KR100222512B1 - 플라즈마 절단 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전극과, 플라즈마 가스통로를 사이에 두고서 해당 전극을 에워싸도록 배치된 구속노즐과, 해당 구속노즐을 간격을 두고서 에워싸도록 배치된 이차 가스를 흘리기 위한 어시스트노즐을 포함하는 플라즈마 토오치를 구비한 플라즈마 절단 장치에 의해 절단하는 방법에 있어서, 이차가스의 유량을 Q, 어시스트노즐의 조임부면적을 A2로 할 때, Vq=Q/A2로 나타나는 이차가스의 면적당 유량(Vq)을, 250(㎥/sec)㎡이상으로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법이다.

Description

[발명의 명칭]

플라즈마 절단 방법 및 장치

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은, 플라즈마 토오치(plasma torch)를 사용하여 강재(鋼材)등의 절단가공들 수행하는 플라즈마 절단방법으로서, 특히 판두께가 6이하의 박판형상의 스테인레스판의 절단에 적합한 플라즈마 절단방법에 관한 것이다.

[배경기술]

통상. 플라즈마 절단에 사용되는 장치는, 제1도에 도시한 바와 같이 구성되어 있다. 즉, 해당 장치의 플라즈마 토오치는, 중심부에 전극(1)을 가지고, 그 외측에 플라즈마 가스(2)의 통로(3)를 사이를 두고 전극을 에워싸도록 하여 구속노즐(4)이 배치되어 있다. 그리고, 전극(1)과 피절단재(5)의 사이에 플라즈마 전원(9)이 접속되고, 또한 해당 전원(9)은 스위치를 통해 구속노즐(4)과 접속되어 있다. 이 장치에 의한 절단가공은, 통로(3)에 플라즈마 가스(2)를 흘리면서 전극(1)과 피절단재(5)의 사이로 플라즈마 아아크를 발생시킨 때에 가능한 고온의 플라즈마 가스류(6)를 구속노즐(4)로 가늘게 압축하여 피절단재(5)에 분사하고, 이 피절단재(5)의 소정장소를 용융, 제거함에 의해 행하여진다.

그런데, 플라즈마 절단에서는, 피절단재(5)에 대하여 적당한 플라즈마 가스를 선택하는 것으로 절단품질을 높이는 것이 일반적이다.

예를 들어, 연강을 절단할 때는 산소가스를 사용하는 것으로, 절단면이 평활하게 불순물(dross) 부착이 적은 절단을 행하는 것이 가능함과 동시에, 절단속도도 빠르게 하는 것이 가능하다.

또한, 스테인레스강을 절단하는 경우는, 질소, 아르곤+수소, 질소+아르곤+수소 등의 불활성가스 또는 환원성가스를 사용하는 것으로, 절단면이 평활하게, 특히 판두께 6정도 이상인 때에는 불순물 부착도 적고, 품질 좋은 절단이 가능하다.

그러나. 판두께가 6보다 얇은 스테인레스판인 경우는, 좋은 절단품질을 얻는 것은 불가능하다.

즉, 플라즈마 가스에 불활성가스 또는 환원성가스를 사용하여 박판의 스테인레스를 절단하면, 다량의 불순물이 부착되어, 이것을 거의 박리시킬 수 없다. 이때문에, 절단품은 부착한 불순물을 그라인더로 절삭제거하는 등의 뒤처리가 필요하다. 또한, 다량의 불순물이 절단재에 부착하기 때문에, 부착된 불순물로부터의 열이 전달되어 해당 절단재에 큰 열변형을 일으킨다. 그때문에, 박판의 스테인레스에 플라즈마 가스로서 불활성가스 또는 환원성가스를 사실상 사용할 수 없다.

또한, 플라즈마 가스에 산소가스를 사용하여 박판의 스테인레스를 절단하면, 피절단재의 차측에 불순물이 부착하는 점에서는 대폭 개선되지만, 이때의 절단면은 산소가스에 의해 심하게 산화되기 때문에, 절단면은 검고 거칠게 된다. 또한, 절단 속도를 빠르게 설정하면, 절단부의 상면으로 뿜어올려진 불순물이 다량으로 부착하게 되어, 절단품질이 저하된다. 반대로, 절단속도가 늦으면, 피절단재가 많은 열을 받게 되어, 피절단재의 열변형이 커지게 되고, 절단면의 산화도 촉진되기 때문에, 절단품질은 저하된다. 따라서, 적당한 절단속도를 설정하는 것이 어렵다.

이상, 설명한 바와 같이 6이하의 박판의 스테인레스를 절단하는 경우에는, 플라즈마 가스를 다망하게 선택하더라도, 절단품질을 양질로 하는 것은 곤란하다.

또한, 다른 플라즈마 절단장치로서는, 제2도에 도시한 바와 같이, 구속노즐(4)과 동심의 분출구를 갖는 어시스트노즐(7)을, 구속노즐(4)의 외측에 간격을 두고서 설치한 플라즈마 토오치를 갖는 것이 있다. 이러한 어시스트노즐(7)의 설치에 의해 플라즈마 가스류(6)의 주위를 이차가스(8)로 실드하여, 절단면 주위의 가스분위기를 제어할 수 있다.

그 일례로서, 예를 들어, 일본 특허공개소 59-229282호 공보에 개시된 것과 같이, 플라즈마 가스(2)에 산소가스를 사용하는 때에 이차가스(8)도 산소가스를 사용하여서 절단면을 대기로부터 차단하여, 산소순도를 높게 유지하는 것으로 연강을 고품질로 절단하는 것을 가능하게 하는 것이 제안되어 있다.

또한, 플라즈마 가스(2)와 이차가스(8) 모두에 불활성가스를 사용하는 것으로, 절단면의 대기에 의한 산화를 방지하도록 한 것도 있다.

또한, 플라즈마 가스(2)에 불활성가스를 사용하는 것으로, 이차가스(5)에 산소농도가 높은 가스를 사용하여, 절단면에 산소가스를 보내는 것에 의해, 불활성가스에 의한 전극수명의 장기 수명화와 산소가스에 의한 연강의 절단품질의 향상을 도모하는 것 등이 있다.

한편, 이차가스의 사용목적으로서는. 일본 특허공개 평 5-84579호 공보에 개시된 것과 같이, 관통시 및 절단시에 피절단재로부터 뿜어 올려진 불순물로부터 구속노즐들 보호하고자 하는 것도 있다. 상기 경우는. 이차가스의 사용목적은, 절단면의 가스분위기를 바꾸는 것이 아니고, 피절단재로부터 비산하여 오는 불순물을 되돌리어 구속노즐에 부착하는 일이 없도록 하는 것이다.

그런데, 이러한 플라즈마 절단방법에서는, 이차가스의 사용량을 가능한한 적게 하도록 설정하고 있다. 이것은, 이차가스의 소비량을 적게 한다고 하는 경제적인 면과, 구속되어 내뿜는 이차가스가 플라즈마 가스류에 간섭하여 이 플라즈마 가스류를 교란, 냉각하지 않도록 한다고 하는 것이 중시되어 있기 때문이다. 또한, 이차가스의 유출방향도 플라즈마 가스류에 간섭하지 않도록, 될 수 있는 한 바깥방향으로 한다고 하는 것 같은 배려도 이루어지고 있다.

여기에서, 이차가스와 플라즈마 가스류의 간섭을 일으키지 않도록 하는 이유는, 종래의 플라즈마 절단에서는 플라즈마 가스류가 갖는 고온에서 고속의 흐름에 의하여 피절단재의 소정장소를 용융, 제거하여 절단하고자 하는 것이기 때문에, 구속노즐로부터 분출한 플라즈마 가스류를 교란, 냉각하면 절단능력이 저하하게 되기 때문이다.

이와 같이, 종래의 이차가스를 사용하는 플라즈마 절단장치에서는, 이차가스의 사용량이 적고, 기본적으로는 이차가스를 사용하지 않는 형식의 것과 같이, 플라즈마 가스류가 가지는 고온, 고속의 흐름을 이용하여 피절단부재의 절단을 수행하면 되는 것이기 때문이고, 6이하의 박판의 스테인레스의 절단품질을 대폭 향상하는 것은 가능하지 않았다.

한편, 이차가스의 유량을 증가시키면, 절단 시작시의 파일럿 아아크를 이차가스가 교란시키고. 착화성이 나빠진다. 또한. 이차가스에 의한 플라즈마 가스류의 긴축을 위해 아아크 전압이 상승하고. 특히 관통 직후는 높은 아아크 전압이 생기는 일이 있어, 그 때문에 아아크가 도중에 끊어지기 쉽다.

이와 같이, 이차가스 유량을 증가시킬 때는 플라즈마 절단 시작시의 착화성에 큰 영향을 미치게 하기 때문에, 단지 유량을 증가시키는 만큼으로서는 능숙하게 사용하는 것이 곤란하다.

그리하여, 본 발명은, 판두께가 6정도 이하의 스테인레스 박판의 절단품질을 향상할 수 있음과 동시에, 절단 시작시의 착화성도 양호하게 할 수 있도록 한 플라즈마 절단방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

[발명개시]

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 플라즈마 절단방법은, 전극과, 플라즈마 가스통로를 사이를 두고 해당 전극을 에워싸도록 배치된 구속노즐과, 해당 구속노즐을 간격을 두고서 에워싸도록 배치된 이차가스를 흘리기 위한 어시스트노즐을 포함하는 플라즈마 토오치를 구비한 플라즈마 절단장치에 있어서, 이차가스의 유량을 Q, 어시스트노즐의 조임부면적을 A2로 할 때, Vq=Q/A2로 나타나는 이차가스의 면적당 유량(Vq)을, 250(㎥/sec)/㎡ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 구성에 의하면, 이차가스를 절단부 및 그 주변으로 내뿜기 때문에, 피절단재 하측에 부착하는 불순물과 피절단재 상측에 뿜어 올려져 부착하는 불순물을 대폭 감소시킬 수 있다.

이것에 대하여 설명하면, 우선, 피절단재 하측에 불순물이 부착하는 것은, 고온의 플라즈마 가스류로 용융된 피절단재중 불어서 날려버리지 않고서 남은 것이 절단부 후방에 부착하기 때문이다. 이 하측에 부착하는 불순물에 대한 이차가스의 작용은, 절단부 후방에서 아직 용융상태에 있는 불순물을 불어서 날려버리기 위한 운동량을 주는 것에 있다. 이 때문에, 이차가스의 내뿜는 힘은 어느값보다 강하지 않으면 않되고, 그 값에 상당하는 것이 상기 Vq(=250(㎥/sec)/㎡)이다.

또한, 피절단재 상측에 불순물이 뿜어 올려지는 것은. 절단부 전방에서 플라즈마 가스류의 일부가 피절단재를 관통할 수 없이 상측으로 되돌려지기 때문이라고 생각된다. 그리하여, 이차가스를 절단부 앞측으로 내뿜는 것에 의해, 상기 상측으로 되돌려지는 플라즈마 가스류를 이차가스의 분출력으로 억제하여 감소시킬 수 있다. 상기의 경우도 이차가스의 내뿜는 힘을 강하게 하는 것으로 뿜어올린 불순물을 유효하게 억제하는 것이 가능하고, Vq가 250(㎥/sec)/㎡)을 넘은 곳에서 불순물의 부착이 감소한다.

또한, 어시스트노즐을 구속노즐에 대하여 동심적으로 배치하면, 상기 작용은 절단방향에 의존하지 않고 얻을 수 있어 실용적이다.

상기 구성에 있어서, 구속노즐 선단의 외경(Dl)이 1.5이상 4.0이하, 구속노즐 선단 외측의 조임각(α)이 0이상 90미만, 어시스트노즐 조임부의 내경(D2)이 2.0이상, 어시스트노즐 선단 내측의 조임각(β)이 0이상 90미만이 되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 의하면, 구속노즐 선단 외측과 어시스트노즐 선단 내측의 형상은 선단이 가늘게 되어있기 때문에, 이차가스를 절단부 및 그 주변에 집중시킬 수 있다.

또한. 구속노즐 선단의 외경(Dl)은, 절단부에 이차가스를 집중시키기 위해서는 지나치게 크게 잡아선 않된다. 그 이유는, 구속노즐 외측을 흘러온 이차가스는 구속노즐의 선단면에서 하방으로 분출될 때 그 흐름이 갑자기 확대되기 때문이고, 구속노즐 선단의 외경이 크면 그 확대율이 커져, 그 결과 구속노즐 선단부근에 큰 박리영역이 발생하고, 이차가스의 흐름이 교란, 확산되어 절단면에 유효한 분출력을 주는 것이 곤란하게 되는 것과, 구속노즐 선단의 외경이 크면 구속노즐로부터 내뿜는 절단을 수행하는 고온의 플라즈마 가스와 이차가스와의 간격이 길게 되기 때문에, 구속노즐 선단부근의 박리영역에 방해가 되어, 분출한 이차가스를 절단부에 도달시키기 위해서는 길이가 긴 거리가 필요하게 되어, 그 결과 이차가스가 약해져 절단면에 유효한 분출력을 주는 것이 곤란하게 되는 것이다. 이차가스의 분출력이 약해짐에 의한 영향은, 절단면 상측에서 뿜어 올라오는 불순물에 대하여 현저하고, 구속노즐의 선단의 외경(Dl)을 지나치게 크게하면 불순물부착 때문에 피절단재 상면의 품질이 떨어진다. 이 때문에, 구속노즐 선단의 외경(Dl)을 4mm 이상으로 하는 것은 피하지 않으면 않된다. 한편, 구속노즐 선단의 외경을 가늘게 하는 것은 구속노즐 선단의 냉각을 나쁘게 하게 되고, 구속노즐 선단이 용융하는 위험성이 높아지기 때문에, 1.5보다 가늘게 하는 것도 가능하지 않다.

다음에, 어시스트노즐 조임부의 내경(D2)은, 피절단재 하측의 불순물을 불어서 날려버리고, 또는 상측으로 불어 올라가는 것을 누르기 위한 운동량이 이차가스에는 필요하고, 이차가스는 최저한의 유량을 확보하지 않으면 않되기 때문에, 지나치게 작아서는 않된다. 즉, 면적당의 유량(Vq)이 동일하여도 조임부의 면적(A2)이 큰 쪽이 이차가스의 유량은 많기 때문에 이차가스가 가지는 운동량은 커지기 때문에, 어시스트노즐 조임부의 면적(A2)을 지나치게 작게 하여서는 않된다. 실험에 의하면, 면적당의 유량(Vq)이 상기한 정도인 때에, 어시스트 노즐의 조임부의 내경(D2)을 크게 잡는 쪽이 하측의 불순물 부착이 적어지는 경향이 있고, 어시스트노즐의 조임부 구경(D2)을 2까지 작게 하면 불순물 높이의 감소경향이 작게 되어있는 점으로부터, 이 값보다 작게 하는 것은 피하지 않으면 않된다.

상기 첫번째 및 두번째의 어느쪽인가의 구성에 덧붙여, 어시스트노즐로부터 분출하는 이차가스를 프리플로우, 애프터플로우의 사이는 흘리지 않고, 절단 개시직후로부터 절단 종료까지의 사이만 흘리도록 해도 좋다.

이차가스가 양질의 절단에 필요한 것은 절단을 행하고 있을 때이기 때문에, 상기 구성과 같이, 이차가스가 필요하지 않은 프리플로우와 애프터플로우의 사이는 이차가스를 멈추면, 이차가스의 사용량을 적게 할 수 있어 경제적이다.

또한, 상기 첫번째 및 두번째의 어느쪽인가의 구성에 덧붙여, 상기 플라즈마 토오치에 있어서 어시스트노즐 선단이 구속노즐 선단보다도 앞으로 돌출되어 있음과 동시에, 어시스트노즐은 구속노즐에 대하여 전기적으로 절연되어 있고, 어시스트노즐로부터 분출하는 이차가스의 유량을 프리플로우의 사이는 절단시에 흘리는 유량에 대하여 소량으로서, 절단 개시 직후로부터 절단 종료까지의 사이만 Vq(=250(㎥/sec)/㎡) 이상으로 증가시키도록 하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 절단 개시의 관통시에 구멍이 관통할 때까지의 사이에 피절단재로부터 뿜어 올라가는 용융 불순물이 구속노즐에 부착하여 손상하는 일이 없도록 구속노즐을 보호할 목적으로, 프리플로우의 사이도 이차가스를 흘리는 일이 행하여진다. 이 때, 이차가스의 유량을 프리플로우의 사이도 절단시와 같은 값으로 하면, 이차가스의 유속이 크기 때문에 파일럿 아아크가 이차가스의 흐름에서 교란, 냉각되고, 그 때문에 파일럿 아아크가 고온상태를 유지한 채로 피절단재에 도달할 수 없게 되어, 플라즈마 아아크 발생 상태로 이행시키는 것이 곤란하게 되기 때문에, 절단가공 시작의 착화성에 문제가 생기게 된다. 이 문제를 일으키지 않도록 하기 위해서, 상기 구성에서는, 프리플로우시의 이차가스의 유량을 뿜어올라가는 용융불순물을 누를 수 있는 정도로 유량을 눌러, 절단중에만 대유량의 이차가스를 흘리는 것으로, 이차가스에 의한 파일럿 아아크의 교란을 없애어 착화성을 개선하고 있다. 또한, 이와 같이 하는 것으로, 당연히 프리플로우, 애프터플로우시의 이차가스의 사용량을 적게 하는 것도 된다.

또한, 상기 네번째의 구성에 덧붙여, 이차가스의 소유량으로부터Vq(=250(㎥/sec)/㎡) 이상으로 하는 전환을 절단개시 직후로부터 일정시간의 지연을 가지게 하고나서 행하도록 하더라도 좋다.

이 구성에 의하면, 피절단재를 XY테이블 등에 탑재하여 절단하는 경우에 관통 직후에 플라즈마 아아크가 소화되는 일이 없도록 할 수 있다.

이것에 대하여 설명하면, 우선 플라즈마 아아크가 소화되는 원인으로서는 플라즈마 아아크의 전압이 상승하여 전원의 공급가능 전압을 넘은 경우가 있다. 플라즈마 아아크의 전압이 상속하는 것은, 우선, 관통 직후이다. 이것은, 통상 관통직후에 구멍이 관통하더라도 XY 테이블 등의 이송 동작이 개시되기까지 시간지연이 있고, 그 사이에 플라즈마 아아크가 피절단재의 하측에 늘여지기 때문이다. 이 동작지연에 의한 아아크 전압의 상승은 이송이 소정의 속도에 도달하면 없어지게 된다. 또한, 이차가스를 다량으로 흘리면 그 영향으로 플라즈마 아아크가 긴축되어 아아크 전압이 상승한다. 이 XY 테이블의 동작지연과 이차가스를 다량으로 흘리는 것이 겹치면 아아크 전압의 상승폭이 커지기 때문에, 아아크의 소화를 방지하기 위해서는 전원의 출력가능 전압을 상당히 높게 설정해 둘 필요가 있다.

그리하여, 상기 구성에서는, 이차가스를 다량으로 흘리기 시작하는 타이밍을 관통 개시점에서 늦춰, 관통 직후의 XY 테이블 등의 동작지연에 의한 아아크 전압 상승과 이차가스를 다량으로 흘리는 것에 의한 아아크 전압 상승이 겹치지 않도록 하여, 전원의 출력가능 전압을 과도하게 높게 하는 것이 필요없도록 하고 있다.

[도면의 간단한 설명]

본 발명은, 이하의 상세한 설명 및 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부도면에 의해, 보다 양호하게 이해될 것이다. 또한, 첨부도면에 나타내는 실시예는, 발명을 특정하는 것을 의도하는 것이 아니고, 단지 설명 및 이해를 용이하게 하는 것이다.

제1도는 종래의 플라즈마 절단방법에 사용되는 플라즈마 절단장치의 설명도.

제2도는 다른 종래의 플라즈마 절단방법에 사용되는 플라즈마 절단장치의 설명도.

제3도는 본 발명에 의한 플라즈마 절단방법의 제1 실시예를 실시하기 위한 플라즈마 절단장치의 플라즈마 토오치의 단면도.

제4도는 제3도의 플라즈마 절단장치의 가스공급회로를 나타내는 설명도.

제5도는 상기 제1 실시예의 실시효과를 측정한 결과를 나타내는 선도.

제6도는 상기 제1 실시예의 실시효과를 측정한 결과를 나타내는 선도.

제7(a)도 및 제7(b)도는 각각 종래방법에 의한 절단면도 및 상기 제1 실시예에 의한 절단면도.

제8도는 상기 제1 실시예를 실시하기 위한 플라즈마 절단장치의 플라즈마 토오치의 다른예의 단면도.

제9도는 제2실시예의 타임차트.

제10도는 종래의 플라즈마 절단방법의 타임차트.

제11도는 제3 실시예를 실시하기 위한 플라즈마 절단장치의 플라즈마 토오치의 단면도 .

제12도는 제3 실시예의 타임차트.

제13도는 제4 실시예의 타임차트.

제14도는 제13도에 나타낸 이차가스 유량의 전환 타이밍의 변경에 의한 효과를 측정한 결과를 나타내는 선도.

[발명을 실시하기 위한 적합한 양태]

이하에, 본 발명의 적합한 실시예에 의한 플라즈마 절단방법을 첨부도면을 참조로 하여 설명한다.

제3도는 본 발명의 방법의 제1 실시예를 실시하기 위한 플라즈마 절단장치의 플라즈마 토오치의 선단부를 도시하고, 제4도는 해당 플라즈마 절단장치의 가스공급 회로를 도시하고 있다. 제3도에 도시된 플라즈마 토오치는. 제2도에 도시된 종래 예와 기본적으로 동일한 구조를 가지고 있고, 이 도면에 있어서 α는 구속노즐(4)의 선단 외측의 조임각, β는 어시스트노즐(7)의 선단 내측의 조임각, h는 구속노즐(4)의 선단과 어시스트노즐(7)의 선단과의 간격, d1은 구속노즐(4)의 선단 내경, Dl은 구속노즐(4)의 선단 외경, D2는 어시스트노즐(7)의 선단 내경을 각각 도시하고 있다. 이 구성에 있어서, 구속노즐(4)의 선단 외경(Dl)이 1.5이상 4.0이하, 구속노즐(4)의 선단 외측의 조임각(α)이 0이상 90미만, 어시스트노즐(7)의 선단의 내경(D2)이 2.0이상, 어시스트노즐의 선단 내측의 조임각(β)이 0이상 90미만이다.

제5도 및 제6도는, 상기 제1 실시예의 실시효과를 측정한 결과를 도시하고 있고, 이들에 의하면, 이차가스(8)의 유량을 Q, 어시스트노즐(7)의 조임부의 면적을 A2로서, Vq=Q/A2 로 정의되는 이차가스(6)의 면적당 유량(Vq)이 250(㎥/sec)/㎡ 이상 1000(㎥/sec)/㎡)2 이하일 때에 피절단재(5)의 상하에 부착하는 불순물의 양을 감소시킬 수 있는 것이 도시되어 있다.

즉, 제5도는, 피절단재(5)인 판두께 2의 스페인레스판(SUS304)을, 플라즈마 가스(2)가 질소이고, 플라즈마 전류가 40A이고, 이차가스(8)가 공기이고, 절단속도 2.0m/min에서 절단할 때의 이차가스(8)의 내뿜는 힘과 피절단재(5)의 하측에 부착하는 불순물과의 관계를 측정한 결과를 도시하고 있다. 상기 제5도에서는, 부착한 불순물이 많음을 나타내는 것으로서 불순물의 높이를 세로축에, 가로축에는 이차가스(8)의 내뿜는 힘을 나타내는 것으로 하여 이차가스(8)의 유량(Q)을 어시스트노즐(7)의 조임부 면적(A2)으로 나눈 값을 이차가스(8)의 면적당 유량(Vq)이라고 부르는 것으로 나타내고 있다. 그리고, 어시스트노즐(7)의 조임부 내경을D2라고 하면, A2=π/4×(D2)²이다.

제5도에 의하면, Vq가 250(㎥/sec)m²을 넘은 곳에서 불순물의 부착량의 감소경향을 볼 수 있다. 또한, 도면에서는, Vq가 1000(㎥/sec)m²을 넘는 영역의 데이터가 아니지만, 이것은 해당 영역에서는 절단 그 자체가 불가능하던 것에 의한다. 이것은, 이차가스(8)의 유량을 증가시켜 가면 어시스트노즐(7) 내의 압력이 증가하고, 높은 압력의 이차가스(8)에 의해, 플라즈마 가스(2)가 구속노즐(4)로부터 분출하는 것이 방해되는 것에 의한 것이라고 생각된다.

제6도는, 제5도와 같은 조건으로 이차가스(8)의 내뿜는 힘과 피절단재(5)의 상측으로의 뿜어 올리는 불순물의 부착량과의 관계를 측정한 결과를 나타내고 있다. 세로축의 뿜어 올리는 불순물의 부착량은 육안으로 판정하였다.

제6도에 의하면, 이차가스(8)의 내뿜는 힘을 강하게 하는 것으로 불순물의 뿜어올림을 유효하게 억제하는 것이 가능하고, Vq가 250(㎥/sec)m²을 넘은 곳에서 불순물의 부착이 감소하고 있는 것을 알았다.

이상에서, 스테인레스 박판인 피절단재(5)의 상하로 부착하는 불순물의 양을 효과적으로 감소시키기 위해서는, Vq를 250(㎥/sec)m²이상 1000(㎥/sec)m²이하로 하는 것이 양호하다는 것을 알았다.

제7(a)도 및 제7(b)도는, 판두께 2의 스테인레스판(SUS304)을 종래 방법에 의해 플라즈마 절단을 행한 때의 절단면 확대도 및 상기 제1 실시예에 의해 플라즈마 절단한 때의 절단면 확대도이다. 제7(b)도에서의 절단조건은, 제3도에 도시한 플라즈마 토오치의 노즐의 형상을 하기 표1에 표시한 값으로 정의하고, 플라즈마 가스(2)는 질소이고, 절단전류는 40A이고, 이차가스(8)는 공기로 그 유량은 300 1(N) min으로 하였다. 이것에 대하여, 제7(a)도에서의 절단조건은, 플라즈마가스는 질소이고. 절단전류는 40A이고, 구속노즐의 형상은 제 7(b)도의 경우와 동일하고, 이차가스를 사용하고 있지 않은 점만이 제7(b)도의 경우와 다르다. 이것들의 제7(a)도 및 제7(b)도에서, 피절단재(5)의 상하에 부착하는 불순물량이 대폭 감소하고 잇는 것이 도시되어 있다.

또한, 제7(b)도의 예에서는, 이차가스로서 공기, 플라즈마 가스로서 질소를 각각 사용하였지만, 이차가스는 대량으로 사용하는 점을 고려하면 가장 염가인 공기를 사용하는 것이 경제적으로 유리하고, 플라즈마 가스에 대하여도 전극의 소모가 적어 비교적 염가인 질소가스를 사용하는 것이 유리하기 때문에, 이러한 조합은 경제적으로 가장 우수한 것중 하나라고 생각된다. 물론, 플라즈마 가스가 질소, 이차가스가 공기인 조합 이외의 플라즈마 가스와 이차가스의 조합으로 하여도, 제1 실시예를 실시하는 것으로, 불순물 부착량을 감소시킬 수 있어, 높은 절단품질이 얻어지는 것은 명백하다.

또한, 피절단재(5)의 상측의 불순물 부착량이 감소한 것에 의해, 절단속도를 빠르게 하는 것이 가능하다. 또한, 절단면은 대유량의 이차가스로 절단후 급속히 냉각되는 점에서, 피절단재(5)의 극히 작은 열변형만으로 절단할 수 있는 효과도 있다.

또한, 스테인레스의 절단에서는, 이차가스에 공기등의 산소농도가 비교적 낮은 가스 또는 질소 등의 불활성가스를 사용하는 것은, 절단면의 산화를 억제할 수 있기 때문에, 절단면이 흑색이 되는 것을 방지할 수 있어 양호한 절단품질을 얻게 된다. 또한, 플라즈마 가스 및 이차가스에 질소+수소 등의 수소를 수 %로부터 수십 % 정도 포함하는 환원성가스를 사용하면 절단면의 산화를 거의 완전히 없애는 것이 가능하게 되고, 산화, 태운 자국이 없는 금속광택을 갖는 아름다운 절단면을 얻을 수 있다.

제8도는, 제1 실시예를 실시하기 위한 플라즈마 절단장치의 플라즈마 토오치의 선단부의 다른 구성을 나타내고, 그 어시스트노즐(7)의 선단 내측의 조임각을 0로 한 것이다. 이와 같이, 본 발명에서는 어시스트노즐(7)의 선단부 내면을 중심축에 평행하게 하는 것도 가능하다. 또한, 구속노즐(4)의 선단 외측과 어시스트노즐(7)의 선단 내측에 필요한 작은 모따기 가공을 행하는 것은 당연히 허용된다.

제9도는 제2 실시예의 타임차트이다. 제9도에 있어서, 부호(a)는 플라즈마 절단장치가 절단개시의 명령을 받은 시점을 나타내고, 플라즈마 절단장치는 이 시점에서 프리플로우로서 플라즈마 가스(2)를 흘리기 시작한다. 플라즈마 절단장치는 부호(a)의 시점에서 일정시간 경과한 부호(b)의 시점에서 절단을 개시하기 위한 플라즈마 절단전류를 흘리기 시작한다. 따라서, 부호(b)의 시점이 관통 개시 시점으로 된다. 그 후, 절단이 행하여지고, 부호(c)의 시점에서 절단종료의 명령을 받은 플라즈마 절단장치는 플라즈마 절단전류를 정지하고, 절단이 종료한다. 부호(d)는 절단종료 후, 일정시간 플라즈마 가스(2)를 흘리는 애프터플로우가 종료하는 시점을 나타내고 있다. 여기에서, 본 실시예에서는, 이차가스(8)를 흘리는 구간을 부호(b)의 관통개시 시점에서 부호(c)의 절단종료 시점까지로서, 절단품질에 영향을 미치지 않는 프리플로우, 애프터플로우의 사이는 이차가스(8)를 흘리지 않도록 하고 있다. 따라서, 이것에 의해 이차가스(8)의 사용량을 감소시킬 수 있다. 또한, 대유량의 이차가스를 내뿜는 때에 발생하는 소리의 발생시간도 짧게 할 수 있다.

또한, 이것과의 비교를 위해, 종래의 플라즈마 절단방법에 있어서의 타임차를 제10도에 도시한다.

제11도는 제3 실시예를 실시하는 경우의 플라즈마 절단장치의 토오치의 일례의 단면도이다. 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예에서는. 구속노즐(4)은 캡(14)과의 사이에서 형성되는 공간(17)에 냉각수(18)를 흘리는 것으로 직접적으로 냉각되어 있다. 금속체에 제작되어 있는 어시스트노즐(7)은, 전기적 절연물인 스페이서(15)를 통해 캡(14)에 대하여 위치결정되어 있다. 또한, 도시되어 있지 않지만, 스페이서(15)에는, 이차가스(5)가 통과하기 위한 통로가 형성되어 있다. 이차가스(8)는, 캡(14)과 어시스트노즐(7)의 사이를 통과하여, 어시스트노즐(7)의 선단의 분출구에서 유출한다.

또한, 구속노즐(4)과 어시스트노즐(7)의 위치관계는, 노즐 선단면간의 갭(h)을 0<h로 하고, 구속노즐(4)의 선단이 어시스트노즐(7)의 선단보다 내측이 되도록 하고 있다. 이와같이 구성함에 의해, 절단중에 피절단재(5)가 돌발적으로 위로 튀어 올라간 때라도 어시스트노즐(7)이 차단되고 피절단재(5)와 구속노즐(4)이 접촉하지 않아, 구속노즐(4)의 보호를 실현할 수 있다. 또한, 구속노즐(4)은 어시스트노즐(7)과 전기적으로 절연되어 있기 때문에, 구속노즐(4)과 피절단재(5)의 사이에 전류가 흐르는 더블아아크 상태가 발생하는 일도 없기 때문에, 구속노즐(4)이 보호된다.

제11도에 도시된 어시스트노즐(7)을 전기적 절연체로 제작하더라도 마찬가지로 구속노즐(4)을 보호하는 효과가 얻어지고, 이 때는 스페이서(15)를 어시스트노즐(7)과 일체화하여 제작하는 것도 가능하다.

제12도는 제3 실시예의 타임차트이다. 제12도에 있어서, 이차가스(8)의 면적당의 유량(Vq)은, 프리플로우와 애프터플로우의 사이는 절단시에 흘리는 유량에 대하여 소유량인 250(㎥/sec)m²미만으로 하고, 관통 개시시점(b)에서 절단 종료시점(c)까지의 사이는 250(㎥/sec)m²이상의 대유량이 되도록 설정되어 있다. 이차가스(8)의 전환은, 예를 들어 제4도에 나타낸 바와 같이, 이차가스(8)의 공급라인을 도중에서 분기하여 각각 전자밸브(11,12)를 설치한 뒤에, 그 한 쪽에 유량 조임밸브(10)를 넣는 것으로 실시할 수 있다. 제4도에 있어서, 전자밸브(11)를 닫고 전자밸브(12)를 널면 이차가스(8)의 유량은 소유량으로. 전자밸브(11, 12)를 양방 또는 전자밸브(11)만을 열면 이차가스(8)는 대유량이 흐르게 된다. 또한, 제4도에 있어서, 참조번호(13)는 이차가스 제어밸브 구동장치이다.

이러한 제11도 및 제4도와 같이 구성한 플라즈마 절단장치에 있어서, 제12도에 도시한 이차가스(8)의 유량전환을 행하면, 잔통시는 피절단재(5)로부터 뿜어올라가는 용융불순물을 이차가스(8)에 의하여 누르는 것으로 구속노즐(4)을 보호할 수 있다. 이때, 이차가스의 유량을 프리플로우, 애프터플로우의 사이는 소유량으로 하고 있기 때문에 파일럿 아아크가 이차가스(8)의 흐름에서 교란, 냉각되어, 플라즈마 아아크 발생상태로 이행시키는 것이 곤란하게 되는 것은 아니고, 절단시작의 착화성에 문제가 생기는 일이 없어진다.

제13도는 제4 실시예의 타임차트이다. 제13도는 제11도와는, 이차가스(8)의 소유량으로부터 대유량으로의 전환을 프리플로우 개시로부터 관통 개시후 시간(Td) 만큼 지연되어 수행하는 점이 다르다. 이것은, 플라즈마 절단장치를 플라즈마 토오치를 제4도 또는 제 11도와 같이 구성함과 동시에, 제4도에 나타낸 이차가스 제어밸브 구동장치(13)에 시간지연 요소를 넣는 것으로 실현할 수 있다.

제14도에는 제13도에 나타낸 이차가스 유량의 전환 타이밍의 변경에 의한 효과를 측정한 결과를 도시한다. 제14도중의 (a)는 이차가스(8)를 흘리지 않고 절단할 때의 관통 직후의 플라즈마 아아크의 전압파형을 도시하고 있다. 제14도중의 (b)는 제9도에 도시한 관통개시 직후에 이차가스(8)의 유량을 대유량으로 바꾸는 타이밍일 때의 플라즈마 아아크의 전압파형을 도시하고 있다. 제14도중의 (C)는 제13도에 도시한 관통개시 직후에서 시간지연을 하여 이차가스(8)의 유량을 대유량으로 바꾸는 타이밍일 때에, 시간지연을 Td=0.5sec로 할 때의 플라즈마 아아크의 전압파형을 도시하고 있다.

이것에 의하면, (b)에서는 관통개시로부터 약 0.3sec 후에 높은 전압피크가 있지만, 시간을 지연시킨 (c)에서는 전압의 피크가 없어져 있고, 이차가스유량의 전환 타이밍을 변경한 것에 의해 대유량의 이차가스에 의한 아아크전압의 상승을 억제하는 것이 가능한 것을 알았다.

이와 같이, 관통개시 직후에서 시간을 지연시켜 이차가스(8)를 대유량으로 바꾸는 것으로 아아크전압의 상승을 억제하는 것이 가능하기 때문에, 전원의 출력 가능전압을 불필요하게 높게 잡지 않더라도 관통직후에 아아크가 소호하는 일도 없이 안정한 절단을 행하는 것이 가능하게 된다. 또한, 어시스트노즐(7)에 의한 구속노즐(4)의 보호도, 제12도일 때와 같이 행할 수 있다.

또한, 제9도 또는 제12도 혹은 제13도에 도시한 이차가스 유량변화의 패턴과 제10도에 도시한 이차가스 유량변화의 패턴을 1대의 플라즈마 절단장치에서 간편히 전환해서 사용할 수 있도록 하면, 이차가스(8)를 다량으로 흘리는 스테인레스 박판의 절단과 이차가스(8)를 소량으로 흘리는 연강등의 절단 모두를 행할 수 있게 된다. 이것은, 연강등의 통상의 절단으로서는 이차가스(8)는 피절단재(5)로부터 뿜어올라가는 용융 불순물로부터 구속노즐을 보호하기 위해서 소유량을 절단중에도 흘히는 것이 행하여지고, 이차가스(8)의 유량을 실시예 1과 같이 많게 하면 플라즈마류가 교란, 냉각되어 절단능력이 저하하는 것으로부터, 전환하도록 한 것이다. 이와같이 전환 기능을 갖게 하는 것으로, 많은 종류의 절단재를 간편히 절단할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 예시적인 실시예에 대하여 설명 하였지만, 서술된 실시예에 관하여, 본 발명의 요지 및 범위를 벗어나지 않고, 각종의 변경, 생략, 추가가 가능한 것은, 당업자에 있어서 자명하다. 따라서, 본 발명은, 상기의 실시예에 한정되지 않고, 청구의 범위에 기재된 요소에 의해서 규정되는 범위 및 그 균등범위를 포함하는 것으로서 이해되지 않으면 않된다.

Claims (6)

1. 전극과 플라즈마 가스통로를 사이에 두고 상기 전극을 에워싸도록 배치된 구속노즐과, 상기 구속노즐을 간격을 두고서 에워싸도록 배치된 이차가스를 흘리기 위한 어시스트노즐을 포함하는 플라즈마 토오치를 구비한 플라즈마 절단 장치에 의해 절단하는 방법에 있어서, 이차 가스의 유량을 Q, 어시스트노즐의 조임부 면적을 A2로 할때, Vq = Q/A2로 나타나는 이차가스의 면적당 유량(Vq)을 250(㎥/sec)m²이상으로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 구속노즐 선단의 외경(Dl)이 1.5이상 4.0이하, 상기 구속노즐 선단 외측의 조임각(α)이 0이상 90미만, 상기 어시스트노즐 조임부의 내경(D2)이 2.0이상, 상기 어시스트노즐 선단 내측의 조임각(β)이 0이상 90미만이 되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 어시스트노즐로부터 분출하는 이차가스를 프리플로우, 애프티플로우의 사이는 흘리지 않고, 절단개시 직후로부터 절단종료까지의 사이만 흘리도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 토오치에서 상기 어시스트노즐 선단이 상기 구속노즐 선단보다도 앞으로 돌출되어 있음과 동시에, 상기 어시스트노즐은 상기 구속노즐에 대하여 전기적으로 절연되어 있고, 상기 어시스트노즐로부터 분출하는 이차가스의 유량을 프리플로우의 사이는 절단시에 흘리는 유량에 대해서 소량으로서, 절단개시 직후로부터 절단종료까지의 사이만 Vq=250(㎥/sec)m²이상으로 증가시키도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
5. 제4항에 있어서, 이차가스의 소유량으로부터 Vq=250(㎥/sec)m²이상으로하는 전환을 절단개시 직후로부터 약 0.5sec의 지연을 가지게 하고 나서 행하도록 한 것을 특징으로 하늘 플라즈마 절단 방법.
6. 전극과, 플라 가스통로를 사이에 두고 해당 전극을 에워싸도록 배치된 구속노즐과, 해당 구속노즐을 간격을 두고서 에워싸도록 배치된 이차가스를 흘리기 위한 어시스트 노즐을 포함하는 플라즈마 토오치를 구비한 플라즈마 절단 장치에 있어서, 상기 구속노즐 선단의 외경(Dl)이 1.5이상 4.0이하, 상기 구속노즐 선단 외측의 조임각(α)이 0이상 90미만, 상기 어시스트노즐 조임부의 내경(D2)이 2.0이상, 상기 어시스트노즐 선단 내측의 조임각(β)이 0이상 90미만이 되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 장치.