JPS6233025B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプラズマ切断方法、特に薄板の金属材
料をプラズマアークにより切断する方法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

薄板の金属材料をプラズマアークにより手動切
断或いは半自動切断する場合には、手持式のプラ
ズマトーチが便利であるので、従来より広く使用
されている。この場合、プラズマガス（切断ガス
または作動ガス）には、主としてアルゴン
（Ar）ガスが使用され、稀にはArガス中に水素
（H₂）ガス或いは窒素（N₂）ガスを添加した（Ar＋
H₂）または（Ar＋N₂）の混合ガスを用いる場合が
ある。

尚、N₂ガスはH₂ガスよりも電位傾度が高い。

Arガスによるプラズマ切断は、ちよつと切断
したい、穴を開けたい、端切りしたいなどの加工
時の補修及び溶接前後の補助作業には非常に有効
である長所がある反面、切断品質が悪く、切断能
力が極めて低い短所がある。そこで（Ar＋H₂）及
び（Ar＋N₂）の混合ガスの使用は切断能力を高め
るのに有効であるが、（Ar＋H₂）混合ガスではド
ロスが切り口に付着し易い。これは本発明者の検
討によればH₂の電位傾度がN₂よりも低く、しか
もH₂は還元ガスで溶融金属に入りにくいためと
考えられる。

特に手持式のプラズマトーチによるプラズマ切
断作業では、切断速度の低下を多少犠牲にして
も、主として切断面の品質の確保に重点が置かれ
ており、切断面がシヤープで酸化が少なく、しか
もその切り口にドロスが付着しないことが重要で
ある。特に板厚が６mm以下の薄板の切断では、従
来から切断面の高品質化が強く要望されていた。
この要望に答えるために種々の方法が検討されて
きたがまだ十分に満足できる方法が見い出すまで
に至つていないのが現状である。

一方、水シールド方式プラズマ切断は切断面の
品質改善ばかりではなく、作業環境の改善にも寄
与することが知られている。例えば特公昭47−
9252号公報には、プラズマアークの周囲より被切
断材の切り口に水を噴出させながら切断する方法
が記されている。この切断法は、被切断材の切り
口の肩だれ防止、酸化防止および切断面の良質化
に大いに有効であり、主して厚板の高速自動切断
に広く用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ドロス発生の要因は本願発明者の検討によれば
ノズル孔単位面積当たりのエネルギー量が低いこ
と、及び溶融金属の粘性が高くて落下しにくいこ
とにある。

特公昭47−9252号公報のプラズマ切断装置に装
備されている切断トーチは構造が複雑でかつ径が
太く（トーチの冷却は大電流容量の直接水冷方
式）、手持式の切断トーチには適さない。それば
かりか仮りにこの装置により、薄板（板厚が６mm
以下のステンレス、アルミニウムなどに金属材
料）の切断を行つたとしても、ドロスの付着とい
う問題点は解消されない。

本発明の目的は切断能力を高めて薄板のドロス
フリー切断を可能にするプラズマ切断方法を提供
するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のプラズマ切断方法は、プラズマトーチ
にコレツトを介して内蔵された非消耗電極棒の先
端方向に同じくプラズマトーチ内部先端に配置さ
れるプラズマチツプ先端のノズル孔を位置させ、
通電によりプラズマアークをこのノズル孔を通し
て金属材料の被切断材に向けて発生させ、このプ
ラズマアークにより金属材料の切断を行うもので
ある。そしてこの場合に次の３条件を満たすこと
が本発明の特徴である。

ノズル孔の単位面積当たりの電流密度ｉが30
≦ｉ≦40（Ａ／mm²）を満足するようにノズル孔
とプラズマ電流を選定してプラズマアークの密
度を高める。

ノズル孔のストレート長さｌとノズルチツプ
の先端面から電極棒先端までの距離ｈとが1.5l
≦ｈ≦3lの関係を満足するようにしてプラズマ
アークの密度を高める。

ノズル孔から窒素ガス（N₂）濃度が60％以上
のアルゴン（Ar）〜N₂混合ガスを噴出する。

尚、本発明においてはドロスフリーに直結はし
ないがN₂ガスを使用する関係上有害ガスの発生
及び切り口の窒化の各抑制の為に、プラズマトー
チ先端を構成するノズルキヤツプとノズルチツプ
との間から被切断材の切り口に向けて水を噴出し
て切断することが望ましい。

〔作用〕

上記及びの条件を満たすことによつてノズ
ル孔単位面積当たりのエネルギー量を向上させ得
る。また上記の条件を満たすことによつてノズ
ル孔単位面積当たりのエネルギー量を向上させ得
ると共に溶融金属を落下し易くする。即ちN₂ガ
スは電位傾度が高いことから電圧レベルを上昇さ
せてエネルギー量向上の効果を奏するし、N₂ガ
スは酸化、窒化反応の促進剤として溶融金属中
に、溶け込み、かつエネルギー量向上で高温化せ
しめ溶融金属の粘性を低下させて落下し易くする
という効果を奏する。即ちこれらの条件の相乗効
果によつて本発明の目的が達成されるのである。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面について説明する。

第１図は本発明に係わるプラズマ切断方法を適
用するプラズマ切断機の構成図である。同図にお
いて、１は手動切断が行える小型のプラズマトー
チで、プラズマガスの流出及びプラズマアーク２
が発生するトーチ先端部から水を噴出させる機能
を備えており、その詳細については後述すること
にする。３は制御装置４とプラズマトーチ１に接
続されたトーチケーブルで、このケーブル３によ
り通電、水、ガスなどが給送される。５は被切断
材、６は被切断材５と制御装置４に接続する直流
電源、７ａ，７ｂは各ボンベ内に収納されたAr
ガス及びN₂ガスで、そのArガスは第１プラズマ
ガスとして、またN₂ガスは第２プラズマガスと
してそれぞれプラズマトーチ１へ供給される。

上記制御装置４には直流電源６とガス７ａ，７
ｂの他に、プラズマトーチ１の本体を水冷するた
めの冷却水及びプラズマアーク２の周囲から被切
断材５の切り口へ水を噴出するための水源８が接
続されている。この制御装置４によりプラズマア
ーク２の発生から切断の終りまで、必要に応じて
任意にプラズマ電流、プラズマガス流量及び水量
などの値を設定、供給の開始及び停止の制御が第
３図に示すようにできるように構成されている。
９は起動と停止を行うトーチスイツチである。

上記プラズマトーチ１（以下トーチと称す）の
構造の詳細は第２図に示すとおりで、そのトーチ
本体１ａは手軽に手動切断を行うことができるよ
うに、外径が25mm程度で手持式の小型に形成さ
れ、トーチ本体１ａ内に構成部品がコンパクトに
納入されている。すなわちトーチ本体１ａの中央
には、コレツト１１を介して通電される非消耗性
電極棒１０が設置され、またトーチ本体１ａの先
端部には、小径のノズルチツプ１２が装着され、
このノズルチツプ１２のノズル孔１３からプラズ
マガス７とプラズマアーク２が被切断材５へ向け
て噴射される。そのプラズスガス７は軸流方式を
示しているが、旋回させてもよいことはもちろん
である。目的を達成させる上で重要なノズル孔に
対する電極棒の位置やプラズマアークの電流密
度、プラズマガス成分などについては後述する。

上記ノズルチツプ１２の外周部は絶縁リング１
５ａ，１５ｂを介して金属製ノズルキヤツプ１４
により包囲されている。このためノズルチツプ１
２とノズルキヤツプ１４は電気的に絶縁されトー
チ１の母材接触切断が可能となる。前記絶縁リン
グ１５ｂの内周面には、被切断材５に向けて冷却
水１６を必要に応じて均一に噴出させるための小
溝が設けられている。またプラズマトーチ本体１
ａ内には、それ自身を冷却するための冷却水１７
が循環しており、かつプラズマガス７および冷却
水１６の漏洩を防止するためのシールリング１８
ａ，１８ｂ，１８ｃが設けられている。図示のト
ーチでは、ノズルチツプ１２の外周部より噴出す
る冷却水１６とトーチを冷却するための冷却水１
７の通路を、それぞれ独立して設けてあるが、両
者の冷却水通路を統合してプラズマトーチ本体内
に供給した冷却水をそのままトーチ先端部に流出
させるようにしてもよい（単一の冷却水でトーチ
の冷却と被切断材の切り口への作用・反応を同時
に行う）。また図示のトーチでは、冷却水１６の
水量を任意に可変できる構造になつているので、
冷却水を噴出させた切断の他に噴出させない場合
の切断も可能で、作業の用途に応じて使い分けす
ることができる。

上記のようにトーチ１を構成する各部品の形状
の小型化や簡素化により、手動切断の可能な小型
トーチが得られる。

また上記トーチ１では、その先端部のノズルキ
ツプ１４を被切断材５に接触させたままでも切断
が可能であるから、トーチ操作が容易であり、ア
ーク長の変動の影響を受け難く、かつ切断面の均
一化及び良質化を図ることが可能である。

次に本実施例に基づくプラズマ切断の制御動作
を第３図に従つて説明する。

第３図はプラズマ電流ＩとパイロツトアークＡ
の点滅、プラズマガスG₁，G₂及び水（Ｑ_W）の供
給が、起動から停止して終了するまでの時間と共
に変化する動作を示したものである。第１プラズ
マガスG₁はArガス（例えば３〜10／min）、第
２プラズマガスG₂はN₂ガス（例えば10〜30／
min）で、プラズマアーク２の発生と同時にN₂ガ
スが添加されて合流し、（Ar＋N₂）混合ガスとし
てノズル孔より噴射する。

また、これに同期しての水の供給が（例えば30
〜200c.c.／min）が開始される。ノズルチツプ１
２の外周部に供給されたその少量の冷却水１６
は、プラズマガス７とプラズマアーク２の超高温
の気流により、均一に噴霧化、蒸気化し、水と噴
霧及び蒸気の混合流体がプラズマアーク２の周囲
を包み込むように作用し、サーマルピンチ効果に
よつてそのアークエネルギー密度を高めると共
に、高温化された噴霧、蒸気流体が被切断材の切
り口へ有効に作用、反応させることができる。こ
の水の供給に当つては、切断条件に見合つた水量
を予め設定すればよい。尚、適正量としては約30
〜200c.c.／minで、それよりも少ないと噴霧状態
が間欠になつたり、プラズマアークを不安定にす
る恐れがあり、また水量が多過ぎると、切断速度
の低下を招く恐れがあるからである。

切断性を高めるためには、N₂ガスの濃度を高
めることが不可欠であり、少なくともN₂ガス濃
度を60％以上にする必要がある。N₂ガスの使用
は切り口面の窒化、酸化およびNOxなどの有害
ガス発生が問題となると思われがちであるが、ド
ロス対策においては本質的な問題ではない。例え
ばこのような問題は本実施例の如くトーチ先端部
から水を任意に噴出させることにより、水シール
効果で切り口面の窒化、酸化を防止し、有害ガス
の発生も抑制し得る。

薄板のドロスフリー切断を行う場合には、プラ
ズマアークのエネルギー密度を高めることが有効
であるが、単にノズルチツプのノズル孔径を小さ
くし、そのノズル孔をプラズマアークが通る単位
面積当たりの電流密度（Ａ／mm²）を高めただけで
は、切断速度をいかに調整してもドロスフリー切
断を実現することはできない。切り口がシヤープ
で、しかもドロスが付着しない良質の断面積をう
るためには、更にいくつかの条件因子を把握しな
ければならない。

種々の切断実験を行つた結果、トーチ内部の電
極とノズルの距離が薄板のドロスフリー切断を実
施するのに、極めて重要な因子であることが判明
した。第４図は第２図に示す切断トーチを用い
て、板厚６mmのステンレス鋼を切断した時の結
果、すなわちノズル孔１３のストレート長さｌ
と、ノズルチツプ１２の下端面から電極１０の先
端までの距離ｈを変更したときの切断中のアーク
電圧を示したものである。図中のＶ_pは電極１０
から被切断材５へ発生させたプラズマアークの電
圧、Ｖ_Nはプラズマアークにより生ずるノスルと
電極間の分電圧である。プラズマガスにはアルゴ
ン窒素混合ガス（Ar＋80％N₂）を使用しており、
プラズマ電流70A、ノズル孔径1.6mm、添加水量
は70c.c.／minなど一定の条件である。

上記ｌを長くすると、Ｖ_p，Ｖ_Nは上昇し、その
値はｈが長いほど高くなる。しかし電極先端がノ
ズル孔径の上端部に接近してほぼｌ＞ｈの条件下
になると、電圧Ｖ_p，Ｖ_Nが急降下し、切断能力は
著しく低下することが判明した。また前記条件下
では、ドロスフリー切断は不可能であつた。トー
チを下げて母材に接触させて切断を行つた場合に
おいても、アーク長の縮小に伴う電圧降下により
Ｖ_p，Ｖ_Nの値は相対的に低下するが、上記の現象
は同様に認められる（図中の点線曲線Ｂは、母材
接触切断結果）。ｌ＞ｈの条件下でＶ_p，Ｖ_Nが急
降下する理由は、ノズル孔の全周面でプラズマア
ークを狭搾することができずに、ノズル孔先端部
の一円周面にプラズマアークが接するようにな
り、アークの狭搾効果が低下する。その結果、ア
ークのエネルギー密度が減少することが考えられ
る。

第５図はノズル孔のストレート長さｌが2.5mm
（一定）で、ノズルチツプと電極間の距離ｈとプ
ラズマアーク電圧Ｖ_pとの関係を示したものであ
る。また板厚（ｔ）が１mmから８mmまでのステン
レス鋼板を切断したときの切断結果をまとめ、そ
の切り口の代表例が図示されている。この図より
ｈが短くてｌ＞ｈとなるところではＶ_pが急降下
し、この領域ａではプラズマアークの出力が低下
し、切断能力が著しく低下することが明らかであ
る。また切断速度を調整しても良好に切断を行う
ことができず、左図（ａ領域）のように切り口の
上部は肩だれを生じ、下部にはドロスが付着す
る。

上記と反対にｈを長くした場合には、これにほ
ぼ比例してＶ_pは上昇し、プラズマアークのエネ
ルギーは増加して切断能力が増大する。また右図
（ｂ領域）のように切断の切り口はシヤープで肩
だれが小さく、ドロスもほとんど付着しない、し
かも光沢を有する極めて良好な切断結果が得られ
る。

上記説明から明らかなようにｌ＞ｈの条件はド
ロスフリー化に対し極めて不適当であり、従つ
て、ｌ≦ｈが必須となる。ここでより現実的には
ｈの値が小さくてｌに近接するところでは第４図
及び第５図に示したようにＶ_p，Ｖ_N値が上下変化
し易い領域に近いので切断性能上不安定である。
そこで安全サイドからｈへの下限値はｌよりも若
干大きな1.5とするべきである。

ところで、ｈが長過ぎて８mmを超えるｃ領域で
は、起動時のパイロツトアークの印加及びプラズ
マアークの母材へ移行が困難で、切断作業に支障
をきたす恐れがある。またノズルチツプに高負荷
が加わるので、ノズルチップの寿命が短かくな
る。

この８mmという値はｌが2.5mmの本実施例にお
ける（従つてｈ≒８mm（〓2.5×３））値である。
即ちｈの値を3l以上にすると電極棒先端がトーチ
内部に引つ込み過ぎてしまい、Ｖ_p，Ｖ_N値の過大
な増加に伴う電源の容量アツプが必要となる。こ
の値は特に臨界性を有するものではないが、切断
現場において推奨できり現実的な値である。

従つて切断作業悪影響を及ぼすことなく、プラ
ズマアークの発生が安定でしかもドロスフリーの
良好な切断結果を常に得るには、1.5l≦ｈ≦3lの
範囲に限定するべきである。

本実施例では、ノズル孔径は1.6mmの場合につ
いて述べたが、そのノズル孔径を小さくあるいは
大きくしたノズルチツプ（例えばノズル孔径12
mm，2.0mm）を使用した場合でも、前記のｈとｌ
との関係は成立することが確認されている。

またノズル孔径を変更する場合、その孔径に見
合つたプラズマ電流を流す必要がある。前記トー
チによる検討結果によれば、ノズル孔をプラズマ
アークが通る単位面積当りの電流密度ｉ（Ａ／
mm²）が30≦ｉ≦40の範囲になるように、プラズマ
電流を流すのが最適であることが判明した。ｉの
値が前記適正範囲よりも小さ過ぎれば、入熱量不
足のプラズマアークによるドロスフリー切断が困
難となり、逆にｉを大きくし過ぎると、ダブルア
ークを誘発し易くなるため、ノズルチツプを溶損
するからである（第６図参照）。

前記プラズマ電流、ノズル孔径、プラズマガス
および切断速度などのプラズマ切断に関与すると
云われている緒因子に対し、トーチ内部の電極と
ノズルチツプとの距離などの因子の影響は従来、
見落され勝ちであつた。ところが第４図および第
５図の実施例から明らかなように、薄板のドロス
フリー切断を達成する上で、ｈとｌの設定は極め
て重要な条件因子であるので、十分に考慮しなけ
ればないないことが分る。

以上説明したように本実施例によれば、トーチ
を構成する個々の部品の形状を小形化かつ簡易化
することにより、手動切断作業の容易な小型トー
チを作ることができるばかりでなく、必要に応じ
て切断の際に水と噴霧および蒸気の混合流体を被
切断材の切り口へ作用・反応させることが容易に
できるので、切り口肩だれの防止、熱影響の縮小
及び窒化、酸化の防止を図ると共に、有害ガスの
発生を抑制して作業の現場の環境改善を図ること
ができる。

また本実施例によれは、ノズル孔の長さと、ノ
ズルチツプおよび電極間の距離との関係を所定の
条件を満足するように設定することにより、切断
能力を向上させて従来困難とされていた板厚６mm
の薄板のドロスフリー切断が可能となり、その切
断面の高品質化を達成することができる。この他
トーチ先端部を被切断材に接触させたままでも切
断作業が行えるので、トーチ操作性が良い上に未
熟練者でもノズルチツプなどの部品を損傷するこ
と少なく、切断結果を安定に確保することができ
る。

加えてトーチ先端部から水を任意に噴出させる
機能により、手動でも手軽に切断作業が行えるば
かりでなく切断面の品質改善や有害ガス発生を抑
制して環境改善に寄与する。

〔発明の効果〕

以上説明した通り、本発明によればプラズマ切
断の切断能力が高まり薄板でもドロスフリー切断
が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るプラズマ切断
方法に適用するプラズマ切断機の構成図、第２図
は本発明の実施例に係るプラズマ切断方法に使用
されるプラズマトーチの縦断面図、第３図は本発
明の実施例に係わるプラズマ切断方法の制御動作
図、第４図及び第５図は本発明の実施例に係わる
プラズマ切断方法の実施態様の特性図、第６図は
ノズル孔径と電流との関係特性図である。 １……プラズマトーチ、１ａ……トーチ本体、
２……プラズマアーク、５……被切断材、７……
プラズマガス、１０……電極棒、１２……ノズル
チツプ、１３……ノズル孔、１４……ノズルキヤ
ツプ、１５……絶縁リング、１６，１７……冷却
水。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマトーチにコレツトを介して内蔵され
   た非消耗電極棒の先端方向に同じくプラズマトー
   チ内部先端に配置されるプラズマチツプ先端のノ
   ズル孔を位置させ、通電によりプラズマアークを
   該ノズル孔を通して金属材料の被切断材に向けて
   発生させ、該プラズマアークにより該金属材料を
   切断するプラズマ切断方法において、前記ノズル
   孔の単位面積当たりの電流密度ｉが 30≦ｉ≦40（Ａ／mm²） を満足するよう該ノズル孔とプラズマ電流を選定
   すると共に該ノズル孔のストレート長さｌと前記
   ノズルチツプの先端面から前記電極棒先端までの
   距離ｈとが 1.5l≦ｈ≦3l の関係を満足するようにして前記プラズマアーク
   の密度を高め、更に前記ノズル孔から窒素ガス濃
   度が60％以上のアルゴン〜窒素混合ガスを噴出さ
   せることを特徴とするプラズマ切断方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のプラズマ切断方
   法において、前記プラズマトーチ先端を構成する
   ノズルキヤツプと前記ノズルチツプとの間から被
   切断材の切り口に向けて水を噴出して切断するこ
   とを特徴とするプラズマ切断方法。