KR100827581B1 - Plasma cutter - Google Patents
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Abstract
플라즈마 절단 장치가, 스테인리스 강을 양호한 품질로 절단한다. 플라즈마 토치 (2) 에 플라즈마 가스로서 불활성 가스 (질소) 를, 어시스트 가스로서, 공기보다도 비중이 무겁고 또한 환원성을 갖는 가연성 가스 (프로판) 혹은 상기 가연성 가스 (프로판) 와 불활성 가스 (질소) 의 혼합 가스를 공급한다. 어시스트 가스 중의 가연성 가스 (프로판) 는, 프리 플로우 구간과 애프터 플로우 구간에서는 공급하지 않고, 플라즈마 아크 발생 구간에서만 공급한다.
The plasma cutting device cuts stainless steel in good quality. An inert gas (nitrogen) is used as a plasma gas in the plasma torch 2, and as an assist gas, it is a combustible gas (propane) having a specific gravity that is heavier than air and is reducible, or a mixed gas of the combustible gas (propane) and an inert gas (nitrogen). To supply. The combustible gas (propane) in the assist gas is not supplied in the free flow section and the after flow section, but only in the plasma arc generation section.
Description
본 발명은, 스테인리스 강을 절단하는 플라즈마 절단 방법과 그 방법을 실시하여 스테인리스 강을 절단하는 플라즈마 절단 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a plasma cutting method for cutting stainless steel and a plasma cutting device for cutting stainless steel by carrying out the method.
스테인리스 강의 플라즈마 절단에서는, 스테인리스 강에 포함되는 크롬이 절단중에 산화되고, 이 크롬 산화물이, 그 유동성의 악화로 인해 절단면에 부착하여, 절단면의 품질을 저하시킨다. 이 문제에 대한 대처로서, 플라즈마 가스 및 어시스트 가스의 조성에 관해서 다음과 같은 종래 기술이 알려져 있다. 제 1 종래 기술은, 플라즈마 가스로서 질소 또는 공기를 사용하고, 어시스트 가스로서는, 메탄 또는 메탄과 공기의 혼합 가스를 사용한다 (특허 문헌 1). 또한, 제 2 종래 기술은, 플라즈마 가스로서 공기 또는 공기와 질소의 혼합 가스를 사용하고, 어시스트 가스로서는, 수소, 또는 수소를 포함한 혼합 가스, 또는 탄화성 수소 가스를 사용한다 (특허 문헌 2). In plasma cutting of stainless steel, chromium contained in the stainless steel is oxidized during cutting, and this chromium oxide adheres to the cutting surface due to deterioration of its fluidity, thereby degrading the quality of the cutting surface. As a solution to this problem, the following prior arts are known with respect to the composition of the plasma gas and the assist gas. In the first conventional technique, nitrogen or air is used as the plasma gas, and methane or a mixed gas of methane and air is used as the assist gas (Patent Document 1). Moreover, 2nd prior art uses air or mixed gas of air and nitrogen as a plasma gas, and uses mixed gas containing hydrogen or hydrogen, or hydrocarbon gas as an assist gas (patent document 2).
특허 문헌 1 : 미국 특허 제5,414,236호 Patent Document 1: US Patent No. 5,414,236
특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 평9-295156호 Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-295156
발명의 개시Disclosure of the Invention
발명이 해결하고자 하는 과제Problems to be Solved by the Invention
상기 제 1 종래 기술에서는, 어시스트 가스로서 사용되는 메탄 또는 메탄과 공기의 혼합 가스는, 메탄이 갖는 환원성에 의해, 절단면의 산화를 막는 효과를 기대할 수 있다. 그러나, 메탄은 공기보다도 비중이 가볍기 때문에, 메탄을 플라즈마 아크의 주위에 실드 가스로서 공급한 경우, 외부의 기류나 바람의 영향을 받기 쉬울 가능성이 있고, 또한, 메탄가스는 확산하기 쉽고, 절단한 스테인리스 상의 실드 효과에 영향 줄 우려가 있다. In the first conventional technique, the effect of preventing methane or a mixed gas of methane and air, which is used as an assist gas, from preventing the oxidation of the cut surface can be expected due to the reducing property of methane. However, since methane is lighter in specific gravity than air, when methane is supplied as a shielding gas around a plasma arc, there is a possibility that it is susceptible to the influence of external air flow and wind, and methane gas is easily diffused and cut. There is a fear that the shielding effect on the stainless steel will be affected.
제 2 종래 기술에서는, 어시스트 가스로서 수소, 또는 수소를 포함한 혼합 가스, 또는 탄화성 수소 가스를 사용함으로써, 그들의 환원성에 의해 절단면의 산화를 억제하는 효과를 기대할 수 있다. 그러나, 수소는 공기보다도 비중이 가볍기 때문에, 수소 또는 수소를 포함한 혼합 가스를 플라즈마 아크의 주위에 실드 가스로서 공급한 경우, 외부의 기류나 바람의 영향을 받기 쉬울 가능성이 있고, 또한, 수소는 확산되기 쉬워 절단한 스테인리스 위의 실드 효과에 영향 줄 우려가 있다. 실제, 발명자가 실시한 테스트에 의하면, 절단면에 부분적으로 크롬 산화물이 부착되는 경우가 있어, 매우 양호한 무산화 절단면을 얻는 것은 어렵다. 시장에 있어서는, 제품의 절단면에 조금이라도 크롬 산화물이 부착되어 있는 것만으로, 그 제품의 상품 가치가 큰 폭으로 저하된다. 그 때문에, 이와 같이 종래 기술보다 뛰어난 양호한 무산화 절단면을 얻는 기술이 강하게 요망되고 있다. In the second prior art, by using hydrogen, a mixed gas containing hydrogen, or a hydrocarbon gas as the assist gas, the effect of suppressing oxidation of the cut surface can be expected by their reducing properties. However, since hydrogen is lighter in specific gravity than air, when a mixed gas containing hydrogen or hydrogen is supplied as a shielding gas around the plasma arc, there is a possibility that it is easily affected by external air flow or wind, and hydrogen is diffused. It tends to be easy to affect the shielding effect on the cut stainless steel. In fact, according to the tests conducted by the inventors, chromium oxide may be partially attached to the cut surface, and it is difficult to obtain a very good oxide free cut surface. In the market, only a small amount of chromium oxide adheres to the cut surface of the product, and the product value of the product is greatly reduced. For this reason, there is a strong demand for a technique for obtaining a good oxide free cut surface superior to the prior art.
또한, 많은 플라즈마 절단 공장에서는, 스테인리스 강뿐만 아니라 연강의 절단도 행해진다. 연강의 플라즈마 절단에서는, 스테인리스 강과 달리, 이것을 적극적으로 산화 (연소) 시켜 그 산화열을 절단에 활용하는 것이 바람직하고, 그 때문에, 산소 가스가 사용되는 일이 많다. 그러나, 이러한 산소 가스를 사용하는 공장에서는, 수소 가스의 사용은 최대한 피하고 싶다고 하는 사용자측의 강한 요구가 있다. 그 때문에, 어시스트 가스에 수소 가스 또는 그 혼합 가스를 사용한다는 종래 기술의 실용은 곤란하다. In many plasma cutting plants, not only stainless steel but also mild steel is cut. In the plasma cutting of mild steel, unlike stainless steel, it is preferable to actively oxidize (burn) this and utilize the heat of oxidation for cutting, and therefore, oxygen gas is often used. However, in a factory using such an oxygen gas, there is a strong demand from the user side that the use of hydrogen gas is to be avoided as much as possible. Therefore, the practical use of the prior art that hydrogen gas or its mixed gas is used for the assist gas is difficult.
또한, 제 2 종래 기술에서 제안되고 있는 탄화성 수소 가스를 실드 가스로서 사용했을 경우에는, 절단시에 생기는 용융 금속의 유동성이 나빠져, 그 용융 금속이 제품의 이면에 부착되어 버린다는 중대한 문제가 있다. In addition, when the hydrocarbon gas proposed in the second prior art is used as the shield gas, there is a serious problem that the flowability of the molten metal generated at the time of cutting is worsened and the molten metal adheres to the back of the product. .
그래서, 본 발명의 목적은, 스테인리스 강을 양호한 품질로 절단하는 플라즈마 절단 장치, 및 플라즈마 절단 장치를 이용한 절단 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 후술하는 실시 형태의 기재에서 알 수 있게 될 것이다. It is therefore an object of the present invention to provide a plasma cutting device for cutting stainless steel with good quality, and a cutting method using the plasma cutting device. Moreover, another objective of this invention will become clear from the description of embodiment mentioned later.
과제를 해결하기 위한 수단 Means to solve the problem
본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치는, 가스 공급 동작의 제어를 실시하는 제어장치와, 이 제어장치로부터의 지시에 의해, 플라즈마 토치의 노즐로부터 플라즈마 아크로서 분출되는 플라즈마 가스로서 불활성 가스를, 플라즈마 아크를 외기로부터 실드하기 위한 어시스트 가스로서, 공기보다도 비중이 무겁고 또한 환원성을 갖는 가연성 가스 혹은 그 가연성 가스와 불활성 가스와의 혼합 가스를, 플라즈마 토치에 공급하는 가스 공급 수단을 구비한다. 본 발명의 플라즈마 절단 장치에 의하면, 플라즈마 가스는 불활성 가스이기 때문에, 그 자체가 절단면의 산화의 원인은 되지 않는 것에 추가하여, 공기보다도 비중이 무겁고 또한 환원성을 갖는 가연성 가스 또는 그것과 불활성 가스와의 혼합 가스인 어시스트 가스의 환원 작용과 실드 작용에 의해, 절단면의 산화 방지와 환원이 유효하게 행해진다. 이러한 플라즈마 가스와 어시스트 가스의 작용이 함께 이루어져 높은 절단 품질을 얻을 수 있다.The plasma cutting device according to the present invention includes a control device for controlling a gas supply operation, and an inert gas as a plasma gas ejected as a plasma arc from a nozzle of a plasma torch by an instruction from the control device. An assist gas for shielding from outside air is provided with a gas supply means for supplying a flammable gas having a specific gravity that is heavier than air and having a reducing property or a mixed gas of the flammable gas and an inert gas to the plasma torch. According to the plasma cutting device of the present invention, since the plasma gas is an inert gas, the combustible gas having a specific gravity is heavier than that of air and is reducible in addition to that which does not itself cause the oxidation of the cutting surface, or the inert gas By the reducing action and shielding action of the assist gas which is a mixed gas, oxidation prevention and reduction of a cut surface are performed effectively. The action of the plasma gas and the assist gas are combined to obtain high cutting quality.
바람직한 실시 형태에서는, 플라즈마 가스로서 사용되는 불활성 가스로서 질소가 채용된다. 또한, 공기보다도 비중이 무겁고 또한 환원성을 갖는 가연성 가스로서 프로판 가스가 채용된다. 어시스트 가스로서 질소와 프로판의 혼합 가스가 채용된다. In a preferred embodiment, nitrogen is employed as the inert gas used as the plasma gas. Moreover, propane gas is employ | adopted as a combustible gas which is heavier than air and has reducibility. As the assist gas, a mixed gas of nitrogen and propane is employed.
바람직한 실시 형태에서는, 제어 수단은, 일련의 프리 플로우 구간, 플라즈마 아크 발생 구간 및 애프터 플로우 구간 중, 플라즈마 아크 발생 구간에, 가연성 가스를 플라즈마 토치로 공급하고, 프리 플로우 구간 또는 애프터 플로우 구간에서는, 가연성 가스를 플라즈마 토치로 공급하지 않도록 가스 공급 수단을 제어한다. 따라서, 어시스트 가스로서 사용되는 가연성 가스가 미연소 상태로 대량으로 외부로 방출되어 버릴 우려가 없다. In a preferred embodiment, the control means supplies a flammable gas to the plasma arc generating section of the series of preflow sections, the plasma arc generating section and the afterflow section, by the plasma torch, and the combustible gas in the free flow section or the afterflow section. The gas supply means is controlled not to supply the plasma to the torch. Accordingly, there is no fear that the combustible gas used as the assist gas may be released to the outside in large quantities in an unburned state.
바람직한 실시 형태에서는, 가스 공급 수단은, 플라즈마 가스를 플라즈마 토치로 공급하는 플라즈마 가스 라인과 어시스트 가스를 플라즈마 토치로 공급하는 어시스트 가스 라인을 구비하고, 어시스트 가스 라인은, 플라즈마 토치 근방에서, 가연성 가스를 공급하는 가연성 가스 라인과 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 라인이 합류하는 합류점에 접속된다. 그리고, 가연성 가스 라인에는, 합류점의 근방에서, 상기 제어 수단으로부터의 지시에 의해 가연성 가스의 흐름을 제어하기 위한 가스류 제어 수단이 배치된다. 이 구성에 의해, 상기 기술한 것과 같은, 가연성 가스를 플라즈마 아크 발생 구간에서는 공급하지만 프리 플로우 구간 또는 애프터 플로우 구간에서는 공급하지 않는다는 가스 플로우 제어가, 큰 지연 시간없이 적시에 행할 수 있다. In a preferred embodiment, the gas supply means includes a plasma gas line for supplying the plasma gas to the plasma torch and an assist gas line for supplying the assist gas to the plasma torch, and the assist gas line supplies the combustible gas in the vicinity of the plasma torch. It is connected to the confluence point where the combustible gas line and the inert gas line which supplies an inert gas join. Then, in the combustible gas line, gas flow control means for controlling the flow of the combustible gas by the instruction from the control means is disposed near the confluence point. With this configuration, gas flow control such that the combustible gas as described above is supplied in the plasma arc generation section but not in the free flow section or the after flow section can be performed in a timely manner without a large delay time.
본 발명의 다른 측면에 따른 플라즈마 절단 방법은, 플라즈마 토치에 불활성 가스를 플라즈마 가스로서 공급하는 단계와 플라즈마 토치에 공기보다도 비중이 무겁고 또한 환원성을 갖는 가연성 가스 혹은 그 가연성 가스와 불활성 가스의 혼합 가스를 어시스트 가스로서 공급하는 단계를 구비한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a plasma cutting method comprising: supplying an inert gas to a plasma torch as a plasma gas and combustible gas having a specific gravity heavier than air and reducing gas or a mixed gas of the combustible gas and the inert gas. Supplying as assist gas.
발명의 효과Effects of the Invention
본 발명의 플라즈마 절단 장치 및 방법에 따르면, 스테인리스 강의 플라즈마 절단 에 있어서, 양호한 절단 품질을 얻을 수 있다. According to the plasma cutting device and method of the present invention, good cutting quality can be obtained in plasma cutting of stainless steel.
도 1 은, 본 발명의 일실시 형태에 관한 플라즈마 절단 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows schematic structure of the plasma cutting device which concerns on one Embodiment of this invention.
도 2 는, 가스 공급 프로세스에 있어서의 플라즈마 가스, 그리고 어시스트 가스 중의 질소 가스와 프로판 가스의 공급 순서의 일례를 나타내는 타임 차트이다. FIG. 2 is a time chart showing an example of a supply procedure of nitrogen gas and propane gas in the plasma gas and the assist gas in the gas supply process.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* * Description of the symbols for the main parts of the drawings *
2: 플라즈마 토치 2: plasma torch
4: 전극4: electrode
6: 노즐6: nozzle
8: 노즐 캡8: nozzle cap
10: 플라즈마 가스 통로10: plasma gas passage
12: 어시스트 가스 통로 12: assist gas passage
14: 플라즈마 아크 14: plasma arc
16: 피절단재16: cutting material
18: 플라즈마 가스 라인18: plasma gas line
20: 어시스트 가스 라인 20: assist gas line
50: 제어 장치 50: control unit
60: 질소원 60: nitrogen source
70: 질소원70: nitrogen source
80: 프로판원 80: propane
90: 합류점 90: confluence
발명을 실시하기Implement the invention 위한 최선의 형태 Best form for
이하, 도면에 기초하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태는, 이하에 설명하듯이, 플라즈마 가스로서 불활성 가스, 예를 들어, 질소를 사용하여, 어시스트 가스로서 공기보다도 비중이 무겁고 또한 환원성을 갖는 가연성 가스 또는 이 가연성 가스와 불활성 가스의 혼합 가스, 예를 들어, 질소와 프로판의 혼합 가스를 사용함으로써, 양호한 품질로 스테인리스 강을 절단할 수 있도록 되어 있다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, embodiment of this invention is described based on drawing. In the present embodiment, as described below, an inert gas, for example, nitrogen, is used as a plasma gas, and as a assist gas, a specific gravity is heavier than air and has a reducing property, or a mixed gas of this combustible gas and an inert gas. For example, by using the mixed gas of nitrogen and propane, stainless steel can be cut | disconnected with favorable quality.
도 1 은, 본 발명의 일실시 형태에 관한 플라즈마 절단 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows schematic structure of the plasma cutting device which concerns on one Embodiment of this invention.
플라즈마 토치 (2) 는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 전체적으로 다중 원통형이며, 그 중심 위치에 전극 (4) 을 갖고, 그 전극 (4) 의 외측에 노즐 (6) 이 덮이고, 그 노즐 (6) 의 외측에는 노즐 캡 (8) 이 덮여 있다. 플라즈마 토치 (2) 에는 가스 공급 계통 (17) 이 접속되어 있다. As shown in FIG. 1, the plasma torch 2 has a multicylindrical shape as a whole, has an
가스 공급 계통 (17) 은, 플라즈마 토치 (2) 에 플라즈마 가스를 공급하기 위한 플라즈마 가스 라인 (18) 과 플라즈마 토치 (2) 에 어시스트 가스를 공급하기 위한 어시스트 가스 라인 (20) 을 갖는다. 플라즈마 가스 라인 (18) 은 질소원 (예를 들어, 질소 봄베 ; 60) 에 접속된다. 어시스트 가스 라인 (20) 은, 플라즈마 토치 (2) 의 근방 지점에서, 질소 가스를 공급하는 질소 가스 라인 (22) 과 프로판 가스를 공급하는 프로판 가스 라인 (24) 이 합류하는 합류점 (90) 에 접속되어 있다. 질소 가스 라인 (22) 은 질소원 (예를 들어, 질소 봄베 ; 70) (상기 기술한 플라즈마 가스용의 질소원 (60) 과 같은 것이라도 다른 것이라도 된다.) 에 접속된다. 플라즈마 가스 라인 (18) 에는, 플라즈마 가스의 공급을 개시 및 정지시키기 위한 전자 (電磁) 밸브 (30) 가, 질소 가스 라인 (22) 에는 어시스트 가스를 구성하는 질소 가스의 공급을 개시 및 정지시키기 위한 전자 밸브 (32) 가, 프로판 가스 라인 (24) 에는 어시스트 가스를 구성하는 프로판 가스의 공급을 개시 및 정지시키기 위한 전자 밸브 (34) 가, 각각 설치되어 있다. 프로판 가스 라인 (24) 의 전자 밸브 (34) 와 합류점 (90) 의 사이에는, 질소가 프로판 라인에 유입되지 않게 하기 위해서 역행방지 밸브 (26) 가 설치된다. 프로판 라인 (24) 상의 전자 밸브 (34) 와 역행방지 밸브 (26) 라는 프로판 가스의 흐름을 제어하기 위한 기구는, 합류점 (90) 의 근방에 배치되어 있다. The gas supply system 17 has a plasma gas line 18 for supplying a plasma gas to the plasma torch 2 and an assist
가스 공급 계통 (17) 에는, 그 가스 공급 동작을 제어하기 위한 제어장치 (50) 가 접속되어 있다. 제어장치 (50) 는, 일련의 프로 플로우 구간, 플라즈마 아크 발생 구간 및 애프터 플로우 구간으로 이루어지는 토치 구동을 위한 가스 공급 프로세스에 있어서, 상기 기술한 전자 밸브 (30, 32, 34) 를 후에 도 2 를 참조하여 설명하는 바와 같은 순서로 개폐 제어한다. The gas supply system 17 is connected to a
플라즈마 토치 (2) 에 있어서, 전극 (4) 과 노즐 (6) 사이에는 플라즈마 가스 통로 (10) 가 형성되어 있다. 플라즈마 가스 (질소 가스) 는, 제어장치 (50) 의 지시에 의해 전자 밸브 (30) 가 열림으로써, 질소원 (60) 으로부터 플라즈마 가스 라인 (18) 을 통과하여 흘러서 플라즈마 토치 (2) 의 플라즈마 가스 통로 (10) 로 공급된다. 또한, 플라즈마 토치 (2) 의 노즐 (6) 과 노즐 캡 (8) 사이에는 어시스트 가스 통로 (12) 가 형성되어 있다. 어시스트 가스 (질소 가스와 프로판 가스의 혼합 가스) 는, 제어장치 (50) 의 지시에 의해 전자 밸브 (32) 와 전자 밸브 (34) 가 열림으로써, 질소원 (70) 에 의해 질소 라인 (22) 을 흘러 온 질소 가스와, 프로판원 (80) 으로부터 프로판 라인 (24) 을 흘러 온 프로판 가스가 합류점 (90) 에서 합류하여 생성되고, 그리고, 어시스트 가스 라인 (20) 을 통해 플라즈마 토치 (2) 의 어시스트 가스 통로 (12) 로 공급된다 (후술하는 바와 같이, 프로 플로우 구간과 애프터 플로우 구간에서는, 어시스트 가스는 질소 가스뿐이며, 프로판 가스를 포함하지 않는다). In the plasma torch 2, a
노즐 (6) 은, 플라즈마 아크 (14) 를 구속하며, 노즐 (6) 의 상류측으로부터 공급되어 오는 플라즈마 가스를 조이기 위한 가장 가는 가스 분출구을 가진 부품이다. 그리고, 이 가스 분출구로부터 분출되는 플라즈마 가스는, 전극 (4) 과 선방의 피절단재 (16) 사이의 아크 방전에 의해 플라즈마화되고, 충분히 가늘게 조여진 고속 제트류의 플라즈마 아크 (14) 가 되어 선방의 피절단재 (스테인리스 강 ; 16) 로 향해 분출된다. 플라즈마 아크 (14) 에 의해 스테인리스 강이 절단된다. The
한편, 노즐 캡 (8) 은, 상기 노즐 (6) 보다 하류측에 존재하고, 노즐 (6) 의 가스 분출구보다 반경이 큰 가스 분출구을 갖고, 노즐 캡 (8) 과 노즐 (6) 사이의 어시스트 가스 통로 (12) 로부터 흘러오는 어시스트 가스를 플라즈마 아크 (14) 의 주위에 분출하는 부품이다. 그리고, 이 어시스트 가스 통로 (12) 로부터 분출되는 어시스트 가스는, 플라즈마화되지 않고, 플라즈마 아크 (14) 를 포위한다. 어시스트 가스는, 플라즈마 아크 (14) 가 스테인리스 강을 절단할 때에, 외부의 바람이나 기류로부터의 영향을 플라즈마 아크 (14) 에 주지 않도록, 플라즈마 아크 (14) 를 외기로부터 실드하는 작용을 한다. 또한, 어시스트 가스에는, 거기에 포함되는 환원력이 강력한 프로판 가스의 환원 작용에 의해, 플라즈마 아크 (14) 에 의해 절단된 스테인리스 강의 산화를 방지하고 또한 환원하는 작용도 있다. On the other hand, the
그런데, 스테인리스 강의 절단 품질에서 중시되는 특성의 하나로, 절단면이 무산화인지 아닌지라는 점이 있다. 이것은, 육안으로 관찰한 절단면의 색과 금속광택으로부터 판단할 수 있다. 절단면이 색이나 칙칙함이 없는 은백색이고 충분한 금속광택이 있으면 (즉, 스테인리스 강의 지금 (地金) 이 완전히 노출되어 있으면), 그것은 양호한 무산화 절단면이라고 판단할 수 있다. 스테인리스 강의 절단 제품의 상품 가치는, 절단면의 일부가 약간 칙칙하거나 연한 색이 묻어 있는 (즉, 약간의 크롬 산화물이 부착되어 있는) 것만으로 큰 폭으로 저하된다. 이 절단 품질을 크게 좌우하는 요인의 하나로, 플라즈마 가스와 어시스트 가스로 사용되는 가스의 종류가 있다. By the way, one of the characteristics which is important in the cutting quality of stainless steel is whether or not a cutting surface is an oxide free. This can be judged from the color and metallic gloss of the cut surface observed with the naked eye. If the cut surface is silvery white with no color or dullness and there is sufficient metallic gloss (i.e., the stainless steel is now completely exposed), it can be judged to be a good non-oxidized cut surface. The commodity value of a cut product of stainless steel is drastically lowered only if a part of the cut surface is slightly dull or lightly colored (ie, some chromium oxide is attached). One of the factors that greatly influence the cutting quality is a kind of gas used as the plasma gas and the assist gas.
이 절단 품질이라는 관점에서, 본 실시 형태의 플라즈마 절단 장치에서 사용되는 가스의 조성에 대해 이하 상세하게 설명한다. From the viewpoint of this cutting quality, the composition of the gas used in the plasma cutting device of the present embodiment will be described in detail below.
플라즈마 가스에는, 산소를 포함하지 않는 불활성 가스, 예를 들어, 실질적인 체적 농도 (몰 농도) 가 100% 인 질소가 사용된다. 만약, 산소를 포함하는 가스 (예를 들어, 공기나 산소와 다른 가스의 혼합 가스) 로서 사용한다면, 어시스트 가스의 환원성을 상쇄하게 되어, 무산화 절단면을 얻는 것이 곤란하다. 이에 반해, 실질적으로 체적 농도가 100% 인 순수한 불활성 가스, 예를 들어, 질소 가스를 사용하면, 어시스트 가스의 환원성을 상쇄하는 일은 없기 때문에, 무산화 절단면을 얻는 것이 용이이다. 이 원리로부터, 질소 이외의 불활성 가스, 예를 들어, 아르곤 등도 플라즈마 가스로서 사용할 수 있다. 질소와 아르곤을 비교한 경우, 플라즈마 아크의 열량을 크게 하여 절단 힘을 높일 수 있는 질소가 우수 하다. 이것은, 2 원자 분자인 질소가, 단원자 분자인 아르곤보다 플라즈마화되었을 때의 열용량이 큰 것에 의한다. As the plasma gas, an inert gas containing no oxygen, for example, nitrogen having a substantial volume concentration (molar concentration) of 100% is used. If it is used as a gas containing oxygen (for example, air or a mixed gas of oxygen and another gas), the reducing property of the assist gas is canceled, and it is difficult to obtain an oxide-free cut surface. On the other hand, when pure inert gas, for example, nitrogen gas, having a volume concentration of substantially 100% is used, it is easy to obtain an oxide-free cut surface because it does not counteract the reducibility of the assist gas. From this principle, an inert gas other than nitrogen, such as argon, can also be used as a plasma gas. When nitrogen and argon are compared, nitrogen which can increase the cutting force by increasing the heat amount of the plasma arc is excellent. This is because the heat capacity when nitrogen which is a 2-atomic molecule is made into plasma more than argon which is a monoatomic molecule is large.
또한, 어시스트 가스에는, 불활성 가스와 공기보다도 비중이 무거운 환원성을 갖는 가연성 가스 또는 이 가연성 가스와 불활성 가스의 혼합 가스, 예를 들어, 질소와 프로판의 혼합 가스가 사용된다. 어시스트 가스 중의 프로판의 체적 농도 (몰 농도) 는 50% 이하인 것이 바람직하고, 예를 들어 20% 나 30% 정도를 채용할 수 있다. 프로판의 체적 농도가 높아질수록, 용융 금속의 유동성이 악화되어 그것이 제품의 안쪽에 부착된다는 문제가 잘 발생하게 된다. 이 문제를 배제하기 위해서는, 상기와 같은 농도가 바람직하다. 발명자들의 연구에 의하면, 프로판 가스는, 각종의 환원성 가스 중에서도, 스테인리스 강의 플라즈마 절단의 어시스트 가스에 포함시키는 것으로서 최적의 것으로 인정된다. 그 이유는, 발명자들의 실험에 의하면, 상기 기술한 조성의 플라즈마 가스와 어시스트 가스의 조합을 이용하여 실제로 스테인리스 강의 플라즈마 절단을 실시해 본 바, 절단면의 육안 관찰의 결과, 매우 양호한 무산화 절단면을 얻을 수 있었던 것으로 판단할 수 있었기 때문이다. 한편, 발명자들의 실험에서는, 프로판 가스를 대신해 다른 환원성 가스, 예를 들어, 수소 가스를 이용해 본 바, 절단면의 육안 관찰의 결과, 절단면에 약간의 칙칙함이나 연한 색이 묻어 있는 경우가 있어, 프로판 가스를 이용했을 경우에 양호한 무산화 절단면을 얻을 수 있었던 것으로 판단할 수 없었다. 이와 같이 프로판 가스를 이용함으로써 양호한 무산화 절단면을 얻을 수 있는 이유는, 이하와 같은 것으로 추측된다. As the assist gas, a combustible gas having a reducibility having a heavier specific gravity than an inert gas and air, or a mixed gas of the combustible gas and an inert gas, for example, a mixed gas of nitrogen and propane is used. It is preferable that the volume concentration (molar concentration) of propane in an assist gas is 50% or less, for example, 20% or about 30% can be employ | adopted. The higher the volumetric concentration of propane, the more likely that the molten metal's fluidity deteriorates and that it adheres to the inside of the product. In order to eliminate this problem, the above concentration is preferable. According to the research of the inventors, propane gas is recognized as being optimal as what is included in the assist gas of the plasma cutting of stainless steel, among various reducing gases. The reason for this is that, according to the experiments of the inventors, plasma cutting of the stainless steel was actually performed by using the combination of the plasma gas and the assist gas of the above-described composition. As a result of visual observation of the cut surface, a very good oxide-free cut surface can be obtained. Because it was judged that it was. On the other hand, in the experiments of the inventors, when using a reducing gas other than propane gas, for example, hydrogen gas, as a result of visual observation of the cut surface, some dullness or light color may be attached to the cut surface. It could not be judged that a good anodized cut surface could be obtained when using. The reason why a good oxide-free cutting surface can be obtained by using propane gas in this way is estimated as follows.
첫번째로, 프로판은, 전술한 종래 기술에서 제안되고 있는 수소나 탄화수소의 메탄이나 에탄과 비교하여, 수소 원자를 보다 많이 포함하고 있으므로, 절단 후의 절단면의 산화를 막고 나아가 환원한다는 환원 작용이 보다 강력하다고 추측된다. First, since propane contains more hydrogen atoms than methane and ethane of hydrogen and hydrocarbons proposed in the above-mentioned prior art, the reduction action of preventing and reducing the oxidation of the cut surface after cutting is more powerful. I guess.
두번째로, 프로판은, 공기보다도 비중이 무겁기 (공기의 1.5배) 때문에, 공기보다 가벼운 수소나 메탄 혹은 공기와 거의 같은 비중의 에탄보다도, 플라즈마 아크 (14) 를 외부의 기류나 바람의 영향 등으로부터 보호하고, 절단 지점에 외기의 산소가 침투하지 않게 하는 실드 능력이 보다 높다고 추측된다. 공기보다도 비중이 가벼운 가스의 경우에는, 가스가 확산되기 쉽고, 바람이나 기류의 영향을 받아 환원성에 의한 플라즈마 아크 (14) 및 절단면의 실드 효과가 저하되기 쉽다. 한편, 공기보다도 비중이 무거운 프로판은, 더 확산되기 어렵기 때문에, 양호한 실드 효과를 유지하기 쉽다. Second, because propane is heavier than air (1.5 times as much as air), the plasma arc 14 can be discharged from external air currents, wind effects, etc., rather than hydrogen, methane, or lighter than air, and ethane almost the same specific gravity as air. It is presumed that the shielding ability to protect and prevent oxygen from outside air from penetrating the cutting point is higher. In the case of gas having a lighter specific gravity than air, the gas tends to diffuse, and the shielding effect of the plasma arc 14 and the cut surface due to the reduction tends to be reduced under the influence of wind and airflow. On the other hand, propane, which has a higher specific gravity than air, is less likely to diffuse, and thus it is easy to maintain a good shielding effect.
세번째로, 프로판은 어시스트 가스의 공급 압력하에서 액화되지 않는 가스라는 점이 있다. 즉, 탄화수소로 수소원자를 많이 포함하고 또한 공기에 대해서 비중이 무거운 가스라는 관점만으로 보면, 프로판보다도 더욱 수소원자를 많이 포함하고 비중이 무거운 부탄이나, 보다 분자량이 큰 다른 탄화 수소 가스가 우수하게 된다. 그러나, 플라즈마 토치 (2) 에 어시스트 가스를 공급하기 위해서는, 통상, 최저라도 게이지 압력으로 1∼2 ㎏/㎠ (절대 압력으로 2∼3㎏/㎠) 의 가스 공급 압력이 필요하게 된다. 그러나, 부탄의 경우, 25℃ 에서의 증기압이 1.8㎏/㎠ 이기 때문에, 어시스트 가스의 공급 압력 하에서는 액화되어 가스로서 공급 할 수 없을 우려가 있다. 보다 분자량이 큰 다른 탄화수소 가스는, 증기압이 한층 더 낮고 액화되기 쉽기 때문에, 어시스트 가스에는 사용할 수 없다. 이에 반해, 프로판은, 25℃ 에서의 증기압이 8.5㎏/㎠ 이기 때문에, 상기 기술한 어시스트 가스의 공급 압력 하에서 가스로서 충분히 공급 가능하다. Third, propane is a gas that does not liquefy under the supply pressure of the assist gas. In other words, from the viewpoint of a hydrocarbon containing a lot of hydrogen atoms and a heavier specific gravity with respect to air, butane and a hydrocarbon having a higher specific gravity than other propanes and a heavier specific gravity are more excellent than those of propane. . However, in order to supply the assist gas to the plasma torch 2, a gas supply pressure of 1 to 2 kg / cm 2 (absolute pressure, 2 to 3 kg / cm 2) is usually required at the minimum gauge pressure. However, in the case of butane, since the vapor pressure at 25 degreeC is 1.8 kg / cm <2>, there exists a possibility that it may liquefy under the supply pressure of assist gas, and cannot supply as gas. Other hydrocarbon gas having a higher molecular weight cannot be used for the assist gas because the vapor pressure is further lowered and liquified easily. In contrast, propane can be sufficiently supplied as a gas under the supply pressure of the assist gas described above because the vapor pressure at 25 ° C. is 8.5 kg / cm 2.
또한, 프로판에는, 다른 환원성 가스와 비교하여, 다음과 같은 이점이 있다. 즉, 프로판은, 수소에 비하면, LP 가스 (액화석유화) 로서, 예를 들어, 가스 풍로 등에서 사용되고 있고, 안전성이나 입수성, 그리고 경제성에서 우수하다. 또한, 상기 기술한 부탄도 입수성에 있어서 프로판보다 뒤떨어진다. 게다가 양호한 무산소 절단면을 얻기 위해서 필요한 프로판의 농도는, 상기 기술한 바와 같이 높지는 않기 때문에 (이것도, 아마 프로판의 강력한 환원성에서 기인하기 때문일 것으로 추측된다), 그 점에서도 경제적이라고 말할 수 있다. In addition, propane has the following advantages as compared to other reducing gases. In other words, propane is used as an LP gas (liquefied petroleum petroleum) in comparison with hydrogen, for example, in a gas furnace or the like, and is excellent in safety, availability, and economy. The butanes described above also lag behind propane in availability. Furthermore, since the concentration of propane necessary for obtaining a good anoxic cleavage surface is not as high as described above (this is probably due to the strong reducibility of propane), it can be said that it is also economical in that respect.
이상과 같은 이유에서, 어시스트 가스로서 질소와 프로판의 혼합 가스를 이용하고, 그리고, 이것을 불활성 가스를 이용한 플라즈마 가스와 조합함으로써, 금속 광택을 갖는 은백색의 양호한 무산화 절단면이 용이하게 얻어진다. 또한, LP 가스로서 유통되고 있는 프로판은, 엄밀하게는 순수한 프로판이 아니고, 부탄 등이 소량 포함되어 있지만, 이것은 실제상 문제는 되지 않기 때문에, LP 가스는 본 발명에서 말하는 프로판으로서 사용 가능하다. For the reason described above, by using a mixed gas of nitrogen and propane as an assist gas, and combining this with a plasma gas using an inert gas, a silvery white non-oxidized cut surface having metallic luster is easily obtained. In addition, propane circulated as LP gas is not pure propane strictly, but a small amount of butane etc. is contained, but since this is not a problem in actuality, LP gas can be used as propane in this invention.
또한, 어시스트 가스로서 질소를 사용하는 이유는, 플라즈마 가스와 마찬가지로, 산소를 포함하지 않는 불활성 가스인 점에서, 그 자체는 절단면의 산화에 기여하지 않기 때문이다. 이 관점에서, 질소 이외의 불활성 가스, 예를 들어, 아 르곤 등도 채용할 수 있을 가능성이 있다. The reason why nitrogen is used as the assist gas is that, in the same way as the plasma gas, since it is an inert gas containing no oxygen, it does not contribute to oxidation of the cut surface itself. From this point of view, an inert gas other than nitrogen, for example, argon, may be employed.
그런데, 상기 기술한 가스 공급 계통 (17) 에 있어서, 합류점 (90) 보다 상류측의 질소 (불활성 가스) 라인 (22) 의 압력이 프로판 (가연성 가스) 라인 (24) 의 압력보다 높은 상황이어도, 역행방지 밸브 (26) 가, 질소 가스 (불활성 가스) 가 프로판 (가연성 가스) 라인 (24) 에 유입되는 것을 방지한다. By the way, in the above-described gas supply system 17, even if the pressure of the nitrogen (inert gas)
도 2 는, 일련의 프로 플로우 구간, 플라즈마 아크 발생 구간 및 애프터 플로우 구간으로 이루어지는 플라즈마 절단을 위한 가스 공급 프로세스에 있어서, 제어장치 (50) 로부터의 지시로 가스 공급 계통 (17) 에서 실행되는 각각의 가스의 공급 순서를 나타내고 있는 도면이다.FIG. 2 shows a gas supply process for plasma cutting comprising a series of proflow sections, plasma arc generation sections, and afterflow sections, each of which is executed in the gas supply system 17 by an instruction from the
가스 공급의 타이밍은, 도 2 와 같이, 각각의 가스에 의해 차이가 난다.The timing of gas supply differs with each gas as shown in FIG.
제어장치 (50) 내에서 스타트 신호가 발생함과 동시에, 제어장치 (50) 로부터의 지시로 전자 밸브 (30) 와 전자 밸브 (32) 가 열려 플라즈마 가스인 질소 가스와 어시스트 가스 중 질소 가스의 플라즈마 토치 (2) 로의 공급이 개시된다. 이 시점에서는 플라즈마 아크 (14) 는 아직 점화되어 있지 않다. 이 아크 점화 전의 가스 공급 동작은 프리 플로우라고 불리고, 전자 밸브 (30, 32) 가 열리고 나서 플라즈마 토치 (2) 에서의 가스 유량이 소정치로 안정될 때까지 동안 (예를 들어 1∼수 초 정도) 행해진다. 이 프리 플로우의 구간에서는, 어시스트 가스 중 프로판 가스는 플라즈마 토치 (2) 에 공급되지 않는다. 그 이유는, 미연소의 프로판 가스가 대량으로 공장 내에 방출되지 않게 하기 위함이다. At the same time as the start signal is generated in the
예정된 프리 플로우 구간의 종료 시점에서, 도시하지 않는 플라즈마 전원이 작동을 개시하여 플라즈마 아크 (14) 를 점화한다. 플라즈마 아크 (14) 의 발생이 검출됨 (플라즈마 전원에 흐르는 플라즈마 전류의 크기, 또는 플라즈마 전원이 전극 (4) 과 피절단재 (16) 의 사이에 부가하는 플라즈마 아크 전압 등으로부터 검출될 수 있다) 과 동시에, 제어장치 (50) 로부터의 지시에 의해 전자 밸브 (34)가 열려, 어시스트 가스 중 프로판의 공급이 개시된다. 이후, 플라즈마 아크 (14) 의 발생이 계속하고 있는 동안 (플라즈마 아크 발생 구간 중), 플라즈마 가스인 질소와 어시스트 가스인 질소와 프로판의 혼합 가스가 계속 공급되어 피절단재 (16) 의 천공이나 절단 등의 열 가공이 행해진다. 그런데, 이미 설명한 것처럼, 도 1 에 나타내는 바와 같이 전자 밸브 (34) 가 합류점 (90) 의 근방에 배치되고, 합류점 (90) 이 플라즈마 토치 (2) 의 근방에 배치되어 있기 때문에 (즉, 전자 밸브 (34) 로부터 플라즈마 토치 (2) 까지의 가스 라인이 짧기 때문에), 프로판의 공급은, 플라즈마 아크 (14) 의 발생 개시부터 문제가 될 정도로 지연되지 않고, 적시에 개시된다. At the end of the predetermined free flow period, a plasma power source (not shown) starts operation to ignite the plasma arc 14. The occurrence of the plasma arc 14 is detected (can be detected from the magnitude of the plasma current flowing through the plasma power supply, or from the plasma arc voltage, etc. that the plasma power supply adds between the
플라즈마 아크 발생 구간 중에는, 프로판이, 고온의 플라즈마 아크 (14) 및 피절단재 (16) 에 형성된 고온의 절단면에 닿음으로써 연소되고, 그 환원 작용 및 실드 작용에 의해, 양호한 무산화 절단면의 생성에 공헌한다. 이 때, 미연소의 프로판 가스가 공장 내에 방출되는 일은 거의 없다. In the plasma arc generation section, propane is combusted by contacting the high temperature cut surface formed on the high temperature plasma arc 14 and the to-be-cut material 16, and by the reducing action and the shielding action, it is possible to produce a good oxide free cut surface. Contribute. At this time, unburned propane gas is hardly discharged in the factory.
플라즈마 아크 발생 구간의 종료시 (열 가공의 종료시) 에는, 플라즈마 전원으로부터의 플라즈마 전류가 정지되어 플라즈마 아크 (14) 가 소멸되고, 이 플라즈마 아크 (14) 의 소멸이 검출됨과 동시에, 제어장치 (50) 에 의해 전자 밸브 (34) 가 닫혀져, 어시스트 가스 중 프로판 가스의 공급이 정지된다. 이후, 애프터 플로우라고 불리는 동작이 행해지고, 그곳에서는, 플라즈마 가스의 질소와 어시스트 가스 중 질소만의 공급이 행해진다. 애프터 플로우의 구간은, 플라즈마 아크가 소멸되고 나서 마지막 절단 지점이 어느 정도 식어 산화되지 않게 될 때까지 필요로 하는 시간 (예를 들어, 1∼수 초 정도) 이다. 애프터 플로우 구간에서도, 프로판 가스의 공급은 정지되므로, 미연소의 프로판 가스가 공장 내에 방출되는 일은 없다. 예정된 애프터 플로우 구간의 종료 시점에서, 스타트 신호가 없어지고, 제어장치 (50) 으로부터의 지시로 전자 밸브 (30) 와 전자 밸브 (32) 가 닫혀져, 플라즈마 가스의 질소와 어시스트 가스 중의 질소의 공급이 정지된다. 그런데, 이미 설명한 것처럼, 도 1 에 나타내는 바와 같이 전자 밸브 (34) 가 합류점 (90) 의 근방에 배치되고, 합류점 (90) 이 플라즈마 토치 (2) 의 근방에 배치되어 있기 때문에 (즉, 전자 밸브 (34) 로부터 플라즈마 토치 (2) 까지의 가스 라인이 짧기 때문에), 프로판의 공급은, 플라즈마 아크 (14) 의 소멸로부터 문제가 될 정도로 지연되지 않고, 적시에 정지된다. At the end of the plasma arc generation section (at the end of the thermal processing), the plasma current from the plasma power supply is stopped, the plasma arc 14 is extinguished, the extinction of the plasma arc 14 is detected, and the
그런데, 애프터 플로우 구간의 개시 시점에서, 도 1 에 나타낸 합류점 (90) 으로부터 플라즈마 토치 (2) 측의 어시스트 가스 라인 (20) 내에는, 프로판과 질소의 혼합 가스가 잔존한다. 그러나, 상기 기술한 바와 같이 합류점 (90) 이 플라즈마 토치 (2) 의 근방이기 (즉, 어시스트 가스 라인 (20) 이 짧아 그 안의 가스량은 작다) 때문에, 애프터 플로우에 의해 잔존 프로판은 모두 플라즈마 토치 (2) 로부터 외기로 방출되고, 전자 밸브 (34) 보다 상류측인 프로판 라인 (24) 이외에 는 프로판은 잔존하지 않는다. 이 때 방출되는 프로판은 소량이며 문제가 되지 않는다. By the way, the mixed gas of propane and nitrogen remains in the assist
그런데, 상기 기술한 구성의 플라즈마 절단 장치를, 스테인리스 강뿐만 아니라 연강을 절단하는 용도에도 사용할 수 있도록 할 수 있다. 그 경우, 예를 들어, 도 1 에 나타낸 가스 공급 계통 (17) 의 질소 라인 (32) 을, 어시스트 가스로서의 지연성 가스인 공기나 산소를 공급하는 라인으로서 이용할 수가 있다. 상기 기술한 것처럼, 스테인리스 강의 절단시 이외에는, 어시스트 가스 라인 (20) 에는 프로판 (가연성 가스) 이 잔존하지 않기 때문에, 지연성 가스가 질소 라인 (32) 에 흘러도 지장이 없다. By the way, the plasma cutting device of the structure mentioned above can be used not only for stainless steel but also for the use which cuts mild steel. In that case, for example, the
이상, 본 발명의 일실시 형태를 설명했지만, 이들의 실시 형태는 어디까지나 본 발명의 설명을 위한 예시이며, 본 발명을 이들 실시 형태에만 한정하는 것은 아니다. 따라서, 본 발명은, 상기 실시 형태 이외의 여러가지 형태로도 실시할 수 있다. As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, these embodiment is the illustration for description of this invention to the last, and does not limit this invention only to these embodiments. Therefore, this invention can be implemented also in various aspects other than the said embodiment.
Claims (7)
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