JP2004160555A - Plasma cutting device - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a cutting technique using a plasma arc, and more particularly to an improvement in a technique for reducing the consumption of electrodes and nozzles in a plasma cutting method using a working gas containing oxygen.
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(特許文献1)。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。 The plasma cutting method using a working gas (plasma gas) containing oxygen is suitable for cutting low alloy steel or low carbon steel (mild steel). In this plasma cutting method, since an electrode in a plasma torch is exposed to oxygen, it is known that hafnium is optimal as an electrode material (a material of a heat-resistant insert attached to an electrode tip) (Patent Document 1). This is because hafnium, when it becomes an oxide, has a melting point of about 2800 to 2900 ° C. and exhibits excellent heat resistance. Almost all plasma cutting machines currently in practical use using oxygen or air as a working gas use hafnium for electrodes. Further, zirconium has almost the same properties as hafnium, and thus is suitable as an electrode material in an oxidizing atmosphere.
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。 By the way, in plasma cutting, a nozzle and an electrode are consumed with arc generation. Although there are many causes of wear of the nozzle and the electrode, the following is a description of the wear caused by the arc itself when an oxidizing working gas is used.
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。 First, when the pilot arc (between the electrode and the nozzle) is first ignited, the electrode and the nozzle are consumed. At the moment when the pilot arc is ignited, the surface temperature of the hafnium of the electrode material instantaneously rises from room temperature to a high temperature exceeding 3000 ° C., and at that time, the hafnium is rapidly consumed. In this transient state, even if the time is about 0.1 second, the consumption of hafnium may correspond to about 1 minute of the subsequent high-temperature stable state of hafnium. Further, while the pilot arc (between the electrode and the nozzle) exists, the nozzle is in the same condition as the work at the time of cutting, and is melted in an oxidizing atmosphere.
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。 The second is the consumption of the electrode when the main arc (between the electrode and the work) is established and cutting is being performed. During cutting, the hafnium of the electrode is stable at a high temperature, so the consumption rate is lower than at the time of pilot arc ignition, but the consumption proceeds, and the hafnium is gradually consumed so as to shorten the candle.
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、特許文献2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、特許文献3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。
In order to solve the problem of electrode and nozzle consumption due to this arc,
また、特許文献4には、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。 Further, Patent Literature 4 discloses a technique for reducing electrode consumption at the end of cutting by lowering the oxygen concentration of the working gas to 95 mol% or less at the end of cutting.
上述したように、特許文献2や特許文献3は切断スタート時に、また、特許文献4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(特許文献2、特許文献3)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(特許文献4)。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。
As described above,
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。 Thus, in the prior art, in plasma cutting with an oxidizing working gas using a hafnium electrode, the reason for using a pure oxygen gas or a working gas having a high oxygen concentration comparable to that during cutting is considered to be as follows. .
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。 First, even if pure oxygen gas is used (although there is a problem of high running cost due to frequent electrode replacement), the life of the hafnium electrode can be several hours or more unless it is a plasma having a particularly large current. Become. On the other hand, if the oxygen concentration of the working gas is reduced in order to reduce electrode consumption, the cutting quality is accordingly reduced. Deterioration of cutting quality is a problem that cannot be neglected. Therefore, even if a high running cost is allowed, pure oxygen gas is used to obtain the best cutting quality.
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。 Secondly, if it is assumed that a mixed gas obtained by adding nitrogen to oxygen, for example, instead of pure oxygen as a working gas, in a conventional working gas supply system, each gas flow rate changes during cutting, so that The oxygen / nitrogen mixture ratio cannot be maintained at the optimum value during cutting. That is, the conventional gas supply / system adopts one of the following two methods to set the gas flow rate to the target value. The first method is to set the gas pressure supplied to the torch by the pressure reducing valve to a target value. The second is a method of setting a flow rate to a target value with a needle valve and a flow meter. In either method, the gas flow is maintained at the target value only when the pressure loss in the torch is constant. However, during cutting, the nozzle is degraded and the electrodes are consumed, so that the pressure loss in the torch changes, and the gas flow rate also deviates from the target value. Specifically, as the pressure loss in the torch decreases as the cutting progresses, the gas flow rate gradually increases. For example, in some cases, the flow rate is increased three times at the end of cutting compared to the new state at the start of cutting. As described above, since the gas flow rate changes during cutting, the oxygen concentration of the working gas cannot be kept constant at an optimum value. Therefore, during cutting, pure oxygen gas is used as the working gas.
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。 However, if the consumption of the electrodes can be reduced, there is nothing better than that. In particular, in the case of oxygen plasma with a large current of about 300 A, the life of the hafnium electrode is reduced to about 2 hours, so that it is not possible to neglect an increase in running cost and a decrease in work efficiency due to frequent electrode replacement.
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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a novel working gas supply technique for reducing the consumption of nozzles and electrodes in plasma cutting.
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。 It is another object of the present invention to provide a novel gas supply system for maintaining a constant working gas composition during plasma cutting.
本発明の第1の観点に従うプラズマ切断装置は、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。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30〜5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。 In the plasma cutting device according to the first aspect of the present invention, when the pilot arc is ignited (preflow section), nitrogen gas, air, or a mixed gas having a higher nitrogen concentration than air is used as a working gas, and the electrode and the nozzle are connected to each other. After the pilot arc has shifted to the main arc, a mixed gas containing oxygen and nitrogen is supplied as a working gas while the workpiece is being cut using this main arc (main flow section). . The mixed gas supplied during cutting has an oxygen concentration of 70 to 95 mol% and a nitrogen concentration of 30 to 5 mol%. In particular, it is desirable that the oxygen concentration is 80 mol% or more and the nitrogen concentration is 5 to 10 mol% or more.
このプラズマ切断装置によれば、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。特に、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。 According to this plasma cutting device, the working gas having a high nitrogen concentration is used at the time of pilot arc ignition, so that the consumption of electrodes and nozzles is reduced, and during cutting, a mixed gas containing oxygen and nitrogen is used instead of pure oxygen. Since the gas is used as the working gas, the consumption of the electrode is suppressed. Furthermore, according to experiments and studies by the inventor, in plasma cutting, the oxygen purity of the working gas does not have a critical influence on the cutting quality as conventionally thought, and therefore, the oxygen is added by adding nitrogen. Even if the concentration is slightly lowered, electrode consumption can be reduced without substantially lowering the cutting quality. In particular, when the oxygen concentration is 70 mol% or more, the decrease in cutting quality can be neglected, and when the nitrogen concentration is 5 mol% or more, particularly when the electrode material is hafnium or zirconium, good electrode consumption close to pure nitrogen is obtained. A reduction effect is obtained.
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2800℃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。 As the electrode material, a metal material having a higher melting point of an oxide and a nitride than a pure metal is preferable. In a preferred embodiment, hafnium, zirconium or an alloy thereof is used. Hafnium and zirconium are oxides having a melting point of 2800 ° C. or more, and nitrides further increase the melting point to 3000 ° C. or more. When such an electrode material is used, the plasma cutting method of the present invention exhibits particularly excellent effects. Because a mixed gas containing oxygen and nitrogen is used during cutting, the electrode surface becomes nitride and has a high melting point, and the durability is further increased.
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30〜5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。 In a preferred embodiment, the gas mixture supplied during cutting has an oxygen concentration of 70-95 mol% and a nitrogen concentration of 30-5 mol%. In particular, it is desirable that the oxygen concentration is 80 mol% or more and the nitrogen concentration is 5 to 10 mol% or more. When the oxygen concentration is 70 mol% or more, the decrease in cutting quality can be neglected, and when the nitrogen concentration is 5 mol% or more, particularly when the electrode material is hafnium or zirconium, a favorable electrode consumption reduction effect close to pure nitrogen is obtained. Is obtained.
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。 In a preferred embodiment, even after the cutting is completed and the main arc is to be extinguished (post flow section), nitrogen gas, air, or a mixed gas having a higher nitrogen concentration than air is supplied as the working gas. I do. Thereby, particularly when the electrode material is hafnium or zirconium, the electrode surface ends with a nitride having an extremely high melting point, so that electrode consumption when the pilot arc is ignited in the next cutting is suppressed.
本発明の第2の観点に従うプラズマ切断装置は、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。このプラズマ切断装置によれば、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。 The plasma cutting apparatus according to the second aspect of the present invention uses hafnium, zirconium, or an alloy thereof as an electrode material, and has an oxygen concentration of 70 to 95 mol% and a nitrogen concentration of main flow section during cutting. A mixed gas of 30 to 5 mol% is supplied as a working gas. According to this plasma cutting device, during cutting, the electrode becomes a nitride having an extremely high melting point and is stabilized, so that electrode consumption is reduced. Also, good cutting quality can be maintained.
好適な実施形態では、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。 In a preferred embodiment, the gas supply system includes a gas flow path for flowing gas from the gas source to the plasma torch, a flow control valve for setting a gas flow rate provided in the gas flow path, and a flow control valve. A constant differential pressure valve that acts to keep the differential pressure between the front and rear constant.
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。 According to this gas supply system, the nozzle loss of the plasma torch at the start of cutting or during cutting (for example, the nozzle diameter is expanded by a pilot arc) or the pressure loss in the torch (that is, resistance to gas flow) is reduced due to electrode wear. Even if the gas flows more easily, the differential pressure across the flow control valve is kept constant, so that the gas flow is kept constant. Therefore, in the past, if the nozzle of the plasma torch deteriorated or the electrode was worn out, the gas flow rate increased and the cutting quality deteriorated, so the nozzle and the like had to be replaced immediately. Even if the electrode is worn out to some extent, the gas flow rate does not increase, so that the cutting quality is not remarkably reduced as compared with the related art, so that replacement of consumables such as nozzles can be delayed. That is, the life of the consumable part is substantially extended.
好適な実施形態では、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。 In a preferred embodiment, the gas supply system is a gas supply system for supplying a mixed gas of a plurality of gases from a plurality of gas sources to a plasma torch, wherein each gas flows from the plurality of gas sources to the plasma torch. And a plurality of single gas flow paths that merge into a mixed gas flow path upstream of the plasma torch, and a flow control valve provided in each single gas flow path to set a flow rate of each gas. And a constant pressure differential valve that acts to keep the differential pressure across the flow control valves constant.
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。 According to the gas supply system of the mixed gas, in addition to the advantages of the gas supply system described above, there is obtained an advantage that each gas concentration of the mixed gas can be kept constant during cutting. If this gas supply system is used as a supply system for a mixed gas containing oxygen and nitrogen in the above-described plasma cutting method or apparatus, the concentration of oxygen and nitrogen can be maintained at an optimum value throughout the cutting, so The effect of reducing electrode consumption while maintaining the cutting quality can be guaranteed.
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。 In a preferred embodiment, the supply system of the nitrogen / oxygen mixed gas having the above-described configuration extends from the oxygen gas source and the nitrogen gas source, and the nitrogen gas supply system further extends separately from the nitrogen gas source. . The nitrogen gas supply system and the nitrogen / oxygen mixed gas supply system are configured so that the nitrogen gas supply system is automatically blocked when the nitrogen / oxygen mixed gas supply system is opened upstream of the plasma torch. So they are joining. With this configuration, for example, when shifting from the pilot arc to the main arc, it is possible to switch from the nitrogen gas as the preflow to the nitrogen / oxygen mixed gas as the main flow simply by opening the supply system of the nitrogen / oxygen mixed gas. it can.
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。 In a preferred embodiment, a pressure reducing valve for setting an upper limit of the supply pressure to the plasma torch is further provided downstream of the constant pressure differential valve of the gas supply system configured to keep the flow rate constant by the constant pressure differential valve. ing. With this, when the gas supply is started to start the arc, not the excessive gas pressure from the gas source but a moderately low gas pressure set by the pressure reducing valve is applied to the plasma torch, and the arc ignition is stabilized. And the gas flow rate after the arc ignition stabilizes in a short time, so that cutting can be started immediately.
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。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a plasma cutting apparatus according to one embodiment of the present invention.
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。
The
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。
A substantially cylindrical nozzle 7 covers the outside of the electrode 3, and a working
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。
A workpiece 10 to be cut is arranged at the front of the
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。
The procedure for starting the cutting is roughly as follows. First, the working
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。
FIG. 2 shows an example of a method of supplying a working gas to the
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。 As shown in FIG. 2, the working gas flow is divided into three types: “pre-flow”, “main flow”, and “post-flow”. The preflow is performed in a section from immediately before the pilot arc is ignited until the pilot arc shifts to the main arc (hereinafter, referred to as “pilot arc ignition”). The main flow is caused to flow in a section where cutting is being performed after the pilot arc has shifted to the main arc (hereinafter, “during cutting”). The post flow is caused to flow in a section (hereinafter, referred to as “at the end of cutting”) from immediately before the main arc is extinguished after the end of cutting to a point at which the temperature of the hafnium electrode falls to a temperature at which the oxidation reaction does not occur after the main arc is extinguished. .
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。
As shown in FIG. 2, during pilot arc ignition, pure nitrogen gas is supplied to the
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。 At the time of pilot arc ignition, since the pilot arc is formed in pure nitrogen gas substantially free of oxygen, the consumption of the nozzle and the hafnium electrode is reduced. At the end of cutting, the flow of pure nitrogen gas causes the surface of the hafnium electrode to end in a state of nitride with a high melting point, so when the pilot arc is ignited to start the next cutting, the hafnium electrode is consumed. Is suppressed.
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。 In addition, during cutting, a mixed gas obtained by adding nitrogen to oxygen is used, so that consumption of the hafnium electrode is reduced. As described above, since the melting point of hafnium is higher in nitride than in oxide, the consumption of the hafnium electrode is effectively reduced by adding nitrogen to the working gas. According to the experiment of the inventor, if the nitrogen concentration in the working gas is set to about 10 to 5 mol% as a boundary area and the nitrogen concentration is lower than the boundary area, the consumption of the hafnium electrode increases critically, but if the nitrogen concentration is higher than the boundary area. As a result, a favorable electrode consumption suppressing effect comparable to that of pure nitrogen gas was obtained. On the other hand, regarding the cutting quality, according to the experiment of the inventor, in the plasma cutting, the oxygen purity is not a critical factor as conventionally thought, and the oxygen concentration is 70 mol% or more (preferably 80 mol% or more). Then, it was found that a good cutting quality that can withstand practical use can be ensured. (By the way, in laser cutting or gas cutting, for example, the cutting quality is greatly different at oxygen concentrations of 99.90 mol% and 99.99 mol%. The high purity critically affects the cutting quality.) Therefore, by using a mixed gas having an oxygen concentration of 70 to 95 mol% (preferably 80 mol% or more) and a nitrogen concentration of 30 to 5 mol% (preferably 5 to 10 mol%), it is possible to reduce electrode consumption. The two objectives of good cutting quality can be compatible.
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。 Based on the above principle, various working gas supply methods can be used in addition to the working gas supply method shown in FIG. 3 to 8 show examples of such another working gas supply method.
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)。 In the method of FIG. 3, the composition of the working gas supplied to the torch is the same as the method of FIG. 2, but the flow of the gas in the working gas supply system is slightly different. That is, in the method of FIG. 2, when shifting from the preflow to the main flow, the pure nitrogen gas is stopped and the oxygen / nitrogen mixed gas is started, and when shifting from the main flow to the post flow, the reverse gas switching is performed ( A gas supply system shown in FIG. 10 described below is used). In contrast, in the method of FIG. 3, pure nitrogen gas is continuously flowed from the preflow to the main flow and the post flow, and pure oxygen gas is also flowed only during the main flow, so that the pure oxygen gas and the pure nitrogen gas are separated. Mixing is performed on the upstream side of the torch (using a gas supply system shown in FIG. 9 described later).
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。 In the method of FIG. 4, a mixed gas of nitrogen and oxygen flows in any of the preflow, main flow, and postflow. The concentrations of oxygen and nitrogen in the main flow are the same as in the method of FIG. 2, that is, the oxygen concentration is 70 to 95 mol% (preferably 80 mol% or more), and the nitrogen concentration is 30 to 5 mol% (preferably 5 to 10 mol%). %). On the other hand, in the preflow and the postflow, a working gas having a nitrogen concentration equal to or higher than the main flow, preferably a working gas having a nitrogen concentration equal to or higher than that of air (nitrogen concentration is about 80 mol%) is flown.
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。 In the method of FIG. 5, air (nitrogen concentration is about 80 mol%) is flowed in the preflow and postflow, and an oxygen / air mixed gas having the same oxygen / nitrogen concentration as the main flow in FIG. 2 is flowed in the main flow.
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。 In the method of FIG. 6, the gas composition supplied to the torch is the same as that of FIG. 5, but while continuing to flow air in the preflow, the main flow and the post flow, pure oxygen gas is flown only in the main flow, Mix pure oxygen gas and air upstream of the torch.
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。 In the method of FIG. 7, pure nitrogen gas is flowed in the preflow and post flow, and the same oxygen / air mixed gas as in the main flow of FIG. 5 is flowed in the main flow.
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。 In the method of FIG. 8, air (nitrogen concentration is about 80 mol%) flows in the preflow and postflow, and the same oxygen / nitrogen mixed gas as in the main flow of FIG. 2 flows in the main flow.
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。 In any of the above methods, when the pilot arc is generated and when the cutting is completed, the working gas containing a large amount of nitrogen is flown, so that the consumption of the hafnium electrode and the nozzle is reduced. During the cutting, a working gas containing a large amount of oxygen and a small amount of nitrogen is used, so that the consumption of the hafnium electrode can be reduced without substantially lowering the cutting quality. What is important here is that the nitride of the hafnium electrode has a higher melting point than that of the oxide, so that the hafnium electrode is actively nitrided during cutting or at the end of cutting. Based on the new finding that it is not a critical factor for quality, the oxygen concentration during cutting is slightly reduced to the extent that it does not substantially affect the cutting quality, and nitrogen is added instead.
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。 FIG. 9 shows a configuration of a working gas supply system used in the working gas supply method shown in FIG. FIG. 10 shows a configuration of a working gas supply system used in the working gas supply method shown in FIG.
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、50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43,63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50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。
The working gas supply system shown in FIG. 9 includes a constant flow rate oxygen supply system 30 that always supplies a constant flow of pure oxygen gas, and a constant flow rate nitrogen supply system 50 that always supplies a constant flow rate of pure nitrogen gas. Oxygen and nitrogen from the two constant flow gas supply systems 30 and 50 can be mixed by the mixer 45 and supplied to the
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。
The working gas supply system of FIG. 10 includes a constant concentration mixed
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30、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。
The constant-concentration mixed
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。
Now, in the working gas supply system shown in FIGS. 9 and 10, one point to be noted is the configuration of the constant flow rate gas supply systems 30 and 50. That is,
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43,63,75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43,63,75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。
The second point to be noted is that the
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。 FIG. 11 shows a configuration example of another plasma torch to which the plasma cutting method according to the present invention can be applied.
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。 The plasma torch 101 is generally a multi-cylindrical shape as a whole, has a substantially cylindrical electrode 103 at the center thereof, and a substantially cylindrical nozzle 105 covers the outside of the electrode 103, and the outside of the nozzle 105 A first nozzle cap 107 having a substantially cylindrical shape covers the first nozzle cap 107, and a second nozzle cap 109 having a substantially cylindrical shape covers the outside of the first nozzle cap 107. The two nozzle caps 107, 109 are electrically insulated from the nozzle 105.
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。 The electrode 103 has therein a cooling water passage 111 through which cooling water passes, and has a heat-resistant insert 119 made of hafnium or zirconium at a tip portion where a plasma arc is generated.
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。 A working gas passage 113 is formed between the electrode 103 and the nozzle 105. The working gas is supplied into the working gas passage 113 from the base end side of the torch by a working gas supply system (not shown) and flows toward the tip of the torch. . An annular working gas swirler 121 is fitted in the middle of the working gas passage 113, and the working gas flow becomes a swirling flow when passing through the working gas swirler 121. At the tip of the nozzle 105, a nozzle orifice 131 having a sufficiently small diameter is opened so that the plasma arc can be narrowed sufficiently and jetted toward a jet stream. The nozzle 105 also has a cooling water passage for cooling it, but is not shown in FIG.
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。 A secondary gas passage 115 is formed between the nozzle 103 and the first nozzle cap 107. The secondary gas is supplied into the secondary gas passage 115 from the base end side of the torch by a secondary gas supply system (not shown). Flow toward the tip of the torch. An annular secondary gas swirler 123 is fitted in the middle of the secondary gas passage 115, and the secondary gas flow becomes a swirling flow when passing through the secondary gas swirler 123. The swirling direction of the secondary gas swirling flow is the same as the swirling direction of the working gas swirling flow. At the tip of the first nozzle cap 107, a secondary gas ejection port 133 from which a secondary gas is ejected is opened. The diameter of the secondary gas outlet 133 is larger than the diameter of the nozzle orifice 131. That is, the secondary gas outlet 133 is an annular opening surrounding the nozzle orifice 131.
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。
A tertiary gas passage 117 is formed between the first nozzle cap 107 and the second nozzle cap 109, and the tertiary gas is supplied into the tertiary gas passage 117 from the base end side of the torch by a tertiary gas supply system (not shown). Flow towards the tip. An annular tertiary gas swirler 125 is fitted in the middle of the tertiary gas passage 117, and the tertiary gas flow becomes a swirling flow when passing through the tertiary gas swirler 125. The swirling direction of the tertiary gas swirling flow is the same as the swirling direction of the working gas swirling flow. A tertiary gas jet 135 from which a tertiary gas is jetted is opened at the tip of the second nozzle cap 109. The diameter of the tertiary gas jet 135 is larger than the diameter of the
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10−314951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。 Here, there are three types of cylindrical components, each of which includes the nozzle 105, the first nozzle cap 107, and the second nozzle cap 109, each of which surrounds the electrode 103 and has a gas outlet. It should be noted that the terms "nozzle" and "nozzle cap" are used to refer to components having completely different roles. That is, the “nozzle” is a component having the narrowest gas ejection port for restraining and narrowing the plasma arc, and the gas supplied from the upstream side (inside) of the “nozzle” is ) Are all turned into plasma and are called working gas or plasma gas in that sense. On the other hand, the “nozzle cap” is located on the downstream side (outside) of the “nozzle”, has a gas outlet larger in diameter than the gas outlet (nozzle orifice) of the nozzle, and has a gas outlet between the nozzle cap and the nozzle. The gas supplied from the passage to the gas outlet is not converted into plasma, but surrounds the plasma arc as a shielding gas. The secondary gas and the tertiary gas in the present embodiment function as a shielding gas. This is important for understanding the present embodiment without being confused with, for example, a plasma torch having a “nozzle” having a multiplex structure disclosed in JP-A-9-239545 and JP-A-10-314951. .
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。 Now, in the plasma torch 101 having the above structure, the swirling flow of the working gas which has flowed to the vicinity of the tip of the electrode 103 during the cutting is turned into plasma here, and the high-speed jet flow narrowed sufficiently through the nozzle orifice 131 And gushes toward the torch. From the secondary gas outlet 133, the secondary gas swirl jets toward the torch ahead on the outer periphery of the plasma arc to form a secondary gas curtain on the outer periphery of the plasma arc. From the tertiary gas outlet 135, the tertiary gas swirl jets toward the front of the torch toward the outer periphery of the secondary gas curtain to form a tertiary gas curtain on the outer periphery of the secondary gas curtain. In this manner, a three-layer gas flow is formed in which the secondary gas curtain surrounds the outer periphery of the plasma gas of the working gas and the tertiary gas curtain surrounds the outer periphery.
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。 Here, a gas having a composition as illustrated in FIGS. 2 to 8 is used as the working gas. The secondary gas includes a gas having an oxygen concentration of less than air, for example, a non-oxidizing gas such as pure nitrogen, air, or a mixed gas of oxygen and nitrogen having an oxygen concentration of 20 mol% or less. used. As the tertiary gas, a gas having an oxygen concentration equal to or higher than air, for example, a pure oxygen gas, a mixed gas of oxygen and nitrogen having an oxygen concentration of 20 mol% or more, or a mixed gas of oxygen and air is used. .
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N1、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。 FIG. 2 schematically illustrates an example of the oxygen concentration of the working gas, the secondary gas, and the tertiary gas during cutting, with the horizontal axis representing the distance in the radial direction from the center of the plasma arc. The example of FIG. 2 shows a case where an oxygen / nitrogen (or oxygen / air) mixed gas having an oxygen concentration of 90 mol% is used as the working gas, pure nitrogen gas is used as the secondary gas, and pure oxygen gas is used as the tertiary gas. . As shown in the figure, the plasma arc (working gas) has a high oxygen concentration, but the oxygen concentration temporarily drops below air (secondary gas curtain) outside, and further the oxygen concentration becomes higher again than air outside. (Tertiary gas curtain). Thus, during cutting, assuming that the oxygen concentration of the working gas is N1, the oxygen concentration of the secondary gas is N2, and the oxygen concentration of the tertiary gas is N3, the conditions of N1> N2 and N2 <N3 are satisfied. The composition of each gas is chosen.
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。 When the gas composition during cutting is selected in this manner, the plasma arc is surrounded by the secondary gas curtain having a low oxygen concentration, so that the combustion reaction is suppressed in the region of the secondary gas curtain having a low oxygen concentration at a low temperature, and the cutting phenomenon proceeds. Because it disappears, the distribution of the heat source by the plasma arc (the high temperature and high oxygen concentration area where the metal of the workpiece can be melted and cut) becomes sharp along the shape of the plasma arc surrounded by the secondary gas curtain. Therefore, the problem of burning in oxygen plasma cutting is reduced, and sharpness is obtained. In addition, since the outer periphery of the secondary gas curtain is covered by the tertiary gas curtain richer in oxygen than air, the tertiary gas promotes oxidation of dross remaining on the cut surface immediately after cutting and in the vicinity thereof. The dross is easily blown off by the force of the tertiary gas jet because the surface tension is reduced and the fluidity is increased when the oxidation is promoted, and thus the dross is reduced. Also, even if some dross adheres to the cut surface and remains, it can be easily peeled off due to the progress of oxidation. In particular, since the burning is prevented by the secondary gas curtain having a low oxygen concentration, the oxygen concentration of the tertiary gas can be increased and a large amount of oxygen can be supplied to the cut groove of the work without being restricted by the burning. As a result, a high cutting quality with no burning and little dross adhesion can be obtained.
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。 Further, in the torch 101 of FIG. 11, the plasma arc is swirled, and the secondary gas curtain and the tertiary gas curtain around the plasma arc are swirled in the same direction as the swirling flow of the plasma arc. In this case, the bevel angle of the cut surface can be adjusted over a large variable range by adjusting the turning strength (flow rate) of the secondary gas curtain and the tertiary gas curtain. By having this bevel angle adjusting function, not only the cutting quality in terms of burning and dross can be improved, but also a desired bevel angle (typically 0 degrees) can be obtained, and the effect of further improving the cutting quality can be obtained. can get.
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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are merely examples for describing the present invention, and are not intended to limit the present invention to only these embodiments. Therefore, the present invention can be implemented in various modes other than the above-described embodiment.
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
DESCRIPTION OF
6 Working gas passage 7
33, 53, 43, 63, 75, 81
41, 61 Constant
Claims (12)
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し、
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%であるプラズマ切断装置。 In an apparatus for cutting a workpiece by a plasma arc,
A plasma torch with electrodes and nozzles,
A gas supply system for supplying a working gas between the electrode and the nozzle of the plasma torch,
Igniting a pilot arc between the electrode and the nozzle, then establishing a main arc between the electrode and the workpiece, maintaining the main arc while cutting the workpiece, when the cutting of the workpiece is finished A plasma power supply for extinguishing the main arc,
Has,
The gas supply system,
(1) Supplying nitrogen gas, air, or a mixed gas having a higher nitrogen concentration than air to the preflow section when the pilot arc is ignited,
(2) supplying a mixed gas containing oxygen and nitrogen to the section of the main flow during cutting the work;
A plasma cutting apparatus, wherein the mixed gas supplied to the section of the main flow has an oxygen concentration of 70 to 95 mol% and a nitrogen concentration of 30 to 5 mol%.
(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、
請求項1又は2記載のプラズマ切断装置。 The gas supply system,
(3) Supplying a nitrogen gas, air, or a mixed gas having a higher nitrogen concentration than air to a post flow section subsequent to the main flow section;
The plasma cutting device according to claim 1.
ガス源と、
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
を備えた請求項1〜3記載のプラズマ切断装置。 The gas supply system,
A gas source,
A gas flow path for flowing gas from the gas source to the plasma torch,
A flow control valve for setting a gas flow rate, provided in the gas flow path,
The plasma cutting apparatus according to claim 1, further comprising: a constant pressure difference valve provided in the gas flow path to maintain a pressure difference before and after the flow rate control valve constant.
複数のガス源と、
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
を備えた請求項1〜3記載のプラズマ切断装置。 The gas supply system,
Multiple gas sources;
A plurality of single gas flow paths that flow the respective gases from the plurality of gas sources to the plasma torch, and merge into an upstream of the plasma torch to form a mixed gas flow path,
A flow control valve provided in each single gas flow path for setting a flow rate of each gas,
The plasma cutting apparatus according to claim 1, further comprising: a constant pressure difference valve provided in each single gas flow path and acting to maintain a pressure difference before and after each flow rate control valve constant.
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5記載のプラズマ切断装置。 The gas supply system,
Further comprising an additional single gas flow path for supplying a single gas from one gas source to the plasma torch;
Upstream of the plasma torch, the additional single gas flow path and the mixed gas flow path merge in a form in which gas from one of the flow paths is selectively supplied to the plasma torch,
The plasma cutting device according to claim 5.
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。 In an apparatus for cutting a workpiece by a plasma arc,
A plasma torch with electrodes and nozzles,
A gas supply system for supplying a working gas between the electrode and the nozzle of the plasma torch,
Igniting a pilot arc between the electrode and the nozzle, then establishing a main arc between the electrode and the workpiece, maintaining the main arc while cutting the workpiece, when the cutting of the workpiece is finished A plasma power supply for extinguishing the main arc,
Has,
The electrode is made of hafnium, zirconium or an alloy thereof,
A plasma cutting device, wherein the gas supply system supplies a mixed gas having an oxygen concentration of 70 to 95 mol% and a nitrogen concentration of 30 to 5 mol% to a section of a main flow while cutting the work.
ガス源と、
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
を備えた請求項6記載のプラズマ切断装置。 The gas supply system,
A gas source,
A gas flow path for flowing gas from the gas source to the plasma torch,
A flow control valve for setting a gas flow rate, provided in the gas flow path,
7. The plasma cutting apparatus according to claim 6, further comprising: a constant differential pressure valve provided in the gas flow path, the constant differential pressure valve acting to maintain a constant differential pressure before and after the flow control valve.
複数のガス源と、
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
を備えた請求項6記載のプラズマ切断装置。 The gas supply system,
Multiple gas sources;
A plurality of single gas flow paths that flow the respective gases from the plurality of gas sources to the plasma torch, and merge into an upstream of the plasma torch to form a mixed gas flow path,
A flow control valve provided in each single gas flow path for setting a flow rate of each gas,
7. The plasma cutting apparatus according to claim 6, further comprising: a constant differential pressure valve provided in each single gas flow path and acting to keep a differential pressure before and after each flow control valve constant.
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10記載のプラズマ切断装置。 The gas supply system,
Further comprising an additional single gas flow path for supplying a single gas from one gas source to the plasma torch;
Upstream of the plasma torch, the additional single gas flow path and the mixed gas flow path merge in a form in which gas from one of the flow paths is selectively supplied to the plasma torch,
The plasma cutting device according to claim 10.
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JP2017064738A (en) * | 2015-09-29 | 2017-04-06 | 大陽日酸株式会社 | Method of plasma welding |
CN108453359A (en) * | 2018-01-30 | 2018-08-28 | 海宁杰盛新材料有限公司 | A kind of cutting machine for splash guard processing |
WO2024178171A1 (en) * | 2023-02-22 | 2024-08-29 | Hypertherm, Inc. | Gas supply for a plasma arc material processing system |
-
2004
- 2004-01-14 JP JP2004006459A patent/JP2004160555A/en active Pending
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