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용접 전원의 멘탈 모델
전류는 깊이, 전압은 폭, 속도는 높이
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왜 엔지니어는 아크전압 문제를 틀리는가?
프로세스 엔지니어는 P=IV 공식으로 "전압↑ = 전력↑ = 용입↑"을 직관한다. 하지만 아크 물리학에서는 이 직관이 성립하지 않는다. 전류와 전압은 비드 형상의 서로 다른 축을 지배하기 때문이다.
| 파라미터 | 지배 영역 | 메커니즘 |
|---|---|---|
| 전류 (I) | 용입 깊이 | 음극점 전자 충격 에너지 밀도 |
| 전압 (V) | 비드 폭 | 아크 길이 ∝ 전압, 아크 원뿔 확산 |
| 속도 (v) | 비드 높이·입열량 | 단위 길이당 용착량·열량 |
아래 슬라이더로 체득하라. P=IV 직관이 깨지는 지점이 학습 포인트다.
입열량 (HI)
8.23 kJ/cm
단면적 근사
540.1 mm²
용입 / 폭 / 높이
47·111·21 px
⚠️ 입열량 > 2.5 kJ/cm — HAZ 결정립 성장·변형 위험
200 A
100→ 용입 깊이 지배300
24 V
18→ 비드 폭 지배32
35 cm/min
20→ 비드 높이·입열량60
Rule of Thumb — "전류는 깊이, 전압은 폭, 속도는 높이" ① 전류 → 용입 깊이 (Current drives Penetration) ② 전압 → 비드 폭 (Voltage drives Width) ③ 속도 → 비드 높이 & 입열량 (Speed drives Deposit Rate) 입열량 공식: HI = (V × I × 60) / (Speed × 1000) [kJ/cm]. 관리 범위 0.8~2.5 kJ/cm.
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저전압 vs 고전압 비교 (전류·속도 고정)
전류 200A, 속도 35 cm/min 고정 조건에서 전압만 변화시키면:
| 조건 | 비드 폭 | 단면 형상 | 용입 | 스패터 |
|---|---|---|---|---|
| 저전압 18V (아크 짧음) | 좁음 | 볼록·높음 | 깊음 | 적음 |
| 고전압 30V (아크 김) | 넓음 | 평평·오목 | 얕음 | 증가 |
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> 이 차이는 전압이 에너지 총량이 아니라 아크 길이를 바꾸기 때문이다. 아크가 길어지면 열이 넓게 퍼지면서 모재 중앙 집중도가 떨어져 결과적으로 용입이 감소한다.
현장 팁 — WPS에서 전류·전압·속도가 모두 Essential Variable인 이유는 이 셋이 독립적으로 비드 형상을 결정하기 때문이다. 한 축만 바뀌어도 용입/폭/높이의 균형이 깨져 PQR 재수행이 필요할 수 있다. (ASME Section IX QW-253 참조)
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
CO₂ 아크 용접에서 아크전압을 높였을 때 비드에 나타나는 변화로 옳은 것은?