JP2003225768A - プラズマ切断機のメインアーク着火装置及びメインアーク着火制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマ切断機において、プラズマ電極の寿
命とノズル寿命とを共に延長できるメインアーク着火及
びメインアーク着火制御方法を提供する。 【解決手段】 プラズマトーチ(1)にプラズマガスを供
給する際に、アーク起動前又は直後には、小流量及び／
又は低ガス圧でプラズマガスを供給し、プラズマト−チ
(1)の電極(1a)とノズル(1b)間にパイロットアーク(16)
が着火した後には、プラズマガスを大流量及び／又は高
ガス圧に切り替えると共に、前記電極(1a)とワーク(11)
間のメインアーク(13)の発生を検出した時には、前記パ
イロットアーク(16)にパイロット電流(Ip)を供給するパ
イロット電流回路(21)の、前記ノズル(1b)に繋がるライ
ンに抵抗(12)と直列に挿入された半導体スイッチ(10)に
より、前記パイロット電流(Ip)を迅速に遮断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ切断機の
メインアーク着火装置およびメインアーク着火制御方法
に関し、特には、アーク起動を頻繁に繰り返す切断作業
でもプラズマ電極およびノズルの寿命の延長が図れるメ
インアーク着火装置およびそのメインアーク着火制御方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属板材（以後、ワークという）
のプラズマアーク熱切断において、そのプラズマ電極お
よびノズルの劣化が直接加工品質を落とすこと、また、
電極およびノズルの交換の際のランニングコストが嵩む
ことから、これらの寿命に関し種々の研究開発がされ続
けてきている。

【０００３】まず、本発明の理解を易しくするために、
プラズマ切断機の従来技術として、最も基本的な、プラ
ズマガスとして酸素を用いる切断機およびその制御方法
を、プラズマ切断機の一般的構成およびプラズマアーク
起動方法を表した図４と、このプラズマ切断機のアーク
起動制御方法を表した動作シーケンスのタイムチャート
である図５とを参照して説明する。図４(a)と図５とに
おいて、プラズマ切断機に起動信号ＳＴが入力される
と、定電流電源８が作動し、スイッチ（電磁開閉器）１
４が閉じて、プラズマトーチ１内の電極１ａがマイナス
に、ノズル１ｂおよびワーク１１がプラスとなるように
直流電圧が印加される。と同時に、止め弁１５が開い
て、プラズマトーチ１内にプリフローとしての酸素ガス
が供給される。このプリフローはガス管路４内の空気を
完全に酸素に置換すると共に、ガス流量が安定するまで
の時間的余裕を得るために設けられたものである。上記
プリフローの後、図４(ｂ)において、高周波発生器９が
作動して電極１ａとノズル１ｂとの間に高周波高電圧が
印加されると、該電極１ａと該ノズル１ｂとの間に火花
放電が起こり、図４(ｃ)に示すように、この火花放電を
種として、電極１ａとノズル１ｂとの間にパイロットア
ーク１６が形成され、定電流電源８から抵抗１２及びス
イッチ１４を介してノズル１ｂ、そしてパイロットアー
ク１６から電極１ａを経由して定電流電源８に戻る回路
をパイロット電流Ｉｐが流れる。この時、簡単には、定
電流電源８は最大出力を出す状態であり、つまりほぼ定
電圧源として機能しているため、前記パイロット電流Ｉ
ｐは抵抗１２によって垂下特性が与えられ、電源特性と
アーク電圧とが平衡した状態で安定する。

【０００４】そして、図４(ｄ)に示すように、このパイ
ロットアーク１６を先導として、電極１ａとノズル１ｂ
との間に電気的導通が確保されると、前記パイロット電
流Ｉｐの一部がメイン電流Ｉｍとなってワーク１１に流
れ、メインアーク１３を形成する。これを図示しない電
流検出器で検出し、図４(ｅ)に示すように、ノズル１ｂ
に繋がるスイッチ１４を切り離すことにより、メインア
ーク１３だけの回路となり、メイン電流Ｉｍのみが流れ
る。そして、予め設定された切断電流値 (メイン電流Ｉ
ｍ)を維持するように、図示しない電流検出器の出力値
と該設定値とを比較しながら、定電流制御が行われ、ワ
ーク１１の切断加工が実施される。その後、切断終了時
には、停止信号ＳＰが電源に投入され、電源の出力が停
止し、メインアーク１３への電力の供給が止まり、メイ
ンアーク１３が消滅する。

【０００５】以上の如く、従来技術として、パイロット
回路に直列に抵抗とスイッチ（電磁開閉器）とを入れ、
パイロットアークが発生した後、メインアーク検出手段
によりメインアークを検出し、この検出信号により前記
スイッチ（電磁開閉器）を開いてパイロットアークを遮
断し、メインアークを着火させることは、プラズマ切断
機において極一般的に行われている技術である。

【０００６】これまで、プラズマ切断機における技術課
題として、まず、消耗品の長寿命化があり、そのために
数々の発明、考案がなされてきた。その第１の先行技術
として、特開平５−１０４２５１号公報がある。この公
報には、プラズマトーチへ供給するプラズマガスの流し
方として、プラズマガスをアーク着火直後に、低ガス圧
から高ガス圧に、あるいは小流量から大流量に切り替え
る技術により、電極消耗の低減効果があったと報告され
ている。

【０００７】また、第２の先行技術として提示する特開
平３−２５８４６４号公報には、アーク起動時、アーク
起動前又は直後には、プラズマガスとして非酸化性気体
をプラズマトーチへ供給し、アーク着火後は、プラズマ
ガスを酸化性気体に切り替える技術が開示されており、
このガス種類の切り替え技術により、電極消耗を低減で
き、電極寿命を延長できるとしている。

【０００８】そして、第３の先行技術として提示する特
開平６−１５４５７号公報には、パイロットアークから
メインアークへの移行性を改善するため、メインアーク
の着火検出信号によりスイッチを開いてパイロットアー
クを遮断する際の前記スイッチとして、電磁開閉器では
なくトランジスタを採用した技術が記載されている。こ
の技術は、パイロット電流の２次側チョッパ制御に関す
るもので、トランジスタを単純なスイッチとしてではな
くチョッパ制御素子として機能させている。そして、メ
インアークの回路は、パイロットアーク発生中はフル出
力し、移行に必要な電極と母材間又はノズルと母材間の
電圧を充分に大きく取れることから、メインアークへの
移行ミス、移行遅れを防止し、好適な電源装置を提供で
きるとしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来、前記第１の先行
技術として提示した特開平５−１０４２５１号公報、お
よび第２の先行技術として提示した特開平３−２５８４
６４号公報などに見られるように、電極の寿命延長のみ
に関する技術は存在していた。しかしながら、これら従
来技術のプラズマガス切り替えに関して、起動時に小流
量又は低圧ガスにすると、パイロットアークからメイン
アークへの移行性が悪くなり、むしろノズルのダメージ
が大きくなる不具合が発生することが最近解ってきた。
また、窒素又は窒素を多く含むガスでは、メインアーク
への移行性が酸素よりも悪くなり、ノズルにとってはダ
メージが大きくなることも解ってきた。すなわち、ガス
切り替えは電極寿命向上には大きく寄与するが、ノズル
寿命については、改善が見られないか、あるいは逆効果
にさえなることが解ってきた。従って、電極寿命が長く
なっても、それ以前にノズルが寿命に達し、これら消耗
品の交換インターバルは期待するほど長くはならなかっ
た。譬えこの技術を採用して、電極寿命が改善（アーク
着火回数にして２００回程度から６００回程度に）され
ても、ノズルの寿命に関しては、アーク着火回数にして
精々１５０〜２００回程度であり、改善されていないの
が実情である。

【００１０】ノズルのダメージの要因としては、以下の
２つに大別できる。即ち、ピアッシング工程（穴開け工
程）時にノズルに向かって吹き上がってくる溶融金属
（スパッタ）が、ノズルに付着することで、ノズルがダ
メージを受ける、言わば外的要因によるケースと、パイ
ロットアークからメインアークに移行するまでに、パイ
ロットアークによってノズルに電流が流入し、ノズルの
出口部分が溶融されることによるダメージとに分けられ
る。これらノズルの寿命に悪影響を及ぼす要因の改善策
としては、従来、前者の外的なダメージについては、ノ
ズルの外側にシールドキャップを設けることでスパッタ
からノズルを保護する方法があり、現状のプラズマトー
チの大部分で採用されている。しかし、前記後者のパイ
ロットアークによるダメージについては、それを軽減す
る方法は、従来技術では明確な開示が未だ見当らない。
要するに、電極寿命とノズル寿命とを同時に延長させ、
実用上充分な効果をもたらす技術は従来は存在していな
かった。

【００１１】通常、ノズルの寿命は、電極が寿命に至っ
ていない限り、パイロットアークからメインアークへ移
行するまでの電極とノズル間における頻繁なパイロット
アークによりノズルの出口近傍が溶融されることで徐々
にその損傷が拡大され、アークの切れ味が悪くなり、切
断加工精度が所定の規定値を下回った段階で寿命と判定
されている。

【００１２】一方、電極はアーク起動時、電極表面の温
度が約３０００°Ｃの高温まで上昇し、このときの熱衝
撃により該電極表面が剥離する形で瞬間的に消耗するこ
とが知られているが、ノズル寿命はこの電極寿命に左右
される。例えば、電極がある寿命に至った時点で、前述
の理由で急激に損傷破壊され、この時ワークを熱切断中
のノズルにおいて電極とワーク間のアークが途絶えて、
これに換わってノズルと電極間のアークが発生し、瞬時
に（アークがワークを溶かすと同様な原理で）ノズルの
出口近傍を溶かしてしまうことになる。このように、電
極の瞬時の損傷が発生した場合、これにより所謂、道ず
れ的なノズルの損傷が発生し、その直前ではノズルとし
て未だ充分な切れ味を有して寿命に至っていない場合に
おいても、瞬時に、継続使用が不可能な状態となってし
まうのが実状である。以上述べた理由から、従来、ノズ
ル寿命のみの延命策を幾ら講じても、ノズル寿命が電極
寿命によって決まるとの実情から、電極のみの寿命延長
技術の開発に傾注し、ノズル寿命延長技術と電極寿命延
長技術とを関連させた観点で考慮するとの考えには及ん
でいなかったと言える。

【００１３】また、電極及びノズルについては、その寿
命による交換頻度の多さが、電極及びノズルの交換に伴
う消耗コストには勿論のこと、機械稼働率低下（生産性
低下）にも多大な影響を及ぼしている点も問題である。
この問題を解決するためには、電極及びノズルの寿命を
それぞれできる限り延長させ、これらを同時にセット交
換する（同一寿命とする）ことが理想であるが、現実
は、電極寿命及びノズル寿命それぞれは不揃いであり、
かつ前述のように電極の突発的な損傷によりノズル寿命
が左右されることから、余裕を見て低めの寿命回数を設
定せざるを得ないのが実情であった。

【００１４】また、特開平６−１５４５７号公報に記載
のアーク着火技術へのトランジスタの採用は、前述のよ
うにノズル寿命の延長を意図したものではない。しか
も、パイロットラインに挿入されたトランジスタは、ス
イッチとしてだけでなく、パイロット電流を調整するチ
ョッパ素子として使われており、メインアーク電流の定
電流制御回路とは別に、前記トランジスタを制御する為
の定電流制御回路が必要となり、その電源は複雑となり
コスト高となっている。

【００１５】本発明は、上記の問題点に着目してなさ
れ、プラズマ切断機において、プラズマ電極の寿命とノ
ズル寿命とを共に延長できるメインアーク着火装置およ
びメインアーク着火制御方法を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】本発明に
際し、発明者らは、電極寿命向上を主に狙った従来のガ
ス切り替え技術に対して、ノズル寿命をも視野に入れ
た、最適なパイロット回路の着火制御技術について研究
開発を行い、以下の結論を得た。 （１）ノズルのダメージはパイロットアーク発生時にノ
ズルに流入する電流により引き起こされ、そのダメージ
を与える電流の大きさは、プラズマガスが低圧、小流量
になるほど大きくなり、そのことが、電極寿命向上に寄
与するガス切り替えシステムにおいてはノズル寿命を短
くしている。 （２）また、ノズルへの流入電流は、パイロットアーク
時のプラズマガスのガス種が窒素を多く含むほど、その
流入電流値が増加する傾向にある。 （３）そして、パイロットラインに直列に挿入される抵
抗に関しては、定格のパイロットアーク電流値が２０Ａ
程度である場合、その抵抗値が２Ω未満のときは、極端
にノズルへの流入電流が増加する傾向にある。よって、
この場合には、パイロット回路の抵抗値は２Ω以上が望
ましい。 （４）ノズル寿命を向上する為には、ノズルへの流入電
流の大きさを下げるだけではなく、出来るだけ低いメイ
ン電流の検出のレベルを用いて、一旦メイン電流を検出
したら、直ちにパイロット回路を遮断することが、ノズ
ルの損傷を少なくできるので好ましい。従って、メイン
電流検出のレベルを低く設定し、検出後、直ちにパイロ
ットアークを遮断すべきであるが、遮断のタイミングが
従来の電磁開閉器などの機械的な開閉スイッチを使用す
ると５０msec程度遅れるので、半導体スイッチ（トラン
ジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴなど）を使用するのが望
ましい。また、この場合、半導体スイッチは純粋にスイ
ッチとして使用し、前述した特開平６−１５４５７号公
報に開示された技術のようなチョッパ制御は行わない。
以上の如く研究開発により得た上記の結論を盛り込むこ
とにより、前述の消耗品の寿命延長に関する課題を解決
できたので、その達成手段および効果を以下に説明す
る。

【００１７】上記の本願発明の目的を達成するために、
第１発明は、プラズマ切断機のメインアーク着火装置に
おいて、アーク起動前又は直後に、プラズマトーチに小
流量及び／又は低ガス圧でプラズマガスを供給し、パイ
ロットアーク又はメインアークの着火後には、大流量及
び／又は高ガス圧でプラズマガスを供給するように、該
ガス流量又はガス圧を切り替えるガス切り替え手段を設
けたガス供給手段と、アーク起動時に、プラズマト−チ
の電極とノズル間にパイロットアークを形成する際に、
プラズマ電源からノズルにパイロット電流を供給するパ
イロット電流回路と、ワーク切断時に、プラズマト−チ
の電極とワーク間にメインアークを形成する際に、プラ
ズマ電源からメインアークにメイン電流を供給するメイ
ン電流回路と、前記メイン電流回路のワークに繋がるラ
インに設けた、メイン電流を検出するメイン電流検出器
とを有し、前記パイロット電流回路のノズルに繋がるラ
インに、前記メイン電流検出器によりメイン電流を検出
した後、前記パイロット電流を遮断する半導体スイッチ
を備えた構成としている。

【００１８】第１発明では、先ず、電極とノズル間にパ
イロットアークを形成する際に、ガス切り替え手段によ
り、アーク起動前又は直後には電極とノズル間に流すプ
ラズマガスを小流量及び／又は低ガス圧としたので、パ
イロットアークをワーク側に吹き流す力が小さくなり、
その結果、ノズルに入るパイロット電流Ｉｐが流れ易く
なり、このパイロット電流Ｉｐが小電流でもアークの形
成が可能となる。また、一方、電極はアーク生成時、こ
のときの熱衝撃により該電極表面が剥離する形で瞬間的
に消耗することが知られているが、パイロット電流Ｉｐ
が小電流で済むことからアーク点弧時に前記熱衝撃によ
る電極のダメージを大幅に低減できる。

【００１９】第１発明によると、次に、前記ガス切り替
え手段により、パイロットアーク又はメインアークの着
火後に、電極とノズル間に大流量及び／又は高ガス圧の
プラズマガスを供給するので、パイロットアークをワー
ク側に吹き流す力が大きくなり、電極とノズル間でパイ
ロット電流Ｉｐが流れ難くなる。そして、プラズマ電源
の電流はパイロット電流Ｉｐとメイン電流Ｉｍとに分流
しているので、パイロット電流Ｉｐが減れば、反対にメ
イン電流Ｉｍが増加する。この結果、パイロットアーク
から、電極とワーク間でのメインアークへの移行が極め
て速やかに行われる。また、アーク着火による前記熱衝
撃による電極の消耗は低ガス圧雰囲気のため少なくな
る。上記のように、ガス供給手段にガス切り替え手段を
設け、アーク起動前又は直後に小流量及び／又は低ガス
圧でプラズマガスを供給し、パイロットアーク又はメイ
ンアークの着火後には大流量及び／又は高ガス圧に切り
替えることにより、電極の寿命は、アーク着火回数で約
６００回程度まで格段に向上できた。

【００２０】また、第１発明では、パイロット電流を遮
断するためにトランジスタを採用した構成により、前述
した電極寿命の延長の効果に加えて、次に述べるような
飛躍的なノズル寿命の延長の効果をも得ることができ
た。パイロットアークから、電極とワーク間のメインア
ークへ移行した後においても、電極とノズル間では依然
としてアークの一部が接続され、ノズルへパイロット電
流Ｉｐが流れている状態が継続しているが、このため、
ノズル口先端の出口部分は前記アークにより常に溶融さ
れている状況にある。従って、ノズル寿命を延ばすため
には、このメインアークへ移行した後に、電極とノズル
間にパイロット電流Ｉｐが流れている時間をできる限り
短くした方が良いわけである、事実、発明者らは実験結
果により、パイロットアークによるノズルのダメージ
は、ノズルに入る電流の大きさと時間に比例する事実を
得ている。そこで、メインアーク発生後、ノズルへのパ
イロット電流Ｉｐを遮断するために、パイロット電流回
路のノズルに繋がるラインに、従来の電磁開閉器に換え
てトランジスタを採用したので、パイロット電流Ｉｐの
遮断時間は従来の電磁開閉器に比べ格段に速く（電磁開
閉器の約５０msecに対し、トランジスタでは約５msec）
なり、ノズル口先端の出口部分が前記アークにより常に
溶融されている時間が激減することから、ノズルの寿命
は、従来に較べ約３倍（アーク着火回数で、従来の約１
５０回〜２００回から約６００回）へと飛躍的に改善さ
れた。

【００２１】従来、熱衝撃による電極の突発的な損傷に
よりノズルも道ずれ的に破損されてしまうなど、電極寿
命及びノズル寿命それぞれは不揃いで、余裕を見て低め
の寿命回数を設定せざるを得ないのが実情であり、電極
寿命及びノズル寿命をそれぞれできる限り延長させ、こ
れらを同時にセット交換する（同一寿命とする）ことが
理想であったが、前述のように本第１発明により、電極
及びノズルの寿命を共に大幅に改善でき、かつそれぞれ
の寿命の値は、ほぼ同一（アーク着火回数で、約６００
回程度）とすることを可能とした。よって、この電極及
びノズルの寿命改善により、寿命による交換頻度を激減
でき、交換に伴う消耗品コストの改善は勿論のこと、機
械稼働率向上（生産性向上）に多大な効果が得られた。
なお、以上の電極寿命とノズル寿命とを同時に延長可能
とした技術は、単なる従来技術の組み合わせではなく、
ノズル寿命が電極寿命に相関があり、電極寿命を延ばす
と同時にノズル寿命の延長が図れないものか、との従来
見落としていた観点に着目し、創意工夫の上で本発明に
至ったものである。

【００２２】次に第２発明は、第１発明において、前記
パイロット電流回路のノズルに繋がるラインに、前記半
導体スイッチと直列に抵抗を挿入した構成としている。

【００２３】本発明者らは、前述したように、実験結果
から、パイロットアークによるノズルのダメージはノズ
ルに入る電流の大きさと時間に比例する事実を得てお
り、ノズルのダメージはノズルに入る電流により引き起
こされるが、本第２発明によると、パイロット電流回路
のノズルに繋がるラインに抵抗を挿入したことで、パイ
ロット電流が低下し、ノズルの損傷を軽減させると共
に、プラズマ定電流電源の特性によってパイロット電流
の低下に伴ってこれとは逆にメイン電流が増加すること
により、メインアークの発生、及びメインアークへの移
行を安定的に、かつ迅速に行なうことができる。

【００２４】第３発明は、第１発明において、アーク起
動前又は直後に、プラズマトーチに小流量及び／又は低
ガス圧で供給する前記プラズマガスが、窒素又は比較的
多く窒素を含むガスであることを特徴としている。

【００２５】通常、プラズマ切断では、パイロットアー
クを着火した直後に、電極中心に埋め込まれている電極
材料のハフニュウムは激しく消耗が進行する。本第３発
明では、電極周辺に供給するプラズマガスとして窒素又
は比較的多く窒素を含むガスを用いたので、電極の先端
部に、ハフニュウムの窒化物が形成されることになり、
このハフニュウム窒化物は融点が高い為に電極の消耗を
少なくできる。したがって、アーク起動時に電極消耗を
抑制し、電極寿命を延長できる。

【００２６】また、第４発明は、プラズマ切断機のメイ
ンアーク着火制御方法において、プラズマトーチにプラ
ズマガスを供給する際に、アーク起動前又は直後には、
小流量及び／又は低ガス圧でプラズマガスを供給し、プ
ラズマト−チの電極とノズル間にパイロットアーク又は
メインアークが着火した後には、プラズマガスを大流量
及び／又は高ガス圧に切り替えると共に、前記電極とワ
ーク間のメインアークの発生を検出した時には、前記パ
イロットアークにパイロット電流を供給するパイロット
電流回路の、前記ノズルに繋がるラインに抵抗と直列に
挿入された半導体スイッチにより、前記パイロット電流
を迅速に遮断する方法としている。

【００２７】第４発明によると、このメインアーク着火
制御方法により第１発明と同様に、プラズマ切断機にお
いて電極及びノズルの大幅な寿命の延長が図れることか
ら、電極及びノズルの交換頻度を格段に低減でき、電極
及びノズルの交換に伴う消耗品コストの低減は勿論のこ
と、機械稼働率の向上（生産性向上）の多大な効果が得
られる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を図
１、図２及び図３を参照して詳細に説明する。ここに、
図１は本発明に係るメインアーク着火装置の概要回路図
であり、図２は本発明に係るパイロットアークを表した
図である。また、図３は本発明に係るプラズマガスフロ
ーのタイムチャートである。なお、図４における構成要
素と同じ構成には同一符号を付け、以下での説明を省
く。

【００２９】図１において、プラズマ切断機のメインア
ーク着火装置は、トーチ１へ電力を供給する為のプラズ
マ電源としての定電流電源８を備えている。定電流電源
８のマイナス出力は電源ライン２０を経由してト−チ１
の電極１ａに接続され、また定電流電源８のプラス出力
は、パイロット電流Ｉｐを供給するパイロット電流回路
２１と、メイン電流Ｉｍを供給するメイン電流回路２２
との２系統ラインに分岐され、それぞれノズル１ｂとワ
ーク１１に接続されている。

【００３０】前記パイロット電流回路２１には、電極１
ａとノズル１ｂとの間に形成したパイロットアーク１６
（図２参照）から、電極１ａとワーク１１との間に形成
されるメインアーク１３へスムーズに移行させるための
抵抗１２と、本発明の特徴であるスイッチング用のトラ
ンジスタ１０と、電極１ａとノズル１ｂとの間に流れる
パイロット電流Ｉｐを検出するパイロット電流検出器５
とが直列に接続されて設けられている。トランジスタ１
０のベースには、図示しないコントローラからの制御指
令信号が接続されている。ここで、発明者らが行なった
実験において、定格パイロットアーク電流が２０Ａ程度
である仕様の切断機の場合、上記抵抗１２の抵抗値が２
Ω未満であると、極端にノズルへの流入電流が増加する
傾向にあるので、その抵抗値は２Ω以上が望ましいこと
が解った。なお、実験結果によると、抵抗値は４〜８Ω
が好ましい。また、トランジスタ１０は、スイッチング
素子としてＩＧＢＴのような高速で作動するものを採用
している。なお、パイロット電流回路２１には、必要に
応じて、スイッチング時のサージを吸収するためのダイ
オード等で構成されるサージ吸収用回路（図示せず）を
追加してもよい。

【００３１】また、前記メイン電流回路２２には、図２
に示すパイロットアーク１６の先導により図１に示すメ
インアーク１３が形成されるため、電極１ａとワーク１
１との間にメイン電流Ｉｍが流れたことを検出するため
のメイン電流検出器６が挿入されている。このメイン電
流検出器６にはシャント抵抗やホール素子を用いたカレ
ントトランスを使用し、例えば３アンペア程度の小電流
がメイン電流回路２２に流れると、直ちにパイロット電
流回路２１のトランジスタ１０をオフし、電極１ａとノ
ズル１ｂとの間に流れているパイロット電流Ｉｐを瞬時
に遮断させる構成とする。

【００３２】ノズル寿命を向上する為には、ノズル１ｂ
への流入電流の値を下げるだけではなく、出来るだけ低
いメイン電流Ｉｍの検出レベルを設定し、この設定検出
レベルにより一旦メイン電流Ｉｍを検出したら、直ちに
パイロット電流回路２１を遮断することが、ノズルの損
傷を少なくできるので好ましい。従って、メイン電流検
出のレベルをできる限り低く設定し、検出後、直ちにパ
イロットアークを遮断すべきであり、本発明ではこの遮
断のタイミングを高速化するために、トランジスタ、Ｉ
ＧＢＴなどの電子式スイッチ（半導体スイッチ）を使用
している。これによって、遮断のタイミングは従来の機
械式接点の開閉によると５０msec程度も遅れていたもの
が、５msec程度に改善することを確認し、これに伴って
電極１ａの寿命と共にノズル１ｂの寿命も格段に長期化
されることを確認した。

【００３３】また本発明のメインアーク着火装置には、
トーチ１にプラズマガスを供給するガス供給手段２とし
て、電極１ａの寿命向上のために、図１に示すような、
スタート用ガスの供給または遮断を行うスタート用ガス
止め弁３ａと、切断用ガスの供給または遮断を行う切断
用ガス止め弁３ｂとを具備したガス切り替え手段３、及
びこれらのスタート用ガス止め弁３ａと切断用ガス止め
弁３ｂとをトーチ１に接続するガス管路４を設けてい
る。

【００３４】これらスタート用ガス止め弁３ａと切断用
ガス止め弁３ｂとの切り替えは、先ず、プリフローから
アーク起動までは、スタート用ガス止め弁３ａのみを開
き、スタート用のガスをガス管路４を介してトーチ１内
の電極１ａとノズル１ｂとの間に形成したガス供給路に
供給する。この時のスタート用のガス（プリフロー）に
ついては、図３に示すように、切断時のガスに比較して
低ガス圧及び／又は低流量であり、また純窒素又は窒素
を多く含むガスとしている。次に、電極１ａとノズル１
ｂとの間にパイロットアーク１６が発生すると、このパ
イロットアーク１６を通して電極１ａとノズル１ｂとの
間に流れるパイロット電流Ｉｐをパイロット電流検出器
５が検出し、この検出信号により切断用ガス止め弁３ｂ
を開いて、プラズマトーチ１に切断用のガスを供給す
る。この切断用ガスは、図３に示すように前記スタート
用ガス（プリフロー）に比較して高ガス圧及び／又は大
流量であり、また純酸素又は酸素を多く含むガスであ
る。なお、切断用ガス止め弁３ｂを開いている時、スタ
ート用ガス止め弁３ａは閉じてもかまわないし、またス
タート用ガス止め弁３ａと直列に逆止弁を入れておれば
開いたままでもよい。

【００３５】本実施形態によると、次のような作用、効
果が得られる。 （１）本発明の構成により、電極とノズル間にパイロッ
トアークを形成する際に、その間に流すプラズマガスを
小流量及び／又は低ガス圧としたので、パイロットアー
クをワーク側に吹き流す力が小さくなり、その結果、ノ
ズルに流れるパイロット電流Ｉｐが流れ易くなり、この
パイロット電流Ｉｐが小電流でもパイロットアークの形
成が可能となる。そして、パイロットアーク生成時に電
極とノズルとの間で流れるパイロット電流Ｉｐが小電流
で済むことから、アーク点弧時に前記熱衝撃による電極
のダメージを大幅に低減できる。

【００３６】次に、本発明によると、プラズマ切断機の
メインアーク着火装置において、ガス供給手段にガス切
り替え手段を設けた構成により、切断時に電極とノズル
間に大流量及び／又は高ガス圧のプラズマガスを流すこ
とから、パイロットアークをワーク側に吹き流す力が大
きくなり、電極とノズル間でパイロット電流Ｉｐが流れ
難くなる。そして、定電流電源の電流はパイロット電流
Ｉｐとメイン電流Ｉｍとに分流しているので、上記のよ
うにパイロット電流Ｉｐが減れば、相対的にメイン電流
Ｉｍが増加することになる。この結果、電極とワーク間
でのメインアークの発生、及びパイロットアークからメ
インアークへの移行が極めて速やかに行われる。このよ
うに、ガス供給手段にガス切り替え手段を設け、アーク
起動前又は直後には、小流量及び／又は低ガス圧でガス
を供給し、パイロットアーク着火後又はメインアーク着
火後には、大流量及び／又は高ガス圧に切り替えること
により、電極の寿命は、アーク着火回数で、約６００回
程度は確保された。

【００３７】（２）また、本発明では、パイロット電流
Ｉｐを遮断するために、トランジスタ等の半導体スイッ
チを採用した。これにより、パイロット電流Ｉｐの遮断
時間は従来のような電磁開閉器に比べ格段に速く（電磁
開閉器の約50msecに対し、トランジスタでは約５msec）
なり、ノズル口先端の出口部分が前記プラズマアークに
より常に溶融されている時間が激減することから、ノズ
ルの寿命は、従来に較べ約３倍（アーク着火回数で、従
来の約１５０回〜２００回から約６００回）と飛躍的に
改善された。

【００３８】（３）また、ノズルに接続されるパイロッ
ト電流回路に抵抗を挿入し、この抵抗値を２Ω以上とす
ることで、ノズルへのパイロット電流Ｉｐが低下し、ノ
ズルの損傷を軽減できる。また、これと共に、前述の理
由でパイロット電流Ｉｐの低下に伴ってメイン電流Ｉｍ
が増加することにより、メインアークの発生及びメイン
アークへの移行が安定して、迅速に行え、ノズル寿命及
び電極寿命を大幅に延ばすことができる。さらに、上記
抵抗値を大きくしたことにより、ノズルとワーク間の電
位差が大きくなるので、メインアークへの移行が容易に
できる。

【００３９】（４）プラズマ切断では、電極にパイロッ
トアークを着火した直後に、電極中心に埋め込まれてい
る電極材料のハフニュウムは、激しく消耗が進行するこ
とになるが、本発明では、電極周辺のプラズマガスとし
て窒素又は窒素を多く含むガスを用いたので、電極の先
端部にハフニュウムの窒化物が形成されることになり、
このハフニュウム窒化物は融点が高い為、電極消耗を少
なくできる。従って、アーク起動時に電極消耗を抑制
し、電極寿命を延ばす効果が得られた。なお、アーク起
動時に、窒素を使用することによるメインアーク移行性
の低下によるノズルダメージの増加を、半導体スイッチ
を利用したことにより排除している。

【００４０】（５）前述のような本発明の構成により、
電極及びノズルの寿命を共に大幅に改善でき、かつそれ
ぞれの寿命の長さはほぼ同一（アーク着火回数で、約６
００回程度）とすることを可能とした。よって、この電
極及びノズルの寿命改善により、長いインターバルでの
電極及びノズルのセット交換を可能とし、その交換頻度
を激減でき、電極及びノズルの交換に伴う消耗品コスト
の改善は勿論のこと、機械稼働率向上（生産性のアッ
プ）に多大な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るメインアーク着火装置の概要回路
図である。

【図２】本発明に係るパイロットアークを表した図であ
る。

【図３】本発明に係るプラズマガスフローのタイムチャ
ートである。

【図４】従来技術のプラズマ切断機の一般的構成及びプ
ラズマアーク起動方法の説明図である。

【図５】従来技術のアーク起動制御方法を表した動作シ
ーケンスのタイムチャートである。

【符号の説明】

１…トーチ、１ａ…電極、１ｂ…ノズル、２…ガス供給
手段、３…ガス切り替え手段、３ａ…スタート用ガス止
め弁、３ｂ…切断用ガス止め弁、４…ガス管路、５…パ
イロット電流検出器、６…メイン電流検出器、８…定電
流電源（プラズマ電源）、９…高周波発生器、１０…ト
ランジスタ（半導体スイッチ）、１１…ワーク、１２…
抵抗、１３…メインアーク、１４…スイッチ(電磁開閉
器)、１５…止め弁、１６…パイロットアーク、２０…
電源ライン、２１…パイロット電流回路、２２…メイン
電流回路、Ｉｐ…パイロット電流、Ｉｍ…メイン電流。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加端 哲也 石川県小松市串町フ１ コマツ産機株式会 社粟津工場内 Ｆターム(参考） 4E001 AA01 BB11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ切断機のメインアーク着火装置
   において、 アーク起動前又は直後に、プラズマトーチ(1)に小流量
   及び／又は低ガス圧でプラズマガスを供給し、パイロッ
   トアーク(16)又はメインアーク(13)の着火後には、大流
   量及び／又は高ガス圧でプラズマガスを供給するよう
   に、該ガス流量又はガス圧を切り替えるガス切り替え手
   段(3)を設けたガス供給手段(2)と、 アーク起動時に、プラズマト−チ(1)の電極(1a)とノズ
   ル(1b)間にパイロットアーク(16)を形成する際に、プラ
   ズマ電源(8)からノズル(1b)にパイロット電流(Ip)を供
   給するパイロット電流回路(21)と、 ワーク切断時に、プラズマト−チ(1)の電極(1a)とワー
   ク(11)間にメインアーク(13)を形成する際に、プラズマ
   電源(8)からメインアーク(13)にメイン電流(Im)を供給
   するメイン電流回路(22)と、 前記メイン電流回路(22)のワーク(11)に繋がるラインに
   設けた、メイン電流(Im)を検出するメイン電流検出器
   (6)とを有し、 前記パイロット電流回路(21)のノズル(1b)に繋がるライ
   ンに、前記メイン電流検出器(6)によりメイン電流(Im)
   を検出した後、前記パイロット電流(Ip)を遮断する半導
   体スイッチ(10)を備えたことを特徴とするプラズマ切断
   機のメインアーク着火装置。
2. 【請求項２】 前記パイロット電流回路(21)のノズル(1
   b)に繋がるラインに、前記半導体スイッチ(10)と直列に
   抵抗(12)を挿入したことを特徴とする請求項１記載のプ
   ラズマ切断機のメインアーク着火装置。
3. 【請求項３】 アーク起動前又は直後に、プラズマトー
   チ(1)に小流量及び／又は低ガス圧で供給する前記プラ
   ズマガスが、窒素又は比較的多く窒素を含むガスである
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ切断機のメイ
   ンアーク着火装置。
4. 【請求項４】 プラズマ切断機のメインアーク着火制御
   方法において、 プラズマトーチ(1)にプラズマガスを供給する際に、ア
   ーク起動前又は直後には、小流量及び／又は低ガス圧で
   プラズマガスを供給し、プラズマト−チ(1)の電極(1a)
   とノズル(1b)間にパイロットアーク(16)又はメインアー
   ク(13)が着火した後には、プラズマガスを大流量及び／
   又は高ガス圧に切り替えると共に、 前記電極(1a)とワーク(11)間のメインアーク(13)の発生
   を検出した時には、前記パイロットアーク(16)にパイロ
   ット電流(Ip)を供給するパイロット電流回路(21)の、前
   記ノズル(1b)に繋がるラインに抵抗(12)と直列に挿入さ
   れた半導体スイッチ(10)により、前記パイロット電流(I
   p)を迅速に遮断することを特徴とするプラズマ切断機の
   メインアーク着火制御方法。