플라즈마 아크 용접(Plasma Arc Welding, PAW)은 아크가 뾰족한 텅스텐 전극과 공작물 사이에서 형성된다는 점에서 TIG 용접과 매우 유사한 아크 용접 공정입니다. 그러나 전극을 토치 본체 내부에 위치시킴으로써 플라즈마 아크를 실드 가스 엔벨로프(shielding gas envelope)와 분리할 수 있습니다. 플라즈마는 미세한 보어의 구리 노즐을 통해 강제로 배출되며 아크가 수축됩니다.
GTAW와의 핵심 차이점은 PAW에서 전극이 토치 본체 내부에 위치해 플라즈마 아크가 실드 가스 엔벨로프와 분리된다는 점입니다. 플라즈마는 미세 보어 구리 노즐을 통과하며 아크가 수축되고, 오리피스에서 음속에 가까운 속도와 28,000°C(50,000°F) 이상의 온도로 분출됩니다.
아크 플라즈마는 기체의 일시적 상태입니다. 전류가 기체를 통과하며 이온화되면 전기를 전도하는 도체가 됩니다. 이온화 상태에서 원자는 전자(−)와 양이온(+)으로 분해되며, 시스템은 이온, 전자, 고도로 들뜬 원자들의 혼합물을 포함합니다.
이온화 정도는 1%에서 100% 이상(이중, 삼중 이온화 가능)까지 다양합니다. 더 많은 전자가 궤도에서 빠져나올 때 이런 상태가 존재합니다.
플라즈마 제트 에너지와 온도는 아크 플라즈마 생성에 사용된 전기적 동력에 의존합니다. 플라즈마 제트 토치에서 얻는 대표적 온도는 약 28,000°C(50,000°F) 수준으로, 일반 아크 용접 아크의 약 5,500°C(10,000°F)보다 훨씬 높습니다. 모든 용접 아크는 (부분적으로 이온화된) 플라즈마이지만, PAW의 아크는 수축된 아크 플라즈마입니다.
보어 직경과 플라즈마 가스 유량을 조절해 세 가지 운전 모드를 만들 수 있습니다:
마이크로플라즈마 아크는 매우 낮은 용접 전류에서 작동 가능합니다. 아크 길이가 20mm까지 변해도 기둥형 아크가 안정적으로 유지됩니다.
15~200A의 높은 전류에서 플라즈마 아크 공정 특성은 TIG 아크와 유사하지만, 플라즈마가 수축되어 아크가 더 뻣뻣합니다(stiffer). 플라즈마 가스 유량을 늘려 용융 풀 침투를 개선할 수 있지만, 가스 실드 내 과도한 난류로 공기와 실드 가스가 말려 들어갈 위험이 있습니다.
용접 전류와 플라즈마 가스 유량을 늘려 매우 강력한 플라즈마 빔을 생성하면, 레이저나 전자빔 용접처럼 완전 관통을 달성할 수 있습니다.
용접 중 구멍이 금속을 점차 관통하며 용융 용접 풀이 표면장력에 의해 뒤에서 따라와 용접 비드를 형성합니다. 이 공정으로 두꺼운 소재(스테인리스강 최대 10mm)도 단일 패스로 용접 가능합니다.
플라즈마 아크 용접 장비는 다음 구성요소로 이루어집니다:
각 구성요소를 간략히 설명하겠습니다.
플라즈마 아크 용접 공정은 텅스텐 전극과 용접 모재 사이에 전기를 발생시키기 위해 고출력 DC 전원이 필요합니다.
최저 2암페어에서 용접 가능하며 최대 처리 전류는 약 300암페어입니다. 정상 작동을 위해 약 80볼트가 필요합니다.
전원은 트랜스포머, 정류기, 제어 콘솔로 구성됩니다.
플라즈마 용접 공정에서 가장 중요한 부품입니다.
이 토치는 TIG 용접용과 상당히 유사합니다.
PAW 토치는 아크가 토치 내부에 포함되어 고열을 내므로 수냉식입니다. 토치 외부에 워터 재킷이 있습니다.
용접 토치 외부에 물을 지속적으로 흐르게 해 토치를 냉각하는 장치입니다.
이 기계에서는 소모되지 않는 텅스텐 전극을 사용합니다. 텅스텐은 매우 높은 온도를 견딜 수 있습니다.
이 용접 공정에서는 두 가지 불활성 가스를 사용합니다. 용접 중 난류를 피하기 위해 저압을 유지해야 하는데, 저압 가스는 용접 실드를 약하게 만듭니다. 그래서 외부 부분으로 또 다른 불활성 가스를 높은 유량으로 공급해 용접 실드를 유지합니다.
사용되는 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 필요에 따라 수소이며 온도에 따라 달라집니다.
전자와 이온 수가 거의 같은 이온화된 고온 가스입니다. 분자, 원자, 전자에서 전자를 해방시킬 충분한 에너지를 가집니다.
이것이 이 용접의 주 에너지원입니다.
용접 토치 성능을 확장하는 데 쓰이는 키트들입니다.
플라즈마 용접에서는 충전재를 쓰지 않습니다. 충전재를 쓰는 경우 용접 존으로 직접 공급됩니다.
플라즈마는 극도로 높은 온도로 가열돼 이온화되어 전기 전도성을 띠게 된 기체입니다. GTAW(TIG)와 유사하게, 플라즈마 아크 용접 공정은 이 플라즈마를 이용해 공작물에 전극을 전달합니다. 아크의 강한 열로 용접할 금속이 녹아 융합됩니다.
플라즈마 용접 토치에서 텅스텐 전극은 팁에 작은 구멍이 있는 구리 노즐 내부에 위치합니다. 파일럿 아크가 토치 전극과 노즐 팁 사이에서 시작됩니다. 이 아크가 용접할 금속으로 전달됩니다.
플라즈마 가스와 아크를 수축된 오리피스를 통해 강제로 통과시킴으로써, 토치는 작은 영역에 고밀도 열을 전달합니다. 고성능 용접 장비로 플라즈마 공정은 매우 높은 품질의 용접을 생성합니다.
플라즈마 가스로는 보통 아르곤을 쓰며, 토치는 제2 가스로 아르곤, 아르곤/수소, 헬륨 등을 사용해 용융 용접 풀을 실드하고 용접부 산화를 최소화합니다.
이상으로 플라즈마 아크 용접 가공에 대한 모든 내용을 다뤘습니다. 즐겁게 읽으셨기를 바랍니다. 다른 용접 공정 글도 확인해 보시고, 즐겨 쓰는 소셜 플랫폼에 공유도 부탁드립니다.
플라즈마 아크 용접(PAW)은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과 유사한 아크 용접 공정입니다. 전기 아크는 전극(보통 소결 텅스텐)과 공작물 사이에서 형성됩니다. GTAW와의 핵심 차이는 PAW에서 전극이 토치 본체 내부에 위치해 플라즈마 아크가 실드 가스 엔벨로프와 분리된다는 점입니다.
플라즈마는 미세 보어 구리 노즐을 통해 강제로 배출되며 아크가 수축되고, 오리피스에서 음속에 가까운 속도와 28,000°C(50,000°F) 이상의 온도로 분출됩니다.
플라즈마 용접은 키홀(keyhole) 타입과 논-키홀(non-keyhole) 타입 용접 모두 제작 가능합니다. 논-키홀 용접: 두께 2.4mm 이하 공작물에 논-키홀 용접 가능.
플라즈마 아크 용접(PAW)은 아크가 뾰족한 텅스텐 전극과 공작물 사이에서 형성된다는 점에서 TIG 용접과 매우 유사합니다. 그러나 전극을 토치 본체 내부에 위치시킴으로써 플라즈마 아크를 실드 가스 엔벨로프와 분리할 수 있습니다.
플라즈마 아크 머시닝(PAM) 시스템에는 전이 아크(Transferred Arc) PAM 시스템과 비전이 아크(Non-Transferred Arc) PAM 시스템 두 가지가 있습니다. 전이 아크 PAM 시스템에서는 전극과 공작물 사이에 플라즈마 아크가 전이됩니다.
토치 구조가 플라즈마 아크 용접과 TIG 용접의 유일한 차이입니다. 둘 다 텅스텐 전극을 사용합니다.
적절한 토치 설계로 질소-물 주입 방식(다른 가스보다 저렴)을 쓰면 알루미늄과 스테인리스 소재 플라즈마 절단 후 후속 용접에 잘 작동합니다. 공정은 질소로 둘러싸인 전극을 전기 아크로 가열해 플라즈마를 형성합니다.
TIG 용접에서는 전극(텅스텐)으로 아크가 형성되고 실드 가스 커버 아래 유지됩니다. 얇은 소재의 섬세한 작업에 적합합니다. 플라즈마 아크 용접에서는 전극이 토치 내부에 배치되고 아크가 가스와 융합됩니다.
플라즈마 용접 세 가지 주요 유형:
플라즈마 아크 용접 완벽 응용 5가지:
플라즈마 공정용 전극은 텅스텐-2% 토리아(thoria)이고 플라즈마 노즐은 구리입니다.
플라즈마 아크 용접(PAW)은 1953년 로버트 M. 게이지(Robert M. Gage)가 뉴욕 버팔로 린드/유니온 카바이드 연구소에서 발명·특허 출원했습니다. 약 10년간 개발과 다수 후속 특허를 거쳐 1964년 시장에 출시되었습니다.
플라즈마 절단(플라즈마 아크 절단)은 20,000°C 이상 이온화 가스 제트로 소재를 녹여 배출하는 용융 공정입니다. 공정 중 전극(음극)과 공작물(양극) 사이에 아크가 발생합니다.
메탈 인ерт 가스(MIG) 용접은 연속 고체 와이어 전극을 가열해 용접 건에서 용융 풀로 공급하는 아크 용접 공정입니다. 두 모재가 함께 녹아 결합됩니다.
플라즈마 아크 용접 장점:
이송 속도(travel speed)는 용접 토치나 건이 공작물을 가로지르는 속도, 단위 mm/분. 전압, 전류와 함께 아크 용접 열입력을 결정하는 3대 변수 중 하나입니다.
플라즈마 절단으로 알루미늄 완벽 용접 가능. 이런 커터를 쓰면 용접 영역 밖 금속 표면을 적당히 차갑게 유지할 수 있습니다. 화염 절단기에서 오는 변형이나 도장 손상도 방지됩니다. 플라즈마 커터로 알루미늄 공작물을 정확하고 빠르게 용접할 수 있습니다.
플라즈마는 절단 전 금속 예열 불필요(시간 절약), 적층 금속 절단 시 산소-연료 토치보다 우수. 얇은 금속에서 플라즈마로 더 빠른 속도, 최소/무변형 달성 가능.
소결 텅스텐 카바이드는 성형된 것이지 녹이거나 단조한 게 아닙니다. 시트는 특정 베어링용으로 나오지만 플라즈마로 못 자릅니다. 보통 카바이드 툴은 솔리드 카바이드나 브레이즈드 카바이드 '팁', 고강도 강철로 단조·가공된 툴에 카바이드 인서트 형태입니다.
스테인리스강과 니켈 합금에는 아르곤이나 아르곤-수소 혼합가스를 써 용접 속도 향상과 산화막 감소를 도모. '키홀' 플라즈마 용접(두께 2.5~6.5mm)에서는 정면 모서리 버트 조인트 전방 용융 풀 가장자리에 구멍 형성.
플럭스 기능: 아크 착화와 안정성 보조, 용접 비드 보호·형상화하는 슬래그 형성, 아크 갭 너머로 투사되는 용융 충전재 보호하는 가스 실드 형성.
키홀 플라즈마 아크 용접은 깊은 관통을 위한 독특한 아크 용접 공정. 키홀 존재 여부가 용접 품질 보장에 핵심. 키홀 이해는 공정과 품질 개선에 확실히 도움.
플라즈마 아크 게이징은 플라즈마 아크 공정의 변형. 아크는 내화물(보통 텅스텐) 전극과 공작물 사이에서 형성. 미세 보어 구리 노즐로 아크를 수축시켜 강력한 플라즈마 달성.
산업기술
마찰 용접(Friction Welding)이란? 마찰 용접은 공작물 간 상대 운동으로 기계적 마찰열을 발생시키고, 업셋(Upset)이라 불리는 측압력을 가해 소재를 소성 변위·융합시키는 고체 상태 용접(Solid-state Welding) 기법입니다. 용융이 없으므로 융합 용접이 아닌, 단조 용접과 유사한 고체 상태 용접에 속합니다. 금속과 열가소체 모두에 적용되며 항공우주, 자동차 등 다양한 분야에서 쓰입니다. 겉보기엔 매끄러워도 미시적으론 수많은 미세 돌기(Asperities)가 있습니다. 두 면이 상대 운동하면 이 돌기들이 상
TIG 용접 공정과 유사하게 플라즈마 아크 용접(PAW)은 금속 부품 접합에 고품질 방법을 제공합니다. PAW 원리 플라즈마 아크 용접은 기본적으로 가스 텅스텐 아크 용접(GMAW 또는 TIG)의 확장입니다. 두 용접 공정 모두 일반적으로 비소모성 텅스텐 전극을 사용해 전력을 용접 토치와 오리피스 가스로 전달합니다. 오리피스 가스는 GMAW 용접 공정과 PAW 용접 공정 차이의 많은 부분을 차지합니다. PAW 토치 설계로 오리피스 가스가 토치 끝 챔버에 축적됩니다. 아크가 오리피스 가스를 약 30,000°F(약 16,650°C)
