JP2000246449A - プラズマ加工方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピアス加工時におけるプラズマトーチ、機械
本体等のスパッタによる損傷を防ぎ、厚板におけるピア
ス加工を可能にし、加工効率を向上する。 【解決手段】 ピアシング開始時にプラズマトーチ２７
からワークＷにパイロットアークＡｐを発生させ、プラ
ズマアークの発生出力を増大せしめてパイロットアーク
ＡｐからメインアークＡｍに移行する。メインアークＡ
ｍの発生出力が徐々に増大するに伴ってワークＷに対す
るプラズマトーチ２７の高さをワークＷの表面近くから
徐々に上昇させながら、ガス噴射ノズル３７からのガス
ＧｃをメインアークＡｍのプラズマアークに横方向から
吹き付けてプラズマアークを意図的に曲げて変形させ
る。そのため、プラズマトーチ２７のノズル２９の真下
ではピアス穴ＰＨが開けられないので、プラズマトーチ
２７や機械本体はスパッタＳＰから守られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ加工方法
及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示されてい
るようなプラズマ加工装置におけるプラズマアークによ
る切断加工においては、切断加工の初めにはピアス穴Ｐ
Ｈが加工される。このピアス穴ＰＨを加工するために
は、超音波センサ、接触式センサ等のトーチ高さ検出装
置によりプラズマトーチ１０１の高さが検知され、この
検知されるプラズマトーチ１０１の先端部の高さがワー
クＷの表面からそれぞれの加工条件におけるピアス加工
高さに位置するように移動される。この状態でプラズマ
アークが点火され、図６（Ａ）に示されているように電
極１０３とノズル１０５の間にパイロットアークＡｐの
プラズマアークが発生する。

【０００３】プラズマ用ガスＧｐやシールドガスＧｓは
鉛直下向きに噴出されるので、図６（Ｂ）に示されてい
るようにパイロットアークＡｐがプラズマ用ガスＧｐに
よって移動されてワークＷに達する。プラズマアークの
発生出力が増大されることにより図６（Ｃ）に示されて
いるようにパイロットアークＡｐからメインアークＡｍ
に移行されピアス穴ＰＨが開けられる。

【０００４】ピアス穴ＰＨが貫通された後に、プラズマ
トーチ１０１は軸移動されながら切断高さに移行され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のプラ
ズマ加工方法においては、ピアス穴ＰＨが貫通されてい
ない状態では、ピアス加工時にプラズマ用ガスＧｐやシ
ールドガスＧｓがワークＷの表面に対して垂直に噴出さ
れるのでプラズマアークによって溶解された被切断材が
図７及び図８に示されているように吹き付けられるプラ
ズマ用ガスＧｐやシールドガスＧｓにより全て表面側つ
まりプラズマトーチ１０１側にスパッタＳＰとなって吹
き上げられてしまう。

【０００６】そのために、ワークＷの板厚が厚くなれば
なるほどスパッタＳＰの量が増大し、穴や壁面に沿って
吹き上がったスパッタＳＰにより、消耗品、プラズマト
ーチ１０１、ひいては機械本体１０７まで破損されてし
まうという問題点があった。

【０００７】さらに、上記の理由から、一般的にプラズ
マ加工では切断可能な板厚に比べてピアス穴ＰＨの加工
可能な板厚が小さいものであった。そのために、ワーク
Ｗがある一定以上の板厚になると、機械加工による穴あ
け等の前加工を行ったり、端面からプラズマ切断加工を
行ったりするなど、切断加工に制約が生じるという問題
点があった。

【０００８】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、ピアス加工時のプラズマアー
クを意図的に曲げてスパッタの吹き上げ方向をコントロ
ールすることにより、消耗品、プラズマトーチ、機械本
体等のスパッタによる損傷を防ぎ、厚板におけるピアス
加工を可能にし、加工効率を向上させるプラズマ加工方
法及びその装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１によるこの発明のプラズマ加工方法は、プラ
ズマ加工によりワークにピアシング加工開始する際に、
プラズマトーチからワークにパイロットアークを発生せ
しめ、プラズマアークの発生出力を増大せしめてパイロ
ットアークからメインアークに移行し、このメインアー
クの発生出力を増大するに伴って前記ワークに対する前
記プラズマトーチの高さを上昇せしめると共に、前記メ
インアークのプラズマアークに横方向からガスを吹き付
けてピアス穴を長穴形状に形成せしめ、ピアス加工時に
発生するスパッタを一方向に飛ばすことを特徴とするも
のである。

【００１０】したがって、プラズマトーチがワークの表
面近くで、プラズマアークが低出力でパイロットアーク
が発生し、出力を増大してメインアークに移行する。一
旦メインアークに移行すれば、プラズマトーチを上昇し
てワークの表面から徐々に離していってもメインアーク
は維持可能となる。プラズマトーチが上昇してワークの
表面から離れるので、プラズマトーチや機械本体はスパ
ッタから守られる。

【００１１】プラズマトーチの上昇と共に横方向からの
ガスの圧力により、プラズマトーチとワーク間のプラズ
マアークが曲げられた状態に変形され、ピアス穴が長方
形状になることにより、プラズマトーチのノズルの真下
ではピアス穴が開られなくなると共にピアス加工時に発
生するスパッタが一方向に飛散される。

【００１２】その結果、消耗品、プラズマトーチ、機械
本体等のスパッタによる損傷は防止され、厚板における
ピアス加工が可能となり、加工効率が向上する。

【００１３】請求項２によるこの発明のプラズマ加工装
置は、プラズマトーチからワークにプラズマアークを発
生してプラズマ加工を行うプラズマトーチを備えたプラ
ズマ加工装置において、前記プラズマトーチを高さ方向
に昇降駆動するトーチ駆動装置と、前記プラズマトーチ
の高さを検出するトーチ高さ検出装置と、前記プラズマ
アークを発生せしめるプラズマアーク発生装置と、前記
プラズマアークを変形すべく横方向からプラズマアーク
にガスを吹き付けるガス噴射装置と、ワークにピアシン
グ加工開始時にプラズマトーチからワークにパイロット
アークを発生せしめた後にプラズマアークの発生出力を
増大せしめてパイロットアークからメインアークに移行
し、このメインアークの発生出力を増大するに伴って前
記ワークに対する前記プラズマトーチの高さを上昇せし
める指令をプラズマトーチに与えると共にガス噴射装置
からガスを噴出する指令を与える制御装置と、からなる
ことを特徴とするものである。

【００１４】したがって、プラズマアーク発生装置によ
り、プラズマトーチがワークの表面近くで、低出力でパ
イロットアークが発生され、出力が増大されてメインア
ークに移行する。一旦メインアークに移行すれば、トー
チ駆動装置によりプラズマトーチを上昇せしめてワーク
の表面から徐々に離していってもメインアークは維持可
能となる。プラズマトーチの上昇と共にガス噴射装置に
より、メインアークの横方向から噴出されるガスの圧力
により、プラズマトーチとワーク間に発生したプラズマ
アークが曲げられた状態に変形される。そのため、プラ
ズマトーチのノズルの真下ではピアス穴が開けられない
ので、プラズマトーチや機械本体はスパッタから守られ
る。

【００１５】その結果、消耗品、プラズマトーチ、機械
本体等のスパッタによる損傷は防止され、厚板における
ピアス加工が可能となり、加工効率が向上する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明のプラズマ加工方法
及びその装置の実施の形態について図面を参照して説明
する。

【００１７】図３を参照するに、本実施の形態に係わる
プラズマ加工装置１は、ワークＷを載置するワークテー
ブル３が床面上に固定されており、このワークテーブル
３の下部は熱切断加工時に生じるドロスを貯留せしめる
集塵槽５が備えられている。

【００１８】ワークテーブル３は上部が開口しており、
この開口にはワークＷを載置するための板状の桟７が適
当な間隔で配置されている。

【００１９】ワークテーブル３の図３において左側に
は、プラズマ加工装置１のキャリア９を前後方向（Ｘ軸
方向で、図３の紙面表裏に対して垂直方向）に走行駆動
するための図４に示されているＸ軸用駆動装置１１Ｘを
内蔵したフレームガイド体１３が床面上に支柱１５で支
持されてＸ軸方向に長く延長されている。また、ワーク
テーブル３の図３において右側には、キャリア９をＸ軸
方向に走行すべくガイドするためのＸ軸ガイドレール１
７が床面上に支柱１９で支持されてＸ軸方向に長く延長
されている。

【００２０】したがって、キャリア９は図３において左
端側がフレームガイド体１３の内部にＸ軸方向に延伸さ
れた図示せざるガイドレール上を走行自在に支持され、
図３において右端側に固定された脚柱部２１の車輪２３
を介してＸ軸ガイドレール１７上を走行自在に支持され
ている。Ｘ軸用駆動装置としては、例えばフレームガイ
ド体１３の内部にＸ軸方向に延伸されたボールねじがＸ
軸用モータにより回転され、キャリア９の左端側がナッ
ト部材を介して前記ボールねじに螺合されている。キャ
リア９は前記ボールねじの回転により、ワークテーブル
３の上方をＸ軸方向に移動位置決め自在となる。

【００２１】キャリア９には加工ヘッドとしての例えば
トーチヘッド２５が図４に示されているＹ軸用駆動装置
１１Ｙにより左右方向（Ｙ軸方向で、図３において左右
方向）に移動位置決め可能に走行自在に設けられてお
り、トーチヘッド２５には熱切断加工するためにプラズ
マを噴射するプラズマトーチ２７がトーチ駆動装置とし
ての例えばＺ軸用トーチ駆動装置１１Ｚにより上下方向
（Ｚ軸方向）に昇降自在に設けられている。したがっ
て、プラズマトーチ２７はワークテーブル３上で各Ｘ
軸，Ｙ軸，Ｚ軸用駆動装置１１Ｘ，１１Ｙ，１１Ｚによ
りＸ軸方向及びＹ軸方向、Ｚ軸方向に移動位置決め自在
である。

【００２２】プラズマトーチ２７の先端にはプラズマジ
ェットをワークＷに向けて照射するノズル２９が設けら
れている。

【００２３】より詳しくは、プラズマ加工装置１には図
１に示されているようにプラズマジェットを発生せしめ
るためのプラズマアーク発生装置としての例えば直流溶
接電源３１や高周波発生装置３３が内蔵されている。直
流溶接電源３１や高周波発生装置３３はプラズマトーチ
２７内のタングステン電極３５とワークＷに電気的に接
続されている。また、プラズマトーチ２７内にはタング
ステン電極３５の周囲からプラズマ用ガスＧｐが噴射さ
れ、その外周側にはシールドガスＧｓが噴射されるよう
に構成されている。なお、直流溶接電源３１や高周波発
生装置３３は制御装置３７に電気的に接続されている。

【００２４】上記構成により、直流溶接電源３１や高周
波発生装置３３によってプラズマトーチ２７内で発生す
るアーク熱でガスが高温に加熱されてプラズマ状にな
り、このプラズマ状のガスつまりプラズマジェットがノ
ズル２９から噴射され、所望の形状に切断するなどのプ
ラズマ加工が行なわれる。

【００２５】本実施の形態で用いられるプラズマ加工装
置１では、前述したプラズマトーチ２７とワークＷとの
距離は図３には図示されていないが超音波センサや渦電
流式センサ、静電容量式センサ等の図４に示されている
トーチ高さ検出装置３９により検出され、この検出され
た検出信号が制御装置３７に送られコントロールされて
Ｚ軸用トーチ駆動装置１１Ｚに作動指令が与えられてワ
ークＷからのプラズマトーチ２７の高さが調整可能に構
成されている。いわゆるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸制御の
プラズマ加工装置である。

【００２６】また、プラズマトーチ２７には、図１に示
されているようにプラズマトーチ２７とワークＷの間に
発生したプラズマアークを曲げた状態に変形すべくプラ
ズマアークに横方向からコントロール用ガスＧｃを吹き
付けるガス噴射装置としての例えばガス噴射ノズル４１
が設けられている。なお、本実施の形態ではガス噴射ノ
ズル４１から噴出されるコントロール用ガスＧｃは、ピ
アス加工時に発生するスパッタＳＰを一方向に飛ばす作
用も行なうものである。なお、ガス噴射ノズル４１から
噴出されるコントロール用ガスＧｃは自動的に制御され
るように例えば流量制御弁（図示省略）等の装置が制御
装置３７に電気的に接続されている。

【００２７】図４を参照するに、制御装置３７では、中
央処理装置としてのＣＰＵ４３に種々のデータを入力す
るための入力手段としての例えばキーボードのごとき入
力装置４５と、種々のデータを表示せしめるＣＲＴごと
き表示装置４７が接続されている。

【００２８】また、プラズマアークの発生出力に対して
ワークＷからプラズマトーチ２７の先端までの高さをい
くつにするかを予め設定されており、ＣＰＵ４３には図
４に示されているように、上記のプラズマアークの発生
出力とプラズマトーチ２７の高さとの対応するデータが
入力装置４５から入力されて記憶されるメモリ４９が接
続されている。

【００２９】上記のデータとは、ワークＷにピアシング
加工開始時にはプラズマトーチ２７からワークＷに図１
に示されているようにパイロットアークＡｐが発生す
る。このときはプラズマトーチ２７の高さは低い位置に
ある。その後、プラズマアークの発生出力が増大すると
プラズマアークはパイロットアークＡｐからメインアー
クＡｍ（図５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）参照）に移行され
る。このメインアークＡｍの発生出力が徐々に増大され
るに伴ってワークＷに対する前記プラズマトーチ２７の
高さが徐々に上昇するように構成されている。

【００３０】また、ＣＰＵ４３には図４に示されている
ように上記のメモリ４９内のデータに比較してプラズマ
アークの発生出力に対応するプラズマトーチ２７の高さ
を前記データの数値に合わせるべく調整するよう移動せ
しめる指令をＺ軸用トーチ駆動装置１１に与える比較判
断装置５１が接続されている。

【００３１】上記構成により、プラズマ加工では、ワー
クＷにピアシング開始時にはプラズマトーチ２７がワー
クＷの表面近くに位置しており、プラズマアーク発生出
力は低出力でプラズマトーチ２７から図１に示されてい
るようにパイロットアークＡｐが発生される。その後、
プラズマアークの発生出力が増大されることにより、図
５（Ａ）に示されているようにプラズマアークがパイロ
ットアークＡｐからメインアークＡｍに移行される。

【００３２】図５（Ｂ）に示されているように、制御装
置３７の比較判断装置５１により、このメインアークＡ
ｍの発生出力が徐々に増大するに伴ってメモリ４９内の
データに基づいて合わせるべくプラズマトーチ２７の高
さが徐々に上昇される。このとき、プラズマトーチ２７
の上昇に合わせてガス噴射ノズル４１から高圧のコント
ロール用ガスＧｃがメインアークＡｍを横方向から吹き
付けるように噴出される。

【００３３】プラズマトーチ２７の高さが図５（Ｂ）か
ら図５（Ｃ）の状態に示されているように徐々に上昇す
ると共にプラズマトーチ２７の上昇と共にコントロール
用ガスＧｃの圧力によりプラズマトーチ２７とワークＷ
の間に発生したプラズマアークが曲げられた状態にな
り、ピアス穴ＰＨが図２に示されているように長方形状
に変形される。このときのコントロール用ガスＧｃの圧
力と、ピアス穴ＰＨが長方形状になったことにより、ピ
アス加工時に発生するスパッタＳＰが一方向に飛散され
る。

【００３４】したがって、プラズマアークは意図的に曲
げられるために、プラズマトーチ２７のノズル２９の真
下でピアス穴ＰＨが開けられることがないので、消耗
品、プラズマトーチ２７、キャリア９やフレームガイド
体１３等の機械本体５３（図２参照）などがスパッタＳ
Ｐにより損傷される事態は防止され、厚板におけるピア
ス加工が可能となり、加工効率が向上する。

【００３５】ちなみに、プラズマ加工とは、ワークＷが
主にプラズマアークによる熱エネルギで切断されるもの
（移行式）と、イオン化されたガスのピンチ効果による
熱エネルギで切断するもの（非移行式）に大きく二つに
分類される。いずれも、プラズマ用ガスＧｐやシールド
ガスＧｓなどのように切断時に使用されるガスの影響を
大きく受け、ガスの流れが偏っていたりすると、プラズ
マアークがワークＷに対して垂直にいかないで切断面が
斜めになったりする。本発明はこの現象を逆に利用した
ものである。

【００３６】しかも、プラズマアークはプラズマトーチ
２７がワークＷの表面から近くにないと、パイロットア
ークＡｐからメインアークＡｍに移行できず切断ができ
なくなる。しかし、逆に一旦メインアークＡｍに移行す
れば、ある程度プラズマトーチ２７がワークＷの表面か
ら離れても、プラズマのメインアークＡｍは維持可能と
なるので、本発明はこの現象を利用したものであってレ
ーザ加工によるピアス加工とは全く異なる。

【００３７】なお、この発明は前述した実施の形態に限
定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他
の態様で実施し得るものである。

【００３８】

【発明の効果】以上のごとき発明の実施の形態の説明か
ら理解されるように、請求項１の発明によれば、プラズ
マトーチのプラズマアークの出力を増大してパイロット
アークからメインアークに移行せしめ、一旦メインアー
クに移行すれば、プラズマトーチを上昇してワークの表
面から徐々に離していっても出力を徐々に増大すること
によりメインアークを維持できる。その結果、プラズマ
トーチが上昇してワークの表面から離れるので、プラズ
マトーチや機械本体をスパッタから守ることができる。
しかも、プラズマトーチの上昇と共にメインアークの横
方向からのガスの圧力により、プラズマトーチとワーク
間のプラズマアークを曲げた状態に変形でき、ピアス穴
を長方形状に形成できるので、プラズマトーチのノズル
の真下ではピアス穴を開けられなくできると共にピアス
加工時に発生するスパッタを一方向に飛散できる。

【００３９】したがって、消耗品、プラズマトーチ、機
械本体等のスパッタによる損傷を防止でき、厚板におけ
るピアス加工を可能とし、加工効率を向上できる。

【００４０】請求項２の発明によれば、請求項１記載の
効果と同様であり、プラズマトーチのプラズマアークの
出力を増大してパイロットアークからメインアークに移
行せしめ、一旦メインアークに移行すれば、プラズマト
ーチを上昇してワークの表面から徐々に離していっても
出力を徐々に増大することによりメインアークを維持で
きるので、横方向から噴出されるガスの圧力により、プ
ラズマアークを曲げた状態に変形できる。

【００４１】その結果、プラズマトーチのノズルの真下
ではピアス穴が開けられないので、プラズマトーチや機
械本体をスパッタから守ることができる。したがって、
消耗品、プラズマトーチ、機械本体等のスパッタによる
損傷を防止でき、厚板におけるピアス加工を可能とし、
加工効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示すもので、プラズマ加
工装置の模式的な概略説明図である。

【図２】本発明の実施の形態を示すもので、プラズマ加
工装置の模式的な平面図である。

【図３】本発明の実施の形態に用いられるプラズマ加工
装置の正面図である。

【図４】制御装置のブロック図である。

【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施の形態のプラ
ズマ加工の動作を説明する模式的な動作説明図である。

【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、従来のプラズマ加工の動作
を説明する模式的な動作説明図である。

【図７】従来のプラズマ加工装置の模式的な概略説明図
である。

【図８】従来のプラズマ加工装置の模式的な平面図であ
る。

【符号の説明】

１ プラズマ加工装置 ２３ トーチヘッド（加工ヘッド） ２５ プラズマトーチ ２７ ノズル ２９ 直流溶接電源 ３１ 高周波発生装置 ３５ 制御装置 ３７ ガス噴射ノズル ３９ ＣＰＵ（中央処理装置） ４７ 比較判断装置 Ａｐ パイロットアーク Ａｍ メインアーク Ｇｃ コントロール用ガス Ｇｓ シールドガス Ｇｐ プラズマ用ガス ＳＰ スパッタ ＰＨ ピアス穴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ加工によりワークにピアシング
   加工開始する際に、プラズマトーチからワークにパイロ
   ットアークを発生せしめ、プラズマアークの発生出力を
   増大せしめてパイロットアークからメインアークに移行
   し、このメインアークの発生出力を増大するに伴って前
   記ワークに対する前記プラズマトーチの高さを上昇せし
   めると共に、前記メインアークのプラズマアークに横方
   向からガスを吹き付けてピアス穴を長穴形状に形成せし
   め、ピアス加工時に発生するスパッタを一方向に飛ばす
   ことを特徴とするプラズマ加工方法。
2. 【請求項２】 プラズマトーチからワークにプラズマア
   ークを発生してプラズマ加工を行うプラズマトーチを備
   えたプラズマ加工装置において、 前記プラズマトーチを高さ方向に昇降駆動するトーチ駆
   動装置と、 前記プラズマトーチの高さを検出するトーチ高さ検出装
   置と、 前記プラズマアークを発生せしめるプラズマアーク発生
   装置と、 前記プラズマアークを変形すべく横方向からプラズマア
   ークにガスを吹き付けるガス噴射装置と、ワークにピア
   シング加工開始時にプラズマトーチからワークにパイロ
   ットアークを発生せしめた後にプラズマアークの発生出
   力を増大せしめてパイロットアークからメインアークに
   移行し、このメインアークの発生出力を増大するに伴っ
   て前記ワークに対する前記プラズマトーチの高さを上昇
   せしめる指令をプラズマトーチに与えると共にガス噴射
   装置からガスを噴出する指令を与える制御装置と、から
   なることを特徴とするプラズマ加工装置。