플라즈마 아크용접(PAW), 열적핀치효과 (Thermal pinch effect), 플라즈마 제트용접

<기출 정리> 

• 20-1-1 플라즈마 아크 용접에서 열적핀치효과(thermal pinch effect)에 대하여 설명하시오.

1. 개요

플라즈마아크용접이란..?

1) 플라즈마 아크 용접 정의

 텅스텐 전극과 모재 사이의 플라즈마 아크현상을 이용해 용접을 하는 방법 
텅스텐 전극이 노즐 안쪽에 위치하며 수축 노즐에 의해 Arc의 집중성을 향상시킴 

용입이 깊고 비드폭이 좁으며 용접속도가 빠름 

플라즈마 아크 용접 개략도

 

 

2) 플라즈마(Plasma)

기체가 고온에 의해 양이온과 음전자로 분리된 상태 
기체를 수천 도의 높은 온도로 가열하면 그 속의 가스 원자가 원자핵과 전자로 유리되며 양(+)과 음(-)의 이온상태가 됨. 이를 플라즈마라고 부름 

Ar 등의 가스가 고온의 아크를 통과하며 plasma상태가 되며, 이때 플라즈마 외부를 가스로 강제 냉각시키면 Thermal Pinch effect (열적 핀치 효과)에 의해 고전류의 아크 플라즈마를 얻을 수 있음 

 

 

3) 플라즈마 아크용접 적용 범위

• 스테인리스강
• 탄소강
• 티타늄
• 니켈합금
• 동
• 황동

 

2. 플라즈마 아크 용접 특징

 

1) 플라즈마 아크용접 특징 (장, 단점)

구분	특징
장점	전류 밀도가 높아 깊은 용입 형성
	모재를 관통하여 용접이 가능 (Key-hole mode)
	아크의 방향성, 집중성이 뛰어남
	슬래그, 스패터가 상대적으로 적음
	비드 폭이 좁아 잔류응력이 최소화됨
단점	무부하 전압이 높아 감전 위험
	수측 노즐의 지속 관리가 필요
	용접 속도가 빨라 보호가스에 의한 보호가 불충분할 수 있음
	토치가 커서 모서리 용접이 어려움

 

 

 

2) GTAW(TIG용접)과의 차이

불활성가스아크용접 (금속, MIG, GMAW 텅스텐, TIG, GTAW), 불활성가스아크용접 이론

GTAW와 PAW의 차이

구분	GTAW (TIG)	PAW(Plasma Arc Welding)
특징	TIG는 텅스탠 전극이 노즐 외부에 위치	노즐의 내부에 텅스텐 전극 위치
	종 모양의 아크 형성	수측 노즐에 의해 아크가 집중
	넓고 얕은 용접부 형성 (PAW 대비)	깊고 좁은 용입부 형성

 

3) 플라즈마 제트용접과의 차이 

플라즈마 아크, 제트 용접의 차이점 개략도, 전원의 위치가 다름

• 아크방식(플라즈마 아크용접)
  전극과 모재 사이에 직접 전류가 흘러 플라즈마 아크를 형성
  텅스텐 아크와 모재 사이에서 발생하는 이행형 아크의 열로 가열 팽창되어 분출되는 플라즈마 제트와 아크의 열 자체를 이용한 용접 
  모재가 전도성이여하고 항상 전극과 일정한 간격을 유지해야 아크가 발생함 
  열효율이 양호하여 스테인리스강, 탄소강 용접에 이용됨 
  
  
• 제트방식(플라즈마 제트 용접)
  전극과 노즐 사이에 아크가 발생하고, 열은 플라즈마 가스에 의하여 모재에 전달됨
  텅스텐 전극과 노즐 선단부 사이에서 발생하는 비이행 아크의 열로 가열 팽창되어 분출하는 플라즈마 제트의 열을 이용한 용접 
  토치와 모재 사이의 거리에 관계없이 안정된 아크를 유지, 비전도성 모재도 용접이 가능, 열효율은 안좋음 

 

3. 고찰

 

1) 열적 핀치 효과 (Thermal Pinch effect)

열손실을 최소화하기 위해 단면이 수축되고 전류밀도가 증가하는 성질 
플라즈마 용접의 기본 원리 
플라즈마 기둥이 전자기력을 받거나, 주위 기체의 냉각효과로 인해 가늘어지는 현상 (아크 플라즈마의 열손실을 작게 하려는 성질)  

고온인 아크가 차폐가스 또는 수냉노즐등에 의해 냉각되며 가늘어지는 현상

• CO2와 He는 열적 핀치 효과가 큼
• Ar은 열적 핀치 효과가 작음 
• 맨 처음 아크열을 받아 약 6000도의 플라즈마가 형성되었을때, 플라즈마 주변을 불활성 가스 등으로 냉각하면 그 표면적이 수축되어 가늘어지는 핀치효과에 의해 10000 ~ 30000도의 고온 고압의 플라즈마가 형성되고, 이 열을 이용하여 용접하는 것을 플라즈마 용접이라 함 

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