JPH06328258A

JPH06328258A - プラズマ切断方法及び切断装置

Info

Publication number: JPH06328258A
Application number: JP7660594A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Hasegawa; 雅彦長谷川; Toshio Yoshimitsu; 利男吉光; Katsuo Saibi; 克男齊尾
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1993-03-23
Filing date: 1994-03-23
Publication date: 1994-11-29

Abstract

(57)【要約】【目的】プリフロー用ガス通路の焼損を阻止でき、ま
た例え切断線が短い小物部品でも、これらを連続、高速
かつ高品質で切断加工できるプラズマ切断方法及び切断
装置の提供。【構成】電極と、それを囲むノズルとの間にパイロッ
トアークを発生させ、次に電極と被切断物との間に移行
アークを形成し、被切断物の穿孔、切断を行うプラズマ
切断方法において、パイロットアークを発生するときは
不活性ガスを流し、移行アークを発生するときは該不活
性ガスは流したままでさらに酸素ガスを流す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ切断方法及び
切断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ切断装置は、図７に示すよう
に、中心部の電極３１と外周部のノズル３５との間に作
動ガス２の通路３３を設けたプラズマトーチを備えてい
る。

【０００３】ところで上記作動ガス２が酸化性ガス（以
下単に「酸素ガス」とする）であるとき、その電極の消
耗は、先ず電極の表面に膜状の酸化物が形成され、次い
でこれが剥離し、最後に電極材が溶融して飛散又は蒸発
することにより進行すると考えられている。そこで電極
３１は溶融しにくい例えばハフニウムやジルコニウム等
の高融点材を用い、作動ガス２は酸素ガスの他、酸化を
阻止するための窒素ガス、空気、アルゴン、水素等の不
活性ガス（いわゆる非酸化性ガスを含む）を用いる。勿
論、ガス種だけでなく、ガス供給方法についても、下記
の通り、種々提案されている。

【０００４】代表的プラズマ切断方法は次の通りであ
る。（１）パイロットアーク時は不活性ガスを流し、移行ア
ーク時は活性ガスに切り換える方法（特開昭５３−１０
９８４１号公報）（２）プラズマ切断のスタート時は酸素ガスと窒素ガス
との混合ガスを流し、スタート完了後は酸素ガスだけを
流す方法（特開昭６１−９２７８２号公報）（３）移行アーク時に非酸化性気体から酸化性気体へ切
り換える。さらに移行アーク停止時に酸化性気体から非
酸化性気体へ切り換える方法（特開平３−２５８４６４
号公報）

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来方法
は、いずれもプリフロー用ガスの供給を移行アーク時、
停止している。このため、第１に、移行アーク時に供給
された活性ガス（酸素ガス、酸化性気体）がプリフロー
用ガスの通路内に逆流し、通路を焼損させる問題があ
る。第２に、プリフロー用ガスの供給停止時、この停止
によってノズル内にガス圧の変動が生じ、これによって
移行アークが不安定となり、またダブルアークも発生し
易くなる。前者に対しては、移行アークが安定した後、
切断を開始すれば切断品質を維持できるが、例えば切断
線が短い小物部品を連続、高速かつ大量に切断する際に
は不向きである。後者のダブルアークは、現状のままで
は発生阻止は困難である。

【０００６】本発明は、上記従来技術に鑑み、プリフロ
ー用ガス通路の焼損を阻止でき、また例え切断線が短い
小物部品でもこれらを連続、高速かつ高品質で切断加工
できるプラズマ切断方法及び切断装置を提供することを
目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１発明なるプラズマ切断方法は、電極と、それを
囲むノズルとの間にパイロットアークを発生させ、次に
電極と被切断物との間に移行アークを形成し、被切断物
の穿孔、切断を行うプラズマ切断方法において、パイロ
ットアークを発生するときは不活性ガスを流し、移行ア
ークを発生するときは該不活性ガスは流したままでさら
に酸素ガスを流すことを特徴としている。

【０００８】第２発明なるプラズマ切断方法は、上記第
１発明において、切断終了後も引き続き不活性ガスを流
すことを特徴としている。

【０００９】第３発明なるプラズマ切断方法は、電極
と、それを囲むノズルとの間にパイロットアークを発生
させ、次に電極と被切断物との間に移行アークを形成
し、被切断物の穿孔、切断を行うプラズマ切断方法にお
いて、パイロットアークを発生するときは酸素ガスを流
し、移行アークを発生するときも引き続き酸素ガスを流
し、切断終了後は一定時間不活性ガス又は空気を流す時
間を設けることを特徴としている。

【００１０】第４発明なるプラズマ切断装置は、電極
と、それを囲むノズルとの間に作動ガスの通路を有し、
パイロットアークを発生させ、次に電極と被切断物との
間に移行アークを形成し、被切断物の穿孔、切断を行う
プラズマ切断装置において、パイロット時の電流を検出
しパイロット終了時の信号を出力するパイロット終了検
出装置と、作動ガスの通路と作動ガスの供給源を接続す
る２つの通路と、ガス流量制御弁と、ガス開閉弁とから
なることを特徴としている。

【００１１】

【作用】第１発明〜第３発明によれば、プリフロー用ガ
スが移行アーク後も継続して流れる。このため、第１
に、移行アーク時のガス通路内への逆流がなく、このた
め通路焼損がなくなる。第２に、プリフロー用ガスの供
給を停止しない分だけ、ノズル内でのガス圧の変動が抑
制される。従って移行アークが極めて早期に安定し、ダ
ブルアークの発生もなくなる。この結果、例え切断線が
短い小物部品でもこれらを連続、高速かつ高品質で切断
加工できるようになる。

【００１２】第２発明は次の通りである。電極消耗は、
上述の通り、先ず電極表面に膜状の酸化物が形成され、
次いでこれが剥離し、最後に溶融した電極材が飛散又は
蒸発することにより進行する。詳しくは、電極表面の酸
化は酸素ガスが流れているときに生じ、剥離はプラズマ
起動時の急激な温度上昇に伴う電極の熱衝撃により生
じ、また電極材の溶融から飛散又は蒸発は切断時の高温
により生ずる。そこで第２発明では、第１発明の作用に
加え、切断停止時も不活性ガスを流すことにより電極表
面の酸化を阻止しかつ保護し、これらの相乗効果を狙っ
たものである。

【００１３】第３発明は、第２発明をさらに発展させた
ものである。上述の通り、第２発明では切断停止時も不
活性ガスを流し（即ち、アフターフロー）、電極表面の
酸化を阻止したが、不活性ガスが例えば窒素系ガスであ
る場合、電極表面には高融点で耐熱衝撃性の良好な窒化
物が形成される。この場合、窒素系ガスは流し放しとせ
ず、窒化物が生成される温度が確保される時間を目安と
して流すのがよい。尚、窒素系ガスの供給停止後は、ノ
ズル内に窒素系ガスが残留し、電極の酸化を阻止する。
かかる構成では、アフターフロー時に窒化物ができ、ま
た酸化防止も成されるため、敢えてプリフロー時に窒素
ガスを流す必要はなく、プリフローは酸素ガスを流すだ
けでよい。第３発明は、かかる作用に基づき構成したも
のである。またこの場合、プリフロー時も切断時も共
に、作動ガスとしては、酸素ガスだけが流れるため、ガ
スの供給制御が容易となる。このように制御アイテムを
減少させることは、設計上極めて重要であり、これによ
り、さらなる連続、高速かつ高品質な切断加工に寄与で
きるようになる。

【００１４】第４発明は、上記第１発明〜第３発明を実
施するためのプラズマ切断装置である。

【００１５】

【実施例】実施例を図面を参照し説明する。図１はプラ
ズマ切断装置の実施例図である。同図のプラズマトーチ
は中心部の電極１と外周部のノズル５との間に作動ガス
２の通路３を備えている。通路３は２つの通路７、９の
合流後の通路であり、通路７は逆止弁１３、開閉弁１２
及び流量制御弁１１を備えて窒素ガス１４ａの供給源１
４に接続され、他方通路９は逆止弁１７、開閉弁１６及
び流量制御弁１５を備えて酸素ガス１８ａの供給源１８
に接続されている。尚、上記逆止弁１３、１７は必ずし
も装着しなくても良く、また、開閉弁と流量制御弁との
装着順序も上記に囚われることではない。

【００１６】電極１は電源２１の陰極２１ａに接続さ
れ、また、ノズル５は抵抗２３及びスイッチ２５を介し
て陽極２１ｂに接続されることによりパイロット回路を
形成している。また被切断材４１は陽極２１ｂに接続さ
れることによりメイン回路を形成している。陽極２１ｂ
には電流検出器２７が備えられている。これら電流検出
器２７、流量制御弁１１、１５及び開閉弁１２、１６は
マイコン等でなる制御装置４０に接続されている。

【００１７】上記実施例装置におけるプラズマ切断は、
先ず起動時、小量のプリフロー用の作動ガス２を通路３
に流し、次いで高電圧で電極１とノズル５との間を絶縁
破壊させ、これにより電極１とノズル５との間にパイロ
ットアークを発生させる。このパイロットアークにより
電離し導電性を持つようになった前記プリフロー用の作
動ガス２がノズル５から被切断材４１へ噴出され被切断
材４１に達して移行アークが形成される。この時、パイ
ロット回路の電流は減少し、代わりにメイン回路の電流
が増加するが、ここでスイッチ２５を切ることにより電
流を総てメイン回路に流し、これと共に大量の作動ガス
２を通路３に流す。この結果、移行アークはメインアー
クとなる。このメインアーク中の作動ガス２は高温のプ
ラズマガス流４２であり、被切断材４１を切断する。

【００１８】上記プラズマ切断における作動ガス２の供
給手順を以下説明する。第１実施例を図２のタイムチャ
ートで説明する。制御装置４０がプラズマ起動指令
（Ａ）を出力すると、流量制御弁１１が予め定められた
小流量位置に位置し、かつ、開閉弁１２が開く。これに
より、通路３に通路７を経て小量の窒素ガス１４ａが流
れ、これがプリフロー用の作動ガス２となる。着火が確
認されたら、制御装置４０は、例えばスイッチ２５の切
断指令のようなプラズマアーク発生指令（Ｂ）を出力す
る。これにより、流量制御弁１５が予め定められた大流
量位置に位置し、かつ、開閉弁１６が開く。これによ
り、通路３に通路９を経て大量の酸素ガス１８ａが流
れ、前記窒素ガス１４ａと合流し混合し、これが作動ガ
ス２となる。切断加工が終了したら、制御装置４０はプ
ラズマ停止指令（Ｃ）を出力する。これにより、メイン
回路が切れてメインアークが停止し、かつ、開閉弁１６
が閉じる。これにより、通路３への酸素ガス１８ａの供
給が停止する。次いで所定の時間（０〜５秒程度）経過
後、制御装置４０は窒素ガス停止指令（Ｄ）を出力す
る。これにより、開閉弁１２が閉じる。この結果、通路
３への窒素ガス１４ａの供給も停止する。尚、上記にお
いて、流量制御弁１１、１５の流量調整は手動で行って
も良い。また上記着火の確認は電流検出器２７で検出し
ても良いし、別途タイマ等を装着してこれによって行っ
ても良い。

【００１９】第１実施例の効果を説明する。第１実施例
では、プリフロー時とアフタフロー時とでは少量の窒素
ガス１４ａを流し、切断時では小量の窒素ガス１４ａと
大量の酸素ガス１８ａとを流すことにより一連の動作が
終了する。即ち、プリフロー用ガスが移行アーク後も継
続して流れているため、第１に、プリフロー用のガス通
路７内への逆流がなく、このため、従来のように、通路
の焼損がなくなる。第２に、プリフロー用ガスの供給を
停止しない分だけ、ノズル内でのガス圧の変動が少な
く、このため、移行アークが極めて早期に安定し、また
ダブルアークの発生も大幅に抑制される。この結果、例
え切断線が短い小物部品でもこれらを連続、高速かつ高
品質で切断加工できる

【００２０】第２実施例を図３のタイムチャートで説明
する。先ず制御装置４０から出力されたプラズマ起動指
令（Ａ）により開閉弁１６が開き、通路９から通路３に
酸素ガス１８ａが流れ始め、これを作動ガス２として着
火および穿孔を行う。着火を確認したら、制御装置４０
からプラズマアーク発生指令（Ｂ）が出力され、切断加
工を行う。切断加工が終了したら、プラズマ停止指令
（Ｃ）を出力してメインアークを停止させる。このと
き、開閉弁１６を閉じて通路３への酸素ガス１８ａの供
給を停止させると共に、開閉弁１２を開き、通路３に窒
素ガス１４ａを流す。そして所定時間経過後、開閉弁１
２を閉じ、通路３への窒素ガス１４ａの供給を停止させ
る。ここで、窒化物の生成は、電流停止から窒化反応下
限温度に到達するまでの時間内に行われるので、開閉弁
１２を閉じるタイミングはこれ以降とすれば良い。尚、
第２実施例の変形例を次の第３実施例及び第４実施例で
説明する。

【００２１】第３実施例を図４のタイムチャートで説明
する。同図に示すように、開閉弁１２をプラズマ停止指
令（Ｃ）よりも一定時間前の出力信号（Ｃ１）によって
開いても良い。このとき、出力信号（Ｃ１）は切断品質
に影響を与えない時点で出力されねばならない。例え
ば、図５に示すように、捨て切り部分を設け、この間に
出力を行えば良い。仮に切断終了時の切断品質に若干の
影響があっても良いのであれば、予め総切断時間を算出
し切断終了の直前に出力されるようにタイマ設定を行え
ば良い。

【００２２】第４実施例を図６のタイムチャートで説明
する。同図に示すように、開閉弁１２をプラズマ停止指
令（Ｃ）から一定時間経過後の出力信号（Ｃ２）によっ
て開いても良い。ここで、出力信号（Ｃ２）は電流停止
から窒化反応下限温度に到達するまでの時間内に出力す
れば良い。

【００２３】尚、上記の窒素ガス１４ａの代わりに空気
や酸素希釈窒素を用いても良く、この場合の窒化物生成
量と、電極１の消耗の抑制効果は、窒素ガス１４ａの混
合率の高い順に優位となる。

【００２４】第２実施例〜第４実施例の効果を説明す
る。これら実施例では、アフターフロー時、電極表面に
高融点で耐熱衝撃性の良好な窒化物（例えば電極がハフ
ニウムならば、融点３３１０°Ｃの窒化ハフニウム）が
形成され、電極の耐久性が向上する。この場合、窒素ガ
スの供給は、窒化物が生成される温度が確保される時間
経過を目安に停止させられるが、停止後は、ノズル内に
残留した窒素ガスが電極の酸化を阻止する。かかる構成
では、プリフロー時に敢えて窒素ガスを流す必要がなた
め、これら実施例ではプリフロー時に窒素ガスを流して
いない。このようにプリフロー時のガスをそのまま切断
時のガスとするというシンプルな構成であるため、さら
なる連続化、高速化かつ高品質化への路を開くことがで
きる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わるプ
ラズマ切断方法及び切断装置によれば、プリフロー用ガ
ス通路の焼損を阻止でき、また例え切断線が短い小物部
品でも、これらを連続、高速かつ高品質で切断加工でき
る。詳しくは次の通りである。

【００２６】第１発明〜第３発明では、プリフロー用ガ
スが移行アーク後も継続して流れるため、第１に逆流が
なく、このため通路焼損がなくなる。第２に、プリフロ
ー用ガスの供給を停止しない分だけノズル内でのガス圧
の変動が抑制され、このため移行アークも極めて早期に
安定し、かつ、ダブルアークの発生も大幅に抑制され
る。この結果、例え切断線が短い小物部品でもこれらを
連続、高速かつ高品質で切断加工できるようになる。

【００２７】第２発明では、第１発明の効果に加え、切
断停止時も不活性ガスを流しているため、より強固な電
極表面の酸化阻止や保護を行うことができる。

【００２８】第３発明では、アフターフロー時に電極表
面に高融点で耐熱衝撃性の良好な窒化物が形成されるた
め、電極の耐久性が向上するようになる。この場合、窒
素ガスの供給は、窒化物が生成される温度が確保される
時間経過を目安に停止させられるが、停止後は、ノズル
内に残留した窒素ガスで電極の酸化を阻止する。このよ
うな構成では、プリフロー時に敢えて窒素ガスを流す必
要がないため、本第３発明ではプリフロー時に窒素ガス
を流さない。このようにプリフロー時に窒素ガス等の不
活性ガスを流すという煩雑なガス供給制御を省いたた
め、より高度な連続、高速かつ高品質の切断加工を期待
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本装置発明の実施例の模式図である。

【図２】本方法発明の第１実施例のタイムチャートであ
る。

【図３】本方法発明の第２実施例のタイムチャートであ
る。

【図４】本方法発明の第３実施例のタイムチャートであ
る。

【図５】第３実施例における被切断材の正面図である。

【図６】本方法発明の第４実施例のタイムチャートであ
る。

【図７】プラズマトーチの断面図である。

【符号の説明】１電極２作動ガス３、７、９通路５ノズル１１、１５流量制御弁１２、１６開閉弁１３、１７逆止弁１４窒素ガスの供給源１８酸素ガスの供給源２１電源２５スイッチ２７電流検出器４０制御装置４１被切断材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極と、それを囲むノズルとの間にパイ
ロットアークを発生させ、次に電極と被切断物との間に
移行アークを形成し、被切断物の穿孔、切断を行うプラ
ズマ切断方法において、パイロットアークを発生すると
きは不活性ガスを流し、移行アークを発生するときは該
不活性ガスは流したままでさらに酸素ガスを流すことを
特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項２】切断終了後も引き続き不活性ガスを流す
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ切断方法。
【請求項３】電極と、それを囲むノズルとの間にパイ
ロットアークを発生させ、次に電極と被切断物との間に
移行アークを形成し、被切断物の穿孔、切断を行うプラ
ズマ切断方法において、パイロットアークを発生すると
きは酸素ガスを流し、移行アークを発生するときも引き
続き酸素ガスを流し、切断終了後は一定時間不活性ガス
又は空気を流す時間を設けることを特徴とするプラズマ
切断方法。
【請求項４】電極と、それを囲むノズルとの間に作動
ガスの通路を有し、パイロットアークを発生させ、次に
電極と被切断物との間に移行アークを形成し、被切断物
の穿孔、切断を行うプラズマ切断装置において、パイロット時の電流を検出しパイロット終了時の信号を
出力するパイロット終了検出装置と、作動ガスの通路と
作動ガスの供給源を接続する２つの通路と、ガス流量制
御弁と、ガス開閉弁と、からなることを特徴とするプラ
ズマ切断装置。