JP2000312973A - プラズマ切断方法、装置及びプラズマトーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 切断箇所のバーニングを防止しつつドロス付
着を効果的に低減する。 【解決手段】 プラズトーチ１からワーク４１に対し
て、空気より酸素リッチな作動ガスのプラズマアーク４
３を噴射し、プラズマアーク４３の周囲に空気より酸素
プアな二次ガスカーテン４５を噴射し、二次ガスカーテ
ン４３の周囲に空気より酸素リッチな三次ガスカーテン
４７を噴射する。酸素プアな二次ガスカーテン４５が、
プラズマアーク４３の熱源分布をシャープにしてバーニ
ングを防止する。酸素リッチな三次ガスカーテン４７
が、切断直後ドロスの酸化を促進してドロス付着を低減
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、プラズマアークに
よる切断技術に関し、特に、良好な切断品質を得るため
にプラズマアークの周囲にガスカーテンを供給しながら
切断を行う技術の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】作動ガス（プラズマガス）として酸素ガ
ス又は酸素を多量に含んだガスを使用したプラズマアー
クを用いて切断を行う酸素プラズマ切断法は、低合金鋼
や低炭素鋼（軟鋼）の切断に好適である。この酸素プラ
ズマ切断法において、プラズマアークの周囲に、空気よ
りも酸素リッチな成分をもった二次ガスのカーテンを形
成することにより、切断品質を向上させる（特にドロス
付着を低減させる）技術が知られている。プラズマ切断
法における切断最前面は、プラズマアークから少し外れ
た場所（すなわち、プラズマアークが周囲の雰囲気を巻
き込んでいる場所）であるため、プラズマアークの周囲
を酸素リッチな雰囲気で覆うことにより、切断箇所の酸
素濃度が高くなって溶融金属の酸化が促進し、溶融金属
の流動性が増してドロスが排除され易くなるからであ
る。

【０００３】この種の従来技術として、特開昭５９−２
２９２８号に、作動ガスとして純酸素を使用したプラズ
マアークの周囲に純酸素ガスのカーテンを形成するよう
にした酸素プラズマ切断法が開示されている。しかし、
この純酸素カーテンを使用する方法では、ワークの燃焼
反応が活発になりすぎて切断溝が広くなり過ぎたり切断
面が荒れるなどの問題が生じる（バーニングの発生）、
そのため、この方法は、切断面の荒れが余り問題になら
ない厚させいぜい１ｍｍ程度の薄板にしか適用できず、
よって実用化されていない。

【０００４】この問題を解決するため、特表平６−５０
８７９３号や特開平７−５１８６１号に開示されたプラ
ズマ切断方法は、アーク周囲に送給される二次ガスに、
酸素と窒素（又は酸素と空気）の混合ガスを用いる。こ
こで、二次ガス中の酸素の比率（流量比率つまり体積比
率）は、特表平６−５０８７９３号のもので４０％〜９
０％（好ましくは2／３）、特開平７−５１８６１号の
もので６０％であり、いずれも純酸素よりは酸素濃度が
低いが、空気（酸素比率約２０％）よりは酸素リッチで
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の混合ガスを二次
ガスに用いた酸素プラズマ切断法では、混合ガスの酸素
比率を、バーニングが起きない範囲内でできるだけ大き
く設定して、可能な限り切断品質の改善（特にドロス付
着の低減）を図ることになる。しかし、バーニングが起
きないようにするためには、板厚や切断速度などの切断
条件に合わせて、混合ガス組成を微妙に調整しなけらば
ならず、その調整が煩雑である。

【０００６】また、ドロス付着を低減するには、酸素に
よる燃焼反応を促進させることが望ましいが、切断溝に
供給する酸素量がバーニングが生じない範囲内に制限さ
れるため、酸素による燃焼反応を最良の条件で活用する
ことができず、ドロス付着を完全に無くすことができな
い。

【０００７】従って、本発明の目的は、バーニングを防
止しつつドロス付着を効果的に低減することができるプ
ラズマ切断技術を提供することにある。

【０００８】本発明の別の目的は、板厚や切断速度など
の切断条件が変化しても、ガス組成の微妙な調整が必要
ではないプラズマ切断技術を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の観点に従
うプラズマ切断方法は、酸素を含有した作動ガスを使用
してプラズマアークを形成するステップと、プラズマア
ークの周囲に作動ガスより低い酸素濃度をもつ二次ガス
流を供給して二次ガスカーテンを形成するステップと、
二次ガスカーテンの周囲に二次ガスより高い酸素濃度を
もつ三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを形成する
ステップとを有する。

【００１０】このプラズマ切断方法によれば、バーニン
グを防止しつつドロス付着を低減することができる。そ
の理由は、（確証があるわけではないが）次の通りと推
測される。すなわち、プラズマアークの周囲に形成され
る酸素濃度の低い二次ガスカーテンが、プラズマアーク
による熱源（ワークを溶かし切断し得る高温で酸素濃度
の高い領域）がプラズマアークより外側へ大きく拡大す
ることを抑制して熱源分布をシャープにするため、バー
ニングが防止され、シャープな切れ味が得られる。それ
に加え、二次ガスカーテン外周の酸素濃度の高い三次ガ
スカーテンが、切断直後の切断面に存在するドロスの酸
化を促進して、ドロスの流動性や剥離性を高めるため、
ドロス付着が低減される。結果として、良好な切断品質
が得られる。更には、二次ガスカーテンがバーニングを
防止するため、板厚や切断速度などの切断条件が変わっ
ても、バーニングとの兼ね合いでガス組成を微調整する
必要はもはや無く、三次ガスの酸素濃度或いは酸素流量
をドロス付着を無くす目的にとって最適値にまで高める
ことができる。

【００１１】好適な実施形態では、作動ガスとして、空
気、体積比率２０％以上の酸素を含有する混合ガス（例
えば、酸素と非酸化ガス（例えば窒素）の混合ガス、酸
素と空気の混合ガスなど）、又は酸素ガスを用いる。二
次ガスとして、空気、体積比率２０％以下の酸素を含有
する混合ガス、又は酸素を含有しない非酸化ガス（例え
ば窒素）を用いる。三次ガスとして、体積比率２０％以
上の酸素を含有する混合ガス（例えば、酸素と非酸化ガ
ス（例えば窒素）の混合ガス、酸素と空気の混合ガスな
ど）、又は酸素ガスを用いる。このような酸素濃度のガ
スを用いることで、上述したバーニングを防止し且つド
ロス付着を低減するという目的を特に効果的に達成する
ことができる。

【００１２】好適な別の実施形態では、三次ガスカーテ
ンを、二次ガスカーテンの全周囲ではなく、二次ガスカ
ーテンの切断方向後方に形成する。このようにしても、
切断直後の切断溝に酸素リッチな三次ガスが供給される
ので、ドロス付着を低減することができる。

【００１３】本発明の第２の観点に従うプラズマ切断装
置は、プラズマトーチと、このプラズマトーチに作動ガ
ス、二次ガス及び三次ガスを供給するガス供給系統とを
備える。プラズマトーチは、作動ガスのプラズマアーク
を噴射するノズルと、ノズルから噴射されるプラズマア
ークの周囲に二次ガス流を供給して二次ガスカーテンを
形成する二次ガスカーテン形成機構と、二次ガスカーテ
ン形成機構によって形成される二次ガスカーテンの周囲
又は切断方向後方に三次ガス流を供給して三次ガスカー
テンを形成する三次ガスカーテン形成機構と備える。

【００１４】本発明の第３の観点に従うプラズマ切断ト
ーチは、作動ガス通路と、この作動ガス通路に連通し作
動ガスのプラズマアークを噴射するノズルオリフィスと
を有するノズルと、二次ガス通路と、この二次ガス通路
と連通しプラズマアークの周囲に二次ガス流を噴出して
二次ガスカーテンを形成する二次ガス噴出口とを有する
二次ガスカーテン形成機構と、三次ガス通路と、この三
次ガス通路と連通し前記二次ガスカーテンの周囲又は切
断方向後方に三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを
形成する三次ガスカーテン形成機構とを備える。

【００１５】本発明のプラズマ切断装置又はプラズマ切
断トーチによれば、作動ガスのプラズマアークの周囲に
二次ガスカーテンと三次ガスカーテンの２重のガスカー
テンをもった３層構造のガス流を形成することができ
る。このプラズマ切断装置又はプラズマ切断トーチに供
給される作動ガス、二次ガス、三次ガスの組成の組み合
わせには様々なバリエーションが考え得るが、一例とし
て、作動ガスとして酸素濃度の比較的に高いガスを用
い、二次ガスとして酸素濃度の低いガスを用い、三次ガ
スとして酸素濃度の比較的高いガスを用いることができ
る。そうすると、上述したようにバーニングを防止し且
つドロス付着を低減するという効果を得ることができ
る。また、プラズマアークを旋回流とし且つ二次ガスカ
ーテンも同方向に旋回する旋回流とすることにより、二
次ガスの旋回強度の調節で切断面のベベル角を所望値に
調整できるという効果が得られる。その際、三次ガスカ
ーテンも旋回させるか旋回させないかの選択もできる。
三次ガスを旋回させることにより、二次ガス旋回による
ベベル角調整の作用を更に補助することができるだけで
なく、三次ガスカーテンの均一性を高めることができ
る。

【００１６】また、本発明のプラズマ切断装置又はプラ
ズマ切断トーチは、酸素プラズマ切断法だけでなく、ス
テンレス鋼のように酸化によって切断品質が劣化する材
料の切断に使用される、非酸化性の作動ガスに使用した
プラズマ切断法にも適用することができる。ステンレス
鋼のプラズマ切断では、窒素やアルゴンなどの非酸化性
の作動ガスを用いたプラズマアークを、やはり窒素など
の非酸化性の二次ガスカーテンで覆い、この二次ガスカ
ーテンにより切断箇所を外の空気からシールドして切断
面の酸化を防いでいる。しかし、二次ガスカーテンに巻
き込まれる外気が多少はあるため（特に、上記のように
ベベル角を調整するために二次ガスを旋回流とする場合
は尚更である）、極めて大量の二次ガスを流さない限
り、外気から切断面を十分にシールドすることが難し
い。これに対し、本発明のプラズマ切断装置又はプラズ
マ切断トーチは、二次ガスカーテンの外側に更に三次ガ
スカーテンがあるため、二次ガスと三次ガスのカーテン
を共に窒素などの非酸化性ガスカーテンとすることによ
り、この２重の非酸化性ガスカーテンによって、従来よ
り少ないシールドガス量で十分なシールド効果を得るこ
とができる。特に、上記のようにベベル角を調整するた
めに二次ガスカーテンを旋回流とした場合には、この旋
回する二次ガスカーテンの外側に三次ガスカーテンが存
在して外気を二次ガスカーテンに直接触れさせないよう
にすることで、従来技術と比較したときのシールド効果
は特に大きい。

【００１７】このように、プラズマアークの外側に二次
ガスカーテン及び三次ガスカーテンの２重のガスカーテ
ンを形成することの効果は、従来技術からは期待できな
い格別のものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態にか
かるプラズマ切断法で使用するプラズマトーチの概略的
な断面構造を示す。

【００１９】プラズマトーチ１は、全体として概略的に
多重円筒形であり、その中心位置に概略円柱形の電極３
を有し、この電極３の外側に概略円筒形のノズル５が被
さり、ノズル５の外側に概略円筒形の第１のノズルキャ
ップ７が被さり、更に、第１のノズルキャップ７の外側
に概略円筒形の第２のノズルキャップ９が被さってい
る。２つのノズルキャップ７、９は、ノズル５から電気
的に絶縁されている。

【００２０】電極３はその内部に、冷却水が通る冷却水
路１１を有し、そのプラズマアークの点火点となる先端
部には、プラズマアークの高熱に耐え得る高融点材料
製、例えばハフニウムやジルコニウム製の耐熱インサー
ト１９を有している。

【００２１】電極３とノズル５との間には作動ガス通路
１３が形成されており、作動ガスは図示しない作動ガス
供給系統によってトーチ基端側から作動ガス通路１３内
に供給されてトーチ先端へ向かって流れる。作動ガス通
路１３の途中に環状の作動ガススワラ２１がはめ込まれ
ており、この作動ガススワラ２１を通るときに作動ガス
流は旋回流となる。ノズル５の先端部には、プラズマア
ークを十分に細く絞ってジェット流にして先方へ噴出す
るための、十分に細い口径をもったノズルオリフィス３
１が開けられている。ノズル５はこれを冷却するための
冷却水路も有するが、図１では図示省略してある。

【００２２】ノズル５と第１ノズルキャップ７との間に
二次ガス通路１５が形成されており、二次ガスは図示し
ない二次ガス供給系統によってトーチ基端側から二次ガ
ス通路１５内に供給されてトーチ先端へ向かって流れ
る。二次ガス通路１５の途中に環状の二次ガススワラ２
３がはめ込まれており、この二次ガススワラ２３を通る
ときに二次ガス流は旋回流となる。二次ガス旋回流の旋
回方向は作動ガス旋回流の旋回方向と同一である。第１
ノズルキャップ７の先端部には、二次ガスが噴出する二
次ガス噴出口３３が開けられている。この二次ガス噴出
口３３の口径はノズルオリフィス３１の口径よりも大き
い。つまり、この二次ガス噴出口３３はノズルオリフィ
ス３１を包囲した環状の開口である。

【００２３】第１ノズルキャップ７と第２ノズルキャッ
プ９との間に三次ガス通路１７が形成されており、三次
ガスは図示しない三次ガス供給系統によってトーチ基端
側から三次ガス通路１７内に供給されてトーチ先端へ向
かって流れる。三次ガス通路１７の途中に環状の三次ガ
ススワラ２５がはめ込まれており、この三次ガススワラ
２５を通るときに三次ガス流は旋回流となる。三次ガス
旋回流の旋回方向は作動ガス旋回流の旋回方向と同一で
ある。第２ノズルキャップ９の先端部には、三次ガスが
噴出する三次ガス噴出口３５が開けられている。この三
次ガス噴出口３５の口径は二次ガス噴出口３１の口径よ
りも大きい。つまり、三次ガス噴出口３５は二次ガス噴
出口３３を包囲した環状の開口である。

【００２４】ここで、ノズル５、第１ノズルキャップ７
及び第２ノズルキャップ９という、いずれも電極３を囲
み且つガスの噴出口を有した筒状の３種類の部品が存在
するが、本明細書で「ノズル」という用語と「ノズルキ
ャップ」という用語は、全く異なる役割をもつ部品を指
す意味で用いることに注意されたい。すなわち、「ノズ
ル」とは、プラズマアークを拘束し絞るための最も細い
ガス噴出口を有した部品であり、「ノズル」の上流側
（内側）から供給されるガスは、（それが複数あって
も）全てプラズマ化され、その意味で作動ガス又はプラ
ズマガスと呼ばれる。一方、「ノズルキャップ」は、
「ノズル」より下流側（外側）に存在し、ノズルのガス
噴出口（ノズルオリフィス）より口径の大きいガス噴出
口を有し、ノズルキャップとノズルとの間のガス通路か
らそのガス噴出口へ供給されるガスはプラズマ化される
ことはなく、シールドガスとしてプラズマアークに沿っ
て流れプラズマアークを包囲する。本実施形態における
二次ガス及び三次ガスはシールドガスとして機能する。
このことは、例えば特開平９−２３９５４５号や特開平
１０−３１４９５１号に開示された多重構造の「ノズ
ル」をもった従来のプラズマトーチと混同することな
く、本発明の実施形態を理解する上で重要である。

【００２５】さて、上記構造のプラズマトーチ１におい
て、電極３の先端部近傍へ流れて来た作動ガス旋回流は
ここでプラズマ化され、ノズルオリフィス３１を通って
十分に細く絞られた高温高速ジェット流のプラズマアー
クとなってトーチ先方へ向かって噴出する。二次ガス噴
出口３３からは、二次ガス旋回流がトーチ先方へ向かっ
てプラズマアークの外周に噴出して、プラズマアークの
外周に二次ガスカーテンを形成する。三次ガス噴出口３
５からは、三次ガス旋回流がトーチ先方へ向かって二次
ガスカーテンの外周に噴出して、二次ガスカーテンの外
周に三次ガスカーテンを形成する。このように、作動ガ
スのプラズマアークを中心に、その外周を二次ガスカー
テンが囲み、その外周を三次ガスカーテンが囲んだ３層
構造のガス流が形成される。

【００２６】ここで、作動ガスの酸素濃度をＮ１，二次
ガスの酸素濃度をＮ２、三次ガスの酸素濃度をＮ３とす
ると、Ｎ１＞Ｎ２及びＮ２＜Ｎ３という条件を満たす。
好ましくは、作動ガスには、酸素濃度が空気以上のガ
ス、例えば、空気、純酸素ガス、酸素と窒素の混合ガス
であって酸素比率が空気（酸素比率約２０％）より高い
もの、又は酸素と空気の混合ガス等が使用される。三次
ガスにも、酸素濃度が空気以上のガス、例えば、純酸素
ガス、酸素と窒素の混合ガスであって酸素比率が空気
（酸素比率約２０％）より高いもの、又は酸素と空気の
混合ガス等が使用される。なお、作動ガスと三次ガスは
同じ組成であってもよいが、異なる組成であってもよ
い。他方、二次ガスには、酸素濃度が空気以下のガス、
例えば、純窒素のような非酸化性のガス、空気、又は酸
素と窒素の混合ガスであって酸素比率が空気（酸素比率
約２０％）より低いもの等が使用される。ここで、「比
率」という用語は、ガスの流量比率つまり体積比率を指
す意味で使用する。

【００２７】図２は、作動ガス及び三次ガスとして純酸
素ガス、二次ガスとして純窒素ガスを用いた場合の、上
記の３層ガス流の酸素比率の変化をプラズマアーク中心
からの半径方向の距離を横軸にとり模式的に示してい
る。図示のように、プラズマアークは高い酸素濃度を有
するが、その外側は酸素濃度が空気以下に一旦低下し
（二次ガスカーテン）、更にその外側は酸素濃度が再び
空気より濃くなる（三次ガスカーテン）。なお、上述の
説明から分るように、作動ガス及び三次ガスに純酸素ガ
スを用い二次ガスに純窒素ガスを用いることは単なる一
例に過ぎず、他の組成のガスの組み合わせも可能であ
る。作動ガス及び三次ガスは、図２に点線で示す空気の
酸素比率（２０％）以上に酸素を含有することが望まし
く、二次ガスは空気の酸素比率以下で酸素を含有するか
又は全く含有しないことが望ましい。他のガス組成の組
み合わせの中の一つの好適例としては、作動ガスが酸素
比率７０〜９５％程度の酸素と窒素（又は酸素と空気）
の混合ガス、二次ガスが純窒素ガス、三次ガスが純酸素
ガスという組み合わせがある。この組み合わせでは、作
動ガスが酸素比率７０〜９５％程度の混合ガスであるた
め、純酸素ガスを用いた場合に比較して、遜色のない切
断能力を維持しつつ電極の消耗が少ないという利点が得
られる。また、切断中は上記の条件を満たすガスを用い
るが、切断を開始する前のパイロットアーク形成時や、
切断を終了してアークを消すときには、特に作動ガスに
は、上記条件より酸素濃度の低いガス又は全く酸素を含
まないガス、例えば窒素ガスなどを用いることが、電極
消耗を抑える上で望ましい。

【００２８】図３及び図４は、このプラズマトーチ１を
用いて鋼板４１を切断するときの切断箇所の状態を示す
断面図及び平面図である。

【００２９】上述したように、プラズマトーチ１から噴
出した酸素リッチなプラズマアーク４３の外周を酸素濃
度の低い二次ガスカーテン４５が覆い、その外周を酸素
リッチな三次ガスカーテン４７が覆っている。図示の例
では、プラズマトーチ１が鋼板４１に対して図中左から
右へと移動しながら鋼板４１を切断しており、プラズマ
アーク４３の後に切断溝５１が形成されている。ここ
で、鋼板４１の切断最前面５３は、プラズマアーク４３
の内部あるいは外縁ではなく、プラズマアーク４３の外
縁の外側極く近傍に存在する。その理由は、プラズマア
ーク４３からの輻射と鋼板４１の熱伝導によって、切断
最前面５３はプラズマアーク４３よりも先行するためで
ある。本実施形態では、プラズマアーク４３を酸素濃度
の低い二次ガスカーテン４５が囲んでおり、そして、こ
の低温で酸素濃度の低い二次ガスカーテン４５の領域で
は、燃焼反応が抑えられ切断現象が進行しなくなるた
め、プラズマアーク４３による熱源（鋼板４１の金属を
溶かし切断することができる高温かつ酸素濃度の高い領
域）の分布が、二次ガスカーテン４５で囲まれたプラズ
マアーク４３の領域とその近傍だけに限定されたシャー
プな形状になる。因みに、従来技術のようにプラズマア
ークを空気より酸素リッチな雰囲気で囲んだ場合には、
酸素リッチな雰囲気が金属の酸化を促進することによ
り、プラズマアークからある程度離れた領域にも金属を
溶かすに足るエネルギーを供給することになり、熱源分
布が不必要に大きく広がってしまい、バーニングの原因
となる。本実施形態では、酸素濃度の低い二次ガスカー
テン４５の存在によって、熱源分布がプラズマアーク４
５の形に沿ったシャープなものとなるため切断溝５１が
不必要に大きく広がることがなく（つまり、バーニング
が抑制され）、シャープな切れ味が得られる。

【００３０】更に、本実施形態では、二次ガスカーテン
４５の外周を、空気より酸素リッチな三次ガスカーテン
４７が覆っているため、切断直後の切断面５５は三次ガ
スカーテン５５内に入り、ここで切断面５５やその近傍
に残っているドロスの酸化が促進される。ドロスは、酸
化が促進すると表面張力が低下し流動性が高まるので、
三次ガス噴流の力で容易に吹き飛ばされ、よってドロス
の付着が低減する。また、切断面に多少のドロスが付着
したまま凝固し残ったとしても、酸化が進んでいるため
に容易に剥離することができる。特に、酸素濃度の低い
二次ガスカーテン４５によってバーニングが防止される
ため、バーニングの制限を受けることなく、三次ガスの
酸素濃度を高めて大量の酸素を切断溝５１に供給するこ
とができる。従って、バーニングの制限下で酸素濃度を
抑えていた従来技術に比較して、より効果的にドロス付
着を低減することができる。以上の結果、高い切断品
質、つまり、バーニングも無く且つドロスの付着も少な
い好ましい切断面が得られる。

【００３１】また、板厚や切断速度などの切断条件が変
化しても、ドロスの付着を防止するために単純に三次ガ
スの酸素濃度（酸素流量）を増やすだけでよく、従来技
術のようにバーニングとの兼ね合いで微妙な調整が必要
になることはない。

【００３２】更に、本実施形態では、プラズマアーク４
３を旋回流にすると共に、その外周の二次ガスカーテン
４５及び三次ガスカーテン４７をプラズマアーク４３の
旋回流と同一方向に旋回する旋回流としている。こうす
ると、二次ガスカーテン４５及び三次ガスカーテン４７
の旋回強度（流量）を調節することで、切断面のベベル
角を大きい可変範囲にわたって調節することが可能であ
る。すなわち、図４に示すようにトーチから切断箇所を
見たときに旋回方向を右回りにすると、二次ガスカーテ
ン４５及び三次ガスカーテン４７の旋回強度を高めるに
従って、プラズマアーク４３が切断方向に向かって右側
へ傾いていくため、切断方向に向かって右側の切断面５
７Ｒのベベル角がプラス値（鋼板４１の上面と切断面が
なす角度が鈍角）からゼロ（同角度が直角）さらにはマ
イナス値（同角度が鋭角）へと変化していく。逆に、ト
ーチから切断箇所を見たときに旋回方向を左回りにする
と、二次ガスカーテン４５及び三次ガスカーテン４７の
旋回強度を高めるに従って、プラズマアーク４３が切断
方向に向かって左側へ傾いていくため、切断方向に向か
って左側の切断面５７Ｌのベベル角がプラス値からゼロ
さらにはマイナス値へと変化していく。このベベル角調
節機能があることによって、バーニングやドロスの点で
の切断品質向上だけでなく、所望のベベル角（典型的に
は０度）が得られることになり、一層の切断品質向上効
果が得られる。なお、このベベル角調節機能を得るため
に本実施形態では、二次ガスカーテン４５及び三次ガス
カーテン４７の双方を旋回流としているが、その一方だ
けを旋回流としてもよい。すなわち、例えば、二次ガス
だけをプラズマアーク４３と同方向に旋回させ、三次ガ
スは旋回しない噴流としてもよい。ただ、三次ガスを旋
回させると、二次ガスによるベベル角調整の作用を更に
保持できるとともに、三次ガスカーテン４７の均一性を
高めることができる。

【００３３】図５及び図６は、上述した実施形態の変形
例を示している。

【００３４】図５に示すように、この変形例にかかるプ
ラズマトーチ１は、三次ガスカーテン４７を形成するた
めの構造において前述の実施形態と相違している。すな
わち、第１ノズルキャップ７の切断方向後方の外側面
に、三次ガスパイプカバー６１が取りつけられて、パイ
プ状の三次ガス通路６３が形成されている。この三次ガ
ス通路６３のガス噴出口６５から三次ガス噴流が、二次
ガスカーテン４５の切断方向後方の切断溝５１へ供給さ
れる。従って、二次ガスカーテン４５の切断方向後方側
にだけ三次ガスカーテン４７が形成される。既に図３、
４を参照して説明したと同様の原理に従い、酸素濃度の
低い二次ガスカーテン４５によってバーニングが防止さ
れると共に、酸素濃度の濃い三次ガスカーテン４７によ
ってドロス付着が低減される。

【００３５】図１に示した構造のプラズマトーチ１の別
の適用として、ステンレス鋼の切断への適用がある。

【００３６】軟鋼の切断では、これまで説明したよう
に、鉄と酸素の燃焼反応の最適化を目的として、酸素濃
度の高い作動ガス、酸素濃度の低い二次ガス及び酸素濃
度の高い三次ガスというガスの組み合わせを用いてい
る。これに対し、ステンレス鋼の切断では、酸素による
燃焼反応の抑制が必要である。すなわち、ステンレス鋼
の合金元素の一つであるクロムが酸化すると、溶融金属
の流動性を阻害するクロム酸化物が生成され、切断品質
の劣化を招く。そのため、ステンレス鋼のプラズマ切断
では、通常、酸化を防止するため、作動ガスとして、酸
素を含まない窒素を主体として、それにアルゴンや水素
を添加した混合ガスを使う。ここで、水素を添加する理
由は、空気中の酸素の影響を排除するためである。この
ステンレス鋼の切断では、図１に示した構造のトーチ１
を用いて、作動ガス、二次ガス及び三次ガスを全て窒素
やアルゴンなどの非酸化性のガスとすることが好まし
い。従来、非酸化性の二次ガスカーテンを用いて空気中
の酸素の悪影響を防止しようとしているが、更にその外
側に非酸化性の三次ガスカーテンを設けることにより、
二次ガスカーテンが外の空気に直接触れることが少なく
なり、より効果的に切断雰囲気を空気からシールドでき
るので、より確実に空気中の酸素の悪影響を低減するこ
とができる。従来の二次ガスカーテンだけでシールドす
る方法に比較して、二次ガスと三次ガスの２重のカーテ
ンでシールドする方法の方が、同等のシールド効果を得
るために必要となるシールドガス流量がより少なくて済
む。更に、特に空気に直接触れる三次ガスとして、水素
を含むガスを用いると、より良好に酸化を阻止すること
ができる。この方法によれば、三次ガスを全周にわたっ
て供給するよりも、少ないガス量で同等の効果をえるこ
とができる。

【００３７】以上、本発明の一実施形態を説明したが、
これらの実施形態はあくまで本発明の説明のための例示
であり、本発明をこれら実施形態にのみ限定する趣旨で
はない。従って、本発明は、上記実施形態以外の様々な
形態でも実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断法で
使用するプラズマトーチの概略的な断面構造を示す断面
図。

【図２】作動ガス（プラズマアーク）、二次ガス及び三
次ガスの３層ガス流のガス組成の一例を、プラズマアー
クの中心からの半径方向の距離を横軸にとって模式的に
示した説明図。

【図３】図１のプラズマトーチ１を用いて鋼板４１を切
断するときの様子を示す鋼板の切断箇所の断面図。

【図４】このプラズマトーチ１を用いて鋼板４１を切断
するときの様子を示す鋼板の切断箇所の平面図。

【図５】図１のプラズマトーチ１の変形例を用いて鋼板
４１を切断するときの様子を示すトーチと鋼板の切断箇
所の断面図。

【図６】図５の変形例にかかるプラズマトーチ１を用い
て鋼板４１を切断するときの様子を示す鋼板の切断箇所
の平面図。

【符号の説明】

１ プラズマトーチ ３ 電極 ５ ノズル ７ 第１ノズルキャップ ９ 第２ノズルキャップ １３ 作動ガス通路 １５ 二次ガス通路 １７ 三次ガス通路 ２１ 作動ガススワラ ２３ 二次ガススワラ ２５ 三次ガススワラ ３１ ノズルオリフィス ３３ 二次ガス噴出口 ３５ 三次ガス噴出口 ４１ 鋼板（ワーク） ４３ プラズマアーク ４５ 二次ガスカーテン ４７ 三次ガスカーテン ５３ 切断最前面 ５５ ドロスの酸化が促進されている箇所 ５７Ｒ 切断方向に向かって右側の切断面 ５７Ｌ 切断方向に向かって左側の切断面

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマアークによりワークを切断する
   方法において、 酸素を含有した作動ガスを使用して前記プラズマアーク
   を形成するステップと、 前記プラズマアークの周囲に前記作動ガスより低い酸素
   濃度をもつ二次ガス流を供給して二次ガスカーテンを形
   成するステップと、 前記二次ガスカーテンの周囲に前記二次ガスより高い酸
   素濃度をもつ三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを
   形成するステップとを有するプラズマ切断方法。
2. 【請求項２】 前記作動ガスが、空気、体積比率２０％
   以上の酸素を含有する混合ガス、又は酸素ガスである請
   求項１記載のプラズマ切断方法。
3. 【請求項３】 前記二次ガスが、空気、体積比率２０％
   以下の酸素を含有する混合ガス、又は酸素を含有しない
   非酸化ガスである請求項１又は２記載のプラズマ切断方
   法。
4. 【請求項４】 前記三次ガスが、体積比率２０％以上の
   酸素を含有する混合ガス、又は酸素ガスである請求項
   １、２又は３記載のプラズマ切断方法。
5. 【請求項５】 前記二次ガスカーテンの周囲に前記三次
   ガスカーテンを形成するステップに代えて、前記二次ガ
   スカーテンの切断方向後方の切断溝に前記三次ガス流を
   供給するステップを有する請求項１記載のプラズマ切断
   方法。
6. 【請求項６】 プラズマトーチと、前記プラズマトーチ
   に作動ガス、二次ガス及び三次ガスを供給するガス供給
   系統とを備え、 前記プラズマトーチは、 前記作動ガスのプラズマアークを噴射するノズルと、 前記ノズルから噴射されるプラズマアークの周囲に二次
   ガス流を供給して二次ガスカーテンを形成する二次ガス
   カーテン形成機構と、 前記二次ガスカーテン形成機構によって形成される前記
   二次ガスカーテンの周囲又は切断方向後方に三次ガス流
   を供給して三次ガスカーテンを形成する三次ガスカーテ
   ン形成機構とを備えたプラズマ切断装置。
7. 【請求項７】 前記作動ガスが酸素を含有し、 前記二次ガスが前記作動ガスより低い酸素濃度をもち、 前記三次ガスが前記二次ガスより高い酸素濃度をもつ、 請求項６記載のプラズマ切断装置。
8. 【請求項８】 前記作動ガスが、空気、体積比率２０％
   以上の酸素を含有する混合ガス、又は酸素ガスであり、 前記二次ガスが、空気、体積比率２０％以下の酸素を含
   有する、又は酸素を含有しない非酸化ガスであり、 前記三次ガスが、体積比率２０％以上の酸素を含有する
   混合ガス又は酸素ガスである、請求項６記載のプラズマ
   切断装置。
9. 【請求項９】 作動ガス通路と、この作動ガス通路に連
   通し作動ガスのプラズマアークを噴射するノズルオリフ
   ィスとを有するノズルと、 二次ガス通路と、この二次ガス通路と連通し前記プラズ
   マアークの周囲に二次ガス流を噴出して二次ガスカーテ
   ンを形成する二次ガス噴出口とを有する二次ガスカーテ
   ン形成機構と、 三次ガス通路と、この三次ガス通路と連通し前記二次ガ
   スカーテンの周囲又は切断方向後方に三次ガス流を供給
   して三次ガスカーテンを形成する三次ガスカーテン形成
   機構とを備えたプラズマ切断トーチ。