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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ているため、プラズマアークがシールドガスから分離されている点です。プラズマは、アークを狭める細径の銅製ノズルを通して押し出され、音速に近い高速で、28,000 ℃（50,000 °F）以上の高温でノズルから噴出します。
アークプラズマは、ガスの一時的な状態です。ガスは電流が流れることで電離し、電気伝導体となります。電離状態では、原子は電子（−）と陽イオン（+）に分裂し、系はイオン、電子、および高励起状態の原子の混合物となります。電離度は1%から100%以上（二重電離や三重電離の場合も含む）まで変化します。このような状態は、より多くの電子が軌道から引き抜かれることで生じます。
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は28,000 ℃（50,400 °F）程度ですが、通常の電気溶接アークでは約5,500 ℃（9,930 °F）です。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アークは狭窄アークプラズマです。
プラズマアーク溶接は、タングステン／タングステン合金電極と水冷式（収縮）ノズル（非移行アーク）の間、またはタングステン／タングステン合金電極とワークピースの間（移行アーク）に狭窄アークを形成することで得られる熱によって溶融金属を融合させるアーク溶接プロセスです。このプロセスでは2種類の不活性ガスを使用し、1つはアークプラズマを生成し、もう1つはアークプラズマをシールドします。溶加材は添加する場合と添加しない場合があります。
プラズマアーク溶接および切断プロセスは、1953年にロバート・M・ゲージによって発明され、1957年に特許が取得されました。このプロセスは、薄い金属と厚い金属の両方で精密な切断と溶接を実現できるという点でユニークでした。また、硬化金属を他の金属にスプレーコーティングすることも可能でした。一例として、サターンVロケットのタービンブレードへのスプレーコーティングが挙げられます。[ 1 ]
プラズマアーク溶接は、タングステン不活性ガス（TIG）溶接の高度な形態です。TIG溶接では、アルゴンまたはヘリウムでシールドされた開放アークが使用されますが、プラズマ溶接では、特殊なトーチを使用し、ノズルでアークを収縮させ、シールドガスはトーチから別途供給されます。アークは、水冷式の小径ノズルによって収縮され、圧力、温度、熱量が大幅に上昇するため、アークの安定性、アーク形状、熱伝達特性が向上します。
プラズマアークは、層流（低圧・低流量）と乱流（高圧・高流量）の2種類のガスを用いて形成される。
使用されるガスは、アルゴン、ヘリウム、水素、またはこれらの混合物です。プラズマ溶接の場合、溶融金属が溶接部から吹き飛ばされないように、層流（低圧・低流量のプラズマガス）が用いられます。
プラズマ溶接では、溶接プロセスを開始するために非移行アーク（パイロットアーク）が使用されます。アークは電極（-）と水冷式絞りノズル（+）の間に形成されます。非移行アークは、回路内の高周波ユニットを使用して開始されます。最初の高周波開始後、低電流を使用して電極間にパイロットアーク（低電流）が形成されます。メインアークが発生した後、ノズルは中性になります。マイクロプラズマを使用した溶接メッシュの場合は、連続パイロットアークを使用するオプションが提供される場合があります。移行アークは、高いエネルギー密度とプラズマジェット速度を有します。使用する電流とガスの流量に応じて、金属の切断と溶融に使用できます。
マイクロプラズマは0.1～10アンペアの電流を使用し、箔、ベローズ、薄板の製造に用いられる。これは自己生成プロセスであり、通常は充填材となるワイヤーや粉末は使用しない。
中プラズマは10～100アンペアの電流を使用し、最大6mm （0.24インチ）厚の板材を溶加材ワイヤまたは自溶溶接で溶接したり、特殊なトーチと粉末供給装置（PTA）を使用して金属粉末を用いた金属堆積（肉盛溶接）に使用されます。
100アンペアを超える高電流プラズマは、溶加材ワイヤを用いた高速溶接に用いられる。
プラズマのその他の用途としては、プラズマ切断、加熱、ダイヤモンド薄膜の成膜（栗原ら、1989年）、材料加工、冶金（金属およびセラミックの製造）、プラズマスプレー、水中切断などがある。
プラズマアーク溶接に必要な装置とその機能は以下のとおりです。
プラズマアーク溶接の一般的な溶接パラメータは以下のとおりです。
電流50～350アンペア、電圧27～31ボルト、ガス流量2～40リットル/分（オリフィスガスの場合は低めの範囲、外部シールドガスの場合は高めの範囲）、直流電極負極（DCEN）がプラズマアーク溶接に通常使用されますが、アルミニウムの溶接の場合は逆極性溶接、すなわち直流電極正（DCEP）のために水冷電極が好ましいです。
切断用途には、アルゴンと水素の混合ガス（10～30％）または窒素ガスを使用することができます。水素は原子状に解離し、その後再結合するため、アルゴンやヘリウム単独の場合よりも高い温度を発生させます。さらに、水素は還元雰囲気を作り出すため、溶接部とその周辺の酸化を防ぐのに役立ちます。ただし、水素が金属中に拡散すると、一部の金属や鋼材で脆化を引き起こす可能性があるため、注意が必要です。
ワークピースの洗浄と溶加材の添加方法は、 TIG溶接と同様です。溶加材は溶融池の先端部に添加されます。ルートパス溶接では溶加材は不要です。
接合部の種類：厚さ25mmまでのワークピースの溶接には 、角型突合せ継手、J型継手、V型継手などが用いられます。プラズマ溶接は、キーホール型および非キーホール型の両方の溶接に使用されます。
キーホールのない溶接の作成 ：このプロセスでは、厚さ2.4mm以下のワークピースに対してキーホールのない溶接を行うことができます。
キーホール溶接の作成：プラズマアーク溶接の際立った特徴は、プラズマジェットの優れた浸透力により、厚さ2.5mmから 25mmまでのワークピースにキーホール溶接を形成できることです 。キーホール効果は、電流、ノズルオリフィス径、および移動速度を適切に選択することで実現され、ワークピースを完全に貫通する強力なプラズマジェットが生成されます。プラズマジェットは、いかなる場合も溶融金属を接合部から押し出してはなりません。キーホール技術の主な利点は、比較的厚いルートセクションを迅速に貫通できることと、機械的な裏当てなしで均一なアンダービードを形成できることです。また、溶接幅に対する浸透深さの比率がはるかに高いため、溶接部と熱影響部が狭くなります。溶接が進むにつれて、キーホールの前方の母材が溶融し、その周囲の流れが凝固して溶接ビードが形成されます。キーホールは、より速い速度での深い浸透を助け、高品質のビードを生成します。厚みのある部材を溶接する場合、ルートラン以外の積層を行う場合、および溶加材を使用する場合は、オリフィスガスの量を適切に制御することにより、プラズマジェットの威力を低減する。
プラズマアーク溶接は、GTAW（ガスタングステンアーク溶接）プロセスを改良したものです。このプロセスでは、非消耗性のタングステン電極と、細径の銅製ノズルを通して絞り込まれたアークを使用します。PAWは、GTAWで溶接可能なすべての金属（つまり、ほとんどの市販の金属および合金）の接合に使用できます。PAWで溶接が難しい金属には、青銅、鋳鉄、鉛、マグネシウムなどがあります。電流、プラズマガス流量、オリフィス径を変更することで、いくつかの基本的なPAWプロセスのバリエーションが可能です。
PAWでは、少なくとも2つ（場合によっては3つ）の独立したガス流が使用されます。
これらのガスはすべて同じ組成である場合もあれば、組成が異なる場合もある。
トーチの設計（例えば、オリフィス径）、電極の設計、ガスの種類と速度、電流レベルに応じて、以下のようなプラズマプロセスのいくつかのバリエーションが実現可能です。
切断に使用する場合、プラズマガス流量を増加させることで、深く浸透するプラズマジェットが材料を切断し、溶融した材料が切断屑として除去されます。PACは酸素燃料切断とは異なり、プラズマプロセスではアークを使用して金属を溶融しますが、酸素燃料プロセスでは酸素が金属を酸化し、発熱反応による熱で金属を溶融します。酸素燃料切断とは異なり、PACプロセスはステンレス鋼、鋳鉄、アルミニウム、その他の非鉄合金など、耐火酸化物を形成する金属の切断にも適用できます。PACは1954年にPraxair Inc.によって米国溶接協会の展示会で発表されて以来、多くのプロセス改良、ガス開発、および機器の改良が行われてきました。