プラズマ切断
プラズマ切断は、高温プラズマ（電気アーク）の加速ジェットを用いて導電性材料を切断するプロセスです。プラズマトーチで切断される典型的な材料には、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、真鍮、銅などがありますが、その他の導電性金属も切断可能です。プラズマ切断は、製造工場、自動車の修理・修復、産業建設、そして廃品回収・スクラップ回収作業でよく使用されます。高速かつ高精度な切断と低コストを両立できることから、プラズマ切断は大規模な産業用コンピュータ数値制御（CNC）アプリケーションから小規模な趣味の工房まで、幅広く利用されています。
基本的なプラズマ切断工程では、プラズマカッター自体から切断するワークピースを通して過熱され電気的にイオン化されたガス（プラズマ）の電気チャネルを作成し、接地クランプを介してプラズマカッターに戻る完全な電気回路を形成します。これは、圧縮ガス（切断する材料に応じて酸素、空気、不活性ガスなど）を集中ノズルからワークピースに向けて高速で吹き込むことで実現します。次に、ガスノズルの近くにある電極またはガスノズルに組み込まれている電極とワークピース自体の間で、ガス内に電気アークが形成されます。電気アークによってガスの一部がイオン化され、導電性のプラズマチャネルが作成されます。カッタートーチからの電気がこのプラズマに沿って伝わると、ワークピースを溶かすのに十分な熱が供給されます。同時に、高速のプラズマと圧縮ガスの大部分が高温の溶融金属を吹き飛ばし、ワークピースを分離、つまり切断します。
プラズマ切断は、薄い材料から厚い材料まで、あらゆる材料を効果的に切断する方法です。手持ち式トーチは通常、最大38mm（1.5インチ）の厚さの鋼板を切断でき、より強力なコンピュータ制御トーチは最大150mm（6インチ）の厚さの鋼板を切断できます。プラズマカッターは非常に高温で局所的な「円錐」状の切断面を生成するため、曲面や角度のある形状の板金切断に非常に有効です。
アークは3段階のプロセスで生成されます。高電圧スパークがトーチヘッド内の空気を短時間イオン化します。これにより空気が導電性になり、「パイロットアーク」が形成されます。パイロットアークはトーチヘッド内に形成され、トーチヘッド内の電極からノズルへと電流が流れます。この段階で、パイロットアークは消耗部品であるノズルを焼き尽くし始めます。次に、空気がノズルからワークに向かってプラズマを吹き出し、電極からワークへの電流経路を形成します。制御システムは電極からワークへの電流の流れを検知すると、ノズルへの電気接続を切断します。すると、電流が電極からワークへと流れ、ノズルの外側にアークが形成されます。これにより、ノズルを焼き尽くすことなく切断を続行できます。ノズルの寿命は、切断時間ではなく、アークの始動回数によって制限されます。
歴史
プラズマ切断は1960年代にプラズマ溶接から発展し、1980年代に板金や鋼板を切断する非常に生産性の高い方法として登場しました。[ 1 ]従来の「金属対金属」の切断に比べて、金属片が出ず、正確な切断が可能で、酸素燃料切断よりもきれいな切断面が得られるという利点がありました。初期のプラズマカッターは大きく、やや遅く、高価だったため、「大量生産」モードでの切断パターンの繰り返しに特化される傾向がありました
他の工作機械と同様に、1980年代後半から1990年代にかけてCNC（コンピュータ数値制御）技術がプラズマ切断機に適用され、機械の数値制御にプログラムされた一連の命令に基づいて「オンデマンド」でさまざまな形状を切断できる柔軟性がプラズマ切断機にもたらされました。[ 2 ]ただし、これらのCNCプラズマ切断機は、一般的に2つの動作軸（XY切断と呼ばれる）のみを使用して、平らな鋼板のパターンと部品を切断することに限られていました。
安全
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アークアイと呼ばれる眼の損傷や破片による損傷を防ぐには、適切な眼の保護具とフェイスシールドが必要です。緑色のレンズシェード5の使用が推奨されています。OSHA（労働安全衛生局）は、300A未満のアーク電流にはシェード8を推奨していますが、「これらの値は、実際のアークがはっきりと見える場合に適用されます。経験上、アークがワークピースに隠れている場合は、より明るいフィルターを使用できることが分かっています」と述べています。[ 3 ]プラズマ切断装置メーカーのリンカーン・エレクトリックは、「通常、シェード7から9の暗さが許容範囲です」と述べています。別のメーカーであるロンジェビティ・グローバル社は、低アンペアでのプラズマアーク切断における眼の保護について、より具体的な表を提供しています。
| 現在の | 最小限の日陰 (ANSI Z87.1+) |
|---|---|
| 0～20A | 4番 |
| 20～40A | 5番 |
| 40～60A | 6番 |
| 60～80A | 8番 |
火花や高温の金属による火傷を防ぐため、革手袋、エプロン、ジャケットの着用も推奨されます。[ 4 ]
可燃性の液体、材料、ガスのない清浄な場所で作業することが非常に重要です。プラズマカッターから発生する火花や高温の金属は、可燃性物体から隔離されていない場合、すぐに火災を引き起こす可能性があります。プラズマカッターは、状況によっては最大1.5メートル（5フィート）離れた場所まで高温の火花を飛ばすことがあります。機械のオペレーターはフェイスシールドの後ろにいるため、火災の発生に気づかないことがよくあります。[ 5 ]
始動方法
プラズマカッターは、アークを始動させるためにいくつかの方法を使用します。一部の機種では、トーチをワークピースに接触させることでアークを生成します。一部のカッターは、アークを始動するために高電圧、高周波回路を使用します。この方法には、感電の危険性、修理の難しさ、スパークギャップのメンテナンス、大量の無線周波数放出など、いくつかの欠点があります。[ 6 ] CNCハードウェアやコンピューターなどの敏感な電子機器の近くで動作するプラズマカッターは、他の方法でパイロットアークを始動します。ノズルと電極が接触しています。ノズルは陰極、電極は陽極です。プラズマガスが流れ始めると、ノズルは前方に吹き飛ばされます。3番目のあまり一般的ではない方法は、シリコン 制御整流器を介して一次回路に容量性放電することです
インバータ式プラズマカッター
通常2キロワット以上の電力を必要とするアナログ式プラズマカッターは、重い商用周波数変圧器を使用します。インバータ式プラズマカッターは、商用電源を直流に整流し、10kHzから約200kHzの高周波トランジスタインバータに供給します。スイッチング周波数が高いほど変圧器を小型化できるため、全体的なサイズと重量が削減されます
当初はトランジスタとしてMOSFETが使用されていましたが、現在ではIGBTがますます多く使用されています。並列接続されたMOSFETでは、トランジスタの1つが早期にオンすると、インバータの4分の1が連鎖的に故障する可能性があります。後に発明されたIGBTは、このような故障モードの影響を受けにくくなっています。IGBTは、MOSFETトランジスタを十分な数だけ並列接続できない大電流機器に一般的に使用されています。
スイッチングモードトポロジーは、デュアルトランジスタオフラインフォワードコンバータと呼ばれます。軽量で高出力であるにもかかわらず、一部のインバータ式プラズマカッター、特に力率補正機能のない機種は、発電機で駆動できません（つまり、インバーターユニットの製造元がそれを禁止しているということです。これは小型軽量のポータブル発電機にのみ当てはまります）。しかし、新しいモデルには、力率補正機能のない機種でも軽量発電機で駆動できる内部回路が搭載されています。
CNC切断方法
プラズマカッターメーカーの中には、 CNC切断テーブルを製造しているところもあれば、テーブルにカッターを内蔵しているところもあります。CNCテーブルでは、コンピューターでトーチヘッドを制御し、きれいで鋭い切断を実現できます。最新のCNCプラズマ装置は、厚い材料の多軸切断が可能で、他の方法では不可能な複雑な溶接継ぎ目を可能にします。薄い材料の場合、主にレーザーカッターの優れた穴あけ能力により、 プラズマ切断は徐々にレーザー切断に置き換えられつつあります
CNCプラズマカッターは、暖房・換気・空調（HVAC）業界で特に多く利用されています。ソフトウェアはダクトの情報を処理し、切断テーブル上でプラズマトーチによって切断される平面パターンを作成します。この技術は、1980年代初頭の導入以来、業界の生産性を飛躍的に向上させてきました。
CNCプラズマカッターは、多くの工房で装飾的な金属細工を作成するために使用されています。例えば、商業施設や住宅の看板、壁面アート、住所表示、屋外ガーデンアートなどです。
近年、さらなる発展が遂げられています。従来、機械の切断テーブルは水平でしたが、現在では垂直型のCNCプラズマ切断機が登場し、設置面積の縮小、柔軟性の向上、最適な安全性、そして迅速な操作性を実現しています。
CNCプラズマ切断構成
CNC プラズマ切断には主に 3 つの構成があり、加工前の材料の形状と切断ヘッドの柔軟性によって大きく区別されます。
2次元/2軸プラズマ切断
これはCNCプラズマ切断の最も一般的かつ従来的な方法です。切断面が材料表面に対して90度になる平面形状を生成します。高出力CNCプラズマ切断ベッドはこのように構成されており、最大150mm厚の金属板から形状を切断できます。
3次元/3軸以上のプラズマ切断
繰り返しになりますが、これはシートまたはプレート状の金属から平らな形状を作成するプロセスですが、追加の回転軸を導入することで、CNCプラズマ切断機の切断ヘッドは、従来の2次元切断パスを通過する際に傾斜できます。その結果、材料表面に対して90度以外の角度、たとえば30～45度の角度で切断エッジが生成されます。この角度は、材料の厚さ全体にわたって連続しています。これは通常、切断されるプロファイルが溶接製造の一部として使用される状況に適用されます。角度付きエッジは溶接準備の一部となるためです。CNCプラズマ切断プロセス中に溶接準備を適用すると、研削や機械加工などの二次作業を回避でき、コストを削減できます。3次元プラズマ切断の角度切断機能は、皿穴やプロファイル穴の面取りエッジを作成するためにも使用できます。
チューブおよびセクションのプラズマ切断
チューブ、パイプ、またはあらゆる形状の長尺物の加工に使用されます。プラズマ切断ヘッドは通常、ワークピースが送り込まれる間は固定されており、長手方向の軸を中心に回転します。3次元プラズマ切断のように、切断ヘッドを傾斜させたり回転させたりできる構成もあります。これにより、チューブまたは断面の厚さに斜めの切断を施すことができ、切断したパイプに直線状のエッジではなく溶接準備を施す必要があるプロセス配管の製造でよく利用されます。
電極の摩耗
トーチ内部の電極（陰極として機能）は、切断プロセス中に摩耗します。この劣化は、表面付近の過酷な条件[ 7 ]と、アーク電流を維持する電子の放出によって引き起こされ、どちらも構造的完全性を損ないます
プラズマ切断電極は、寿命を延ばすために、通常、銅シェルとハフニウムインサートの2つの金属で構成されています。ハフニウムは耐火性材料であり、侵食を軽減するのに役立ちますが、完全に防ぐことはできません。
そのため、電極はプラズマ切断トーチの消耗部品とみなされます。ある程度使用すると、電極は過度に損傷し、瞬時に破損します。破損した電極は切断アークを発生または維持できなくなるため、交換が必要です。
電極の寿命は完全に予測できるものではありません。ある研究[ 8 ]では、このばらつきはハフニウムインサートの寸法に関連している可能性があることが示唆されています。
切断品質
プラズマ切断では切断溝が生じますが、その形状は完璧ではありません。理想的には、プラズマ切断では完全に直線的で非常に狭い切断溝が得られます
しかし、実際には、プラズマ切断の切り口は金属シートの底面よりも上面の方が広くなります。
さらに、切断面の左右の端は（切断方向に対して）しばしば非対称となる。これらの非対称性の起源は依然として不明である。[ 9 ]
切断速度、アーク電流の強さ、トーチとワークピース間のスタンドオフ距離、ガス注入圧力など、いくつかの切断パラメータが切断品質に大きな影響を与えます。[ 10 ] [ 11 ]
新技術
過去10年間で、プラズマトーチメーカーは、より小さなノズルとより細いプラズマアークを備えた新しいモデルを開発しました。これにより、プラズマ切断エッジにおいてレーザーに近い精度を実現できます。いくつかのメーカーは、これらのトーチに高精度CNC制御を組み合わせることで、仕上げをほとんど、またはまったく必要としない部品の製造を可能にしています
コスト
プラズマトーチはかつては非常に高価でした。そのため、通常はプロの溶接工場や、在庫が豊富な個人のガレージやショップでしか見つかりませんでした。しかし、現代のプラズマトーチは安価になり、今では多くの愛好家が購入できる価格帯、300ドル未満になっています。古いユニットは非常に重い場合もありますが、それでも持ち運び可能です。一方、インバーター技術を搭載した新しいユニットの中には、重量がわずかで、古いものと同等かそれ以上の容量を持つものもあります
関連項目
参考
- ^ 「プラズマ切断の生涯と時代」www.thefabricator.com
- ^ 「プラズマ切断をより簡単に」www.thefabricator.com
- ^ 「目と顔の保護 - 1910.133」osha.gov。2015年9月27日閲覧。
- ^ 「溶接用衣類」 AES Industrial Supplies Limited . 2021年3月16日閲覧。
- ^ 「プラズマカッターの使い方 - 初心者向け総合ガイド」。
- ^サックス、レイモンド、ボーナート、E. (2005). 「17.溶接の原理と実践（第3版）」ニューヨーク：マグロウヒル、p. 597. ISBN 978-0-07-825060-6。
- ^シャベール、セバスチャン (2024-04-23).プラズマ放電トーチの実験：放電品質と使用に関する実験、数値実験（博士論文）。トゥールーズ大学 (2023-...).
- ^セバスチャン、シャベール;ゴンザレス、ジャン＝ジャック。ピエール・フレトン（2023年12月）。「プラズマ d'空気の電極を使用する: 二重張力とハフニウムの二重直径の比較 - 破壊の形態と機械主義 -」。国際技術ジャーナル、イノベーション、物理学、エネルギーおよび環境ジャーナル。8 (1)。土井: 10.52497/jitipee.v8i1.345。
- ^ Chabert, Sébastien; Gonzalez, Jean Jacques; Freton, Pierre (2023). 「プラズマアーク切断 - 反転スワールリング、電極スレッド、および切断方向がカーフ形状に与える影響」『プラズマ物理と技術』 6ページ。
- ^ Chabert, Sébastien; Gonzalez, Jean-Jacques; Freton, Pierre (2024年3月). 「プラズマ切断品質に対する切断ガスおよびシールドガス圧力の影響」 . Welding Journal . 103 (3): 75– 84. doi : 10.29391/2024.103.007 .
- ^シャベール、セバスチャン;ピエール・フレトン。ゴンザレス、ジャン・ジャック（2023年6月）。「プラズマに対する空気の保護に対する影響力」。16ème Colloque sur les Arcs Électriques 2023 (CAE 2023)。アンティーブ（06）、フランス：ソフィア・アンティポリス・ニース（ローラン・フルシェリ）。
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外部リンク
