프로세스는 다를 수 있어도 아크를 발생시키는 메커니즘은 동일하다고 말씀드렸습니다.

우선, 간단히 아크를 일으키는 과정을 떠올려 보겠습니다.

전극(electrode)을 접촉시켜 스파크를 일으키거나 전극과 모재 사이에 고주파(HF)를 인가하면 아크가 일어나고

그 상태로 전극과 모재 사이의 거리를 일정하게 유지하면 아크는 안정됩니다.

이 과정을 수식이나 그림을 쓰지 않고 물리적으로 설명을 드려볼까 합니다.

아크 열원은 전기에너지의 변환된 형태라고 말씀을 드렸습니다.

전기는 흘러야 하기 때문에 전극과 모재 사이의 공간이라는 큰 저항을 극복하고

전기적인 폐회로가 이뤄져야 하겠죠.

즉, 공간을 전기가 흐를 수 있는 상태로 만들어 줘야 합니다.

전류는 전자의 흐름이고 (-)에서 (+)로 흐릅니다. (-)극에서 밀리고 (+)으로 끌려가는 것이죠.

공간은 길 사이에 놓인 강과도 같습니다. 전자는 강을 건너가지 못합니다.

전자가 흐르게 하려면 강을 건너갈 수 있도록 분위기를 만들어주면 됩니다.

그렇다면 전자가 밟고 건널(끌려갈) 수 있도록 징검다리를 만들어주면 되겠네요.

전자는 양성자에 끌리잖아요~

양성자의 징검다리는 전자를 끌어당겨 쉽게 넘어갈 수 있도록 도와줄 것입니다.

그렇다면 어떻게 양성자의 징검다리를 놓을 수 있을까요?

전극과 모재 사이의 공간은 중성의 공기로 채워져 있습니다.

이대로는 전자가 흐를 수가 없습니다.

또한, 공기에 포함된 산소 때문에 아크가 일어난 뒤 용접이 잘 되지도 않겠군요.

그래서 비활성 혹은 저활성의 보호가스를 공급합니다.

이 역시도 공급하는 그 자체로는 전자가 흘러가지 못합니다.

안정한 가스 원자로부터 전자를 억지로 분리시켜 버리면 되겠죠?

중성의 원자가 양성자와 전자로 분리되는 것을 전리라고 합니다. 이온화라고도 하죠.

이런 상태에서는 전자가 양성자를 딛고 흐를 수 있습니다.

원자에서 전자를 분리해내기 위해서는 양성자가 전자를 구속하는 이상의 에너지가 필요합니다.

그 에너지를 용접전원이 공급해 준다고 생각하면 될 것입니다.

용접전원은 전자가 전극으로부터 튀어나가게 하고 흐름이 끊기지 않도록 지속적으로 압력(전압)을 가합니다.

전극으로부터 튀어나간(가속된) 전자는 가스 원자에 충격을 가하여 전자를 분리시킵니다.

또한, 가스 원자로부터 튀어나간 전자는 주변 원자를 가격하겠죠.

이온 충돌이 연쇄반응을 일으켜 많은 가스 원자가 양성자와 전자로 분리될 것입니다.

분리된 양이 많을수록 징검다리가 촘촘히 놓아지는 격이니 전자는 보다 잘 흐를 여건이 됩니다.

그런데 이렇게 전리되는 비율은 고작 5~10% 정도로 알려져 있습니다.

(도대체 이런 것은 어떻게 측정이 되는 지 모르겠습니다.^^;)

이렇듯 원자가 전리되어 전기가 흐를 수 있는 상태를 플라즈마(plasma)라고 합니다.

결국, 아크는 금속을 녹일 수 있을 정도의 고온 플라즈마인 것이죠.

전자가 전극과 모재 사이를 잘 흘러가면 아크가 안정되게 유지가 될 것입니다.

강을 쉽게 건너기 위해서는 강 폭이 작거나

아니면 징검다리 수를 늘리면 될 것입니다.

강의 폭은 전극과 모재사이의 거리 즉, 아크 거리에 비유될 수 있고

징검다리 수는 가스 원자가 전리되는 비율에 비유될 수 있겠죠.

아크 길이를 일정하게 유지해야 하는 이유

전기 조건이 다소 높은 것이 낮은 경우에 비해,

그리고 아르곤 가스를 사용하였을 때의 아크가 비교적 부드러운 이유가 이 때문입니다.

프로세스마다 다르겠지만 아크 열은 적어도 6000도씨 이상 된다고 합니다.

이 열은 어디로부터 비롯되는 것일까요?

에너지 보존법칙, 얘기는 많이 들어보셨죠.

들어가는 에너지와 나오는 에너지의 합은 같습니다.

전기 에너지를 넣어서 결국은 열과 빛의 아크 형태로 에너지를 변환합니다.

중간에 대기로 사라지는 열 손실이 있을테니 이것들을 다 합치면 같아야 하겠죠.

인가된 전압은 전극을 가열하여 전자를 튀어나가게 합니다.

튀어나간 전자는 원자를 전리시키고

전자가 양성자의 징검다리를 타고 잘 넘어갈 수 있도록 잘 밀어줍니다.

정해진 징검다리 패스를 통해 많은 전자가 흘러가면 서로서로 부대낄테니 열이 발생하겠죠.

아크 열은 전자가 튀어나간 이후에 생기는 것이니

실질적인 열은 원자를 이온화시키는데 들어가는 에너지와

전자가 흘러감으로써 발생하는 저항열의 합으로 볼 수 있겠습니다.

전리되는 비율이 5~10% 정도밖에 되지 않기 때문에

80% 이상의 열은 전기저항 발열에 의해 발생합니다.

전리가 되고 중성원자로 재결합하는 가운데 발생하는 열이 나머지 20%가 됩니다.

(제가 하는 얘기가 아닙니다.^^)

플라즈마가 주변과 열교환을 하면 어느 이하로 온도가 떨어질 경우,

원자로 재결합하여 안정한 상태로 돌아가려고 할 것입니다. 그때 에너지를 내놓습니다.

아크는 주변과 뚜렷한 경계를 이룹니다. 플라즈마 영역과 정상 상태의 경계이겠죠.

그 경계를 그어보면 두 뾰족한 전극 사이에서는 가운데가 볼록한 호(ARChe)의 형태를 나타냅니다.

그래서 아크(ARC)라고 이름 붙여졌죠.

정리하면,

아크는 고온의 플라즈마입니다.

전기 에너지를 변환해서 얻으며 빛과 열의 형태로 발산됩니다.

전극과 모재 사이를 채우는 보호가스는

용탕을 산소로부터 차단하는 목적 외에도 균일한 플라즈마를 얻기 위한 수단이 되기도 하겠군요.

아크를 일으켜 안정되게 유지하는 것은 용접부의 품질을 좌우하게 될 것이고

아크의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 것은

모재와 전극 사이의 거리,

사용 전류와 전압,

사용하는 보호가스의 종류 등일 것입니다.

위에서 설명을 안드렸는데 보호가스마다 이온화하는데 필요한 에너지가 다릅니다.

그 에너지의 차이가 아크 열의 차이로 나타나겠죠.

다음 연재에서는 전극에서 전자가 튀어나가는 소위 '전자 방출 메커니즘'에 대해서 이어 설명해보도록 하겠습니다.

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

   아래의 링크에 댓글로 남겨주시면 보완하겠습니다. 

https://cafe.naver.com/welding1st/856