전자빔 용접(Electron Beam Welding) 완벽 가이드: 공정, 장점, 응용

전자빔 용접(Electron Beam Welding, EBM)이란?

EBM이란?

EBM 또는 전자빔 용접은 고에너지 전자빔이 생성하는 열을 이용하는 용접 공정입니다. 전자가 공작물에 충돌하면 운동에너지가 열에너지로 변환되어 금속을 가열하여 공작물 양측이 결합되고 동결 후 용접부가 형성됩니다.

전자빔 용접은 액체 상태 용접 공정이기도 합니다. 금속 간 접합이 액체 또는 용융 상태에서 형성되기 때문입니다. 전자의 운동에너지를 이용해 두 금속 공작물을 접합하므로 용접 공정이라고도 부릅니다.

EBM 발명 역사

이 용접은 1958년 독일 물리학자 칼 하인츠(Karl-Heinz)에 의해 발명되었습니다. 이 공정에서 고속 전자 흐름이 용접 판에 충돌하여 운동에너지가 열에너지로 변환됩니다.

이 열에너지는 공작물을 녹여 하나로 결합하기에 충분합니다. 이 전체 공정은 진공 상태에서 이루어지며, 그렇지 않으면 전자가 공기 입자와 충돌하여 에너지를 잃게 됩니다.

전자빔 용접기 구매 시 비용은 Sciaky의 EBW-112x102x66 모델 기준 약 1,000,000달러입니다. 이 기계는 30kW W2000 컴퓨터 제어 고진공 빔 용접기로, 저전압(60kV) 건을 갖추고 있습니다.

EBM 장비

다음은 EBM 장비입니다:

1. 전자총(Electron gun)
2. 양극(Anode)
3. 자기 렌즈(Magnetic lenses)
4. 전자기 렌즈 및 편향 코일(Electromagnetic lens and deflection coil)
5. 공작물 고정 장치(Work holding device)
6. 진공 챔버(Vacuum chamber)
7. 전원 공급 장치(Power supply)

1. 전자총(Electron Gun)

전자빔 용접의 핵심 장비입니다. 전자를 생성하고 가속하여 한곳에 집중시키는 음극관(음극)입니다. 이 건은 보통 텅스텐이나 탄탈륨 합금으로 만듭니다. 음극 필라멘트를 2500°C까지 가열하여 전자를 연속 방출시킵니다.

2. 양극(Anode)

전자총 바로 뒤에 있는 양극입니다. 주요 기능은 음전하(이 경우 전자)를 끌어당겨 경로를 제공하고 경로에서 벗어나지 않게 하는 것입니다.

3. 자기 렌즈(Magnetic Lenses)

수렴하는 전자만 통과시키는 일련의 자기 렌즈입니다. 낮은 에너지의 발산 전자를 모두 흡수하고 고강도 전자빔을 제공합니다.

4. 전자기 렌즈 및 편향 코일(Electromagnetic Lens and Deflection Coil)

전자기 렌즈는 전자빔을 공작물에 초점 맞추는 데 사용되고, 편향 코일은 빔을 예상 용접 영역으로 편향시킵니다. 이들은 EBW 공정의 최종 단위입니다.

5. 공작물 고정 장치(Work Holding Device)

이 용접 공정은 3축 회전이 가능한 CNC 테이블을 사용하여 공작물을 고정합니다. 용접 판은 적절한 고정구를 사용하여 CNC 테이블에 고정됩니다.

6. 진공 챔버(Vacuum Chamber)

이 전체 공정은 진공 챔버에서 이루어집니다. 진공은 기계식 또는 전기 구동 펌프로 생성됩니다. 진공 챔버의 압력 범위는 약 0.1~10Pa입니다.

7. 전원 공급 장치(Power Supply)

이 EBM 용접 공정은 용접을 위한 연속 전자빔을 공급하는 전원을 사용합니다. 얇은 용접용 저전압 장비의 용접 전압 범위는 약 5~30kV, 두꺼운 용접용 고전압 장비는 70~150kV입니다.

전자빔 용접의 작동 원리

전자빔 가공의 원리로 작동합니다. 이 공정은 전자의 운동에너지를 이용해 열을 생성합니다. 이 열로 두 용접 판을 용접합니다.

고속 전자 흐름이 용접 판에 충돌하면 운동에너지가 열에너지로 변환됩니다. 이 열에너지는 두 금속 판을 결합하여 용융 접합부를 형성하기에 충분합니다.

전자빔 용접의 작동

EBM은 고에너지 전자빔이 생성하는 열을 이용하는 용접 공정입니다. 전자가 공작물에 충돌하면 운동에너지가 열에너지로 변환되어 금속을 가열하여 공작물 양측이 결합되고 동결 후 용접이 형성됩니다.

공정은 약 2×10⁻⁷~2×10⁻⁶ psi(0.0013~0.0013Pa) 압력의 진공 챔버에서 수행됩니다. 이러한 고진공은 전자가 공기 분자와 충돌하여 에너지를 잃는 것을 방지하기 위해 필요합니다.

전자는 음극(전자총)에서 방출됩니다. 음극과 양극 사이의 고전압(약 150kV)으로 인해 전자는 빛의 30~60% 속도까지 가속됩니다. 전자의 운동에너지는 표적 용접부를 녹이기에 충분해집니다. 전자 에너지의 일부는 X선 조사로 변환됩니다.

전기장에 의해 가속된 전자는 초점 코일에서 얇은 빔으로 집속됩니다. 편향 코일은 전자빔을 용접선을 따라 이동시킵니다. 전자빔은 강철 기준 0.004"(0.01mm)~6"(150mm), 알루미늄 기준 20"(500mm) 두께의 공작물을 용접할 수 있습니다.

전자빔 용접은 다른 용접 방법으로 용접하기 어려운 금속(내열 금속: 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀; 화학적으로 활성인 금속: 티타늄, 지르코늄, 베릴륨)을 포함한 모든 금속을 접합하는 데 사용할 수 있습니다.

전자빔 용접은 이종 금속 접합에도 가능합니다. 배치는 그림과 같이 수행됩니다.

전자빔 용접의 장점

1. 치밀한 연속 용접이 가능합니다.
2. 변형이 적습니다.
3. 좁은 용접폭과 좁은 열영향부.
4. 필러 금속이 필요 없습니다.
5. 동질 및 이종 금속 모두 용접 가능합니다.
6. 높은 금속 접합 속도를 제공합니다.
7. 경질 재료 용접이 가능합니다.
8. 높은 표면 조도의 용접을 제공합니다.
9. 전체 공정이 진공에서 이루어져 용접 결함이 적습니다.

전자빔 용접의 단점

1. 장비가 매우 비쌉니다.
2. 생산 비용이 높습니다.
3. X선 방사선이 발생합니다.
4. 자본/설치 비용이 높습니다.
5. 정기적인 유지보수가 필요합니다.
6. 공작물 크기가 진공 챔버에 따라 제한됩니다.
7. 고도로 숙련된 노동력이 필요합니다.

전자빔 용접의 응용 분야

1. 항공우주 산업과 해양 산업의 인프라 작업에 사용됩니다.
2. 자동차 산업에서 기어, 변속기 시스템, 터보차저 등 연결에 일반적으로 사용됩니다.
3. 티타늄 및 합금 접합에 적용됩니다.
4. 전자 산업에서 전자 커넥터 용접에 사용됩니다.
5. 원자로와 의료 산업에서도 이 EBM 용접 공정을 사용합니다.

결론

이제 EBM에 대한 모든 의문점이 해소되었기를 바랍니다. 여전히 '전자빔 용접'에 대한 궁금한 점이 있다면 댓글로 문의해 주세요. 읽어주셔서 감사합니다. 기사가 마음에 드시면 친구들과 공유해 주세요. 주제에 대한 질문이 있으면 댓글 섹션에 남겨주세요. 새 글 알림을 받으려면 뉴스레터를 구독하세요.