プラズマ切断とは
プラズマ切断 (英: plasma cutting) とは、工作物の金属とタングステン電極の間にプラズマ放電を発生させ、高熱のプラズマ気流により金属を溶解切断する方法です。
プラズマ放電、即ちプラズマジェットを吹き付けた工作物の表面温度は、2万度に達するため、どのような金属も切断できます。また、プラズマジェットの周辺も高温になるので、冷却水等でノズルを冷やすのが一般的です。
プラズマ切断の使用用途
プラズマ切断は、主にガス溶断が困難なステンレス鋼やアルミニウム合金などの溶断に使われ、軟鋼の高速切断にも用いられます。原理上、ほぼ全ての金属と一部の非金属材料を切断できます。しかし、実際に広く使われるのは、薄板から30mm程度の軟鋼板です。
中でも特に使われるのは、建築業界、トラックやフォークリフト、油圧ショベルなどの特殊車両の製造、発電所や港湾クレーンなどのプラント施設、鉄道・橋梁・船舶などの鋼材切断です。
プラズマ切断の原理
物質は高温になるほど、固体から液体、液体から気体へ状態変化します。気体の温度がさらに上昇すると、気体の原子は自由電子とイオンとに分かれ、電離気体になります。そして、電子が原子の軌道から自由になり、物質の第4状態と呼ばれるプラズマに変化します。
プラズマ放電の発生は、工作物とタングステンカーバイドの電極との間でプラズマアーク放電させる方法です。アーク放電により工作物を高温溶融させます。
プラズマアークの密度をさらに上げるために、アークの周りを水冷ノズルなどで拘束し、冷却します。すると、プラズマアークは緊縮し、エネルギーが周囲に広がることがなくなり、1点に集中させることが可能です。
プラズマ切断は、電極から発するプラズマ放電を包み込むガスの種類により、さまざまな方式があります。
1. エアープラズマ切断法
空気をプラズマジェットに使用する切断方法です。 最新のプラズマ切断方法であり小型装置が多く開発されています。個人ユースのDIYで使用される小型プラズマ切断機が販売されています。
2. 酸素－プラズマ切断法
酸素をプラズマジェットに使用する切断方法です。 プラズマ放電と酸素の燃焼熱を使用するため、非常に強いエネルギーでの切断が可能です。高速自動切断装置による鋼の切断に使用され、特に橋梁での鋼材切断や造船時の鋼材切断に使われます。
3. 水素、アルゴン―プラズマ切断法
水素、アルゴンガスと窒素ガスを混合して切断を行う方法です。 水素による還元効果が得られるため、切断した金属表面は美しい金属光沢となります。主に非鉄金属を切断する方法です。
4. 窒素－プラズマ切断法
窒素をプラズマジェットに使用する最も古い切断方法です。 使用ガス が起因で窒素酸化物が発生するため、近年はあまり使用されずに、酸素－プラズマに置き換えられています。
プラズマ切断のその他情報
1. プラズマ切断のメリット
多種の素材の加工が可能
プラズマ切断は、通電できるほとんどの素材が可能です。薄板から30mm程度の軟鋼板の切断に多く使われます。
曲線の切断が可能
プラズマ切断は、直線だけでなく曲線の切断も可能で、複雑かつ多様な製品形状に対応できます。
ステンレス鋼・アルミニウム合金の切断が可能
ガス切断は、金属を酸化させて切断する方式であり、ステンレス鋼やアルミニウム合金などは酸化しにくいので、切断に難点があります。プラズマを使用すれば、容易に切断が可能です。
切断速度が高速
高温のプラズマを熱源とするため、ガスやレーザーによる切断と比べて、切断スピードが速いと言えます。また、切断面の変形が少なくなり、融解による影響が小さくなります。
ランニングコストが小さい
ガス切断のような可燃性ガスが不要で、200Vの電源やエアーコンプレッサーがあれば使用が可能です。放電に使用するタングステンカーバイドは、非消耗品です。
2. プラズマ切断のデメリット
200Vの電源が必要
屋外で200V電源が近くに無い場合や、100Vのみ配電されている所には、向いていません。
スラグの処理が必要
プラズマ切断では、溶解部分から出るスラグを処理する必要があります。スラグが装置内に残存すると、次の作業で誤差が発生し、製品品質に大きく影響します。