JPS59202168A - プラズマア−クの起動方法 - 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】 本発明は、金属の加熱、加工、溶解、精錬などに用いら
れるプラズマアーク装置の、プラズマアークの起動に関
する。

この種のプラズマアーク装置では、被加工物体（被処理
物体）にアークトーチを近づけた状態でアーク電極と導
体の間にパイロットアークを起動してから主アークをア
ーク電極と被処理物体の間に生起し、主アークが形成さ
れてからアークトーチを被処理物体より所定距離に離し
て該主アークで所要の加工等の処理を行なう。

主アークの生成は簡単ではなく、アークトーチをかなり
被処理物体に接近させないと主アークが生成されない。

そこで従来は、アーク起動時に前述のようにアークトー
チを被処理物体に近付けて主アークを発生してからアー
クトーチを被処理物体より離して所定の距離に設定する
ようにしている。

したがって、アークトーチと被処理物体の少なくとも−
・方を可動として、しかもアーク起動時と起動終了後に
それぞれ正確に両者間の距離を設定する必要があり、機
械的な位置決めに手数がかかるか、位置決め機構が複雑
になるという問題がある。

のみならず、アーク起動時に、アークトーチが被処理物
体に近いので、被処理物体からのスプラッシュ等により
アークトーチの先端が損傷する虞があり、また、アーク
トーチは一般に水冷構造となっており、これが損傷を受
けると危険でもある。

本発明は、アーク起動前後のアーク１〜−チの所要の進
退移動を小さくすることを第１の目的とし、進退移動を
実質上不要とすることを第２の目的とする。

上記目的を達成するために本発明においては、パイロッ
トアーク発生時に、アーク電極部に不活性ガス流を形成
して、不活性ガス供給量とパイロットアーク電流を、該
パイロットアークが長い層流プラズマ炎となるように定
める。不活性ガス供給量を所定の臨界値（Ｑｏ）以下と
するとプラズマ炎が層流となり、第２図に示すように、
臨界値（Ｑｏ）を越えるガス供給量のときの乱流時より
もプラズマ炎の長さが数倍となり、例えば乱流時の長さ
５ｃｍに対して層流では３０〜４０ｃｍにもなり、アー
ク電流を大きくすると更に長くなる。つまり、不活性ガ
ス供給量を臨界値以下とし、アーク電流を大きくするこ
とにより長い層流プラズマ炎が形成される。これにより
、アークトーチを、主アー４　　りによる加工時の所要
距離だけ被処理物体より離して配置したままでパイロッ
トアーク（長いプラズマ炎）を形成し、それから主アー
クの発生を待って、アークトーチと被処理物体間の距離
を変えることなく、主アークによる加工を行ないうる。

パイ日ソ１へアーク起動時にもアークトーチが被処理物
体と離れているので、スプラッシュ等によるアークトー
チの損傷の確率が低減し、しかもアーク起動前にアーク
１ヘーチを所要の加工時距離に設定することができ、ア
ークｌ−−チの設定が簡単になる。

第１図に本発明を＝−態様で実施するための装置構成の
概略を示す。これにおいてアークト−チは、アーク電極
（陰極）１０．これを囲む絶縁性筐体１２、および、筐
体１２の一部をなし、アーク電３− 極１０の下端に対向する部位にノズルを形成した導電体
１４で構成されている。

アーク電極１０と導電体１４の間には高周波電圧発生器
を含むパイロットアーク電源１６が接続され、アーク電
極１０と被処理物体２０との間には主アーク用電源１８
が接続されている。

筐体１２にはガス導入管１２ａよりアルゴンなどの不活
性ガスが導入され、導入されたガスは、導電体１４のノ
ズルより、被処理物体２０に向けて流出する。

まずアーク電極ＩＯと被処理物体２０との距離が主アー
クによる加工に必要な距離に設定する。

次に不活性ガスを供給した状態でアーク電極１０と導電
体１４の間に、電源１６により起動電圧を印加する。す
るとパイロットアーク２２が点火し、導電体１４のノズ
ルより外部へパイロットプラズマ炎が流出する。

筐体１２には、このパイロットプラズマを層流とする低
流量で不活性ガスを供給し、しかも電源１６で、層流プ
ラズマ炎を被処理物体２０にまで４− 伸ばすに十分な、比較的に大きい電流を電極ｌ〇−導体
１４間に流す。これにより、アーク電極１０から被処理
物体２０に伸びる層流プラズマ炎が生ずる。この層流プ
ラズマ炎の生成の前後に電源１８によりアーク電極１０
と被処理物体２０の間に主アーク生成電圧を印加する。

層流プラズマ炎の生成の前に主アーク生成電圧が印加さ
れているときには、層流プラズマ炎の生成と同時に主ア
ーク２４が発生する。層流プラズマ炎の生成後に主アー
ク生成電圧を印加すると、主アーク生成電圧の印加と同
時に主アーク２４が発生する。

主アークが発生すると、パイロット電源１６を遮断し、
主アーク２４での被処理物体の所要の加工を行なう。

パイロットアーク２２で形成されるプラズマガスをパイ
ロットプラズマ炎としてノズルより噴出させる際、ガス
導入口１２ａより供給するガスの流量を絞り、導体１４
のノズルより噴出するプラズマ炎を層流状態にすると、
主アーク起動限界長を著しく伸長する。第２図はプラズ
マガス流量に対するパイロットプラズマ炎の長さを示し
、ガス流量が成る値Ｑｏ以下になるとプラズマガス炎は
乱流から層流に変り、その長さが急激に増大する。

例えば乱流時の長さ５ｃｍに対して層流時には３０〜４
０ｃｍに変る。この効果はパイロットアーク電源１６の
電流を増大させると更に強化される。

本発明は、以」二のように、層流プラズマ炎が長くなる
ことを利用してアークトーチをアーク起動時から離して
おくことを可能とした。次に具体的なアーク起動手順を
示す。

■　パイロット電源１６をオンにして、パイロットアー
ク２２を着火する。

■　プラズマガス流量を小にしてパイロットプラズマ炎
を伸長する。伸長の程度はノズル形状、ガス組成、パイ
ロットアーク電流等によっても変わるが、前二者は固定
的なもので、調整しやすいガス流量及び必要に応じてパ
イロット電流（これはトーチ内のガス熱膨張を通して層
流、乱流状態に関与する）を調整してプラズマ炎伸長を
行なう。

■　メインアーク電源１８をオンにし、アーク電極１０
と被加熱材２０に無負荷電圧（主アーク起動電圧）を印
加する。

（７Ｄ　　パイロットアーク電流を、主アークが起動す
るまで増加させる。パイロットアーク電源１６は、例え
ばサイリスタなどを備えた可調整電流電源であり、設定
値と検出電流値との相関に応じてサイリスタ点弧角を変
えて出力電流値を設定値とする。

設定値を大きくしてパイロットアーク電流を大きくする
。

（Φ　主アークが発生すると、電源１６を遮断し、ガス
流量を加工時の所要値まで増加し、調整する。

主アークが発生すると主アーク電源１８の回路に大電流
が流れ、出力電圧が低下する。これを検出して主アーク
発生を検知する。

以上のように、本発明では、層流状態の、長いパイロン
１〜プラズマ炎を利用して、プラズマアークトーチを加
工時と同程度に離した状態で主アークを起動し、そのま
まの距離で加工などの稼動状態に移ることができる。

非移行性のプラズマ装置、即ち電源１８がなく７− 電源１６のみで、筐体１２内に供給するガスをアーク電
極ｌＯと導電体１２間のアークにより電離しプラズマジ
ェットとしてノズルより噴出させるタイプのものでは、
該プラズマアーク１〜を層流として長い炎となるように
しているが、ノズル損傷が著しい。即ち層流を作る程度
のガス供給では。

ノズル内が過負荷となって過熱、損傷しやすい。

この点、移行型のプラズマ装置では、ガス供給を大にし
、メインアーク点火後はパイロットアークを消去するの
で、ノズルは過負荷になるのを避けられ、寿命が長くな
る。しかし前述のように主アークの点火に問題があった
。しかし本発明では起動時のみ層流を利用するようにし
、移行型プラズマ装置の利点を有し、かつ起動にも問題
のないアーク起動をすることができる。次に実施例を挙
げる。

作動ガスはアルゴン（Ａｒ）、ノズル口径は８Ｉｎｍφ
とし、主アーク電源の無負荷電圧は４００ｖとし、起動
時ガス流量Ｑ　（Ｎ　Ｏ／ｍ１ｎ）およびパイロットア
ーク電源の出力電流Ａ　（Ａ）を次の８− 第１表のように選定した。

パイロットプラズマ炎の状態および主アークの起動限界
長しは、各条件で同表に示す結果となった。

第１表 即ち、ガス流量を２Ｏｎ　／ｍｉｎとしてプラズマ炎を
乱流にすると、ノズルと被処理物体間距離は、４０ｍｍ
又は６０　ｍ　ｍ以下でないと主アークが着火しないが
、ガス流量を６ＮＱ／ｍｉｎにしてプラズマ炎を層流に
すると、これはパイロットアーク電流が４０ＯＡで２０
０＋ｎｍに延びる。

なお、層流状態のパイロットプラズマ炎は３００＋ｏＩ
１１〜４００ｍｍに延びるが、この延びただけ主アーク
起動限界長が延びるというものではない。即ち、主アー
クが点火するには、アーク路に充分な荷電粒子が存在す
る必要があり、これは主アーク電源の電圧、アーク路の
抵抗、パイロットプラズマ電流などにより規定される。

作動ガスとして二分子ガス単独、あるいはこれを含む混
合ガスを用いると主アークの起動が更に容易になる。

以上に説明したように、本発明によれば移行型プラズマ
アーク装置の起動を、該装置を移動させることなく行な
うことができ、甚だ有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する一つの装置構成の概要を示す
断面図、第２図はプラズマガス流量とプラズマ炎長さと
の関係を示すグラフである。 １０：アーク電極　　　　　１２：筐体Ｉ４：導電体　
　　　　　　１２ａ：ガス導入管１６：パイロットアー
ク電源 １８：主アーク電源　　　　２０：被処理物体２２：パ
イロットアーク　　２４：主アーク１１− 第　１　図 ４ 第２図 Ｑ○　流量

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アーク電極と導電体の間にパイロットアークを起
   動し、次いでアーク電極と被処理物体の間に主アークを
   生起するプラズマアークの起動において； アーク電極と被処理物体の間に不活性ガス流を形成して
   アーク電極と導電体の間にパイロットアークを起動する
   と共にこのパイロットアークは長い層流プラズマ炎とす
   ることを特徴とする、プラズマアークの起動方法。
2. （２）アーク電極の先端に対向する位置にノズルが形成
   された、アーク電極を囲む筐体に不活性ガスを供給し、
   アーク電極と導電体の間にパイロットアークを起動して
   層流プラズマ炎を該ノズルより流出させ、次いでアーク
   電極と被処理物体の間に主アークを生起する前記特許請
   求の範囲第（１）項記載のプラズマアークの起動方法。