[아크용접] Arc 원리 및 특징

 

[아크용접]

 

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원리

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 아크 용접은 용접봉과 모재 사이에 전기적 방전에 의하여 발생하는 고온의 아크를 이용하여 모재를 접합하는 방법이며, 그 방법에 따라서 용접봉이나 용가재가 아크에 의하여 용융 및 모재로 이행되기도 한다.

 

아크 용접 공정에서 열원으로 사용하는 아크는 전기적으로 중성이며 이온화된 기체로 구성된 플라즈마(Plasma)이다. 그러므로 용접 아크의 원리를 이해하려면 플라즈마의 발생 원리와 특성을 이해하는 것이 필요하다.

 

기체는 온도가 증가하면 기체를 구성하고 있는 분자의 운동량이 증가하며, 분자간의 충돌에 의하여 이온화되어 플라즈마 상태로 변화한다. 플라즈마는 일반적으로 고온이며 전기적으로 중성인데 기체의 종류 및 양극과 음극의 재질에 따라 특성이 변화한다. 아크는 방전 구간의 전압과 전류에 따라 여러 구역으로 나뉘어 지며 용접에서 사용되는 아크는 10A 이상의 고 전류 플라즈마임을 알 수 있다.

 

아크의 발생조건으로는 양극과 음극 사이의 전압을 거리로 나눈 전압 기울기(Voltage Gradient)가 중요한 역할을 한다. 전압 기울기가 일정한 값 이상으로 증가하면 전극사이에서 스파크가 발생하며 양극 사이의 기체가 이온화되면서 방전의 전류가 흐르게 된다.

 

방전의 전압-전류

 

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특성

 

 아크는 아크길이에 따라 양극 전압강하(Anode Voltage Drop)구역, 음극 전압강하 (Cathode Voltage Drop)구역 및 플라즈마 혹은 아크기둥의 3구역으로 구분된다. 양극과 음극전압 강하구역은 아크기둥에 비하여 작기 때문에 전압 기울기는 매우 높으며, 대략 109~1012 v/m 이다. 또한, 이 구역의 전압은 아크길이의 변화에 무관하게 일정하지만 전극의 재질과 가스종류에 따라 변화한다. 전자의 무게는 양자에 비하여 훨씬 가볍기 때문에 아크에서 전류의 흐름은 전자에 의하여 유지된다.

 

양극과 양극전압 강하구역은 아크에서 발생한 전자를 받아들여 아크를 유지시키는 역할을 수행한다. 아크기둥은 전기적으로 중성이며, 저항 열에 의하여 고온을 유지한다. 아크기둥의 전압 기울기는 대략 103 v/m 로서 양극과 음극 강하구역의 전압 기울기에 비하여 매우 작다. 음극의 온도가 증가하면 음극표면에서는 전자가 방출되는데, 이와 같이 고온에 의하여 전자가 방출되는 현상을 열전자 방출현상이라 하며 아래 식에 의하여 음극에서 발생하는 전류밀도를 나타낸다.

 

아크의 전압 특성

 

일함수는 음극의 표면에서 전자를 방출하기 위하여 요구되는 전압으로서 재질에 따라 다르다.

 

음극의 온도가 일정하다면 재질의 일함수가 낮을수록 많은 전자가 방출되어 전류밀도는 증가한다. 용접에서 사용되는 높은 전류를 얻으려면 고온이 요구되며, 고온에 의하여 전극 으로부터 전자가 방출되려면 전극의 재료로 탄소나 텅스텐과 같이 고온에서 녹지 않는 재질이 요구된다. GTAW 용접에서는 고온에서 쉽게 용융되지 않으며 동시에 일함수를 낮추기 위하여 텅스텐에 1~2%의 토륨을 첨가한 전극봉이 사용되고 있다.

 

철강이나 알루미늄 등의 소모성 용접봉을 음극의 재질로 사용하는 경우에는 용접에 필요한 전류를 얻기 위한 온도에 도달하기 전에 용접봉이 용융 및 이탈되므로 <그림2>를 적용할 수 없다. 이와 같이 소모성 용접봉을 사용하는 경우에 대한 전자 방출현상을 비열 전자방출(Non-thermionic Emission)이라 하며 이에 관한 원리는 다음과 같이 설명되고 있다.

 

고온에서 음극이 용융되면 음극의 표면이 산화되어 산화막이 형성된다. 일반적으로 산화막의 일함수는 금속에 비하여 낮기 때문에 전자는 Fe 나 Al 과 같은 금속보다 방출에 소용되는 에너지가 작은 산화 막에서 방출된다. 그러므로 낮은 온도에서도 전자가 발생하게 되어 용접에 필요한 높은 전류를 얻을 수 있다.

 

전자의 움직임과 관련하여, 음극의 표면에서 전자가 방출될 때 전자는 일함수에 해당하는 에너지를 가지고 방출되므로 음극을 냉각시키는 효과가 있다. 양극의 역할은 양자를 발생시키는 것이 아니고 아크에서 발생한 전자를 받아들여 아크를 유지시키는 역할을 하기 때문에 양극과 양극전압 강하구역의 역할은 전자를 발생시키는 음극에 비하여 단순하다.

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양극 강하구역의 전압의 범위는 1~10V 로서 음극 강하구역의 전압보다 낮으며, 전자가 양극에 충돌하면 전자가 보유한 에너지를 방출하기 때문에 양극에서 발생하는 열량은 음극에 비하여 높다. 이와 같은 특성은 아크용접에서 극성과 관련한 용접봉과 모재의 용융량에 영향을 미친다.

 

아크기둥의 부피는 아크의 대부분을 차지하며, 전기적으로 중성이다. 아크기둥의 전압은 아크길이에 비례한다. 아크기둥은 저항 열에 의하여 고온을 유지하고, 고온에 의한 압력과 아크내부로 작용하는 핀치력에 의한 압력이 평행을 이루어 아크가 유지된다.

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나온 데

내 컴퓨터 자습폴더 용접부분 기억나지않는 어느 파일, Google Search+

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To be continued...