플라스마 아크용접

왜 배우는가: 플라스마 아크 용접은 GTAW를 발전시킨 고에너지 밀도 용접법이라 정밀 접합과 깊은 용입이 필요한 현장에서 쓰인다. 시험에서는 이행형과 비이행형의 차이, 플라스마 가스의 종류, 용융형과 키홀형의 구분이 반복해서 묻는다. 이 절은 정의와 등장 배경을 먼저 정리하여 원리 문제의 기초를 만든다.

출제 이력: 제135회 3교시 5번, 제132회 4교시 1번, 제131회 1교시 3번, 제129회 3교시 6번, 제125회 4교시 3번, 제114회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

플라스마 아크 용접은 전극과 노즐 사이의 아크를 노즐 구멍으로 조여 만든 고온 플라스마로 모재를 녹여 접합하는 용접법이다.

플라스마 아크 용접(PAW)은 GTAW와 같이 비소모성 텅스텐 전극을 사용하지만, 아크를 수냉 구리 노즐의 작은 구멍으로 조여 에너지 밀도를 높인 방식이다. 노즐 구멍을 통과한 아크가 플라스마 가스를 이온화하여 고온의 플라스마 젯을 만들고, 이 젯이 모재에 닿아 용융을 일으킨다. 이처럼 아크의 형상과 에너지를 제어할 수 있으므로 PAW는 GTAW를 발전시킨 공정으로 분류된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 플라스마 아크: 구속된 아크가 가스를 이온화하여 생긴 고온의 전기적 기체 상태이다.
• 아크 구속: 노즐 구멍이 아크 기둥의 직경과 열 집중도를 제한하는 현상이다.
• 플라스마 가스: 오리피스를 통과하며 아크를 형성하는 가스로, 아르곤과 헬륨이 주로 쓰인다.
• 수냉 노즐: 구리 노즐을 물로 냉각하여 노즐이 녹지 않도록 하는 부품이다.
• 이행형 아크: 전극과 모재 사이에 아크가 형성되는 방식이다.
• 비이행형 아크: 전극과 노즐 사이에 아크가 형성되는 방식이다.
• 키홀 모드: 플라스마 젯이 모재를 관통하며 구멍을 열어 용접하는 방식이다.

2. 개념 풀이

플라스마 아크 용접은 텅스텐 전극과 수냉 노즐 사이에 생긴 아크를 노즐의 좁은 오리피스로 구속하고, 여기서 생성된 플라스마 젯을 모재에 집중시켜 용융과 접합을 얻는 용접법이다. 플라스마는 기체에 열을 가해 이온과 자유 전자로 이뤄진 상태가 된 물질을 말한다. 따라서 PAW는 전기 아크와 가스의 이온화를 함께 이용하는 방식이다.

원리는 세 단계로 이해하면 된다. 먼저 노즐의 오리피스가 아크 기둥을 가늘게 조이면 아크의 단면적이 줄고 전류 밀도가 높아진다. 다음으로 조여진 아크가 플라스마 가스를 이온화하여 온도와 압력을 크게 높인다. 마지막으로 노즐 밖으로 분출된 플라스마 젯이 모재 표면에 열을 전달하여 용융지를 만든다.

아크 구속은 노즐 구멍이 아크 기둥의 직경을 제한하여 열을 좁은 영역에 모으는 현상이다. 구속된 아크는 GTAW 아크보다 열이 집중되므로 깊고 좁은 용입을 얻을 수 있다. 또한 아크 길이를 길게 유지해도 열 집중이 흐트러지지 않아, 토치와 모재 사이의 간격 변화에 대한 허용 범위가 넓다.

플라스마 젯은 노즐 밖으로 분출되는 고속의 이온화 기체 흐름이다. 젯의 에너지와 온도는 아크 형성에 투입되는 전기 출력에 따라 달라진다. 따라서 전류와 플라스마 가스 유량을 조절하여 용입과 비드 형상을 제어한다.

PAW는 아크가 생기는 위치에 따라 이행형 아크와 비이행형 아크로 구분된다. 이행형 아크는 텅스텐 전극이 음극이고 모재가 양극이 되어 아크가 모재로 옮겨 가는 방식이다. 비이행형 아크는 전극과 수냉 노즐 사이에 생기므로 모재가 전류 경로에 들어가지 않는다. 비이행형 아크는 에너지 밀도가 상대적으로 작아 용사나 도금 같은 응용에 주로 쓰인다.

PAW 전원은 직류 정극성을 쓰며 텅스텐 전극을 음극으로 연결한다. 전극이 음극이면 전자 방출이 쉬워 아크가 안정적으로 점화되고 유지된다.

전류와 플라스마 가스 유량, 오리피스 직경에 따라 아크 모드가 달라진다. 마이크로 플라스마는 15A 미만의 저전류 영역에서 작동한다. 용융형 모드는 15~100A 범위에서 모재 표면을 녹여 용입을 얻는 모드이다. 키홀 모드는 100A 초과에서 플라스마 젯이 모재를 관통하여 구멍을 여는 모드이다.

플라스마 가스는 아르곤이 가장 널리 쓰이며, 헬륨은 넓고 평탄한 열 분포를 주어 키홀을 만들지 않고 비드를 넓게 깔 때 유리하다. 아르곤과 수소의 혼합 가스는 아르곤만 쓸 때보다 열 에너지가 커서 니켈기 합금, 구리기 합금, 스테인리스강에서 키홀 모드 용접을 가능하게 한다. 이처럼 가스 조성은 용입 형태를 바꾸는 주요 변수이다.

PAW 토치는 텅스텐 전극, 플라스마 가스가 흐르는 오리피스, 노즐 외곽의 실드 가스 링으로 구성된다. 플라스마 가스는 낮은 압력과 유량으로 흘러 아크를 만들고, 실드 가스는 더 큰 유량으로 흘러 용융지를 대기로부터 보호한다. 오리피스 가스의 압력을 낮게 유지하는 이유는 용융금속의 난류를 줄이기 위함이다.

PAW는 노즐 구멍으로 아크를 구속하여 GTAW보다 에너지 밀도가 높고 깊은 용입을 얻는 공정이다.

3. 등장 배경과 필요성

PAW는 GTAW의 한계를 보완하기 위해 발전한 공정이다. GTAW 아크는 넓게 퍼지므로 열이 모재 표면에 분산되어, 두꺼운 판에서 깊은 용입을 한 패스로 얻기 어렵다. 1953년에 GTAW를 바탕으로 플라스마 아크 용접이 개발되었고, 이는 이 한계를 줄이려는 시도였다. GTAW도 펄스 전류와 핫와이어 같은 변형이 이어지면서, PAW와 함께 정밀 아크 용접의 한 축을 이룬다.