JPS62127173A - プラズマトーチの電極等の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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方法に関する。

「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δ１−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
ような人的検知方法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方法を提供する°
バを目的とする。

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方法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
極等の異常検出方法及びその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詳細
な説明する。

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一端子およびノズルに接
続される十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）’！極が正常な場合（図ＩＡ参照）図ＩＡ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比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Ｍ１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ｖ８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重影響を受けず安定
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）′￥Ｌ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％ト昇し、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３０Ｖ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６０■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？ＯＶ、異常発生時の異常と判断する上限電圧
レベルと下限電圧レベルを夫々８０Ｖ　（＋３３％）　
ト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、メインアーク移行後、厳密にはパイロ
ットアーク消弧後の加工時におけるノズル−電極間電圧
Ｖｅの増減又は／及び変動を検知し、該検知信号に基ず
いて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。

この場合、前記ノズル−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はアークが
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、改良発明の概要 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Ｖａ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、改良発明においては、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Ｖｅ’　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■２は
例えば第３図に示すように、プラズマ電源装ご内部の被
切断材（母材）に接続される子端子側の回路と直列に接
続された直流型流形用分流器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
６０Ｖ程度、正常加工時における差電圧ｖｌｌを０７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
■ｘ　（異常予告レベル）をＩＯＶ、異常発生時の上限
電圧ｖｈと下限電圧ｖ！ｌを夫々２０Ｖと−１５Ｖ程度
に設定すればよい。

■腸＝Ｖｅ’　　−Ｖ２ Ｖ２　＝　（Ｋｌ　＠Ｍｉ　＋に２　）Ｋｌ　、　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。

ｌはサイリスタで定電流制御されたメインアーク用電源
で子端子側をスイッチＳ１及び直流型流形用分流器ＳＨ
を介して母材２に、又一端子側を電極３と接続している
。

４はパイロットアーク用電源で、子端子側をスイッチ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、又一端子側をメインアーク用電源の一端子側
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　ｌ、、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ＯＶとはならず
、メインアークによる正常切断中は５５Ｖ〜８５Ｖ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、Ａ
Ｉは利得調整機能が付設された電圧調整器で、前記切断
袋ｆｉｌ　（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７ツテネータにより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）側の直流型流形用分流器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ｖ１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ＣＩ、Ｃ２，
ｉｌｌ：３に入力される。モして該各比較器ＣＩ　、Ｃ
２、（：３で夫々電極３消耗限界付近での異常予告基準
電圧Ｖ！、異常発生時の上限基準電圧■ｈ及び下限基準
電圧Ｖ交と比較し、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ＣＩ、Ｃ
２，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Ｖ信が異常
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１
２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ｖｆＬの範囲を超え、この結果
比較器ｃｉ　、０２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１Ｂ
の点灯と共にプラズマ電源制御回路１７をＯＦＦ　Ｌ、
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よりのメインアーク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、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として用いたが故に、電極等の異常
又は使用限界を自動的且つ正１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、既存の装置に簡単に付設する事が
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。 第１ａ図 第１ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）パイロットアーク消弧後の加工時におけるノズル−
   電極間電圧の増減又は／及び変動を検知し、該検知信号
   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方法 ２）パイロットアーク消弧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方法