아크절단

아크절단(Arc cutting)은 아크열에 의해 금속을 부분적으로 가열 용해해 절단하는 방법이다. 가스절단이 어려운 주철, 스테인레스강, 비철금속 등을 절단할 수 있다는 것이 특징이다. 절단면은 가스절단면에 비해 매끄럽지 못하지만 절단 가격이 저렴해 경제적이다. 그러나 최근에는 플라즈마 아크절단으로 깨끗한 절단면을 얻을 수 있다.

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상세

아크절단은 아크에 의한 높은 열을 이용해 금속을 절단하는 방법이다. 금속의 열 절단법의 일종으로, 절단하고자 하는 금속의 부분을 아크로 가열하여 재료의 온도를 녹는점 이상으로 높여서 그 부분을 녹여 절단하는 방법과 재료를 산화시켜서 절단하는 방법의 두 가지가 있다. 전극에는 탄소전극봉을 사용하는 경우와 피복용접봉을 사용하는 경우가 있다. 전극봉에 피복을 하여 아크열에 의해 산소를 발생시키거나, 또는 전극봉을 중공으로 하고 그 속으로 고압의 산소가스를 보내어 산화작용과 산소의 분사압력을 이용해서 절단을 쉽게 하는 방법을 산소 아크절단이라고 한다. 이와 같은 방법을 사용해서 주철 ·강철 ·특수강, 기타 합금을 쉽게 절단할 수가 있다. 산소 아크의 절단법은 물 속에서도 실행할 수가 있으므로, 바닷속에 침몰한 선박의 절단에 사용된다.

아크

기체는 보통 온도에서는 전기의 부도체이나 고온이 되면 전자와 양이온으로 나누어져 전자는 양극으로, 양이온은 음극으로 끌려간다. 두 극을 접속시켜 전류를 통하게 한 후, 전류가 흐르는 상태에서 전극 사이를 멀리하면 전극 간에 아크가 발생하며 그 아크에 의해 전기가 흐르므로 회로의 전류는 그대로 유지된다. 아크는 아크 코어(Arc core), 아크 스트림(Arc stream), 아크 플레임(Arc flame)의 세 부분으로 이루어져 있다. 아크 방전에 소모되는 에너지는 빛과 높은 열로 변환되며 아크의 중심부인 아크 코어는 섭씨 3,000~5,000˚C의 고열을 발생시킨다. 아크 방전은 전기로와 아크 용접의 열원으로 그리고 아크 등의 광원으로 이용된다. 직류 아크 방전에서는 전체 발생 열량의 약 2/3가 양극(+)쪽에 발생하나 교류 방전에서는 두 극 사이에 발생하는 열량이 거의 같다.

종류

아크절단은 아크에 의해서 생기는 높은 열을 이용해서 모재를 국부적으로 용해시켜 절단하는 것으로 여러 종류의 아크절단 방식이 개발되어 있다.

탄소 아크절단

탄소 아크절단은 탄소 또는 흑연 전극과 피절단물과의 사이에 아크를 발생시켜서 모재를 용융시키면서 절단하는 방법이다. 주로 직류 정극성으로 쓰이나 교류 전원을 쓰기도 한다. 전극은 통상 둥근 봉 모양으로 된 것을 사용하며 통전성을 높이고 산화 방지의 목적으로 전극봉 표면에 구리 도금을 한 것이 많다. 담금질 경화성이 높은 금속은 열 영향부가 경화되어 기계가공이 곤란하며, 주철 및 고탄소강의 절단시 탈탄에 의해 절단면이 매우 거칠다는 특징이 있다.

금속 아크절단

금속 아크절단은 금속 심선을 전극봉으로 사용하여 모재와의 사이에 아크를 발생시켜 절단하는 방법으로 직류 정극성이 적합하나 교류를 사용하기도 한다. 금속 전극봉은 탄소봉보다 가늘게 만들 수 있어 절단 홈의 너비를 좁게 할 수 있다. 전극봉은 절단 전용의 특수한 피복제로 피복되어 있고 피복봉은 절단 중에 3~5m/m의 돌출된 보호통을 만들어 모재와의 단락을 반지하며 아크의 집중을 좋게 한다.

산소 아크절단

산소 아크절단은 전극봉을 사용한 아크열로 금속을 절단하는 것이다. 전극봉을 사용하여 아크를 발생시키고 그 열로 금속을 절단한다. 비피복 용접봉은 거의 사용하지 않는다. 과대전류의 사용에 의해 모재를 녹이는 것인데 특히 강한 분사와 용입을 주는 피복제를 사용한 아크절단용 특수봉도 제작되고 있다. 피복제의 조성에 따라서 가스 발생형, 용재형 등이 있다. 가스 발생형은 산소를 방출하여 절단 능률을 향상시키는 것이다. 용재형은 절연성이 좋고, 열로 인한 해리 작용이 없으며, 발열량이 많음과 동시에 산화성이 풍부하다.

티그 아크절단

티그 아크절단은 티그(TIG) 용접법의 절단에 대한 응용으로, 수축 노즐안에 들어 있는 텅스텐 전극과 모재 사이에 아크를 발생시켜 모재를 녹이고 여기에 고압의 불활성 가스를 분출시켜 절단하는 방식이다. 사용가스는 아르곤과 수소를 혼합한 것을 사용하며 아크로 가열된 가스는 노즐에서 고속으로 분출된다. 또 아크는 가늘고 집중적으로 절단 효과가 높다. 전원은 직류 정극성을 사용하며 주로 알루미늄, 마그네슘, 구리 및 구리합금 그리고 스테인레스강 절단에 쓰인다. 금속재료의 절단에만 이용되며, 절단면이 매끈하고 열효율이 높고, 절단능률이 높다는 특징이 있다.

플라즈마 아크절단

플라즈마 아크절단은 아르곤, 산소, 공기, 질소 등의 기체를 작용가스로 해서 플라즈마 아크를 발생시키고 그 열을 이용해서 절단하는 방법이다. 텅스텐 전극과 원통형 노즐 사이에서 아크를 발생시키고 이 아크 주위를 고속의 가스가 흘러 냉각시키면 아크 기둥은 그 단면이 수축되며 고전압, 고온의 에너지 밀도가 매우 높은 고속의 플라즈마 빔이 얻어지며 이를 이용하여 모재를 절단한다. 이를 플라스마 아크 용접이라 하며 직류 정극성을 사용한다. 플라스마 아크의 냉각에는 아르곤과 수소의 혼합 가스가 사용되며 모재에 따라 질소나 공기가 사용되기도 한다. 플라스마 아크를 발생시켜 플라스마 기류를 만들어 이것을 절단선 위에 분출하여 모재를 용융, 비산시켜 절단하는 방식으로 이를 플라스마 제트 절단이라는 방식이 있다. 토치 내에서 아크를 발생시키므로 비금속 재료에 적용할 수 있는 장점이 있으나 열효율이 낮아 모재와의 간격이 멀어지면 에너지 밀도가 떨어져 비능률적이라는 단점이 있다. 플라스마 아크절단은 가스 절단과 같이 산화 반응에 의한 절단이 아니라 고온, 고속의 플라스마 기류에 의한 용융부의 비산에 의한 절단이므로 스테인리스강, 알루미늄, 구리 및 비금속 재료 등을 절단 수 있는 것이 특징이다. 즉, 가스절단과 달리 스테인리스강이나 비철 금속의 절단에도 적용된다.

아크 에어 가우징

아크 에어 가우징(arc air gouging) 방식은 아크열로 용융시킨 금속을 압축 공기로 연속적으로 불어 금속 표면에 홈을 파는 방법을 말한다. 용융 금속을 홀더 구멍으로부터 분출하는 압축 공기로 비산시켜 홈을 판다. 탄소 아크절단에 압축공기를 함께 사용하며 용접부에 홈파기, 용접 결합부의 제거 및 절단, 구멍 뚫기 등에 이용된다. 가우징 토치에 물려 있는 탄소 전극과 평행하게 압축 공기를 분출시켜 용융 금속을 불어내어 가공하는 방법이다. 전원은 교류 보다는 직류 쪽이 능률적이다. 용융 금속을 순간적으로 불어 내므로 모재에 나쁜 영향을 주지 않으며 소음이 적다. 강판, 주강, 스테인리스강, 경합금 등에 사용한다.

레이저 아크절단

레이저 아크절단은 레이저 빔을 통해 산소, 질소를 이용해 철판, 비금속등을 절단하는것을 말한다. 레이저 빔이 재료 표면에 닿으면서 재료를 강력하게 가열해 녹이거나 완전히 증발시키게 된다. 그리고 레이저 빔이 재료를 관통하면서 절단이 되는 원리를 이용한다. 일반 철판의 경우는 산소를 이용해 절단을 하며 스테인레스나 알루미늄의 제품의 경우 질소를 이용해 절단을 하게 된다.

참고자료

• 〈아크절단 ( arc cutting )〉, 《두산백과》
• 〈금속아크절단 ( metal arc cutting , 金屬電弧切斷 )〉, 《대한건축학회 건축용어사전》
• 〈탄소아크절단 ( carbon-arc cutting , 炭素電弧絶斷 )〉, 《대한건축학회 건축용어사전》
• 〈아크 에어 가우징 ( arc air gouging )〉, 《자동차 용어사전》
• 〈플라즈마아크절단 ( plasma arc cutting )〉, 《철강용어사전》
• 〈2편 용접 - 7장 금속의 절단(切斷)〉, 《기계공작법》
• rokmc9378, 〈아크 절단〉, 《네이버 블로그》, 2015-06-22
• 고컴고캣, 〈아크절단의 종류와 특징/탄소아크절단,티그 미그 절단,플라즈마절단〉, 《티스토리》, 2020-03-17
• 월간 툴, 〈공구인이 알아야 할 아크와 아크절단의 개념〉, 《네이버 포스트》, 2022-04-25

같이 보기

• 아크
• 가스절단

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