개념 한 쪽
전기공사기사 전기용접 — 아크·저항·전자빔 열원과 표피효과
전기용접 세트는 접합에 쓰는 열원의 원리와 그 특성을 묻는다. 아크는 전류가 커질수록 전압이 떨어지는 부성저항(수하) 특성을 가지므로 안정 저항이나 안전 리액턴스를 직렬로 넣어 전류를 억제한다. 직접저항 가열은 피가열물 자체에 전류를 흘려 줄열을 내고, 흑연화 전기로는 탄소재를 직접 통전하는 방식이며 전극은 탄소(흑연)를 쓴다. 전자빔 가열은 에너지밀도가 가장 높아 고융점 재료와 금속박의 용접에 적합하고, 고주파 전류가 도체 표면에 몰리는 표피효과는 표면 열처리에 이용된다.
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뜻
아크 가열의 핵심은 불안정한 전압-전류 특성이다. 아크는 전류가 증가할수록 전압이 감소하는 하강 특성, 곧 부성저항 특성을 보인다. 저항이 음수처럼 작용하면 전류가 폭주하거나 아크가 꺼질 수 있어, 회로에 안정 저항 또는 안전 리액턴스를 직렬로 넣어 전류를 일정하게 유지한다. "안정저항"이나 "부성저항"이라는 말이 나오면 아크 방전과 아크 가열을 떠올린다.
직접저항 가열은 피가열물 자체에 전류를 흘리는 방식이다. 물체의 저항 때문에 줄의 법칙 P=I²R에 따른 줄열이 발생해 스스로 뜨거워지므로, 별도의 발열체가 필요 없다. 흑연화 전기로(아치슨로)가 대표적이다. 탄소 소재를 수천 도로 가열해 흑연으로 바꾸는 공정에서 탄소재 자체에 큰 전류를 통전하면 저항열로 고온이 된다. 이때 전극은 융점이 매우 높고 초고온에서도 견디는 탄소(흑연) 전극을 쓴다.
전자빔 가열은 가속한 전자를 좁은 점에 집속해 부딪히게 하는 방식이다. 에너지밀도가 다른 가열 방식보다 월등히 높아, 녹는점이 매우 높은 고융점 재료도 그 부위만 순간 가열할 수 있고 열이 주변으로 퍼지지 않아 얇은 금속박의 정밀 용접에도 적합하다.
고주파 전류를 도체에 흘리면 전류가 표면 쪽에 몰리는 표피효과가 나타난다. 중심부를 지나는 자속 변화 때문에 반대 방향 유도 기전력이 생겨 중심부로는 전류가 잘 흐르지 못하기 때문이다. 이 성질을 이용하면 도체의 얇은 표면층만 선택적으로 가열하는 고주파 표면 열처리가 가능하다. 한편 유전 가열은 절연체를 고주파 전계로 가열하는 방식이라 전기로의 가열방식인 저항·유도·아크와는 구분된다.
예제
출제 패턴은 다섯 가지다. ① 아크 특성 — 부성저항·수하특성·안정저항 키워드가 한 묶음으로 나온다. ② 직접저항 — "피열물에 직접 통전"이면 직접식 저항 가열이고, 흑연화로는 탄소재 자체 통전 방식이다. ③ 전극 재료 — 흑연화 같은 초고온 공정에는 탄소(흑연) 전극을 고른다. ④ 전자빔 — 고융점 재료·금속박·정밀 용접이라는 조건이 붙으면 전자빔 가열이다. ⑤ 표피효과 — 고주파 전류의 표면 집중과 표면 열처리를 연결한다. 유전 가열은 전기로의 가열방식이 아니라는 경계 문제도 함께 나온다.
자주 묻는 물음
- 아크 가열에 안정 저항이 필요한 이유는 무엇인가요?
- 아크는 전류가 커질수록 전압이 감소하는 부성저항(수하) 특성을 가져 방전이 불안정합니다. 전류를 일정하게 억제하려고 안정 저항이나 안전 리액턴스를 직렬로 넣습니다.
- 흑연화 전기로의 가열 방식과 전극 재료는?
- 흑연화 전기로는 탄소재 자체에 전류를 통전해 줄열로 가열하는 직접 저항 가열 방식입니다. 초고온을 견뎌야 하므로 전극은 탄소(흑연) 전극을 씁니다.
- 표피효과란 무엇이고 어디에 이용되나요?
- 고주파 전류를 도체에 흘리면 전류가 도체 표면 쪽에 집중되는 현상입니다. 이 성질을 이용해 금속의 표면만 가열하는 고주파 표면 열처리를 합니다.
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