1강 플라즈마 아아크 용접

[박성배]

플라즈마 아크용접
(PAW ; Plasma Arc Welding)


1. 원리
기체를 높은 온도로 가열하면 가스원자가 양이온의 원자핵과 음이온의 전자로 해리되어 혼합된 상태를 ‘Plasma'라고 부른다.
일반 아크용접에서 아크기둥도 일종의 Plasma 상태이다.
텅스텐 전극과 수냉동합금 노즐 선단 사이 혹은 모재 사이에 아크를 발생시키고 전극 주위에 Ar, N2, H2, He 등의 동작가스를 선회기류로 공급하면 노즐 내부에서 고온의 아크열로 가열되어 팽창된 고온의 가스(Plasma)가 단면수축노즐을 통해 고속으로 분출하는 Plasma Jet를 이용한 용접법이다.
수축노즐을 통하여 아크를 수축시키면 전류밀도가 증가하며 온도가 증가하여, 아크 Plasma의 온도는 10,000 ~ 18,000℃의 고온의 기체가 되는데 여기에는 Arc의 열적 핌치효과와 자기적 친치효과에 기인하는데 ‘열적 Pinch Effect'는 Arc Plasma의 주위를 동작가스로 냉각하면 Plasma의 열손실이 커지게 되므로 열솔실을 최소한으로 되도록 그 단면을 수축시킨다.
이로인해 전류밀도가 커지므로 Arc전압이 증가하며 고에너지 밀도의 고온의 Arc Plasma가 얻어진다.
또 고전류밀도의 Plasma Arc 주위에는 자기장이 형성되며 Arc에 흐르는 전류와의 상호작용으로 Arc 단면이 수축하여 전류밀도는 증가하지만 이와같은 Magnetic Pinch Effect의 영향은 Thermal Pinch effect 보다 크지 않다. 이 효과는 대전류 일수록 크게 발생한다.

2. 정의
Arc Plasma를 좁은 틈으로 고속도로 분출시킴으로써 생기는 고온의 불꽃을 이용하여 용접하는 방법.

3. 플라즈마(Plasma)
- 가스가 충분히 이온화되어 전류가 통할수 있는 상태(제4의 물질상태)
- 원자에 열을 가하면 전자를 잃어버려서 양이온으로 되고, 이렇게 되면 주위의 물질들은 양이온과
자유전자로 이루어지는데, 이러한 상태 -> Plasma상태
- 용접에서 가장 중요한 Plasma의 성질 ; 전류를 잘 통하는 ‘자유전자’를 가지고 있는 점
- Arc용접에서 Arc상에 전류가 흐르는 것은 Arc가 Plasma 상태이기 때문

4. 아크형식
(1) 이행형 아크(Transferred Arc)
전기 전도체인 모재를 (+)극으로 접속하고 텅스텐 전극을 (-)극으로 한 직류 정극성 방식
에너지가 높아 주로 용접에 많이 사용.
전도체 용접 및 절단에 사용.
(2) 비이행형 아크(Nontransferred Arc)
수냉합금 노즐의 선단을 (+)극으로 하고 텅스텐전극을 (-)극으로 한 용접방식
비이행형은 모재쪽에 전기접속이 필요치 않아 비금속물질 즉 내화물, 암석, 콘크리트나 주철,
비철, 스테인레스강 등의 절단 및 용사에 주로 사용한다.
비전도체 절단 또는 용접모재에 용접 가열량을 최소화시킨 상태에서 용접시 사용.

동작가스는 Arc기둥의 냉각작용과 전극을 보호하며 Ar이나 N2, H2 를 소량 혼입하면 수소는 Ar, N2 보다 열전도도가 커서 열적 핀치효과가 촉진되어 가스의 분출속도가 증가된다. 또한 해리된 수소는 모재와의 충돌시 냉각되어 분자상의 수소로 변할 때 발열반응을 요하므로
모재의 입열량이 증가한다.
그리하여 용접속도가 빨라진다.
그러나 과대한 수소의 혼합은 기공과 균열을 초래하는 경향이 있다.

5. 전원
Plasma Arc용접은 교류전원을 사용.

6. PAW의 용접결함
(1) 텅스텐 개재물(Tungsten Inclusion)
과도한 용접전류를 사용함에 따라 텅스텐 전극이 녹아서 생긴다.



구리로 된 오리피스도 녹아서 용접금속에 포함되는 경우도 발생.
(2) Tunneling
PAW용접을 너무 빨리 진행하면 용융금속이 Keyhole을 미처 채우지 못한 상태에서 용접이 진행됨에 따라 원통형의 기공(Void)을 용접부위에 남겨놓는 결함.
(3) 용융부족(Incomplete Fusion)
PAW의 Arc의 폭이 매우 좁기 때문에 용접시 용접이음부를 약간 비켜갈 때 발생.

7. 장점
(1) Arc형태가 원통형, 지향성이 좋다. -> Arc길이 변화에도 용접부 영향 無
(2) 용접부에 텅스텐오염 염려없다.(용접봉이 노즐안쪽 위치)
(3) 대부분 I형 용접(빠른 Plasma가스 흐름), Keyhole현상
(4) 열에너지 집중 양호 -> 용입이 깊다, 용접이음부 변형 감소(비드폭:깊이 = 1:1, 수축응력 일정)
(5) 가공비 절약(용접개선 없이 I형 이음)
(6) GTAW보다 훨씬 빠른 속도로 용접이 된다.
(7) 용접표면이 매우 깨끗하여 뒷손질이 필요없다.
(8) 용접시 용접토치와 모재간의 거리가 넓기 때문에 용접도중에 용접사가 용접상태를 확인하기가 용이하다.

8. 단점
(1) 맞대기용접 두께 25t이하로 제한
(2) 수동(전자세용접), 자동(아래보기,수평자세)로 제한
(3) 토치가 복잡, 작업자 많은 지식필요(Oriffice크기, Orrifice가스, Shield가스 유량결정등)
(4) GTAW에 비해 초기 장비값이 비싸다.

9. 특징
Arc가 매우 안정되고 고에너지밀도(열적, 자기적 핀치효과에 의해) 이므로 Bead 폭이 좁고 용입이
깊으며 용접속도가 빨라서 냉각속도가 타 Arc용접에 비해 빠르다.
용접변형도 적으며 저전류(10A 이하)를 이용하여 Micro-Plasma 용접을 하면 초박판 용접을 정밀
하게 할 수 있다.
그러나 표면청정 상태가 불량하면 Plasma Arc의 상태가 변하여 Bead 외관이 불량하고 용접결함이 생기기 쉽다.
그러므로 화학용제로 청정해야 한다.
(1) Bead 폭과 용입깊이 즉, 용입율이 타 아크용접법에 비해 크다.(타용접법에 비해 10 ~ 100배 에너지 밀도가 크다.)
(2) Keyhole의 마감처리는 용접전류와 가스유량을 감소시킨다.
(3) 모재두께 6t 까지는 Square Groove로 1층용접이 가능, 그 이상의 두께는 V Type, U Type Groove에 Root Pass는 No Filler Metal로 용접할 수 있다.
(4) Plasma Torch 내부에 텅스텐 전극이 들어있어 Filler 와의 직접적인 접촉이 없어 전극의 오염이 되지 않아 Tungsten Inclusion의 결함을 방지할 수 있다.
(5) 아크길이의 변화에 대한 Sensitivity가 둔감하여 별도의 아크전압 제어장치가 보통 필요하지 않다.
(6) H2의 혼합율은 모재두께가 얇을수록 최대 15% 까지 가능하고 고속도 용접이 가능하다.
(7) 10A 이하의 극저전류로 가는 Wire, Wire Mesh Screen 및 얇은 Bellows 용접 및 절단이 가능하다.
(8) Plasma Gas와 Shielding Gas는 보통 동일종류의 Gas를 사용한다.
(9) Arc가 매우 안정되고 에너지밀도가 높으며 농축된 고온고속의 Arc를 이용하여 정밀절단 및 용접을 할 수 있다.

10. 용도
(1) TIG용접 가능한 재료(탄소강, 합금강, SUS, Cu합금, Ni합금, Ti합금등) 용접가능
(2) 0.05 ~ 1.6t ; 저전류 Plasma용접
(3) 6.4t이하 ; 단층용접 가능

11. PAW용접장치
GTAW용접장치와 비슷하나 플라즈마 조정장치와 플라즈마 가스공급장치가 추가



12. 용접방식
(1) 용융용접
용접전류와 Orifice가스의 유속이 낮을때 나타나며 재래식 용융용접법과 같이 Plasma에 의해 모재로 전달된 열이 모재의 전도에 의해 확산되며 이때 용융온도 이상까지 가열된 부분이 녹아
용접이 이루어진다.
(2) Keyhole 용접
Orifice 가스의 유속, 용접전류 및 용접속도를 잘 선정하면 모재를 관통하는 구멍(Keyhole)주위의 좁은 구역만이 용융되면서 용접이 진행되는 것을 말하며 Keyhole은 용융금속이 Plasma Jet의 앞에서 모재가 녹게 되고 이 녹은 금속은 Plasma Jet의 뒷쪽으로 이동하여 그곳에서 응고하는데 용융금속의 유동시에 불순물이나 가스가 제거되기 때문에 용접결함을 감소시킬수 있다.
이때 Keyhole 주변에 유지되는 용융금속의 크기는 용융금속의 표면장력과 Orifice Gas의 유속에 의해 결정되며 Plasma 절단인 경우는 Orifice Gas의 유속을 크게하여 용융금속을 제거시켜야 하지만 용접의 경우는 용융금속의 표면장력에 의해 용융금속이 유지되어야 하므로 Orifice 가스의 유속을 낮게하여 일정하게 유지시켜야 한다. 직각으로 용접 이음면을 가공한 금속을 루트간격(Root Gap) 없이 맞댄 상태에서 PAW의 플라즈마 아크를 용접이음부위에 관통시키면서 용접하는 방법.
용접이 끝난 부위에는 항상 조그만 구멍이 생겨서 열쇠구멍과 같다고 'Keyhole Welding'이란 명칭이 생겼다.
용접이 진행되면 Plasma Arc의 열에 의해 용접 이음부의 금속이 녹았다가 Arc가 진행됨에 따라 다시 응고되면서 2개의 금속이 접합된다.

13. 용접부 이음설계
(1) 두께 1.6 ~ 6.4mm 판재 ; I형 맞대기용접을 하여 Keyhole 용접방법을 적용.
(2) 두께 6.4 ~ 25mm 판재 ; V형의 홈을 준비하여 Root Face의 크기가 6.4mm정도로 하고
1st Pass를 Keyhole 용접하고 그 후는 용융용접을 적용한다.(Root Gap = 0)
(3) 두께 0.05 ~ 0.25mm 판재 ; Edge Flange 이음으로 용융용접을 적용한다.
(4) 두께 0.25 ~ 1.6mm 판재 ; I형 맞대기용접으로 용융용접을 적용한다.

14. PAW의 GTAW에 비교한 장단점
(1) 장점
GTAW와는 매우유사한 특성을 나타내나, PAW는 수축된 아크를 사용하기 때문에 GTAW에 비하여 다음과 같은 장점을 지닌다.
(가) 아크의 지향성과 Stiffners가 향상되기 때문에 모재로의 용접입열의 제어가 용이하다. (비교적 정밀용접이 가능)
(나) 아크의 길이가 길어서 큰 아크길이의 변화가 허용되면 아크길이가 변하여도 용융금속의 양에는 큰 차이가 없어서 균일한 용접부를 얻을수 있다.
(다) Keyhole 용접법을 사용하면 용접깊이를 제어할수 있고 T형 용접이음을 사용하므로 용접준비가 간단하다.
(라) 용접부의 Mismatch나 Fit-up이 약간 불량해도 무방하다.
(마) 고밀도 에너지를 전달하므로 높은 용접속도를 얻을수 있다.
(바) Arc가 매우 안정하고 자장에 의한 영향이 적어 곧게 진행하는 지향성이 있다.
(2) 단 점
PAW는 GTAW에 비하여 다음과 같은 단점이 있다.
(가) 장비구입 및 관리유지, 보수비용이 높다.
(나) Plasma Arc Torch가 무겁고 커서 모서리용접 등 좁은 공간에서의 용접이 불리하다.
(다) Keyhole 용접시 Undercut이 발생하기 쉽다.
(라) Keyhole 용접과 용융용접을 복합적으로 적용하는 다층용접에서는 용접변수의 변화가 큰 결점이 있다.
(3) 차이점
(가) 가스
(A) GTAW ; 차폐가스(Shielding Gas) 사용
(B) PAW ; 차폐가스 외에 오리피스 가스를 사용하여 Arc Plasma를 발생시켜 농축된 Arc를 사용하여 용접



(나) Arc
PAW의 Arc는 GTAW의 Arc보다 더욱 농축된 형태.
Arc 의 용입깊이도 깊고 폭은 좁다.
(다) 전극봉
PAW는 GTAW와 같이 텅스텐을 전극 사용하여 Arc를 발생.
세라믹 노즐 안에 구리로 만든 오리피스가 있어 Arc 로 발생된 Plasma 가스를 더욱 압축시키는 효과.

15. 주요 공정변수
(1) Plasma 전류
(가) 0.2 ~ 10A ; 0.8mm 이하의 박판의 용접에 사용되며, 이를 ‘Micro-Plasma'라고 한다.
(나) 10 ~ 100A ; 0.8 ~ 2.5mm 두께의 용접에 사용되며, 주로 GTAW에서 이용되는 전류범위이다.
(다) 100 ~ 300A ; 2.5mm 이상의 후판에서 이용되는 일반적인 Plasma 용접이다.
(2) 노즐의 직경과 형상
Plasma의 특성에 큰 영향을 끼치며 노즐은 Arc를 수축시키고 Plasma Jet의 흐름이 Nozzle의 길이방향으로 곧게 되도록 유지시켜 주는 작용을하며 Nozzle 선단의 내경은 Arc 직경보다 작아야한다.
노즐의 직경이 작고 길이가 길수록 Arc의 수축률이 증가하며 온도가 높아지고 Plasma경로가 균일하게 되며 에너지 밀도가 커진다.
(3) Plasma Gas의 종류와 유속
오리피스 Gas는 보호가스와 동일한 Ar, Ar + He, Ar + H2 가 일반적이며 절단시에는 높은 에너지밀도와 가스속도가 요구되기 때문에 높은 전류, 작은 노즐직경과 Orifice Gas의 높은 유속이 요구된다.
그러나 용접시 가스유속이 너무크면 용융금속이 비산되고 Plasma제어가 불가능해져서 낮은 유속의 Gas가 필요하다.
가스종류의 특성으로는
(가) Ar가스 ; 모든 금속의 가공에 이용.
(나) Ar + H2 ; Arc 온도가 높고 열전도가 잘되기 때문에 가공속도를 증가시킬수 있으나 Ti, Zr과 같은 활성금속의 용접은 불가능하다.
(다) Ar + He ; 주로 활성금속에 사용되며 He이 75% 이상일때는 노즐이 과열될 위험이 있어 낮은 범위의 부하조건에서만 사용가능하다.