플라즈마 아크 절단 101: 원리, 공정 및 가스 선택

1.0플라스마 절단 기술이란?

1.1기술의 기원과 개발:

제2차 세계 대전 중미국의 공장은 상당한 산업 혁신을 이루어 항공기와 군사 장비의 생산 효율성을 크게 높였습니다.

용접 기술항공기 부품의 절단 및 용접 효율을 높이기 위해 엔지니어들은 텅스텐 불활성 가스(TIG) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)이라는 새로운 용접 기술을 채택했습니다. 이 용접 방식은 전기 아크를 이용하여 불활성 가스를 활성화시켜 용접 중 산화를 방지하는 전도성 보호층을 형성하여 용접 품질과 구조적 강도를 향상시킵니다.

1.2플라즈마 절단의 탄생:

1960년대 초반: 엔지니어들은 TIG 용접 기술을 더욱 혁신했습니다.

가스 흐름 증가: 그리고 좁은 노즐을 통해 아크를 안내했습니다.

플라즈마 형성: 고온, 고속 이온화 가스는 금속을 녹이고 고속 공기 흐름을 통해 녹은 금속을 날려버려 빠른 절단이 가능해졌습니다.

이 새로운 방법은 "플라즈마 아크 절단"이라 불리며, 절단 속도, 정밀도, 재료 적응성이 크게 향상되어 다양한 전도성 금속을 쉽게 절단할 수 있게 되었습니다.

2.0플라즈마란 무엇인가?

플라스마에서는 전자가 원자핵으로부터 분리되어 자유롭게 움직이는 전자(음전하)와 이온(양전하)을 형성합니다.

에너지 방출: 전자와 이온이 고속으로 충돌하면 엄청난 양의 에너지가 방출되는데, 이것이 바로 플라즈마가 강력한 절단 능력을 갖는 이유입니다.

🔋 플라즈마의 자연적 예: 번개
💡 "콜드 플라즈마"의 응용 분야: 네온 조명, 형광등, 플라스마 TV(금속을 절단할 수는 없지만 실용적으로 널리 응용됨).

2.1물질의 플라즈마 상태

물질의 네 가지 상태:
일상생활에서 우리는 흔히 고체, 액체, 기체의 세 가지 물질 상태를 접합니다. 플라즈마 절단에는 네 번째 상태인 플라즈마가 사용됩니다.

다양한 상태에서의 분자 행동을 설명하기 위해 물을 예로 들어 보겠습니다.

• 고체(물 → 얼음): 분자는 밀집되어 있고 움직임이 최소화되어 있으며 고정된 모양을 가지고 있습니다.
• 액체(물): 분자는 서로 연결되어 있지만 느리게 움직이며, 모양은 다양하지만 부피는 고정되어 있습니다.
• 가스(수증기): 분자는 고정된 부피나 모양 없이 자유롭게 고속으로 움직입니다.
• 플라즈마 상태:
  가스가 더 가열되면 분자는 더 많은 에너지를 얻어 전자가 원자로부터 빠져나옵니다. 이렇게 양전하와 음전하를 띤 입자들이 모여 형성되고, 이렇게 이온화도가 높은 물질이 바로 플라즈마입니다. 플라즈마는 기체와 같은 유동성과 전기 전도성을 모두 가지고 있어 고온 가공 및 절단에 이상적입니다.

2.2플라즈마 절단 공정 원리

• 형성 방법: 전극과 작업물 사이에 전기 아크가 생성됩니다. 미세한 구리 노즐을 통과한 아크는 수축되어 고온 고압 플라즈마 흐름을 형성합니다.
• 온도와 속도: 플라즈마의 온도는 최대 15,000°C에 달할 수 있으며, 제트 속도는 음속에 가깝습니다.
• 절단 공정:
  • 고온 전기 아크는 금속을 녹입니다.
  • 고속 공기 흐름은 절단 틈새에서 용융 금속을 날려 버립니다.
  • 이를 통해 정확하고 빠른 절단이 가능합니다.
• 프로세스 특징: 깊은 용융, 깔끔한 모서리, 빠른 절단 속도.

2.3플라즈마 절단 vs. 산소-연료 절단

3.0플라즈마 절단 가스 선택 및 재료 호환성

최신 플라즈마 절단 시스템은 소재 종류와 절단 요건에 따라 다양한 가스 조합을 사용합니다. 적절한 가스 선택은 절단 품질과 속도뿐만 아니라 전극 수명과 용접 후처리의 실현 가능성에도 영향을 미칩니다.

3.1압축 공기

3.2산소

• 시스템 호환성: 산소를 지원하도록 설계된 시스템에서만 사용됩니다.
• 성능: 탄소강에서 가장 좋은 성능을 발휘하며 가장 빠른 절단 속도, 최상의 절단 품질, 용접성을 제공합니다.
• 가공: 절단은 직접 드릴링, 탭핑 또는 기계 가공이 가능합니다.
• 제한 사항: 알루미늄 및 스테인리스 스틸에는 적합하지 않습니다.

3.3질소

• 더 느린 절단 속도: 금속과 발열 반응을 일으킬 수 없으므로 절단 속도가 느려집니다.
• 질화층: 탄소강에 매우 단단한 질화층을 형성하여 무거운 슬래그 잔여물을 남깁니다.
• 스테인리스 스틸 또는 수중 절단: 산화 반응을 줄이고 절단면을 보호하는 데 도움이 됩니다.
• 연장된 소모품 수명: 고순도 질소와 적합한 텅스텐 전극을 결합하면 소모품 수명을 크게 연장할 수 있습니다.
• 이전 모델에서 흔히 볼 수 있음: 오래된 플라즈마 절단기에 자주 사용됩니다.

3.45% 수소 / 95% 질소(H5/N95)

• 주요 용도: 6mm 이하의 스테인리스강을 고품질로 절단합니다.
• 장비 요구 사항: 특정 소모품과 정밀한 흐름/압력 제어가 필요합니다.
• 장점: 뛰어난 모서리 품질을 제공하지만 두꺼운 소재에는 적합하지 않습니다.

3.535% 수소 / 65% 아르곤(H35/Ar65)

• 특수 장비: 가스 혼합을 위해 고압 실린더가 필요합니다.
• 애플리케이션: 일반적으로 9.5mm 이상의 알루미늄이나 스테인리스강을 절단하는 데 사용됩니다.
• 기타 용도: 탄소 아크 가우징을 대체하여 플라즈마 가우징에 적합합니다.
• 제한 사항: 얇은 스테인리스강에 무거운 재용융 슬래그가 생성될 수 있습니다.

안전 경고:

승인되지 않은 시스템에서는 산소나 수소 혼합물을 사용하지 마십시오. 화재나 폭발의 위험이 있습니다.

항상 장비 제조업체의 가스 호환성 및 운영 지침을 따르세요.

4.0플라즈마 절단을 위한 권장 압축 공기 시스템 구성

고품질 압축 공기 공급 시스템은 플라즈마 절단의 안정성과 절단 품질을 보장하는 데 필수적입니다. 시스템 설계 및 선택 시 고려해야 할 주요 사항은 다음과 같습니다.

4.1기본 선택 질문:

4.2액세서리 및 공기 정화 권장 사항:

압축 공기의 품질은 절삭 안정성과 소모품 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 시스템에는 다음 구성품이 권장됩니다.

5.0플라즈마 파일럿 아크 점화 방법

5.1고주파 아크 점화(전통적 방법)

• 원칙: 고주파, 고전압 스파크가 스파크 갭을 생성하여 공기가 전도성을 띠게 되고 파일럿 아크가 생성됩니다.
• 단점:
  • 근처 전자 장치(예: CNC 제어 시스템, 컴퓨터 등)에 방해가 될 수 있습니다.
  • 감전의 위험이 있습니다.
  • 스파크 갭은 마모되기 쉽고 수리하기 어렵습니다.
  • 산업 현장에서 안전 문제가 될 수 있는 무선 주파수(RF) 신호를 방출합니다.

5.2HF-Free 아크 점화(현대 주류 방식)

CNC 시스템과 민감한 전자 환경을 수용하기 위해 최신 플라즈마 시스템은 일반적으로 HF-free(고주파 없음) 점화 기술을 사용합니다.

커패시터 방전(SCR 점화)

실리콘 제어 정류기(SCR)를 사용하여 커패시터에서 주 회로로 고에너지의 짧은 펄스를 방출하여 아크를 유발하는 초기 스파크를 생성합니다.

블로우-아파트 아크 점화

토치 내부의 전극과 노즐이 처음에 접촉합니다. 트리거 스위치가 작동하면 가스 흐름이 두 전극을 분리하여 스파크를 발생시키고 파일럿 아크를 형성합니다.

스프링 로드 아크 점화

토치를 작업물에 눌렀을 때 전극과 노즐이 단락됩니다. 압력을 해제하면 두 전극이 분리되어 아크가 형성됩니다.

접촉식 또는 근접 절단 작업에 적합합니다.

6.0플라즈마 절단 시스템의 구성 요소

플라스마 절단은 얇은 재료와 두꺼운 재료 모두에 적합한 효율적인 금속 가공 기술입니다.

휴대용 손전등: 두께 약 50mm까지의 강판을 절단할 수 있습니다.

자동 수냉식 토치(CNC 시스템 포함): 최대 150mm 두께의 강판을 절단할 수 있습니다.

전통적으로 플라스마 절단은 전도성 물질에만 국한되었지만, 현대 기술을 이용하면 이제 특정 조건(예: 폐쇄 점화 시스템)에서 유리나 플라스틱과 같은 비전도성 물질도 절단할 수 있습니다.

6.1플라즈마 절단 전원

일반적인 전원 유형:

• 변압기 정류기 유형: 전통적이며 안정성이 좋습니다.
• 인버터 유형 전원: 소형이고 효율성이 높아 정밀 제어나 휴대용 애플리케이션에 적합합니다.

6.2아크 점화 및 극성 구성

• 파일럿 아크: 절단이 시작되면 토치 내부 전극과 노즐 사이에서 파일럿 아크가 처음 생성됩니다.
• 전송된 아크 모드: 아크는 실제 절단을 시작하기 위해 작업물로 전송됩니다.
• 전극 극성: 부정적인 (-)
• 작업물 극성: 양(+)

이 구성은 아크 에너지의 약 2/3를 작업물에 집중시켜 절단 효율성과 관통력을 향상시킵니다.

6.3가스 조성 및 전극 매칭

일반적인 플라즈마 가스와 그 효과

6.4가스 유량의 중요성

올바른 가스 유량은 전류와 노즐 크기에 따라 설정해야 합니다.

가스 흐름이 너무 낮고 전류가 너무 높으면 이중 아크 다음과 같은 현상이 발생할 수 있습니다:

아크는 전극에서 노즐로 전달되고, 노즐에서 작업물로 전달되면서 소모품이 빠르게 마모되고, 노즐이 녹고, 전극이 손상됩니다.

6.5플라즈마 토치 개요

토치는 플라즈마 절단 시스템의 핵심 구성 요소로, 아크를 전달하고 가스 흐름을 지시하는 역할을 합니다.

유형

• 공랭식: 가볍고 저전력에서 중전력 응용 분야에 적합합니다.
• 수냉식: 높은 하중과 장시간 절단에 이상적이며, 우수한 열 안정성을 제공합니다.

현대식 토치와 기존 모델 비교:

• 더 작고 가볍습니다.
• 더욱 강력한 절단 능력.
• 다양한 아크 점화 방법(전기 또는 기계)을 지원합니다.

일반적인 문제 및 사용 권장 사항

6.6표준 핸드헬드 플라즈마 토치 구조 및 안전 설계

토치 연결 구성 요소

표준 휴대용 손전등에는 일반적으로 다음과 같은 연결부가 포함됩니다.

• 전력/가스 인터페이스(예: 절단 가스로 공기 사용)
• 파일럿 아크 케이블
• 트리거 스위치 케이블

안전 보호 회로

소모품 교체 중 감전을 방지하기 위해 모든 플라즈마 토치에는 안전 회로 설계가 포함되어야 합니다.

가장 간단한 형태는 환형 개방 회로 루프노즐 고정 캡을 제거하면 회로가 즉시 차단됩니다.

첨단 시스템은 우발적인 작동을 방지하기 위해 가스 밸브를 자동으로 닫을 수도 있습니다.
안전 회로가 없으면 토치 헤드의 개방 회로 전압이 최대 350V DC에 도달할 수 있으며, 이는 매우 위험합니다.

토치 헤드 구조

토치 헤드는 다음 구성 요소로 구성됩니다.

• 전극
• 소용돌이 반지: 공기 흐름 분포를 제어합니다
• 커팅 팁
• 고정 캡

7.0에어 플라즈마 절단이란?

7.1프로세스 특징

7.2소모품 문제

• 공기 중의 산소는 전극 침식을 상당히 가속화합니다.
• 표준 텅스텐 전극을 사용하면 몇 초 만에 빠른 마모가 발생합니다.
• 일반적으로 지르코늄, 하프늄 또는 하프늄 합금으로 만든 전극이 사용되지만, 불활성 가스 플라즈마에 비해 수명이 여전히 짧습니다.
• 공기 냉각은 시스템 온도 안정성을 유지하는 데에도 사용됩니다.

7.3듀얼 가스 플라즈마 절단이란?

가스 조합 권장 사항

듀얼 가스 절단의 장점

• 접이식 노즐 디자인: 노즐은 세라믹 컵에 내장되어 있어 노즐 단락을 방지하고 대폭 감소시킵니다. 이중 아크 현상.
• 보호 가스가 절단 영역을 덮습니다.: 이렇게 하면 절단 품질과 속도가 향상되고 노즐과 실드도 냉각됩니다.

고정밀, 고품질 산업용 절단 작업에 이상적입니다.

7.4고정밀 플라즈마 절단 시스템

장점(기존 플라즈마 대비)

• 절단 품질: 기존 플라즈마 절단과 레이저 절단 사이.
• 커프 폭: 더 좁아서 정밀 가공에 더 적합합니다.
• 열영향부: 더 작아서 열 변형과 재료 인장 응력이 줄어듭니다.

CNC 및 자동화 시스템과의 통합에 적합하여 배치 안정성을 향상시킵니다.

단점(기존 플라즈마 및 레이저와 비교)

• 최대 절단 두께: 제한적이며 매우 두꺼운 판에는 적합하지 않습니다.
• 절단 속도:
  • 기존 플라즈마 절단보다 느립니다.
  • 레이저 절단 속도는 약 60–80%입니다.
• 장비 비용이 더 높음: 최적의 성능을 위해서는 고정밀 제어 시스템이 필요합니다.

7.5물 주입 및 물 덮개 플라즈마 절단

주요 특징:

• 모든 금속에 질소 가스만을 사용하므로 공정이 더 경제적이고 운영이 쉽습니다.
• 질소는 아크에서 가공물로 열을 전달하는 데 매우 효율적입니다. 질소가 분리되었다가 소재 표면에서 재결합하면 추가 에너지가 방출되어 절삭 성능이 향상됩니다.
• 주입된 물의 10% 미만이 기화됩니다. 나머지는 다음과 같은 원뿔형 분무를 형성합니다.
• 공작물의 상부 표면을 냉각합니다.
• 산화물 형성을 방지합니다
• 최대 열이 발생하는 부위의 토치 끝을 냉각합니다.

기존 플라즈마에 비해 다음과 같은 장점이 있습니다.

• 더 나은 절단 품질과 모서리 직각도
• 더 빠른 절단 속도
• 더블아킹 위험 감소
• 팁 침식 감소

7.6물 덮개 플라즈마 절단

기존 플라즈마와 비교한 이점:

• 연기 발생 감소
• 더 낮은 소음 수준:
• 기존 플라즈마의 경우 115dB
• 물 덮개 절단 시 96dB
• 수중 절단 시 52~85dB
• 연장된 팁 수명

7.7전체 요약: 플라즈마 절단 기술 비교