플라즈마 용접이란 무엇입니까? 👨‍🏭


소개

PAW(Plasma Arc Welding)라고도 하는 플라즈마 아크 용접 공정은 텅스텐 전극과 공작물 사이에 형성된 전기 수축 아크에 의해 금속이 융합되는 공정입니다. 이 과정에 이름을 붙인 플라즈마는 이온화된 가스를 나타냅니다.

TIG 공정과 마찬가지로 텅스텐 전극은 소모품이 아닙니다. 아크는 아크의 직경을 제한하고 열원의 강도를 증가시키는 노즐에 의해 제한되기 때문에 수축이라고 합니다.

이 호는 두 개의 가스 흐름에 의해 제공되는 보호 대기로 둘러싸여 있습니다. 첫째, 플라즈마 가스가 비소모성 텅스텐 전극을 둘러싸면서 플라즈마 아크의 핵심을 형성합니다. 일반적으로 아르곤인 이 가스는 플라즈마라고 하는 매우 가열된 제트의 형태로 압축 노즐을 떠납니다.

두 번째는 용접 풀의 오염을 방지하는 차폐 가스입니다. 이 가스는 수축기 노즐과 동심원인 외부 노즐을 통과하고 차폐 역할을 합니다. 이 가스는 불활성 또는 불활성 가스의 혼합물일 수 있습니다.

TIG와 플라즈마의 차이점

플라즈마 용접은 TIG와 매우 유사한 공정입니다. 기본적으로 생산성 향상을 위한 수정입니다.

플라즈마 아크 용접 공정은 비소모성 전극과 불활성 가스를 사용한다는 점에서 TIG 공정과 매우 유사합니다. 차이점은 전원(용접기라고도 함)에 필요한 리소스와 함께 사용되는 토치 유형 및 전기 아크 전압에 있습니다.

두 프로세스가 동일한 최대 온도를 가진 영역을 표시한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그러나 아크의 수축은 부품 표면의 열 집중에 상당한 변화를 일으켜 용접 공정에 더 유리합니다.

용도

플라즈마 아크 공정은 TIG 공정을 사용하여 용접할 수 있는 대부분의 금속을 접합하는 데 사용됩니다. 따라서 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 내화 합금, 티타늄 합금이 이 공정에 의해 편리하게 용접됩니다.

0.02 ~ 6mm의 두께로도 적용이 가능하여 경제적입니다. 2.4~6mm 두께의 경우 "열쇠 구멍"으로 알려진 용접 기술이 사용됩니다.

그러나 플라즈마 용접 공정의 가장 큰 산업적 응용은 중간 두께 플레이트(3~8mm)와 화학 및 음료 산업을 위한 탱크 및 반응기와 같이 긴 가닥을 필요로 하는 스테인리스강 장비의 제조에 있습니다.

특수 알루미늄 합금의 용접과 같은 항공 우주 산업에서의 응용도 보고됩니다. 덜 일반적이지만 플라즈마 공정은 자동차 산업을 위한 완충기의 상부 용접과 같은 탄소강 조인트에 적용될 수 있습니다.

다른 응용 사례로 라디에이터의 제조, 자동차 엔진의 임계점 용접, 변압기 및 교류 발전기용 시트와 같은 전기 부품의 용접을 언급할 수 있습니다.

이 공정의 적용 분야는 소위 "맞춤형 블랭크(tailored blanks)" 제작을 포함하는 자동차용 차축 및 구조적 구성요소 외에도 백색 가전용 압축기 및 기타 구성요소의 용접으로 확장됩니다.

"맞춤형 블랭크"라는 용어는 "패치워크 퀼트"로 함께 용접된 여러 강판으로 형성된 패널을 나타냅니다(각 부품은 두께와 기계적 특성이 다를 수 있음).

일반적으로 플라즈마 공정의 적용은 비용 관련 단점이 공정의 고유한 장점보다 더 큰 경우 대량 생산 용접에서 더 일반적입니다.

이익

TIG 공정 또는 다른 기존 용접 공정과 관련하여 플라즈마 아크 용접 공정의 장점은 다음과 같습니다. 더 높은 에너지 집중 및 전류 밀도, 결과적으로 더 낮은 왜곡, 더 높은 용접 속도 및 더 큰 관통 0.05mm에서 얇은 두께의 용접을 허용하는 낮은 전류 수준에서 더 큰 아크 안정성; 아크는 더 균질하고 더 확장되어 작동 가시성, 용접 풀의 더 큰 불변성 및 아크 길이의 변화에 ​​대한 덜 민감성을 허용합니다. 텅스텐 개재물에 의한 비드 오염 및 충전재에 의한 전극 오염 가능성이 적습니다.

특히 물류(구매, 운송 및 자재 재고 작업)와 관련하여 플라즈마 공정의 가장 큰 장점 중 하나는 와이어(금속 충전재)를 사용할 필요가 없다는 것입니다.

아크(열)의 강도와 집중으로 인해 단일 패스에서 최대 10mm 두께의 시트를 용접할 수 있습니다. 플라즈마 공정은 또한 아크 길이 변화(용접할 부품에서 토치 거리)에 대한 더 큰 허용 오차와 더 큰 융합 열 효율로 인해 더 낮은 수준의 잔류 장력 또는 왜곡과 함께 더 적은 부피의 용접을 생성합니다.

이러한 이점은 다른 긍정적인 특성과 함께 여러 응용 분야에서 TIG뿐만 아니라 MIG/MAG와도 같은 다른 기존 공정과 직접적인 경쟁을 하게 되었습니다.

제한 사항

이 프로세스에는 고유한 운영 복잡성이 있다는 점을 지적하는 것이 중요합니다. 더 나은 접합 준비(낮은 허용 오차)와 매개변수 조정의 더 큰 숙달에 대한 요구 사항이 있습니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 조인트 부품의 준비 및 고정에 대한 낮은 허용 오차 요구 사항은 이 프로세스를 자동화 라인으로 향하게 합니다.

또 다른 단점은 특히 TIG 공정과 비교할 때 플라즈마 용접 시스템의 제한된 공급과 이러한 장비의 상대적으로 높은 비용입니다.

단점

플라즈마 아크 용접 공정의 단점은 다음과 같습니다.
  • 높은 장비 비용(TIG보다 2~5배 더 높음);
  • 비싸고 빈번한 토치 유지보수;
  • 더 높은 가스 소비;
  • 노동력의 더 높은 자격에 대한 요구.

중요 사항

플라즈마 용접의 확산에 대한 임계점은 부분적으로 용접 매개변수의 규정과 실제로 용접 가능한 재료에 대한 통합된 정보가 부족하기 때문입니다.

그러나 고전 문헌을 통해 수년 동안 알려졌음에도 불구하고 플라즈마 공정은 산업 환경, 특히 브라질과 같이 산업 발전이 여전히 성장하고 있는 국가에서 여전히 큰 적용을 찾지 못하고 있습니다. 그러나 독일에서는 이 공정이 다른 아크 공정보다 더 효율적이기 때문에 특정 응용 분야에서 널리 사용되었습니다.

플라즈마 용접의 초기 실패에 대한 설명 중 하나는 프로세스가 시장에 도입된 방식일 수 있습니다. "플라즈마 용접"이라는 표현은 고도의 기술이 적용된 복잡한 공정을 사용자의 마음에 불러일으켰습니다. "마케팅"의 관점에서, TIG 프로세스의 수정을 설명하기 위해 플라즈마라는 단어를 사용하는 것은 수용성을 손상시킬 수 있습니다.

플라즈마 프로세스는 다른 프로세스가 아니라 TIG 프로세스의 새 버전으로 제시되었다면 시장에서 더 좋은 평가를 받았을 것입니다. 새로운 프로세스를 도입할 때 최종 사용자의 요구 사항과 관련시키는 것이 중요합니다.

장비 제조업체는 새로운 프로세스의 응용 가능성과 기존 프로세스에 대한 이점을 공개해야 합니다. 플라즈마 프로세스의 역사에서 장비 공급업체는 프로세스 작동 방식에 대한 많은 정보를 제공하고 프로세스가 수행할 수 있는 작업에 대한 정보를 거의 제공하지 않는 경향이 있었습니다.

기초

플라즈마는 플라즈마 아크 용접에서 중요한 요소입니다. 고체, 액체 및 기체의 세 가지 물질 상태를 생각하는 것이 일반적입니다. 가장 잘 알려진 요소인 물은 세 가지 물리적 상태를 가지고 있습니다. 얼음, 물 및 증기; 이 세 가지 상태의 기본적인 차이점은 그들이 있는 에너지 수준입니다.

얼음에 열 형태의 에너지를 가하면 물이 되고 더 많은 열을 가하면 증발합니다. 더 많은 에너지가 추가되면 온도 및 전기적 특성과 같은 일부 속성이 크게 변경됩니다. 이 과정을 이온화라고 합니다. 즉, 가스 원자 사이에 자유 전자와 이온이 생성됩니다.

이 경우 가스는 전기 전도성 플라즈마, 즉 자유 전자가 전류를 전달합니다. 이것이 플라즈마가 물질의 네 번째 상태로 간주되는 이유입니다.
금속 도체를 통한 전류 전도에 적용되는 원리 중 일부는 플라즈마에도 적용됩니다. 예를 들어, 전류가 흐르는 금속 도체의 단면이 감소하면 저항이 증가하고 이 단면을 가로지르는 동일한 수의 전자를 얻기 위해 전압을 증가시켜야 합니다. 결과적으로 금속의 온도가 증가합니다.

동일한 사실이 플라즈마에서 관찰될 수 있습니다. 단면이 작을수록 온도가 높아집니다.

플라즈마 아크 용접은 융합과 소위 "키홀" 기술의 두 가지 작업 기술을 통해 수행됩니다.

퓨전

다른 아크 공정과 유사한 융합 용접은 일반적으로 낮은 용접 전류와 낮은 가스 흐름으로 하나 이상의 패스로 수동 용접에 사용됩니다. 용접 풀에 봉 형태로 용가재를 추가하는 것이 가능합니다.

"열쇠구멍"

"열쇠 구멍" 기술에서 플라즈마 제트는 접합 영역에 작은 구멍을 만듭니다. 이 구멍은 토치의 움직임으로 확장되고 변위 중에 아크에 의해 용융된 금속이 플라즈마 주위를 이동하여 용접 풀을 형성합니다. 이렇게 하면 해당 영역의 구멍이 닫히고 응고되어 조인트가 용접됩니다.

왜 아르곤인가?

아르곤은 이온화 가능성이 높기 때문에 저전류 용접에서 선호되었습니다. 반응성 금속 산화물 층의 더 나은 세척을 촉진하고 전기 아크의 개방을 촉진합니다. 탄소강, 고강도강 및 티타늄 및 지르코늄과 같은 반응성 금속 작업에 사용됩니다.

순수한 헬륨이나 아르곤과 혼합된 것과 같은 다른 불활성 가스를 적용할 수 있지만 이러한 가스는 아크를 발생시키기 위해 더 높은 전압이 필요합니다. 헬륨(He)을 사용하면 플라즈마에서 더 많은 에너지가 발생하므로 오리피스 노즐 냉각은 매우 효율적이어야 합니다.
아르곤과 수소의 혼합물은 플라즈마에도 사용되며 수소는 감소 특성과 아크 조성을 증가시켜 언더컷의 위험을 줄이고 용접 속도를 높일 수 있다는 이점이 있습니다.

용접 장비

플라즈마 아크 용접은 수동으로 또는 기계로 수행할 수 있으며 일부 조정이 가능합니다. 두 프로세스 모두 널리 사용되며 모든 위치에서 사용할 수 있습니다. 장비는 전원, 아크 타격 시스템, 플라즈마 용접 토치, 가스 실린더 및 제어 시스템으로 구성됩니다.

전원 공급 장치

사용된 에너지 소스는 정류기, 발전기 또는 인버터가 될 수 있는 정전류이며 직류 및 직류 극성을 사용합니다. 플라즈마 용접 소스는 절단 소스와 다릅니다. 장비를 절단할 때 장비의 무부하 전압이 200V 이상이어야 하기 때문입니다. 65V와 80V 사이의 무부하 전압 소스는 파일럿 아크 개방 시스템, 사전 및 사후 흐름의 배치와 함께 용접에 맞게 조정할 수 있습니다.

고주파 발생기

아크를 열기 위해 고주파 발생기가 파일럿 아크를 설정하는 데 사용됩니다. 전달된 아크로 작업하는 경우 일반적으로 파일럿 아크가 사용되며 이는 전원을 위한 저용량의 보조 에너지원이 필요합니다.

토치

토치는 텅스텐 전극을 고정하고 전기 아크를 지시하는 역할을 합니다. 용접기를 다루기 위한 핸들, 전극을 고정하기 위한 클램프 세트, 가스와 냉각수를 통과시키기 위한 도관, 전기 아크를 수축시키기 위한 오리피스가 있는 구리 노즐, 절연 및 작업자 보호를 위한 세라믹 노즐이 제공됩니다.

플라즈마 토치에서 전극 팁은 플라즈마가 흐르는 노즐에 수집됩니다. 가스는 전기 아크 형성 플라즈마를 통과할 때 이온화되며, 이는 분자가 원자로, 이들이 이온과 전자로 해리됩니다.

노즐 내부의 가열된 가스는 압력이 크게 증가하고 작은 구멍을 통해 빠져나와야 하므로 6km/s 정도의 고속을 획득하여 해리 현상을 강조합니다.

일부 토치에는 가스와 아크가 통과할 수 있는 중앙 구멍이 하나만 있습니다. 다른 것들은 보조 가스의 통과를 위한 다른 구멍이 있어 더 높은 용접 속도를 허용합니다.

가스 실린더

가스 실린더는 이온화 가능한 가스 및 차폐 가스의 공급원입니다. 압력 및 유량 조절기 및 호스가 제공됩니다. 가스 흐름 제어는 공정에서 중요한 변수이기 때문에 매우 정밀해야 합니다.

제어 시스템

기계화 용접의 경우 용접 변수를 조정하고 장비 및 보조 장치를 활성화할 수 있도록 제어 시스템이 존재합니다. 이러한 장치는 TIG 용접, 즉 와이어 피더, 모션 시스템, 아크 진동 등에 사용되는 것과 유사합니다.

수동 및 기계 용접

수동 용접에서는 금속이 드립 증착되어 한 손으로 추가되는 동안 다른 손으로 용접 풀을 제어합니다. 기계화 용접에서 와이어 스풀은 일정한 속도로 자동 공급기에 배치됩니다. 자동 시스템은 용접 전류가 100A를 초과할 때 사용됩니다. 또한 용접 풀에 도달하기 전에 와이어를 통과하는 전류의 통과로 인해 줄 효과에 의해 와이어가 예열될 때 적용될 수 있습니다.

소모품 종류 및 기능

플라즈마 아크 용접에 사용되는 소모품은 용가재, 이온화 ​​가스(플라즈마) 및 차폐 가스입니다. 텅스텐 전극은 소모품으로 간주되지 않지만 시간이 지남에 따라 마모됩니다.
  • 용가재는 충전재를 도입하고 결합을 용이하게 하는 기능이 있다.
  • 플라즈마는 전극에서 공작물로(또는 그 반대로) 전자를 전달하는 수단을 제공하는 기능을 가지고 있습니다.
  • 차폐 가스는 대기에 의한 오염으로부터 용융 풀을 차폐하는 기능이 있습니다.

공동 준비 및 청소

플라즈마 용접을 위한 조인트의 준비 및 청소에는 TIG 용접에 필요한 모든 주의가 필요하며 특히 다음 사항에 주의해야 합니다.
  • 모따기 및 모서리 청소는 내부 및 외부 측면에서 10mm 범위의 반짝이는 금속으로 이루어져야 합니다.
  • 용접 루트를 부착할 때 부품의 다른 면에 불활성 가스를 사용하여 보호 장치를 사용해야 합니다. 관절의 뿌리에 주입되는 이 가스를 퍼지(Purge)라고 합니다. 탄소강의 경우 보호가 필요하지 않습니다.
열쇠 구멍 플라즈마 용접에서 접합 준비는 용접 결과에 결정적입니다. 맞대기 조인트는 용가재 없이 용접을 수행하도록 조정할 수 있습니다. 부정확한 조정으로 추가 와이어로 작업합니다. 이 경우, 모따기의 준비는 용가재의 부피를 줄이기 위해 더 높은 노즈 높이를 제공할 수 있습니다.

유도된 불연속성

용접 검사자는 TIG 공정과의 유사성으로 인해 PAW 공정이 동일한 유형의 불연속성을 생성할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
TIG와 마찬가지로 PAW 프로세스는 슬래그를 생성하지 않습니다.

안전 고려 사항

텅스텐 전극과 용접 풀 사이의 아크 모양은 불활성 가스에 의해 형성됩니다. 용가재가 용접 풀에 직접 추가되기 때문에 금속이 아크를 통과하지 않으므로 연기 방출이 상당히 적습니다.

알루미늄 또는 스테인리스강을 용접하는 경우 허용할 수 없는 수준의 오존이 생성될 수 있습니다. 이 때문에 작업 환경에서 제거할 수 있는 수단이 제공되어야 합니다. 발생하는 전기장과 자기장에 대해서도 주의를 기울여야 합니다.

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