プラズマアーク加工（PAM）の原理・応用・メリット・デメリット

本日はプラズマアーク加工（PAM）について、その仕組み、応用、メリット、デメリットを学びます。早速始めましょう。

プラズマとは

「プラズマアーク加工」という言葉を聞いてまず「プラズマとは何か？」と思うでしょう。プラズマについて詳しく見ていきます。

気体や空気を高温加熱すると、原子間衝突回数が増加します。5,500℃以上に加熱すると、正イオン・負イオン・中性イオンに部分電離。さらに11,000℃以上に加熱すると完全電離します。この完全電離した気体をプラズマと呼びます。プラズマ状態は11,000℃〜28,000℃の温度域に存在します。

プラズマアーク加工とは

基本的に、プラズマアーク加工（PAM）は、プラズマアーク、タングステン不活性ガスアーク、またはトーチを用いて金属を切断する金属切断プロセスです。酸素アセチレントーチでは切断できない金属に主に使用されます。PAMが産業導入されたのは1964年で、アーク溶接を助け、より少ない電流で済む手法として導入されました。プラズマアーク加工はPAMとも呼ばれます。PAMではワーク材料（ワークピース）に応じて異なるガスを使用。ワークはアルミニウム、鉄、鋼など様々。例：アルミニウムには窒素、アルゴンには水素使用。多くの場合、窒素と水素が使用されます。プラズマアーク溶接は、高温ガスの高速ジェットで経路の材料を溶融・排除します。

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構成

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DC電源の負極に接続されるため、タングステンが陰極（カソード）として機能。DC電源の正極はノズルに接続されるため、プラズマガンのノズルが陽極（アノード）として機能します。

プラズマアーク加工の動作原理

システムに電源を投入すると、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。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、電離ガス、すなわちプラズマ状態が得られます。このプラズマを高速でワークに向け、加工プロセスが開始されます。なお、プラズマ状態を得るために高電位差が印加されます。

プロセス全体で高温条件が必要。ノズルから高温ガスが出るため過熱の恐れあり。これを防ぐためウォータージャケットが使用されます。

PAMで考慮すべき主要パラメータ：

• 電流：最大500A
• 電圧：30〜250V
• 切断速度：0.1〜7.5 m/分
• 板厚：最大200mm
• 必要電力：2〜200 kW
• 材料除去率：150 cm³/分
• プラズマ速度：500 m/秒
• ワーク材料：前述の通りあらゆる金属使用可能。例：アルミニウム、ステンレス鋼が本プロセスに強く推奨。

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メリット

PAMのメリット：

• 硬く脆い金属も容易に加工可能。
• ほぼすべての金属タイプに適用可能。
• 高切断速度が得られる。
• 小型キャビティ加工で優れた寸法精度が得られる。
• 実施がシンプルで非常に効率的なプロセス。
• ジェットエンジンブレードの自動修復で大きな役割を果たす。

デメリット

プラズマアーク加工のデメリット：

• 様々な装置が必要だが、装置コストが非常に高い。
• プロセス全体で大量の不活性ガスを消費。
• 不要な狭い表面が生成される。
• 最も有害なのは、表面で冶金学的変化が発生すること。
• 作業者は適切な予防措置必須。人眼に影響するため、適切なゴーグルやヘルメット着用が必要。

応用

• 主に極低温・高温耐食合金に使用。
• 厚さ8mmまでのチタン板にも使用。
• 原子力潜水艦配管システム、鋼製ロケットモーターケース溶接に使用。
• ステンレスチューブ・チューブミル関連応用で顕著。

このハイテク溶接において、プラズマアーク加工は大きな意義を持ちます。いくつか欠点はありますが、そのすべての応用で高い有益性を発揮します。

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