プラズマアーク加工とは：構成要素、動作原理、用途を徹底解説

プラズマとは

プラズマは物質の4つの基本状態の一つで、1920年代にアービング・ラングミュアによって体系的に研究されました。1つ以上の軌道電子を失った（または稀に余分な電子を得た）イオン原子または分子のガスと、自由電子で構成されます。

ダークマターとさらに謎のダークエネルギーを除けば、プラズマは宇宙で最も豊富な通常物質の形態です。プラズマは太陽を含む恒星、希薄な銀河間物質、おそらく銀河間領域にまで関連しています。

プラズマは、中性ガスを加熱するか、強い電磁場を作用させることで人工的に生成できます。自由帯電粒子の存在によりプラズマは電気伝導性を持ち、個々の粒子動力学とマクロなプラズマ運動は集合的な電磁場によって支配され、外部印加場に非常に敏感です。

プラズマの電磁場への応答は、プラズマテレビやプラズマエッチングなど、多くの現代技術デバイスで利用されています。

プラズマアーク加工とは

プラズマアーク加工は、工作物から材料を除去するために使用されます。このプロセスでは、高温ガスの高速ジェットを用いて工作物から材料を溶融・除去します。この高速高温ガスはプラズマジェットとも呼ばれます。

ガスまたは空気を5000°C以上で加熱すると、正イオン、負イオン、中性イオンに電離し始めます。ガスまたは空気が電離すると温度は11,000°C〜28,000°Cに達し、この電離ガスをプラズマと呼びます。

ガスまたは空気はアークで加熱され、ガス加熱によって生成されたプラズマが工作物から材料を除去するために使用されます。したがって、このプロセス全体をプラズマアーク加工と呼びます。

このプロセスでは、高速高温空気が工作物を溶融させることで材料を除去します。

プラズマアーク加工で使用されるガスは、工作物として使用される金属に応じて選択されます。

プラズマアーク加工は、合金鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、ニッケル、銅、鋳鉄の切断に使用されます。

プラズマアーク加工の動作原理

基本原理は、電極と工作物の間に形成されるアークが、細孔の銅ノズルによって絞られることです。これによりノズルから放出されるプラズマの温度と速度が上昇します。

プラズマ温度は20,000°Cを超え、速度は音速に近づきます。切断に使用する場合、プラズマガス流量を増やすことで、深く貫入するプラズマジェットが材料を切断し、溶融材料が噴出プラズマで除去されます。

プラズマアーク加工はプラズマガンで構成されます。プラズマガンにはチャンバー内にタングステン製電極があります。このタングステン電極は直流電源の負極に接続され、タングステンは陰極として働きます。

一方、直流電源の正極はノズルに接続されます。したがって、プラズマガンのノズルは陽極として働きます。

システムに電源を供給すると、陰極タングステン電極と陽極ノズルの間に電気アークが発生します。ガスがプラズマと接触すると、ガス原子と電気アークの電子が衝突し、その結果電離ガスが得られます。

つまり、プラズマアーク加工に必要なプラズマ状態が得られます。このプラズマを高速で工作物に向け、加工プロセスが開始されます。プラズマ状態を得るために高電位差が印加されることに注意してください。

プロセス全体で高温条件が必要です。高温ガスがノズルから出る際に過熱の可能性があります。この過熱を防ぐため、ウォータージャケットが使用されます。

プラズマアーク加工の構成要素

1. プラズマガン

窒素、水素、アルゴン、またはこれらの混合ガスなど、さまざまなガスがプラズマ生成に使用されます。このプラズマガンにはタングステン電極を持つチャンバーがあります。このタングステン電極は負極に、プラズマガンのノズルは直流電源の正極に接続されます。必要なガス混合物がガンに供給されます。陽極と陰極の間に強力なアークが発生します。

その後、アークの電子とガス分子が衝突し、この衝突によりガス分子が電離し熱が発生します。