JPH07185824A - プラズマ切断機及びプラズマ切断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 表面に可燃性の皮膜を被覆した鋼板の切断
を、被膜を損したり、有毒ガスが発生することなく、プ
ラズマ切断できるようにする。 【構成】 プラズマガスとして酸素あるいは空気を使用
し、ノズルオリフィス部での電流密度が２０Ａ／ｍｍ²
以上で、ノズルを包囲しノズルオリフィスと同心の円形
の開口部を有し、開口部先端がノズルオリフィス先端と
同じか突出して配置されているシールドキャップを有
し、その内壁面とノズルの外壁面とで構成される環状の
隙間に、冷却水を噴出供給する通路を持ち、切断中に冷
却水がプラズマアークに沿って環状に吹きだすようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ切断機及びこ
のプラズマ切断機を用いてのプラズマ切断方法で、詳し
くは、冷却水を被切断材に吹き付けることにより、被切
断材を冷却しながら切断するようにしたプラズマ切断機
及びプラズマ切断方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から実施されているプラズマ切断
は、ガス切断では切断不可能なステンレスやアルミ等の
非鉄金属の切断手段として開発され、当初は５００Ａ以
上の電流で、アルゴンプラズマにより上記非鉄金属の厚
板を切断することに適用されることが多かった。

【０００３】その後、酸素雰囲気で使用できる電極が開
発され、酸素プラズマにより切断が可能になった。これ
により、軟鋼に関して酸素プラズマにより、ガス切断よ
りも高速で切断できるようになり、造船関係でガス切断
に替わり広く使われるようになった。ただ、この段階ま
では電流値も１００Ａ以上のものが殆どで、厚板の切断
が主体となっており、薄板への適用は遅れていた。

【０００４】近年、パワートランジスタの発展により小
電流の電源が開発され、１００Ａ以下でのプラズマ切断
が可能になり、プラズマガスとして圧縮空気や酸素を使
って薄板切断でもプラズマ切断が広く使われるようにな
ってきた。

【０００５】これの小電流プラズマの適用分野として、
ビルや工場の空調用ダクトの製造がある。従来は、型紙
から形状を鉄板に写し取った後、カナバサミやジグソー
等で手作業により切断が行なわれていたが、この分野に
おいて、圧縮空気をプラズマガスとする小電流のプラズ
マトーチを、縦方向、横方向へ移動可能なテーブルに搭
載し、予めプログラミングされた形状に従い鉄板を型切
断する自動プラズマ切断装置が導入され、大幅な省人化
や効率化が図られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術におい
て、例えば、空調用ダクト製造の分野において使用され
る鉄板は、板厚が１ｍｍ以下の軟鋼板が大部分である。
さらに、この鋼板の表面は、錆防止のためにメッキが施
されていることが多く、あるいはメッキ以外に樹脂シー
トや塗料皮膜により覆われているものもある。

【０００７】このような表面に皮膜のある軟鋼板をプラ
ズマ切断すると、このプラズマ切断では、軟鋼板をプラ
ズマの熱により燃焼溶融して切断するため、切断部近傍
のメッキや樹脂シート、あるいは塗料皮膜が、プラズマ
の熱により、蒸発したり、変質したりして、美観を損ね
るだけでなく、錆防止の機能もなくなってしまい、製品
としての価値を著しく低下させてしまうという問題があ
った。

【０００８】また、特に樹脂シートにて被覆しているも
のの場合は、切断部近傍が蒸発するだけでなく、それを
種火として、広い範囲にわたって延燒してしまい、切断
そのものの適用が困難であった。

【０００９】従って、このような表面に皮膜のある軟鋼
板の切断では、旧来のカナバサミ等による手作業の切断
に頼らなければならず、このような鋼板においても適用
可能な、プラズマ切断機が望まれていた。

【００１０】一方、プラズマ切断による切断品質を向上
する手段として、水中でプラズマ切断を実施する方法
や、被切断材をプラズマアークに沿って噴出する冷却水
により冷却しながら切断を行う方法が開発されている
が、いずれも１００Ａ以上の大電流のプラズマに適用さ
れており、薄板の切断用に適用するにはいくつかの問題
点を抱えていた、その問題点を列記する。

【００１１】ａ）従来の水噴射による被切断材を冷却す
る方法では、鋼板表面の数百度程度で容易に蒸発あるい
は燃焼したりする皮膜を保護するには、冷却能力が不足
していた。また、単純に水中で切断するだけでは、被切
断材を充分に冷却することはできない。 ｂ）また従来の水噴射で、冷却能力を高めるために冷却
水の流量を増すと、切断応力が低下してしまい切断でき
なくなる。 ｃ）また冷却水量が増えると、冷却水の流れにムラがで
き、均一に被切断材の冷却することができなくなり、切
断が不安定となる。

【００１２】本発明は上記のことにかんがみなされたも
ので、従来のプラズマ切断機及びプラズマ切断方法では
困難であった表面に可燃性の皮膜のある鋼板の切断が実
施できると共に、切り口の肩だれの低減や熱変形の低減
を大幅に図ることができるようにしたプラズマ切断機及
びプラズマ切断方法を提供したことを目的とするもので
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】表面に可燃性の皮膜があ
る場合でも、皮膜の損傷を最小限に抑えてプラズマ切断
を実施するためには、切断が進行している部分を冷却水
により冷却することで可能となる。ただし、従来の水噴
射に問題点のあることは上記したとうりであり、この問
題点を解決するための考え方は、 ａ）被切断材を強力に冷却すること。 ｂ）多量の冷却水でも、切断能力が低下しないこと。 ｃ）均一な冷却水流が得られること。 であり、以上の項目を満足するために、一連の試験を行
なった結果、問題解決のための手段を明らかにすること
ができた。すなわち、プラズマ切断機は、プラズマガス
として酸素あるいは空気を使用し、ノズルオリフィス部
での電流密度が２０Ａ／ｍｍ² 以上で、ノズルを包囲し
ノズルオリフィスと同心の円形の開口部を有し、開口部
先端がノズルオリフィス先端と同じか突出して配置され
ているシールドキャップを有し、その内壁面とノズルの
外壁面とで構成される環状の隙間に、冷却水を噴出供給
する通路を持ち、切断中に冷却水がプラズマアークに沿
って環状に吹きだすような構成とした。また上記冷却水
を噴出供給する通路に、旋回方向に冷却水を噴出するた
めの機構を設ける構成としてもよい。また上記プラズマ
切断機を用いたプラズマ切断方法は、被切断材を冷却す
るための冷却水量をＱ（ｃｃ／分）、電流値をＩ
（Ａ）、電圧Ｖ（ｖ）、定数をＫ：０．３（ｃｃ／分・
ｗ）としたときに、Ｑ≧Ｉ×Ｖ×Ｋとしてプラズマ切断
を行なう。そしてこのプラズマ切断方法にて表面に樹脂
皮膜あるいは塗料あるいはメッキにより覆われている被
切断材を切断する。またこのプラズマ切断方法では、シ
ールドキャップの先端と被切断材との距離を、接触せ
ず、かつ、５．０ｍｍから０．５ｍｍの間で切断する。

【００１４】

【作 用】多量の冷却水により被切断材を冷却しよう
とすると、必然的にプラズマアークの保有する熱も奪わ
れてしまうので、切断能力も低下し切断不能となってし
まうが、そのためには、ノズルオリフィス部での電流密
度２０Ａ／ｍｍ² 以上とすることで、プラズマアークの
保有熱量を高くすることができる。上記構成において、
冷却水量が増すと、均一に被切断材を冷却することが困
難となるが、冷却水をノズル外壁面とシールドキャップ
内壁面との間の環状の隙間である冷却水通路に、プラズ
マアークに沿って環状に吹き出すようにしたので、旋回
させながら供給され、均一に被切断材が冷却される。ま
た旋回されながら供給することにより一層均一に冷却さ
れる。一方、プラズマアークの保有熱量は、大略、投入
電力（Ｉ×Ｖ）で計算される。この値に対して、一定の
比率Ｋ以上の冷却水量を流すことにより、可燃性の皮膜
を保護される。この比率に付いては、テストを実施した
結果Ｋ＝０．３（ｃｃ／（分・Ｗ））となった。本発明
による水噴射の冷却水量は、従来の水噴射と比較すると
非常に多くなっている。従来の水噴射では、４００Ａク
ラスのプラズマでも、水噴射に係る冷却水量は高々１０
００ｃｃ／分であるが、本発明では４０Ａ程度でも１０
００ｃｃ／分以上となる。また、いくら冷却水量を増し
ても、それが効率よく被切断材の切断が進行している近
傍を冷却しなければ、その効果を発揮しない。有効に冷
却を行うためには、シールドキャップの先端をノズルと
同じか被切断材に近づけることにより、冷却水が発散せ
ず被切断材まで達した。さらに、シールドキャップと被
切断材との距離が離れていても、冷却水が発散してしま
う。また、逆に距離が近すぎると冷却水の逃げ場が無く
なり、切断溝に流れ込む水量が増え、アークを乱し切断
が不安定となる。従って、その距離を５．０ｍｍから
０．５ｍｍの間で切断することにより、アークを乱さず
充分に被切断材の切断点近傍を冷却することができるよ
うになった。

【００１５】

【実 施 例】本発明による実施例を図１により説明す
る。プラズマ切断機は、プラズマアークを発生するプラ
ズマトーチ１と、それに電力を供給するプラズマ電源２
より構成される。プラズマ電源２のマイナス極はプラズ
マトーチ１の電極３に接続され、プラス極は被切断材４
に接続される。プラズマアーク発生に当たっては、ガス
供給源につながる電磁弁５ａが開き、プラズマトーチ１
にガスが供給されると共に、本図では示していないが、
高周波発生器による高電圧により、電極３とノズル６と
の間でパイロットアークを形成した後、電極３と被切断
材４の間にプラズマアーク７が形成される。電極３と被
切断材４との間に配置されたノズル６のノズルオリフィ
ス８を通過する際に、プラズマアーク７は細く絞り込ま
れてその温度が上昇すると共に、下方に高速高圧で噴出
し切断が進行する。また、電極３及びノズル６は高温の
プラズマアーク７に曝されるので、電磁弁５ｂを介して
供給される冷却水９により冷却されている。以上は従来
のプラズマ切断と同様である。

【００１６】以下、本発明により改良されたプラズマ切
断に付いて説明する。プラズマガスとして、酸素あるい
は圧縮空気を使用し、ノズルオリフィス８を通過する電
流値を電流密度が２０Ａ／ｍｍ² 以上となるように設定
する。これにより、被切断材４を冷却する水によりプラ
ズマアーク７の熱が奪われても、充分に切断が実施でき
るようになる。さらに、アーク発生と連動して被切断材
冷却用の水を供給を開始するが、この時の冷却水Ｑ（ｃ
ｃ／分）は、電流値をＩ（Ａ）、電圧Ｖ（ｖ）、定数を
Ｋ（ｃｃ／分・Ｗ）としたときに Ｑ≧Ｉ×Ｖ×Ｋ となるようにする。またこの冷却水の供給のタイミング
はアーク発生と同時でもよいが、アーク発生以前から冷
却水を供給することで、切断開始点の皮膜の損傷も抑え
ることができる。

【００１７】上記定数ｋは種々テストした結果０．３が
得られた。図４はこのテストの結果を示すもので、ノズ
ル径が０．７ｍｍで、異なる３種類の電力（Ｉ×Ｖ）で
ビニールを被覆した板厚０．８ｍｍの被切断材を切断
し、このときにそれぞれの電力投入時におけるビニール
被膜が燃焼しない範囲における冷却水量を調べた結果、
ｋ＝０．３として設定した冷却水量Ｑ（ｃｃ／分）以上
の水量の範囲で、ビニール被膜の燃焼がみられなかっ
た。

【００１８】また、プラズマトーチ１に供給された冷却
水９は、ノズル６を包囲するように配置されたシールド
キャップ１０とノズルキャップ１１の間の通路に、冷却
水噴射口１２よりトーチ中心軸に対して直角方向（被切
断材４に対して平行）に噴出することで、冷却水９に旋
回を与え均一に被切断材４を冷却できる。冷却水９に旋
回を与える機構としては、上述のように噴出口１２によ
り行なってもよいし、シールドキャップ１０とノズルキ
ャップ１１との間に、旋回を与えるためのスワラー等の
うずまき通路を設置してもよい。冷却水９は上記のシー
ルドキャップ１０とノズルキャップ１１の間の通路を旋
回しながら通過し、先端で開口部である冷却水噴出口１
２より被切断材４に向かって吹き出す。シールドキャッ
プ１０がノズル６と同じかさらに被切断材４側に突き出
ており、また、被切断材４とシールドキャップ１０の間
隔が５．０ｍｍから０．５ｍｍになっているので、冷却
水９は発散せずに被切断材４に達し、効率的に切断進行
点を冷却することができる。

【００１９】また、図２にシールドキャップ１０と被切
断材４の距離を一定に保つ装置の一例を示す。プラズマ
切断において、トーチ高さを一定に保つ方法としては、
アーク電圧や静電容量を利用する方法もあるが、本発明
のように多量の冷却水９がプラズマアーム７に沿って噴
出する場合では、アーク電圧や静電容量も変化してしま
い、そのような方法ではトーチ高さを一定に制御するこ
とは困難である。図２に示したように被切断材４にフリ
ーベアリング１３を介して接触しその反力によりプラズ
マトーチ１を支持する方法が多量の冷却水９によっても
影響を受けることが無く、本発明によるプラズマ切断機
に適している。また、高さ調整ネジ１４等の機構によ
り、トーチ高さを微調整できるようになっている。この
高さ規制装置はプラズマ切断機１に対して着脱可能にな
っている。

【００２０】図３には、本発明によるプラズマ切断機の
プラズマトーチ１を、縦方向、横方向移動可能なテーブ
ル１５に搭載し、予めプログラミングされた形状に従い
鉄板を型切断する自動プラズマ切断装置を示したもので
ある。この場合、被切断材４を冷却した水を排水するた
めの配管１６を設置している。また、本発明によるプラ
ズマ切断機Ａにおいて、被切断材４として表面に塩化ビ
ニールの被膜４ａを被覆した塩ビ鋼板を切断する場合の
切断条件の一例を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】上記実施例において、被切断材４の被膜４
ａは損傷なしに切断でき、従ってこの皮膜が燃える際に
発生する有毒なガスの発生もなかった。また切り口の肩
だれも少なく、熱変形も少なかった。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、従来のプラズマ切断機
及びプラズマ切断方法では困難であった、表面に可燃性
の皮膜を被覆した鋼板の切断が、この皮膜を損傷するこ
となく、また皮膜の燃焼による有毒ガスが発生すること
なく行なうことができた。そして当然のことながら、こ
れまでの水噴射によるプラズマ切断でも切り口の肩だれ
の低減や熱変形の低減の効果はうたわれてきたが、本発
明では冷却能力が強化されたことで、これらの効果が大
幅に向上することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ切断機の概略的な構成を
示す断面図である。

【図２】プラズマ切断機の高さ規制装置の概略的な構成
を示す断面図である。

【図３】プラズマ切断機の使用状態を示す斜視図であ
る。

【図４】冷却水量を決定するための定数を調べるために
テストをした結果を示す線図である。

【符号の説明】

１…プラズマトーチ、２…電源、３…電極、４…被切断
材、５ａ，５ｂ…電磁弁、６…ノズル、７…プラズマア
ーク、８…ノズルオリフィス、９…冷却水、１０…シー
ルドキャップ、１１…ノズルキャップ、１２…冷却水噴
出口、１３…フリーベアリング、１４…高さ調整ねじ、
１５…テーブル。

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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマガスとして酸素あるいは空気を
   使用し、ノズルオリフィス部での電流密度が２０Ａ／ｍ
   ｍ² 以上で、ノズルを包囲しノズルオリフィスと同心の
   円形の開口部を有し、開口部先端がノズルオリフィス先
   端と同じか突出して配置されているシールドキャップを
   有し、その内壁面とノズルの外壁面とで構成される環状
   の隙間に、冷却水を噴出供給する通路を持ち、切断中に
   冷却水がプラズマアークに沿って環状に吹きだすことを
   特徴とするプラズマ切断機。
2. 【請求項２】 シールドキャップ内壁面とノズル外壁面
   で構成される環状の冷却水通路に、旋回方向に冷却水を
   噴出するための機構を設けたことを特徴とする請求項１
   記載のプラズマ切断機。
3. 【請求項３】 プラズマガスとして酸素あるいは空気を
   使用し、ノズルオリフィス部での電流密度２０Ａ／ｍｍ
   ² 以上で、ノズルを包囲しノズルオリフィスと同心の円
   形の開口部を有し、開口部先端がノズルオリフィス先端
   と同じか突出して配置されているシールドキャップを有
   し、その内壁面とノズルの外壁面とで構成される環状の
   隙間に、冷却水を噴出供給する通路を持ち、切断中に冷
   却水がプラズマアークに沿って環状に吹きだす切断機に
   おいて、被切断機を冷却するための冷却水量をＱ（ｃｃ
   ／分・Ｗ）、電流値をＩ（Ａ）、電流Ｖ（Ｖ）、定数を
   Ｋ＝０．３（ｃｃ／分・Ｗ）としたときに、 Ｑ≧Ｉ×Ｖ×Ｋ としたことを特徴とするプラズマ切断方法。
4. 【請求項４】 表面に樹脂被膜あるいは塗料あるいはメ
   ッキにより覆われている被切断材を切断することを特徴
   とする請求項３記載のプラズマ切断方法。
5. 【請求項５】 シールドキャップの先端と被切断材との
   距離を、接触せず、かつ、５．０ｍｍから０．５ｍｍの
   間で切断することを特徴とする請求項３記載のプラズマ
   切断方法。