JPS58135765A - プラズマ切断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はプラズマ切断方法、４Ｉに薄板の金属材料をプ
ラズマアークによ多切断する方法に関する亀のである。

薄板の金属材料をプラズマアークによ如手動切断あるい
は半自動切断する場合には、手持式の小形のプラズマト
ーチが便利であるので、従来よｐ広く使用されている。

この場合、プラズマガス（切断ガスま九は作動ガス）に
は、主としてアルゴン（Ａｔ）ガスが使用され、まれに
はＡｔガス中に電位傾度の高い水素（Ｈ２）ガスあるい
は窒素（Ｎ、）ガスを添加し九（Ａ　’　＋　Ｈｔ　）
または（Ａｒ＋Ｎｔ　）の混合ガスを用いる場合がある
。

Ａｔガスによるグッズマ切断は、ちょっと切断し良い、
穴をあけ丸い、端切シじたいなどの加工時の補修および
溶接前後の補助作業には非常に有効である長所がある反
面、切断品質が悪く、切断能力が極めて低い短所がある
。七ζで（人ｒ＋Ｈ，）および（人ｒ十Ｎ、）の混合ガ
スの使用は切断能力を高めるのに有効であるがｓ　　（
Ａｒ＋ｎｔ　）混合ガスではドロスが切シロに付着し易
く、（λｒ十Ｎ、）混合ガスでは切シロが著しく窒化、
酸化され易い上にＮＯｘが多発するなどの問題がある。

手持式の小皺のプラズマトーチによるプラズマ切断作業
では、切断速度の低下を多少犠牲にしても、主として切
断面の品質の確保に重点が置かれておシ、切断面がシャ
ープで酸化が少なく、シかもその切シロにドロスが付着
しないことが重要である。特に板厚が６■以下の薄板の
切断では、従来から切断面の高品質化が強く要望されて
いた。

この要望に答えるために種々の方法が検討されてきたが
、まだ十分に満足できる方法が見い出すまでに至ってい
ないのが現状である。

一方、水シールド方式プラズマ切断は切断面の品質改善
ばかシでなく１作業環境の改善にも寄与することが知ら
れている。例えば時分＠４７〜９２５２には、プラズマ
アークの周囲よシ被切断材の切シロに水を噴出させなが
ら切断する方法が記されている。この切断法は被切断材
の切シロの肩だれ防止、酸化防止および切断面の良質化
に大いに有効であり、主として厚板の高速自動切断に広
く用いられている。ところが、これに適用したグツズｉ
切断装置に装備されている切断トーチは。

構造が複雑で、かつ径が太い丸め、手持式の切断トーチ
には適しない。ｔｉ仮シにこの装置によシ薄板（板厚が
６−以下のステンレス、アルミニウムなどの金属材料）
の切断を行つ九としても、ドロスの付着、切シロの肩だ
れが大きくなるという問題点は解消されない。

また他の公知例として例えば特公昭５４−３１９８があ
るが、この方法を採用し九切断装置では、渦巻き状のプ
ラズマガス気流に合せ、トーチ先端部のノズル孔内から
渦巻き状に水を噴出させて切断を行うように構成されて
いる。このためトーチの構造が極めて交雑となｐ、その
径も太くなる。またノズル孔内に水を供給する場合、水
が気化し活性ガスとなるため、そのイオン化し九ガスの
一部がトーチ内部の電極に接触して悪影響を及ぼす恐れ
があり、電極先端の消耗を促進させることが予想される
。ｂずれにしても前記特公昭４７−９２５２で述べたよ
うに、この切断装置においても薄板の切断は不向と思わ
れる。したがって上記水シールドプラズマ切断法を薄板
の切断に適用するためには、トーチ構造の簡易化と、ト
ーチの小形化が不可欠であシ、ま九その切断面の品質改
善をはかるための方法および施工技術の検討が必要であ
る。

本発明は切り口の肩だれ防止、熱影響の縮小および窒化
、酸化の防止をはかるばかりでなく、有害ガスの発生を
抑制して作業現場の環境改善をはかると共に、切断能力
を高めて薄板のドロスフリー切断を可能にし、かつその
切断面の高品質化をはかることを目的とするものである
。　　　゛上記目的を達成する丸めに１本発明はトーチ
先熾部に装着されたノズル孔を有するノズルチップの外
周から被切断材の切シロに向けて水を噴出させる手持式
の小部プラズマトーチを用い、仁のトーチ内部の非消耗
性電極棒を、　＃＆ｌ：ノズル孔の長さｔおよびノズル
チップの下端面から電極棒先端までの距＠ｈが次の関係 １．５ｔ≦ｂ≦３ｔ＜８（ｍ） を満足するように予め配置し、前記ノズル孔にアルゴン
窒素混合ガスを供給し１手持式プラズマトーチと被切断
材との間にプラズマアークを発生させると共に、被切断
材の切シロに水を作用させながら切断することを特徴と
するものである。

以下本発明の実施料を図面について説明する。

第１図は本発明に係わるプラズマ切断方法を適用するプ
ラズマ切断機の構成図でおる。同図において、１は手持
式の手盛のプラズマトーチ、プラズマアーク２を発生す
るトーチ先端部から水を噴出させる機能を備えており、
その評細については後述することにする。３は制御装［
１４とプラズマトーチ１に接続されたトーチケーブルで
、このケーブル３により通電、水、ガスなどが給送され
る。

５は被切断材、６は被切断材５と制御装ｒ１ｔ４に接続
する直流電源、７ｍ、７ｂは各ボンベ内に収納されたＡ
ｔガスおよびＮ、ガスで、そのＡｒガスは＃Ｉｌプラズ
マガスとして、またＮ、ガスは第２プラズＶガスとして
それぞれプラズマトーチ１へ供給される。

上記制御装置４には直流電源６とガス７ｍ。

７ｂの他に、プラス１トーチ１の本体を水冷する丸めの
冷却水およびプラズマアーク２の周囲から被切断材５の
切シロへ水を噴出するための水源８が接続されている。

この制御装置４によりプラズマアーク２０発生から切断
の終シまで、必要に応じて任意にプラズマ電流、プラズ
マガス流量および水量などの値を設定、供給の開始およ
び停止の制御ができるように構成されている。９は起動
と停止を行うトーチスイッチである。

上記プラズマトーチｌ（以下トーチと称す）の構造の絆
細は第２図に示すとおりで、そのトーチ本体１１は手軽
に手動切断を行うことができるよ□ うに、外径が２５■程度で手持式の小型に形成され、ト
ーチ本体１ａ内に構成部品がコンパクトに納入されてい
る。すなわちトーチ本体１１の中央電極棒１０が設置さ
れ、ま九トーチ本体１ａの先端部には、小径のノズルチ
ップ１２が装着され。

このノズルチップ１２のノズル孔１３からプラズマガス
７とプラズマアーク２が被切断材５へ向けて噴射される
。七のプラズマガス７は軸流方式を示しているが、旋回
させてもよいことはもちろんである。

上記ノズルチップ１２の外周部は絶縁す／グ１５！Ｉ　
、１５ｂを介して金［ｉ製ノズルキャップ１４によシ包
囲されている。このためノズルテップ１２とノズルキャ
ップ１４は′ｌ［気的に絶縁され、トーチｌの母材接触
切断が可能となる。前記絶縁リング１５ｂの内周面には
、プラズマアーク２および被切断材５に向けて冷却水１
６を均一に噴出させるための小溝が設けられている。ま
たプラズマトーチ本体ｌａ内には、それ自身を冷却する
ための冷却水１７が循環しておシ、かつプラズマガス７
および冷却水１６の漏洩を防止するためのシールＩＪ　
ｙグ１ｇｍが設けられている。

上記のようにトーチ１を構成する各部品の形状の小形化
を簡素化によシ１手持式の小形トーチを製作する゛こと
が可能となる。このようなトーチ１によれば、ノズルチ
ップ１２の外周部に供給された少量の冷却水１６（例え
ば３０〜２６０ｃｃ／ｍ）が、プラズマガス７とプラズ
マアーク２の超高温の気流によプ、均一に噴霧化、蒸気
化し、水と噴霧および蒸気の混合流体がプラズマアーク
２の周囲を包み込むように作用し、サーマルピッチ幼果
によ）、そのアークエネルギー密度を高めると共に、高
温化された噴霧、蒸気流体が被切断材の切シロへ有効に
作用して反応を起させることができる。

また上記トーチｌでは、その先端部のノズルキャップ１
４を被切断材５に接触させたま＼でも切断が可能である
から、トーチ操作が容易であシ。

アーク長の変動の影響を受は離＜、かつ切断面の均一化
および良質化をはかることができる。

次に本発明に基づくプラズマ切断の制御動作を第３図に
ついて説明する。

第３図はプラズマ電流ＩとパイロットアークＡの点滅、
プラズマガスＧｌ　、Ｇｔおよび水（Ｑｗ）の供給が、
起動から停止して終了するまでの時間と共に変化する動
作を示した本のである。第１プラズマガスＧｌはＡｒガ
ス（例えば３〜１０　Ｌ／ｗｔｘ）、第２プラズマガス
Ｇ、はＮ、ガス（例えば１０〜３Ｑｔ／８１１＞で、プ
ラズマアーク７の発生と同時にＮ、ガスが添加されて合
流し、（Ａ「十Ｎ、）混合ガスとしてノズル孔よ砂噴射
する。

この場合、切断性を高めるためにはｔＮ、ガスの濃度を
高めることが不可欠であシ、少なくともＮ１ガス濃度を
６０％以上にする必要がある。Ｎ。

ガスの使用は切シロ面の窒化、酸化およびＮｏｒなどの
有害ガス発生が問題となると思われがちであるが５本発
明のトーチｌではトーチ先端部から水を噴出させている
から、この水シール効果によ９切）口面の窒化と酸化を
防止すると共に、有害ガスの発生を抑制することができ
る。

薄板のドロス７リー切断を行う場合には、プラズマアー
クのエネルギー密度を高めることが有効であるが、単に
ノズルチップのノズル孔径を小さくシ、そのノズル孔を
プラズマアークが通る単位面積当シの電流密度（Ａ／■
３　）を高めた譬けでは、切断速度をいかに調整しても
ドロスフリー切断を実現するこ々はできない。切シロが
シャープで、しかもドロスが付着しない良質の断面積を
うる丸めには、さらにいくつかの条件因子を把握しなけ
ればならない。

種々の切断実験を行つ九結果、トーチ内部の電極とノズ
ルとの距離が薄板のドロスフリー切断を実施するのに、
極めて重要な因子であることが判明し友。第４図は第２
図に示す切断トーチを用いて、板厚６−のステンレス鋼
を切断し九時の結果。

すなわちノズル孔１３のストレート長さｔと、ノズルチ
ップ１２の下端面から電極１１０の先端までの距＠ｈを
変更し喪ときの切断中のアーク電圧を示したものである
。図中のｖＰは電極ｌＯから被切断材５へ発生させたプ
ラズマアークの電圧ｈ　Ｖ）１はプラズマアークによシ
生ずるノズルと電極間の分電圧である。プラズマガスに
は（Ａｒ＋８０％Ｎ、　）を使用しておシ、プラズマ電
圧７０人、ノズル孔径１．６閤１．添加水量は７９ｃｃ
／ｍなど一定の条件である。

上記ｔを長くすると、ＶＰ、Ｖには上昇し、その値はｈ
が長いほど高くなる。しかし電極先端がノズル孔径の上
端部に接近しては％：ｔ＞ｈの条件下になると、電圧Ｖ
Ｐ、ＶＷが急降下し、切断能力は著しく低下することが
判明した。ｔｉ前記条件下では、ドロスフリー切断は不
可能であった。

トーチを下げて母材に接触させて切断を行った場合にお
いても、アーク長の縮小に伴う電圧降下によＪ）Ｖｐ、
ＶＷの値は相対的に低下するが、上記の現象は同様に認
めら、れる（図中の点耐曲−Ｂは母材接触切断結果）。

ｔ＞ｈの条件下でＶｐ　、ＶＷが急降下する理由は、ノ
ズル孔の全周面でプラズマアークを挟挿することができ
ずに、ノズル孔先端部の一円周面にプラズマアークが接
するようになシ、アークの挟挿効果が低下する。その結
果。

アークのエネルギー密度が減少することが考えられる。

第５図はノズル孔のストレート長さｔが２５■（一定）
で、ノズルチップと電極間の距離りとグッズマアーク電
圧Ｖｐとの関係を示したものである。ｔｉ板厚（１）が
１讃から８■までのステンレス鋼板を切断したときの切
断結果をまとめ、その切シロの代表例が図示されている
。この図よシｈが短かくてｚ＞ｈとなるところではＶＰ
が急降下し、この領域（１）ではプラズマアークの出力
が低下し、切断能力が著しく低下する。を九切断速度を
調整しても良好に切断を行うことができず。

左図（麿領域）のように切シロの上部は肩だれを生じ、
下部にはドロスが付着する。

上記と反対にｈを長くし九場合には、これにほぼ比例し
てＶｙは上昇し、プラズマアークのエネルギーは増加し
て切断能力が増大する。また右図（ｂ領域）のように切
断の切シロはシャープで肩だれが小さく、ドロスもほと
んど付着しない、しかも光沢を有する極めて良好な切断
結果がえられる。ｈが長過ぎて８■を越えるＣ領域では
、起動時のパイロットアークの印加およびプラズマア−
りの母材へ移行が困−で、切断作業に支障をきたす恐れ
がある。またノズルチップに高負荷が加わるので、ノズ
ルチップの寿命が短かくなる。

したがって切断作業に悪影響を及ぼすことなく、プラズ
マアークの発生が安定で、しかも良好な切断結果を常に
うるためには、ノズルチップ下端面から電極までの距離
りは約１．５ｔ≦ｈ≦３ｔく８■の範囲に限定するのが
最適であることが判明した。

本実施例では、ノズル孔径が１．６園の場合について述
べたが、そのノズル孔径を小さくあるいは大きくしたノ
ズルチップ（例えばノズル孔径１．２■、２０■）を使
用し九場合でも、前記のｈとｔとの関係は成立すること
が確認されている。

またノズル孔径を変更する場合、その孔径に見合ったプ
ラズマ電流を流す必要がある。前記トーチによる検討結
果によれば、ノズル孔をプラズマアークが通る単位面積
当シの電流密度ｉ　（Ａ／ｍ”　）が約３０≦ｉ≦４０
の範囲になるように、プラズマ電流を流すのが最適であ
ることが判明し九。盛の値が前記適正範囲よシも小さす
ぎれば１人熱量不足のプラズマアークで切断が困難とな
）易く。

逆に量を大きくしすぎると、ダブルアークを誘発し品く
なる丸め、ノズルチップを溶損する恐れがある。

前記プラズマ電流、ノズル孔径、プラズマガスおよび切
断速度などのプラズマ切断に関与すると云われている緒
因子に対し、トーチ内部の電極とノズルチップとの距離
などの因子の影響は従来。

見落され膀ちであつ九。とζろが第４図および第５図の
実施例から明らかなように、薄板のドロスフリー切断を
達成する上で、ｈとｔの設定は極めて重要な条件因子で
あるので、十分に考慮しなければならないことが判る。

以上説明し友ように本発明によれば、トーチを構成する
個々の部品の形状を小形化かつ簡易化することによ如１
手動切断作業の容易な手持式の小、・１１１１ 型トーチを作ることができるばか夛でなく１手動切断の
際に水と噴霧および蒸気の混合流体を被切断材の切ｐ口
へ作用・反応させることによシ、切シロの肩だれの防止
、熱動−の縮小および窒化。

酸化の防止をはかると共に、有害ガスの発生を抑制して
作業現場の環境改善をはかることができる。

ま九本発明によれば、ノズル孔の長さと、ノズルチップ
および電極間の距離との関係を所定の条件を満足するよ
うに設定することによシ、切断能力を向上させて薄板の
一ドロスフリー切断を可能となし、その切断面の高品質
化を達成することができる。さらにトーチ先端部を被切
断材に接触させたま＼で切断・することによシ、未熟練
者でもノズルチップなどの部品を損傷することなく、ト
ーチを手軽に操作して良好な切断結果をうろことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の切断方法を適用するプラズマ切断機の
構成図、第２図は本発明の切断方法に使用されるプラズ
マトーチの縦断面図、第３図は本発明に係わるプラズマ
切断の制御動作図、第４図および第５図は本発明に係わ
る切断方法の実施態様の説明図である。 ｌ・・・プラズマアーク、Ｉｎ・・・トーチ本体、２・
・・プラズマアーク、５・・・被切断材、７・・・プラ
ズマガス、１０・・・電極棒、１２・・・ノズルチップ
、１３・・・ノズル孔、１４・・・ノズルキャップ、１
５・・・絶縁リング。 １１１．１７−・・冷却水。 ￥Ｊ１図 ＶＪＺ　　図 第　４　図 ノス′ルＪＬｆ）ストトート４３ノ（労ＨｎりＹｆＪ５
図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、トーチ先端部に装着されたノズル孔を有するノズル
   チップの外周か６被切断材の切シロに向けて水を噴出さ
   せる手持式の小型プラズマトーチを用い、このトーチ内
   部に設けた非消耗性電極棒を、前記ノズル孔の長さｔお
   よびノズルチップの下端−から電極棒先端までの距離り
   が次の関係 １、Ｓｊ≦ｈ≦３１〈８　（ｍ） を満足するように予め配置し、前記ノズル孔にアルゴン
   窒素混合ガスを供給し１手持式グツズｉトーチと被切断
   材との間にプラズマアークを発生させると共に、被切断
   材の切シロに水を作用させながら切断することを特徴と
   するプラズマ切断方法。 １　特許請求の範囲第１項記載のプラズマ切断方法にお
   いて、プラズマトづ社手持式の小皺に形成し九プラズマ
   本体と、この本体の中央に設けた非消耗性電極棒と、ト
   ーチ本体先端部に装着し九ノズル孔を有するノズルチッ
   プと、このノズルチップを絶縁リングを介して取囲むノ
   ズルキャップとからなることを特徴とするプラズマ切断
   方法。