JPH0760450A

JPH0760450A - プラズマ切断方法

Info

Publication number: JPH0760450A
Application number: JP23073893A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Hoshino; 忠星野; Mitsuaki Otoguro; 盈昭乙黒
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 1995-03-07

Abstract

(57)【要約】【目的】酸素プラズマ切断における電極の寿命を大幅
に延ばすことができる酸素プラズマ切断方法を提供す
る。【構成】プラズマ切断のスタート時、プラズマガスと
して窒素９１〜１００モル％と酸素０〜９モル％のガス
を使用し、切断アークに移行後１０秒以内に酸素ガスに
切り替え、切断を行う。またプラズマ切断の終了時、切
断アークＯＦＦ後、プラズマガスを酸素ガスから窒素９
１〜１００モル％と酸素０〜９モル％のガスに切り替
え、１〜６０秒間パイロットアークを通電し、切断を終
了させる。【効果】電極の消耗が一番進むスタート時の消耗を抑
えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属の切断に際し、切断
ガスに酸素ガスを使用するプラズマ切断のスタート又は
終了方法に関し、特に電極の消耗耐久性を向上させる方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、軟鋼の切断においては、プラズマ
ガスに酸素ガスを使用した酸素プラズマ切断機を用いる
ことが多い。これは切断面に窒化層が発生しない、スラ
グの付着が少ない、また切断速度が他のガスを使用した
プラズマ切断機に比べ速い等、非常に優れているが、ト
ーチ内の電極の寿命が他のガスを使用したプラズマ切断
機に比べ短いという欠点がある。

【０００３】例えば、特公昭４９−８６２２号公報にプ
ラズマガスに活性ガスである酸素もしくは空気を用いる
方法が提案されている。この活性ガスを使用した方法で
は、電極の耐久性はアークのスタート回数（アークのＯ
Ｎ−ＯＦＦ回数）に大きく左右され、切断アーク作業時
間が短くてもスタート回数が多いと短時間で消耗してし
まうという欠点を有している。これは、アークスタート
時の電流の立ち上がり時に電極の消耗が大きく進み、切
断中の電流が一定している状態では消耗があまり進まな
いことによる。しかし、活性ガスでも酸素を使用した場
合と、空気を使用した場合では電極の寿命に差があり、
空気の方が酸素を使用した場合に比べ、同じ切断アーク
作業時間ではスタート回数が約２倍も多く切断が可能で
ある。しかし、空気の場合は切断面に窒化層が形成さ
れ、この切断面を溶接すると溶融部に窒素ガスが発生
し、ブローホールを発生させる欠陥を持っている。

【０００４】これらの欠点を解決するため、例えば特公
昭６４−９１１２号公報に示すごとく、一番消耗の進む
アークスタート時、空気に近い成分の窒素ガスと酸素ガ
スの混合ガスを使用し、スタート完了後は酸素に切り替
える方法が開発され、切断面に窒化層を形成せずまた電
極の耐久性も空気を使用した時と同程度とすることが可
能となった。しかしながら、特公昭６４−９１１２号の
方法では、電極の寿命は、スタート時プラズマガスを空
気に近い成分の窒素と酸素の混合ガスを使用しスタート
完了後酸素ガスに切り替えることによって、酸素ガスの
みでの切断時よりも向上することができたが、その時の
電極寿命自体は空気プラズマガス使用時とさほど変わる
ものではなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来技術に対
して、特に電極の寿命をさらに向上させる方法を開発す
ることを目的とする。すなわち本発明の第一の目的は、
スタート時の電極消耗をさらに抑制することであり、さ
らに第二の目的は切断終了時にも、次のスタート時の電
極消耗を抑制するための手段を行うことで、電極の寿命
をさらに向上せしめ、なおかつ切断面の窒化を防止でき
る方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明のプラズマ切断方法は、アークスタート時、プラズマ
ガスとして窒素９１〜１００モル％と酸素０〜９モル％
のガスを使用し、切断アークに移行後１０秒以内に酸素
ガスに切り替え、切断を行う方法であり、また、切断の
終了時、切断アークＯＦＦ後、プラズマガスを酸素ガス
から、窒素９１〜１００モル％と酸素０〜９モル％のガ
スに切り替え、１〜６０秒間パイロットアークを通電
し、切断を終了させる手段を用いることを特徴とする。

【０００７】

【作用】プラズマ切断において、電極の寿命は図４に示
すごとくスタート回数が多い程寿命は短くなる特性があ
る。これは電極材の消耗がアークスタート時に一番進み
やすいためで、これを図２のプラズマ切断装置先端部の
断面図により説明する。電極１は通常高融点の電極材１
１の溶融化合物１２（酸素ガスの場合は酸化ハフニウ
ム：融点＝３０８３Ｋ）で覆われており、切断中の電流
が安定している時は、中心部に近いｃ点付近からプラズ
マアーク６が出ていて、酸化ハフニウム１２はほとんど
消耗しない。

【０００８】しかし、スタート時のパイロットアーク１
９及び切断電流立ち上がり時のアーク不安定時にｂ点の
角部でアークが出ると、ｂ点の酸化ハフニウムは溶解す
る。この時電極材１１（ハフニウム）と密着する銅製の
電極１の一部を溶かし、酸化ハフニウム銅（Ｃｕ−Ｈｆ
−Ｏ）の合金を生成する。この酸化ハフニウム銅は融点
が約１３００〜２５００Ｋと低いため短時間で消耗して
しまい、電極消耗の主原因となっている。

【０００９】そこで、先に述べた従来技術ではスタート
時、プラズマガスに酸素の替わりに空気（２１モル％酸
素、７８モル％窒素）又は空気に近い成分の酸素と窒素
の混合ガスを用いる。これにより電極材の溶融化合物１
２は、酸化ハフニウム（融点：３０８３Ｋ）と、さらに
高融点の窒化ハフニウム（融点：３６６０Ｋ）の両方を
生成するため、ｂ点角部は溶融し難くなり、その結果低
融点のハフニウム銅合金の生成も少なくなり、電極の消
耗をかなり抑えることができる。

【００１０】そこで本発明は、窒素ガスの混合割合と電
極寿命との関係に着目し、窒素の混合割合対電極消耗量
の実験により相関関係を求めた。図３は、電極材として
ハフニウムを使用し、切断電流５０Ａで２０分間断続ア
ーキングした時のプラズマガスの窒素と酸素の混合比と
電極消耗量の関係を示す実験結果である。縦軸は２０分
間断続アーキング後の電極消耗量を重さで示したもので
ある。横軸の窒素の割合はプラズマガス中の窒素のモル
％を示す。図３に示すごとく、窒素ガスの濃度が高くな
る程電極の消耗量は少なくなり、窒素ガスの割合が約９
５〜９１モル％以上を境に電極の溶融消耗が極端に少な
くなることが判明した。

【００１１】窒素ガスの割合が約９５〜９１モル％以上
を境に電極の溶融消耗が極端に少なくなるのは、溶融化
合物１２の高温域ではハフニウムとの化合物生成エネル
ギーは窒素ガスに比べ酸素の方が大きいため、少しの酸
素量でも酸化ハフニウムの生成割合が大きく、酸素量５
〜９モル％以下で酸化ハフニウムは急激に減少し始め代
わりに高融点の窒化ハフニウムが増大したためである。
つまり、プラズマガスに窒素ガスを９１モル％以上、好
ましくは９５モル％以上混入すれば、高融点の窒化ハフ
ニウムが多くなり電極材は溶け難くなり、ｂ点角部での
消耗を抑えることができることがわかった。従って、本
実験結果より窒素濃度が約９１モル％未満では電極消耗
量は割合大きく、それ以上の濃度では、電極消耗量は極
端に減少し、電極寿命は向上することがわかった。

【００１２】本発明技術を用いれば、一番電極消耗が進
むアークスタート時、高濃度の窒素ガス（窒素９１〜１
００モル％と酸素０〜９モル％のガス）を使用すること
で、電極材の溶融化合物１２の大部分は高融点の窒化ハ
フニウム（ＨｆＮ）を生成し、溶け難く電極の消耗を最
小に抑えることができる。そして切断アークに移行後１
０秒以内に切断用の酸素ガスに切り替える。１０秒を越
えて高濃度窒素ガスを流しつづけると切断面の窒化層生
成が著しくなるので１０秒以内とするのである。

【００１３】また同様に切断終了時、切断用の酸素ガス
からパイロットアークを通電しながら１〜６０秒間高濃
度の窒素ガスに切り替え流すことにより、電極材の溶融
化合物１２は高融点の窒化ハフニウムを生成する。これ
により、次のアークスタート時は、電極材の表面は高融
点の窒化ハフニウムで覆われているので電極消耗を抑え
ることができる。パイロットアークの通電時間は切断休
止時間（切断アークＯＦＦから次のアークスタート迄の
時間）が短い場合は、パイロット電流を多くして電極温
度を高温に維持し、短時間（約１〜５秒程度）で窒化ハ
フニウムを生成する。切断休止時間が長い場合は、通常
のパイロット電流で約３〜６０秒間通電し窒化ハフニウ
ムを生成する。パイロットアークを通電する時間は１秒
未満ではパイロット電流を多くした場合でも窒化ハフニ
ウムが十分生成せず、一方６０秒を越えると切断面に窒
化層が生ずるので１〜６０秒間とする。

【００１４】従って、図３，図４でわかるようにスター
ト時、プラズマガスに高濃度の窒素ガスを使用し、スタ
ート完了後酸素に切り替え切断作業を行い、終了時にパ
イロットアークを通電しながら再度、酸素から高濃度の
窒素ガスに切り替えることで、切断時は従来の酸素プラ
ズマ切断と全く同じ状態の切断品質が得られ、なおか
つ、従来よりも電極の寿命が大幅に向上することができ
る。

【００１５】また、スタート時高濃度窒素ガスを酸素ガ
スに切り替えるタイミングを切断アークに移行した瞬間
とすると、切断面には全く窒化層を生成することなく切
断スタートすることも可能である。なお、切断終了時の
酸素ガスから高濃度の窒素ガスに切り替えるタイミング
は、切断電流をＯＦＦする少し前（約５〜０．５秒前）
に切り替えても良い。また、切断休止時間が短い場合
は、パイロットアークを通電した状態で、次の切断スタ
ートに移行しても良い。また、ガスの切り替えには、モ
ーターバルブ等を使用して所定時間をかけて酸素と窒素
の混合比率を可変しても良い。

【００１６】

【実施例】以下上記手段を適用したプラズマ切断装置の
実施例について図を用いて説明する。図１において、１
は電極、１１は電極材、３はプラズマガス穴１３を有し
その穴にてノズル２内部にプラズマガスに旋回流を作り
出す絶縁ガイシである。４はノズル２を固定するととも
に８の空間に冷却水を流し、ノズル２を冷却するキャッ
プである。電極１の内側空間には、冷却水７が流れ電極
１を冷却する。なお５は切断材、６はアーク、９は冷却
水ガイド、１０は電極台である。

【００１７】プラズマガスの供給源には、アークスター
ト時及びアークＯＦＦ時に流すための保護ガス１６（予
め混合された９１％以上の高濃度窒素混合ガス）の供給
源とタイミングで開閉するための保護ガス用電磁弁１
７、切断中に流すための切断ガス１４（酸素ガス）の供
給源とタイミングで開閉するための切断ガス用電磁弁１
５が配管されている。

【００１８】動作としては、アークスタート時保護ガス
１６を流すと、１３のプラズマガスの流路により旋回流
となりノズル２の内部に図のように旋回しながら流れ込
みノズル２の先端孔より外部に放出する。この時、図示
しない高周波により、図２に示すようにパイロットアー
ク１８は電極１とノズル２との最狭部ａ点で着火しガス
の旋回流により、ａ→ｂ→ｃの順路で電極中心部へと移
動する。

【００１９】この時、切断用電源をＯＮにすると切断電
流はパイロットアークを通じて電極材の溶融化合物（窒
化ハフニウム）１２と切断材との間でプラズマ切断アー
ク６となって流れ、プラズマガス流を高温のガス気流に
して切断材に吹き付け切断する。切断アークが発生した
直後、あるいは発生後所定時間経過したら、保護ガス１
６から切断ガス１４に切り替え切断作業をする。切断終
了時、切断アークＯＦＦ後、図１に示した切断ガス１４
を保護ガス１６に切り替え、所定時間パイロットアーク
を通電し電極材の溶融化合物１２を高融点の窒化ハフニ
ウムに変えて終了する。

【００２０】図４は前記のごとく構成した本発明のプラ
ズマ切断装置を使用し、従来技術と比較実験した結果を
示す電極寿命のグラフである。実験条件としては、切断
電流：１５０Ａ、ノズル２の穴径：１．８ｍｍ、切断ガ
ス：酸素ガス３５リットル／ｍｉｎ、保護ガス：３５リ
ットル／ｍｉｎ、切断材５として水冷銅材を使用し、切
断アークＯＮ−ＯＦＦサイクルとして０．５分ＯＮ−２
０秒ＯＦＦのサイクル、１分ＯＮ−２０秒ＯＦＦのサイ
クル、及び５分ＯＮ−２０秒ＯＦＦサイクルでの３パタ
ーンで断続アークテストを行ないそれぞれの条件での電
極寿命を求めた。

【００２１】その結果、図４に示す寿命曲線が求められ
た。図４中の実線は本発明による方法で、スター時及び
切断アークＯＦＦ後保護ガスとして１００モル％の窒素
ガスを使用し、スタート時切断アークに移行後４秒で酸
素に切り替え、切断アークＯＦＦ後酸素から保護ガスに
切り替えパイロットアーク時間１０秒間通電した場合で
の寿命曲線である。また比較として、一点鎖線はスター
ト時のみ保護ガスとして９０モル％の窒素ガスと１０モ
ル％の酸素ガスの混合ガスを使用した場合の寿命曲線、
破線は全く保護ガスを使用しない酸素ガスのみの切断を
行なった場合での寿命曲線である。

【００２２】図４の寿命グラフからも明らかなように、
例えば電極の寿命時間１００分でスタート回数を比較し
てみると、酸素ガスのみの場合は８５回、スタート時の
み保護ガスとして９０モル％の窒素ガスと１０モル％の
酸素ガスの混合ガスを使用した場合は１８５回であり、
本発明の方法を用いれば３５０回であり、スタート回数
寿命としては従来技術と比較して約１．９〜４．１倍も
寿命が向上した。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係わる方法によればプラズマ切
断のスタート時に９１モル％以上の高濃度の窒素ガスを
使用し、切断スタート完了後酸素ガスに切り替え切断作
業を行い、切断終了時に切断用酸素ガスを高濃度の窒素
ガスに切り替え所定時間パイロットアークを通電するこ
とにより、高速切断で、切断した製品にスラグの付着が
なく、また切断面に窒化層が発生することもなく、しか
も、使用する電極のスタート回数寿命を従来技術に比べ
約１．９〜４．１倍と大幅に向上せしめることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施する際に使用されるプラズ
マ切断装置の例の説明図

【図２】プラズマ切断装置先端部の断面説明図

【図３】プラズマガス中の窒素ガスの割合対電極消耗量
の関係を示すグラフ

【図４】アークスタート回数対電極の寿命時間の関係を
示すグラフ

【符号の説明】

１電極２ノズル３絶縁ガイシ４キャップ５切断材６プラズマ切断アーク７、８冷却水９冷却水ガイド１０電極台１１電極材１２溶融化合物（酸化ハフニウム等）１３プラズマガスの流路１４切断ガス１５切断ガス用電磁弁１６保護ガス１７保護ガス用電磁弁１８、１９パイロットアーク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ切断のスタート時、プラズマガ
スとして窒素９１〜１００モル％と酸素０〜９モル％の
ガスを使用し、切断アークに移行後１０秒以内に酸素ガ
スに切り替え、切断を行うことを特徴とするプラズマ切
断方法。
【請求項２】プラズマ切断の終了時、切断アークＯＦ
Ｆ後、プラズマガスを酸素ガスから窒素９１〜１００モ
ル％と酸素０〜９モル％のガスに切り替え、１〜６０秒
間パイロットアークを通電し、切断を終了させることを
特徴とするプラズマ切断方法。