아크의 온도는 최소 6000도씨 이상으로 알려져 있습니다.

6000도씨 이상? 조금 애매하죠~

이 말은 용접 프로세스, 아크의 밀도 그리고 기온 등과 같은 주변 여건에 따라서

아크 온도가 달라질 수 있음을 의미합니다.

그렇다면 이 정도의 열을 발생하게 하는 근원은 무엇일까요?

지금까지 '아크는 플라즈마에 의한 발열이다.'라는 전제를 두고 설명을 해왔습니다만

실제로 아크 속에는 플라즈마화 된 이온 외에 다른 물질도 섞여 있습니다.

우선, 실드가스가 100 퍼센트 이온화하지 않습니다.

그렇기 때문에 이온화하지 않은 가스가 더 많은 공간을 점유하고 있죠.

6000도씨 정도의 온도 분위기에서는 와이어(금속)를 구성하는 성분의 일부가 증발할 수 있습니다.

플럭스를 포함하고 있는 용가재의 경우,

플럭스는 금속보다 융점이 낮기 때문에 더 낮은 온도에서 증발하겠죠.

지금까지 말씀드렸던 것을 포함해서 다음과 같이 중간 정리를 해봅니다.

전기 에너지 입력은 기본적으로 아크 용접 분위기 즉, 실드가스 원자를 전리시키는데 그리고

와이어의 금속 성분이나 플럭스를 증발 혹은 전리시키는데 쓰일 것입니다.

일부는 주변에 빼앗기게 될텐데

아마도 전리되지 못한 실드가스에 의해 주변 대기로 빠져나갈 것입니다.

그리고 이 에너지들은 열과 빛의 형태로 발산되어 고온을 형성하게 될 거에요~

앞서, 실드가스가 이온화하는 비율(전리도)은 5~10% 정도로 낮다고 말씀드렸습니다.

여기에 증발한 금속 및 플럭스가 가지는 열과 여기에 주변으로 빼앗기는 열이 플러스 마이너스 되어

최종적인 아크의 온도를 결정하게 될 것입니다.

금속이나 플럭스는 몇 도씨에서 증발될까요?

철은 대략 1400도씨에서 녹아 2860도씨에서 증발합니다.

철(Fe)의 증기는 최소 2860도의 온도를 가진다고 얘기할 수 있겠습니다.

(참고) Mn[2060도], Ni[2900도], Cu[2560도], Cr[2670도]

플럭스는 그 보다 낮은 온도에서 증발합니다(Ca[1480도], K[750도], Li[1340도] 등).

플럭스 증기는 더 낮은 온도이겠네요.

전리될 때 발생하는 에너지는 해리할 때 발생하는 에너지에 비해서 많이 높습니다.

실드가스가 전리되어 재결합함으로써 발생하는 열과

금속 및 플럭스가 증발하면서 발생하는 열이 섞이면

전체적인 아크 온도는 어떻게 될까요?

만약, 아크 중에 플라즈마 가스의 비율이 10프로, 증발한 금속 및 플럭스가 각각 20프로, 15프로 섞여있다고 하면

이 분율에 맞게 섞여 평형 온도를 유지할 것이고

그렇다면 전리 가스로만 채워진 경우에 비해서 아크 온도는 낮아질 수 밖에 없을 것입니다.

GTAW나 PAW와 같이 비소모성 전극의 경우에는

아크열을 생성하는 대부분의 발생원은 실드가스의 플라즈마화에 따른 발열일 것입니다.

소모성 전극을 채용하는 GMAW는

플라즈마 발열에 와이어가 증발하면서 갖는 열이 섞이게 될 것이고

소모성 전극이면서 플럭스를 채용하는 FCAW나 SMAW는

플라즈마 발열과 금속의 증발열에 플럭스 증발열까지 섞이게 될 것입니다.

플라즈마 가스에 금속 증기나 플럭스가 섞일수록 아크의 온도는 낮아진다고 앞서 말씀드렸습니다.

상대적으로 높은 온도의 플라즈가 가스에 낮은 온도의 이물질이 섞이게 되는 것이니까요~

아크의 온도는 외부조건(전기조건, 기온, 아크밀도, 와이어 성분계 및 실드가스(?) 등)이 동일하다면

(PAW=GTAW) > GMAW > (FCAW=SMAW)의 순서이겠지만

실제로는 프로세스에 따라서 전기조건이나 아크 밀도, 사용하는 실드가스 등이 다르기 때문에

프로세스에 따라서 아크 온도는 다를 수 밖에 없습니다.

기본적으로 전기는 에너지 입력을 결정하니 전기를 많이 끌어올수록,

아크 밀도 즉, 아크 기둥의 직경이 작아질수록 에너지가 집속되니 더 높은 온도를 유지하게 될 것입니다.

실드 가스에 따라서 전리에 필요한 에너지가 다르기 때문에 아크의 온도를 결정하는 하나의 변수가 될 것이고

용가재의 성분 중에 끓는점이 높은 성분이 많을수록 아크 온도는 올라갈 수 있을 것입니다.

실드가스의 경우에는 단순히 이온화에너지만 생각할 수는 없습니다.

결론부터 얘기하면 실드가스의 비중은 아크의 밀도와 관계가 있기 때문인데,,

비중이 낮을수록 아크열을 가지고 주변까지 열을 전달하기 쉬우므로 아크 밀도가 비교적 낮아지게 되고

비중이 높으면 반대로 무거워서 주변으로 열을 전달하기가 어려우므로 아크가 집속되는 효과가 있습니다.

이를 열적 핀치효과(Thermal Pinch Effect)라고 하고

이러한 차이에 따라서 아크 온도에 다소 차이가 날 수 있을 것도 같습니다.

어떻게 보면 아크의 온도를 딱 몇 도다라고 정의하는 것 자체가 그렇게 의미가 없을 수도 있겠습니다.^^

** 나름의 학습을 통해서 정리한 것으로 100% 맞다고 말씀드리지는 못하겠으니 이견 있으신 분들은 

   아래의 링크에 댓글로 남겨주시면 보완하겠습니다.

https://cafe.naver.com/welding1st/879