플라즈마 아크 가공(Plasma Arc Machining) 완벽 가이드: 원리, 구성요소, 장단점 및 응용

플라즈마(Plasma)란?

플라즈마는 4대 물질 상태 중 하나로, 1920년대 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)가 체계적으로 처음 연구했습니다. 하나 이상의 궤도 전자가 박탈된(드물게 전자 추가) 이온 원자/분자 기체와 자유 전자로 구성됩니다.

암흑 물질과 더 미스터리한 암흑 에너지를 제외하면, 플라즈마는 우주에서 가장 풍부한 보통 물질 형태입니다. 플라즈마는 태양을 포함한 항성, 희박한 성간 매질, 아마도 은하간 영역과 연관됩니다.

플라즈마는 중성 가스 가열이나 강한 전자기장 인가로 인위 생성 가능. 자유 하전 입자 존재로 플라즈마는 전기 전도성을 띠며, 개별 입자 역학과 거시적 플라즈마 운동은 집단 전자기장이 지배하고 외부 인가장에 매우 민감합니다.

플라즈마의 전자기장 반응은 플라즈마 TV, 플라즈마 에칭 등 현대 기술 장치에 활용됩니다.

플라즈마 아크 가공(PAM)은 공작물에서 재료를 제거하는 공정입니다. 고온 고속 가스 제트로 공작물 재료를 녹여 제거합니다. 이 고속 고온 가스를 플라즈마 제트(plasma jet)라 부릅니다.

가스나 공기를 5,000°C 이상 가열하면 양이온, 음이온, 중성 이온으로 전리되기 시작합니다. 가스/공기 전리 시 온도 11,000~28,000°C 도달하며 이 전리 가스를 플라즈마라 부릅니다.

아크로 가스/공기 가열하여 생성된 플라즈마로 공작물 재료 제거. 이 전체 공정을 플라즈마 아크 가공이라 합니다.

이 공정에서 고온 고속 공기로 공작물 재료를 녹여 제거합니다.

플라즈마 아크 가공용 가스는 공작물 금속 종류에 따라 선택합니다.

플라즈마 아크 가공으로 합금강, 스테인리스강, 알루미늄, 니켈, 구리, 주철 절단 가능.

기본 원리는 전극과 공작물 사이 아크를 미세 보어(bore) 구리 노즐로 수축시킨다는 것입니다. 이로써 노즐에서 나오는 플라즈마 온도와 속도 증가.

플라즈마 온도 20,000°C 초과, 속도는 음속 접근. 절단용으로 쓸 때 플라즈마 가스 흐름 증가로 깊게 관통하는 플라즈마 제트가 재료를 관통하고 용융 재료가 유출 플라즈마로 제거됩니다.

플라즈마 아크 가공은 플라즈마 건(plasma gun)으로 구성. 플라즈마 건 챔버에 텅스텐 전극 위치. 텅스텐 전극은 DC 전원 음극 연결 → 텅스텐이 캐소드(cathode) 역할.

DC 전원 양극은 노즐 연결 → 플라즈마 건 노즐이 애노드(anode) 역할.

전원 인가 시 캐소드 텅스텐 전극과 애노드 노즐 사이 아크 발생. 가스가 플라즈마 접촉 시 가스 원자와 아크 전자 충돌로 가스 분자 전리 → 열 발생.

목표한 플라즈마 상태 획득. 이 플라즈마를 고속으로 공작물 향해 조사해 가공 시작. 고전위차 인가로 플라즈마 상태 획득 참고.

전 공정 고온 조건 필요. 노즐에서 뜨거운 가스 배출 시 과열 우려. 과열 방지 위해 워터 재킷(water jacket) 사용.

질소, 수소, 아르곤 또는 혼합 가스로 플라즈마 생성. 플라즈마 건에 텅스텐 전극 있는 챔버. 텅스텐 전극 음극, 노즐 양극 연결. 필요 가스 혼합물 건에 공급. 애노드-캐소드 간 강한 아크 발생.

이후 아크 전자와 가스 분자 충돌로 가스 분자 전리 및 열 발생.

플라즈마 건에 양극/음극 형성용 DC 전원 사용. 캐소드-애노드 간 큰 전위차로 강한 아크 생성 → 가스 혼합물 전리하여 플라즈마 변환.

플라즈마 건에 냉각 메커니즘 추가. 노즐에서 뜨거운 가스 지속 배출로 열 발생.

노즐 냉각용 워터 재킷 사용. 노즐이 워터 제트로 둘러싸임.

다양한 재료 가공 가능. 알루미늄, 마그네슘, 탄소, 스테인리스강, 합금강 등 이 공정으로 가공 가능.

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