JP3666789B2 - 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

Description

【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６１−９２７８２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。作動ガスを供給するためのガス供給系統は、複数のガス源と、複数のガス源にそれぞれに接続された複数の単一ガス流路がプラズマトーチの上流で合流してなる混合ガス流路と、一つのガス源からプラズマトーチへ単一ガスを供給する追加の単一ガス流路とを有し、追加の単一ガス流路と混合ガス流路とが、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ように、プラズマトーチの上流で合流している。
【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。
【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。
【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。作動ガスを供給するためのガス供給系統は、複数のガス源と、複数のガス源にそれぞれに接続された複数の単一ガス流路がプラズマトーチの上流で合流してなる混合ガス流路と、一つのガス源からプラズマトーチへ単一ガスを供給する追加の単一ガス流路とを有し、追加の単一ガス流路と混合ガス流路とが、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ように、プラズマトーチの上流で合流している。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。
【００２３】
好適な実施形態では、ガス供給系統は、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。さらに、このガス供給系統によれば、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、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。
【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。
【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。
【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１０−３１４９５１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。
【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。
【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

Claims (13)

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、
   ガス供給系統により、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
   を含み、
   前記ガス供給系統が、複数のガス源と、前記複数のガス源にそれぞれに接続された複数の単一ガス流路が前記プラズマトーチの上流で合流してなる混合ガス流路と、一つのガス源から前記プラズマトーチへ単一ガスを供給する追加の単一ガス流路とを有し、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ように、前記プラズマトーチの上流で合流しているプラズマ切断方法。
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. 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. 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. 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. プラズマアークによりワークを切断する方法において、
   ガス供給系統により、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し、
   ガス供給系統が、複数のガス源と、前記複数のガス源にそれぞれに接続された複数の単一ガス流路が前記プラズマトーチの上流で合流してなる混合ガス流路と、一つのガス源から前記プラズマトーチへ単一ガスを供給する追加の単一ガス流路とを有し、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ように、前記プラズマトーチの上流で合流しているプラズマ切断方法。
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、
   複数のガス源と、前記複数のガス源のそれぞれに接続された複数の単一ガス流路が前記プラズマトーチの上流で合流してなる混合ガス流路と、一つのガス源から前記プラズマトーチへ単一ガスを供給する追加の単一ガス流路とを有し、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ように、前記プラズマトーチの上流で合流しており、
   （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. 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. 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. 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. 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、複数のガス源と、前記複数のガス源のそれぞれに接続された複数の単一ガス流路が前記プラズマトーチの上流で合流してなる混合ガス流路と、一つのガス源から前記プラズマトーチへ単一ガスを供給する追加の単一ガス流路とを有し、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ように、前記プラズマトーチの上流で合流しており、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. 前記ガス供給系統が、
    前記複数の単一ガス流路のそれぞれに設けられた、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、
    前記複数の単一ガス流路のそれぞれに設けられた、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７〜１１記載のプラズマ切断装置。
13. 前記混合ガス流路及び前記追加の単一ガス流路のそれぞれに、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７〜１２記載のプラズマ切断装置。

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