プラズマ切断装置及び方法
【課題】 軟鋼や低炭素鋼のプラズマ切断で、ピアッシング時の穴周囲へのドロス付着を低減する。
【解決手段】 プラズマガスとして酸素、空気、または酸素と窒素の混合ガスなどを使う。アシストガスとして窒素、酸素、空気、または酸素と空気の混合ガスなどを使うが、ピアッシング工程では切断工程より酸素濃度が高くされる。アシストガス酸素濃度はピアッシング工程では２０モル％以上で、好ましくは１００モル％又はこれに近い高濃度であり、切断工程では２０モル％以上でバーニング濃度より低く、例えば４０〜８０モル％程度である。
【解決手段】 プラズマガスとして酸素、空気、または酸素と窒素の混合ガスなどを使う。アシストガスとして窒素、酸素、空気、または酸素と空気の混合ガスなどを使うが、ピアッシング工程では切断工程より酸素濃度が高くされる。アシストガス酸素濃度はピアッシング工程では２０モル％以上で、好ましくは１００モル％又はこれに近い高濃度であり、切断工程では２０モル％以上でバーニング濃度より低く、例えば４０〜８０モル％程度である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ切断装置及び方法に関わり、特にプラズマトーチに供給されるガスの組成の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマガス（作動ガス、メインガス又は一次ガスとも呼ばれる）として、酸素、空気、または酸素と窒素の混合ガスなどを使って、軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼を切断するプラズマ切断において、トーチから噴出するプラズマアークの周囲に、酸素をかなりの割合で含有したアシストガス（二次ガスとも呼ばれる）を供給することにより、切断品質が向上すること、特に、ワークピースの裏面に付着するドロス（溶融金属が吹き飛ばされずにワークピースに付着し固まったもの）が軽減されることが知られている。酸素を含んだアシストガスを使用することを開示する文献には、例えば以下のようなものがある。
【０００３】
特許文献１には、プラズマアークの周囲に、比較的に酸素濃度の高いガスを二次ガスとして吹き付け、二次ガスの酸素純度は４０％以上であり、そして、酸素リッチな二次ガスによって、切断面に形成される溶接を阻害する窒化層が軽減できることが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、酸素をプラズマガスとするプラズマアークの周囲に、酸素カーテン（純酸素の二次ガス）を供給すること、そして、酸素の二次ガスによって、溶融金属の流動性が増し、裏面に付着するドロスが軽減されるとともに溶融金属の参加が促進されドロスの剥離製が改善されることが開示されている。
【０００５】
特許文献３には、二次ガスとして非酸化性ガスと酸化性ガスの混合ガスを使用すること、少なくとも酸化性ガスの比率が４０％以上であること、及び、非酸化性ガスは窒素又はアルゴンであり、酸化性ガスは酸素又は空気であることが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、二次ガスとして窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを使用すること、及び、少なくとも酸素ガスの窒素比率が２５％であることが開示されている。
【０００７】
特許文献５には、プラズマガス（一次ガス）、二次ガス及び三次ガスとして、それぞれ酸素を含むガスを使用し、プラズマガスの酸素濃度をNｐ、二次ガスの酸素濃度をN2、三次ガスの酸素濃度をN3としたとき、Np>N2及びN2<N3であることが開示されている。
【０００８】
また、プラズマ切断は、鋼板に穴を開ける工程（ピアッシング工程とも呼ばれる）から開始される。ピアッシング工程においては、プラズマアークによって鋼板が溶融し、その液体金属は穴が貫通するまでは、プラズマ噴流により、鋼板の上方のプラズマトーチに向かって吹き上がってくる（このような溶融金属はスパッタと呼ばれる）。穴から噴き上がるスパッタにより、トーチの先端のノズル又はノズルを覆うシールドキャップが溶損するおそれがある。また、穴から吹き上がった溶融金属の一部は、穴の周囲にドロスとして付着し凝固し積み上がる。製品の切断終了時にトーチが切断開始位置に戻ってきた時、トーチ先端が切断開始位置の穴の周囲に積み上がったドロスに接触して、切断作業が中断するおそれがある。それを避けるために、ピアッシングの位置を製品から遠く離せばよいが、すると、切断経路が延長されてしまう。この問題に関連して、例えば次のような技術が知られている。
【０００９】
特許文献６には、ピアッシング工程中の二次ガス流量を、切断工程中の二次ガス流量よりも大きくして、大流量の二次ガスにより穴から吹き上がってくるスパッタからトーチを保護することが開示されている。
【００１０】
特許文献７には、ピアッシング工程の開始前に、ピアッシング予定箇所に、ドロス付着防止剤をトーチから噴射し塗布することで、穴の周囲に付着するドロスを軽減することが開示されている。
【００１１】
また、プラズマ切断におけるピアッシング工程及び続く切断工程では、プラズマトーチ内の電極（マイナス極）と鋼板（プラス極）との間でのアーク放電によりプラズマアーク(メインアークとも呼ばれる）が形成される。プラズマアークはノズルによって細く絞り込まれて高温高速のプラズマジェットとなり、鋼板に吹き付けられて、鋼板を溶融する。ピアッシング工程の開始前には、最初にアークを点火するための工程（パイロットアーク工程とも呼ばれる）が行われる。パイロットアーク工程では、電極がマイナス極にされ、ノズルがプラス極とされて、電極とノズルの間にパイロットアークと呼ばれるアーク放電が形成される。パイロットアークは鋼板へと移動する。パイロットアークが鋼板に到達してメインアークに移行した後、ノズルに繋がる電気回路が遮断され、鋼板のみがプラス極とされ、ピアッシング工程が開始する。
【００１２】
パイロットアーク工程では、パイロットアークにより、ノズルのオリフィス出口が溶損する。パイロットアークの時間長は数msecから数十msecと短いから、１回の点火工程当りのノズルのダメージは小さい。しかし、点火の回数が増えるに伴い、ノズルのオリフィス出口の溶損が進行する。数百回程度の点火が繰り返された後には、ノズルのオリフィス出口のダメージは全く大きくなり、プラズマアークの状態が変化し、切断品質が劣化する。これでノズルの寿命が終わる。
【００１３】
このことに関連して、特許文献８には、パイロットアークの点火時に、プラズマガスに非酸化性ガスを流すと共に、二次ガスにも非酸化性ガスを流して、ノズルのオリフィス出口付近を非酸化性ガス雰囲気にし、そして、パイロットアークがメインアークへ移行するのと実質同時に、プラズマガスを非酸化性ガスから酸素又は酸素を含むガスに切り替えて、切断工程に入ることが開示されている。点火工程における非酸化性ガス雰囲気により、パイロットアークによるノズルのオリフィス出口のダメージが軽減される。
【００１４】
【特許文献１】特開昭５３−１２３３４９号公報
【特許文献２】特開昭５９−２２９２８２号公報
【特許文献３】特表平６−５０８７９３号公報
【特許文献４】特開平７０５１８６１号公報
【特許文献５】特開２０００−３１２９３号公報
【特許文献６】特表平２−５０４６０３号公報
【特許文献７】特開２００４−１８８４８５号公報
【特許文献８】特開平８−２１５８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
プラズマガスとして酸素あるいは空気、または酸素と窒素の混合ガスなどを使って軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼を切断するプラズマ切断に関する上述した従来技術によれば、切断工程において二次ガスとして酸素をかなりの割合で含んだガスを用いることで、鋼板の裏面に付着するドロスを軽減することができる。しかし、ピアッシング工程においては、穴の周囲にドロスが付着し積み上がるという問題が生じる。この問題を解決するため、従来技術によれば、ピアッシング工程では二次ガスの流量が増大され、或は、ピアッシング工程の開始前にドロス付着防止剤を塗布される。
【００１６】
従って、本発明の目的は、ピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着を、従来技術とは異なるやり方で、低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一つの側面に従えば、プラズマトーチからプラズマガス流を噴出すると共にプラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程を順に実行するようになったプラズマ切断装置は、ピアッシング工程と切断工程において酸素を含有したガスをアシストガスとしてプラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、ピアッシング工程の全部又は一部の時において切断工程の時よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段を備える。
【００１８】
このプラズマ切断装置によれば、アシストガスの酸素濃度をピアッシング工程の全部又は一部で切断工程よりも高くすることにより、ピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着が低減される。
【００１９】
好適な実施形態では、パイロットアーク工程では酸素を含有しない窒素などの不活性ガス又は酸素を含有したガスがアシストガスとして使用され、パイロットアーク工程の時のアシストガス酸素濃度は、ピアッシング工程の時よりも低い値に制御される。これにより、パイロットアークによるノズルの損傷が低減される。
【００２０】
好適な実施形態では、ピアッシング工程のときのアシストガス酸素濃度は２０モル％から１００モル％の範囲内に制御され、切断工程のときには２０モル％から８０モル％の範囲内に制御される。これにより、ピアッシング工程では穴の周囲へのドロスの付着が低減され、また、切断工程では、ワークピースのバーニングが防止されつつワークピースの裏面へのドロスの付着も低減される。
【００２１】
本発明の別の側面に従えば、プラズマトーチからプラズマガス流を噴出すると共にプラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアークを発生させた後にパイロットアークをメインアークに移行させるようになったプラズマ切断装置は、メインアークが維持されている間は酸素を含有したガスをアシストガスとしてプラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、メインアークの確立直後の所定の時間区間では、その時間区間の経過後よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段を備える。
【００２２】
このプラズマ切断装置によれば、メインアークの確立直後の時間区間におけるアシストガスの酸素濃度を、その時間区間より後よりも高くすることにより、メインアークの確立直後に通常実行されるピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着が低減される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置の要部の概略構成を示す。
【００２６】
図１に示すように、このプラズマ切断装置１００は、プラズマトーチ１０２、プラズマトーチ１０２にプラズマガス１１２、アシストガス１１４、アーク電流および冷却水１１０をそれぞれ供給するプラズマガス供給システム１０３、アシストガス供給システム１０４、電源回路１０６および冷却水循環システム１０８、ならびに、それらの動作を制御する制御装置１０９を備える。
【００２７】
プラズマトーチ１０２は、全体として略円柱状の形状を有し、下方を向いており、その中心から外側へ順に、同軸に配置された電極１２０、ノズル１２２およびシールドキャップ１２４を有する。電極１２０は外周囲をノズル１２２に囲まれる。ノズル１２２はその先端部にプラズマガスのジェットを噴出するためのオリフィスを有する。ノズル１２２は外周囲をシールドキャップ１２４に囲まれる。シールドキャップ１２４はその先端部に、ノズル１２２から噴出されるプラズマガスのジェットを通過させるための開口を有する。
【００２８】
電極１２０は、その先端部に耐熱材料製、例えばハフニウム、ジルコニウムまたはそれらの合金などのインサート１２６を有し、その内部には冷却水通路１２８を有する。電極１２８とノズル１２２との間には、プラズマガス通路１３０が存在する。プラズマガス通路１３０中には、プラズマガスの旋回流を形成するためのプラズマガススワーラ１３２が設けられる。ノズル１３０とシールドキャップ１２４との間には、アシストガス通路１３４が存在する。アシストガス通路１３４の出口は環状であり、ノズル１２２のオリフィスの前方を囲む。アシストガス通路１３４中には、アシストガスの旋回流を形成するためのアシストガススワーラ１３６が設けられる。
【００２９】
プラズマガス１１２は、プラズマガス通路１３０を通り、一方向へ旋回する旋回流となって、電極１２６の先端部の正面に供給され、ノズル１２８の先端のオリフィスから旋回流として下方へ噴出する。アシストガス１１４は、アシストガス通路１３４を通り、その出口から、プラズマガス１１２の旋回と同方向に旋回する旋回流となって、ノズル１２８からのプラズマ旋回噴流の周囲に噴出する。
【００３０】
板材（ワークピース）１４０の切断が行われるとき、プラズマトーチ１００は、その下方の近傍にワークピース１４０が位置するように、ワークピース１４０に対して配置される。加工開始の直前、プリフロー工程が行われて、プラズマガス１１２とアシストガス１１４が、その流量が安定するまで所定時間の間噴出される。プリフロー工程に続いてパイロットアーク工程が行われ、そこでは、電源回路１０６が、電極１２０とノズル１２２との間に高電圧を印加して、電極１２０の先端部とその近傍のノズル１２２の内面との間にパイロットアークを発生させる。パイロットアークの作用で、電極１２０の先端部近傍のプラズマガス１１２がプラズマ化され、ノズル１２２のオリフィスから下方へ高速のジェット流として噴出する。そのプラズマジェット流に導かれて、パイロットアークはノズル１２２のオリフィスを通りぬけて下方へ移動し、ワークピース１４０の上面に到達する。これにより、電極１２０とワークピース１４０間に、プラズマジェット流と一体化したメインアーク（プラズマアーク）１３８が確立する。メインアーク１３８の確立が検出されると同時に、電源回路１０６は、ノズル１２２への電路を切り、代わりにワークピース１４０への電路を繋ぐ。それにより、電極１２０とワークピース１４０間にアーク電流路が形成され、以後、そのアーク電流路が切られるまでメインアーク１３８が維持される。
【００３１】
メインアーク１３８が確立した後、最初にピアッシング工程が行われ、そこでは、メインアーク１３８によりワークピース１４０に穴１４２が開けられる。穴１４２が貫通するまでは、溶融金属が穴１４２の上の口から噴出して、穴１４２の周囲に固化して積み上がりドロス１４４を形成する。穴１４２が貫通した後、切断工程が開始される。切断工程では、プラズマトーチ１００が移動しながら、ワークピース１４０を切断する。切断工程が終わると、電源回路１０６がメインアーク１３８の電流路を切り、メインアーク１３８が消滅する。続いて、アフターフロー工程が行われて、プラズマガス１１２とアシストガス１１４が所定時間だけ流される。
【００３２】
上述したプリフロー工程、パイロットアーク工程、ピアッシング工程、切断工程およびアフタフロー工程という順序の一連の加工工程において、制御装置１０９は、アーク電流の大きさ、ならびに、プラズマガス１１２とアシストガス１１４のそれぞれの組成、圧力および流量が最適になるように制御を行う。以下では、この制御に関して、より具体的に説明する。特に、軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼などの材料製のワークピース１４０を切断する場合における制御について説明する。
【００３３】
図２は、軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼製のワークピース１４０を切断する場合におけるアーク電流、プラズマガス１１２およびアシストガスがどのように制御されるかを示す。図２(A)はアーク電流の大きさの変化を、同(B)はプラズマガス１１２の圧力と組成の変化を、同(C)はアシストガス１１４の流量と組成の変化を、同(D)はアシストガス１１４に含まれる酸素の濃度の変化をそれぞれ示す。
【００３４】
図２(A)に示すように、アーク電流は、パイロットアーク工程から切断工程までにおいて流れる。アーク電流は、パイロットアーク工程では所定の小さいパイロット電流値で流れ、ピアッシング工程では徐々に増大して所定の切断電流値に到達し、続く切断工程ではその切断電流値で一定に制御され、そして、切断工程の終了時に停止する。
【００３５】
図２(B)に示すように、プラズマガス１１２は、プリフロー工程からアフタフロー工程まで続けて流される。プラズマガス１１２の圧力は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までは所定の低いプリフロー圧に制御され、ピアッシング工程に入ると所定の高い切断圧力にまで急増され、ピアッシング工程から切断工程までの間は、その切断圧力で一定に制御され、そして、アフタフロー工程に入ると急減されて所定の低いアフターフロー圧に制御される。
【００３６】
プラズマガス１１２として、窒素（不活性ガス）、酸素、空気、又はこれらの混合ガスなどが工程に応じて組成を変えながら使用できる。この実施形態では、プラズマガス１１２の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までは１００モル％の窒素であり、ピアッシング工程に入ると酸素と窒素の混合ガス、例えば体積濃度で酸素が８０モル％で窒素が２０モル％の酸素リッチな組成に移行し、ピアッシング工程から切断工程までの間は、その酸素リッチな組成で一定に制御され、そして、アフタフロー工程に入ると再び１００モル％の窒素に切り替えられる。あるいは、変形例として、プラズマガス１１２の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までとアフターフロー工程ではそれぞれ空気（すなわち、体積濃度で約２０モル％の酸素と約８０モル％の窒素を含む）であってもよく、また、ピアッシング工程から切断工程までの間は１００モル％の酸素でもよい。
【００３７】
図２(C)に示すように、アシストガス１１４は、プリフロー工程からアフタフロー工程の初期まで続けて流され、その間その流量は所定の切断流量で一定に制御され、そして、アフタフロー工程に入るとアシストガス１１４は止められる。アシストガス１１４として、窒素（不活性ガス）、酸素、空気、又はこれらの混合ガスなどが工程に応じて組成を変えながら使用できる。この実施形態では、アシストガス１１４の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までは１００モル％の窒素であり、ピアッシング工程に入ると１００モル％の酸素に移行してピアッシング工程の間それが維持され、切断工程に入ると、酸素と窒素を含んだ組成、例えば空気と酸素との混合ガスのようにピアッシング工程より酸素濃度の低い組成に切り替えられてピアッシング工程の間それに維持される。あるいは、変形例として、アシストガス１１４の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までとアフターフロー工程ではそれぞれ空気（すなわち、体積濃度で約２０モル％の酸素と約８０モル％の窒素を含む）であってもよく、ピアッシング工程から切断工程までの間は１００モル％の酸素でもよく、また、アフターフロー工程では空気であってもよい。
【００３８】
ここで、注目すべき点は、アシストガス１１４における酸素の体積濃度（以下、「アシストガス酸素濃度」という）の変化である。すなわち、図２(D)に示すように、プリフロー工程とパイロットアーク工程におけるアシストガス酸素濃度をD1、ピアッシング工程におけるアシストガス酸素濃度をD2、切断工程でのアシストガス酸素濃度をD３とすると、これら工程別のアシストガス酸素濃度D1、D2、D3の間には、D1＜D3＜D2という関係がある。工程毎のアシストガス酸素濃度について具体的に説明すると次のとおりである。
【００３９】
プリフロー工程とパイロットアーク工程におけるアシストガス酸素濃度D1は、２０モル％以下（すなわち空気の酸素濃度以下）の低い値である。特にパイロットアーク工程におけるアシストガス酸素濃度D1は、０モル％により近いほどパイロットアークによるノズル１２２のダメージが軽減されるという効果がある。
【００４０】
ピアッシング工程におけるアシストガス酸素濃度D2は、２０モル％以上（すなわち空気の酸素濃度以上）の高い値であり、例えば８０モル％以上のようにバーニング（ワークピース１４０の切断面での過剰な酸化反応）が生じるような濃度であってよく、１００モル％であってもよい。このアシストガス酸素濃度D2は、１００モル％により近いほどピアッシング能力が向上し、かつ、穴の周囲に付着するドロス１４４の量を軽減できるという効果がある。この効果により、ノズル１２２やシールドキャップ１２４の損傷が軽減されてその寿命が延び、生産効率が向上し、また、切断可能な最大板圧が向上するなどの利点が期待できる。このピアッシング工程におけるアシストガス酸素濃度D2は、次の切断工程でのアシストガス酸素濃度D３よりは高い値である。
【００４１】
切断工程でのアシストガス酸素濃度D３は、２０モル％以上であり、かつ、バーニングが生じる酸素濃度（例えば８０モル％）以下の中程度の値である。切断工程では、ピアッシング工程とは異なり、酸素が１００モル％のアシストガスはバーニングが生じるので採用されない。バーニングを起こさず、かつワークピース１４の裏面に付着するドロスを軽減する目的で、切断工程でのアシストガス酸素濃度D３は４０モル％から８０モル％程度の範囲、例えば５０モル％前後、が適当である。
【００４２】
図３は、上述したように酸素濃度が変化するアシストガス１１４を供給するためのアシストガス供給システム１０４の構成例を示す。
【００４３】
図３に示すように、アシストガス供給システム１０４は、窒素源からの窒素ガスを流すための窒素供給管１６０と、空気源からの空気を流すための空気供給管１６２と、酸素源からの酸素ガスを流すための２つの酸素供給管１６４、１６６とを備える。２つの酸素供給管１６４、１６６はそこを流れる酸素ガスの流量が異なるようになっており、以下、流量の大きい方１６４を「酸素大供給管」とよび、流量の小さい方１６６を「酸素小供給管」とよぶ。それら４つのガス供給管１６０、１６２，１６４、１６６は合流して一つのアシストガス供給管１８８につながり、そして、アシストガス供給管１８８がプラズマトーチ１０２のアシストガス通路に１３４につながる。上述した４つのガス供給管１６０、１６２，１６４、１６６には、それぞれのガス供給管を開閉するための電磁バルブ１７２、１７６、１８４、１８６が設けられる。以下では、窒素ガス供給管１６０の電磁バルブ１７２を「窒素バルブ」、空気供給管１６２の電磁バルブ１７６を「空気バルブ」、酸素大供給管１６４の電磁バルブ１８４を「酸素大バルブ」、酸素小供給管１６６の電磁バルブ１８６を「酸素小バルブ」という。
【００４４】
窒素ガス供給管１６０において、窒素バルブ１７２の上流には、窒素ガス流量を所定のアシストガス流量値で一定に制御する流量調節弁１７０が設けられる。酸素大供給管１６４において、酸素大バルブ１８４の上流には、酸素ガス流量を所定の第1酸素流量値で一定に制御する流量調節弁１８０が設けられる。酸素小供給管１６６において、酸素小バルブ１８６の上流には、酸素ガス流量を上記第1酸素流量値より小さい所定の第２酸素流量値で一定に制御する流量調節弁１８４が設けられる。第1酸素流量値と第２酸素流量値は、それらの加算値が上記アシストガス流量値より若干小さい（又は、変形例として、上記アシストガス流量値と等しくてもよい）。また、空気供給管１６２において、空気バルブ１７６の上流には、空気バルブ１７６が開いた状態でのアシストガス１１４の流量が上記アシストガス流量値で一定になるようにアシストガス圧を設定するための減圧弁１７４が設けられ、また、空気バルブ１７６の下流には逆止弁１７８が設けられる。
【００４５】
４つのガス供給管１６０、１６２，１６４、１６６の合流点はプラズマトーチ１０２にできるだけ近い位置に配置され、アシストガス供給管１８８はできるだけ短くされることが望ましい。それにより、上記合流点より上流側でガス流の制御動作が行われたとき、その制御結果がプラズマトーチ１０２に反映されるまでの遅れ時間が短くなり、ガス制御の精度が向上する。
【００４６】
図４は、上述した一連の加工工程における図３に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示す。図４(A)は一連の加工工程におけるアーク電流の変化を、同(B)は窒素バルブ１７２の開閉動作を、同(C)は空気バルブ１７６の開閉動作を、同(D)は酸素大バルブ１８２の開閉動作を、同(E)は酸素小バルブ１８６の開閉動作を、また、同(F)はアシストガス１１４に含まれる窒素ガス、酸素ガスおよび空気の流量の変化を示す。
【００４７】
図４に示すように、プリフロー工程とパイロットアーク工程では、窒素バルブ１７２だけが開き、他のガスバルブ１７６、１８２、１８６は閉じ、よって、図４(F)に示すようにアシストガス１１４として窒素ガスだけが流れる。ピアッシング工程では、窒素バルブ１７２は閉じ、代わりに、空気バルブ１７６と酸素大バルブ１８２と酸素小バルブ１８６が開き、よって、図４(F)に示すようにアシストガス１１４として酸素リッチな酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、酸素ガスだけでもよい）が流れる。切断工程では、空気バルブ１７６と酸素小バルブ１８６が開き、窒素バルブ１７２と酸素大バルブ１８２は閉じ、よって、図４(F)に示すようにアシストガス１１４としてピアッシング工程の時よりも酸素濃度の低い酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、空気だけでもよい）が流れる。
【００４８】
図５は、アシストガス供給システム１０４の別の構成例を示す。図５に示す構成例は、図３に示した構成例から窒素供給管１６０を除去したものである。
【００４９】
図６は、上述した一連の加工工程における図５に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示す。図６(A)は一連の加工工程におけるアーク電流の変化を、同(B)は空気バルブ１７６の開閉動作を、同(C)は酸素大バルブ１８２の開閉動作を、同(D)は酸素小バルブ１８６の開閉動作を、また、同(E)はアシストガス１１４に含まれる空気および酸素ガスの流量の変化を示す。
【００５０】
図６に示すように、プリフロー工程とパイロットアーク工程では、空気バルブ１７６だけが開き、他の酸素大、小バルブ１８２、１８６は閉じ、よって、図６(E)に示すようにアシストガス１１４として空気が流れる。ピアッシング工程では、空気バルブ１７６と酸素大バルブ１８２と酸素小バルブ１８６のすべてが開き、よって、図６(E)に示すようにアシストガス１１４として酸素リッチな酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、酸素ガスだけでもよい）が流れる。切断工程では、空気バルブ１７６と酸素小バルブ１８６が開き、酸素大バルブ１８２は閉じ、よって、図６(E)に示すようにアシストガス１１４としてピアッシング工程の時よりも酸素濃度の低い酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、空気だけでもよい）が流れる。
【００５１】
上述した実施形態によれば、アシストガス１１４の組成がパイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程でそれぞれ違う組成に最適化される。それにより、ピアッシングの能力が向上し、また、ピアッシング工程での穴の周囲へのドロスの付着が低減される。その結果、プラズマトーチの消耗部品であるシールドキャップとノズルの寿命が向上する。また、ピアッシング工程で形成される穴の位置から製品までの切り込み長さを短くすることができ、生産効率が向上する。また、ピアッシング能力の向上により、切断装置の基本性能の一つである最大切断板圧が増加する。
【００５２】
ところで、上述した実施形態では、パイロットアーク工程、ピアッシング工程および切断工程の切り替わりにほぼ同期してプラズマガス１１２およびアシストガス１１４の組成を切り替えているが、工程の切り替わりとガス組成の切り替わりの間には或る許容範囲内で若干の時間的なずれがあってもよい。例えば、アシストガス酸素濃度は、パイロットアーク工程中は上記低い濃度値D1にされ、パイロットアークがメインアークに移行してメインアークが確立した時点でピアッシング工程に適した上記高い濃度値D2に切替えられ、その直後の所定長の時間区間だけその高い濃度値D2に維持され、その時間区間の経過後に切断工程に適した上記中程度の濃度値D3に切り替えられてもよい。この場合、アシストガス酸素濃度が高濃度値D2から中濃度値D3に切り替わる時点は、加工工程がピアッシング工程から切断工程へと実際に切替わる時点と必ずしも同時でなくてもよく、例えばそれより若干早かったり、又は若干遅かったりしてもよい。すなわち、ピアッシング工程の全部で高濃度値D1が維持され続けなくても、少なくともその一部で、高濃度値D2（又は切断工程の時より高いアシストガス濃度値）が提供されれば、ピアッシング工程は従来より改善される。また、切断工程の開始と同時に高濃度値D2から中濃度値D3への切り替えが行われなくても、ピアッシング工程で開けられた穴から製品に到達するまでの経路を切断している間にそのガス組成切替が行われたり、或は、ピアッシング工程の終了時点より若干早めにそのガス組成切替が行われても、切断工程は良好に行える。
【００５３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置の要部の概略構成を示す図。
【図２】軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼製のワークピースを切断する場合におけるアーク電流、プラズマガス１１２およびアシストガスの制御方法を説明するタイムチャート。
【図３】アシストガス供給システム１０４の構成例を示す配管図。
【図４】図５に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示すタイムチャート。
【図５】アシストガス供給システム１０４の別の構成例を示す配管図。
【図６】図５に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００５５】
１００ プラズマ切断装置
１０２ プラズマトーチ
１１２ プラズマガス
１１４ アシストガス
１０３ プラズマガス供給システム
１０４ アシストガス供給システム
１０６ 電源回路
１０８ 冷却水循環システム
１０９ 制御装置
１４０ ワークピース
【技術分野】
【０００１】
本発明はプラズマ切断装置及び方法に関わり、特にプラズマトーチに供給されるガスの組成の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマガス（作動ガス、メインガス又は一次ガスとも呼ばれる）として、酸素、空気、または酸素と窒素の混合ガスなどを使って、軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼を切断するプラズマ切断において、トーチから噴出するプラズマアークの周囲に、酸素をかなりの割合で含有したアシストガス（二次ガスとも呼ばれる）を供給することにより、切断品質が向上すること、特に、ワークピースの裏面に付着するドロス（溶融金属が吹き飛ばされずにワークピースに付着し固まったもの）が軽減されることが知られている。酸素を含んだアシストガスを使用することを開示する文献には、例えば以下のようなものがある。
【０００３】
特許文献１には、プラズマアークの周囲に、比較的に酸素濃度の高いガスを二次ガスとして吹き付け、二次ガスの酸素純度は４０％以上であり、そして、酸素リッチな二次ガスによって、切断面に形成される溶接を阻害する窒化層が軽減できることが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、酸素をプラズマガスとするプラズマアークの周囲に、酸素カーテン（純酸素の二次ガス）を供給すること、そして、酸素の二次ガスによって、溶融金属の流動性が増し、裏面に付着するドロスが軽減されるとともに溶融金属の参加が促進されドロスの剥離製が改善されることが開示されている。
【０００５】
特許文献３には、二次ガスとして非酸化性ガスと酸化性ガスの混合ガスを使用すること、少なくとも酸化性ガスの比率が４０％以上であること、及び、非酸化性ガスは窒素又はアルゴンであり、酸化性ガスは酸素又は空気であることが開示されている。
【０００６】
特許文献４には、二次ガスとして窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを使用すること、及び、少なくとも酸素ガスの窒素比率が２５％であることが開示されている。
【０００７】
特許文献５には、プラズマガス（一次ガス）、二次ガス及び三次ガスとして、それぞれ酸素を含むガスを使用し、プラズマガスの酸素濃度をNｐ、二次ガスの酸素濃度をN2、三次ガスの酸素濃度をN3としたとき、Np>N2及びN2<N3であることが開示されている。
【０００８】
また、プラズマ切断は、鋼板に穴を開ける工程（ピアッシング工程とも呼ばれる）から開始される。ピアッシング工程においては、プラズマアークによって鋼板が溶融し、その液体金属は穴が貫通するまでは、プラズマ噴流により、鋼板の上方のプラズマトーチに向かって吹き上がってくる（このような溶融金属はスパッタと呼ばれる）。穴から噴き上がるスパッタにより、トーチの先端のノズル又はノズルを覆うシールドキャップが溶損するおそれがある。また、穴から吹き上がった溶融金属の一部は、穴の周囲にドロスとして付着し凝固し積み上がる。製品の切断終了時にトーチが切断開始位置に戻ってきた時、トーチ先端が切断開始位置の穴の周囲に積み上がったドロスに接触して、切断作業が中断するおそれがある。それを避けるために、ピアッシングの位置を製品から遠く離せばよいが、すると、切断経路が延長されてしまう。この問題に関連して、例えば次のような技術が知られている。
【０００９】
特許文献６には、ピアッシング工程中の二次ガス流量を、切断工程中の二次ガス流量よりも大きくして、大流量の二次ガスにより穴から吹き上がってくるスパッタからトーチを保護することが開示されている。
【００１０】
特許文献７には、ピアッシング工程の開始前に、ピアッシング予定箇所に、ドロス付着防止剤をトーチから噴射し塗布することで、穴の周囲に付着するドロスを軽減することが開示されている。
【００１１】
また、プラズマ切断におけるピアッシング工程及び続く切断工程では、プラズマトーチ内の電極（マイナス極）と鋼板（プラス極）との間でのアーク放電によりプラズマアーク(メインアークとも呼ばれる）が形成される。プラズマアークはノズルによって細く絞り込まれて高温高速のプラズマジェットとなり、鋼板に吹き付けられて、鋼板を溶融する。ピアッシング工程の開始前には、最初にアークを点火するための工程（パイロットアーク工程とも呼ばれる）が行われる。パイロットアーク工程では、電極がマイナス極にされ、ノズルがプラス極とされて、電極とノズルの間にパイロットアークと呼ばれるアーク放電が形成される。パイロットアークは鋼板へと移動する。パイロットアークが鋼板に到達してメインアークに移行した後、ノズルに繋がる電気回路が遮断され、鋼板のみがプラス極とされ、ピアッシング工程が開始する。
【００１２】
パイロットアーク工程では、パイロットアークにより、ノズルのオリフィス出口が溶損する。パイロットアークの時間長は数msecから数十msecと短いから、１回の点火工程当りのノズルのダメージは小さい。しかし、点火の回数が増えるに伴い、ノズルのオリフィス出口の溶損が進行する。数百回程度の点火が繰り返された後には、ノズルのオリフィス出口のダメージは全く大きくなり、プラズマアークの状態が変化し、切断品質が劣化する。これでノズルの寿命が終わる。
【００１３】
このことに関連して、特許文献８には、パイロットアークの点火時に、プラズマガスに非酸化性ガスを流すと共に、二次ガスにも非酸化性ガスを流して、ノズルのオリフィス出口付近を非酸化性ガス雰囲気にし、そして、パイロットアークがメインアークへ移行するのと実質同時に、プラズマガスを非酸化性ガスから酸素又は酸素を含むガスに切り替えて、切断工程に入ることが開示されている。点火工程における非酸化性ガス雰囲気により、パイロットアークによるノズルのオリフィス出口のダメージが軽減される。
【００１４】
【特許文献１】特開昭５３−１２３３４９号公報
【特許文献２】特開昭５９−２２９２８２号公報
【特許文献３】特表平６−５０８７９３号公報
【特許文献４】特開平７０５１８６１号公報
【特許文献５】特開２０００−３１２９３号公報
【特許文献６】特表平２−５０４６０３号公報
【特許文献７】特開２００４−１８８４８５号公報
【特許文献８】特開平８−２１５８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
プラズマガスとして酸素あるいは空気、または酸素と窒素の混合ガスなどを使って軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼を切断するプラズマ切断に関する上述した従来技術によれば、切断工程において二次ガスとして酸素をかなりの割合で含んだガスを用いることで、鋼板の裏面に付着するドロスを軽減することができる。しかし、ピアッシング工程においては、穴の周囲にドロスが付着し積み上がるという問題が生じる。この問題を解決するため、従来技術によれば、ピアッシング工程では二次ガスの流量が増大され、或は、ピアッシング工程の開始前にドロス付着防止剤を塗布される。
【００１６】
従って、本発明の目的は、ピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着を、従来技術とは異なるやり方で、低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一つの側面に従えば、プラズマトーチからプラズマガス流を噴出すると共にプラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程を順に実行するようになったプラズマ切断装置は、ピアッシング工程と切断工程において酸素を含有したガスをアシストガスとしてプラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、ピアッシング工程の全部又は一部の時において切断工程の時よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段を備える。
【００１８】
このプラズマ切断装置によれば、アシストガスの酸素濃度をピアッシング工程の全部又は一部で切断工程よりも高くすることにより、ピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着が低減される。
【００１９】
好適な実施形態では、パイロットアーク工程では酸素を含有しない窒素などの不活性ガス又は酸素を含有したガスがアシストガスとして使用され、パイロットアーク工程の時のアシストガス酸素濃度は、ピアッシング工程の時よりも低い値に制御される。これにより、パイロットアークによるノズルの損傷が低減される。
【００２０】
好適な実施形態では、ピアッシング工程のときのアシストガス酸素濃度は２０モル％から１００モル％の範囲内に制御され、切断工程のときには２０モル％から８０モル％の範囲内に制御される。これにより、ピアッシング工程では穴の周囲へのドロスの付着が低減され、また、切断工程では、ワークピースのバーニングが防止されつつワークピースの裏面へのドロスの付着も低減される。
【００２１】
本発明の別の側面に従えば、プラズマトーチからプラズマガス流を噴出すると共にプラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアークを発生させた後にパイロットアークをメインアークに移行させるようになったプラズマ切断装置は、メインアークが維持されている間は酸素を含有したガスをアシストガスとしてプラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、メインアークの確立直後の所定の時間区間では、その時間区間の経過後よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段を備える。
【００２２】
このプラズマ切断装置によれば、メインアークの確立直後の時間区間におけるアシストガスの酸素濃度を、その時間区間より後よりも高くすることにより、メインアークの確立直後に通常実行されるピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着が低減される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ピアッシング工程における穴の周囲へのドロスの付着を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置の要部の概略構成を示す。
【００２６】
図１に示すように、このプラズマ切断装置１００は、プラズマトーチ１０２、プラズマトーチ１０２にプラズマガス１１２、アシストガス１１４、アーク電流および冷却水１１０をそれぞれ供給するプラズマガス供給システム１０３、アシストガス供給システム１０４、電源回路１０６および冷却水循環システム１０８、ならびに、それらの動作を制御する制御装置１０９を備える。
【００２７】
プラズマトーチ１０２は、全体として略円柱状の形状を有し、下方を向いており、その中心から外側へ順に、同軸に配置された電極１２０、ノズル１２２およびシールドキャップ１２４を有する。電極１２０は外周囲をノズル１２２に囲まれる。ノズル１２２はその先端部にプラズマガスのジェットを噴出するためのオリフィスを有する。ノズル１２２は外周囲をシールドキャップ１２４に囲まれる。シールドキャップ１２４はその先端部に、ノズル１２２から噴出されるプラズマガスのジェットを通過させるための開口を有する。
【００２８】
電極１２０は、その先端部に耐熱材料製、例えばハフニウム、ジルコニウムまたはそれらの合金などのインサート１２６を有し、その内部には冷却水通路１２８を有する。電極１２８とノズル１２２との間には、プラズマガス通路１３０が存在する。プラズマガス通路１３０中には、プラズマガスの旋回流を形成するためのプラズマガススワーラ１３２が設けられる。ノズル１３０とシールドキャップ１２４との間には、アシストガス通路１３４が存在する。アシストガス通路１３４の出口は環状であり、ノズル１２２のオリフィスの前方を囲む。アシストガス通路１３４中には、アシストガスの旋回流を形成するためのアシストガススワーラ１３６が設けられる。
【００２９】
プラズマガス１１２は、プラズマガス通路１３０を通り、一方向へ旋回する旋回流となって、電極１２６の先端部の正面に供給され、ノズル１２８の先端のオリフィスから旋回流として下方へ噴出する。アシストガス１１４は、アシストガス通路１３４を通り、その出口から、プラズマガス１１２の旋回と同方向に旋回する旋回流となって、ノズル１２８からのプラズマ旋回噴流の周囲に噴出する。
【００３０】
板材（ワークピース）１４０の切断が行われるとき、プラズマトーチ１００は、その下方の近傍にワークピース１４０が位置するように、ワークピース１４０に対して配置される。加工開始の直前、プリフロー工程が行われて、プラズマガス１１２とアシストガス１１４が、その流量が安定するまで所定時間の間噴出される。プリフロー工程に続いてパイロットアーク工程が行われ、そこでは、電源回路１０６が、電極１２０とノズル１２２との間に高電圧を印加して、電極１２０の先端部とその近傍のノズル１２２の内面との間にパイロットアークを発生させる。パイロットアークの作用で、電極１２０の先端部近傍のプラズマガス１１２がプラズマ化され、ノズル１２２のオリフィスから下方へ高速のジェット流として噴出する。そのプラズマジェット流に導かれて、パイロットアークはノズル１２２のオリフィスを通りぬけて下方へ移動し、ワークピース１４０の上面に到達する。これにより、電極１２０とワークピース１４０間に、プラズマジェット流と一体化したメインアーク（プラズマアーク）１３８が確立する。メインアーク１３８の確立が検出されると同時に、電源回路１０６は、ノズル１２２への電路を切り、代わりにワークピース１４０への電路を繋ぐ。それにより、電極１２０とワークピース１４０間にアーク電流路が形成され、以後、そのアーク電流路が切られるまでメインアーク１３８が維持される。
【００３１】
メインアーク１３８が確立した後、最初にピアッシング工程が行われ、そこでは、メインアーク１３８によりワークピース１４０に穴１４２が開けられる。穴１４２が貫通するまでは、溶融金属が穴１４２の上の口から噴出して、穴１４２の周囲に固化して積み上がりドロス１４４を形成する。穴１４２が貫通した後、切断工程が開始される。切断工程では、プラズマトーチ１００が移動しながら、ワークピース１４０を切断する。切断工程が終わると、電源回路１０６がメインアーク１３８の電流路を切り、メインアーク１３８が消滅する。続いて、アフターフロー工程が行われて、プラズマガス１１２とアシストガス１１４が所定時間だけ流される。
【００３２】
上述したプリフロー工程、パイロットアーク工程、ピアッシング工程、切断工程およびアフタフロー工程という順序の一連の加工工程において、制御装置１０９は、アーク電流の大きさ、ならびに、プラズマガス１１２とアシストガス１１４のそれぞれの組成、圧力および流量が最適になるように制御を行う。以下では、この制御に関して、より具体的に説明する。特に、軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼などの材料製のワークピース１４０を切断する場合における制御について説明する。
【００３３】
図２は、軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼製のワークピース１４０を切断する場合におけるアーク電流、プラズマガス１１２およびアシストガスがどのように制御されるかを示す。図２(A)はアーク電流の大きさの変化を、同(B)はプラズマガス１１２の圧力と組成の変化を、同(C)はアシストガス１１４の流量と組成の変化を、同(D)はアシストガス１１４に含まれる酸素の濃度の変化をそれぞれ示す。
【００３４】
図２(A)に示すように、アーク電流は、パイロットアーク工程から切断工程までにおいて流れる。アーク電流は、パイロットアーク工程では所定の小さいパイロット電流値で流れ、ピアッシング工程では徐々に増大して所定の切断電流値に到達し、続く切断工程ではその切断電流値で一定に制御され、そして、切断工程の終了時に停止する。
【００３５】
図２(B)に示すように、プラズマガス１１２は、プリフロー工程からアフタフロー工程まで続けて流される。プラズマガス１１２の圧力は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までは所定の低いプリフロー圧に制御され、ピアッシング工程に入ると所定の高い切断圧力にまで急増され、ピアッシング工程から切断工程までの間は、その切断圧力で一定に制御され、そして、アフタフロー工程に入ると急減されて所定の低いアフターフロー圧に制御される。
【００３６】
プラズマガス１１２として、窒素（不活性ガス）、酸素、空気、又はこれらの混合ガスなどが工程に応じて組成を変えながら使用できる。この実施形態では、プラズマガス１１２の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までは１００モル％の窒素であり、ピアッシング工程に入ると酸素と窒素の混合ガス、例えば体積濃度で酸素が８０モル％で窒素が２０モル％の酸素リッチな組成に移行し、ピアッシング工程から切断工程までの間は、その酸素リッチな組成で一定に制御され、そして、アフタフロー工程に入ると再び１００モル％の窒素に切り替えられる。あるいは、変形例として、プラズマガス１１２の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までとアフターフロー工程ではそれぞれ空気（すなわち、体積濃度で約２０モル％の酸素と約８０モル％の窒素を含む）であってもよく、また、ピアッシング工程から切断工程までの間は１００モル％の酸素でもよい。
【００３７】
図２(C)に示すように、アシストガス１１４は、プリフロー工程からアフタフロー工程の初期まで続けて流され、その間その流量は所定の切断流量で一定に制御され、そして、アフタフロー工程に入るとアシストガス１１４は止められる。アシストガス１１４として、窒素（不活性ガス）、酸素、空気、又はこれらの混合ガスなどが工程に応じて組成を変えながら使用できる。この実施形態では、アシストガス１１４の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までは１００モル％の窒素であり、ピアッシング工程に入ると１００モル％の酸素に移行してピアッシング工程の間それが維持され、切断工程に入ると、酸素と窒素を含んだ組成、例えば空気と酸素との混合ガスのようにピアッシング工程より酸素濃度の低い組成に切り替えられてピアッシング工程の間それに維持される。あるいは、変形例として、アシストガス１１４の組成は、プリフロー工程からパイロットアーク工程までとアフターフロー工程ではそれぞれ空気（すなわち、体積濃度で約２０モル％の酸素と約８０モル％の窒素を含む）であってもよく、ピアッシング工程から切断工程までの間は１００モル％の酸素でもよく、また、アフターフロー工程では空気であってもよい。
【００３８】
ここで、注目すべき点は、アシストガス１１４における酸素の体積濃度（以下、「アシストガス酸素濃度」という）の変化である。すなわち、図２(D)に示すように、プリフロー工程とパイロットアーク工程におけるアシストガス酸素濃度をD1、ピアッシング工程におけるアシストガス酸素濃度をD2、切断工程でのアシストガス酸素濃度をD３とすると、これら工程別のアシストガス酸素濃度D1、D2、D3の間には、D1＜D3＜D2という関係がある。工程毎のアシストガス酸素濃度について具体的に説明すると次のとおりである。
【００３９】
プリフロー工程とパイロットアーク工程におけるアシストガス酸素濃度D1は、２０モル％以下（すなわち空気の酸素濃度以下）の低い値である。特にパイロットアーク工程におけるアシストガス酸素濃度D1は、０モル％により近いほどパイロットアークによるノズル１２２のダメージが軽減されるという効果がある。
【００４０】
ピアッシング工程におけるアシストガス酸素濃度D2は、２０モル％以上（すなわち空気の酸素濃度以上）の高い値であり、例えば８０モル％以上のようにバーニング（ワークピース１４０の切断面での過剰な酸化反応）が生じるような濃度であってよく、１００モル％であってもよい。このアシストガス酸素濃度D2は、１００モル％により近いほどピアッシング能力が向上し、かつ、穴の周囲に付着するドロス１４４の量を軽減できるという効果がある。この効果により、ノズル１２２やシールドキャップ１２４の損傷が軽減されてその寿命が延び、生産効率が向上し、また、切断可能な最大板圧が向上するなどの利点が期待できる。このピアッシング工程におけるアシストガス酸素濃度D2は、次の切断工程でのアシストガス酸素濃度D３よりは高い値である。
【００４１】
切断工程でのアシストガス酸素濃度D３は、２０モル％以上であり、かつ、バーニングが生じる酸素濃度（例えば８０モル％）以下の中程度の値である。切断工程では、ピアッシング工程とは異なり、酸素が１００モル％のアシストガスはバーニングが生じるので採用されない。バーニングを起こさず、かつワークピース１４の裏面に付着するドロスを軽減する目的で、切断工程でのアシストガス酸素濃度D３は４０モル％から８０モル％程度の範囲、例えば５０モル％前後、が適当である。
【００４２】
図３は、上述したように酸素濃度が変化するアシストガス１１４を供給するためのアシストガス供給システム１０４の構成例を示す。
【００４３】
図３に示すように、アシストガス供給システム１０４は、窒素源からの窒素ガスを流すための窒素供給管１６０と、空気源からの空気を流すための空気供給管１６２と、酸素源からの酸素ガスを流すための２つの酸素供給管１６４、１６６とを備える。２つの酸素供給管１６４、１６６はそこを流れる酸素ガスの流量が異なるようになっており、以下、流量の大きい方１６４を「酸素大供給管」とよび、流量の小さい方１６６を「酸素小供給管」とよぶ。それら４つのガス供給管１６０、１６２，１６４、１６６は合流して一つのアシストガス供給管１８８につながり、そして、アシストガス供給管１８８がプラズマトーチ１０２のアシストガス通路に１３４につながる。上述した４つのガス供給管１６０、１６２，１６４、１６６には、それぞれのガス供給管を開閉するための電磁バルブ１７２、１７６、１８４、１８６が設けられる。以下では、窒素ガス供給管１６０の電磁バルブ１７２を「窒素バルブ」、空気供給管１６２の電磁バルブ１７６を「空気バルブ」、酸素大供給管１６４の電磁バルブ１８４を「酸素大バルブ」、酸素小供給管１６６の電磁バルブ１８６を「酸素小バルブ」という。
【００４４】
窒素ガス供給管１６０において、窒素バルブ１７２の上流には、窒素ガス流量を所定のアシストガス流量値で一定に制御する流量調節弁１７０が設けられる。酸素大供給管１６４において、酸素大バルブ１８４の上流には、酸素ガス流量を所定の第1酸素流量値で一定に制御する流量調節弁１８０が設けられる。酸素小供給管１６６において、酸素小バルブ１８６の上流には、酸素ガス流量を上記第1酸素流量値より小さい所定の第２酸素流量値で一定に制御する流量調節弁１８４が設けられる。第1酸素流量値と第２酸素流量値は、それらの加算値が上記アシストガス流量値より若干小さい（又は、変形例として、上記アシストガス流量値と等しくてもよい）。また、空気供給管１６２において、空気バルブ１７６の上流には、空気バルブ１７６が開いた状態でのアシストガス１１４の流量が上記アシストガス流量値で一定になるようにアシストガス圧を設定するための減圧弁１７４が設けられ、また、空気バルブ１７６の下流には逆止弁１７８が設けられる。
【００４５】
４つのガス供給管１６０、１６２，１６４、１６６の合流点はプラズマトーチ１０２にできるだけ近い位置に配置され、アシストガス供給管１８８はできるだけ短くされることが望ましい。それにより、上記合流点より上流側でガス流の制御動作が行われたとき、その制御結果がプラズマトーチ１０２に反映されるまでの遅れ時間が短くなり、ガス制御の精度が向上する。
【００４６】
図４は、上述した一連の加工工程における図３に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示す。図４(A)は一連の加工工程におけるアーク電流の変化を、同(B)は窒素バルブ１７２の開閉動作を、同(C)は空気バルブ１７６の開閉動作を、同(D)は酸素大バルブ１８２の開閉動作を、同(E)は酸素小バルブ１８６の開閉動作を、また、同(F)はアシストガス１１４に含まれる窒素ガス、酸素ガスおよび空気の流量の変化を示す。
【００４７】
図４に示すように、プリフロー工程とパイロットアーク工程では、窒素バルブ１７２だけが開き、他のガスバルブ１７６、１８２、１８６は閉じ、よって、図４(F)に示すようにアシストガス１１４として窒素ガスだけが流れる。ピアッシング工程では、窒素バルブ１７２は閉じ、代わりに、空気バルブ１７６と酸素大バルブ１８２と酸素小バルブ１８６が開き、よって、図４(F)に示すようにアシストガス１１４として酸素リッチな酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、酸素ガスだけでもよい）が流れる。切断工程では、空気バルブ１７６と酸素小バルブ１８６が開き、窒素バルブ１７２と酸素大バルブ１８２は閉じ、よって、図４(F)に示すようにアシストガス１１４としてピアッシング工程の時よりも酸素濃度の低い酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、空気だけでもよい）が流れる。
【００４８】
図５は、アシストガス供給システム１０４の別の構成例を示す。図５に示す構成例は、図３に示した構成例から窒素供給管１６０を除去したものである。
【００４９】
図６は、上述した一連の加工工程における図５に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示す。図６(A)は一連の加工工程におけるアーク電流の変化を、同(B)は空気バルブ１７６の開閉動作を、同(C)は酸素大バルブ１８２の開閉動作を、同(D)は酸素小バルブ１８６の開閉動作を、また、同(E)はアシストガス１１４に含まれる空気および酸素ガスの流量の変化を示す。
【００５０】
図６に示すように、プリフロー工程とパイロットアーク工程では、空気バルブ１７６だけが開き、他の酸素大、小バルブ１８２、１８６は閉じ、よって、図６(E)に示すようにアシストガス１１４として空気が流れる。ピアッシング工程では、空気バルブ１７６と酸素大バルブ１８２と酸素小バルブ１８６のすべてが開き、よって、図６(E)に示すようにアシストガス１１４として酸素リッチな酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、酸素ガスだけでもよい）が流れる。切断工程では、空気バルブ１７６と酸素小バルブ１８６が開き、酸素大バルブ１８２は閉じ、よって、図６(E)に示すようにアシストガス１１４としてピアッシング工程の時よりも酸素濃度の低い酸素と空気の混合ガス(又は、変形例として、空気だけでもよい）が流れる。
【００５１】
上述した実施形態によれば、アシストガス１１４の組成がパイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程でそれぞれ違う組成に最適化される。それにより、ピアッシングの能力が向上し、また、ピアッシング工程での穴の周囲へのドロスの付着が低減される。その結果、プラズマトーチの消耗部品であるシールドキャップとノズルの寿命が向上する。また、ピアッシング工程で形成される穴の位置から製品までの切り込み長さを短くすることができ、生産効率が向上する。また、ピアッシング能力の向上により、切断装置の基本性能の一つである最大切断板圧が増加する。
【００５２】
ところで、上述した実施形態では、パイロットアーク工程、ピアッシング工程および切断工程の切り替わりにほぼ同期してプラズマガス１１２およびアシストガス１１４の組成を切り替えているが、工程の切り替わりとガス組成の切り替わりの間には或る許容範囲内で若干の時間的なずれがあってもよい。例えば、アシストガス酸素濃度は、パイロットアーク工程中は上記低い濃度値D1にされ、パイロットアークがメインアークに移行してメインアークが確立した時点でピアッシング工程に適した上記高い濃度値D2に切替えられ、その直後の所定長の時間区間だけその高い濃度値D2に維持され、その時間区間の経過後に切断工程に適した上記中程度の濃度値D3に切り替えられてもよい。この場合、アシストガス酸素濃度が高濃度値D2から中濃度値D3に切り替わる時点は、加工工程がピアッシング工程から切断工程へと実際に切替わる時点と必ずしも同時でなくてもよく、例えばそれより若干早かったり、又は若干遅かったりしてもよい。すなわち、ピアッシング工程の全部で高濃度値D1が維持され続けなくても、少なくともその一部で、高濃度値D2（又は切断工程の時より高いアシストガス濃度値）が提供されれば、ピアッシング工程は従来より改善される。また、切断工程の開始と同時に高濃度値D2から中濃度値D3への切り替えが行われなくても、ピアッシング工程で開けられた穴から製品に到達するまでの経路を切断している間にそのガス組成切替が行われたり、或は、ピアッシング工程の終了時点より若干早めにそのガス組成切替が行われても、切断工程は良好に行える。
【００５３】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断装置の要部の概略構成を示す図。
【図２】軟鋼、低合金鋼あるいは低炭素鋼製のワークピースを切断する場合におけるアーク電流、プラズマガス１１２およびアシストガスの制御方法を説明するタイムチャート。
【図３】アシストガス供給システム１０４の構成例を示す配管図。
【図４】図５に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示すタイムチャート。
【図５】アシストガス供給システム１０４の別の構成例を示す配管図。
【図６】図５に示したアシストガス供給システム１０４の動作を示すタイムチャート。
【符号の説明】
【００５５】
１００ プラズマ切断装置
１０２ プラズマトーチ
１１２ プラズマガス
１１４ アシストガス
１０３ プラズマガス供給システム
１０４ アシストガス供給システム
１０６ 電源回路
１０８ 冷却水循環システム
１０９ 制御装置
１４０ ワークピース
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程を順に実行するようになったプラズマ切断装置（１００）において、
前記ピアッシング工程と前記切断工程において酸素を含有したガスを前記アシストガスとして前記プラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、前記ピアッシング工程の全部又は一部の時において前記切断工程の時よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段（１０４，１０９）を備えたプラズマ切断装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ切断装置において、
前記アシストガス供給制御手段（１０４，１０９）が、前記パイロットアーク工程では酸素を含有しない又は含有したガスを前記アシストガスとして前記プラズマトーチに供給し、前記アシストガス酸素濃度を、前記パイロットアーク工程の時には前記ピアッシング工程の時よりも低い値に制御するプラズマ切断装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ切断装置において、
前記アシストガス供給制御手段（１０４，１０９）が、前記アシストガス酸素濃度を、前記ピアッシング工程の全部又は一部の時には２０モル％から１００モル％の範囲内に制御し、前記切断工程の時には２０モル％から８０モル％の範囲内に制御するプラズマ切断装置。
【請求項４】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程を順に実行するプラズマ切断方法において、
前記ピアッシング工程と前記切断工程において酸素を含有したガスを前記アシストガスとして使用し、アシストガス酸素濃度を、前記ピアッシング工程の時には前記切断工程の時よりも高い値に制御するプラズマ切断方法。
【請求項５】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアークを発生させた後に前記パイロットアークをメインアークに移行させるようになったプラズマ切断装置（１００）において、
前記メインアークが維持されている間は酸素を含有したガスを前記アシストガスとして前記プラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、前記メインアークの確立直後の所定の時間区間では、前記時間区間の経過後よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段（１０４，１０９）を備えたプラズマ切断装置。
【請求項６】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアークを発生させた後に前記パイロットアークをメインアークに移行させるプラズマ切断方法において、
前記メインアークが維持されている間は酸素を含有したガスを前記アシストガスとして使用し、アシストガス酸素濃度を、前記メインアークが確立した直後の所定の時間区間では、前記時間区間の経過後よりも高い値に制御するプラズマ切断方法。
【請求項１】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程を順に実行するようになったプラズマ切断装置（１００）において、
前記ピアッシング工程と前記切断工程において酸素を含有したガスを前記アシストガスとして前記プラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、前記ピアッシング工程の全部又は一部の時において前記切断工程の時よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段（１０４，１０９）を備えたプラズマ切断装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ切断装置において、
前記アシストガス供給制御手段（１０４，１０９）が、前記パイロットアーク工程では酸素を含有しない又は含有したガスを前記アシストガスとして前記プラズマトーチに供給し、前記アシストガス酸素濃度を、前記パイロットアーク工程の時には前記ピアッシング工程の時よりも低い値に制御するプラズマ切断装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ切断装置において、
前記アシストガス供給制御手段（１０４，１０９）が、前記アシストガス酸素濃度を、前記ピアッシング工程の全部又は一部の時には２０モル％から１００モル％の範囲内に制御し、前記切断工程の時には２０モル％から８０モル％の範囲内に制御するプラズマ切断装置。
【請求項４】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアーク工程とピアッシング工程と切断工程を順に実行するプラズマ切断方法において、
前記ピアッシング工程と前記切断工程において酸素を含有したガスを前記アシストガスとして使用し、アシストガス酸素濃度を、前記ピアッシング工程の時には前記切断工程の時よりも高い値に制御するプラズマ切断方法。
【請求項５】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアークを発生させた後に前記パイロットアークをメインアークに移行させるようになったプラズマ切断装置（１００）において、
前記メインアークが維持されている間は酸素を含有したガスを前記アシストガスとして前記プラズマトーチに供給し、アシストガス酸素濃度を、前記メインアークの確立直後の所定の時間区間では、前記時間区間の経過後よりも高い値に制御するアシストガス供給制御手段（１０４，１０９）を備えたプラズマ切断装置。
【請求項６】
プラズマトーチ（１０２）からプラズマガス流を噴出すると共に前記プラズマガス流の周囲にアシストガス流を噴出しながら、パイロットアークを発生させた後に前記パイロットアークをメインアークに移行させるプラズマ切断方法において、
前記メインアークが維持されている間は酸素を含有したガスを前記アシストガスとして使用し、アシストガス酸素濃度を、前記メインアークが確立した直後の所定の時間区間では、前記時間区間の経過後よりも高い値に制御するプラズマ切断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−３２６６３６（Ｐ２００６−３２６６３６Ａ）
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５３４１１（Ｐ２００５−１５３４１１）
【出願日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（３９４０１９０８２）コマツ産機株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月７日（２００６．１２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（３９４０１９０８２）コマツ産機株式会社 (103)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]