플라즈마 절단기 기술

절단 품질, 생산성, 운용 비용, 다용도성을 조합한 플라즈마 아크 절단이 가장 인기 있는 산업용 절단 작업이 됩니다.

플라즈마란?

플라즈마는 제4의 물질 상태입니다. 일반적으로 물질은 고체, 액체, 기체라는 3가지 상태로 존재합니다. 흔한 물질인 물을 예로 살펴보면, 이러한 3가지 상태는 얼음, 물, 수증기입니다.

이러한 상태 간의 차이는 상대적인 에너지 순위입니다. 열이라는 형태의 에너지를 얼음에 추가하는 경우, 얼음이 녹아 물을 형성합니다. 에너지를 더 추가하면 물이 증발하여 증기가 됩니다. 증기에 훨씬 많은 에너지를 더 추가하면(약 11,700°C(21,092° F)까지 가열) 증기가 몇 개의 가스 성분으로 분리되어, 전기 전도성이 되거나 이온화될 수 있습니다. 이 고에너지 이온화 가스를 플라즈마라고 합니다.

1950년대에 플라즈마는 열 절단 작업으로 인식되기 시작했습니다. 초기 플라즈마 절단 적용 분야는 제한적이고 절단 결과는 초보 수준이었습니다. 1968년 Dick Couch가 방사형 물 주입을 도입했습니다.  특허를 받은 이 노즐 기술은 플라즈마 아크를 수축시켜 에너지 밀도를 높이는 동시에, 냉각을 개선하여 절단 속도와 절단 품질을 높이고 산소 연료 절단 작업보다 5배 빠른 속도로 탄소강을 절단할 수 있게 했습니다. 확장된 적용 분야, 빠른 절단 속도, 개선된 사용효율로 플라즈마는 빠르게 기존의 금속 절단 기술인 산소 연료로부터 시장 점유율을 빼앗아오기 시작했습니다. 

플라즈마 절단 작업은 지난 50년 동안 계속 개선되어 왔으며, 오늘날 전세계 제작업체와 금속 작업자들은 산소 연료 대신 플라즈마를 선택하고 있습니다.

1. 플라즈마는 탄소강과 비철 금속을 포함한 모든 전도성 소재를 절단할 수 있는 반면, 산소 연료 절단은 탄소강으로 제한됩니다. 

2. 플라즈마는 두꺼운 금속과 얇은 금속을 모두 절단할 수 있습니다. 두 작업 모두 기술적으로 광범위한 두께를 절단할 수 있지만, 산소 연료로 얇은 금속이나 판금을 절단하는 것은 정확하지 않고 소재를 뒤틀 수 있는 열 영향부가 크고 훨씬 느린 작업이기 때문에 실용적이지 않습니다. 이러한 이유로 산소 연료는 일반적으로 두께가 50mm(2인치)를 초과하는 금속에 사용됩니다.

3. 플라즈마는 가연성 가스를 사용해야 하는 산소 연료보다 안전합니다. 

4. 플라즈마는 더 빠릅니다. 게이지 소재의 경우 플라즈마 절단 속도가 산소 연료 절단 속도보다 12배 빠르고, 최대 1인치 소재의 경우 플라즈마 절단 속도가 산소 연료보다 2배 빠릅니다. 플라즈마는 또한 자동 절단 생산성에 큰 영향을 미칠 수 있는 훨씬 빠른 피어싱 시간을 제공합니다. 

5. 일반적으로 플라즈마는 운영하는 데 비용이 더 적게 듭니다. 산소 연료와 달리 플라즈마는 실린더를 자주 다시 채울 필요가 없습니다. 예를 들어, 두꺼운 연강 절단을 할 때 플라즈마는 산소가 적고 빠릅니다. 

6. 플라즈마는 보다 정확하게 절단합니다. 숙련된 산소 연료 작업자라면 이 두 작업 모두에서 매우 우수한 절단 품질을 얻을 수 있습니다. 하지만 전반적으로 플라즈마 절단기는 더 나은 각도, 더 얇은 커프, 더 작은 열 영향 영역, 드로스 없이 더 정확하고 깔끔하게 절단할 수 있도록 해줍니다.

7. 플라즈마는 사용이 더 쉽습니다. 산소 연료 절단 토치를 사용할 때는 작업자의 숙련도에 따라 그 결과가 매우 달라집니다. 산소 연료 절단은 작업자가 절단할 표면과 일정한 거리를 유지하면서 불꽃의 화학적 성질을 설정하고 유지해야 하므로 완벽한 작업을 위해서는 연습을 필요로 하는 어려운 기술의 일종입니다. 반면 플라즈마는 훨씬 더 쉽고 빠르게 습득할 수 있습니다. 공기 플라즈마 절단기인 Hypertherm Powermax SYNC® 시리즈와 같은 시스템은 일체형 카트리지 소모품을 사용해 더욱 사용하기가 쉽습니다.

플라즈마 절단이란?

플라즈마 절단 장비 또는 플라즈마 절단기는 플라즈마 스트림을 사용하여 전도성 소재에 에너지를 전달합니다. 플라즈마 스트림은 대개 질소, 산소, 아르곤 또는 심지어 공기와 같은 가스를 좁은 노즐로 통과시켜서 형성됩니다. 외부 전원공급장치에 의해 생성되는 전류는 이온화에 충분한 에너지를 가스 흐름에 추가하여 플라즈마 아크로 바꿉니다. 이러한 이유로 이 작업을 보통 플라즈마 아크 절단이라고 부릅니다. 플라즈마 아크는 녹이는 방법으로 작업물을 절단한 후 용융된 금속을 불어냅니다.

플라즈마 절단기는 얼마나 뜨겁습니까?

플라즈마 절단 시스템에서 생성되는 플라즈마 아크는 40,000°F에 달하기 때문에 플라즈마 절단기의 온도는 매우 높습니다. 비교하자면, 태양 표면은 약 10,000˚F 입니다.

플라즈마 절단의 종류

수동 플라즈마 절단

휴대성, 생산성, 성능, 사용 편의성 때문에 수동 플라즈마는 다양한 산업과 적용 분야(중장비 수리, 구조용 강철, 조선, DIY 등)에서 연강, 스테인리스 스틸, 알루미늄 절단에서 선호하는 절단 기술입니다. 대부분의 수동 플라즈마 시스템은 전기와 압축(플라즈마 가스로 공기)을 결합하여 핸드 토치 끝에서 생성되는 플라즈마 아크를 생성하는 인버터 기반 전원공급장치(대부분의 용접기 등)로 구성됩니다. 수동 플라즈마 시스템에는 라인 또는 발전기의 전기가 필요하며, 에어 컴프레서 또는 용기로부터 압축 공기를 필요로 합니다.  

자동 CNC 플라즈마 절단

자동 플라즈마 절단은 생산 환경에서 탄소강과 다양한 비철 금속을 절단하는 자동 방법입니다. 자동 플라즈마 절단에는 일반적으로 다음이 포함됩니다. 

• 가공물 및 초기 연기 완화를 위한 고정 장치 역할을 하는 플라즈마 테이블(물 기반 다운드래프트)

• 필요한 전류를 생성하는 플라즈마 토치 전원공급장치

• 가스 유량 및 압력을 제어하는 자동 가스 혼합기 및 조절기

• 시작/중지 신호, 이동 속도, CAM 파일 읽기에 따른 방향을 제공하는 CNC 컨트롤러

• 적절한 절단 및 피어싱 높이로 토치를 조정하는 머신 토치 높이 컨트롤러

• 절단 동작을 생성하기 위한 일련의 드라이브가 있는 고성능 갠트리 및 레일 시스템

3D 및 로봇 플라즈마 절단

빠르게 발전하는 제품에는 오늘날 시장이 전례 없이 많은 양으로 요구하는 복잡한 모양, 디테일, 품질을 고려하기 위해 빠르게 발전하는 제조 장비가 필요합니다. 더욱 복잡하고 전례 없는 수요에 대응하기 위해 여러 산업 분야의 제조업체는 고품질 절단이 필요한 일부 복잡하고 수요가 많은 제품에 대한 절단 솔루션으로 3D 또는 로봇 플라즈마로 눈을 돌리고 있습니다. 산업용 로봇 팔 또는 COBOT을 자동 플라즈마 절단 시스템과 결합하여 제조업체는 접근하기 어려운 곳의 탄소강, 스테인리스 스틸, 알루미늄을 매우 세밀하게 절단할 수 있으므로 2D 또는 XY 플라즈마 절단 시스템에서처럼 작업물을 이동할 필요와 시간을 줄일 수 있습니다. 표준 2D 또는 XY 플라즈마 절단 시스템에 비해 3D 또는 로봇 플라즈마 절단 시스템은 일반적으로 더 짧고 좁은 토치와 빠른 3D 움직임을 고려한 더 유연하면서도 견고한 토치 리드를 갖추고 있습니다. 3D 또는 로봇 플라즈마 절단 작업에는 추가 안전 장벽도 필요합니다. 

플라즈마 절단 시스템

자동 절단 작업의 경우 절단 장비를 프로그래밍하는 데 플라즈마 절단 소프트웨어를 사용합니다. 어떤 경우에는, CNC 소프트웨어가 개별 부품 또는 작은 실행을 프로그래밍하는데 사용될 수 있지만, 대부분의 제작업체와 제조업체는 일반적으로 훨씬 더 뛰어난 기능과 성능을 제공하는 CAD/CAM 배열 소프트웨어를 사용합니다.

플라즈마 절단을 위한 일부 CAD/CAM 배열 소프트웨어는 사실상 플라즈마 절단 작업의 거의 모든 측면을 제어하고 자동으로 설정할 수 있습니다. 예를 들어, Hypertherm의 ProNest^®는 아크 전류, 전압, 가스 유량, 절단 흐름 설정, 절단 속도, 절단 높이, 피어싱 높이 등의 파라미터를 지원합니다. 이 모두는 장비 작업자의 작업을 간소화하고 생산성을 높이기 위한 것입니다.

플라즈마 절단 소프트웨어에서 주로 볼 수 있는 다른 기능은 다음과 같습니다.

• 충돌 회피

• 체인 절단

• 브릿지 절단

• 겹침 선 절단

• 복수 헤드 절단

• 스켈리톤 절단

다음과 같은 경우에 소프트웨어는 최적화된 결과를 제공할 수 있습니다.

• 향상된 홀 품질

• 더 간편한 베벨 설정

• 더 빨라진 주기 시간

일반적인 용도와 산업

플라즈마 아크 절단은 수동식과 자동화 시스템에 모두 사용되어, 연강, 탄소강, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 황동, 기타 금속 등을 포함한 다양한 범위의 전도성 소재를 절단합니다.

플라즈마 절단 적용 분야는 다음과 같습니다.

플라즈마 베벨 절단

플라즈마 베벨 절단은 부품 상단에서 수직이 아닌 가장자리를 포함한 부품을 절단하는 프로세스입니다. 금속 부품과 파이프는 용접 준비 작업 또는 피팅 작업의 일부로 플라즈마로 베벨 처리할 수 있습니다. 플라즈마 베벨은 베벨의 목적에 따라 다양한 각도와 구성으로 절단할 수 있습니다. 

플라즈마 가우징

플라즈마 절단과 마찬가지로 플라즈마 가우징은 토치와 작업물 사이에 플라즈마 아크를 사용하여 금속을 제거합니다. 표면 금속이 용융되고 가스 제트가 피어싱이나 절단 없이 작업물에서 용융된 금속을 날려버립니다. 그러나 가우징에서는 특별히 설계된 소모품이 아크를 더 넓게 생성하고 토치가 특정 각도로 유지되고, 소재의 일부만 불어냅니다. 플라즈마 가우징은 용접 수리, 용접 준비, 딱딱한 면 제거, 중장비 수리에 사용할 수 있습니다. 플라즈마 가우징은 탄소 아크 가우징을 대체하려는 제작업체와 제조업체에게 유용한 대안입니다. 

플라즈마 구멍 절단

Hypertherm의 True Hole® 기술은 출시된 이래로 고품질의 볼트 체결 구멍을 필요로 하는 사람들이 많이 찾는 제품이 되었습니다. 기존에는 기계 작업자가 플라즈마 절단 테이블에서 직접 우수한 홀 품질을 얻는 데 어려움을 겪었으며, 드릴 작업으로 하면 종종 2차 작업을 했어야 했습니다. 홀 테이퍼를 거의 없애고 진원도를 개선하는 연강용 특허 공정인 True Hole 기술은 플라즈마를 사용하여 이전에 가능했던 것보다 훨씬 우수한 홀 품질을 생성합니다.

플라즈마 플러시 절단

플라즈마를 사용한 플러시 절단은 일반적으로 전체 표면을 절단하거나 손상시키지 않고 평평한 기본 소재의 표면에서 부착물, 돌출부 또는 고정물을 제거하는 데 사용됩니다. 수동식 플라즈마 장비를 사용한 플러시 절단은 토치 헤드에서 45° 각도로 플라즈마 아크를 향하게 하는 특수 소모품을 사용하여 효율적으로 수행됩니다.

플라즈마 정밀 절단

매우 미세한 디테일이나 복잡한 모양을 가진 부품을 절단할 때는 매우 얇은 커프를 생성할 수 있는 프로세스가 필요합니다. 정밀 플라즈마 절단은 고도로 제어된 움직임, 플라즈마 아크 제어, 최소한의 커프를 생성하는 좁지만 조밀한 플라즈마 아크를 가능하게 하는 소모품 기술, 소프트웨어, 자동화 제어를 통해 가능합니다. Powermax용 FineCut® 소모품은 40암페어 이하에서 더 얇은(4mm 또는 3/16인치 이하) 소재를 절단하는 데 이상적인 더 좁은 커프와 더 단단한 아크를 생성하므로 판금 적용 분야에 이상적입니다. 

플라즈마로 스크랩 및 스켈리톤 절단

자동 절단 후 금속 플레이트 또는 “스켈리톤”의 잔여물을 절단하고 제거하는 것은 일반적으로 느리고 노동 집약적인 작업입니다. 또한 날카로운 모서리가 있는 불편하고 무거운 물건을 취급하는 등 작업자에게 많은 위험을 초래할 수 있습니다. 플라즈마 또는 산소 연료 CNC 테이블에서 절단하는 거의 모든 작업이 플라즈마 스켈리톤 제거 기술의 혜택을 볼 수 있습니다. 플라즈마로 스켈리톤 절단의 장점은 다음과 같습니다. 

• 생산성이 최대 75% 증가(12mm(1/2인치) 연강 두께 및 업계 표준 데이터 기준)

• 스켈리톤의 더 빠른 절단과 언로딩은 더 많은 CNC 테이블 활용과 처리량 증가를 의미합니다.

• 교육 시간 단축: 산소 연료의 경우 40시간 까지 걸리는 작업자 교육을 4시간으로 단축합니다.

• Hypertherm의 Duramax 및 Duramax Hyamp Long 토치는 작업자가 플라즈마 테이블 옆에 자연스러운 자세로 설 수 있어 인체공학적 문제를 방지하고 사고 가능성을 최소화합니다.

산소 연료보다 플라즈마를 선택하면 취급하기 어렵고 위험한 가스 실린더를 없애 작업장이 더욱 안전해집니다.

플라즈마로 마킹

제작업체 및 제조업체는 주기적으로 금속에 마킹하여 벤딩 또는 스코어 라인을 표시하고, 파트 넘버와 바코드 등 정확한 기술 정보를 파트에 추가합니다. 일반적으로, 이러한 작업은 해머와 펀치, 파우더 또는 잉크, 동석, 수동식 새김 장비를 사용하여 수동으로 또는 자동 플라즈마나 산소 연료 절단 테이블의 주요 공정으로 이루어집니다. 암페어를 줄이고 압축 공기, 아르곤 또는 F5를 플라즈마 가스로 선택하면 플라즈마 장비 소유자는 기존 절단 시스템을 사용하여 다양한 마킹을 할 수 있습니다.  

플라즈마 산업 및 시장:

농업 및 목축업

농업 및 목축업에서 플라즈마 적용 분야:

• 농기구 제조

• 농기구 수리

• 금속 울타리 수리

조선

조선업에서 플라즈마 적용 분야:

• 무거운 철판 처리

• 용접 준비를 위한 후면 가우징

• 플러시 절단으로 패드 아이 제거

광업

광업에서 플라즈마 적용 분야:

• 채굴 장비 제조

• 채굴 장비 수리

• 가우징 표면 경화

에너지

에너지 업계에서 플라즈마 적용 분야:

• 파이프라인 건설 및 유지 관리

• 정제소 수리 및 유지 관리

• 석유 장비 제조

• 압력 용기 제작

HVAC와 기계식 제작(가공)

HVAC와 기계식 제작에서 플라즈마 적용 분야:

• 판금 가공

• 설치 및 트리밍

스틸 서비스 센터

스틸 서비스 센터에서 플라즈마 적용 분야:

• 두꺼운 철판 절단

• 얇은 철판 절단

• 소재 다양성 및 적용 분야 유연성

• SureCut 생산성 적용 분야

건설 장비/

건설 장비에서 플라즈마 적용 분야:

• 건설 차량 제조

• 건설 차량 수리

• 버킷 및 구현 수리

• 용접 제거 및 수리

차량 수리/

자동차 복원에서 플라즈마 적용 분야:

• 맞춤식 부품 제작

• 점용접 제거

• 볼트 제거

• 배기 및 언더바디 적용 분야

아트워크, 간판, 장식품

아트워크, 간판, 장식에서 플라즈마 적용 분야:

• 작은 CNC 플라즈마 테이블

• 더 좁은 커프용 FineCut 소모품

파이프와 파이프라인

파이프 및 파이프라인에서 플라즈마 적용 분야:

• 파이프라인 수리 및 생산

• 핏업

• 파이프 면취

• 파이프 절단

• 트랙 버너

일반 건설

일반 건설에서 플라즈마 적용 분야:

• 금속 빌딩 건설

• 구조강 프레임

• 볼트 제거

일반 제작 및 작업장

제작 및 작업장에서 플라즈마 적용 분야:

• ProNest의 CAD/CAM 기능

• Powermax를 이용한 자동 절단

• XPR 기술로 자동 절단

• 고정밀도 절단