아크가 일기(ignite) 위해서는 전극 접촉에 의한 스파크 발생 혹은 고주파에 의한 방전이 요구된다고 하였습니다.

방전이라고 함은 '전자가 방출된다'는 의미인데요~

전극에서 방전이 이뤄져야 전극과 모재 사이의 분위기를 전리시킬 수 있습니다.

충분히 전리되어야 또한 전자가 원활히 흐를 수 있고 이를 플라즈마 상태라고 하였습니다.

결국, 전극으로부터 전자가 방출됨으로써 아크가 발생한다고 볼 수 있는데

전자는 어떻게 전극으로부터 방출이 될까요?

전자가 튀어 나오려면 전극(혹은 와이어)을 구성하는 원자로부터 전자를 분리시켜야겠죠.

이 분리 메커니즘은 전극과 모재 사이의 보호가스 분위기를 전리시키는 것과 유사합니다.

양성자가 전자를 구속하는 이상의 에너지를 주면 되겠죠.

에너지의 형태는 몇 가지가 있습니다. 열, 빛, 운동, 위치 등

이 중에서 전극 혹은 와이어로부터 전자를 분리해내는 에너지는 '열'입니다.

정확하게는 전기가 흘러감으로써 발생하는 전기저항에 의한 발열이죠.

그 열량(열 에너지)이 어느 이상이 되면 전자가 분리가 됩니다.

언덕을 넘어가는 것에 비유될 수 있을 것 같습니다. 오르막을 오를 때 힘을 들여야 하듯이 말이죠~

전자가 구속되는 에너지는 언덕의 높이에 비유될 수 있겠고 이를 '일함수'라고 어렵게 얘기합니다.

* 일함수를 에너지 장벽이라고도 하는데 '그 장벽을 넘어야 방출될 수 있다.' 정도로 이해하시면 되겠습니다.

전극은 티그 혹은 플라즈마 용접에 적용되는 비소모성 전극(용가재가 별도 공급)

그리고 다른 아크 용접의 용가재와 전극의 역할을 동시에 하는 소모성 전극 두 종류로 나눌 수 있습니다.

비소모성 전극은 아크가 이는 가운데에서도 용융이 되지 않고 전자만 내보내야 하기 때문에

고융점의 소재를 사용하게 되는데, 일반적으로 티그 용접에는 텅스텐 전극이 사용됩니다.

(정확하게는 전자가 좀 더 잘 튀어나올 수 있게 방사성을 가지도록 산화물을 첨가합니다.)

텅스텐은 융점이 3400도씨 정도 되죠~

티그 용접할때 전극 끝이 벌겋게 과열된 것을 보셨을텐데 그 상태에서 전자가 이탈합니다.

이 말은 텅스텐이 3400도씨로 가열되어 용융되기 전에 전자가 방출된다는 의미와도 같습니다.

비교적 높은 온도에서 전자가 방출되기 때문에 '열전자 방출, Thermionic Emission'이라고 얘기합니다.

* Thermionic : 'Thermal+Ion'의 형용사 형태겠죠. 열이 가해져서 이온화되는..

비소모성 전극에서의 전자방출 메커니즘은 비교적 쉽게 이해가 되는데,

소모성 전극은 용접 와이어가 용융이 되어야 하고 융점은 고작 1400도씨 정도일텐데

그렇다면 그 온도에서도 열전자가 방출될 수 있다는 의미일까요?

소모성 전극에서의 전자 이탈 현상은 조금 다른 물리현상으로 설명이 됩니다.

(저도 완전히 이해를 못하고 있습니다만) 쇼트키 현상이라고 있는 것 같습니다.

주변에 강한 전계가 형성되어 있을 때 즉, 전기가 흐를 때,

전자는 비교적 낮은 에너지 상태에서도 방출된다고 하네요.

진공 상태일수록, 전기장이 크게 형성되어 있을수록 에너지 장벽의 높이는 낮아지고 두께는 얇아진다고 하네요.

그래서 전계가 크게 형성되어 있을 경우, 장벽을 관통하기도 한다고 합니다.

산을 넘어가는 것보다 터널을 지나가는 것이 훨씬 수월하잖아요.

그래서 터널링(Tunneling)이라고도 합니다.

소모성 전극을 채용하는 경우에 전자 방출 메커니즘은 이 현상에 기인한다고 합니다.

쉽게 그리고 비교적 낮은 온도에서(와이어의 융점 정도일 것입니다.) 방출된다고 해서

비열전자(non-thermionic) 혹은 냉(冷)전자 방출이라고 합니다.

그런데..

쇼트키 현상은 전계가 형성된 곳에서 나타난다고 하였는데,

비소모성 전극을 채용하는 프로세스에서는 안나타나는 것일까요?

이 부분에 대해서는 순수하게 개인적인 의견을 드려봅니다.

저는 티그나 플라즈마 용접에서도 쇼트키 현상은 나타날 것으로 추정합니다.

다만, 전극이 용융되지 않기 때문에 낮아진 일함수에 전극의 과열이 전자의 방출을 더욱 용이하게 하는 것이고

기타 다른 소모성 전극을 채용하는 프로세스는

와이어가 온도를 견디지 못하고 용융하여 이행하여 버리기 때문에 그 과정에서

쇼트키 현상이나 터널링에 의해 일함수가 낮아진 것이 전자 방출의 지배적인 요인이라고 생각합니다.

전자 방출은 분위기를 전리시키고 플라즈마를 따라 전자의 흐름을 원활하게 함으로써

아크를 유지하게끔 합니다. 그 원리에 대해서 아는 범위 내에서 설명을 드렸습니다.

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

   아래의 링크에 댓글로 남겨주시면 보완하겠습니다. 

https://cafe.naver.com/welding1st/860