(57)【要約】【課題】プラズマトーチの電極の寿命を伸ばす。【解決手段】プラズマ切断装置１は、電極１１を有するプラズマトーチ１０と、電極１１と被切断材Ｗとの間にプラズマアークＰを発生させるために電極１１と被切断材Ｗとの間に直流電流を供給し、直流電流に交流電流を重畳させることが可能な電源部２０と、電源部２０を制御する制御部３０と、を備える。制御部３０は、６ｍｍ以上の板厚を有する被切断材Ｗを切断する場合に、交流電流の最大値と最小値との差が直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさの交流電流を直流電流に重畳させるように電源部２０を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有するプラズマトーチと、
前記電極と被切断材との間にプラズマアークを発生させるために前記電極と前記被切断材との間に直流電流を供給し、前記直流電流に交流電流を重畳させることが可能な電源部と、
前記電源部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、６ｍｍ以上の板厚を有する前記被切断材を切断する場合に、前記交流電流の最大値と最小値との差が前記直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさの前記交流電流を前記直流電流に重畳させるように前記電源部を制御する
プラズマ切断装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ切断装置であって、
前記制御部は、前記交流電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下となるように前記電源部を制御する
プラズマ切断装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のプラズマ切断装置であって、
前記制御部は、前記直流電流の大きさが２５０Ａ以上３５０Ａ以下となるように前記電源部を制御する
プラズマ切断装置。
【請求項４】
プラズマトーチの電極と被切断材との間に発生するプラズマアークによって前記被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、
６ｍｍ以上の板厚を有する前記被切断材を切断する場合に、前記プラズマアークを発生させるために前記電極と前記被切断材との間に供給する直流電流に、交流電流の最大値と最小値との差が前記直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさの前記交流電流を重畳させる
プラズマ切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ切断装置及びプラズマ切断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プラズマ切断によって鋼板などの被切断材を切断することが行われている。プラズマ切断では、プラズマトーチ内の電極と被切断材との間に直流電圧を印加し、かつ酸素ガスなどの作動ガスを流すことによりプラズマアークを発生させ、電極と被切断材とを相対的に移動させることで被切断材が切断される。
【０００３】
作動ガスに酸素ガスを用いる酸素プラズマ切断において、電極は、高純度酸素ガスによる酸化性雰囲気に曝されかつプラズマアークの高い温度が作用する。このような過酷な使用条件に耐えるため、従来、電極材料として、融点が高く仕事関数が小さいハフニウムが用いられている。これによって、電極の寿命を使用可能な程度まで伸ばしている。
【０００４】
また、電極の寿命をさらに伸ばす方法として、特許文献１には、電極と被切断材との間にプラズマアークを発生させるために供給する直流電流に、所定の周波数及び振幅を有する交流電流を重畳させることによって、直流電流のみを供給する場合よりも電極の寿命を伸ばす技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２８１９３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、プラズマ切断で比較的板厚が大きい被切断材を切断する需要が高くなっている。被切断材は、例えば鋼板である。この需要に対応するため、電流値が２００Ａを超えるような大電流がプラズマ切断の直流電流として用いられている。
【０００７】
これに対して、特許文献１に記載された技術は、電極と被切断材との間に供給する供給電流の平均値が７０Ａである条件下での実験結果のみに基づいている。プラズマ切断において、７０Ａの電流は、主に薄板（板厚が６ｍｍ未満）を切断する際に用いられており、中厚板（板厚が６ｍｍ以上１６ｍｍ未満）や厚板（板厚が１６ｍｍ以上）を切断するのには用いられていない。このため、直流電流の電流値が２００Ａを超える場合には、特許文献１に記載された技術を適用することができないと考えられる。実際に、発明者らは、直流電流の電流値が２００Ａを超える条件で特許文献１に記載された技術の適用を試みたが、電極の寿命を伸ばす十分な効果は得られなかった。
【０００８】
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたものであり、板厚が大きい被切断材を切断する場合において、電極の寿命を伸ばすことが可能なプラズマ切断装置及びプラズマ切断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】
本発明の第一の態様に係るプラズマ切断装置は、電極を有するプラズマトーチと、前記電極と被切断材との間にプラズマアークを発生させるために前記電極と前記被切断材との間に直流電流を供給し、前記直流電流に交流電流を重畳させることが可能な電源部と、前記電源部を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、６ｍｍ以上の板厚を有する前記被切断材を切断する場合に、前記交流電流の最大値と最小値との差が前記直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさの前記交流電流を前記直流電流に重畳させるように前記電源部を制御する。
【００１０】
上記のプラズマ切断装置において、前記制御部は、前記交流電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下となるように前記電源部を制御してもよい。
【００１１】
上記のプラズマ切断装置において、前記制御部は、前記直流電流の大きさが２５０Ａ以上３５０Ａ以下となるように前記電源部を制御してもよい。
【００１２】
本発明の第二の態様に係るプラズマ切断方法は、プラズマトーチの電極と被切断材との間に発生するプラズマアークによって前記被切断材を切断するプラズマ切断方法であって、６ｍｍ以上の板厚を有する前記被切断材を切断する場合に、前記プラズマアークを発生させるために前記電極と前記被切断材との間に供給する直流電流に、交流電流の最大値と最小値との差が前記直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさの前記交流電流を重畳させる。
【００１３】
このようなプラズマ切断装置及びプラズマ切断方法によれば、電極と被切断材との間に供給する直流電流に上述した大きさの交流電流を重畳させることによって、交流電流を直流電流に重畳させていない場合に比べて電極の寿命を伸ばすことができる。
【発明の効果】
【００１４】
上記のプラズマ切断装置及びプラズマ切断方法によれば、板厚が大きい被切断材を切断する場合に、電極の寿命を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るプラズマ切断装置の全体構成を示す図である。
【図２】電極と被切断材との間に供給される電流の波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ切断装置１の全体構成を示す図である。図１に示すように、プラズマ切断装置１は、電極１１を有するプラズマトーチ１０と、電源部２０と、電源部２０を制御する制御部３０と、を備えている。
【００１８】
プラズマトーチ１０は、内部に空間を有するノズル部１２を有している。ノズル部１２は、先端側が円錐状で基端側が円筒状とされた筒体からなる外径を有している。電極１１は、ノズル部１２の内部に配置されている。電極１１とノズル部１２との間には、作動ガスが流れる作動ガス流路１３が形成されている。ノズル部１２の先端には、作動ガス流路１３の先端側と連通するノズル孔１２ａが形成されている。
【００１９】
電極１１は、先端側に底部を有する円筒状の外形を有している。電極１１の先端には、例えばハフニウムなどで形成された電極材１４が設けられている。電極１１は、電極１１の内部空間に冷却水を循環させることで冷却することができる。電極１１は、例えば銅などの比較的高い導電率を有する金属で形成されている。
【００２０】
作動ガス流路１３の基端側は、ホースなどを介して作動ガス供給源１５と接続されている。作動ガス供給源１５は、例えば酸素ガスなどの作動ガスを作動ガス流路１３に供給することができる。作動ガス供給源１５から作動ガス流路１３の基端側に供給された作動ガスは、作動ガス流路１３の先端側を通ってノズル孔１２ａから噴出する。
【００２１】
電源部２０は、プラズマトーチ１０の電極１１と被切断材Ｗとの間にプラズマアークＰを発生させるために電極１１と被切断材Ｗとの間に直流電流を供給する。また、電源部２０は、直流電流に交流電流を重畳させることが可能に構成されている。電源部２０は、電極１１及び被切断材Ｗのそれぞれと電気的に接続されている。また、電源部２０は、プラズマトーチ１０のノズル部１２とも電気的に接続されている。電源部２０は、商用電源から供給される電力を用いて、電極１１と被切断材Ｗとの間に所定の電圧をかけることでプラズマアークＰを発生させることができる。電源部２０において直流電流の供給や交流電流の直流電流への重畳は、制御部３０からの指示に基づいて実施される。
【００２２】
制御部３０は、電源部２０と電気的に接続されており、電源部２０との間で信号を送受信可能に構成されている。本実施形態では、制御部３０は、板厚が大きい被切断材Ｗを切断する場合に、電源部２０が供給する直流電流に所定の交流電流を重畳させるように電源部２０を制御する。より詳細には、制御部３０は、６ｍｍ以上の板厚を有する被切断材Ｗを切断する場合に、交流電流の最大値と最小値との差が直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさの交流電流を直流電流に重畳させるように電源部２０を制御する。
【００２３】
また、制御部３０は、電源部２０が供給する直流電流の大きさ及び直流電流に重畳させる交流電流の周波数を制御する。具体的には、制御部３０は、直流電流の大きさが２５０Ａ以上３５０Ａ以下となるように電源部２０を制御することができる。また、制御部３０は、交流電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下となるように電源部２０を制御することができる。
【００２４】
被切断材Ｗを切断する速度である切断速度は、被切断材Ｗの板厚や電源部２０が供給する直流電流の大きさによって変化する。例えば、被切断材Ｗの板厚が６ｍｍであり、直流電流の大きさが２５０Ａである場合には、切断速度は４０００ｍｍ／ｍｉｎである。また、被切断材Ｗの板厚が６ｍｍであり、直流電流の大きさが５００Ａである場合には、切断速度は８０００ｍｍ／ｍｉｎである。そして、被切断材Ｗの板厚が５０ｍｍであり、直流電流の大きさが５００Ａである場合には、切断速度は８００ｍｍ／ｍｉｎである。
【００２５】
ここで、電源部２０が供給する直流電流及び直流電流に重畳させる交流電流について、詳細に説明する。図２は、電極１１と被切断材Ｗとの間に供給される電流の波形を示す図である。図２（ａ）は、直流電流に交流電流が重畳されていない場合の波形を示している。図２（ｂ）は、直流電流に重畳する交流電流の波形を示している。図２（ｃ）は、直流電流に交流電流が重畳されている場合の波形を示している。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、直流電流は、その電流値が時間の経過に関わらず所定の電流値Ｉで略一定の電流Ｃ１である。図２（ｂ）に示すように、直流電流に重畳する交流電流は、所定の振幅Ａ及び所定の周波数Ｆを有する電流Ｃ２である。そして、図２（ｃ）に示すように、直流電流に交流電流が重畳された電流は、電流値Ｉの直流電流に所定の振幅Ａ及び所定の周波数Ｆを有する交流電流が重畳された電流Ｃ３である。この場合、電流Ｃ３の平均電流値は、電流値Ｉとなり、電流Ｃ３の電流値は、電流値Ｉを中心に振幅Ａの範囲で時間の経過とともに変化する。なお、交流電流の最大値と最小値との差である振幅Ａ（交流電流の大きさとも称する。）は、電流Ｃ３の平均電流値、すなわち直流電流の電流値Ｉ（直流電流の大きさとも称する。）に対する比率（以下、リップル率と称する。）Ｒで表現する。リップル率Ｒは、次に示す式（１）で表現される。
Ｒ＝（Ａ／Ｉ）×１００［％］  ・・・  （１）
【００２７】
直流電流に交流電流を重畳させない場合には、電源部２０は、電極１１と被切断材Ｗとの間に図２（ａ）で示される電流Ｃ１を供給する。また、直流電流に交流電流を重畳させる場合には、電源部２０は、電極１１と被切断材Ｗとの間に図２（ｃ）で示される電流Ｃ３を供給する。
【００２８】
次に、プラズマ切断装置１を用いたプラズマ切断方法について説明する。
【００２９】
まず、作動ガス供給源１５から作動ガス流路１３を介してプラズマトーチ１０の電極１１の周囲に作動ガスを供給する。同時に、電源部２０によって電極１１とノズル部１２との間に電圧をかけることにより、ノズル部１２内で電極１１からパイロットアークが発生する。引き続き作動ガスを供給することで、パイロットアークによりノズル部１２内でプラズマ化した作動ガスをノズル孔１２ａから噴射するとともに、電源部２０によって電極１１と被切断材Ｗとの間に電圧をかけプラズマアーク（メインアーク）Ｐを形成する。同時に、電極１１とノズル部１２との間に印加した電圧を停止してパイロットアークを停止する。被切断材Ｗは、プラズマアークＰの熱エネルギーによって溶融し、またプラズマアークＰの噴射エネルギーによってその溶融物が排除される。これによって、被切断材Ｗの厚さ方向に貫通した溝を形成し、プラズマ切断が実施される。
【００３０】
本実施形態では、上述のプラズマ切断方法において、６ｍｍ以上の板厚を有する被切断材Ｗを切断する場合には、電源部２０によってプラズマアークＰを発生させるために電極１１と被切断材Ｗとの間に電圧かけることによって供給される直流電流に対して、交流電流を重畳させる。この交流電流の大きさは、交流電流の最大値と最小値との差が直流電流に対して２５％以上４０％以下となるように設定されている。このようにすることで、交流電流を直流電流に重畳させていない場合に比べて電極１１の寿命を伸ばすことができる。
【００３１】
なお、被切断材Ｗの切断速度は、公知の速度制御手段によって制御することができる。
【００３２】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【実施例】
【００３３】
本実施例では、電極と被切断材との間に供給する直流電流の電流値（直流電流に交流電流が重畳された場合の電流ではその電流の平均電流値）Ｉと直流電流に重畳させる交流電流の大きさ（リップル率Ｒ）及び周波数Ｆとを変化させ、電極の寿命が伸びる効果について検討した。
【００３４】
〔比較例１〕
プラズマ切断装置において、作動ガスとして酸素ガスを用い、ガス流量を５０ＮＬ（ノルマルリットル）／ｍｉｎとした。電極の電極材には、ハフニウムを用いた。電極と被切断材との間に供給する直流電流の電流値Ｉを２５０Ａとした。なお、直流電流には交流電流を重畳させていない。この条件において、プラズマアークを１分間発生させた後、電源部からの電流の供給を停止した。この１分間プラズマアークを発生させる作業を繰り返して電極を消耗させ、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は９０分であった。
【００３５】
〔実施例１〕
比較例１の条件と比較して、リップル率３２％及び周波数１５０Ｈｚの交流電流を直流電流に重畳させた条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は１５０分であった。
【００３６】
〔実施例２〕
比較例１の条件と比較して、リップル率３２％及び周波数３００Ｈｚの交流電流を直流電流に重畳させた条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は２７０分であった。
【００３７】
〔比較例２〕
比較例１の条件と比較して、直流電流の電流値を３００Ａとした条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は１６５分であった。
【００３８】
〔実施例３〕
比較例２の条件と比較して、リップル率３３．３％及び周波数５０Ｈｚの交流電流を直流電流に重畳させた条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は２２５分であった。
【００３９】
〔実施例４〕
比較例２の条件と比較して、リップル率３３．３％及び周波数１５０Ｈｚの交流電流を直流電流に重畳させた条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は２４０分であった。
【００４０】
〔比較例３〕
比較例２の条件と比較して、リップル率１３．３％及び周波数３００Ｈｚの交流電流を直流電流に重畳させた条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は１７２分であった。
【００４１】
〔比較例４〕
比較例１の条件と比較して、直流電流の電流値を３５０Ａとした条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は１３１分であった。
【００４２】
〔実施例５〕
比較例４の条件と比較して、リップル率２８．６％及び周波数１００Ｈｚの交流電流を直流電流に重畳させた条件で、電極の寿命を計測した。その結果、電極の寿命は２１２分であった。
【００４３】
上述した各実施例及び各比較例での計測結果を表１から表３に示す。なお、表１から表３では、電流値Ｉ、リップル率Ｒ、周波数Ｆ、及び電極寿命に加えて、電極寿命比率を示している。電極寿命比率とは、同一の電流値Ｉにおいて交流電流を直流電流に重畳させていない場合の寿命を１００とした場合における、交流電流を直流電流に重畳させた場合の寿命を示す割合である。
【００４４】
【表１】
2018167288.tif 000003
【００４５】
【表２】
2018167288.tif 000004
【００４６】
【表３】
2018167288.tif 000005
【００４７】
表１に示すように、直流電流の電流値Ｉが２５０Ａで交流電流を直流電流に重畳していない条件の比較例１に対して、リップル率Ｒが３２％の交流電流を直流電流に重畳させた実施例１及び２では、電極寿命比率がそれぞれ１６７及び３００となった。これにより、実施例１及び２では、比較例１に対して電極の寿命が大幅に伸びることが確認された。
【００４８】
また、表２に示すように、直流電流の電流値Ｉが３００Ａで交流電流を直流電流に重畳していない条件の比較例２に対して、リップル率Ｒが３３．３％の交流電流を直流電流に重畳させた実施例３及び４では、電極寿命比率がそれぞれ１３６及び１４５となった。これにより、実施例３及び４では、比較例２に対して電極の寿命が大幅に伸びることが確認された。なお、リップル率Ｒが１３．３％の交流電流を直流電流に重畳させた比較例３では、比較例２に対して電極寿命比率が１０４となり、電極の寿命は少し伸びたものの、十分な寿命の伸びは得られなかった。
【００４９】
また、表３に示すように、直流電流の電流値Ｉが３５０Ａで交流電流を直流電流に重畳していない条件の比較例４に対して、リップル率Ｒが２８．６％の交流電流を直流電流に重畳させた実施例５では、電極寿命比率が１６２となった。これにより、実施例５では、比較例４に対して電極の寿命が大幅に伸びることが確認された。
【００５０】
以上より、直流電流の電流値Ｉが２５０Ａ〜３５０Ａの範囲において、リップル率Ｒが２５％〜４０％及び周波数Ｆが５０Ｈｚ〜３００Ｈｚの交流電流を直流電流に重畳させることで、直流電流のみを供給する場合に比べて電極の寿命が伸びることが確認された。
【００５１】
本実施形態に係るプラズマ切断装置１は、電極１１を有するプラズマトーチ１０と、電極１１と被切断材Ｗとの間にプラズマアークＰを発生させるために電極１１と被切断材Ｗとの間に直流電流を供給し、直流電流に交流電流を重畳させることが可能な電源部２０と、電源部２０を制御する制御部３０と、を備える。制御部３０は、６ｍｍ以上の板厚を有する被切断材Ｗを切断する場合に、交流電流の最大値と最小値との差が直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさの交流電流を直流電流に重畳させるように電源部２０を制御する。
【００５２】
また、本実施形態に係るプラズマ切断方法は、プラズマトーチ１０の電極１１と被切断材Ｗとの間に発生するプラズマアークＰによって被切断材Ｗを切断するプラズマ切断方法であって、６ｍｍ以上の板厚を有する被切断材Ｗを切断する場合に、プラズマアークＰを発生させるために電極１１と被切断材Ｗとの間に供給する直流電流に、交流電流の最大値と最小値との差が直流電流に対して２５％以上４０％以下の大きさ交流電流を重畳させる。
【００５３】
上述したプラズマ切断装置１及びプラズマ切断方法によれば、電極１１と被切断材Ｗとの間に供給する直流電流に上述した大きさの交流電流を重畳させることによって、交流電流を直流電流に重畳させていない場合に比べて電極１１の寿命を伸ばすことができる。
【００５４】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  プラズマ切断装置
１０  プラズマトーチ
１１  電極
１２  ノズル部
１２ａ  ノズル孔
１３  作動ガス流路
１４  電極材
１５  作動ガス供給源
２０  電源部
３０  制御部
Ａ  振幅
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３  電流
Ｆ  周波数
Ｉ  電流値
Ｐ  プラズマアーク
Ｒ  リップル率
Ｗ  被切断材
【図１】
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【図２】
2018167288.tif 000007