JPH07116854A - プラズマ切断方法及びプラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 切断面が荒れないドロスフリー切断を酸素の
みのアシストガスによって容易に達成することができる
ようにする。 【構成】 プラズマ作動ガスに酸素を用い、かつこのプ
ラズマ作動ガスの周囲に酸素を用いたアシストガスにて
包囲しながら切断を行なうプラズマアーク切断方法にお
いて、プラズマトーチのアシストガス噴出口からアシス
トガスをレイノルズ数Ｒｅが２０００以上である乱流状
態で噴出させながらプラズマアーク切断を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、作動ガスに酸素を用い
たプラズマ切断方法及びこの切断方法に用いるプラズマ
トーチに関するものである。

【従来の技術】

【０００２】従来の上記プラズマ切断方法にあっては、
切断品質の向上のために、プラズマアークの周囲に噴出
させるアシストガスに酸素を用い、切断箇所での酸素濃
度を上げて切断材酸化反応を活発にしてドロスフリー切
断を実現する技術が、例えば特開昭５９−２２９２８２
号公報で知られている。

【０００３】また、アシストガスに適度の酸素濃度を持
つ酸素と窒素の混合ガスを用いることにより、切断面の
荒れを防止しつつドロスフリー切断を行なう方法も知ら
れている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術の前者
にあっては、単に切断箇所での酸素濃度を上げただけで
あるため、酸素濃度過多となり、酸化反応が過剰とな
り、これにより、いわゆるバーニング現象が生じて切断
面が荒れてしまうという問題がある。また後者にあって
は、例えば、図１に示すように、酸素ガス用と、混合ガ
ス用の２種類のガスボンベを必要としたり、また図２に
示すように、上記２種類のガスボンベのほかにガス混合
器を備えなければならず、装置が複雑になり、コストが
上昇してしまうという問題があった。

【０００５】このように上記した従来の技術では、プラ
ズマ切断機による切断面の荒れないドロスフリー切断
は、酸素のみのアシストガスでは実現できず、２種類の
ガスソースやガス混合器を用いる等、高価な付加装備を
必要としていた。

【０００６】本発明は上記のことにかんがみなされたも
ので、切断面が荒れないドロスフリー切断を酸素のみの
アシストガスによって容易に、しかも安価に達成するこ
とがてきるようにしたプラズマ切断方法及びプラズマト
ーチを提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプラズマ切断方法は、プラズマ作動ガ
スに酸素を用い、かつこのプラズマ作動ガスの周囲に酸
素を用いたアシストガスにて包囲しながら切断を行なう
プラズマアーク切断方法において、プラズマトーチのア
シストガス噴出口からアシストガスをレイノルズ数Ｒｅ
が２０００以上である乱流状態で噴出させながらプラズ
マアーク切断を行なう。そしてこのときに用いるプラズ
マトーチは、電極及び作動ガス通路を内装したノズルの
外側に、このノズルの外周面に沿ってアシストガス通路
を設けてなり、かつ上記作動ガス通路及びアシストガス
通路に酸素ガス供給路に接続してなるプラズマトーチに
おいて、上記アシストガス通路に、ここを通るアシスト
ガスがレイノルズ数Ｒｅが２０００以上となるようにし
た狭窄部を設けた構成となっている。

【０００８】

【作 用】アシストガスがレイノルズ数Ｒｅが２００
０以上の乱流となってプラズマ作動ガスの周囲に噴出す
ることにより、アシストガス流周辺の雰囲気がアシスト
ガス流中に巻き込まれ、切断箇所付近のアシストガス組
成が適正値に維持されながらプラズマアーク切断され
る。そして上記アシストガスの乱流はアシストガス通路
の狭窄部を通って噴出されることにより生じる。

【０００９】

【実 施 例】本発明の実施例を以下に説明する。図３
は本発明方法に用いるプラズマ切断装置のガス配管の一
例を示すものもあり、使用ガスは酸素だけである。また
図４は本発明方法に用いるプラズマトーチの一例を示す
もので、図中１は電極、２はこの電極１を作動ガス通路
３を有して囲繞するノズルである。そしてこのノズル２
の外側に、このノズル２の外周面に沿って環状のアシス
トガス通路４を構成するためのアシストキャップ５が設
けてある。

【００１０】アシストキャップ５のアシストガス通路４
を構成するための内面には、ノズル２の外面に接触する
部分があり、この部分に、溝状通路６が円周方向に複数
個設けてあり、この溝状通路６によりアシストガス通路
４の狭窄部Ｎが構成されている。またアシストキャップ
５の先端部は上記溝状通路６を越えて突き出されてい
て、この部分により、ノズル２の外面とアシストキャッ
プ５との間に外気遮蔽通路７が形成されている。

【００１１】上記構成によるプラズマトーチを用いてプ
ラズマアーク切断を行なう。このとき、プラズマ作動ガ
ス及びアシストガスに純酸素ガスを用いる。そしてこの
アシストガスはピアッシング時、切断時、及び切断終了
時において流し続ける。このアシストガスの流れは、溝
状通路６による狭窄部Ｎにて絞られてその流速が増す。

【００１２】このとき、この溝状通路６で構成される狭
窄部Ｎの総断面積が、実用的なガス流量、例えば、２０
℃、１気圧の下で１０リットル／分程度で乱流が作れる
よう小さく、例えば総断面積を２．２ｍｍ₂ 程度とする
ことにより、アシストガス通路４から噴出されるアシス
トガスの吹き出し口直下でのレイノルズ数Ｒｅは、この
レイノルズ数Ｒｅを算出するための算出式に用いる代表
長さを溝の深さ０．３ｍｍとして、アシストガスを２０
℃、元圧６ｋｇ／ｃｍ₂ 、粘性係数２×１０^-5ｐａ・ｓ
の酸素とすると、約９０００と見積もれ、アシストガス
流は乱流状態で、周辺の雰囲気を巻き込みながら切断箇
所に供給される。

【００１３】この実施例では、狭窄部Ｎを構成する各溝
状通路６は図５に示すように円周方向に４個設けられ、
そのそれぞれの幅は約２ｍｍ、深さは０．３ｍｍ程度に
してある。また外気遮蔽通路７の長さＬ₁ は、乱流を十
分に発達させつつ、アシストガス流への雰囲気の巻き込
みを防止し、アシストキャップ５の先端から切断材まで
の距離Ｌ₂ の間で巻き込ませる雰囲気の量を調節し、切
断箇所に供給されるアシストガス流の酸素濃度の調整を
行なっている。この実施例では実用的な切断高さ１〜３
ｍｍにおいて最適な酸素濃度が実現できるようＬ₁ は約
５ｍｍ、アシストキャップ５の先端からノズル２の先端
までの距離Ｌ₃ は約４ｍｍにしてある。

【００１４】しかして、狭窄部Ｎを通ってアシストガス
は外気遮蔽通路７を通過する間に、アシストガスの乱流
を発達させつつもアシストガスを雰囲気から遮蔽し、雰
囲気の巻き込みが防止される。そして、かかる通路の長
さで狭窄部Ｎから切断点までの間で巻き込む雰囲気の量
が調節され、切断点付近でのアシストガス濃度は最適に
調整される。

【００１５】（実 験 例）図４に示すプラズマトーチ
を用いた本発明方法と、従来のプラズマトーチを用いて
従来の方法によりプラズマアーク切断した両実験を比較
した結果を表１に示す。なお、両実験条件は以下によ
る。 切断電流２７Ａ、ノズル径０．６ｍｍ、切断速度１〜２
ｍ／ｍｉｎ、切断高さ１．５ｍｍ、切箇所材（軟鋼）板
厚０．８〜３．２ｍｍ

【００１６】

【表１】

【００１７】この実験による比較例から明らかなよう
に、酸素濃度調整の効果が確認でき、切断箇所にてバー
ニングが発生せず、ドロスフリー切断が実現出来た。な
お、切断箇所での酸素濃度（％）は切断終了後にガスク
ロマトグラフティにて測定した。アシストガスの噴き出
しレイノルズ数Ｒｅの層流と乱流の境界となる臨界レイ
ノルズ数は約２０００である。

【００１８】また他の実験によれば、アシストガスの噴
き出しレイノルズ数Ｒｅの上昇に伴って周辺雰囲気の巻
き込みが促されて切断面の品質が改善された。その結果
を図１５に示す。なお上記噴き出しレイノルズ数Ｒｅは
アシストガスの噴き出し面積Ｓが小さい程低流量で高Ｒ
ｅ数を出すことができる。その結果を図１６に示す。こ
の図１６中Ｃは噴き出し口の総断面積Ｓが３０ｍｍ² 、
Ｄが２．２ｍｍ² の場合を示す。

【００１９】本発明方法に用いるプラズマトーチは図
４，図５に示す上記実施例の構成のほかに、図６，図７
に示すように、アシストガス通路４ａの環状の噴き出し
口８の開口幅を狭くして絞るようにしてもよい。

【００２０】また本発明方法を、図８に示すように、ア
シストガス通路を備えていないプラズマトーチを用い、
これの先端部に別構造のアシストガス用ノズル９よりア
シストガスを噴き出して切断するようにしてもよい。こ
の場合もアシストガスは乱流となって切断箇所付近に噴
き出すようにする。またこのアシストガス用ノズル９は
複数本あってもよい。

【００２１】上記実施例では、溝状通路６より先端側に
ノズル２の外面とアシストキャップ５との間に外気遮蔽
通路７を備えた実施例を示したが、図９に示すように、
ノズルキャップ５の先端部に通路６ａによる狭窄部Ｎを
設け、外気遮蔽通路がなくてもよい。

【００２２】この場合、狭窄部Ｎと切断箇所との距離と
を適当に選び、狭窄部Ｎの面積及びアシストガス流量を
調整すれば図４に示す実施例と同様の作用効果が得られ
る。ただし、この場合でも、アシストガス流は乱流で切
断箇所に供給する必要がある。

【００２３】また狭窄部Ｎは図５に示した実施例のよう
な断面形状を持つ溝状通路６でなくてもよく、アシスト
ガス流のレイノルズ数Ｒｅを２０００以上にすることが
できればどのような断面形状でもよい。これは例えば図
１０に示すように、円形断面の通路６ｂによる狭窄部Ｎ
でもよい。

【００２４】また図１１に示すように、狭窄部Ｎを構成
する通路６ｃを別部品として構成してもよい。この場合
も、この通路６ｃの断面形状は問わない。

【００２５】また図１２に示す実施例のように、アシス
トガス通路４ｂの吹き出し口付近のアシストキャップ５
ａの内面に、アシストガス流に対して積極的に擾乱を与
えるような突起１０ａを形成してもよい。

【００２６】この突起１０ａによる擾乱によってアシス
トガス流の臨界レイノルズ数を低下させ、雰囲気を巻き
込む乱流状態となり、適正な酸素濃度のガス流を切断箇
所付近に供給できる。このとき、上記突起１０ａの形状
は、アシストガス流に雰囲気を適正量巻き込ませるのに
必要な擾乱を与えることができればよく、どのような形
状でもよく、またいくつ配置してもよい。またこの突起
１０ａは、加工面の粗さによって置換えてもよい。

【００２７】図１３は上記した作用をする突起１０ｂを
アシストガス流吹き出し口付近のノズル２の外面に形成
した実施例を示す。この場合も突起１０ｂはアシストガ
ス流に、必要な擾乱を与えることができればどのような
形状でもよく、またいくつ配置してもよいし、さらにこ
の突起を加工面の粗さに起き換えてもよい。

【００２８】また図１４に示すようにアシストガスキャ
ップ５ｂの側面に雰囲気を取り入れるための穴１１を設
け、この穴１１の上流側に狭窄部を構成する通路６ｄを
設けてもよい。この通路６ｄによりアシストガス流は流
速を増し、穴１１で雰囲気が吸い込まれて適正な酸素濃
度が下流側に供給される。このとき、穴１１の形状、
数、面積を適当に選ぶことによって下流側の酸素濃度の
調整が可能である。この例ではアシストキャップ５ｂの
先端をノズル２の先端よりもつき出すことができるの
で、ノズル２の先端の保護にもなる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によるプラズマ切断方法によれ
ば、アシストガス流の周辺の雰囲気がアシストガス流中
に巻き込まれ、切断箇所付近のアシストガスによる酸素
濃度が良好となり、アシストガス組成が適正値に維持さ
れながらプラズマアーク切断がなされ、バーニングが発
生することなく、従って、切断面が荒れることなくしか
もドロスフリーのプラズマアーク切断が行なわれる。

【００３０】そして上記作用効果を有するプラズマ切断
方法を実施するプラズマトーチは、上記アシストガス通
路４の一部を狭窄部とするだけであることにより、従来
のものと殆ど変らないコストで得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術に用いられるガス配管方法の概略的な
説明図である。

【図２】従来技術に用いられるガス配管方法の概略的な
説明図である。

【図３】本発明方法に用いられるガス配管方法の概略的
な説明図である。

【図４】本発明方法に用いられるプラズマトーチの一例
を示す断面図である。

【図５】図４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図６】プラズマトーチの他例を示す断面図である。

【図７】図６のＢ−Ｂに沿う断面図である。

【図８】本発明方法の他の実施例を示す概略的な説明図
である。

【図９】本発明方法の他の実施例を示す概略的な断面図
である。

【図１０】狭窄部断面形状の他例を示す概略的な断面図
である。

【図１１】本発明方法の他の実施例を示す概略的な断面
図である。

【図１２】プラズマトーチの他例を示す断面図である。

【図１３】プラズマトーチの他例を示す断面図である。

【図１４】プラズマトーチの他例を示す断面図である。

【図１５】アシストガスの吹き出しＲｅ数に対する切断
面あらさの関係を示す線図である。

【図１６】噴き出し口の総断面積に対するアシストガス
流量とレイノルズ数Ｒｅとの関係を示す線図である。

【符号の説明】

１…電極 ２…ノズル ３…作動ガス通路 ４，４ａ，４ｂ…アシストガス通路 ５，５ａ，５ｂ…アシストキャップ ６…溝状通路 ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ…通路 ７…噴き出し口 ８…アシストガス用ノズル ９…アシストガス用ノズル １０，１０ａ，１０ｂ…突起 １１…穴 Ｎ…狭窄部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高林 有一 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ作動ガスに酸素を用い、かつこ
   のプラズマ作動ガスの周囲に酸素を用いたアシストガス
   にて包囲しながら切断を行なうプラズマアーク切断方法
   において、プラズマトーチのアシストガス噴出口からア
   シストガスを、レイノルズ数Ｒｅが２０００以上である
   乱流状態で噴出させながらプラズマアーク切断を行なう
   ことを特徴とするプラズマ切断方法。
2. 【請求項２】 電極及び作動ガス通路を内装したノズル
   の外側に、このノズルの外周面に沿ってアシストガス通
   路を設けてなり、かつ上記作動ガス通路及びアシストガ
   ス通路に酸素ガス供給路に接続してなるプラズマトーチ
   において、上記アシストガス通路に、ここを通るアシス
   トガスがレイノルズ数Ｒｅが２０００以上となるように
   した狭窄部Ｎを設けたことを特徴とするプラズマトー
   チ。