JPH0248347B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水冷ノズルおよびプラズマ動作ガスに
よつてアークを収束させ高エネルギー密度にして
被加工物を溶融加工するところのプラズマ方式に
よる低消耗、低粉塵ガウジング方法に関するもの
である。

〔従来の技術〕

従来のガウジング方法としては、アークエアー
ガウジング方式とプラズマアーク方式とが用いら
れている。

第１図は従来のアークエアーガウジングの説明
図である。すなわち、カーボン電極１と被加工物
８の間に発生させたアーク５の熱によつて被加工
物を溶融させ、その溶融体７をカーボン電極のホ
ルダー（以下ガウジングトーチという）に形成さ
れているノズル９を通して送られてくる高圧のエ
アー１０で吹きとばしている状態を示す説明図で
ある。

プラズマアーク方式の具体例は第２図に示す通
りである。つまり、非消耗電極１と被加工物８の
間にアーク５を発生させ、このアーク５を水冷ノ
ズル３とプラズマ動作ガス２によつて冷却収束さ
せた高エネルギー密度のアークとプラズマガス６
で被加工物８を溶融させ、被加工物溶融体７をプ
ラズマアークが出る水冷ノズル３の周囲に配列さ
れた複数個のノズル９からプラズマアークの方向
と平行に噴出する補助の高圧力のガス１０で飛散
させてガウジング加工するものである。

他にプラズマガウジング方法として、たとえば
特公昭54−42353号に開示されている「プラズマ
ガウジングトーチ」がある。この方法は第２図に
示すようなプラズマガウジングトーチにおいて被
加工物の溶融体を飛散させる補助の噴出ガス用ノ
ズルを改良し、ガスの噴出方向をプラズマアーク
の方向と交錯させることによりプラズマガウジン
グトーチを傾斜することなく、圧力５Kg／cm²程度
の噴出ガスで被加工物溶融体を強力に飛散させる
ものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来法ではいずれも多量の
高圧力のガスあるいはエアーにより被加工物の溶
融体が飛散し、粉塵となり作業者の吸引する空気
が汚染される。また、トーチキヤリヤーに取り付
け自動的にガウジング加工する場合、特に室内作
業場などのように密閉された場所では室内の空気
が徐々に汚染され作業環境が悪化する。

また、アークエアーガウジング方式においては
従来電極としてカーボン電極を使用し、その消耗
が激しく、被加工物を連続して加工することが困
難であつた。

他方、プラズマアーク方式においても消耗の点
からプラズマアークの動作ガスに高圧なイナート
ガスを使用し、電極にも非消耗電極として高価な
タングステン電極を使用しているためにプラズマ
ガウジングトーチのランニングコストが高くなる
欠点も有している。

またプラズマアーク方式においては前記非消耗
性電極のみを使用し、カーボン電極を使用したも
のは知られていない。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明者らは上述の如き欠点を解決する
ことのできるプラズマガウジング方法について鋭
意研究した結果、次の如き本発明を開発するに到
つた。

本発明は、水冷ノズルおよびプラズマ動作ガス
によつてアークを収束させ高エネルギー密度にし
て被加工物を溶融加工するところのプラズマガウ
ジング加工方法において、使用する電極がカーボ
ン電極であつてプラズマガスのモーメンタムでガ
ウジング加工することを特徴とするプラズマガウ
ジング方法。

すなわち、本発明は上記作業環境の悪化を根本
的に改善するために、高圧エアー或いは高圧ガス
を多量使用することなくプラズマの流速のみで溶
融体除去する方法において従来困難とされていた
除去物の飛散を極力防止することを目的とするも
のである。

以下、本発明を具体的に説明する。

一般にプラズマの流速はオープンアークで10⁴
cm／秒といわれ、本発明の方法の如く拘束された
アークではさらに流速は速くなる。本発明はこの
プラズマの流速を溶融体除去のための力（以下モ
ーメンタムと称する）に最大限有効利用しようと
するものである。この力はプラズマ切断における
高速度カメラの観察でアーク直下には溶融体がほ
とんど存在せず常に固体面が露出していることか
らみてもかなり大きいことが推定される。

本発明は上記知見に基づきプラズマ方式を用い
てカーボン電極を使用してプラズマのモーメンタ
ムのみによつてガウジングを行うものとするもの
である。したがつて、本発明はプラズマとアーク
によるエネルギーを使うプラズマアーク方式（以
下移行方式と称する）にあるいは、プラズマによ
るエネルギーのみを使うプラズマジエツト方式
（以下非移行式と称する）のどちらの方式におい
てもプラズマによるエネルギーを応用できるもの
である。

まず本発明によればカーボン電極を使用するこ
とが有利である。

従来一般に電極として非消耗性のトリウム入り
タングステンが用いられている。しかしながら、
前記タングステンは高価な材料であり、また、プ
ラズマ動作ガスとして高価なイナートガスを用い
る必要がある。

酸化性ガスをプラズマの動作ガスとする場合、
たとえば特公昭50−3478号公報に開示されている
ようにトリウム入りタングステン電極表面に
ZrO₂、ZrSiO₄、ThO₂、SiO₂など酸化物の被覆を
施すことが試みられている。しかし、このように
耐酸化性処理を施せば高価な電極の価格をさらに
高価にすることになる。

これに対しカーボン電極は、その消耗のために
アークの極間距離が増大しアークが短時間で消孤
してしまうため使用不可能であつた。

しかしながら、本発明者らこの消耗量は電極と
してのカーボンの物理特性、特に見掛け密度、電
気比抵抗に起因し、すなわち見掛け密度が高いほ
ど、また電気比抵抗が低いほどその消耗が減少す
ることに想到した。

詳述すれば見掛け密度が1.72ｇ／cm³以上、電気
比抵抗が1500μΩcm以下のカーボン電極を使用し
たときに電極消耗が著しく減少し、アークの消耗
が発生し難くなる。更に、この範囲の物理特性を
有するカーボン電極に銅などのメツキを施せばさ
らに消耗が減少することも確認した。

また、更にカーボン電極は後述する条件におい
て消耗を極力減少させうることができることを見
出した。

消耗性電極としてエアーを用いることで酸化
反応熱が被加工物の溶融に寄与させることがで
きガウジング作業が速くなり低フユームで作業
環境の改善がなされる。またガウジング作業が
速くなるため加工量に対する電極消耗が減少す
る。

消耗性電極であつても該電極の周囲をプラズ
マ動作ガスが流れ、電極を効率良く冷却するた
め電極の消耗を減少することが可能である。

また、電極部に水冷ジヤケツトを施して冷却す
ることによつて消耗をさらに減少することも可能
である。

なお、カーボン電極などの低廉な消耗性電極を
使用する場合には電極を消耗にみあうべく定速供
給するか、電圧制御法を組み入れて供給する様に
工夫することにより消耗性電極を実用上プラズマ
方式に用いることができる。

次に本発明を具体例に基づいて説明する。

まず、移行方式の場合、１例として第３図に示
したようにトーチの垂直からの傾斜角度θを30゜
〜70゜として水冷ノズル３と被加工物８との距離
ｄを適正範囲に保ちプラズマ気流６のモーメンタ
ムによつてのみ被加工物の溶融体７を除去するも
のである。

ここでカーボン電極の場合、プラズマアークの
傾斜角度θ（第３図ではプラズマトーチの傾斜角
度と同意である）30゜以上が望ましい理由は30゜未
満にすると被加工物は切断されてしまい、この傾
斜角度がプラズマのモーメンタムをガウジングに
有効利用することができる最低の適正な傾斜であ
ることを実験で確認したからである。次に上記傾
斜角度θを70゜以下に限定する理由は第４図に示
す如くプラズマトーチの水冷ノズル３を非対称形
に改良することによつて、傾斜角度を70゜として
も溶融体７を除去するのに有効なプラズマのモー
メンタムが得られることを実験で確認したからで
ある。

特にこの傾斜角度が40゜〜60゜の範囲の時にプラ
ズマのモーメンタムが有効に作用してガウジング
作業において理想とされるｕ字状の溝が容易に得
られることも確認した。

また、プラズマアークを傾斜させるには上記の
如くトーチを傾斜する方法の他に第５図に示す如
くトーチ本体は垂直に保持してトーチ内部の改良
でプラズマアークの噴出角度のみを垂直線から傾
斜させる方法もある。

このようにプラズマモーメンタムを有効利用す
ることで従来法のように溶融体を除去するために
補助ノズルから強力なエアーなどのガスを噴出さ
せる必要がなくなる。したがつて、必要以上に溶
融体を飛散させることがなくガウジング作業にお
ける粉塵（以下フユームと称する）の発生量が著
しく減少することとなる。

アークエアーガウジング作業時の粉塵を減少さ
せる先行列として本出願人が出願した特願昭56−
89250号「アークエアー加工法」がある。この方
法は圧搾空気を噴出するノズルをガウジングトー
チから独立させてアーク点に近づけることによつ
て圧搾空気量を極力少なくし、発生する粉塵量を
減少させるものである。これにより発生するフユ
ーム量並びに拡がり範囲を著しく減少させ、微小
な範囲での集塵により効率よくフユームを減少さ
せるものである。

本発明も溶融体を吹き飛ばすためのガス流量を
減少させる点では技術的に思想を同一にする。

しかし、プラズマ形成する動作ガスは有するが
溶融体を吹き飛ばすためのガス源を特に用いてい
ない点では全く異なる。

一方、非移行式においてはアークが電極棒１と
水冷ノズル内部４の間に発生し、プラズマ６のエ
ネルギーのみで被加工物８を溶融させるという違
いがあるが、前記プラズマアークの傾斜角度θを
30゜〜70゜としノズルと被加工物間の距離ｄを適正
範囲に保つことによりプラズマのモーメンタムの
みでガウジング加工が可能であり移行式の場合同
様にフユームの発生量を著しく減少させ得るもの
である。

以上、本発明により低フユームで作業環境の改
善された低廉なプラズマガウジングを実現するこ
とができるようになつた。

次に本発明の実施例を列記する。

実施例 １ プラズマ切断トーチを移行式に設定して電極の
定速度供給装置を取りつけ陽極としたカーボン電
極を消耗にあわせて供給し、被加工物としての鋼
材を陰極とする（以下RPと称する。）そして、動
作ガスとしてエアー（流量35／min）を使つて
アーク電流170A、アーク電圧120Vでガウジング
を行いフユーム発生量を測定しした。また、カー
ボン電極を陰極、鋼材を陽極とした場合（以下
SPと称する）についてもフユーム発生量を測定
した。なお、プラズマアーク傾斜角度はプラズマ
トーチを傾斜させることにより垂直線から50゜と
した。

比較としてカーボン電極およびアーク電流、ア
ーク電圧は同じであるが、ノズルから圧力５Kg／
cm²のエアーを噴出する従来のアークエアーガウジ
ング法による場合とトリウム入りタングステン電
極を陰極として陽極とした鋼材との間に流量35
／minのアルゴン80％、水素20％混合ガスをプ
ラズマ動作ガスとしてプラズマアークを発生させ
補助ノズルから５Kg／cm²圧のエアーを噴出する従
来のプラズマガウジングによるフユーム発生量と
比較した結果を第６図に示す。なお、ここでフユ
ーム発生量を測定する方法は加工室をよ1.5m×
1.5m×1.7mの密閉構造として30秒間ガウジング
作業をした後、30秒経過時からデジタル粉塵計を
用いて１分間測定して算出したものである。この
測定値をＤとし、電極棒の直径や電流の影響をな
くするため鋼材の除去量△Ｗで割つた値をＤ／△
Ｗとして第５図の縦軸にとり、横軸にはガウジン
グスピードをとり比較する。

第５図に示したように本発明ではSP、RPの場
合とも従来のアークエアーガウジングおよびプラ
ズマガウジングに対してフユーム発生量が１／３
〜１／４に減少している。また、アークエアーガ
ウジングではSPに設定すると作業が困難となる
のに対して本発明ではいずれの極性でも十分な作
業性が得られた。

実施例 ２ プラズマ切断トーチを非移行式に設定してカー
ボン電極を定速供給し、SP、RP極性の場合とも
動作ガスにエアー（35／min）を用いてアーク
電流200A、アーク電圧70Vのアークをカーボン
電極とノズル間に発生させる。そして、ノズルか
らプラズマ気流を吹き出させてプラズマモーメン
タムのみでガウジング加工を行つた。なお、トー
チを傾斜させることによりプラズマ気流の傾斜角
度を垂直線から40゜としている。このフユーム発
生量を圧力５Kg／cm²のエアーを噴出する従来のア
ークエアーガウジングとトリウム入りタングステ
ン電極を陰極としトーチノズルを陽極と、電極と
ノズル間に動作ガスとして35／minのアルゴン
80％、水素20％混合ガスを用いて同様にアーク電
流200A、アーク電圧70Vのアークを発生させ、
ノズルからプラズマ気流を吹き出させ、かつ補助
ノズルから圧力５Kg／cm²のエアーを噴出する従来
の非移行式プラズマガウジングによる場合とフユ
ーム発生量を比較して第７図に示した。第７図か
ら明らかなように本発明は従来のアークエアーガ
ウジング法およびプラズマガウジング法に比較し
てSP、RP極性ともにフユーム発生量が１／３〜
１／４に低減している。

〔発明の効果〕

以上本発明によれば従来法の如く溶融体を吹き
飛ばすための補助ガスを用いることなくプラズマ
のモーメンタムを有効に利用することによつて、
モーメンタムのみでガウジング加工で出来る。そ
の結果、従来のプラズマガウジング、アークエア
ーガウジングに比較してフユーム発生量が１／３
〜１／４となる。また、吹き飛ばし用のガスが不
要になつたので騒音も従来法より低くなり作業環
境を著しく改善する事が可能になつた。更に高価
な非消耗性電極やイナートガスを用いる必要がな
く経済的に効果も大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアークエアーガウジングの説明
図である。第２図は従来の補助ノズルから被加工
物溶融体を飛散させるためにガスを噴出するプラ
ズマガウジングの説明図である。第３図は本発明
のプラズマのモーメンタムのみでガウジング加工
をする説明図である。第４図は本発明においてプ
ラズマアークの傾斜角度を70゜とするために改良
を施した時の説明図である。第５図は本発明にお
いてプラズマガウジングトーチ内部を改良してト
ーチ本体は傾斜させずにプラズマアークを傾斜す
る説明図である。第６図はカーボン電極を供給
し、トーチを移行式に設定した本発明プラズマガ
ウジング（RP、SP極性）と従来法アークエアー
ガウジング（RP極性）と非消耗性電極を使用し
て移行式に設定した従来法プラズマガウジングの
フユーム発生量を各ガウジング加工スピードにお
いて比較したグラフである。第７図はカーボン電
極を供給し、トーチを非移行式に設定した本発明
プラズマガウジング（RP、SP極性）と従来法ア
ークエアーガウジング（RP極性）と非消耗性電
極を使用して非移行式に設定し、各ガウジングス
ピードで本発明プラズマガウジングと従来プラズ
マガウジングのフユーム発生量を比較したグラフ
である。 上記図面において、１……電極（消耗、非消
耗）、２……動作ガス、３……水冷ノズル、４…
…水冷ノズル内部（非移行式のアーク点）、５…
…アーク柱、６……プラズマ気流、７……被加工
物溶融体、８……被加工物、９……溶融体飛散用
ガス噴出ノズル、１０……溶融体飛散用ガス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極と水冷ノズルとの間、或いは、電極と被
   工作物との間アークを水冷ノズルおよびアークに
   よつて電離した電気的に中性なプラズマ動作ガス
   で冷却して拘束し、電極を消耗に応じて供給しな
   がら行なうプラズマトーチによるガウジング加工
   方法において、前記電極がカーボン電極で前記動
   作ガスがエアーであつてプラズマガスのモーメン
   タムでガウジング加工することを特徴とするプラ
   ズマガウジング方法。 ２ 前記カーボン電極の供給方法が定速供給法で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のプラズマガウジング方法。 ３ 前記カーボン電極の供給方法が電圧制御法で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   のプラズマガウジング方法。