플라즈마 아크 용접: 설명

1. 플라즈마 아크와 그 발생기의 특성

1. 플라즈마 아크 형성

플라즈마 아크는 높은 에너지 밀도, 온도 및 아크 힘을 가진 압축된 텅스텐 전극 아르곤 아크입니다. 플라즈마 아크는 세 가지 압축 효과를 통해 얻어집니다:

1) 기계적 압축: 수냉식 구리 노즐의 구멍으로 인해 아크 컬럼의 단면적이 제한적으로 확장되는 것을 기계적 압축이라고 합니다.

2) 열 압축: 노즐의 냉각수는 노즐 내벽 근처에 차가운 가스 층을 형성하여 아크 컬럼의 유효 전도 면적을 감소시킵니다. 이렇게 하면 아크 컬럼의 에너지 밀도와 온도가 더욱 높아집니다. 아크 컬럼의 온도와 에너지 밀도를 더욱 높이기 위해 수냉을 통해 달성되는 이 효과를 열 압축이라고 합니다.

3) 전자기 압축: 앞서 언급한 압축 효과로 인해 아크 전류 밀도가 증가하고 아크 전류 자체의 자기장에 의해 생성되는 전자기 수축력이 강해집니다. 그 결과 전자기 압축으로 알려진 아크의 추가 압축이 발생합니다.

2. 플라즈마 아크의 분류

(1) 비전송 아크

전달되지 않은 아크는 텅스텐 전극과 노즐 사이에서 연소됩니다. 용접하는 동안 전원의 양극은 수냉식 구리 노즐에 연결되고 음극은 텅스텐 전극에 연결됩니다. 공작물은 용접 회로에 연결되어 있지 않습니다. 아크는 플라즈마 가스의 고속 방출에 의해 수행됩니다. 이 유형의 아크는 더 얇은 금속 및 비금속을 용접하거나 절단하는 데 적합합니다.

(2) 전송된 아크

전달된 아크는 텅스텐 전극과 공작물 사이에서 직접 연소됩니다. 용접 중에 텅스텐 전극과 노즐 사이의 전이되지 않은 아크가 먼저 점화 된 다음 아크가 텅스텐 전극과 공작물로 전달됩니다. 노즐은 작동 중에 용접 회로에 연결되지 않습니다. 이 유형의 아크는 두꺼운 금속을 용접하는 데 사용됩니다.

(3) 결합된 아크

혼합 아크는 전달된 아크와 전달되지 않은 아크가 공존하는 아크를 말합니다. 혼합 아크는 매우 낮은 전류에서도 안정성을 유지할 수 있어 특히 얇은 판재 및 초박판 용접에 적합합니다.

3. 플라즈마 아크 특성

(1) 아크 정적 특성 커브의 플라즈마 아크 는 TIG 아크와 크게 다릅니다:

• 1.1 E값이 커져 위쪽으로 이동합니다. 직선 구간이 좁아지고 상승 구간의 기울기가 증가합니다.
• 1.2 결합된 아크의 하강 구간이 명확하지 않으므로 소전류 아크는 매우 안정적입니다.

(2) 아크 온도는 24000K~50000K 범위로 높고 전력 밀도와 에너지 밀도는 105-106W/cm2입니다. 반면, TIG 아크의 온도 범위는 10000~24000K이고 전력 밀도는 104W/cm2 미만입니다.

(3) 강성이 높고 아크 집중 계수가 큽니다.

(4) 아크 컬럼에서 발생하는 열은 공작물 가열에 상당한 영향을 미칩니다.

4. 플라즈마 아크 용접의 특성 및 응용 분야

(I) 특성

높은 에너지 밀도, 온도 및 강성으로 인해 플라즈마 아크는 기존과 비교하여 다음과 같은 장점이 있습니다. 아크 용접:

1) 강력한 관통력으로 베벨링이나 필러 와이어 없이도 두께 8~10mm의 스테인리스 강판을 용접할 수 있습니다.

2) 품질 용접 솔기 는 호 길이의 변화에 민감하지 않습니다. 이는 호의 모양이 원통형에 가깝고 직진성. 아크 길이의 변화는 가열 지점 영역에 미치는 영향이 최소화되므로 균일한 용접 이음새 모양을 쉽게 얻을 수 있습니다.

3) 텅스텐 전극은 수냉식 구리 노즐 내부에 움푹 들어가 있어 공작물과의 접촉을 피하고 용접 금속에 텅스텐이 포함되는 것을 방지합니다.

4) 플라즈마 아크는 이온화도가 높아 저전류에서도 안정적이므로 초소형 정밀 부품의 용접이 가능합니다.

플라즈마 아크 용접의 단점은 다음과 같습니다:

1) 제한적 용접 두께일반적으로 25mm 미만입니다.

2) 용접 건과 제어 회로가 복잡하고 노즐의 수명이 짧습니다.

3) 여러 용접 매개변수용접 작업자에게 높은 수준의 기술 숙련도를 요구합니다.

(2) 애플리케이션

플라즈마 아크 용접은 스테인리스 스틸, 알루미늄 및 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접으로 용접할 수 있는 다양한 금속을 용접하는 데 사용할 수 있습니다. 알루미늄 합금, 티타늄 및 티타늄 합금, 니켈, 구리 및 모넬 합금에 사용할 수 있습니다. 이 용접 방법은 항공우주, 항공, 원자력, 전자, 조선 및 기타 산업 분야에 적용될 수 있습니다.

5. 플라즈마 아크 발생기

1. 분류: 플라즈마 아크 용접 건, 커팅 건, 스프레이 건.

2. 구성 요소

주요 구성 요소로는 전극, 전극 홀더, 압축 노즐, 중간 절연체, 상부 건 본체, 하부 건 본체, 냉각 슬리브가 있습니다. 가장 중요한 구성 요소는 노즐과 전극입니다.

1. 노즐

분류: 노즐 구멍의 개수에 따라 단일 구멍과 다중 구멍의 두 가지 유형이 있습니다.

다중 구멍 노즐에는 중앙의 메인 구멍 외에도 메인 구멍의 왼쪽과 오른쪽에 여러 개의 작은 구멍이 있습니다. 이 작은 구멍에서 방출되는 플라즈마 가스는 플라즈마 아크에 추가적인 압축 효과를 일으켜 플라즈마 아크의 단면을 타원형으로 만듭니다. 타원의 장축이 용접 방향과 평행 할 때, 그것은 크게 증가 할 수 있습니다. 용접 속도 를 클릭하고 열 영향 영역의 폭을 줄이세요.

가장 중요한 노즐 모양 매개변수는 압축 조리개와 압축 채널의 길이입니다.

1) 노즐 조리개(DN):

dn은 플라즈마 아크의 직경과 에너지 밀도를 결정합니다. 직경이 작을수록 아크의 압축이 커지지만 너무 작으면 플라즈마 아크의 안정성이 저하되어 이중 아크 및 노즐 손상을 유발할 수 있습니다. dn은 용접 전류, 플라즈마 가스 유형 및 유량에 따라 선택해야 합니다.

2) 노즐 채널 길이(L0):

특정 압축 조리개 아래에서 l0이 길수록 플라즈마 아크가 더 강하게 압축됩니다. 그러나 l0이 너무 크면 플라즈마 아크가 불안정해집니다. 일반적으로 l0/dn 비율은 특정 범위 내에 있어야 합니다. 전송 아크의 경우 일반적으로 1.0-1.2, 혼합 아크의 경우 2-6입니다.

3) 원뿔 각도(α):

원추형 각도는 플라즈마 아크의 압축에 거의 영향을 미치지 않으며 30°에서 180°까지 다양합니다. 그러나 전극 팁의 모양과 일치하여 전극 팁의 양극 지점을 안정적으로 고정하는 것이 바람직합니다. 용접 시 각도는 일반적으로 60°~90°입니다.

노즐 재질:

노즐은 일반적으로 구리로 만들어지며 직접 수냉식입니다.

전극:

1) 자료:

플라즈마 아크 용접은 일반적으로 토륨 텅스텐 전극 또는 세라믹 텅스텐 전극을 사용합니다. 경우에 따라 지르코니아 텅스텐 전극 또는 지르코늄 전극을 사용할 수도 있습니다. 텅스텐 전극은 일반적으로 수냉이 필요합니다. 저전류 애플리케이션의 경우 간접 수냉이 사용되며 텅스텐 전극은 막대 형태입니다. 고전류 애플리케이션의 경우 직접 수냉식 냉각이 사용되며 텅스텐 전극은 내장형 구조를 갖습니다.

2) 모양:

막대형 전극의 끝은 일반적으로 날카로운 원뿔 모양 또는 원뿔형 플랫폼 모양으로 연마됩니다. 고전류 애플리케이션의 경우 번오프를 줄이기 위해 구형으로 연마할 수도 있습니다.

3) 내부 수축 길이 및 동심도:

와 달리 TIG 용접플라즈마 용접에서 텅스텐 전극은 일반적으로 압축 노즐 내부에서 수축됩니다. 노즐의 외부 표면에서 텅스텐 전극의 끝까지의 거리를 내부 수축 길이(lg)라고 합니다.

아크 안정성을 보장하고 이중 아크를 방지하려면 텅스텐 전극이 노즐과 동심이어야 하며, 텅스텐 전극의 내부 수축 길이(lg)가 적절해야 합니다(lg = l0 ± 0.2mm).

3. 가스 공급 방법:

a) 탄젠셜: 이 방법은 중앙에 낮은 압력을 가하고 주변부에 높은 압력을 가하여 높은 압축을 제공합니다. 중앙에서 아크를 안정화하는 데 도움이 됩니다.

b) 방사형: 이 방법은 접선 방식에 비해 압축률이 낮습니다.

5. 이중 아크 및 예방 조치

1. 듀얼 아크

정상적인 조건에서는 텅스텐 전극과 공작물 사이에 전달된 아크가 형성됩니다.

그러나 특정 비정상적인 상황에서는 텅스텐 전극과 노즐 사이 및 노즐과 공작물 사이에서 연소하는 이중 아크라고 하는 평행 아크가 발생할 수 있습니다.

2. 이중 아크 생성 메커니즘

저온 가스 막 분해 이론

3. 이중 아크 발생의 원인 및 예방 조치

1. 특정 전류 조건에서 노즐 압축 조리개가 너무 작거나 압축 채널의 길이가 너무 길어 내부 수축 길이가 과도하게 길어집니다.

2. 플라즈마 가스의 흐름이 충분하지 않습니다.

3. 텅스텐 전극 축과 노즐 축 사이의 과도한 편차.

4. 금속 튄 자국으로 인한 노즐 막힘.

5. 전원 공급 장치의 잘못된 외부 특성.

6. 노즐과 공작물 사이의 거리가 잘못되었습니다.

2. 이온 아크 용접 및 절단.

1. 플라즈마 아크 용접 공정

천공 방식, 융합 방식, 마이크로빔 플라즈마 아크 용접의 세 가지 방법이 있습니다.

(1) 천공식 플라즈마 아크 용접

더 큰 용접 전류와 플라즈마 흐름을 사용함으로써 플라즈마 아크는 더 높은 에너지 밀도와 플라즈마 흐름력을 갖습니다. 공작물은 완전히 용융되어 플라즈마 흐름력의 작용으로 공작물을 관통하는 작은 구멍을 형성하고 용융 금속은 작은 구멍 주변으로 배출됩니다.

플라즈마 아크가 용접 방향으로 이동함에 따라 용융 금속은 아크 벽을 따라 이동하여 용접 풀 뒤의 용접 이음새로 결정화되고 작은 구멍은 플라즈마 아크와 함께 앞으로 이동합니다.

단면 용접 및 양면 성형에 적합하며 단면 용접 및 양면 성형에만 사용할 수 있습니다.

얇은 공작물을 용접할 때 베벨링, 패딩 플레이트 또는 충전 금속 없이도 한 번에 양면 성형을 달성할 수 있습니다.

작은 구멍의 생성은 플라즈마 아크의 에너지 밀도에 따라 달라집니다. 플레이트가 두꺼울수록 필요한 에너지 밀도가 높아집니다. 두꺼운 판재의 경우 천공형 플라즈마 아크 용접은 첫 번째 용접 이음새에만 사용할 수 있습니다.

표 6-1: 천공형 플라즈마 아크 용접에 적용 가능한 두께

(2) 융합형 플라즈마 아크 용접

낮은 플라즈마 가스 유속을 사용하면 플라즈마 유속이 작아지고 아크 침투 능력이 낮아집니다.

기능:

• 공작물만 녹이고 TIG 용접과 유사하게 작은 구멍을 형성하지 않습니다.
• 박판 용접, 여러 층의 커버 용접, 모서리 용접에 적합합니다.

(3) 마이크로빔 플라즈마 아크 용접

저전류(일반적으로 30A 미만) 융합 용접 프로세스.

장비 기능:

• 작은 조리개 압축 노즐(0.6mm~1.2mm).
• 결합 아크. 비전송 아크는 아크 개시 및 유지 역할을 수행하여 매우 낮은 전류(0.5A의 낮은 전류)에서도 전송된 아크가 안정적으로 유지되도록 합니다.

프로세스 기능:

• 1) 용접 가능한 최소 두께가 0.01mm로 더 얇은 금속을 용접할 수 있습니다.
• 2) 아크 길이가 크게 변해도 아크가 끊어지지 않고 아크가 원주형으로 유지됩니다.
• 3) 빠른 용접 속도, 좁은 용접 이음새, 작은 열 영향 영역 및 최소화 용접 왜곡.

(4) 펄스 플라즈마 아크 용접

안정적인 직류 대신 15Hz 미만의 펄스 전류를 사용합니다. 아크가 더 안정적이므로 열 영향 영역(HAZ)이 더 작고 왜곡이 적습니다.

(5) 교류 플라즈마 용접

일반적으로 알루미늄 합금 용접에는 구형파 전원 공급 장치를 사용합니다.

(6) 전달된 플라즈마 아크

실제로는 트랜스퍼 아크와 플라즈마 아크의 조합이며 두 가지 형태가 있습니다:

2. 용접 프로세스 및 매개변수

(1) 조인트 및 베벨 형태

조인트 형태는 플레이트 두께에 따라 선택됩니다:

• 두께가 0.05mm에서 1.6mm 사이인 경우 일반적으로 아래 그림과 같은 접합 형태가 사용되며, 마이크로빔 플라즈마 아크를 사용하여 용접이 이루어집니다.
• 판 두께가 1.6mm보다 크지만 표 6-4에 나열된 재료보다 작은 경우 일반적으로 베벨을 만들지 않고 천공 방법을 사용하여 용접합니다.
• 판 두께가 표 6-4의 제한보다 큰 경우, 다층 용접에는 V자형 또는 U자형 베벨이 필요합니다. TIG 용접에 비해 더 작은 베벨과 더 큰 루트면을 사용할 수 있습니다. 루트 면의 최대 허용 값은 천공 방법의 최대 용접 두께와 같습니다. 첫 번째 레이어는 천공 방법을 사용하여 용접하고 다른 레이어는 융착 방법 또는 기타 방법을 사용하여 용접합니다. 용접 방법.

(2) 용접 전류 및 노즐 조리개

용접 전류는 항상 판 두께 또는 관통 요건에 따라 선택됩니다. 전류가 너무 낮으면 용접이 관통하지 못하고 작은 구멍이 형성되지 않을 수 있습니다. 용접 전류가 너무 높으면 구멍 직경이 커서 용융 금속이 처질 수 있습니다.

노즐 구경은 용접 전류에 따라 선택되며 적절하게 일치시켜야 합니다. 또한 플라즈마 가스의 유량과도 관련이 있습니다.

(3) 플라즈마 가스

플라즈마 기체와 차폐 가스 는 일반적으로 용접되는 금속과 전류의 크기에 따라 선택됩니다. 플라즈마 아크 용접에서 높은 용접 전류를 사용할 때는 일반적으로 플라즈마 가스와 차폐 가스에 동일한 가스를 사용하는 것이 좋습니다. 다른 가스를 사용하면 아크 안정성이 저하될 수 있기 때문입니다.

표 6-5에는 다양한 금속의 고전류 플라즈마 아크 용접에 사용되는 일반적인 가스가 나와 있습니다. 저전류 플라즈마 아크 용접의 경우 일반적으로 순수 아르곤 가스가 플라즈마 가스로 사용됩니다. 이는 아르곤 가스의 이온화 전압이 낮아 아크 점화가 용이하기 때문입니다.

플라즈마 가스의 유속은 플라즈마 유량과 침투력을 직접적으로 결정합니다. 플라즈마 가스의 유속이 클수록 침투력이 커집니다. 그러나 플라즈마 가스의 유속이 너무 높으면 작은 구멍의 직경이 너무 커져 용접 형성에 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 노즐 직경, 플라즈마 가스의 종류, 용접 전류 및 용접 속도에 따라 적절한 플라즈마 가스의 유량을 선택해야 합니다.

융합 방법을 사용할 때는 플라즈마 가스의 유속을 적절히 줄여 플라즈마 유동력을 최소화해야 합니다.

(4) 용접 속도

용접 속도는 플라즈마 가스의 유속과 용접 전류에 따라 선택해야 하며, 세 가지 파라미터가 모두 적절하게 일치하는지 확인해야 합니다. 다른 조건이 일정할 경우 용접 속도를 높이면 열 입력이 감소하고 작은 구멍의 직경이 사라질 때까지 감소합니다.

그러나 용접 속도를 과도하게 높이면 언더컷이나 다공성이 발생할 수 있습니다.

반면에 용접 속도가 너무 낮으면 모재가 과열되어 용융 금속이 처질 수 있습니다. 따라서 용접 속도, 플라즈마 가스의 유량, 용접 전류가 잘 맞아야 합니다.

(5) 노즐과 공작물 간 거리

거리가 너무 크면 침투력이 감소합니다. 거리가 너무 작으면 노즐이 막힐 수 있습니다. 일반적으로 거리는 3 ~ 8mm 사이로 설정됩니다. 텅스텐 불활성 가스(TIG) 용접에 비해 노즐 거리의 변화는 텅스텐 불활성 가스 용접에 비해 용접 품질.

(6) 차폐 가스 유량

차폐 가스의 유량은 용접 전류와 플라즈마 가스 유량을 기준으로 선택해야 합니다. 특정 플라즈마 가스 유량에서 보호 가스의 유량이 과도하면 가스 흐름이 방해되어 아크 안정성과 보호 효과에 영향을 미칠 수 있습니다.

반면에 보호 가스의 유량이 너무 낮으면 보호가 제대로 이루어지지 않을 수 있습니다. 따라서 보호 가스의 유량은 플라즈마 가스 유량에 적절한 비례를 유지해야 합니다.

천공식 용접의 경우, 차폐 가스의 유량은 일반적으로 15~30L/min 범위입니다.

(7) 아크 시작 및 아크 종료

천공 방법을 사용하여 두꺼운 판재를 용접할 때 아크 시작 및 종료 지점에서 다공성 및 언더컷과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다.

맞대기 접합의 경우 아크 시작 및 종료 플레이트가 사용됩니다. 아크는 먼저 개시 플레이트에서 시작된 다음 공작물로 전환되고 마지막으로 종단 플레이트에서 종료되어 작은 구멍을 닫습니다.

그러나 원주 접합의 경우 아크 개시 및 종단 플레이트를 사용할 수 없습니다. 대신 용접 전류와 플라즈마 가스 유량을 서서히 증가시켜 공작물에 아크를 개시하고 전류와 플라즈마 가스 유량을 서서히 감소시켜 작은 구멍을 닫아 아크를 종료하는 방법을 사용합니다.

2. 플라즈마 아크 절단

1. 절단 원리

용융 및 분사 원리: 플라즈마 아크가 공작물을 완전히 녹이고 플라즈마 스트림의 고속 기계적 플러싱 힘이 용융 금속 또는 비금속을 분사하여 좁은 절단을 형성합니다.

가스 절단: 연소 및 송풍을 활용합니다.

장점:

• 1. 강철, 알루미늄, 텅스텐, 구리, 티타늄, 몰리브덴 등 모든 금속을 절단할 수 있습니다. 화강암, 내화 벽돌, 콘크리트 등 비금속을 절단할 수 있습니다.
• 2. 빠른 절단 속도와 높은 생산성.
• 3. 우수한 절단 품질: 부드럽고 열 영향 영역(HAZ)이 작으며 변형이 최소화되고 절단이 수직에 가깝게 이루어집니다.

단점:

• 장비 부하, 높은 무부하 전압.

2. 절단 기술

1. 플라즈마 가스

1) 유형

• 아르곤 가스: 낮은 무부하 전압(70-80V)이지만 아크 온도가 낮아 30mm 미만의 절단 두께에 적합합니다.
• 질소 가스: 질소 가스의 흡열 분해로 인해 아크가 더욱 압축되어 아크 온도가 높아지고 열 전달 능력이 높아져 절단 두께와 속도를 높일 수 있습니다. 무부하 전압이 165V보다 높습니다.
• 질소 가스 + 수소 가스: 아크 온도와 열 전달 용량을 더욱 증가시켜 절단 두께와 속도를 높일 수 있습니다. 무부하 전압이 300V보다 높습니다.
• 질소 가스 + 아르곤 가스
• 공기: 저비용, 발열 산화 반응으로 인한 높은 아크 온도, 큰 절단 두께와 빠른 절단 속도를 제공합니다. 절단 품질도 좋지만 텅스텐 전극은 산화되기 쉽습니다. 따라서 추가 산화를 방지하는 산화막을 형성하는 하프늄-구리 전극 또는 지르코늄-구리 복합 전극이 자주 사용됩니다.

2) 유량

플라즈마 아크에는 더 단단한 아크가 필요하기 때문에 플라즈마 가스의 유속은 용접에 사용되는 것보다 훨씬 높습니다.

2. 프로세스 매개변수

1) 무부하 전압:

아크 점화 성능에 영향을 줄 뿐만 아니라 아크 강성에도 영향을 미칩니다. 무부하 전압이 높을수록 아크가 더 강해지고 플러싱 힘이 커져 절단 속도와 두께가 높아집니다.

2) 아크 전류 및 전압:

아크 전류와 전압을 높이면 절단 두께와 속도를 높일 수 있으며, 전압이 더 큰 영향을 미칩니다. 그러나 전류를 높이면 이중 아크가 형성되어 더 큰 아크가 형성될 수 있습니다. kerf.

3) 절단 속도:

완전한 침투를 보장하면서 속도를 최대화하는 것이 좋습니다. 절단 속도를 높이면 생산성이 향상되고 변형과 열 영향 영역이 줄어듭니다. 슬로우 커팅 속도가 빨라지면 생산성이 떨어지고, 드로스 형성의 위험이 증가하며, 열 영향 영역이 넓어집니다.

4) 노즐과 공작물 간 거리:

일반적으로 8~10mm의 거리가 선호됩니다. 거리를 늘리면 아크 파워가 증가하지만 열 발산, 아크 효율 저하, 플러싱 힘 감소, 드로스 형성 위험 증가로 이어집니다. 또한 이중 아크가 발생하기 쉽습니다. 반대로 거리가 너무 짧으면 노즐이 막힐 수 있습니다.