JP5229992B2 - プラズマ切断方法及びプラズマ切断装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被切断材に向けてプラズマアークを噴射することで切断するプラズマ切断方法と、このプラズマ切断方法を実施するプラズマ切断装置に関するものである。
プラズマ切断方法は、プラズマ切断トーチに設けた電極と被切断材を電源を介して接続しておき、電極の周囲にプラズマガスを供給して通電することでプラズマアークを形成すると共に被切断材の切断部位に向けて噴射し、このプラズマアークの熱によって被切断材の母材を溶融すると共に溶融物を排除することで該被切断材に対し厚さ方向に貫通した溝を形成しつつ、切断トーチを被切断材の面内で移動させることで切断するものである。
このように、プラズマ切断では被切断材を一方の電極とするため、通電性を有する材料であることが必須であり、一般的には鋼材やステンレス鋼材等の鉄系金属や、アルミニウムを代表とする非鉄金属を対象としている。鉄は強磁性材料であり、また鉄系金属は磁化し易いという性質を有している。このため、ショットブラストによって表面硬化させたり、圧延や熱処理の過程で、或いは荷扱いの際にリフティングマグネットによる吸着の過程で容易に磁化する。
プラズマ切断を行う際に、被切断材に対して電流を流すと、強い磁力が発生し、電極との間で形成されているプラズマアークを曲げたり拡散させて集中性を欠かせ（このような現象を現場的に「磁気ぶき」といい、以下この言葉を用いることにする）、この結果、切断面の品質が劣化したり、プラズマ切断の継続が困難になるという問題が生じている。
特に、高張力鋼は、強磁性材料であるニッケルやコバルトを合金成分としており、且つ炭素量が多く硬い材料は磁気を帯び易く逃げ難いという性質を有しているため、プラズマ切断を行っている途中で磁気ぶきが発生して切断面の品質が劣化し、極端な場合には切断が中断してしまうという問題が生じている。
上記問題を解決するために本件発明者等は、磁気ぶきの可能性の高い被加工材に対し、切断面の品質を保持してプラズマ切断を行えるような実験を継続して行っている。この結果、特許文献１に記載したアーク加工方法とアーク加工装置を提案している。この技術は、被加工材に対する電源の接続位置をアーク加工の進行に伴って変化させることで、磁力線の方向を変化させ、これにより磁化された磁力の影響を軽減し得るようにしたものである。
上記特許文献１に記載した技術では、磁気ぶきに起因する品質の劣化や加工の停止等の発生を低減することが可能である。しかし、アーク加工の進行に伴って被加工材と電源との接続位置を変化させるための制御が必須である。このため、より簡単な方法で磁気ぶきを軽減し得る方法の開発が要求されている。
特に、プラズマ切断では、クランク状に折り返し切断するような場合、略直角に切断方向が変化した直後に、また切断方向が変化したような場合、切断方向が変化した直後に、磁気ぶきに起因する切断面の劣化や切断の中断等の悪影響を受けることが多い。
本発明の目的は、磁気ぶきの影響を軽減することができるプラズマ切断方法と、この方法を実施するプラズマ切断装置を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明に係るプラズマ切断方法は、プラズマ切断トーチから被切断材に向けてプラズマアークを噴射しつつ該プラズマ切断トーチを移動させて被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、プラズマ切断トーチによって既に被切断材に形成されている切溝の近傍に、新たに形成された直後の切溝の対向する部位同士を、又はプラズマ切断トーチによって被切断材に形成され切断方向を変更して切断した直後の切溝の対向する部位同士を、磁性体を介して接続することを特徴とするものである。
また本発明に係るプラズマ切断装置は、プラズマ切断トーチから被切断材に向けてプラズマアークを噴射しつつ該プラズマ切断トーチを移動させて被切断材を切断するプラズマ切断装置であって、プラズマ切断トーチと、前記プラズマ切断トーチに対し電気的に絶縁された磁性体と、を有し、前記磁性体は、前記プラズマ切断トーチを中心とする円周上に配置され、又は前記プラズマ切断トーチを中心とする円周上を回動可能に構成されており、前記プラズマ切断トーチによって被切断材に切溝を形成した直後に、前記磁性体が前記切溝の対向する部位同士を接続することを特徴とするものである。
本発明に係るプラズマ切断方法では、被切断材に対してプラズマ切断を行うことによって形成された切溝の両側に磁力が残留し、切溝の対向する部位である切断面及び切溝を挟んだ上表面がＳ極、Ｎ極（以下「磁極」という）として機能してしまう。このため、切溝の対向する部位を磁性体によって接続することで磁極を短絡することにより、磁界が閉ループとなり、プラズマアークに対する磁力による悪影響を軽減させることができる。
また本発明に係るプラズマ切断装置（以下「切断装置」という）では、プラズマ切断トーチ（以下「プラズマトーチ」という）に後続させて切溝の対向する部位を接続する磁性体を配置したので、プラズマトーチによる切断実施後、速やかに切溝の両側を磁性体によって接続して磁極の短絡をはかることができる。このため、プラズマアークに対する磁力による悪影響を軽減させることができる。
以下、本発明に係るプラズマ切断方法の好ましい形態について説明する。本発明のプラズマ切断方法は、プラズマ切断を行う際に、磁気ぶきによる切断面の品質の劣化を軽減し、或いは磁気ぶきによる切断の中断をなくすようにしたものである。
このため、本発明では、被切断材をプラズマ切断するに際し、プラズマトーチによって形成された切溝の対向する部位を磁性体によって接続することで磁極の短絡化をはかり、これにより、磁気ぶきの発生を軽減し、或いはなくすようにしている。
本発明のプラズマ切断方法に於いて対象となる被切断材は、磁化し易い鋼材又は残留磁気が存在する鋼材である。磁化し易い鋼材として特に限定するものではないが、代表的には高張力鋼であり、コバルトやマンガンを含有する耐候性鋼も含む、更に、炭素含有量の高いハイカーボン鋼（例えばＳ４０Ｃよりも炭素含有量の高い鋼材）であっても好ましい結果を得ている。
また残留磁気が存在する鋼材としても特に限定するものではないが、ショットブラスト処理が施された構造用圧延鋼材や溶接用圧延鋼材及び前述した磁化し易い鋼材、更に、リフティングマグネットによって吸着された前記鋼材を含むものである。
本発明のプラズマ切断方法及び切断装置に於いて、被切断材を切断する際に、プラズマトーチを移動（走行）させる手段は限定するものではない。即ち、プラズマトーチを被切断材の表面に走行させて該被切断材を切断する際に用いる走行手段として、例えば数値制御（ＮＣ）方式の切断装置を用いることが可能であり、また光学的なトレーサーを搭載して予め設定された図面に沿ってプラズマトーチを走行させるように構成された走行台車、またプラズマトーチを搭載して直線走行が可能なポータブルタイプの走行台車、更に、プラズマトーチを保持したトーチホルダーを三次元空間で走行させるロボット等を選択的に採用することが可能である。
次に、本実施例に係るプラズマ切断方法について図を用いて説明する。図１は本実施例に係るプラズマ切断方法を模式的に説明する平面図である。図２は切溝の対向する部位を連続させる構成例を説明する図である。
図に於いて、被切断材Ａは鋼板からなり、該被切断材Ａに外周に沿った切断線１、径の大きい円形の切断線２、短冊状の切断線３が設定されている。夫々の切断線１〜３はピアシング点Ｐを起点として切断が開始され、夫々矢印方向に切断が進行する。そして、各切断線１〜３に沿ってプラズマ切断を行うことによって、前記各切断線１〜３には図２に示す切溝４が形成される。
本実施例では、被切断材Ａに於ける切断線１の外周側がスクラップＳとなり、切断線２に囲まれた部分及び切断線３によって囲まれた部分がスクラップＳとなる。
ここで、被切断材Ａに対してプラズマ切断を行う手順について簡単に説明する。先ず、ＮＣ方式の走行台車、或いは通常の半自動走行台車等の走行台車に搭載したプラズマトーチ１０をピアシング点Ｐに対向させる。この状態でプラズマトーチ１０にプラズマガスを供給すると共に該プラズマトーチの電極とノズルとの間で放電させてパイロットアークを形成する。
プラズマトーチ１０から被切断材Ａに向けてパイロットアークを噴射し、噴射されたパイロットアークが被切断材Ａに接触したとき、該被切断材Ａとプラズマトーチ１０の電極の間で放電させる。これに伴って、プラズマトーチに供給されたプラズマガスがプラズマアークとして噴射し、被切断材Ａのピアシング点Ｐを溶融して穴を形成する。
被切断材Ａに対してピアシングが終了すると、このピアシング点Ｐを起点として切断線１〜３に対し滑らかに入り込み、夫々対応する切断線１〜３を切断する。切断線１〜３に対する切断作業は、夫々の切断線１〜３毎に個別に行われる。従って、被切断材Ａに対する切断は、例えば切断線３、２、１の順序で行われることもある。
上記の如く、プラズマ切断では、プラズマアークが形成されている間、被切断材Ａとプラズマトーチ１０の電極の間で放電されるため、被切断材Ａに磁力が残留し、残留した磁力によって磁気ぶき、或いは切断面の品質が劣化する。
本件発明者等が磁気ぶきの発生状況について実験を行ったところ、プラズマ切断によって切溝が形成されたとき、この切溝の近傍を切断するような場合、例えば、図１に於ける短冊を切断するための切断線３のような形状、或いは、切断方向を変更した部位、即ち、切断線が直角に折れ曲がっているような部位、で磁気ぶきの影響を受けていることが判明した。
被切断材Ａに磁気ぶきの影響が生じる磁力は約１０００ガウス程度であり、残留する磁力が約１０００ガウス程度を越えると、切断面の品質の劣化やプラズマ切断の中断が生じることも判明した。
そして、磁気ぶきの影響を受けるような部位、或いはこの部位の直前の部位に於ける切溝４の対向する部位、例えば対向する切断面４ａ、４ｂ、或いは切溝４を挟んで対向する被切断材Ａの上表面５ａ、５ｂを磁性体で接続することによって、磁極として機能している切溝４の両側を短絡することにより、磁界が閉ループとなり、磁気ぶきの影響を軽減することが可能であることを見いだしたのである。
従って、本発明は、プラズマトーチ１０によって被切断材Ａに形成された切溝４の対向する部位（切断面４ａ、４ｂ、上表面５ａ、５ｂ）を磁性体を介して接続することによって、磁極として機能する被切断材Ａの対向する部位を短絡して磁界の閉ループ化をはかって磁気ぶきの影響を軽減するようにしたものである。
磁性体としての材質を特に限定するものではなく、鋼材や高張力鋼等からなる板状の鋼材を用いることが可能である。例えば、図２（ａ）に示す磁性体６は幅が広く且つ適度な長さを有し、作業員が容易に手で作業し得る程度の重量を持った磁性体６であって良い。
この磁性体６では、被切断材Ａに対するプラズマ切断の開始に先立って、該被切断材Ａの周囲に用意しておき、切断の進行に伴って切溝４を挟んで対向する上表面５ａ、５ｂに渡してゆくことで、切溝４の両側に形成された磁極を短絡して磁界を閉ループ化することが可能である。このような磁性体６の場合、切溝４を構成する切断線１〜３の平面形状の如何に関わらす適用することが可能である。
同図（ｂ）に示す磁性体７はくさび状に形成されており、切溝４の上方から差し込まれると共に上方から打撃されることで、切溝４に食い込み、これにより、対向する切断面４ａ、４ｂを接続することが可能である。この磁性体７は厚さが切溝４の幅寸法によって規定されるため、幅、長さ、厚さ共に大きなものではなく、取り扱いが容易である。
同図（ｃ）に示す磁性体８は２枚の鋼板８ａを有しており、これらの鋼板８ａに可撓性を有する例えばワイヤ等の磁性接続体８ｂを溶接したものである。この磁性体８は切溝４を挟んで対向する上表面５ａ、５ｂに夫々鋼板８ａを載置することで接続することが可能である。
上記の如く、切溝４の対向する部位を磁性体６〜８の何れかによって接続することで、この対向する部位によて構成された磁極を短絡して磁界の閉ループ化をはかることで、磁気ぶきによる影響を軽減することが可能である。
尚、被切断材Ａに対するプラズマ切断を進行させる際に、切断線１〜３に対し積極的に切り残し部９を形成しておくことも、磁気ぶきを軽減させる上では有効であった。
次に、本実施例に係る切断装置の構成について図３を用いて説明する。図に於いて、プラズマトーチ１０は、走行台車に直接、或いは直線的に走行する走行台車に対し該走行台車の走行方向に対し直交する方向に横行するキャリッジ１１に設けたトーチホルダー１２に保持されている。プラズマトーチ１０には、冷却水の供給及び排出用のホースや、図示しない電源と接続されたキャップタイヤ等のホース類１３が接続されている。
キャリッジ１１にブラケット１４が取り付けられており、このブラケット１４の先端に中心にプラズマトーチ１０を嵌挿する穴１５ａを有するリング状の保持体１５が取り付けられている。ブラケット１４と保持体１５の接続部位は磁気的に絶縁しておくことが好ましい。また、プラズマトーチ１０と保持体１５は電気的に絶縁しておくことが必要である。
保持体１５は鋼材等の磁性体を利用して形成されており、該保持体１５の周囲から磁性体からなるチェーン１６が吊り下げられている。チェーン１６はプラズマトーチ１０によって被切断材Ａを切断している間、少なくとも先端部分が被切断材Ａの上表面５ａ、５ｂと接触し得るように構成されている。特に、チェーン１６がプラズマトーチ１０の周囲に複数設けられることから、切断の進行方向に対し上流側に配置されたチェーン１６はプラズマトーチ１０に後続することとなる。
上記の如く構成された切断装置では、例えば、図３（ａ）に示すように、プラズマトーチ１０から被切断材Ａに向けてプラズマアークを噴射して矢印方向に切断すると、チェーン１６の先端部分が被切断材Ａの上表面５ａ、５ｂ上を引きずられるため、切溝４の対向する部位（上表面５ａ、５ｂ）はチェーン１６、保持体１５、チェーン１６の経路で接続される。
従って、プラズマトーチ１０によって被切断材Ａに対するプラズマ切断を継続している間、切断の直後の対向する部位が接続されることとなり、切溝４を挟んで対向する磁極となる部位はチェーン１６、保持体１５を介して短絡され、磁界が閉ループ化されて磁気ぶきの影響を軽減することが可能となる。
尚、保持体１５に取り付ける磁性体としては、必ずしもチェーン１６である必要はなく、磁性体からなる可撓性を有するもの、例えばワイヤを用いても良いことは当然である。
次に、切断装置の他の構成例について図４を用いて説明する。尚、前述の実施例と同一の部分及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付して説明を省略する。
リング状に形成された保持体１５の下側に、該保持体１５と同様にリング状に形成され且つ保持体１５の円周に沿って回動自在に構成された支持体２０が配置されている。この支持体２０からアーム２０ａが下方に垂下されており、該アーム２０ａの先端に磁性体からなるローラー２１が回転可能に設けられている。
ローラー２１は被切断材Ａに形成された切溝４を挟んで対向する上表面５ａ、５ｂを接続することが可能である。特に、ローラー２１を支持する支持体２０が保持体１５に対し回転可能に構成されるため、プラズマトーチ１０の切断方向への進行に伴ってローラー２１の被切断材Ａに対する接触摩擦により、該ローラー２１は長手方向がプラズマトーチ１０の進行方向に対し直交する方向になる。
このため、ローラー２１はプラズマトーチ１０による切断に後続して切溝４を挟んで対向する部位となる上表面５ａ、５ｂに接触して接続することが可能となる。
本実施例では、ローラー２１が磁性体であれば良く、支持体２０や保持体１５が磁性体である必要はない。
図５は切断装置の更に他の構成例を説明するものである。本実施例は、保持体１５の下面から複数のアーム２４を垂下すると共に、各アーム２４の先端に自由回転するボール２５を設けて構成したものである。
保持体１５、アーム２４、ボール２５は、夫々磁性体によって構成されており、プラズマトーチ１０によって被切断材Ａを切断する際には、各ボール２５が被切断材Ａの上表面５ａ、５ｂに接触しており、プラズマトーチ１０の走行に伴って、上表面５ａ、５ｂとの接触摩擦によって回転し得るように構成されている。
上記本発明では、磁気ぶきの影響を軽減して切断面の品質の劣化や切断が中断することを軽減することが可能である。このため、磁力が残留し易い被切断材をプラズマ切断する際に利用して有利である。
Ａ 被切断材
Ｐ ピアシング点
Ｓ スクラップ
１〜３ 切断線
４ 切溝
４ａ、４ｂ 切断面
５ａ、５ｂ 上表面
６〜８ 磁性体
８ａ 鋼板
８ｂ 磁性接続体
９ 切り残し部
１０ プラズマトーチ
１１ キャリッジ
１２ トーチホルダー
１３ ホース類
１４ ブラケット
１５ 保持体
１５ａ 穴
１６ チェーン
２０ 支持体
２０ａ アーム
２１ ローラー
２４ アーム
２５ ボール
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２１ ローラー
２４ アーム
２５ ボール
Claims (2)
- プラズマ切断トーチから被切断材に向けてプラズマアークを噴射しつつ該プラズマ切断トーチを移動させて被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、
プラズマ切断トーチによって既に被切断材に形成されている切溝の近傍に、新たに形成された直後の切溝の対向する部位同士を、又はプラズマ切断トーチによって被切断材に形成され切断方向を変更して切断した直後の切溝の対向する部位同士を、磁性体を介して接続することを特徴とするプラズマ切断方法。 - プラズマ切断トーチから被切断材に向けてプラズマアークを噴射しつつ該プラズマ切断トーチを移動させて被切断材を切断するプラズマ切断装置であって、
プラズマ切断トーチと、前記プラズマ切断トーチに対し電気的に絶縁された磁性体と、を有し、
前記磁性体は、前記プラズマ切断トーチを中心とする円周上に配置され、又は前記プラズマ切断トーチを中心とする円周上を回動可能に構成されており、前記プラズマ切断トーチによって被切断材に切溝を形成した直後に、前記磁性体が前記切溝の対向する部位同士を接続することを特徴とするプラズマ切断装置。
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