特開 2023-76324 アーク処理システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023076324

(43)【公開日】2023-06-01

(54)【発明の名称】アーク処理システム

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/067 20060101AFI20230525BHJP

   B23K 10/00 20060101ALI20230525BHJP

   B23K 9/10 20060101ALI20230525BHJP

【ＦＩ】

B23K9/067

B23K10/00 503

B23K9/10 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021189678

(22)【出願日】2021-11-22

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】100135389

【弁理士】

【氏名又は名称】臼井 尚

(74)【代理人】

【識別番号】100168044

【弁理士】

【氏名又は名称】小淵 景太

(72)【発明者】

【氏名】高田 主税

【テーマコード（参考）】

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E082AA08

4E082AA09

4E082EB04

4E082EF02

4E082EF21

4E082JA03

4E082JA04

(57)【要約】

【課題】被処理部材に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークを発生させることが可能なアーク処理システムを提供する。
【解決手段】アーク処理システムＡ１は、非消耗電極１２３が配置されるガス流通空間１２５ａ、および、ガス流通空間１２５ａに通じるガス噴出開口１２５ｂが形成された外筒ノズル１２５と、外筒ノズル１２５に配置された電離用導電部１４と、非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１とにアーク処理用電圧を印加する第１電源回路３１と、非消耗電極１２３と電離用導電部１４とに交流電圧を印加する第２電源回路３２と、を備える。第２電源回路３２によって交流電圧が印加されたとき、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との電位差に起因する電界によって、ガス流通空間１２５ａにおけるガスを電離させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非消耗電極が配置されるガス流通空間、および、前記ガス流通空間に通じるガス噴出開口が形成された外筒ノズルと、
前記外筒ノズルに配置された電離用導電部と、
前記非消耗電極と被処理部材とにアーク処理用電圧を印加する第１電源回路と、
前記非消耗電極と前記電離用導電部とに交流電圧を印加する第２電源回路と、
を備え、
前記第２電源回路によって前記交流電圧が印加されたとき、前記電離用導電部と前記非消耗電極との電位差に起因する電界によって、前記ガス流通空間におけるガスを電離させる、アーク処理システム。

【請求項2】

前記電離用導電部と前記非消耗電極との間に絶縁部材が介在しており、
前記絶縁部材を挟んで前記電離用導電部と前記非消耗電極とに前記交流電圧が印加されることで、前記ガス流通空間におけるガスが誘電体バリア放電によって電離する、
請求項１に記載のアーク処理システム。

【請求項3】

前記外筒ノズルの内方に配置され、絶縁性材料により構成される内筒ノズルをさらに備え、
前記内筒ノズルは、前記非消耗電極が挿通され、少なくとも一部が前記ガス流通空間に配置される、請求項２に記載のアーク処理システム。

【請求項4】

前記電離用導電部は、前記外筒ノズルの外面に配置されており、
前記外筒ノズルは、前記絶縁部材として前記電離用導電部と前記非消耗電極との間に介在する、請求項２または請求項３のいずれかに記載のアーク処理システム。

【請求項5】

前記電離用導電部は、前記外筒ノズルの内面に配置されており、
前記内筒ノズルは、前記絶縁部材として前記電離用導電部と前記非消耗電極との間に介在する、請求項３に記載のアーク処理システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アーク処理システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、アークを用いて被処理部材に処理を行う方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。同文献に記載のアーク処理システムは、非消耗電極とノズルと電離用導電部と電源回路とを備える。ノズルには、非消耗電極が配置されるガス流通空間と、ガス流通空間に通じるガス噴出開口が形成される。電離用導電部は、ノズルに配置される。電離用導電部は、抵抗器を介して、被処理部材に電気的に接続される。電源回路は、アーク処理の開始時に、非消耗電極と被処理部材との間に開始電圧を印加する。開始電圧は、例えば１０ｋＶ～２０ｋＶの高い値（例えば絶対値の時間平均値）であり、且つ、１ＭＨｚ～２ＭＨｚの高周波である。電源回路によって非消耗電極と被処理部材との間に開始電圧が印加されると、電離用導電部と非消耗電極との間の領域に電界が生じ、この電界によって、ガス流通空間内のガスが電離する。電離したガスは、非消耗電極と被処理部材との間に噴出される。その結果、非消耗電極と被処理部材との間におけるアークの発生が促進され、アークの発生確率（アークスタートの成功確率）が向上する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－１４０８８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の構成では、開始電圧として高周波電圧が被処理部材に印加される。被処理部材に印加された高周波電圧が、被処理部材を介して、被処理部材に繋がる機器（自機の制御回路または他機の制御回路など）に伝達されると、高周波ノイズによる電磁ノイズが、当該機器の誤作動および故障といった不具合の原因となることがある。なお、高周波電圧の周波数が高い程、電磁ノイズによる悪影響が多くなりうる。

【0005】

本開示は、上記事情に鑑みて考え出されたものであり、その目的は、被処理部材に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークを発生させることが可能なアーク処理システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のアーク処理システムは、非消耗電極が配置されるガス流通空間、および、前記ガス流通空間に通じるガス噴出開口が形成された外筒ノズルと、前記外筒ノズルに配置された電離用導電部と、前記非消耗電極と被処理部材とにアーク処理用電圧を印加する第１電源回路と、前記非消耗電極と前記電離用導電部とに交流電圧を印加する第２電源回路と、を備え、前記第２電源回路によって前記交流電圧が印加されたとき、前記電離用導電部と前記非消耗電極との電位差に起因する電界によって、前記ガス流通空間におけるガスを電離させる。

【0007】

前記アーク処理システムの好ましい実施の形態において、前記電離用導電部と前記非消耗電極との間に絶縁部材が介在しており、前記絶縁部材を挟んで前記電離用導電部と前記非消耗電極とに前記交流電圧が印加されることで、前記ガス流通空間におけるガスが誘電体バリア放電によって電離する。

【0008】

前記アーク処理システムの好ましい実施の形態において、前記外筒ノズルの内方に配置され、絶縁性材料により構成される内筒ノズルをさらに備え、前記内筒ノズルは、前記非消耗電極が挿通され、少なくとも一部が前記ガス流通空間に配置される。

【0009】

前記アーク処理システムの好ましい実施の形態において、前記電離用導電部は、前記外筒ノズルの外面に配置されており、前記外筒ノズルは、前記絶縁部材として前記電離用導電部と前記非消耗電極との間に介在する。

【0010】

前記アーク処理システムの好ましい実施の形態において、前記電離用導電部は、前記外筒ノズルの内面に配置されており、前記内筒ノズルは、前記絶縁部材として前記電離用導電部と前記非消耗電極との間に介在する。

【発明の効果】

【0011】

本開示のアーク処理システムでは、前記第２電源回路によって前記交流電圧が印加されたとき、前記電離用導電部と前記非消耗電極との電位差に起因する電界によって、前記ガス流通空間におけるガスを電離させる。この構成によれば、ガスを電離させる上で、被処理部材に交流電圧が印加されないので、被処理部材に繋がる機器への悪影響が抑制される。また、ガスを電離させることで、アークの発生が促進されるので、非消耗電極と被処理部材との間に高電圧（例えば１０ｋＶ～２０ｋＶ）を印加することなく、アークを発生させることができる。従って、本開示のアーク処理システムによれば、被処理部材に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークを発生させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一実施形態に係るアーク処理システムの全体構成を示す図である。

【図2】図１のアーク処理システムにおけるトーチの断面図である。

【図3】図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。

【図4】図２に示したトーチの正面図である。

【図5】アーク処理システムを用いたアークの発生方法の一例を示すタイミングチャートである。

【図6】第１変形例に係るアーク処理システムにおけるトーチの断面図であって、図２の断面に対応する。

【図7】第２変形例に係るアーク処理システムにおけるトーチの断面図であって、図２の断面に対応する。

【図8】第３変形例に係るアーク処理システムにおけるトーチの断面図であって、図３の断面に対応する。

【図9】第４変形例に係るアーク処理システムにおけるトーチの断面図であって、図２の断面に対応する。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本開示のアーク処理システムの好ましい実施の形態について、図面を参照して、以下に説明する。以下では、同一あるいは類似の構成要素に、同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

【0014】

図１は、本開示の一実施形態に係るアーク処理システムの全体構成を示している。同図に示すアーク処理システムＡ１は、被処理部材Ｗ１に対してアーク処理を行うためのものである。アーク処理システムＡ１は、例えば、被処理部材Ｗ１に対して、溶接あるいは溶断を行う。被処理部材Ｗ１に対する溶接としては、例えばＴＩＧ溶接あるいはプラズマ溶接が挙げられる。本実施形態では、アーク処理システムＡ１は、ＴＩＧ溶接を行う。図１に示すように、アーク処理システムＡ１は、ロボット１、導電線２１，２２、電源３、接続ケーブル４１，４２、および、ガス供給装置５を備える。

【0015】

ロボット１は、被処理部材Ｗ１に対してＴＩＧ溶接を自動で行うものである。被処理部材Ｗ１は板状である。被処理部材Ｗ１は、金属であり、このような金属としては、例えばアルミニウムまたはマグネシウム合金などが挙げられる。ロボット１は、マニピュレータ１１、トーチ１２および電離用導電部１４を含む。

【0016】

マニピュレータ１１は、例えば多関節ロボットである。マニピュレータ１１が駆動することにより、トーチ１２が上下前後左右に自在に移動できる。

【0017】

図２は、図１に示すアーク処理システムＡ１におけるトーチ１２の断面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。図４は、図２に示すトーチ１２の正面図である。なお、図２および図４は、アークａ１が発生している状態を示している。

【0018】

図２に示すように、トーチ１２は、トーチボディ１２１、非消耗電極１２３、外筒ノズル１２５、保持部１２６および内筒ノズル１２９を備える。

【0019】

トーチボディ１２１は、筒状を呈する。トーチボディ１２１には、例えば、作業者が手に握るハンドル（図示略）が取り付けられている。本実施形態では、トーチボディ１２１は、導電性材料により構成される。

【0020】

非消耗電極１２３は、棒状の導体である。本実施形態では、非消耗電極１２３は、例えばタングステンからなる。非消耗電極１２３は、例えば直径２．４～３．２ｍｍ程度の円柱状である。溶接作業時（アーク処理時）においては、非消耗電極１２３および被処理部材Ｗ１の間に、アークａ１が発生している状態となる。

【0021】

外筒ノズル１２５は、トーチボディ１２１に固定されている。外筒ノズル１２５は、筒状である。外筒ノズル１２５の軸線Ｏｘは、図２の上下方向に沿って延びている。外筒ノズル１２５は、軸線Ｏｘの周方向Ｔ１（図３参照）において、非消耗電極１２３を囲んでいる。図２の左右方向における、外筒ノズル１２５の寸法は、例えば２０ｍｍ～３０ｍｍである。外筒ノズル１２５は、絶縁性材料により構成される。外筒ノズル１２５を構成する絶縁性の材料としては、適度な誘電率を持ったどのような材料でもよいが、例えばアルミナ磁器が挙げられる。本実施形態とは異なり、外筒ノズル１２５は、導電性の部材に絶縁材料がコーティングされたものでもよい。外筒ノズル１２５には、ガス流通空間１２５ａとガス噴出開口１２５ｂとが形成されている。ガス流通空間１２５ａは、外筒ノズル１２５の内側に形成されている。ガス流通空間１２５ａには、ガスＧ１が流れる。ガスＧ１は、不活性ガスである。このような不活性ガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）あるいはヘリウム（Ｈｅ）が挙げられる。ガス噴出開口１２５ｂは、ガス流通空間１２５ａに通じる。ガス流通空間１２５ａには非消耗電極１２３が配置されている。ガス噴出開口１２５ｂは、図２の下方に開放している。そして、ガス流通空間１２５ａ内のガスＧ１は、ガス噴出開口１２５ｂから図２の下方に噴出する。外筒ノズル１２５の軸線Ｏｘに沿う方向のうち、ガス噴出開口１２５ｂが開放している方向を、第１方向Ｘ１とする。ガス噴出開口１２５ｂから第１方向Ｘ１側に、非消耗電極１２３の一部分が突出している。ガス噴出開口１２５ｂは、たとえば円形状である。ガス噴出開口１２５ｂの形状は円形状に限定されず、矩形等の他の形状でもよい。

【0022】

外筒ノズル１２５は、図２に示すように、ノズル先端１２５ｄを有する。ノズル先端１２５ｄは外筒ノズル１２５において最も第１方向Ｘ１側に位置している。ノズル先端１２５ｄに上述のガス噴出開口１２５ｂが形成されている。外筒ノズル１２５は、図２および図３に示すように、ノズル内面１２５ｆおよびノズル外面１２５ｇを有する。ノズル内面１２５ｆは、外筒ノズル１２５の軸線Ｏｘの位置する側（図２および図３において外筒ノズル１２５の内側）を向く。ノズル内面１２５ｆは、ガス流通空間１２５ａを規定している。ノズル外面１２５ｇは、外筒ノズル１２５の軸線Ｏｘの位置する側の反対側（図２および図３において外筒ノズル１２５の外側）を向く。

【0023】

保持部１２６は、非消耗電極１２３を保持する。保持部１２６は、トーチボディ１２１に固定されている。外筒ノズル１２５がトーチボディ１２１に固定されていることから、保持部１２６は、外筒ノズル１２５に対しても相対的に固定されている。図２に示すように、保持部１２６には、挿通孔１２６ｂが形成されている。挿通孔１２６ｂには、非消耗電極１２３が挿通されている。図２に示すように、保持部１２６は、保持部先端１２６ａを有する。保持部先端１２６ａは、保持部１２６において第１方向Ｘ１側に位置する端部である。図２に示す例では、保持部先端１２６ａは、内筒ノズル１２９に覆われているが、この構成と異なり、内筒ノズル１２９から露出し、ガス流通空間１２５ａに臨んでいてもよい。保持部先端１２６ａから、上述の挿通孔１２６ｂが第２方向Ｘ２に延出する。

【0024】

保持部１２６は、図２に示すように、コレット１２７およびコレットボディ１２８を有する。コレット１２７およびコレットボディ１２８はそれぞれ、導電性材料により構成される。コレット１２７は、筒状の部材である。コレット１２７には、図２に示すように、挿通孔１２７ａが形成されている。挿通孔１２７ａには、非消耗電極１２３が挿通されている。コレット１２７の先端１２７ｂ近傍はテーパ状となっている。コレット１２７には、先端１２７ｂから挿通孔１２７ａに沿って延びる複数（たとえば２本や４本）の縦すり割りが形成されている（図示略）。コレットボディ１２８は、筒状の部材である。コレットボディ１２８には、図２に示すように、挿通孔１２８ａが形成されている。挿通孔１２８ａには、非消耗電極１２３が挿通されている。図２に示すように、コレットボディ１２８とコレット１２７との間は、ガスＧ１の流路となっている。コレットボディ１２８には、図２に示すように、少なくとも１つのガス噴出孔１２８ｄが形成されている。ガス噴出孔１２８ｄは、図２に示すように、コレットボディ１２８のボディ先端１２８ｂの近傍に形成されている。ガス噴出孔１２８ｄからは、コレットボディ１２８とコレット１２７との間のガスＧ１の流路内のガスＧ１が噴出する。ガス噴出孔１２８ｄから噴出したガスＧ１は、ガス流通空間１２５ａに流れる。

【0025】

コレットボディ１２８は、図２に示すように、トーチボディ１２１に接している。コレット１２７は、押さえつけ部材（図示略、図２における上方に配置されている）によって第１方向Ｘ１に押さえつけられる。これにより、コレット１２７の先端１２７ｂのテーパ状の部分が、コレットボディ１２８の内面に接触して、コレット１２７における上述の縦すり割りが締め付けられる。これにより、非消耗電極１２３が所望の位置に固定される。

【0026】

本実施形態においては、コレットボディ１２８が、上述の保持部先端１２６ａと外側面１２６ｃとを構成している。また、挿通孔１２７ａおよび挿通孔１２８ａは、互いに繋がり、上述の挿通孔１２６ｂを構成している。

【0027】

内筒ノズル１２９は、外筒ノズル１２５の内方に配置され、ガス流通空間１２５ａに収容されている。内筒ノズル１２９には、非消耗電極１２３が挿通される。内筒ノズル１２９は、絶縁性材料により構成される。内筒ノズル１２９を構成する絶縁性の材料としては、適当な誘電率を持ったどのような材料でもよいが、例えば外筒ノズル１２５と同じくアルミナ磁器が挙げられる。図２に示す例は、内筒ノズル１２９は、コレットボディ１２８のうちの、ボディ先端１２８ｂの一部を覆っている。内筒ノズル１２９の軸線は、外筒ノズル１２５の軸線Ｏｘと共通する。内筒ノズル１２９は、軸線Ｏｘの径方向において、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間に挟まれた位置に配置される。なお、径方向とは、図３に示す断面（平面視）において、軸線Ｏｘから放射状に延びる方向に対応する。

【0028】

図２に示すように、内筒ノズル１２９は、ノズル先端１２９ａを有する。ノズル先端１２９ａは、内筒ノズル１２９において最も第１方向Ｘ１側に位置する。ノズル先端１２９ａは、外筒ノズル１２５から第１方向Ｘ１に突き出ている。ノズル先端１２９ａにおいて、非消耗電極１２３の先端１２３ａが露出する。図２および図３に示すように、内筒ノズル１２９は、ノズル内面１２９ｂおよびノズル外面１２９ｃを有する。ノズル内面１２９ｂは、軸線Ｏｘの位置する側（図２および図３において内筒ノズル１２９の内側）を向く。ノズル外面１２９ｃは、軸線Ｏｘの位置する側の反対側（図２および図３において内筒ノズル１２９の外側）を向く。図２および図３に示すように、ノズル内面１２９ｂは、非消耗電極１２３に接する。また、ノズル外面１２９ｃは、ガス流通空間１２５ａに臨む軸線Ｏｘの径方向において、内筒ノズル１２９のノズル外面１２９ｃと外筒ノズル１２５のノズル内面１２９ｂとに挟まれた領域は、ガス流通空間１２５ａをなす。なお、図２および図３に示す例では、内筒ノズル１２９（のノズル内面１２９ｂ）が非消耗電極１２３に接するが、この例とは異なり、例えば二重シールドＴＩＧ溶接のように、内筒ノズル１２９が非消耗電極１２３に接触していなくてもよい。

【0029】

電離用導電部１４は、外筒ノズル１２５に配置されている。図２および図３に示す例では、電離用導電部１４は、外筒ノズル１２５の外側に配置され、ノズル外面１２５ｇに取り付けられている。電離用導電部１４は、図３に示すように、外筒ノズル１２５を囲むリング状である。電離用導電部１４は、導電性材料により構成される。電離用導電部１４は、非消耗電極１２３および被処理部材Ｗ１の間におけるアークａ１の発生を促進させるために、設けられる。

【0030】

電離用導電部１４は、図２に示すように、保持部先端１２６ａよりも第１方向Ｘ１側に位置する。すなわち、電離用導電部１４は、保持部先端１２６ａよりも図２における下側（被処理部材Ｗ１に近い側）に位置する。電離用導電部１４は、ノズル先端１２５ｄよりも第１方向Ｘ１とは反対の第２方向Ｘ２側に位置する。すなわち、電離用導電部１４は、ノズル先端１２５ｄよりも図２における上側（被処理部材Ｗ１に遠い側）に位置する。電離用導電部１４の軸線Ｏｘ方向における寸法Ｌ１（図４参照）は、たとえば、０．２ｍｍ～２．０ｍｍであり、より好ましくは、０．５ｍｍ～１．５ｍｍである。寸法Ｌ１は、これらの数値例に限定されない。

【0031】

図２および図３に示すように、軸線Ｏｘの径方向において、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間には、外筒ノズル１２５および内筒ノズル１２９が介在する。

【0032】

電源３は、図１に示すように、第１電源回路３１、第２電源回路３２およびガス流量制御回路３３を含む。なお、第２電源回路３２は、電源３の構成要素として、第１電源回路３１とともに存在してもよいし、第１電源回路３１とは別に電源３の外に単体の回路あるいは装置として存在してもよい。あるいは、一体的に構成された統合電源回路が、第１電源回路３１と第２電源回路３２との機能を担う構成でもよい。

【0033】

第１電源回路３１は、非消耗電極１２３および被処理部材Ｗ１の間にアーク処理用電圧を印加し、非消耗電極１２３および被処理部材Ｗ１の間にアーク処理用電流を流す。アーク処理用電圧は、交流であっても直流であってもよいが、例えば被処理部材Ｗ１の素材に応じて交流あるいは直流が使い分けられる。第１電源回路３１は、例えば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、インバータ制御およびサイリスタ位相制御等の出力制御を行う。第１電源回路３１は、アーク処理の開始時において、アークａ１を発生させるためのアーク処理用電圧を印加する。以下では、アークａ１を発生させるためのアーク処理用電圧を「開始電圧」という。その後、アークａ１の発生により、アーク処理用電圧は、通常のＴＩＧ溶接を継続しうる電圧値に低下し、非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１との間にアーク処理用電流が流れる。以下では、アークａ１の発生後のアーク処理用電圧を「アーク電圧」という。アーク処理システムＡ１がアーク溶接を行う例では、アーク電圧は溶接電圧であり、アーク処理システムＡ１がアーク切断を行う例では、アーク電圧は切断電圧である。例えば、開始電圧は、１２０Ｖ～１６０Ｖ程度であり、アーク電圧は、１０Ｖ～４０Ｖ程度である。なお、これらの値は、例えばアーク処理用電圧が交流の場合は、絶対値の時間平均値または実効値である。各アーク処理用電圧（開始電圧およびアーク電圧）の値は、これらの数値例に限定されず、アーク処理システムＡ１の仕様に応じて適宜変更される。図１に示すように、第１電源回路３１は、接続ケーブル４１を介して被処理部材Ｗ１に電気的に接続され、接続ケーブル４２を介してトーチ１２（非消耗電極１２３）に電気的に接続される。

【0034】

第２電源回路３２は、非消耗電極１２３および電離用導電部１４の間に、交流電圧を印加する。以下では、第２電源回路３２が印加する交流電圧を「電離電圧」ということがある。この交流電圧（電離電圧）は、高周波電圧であり、例えば、その電圧値（例えば絶対値の時間平均値または実効値）が１０ｋＶ～２０ｋＶ程度であり、周波数が１ＭＨｚ～２ＭＨｚである。第２電源回路３２が印加する交流電圧（電離電圧）の電圧値および周波数は、これらの数値例に限定されず、アーク処理システムＡ１の仕様に応じて適宜変更される。図１に示すように、第２電源回路３２は、導電線２１を介して電離用導電部１４に電気的に接続され、導電線２２および接続ケーブル４２の一部を介してトーチ１２（非消耗電極１２３）に電気的に接続される。

【0035】

ガス流量制御回路３３は、ガスＧ１の流量を制御する。ガス流量制御回路３３は、ガスＧ１の流量を指示するためのガス流量制御信号Ｓｇを送る。

【0036】

ガス供給装置５は、ガスＧ１を外筒ノズル１２５の内側に供給する。ガス供給装置５は、ガス流量制御回路３３からのガス流量制御信号Ｓｇに基づき、ガスＧ１を供給する。

【0037】

接続ケーブル４１は、第１電源回路３１と被処理部材Ｗ１とを電気的に接続する。アーク処理システムＡ１の使用時において、被処理部材Ｗ１が接地される場合には、接続ケーブル４１は、電位が０Ｖに維持される。接続ケーブル４２は、第１電源回路３１と非消耗電極１２３とを電気的に接続する。第１電源回路３１からの電力は、接続ケーブル４２、トーチボディ１２１、コレットボディ１２８、コレット１２７を、この順番に経由して、非消耗電極１２３に供給される。

【0038】

導電線２１は、第２電源回路３２と電離用導電部１４とを電気的に接続する。導電線２２は、第２電源回路３２とトーチ１２（非消耗電極１２３）とを電気的に接続する。図１に示す例では、導電線２２は、接続ケーブル４２に接続されており、第２電源回路３２から非消耗電極１２３までの導通路には、接続ケーブル４２の一部が介在する。この例とは異なり、導電線２２は、トーチ１２（非消耗電極１２３）に直接接続されていてもよい。

【0039】

次に、アーク処理システムＡ１を用いたアークａ１の発生方法について、図５のタイミングチャートを参照して、説明する。図５の横軸は、時間軸である。図５の縦軸は、ガス流量制御信号Ｓｇ、第２電源回路３２の出力電圧、および、第１電源回路３１の出力電圧の状態をそれぞれ概念的に示している。なお、第２電源回路３２の出力電圧は、電離用導電部１４と非消耗電極１２３とに印加される交流電圧の値（例えば絶対値の時間平均値または実効値）である。第１電源回路３１の出力電圧は、非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１とに印加される電圧の値（交流電圧の場合、例えば絶対値の時間平均値または実効値）である。

【0040】

まず、電源３にアーク処理スタート信号（図示略）が送られると、ガス流量制御回路３３がガスＧ１の噴出を開始するためのガス流量制御信号Ｓｇをガス供給装置５に送る（時刻ｔ１）。これにより、ガス供給装置５からトーチ１２（ガス流通空間１２５ａ）へのガスＧ１の供給が開始する。

【0041】

次に、第２電源回路３２によって、非消耗電極１２３と電離用導電部１４との間に、電離電圧が印加される（時刻ｔ２）。電離電圧は、高周波の交流電圧であり、例えば、その電圧値（例えば絶対値の時間平均値または実効値）が非常に大きく１０ｋＶ～２０ｋＶであり、周波数が１ＭＨｚ～２ＭＨｚである。

【0042】

第２電源回路３２によって、非消耗電極１２３と電離用導電部１４との間に電離電圧（高周波の交流電圧）が印加されると、非消耗電極１２３と電離用導電部１４との間の領域に、非消耗電極１２３と電離用導電部１４との電位差に起因する電界が生じる。つまり、ガス流通空間１２５ａに、非消耗電極１２３と電離用導電部１４との電位差に起因する電界が生じる。この電界によって、ガス流通空間１２５ａで放電が生じ、ガス流通空間１２５ａ内のガスＧ１が電離する（プラズマ化する）。アーク処理システムＡ１では、非消耗電極１２３と電離用導電部１４との間に、絶縁性材料により構成された外筒ノズル１２５および内筒ノズル１２９がそれぞれ介在している。このため、ガス流通空間１２５ａで生じる放電は、誘電体バリア放電である。誘電体バリア放電は、火花放電のような過大な放電音が発生しないので、無声放電とも呼ばれる。従って、アーク処理システムＡ１では、第２電源回路３２によって非消耗電極１２３と電離用導電部１４との間に電離電圧を印加して、ガス流通空間１２５ａに誘電体バリア放電を発生させ、当該誘電体バリア放電によってガス流通空間１２５ａ内のガスＧ１を電離させる。

【0043】

ガス流通空間１２５ａにて電離したガスＧ１は、ガス噴出開口１２５ｂから、被処理部材Ｗ１が位置する側（第１方向Ｘ１側）に放出される。これにより、非消耗電極１２３の先端１２３ａ付近に電離したガスＧ１（プラズマ化したガスＧ１）が放出され、非消耗電極１２３の先端１２３ａ近傍が、放電の発生しやすい状態となる。つまり、非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１との間におけるアークａ１の発生が促進される。

【0044】

次に、第１電源回路３１によって、非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１との間にアーク処理用電圧（開始電圧）が印加される（時刻ｔ３）。これにより、非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１との間で放電し、アークａ１が発生する。第１電源回路３１が出力する開始電圧は、例えば１２０Ｖ～１６０Ｖ程度であり、電離電圧よりも十分に低い。なお、非消耗電極１２３の先端１２３ａと被処理部材Ｗ１との距離ｄ１（図２参照）は、例えば３ｍｍ～８ｍｍ程度である。本願発明者の実験では、例えば、１６０Ｖの開始電圧を印加して、５．５ｍｍの距離ｄ１で、アークａ１の発生に成功した。なお、第１電源回路３１が開始電圧の印加を開始するタイミングは、第２電源回路３２が電離電圧（交流電圧）を印加してから、ガス流通空間１２５ａ内のガスＧ１が十分に電離されうる時間（例えば時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間）を経た後であることが好ましいが、第２電源回路３２が電離電圧の印加を開始するタイミングと同じでもよい。

【0045】

非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１との間にアークａ１が発生すると、アーク処理用電圧は、通常のＴＩＧ溶接を継続しうる電圧値（アーク電圧の値）に低下する（時刻ｔ４）。そして、アーク処理システムＡ１によって所望のアーク処理（溶接または切断）を行う。アーク処理時（アークａ１の発生後）においては、第１電源回路３１が出力するアーク処理用電圧（アーク電圧）は、開始電圧よりも低く、例えば１０Ｖ～４０Ｖ程度である。

【0046】

アーク処理システムＡ１の作用および効果は、次の通りである。

【0047】

アーク処理システムＡ１では、第２電源回路３２によって交流電圧（電離電圧）が印加されたとき、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との電位差に起因する電界によって、ガス流通空間１２５ａ内のガスＧ１を電離させる。この構成によれば、ガスＧ１を電離させる上で、被処理部材Ｗ１に交流電圧が印加されないので、被処理部材Ｗ１に繋がる機器への悪影響を抑制できる。また、ガスＧ１を電離させることで、アークａ１の発生が促進されるので、非消耗電極１２３と被処理部材Ｗ１との間に高電圧（例えば１０ｋＶ～２０ｋＶ）を印加することなく、アークａ１を発生させることができる。例えば、アーク処理システムＡ１では、アークａ１を発生させるためのアーク処理用電圧（開始電圧）が１２０Ｖ～１６０Ｖ程度であり、従来の構成（１０ｋＶ～２０ｋＶ）と比較して、非常に低い電圧で、アークａ１を発生させることができる。従って、アーク処理システムＡ１は、被処理部材Ｗ１に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークａ１を発生させることが可能となる。

【0048】

アーク処理システムＡ１では、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間に絶縁部材が介在する。図２に示す例では、この絶縁部材は、外筒ノズル１２５および内筒ノズル１２９である。この構成によれば、ガス流通空間１２５ａにおけるガスＧ１が誘電体バリア放電によって電離する。従って、アーク処理システムＡ１は、非消耗電極１２３と電離用導電部１４との間において、火花放電が生じることを抑制できる。なお、電離用導電部１４の位置は、非消耗電極１２３と絶縁部材（本実施形態では、外筒ノズル１２５または内筒ノズル１２９）との間に、非消耗電極１２３と同電位となる部位がない場所ならどこでもよい。ただし、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との沿面距離が近すぎると、これらの間で絶縁破壊を起こして、（アークａ１と異なる）アークが発生する虞がある。そのため、例えば、電離電圧が１５ｋＶであるなら、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との沿面距離を１５ｍｍ以上離すとよい。絶縁破壊が抑制される電離用導電部１４と非消耗電極１２３との沿面距離は、第２電源回路３２が印加する電離電圧と、相関関係があるので、電離電圧が大きい程、当該沿面距離を大きくするとよい。例えば、沿面距離をＤ［ｍｍ］、電離電圧をＶ［Ｖ］としたとき、Ｄ≧ｋ×Ｖ－２（ｋ＝０．００１５～０．００１７）となるように、沿面距離を設定するとよい。なお、沿面距離Ｄと電離電圧Ｖとの関係は、先述の式に限定されない。

【0049】

アーク処理システムＡ１では、電離用導電部１４は、外筒ノズル１２５の外面（ノズル外面１２５ｇ）に配置される。この構成によれば、外筒ノズル１２５および内筒ノズル１２９がそれぞれ、絶縁部材として電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間に介在する。つまり、電離用導電部１４と非消耗電極１２３とは、ガス流通空間１２５ａと、絶縁部材としての外筒ノズル１２５および内筒ノズル１２９とを挟んで配置される。従って、アーク処理システムＡ１は、外筒ノズル１２５および内筒ノズル１２９を誘電体とする誘電体バリア放電によって、ガス流通空間１２５ａ内のガスＧ１を電離させることができる。

【0050】

次に、本開示のアーク処理システムの他の構成例について、説明する。

【0051】

＜第１変形例＞
図６は、第１変形例に係るアーク処理システムＡ２を示している。図６に示すアーク処理システムＡ２は、アーク処理システムＡ１と比較して、電離用導電部１４がトーチ１２の外筒ノズル１２５に内蔵されている点で異なる。この点を除き、アーク処理システムＡ２における各構成は、アーク処理システムＡ１における各構成（図１参照）とそれぞれ同様である。

【0052】

アーク処理システムＡ２では、図６に示すように、電離用導電部１４は、外筒ノズル１２５に埋め込まれており、軸線Ｏｘの径方向においてノズル内面１２５ｆとノズル外面１２５ｇとの間に取り付けられている。電離用導電部１４は、ノズル内面１２５ｆよりも軸線Ｏｘの径方向の外側に位置し、ノズル外面１２５ｇよりも軸線Ｏｘの径方向の内側に位置する。よって、電離用導電部１４は、外筒ノズル１２５に覆われている。図６に示す例では、導電線２１は、ノズル外面１２５ｇから電離用導電部１４まで、外筒ノズル１２５を貫くように配線されている。

【0053】

アーク処理システムＡ２においても、アーク処理システムＡ１と同様に、被処理部材Ｗ１に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークａ１を発生させることが可能となる。なお、アーク処理システムＡ２では、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間に、外筒ノズル１２５の一部および内筒ノズル１２９が、絶縁部材として介在する。つまり、アーク処理システムＡ２では、外筒ノズル１２５の一部および内筒ノズル１２９が絶縁部材として配置され、ガス流通空間１２５ａで、外筒ノズル１２５の一部および内筒ノズル１２９を誘電体とする誘電体バリア放電が生じる。

【0054】

＜第２変形例＞
図７は、第２変形例に係るアーク処理システムＡ３を示している。図７に示すアーク処理システムＡ３は、アーク処理システムＡ１と比較して、電離用導電部１４が外筒ノズル１２５の内側に配置されている点で異なる。この点を除き、アーク処理システムＡ３における各構成は、アーク処理システムＡ１における各構成（図１参照）とそれぞれ同様である。

【0055】

アーク処理システムＡ３では、電離用導電部１４は、外筒ノズル１２５の内側であって、ノズル内面１２５ｆに取り付けられている。電離用導電部１４は、ガス流通空間１２５ａに臨む。図７に示す例では、導電線２１は、ノズル外面１２５ｇからノズル内面１２５ｆに、外筒ノズル１２５を貫くように配線されているが、この構成と異なり、ガス噴出開口１２５ｂを通るように配線されてもよい。

【0056】

アーク処理システムＡ３においても、アーク処理システムＡ１と同様に、被処理部材Ｗ１に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークａ１を発生させることが可能となる。なお、アーク処理システムＡ３では、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間に、内筒ノズル１２９が、絶縁部材として介在する。つまり、アーク処理システムＡ３では、内筒ノズル１２９が絶縁部材として配置され、ガス流通空間１２５ａで、内筒ノズル１２９を誘電体とする誘電体バリア放電が生じる。また、アーク処理システムＡ３では、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間に絶縁部材としての内筒ノズル１２９が介在するので、電離用導電部１４を外筒ノズル１２５の内側に配置することが可能となる。

【0057】

＜第３変形例＞
図８は、第３変形例に係るアーク処理システムＡ４を示している。図８に示すアーク処理システムＡ４は、アーク処理システムＡ１と比較して、電離用導電部１４がリング状ではなく、互いに分離した複数の分離部１４１を含む点で異なる。この点を除き、アーク処理システムＡ４における各構成は、アーク処理システムＡ１における各構成（図１参照）とそれぞれ同様である。

【0058】

アーク処理システムＡ４では、電離用導電部１４は、複数の分離部１４１を含む。図８に示す例では、分離部１４１の個数は、４つである。分離部１４１の個数は、４つではなく、２つまたは３つでもよいし、５つ以上でもよい。複数の分離部１４１は、外筒ノズル１２５の軸線Ｏｘの周方向Ｔ１に沿って、互いに異なる位置に配置されている。ガス流通空間１２５ａ内のガスＧ１を均等に分離させる上で、複数の分離部１４１は、周方向Ｔ１に沿って等間隔に配置されていることが好ましい。例えば、アーク処理システムＡ４のように、電離用導電部１４が４つの分離部１４１を含む構成では、これら４つの分離部１４１が、図８に示すように、軸線Ｏｘを中心に、９０度ずつずれて配置されている。

【0059】

アーク処理システムＡ４においても、アーク処理システムＡ１と同様に、被処理部材Ｗ１に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークａ１を発生させることが可能となる。

【0060】

第３変形例では、アーク処理システムＡ１において、リング状の電離用導電部１４の代わりに、複数の分離部１４１を含む電離用導電部１４を備えた例を示した。第１変形例および第２変形例に係る各アーク処理システムＡ２，Ａ３においても、同様に、リング状の電離用導電部１４の代わりに、複数の分離部１４１を含む電離用導電部１４を備えるようにしてもよい。

【0061】

＜第４変形例＞
図９は、第４変形例に係るアーク処理システムＡ５を示している。図９に示すアーク処理システムＡ５は、アーク処理システムＡ１と比較して、トーチ１２が内筒ノズル１２９を備えていない点で異なる。この点を除き、アーク処理システムＡ５における各構成は、アーク処理システムＡ１における各構成（図１参照）とそれぞれ同様である。

【0062】

アーク処理システムＡ５では、トーチ１２が内筒ノズル１２９を備えていないので、非消耗電極１２３は、ガス流通空間１２５ａに臨む。

【0063】

アーク処理システムＡ５においても、アーク処理システムＡ１と同様に、被処理部材Ｗ１に繋がる機器への悪影響を抑制しつつ、アークａ１を発生させることが可能となる。なお、アーク処理システムＡ５では、電離用導電部１４と非消耗電極１２３との間に、外筒ノズル１２５が、絶縁部材として介在する。つまり、アーク処理システムＡ５では、外筒ノズル１２５が絶縁部材として配置され、ガス流通空間１２５ａで、外筒ノズル１２５を誘電体とする誘電体バリア放電が生じる。

【0064】

第４変形例では、アーク処理システムＡ１において、トーチ１２が内筒ノズル１２９を備えない例を示したが、第１変形例および第３変形例に係る各アーク処理システムＡ２，Ａ４において、トーチ１２が内筒ノズル１２９を備えないようにしてもよい。

【0065】

本開示にアーク処理システムは、上記した実施形態に限定されるものではない。本開示のアーク処理システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

【符号の説明】

【0066】

Ａ１～Ａ５：アーク処理システム、Ｇ１：ガス、Ｗ１：被処理部材、１２３：非消耗電極、１２５：外筒ノズル、１２５ａ：ガス流通空間、１２５ｂ：ガス噴出開口、１２５ｆ：ノズル内面、１２５ｇ：ノズル外面、１２９：内筒ノズル、１４：電離用導電部、３１：第１電源回路、３２：第２電源回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】