KR100272917B1

KR100272917B1 - 플라즈마 절단 방법

Info

Publication number: KR100272917B1
Application number: KR1019970705541A
Authority: KR
Inventors: 가츠오 사이오; 요시히로 야마구치
Original assignee: 와타나베 모토아키; 고마츠 산키 가부시키가이샤; 안자키 사토루; 가부시키가이샤 고마쓰 세이사쿠쇼
Priority date: 1995-02-13
Filing date: 1996-02-13
Publication date: 2000-11-15
Also published as: KR19980702146A; US5900168A; EP0810052A4; CA2212666A1; EP0810052A1; JPH08215856A

Abstract

플라즈마 아크를 가늘게 포커스하는 오리피스를 갖는 노즐과, 그 노즐의 선단부를 포위하도록 2차 가스를 공급하는 2차 가스 분사 수단을 갖는 플라즈마 절단장치를 사용한 플라즈마 절단 방법에 있어서, 아크 스타트용의 플라즈마 가스로서 비산화성 가스를 흘림과 동시에, 아크 스타트용 2차 가스로서 비산화성 가스를 흘려서 노즐 출구 부근을 비산화성 가스 분위기로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법이다.

Description

플라즈마 절단 방법

종래, 플라즈마 절단기로 사용되는 플라즈마 토치는 제1도에 도시한 바와 같이, 중심부에 전극(1)을 갖고, 그 내부에 냉각실(8)이 형성되어 있다. 또한, 전극(1)의 외측에 플라즈마 가스 통로(2)가 형성되고, 그 플라즈마 가스 통로(2)를 거쳐 전극(1)을 둘러싸는 노즐(3)이 배치되어 있다. 또한, 노즐(3) 선단의 외측에는 냉각실(9)과 2차 가스 통로(4)가 형성되고, 그 냉각실(9)과 그 2차 가스 통로(4)를 거쳐 실드 캡(5)이 배치되어 있다.

이와 같은 구성의 플라즈마 토치에 의한 절단 가공은 플라즈마 가스 통로(2)에서 플라즈마 가스(20)를 흘리면서 전극(1)과 피절단재(6) 사이에서 메인 아크인 플라즈마 아크(7)를 발생시키고, 이 플라즈마 아크(7)를 노즐(3)의 오리피스(3a)에 의해 가늘게 포커스하고 또한 고온 고속으로 하여 피절단재(6)로 분사시켜 피절단재(6)를 그 일부를 용융 제거하는 것에 의해 절단하도록 하고 있다.

이 때, 전극(1) 내와 노즐(3)의 외측에 각각 마련된 냉각실(8, 9)에 냉각수가 순환되어 전극(1)과 노즐(3)이 냉각된다. 또한, 이때에 실드 캡(5) 내측에 마련된 2차 가스 통로(4)에서 2차 가스(21)가 분사되어 상기 플라즈마 아크(7)가 2차가스(21)로 둘러싸인다.

상기 플라즈마 아크(7)를 발생시키는 순서를 기술하면, 먼저, 전극(1)과 노즐(3) 사이에 고주파 전압이 인가되고, 그것에 의한 불꽃 방전에 의해 파일롯 아크가 발생한다. 그리고, 플라즈마 가스(20)의 흐름을 타서 이 파일롯 아크의 전극(1)측의 방전 포인트는 전극(1)의 선단 중심으로 이행함과 동시에 노즐(3) 측의 방전포인트는 노즐(3)의 오리피스(3a)를 통과하고 그 출구부 주변으로 이행하여, 최종적으로는 피절단재(6) 상에 도달하여 플라즈마 아크(7)가 형성된다.

이것과 동시에, 전극(1)과 노즐(3) 사이의 전력 공급은 정지된다. 이 때 플라즈마 아크(7)는 노즐(3)의 오리픽스(3a)로 가늘게 포커스되어, 고온 고속의 제트분사의 상태로 되어 있다. 이것에 의해, 피절단재(6)에 가는 폭의 절단 홈이 형성되어, 피절단재(6)의 절단이 진행된다.

이 때, 전극(1)도 노즐(3)도 플라즈마 아크(7)에 의한 고온으로 되어 있지만, 이들은 상기와 같이 냉각수에 의해 또는 공기에 의해 냉각된다. 또한, 열전자방출을 실행하므로 수천도의 고온으로 되는 전극(1)에는 그 소모를 저감하기 위해, 고융점 재료가 사용된다. 그 재료로서는 플라즈마 가스(20)로서 산소를 포함하는 것을 사용하는 경우에는 하프늄이 사용되고, 플라즈마 가스(20)가 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스인 경우에는 텅스텐을 사용한다.

또한, 종래 플라즈마 절단에서는 피절단재(6)의 재질에 의해 플라즈마 가스(20)의 종류를 나누는 것이 실행되고 있어, 연강재를 절단하는 경우, 플라즈마 가스(20)로서 산소를 사용하고, 스테인레스강이나 알루미늄의 경우는 플라즈마 가스(20)로서 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스가 사용된다. 비산화성 가스로서는 질소나 아르곤이나 수소 등의 단일 성분 가스 또는 그들의 혼합 가스를 사용한다.

그런데, 상술한 바와 같이, 플라즈마 절단에서는 고온 고속의 플라즈마 아크(7)를 노즐(3)에서 불기 시작하고, 그것에 의해 피절단재(7)를 국부적으로 용융하여, 그 부분의 용융 금속을 불어 날려 가는 것으로 절단 홈이 형성되어, 피절단재(7)의 절단이 진행된다.

따라서, 플라즈마 절단에서의 절단 품질은 플라즈마 아크(7)를 가늘게 포커스 분출시키는 노즐(3)의 형상에 크게 의존하고, 노즐(3)이 소모되어 형상이 변화하여, 이 오리피스(3a)의 지름이 크게 되면, 절단 품질이 악화된다.

특히, 노즐(3)의 오리피스(3a)의 출구는 그곳에서 분출하는 플라즈마 아크(7)의 방향이나 폭에 크게 영향을 받으므로, 이 오리피스(3a)의 출구가 작아도 소모되면, 피절단재(6)의 절단면이 경사지거나, 용융 금속을 완전히 불어 날릴 수 없게 되어, 절단 홈에 드로스(dross)라고 하는 용융 금속의 커스가 남거나 하여 절단품질에 큰 약영향을 준다.

또한, 상술한 바와 같이, 종래 플라즈마 절단기에 있어서는 아크 스타트시에 전극(7)과 노즐(3) 사이에 파일롯 아크를 발생시키고, 이 파일롯 아크를 불씨로 하여, 전극(1)과 피절단재(6) 사이의 전기적인 도통이 확보되면, 전극(1)과 피절단재(6) 사이에 메인 아크인 플라즈마 아크(7)를 형성하고, 그것과 교체하도록 노즐(3)로의 전력 공급을 정지하여, 파일롯 아크를 정지시킨다. 그후, 이 메인 아크에 의해 절단이 진행된다.

따라서 플라즈마 절단에서는 메인 아크를 발생하여 절단 작업을 실행하는 경우 매회 아크 스타트시에 파일롯 아크를 발생시키게 된다.

이 파일롯 아크는 제2도에 도시한 바와 같이 전극(1)과 노즐(3) 사이에서 발생하므로, 이 파일롯 아크(17)를 발생하고 있는 포인트(착호점) P는 고온의 아크로 되어 있다. 또한, 이 때의 노즐(3)의 선단부 근방에는 공기가 말려 들어가는 흐름(18)이 발생하여, 노즐(3)의 오리피스(3a) 내에 공기가 유입된다. 이 때문에, 플라즈마 가스(20)에 비산화성 가스를 사용하였다 하더라도, 노즐(3)의 오리피스(3a)에서는 산화에 의한 손상(19)이 발생한다. 이 때문에, 노즐(3)의 소모는 절단을 실행할 때마다 아크 스타트시에 발생하는 파일롯 아크(17)에 의해 진행하여 가는 것은 피할 수 없다.

파일롯 아크(17)는 아크 스타트시의 최초에 고주파 고전압이 전극(1)과 노즐(3) 사이에 인가되고, 그것에 의한 불꽃 방전에 의해 발생한다. 이 때 , 파일롯 아크(17)는 전극(1)과 노즐(3)의 최단 거리의 부분에서 발생한다. 그후, 플라즈마 가스(20)의 흐름을 타서, 전극(1) 측의 착호점은 전극(1)의 선단 중심으로 흐르고, 노즐측의 착호점 P는 노즐(3)의 오리피스(3a)를 통과하여 노즐 오리피스(3a)의 출구부 주변으로 흘러가고 있어, 메인 아크가 발생하기까지 그 출구부 주변에 정류한다.

따라서 제2도에 도시한 바와 같이, 파일롯 아크 발생시의 노즐(3)의 소모는 그 오리피스(3a)의 출구부에서 집중적으로 진행하게 된다.

이와 같이, 종래 플라즈마 절단기에서는 절단을 실행할 때마다 아크 스타트시의 파일롯 아크에 의해, 특히 절단 품질에 큰 영향을 주는 노즐(3)의 오리피스(3a)의 출구부에서의 마모가 진행되므로, 절단 품질이 악화되어 가는 것을 피할 수 없다. 그 때문에, 양호한 절단 품질을 유지하기 위해서는 빈번히 노즐(3)을 교환해야 한다.

또한, 연강재의 절단에서는 플라즈마 가스(20)로서 산소 또는 산소를 포함하는 가스가 일반적으로 사용되지만, 이 경우는 비산화성 가스를 플라즈마 가스(20)로서 사용하는 경우와 비교하여, 파일롯 아크에 의한 노즐(3)의 소모가 더욱 급격하게 되어, 수 시간, 수십 시간의 절단 작업만으로 노즐(3)을 교환해야 하고, 노즐(3)의 영구성 향상이 큰 과제로 되었다.

즉, 이와 같은 빈번한 노즐 교환은 교환하는 노즐(3)에 드는 비용이 런닝 코스트를 올릴 뿐만 아니라 노즐 교체에 필요한 로스 타임(loss time)이 절단 효율을 나쁘게 하여, 생산성 저하를 일으키게 된다. 또한, 그것 뿐만 아니라 노즐(3)의 열화에 의한 절단 품질의 저하를 항상 감시하고, 노즐(3)의 교환 시기를 판단하여 교환을 실시하기 위한 인원이 필요하게 되고, 노즐(3)의 급격한 소모는 플라즈마 절단기의 무인화에 대한 큰 장애로 되었다.

본 발명은 플라즈마 절단기를 사용한 플라즈마 절단 방법에 관한 것으로, 특히 절단 스타트시의 노즐의 오리피스부의 산화 손상을 방지할 수 있도록 한 플라즈마 절단 방법에 관한 것이다.

제1도는 종래 플라즈마 절단 방법에 사용하는 플라즈마 토치의 일예를 도시한 단면도.

제2도는 종래 플라즈마 절단 방법에 있어서의 아크 스타트시의 파일롯 아크에 의한 노즐의 소모 상태를 도시한 단면도.

제3도는 본 발명에 의한 플라즈마 절단 방법에 사용하는 플라즈마 토치의 일예를 도시한 단면도.

제4도는 본 발명에 의한 플라즈마 절단 방법에 사용하는 플라즈마 토치의 다른 예를 도시한 단면도.

제5도는 본 발명에 의한 플라즈마 절단 방법에 사용하는 플라즈마 토치의 또다른 예를 도시한 단면도.

제6도는 본 발명의 방법에 있어서, 플라즈마 가스만을 교체하는 경우의 가스공급 회로도.

제7도는 본 발명의 방법에 있어서, 플라즈마 가스와 2차 가스를 교체하는 경우의 가스 공급 회로도.

제8도는 본 발명의 방법에 있어서, 플라즈마 가스만을 교체하는 경우의 일예의 타이밍도.

제9도는 본 발명의 방법에 있어서, 플라즈마 가스만을 교체하는 경우의 다른예의 타이밍도.

제10도는 본 발명의 방법에 있어서, 플라즈마 가스와 2차 가스를 교체하는 경우의 일예의 타이밍도.

제11도는 본 발명의 방법에 있어서, 플라즈마 가스와 2차 가스를 교체하는 경우의 다른 예의 타이밍도.

따라서, 본 발명의 한 가지 목적은 상기의 것을 감안하여, 노즐의 영구성을 대폭적으로 향상할 수 있고, 양질의 절단 품질을 장시간에 걸쳐 유지할 수 있음과 동시에 런닝 코스트의 인하, 생산성의 향상을 실현한 플라즈마 절단 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, 플라즈마 아크를 가늘게 포커스하는 오리피스를 갖는 노즐과 상기 노즐의 선단부를 포위하도록 2차 가스를 공급하는 2차 가스 분출 수단을 갖는 플라즈마 절단 장치를 갖는 플라즈마 절단 방법에 있어서, 아크 스타트용의 플라즈마 가스로서 비산화성 가스를 흘림과 동시에 아크 스타트용의 2차 가스로서 비산화성 가스를 흘려서 노즐 출구 부근을 비산화성 가스 분위기로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법이 제공된다.

상기 구성에 의하면, 플라즈마 절단의 아크 스타트용의 플라즈마 가스로서 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스를 흘림과 동시에 노즐의 외측에 노즐의 오리피스를 포위하도록 아크 스타트용의 2차 가스를 분출시켜 오리피스 내에 대기가 들어오지 않도록 함과 동시에 2차 가스도 플라즈마 가스와 함께 산소를 포함하지 않는 비산화성의 가스를 흘려서 노즐의 오리피스에 산소가 존재하지 않는 상태로 하고 있으므로, 노즐의 오리피스의 소모를 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

상기 구성에 있어서, 파일롯 아크에서 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시에 플라즈마 가스를 비산화성 가스에서 산소 또는 산소를 포함하는 가스로 바꾸어도 좋다.

상기의 경우, 플라즈마 가스의 교체가 파일롯 아크 발생시 또는 메인 아크 발생시에 실행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구성에 있어서, 파일롯 아크에서 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시에 2차 가스를 비산화성 가스에서 산소 또는 산소를 포함하는 가스로 바꿔서 흘리도록 하여도 좋다.

상기의 경우, 플라즈마 가스 및 2차 가스의 교체가 파일롯 아크 발생시 또는 메인 아크 발생시에 실행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구성에 있어서, 아크 스타트시에 흐르는 비산화성 플라즈마 가스 및 2차 가스가 질소이고, 파일롯 아크에서 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시 이후에서 절단시에 흐르는 플라즈마 가스가 산소이고 또한 2차 가스가 공기 또는 산소와 질소의 혼합 가스라도 좋다.

또한, 상기 구성에 있어서, 파일롯 아크에서 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시 이후에 절단시에 흐르는 플라즈마 가스가 비산화성 가스라도 좋다.

또한, 상기 구성에 있어서, 파일롯 아크에서 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시 이후에 흐르는 2차 가스가 비산화성 가스라도 좋다.

또한, 상기 구성에 있어서, 플라즈마 가스 및 2차 가스가 질소인 것이 바람직하다.

본 발명은 이하의 상세한 설명 및 본 발명의 실시예를 도시한 첨부 도면에 의해 보다 잘 이해될 것이다. 또한, 첨부 도면에 도시한 실시예는 발명을 특정하는 것을 의미하는 것은 아니고, 단지 설명 및 이해를 용이하게 하는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 플라즈마 절단 방법을 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

이하, 본 발명에 의한 플라즈마 절단 방법의 일실시예를 설명한다.

본 발명의 방법은 제3에 도시한 일반적인 구성의 플라즈마 토치를 사용하여 실행한다.

본 발명의 방법에 의하면, 플라즈마 절단의 아크 스타트시의 파일롯 아크 발생을 위해, 플라즈마 가스(30)로서 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스를 흘림과 동시에 노즐(3)의 외측에 오리피스(3a)를 포위하도록 2차 가스(31)를 방출하고, 대기가 들어가지 않도록 함과 동시에, 2차 가스(31)도 플라즈마 가스(30)와 같이, 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스를 흘린다. 따라서, 노즐(3)의 오리피스(3a) 근방에 산소가 존재하지 않는 상태로 하는 것으로, 노즐(3)의 오리피스(3a)의 마모를 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

상기 효과를 증명하는 것으로서, 발명자 등이 실시한 실험 및 그 결과를 이하에 나타낸다.

실험은 노즐이 선단부를 포위하도록 2차 가스가 공급되는 2차 가스 공급 수단을 갖는 플라즈마 토치를 사용하고, 파일롯 아크를 반복해서 점호(点弧)하여, 노즐의 오리피스의 소모를 진행시켜, 그 때의 오리피스 지름 2.8 mm의 동제 노즐의 실험 전과 실험 후의 중량을 측정하고, 그 감소 중량을 노즐의 오리피스의 소모량으로 하였다.

또한, 플라즈마 가스와 2차 가스의 가스 종류는 이하의 조합으로 실시하였다.

(1) 플라즈마 가스: 산소, 2차 가스: 공기

(2) 플라즈마 가스: 질소, 2차 가스: 공기

(3) 플라즈마 가스: 질소, 2차 가스: 질소

운전 조건은 플라즈마 가스압 2.0kg/cm², 2차 가스압 3.5kg/cm², 전류값 50A, 아크 점호 횟수 50회, 아크 점호 시간 3초로 하였다.

실험 결과로서 얻어진 노즐의 오리피스 소모의 실측값을 다음 표 1에 나타낸다.

[표 1]

상기 표 1의 결과에서, 플라즈마 가스에 산소가 포함되어 있으면, 파일롯 아크에 의한 노즐의 오리피스의 소모가 매우 급격한 것을 알았다. 또한, 플라즈마 가스를 산소를 포함하지 않는 가스(질소)로 하면, 노즐의 오리피스의 소모는 상당히 감소하지만, 여전히 절단 품질에 영향을 주는 정도로 진행한다. 또한, 플라즈마 가스 뿐만 아니라 2차 가스도 산소를 포함하지 않는 가스(질소)로 하면 전혀 노즐의 오리피스의 소모가 진행하지 않는다.

상기 실험 결과에서, 노즐의 오리피스의 소모에는 산소가 크게 관련되어 있는 것이 판명되었다.

즉, 노즐의 오리피스 근방에 산소가 있으면, 파일롯 아크의 노즐 착호점은 고온 상태에 있으므로 융점 뿐만 아니라 고온이므로 산화가 진행하고, 이 산화에 의한 노즐의 오리피스의 소모가 큰 비율을 점유하고 있는 것을 알았다.

또한, 노즐의 오리피스의 산화 원인으로 되는 산소는 당연 파일롯 아크시의 플라즈마 가스에 산소가 포함되어 있으면 그것이 공급원으로 되지만, 그것 뿐만 아니라 노즐의 오리피스가 대기(공기)에 노출되어 있으면, 노즐의 오리피스에서 고속으로 불어나온 플라즈마 아크 흐름에 의해 대기가 노즐의 오리피스를 따라 들어가서, 대기에 포함되어 있는 산소도 노즐의 오리피스 산화의 원인으로 되어, 이것이 노즐 오리피스부의 소모를 진행시키는 것도 알았다.

따라서, 본 발명의 방법에 의해, 플라즈마 절단의 아크 스타트용 플라즈마 가스로서 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스를 흘림과 동시에 노즐 외측에 노즐의 오리피스를 포위하도록 아크 스타트용의 2차 가스를 분출시켜 오리피스 내에 대기가 들어가지 않도록 함과 동시에 2차 가스도 플라즈마 가스와 같은 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스를 흘려서 노즐의 오리피스에 산소가 존재하지 않는 상태로 하는 것으로, 노즐의 오리피스의 소모를 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

상기 방법에 있어서, 2차 가스(31)는 절단에 기여하는 플라즈마화한 가스 흐름, 즉 플라즈마 아크(7)를 가늘게 포커스하는 작용을 갖고 있어서, 그 정밀도가 절단 품질에 결정적인 영향을 미치고 있는 노즐(3)의 출구를 대기에서 차단하는 작용을 이루기 때문이다.

이 경우, 2차 가스 통로(4)를 구성하는 실드 캡(5)의 선단부 형상은 제3도에 도시한 바와 같이 토치 선단부측으로 갈수록 가늘게 되어 있는 형상 쪽이 소량의 2차 가스(31)로 효율 좋은 노즐 선단부를 실드할 수 있지만, 이 때, 2차 가스에 의해 노즐(3)에서 분출하는 플라즈마 아크(7)가 흩어지지 않도록 할 필요가 있으므로, 2차 가스 통로(4)를 구성하는 실드 캡(5)의 개구부(5a)의 지름은 노즐(3)의 오리피스(3a)의 지름보다 크게 할 필요가 있다.

또한, 이 2차 가스(31)를 분출시키는 수단의 다른 예로서는 제4도에 도시한 바와 같이, 실드 캡(5)을 원통형으로 한 것 또는 제5도에 도시한 바와 같이 노즐(3)의 출구의 측방에 2차 가스 배출 노즐(16)을 배치하고, 횡방향에서 2차 가스(31)를 노즐(3)의 출구부로 불어서, 그 출구 부분을 대기로부터 차단하는 것도 가능하다.

다음에, 본 발명의 방법을 실시하기 위한 플라즈마 가스(30)와 2차 가스(31)의 공급 회로는 제6도 또는 제7도에 도시한 것과 같다.

또한, 제6도 및 제7도에 있어서, 도면 부호 10은 비산화성 가스의 공급 회로이고, 도면 부호 11은 산화성 가스의 공급 회로이다.

제6도에서는 플라즈마 가스(30) 만을 바꾸는 경우를 나타내고 있다. 플라즈마 아크(7)의 발생 전에 공급 회로 내의 가스를 완전히 치환하기 위해, 파일롯 아크 발생의 소정 시간 전에 아크 스타트용 플라즈마 가스 개폐 밸브(12)를 열고, 플라즈마 가스 통로(2)에 플라즈마 가스(30)로서 비산화성 가스를 흘림과 동시에 2차가스 개폐 밸브(13)를 열어 2차 가스 통로(4)에도 같은 2차 가스(31)로서 비산화성 가스를 흘린다. 이것에 의해, 노즐(3)의 출구부 주변에는 산소가 없는 상태로 되어, 이 상태에서 파일롯 아크를 발생시켜 아크를 스타트한다. 파일롯 아크의 발생 완료 후에, 아크 스타트용 플라즈마 가스 개폐 밸브(12)를 닫음과 동시에 절단용 플라즈마 가스 개폐 밸브(14)를 열어서, 플라즈마 가스(30)를 비산화성 가스에서 산소 또는 산소를 포함하는 가스로 바꾸어 흘리고, 절단 작업을 실행한다.

이 때 바꾸는 타이밍은 제8도 또는 제9도에 도시한 바와 같이 된다. 제8도에서는 양 밸브(12, 14)의 교체를 파일롯 아크 발생시에 실행하고 있지만, 제9도에서는 양 밸브(12, 14)의 교체를 메인 아크 발생시에 실행하고 있다.

또한, 플라즈마 가스(30)와 2차 가스(31) 양쪽을 교체하는 경우에는 제7도에 도시한 바와 같이, 플라즈마 아크의 발생 전에 회로 내의 가스를 완전히 치환하기 위해, 아크 스타트의 소정 시간 전에 아크 스타트용 플라즈마 가스 개폐 밸브(12)를 열고, 플라즈마 가스 통로(2)에 플라즈마 가스(30)로서 비산화성 가스를 흘림과 동시에 아크 스타트용 2차 가스 개폐 밸브(13)를 열어 2차 가스 통로(4)에도 2차 가스(31)로서 같은 비산화성의 가스를 흘리고, 노즐(3)의 출구부 주변에는 산소가 없는 상태로 하고, 그 상태에서 파일롯 아크를 발생시켜, 아크를 스타트 한다. 파일롯 아크의 발생 완료 후에 아크 스타트용 플라즈마 가스 개폐 밸브(12)를 닫음과 동시에 절단용 플라즈마 가스 개폐 밸브(14)를 열고, 플라즈마 가스(30)를 비산화성 가스에서 산소 또는 산소를 포함하는 가스로 교체하여 흘림과 동시에 아크 스타트용 2차 가스 개폐 밸브(13)를 받음과 동시에 절단용 2차 가스 개폐 밸브(15)를 열어서 2차 가스(31)를 비산화성 가스에서 산소 또는 산소를 포함하는 가스로 교체하여 흘리고, 절단 작업을 실행한다.

이 때, 양 가스(30, 31)의 교체 타이밍은 제10도 또는 제11도에 도시한 바와 같이 된다. 제10도에서는 각 밸브(12, 13, 14, 15)의 교체를 파일롯 아크 발생시에 실행하고 있지만, 제11도에서는 각 밸브(12, 13, 14, 15)의 교체를 메인 아크 발생시에 실행하고 있다.

상기 가스의 교체 타이밍은 파일롯 아크의 발생, 또는 메인 아크의 발생을 검출하여 그 신호를 받은 때이다.

또한, 가스의 교체 타이밍은 스타트용 비산화성 가스와 절단용 산화성 가스의 노즐(3)의 오리피스부에 있어서의 치환 시기를 고려하여 설정하는 것이 좋다. 바람직하게는 메인 아크 발생과 동시에 노즐(3)의 오리피스부에 있어서 치환이 완료되면 절단으로의 영향이 없다. 그러나, 실제로는 가스 배관의 장단에 의해 치환에 요하는 시간의 장단도 생긴다. 따라서, 가스 전환의 타이밍은 가스 배관 거리가 짧으므로, 개폐 밸브를 통과한 가스가 빨리 노즐(3)의 오리피스부에 도달하는 경우는 메인 아크 발생의 검출 신호를 받은 때에 좋고 또한 가스 배관 거리가 길므로, 오리피스부에서의 가스 치환에 시간이 걸리는 경우는 메인 아크 발생 이전의 때가 좋다. 가스 교체의 타이밍으로서, 가스 치환에 요하는 시간이 짧은 순으로는 파일롯 아크 발생 검출 신호, 고주파 발생 검출 신호, 기동 신호 중 어느 신호를 검출하여 개폐 밸브를 교체하도록 하면, 가스 치환에 의한 절단으로의 영향을 최소로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법에서는 파일롯 아크 발생시와 절단 중에 가스를 바꾸는 것을 실행하고 있지만, 더욱 바람직하게는 절단 종료 후에 다시 파일롯 아크 발생시와 마찬가지로, 비산화성 가스를 소정 시간 동안 흘려 두면, 가스 배관 내는 비산화성 가스로 가득 차게 되어, 다음 번 아크 스타트시에 가스 배관 내의 가스를 치환하기 위한 비산화성 가스를 흘릴 때 그 시간을 단축할 수 있으므로, 절단 개시가 빠르고, 절단 작업의 효율화가 도모된다.

본 발명의 방법에 있어서, 산화성 가스라 함은 산소 또는 공기 또는 산소와 질소의 혼합 가스 등, 산소를 포함하는 가스이고, 비산화성 가스라 함은 질소, 아르곤, 헬륨, 수소 등의 소위 불활성 가스의 단독 또는 이들의 조합이다.

플라즈마 절단으로 연강재를 절단할 때에는 플라즈마 가스(30)로서 산소를 사용하는 것이 일반적이다. 이 경우에 아크 스타트시는 질소를 플라즈마 가스(30) 및 2차 가스(31)로서 사용하고, 파일롯 아크 발생 완료 후에 절단 중은 산소를 플라즈마 가스(30)로서 공기 또는 산소를 포함하는 가스를 2차 가스(31)로서 사용한다.

여기서, 절단을 위한 플라즈마 가스(30)로서 산소를 사용하는 것은 연강과 산소 플라즈마의 산화 반응에 의한 반응열에 의해 절단이 촉진되기 때문이다. 또한, 이 경우 2차 가스(31)로서는 산소를 포함하는 가스로 한 쪽이 좋다. 이것은 비산화성 가스를 사용하면 플라즈마 가스(30)의 산소 순도가 저하하고, 절단에 악영향이 미치기 때문이다. 또한, 파일롯 아크 발생시의 비산화성 가스로서 질소를 사용하는 이유는 플라즈마화 했을 때의 특성이 산소와 거의 같고, 교체에 따르는 아크의 불안정성이 일어나기 어렵기 때문이다.

또한, 스테인레스강이나 알루미늄의 절단에서는 플라즈마 가스(30)로서 산소를 포함하지 않는 비산화성 가스가 사용된다. 비산화성 가스로서는 질소나 아르곤 또는 수소 등을 단일로 사용하거나, 그들의 혼합 가스를 사용한다. 이 경우에도 상술한 바와 같이 파일롯 아크에 의한 노즐 소모는 산소 플라즈마보다도 경미하게 진행한다. 그 때문에, 이와 같은 비산화성 가스를 사용한 플라즈마 절단기에 있어서도 파일롯 아크 발생시에 비산화성 가스를 2차 가스(31)로서 흘리는 것에 의해, 노즐(3)의 영구성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.

(1) 아크 스타트시에 노즐(3)의 오리피스를 대기에서 차폐하여, 그 산화 손상을 방지할 수 있다.

(2) 아크 스타트시에는 비산화성 기체를 흘리지만, 절단시에는 산화성 가스로 전환하여 흘리므로, 연강의 절단에 관해서는 절단 품질이 손상되는 일이 없다.

(3) 산화 손상 방지의 결과, 장시간에 걸쳐 양질의 절단 품질을 유지할 수 있다. 즉, 노즐(3)의 영구성 향상이 도모된다.

(4) 노즐(3)의 영구성 향상에 의해 노즐(3)의 교환 횟수가 줄어들어, 작업자의 수고가 경감된다.

(5) 노즐(3)의 교환 횟수가 감소하는 것, 즉 노즐(3)의 교환 사이클의 연장은 플라즈마 절단기의 무인 운전화 실현에 대한 공헌도가 높다.

(7) 노즐(3)의 교환에 요하는 로스 타임이 없게 되어, 절단 작업 효율이 좋게 된다.

(7) 노즐(3)의 구입품 비용이 내려가므로, 런닝 코스트의 저감을 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 예시적인 실시예에 대하여 설명하였지만, 개시한 실시예에 관하여 본 발명의 요지 및 범위를 이탈하는 일 없이, 여러 가지 변경, 생략, 추가가 가능한 것은 당업자에 있어서 자명하다. 따라서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 청구의 범위에 기재된 요소에 의해 규정되는 범위 및 그 균등범위를 포함하는 것으로서 이해되어야 한다.

Claims

플라즈마 아크를 가늘게 포커스하는 오리피스를 갖는 노즐과, 상기 노즐의 선단부를 포위하도록 2차 가스를 공급하는 2차 가스 분출 수단을 갖는 플라즈마 절단 장치를 사용한 플라즈마 절단 방법에 있어서, 아크 스타트용의 플라즈마 가스로서 비산화성 가스를 흘림과 동시에 아크 스타트용의 2차 가스로서 비산화성 가스를 흘려서 노즐 출구 부근을 비산화성 가스분위기로 하고, 파일롯 아크에서 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시에 플라즈마 가스를 비산화성 가스로부터 산소 또는 산소를 포함하는 가스로 교체하도록 한 플라즈마 절단 방법.
제1항에 있어서, 플라즈마 가스의 교체가 파일롯 아크 발생에 실행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제1항에 있어서, 플라즈마 가스의 교체가 메인 아크 발생시에 실행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제1항에 있어서, 파일롯 아크로부터 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시에 2차 가스를 비산화성 가스로부터 산소 또는 산소를 포함하는 가스로 교체하여 흘리는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제4항에 있어서, 플라즈마 가스 및 2차 가스의 교체가 파일롯 아크 발생시에 실행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제4항에 있어서, 플라즈마 가스 및 2차 가스의 교체가 메인 아크 발생시에 실행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제4항에 있어서, 아크 스타트시에 흐르는 비산화성 플라즈마 가스 및 2차 가스가 질소이고, 파일롯 아크로부터 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시 이후에 절단시에 흐르는 플라즈마 가스가 산소이며, 2차 가스가 공기 또는 산소와 질소의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제1항에 있어서, 파일롯 아크로부터 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시 이후에 절단시에 흐르는 플라즈마 가스가 비산화성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제8항에 있어서, 파일롯 아크로부터 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시 이후에 흐르는 2차 가스가 비산화성 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.
제9항에 있어서, 플라즈마 가스 및 2차 가스가 질소인 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 방법.