公知のプラズマ切断又は溶接装置においては後
述するように定電流電源を用いているが故に、メインア
ーク電流Ｍｉは加工中は常に一定且つ平衡状態を維持
し、従って前記電圧Veはメインアーク電流Ｍｉの設定値
の変化に比例してその平衡状態における電圧値が増減す
るのみで、安定した平衡状態が乱される事はない。

又、電圧Veは上述のメインアーク電流Ｍｉ以外に、作動
ガスの種類、作動ガスの流量、ノズル径等により変動す
るが、プラズマ切断又は溶接装置等ではこれらの変動要
素はいずれも装置の設計段階で定まるものであり、加工
時は常に一定条件下で使用されるため、これらの要因に
よって電圧Veが変動することを考慮する必要はない。

逆にまた、この電圧Veは加工条件によって調整を行う加
工速度、切断板厚又はマーキングにおける印刻深さ、加
工時のトーチ高さの変動に対しては影響を受けない。

従って電圧Veは前述した通り、通常のプラズマ加工に常
に変更使用される加工条件には何等影響を受けず安定平
衡状態を維持し得る為に、検出アルゴリズムを簡易化
し、且つ後記するように電極の異常検出の正確度を帰す
上で大きな利点となる。

2)電極消耗限界付近でのノズル−電極間電圧Veの変動 しかしながら、ノズル−電極間電圧Veには次に示すよう
な性質があるため、電極の消耗度を図る上で有効な検出
信号となり得る。

第1B図は第1A図と同一電極をその後消耗限界に達するま
で使用した時の実測データである。

即ちノズル−電極間電圧Veは電極の消耗度に比例して徐
々に上昇し、電極消耗限界付近（溶損直前）には初期電
圧（55Ｖ）より15〜20％上昇し、約65Ｖになる。

そして電極が破損すると、その時のノズル−電極間電圧
Veはインパルス状に上昇し、約90Ｖに達し、その後約30
Ｖ低下し、はげしく上下動を行う。

従って、電極消耗限界付近での電圧レベルの増加、及び
電極溶損時における電圧変動を、正常切断又は溶接時に
おける電圧レベルと比較する事により又微分回路を用い
る事により、電極溶損及び電極消耗限界付近の異常検知
信号として利用可能である。

例えば、正常加工時の電圧レベルを60Ｖとした場合にお
いて、電極消耗限界付近での電圧レベル（異常予告レベ
ル）を70Ｖ、異常発生時の異常と判断する上限電圧レベ
ルと加減電圧レベルを夫々80Ｖ（＋33％）と45Ｖ（−25
％）に設定し、比較回路を用いてこれらの基準電圧レベ
ルとノズル−電極間電圧Veを比較する事により電極溶損
又は／及び電極消耗限界付近の異常検知信号を得る事が
出来る。

従って本発明は、パイロットアーク消弧後メインアーク
移行を検知する手段と、メインアーク移行後の加工時に
おけるノズル−電極間電圧の増減又は／及び変動を検知
する変動検知手段とを設け、該変動検知手段よりの検知
信号に基ずいてノズル内に配設した電極等の異常又は／
及び使用限界の検出を行うように構成した事を特徴とす
るものである。

この場合、前記パイロットアーク消弧後メインアーク移
行を検知する手段、言換えればノズル−電極間電圧Veの
検出開始を行うタイミング回路として例えばアークON信
号とタイマからなるタイミング制御回路により構成して
もよく、又メインアーク電流Ｍｉの安定状態を検知する
検知回路を用いて構成してもよいが、アークON信号やパ
イロットアーク消弧信号を用いてタイミング制御回路を
構成した方が動作が確実である。

又、本発明は水冷式電極棒の先端部に電極を埋設した電
極を用いるプラズマ切断トーチのみならず、タングステ
ンを円錐台状に形成した電極を用いるプラズマ溶接トー
チにも適用出来る事は自明である。

又、従来より切断又は溶接不良の一因としてメインアー
クと共に、電極からノズルを介して母材へ向けアークが
発生するダブルアーク現象が存在するが、このようなダ
ブルアークの場合にも又ノズルに異常があった場合にも
ノズル−電極間電圧Veが変動する為に、本発明によれば
かかるダブルアークの発生やノズルの異常検出にも利用
可能である。

Ｂ，第２発明の概要 ノズル−電極間電圧Veの加工時の平衡電圧値はメインア
ーク電流Ｍｉにより比例して変化するが、前述したよう
に各機器毎のメインアーク電流Ｍｉは定電流電源を用い
ているが故に切断又は加工中は常に一定且つ平衡状態を
維持し得るものである為に、ノズル−電極間電圧Veの変
動を微分回路を用いて検出信号として採り出すよう構成
したものについては前記ノズル−電極間電圧Veをメイン
アーク電流Ｍｉの増減に比例して補正する手段を付加す
る必要はない。

しかしながら前記加工時におけるメインアーク電流Ｍｉ
は各切断又は溶接装置毎に又電極の消耗度合等により僅
かながら変化する場合があり、従って基準電圧レベルと
ノズル−電極間電圧Veを比較して異常検知を行うように
した装置においては、かかるメインアーク電流Ｍｉに比
例して変動する、正常切断時の電圧Veの変動許容幅を考
慮して基準電圧レベルの設定値を決定すると、異常時と
正常時の境界が接近することになり、変動比で考えても
その比率が小さくなり正確且つ確実な検出を阻害する事
となる。

従って、第２発明においては、前記電圧Veがメインアー
ク電流Ｍｉに正比例して一次関数的に変化する事に着目
して、前記電圧Veの変動成分のうち、メインアーク電流
Ｍｉに比例する電圧成分Ｖ２を除去することにより、異
常発生時の電圧変化を正確且つ確実に検知出来るように
している。

即ち第２発明においてはパイロットアーク消弧後メイン
アーク移行を検知する手段に加えて、第2A図、第2B図及
び下記式に示すように、パイロットアーク消弧後の、所
定値に調整された加工時におけるノズル−電極間電圧V
e′よりメインアーク電流Ｍｉに比例する電圧成分Ｖ２
を除去し、その差電圧Ｖｍを生成する演算手段とを設
け、差電圧Ｖｍを用いて、例えばその差電圧Ｖｍと基準
電圧とを比較する事により、ノズル内に配設した電極の
異常検出を行うようにした事を特徴とする。

ここでメインアーク電流Ｍｉの比例する電圧成分Ｖ２は
例えば第３図に示すように、プラズマ電源装置内部の被
切断材（母材）に接続される＋端子側の回路と直列に接
続された直流電流形用分流器SHの端子間電圧Ｖ２′を採
り出し、これを所定値に調整されたノズル−電極間電圧
Ve′に対応して増幅する事により簡単に得られる。

又、前記基準電圧は、例えばノズル−電極間電圧Veが60
Ｖ程度、正常加工時における差電圧Ｖｍを０Ｖ前後とし
た場合において、電極消耗限界付近での基準電圧Ｖｘ
（異常予告レベル）を10Ｖ、異常発生時の上限電圧Ｖｈ
と下限電圧Ｖを夫々20Ｖと-15Ｖ程度に設定すればよ
い。

Ｖｍ＝Ve′−Ｖ２ Ｖ２＝（Ｋ１・Ｍｉ＋Ｋ２） Ｋ１、Ｋ２：定数 「実施例」 以下、第３図を参照して本発明の好適な実施例を例示的
に詳しく説明する。ただしこの実施例に記載されている
構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に
特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみ
に限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

第３図は公知のプラズマ切断装置(A)に本発明の実施例
に係るノズル／電極異常検出装置(B)が付設された回路
図を示す。

先ずプラズマ切断装置(A)側の回路構成を説明する。

１はサイリスタで定電流制御されたメインアーク用電源
で＋端子側をスイッチS1及び直流電流形用分流器SHを介
して母材２に、又−端子側を電極３と接続している。

４はパイロットアーク用電源で、＋端子側をスイッチS
2、制限抵抗Rp、及び高周波発生器HFGを介してノズル５
に、又−端子側をメインアーク用電源の−端子側に夫々
接続している。

かかる装置によれば公知の如く、パイロットアーク用電
源４のスイッチS2がONされるとノズル−電極間電圧Veが
無負荷電圧として約400V生じ、次いで高周波放電の先導
によって電極３−ノズル５間にパイロットアークを発生
させる。

この時の前記電圧Veは160〜180Ｖとなる。その後ノズル
５からの噴出プラズマの導電性を利用して電極３と母材
２間にメインアークを発生させて切断を開始した後、ス
イッチS2をOFFし、パイロットアークを消弧させる。

この状態ではノズル−電極間電圧Veは０Ｖとはならず、
メインアークによる正常切断中は55Ｖ〜65Ｖの電圧値を
示す。

次にノズル／電極異常検出装置(B)の回路構成を説明す
る。

６はアッテネータが組み込まれたローパスフィルタ、A1
は利得調整機能が付設された電圧調整器で、前記切断装
置(A)側より導き入れたノズル−電極間電圧Veをローパ
スフィルタ６を通してノイズの除去と脈流の平滑化を図
ると共にアッテネータにより５〜６Ｖ前後に分圧し、次
に該電圧を電圧調整器A1により、その出力側の電圧Ve′
がノズル−電極間電圧Veに対し正確に１／10になるよう
電圧調整を行う。

一方前記切断装置(A)側の直流電流形用分流器SHの端子
間にはメインアーク電流に比例した微小電圧Ｖ２′が発
生している為、これを装置(B)内に導き、前記と同様に
ローパスフィルタ８を通してノイズの除去と脈流の平滑
化を図った後、利得調整機能が付設されたアイソレーシ
ョンアンプA2（絶縁増幅器）を介して増幅し、前記出力
電圧Ve′に対応して調整された、メインアーク電流Ｍｉ
に比例する電圧成分Ｖ２を出力する。

そして前記出力電圧Ve′より電圧成分Ｖ２を除去した差
電圧Vm′は検出タイミング制御回路10により開閉制御さ
れるスイッチSWを介して、切断開始（パイロットアーク
消弧後）後のメインアーク電流が安定平衡状態に達した
後、増幅器A3を介して各比較器C1,C2,C3に入力される。
そして該各比較器C1,C2,C3で夫々電極３消耗限界付近で
の異常予告基準電圧Ｖｘ、異常発生時の上限基準電圧Ｖ
ｈ及び下限基準電圧Ｖｌと比較し、増幅器A3で増幅され
た差電圧Ｖｍが前記各基準電圧以上になったときに、比
較器C1,C2,C3より検出信号が出力されラッチ回路11によ
りラッチされた後、後記する制御を行う。

即ち、電極３が消耗限界付近に達すると差電圧Ｖｍが異
常予告基準電圧Ｖｘ以上になり、この結果比較器C3より
ラッチ回路11を介して検出信号が異常予告出力回路12に
出力されパイロットランプ13及びブザー14を鳴らし、監
視者に異常予告を知らせる。

その後電極３が破損した場合は、差電圧Ｖｍが上限基準
電圧Ｖｈと下限基準電圧Ｖｌの範囲を超え、この結果比
較器C1,C2よりラッチ回路11を介して検出信号が異常出
力回路15に出力されパイロットランプ16の点灯と共にプ
ラズマ電源制御回路17をOFFし、装置(A)を停止させる。

尚、前述した検出タイミング制御回路10は、プラズマ電
源制御回路17よりもメインアークON信号を受けて始動
し、切断開始後のメインアーク電流が安定平衡状態に達
した後、スイッチSWのONとラッチ回路11のラッチ解除を
行い、一方切断終了と同時又は直前に前記スイッチSWを
OFFするよう機能する。

「発明の効果」 以上記載の如く本発明によれば、パイロットアーク消弧
後のメインアーク移行を検知する手段により、メインア
ーク移行後の正常加工中に安定平衡状態を維持するノズ
ル−電極間電圧Veを電極等の異常を検出する検知信号に
基づいて電極等の異常又は使用限界を自動的且つ正確に
検出する事が出来、この結果、加工不良の低減及び装置
無人化を容易に達成し得る。

又本第２発明によれば、前記効果がより一層向上すると
共に、切断又は溶接中におけるメインアーク電流の変化
や、各装置毎にメインアーク電流のバラツキがあって
も、前記ノズル−電極間電圧よりメインアーク電流に比
例する電圧成分を除去し、その差電圧を用いて電極等の
異常又は使用限界を検出するようにしたが故に前記効果
が一層向上すると共に、既存の装置に付設する事が出来
る。

又、前記いずれの発明もノズル−電極間電圧を検出信号
として採り出す為に、ダブルアークやノズルの異常等も
自動的に検出が可能である。

等の種々の著効を有す。

【図面の簡単な説明】

第1a図及び第1b図は第１発明に用いられるノズル−電極
間電圧の正常加工時と電極消耗限界付近でのノズル−電
極間電圧Veの変動推移を示す説明図である。 第2a図及び第2b図は第２発明に用いられる差電圧の正常
加工時と電極消耗限界付近でのノズル−電極間電圧Veの
変動推移を示す説明図である。 第３図は前記各発明の共通実施例に係る回路構成図であ
る。

フロントページの続き (72)発明者 山本 富士夫 埼玉県入間郡三芳町大字竹間沢11番地 株 式会社田中製作所内 (56)参考文献 特開 昭61−269975（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パイロットアーク消弧後メインアーク移行
   を検知する手段と、メインアーク移行後の加工時におけ
   るノズル−電極間電圧の増減又は／及び変動を検知する
   変動検知手段とを設け、該変動検知手段よりの検知信号
   に基ずいてノズル内に配設した電極等の異常又は／及び
   使用限界の検出を行うように構成した事を特徴とするプ
   ラズマトーチの電極等の異常検出装置
2. 【請求項２】パイロットアーク消弧後メインアーク移行
   を検知する手段と、メインアーク移行後の加工時におけ
   るノズル−電極間電圧よりメインアーク電流に比例する
   電圧成分を除去し、その差電圧を生成する演算手段とを
   設け、該演算手段より生成される差電圧を用いてノズル
   内に配設した電極等の異常又は／及び使用限界の検出を
   行うように構成した事を特徴とするプラズマトーチの電
   極等の異常検出装置