JPS6233025B2 - - Google Patents

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JPS6233025B2
JPS6233025B2 JP1743982A JP1743982A JPS6233025B2 JP S6233025 B2 JPS6233025 B2 JP S6233025B2 JP 1743982 A JP1743982 A JP 1743982A JP 1743982 A JP1743982 A JP 1743982A JP S6233025 B2 JPS6233025 B2 JP S6233025B2
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JP
Japan
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plasma
tip
cutting
cut
torch
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JP1743982A
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Japanese (ja)
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JPS58135765A (en
Inventor
Akyoshi Imanaga
Mitsuaki Haneda
Masatoshi Kanamaru
Minoru Shimada
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Hitachi Ltd
Via Mechanics Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Hitachi Seiko Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6233025B2 publication Critical patent/JPS6233025B2/ja
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K10/00Welding or cutting by means of a plasma

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプラズマ切断方法、特に薄板の金属材
料をプラズマアークにより切断する方法に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention relates to a plasma cutting method, and more particularly to a method for cutting a thin plate of metal material using a plasma arc.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

薄板の金属材料をプラズマアークにより手動切
断或いは半自動切断する場合には、手持式のプラ
ズマトーチが便利であるので、従来より広く使用
されている。この場合、プラズマガス(切断ガス
または作動ガス)には、主としてアルゴン
(Ar)ガスが使用され、稀にはArガス中に水素
(H2)ガス或いは窒素(N2)ガスを添加した(Ar+
H2)または(Ar+N2)の混合ガスを用いる場合が
ある。
BACKGROUND ART When manually or semi-automatically cutting a thin sheet of metal material using a plasma arc, a hand-held plasma torch is convenient and has been widely used. In this case, argon (Ar) gas is mainly used as the plasma gas (cutting gas or working gas), and in rare cases hydrogen (H 2 ) gas or nitrogen (N 2 ) gas is added to Ar gas (Ar +
A mixed gas of H 2 ) or (Ar+N 2 ) may be used.

尚、N2ガスはH2ガスよりも電位傾度が高い。 Note that N 2 gas has a higher potential gradient than H 2 gas.

Arガスによるプラズマ切断は、ちよつと切断
したい、穴を開けたい、端切りしたいなどの加工
時の補修及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。そこで(Ar+H2)及
び(Ar+N2)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、(Ar+H2)混合ガスではド
ロスが切り口に付着し易い。これは本発明者の検
討によればH2の電位傾度がN2よりも低く、しか
もH2は還元ガスで溶融金属に入りにくいためと
考えられる。
Plasma cutting using Ar gas has the advantage of being very effective for repairs during processing such as making small cuts, drilling holes, and edge cutting, and for auxiliary work before and after welding. It has the disadvantage of extremely low ability. Therefore, the use of a mixed gas of (Ar+H 2 ) and (Ar+N 2 ) is effective in increasing the cutting ability, but when using a mixed gas of (Ar+H 2 ), dross tends to adhere to the cut end. According to studies conducted by the present inventors, this is thought to be because the potential gradient of H 2 is lower than that of N 2 , and moreover, H 2 is a reducing gas and does not easily enter the molten metal.

特に手持式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
ており、切断面がシヤープで酸化が少なく、しか
もその切り口にドロスが付着しないことが重要で
ある。特に板厚が6mm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
に至つていないのが現状である。
Particularly in plasma cutting operations using hand-held plasma torches, the main focus is on ensuring the quality of the cut surface, even at the expense of reducing the cutting speed. It is important that no dross adheres to the surface. In particular, when cutting thin plates with a thickness of 6 mm or less, there has been a strong demand for higher quality cut surfaces.
Various methods have been investigated to meet this demand, but at present no method has yet been found that is fully satisfactory.

一方、水シールド方式プラズマ切断は切断面の
品質改善ばかりではなく、作業環境の改善にも寄
与することが知られている。例えば特公昭47−
9252号公報には、プラズマアークの周囲より被切
断材の切り口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、被切断材の切り
口の肩だれ防止、酸化防止および切断面の良質化
に大いに有効であり、主して厚板の高速自動切断
に広く用いられている。
On the other hand, it is known that water shield plasma cutting not only improves the quality of the cut surface, but also contributes to improving the working environment. For example, the special public official court in 1977-
Publication No. 9252 describes a method of cutting a material to be cut while spouting water from around a plasma arc to the cut end of the material to be cut. This cutting method is very effective in preventing sagging of the cut end of the material to be cut, preventing oxidation, and improving the quality of the cut surface, and is widely used mainly for high-speed automatic cutting of thick plates.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

ドロス発生の要因は本願発明者の検討によれば
ノズル孔単位面積当たりのエネルギー量が低いこ
と、及び溶融金属の粘性が高くて落下しにくいこ
とにある。
According to studies by the inventors of the present application, the causes of dross generation are that the amount of energy per unit area of the nozzle hole is low and that the molten metal has a high viscosity and is difficult to fall.

特公昭47−9252号公報のプラズマ切断装置に装
備されている切断トーチは構造が複雑でかつ径が
太く(トーチの冷却は大電流容量の直接水冷方
式)、手持式の切断トーチには適さない。それば
かりか仮りにこの装置により、薄板(板厚が6mm
以下のステンレス、アルミニウムなどに金属材
料)の切断を行つたとしても、ドロスの付着とい
う問題点は解消されない。
The cutting torch installed in the plasma cutting device disclosed in Japanese Patent Publication No. 47-9252 has a complicated structure and a large diameter (the torch is cooled by direct water cooling with a large current capacity), making it unsuitable for a hand-held cutting torch. . Not only that, but this device can also be used to create thin plates (thickness 6 mm).
Even if the following metal materials such as stainless steel and aluminum are cut, the problem of dross adhesion cannot be solved.

本発明の目的は切断能力を高めて薄板のドロス
フリー切断を可能にするプラズマ切断方法を提供
するにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a plasma cutting method that increases the cutting ability and enables dross-free cutting of thin plates.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明のプラズマ切断方法は、プラズマトーチ
にコレツトを介して内蔵された非消耗電極棒の先
端方向に同じくプラズマトーチ内部先端に配置さ
れるプラズマチツプ先端のノズル孔を位置させ、
通電によりプラズマアークをこのノズル孔を通し
て金属材料の被切断材に向けて発生させ、このプ
ラズマアークにより金属材料の切断を行うもので
ある。そしてこの場合に次の3条件を満たすこと
が本発明の特徴である。
In the plasma cutting method of the present invention, a nozzle hole at the tip of a plasma chip, which is also arranged at the internal tip of the plasma torch, is positioned in the direction of the tip of a non-consumable electrode rod built into the plasma torch via a collet.
When electricity is applied, a plasma arc is generated through this nozzle hole toward a metal material to be cut, and the metal material is cut by this plasma arc. In this case, the present invention is characterized by satisfying the following three conditions.

ノズル孔の単位面積当たりの電流密度iが30
≦i≦40(A/mm2)を満足するようにノズル孔
とプラズマ電流を選定してプラズマアークの密
度を高める。
The current density i per unit area of the nozzle hole is 30
The nozzle hole and plasma current are selected to satisfy ≦i≦40 (A/mm 2 ) to increase the density of the plasma arc.

ノズル孔のストレート長さlとノズルチツプ
の先端面から電極棒先端までの距離hとが1.5l
≦h≦3lの関係を満足するようにしてプラズマ
アークの密度を高める。
The straight length l of the nozzle hole and the distance h from the tip of the nozzle tip to the tip of the electrode rod are 1.5l.
The density of the plasma arc is increased by satisfying the relationship ≦h≦3l.

ノズル孔から窒素ガス(N2)濃度が60%以上
のアルゴン(Ar)〜N2混合ガスを噴出する。
A mixed gas of argon ( Ar ) and N2 with a nitrogen gas (N2) concentration of 60% or more is ejected from the nozzle hole.

尚、本発明においてはドロスフリーに直結はし
ないがN2ガスを使用する関係上有害ガスの発生
及び切り口の窒化の各抑制の為に、プラズマトー
チ先端を構成するノズルキヤツプとノズルチツプ
との間から被切断材の切り口に向けて水を噴出し
て切断することが望ましい。
In the present invention, although it is not directly connected to dross-free, since N2 gas is used, in order to suppress the generation of harmful gases and the nitridation of the cut end, from between the nozzle cap and nozzle tip that constitute the tip of the plasma torch, It is desirable to cut the material by jetting water toward the cut end of the material.

〔作用〕[Effect]

上記及びの条件を満たすことによつてノズ
ル孔単位面積当たりのエネルギー量を向上させ得
る。また上記の条件を満たすことによつてノズ
ル孔単位面積当たりのエネルギー量を向上させ得
ると共に溶融金属を落下し易くする。即ちN2
スは電位傾度が高いことから電圧レベルを上昇さ
せてエネルギー量向上の効果を奏するし、N2
スは酸化、窒化反応の促進剤として溶融金属中
に、溶け込み、かつエネルギー量向上で高温化せ
しめ溶融金属の粘性を低下させて落下し易くする
という効果を奏する。即ちこれらの条件の相乗効
果によつて本発明の目的が達成されるのである。
By satisfying the above conditions, the amount of energy per unit area of the nozzle hole can be improved. Furthermore, by satisfying the above conditions, the amount of energy per unit area of the nozzle hole can be improved and the molten metal can fall more easily. In other words, N2 gas has a high potential gradient, so it increases the voltage level and has the effect of increasing the amount of energy.N2 gas dissolves into the molten metal as a promoter of oxidation and nitriding reactions, and can increase the amount of energy. It has the effect of raising the temperature and lowering the viscosity of the molten metal, making it easier to fall. That is, the object of the present invention is achieved by the synergistic effect of these conditions.

〔実施例〕〔Example〕

以下本発明の実施例を図面について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

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ある。同図にお
いて、1は手動切断が行える小型のプラズマトー
チで、プラズマガスの流出及びプラズマアーク2
が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、その詳細については後述すること
にする。3は制御装置4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と制御装置4に接続する直流
電源、7a,7bは各ボンベ内に収納されたAr
ガス及びN2ガスで、そのArガスは第1プラズマ
ガスとして、またN2ガスは第2プラズマガスと
してそれぞれプラズマトーチ1へ供給される。
FIG. 1 is a configuration diagram of a plasma cutting machine to which a plasma cutting method according to the present invention is applied. In the figure, 1 is a small plasma torch that can be used for manual cutting, and the plasma torch 2
The torch has a function of ejecting water from the tip of the torch, the details of which will be described later. Reference numeral 3 denotes a torch cable connected to the control device 4 and the plasma torch 1, through which electricity, water, gas, etc. are supplied. 5 is a material to be cut, 6 is a DC power supply connected to the material to be cut 5 and the control device 4, and 7a and 7b are Ar gases stored in each cylinder.
The Ar gas and the N 2 gas are supplied to the plasma torch 1 as a first plasma gas and N 2 gas as a second plasma gas, respectively.

上記制御装置4には直流電源6とガス7a,7
bの他に、プラズマトーチ1の本体を水冷するた
めの冷却水及びプラズマアーク2の周囲から被切
断材5の切り口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2の発生から切断の終りまで、必要に応じて
任意にプラズマ電流、プラズマガス流量及び水量
などの値を設定、供給の開始及び停止の制御が第
3図に示すように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ツチである。
The control device 4 includes a DC power supply 6 and gases 7a and 7.
In addition to b, a cooling water for cooling the main body of the plasma torch 1 and a water source 8 for spouting water from around the plasma arc 2 to the cut end of the material to be cut 5 are connected. From the generation of the plasma arc 2 to the end of cutting, this control device 4 arbitrarily sets values such as plasma current, plasma gas flow rate, water amount, etc. as necessary, and controls the start and stop of supply as shown in FIG. It is configured so that it can be
9 is a torch switch for starting and stopping.

上記プラズマトーチ1(以下トーチと称す)の
構造の詳細は第2図に示すとおりで、そのトーチ
本体1aは手軽に手動切断を行うことができるよ
うに、外径が25mm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1aの中央
には、コレツト11を介して通電される非消耗性
電極棒10が設置され、またトーチ本体1aの先
端部には、小径のノズルチツプ12が装着され、
このノズルチツプ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。そのプラズスガス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。目的を達成させる上で重要なノズル孔に
対する電極棒の位置やプラズマアークの電流密
度、プラズマガス成分などについては後述する。
The details of the structure of the plasma torch 1 (hereinafter referred to as the torch) are as shown in Figure 2, and the torch main body 1a is a small, hand-held type with an outer diameter of about 25 mm, so that manual cutting can be easily performed. The torch main body 1a has components compactly housed within the torch body 1a. That is, a non-consumable electrode rod 10 that is energized through a collector 11 is installed in the center of the torch body 1a, and a small-diameter nozzle tip 12 is attached to the tip of the torch body 1a.
Plasma gas 7 and plasma arc 2 are injected from nozzle hole 13 of nozzle tip 12 toward workpiece 5 . Although the plasma gas 7 is shown to be of an axial flow type, it goes without saying that it may be swirled. The position of the electrode rod relative to the nozzle hole, the current density of the plasma arc, the plasma gas components, etc., which are important for achieving the purpose, will be described later.

上記ノズルチツプ12の外周部は絶縁リング1
5a,15bを介して金属製ノズルキヤツプ14
により包囲されている。このためノズルチツプ1
2とノズルキヤツプ14は電気的に絶縁されトー
チ1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、被切断材5に向けて冷却
水16を必要に応じて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1
a内には、それ自身を冷却するための冷却水17
が循環しており、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リング18
a,18b,18cが設けられている。図示のト
ーチでは、ノズルチツプ12の外周部より噴出す
る冷却水16とトーチを冷却するための冷却水1
7の通路を、それぞれ独立して設けてあるが、両
者の冷却水通路を統合してプラズマトーチ本体内
に供給した冷却水をそのままトーチ先端部に流出
させるようにしてもよい(単一の冷却水でトーチ
の冷却と被切断材の切り口への作用・反応を同時
に行う)。また図示のトーチでは、冷却水16の
水量を任意に可変できる構造になつているので、
冷却水を噴出させた切断の他に噴出させない場合
の切断も可能で、作業の用途に応じて使い分けす
ることができる。
The outer periphery of the nozzle tip 12 has an insulating ring 1
Metal nozzle cap 14 via 5a, 15b
surrounded by. For this reason, nozzle tip 1
2 and the nozzle cap 14 are electrically insulated, allowing the torch 1 to contact and cut the base material. A small groove is provided on the inner circumferential surface of the insulating ring 15b for uniformly jetting the cooling water 16 toward the material 5 to be cut as necessary. Also, the plasma torch body 1
Inside a is cooling water 17 for cooling itself.
is circulated, and a seal ring 18 is provided to prevent leakage of the plasma gas 7 and cooling water 16.
a, 18b, and 18c are provided. In the illustrated torch, cooling water 16 spouts from the outer circumference of the nozzle tip 12 and cooling water 1 for cooling the torch.
7 passages are provided independently, but it is also possible to integrate the two cooling water passages so that the cooling water supplied into the plasma torch body directly flows out to the torch tip (a single cooling water passage is provided). Water cools the torch and acts/reacts on the cut end of the material to be cut at the same time). Furthermore, the illustrated torch has a structure in which the amount of cooling water 16 can be arbitrarily varied.
In addition to cutting with cooling water jetting out, it is also possible to cut without jetting cooling water, so it can be used depending on the purpose of the work.

上記のようにトーチ1を構成する各部品の形状
の小型化や簡素化により、手動切断の可能な小型
トーチが得られる。
As described above, by downsizing and simplifying the shape of each component constituting the torch 1, a small torch that can be manually cut can be obtained.

また上記トーチ1では、その先端部のノズルキ
ツプ14を被切断材5に接触させたままでも切断
が可能であるから、トーチ操作が容易であり、ア
ーク長の変動の影響を受け難く、かつ切断面の均
一化及び良質化を図ることが可能である。
Furthermore, with the torch 1, cutting is possible even when the nozzle cap 14 at its tip remains in contact with the workpiece 5, so the torch operation is easy, it is less susceptible to changes in arc length, and the cut surface It is possible to achieve uniformity and high quality.

次に本実施例に基づくプラズマ切断の制御動作
を第3図に従つて説明する。
Next, the plasma cutting control operation based on this embodiment will be explained with reference to FIG.

第3図はプラズマ電流IとパイロツトアークA
の点滅、プラズマガスG1,G2及び水(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ものである。第1プラズ
マガスG1はArガス(例えば3〜10/min)、第
2プラズマガスG2はN2ガス(例えば10〜30/
min)で、プラズマアーク2の発生と同時にN2
スが添加されて合流し、(Ar+N2)混合ガスとし
てノズル孔より噴射する。
Figure 3 shows plasma current I and pilot arc A.
This figure shows how the supply of plasma gases G 1 , G 2 and water (Q W ) changes with time from startup to stop and end. The first plasma gas G 1 is Ar gas (for example, 3 to 10/min), and the second plasma gas G 2 is N 2 gas (for example, 10 to 30/min).
min), at the same time as the plasma arc 2 is generated, N 2 gas is added and merged, and is injected from the nozzle hole as a (Ar+N 2 ) mixed gas.

また、これに同期しての水の供給が(例えば30
〜200c.c./min)が開始される。ノズルチツプ1
2の外周部に供給されたその少量の冷却水16
は、プラズマガス7とプラズマアーク2の超高温
の気流により、均一に噴霧化、蒸気化し、水と噴
霧及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、サーマルピンチ効果に
よつて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
り口へ有効に作用、反応させることができる。こ
の水の供給に当つては、切断条件に見合つた水量
を予め設定すればよい。尚、適正量としては約30
〜200c.c./minで、それよりも少ないと噴霧状態
が間欠になつたり、プラズマアークを不安定にす
る恐れがあり、また水量が多過ぎると、切断速度
の低下を招く恐れがあるからである。
In addition, water supply in synchronization with this (for example, 30
~200c.c./min) is started. Nozzle tip 1
The small amount of cooling water 16 supplied to the outer periphery of 2
The plasma gas 7 and the plasma arc 2 are uniformly atomized and vaporized by the extremely high-temperature airflow, and the mixed fluid of water, spray, and steam acts to wrap around the plasma arc 2, resulting in a thermal pinch effect. As a result, the arc energy density is increased, and the heated spray and vapor fluid can effectively act on and react with the cut end of the material to be cut. When supplying this water, the amount of water that matches the cutting conditions may be set in advance. The appropriate amount is approximately 30
~200c.c./min; less than that may cause intermittent spraying or unstable plasma arc, and too much water may reduce cutting speed. It is.

切断性を高めるためには、N2ガスの濃度を高
めることが不可欠であり、少なくともN2ガス濃
度を60%以上にする必要がある。N2ガスの使用
は切り口面の窒化、酸化およびNOx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、ド
ロス対策においては本質的な問題ではない。例え
ばこのような問題は本実施例の如くトーチ先端部
から水を任意に噴出させることにより、水シール
効果で切り口面の窒化、酸化を防止し、有害ガス
の発生も抑制し得る。
In order to improve cutting performance, it is essential to increase the concentration of N 2 gas, and it is necessary to increase the concentration of N 2 gas to at least 60% or more. It is often thought that the use of N 2 gas poses problems such as nitridation and oxidation of the cut surface and the generation of harmful gases such as NOx, but this is not an essential problem in countering dross. For example, to solve this problem, by spouting water arbitrarily from the tip of the torch as in this embodiment, the water sealing effect can prevent nitridation and oxidation of the cut surface, and also suppress the generation of harmful gases.

薄板のドロスフ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、単にノズルチツプのノズル孔径を小さ
くし、そのノズル孔をプラズマアークが通る単位
面積当たりの電流密度(A/mm2)を高めただけで
は、切断速度をいかに調整してもドロスフリー切
断を実現することはできない。切り口がシヤープ
で、しかもドロスが付着しない良質の断面積をう
るためには、更にいくつかの条件因子を把握しな
ければならない。
When performing dross-free cutting of thin plates, it is effective to increase the energy density of the plasma arc, but simply by reducing the nozzle hole diameter of the nozzle chip, the current density per unit area (A /mm 2 ) alone cannot achieve dross-free cutting no matter how the cutting speed is adjusted. In order to obtain a high-quality cross-sectional area with a sharp cut and no dross adhering to it, several additional conditional factors must be understood.

種々の切断実験を行つた結果、トーチ内部の電
極とノズル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
した。第4図は第2図に示す切断トーチを用い
て、板厚6mmのステンレス鋼を切断した時の結
果、すなわちノズル孔13のストレート長さl
と、ノズルチツプ12の下端面から電極10の先
端までの距離hを変更した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10
から被切断材5へ発生させたプラズマアークの電
圧、VNはプラズマアークにより生ずるノスルと
電極間の分電圧である。プラズマガスにはアルゴ
ン窒素混合ガス(Ar+80%N2)を使用しており、
プラズマ電流70A、ノズル孔径1.6mm、添加水量
は70c.c./minなど一定の条件である。
As a result of various cutting experiments, it was found that the distance between the electrode inside the torch and the nozzle is an extremely important factor in achieving dross-free cutting of thin plates. Figure 4 shows the result of cutting a stainless steel plate with a thickness of 6 mm using the cutting torch shown in Figure 2, that is, the straight length l of the nozzle hole 13.
2 shows the arc voltage during cutting when the distance h from the lower end surface of the nozzle tip 12 to the tip of the electrode 10 is changed. V p in the figure is the electrode 10
The voltage of the plasma arc generated from to the material to be cut 5, VN is the divided voltage between the nostle and the electrode generated by the plasma arc. Argon-nitrogen mixed gas (Ar + 80% N 2 ) is used as the plasma gas.
The conditions are constant: plasma current 70A, nozzle hole diameter 1.6mm, and amount of water added 70c.c./min.

上記lを長くすると、Vp,VN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ほぼl>hの条件下
になると、電圧Vp,VNが急降下し、切断能力は
著しく低下することが判明した。また前記条件下
では、ドロスフリー切断は不可能であつた。トー
チを下げて母材に接触させて切断を行つた場合に
おいても、アーク長の縮小に伴う電圧降下により
p,VN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(図中の点線曲線Bは、母材
接触切断結果)。l>hの条件下でVp,VNが急
降下する理由は、ノズル孔の全周面でプラズマア
ークを狭搾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
り、アークの狭搾効果が低下する。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。
When l is lengthened, V p and V N increase, and their values become higher as h becomes longer. However, it has been found that when the electrode tip approaches the upper end of the nozzle hole diameter and the condition is approximately l>h, the voltages V p and V N suddenly drop, and the cutting ability is significantly reduced. Further, under the above conditions, dross-free cutting was not possible. Even when cutting is performed with the torch lowered and in contact with the base metal, the values of V p and V N decrease relatively due to the voltage drop due to the reduction in arc length, but the above phenomenon is observed in the same way. (The dotted curve B in the figure is the base material contact cutting result). The reason why V p and V N suddenly drop under the condition of l > h is that the plasma arc cannot be narrowed down on the entire circumference of the nozzle hole, and the plasma arc is formed on one circumference of the tip of the nozzle hole. The arc constriction effect decreases. As a result, it is thought that the energy density of the arc decreases.

第5図はノズル孔のストレート長さlが2.5mm
(一定)で、ノズルチツプと電極間の距離hとプ
ラズマアーク電圧Vpとの関係を示したものであ
る。また板厚(t)が1mmから8mm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
の切り口の代表例が図示されている。この図より
hが短くてl>hとなるところではVpが急降下
し、この領域a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ことが明らかであ
る。また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(a領域)のように切り口の
上部は肩だれを生じ、下部にはドロスが付着す
る。
In Figure 5, the straight length l of the nozzle hole is 2.5 mm.
(constant), which shows the relationship between the distance h between the nozzle tip and the electrode and the plasma arc voltage Vp . In addition, the results of cutting stainless steel plates with thicknesses (t) of 1 mm to 8 mm are summarized, and representative examples of the cut surfaces are illustrated. From this figure, it is clear that where h is short and l>h, V p drops rapidly, and in this region a, the output of the plasma arc decreases and the cutting ability significantly decreases. Further, even if the cutting speed is adjusted, the cutting cannot be performed well, and as shown in the left figure (area a), the upper part of the cut end sag, and dross adheres to the lower part.

上記と反対にhを長くした場合には、これにほ
ぼ比例してVp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)のように切断の切り口はシヤープで肩
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得られ
る。
In contrast to the above, when h is increased, V p increases almost in proportion to this, the energy of the plasma arc increases, and the cutting ability increases. In addition, as shown in the figure on the right (area b), the cut end is sharp with small shoulder sagging, hardly any dross adheres, and an extremely good cutting result with a gloss can be obtained.

上記説明から明らかなようにl>hの条件はド
ロスフリー化に対し極めて不適当であり、従つ
て、l≦hが必須となる。ここでより現実的には
hの値が小さくてlに近接するところでは第4図
及び第5図に示したようにVp,VN値が上下変化
し易い領域に近いので切断性能上不安定である。
そこで安全サイドからhへの下限値はlよりも若
干大きな1.5とするべきである。
As is clear from the above explanation, the condition l>h is extremely inappropriate for dross-free formation, and therefore l≦h is essential. More realistically, when the value of h is small and close to l, as shown in Figs. 4 and 5, the V p and V N values are close to the region where they tend to change up and down, so there is a problem in terms of cutting performance. It is stable.
Therefore, the lower limit value for h from the safe side should be set to 1.5, which is slightly larger than l.

ところで、hが長過ぎて8mmを超えるc領域で
は、起動時のパイロツトアークの印加及びプラズ
マアークの母材へ移行が困難で、切断作業に支障
をきたす恐れがある。またノズルチツプに高負荷
が加わるので、ノズルチップの寿命が短かくな
る。
By the way, in region c where h is too long and exceeds 8 mm, it is difficult to apply the pilot arc at startup and to transfer the plasma arc to the base material, which may impede the cutting operation. Also, since a high load is applied to the nozzle tip, the life of the nozzle tip is shortened.

この8mmという値はlが2.5mmの本実施例にお
ける(従つてh≒8mm(〓2.5×3))値である。
即ちhの値を3l以上にすると電極棒先端がトーチ
内部に引つ込み過ぎてしまい、Vp,VN値の過大
な増加に伴う電源の容量アツプが必要となる。こ
の値は特に臨界性を有するものではないが、切断
現場において推奨できり現実的な値である。
This value of 8 mm is the value in this embodiment where l is 2.5 mm (therefore, h≈8 mm (〓2.5×3)).
That is, if the value of h is set to 3l or more, the tip of the electrode rod will be retracted too much into the interior of the torch, and the capacity of the power source will need to be increased due to the excessive increase in the values of V p and V N . Although this value is not particularly critical, it is a recommended and realistic value at the cutting site.

従つて切断作業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ドロスフリーの
良好な切断結果を常に得るには、1.5l≦h≦3lの
範囲に限定するべきである。
Therefore, in order to always obtain good cutting results with stable generation of plasma arc and dross-free without adversely affecting the cutting operation, the range should be limited to 1.5l≦h≦3l.

本実施例では、ノズル孔径は1.6mm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ツプ(例えばノズル孔径12
mm,2.0mm)を使用した場合でも、前記のhとl
との関係は成立することが確認されている。
In this example, the nozzle hole diameter is 1.6 mm, but a nozzle chip with a smaller or larger nozzle hole diameter (for example, a nozzle hole diameter of 12 mm) is used.
mm, 2.0 mm), the above h and l
It has been confirmed that the relationship exists.

またノズル孔径を変更する場合、その孔径に見
合つ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りの電流密度i(A/
mm2)が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た。iの
値が前記適正範囲よりも小さ過ぎれば、入熱量不
足のプラズマアークによるドロスフリー切断が困
難となり、逆にiを大きくし過ぎると、ダブルア
ークを誘発し易くなるため、ノズルチツプを溶損
するからである(第6図参照)。
Furthermore, when changing the nozzle hole diameter, it is necessary to flow a plasma current commensurate with the hole diameter. According to the results of the study using the torch, the current density per unit area of the plasma arc passing through the nozzle hole i (A/
It has been found that it is optimal to flow the plasma current so that 30≦i≦40 (mm 2 ) falls within the range of 30≦i≦40. If the value of i is too small than the above-mentioned appropriate range, it will be difficult to perform dross-free cutting using a plasma arc with insufficient heat input.On the other hand, if i is too large, it will be easy to induce double arc, which will lead to melting of the nozzle tip. (See Figure 6).

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
ノズルチツプとの距離などの因子の影響は従来、
見落され勝ちであつた。ところが第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l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
ればないないことが分る。
Conventionally, the influence of factors such as the distance between the electrode inside the torch and the nozzle tip has been limited to the factors that are said to be involved in plasma cutting, such as the plasma current, nozzle hole diameter, plasma gas, and cutting speed.
I was overlooked and won. However, as is clear from the examples shown in Figures 4 and 5, the settings of h and l are extremely important condition factors in achieving dross-free cutting of thin plates, so they must be carefully considered. It turns out there isn't.

以上説明したように本実施例によれば、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
することにより、手動切断作業の容易な小型トー
チを作ることができるばかりでなく、必要に応じ
て切断の際に水と噴霧および蒸気の混合流体を被
切断材の切り口へ作用・反応させることが容易に
できるので、切り口肩だれの防止、熱影響の縮小
及び窒化、酸化の防止を図ると共に、有害ガスの
発生を抑制して作業の現場の環境改善を図ること
ができる。
As explained above, according to this embodiment, by downsizing and simplifying the shapes of the individual parts that make up the torch, it is possible to not only make a small torch that is easy to manually cut, but also to Accordingly, during cutting, a mixed fluid of water, spray, and steam can be easily applied and reacted to the cut end of the material to be cut, which prevents sagging of the cut end, reduces thermal effects, and prevents nitriding and oxidation. At the same time, it is possible to suppress the generation of harmful gases and improve the environment at the work site.

また本実施例によれは、ノズル孔の長さと、ノ
ズルチツ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り、切断
能力を向上させて従来困難とされていた板厚6mm
の薄板のドロスフリー切断が可能となり、その切
断面の高品質化を達成することができる。この他
トーチ先端部を被切断材に接触させたままでも切
断作業が行えるので、トーチ操作性が良い上に未
熟練者でもノズルチツプなどの部品を損傷するこ
と少なく、切断結果を安定に確保することができ
る。
Furthermore, by setting the relationship between the length of the nozzle hole and the distance between the nozzle tip and the electrode to satisfy a predetermined condition, this embodiment improves the cutting ability, which was previously considered difficult to cut. Thickness 6mm
Dross-free cutting of thin plates is possible, and high quality cut surfaces can be achieved. In addition, cutting can be carried out even when the torch tip remains in contact with the material to be cut, so the torch is easy to operate, and even unskilled workers are less likely to damage parts such as the nozzle tip, ensuring stable cutting results. I can do it.

加えてトーチ先端部から水を任意に噴出させる
機能により、手動でも手軽に切断作業が行えるば
かりでなく切断面の品質改善や有害ガス発生を抑
制して環境改善に寄与する。
In addition, the function of spouting water from the tip of the torch not only allows for easy manual cutting, but also improves the quality of the cut surface and suppresses the generation of harmful gases, contributing to environmental improvements.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明した通り、本発明によればプラズマ切
断の切断能力が高まり薄板でもドロスフリー切断
が可能になるという効果がある。
As explained above, the present invention has the effect of increasing the cutting ability of plasma cutting and making it possible to cut dross-free even thin plates.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例に係るプラズマ切断
方法に適用するプラズマ切断機の構成図、第2図
は本発明の実施例に係るプラズマ切断方法に使用
されるプラズマトーチの縦断面図、第3図は本発
明の実施例に係わるプラズマ切断方法の制御動作
図、第4図及び第5図は本発明の実施例に係わる
プラズマ切断方法の実施態様の特性図、第6図は
ノズル孔径と電流との関係特性図である。 1……プラズマトーチ、1a……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
チツプ、13……ノズル孔、14……ノズルキヤ
ツプ、15……絶縁リング、16,17……冷却
水。
FIG. 1 is a configuration diagram of a plasma cutting machine applied to a plasma cutting method according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a plasma torch used in a plasma cutting method according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a control operation diagram of a plasma cutting method according to an embodiment of the present invention, FIGS. 4 and 5 are characteristic diagrams of an embodiment of a plasma cutting method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a nozzle hole diameter FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between 1... Plasma torch, 1a... Torch body,
2... Plasma arc, 5... Material to be cut, 7...
Plasma gas, 10... Electrode rod, 12... Nozzle chip, 13... Nozzle hole, 14... Nozzle cap, 15... Insulating ring, 16, 17... Cooling water.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 プラズマトーチにコレツトを介して内蔵され
た非消耗電極棒の先端方向に同じくプラズマトー
チ内部先端に配置されるプラズマチツプ先端のノ
ズル孔を位置させ、通電によりプラズマアークを
該ノズル孔を通して金属材料の被切断材に向けて
発生させ、該プラズマアークにより該金属材料を
切断するプラズマ切断方法において、前記ノズル
孔の単位面積当たりの電流密度iが 30≦i≦40(A/mm2) を満足するよう該ノズル孔とプラズマ電流を選定
すると共に該ノズル孔のストレート長さlと前記
ノズルチツプの先端面から前記電極棒先端までの
距離hとが 1.5l≦h≦3l の関係を満足するようにして前記プラズマアーク
の密度を高め、更に前記ノズル孔から窒素ガス濃
度が60%以上のアルゴン〜窒素混合ガスを噴出さ
せることを特徴とするプラズマ切断方法。 2 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、前記プラズマトーチ先端を構成する
ノズルキヤツプと前記ノズルチツプとの間から被
切断材の切り口に向けて水を噴出して切断するこ
とを特徴とするプラズマ切断方法。
[Claims] 1. A nozzle hole at the tip of a plasma chip, which is also placed at the tip inside the plasma torch, is positioned in the direction of the tip of a non-consumable electrode rod built into the plasma torch via a collet, and a plasma arc is caused by energization. In a plasma cutting method in which a plasma arc is generated through a nozzle hole toward a metal material to be cut and the metal material is cut, the current density i per unit area of the nozzle hole is 30≦i≦40 (A/ The nozzle hole and the plasma current are selected so as to satisfy mm 2 ), and the straight length l of the nozzle hole and the distance h from the tip surface of the nozzle tip to the tip of the electrode rod satisfy the relationship of 1.5l≦h≦3l. A plasma cutting method characterized by increasing the density of the plasma arc so as to satisfy the following conditions, and further ejecting an argon-nitrogen mixed gas having a nitrogen gas concentration of 60% or more from the nozzle hole. 2. The plasma cutting method according to claim 1, characterized in that water is jetted toward the cut end of the material to be cut from between the nozzle cap and the nozzle tip that constitute the tip of the plasma torch to cut the material. plasma cutting method.
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