(57)【要約】【課題】プラズマトーチに用いられる電極表面のハフニウムが充分に窒化されて、電極寿命が延長可能なプラズマ切断方法、プラズマ切断装置を提供すること。【解決手段】プラズマ切断装置１であって、電極１６と、作動ガスをノズル孔１２Ａに導く作動ガス流路１２が形成されたノズル本体１１とを有するプラズマトーチ１０と、作動ガスを供給する酸素供給源３１と、エンドガスを供給する窒素供給源３２と、前記作動ガス供給源３１又は前記エンドガス供給源３２と、前記作動ガス流路１２との接続を切換える切換弁Ｖ１３と、制御部５０とを備え、前記制御部５０は、前記被加工材Ｗを切断する際の定常アーク電流を流しながら、前記切換弁Ｖ１３により前記作動ガスを前記エンドガスに切換えてから所定時間経過後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体と、を備えたプラズマトーチから、前記電極とワーク間に生じさせたアークによってプラズマ化した酸素からなる作動ガスを前記ノズル孔から噴射して被加工材を切断するプラズマ切断方法であって、
前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を流しながら、前記作動ガスを窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスに切換え、所定時間経過後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ切断方法であって、
前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスをエンドガスに切換えてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＤを、ＴＤ≦０．８秒  とすることを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のプラズマ切断方法であって、
前記プラズマトーチが、前記被加工材に設定された切断軌跡の終点に到達する所定時間前に通過する前記切断軌跡の途中位置において、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスを前記エンドガスに切換えるとともに、前記プラズマトーチが前記切断軌跡の終点に到達したときに前記定常アーク電流を停止することを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項４】
電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体とを有するプラズマトーチと、
酸素からなる作動ガスを供給する作動ガス供給源と、
窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスを供給するエンドガス供給源と、
前記作動ガス供給源又は前記エンドガス供給源と、前記作動ガス流路との接続を選択的に切換えるガス切換部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を流しながら、前記ガス切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換え、所定時間経過後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ切断装置であって、
前記制御部は、
前記切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換えてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＤを、ＴＤ≦０．８秒  とすることを特徴とすることを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のプラズマ切断装置であって、
前記プラズマトーチが、前記被加工材に設定された切断軌跡の終点に到達する所定時間前に通過する前記切断軌跡の途中位置において、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスを前記エンドガスに切換えるとともに、前記プラズマトーチが前記切断軌跡の終点に到達したときに前記定常アーク電流を停止するように構成されていることを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載のプラズマ切断装置であって、
前記ガス切換部は、前記プラズマトーチの基端部近傍に配置されていることを特徴とするプラズマ切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、作動ガスとして酸素含有ガスを用いたプラズマ切断において、電極の寿命を延長可能なプラズマ切断方法、プラズマ切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、プラズマ切断に用いる電極は、プラズマアークによる高温に曝されることからハフニウムが用いられている。しかしながら、ハフニウムで形成された電極であっても、プラズマアークの高温下では充分な寿命を確保するのは容易ではなく、特に酸素雰囲気で使用する場合には、短寿命となる。そこで、電極寿命を延ばすために、電極を窒素と接触させることで電極表面のハフニウムを窒化して、電極表面の融点を高くして酸素雰囲気で高温に曝されても寿命が短縮されるのを抑制しようとする技術が一般的に行なわれている。
【０００３】
しかしながら、プラズマ切断が終了した後に電極を窒素雰囲気下に置いても、電極の温度が低下して、電極表面のハフニウムが充分に窒化されないことから、電極寿命の延長が困難であるという問題がある。
【０００４】
そこで、電極寿命の延長を図るために、プラズマ切断を開始する際に窒素ガスを使用し、その後酸素に切換える技術や、プラズマ切断が終了した際に、作動ガスである酸素ガスを窒素ガスに切換えて、電極とノズル本体間にパイロットアークを所定時間生じさせて通電することにより、切断した製品へのスラグの付着及び切断面への窒化層の発生を抑制しつつ、電極表面のハフニウムを窒素と接触させて窒化を促進する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−６０４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の方法では、電極表面のハフニウムを窒化させるのに必要とされる温度を容易に確保することは困難であり、電極表面のハフニウムが充分に窒化され、プラズマ切断開始時に、アーク電流により発生する高温において、電極寿命が短くなるのを抑制するための技術に対して強い要請がある。
【０００７】
そこで、発明者らは、プラズマトーチの電極表面のハフニウムが効率的に窒化されるプラズマ切断方法について鋭意研究した結果、被加工材との間に切断時の定常アーク電流を流しながら、窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスを流すことで、電極表面のハフニウムが短時間で効率的に窒化されて電極寿命が大幅に伸びるとの知見を得た。このように、被加工材との間に定常アーク電流を流しながら窒素含有ガスを流すことで、ハフニウムの表面が定常アーク電流によって均一に溶融され、ハフニウムの表面が効率的に安定して窒化されるためであると推測される。
【０００８】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、プラズマトーチの電極に用いられるハフニウムが効率的に窒化され、電極寿命が延長可能なプラズマ切断方法、プラズマ切断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】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体と、を備えたプラズマトーチから、前記電極とワーク間に生じさせたアークによってプラズマ化した酸素からなる作動ガスを前記ノズル孔から噴射して被加工材を切断するプラズマ切断方法であって、前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を流しながら、前記作動ガスを窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスに切換え、所定時間経過後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体とを有するプラズマトーチと、酸素からなる作動ガスを供給する作動ガス供給源と、窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスを供給するエンドガス供給源と、前記作動ガス供給源又は前記エンドガス供給源と、前記作動ガス流路との接続を選択的に切換えるガス切換部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を流しながら、前記ガス切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換え、所定時間経過後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るプラズマ切断方法、プラズマ切断装置によれば、電極と被加工材の間に、被加工材を切断する際の定常アーク電流を流しながら、作動ガスを窒素含有ガスからなるエンドガスに切換えるので、作動ガス流路に流入した窒素含有ガスが定常アーク電流により高温に維持された電極と接触、反応して、電極表面のハフニウムが効率的に窒化される。その結果、電極の寿命を延長することができる。
【００１２】
この明細書において、作動ガスをエンドガスに切換えるタイミングは、プラズマトーチによる被加工材の切断中、被加工材の切断終了時、被加工材の切断終了後のいずれのタイミングでもよい。
また、「定常アーク電流を流しながら」とは、電極と被加工材の間にアークが安定して形成される程度のアーク電流が流れていることを意味しており、プラズマ切断する際のアーク電流値に対する多少の差異や、窒素含有ガスに切換わる際に生じる電流の変化は許容されるものとする。
また、エンドガスの流量は、電極と被加工材の間に定常アーク電流の電流が流れる程度の流量とされる。
【００１３】
また、「作動ガスをエンドガスに切換え、所定時間経過後に前記定常アーク電流を停止」とは、作動ガス流路内にエンドガスが流入して作動ガス流路内の窒素濃度が上昇し、定常アーク電流によるアークの熱によって、電極表面のハフニウムが窒化される程度の時間の経過を指す趣旨である。また、定常アーク電流を停止とは、アーク電源に対して定常アーク電流を停止する信号を出力することにより、電極と被加工材と間でアーク電流が流れなくなること、又はアーク電流を定常アーク電流から漸次低下させることをいう。
【００１４】
この場合、本明細書に記載した実施例における、作動ガスをエンドガスに切換えてからアーク電圧が変化（作動ガスがエンドガスに置換されたことを示すと推測される）するまでの時間を越える時間や、例えば、ガス切換部からノズル孔までの流路容積をエンドガスの流量で除して算出される作動ガス流路内が置換されたと推測される時間を越える時間を、所定時間とすることが好適である。
また、所定時間をガス切換部からノズル孔までの流路容積をエンドガスの流量により算出する場合、ガス切換部からプラズマトーチまでのエンドガス管路の形態によって補正してもよい。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ切断方法であって、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスをエンドガスに切換えてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＤを、ＴＤ≦０．８秒  とすることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のプラズマ切断装置であって、前記制御部は、前記切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換えてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＤを、ＴＤ≦０．８秒  とすることを特徴とする。
【００１７】
この発明に係るプラズマ切断方法、プラズマ切断装置によれば、アーク維持時間ＴＤが、ＴＤ≦０．８秒  とされているので、被加工材が過剰に切断されることによる材料歩留まりの低下が抑制されるとともに、エンドガスのムダな供給に起因するコスト増大を抑制することができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のプラズマ切断方法であって、前記プラズマトーチが、前記被加工材に設定された切断軌跡の終点に到達する所定時間前に通過する前記切断軌跡の途中位置において、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスを前記エンドガスに切換えるとともに、前記プラズマトーチが前記切断軌跡の終点に到達したときに前記定常アーク電流を停止することを特徴とする。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載のプラズマ切断装置であって、前記プラズマトーチが、前記被加工材に設定された切断軌跡の終点に到達する所定時間前に通過する前記切断軌跡の途中位置において、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスを前記エンドガスに切換えるとともに、前記プラズマトーチが前記切断軌跡の終点に到達したときに前記定常アーク電流を停止するように構成されていることを特徴とする。
【００２０】
この発明に係るプラズマ切断方法、プラズマ切断装置によれば、プラズマトーチが切断軌跡の終点に到達する所定時間前に通過する途中位置で、定常アーク電流を流しながら作動ガスをエンドガスに切換えるとともに、プラズマトーチが切断軌跡の終点に到達したときに定常アーク電流を停止するので、被加工材の過剰な切断が抑制されるとともにエンドガスのムダな供給を抑制することができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載のプラズマ切断装置であって、前記ガス切換部は、前記プラズマトーチの基端部近傍に接続されていることを特徴とする。
【００２２】
この発明に係るプラズマ切断装置によれば、ガス切換部がプラズマトーチの基端部近傍に配置されているので、ガス切換部により作動ガスをエンドガスに切換えてから作動ガス流路内に短時間でエンドガスが供給されて、電極の酸化が抑制されて電極寿命が延長されるとともに、被加工材の過剰な切断が抑制されて、材料歩留まりを向上することができる。
【００２３】
この明細書において、プラズマトーチの基端部近傍とは、プラズマトーチに作動ガスを供給する作動ガス供給管路とプラズマトーチを連結する部位の側部や、作動ガス供給管路とプラズマトーチの作動ガス流路の間をいう。
【発明の効果】
【００２４】
この発明に係るプラズマ切断方法、プラズマ切断装置によれば、電極表面のハフニウムと窒素含有ガスからなるエンドガスが高温で接触、反応するので、電極表面のハフニウムが効率的に窒化されて、電極の寿命を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ切断装置の概略構成を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係るプラズマ切断の動作の一例を説明するブロック図である。
【図３】第１の実施形態に係るプラズマ切断の動作の一例を説明するタイムチャートである。
【図４】第２の実施形態に係るプラズマ切断の動作の一例を説明する図である。
【図５】第２の実施形態に係るプラズマ切断置の動作の一例を説明するブロック図である。
【図６】第２の実施形態に係るプラズマ切断装置の動作の一例を説明するタイムチャートである。
【図７】本発明の効果を説明する図であり、切換弁の位置を一定としてアーク維持時間を変化させた場合のタイムチャートを示す図である。
【図８】本発明において、切換弁の位置を一定としてアーク維持時間を変化させた場合の効果を説明する図であり、（Ａ）はアーク維持時間と電極深さの関係を、（Ｂ）はアーク維持時間と電極の減少重量の関係を示す図である。
【図９】本発明の効果を説明する図であり、アーク維持時間を一定にして切換弁の位置を変化させた場合のタイムチャートを示す図である。
【図１０】本発明において、アーク維持時間を一定にして切換弁の位置を変化させた場合の効果を説明する図であり、（Ａ）はアーク維持時間と電極深さの関係を、（Ｂ）はアーク維持時間と電極の減少重量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図１〜図３を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態に係るプラズマ切断装置の概略構成を示す図であり、符号１はプラズマ切断装置を、符号１０プラズマトーチを示している。
プラズマ切断装置１は、プラズマトーチ１０と、アーク電源２０と、ガス供給回路３０と、サーボ制御器４０と、制御部５０とを備え、プラズマトーチ１０から噴射されるプラズマガスにより被加工材Ｗを切断するようになっている。
【００２７】
プラズマトーチ１０は、例えば、ノズル本体１１と、ノズル本体１１に配置される電極１６とを備え、プラズマトーチ１０の基端側は、ガス供給回路３０から伸びる作動ガス供給ホースと連結され、作動ガス供給ホースは、ガス供給回路３０からのスタートガス、作動ガス、エンドガスをノズル本体１１に供給するようになっている。
【００２８】
ズル本体１１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形を有し、ノズル本体内部に配置され基端側から先端側に伸びる作動ガス流路１２と、作動ガス流路１２の周囲に配置されるアシストガス流路１３とを備えている。
【００２９】
作動ガス流路１２は、先端側に作動ガスを噴出するノズル孔１２Ａが形成されていて、ノズル本体１１の基端側に形成された作動ガス導入口１２Ｂから導入された作動ガスがノズル孔１２Ａに導かれるようになっている。
【００３０】
アシストガス流路１３は、作動ガスのノズル孔１２Ａの周囲を囲むように形成されるアシストガスノズル孔１３Ａを有していて、ノズル本体１１の側部に形成されたアシストガス導入口１３Ｂから導入されたアシストガスがアシストガスノズル孔１３Ａに導かれ、作動ガスの周囲を被覆して噴出されるようになっている。
【００３１】
また、プラズマトーチ１０は、導入した作動ガスを先端のノズル孔１２Ａに導く作動ガス流路１２と、アシストガスをノズル孔１２Ａの周囲に導くためのアシストガス流路１３とを備え、作動ガス流路１２には、被加工材Ｗとの間でアークを形成するための電極１６が配置されている。
【００３２】
アーク電源２０は、電極１６と被加工材Ｗ間に電圧を印加してアークを生成するとともに、電極１６と被加工材Ｗ間に形成されたアークを維持するための定常アーク電流を供給するものであり、定常アーク電流の電流値及び供給タイミングは、制御部５０からの指示に基づいて制御されるようになっている。また、制御部５０から定常アーク電流を停止する信号が出力された場合に、アーク電流をダウンスロープ時間ＴＳ秒の間で漸次低下、電流を完全に停止するように構成されている。
【００３３】
ガス供給回路３０は、酸素供給源（酸素含有ガスの供給源）３１と、窒素供給源（窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスの供給源）３２と、ガス制御部３５とを備え、ガス制御部３５は、作動ガス供給路Ｇ１１と、スタートガス供給路Ｇ１２と、エンドガス供給路Ｇ１３と、アシストガス供給路Ｇ１４とを有している。
【００３４】
酸素供給源３１は、作動ガスとして用いられる酸素を貯留していて、作動ガス供給路Ｇ１１を介してプラズマトーチ１０と接続されている。
また、窒素供給源３２は、スタートガス、エンドガス、アシストガスとして用いられる窒素を貯留していて、スタートガス供給路Ｇ１２、エンドガス供給路Ｇ１３、アシストガス供給路Ｇ１４を介してプラズマトーチ１０と接続されている。
【００３５】
作動ガス供給路Ｇ１１は、酸素供給源３１に接続されていて、酸素供給源３１からプラズマトーチ１０に酸素を作動ガスとして供給するようになっており、酸素供給源３１から順に、圧力計Ｐ、流量調整弁Ｍ１１、電磁弁Ｖ１１、切換弁（ガス切換部）Ｖ１３が配置されていて、流量調整弁Ｍ１１により流量調整された作動ガスの供給タイミングを、電磁弁Ｖ１１、切換弁Ｖ１３により制御可能とされている。なお、切換弁Ｖ１３は、例えば三方弁からなり、作動ガスとエンドガスとを選択的に切換えて、作動ガス流路１２に供給するようになっている。
【００３６】
スタートガス供給路Ｇ１２は、窒素供給源３２に接続されていて、窒素供給源３２からプラズマトーチ１０に窒素をスタートガスとして供給するようになっており、窒素供給源３２から順に、圧力計Ｐ、流量調整弁Ｍ１２、電磁弁Ｖ１２が配置されていて、流量調整弁Ｍ１２により流量調整されたスタートガスの供給タイミングを、電磁弁Ｖ１２により制御可能とされている。
【００３７】
エンドガス供給路Ｇ１３は、窒素供給源３２に接続されていて、窒素供給源３２からプラズマトーチ１０に窒素をエンドガスとして供給するようになっており、窒素供給源３２から順に、圧力計Ｐ、流量調整弁Ｍ１３、切換弁Ｖ１３が配置されていて、流量調整弁Ｍ１３により流量調整されたエンドガスの供給タイミングを、切換弁Ｖ１３により制御可能とされている。また、切換弁Ｖ１３は、例えば、プラズマトーチ１０の基端部と作動ガス供給ホースの間に配置されている。なお、エンドガス供給路Ｇ１３における流量調整弁Ｍ１３の流量は、定常アーク電流により電極１６と被加工材Ｗとの間にアークが安定して形成される程度とする。
【００３８】
アシストガス供給路Ｇ１４は、窒素供給源３２に接続されていて、窒素供給源３２からプラズマトーチ１０に窒素をアシストガスとして供給するようになっており、窒素供給源３２から順に、圧力計Ｐ、流量調整弁Ｍ１４、電磁弁Ｖ１４が配置されていて、流量調整弁Ｍ１４により流量調整したスタートガスの供給タイミングを、電磁弁Ｖ１４により制御可能とされている。
【００３９】
サーボ制御器４０は、制御部５０からの指示に基づいて、図示しない定盤上で切断軌跡に従って、プラズマトーチ１０をＸ軸方向（走行方向）、Ｙ軸方向（横行方向）、Ｚ軸方向（高さ方向）に移動させるようになっている。
【００４０】
制御部５０は、信号ケーブル５１を介して、アーク電源２０、ガス供給回路３０を構成する電磁弁Ｖ１１、電磁弁Ｖ１２、切換弁Ｖ１３、電磁弁Ｖ１４、サーボ制御器４０、タイマー５２と接続されており、予め入力されたＮＣデータに基づき、アーク電源２０、電磁弁Ｖ１１、電磁弁Ｖ１２、切換弁Ｖ１３、電磁弁Ｖ１４、サーボ制御器４０に信号を出力するとともに、プラズマトーチ１０の移動が停止した後にタイマー５２（設定時間（アーク維持時間）＝ＴＤ１）からのカウントアップ信号が入力されたのを受けて、アーク電源２０に定常アーク電流を停止する信号を出力するようになっている。
【００４１】
以下、図２、図３に基づいて、第１の実施形態に係るプラズマ切断の動作について説明する。
図２は、第１の実施形態に係る作動ガスをエンドガスに切換えてから定常アーク電流及びエンドガス供給を停止するまでの手順を含むプラズマ切断の動作の一例を説明するブロック図であり、図３は、第１の実施形態に係るプラズマ切断開始前からアーク電流及びエンドガス供給を停止までの動作を含むプラズマ切断の動作の一例を説明するタイムチャートである。
【００４２】
プラズマ切断装置１が停止している状態で、電磁弁Ｖ１１、電磁弁Ｖ１２、切換弁Ｖ１３、電磁弁Ｖ１４は、すべて「閉」とされている。
（１）まず、制御部５０に切断軌跡のＮＣデータが入力される。
（２）制御部５０は、電磁弁Ｖ１２を「開」とする信号を出力し、スタートガス供給路Ｇ１２を介して窒素供給源３２からプラズマトーチ１０の作動ガス流路１２にスタートガスが供給される。
（３）制御部５０は、スタートガスをプラズマトーチ１０に所定時間供給した後、電磁弁Ｖ１２を「閉」とする信号を出力してスタートガスを停止し、同時に電磁弁Ｖ１１を「開」、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」、電磁弁Ｖ１４を「開」とする信号を出力して、プラズマトーチ１０に作動ガス、アシストガスを供給するとともに、アーク電源２０をＯＮとする信号を出力する。
その結果、作動ガスが作動ガス流路１２に供給されるとともに、ノズル本体１１内において、電極１６からパイロットアークが発生する。
（３）プラズマトーチ１０は、パイロットアークにより作動ガス流路１２内でプラズマ化されたプラズマガスをノズル孔１２Ａから噴射するとともに、電極１６と被加工材Ｗの間でアークを形成する。
（４）プラズマトーチ１０が噴射するプラズマガスにより被加工材Ｗが切断可能となったら、制御部５０は、サーボ制御器４０にＮＣデータに基づく信号を出力して、プラズマトーチ１０を切断軌跡に従って移動して被加工材Ｗを切断する。
（５）制御部５０は、プラズマトーチ１０がＮＣデータで定義された終点に到達したらプラズマトーチ１０の移動を停止し、プラズマ切断を終了する（Ｓ１）。
（６）制御部５０は、プラズマトーチ１０の移動を停止すると同時に、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」から「エンドガス側」に切換える出力をして、作動ガス流路１２に窒素供給源３２からエンドガスとして窒素を供給する（Ｓ２）。
（７）また、制御部５０は、プラズマトーチ１０の移動を停止し、タイマー５２にアーク維持時間ＴＤ１をカウントさせる出力をする。
（８）アーク維持時間ＴＤ１が経過したら、タイマー５２がカウントアップする（Ｓ４）。
タイマー５２は、カウントアップしたら、制御部５０にカウントアップしたことを示す信号を出力する。
（９）制御部５０は、タイマー５２からカウントアップの信号が入力されたら、アーク電源２０に定常アーク電流を停止する信号を出力（Ｓ５）し、アーク電源２０は、アーク電流をダウンスロープ時間ＴＳに漸次低下して、電極１６と被加工材Ｗの間でアーク電流を流れなくなる。
（１０）制御部５０は、定常アーク電流停止を出力した後、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」とする信号を出力して、プラズマトーチ１０へのエンドガスの供給を停止する（Ｓ６）。
（１１）また、制御部５０は、電磁弁Ｖ１４を「閉」とする信号を出力して、プラズマトーチ１０へのアシストガスの供給を停止する。
【００４３】
なお、図３に示したＴＸは、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」から「エンドガス側」に切換えてから電極１６と被加工材Ｗ間の電圧が変化するまでの時間を示しており、この電圧の変化は、作動ガス流路１２内が酸素の多くがエンドガスに置き換わって窒素濃度が高い状態に移行したか、エンドガスに置換された状態を示す時間と推測される。また、ＴＰで示したのは、電極１６と被加工材Ｗの間に定常アーク電流が流れる状態で、作動ガス流路１２を窒素が流れると推測される時間を表している。
【００４４】
第１の実施形態に係るプラズマ切断装置１によれば、電極１６と被加工材Ｗの間に、定常アーク電流を流しながら、作動ガスをエンドガスに切換えるので、アーク電流により高温に維持された電極１６が作動ガス流路１２内において窒素と接触、反応して、電極１６の表面のハフニウムが効率的に窒化される。その結果、電極１６の寿命を延長することができる。
【００４５】
また、アーク維持時間ＴＤ１が、ＴＤ１≦０．８秒  とすると、被加工材Ｗの過剰な切断に起因する材料歩留まり低下が抑制されるとともに、エンドガスのムダな供給に起因するコスト増大が抑制される点で好適である。
【００４６】
また、プラズマ切断装置１によれば、切換弁Ｖ１３が、プラズマトーチ１０の基端部と作動ガス供給ホースの間に配置され、切換弁Ｖ１３により作動ガスをエンドガスに切換えてから作動ガス流路１２内に短時間でエンドガスが供給されるので、電極１６の酸化が抑制されて電極寿命が延長されるとともに、被加工材Ｗの過剰な切断が抑制されて材料歩留まりを向上することができる。
【００４７】
次に、図１、図４〜図６を参照して、この発明の第２の実施形態に係るプラズマ切断の動作の一例について説明する。
図４は、プラズマトーチ１０が通過する切断軌跡を説明する概略図である。
図５は、第２の実施形態に係る作動ガスをエンドガスに切換えてから定常アーク電流及びエンドガス供給を停止するまでの手順を含むプラズマ切断の動作の一例を説明するブロック図であり、図６は、第２の実施形態に係るプラズマ切断開始前からアーク電流及びエンドガス供給を停止するまでの動作を含むプラズマ切断の動作の一例を説明するタイムチャートである。なお、第２の実施形態では、タイマー５２は使用しない。
【００４８】
第２の実施形態が、第１の実施形態と異なるのは、第１の実施形態では、アーク維持時間ＴＤ１を、プラズマトーチ１０が終点に到達してからカウントを開始するタイマー５２により設定する場合について説明したが、第２の実施形態では、プラズマトーチ１０が切断軌跡の切断終点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）に到達するまでの時間が、プラズマトーチ１０の移動速度及び切断軌跡の道のりから算出してアーク維持時間ＴＤ２と対応する設定点（途中位置）Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）に到達したときに、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」から「エンドガス側」に切換え、プラズマトーチ１０が切断終点Ｐ２に到達したらアーク電流を停止する点である。その他は、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００４９】
プラズマ切断装置１が停止している状態で、電磁弁Ｖ１１、電磁弁Ｖ１２、切換弁Ｖ１３、電磁弁Ｖ１４は、すべて「閉」とされている。
（１）まず、制御部５０に切断軌跡のＮＣデータが入力される。制御部５０に入力するＮＣデータには、切断軌跡において切断起点Ｐ０（Ｘ０、Ｙ０）と切断終点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）間に位置する設定点Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）を設定する。
（２）制御部５０は、切断起点Ｐ０（Ｘ０、Ｙ０）において、電磁弁Ｖ１２を「開」とする信号を出力し、スタートガス供給路Ｇ１２を介して窒素供給源３２からプラズマトーチ１０の作動ガス流路１２にスタートガスが供給される。
（３）制御部５０は、スタートガスをプラズマトーチ１０に所定時間供給した後、電磁弁Ｖ１２を「閉」とする信号を出力してスタートガスを停止し、同時に電磁弁Ｖ１１を「開」、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」、電磁弁Ｖ１４を「開」とする信号を出力して、プラズマトーチ１０に作動ガス、アシストガスを供給するとともに、アーク電源２０をＯＮとする信号を出力する。
その結果、作動ガスが作動ガス流路１２に供給されるとともに、ノズル本体１１内において、電極１６からパイロットアークが発生する。
（４）プラズマトーチ１０は、パイロットアークにより作動ガス流路１２内でプラズマ化されたプラズマガスをノズル孔１２Ａから噴射するとともに、電極１６と被加工材Ｗの間でアークを形成する。
（５）プラズマトーチ１０が噴射するプラズマガスにより被加工材Ｗが切断可能となったら、制御部５０は、サーボ制御器４０にＮＣデータに基づく信号を出力して、プラズマトーチ１０を切断軌跡に従って移動して被加工材Ｗを切断する。
（６）プラズマトーチ１０が、設定点Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）に到達する（Ｓ１１）。
プラズマトーチ１０が設定点Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）に到達したら、プラズマトーチ１０の移動及び定常アーク電流は維持して、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」から「エンドガス側」に切換える出力をし、窒素供給源３２から作動ガス流路に窒素をエンドガスとして供給する（Ｓ１２）。
（６）プラズマトーチ１０が切断終点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）に到達する（Ｓ１３）。
（７）制御部５０は、プラズマトーチ１０が切断終点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）に到達したらプラズマトーチ１０の移動を停止し、プラズマ切断を終了する（Ｓ１４）。
（８）制御部５０は、アーク電源２０に定常アーク電流を停止する信号を出力（Ｓ１５）し、アーク電源２０は、アーク電流をダウンスロープ時間ＴＳに漸次低下して、電極１６と被加工材Ｗの間でアーク電流を流れなくなる。
（９）制御部５０は、定常アーク電流停止を出力した後、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」とする信号を出力して、プラズマトーチ１０へのエンドガスの供給を停止する（Ｓ１６）。
（１０）また、制御部５０は、電磁弁Ｖ１４を「閉」とする信号を出力して、プラズマトーチ１０へのアシストガスの供給を停止する。
【００５０】
なお、上述のように、図４における設定点Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）から切断終点Ｐ２（Ｘ２、Ｙ２）までの移動時間は、切換弁Ｖ１３を「作動ガス側」から「エンドガス側」に切換えてからアーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＤ２に対応しており、図６に示したＴＸ、ＴＰは、第１の実施形態と同様である。
【００５１】
第２の実施形態に係るプラズマ切断装置１によれば、プラズマトーチ１０が切断軌跡の切断終点Ｐ２に到達前の、アーク維持時間ＴＤ２と対応する時間前に通過する設定点Ｐ１（Ｘ１、Ｙ１）で、定常アーク電流を流しながら作動ガスをエンドガスに切換えて、プラズマトーチ１０が切断終点Ｐ２に到達したら、定常アーク電流及びエンドガス供給を停止する。したがって、作動ガスをエンドガスに切換時に切換弁Ｖ１３〜作動ガス流路１２（ノズル孔１２Ａ）に残留していた酸素により、設定点Ｐ１〜切断終点Ｐ２間のプラズマ切断を行うこととなる。その結果、作動ガス及びエンドガスのムダな消費及び被加工材の過剰な切断を抑制することができる。
【００５２】
＜実施例＞
次に、図７〜図１０を参照して、本発明に係るプラズマ切断方法の効果について説明する。
まず、図７、図８を参照して、ＴＸと対応する切換弁の位置を一定（ＴＸ＝０．２）してアーク維持時間を変化させた場合について説明する。
【００５３】
図７は、ＴＸ＝０．２秒として、アーク維持時間を２つの水準（ＴＤ＝０．４秒、０．８秒）で変化させた場合のＩ（実施例１）、II（実施例２）、及び比較例（ＴＤ＝０秒、ＴＸ＞０．８秒）に関するタイムチャートを示している。また、図８はＩ（実施例１）、II（実施例２）に関する（Ａ）アーク維持時間と電極深さの関係、（Ｂ）アーク維持時間と電極の減少重量の関係を示している。なお、図８（Ａ）、（Ｂ）に示した破線は、従来の切断条件に基づく比較例を表しており、電極寿命は７１分である。
【００５４】
実験は、以下の条件のもと、プラズマトーチと被加工材との間隔を４．０ｍｍとし、１回あたりのアーク時間を２分として、電極が消耗して使用できなくなるまでの時間を測定した。
酸素含有ガス；純酸素、窒素含有ガス；空気（窒素濃度７８％）
アーク電流；３４０Ａ、作動ガス流量；５０Ｌ／分（０．５ＭＰａ）、アシストガス流量；２５Ｌ／分（０．５ＭＰａ）、スタートガス流量；９Ｌ／分（０．５ＭＰａ）、エンドガス流量；３０ｌ／分（０．５ＭＰａ）
なお、実施例では、ダウンスロープ時間ＴＳ＝０．８秒とされているが、任意に設定してもよい。
【００５５】
（１）Ｉ（実施例１）は、ＴＤ＝０．４秒、ＴＸ＝０．２秒とされていて、電極と被加工材の間に定常アーク電流が流れる状態で、作動ガス流路を空気が流れると推測される時間ＴＰ＝０．２秒である。
Ｉ（実施例１）は、図８に示すように、電極の寿命は１６０分となり、そのときの電極深さは２．１３ｍｍ、電極の減少重量は０．１２２ｇである。
（２）II（実施例２）は、ＴＤ＝０．８秒、ＴＸ＝０．２秒とされていて、ＴＰ＝０．６秒である。
II（実施例２）は、図８に示すように、電極の寿命は１６４分となり、そのときの電極深さは２．０４ｍｍ、電極の減少重量は０．１７３ｇである。
（３）比較例は、ＴＤ＝０秒、ＴＸ＞０．８秒（ＴＰ＝ゼロ）とされる従来の切断条件による電極寿命を示しており、図８に示すように、電極寿命は７１分である。
【００５６】
以上のように、ＴＸ＝０．２秒とした場合、ＴＤ＝０．４で電極寿命は１２５．３％向上し、ＴＤ＝０．８秒で電極寿命は１３１％向上することが確認された。
また、Ｉ（実施例１）とII（実施例２）について、電極と被加工材の間に定常アーク電流が流れる状態で、作動ガス流路を空気が流れると推測される時間は、それぞれＴＰ＝０．２秒とＴＰ＝０．６秒と３倍の差があるが、電極寿命は２．５％（１６４分／１６０分）しか向上しておらず、ハフニウムは、ＴＸ＝０．２秒経過後極めて短時間で窒化されるものと推測される。
【００５７】
次に、図９、図１０を参照して、アーク維持時間を一定にした場合の切換弁の位置による影響を説明する。
図９は、アーク維持時間を一定（ＴＤ＝０．８秒）として、ノズル本体に対する切換弁の位置を変更することにより、ＴＸを２つの水準（ＴＸ＝０．２秒、０．５秒）で変化させた場合のII（実施例２）、実施例III（実施例３）、及び比較例（ＴＤ＝０秒、ＴＸ＞０．８秒）に関するタイムチャートを示している。また、図１０はII（実施例２）、実施例III（実施例３）に関する（Ａ）アーク維持時間と電極深さの関係、（Ｂ）アーク維持時間と電極の減少重量の関係を示している。なお、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示した破線は、従来の切断条件に基づく比較例を表しており、電極寿命は７１分である。
【００５８】
（１）II（実施例２）は、前述のようにＴＤ＝０．４秒、ＴＸ＝０．２秒、ＴＰ＝０．２秒とされ、比較例に対して電極寿命は１３１％向上して１６４分となり、図１０に示すように、電極深さは、２．０４ｍｍ、電極の減少重量は０．１７３ｇである。
（２）III（実施例３）は、ＴＤ＝０．８秒、ＴＸ＝０．５秒とされていて、ＴＰ＝０．３秒である。
III（実施例３）は、図１０に示すように、電極の寿命は９７．１％向上して１６４分となり、２．３３ｍｍ、電極の減少重量は０．０９４ｇである。
（３）比較例は、前述のように、ＴＤ＝０秒、ＴＸ＞０．８秒（ＴＰ＝ゼロ）とされる従来の切断条件による電極寿命を示しており、図１０に示すように、電極寿命は７１分である。
【００５９】
以上のように、III（実施例３）では、電極寿命は比較例に対して９７．１％向上したが、II（実施例２）（１３０．９％向上）に比較すると電極寿命の向上幅は小さく、この差は、切換弁の位置が、III（実施例３）ではノズル本体からＴＸ＝０．５秒であるのに対して、II（実施例２）ではＴＸ＝０．２秒であることに起因すると考えられる。したがって、切換弁をノズル本体の基端部近傍に配置してＴＸを短くすることが好適であるといえる。
【００６０】
なお、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、スタートガス、エンドガス、アシストガスが窒素である場合について説明したが、例えば、空気等の窒素含有ガスを適用してもよい。
【００６１】
また、上記実施の形態においては、プラズマ切断装置１がプラズマ切断を終了してから定常アーク維持時間ＴＤ１だけ定常アーク電流を維持し又はプラズマ切断の切断軌跡を定常アーク維持時間ＴＤ２だけ遡って設定した切断軌跡上の設定点Ｐ１において、作動ガスからエンドガスへの切換えを行なう場合について説明したが、切断終点、切断終点から定常アーク維持時間ＴＤだけ遡った位置以外で作動ガスをエンドガスに切換えてもよい。
また、上記実施例において、ＴＸ＝０．２秒、ＴＸ＝０．５秒である場合について説明したが、ＴＸ＝０．２秒、ＴＸ＝０．５秒以外の値となる位置に切換弁を配置してもよい。
【００６２】
また、上記実施の形態においては、アーク維持時間ＴＤが≦０．８秒である場合について説明したが、０．８秒を超えてもよい。
また、例えば、切換弁Ｖ１３が作動ガスからエンドガスに切換えた後、（作動ガス流路１２内が窒素に置換等に基づくと推測される）電極１６と被加工材Ｗ間の電圧変化が検出されたのを起点として、タイマー５２による定常アーク維持時間ＴＤのカウントを開始してもよいし、切換弁Ｖ１３〜作動ガス流路１２を介してノズル孔１２Ａに至るまでの容積に基づいてアーク維持時間ＴＤを設定してもよく、かかる場合に、切換えてからの経過時間を補正する構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明に係るプラズマ切断方法、プラズマ切断装置によれば、電極の寿命を延長することができるので産業上利用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
Ｗ  被加工材
Ｖ１３  切換弁（ガス切換部）
１  プラズマ切断装置
１０  プラズマトーチ
１１  ノズル本体
１２  作動ガス流路
１２Ａ  ノズル孔
１６  電極
５０  制御部
３１  酸素供給源（作動ガス供給源）
３２  窒素供給源（エンドガス供給源）
【図１】
2013202663.tif 000003
【図２】
2013202663.tif 000004
【図３】
2013202663.tif 000005
【図４】
2013202663.tif 000006
【図５】
2013202663.tif 000007
【図６】
2013202663.tif 000008
【図７】
2013202663.tif 000009
【図８】
2013202663.tif 000010
【図９】
2013202663.tif 000011
【図１０】
2013202663.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月16日(2013.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体と、を備えたプラズマトーチから、前記電極とワーク間に生じさせたアークによってプラズマ化した酸素からなる作動ガスを前記ノズル孔から噴射して被加工材を切断するプラズマ切断方法であって、
前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を維持して流しながら、前記作動ガスを窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスに切換え、前記作動ガス流路をエンドガスが流れた後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ切断方法であって、
前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスをエンドガスに切換えて前記作動ガス流路をエンドガスが流れてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＰを、ＴＰ≧０．２秒  とすることを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のプラズマ切断方法であって、
前記プラズマトーチが、前記被加工材に設定された切断軌跡の終点に到達する所定時間前に通過する前記切断軌跡の途中位置において、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスを前記エンドガスに切換えるとともに、前記プラズマトーチが前記切断軌跡の終点に到達したときに前記定常アーク電流を停止することを特徴とするプラズマ切断方法。
【請求項４】
電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体とを有するプラズマトーチと、
酸素からなる作動ガスを供給する作動ガス供給源と、
窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスを供給するエンドガス供給源と、
前記作動ガス供給源又は前記エンドガス供給源と、前記作動ガス流路との接続を選択的に切換えるガス切換部と、
制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を維持して流しながら、前記ガス切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換え、前記作動ガス流路をエンドガスが流れた後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマ切断装置であって、
前記制御部は、
前記切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換えて前記作動ガス流路をエンドガスが流れてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＰを、ＴＰ≧０．２秒  とすることを特徴とすることを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のプラズマ切断装置であって、
前記プラズマトーチが、前記被加工材に設定された切断軌跡の終点に到達する所定時間前に通過する前記切断軌跡の途中位置において、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスを前記エンドガスに切換えるとともに、前記プラズマトーチが前記切断軌跡の終点に到達したときに前記定常アーク電流を停止するように構成されていることを特徴とするプラズマ切断装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載のプラズマ切断装置であって、
前記ガス切換部は、前記プラズマトーチの基端部近傍に配置され、作動ガス側からエンドガス側に切換えてエンドガスが前記作動ガス流路を流れるまでの時間ＴＸを、ＴＸ≦０．５秒  と設定されていることを特徴とするプラズマ切断装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体と、を備えたプラズマトーチから、前記電極とワーク間に生じさせたアークによってプラズマ化した酸素からなる作動ガスを前記ノズル孔から噴射して被加工材を切断するプラズマ切断方法であって、前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を維持して流しながら、前記作動ガスを窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスに切換え、前記作動ガス流路をエンドガスが流れた後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
請求項４に記載の発明は、電極と、供給された作動ガスをノズル孔に導く作動ガス流路が形成されたノズル本体とを有するプラズマトーチと、酸素からなる作動ガスを供給する作動ガス供給源と、窒素濃度７８％以上の窒素含有ガスからなるエンドガスを供給するエンドガス供給源と、前記作動ガス供給源又は前記エンドガス供給源と、前記作動ガス流路との接続を選択的に切換えるガス切換部と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記被加工材を切断する際の定常アーク電流を維持して流しながら、前記ガス切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換え、前記作動ガス流路をエンドガスが流れた後に前記定常アーク電流を停止することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ切断方法であって、前記定常アーク電流を流しながら前記作動ガスをエンドガスに切換えて前記作動ガス流路をエンドガスが流れてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＰを、ＴＰ≧０．２秒  とすることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のプラズマ切断装置であって、前記制御部は、前記切換部により前記作動ガスを前記エンドガスに切換えて前記作動ガス流路をエンドガスが流れてから前記定常アーク電流を停止するまでのアーク維持時間ＴＰを、ＴＰ≧０．２秒  とすることを特徴とすることを特徴とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項４〜６のいずれか１項に記載のプラズマ切断装置であって、前記ガス切換部は、前記プラズマトーチの基端部近傍に配置され、作動ガス側からエンドガス側に切換えてエンドガスが前記作動ガス流路を流れるまでの時間ＴＸを、ＴＸ≦０．５秒  と設定されていることを特徴とする。