(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマアークによりワークを切断する方法において、
酸素を含有した作動ガスを使用して前記プラズマアークを形成するステップと、
前記プラズマアークの周囲に前記作動ガスより低い酸素濃度をもつ二次ガス流を供給して二次ガスカーテンを形成するステップと、
前記二次ガスカーテンの周囲に前記二次ガスより高い酸素濃度をもつ三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを形成するステップと
を有するプラズマ切断方法。
【請求項２】
前記作動ガスが、空気、体積比率２０％以上の酸素を含有する混合ガス、又は酸素ガスである請求項１記載のプラズマ切断方法。
【請求項３】
前記二次ガスが、空気、体積比率２０％以下の酸素を含有する混合ガス、又は酸素を含有しない非酸化ガスである請求項１又は２記載のプラズマ切断方法。
【請求項４】
前記三次ガスが、体積比率２０％以上の酸素を含有する混合ガス、又は酸素ガスである請求項１、２又は３記載のプラズマ切断方法。
【請求項５】
前記二次ガスカーテンの周囲に前記三次ガスカーテンを形成するステップに代えて、前記二次ガスカーテンの切断方向後方の切断溝に前記三次ガス流を供給するステップを有する請求項１記載のプラズマ切断方法。
【請求項６】
プラズマトーチと、前記プラズマトーチに作動ガス、二次ガス及び三次ガスを供給するガス供給系統とを備え、
前記プラズマトーチは、
酸素を含有した前記作動ガスのプラズマアークを噴射するノズルと、
前記ノズルから噴射されるプラズマアークの周囲に、前記作動ガスより低い酸素濃度をもつ二次ガス流を供給して二次ガスカーテンを形成する二次ガスカーテン形成機構と、
前記二次ガスカーテン形成機構によって形成される前記二次ガスカーテンの周囲又は切断方向後方に、前記二次ガスより高い酸素濃度をもつ三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを形成する三次ガスカーテン形成機構と
を備えたプラズマ切断装置。
【請求項７】
前記作動ガスが、空気、体積比率２０％以上の酸素を含有する混合ガス、又は酸素ガスであり、
前記二次ガスが、空気、体積比率２０％以下の酸素を含有する、又は酸素を含有しない非酸化ガスであり、
前記三次ガスが、体積比率２０％以上の酸素を含有する混合ガス又は酸素ガスである、
請求項６記載のプラズマ切断装置。
【請求項８】
作動ガス通路と、この作動ガス通路に連通し作動ガスのプラズマアークを噴射するノズルオリフィスとを有するノズルと、
二次ガス通路と、この二次ガス通路と連通し前記プラズマアークの周囲に二次ガス流を噴出して二次ガスカーテンを形成する二次ガス噴出口とを有する二次ガスカーテン形成機構と、
三次ガス通路と、この三次ガス通路と連通し前記二次ガスカーテンの周囲又は切断方向後方に三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを形成する三次ガスカーテン形成機構と
を備え、
前記作動ガスが酸素を含有し、前記二次ガスが前記作動ガスより低い酸素濃度をもち、前記三次ガスが前記二次ガスより高い酸素濃度をもつ、
プラズマ切断トーチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、プラズマアークによる切断技術に関し、特に、良好な切断品質を得るためにプラズマアークの周囲にガスカーテンを供給しながら切断を行う技術の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
作動ガス（プラズマガス）として酸素ガス又は酸素を多量に含んだガスを使用したプラズマアークを用いて切断を行う酸素プラズマ切断法は、低合金鋼や低炭素鋼（軟鋼）の切断に好適である。この酸素プラズマ切断法において、プラズマアークの周囲に、空気よりも酸素リッチな成分をもった二次ガスのカーテンを形成することにより、切断品質を向上させる（特にドロス付着を低減させる）技術が知られている。プラズマ切断法における切断最前面は、プラズマアークから少し外れた場所（すなわち、プラズマアークが周囲の雰囲気を巻き込んでいる場所）であるため、プラズマアークの周囲を酸素リッチな雰囲気で覆うことにより、切断箇所の酸素濃度が高くなって溶融金属の酸化が促進し、溶融金属の流動性が増してドロスが排除され易くなるからである。
【０００３】
この種の従来技術として、特開昭５９−２２９２８号に、作動ガスとして純酸素を使用したプラズマアークの周囲に純酸素ガスのカーテンを形成するようにした酸素プラズマ切断法が開示されている。しかし、この純酸素カーテンを使用する方法では、ワークの燃焼反応が活発になりすぎて切断溝が広くなり過ぎたり切断面が荒れるなどの問題が生じる（バーニングの発生）、そのため、この方法は、切断面の荒れが余り問題にならない厚させいぜい１ｍｍ程度の薄板にしか適用できず、よって実用化されていない。
【０００４】
この問題を解決するため、特表平６−５０８７９３号や特開平７−５１８６１号に開示されたプラズマ切断方法は、アーク周囲に送給される二次ガスに、酸素と窒素（又は酸素と空気）の混合ガスを用いる。ここで、二次ガス中の酸素の比率（流量比率つまり体積比率）は、特表平６−５０８７９３号のもので４０％〜９０％（好ましくは2／３）、特開平７−５１８６１号のもので６０％であり、いずれも純酸素よりは酸素濃度が低いが、空気（酸素比率約２０％）よりは酸素リッチである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の混合ガスを二次ガスに用いた酸素プラズマ切断法では、混合ガスの酸素比率を、バーニングが起きない範囲内でできるだけ大きく設定して、可能な限り切断品質の改善（特にドロス付着の低減）を図ることになる。しかし、バーニングが起きないようにするためには、板厚や切断速度などの切断条件に合わせて、混合ガス組成を微妙に調整しなけらばならず、その調整が煩雑である。
【０００６】
また、ドロス付着を低減するには、酸素による燃焼反応を促進させることが望ましいが、切断溝に供給する酸素量がバーニングが生じない範囲内に制限されるため、酸素による燃焼反応を最良の条件で活用することができず、ドロス付着を完全に無くすことができない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、バーニングを防止しつつドロス付着を効果的に低減することができるプラズマ切断技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の別の目的は、板厚や切断速度などの切断条件が変化しても、ガス組成の微妙な調整が必要ではないプラズマ切断技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に従うプラズマ切断方法は、酸素を含有した作動ガスを使用してプラズマアークを形成するステップと、プラズマアークの周囲に作動ガスより低い酸素濃度をもつ二次ガス流を供給して二次ガスカーテンを形成するステップと、二次ガスカーテンの周囲に二次ガスより高い酸素濃度をもつ三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを形成するステップとを有する。
【００１０】
このプラズマ切断方法によれば、バーニングを防止しつつドロス付着を低減することができる。その理由は、（確証があるわけではないが）次の通りと推測される。すなわち、プラズマアークの周囲に形成される酸素濃度の低い二次ガスカーテンが、プラズマアークによる熱源（ワークを溶かし切断し得る高温で酸素濃度の高い領域）がプラズマアークより外側へ大きく拡大することを抑制して熱源分布をシャープにするため、バーニングが防止され、シャープな切れ味が得られる。それに加え、二次ガスカーテン外周の酸素濃度の高い三次ガスカーテンが、切断直後の切断面に存在するドロスの酸化を促進して、ドロスの流動性や剥離性を高めるため、ドロス付着が低減される。結果として、良好な切断品質が得られる。更には、二次ガスカーテンがバーニングを防止するため、板厚や切断速度などの切断条件が変わっても、バーニングとの兼ね合いでガス組成を微調整する必要はもはや無く、三次ガスの酸素濃度或いは酸素流量をドロス付着を無くす目的にとって最適値にまで高めることができる。
【００１１】
好適な実施形態では、作動ガスとして、空気、体積比率２０％以上の酸素を含有する混合ガス（例えば、酸素と非酸化ガス（例えば窒素）の混合ガス、酸素と空気の混合ガスなど）、又は酸素ガスを用いる。二次ガスとして、空気、体積比率２０％以下の酸素を含有する混合ガス、又は酸素を含有しない非酸化ガス（例えば窒素）を用いる。三次ガスとして、体積比率２０％以上の酸素を含有する混合ガス（例えば、酸素と非酸化ガス（例えば窒素）の混合ガス、酸素と空気の混合ガスなど）、又は酸素ガスを用いる。このような酸素濃度のガスを用いることで、上述したバーニングを防止し且つドロス付着を低減するという目的を特に効果的に達成することができる。
【００１２】
好適な別の実施形態では、三次ガスカーテンを、二次ガスカーテンの全周囲ではなく、二次ガスカーテンの切断方向後方に形成する。このようにしても、切断直後の切断溝に酸素リッチな三次ガスが供給されるので、ドロス付着を低減することができる。
【００１３】
本発明の第２の観点に従うプラズマ切断装置は、プラズマトーチと、このプラズマトーチに作動ガス、二次ガス及び三次ガスを供給するガス供給系統とを備える。プラズマトーチは、作動ガスのプラズマアークを噴射するノズルと、ノズルから噴射されるプラズマアークの周囲に二次ガス流を供給して二次ガスカーテンを形成する二次ガスカーテン形成機構と、二次ガスカーテン形成機構によって形成される二次ガスカーテンの周囲又は切断方向後方に三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを形成する三次ガスカーテン形成機構と備える。
【００１４】
本発明の第３の観点に従うプラズマ切断トーチは、作動ガス通路と、この作動ガス通路に連通し作動ガスのプラズマアークを噴射するノズルオリフィスとを有するノズルと、二次ガス通路と、この二次ガス通路と連通しプラズマアークの周囲に二次ガス流を噴出して二次ガスカーテンを形成する二次ガス噴出口とを有する二次ガスカーテン形成機構と、三次ガス通路と、この三次ガス通路と連通し前記二次ガスカーテンの周囲又は切断方向後方に三次ガス流を供給して三次ガスカーテンを形成する三次ガスカーテン形成機構とを備える。
【００１５】
本発明のプラズマ切断装置又はプラズマ切断トーチによれば、作動ガスのプラズマアークの周囲に二次ガスカーテンと三次ガスカーテンの２重のガスカーテンをもった３層構造のガス流を形成することができる。このプラズマ切断装置又はプラズマ切断トーチに供給される作動ガス、二次ガス、三次ガスの組成の組み合わせには様々なバリエーションが考え得るが、一例として、作動ガスとして酸素濃度の比較的に高いガスを用い、二次ガスとして酸素濃度の低いガスを用い、三次ガスとして酸素濃度の比較的高いガスを用いることができる。そうすると、上述したようにバーニングを防止し且つドロス付着を低減するという効果を得ることができる。また、プラズマアークを旋回流とし且つ二次ガスカーテンも同方向に旋回する旋回流とすることにより、二次ガスの旋回強度の調節で切断面のベベル角を所望値に調整できるという効果が得られる。その際、三次ガスカーテンも旋回させるか旋回させないかの選択もできる。三次ガスを旋回させることにより、二次ガス旋回によるベベル角調整の作用を更に補助することができるだけでなく、三次ガスカーテンの均一性を高めることができる。
【００１６】
また、本発明のプラズマ切断装置又はプラズマ切断トーチは、酸素プラズマ切断法だけでなく、ステンレス鋼のように酸化によって切断品質が劣化する材料の切断に使用される、非酸化性の作動ガスに使用したプラズマ切断法にも適用することができる。ステンレス鋼のプラズマ切断では、窒素やアルゴンなどの非酸化性の作動ガスを用いたプラズマアークを、やはり窒素などの非酸化性の二次ガスカーテンで覆い、この二次ガスカーテンにより切断箇所を外の空気からシールドして切断面の酸化を防いでいる。しかし、二次ガスカーテンに巻き込まれる外気が多少はあるため（特に、上記のようにベベル角を調整するために二次ガスを旋回流とする場合は尚更である）、極めて大量の二次ガスを流さない限り、外気から切断面を十分にシールドすることが難しい。これに対し、本発明のプラズマ切断装置又はプラズマ切断トーチは、二次ガスカーテンの外側に更に三次ガスカーテンがあるため、二次ガスと三次ガスのカーテンを共に窒素などの非酸化性ガスカーテンとすることにより、この２重の非酸化性ガスカーテンによって、従来より少ないシールドガス量で十分なシールド効果を得ることができる。特に、上記のようにベベル角を調整するために二次ガスカーテンを旋回流とした場合には、この旋回する二次ガスカーテンの外側に三次ガスカーテンが存在して外気を二次ガスカーテンに直接触れさせないようにすることで、従来技術と比較したときのシールド効果は特に大きい。
【００１７】
このように、プラズマアークの外側に二次ガスカーテン及び三次ガスカーテンの２重のガスカーテンを形成することの効果は、従来技術からは期待できない格別のものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断法で使用するプラズマトーチの概略的な断面構造を示す。
【００１９】
プラズマトーチ１は、全体として概略的に多重円筒形であり、その中心位置に概略円柱形の電極３を有し、この電極３の外側に概略円筒形のノズル５が被さり、ノズル５の外側に概略円筒形の第１のノズルキャップ７が被さり、更に、第１のノズルキャップ７の外側に概略円筒形の第２のノズルキャップ９が被さっている。２つのノズルキャップ７、９は、ノズル５から電気的に絶縁されている。
【００２０】
電極３はその内部に、冷却水が通る冷却水路１１を有し、そのプラズマアークの点火点となる先端部には、プラズマアークの高熱に耐え得る高融点材料製、例えばハフニウムやジルコニウム製の耐熱インサート１９を有している。
【００２１】
電極３とノズル５との間には作動ガス通路１３が形成されており、作動ガスは図示しない作動ガス供給系統によってトーチ基端側から作動ガス通路１３内に供給されてトーチ先端へ向かって流れる。作動ガス通路１３の途中に環状の作動ガススワラ２１がはめ込まれており、この作動ガススワラ２１を通るときに作動ガス流は旋回流となる。ノズル５の先端部には、プラズマアークを十分に細く絞ってジェット流にして先方へ噴出するための、十分に細い口径をもったノズルオリフィス３１が開けられている。ノズル５はこれを冷却するための冷却水路も有するが、図１では図示省略してある。
【００２２】
ノズル５と第１ノズルキャップ７との間に二次ガス通路１５が形成されており、二次ガスは図示しない二次ガス供給系統によってトーチ基端側から二次ガス通路１５内に供給されてトーチ先端へ向かって流れる。二次ガス通路１５の途中に環状の二次ガススワラ２３がはめ込まれており、この二次ガススワラ２３を通るときに二次ガス流は旋回流となる。二次ガス旋回流の旋回方向は作動ガス旋回流の旋回方向と同一である。第１ノズルキャップ７の先端部には、二次ガスが噴出する二次ガス噴出口３３が開けられている。この二次ガス噴出口３３の口径はノズルオリフィス３１の口径よりも大きい。つまり、この二次ガス噴出口３３はノズルオリフィス３１を包囲した環状の開口である。
【００２３】
第１ノズルキャップ７と第２ノズルキャップ９との間に三次ガス通路１７が形成されており、三次ガスは図示しない三次ガス供給系統によってトーチ基端側から三次ガス通路１７内に供給されてトーチ先端へ向かって流れる。三次ガス通路１７の途中に環状の三次ガススワラ２５がはめ込まれており、この三次ガススワラ２５を通るときに三次ガス流は旋回流となる。三次ガス旋回流の旋回方向は作動ガス旋回流の旋回方向と同一である。第２ノズルキャップ９の先端部には、三次ガスが噴出する三次ガス噴出口３５が開けられている。この三次ガス噴出口３５の口径は二次ガス噴出口３１の口径よりも大きい。つまり、三次ガス噴出口３５は二次ガス噴出口３３を包囲した環状の開口である。
【００２４】
ここで、ノズル５、第１ノズルキャップ７及び第２ノズルキャップ９という、いずれも電極３を囲み且つガスの噴出口を有した筒状の３種類の部品が存在するが、本明細書で「ノズル」という用語と「ノズルキャップ」という用語は、全く異なる役割をもつ部品を指す意味で用いることに注意されたい。すなわち、「ノズル」とは、プラズマアークを拘束し絞るための最も細いガス噴出口を有した部品であり、「ノズル」の上流側（内側）から供給されるガスは、（それが複数あっても）全てプラズマ化され、その意味で作動ガス又はプラズマガスと呼ばれる。一方、「ノズルキャップ」は、「ノズル」より下流側（外側）に存在し、ノズルのガス噴出口（ノズルオリフィス）より口径の大きいガス噴出口を有し、ノズルキャップとノズルとの間のガス通路からそのガス噴出口へ供給されるガスはプラズマ化されることはなく、シールドガスとしてプラズマアークに沿って流れプラズマアークを包囲する。本実施形態における二次ガス及び三次ガスはシールドガスとして機能する。このことは、例えば特開平９−２３９５４５号や特開平１０−３１４９５１号に開示された多重構造の「ノズル」をもった従来のプラズマトーチと混同することなく、本発明の実施形態を理解する上で重要である。
【００２５】
さて、上記構造のプラズマトーチ１において、電極３の先端部近傍へ流れて来た作動ガス旋回流はここでプラズマ化され、ノズルオリフィス３１を通って十分に細く絞られた高温高速ジェット流のプラズマアークとなってトーチ先方へ向かって噴出する。二次ガス噴出口３３からは、二次ガス旋回流がトーチ先方へ向かってプラズマアークの外周に噴出して、プラズマアークの外周に二次ガスカーテンを形成する。三次ガス噴出口３５からは、三次ガス旋回流がトーチ先方へ向かって二次ガスカーテンの外周に噴出して、二次ガスカーテンの外周に三次ガスカーテンを形成する。このように、作動ガスのプラズマアークを中心に、その外周を二次ガスカーテンが囲み、その外周を三次ガスカーテンが囲んだ３層構造のガス流が形成される。
【００２６】
ここで、作動ガスの酸素濃度をＮ１，二次ガスの酸素濃度をＮ２、三次ガスの酸素濃度をＮ３とすると、Ｎ１＞Ｎ２及びＮ２＜Ｎ３という条件を満たす。好ましくは、作動ガスには、酸素濃度が空気以上のガス、例えば、空気、純酸素ガス、酸素と窒素の混合ガスであって酸素比率が空気（酸素比率約２０％）より高いもの、又は酸素と空気の混合ガス等が使用される。三次ガスにも、酸素濃度が空気以上のガス、例えば、純酸素ガス、酸素と窒素の混合ガスであって酸素比率が空気（酸素比率約２０％）より高いもの、又は酸素と空気の混合ガス等が使用される。なお、作動ガスと三次ガスは同じ組成であってもよいが、異なる組成であってもよい。他方、二次ガスには、酸素濃度が空気以下のガス、例えば、純窒素のような非酸化性のガス、空気、又は酸素と窒素の混合ガスであって酸素比率が空気（酸素比率約２０％）より低いもの等が使用される。ここで、「比率」という用語は、ガスの流量比率つまり体積比率を指す意味で使用する。
【００２７】
図２は、作動ガス及び三次ガスとして純酸素ガス、二次ガスとして純窒素ガスを用いた場合の、上記の３層ガス流の酸素比率の変化をプラズマアーク中心からの半径方向の距離を横軸にとり模式的に示している。図示のように、プラズマアークは高い酸素濃度を有するが、その外側は酸素濃度が空気以下に一旦低下し（二次ガスカーテン）、更にその外側は酸素濃度が再び空気より濃くなる（三次ガスカーテン）。なお、上述の説明から分るように、作動ガス及び三次ガスに純酸素ガスを用い二次ガスに純窒素ガスを用いることは単なる一例に過ぎず、他の組成のガスの組み合わせも可能である。作動ガス及び三次ガスは、図２に点線で示す空気の酸素比率（２０％）以上に酸素を含有することが望ましく、二次ガスは空気の酸素比率以下で酸素を含有するか又は全く含有しないことが望ましい。他のガス組成の組み合わせの中の一つの好適例としては、作動ガスが酸素比率７０〜９５％程度の酸素と窒素（又は酸素と空気）の混合ガス、二次ガスが純窒素ガス、三次ガスが純酸素ガスという組み合わせがある。この組み合わせでは、作動ガスが酸素比率７０〜９５％程度の混合ガスであるため、純酸素ガスを用いた場合に比較して、遜色のない切断能力を維持しつつ電極の消耗が少ないという利点が得られる。また、切断中は上記の条件を満たすガスを用いるが、切断を開始する前のパイロットアーク形成時や、切断を終了してアークを消すときには、特に作動ガスには、上記条件より酸素濃度の低いガス又は全く酸素を含まないガス、例えば窒素ガスなどを用いることが、電極消耗を抑える上で望ましい。
【００２８】
図３及び図４は、このプラズマトーチ１を用いて鋼板４１を切断するときの切断箇所の状態を示す断面図及び平面図である。
【００２９】
上述したように、プラズマトーチ１から噴出した酸素リッチなプラズマアーク４３の外周を酸素濃度の低い二次ガスカーテン４５が覆い、その外周を酸素リッチな三次ガスカーテン４７が覆っている。図示の例では、プラズマトーチ１が鋼板４１に対して図中左から右へと移動しながら鋼板４１を切断しており、プラズマアーク４３の後に切断溝５１が形成されている。ここで、鋼板４１の切断最前面５３は、プラズマアーク４３の内部あるいは外縁ではなく、プラズマアーク４３の外縁の外側極く近傍に存在する。その理由は、プラズマアーク４３からの輻射と鋼板４１の熱伝導によって、切断最前面５３はプラズマアーク４３よりも先行するためである。本実施形態では、プラズマアーク４３を酸素濃度の低い二次ガスカーテン４５が囲んでおり、そして、この低温で酸素濃度の低い二次ガスカーテン４５の領域では、燃焼反応が抑えられ切断現象が進行しなくなるため、プラズマアーク４３による熱源（鋼板４１の金属を溶かし切断することができる高温かつ酸素濃度の高い領域）の分布が、二次ガスカーテン４５で囲まれたプラズマアーク４３の領域とその近傍だけに限定されたシャープな形状になる。因みに、従来技術のようにプラズマアークを空気より酸素リッチな雰囲気で囲んだ場合には、酸素リッチな雰囲気が金属の酸化を促進することにより、プラズマアークからある程度離れた領域にも金属を溶かすに足るエネルギーを供給することになり、熱源分布が不必要に大きく広がってしまい、バーニングの原因となる。本実施形態では、酸素濃度の低い二次ガスカーテン４５の存在によって、熱源分布がプラズマアーク４５の形に沿ったシャープなものとなるため切断溝５１が不必要に大きく広がることがなく（つまり、バーニングが抑制され）、シャープな切れ味が得られる。
【００３０】
更に、本実施形態では、二次ガスカーテン４５の外周を、空気より酸素リッチな三次ガスカーテン４７が覆っているため、切断直後の切断面５５は三次ガスカーテン５５内に入り、ここで切断面５５やその近傍に残っているドロスの酸化が促進される。ドロスは、酸化が促進すると表面張力が低下し流動性が高まるので、三次ガス噴流の力で容易に吹き飛ばされ、よってドロスの付着が低減する。また、切断面に多少のドロスが付着したまま凝固し残ったとしても、酸化が進んでいるために容易に剥離することができる。特に、酸素濃度の低い二次ガスカーテン４５によってバーニングが防止されるため、バーニングの制限を受けることなく、三次ガスの酸素濃度を高めて大量の酸素を切断溝５１に供給することができる。従って、バーニングの制限下で酸素濃度を抑えていた従来技術に比較して、より効果的にドロス付着を低減することができる。以上の結果、高い切断品質、つまり、バーニングも無く且つドロスの付着も少ない好ましい切断面が得られる。
【００３１】
また、板厚や切断速度などの切断条件が変化しても、ドロスの付着を防止するために単純に三次ガスの酸素濃度（酸素流量）を増やすだけでよく、従来技術のようにバーニングとの兼ね合いで微妙な調整が必要になることはない。
【００３２】
更に、本実施形態では、プラズマアーク４３を旋回流にすると共に、その外周の二次ガスカーテン４５及び三次ガスカーテン４７をプラズマアーク４３の旋回流と同一方向に旋回する旋回流としている。こうすると、二次ガスカーテン４５及び三次ガスカーテン４７の旋回強度（流量）を調節することで、切断面のベベル角を大きい可変範囲にわたって調節することが可能である。すなわち、図４に示すようにトーチから切断箇所を見たときに旋回方向を右回りにすると、二次ガスカーテン４５及び三次ガスカーテン４７の旋回強度を高めるに従って、プラズマアーク４３が切断方向に向かって右側へ傾いていくため、切断方向に向かって右側の切断面５７Ｒのベベル角がプラス値（鋼板４１の上面と切断面がなす角度が鈍角）からゼロ（同角度が直角）さらにはマイナス値（同角度が鋭角）へと変化していく。逆に、トーチから切断箇所を見たときに旋回方向を左回りにすると、二次ガスカーテン４５及び三次ガスカーテン４７の旋回強度を高めるに従って、プラズマアーク４３が切断方向に向かって左側へ傾いていくため、切断方向に向かって左側の切断面５７Ｌのベベル角がプラス値からゼロさらにはマイナス値へと変化していく。このベベル角調節機能があることによって、バーニングやドロスの点での切断品質向上だけでなく、所望のベベル角（典型的には０度）が得られることになり、一層の切断品質向上効果が得られる。なお、このベベル角調節機能を得るために本実施形態では、二次ガスカーテン４５及び三次ガスカーテン４７の双方を旋回流としているが、その一方だけを旋回流としてもよい。すなわち、例えば、二次ガスだけをプラズマアーク４３と同方向に旋回させ、三次ガスは旋回しない噴流としてもよい。ただ、三次ガスを旋回させると、二次ガスによるベベル角調整の作用を更に保持できるとともに、三次ガスカーテン４７の均一性を高めることができる。
【００３３】
図５及び図６は、上述した実施形態の変形例を示している。
【００３４】
図５に示すように、この変形例にかかるプラズマトーチ１は、三次ガスカーテン４７を形成するための構造において前述の実施形態と相違している。すなわち、第１ノズルキャップ７の切断方向後方の外側面に、三次ガスパイプカバー６１が取りつけられて、パイプ状の三次ガス通路６３が形成されている。この三次ガス通路６３のガス噴出口６５から三次ガス噴流が、二次ガスカーテン４５の切断方向後方の切断溝５１へ供給される。従って、二次ガスカーテン４５の切断方向後方側にだけ三次ガスカーテン４７が形成される。既に図３、４を参照して説明したと同様の原理に従い、酸素濃度の低い二次ガスカーテン４５によってバーニングが防止されると共に、酸素濃度の濃い三次ガスカーテン４７によってドロス付着が低減される。
【００３５】
図１に示した構造のプラズマトーチ１の別の適用として、ステンレス鋼の切断への適用がある。
【００３６】
軟鋼の切断では、これまで説明したように、鉄と酸素の燃焼反応の最適化を目的として、酸素濃度の高い作動ガス、酸素濃度の低い二次ガス及び酸素濃度の高い三次ガスというガスの組み合わせを用いている。これに対し、ステンレス鋼の切断では、酸素による燃焼反応の抑制が必要である。すなわち、ステンレス鋼の合金元素の一つであるクロムが酸化すると、溶融金属の流動性を阻害するクロム酸化物が生成され、切断品質の劣化を招く。そのため、ステンレス鋼のプラズマ切断では、通常、酸化を防止するため、作動ガスとして、酸素を含まない窒素を主体として、それにアルゴンや水素を添加した混合ガスを使う。ここで、水素を添加する理由は、空気中の酸素の影響を排除するためである。このステンレス鋼の切断では、図１に示した構造のトーチ１を用いて、作動ガス、二次ガス及び三次ガスを全て窒素やアルゴンなどの非酸化性のガスとすることが好ましい。従来、非酸化性の二次ガスカーテンを用いて空気中の酸素の悪影響を防止しようとしているが、更にその外側に非酸化性の三次ガスカーテンを設けることにより、二次ガスカーテンが外の空気に直接触れることが少なくなり、より効果的に切断雰囲気を空気からシールドできるので、より確実に空気中の酸素の悪影響を低減することができる。従来の二次ガスカーテンだけでシールドする方法に比較して、二次ガスと三次ガスの２重のカーテンでシールドする方法の方が、同等のシールド効果を得るために必要となるシールドガス流量がより少なくて済む。更に、特に空気に直接触れる三次ガスとして、水素を含むガスを用いると、より良好に酸化を阻止することができる。この方法によれば、三次ガスを全周にわたって供給するよりも、少ないガス量で同等の効果をえることができる。
【００３７】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、これらの実施形態はあくまで本発明の説明のための例示であり、本発明をこれら実施形態にのみ限定する趣旨ではない。従って、本発明は、上記実施形態以外の様々な形態でも実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるプラズマ切断法で使用するプラズマトーチの概略的な断面構造を示す断面図。
【図２】作動ガス（プラズマアーク）、二次ガス及び三次ガスの３層ガス流のガス組成の一例を、プラズマアークの中心からの半径方向の距離を横軸にとって模式的に示した説明図。
【図３】図１のプラズマトーチ１を用いて鋼板４１を切断するときの様子を示す鋼板の切断箇所の断面図。
【図４】このプラズマトーチ１を用いて鋼板４１を切断するときの様子を示す鋼板の切断箇所の平面図。
【図５】図１のプラズマトーチ１の変形例を用いて鋼板４１を切断するときの様子を示すトーチと鋼板の切断箇所の断面図。
【図６】図５の変形例にかかるプラズマトーチ１を用いて鋼板４１を切断するときの様子を示す鋼板の切断箇所の平面図。
【符号の説明】
１  プラズマトーチ
３  電極
５  ノズル
７  第１ノズルキャップ
９  第２ノズルキャップ
１３  作動ガス通路
１５  二次ガス通路
１７  三次ガス通路
２１  作動ガススワラ
２３  二次ガススワラ
２５  三次ガススワラ
３１  ノズルオリフィス
３３  二次ガス噴出口
３５  三次ガス噴出口
４１  鋼板（ワーク）
４３  プラズマアーク
４５  二次ガスカーテン
４７  三次ガスカーテン
５３  切断最前面
５５  ドロスの酸化が促進されている箇所
５７Ｒ  切断方向に向かって右側の切断面
５７Ｌ  切断方向に向かって左側の切断面
【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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