1. 플라즈마 가공

기체를 수천 도의 고온으로 가열하면 가스 원자는 원자 핵과 전자로 유리되어 이온 상태로 되며 도전성을 띠게 되는데, 이와 같이 전리된 기체를 플라즈마(Plasma) 라고 한다.
플라즈마 제트 가공은 아크 방전 플라즈마를 대기 중에 제트 모양으로 분출시켜 지속하고 이 때의 발생하는 고온, 고속의 에너지를 사용하여 재료의 절삭이나 절단 등을 하는 가공법이다.

2. 플라즈마 제트의 발생원리

• 텅스텐으로 만든 막대형 전극을 음극(-)으로, 중심에 구멍이 있는 구리 노즐을 양극(+)으로 하여 전압을 가하여 아크 방전을 발생시킨다.
• 이 때, 아크의 주위를 통해 노즐 전극의 작은 구멍으로 유출하는 가스를 흘리면 아크 주위가 가스의 냉각 효과로 전기 저항이 증가되어 방전 전류는 아크 중심부 부근의 고온 부분에 집중되어 흐른다.
  즉, 아크 단면적이 아주 작아지는 열핀치효과가 일어나 전류 밀도가 커지고 아크 기둥의 온도가 높아진다.
• 아크 단면적이 작아짐에 따라 압력도 높아지며 가스의 분출 작용과 함께 플라즈마는 노즐 전극의 작은 구멍을 통해 고속 제트가 되어 외부로 분출된다.
  열핀치효과를 크게 하기 위해 텅스텐 막대 전극의 주위에 가스를 선회시키면서 흘리는 방법도 있다.

플라즈마 장치의 종류

(A) Non Transferred Arc Torch	(B) Transferred Torch, (C) 고주파 유도방전 플라즈마

3. 플라즈마 가공의 응용

3.1 플라즈마 제트

• 공기 중 절단
  플라즈마 제트를 이용하는 것으로써 가장 널리 사용되는 가공법이며, 산소-아세틸렌 가스 절단에 비해 다음과 같은 특징이 있다.
  a) 다양한 재료(스테인리스 강, 알루미늄, 콘크리트, 내화벽돌 등)와 재질에 관계없이 고속절단이 가능하다.
  b) 절단 폭이 좁고 절단면도 매끄럽다.
  c) 열 영향을 받는 영역이 적다.
• 수중 절단
  a) 공기 중에서 사용되는 것과는 다른 여러 가지의 형상 및 치수의 플라즈마 총이 사용되며 조작은 원격제어가 가능하다.
  b) 원자로의 보수, 수중에 있는 용기, 연료탱크, 파이프 등의 절단에 사용되며, 물의 냉각작용으로 열의 영향을 받는 영역의 두께가 줄어든다.

3.2 플라즈마 제트

• 플라즈마 총을 선반의 바이트와 같이 설치하여 절삭가공을 하는데 이것은 고온 플라즈마 제트의 대류 등에 의해, 가공부위가 용융점에 달해 고속의 가스 흐름(Stream)으로 제거되는 것이다.
• 절삭 깊이는 가공물에 대한 총의 경사의 변화로 조정되며 경도나 내열성 재료의 관계없이 거의 같은 능률로 가공된다.
• 플라즈마 제트 절삭은 절삭성이 좋은 재료에 대해서는 별로 효과가 없지만 인코넬 등과 같이 절삭성이 나쁜 고니켈 내열합금 재료에 대해서는 매우 효과가 크다.
• 플라즈마 제트에 의하여 거친 가공을 하는 동시에 가열된 표면을 바이트에 의해 고온절삭 다듬질 가공하는 방법도 난삭재 절삭에 응용된다.

3.3 플라즈마 제트 용접(Plasma Jet Welding)

• 용접장치
  일반적으로 사용하는 TIG 용접 장치에서 용접 토치만 바꾸면 플라즈마 용접이 되며, 낮은 전류에서도 아크의 안전성이 높아 박판의 용접에 널리 이용된다.
• TIG 용접에 대한 특징
  a) 용입이 깊고 용접속도가 빠르다.
  b) 도전성, 비도전성 재료에 관계없이 용접이 가능하다.
  c) 아크 안전성이 높다.
  d) 용접 폭과 열 영향의 범위가 좁다.

3.4 플라즈마 용사(Plasma Spraying)

• 용사방법
  a) 다른 종류의 금속이나 합금, 세라믹, 플라스틱 등을 용융하여 분무상태로 만들고 소재의 표면에 뿜어 피막을 형성하여 산화, 마멸, 부식 등을 방지하는 용사 코팅이다.
  b) 플라즈마 제트의 발생은 절단, 용접의 경우와 같으나, 용사에서는 노즐 전극의 작은 구멍에 용사 재료를 공급하기 위한 주입구가 있으며, 주입구에서 플라즈마 제트 속으로 들어가 가열되면서 분무된다.
  c) 가공 소재의 표면은 그리트 블라스팅 등의 전처리를 하여 표면에 미세한 요철을 만들어 밀착 정도를 높인다.
• 화학 불꽃용사에 대한 특징
  a) 온도가 높아 금속, 비금속의 고융점 물질 용사가 가능하다.
  b) 실드 용사법이나, 불활성 가스 분위기(Ar)에서 하므로 용사 재료가 잘 산화되지 않는다.
  c) 용사 미립자의 충돌 속도가 크므로 큰 부착력을 얻는다.
  d) 가공물이 작고 매우 치밀한 피막을 얻을 수 있다.
• 용도
  로켓의 탄두나 기관의 배기통에 내열을 위한 세라믹 코팅과 금형이나 프레스 공구에 수명 연장을 위한 초경 합금 코팅 등의 내식성과 내열성 및 단열을 요하는 부품에 널리 이용된다.

3.5 플라즈마 에칭

• 에칭 방법
  가스($CF_4$)를 글로우 방전에 의해 플라즈마 상태로 만들고, 그로 인해 화학 반응성이 큰 물질이 생겨 고체인 가공물과 반응하여 휘발성의 화합물이 발생한다.
  가스의 압력이나 가스의 분위기 조성, 플라즈마 발생에 사용하는 고주파 전력 등을 바꾸어 에칭 속도를 조정한다.
• 특징
  a) 공정이 공기 중에 이루어져 취급하기 쉽다.
  b) 언더컷이 적어서 표면 거칠기 및 치수 정도가 높다.
  c) 미세한 고정밀도의 가공이 된다.
  d) 공정을 단순화, 자동화하기 쉽다.