KR101045249B1

KR101045249B1 - 플라스마 가공방법

Info

Publication number: KR101045249B1
Application number: KR1020030082892A
Authority: KR
Inventors: 야마구치요시히로; 카바타테쯔야; 이리야마타카히로
Original assignee: 고마츠 산키 가부시키가이샤
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2011-06-29
Also published as: KR20040053780A; US20040129687A1; CN1507973A; JP2004195488A; US6914209B2; CN100396419C; JP3652350B2

Abstract

본 발명은 피어싱시에 발생하는 스패터에 의한 노즐의 손상을 회피함과 아울러 파일럿 아크에 의한 노즐의 열화를 억제하여 노즐의 수명을 대폭적으로 연장하는 것을 목적으로 하고,

이를 위해, 플라스마 아크를 발생시켜서 피어싱을 개시할 때의 플라스마 토치와 강판의 거리인 초기높이를 절단을 행할 때의 플라스마 토치와 강판의 거리인 절단높이와 동일 높이로 하여 위치결정하고, 플라스마 아크의 발생후, 곧바로 초기높이보다 강판(W)으로부터 떨어진 위치인 피어스 높이까지 플라스마 토치를 상승시켜 상기 피어스 높이위치에서 피어싱을 실시하고, 피어싱의 완료후, 절단높이까지 플라스마 토치를 하강시켜 절단을 개시한다. 또한, 파일럿 아크로부터 메인 아크로 이행직후에 트랜지스터의 오프작용에 의해 파일럿 전류를 차단한다.

Description

플라스마 가공방법{PLASMA WORKING METHOD}

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 플라스마 절단장치의 전체 사시도이다.

도 2(a)는 본 실시형태에 있어서의 플라스마 절단장치의 요부 개략 구성도이고, 도 2(b)~(f)는 플라스마 아크 발생회로 및 그 작동을 설명하는 도면이다.

도 3은 본 실시형태의 피어싱의 동작 설명도이다.

도 4(a)는 파일럿 전류-초기높이의 상관도이고, 도 4(b)는 노즐 수명횟수-파일럿 전류의 상관도이다.

도 5는 종래의 피어싱의 동작 설명도이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1 … 플라스마 절단장치 2 … 절단 정반(定盤)

3 … 프레임 4 … 주행빔

5 … 캐리지 6 … 플라스마 토치

7 … X축 모터 8 … X축 레일

9 … Y축 모터 10 … Y축 레일

11 … Z축 모터 12 … 토치 케이블

13 … 중계 박스 14 … 전원 케이블

15 … 플라스마 전원 유닛 15a … 정전류 전원

16 … 모재 케이블 17 … 전극

18 … 노즐 18a … 노즐 오리피스

20 … 전원라인 21 … 파일럿 전류회로

22 … 메인 전류회로 23 … 고주파 발생기

24 … 고주파 바이패스용 콘덴서

25 … 저항 26 … 스위칭용 트랜지스터

27 … 파일럿 전류검출기 28 … 메인 전류 검출기

51 … 플라스마 토치 CH … 절단높이

FH … 초기높이 Im … 메인 전류

Ip … 파일럿 전류 MA … 메인 아크

PA … 파일럿 아크 PH … 피어스높이

R … 작동가스통로 W … 강판

본 발명은 플라스마 토치로부터 발생되는 플라스마 아크에 의해서 피어싱이나 절단을 행하는 플라스마 가공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라스마 토치의 노즐수명을 향상시킬 수 있는 피어싱동작을 포함하여 이루어지는 플라스마 가공방법에 관한 것이다.

기계적, 전기적으로 모아진 플라스마 기둥을 가지는 아크의 고밀도열을 이용 한 플라스마 가공방법은 고정밀도ㆍ고능률적인 절단을 실현할 수 있는 것이므로 널리 실용에 제공되고 있다. 그 플라스마 가공방법은 일반적으로 플라스마 토치로부터 플라스마 아크를 발생시키고, 상기 플라스마 아크를 안정적으로 지속시켜서 플라스마 토치를 이동시킴으로써 절단가공이 행해진다.

상기 플라스마 토치는 전극과 이 전극을 덮도록 배치되는 노즐을 구비하여 이루어지고, 상기 전극과 노즐 사이에 구획되어 이루어지는 통로를 통해서 플라스마 가스를 피절단재를 향하여 분출하도록 구성되어 있다. 상기 플라스마 토치를 이용하여 피절단재를 절단할 때에는 우선 전극과 노즐 사이에 파일럿 아크를 발생시키고, 그 후, 파일럿 아크를 성장시키도록 하여 메인 아크로 이행시킴으로써 고온 또한 고밀도 에너지의 플라스마 아크를 전극과 피절단재 사이에 발생시킨다.

상기 플라스마 토치로부터 발생되는 플라스마 아크를 이용하여, 예컨대, 강판을 각종 형상으로 절단하는 경우, 강판의 단부로부터 절단을 개시하는 방법과, 강판 상의 소정의 위치에 관통구멍을 형성하여 이 관통구멍으로부터 절단을 개시하는 방법이 있다. 후자는 소위 피어싱 스타트(piercing start)로 칭해지고, 이 피어싱 스타트에 의하면 강판 면내에 있어서 원하는 형상을 잘라 절단할 수 있으므로 NC를 이용한 자동 절단에 있어서는 통상 상기 피어싱 스타트가 주류이다.

그런데, 상기 피어싱 스타트로 강판을 절단하는 경우, 플라스마 아크에 의해 절단개시부에 관통구멍을 형성하는 피어싱으로 칭해지는 동작 사이에 상기 플라스마 아크에 의해서 용융된 금속이 스패터(용융금속의 비말)가 되어 블로우 업(blow up)되고, 이 블로우 업된 스패터가 노즐에 부착될 우려가 있다. 노즐에 부착된 스 패터는 노즐의 용융손상이나 더블 아크(double arc)의 발생의 원인으로 되어서 노즐에 손상을 주기 때문에 절단품질을 현저하게 저하시키는 원흉으로 되고 있다.

종래, 이와 같은 스패터에 의한 노즐의 손상을 회피하기 위하여, 도 5(a)의 ①~④에 도시되는 바와 같이, 플라스마 토치(51)를 강판(W)에 대해서 플라스마 아크가 착화가능한 최고의 높이위치(h₁)까지 이동시키고(①), 그 높이위치에서 피어싱을 행하고(②~③), 피어싱이 완료되어 스패터의 블로우 업이 없게 된 후에 절단에 적합한 높이위치(h₂)까지 플라스마 토치(51)를 하강시켜서 절단을 개시한다(④)라는 피어싱방법이 일반적으로 행해지고 있다. 또한, 이 종래의 일반적으로 행해져 온 피어싱방법을 개량한 것이 일본 특허공개 2000-351076호 공보에 제안되어 있다. 이 일본 특허공개 2000-351076호 공보에서 제안된 피어싱방법(이하, 「상승 피어싱방법」이라 칭한다.)에 있어서는, 도 5(b)의 ①~④에 도시되는 바와 같이, 플라스마 토치(51)를 강판(W)에 대해서 플라스마 아크가 착화가능한 상한 높이위치(H₁)까지 이동시켜서 이 높이위치에서 플라스마 아크를 착화시키고(①~②), 그 후, 피어싱의 개시와 동시에 스패터의 블로우 업에 의한 노즐 손상을 회피하기 위하여 플라스마 아크를 유지할 수 있는 범위에서 플라스마 토치(51)를 소정 거리 상승시킨 높이위치(H₂)에서 피어싱을 실시하고(③), 피어싱이 종료되면 절단에 적합한 높이위치(H₃)로 플라스마 토치를 하강시켜서 절단을 개시한다(④).

여기서, 플라스마 아크를 최초에 형성하는 높이를 「초기높이」, 피어싱을 실시하는 높이를 「피어스(pierce) 높이」, 절단을 실시하는 높이를 「절단높이」 라는 형태로 각각 정의하면 상기 도 5(a)에 도시되는 일반적인 피어싱 방법에서는 초기높이(h₁)와 피어스 높이가 동일 높이로 설정되고, 또한, 초기높이(h₁)는 절단높이(h₂)보다 높게 설정되어 있다. 또한, 상기 도 5(b)에 도시되는 상승 피어싱방법에서는 초기높이(H₁)는 피어스 높이(H₂)보다 낮게 설정되고, 또한, 초기높이(H₁)는 절단높이(H₃)보다 높게 설정되어 있다.

그런데, 노즐의 손상은 상기 부착 스패터에 의해서도 초래되는 이외에 파일럿 아크에 의해서도 초래된다. 즉, 상기 파일럿 아크는 메인 아크와 마찬가지로 고밀도의 열에너지를 갖고 있으므로 파일럿 아크가 발생되고 있는 시간이 길면 길수록 노즐이 용융손상되는 정도가 높게 되는 것이다. 이와 같은 문제점을 방지할 수 있는 기술이 본 출원인의 선원인 일본 특허출원 2002-021284호에 제안되어 있다. 이 선원 발명에 관한 기술에서는 파일럿 아크를 형성할 때의 파일럿 전류회로와 메인 아크를 형성할 때의 메인 전류회로의 스위칭을 트랜지스터화함과 아울러 파일럿 전류회로에 적절한 저항을 끼워넣음으로써 파일럿 아크로부터 메인 아크로의 이행을 보다 고속으로 행하게 하고, 파일럿 아크에 의해 노즐이 용융손상되는 것을 억제하도록 되어 있다.

그러나, 상기 일반적인 피어싱방법 및 상기 상승 피어싱방법에서는 피어싱시에 발생하는 스패터에 의한 노즐로의 손상은 회피할 수 있는 것이지만 파일럿 아크에 의해서 노즐을 열화시켜버린다라는 문제점이 있다. 즉, 이들 피어싱방법에 있어서는 초기높이가 비교적 높은 위치(절단높이의 2배정도)로 설정되어 있으므로 (A) 파일럿 아크를 성장시켜서 메인 아크로 이행시킬 때에 보다 큰 파일럿 전류가 필요로 되고, 또한, (B) 전극-노즐 간에 있어서의 방전경로의 전기저항에 비해서 전극-강판 간에 있어서의 방전경로의 전기저항이 극단적으로 크게 되는 것때문에 노즐로의 전류의 유입이 일어나기 쉽게 되어서 파일럿 아크로부터 메인 아크로의 이행이 지연되는 경향이 있다. 이들 (A)(B)의 경우에서 노즐은 파일럿 아크에 의해서 과잉으로 용융손상되어버리는 것이다. 또한, 이와 같이 초기높이를 높게 설정함으로써 아크의 착화불량을 초래할 우려가 있다라는 문제점도 있다. 즉, 상기 (A)의 경우에서 파일럿 전류를 높게 설정할 필요가 있지만 파일럿 전류의 조정이 불충분하고 전류가 낮으면 파일럿 아크의 세력이 약해지고, 메인 아크로 이행시킬 수 없어 아크착화에 실패한다. 여기서, 파일럿 전류를 조정하는 수고를 줄이기 위하여 파일럿 전류를 기기가 출력할 수 있는 최고값으로 고정하는 것도 고려되지만 이 경우 파일럿 아크에 의한 노즐의 용융 손상을 더욱 가속시키는 결과를 초래하여버린다.

또한, 상기 선원 발명에 관한 기술에서는 파일럿 아크로부터 메인 아크로의 고속이행에 의해서 어느 정도의 노즐 열화 억제효과는 기대할 수 있는 것이지만 역시 초기높이가 비교적 높은 위치(절단높이의 2배정도)로 설정되어 있으므로 아직 개선의 여지가 있다라고 말한다.

본 발명은 이상 상술한 바와 같은 문제점이나 상황에 감안하여 이루어진 것으로서, 피어싱시에 발생하는 스패터에 의한 노즐이 손상을 회피함과 아울러 파일럿 아크에 의한 노즐의 열화를 확실히 억제함으로써 노즐의 수명을 대폭적으로 연 장시킬 수 있는 플라스마 가공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 플라스마 가공방법은,

플라스마 아크에 의해 가공공작물에 피어싱을 실시하고, 또한, 이 피어싱을 실시한 위치로부터 절단을 개시하는 플라스마 가공방법에 있어서,

(a) 상기 가공공작물과의 사이에 플라스마 아크를 형성하는 전극과 이 플라스마 아크의 모체가 되는 플라스마 가스를 분출시키는 노즐을 갖는 플라스마 토치를 상기 가공공작물의 피어싱위치로 상대 이동시키고, 상기 플라스마 토치를 가공공작물에 대해서 절단을 행할 때의 플라스마 토치와 가공공작물의 거리인 절단높이와 동일 또는 대략 동일 또는 그 절단높이보다도 가공공작물 부근에서 더블 아크가 일어나지 않는 높이인 초기높이로 상대 위치결정하는 제1공정;

(b) 상기 플라스마 토치의 위치결정후, 상기 전극과 노즐 사이에 발생시킨 파일럿 아크를 선도로 하여 상기 전극과 상기 가공공작물 사이의 메인 아크로 이행시킴으로써 플라스마 아크를 형성하고, 이 플라스마 아크를 유지하면서 상기 초기높이보다 가공공작물로부터 떨어진 위치인 피어스높이로 상기 플라스마 토치를 상대 이동시키는 제2공정;

(c) 그 후, 피어싱이 완료되기까지 상기 플라스마 토치를 상기 피어스높이에 정지시킨 상태에서 상기 플라스마 아크를 유지시키는 제3공정; 및

(d) 상기 피어싱 완료후, 상기 절단높이로 플라스마 토치를 상대 이동시켜서 절단을 개시하는 제4공정을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 의하면 피어싱을 행하기 직전에 있어서 가공공작물과 전극 사이에 플라스마 아크를 형성할 때의 가공공작물과 플라스마 토치의 거리인 초기높이가 절단을 행할 때의 플라스마 토치와 가공공작물의 거리인 절단높이와 동일 또는 대략 동일 또는 그 절단높이보다 가공공작물 부근에서 더블아크가 일어나지 않는 높이로 설정되므로 종래에 비해서 적은 파일럿 전류로 파일럿 아크를 메인 아크로 이행시킬 수 있음과 아울러 전극-노즐 간에 있어서의 방전경로의 전기저항과 전극-가공공작물 간에 있어서의 방전경로의 전기저항의 차가 적어지므로 파일럿 아크로부터 메인 아크로의 이행을 원활하게 행할 수 있음으로써 노즐이 파일럿 아크에 의해서 용융손상되는 정도가 경감되므로 노즐의 열화를 억제하여 그 수명의 연장화를 도모할 수 있다라는 효과를 거둔다. 또한, 초기높이에 있어서 전극과 가공공작물 사이에 플라스마 아크를 형성한 후, 상기 플라스마 아크를 유지하면서 상기 초기높이보다 가공공작물로부터 떨어진 위치인 피어스높이로 플라스마 토치를 상대 이동시키고, 그 후 피어싱이 완료되기까지 플라스마 토치를 상기 피어스높이에 정지시킨 상태에서 플라스마 아크를 유지시키도록 되어 있으므로 피어싱시에 발생하는 스패터(용융금속의 비말)가 노즐에 부착되는 것을 방지할 수 있고, 스패터에 의한 노즐의 손상을 회피할 수 있다.

본 발명에 있어서 상기 파일럿 아크로부터 상기 메인 아크로 이행시킨 직후에 상기 파일럿 아크에 파일럿 전류를 공급하는 파일럿 전류회로에 있어서의, 상기 노즐에 연결되는 라인에 끼워넣어진 반도체 스위치에 의해 상기 파일럿 전류를 차단하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 파일럿 아크로부터 메인 아크로 이행시킨 후 에 전극과 노즐 간에 파일럿 전류가 흐르고 있는 시간을 아주 짧게 할 수 있으므로 파일럿 아크에 의한 노즐의 열화를 더욱 억제할 수 있다.

이어서, 본 발명에 의한 플라스마 가공방법의 구체적인 실시형태에 관해서 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시형태에 관한 플라스마 절단장치의 전체 사사도가 도시되어 있다. 또한, 도 2(a)에는 본 실시형태에 있어서의 플라스마 절단장치의 요부 개략 구성도가 도시되고, 도 2(b)~(f)에는 플라스마 아크 발생회로 및 그 작동을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

본 실시형태의 플라스마 절단장치(1)에 있어서는, 도 1에 도시되는 바와 같이, 피절단재(가공공작물)인 강판(W)을 지지하는 절단 정반(절단 가대)(2)이 직사각형상의 프레임(3)의 내측 공간에 배치됨과 아울러 이 프레임(3)을 걸치도록 문형상의 주행빔(4)이 배치되고, 이 주행빔(4) 상에 캐리지(5)가 배치되어서 이 캐리지 (5)에 플라스마 토치(6)가 장착되어 있다.

상기 주행빔(4)은 X축 모터(7)의 구동에 의해 프레임(3)의 길이방향(X축방향)으로 배치되는 X축 레일(8)을 따라서 X축방향으로 주행가능하게 되고, 상기 캐리지(5)는 Y축 모터(9)의 구동에 의해 주행빔(4) 상에 배치되는 Y축 레일(10)을 따라서 Y축 방향으로 주행가능하게 되어 있다. 또한, 상기 플라스마 토치(6)는 Z축 모터(11)의 구동에 의해 캐리지(5)에 대해서 상하방향(Z축방향)으로 이동가능하게 되어 있다. 이렇게 하여 각 모터(7,9,11)를 제어함으로써 플라스마 토치(6)는 강판 (W)의 임의의 위치로 이동됨과 아울러 임의의 높이위치로 위치결정되어서 강판(W) 의 절단가공이 행해진다.

상기 플라스마 토치(6)는, 도 2(a)에 도시되는 바와 같이, 선단부가 가느다란 대략 원통형상의 것으로서, 토치 케이블(12), 중계 박스(13) 및 전원 케이블 (14)을 통해서 플라스마 전원 유닛(15)의 일방의 단자(마이너스 단자)에 접속되고, 상기 플라스마 전원 유닛(15)의 타방의 단자(플러스 단자)는 모재 케이블(16)을 통해서 플라스마 토치(6)의 선방으로 배치되는 강판(W)에 접속되어 있다.

여기서, 플라스마 토치(6)는, 도 2(b)에 도시되는 바와 같이, 선단부에 있어서 중심위치에 배치되는 대략 원기둥형상의 전극(17)과, 이 전극(17)의 외주측을 덮도록 배치되는 대략 원통형상이고 또한 강판(W)에 대향하는 면(선단면)에 가느다른 구경(口徑)의 노즐 오리피스(18a)를 갖는 노즐(18)을 구비하여 이루어지고, 전극(17)과 노즐(18) 사이에는 작동가스통로(R)가 형성되어 있다. 이 작동가스통로 (R)에는 도시되지 않은 작동가스공급계통으로부터 작동가스(플라스마 가스: 본 실시형태에서는 산소)가 노즐(18)의 기단측으로부터 공급됨과 아울러 노즐 오리피스 (18a)로부터 강판(W)을 향하여 분출하도록 되어 있다.

또한, 상기 플라스마 토치(6)에 있어서의 전극(17)은 전원라인(20)을 통해서 플라스마 전극 유닛(15)에 있어서의 정전류 전원(15a)의 마이너스 단자에 접속되어 있다. 또한, 상기 정전류 전원(15a)에 있어서의 플러스 단자로부터의 전원라인은 파일럿 전류(Ip)를 공급하는 파일럿 전류회로(21), 및 메인 전류(Im)를 공급하는 메인 전류회로(22)의 2계통 라인으로 분기되고, 이들 각 계통라인이 각각 노즐(18) 및 강판(W)에 접속되어 있다.

상기 전원라인(20)에는 고주파 발생기(23)가 끼워넣어져 있고, 이 고주파 발생기(23)의 작동에 의해 전극(17)과 노즐(18) 사이에 불꽃방전을 일으키도록 되어 있다. 또한, 도 2(b) 중 부호 24로 도시되는 것은 고주파 바이패스용 콘덴서이다.

상기 파일럿 전류회로(21)에는 전극(17)과 노즐(18) 사이에 형성된 파일럿 아크(PA)[도 2(d) 참조]로부터 전극(17)과 강판(W) 사이에 형성되는 메인 아크(MA) [도 2(e) 참조]로 원활하게 이행시키기 위한 저항(25)과, 스위칭용 트랜지스터(반도체 스위치)(26)와, 전극(17)과 노즐(18) 사이에 흐르는 파일럿 전류(Ip)를 검출하는 파일럿 전류검출기(27)가 직렬로 접속되어 설치되어 있다. 여기서, 예컨대, 상기 플라스마 절단기(1)가 20암페어정도의 정격 파일럿 전류값 사양인 경우, 저항 (25)의 저항값이 2Ω미만이면 노즐(18)로의 유입전류가 극단적으로 증가하는 경향이 있으므로 상기 저항값은 2Ω이상인 것이 바람직하다(보다 바람직하게는 4~8Ω). 또한, 본 실시형태에 있어서 트랜지스터(26)의 베이스에는 도시가 생략되는 컨트롤러로부터의 제어지령신호가 입력되도록 되어 있다. 또한, 트랜지스터(26)는 스위칭 소자로서 IGBT와 같은 고속으로 작동하는 것을 채용하고 있다. 또한, 파일럿 전류회로(21)에 필요에 따라서 스위칭시의 서지(surge)를 흡수하기 위하여 다이오드 등으로 구성되는 서지 흡수용 회로(도시안함)를 추가하여도 좋다.

상기 메인 전류회로(22)에는 파일럿 아크(PA)의 선도에 의해 메인 아크(MA)가 형성되었을 때에(도 2(d)(e) 참조) 전극(17)과 강판(W) 사이에 메인 전류(Im)가 흐른 것을 검출하기 위한 메인 전류 검출기(28)가 끼워넣어져 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 예컨대, 3암페어정도의 작은 전류가 메인 전류회로(22)에 흐르면 이것 을 메인 전류 검출기(28)에 의해 검출하고, 곧바로 파일럿 전류회로(21)에 있어서의 트랜지스터(26)를 오프작용시켜서 전극(17)과 노즐(18) 사이에 흐르고 있는 파일럿 전류(Ip)를 순식간에 차단할 수 있도록 되어 있다. 이렇게 하여 전극(17)과 노즐(18) 사이에 파일럿 전류(Ip)가 흐르고 있는 시간을 아주 짧게 함으로써 파일럿 아크에 의한 노즐의 열화를 억제하도록 되어 있다.

이와 같이 구성되는 플라스마 아크 발생회로에 있어서는 플라스마 절단기(1)에 기동신호가 입력되면 정전류 전원(15a)이 작동되고, 도 2(b)에 도시되는 바와 같이, 트랜지스터(26)의 온작용에 의해 전극(17)이 마이너스로, 노즐(18) 및 강판(W)이 플러스로 되도록 직류전압이 인가된다. 이것과 동시에 플라스마 토치(6) 내의 작동가스통로(R)에 프리 플로우(pre-flow)로서의 산소가스가 공급된다. 또한, 상기 프리 플로우는 작동가스통로(R) 내의 공기를 완전히 산소로 치환함과 아울러 가스유량이 안정되기까지의 시간적 여유를 얻기 위하여 행해진다. 상기 프리 플로우 후, 도 2(c)에 도시되는 바와 같이, 고주파 발생기(23)의 작동에 의해 전극(17)과 노즐(18) 사이에 고주파 고전압이 인가되면 전극(17)과 노즐(18) 사이에 불꽃방전이 일어나고, 이 불꽃방전으로 인하여, 도 2(d)에 도시되는 바와 같이, 전극(17)과 노즐(18) 사이에 파일럿 아크(PA)가 형성되고, 정전류 전원(15a)으로부터 저항 (25) 및 트랜지스터(26)를 통해서 노즐(18), 또한, 파일럿 아크(PA)로부터 전극 (17)을 경유해서 정전류 전원(15a)으로 되돌아오는 회로를 파일럿 전류(Ip)가 흐른다. 또한, 이 때, 정전류 전원(15a)은 최대 출력을 나타내는 상태이고, 즉, 대략 정전압원으로서 기능하고 있으므로 상기 파일럿 전류(Ip)는 저항(25)에 의해서 수 하(垂下)특성이 주어지고, 전원특성과 아크전압이 평형한 상태에서 안정된다.

이어서, 도 2(e)에 도시되는 바와 같이, 파일럿 아크(PA)를 선도로 하여 전극(17)과 강판(W) 사이에 전기적 도통이 확보되면 상기 파일럿 전류(Ip)의 일부가 메인 전류(Im)로 되어서 강판(W)에 흘러 메인 아크(MA)가 형성된다. 이것을 메인 전류 검출기(28)로 검출하고, 트랜지스터(26)의 오프작용에 의해 전극(17)과 노즐 (18) 사이에 흐르는 파일럿 전류(Ip)를 차단함으로써 도 2(f)에 도시되는 바와 같은 메인 아크(MA)(플라스마 아크)만의 회로로 되고, 메인 전류(Im)만이 흐른다. 또한, 미리 설정된 절단전류값[메인 전류(Im)]을 유지하도록 메인 전류 검출기(28)의 출력값과 그 설정값을 비교하면서 정전류제어가 행해지고, 강판(W)에 대해서 피어싱이나 절단가공이 행해진다.

이어서, 이와 같이 하여 발생되는 플라스마 아크에 의해 강판(W)의 절단개시부에 관통구멍을 형성하는 피어싱에 관해서 도 3의 피어싱 동작 설명도를 참조하면서 공정마다 순서를 따라 설명한다. 또한, 여기서는 90A(암페어)의 출력을 갖는 산소 플라스마 절단기로 판두께 19mm의 연강판을 피어싱 스타트에 의해 절단하는 경우에 있어서의 피어싱을 예로 들어 설명한다.

[공정1: 도 3(a) 참조]

플라스마 토치(6)의 중심을 NC장치(도시생략)에 의해서 미리 지정되어 잇는 절단개시위치(피어싱위치)에 합치되도록 프리 플로우를 행하면서 이동시키고, 플라스마 토치(6)의 중심이 피어싱위치에 합치한 곳에 있어서 초기높이(FH), 즉, 플라스마 아크를 발생시켜서 피어싱을 개시할 때의 플라스마 토치(6)와 강판(W)의 거리 를 절단을 행할 때의 플라스마 토치(6)와 강판(W)의 거리인 절단높이(CH)와 같은 3mm로 하여 위치결정한다(공정1).

[공정2: 도 3(b)(c) 참조]

상기 공정1에 의한 플라스마 토치(6)의 위치결정 완료후, 플라스마 토치(6)의 전극(17)과 강판(W) 사이에 플라스마 아크를 발생시키고, 그 후 곧바로 스패터(용융금속의 비말)의 블로우 업에 의한 노즐(18)로의 스패터 부착을 피하기 위하여 상기 플라스마 아크를 유지하면서 초기높이(FH)보다 강판(W)으로부터 떨어진 위치에서, 또한, 스패터를 회피할 수 있는 높이인 피어스높이(PH)(PH=15mm)까지 플라스마 토치(6)를 피어싱이 진행하는 스피드보다 빠른 100mm/분으로 상승시킨다. 또한, 여기서 플라스마 아크를 발생시킬 때의 파일럿 전류(Ip)는 도 4(a)의 파일럿 전류-초기높이의 상관도로부터 9A이다.

[공정3: 도 3(c) 참조]

상기 공정2 후, 피어싱이 완료되기까지 플라스마 토치(6)를 상기 피어스높이 (PH)에 정지시킨 상태에서 플라스마 아크를 유지시킨다. 이 때의 유지시간은 1초정도이다.

[공정4: 도 3(d) 참조]

상기 공정3에 의한 피어싱의 완료후, 양호한 절단면을 얻을 수 있는 최적의 높이인 절단높이(CH)(CH=3mm)까지 플라스마 토치(6)를 하강시켜서 절단을 개시한다.

본 실시형태의 피어싱에서는 초기높이(FH)=3mm이기 때문에 도 4(a)로부터 파 일럿 전류(Ip)=9A로 되고, 도 4(b)로부터 노즐수명횟수[소정레벨의 절단품질을 유지할 수 있는 소성횟수]가 1000회 정도로 되었다. 종래는 CH=3mm에 대해서 FH=8mm이고, 도 4(a)로부터 Ip=24A, 따라서 도 4(b)로부터 노즐수명횟수가 300회정도이였다. 즉, 종래와 비교하여 노즐수명이 2배이상 연장되었다.

본 실시형태에 의하면 절단품질에 크게 영향을 주는 노즐(18)의 손상을 스패터에 의한 것뿐만 아니라 파일럿 아크(PA)에 의한 것에 관해서도 대폭적으로 경감할 수 있으므로 노즐의 장수명화를 실현할 수 있음으로써 노즐(18)의 교환에 수반되는 공정비용을 저감할 수 있을뿐만 아니라 절단품질을 장시간 안정하게 유지할 수 있으므로 작업성도 대폭적으로 향상시킬 수 있다라는 효과를 거둔다.

또한, 본 실시형태에 의하면 판두께에 의존하지 않고 초기높이를 낮은 위치로 설정할 수 있으므로 파일럿 아크(PA)로부터 메인 아크로의 이행이 용이하게 되고, 착화의 신뢰성이 향상한다라는 이점이 있다. 또한, 판두께에 의존하지 않고 초기높이를 일정하게 할 수도 있음으로써 파일럿 전류(Ip)의 조정이 불필요하게 되고, 취급이 용이하게 된다라는 이점도 있다.

Claims

플라스마 아크에 의해 가공공작물에 피어싱을 실시하고, 또한, 이 피어싱을 실시한 위치로부터 절단을 개시하는 플라스마 가공방법에 있어서,

(a) 상기 가공공작물과의 사이에 플라스마 아크를 형성하는 전극과 이 플라스마 아크의 모체가 되는 플라스마 가스를 분출시키는 노즐을 갖는 플라스마 토치를 상기 가공공작물의 피어싱위치로 상대 이동시키고, 상기 플라스마 토치를 가공공작물에 대해서 절단을 행할 때의 플라스마 토치와 가공공작물의 거리인 절단높이와 동일 또는 그 절단높이보다 가공공작물 부근에서 더블 아크가 일어나지 않는 높이인 초기높이로 상대 위치결정하는 제1공정;

(b) 상기 플라스마 토치의 위치결정후, 상기 전극과 노즐 사이에 발생시킨 파일럿 아크를 선도로 하여 상기 전극과 상기 가공공작물 사이의 메인 아크로 이행시킴으로써 플라스마 아크를 형성하고, 이 플라스마 아크를 유지하면서 상기 초기높이보다 가공공작물로부터 떨어진 위치인 피어스높이로 상기 플라스마 토치를 상대 이동시키는 제2공정;

(c) 피어싱이 완료되기까지 상기 플라스마 토치를 상기 피어스높이에 정지시킨 상태에서 상기 플라스마 아크를 유지시키는 제3공정; 및

(d) 상기 피어싱 완료후, 상기 절단높이로 플라스마 토치를 상대 이동시켜서 절단을 개시하는 제4공정을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 가공방법.
제1항에 있어서, 상기 파일럿 아크로부터 상기 메인 아크로 이행시킨 직후에 상기 파일럿 아크에 파일럿 전류를 공급하는 파일럿 전류회로에 있어서의, 상기 노즐에 연결되는 라인에 끼워넣어진 반도체 스위치에 의해 상기 파일럿 전류를 차단하는 것을 특징으로 하는 플라스마 가공방법.