ガス切断：総合ガイド

以下は、提供されたパラグラフの最適化されたバージョンである：

1.ガス切断入門

オキシ燃料切断は、火炎切断またはオキシアセチレン切断としても知られ、装置製造に広く使用されている高効率の熱切断プロセスである。この方法は、純粋な酸素と加熱された金属との発熱反応を利用して、鉄系材料に正確な切断を行います。

オキシ燃料切断装置はシンプルで操作が簡単なため、炭素鋼や低合金鋼の加工に特に適している。直線、円、複雑な形状の正確な切断を得意とし、一般的に5mmから300mmまでの幅広い板厚に対応します。

CNC技術、光電追跡システム、高性能切断ノズルにおける最近の進歩は、酸素燃料切断の自動化の可能性を著しく高めている。これらの技術革新は、切断精度の向上、生産性の向上、オペレーターへの依存度の低減につながっている。

オキシ燃料切断プロセスでは、燃料ガス（通常はアセチレン）と酸素を混合して高温の炎を発生させるトーチを使用する。この炎は、切断箇所の金属を発火温度（軟鋼の場合、約870℃）まで予熱する。その後、純酸素のジェットが予熱された部分に向けられ、急速な酸化反応が始まる。その結果、溶融した酸化物が酸素ジェットの力によって切り口から排出され、きれいな切断面が形成される。

最適な切断性能を得るには、酸素純度が99.5%を超える必要がある。火炎温度が高く（3160℃）、切断効率が高いため、燃料ガスとしてはアセチレンが推奨されるが、特定の用途やアセチレンが使用できない場合は、プロパン、天然ガス、MAPPガスなどの代替燃料ガスを使用することもできる。

切断トーチは、オキシ燃料切断装置における重要な部品である。その設計は切断速度、品質、全体的な効率に影響を与える。最新のトーチには、マルチフレームプレヒーティング、高速ノズル、人間工学に基づいた設計など、性能と作業者の快適性を高めるための機能が組み込まれています。

酸素燃料切断システムには、ガスボンベを使用するポータブルな手動セットアップから、高度な自動化された機械まで、さまざまなものがある。高度なシステムには、複数の切断ヘッド、コンピュータ数値制御（CNC）、複雑な切断作業のための統合CAD/CAMソフトウェアが含まれる場合がある。これらの自動化されたシステムは、大量生産の場面で特に有益であり、スループットと一貫性の向上を提供する。

オキシ燃料切断の主な利点は以下の通りである：

1. 厚物切断能力（最大300mm以上）
2. 他の熱切断法に比べて設備コストが低い
3. 直接開先加工が可能
4. 適切に実施すれば、熱影響部（HAZ）を最小限に抑えることができる。
5. 持ち運びが可能なため、現場での作業に適している

しかし、オキシ燃料切断は鉄系材料に限られ、プラズマ切断やレーザー切断の方が適しているような高精度の用途や薄い材料（5mm以下）の切断には適さない場合があることに注意することが重要である。

2.ガス切断の仕組みと条件

ガス切断は、酸素燃料切断としても知られ、燃料ガスと酸素の組み合わせを使用して金属を切断する熱切断プロセスである。その仕組みは、金属を発火温度まで予熱し、高純度の酸素気流で急速に酸化させる。このプロセスにより、被加工物を連続的かつ正確に切断することができる。

カッティングのメカニズムは次のような段階を踏む：

1. 予熱：酸素アセチレン炎で切断点の金属を発火温度まで加熱する。
2. 酸化：純酸素の高速ストリームが予熱された金属に向けられ、急速な酸化が開始される。
3. 溶融：発熱性酸化反応から発生する熱により、金属とその酸化物が溶ける。
4. 除去：高圧酸素ジェットがカーフから溶融金属と酸化物を排出し、きれいな切断面を形成します。
5. 進行：切断トーチが進むにつれて、このプロセスが絶えず繰り返され、被加工物を連続的に切断する。

ガス切断を成功させるには、以下の条件を満たす必要がある：

1. 発火温度：金属が液化する前に酸化が始まるように、金属の発火温度は融点より低くなければならない。
2. 酸化物の融点：金属酸化物の融点は、除去を容易にするため、母材の融点より低いことが望ましい。
3. 発熱反応：金属は燃焼中に十分な熱を放出しなければならない。低炭素鋼の切断では、全必要熱量のうち約70%が発熱反応によるものであり、火炎予熱の寄与は15-30%に過ぎない。
4. 熱伝導率：金属は適度な熱伝導率を持つべきである。熱伝導率が高すぎると熱の放散が早くなり、切断プロセスの開始や継続が妨げられる。このため、銅のような導電率の高い金属は、この方法での切断が難しい。
5. 酸化物の流動性：酸素流による効果的な除去を確保し、切断工程を妨げないようにするには、生成される酸化物の流動性が良好でなければならない。
6. 材料の適合性：低炭素鋼、中炭素鋼、一部の低合金鋼などの金属はガス切断に適している。しかし、高炭素鋼、鋳鉄、ステンレス鋼、銅やアルミニウムのような非鉄金属は、上記の条件の1つ以上を満たさないため、一般的に適さない。

3.ガス切断装置

ガス切断機は、手動の切断トーチに取って代わる自動化システムであり、金属加工工程における生産性の向上、優れた切断品質、オペレーターの疲労軽減、費用対効果の改善を提供する。

1) 半自動ガス切断機：

このシステムは、カッティングノズルを所定の軌道に沿って案内するコンパクトな自走式キャリッジで構成されています。キャリッジの移動は自動化されているが、軌跡は手動で調整する必要があるため、自動化とオペレーター制御のバランスをとることができる。

2) プロファイルガス切断機

a) ガントリー型：切断ノズルが精密設計されたホイール機構を介してワークピースのプロファイルに沿ってトラバースする堅牢なガントリー構造を利用し、複雑な切断作業における安定性と精度を確保。

b) スイングアームタイプ：切断ノズルをガイドするために旋回する多関節アームシステムを採用し、複雑なプロファイル切断のための柔軟性を高め、特に曲線や不規則な形状に適しています。

3）光電追跡ガス切断機：

この先進的なシステムには、光電センサーが組み込まれており、あらかじめ描かれたパターンやテンプレートを検知して追従します。切断トーチはプロファイルに沿って自動的にガイドされ、オペレーターの介入を最小限に抑えながら、複雑な形状の高精度自動切断を可能にします。

4) CNCガス切断機：

コンピュータ数値制御(CNC)は、デジタル命令が機械の動作を制御する高度な制御方法である。CNCガス切断システムでは、コンピューターがプログラムされた切断経路を解釈・実行し、トーチの動き、切断速度、ガス流量などのパラメーターを制御します。この技術により

• 複雑な切断パターンを正確に再現
• 様々な材種と板厚に対する切削パラメータの最適化
• CAD/CAMシステムとの統合により、設計から生産までのワークフローを合理化
• 大量生産シナリオにおける再現性と一貫性の向上

最新のCNCガス切断機には多軸制御が組み込まれていることが多く、ベベルカットや3Dプロファイリングを可能にし、高度な金属加工工程における能力をさらに拡大している。

4.ガス切断工程

ガス切断プロセスには主に、切断酸素の圧力、切断速度、予熱炎の効率、切断ノズルと被加工物の傾斜角度、切断ノズルと被加工物の距離が含まれる。

1) 切断酸素の圧力：

被加工物の厚さ、切断ノズルの種類、酸素の純度によって左右される。

薄い材料を切断する場合は、より小さな カッティングノズルサイズ と低酸素圧を選択すべきである。

酸素の純度は、切断速度、ガス消費量、切断品質に大きな影響を与える。

2) 切削速度：

ワークの厚みとカッティングノズルの形状による。厚みが増すと切断速度は低下します。

切削速度が速すぎても遅すぎても、過度の抵抗や不完全な切削を引き起こす可能性がある。

切削速度が適切かどうかは、主に切削抵抗の大きさによって判断される。

3) 予熱炎の効率：

 ガス切断の予熱には、中性炎またはわずかに酸化する炎を使用し、浸炭炎は使用しない。

 予熱炎の効率は、時間当たりの可燃性ガスの消費率で表される。

 予熱炎の効率はワークピースの厚さに関係する。

4) 切断ノズルとワークの傾斜角度：

切断ノズルとワークピースの傾斜角度は、主にワークピースの厚さによって決まる。

切断ノズルとワークの傾斜角度は、切断速度と抵抗に直接影響する。

後方に傾けることで、抵抗を減らし、切断速度を上げることができる。

5) 切削ノズルとワーク表面の距離：

切断ノズルと被加工物の表面との距離は、予熱炎の長さと被加工物の厚さに基づいて決定する必要があり、一般的には3～5mm程度である。

δ＜20mmの場合、炎を長くすることができ、それに応じて距離を長くすることができる。

δ>=20mmの場合、炎は短くなり、距離は短くできる。

6)ガス切断の品質要件：

ガス切断の切断面は滑らかできれいで、粗い線と細かい線が一定でなければならない。ガス切断時に発生する酸化鉄スラグは剥離しやすい。ガス切断の隙間は狭く、均一でなければならない。 鋼板 エッジである。

カット品質の評価基準と格付け：

a) 表面粗さ:表面粗さとは、切削面の山と谷の距離（任意の5点の平均値）で、Gで示す。

b) 平坦度：平坦度とは、切断面に垂直な切断方向に沿った凹凸の程度をいう。切断された鋼板の板厚δに対する百分率で計算され、Bで示される。

c) 上端溶融の程度：これは、ガス切断工程中の溶融または崩壊の程度を意味し、崩壊したコーナーの存在、断続的または連続的な液滴または溶融ストリップの形成によって示され、Sで示される。

d) スラグ垂れ：スラグ垂れとは、切断面の下端に付着した酸化鉄のこと。付着量と除去の難易度によって等級が分けられ、Zで示される。

e) 最大欠陥間隔：最大欠陥間隔とは、振動や断続によって切断線方向に沿って切断面に溝が現れ、表面粗さが急激に低下することをいう。溝の深さは0.32mmから1.2mmで、溝の幅は5mmを超えない。このような溝は欠陥とみなされる。欠陥の最大間隔はQで示される。

f) 真直度:真直度とは、切断方向に沿った始点と終点を結ぶ直線と、クラウン状の雲形切断面とのずれのこと。Pで示される。

g) 垂直性:垂直度とは、実際の切断面と、切断される金属の表面に対する垂直線との間の最大偏差を指す。

7) 一般的な欠陥の原因と予防法

(1)切り口の幅が大きく、表面が粗い：

これは切削酸素圧が高すぎることが原因である。切削酸素圧が低すぎると、スラグを吹き飛ばすことができず、スラグが固着して除去しにくくなる。

防止する：切削酸素の圧力を、希望する切削幅と表面粗さに対して適切なレベルに調整する。

(2) 表面が凸凹していたり、エッジが溶けている：

これは、予熱炎の強さが強すぎるか、または スローカット スピードを上げる。予熱炎の強さが不十分だと、切断工程が中断したり、表面が不均一になったりする。

予防予熱の火加減を適切にし、均一なカットができるようにする。

(3)切断後の過度の引きずり：

これは、切削速度が速すぎる場合に発生し、過度な抵抗と不完全な切削をもたらす。ひどい場合には、スラグが上方に飛散し、再加熱の原因となる。

予防：過度の引きずりがなく適切な切断ができるよう、切断速度を適切なレベルに調整する。

8) カットの表面品質を向上させる方法：

(1) 適切な切断酸素圧：

切削酸素圧が過剰になると、切削幅が広くなり、 表面が粗くなる一方、酸素が浪費される。切断酸素圧が不足すると、スラグが固着して除去が困難になる。

解決策切断酸素圧を適切なレベルに調整する。

(2) 適切な予熱炎の強さ：

予熱炎の強さが強すぎると、切断面のエッジが溶けてしまう可能性があり、強さが不十分だと、切断工程が中断したり、切断面が不均一になったりする可能性がある。

解決策スムーズで均一なカットのために、適切な予熱炎の強さを確保する。

(3) 適切な切断速度：

切断速度が速すぎると、過度の抵抗が発生し、切断が不完全になり、スラグが上方に飛散して再加熱につながる。切断速度が遅すぎると、鋼板のエッジが溶けて無駄なガスが発生したり、薄い鋼板では過度の変形や付着が起こり、切断後の洗浄が困難になる。

解決方法希望する切断品質に適した切断速度に調整する。

5.ガス切断の利点と欠点

ガス切断の利点

1. ガス切断は、機械的な切断方法と比較して優れた速度を提供し、金属加工工程の生産性を大幅に向上させます。
2. 特に酸素とアセチレンの組み合わせでは、従来の機械的手法では困難であった複雑な形状や厚い断面の切断に、コスト効率の高いソリューションを提供する。
3. ガス切断装置の初期投資は、機械的な代替品よりも低い。軽量で持ち運びが可能なため、現場やフィールドでの作業に最適で、さまざまな産業環境に柔軟に対応します。
4. このプロセスでは、小さな円弧を切断する際にも迅速な方向転換が可能であり、大きなワークピースでも、酸素とアセチレンの炎だけが動くため、ワークピースを操作することなく効率的に切断することができる。
5. ガス切断の多用途性は、手動操作と自動操作の両方を可能にし、さまざまな生産要件や技術レベルに適応する。
6. この装置の可搬性は現場での切断を容易にし、大型金属部品に伴う輸送コストや物流の複雑さを軽減する。
7. 切断トーチを操作することで、大型の金属板を迅速かつ効率的に処理できるため、複雑な材料処理システムは必要ない。

ガス切断の欠点

• 大面積の切断作業では、ガス切断は最も効率的で正確な方法ではないかもしれない。
• ガス切断によって達成される寸法公差は、精密機械切削工具のそれよりもかなり低いため、公差の厳しい用途では二次的な仕上げ加工が必要になる可能性がある。
• チタンのような酸化しやすい金属を切断することはできるが、産業用途でのガス切断は主に鋼鉄や鋳鉄のような鉄系材料に限られており、あらゆる種類の金属に対する汎用性が制限されている。
• 高温の予熱炎と噴出する溶融スラグは、作業者に重大な火災の危険と火傷のリスクをもたらすため、厳格な安全手順と保護具が必要となる。
• 適切なヒューム抽出と換気システムは、燃料燃焼と金属酸化の副産物を管理し、職場の安全と環境コンプライアンスを確保するために不可欠です。
• 高合金鋼や特定のグレードの鋳鉄の切断では、満足のいく結果を得るために、工程の変更や特殊な技術が必要になる場合があります。
• 高硬度鋼を切断する場合、切断前の予熱と切断後の制御された冷却は、金属組織を管理し、切断端付近で望ましい機械的特性を維持するためにしばしば必要となり、プロセスに複雑さを加える。

6.ガス切断の応用

鋼板加工において、精密な板切断や溶接開先準備に広く利用され、構造物鋼材加工や重機製造における効率的な接合工程を可能にする。

300mmを超える厚さにも対応可能。そのため、鋳造作業や重量のある工業部品の生産において、非常に貴重な存在となる。

主に炭素鋼や低合金鋼のさまざまなグレードの切断に使用され、他の切断方法では効率や経済性に劣る厚い断面の材料に費用対効果の高いソリューションを提供する。

焼入れを起こしやすい高炭素鋼や低合金鋼を加工する場合は、端部の硬化や割れを防ぐために特別な注意が必要です：

• 予熱炎の強度を上げ、冷却速度を遅くする。
• より均一な熱分布を可能にするために、切断速度を下げる。
• 極端な場合には、切断前にワーク全体を制御された予熱を実施する。 このような対策は、材料特性と構造的完全性の維持を保証し、特に高応力用途やさらなる加工が必要な場合に極めて重要である。

ガス切断は、厚板や不規則な形状を切断する能力が有利な造船、建設、解体産業で広く使われている。

パイプ加工では、ガス切断は正確な面取りやサドルカットを行うために使用され、パイプライン建設や圧力容器製造における適切なはめあいを容易にする。