플라즈마 아크 용접
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1. 개요
플라즈마 아크 용접(PAW)은 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG 용접)의 발전된 형태로, 1953년에 발명되어 1957년에 특허를 받았다. 이 용접 방식은 특수한 토치를 사용하여 아크를 수축시키고, 아르곤, 헬륨, 수소 또는 이들의 혼합 가스를 사용하여 플라즈마 아크를 형성한다. PAW는 얇은 금속과 두꺼운 금속 모두에 정밀한 절단과 용접을 가능하게 하며, 분무 코팅을 통해 금속 경화에도 사용된다. 전류, 가스 유량, 아크 형태(전달, 비전달) 등을 조절하여 다양한 공정 변형이 가능하며, 마이크로 플라즈마 용접, 미디엄 플라즈마 용접, 고전류 플라즈마 용접 등으로 나뉜다. PAW는 플라즈마 절단, 재료 가공 등 다양한 분야에 응용되며, GTAW보다 에너지 집중도가 높고 아크 안정성이 뛰어나지만, 장비가 고가이고 절차는 더 복잡하다.
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- 아크 용접 - 가스 텅스텐 아크 용접
가스 텅스텐 아크 용접은 비소모성 텅스텐 전극과 모재 사이의 아크를 이용해 용접하는 방법으로, 헬륨이나 아르곤 가스를 사용하여 용융 금속을 보호하며, 알루미늄, 스테인리스강 등 다양한 금속 용접과 항공우주, 조선 산업 등 정밀한 용접에 활용된다. - 아크 용접 - 차폐 가스
차폐 가스는 용접 시 용융 금속과 대기 반응을 막아 용접 품질을 높이는 데 쓰이는 가스로, 불활성 가스와 반불활성 가스로 나뉘며 용접 방법과 대상, 품질에 따라 종류와 혼합 비율을 선택하여 여러 산업 분야에서 사용된다.
| 플라즈마 아크 용접 | |
|---|---|
| 플라스마 아크 용접 정보 | |
 | |
| 개요 | |
| 종류 | 아크 용접 |
| 열원 | 플라스마 |
| 온도 | 28,000°C (50,000 °F) |
| 전형적인 온도 | 5,500 °C (10,000 °F) |
| 사용 가능한 모드 | 전달 아크 비전달 아크 |
| 산업 분야 | 항공우주 의료 기타 정밀 용접 응용 분야 |
| 공정 세부 사항 | |
| 작동 원리 | 텅스텐 전극과 노즐을 통해 아르곤과 같은 가스를 통과시켜 플라스마 아크를 생성하고, 이는 금속을 녹여 결합하는 데 사용된다. |
| 차폐 가스 | 아르곤 헬륨 수소 이들의 혼합물 |
| 전극 | 텅스텐 |
| 모재 재료 | 다양한 금속 (스테인리스강, 알루미늄, 티타늄, 고강도 합금강 등) |
| 용접 위치 | 모든 위치 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 높은 에너지 밀도 및 정밀도 다양한 금속 용접 가능 낮은 열 영향 영역 키홀 용접 가능 |
| 단점 | 장비 비용이 높음 숙련된 작업자 필요 다른 용접 공정에 비해 낮은 용착 속도 |
| 변형 | |
| 변형 종류 | 마이크로 플라스마 아크 용접 펄스 플라스마 아크 용접 플라스마 키홀 용접 |
| 관련 용접 공정 | |
| 관련 공정 | TIG 용접 (GTAW) 레이저 용접 전자빔 용접 |
2. 역사
플라스마 아크 용접 및 절단 공정은 1953년 로버트 M. 게이지(Robert M. Gage)가 발명했고 1957년에 특허를 받았다.[1] 이 공정은 얇은 금속과 두꺼운 금속 모두에서 정밀한 절단과 용접을 달성할 수 있다는 점에서 독특했다. 또한 분무 코팅을 통해 금속을 다른 금속에 경화시킬 수 있었다. 한 예로 달 탐사용 새턴 로켓의 터빈 블레이드에 분무 코팅을 한 것을 들 수 있다.[1]
플라즈마 아크 용접(PAW)은 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG 용접)의 한 종류로, TIG 용접과 달리 노즐을 사용하여 아크를 수축시키는 특수 토치를 사용한다. TIG 용접은 아르곤이나 헬륨으로 차폐된 개방 아크를 사용하지만, 플라즈마 용접은 차폐 가스를 토치에서 별도로 공급한다. 수냉식 소구경 노즐을 사용하여 아크를 압축함으로써 아크 안정성, 아크 형상 및 열 전달 특성을 향상시킨다.
3. 작동 원리
이 공정은 두 가지 불활성 가스를 사용하는데, 하나는 아크 플라즈마를 형성하고 다른 하나는 아크 플라즈마를 보호한다. 충전재 금속은 추가할 수도 있고 추가하지 않을 수도 있다.
3. 1. 플라즈마 아크 발생
플라즈마 아크는 층류(저압, 저유량)와 난류(고압, 고유량)의 두 가지 형태의 가스를 사용하여 형성된다. 사용되는 가스는 아르곤, 헬륨, 수소 또는 이들의 혼합물이다. 플라즈마 용접에서는 용융 금속이 용접 영역에서 날아가는 것을 방지하기 위해 층류(저압, 저유량의 플라즈마 가스)가 사용된다.
플라즈마 용접에서 비전달 아크(파일럿 아크)는 용접 공정 시작에 사용된다. 아크는 전극(-)과 수냉식 수축 노즐(+) 사이에 형성된다. 비전달 아크는 회로에 고주파 장치를 사용하여 발생한다. 초기 고주파 시작 후, 저전류를 사용하여 전극 사이에 파일럿 아크(저전류)가 형성된다. 주 아크가 발생한 후에는 노즐이 중성이 되거나, 마이크로 플라즈마를 사용하는 용접 메시의 경우 연속 파일럿 아크를 사용할 수 있다. 전달 아크는 높은 에너지 밀도와 플라즈마 제트 속도를 가진다. 사용되는 전류와 가스의 유량에 따라 금속을 절단하고 용융하는 데 사용될 수 있다.
비전송 플라즈마 아크는 전송 아크 플라즈마에 비해 상대적으로 에너지 밀도가 작으며 용접, 세라믹 또는 금속 도금(스프레이)과 관련된 응용 도구에 사용된다. 이러한 공정으로 고밀도 금속 코팅을 생성할 수 있다. 비전송 아크는 회로의 고주파 유닛을 사용하면서 발생한다.
3. 2. 공정 유형
플라즈마 아크 용접(PAW)은 크게 전달 아크 방식과 비전달 아크 방식으로 나눌 수 있다.
| 방식 | 설명 | 특징 |
|---|---|---|
| 전달 아크(Transferred Arc) 방식 | 전극(-)과 가공물(+) 사이에 아크가 형성되어, 아크가 전극에서 가공물로 전달된다. | 에너지 밀도가 높고 플라즈마 제트 속도가 빠르다. 사용되는 전류와 가스의 유량에 따라 금속을 절단하고 용융하는 데 사용될 수 있다. |
| 비전달 아크(Non-transferred Arc) 방식 | 전극(-)과 수냉식 수축 노즐(+) 사이에 아크가 형성된다. | 용접 공정 시작 시 사용되며, 회로에 고주파 장치를 사용하여 아크를 발생시킨다. 초기 고주파 시작 후, 저전류를 사용하여 전극 사이에 파일럿 아크(저전류)가 형성된다. 주 아크가 발생한 후에는 노즐이 중성이 되거나, 마이크로 플라즈마를 사용하는 경우 연속 파일럿 아크를 사용할 수 있다. |
플라즈마 아크 용접은 사용되는 전류의 세기에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
| 분류 | 전류 세기 | 용도 |
|---|---|---|
| 마이크로 플라즈마(Micro Plasma) | 0.1A ~ 10A | 박막, 벨로우즈 및 얇은 시트 용접. 자체 용융 방식이며, 일반적으로 충전 와이어나 분말을 사용하지 않는다. |
| 미디엄 플라즈마(Medium Plasma) | 10A ~ 100A | 최대 6mm 두께의 판 용접 및 충전 와이어 또는 자체 용융 용접, 특수 토치 및 분말 공급 장치(PTA)를 사용한 금속 분말을 이용한 금속 증착(하드페이싱). |
| 고전류 플라즈마(High Current Plasma) | 100A 이상 | 고속 이동 속도로 용접할 때 충전 와이어와 함께 사용. |
플라즈마 아크 용접은 용접 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
| 방식 | 두께 | 설명 |
|---|---|---|
| 비키홀 용접(Non-Keyhole Welding) | 2.4mm 이하 | |
| 키홀 용접(Keyhole Welding) | 2.5mm ~ 25mm | 플라즈마 제트의 강한 관통력을 이용하여 키홀을 생성하여 용접. 비교적 두꺼운 루트 단면을 빠르게 관통하고 기계적 백킹 없이 균일한 비드를 생성. 관통 깊이와 용접 폭의 비율이 높아 용접 폭과 열 영향대가 좁아짐. |
플라즈마 아크 용접(PAW)은 텅스텐 불활성 가스 용접(GTAW) 공정보다 발전된 기술로, GTAW로 용접 가능한 모든 금속(대부분의 상용 금속 및 합금)을 접합하는 데 사용할 수 있다. PAW로 용접하기 어려운 금속에는 청동, 주철, 납 및 마그네슘이 있다.[2]
3. 3. 전류 및 용도
플라즈마 아크 용접(PAW)은 사용되는 전류의 세기에 따라 다양한 용도로 활용된다.- '''마이크로 플라즈마''': 0.1~10 암페어의 전류를 사용하며, 주로 박막, 벨로우즈 및 얇은 시트 용접에 사용된다. 이 공정은 자체 용융 방식(autogenous)으로, 일반적으로 충전 와이어나 분말을 사용하지 않는다.[2]
- '''미디엄 플라즈마''': 10~100 암페어의 전류를 사용하며, 최대 6mm 두께의 판 용접에 사용된다. 충전 와이어를 사용하거나 자체 용융 용접을 할 수 있으며, 특수 토치 및 분말 공급 장치(PTA)를 사용하여 금속 분말을 증착하는 하드페이싱에도 사용된다.[2]
- '''고전류 플라즈마''': 100 암페어 이상의 전류를 사용하며, 고속 이동 속도로 용접할 때 충전 와이어와 함께 사용된다.[2]
플라즈마 아크 용접은 이 외에도 플라즈마 절단, 가열, 다이아몬드 필름 증착, 재료 가공, 야금(금속 및 세라믹 생산), 플라즈마 스프레이 및 수중 절단 등 다양한 분야에 활용된다.[2]
4. 장비
플라즈마 아크 용접(PAW)에 필요한 장비는 다음과 같다.
- '''전류 및 가스 감쇠 제어''': 구조물에서 용접을 종료할 때 키홀(key hole)을 제대로 닫는 데 필요하다.
- '''고정구''': 비드(bead) 아래 용융 금속의 대기 오염을 방지하는 데 필요하다.
- '''고주파 발생기 및 전류 제한 저항''': 아크 점화에 사용된다. 아크 시동 시스템은 별도로 설치되거나 시스템에 내장될 수 있다.
- '''플라즈마 토치''': 전달 아크형 또는 비전달 아크형에 사용된다. 수동 또는 기계식으로 작동하며, 현재 거의 모든 응용 분야에서 자동화 시스템이 필요하다. 토치는 노즐과 전극의 수명을 늘리기 위해 수냉식이다. 노즐 팁의 크기와 유형은 용접할 금속, 용접 형상 및 원하는 침투 깊이에 따라 선택된다.
- '''전원 공급 장치''': 플라즈마 아크 용접에는 드롭핑 특성과 70볼트 이상의 개방 회로 전압을 갖는 직류 전원(발전기 또는 정류기)이 적합하다. 일반적으로 직류 발전기보다 정류기를 선호한다. 불활성 가스로 헬륨을 사용하는 경우 70볼트 이상의 개방 회로 전압이 필요하다. 이러한 높은 전압은 두 개의 전원을 직렬로 연결하여 얻을 수 있거나, 일반적인 개방 회로 전압에서 아르곤으로 아크를 시작한 다음 헬륨을 켤 수 있다.
- '''차폐 가스''': 두 가지 불활성 가스 또는 가스 혼합물을 사용한다. 낮은 압력과 유량의 오리피스 가스는 플라즈마 아크를 형성한다. 오리피스 가스의 압력은 용접 금속의 난류를 피하기 위해 의도적으로 낮게 유지되지만, 이 낮은 압력으로는 용접 풀의 적절한 차폐가 불가능하다. 적절한 차폐 보호를 위해 동일하거나 다른 불활성 가스를 토치의 외부 차폐 링을 통해 비교적 높은 유량으로 보낸다. 대부분의 재료는 아르곤, 헬륨, 아르곤+수소, 아르곤+헬륨과 같은 불활성 가스 또는 가스 혼합물로 용접할 수 있다. 아르곤이 일반적으로 사용된다. 키홀 모드 용접 없이 넓은 열 입력 패턴과 더 평평한 커버 패스가 필요한 경우 헬륨을 선호한다. 아르곤과 수소의 혼합물은 아르곤만 사용할 때보다 더 높은 열 에너지를 공급하므로 니켈계 합금, 구리계 합금 및 스테인리스강에서 키홀 모드 용접이 가능하다. 절단의 경우 아르곤과 수소(10~30%)의 혼합물 또는 질소를 사용할 수 있다. 수소는 해리되어 원자 형태가 된 후 재결합하여 아르곤이나 헬륨만 사용할 때보다 높은 온도를 발생시킨다. 또한 수소는 환원성 분위기를 제공하여 용접 및 그 주변의 산화를 방지하는 데 도움이 된다. 수소가 금속에 확산되어 일부 금속과 강철에서 취성을 유발할 수 있으므로 주의해야 한다.
- '''전압 제어''': 윤곽 용접에 필요하다. 일반적인 키홀 용접에서 최대 1.5mm까지 아크 길이의 변화는 용접 비드 침투 또는 비드 형상에 큰 영향을 미치지 않으므로 전압 제어는 필수적이지 않다.
플라즈마 아크 용접의 일반적인 용접 매개변수는 다음과 같다.
| 매개변수 | 값 |
|---|---|
| 전류 | 50~350 암페어 |
| 전압 | 27~31 볼트 |
| 가스 유량 | 2~40 리터/분 (오리피스 가스의 경우 낮은 범위, 외부 차폐 가스의 경우 높은 범위) |
| 직류 전극 | 음극(DCEN) (알루미늄 용접 제외), 알루미늄 용접의 경우에는 수냉식 전극을 역극성 용접, 즉 직류 전극 양극(DCEP)에 사용하는 것이 좋다. |
5. 공정 변수
플라스마 아크 용접(PAW)에는 최소 두 가지(어쩌면 세 가지)의 별개 가스 흐름이 사용된다.
- 플라스마 가스: 오리피스를 통해 흐르며 이온화된다.
- 차폐 가스: 외부 노즐을 통해 흐르며 용융된 용접부를 대기로부터 보호한다.
- 배기 및 후속 가스: 특정 재료 및 용도에 필요하다.
이러한 가스는 모두 동일하거나 조성이 다를 수 있다.
| 변수 | 설명 |
|---|---|
| 전류 형태 및 극성 | CC 전원의 DCEN이 표준이며, 알루미늄 및 마그네슘에는 AC 구형파가 일반적이다. |
| 용접 전류 및 펄싱 | 전류는 0.5A에서 1200A까지 다양하며, 최대 20kHz의 주파수로 펄스될 수 있다. |
| 가스 유량 | 전류, 오리피스 직경 및 형상, 가스 혼합물, 기재 및 두께에 따라 신중하게 제어되어야 하는 중요한 변수이다. |
6. 응용 분야
토치(예: 오리피스 직경), 전극 설계, 가스 종류 및 속도, 전류 레벨의 설계에 따라 플라즈마 공정은 여러 가지로 변형될 수 있으며, 여기에는 다음이 포함된다.
- 플라즈마 아크 절단 (PAC)
- 플라즈마 아크 가우징
- 플라즈마 아크 용접
- 플라즈마 아크 분무
절단에 사용될 경우, 플라즈마 가스 흐름이 증가하여 심부 투과성 플라즈마 제트가 재료를 절단하고 용융된 재료는 절단 드로스로 제거된다. PAC는 산소 연료 절단과 비교했을 때, 플라즈마 공정이 아크를 사용하여 금속을 용융시키는 반면, 산소 연료 공정에서는 산소가 금속을 산화시키고 발열 반응의 열로 금속을 용융시킨다는 점에서 다르다. 산소 연료 절단과 달리 PAC 공정은 스테인리스강, 주철, 알루미늄 및 기타 비철 합금과 같이 내화성 산화물을 형성하는 금속 절단에 적용될 수 있다. 1954년 프랙사어(Praxair Inc.)가 미국 용접 학회(American Welding Society) 쇼에서 PAC를 소개한 이후로 많은 공정 개선, 가스 개발 및 장비 개선이 이루어졌다.
7. GTAW(TIG)와의 비교
플라즈마 아크 용접은 텅스텐 불활성 가스 용접(GTAW, TIG 용접)의 고급 형태이다. TIG 용접은 아르곤 또는 헬륨으로 차폐된 개방 아크를 사용하지만, 플라즈마 용접은 노즐을 사용하여 아크를 수축시키는 특수 토치를 사용하며, 차폐 가스는 토치에서 별도로 공급된다. 아크는 수냉식 소구경 노즐을 사용하여 수축되는데, 이는 아크를 압축하여 압력, 온도 및 열을 강하게 증가시켜 아크 안정성, 아크 형상 및 열 전달 특성을 향상시킨다.[1]
플라즈마 아크는 층류(저압, 저유량)와 난류(고압, 고유량)의 두 가지 형태의 가스를 사용하여 형성된다. 사용되는 가스는 아르곤, 헬륨, 수소 또는 이들의 혼합물이다. 플라즈마 용접의 경우, 용융 금속이 용접 영역에서 날아가는 것을 방지하기 위해 층류(저압, 저유량의 플라즈마 가스)가 사용된다.[1]
플라즈마 용접에서는 비전달 아크(파일럿 아크)를 사용하여 용접 공정을 시작한다. 아크는 전극(-)과 수냉식 수축 노즐(+) 사이에 형성된다. 비전달 아크는 회로에 고주파 장치를 사용하여 시작된다. 초기 고주파 시작 후, 저전류를 사용하여 전극 사이에 파일럿 아크(저전류)가 형성된다. 주 아크가 발생한 후에는 노즐이 중성이 되거나, 마이크로 플라즈마를 사용하는 용접 메시의 경우 연속 파일럿 아크를 사용할 수 있는 옵션이 있다. 전달 아크는 높은 에너지 밀도와 플라즈마 제트 속도를 가지고 있다. 사용되는 전류와 가스의 유량에 따라 금속을 절단하고 용융하는 데 사용될 수 있다.[1]
참조
[1]
특허
U.S. Patent # 2,806,124
1957-09-10
[2]
harvard
(추가 정보 필요)
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