JPS6315069B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマアーク切断トーチに関し、詳
しくいうと、かかるトーチを加工品に対し最初に
位置付けるための方法および装置に関する。

適正なアーク長を維持するために溶接工程中溶
接ヘツドの位置の制御を行なうための種々の方法
および装置が知られている。かかる方法は消耗電
極溶接およびTIG（タングステン−不活性ガス）
溶接に対して通常使用され、代表的にはアーク電
圧あるいはアークインピーダンスと称されている
トーチから加工品に至るアークを含む回路のイン
ピーダンスを、トーチの高さに基づくパラメータ
として感知する。かかる方法はまた、アークがイ
オン化可能なガスジエツトを通じて発生され、実
際に加工品を切断する高速度プラズマを発生させ
るプラズマアーク切断において使用することも可
能である。

本発明はアークをとばす前にプラズマアークト
ーチを最初に位置決めすること、すなわちトーチ
が実際に加工品に接触するまでトーチを前進させ
ることなしに加工品に十分に接近した位置にトー
チヘツドを移動させてアークが確実に確立される
ようにすることに向けられている。トーチの最下
部分を構成するノズルは代表的には、非導電性で
あり、かつ発生される熱に耐えることができる
が、しかし比較的もろく、従つて簡単に損傷する
セラミツク物質より構成されている。代表的に
は、かかるトーチの初期位置付けは操作者が加工
品に対するトーチヘツドの高さを可視的に観察す
る操作者の手動制御により行なわれていた。かか
る可視的観察は大きな板が切断される場合ならび
にトーチが操作者から若干の距離離れている場合
には困難である。それ故、可視観察に基づく手動
制御での初期位置付けは、トーチがうつかりして
加工品と接触するときにセラミツクのトーチノズ
ルをしばしば損傷する結果をもたらした。

上記した形式のプラズマアーク切断トーチにお
いては、アーク放電が生じるべきであるイオン化
可能なガスに一般に渦巻き運動が与えられる。こ
の渦巻き運動は得られる切断の品質を改善するこ
とが分つた。本発明の一面によれば、トーチが後
退している間にこの渦巻きガス流が発生される場
合には、比較的弱い渦が形成されるということが
分つた。その後トーチが加工品の方へ進行する場
合には、トーチ内の渦巻状ガス流の圧力はトーチ
が加工品に接近し、その結果ガス流が加工品に当
たり、このガス流が強くなつたときに比較的急激
に降下する。それ故、渦圧力の変化に応答する信
号を発生するトランスジユーサを設けることによ
つて、加工品の方へのトーチの進行はその信号に
応答して自動制御のもとで終らせることができ、
その結果トーチの加工品に対する位置が前以つて
決定できる。

以下本発明の好ましい実施例につき、対応する
参照符号が全図を通して対応する部品を示す添付
図面を参照して詳細に説明する。

第１図を参照すると、プラズマアーク切断トー
チが参照符号１１により総括的に指示されてい
る。このトーチは例えば米国ニユーハンプシヤー
州ハノーバーのハイパーサーム・インコーポレイ
テツドにより製造、販売されている水−アークカ
ツタ−モデルPAC−400であつてもよい。この形
式のトーチは通常窒素（N₂）のようなイオン化
可能ガス中にプラズマアークを発生するように作
動され、そしてらせん状渦巻運動がトーチ内のガ
スに与えられ、切断の特性を改善する。窒素ガス
入口は第１図に参照符号１３により指示されてい
る。この形式のトーチはまた、プラズマアークが
トーチから放射されるときにプラズマアークを絞
るための水噴射装置を使用する。トーチに対する
水入口は参照符号１５で指示されており、そして
ソレノイド弁１６が水流を制御するために設けら
れている。この一般形式のガス渦巻および水噴射
の概要は例えば米国特許第2806124号、第2906858
号、および第3082314号に記載されている。かか
るトーチはスチール板のような、すなわち第１図
に１９で指示される金属加工品を切断するために
代表的には使用される。電気エネルギをトーチに
提供するための電源は２８で指示されており、ま
たアーク電圧を感知し、かつ実際の切断中トーチ
高さを制御するアーク電圧制御器が３０で指示さ
れている。垂直方向へのトーチの実際の移動はサ
ーボモータ３２によつて達成される。通例である
ように、垂直および横の両方向へのトーチの随意
の手動位置付けを行なう、かつまた適当な始動順
序を提供する全体制御装置すなわち逐次制御装置
２６が使用される。

トーチノズルの構成は第２図ないし第４図に詳
細に例示されている。アーク放電中、参照符号２
１によつて指示されたタングステン電極と加工品
１９との間に導通が生じる。電極２１は中空金属
ステム２３に取付けられており、この中空金属ス
テム２３内を通るチユーブ２５を介して電極２１
に向けられる水により冷却される。

前に述べたように、アーク放電はイオン化可能
なガスを通じて生じ、らせん状渦巻運動がガスに
与えられて切断作用の品質を改善する。第２図を
参照すると、トーチ本体２４の口２７を通じて入
るイオン化可能なガスは複数の接線方向口３１
（第３図参照）を含むリング２９（第３図参照）
を通じて電極２１の周囲の空間に入れられる。接
線方向口３１は所望の接線方向回転をガスに与え
る。これら接線方向口の配列の詳細は第３図に示
されている。このガス流は本体２４から一対のノ
ズル素子３３および３５を介して出て行く。ノズ
ル素子３３は銅よりつくられ、またノズル素子３
５はセラミツクよりつくられている。これらノズ
ル素子はトーチ本体２４にねじ付環状クランプリ
ング３８によつてクランプされる。種々のＯリン
グシールが第２図に図示されているように設けら
れている。

ノズル素子３３および３５それ自体は水の環状
ジエツトをアークに抗して指向し、所望のように
切断領域を制限するための水ジエツトアセンブリ
を形成する。口４１を通じてトーチに入る水はク
ランプリング３８中の環状空間４３を通過する。
この環状空間４３は水をガス噴射口のまわりに導
びく。水は環状空間４３から放射方向通路４４を
通つてノズル素子３３と３５間に形成された環状
ノズル４５中に流れる。放射方向通路４４は第４
図の断面図に詳細に図示されている。

トーチが加工品から後退している間にガス流が
流れ始め、水流が止まつたまゝである場合には、
ガスは非常に弱い渦巻でノズル素子を通つて出て
行く。これは若干概略的であるが第５図に参照符
号５１で例示されている。その後トーチがゆつく
りと加工品１９の方へ進むと、渦巻状ガス流が加
工品に当り、このガス流が強くなつて十分に明確
になる。この明確になつた渦巻状ガス流は第６図
に概略的に５３で図示されている。渦巻状ガス流
は加工品に当ると比較的急激に強くなり、そして
ガス流の圧力、すなわちノズルそれ自体内の圧
力、の同様の急激な降下をともなう。

ノズル内の圧力はガス入口圧力を測定すること
によつて検出できるけれど、かかる測定は流管中
で生じる種々の圧力降下によつて不明確となる。
従つて、水噴射を使用するプラズマアーク切断装
置における本発明の実施例では、圧力の感知は水
噴射通路を介して行なわれることが非常に好まし
い。トーチの最初の接近中、水が流れる必要はな
く、従つてこの水圧通路はノズル領域に対して殆
んど理想的な感知口を形成し、たとえ介在する管
路が水で一杯であつても、渦巻状ガス流が加工品
に当り、強くなることによつて生じる圧力の急激
な変化を感知するのに非常に有効である。毎分
160立方フイートの窒素流を有するハイパーサー
ムモデルPAC−400トーチを使用すると、水噴射
口における圧力は、トーチが平らな加工品に対し
て0.12インチ内に達するときに約3.1ポンド／平
方インチから約1.8ポンド／平方インチに急激に
変化する。

第７図は口径0.166インチのノズルを使用した
場合（曲線Ａ）と口径0.187インチのノズルを使
用した場合（曲線Ｂ）のプラズマトーチの加工品
からの距離と渦巻状ガス流の圧力との関係を示
す。第７図から明らかなように、トーチが加工品
からほぼ0.3インチ以上離れている場合には圧力
は比較的変化がなく、ほぼ0.3インチからほぼ
0.15インチまでの間では圧力は僅かに増大し、ほ
ぼ0.12インチからほぼ0.08インチの間では急激に
圧力が降下することが分つた。

第１図の装置において、水入口管路の圧力は圧
力トランスジユーサ６１によつて感知される。圧
力トランスジユーサ６１は現存する圧力に対応す
る電圧信号を提供する。圧力トランスジユーサ６
１に導入され得る電気的雑音を除去するために、
トランスジユーサ６１からの電圧信号はしきい値
検出器６５に供給される前にフイルタ６３を通
る。しきい値検出器６５はトランスジユーサ６１
によつて発生される電圧信号の急激な転移を検出
し、それに応答して適当なスイツチング信号を逐
次制御装置２６に提供する。逐次制御装置２６は
トーチ１１の前進を終了させるように動作する。
この態様で初期高さが設定されると、逐次制御装
置２６はプラズマ装置を通常の態様で作動させ、
その結果アークが発生され、その後高さ調整モー
タ（サーボモータ）３２の制御をアーク電圧制御
器３０にゆだねる。アーク電圧制御器３０はトー
チ１１の高さを連続的に調節して所望のアーク電
圧またはインピーダンスを維持する。

本発明によれば、第７図に示すように、渦巻状
ガス流が加工品に当り、強くなつてガス流圧力が
急激に減少する前に、トーチが加工品に近ずくに
従つてガス流圧力が僅かに増大することが分つ
た。従つて、この僅かに増大するガス流圧力を感
知する、すなわちガス流圧力の僅かな変化を感知
する別個のしきい値検出器を上記した急激な圧力
変化を感知するしきい値検出器の代りに使用する
ことによつてもプラズマトーチを加工品に接近し
た所定位置に自動的に位置付けすることができ
る。また、しきい値検出器は、信頼性を高め、雑
音不感性を向上するために、初めに渦巻状ガス流
の圧力の増大を検出し、次に減少を検出するよう
に設計することができる。

上記したことから、本発明はトーチが加工品に
非常に接近したときを指示する信号を提供するよ
うに動作することが理解できる。また、この信号
は極めて明確であり、そして複雑な容量性近接セ
ンサあるいは信頼できない機械的フイーラーを使
用することなしに発生される。本発明を採用する
にあたり使用されるオートメーシヨンの度合は本
質的には選択の問題である。ある応用例において
は、モータ３２が手動制御のもとで進められてい
るときにこのモータ３２を単に消勢するだけで十
分であろうし、また他の場合には位置付け、点
火、および切断の最初の着手全体が上記記載にお
いて一般的に記載した態様ですべて自動制御され
よう。

上記したことから、本発明のいくつかの目的は
達成され、他の有益な結果が得られたことは理解
できよう。

本発明の範囲から逸脱することなしに種々の変
形、変更が上記構成においてなし得るから、上記
記載に含まれるあるいは添付図面を示されたすべ
ての事柄は例示であつて限定する意味ではないと
解釈されるということを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の初期位置付け方法を採用する
プラズマアーク切断トーチ装置の一例を示す構成
図、第２図は第１図の装置に使用されるトーチの
拡大断面図、第３図は第２図を実質的に３−３線
にて切断し、トーチ内の内部口を示す断面図、第
４図は第２図を４−４線にて切断した断面図、第
５図は加工品から初めに離間され、弱い加工品に
当らない渦巻状ガス流を発生するトーチを示す概
略図、第６図は加工品に相対的に非常に接近し、
強い渦巻状ガス流を発生するトーチを示す概略
図、第７図は加工品からのトーチの距離と渦巻状
ガス流の圧力との関係を示す曲線図である。 １１：プラズマアーク切断トーチ、１９：金属
加工品、２１：タングステン電極、２３：中空金
属ステム、２４：トーチ本体、２５：チユーブ、
２６：遂次制御装置、２８：電源、２９：リン
グ、３０：アーク電圧制御器、３１：接線方向
口、３２：サーボモータ、３３，３５：ノズル素
子、３８：クランプリング、４３：環状空間、４
４：放射方向通路、４５：環状ノズル、６１：圧
力トランスジユーサ、６３：フイルタ、６５：し
きい値検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アーク放電が生じるイオン化可能ガスに渦巻
   運動が与えられ、かつアークが当該プラズマアー
   ク切断トーチから放射されるときに該アークを絞
   るために水が噴射される形式のプラズマアーク切
   断トーチを加工品に対して最初に位置付ける方法
   において、 前記トーチが後退した位置にあり、かつ水の供
   給が停止されている間にイオン化可能なガスの流
   れを開始させる段階と、 前記トーチを前記加工品に向けて進行させる段
   階と、 前記トーチ内の渦巻状のガス流の圧力を水噴射
   導管を通じて感知し、該ガス流の圧力の変化に応
   答して第１の信号を発生する段階と、 前記渦巻状ガス流が前記加工品に当りこのガス
   流が強くなつたときに生じる前記渦巻状ガス流の
   圧力の急激な降下に前記第１の信号が対応すると
   きにのみスイツチング信号を発生する段階と、 前記スイツチング信号に応答して前記トーチの
   進行を終了させる段階 とからなる位置付け方法。 ２ アークが生じるイオン化可能なガスに対する
   ガス入口と、プラズマアークが放射されるノズル
   を含み、該ガス入口がらせん状渦巻をガスに与え
   るための手段を含むプラズマアークトーチと、 該トーチと加工品との間にアーク放電を生じさ
   せるための電源と、 前記ノズルに設けられた、該アーク放電を制限
   するための水噴射口と、 該水噴射口を介して前記イオン化可能なガスの
   渦巻状ガス流の圧力を感知し、前記トーチ内のガ
   ス流の圧力の変化を関数として変化する第１の信
   号を発生するための感知装置と、 前記渦巻状ガス流が前記加工品に当りこのガス
   流が強くなつたときに生じる前記渦巻状ガス流の
   圧力の急激な降下に前記第１の信号が対応すると
   きにのみスイツチング信号を発生するための装置
   と、 前記トーチを最初に前記加工品に向けて進行さ
   せ、そして前記スイツチング信号に応答して該進
   行を終了させるための装置 とからなるプラズマアーク切断装置。 ３ 前記感知装置が前記水噴射口と相互接続され
   た圧力トランスジユーサを含み、また前記トーチ
   の前記最初の進行中前記口を通る水流を遮断する
   ための手段が設けられている特許請求の範囲第２
   項記載のプラズマアーク切断装置。 ４ 前記トランスジユーサによつて発生される信
   号に応答して前記信号中の直流および静入力成分
   を阻止するための信号フイルタを含む特許請求の
   範囲第３項記載のプラズマアーク切断装置。 ５ 前記トランスジユーサの信号に応答し、前記
   トランスジユーサ信号がトーチ渦巻状ガス流の圧
   力の急激な降下を表わすときに制御信号を提供す
   るためのしきい値検出器を含む特許請求の範囲第
   ４項記載のプラズマアーク切断装置。