プラズマ切断：動作原理、材料、利点、限界について解説
プラズマ切断のコンセプトは至ってシンプルです。超高温のイオン化ガス流を用いて、選択した導電性金属を溶かし、切断部分を分離します。
他の切断方法と比較して、プラズマ切断は導電性金属にとって経済的で便利なようです。この記事を読んで、このプラズマ切断技術について詳しく学んでください。
プラズマ切断：簡単な紹介
物質の4番目の基本状態をご存知ですか？はい、プラズマです。
プラズマを、単純な気体、固体、液体といった定義で結びつけることはできません。プラズマとは、電気伝導性のあるイオン化ガスからなる特殊な物質です。
ガスを過熱プラズマに変換することは確かに可能です。ただし、そのためには強力な熱源と電気エネルギーが必要になります。
加熱された電気状態では、ガス分子は激しく振動し、電子の中性を失います。こうして、イオン化されたガス、つまりプラズマが形成されます。
プラズマ切断技術は、この過熱されたイオン化ガスを利用して電気アークを発生させます。このアークは材料を瞬時に溶かして切断することができます。
イオン化されたガスがどのようにして物質を溶かして分離できるのか疑問に思っていませんか?
そうですか、プラズマ トーチの温度は最高 40,000˚ F に達するのに、太陽の表面温度はわずか 10,000˚ F です。これで計算できるようになりました!
図：プラズマ切断技術
プラズマ切断の種類
プラズマ切断技術は主に2つのカテゴリーに分けられます。例えば、
1. 従来のプラズマ切断システム
このシステムでは、周囲の空気をプラズマアークとして利用します。従来のプラズマ切断では切断精度が低下します。このシステムは、許容差の小さい材料にのみ適しています。
2. 精密プラズマ切断システム
このプラズマ切断システムでは、圧縮酸素、窒素、水素、アルゴン、または複数のガスの混合ガスが使用されます。この技術により、幅広い材料を優れた精度で切断できます。
図：精密プラズマ切断
プラズマ切断技術はさらに2つのタイプに分類できます。例えば、
1. 高周波接触
このシステムでは、ノズルとワークピースの直接接触によってプラズマアークが発生します。通常、高周波接触型プラズマカッターは約38mmの厚さの材料を切断できます。この高速プロセスは、産業界できれいな切断面を得るために利用されています。
2. パイロットアーク
ここでは、ノズルとワークピースは直接接触しません。代わりに、高電圧電流を印加することで、電極からワークピースへアークを発生させます。このアークによってガスがイオン化され、プラズマ流に変換されます。このプラズマ流によって材料が溶融・切断されます。
プラズマ切断はどのように機能しますか?
簡単に言えば、過熱プラズマが標的部位の材料を溶かし、その後、この高速流が溶融材料を吹き飛ばし、きれいな切断面を残します。
しかし、この正確なカットをどうやって実現するのでしょうか?
プラズマ切断システムを分解すると、3つの主要コンポーネントがあります。例えば、
- 電源
- プラズマトーチ
- ワークピース
電源を入れると、電極トーチからワークピースへ高電圧の電気アークが発生します。同時に、圧縮空気が電極を囲むノズルから送り出されます。
前述のように、電力は気体分子の電子を剥ぎ取り、その流れを高温プラズマに変換します。このプラズマは、鋼、真鍮、銅、アルミニウムなどの材料を切断するのに十分な温度を生成します。
図：プラズマ切断の動作原理
プラズマ切断機の主要部品
プラズマ切断システムを完成させるには複数の要素が必要になります。
1. 電源
地上設置型電源はプラズマカッターの電源であり、200～400ボルトの一定の直流電圧を供給します。
2. Arc起動コンソール
ASC はプラズマアークを発生させる火花を生成する役割を果たします。
3. ガスコンソール
このコンソールは、プラズマ生成と切断に必要な供給ガスの流量と圧力を制御します。また、プラズマの適切な機能を確保し、トーチノズル内のガスをシールドします。必要に応じて、プラズマ切断システムにエアコンプレッサーを追加できます。
4. プラズマトーチ
金属プラズマカッタートーチは、溶接トーチと同様に、手持ち式または据え置き式です。トーチヘッド、電極、ノズル、スワールプレートで構成されています。ニードルとノズルは、自然摩耗により頻繁に交換されます。
5. 冷却システム
トーチ部品の過熱を防ぐため、冷却システムを設置することをお勧めします。この冷却システムは、カッタートーチ本体と消耗部品を水または空気で冷却します。
図：プラズマカッターシステム
プラズマ切断プロセスのプロセスパラメータ
プラズマ切断の品質と仕上がりは、以下のパラメータで制御できます。
1. ガス流量
プラズマガス流量はアークの安定性と効率に影響を与えます。ガス流量を調整することで、切断形状と品質を選択できます。
2. アーク電流
プラズマの強度、切断速度、そして加工能力は、アーク電流値と直接関係しています。アーク電流値が高いほど発熱量が増加し、切断速度が速くなります。アーク電流値が低いと切断速度は遅くなりますが、精密切断に適しています。
3. 切断速度
切断速度とは、金属プラズマカッターのトーチがワークピース上を移動する速度です。切断速度が速すぎると、切断面が不均一になり、エッジが粗くなります。また、切断速度が遅いと、入熱による変形につながる可能性があります。
4. アーク電圧
プラズマアーク両端の電位差です。この電圧値はアークの安定性と長さに影響を与え、ひいては切断品質を決定づけます。
5. ガスの種類と圧力
ガスの種類と圧力の選択は、切断品質とドロス発生量を決定づける要因となります。ガス圧を高く設定することは、切断効率の向上にのみ有利となる場合があります。
6. ノズルのサイズと形状
作業内容に応じて、微細カット、ベベルカット、ガウジングなど、様々なノズルを使用できます。ノズルのサイズと形状によって、アーク長とガス流量が決まります。
7. 材料の厚さと種類
材料の厚みが増すと、アーク電流が増加し、切断速度が低下し、ノズルオリフィスサイズが大きくなります。さらに、材料によっては、きれいな切断面と無駄の削減のために、特定のガスの種類やカーフカット手法が必要となる場合があります。
プラズマ切断に適した材料
プラズマ切断は主に導電性金属の切断に使用されます。以下に、一般的な金属とその用途をまとめます。
| 金属 | 対象業界 |
| 鋼、軟鋼、ステンレス鋼 | 自動車、食品、医療 |
| 鋳鉄 | 自動車および建設 |
| アルミニウム | 航空宇宙および自動車 |
| 銅 | 電気 |
| 真鍮 | 建築と装飾 |
| チタン | 航空宇宙および医療 |
図：プラズマ切断用導電性材料
プラズマ切断システムで使用されるガス
プラズマ切断操作を実行するには、特定のガスのみを使用できます。
| ガス | 金属との互換性 | コメント |
| 圧縮空気 | 軟鋼、ステンレス鋼、アルミニウム | 高品質のカットと経済性 |
| 酸素 | 軟鋼 | 1インチ以上の金属を切断可能 |
| 窒素 | ステンレス鋼とアルミニウム | 高品質なカット |
| アルゴン/水素 | ステンレス鋼とアルミニウム | 1/2インチ以上の金属を切断可能 |
プラズマ切断の利点
プラズマ切断の大きな利点は、導電性金属を切断できることです。最大50mmの厚さの金属でも、正確で高品質な切断が可能です。いくつかの調整を加えることで、厚さの制限を150mmまで引き上げることが可能です。
プラズマ切断では、ワークピースに小さな熱影響部（HAZ）が生じます。ただし、クーラントを使用することで、その影響の程度をコントロールすることができます。
プラズマ切断は他の切断技術よりも安価で高速です。CNCプラズマ切断システムを導入することで、切断品質と仕上げ品質を向上させることができます。
図：プラズマ切断の利点
プラズマ切断の限界
プラズマ切断の利点は魅力的に見えますが、欠点もいくつかあります。この切断技術を選択する前に、両方の側面を考慮する必要があります。主な欠点は次のとおりです。
- 薄いシートや板の場合、正確な切断はできません。
- プラズマカッターは導電性金属にのみ対応しています。つまり、ポリマー、ガラス、セラミックなどの非導電性材料をプラズマ切断技術で加工することはできません。
- プラズマ切断は、必ずしも精密加工の基準を満たすとは限りません。複雑な形状の場合、スラグ、残留スクラップ、または粗いエッジが残る可能性があります。
プラズマ切断、レーザー切断、ウォータージェット切断の比較
プラズマ切断は主にレーザー切断と比較され、 ウォータージェット切断以下にプラズマ切断とレーザー切断とウォータージェット切断の比較表があります。
| 特徴 | プラズマ切断 | レーザー切断 | ウォータージェット切断 |
| 設置コスト | 安い | 高い | 高い |
| 切削深さ | <3.15インチ | < 0.98インチ | 最大12インチ |
| 非金属材料の切断 | いいえ | はい | はい |
| 切断品質 | 良い | 素晴らしい | 素晴らしい |
| 切断速度 | 非常に速い | 速い | 遅い |
| 許容範囲 | ±0.02～±0.1インチ | ±0.002～±0.01インチ | ±0.001～±0.005インチ |
結論
プラズマ切断技術は、他の切断工程に比べて比較的シンプルで安価です。迅速な回転と高品質な大量生産を実現します。
プラズマ切断は適しており、中程度の厚さの金属であれば正確な切断を保証します。製品に最高の精度を求める場合は、ウォータージェット切断など、他の切断オプションをご検討ください。
製品用の金属加工ソリューションについては、Tuling までお問い合わせください。
