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プラズマ切断とは、高温プラズマ（アーク放電）の加速ジェットを用いて導電性材料を切断するプロセスです。プラズマトーチで切断される代表的な材料には、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、真鍮、銅などがありますが、その他の導電性金属も切断可能です。プラズマ切断は、製造工場、自動車の修理・修復、産業建設、解体・スクラップ作業などで広く利用されています。高速かつ高精度な切断が可能で、コストも低いため、大規模な産業用コンピュータ数値制御（CNC）アプリケーションから小規模な趣味の工房まで、幅広く活用されています。
プラズマ切断の基本的なプロセスは、プラズマカッター自体から切断対象のワークピースを通して、過熱され電気的にイオン化されたガス（プラズマ）の電気チャネルを生成し、接地クランプを介してプラズマカッターに戻る完全な電気回路を形成することから始まります。これは、圧縮ガス（切断する材料に応じて酸素、空気、不活性ガスなど）を、集束ノズルからワークピースに向かって高速で吹き出すことによって実現されます。次に、ガスノズルの近くまたはノズルに組み込まれた電極とワークピースとの間に、ガス内で電気アークが発生します。電気アークによってガスの一部がイオン化され、電気伝導性のあるプラズマチャネルが生成されます。カッターのトーチからの電流がこのプラズマを伝わると、ワークピースを溶かすのに十分な熱が供給されます。同時に、高速プラズマと圧縮ガスの大部分が高温の溶融金属を吹き飛ばし、ワークピースを分離、つまり切断します。
プラズマ切断は、薄い材料と厚い材料の両方を切断する効果的な方法です。手持ち式のトーチは通常、厚さ38 mm (1.5インチ)までの鋼板を切断でき、より強力なコンピューター制御のトーチは、厚さ150 mm (6インチ)までの鋼板を切断できます。[ 1 ]プラズマカッターは、非常に高温で局所的な「円錐」状の切断面を生成するため、湾曲した形状や角度のついた形状の板金を切断するのに非常に役立ちます。
アークは3段階のプロセスで生成されます。高電圧の火花がトーチヘッド内の空気を短時間イオン化します。これにより空気が導電性になり、「パイロットアーク」が形成されます。パイロットアークはトーチヘッド内で形成され、電極からトーチヘッド内部のノズルへ電流が流れます。この段階で、パイロットアークは消耗部品であるノズルを焼き始めます。次に、空気がプラズマをノズルからワークに向かって吹き出し、電極からワークへの電流経路を確保します。制御システムが電極からワークへの電流を感知すると、ノズルへの電気接続を遮断します。すると、電流は電極からワークへ流れ、ノズルの外側にアークが形成されます。これにより、ノズルを焼き切ることなく切断作業を進めることができます。ノズルの寿命は、切断時間ではなく、アークの発生回数によって制限されます。
プラズマ切断は1960年代にプラズマ溶接から発展し、1980年代には板金や鋼板を切断する非常に生産性の高い方法として登場しました。[ 2 ]従来の「金属同士の接触」切断に比べて、金属くずが出ない、正確な切断ができる、酸素燃料切断よりもきれいな切断面が得られるといった利点がありました。初期のプラズマ切断機は大型で、やや動作が遅く、高価であったため、「大量生産」モードで繰り返し切断パターンを行うことに特化していました。
他の工作機械と同様に、CNC（コンピュータ数値制御）技術は1980年代後半から1990年代にかけてプラズマ切断機にも適用され、機械の数値制御にプログラムされた一連の指示に基づいて、さまざまな形状を「オンデマンド」で切断できる柔軟性がプラズマ切断機にもたらされました。[ 3 ]しかし、これらのCNCプラズマ切断機は、一般的に、2軸の動き（XY切断と呼ばれる）のみを使用して、平らな鋼板のパターンや部品を切断することに限定されていました。
アークアイと呼ばれる眼の損傷や破片による損傷を防ぐには、適切な眼の保護具とフェイスシールドが必要です。緑色のレンズシェード#5の使用が推奨されます。OSHAは、アーク電流が300A未満の場合、シェード8を推奨していますが、「これらの値は、実際のアークがはっきりと見える場合に適用されます。アークがワークピースによって隠れている場合は、より明るいフィルターを使用できることが経験上わかっています。」と述べています。 [ 4 ]プラズマ切断装置メーカーのLincoln Electricは、「通常、#7から#9の暗さのシェードが許容されます。」と述べています。別のメーカーであるLongevity Global, Inc.は、低電流でのプラズマアーク切断用の眼の保護に関するより具体的な表を提供しています。
火花や熱い金属による火傷を防ぐために、革手袋、エプロン、ジャケットも推奨されます。[ 5 ]
可燃性の液体、物質、ガスのない清潔な場所で作業することは非常に重要です。プラズマカッターから出る火花や高温の金属は、可燃物から隔離されていないとすぐに火災を引き起こす可能性があります。プラズマカッターは、状況によっては高温の火花を最大1.5メートル（5フィート）先まで飛ばすことがあります。機械オペレーターは通常、フェイスシールドの後ろにいるため、発生した火災に気づきません。[ 6 ]
プラズマ切断機は、アークを開始するためにいくつかの方法を使用します。一部の装置では、トーチをワークピースに接触させることでアークが発生します。一部の切断機は、高電圧、高周波回路を使用してアークを開始します。この方法には、感電の危険性、修理の難しさ、スパークギャップのメンテナンス、大量の無線周波数放射など、多くの欠点があります。[ 7 ] CNC ハードウェアやコンピュータなどの繊細な電子機器の近くで作業するプラズマ切断機は、別の方法でパイロットアークを開始します。ノズルと電極が接触しています。ノズルは陰極、電極は陽極です。プラズマガスが流れ始めると、ノズルが前方に吹き出されます。あまり一般的ではない 3 番目の方法は、シリコン制御整流器を介して一次回路に容量放電することです。
アナログ式プラズマカッターは、通常2キロワット以上の電力を必要とし、大型の商用周波数トランスを使用します。一方、インバータ式プラズマカッターは、商用電源を直流に整流し、 10kHz～約200kHzの高周波トランジスタインバータに供給します 。スイッチング周波数を高くすることでトランスを小型化できるため、全体のサイズと重量を削減できます。
当初はMOSFETが用いられていたトランジスタだが、現在ではIGBTがますます多く使われるようになっている。MOSFETを並列接続した場合、トランジスタの1つが早期に動作を開始すると、インバータの4分の1が連鎖的に故障する可能性がある。後に開発されたIGBTは、このような故障モードの影響を受けにくい。IGBTは一般的に、MOSFETトランジスタを十分に並列接続できないような大電流機器に用いられる。
スイッチングモードのトポロジーは、デュアルトランジスタオフラインフォワードコンバータと呼ばれます。インバータプラズマカッターの中には、軽量で高出力であるものの、特に力率補正機能のない機種は、発電機から電源を取ることができません（つまり、インバータユニットの製造元が発電機からの電源供給を禁止しているということです。これは小型軽量のポータブル発電機にのみ適用されます）。しかし、最新モデルには、力率補正機能のない機種でも小型発電機で動作させることができる内部回路が搭載されています。
プラズマカッターメーカーの中には、 CNC切断テーブルを製造しているものもあれば、カッターをテーブルに組み込んでいるものもあります。CNCテーブルでは、コンピューターがトーチヘッドを制御し、きれいでシャープな切断を実現します。最新のCNCプラズマ装置は、厚板材の多軸切断が可能で、従来は不可能だった複雑な溶接継ぎ目を作ることができます。薄板材の場合、レーザーカッターの優れた穴あけ能力により、プラズマ切断は徐々にレーザー切断に取って代わられつつあります。
CNCプラズマカッターの特殊な用途の一つとして、暖房、換気、空調（HVAC）業界が挙げられます。ソフトウェアがダクトに関する情報を処理し、プラズマトーチで切断テーブル上で切断するための平面パターンを作成します。この技術は1980年代初頭の導入以来、業界の生産性を飛躍的に向上させてきました。
CNCプラズマカッターは、装飾的な金属加工品を製作するために、多くの工房でも使用されています。例えば、商業施設や住宅の看板、壁面装飾、住所表示板、屋外の庭園装飾などが挙げられます。
近年、さらに技術開発が進んでいます。従来、切断機の切断テーブルは水平型でしたが、現在では垂直型のCNCプラズマ切断機が利用可能になり、設置面積の縮小、柔軟性の向上、最適な安全性、そして高速な作業を実現しています。
CNCプラズマ切断には主に3つの構成があり、それらは主に加工前の材料の形状と切断ヘッドの柔軟性によって区別される。
これは、CNCプラズマ切断において最も一般的で従来的な方法です。切断面が材料表面に対して90度の角度となる平面形状を加工します。高出力のCNCプラズマ切断機は、このような構成になっており、最大150mm厚の金属板から形状を切断することができます。
繰り返しになりますが、これは板金から平らな形状を作成するプロセスです。ただし、回転軸が追加されているため、CNCプラズマ切断機の切断ヘッドは、従来の2次元切断経路を移動しながら傾斜させることができます。その結果、材料表面に対して90度以外の角度、例えば30～45度の角度で切断されたエッジが得られます。この角度は材料の厚み全体にわたって連続しています。これは通常、切断される形状が溶接構造物の一部として使用される場合に適用されます。角度の付いたエッジが溶接準備の一部となるためです。CNCプラズマ切断プロセス中に溶接準備が行われると、研削や機械加工などの二次加工を回避できるため、コストを削減できます。3次元プラズマ切断の角度切断機能は、皿穴やプロファイル穴の面取りエッジを作成するためにも使用できます。
チューブ、パイプ、またはあらゆる形状の長尺部材の加工に使用されます。プラズマ切断ヘッドは通常、ワークピースが送り込まれ、その長手方向軸を中心に回転する間、静止した状態を保ちます。3次元プラズマ切断のように、切断ヘッドを傾けたり回転させたりできる構成もあります。これにより、チューブや部材の厚み方向に角度をつけて切断することが可能になり、切断されたパイプに直線状のエッジの代わりに溶接準備を施すことができるプロセス配管の製造でよく利用されます。
トーチ内部の電極（陰極として機能する）は、切断プロセス中に摩耗します。この劣化は、表面付近の極端な条件[ 8 ]と、アーク電流を維持する電子の放出によって引き起こされ、どちらも構造的完全性を損なうためです。
プラズマ切断電極の寿命を延ばすため、通常は銅製の外殻とハフニウム製のインサートという2種類の金属で構成されています。ハフニウムは耐火性材料であり、侵食を軽減するのに役立ちますが、完全に防ぐことはできません。
そのため、電極はプラズマ切断トーチの消耗部品とみなされます。一定量の使用後、電極は損傷が激しくなり、瞬時に破壊されます。破壊された電極は切断アークを発生させたり維持したりすることができなくなるため、交換する必要があります。
電極の寿命は完全に予測できるものではありません。ある研究[ 9 ]では、このばらつきはハフニウムインサートの寸法に関連している可能性があると示唆しています。
プラズマ切断では切断溝が生じますが、その形状は必ずしも完璧ではありません。理想的には、プラズマ切断によって完全に直線的で極めて細い切断溝が得られるはずです。
しかし実際には、プラズマ切断による切断幅は、金属板の上面の方が下面よりも広くなる。
さらに、切断方向に対する切断部の左右の端は非対称であることが多い。これらの非対称性の原因は不明である。[ 10 ]
切断速度、アーク電流強度、トーチとワークピース間の距離、ガス噴射圧力など、いくつかの切断パラメータは切断品質に大きく影響します。[ 11 ] [ 12 ]
過去10年間、プラズマトーチメーカーは、ノズル径を小さくし、プラズマアークを薄くした新型モデルを開発してきた。これにより、プラズマ切断面の精度はレーザー加工に匹敵するレベルにまで向上した。また、複数のメーカーがこれらのトーチに高精度CNC制御技術を組み合わせることで、加工業者が仕上げ加工をほとんど、あるいは全く必要としない部品を製造できるようにしている。
プラズマトーチは当初高価だったため、プロの溶接工場や設備の整った個人ガレージや作業場でしか見かけることがありませんでした。しかし、現代のプラズマトーチは価格が下がり、今では300ドル以下で多くの趣味家が購入できる価格帯になっています。古い機種は重いものの持ち運びは可能で、インバーター技術を採用した新しい機種の中には、軽量でありながら古い機種と同等以上の性能を持つものもあります。
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