プラズマアーク加工の構成、プロセス、応用を解説

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年代にアーヴィング・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（稀に電子を得た）イオン原子や分子、自由電子からなる気体です。

ダークマターとさらに不可解な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、希薄な星間物質、さらには銀河間領域にまで関連付けられています。

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。自由荷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団的電磁場によって支配され、外部印加場に非常に敏感です。

電磁場に対するプラズマの応答は、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、ワーク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ワークを溶融・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。

ガスや空気を5000℃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。ガスが電離すると温度は11,000℃〜28,000℃に達し、この電離ガスをプラズマと呼びます。

アークでガスを加熱し、加熱により生成されたプラズマを用いてワークから材料を除去するため、この一連のプロセス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・高温の気体ジェットでワークを溶融させて材料を除去します。

プラズマアーク加工で使用するガスは、ワーク材料である金属の種類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作動原理

基本原理は、電極とワークの間に形成されるアークを、細孔の銅ノズルで絞り込むことです。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℃を超え、速度は音速に近づきます。切断用途ではプラズマガス流量を増やし、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、これはDC電源の負極に接続されるためカソードとして機能します。

一方、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アノードとして機能します。

電源を投入すると、カソードのタングステン電極とアノードのノズルの間にアークが発生。ガスがプラズマと接触すると、ガス原子とアークの電子が衝突し、電離ガス、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。このプラズマが高速でワークに向けられ、加工が開始されます。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。ノズルから高温ガスが出るため過熱の恐れがあり、これを防ぐためウォータージャケットが使用されます。