金属加工業者がプラズマを達成する方法

Sep 01, 2023

プラズマ切断された部品に過剰なドロスや真円でない穴はありませんか? 穴が歪んでいませんか？ 下流でのエッジの溶接に問題がありますか? これらの実証済みのヒントは、金属加工業者に役立ちます。 ゲッティイメージズ

高品質のプラズマ電源と適切な切断テーブルまたはシステムを組み合わせると、滑らかなエッジで角がほとんどまたはまったくない部品を切断することができます。 それでも、製造業者は時々満足のいく切断品質に遭遇することは避けられません。 ここでは、最も一般的なカット品質の課題と、軌道に戻るために必要な手順を紹介します。

製造業者が直面する断然最も一般的な切断品質の問題はドロスです。 部品の上端と下端に沿って固まった余分な金属を除去するのは比較的簡単ですが、それでも作業が増えます。 研削、はつり、研磨などの二次的な作業を行う必要がある場合、多くの場合、ドロスを除去することになります。

ドロスはさまざまな理由で発生します。 切断速度が遅すぎるか速すぎることが一般的な原因ですが、それだけが唯一の原因ではありません。 トーチと切断材料との間の距離、アンペア数、電圧、消耗品の状態もすべてドロスに影響します。 切断される材料の問題もあります。その厚さと種類、グレード、化学組成、表面状態、平坦度（またはその欠如）、切断中の温度変化はすべてプロセスに影響します。 合計すると 12 を超える要因が関係しますが、幸いなことに重要なのは切断速度、アンペア数、スタンドオフ距離の 3 つだけです。

切断速度が遅すぎると、プラズマ アークは切断する材料をさらに探します。 アーク柱の直径が大きくなり、プラズマ ジェットの高速部分が溶融金属を切断部から吹き飛ばさなくなる点まで切り口が広がります。 代わりに、その金属はプレートの下端に沿って蓄積し、低速ドロスを形成します。 高すぎるアンペア数または低すぎるスタンドオフで切断すると、これらの変化によりプラズマ アークからのエネルギーが金属の所定の領域に接触するため、低速ドロスが発生する可能性があります。

解決策は明らかです。より速くカットすることです。 残念ながら、これには独自の課題が伴います。 カット速度が速すぎると、アークが追いつきません。 それはトーチの後ろに落ちるか遅れ、プレートの底に沿って未切断の材料の小さくて硬いビーズが残ります。 この高速ドロスは低速ドロスよりも硬いため、多くの点で劣っており、除去するには通常大規模な機械加工が必要です。

非常に高速になると、アークが不安定になることもあります。 上下に振動し始め、火花と溶融物質の尾羽が発生します。 これらの速度では、アークが金属を切断できず、停止する可能性もあります。 アンペア数が低すぎたり、スタンドオフが高すぎたりすると、両方の変化によってアークからのエネルギー量が減少するため、高速ドロスが発生する可能性があります。

低速ドロスと高速ドロスに加えて、トップスパッタドロスと呼ばれる 3 番目のタイプがあります。 これは、再凝固した金属が切断片の上部に沿ってスプレーされるときに発生します。 通常は非常に簡単に削除できます。 通常、ノズルの磨耗、過剰な切断速度、または高いスタンドオフが原因です。 これは、プラズマ ジェットの旋回流によって引き起こされ、特定の角度で溶融材料が切り溝を通って下に落ちるのではなく、切り溝の前に飛び散ります。

低速ドロスと高速ドロスの 2 つの極端の間には、正式にはドロスフリー ゾーンと呼ばれる「ちょうどいい」領域があります。 これは、プラズマ切断片に対する二次操作を最小限に抑えるための鍵となります。 ウィンドウは異なります。 一般に、炭素鋼上のプラズマガスとして窒素または空気を使用すると、ドロスフリーウィンドウがかなり小さいことがわかります。 酸素プラズマで切断する加工業者にはもう少し余裕があります。 この最適な切断速度を見つけるのは必ずしも簡単ではありませんが、できることがいくつかあります。

さまざまな切断速度で複数の切断を行い、最もきれいに切断できる速度を選択します。 ラグ ライン (切断面の小さな隆起) は、切断速度を判断するのに適した方法です。 切断が遅すぎると、プレートの平面に垂直なラグ ラインが表示されます。 切断が速すぎると、下端に沿ってプレートと平行に走る斜めの S 字型のラグ ラインが表示されます。

また、切断中にアークを観察し (右目の保護具を着用して)、速度を動的に変更して最適なアーク特性を生み出します。 これを行うには、ワークピースの底から出るときの円弧の角度を観察します。 エアプラズマで切断している場合、アークは切断の底から出るときに垂直になる必要があります。 窒素またはアルゴン/水素では、わずかなトレーリング アークが最適ですが、酸素ではわずかなリーディング アークが最適です。

図1トーチとワークピースの間の距離は重要です。 トーチが適切な位置 (上部) にある場合、アークは狭いままになります。 プレートに近すぎる（底部）か遠すぎると、円弧が広がり、誇張された角度を持つ部分が作成されます。

カスに関する最後のヒント: 切断システムに付属の取扱説明書を参照してください。 プラズマプロセスエンジニアは、研究室で数か月を費やしてさまざまなパラメータを実験し、多くの材料の種類と厚さに対する推奨切断速度、切断高さ、アンペア数をリストした包括的な切断チャートを作成します。 常にこれらの設定値から開始し、そこから上下ともに 10% ずつ調整します。

エッジの角をできるだけ小さくして部品を切断することは、製造業者にとってのもう 1 つの課題です。 これは、プラズマ アークが完全に真っ直ぐではないために発生します。 これは、プラズマで切断された金属にはある程度の角があることを意味しますが、それを最小限に抑える方法があります。

1 つの方法は、消耗品と電力レベルを、切断する必要がある材料の厚さに合わせることです。アンペア数レベルが低く、切断速度が遅いと、角度が小さくなることに留意してください。 また、消耗品、特にノズルとシールドに損傷がないか注意深く検査してください。 小さなへこみや切り傷でも、切断品質に影響を与える可能性があります。 最後に、ピアッシング後およびカット全体を通じて、トーチがプレートから適切な距離にあることを確認します (「図1）。

反った素材や部品の巻き付きを防ぐためにできることをいくつか紹介します。 まず、CAM ソフトウェアをプログラムして、隣接する部品を切断する前にセクションを冷却することで入熱を制御する切断パスを作成します。 これは、非常に薄い材料を切断する場合に特に便利です。

次に、可能な限り低いアンペア数と対応する消耗品を、材料の厚さに対して可能な限り速い切断速度で使用します。 最後に、地下水面がある場合は、水が材料と接触するようにしてください。 多くの素材では、水がエッジの滑らかさに影響を与え、場合によってはエッジの硬度に影響を与える可能性があることに注意してください。

プラズマ アークで切断された材料は、エッジに冶金効果が現れます。 結局のところ、金属に非常に大量の熱を導入することになります。 幸いなことに、ガスを選択することでこれらの影響を軽減できます。

炭素鋼を切断する場合、プラズマとシールドガスの両方に酸素を使用すると、最高のエッジ冶金が得られます。 酸素/酸素プロセスは、直径 2.5 インチより小さい穴を切断する場合に特に有益です。 実際、冶金の影響は非常に小さいため、このプロセスはねじのタップ加工に適していることがよくあります。

さらに、酸素で切断された部品は 100% 溶接および機械加工が可能で、成形作業中に亀裂が入ることはほとんどありません。 空気または窒素プラズマは、ほとんどの鋼でエッジの硬化と窒化を引き起こし、溶接プロセスによってはエッジが脆くなったり、気孔が発生したりする可能性があります。 幸いなことに、この窒化物層は通常、厚さが 0.006 ～ 0.010 インチと薄く、簡単に除去できます。

ステンレスを切断する必要がある場合は、混合ガスをお勧めします。 5% 水素/95% 窒素混合プラズマガスを使用すると、厚さ 1/4 インチ未満のステンレス鋼を非常に純粋な刃先で切断することができます。 厚いステンレス部分は、多くの場合、35% 水素/65% アルゴン混合物を使用して切断すると良好な結果が得られます。 厚さに関係なく、窒素シールドガスの使用をお勧めします。 もう 1 つのオプションは、プラズマとシールド ガスの両方に窒素を使用して水中でステンレスを切断し、大気中で切断するときに形成される酸化層を除去することです。

要約すると、炭素鋼のエッジ冶金を最適化するには、システムが酸素をサポートしている場合は酸素を使用します。 ステンレスの場合、1/4 インチ未満の材料には水素/窒素混合物を使用し、それより厚い材料には水素/アルゴン混合物を使用します。 厚さに関係なく、シールドガスとして常に窒素を使用してください。

図2オペレーターは、円形でない穴や先細りの穴、および内側の半径に沿って余分な金属が入った穴を防ぐのに苦労するため、穴の切断には試行錯誤が必要になる場合があります。

これまでのヒントを使用すると、ほとんどの部品や形状の切断品質が向上しますが、穴の切断にはもう少し作業が必要になります。 経験則では、穴の直径はプレートの厚さ以上でなければならないため、厚さ 1/2 インチのプレートを切断する場合は、1/2 インチの穴をあけることをお勧めします。直径以上。 ただし、これを行う場合でも、オペレーターは、穴の上部が底部よりも大きい、真円ではない穴やテーパー状の穴に苦労することがよくあります (「図2）。

空気プラズマは常に、プラズマ ジェットからの遅れアーク角のため、ごくわずかではありますが、自然なテーパーを持つ穴を生成します。 高解像度および X 解像度のプラズマ システムでは、ほとんど存在しないテーパーが生成されます。

プラズマで穴を切断するときの一般的なベスト プラクティスとして、推奨される切断高さでプレートにピアスし、ピアス遅延時間を使用します。 通常、プラズマのオーナーズマニュアルには、どの程度の遅延が必要かが記載されています。 これにより、シールドとノズルへの溶融金属の吹き返しが防止されるか、少なくとも軽減されます。

2 番目のヒントは、ホールへのリードインでプレーすることです。 リードインは、半径ではなくホールの中心近くから始めてください。 こうすることで、ピアシング中に形成されるディボットが、穴の端ではなく、切り取られる金属の部分に確実に発生します。 中心から開始することには、アークが安定するまでの時間が長くなり、トーチ高さ制御が半径に達する前に切断高さまで割り出すまでの時間が長くなるという 2 番目の利点があります。 ほとんどの機械は、リードインの形状が真っ直ぐで穴に対して垂直であれば、優れた穴を生成できますが、速度の遅い機械では、放射状または湾曲したリードインを使用するとメリットが得られます (「図3）。

理想的には、アークが 360 度の引き込み切り口またはそれを超えて停止または遮断されるようにする必要があります。 一部のソフトウェアは、モーションをアクティブに保ちながら、引き込みカーフ交差でプラズマ アークを遮断できます。これは、切断終了時の移行がよりスムーズになり、アークが回転するときのディボットが非常に小さくなるため、穴を切断する最良の方法です。オフ。

切断速度は、部品の外側輪郭を切断する速度の約 60% である必要があります。 この切断速度の調整により、低速ドロスが発生しますが、穴のテーパを最小限に抑えることができるため、トレードオフの価値はあります。 直径 11/4 インチ未満の穴を切断する場合は、アーク電圧制御と電圧高さ補正を無効にし、代わりにピアス高さとインデックスから切断までの高さの機能を有効にするのが最善です。 穴の切断に使用される速度が遅いと、アーク電圧制御によってトーチがプレートに近づきすぎてしまうため、これをお勧めします。

これらのヒントは良い出発点です。 それでも、前述したように、特定のシステムは最終結果に大きな影響を与えます。 これは、プラズマおよびテーブルのメーカーによってプロセス能力が大きく異なるためです。 トーチ高さ制御の種類、CAM ソフトウェア、テーブルの動作および加速機能の違いが、最終結果に大きな影響を与える可能性があります。 それでも、これらのヒントと提案は、タイプ (空気、従来型、高解像度、X 解像度) やブランドに関係なく、プラズマを使用する人にとって切断品質と穴の形状を確実に改善します。

図3垂直のリードイン (左) はほとんどのマシンで機能しますが、低速のマシンを使用する場合は曲線的なリードイン (右) が役立ちます。