플라즈마 아크 용접(PAW) 완벽 가이드: 공정, 장비, 종류, 용도 및 장점

플라즈마 아크 용접(Plasma Arc Welding)이란?

플라즈마 아크 용접은 텅스텐 비소모성 전극과 다른 공작물(전이 아크 공정) 또는 수냉식 수축 노즐(비전이 아크 공정) 사이에서 압축 아크가 생성하는 열을 사용하는 아크 용접 공정입니다.

플라즈마는 양이온, 전자, 중성 기체 분자의 기체 혼합물입니다. 전이 아크 공정은 고에너지 밀도의 플라즈마 제트를 생성하며 세라믹, 구리 합금, 강철, 알루미늄, 니켈 합금, 티타늄 합금의 고속 용접 및 절단에 활용할 수 있습니다.

비전이 아크 공정은 상대적으로 낮은 에너지 밀도의 플라즈마를 생성합니다. 다양한 금속의 용접 및 플라즈마 스프레이(코팅)에 사용됩니다. 비전이 플라즈마 아크 용접에서 공작물은 전기 회로의 일부가 아니므로 플라즈마 아크 토치를 아크를 소멸시키지 않고 한 공작물에서 다른 공작물로 이동시킬 수 있습니다.

플라즈마 아크 용접의 작동 원리

PAW 작동 원리는 불활성 기체에 충분한 에너지가 공급되면 일부 전자가 핵에서 방출되지만 핵과 함께 이동한다는 것입니다.

전자가 이동한 후 원자는 뜨거운 이온화 상태가 됩니다. 이는 물질의 네 번째 상태라고 알려진 가장 일반적인 물질 상태입니다.

이 이온화된 원자들은 두 판을 접합하는 데 사용되는 고온을 가집니다. 이것이 PAW의 기본 원리입니다. 이 용접은 비소모성 텅스텐 전극을 사용하여 아크를 생성하는 TIG 용접의 한 형태입니다.

플라즈마 아크 용접 장비

다음은 PAW 장비입니다:

1. 플라즈마 아크 토치(Plasma arc torch)
2. 차폐 및 플라즈마 가스 공급(Shielding and Plasma Gas Supply)
3. 필러 메탈(Filler Metal)
4. 전원(Power Source)

1. 플라즈마 아크 토치(Plasma Arc Torch)

텅스텐 전극, 콜렛, 내측 노즐, 외측 노즐의 네 가지 주요 부품으로 구성됩니다. 텅스텐 전극은 콜렛에 의해 고정됩니다. 내부 가스 노즐은 토치 내부에 플라즈마를 형성하기 위해 불활성 가스를 공급합니다.

외부 노즐은 용접 영역을 산화로부터 보호하는 차폐 가스를 공급합니다. PAW 토치는 아크가 토치 내부에 포함되어 높은 열을 발생시키므로 냉각됩니다. 토치 외부에 워터 재킷이 저장되어 있습니다.

2. 차폐 및 플라즈마 가스 공급(Shielding and Plasma Gas Supply)

플라즈마 가스는 차폐 가스와 유사하게 단일 소스에서 공급됩니다. 주로 아르곤, 헬륨 같은 불활성 가스가 불활성 가스와 차폐 가스 दोनों으로 사용됩니다. 이 가스는 내부 및 외부 튜브 모두에 공급됩니다.

3. 필러 메탈(Filler Metal)

이 용접 공정에서는 필러 재료를 자주 사용하지 않습니다. 필러 재료를 사용하는 경우 용접 구역에 직접 공급됩니다.

4. 전원(Power Supply)

PAW 공정은 전이 PAW 공정의 경우 전극과 용접 판 사이(또는 비전이 PAW 공정의 경우 텅스텐 전극과 토출 노즐 사이)에 전기 스파크를 생성하기 위해 고전력 DC 전원이 필요합니다.

이 용접은 약 2암페어의 낮은 전류로 용접할 수 있으며 제어 가능한 최대 전류는 약 300암페어입니다. 정상 작동을 위해 약 80볼트가 필요합니다. 전원 소스에는 변압기, 정류기, 제어 콘솔이 포함됩니다.

플라즈마 아크 용접의 작동

초기에 공작물을 철저히 세척합니다. 전원 소스는 전이 PAW 공정의 경우 텅스텐 전극과 노즐 사이, 또는 텅스텐 전극과 공작물 사이에 아크를 생성하는 전력을 공급합니다. 텅스텐 전극은 기체 입자의 이온화와 오리피스 기체의 플라즈마 변환에 사용되는 고강도 아크를 생성합니다.

이 뜨거운 이온화 기체는 작은 구멍을 통해 용접 판에 공급됩니다. 아르곤 등 차폐 가스는 압력 밸브와 조절 밸브를 통해 용접 토치의 외부 노즐로 공급됩니다.

이 가스들은 용접 영역 주변에 실드를 형성하여 산소, 질소 등 대기 가스로부터 보호합니다. 플라즈마가 용접 판에 충돌하여 하나로 만듭니다. 다음 용접은 용접 방향으로 수행됩니다. 이 용접 공정에 필러 재료가 필요한 경우 용접사가 수동으로 공급합니다.

플라즈마 아크 용접의 종류

다음은 플라즈마 아크 용접의 두 가지 유형입니다:

1. 비전이 PAW(Non-transferred PAW)
2. 전이 PAW(Transferred PAW)

전이 및 비전이 플라즈마 아크 용접의 차이점

1. 전이 플라즈마 아크 용접(Transferred Plasma Arc Welding)

이 용접 공정에서 텅스텐 전극은 음극에 고정되고 공작물은 양극에 고정됩니다. DC 전류도 사용합니다. 텅스텐 전극과 공작물 사이에 아크가 생성됩니다.

이 공정에서는 플라즈마와 아크 모두 공작물로 전이되어 공정의 가열 능력이 향상됩니다. 두꺼운 시트 용접에 사용됩니다.

2. 비전이 플라즈마 아크 용접(Non-transferred Plasma Arc Welding)

이 용접 공정에서 DC 전류를 사용합니다. 텅스텐 전극은 음극에, 노즐은 양극에 연결됩니다. 토치 내부에서 텅스텐 전극과 노즐 사이에 아크가 발생합니다.

이로 인해 토치 내부의 기체 이온화가 증가합니다. 토치는 이 이온화된 기체를 추가 처리를 위해 전송합니다. 얇은 시트 용접에 사용됩니다.

플라즈마 아크 용접의 장단점

PAW의 장점:

1. 아크가 정렬 오차에 대한 내성이 좋아 작업자 숙련도가 덜 필요합니다.
2. 높은 용접 속도.
3. 높은 관입 능력(키홀 효과).
4. 용접을 위한 고에너지 사용 가능. 단단하고 거친 공작물도 쉽게 용접 가능.
5. 공구와 공작물 간 거리가 아크 형성에 영향을 주지 않습니다.
6. 동일 크기 용접에 대한 낮은 전력 소비.
7. 플라즈마 아크 용접으로 더 안정된 아크 생성.
8. 낮은 암페어에서 작동 가능.

PAW의 단점:

1. 비싼 장비.
2. 높은 열 입력으로 인한 높은 변형과 넓은 열영향부.
3. 소음이 큰 작업으로 소음 공해 우려.
4. 복사선이 많음.
5. 고숙련 노동력 필요.
6. 유지보수 비용이 높음.

플라즈마 아크 용접의 응용 분야

플라즈마 아크 용접이 무엇에 사용되는지 궁금하실 텐데, 다음은 PAW의 응용 분야입니다:

1. 해양 및 항공우주 산업에서 사용됩니다.
2. 스테인리스강 또는 티타늄 파이프와 튜브 용접에 널리 사용됩니다.
3. 전자 산업에서 자주 사용됩니다.
4. 공구, 다이, 금형 수리에 주로 사용됩니다.
5. 터빈 블레이드 용접 또는 코팅에도 사용됩니다.

결론

이제 플라즈마 아크 용접에 대한 모든 의문점이 해소되었기를 바랍니다. 여전히 'PAW'에 대한 궁금한 점이 있다면 문의하거나 댓글로 질문해 주세요. 우리 페이스북 커뮤니티에도 참여해 보세요. 기사 공유와 뉴스레터 구독도 환영합니다.