プラズマ切断の品質向上法を探る

プラズマ切断は、高温のプラズマアークの熱を利用して、被加工物の切り口の金属を部分的に溶融・蒸発させ、高速プラズマの勢いで溶融金属を排出して切り口を形成する加工方法である。

酸化反応ではなく溶融反応によって材料を切断するため、その応用範囲は酸素燃焼切断よりもはるかに広い。ほぼすべての金属、非金属、多層材料、複合材料を切断できる。

切り口は狭く、表面品質が良く、切断速度が速く、160mmの厚さに達することができる。

さらに、高温と高速のため プラズマアーク薄い板を切断しても変形がない。

特にステンレス鋼、チタン合金、非鉄金属材料を切断する場合、優れた切断品質を達成することができます。

だから プラズマ切断 は、自動車、圧力容器、化学機械、原子力産業、一般機械、建設機械、鋼構造物などの産業で広く使用されている。

1.プラズマ切断機の動作原理

A プラズマ切断機 高周波アークによって混合ガスをイオン化し、一部のガスを基本的な原子粒子に「分解」または電離させ、「プラズマ」を発生させる。

アークが被加工物に飛び込むと、高圧ガスが800～1000m/s（約3マッハ）の出口速度でプラズマをトーチノズルから吹き出す。

プラズマ・アーク・カラムの温度は非常に高く、10,000℃から30,000℃に達する。 融点 金属製、非金属製を問わず。

これにより、切断されるワークピースは急速に溶融し、溶融金属は噴出する高圧空気流によって吹き飛ばされる。

そのため、排煙装置やスラグ除去装置が必要となる。プラズマ切断は、さまざまな作動ガスと組み合わせることで、切断が困難なさまざまな金属を切断することができる。 オキシ燃料切断特に非鉄金属（ステンレス鋼、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル）の切断効果が高い。

その主な利点は 金属切断 特に通常の炭素鋼薄板を切断する場合、切断速度は酸素燃料切断の5～6倍に達し、切断面は滑らかで、熱変形は最小限に抑えられ、熱影響部はほとんどない。

プラズマ切断の発展に伴い、使用される作動ガス（作動ガスはプラズマアークの導電性媒体であり、熱伝導体であるとともに、切断部から溶融金属を排出する）は、プラズマアークの切断特性だけでなく、切断品質や切断速度にも大きな影響を与える。

一般的に使用されるプラズマアーク作動ガスには、アルゴン、水素、窒素、酸素、空気、蒸気、および特定の混合ガスが含まれる。

2.プラズマアーク切断の品質評価基準

(1) カーフ幅

カッターの操作品質を評価する上で最も重要な特性のひとつで、そのカッターが扱える最小半径を反映する。最も幅の広い部分で測定され、ほとんどのプラズマ切断機では カーフ幅 0.15mmから6.0mmの間。

影響因子には以下が含まれる： a. カーフ幅が過度に広いと、材料を無駄にするだけでなく、切断速度が低下し、エネルギー消費量が増加する。 b. カーフ幅は主にノズル開口部に関係し、一般的にノズル開口部より10%～40%大きい。

d.切り口の幅が大きくなると、切断される部品の変形が大きくなる可能性がある。

(2) 表面粗さ

これは切断面の外観を表し、切断後にさらなる加工が必要かどうかを判断する。また、切削深さの3分の2におけるRa値の尺度でもある。

粗さの主な原因は、切削気流による切削方向の縦振動であり、その結果、切削リップルが発生する。

の一般的な要件である。 表面粗さ オキシアセチレン切断後クラス1 Ra≤30μm, クラス2 Ra≤50μm, クラス3 Ra≤100μm.

プラズマアーク切断では、一般的にフレーム切断よりも大きなRa値が得られるが、レーザー切断よりは小さい（50μm以下）。

(3) カットエッジの正方形度

これは切削品質を反映するもう一つの重要なパラメータで、切削後に必要なさらなる加工の程度に関係する。この指標は、垂直度Uや角度公差で表されることが多い。

プラズマアーク切断の場合、U値は板厚とプロセスパラメータに密接に関係し、通常はU≦(1%～4%)δ（δは板厚）である。

(4) 熱影響ゾーンの幅

この指標は、焼入れや熱処理が可能な場合に極めて重要である。 低合金鋼 または合金鋼の場合、広い熱影響部によって切断部近傍の特性が大きく変化する可能性があるためである。

空気プラズマ・アーク切断の熱影響部幅は約0.3mmで、水中プラズマ・アーク切断ではもっと狭くなる。

(5) ドロスの量

熱切断後に切断面の下端に付着する酸化スラグや再結晶化した物質の量を表す。ドロスの程度は通常、目視によって判断され、なし、軽度、中程度、重度と表現されることが多い。

さらに、カットの直線性、トップエッジの溶け具合、ノッチについても具体的な要求があるはずだ。

3.プラズマアーク切断の品質管理対策

プラズマ・アーク切断の表面品質は、一般にオキシアセチレン切断とバンドソー切断の中間である。

機械切断に比べ、プラズマ・アーク切断は許容範囲が広い。板厚が100mmを超えると、切断速度が遅いために金属が溶ける量が多くなり、切断が粗くなることが多い。

良好な切断の基準は、幅が狭く、断面が長方形で、表面が滑らかで、スラグやドロスがなく、切断面の硬さがその後の加工に支障をきたさないことである。

3.1 カーフ幅と平坦度

カーフ幅とは、切断面の上端における、切断ビームによる2つの面の間の距離を指す。切断上端で溶融する場合は、溶融層直下の2つの切断面間の距離を示す。

プラズマ・アークは、切断面の下部よりも上部から多くの金属を除去することが多いため、切断面にわずかな傾きが生じ、上端は通常正方形に見えるが、時にはわずかに傾くこともある。 ラウンド.

プラズマアーク切断の切り口幅は、酸素アセチレン切断の1.5～2.0倍で、板厚が厚くなると切り口幅も大きくなる。

厚さ25mm以下のステンレスやアルミニウムの場合、低電流プラズマアーク切断を使用することができます。 真直 カットの

特に切断板厚が8mm以下であれば、小さなエッジを切断することが可能で、大電流プラズマアーク切断では困難な、さらなる加工を必要としない直接溶接ができる場合もある。

これにより、薄板の不規則な曲線のブランキングや規格外の穴あけ加工に便利です。切断面の平坦度とは、切断面の最高点と最低点から、切断面の角度方向に平行な2本の線の距離をいう。

プラズマアーク切断の表面には、厚さ約0.25～3.80mmの溶融層が形成されるが、化学組成は変化しない。

例えば、5% w(Mg)を含むアルミニウム合金を切断すると、0.25mmの厚さの溶融層が存在するものの、組成は変化せず、酸化物は現れない。

切断面を直接溶接しても、緻密な溶接を得ることができる。ステンレス鋼を切断する場合、熱影響部 が速やかに臨界温度の649℃を通過するた め、炭化クロムは粒界に沿って析出しない。したがって、ステンレス鋼のプラズマ・アーク切断は、耐食性に影響を与えない。

3.2 カットからドロスを除去する方法

切断面にある幅、深さ、形状の異なる不規則なノッチは、切断の均一性を妨げる。切断後に切断面の下端に付着する酸化鉄のドロスは、ハンギング・スラグと呼ばれる。

ステンレスを例にとると、溶けたステンレスの流動性が悪いため、切断工程で溶けた金属を切り口からすべて吹き飛ばすのは難しい。

ステンレス鋼は熱伝導率が悪く、切り口の底が過熱しやすく、吹き飛ばされずに溶けた金属が残ることがある。

このドロスは切削底部と融合し、冷却時に固化してドロスまたは垂れスラグと呼ばれるものを形成する。ステンレス鋼は強靭であり、このドロスは非常に強固であるため、除去が難しく、機械加工に大きな困難をもたらす。

したがって、ステンレス鋼のプラズマアーク切断からドロスを除去することは重要な問題である。

銅、アルミニウム、およびそれらの合金を切断する場合、熱伝導率が良いため、切断底部が溶融金属で再溶融する可能性が低くなります。

このドロスは切り口の下に「垂れ下がって」いるが、取り除くのは簡単である。プラズマアーク切断を使用する場合、ドロスを除去するための具体的な対策は以下の通りである：

(1)以下の各項目の同心度を確認する。 ウォルフラム 電極とノズル

タングステン電極とノズルのアライメントが悪いと、ガスとアークの対称性が乱れ、プラズマアークが十分に圧縮されなかったり、アークの偏向を引き起こしたりする。

これは切断能力を低下させ、非対称な切断をもたらし、溶融塊の発生を増加させ、ひどい場合には切断プロセスを混乱させる二重円弧を引き起こす。

(2) プラズマアークに十分な出力があることを確認する。

プラズマアーク出力が増加すると、プラズマアークのエネルギーが増加し、アーク柱が長くなり、切断プロセス中の溶融金属の温度と流動性が上昇する。

高速気流の効果で、溶けた金属は簡単に吹き飛ばされる。

アークコラムの出力を上げると、切断速度と切断プロセスの安定性が向上し、より大きなエアフローを使用してブロー力を高めることが可能になり、切断中の溶融塊を除去するのに非常に有益である。

(3) 適切なガス流量と切断速度を選ぶ

 ガス流量が不足すると、溶融塊が発生しやすくなる。他の条件を変えずにガス流量を増やすと、切断品質が向上し、溶融塊のない切断が可能になる。

しかし、過剰なガスフローはプラズマアークを短くし、被加工物の下部での溶融能力を低下させ、切断の遅れを増大させ、切断がV字形状になり、その結果、溶融塊が形成されやすくなる。

3.3 二重円弧の発生を避ける

移送されたプラズマアークにおける二重アークの発生は、特定のプロセス条件に関連している。プラズマアーク切断では、二重アークの存在は必然的にノズルの急速な摩耗につながる。

軽度の摩耗はノズル孔の幾何学的形状を変化させ、アークを不安定にし、切断品質に影響を与える。重度の摩耗はノズル漏れを引き起こし、切断プロセスを停止せざるを得なくなる。

したがって プラズマアーク溶接二重円弧の発生を防ぐためには、二重円弧の発生に影響する要因を考慮することが極めて重要である。

3.4 厚板切断の品質

生産現場では、プラズマアーク切断を使用して、厚さ100～200 mmのステンレス鋼を切断できるようになりました。厚板の切断品質を確保するには、以下の技術的特性を考慮する必要があります：

(1)切断板厚が厚くなると、溶かす金属の量も増えるので、より大きなプラズマアーク出力が必要になる。80mm以上の厚板を切断する場合、プラズマアーク出力は50～100kWとなる。

ノズルとタングステン電極の磨耗を減らすには、同じ出力でプラズマアークの切断電圧を上げることが望ましい。

したがって、切断電源の無負荷電圧は220V以上でなければならない。

(2) プラズマアークはスリムで剛性が高く、アーク柱は長い距離にわたって高温を維持する。

すなわち、軸方向の温度勾配は小さく、アーク柱上の温度分布は均一であるべきである。こうすることで、切り口の底は貫通を確保するのに十分な熱を得ることができる。

熱エンタルピーが大きく熱伝導率の高い窒素と水素の混合ガスを使えば、その効果はさらに高まる。

(3)アーク移行中は、電流変動が大きいため、アーク切れやノズルの焼損が発生することが多いので、電流を徐々に増加させるか、段階的に移行させる方法が必要である。

一般的には、切断回路に電流制限抵抗（約0.4Ω）を挿入してアーク移行時の電流値を下げ、その後抵抗をショートさせることができる。

(4)切断開始時には予熱が必要であり、予熱時間は切断する材料の特性と厚さによって決定される。

ステンレス鋼の場合、ワークの厚みが200mmの場合、8～20秒の予熱が必要であり、ワークの厚みが50mmの場合、2.5～3.5秒の予熱が必要である。

厚いワークの切断が始まったら、連続切断を行うために切断トーチを動かす前に、厚さ方向に切断が終わるまで待つ必要があります。

アークは、作品が完全に分離してから切り離すべきである。

品質管理措置：

避けるために 溶接欠陥溶接の両側のズレを制御するために、溶接固定具を使用し、位置決めされている。溶接されたシェルの内壁の酸化を避けるために、内部アルゴン充填保護が採用されている。

5. 結論

(1)マルテンサイト系析出硬化ステンレス鋼は優れた特性を示す。 溶接性 また、溶体化処理、時効処理、過時効処理など、どのような状態でも溶接が可能で、予熱や溶接後の徐冷を必要としない。

ただし、溶接継手に同等の強度が必要な場合は、母材と同じ化学組成の溶加材を使用し、溶接後の溶体化処理と時効熱処理を行う必要がある。

(2) マルテンサイト系析出硬化ステンレス鋼を融接で 溶接する場合、接合部の軟化や偏析を抑制するた め、線エネルギーの入力を厳しく制限する必要が ある。

電子ビーム溶接、 レーザー溶接抵抗溶接、パルス・タングステン・ イナート・ガス溶接が優先される。抵抗溶接を使用する場合は、厳格な仕様を遵守する必要があります。