JP2000312974A - プラズマ切断方法、装置及びプラズマ切断トーチへのガス供給系統 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素プラズマ切断においてノズルや電極の消
耗を低減する。 【解決手段】 電極材料にはハフニウムやジルコニウム
を用いる。パイロットアーク形成には作動ガスとして純
窒素ガスを用いる。切断中は、作動ガスとして酸素濃度
７０〜９５モル％（望ましくは８０モル％以上）、窒素
濃度３０〜５モル％（望ましくは５〜１０モル％以上）
の酸素・窒素混合ガスを用いる。切断が終了しアークを
消そうとする時以降は、作動ガスとして純窒素ガスを用
いて、電極を窒化物にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、プラズマアークに
よる切断技術に関し、特に、酸素を含有する作動ガスを
使用したプラズマ切断法における電極やノズルの消耗を
減らすための技術の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】酸素を含有した作動ガス（プラズマガ
ス）を使用したプラズマ切断法は、低合金鋼や低炭素鋼
（軟鋼）の切断に好適である。このプラズマ切断法で
は、プラズマトーチ内の電極が酸素に晒されるため、そ
の電極材料（電極先端に取りつけられる耐熱インサート
の材料）としてハフニウムが最適であることが知られて
いる（特公昭４９−８６２２号）。ハフニウムは、酸化
物になると融点が２８００〜２９００℃位まで上昇して
優れた耐熱性を発揮するからである。現在実用化されて
いる、作動ガスに酸素又は空気を使うプラズマ切断機で
は、殆ど全て、電極にハフニウムが使用されている。ま
た、ジルコニウムもハフニウムとほぼ同等な性質を有す
るので、酸化雰囲気中での電極材料に適する。

【０００３】さて、プラズマ切断では、アーク発生に伴
いノズルと電極が消耗する。ノズルと電極の消耗原因は
多々あるが、酸化性の作動ガスを用いた場合のアークそ
れ自体が原因となる消耗形態は次の通りである。

【０００４】第１に、最初にパイロットアーク（電極と
ノズル間）を点火したとき、電極とノズルが消耗する。
パイロットアークを点火した瞬間、電極材料のハフニウ
ムの表面温度が室温から３０００℃を超える高温に瞬時
に上昇し、その際にハフニウムが急速消耗する。この過
度状態においては、０．１秒程度であっても、ハフニウ
ムの消耗は、その後にハフニウムが高温で安定した状態
の１分程度の消耗に相当することがある。また、パイロ
ットアーク（電極とノズル間）が存在する間、ノズルは
切断時のワークと同様の状況におかれ、酸化雰囲気中で
溶損する。

【０００５】第２は、メインアーク（電極とワーク間）
が確立して切断を行っているときの電極の消耗である。
切断中は電極のハフニウムは高温で安定するので、パイ
ロットアーク点火時に比べれば消耗速度は低いが、消耗
は進行し、ローソクが短くなるように徐々にハフニウム
が消耗していく。

【０００６】このアークによる電極やノズルの消耗とい
う問題に対して、特開昭６１−９２７８２号は、スター
ト時（パイロットアーク点火時だけでなく、その後メイ
ンアークが確立してピアッシングを行っている期間も含
む）には酸素濃度が７０〜１０モル％の酸素・窒素混合
ガスを作動ガスとして流し、その後に酸素ガスに切換え
るプラズマ切断スタート方法を開示している。また、特
開平３−２５８４６４号（米国特許４８７７４７号）
は、パイロットアーク点火時には窒素ガスを流し、その
後に酸素ガスへ切り替えるというプラズマ切断スタート
方法を開示している。このように、パイロットアーク点
火時には作動ガスの酸素濃度を低めるか又は酸素を無く
すことによって、パイロットアーク点火時のハフニウム
電極又はノズルの消耗を低減することができる。

【０００７】また、特公平１−９１１２号は、切断終了
時に作動ガスの酸素濃度を９５モル％以下に落すことで
切断終了時の電極消耗を低減する技術が開示されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、特開
昭６１−９２７８２号や特開平３−２５８４６４号は切
断スタート時に、また、特公平１−９１１２号は切断終
了時に、電極又はノズルの消耗を低減する目的で、作動
ガスの酸素濃度を低減するか又は純窒素ガスを使用して
いる。しかし、いずれの従来技術も、切断中の作動ガス
については、純酸素ガスを用いる（特開昭６１−９２７
８２号、特開平３−２５８４６４号）か、又は酸素濃度
９５モル％以上という極めて高い酸素濃度の作動ガスを
用いている（特公平１−９１１２号）。そのため、切断
中のハフニウム電極の消耗を有効に抑えることはできな
い。

【０００９】このように、従来技術において、ハフニウ
ム電極を用いた酸化性の作動ガスによるプラズマ切断に
おいて、切断中は純酸素ガス又はそれに匹敵する高酸素
濃度の作動ガスを用いる理由は、次の通りと考えられ
る。

【００１０】第１に、純酸素ガスを用いたとしても、
（頻繁な電極交換による高いランニングコストという問
題はあるにせよ）ハフニウム電極の寿命は格別大電流の
プラズマでない限り数時間以上はもつから実用にはな
る。一方、電極消耗を低減するため作動ガスの酸素濃度
を低下させたとすると、それに伴って切断品質が低下し
ていく。切断品質の低下は軽視できない問題である。そ
こで、高いランニングコストを許容してでも、最良の切
断品質を得るために純酸素ガスを用いるのである。

【００１１】第２に、仮に作動ガスとして純酸素ではな
く、酸素に例えば窒素を加えた混合ガスを用いようとし
た場合、従来の作動ガス供給系統では、切断中に各ガス
流量が変化してしまうので、酸素・窒素の混合比を切断
中ずっと最適値に維持しておくことができない。すなわ
ち、従来のガス供給・系統は、ガス流量を目標値に設定
するために、次の２つの方法のいずれかを採用してい
る。第１は、減圧弁でトーチに供給するガス圧を目標値
に設定する方法である。第２は、ニードルバルブと流量
計で流量を目標値に設定する方法である。いずれの方法
でも、トーチ内の圧損が一定であって始めて、ガス流量
は目標値一定に維持される。ところが、切断中は、ノズ
ルの劣化や電極の消耗が生じるため、トーチ内の圧損が
変化していき、それに伴いガス流量も目標値から外れて
いく。具体的には、切断の進行に伴ってトーチ内の圧損
は減っていくので、ガス流量は次第に増加していく。例
えば、切断開始時の新品状態に比較して切断終了時には
３倍も流量が増加したケースもある。このように、切断
中、ガス流量が変化してしまうため、作動ガスの酸素濃
度を最適値に一定に保つことができない。そこで、切断
中は、単なる純酸素ガスを作動ガスとして用いる。

【００１２】しかし、電極の消耗が低減できればそれに
越したことはない。特に、大電流３００Ａ程度の酸素プ
ラズマになると、ハフニウム電極の寿命は２時間程度ま
で短くなるので、頻繁な電極交換によるランニングコス
トの増大や作業能率に低下は軽視できなくなる。

【００１３】従って、本発明の目的は、プラズマ切断に
おいて、ノズルや電極の消耗を低減するための新規な作
動ガス供給技術を提供することにある。

【００１４】本発明の別の目的は、プラズマ切断中に作
動ガス組成を一定に維持するための新規なガス供給系統
を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の観点に従
うプラズマ切断方法又は装置は、パイロットアークを点
火するとき（プリフローの区間）には、窒素ガス、空
気、又は空気以上に窒素濃度の高い混合ガスを作動ガス
として電極とノズルの間に供給し、そして、パイロット
アークがメインアークに移行した後、このメインアーク
を用いてワークを切断中（メインフローの区間）には、
酸素と窒素を含有した混合ガスを作動ガスとして供給す
る。

【００１６】このプラズマ切断方法によれば、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
ため、電極やノズルの消耗が低減され、また、切断中
は、純酸素ではなく、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。
更に、発明者の実験と研究によれば、プラズマ切断にお
いては、作動ガスの酸素純度は、従来考えられていた程
には切断品質に対してクリティカルに影響しないため、
窒素を添加することにより酸素濃度を若干低めても、切
断品質を実質的に低下させることなく、電極消耗を低減
することができる。

【００１７】電極材料には、純金属よりも酸化物と窒化
物の方が融点の高い金属材料が好ましい。好適な実施形
態では、ハフニウム、ジルコニウム又はそれらの合金を
用いる。ハフニウムやジルコニウムは、酸化物で２８０
０℃以上の融点をもち、窒化物になると更に融点が上が
って３０００℃以上になる。このような電極材料を用い
た場合、本発明のプラズマ切断方法は特に優れた効果を
発揮する。何故なら、切断中、酸素と窒素を含有した混
合ガスを用いるため、電極表面は窒化物となって高い融
点をもつことになり、一層耐久性が増す。

【００１８】好適な実施形態では、切断中に供給する混
合ガスは、酸素濃度が７０〜９５モル％、窒素濃度が３
０〜５モル％である。特に、酸素濃度が８０モル％以
上、窒素濃度が５〜１０モル％以上が望ましい。酸素濃
度が７０モル％以上であれば、切断品質の低下は軽視で
き、窒素濃度が５モル％以上であれば、特に電極材料が
ハフニウム又はジルコニウムの場合、純窒素に近い良好
な電極消耗低減効果が得られる。

【００１９】好適な実施形態では、さらに、切断が終わ
ってメインアークを消そうとする時以降（ポストフロー
の区間）にも、窒素ガス、空気、又は空気以上に窒素濃
度の高い混合ガスを作動ガスとして供給する。これによ
り、特に電極材料がハフニウム又はジルコニウムの場
合、電極表面が融点の極めて高い窒化物となって終わる
ため、次の切断でパイロットアークを点火したときの電
極消耗が抑制される。

【００２０】本発明の第２の観点に従うプラズマ切断方
法又は装置は、電極材料としてハフニウム、ジルコニウ
ム又はそれらの合金を用い、そして、切断中のメインフ
ローの区間には、酸素濃度が７０〜９５モル％、窒素濃
度が３０〜５モル％である混合ガスを作動ガスとして供
給する。このプラズマ切断方法によれば、切断中、電極
が融点の極めて高い窒化物となって安定するので、電極
消耗が低減される。また、良好な切断品質も維持でき
る。

【００２１】本発明の第３の観点に従うプラズマトーチ
のためのガス供給系統は、ガス源からプラズマトーチへ
ガスを流すガス流路と、このガス流路に設けられた、ガ
ス流量を設定するための流量調節バルブと、流量調節バ
ルブの前後の差圧を一定に保つように作用する定差圧弁
とを備える。

【００２２】このガス供給系統によれば、切断開始時や
切断中にプラズマトーチのノズル劣化（例えば、パイロ
ットアークによりノズル径が広がるなど）や電極消耗に
よりトーチ内の圧損（つまり、ガス流に対する抵抗）が
低下してガスが流れ易くなっても、流量調節バルブの前
後の差圧が一定に保たれるため、ガス流量は一定に維持
される。そのため、従来はプラズマトーチのノズル劣化
や電極消耗が生じると、ガス流量が増加して切断品質が
落ちるため、ノズルなどをすぐに交換しなければならな
かったのに対し、本発明では、ノズル劣化や電極消耗が
多少生じても、ガス流量は増加しないので切断品質が従
来ほどには顕著に低下しないため、ノズルなど消耗品の
交換を遅らせることができる。つまり、消耗部品の寿命
が実質的に伸びる。

【００２３】本発明の第４の観点に従うプラズマトーチ
のためのガス供給系統は、複数のガス源からプラズマト
ーチへ複数ガスの混合ガスを供給するためのガス供給系
統であって、複数のガス源からプラズマトーチへそれぞ
れのガスを流すものであって、プラズマトーチの上流で
合流して混合ガス流路となる複数の単一ガス流路と、各
単一ガス流路に設けられた、それぞれのガス流量を設定
するための流量調節バルブと、各流量調節バルブの前後
の差圧を一定に保つように作用する定差圧弁とを備え
る。

【００２４】この混合ガスのガス供給系統によれば、上
記したガス供給系統の利点に加え、切断中に混合ガスの
各ガス濃度を一定に維持することができるという利点が
得られる。このガス供給系統を、上述したプラズマ切断
方法又は装置における酸素と窒素を含有した混合ガスの
供給系統に利用すれば、酸素と窒素の濃度を切断中ずっ
と最適値に維持できるので、上述した良好な切断品質を
維持しつつ電極消耗を低減するという効果を保証するこ
とができる。

【００２５】好適な実施形態では、酸素ガス源と窒素ガ
ス源とから上述した構成の窒素・酸素混合ガスの供給系
統が伸びていると共に、窒素ガス源からは更に窒素ガス
の供給系統が分かれて伸びている。そして、窒素ガスの
供給系統と窒素・酸素混合ガスの供給系統とは、プラズ
マトーチの上流で、窒素・酸素混合ガス供給系統が開け
ば自動的に窒素ガスの供給系統が阻止されるような形態
で、合流している。この構成により、例えば、パイロッ
トアークからメインアークへ移行するときに、窒素・酸
素混合ガスの供給系統を開くだけで、プリフローとして
の窒素ガスから、メインフローとしての窒素・酸素混合
ガスへ切り替えることができる。

【００２６】好適な実施形態では、定差圧弁で流量を一
定に保つように構成されたガス供給系統の定差圧弁の下
流に、プラズマトーチへの供給圧力の上限を設定するた
めの減圧弁が更に設けられている。これにより、アーク
起動のためガス供給を開始したときに、ガス源からの過
大なガス圧でなく、減圧弁で設定した適度に低いガス圧
がプラズマトーチへ加わることになり、アーク着火が安
定して行えるとともに、アーク着火後のガス流量も短時
間で安定するので、速やかに切断に取り掛かることがで
きる。

【００２７】

【発明の実施の形態】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概略的な構成を示す。

【００２８】プラズマトーチ１は全体として概略的に円
筒形であり、その中心位置に概略円柱形の電極３を有
し、この電極３のプラズマアーク発生点となる先端部に
は、プラズマアークの高熱に耐え得る高融点材料製、例
えばハフニウム製（又はジルコニウム製、又はそれらの
合金製）の耐熱インサート５を有している。以下、この
ハフニウム製の耐熱インサート５を「ハフニウム電極」
と呼ぶ。電極消耗が発生するのはこのハフニウム電極５
の部分である。ここで、ハフニウムはそれ自体の融点は
２２００℃程度であるが、酸化物（HfO2）になると融点
が２８００〜２９００℃程度に高まり、窒化物（HfN）
になると融点が３３００℃程度にまで更に高まるという
特性を有する（ジルコニウムも同様の特性をもつ）。こ
の酸化物や窒化物になると融点が３０００℃前後に高ま
り、特に酸化物より窒化物の方が融点が高いという特性
は、後述するように、電極消耗を低減するために利用さ
れる。

【００２９】電極３には、その外側に概略円筒形のノズ
ル７が被さり、電極３とノズル７との間に作動ガス通路
６が形成されている。図示しない作動ガス供給系統か
ら、作動ガス８がノズル基端側から作動ガス通路６内に
供給されてノズル先端へ向かって流れる。ノズル７の先
端部には、プラズマアークを十分に細く絞ってジェット
流にして先方へ噴出するための、十分に細い口径をもっ
たノズルオリフィス９が開けられている。

【００３０】トーチ１の先方に、切断されるワーク１０
が配置される。プラズマ電流を供給するためのプラズマ
電源１１のマイナス端子が電極３に接続され、プラス端
子がワーク１０に接続される。また、プラズマ電源１１
のプラス端子が、スイッチ１３を介してノズル７に接続
される。

【００３１】切断を開始するときの手順は概略次の通り
である。まず、作動ガス８が所定の流量及び圧力で作動
ガス通路６に流され、そして、スイッチ１３を閉じられ
て電源１１からの高電圧が電極３とノズル７との間に印
加される。すると、電極３とノズル７との間で作動ガス
８の絶縁が破壊されてパイロットアーク１５が形成され
る。パイロットアーク１５のエネルギーで作動ガス８は
プラズマ化され、そのプラズマガスがノズルオリフィス
９から先方へ噴出する。同時に、パイロットアーク１５
がプラズマガス流に押し流されてノズルオリフィス９を
通り抜けワーク２１へ繋がる（移行アーク１７）。この
時、ワーク１０を通って流れた電流１９に応答してスイ
ッチ１３が開かれ、電極３とワーク１０との間にメイン
のプラズマアーク２１が確立する。続いて、このメイン
アーク２１によりワーク１０の切断が開始される。

【００３２】図２は、切断の開始から終了までにおけ
る、トーチ１への作動ガスの供給方法の一例をアーク電
流の変化とともに示す。

【００３３】図２に示すように、作動ガス流は、「プリ
フロー」、「メインフロー」及び「ポストフロー」の３
種類に分けられる。プリフローは、パイロットアークを
点火する直前からパイロットアークがメインアークに移
行するまでの区間（以下、「パイロットアーク点火時」
という）で流される。メインフローは、パイロットアー
クがメインアークに移行してから、切断を行っている区
間（以下、「切断中」という）で流される。ポストフロ
ーは、切断終了後にメインアークを消そうとする直前か
ら、メインアークが消えた後ハフニウム電極の温度が酸
化反応しない温度に下がるまでの区間（以下、「切断終
了時」という）で流される。

【００３４】図２に示すように、パイロットアーク点火
時には、プリフローとして純窒素ガスが比較的に小さい
流量又は低い圧力でトーチ１に供給される。切断中は、
メインフローとして、酸素と窒素の混合ガスが比較的に
大きい流量又は高い圧力でトーチ１に供給される。この
混合ガス中の酸素濃度は７０〜９５モル％（望ましくは
８０モル％以上）、窒素濃度が３０〜５モル％（望まし
くは５〜１０モル％以上）である。切断が終わると、メ
インアークを消す直前から、ポストフローとして、プリ
フローと同様に純窒素ガスが比較的に小さい流量又は低
い圧力で供給する。

【００３５】パイロットアーク点火時には、酸素を実質
的に含まない純窒素ガス中でパイロットアークが形成さ
れるので、ノズル及びハフニウム電極の消耗が低減され
る。また、切断終了時にも純窒素ガスを流すことによ
り、ハフニウム電極の表面が融点の高い窒化物となった
状態で終わるため、次の切断を開始するためパイロット
アークを点火した際、ハフニウム電極の消耗が抑制され
る。

【００３６】また、切断中は、酸素に窒素を添加した混
合ガスを使用するため、ハフニウム電極の消耗が低減さ
れる。前述のように、ハフニウムは酸化物より窒化物の
方が融点が高いため、作動ガスに窒素を添加することで
ハフニウム電極の消耗が効果的に低減される。発明者の
実験によれば、作動ガス中の窒素濃度が１０〜５モル％
程度を境界域として、その境界域より低いと、ハフニウ
ム電極の消耗はクリティカルに増大するが、その境界域
より高いと、純窒素ガスと遜色のない良好な電極消耗抑
制効果が得られた。一方、切断品質に関しては、発明者
の実験によれば、プラズマ切断では酸素純度は従来考え
られていた程にはクリティカルな要因ではなく、酸素濃
度が７０モル％以上（望ましくは８０モル％以上）であ
れば、実用に耐えられる良好な切断品質が確保できるこ
とが分かった（因みに、レーザ切断やガス切断では、例
えば酸素濃度９９．９０モル％と９９．９９モル％では
切断品質が大いに異なり、酸素純度の高さはクリティカ
ルに切断品質に影響する。）。従って、酸素濃度が７０
〜９５モル％（望ましくは８０モル％以上）、窒素濃度
が３０〜５モル％（望ましくは５〜１０モル％以上）の
混合ガスを用いることにより、電極消耗の低減と良好な
切断品質という２つの目的を両立させることができる。

【００３７】以上の原理に基づけば、図２に示した作動
ガス供給方法の他にも、種々の作動ガス供給方法を用い
ることができる。図３〜図８は、そうした他の作動ガス
供給方法の例を示す。

【００３８】図３の方法は、トーチに供給される作動ガ
スの組成は図２の方法と同じであるが、作動ガス供給系
統でのガスの流し方が若干異なる。すなわち、図２の方
法では、プリフローからメインフローへ移行するとき、
純窒素ガスを止めて酸素・窒素混合ガスを開始し、メイ
フローからポストフローへ移行するとき、上記と逆のガ
ス切り替えを行う（後述する図１０に示すガス供給系統
を用いる）。これに対し、図３の方法では、プリフロー
からメインフロー及びポストフローまで、純窒素ガスを
流しつづけると共に、メインフローの間だけ、純酸素ガ
スも流して、この純酸素ガスと純窒素ガスとをトーチの
上流側で混合する（後述する図９に示すガス供給系統を
用いる）。

【００３９】図４の方法では、プリフロー、メインフロ
ー及びポストフローのいずれにおいても、窒素と酸素の
混合ガスを流す。メインフローでの酸素と窒素の濃度は
図２の方法と同様、つまり酸素濃度が７０〜９５モル％
（望ましくは８０モル％以上）、窒素濃度が３０〜５モ
ル％（望ましくは５〜１０モル％以上）である。一方、
プリフローとポストフローでは、メインフロー以上の窒
素濃度をもった作動ガス、望ましくは空気（窒素濃度が
約８０モル％）と同等かより高い窒素濃度をもった作動
ガスを流す。

【００４０】図５の方法では、プリフローとポストフロ
ーで空気（窒素濃度が約８０モル％）を流し、メインフ
ローでは図２のメインフローと同様の酸素・窒素濃度も
った酸素・空気混合ガスを流す。

【００４１】図６の方法では、トーチに供給されるガス
組成は図５の方法と同じであるが、プリフロー、メイン
フロー及びポストフローで空気を流しつづけるととも
に、メインフローでだけ、純酸素ガスを流して、トーチ
の上流で純酸素ガスと空気を混合する。

【００４２】図７の方法では、プリフローとポストフロ
ーで純窒素ガスを流し、メインフローでは図５のメイン
フローと同様の酸素・空気混合ガスを流す。

【００４３】図８の方法では、プリフローとポストフロ
ーで空気（窒素濃度が約８０モル％）を流し、メインフ
ローでは図２のメインフローと同様の酸素・窒素混合ガ
スを流す。

【００４４】以上のいずれの方法でも、パイロットアー
ク発生時と切断終了時には窒素を大量に含有した作動ガ
スを流すので、ハフニウム電極とノズルの消耗が低減さ
れる。切断中は、酸素を大量に含有し、窒素を少量含有
する作動ガスを用いるため、切断品質を実質的に落とす
ことなく、ハフニウム電極の消耗を低減できる。ここで
重要なことは、ハフニウム電極の窒化物が酸化物より高
い融点をもっていることを利用して、切断中や切断終了
時にハフニウム電極を積極的に窒化させていること、及
び、酸素純度が切断品質に対するクリティカルな要因で
はないという新規な知見に基づいて、切断品質に実質的
な影響を及ぼさない範囲で切断中の酸素濃度を若干落と
し、代わりに窒素を添加していることである。

【００４５】図９は、図３に示した作動ガス供給方法で
用いる作動ガス供給系統の構成を示す。図１０は、図２
に示した作動ガス供給方法で用いる作動ガス供給系統の
構成を示す。

【００４６】図９の作動ガス供給系統は、常に一定流量
の純酸素ガスを供給する定流量酸素供給系統３０と、常
に一定流量の純窒素ガスを供給する定流量窒素供給系統
５０とを有し、この２つの定流量ガス供給系統３０、５
０からの酸素と窒素を混合器４５で混合してトーチ１に
供給できるようになっている。定流量酸素供給系統３０
と定流量窒素供給系統５０の各々の最下流部には、トー
チ１への供給圧力の上限値を設定するための減圧弁４
３，６３と、その下流で各系統を開閉するソレノイド弁
４５，６５とが設けられている。定流量窒素供給系統５
０は、プリフロー、メインフロー及びポストフローの全
区間を通じて開かれたままである。定流量酸素供給系統
３０は、メインフローの区間だけ開かれる。

【００４７】図１０の作動ガス供給系統は、常に一定の
酸素・窒素濃度をもつ酸素・窒素混合ガスをトーチ１に
供給する定濃度混合ガス供給系統７０と、この定濃度混
合ガス供給系統７０よりも低圧力で小流量の純窒素ガス
を供給する窒素供給系統８０とを有する。定濃度混合ガ
ス供給系統７０と窒素供給系統８０の各々の最下流部に
は、トーチ１への供給圧力の上限値を設定するための減
圧弁７５，８１と、その下流で各系統を開閉するソレノ
イド弁７７，８３とが設けられている。そして、定濃度
混合ガス供給系統７０と窒素供給系統８０とは、定濃度
混合ガス供給系統７０が開けば逆止弁８３によって窒素
供給系統８０は阻止されるような形態で、トーチ１に接
続されている。窒素供給系統８０は、プリフロー、メイ
ンフロー及びポストフローの全区間を通じて開かれたま
まである。定濃度混合ガス供給系統７０は、メインフロ
ーの区間だけ開かれる。

【００４８】定濃度混合ガス供給系統７０は、図９に示
したと同様の定流量酸素供給系統３０と定流量窒素供給
系統５０とを有し、この２つの定流量ガス供給系統３
０、５０からの酸素と窒素を混合器７１で混合して減圧
弁７５を通じて供給できるようになっている。

【００４９】さて、図９及び図１０に示した作動ガス供
給系統において、注目すべき一つの点は、定流量ガス供
給系統３０、５０の構成である。すなわち、ガスボンベ
３１，５１から下流へ順に、減圧弁３３，５３、圧力計
３５，５５、流量計３７，５７、ニードル弁（流量調節
弁）３９，５９、及び定差圧弁４１，６１が配置されて
いる。そして、定差圧弁４１，６１は、その圧力モニタ
子が流量計３７，５７の入口とこの差圧弁４１，６１の
出口とに接続されていて、その間の差圧つまりニードル
弁３９，５９の前後の差圧を一定に維持するように作用
する。従って、各系統の下流のトーチ１の圧損が切断中
に変化しても、ニードル弁３９，５９の前後の差圧が一
定であるため、一定の流量が維持され、よって、酸素・
窒素混合ガスの酸素・窒素濃度は適正値に一定に維持さ
れる。従って、上述したような切断中の電極消耗の低減
や切断品質の維持の効果が保証される。また、従来はノ
ズルなどが劣化すれば全体のガス流量が増加して切断品
質が低下するため、ノズル交換を行う必要があったが、
本実施形態では、ノズルなどが多少劣化しても、全体の
ガス流量が一定に維持されるから、切断品質の低下が少
なく、よって、ノズル交換を遅らせることができる。つ
まり、ノズルなどの消耗品の実質的な寿命が延びる。

【００５０】注目すべき第２の点は、定流量ガス供給系
統３０，５０の定差圧弁４１，６１の下流に減圧弁４
３，６３，７５が存在して、トーチ１への供給圧力の上
限値を適当に低い値に設定している点である。すなわ
ち、このような減圧弁が無いと、アーク起動前でガス供
給を止めているときには、ガス供給系統の出口圧力は元
供給圧力（減圧弁３３，５３の出口圧力で例えば約１０
気圧）まで上昇しているので、アーク起動のためソレノ
イドバルブを開いた途端、その高いガス圧力が瞬間的に
トーチ１にかかり、アーク着火が困難になったり、アー
ク着火後ガス流量が安定するまでに時間がかかり、その
間切断ができないといった問題が生じる。しかし、本実
施形態では、定差圧弁４１，６１の下流側の減圧弁４
３，６３，７５で、トーチ１にかかる最大圧力を適当な
低い値に設定してあるので、安定なアーク着火が可能で
あり、また、アーク着火後すぐにガス流量が安定するの
で、速やかに切断に取り掛かれる。

【００５１】図１１は、本発明に従うプラズマ切断方法
が適用できる別のプラズマトーチの構成例を示す。

【００５２】このプラズマトーチ１０１は、全体として
概略的に多重円筒形であり、その中心位置に概略円柱形
の電極１０３を有し、この電極１０３の外側に概略円筒
形のノズル１０５が被さり、ノズル１０５の外側に概略
円筒形の第１のノズルキャップ１０７が被さり、更に、
第１のノズルキャップ１０７の外側に概略円筒形の第２
のノズルキャップ１０９が被さっている。２つのノズル
キャップ１０７、１０９は、ノズル１０５から電気的に
絶縁されている。

【００５３】電極１０３はその内部に、冷却水が通る冷
却水路１１１を有し、そのプラズマアークの発生点とな
る先端部には、ハフニウム製やジルコニウム製などの耐
熱インサート１１９を有している。

【００５４】電極１０３とノズル１０５との間には作動
ガス通路１１３が形成されており、作動ガスは図示しな
い作動ガス供給系統によってトーチ基端側から作動ガス
通路１１３内に供給されてトーチ先端へ向かって流れ
る。作動ガス通路１１３の途中に環状の作動ガススワラ
１２１がはめ込まれており、この作動ガススワラ１２１
を通るときに作動ガス流は旋回流となる。ノズル１０５
の先端部には、プラズマアークを十分に細く絞ってジェ
ット流にして先方へ噴出するための、十分に細い口径を
もったノズルオリフィス１３１が開けられている。ノズ
ル１０５はこれを冷却するための冷却水路も有するが、
図１１では図示省略してある。

【００５５】ノズル１０３と第１ノズルキャップ１０７
との間に二次ガス通路１１５が形成されており、二次ガ
スは図示しない二次ガス供給系統によってトーチ基端側
から二次ガス通路１１５内に供給されてトーチ先端へ向
かって流れる。二次ガス通路１１５の途中に環状の二次
ガススワラ１２３がはめ込まれており、この二次ガスス
ワラ１２３を通るときに二次ガス流は旋回流となる。二
次ガス旋回流の旋回方向は作動ガス旋回流の旋回方向と
同一である。第１ノズルキャップ１０７の先端部には、
二次ガスが噴出する二次ガス噴出口１３３が開けられて
いる。この二次ガス噴出口１３３の口径はノズルオリフ
ィス１３１の口径よりも大きい。つまり、この二次ガス
噴出口１３３はノズルオリフィス１３１を包囲した環状
の開口である。

【００５６】第１ノズルキャップ１０７と第２ノズルキ
ャップ１０９との間に三次ガス通路１１７が形成されて
おり、三次ガスは図示しない三次ガス供給系統によって
トーチ基端側から三次ガス通路１１７内に供給されてト
ーチ先端へ向かって流れる。三次ガス通路１１７の途中
に環状の三次ガススワラ１２５がはめ込まれており、こ
の三次ガススワラ１２５を通るときに三次ガス流は旋回
流となる。三次ガス旋回流の旋回方向は作動ガス旋回流
の旋回方向と同一である。第２ノズルキャップ１０９の
先端部には、三次ガスが噴出する三次ガス噴出口１３５
が開けられている。この三次ガス噴出口１３５の口径は
二次ガス噴出口３１の口径よりも大きい。つまり、三次
ガス噴出口１３５は二次ガス噴出口１３３を包囲した環
状の開口である。

【００５７】ここで、ノズル１０５、第１ノズルキャッ
プ１０７及び第２ノズルキャップ１０９という、いずれ
も電極１０３を囲み且つガスの噴出口を有した筒状の３
種類の部品が存在するが、本明細書で「ノズル」という
用語と「ノズルキャップ」という用語は、全く異なる役
割をもつ部品を指す意味で用いることに注意されたい。
すなわち、「ノズル」とは、プラズマアークを拘束し絞
るための最も細いガス噴出口を有した部品であり、「ノ
ズル」の上流側（内側）から供給されるガスは、（それ
が複数あっても）全てプラズマ化され、その意味で作動
ガス又はプラズマガスと呼ばれる。一方、「ノズルキャ
ップ」は、「ノズル」より下流側（外側）に存在し、ノ
ズルのガス噴出口（ノズルオリフィス）より口径の大き
いガス噴出口を有し、ノズルキャップとノズルとの間の
ガス通路からそのガス噴出口へ供給されるガスはプラズ
マ化されることはなく、シールドガスとしてプラズマア
ークを包囲する。本実施形態における二次ガス及び三次
ガスはシールドガスとして機能する。このことは、例え
ば特開平９−２３９５４５号や特開平１０−３１４９５
１号に開示された多重構造の「ノズル」をもったプラズ
マトーチと混同することなく、本実施形態を理解する上
で重要である。

【００５８】さて、上記構造のプラズマトーチ１０１に
おいて、切断中、電極１０３の先端部近傍へ流れて来た
作動ガス旋回流はここでプラズマ化され、ノズルオリフ
ィス１３１を通って十分に細く絞られた高速ジェット流
のプラズマアークとなってトーチ先方へ向かって噴出す
る。二次ガス噴出口１３３からは、二次ガス旋回流がト
ーチ先方へ向かってプラズマアークの外周に噴出して、
プラズマアークの外周に二次ガスカーテンを形成する。
三次ガス噴出口１３５からは、三次ガス旋回流がトーチ
先方へ向かって二次ガスカーテンの外周に噴出して、二
次ガスカーテンの外周に三次ガスカーテンを形成する。
このように、作動ガスのプラズマアークを中心に、その
外周を二次ガスカーテンが囲み、その外周を三次ガスカ
ーテンが囲んだ３層構造のガス流が形成される。

【００５９】ここで、作動ガスには、図２から図８に例
示したような組成のガスが使用される。二次ガスには、
酸素濃度が空気以下のガス、例えば、純窒素のような非
酸化性のガス、空気、又は酸素と窒素の混合ガスであっ
て酸素濃度が２０モル％以下のもの等が使用される。三
次ガスには、酸素濃度が空気以上のガス、例えば、純酸
素ガス、酸素と窒素の混合ガスであって酸素濃度が２０
モル％以上のもの、又は酸素と空気の混合ガス等が使用
される。

【００６０】図２は、切断中の作動ガス、二次ガス及び
三次ガスの酸素濃度の一例をプラズマアーク中心からの
半径方向の距離を横軸にとり模式的に示している。図２
の例では、作動ガスとして酸素濃度が９０モル％の酸素
・窒素（又は酸素・空気）混合ガス、二次ガスとして純
窒素ガス、三次ガスとして純酸素ガスを用いた場合を示
している。図示のように、プラズマアーク（作動ガス）
は高い酸素濃度を有するが、その外側は酸素濃度が空気
以下に一旦低下し（二次ガスカーテン）、更にその外側
は酸素濃度が再び空気より濃くなる（三次ガスカーテ
ン）。このように、切断中は、作動ガスの酸素濃度をＮ
１、二次ガスの酸素濃度をＮ２、三次ガスの酸素濃度を
Ｎ３とすると、Ｎ１＞Ｎ２及びＮ２＜Ｎ３の条件が満た
されるように、各ガスの組成が選ばれる。

【００６１】このように切断中のガス組成を選ぶと、プ
ラズマアークを酸素濃度の低い二次ガスカーテンが囲む
ため、低温で酸素濃度の低い二次ガスカーテンの領域で
燃焼反応が抑えられ切断現象が進行しなくなるため、プ
ラズマアークによる熱源（ワークの金属を溶かし切断す
ることができる高温かつ酸素濃度の高い領域）の分布
が、二次ガスカーテンで囲まれたプラズマアークの形に
沿ったシャープなものとなるため、酸素プラズマ切断に
おけるバーニングの問題が低減され、シャープな切れ味
が得られる。これに加え、二次ガスカーテンの外周を、
空気より酸素リッチな三次ガスカーテンが覆っているた
め、切断直後の切断面やその近傍に残っているドロスの
酸化が三次ガスにより促進される。ドロスは、酸化が促
進すると表面張力が低下し流動性が高まるので、三次ガ
ス噴流の力で容易に吹き飛ばされ、よってドロスの付着
が低減する。また、切断面に多少のドロスが付着したま
ま凝固し残ったとしても、酸化が進んでいるために容易
に剥離することができる。特に、酸素濃度の低い二次ガ
スカーテンによってバーニングが防止されるため、バー
ニングの制限を受けることなく、三次ガスの酸素濃度を
高めて大量の酸素をワークの切断溝に供給することがで
きる。結果として、バーニングも無く且つドロスの付着
も少ない高い切断品質が得られる。

【００６２】更に、図１１のトーチ１０１では、プラズ
マアークを旋回流にすると共に、その外周の二次ガスカ
ーテン及び三次ガスカーテンをプラズマアークの旋回流
と同一方向に旋回する旋回流としている。こうすると、
二次ガスカーテン及び三次ガスカーテンの旋回強度（流
量）を調節することで、切断面のベベル角を大きい可変
範囲にわたって調節することが可能である。このベベル
角調節機能があることによって、バーニングやドロスの
点での切断品質向上だけでなく、所望のベベル角（典型
的には０度）が得られることになり、一層の切断品質向
上効果が得られる。

【００６３】以上、本発明の一実施形態を説明したが、
これらの実施形態はあくまで本発明の説明のための例示
であり、本発明をこれら実施形態にのみ限定する趣旨で
はない。従って、本発明は、上記実施形態以外の様々な
形態でも実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断法で
使用するプラズマトーチの概略構成を示す図。

【図２】切断の開始から終了までにおける作動ガスの供
給方法の第１の例をアーク電流の変化とともに示すタイ
ムチャート。

【図３】切断の開始から終了までにおける作動ガス流の
供給方法の第２の例を示すタイムチャート。

【図４】切断の開始から終了までにおける作動ガス流の
供給方法の第３の例を示すタイムチャート。

【図５】切断の開始から終了までにおける作動ガス流の
供給方法の第４の例を示すタイムチャート。

【図６】切断の開始から終了までにおける作動ガス流の
供給方法の第５の例を示すタイムチャート。

【図７】切断の開始から終了までにおける作動ガス流の
供給方法の第６の例を示すタイムチャート。

【図８】切断の開始から終了までにおける作動ガス流の
供給方法の第７の例を示すタイムチャート。

【図９】図３に示した作動ガス供給方法で用いる作動ガ
ス供給系統の構成を示す系統図。

【図１０】図２に示した作動ガス供給方法で用いる作動
ガス供給系統の構成を示す系統図。

【図１１】本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断法
で使用することができる別のプラズマトーチを示す断面
図。

【図１２】切断中の作動ガス（プラズマアーク）、二次
ガス及び三次ガスのガス組成例を、プラズマアークの中
心からの半径方向の距離を横軸にとって模式的に示した
説明図。

【符号の説明】

１ プラズマトーチ ３ 電極 ５ 耐熱インサート（ハフニウム電極） ６ 作動ガス通路 ７ ノズル ８ 作動ガス ９ ノズルオリフィス １５ パイロットアーク １７ 移行アーク ２１ メインアーク ３１、５１ ガスボンベ（ガス源） ３３，５３、４３、６３、７５、８１ 減圧弁 ３９、６９ ニードル弁（流量調節弁） ４１、６１ 定差圧弁 ４５、６５、７７、８３ ソレノイドバルブ ８５ 逆止弁

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年６月７日（１９９９．６．７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

【図１２】

【図１１】

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマアークによりワークを切断する
   方法において、 電極とノズルとの間に作動ガスを供給するステップと、 前記電極と前記ノズルの間にパイロットアークを点火す
   るステップと、 前記パイロットアークを前記電極とワークとの間のメイ
   ンアークに移行させるステップと、 前記メインアークを用いて前記ワークを切断するステッ
   プと、 前記ワークの切断が終わったときに前記メインアークを
   消すステップとを有し、 前記作動ガスを供給するステップが、 （１）パイロットアークを点火するときのプリフローの
   区間に、窒素ガス、空気、又は空気以上に窒素濃度の高
   い混合ガスを供給するステップと、 （２）前記ワークを切断中のメインフローの区間に、酸
   素と窒素を含有した混合ガスを供給するステップとを含
   むプラズマ切断方法。
2. 【請求項２】 前記電極が、純金属より酸化物と窒化物
   の方が融点の高い金属材料製である請求項１記載のプラ
   ズマ切断方法。
3. 【請求項３】 前記金属材料が、ハフニウム、ジルコニ
   ウム又はそれらの合金である請求項１記載のプラズマ切
   断方法。
4. 【請求項４】 前記メインフローの区間に供給する混合
   ガスの酸素濃度が７０〜９５モル％、窒素濃度が３０〜
   ５モル％である請求項１〜３記載のプラズマ切断方法。
5. 【請求項５】 前記作動ガスを供給するステップが、 （３）前記メインフローの区間に後続するポストフロー
   の区間に、窒素ガス、空気、又は空気以上に窒素濃度の
   高い混合ガスを供給するステップを更に含む請求項１〜
   ４記載のプラズマ切断方法。
6. 【請求項６】 プラズマアークによりワークを切断する
   方法において、 電極とノズルとの間に作動ガスを供給するステップと、 前記電極と前記ノズルの間にパイロットアークを点火す
   るステップと、 前記パイロットアークを前記電極とワークとの間のメイ
   ンアークに移行させるステップと、 前記メインアークを用いて前記ワークを切断するステッ
   プと、 前記ワークの切断が終わったときに前記メインアークを
   消すステップとを有し、 前記電極が、ハフニウム、ジルコニウム又はそれらの合
   金製であり、 前記作動ガスを供給するステップが、前記ワークを切断
   中のメインフローの区間に、酸素濃度が７０〜９５モル
   ％、窒素濃度が３０〜５モル％である混合ガスを供給す
   るプラズマ切断方法。
7. 【請求項７】 プラズマアークによりワークを切断する
   装置において、 電極とノズルをもつプラズマトーチと、 前記プラズマトーチの前記電極と前記ノズルの間に作動
   ガスを供給するガス供給系統と、 前記電極と前記ノズルの間にパイロットアークを点火
   し、次いで前記電極とワークとの間にメインアークを確
   立し、前記ワークを切断中に前記メインアークを維持
   し、前記ワークの切断が終わったときに前記メインアー
   クを消すプラズマ電源と、を有し、 前記ガス供給系統が、 （１）前記パイロットアークを点火するときのプリフロ
   ーの区間に、窒素ガス、空気、又は空気以上に窒素濃度
   の高い混合ガスを供給し、 （２）前記ワークを切断中のメインフローの区間に、酸
   素と窒素を含有した混合ガスを供給する、プラズマ切断
   装置。
8. 【請求項８】 前記電極が、ハフニウム、ジルコニウム
   又はそれらの合金である請求項７記載のプラズマ切断装
   置。
9. 【請求項９】 前記メインフローの区間に供給する混合
   ガスの酸素濃度が７０〜９５モル％、窒素濃度が３０〜
   ５モル％である請求項７又は８記載のプラズマ切断装
   置。
10. 【請求項１０】 前記ガス供給系統が、 （３）前記メインフローの区間に後続するポストフロー
    の区間に、窒素ガス、空気、又は空気以上に窒素濃度の
    高い混合ガスは供給する、請求項７〜９記載のプラズマ
    切断装置。
11. 【請求項１１】 プラズマアークによりワークを切断す
    る装置において、 電極とノズルをもつプラズマトーチと、 前記プラズマトーチの前記電極と前記ノズルの間に作動
    ガスを供給するガス供給系統と、 前記電極と前記ノズルの間にパイロットアークを点火
    し、次いで前記電極とワークとの間にメインアークを確
    立し、前記ワークを切断中に前記メインアークを維持
    し、前記ワークの切断が終わったときに前記メインアー
    クを消すプラズマ電源と、を有し、 前記電極が、ハフニウム、ジルコニウム又はそれらの合
    金製であり、 前記ガス供給系統が、前記ワークを切断中のメインフロ
    ーの区間に、酸素濃度が７０〜９５モル％、窒素濃度が
    ３０〜５モル％である混合ガスを供給するプラズマ切断
    装置。
12. 【請求項１２】 ガス源からプラズマトーチへガスを供
    給するためのガス供給系統において、 前記ガス源から前記プラズマトーチへガスを流すガス流
    路と、 前記ガス流路に設けられた、ガス流量を設定するための
    流量調節バルブと、 前記ガス流路に設けられた、前記流量調節バルブの前後
    の差圧を一定に保つように作用する定差圧弁とを備えた
    プラズマトーチのためのガス供給系統。
13. 【請求項１３】 複数のガス源からプラズマトーチへ複
    数ガスの混合ガスを供給するためのガス供給系統におい
    て、 前記複数のガス源から前記プラズマトーチへそれぞれの
    ガスを流すものであって、前記プラズマトーチの上流で
    合流して混合ガス流路となる複数の単一ガス流路と、 各単一ガス流路に設けられた、それぞれのガス流量を設
    定するための流量調節バルブと、 各単一ガス流路に設けられた、各流量調節バルブの前後
    の差圧を一定に保つように作用する定差圧弁とを備えた
    プラズマトーチのためのガス供給系統。
14. 【請求項１４】 一つのガス源から前記プラズマトーチ
    へ単一のガスを供給する追加の単一ガス流路を更に備
    え、 前記プラズマトーチの上流で、前記追加の単一ガス流路
    と前記混合ガス流路とが、いずれか一方の流路からのガ
    スが選択的に前記プラズマトーチへ供給される形態で合
    流する、請求項１３記載のガス供給系統。
15. 【請求項１５】 各定差圧弁の下流に、前記プラズマト
    ーチへの供給圧力の上限を設定するための減圧弁を更に
    備えた請求項１２〜１４記載のガス供給系統。