等离子切割装置的制作方法

专利名称:等离子切割装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对不锈钢进行切割的等离子切割方法和实施该方法对不锈钢进行切割的等离子切割装置。
背景技术：
在不锈钢的等离子切割中，不锈钢中含有的铬在切割过程中被氧化，该铬氧化物由于其流动性差的缘故而附着在切割面上，使切割面的品质降低。作为此问题的对策，如下所述的关于等离子气体和辅助气体的组成的现有技术已公知。第一现有技术使用氮或者空气作为等离子气体，使用甲烷或者甲烷与空气的混合气作为辅助气体(专利文献1)。此外，第二现有技术使用空气或者空气与氮的混合气作为等离子气体，使用氢、或者含有氢的混合气、或者碳化氢气体作为辅助气体(专利文献2)。
专利文献1美国专利第5,414,236号公报专利文献2特开平9-295156号公报
发明内容
发明要解决的课题在上述第一现有技术中，作为辅助气体使用的甲烷或者甲烷与空气的混合气，由于甲烷具有的还原性从而可以起到防止切割面氧化的效果。然而，由于甲烷的比重比空气轻，在将甲烷作为保护气体提供到等离子弧周围的情况下，可能易受到外部气流或者风的影响，此外，甲烷气体易于扩散，可能影响切割的不锈钢上的保护效果。
在第二现有技术中，通过使用氢、或者含有氢的混合气、或者碳化氢气体作为辅助气体，由于它们的还原性可以起到抑制切割面氧化的效果。然而，由于氢的比重比空气轻，在将氢、或者含有氢的混合气作为保护气体提供到等离子弧周围的情况下，可能易受到外部气流或者风的影响，此外，氢易于扩散，可能影响切割的不锈钢上的保护效果。实际上，根据发明人实施的测试，当在切割面上部分地附着有铬氧化物时，难以获得非常良好的未氧化切割面。在市场中，在产品的切割面上只要稍微附着有铬氧化物，则该产品的价值将大幅降低。为此，人们强烈希望开发出优于上述现有技术的、可以获得良好的未氧化切割面的技术。
而且，在许多等离子切割工厂中，不仅要进行不锈钢的切割，而且还要进行软钢的切割。与不锈钢不同，在软钢的切割中，优选地需要使其积极氧化(燃烧)并将该氧化热有效用于切割，因此，大多使用氧气。然而，在这种使用氧气的工厂中，用户方强烈要求极力避免使用氢气。因此，使用氢气、或者其混合气作为辅助气体的现有技术难以实用。
此外，在由第二现有技术提出的使用碳化氢气体作为保护气体的情况下，存在以下严重的问题，即切割时产生的熔融金属的流动性变差，该熔融金属将附着在产品的背面。
因此，本发明的目的在于提供对不锈钢进行切割以获得良好品质的等离子切割装置，以及使用等离子切割装置的切割方法。另外，本发明进一步的目的将从后述实施方式的记载中变得更加明显。
解决课题的方法本发明所述的等离子切割装置，包括控制装置，对供气动作进行控制；供气装置，根据来自控制装置的指令，将惰性气体作为从等离子喷枪的喷嘴作为等离子弧喷出的等离子气体、将比重比空气重且具有还原性的可燃气体或者该可燃气体与惰性气体的混合气作为保护等离子弧免受外气影响的辅助气体，提供给等离子喷枪。根据本发明的等离子切割装置，由于等离子气体为惰性气体，其自身不会成为切割面氧化的因素，而且，通过比重比空气重且具有还原性的可燃气体或者该可燃气体与惰性气体的混合气的辅助气体的还原作用和保护作用，可以有效地防止切割面的氧化和有效地进行还原。与这种等离子气体和辅助气体的作用相结合，可以获得较高的切割品质。
在优选的实施方式中，作为等离子气体使用的惰性气体可以采用氮气。此外，比重比空气重且具有还原性的可燃气体可以采用丙烷。辅助气体可以采用氮和丙烷的混合气。
在优选实施方式中，控制装置对供气装置进行控制，以在一系列的预送气区间、等离子弧产生区间和续送气区间中，在等离子弧产生区间将可燃气体提供给等离子喷枪，在预送气区间或者续送气区间中不向等离子喷枪提供可燃气体。因此，作为辅助气体使用的可燃气体将不会在未燃烧的状态下大量向外部排出。
在优选实施方式中，供气装置包括等离子气体管路，向等离子喷枪提供等离子气体；以及辅助气体管路，向等离子喷枪提供辅助气体。辅助气体管路在等离子喷枪附近与提供可燃气体的可燃气体管路和提供惰性气体的惰性气体管路的汇流的汇流点连接。而且，在可燃气体管路中，在汇流点附近设有气流控制装置，以根据来自上述控制装置的指令控制可燃气体的流动。通过此结构，如上所述，在等离子弧产生区间提供可燃气体而在预送气区间或续送气区间不提供可燃气体的气流控制可以及时进行，而不会耽误太多时间。
本发明的另一方面所述的等离子切割方法包括以下步骤将惰性气体作为等离子气体提供给等离子喷枪；将比重比空气重且具有还原性的可燃气体或者该可燃气体与惰性气体的混合气作为辅助气体提供给等离子喷枪。
发明效果根据本发明的等离子切割装置以及方法，可以在不锈钢的等离子切割中获得良好的切割品质。
图1是本发明的一个实施方式所述的等离子切割装置的大致结构图；图2所示的是供气过程中的等离子气体、以及辅助气体中的氮气和丙烷气体的供给顺序的一个例子的时序图。
附图标记说明2 等离子喷枪 4 电极 6 喷嘴 8 喷嘴盖10 等离子气体通道 12 辅助气体通道 14 等离子弧16 被切割材料 18 等离子气体管路 20 辅助气体管路50 控制装置 60 氮源 70 氮源80 丙烷源 90 汇流点具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。如下所述，本实施方式通过使用惰性气体例如氮作为等离子气体，使用比重比空气重且具有还原性的可燃气体或者该可燃气体与惰性气体的混合气例如氮与丙烷的混合气作为辅助气体，从而可以对不锈钢进行切割以获得良好的品质。
图1是本发明的一个实施方式所述的等离子切割装置的大致结构图。
如图1所示，等离子喷枪2整体呈多重圆筒形，其中心位置具有电极4，喷嘴6围绕在该电极4的外侧，喷嘴盖8围绕在该喷嘴6的外侧。供气系统17连接到等离子喷枪2。
供气系统17包括等离子气体管路18，以将等离子气体提供给等离子喷枪2；以及辅助气体管路20，以将辅助气体提供给等离子喷枪2。等离子气体管路18连接到氮源(例如氮储气瓶)60。辅助气体管路20在等离子喷枪2附近的位置，与提供氮气的氮气管路22和提供丙烷气体的丙烷气体管路24汇流的汇流点90连接。氮气管路22连接到氮源(例如氮储气瓶)70(既可以与上述等离子气体用的氮源60相同，也可以不同)。在等离子气体管路18中设有电磁阀30，以使等离子气体的供给开始和停止，在氮气管路20中设有电磁阀32，以使构成辅助气体的氮气的供给开始和停止，在丙烷气体管路24中设有电磁阀34，以使构成辅助气体的丙烷气体的供给开始和停止。在丙烷气体管路24的电磁阀34与汇流点90之间设有逆止阀26，以防止氮流入丙烷的管路中。丙烷管路24上的电磁阀34和逆止阀26这种用于控制丙烷气体流动的机构设置在汇流点90的附近。
供气系统17与用于控制其供气动作的控制装置50相连接。在由一系列的预送气(プロフロ一)区间、等离子弧产生区间和续送气(アフタ一フロ一)区间组成的喷枪驱动用的供气过程中，控制装置50按照后面参照图2所说明的顺序对上述电磁阀30、32、34进行开闭控制。
等离子喷枪2在电极4与喷嘴6之间形成有等离子气体通道10。根据控制装置50的指令，电磁阀30打开，等离子气体(氮气)从氮源60出发，流过等离子气体管路18提供给等离子喷枪2的等离子气体通道10。此外，在等离子喷枪2的喷嘴6与喷嘴盖8之间形成有辅助气体通道12。根据控制装置50的指令，电磁阀32和电磁阀34打开，从氮源70出发、流过氮气管路22的氮气与从丙烷源80出发、流过丙烷气体管路24的丙烷气体在汇流点90汇流并生成辅助气体(氮气与丙烷气体的混合气)，然后，通过辅助气体管路20提供给等离子喷枪2的辅助气体通道12(如后所述，在预送气区间和续送气区间中，辅助气体仅为氮气而不包含丙烷气体)。
喷嘴6为具有最细的气体喷出口的部件，以限制等离子弧14并对由喷嘴6的上游侧提供的等离子气体进行节流。然后，从该气体喷出口喷出的等离子气体由于电极4与前方的被切割材料16之间的电弧放电而被等离子化，形成被节流成足够细的高速射流的等离子弧14，并向前方的被切割材料(不锈钢)16喷出。通过等离子弧14来切割不锈钢。
另一方面，喷嘴盖8位于上述喷嘴6的下游侧，且具有半径大于喷嘴6的气体喷出口的气体喷出口，是使从喷嘴盖8与喷嘴6之间的辅助气体通道12流出的辅助气体喷到等离子弧14的周围的部件。而且，从该辅助气体通道12喷出的辅助气体未被等离子化，并包围等离子弧14。在等离子弧14对不锈钢进行切割时，辅助气体所起的作用是保护等离子弧14免受外气的影响，从而不使来自外部的风或气流对等离子弧14产生影响。此外，通过辅助气体中含有的还原能力强的丙烷气体的还原作用，还可以防止被等离子弧14切割的不锈钢氧化并起到还原作用。
因此，是否切割面未氧化是不锈钢切割品质方面所重视的特性之一。这一点可以以目测的方式从所观察的切割面的颜色和金属光泽来判断。如果切割面呈无色彩和暗纹的银白色且具有充分的金属光泽(即，如果不锈钢的原料金属完全露出)，则可以判断这是良好的未氧化切割面。只要切割面的一部分稍微附着有灰暗的淡颜色(即，附着有细微的铬氧化物)，则不锈钢切割产品的价值将大幅降低。对该切割品质影响较大的因素之一是作为等离子气体和辅助气体而使用的气体的种类。
接下来从切割品质的角度，对在本实施方式的等离子切割装置中使用的气体的组成进行详细说明。
使用不含有氧的惰性气体例如实质的体积浓度(摩尔浓度)为100％的氮作为等离子气体。如果使用含有氧的气体(例如空气或氧与其他气体的混合气)，则将抵销辅助气体的还原性，从而难以获得未氧化切割面。对此，如果使用实质的体积浓度为100％的纯惰性气体例如氮气，则由于不会抵销辅助气体的还原性，因此易于获得未氧化切割面。根据该原理，除氮以外的惰性气体例如氩等也可以作为等离子气体使用。氮与氩相比，等离子弧的热量大且切割力高的氮更优秀。这样，双原子分子的氮等离子化时的热容量大于单原子分子的氩。
此外，使用比重比惰性气体和空气重且具有还原性的可燃气体或者该可燃气体与惰性气体的混合气例如氮与丙烷的混合气作为辅助气体。优选辅助气体中丙烷的体积浓度(摩尔浓度)在50％以下，例如可以采用20％或30％左右。丙烷的体积浓度越高，越容易产生如下问题，即熔融金属的流动性差而附着在产品的内侧。为了解决该问题，优选采用上述浓度。根据发明人的研究，在各种还原性气体中，丙烷气体被确定为最适合作为包含在不锈钢等离子切割的辅助气体中的气体。其理由是，根据发明人的实验，使用上述组成的等离子气体和辅助气体的组合，在实际实施不锈钢的等离子切割时，从切割面的目测观察结果可以判断能够获得非常良好的未氧化切割面。另一方面，在发明人的实验中，在使用其他还原性气体例如氢气来代替丙烷时，从切割面的目测观察结果看，有时切割面上附着有若干灰暗的淡颜色，从而可以判断出没有获得使用丙烷气体时的良好的未氧化切割面。以下将对这种通过使用丙烷气体能够获得良好的未氧化切割面的理由进行推测。
第一、丙烷与前述现有技术中提出的氢或碳化氢的甲烷或乙烷相比，由于含有更多的氢原子，因此可以推测出其能防止切割后的切割面的氧化而且进行还原的还原作用更强。
第二、由于丙烷的比重比空气重(是空气的1.5倍)，从而可以推测出，与比空气轻的氢和甲烷或者比重与空气基本相同的乙烷相比，丙烷能防止等离子弧14受外部气流或风的影响等，并且对外部空气的氧侵入切割位置的防护能力更高。在比重比空气轻的气体的情况下，气体易于扩散，并且易于受到风或气流的影响，利用还原性的等离子弧14以及切割面的保护效果也易于降低。相反，比重比空气重的丙烷由于更难以扩散，从而易于维持良好的保护效果。
第三、丙烷为不会在辅助气体的供给压力下液化的气体。也就是说，仅从在碳化氢中含有较多氢原子且比重比空气重的气体的观点来看，含有更多氢原子且比重比空气重的丁烷或具有更大分子量的其他碳化氢气体要优于丙烷。然而，为了将辅助气体提供给等离子喷枪2，通常，表压力最低也必须为1～2kg/cm2(绝对压力为2～3kg/cm2)的供气压力。然而，由于丁烷25℃时的蒸气压为1.8kg/cm2，因此在辅助气体的供给压力下会液化而不能作为气体提供。分子量更大的其他碳化氢气体由于蒸气压更低且易于液化，因此不能作为辅助气体使用。对此，由于丙烷25℃时的蒸气压为8.5kg/cm2，因此在上述辅助气体的供给压力下完全可以作为气体提供。
而且，与其他还原性气体相比，丙烷还具有以下优点。即，若与氢相比，丙烷可以作为LPG(液化石油气)例如用在煤气炉等上，安全性和获取性而且经济性优秀。此外，上述丁烷的获取性比丙烷差。而且，如上所述，由于为获得良好的未氧化切割面所需的丙烷的浓度不高(据推测，这或许要归功于丙烷具有较强的还原性)，在这一点上是经济的。
由于以上的原因，通过使用氮和丙烷的混合气作为辅助气体，而且，通过将其与使用惰性气体的等离子气体组合，从而易于获得具有金属光泽的银白色的良好未氧化切割面。另外，作为LPG流动的丙烷不是十分纯粹的丙烷，含有少量的丁烷，但这种情况实际上不是问题，因而LPG可以作为本发明所称的丙烷使用。
此外，使用氮作为辅助气体的理由与等离子气体相同，由于是不含氧的惰性气体，因此其自身不会带来切割面的氧化。根据该观点，也可以采用除氮以外的惰性气体例如氩等。
因此，在上述供气系统17中，即使在汇流点90上游侧的氮(惰性气体)管路22的压力高于丙烷(可燃气体)管路24的压力的状态下，逆止阀26也可以防止氮气(惰性气体)流入丙烷(可燃气体)管路24中。
图2所示的是在由预送气区间、等离子弧产生区间和续送气区间的一系列区间组成的等离子切割用的供气过程中，根据来自控制装置50的指令由供气系统17实行的各气体供给顺序图。
如图2所示，供气的时机因各自气体的不同而不同。
控制装置50中在开始信号产生的同时，根据来自控制装置50的指令，电磁阀30和电磁阀32被打开，作为等离子气体的氮气和辅助气体中的氮气开始提供给等离子喷枪2。在此时间点，等离子弧14尚未点燃。弧点燃前的供气动作称为预送气，其在从电磁阀30、32打开起至等离子喷枪2中的气体流动稳定成预定值之间(例如1～数秒左右)进行。在预送气区间中，辅助气体中的丙烷气体不提供给等离子喷枪2。其理由是为了防止未燃烧的丙烷气体大量地排到工厂中。
在预定的预送气区间结束的时间点，图中未示出的等离子电源开始动作并点燃等离子弧14。在检测到等离子弧14产生(可以根据等离子电源中流动的等离子电流的大小或者等离子电源施加到电极4与被切割材料16之间的等离子弧电压等来检测)的同时，根据来自控制装置50的指令，电磁阀34被打开，开始提供辅助气体中的丙烷。然后，在等离子弧14继续产生的区间(等离子弧产生区间中)，连续提供作为等离子气体的氮和作为辅助气体的氮与丙烷的混合气，以进行被切割材料16的穿孔和切割等热加工。因此，如上所述，如图1所示，由于电磁阀34设置在汇流点90附近，汇流点90设置在等离子喷枪2的附近(即，由于从电磁阀34至等离子喷枪2的气体管路短)，因此丙烷的供给从等离子弧14产生起及时地开始，基本不存在延迟的问题。
等离子弧产生区间中，丙烷通过与高温的等离子弧14和被切割材料16上形成的高温切割面接触从而燃烧，通过其还原作用和保护作用有利于形成良好的未氧化切割面。此时，未燃烧的丙烷几乎不排到工厂中。
等离子弧产生区间结束时(热加工结束时)，来自等离子电源的等离子电流停止，等离子弧14消失，在检测到等离子弧14消失的同时，通过控制装置50关闭电磁阀34，停止提供辅助气体中的丙烷气体。然后，进行被称为续送气的动作，为此只进行等离子气体的氮和辅助气体中的氮的供给。续送气区间为从等离子弧消失起至最后的切割位置冷却到不能被氧化的程度所需的时间(例如1～数秒左右)。即使在续送气区间，由于丙烷气体的供给停止，因此未燃烧的丙烷气体也不会排到工厂中。在预定的续送气区间结束的时间点，开始信号消失，根据来自控制装置50的指令，电磁阀30和电磁阀32被关闭，等离子气体的氮和辅助气体中的氮的供给停止。因此，如上所述，如图1所示，由于电磁阀34设置在汇流点90附近，汇流点90设置在等离子喷枪2的附近(即，由于从电磁阀34至等离子喷枪2的气体管路短)，因此丙烷的供给从等离子弧14消失起及时地开始，基本不存在延迟的问题。
在续送气区间开始的时间点，在从图1所示的汇流点90起的等离子喷枪2侧的辅助气体管路20中残留有丙烷与氮的混合气。然而，如上所述，由于汇流点90位于等离子喷枪2的附近(因而辅助气体管路20短，其中的气体量较小)，因此由于续送气而残留的丙烷全部从等离子喷枪2排到外部空气中，除电磁阀34上游侧的丙烷管路24以外，丙烷不残留。此时排出的丙烷量少而不是问题。
于是，上述结构的等离子切割装置不仅可以用于切割不锈钢，也可以用于切割软钢。在此情况下，例如，图1所示的供气系统17的氮管路32可以作为提供辅助气体的助燃气体的空气或氧的管路使用。如上所述，除不锈钢切割时以外，由于辅助气体管路20中不残留丙烷(可燃气体)，因此助燃气体即使流入氮管路32也没有妨碍。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是这些实施方式只不过是用于说明本发明的例子，并不意味将本发明的范围只限定在这些实施方式内。因此，本发明也可以用除上述实施方式以外的各种形式实施。
权利要求
1.等离子切割装置，用于切割不锈钢，其特征在于，包括控制装置(50)，对供气动作进行控制；供气装置(17)，根据来自所述控制装置(50)的指令，将惰性气体作为从等离子喷枪(6)的喷嘴作为等离子弧喷出的等离子气体、将比重比空气重且具有还原性的可燃气体或者所述可燃气体与惰性气体的混合气作为保护所述等离子弧免受外气影响的辅助气体，提供给所述等离子喷枪(6)。
2.如权利要求
1所述的等离子切割装置，其特征在于，所述比重比空气重且具有还原性的可燃气体为丙烷。
3.如权利要求
1所述的等离子切割装置，其特征在于，作为所述等离子气体使用的所述惰性气体为氮。
4.如权利要求
1所述的等离子切割装置，其特征在于，所述辅助气体为氮与丙烷的混合气。
5.如权利要求
1所述的等离子切割装置，其特征在于，所述控制装置(50)对所述供气装置进行控制，以在预送气区间、等离子弧产生区间和续送气区间的一系列区间中，在所述等离子弧产生区间将所述可燃气体提供给所述等离子喷枪，在所述预送气区间或者所述续送气区间中不向所述等离子喷枪提供所述可燃气体。
6.如权利要求
5所述的等离子切割装置，其特征在于，所述供气装置(17)包括等离子气体管路(18)，向所述等离子喷枪提供所述等离子气体；以及辅助气体管路(20)，向所述等离子喷枪提供所述辅助气体，所述辅助气体管路(20)在所述等离子喷枪附近与提供所述可燃气体的可燃气体管路(24)和提供所述惰性气体的惰性气体管路(22)的汇流的汇流点(90)连接，在所述可燃气体管路(24)中，在所述汇流点(90)附近设有气流控制装置(34)，以根据来自所述控制装置(50)的指令控制所述可燃气体的流动。
7.等离子切割方法，适用于不锈钢的切割，其特征在于，所述方法包括以下步骤将惰性气体作为等离子气体提供给等离子喷枪(6)；将比重比空气重且具有还原性的可燃气体或者所述可燃气体与惰性气体的混合气作为辅助气体提供给所述等离子喷枪(6)。
专利摘要
等离子切割装置，能够切割不锈钢从而获得良好的品质。其中，将惰性气体(氮)作为等离子气体、将比重比空气重且具有还原性的可燃气体(丙烷)或者所述可燃气体(丙烷)与惰性气体(氮)的混合气作为辅助气体，提供给等离子喷枪(6)。辅助气体中的可燃气体(丙烷)只在等离子弧产生区间中提供，而在预送气区间和续送气区间中不提供。
文档编号B23K103/04GK1993198SQ200580021487
公开日2007年7月4日 申请日期2005年6月2日
发明者山口义博, 藏冈一浩 申请人:小松产机株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan