プラズマ切断とは何か
これは、イオン化されたガスを20,000度以上に加熱して金属材料を溶かす金属加工プロセスです。このガスは高圧で噴出され、材料を溶かし切断部分から材料を除去します。
このプロセスは、ステンレス鋼、銅、アルミニウムなどの電気伝導性のある材料にのみ有効であることに注意が必要です。言い換えれば、プラズマ切断は石、紙、ガラスなどの電気伝導性の低い材料を切断できません。
この技術は、厚い金属を切断する際のコスト効率において他に類を見ません。さらに、多用途であり、工具のメンテナンスコストが低いです。また、高い切断精度を持ち、複雑な形状の部品切断に最適です。
プラズマ切断とは何かを簡単に理解したところで、その歴史について少し見てみましょう。
プラズマ切断の歴史
プラズマ切断のプロセスは1957年から存在しています。これはGTAW（ガスタングステンアーク溶接）プロセスの延長として始まりました。当初の主な用途は、厚さが半インチから6インチの鋼板やアルミニウム板の切断でした。
この時代のプラズマ切断機は予測不可能で、現代の切断機にあるような精度が欠けていました。また、使用される電極やノズルはプロセス中の熱によりすぐに破損しました。頻繁なノズルや電極の交換により、この時代のプラズマ切断は高価でした。
1960年代後半
しかし、1960年代後半から1970年代初頭にかけて、技術者たちが二重流量トーチを開発し、この技術は飛躍的な進歩を遂げました。このトーチは電極とノズルの寿命を延ばし、切断の品質と精度を向上させました。
1970年代
1970年代には、技術者たちは切断プロセス中に発生する煙や蒸気を制御するために水マフラーとテーブルを導入しました。また、アークの精度を向上させる優れたノズルも設計し、オペレーターや機械工が微調整できるようにしました。
1980年代
1980年代は技術者たちにとって実験の時代であり、酸素ベースのプラズマ切断機などの新機能を設計・実装しました。これにより、電力レベルを変化させて切断制御が向上しました。また、プラズマ切断ユニットの携帯性にも注力し、より人間工学的な設計となりました。
1990年代から現在まで
1990年代には、耐久性のある酸素プロセスの採用により高精細プラズマ切断機が市場に登場しました。これらの耐久性のある酸素プロセスと新しいノズルシステムの組み合わせにより、この時代のプラズマ切断機は以前のものの4倍のエネルギー密度を実現しました。
1990年代から現在にかけて、技術者たちは電力オプションと制御、効率の向上に注力しています。また、プラズマ切断機の精度も向上し、現在のモデルはより鋭いエッジと正確な切断を提供しています。携帯性と自動化も大きく改善され、より多くのハンドヘルドユニットが流通しています。
プラズマ切断の進化を理解したところで、次にその仕組みを見てみましょう。
プラズマ切断の仕組み
その プラズマ切断 プロセスは、機械的な切断の代わりに熱を使って金属を溶かすことを含みます。プラズマ切断機は、ガスに電気アークを送ることで動作します。このガスは狭まった開口部（ノズル）を通過します。狭まった開口部によりガスが高速で押し出され、プラズマが形成されます。ワークピースを切断するには、プラズマ切断機の切断先端をワークピースに接触させます。また、プラズマの導電性のため、ワークピースを切断テーブルを通じて接地する必要があることに注意してください。
すべてのプラズマ切断システムが同じ方法で動作するわけではありません。しかし、切断プロセスには3つのタイプがあります。
3つの切断プロセスの種類
高周波接触：これは低予算の形式です。また、高周波による現代機器への干渉リスクのため、このプロセスはCNCプラズマ切断機では利用できません。高周波接触切断は、高周波スパークと高電圧の使用を含みます—スパークはプラズマトーチが切断金属に接触したときに発生します。接触により回路が閉じ、スパークが開始され、切断に使用されるプラズマが生成されます。
パイロットアーク：この切断プロセスでは、低電流回路と高電圧の組み合わせによりトーチ内部でスパークが発生します。このスパークはパイロットアーク、小量のプラズマの生成を促進します。ワークピースに接触すると、プラズマ切断機は切断アークを生成し、加工者やオペレーターが切断プロセスを開始できるようにします。
スプリング式プラズマトーチヘッド：短絡を作るために、オペレーターはトーチをワークピースに押し当てます。短絡が作られると電流が流れ始めます。パイロットアークを確立するために、オペレーターは圧力を解除します。
プロセスで使用されるガス
プロセス中に使用されるガスの種類は、切断方法、切断材料、および厚さによって異なります。プラズマジェットの形成を確実にすることに加え、使用されるガスは溶融物質や酸化物を切断部から排出するのにも役立つ必要があります。プラズマ切断で最も一般的に使用されるガスは以下の通りです；
アルゴン
アルゴンは不活性ガスであり、そのプラズマアークは安定しています。安定性とは、このガスが高温でもほとんど金属と反応しないことを意味します。アルゴン切断に使用される電極やノズルは、他のガスを使用する場合よりも寿命が長いことが多いです。
アルゴンガスはプラズマアークとエンタルピーが低いため、切断時に制限があります。また、アルゴン保護環境でアルゴンを使用して切断するとスラグ問題が発生しやすいです。これは主に溶融金属の表面張力が窒素環境より約30％高いためです。これらの問題は、アルゴンがプラズマ切断にほとんど使用されない理由の一つです。
窒素
窒素はアルゴンよりもプラズマアークの安定性が高く、特に高電圧供給時にエネルギージェットが強力です。また、ニッケル基合金やステンレス鋼のような高粘度金属を切断しても切断部の下端にほとんどスラグを形成しません。
窒素ガスは単独で使用されるか、他のガスと組み合わせて使用されます。また、炭素鋼の高速切断を促進します。
空気
空気は体積比で78％の窒素と21％の酸素を含み、プラズマ切断に適したガスです。空気中の酸素成分により、低炭素鋼の切断において最も速いガスの一つとなっています。また、空気はどこにでもあるため、経済的なガスとして利用されています。
欠点として、このプロセスで使用される電極やノズルの寿命が短くなり、切断コストが増加し効率が低下します。また、空気を単独で使用するとスラグの付着や切断部の酸化が問題となります。
酸素
空気のように、酸素も低炭素鋼の切断速度を上げます。高エネルギープラズマアーク切断と酸素の高温使用により速度が向上します。ただし、酸素を使用する場合は、高温かつ耐酸化性の電極と組み合わせるのが最適です。
水素
水素の役割は、多くの場合、他のプラズマ切断ガスと混合する補助ガスとして使われます。最も一般的な組み合わせの一つは水素とアルゴンで、プラズマ切断で最も強力なガスの一つを生成します。
アルゴンに水素を混合すると、アーク電圧、エンタルピー、およびアルゴンプラズマジェットの切断能力が大幅に向上します。この組み合わせの切断効率は、水ジェットで圧縮するとさらに増加します。
プラズマ切断で一般的に使用されるガスはいくつかあります。以下の表はこれらのガス、切断材料、および材料に対するガスの利点を示しています。
材料 厚さ プラズマガス 二次ガス 備考
構造用鋼 0.5～8mm 酸素 酸素または酸素/窒素または窒素 バリのないエッジで、レーザー切断に似た滑らかさと直角度を許容
構造用鋼 4～50mm 酸素 酸素/窒素または窒素または空気 20mmまでバリなし、切断面は滑らかで、25mmまで直角度許容、レーザー切断に類似
高合金鋼 5～45mm アルゴン/水素/窒素 窒素または窒素/水素 20mmまでバリなし、滑らかな切断、直角度の許容は低い
アルミニウム 1～6mm 圧縮空気 窒素または窒素/水素 バリのない切断、表面は粗いまたは粒状で、ほぼ垂直な切断が可能
アルミニウム 5～40mm アルゴン/水素/窒素 窒素または窒素/水素 20mmまでバリなし、粒状または粗い表面、ほぼ垂直な切断が可能
プラズマ切断用材料
プラズマ切断に使用される材料は多岐にわたります。これは主に、導電性のある材料なら何でも切断できるためです。以下はこの技術で最も一般的な材料です。
アルミニウム
アルミニウムは導電性があり、プラズマ切断はそれを加工するのに理想的な方法です。さらに、この方法はレーザー切断など他のアルミニウム加工方法と比べて厚い金属に対して利点があります。最大160mmの厚さのアルミニウムを切断可能です。
アルミニウム
さらに、プラズマ切断によるアルミニウム加工は、運用コストと設備コストが低いため、より経済的です。
軟鋼
軟鋼は炭素含有量が低い鋼の一種で、通常最大約2.11%です。多くの用途に適した特性を持つため、最も一般的に使用される鋼の一つです。また、軟鋼は入手が安価で、衝撃強度、溶接性、延性などの特性を備えています。
鋼
ステンレス鋼
ステンレス鋼は、腐食や錆に強い鉄の合金です。プラズマ切断は、この金属の加工に最も効果的な方法の一つであり、切断厚さは最大30mmに達します。切断に適したステンレス鋼のグレードには、304、304L、316、316L、321、310S、317などがあります。
ステンレス鋼
真鍮
真鍮はプラズマ切断で容易に加工できるもう一つの金属です。これはその高い導電性によるものです。ただし、この方法で真鍮を加工する際は、換気の良い場所で行うのが最適です。真鍮には亜鉛が含まれており、燃焼する亜鉛を含む煙を吸い込むことは健康に有害だからです。
真鍮の切断
銅
銅は貴金属以外のすべての材料の中で熱伝導性と電気伝導性に優れています。この金属の重要な特性には、耐食性、高い延性、溶接性があります。これらの特性と高い導電性により、銅はプラズマ切断に理想的な金属です。ただし、真鍮と同様に、換気の良い場所で切断することが重要です。
銅の切断
鋳鉄
この金属は低コストと可鍛性で人気があります。微量ながらマンガン、硫黄、リン、シリコンなどの元素を含みます。鋳鉄は非常に導電性が高く、高い圧縮強度と低い融点を持つため、プラズマ切断に適しています。
鋳鉄の切断
プラズマ切断の利点
金属加工において、プラズマ切断は他の方法に比べてコスト効果の高さ、生産性の向上、切断品質の向上など多くの利点があります。以下にその他の利点を示します。
高い切断品質
炎切断やウォータージェット切断など他の金属加工プロセスと比較して、プラズマ切断は切断面に残留スカムがなく、熱影響部の範囲も小さいため、より高い切断品質を提供します。
多様性と柔軟性
このプロセスは電気を通す金属ならどれでも切断できるため非常に多用途です。アルミニウムや中厚および高厚の高合金鋼などの金属も容易に切断できます。溝切り、平面加工、マーキングにも適しています。さらに、水中での切断も可能で、騒音レベルを低減できます。
高速
プラズマ切断はレーザー切断の100倍、酸素燃料切断の約10倍の速度です。つまり、生産性が向上し、他の方法に比べて金属加工にかかる時間を短縮します。
高い精度と再現性
加工部品はプロセスに伴う熱により高い精度と表面品質を持ちます。また、加工速度の向上により再現性が高まり、金属加工にかかる時間が短縮されます。
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