プラズマ切断機の基礎知識

I.動作原理と切断範囲

プラズマ切断機は、圧縮空気を作動ガスとして使用し、高温高速プラズマアークを熱源として、切断される金属を部分的に溶融（蒸発）させる。同時に、溶けた金属は高速気流によって吹き飛ばされ、狭い切断シームが形成される。

プラズマ切断機は、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、鋳鉄、炭素鋼など、さまざまな金属材料の切断に使用できます。

について プラズマ切断 同機は、切断速度が速く、切断継ぎ目が狭く、刃先が滑らかで、熱影響部が小さく、ワークの変形が少なく、操作が簡単なだけでなく、省エネ効果も大きい。

プラズマ切断機は、様々な機械や金属構造物の製造、設置、メンテナンスにおける切断、穴あけ、パッチング、面取り、その他の切断工程に適している。

(1) プラズマ切断機 切断電流

電流の大きさは被切断物の材質と厚さに関係する。切断電流は、切断片の厚さとともに増加する。

(2) 切断速度

切断速度は、切断する材料の厚みと切断電流によって決まります。切断速度は切断の質に大きく影響します。切断速度が速すぎると、プラズマアークが金属を溶かす時間が足りなくなります。

(3) ノズルの高さ

切断される部品からのノズルの高さは、トーチの構造に関連しており、一般的には金属表面から2～4mmである。

(4) 作動ガス

プラズマ切断の発展により、現在では作動ガス（作動ガスはプラズマアークの伝導媒体であり、熱媒体であり、また切断中の溶融金属を除去する）の使用が可能になっている。これはプラズマアークの切断特性、切断品質と切断速度に大きく影響します。一般的に使用されるプラズマアーク作動ガスには、アルゴン、水素、窒素、酸素、空気、蒸気、および特定の混合ガスがあります。

(5) ガス流量

アーク圧縮の度合いと溶融金属の吹き飛ばし効果に影響する。流量が多すぎると、アークが不安定になる傾向がある。風量が小さすぎると、溶融金属を吹き飛ばすことができず、導電性ノズルを焼く可能性もある。

カッティング・トーチ：

1) プラズマ発生装置、伝導ノズル、導電性電極、ガス分配器、セラミックス、ノズル。

2) 切断ガス - 空気プラズマアーク切断の切断ガスとして圧縮空気が使用される。

3) 選択仕様 - これには、切断電流、切断速度、ガス流量、パラメータが含まれる。

プラズマ切断機のアークの安定性は、切断品質に直接影響します。プラズマアークの不安定性は、ノズルと電極の頻繁な交換とともに、切断エッジの不均一、欠陥の蓄積、制御システムの関連部品の寿命低下につながります。以下に、一般的な現象の分析と解決策を示します：

II.プラズマ電源の耐干渉性

プラズマCNCシステムの主な干渉源は電源部である。一般的に高周波アークスターターを使用してアークを点火する。高周波トランスの二次電圧は3000-6000Vに達し、パルス周波数は数百キロヘルツに達する。

その結果、電力網への放射線の干渉や汚染（妨害）はかなりのものになる。

さらに、大電流のAC/DCコンタクターや各種リレーが停止することで、電力網にサージによる影響を与える可能性もある。

一般的なプラズマ切断機は、アーク放電時にコンピューター内部が混乱し、正常な切断ができなくなることがある。初期のCNC切断機では、まずアークを発生させ、次にコンピューターを起動してCNCシステムプログラムを実行する必要があったほどだ。

これは操作を複雑にするだけでなく、コンピューターを十分に活用できず、その寿命に深刻な影響を与えていた。そのため、プラズマ電源からの干渉を抑制し、送電網への汚染を減らすことが最大の関心事となっている。具体的な対策は以下の通り：

(1) 高周波アークスタータに遮蔽カバーを追加し、高周波放射を低減する；

(2) プラズマ電源の制御回路を変更する。

プラズマ切断機の制御電源は、220Vのグリッド電圧から直接引き出され、アークスタート/ストップ制御ラインは、CNCの電源システムとともに、切断機からCNCキャビネットに直接引き出される。

このようにして、プラズマアークのスタート／ストップによる高周波干渉と、大電流による電磁干渉が直接グリッドに導入される。

その対策とは、220Vの強力な電気制御ラインに絶縁トランスを追加し、同時にアークスタート/ストップの制御信号をリレーによってCNCキャビネットに入るAC24Vの比較的弱い電気制御ラインに絶縁することである。

(3) その他の配線干渉対策

主変圧器の一次側と二次側にRC吸収回路とバリスタを追加し、電流接触器とリレーコイルの両端に並列抵抗容量回路を追加し、直流部に高周波バイパスコンデンサを設置する。これらすべての対策の目的は、干渉源を抑制し、系統電圧への汚染を低減することである。

III.工作機械の干渉配線対策

CNCプラズマアーク切断システムのCNC装置とサーボユニットはシステムの中核部品であり、その電源は干渉が侵入する主な経路である。

電源干渉は主に電源ラインのインピーダンス結合によって発生し、様々な大電力電気機器が主な干渉源となる。

1.電源入力ラインはシールド線を使用

CNCプラズマアーク切断装置の電源ライン。トーチのカソードラインとプラズマアークのスタート/ストップ制御ラインは、数十メートルの並列配線に相当するスライドブラケットに一緒に吊り下げられており、アークのスタート/ストップ制御ラインとトーチのカソードラインはプラズマ電源から来ている。

トーチのカソードラインに流れる直流電流は数百アンペアになる。その電磁界と高周波アークスタータの高周波信号は、結合によってCNC装置（CNC）とサーボユニットの電源に電磁干渉を引き起こす可能性があります。

銅とアルミニウムをシールド層とするシールドケーブルは、高周波電磁干渉を効果的に抑制することができる。シールド層が接地された後、芯線に変化する電界による静電誘導も抑制することができる。

2.電源フィルターの使用

電源フィルターは、高周波帯域から低周波数帯域まで、干渉抑制に有効な必須干渉防止部品である。使用上の注意点は以下の通り：

a) フィルタは導電性の金属面に設置するか、編組アースストラップを通してアースポイントに接続する；

b) フィルタの設置場所は、送電線の入り口にできるだけ近づける；

c) フィルタの入力と出力は、シールドケーブルまたはツイストペアケーブルを使用するのが望ましい；

d) 入出力線の相互結合を避ける。入出力線をシールドケーブルで束ねることは厳禁です。

3.電源トランスの使用

シールド付き電源トランスを使用する場合、シールド層は一次巻線のACニュートラルラインに接続すべきである。これにより、電源トランスの二次側に干渉が入るのを防ぐことができる。

数値制御装置とサーボユニットで使用するシールド電源トランスを分離することで、相互干渉を防ぐこともできる。

数値制御装置を純化されたACスタビライザーに置き換えたり、スペクトラム・バランシング法の原理に従って作られた干渉抑制装置を追加したりすることで、送電網の干渉に対する能力を高めることができる。

4.キャビネット内の高電圧配線と低電圧配線の厳格な分離

高圧線内の高電圧と電流の変化は激しい電界変動を発生させ、電磁波の干渉を形成し、近くの信号線や低圧制御線に深刻な影響を与える。

信号線を高圧線から遠ざけ、シールド線やツイストペアケーブルを合理的に選択することで、伝送中の干渉信号を避けることができる。

5.キャビネット間の信号線にはシールドケーブルを使用すること。

シールド・ケーブルを使用することで、浮遊電界や浮遊磁界からの電磁誘導や静電誘導によって伝送路に侵入する干渉を抑制することができる。さらに、シールド層は正しい片端接地方式を採用している。

6.信頼性の高い接地システム

CNCプラズマ切断システムの接地プロセスには十分な注意を払う必要がある。CNC部品とサーボユニットは軌道上の可動部品であり、それらの干渉の強さはシステムの接地方法に大きく関係しているからだ。

(1) ACアースとDCアースの分離

これにより、交流電力線からの妨害が抵抗によって制御機器に伝達されることを回避し、制御システム内の機器の安全性を確保し、システムの信頼性と安定性を高め、大電流機器からの接地電流の干渉を低減する。

(2) ロジック・グラウンドのフローティングとアナログ・グラウンドとの分離

フローティングとは、制御装置のロジック・グラウンド、アナログ・グラウンド、アース間を導電接続しないことで、フローティング「グラウンド」をシステムの基準レベルとして使用する。これにより、プラズマアークや静電干渉による外部放射の干渉が大幅に抑制されます。

ロジック・グラウンドをフローティングにするとアナログ回路の干渉誘導が増加するため、アナログ・グラウンドとロジック・グラウンドをそれぞれのバスバーに別々に接続し、アナログ・グラウンドのバスバーをコンデンサを介して接地点に接続するのが良い方法である。アナログ値の場合、これはDCフローティング・グラウンドとACコモン・グラウンド・システムを形成する。

(3) キャビネットの適切な接地

CNCプラズマアーク切断機は広い面積を占めるので、別の接地装置を敷設するのが最善である。さらに、接地装置は工作機械のガイドレール、キャビネット、さらにはケーブルスライディングブラケットに確実に接続する必要がある。

これにより、機械ケーシングに誘導される高周波干渉電圧に低インピーダンスのリークパスを提供し、ケーシングへの電荷蓄積と電圧上昇の可能性を排除し、作業員にとってより安全で、干渉サージの抑制に有益なものとなる。

条件が許せば、CNC装置の電源は、比較的クリーンである照明電気を使用すべきである。過渡干渉を抑制するために、直流リレーコイルと整流ダイオード、交流リレーコイルとRC抵抗-コンデンサ回路を使用すべきである。

IV.プラズマ切断アークブレークアップの解析

1.空気圧が低い

プラズマカッターの作業中、作業空気圧がマニュアルの規定値より著しく低い場合は、プラズマアークの排出速度が弱く、入力空気流量が規定値より少ないことを意味します。

このとき、高エネルギーで高速のプラズマアークが形成されず、切断品質が低下したり、切断が不完全になったり、切断部にスラグが蓄積したりする。空気圧不足の原因としては、コンプレッサーからの空気入力不足、切断機の空気調整弁の圧力調整が低すぎる、電磁弁内部の油汚れ、空気通路の詰まりなどが考えられる。

解決策は、使用前にエアコンプレッサーの出力圧力表示を観察することです。もし必要条件を満たしていなければ、圧力を調整するか、エアーコンプレッサーを修理する。入力空気圧が要件に達している場合は、エアフィルター減圧弁の調整が正しいかどうかをチェックします。

そうでない場合は、エアフィルター減圧弁の定期的なメンテナンスを行い、入力空気が乾燥してオイルがないことを確認する必要があります。

入力空気の質が悪いと、減圧弁内部に油汚れが発生し、弁コアが開きにくくなり、バルブポートが完全に開かなくなる。

また、切断トーチのノズル圧が低すぎる場合は、減圧弁を交換する必要があります。空気通路の断面積が小さくなると空気圧が低くなるため、マニュアルの指示に従って空気パイプを交換する必要があります。

2.過圧

投入空気圧が0.45MPaを大幅に超えると、イオンアークを形成した後、過大な気流によって集中したアーク柱が分散し、アーク柱のエネルギーが分散してプラズマアークの切断強度が弱くなる。

過圧の原因には、不適切な空気入力調整、エアフィルタ圧力レギュレータの過度の調整、またはエアフィルタ圧力レギュレータの故障が含まれます。

解決策は、エアコンプレッサーの圧力が適切に調整されているか、エアコンプレッサーとエアフィルターの圧力調整器の圧力バランスが崩れていないかをチェックすることである。

機械始動後、エアフィルタ圧力調整器調整スイッチを回しても圧力計に変化がない場合は、エアフィルタ圧力調整器の故障であり、交換が必要です。

3.トーチノズルと電極の焼損

ノズルの不適切な取り付け、例えばネジの締め付け不足、機器のギアの不適切な調整、水冷トーチを使用する際に必要な冷却水の導入不足、頻繁なアーク放電などは、すべてノズルの早期損傷の原因となります。

解決策としては、切断ワークの技術的要求に応じて装置のギアを正しく調整し、トーチノズルがしっかりと取り付けられているかどうかをチェックし、冷却水が必要なノズルについては事前に冷却水の循環を開始することである。

切断中は、ワークの厚さに応じてトーチとワークの距離を調節してください。

4.低い入力AC電圧

プラズマ切断機の使用現場における大規模な電気設備や、切断機内の主回路部品の故障は、入力交流電圧の低下を引き起こす可能性がある。解決策としては、プラズマ切断機に接続されている電力網が十分な耐荷重を持っているかどうか、電源コードの仕様が要件を満たしているかどうかを確認することである。

プラズマカッターの設置場所は、大型電気機器や電気的干渉を頻繁に受ける場所から離してください。使用中は、カッター内部のほこりや部品の汚れを定期的に清掃し、ワイヤーの老化をチェックしてください。

5.アース線とワークの接触不良

切断前の準備として、アースは欠かせない。専用のアース工具を使用しない、ワーク表面の絶縁、長期間の使用によるアース線の経年劣化は、すべてアース線とワークの接触不良の原因になります。

解決策としては、専用のアース工具を使用し、アース線とワーク表面の接触に影響を与える絶縁物がないかチェックすることである。経年劣化したアース線の使用は避ける。

6.スパークジェネレーターはアークを自動消火できない

プラズマカッターが作動する際には、まずプラズマアークに点火する必要がある。これは、高周波発振器が電極とノズル内壁の間のガスを刺激して高周波放電を起こし、局所的にガスをイオン化して小さなアークを形成することで行われる。

圧縮空気の影響を受けたこの小さなアークがノズルから噴射され、プラズマアークに点火する。

通常、スパーク発生器の動作時間はわずか0.5～1秒である。アークを自動的に消火できないのは、一般に制御回路基板の部品の位置ずれや、スパーク発生器の放電電極ギャップが適切でないことが原因です。

解決策スパークジェネレーターの放電電極を定期的にチェックし、その表面を平らに保ち、スパークジェネレーターの放電電極間のギャップ（0.8～1.2mm）を適時に調整し、必要に応じて制御ボードを交換する。

7.その他

上記の理由に加えて、切断速度の遅さ、切断中の切断トーチのワークに対する垂直性、オペレーターのプラズマカッターに対する慣れや操作レベルなどが、プラズマアークの安定性に影響します。ユーザーはこれらの点に注意を払うべきである！

V.プラズマ切断でよくある問題

1.高周波パイロットアークの欠如

高周波パイロットアーク回路を点検する。まず、AC110Vの供給を確認し、G1とG2の間に放電火花があるかどうかを観察する。ない場合は、AC110Vの供給に問題があるか、G1とG2を固定しているベークライト板が吸湿して放電や高電圧の発生を妨げていることが原因であることが多い。

ベークライト板を電動送風機で乾燥させ、110VAC 供給を回復する。それでもパイロットアークが出ない場合は、高周波パイロットアークワイヤーを点検する。

高周波の表皮効果により、ワイヤがノズル内部の導電性リングとうまく接触しなかったり、シールリングによって冷却水とショートしたりする可能性がある。

切断トーチを分解し、高周波ワイヤーを締め付けるか、シールリングを交換すれば、通常は問題が解決する。

2.カッティングアークの欠如

高周波スパークが観測された場合、まずDC400Vの開放電圧があるかどうかを確認する。ない場合は、三相電源に欠相がないか確認する。次に、電源ボックス内のハイパワーSCRとトリガー回路基板を点検する。

電源が正常であれば、PLC制御ボックスを開き、PLCの入出力信号をチェックする。入力には冷却水と切削水の流量信号、窒素と酸素の圧力信号が含まれる。

冷却水や切削水の流量信号がない場合は，冷却水ポ ンプと切削水ポンプを交換する。

窒素や酸素の圧力信号がない場合は、窒素源と酸素源を点検し、配管に漏れがないかチェックする。

すべての起動条件が満たされている場合は、切断トーチをチェックしてください。電極棒の内側やノズルのシールリングが損傷していると、電極とノズルの間の空洞に水が浸入し、直流電源とノズルが短絡し、ワークとの復帰回路が妨げられます。シールリングを交換し、切断トーチを再度組み立てれば、問題は解決するはずです。

3.切断品質が悪い

これは、被加工物を貫通できない、スラグが過剰になる、カーフが不均一になるなどの特徴がある。通常、主アークの圧縮が不十 分なためにアーク柱が太くなり、貫通力が不十分にな ることが原因である。

主な原因は、切削ガスの圧力不足か、切削ガスパイプラインの漏れである。

切断ガスを制御する電磁弁、コンビネーション・スイッチ、ガス管をチェックしてください。模造ノズルを使用している場合、パラメータが間違っていると、電極とノズルの間で空気の流れが乱れ、この問題につながることがあります。

4.スパークジェネレーターはアークを自動消火できない。

プラズマ切断機の動作中、まずプラズマアークに点火する。高周波発振器が電極とノズル内壁の間のガスを励起して高周波放電を起こし、ガスを部分的にイオン化して小さなアークを形成する。

この小さなアークは圧縮空気によって推進され、ノズルから噴出してプラズマアークを点火する。

通常、スパークジェネレーターの動作時間は0.5～1秒である。アークを自動的に消火できないのは、一般に、制御回路基板上の部品の位置がずれているか、スパーク発生器の放電電極間隙が不適切なためである。

スパークジェネレーターの放電電極を定期的にチェックし、その表面を滑らかに保ち、スパークジェネレーターの放電電極ギャップを時間内に調整し（0.8～1.2mm）、必要に応じて制御ボードを交換する。

5.アース線とワークの接触不良。

切断前の準備として、アースは欠かせない。専用のアース工具を使用しない、ワークの表面に絶縁体がある、長期間の使用によるアース線の経年劣化が激しい、などはすべてアース線とワークの接触不良につながる。

専用のアース工具を使用し、アース線とワーク表面の接触に影響を与える絶縁物がないかチェックし、古くなったアース線の使用は避けるべきである。

VI.ケーススタディ

1.ケース1

問題の説明

鋼板を切断するプラズマ切断機。X軸とY軸はステッピングモーターで、伝動方式はシンクロナスベルト＋スライダーガイドレール、切断トーチヘッドの先端はプラズマ発生装置である。

現在の問題点は、プラズマ切断機の加工プロセスにおいて、プラズマ発生装置がアーク放電を開始する瞬間に、X軸が数ミリメートル左にずれることである。

原因分析：

プラズマ発生装置の電源を切り、プラズマ切断機が通常通り動作すると、ソフトウェアはアークスタート動作を実行し、X軸は逸脱しない。これはプラズマソフトウェアとコントロールカードに問題がないことを示している。

解決策

プラズマ電源は、特にアークが発生して鋼板を貫通する瞬間に、外部環境との干渉が大きくなります。解決策は、加工中に干渉の影響を受ける可能性のある部分を接地することです。

(1) プラズマ電源ケーシングを接地する。

(2) プラズマ電源の電圧入力端にフィルターを接続し、外部電源回路との干渉を防ぐ。

(3) コンピュータホストのケーシングを接地する。アダプター・ケーブルとコントロール・カードの接続部分のボルトにアース線を接続するのが理想的である。

(4) プラズマ切断機のケーシングを研磨する。

(5) アダプタボードの電源スイッチを接地する。

2.ケース2

問題の説明

鋼板を切断、X軸とY軸はステッピングモーター、切断トーチヘッドの先端はプラズマ発生装置。問題：プラズマ切断機で角材を加工しているとき、X軸は正常だが、Y軸に移動するとアークが途切れて切断が止まってしまう。

原因分析：

円形加工中にさらにテストすると、アーク発生後に直接停止し、正常に動作できないことがわかる。プラズマ発生装置の電源を切ると、プラズマ切断機は正常に動作する。これは、プラズマソフトウェアと制御カードに問題がなく、Y軸が干渉されていることを示している。

解決策

(1) プラズマ電源ケーシングを接地する。

(2) プラズマ電源の電圧入力端にフィルターを接続し、外部電源回路との干渉を防ぐ。

(3) コンピュータホストのケーシングを接地する。アダプター・ケーブルとコントロール・カードの接続部分のボルトにアース線を接続するのが理想的である。

(4) プラズマ切断機のケーシングを研磨する。

(5) アダプタボードの電源スイッチを接地する。

3.ケース3

問題の説明

プラズマ切断中に制御システムが画面点滅、再起動、フリーズする。プラズマの電源を切ると、これらの問題は発生しなくなる。

解決策

(1) プラズマ電源ケーシングを接地する。

(2) プラズマ電源の電圧入力端にフィルターを接続し、外部電源回路との干渉を防ぐ。

(3) コンピュータ・ホスト・ケーシングを接地する。アース線をアダプター線とコントロールカードの接合部のボルトに接続するのが最良である。

(4) プラズマ切断機のケーシングを研磨する。

(5) アダプタボードのスイッチ電源を接地する。

(6) 制御システムのハードウェアが故障した。