プラズマアーク溶接：説明

1. プラズマアークとその発生装置の特徴

1.プラズマアークの形成

プラズマアークは、エネルギー密度、温度、アーク力が高い圧縮タングステン電極アルゴンアークである。プラズマアークは3つの圧縮効果によって得られる：

1) 機械的圧縮： 水冷銅ノズルの開口部によるアーク柱の断面積の制限された拡大は、機械的圧縮として知られている。

2) 熱圧縮： ノズル内の冷却水は、ノズルの内壁付近に冷たいガスの層を形成し、アーク柱の有効導電面積を減少させる。これにより、アーク柱のエネルギー密度と温度がさらに上昇する。アーク柱の温度とエネルギー密度をさらに高めるための水冷によって達成されるこの効果は、熱圧縮として知られています。

3) 電磁圧縮： 前述の圧縮効果により、アーク電流密度が増加し、アーク電流自身の磁場によって発生する電磁収縮力が強くなる。その結果、電磁圧縮として知られるアークのさらなる圧縮が生じる。

2.プラズマアークの分類

(1) 非譲渡アーク

非転移アークは、タングステン電極とノズルの間で燃焼する。溶接中、電源のプラス極は水冷銅ノズルに接続され、マイナス極はタングステン電極に接続される。被加工物は溶接回路に接続されていない。アークは、プラズマ・ガスの高速噴出によって行われる。このタイプのアークは、薄い金属や非金属の溶接や切断に適している。

(2) 移籍アーク

移送されたアークは、タングステン電極と被加工物の 間で直接燃焼する。溶接中、タングステン電極とノズルの間の非伝達アークが最初に点火され、次にアークがタングステン電極と被加工物に伝達されます。運転中、ノズルは溶接回路に接続されない。このタイプのアークは、厚い金属の溶接に使用される。

(3) 複合アーク

混合アークとは、移行アークと非移行アークが併存 するアークを指す。混合アークは非常に低い電流でも安定性を維持できるため、特に薄板や極薄板の溶接に適している。

3.プラズマアーク特性

(1) 円弧静特性曲線 プラズマアーク はTIGアークとは大きく異なる：

• 1.1 E値が大きくなり、上方にシフトする。直線部の幅が狭くなり、立ち上がり部の傾きが大きくなる。
• 1.2 コンバインド・アークの下降セクションは目立たないので、小電流アークは非常に安定している。

(2)アーク温度は24000Kから50000Kと高く、出力密度とエネルギー密度は105-106W/cm2と高い。一方、TIGアークは温度範囲が10000～24000Kで、出力密度は104W/cm2以下である。

(3) 剛性が高く、アーク集中係数が大きい。

(4)アーク柱から発生する熱は、被加工物の加熱に大きな影響を与える。

4. プラズマアーク溶接の特徴と応用

(I) 特徴

プラズマアークは、その高いエネルギー密度、温度、剛性により、従来と比較して次のような利点がある。 アーク溶接:

1) 強い溶け込み能力で、開先加工やフィラーワイヤーを必要とせず、板厚8～10mmのステンレス鋼を溶接できる。

2) 品質 溶接継ぎ目 は円弧の長さの変化に敏感ではない。これは、円弧の形状が円筒形に近く、また、円弧の長さが変化しても、円弧の長さが変化しないためである。 真直.アーク長さのばらつきが加熱スポット面積に与える影響は最小限であるため、均一な溶接シーム形状を容易に得ることができる。

3) タングステン電極は水冷銅ノズル内に収納され、被加工物との 接触を避け、溶接金属中のタングステン介在物の発生を防 ぐ。

4) プラズマアークは電離度が高く、低電流でも安定するため、小型精密部品の溶接が可能。

プラズマ・アーク溶接の欠点は以下の通りである：

1) 制限付き 溶接厚さ通常は25mm以下。

2) 溶接ガンと制御回路が複雑で、ノズルの寿命が短い。

3) 複数ある 溶接パラメータ溶接オペレーターには、高い技術熟練度が要求される。

(2) アプリケーション

プラズマ・アーク溶接は、タングステン・イナート・ガス（TIG）溶接で溶接できるさまざまな金属、たとえばステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などの溶接に使用できる。 アルミニウム合金チタンおよびチタン合金、ニッケル、銅、モネル合金。この溶接法は、航空宇宙、航空、原子力、エレクトロニクス、造船、その他の産業分野に適用できる。

5.プラズマアーク発生器

1.分類： プラズマアーク溶接ガン、切断ガン、スプレーガン。

2.コンポーネント

主な構成部品は、電極、電極ホルダー、圧縮ノズル、中間絶縁体、上部ガン本体、下部ガン本体、冷却スリーブである。最も重要な部品はノズルと電極である。

1.ノズル

分類：ノズル孔の数により、単孔式と多孔式がある。

多穴ノズルでは、中央の主穴のほかに、主穴の左右に複数の小穴がある。これらの小孔から噴出するプラズマガスは、プラズマアークをさらに圧縮する効果があり、プラズマアークの断面が楕円になる。楕円の長軸が溶接方向と平行である場合、プラズマ・アーク断面積を著しく増大させることができる。 溶接速度 そして、熱影響ゾーンの幅を小さくする。

最も重要なノズル形状パラメータは、圧縮開口部と圧縮流路の長さである。

1) ノズル開口部（dn）：

dnはプラズマアークの直径とエネルギー密度を決定する。直径が小さいほど、アーク の圧縮が大きくなるが、小さすぎるとプラズマ・アーク の安定性が低下し、二重アークやノズルの損傷を引き起こすこ ともある。dnは、溶接電流、プラズマ・ガス・タイプ、流 量に基づいて選択する必要がある。

2) ノズル流路長(l0)：

ある圧縮開口の下では、l0が長いほどプラズマアークの圧縮が強くなる。しかし、l0が大きすぎるとプラズマアークが不安定になる。通常、比l0/dnが一定の範囲に入ることが要求される。トランスファーアークでは一般に1.0～1.2、ミックスドアークでは2～6である。

3) 円錐角（α）：

円錐角はプラズマアークの圧縮にほとんど影響せず、30°から180°の範囲で設定できる。しかし、電極先端に陽極スポットを安定して固定するためには、電極先端の形状に合わせることが望ましい。溶接の場合、角度は一般に60°から90°である。

ノズル材質：

ノズルは通常銅製で、直接水冷される。

電極：

1）材料：

プラズマ・アーク溶接では、一般的にト リエート・タングステン電極またはセリエー ト・タングステン電極が使用される。場合によっては、ジルコニアタングステン電極やジルコニウム電極を使用することもある。タングステン電極は一般的に水冷が必要です。低電流アプリケーションでは、間接的な水冷が使用され、タングステン電極は、ロッドの形をしています。高電流アプリケーションでは、直接水冷が使用され、タングステン電極は、埋め込まれた構造を有する。

2）形状：

棒状電極の先端は、通常、鋭利な円錐形または円錐台形状に研磨される。大電流用途では、バーンオフを減らすために球状に研磨することもできます。

3) 内側収縮の長さと同心度：

とは異なり TIG溶接プラズマ溶接では、タングステン電極は一般に圧縮されたノズル内で収縮する。ノズルの外表面からタングステン電極の先端までの距離は、内側の収縮長さ（lg）として知られています。

アークの安定性を確保し、二重アークを防止するために、タングステン電極はノズルと同心であるべきであり、タングステン電極の内側の収縮長さ（lg）は適切であるべきである（lg = l0 ± 0.2mm）。

3.ガス供給方法：

a) タンジェンシャル：この方法では、中心部の圧力が低く、周辺部の圧力が高い高圧縮が得られる。中心部の円弧を安定させるのに役立つ。

b) 放射状：タンジェンシャル方式に比べて圧縮率が低い。

5.デュアルアークとその防止策

1.デュアルアーク

通常の条件下では、タングステン電極と被加工物の間に移 動アークが形成される。

しかし、特定の異常な状況では、デュアルアークと呼ばれる平行アークが発生することがあり、これはタングステン電極とノズルの間だけでなく、ノズルと被加工物の間でも燃焼する。

2.デュアルアーク発生メカニズム

コールドガス膜破壊の理論

3.デュアルアーク発生の原因と防止策

1.特定の電流条件下では、ノズルの圧縮開口部が小さすぎたり、圧縮流路の長さが長すぎたりして、内部収縮長が過大になる。

2.プラズマガスの流量不足。

3.タングステン電極の軸とノズルの軸に過度のずれがある。

4.金属スパッタによるノズルの閉塞。

5.電源の外部特性が正しくない。

6.ノズルとワークの距離が正しくない。

2. イオンアーク溶接と切断。

1.プラズマアーク溶接プロセス

パーフォレーション方式、フュージョン方式、マイクロビームプラズマアーク溶接の3つの方式がある。

(1) パンチング式プラズマアーク溶接

より大きな溶接電流とプラズマ流を使用することで、プラズマアークはより高いエネルギー密度とプラズマ流力を持つ。ワークピースは完全に溶融し、プラズマ流の力の作用でワークピースを貫通する小さな穴が形成され、溶融金属は小さな穴の周囲に排出される。

プラズマ・アークが溶接方向に移動すると、溶融金属はアークの壁に沿って移動し、溶接プールの後方で結晶化して溶接シームとなり、小孔はプラズマ・アークとともに前進する。

片側溶接と両側成形に適しており、片側溶接と両側成形にのみ使用できる。

薄いワークピースを溶接する場合、開先加工、肉盛り、肉盛りをすることなく、1パスで両面成形が可能です。

小さな穴の発生は、プラズマアークのエネルギー密度に依存する。板厚が厚いほど、必要なエネルギー密度は高くなる。厚板の場合、パーフォレーション・タイプのプラズマ・アーク溶接は、最初の溶接シームにのみ使用できる。

表6-1：穿孔式プラズマアーク溶接に適用可能な板厚

(2) フュージョン式プラズマアーク溶接

低いプラズマガス流量を使用すると、プラズマフロー力が小さくなり、アーク浸透能力が低くなる。

特徴

• 被溶接物を溶かすだけで、TIG溶接と同様に小さな穴は開かない。
• 薄板の溶接、多層のカバー溶接、コーナー溶接に適している。

(3) マイクロビームプラズマアーク溶接

低電流（通常30A以下）フュージョン 溶接工程.

装備の特徴

• 小口径圧縮ノズル（0.6mm～1.2mm）。
• 複合アーク。非移行アークがアーク開始と維持の役割を果たし、非常に低い電流（0.5A程度）でも、移行アークが安定した状態を維持できるようにします。

プロセスの特徴：

• 1) より薄い金属の溶接が可能で、溶接可能な最小板厚は0.01mm。
• 2) 円弧の長さが大きく変化しても円弧は折れず、円柱状のままである。
• 3) 溶接速度が速い、溶接継ぎ目が狭い、熱影響部が小さい、溶接部が最小である。 溶接歪み.

(4) パルス・プラズマ・アーク溶接

安定した直流電流の代わりに15Hz以下のパルス電流を使用。アークがより安定するため、熱影響部（HAZ）が小さくなり、歪みが少なくなる。

(5) 交流プラズマ溶接

一般にアルミニウム合金の溶接には矩形波電源を使用する。

(6) 転送プラズマアーク

実際には、トランスファーアークとプラズマアークを組み合わせたもので、2つの形式がある：

2.溶接プロセスとパラメータ

(1) ジョイントとベベルの形状

継手形状は板厚に応じて選択される：

• 板厚が0.05 mmから1.6 mmの場合、通常は下図のような継手形状が用いられ、溶接はマイクロビーム・プラズマアークで行われる。
• 板厚が1.6 mmを超え、表6-4に示す材 料以下の場合、通常は開先を作らず、パーフォレーション 法で溶接する。
• 板厚が表6-4の限界値より大きい場合、多層 溶接にはV型またはU型の開先が必要である。TIG溶接に比べ、開先を小さく、ルート・フェースを大きくすることができる。ルート・フェー スの最大許容値は、パーフォレーション法の最大 溶接厚さに等しい。初層はパーフォレーション法で溶接し、他の層はフュージョン 法または他の方法で溶接する。 溶接方法.

(2) 溶接電流とノズル開口数

溶接電流は常に、板厚または溶け込み要件に基 づいて選択される。電流が低すぎる場合、溶接部が溶け込まず、小穴が形成されない可能性がある。溶接電流が高すぎると、穴径が大きくなるため溶融金属が垂れ下がる可能性がある。

ノズル開口は溶接電流に基づいて選択され、これらは適切に一致させる必要がある。また、プラズマガスの流量にも関係する。

(3) プラズマガス

プラズマガスと シールドガス は通常、溶接する金属と電流の大きさに基づいて選 択される。プラズマ・アーク溶接で大電流を使用する場 合、プラズマ・ガスとシールド・ガスに同じガ スを使用することが一般的に望ましい。

表6-5に、さまざまな金属の大電流プラズマ・アーク 溶接に使用される代表的なガスを示す。低電流プラズマ・アーク溶接では、プラズマ・ ガスとして純アルゴン・ガスが一般的に使用され る。これは、アルゴン・ガスは電離電圧が低く、アーク点火が容易なためである。

プラズマガスの流量は、プラズマの流力と貫通能力を直接決定する。プラズマガスの流量が大きいほど、貫通能力は大きくなる。しかし、プラズマガスの流量が大きすぎると、小孔の直径が大きくなりすぎ、溶接の形成に影響を及ぼす可能性がある。

そのため、ノズル径、プラズマガスの種類、溶接電流、溶接速度などから、適切なプラズマガスの流量を選択する必要がある。

フュージョン法を用いる場合、プラズマガスの流量を適切に減らし、プラズマ流力を最小にする必要がある。

(4) 溶接速度

溶接速度は、プラズマ・ガスの流量と溶接電流に基 づき、3つのパラメーターが適切に適合するように選 択する必要がある。他の条件が一定の場合、溶接速度を上げると入 熱が減少し、小孔の直径が消えるまで減少する。

しかし、溶接速度を上げすぎると、アンダーカットやポロシティが発生する可能性がある。

一方、溶接速度が低すぎると、母材が過熱して溶融金属が垂れ下がる可能性がある。従って、溶接速度、プラズマ・ガスの流量、溶接電流は、うまくマッチングさせる必要がある。

(5) ノズルとワークの距離

距離が大きすぎると、ペネトレーション能力が低下する。距離が小さすぎるとノズルの詰まりの原因になります。一般的に、距離は3～8mmに設定される。タングステン・イナート・ガス（TIG）溶接に比べ、ノズル距離のばらつきが溶接に与える影響は少ない。 溶接品質.

(6) シールドガス流量

シールド・ガスの流量は、溶接電流とプラズマ・ ガス流量に基づいて選択する必要がある。一定のプラズマ・ガス流量の下で、シ ールド・ガスの流量が過剰になると、ガスの流れ が乱れ、アークの安定性と保護効果に影響を与え る。

一方、シールドガスの流量が少なすぎると、保護が不十分になる場合がある。したがって、シールドガスの流量はプラズマガスの流量に対して適切な割合にする必要がある。

パーフォレーション・タイプの溶接では、シールド・ガスの流量は一般に15～30L/minの範囲である。

(7) アーク開始とアーク終了

厚板の溶接にパーフォレーション法を使用する場 合、ポロシティやアンダーカットのような欠陥がアーク 発生点および終了点で発生しやすい。

突合せ接合には、アーク開始プレートと終端プレートが使用される。アークはまず開始プレートで開始され、次にワークピースに移行し、最後に終端プレートで終端され、小孔を閉じる。

しかし、円周継手の場合、アーク開始板と終端板を使用することはできない。代わりに、溶接電流とプラズマ・ガス流量を徐々に増加させてワーク上でアークを開始させ、電流とプラズマ・ガス流量を徐々に減少させてアークを閉じて小孔を閉じる方法が用いられる。

2.プラズマアーク切断

1.切断原理

溶融とブローの原理：プラズマアークが被加工物を完全に溶かし、プラズマ流の高速機械的フラッシング力が溶融金属または非金属を吹き飛ばし、狭い切り口を形成する。

ガス切断:燃焼とブローを利用。

利点がある：

• 1.あらゆる金属を切断可能：スチール、アルミニウム、タングステン、銅、チタン、モリブデンなど。非金属の切断が可能：花崗岩、耐火レンガ、コンクリートなど。
• 2.切断速度が速く、生産性が高い。
• 3.良好な切断品質：滑らかで、熱影響部（HAZ）が小さく、変形が少なく、切断面が垂直に近い。

デメリット

• 機器負荷、高い無負荷電圧。

2.切断技術

1.プラズマガス

1) 種類

• アルゴンガスを使用：無負荷電圧（70-80V）は低いが、アーク温度は低く、30mm以下の厚さの切断に適している。
• 窒素ガス：窒素ガスの吸熱分解により、アークがさらに圧縮され、アーク温度が高くなり、熱容量が大きくなるため、切断厚さと切断速度が向上する。無負荷電圧は165V以上。
• 窒素ガス＋水素ガス：アーク温度と熱容量がさらに上昇し、切断厚さと切断速度が向上。無負荷電圧は300V以上。
• 窒素ガス＋アルゴンガス
• 空気：低コスト、発熱性酸化反応によりアーク温度が高く、大きな切断厚みと高速切断が可能。切断品質も良いが、タングステン電極は酸化しやすい。そのため、ハフニウム-銅電極やジルコニウム-銅複合電極がよく使用されるが、これは酸化皮膜を形成してそれ以上の酸化を防ぐためである。

2) 流量

プラズマ・アークはより硬いアークを必要とするため、プラズマ・ガスの流量は溶接で使われるものよりはるかに多い。

2.プロセスパラメータ

1) 無負荷電圧：

無負荷電圧は、アーク点火性能に影響するだけでなく、アーク の硬さにも影響する。無負荷電圧が高いほどアークが強くなり、フラッシング力が大きくなるため、切断速度と厚さを上げることができる。

2) アーク電流と電圧：

アーク電流と電圧を増加させることで、切断厚さと切断速度を増加させることができ、電圧の方がより大きな効果がある。しかし、電流を増加させると、二重アークが形成され、切削速度が大きくなる可能性がある。 カーフ.

3) 切削速度：

完全な溶け込みを確保しながら、速度を最大にすることを推奨する。切削速度を上げると、生産性が向上し、変形や熱影響部が減少します。 スローカット 速度が速くなると、生産性が低下し、ドロス形成のリスクが高まり、熱影響部が大きくなる。

4) ノズルとワークの距離：

一般に、距離は8～10mmが好ましい。距離を広げるとアーク出力は増加するが、熱放散が大きくなり、アーク効率が低下し、フラッシング力が低下し、ドロス形成のリスクが高まる。また、二重アークが発生しやすくなる。逆に、距離が低すぎると、ノズルが閉塞するおそれがある。