(57)【要約】【課題】  高速切断や厚肉切断に際して切断品質の改善と切断プロセスの安定化を可能とする加熱切断方法を提供する。【解決手段】  切断ガスを切断用ノズルに導入すると共に該切断用ノズルによって切断ガスを被加工物に導きながら切断ガスの体積流量を周期的に少なくとも減少させる形式の加熱切断方法。切断ガスの体積流量を７００Ｈｚ〜８０００Ｈｚの周波数範囲内で周期的に繰り返し変化させる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
切断ガスを切断用ノズルに導入すると共に該切断用ノズルによって切断ガスを被加工物に導きながら切断ガスの体積流量を周期的に少なくとも減少させる形式の加熱切断方法において、切断ガスの体積流量を７００Ｈｚ〜８０００Ｈｚの周波数範囲内で周期的に繰り返し変化させることを特徴とする加熱切断方法。
【請求項２】
切断ガスの体積流量を、定常的に揺動する圧力柱が形成されるように変化させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
切断ガスを、切断ノズルの上流側又は内部において周期的に繰り返し遮断することを特徴する請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
加熱切断を、自律的な燃焼火焔噴射によるガス切断法、レーザ燃焼切断法、レーザ溶融切断法、又はプラズマ切断法によって行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
切断ガスの体積流量を、１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚ、１２００Ｈｚ〜３０００Ｈｚ、又は１５００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの周波数範囲内で周期的に繰り返し変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
切断ガスの流れを機械的に少なくとも１つの弁又は電磁弁或いはピエゾ電気弁によって周期的に遮断又は低流量に切り換えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
更に付加的に切断ガスの組成を周期的に繰り返し変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
切断ガスとして、酸素、窒素、アルゴン、水素、又はこのれらのガスの少なくとも１種を含む混合ガスを使用することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
加熱切断をレーザ燃焼切断法によって行い、切断ガスとして酸素を使用することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
加熱切断をプラズマ切断法によって行い、プラズマバーナにプラズマガス及び二次ガスを供給すると共に、専ら二次ガスの体積流量を周期的に繰り返し減少させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱切断方法に関するものであり、更に詳しくは、切断ガスを切断用ノズルに導入すると共に該切断用ノズルによって切断ガスを被加工物に導きながら切断ガスの体積流量を周期的に少なくとも減少させる形式の加熱切断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加熱切断方法には種々のものが知られている。加熱切断では、被加工物の切断すべき部位に集中的なエネルギーを供給し、それによって被加工物の切断対象部位から材料を除去することにより被加工物を切断する。除去される材料は、切断用ノズルから噴射される切断ガスのジェット流によって切断対象部位から追い出される。
【０００３】
加熱切断方法は一種の非接触加工法であり、従って切断工具の消耗がないという利点を有する。
【０００４】
主な加熱切断方法には、加熱切断に必要なエネルギーの供給様式に応じて以下のように大別されたものがある。
【０００５】
先ず、一般的にガス切断法と呼ばれる方法は切断用ノズルからの自律的な燃焼火焔噴射による切断方式であり、この場合、被加工物の切断対象部位の材料はアセチレン等の可燃性切断ガスと酸素との燃焼火焔噴射又は可燃性切断ガスと空気との燃焼火焔噴射によって点火温度に加熱され、同時に切断用酸素ジェット流又は酸素含有切断ガスジェット流中において燃焼する。この切断のプロセスには、火焔噴射によるエネルギーに加えて、切断用酸素ジェット流又は酸素含有切断ガスジェット流中における材料の燃焼によるエネルギーが供給される。燃焼により生じるスラグ及び溶融材料は切断用酸素ジェット流又は酸素含有切断ガスジェット流の運動エネルギーによって切断対象部位から追い出される。
【０００６】
次にプラズマ切断法は、主にプラズマアークによって切断対象部位の材料を溶融し、同時に蒸発させる溶融プロセスによる切断方式である。プラズマアークとは、冷却されたノズルによって収縮されたイオン化電離ガスビームのことである。冷却による体積の収縮によってエネルギー密度の大きなプラズマビームが得られる。切断対象部位の材料は、切断開先内でプラズマビームにより瞬時に溶融され、同時にプラズマガスによって開先に生じた間隙から放出される。収縮のために必要なノズルの冷却は水によって行われ、或いはプラズマビームの外周を覆う二次ガスによっても行なわれることもある。この二次ガスは、プラズマアークの外周を取り囲むカーテンガスとして噴射され、従ってこのカーテンガスのジェット流によってプラズマアークは更に収縮され、その結果、切断品質及び切断速度が改善される。このような二次ガスを水冷ノズルに付加的な冷却ガスとして供給して動作するプラズマ切断装置は良好な切断能力を発揮することが知られている。二次ガスによるプラズマ切断の変形は微細ビームプラズマ切断を可能とし、この場合、プラズマビームは極めて強力に収縮される。更に冷却水を追加注入することによってプラズマビームを更に収縮させることも可能である。溶融されて流動性となった材料は、プラズマガスジェット流の大きな運動エネルギーによって切断対象部位から追い出される。二次ガスを利用した場合は、この二次ガスのジェット流も流動する材料を吹き飛ばす働きをする。プラズマガスとしては、殆どの場合、アルゴン、窒素、水素、或いはそれらの混合ガスが使用されている。プラズマガスに酸素を添加することも屡々であり、その場合、酸素は切断対象部位の材料の酸化にも寄与し、それにより追加的なエネルギーが材料に持ち込まれる。プラズマガスとして圧縮空気を使用して動作する装置も知られている。プラズマガスには、場合によっては二酸化炭素も添加される。二次ガスを利用する場合、この二次ガスとしては単一種類のガス又は前記のような混合ガスが使用される。これらのガスの組成の選択は、プラズマ切断の仕様、特に切断すべき加工物の厚さ及び材質によって決定される。
【０００７】
更に、レーザ切断法はレーザビームを切断工具とする切断方式である。そのためのレーザビームは指向性を有し、通常は切断ヘッド内のレンズによって被加工物の表面又は内部の切断対象部位に集束される。収束されたレーザビームは、その大きなエネルギー密度によって切断対象部位の材料を急速に加熱する。専らレーザビームのエネルギーによる切断法は一般にレーザー溶融切断法と呼ばれ、その場合、溶断プロセスでは材料がその溶融温度以上に加熱され、昇華切断プロセスでは材料がその蒸発温度以上に加熱される。レーザビームによる燃焼切断も可能であり、その場合は被加工物の切断対象部位に酸素ジェット流が導かれ、それにより燃焼切断に必要なエネルギーが加熱された材料の酸素による燃焼によって付加的に与えられる。この場合、切断対象部位の材料はレーザビームの照射によって持続的に点火温度以上に加熱されつつ、供給酸素によって燃焼される。レーザビームによる燃焼切断の際には、切断開先内で溶融した材料は切断ガスとして導かれる酸素ジェット流によって開先の間隙から追い出される。また溶融材料以外に、燃焼で生じるスラグも酸素ジェット流によって開先の間隙から追い出される。レーザ燃焼切断法の場合には切断ガスとして酸素が使用されるが、それ以外のレーザ溶融切断法の場合の切断ガスとしては、殆どの場合、窒素、アルゴン、ヘリウムなどが使用され、場合によっては圧縮空気も使用される。レーザビームは、比較的薄肉の金属や非金属材料を切断するのに理想的な工具である。切断すべき材料の肉厚が増加するに伴ってレーザビームによる切断速度は大幅に低下する。例えばレーザ燃焼切断法では約２ｍｍの肉厚の板を切断する速度は、同材質で約１５ｍｍの肉厚の板を切断する場合のほぼ６倍に達する。
【０００８】
レーザビームによる切断に際して、切断ガスを乱流ジェットとして切断開先に供給することにより切断速度を高速化することは既に知られている。例えば特許文献１によれば、レーザ加工ヘッドによって主ブースターガスジェットと補助ブースターガスジェットをガス流全体として乱流となるように切断対象部位へ供給するレーザ切断装置が公知である。更に特許文献２によれば、切断ヘッドの位置をレーザビーム光軸上で平均値に対して変調変位させることによって切断速度又は切断肉厚を増加可能としたレーザ切断法が公知である。この場合、詳述されてはいないが、レーザ出力やガス圧力の変調も同様に有効であることが示唆されている。特許文献３に開示されているレーザ切断法においては、レーザ加工ヘッドから切断対象部位へ噴射される切断ガスジェットを音波や電気的なガス放電によって圧力変調している。
【特許文献１】独国特許出願公開第４３３６０１０号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００４０５２３２３号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００５０４９０１０号明細書
【０００９】
プラズマ切断に対しては、プラズマアークの基準電流を変化させることによってプラズマビームをパルス状に変調することが特許文献４によって公知である。また特許文献５によれば、ミシン目状に切断又は溶接することができるように超音波プラズマビームを変調することが公知である。この場合、プラズマビームの出力密度は切断又は溶接のための閾値の上下に交互に変化され、これは、プラズマガスジェット流の圧力又はプラズマアークの駆動電力の変調によって行われる。
【特許文献４】ソ連国特許第１６８３９２７号明細書
【特許文献５】英国特許第２１９４１９０号明細書
【００１０】
自律的な燃焼火焔噴射によるガス切断に対しては、切断開先内に切断ガスを乱流で流す方法が特許文献６によって公知である。この場合、切断ガスの乱流は弁による脈動又はその他の断続的なガス流によって発生される。また特許文献７には、自律的な燃焼火焔によるガス切断法において主酸素ジェットに対して所定角度で合流するように補助酸素脈動ジェットを合流させることが開示されている。更に特許文献８には、切断トーチに脈動する補助ガスジェットを供給するガス切断、特にレーザ燃焼切断のための装置及び方法が記載されている。
【特許文献６】独国特許出願公開第１０１４８１６８号明細書
【特許文献７】ソ連国特許第８１２４６１号明細書
【特許文献８】欧州特許出願公開第５３３３８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、特に高速切断や厚肉切断に際して切断品質の改善と切断プロセスの安定化を可能とする加熱切断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】
この課題は、本発明によれば、切断ガスを切断用ノズルに導入すると共に該切断用ノズルによって切断ガスを被加工物に導きながら切断ガスの体積流量を周期的に少なくとも減少させる形式の加熱切断方法において、切断ガスの体積流量を７００Ｈｚ〜８０００Ｈｚの周波数範囲内で周期的に繰り返し変化させることによって解決される。周期的な繰り返し周波数は高周波数側が特に有利である。本発明によれば、切断面と切断縁の品質は従来公知の方法に対して明らかに改善できることが確認されている。切断プロセスの安定性と再現性も更に向上する。切断の開先間隙からの液状材料の追い出しは、従来法による場合よりも迅速に均一且つ完全に行なわれる。このようなプロセス面における改善は、切断品質を損ねることなく切断速度を更に高速化し、或いは切断速度が同等の場合には切断品質を向上させることを可能にするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による加熱切断方法において、切断ガスの体積流量の変化は、定常的に揺動する圧力柱が形成されるように行われると有利である。即ち、定常的に揺動する圧力柱は切断ガスのジェット流中に定在波を形成し、この定在波が加熱切断プロセスに特に有利に作用し、最適な圧力分布及び被加工物に対する増強された力の伝達を可能にする。定在波として生じる圧力柱は、切断中に切断開先を通じて定常的に繰り返し加圧され、このことは、従来公知の方法に対して明かな改善をもたらすものである。。
【００１４】
本発明の有利な実施形態によれば、切断ガスは、切断ノズルの上流側又は内部において周期的に繰り返し遮断される。
【００１５】
切断ガスの供給を周期的に遮断する操作は本発明の有利な実施形態を成すものである。但し、本発明の利点は、切断ガスを周期的に遮断、即ち切断ガスの体積流量を周期的にゼロにする場合に限らず、切断ガスの体積流量を周期的にゼロ以上の或る低流量に減じるだけの場合であっても明確に現われる。このためには、例えば切断ガスの体積流量を周期的に１／２又は１／３に減少させれば充分である。切断ガスを遮断又は低流量に減じると、結果として切断対象部位における切断ガスの圧力が低下する。本発明の基本理念の範疇において、切断対象部位における切断ガスの圧力を周期的に初期切断ガス圧力、即ち切断ガスの最大圧力のほぼ１０％〜５０％の値に低下させることは特に有利である。
【００１６】
本発明の基本理念に従って、切断ガスの体積流量を高い周波数で周期的に繰り返し変化させることは、あらゆる加熱切断方法にとって有利であることが確認されている。それにより生じる切断ガスの周期的な圧力変化挙動は、これら各種の加熱切断方法において切断開先からの液状化材料の追い出し過程を改善する。また、切断用酸素ジェット流又は酸素含有切断ガスジェット流中における被加工物材料の燃焼を伴う加熱切断方法においては、燃焼で生じたスラグの追い出しも付加的に支援されることは述べるまでもない。
【００１７】
従って、本発明による加熱切断方法は、自律的な燃焼火焔によるガス切断法、レーザ燃焼切断法、レーザ溶融切断法、又はプラズマ切断法に特に有利に適用される。
【００１８】
本発明の特に有利な実施形態によれば、切断ガスの体積流量を周期的に繰り返し変化させるための周波数は、１０００Ｈｚ〜５０００Ｈｚ、望ましくは１２００Ｈｚ〜３０００Ｈｚ、特に望ましくは１５００Ｈｚ〜２０００Ｈｚの範囲内である。これらの範囲内において特に良好な結果が得られることが確認されている。
【００１９】
切断ガスの体積流量を周期的に繰り返し変化させるためには少なくとも少なくとも１つの弁を用い、特に望ましくは電磁弁又はピエゾ電気弁を用いて機械的に切断ガスの流れを周期的に遮断又は低流量に切り換えることが好ましい。ここで、切断ガスの体積流量は切断開先内で高周波数の周期的な圧力変化が生じるように少なくとも１つの弁によってサイクル制御される。従って、切断加工ヘッドのノズル内で切断ガス流に付加的に加えられる別の脈動ガス流によるサイクル制御も可能である。サイクル制御用のベントして周期的動作の繰り返し周波数を無段階に制御又は調整可能な弁を使用することは特に有利である。別の変形形態として、少なくとも１つの別のガス流を脈動させて供給することも可能であり、ガス流のバイパス流量を脈動させることも可能である。
【００２０】
本発明の別の有利な実施形態によれば、更に付加的に切断ガスの組成が周期的に繰り返し変化される。
【００２１】
本発明において、切断ガスの体積流量及び場合によっては組成の周期的な繰り返し変化は一定の繰り返し周波数で行うことが有利である。
【００２２】
特に切断ガスの体積流量の周期的な繰り返し変化は一定の振幅で行うことが好ましい。
【００２３】
本発明の特に好適な実施形態によれば、切断ガスの体積流量及び場合によっては組成が一定の繰り返し周波数で周期的に変更される。ｘｙ直交座標グラフの時間軸上における切断ガスの体積流量の変化は、例えば少なくとも部分的に方形波、三角形波、又はサイン波状の波形、或いはそれらの組み合わせ波形よって表せるものとすることができる。同様に切断ガスの組成、例えば二成分プロセスガスの切り換えも、時間軸に沿って任意の波形、特に前記各波形で表せるものとすることができる。この場合、ｙ軸上に切断ガスの体積流量及び場合によっては組成成分を、ｘ軸上に時間をそれぞれ割り当てたｘｙ直交座標グラフ上で切断ガス又はプロセスガスの周期的な繰り返し変化を区別して表すことができる。
【００２４】
切断ガスの体積流量及び場合によっては組成の周期的な繰り返し変化は、切断工程の全期間に亘って一定の繰り返し形態とするほかに、繰り返し形態自体を周期的に変更して繰り返す形態としてもよい。
【００２５】
切断ガスとしては、酸素、窒素、アルゴン、水素、又はこれらのガスの少なくとも１種を含む混合ガスを使用することが好ましい。二酸化炭素も利用可能である。
【００２６】
本発明によれば、特に加熱切断をレーザ燃焼切断法で行い、切断ガスとして酸素を使用した場合に顕著な効果を奏することができる。即ち、特にレーザ燃焼切断の場合は酸化膜の形成による切断プロセスの妨害が懸念されるが、本発明によれば切断ガスとしての酸素ジェット流の体積流量が高周波数で周期的に繰り返し変化することによってジェット流中に定在波が形成され、この定在波によって振動する流体力が被加工物の切断対象部位に伝達され、従ってこの振動がレーザ燃焼切断の際に特に切断開先の間隙における酸化膜の形成及びスラグの形成による悪影響を除去するのに効果的に作用する。
【００２７】
加熱切断をプラズマ切断法で行う場合、プラズマガス及び二次ガスを用いるプラズマバーナを使用する限り、プラズマガス及び二次ガスは本発明による周期的な繰り返し変化の変調対象とすることができる。但し、加熱切断をプラズマ切断法で行う場合は、プラズマバーナにプラズマガス及び二次ガスを供給すると共に、専ら二次ガスの体積流量を本発明に従って周期的に繰り返し減少させ、プラズマガスは切断プロセスの全期間に亘って時間的に変化しない一定の流量で切断対象部位に向かって噴射することにより、本発明による利点が特に明確に現われる。二次ガスを用いないプラズマバーナを使用する場合は、本発明に従ってプラズマガスの体積流量を周期的に繰り返し変化させればよい。
【００２８】
本発明において、例えば切断ガスとして酸素を使用する場合、切断用酸素ジェットを周期的に繰り返し遮断すると酸素ジェット流の体積流量が対応して周期的に変化する。酸素ジェット流の周期的な繰り返し遮断のために例えばパルス電流で電気的に励振されるピエゾ振動素子によって弁の開閉駆動を行うピエゾ電気弁を使用することは特に有利であり、既に述べたような好適な周波数範囲で高速に繰り返し開閉動作を果たすことのできるピエゾ電気弁は市販されている。勿論、ピエゾ電気弁以外にも、高速動作する電磁弁も使用可能であるが、切断ガス又は二次ガスに可燃性ガスを使用する場合は完全な防爆性能が要求される。
【００２９】
本発明において、切断ガスとして窒素と酸素とを加工ヘッドで混合して用いる場合、切断ガス中の酸素の割合、従って切断ガスの組成を周期的に変更するために、例えば酸素の供給を周期的に繰り返し遮断したり、或いは酸素の供給流量を周期的に繰り返し減じたりすることができ、それにより供給酸素の体積流量を周期的に繰り返し変化させることが可能である。この場合、更に付加的に切断ガス全体の体積流量を周期的に繰り返し変化させることによって切断のプロセスを更に最適化することも可能である。