(57)【要約】【課題】簡単な方法で磁気ぶきの影響を軽減することができるアーク加工方法を提供する。【解決手段】加工工具となる電極４ａと、磁化し易い鋼材又は残留磁気が存在する鋼材からなる被加工材Ｂと、電極４ａと被加工材Ｂを接続する電源１２と、を有し、電極４ａと被加工材Ｂとの間にアークを形成して所定の加工を行う際に、アーク加工を行う部位の周囲の被加工材Ｂを冷却することによって該被加工材Ｂに於ける磁化される磁力を低減させる。【選択図】 図３
2008296243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工工具となる電極と、磁化し易い鋼材又は残留磁気が存在する鋼材からなる被加工材と、前記電極と被加工材を接続する電源と、を有し、前記電極と被加工材との間にアークを形成して所定の加工を行う際に、アーク加工を行う部位の周囲の被加工材を冷却することによって該被加工材に於ける磁化される磁力を低減させることを特徴とするアーク加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工材と電極との間で放電させてアークを形成し、このアークの熱を利用して加工する際に、被加工材が有する磁気による加工品質に与える悪影響や加工の進行に与える悪影響を軽減し得るようにしたアーク加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に利用されている代表的なアーク加工方法としては、アーク溶接やプラズマアーク切断、プラズマアーク溶接、プラズマアーク溶射等がある。アーク加工方法では、被加工材を一方の電極とするため、通電性を有する材料であることが必須であり、一般的には鋼材やステンレス鋼材等の鉄系金属や、アルミニウムを代表とする非鉄金属を対象として利用している。
【０００３】
例えば鋼板をアーク溶接する場合、溶接トーチに設けた電極或いは電極としての溶接心線と被溶接材を電源を介して接続しておき、電極を溶接部位に対向させると共に該電極の周囲にフラックスや炭酸ガス等を噴射しつつ電極と被溶接材との間に通電してアークを形成し、このアーク熱によって被溶接材の母材及び溶接心線を溶融させることで溶接するものである。
【０００４】
またプラズマアーク切断は、切断トーチに設けた電極と被切断材を電源を介して接続しておき、電極の周囲にプラズマガスを供給して通電することでプラズマアークを形成すると共に被切断材の切断部位に向けて噴射し、このプラズマアークの熱によって被切断材の母材を溶融すると共に溶融物を排除することで該被切断材に対し厚さ方向に貫通した溝を形成しつつ、切断トーチを被切断材の面内で移動させることで切断するものである。
【０００５】
鉄は強磁性材料であり、また鉄系金属は磁化し易いという性質を有している。このため、ショットブラストによって表面硬化させたり、圧延や熱処理の過程で、或いは荷扱いの際にリフティングマグネットによる吸着の過程で容易に磁化する。またアーク加工を行う場合には電源−電極−被加工材−電源という回路が形成されることとなり、このアーク加工を進行させる過程で流れる電流によって被加工材が磁化する。
【０００６】
アーク加工を行う際に、磁化した状態の被加工材に対して電流を流すと、強い磁力が発生し、電極との間で形成されているアークを曲げたり拡散させて集中性を欠かせ（このような現象を現場的に「磁気ぶき」といい、以下この言葉を用いることにする）、この結果、アーク加工の品質（溶接ビードの品質や切断面の品質等）が劣化したり、アーク加工の継続が困難になるという問題が生じている。
【０００７】
特に、高張力鋼は、強磁性材料であるニッケルやコバルトを合金成分としており、且つ炭素量が多く硬い材料は磁気を帯び易く逃げ難いという性質を有しているため、アーク溶接やプラズマアーク切断を行っている途中で磁気ぶきが発生して加工品質が劣化し、極端な場合にはアーク加工が中断してしまうという問題が生じている。
【０００８】
上記問題を解決するために本件発明者は、磁気ぶきの可能性の高い被加工材に対し、加工品質を保持してプラズマアーク切断を行えるような実験を継続して行っている。この結果、特許文献１に記載したアーク加工方法とアーク加工装置を提案している。この技術は、被加工材に対する電源の接続位置をアーク加工に進行に伴って変化させることで、磁力線の方向を変化させ、これにより磁化された磁力の影響を軽減し得るようにしたものである。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２４７７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記アーク加工方法及びアーク加工装置では磁気ぶきに起因する品質の劣化や加工の停止等の発生を低減することが可能である。しかし、アーク加工の進行に伴って被加工材と電源との接続位置を変化させるための制御が必須であり、より簡単な方法で磁気ぶきを軽減し得る方法の開発が要求されている。
【００１１】
本発明の目的は、簡単な方法で磁気ぶきの影響を軽減することができるアーク加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために本件発明者等は各種実験を行って来た。そして、実験の結果、１枚の被加工材に対して継続的にアーク加工を行う場合、例えば、１枚の被加工材から複数枚の製品をプラズマ切断するような場合、或いは１枚の被加工材に対し複数の溶接を行うような場合、最初に行うアーク加工では磁気ぶきが生じないものの、同一の被加工材に対する加工数が増加するのに従って磁気ぶきの頻度が増加することが判明した。
【００１３】
また、電極と被加工材との間にアークを形成して所定の加工を行う際に、被加工材の冷却方式を選択することによって磁化された磁力を変化させることができること、磁気ぶきに影響を与える磁力に限界があることを見いだした。即ち、アーク加工を行いつつ被加工材を冷却して磁化された磁力を限界値よりも低い値にすることによって、磁気ぶきを軽減させることができることを見いだした。
【００１４】
上記実験では、磁化された磁力の限界値は材質に応じて多少の変化はあるものの、約１２００ガウスであり、磁力が前記値よりも低い場合、アーク加工の品質に対する悪影響が軽減されている。また磁力が前記値よりも高い場合、磁気ぶきが生じている。
【００１５】
従って、本発明に係るアーク加工方法は、加工工具となる電極と、磁化し易い鋼材又は残留磁気が存在する鋼材からなる被加工材と、前記電極と被加工材を接続する電源と、を有し、前記電極と被加工材との間にアークを形成して所定の加工を行う際に、アーク加工を行う部位の周囲の被加工材を冷却することによって該被加工材に於ける磁化される磁力を低減させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るアーク加工方法では、被加工材に対してアーク加工を行う際に、アーク加工を行っている部位の周囲を冷却することによって、磁力を限界値よりも低い値にすることができる。そして、磁力を限界値よりも低くすることによって、電極と被加工材との間に形成されたアークに対し磁力による悪影響を軽減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係るアーク加工方法の好ましい形態について説明する。本発明の加工方法は、アーク溶接やプラズマアーク切断に代表されるアーク加工を行う際に、磁気ぶきによる加工品質の劣化を軽減し、或いは磁気ぶきによる加工の遮断をなくすようにしたものである。
【００１８】
このため、本発明では、被加工材にアーク加工を行うに際し、アーク加工部位の周囲を冷却することによって磁化された磁力を限界値よりも低い値に制限し、これにより、磁気ぶきの発生を軽減し、或いはなくすようにしている。
【００１９】
本発明に於いて、被加工材を冷却する方式は特に限定するものではなく、被加工材に対する散水による方式、被加工材に対しガスを噴射する方式等を選択的に採用することが可能である。
【００２０】
散水による場合、冷却効果が大きく、被加工材に於けるアーク加工部位の周囲を短時間で冷却して磁化された磁力を低くすることが可能である。しかし、散水された水は全てが蒸発するわけではなく、被加工材の表面に沿って流れたり、滞留することとなるため、これらの水に対する対策を講じておくことが好ましい。
【００２１】
ガスによる場合、散水の場合と比較して冷却効果は小さく、被加工材に対する冷却時間はながくなる。しかし、噴射されたガスは被加工材を冷却した後は周囲に拡散することとなり、作業環境に悪影響を及ぼすことがない。
【００２２】
本発明のアーク加工方法に於いて対象となる被加工材は、磁化し易い鋼材又は残留磁気が存在する鋼材である。磁化し易い鋼材として特に限定するものではないが、代表的には高張力鋼であり、コバルトやマンガンを含有する耐候性鋼も含む、更に、炭素含有量の高いハイカーボン鋼（例えばＳ４０Ｃよりも炭素含有量の高い鋼材）であっても好ましい結果を得ている。
【００２３】
また残留磁気が存在する鋼材としても特に限定するものではないが、ショットブラスト処理が施された構造用圧延鋼材や溶接用圧延鋼材及び前述した磁化し易い鋼材、更に、リフティングマグネットによって吸着された前記鋼材を含むものである。
【実施例１】
【００２４】
次に、上記アーク加工方法を説明し、合わせてアーク加工装置の例について図を用いて説明する。本実施例では、アーク加工方法としてプラズマ切断方法を採用しており、冷却方式としてはプラズマ切断トーチから噴射するガスを採用している。このため、アーク加工装置はプラズマ切断装置として構成されている。従って、図１はプラズマ切断装置の全体構成を模式的に説明する図である。図２は加工工具としてのプラズマ切断トーチを模式的に説明する図である。図３は被加工材に対して行った切断実験を説明する図である。
【００２５】
図１に於いて、プラズマ切断装置（切断装置）Ａは、平行に敷設された一対のレール１に載置され、このレール１上を走行し得るように構成された門型のフレーム２と、フレーム２に載置されレール１に対し直交する方向に横行し得るように構成された横行キャリッジ３と、横行キャリッジ３に搭載されたプラズマ切断トーチ（切断トーチ）４と、を有して構成されている。
【００２６】
フレーム２は、夫々のレール１に載置されたサドル２ａと、レール１と直交方向に配置されサドル２ａを連結するガーター２ｂとを有しており、サドル２ａに設けた走行モータ５の駆動を制御することで、レール１に沿ってｘ−ｘ方向に所定の速度で走行し得るように構成されている。横行キャリッジ３には横行モータ６が設けられており、該横行モータ６の駆動を制御することで、搭載した切断トーチ４をフレーム２のガーター２ｂに沿って横行させて、レール１に対し直交方向であるｙ−ｙ方向に横行させ得るように構成されている。
【００２７】
従って、走行モータ５と横行モータ６の駆動を同時に制御することで、フレーム２の走行と横行キャリッジ３の横行を制御し、これによって、横行キャリッジ３に搭載した切断トーチ４を二次元的に所望の速度で移動させることが可能である。
【００２８】
一対のレール１の間に被切断材Ｂを載置する切断定盤７が配置されている。切断定盤７は、載置した被切断材Ｂを安定した平面を保持する機能と、且つ被切断材Ｂに対する切断に伴って発生するスラグが切断に悪影響を与えることのないように落下させる機能、を有している。このような機能を有する切断定盤７としては、フレームの上部に所定の間隔で複数のフラットバーを起立させ、該フラットバーに被切断材Ｂを載置し得るように構成したもの、或いはフレームの上部にレール１に沿った方向及びレール１に直交する方向に所定の間隔で複数のバー材を起立させ、該バー材の頂部に被切断材Ｂを載置し得るように構成したもの等があり、何れも好ましく利用することが可能である。
【００２９】
またアーク加工が溶接のような場合、定盤は単に被溶接材を水平に載置し得るように構成されたものであって良い。
【００３０】
フレーム２のサドル２ａには、切断装置Ａの動作を制御する制御装置８が搭載されている。この制御装置８は数値制御（ＮＣ）装置からなり、予め被切断材Ｂから切断し得る形状や該形状の切断手順、予め設定された動作の手順（例えば被切断材Ｂに穴明けするピアシング動作や切断動作に於ける各モータ５，６の駆動手順や電源装置１２やプラズマガスの供給装置，冷却水の供給装置等の動作手順）、等を記憶させた記憶部や、切断すべき形状を呼び出して必要な寸法を入力する入力部８ａ、呼び出された形状情報を表示し且つ入力された情報を表示するディスプレイ８ｂ、入力情報等を一時的に記憶しておく一時記憶部、演算部、等を有している。
【００３１】
プラズマトーチとしては、移行式プラズマトーチと、非移行式プラズマトーチがある。特に鋼板からなる被切断材Ｂを切断する、切断トーチ４としては、移行式プラズマトーチを用いるのが一般的である。また非移行式プラズマトーチは極めて薄い材を切断する場合、或いは溶接トーチとして用いることが多い。
【００３２】
本実施例の切断トーチ４は移行式プラズマトーチとして構成されている。この切断トーチ４は図２に示すように、中心に電極４ａを有しており、該電極４ａの周囲に形成されたプラズマ室４ｂにプラズマガスを供給すると共に電極４ａとノズル４ｃとの間で放電させてパイロットアークを形成し、該パイロットアークをオリフィス４ｄから噴射させて被切断材Ｂに接触させた後、電極４ａと被加工材Ｂとの間で放電させると共に電極４ａとノズル４ｃとの通電を遮断することでプラズマアークを形成し、この噴射されたプラズマアークの熱エネルギーによって被切断材Ｂの母材を溶融させ、且つ切断トーチ４を移動させつつ、溶融物を母材から排除することで切断することが可能である。
【００３３】
このため、切断トーチ４には電極に通電するキャプタイヤ、及びノズルに通電するキャプタイヤからなるキャプタイヤ１０が接続され、被切断材Ｂには該被切断材Ｂに通電するキャプタイヤ１１が接続されており、これらのキャプタイヤ１０，１１は電源装置１２に接続されている。被切断材Ｂを電源装置１２に接続するキャプタイヤ１１は、被切断材Ｂに直接接続されていても良く、切断定盤７に接続されていても良い。
【００３４】
また切断トーチ４のノズル４ｃの外周にはオリフィス４ｅを有するキャップ４ｆが配置されており、ノズル４ｃとキャップ４ｆとの間に二次ガス室４ｇが形成されている。この二次ガス室４ｇはプラズマアークに沿って二次気流を供給する機能を有するものであり、プラズマアークを構成するガスと同じガスが供給される。特に、二次気流はプラズマアークの周囲を保護して純度の低下を防ぎ、切断面の品質を向上させる機能を有するものである。
【００３５】
またプラズマアークに沿って噴射された二次気流は被加工材Ｂを冷却する機能も有する。このため、本実施例では、二次ガス室４ｇの容量、オリフィス４ｅの径は通常の二次気流を有するプラズマトーチに於ける二次ガス室の容量、オリフィスの径よりも大きく形成されており、該二次ガス室４ｇに二次気流に必要とされるガス量よりも充分に大きい量のガスを供給してオリフィス４ｅから噴射させることで、一部を通常の二次気流として機能させると共に、一部を冷却用のガスとして機能させるている。
【００３６】
従って、二次ガス室４ｇにガスを供給すると、供給されたガスはオリフィス４ｅから噴射するプラズマアークに沿って被加工材Ｂに向けて噴射されて該被加工材Ｂを冷却することが可能である。
【００３７】
尚、切断トーチ４には、プラズマガスを供給するホース類（図示せず）や、電極及びノズルを冷却する冷却水の供給及び排出を行うホース類（図示せず）が接続されている。
【００３８】
次に、上記の如く構成された切断トーチ４によって被加工材Ｂを切断する際の手順について説明する。
【００３９】
まず、被切断材Ｂに対する切断に必要なデータを入力した後、切断開始を指令すると、切断トーチ４は被切断材Ｂに於けるピアシング位置に移動し、該位置でプラズマアークを形成して被切断材Ｂに対するピアシング加工の開始が指令される。
【００４０】
ピアシング開始信号に応じて、切断トーチ４に於ける電極とノズルとの間で放電してパイロットアークが形成されてノズルから噴射される。そして、パイロットアークが被切断材Ｂと接触したとき、被加工材Ｂと電源装置１２とが接続され、プラズマアークが形成される。切断トーチ４からプラズマアークが形成されると、制御装置８から予め設定された切断に必要なデータが読み出され、該データに基づいて走行モーター５、横行モーター６が制御されて被加工材Ｂに対する切断が進行する。
【００４１】
被切断材Ｂに対する切断トーチ４による切断の進行に伴って、切断トーチ４のガス室４ｇには酸素ガスが供給され、プラズマアークに沿ってオリフィス４ｅから噴射される。切断トーチ４から噴射されたガスはプラズマアークによる被加工材Ｂの切断部位の周囲を冷却し、磁化された磁力を減少させることが可能である。
【実施例２】
【００４２】
上記の如く構成した切断トーチ４を利用し異なる冷却方式を採用して、被加工材Ｂに対する切断を行って磁化された磁力と磁気ぶきの有無についての比較を行った。その結果について図３により説明する。
【００４３】
図に於いて、被加工材Ｂとして厚さ２２ｍｍのＳＭＡ−４９０（Ｍ）を用いた。被切断材Ｂから台形状の製品を４回切断した。各切断はピアシング位置Ｐから開始した後、矢印方向に沿って行った。各形状に対する切断が終了したとき、プラズマアークを停止し、次に切断すべき形状のピアシング位置に移動して切断を再開した。
【００４４】
１枚の被切断材Ｂに対し、同一の冷却条件の下に図に示すＢ１〜Ｂ４の順に切断を行った。従って、プラズマ切断に伴う冷却条件を変更した場合、被切断材Ｂとしては同一条件で異なる板を利用している。そして夫々の冷却条件で同じ切断形状をＢ１〜Ｂ４の順序で切断した。
【００４５】
被加工材Ｂに対する異なる冷却条件毎に切断を行い、４回目に切断した形状Ｂ４に於ける点ａで磁気ぶきの有無を確認し、切断が終了した後、点ｂに於ける磁力を測定した。
【００４６】
尚、切断トーチ４による切断速度を毎分２０００ｍｍとし、全ての切断に於いてオリフィス４ｅから供給する二次気流としての酸素ガスの流量を毎分１４ノルマルリットルとした。
【００４７】
先ず、全く冷却を行うことなく、通常のプラズマ切断条件で被加工材Ｂに対する切断を行ったところ、Ｂ１〜Ｂ３の切断は問題が生じていないが、４回目の切断である形状Ｂ４に於ける点ａで磁気ぶきが発生し、切断品質が劣化した。切断が終了した後の点ｂに於ける磁力は約３４００ガウスであった。
【００４８】
次に、オリフィス４ｅから供給する酸素ガスを毎分３０ノルマルリットルとし、二次器量としての毎分１４ノルマルリットルよりも多いガスを冷却ガスとして機能させるようにして切断した。Ｂ１〜Ｂ４に対する切断は順調に行われ、形状Ｂ４に於ける点ａでの磁気ぶきは生じなかった。切断後に点ｂの磁力を測定したところ約９００ガウスであった。この切断では、二次気流としての流量よりも多く供給されたガスが冷却用ガスとして機能し、プラズマトーチ４による切断部位の周囲を強制冷却している。
【００４９】
次に、オリフィス４ｅから供給する酸素ガスを毎分１４ノルマルリットルとし、切断トーチ４による切断部位の周囲に水道水を散水して切断した。Ｂ１〜Ｂ４に対する切断は順調に行われ、形状Ｂ４に於ける点ａでの磁気ぶきは生じなかった。切断後に点ｂの磁力を測定したところ約６００ガウスであった。
【実施例３】
【００５０】
被加工材ＢとしてＳＭＡ−４９０（Ｍ）を用い、この被加工材Ｂに対する冷却条件を変更して残留磁気と磁気ぶきの関係について追求した。その結果、磁力が約１２００ガウスよりも低い場合、磁気ぶきを略防ぐことが可能であった。また磁力が約１２００ガウスよりも高い場合、磁気ぶきが発生し、磁力が多くなるのに従って磁気ぶきの頻度が増加した。
【００５１】
従って、被加工材Ｂをアーク加工すると共に加工部位を冷却したとき、被加工材Ｂに於ける磁化された磁力を約１２００ガウスよりも低い値とすることが必要である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
上記本発明では、プラズマ切断の場合に限らず、加工工具と被加工材との間に通電して加工する溶接や溶射等の方法，装置に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】プラズマ切断装置の全体構成を模式的に説明する図である。
【図２】加工工具としてのプラズマ切断トーチの構成を模式的に説明する図である。
【図３】被加工材Ｂに対する切断実験に於ける切断形状を説明する図である。
【符号の説明】
【００５４】
Ａ                    プラズマ切断装置（切断装置）
Ｂ                    被切断材
１                    レール
２                    フレーム
２ａ                  サドル
２ｂ                  ガーター
３                    横行キャリッジ
４                    プラズマ切断トーチ（切断トーチ）
４ａ                  電極
４ｂ                  プラズマ室
４ｃ                  ノズル
４ｄ                  オリフィス
４ｅ                  オリフィス
４ｆ                  キャップ
４ｇ                  二次ガス室
５                    走行モータ
６                    横行モータ
７                    切断定盤
８                    制御装置
８ａ                  入力部
８ｂ                  ディスプレイ
１０，１１            キャプタイヤ
１２                  電源装置
【図１】
2008296243.tif 000003
【図２】
2008296243.tif 000004
【図３】
2008296243.tif 000005