JP2004195488A - プラズマ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ピアシング時に発生するスパッタによるノズルのダメージを回避するとともに、パイロットアークによるノズルの劣化を抑制して、ノズルの寿命を大幅に延長する。
【解決手段】プラズマアークを発生させてピアシングを開始するときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離である初期高さＦＨを、切断を行うときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離である切断高さＣＨと同じ高さにして位置決めし、プラズマアークの発生後、直ちに初期高さＦＨより鋼板Ｗから離れた位置であるピアス高さＰＨまでプラズマトーチ６を上昇させ、そのピアス高さ位置にてピアシングを実施し、ピアシングの完了後、切断高さＣＨまでプラズマトーチ６を下降させて切断を開始する。また、パイロットアークＰＡからメインアークＭＡに移行直後に、トランジスタ２６のオフ作用にてパイロット電流Ｉｐを遮断する。
【選択図】 図３
【解決手段】プラズマアークを発生させてピアシングを開始するときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離である初期高さＦＨを、切断を行うときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離である切断高さＣＨと同じ高さにして位置決めし、プラズマアークの発生後、直ちに初期高さＦＨより鋼板Ｗから離れた位置であるピアス高さＰＨまでプラズマトーチ６を上昇させ、そのピアス高さ位置にてピアシングを実施し、ピアシングの完了後、切断高さＣＨまでプラズマトーチ６を下降させて切断を開始する。また、パイロットアークＰＡからメインアークＭＡに移行直後に、トランジスタ２６のオフ作用にてパイロット電流Ｉｐを遮断する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマトーチから発生されるプラズマアークによってピアシングや切断を行うプラズマ加工方法に関し、より詳しくはプラズマトーチのノズル寿命を向上させ得るピアシング動作を含んでなるプラズマ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械的、電気的に収束されたプラズマ柱を持つアークの高密度熱を利用したプラズマ加工方法は、高精度・高能率な切断を実現できることから広く実用に供されている。このプラズマ加工方法では、一般にプラズマトーチからプラズマアークを発生させ、そのプラズマアークを安定的に持続させてプラズマトーチを移動させることによって切断加工が行なわれる。
【０００３】
前記プラズマトーチは、電極とその電極を覆うように配設されるノズルを備えてなり、その電極とノズルとの間に画成される通路を介してプラズマガスを被切断材に向けて噴出するように構成されている。このプラズマトーチを用いて被切断材を切断する際には、まず電極とノズルとの間にパイロットアークを発生させ、その後パイロットアークを成長させるようにしてメインアークに移行させることにより、高温かつ高密度エネルギのプラズマアークを電極と被切断材との間に発生させる。
【０００４】
このプラズマトーチから発生されるプラズマアークを用いて例えば鋼板を各種形状に切断する場合、鋼板の端部から切断を開始する方法と、鋼板上の所定の位置に貫通穴を設けその貫通穴から切断を開始する方法とがある。後者は所謂ピアシングスタートと呼ばれ、このピアシングスタートによれば、鋼板面内において所望の形状を切り抜き切断することができるので、ＮＣを用いた自動切断においては、通常このピアシングスタートが主流である。
【０００５】
ところが、このピアシングスタートで鋼板を切断する場合、プラズマアークにより切断開始部に貫通穴を形成するピアシングと呼ばれる動作の間に、そのプラズマアークによって溶融された金属がスパッタ（溶融金属の飛沫）になって吹き上げられ、この吹き上げられたスパッタがノズルに付着する恐れがある。ノズルに付着したスパッタは、ノズルの溶損やダブルアークの発生の原因になってノズルにダメージを与えるため、切断品質を著しく低下させる元凶になっている。
【０００６】
従来、このようなスパッタによるノズルのダメージを回避するために、図５（ａ）の▲１▼〜▲４▼に示されるように、プラズマトーチ５１を鋼板Ｗに対してプラズマアークが着火可能な最高の高さ位置ｈ１まで移動させ（▲１▼）、その高さ位置においてピアシングを行い（▲２▼〜▲３▼）、ピアシングが完了してスパッタの吹き上がりがなくなった後に、切断に適した高さ位置ｈ２までプラズマトーチ５１を下降させて切断を開始する（▲４▼）というピアシング方法が一般的に行なわれている。また、この従来一般的に行なわれていたピアシング方法を改良したものが特許文献１にて提案されており、この特許文献１にて提案されたピアシング方法（以下、「上昇ピアシング方法」と称する。）においては、同図（ｂ）の▲１▼〜▲４▼に示されるように、プラズマトーチ５１を鋼板Ｗに対してプラズマアークが着火可能な上限高さ位置Ｈ１まで移動させてその高さ位置にてプラズマアークを着火させ（▲１▼〜▲２▼）、その後ピアシングの開始と同時に、スパッタの吹き上がりによるノズルダメージを回避するため、プラズマアークが保持できる範囲でプラズマトーチ５１を所定距離上昇させた高さ位置Ｈ２にてピアシングを実施し（▲３▼）、ピアシングが終了したら切断に適した高さ位置Ｈ３にプラズマトーチを下降させて切断を開始する（▲４▼）ようにされている。
【０００７】
ここで、プラズマアークを最初に形成する高さを「初期高さ」、ピアシングを実施する高さを「ピアス高さ」、切断を実施する高さを「切断高さ」と言った具合にそれぞれ定義すると、前記一般的なピアシング方法では、初期高さｈ１とピアス高さとが同じ高さに設定され、かつ初期高さｈ１は切断高さｈ２よりも高く設定されている。また、前記上昇ピアシング方法では、初期高さＨ１はピアス高さＨ２よりも低く設定され、かつ初期高さＨ１は切断高さＨ３よりも高く設定されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３５１０７６号公報
【０００９】
ところで、ノズルのダメージは前述の付着スパッタによってもたらされる以外にパイロットアークによってももたらされる。つまり前記パイロットアークはメインアークと同様に高密度の熱エネルギを有するため、パイロットアークが発生されている時間が長ければ長い程、ノズルが溶損される度合が高くなるのである。このような不具合を防止し得る技術が、本出願人の先願である特願２００２−０２１２８４号にて提案されており、この先願発明に係る技術では、パイロットアークを形成する際のパイロット電流回路とメインアークを形成する際のメイン電流回路との切換をトランジスタ化するとともに、パイロット電流回路に適当な抵抗を介挿することにより、パイロットアークからメインアークへの移行をより高速で行わせ、パイロットアークよりノズルが溶損されるのを抑制するようにされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記一般的なピアシング方法および上昇ピアシング方法では、ピアシング時に発生するスパッタによるノズルへのダメージは回避できるものの、パイロットアークによってノズルを劣化させてしまうという問題点がある。すなわち、それらのピアシング方法においては、初期高さが比較的高い位置（切断高さの２倍程度）に設定されているために、（Ａ）パイロットアークを成長させてメインアークに移行させる際に、より大きなパイロット電流が必要になり、また（Ｂ）電極−ノズル間における放電経路の電気抵抗に比し電極−鋼板間における放電経路の電気抵抗が極端に大きくなることから、ノズルへの電流の流入が起き易くなって、パイロットアークからメインアークへの移行が遅れる傾向にある。これら（Ａ）（Ｂ）のことから、ノズルはパイロットアークによって過剰に溶損されてしまうのである。また、このように初期高さを高く設定することにより、アークの着火不良を招く恐れがあるという問題点もある。つまり、前記（Ａ）のことからパイロット電流を高く設定する必要があるが、パイロット電流の調整が不充分で電流が低いと、パイロットアークの勢力が弱く、メインアークに移行させることができずにアーク着火に失敗する。ここで、パイロット電流を調整する手間を省くために、パイロット電流を機器が出力し得る最高値に固定することも考えられるが、その場合、パイロットアークによるノズルの溶損を更に加速させる結果を招いてしまう。
【００１１】
また、前述の先願発明に係る技術では、パイロットアークからメインアークへの高速移行によってある程度のノズル劣化抑制効果は期待できるものの、やはり初期高さが比較的高い位置（切断高さの２倍程度）に設定されていることから、まだ改善の余地があると言える。
【００１２】
本発明は、以上述べたような問題点や状況に鑑みてなされたもので、ピアシング時に発生するスパッタによるノズルのダメージを回避することができるとともに、パイロットアークによるノズルの劣化を確実に抑制することができ、これによりノズルの寿命を大幅に延長させることができるプラズマ加工方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明によるプラズマ加工方法は、
プラズマアークにより加工ワークにピアシングを施し、かつそのピアシングを施した位置から切断を開始するプラズマ加工方法において、
（ａ）前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成する電極とそのプラズマアークの母体になるプラズマガスを噴出させるノズルとを有するプラズマトーチをその加工ワークのピアシング位置に相対移動させ、そのプラズマトーチを加工ワークに対して、切断を行うときのプラズマトーチと加工ワークとの距離である切断高さと同一または略同一もしくはその切断高さよりも加工ワーク寄りでダブルアークが起きない高さである初期高さに相対位置決めする第１工程、
（ｂ）前記プラズマトーチの位置決め後、前記電極とノズルとの間に発生させたパイロットアークを先導としてその電極と前記加工ワークとの間のメインアークに移行させることにより、プラズマアークを形成し、そのプラズマアークを保持しながら前記初期高さより加工ワークから離れた位置であるピアス高さに、前記プラズマトーチを相対移動させる第２工程、
（ｃ）その後、ピアシングが完了するまで前記プラズマトーチを前記ピアス高さに停止させた状態で前記プラズマアークを保持させる第３工程および
（ｄ）前記ピアシング完了後、前記切断高さにプラズマトーチを相対移動させて切断を開始する第４工程を有することを特徴とするものである（第１発明）。
【００１４】
本発明によれば、ピアシングを行う直前において加工ワークと電極との間にプラズマアークを形成する際の加工ワークとプラズマトーチとの距離である初期高さが、切断を行うときのプラズマトーチと加工ワークとの距離である切断高さと同一または略同一もしくはその切断高さよりも加工ワーク寄りでダブルアークが起きない高さに設定されるので、従来に比し少ないパイロット電流にてパイロットアークをメインアークへと移行させることができるとともに、電極−ノズル間における放電経路の電気抵抗と電極−加工ワーク間における放電経路の電気抵抗との差が縮まるので、パイロットアークからメインアークへの移行をスムーズに行うことができる。したがって、ノズルがパイロットアークによって溶損される度合が軽減されるので、ノズルの劣化を抑制しその寿命の延長化を図ることができるという効果を奏する。また、初期高さにおいて電極と加工ワークとの間にプラズマアークを形成した後、そのプラズマアークを保持しつつその初期高さより加工ワークから離れた位置であるピアス高さにプラズマトーチを相対移動させ、その後ピアシングが完了するまでプラズマトーチをそのピアス高さに停止させた状態でプラズマアークを保持させるようにされているので、ピアシング時に発生するスパッタ（溶融金属の飛沫）がノズルに付着するのを防止することができ、スパッタによるノズルのダメージを回避することができる。
【００１５】
本発明において、前記パイロットアークから前記メインアークへ移行させた直後に、前記パイロットアークにパイロット電流を供給するパイロット電流回路における、前記ノズルに繋がるラインに介挿された半導体スイッチにより、前記パイロット電流を遮断するのが好ましい（第２発明）。こうすれば、パイロットアークからメインアークに移行させた後に、電極とノズル間にパイロット電流が流れている時間を極めて短くすることができるので、パイロットアークによるノズルの劣化を更に抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるプラズマ加工方法の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１には、本発明の一実施形態に係るプラズマ切断装置の全体斜視図が示されている。また、図２（ａ）には本実施形態におけるプラズマ切断装置の要部概略構成図が示され、同図（ｂ）〜（ｆ）にはプラズマアーク発生回路およびその作動を説明する図が示されている。
【００１８】
本実施形態のプラズマ切断装置１においては、図１に示されるように、被切断材（加工ワーク）である鋼板Ｗを支持する切断定盤（切断架台）２が矩形状のフレーム３の内側空間に配されるとともに、このフレーム３を跨ぐように門形の走行ビーム４が配され、この走行ビーム４上にキャリッジ５が配されて、そのキャリッジ５にプラズマトーチ６が装着されている。
【００１９】
前記走行ビーム４は、Ｘ軸モータ７の駆動によりフレーム３の長手方向（Ｘ軸方向）に配されるＸ軸レール８に沿ってＸ軸方向に走行可能とされ、前記キャリッジ５は、Ｙ軸モータ９の駆動により走行ビーム４上に配されるＹ軸レール１０に沿ってＹ軸方向に走行可能とされている。また、前記プラズマトーチ６は、Ｚ軸モータ１１の駆動によりキャリッジ５に対して上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能とされている。こうして、各モータ７，９，１１を制御することで、プラズマトーチ６は鋼板Ｗの任意の位置へ移動されるとともに、任意の高さ位置に位置決めされて鋼板Ｗの切断加工が行なわれる。
【００２０】
前記プラズマトーチ６は、図２（ａ）に示されるように、先端部が先細りの略円筒形状のものであって、トーチケーブル１２、中継ボックス１３および電源ケーブル１４を介してプラズマ電源ユニット１５の一方の端子（マイナス端子）に接続され、このプラズマ電源ユニット１５の他方の端子（プラス端子）は、母材ケーブル１６を介してプラズマトーチ６の先方に配される鋼板Ｗに接続されている。
【００２１】
ここで、プラズマトーチ６は、図２（ｂ）に示されるように、先端部において中心位置に配置される略円柱状の電極１７と、この電極１７の外周側を覆うように配設される略円筒形状でかつ鋼板Ｗに対向する面（先端面）に細い口径のノズルオリフィス１８ａを有するノズル１８を備えてなり、電極１７とノズル１８との間には作動ガス通路Ｒが形成されている。この作動ガス通路Ｒには、図示されない作動ガス供給系統から作動ガス（プラズマガス：本実施形態では酸素）がノズル１８の基端側から供給されるとともに、ノズルオリフィス１８ａから鋼板Ｗに向けて噴出するようにされている。
【００２２】
そして、このプラズマトーチ６における電極１７は、電源ライン２０を介してプラズマ電源ユニット１５における定電流電源１５ａのマイナス端子に接続されている。また、この定電流電源１５ａにおけるプラス端子からの電源ラインは、パイロット電流Ｉｐを供給するパイロット電流回路２１、およびメイン電流Ｉｍを供給するメイン電流回路２２の２系統ラインに分岐され、それぞれノズル１８および鋼板Ｗに接続されている。
【００２３】
前記電源ライン２０には、高周波発生器２３が介挿されており、この高周波発生器２３の作動により、電極１７とノズル１８との間に火花放電を起こすようにされている。なお、図２（ｂ）中符号２４で示されるのは、高周波バイパス用コンデンサである。
【００２４】
前記パイロット電流回路２１には、電極１７とノズル１８との間に形成されたパイロットアークＰＡ（図２（ｄ）参照）から、電極１７と鋼板Ｗとの間に形成するメインアークＭＡ（図２（ｅ）参照）へとスムーズに移行させるための抵抗２５と、スイッチング用のトランジスタ（半導体スイッチ）２６と、電極１７とノズル１８との間に流れるパイロット電流Ｉｐを検出するパイロット電流検出器２７とが直列に接続されて設けられている。ここで、例えば当該プラズマ切断機１が２０Ａ程度の定格パイロット電流値仕様の場合、抵抗２５の抵抗値が２Ω未満であると、ノズル１８への流入電流が極端に増加する傾向にあるので、その抵抗値は２Ω以上であるのが好ましい（より好ましくは４〜８Ω）。なお、本実施形態において、トランジスタ２６のベースには、図示省略されるコントローラからの制御指令信号が入力されるようになっている。また、トランジスタ２６は、スイッチング素子としてＩＧＢＴのような高速で作動するものを採用している。また、パイロット電流回路２１に、必要に応じてスイッチング時のサージを吸収するためのダイオード等で構成されるサージ吸収用回路（図示せず）を追加してもよい。
【００２５】
前記メイン電流回路２２には、パイロットアークＰＡの先導によりメインアークＭＡが形成された際に（図２（ｄ）（ｅ）参照）、電極１７と鋼板Ｗとの間にメイン電流Ｉｍが流れたことを検出するためのメイン電流検出器２８が介挿されている。そして、本実施形態では、例えば３アンペア程度の小電流がメイン電流回路２２に流れると、それをメイン電流検出器２８にて検出し、直ちにパイロット電流回路２１におけるトランジスタ２６をオフ作用させて、電極１７とノズル１８との間に流れているパイロット電流Ｉｐを瞬時に遮断できるようにされている。こうして、電極１７とノズル１８との間にパイロット電流Ｉｐが流れている時間を極めて短くすることによっても、パイロットアークによるノズルの劣化を抑制するようにされている。
【００２６】
このように構成されるプラズマアーク発生回路においては、プラズマ切断機１に起動信号が入力されると、定電流電源１５ａが作動され、図２（ｂ）に示されるように、トランジスタ２６のオン作用にて電極１７がマイナスに、ノズル１８および鋼板Ｗがプラスとなるように直流電圧が印加される。これと同時に、プラズマトーチ６内の作動ガス通路Ｒにプリフローとしての酸素ガスが供給される。なお、このプリフローは、作動ガス通路Ｒ内の空気を完全に酸素に置換するとともに、ガス流量が安定するまでの時間的余裕を得るために行なわれる。このプリフローの後、図２（ｃ）に示されるように、高周波発生器２３の作動にて電極１７とノズル１８との間に高周波高電圧が印加されると、電極１７とノズル１８との間に火花放電が起こり、この火花放電を種として、図２（ｄ）に示されるように、電極１７とノズル１８との間にパイロットアークＰＡが形成され、定電流電源１５ａから抵抗２５およびトランジスタ２６を介してノズル１８、そしてパイロットアークＰＡから電極１７を経由して定電流電源１５ａに戻る回路をパイロット電流Ｉｐが流れる。なお、この時、定電流電源１５ａは最大出力を出す状態であり、つまり略定電圧源として機能しているため、前記パイロット電流Ｉｐは抵抗２５によって垂下特性が与えられ、電源特性とアーク電圧とが平衡した状態で安定する。
【００２７】
次いで、図２（ｅ）に示されるように、パイロットアークＰＡを先導として、電極１７と鋼板Ｗとの間に電気的導通が確保されると、前記パイロット電流Ｉｐの一部がメイン電流Ｉｍとなって鋼板Ｗに流れ、メインアークＭＡが形成される。これをメイン電流検出器２８にて検出し、トランジスタ２６のオフ作用にて電極１７とノズル１８との間に流れているパイロット電流Ｉｐを遮断することにより、図２（ｆ）に示されるようなメインアークＭＡ（プラズマアーク）だけの回路となり、メイン電流Ｉｍのみが流れる。そして、予め設定された切断電流値（メイン電流Ｉｍ）維持するように、メイン電流検出器２８の出力値とその設定値とを比較しながら定電流制御が行なわれ、鋼板Ｗに対してピアシングや切断加工が行なわれる。
【００２８】
次に、このようにして発生されるプラズマアークにより、鋼板Ｗの切断開始部に貫通穴を形成するピアシングについて、図３のピアシング動作説明図を参照しつつ工程毎に順を追って説明する。なお、ここでは、９０〔Ａ〕の出力を有する酸素プラズマ切断機で板厚１９〔ｍｍ〕の軟鋼板をピアシングスタートにより切断する場合におけるピアシングを例にして説明する。
【００２９】
〔工程１：図３（ａ）参照〕
プラズマトーチ６の中心をＮＣ装置（図示省略）によって予め指定されている切断開始位置（ピアシング位置）に合致させるようにプリフローを行いながら移動させ、プラズマトーチ６の中心がピアシング位置に合致した所において、初期高さＦＨ、つまりプラズマアークを発生させてピアシングを開始するときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離を、切断を行うときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離である切断高さＣＨと同じ３〔ｍｍ〕にして位置決めする（工程１）。
【００３０】
〔工程２：図３（ｂ）（ｃ）参照〕
前記工程１によるプラズマトーチ６の位置決め完了後、プラズマトーチ６の電極１７と鋼板Ｗとの間にプラズマアークを発生させ、その後直ちに、スパッタ（溶融金属の飛沫）の吹き上がりによるノズル１８へのスパッタ付着を免れるために、そのプラズマアークを保持しながら初期高さＦＨより鋼板Ｗから離れた位置で、かつスパッタを回避することができる高さであるピアス高さＰＨ（ＰＨ＝１５〔ｍｍ〕）までプラズマトーチ６をピアシングが進行するスピードよりも速い１０００〔ｍｍ／分〕で上昇させる。なおここで、プラズマアークを発生させる際のパイロット電流Ｉｐは、図４（ａ）のパイロット電流−初期高さの相関図から９〔Ａ〕である。
【００３１】
〔工程３：図３（ｃ）参照〕
前記工程２の後、ピアシングが完了するまでプラズマトーチ６をそのピアス高さＰＨに停止させた状態でプラズマアークを保持させる。この際の保持時間は１秒程度である。
【００３２】
〔工程４：図３（ｄ）参照〕
前記工程３によるピアシングの完了後、良好な切断面を得ることができる最適な高さである切断高さＣＨ（ＣＨ＝３〔ｍｍ〕）までプラズマトーチ６を下降させて切断を開始する。
【００３３】
本実施形態のピアシングでは、初期高さＦＨ＝３〔ｍｍ〕であるから図４（ａ）よりパイロット電流Ｉｐ＝９〔Ａ〕となり、同図（ｂ）よりノズル寿命回数（所定レベルの切断品質を維持できる点弧回数）が１０００回程度となった。従来は、ＣＨ＝３〔ｍｍ〕に対してＦＨ＝８〔ｍｍ〕で、図４（ａ）よりＩｐ＝２４〔Ａ〕、よって同図（ｂ）よりノズル寿命回数が３００回程度であった。つまり従来と比較してノズル寿命が２倍以上も延長された。
【００３４】
本実施形態によれば、切断品質に大きく影響するノズル１８のダメージを、スパッタによるものだけではなく、パイロットアークＰＡによるものについても大幅に軽減できるので、ノズルの長寿命化を実現することができる。これにより、ノズル１８の交換に伴うランニングコストを低減できるだけでなく、切断品質を長時間安定に維持することができるので、作業性も大幅に向上させることができるという効果を奏する。
【００３５】
さらに、本実施形態によれば、板厚に依らず初期高さを低い位置に設定することができるので、パイロットアークＰＡからメインアークへの移行が容易になり、着火の信頼性が向上するという利点がある。また、板厚に依らず初期高さを一定にすることも可能であり、これによりパイロット電流Ｉｐの調整が不要になり、取扱いが容易になるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ切断装置の全体斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態におけるプラズマ切断装置の要部概略構成図（ａ）、並びにプラズマアーク発生回路およびその作動を説明する図（ｂ）〜（ｆ）である。
【図３】図３は、本実施形態のピアシングの動作説明図である。
【図４】図４は、パイロット電流−初期高さの相関図（ａ）およびノズル寿命回数−パイロット電流の相関図（ｂ）である。
【図５】図５は、従来のピアシングの動作説明図である。
【符号の説明】
１ プラズマ切断装置
６ プラズマトーチ
１７ 電極
１８ ノズル
２１ パイロット電流回路
２６ トランジスタ（半導体スイッチ）
ＦＨ 初期高さ
ＰＨ ピアス高さ
ＣＨ 切断高さ
ＰＡ パイロットアーク
ＭＡ メインアーク
Ｗ 加工ワーク（鋼板）
Ｉｐ パイロット電流
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマトーチから発生されるプラズマアークによってピアシングや切断を行うプラズマ加工方法に関し、より詳しくはプラズマトーチのノズル寿命を向上させ得るピアシング動作を含んでなるプラズマ加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械的、電気的に収束されたプラズマ柱を持つアークの高密度熱を利用したプラズマ加工方法は、高精度・高能率な切断を実現できることから広く実用に供されている。このプラズマ加工方法では、一般にプラズマトーチからプラズマアークを発生させ、そのプラズマアークを安定的に持続させてプラズマトーチを移動させることによって切断加工が行なわれる。
【０００３】
前記プラズマトーチは、電極とその電極を覆うように配設されるノズルを備えてなり、その電極とノズルとの間に画成される通路を介してプラズマガスを被切断材に向けて噴出するように構成されている。このプラズマトーチを用いて被切断材を切断する際には、まず電極とノズルとの間にパイロットアークを発生させ、その後パイロットアークを成長させるようにしてメインアークに移行させることにより、高温かつ高密度エネルギのプラズマアークを電極と被切断材との間に発生させる。
【０００４】
このプラズマトーチから発生されるプラズマアークを用いて例えば鋼板を各種形状に切断する場合、鋼板の端部から切断を開始する方法と、鋼板上の所定の位置に貫通穴を設けその貫通穴から切断を開始する方法とがある。後者は所謂ピアシングスタートと呼ばれ、このピアシングスタートによれば、鋼板面内において所望の形状を切り抜き切断することができるので、ＮＣを用いた自動切断においては、通常このピアシングスタートが主流である。
【０００５】
ところが、このピアシングスタートで鋼板を切断する場合、プラズマアークにより切断開始部に貫通穴を形成するピアシングと呼ばれる動作の間に、そのプラズマアークによって溶融された金属がスパッタ（溶融金属の飛沫）になって吹き上げられ、この吹き上げられたスパッタがノズルに付着する恐れがある。ノズルに付着したスパッタは、ノズルの溶損やダブルアークの発生の原因になってノズルにダメージを与えるため、切断品質を著しく低下させる元凶になっている。
【０００６】
従来、このようなスパッタによるノズルのダメージを回避するために、図５（ａ）の▲１▼〜▲４▼に示されるように、プラズマトーチ５１を鋼板Ｗに対してプラズマアークが着火可能な最高の高さ位置ｈ１まで移動させ（▲１▼）、その高さ位置においてピアシングを行い（▲２▼〜▲３▼）、ピアシングが完了してスパッタの吹き上がりがなくなった後に、切断に適した高さ位置ｈ２までプラズマトーチ５１を下降させて切断を開始する（▲４▼）というピアシング方法が一般的に行なわれている。また、この従来一般的に行なわれていたピアシング方法を改良したものが特許文献１にて提案されており、この特許文献１にて提案されたピアシング方法（以下、「上昇ピアシング方法」と称する。）においては、同図（ｂ）の▲１▼〜▲４▼に示されるように、プラズマトーチ５１を鋼板Ｗに対してプラズマアークが着火可能な上限高さ位置Ｈ１まで移動させてその高さ位置にてプラズマアークを着火させ（▲１▼〜▲２▼）、その後ピアシングの開始と同時に、スパッタの吹き上がりによるノズルダメージを回避するため、プラズマアークが保持できる範囲でプラズマトーチ５１を所定距離上昇させた高さ位置Ｈ２にてピアシングを実施し（▲３▼）、ピアシングが終了したら切断に適した高さ位置Ｈ３にプラズマトーチを下降させて切断を開始する（▲４▼）ようにされている。
【０００７】
ここで、プラズマアークを最初に形成する高さを「初期高さ」、ピアシングを実施する高さを「ピアス高さ」、切断を実施する高さを「切断高さ」と言った具合にそれぞれ定義すると、前記一般的なピアシング方法では、初期高さｈ１とピアス高さとが同じ高さに設定され、かつ初期高さｈ１は切断高さｈ２よりも高く設定されている。また、前記上昇ピアシング方法では、初期高さＨ１はピアス高さＨ２よりも低く設定され、かつ初期高さＨ１は切断高さＨ３よりも高く設定されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３５１０７６号公報
【０００９】
ところで、ノズルのダメージは前述の付着スパッタによってもたらされる以外にパイロットアークによってももたらされる。つまり前記パイロットアークはメインアークと同様に高密度の熱エネルギを有するため、パイロットアークが発生されている時間が長ければ長い程、ノズルが溶損される度合が高くなるのである。このような不具合を防止し得る技術が、本出願人の先願である特願２００２−０２１２８４号にて提案されており、この先願発明に係る技術では、パイロットアークを形成する際のパイロット電流回路とメインアークを形成する際のメイン電流回路との切換をトランジスタ化するとともに、パイロット電流回路に適当な抵抗を介挿することにより、パイロットアークからメインアークへの移行をより高速で行わせ、パイロットアークよりノズルが溶損されるのを抑制するようにされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記一般的なピアシング方法および上昇ピアシング方法では、ピアシング時に発生するスパッタによるノズルへのダメージは回避できるものの、パイロットアークによってノズルを劣化させてしまうという問題点がある。すなわち、それらのピアシング方法においては、初期高さが比較的高い位置（切断高さの２倍程度）に設定されているために、（Ａ）パイロットアークを成長させてメインアークに移行させる際に、より大きなパイロット電流が必要になり、また（Ｂ）電極−ノズル間における放電経路の電気抵抗に比し電極−鋼板間における放電経路の電気抵抗が極端に大きくなることから、ノズルへの電流の流入が起き易くなって、パイロットアークからメインアークへの移行が遅れる傾向にある。これら（Ａ）（Ｂ）のことから、ノズルはパイロットアークによって過剰に溶損されてしまうのである。また、このように初期高さを高く設定することにより、アークの着火不良を招く恐れがあるという問題点もある。つまり、前記（Ａ）のことからパイロット電流を高く設定する必要があるが、パイロット電流の調整が不充分で電流が低いと、パイロットアークの勢力が弱く、メインアークに移行させることができずにアーク着火に失敗する。ここで、パイロット電流を調整する手間を省くために、パイロット電流を機器が出力し得る最高値に固定することも考えられるが、その場合、パイロットアークによるノズルの溶損を更に加速させる結果を招いてしまう。
【００１１】
また、前述の先願発明に係る技術では、パイロットアークからメインアークへの高速移行によってある程度のノズル劣化抑制効果は期待できるものの、やはり初期高さが比較的高い位置（切断高さの２倍程度）に設定されていることから、まだ改善の余地があると言える。
【００１２】
本発明は、以上述べたような問題点や状況に鑑みてなされたもので、ピアシング時に発生するスパッタによるノズルのダメージを回避することができるとともに、パイロットアークによるノズルの劣化を確実に抑制することができ、これによりノズルの寿命を大幅に延長させることができるプラズマ加工方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明によるプラズマ加工方法は、
プラズマアークにより加工ワークにピアシングを施し、かつそのピアシングを施した位置から切断を開始するプラズマ加工方法において、
（ａ）前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成する電極とそのプラズマアークの母体になるプラズマガスを噴出させるノズルとを有するプラズマトーチをその加工ワークのピアシング位置に相対移動させ、そのプラズマトーチを加工ワークに対して、切断を行うときのプラズマトーチと加工ワークとの距離である切断高さと同一または略同一もしくはその切断高さよりも加工ワーク寄りでダブルアークが起きない高さである初期高さに相対位置決めする第１工程、
（ｂ）前記プラズマトーチの位置決め後、前記電極とノズルとの間に発生させたパイロットアークを先導としてその電極と前記加工ワークとの間のメインアークに移行させることにより、プラズマアークを形成し、そのプラズマアークを保持しながら前記初期高さより加工ワークから離れた位置であるピアス高さに、前記プラズマトーチを相対移動させる第２工程、
（ｃ）その後、ピアシングが完了するまで前記プラズマトーチを前記ピアス高さに停止させた状態で前記プラズマアークを保持させる第３工程および
（ｄ）前記ピアシング完了後、前記切断高さにプラズマトーチを相対移動させて切断を開始する第４工程を有することを特徴とするものである（第１発明）。
【００１４】
本発明によれば、ピアシングを行う直前において加工ワークと電極との間にプラズマアークを形成する際の加工ワークとプラズマトーチとの距離である初期高さが、切断を行うときのプラズマトーチと加工ワークとの距離である切断高さと同一または略同一もしくはその切断高さよりも加工ワーク寄りでダブルアークが起きない高さに設定されるので、従来に比し少ないパイロット電流にてパイロットアークをメインアークへと移行させることができるとともに、電極−ノズル間における放電経路の電気抵抗と電極−加工ワーク間における放電経路の電気抵抗との差が縮まるので、パイロットアークからメインアークへの移行をスムーズに行うことができる。したがって、ノズルがパイロットアークによって溶損される度合が軽減されるので、ノズルの劣化を抑制しその寿命の延長化を図ることができるという効果を奏する。また、初期高さにおいて電極と加工ワークとの間にプラズマアークを形成した後、そのプラズマアークを保持しつつその初期高さより加工ワークから離れた位置であるピアス高さにプラズマトーチを相対移動させ、その後ピアシングが完了するまでプラズマトーチをそのピアス高さに停止させた状態でプラズマアークを保持させるようにされているので、ピアシング時に発生するスパッタ（溶融金属の飛沫）がノズルに付着するのを防止することができ、スパッタによるノズルのダメージを回避することができる。
【００１５】
本発明において、前記パイロットアークから前記メインアークへ移行させた直後に、前記パイロットアークにパイロット電流を供給するパイロット電流回路における、前記ノズルに繋がるラインに介挿された半導体スイッチにより、前記パイロット電流を遮断するのが好ましい（第２発明）。こうすれば、パイロットアークからメインアークに移行させた後に、電極とノズル間にパイロット電流が流れている時間を極めて短くすることができるので、パイロットアークによるノズルの劣化を更に抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるプラズマ加工方法の具体的な実施の形態につき、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１には、本発明の一実施形態に係るプラズマ切断装置の全体斜視図が示されている。また、図２（ａ）には本実施形態におけるプラズマ切断装置の要部概略構成図が示され、同図（ｂ）〜（ｆ）にはプラズマアーク発生回路およびその作動を説明する図が示されている。
【００１８】
本実施形態のプラズマ切断装置１においては、図１に示されるように、被切断材（加工ワーク）である鋼板Ｗを支持する切断定盤（切断架台）２が矩形状のフレーム３の内側空間に配されるとともに、このフレーム３を跨ぐように門形の走行ビーム４が配され、この走行ビーム４上にキャリッジ５が配されて、そのキャリッジ５にプラズマトーチ６が装着されている。
【００１９】
前記走行ビーム４は、Ｘ軸モータ７の駆動によりフレーム３の長手方向（Ｘ軸方向）に配されるＸ軸レール８に沿ってＸ軸方向に走行可能とされ、前記キャリッジ５は、Ｙ軸モータ９の駆動により走行ビーム４上に配されるＹ軸レール１０に沿ってＹ軸方向に走行可能とされている。また、前記プラズマトーチ６は、Ｚ軸モータ１１の駆動によりキャリッジ５に対して上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能とされている。こうして、各モータ７，９，１１を制御することで、プラズマトーチ６は鋼板Ｗの任意の位置へ移動されるとともに、任意の高さ位置に位置決めされて鋼板Ｗの切断加工が行なわれる。
【００２０】
前記プラズマトーチ６は、図２（ａ）に示されるように、先端部が先細りの略円筒形状のものであって、トーチケーブル１２、中継ボックス１３および電源ケーブル１４を介してプラズマ電源ユニット１５の一方の端子（マイナス端子）に接続され、このプラズマ電源ユニット１５の他方の端子（プラス端子）は、母材ケーブル１６を介してプラズマトーチ６の先方に配される鋼板Ｗに接続されている。
【００２１】
ここで、プラズマトーチ６は、図２（ｂ）に示されるように、先端部において中心位置に配置される略円柱状の電極１７と、この電極１７の外周側を覆うように配設される略円筒形状でかつ鋼板Ｗに対向する面（先端面）に細い口径のノズルオリフィス１８ａを有するノズル１８を備えてなり、電極１７とノズル１８との間には作動ガス通路Ｒが形成されている。この作動ガス通路Ｒには、図示されない作動ガス供給系統から作動ガス（プラズマガス：本実施形態では酸素）がノズル１８の基端側から供給されるとともに、ノズルオリフィス１８ａから鋼板Ｗに向けて噴出するようにされている。
【００２２】
そして、このプラズマトーチ６における電極１７は、電源ライン２０を介してプラズマ電源ユニット１５における定電流電源１５ａのマイナス端子に接続されている。また、この定電流電源１５ａにおけるプラス端子からの電源ラインは、パイロット電流Ｉｐを供給するパイロット電流回路２１、およびメイン電流Ｉｍを供給するメイン電流回路２２の２系統ラインに分岐され、それぞれノズル１８および鋼板Ｗに接続されている。
【００２３】
前記電源ライン２０には、高周波発生器２３が介挿されており、この高周波発生器２３の作動により、電極１７とノズル１８との間に火花放電を起こすようにされている。なお、図２（ｂ）中符号２４で示されるのは、高周波バイパス用コンデンサである。
【００２４】
前記パイロット電流回路２１には、電極１７とノズル１８との間に形成されたパイロットアークＰＡ（図２（ｄ）参照）から、電極１７と鋼板Ｗとの間に形成するメインアークＭＡ（図２（ｅ）参照）へとスムーズに移行させるための抵抗２５と、スイッチング用のトランジスタ（半導体スイッチ）２６と、電極１７とノズル１８との間に流れるパイロット電流Ｉｐを検出するパイロット電流検出器２７とが直列に接続されて設けられている。ここで、例えば当該プラズマ切断機１が２０Ａ程度の定格パイロット電流値仕様の場合、抵抗２５の抵抗値が２Ω未満であると、ノズル１８への流入電流が極端に増加する傾向にあるので、その抵抗値は２Ω以上であるのが好ましい（より好ましくは４〜８Ω）。なお、本実施形態において、トランジスタ２６のベースには、図示省略されるコントローラからの制御指令信号が入力されるようになっている。また、トランジスタ２６は、スイッチング素子としてＩＧＢＴのような高速で作動するものを採用している。また、パイロット電流回路２１に、必要に応じてスイッチング時のサージを吸収するためのダイオード等で構成されるサージ吸収用回路（図示せず）を追加してもよい。
【００２５】
前記メイン電流回路２２には、パイロットアークＰＡの先導によりメインアークＭＡが形成された際に（図２（ｄ）（ｅ）参照）、電極１７と鋼板Ｗとの間にメイン電流Ｉｍが流れたことを検出するためのメイン電流検出器２８が介挿されている。そして、本実施形態では、例えば３アンペア程度の小電流がメイン電流回路２２に流れると、それをメイン電流検出器２８にて検出し、直ちにパイロット電流回路２１におけるトランジスタ２６をオフ作用させて、電極１７とノズル１８との間に流れているパイロット電流Ｉｐを瞬時に遮断できるようにされている。こうして、電極１７とノズル１８との間にパイロット電流Ｉｐが流れている時間を極めて短くすることによっても、パイロットアークによるノズルの劣化を抑制するようにされている。
【００２６】
このように構成されるプラズマアーク発生回路においては、プラズマ切断機１に起動信号が入力されると、定電流電源１５ａが作動され、図２（ｂ）に示されるように、トランジスタ２６のオン作用にて電極１７がマイナスに、ノズル１８および鋼板Ｗがプラスとなるように直流電圧が印加される。これと同時に、プラズマトーチ６内の作動ガス通路Ｒにプリフローとしての酸素ガスが供給される。なお、このプリフローは、作動ガス通路Ｒ内の空気を完全に酸素に置換するとともに、ガス流量が安定するまでの時間的余裕を得るために行なわれる。このプリフローの後、図２（ｃ）に示されるように、高周波発生器２３の作動にて電極１７とノズル１８との間に高周波高電圧が印加されると、電極１７とノズル１８との間に火花放電が起こり、この火花放電を種として、図２（ｄ）に示されるように、電極１７とノズル１８との間にパイロットアークＰＡが形成され、定電流電源１５ａから抵抗２５およびトランジスタ２６を介してノズル１８、そしてパイロットアークＰＡから電極１７を経由して定電流電源１５ａに戻る回路をパイロット電流Ｉｐが流れる。なお、この時、定電流電源１５ａは最大出力を出す状態であり、つまり略定電圧源として機能しているため、前記パイロット電流Ｉｐは抵抗２５によって垂下特性が与えられ、電源特性とアーク電圧とが平衡した状態で安定する。
【００２７】
次いで、図２（ｅ）に示されるように、パイロットアークＰＡを先導として、電極１７と鋼板Ｗとの間に電気的導通が確保されると、前記パイロット電流Ｉｐの一部がメイン電流Ｉｍとなって鋼板Ｗに流れ、メインアークＭＡが形成される。これをメイン電流検出器２８にて検出し、トランジスタ２６のオフ作用にて電極１７とノズル１８との間に流れているパイロット電流Ｉｐを遮断することにより、図２（ｆ）に示されるようなメインアークＭＡ（プラズマアーク）だけの回路となり、メイン電流Ｉｍのみが流れる。そして、予め設定された切断電流値（メイン電流Ｉｍ）維持するように、メイン電流検出器２８の出力値とその設定値とを比較しながら定電流制御が行なわれ、鋼板Ｗに対してピアシングや切断加工が行なわれる。
【００２８】
次に、このようにして発生されるプラズマアークにより、鋼板Ｗの切断開始部に貫通穴を形成するピアシングについて、図３のピアシング動作説明図を参照しつつ工程毎に順を追って説明する。なお、ここでは、９０〔Ａ〕の出力を有する酸素プラズマ切断機で板厚１９〔ｍｍ〕の軟鋼板をピアシングスタートにより切断する場合におけるピアシングを例にして説明する。
【００２９】
〔工程１：図３（ａ）参照〕
プラズマトーチ６の中心をＮＣ装置（図示省略）によって予め指定されている切断開始位置（ピアシング位置）に合致させるようにプリフローを行いながら移動させ、プラズマトーチ６の中心がピアシング位置に合致した所において、初期高さＦＨ、つまりプラズマアークを発生させてピアシングを開始するときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離を、切断を行うときのプラズマトーチ６と鋼板Ｗとの距離である切断高さＣＨと同じ３〔ｍｍ〕にして位置決めする（工程１）。
【００３０】
〔工程２：図３（ｂ）（ｃ）参照〕
前記工程１によるプラズマトーチ６の位置決め完了後、プラズマトーチ６の電極１７と鋼板Ｗとの間にプラズマアークを発生させ、その後直ちに、スパッタ（溶融金属の飛沫）の吹き上がりによるノズル１８へのスパッタ付着を免れるために、そのプラズマアークを保持しながら初期高さＦＨより鋼板Ｗから離れた位置で、かつスパッタを回避することができる高さであるピアス高さＰＨ（ＰＨ＝１５〔ｍｍ〕）までプラズマトーチ６をピアシングが進行するスピードよりも速い１０００〔ｍｍ／分〕で上昇させる。なおここで、プラズマアークを発生させる際のパイロット電流Ｉｐは、図４（ａ）のパイロット電流−初期高さの相関図から９〔Ａ〕である。
【００３１】
〔工程３：図３（ｃ）参照〕
前記工程２の後、ピアシングが完了するまでプラズマトーチ６をそのピアス高さＰＨに停止させた状態でプラズマアークを保持させる。この際の保持時間は１秒程度である。
【００３２】
〔工程４：図３（ｄ）参照〕
前記工程３によるピアシングの完了後、良好な切断面を得ることができる最適な高さである切断高さＣＨ（ＣＨ＝３〔ｍｍ〕）までプラズマトーチ６を下降させて切断を開始する。
【００３３】
本実施形態のピアシングでは、初期高さＦＨ＝３〔ｍｍ〕であるから図４（ａ）よりパイロット電流Ｉｐ＝９〔Ａ〕となり、同図（ｂ）よりノズル寿命回数（所定レベルの切断品質を維持できる点弧回数）が１０００回程度となった。従来は、ＣＨ＝３〔ｍｍ〕に対してＦＨ＝８〔ｍｍ〕で、図４（ａ）よりＩｐ＝２４〔Ａ〕、よって同図（ｂ）よりノズル寿命回数が３００回程度であった。つまり従来と比較してノズル寿命が２倍以上も延長された。
【００３４】
本実施形態によれば、切断品質に大きく影響するノズル１８のダメージを、スパッタによるものだけではなく、パイロットアークＰＡによるものについても大幅に軽減できるので、ノズルの長寿命化を実現することができる。これにより、ノズル１８の交換に伴うランニングコストを低減できるだけでなく、切断品質を長時間安定に維持することができるので、作業性も大幅に向上させることができるという効果を奏する。
【００３５】
さらに、本実施形態によれば、板厚に依らず初期高さを低い位置に設定することができるので、パイロットアークＰＡからメインアークへの移行が容易になり、着火の信頼性が向上するという利点がある。また、板厚に依らず初期高さを一定にすることも可能であり、これによりパイロット電流Ｉｐの調整が不要になり、取扱いが容易になるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ切断装置の全体斜視図である。
【図２】図２は、本実施形態におけるプラズマ切断装置の要部概略構成図（ａ）、並びにプラズマアーク発生回路およびその作動を説明する図（ｂ）〜（ｆ）である。
【図３】図３は、本実施形態のピアシングの動作説明図である。
【図４】図４は、パイロット電流−初期高さの相関図（ａ）およびノズル寿命回数−パイロット電流の相関図（ｂ）である。
【図５】図５は、従来のピアシングの動作説明図である。
【符号の説明】
１ プラズマ切断装置
６ プラズマトーチ
１７ 電極
１８ ノズル
２１ パイロット電流回路
２６ トランジスタ（半導体スイッチ）
ＦＨ 初期高さ
ＰＨ ピアス高さ
ＣＨ 切断高さ
ＰＡ パイロットアーク
ＭＡ メインアーク
Ｗ 加工ワーク（鋼板）
Ｉｐ パイロット電流
Claims (2)
- プラズマアークにより加工ワークにピアシングを施し、かつそのピアシングを施した位置から切断を開始するプラズマ加工方法において、
（ａ）前記加工ワークとの間にプラズマアークを形成する電極とそのプラズマアークの母体になるプラズマガスを噴出させるノズルとを有するプラズマトーチをその加工ワークのピアシング位置に相対移動させ、そのプラズマトーチを加工ワークに対して、切断を行うときのプラズマトーチと加工ワークとの距離である切断高さと同一または略同一もしくはその切断高さよりも加工ワーク寄りでダブルアークが起きない高さである初期高さに相対位置決めする第１工程、
（ｂ）前記プラズマトーチの位置決め後、前記電極とノズルとの間に発生させたパイロットアークを先導としてその電極と前記加工ワークとの間のメインアークに移行させることにより、プラズマアークを形成し、そのプラズマアークを保持しながら前記初期高さより加工ワークから離れた位置であるピアス高さに、前記プラズマトーチを相対移動させる第２工程、
（ｃ）その後、ピアシングが完了するまで前記プラズマトーチを前記ピアス高さに停止させた状態で前記プラズマアークを保持させる第３工程および
（ｄ）前記ピアシング完了後、前記切断高さにプラズマトーチを相対移動させて切断を開始する第４工程を有することを特徴とするプラズマ加工方法。 - 前記パイロットアークから前記メインアークへ移行させた直後に、前記パイロットアークにパイロット電流を供給するパイロット電流回路における、前記ノズルに繋がるラインに介挿された半導体スイッチにより、前記パイロット電流を遮断する請求項１に記載のプラズマ加工方法。
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