移行式窒素プラズマジェット切断装置の特性

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移行式窒素プラズマジェット切断装置の矧生

Characteristics

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要

旨

移行式窒素プラズマジェット切断装置は陽極降下の熱を有効に切断に利用できるので,切断速度が早く切断 面がきれいで切断コストも低いなど利点が多く,高効率の切断が可能である｡このような特長を生かすように 研究を進め,安定したプラズマジェッナを発生するには,ガスの流れでアークを挟搾(きょうさく)するのが有 効であることを解明し,実用可能な装置を開発した｡ またガン損失率9∼12%,母材への熱移行率25%,プラズマの平均温度8,6000Kなどの特性を求め,切断能 力ほェソクルピに影響されることを示し,本装置を使用した場合の標準切断条件,切断コストを算出しプラズ マジェット切断が有利なことを示した｡

1.緒

日 直流アーク放電のアーク柱の回りをガスで冷却すると,サーマル ピンチ効果によりアークが狭搾され,アーク柱の電流密度が増し温 度が高まりプラズマが発生する.｡プラズマジェット装置はこのよう にして生じた高温のプラズマを小孔からジェットとして噴出させ, その熱を利用するものである｡これを切断に利用する場合,電気的 な接続から分類して非移行式と移行式の2種棋になる｡ 非移行式はタングステン製の陰極と小孔のある銅の陽極(ノズル) との問にアーク放電を起こし小孔から噴出するジェットを利用する 方式であり,移行式は陰極と被切断材(以下母材と呼ぶ)との間に アークを発生させジェットとともにアーク熱を利用する方式であ る｡移行式ほその使用法からもわかるように母材にも通電するので 金属に限られるが,母材側の陽極降下が溶融に作用するため熱をよ り有効に利用でき切断能力を高めることができる｡またノズルへ直 接大電流を流さないためガンの構造上にも利点がある｡ このような観点から窒素ガスを使用して切断コストが低く,しか も高効率の切断が可能な移行式プラズマジェット切断装置の研究を 行ない,国産椀としては初めて実用可能な装置を開発した｡ 以下移行式窒素プラズマジェット切断装置の概要と電気的特性, 熱力学特性,切断特性などの結果について述べる｡ なお本研究ほ昭和42年度通産省鉱工業技術試験研究補助金を受 けて行なったものである｡

2.装置の概要

プラズマジェット装置は図】の構成で,垂下特性の直流電源と高 周波発生装置,ガス制御装置,時間制御装置からなる制御箱および プラズマジェットを発生するガンが主体となる｡特に移行式の場合 にはガンのノズルから抵抗を介して直流電源の＋側端子へ接続し, ノズルへ流れる電流を小電流に制限している｡ 移行式プラズマジェットの発生iこはまずガスをガンへ流したの ち,電極とノズルの問に高周波電圧,直流電圧を印加し,この間に アーク放電を起こさせ小電流の非移行式のプラズマジェット(これ をパイロットアークと呼ぷ)を発生させる｡パイロットアークの電 流は比較的小さく,母材とノズルの問にほその間の抵抗により200 ∼300Vの電圧がかかる｡パイロットアークを母材に触れさせると プラズマジェットは導電性であるため陰極から母材へ電流が流れ, 付材との問の主アークへ移行L,大電流の強いプラズマジェットと なる｡このとき母材へ流れる電流を検出し,それカ＼ガス流量,電 * 日立製作所亀戸工場 ** 日立製作所亀戸工場工学博士 N2減拝弁 t転打立花 ｢▼￣￣￣￣￣▼￣￣｢ lJ ガス制御装置 ll L-｢-T----J ｢---+---｢ ll

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制御栢 】 図1 移行式プラズマジェット装置の構成

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”一 ノでノン 陰極 アーク 披切断柑 ガン 被切断柑 (母材) 図2 ダブルアークの説明図 流の増加や高周波電圧の遮断,台車の送行などの自動操作に必要な 信号として使用される｡ プラズマジェットの停止は切断終端で母材とガンが離れアークが 切れたとき,または停止スイッチを押したときに電源を切り,電極 の冷却後ガスを自動的に止める方法で行なわれ,高い無負荷電圧が ガンにかからないようになっている｡ 移行式プラズてジェットの問題点にダブルアークがある｡ダブル アークというのは放電が陰極から母材へ直接起こらず,図2に示す ように陰極からノズルへ放電しさらにノズルから母材へ放電する現 象をいい,移行時に起こりやすい｡ダブルアークが発生するとノズ ルが溶損するばかりでなく陰極の消耗を早め,さらにアークがガス により挟搾されなくなるために切断能力が落ち切断面も荒れるよう 亡･こなる｡ ダブルアークを防止するため条件を変えて種々実験した結果,ガ スの流れを改善することによりダブルアークが発生しなくなること がわかった｡またこのような構造のもとでは電極の寿命も長くなり, 実用上の効果が大きいことを確認した｡

ー38-移 行 式窒素

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切 断 装 置

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226V T 270A 1ms ｢ 10V

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_O.1ms 図5 _{切断時アーク電圧電流波形}

3.電気的特性

移行式プラズマジェットほ村村を陽極に使用するのでアーク発生 中は常にガンを移動させることになり,電気的特性も移動によって 影響を受ける｡ガン移動速度と電圧の関係ほ図3に,電流,ガス流 量,ノズル母材問距離と電圧との関係ほ図4に示すとおりである｡ ガン移動速度が大きくなるにつれてアーク電圧が低下しており, 移動速蛙の増加とともに陽極点が母材表面近くにくるためと考えら れる｡またガス流量の増加とともに電圧が高くなるのはアークの挟 搾性が強くなることを意味し,ノズル母材問の距離とともに電圧が 上昇するのはアーク柱の伸びに対応したものであり,伸びに対する 電位傾度は3.1V/mmである｡ アーク電圧･電流の波形は図5に示すとおりで,アーク電口三の変 動は陽極点の変動によると考えらJ′tるが,規則性はなく変動の範囲 も10V以￣Fである｡

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5R l ⊂⊃ 寸 † 10￠ 図6 水冷基板寸法 15 手10 ムト よ .＼ 心 5 250

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1E 涜300A ガス流量45し血in 移動速性900mm/血in 333 ⊃ 10 15 20 /て′し.けf子:邑指享狂:.mm 図4 プラズて条件とアーク電圧の関係

4.熱力学特性

移行式プラズてジェットはアーク放電を伴った高温高速の熱流で あるから,厳密に考えれば単純な熱流体として扱うことはできない が,電離度が小さいという条件のもとでは熱流体とLて考えても大 きな誤りほないと思う｡ 4.】ガン損失率と熱移行率 ガン損失ほ陰極部分の熱損失とノズ′レ部の熱損失の和で,全入力 に対する比がガン損失率であるから.冷却水の温度上昇を抑足し (1)式より算出する｡

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=(1) ここに,乃G:ガン損失率(%) J′:冷却水の温度上昇(℃) ヴ:冷却水流量(kg/旬 P:電 気 入 力(kW) C:冷却水の比熱 熱移行率ほ母材に伝わる熱量の全入力に対する割合である｡実際 の切断時の熱量を測定することは不可能であるから,図るに示す形 状の水冷基板を作り中心の穴にプラズマジェットを移行させ,この 基板の冷却水の温度_L昇を測定しガン損失率と同様に熱移行率を算 出した｡ 図7にガン損失率,図8に熱移行率の実験結果を示す｡いずれも 電気入力,ガス流量に関係なくほぼ一定の値を示Lている｡ 図9は水冷基板を使用したときの電圧電流波形を示したものであ る｡国5と図9を比較すると変動周期に差が見られるが,電圧の変 動幅に大きな差はなく切断持と同等と考えられる｡ 4.2 _{エンクルピ,平均温度,電離度} プラズマンェットへの入力は全電気入力からガン損失および陽極 損失を差し引いたものであるが,水冷基板を使用する測定法では陽 極損失のみを分離することばできないから,水冷基板への移行熱量 40

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334 アーク電圧 アーク電流 ア｢ク電圧 拡大波形 石一≡+し ㍉二こ∵T 昭和44年4月 二〓口 人間 許 立 _{第51巻 第4号} 波形拡大部分 ノ ズ _ル:2.8￠ ガ ス _N2:70J/min 図9 _{7iく冷基板使用時アーク電圧･電流波形}

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Ⅳ♪=孟一肌一恥‥‥……･…‥………･‥…=‥(2)

ここに,lγp:プラズマジェットへの入力(kcal/s) 取:ガ ン 損 失(kcal/s)

l彷:水冷基板への移行熱量(kcal/s)

エソクルピはプラズマジェットが熱平衡状態にある理想気体と考 えると,エネルギー収支つり合いの式からプラズマジェットへの入 力に等しく(3)式が成立する｡

一帖=7叫r)=輔c抑)dr…‥‥

…‥‥‥(3) ここに,′乃:質量流量(g/s) Cタ:定圧比熱 ゐ:エソクルピ(kcal/g) r:温 度 プラズマジェットの平均温度は(3)式によって求めたェンクルピ を伺いてエソクルピ･温変曲線から図式的に求められる｡ n nU n〓■ ハ〓■ 〓り■ ′り ▼+1一 l l 1 1■▲ -1 一一 ■ ‖U ■〓) ■【‥リ l 1 11 う.000 10.し)00 15.00-) !+‡ 亡K■ 団12 窒素ガスの電離度 ほ力1atm) 佗-ム ドラグライン:J 20,0(IO

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切桝強要が遅い場合 団13 切断面の測定寸法

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切断.竣度が早い場さ ガン損失率を9∼12%,熱移行率を25%としたときのエソタルピ および平均温度の結果を図10,図】lに示す｡ガス流量の少ないほ どェソクルピが大きく温度も高くなるので,実用上問題にならない 範囲でガス流量を減らすぼうが望ましいと言える｡ 電離度を求めるにほSaha氏の式を用い,窒素ガスの一価電離を 数値計算し図12のようにまとめておき,平均温度の結果から求め た｡ガス流量60J/minのとき40kWで2.3×10■4,80kWで3.4× 10】3となり電離はほとんど行なわれていない｡しかしこれは平均温 度から求めたものであり,実際ほプラズマジェットの中心部の温度 カニニれより高く局部的i･こ電離直の大きい所があると考えられる｡ 5.金属の切断特性 プラズマジニ･ソトの切断能力は電流,ガス流量,ノズル母材間距 離,水素ガス添加量などの要素に影響される｡これらの関係がどの ようになっているかドラグラインを測定して比較した｡また標準切 断条件を求めるため切断速度とドラグライン,切断面の憤斜,ドロ スの有無の関係を調べた｡ ドラグラインというのほ図13に示す切断面にできるすじをさす のであるが,この上端と下端の幅Jを測定する｡切断速度が遅くじ ゆうぷんに切断できる場合はほとんど垂直になっており,切断速度 を早めるに従い傾斜がつくようになる｡したがってドラグラインの 幅が′J､さければ切断能力に余裕があると言える｡切断面の傾斜は図 13に示す切断面に直角方向の切り落とされた上端と下端の寸法差 乃1′/2をとり,切断面の片側の平均の傾斜で示される｡ /寸材として厚さ20mmのステンレス鋼を使用した場合の電流,ガ ス流量,ノズル付材問距離,水素ガス添加量とドラグラインの関係 を示したのが図14である｡.電流の増加iこ対してはドラグラインが 短くなり切断能力カ;向上するカ㍉ ガス流量,ノズル田材間距離,水 素ガス添加量の増加に対しては逆に長くなり切断能力は械少する｡ 電流,ガス流量の変化によって切断能力カニ変わるのはエソクルピの

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1し)()いl ‥川 代 ごし) ･10 dJ 111Ill) ;.司16 結き盲Ii主切断速l生 変化と対応しており,ニン′トニビJ〕-J(きさがい-らこゴん と考えられる｡ さ0 していう 次に数憧の￣板寧に∴〕いて切断速度とドラプライン,切断耐レつ悼斜 の関係を示したしつが図15￣亡ある｡i卦卜む章針1･さ示した部分はドロス がほとんどつかない場ごナを示している｡ -弥こ金属の切断に当たって要求さわる甘唄はナ封j-の利用方法こ よっても共なるこさミ rl)ドロスが少ないこと｡ (2)面二〕ミ平滑-さぁること｡ (3)而しっ焼鈍〕ミ少な(直角に近いこ上｡ (.4)切キ)し′ろが小さいこと｡ (5.1切断速蜜が早いこと｡ (6)切断コストニラミ安いこと｡ ス7￣ン/ レス鋼 ア/レミ ニ ムム 銅 (プラズマジェット入力)60kW lOOkW ･二技りj斬村鮫厚) 30mm 50mlll 凶17 切 桝 血 の _例 二なごであるこ､ニレ7)ような条件のうち特に(､1)∼(3)の切断面の品質 こ重点を臥､て考えると,実験の紙用ではドラグラインが板厚の 30､40ヲ左になる切断速蜜を慄準にとるのが良いといえる｡同じよう ;二方法で数社の金属について求めた標準切断速度を図】るに,そのと きノ)切断jniの一例を図】7に示す｡ そのほか切断耐こついて観察Lた結果をまとめると次のとおりで Jキ〉/:JJ り_)切断佃 _{ステンレス弄臥 軟鋼,銅ほ平滑であるがアル} ミ;まややザラつく｡特に軟鋼はドラグラインがわからなくなるほ ごなふう土〕かになる｡切断速度が遅い場合には表面にかすがつくよ うになり,ザラザラLた面でドラグラインもわからなくなる｡ (2)ド ロ ス:1テンレス爵臥 アルミはつかない条件がある ノ〕■;,軟鋼,銅は必ずつ(,しかL標準条件ではつき方は少なくハ ブ離し-やすい｡一弥こ切断速度が早いほど大きくつく｡ し3.)切りしろ= 上端の￣寸法は60kWの場合6′､8mm,100 iくWの場合7-＼101--王Ⅵである｡切断速度か軌､場合に広くなる憤 】l†H;ある｡ (ヰ)水素ガスニ 涼加により向がなめらかになるがドロスがつ きヤすくなる｡また傾斜を少なくするには添加することが有効で J- ■■イ ､りQo プラズてジェット切断の域こナノ〕単位長当たりのランニングコスト はり)式で試めら二∼tる｡

♪=‡(蛸＋旦志?ユ＋i芯十叫･‥(4)

∼41-336 _{昭和44年4月} 衰1 プラズマジェット発生条件 ⊥こ

評

論

第51巻 第4号 60kW 窒 素 ガ ス α=0.076 0=45 100kW Q=55 電 プJ ∂=5 り=0.7 冷 却 水 C=12.5 工 _賃 d=10 l′=200 ′=300 1′=200 ∫=500 lγ=10 lγ=10 椚 耗 β=4 表2 粉 末 切 断 の 使用 粂 件 ＼､＼_､__ 板厚(mm) 単価､￣￣￣￣￣､､-＼ 0 3 nU 2 40 酸 素 ア _ーヒチ レ ン′ 鉄 粉 切 断 速 度 (g/min) りノmi皿) (kg/min) (mm/皿血) 0.05¥/J O.238¥/J 140¥/kg .7.17 00 7 ハU O 7 0 4 ハリ 20 ∩-U 4 0 0 1 7 .2.17 ここに,♪:切断コスト(¥/m) ぴ: (Z: 0: ∂: Ⅴ: 切断速度(m/min) ガス単価(¥/J) ガス流量(J/min) 電力料金(¥/kWH) アーク電圧(Ⅴ) プラズマジェットの発生条件を表1 J: り: C: Iγ: d: β: 電 流(A) 直流電源の効率 水道料金(¥/m3) 冷却水量(J/min) 工 _賃(¥/min) 消耗品費(¥/min) とした場合の切断コストは図 18に示すとおりである｡図には粉末切断の使用条件を表2とした場 合の切断コストも示してある｡ステソレス鋼の切断は速度が早いこ とからもプラズマ切断が粉末切断の15∼25%で有利であり,面がき れいなことから後処理の工数も少なくてよいことを考えれば,設備 費を考慮してもプラズマ切断が有利となる｡

d.結

口 移行式窒素プラズマジェット切断装置において,ガスの流れを改 善することによりダブルアークが発生せず,電極の消耗も少なくな り,実用上の効果が大きいことがわかった｡ また実験結果から次の結論を得た｡ (1)移行式プラズマジェットの場合ガン損失率は9∼12%,切 断に直接寄与する熱移行率は約25%である｡ (2)ガス流量の少ないほどェソクルピが大きく平均温度も高く なり,エソクルピ･温度曲線より求める平均温度は60// minのガス流量で80kWの電気入力の場合8,6000Kであ る｡ 5〔)0 (U ハU O nU ハリ O ハU nU O 【′ 一〇 3 〈∈.′一一 ↑宣三 20 11〕 r60いl■ ト:･: 較三;ニノ r､二巾 ｢-l￣ ニ

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i-1こJ云:. ′･l･ jl･｡ ￣丁▼ / 二_l￣-(1川)川 21) _′11､ IJ`'しmm 回18 切 断 コ _スト 6() 紬 (3)実験の範囲内では,切断能力は電流が大きいほど,ガス流 量が小さいほど強くなり,したがってェンクルピが切断台巨 力に関係していると言える｡. (4)標準切断速度はドラグラインの寸法が板厚の30∼40%に なる切断速度が適Lており,ステンレス板については60 kWの場合厚さ30mmで600mm/min,100kWの場合厚 さ50mmで500mm/minである｡ (5)ステンレス鋼の場合プラズマ切断のコストは粉末切断の15 ∼25%でプラズて切断か有利である｡ 以上のように性能のすぐれている本装置は,今後非鉄金属関係の 切断作業にも活用されることが期待される｡なお,昭和43年度も通 産省補助金を受け,高能率切断の大容量プラズマジェット装置につ き,引き続き研究を行なっている｡ 1 2 3 4 参 考 文 献 J.A.Browning:WeldingJ.,43,275(Apri11964_) R.L.0'Brien:WeldingJ.,43,1015(Dec.1964) G.R.Spies:Weldi咽J.,44,815(Oct.1965)

A.B.Cambel: Plasma Physics _and

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