(57)【要約】【課題】本発明は、加工精度を高めつつ安定した加工処理を行うことができる熱切断加工装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る熱切断加工方法は、予熱部２において、加熱部２０により厚さ２５ｍｍ以上の被加工材Ｍの裏面側から加熱して少なくとも切断位置の裏面側の表面温度が５００℃以上で表面側の加熱温度より低い温度となるように予熱し、予熱された被加工材Ｍに対して熱切断部１において所定の切断ラインに沿って加熱部１０を移動させて切断加工を行うことで、精度よく安定した切断加工を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ２５ｍｍ以上の被加工材の表面側から加熱して当該被加工材を厚さ方向に切断する熱切断加工方法において、少なくとも切断位置の裏面側の表面温度が５００℃以上で表面側の加熱温度より低い温度となるように予熱する熱切断加工方法。
【請求項２】
前記被加工材の裏面側から加熱して裏面側の表面温度が５００℃以上８００℃以下となるように予熱する請求項１に記載の熱切断加工方法。
【請求項３】
鋼材をプラズマ切断により切断する請求項１又は２に記載の熱切断加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材等からなる被加工材に対して切断ラインに沿って加熱して切断加工を行う熱切断加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材等を切断加工する方法として、ガス切断、プラズマ切断、レーザ切断等の熱切断加工が用いられている。鋼材等の熱切断加工では、被加工材を発火温度（鋼材の場合には約９００℃）まで加熱し、加熱部分に高純度の酸素ガス等の高圧ガス流を吹き付けて燃焼させる。そして、燃焼により発生する熱で被加工材を溶融させると同時に、燃焼生成物及び溶融金属を高圧ガス流（酸素又は空気）により吹き飛ばして除去することで切断が行われる。そのため、被加工材の切断加工部分において、燃焼→溶融→除去を繰り返すことで溝を形成していき、最終的に切断されるようになる。
【０００３】
こうした熱切断加工では、特許文献１に記載されているように、熱切断加工を行う加工部の他に予熱部を設け、予め被加工材の切断加工部分を予熱部により加熱しておき、予熱部により加熱された切断加工部分を加工部により熱切断することで、効率的な切断加工を行うことができる。
【０００４】
しかしながら、切断加工部分において被加工材の厚みが厚くなってくるにしたがい、切断加工部分を深く掘り下げていくことが必要となるが、深くなるにしたがい高圧ガス流（酸素又は空気）の供給及び加熱状態が不十分となりやすくなる。特許文献２では、こうした課題に対して、補助燃料ガス噴出用ノズルを用い、深さが深くなる裏面側付近に燃料ガスを噴射させて燃焼させることで、切断加工を安定して行うようにした点が記載されている。
【０００５】
また、プラズマ切断では、切断加工部分の深さが深くなるに従いプラズマジェットの熱が奪われて切断力が不十分となってくるため、被加工材の厚さが厚くなってくると、裏面側に行くに従い溝幅が狭くなって切断面が次第に傾斜し垂直にならない、といった課題がある。こうした課題に対しては、プラズマジェットの噴射角度を予め斜め方向に設定したり、プラズマジェットの周囲に旋回気流を発生させて切断面の加工精度を向上させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平３−１１０８号公報
【特許文献２】実開昭６２−９３５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、熱切断を行う加工において被加工材の厚さが厚くなるに従い切断面を垂直に形成することが困難となるといった課題に対して、様々な改良工夫が提案されているが、十分な加工精度で安定して加工することが難しいといった課題がある。例えば、特許文献２に記載されているように、補助燃料ガス噴出用ノズルを用いる場合、切断面を垂直に加工するための噴出角度や噴出量等の制御が難しい。また、被加工材の厚さが厚くなってくると、プラズマ切断の際にプラズマジェットを予め傾斜させる場合、切断面の一方の側は垂直となったとしても他方の側が傾斜した状態になる。そのため、加工精度が十分とはいえず、プラズマジェットの周囲に旋回気流を発生させる場合にも加工速度との関係で制御が難しく、安定した加工を行うことが難しい。
【０００８】
そこで、本発明は、加工精度を高めつつ安定した加工処理を行うことができる熱切断加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る熱切断加工方法は、厚さ２５ｍｍ以上の被加工材の表面側から加熱して当該被加工材を厚さ方向に切断する熱切断加工方法において、少なくとも切断位置の裏面側の表面温度が５００℃以上で表面側の加熱温度より低い温度となるように予熱する。さらに、前記被加工材の裏面側から加熱して裏面側の表面温度が５００℃以上８００℃以下となるように予熱する。さらに、鋼材をプラズマ切断により切断する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、上記のような構成を有することで、加工精度を高めつつ安定した熱切断加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る熱切断加工方法に使用する熱切断加工装置の実施形態に関する概略構成図である。
【図２】予熱部による予熱領域を示す説明図である。
【図３】予熱を行わない場合及び予熱温度を３００℃、５００℃及び８００℃に設定した場合における切断の様子を撮影した写真である。
【図４】予熱を行わない場合及び予熱温度を８００℃に設定した場合における切断加工状態を撮影した写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明に係る熱切断加工方法に使用する熱切断加工装置に関する概略構成図である。熱切断加工装置は、被加工材Ｍの表面側から加熱して被加工材Ｍを厚さ方向に切断する熱切断部１、被加工材Ｍの裏面側から加熱して所定温度に予熱する予熱部２、及び、熱切断部１及び予熱部２において被加工材Ｍを所定方向に移動させて予熱動作及び熱切断動作を行う搬送部３を備えている。
【００１４】
被加工材Ｍは、鋼材等の金属材料からなり、平板状に形成されている。被加工材Ｍの切断方向の厚さは、２５ｍｍより薄い場合には、裏面側から予熱することなく正確な加工精度で切断することが可能であるが、２５ｍｍ以上の厚さでは、熱切断部１のみの切断加工では、加工精度が低下するとともに高速の加工処理を行うことが難しくなる。なお、被加工材Ｍの形状は、平板状の形状に限定されることはなく、柱状の形状や断面Ｌ形の３次元形状でもよく、切断ラインにおいて少なくとも一部に２５ｍｍ以上の厚さがある形状でも高い加工精度で安定して切断加工することができる。
【００１５】
熱切断部１は、熱切断を行うために必要な高温状態を被加工材Ｍの表面に発生させる加熱部１０及び加熱部１０を加熱制御する加熱制御部１１を備えており、加熱部１０としては、ガス切断、プラズマ切断及びレーザ切断等の公知の熱切断加工装置の加熱手段を用いることができる。また、熱切断部１には、必要に応じて表面側を予熱する予熱手段を設けてもよい。加熱制御部１１は、加熱部１０に対して熱切断を行うように加熱制御する。例えば、ガス切断では、加熱部１０に燃料ガス及び酸素ガスを供給して被加工材Ｍの表面を高温状態とし、酸素ガスを高圧ガス流で吹き付けることで燃焼生成物や溶融金属を除去するように制御する。また、プラズマ切断では、加熱部１０の電極と被加工材Ｍとの間に高電圧を印加してプラズマを発生させ、作動ガスを高圧ガス流で吹き付けることで燃焼生成物や溶融金属を除去するように制御する。また、レーザ切断では、加熱部１０に設けられたレーザ光源を照射制御して被加工材Ｍの表面を高温状態とし、アシストガスを高圧ガス流で吹き付けることで燃焼生成物や溶融金属を除去するように制御する。
【００１６】
予熱部２は、公知の加熱手段により被加工材Ｍの裏面側を部分的に加熱する加熱部２０及び加熱部２０を加熱制御する予熱制御部２１を備えている。加熱部２０としては、燃料ガスの燃焼による加熱、プラズマの噴射による加熱、レーザ光の照射による加熱、高周波誘導加熱といった公知の加熱手段が挙げられる。また、ティグ溶接等の溶接に用いられる加熱手段を予熱に使用することもできる。こうした公知の加熱手段を複数種類用いることもできる。
【００１７】
予熱制御部２１は、加熱部２０の加熱制御を行い、被加工材Ｍの裏面側が所定の予熱温度となるように制御する。被加工材Ｍの裏面側の予熱温度は、少なくとも切断位置の裏面側の表面温度が３００℃以上で表面側の加熱温度より低い温度となるように予熱することが好ましい。被加工材Ｍの裏面側の表面温度が５００℃以上となるように予熱しておくことで、表面側からの加熱作用が届きにくい裏面側においても表面側と同様の酸化作用による熱切断動作が効率よく行われるようになり、表面側から裏面側にわたって切断面の加工精度を向上させるとともに安定した熱切断加工を行うことができる。また、裏面側の表面温度が表面側の加熱温度以上となると、熱切断加工と同様の酸化作用が裏面側に生じるようになるため、切断加工に悪影響を及ぼすようになる。そのため、裏面側の表面温度を表面側の加熱温度よりも低い温度で予熱することが好ましく、より好ましくは８００℃以下に設定すればよい。なお、この例では、裏面側から予熱することで、裏面側の表面温度を所定の予熱状態に設定するようにしているが、裏面以外の表面側や側面側から加熱して裏面側の表面温度が上述した温度範囲となるように設定して所定の予熱状態とすることもできる。
【００１８】
予熱制御部２１は、燃焼による加熱、プラズマによる加熱及びレーザ光の照射による加熱については、加熱制御部１１と同様に制御することができる。また、高周波誘導加熱については、誘導コイルの配置及び印加電流の周波数を適宜選択して制御することで、被加工材Ｍの裏面側の予熱領域に対応して加熱することができる。
【００１９】
搬送部３は、熱切断部１及び予熱部２において被加工材Ｍを移動させる搬送ローラ３０及び搬送ローラ３０を移動制御する搬送制御部３１を備えている。この例では、移動手段として搬送ローラ３０を用いているが、搬送ローラ３０以外の移動手段でもよく、熱切断部１及び予熱部２において加熱部１０及び２０に対して被加工材Ｍを相対移動させる手段であれば用いることができる。したがって、加熱部１０及び２０をロボットアーム等の移動手段に担持して被加工材Ｍとの間で相対移動させるようにしてもよく、被加工材Ｍの形状や切断ラインに応じて移動手段を適宜選択して移動部とすることができる。搬送制御部３１は、搬送ローラ３０の一部に設けられた駆動モータ（図示せず）を駆動して被加工材Ｍを所定の搬送速度で移動させる。この例では、加熱部１０及び２０が所定位置に設定されているため、被加工材Ｍに対する加熱部１０及び２０の移動速度は、搬送速度と同じ値で逆方向となる。
【００２０】
なお、この例では、移動制御部として搬送制御部３１が用いられているが、加熱部１０及び２０を被加工材Ｍに対して相対移動させるために加熱部１０及び２０を移動手段に取り付けて移動部を構成する場合には、搬送制御の外に加熱部１０及び２０の移動制御を行う移動制御部を備えるようにする。こうした移動制御を行うことで、被加工材に設定された２次元又は３次元の切断ラインに対しても加熱部１０及び２０を相対移動させて切断加工することが可能となる。
【００２１】
図１に示す熱切断加工装置を用いて熱切断加工を行う場合には、まず、予熱部２に被加工材Ｍを搬入して搬送ローラ３０により移動させながら被加工材Ｍに対して切断位置の裏面側を加熱部２０により加熱する。その際に、加熱部２０により加熱される予熱領域は、切断位置を中心に幅広い領域に設定することができ、少なくとも切断位置の裏面側の表面温度が５００℃以上となるように予熱制御される。図２は、予熱部２による予熱領域を示す説明図である。この例では、被加工材Ｍの表面側に直線状に切断ラインＬ１が設定されており、切断ラインＬ１に沿って厚さ方向に切断することで、表面側から裏面側にわたって厚さ方向に沿った切断面Ｐが設定されている。そのため、予熱領域Ｒは、切断面Ｐの裏面側ラインＬ２に沿って所定幅で設定されている。そして、予熱領域Ｒに沿って加熱部２０により加熱して、少なくとも裏面側ラインＬ２の表面温度が所定の予熱温度となるように予熱制御する。
【００２２】
こうして予熱部２において予熱処理された被加工材Ｍは、熱切断部１に搬入されて切断ラインＬ１に沿って加熱部１０により加熱されながら搬送ローラ３０により移動されていき、裏面側まで貫通するように熱切断処理が行われる。被加工材Ｍは、予め予熱処理がなされているので、表面側から加熱部１０により加熱することで、切断面Ｐに沿うように熱切断を効率よく進めることができ、裏面側まで精度よく安定した熱切断処理を行うことが可能となる。
【実施例】
【００２３】
被加工材として板厚が２５ｍｍ及び３６ｍｍの２種類の鋼板（ＪＦＥスチール株式会社製；縦２００ｍｍ×横４００ｍｍ）を用いた。図１に示す熱切断部１として、市販のプラズマ切断装置（コマツ産機株式会社製；TFP3051）を用い、予熱部２として、市販のガスバーナー（ヤマト産業株式会社製）を用いて裏面側ラインに沿って予熱処理を行った。切断加工中には、熱電対（安立計器株式会社製）及び放射温度計（ＮＥＣ株式会社製）により鋼板の表面側の切断ラインの表面温度及び裏面側の裏面側ラインの表面温度を計測した。なお、温度計測は両装置を同時に用いて行い、両方の計測値が概ね一致していることから、予熱温度の計測が正確に行われていることが確認された。
【００２４】
切断加工については、切断電流を３００Ａに設定し、メインガス及びツイスターガスをＯ2＋１０％Ｎ2及び空気とし、それぞれ３２Ｌ／分及び４０Ｌ／分で導入した。プラズマトーチのスタンドオフは５ｍｍに設定した。鋼板の裏面側の予熱温度については、３００℃、５００℃及び８００℃にそれぞれ設定して切断加工を行った。比較のため、予熱を行わない場合についても切断加工を行った。切断加工中の表側の表面温度は、いずれの場合でも熱切断加工に必要となる１５３０℃以上であった。
【００２５】
切断加工中の加熱状態については、放射温度計の計測画像から、鋼板の表面及び裏面のほぼ全体に渡り均一な加熱及び予熱が行われていることが確認できた。
板厚２５ｍｍの鋼板については、切断速度は２８００ｍｍ／分に設定して切断加工を行った。図３は、予熱を行わない場合及び予熱温度を３００℃、５００℃及び８００℃に設定した場合における切断の様子を撮影した写真である。撮影装置は、高速カメラ（Ｖｉｓｉｏｎ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ社製）を用いた。切断方向と直交する方向から撮影しており、上側の明色画像部分がプラズマトーチの発光部位を示し、鋼板の表面側に向かってプラズマジェットが噴射されている様子を表示している。また、下側の明色画像部分が鋼板を貫通して裏面側からプラズマジェットが噴出している様子を示している。
【００２６】
予熱を行わない場合及び予熱温度が３００℃の場合では、鋼板の表面側の切断先端位置に比べて裏面側の切断部先端位置がずれている様子が確認でき、鋼板の表面側から流入するプラズマジェットが切断面に沿って切断方向後方へと吹き流されている。こうした現象は、鋼板の板厚が厚いため、鋼板の裏面側に近くなるほどプラズマトーチから切断領域への入熱が不十分となって切断面温度が低下し、酸素ガスの燃焼反応による切断面の加熱も不足して、裏面側の切断速度が表面側よりも低下したことによるものと考えられる。
【００２７】
予熱温度を５００℃及び８００℃に設定した場合、裏面側の切断先端位置のずれが小さくなっており、裏面側の切断速度が増加したことが確認できた。裏面側の切断速度の増加は予熱温度５００℃以上で顕著となっており、これは、鋼板を構成する鉄（Ｆｅ）が５７０℃以上の温度でＦｅＯ相を形成することから、予熱による温度上昇に伴いその成長速度(酸化速度)が増加していくことが一因となっているものと考えられる。
【００２８】
板厚３６ｍｍの鋼板については、切断速度は２０００ｍｍ／分に設定し、予熱を行わない場合及び予熱温度８００℃の場合で切断加工を行った。図４は、予熱を行わない場合及び予熱温度を８００℃に設定した場合における切断加工状態を撮影した写真である。切断加工した鋼板を切断方向から撮影した断面写真である。予熱を行わない場合では、表面側から導入したプラズマジェットが鋼板を貫通することができず、切断加工が鋼板の厚さ方向の途中までしか行われなかった。一方、予熱温度が８００℃に設定した場合では、鋼板の裏面側までプラズマジェットが貫通して熱切断加工が行われた。切断面は、厚さ方向に沿って右側の切断面が表面に対して垂直となるように精度よく切断加工されており、表面側及び裏面側の角部が丸くなることなく正確な形状に加工されていることが確認された。こうした垂直となる切断面及び角部の正確な形状は、表面から裏面までの熱切断加工において鉄の燃焼→溶融といった現象が均一に安定して行われたことを示していると考えられる。
【００２９】
以上の実験結果からみて、鋼板の裏面側への予熱により、表面側からの熱切断加工が裏面側まで効率よく行われるようになり、入熱が届きにくい裏面側においても酸素による燃焼反応が活発となって切断速度が顕著に増加するため、精度よく安定した熱切断加工が行われることが確認された。
【符号の説明】
【００３０】
１・・熱切断部、２・・・予熱部、３・・・搬送部、１０・・・加熱部、１１・・・加熱制御部、２０・・・加熱部、２１・・・予熱制御部、３０・・・搬送ローラ、３１・・・搬送制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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