3.1.1 아크의 특성과 전위 분포

아크전압(Arc Voltage)

아크방전시 전극간의 전압을 말하고, 아크 길이, 전극의 재질, 보호가스의 종류와 압력, 전류의 세기에 의해 변한다. 아크 전압은 양극 강하, 아크기둥 강하, 음극 강하로 이루어지며, 대기압에서 20 ~ 40V 정도이다. 양극 강하 및 음극 강하는 양극과 음극의 얇은 필름 층에서 일어나며, 대략 1~ 10V 정도이다. 일정한 용접공정에서 아크길이는 아크전압에 거의 비례하여 증가한다.




그림 1 아크의 구성과 전위 (Electric potential) 분포

* Pa = Ea · I = (Ek + Ep + EA) · I : 아크(Arc)에 공급되는 에너지로서 열과 빛 에너지로 전환된다.
* Ep · I : 아크 기둥(Plasma)에서 발생하여 온도가 5,000 ~ 30,000°K의 고온으로 되게 하는 전력이다.

전위경사도 (電位傾斜度)
: 아크 단위길이 당 전압강하이다. 분위기 가스의 종류와 전류값에 따라 변화하며 0.3~5V/mm이다. (단위 : V/mm 또는 V/cm)
Plasma 전압강하 Ep = 아크의 전위경사도 × 아크 길이

열적핀치효과 (Thermal pinch effect)
: 아크 기둥(Plasma)이 주위로부터 강제 냉각되면, 아크 기둥 자체가 열손실을 적게 하기 위해서 표면적(단면적)을 줄여 수축하는 현상이다. 심해지고 아크 기둥의 열손실이 커지면, 아크 기둥의 단면적이 감소하여 전위경사도가 커진다. 아래는 이에 해당되는 예를 나타낸 것이다.

* 수소(H), 헬륨(He) : 가볍운 기체이기 때문에 분자의 운동속도가 증가하여, 아크 기둥의 열을 많이 흡수한다. 이 때문에 열적핀치효과가 증가 되고, 전위경사도는 커진다. 수소의 전위경사도는 약 4V/mm이다.
* 아르곤(Ar) : 무거운 기체로서 열적핀치효과가 적고, 전위경사도는 약 0.5V/mm이다.
* 이산화탄소(CO2) : 2원자 기체로서 고온에서는 불안정하여 해리할 때 주위의 아크로 부터 열을 흡수한다. 이로 인하여 열적핀치효과가 크게 되고, 전위경사도는 커진다.



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