KR100960845B1

KR100960845B1 - 플라즈마 절단 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100960845B1
Application number: KR1020077027354A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 야마구치; 가즈히로 구라오카; 사토시 오니시
Original assignee: 고마쓰 산기 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2010-06-07
Also published as: WO2006126339A1; KR20070121062A; CN101175596B; JP4623727B2; JP2006326636A; CN101175596A

Abstract

연강이나 저탄소강의 플라즈마 절단에서, 피어싱시의 구멍 주위에 대한 드로스 부착을 저감하도록, 보조 가스의 산소 농도가 제어된다. 플라즈마 가스로서 산소, 공기, 또는 산소와 질소의 혼합 가스 등이 사용된다. 보조 가스로서 질소, 산소, 공기, 또는 산소와 질소의 혼합 가스 등이 사용된다. 보조 가스의 산소 농도가 피어싱 공정에서는 절단 공정보다 높아지도록 제어된다. 보조 가스의 산소 농도는, 피어싱 공정에서는 20몰% 이상이고, 바람직하게는 100몰% 또는 이것에 가까운 고농도이며, 절단 공정에서는 20몰% 이상으로 버닝 농도보다 낮아, 예를 들어 40 ~ 80몰% 정도이다.

Description

플라즈마 절단 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CUTTING WITH PLASMA}

본 발명은 플라즈마 절단 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 토치에 공급되는 가스의 조성의 개량에 관한 것이다.

플라즈마 가스 (작동 가스, 메인 가스 또는 1 차 가스라고도 불린다) 로서, 산소, 공기, 또는 산소와 질소의 혼합 가스 등을 사용하여, 연강, 저합금강 혹은 저탄소강을 절단하는 플라즈마 절단에 있어서, 토치에서 분출하는 플라즈마 아크의 주위에, 산소를 상당한 비율로 함유한 보조 가스 (2 차 가스라고도 불린다) 를 공급함으로써, 절단 품질이 향상되는 것, 특히 작업물의 이면에 부착되는 드로스 (용융 금속이 날려지지 않고 작업물에 부착되어 굳어진 것) 가 경감되는 것이 알려져 있다. 산소를 함유한 보조 가스를 사용하는 것을 개시하는 문헌에는, 예를 들어 이하와 같은 것이 있다.

특허 문헌 1 에는, 플라즈마 아크의 주위에, 비교적 산소 농도가 높은 가스를 2 차 가스로서 내뿜어, 2 차 가스의 산소 순도는 40% 이상이고, 그리고, 산소가 풍부한 2 차 가스에 의하여, 절단면에 형성되는 용접을 저해하는 질화층을 경감할 수 있는 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 2 에는, 산소를 플라즈마 가스로 하는 플라즈마 아크의 주위에, 산소 커튼 (순산소의 2 차 가스) 을 공급하는 것, 그리고, 산소의 2 차 가스에 의하여, 용융 금속의 유동성이 증가하여, 이면에 부착되는 드로스가 경감됨과 함께 용융 금속의 참가가 촉진되어 드로스의 박리제가 개선되는 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 3 에는, 2 차 가스로서 비산화성 가스와 산화성 가스의 혼합 가스를 사용하는 것, 적어도 산화성 가스의 비율이 40% 이상인 것, 및 비산화성 가스는 질소 또는 아르곤이며, 산화성 가스는 산소 또는 공기인 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 4 에는, 2 차 가스로서 질소 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 사용하는 것, 및 적어도 산소 가스의 질소 비율이 25% 인 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 5 에는, 플라즈마 가스 (1 차 가스), 2 차 가스 및 3 차 가스로서, 각각 산소를 함유하는 가스를 사용하여, 플라즈마 가스의 산소 농도를 Np, 2 차 가스의 산소 농도를 N2, 3 차 가스의 산소 농도를 N3 으로 했을 때, Np > N2 및 N2 < N3 인 것이 개시되어 있다.

또한, 플라즈마 절단은 강판에 구멍을 뚫는 공정 (피어싱 공정이라고도 불린다) 으로부터 개시된다. 피어싱 공정에 있어서는, 플라즈마 아크에 의해 강판이 용융되고, 그 액체 금속은 구멍이 관통할 때까지는, 플라즈마 기류에 의하여, 강판의 상방의 플라즈마 토치를 향하여 뿜어 올라온다 (이러한 용융 금속은 스퍼터라 불린다). 구멍에서 분출하는 스퍼터에 의하여, 토치의 선단의 노즐 또는 노즐을 덮는 실드 캡이 용손(溶損)될 우려가 있다. 또한, 구멍에서 뿜어 오른 용융 금속의 일부는, 구멍의 주위에 드로스로서 부착되어 응고되어 쌓인다. 제품 의 절단 종료시에 토치가 절단 개시 위치로 되돌아왔을 때, 토치 선단이 절단 개시 위치의 구멍의 주위에 쌓인 드로스에 접촉하여, 절단 작업이 중단될 우려가 있다. 그것을 피하기 위하여, 피어싱의 위치를 제품으로부터 멀리 떼어 놓으면 되지만, 그러면, 절단 경로가 연장되어 버린다. 이 문제에 관련하여, 예를 들어 다음과 같은 기술이 알려져 있다.

특허 문헌 6 에는, 피어싱 공정 중의 2 차 가스 유량을, 절단 공정 중의 2 차 가스 유량보다 크게 하여, 대유량의 2 차 가스에 의해 구멍에서 뿜어 올라오는 스퍼터로부터 토치를 보호하는 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 7 에는, 피어싱 공정의 개시 전에, 피어싱 예정 지점에, 드로스 부착 방지제를 토치에서 분사하여 도포함으로써, 구멍의 주위에 부착되는 드로스를 경감하는 것이 개시되어 있다.

또한, 플라즈마 절단에 있어서의 피어싱 공정 및 계속되는 절단 공정에서는, 플라즈마 토치내의 전극 (마이너스극) 과 강판 (플러스극) 사이에서의 아크 방전에 의해 플라즈마 아크 (메인 아크라고도 불린다) 가 형성된다. 플라즈마 아크는 노즐에 의해 가늘게 조여들어 고온 고속의 플라즈마 제트가 되어, 강판에 뿜어져, 강판을 용융시킨다. 피어싱 공정의 개시 전에는, 맨 처음에 아크를 점화하기 위한 공정 (파일럿 아크 공정이라고도 불린다) 이 행해진다. 파일럿 아크 공정에서는, 전극이 마이너스극이 되고, 노즐이 플러스극이 되어, 전극과 노즐 사이에 파일럿 아크라 불리는 아크 방전이 형성된다. 파일럿 아크는 강판으로 이동한다. 파일럿 아크가 강판에 도달하여 메인 아크로 이행한 후, 노즐에 연결되는 전기 회로가 차단되고, 강판만이 플러스극이 되어, 피어싱 공정이 개시된다.

파일럿 아크 공정에서는, 파일럿 아크에 의하여, 노즐의 오리피스 출구가 용손된다. 파일럿 아크의 시간 길이는 수 msec 내지 수십 msec 로 짧기 때문에, 1 회의 점화 공정 당 노즐의 손상은 작다. 그러나, 점화의 횟수가 증가함에 따라, 노즐의 오리피스 출구의 용손이 진행된다. 수백회 정도의 점화가 반복된 후에는, 노즐의 오리피스 출구의 손상은 완전히 커져, 플라즈마 아크의 상태가 변화하여, 절단 품질이 열화된다. 이것으로 노즐의 수명이 끝난다.

이것에 관련하여, 특허 문헌 8 에는, 파일럿 아크의 점화시에, 플라즈마 가스에 비산화성 가스를 흘림과 함께, 2 차 가스에도 비산화성 가스를 흘려, 노즐의 오리피스 출구 부근을 비산화성 가스 분위기로 하고, 그리고 파일럿 아크가 메인 아크로 이행하는 것과 실질적으로 동시에, 플라즈마 가스를 비산화성 가스에서 산소 또는 산소를 함유하는 가스로 전환하여, 절단 공정에 들어가는 것이 개시되어 있다. 점화 공정에 있어서의 비산화성 가스 분위기에 의하여, 파일럿 아크에 의한 노즐의 오리피스 출구의 손상이 경감된다.

특허 문헌 1: 일본 공개특허공보 소53-123349호

특허 문헌 2: 일본 공개특허공보 소59-229282호

특허 문헌 3: 일본 공표특허공보 평6-508793호

특허 문헌 4: 일본 공개특허공보 평7051861호

특허 문헌 5: 일본 공개특허공보 2000-31293호

특허 문헌 6: 일본 공표특허공보 평2-504603호

특허 문헌 7: 일본 공개특허공보 2004-188485호

특허 문헌 8: 일본 공개특허공보 평8-215856호

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

플라즈마 가스로서 산소 혹은 공기, 또는 산소와 질소의 혼합 가스 등을 사용하여 연강, 저합금강 혹은 저탄소강을 절단하는 플라즈마 절단에 관한 상기 서술한 종래 기술에 의하면, 절단 공정에 있어서 2 차 가스로서 산소를 상당한 비율로 함유한 가스를 이용함으로써, 강판의 이면에 부착되는 드로스를 경감할 수 있다. 그러나, 피어싱 공정에 있어서는, 구멍의 주위에 드로스가 부착되어 쌓인다는 문제가 생긴다. 이 문제를 해결하기 위하여, 종래 기술에 의하면, 피어싱 공정에서는 2 차 가스의 유량이 증대되거나, 혹은 피어싱 공정의 개시 전에 드로스 부착 방지제가 도포된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 피어싱 공정에 있어서의 구멍의 주위에 대한 드로스의 부착을 종래 기술과는 상이한 방식으로 저감시키는 것에 있다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명의 한 측면에 따르면, 플라즈마 토치에서 플라즈마 가스류를 분출함과 함께 플라즈마 가스류의 주위에 보조 가스류를 분출하면서, 파일럿 아크 공정과 피어싱 공정과 절단 공정을 순서대로 실행하게 된 플라즈마 절단 장치는, 피어싱 공정과 절단 공정에 있어서 산소를 함유한 가스를 보조 가스로서 플라즈마 토치에 공급하여, 보조 가스 산소 농도를, 피어싱 공정의 전부 또는 일부일 때에 있어서 절단 공정일 때보다 높은 값으로 제어하는 보조 가스 공급 제어 수단을 구비한다.

이 플라즈마 절단 장치에 의하면, 보조 가스의 산소 농도를 피어싱 공정의 전부 또는 일부에서 절단 공정보다 높게 함으로써, 피어싱 공정에 있어서의 구멍의 주위에 대한 드로스의 부착이 저감된다.

바람직한 실시형태에서는, 파일럿 아크 공정에서는 산소를 함유하지 않는 질소 등의 불활성 가스 또는 산소를 함유한 가스가 보조 가스로서 사용되어, 파일럿 아크 공정일 때의 보조 가스 산소 농도는, 피어싱 공정일 때보다 낮은 값으로 제어된다. 이로써, 파일럿 아크에 의한 노즐의 손상이 저감된다.

바람직한 실시형태에서는, 피어싱 공정일 때의 보조 가스 산소 농도는 20몰% 내지 100몰% 의 범위내로 제어되고, 절단 공정일 때에는 20몰% 내지 80몰% 의 범위내로 제어된다. 이로써, 피어싱 공정에서는 구멍의 주위에 대한 드로스의 부착이 저감되고, 또한 절단 공정에서는, 작업물의 버닝이 방지되면서 작업물의 이면에 대한 드로스의 부착도 저감된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 플라즈마 토치에서 플라즈마 가스류를 분출함과 함께 플라즈마 가스류의 주위에 보조 가스류를 분출하면서, 파일럿 아크를 발생시킨 후에 파일럿 아크를 메인 아크로 이행시키도록 된 플라즈마 절단 장치는, 메인 아크가 유지되고 있는 동안에는 산소를 함유한 가스를 보조 가스로서 플라즈마 토치에 공급하여, 보조 가스 산소 농도를, 메인 아크의 확립 직후의 소정의 시간 구간에서는, 그 시간 구간의 경과 후보다 높은 값으로 제어하는 보조 가스 공급 제어 수단을 구비한다.

이 플라즈마 절단 장치에 의하면, 메인 아크의 확립 직후의 시간 구간에 있어서의 보조 가스의 산소 농도를, 그 시간 구간 후보다 높게 함으로써, 메인 아크의 확립 직후에 통상 실행되는 피어싱 공정에 있어서의 구멍의 주위에 대한 드로스의 부착이 저감된다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 피어싱 공정에 있어서의 구멍의 주위에 대한 드로스의 부착을 저감시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태와 관련된 플라즈마 절단 장치의 요부의 개략 구성을 나타내는 도면.

도 2 는 연강, 저합금강 혹은 저탄소강제의 작업물을 절단하는 경우에 있어서의 아크 전류, 플라즈마 가스 (112) 및 보조 가스의 제어 방법을 설명하는 타임 차트.

도 3 은 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 구성례를 나타내는 배관도.

도 4 는 도 3 에 나타낸 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 동작을 나타내는 타임 차트.

도 5 는 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 다른 구성례를 나타내는 배관도.

도 6 은 도 5 에 나타낸 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 동작을 나타내는 타임 차트.

부호의 설명

100 플라즈마 절단 장치

102 플라즈마 토치

112 플라즈마 가스

114 보조 가스

103 플라즈마 가스 공급 시스템

104 보조 가스 공급 시스템

106 전원 회로

108 냉각수 순환 시스템

109 제어장치

140 작업물

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시형태를 설명한다.

도 1 은, 본 발명의 일 실시형태와 관련된 플라즈마 절단 장치의 요부의 개략 구성을 나타낸다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 이 플라즈마 절단 장치 (100) 는, 플라즈마 토치 (102), 플라즈마 토치 (102) 에 플라즈마 가스 (112), 보조 가스 (114), 아크 전류 및 냉각수 (110) 를 각각 공급하는 플라즈마 가스 공급 시스템 (103), 보조 가스 공급 시스템 (104), 전원 회로 (106) 및 냉각수 순환 시스템 (108), 그리고, 그들의 동작을 제어하는 제어장치 (109) 를 구비한다.

플라즈마 토치 (102) 는, 전체적으로 대략 원주형의 형상을 갖고, 하방을 향하고 있으며, 그 중심에서 외측으로 순서대로, 동일 축에 배치된 전극 (120), 노즐 (122) 및 실드 캡 (124) 을 갖는다. 전극 (120) 은 외주위가 노즐 (122) 에 둘러싸인다. 노즐 (122) 은 그 선단부에 플라즈마 가스의 제트를 분출하기 위한 오리피스를 갖는다. 노즐 (122) 은 외주위가 실드 캡 (124) 에 둘러싸인다. 실드 캡 (124) 은 그 선단부에, 노즐 (122) 에서 분출되는 플라즈마 가스의 제트를 통과시키기 위한 개구를 갖는다.

전극 (120) 은, 그 선단부에 내열 재료제, 예를 들어 하프늄, 지르코늄 또는 그들의 합금 등의 인서트 (126) 를 갖고, 그 내부에는 냉각수 통로 (128) 를 갖는다. 전극 (120) 과 노즐 (122) 사이에는, 플라즈마 가스 통로 (130) 가 존재한다. 플라즈마 가스 통로 (130) 중에는, 플라즈마 가스의 선회류를 형성하기 위한 플라즈마 가스 스월러 (132) 가 설치된다. 노즐 (122) 과 실드 캡 (124) 사이에는, 보조 가스 통로 (134) 가 존재한다. 보조 가스 통로 (134) 의 출구는 고리형으로, 노즐 (122) 의 오리피스의 전방을 둘러싼다. 보조 가스 통로 (134) 중에는, 보조 가스의 선회류를 형성하기 위한 보조 가스 스월러 (136) 가 설치된다.

플라즈마 가스 (112) 는 플라즈마 가스 통로 (130) 를 통과하여, 일 방향으로 선회하는 선회류가 되어, 전극 (120) 의 선단부의 정면에 공급되고, 노즐 (122) 의 선단의 오리피스로부터 선회류로서 하방으로 분출된다. 보조 가스 (114) 는 보조 가스 통로 (134) 를 통과하여, 그 출구로부터, 플라즈마 가스 (112) 의 선회와 동일 방향으로 선회하는 선회류가 되어, 노즐 (122) 로부터의 플라즈마 선회 분류의 주위로 분출된다.

판재 (작업물)(140) 의 절단이 행해질 때, 플라즈마 토치 (102) 는 그 하방의 근방에 작업물 (140) 가 위치하도록, 작업물 (140) 에 대하여 배치된다. 가공 개시의 직전, 프리플로우 공정이 행해지고, 플라즈마 가스 (112) 와 보조 가스 (114) 가 그 유량이 안정될 때까지 소정 시간 동안 분출된다. 프리플로우 공정에 이어 파일럿 아크 공정이 행해지고, 거기에서는, 전원 회로 (106) 가 전극 (120) 과 노즐 (122) 사이에 고전압을 인가하여, 전극 (120) 의 선단부와 그 근방의 노즐 (122) 의 내면 사이에 파일럿 아크를 발생시킨다. 파일럿 아크의 작용으로, 전극 (120) 의 선단부 근방의 플라즈마 가스 (112) 가 플라즈마화되어, 노즐 (122) 의 오리피스에서 하방으로 고속의 제트류로서 분출된다. 그 플라즈마 제트류에 안내되어, 파일럿 아크는 노즐 (122) 의 오리피스를 빠져나와 하방으로 이동하여, 작업물 (140) 의 상면에 도달한다. 이로써, 전극 (120) 과 작업물 (140) 사이에, 플라즈마 제트류와 일체화된 메인 아크 (플라즈마 아크)(138) 가 확립된다. 메인 아크 (138) 의 확립이 검출됨과 동시에, 전원 회로 (106) 는 노즐 (122) 로의 전로를 자르고, 그 대신 작업물 (140) 로의 전로를 연결한다. 그것에 의하여, 전극 (120) 과 작업물 (140) 사이에 아크 전류로가 형성되고, 이후, 그 아크 전류로가 잘릴 때까지 메인 아크 (138) 가 유지된다.

메인 아크 (138) 가 확립한 후, 맨 처음 피어싱 공정이 행해지고, 거기에서 는 메인 아크 (138) 에 의해 작업물 (140) 에 구멍 (142) 이 뚫린다. 구멍 (142) 이 관통될 때까지는, 용융 금속이 구멍 (142) 위의 입구로부터 분출되어, 구멍 (142) 의 주위에 고화되어 누적 드로스 (144) 를 형성한다. 구멍 (142) 이 관통된 후, 절단 공정이 개시된다. 절단 공정에서는, 플라즈마 토치 (102) 가 이동하면서, 작업물 (140) 를 절단한다. 절단 공정이 끝나면, 전원 회로 (106) 가 메인 아크 (138) 의 전류로를 자르고, 메인 아크 (138) 가 소멸된다. 계속해서, 애프터플로우 공정이 행해지고, 플라즈마 가스 (112) 와 보조 가스 (114) 가 소정 시간만큼 흐른다.

상기 서술한 프리플로우 공정, 파일럿 아크 공정, 피어싱 공정, 절단 공정 및 애프터플로우 공정이라는 순서의 일련의 가공 공정에 있어서, 제어장치 (109) 는 아크 전류의 크기, 그리고 플라즈마 가스 (112) 와 보조 가스 (114) 의 각각의 조성, 압력 및 유량이 최적이 되도록 제어한다. 이하에서는, 이 제어에 관하여, 보다 구체적으로 설명한다. 특히, 연강, 저합금강 혹은 저탄소강 등의 재료제의 작업물 (140) 를 절단하는 경우에 있어서의 제어에 대하여 설명한다.

도 2 는, 연강, 저합금강 혹은 저탄소강제의 작업물 (140) 를 절단하는 경우에 있어서의 아크 전류, 플라즈마 가스 (112) 및 보조 가스가 어떻게 제어되는가를 나타낸다. 도 2(a) 는 아크 전류의 크기의 변화를, 도 2(b) 는 플라즈마 가스 (112) 의 압력과 조성의 변화를, 도 2(c) 는 보조 가스 (114) 의 유량과 조성의 변화를, 도 2(d) 는 보조 가스 (114) 에 함유되는 산소의 농도의 변화를 각각 나타낸다.

도 2(a) 에 나타내는 바와 같이, 아크 전류는 파일럿 아크 공정에서 절단 공정까지 흐른다. 아크 전류는, 파일럿 아크 공정에서는 소정의 작은 파일럿 전류치로 흐르고, 피어싱 공정에서는 서서히 증대하여 소정의 절단 전류치에 도달하고, 계속되는 절단 공정에서는 그 절단 전류치로 일정하게 제어되고, 그리고 절단 공정의 종료시에 정지한다.

도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 가스 (112) 는 프리플로우 공정에서 애프터플로우 공정까지 계속해서 흐른다. 플라즈마 가스 (112) 의 압력은 프리플로우 공정에서 파일럿 아크 공정까지는 소정의 낮은 프리플로우압으로 제어되고, 피어싱 공정에 들어가면 소정의 높은 절단 압력으로까지 급증되고, 피어싱 공정에서 절단 공정까지의 동안에는 그 절단 압력으로 일정하게 제어되고, 그리고 애프터플로우 공정에 들어가면 급감되어 소정의 낮은 애프터 플로우압으로 제어된다.

플라즈마 가스 (112) 로서, 질소 (불활성 가스), 산소, 공기, 또는 이들의 혼합 가스 등을 공정에 따라 조성을 바꾸면서 사용할 수 있다. 이 실시형태에서는, 플라즈마 가스 (112) 의 조성은, 프리플로우 공정에서 파일럿 아크 공정까지는 100몰% 의 질소이며, 피어싱 공정에 들어가면 산소와 질소의 혼합 가스, 예를 들어 체적 농도로 산소가 80몰% 이고 질소가 20몰% 인 산소가 풍부한 조성으로 이행하고, 피어싱 공정에서 절단 공정까지의 동안에는 그 산소가 풍부한 조성으로 일정하게 제어되고, 그리고 애프터플로우 공정에 들어가면 다시 100몰% 의 질소로 전환된다. 혹은, 변형예로서, 플라즈마 가스 (112) 의 조성은, 프리플로우 공정 에서 파일럿 아크 공정까지와 애프터플로우 공정에서는 각각 공기 (즉, 체적 농도로 약 20몰% 의 산소와 약 80몰% 의 질소를 함유한다) 이어도 되고, 또한 피어싱 공정에서 절단 공정까지의 동안에는 100몰% 의 산소이어도 된다.

도 2(c) 에 나타내는 바와 같이, 보조 가스 (114) 는 프리플로우 공정에서 애프터플로우 공정의 초기까지 계속해서 흐르고, 그 동안 그 유량은 소정의 절단 유량으로 일정하게 제어되고, 그리고 애프터플로우 공정에 들어가면 보조 가스 (114) 는 제지된다. 보조 가스 (114) 로서, 질소 (불활성 가스), 산소, 공기, 또는 이들의 혼합 가스 등을 공정에 따라 조성을 바꾸면서 사용할 수 있다. 이 실시형태에서는, 보조 가스 (114) 의 조성은, 프리플로우 공정에서 파일럿 아크 공정까지는 100몰% 의 질소이며, 피어싱 공정에 들어가면 100몰% 의 산소로 이행하여 피어싱 공정 동안 그것이 유지되고, 절단 공정에 들어가면, 산소와 질소를 함유한 조성, 예를 들어 공기와 산소의 혼합 가스와 같이 피어싱 공정보다 산소 농도가 낮은 조성으로 전환되어 피어싱 공정 동안 그것으로 유지된다. 혹은, 변형예로서, 보조 가스 (114) 의 조성은, 프리플로우 공정에서 파일럿 아크 공정까지와 애프터플로우 공정에서는 각각 공기 (즉, 체적 농도로 약 20몰% 의 산소와 약 80몰% 의 질소를 함유한다) 이어도 되고, 피어싱 공정에서 절단 공정까지의 동안에는 100몰% 의 산소이어도 되고, 또한 애프터플로우 공정에서는 공기이어도 된다.

여기서, 주목해야 할 점은, 보조 가스 (114) 에 있어서의 산소의 체적 농도 (이하, 「보조 가스 산소 농도」라고 한다) 의 변화이다. 즉, 도 2(d) 에 나타내는 바와 같이, 프리플로우 공정과 파일럿 아크 공정에 있어서의 보조 가스 산소 농도를 D1, 피어싱 공정에 있어서의 보조 가스 산소 농도를 D2, 절단 공정에서의 보조 가스 산소 농도를 D3 으로 하면, 이들 공정별 보조 가스 산소 농도 D1, D2, D3 간에는, D1 < D3 < D2 라는 관계가 있다. 공정마다의 보조 가스 산소 농도에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

프리플로우 공정과 파일럿 아크 공정에 있어서의 보조 가스 산소 농도 D1 은, 20몰% 이하 (즉 공기의 산소 농도 이하) 의 낮은 값이다. 특히 파일럿 아크 공정에 있어서의 보조 가스 산소 농도 D1 은 0몰% 에 보다 가까울수록 파일럿 아크에 의한 노즐 (122) 의 손상이 경감된다는 효과가 있다.

피어싱 공정에 있어서의 보조 가스 산소 농도 D2 는 20몰% 이상 (즉 공기의 산소 농도 이상) 의 높은 값이며, 예를 들어 80몰% 이상과 같이 버닝 (작업물 (140) 의 절단면에서의 과잉된 산화 반응) 이 생기는 농도이면 되고, 100몰% 이어도 된다. 이 보조 가스 산소 농도 D2 는 100몰% 에 보다 가까울수록 피어싱 능력이 향상되고, 또한 구멍의 주위에 부착되는 드로스 (144) 의 양을 경감시킬 수 있다는 효과가 있다. 이 효과에 의하여, 노즐 (122) 이나 실드 캡 (124) 의 손상이 경감되어 그 수명이 연장되고, 생산 효율이 향상되며, 또한 절단 가능한 최대 판압이 향상되는 등의 이점을 기대할 수 있다. 이 피어싱 공정에 있어서의 보조 가스 산소 농도 D2 는, 다음의 절단 공정에서의 보조 가스 산소 농도 D3 보다는 높은 값이다.

절단 공정에서의 보조 가스 산소 농도 D3 은 120몰% 이상이며, 또한 버닝이 생기는 산소 농도 (예를 들어 80몰%) 이하의 중간 정도의 값이다. 절단 공정에 서는, 피어싱 공정과는 달리, 산소가 100몰% 인 보조 가스는 버닝이 생기므로 채용되지 않는다. 버닝을 일으키지 않고, 또한 작업물 (140) 의 이면에 부착되는 드로스를 경감시킬 목적으로, 절단 공정에서의 보조 가스 산소 농도 D3 은 40몰% 내지 80몰% 정도의 범위, 예를 들어 50몰% 전후가 적당하다.

도 3 은, 상기 서술한 바와 같이 산소 농도가 변화하는 보조 가스 (114) 를 공급하기 위한 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 구성례를 나타낸다.

도 3 에 나타내는 바와 같이, 보조 가스 공급 시스템 (104) 은 질소원으로부터의 질소 가스를 흘리기 위한 질소 공급관 (160) 과, 공기의 공급원으로부터의 공기를 흘리기 위한 공기 공급관 (162) 과, 산소원으로부터의 산소 가스를 흘리기 위한 2 개의 산소 공급관 (164, 166) 을 구비한다. 2 개의 산소 공급관 (164, 166) 은 그곳을 흐르는 산소 가스의 유량이 상이하게 되어 있고, 이하, 유량이 큰 쪽 (164) 을 「산소 대공급관」이라 부르고, 유량이 작은 쪽 (166) 을 「산소 소공급관」이라 부른다. 그들 4 개의 가스 공급관 (160, 162, 164, 166) 은 합류되어 하나의 보조 가스 공급관 (188) 으로 연결되고, 그리고 보조 가스 공급관 (188) 이 플라즈마 토치 (102) 의 보조 가스 통로 (134) 로 연결된다. 상기 서술한 4 개의 가스 공급관 (160, 162, 164, 166) 에는, 각각의 가스 공급관을 개폐하기 위한 전자 밸브 (172, 176, 184, 186) 가 설치된다. 이하에서는, 질소 공급관 (160) 의 전자 밸브 (172) 를 「질소 밸브」, 공기 공급관 (162) 의 전자 밸브 (176) 를 「공기 밸브」, 산소 대공급관 (164) 의 전자 밸브 (184) 를 「산소 대밸브」, 산소 소공급관 (166) 의 전자 밸브 (186) 를 「산소 소밸브」라고 한다.

질소 공급관 (160) 에 있어서, 질소 밸브 (172) 의 상류에는, 질소 가스 유량을 소정의 보조 가스 유량치로 일정하게 제어하는 유량 조절 밸브 (170) 가 설치된다. 산소 대공급관 (164) 에 있어서, 산소 대밸브 (182) 의 상류에는, 산소 가스 유량을 소정의 제 1 산소 유량치로 일정하게 제어하는 유량 조절 밸브 (180) 가 설치된다. 산소 소공급관 (166) 에 있어서, 산소 소밸브 (186) 의 상류에는, 산소 가스 유량을 상기 제 1 산소 유량치보다 작은 소정의 제 2 산소 유량치로 일정하게 제어하는 유량 조절 밸브 (184) 가 설치된다. 제 1 산소 유량치와 제 2 산소 유량치는, 그들의 가산치가 상기 보조 가스 유량치보다 약간 작다 (또는, 변형예로서, 상기 보조 가스 유량치와 동등해도 된다). 또한, 공기 공급관 (162) 에 있어서, 공기 밸브 (176) 의 상류에는, 공기 밸브 (176) 가 열린 상태에서의 보조 가스 (114) 의 유량이 상기 보조 가스 유량치로 일정해지도록 보조 가스압을 설정하기 위한 감압 밸브 (174) 가 설치되고, 또한 공기 밸브 (176) 의 하류에는 역지(逆止) 밸브 (178) 가 설치된다.

4 개의 가스 공급관 (160, 162, 164, 166) 의 합류점은 플라즈마 토치 (102) 에 가능한 한 가까운 위치에 배치되고, 보조 가스 공급관 (188) 은 가능한 한 짧게 되는 것이 바람직하다. 그것에 의하여, 상기 합류점보다 상류측에서 가스류의 제어 동작이 행해졌을 때, 그 제어 결과가 플라즈마 토치 (102) 에 반영될 때까지의 지연 시간이 짧아져, 가스 제어의 정밀도가 향상된다.

도 4 는, 상기 서술한 일련의 가공 공정에 있어서의 도 3 에 나타낸 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 동작을 나타낸다. 도 4(a) 는 일련의 가공 공정에 있 어서의 아크 전류의 변화를, 도 4(b) 는 질소 밸브 (172) 의 개폐 동작을, 도 4(c) 는 공기 밸브 (176) 의 개폐 동작을, 도 4(d) 는 산소 대밸브 (182) 의 개폐 동작을, 도 4(e) 는 산소 소밸브 (186) 의 개폐 동작을, 또한, 도 4(f) 는 보조 가스 (114) 에 함유되는 질소 가스, 산소 가스 및 공기의 유량의 변화를 나타낸다

도 4 에 나타내는 바와 같이, 프리플로우 공정과 파일럿 아크 공정에서는, 질소 밸브 (172) 만이 열리고, 다른 가스 밸브 (176, 182, 186) 는 닫히고, 따라서도 4(f) 에 나타내는 바와 같이 보조 가스 (114) 로서 질소 가스만이 흐른다. 피어싱 공정에서는, 질소 밸브 (172) 는 닫히고, 그 대신 공기 밸브 (176) 와 산소 대밸브 (182) 와 산소 소밸브 (186) 가 열리고, 따라서 도 4(f) 에 나타내는 바와 같이 보조 가스 (114) 로서 산소가 풍부한 산소와 공기의 혼합 가스 (또는, 변형예로서, 산소 가스만이어도 된다) 가 흐른다. 절단 공정에서는, 공기 밸브 (176) 와 산소 소밸브 (186) 가 열리고, 질소 밸브 (172) 와 산소 대밸브 (182) 는 닫히고, 따라서 도 4(f) 에 나타내는 바와 같이 보조 가스 (114) 로서 피어싱 공정일 때보다 산소 농도가 낮은 산소와 공기의 혼합 가스 (또는, 변형예로서, 공기만이어도 된다) 가 흐른다.

도 5 는, 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 다른 구성례를 나타낸다. 도 5 에 나타내는 구성례는, 도 3 에 나타낸 구성례에서 질소 공급관 (160) 을 제거한 것이다.

도 6 은, 상기 서술한 일련의 가공 공정에 있어서의 도 5 에 나타낸 보조 가스 공급 시스템 (104) 의 동작을 나타낸다. 도 6(a) 는 일련의 가공 공정에 있 어서의 아크 전류의 변화를, 도 6(b) 는 공기 밸브 (176) 의 개폐 동작을, 도 6(c) 는 산소 대밸브 (182) 의 개폐 동작을, 도 6(d) 는 산소 소밸브 (186) 의 개폐 동작을, 또한, 도 6(e) 는 보조 가스 (114) 에 함유되는 공기 및 산소 가스의 유량의 변화를 나타낸다.

도 6 에 나타내는 바와 같이, 프리플로우 공정과 파일럿 아크 공정에서는, 공기 밸브 (176) 가 열리고, 산소 대밸브 (182) 와 산소 소밸브 (186) 는 닫히고, 따라서 도 6(e) 에 나타내는 바와 같이 보조 가스 (114) 로서 공기가 흐른다. 피어싱 공정에서는, 공기 밸브 (176) 와 산소 대밸브 (182) 와 산소 소밸브 (186) 모두가 열리고, 따라서, 도 6(e) 에 나타내는 바와 같이 보조 가스 (114) 로서 산소가 풍부한 산소와 공기의 혼합 가스 (또는, 변형예로서, 산소 가스만이어도 된다) 가 흐른다. 절단 공정에서는, 공기 밸브 (176) 와 산소 소밸브 (186) 가 열리고, 산소 대밸브 (182) 는 닫히고, 따라서, 도 6(e) 에 나타내는 바와 같이 보조 가스 (114) 로서 피어싱 공정일 때보다 산소 농도가 낮은 산소와 공기의 혼합 가스 (또는, 변형예로서, 공기만이어도 된다) 가 흐른다.

상기 서술한 실시형태에 의하면, 보조 가스 (114) 의 조성이 파일럿 아크 공정과 피어싱 공정과 절단 공정에서 각각 다른 조성으로 최적화된다. 그것에 의하여, 피어싱의 능력이 향상되고, 또한 피어싱 공정에서의 구멍의 주위에 대한 드로스의 부착이 저감된다. 그 결과, 플라즈마 토치의 소모 부품인 실드 캡과 노즐의 수명이 향상된다. 또한, 피어싱 공정에서 형성되는 구멍의 위치로부터 제품까지의 홈 길이를 짧게 할 수 있어, 생산 효율이 향상된다 또한, 피어싱 능 력의 향상에 의하여, 절단 장치의 기본 성능의 하나인 최대 절단 판압이 증가한다.

그런데, 상기 서술한 실시형태에서는, 파일럿 아크 공정, 피어싱 공정 및 절단 공정의 전환과 거의 동기하여 플라즈마 가스 (112) 및 보조 가스 (114) 의 조성을 전환하고 있지만, 공정의 전환과 가스 조성의 전환 사이에는 어느 허용 범위내에서 약간의 시간적인 차이가 있어도 된다. 예를 들어, 보조 가스 산소 농도는, 파일럿 아크 공정 중에는 상기 낮은 농도치 D1 가 되어, 파일럿 아크가 메인 아크로 이행하여 메인 아크가 확립된 시점에서 피어싱 공정에 적합한 상기 높은 농도치 D2 로 전환되고, 그 직후의 소정 길이의 시간 구간만큼 그 높은 농도치 D2 로 유지되고, 그 시간 구간의 경과 후에 절단 공정에 적합한 상기 중간 정도의 농도치 D3 으로 전환되어도 된다. 이 경우, 보조 가스 산소 농도가 고농도치 D2 에서 중농도치 D3 으로 전환되는 시점은, 가공 공정이 피어싱 공정에서 절단 공정으로 실제로 전환되는 시점과 반드시 동시가 아니어도 되며, 예를 들어 그것보다 약간 빠르거나, 또는 약간 늦거나 해도 된다. 즉, 피어싱 공정의 전부에서 고농도치 D1 이 계속 유지되지 않아도, 적어도 그 일부에서, 고농도치 D2 (또는 절단 공정일 때보다 높은 보조 가스 농도치) 가 제공되면, 피어싱 공정은 종래보다 개선된다. 또한, 절단 공정의 개시와 동시에 고농도치 D2 에서 중농도치 D3 으로의 전환이 행해지지 않아도, 피어싱 공정에서 뚫어진 구멍으로부터 제품에 도달할 때까지의 경로를 절단하고 있는 동안에 그 가스 조성 전환이 행해지거나, 혹은 피어싱 공정의 종료 시점보다 약간 빨리 그 가스 조성 전환이 행해져도, 절단 공정은 양호하게 행할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태를 설명하였지만, 본 실시형태는 본 발명의 설명을 위한 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위를 이 실시형태에만 한정하는 취지는 아니다. 본 발명은, 그 요지를 일탈하는 일 없이, 그 밖의 여러가지 양태로도 실시할 수 있다.

Claims

플라즈마 토치 (102) 에서 플라즈마 가스류를 분출함과 함께 상기 플라즈마 가스류의 주위에 보조 가스류를 분출하면서, 파일럿 아크 공정과 피어싱 공정과 절단 공정을 순서대로 실행하게 되는 플라즈마 절단 장치 (100) 에 있어서,

상기 피어싱 공정과 상기 절단 공정에 있어서 산소를 함유한 가스를 상기 보조 가스로서 상기 플라즈마 토치에 공급하여, 상기 피어싱 공정의 전체 공정 또는 일부 공정에서의 보조 가스 산소 농도를 상기 절단 공정에서의 보조 가스 산소 농도보다 높은 값으로 제어하는 보조 가스 공급 제어 수단 (104, 109) 을 구비한 플라즈마 절단 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 보조 가스 공급 제어 수단 (104, 109) 이, 상기 파일럿 아크 공정에서는 산소를 함유하지 않거나 또는 함유한 가스를 상기 보조 가스로서 상기 플라즈마 토치에 공급하고, 상기 보조 가스 산소 농도를, 상기 파일럿 아크 공정일 때에는 상기 피어싱 공정일 때보다 낮은 값으로 제어하는 플라즈마 절단 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 보조 가스 공급 제어 수단 (104, 109) 이, 상기 피어싱 공정의 전체 공정 또는 일부 공정에서의 보조 가스 산소 농도를 20몰% 내지 100몰% 의 범위내로 제어하고, 상기 절단 공정에서의 보조 가스 산소 농도를 20몰% 내지 80몰% 의 범위내로 제어하는 플라즈마 절단 장치.
플라즈마 토치 (102) 에서 플라즈마 가스류를 분출함과 함께 플라즈마 가스류의 주위에 보조 가스류를 분출하면서, 파일럿 아크 공정과 피어싱 공정과 절단 공정을 순서대로 실행하는 플라즈마 절단 방법에 있어서,

상기 피어싱 공정과 상기 절단 공정에 있어서 산소를 함유한 가스를 상기 보조 가스로서 사용하여, 보조 가스 산소 농도를, 상기 피어싱 공정일 때에는 상기 절단 공정일 때보다 높은 값으로 제어하는 플라즈마 절단 방법.
플라즈마 토치 (102) 에서 플라즈마 가스류를 분출함과 함께 상기 플라즈마 가스류의 주위에 보조 가스류를 분출하면서, 파일럿 아크를 발생시킨 후에 상기 파일럿 아크를 메인 아크로 이행시키도록 된 플라즈마 절단 장치 (100) 에 있어서,

상기 메인 아크가 유지되고 있는 동안에는 산소를 함유한 가스를 상기 보조 가스로서 상기 플라즈마 토치에 공급하여, 보조 가스 산소 농도를, 상기 메인 아크의 확립 직후의 소정의 시간 구간에서는, 상기 시간 구간의 경과 후보다 높은 값으로 제어하는 보조 가스 공급 제어 수단 (104, 109) 을 구비한 플라즈마 절단 장치.
플라즈마 토치 (102) 에서 플라즈마 가스류를 분출함과 함께 상기 플라즈마 가스류의 주위에 보조 가스류를 분출하면서, 파일럿 아크를 발생시킨 후에 상기 파일럿 아크를 메인 아크로 이행시키는 플라즈마 절단 방법에 있어서,

상기 메인 아크가 유지되고 있는 동안에는 산소를 함유한 가스를 상기 보조 가스로서 사용하여, 보조 가스 산소 농도를, 상기 메인 아크가 확립된 직후의 소정의 시간 구간에서는, 상기 시간 구간의 경과 후보다 높은 값으로 제어하는 플라즈마 절단 방법.