プラズマアーク溶接（PAW）完全解説：プロセス概要、構成部品、仕組み

プラズマアーク溶接（PAW）とは

プラズマアーク溶接（PAW）は、TIG溶接と非常に似たアーク溶接プロセスで、尖ったタングステン電極とワークピースの間にアークが形成されます。しかし、電極をトーチ本体内に配置することで、プラズマアークをシールドガスエンベロープから分離できます。プラズマは微細なボアの銅ノズルを通して強制され、アークが収束されます。

GTAW（TIG溶接）との主な違いは、PAWでは電極がトーチ本体内に配置されるため、プラズマアークがシールドガスエンベロープから分離される点です。プラズマは微細なボアの銅ノズルを通して強制され、アークが収束し、プラズマが音速に近い速度で、28,000℃（50,000°F）以上の温度でオリフィスから噴出します。

アークプラズマはガスの一時的な状態です。ガスが電流を通過することで電離し、電気の導体になります。電離状態では、原子は電子（−）と陽イオン（+）に分解され、系はイオン、電子、高度に励起された原子の混合物を含みます。

電離度は1％から100％以上（二重・三重電離の場合）まであり得ます。このような状態は、より多くの電子が軌道から引き離されることで存在します。

プラズマジェットのエネルギー、ひいては温度は、アークプラズマを生成するために使用される電力に依存します。プラズマジェットトーチで得られる典型的な温度値は約28,000℃（50,000°F）で、通常の電気溶接アークの約5,500℃（10,000°F）と比較されます。すべての溶接アークは（部分的に電離した）プラズマですが、プラズマアーク溶接のものは収束アークプラズマです。

ボア径（ノズル径）による運転モード

ボア径とプラズマガス流量を変えることで、3つの運転モードが生成されます：

1. マイクロプラズマ：0.1〜15A

マイクロプラズマアークは非常に低い溶接電流で動作可能です。アーク長が最大20mmまで変化しても、柱状アークは安定しています。

2. 中電流：15〜200A

15〜200Aの高電流では、プラズマアークのプロセス特性はTIGアークと類似していますが、プラズマが収束されているためアークがより剛直です。プラズマガス流量を増やせば溶融池の浸透が改善されますが、ガスシールド内の過度な乱流により空気とシールドガスの巻き込みリスクがあります。

3. キーホールプラズマ：100A以上

溶接電流とプラズマガス流量を増やすことで、レーザーや電子ビーム溶接のように材料を完全貫通する非常に強力なプラズマビームが生成されます。

溶接中、溶融溶接池が表面張力の下で後ろに流れて溶接ビードを形成しながら、穴が金属を徐々に貫通します。このプロセスでは、厚い材料（ステンレス鋼で最大10mm）を1パスで溶接できます。

プラズマアーク溶接機の構成

プラズマアーク溶接セットアップは以下のコンポーネントで構成されます：

• 電源装置
• プラズマ溶接トーチ
• 水循環装置
• タングステン電極
• シールドガス
• プラズマガス
• トーチアクセサリーキット（チップ、セラミック、コレット、電極セットアップゲージ）
• 充填材

各コンポーネントを簡単に説明します。

1. 電源装置

プラズマアーク溶接プロセスには、タングステン電極と溶接板の間で電気火花を発生させる高出力DC電源が必要です。この溶接は2アンペアの低電流から可能で、最大約300アンペアまで対応できます。適切な動作には約80ボルトが必要です。電源はトランス、整流器、コントロールコンソールで構成されます。

2. プラズマ溶接トーチ

これはプラズマ溶接プロセスで最も重要な部分です。TIG溶接で使用されるトーチと非常に似ています。PAWトーチは水冷式で、アークがトーチ内部に含まれて高熱を生成するため、トーチ外部にウォータージャケットが設けられています。

3. 水循環装置

溶接トーチ外部に水を連続的に流すことで、溶接トーチを冷却する機構です。

4. タングステン電極

この機械では非消耗タングステン電極を使用します。タングステンは非常に高温に耐えられることが知られています。

5. シールドガス

この溶接プロセスでは2種類の不活性ガスを使用します。溶接中の乱流を避けるために低圧を維持する必要がありますが、この低圧ガスでは溶接シールドが弱く形成されるため、外側部分から高流量で別の不活性ガスを供給して溶接シールドを持続可能にします。使用される不活性ガスはヘリウム、アルゴン、必要に応じて水素で、温度に完全に依存します。

6. プラズマガス

ほぼ同数の電子とイオンで構成される電離高温ガスです。分子、原子、電子から電子を解放するのに十分なエネルギーを持ち、それらを同期させます。これが溶接の主要エネルギー源です。

7. トーチアクセサリーキット

溶接トーチの性能を拡張するために使用されるキットです。

8. 充填材

プラズマ溶接では充填材は使用されません。充填材を使用する場合は、直接溶接ゾーンに供給されます。

プラズマ溶接の仕組み

プラズマは極めて高温に加熱され、電離して電気伝導性を持つようになったガスです。GTAW（TIG）と同様に、プラズマアーク溶接プロセスはこのプラズマを使用して電気アークをワークピースに伝達します。溶接される金属はアークの激しい熱で溶融し、融合します。

プラズマ溶接トーチでは、タングステン電極が先端に小さな開口を持つ銅ノズル内に配置されます。トーチ電極とノズルチップの間でパイロットアークが開始されます。このアークが溶接される金属に転移されます。

プラズマガスとアークを収束オリフィスを通して強制することで、トーチは小さな領域に高濃度の熱を供給します。高性能溶接装置では、プラズマプロセスが非常に高品質な溶接を生み出します。

プラズマガスは通常アルゴンです。トーチは副次的なガスとして、アルゴン、アルゴン/水素、またはヘリウムも使用し、溶融溶接プールのシールドを助け、溶接の酸化を最小限に抑えます。

プラズマアーク溶接の利点

• トーチ設計によりアークの制御が向上
• 溶接の観察と制御により多くの自由度
• 高い熱集中とプラズマジェットにより高速移動が可能
• プラズマの高温と高熱集中によりキーホール効果が可能
• 多くの継手で単パス溶接による完全貫通を実現
• GTAW（ガスタングステンアーク溶接）と比較して熱影響部が小さい
• 他の溶接プロセスと比較して少ない電流入力で済む

プラズマアーク溶接の欠点

• LBW（レーザービーム溶接）やEBW（電子ビーム溶接）と比較して、より広い溶接幅と熱影響部になる
• プラズマ溶接装置は非常に高価で、初期導入コストが高い
• プラズマ溶接の実行には訓練と専門知識が必要
• 紫外線と赤外線放射を発生
• 約100dBの高い騒音を発生
• トーチが大型で、手動溶接がやや困難で訓練が必要

プラズマアーク溶接の用途

• 海洋産業と航空宇宙産業で使用
• ステンレス鋼やチタンのパイプ・チューブ溶接に使用
• 主に電子産業で使用
• 工具、ダイ、金型の修理にも使用
• タービンブレードへの溶接やコーティングに使用

以上がプラズマアーク溶接加工についてのすべてです。この記事をお楽しみいただけたら幸いです。他の溶接プロセスについての記事も書いていますので、そちらもチェックしてみてください。また、お気に入りのソーシャルプラットフォームで記事をシェアするのをお忘れなく。

プラズマ溶接動画

よくある質問（FAQ）

プラズマ溶接とは何ですか？

プラズマアーク溶接（PAW）は、ガスタングステンアーク溶接（GTAW）に類似したアーク溶接プロセスです。電気アークは、電極（通常は焼結タングステン製ですが必ずしもそうとは限りません）とワークピースの間に形成されます。GTAWとの主な違いは、PAWでは電極がトーチ本体内に配置されるため、プラズマアークがシールドガスエンベロープから分離される点です。プラズマは微細なボアの銅ノズルを通して強制され、アークが収束し、音速に近い速度で、28,000℃（50,000°F）以上の温度でオリフィスから噴出します。

プラズマアーク溶接は何に使用されますか？

プラズマ溶接は、キーホール型と非キーホール型の両方の溶接を作るために使用されます。非キーホール溶接の場合：厚さ2.4mm以下のワークピースで非キーホール溶接が可能です。

プラズマアーク溶接プロセスとは何ですか？

プラズマアーク溶接（PAW）は、尖ったタングステン電極とワークピースの間にアークが形成される点でTIG溶接と非常に似たアーク溶接プロセスです。しかし、電極をトーチ本体内に配置することで、プラズマアークをシールドガスエンベロープから分離できます。

プラズマアーク溶接の2つのタイプとは何ですか？

プラズマアークマシニング（PAM）システムには、移行アークPAMシステムと非移行アークPAMシステムの2タイプがあります。移行アークPAMシステムでは、プラズマアークが電極とワークピース間で移行します。

プラズマアーク溶接とTIG溶接の唯一の違いは何ですか？

トーチの構造が、プラズマアーク溶接とTIG溶接の唯一の違いです。両方ともタングステン電極を使用します。

プラズマカッターで溶接できますか？

適切なトーチ設計があれば、他のガスより安価な窒素水注入が、アルミニウムとステンレス材のプラズマ切断後の溶接に適しています。プロセスは電極を窒素で囲み、電気アークで加熱してプラズマを形成します。

プラズマ溶接とTIG溶接の違いは何ですか？

TIG溶接では、電極（タングステン）によってアークが形成され、シールドガス覆い下で維持されます。薄い材料の繊細な作業向けです。プラズマアーク溶接では、電極がトーチ内に配置され、アークがガスと共に注入されます。

プラズマ溶接の3つのタイプとは何ですか？

プラズマ溶接の3つの主要タイプ：

• マイクロプラズマ溶接：電流が0.02〜15アンペア
• 「溶け込み技法」によるプラズマ溶接：TIGプロセスと同じように溶接を実行。電流は15〜100アンペア
• 「キーホール技法」を使用するプラズマ溶接

どの業界でプラズマアーク溶接が使用されていますか？

プラズマアーク溶接の5つの完璧な用途：

• 鋼管製造：自動車産業では排気システムの主要部品
• 小型金属部品の溶接
• バット継手に最適
• 薄い電子チップの溶接
• 医療機器製造

プラズマアーク溶接で使用される電極は何ですか？

プラズマプロセスで使用される電極はタングステン-2%トリア、プラズマノズルは銅です。

プラズマアーク溶接を発明したのは誰ですか？

プラズマアーク溶接（PAW）は1953年、ロバート・M・ゲージによってニューヨーク州バッファローのリンデ/ユニオンカーバイド研究所で発明・特許取得されました。市場に出る1964年まで、約10年の開発と複数の後続特許が行われました。

プラズマはどのように切断しますか？

プラズマ切断（プラズマアーク切断）は、20,000℃以上の電離ガスジェットを使用して材料を溶融・排出する溶融プロセスです。プロセス中、電極（カソード）とワークピース（アノード）の間に電気アークが発生します。

MIG溶接はアーク溶接ですか？

メタルインナートガス（MIG）溶接は、連続的な固体ワイヤー電極を加熱し、溶接ガンから溶接プールに供給するアーク溶接プロセスです。2つのベース材料が一緒に溶融して接合を形成します。

プラズマアーク溶接のTIG溶接に対する利点は何ですか？

• トーチ設計によりアークの制御が向上
• 溶接の観察と制御により多くの自由度
• 高い熱集中とプラズマジェットにより高速移動が可能
• プラズマの高温と高熱集中によりキーホール効果が可能

溶接速度とは何ですか？

移動速度は単純に、溶接トーチまたはガンがワークピースを横切って移動する速度で、mm/分で測定されます。電圧と電流とともに、移動速度はアーク溶接における熱入力量を決定する3つの変数の1つです。

アルミニウムをプラズマ溶接できますか？

プラズマ切断アルミニウムは完璧な溶接を作れます。このカッターを使用すると、溶接領域外の金属表面を適度に冷たく保てます。また、フレームカッターで通常発生する歪みや塗装損傷を防止できます。プラズマカッターはアルミニウムワークピースを正確かつ迅速に溶接します。

プラズマカッターはトーチより優れていますか？

プラズマは切断前に金属を予熱する必要がなく時間を節約でき、積層金属の切断では酸素燃料トーチを上回ります。薄い金属ではプラズマでより高速が達成でき、金属歪みは最小限またはなしです。

タングステンカーバイドをプラズマ切断できますか？

焼結タングステンカーバイドは形成されるもので、溶融や鍛造ではありません。特定のベアリング用にシートが入手可能ですが、プラズマでは切断できません。通常、カーバイド工具はソリッドカーバイドまたはろう付けカーバイド「チップ付き」、または高強度鋼から鍛造・機械加工された工具にインサートされたカーバイドです。

プラズマアーク溶接でステンレス鋼・ニッケル合金の溶接に適したガスは何ですか？

ステンレス鋼とニッケル合金にはアルゴンまたはアルゴン-水素混合ガスが使用され、溶接速度を上げ酸化膜を減らします。「キーホール」プラズマ溶接で2.5〜6.5mm厚の場合、溶融プール前縁の角ばったバット継手に穴が形成されます。

サブマージアーク溶接におけるフラックスの機能は何ですか？

フラックスの機能は：アーク着弧と安定性の補助、溶接ビードを保護・成形するスラグの形成、アークギャップを横切って投射される溶融充填金属を保護するガスシールドの形成。

キーホールプラズマアーク溶接とは何ですか？

キーホールプラズマアーク溶接は、深い貫通を実現する独自のアーク溶接プロセスです。溶接品質を確保するには、キーホールの存在が重要です。キーホールを理解することは、プロセスと溶接品質の改善に確実に役立ちます。

プラズマアークゲージングとは何ですか？

プラズマアークゲージングはプラズマアークプロセスの一変種です。アークは難融性（通常タングステン）電極とワークピースの間に形成されます。微細なボア銅ノズルでアークを収束させることで強力なプラズマが得られます。