JP4616675B2

JP4616675B2 - 熱切断装置

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Publication number: JP4616675B2
Application number: JP2005080250A
Authority: JP
Inventors: 義博山口
Original assignee: Komatsu Industries Corp
Current assignee: Komatsu Industries Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-03-18
Also published as: JP2006255773A; WO2006100936A1

Description

本発明は、プラズマ切断及びガス切断のいずれも行うことができる熱切断装置に

関する。

従来、プラズマ切断を行うためのプラズマトーチ、及びガス切断を行うためのガストーチがそれぞれ知られている（例えば、特許文献１、２）。
特開２０００−３２６０７２号公報特開２０００−８８２１６号公報

また、従来のプラズマ切断とガス切断とを1台のコントローラで制御する熱切断装置では、プラズマトーチ及びガストーチをそれぞれ別々に備え、いずれか一方を選択的に使い分けている。平板のワーク（被切断材）を切断する場合、ワークが戴置されるＸ‐Ｙテーブルにワークとトーチの間隔を一定に保つための高さ倣いの軸としてＺ軸を有し、そのＺ軸にプラズマトーチとガストーチを並べて取りつけている。この場合、プラズマガス等及びガス切断のための切断ガス等のそれぞれのガス供給源からそれぞれのトーチにガス配管が接続され、プラズマトーチにはガス以外にプラズマ電源からの給電ケーブルやトーチ冷却用の冷却水ホースも接続される。

このため、従来のプラズマ切断及びガス切断が行える熱切断装置では、プラズマトーチとガストーチを並べて、トーチを移動させる移動機構に取り付ける為、２本のトーチを距離をおいて設置する必要がある。このためトーチ取り付け部が大きくなり、その結果、Ｘ−Ｙテーブルのサイズはガストーチまたはプラズマトーチのいずれか１本だけの場合よりも、２本のトーチがオフセットしている分だけ大きくなってしまう。

また、プラズマトーチとガストーチのそれぞれに高さ倣いのＺ軸を取り付けるか、あるいは同一のＺ軸にとりつけた場合でも、２本のトーチの切り替える際に、高さ方向（Ｚ方向）にプラズマトーチとガストーチの高さ関係を入れ替える機構が必要となり、装置が大型化するとともに製造コストが上昇する。

さらに、従来のガストーチでは、予熱炎の着火及び初期高さの設定は手動で行わなければならなかった。

そこで、本発明の目的は、１本のトーチでプラズマ切断及びガス切断のいずれも行うことができる熱切断装置を提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、１本のトーチでプラズマ切断及びガス切断のいずれも行うことができる熱切断装置の構成を簡略化することである。

本発明の一実施態様に従う熱切断装置は、プラズマ切断及びガス切断のいずれも行うことができる熱切断装置である。そして、トーチ本体(100)と、前記トーチ本体に燃料ガス及び酸素ガスを供給する手段(13)と、前記トーチ本体に着脱自在に取り付け可能であり、取り付けられたときにプラズマ切断を可能とするプラズマアタッチメント(160)と、前記トーチ本体に着脱自在に取り付け可能であり、取り付けられたときにガス切断を可能とするガスアタッチメント(140,150)とを備える。

好適な実施形態では、前記プラズマアタッチメント及び前記ガスアタッチメントは、前記トーチ本体の先端に、選択的に取り付けられるようになっていてもよい。

好適な実施形態では、前記プラズマアタッチメントは、電極(161)と、前記電極の先端部を囲うプラズマノズル(163)と、前記電極及び前記プラズマノズルを前記トーチ本体に固定するためのリテーナキャップ(166)とを有し、前記ガスアタッチメントは、ガス切断火口(151)と前記ガス切断火口を前記トーチ本体に固定するためのリテーナキャップ(155)とを有するようになっていてもよい。

好適な実施形態では、前記トーチ本体は、第１，第２，及び第３のガス通路(111,121,131)を有する。そして、前記トーチ本体に前記プラズマアタッチメントが取り付けられた場合は、前記トーチ本体の第１、第２及び第３のガス通路のうちの少なくとも一つの通路が、前記プラズマアタッチメントのプラズマガス通路、２次ガス通路、及び３次ガス通路に連通し、前記トーチ本体に前記ガスアタッチメントが取り付けられた場合は、前記トーチ本体の第１、第２及び第３のガス通路のそれぞれが、前記ガスアタッチメントの切断ガス通路、燃料ガス通路、及び予熱酸素通路のうちのいずれか一つ、他の一つ、及び残りの一つにそれぞれ連通するようになっていてもよい。

好適な実施形態では、前記トーチ本体に前記プラズマアタッチメントが装着されている場合に、パイロットアークを発生させるための高電圧を出力する高電圧回路(51)と、前記トーチ本体に前記ガスアタッチメントが装着されている場合に、前記高電圧回路が前記ガス切断火口の近傍に高電圧を印加し、予熱炎を点火するための火花を発生させるような配線と、をさらに有していてもよい。

好適な実施形態では、前記トーチ本体にガスを供給するガス供給源(64〜69)をさらに備える。そして、前記ガス供給源は、前記トーチ本体に前記プラズマアタッチメントが取り付けられた場合、第１のガス通路に酸素または窒素、第２のガス通路に空気、プロパン、及びプロパンと窒素の混合ガスのいずれか、第３のガス通路に酸素または窒素をそれぞれ供給する。一方、前記トーチ本体に前記ガスアタッチメントが取り付けられた場合、第１のガス通路に酸素、第２のガス通路に燃料ガス、第３のガス通路に酸素をそれぞれ供給するものであってもよい。

以下、本発明の一実施形態に係る熱切断装置について、図面を用いて説明する。

まず、本実施形態に係る熱切断装置の概略構成図を図１に示す。

本実施形態に係る熱切断装置１は、後述するようにアタッチメントの交換によりプラズマ切断及びガス切断のいずれにも使用可能なトーチ１０と、トーチ１０に点火用電圧やプラズマ電流を供給する電源システム１１と、トーチ１０へ所定の複数種類のガスを供給するガスシステム１３と、トーチ１０に冷却水を供給する冷却水システム１５と、Ｘ−Ｙテーブル１９に戴置された平板状のワーク（例えば、軟鋼またはステンレス鋼の板材）２１に対して、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向へトーチ１０を移動させるトーチ移動システム１７と、各システム１１、１３、１５、１７を制御するコントローラ１８とを備える。

トーチ１０は、トーチ移動システム１７に固定されているプラズマ切断にもガス切断にも共通のトーチ本体と、トーチ本体の先端に交換可能に取り付けられるプラズマ切断用のアタッチメントとガス切断用のアタッチメントとを有する。プラズマ切断用アタッチメントとガス切断用アタッチメントを選択的にトーチ本体に取り付けることにより、１つのトーチ本体でプラズマ切断及びガス切断のいずれも行うことが可能である。

電源システム１１は、プラズマ切断を行う場合に、メインアーク点火用（つまり、パイロットアーク生成用）の高電圧をトーチ１０内のプラズマノズルと電極間に印加する点火回路と、メインアーク点火後にこれを維持するためのプラズマ電流をトーチ１０内の電極とワーク２１との間に流すプラズマ電源回路とを有する。

また、電源システム１１は、ガス切断を行う場合に、上述した点火回路を用いて予熱炎点火用の高電圧を、トーチ１０内のガス切断火口とワーク２１との間に印加する。よって、プラズマ切断もガス切断も自動点火が可能である。

ガスシステム１３は、プラズマ切断の場合に、プラズマガス、２次ガス及び３次ガスをトーチ１０に供給し、また、ガス切断の場合に、切断酸素ガス、燃料ガス及び予熱酸素ガスをトーチ１０に供給する。ガスシステム１３は、酸素源、窒素源及び燃料ガス（例えば、プロパン、アセチレン、水素など）源などの複数種のガス源を有し、これらのガス源からの複数種のガスを組み合わせて、上述したプラズマ切断用及びガス切断用の種々のガスを作り出す。

冷却水システム１５は、プラズマ切断時にも、ガス切断時にも、トーチ１０へ冷却水を送り、冷却水をトーチ１０内に循環させる。

トーチ移動システム１７は、プラズマ切断用アタッチメントとガス切断用アタッチメントのＺ軸方向の寸法に応じて、プラズマ切断時にも、ガス切断時にも、トーチ１０のＺ軸方向の位置の制御を自動的に行う。例えば、トーチ移動システム１７は、Ｚ軸方向へトーチ１０を下げていき、導通テスタを利用して、トーチ１０の先端とワークとの接触を検出して、トーチの初期高さを決定する。

次に、トーチ本体及びプラズマ切断を行うためのプラズマ切断用アタッチメントについて説明する。

図２（ａ）は、トーチ本体１００の断面構造を示す。トーチ本体１００の中心軸位置に、電極１６１内部に冷却水を導入するための導水管１０１が配置されている。導水管１０１の外周に、これと同軸の位置関係で嵌合されるインナースリーブ１０２と、インナースリーブ１０２の外周に嵌合されるアウタースリーブ１０３とを備える。アウタースリーブ１０３の外周には、プラズマ切断用及びガス切断用のアタッチメントをそれぞれ固定するためのホルダー１０４が嵌合される。ノズル台座１０６の内側には、電極１６１、ガイド１６２、及びプラズマノズル１６３などが嵌り込むための内部空間１０９が形成されている。

インナースリーブ１０２は、プラズマ切断用の電極１６１（図２（ｂ）参照）を保持する台座の役目を持ち、金属製であって、図１に示した電源システム１１の一つの出力端子に接続される。また、ノズル台座１０６も金属製であって、電源システム１１の別の出力端子に接続される。インナースリーブ１０２とノズル台座１０６間は、トーチ本体１００内では絶縁されている。

アウタースリーブ１０３には、その壁内を貫通している第１ガス通路１１１が形成されている。この第１ガス通路１１１には、プラズマ切断のときはプラズマガス（例えば酸素プラズマ切断の場合には、酸素８０モル％と窒素２０モル％の混合気体）が導かれ、ガス切断のときには切断酸素ガス等が導かれることになる。第１ガス通路１１１の先端のプラズマガス出口１１１ａは、内部空間１０９へ向かって開いている。

また、アウタースリーブ１０３には、その壁内を貫通して第２ガス通路１２１が形成されている。この第２ガス通路１２１には、プラズマ切断のときは２次ガス（例えば酸素プラズマ切断の場合には、プラズマガスより低い酸素濃度を持つ混合気体）が導かれ、ガス切断のときは燃料ガスが導かれる。第２ガス通路１２１の先端の２次ガス出口１２１ａは、アウタースリーブ１１３の外面に設けられている。

ホルダー１０４には、その壁内を貫通して第３ガス通路１３１が形成されている。この第３ガス通路１２１には、プラズマ切断のときは３次ガス（例えば酸素プラズマ切断の場合、２次ガスより高い酸素濃度を持つ混合気体または純酸素ガスなど）が導かれ、ガス切断のときには予熱酸素ガスが導かれる。３次ガス出口１３１ａは、ホルダー１０４のプラズマ切断用及びガス切断用アタッチメントと嵌り合う箇所に設けられている。

図２（ｂ）は、トーチ本体１００の先端に着脱可能なプラズマ切断用アタッチメント（以下、プラズマアタッチメントという）１６０の断面図を示す。

プラズマアタッチメント１６０は、その中心軸位置に電極１６１を有する。これと同軸の位置で電極１６１の中央部分の外周に絶縁材製のガイド１６２が嵌合されている。ガイド１６２の外周には、先端に向かってテーパした筒状のプラズマノズル１６３が嵌合されている。

電極１６１の先端には、プラズマアークの発生点となる耐熱インサート１６１ａが設けられている。耐熱インサート１６１ａは、プラズマアークの高温に耐え得る高融点材料、例えば酸素プラズマ切断の場合、ハフニウム、ジルコニウムあるいはそれらの合金などからなる。電極１０６の内側には、冷却水路１６１ｂが形成されている。

電極１６１とプラズマノズル１６３との間にはプラズマガス通路１１３が形成されている。プラズマガス通路１１３は、ガイド１６２に設けられている図示しない貫通孔に連通している。この貫通孔は、プラズマアタッチメント１６０をトーチ本体１００に装着したときに形成されるプラズマガス通路１１２（図３参照）とさらに連通している。

プラズマノズル１６３の先端には、プラズマアークを十分に絞ってジェット流にして前方へ噴出するためのノズルオリフィス１６３ａが形成されている。プラズマノズル１６３の先端には、図示しないワークの跳ね上がりによるプラズマノズル１６３の損傷を防止するためのフランジ付きシールドキャップ１６４が嵌合されている。また、プラズマノズル１６３とシールドキャップ１６４との間に、２次ガス通路１２３が形成されている。２次ガス通路１２３は、ノズルオリフィス１６３ａの正面に配置されたシールドキャップ１６４の開口１６４ａに連通する。

プラズマアタッチメント１６０は、上記電極１６１，ガイド１６２及びプラズマノズル１６３等の構造の外側に、これらの構造をトーチ本体１００に着脱可能に装着するためのリテーナキャップ１６６を有する。リテーナキャップ１６６は、リテーナとしての役目だけでなく、プラズマアタッチメント１６０の外殻としての役目も併せ持つ。リテーナキャップ１６６の先端に形成されたフック１６６ａと、シールドキャップ１６４の外周が係合する。

リテーナキャップ１６６には、その壁内を貫通する２次ガス通路１２２が形成されている。２次ガス通路１２２の後端の２次ガス入口１２２ａが、プラズマアタッチメント１６０をトーチ本体１００に装着したときにトーチ本体１００の第２ガス出口１２１ａと接続する位置に設けられている。２次ガス通路１２２の先端の２次ガス出口１２２ｂは、リテーナキャップ１６６のシールドキャップ１６４に係合する箇所にて開口して、前述したシールドキャップ１６４内側の２次ガス通路１２３と連通している。

また、リテーナキャップ１６６には、その壁内を貫通した３次ガス通路１３３が形成されている。３次ガス通路１３３の後端の３次ガス入口１３３ａが、プラズマアタッチメント１６０をトーチ本体１００に装着したときに、前述した第３ガス出口１３１ａの正面に形成される３次ガス通路１３２（図３参照）に向かって開いている。３次ガス通路１３３の先端の３次ガス出口１３３ｂは、リテーナキャップ１６６の先端にて、シールドキャップ１６４の外面に向かって開いている。

プラズマアタッチメント１６０をトーチ本体１００に装着する場合、リテーナキャップ１６６に上記部品１６１，１６２，１６３，及び１６４を収容した状態で、トーチ本体１００の導水管１０１が電極１６１内部に入り込むように、両者の中心軸の位置で合わせてリテーナキャップ１６６をトーチ本体１００の先端部に被せる。ここで、リテーナキャップ１６６の後端の内周面１６６ｂには雌ねじが切られていて、トーチ本体１００のホルダー１０４の外周面１０４ｂには雄ねじが切られている。そして、この状態で、リテーナキャップ１６６の雌ねじをホルダー１０４の雄ねじに螺合することによりプラズマアタッチメント１６０がトーチ本体１００に固定され、プラズマトーチが完成する。

図３は、プラズマトーチの断面図である。

トーチ本体１００にプラズマアタッチメント１６０が装着されることにより、トーチ本体１００内の第１，第２及び第３ガス通路１１１，１２１及び１３１が、それぞれ、リテーナキャップ１６６内のプラズマガス、２次ガス及び３次ガス通路１１３，１２３，及び１３３に連通する。

すなわち、第１ガス出口１１１ａの正面にプラズマガス通路１１２が形成される。ここで、プラズマガス通路１１２は、ガイド１６２に設けられた図示しない貫通孔を介してプラズマガス通路１１３と連通し、この結果、第１ガス通路１１１がプラズマガス通路１１３に連通する。また、第２ガス通路１２１は、第２ガス出口１２１ａにて２次ガス通路１２２と連通する。また、第３ガス出口１３１ａの正面には、３次ガス通路１３２が形成される。３次ガス通路１３２は、３次ガス入口１３３ａを介して３次ガス通路１３３に連通する。

プラズマ切断時には、プラズマガスが、第１ガス通路１１１からプラズマガス通路１１３へ流入し、耐熱インサート１６１ａから出るアークのエネルギーでプラズマ化され、旋回するプラズマアークとなってノズルオリフィス１６３をから外部へ噴出する。また、２次ガスが第２ガス通路１２１から２次ガス通路１２２及び１２３へ流入し、シールドキャップ１６４の開口１６４ａから噴出し、プラズマアークの周囲に２次ガスカーテンを形成する。さらに、３次ガスが第３ガス通路１３１から３次ガス通路１３２及び１３３へ流入し、シールドキャップ１６４の外面に向けて噴出し、２次ガスカーテンの周囲に３次ガスカーテンを形成する。

また、プラズマ切断には、トーチ本体１００内及びプラズマアタッチメント１６０内を冷却水が循環する。すなわち、冷却水システム１５から導水管１０１へ供給された冷却水が、導水管１０１の先端の導水管出口１０１ａから流出する。そして、導水管１０１の外面と電極１６１の内面との間に形成された冷却水路１６１ｂを通り、導水管１０１の外周に沿って設けられた冷却水通路１７１，１７２へ流入する。その後、冷却水は、図示しない冷却水通を通って、冷却水ジャケット１７３へ流れ込み、さらに、図示しない冷却水排出管を通って、トーチ本体１００の後端から排出される。

次に、ガス切断を行うときに、トーチ本体１００の先端に装着されるガス切断用アタッチメント（以下、ガスアタッチメントという）について説明する。

図４はガスアタッチメントの断面図であり、図４（ａ）はガスアタッチメント本体（以下、単にアタッチメント本体という）１５０の断面図、図４（ｂ）はアタッチメント本体１５０に組み込まれるアダプタ１４０の断面図である。

図４（ａ）に示すように、アタッチメント本体１５０は、アタッチメント本体１５０をトーチ本体１０に結合するための円筒形のリテーナキャップ１５５と、リテーナキャップ１５５の先端部の中心軸位置に取り付けられた長円筒形のガス切断火口１５１とを備える。ガス切断火口１５１は、長円筒形の金属製のノズル本体１５２と、ノズル本体１５２の先端側約２／３部分に外嵌された金属製のノズルカバー１５３とを有する。ガス切断火口１５１は、ノズルカバー１５３で覆われた部分の後端近傍の位置で、リテーナキャップ１５５の先端の開口１５５ａに嵌め込まれている。ガス切断火口１５１の後端側約１／３の部分では、金属製のノズル本体１５２が露出しており、これはリテーナキャップ１５５の内部空間に突出している。

ノズル本体１５２には、その中心軸位置にてこれを貫通する、長円筒形の切断酸素ガス通路１１８が設けられている。切断酸素ガス入口１１８の切断酸素ガス入口１１８ａは、ガス切断火口１５１の後端で開口し、切断酸素ガス出口１１８ｂは、ガス切断火口１５１の先端で開口する。

ノズル本体１５２の後端側約１／３の部分の壁内には、予熱酸素ガス通路１３０が形成されている。この予熱酸素ガス通路１３０の予熱ガス入口１３０ａは、ノズル本体１５２の後端側約１／３の部分の外周面に設けられている。予熱酸素ガス通路１３０は、ノズル本体１５２とノズルカバー１５３との間に形成された混合ガス通路１２９に連通する。混合ガス通路１２９の予熱ガス出口１２９ｂは、切断酸素ガス出口１１８ｂの周囲に開口する。さらに、ノズル本体１５２は、ノズル本体１５２の後端側約１／３の部分の外周面に設けられた燃料ガス入口１２８ａから中心軸へ向かう方向で斜めに形成された燃料ガス通路１２８を備える。燃料ガス通路１２８は予熱酸素ガス通路１３０と合流する。

リテーナキャップ１５５の壁内に、燃料ガス通路１２５と予熱酸素ガス通通路１３６とが形成されている。燃料ガス通路１２５の後端の燃料ガス入口１２５ａは、ガスアタッチメントがトーチ本体１００に取り付けられたときに、トーチ本体１００の第２ガス出口１２１に接続する位置に開いている（図５参照）。予熱酸素ガス通路１３６の後端の予熱酸素ガス入口は、ガスアタッチメントが本体に取り付けられたときにトーチ本体１００の第３ガス通路１３１の正面のガス通路１３５に連通する位置に開口している（図５参照）。

図４（ｂ）に示すアダプタ１４０は、金属製の部材であり、その前半部分に凹部を有し、この凹部にて図４（ａ）に示すノズル本体１５２の後端側約１／３の部分に嵌め合わされて、これと密着する。アダプタ１４０の後半部分は、図２と図３に示したプラズマアタッチメント１６０の電極１６１とガイド１６２とプラズマノズル１６３を合わせてものと同様の外形状を有しており、ガスアタッチメントがトーチ本体１００に取り付けられたときに、トーチ本体１００のインナースリーブ１０２とノズル台座１０６に密着して嵌り込む（図５参照）。

アダプタ１４０の後半部分の中心軸位置に、トーチ本体１００の導水管１０１が入る冷却水通路１４１が形成されている（図５参照）。

アダプタ１４０には、その壁をその外周面から上に凹部の内周面へと貫いて切断酸素ガス通路１１６と予熱酸素ガス通路１３８と燃料ガス通路１２７が形成されている。

アダプタ１４０がノズル本体１５２に取り付けられると、切断酸素ガス通路１１６の出口は、ガス通路１１７（図５参照）を介してノズル本体１５２の切断酸素ガス入口１１８ａに連通する。また、予熱酸素ガス通路１３８の出口は、ガス通路１３９（図５参照）を介して、ノズル本体１５２の予熱酸素ガス入口１３０ａに連通する。さらに、燃料ガス通路１２７の出口は燃料ガス通路１２８の入口に連通する（図５参照）。

図５は、ガストーチの断面図である。

トーチ本体１００にガスアタッチメント１４０，１５０が取り付けられることにより、トーチ本体１００内の第１，第２及び第３ガス通路１１１，１２１及び１３１が、それぞれ、アダプタ１４０内の切断酸素ガス通路１１６，燃料ガス通路１２７，及び予熱酸素ガス通路１３８をそれぞれ介して、アタッチメント本体１５０の切断酸素ガス通路１１８，燃料ガス通路１２８，及び予熱酸素ガス通路１３０に連通する。

すなわち、第１ガス出口１１１ａの正面に切断酸素ガス通路１１５が形成され、第１ガス通路１１１は、切断酸素ガス通路１１６と連通する。切断酸素ガス通路１１６の出口と切断酸素ガス入口１１８ａとの間には、切断酸素ガス通路１１７が形成される。この結果、第１ガス通路１１１、切断酸素ガス通路１１６、及び１１８が連通する。

また、第２ガス通路１２１は、第２ガス出口１２１ａにて燃料ガス通路１２５と連通する。燃料ガス出口１２５ｂの正面には、燃料ガス通路１２６が形成され、燃料ガス通路１２７と連通する。燃料ガス通路１２７はその出口において燃料ガス通路１２８と連通する。この結果、第２ガス通路１２１、燃料ガス通路１２５，１２７及び１２８が連通する。

さらに、第３ガス出口１３１ａの正面には、予熱酸素ガス通路１３５が形成される。予熱酸素ガス通路１３５は、予熱酸素ガス入口１３６ａを介して予熱酸素ガス通路１３６に連通する。予熱酸素ガス出口１３６ｂの正面には予熱酸素ガス通路１３７が形成される。
予熱酸素ガス通路１３７に連通する予熱酸素ガス通路１３８の出口には、予熱酸素ガス通路１３９が形成される。予熱酸素ガス通路１３９は予熱酸素ガス入口１３０ａに接続されている。この結果、第３ガス通路１３１，予熱酸素ガス通路１３６，１３８及び１３０が連通する。

ガス切断時には、切断酸素ガスが、第１ガス通路１１１から切断酸素通路１１８へ流入し、切断酸素ガス出口１１８ｂから噴出する。また、第２ガス通路１２１から燃料ガス通路１２８へ燃料ガスが流入し、第３ガス通路１３１から予熱酸素ガス通路１３０へ予熱酸素ガスが流入すると、混合ガス通路１２９で燃料ガス及び予熱酸素ガスが混合され、混合ガスが混合ガス出口１２９ｂから噴出する。この混合ガスに着火すると、混合ガス出口１２９ｂから予熱炎として噴出する。

なお、ガストーチとして利用される場合にも、プラズマトーチのときと同様に、トーチ内に冷却水を循環させてもよい。これにより、ガストーチが水冷されるので、ガストーチで問題となる逆火が起きにくくなる。

次に、図６に電源システム１１の回路図を示す。

電源システム１１は、高周波高電圧回路５１とプラズマ電源５２と、トランジスタ５３と、切換スイッチ５４と、導通テスタ５５とを備える。高周波高電圧回路５１の一方の端はトーチ本体１００のインナースリーブ１０２（図２参照）へ接続されている。他方の端は、プラズマ電源５２のマイナス端子及び切換スイッチ５４に接続されている。切換スイッチ５４はワークに接続されているＡ端子とノズル台座１０６（図２参照）に接続されているＢ端子とを有する。トーチ本体１００にガスアタッチメントが装着されてガストーチとして利用されるときは、切換スイッチ５４はＡ端子に接続され、プラズマアタッチメントが装着されてプラズマトーチとして使用されるときは、切換スイッチはＢ端子に接続される。プラズマ電源５２のプラス端子は、トランジスタ５３を介して切換スイッチ５４のＢ端子に接続されている。切換スイッチ５４のＡ端子とワークとの間の経路には、導通テスタ５５が並列に組み込まれている。

プラズマトーチとして利用される場合、切換スイッチ５４はＢ端子に接続されている。従って、高周波高電圧回路５１によりインナースリーブ１０２とノズル台座１０６に高周波高電圧が印加される。このときトランジスタ５３はオンされている。インナースリーブ１０２は電極１６１と、ノズル台座１０６はプラズマノズル１６３とそれぞれ電気的に導通し、且つ、電極１６１とプラズマノズル１６３はガイド１６２によって絶縁されている（図３参照）。従って、電極―ノズル間にはパイロットアークが生じ、これによりプラズマガス通路１１３に存在するプラズマガスがプラズマ化されて、プラズマアークに点火される。プラズマアーク点火後は、プラズマ電源５２によりワークと電極間に印加される電圧によりプラズマアークがワークに吹き付けられる。

一方、ガストーチとして利用される場合、切換スイッチ５４はＡ端子に接続されている。この場合、以下のような手順でガストーチの初期高さの設定を行うことができる。すなわち、トーチ移動システム１７がコントローラ１８の指示に基づいてガストーチを下降させる。このとき、ガス切断火口１５１とワークとが接触すると、導通テスタ５５が導通を検出する。これにより、ガス切断火口１５１とワークとが接触したことを検知できる。従って、コントローラ１８は、この導通が検出されるとガストーチの下降を停止し、これ以降、このときの位置を基準としてガス切断火口１５１の高さを自動的に制御することができる。

また、ガス切断火口１５１とワークとが接触したときの高さからわずかだけガス切断火口１５１を上昇させた状態で、インナースリーブ１０２とワークとの間に高周波高電圧を印加する。ここで、ガスアタッチメント１４０及び１５０がトーチ本体１００に装着されている場合、インナースリーブ１０２は、金属製のアダプタ１４０を介してノズル本体１５２と電気的に導通している（図５参照）。従って、ノズル本体１５２とワークの間に高周波高電圧が印加されるので、ノズル本体１５２―ワーク間にパイロットアークが発生する。このパイロットアークを用いて、混合ガス出口１２９ｂから噴出する混合ガスに自動着火することができる。

次に、図７にガスシステム１３の構成図を示す。

ガスシステム１３は、トーチ本体１００の第１ガス通路１１１へガスを供給する第１供給路７１と、第２ガス通路１２１へガスを供給する第２供給路７２と、第３ガス通路１３１へガスを供給する第３供給路７３とを備える。第１供給路７１には、酸素源６４及び窒素源６５の二つのガス源が接続されていて、これらのいずれかを選択して第１ガス通路１１１へ送るための切り換え手段６１を備えている。第２供給路７２には、空気源６６、プロパン源６７、及び窒素源６８の３つのガス源が接続されている。そして、プロパン源６７からのプロパンガス及び窒素源６８からの窒素ガスを混合させる混合手段６３と、プロパンの及び窒素の混合ガスと空気のいずれかを第２ガス通路１２１へ送り出すための切り換え手段６２とを備える。第２供給路７３には、酸素ガス源６９が接続されていて、第３ガス通路１３１へ酸素ガスを供給する。

これにより、例えば、プラズマ切断により軟鋼を切断する場合、プラズマガスに酸素ガス、２次ガスに空気、３次ガスに酸素ガスという組み合わせを用いるができ、プラズマ切断によりステンレス鋼を切断する場合、プラズマガスに窒素ガス、２次ガスにプロパン及び窒素の混合ガス、３次ガスに窒素ガスを組み合わせを用いることができる。また、ガス切断の場合は、切断酸素ガスと、燃料ガスとしてプロパンと、予熱酸素ガスとの組み合わせを用いることができる。

本実施形態によれば、１台の熱切断装置でプラズマ切断及びガス切断のいずれも行うことができる。さらに、本実施形態の熱切断装置では、１つのトーチ本体に取り付けるアタッチメントを取り替えることによりプラズマ切断及びガス切断を使い分けることができるので、ガストーチ及びプラズマトーチをそれぞれ備える従来の熱切断装置よりも低コストで製造でき、且つ小型化が可能である。

さらに本実施形態では、１本のトーチでプラズマ切断及びガス切断が可能となるので、小型のテーブルタイプのプラズマ切断機に適用すれば、ガス切断との兼用ができるようになり、従来は、電源容量の制約からプラズマ切断では切断不可であった厚板軟鋼板の切断をガス切断により行うことが可能となる。この結果、１台の切断機の適用板厚が格段に向上する。

ガス切断の場合、従来は、作業者が手作業により着火するか、または、専用の着火回路が必要であった。しかし、本実施形態によれば、専用の着火回路を備えていなくても、プラズマトーチのときに用いる高電圧回路を用いて自動着火が可能となった。

さらには、ガストーチの場合、従来は高さ設定を手動で行っていたが、本実施形態によれば、それが自動で行える。

また、本実施形態によれば、ガス切断を行う場合でもトーチ内に冷却水を循環させることができ、ガストーチを水冷することができる。これにより、ガストーチで問題となる逆火が起きにくくなる。

なお、可燃性ガスは、ガス切断の予熱炎の燃料ガスとしてだけでなく、プラズマ切断でステンレス鋼の良質切断に使用できる。

上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

例えば、本実施形態ではガスアタッチメントをアダプタとガスアタッチメント本体に分離しているが、これらを一体で構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る熱切断装置の概略構成図である。トーチ本体及びプラズマアタッチメントの断面図である。プラズマトーチの断面図である。ガスアタッチメントの断面図である。ガストーチの断面図である。電源システムの回路図である。ガスシステムの構成図である。

符号の説明

１０トーチ
１１電源システム
１３ガスシステム
１５冷却水システム
１７トーチ移動システム
１８コントローラ
５１高周波回路
５２プラズマ電源
５３トランジスタ
５４切換スイッチ
５５導通テスタ
１００トーチ本体
１１１、１１２，１１３第１，第２、第３ガス通路
１２１、１２２，１２３２次ガス通路
１３１，１３２，１３３３次ガス通路
１４０アダプタ
１５０ガスアタッチメント本体
１５１ガス切断火口
１５２ノズル本体
１６０プラズマアタッチメント
１６１電極
１６３プラズマノズル

Claims

プラズマ切断及びガス切断のいずれも行うことができる熱切断装置であって、
トーチ本体(100)と、
前記トーチ本体に、少なくとも燃料ガス及び酸素ガスを供給する手段(13)と、
前記トーチ本体に着脱自在に取り付け可能であり、取り付けられたときにプラズマ切断を可能とするプラズマアタッチメント(160)と、
前記トーチ本体に着脱自在に取り付け可能であり、取り付けられたときにガス切断を可能とするガスアタッチメント(140,150)とを備える熱切断装置。
前記プラズマアタッチメント及び前記ガスアタッチメントは、前記トーチ本体の先端に、選択的に取り付けられるようになっている請求項１に記載の熱切断装置。
前記プラズマアタッチメントは、少なくとも電極(161)と、前記電極の先端部を囲うプラズマノズル(163)と、前記電極及び前記プラズマノズルを前記トーチ本体に固定するためのリテーナキャップ(166)とを有し、
前記ガスアタッチメントは、ガス切断火口(151)と前記ガス切断火口を前記トーチ本体に固定するためのリテーナキャップ(155)とを有する請求項２に記載の熱切断装置。
前記トーチ本体は、第１，第２，及び第３のガス通路(111,121,131)を有し、
前記トーチ本体に前記プラズマアタッチメントが取り付けられた場合は、前記トーチ本体の第１、第２及び第３のガス通路のうちの少なくとも一つの通路が、前記プラズマアタッチメントのプラズマガス通路、２次ガス通路、及び３次ガス通路に連通し、
前記トーチ本体に前記ガスアタッチメントが取り付けられた場合は、前記トーチ本体の第１、第２及び第３のガス通路のそれぞれが、前記ガスアタッチメントの切断ガス通路、燃料ガス通路、及び予熱酸素通路のうちのいずれか一つ、他の一つ、及び残りの一つにそれぞれ連通する請求項１に記載の熱切断装置。
前記トーチ本体に前記プラズマアタッチメントが装着されている場合に、パイロットアークを発生させるための高電圧を出力する高電圧回路(51)と、
前記トーチ本体に前記ガスアタッチメントが装着されている場合に、前記高電圧回路が前記ガス切断火口の近傍に高電圧を印加し、予熱炎を点火するための火花を発生させるような配線と、をさらに有する請求項１に記載の熱切断装置。
前記トーチ本体にガスを供給するガス供給源(64〜69)をさらに備え、
前記ガス供給源は、
前記トーチ本体に前記プラズマアタッチメントが取り付けられた場合、
第１のガス通路に酸素または窒素、第２のガス通路に空気、プロパン、及びプロパンと窒素の混合ガスのいずれか、第３のガス通路に酸素または窒素をそれぞれ供給し、
前記トーチ本体に前記ガスアタッチメントが取り付けられた場合、
第１のガス通路に酸素、第２のガス通路に燃料ガス、第３のガス通路に酸素をそれぞれ供給する請求項４に記載の熱切断装置。