JPH1076369A - プラズマトーチ電極の寿命予知方法及びノズルの損傷検知方法とそれらの装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマトーチの電極の寿命の予知を正確に
行うことができるようにする。 【解決手段】 電極への入熱量を測定して、この入熱量
が上昇して一定の値に達したときに電極寿命の予知情報
を発してアークを停止させるようにする。

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
電極及びノズルが経時的な消耗によって破壊される以前
にこの電極の寿命を予知する方法及びノズルの損傷を検
知する方法と、これらの方法を実施するための装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、鋼板、ステンレス鋼板、アル
ミニウム板等の導電性を有する被加工材に対してプラズ
マトーチを用いて切断、溶接等の加工を施すことが行わ
れている。そしてこの加工は、プラズマトーチと被加工
材との間に定電流を印加して両者間にプラズマアークを
発生させ、このプラズマアークをプラズマトーチのノズ
ル部分で絞って噴射し、このプラズマアークの熱により
被加工材を溶融して溶接、あるいは切断するものであ
る。またこの加工に際し、プラズマトーチからは作動ガ
スが噴射される。

【０００３】この種のプラズマトーチでは、正常な使用
条件であっても、アークの発生時間及び発生回数の増加
に従って経時的にアーク発生点である電極の消耗が進行
する。この消耗がさらに進行してこれが一定量を超える
と、電極寿命に至り、アーク発生点が不安定に移動した
り、アークが不安定に乱れたりする現象が生じ、その結
果、ダブルアーク（あるいはシリーズアーク）が発生し
て電極の破壊やノズルの損傷が発生する。これらの現象
は、経時的に電極の消耗が進行することによって引き起
こすものと考えられる。

【０００４】上記したような問題を解決するための従来
の技術としては、特開平４−２００８７５号公報で示さ
れたプラズマトーチ電極の寿命（破壊）予知手段が知ら
れている。そしてこれらは、主として行われる切断加工
時において、電極が消耗するに従って電圧値が上昇する
点に着目し、経時的に電極と被加工材間の電圧を測定
し、この電圧がある値を超えたときに電極が寿命である
と判断するようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電極の
消耗に対する上記電圧の変化の割合が小さいため、上記
した従来の技術では、電極の消耗に伴う変化（増大）に
対する寿命の予知、あるいは寿命を決めるためのしきい
値の設定がむずかしく、電極の経時的な使用限界を適切
にとることができなかった。

【０００６】また上記電圧は、電極と被加工材との間隔
（スタンドオフ）によっても変化してしまうため、この
電圧の変化によっての電極の寿命の予知や寿命であるこ
とを正確に行うことはむずかしかった。

【０００７】本発明は上記のことにかんがみなされたも
ので、電極の消耗に従ってホルダ先端部及びノズルの温
度が上昇する点に着目して、このプラズマトーチの先端
部での電極のアーク放電による電極及びノズルの入熱量
を、この部分を循環している冷却媒体の温度と流量を調
べることにより推定し、この入熱量の変化に合わせてし
きい値を設定して、電極の寿命の予知及びノズルの損傷
検知を正確に行うことができるようにしたプラズマトー
チ電極の寿命を予知できる方法及びノズルの損傷を検知
できる方法と、それらの装置を提供しようとするもので
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用効果】プラズマト
ーチの電極は、ホルダに埋め込まれていてこれの先端面
以外は外部に露出することなくアーク電圧が負荷されて
いるため、直接的な測温は不可能である。しかし、電極
を冷却する冷却媒体（水）の温度を子細に測定したとこ
ろ、電極の消耗の進行に伴ってこの冷却媒体の温度が比
較的大きな勾配で略直線状に昇上することがわかった。
これは電極の消耗分だけアークが長くなり、それに従っ
てアークの発熱量が比例して増加することに起因してい
る。このときの電極への入熱量は冷却媒体の温度と流量
を測定することにより知ることができる。

【０００９】そしてこの電極の入熱量が増加して電極を
保持しているホルダの温度がある一定温度、例えばこれ
の溶解温度以上に達したときにダブルアークが発生して
電極寿命を迎えることがわかった。そしてこのダブルア
ークが発生すると、電極に対する入熱量が急激に減少す
ることがわかった。

【００１０】一方、電極より先端側に配置されるノズル
を冷却しているノズル冷却水の水温は電極の消耗に影響
されないで略一定であることがわかった。しかし、ダブ
ルアーク等によりノズル損傷が発生し、ノズル部のアー
ク拘束状態に変化が出るとこれらの入熱量は上記電極の
場合と同様に急激に減少する。

【００１１】これらのことから、上記した従来の課題を
解決するための手段として、本発明に係るプラズマトー
チの寿命予知方法及びノズルの損傷検知方法とそれらの
装置で、その請求項１の発明のプラズマトーチ電極の寿
命予知方法は、流体を熱媒体とする電極の冷却機構を持
つプラズマトーチにおいて、この熱媒体の温度と流量よ
り電極への入熱量を測定して、この入熱量が上昇して一
定の値に達したときに電極寿命の予知情報を発してアー
クを停止させるようにした。

【００１２】また請求項２の発明のプラズマトーチノズ
ルの損傷検知方法は、流体を熱媒体とするノズルの冷却
機構を持つプラズマトーチにおいて、この熱媒体の温度
と流量よりノズルへの入熱量を測定して、この入熱量が
略一定に保たれた状態から低下したときに、切断品質の
劣化を引き起こすノズル損傷を検知してアークを停止す
るようにした。

【００１３】そして上記請求項１の発明方法を実施する
ための請求項３のプラズマトーチ電極の寿命予知装置
は、電極への入熱量を測定するために、電極冷却回路に
流量測定手段を設けると共に、この電極冷却回路の入口
と出口の２個所に、この冷却回路の冷却媒体温を測定す
る冷却媒体温測定手段を設け、上記流量測定手段からの
検出値と、両冷却媒体温測定手段による検出値差から、
このときの電極への入熱量を算出する入熱量算出手段を
有している。

【００１４】また請求項４の発明は、電極の冷却回路
が、ノズル冷却回路に連通している場合のプラズマトー
チ電極の寿命予知装置及びノズルの損傷検知装置であ
り、その構成は、電極冷却回路の入口と出口、及びこの
電極冷却回路の出口に接続されるノズル冷却回路の出口
のそれぞれに冷却媒体温測定手段を設け、また上記冷却
回路に流量測定手段を設け、電極冷却回路の入口と出口
の温度差とこの部分の流量とから電極への入熱量を算出
し、また電極冷却回路の出口とノズル冷却回路の出口の
温度差と、この部分の流量とからノズルへの入熱量を算
出する入熱量算出手段を有している。

【００１５】上記した本発明に係るプラズマトーチ電極
の寿命予知装置及びノズルの損傷検知方法によれば、電
極及びノズルへの入熱量の変化に基づいて電極及び電極
とノズルの温度を推定し、これから電極の寿命を予知
し、またノズルの損傷が検知することができる。

【００１６】このとき、電極の消耗の程度に対して、電
極への入熱量の上昇割合は、この電極の消耗の程度に対
する電圧の上昇割合に対して大きく、しかも殆ど一定の
割合で略直線状に変化（増加）するので、電極寿命のし
きい値の設定を容易に行うことができる。

【００１７】また、正常なアークが発生している間での
ノズルへの入熱量は電極消耗に依存せずに略一定である
が、ダブルアーク等でノズルが損傷すると、ノズルへの
入熱量は急激に減少するから、このノズルへの入熱量の
変化を知ることにより、アークを拘束して切断品質を直
接的に支配するノズルの損傷の判断ができ、切断品質低
下の検知モニタとして利用できる。

【００１８】そして上記電極の寿命予知及びノズルの損
傷検知は、プラズマトーチのスタンドオフの変化に関係
なく行うことでき、電極の寿命予知とノズルの損傷検知
を正確に行うことができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。図１は、冷却媒体に水を用いたプラズマ
トーチの冷却水回路を示すもので、１は電極２を冷却す
る電極冷却回路である。そして３はノズル４を上記電極
１と共に水にて冷却する場合のノズル冷却回路である。
この両冷却回路１，３は直列状に接続されている。

【００２０】そして上記電極冷却回路１の入口部と、電
極冷却回路１の出口部と、ノズル冷却回路３の出口部の
それぞれに第１・第２・第３の熱電対等からなる水温測
定器６ａ，６ｂ，６ｃを設ける。また、冷却回路１，３
の任意の位置に流量測定器７を設ける。

【００２１】また上記電極２は電源装置（図示せず）に
接続してあり、この電極２と被加工材８との間に定電流
の電圧が印加されることにより電極２と被加工材８間に
プラズマアーク９が発生されるようになっている。また
このとき、図示しないガス供給装置から、電極２の周囲
に、酸素、窒素等の作動ガスが供給されるようになって
いる。

【００２２】（実施例１） 作動ガス：流量毎分５０リットルの酸素 電極：外径が１１ｍｍの銅製のホルダに直径１．６ｍｍ
のハフニウムの電極材を埋め込んだ ノズル：穴径２．８ｍｍ 冷却水量：電極冷却回路の入口で毎分１０リットル 出力電流；３００Ａ 上記条件で、電極２の消耗深さ（ｍｍ）が、（１）０．
０，（２）０．１６、（３）０．３０、（４）０．４
７、（５）０．６０、（６）０．８０、（７）０．９
５、（８）１．１５、（９）１．４６、（１０）１．６
７、（１１）１．７２、（１２）１．８３、（１３）
１．９の１３種類のプラズマトーチにて被加工材（鋼
板）８の切断加工を行い、このそれぞれの場合での電極
２とノズル４への入熱量を計測した。

【００２３】電極２での入熱量は、電極冷却回路１の入
口部と出口部の水温をそれぞれ第１・第２の水温測定器
６ａ，６ｂで測定し、その差とこの電極冷却回路１の流
量から上記（１）〜（１３）のそれぞれの場合の値を通
常の計算手段にて求める。なお電極冷却回路１の流量は
流量測定器７の値である。

【００２４】またノズル４での入熱量は、電極冷却回路
１の出口部とノズル冷却回路３の出口部の水温をそれぞ
れ第２・第３の水温測定器６ｂ，６ｃで測定し、その差
と流量測定器７にて測定した冷却回路の流量から上記
（１）〜（１３）のそれぞれの場合の値を求める。

【００２５】上記各電極の消耗深さが異なるプラズマト
ーチにおける電極２とノズル４の入熱量を図２に示す。
図中三角点は電極、四角点はノズルの場合である。そし
て各点において黒で塗りつぶした点はダブルアークが発
生したときの入熱量を示す。

【００２６】図２において、消耗のない新品の電極２を
用いたプラズマトーチでの電極２とノズル４のそれぞれ
の入熱量は約４００Ｗであり、電極消耗が深くなるに従
って電極２の入熱量は略これに比例して増加していき、
その増加割合は、電極２の消耗深さが１ｍｍ当たり約６
００Ｗであった。そして限界深さと一般的にいわれてい
る１．５ｍｍのときの電極入熱量は１３００Ｗであっ
た。ダブルアークは消耗深さ（ｍｍ）が１．６７（１
０），１．８３（１２），１．９（１３）のときに発生
し、このときの入熱量はこれまで増加していた状態から
急減した。また、このときのノズル４の入熱量も、これ
まで略一定であったのが低下した。

【００２７】これらのことから、作動ガスに酸素を用い
た場合は、ある程度の安全率を見込んで、しきい値を１
３００Ｗとし、電極２の入熱量が１３００Ｗを超えたと
きに電極寿命の予知信号を発生するようにした。

【００２８】（実施例２）作動ガスを窒素ガスにした以
外は実施例１と同様の条件で、電極２の消耗深さ（ｍ
ｍ）が、（１）０．０，（２）０．２７，（３）０．３
７，（４）０．４６，（５）０．５５，（６）０．６
７，（７）０．７４，（８）０．８４，（９）０．９
７，（１０）１．１８，（１１）１．３１の１１種類の
プラズマトーチにて被加工材（鋼板）８の切断を行い、
それぞれの場合での電極２とノズル４への入熱量を上記
実施例１の場合と同様にして計測した。

【００２９】上記各電極の消耗深さが異なるプラズマト
ーチにおける電極２とノズル４の入熱量を図３に示す。
図中三角点は電極、四角点はノズルの場合である。そし
て各点において黒で塗りつぶした点はダブルアークが発
生したときの入熱量を示す。

【００３０】図３において、作動ガスを窒素ガスに変え
ると、消耗のない新品の電極では、電極２への入熱量は
約９００Ｗ、ノズル４への入熱量は約１１００Ｗであ
り、電極消耗が深くなるに従って電極２の入熱量は略こ
れに比例して増加していき、その増加割合は、電極２の
消耗深さが１ｍｍ当たり約１５００Ｗであった。そして
消耗深さが０．５５ｍｍ（５）のときの電極２の入熱量
は約１８００Ｗであった。ダブルアークは消耗深さが
０．６７ｍｍ（６）のときに発生し、これまで増加して
いた入熱量が低下し、またこれまで一定値を保っていた
ノズル４への入熱量もここで低下した。これ以上の消耗
深さでは、（７）のデータ以外でダブルアークが観測さ
れた。

【００３１】これらのことから、作動ガスに窒素ガスを
用いた場合は、入熱量のしきい値を１８００Ｗとし、電
極２の入熱量が１８００Ｗを超えたときに電極寿命の予
知信号を発生するようにした。

【００３２】上記実施例１及び２において、ノズル４へ
の入熱量は電極２の消耗の進行において略一定であるこ
とがわかった。しかし、ダブルアークが発生すると、こ
のノズル４への入熱量が減少した。従って、ノズル４へ
の入熱量を測定することにより、切断品質を直接的に支
配するノズルの損傷の判断ができ、切断品質低下の検知
モニタとして利用できる。

【００３３】上記両実施例における電極寿命を予知する
ための作用をシーケンス図に示すと図４のようになる。
またノズル損傷を検知するための作用をシーケンス図に
示すと図５のようになる。

【００３４】なお、上記した実施の形態では、電極冷却
回路１の入口部と出口部と、ノズル冷却回路３の出口部
の３個所に水温測定器６ａ，６ｂ，６ｃを設けて、これ
らの測定値と流量測定器７の測定値から、電極２とノズ
ル４のそれぞれの入熱量を分けて計測するようにした
が、電極２の寿命はプラズマトーチの先端部における総
入熱量の増加によって予知でき、またノズル４の損傷
は、略一定状態であったこの総入熱量が、これの損傷に
より、いままでの値から低下することにより検知するこ
とができることから、電極冷却回路１とノズル冷却回路
３の間の水温測定器６ｂを省略し、電極冷却回路１の入
口部とノズル冷却回路３の出口部での水温測定器６ａ，
６ｃと流量測定器７にてプラズマトーチの先端部での総
入熱量を測定し、これの増加及び変化から電極２の寿命
予知とノズル４の損傷検知の双方を行うようにしてもよ
い。これにより、トーチ内部に水温測定器６ｂを設ける
必要がなくなり、プラズマトーチの構造が複雑になるの
を防止できると共に、本発明に係る方法及び装置を、従
来の電極２とノズル４を冷却水（冷却媒体）にて冷却す
る構成のプラズマトーチに適用可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマトーチの冷却回路を示す概略的な構成
説明図である。

【図２】作動ガスに酸素ガスを用いたプラズマトーチの
電極消耗深さに対する電極及びノズルの入熱量を示す線
図である。

【図３】作動ガスに窒素ガスを用いたプラズマトーチの
電極消耗深さに対する電極及びノズルの入熱量を示す線
図である。

【図４】電極寿命を予知するための作用を示すシーケン
ス図である。

【図５】ノズル損傷を検知するための作用を示すシーケ
ンス図である。

【符号の説明】

１…電極冷却回路 ２…電極 ３…ノズル冷却回路 ４…ノズル ６ａ，６ｂ，６ｃ…水温測定器 ７…流量測定器 ８…被加工材 ９…プラズマアーク

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を熱媒体とする電極の冷却機構を持
   つプラズマトーチにおいて、この熱媒体の温度と流量よ
   り電極への入熱量を測定して、この入熱量が上昇して一
   定の値に達したときに電極寿命の予知情報を発してアー
   クを停止させるようにしたことを特徴とするプラズマト
   ーチ電極の寿命予知方法。
2. 【請求項２】 流体を熱媒体とするノズルの冷却機構を
   持つプラズマトーチにおいて、この熱媒体の温度と流量
   よりノズルへの入熱量を測定して、この入熱量が略一定
   に保たれた状態から低下したときにアークを停止するよ
   うにしたことを特徴とするプラズマトーチノズルの損傷
   検知方法。
3. 【請求項３】 電極冷却回路に流量測定手段を設けると
   共に、この電極冷却回路の入口と出口の２個所に、この
   冷却回路の冷却媒体温を測定する冷却媒体温測定手段を
   設け、上記流量測定手段からの検出値と、両冷却媒体温
   測定手段による検出値差から、このときの電極への入熱
   量を算出する入熱量算出手段を有することを特徴とする
   プラズマトーチ電極の寿命予知装置。
4. 【請求項４】 電極冷却回路の入口と出口、及びこの電
   極冷却回路の出口に接続されるノズル冷却回路の出口の
   それぞれに各冷却回路の冷却媒体温を測定する冷却媒体
   温測定手段を設け、また上記冷却回路に流量測定手段を
   設け、電極冷却回路の入口と出口の温度差と、この部分
   の流量とから電極への入熱量を算出する電極入熱量算出
   手段と、電極冷却回路の出口とノズル冷却回路の出口の
   温度差と、この部分の流量とからノズルへの入熱量を算
   出するノズル入熱量算出手段を有することを特徴とする
   プラズマトーチ電極の寿命及びノズルの損傷検知装置。