プラズマ切断を理解する: 動作原理と利点

金属加工方法としてのプラズマ切断には、他の方法に比べていくつかの利点があります。 これらの利点には、コスト効率、幅広い金属切断、高精度、再現性が含まれます。

プラズマ切断とは何ですか？ プロセスはどのように機能しますか? このプロセスでの使用に最適なガスは何ですか? プラズマカッターはどのような材料に使用できますか? これらの質問に詳しく答え、プラズマ切断に関するその他の重要な情報を提供しますので、読み続けてください。

プラズマ切断の概要

プラズマ切断は、20,000℃以上の温度に加熱されたイオン化ガスを使用する金属加工プロセスです。⁰金属材料を溶かすC。 このガスは高圧下で噴射され、材料を溶かし、切り口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、その他の金属などの導電性材料にのみ機能することに注意することが重要です。 言い換えれば、プラズマ切断では、石、紙、ガラス、その他電気を通しにくいものは切断できません。

この技術は、厚い金属の切断に関しては、コスト効率の点で他に類を見ません。 さらに、多用途であり、工具のメンテナンスコストも低く抑えられます。 切断精度も高く、複雑な形状の部品の切断に最適です。

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

プラズマ切断プロセスは 1957 年から存在しています。GTAW (ガス タングステン アーク溶接) プロセスの拡張として始まりました。 当初の主な用途は、厚さが XNUMX インチから XNUMX インチのスチールおよびアルミニウムのプレートを切断することでした。

この時代に使用されていたプラズマ カッターは予測不可能で、現代のカッターのような精度に欠けていました。 また、使用した電極とノズルは、プロセス中に受ける熱によりすぐに故障してしまいました。 この時代のプラズマ切断は、ノズルや電極の変更により高価になることがよくありました。

1960年代後半

しかし、1960 年代後半から 1970 年代前半にかけて、エンジニアがデュアルフロー トーチを開発したことで、この技術は画期的な進歩を遂げました。 このトーチは、切断の品質と精度を向上させながら、電極とノズルの寿命を延ばすのに役立ちました。 

1970s

エンジニアは 1970 年代に、ウォーター マフラーとテーブルを導入することで、切断プロセス中に最初に発生する煙と煙を制御しました。 また、アークの精度を向上させるのに役立つより優れたノズルを設計し、オペレーターや機械工に微調整のオプションを提供しました。

1980s

1980 年代は、エンジニアにとっていくつかの新機能を設計および実装するための実験の期間でした。 これらの機能には酸素ベースのプラズマ カッターが含まれており、電力レベルを変えることでより適切なカット制御を提供します。 また、プラズマ切断ユニットの携帯性にも重点を置き、より人間工学に基づいたものにしました。

1990 年代から現在まで

1990 年代までに、耐久性のある酸素プロセスの使用により、高解像度のプラズマ カッター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 カッターは、以前の時代のエネルギー密度を XNUMX 倍にする能力を実現しました。

1990 年代から現在に至るまで、エンジニアは電源オプションと制御、そして効率の向上に重点を置いてきました。 また、プラズマ カッターの精度も向上し、今日のモデルはより鋭いエッジと正確な切断を提供します。 携帯性と自動化は、プラズマ カッターのもう XNUMX つの側面であり、ハンドヘルド ユニットがより多く流通するにつれて、エンジニアは大幅に向上しました。

プラズマ切断が長年にわたってどのように進化したかがわかったところで、それはどのように機能するのでしょうか?

プラズマ切断の仕組み

プラズマ切断プロセスでは、機械的な切断ではなく、熱を使用して金属を溶かします。 プラズマ カッターは、ガス中に電気アークを送信することによって機能します。 このガスは次に、狭窄された開口部 (ノズル) を通過します。 開口部が制限されると、ガスが高速でそこを通過し、プラズマが形成されます。 ワークを切断するには、プラズマカッターの刃先をワークに当てます。 また、プラズマの導電性により、切断テーブルを介してワークピースをアースに接続する必要があることにも注意してください。

すべてのプラズマ切断システムが同じように機能するわけではありません。 ただし、切断加工には XNUMX 種類あります。

XNUMX種類の切削加工

• 高周波接触：低予算の形です。 また、高周波による最新の機器との干渉の危険性があるため、このプロセスは CNC プラズマ カッターでは利用できません。 高周波接触切断では、高周波スパークと高電圧が使用されます。プラズマ トーチが切断された金属と接触すると、スパークが発生します。 接点が回路を閉じ、スパークを開始し、切断に使用されるプラズマを生成します。
• 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ってトーチ内部でスパークが発生します。 このスパークは、少量のプラズマであるパイロット アークの生成を促進します。 プラズマカッターはワークピースと接触すると切断アークを生成し、これにより機械工やオペレーターは切断プロセスを開始できます。
• スプリング式プラズマトーチヘッド: 短絡を発生させるには、オペレータがトーチをワークピースに押し付けます。 短絡が形成されると、電流が流れ始めます。 パイロット アークを確立するには、オペレーターが圧力を解放します。

プロセスで使用されるガス

加工時に使用するガスの種類は、切断方法、切断材料、厚さによって異なります。 使用するガスは、プラズマ ジェットの形成を確実にするだけでなく、溶融した材料や酸化物を切断面から排出するのにも役立ちます。 プラズマ切断に使用される最も一般的なガスには次のものがあります。

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金属とほとんど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とノズルは、他のガスで使用されるものよりも耐用年数が長いことがよくあります。

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、切断中に制限があります。 また、アルゴン保護環境でアルゴンを使用して切断する場合には、スラグの問題が必ず発生します。 これは主に、溶融金属の表面張力が窒素環境に存在する表面張力よりも約 30% 高いためです。 これらの問題は、プラズマ切断にアルゴンがほとんど使用されない理由の XNUMX つです。

窒素

窒素は、特に高電圧供給の場合、アルゴンよりも優れたプラズマ アーク安定性と高エネルギー ジェットを備えています。 また、ニッケル基合金やステンレス鋼などの粘度の高い金属を切断する場合でも、切り込みの下端に最小限のスラグが形成されます。

窒素ガスは、単独のガスとして、または他のガスと組み合わせて機能します。 炭素鋼の高速切断も容易になります。

Air

空気には体積比 78% の窒素と 21% の酸素が含まれており、プラズマ切断に適したガスとなっています。 空気には酸素成分が含まれているため、低炭素鋼の切断に使用されるガスの中で最も速いものの XNUMX つとなります。 また、空気はどこにでも存在するため、経済的なガスです。

欠点としては、このプロセスに使用される電極とノズルの耐用年数が通常短いため、コスト削減と効率の低下が増加します。 また、空気を単独のガスとして使用すると、スラグの垂れ下がりや切断の酸化が発生するため問題があります。

酸素

空気と同様に、酸素も低炭素鋼の切断速度を高めます。 高エネルギーのプラズマアーク切断と酸素の高温を使用することで、速度が向上します。 ただし、酸素を使用するには、高温で酸化に強い電極を組み合わせるのが最善です。

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ための補助ガスとしてです。 最も一般的な組み合わせの XNUMX つは水素とアルゴンで、プラズマ切断において最も強力なガスの XNUMX つを生成します。

アルゴンと水素を混合すると、アルゴン プラズマ ジェットのアーク電圧、エンタルピー、切断能力が大幅に増加します。 この組み合わせの切断効率は、ウォーター ジェットによる圧縮時にも向上します。

プラズマ切断では一般的に使用されるガスがいくつかあります。 以下の表は、これらのガス、切断される材料、および材料に対するガスの利点を示しています。

プラズマ切断用材料

プラズマ切断に使用される材料は数多くあります。 これは主に、このプロセスではあらゆる導電性材料を切断できるためです。 以下は、この手法で使用される最も一般的な材料です。

アルミ

アルミニウムは導電性があるため、プラズマ切断はアルミニウムの製造に理想的なプロセスです。 さらに、このプロセスは、レーザー切断などの他のアルミニウム製造方法と比較して、より厚い金属を使用できるという利点があります。 厚さ160mmまでのアルミも切断可能です。

さらに、プラズマ切断を使用してアルミニウムを製造すると、運転コストと設備コストが削減されるため、よりコスト効率が高くなります。

軟鋼

軟鋼は炭素含有量が低く、通常は最大約 2.1% の鋼の種類です。 さまざまな用途に適した特性を備えているため、最も一般的に使用される鋼製型枠の XNUMX つです。 また、軟鋼は、高い衝撃強度、溶接性、延性などの特性を備えており、入手するのに高価ではありません。

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、耐食性と耐錆性を兼ね備えた鉄の合金です。 プラズマ切断は、切断厚さが最大 ​​30 mm に達することができるため、この金属を製造する最も効果的な方法の 304 つです。 切断に最適なステンレス鋼のグレードには次のものがあります。 304、316L、316、321L、310、317S、XNUMXなど

真鍮

真鍮もプラズマ切断で簡単に製造できる金属です。 これは導電性が高いためです。 ただし、この方法で真鍮を製造する場合は、換気の良い場所で行うのが最善です。 真鍮には亜鉛が含まれており、燃焼した亜鉛を含む煙を吸入すると健康に悪影響を与えるからです。

銅

銅は、貴金属以外のすべての材料と同等の熱伝導性と電気伝導性を備えています。 この金属の重要な性質には次のものがあります。 耐食性、高い延性、溶接性。 高い導電性を含むこれらの特性により、銅はプラズマ切断に理想的な金属となります。 ただし、真鍮と同様に、この金属も通気性の良い場所で切断することが重要です。

鋳鉄

この金属は、低コストと展性の高さで人気があります。 微量ですが、マンガン、硫黄、リン、シリコンなどの元素が含まれています。 鋳鉄は導電性が高く、高い圧縮強度と低い溶解温度を備えているため、プラズマ切断に最適です。

プラズマ切断の利点

金属加工にプラズマ切断を使用することには、コスト効率から生産性の向上、切断品質の向上まで、他の方法に比べていくつかの利点があります。 他にもいくつかの利点があります。

高い切断品質

火炎切断やウォータージェット切断などの他の金属加工プロセスと比較すると、プラズマ カッターによる切断では金属の切断品質が向上します。これは、金属切断のエッジに残留スカムがなく、熱影響部の領域が小さいためです。

多様性と柔軟性

このプロセスは電気を通すあらゆる金属を切断できるため、非常に多用途に使用できます。 アルミニウムなどの金属や、中厚および高厚の高合金鋼を簡単に切断できます。 金属の溝切り、計画、マーキングに最適です。 さらに、このプロセスでは、騒音レベルを抑えて水中で金属を切断することもできます。

高速

プラズマ切断はレーザー切断より 100 倍、酸素燃料よりも約 10 倍高速です。 言い換えれば、他の方法と比較して生産性が向上し、金属加工にかかる時間が短縮されます。

より高い精度と再現性

加工に伴う熱により、切断された部品の精度と表面品質が向上します。 また、製造速度が向上するため、金属の機械加工にかかる時間が短縮され、再現性が向上します。

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プラズマ切断のデメリット

プラズマ切断を使用した金属の製造には多くの利点がありますが、欠点も存在します。

• 導電性材料のみを切断
• 150mmを超える厚さには理想的ではありません
• プロセス中に生成される明るいフラッシュは人間の目に悪影響を与える可能性があります
• 動作音がうるさい場合があります
• 空気中で切断すると煙が発生する
• ノズルや電極などの寿命の短い消耗品を使用するとコストが高くなる可能性があります

結論

プラズマ切断は、物質の第 XNUMX 段階を使用して導電性金属を切断するプロセスです。 このプロセスには、生産性の向上、多用途性、精度、表面品質など、多くの利点があります。

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