KR20160102238A - 플라즈마 절단 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 토치에 설치한 전극의 수명을 연장시키기 위해, 전극에 전류를 인가하여 피절단재(B)에 플라즈마 아크가 미리 설정된 전류치로 상승하는 과정에서 스타트 가스를 플라즈마 가스로 전환하도록 한 플라즈마 절단 장치(A)에있어서, 스타트 가스 공급원(2a)과 스타트 가스 배관(2c)에 설치한 스타트 가스 전자 밸브(2b)를 갖는 스타트 가스 공급부(2), 플라즈마 가스 공급원(3a)과 플라즈마 가스 배관(3c)에 설치한 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)를 갖는 플라즈마 가스 공급부(3), 스타트 가스 공급부의 하류측 단부와 플라즈마 가스 공급부의 하류측 단부를 접속하는 플라즈마 가스 접속부(8), 플라즈마 가스 접속부(8)와 토치 본체(1a)를 접속하는 가스 배관부(5), 가스 배관부에 설치한 유량 유지 부재(4), 및 각 전자 밸브의 개폐를 제어하며 또한 유량 유지 부재를 제어하는 제어 장치(10)를 갖는 구성이다.

Description

플라즈마 절단 장치{PLASMA CUTTING APPARATUS}
본 발명은 플라즈마 절단 토치에 설치한 전극의 수명을 연장시킬 수 있는 플라즈마 절단 장치에 관한 것이다.
피절단재를 향해 플라즈마 아크를 분사하여 해당 피절단재를 절단하는 플라즈마 절단법이 보급되어 있다. 플라즈마 절단법을 실시할 때 사용하는 플라즈마 절단 장치는 플라즈마 절단 토치의 토치 본체에 설치한 도전성을 갖는 전극대에 탈착 가능하게 구성된 도전성을 갖는 전극, 전극을 둘러싸고 해당 전극에 절연된 상태로 배치되며 토치 본체에 탈착 가능하게 구성된 도전성을 갖는 노즐, 및 전극 주위에 플라즈마 아크를 형성하기 위한 플라즈마 가스를 공급하는 가스 공급원으로 구성되어 있다.
플라즈마 절단 토치를 사용하여 피절단재를 절단하는 경우, 우선 전극과 노즐 사이에 플라즈마 가스를 공급하면서 둘 사이에서 방전시켜서 파일럿 아크를 형성한다. 파일럿 아크를 노즐에서 피절단재를 향해 분사하여 전극과 피절단재 사이에서 방전시켜서 플라즈마 아크를 형성한다. 그리고 플라즈마 아크에 의해 모재를 용융함과 동시에 용융물을 배제하면서 플라즈마 절단 토치를 이동시킴으로써 피절단재를 절단할 수 있다.
산소를 포함하는 플라즈마 가스를 플라즈마화하여 피절단재를 향해 분사하여 절단하는 플라즈마 절단 토치에서는 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 홀더의 중심에 하프늄 또는 지르코늄 또는 이들의 합금으로 이루어진 전극 재료를 매설하여 고정한 전극을 사용하는 것이 일반적이다. 이와 같이 구성된 전극은 플라즈마 아크의 열에 의해 전극 재료가 용융되고 플라즈마 가스에 의해 산화되어 소모된다. 따라서 플라즈마 절단 토치의 전극의 수명을 어떻게 연장시킬 것인지가 과제이며, 이 과제를 해결하기 위해 많은 제안이 이루어지고 있는 실정이다.
예를 들어, 특허 문헌 1에 기재된 발명은 스타트 횟수가 많을수록 내구시간이 짧아진다는 견해에 근거하여 이루어진 플라즈마 절단 스타트 방법에 관한 것이다. 이 기술에서는 플라즈마 절단을 스타트할 때 플라즈마 가스(스타트 가스)를 산소 70 ~ 10몰%와 질소 30~ 90몰%의 혼합 가스를 사용하고 스타트 완료 후에 농도 95% 이상의 산소 가스(플라즈마 가스)로 전환하여 절단을 실시하도록 하고 있다.
특허 문헌 1에는 가스의 공급배관계(도 2)가 개시되어 있으며, 「플라즈마 절단 개시 시에는 혼합 가스 전자 밸브(9)가 열리고, 산소 전자 밸브(8)는 닫히게 되어 있다. 절단 스타트가 완료되면 혼합 가스 전자 밸브(9)가 닫히고, 산소 전자 밸브(8)는 열려서 플라즈마 가스가 산소로 전환된다. 전환 타이밍은 절단하는 판 두께에 따라 피어싱 시간이 다르기 때문에 미리 준비한 각 판 두께의 설정 타이머에 의해 이뤄진다」는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허 문헌 2에 기재된 발명은 플라즈마 아크에 의한 절단 및 용접을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 특허 문헌 2에는 질소/산소 전자 셀렉터 밸브(SV15)에 의해 산소 플라즈마 송급 라인(76)에 질소 또는 산소를 송급할 수 있고, 이 송급 라인에는 전자 밸브(SV1 ~ SV3)가 병렬로 접속되어 있으며, 각 전자 밸브(SV1 ~ SV3)에는 각각 유량 조정용 니들 밸브(MV1 ~ MV3)가 직렬로 접속되어 있다는 것이 기재되어 있다.
그리고 작업의 개시 지령이 나오면, SV2, 3이 동시에 개방되어 전극 주위에 SV15의 전환에 의해 선택된 가스를 니들 밸브(MV2, 3)에 의해 미리 설정된 유량의 가스를 송급하여 파일럿 아크를 개시한다. 그 후, 소정 시간이 경과한 후 SV3을 폐쇄하고, 다시 소정 시간이 경과했을 때 SV2에 추가로 SV1, 3을 개방한 후 SV2를 폐쇄하며 파일럿 아크를 플라즈마 아크로 전환했을 때 SV3을 폐쇄하여 SV1에서 송급된 가스에 의한 플라즈마 아크가 계속되게 한다.
특허 문헌 1 : 특허 제1525321호(특공소 64-9112호 공보) 특허 문헌 2 : 특허 제3172532호
플라즈마 절단 토치의 전극은 항상 수명을 연장시키는 것이 과제이며, 특허 문헌 1에 기재된 발명은 플라즈마 아크를 스타트할 때 산소 순도가 낮은 가스를 이용함으로써 문제를 해결하려고 하고 있다.
플라즈마 절단 토치에 설치한 전극에서 스타트 가스나 플라즈마 가스를 공급하는 전자 밸브까지의 사이에는 배관이나 호스가 존재하며, 이들의 내용적이 큰 것이 일반적이다. 특허 문헌 1에 기재된 발명도 혼합 가스 전자 밸브, 산소 전자 밸브에서 전극까지의 거리가 멀어서 이들 전자 밸브를 개방하고 나서 전극 주위에 목적 가스가 공급될 때까지 시간 지연이 발생한다. 이 때문에, 혼합 가스 전자 밸브를 폐쇄함과 동시에 산소 전자 밸브를 개방하는 동작을 실행했을 때, 전극 주위에 공급되는 가스의 유량이 변동하고 이 영향을 받아서 전극의 소모가 진행될 우려가 있다는 문제가 있다.
특허 문헌 2에 기재된 발명은 급속 충전 밸브(SV3)가 설치되어 있어 SV2를 개방할 때 및 SV1을 개방할 때 SV3을 동시에 소정 시간 개방함으로써 송급되는 가스의 유량을 증가시키고 있다. 그러나 SV1 ~ SV3의 유량은 MV1 ~ MV3에 의해 개별적으로 조정되기 때문에 SV1 ~ SV3의 개폐 동작시에 전극 주위의 가스의 유량이 변동하는 문제를 해소할 수 없다.
또한, 파일럿 아크 또는 플라즈마 아크를 형성할 때의 가스는 SV15의 전환에 의해 선택된 질소 또는 산소이며, 파일럿 아크에서 플라즈마 아크로 전환할 때 질소에서 산소로 전환하는 것은 사실상 곤란하다는 문제도 있다.
스타트 가스, 플라즈마 가스를 포함하는 가스 유체로는 전자 밸브가 개방된 순간 또는 폐쇄된 순간에 예를 들어, 도 3에 「유량」선(점선)으로 나타낸 종래예와 같이 큰 흐름의 변화가 생긴다. 이 때문에 전극 주위에 공급되는 가스의 유량이 변화하게 되고, 이 변화에 기인하여 전극의 소모가 진행될 우려가 있다.
본 발명의 목적은 플라즈마 절단 토치에 설치한 전극의 수명을 연장시킬 수 있는 플라즈마 절단 장치를 제공하는데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치는, 플라즈마 절단 토치에 설치한 전극에 플라즈마 전류를 인가하기에 앞서, 전극 주위에 스타트 가스를 공급하고 전극에 플라즈마 전류를 인가하여 피절단재에 플라즈마 아크가 미리 설정된 전류치로 상승하는 과정에서 상기 스타트 가스를 플라즈마 가스로 전환하도록 한 플라즈마 절단 장치로서, 스타트 가스 공급원과 스타트 가스 배관에 설치한 스타트 가스 전자 밸브를 가지며 전극에 스타트 가스를 공급하는 스타트 가스 공급부, 플라즈마 가스 공급원과 플라즈마 가스 배관에 설치한 플라즈마 가스 전자 밸브를 가지며 전극에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부, 상기 스타트 가스 공급부의 하류측 단부와 상기 플라즈마 가스 공급부의 하류측 단부를 접속하는 플라즈마 가스 접속부, 유량 유지 부재를 가지며 일단이 상기 플라즈마 가스 접속부에 접속되고 타단이 플라즈마 절단 토치에 접속되어 전극에 스타트 가스 또는 스타트 가스와 플라즈마 가스가 혼합된 가스 또는 플라즈마 가스를 공급하는 가스 배관부, 및 상기 스타트 가스 전자 밸브와 플라즈마 가스 전자 밸브의 개폐를 제어하면서 상기 유량 유지 부재를 제어하는 제어 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기 플라즈마 절단 장치는 스타트 가스를 공급하는 스타트 가스 공급부의 하류측 단부와 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부의 하류측 단부가 플라즈마 가스 접속부에 의해 접속되어 있다. 또한, 플라즈마 가스 접속부와 플라즈마 절단 토치를 가스 배관부에 의해 접속하며 가스 배관부에 유량 유지 부재가 설치되어 있다. 이 때문에 스타트 가스에서 플라즈마 가스로 전환했을 때 미리 설정된 유량을 유지하여 스타트 가스 또는 스타트 가스와 플라즈마 가스가 혼합된 가스 또는 플라즈마 가스를 공급할 수 있다.
상기와 같이 전극 주위에 미리 설정된 유량을 유지하여 스타트 가스에서 플라즈마 가스로 전환함으로써 전극의 소모를 줄일 수 있게 되어 전극의 수명을 연장시킬 수 있다. 특히, 플라즈마 가스를 산소 또는 공기로 하고, 스타트 가스를 플라즈마 가스보다 산소 농도가 낮거나 산소를 포함하지 않는 가스로 함으로써 스타트 시의 전극 산화를 수반하는 소모를 경감시킬 수 있다.
또한, 스타트 가스 공급부와 플라즈마 가스 공급부를 접속한 플라즈마 가스 접속부와 플라즈마 절단 토치를 접속하는 가스 배관부에, 유량 유지 부재가 설치되어 있다. 이 때문에 전극 주위에 공급하는 가스를 스타트 가스에서 플라즈마 가스로 변경할 때, 가스 배관부에 스타트 가스와 플라즈마 가스가 동시에 들어간 경우라도 이들 가스의 유량은 유량 유지 부재에 의해 유지된다. 즉, 스타트 가스와 플라즈마 가스가 플라즈마 가스 접속부에서 합류하여 가스 배관부에 유입됐을 때, 유량 유지 부재는 이들 가스의 합이 미리 설정된 유량이 되도록 유지하기 때문에 유량을 안정된 상태로 전극에 공급할 수 있다. 따라서, 전극 주위의 압력 변동을 경감시킬 수 있게 되어 전극의 수명을 더욱 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 플라즈마 절단 장치의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 플라즈마 절단 장치의 제어계를 설명하는 도이다.
도 3은 스타트 가스와 플라즈마 가스를 제어하는 타이밍 차트의 예이다.
이하, 본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치에 대해 설명한다. 본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치는 피절단재에 대한 절단을 개시할 때 전극 주위에 바람직하게는 플라즈마 가스보다 산소 농도가 낮거나 산소를 포함하지 않는 스타트 가스를 공급하여 스타트함으로써 전극 주위를 저산소 분위기로 하여 산화가 경감되도록 한 것이다.
특히, 스타트 가스 공급부와 플라즈마 가스 공급부의 하류측 단부가 플라즈마 가스 접속부를 통해 유량 유지 부재를 설치한 가스 배관부에 접속되어 있다. 이 때문에 스타트 가스에서 플라즈마 가스로 전환할 때 스타트 가스 전자 밸브를 차단하기에 앞서 플라즈마 가스 전자 밸브를 개방함으로써 전극 주위에 공급하는 가스의 유량이 변동하는 것을 경감시킬 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 절단 장치(A)는 플라즈마 절단 토치(이하, 단순히 「토치」라 한다)(1), 스타트 가스 공급부(2), 플라즈마 가스 공급부(3), 유량 유지 부재(4)를 설치한 가스 배관부(5), 전원(6), 및 냉각수 공급부(7)로 구성되어 있다. 스타트 가스 공급부(2)의 하류측 단부와 플라즈마 가스 공급부(3)의 하류측 단부는 플라즈마 가스 접속부(8)에서 접속되어 있으며, 상기 플라즈마 가스 접속부(8)가 가스 배관부(5)의 상류측 단부를 구성하고 있다. 그리고 토치(1)에서 피절단재(B)를 향해 플라즈마 아크를 분사하면서 토치(1)를 소정의 경로로 이동시킴으로써 피절단재(B)를 절단할 수 있도록 구성되어 있다.
토치(1)는 토치 본체(1a), 토치 본체(1a)에 탈착이 가능하게 설치된 전극(1b), 및 토치 본체(1a)에 탈착이 가능하게 설치된 전극(1b)을 둘러싸도록 형성되며 선단에 노즐 구멍(1d)이 형성된 노즐(1c)로 구성되어 있다. 그리고 전극(1b)과 노즐(1c)로 가스실(1e)이 구성되어 있으며, 상기 가스실(1e)에 스타트 가스 또는 스타트 가스와 플라즈마 가스가 혼합된 가스 또는 플라즈마 가스가 공급되어 플라즈마화됨으로써 파일럿 아크 또는 플라즈마 아크가 된다.
토치 본체(1a)의 내부에는 도시하지 않은 냉각수 통로가 형성되어 있으며, 이 냉각수 통로에 냉각수 공급부(7)가 접속되어 전극(1b), 노즐(1c)에 대한 냉각수의 공급 및 배수를 행한다.
전원(6)은 전극(1b), 노즐(1c) 및 피절단재(B)에 접속되어 있다. 그리고 가스실(1e)에 스타트 가스를 공급하면서 전극(1b)과 노즐(1c) 사이에서 방전시켜서 파일럿 아크를 형성하고, 이 파일럿 아크를 노즐 구멍(1d)에서 분사하여 전극(1b)과 피절단재(B) 사이에서 방전시켜서 플라즈마 아크를 형성하도록 구성되어 있다.
스타트 가스 공급부(2)는 스타트 가스 공급원(2a), 스타트 가스 전자 밸브(2b), 및 이들을 직렬로 접속하는 스타트 가스 배관(2c)을 가진다. 스타트 가스 공급원(2a)은 스타트 가스로 바람직한 가스, 예를 들면 산소 또는 공기로 이루어진 플라즈마 가스보다 산소 농도가 낮은 가스 또는 산소를 포함하지 않는 가스를 공급하는 것으로, 이러한 가스를 공급할 수 있는 것이면 된다.
플라즈마 가스보다 산소 농도가 낮은 스타트 가스의 공급원으로는 질소 또는 아르곤 가스와 산소를 미리 설정된 혼합비로 혼합시키는 가스 혼합 장치가 있다. 또한, 산소를 포함하지 않는 스타트 가스의 공급원으로는 질소나 아르곤 가스를 충전한 봄베 또는 공장 배관이 있다. 따라서 스타트 가스 공급원(2a)으로는 상기한 가스 혼합 장치나 봄베 혹은 공장 배관 등을 선택적으로 이용할 수 있다.
스타트 가스 전자 밸브(2b)는 후술하는 제어 장치(10)에 의해 제어되며, 토치(1)에 설치한 전극(1b)과 노즐(1c) 사이에 형성된 가스실(1e)에 스타트 가스를 공급하거나 스타트 가스의 공급을 차단하는 것이다.
플라즈마 가스 공급부(3)는 플라즈마 가스 공급원(3a), 플라즈마 가스 전자 밸브(3b), 및 이들을 직렬로 접속하는 플라즈마 가스 배관(3c)을 가진다. 플라즈마 가스 공급원(3a)은 산소 또는 공기를 공급하는 것으로, 산소 또는 공기를 공급할 수 있는 것이면 된다. 예를 들어, 산소의 공급원으로는 산소를 충전한 봄베나 공장 배관이 있으며, 공기의 공급원으로는 공기 압축기가 있다.
플라즈마 가스 전자 밸브(3b)는 제어 장치(10)에 의해 제어되며, 토치(1)에 설치한 전극(1b)과 노즐(1c) 사이에 형성된 가스실(1e)에 플라즈마 가스를 공급하거나 플라즈마 가스의 공급을 차단하는 것이다.
스타트 가스 공급부(2)를 구성하는 스타트 가스 배관(2c)의 하류측 단부와 플라즈마 가스 공급부(3)를 구성하는 플라즈마 가스 배관(3c)의 하류측 단부는 플라즈마 가스 접속부(8)에서 서로 접속되어 있다. 그리고 플라즈마 가스 접속부(8)를 상류측 단부로 하여 가스 배관부(5)가 구성되어 있다.
가스 배관부(5)는 플라즈마 가스 접속부(8)와 토치(1) 사이에 구성되며, 상기 가스 배관부(5)에 유량 유지 부재(4)가 설치되어 있다. 그리고 스타트 가스 공급부(2)로부터 공급된 스타트 가스와 플라즈마 가스 공급부(3)로부터 공급된 플라즈마 가스를 유량 유지 부재(4)에 설정되어 있는 유량으로 토치(1)에 형성된 가스실(1e)에 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
유량 유지 부재(4)는 가스 배관부(5)에 흐르는 가스를 미리 설정된 유량으로 유지하는 기능을 갖는 것이다. 따라서 유량을 유지하는 기능을 갖는 것이라면 어느 것이라도 이용할 수 있다. 유량 유지 부재(4)로는 유량의 변화를 감지했을 때 변화한 유량을 미리 설정된 유량으로 되돌리도록 제어하는 유량 일정 제어 장치 또는 유량 일정 제어 소자라 불리는 것(예를 들어, 특허 제3526942호 공보에 정유량소자(B)로 기재되어 있는 구성)이 유통되고 있으며 이들을 선택적으로 이용할 수 있다.
도 2는 플라즈마 절단 장치(A)를 구성하는 각 전자 밸브(2b, 3b) 및 유량 유지 부재(4)를 제어하기 위한 제어계를 설명하는 도이다. 도에서, 제어 장치(10)는 제어부(10a), 입력부(12)를 통해 입력된 데이터를 기억하는 데이터 기억부(10b), 타이머부(10c) 및 유량 유지 부재(4)에서의 동작을 제어하는 유체 제어부(10d)로 구성되어 있다.
11은 키보드 등의 입력 장치로 입력부(12)를 통해 스타트 가스나 플라즈마 가스의 유량, 및 피절단재(B)의 두께나 절단해야 하는 형상 등을 입력하는 것이다. 또한, 13은 출력부로 제어 장치(10)로부터의 출력 신호를 각 전자 밸브(2b, 3b), 유량 유지 부재(4)에 출력하는 것이다.
스타트 가스의 유량 및 플라즈마 가스의 유량은 미리 입력 장치(11)에서 입력되어 제어 장치(10)의 데이터 기억부(10b)에 기억되어 있다. 그리고 스타트 가스 전자 밸브(2b)에 대한 개방 신호의 발생에 동기하여 유체 제어부(10d)에서 유량 유지 부재(4)에 대해 미리 기억된 스타트 가스의 유량이 출력되고, 유량 유지 부재(4)에서는 가스 배관부(5)에 흐르는 스타트 가스의 유량을 유지하도록 제어한다. 상기와 마찬가지로 플라즈마 가스의 유량도 데이터 기억부(10b)에 기억되어 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)의 개방 신호의 발생에 동기하여 유량 유지 부재(4)에 플라즈마 가스의 유량이 출력됨으로써 가스 배관부(5)에 흐르는 플라즈마 가스의 유량을 유지하도록 제어한다.
특히 스타트 가스에서 플라즈마 가스로 전환할 때에는, 가스 배관부(5)에 스타트 가스 배관(2c)과 플라즈마 가스 배관(3c)에서 스타트 가스와 플라즈마 가스가 공급되게 된다. 즉, 스타트 가스 전자 밸브(2b)가 폐쇄되어 스타트 가스의 공급이 차단될 때까지 가스 배관부(5)에는 스타트 가스와 플라즈마 가스가 혼합된 상태로 유통되게 된다. 그리고 스타트 가스 전자 밸브(2b)의 폐쇄 타이밍과 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)의 개방 타이밍에 차이가 발생했을 때, 플라즈마 가스 접속부(8)에서 스타트 가스와 플라즈마 가스가 합류하여 가스 배관부(5)에 흐르는 혼합 가스의 유량이 증가 또는 감소할 우려가 있다.
그러나 플라즈마 가스 접속부(8)보다 하류측의 가스 배관부(5)에 유량 유지 부재(4)가 설치되어 있기 때문에 각 전자 밸브(2b, 3b)의 개폐 타이밍에 차이가 생긴 경우라도 가스 배관부(5)에서의 혼합 가스의 유량을 플라즈마 가스에 대해 미리 설정된 값으로 제어하는 것이 가능하다. 즉, 유량 유지 부재(4)는 가스 배관부(5)에 흐르는 가스의 유량을 미리 설정된 값으로 유지하도록 제어하는 것이며, 유량 유지 부재(4)에 공급된 가스의 유량이 미리 설정된 유량에서 벗어난 경우 미리 설정된 유량이 되도록 제어할 수 있다.
따라서, 가스 배관부(5)의 유량 유지 부재(4)의 하류측에서의 가스의 유량은 미리 설정된 유량으로 일정하게 되지만, 상류측의 유량이 급격하게 크게 변화한 경우에는 해당 유량 유지 부재(4)가 반응하여 대처하는데 시간이 필요하여 하류측에서의 가스의 유량도 미리 설정된 유량과 비교하여 변화한다. 특히, 가스 유체는 전자 밸브를 개방한 순간, 폐쇄한 순간에 큰 흐름의 변화가 발생하므로 유량 유지 부재(4)의 하류측에서의 가스의 유량은 미리 설정된 유량과 비교하여 변화하게 되고 소정 시간(1초 이내)이 경과한 후 미리 설정된 유량으로 유지된다.
상기와 같이 구성된 플라즈마 절단 장치(A)의 절단 개시 시의 스타트 가스 전자 밸브(2b)와 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)의 개폐 및 통전 타이밍에 대해 도 3을 이용하여 설명한다. 도에서 「유량」선은 가스실(1e)에서의 스타트 가스와 플라즈마 가스를 포함하는 가스(스타트 가스 단독에서 스타트 가스와 플라즈마 가스의 혼합 가스를 거쳐 플라즈마 가스 단독으로 변화한다)의 유량의 변화를 나타내며, 종래예와 본 실시예가 다른 부분에는 종래예를 점선으로, 본 실시예를 실선으로 표시하였으며, 「플라즈마 아크 전류」 선은 전극(1b)에 통전하는 전류치의 변화를 나타낸다.
본 실시예에서는 스타트 가스 전자 밸브(2b)의 개폐 타이밍(도 3에 나타낸 「스타트 가스 전자 밸브(2b) ON, OFF」) 및 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)의 개폐 타이밍(도 3에 나타낸 「플라즈마 가스 전자 밸브(3b) ON, OFF」)은 전극(1b)에 대한 통전의 개시(도 3에 나타낸 「플라즈마 아크 전류 ON」)를 기준으로 설정된다.
스타트 가스 전자 밸브(2b)는 전극(1b)에 대한 통전을 개시하는 시점인 플라즈마 아크 ON보다 이전에 충분한 시간(예를 들어, 1초 ~ 1.5초)을 유지하고 개방(스타트 가스 ON)된다. 이 때문에 토치(1)에 형성된 가스실(1e)에는 안정된 유량을 유지한 스타트 가스가 공급된다. 그리고 플라즈마 아크 ON에서 0.5초 경과했을 때 폐쇄(스타트 가스 OFF)된다.
그러나 도 3에 나타낸 본 실시예의 「유량」선(실선)에서는 스타트 가스 OFF로 한 후 가스의 유량이 감소하고 있다. 이는 같은 도에 「플라즈마 아크 전류」 선으로 나타낸 바와 같이 전극(1b)에 통전되는 전류는 플라즈마 아크 ON 신호에 의해 통전을 개시한 후 수 초에 미리 설정된 전류치(예를 들어, 400암페어)로 상승하는 과장에서 스타트 가스 및 플라즈마 가스가 플라즈마화함에 따른 유량의 저하에 기인하며, 유량 유지 부재(4)가 이 가스의 유량의 변화에 대응할 때까지 하류측의 가스 유량이 저하된 것이다.
이 스타트 가스 및 플라즈마 가스의 유량 변화는 플라즈마 아크 전류가 미리 설정된 전류치(예를 들어, 400암페어)로 상승하기까지의 시간을 1.5초 ~ 3초로 길게 설정하거나 스타트 가스의 유량을 플라즈마 가스의 유량보다 5% ~ 50% 낮게 설정함으로써 작게 할 수 있다.
또한, 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)는 전극(1b)에 대한 통전을 개시하는 시점인 플라즈마 아크 ON에서 0.4초 경과한 후 개방(플라즈마 가스 ON)되며, 스타트 가스 전자 밸브(2b)가 차단되는 시점보다 0.1초전에 개방된다. 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)가 개방됨에 따라 플라즈마 가스는 본 실시예의 「유량」선(실선)으로 나타낸 바와 같이 유량 유지 부재(4)에 의해 제어되어 미리 설정된 유량으로 안정된다.
동일 도면에 나타낸 본 실시예의 「유량」선(실선)이 플라즈마 가스 ON 됐을 때보다 가스의 유량이 상승하는 것은 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)가 OFF에서 ON으로 변경됨에 따른 유량 유지 부재(4)의 상류측의 가스 유량의 급격한 변화에 기인하며, 유량 유지 부재(4)가 상류측의 가스 유량의 변화에 대응할 때까지 하류측의 가스 유량이 상승한 것이다.
동일 도면에 「플라즈마 아크 전류」 선으로 나타낸 바와 같이 전극(1b)에 통전되는 전류는 플라즈마 아크 ON 신호에 의해 통전을 개시한 후, 수 초의 상승 시간이 경과했을 때, 미리 설정된 전류치(예를 들어, 400암페어)까지 상승한다. 그리고 이 상승 과정에서 스타트 가스에서 플라즈마 가스로 전환된다.
본 실시예에서 스타트 가스의 유량은 분당 40 노말리터(NL/min)로 설정되어 있으며, 플라즈마 가스의 유량도 40NL/min로 설정되어 있다. 따라서, 미리 설정된 스타트 가스 및 플라즈마 가스 유량을 입력 장치(11)에서 제어 장치(10)의 데이터 기억부(10b)에 기억해 둔다.
그리고 도시하지 않은 조작 스위치에 의해 플라즈마 절단의 개시 신호가 발생하면 우선 스타트 가스 전자 밸브(2b)가 개방되며 동시에 유량 유지 부재(4)에 대해 유체 제어부(10d)에서 스타트 가스의 유량 40NL/min에 대응한 제어 신호가 출력된다. 이에 의해 스타트 가스는 미리 설정된 유량을 유지하여 토치(1)에 형성된 가스실(1e)에 공급된다.
가스실(1e)에 스타트 가스가 공급되는 동안 전원(6)에 대해 플라즈마 아크 ON 신호가 발생하고 전극(1b)과 노즐(1c) 사이에서 방전되어 파일럿 아크, 이어서 플라즈마 아크가 형성된다. 이 스타트 가스는 플라즈마 가스보다 산소 농도가 낮거나 산소를 포함하지 않는 가스에 의해 형성되기 때문에 전극의 소모를 경감시킬 수 있다.
플라즈마 아크 ON 신호가 발생하고 0.4초가 경과했을 때 플라즈마 가스 전자 밸브(3b)에 대해 플라즈마 가스 ON 신호가 발생하여 플라즈마 가스 배관(3c)에서 유량 유지 부재(4)에 플라즈마 가스가 공급된다. 동시에 유체 제어부(10d)에서 유량 유지 부재(4)에 대해 플라즈마 가스의 유량 40NL/min에 대응한 제어 신호가 출력된다.
이 시점에서 유량 유지 부재(4)에는 스타트 가스와 플라즈마 가스가 동시에 공급되게 되고, 지시된 유량인 40NL/min보다 큰 유량의 가스가 공급된다. 이 때문에 유량 유지 부재(4)에서는 설정 유량보다 큰 유량임을 감지하여 설정된 유량을 유지하도록 제어하려고 한다.
플라즈마 아크 ON 신호가 발생하고 0.5초가 경과했을 때 스타트 가스 전자 밸브(2b)에 대해 스타트 가스 OFF 신호가 발생하여 폐쇄되어 스타트 가스 배관(2c)에서 유량 유지 부재(4)로의 스타트 가스의 공급이 정지된다.
이 때문에 유량 유지 부재(4)에서는 플라즈마 가스의 공급 개시 시의 순간적인 대유량과 스타트 가스의 정지에 따른 비교적 완만한 흐름의 감소가 중첩된 가스가 공급되게 된다. 따라서, 이와 같이 복잡하게 유량이 변화하는 가스가 공급되는 유량 유지 부재(4)라도 플라즈마 가스의 설정 유량이 되도록 제어하여 안정될 때까지 필요한 시간이 짧다(약 0.2초 정도).
가스실(1e)에 공급되는 가스가 스타트 가스에서 플라즈마 가스로 전환되는 동안 전극(1b)과 피절단재(B) 사이에서 방전되어 플라즈마 아크가 형성된다. 그 후, 스타트 가스가 완전히 정지하여 가스실(1e)에는 플라즈마 가스만이 공급되고 계속해서 플라즈마 아크가 형성된다.
따라서, 상기 상태에서 피절단재(B)에 대한 절단을 실행할 수 있게 된다.
상기와 같이, 본 실시예에서는 스타트 가스 배관(2c)과 플라즈마 가스 배관(3c)을 접속한 플라즈마 가스 접속부(8)와 토치(1)를 접속하는 가스 배관부(5)에 유량 유지 부재(4)를 설치했기 때문에 상기 유량 유지 부재(4)의 상류측에서 공급되는 가스의 유량이 변화한 경우라도 하류측에는 안정된 유량을 유지할 수 있게 된다. 따라서 가스실(1e)에서의 가스의 유량 변동을 경감할 수 있게 되어 전극의 수명을 연장할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치(A)와 당사의 종래 제품을 비교 실험한 결과, 충분히 수명이 연장되었다. 즉, 이 비교 실험은 본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치(A)(토치 A)와 종래의 플라즈마 절단 장치(토치 S)를 이용하여 전류를 130A ~ 400A의 범위에서 변화시켜 수명(분)을 측정하여 종래의 전극 수명에 대한 본 발명의 전극 수명의 비율을 구한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
전류치가 130A ~ 260A의 범위에서는 토치 A의 수명이 토치 S의 약 2.5배 ~ 1.5배였다. 전류치가 260A ~ 400A의 범위에서는 토치 A의 수명이 토치 S의 약 1.5배 ~ 1.2배였다.
상기와 같이 어떠한 전류치로 절단을 실시한 경우라도 본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치(A)가 종래의 플라즈마 절단 장치(S)보다 수명이 연장되는 것이 분명하다.
본 발명에 따른 플라즈마 절단 장치(A)는 강판을 절단할 때 사용하면 유리하다.
A 플라즈마 절단 장치
B 피절단재
1 플라즈마 절단 토치, 토치
1a 토치 본체
1b 전극
1c 노즐
1d 노즐 구멍
1e 가스실
2 스타트 가스 공급부
2a 스타트 가스 공급원
2b 스타트 가스 전자 밸브
2c 스타트 가스 배관
3 플라즈마 가스 공급부
3a 플라즈마 가스 공급원
3b 플라즈마 가스 전자 밸브
3c 플라즈마 가스 배관
4 유량 유지 부재
5 가스 배관부
6 전원
7 냉각수 공급부
8 플라즈마 가스 접속부
10 제어 장치
10a 제어부
10b 데이터 기억부
10c 타이머부
10d 유체 제어부
11 입력 장치
12 입력부
13 출력부

Claims (4)

  1. 플라즈마 절단 토치에 설치한 전극에 플라즈마 전류를 인가하기에 앞서 전극 주위에 스타트 가스를 공급하고 전극에 플라즈마 전류를 인가하여 플라즈마 아크가 미리 설정된 전류치로 상승하는 과정에서 상기 스타트 가스를 플라즈마 가스로 전환하도록 한 플라즈마 절단 장치로,
    스타트 가스 공급원과 스타트 가스 배관에 설치한 스타트 가스 전자 밸브를 가지며, 전극에 스타트 가스를 공급하는 스타트 가스 공급부;
    플라즈마 가스 공급원과 플라즈마 가스 배관에 설치한 플라즈마 가스 전자 밸브를 가지며, 전극에 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부;
    상기 스타트 가스 공급부의 하류측 단부와 상기 플라즈마 가스 공급부의 하류측 단부를 접속하는 플라즈마 가스 접속부;
    유량 유지 부재를 가지며, 일단이 상기 플라즈마 가스 접속부에 접속되고 타단이 플라즈마 절단 토치에 접속되어 전극에 스타트 가스 또는 스타트 가스와 플라즈마 가스가 혼합된 가스 또는 플라즈마 가스를 공급하는 가스 배관부; 및
    상기 스타트 가스 전자 밸브, 플라즈마 가스 전자 밸브의 개폐를 제어하고 또한 상기 유량 유지 부재를 제어하는 제어 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스타트 가스는 상기 플라즈마 가스의 산소 농도보다 낮은 산소 농도의 가스이거나 또는 산소를 포함하지 않는 가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 유량 유지 부재는 상기 플라즈마 가스 접속부에서 공급되는 스타트 가스 또는 플라즈마 가스 또는 스타트 가스 및 플라즈마 가스의 유량이 변화했을 때 변화한 유량을 미리 설정된 유량으로 유지하는 것임을 특징으로 하는 플라즈마 절단 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 플라즈마 절단 토치에 설치한 전극에 플라즈마 전류를 인가하기에 앞서, 상기 유량 유지 부재에 대해 유지해야 하는 상기 가스 배관부에서의 가스 유량을 지시하면서 상기 스타트 가스 전자 밸브를 개방하고 전극에 플라즈마 전류를 인가하여 플라즈마 아크가 미리 설정된 전류치로 상승하는 과정에서 상기 플라즈마 가스 전자 밸브를 개방하고 그 후 상기 스타트 가스 전자 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것임을 특징으로 하는 플라즈마 절단 장치.
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