プラズマアーク溶接：PAW溶接の利点

PAW は、GTAW と同様に、非消耗品のタングステンまたはタングステン合金電極を使用するアーク溶接プロセスです。

プラズマ アーク溶接 (PAW) は、医療、エレクトロニクス、航空宇宙、自動車産業などの高信頼性アプリケーションで溶融溶接プロセスを選択する必要がある場合に見落とされることがよくあります。

このプロセスは、他のアークプロセスよりも複雑で高価な装置を必要とすること、また溶接工がレーザービーム溶接（LBW）などの溶接速度の向上を望んでいることから、見過ごされてきました。 しかし、自動車メーカーは、ボディパネルや排気システムコンポーネントを含む多くの用途で PAW に注目しています。

タングステン不活性ガス (TIG) 溶接としても知られるガス タングステン アーク溶接 (GTAW) は、低速での高品質の溶接に一般的に使用されますが、高速溶接には LBW が選択されることがよくあります。

PAW は、LBW よりも低コストで GTAW よりも優れた溶接速度を実現できる場合があり、多くの用途にとって最も効果的なプロセスとなる可能性があります。 これらには、ステンレス鋼の拡張可能なベローズの溶接が含まれます。PAW は LBW よりも関節の位置ずれに強く、GTAW よりも貫通力が優れています。 自動車の排気システムに使用されるような塗装鋼の溶接。 キーホール モードで溶接すると、比較的厚い材料をシングル パスで完全溶け込み溶接できます。

PAW は、GTAW と同様に、非消耗品のタングステンまたはタングステン合金電極を使用するアーク溶接プロセスです。

これら 2 つの溶接プロセスの主な違いは、PAW では電極がノズルの中に埋め込まれており、これがアークを狭める役割を果たすことです。 プラズマガスは絞り込まれたノズル内でイオン化され、高速でノズルから排出されます。

プラズマ ガスだけでは溶融池を大気からシールドするのに十分ではないため、GTAW と同様にプラズマ コラムの周囲にシールド ガスが供給されます。 乱流を最小限に抑えるため、プラズマ ガスの流量はシールド ガスの流量よりも大幅に低くなります。

ガスタングステンアークは円錐形であるため、自動溶接にはアーク長制御 (ALC) またはアーク電圧制御 (AVC) 装置を使用して、一貫したスポット サイズとエネルギー密度を確保する必要があります。

PAW の収縮した円弧により、より円柱状の円弧が得られます。 これにより、アーク長の変化によるエネルギー密度への影響が最小限に抑えられ、ALC または AVC の必要性が最小限に抑えられます。

ノズル内に電極を埋め込むことのもう 1 つの利点は、電極の汚染が最小限に抑えられることです。 電極は通常、再研磨する必要がなく、生産シフト全体にわたって使用できます。

PAW のもう 1 つのユニークな機能は、アークの開始方法です。 通常、高周波 (HF) 電流は、電極と銅ノズルの間にパイロット アークを確立するために使用されます。 パイロット アークが開始された後、HF はオフになります。 パイロット アーク電流は通常、1 つのレベルに固定されているか、2 つのレベルのいずれか (通常は 2 ～ 15 アンペア) に設定できます。

溶接の場合、アークはワークに伝達され、電気回路の一部となります。 アークは溶接を行う前に確立されるため、溶接アークの開始は非常に信頼性が高い傾向があります。

溶接完了後もパイロット アークはオンのままで、トーチは追加の HF を必要とせずに次の溶接を行う準備ができています。 これは、HF からの電磁ノイズがコンピュータ化されたプロセス コントローラーに干渉する可能性がある自動化アプリケーションで溶接する場合に有益です。 パイロット アークの副作用の 1 つは、低電流アプリケーションであってもプラズマ トーチを水冷する必要があることです。

PAW には 3 つの異なる動作モードがあり、溶接電流レベルによって決まります。 マイクロプラズマ溶接電流の範囲は、0.1 アンペア未満から約 20 アンペアです。

中電流プラズマ溶接またはメルトインモードの電流は、通常 20 ～ 100 アンペアの範囲です。 高プラズマ溶接電流は 100 アンペアを超え、通常は LBW または電子ビーム溶接 (EBW) と同様のキーホール モードで行われます。

高電流とプラズマ ガス流の組み合わせにより材料に穴が形成され、移動する穴の後ろに溶融金属が流れて溶接ビードが形成されます。 キーホール モードで溶接する場合、溶接を行うためにプラズマ ガスの流量を注意深く制御する必要があります。 流量が少し高いと溶融金属が吹き飛ばされ、切断の原因となります。

PAW は LBW (アプリケーションとレーザー光源によっては、LBW は PAW の 5 倍高速になる場合があります) や EBW ほど高速ではありませんが、PAW の資本設備コストは通常​​、高エネルギー密度の設備のコストのほんの一部です。 。

PAW の欠点の 1 つは、入熱が大きく、LBW や EBW よりも広い溶接部と熱影響部が生じることです。 これにより、歪みが大きくなり、機械的特性が失われる可能性があります。

ただし、PAW は、関節のギャップや位置ずれに対する耐性の点で、これらのプロセスに比べて利点があります。 アークは狭められていますが、プラズマ柱の直径はビームよりも大幅に大きくなります。 フィラー金属の追加も、LBW や EBW よりも PAW の方が簡単に行えます。

GTAW と比較した PAW の主な欠点は、装置がより複雑で高価であること、およびトーチの水冷の必要性によりトーチの小型化が制限されることです (GTAW トーチはガス冷却されており、より小さな領域）。 また、狭い PAW アークは、円錐形のガスタングステン アークよりもジョイントの位置ずれに対する許容度が低くなります。

マイクロプラズマは、より低い電流レベルでも安定したアークを維持できるため、GTAW よりも利点があります。 これがこのプロセスの開発の原動力となりました。

1960 年代初頭、15 アンペアよりはるかに低い電流で安定したガス タングステン アークを得るのは困難でした。 マイクロプラズマはこの限界を克服できることが証明されました。 それ以来、GTAW は大幅に進化し、1 アンペア未満で安定したアークが得られると主張しています。

ただし、PAW の下限電流制限は GTAW の約 10 分の 1 です。 PAW は、低電流機能と信頼性の高いアーク始動機能により、特に医療およびエレクトロニクス産業における多くの小型精密溶接用途に適しています。

GTAW と LBW は医療業界やエレクトロニクス業界でも使用されています。 GTAW は、機器のコストが低く、比較的シンプルであるため、少量のアプリケーションに使用されます。 LBW は、大量生産で費用が正当化できる場合、入熱を最小限に抑える必要がある場合、およびジョイントの取り付けを厳密に制御できる場合に使用されます。

メルトイン モードの中電流範囲で PAW を使用することは GTAW を使用することと似ていますが、アークはより硬くなる傾向があり、PAW によるアーク長の変化による影響が少なくなります。

これにより、より長いアーク長を使用できるようになり、凹型電極と組み合わせることで、手動溶接時に溶加材を追加しやすくなります。 PAW では、フィラーメタルによる電極の汚染はほとんど発生しません。

メルトイン モード PAW は、アーク スタートの信頼性が高く、電極寿命が長く、AVC や ALC が不要で、各溶接開始時に HF からの電磁ノイズがないため、自動化アプリケーションでは GTAW と比較して有益です。

PAW は、大電流を必要とする多くのアプリケーションにおいて、GTAW に比べて大きな利点をもたらします。 キーホール モードで PAW を使用して溶接を行うと、比較的厚い材料を 1 回のパスで完全溶け込み溶接できます。

GTAW を使用して厚い部分を溶接する場合と比較して、キーホール PAW は、高価な接合部の準備の必要性を最小限に抑え、溶加材の必要性を削減または排除します。

GTA 溶接と比較してキーホール プラズマ溶接の深さ対幅の比が高いため、角度歪みも大幅に低減できます。 この手法は、自動化された機器を使用して適用するのが最適です。 手動溶接中にキー穴を維持するのが難しい場合があります。

ほとんどの材料は、直流電極マイナス (DCEN) を使用する PAW で溶接できます。 DC 溶接電流をパルス化して、メルトイン モードとキーホール モードの両方で溶け込みを制御することもできます。

可変極性プラズマ アーク (VPPA​​) 溶接電源は、アルミニウムやマグネシウムなどの材料の接合を強化します。 VPPA の方形波形は、粘り強い表面酸化物を洗浄する各サイクルの電極プラス部分と、より多くの浸透をもたらす電極マイナス部分のバランスがとれるように調整できます。

また、PAW をさまざまな方法で GTAW と組み合わせて自動溶接を行い、溶接速度と溶接品質を最適化することもできます。

その一例として、エジソン溶接研究所 (EWI) で 3 つのトーチを使用してシングルパス溶接を行ったチューブ溶接の研究プロジェクトがあります。

リード GTAW トーチは、予熱とエッジの準備に使用されました。 2 番目の PAW トーチは鍵穴モードで操作され、完全に貫通しました。 GTAW トーチをトレーリング トーチとして使用し、溶接ビードを滑らかにして成形しました。

溶接された材料は、エッジがせん断された 0.315 インチ (8 ミリメートル) の 304 ステンレス鋼プレートでした。 この厚さの材料は、トーチを何本使用しても、従来の GTAW ではエッジ処理なしで 1 回のパスで溶接できませんでした。

フィラー金属を追加せずに GTAW/PAW/GTAW を使用すると許容可能な結果が得られましたが、トレーリング トーチの溶接池にフィラー金属を追加すると、より一貫した結果が得られました。 ワイヤの送り速度を調整して充填を制御し、面一またはわずかに凸状の溶接プロファイルを実現しました。

PAW の利点を最大限に活用するには、溶接パラメータの操作ウィンドウを定義するなど、堅牢な溶接手順を確立する必要があります。