플라즈마 아크 가공(PAM): 작동 원리와 산업적 응용

오늘은 플라즈마 아크 가공(Plasma Arc Machining, PAM)의 작동 원리, 응용, 장단점을 배워보겠습니다. 바로 시작해 보겠습니다.

플라즈마란 무엇인가?

플라즈마 아크 가공이라는 말을 들으면 가장 먼저 '플라즈마가 무엇인가?'를 떠올리게 됩니다. 플라즈마가 무엇인지 자세히 살펴보겠습니다.

기체나 공기를 고온으로 가열하면 원자 간 충돌 횟수가 늘어납니다. 5,500°C 이상으로 가열하면 양이온, 음이온, 중성 이온으로 부분 이온화됩니다. 11,000°C 이상으로 더 가열하면 완전 이온화됩니다. 이렇게 완전히 이온화된 기체를 플라즈마라 부릅니다. 플라즈마 상태는 11,000°C~28,000°C 온도 범위에 있습니다.

플라즈마 아크 가공이란?

기본적으로 플라즈마 아크 가공(PAM)은 플라즈마 아크, 텅스텐 불활성 가스 아크 또는 토치를 사용해 금속을 절단하는 공정입니다. 산소아세틸렌 토치로 자를 수 없는 금속에 주로 쓰입니다. PAM이 산업에 도입된 시기는 1964년으로, 아크 용접을 돕고 더 적은 전류를 필요로 하는 방법으로 소개되었습니다. 플라즈마 아크 가공은 PAM으로도 불립니다. PAM에서는 공작물 소재에 따라 다른 기체를 사용합니다. 공작물은 알루미늄, 철, 강철 등으로 만들어질 수 있습니다. 예: 알루미늄에는 질소, 아르곤에는 수소 사용. 대부분 질소와 수소를 사용합니다. 플라즈마 아크 용접은 고온 고속 기체 제트로 경로상 소재를 녹여 밀어냅니다.

참고 자료:

워터젯 가공 – 작동 원리, 장단점, 응용
전자빔 가공 공정 작동 원리
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구성

플라즈마 아크 가공은 플라즈마 건으로 구성됩니다. 플라즈마 건에는 챔버 내 텅스텐 전극이 있습니다. 이 텅스텐 전극은 DC 전원의 음극에 연결되어 음극(cathode) 역할을 합니다. DC 전원의 양극은 노즐에 연결되어 노즐이 양극(anode) 역할을 합니다.

플라즈마 아크 가공 작동 원리

플라즈마 아크 가공(PAM): 작동 원리와 산업적 응용

전원을 인가하면 음극 텅스텐 전극과 양극 노즐 사이에 아크가 발생합니다. 기체가 플라즈마와 접촉하면 기체 원자와 아크 전자 간 충돌로 이온화 기체, 즉 원하는 플라즈마 상태가 됩니다. 이 플라즈마를 고속으로 공작물에 향하게 해 가공이 시작됩니다. 플라즈마 상태를 얻기 위해 높은 전위차가 적용된다는 점에 유의하세요.

전 공정에서 고온 조건이 필요합니다. 노즐에서 뜨거운 기체가 나오면 과열 우려가 있어 워터 재킷으로 과열을 방지합니다.

PAM에서 고려해야 할 주요 파라미터: