WO2015098603A1 - プラズマ切断装置 - Google Patents

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gas
plasma
flow rate
electrode
solenoid valve
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隆二 小林
正裕 茂木
昭 古城
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小池酸素工業株式会社
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    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a plasma cutting apparatus that can extend the life of an electrode provided in a plasma cutting torch.
  • a plasma cutting method is widely used in which a plasma arc is sprayed toward a workpiece to cut the workpiece.
  • a plasma cutting apparatus used for performing the plasma cutting method includes a conductive electrode configured to be detachable from a conductive electrode base provided on a torch body of a plasma cutting torch, A conductive nozzle arranged in a state insulated from the electrode and configured to be detachable from the torch body; and a gas supply source for supplying a plasma gas for forming a plasma arc around the electrode; It is configured.
  • a plasma arc is supplied between the electrode and the nozzle while discharging between them to form a pilot arc.
  • a pilot arc is sprayed from the nozzle toward the material to be cut, and is discharged between the electrode and the material to be cut to form a plasma arc.
  • disconnect a to-be-cut material by moving a plasma cutting torch, fuse
  • an electrode material made of hafnium, zirconium, or an alloy thereof is embedded and fixed in the center of a holder made of copper or a copper alloy. It is common to use electrodes. In the electrode configured as described above, the electrode material is melted by the heat of the plasma arc, and is oxidized and consumed by the plasma gas. For this reason, there is a problem of how to extend the life of the electrode of the plasma cutting torch, and many proposals have been made to solve this problem.
  • the invention described in Patent Document 1 relates to a plasma cutting start method made based on the knowledge that the durability time becomes shorter as the number of start times increases.
  • a plasma gas is a mixed gas of oxygen of 70 to 10 mol% and nitrogen of 30 to 90 mol%. Switching to (plasma gas) is performed for cutting.
  • Patent Document 1 discloses a gas supply piping system (FIG. 2). “At the start of plasma cutting, the mixed gas solenoid valve 9 is open and the oxygen solenoid valve 8 is closed. Cutting is started. Is completed, the mixed gas solenoid valve 9 is closed, the oxygen solenoid valve 8 is opened, and the plasma gas is switched to oxygen, since the piercing time differs depending on the plate thickness to be cut. “It is performed by a setting timer for each plate thickness”.
  • Patent Document 2 The invention described in Patent Document 2 relates to a method and apparatus for cutting and welding by plasma arc.
  • nitrogen or oxygen can be supplied to an oxygen plasma supply line (76) by a nitrogen / oxygen solenoid selector valve SV15, and solenoid valves SV1 to SV3 are connected in parallel to the supply line. It is described that needle valves MV1 to MV3 for flow rate adjustment are connected in series to the solenoid valves SV1 to SV3, respectively.
  • the SVs 2 and 3 are simultaneously opened, and the gas selected by the switching of the SV 15 around the electrodes is supplied with a gas having a flow rate set in advance by the needle valves MV2 and 3. Start pilot arc. After that, when a predetermined time has elapsed, SV3 is closed. When a further predetermined time has elapsed, SV1 and 3 are opened in addition to SV2, then SV2 is closed, and when the pilot arc is switched to a plasma arc, SV3 is The plasma arc by the gas supplied from SV1 is closed and continued.
  • Patent 1525321 Japanese Patent Publication No. 64-9112
  • the electrode of the plasma cutting torch has a problem of always extending the life, and the invention described in Patent Document 1 uses a gas with low oxygen purity when starting a plasma arc. By trying to solve the problem.
  • a quick filling valve SV3 is provided, and when the SV2 is opened and when the SV1 is opened, the gas supplied by opening the SV3 simultaneously for a predetermined time is provided.
  • the flow rate is increasing.
  • the flow rates of SV1 to SV3 are individually adjusted by MV1 to MV3, and the problem that the flow rate of gas around the electrodes fluctuates during the opening and closing operations of SV1 to SV3 cannot be solved.
  • the gas for forming the pilot arc or plasma arc is nitrogen or oxygen selected by switching SV15, and it is practically difficult to switch from nitrogen to oxygen when switching from pilot arc to plasma arc. There is also a problem.
  • An object of the present invention is to provide a plasma cutting apparatus capable of extending the life of an electrode provided in a plasma cutting torch.
  • the plasma cutting apparatus supplies a start gas around the electrode and applies the plasma current to the electrode before applying the plasma current to the electrode provided in the plasma cutting torch.
  • a plasma gas supply unit to be supplied, a downstream end of the start gas supply unit, and a downstream end of the plasma gas supply unit are connected.
  • It has a horra gas connection part and a flow rate holding member, one end is connected to the plasma gas connection part and the other end is connected to the plasma cutting torch, and a gas or plasma gas mixed with start gas or start gas and plasma gas is supplied to the electrode It has a gas piping part, and a control device for controlling the opening and closing of the start gas solenoid valve and the plasma gas solenoid valve and controlling the flow rate holding member.
  • the downstream end of the start gas supply unit that supplies the start gas and the downstream end of the plasma gas supply unit that supplies the plasma gas are connected by the plasma gas connection unit. Further, the plasma gas connection part and the plasma cutting torch are connected by a gas pipe part, and a flow rate holding member is provided in the gas pipe part. For this reason, when the start gas is switched to the plasma gas, it is possible to supply a start gas or a gas mixed with the start gas and the plasma gas while maintaining a preset flow rate.
  • the plasma gas is oxygen or air
  • the start gas is a gas whose oxygen concentration is lower than that of the plasma gas or does not contain oxygen, thereby reducing the consumption associated with the oxidation of the electrode at the start.
  • a flow rate holding member is provided in the plasma gas connection part connecting the start gas supply part and the plasma gas supply part and the gas pipe part connecting the plasma cutting torch.
  • the plasma cutting apparatus When the plasma cutting device according to the present invention starts cutting the material to be cut, it is preferably started by supplying a start gas having an oxygen concentration lower than the plasma gas or not containing oxygen to the periphery of the electrode, The oxidation is reduced by setting a low oxygen atmosphere around the electrode.
  • the downstream end of the start gas supply unit and the plasma gas supply unit are connected to a gas pipe unit provided with a flow rate holding member via a plasma gas connection unit. For this reason, when switching from the start gas to the plasma gas, the plasma gas solenoid valve is opened prior to shutting off the start gas solenoid valve, thereby reducing fluctuations in the flow rate of the gas supplied around the electrode. It is possible.
  • a plasma cutting apparatus A includes a gas pipe provided with a plasma cutting torch (hereinafter simply referred to as “torch”) 1, a start gas supply unit 2, a plasma gas supply unit 3, and a flow rate holding member 4.
  • the unit 5 includes a power source 6 and a cooling water supply unit 7.
  • the downstream end of the start gas supply unit 2 and the downstream end of the plasma gas supply unit 3 are connected at a plasma gas connection unit 8, and the plasma gas connection unit 8 is connected to the upstream end of the gas pipe unit 5.
  • it is comprised so that the to-be-cut material B can be cut
  • the torch 1 has a torch body 1a, an electrode 1b that is detachably provided on the torch body 1a, a detachably provided on the torch body 1a, and is formed so as to surround the electrode 1b, and a nozzle hole 1d is formed at the tip. And a nozzle 1c.
  • a gas chamber 1e is constituted by the electrode 1b and the nozzle 1c, and a pilot arc is formed by supplying the gas chamber 1e with a start gas or a gas mixed with a start gas and a plasma gas or a plasma gas. Or it becomes a plasma arc.
  • a cooling water passage (not shown) is formed inside the torch body 1a, and a cooling water supply unit 7 is connected to the cooling water passage to supply and drain the cooling water to the electrode 1b and the nozzle 1c.
  • the power source 6 is connected to the electrode 1b, the nozzle 1c, and the material B to be cut.
  • a pilot arc is formed by discharging between the electrode 1b and the nozzle 1c while supplying a start gas to the gas chamber 1e, and this pilot arc is ejected from the nozzle hole 1d to cause the electrode 1b and the material B to be cut.
  • the plasma arc is formed by discharging between them.
  • the start gas supply unit 2 includes a start gas supply source 2a, a start gas solenoid valve 2b, and a start gas pipe 2c that connects them in series.
  • the start gas supply source 2a supplies a gas preferable as a start gas, for example, a gas having a lower oxygen concentration than a plasma gas composed of oxygen or air, or a gas that does not contain oxygen, and supplies such a gas. Anything is possible.
  • a gas mixing device that mixes nitrogen or argon gas and oxygen at a preset mixing ratio.
  • a supply source of the start gas that does not contain oxygen there are a cylinder filled with nitrogen or argon gas, or a factory pipe. For this reason, as the start gas supply source 2a, it is possible to selectively use the gas mixing device, the cylinder, the factory piping, or the like.
  • the start gas solenoid valve 2b is controlled by a control device 10 to be described later, and supplies the start gas to the gas chamber 1e formed between the electrode 1b provided in the torch 1 and the nozzle 1c, or shuts off the supply of the start gas. Is.
  • the plasma gas supply unit 3 includes a plasma gas supply source 3a, a plasma gas electromagnetic valve 3b, and a plasma gas pipe 3c that connects them in series.
  • the plasma gas supply source 3a supplies oxygen or air and may be any one that can supply oxygen or air.
  • oxygen supply sources include cylinders filled with oxygen and factory piping
  • air supply sources include air compressors.
  • the plasma gas solenoid valve 3b is controlled by the control device 10, and supplies plasma gas to the gas chamber 1e formed between the electrode 1b provided on the torch 1 and the nozzle 1c, or shuts off the supply of plasma gas. is there.
  • the downstream end of the start gas pipe 2 c constituting the start gas supply unit 2 and the downstream end of the plasma gas pipe 3 c constituting the plasma gas supply unit 3 are connected to each other by a plasma gas connection unit 8.
  • the gas piping part 5 is comprised by using the plasma gas connection part 8 as an upstream edge part.
  • the gas pipe part 5 is configured between the plasma gas connection part 8 and the torch 1, and the gas pipe 5 is provided with a flow rate holding member 4.
  • the start gas supplied from the start gas supply unit 2 and the plasma gas supplied from the plasma gas supply unit 3 are supplied to the gas chamber 1e formed in the torch 1 at a flow rate set in the flow rate holding member 4. Configured to get.
  • the flow rate holding member 4 has a function of holding the gas flowing through the gas piping unit 5 at a preset flow rate. For this reason, if it has the function to hold
  • the flow rate holding member 4 is a so-called constant flow rate control device or a constant flow rate control element that controls to return the changed flow rate to a preset flow rate when a change in the flow rate is sensed (for example, in Japanese Patent No. 3526942).
  • the configuration described as the constant flow element B) is in circulation and can be selectively used.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a control system for controlling the electromagnetic valves 2b and 3b and the flow rate holding member 4 constituting the plasma cutting apparatus A.
  • a control device 10 controls operations in a control unit 10 a, a data storage unit 10 b that stores data input via an input unit 12, a timer unit 10 c, and a flow rate holding member 4.
  • a fluid control unit 10d controls operations in a control unit 10 a, a data storage unit 10 b that stores data input via an input unit 12, a timer unit 10 c, and a flow rate holding member 4.
  • Reference numeral 13 denotes an output unit which outputs an output signal from the control device 10 to each of the electromagnetic valves 2b and 3b and the flow rate holding member 4.
  • the flow rate of the start gas and the flow rate of the plasma gas are previously input from the input device 11 and stored in the data storage unit 10b of the control device 10.
  • the flow rate of the start gas stored in advance to the flow rate holding member 4 is output from the fluid control unit 10d. Control to maintain the flow rate of the flowing start gas.
  • the flow rate of the plasma gas is also stored in the data storage unit 10b, and in synchronization with the generation of the opening signal of the plasma gas electromagnetic valve 3b, the flow rate of the plasma gas is output to the flow rate holding member 4, so that the gas piping unit Control is performed so as to maintain the flow rate of the plasma gas flowing in the flow rate 5.
  • the start gas and the plasma gas are supplied to the gas pipe portion 5 from the start gas pipe 2c and the plasma gas pipe 3c. That is, until the start gas solenoid valve 2b is closed and the supply of the start gas is shut off, the start gas and the plasma gas are circulated in the gas pipe portion 5 in a mixed state.
  • the start timing of the start gas solenoid valve 2 b and the opening timing of the plasma gas solenoid valve 3 b are different, the mixed gas that flows into the gas pipe section 5 by the start gas and the plasma gas merged at the plasma gas connection section 8. There is a risk that the flow rate increases or decreases.
  • the flow rate holding member 4 is provided in the gas pipe part 5 on the downstream side of the plasma gas connection part 8, even when the opening / closing timing of the electromagnetic valves 2b and 3b is deviated, the gas pipe part 5 It is possible to control the flow rate of the mixed gas in the plasma gas to a preset value.
  • the flow rate holding member 4 controls the flow rate of the gas flowing through the gas piping unit 5 to a preset value, and the flow rate of the gas supplied to the flow rate holding member 4 is set to a preset flow rate.
  • the flow rate of the gas downstream of the flow rate holding member 4 in the gas piping unit 5 is constant at a preset flow rate, but when the upstream flow rate changes drastically, the flow rate holding member 4 It takes time to react and deal with, and the flow rate of the gas on the downstream side also changes compared to a preset flow rate.
  • a large flow change occurs at the moment when the solenoid valve is opened and closed, so that the gas flow rate on the downstream side of the flow rate holding member 4 changes compared to a preset flow rate.
  • the flow rate is maintained at a preset value.
  • the “flow rate” line indicates the change in the flow rate of the gas containing the start gas and the plasma gas (from the start gas alone to the plasma gas alone through the mixed gas of the start gas and the plasma gas) in the gas chamber 1e.
  • the conventional example is indicated by a dotted line, and in the present example by a solid line, and the line of “plasma arc current” indicates a change in the value of the current applied to the electrode 1b. ing.
  • the opening / closing timing of the start gas solenoid valve 2b (“start gas solenoid valve (2b) ON, OFF” shown in FIG. 3) and the opening / closing timing of the plasma gas solenoid valve 3b (“plasma gas solenoid” shown in FIG. 3)
  • the valve (3b) ON, OFF ") is set with reference to the start of energization of the electrode 1b (" plasma arc current ON "shown in FIG. 3).
  • the start gas solenoid valve 2b is opened (start gas ON) while maintaining a sufficient time (for example, 1 second to 1.5 seconds) before the plasma arc ON, which is the time when the energization to the electrode 1b is started. For this reason, a start gas having a stable flow rate is supplied to the gas chamber 1 e formed in the torch 1. And when 0.5 second passes since plasma arc ON, it is closed (start gas OFF).
  • the gas flow rate decreases after the start gas is turned off.
  • the current applied to the electrode 1b is a current value set in advance (for example, 400 amperes) within a few seconds after starting the energization by the plasma arc ON signal.
  • the start gas and the plasma gas are converted into plasma in the process of rising, and the flow rate of the gas on the downstream side is reduced until the flow rate holding member 4 responds to the change in the gas flow rate. The flow rate is reduced.
  • the time until the plasma arc current rises to a preset current value (for example, 400 amperes) is set to a long time of 1.5 to 3 seconds, or the start gas Can be reduced by setting the flow rate of 5% to 50% lower than the flow rate of the plasma gas.
  • the plasma gas solenoid valve 3b is opened (plasma gas ON) after 0.4 seconds have elapsed from the plasma arc ON, which is the time when the energization of the electrode 1b is started, and the start gas solenoid valve 2b is shut off. Will be released 0.1 seconds before.
  • the plasma gas solenoid valve 3b is opened, the plasma gas is controlled by the flow rate holding member 4 and stabilized at a preset flow rate, as shown by the “flow rate” line (solid line) in this embodiment.
  • the current applied to the electrode 1b is a preset current value when a rise time of several seconds elapses after the energization is started by the plasma arc ON signal. (E.g. 400 amps). In this ascending process, the start gas is switched to the plasma gas.
  • the flow rate of the start gas is set to 40 normal liters per minute (NL / min), and the flow rate of the plasma gas is also set to 40 NL / min. Therefore, the preset start gas and plasma gas flow rates are stored in the data storage unit 10 b of the control device 10 from the input device 11.
  • a plasma cutting start signal is generated by an operation switch (not shown)
  • the start gas solenoid valve 2b is opened, and at the same time, a control corresponding to the flow rate of the start gas from the fluid control unit 10d to the flow rate holding member 4 is 40NL / min. A signal is output.
  • the start gas is supplied to the gas chamber 1e formed in the torch 1 while maintaining a preset flow rate.
  • start gas While the start gas is supplied to the gas chamber 1e, a plasma arc ON signal is generated with respect to the power source 6, and discharge occurs between the electrode 1b and the nozzle 1c to form a pilot arc and then a plasma arc. Since the start gas is formed of a gas having an oxygen concentration lower than that of the plasma gas or containing no oxygen, it is possible to reduce electrode consumption.
  • the plasma gas ON signal is generated for the plasma gas solenoid valve 3b, and the plasma gas is supplied from the plasma gas pipe 3c to the flow rate holding member 4.
  • a control signal corresponding to the plasma gas flow rate of 40 NL / min is output from the fluid control unit 10 d to the flow rate holding member 4.
  • the start gas and the plasma gas are supplied to the flow rate holding member 4 at the same time, and a gas having a flow rate larger than the instructed flow rate of 40 NL / min is supplied. For this reason, the flow rate holding member 4 detects that the flow rate is larger than the set flow rate and tries to control to hold the set flow rate.
  • the start gas OFF signal is generated for the start gas solenoid valve 2b to be closed, and the start gas is supplied from the start gas pipe 2c to the flow rate holding member 4 Stops.
  • the flow rate holding member 4 supplies a gas in which an instantaneous large flow rate at the start of plasma gas supply and a relatively gradual decrease in flow rate due to the stop of the start gas are superimposed. . Therefore, even the flow rate holding member 4 to which the gas whose flow rate has been changed in a complicated manner is supplied is controlled so as to become the set flow rate of the plasma gas, and the time required for stabilization is small (about 0.2). Seconds).
  • the gas supplied to the gas chamber 1e is switched from the start gas to the plasma gas, the gas is discharged between the electrode 1b and the material to be cut B to form a plasma arc. Thereafter, the start gas is completely stopped, only the plasma gas is supplied to the gas chamber 1e, and a plasma arc is continuously formed.
  • the flow rate holding member 4 is provided in the plasma gas connection portion 8 connecting the start gas pipe 2c and the plasma gas pipe 3c and the gas pipe portion 5 connecting the torch 1, the flow rate holding member is provided. 4, even when the flow rate of the gas supplied from the upstream side changes, a stable flow rate can be maintained on the downstream side. For this reason, it becomes possible to reduce the fluctuation
  • this comparative experiment uses a plasma cutting apparatus A (torch A) according to the present invention and a conventional plasma cutting apparatus (torch S) to measure the lifetime (minutes) by changing the current in the range of 130 A to 400 A. Then, when the ratio of the electrode life of the present invention to the conventional electrode life was determined, the following result was obtained.
  • the life of the torch A is about 2.5 times to about 1.5 times that of the torch S.
  • the life of the torch A was about 1.5 times to about 1.2 times that of the torch S.
  • the plasma cutting apparatus A according to the present invention has a longer life than the conventional plasma cutting apparatus S, regardless of the current value.
  • the plasma cutting device A according to the present invention is advantageously used when cutting a steel plate.

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Abstract

本発明は、プラズマトーチに設けた電極の寿命を延長させるべく、電極に電流を印加して被切断材（Ｂ）にプラズマアークが予め設定された電流値に立ち上がる過程で、スタートガスをプラズマガスに切り換えるようにしたプラズマ切断装置（Ａ）において、スタートガス供給源（２ａ）、スタートガス配管（２ｃ）に設けたスタートガス電磁弁（２ｂ）を有するスタートガス供給部（２）と、プラズマガス供給源（３ａ）、プラズマガス配管（３ｃ）に設けたプラズマガス電磁弁（３ｂ）を有するプラズマガス供給部（３）と、スタートガス供給部の下流側端部とプラズマガス供給部の下流側端部を接続するプラズマガス接続部（８）と、プラズマガス接続部（８）とトーチ本体（１ａ）を接続するガス配管部（５）と、ガス配管部に設けた流量保持部材（４）と、各電磁弁の開閉を制御すると共に流量保持部材を制御する制御装置（１０）を有する構成とした。

Description

プラズマ切断装置
　本発明は、プラズマ切断トーチに設けた電極の寿命を延長させることができるプラズマ切断装置に関するものである。
　被切断材に向けてプラズマアークを噴射して該被切断材を切断するプラズマ切断法が普及している。プラズマ切断法を実施する際に用いるプラズマ切断装置は、プラズマ切断トーチのトーチ本体に設けた導電性を有する電極台に対して着脱可能に構成された導電性を有する電極と、電極を囲んで且つ該電極に絶縁された状態で配置されトーチ本体に対して着脱可能に構成された導電性を有するノズルと、電極の周囲にプラズマアークを形成するためのプラズマガスを供給するガス供給源と、を有して構成されている。
　プラズマ切断トーチを用いて被切断材を切断する場合、先ず、電極とノズルの間にプラズマガスを供給しつつ両者の間で放電させてパイロットアークを形成する。パイロットアークをノズルから被切断材に向けて噴射し、電極と被切断材との間で放電させてプラズマアークを形成する。そして、プラズマアークによって母材を溶融すると共に溶融物を排除しつつ、プラズマ切断トーチを移動させることで、被切断材を切断することが可能である。
　酸素を含むプラズマガスをプラズマ化して被切断材に向けて噴射して切断するプラズマ切断トーチでは、銅又は銅合金からなるホルダーの中心にハフニウム又はジルコニウム或いはこれらの合金からなる電極材を埋設固定した電極を用いるのが一般的である。このように構成された電極ではプラズマアークの熱によって電極材が溶融し、プラズマガスによって酸化して消耗する。このため、プラズマ切断トーチの電極の寿命を如何に延長させるかという課題があり、この課題を解決するために多くの提案がなされているのが実情である。
　例えば、特許文献１に記載された発明は、スタート回数が多いほど耐久時間が短くなるという知見に基づいてなされたプラズマ切断スタート方法に関するものである。この技術では、プラズマ切断をスタートする際に、プラズマガス（スタートガス）を酸素７０～１０モル％と窒素３０～９０モル％の混合ガスを使用し、スタート完了後、濃度９５％以上の酸素ガス（プラズマガス）に切り換えて切断を行うようにしている。
　特許文献１には、ガスの供給配管系（第２図）が開示されており「プラズマ切断開始時は、混合ガス電磁弁９が開となり、酸素電磁弁８は閉となっている。切断スタートが完了すると、混合ガス電磁弁９が閉となり、酸素電磁弁８は開となってプラズマガスは酸素に切換る。切換のタイミングは、切断する板厚によってピアシング時間が異なるため、予め用意された各板厚の設定タイマーにより行われる」ことが記載されている。
　また、特許文献２に記載された発明は、プラズマアークによる切断及び溶接のための方法と装置に関するものである。特許文献２には、窒素／酸素ソレノイドセレクタ弁ＳＶ１５によって酸素プラズマ送給ライン（７６）に窒素又は酸素を送給できること、この送給ラインにはソレノイド弁ＳＶ１～ＳＶ３が並列に接続されており、各ソレノイド弁ＳＶ１～ＳＶ３には夫々流量調整用のニードル弁ＭＶ１～ＭＶ３が直列に接続されていることが記載されている。
　そして、作業の開始指令が発せられると、ＳＶ２、３が同時に開放して電極の周囲にＳＶ１５の切り換えによって選択されたガスをニードル弁ＭＶ２、３によって予め設定された流量のガスを送給してパイロットアークを開始する。その後、所定時間が経過したときにＳＶ３が閉鎖し、更に所定時間が経過したとき、ＳＶ２に加えてＳＶ１、３を開放した後、ＳＶ２を閉鎖し、パイロットアークをプラズマアークに切り換えたときＳＶ３を閉鎖してＳＶ１から送給されたガスによるプラズマアークを継続させる。
特許第１５２５３２１号（特公昭６４－９１１２号公報） 特許第３１７２５３２号
　プラズマ切断トーチの電極に対しては、常に寿命を延長させるという課題を有しており、特許文献１に記載された発明は、プラズマアークをスタートさせる際に、酸素純度の低いガスを利用することによって課題を解決しようとしている。
　プラズマ切断トーチに設けた電極からスタートガスやプラズマガスを供給する電磁弁までには配管やホースが存在し、これらの内容積が大きいのが一般的である。特許文献１に記載された発明であっても、混合ガス電磁弁、酸素電磁弁から電極までの距離が大きく、これらの電磁弁を開放してから電極の周囲に目的のガスが供給されるまでに時間の遅れが生じる。このため、混合ガス電磁弁を閉鎖すると共に酸素電磁弁を開放する動作を実行させたとき、電極の周囲に供給されるガスの流量が変動し、この影響を受けて電極の消耗が進行する虞があるという問題が生じている。
　特許文献２に記載された発明では、急速充填弁ＳＶ３が設けられており、ＳＶ２を開放する際に、及びＳＶ１を開放する際に、ＳＶ３を同時に所定時間開放することで送給されるガスの流量を増加している。しかし、ＳＶ１～ＳＶ３の流量はＭＶ１～ＭＶ３によって個別に調整されており、ＳＶ１～ＳＶ３の開閉動作時に電極の周囲に於けるガスの流量が変動するという問題を解消し得ない。
　また、パイロットアーク或いはプラズマアークを形成する際のガスは、ＳＶ１５の切り換えで選択された窒素又は酸素であり、パイロットアークからプラズマアークに切り換える際に窒素から酸素に切り換えることは実際上困難であるという問題もある。
　スタートガス、プラズマガスを含むガス流体では、電磁弁が開放した瞬間、或いは閉鎖した瞬間に、例えば図３に「流量」の線（点線）で記載した従来例のように、大きな流れの変化が生じる。このため、電極の周囲に供給されるガスの流量が変化することとなり、この変化に起因して電極の消耗が進行するという虞がある。
　本発明の目的は、プラズマ切断トーチに設けた電極の寿命を延長させることができるプラズマ切断装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために本発明に係るプラズマ切断装置は、プラズマ切断トーチに設けた電極にプラズマ電流を印加するのに先立って、電極の周囲にスタートガスを供給し、電極にプラズマ電流を印加して被切断材にプラズマアークが予め設定された電流値に立ち上がる過程で、前記スタートガスをプラズマガスに切り換えるようにしたプラズマ切断装置であって、スタートガス供給源と、スタートガス配管に設けたスタートガス電磁弁と、を有し、電極にスタートガスを供給するスタートガス供給部と、プラズマガス供給源と、プラズマガス配管に設けたプラズマガス電磁弁と、を有し、電極にプラズマガスを供給するプラズマガス供給部と、前記スタートガス供給部の下流側端部と前記プラズマガス供給部の下流側端部を接続するプラズマガス接続部と、流量保持部材を有し、一端が前記プラズマガス接続部に他端がプラズマ切断トーチに接続され、電極にスタートガス又はスタートガスとプラズマガスが混合したガス或いはプラズマガスを供給するガス配管部と、前記スタートガス電磁弁、プラズマガス電磁弁の開閉を制御すると共に前記流量保持部材を制御する制御装置と、を有することを特徴とするものである。
　上記プラズマ切断装置は、スタートガスを供給するスタートガス供給部の下流側端部とプラズマガスを供給するプラズマガス供給部の下流側端部をプラズマガス接続部によって接続している。更に、プラズマガス接続部とプラズマ切断トーチをガス配管部によって接続し、このガス配管部に流量保持部材が設けられている。このため、スタートガスからプラズマガスに切り換えた際には、予め設定された流量を保持してスタートガス又はスタートガスとプラズマガスが混合したガス或いはプラズマガスを供給することができる。
　上記の如く、電極の周囲に予め設定された流量を保持してスタートガスからプラズマガスに切り換えることで、電極の消耗を軽減することが可能となり、電極の寿命を延ばすことができる。特に、プラズマガスを酸素又は空気とし、スタートガスをプラズマガスよりも酸素濃度が低いか、酸素を含むことのないガスとすることで、スタート時の電極の酸化を伴う消耗を軽減することができる。
　また、スタートガス供給部とプラズマガス供給部を接続したプラズマガス接続部とプラズマ切断トーチを接続するガス配管部に、流量保持部材を設けている。このため、電極の周囲に供給するガスをスタートガスからプラズマガスに変更する際に、ガス配管部にスタートガスとプラズマガスが同時に流れたときでも、これらのガスの流量は流量保持部材によって保持される。即ち、スタートガスとプラズマガスがプラズマガス接続部で合流してガス配管部に流入したとき、流量保持部材はこれらのガスを合わせて予め設定された流量となるように保持するため、流量が安定した状態で電極に供給することができる。従って、電極の周囲の圧力変動を軽減することが可能となり、より電極の寿命の延長をはかることができる。
本実施例に係るプラズマ切断装置の構成を説明する模式図である。 本実施例に係るプラズマ切断装置の制御系を説明する図である。 スタートガスとプラズマガスを制御するタイミングチャートの例である。
　以下、本発明に係るプラズマ切断装置について説明する。本発明に係るプラズマ切断装置は、被切断材に対する切断を開始する際に、電極の周囲に好ましくはプラズマガスよりも酸素濃度が低いか酸素を含まないスタートガスを供給してスタートすることで、電極の周囲を低酸素雰囲気として酸化を軽減するようにしたものである。
　特に、スタートガス供給部とプラズマガス供給部の下流側端部が、プラズマガス接続部を介して流量保持部材を設けたガス配管部に接続されている。このため、スタートガスからプラズマガスに切り換える際に、スタートガス電磁弁を遮断するのに先立ってプラズマガス電磁弁を開放することで、電極の周囲に供給するガスの流量が変動することを軽減することが可能である。
　図１に示すように、プラズマ切断装置Ａは、プラズマ切断トーチ（以下単に「トーチ」という）１と、スタートガス供給部２と、プラズマガス供給部３と、流量保持部材４を設けたガス配管部５と、電源６と、冷却水供給部７と、を有して構成されている。スタートガス供給部２の下流側端部とプラズマガス供給部３の下流側端部はプラズマガス接続部８に於いて接続されており、該プラズマガス接続部８がガス配管部５の上流側端部を構成している。そして、トーチ１から被切断材Ｂに向けてプラズマアークを噴射しつつ、トーチ１を所定の経路で移動させることで、被切断材Ｂを切断し得るように構成されている。
　トーチ１は、トーチ本体１ａと、トーチ本体１ａに着脱可能に設けられた電極１ｂと、トーチ本体１ａに着脱可能に設けられ電極１ｂを囲むように形成され、先端にノズル孔１ｄが形成されたノズル１ｃと、を有して構成されている。そして、電極１ｂとノズル１ｃとによってガス室１ｅが構成されており、該ガス室１ｅにスタートガス又はスタートガスとプラズマガスが混合したガス或いはプラズマガスが供給されてプラズマ化することで、パイロットアーク或いはプラズマアークとなる。
　トーチ本体１ａの内部には図示しない冷却水通路が形成されており、この冷却水通路に冷却水供給部７が接続され、電極１ｂ、ノズル１ｃに対する冷却水の供給、及び排水を行っている。
　電源６は、電極１ｂ、ノズル１ｃ及び被切断材Ｂに接続されている。そして、ガス室１ｅにスタートガスを供給しつつ電極１ｂとノズル１ｃとの間で放電させてパイロットアークを形成し、このパイロットアークをノズル孔１ｄから噴射して電極１ｂと被切断材Ｂとの間で放電させてプラズマアークを形成するように構成されている。
　スタートガス供給部２は、スタートガス供給源２ａと、スタートガス電磁弁２ｂと、これらを直列に接続するスタートガス配管２ｃと、を有している。スタートガス供給源２ａは、スタートガスとして好ましいガス、例えば酸素又は空気からなるプラズマガスよりも酸素濃度が低いガス、或いは酸素を含むことがないガスを供給するものであり、このようなガスを供給し得るものであれば良い。
　プラズマガスよりも酸素濃度が低いスタートガスの供給源としては、窒素或いはアルゴンガスと酸素を予め設定された混合比で混合させるガス混合装置がある。また、酸素を含むことがないスタートガスの供給源としては、窒素やアルゴンガスを充填したボンベ或いは工場配管がある。このため、スタートガス供給源２ａとしては、前記したガス混合装置やボンベ或いは工場配管等を選択的に利用することが可能である。
　スタートガス電磁弁２ｂは後述する制御装置１０によって制御され、トーチ１に設けた電極１ｂとノズル１ｃとの間に形成されたガス室１ｅにスタートガスを供給し、或いはスタートガスの供給を遮断するものである。
　プラズマガス供給部３は、プラズマガス供給源３ａと、プラズマガス電磁弁３ｂと、これらを直列に接続するプラズマガス配管３ｃと、を有している。プラズマガス供給源３ａは酸素又は空気を供給するものであり、酸素又は空気を供給し得るものであれば良い。例えば、酸素の供給源としては酸素を充填したボンベや工場配管があり、空気の供給源としてはエアコンプレッサがある。
　プラズマガス電磁弁３ｂは制御装置１０によって制御され、トーチ１に設けた電極１ｂとノズル１ｃとの間に形成されたガス室１ｅにプラズマガスを供給し、或いはプラズマガスの供給を遮断するものである。
　スタートガス供給部２を構成するスタートガス配管２ｃの下流側端部と、プラズマガス供給部３を構成するプラズマガス配管３ｃの下流側端部は、プラズマガス接続部８で互いに接続されている。そして、プラズマガス接続部８を上流側の端部としてガス配管部５が構成されている。
　ガス配管部５はプラズマガス接続部８とトーチ１の間に構成されており、該ガス配管５に流量保持部材４が設けられている。そして、スタートガス供給部２から供給されたスタートガス、プラズマガス供給部３から供給されたプラズマガス、を流量保持部材４に設定されている流量でトーチ１に形成されたガス室１ｅに供給し得るように構成されている。
　流量保持部材４は、ガス配管部５を流れるガスを予め設定された流量に保持する機能を有するものである。このため、流量を保持する機能を有するものであれば利用することが可能である。流量保持部材４としては、流量の変化を感知したとき、変化した流量を予め設定された流量に戻すように制御する流量一定制御装置或いは流量一定制御素子と呼ばれるもの（例えば特許第３５２６９４２号公報に定流量素子Ｂとして記載されている構成）が流通しており、これらを選択的に利用することが可能である。
　図２は、プラズマ切断装置Ａを構成する各電磁弁２ｂ、３ｂ及び流量保持部材４を制御するための制御系を説明する図である。図に於いて、制御装置１０は、制御部１０ａと、入力部１２を介して入力されたデータを記憶するデータ記憶部１０ｂと、タイマー部１０ｃと、流量保持部材４に於ける動作を制御する流体制御部１０ｄと、を有して構成されている。
　１１はキーボード等の入力装置であり、入力部１２を介してスタートガスやプラズマガスの流量、及び被切断材Ｂの板厚や切断すべき形状等を入力するものである。また、１３は出力部であり、制御装置１０からの出力信号を各電磁弁２ｂ、３ｂ、流量保持部材４に出力するものである。
　スタートガスの流量、及びプラズマガスの流量は予め入力装置１１から入力され、制御装置１０のデータ記憶部１０ｂに記憶されている。そして、スタートガス電磁弁２ｂに対する開放信号の発生と同期して、流体制御部１０ｄから流量保持部材４に対し予め記憶されたスタートガスの流量が出力され、流量保持部材４ではガス配管部５に流れるスタートガスの流量を保持するように制御する。同様にしてプラズマガスの流量もデータ記憶部１０ｂに記憶され、プラズマガス電磁弁３ｂの開放信号の発生と同期して、流量保持部材４にプラズマガスの流量が出力されることで、ガス配管部５に流れるプラズマガスの流量を保持するように制御する。
　特に、スタートガスからプラズマガスに切り換える際には、ガス配管部５にスタートガス配管２ｃとプラズマガス配管３ｃからスタートガスとプラズマガスが供給されることになる。即ち、スタートガス電磁弁２ｂが閉鎖されてスタートガスの供給が遮断されるまで、ガス配管部５にはスタートガスとプラズマガスが混合した状態で流通することになる。そして、スタートガス電磁弁２ｂの閉鎖タイミングと、プラズマガス電磁弁３ｂの開放タイミングにずれが生じたとき、プラズマガス接続部８でスタートガスとプラズマガスが合流してガス配管部５に流れる混合ガスの流量が増加又は減少する虞がある。
　しかし、プラズマガス接続部８よりも下流側のガス配管部５に流量保持部材４が設けられているため、各電磁弁２ｂ、３ｂの開閉タイミングにずれが生じた場合でも、ガス配管部５に於ける混合ガスの流量をプラズマガスに対して予め設定された値に制御することが可能である。即ち、流量保持部材４はガス配管部５に流れるガスの流量を予め設定された値に保持するように制御するものであり、流量保持部材４に供給されたガスの流量が予め設定された流量から逸脱した場合、予め設定された流量となるように制御することが可能である。
　従って、ガス配管部５に於ける流量保持部材４の下流側でのガスの流量は予め設定された流量で一定となるが、上流側の流量が急激に大きく変化したときには、該流量保持部材４が反応して対処するのに時間を要し、下流側でのガスの流量も予め設定された流量と比較して変化する。特に、ガス流体では電磁弁が開放した瞬間、閉鎖した瞬間に大きな流れの変化が生じるため、流量保持部材４の下流側に於けるガスの流量は予め設定された流量に比較して変化することとなり、所定時間（１秒以内）経過した後、予め設定された流量に保持する。
　上記の如く構成されたプラズマ切断装置Ａに於ける切断開始時のスタートガス電磁弁２ｂとプラズマガス電磁弁３ｂの開閉及び通電タイミングについて図３を用いて説明する。図に於いて、「流量」の線はガス室１ｅに於けるスタートガスとプラズマガスを含むガス（スタートガス単独からスタートガスとプラズマガスの混合ガスを経てプラズマガス単独に至る）の流量の変化を示し、従来例と本実施例と異なる部分においては、従来例を点線で、本実施例では実線で示しており、「プラズマアーク電流」の線は電極１ｂに通電する電流値の変化を示している。
　本実施例では、スタートガス電磁弁２ｂの開閉タイミング（図３に示す「スタートガス電磁弁（２ｂ）ＯＮ、ＯＦＦ」）、及びプラズマガス電磁弁３ｂの開閉タイミング（図３に示す「プラズマガス電磁弁（３ｂ）ＯＮ、ＯＦＦ」）は、電極１ｂに対する通電の開始（図３に示す「プラズマアーク電流ＯＮ」）を基準として設定される。
　スタートガス電磁弁２ｂは、電極１ｂに対する通電を開始する時点であるプラズマアークＯＮよりも以前に充分な時間（例えば１秒～１．５秒）を保持して開放（スタートガスＯＮ）される。このため、トーチ１に形成されたガス室１ｅには安定した流量を保持したスタートガスが供給される。そして、プラズマアークＯＮから０．５秒経過したとき閉鎖（スタートガスＯＦＦ）される。
　しかし、図３に示す本実施例の「流量」の線（実線）では、スタートガスＯＦＦした後、ガスの流量が低下している。これは同図に「プラズマアーク電流」の線で示すように、電極１ｂに通電される電流は、プラズマアークＯＮ信号によって通電を開始した後、数秒で予め設定された電流値（例えば４００アンペア）に立ち上がる過程で、スタートガス及びプラズマガスがプラズマ化することによる流量の低下に起因しており、流量保持部材４がこのガスの流量の変化に対応するまでの間、下流側に於けるガスの流量が低下したものである。
　このスタートガス及びプラズマガスの流量の変化には、プラズマアーク電流の予め設定された電流値（例えば４００アンペア）に立ち上がるまでの時間を１．５秒～３秒と長めに設定したり、スタートガスの流量をプラズマガスの流量よりも５％～５０％低く設定することで、小さくすることが可能である。
　また、プラズマガス電磁弁３ｂは、電極１ｂに対する通電を開始する時点であるプラズマアークＯＮから０．４秒経過した後、開放（プラズマガスＯＮ）され、且つスタートガス電磁弁２ｂが遮断される時点よりも０．１秒前に開放される。プラズマガス電磁弁３ｂの開放に伴って、プラズマガスは本実施例の「流量」の線（実線）で示すように、流量保持部材４に制御されて予め設定された流量で安定する。
　同図に示す本実施例の「流量」の線（実線）がプラズマガスＯＮしたときより、ガスの流量が上昇するのは、プラズマガス電磁弁３ｂがＯＦＦからＯＮに変化したことによる流量保持部材４の上流側に於けるガスの流量の急激な変化に起因しており、流量保持部材４が上流側のガスの流量の変化に対応するまでの間、下流側に於けるガスの流量が上昇したものである。
　同図に「プラズマアーク電流」の線で示すように、電極１ｂに通電される電流は、プラズマアークＯＮ信号によって通電を開始した後、数秒の立ち上がり時間が経過したとき、予め設定された電流値（例えば４００アンペア）まで上昇する。そして、この上昇過程で、スタートガスからプラズマガスに切り換わる。
　本実施例では、スタートガスの流量は毎分４０ノルマルリットル（ＮＬ／ｍｉｎ）に設定されており、プラズマガスの流量も４０ＮＬ／ｍｉｎに設定されている。従って、予め設定されたスタートガス及びプラズマガス流量を入力装置１１から制御装置１０のデータ記憶部１０ｂに記憶しておく。
　そして、図示しない操作スイッチによってプラズマ切断の開始信号を発生すると、先ず、スタートガス電磁弁２ｂが開放され、同時に流量保持部材４に対し流体制御部１０ｄからスタートガスの流量４０ＮＬ／ｍｉｎに対応した制御信号が出力される。これにより、スタートガスは予め設定された流量を保持してトーチ１に形成されたガス室１ｅに供給される。
　ガス室１ｅにスタートガスが供給されている間に電源６に対してプラズマアークＯＮ信号が発生し、電極１ｂとノズル１ｃの間で放電してパイロットアーク、次にプラズマアークが形成される。このスタートガスはプラズマガスより酸素濃度が低いか酸素を含むことがないガスによって形成されるため、電極の消耗を軽減することが可能である。
　プラズマアークＯＮ信号が発生して０．４秒が経過したとき、プラズマガス電磁弁３ｂに対しプラズマガスＯＮ信号が発生してプラズマガス配管３ｃから流量保持部材４にプラズマガスが供給される。同時に、流体制御部１０ｄから流量保持部材４に対しプラズマガスの流量４０ＮＬ／ｍｉｎに対応した制御信号が出力される。
　この時点で流量保持部材４にはスタートガスとプラズマガスが同時に供給されることとなり、指示された流量である４０ＮＬ／ｍｉｎよりも大きな流量のガスが供給される。このため、流量保持部材４では設定流量よりも大流量であることを検知して設定された流量を保持するように制御しようとする。
　プラズマアークＯＮ信号が発生して０．５秒が経過したとき、スタートガス電磁弁２ｂに対しスタートガスＯＦＦ信号が発生して閉鎖され、スタートガス配管２ｃから流量保持部材４へのスタートガスの供給が停止する。
　このため、流量保持部材４では、プラズマガスの供給開始時の瞬間的な大流量と、スタートガスの停止に伴う比較的緩やかな流量の減少と、が重畳されたガスが供給されることとなる。従って、このように複雑に流量が変化したガスが供給される流量保持部材４であっても、プラズマガスの設定流量となるように制御し、安定するまでに要する時間は僅か（約０．２秒程度）である。
　ガス室１ｅに供給されるガスがスタートガスからプラズマガスに切り替わる間に、電極１ｂと被切断材Ｂとの間で放電されてプラズマアークが形成される。その後、スタートガスが完全に停止してガス室１ｅにはプラズマガスのみが供給され、継続してプラズマアークが形成される。
　従って、上記状態で、被切断材Ｂに対する切断を実行することが可能となる。
　上記の如く、本実施例では、スタートガス配管２ｃとプラズマガス配管３ｃを接続したプラズマガス接続部８と、トーチ１を接続するガス配管部５に流量保持部材４を設けたため、該流量保持部材４の上流側から供給されるガスの流量が変化した場合でも、下流側には安定した流量を保持することが可能となる。このため、ガス室１ｅに於けるガスの流量の変動を軽減することが可能となり、電極の寿命を延ばすことが可能である。
　本発明に係るプラズマ切断装置Ａと、弊社の従来製品との比較実験をしたところ、充分に寿命が延長されていた。即ち、この比較実験は、本発明に係るプラズマ切断装置Ａ（トーチＡ）と、従来のプラズマ切断装置（トーチＳ）を用い、電流を１３０Ａ～４００Ａの範囲で変化させて寿命（分）を測定し、従来の電極寿命に対する本発明の電極寿命の比率を求めたところ次の結果を得た。
　電流値が１３０Ａ～２６０Ａの範囲では、トーチＡの寿命がトーチＳの約２．５倍～約１．５倍であった。電流値が２６０Ａ～４００Ａの範囲では、トーチＡの寿命がトーチＳの約１．５倍～約１．２倍であった。
　上記の如く、如何なる電流値で切断を実施した場合であっても、本発明に係るプラズマ切断装置Ａが従来のプラズマ切断装置Ｓよりも寿命が延長されていることが明らかである。
　本発明に係るプラズマ切断装置Ａは、鋼板を切断する際に利用すると有利である。
　Ａ　　　　　　　プラズマ切断装置
　Ｂ　　　　　　　被切断材
　１　　　　　　　プラズマ切断トーチ、トーチ
　１ａ　　　　　　トーチ本体
　１ｂ　　　　　　電極
　１ｃ　　　　　　ノズル
　１ｄ　　　　　　ノズル孔
　１ｅ　　　　　　ガス室
　２　　　　　　　スタートガス供給部
　２ａ　　　　　　スタートガス供給源
　２ｂ　　　　　　スタートガス電磁弁
　２ｃ　　　　　　スタートガス配管
　３　　　　　　　プラズマガス供給部
　３ａ　　　　　　プラズマガス供給源
　３ｂ　　　　　　プラズマガス電磁弁
　３ｃ　　　　　　プラズマガス配管
　４　　　　　　　流量保持部材
　５　　　　　　　ガス配管部
　６　　　　　　　電源
　７　　　　　　　冷却水供給部
　８　　　　　　　プラズマガス接続部
　１０　　　　　　制御装置
　１０ａ　　　　　制御部
　１０ｂ　　　　　データ記憶部
　１０ｃ　　　　　タイマー部
　１０ｄ　　　　　流体制御部
　１１　　　　　　入力装置
　１２　　　　　　入力部
　１３　　　　　　出力部

Claims (4)

  1. 　プラズマ切断トーチに設けた電極にプラズマ電流を印加するのに先立って、電極の周囲にスタートガスを供給し、電極にプラズマ電流を印加してプラズマアークが予め設定された電流値に立ち上がる過程で、前記スタートガスをプラズマガスに切り換えるようにしたプラズマ切断装置であって、
    　スタートガス供給源と、スタートガス配管に設けたスタートガス電磁弁と、を有し、電極にスタートガスを供給するスタートガス供給部と、
    　プラズマガス供給源と、プラズマガス配管に設けたプラズマガス電磁弁と、を有し、電極にプラズマガスを供給するプラズマガス供給部と、
    　前記スタートガス供給部の下流側端部と前記プラズマガス供給部の下流側端部を接続するプラズマガス接続部と、
    　流量保持部材を有し、一端が前記プラズマガス接続部に他端がプラズマ切断トーチに接続され、電極にスタートガス又はスタートガスとプラズマガスが混合したガス或いはプラズマガスを供給するガス配管部と、
    　前記スタートガス電磁弁、プラズマガス電磁弁の開閉を制御すると共に前記流量保持部材を制御する制御装置と、
    を有することを特徴とするプラズマ切断装置。 
  2. 　前記スタートガスは、前記プラズマガスの酸素濃度よりも低い酸素濃度のガスであるか、又は酸素を含まないガスであることを特徴とする請求項１に記載したプラズマ切断装置。
  3. 　前記流量保持部材は、前記プラズマガス接続部から供給されるスタートガス又はプラズマガス或いはスタートガス及びプラズマガスの流量が変化したとき、変化した流量を予め設定された流量に保持するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したプラズマ切断装置。
  4. 　前記制御装置は、プラズマ切断トーチに設けた電極にプラズマ電流を印加するのに先立って、前記流量保持部材に対し保持すべき前記ガス配管部に於けるガス流量を指示すると共に前記スタートガス電磁弁を開放し、電極にプラズマ電流を印加してプラズマアークが予め設定された電流値に立ち上がる過程で、前記プラズマガス電磁弁を開放し、その後、前記スタートガス電磁弁を閉鎖するように制御するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載したプラズマ切断装置。
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