プラズマ切断方法
【課題】切断性能の劣化を招くことなく、電極の耐久性を向上させることが出来るプラズマ切断方法を提供する。
【解決手段】胴部を貫通して一端が先端面に開口する電極ガス通路を有する電極Ａと、電極との間にパイロットアークを形成するノズルと、電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する電極ガス供給路１９と、電極とノズルとの間に形成された空間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給路２３と、を有するプラズマトーチＢを用い、電極ガス供給路から空気又は窒素ガス或いはアルゴンガスからなる電極ガスを供給し、パイロットアーク及びメインアークの形成と同期してプラズマガス供給路からプラズマガスを供給して該プラズマガスと電極ガスとの混合ガスからなるメインアークによって被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、パイロットアークを形成する以前からメインアークを遮断した後まで、電極ガス通路に電極ガスを供給する。
【解決手段】胴部を貫通して一端が先端面に開口する電極ガス通路を有する電極Ａと、電極との間にパイロットアークを形成するノズルと、電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する電極ガス供給路１９と、電極とノズルとの間に形成された空間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給路２３と、を有するプラズマトーチＢを用い、電極ガス供給路から空気又は窒素ガス或いはアルゴンガスからなる電極ガスを供給し、パイロットアーク及びメインアークの形成と同期してプラズマガス供給路からプラズマガスを供給して該プラズマガスと電極ガスとの混合ガスからなるメインアークによって被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、パイロットアークを形成する以前からメインアークを遮断した後まで、電極ガス通路に電極ガスを供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極の耐久性を向上させることができるプラズマ切断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から移行式プラズマトーチを利用して通電性を有する被切断材を切断する場合、プラズマトーチに取り付けた電極の先端面の周囲にプラズマ化させるガスを供給すると共に該電極とノズルとの間に通電してパイロットアークを形成してノズルから吹き出し、吹き出したパイロットアークが被切断材と接触した時、電極との間に通電してメインアークを形成すると同時に電極とノズルとの間の通電を停止してパイロットアークを停止させ、その後、メインアークによって被切断材を溶融すると共に溶融物を母材から排除しつつプラズマトーチを移動させることで切断している。
【０００３】
特に、被切断材が鋼板である場合、プラズマガスとして酸素ガスを用いるのが一般的である。このため、電極は、高酸化性雰囲気内で且つ超高温下、という極めて過酷な条件で使用されることとなり、極めて寿命が短くなってしまうという問題がある。このような問題を解決するために、電極の寿命を延長させることを目的とする多くの技術が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１に記載された発明は、作動ガス通路に対し、プリフローとポストフローのために空気を供給し、メインフローには酸素と空気との混合ガスを供給して切断を行うようにしている。この技術では、パイロットアーク点火時には、窒素濃度の高い作動ガスを用いることによって、電極やノズルの消耗が低減される。また、切断中は、酸素と窒素を含有した混合ガスを作動ガスとして用いるため、電極の消耗が抑制される。
【０００５】
特許文献１に記載された発明では、電極の消耗を抑制することができる。しかし、更なる電極の耐久性の向上が求められているのが実情である。このため、本件出願人は、電極の先端面の径を大きくすることでより太い電極材の採用を実現し、先端面に於けるより電極材に近い部位にプラズマガスを供給し得るように構成した電極と、この電極を用いるプラズマトーチを提案している（特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６６６７８９号公報
【特許文献２】特許第４６０９９６３号公報
【特許文献３】特許第４６４８５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、特許文献１に記載された発明では、電極の消耗を抑制することができるものの、更なる電極の耐久性の向上が求められている。
【０００８】
また、特許文献２、３に記載された発明では、夫々電極、プラズマトーチの単独の構成に関するものであり、これらの電極、プラズマトーチを用いる合理的なプラズマ切断方法の開発はなされていないという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、特許文献２、３に記載された電極、プラズマトーチを前提として、切断性能の劣化を招くことなく、電極の耐久性を向上させることが出来るプラズマ切断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係るプラズマ切断方法は、胴部を貫通して一端が先端面に開口する電極ガス通路を有する電極と、前記電極との間にパイロットアークを形成するノズルと、前記電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する電極ガス供給路と、前記電極ガス供給路とは独立して構成され前記電極とノズルとの間に形成された空間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給路と、を有するプラズマトーチを用い、前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に空気又は窒素ガス或いはアルゴンガスからなる電極ガスを供給し、パイロットアーク及びメインアークの形成と同期してプラズマガス供給路から酸素ガスからなるプラズマガスを供給して該プラズマガスと電極ガスとの混合ガスからなるメインアークによって被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、パイロットアークを形成する以前からメインアークを遮断した後まで、前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に電極ガスを供給することを特徴とするものである。
【００１１】
上記プラズマ切断方法に於いて、被切断材を切断する際の前記電極ガスは、該電極ガスとプラズマガスの合計量に対し５％〜２５％の範囲にあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るプラズマ切断方法では、胴部を貫通して先端面に開口する電極ガス通路が形成された電極を利用し、プラズマトーチに構成された二つの独立したガス供給路の一方を電極ガス通路と接続すると共に、他方をプラズマガス供給路に接続している。このため、電極ガス通路には空気、窒素ガス、アルゴンガスから選択されたガス（電極ガス）を供給し、プラズマガス供給路には酸素ガスを供給することができる。従って、電極の先端面に於ける中心部位の電極ガス濃度が高くなり、電極の酸化による劣化を軽減して耐久性を向上することができる。
【００１３】
特に、被切断材を切断する際（メインアークを形成する際）の電極ガスが、該電極ガスとプラズマガスの合計量に対し５％〜２５％の範囲にあることによって、切断速度の低下や、切断面が粗くなることを防ぐことが可能となり、切断性能の劣化を招くことがない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るプラズマ切断方法に用いるプラズマトーチの構成を示す断面図である。
【図２】図１とは異なる方向の断面図である。
【図３】プラズマトーチに供給されるガス経路を示すブロック図である。
【図４】電極の構成を説明する図である。
【図５】プラズマトーチを稼働させる際のタイミングフローを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るプラズマ切断方法について説明する。
【００１６】
先ず、本発明のプラズマ切断方法を実施する際に用いるプラズマトーチと電極の構成について説明する。図１及び図２において、プラズマトーチＢは、図４に示すような電極Ａを装備している。電極Ａは先端面４側に供給されたガスをプラズマ化してプラズマトーチＢのノズル１１ａから噴射させ且つ裏面側の穴７に供給された冷却水によって冷却され、一端が先端面４に配置され他端が外周面の所定位置に配置された電極ガス通路６が設けられている。
【００１７】
電極ＡはプラズマトーチＢの本体に設けた導電性の電極台座９に連結された導電性の電極台１２に取り付けるための取付部１と、胴部２とを有している。取付部１の内部には電極台１２のネジ部に螺合するネジ部１ａが形成されており、外周部位は六角材を切削してスパナを掛ける直線部１ｂと切削による曲面部１ｃとが形成されている。
【００１８】
胴部２には全周にわたってリング状の溝３が形成され、該溝３と連続して予め設定された値の外径を持ったガイド部２ａが形成されている。また、ガイド部２ａよりも先端側には段部２ｂ及びテーパ部２ｃが形成されている。そしてテーパ部２ｃの先端側に先端面４が形成され、該先端面４の中心にハフニウムやタングステン等からなる電極材５が埋設されている。
【００１９】
先端面４には、一端が該先端面４に配置されて開口し、且つ他端が胴部２の外周面の所定位置（本実施例では、胴部２の外周に形成された溝３におけるガイド部２ａ側の面）に配置されて開口した電極ガス通路６が形成されている。
【００２０】
また、電極Ａの内部には冷却水を流通させる穴７が形成されており、該穴７の底面である先端面４の裏面には表面積を増加させて熱の交換効率を向上させるための突起８が形成されている。
【００２１】
本実施例では、このような電極ガス通路６を設けることによって、空気、窒素ガス、アルゴンガスから選択された電極ガスを電極材５の近傍に供給することが可能となる。このため、電極Ａの先端面４の外径の値に関わらず、電極材５の近傍に設けた位置から電極ガスを供給して見掛け上の電極先端径を細くすることが可能となる。
【００２２】
電極ガス通路６の数は特に限定するものではないが、電極Ａに対する均一なガスの供給を保証するためには、複数であることが好ましく、複数の電極ガス通路６は略等間隔で配置されることが好ましい。
【００２３】
このため、本実施例では、電極Ａには３個の電極ガス通路６が形成されると共に互いに１２０度の角度間隔を保持している。電極ガス通路６をこのように形成することによって、電極Ａにおける電極材５の周囲には略均一に電極ガスを供給することが可能となる。
【００２４】
また、電極ガス通路６は、電極Ａの胴部２に形成した溝３から先端面４にかけて該電極Ａの中心に向けて傾斜して形成されている。このように、電極ガス通路６を傾斜させることで、電極Ａにおける電極材５から大きく離隔することのない部位に電極ガス通路６から供給されたガスを収斂させることが可能である。
【００２５】
電極ガス通路６は本実施例に示すように穴によって形成することが可能であり、また、スリットによって形成することも可能である。電極ガス通路６を穴によって形成する場合、穴の直径であるピッチ円径φｄ（図４（ａ）参照）は、６mm〜先端面４の外径までの範囲に設定することが好ましい。
【００２６】
このように、電極ガス通路６の先端面４における開口位置を設定することによって、該電極ガス通路６から供給された電極ガスを電極Ａを構成する電極材５の近傍に供給することが可能となる。このため、メインアークを形成する際に、電極材５の近傍を不活性な雰囲気に保持すると共に、電極材５周囲の圧力が低下してハフニウムやタングステン等の蒸発が促進されるようなことがない。
【００２７】
電極Ａは、取付部１のネジ部１ａをプラズマトーチＢの本体に設けた電極台座９に挿入嵌合して連結された電極台１２のネジ部１２ａに締結して取り付けられている。電極台座９及び電極台１２の内部には冷却水を供給する冷却パイプ１３が設けられている。
【００２８】
そして、電極Ａを電極台１２に取り付けた時、該冷却パイプ１３が電極Ａの内部に形成された穴７に挿通されて該冷却パイプ１３の内外に冷却水の流通路１４を形成する。しかし、プラズマトーチＢの形式によっては、電極Ａを単に電極台１２に差し込むことで取り付けることが可能なものもある。
【００２９】
電極Ａの胴部２に形成されたガイド部２ａは、センタリングストーン１５の内径よりも僅かに小さい外径を持って形成されている。このため、電極Ａを電極台１２に取り付けた後、該電極Ａにセンタリングストーン１５、インナーノズル部材１６及びインナーキャップ１７を順に装着し、該インナーキャップ１７を本体に取り付けられた導電性のノズル台２４のネジ部２４ａに螺合することによって、自由状態にある電極台１２がプラズマトーチＢの軸心１８に対して傾斜しているような場合、この傾斜を矯正して電極Ａの電極材５を軸心１８に略一致させることが可能である。
【００３０】
プラズマガスは、図１に示すプラズマガス供給路２３を介して電極Ａの周囲から該電極Ａの先端面４側に供給される。また、電極ガスは、電極ガス供給路１９を介して電極Ａに設けられた電極ガス通路６に供給される。
【００３１】
即ち、本実施例はプラズマガスが供給されるプラズマガス供給路２３と、電極ガスが供給される電極ガス供給路１９とを夫々独立して設けたものである。
【００３２】
図１に示すように、プラズマガス供給路２３は、電極台座９、図示しない水路を形成する樹脂製の絶縁ブロック２５及びノズル台２４の各内部に形成された通路を通ってセンタリングストーン１５の外周面とインナーノズル部材１６の内周面との間に形成される通路２６に連通し、センタリングストーン１５に設けられた穴１５ａから電極Ａの外周面とインナーノズル部材１６の内周面との間に形成されたプラズマ室２０に連通し、更にノズル１１ａに連通している。
【００３３】
センタリングストーン１５の先端側の所定部位には複数の穴１５ａが形成されており、該穴１５ａを通して通路２６から電極Ａの胴部２の段部２ｂ側にプラズマガスを供給することが可能である。
【００３４】
本実施例では、センタリングストーン１５に形成された穴１５ａは、その軸方向が軸心１８と交差しない所定の角度で傾斜して形成されており、プラズマガス供給路２３を介して供給されたプラズマガスを電極Ａの外周面とインナーノズル部材１６の内周面との間に形成されたプラズマ室２０に旋回させた状態で供給し得るようになっている。
【００３５】
また、電極ガス供給路１９は、電極台座９の他の部位に形成された通路を通って電極台１２の外周面とセラミック等により作られた絶縁性の防炎パイプ２７の内周面との間に形成される通路２８に連通し、更に電極Ａの取付部１の外周面とセンタリングストーン１５の内周面との間に形成された通路２９に連通し、更に該電極Ａの内部に形成された電極ガス通路６に連通してプラズマ室２０、更にはノズル１１ａに連通している。
【００３６】
上記の如く構成されたプラズマガス供給路２３と、電極ガス供給路１９は互いに独立した供給路として構成されている。
【００３７】
また、プラズマ室２０は、電極Ａの先端面４とインナーノズル部材１６の内周面とによって形成されており、導電性のインナーノズル部材１６は、絶縁性のセンタリングストーン１５に装着した時、一部が導電性のノズル台２４に接触し、該ノズル台２４に図示しない通電回路を介して本体から通電されることで電極Ａとの間でパイロットアークを形成することが可能なように構成されている。
【００３８】
そして、パイロットアークを形成する場合には電極Ａとインナーノズル部材１６との間に、また、メインアークを形成する場合には電極Ａと図示しない被切断材との間に、夫々予め設定された電圧が印加され、インナーノズル部材１６との間で、或いは被加工材との間で放電される。
【００３９】
電極Ａを電極台１２に取り付けた時、電極Ａに形成した穴７の内部には冷却パイプ１３の先端部分が挿入され、該冷却パイプ１３を介して供給された冷却水は流通路１４を通り、電極Ａに配置された電極材５の裏面側に形成した突起８に衝突した後、電極Ａの内面と接触して該電極Ａを冷却する。その後、冷却水は通路２１を通りインナーノズル部材１６を冷却して外部に排出される。
【００４０】
電極台１２に取り付けられた電極Ａにセンタリングストーン１５が装着されている。この時、電極Ａに形成されたガイド部２ａの外周がセンタリングストーン１５の内面と接触して案内される。この状態では、センタリングストーン１５は単に電極Ａのガイド部２ａに接触されているに過ぎず、電極Ａに対して何ら規制も行なってはいない。そして、インナーノズル部材１６にインナーキャップ１７を装着し、該インナーキャップ１７を本体に固定されたノズル台２４のネジ部２４ａに螺合することで電極Ａを軸心１８に略一致させるように規制することが可能である。
【００４１】
また、アウターノズル部材３０にアウターキャップ３１を装着し、該アウターキャップ３１を本体に取り付けられたトーチガード３２に固定されたアウター連結キャップ３３のネジ部３３ａに螺合した時、該アウターノズル部材３０とインナーノズル部材１６との間に二次気流室２２が形成され、該二次気流室２２に供給された二次ガスをインナーノズル部材１６のノズル１１ａから噴射するメインアークの周囲にさや状に噴射することが可能である。
【００４２】
二次気流室２２に供給される二次ガスは、図２に示すように、通路３４から電極台座９、絶縁ブロック２５の各内部に形成された通路を経てアウターノズル部材３０に装着された仕切部材３５の内周面とインナーキャップ１７の外周面との間に形成された通路３６に連通し、アウターノズル部材３０に形成された穴３０ａを経て二次気流室２２に連通し、更にアウターノズル部材３０のノズル１１ｂに連通している。
【００４３】
また、図２に示すように、通路３７から電極台座９、絶縁ブロック２５の各内部に形成された通路を経て仕切部材３５の外周面とアウターキャップ３１の内周面との間に形成された通路３８に連通し、アウターノズル部材３０に形成された穴３０ｂを経て三次ガスを二次ガスの周囲にさや状に噴射することが可能である。
【００４４】
次に、上記の如く構成されたプラズマトーチＢの電極ガス供給路１９に空気、窒素ガス、アルゴンガスから選択された電極ガスを供給する電極ガス供給系、及びプラズマガス供給路２３にプラズマガスとしての酸素ガスを供給する酸素ガス供給系、の構成について図３により説明する。本実施例では、電極ガス供給路１９に供給される電極ガスとして空気が選択されている。
【００４５】
即ち、電極ガス供給系はエアコンプレッサー等や、窒素ガスボンベ或いはアルゴンガスボンベから選択された電極ガス供給装置４１ａ、予め設定された圧力が作用すと検知して電気信号を発生する圧力スイッチ４２ａ、電極ガス供給系の遮断及び開放を行う電磁弁４３ａ、アキュムレータを含む空気用の圧力安定器４４ａ、出力側の流量を検知して発生する電気信号によって圧力を調整することで流量を安定化させる流量調整器となる電空レギュレータ４５ａを有しており、これらを介してプラズマトーチＢに構成された電極ガス供給路１９に接続されている。
【００４６】
また、酸素ガス供給系は、プラズマガス供給路２３に対する酸素ガスの供給と、二次ガスとしての酸素ガスを供給する通路３４に対する酸素ガスの供給と、三次ガスとしての酸素ガスを供給する通路３７に対する酸素ガスの供給を行えるように構成されている。
【００４７】
このため、酸素ガス供給系は工場配管や酸素ボンベ等からなる酸素ガス供給装置４１ｂ、予め設定された圧力が作用すと検知して電気信号を発生する圧力スイッチ４２ｂ、各通路２３、３４、３７に対応して設けられた電磁弁４３ｂ〜４３ｄ、アキュムレータを含む酸素用の圧力安定器４４ｂ〜４４ｄ、出力側の流量を検知して発生する電気信号によって圧力を調整することで流量を安定化させる流量調整器となる電空レギュレータ４５ｂ〜４５ｄを有しており、これらを介してプラズマトーチＢに構成されたプラズマガス供給路２３、及び二次ガスの通路３４、三次ガスの通路３７に接続されている。
【００４８】
特に、二次ガスの通路３４に対応する酸素ガス用の圧力安定器４４ｃの下流側には電空レギュレータ４５ｃが接続されており、更に、電空レギュレータ４５ｃの下流側には逆止弁４６が接続されている。
【００４９】
上記の如く構成された電極ガス供給系及び酸素ガス供給系では、圧力安定器４４ａ、４４ｂや電空レギュレータ４５ａ、４５ｂを用いて夫々の供給圧を変化させることで、電極ガス供給路１９に供給する空気（電極ガス）の流量、及び、又はプラズマガス供給路２３に供給するプラズマガス（酸素ガス）の流量を変化させることが可能である。
【００５０】
次に、上記の如く構成された電極Ａを取り付けたプラズマトーチＢを用いて本発明に係るプラズマ切断方法を実施する手順について図５により説明する。
【００５１】
本発明に係るプラズマ切断方法では、電極ガスとして、空気、窒素ガス、アルゴンガスの中から選択されたガスを利用する。これらのガスのどれを選択するかは限定するものではなく、何れのガスを選択しても電極の耐久性を向上させることが可能である。しかし、本件発明者の知見では、電極材５としてハフニウムを用いた場合には空気を選択することが好ましく、電極材５としてタングステンを用いた場合には窒素ガス或いはアルゴンガスを選択することが好ましい。
【００５２】
例えば、電極材５としてハフニウムを用いた電極Ａでは、電極材５の周囲は僅かに酸化性雰囲気であることが好ましい。このため、前記電極Ａによって被切断材を切断する場合、電極ガス通路６から先端面４側に空気を供給することによって、電極材５の周囲が僅かな酸化性雰囲気となり、ハフニウムの消耗を抑えて被切断材に於ける切断面の品質を確保することが可能である。
【００５３】
また、電極材５としてタングステンを用いた電極Ａでは、電極材５の周囲は非酸化性雰囲気であることが好ましい。このため、前記電極Ａによって被切断材を切断する場合、電極ガス通路６から先端面４側に窒素ガス或いはアルゴンガスを供給することによって、電極材５の周囲を非酸化性雰囲気とすることが可能となる。そして、電極材５の周囲を非酸化性雰囲気とすることで、タングステンの消耗を抑えて被切断材に於ける切断面の品質を確保することが可能である。
【００５４】
本実施例では電極Ａの電極材５としてハフニウムを用いており、電極ガスとして空気を選択している。このため、電極ガス供給装置４１ａとしてエアコンプレッサーを利用している。
【００５５】
プラズマトーチＢの電極ガス供給路１９に電極ガスを供給する際に、電極ガス供給系を構成する電空レギュレータ４５ａで電極ガスの流量を設定している。また、プラズマガス供給路２３にプラズマガスを供給する際に、プラズマガス供給系を構成する電空レギュレータ４５ｂで電極ガスの流量を設定している。そして、電磁弁４３ａ、４３ｂを適宜駆動することによって、電極ガス及びプラズマガスをプラズマトーチＢに供給することが可能である。
【００５６】
本発明では、電極ガスは、パイロットアークが形成される以前からプラズマトーチＢの電極ガス供給路１９に供給され、電極Ａの電極ガス通路６を経てプラズマ室２０に噴出して電極材５の周囲に不活性雰囲気を形成する（プリフロー）。また、電極ガスは、メインアークが形成されている間も供給され、電極材５の周囲の不活性雰囲気を継続すると共に、電極ガスとプラズマガスとが混合したガスによりメインアークが形成される。更に、電極ガスは、メインアークが遮断された後も供給され、電極材５の周囲の不活性雰囲気を継続すると共に電極材５の冷却に寄与する（アフターフロー）。
【００５７】
具体的には、図５に示すように、パイロットアークの形成に先立って電極ガス供給系を構成する電磁弁４３ａを開放して電極ガスのプリフローを行う。このプリフローによってプラズマ室２０は空気で充満されることとなり、電極Ａの先端面４に埋設された電極材５の周囲は不活性雰囲気となる。
【００５８】
プラズマトーチＢに対する電極ガスの供給を継続した状態で、酸素ガス供給系を構成する電磁弁４３ｂを開放すると、酸素ガス供給装置４１ｂから供給され、電空レギュレータ４５ｂによって流量が設定された酸素ガスが、プラズマガス供給路２３に供給される。同時に電極Ａとインナーノズル部材１６の間に、及び電極Ａと被切断材との間に通電され、パイロットアークが形成される。
【００５９】
パイロットアークはノズル１１ａから吹き出されて被加工材と接触したとき、メインアークに切り替えられ、同時に電極Ａとインナーノズル部材１６の間の通電が遮断されてパイロットアークが消去される。
【００６０】
メインアークが形成されたとき、プラズマ室２０の内部は酸素ガスからなるプラズマガスと空気からなる電極ガスとが混在することとなる。しかし、電極ガス通路６が電極Ａの先端面４に開口しているため、電極材５の周囲は電極ガス通路６から継続して供給される電極ガスにより不活性な雰囲気が存続する。
【００６１】
被切断材に対する目的のプラズマ切断が終了したとき、電極Ａと被切断材との間の通電が遮断され、同時に酸素ガスの供給が停止する。しかし、電極ガスのプラズマトーチＢに対する供給は継続して行われることでアフターフローが継続する。この電極ガスのアフターフローにより、電極材５の周囲の不活性雰囲気が継続すると共に、電極Ａの冷却が促進される。
【００６２】
上記の如く、本発明では、電極Ａに該電極Ａの胴部２を貫通させて電極ガス通路を形成し、この電極ガス通路６から先端面４側に、空気、窒素ガス、アルゴンガスの中から選択されたガスを供給することによって、電極ガスによる電極Ａの胴部を内部側から冷却することが可能となるため、電極Ａの耐久性を向上させることが可能である。
【００６３】
また、電極ガス通路６が電極Ａの先端面４に開口しているため、電極材５の周囲に電極ガスによる不活性雰囲気を形成して高酸化雰囲気となることを防ぐことが可能となり、電極材５の耐久性を向上させ、これに伴って電極Ａの耐久性を向上させることが可能である。
【００６４】
本件発明者は、電極材としてハフニウムを用いた電極を使用し、プラズマトーチの出力を４００アンペア（Ａ）とし、メインアークを形成する際の全ガス流量を４０Ｌ／ｍｉｎに設定して該流量に対する電極ガスの比率０％〜３０％の範囲で変化させ、メインアークを１分間形成して被切断材を切断し、その後、３０秒停止させることを繰り返し、電極が寿命に達する回数と切断面の品質とを比較する耐久実験を行った。
【００６５】
電極ガスを全く供給せず（０％）、酸素ガスのみでメインアークを形成したとき、耐久回数は１８１回であり切断性（切断速度）は略満足し得る結果を得た。
【００６６】
全ガス流量に対し電極ガスを５％供給し酸素ガスを９５％としたとき、耐久回数は１９３回に向上し、切断性は略満足し得る結果を得た。
【００６７】
全ガス流量に対し電極ガスを１０％供給し酸素ガスを９０％としたとき、耐久回数は２４６回と大幅に向上し、切断性は充分に満足し得る結果を得た。
【００６８】
全ガス流量に対し電極ガスを１５％供給し酸素ガスを８５％としたとき、耐久回数は２６２回と大幅に向上し、切断性は充分に満足し得る結果を得た。
【００６９】
全ガス流量に対し電極ガスを２０％供給し酸素ガスを８０％としたとき、耐久回数は２３１回と大幅に向上し、切断性は略満足し得る結果を得た。
【００７０】
全ガス流量に対し電極ガスを２５％供給し酸素ガスを７５％としたとき、耐久回数は１８７回となり、切断性は略満足し得る結果を得た。
【００７１】
全ガス流量に対し電極ガスを３０％供給し酸素ガスを７０％としたとき、耐久回数は１２７回に減少し、切断性は満足し得ないという結果を得た。
【００７２】
上記実験の結果、電極ガスの流量は、被切断材を切断する際のメインアークを形成するための全ガス流量（プラズマガス流量と電極ガス流量との和）に対し、５％〜２５％の範囲にあることが好ましく、１０％〜１５％の範囲であることがより好ましいといえる。
【００７３】
電極ガスの流量を増加させたとき、耐久性が低下する原因は、電極Ａの先端面４に於ける電極ガスの流速が大きくなり、この結果、電極材５に吸引力が作用して埋設された電極材５が吸い出されるためである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係るプラズマ切断方法は、特許文献２、３に記載したプラズマトーチ、電極に利用して有利である。
【符号の説明】
【００７５】
Ａ 電極
Ｂ プラズマトーチ
１ 取付部
１ａ ネジ部
１ｂ 直線部
１ｃ 曲面部
２ 胴部
２ａ ガイド部
２ｂ 段部
２ｃ テーパ部
３ 溝
４ 先端面
５ 電極材
６ 電極ガス通路
７ 穴
８ 突起
９ 電極台座
１１ａ、１１ｂ ノズル
１２ 電極台
１３ 冷却パイプ
１４ 流通路
１５ センタリングストーン
１６ インナーノズル部材
１７ インナーキャップ
１９ 電極ガス供給路
２０ プラズマ室
２１、２６、２８、２９
通路
２２ 二次気流室
２３ プラズマガス供給路
２４ ノズル台
３０ アウターノズル部材
３１ アウターキャップ
４１ａ 電極ガス供給装置
４１ｂ 酸素供給装置
４２ａ、４２ 圧力スイッチ
４３ａ〜４３ｄ 電磁弁
４４ａ〜４４ｄ 圧力安定器
４５ａ〜４５ｄ 電空レギュレータ
４６ 逆止弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極の耐久性を向上させることができるプラズマ切断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から移行式プラズマトーチを利用して通電性を有する被切断材を切断する場合、プラズマトーチに取り付けた電極の先端面の周囲にプラズマ化させるガスを供給すると共に該電極とノズルとの間に通電してパイロットアークを形成してノズルから吹き出し、吹き出したパイロットアークが被切断材と接触した時、電極との間に通電してメインアークを形成すると同時に電極とノズルとの間の通電を停止してパイロットアークを停止させ、その後、メインアークによって被切断材を溶融すると共に溶融物を母材から排除しつつプラズマトーチを移動させることで切断している。
【０００３】
特に、被切断材が鋼板である場合、プラズマガスとして酸素ガスを用いるのが一般的である。このため、電極は、高酸化性雰囲気内で且つ超高温下、という極めて過酷な条件で使用されることとなり、極めて寿命が短くなってしまうという問題がある。このような問題を解決するために、電極の寿命を延長させることを目的とする多くの技術が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１に記載された発明は、作動ガス通路に対し、プリフローとポストフローのために空気を供給し、メインフローには酸素と空気との混合ガスを供給して切断を行うようにしている。この技術では、パイロットアーク点火時には、窒素濃度の高い作動ガスを用いることによって、電極やノズルの消耗が低減される。また、切断中は、酸素と窒素を含有した混合ガスを作動ガスとして用いるため、電極の消耗が抑制される。
【０００５】
特許文献１に記載された発明では、電極の消耗を抑制することができる。しかし、更なる電極の耐久性の向上が求められているのが実情である。このため、本件出願人は、電極の先端面の径を大きくすることでより太い電極材の採用を実現し、先端面に於けるより電極材に近い部位にプラズマガスを供給し得るように構成した電極と、この電極を用いるプラズマトーチを提案している（特許文献２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６６６７８９号公報
【特許文献２】特許第４６０９９６３号公報
【特許文献３】特許第４６４８５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、特許文献１に記載された発明では、電極の消耗を抑制することができるものの、更なる電極の耐久性の向上が求められている。
【０００８】
また、特許文献２、３に記載された発明では、夫々電極、プラズマトーチの単独の構成に関するものであり、これらの電極、プラズマトーチを用いる合理的なプラズマ切断方法の開発はなされていないという問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、特許文献２、３に記載された電極、プラズマトーチを前提として、切断性能の劣化を招くことなく、電極の耐久性を向上させることが出来るプラズマ切断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係るプラズマ切断方法は、胴部を貫通して一端が先端面に開口する電極ガス通路を有する電極と、前記電極との間にパイロットアークを形成するノズルと、前記電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する電極ガス供給路と、前記電極ガス供給路とは独立して構成され前記電極とノズルとの間に形成された空間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給路と、を有するプラズマトーチを用い、前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に空気又は窒素ガス或いはアルゴンガスからなる電極ガスを供給し、パイロットアーク及びメインアークの形成と同期してプラズマガス供給路から酸素ガスからなるプラズマガスを供給して該プラズマガスと電極ガスとの混合ガスからなるメインアークによって被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、パイロットアークを形成する以前からメインアークを遮断した後まで、前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に電極ガスを供給することを特徴とするものである。
【００１１】
上記プラズマ切断方法に於いて、被切断材を切断する際の前記電極ガスは、該電極ガスとプラズマガスの合計量に対し５％〜２５％の範囲にあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るプラズマ切断方法では、胴部を貫通して先端面に開口する電極ガス通路が形成された電極を利用し、プラズマトーチに構成された二つの独立したガス供給路の一方を電極ガス通路と接続すると共に、他方をプラズマガス供給路に接続している。このため、電極ガス通路には空気、窒素ガス、アルゴンガスから選択されたガス（電極ガス）を供給し、プラズマガス供給路には酸素ガスを供給することができる。従って、電極の先端面に於ける中心部位の電極ガス濃度が高くなり、電極の酸化による劣化を軽減して耐久性を向上することができる。
【００１３】
特に、被切断材を切断する際（メインアークを形成する際）の電極ガスが、該電極ガスとプラズマガスの合計量に対し５％〜２５％の範囲にあることによって、切断速度の低下や、切断面が粗くなることを防ぐことが可能となり、切断性能の劣化を招くことがない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るプラズマ切断方法に用いるプラズマトーチの構成を示す断面図である。
【図２】図１とは異なる方向の断面図である。
【図３】プラズマトーチに供給されるガス経路を示すブロック図である。
【図４】電極の構成を説明する図である。
【図５】プラズマトーチを稼働させる際のタイミングフローを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るプラズマ切断方法について説明する。
【００１６】
先ず、本発明のプラズマ切断方法を実施する際に用いるプラズマトーチと電極の構成について説明する。図１及び図２において、プラズマトーチＢは、図４に示すような電極Ａを装備している。電極Ａは先端面４側に供給されたガスをプラズマ化してプラズマトーチＢのノズル１１ａから噴射させ且つ裏面側の穴７に供給された冷却水によって冷却され、一端が先端面４に配置され他端が外周面の所定位置に配置された電極ガス通路６が設けられている。
【００１７】
電極ＡはプラズマトーチＢの本体に設けた導電性の電極台座９に連結された導電性の電極台１２に取り付けるための取付部１と、胴部２とを有している。取付部１の内部には電極台１２のネジ部に螺合するネジ部１ａが形成されており、外周部位は六角材を切削してスパナを掛ける直線部１ｂと切削による曲面部１ｃとが形成されている。
【００１８】
胴部２には全周にわたってリング状の溝３が形成され、該溝３と連続して予め設定された値の外径を持ったガイド部２ａが形成されている。また、ガイド部２ａよりも先端側には段部２ｂ及びテーパ部２ｃが形成されている。そしてテーパ部２ｃの先端側に先端面４が形成され、該先端面４の中心にハフニウムやタングステン等からなる電極材５が埋設されている。
【００１９】
先端面４には、一端が該先端面４に配置されて開口し、且つ他端が胴部２の外周面の所定位置（本実施例では、胴部２の外周に形成された溝３におけるガイド部２ａ側の面）に配置されて開口した電極ガス通路６が形成されている。
【００２０】
また、電極Ａの内部には冷却水を流通させる穴７が形成されており、該穴７の底面である先端面４の裏面には表面積を増加させて熱の交換効率を向上させるための突起８が形成されている。
【００２１】
本実施例では、このような電極ガス通路６を設けることによって、空気、窒素ガス、アルゴンガスから選択された電極ガスを電極材５の近傍に供給することが可能となる。このため、電極Ａの先端面４の外径の値に関わらず、電極材５の近傍に設けた位置から電極ガスを供給して見掛け上の電極先端径を細くすることが可能となる。
【００２２】
電極ガス通路６の数は特に限定するものではないが、電極Ａに対する均一なガスの供給を保証するためには、複数であることが好ましく、複数の電極ガス通路６は略等間隔で配置されることが好ましい。
【００２３】
このため、本実施例では、電極Ａには３個の電極ガス通路６が形成されると共に互いに１２０度の角度間隔を保持している。電極ガス通路６をこのように形成することによって、電極Ａにおける電極材５の周囲には略均一に電極ガスを供給することが可能となる。
【００２４】
また、電極ガス通路６は、電極Ａの胴部２に形成した溝３から先端面４にかけて該電極Ａの中心に向けて傾斜して形成されている。このように、電極ガス通路６を傾斜させることで、電極Ａにおける電極材５から大きく離隔することのない部位に電極ガス通路６から供給されたガスを収斂させることが可能である。
【００２５】
電極ガス通路６は本実施例に示すように穴によって形成することが可能であり、また、スリットによって形成することも可能である。電極ガス通路６を穴によって形成する場合、穴の直径であるピッチ円径φｄ（図４（ａ）参照）は、６mm〜先端面４の外径までの範囲に設定することが好ましい。
【００２６】
このように、電極ガス通路６の先端面４における開口位置を設定することによって、該電極ガス通路６から供給された電極ガスを電極Ａを構成する電極材５の近傍に供給することが可能となる。このため、メインアークを形成する際に、電極材５の近傍を不活性な雰囲気に保持すると共に、電極材５周囲の圧力が低下してハフニウムやタングステン等の蒸発が促進されるようなことがない。
【００２７】
電極Ａは、取付部１のネジ部１ａをプラズマトーチＢの本体に設けた電極台座９に挿入嵌合して連結された電極台１２のネジ部１２ａに締結して取り付けられている。電極台座９及び電極台１２の内部には冷却水を供給する冷却パイプ１３が設けられている。
【００２８】
そして、電極Ａを電極台１２に取り付けた時、該冷却パイプ１３が電極Ａの内部に形成された穴７に挿通されて該冷却パイプ１３の内外に冷却水の流通路１４を形成する。しかし、プラズマトーチＢの形式によっては、電極Ａを単に電極台１２に差し込むことで取り付けることが可能なものもある。
【００２９】
電極Ａの胴部２に形成されたガイド部２ａは、センタリングストーン１５の内径よりも僅かに小さい外径を持って形成されている。このため、電極Ａを電極台１２に取り付けた後、該電極Ａにセンタリングストーン１５、インナーノズル部材１６及びインナーキャップ１７を順に装着し、該インナーキャップ１７を本体に取り付けられた導電性のノズル台２４のネジ部２４ａに螺合することによって、自由状態にある電極台１２がプラズマトーチＢの軸心１８に対して傾斜しているような場合、この傾斜を矯正して電極Ａの電極材５を軸心１８に略一致させることが可能である。
【００３０】
プラズマガスは、図１に示すプラズマガス供給路２３を介して電極Ａの周囲から該電極Ａの先端面４側に供給される。また、電極ガスは、電極ガス供給路１９を介して電極Ａに設けられた電極ガス通路６に供給される。
【００３１】
即ち、本実施例はプラズマガスが供給されるプラズマガス供給路２３と、電極ガスが供給される電極ガス供給路１９とを夫々独立して設けたものである。
【００３２】
図１に示すように、プラズマガス供給路２３は、電極台座９、図示しない水路を形成する樹脂製の絶縁ブロック２５及びノズル台２４の各内部に形成された通路を通ってセンタリングストーン１５の外周面とインナーノズル部材１６の内周面との間に形成される通路２６に連通し、センタリングストーン１５に設けられた穴１５ａから電極Ａの外周面とインナーノズル部材１６の内周面との間に形成されたプラズマ室２０に連通し、更にノズル１１ａに連通している。
【００３３】
センタリングストーン１５の先端側の所定部位には複数の穴１５ａが形成されており、該穴１５ａを通して通路２６から電極Ａの胴部２の段部２ｂ側にプラズマガスを供給することが可能である。
【００３４】
本実施例では、センタリングストーン１５に形成された穴１５ａは、その軸方向が軸心１８と交差しない所定の角度で傾斜して形成されており、プラズマガス供給路２３を介して供給されたプラズマガスを電極Ａの外周面とインナーノズル部材１６の内周面との間に形成されたプラズマ室２０に旋回させた状態で供給し得るようになっている。
【００３５】
また、電極ガス供給路１９は、電極台座９の他の部位に形成された通路を通って電極台１２の外周面とセラミック等により作られた絶縁性の防炎パイプ２７の内周面との間に形成される通路２８に連通し、更に電極Ａの取付部１の外周面とセンタリングストーン１５の内周面との間に形成された通路２９に連通し、更に該電極Ａの内部に形成された電極ガス通路６に連通してプラズマ室２０、更にはノズル１１ａに連通している。
【００３６】
上記の如く構成されたプラズマガス供給路２３と、電極ガス供給路１９は互いに独立した供給路として構成されている。
【００３７】
また、プラズマ室２０は、電極Ａの先端面４とインナーノズル部材１６の内周面とによって形成されており、導電性のインナーノズル部材１６は、絶縁性のセンタリングストーン１５に装着した時、一部が導電性のノズル台２４に接触し、該ノズル台２４に図示しない通電回路を介して本体から通電されることで電極Ａとの間でパイロットアークを形成することが可能なように構成されている。
【００３８】
そして、パイロットアークを形成する場合には電極Ａとインナーノズル部材１６との間に、また、メインアークを形成する場合には電極Ａと図示しない被切断材との間に、夫々予め設定された電圧が印加され、インナーノズル部材１６との間で、或いは被加工材との間で放電される。
【００３９】
電極Ａを電極台１２に取り付けた時、電極Ａに形成した穴７の内部には冷却パイプ１３の先端部分が挿入され、該冷却パイプ１３を介して供給された冷却水は流通路１４を通り、電極Ａに配置された電極材５の裏面側に形成した突起８に衝突した後、電極Ａの内面と接触して該電極Ａを冷却する。その後、冷却水は通路２１を通りインナーノズル部材１６を冷却して外部に排出される。
【００４０】
電極台１２に取り付けられた電極Ａにセンタリングストーン１５が装着されている。この時、電極Ａに形成されたガイド部２ａの外周がセンタリングストーン１５の内面と接触して案内される。この状態では、センタリングストーン１５は単に電極Ａのガイド部２ａに接触されているに過ぎず、電極Ａに対して何ら規制も行なってはいない。そして、インナーノズル部材１６にインナーキャップ１７を装着し、該インナーキャップ１７を本体に固定されたノズル台２４のネジ部２４ａに螺合することで電極Ａを軸心１８に略一致させるように規制することが可能である。
【００４１】
また、アウターノズル部材３０にアウターキャップ３１を装着し、該アウターキャップ３１を本体に取り付けられたトーチガード３２に固定されたアウター連結キャップ３３のネジ部３３ａに螺合した時、該アウターノズル部材３０とインナーノズル部材１６との間に二次気流室２２が形成され、該二次気流室２２に供給された二次ガスをインナーノズル部材１６のノズル１１ａから噴射するメインアークの周囲にさや状に噴射することが可能である。
【００４２】
二次気流室２２に供給される二次ガスは、図２に示すように、通路３４から電極台座９、絶縁ブロック２５の各内部に形成された通路を経てアウターノズル部材３０に装着された仕切部材３５の内周面とインナーキャップ１７の外周面との間に形成された通路３６に連通し、アウターノズル部材３０に形成された穴３０ａを経て二次気流室２２に連通し、更にアウターノズル部材３０のノズル１１ｂに連通している。
【００４３】
また、図２に示すように、通路３７から電極台座９、絶縁ブロック２５の各内部に形成された通路を経て仕切部材３５の外周面とアウターキャップ３１の内周面との間に形成された通路３８に連通し、アウターノズル部材３０に形成された穴３０ｂを経て三次ガスを二次ガスの周囲にさや状に噴射することが可能である。
【００４４】
次に、上記の如く構成されたプラズマトーチＢの電極ガス供給路１９に空気、窒素ガス、アルゴンガスから選択された電極ガスを供給する電極ガス供給系、及びプラズマガス供給路２３にプラズマガスとしての酸素ガスを供給する酸素ガス供給系、の構成について図３により説明する。本実施例では、電極ガス供給路１９に供給される電極ガスとして空気が選択されている。
【００４５】
即ち、電極ガス供給系はエアコンプレッサー等や、窒素ガスボンベ或いはアルゴンガスボンベから選択された電極ガス供給装置４１ａ、予め設定された圧力が作用すと検知して電気信号を発生する圧力スイッチ４２ａ、電極ガス供給系の遮断及び開放を行う電磁弁４３ａ、アキュムレータを含む空気用の圧力安定器４４ａ、出力側の流量を検知して発生する電気信号によって圧力を調整することで流量を安定化させる流量調整器となる電空レギュレータ４５ａを有しており、これらを介してプラズマトーチＢに構成された電極ガス供給路１９に接続されている。
【００４６】
また、酸素ガス供給系は、プラズマガス供給路２３に対する酸素ガスの供給と、二次ガスとしての酸素ガスを供給する通路３４に対する酸素ガスの供給と、三次ガスとしての酸素ガスを供給する通路３７に対する酸素ガスの供給を行えるように構成されている。
【００４７】
このため、酸素ガス供給系は工場配管や酸素ボンベ等からなる酸素ガス供給装置４１ｂ、予め設定された圧力が作用すと検知して電気信号を発生する圧力スイッチ４２ｂ、各通路２３、３４、３７に対応して設けられた電磁弁４３ｂ〜４３ｄ、アキュムレータを含む酸素用の圧力安定器４４ｂ〜４４ｄ、出力側の流量を検知して発生する電気信号によって圧力を調整することで流量を安定化させる流量調整器となる電空レギュレータ４５ｂ〜４５ｄを有しており、これらを介してプラズマトーチＢに構成されたプラズマガス供給路２３、及び二次ガスの通路３４、三次ガスの通路３７に接続されている。
【００４８】
特に、二次ガスの通路３４に対応する酸素ガス用の圧力安定器４４ｃの下流側には電空レギュレータ４５ｃが接続されており、更に、電空レギュレータ４５ｃの下流側には逆止弁４６が接続されている。
【００４９】
上記の如く構成された電極ガス供給系及び酸素ガス供給系では、圧力安定器４４ａ、４４ｂや電空レギュレータ４５ａ、４５ｂを用いて夫々の供給圧を変化させることで、電極ガス供給路１９に供給する空気（電極ガス）の流量、及び、又はプラズマガス供給路２３に供給するプラズマガス（酸素ガス）の流量を変化させることが可能である。
【００５０】
次に、上記の如く構成された電極Ａを取り付けたプラズマトーチＢを用いて本発明に係るプラズマ切断方法を実施する手順について図５により説明する。
【００５１】
本発明に係るプラズマ切断方法では、電極ガスとして、空気、窒素ガス、アルゴンガスの中から選択されたガスを利用する。これらのガスのどれを選択するかは限定するものではなく、何れのガスを選択しても電極の耐久性を向上させることが可能である。しかし、本件発明者の知見では、電極材５としてハフニウムを用いた場合には空気を選択することが好ましく、電極材５としてタングステンを用いた場合には窒素ガス或いはアルゴンガスを選択することが好ましい。
【００５２】
例えば、電極材５としてハフニウムを用いた電極Ａでは、電極材５の周囲は僅かに酸化性雰囲気であることが好ましい。このため、前記電極Ａによって被切断材を切断する場合、電極ガス通路６から先端面４側に空気を供給することによって、電極材５の周囲が僅かな酸化性雰囲気となり、ハフニウムの消耗を抑えて被切断材に於ける切断面の品質を確保することが可能である。
【００５３】
また、電極材５としてタングステンを用いた電極Ａでは、電極材５の周囲は非酸化性雰囲気であることが好ましい。このため、前記電極Ａによって被切断材を切断する場合、電極ガス通路６から先端面４側に窒素ガス或いはアルゴンガスを供給することによって、電極材５の周囲を非酸化性雰囲気とすることが可能となる。そして、電極材５の周囲を非酸化性雰囲気とすることで、タングステンの消耗を抑えて被切断材に於ける切断面の品質を確保することが可能である。
【００５４】
本実施例では電極Ａの電極材５としてハフニウムを用いており、電極ガスとして空気を選択している。このため、電極ガス供給装置４１ａとしてエアコンプレッサーを利用している。
【００５５】
プラズマトーチＢの電極ガス供給路１９に電極ガスを供給する際に、電極ガス供給系を構成する電空レギュレータ４５ａで電極ガスの流量を設定している。また、プラズマガス供給路２３にプラズマガスを供給する際に、プラズマガス供給系を構成する電空レギュレータ４５ｂで電極ガスの流量を設定している。そして、電磁弁４３ａ、４３ｂを適宜駆動することによって、電極ガス及びプラズマガスをプラズマトーチＢに供給することが可能である。
【００５６】
本発明では、電極ガスは、パイロットアークが形成される以前からプラズマトーチＢの電極ガス供給路１９に供給され、電極Ａの電極ガス通路６を経てプラズマ室２０に噴出して電極材５の周囲に不活性雰囲気を形成する（プリフロー）。また、電極ガスは、メインアークが形成されている間も供給され、電極材５の周囲の不活性雰囲気を継続すると共に、電極ガスとプラズマガスとが混合したガスによりメインアークが形成される。更に、電極ガスは、メインアークが遮断された後も供給され、電極材５の周囲の不活性雰囲気を継続すると共に電極材５の冷却に寄与する（アフターフロー）。
【００５７】
具体的には、図５に示すように、パイロットアークの形成に先立って電極ガス供給系を構成する電磁弁４３ａを開放して電極ガスのプリフローを行う。このプリフローによってプラズマ室２０は空気で充満されることとなり、電極Ａの先端面４に埋設された電極材５の周囲は不活性雰囲気となる。
【００５８】
プラズマトーチＢに対する電極ガスの供給を継続した状態で、酸素ガス供給系を構成する電磁弁４３ｂを開放すると、酸素ガス供給装置４１ｂから供給され、電空レギュレータ４５ｂによって流量が設定された酸素ガスが、プラズマガス供給路２３に供給される。同時に電極Ａとインナーノズル部材１６の間に、及び電極Ａと被切断材との間に通電され、パイロットアークが形成される。
【００５９】
パイロットアークはノズル１１ａから吹き出されて被加工材と接触したとき、メインアークに切り替えられ、同時に電極Ａとインナーノズル部材１６の間の通電が遮断されてパイロットアークが消去される。
【００６０】
メインアークが形成されたとき、プラズマ室２０の内部は酸素ガスからなるプラズマガスと空気からなる電極ガスとが混在することとなる。しかし、電極ガス通路６が電極Ａの先端面４に開口しているため、電極材５の周囲は電極ガス通路６から継続して供給される電極ガスにより不活性な雰囲気が存続する。
【００６１】
被切断材に対する目的のプラズマ切断が終了したとき、電極Ａと被切断材との間の通電が遮断され、同時に酸素ガスの供給が停止する。しかし、電極ガスのプラズマトーチＢに対する供給は継続して行われることでアフターフローが継続する。この電極ガスのアフターフローにより、電極材５の周囲の不活性雰囲気が継続すると共に、電極Ａの冷却が促進される。
【００６２】
上記の如く、本発明では、電極Ａに該電極Ａの胴部２を貫通させて電極ガス通路を形成し、この電極ガス通路６から先端面４側に、空気、窒素ガス、アルゴンガスの中から選択されたガスを供給することによって、電極ガスによる電極Ａの胴部を内部側から冷却することが可能となるため、電極Ａの耐久性を向上させることが可能である。
【００６３】
また、電極ガス通路６が電極Ａの先端面４に開口しているため、電極材５の周囲に電極ガスによる不活性雰囲気を形成して高酸化雰囲気となることを防ぐことが可能となり、電極材５の耐久性を向上させ、これに伴って電極Ａの耐久性を向上させることが可能である。
【００６４】
本件発明者は、電極材としてハフニウムを用いた電極を使用し、プラズマトーチの出力を４００アンペア（Ａ）とし、メインアークを形成する際の全ガス流量を４０Ｌ／ｍｉｎに設定して該流量に対する電極ガスの比率０％〜３０％の範囲で変化させ、メインアークを１分間形成して被切断材を切断し、その後、３０秒停止させることを繰り返し、電極が寿命に達する回数と切断面の品質とを比較する耐久実験を行った。
【００６５】
電極ガスを全く供給せず（０％）、酸素ガスのみでメインアークを形成したとき、耐久回数は１８１回であり切断性（切断速度）は略満足し得る結果を得た。
【００６６】
全ガス流量に対し電極ガスを５％供給し酸素ガスを９５％としたとき、耐久回数は１９３回に向上し、切断性は略満足し得る結果を得た。
【００６７】
全ガス流量に対し電極ガスを１０％供給し酸素ガスを９０％としたとき、耐久回数は２４６回と大幅に向上し、切断性は充分に満足し得る結果を得た。
【００６８】
全ガス流量に対し電極ガスを１５％供給し酸素ガスを８５％としたとき、耐久回数は２６２回と大幅に向上し、切断性は充分に満足し得る結果を得た。
【００６９】
全ガス流量に対し電極ガスを２０％供給し酸素ガスを８０％としたとき、耐久回数は２３１回と大幅に向上し、切断性は略満足し得る結果を得た。
【００７０】
全ガス流量に対し電極ガスを２５％供給し酸素ガスを７５％としたとき、耐久回数は１８７回となり、切断性は略満足し得る結果を得た。
【００７１】
全ガス流量に対し電極ガスを３０％供給し酸素ガスを７０％としたとき、耐久回数は１２７回に減少し、切断性は満足し得ないという結果を得た。
【００７２】
上記実験の結果、電極ガスの流量は、被切断材を切断する際のメインアークを形成するための全ガス流量（プラズマガス流量と電極ガス流量との和）に対し、５％〜２５％の範囲にあることが好ましく、１０％〜１５％の範囲であることがより好ましいといえる。
【００７３】
電極ガスの流量を増加させたとき、耐久性が低下する原因は、電極Ａの先端面４に於ける電極ガスの流速が大きくなり、この結果、電極材５に吸引力が作用して埋設された電極材５が吸い出されるためである。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明に係るプラズマ切断方法は、特許文献２、３に記載したプラズマトーチ、電極に利用して有利である。
【符号の説明】
【００７５】
Ａ 電極
Ｂ プラズマトーチ
１ 取付部
１ａ ネジ部
１ｂ 直線部
１ｃ 曲面部
２ 胴部
２ａ ガイド部
２ｂ 段部
２ｃ テーパ部
３ 溝
４ 先端面
５ 電極材
６ 電極ガス通路
７ 穴
８ 突起
９ 電極台座
１１ａ、１１ｂ ノズル
１２ 電極台
１３ 冷却パイプ
１４ 流通路
１５ センタリングストーン
１６ インナーノズル部材
１７ インナーキャップ
１９ 電極ガス供給路
２０ プラズマ室
２１、２６、２８、２９
通路
２２ 二次気流室
２３ プラズマガス供給路
２４ ノズル台
３０ アウターノズル部材
３１ アウターキャップ
４１ａ 電極ガス供給装置
４１ｂ 酸素供給装置
４２ａ、４２ 圧力スイッチ
４３ａ〜４３ｄ 電磁弁
４４ａ〜４４ｄ 圧力安定器
４５ａ〜４５ｄ 電空レギュレータ
４６ 逆止弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴部を貫通して一端が先端面に開口する電極ガス通路を有する電極と、
前記電極との間にパイロットアークを形成するノズルと、
前記電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する電極ガス供給路と、
前記電極ガス供給路とは独立して構成され前記電極とノズルとの間に形成された空間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給路と、を有するプラズマトーチを用い、
前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に空気又は窒素ガス或いはアルゴンガスからなる電極ガスを供給し、パイロットアーク及びメインアークの形成と同期してプラズマガス供給路から酸素ガスからなるプラズマガスを供給して該プラズマガスと電極ガスとの混合ガスからなるメインアークによって被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、
パイロットアークを形成する以前からメインアークを遮断した後まで、前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する
ことを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項２】
被切断材を切断する際の前記電極ガスは、該電極ガスとプラズマガスの合計量に対し５％〜２５％の範囲にある
ことを特徴とする請求項１に記載したプラズマ切断方法。
【請求項１】
胴部を貫通して一端が先端面に開口する電極ガス通路を有する電極と、
前記電極との間にパイロットアークを形成するノズルと、
前記電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する電極ガス供給路と、
前記電極ガス供給路とは独立して構成され前記電極とノズルとの間に形成された空間にプラズマガスを供給するプラズマガス供給路と、を有するプラズマトーチを用い、
前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に空気又は窒素ガス或いはアルゴンガスからなる電極ガスを供給し、パイロットアーク及びメインアークの形成と同期してプラズマガス供給路から酸素ガスからなるプラズマガスを供給して該プラズマガスと電極ガスとの混合ガスからなるメインアークによって被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、
パイロットアークを形成する以前からメインアークを遮断した後まで、前記電極ガス供給路から電極の電極ガス通路に電極ガスを供給する
ことを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項２】
被切断材を切断する際の前記電極ガスは、該電極ガスとプラズマガスの合計量に対し５％〜２５％の範囲にある
ことを特徴とする請求項１に記載したプラズマ切断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７８７８１（Ｐ２０１３−７８７８１Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９８６９（Ｐ２０１１−２１９８６９）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００１８５３７４）小池酸素工業株式会社 (64)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００１８５３７４）小池酸素工業株式会社 (64)
【Ｆターム（参考）】
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