(57)【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加熱部と、前記加熱部の加熱動作を制御する加熱制御部と、前記被加工材の裏面側から加熱して所定温度に予熱する予熱部と、前記予熱部の加熱動作を制御する予熱制御部と、前記被加工材に対して前記加熱部及び前記予熱部を相対的に移動させる移動部と、前記被加工材に対して前記加熱部及び前記予熱部を所定の移動速度で移動するように前記移動部を駆動制御する移動制御部とを備え、前記移動制御部は、前記被加工材に対して所定の切断ラインに沿って前記加熱部を移動させるとともに当該切断ラインに対応する予熱ラインに沿って前記予熱部を前記被加工材に対して移動させる熱切断加工装置。
【請求項２】
前記予熱部は、前記加熱部の移動方向の前方に所定間隔ずらして位置設定されている請求項１に記載の熱切断加工装置。
【請求項３】
前記予熱部の予熱領域のスポット径は、前記加熱部の加熱領域のスポット径と同じか大きくなるように設定されている請求項１又は２に記載の熱切断加工装置。
【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装置に関する。
【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、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装置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装置は、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加熱部と、前記加熱部の加熱動作を制御する加熱制御部と、前記被加工材の裏面側から加熱して所定温度に予熱する予熱部と、前記予熱部の加熱動作を制御する予熱制御部と、前記被加工材に対して前記加熱部及び前記予熱部を相対的に移動させる移動部と、前記被加工材に対して前記加熱部及び前記予熱部を所定の移動速度で移動するように前記移動部を駆動制御する移動制御部とを備え、前記移動制御部は、前記被加工材に対して所定の切断ラインに沿って前記加熱部を移動させるとともに当該切断ラインに対応する予熱ラインに沿って前記予熱部を前記被加工材に対して移動させる。さらに、前記予熱部は、前記加熱部の移動方向の前方に所定間隔ずらして位置設定されている。さらに、前記予熱部の予熱領域のスポット径は、前記加熱部の加熱領域のスポット径と同じか大きくなるように設定されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る熱切断加工装置は、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加工処理を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係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】切断加工を模式的に示す説明図である。
【図３】裏面側を予熱しながらプラズマ切断を行う場合におけるシミュレーションモデルによる処理結果を示す温度分布図である。
【図４】各シミュレーション条件を組み合せた場合における切断面の温度分布図である。
【図５】各シミュレーション条件を組み合せた場合における切断面の温度分布図である。
【図６】各シミュレーション条件を組み合せた場合における切断面の温度分布図である。
【図７】各シミュレーション条件を組み合せた場合における切断面の温度分布図である。
【図８】予熱部に関する装置例を示す概略構成図である。
【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装置の実施形態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加熱部１、加熱部１の加熱動作を制御する加熱制御部１０、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、予熱部２の加熱動作を制御する予熱制御部２０、被加工材Ｍを担持して所定方向に移動させる移動部である搬送ローラ３、及び、搬送ローラ３を駆動して被加工材Ｍの搬送制御を行う搬送制御部３０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、加熱部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】
加熱部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ように構成されており、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、加熱部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１０は、加熱部１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１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１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１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。公知の加熱手段としては、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。予熱制御部２０は、予熱部２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。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１０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。
【００１７】
被加工材Ｍを移動させる移動部としては、搬送ローラ３以外の移動手段でもよく、加熱部１及び予熱部２を被加工材Ｍに対して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１及び予熱部２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３０は、搬送ローラ３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１及び予熱部２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１及び予熱部２の移動速度は、搬送速度と同じ値で逆方向となる。そのため、加熱部１による切断ラインは、搬送方向に沿って直線状に設定されており、予熱部２は、後述するように、設定された切断ラインに沿って予熱するように加熱部１の設定位置と関連付けられて位置決めされている。
【００１８】
なお、この例では、移動制御部として搬送制御部３０が用いられているが、加熱部１及び予熱部２を被加工材Ｍに対して相対移動させるために加熱部１及び予熱部２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１及び予熱部２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１及び予熱部２を相対移動させて切断加工することが可能となる。
【００１９】
図２は、切断加工を模式的に示す説明図である。平板状の被加工材Ｍの表面側（上面側）には、加熱部１により入熱される加熱領域Ｒ１が設定されており、裏面側（下面側）には、予熱部２により入熱される予熱領域Ｒ２が設定されている。加熱部１による切断ラインＬ１は、移動方向（搬送方向とは逆方向）に直線状に設定されており、切断加工は、切断ラインに沿って表面に対して垂直方向（厚さ方向）に掘り下げるように加工していく。予熱部２による予熱ラインＬ２は、裏面に切断ラインＬ１と対向配置するように直線状に設定されており、切断ラインＬ１に沿って表面に対して垂直方向に切断加工する場合に裏面に形成される仮想の切断ラインとほぼ一致するように設定されている。このように、予熱ラインＬ２は、切断ラインＬ１の各加熱位置から裏面までの距離が最短距離となる裏面側の位置を結ぶように設定することが好ましい。
【００２０】
予熱領域Ｒ２は、加熱領域Ｒ１に対して移動方向に間隔Ｘｑｂだけ前方にずらして位置設定されており、被加工材Ｍに対して移動速度Ｖで、加熱領域Ｒ１より間隔Ｘｑｂだけ前方位置を切断ラインＬ２に沿って移動するようになる。予熱領域Ｒ２のスポット径は、加熱領域Ｒ１のスポット径と同じか大きくなるように設定すればよい。予熱領域Ｒ２のスポット径をこのように設定することで、加熱領域Ｒ１を加熱して熱切断する際に、切断する垂直方向（厚さ方向）の裏面側の領域を確実に所定の予熱温度に加熱した状態とすることができ、加工精度が高められるとともに安定した切断加工を行うことができる。被加工材Ｍが鋼材の場合には、予熱温度として、鉄の燃焼温度（約５７０℃）から溶融温度（約９００℃）の温度範囲に設定して鋼材が溶け落ちないように予熱することで、加熱部１による熱切断を裏面側においても十分な加熱状態で行うことが可能となり、安定した切断加工を精度よく行うことができる。また、切断する厚さに応じて移動速度Ｖ及び間隔Ｘｑｂを調整することで、裏面側を所定の予熱温度に維持することができる。
【００２１】
図３は、図２に示すように、裏面側を予熱しながらプラズマ切断を行う場合において有限要素法を用いたシミュレーションモデルによる温度分布に関する処理結果を示している。
【００２２】
このシミュレーションモデルでは、移動方向を座標軸Ｘ、幅方向を座標軸Ｙ、切断する垂直方向を座標軸Ｚで定義される３次元領域を設定し、被加工材Ｍのサイズを、長さＸ＝３００ｍｍ又は５００ｍｍ、幅Ｙ＝１００ｍｍ、厚さＺ＝５０ｍｍの２種類に設定した。溝状の切断領域は、幅５ｍｍ及び長さ２０ｍｍとし、加熱領域Ｒ１及び予熱領域Ｒ２の間隔Ｘｑｂについては、長さ３００ｍｍの場合に５０ｍｍに設定し、長さ５００ｍｍの場合に１５０ｍｍに設定した。
【００２３】
表面側の加熱領域Ｒ１は、切断領域の先端位置に設定されてプラズマアークにより直径１０ｍｍのスポット径で入熱されており、裏面側の予熱領域Ｒ２は、ガス炎により直径１０ｍｍのスポット径で均一に加熱されているものとする。
【００２４】
被加工材Ｍ内での熱輸送は熱伝導のみとし、材料の溶融による流動に伴う熱輸送は考慮しないものとする。被加工材Ｍの境界条件については、上下面及び切断面は断熱とし、前後面及び両側面では３００Ｋの温度状態に設定した。移動速度の影響については、移流項に初期値として移動速度を与えるようにした。
【００２５】
そして、シミュレーション条件を以下のように与えて計算した。
プラズマアーク入熱Ｑｔ；３０ｋＷ（２００Ａ相当）、４０ｋＷ（２５０Ａ相当）
ガス炎入熱Ｑｂ；０、１０ｋＷ、２０ｋＷ、３０ｋＷ
移動速度Ｖ；０、１ｍｍ／ｓ、５ｍｍ／ｓ、１０ｍｍ／ｓ、２０ｍｍ／ｓ
なお、プラズマアーク入熱では、熱効率を７０％と仮定した。
【００２６】
図３では、左下側から右上側に向かって切断領域が形成されており、左側に示す等温曲線を描いた図では、被加工材Ｍの外表面（境界面）における温度分布を示している。加熱領域Ｒ１における加熱により切断領域に沿って幅方向に昇温域が拡がっていることがわかる。また、右側に示す等温曲線を描いた図は、切断領域の切断面における温度分布を示している。そして、図４から図７は、各シミュレーション条件を組み合せた場合における切断面の温度分布を示している。各温度分布では、中間部分に縦方向に描かれた実線が切断領域の先端位置を示している。
【００２７】
予熱領域Ｒ２を加熱しながら移動速度Ｖで移動させていく場合、被加工材Ｍの裏面側では切断ラインＬ２に沿って予熱による昇温域が拡がっていき、昇温域は、垂直方向（厚さ方向）へ拡がるとともに切断ラインＬ２の両側に拡がっていく。予熱領域Ｒ２の近傍では、高温域となっているが、予熱領域Ｒ２から後方に離れるに従い次第に温度が低下していく低温域となっている。移動する予熱領域Ｒ２により形成される昇温域の垂直方向の拡がりは、高温域から低温域に行くに従い大きくなっていくが、高温域の垂直方向の拡がりは移動速度Ｖにより大きな差異は生じない。一方、低温域の垂直方向の拡がりは、移動速度Ｖにより大きく変動し、移動速度が小さい場合には拡がりが大きくなり、移動速度が大きくなるに従い拡がりが小さくなる。したがって、所定の予熱温度に到達する温度領域が加熱領域Ｒ２の切断方向の裏面側に拡がるように移動速度Ｖ及び間隔Ｘｑｂを設定することで、切断加工の加工精度を高めることができるとともに安定した加工を行うことが可能となる。上述したシミュレーション結果では、移動速度が１０ｍｍ／ｓ以上では、切断領域の先端位置において、予熱温度より低温となる領域が生じるようになっており、移動速度を１０ｍｍ／ｓより小さくすることで、予熱温度に到達することが可能であることを示している。
【００２８】
図８は、予熱部２に関する装置例を示す概略構成図である。図８（ａ）に示すように、この例では、予熱部２として、アーク溶接に使用可能なトーチ２１を用い、トーチ２１の先端部を覆うように金属製の反射部材２２を取り付けている。図８（ｂ）は、トーチ２１の先端部に関する断面図である。反射部材２２の内側には、集光するように曲面形状に形成された反射面２２ａが形成されており、反射面２２ａの中心位置には、トーチ２１の電極棒２１ａの先端部２１ｂが配置されている。トーチ２１のシールドノズル２１ｃ内には、アルゴンガス等のシールドガスＧが供給されて電極棒２１ａの先端部２１ｂを覆うように流出している。
【００２９】
ワイヤ２１ａに電圧を印加して先端部２１ｂと被加工材Ｍの表面との間にアークを発生させる場合、被加工材Ｍの表面が溶融温度に達しない程度に加熱するように予熱制御する。その際に、アークの発生に伴い放出される光エネルギーは、反射面２２ａで反射されて、加熱される被加工材Ｍの表面を照射するようになる。そのため、被加工材Ｍの予熱領域を集中して加熱するとともに深い位置まで加熱することができ、効率よく予熱を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００３０】
１・・加熱部、２・・・予熱部、３・・・搬送ローラ、１０・・・加熱制御部、２０・・・予熱制御部、２１・・・トーチ、２２・・・反射部材、３０・・・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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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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