플라즈마 아크 가공(PAM) 완벽 가이드: 구성품, 공정, 장단점 및 응용

플라즈마(Plasma)란?

플라즈마는 물질의 4가지 기본 상태 중 하나로, 1920년대 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir)가 체계적으로 연구. 하나 이상의 궤도 전자가 박탈된 이온 원자/분자(드물게 여분 전자 부착)와 자유 전자로 구성된 기체.

암흑 물질과 암흑 에너지를 제외하면, 플라즈마는 우주에서 가장 풍부한 보통 물질 형태. 주로 항성(태양 포함) 및 희박한 성간 매질, 은하간 영역과 연관.

플라즈마는 중성 가스 가열 또는 강한 전자기장 인가로 인위 생성 가능. 자유 대전 입자 존재로 전기 전도성 띠며, 개별 입자 역학과 거시적 플라즈마 운동은 집단 전자기장에 의해 지배되고 외부 장에 매우 민감.

플라즈마의 전자기장 반응은 플라즈마 TV, 플라즈마 에칭 등 현대 기술 기기에 활용.

플라즈마 아크 가공은 공작물에서 재료 제거에 사용. 고온 고속 가스 제트(플라즈마 제트)로 공작물 재료를 녹여 제거.

가스나 공기를 5,000°C 이상 가열하면 양이온, 음이온, 중성 이온으로 이온화 시작. 이온화 시 온도 11,000~28,000°C 도달, 이 이온화 가스를 플라즈마라 함.

아크로 가스 가열하여 생성된 플라즈마로 공작물 재료 제거. 이 전체 공정을 플라즈마 아크 가공이라 함.

고온 고속 공기 제트로 공작물 용융 제거. 플라즈마 아크 가공용 가스는 공작물 금속 종류에 따라 선택.

합금강, 스테인리스강, 알루미늄, 니켈, 구리, 주철 절단에 사용.

기본 원리: 전극과 공작물 사이 아크가 미세 보어 구리 노즐에 의해 수축. 이로 인해 노즐에서 나오는 플라즈마 온도와 속도 증가.

플라즈마 온도 20,000°C 초과, 속도는 음속 근접. 절단 시 플라즈마 가스 유량 증가로 깊게 관통하는 플라즈마 제트가 재료 절단, 용융 물질이 배출 플라즈마로 제거.

플라즈마 아크 가공은 플라즈마 건으로 구성. 플라즈마 건 챔버에 텅스텐 전극 장착. 텅스텐 전극은 DC 전원 음극(캐소드) 연결. 노즐은 DC 전원 양극(애노드) 연결 → 노즐이 애노드 역할.

전원 공급 시 캐소드 텅스텐 전극과 애노드 노즐 사이 아크 발생. 가스가 플라즈마 접촉 시 가스 원자와 아크 전자 간 충돌로 이온화 가스(플라즈마 상태) 생성.

이 플라즈마를 고속으로 공작물 향해 분사해 가공 시작. 플라즈마 상태 얻기 위해 고전압 차이 적용 필요.

전 공정 고온 조건 필요. 노즐에서 뜨거운 가스 배출 시 과열 우려 → 워터 재킷으로 과열 방지.

질소, 수소, 아르곤 또는 혼합 가스로 플라즈마 생성. 텅스텐 전극 장착 챔버 보유. 텅스텐 전극은 DC 전원 음극, 노즐은 양극 연결. 필요 가스 혼합물 공급. 애노드와 캐소드 사이 강한 아크 발생.

아크 전자와 가스 분자 간 충돌로 가스 분자 이온화, 열 발생.

DC 전원 장치로 플라즈마 건에 양극/음극 형성. 캐소드와 애노드 간 높은 전위차로 강한 아크 생성, 가스 혼합물 이온화하여 플라즈마 변환.

노즐에서 뜨거운 가스 지속 배출로 열 발생 → 플라즈마 건에 냉각 장치 추가. 워터 재킷으로 노즐 냉각. 노즐 주위 워터 제트로 둘러쌈.

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

제조공정